ВсОШ 2024, 9–10 классы, №Н-6
«Структуры без конца»
Элемент образует ряд бинарных соединений с четырьмя разными элементами одной и той же группы, структуры которых имеют цепочечное строение и представлены на рисунках:
В скобках указана массовая доля элемента в составе соответствующего соединения. Все атомы обозначены одним цветом.
Определите стехиометрическое соотношение между белыми (Б) и серыми (С) атомами в составе указанных структур . В ответе укажите формулы в виде БхСу, где х и у натуральные.
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
Соотношение для .
Соотношение для .
Соотношение для .
Соотношение для .
Определите молекулярные формулы , ответ подтвердите расчетом.
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Простое вещество образует различные продукты в реакциях с окислителями:
Растворение в царской водке сопровождается выделением окрашенного газа и образованием бескислородной кислоты . У катиона ярко-красного цвета в составе экспериментально определили молярную массу г/моль, а степень окисления в нем такая же как в . У зеленого катиона в составе молярная масса г/моль и степень окисления как в . Атомы в структуре каждого из указанных катионов неразличимы между собой, красный и зеленый катионы содержат в своем составе один и тот же геометрический фрагмент, не являющийся звеном цепи. Катион в составе имеет заряд , М г/моль, а степень окисления в нём такая же как в .
Определите неизвестные вещества , ответ обоснуйте.
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Изобразите структурные формулы катионов, входящих в состав и . Просьба представить в качестве ответа на задачу молекулярные формулы веществ в виде таблицы (если ответили лишь на вопрос – напишите в ячейки формулы в виде БхСу):
Структурные формулы катионов и привести сразу после таблицы ответов.
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. Элементарные повторяющиеся звенья цепей:
. Оба элемента в составе являются неметаллами: Б проявляет склонность к образованию протяженных цепей, а С имеет низкие координационные числа и , нехарактерные для металлов. Склонность к образованию цепей посредством ковалентных неполярных связей проявляют элементы группы: сера, селен и теллур (реже кислород), эти элементы подходит на роль атомов Б. Судя по молекулярной формуле , естественная валентность элемента С не должна превышать , в противном случае валентность Б в равна . На роль атомов С подходят галогены. Проверим расчётом две возможных гипотезы:
Б – один и тот же элемент группы, С – разные элементы группы.
Б – разные элементы группы, С – один и тот же элемент группы. Выразим молярные массы С через молярную массу Б = М.
= = ; = M/(M + = ; =
= ;
= M/(M + = . Выражения для - молярных масс предполагаемых галогенов: = ; = ; = ; = . Если речь идёт о галогенах, то самый лёгкий = , = , = , = . Сравним = / = с M(Cl)/M(F) = = , далее сравним / =
/ = с M(I)/M(Br) = = .
Погрешность в четвертом знаке свидетельствует о верности гипотезы «». М = = = г/моль, следовательно А = Те. Покажем несостоятельность гипотезы «»: пусть молярные массы различных Б, а С – молярная масса одного и того же элемента (предположительно галогена): Выразим из полученных выше формул для , соответствующие М: =
; = ; = ; = , самые лёгкие элементы группы это и , проверим = , = . / = , что не соответствует как = = M(S)/M(O), так и = = M(Se)/M(S). Формулы соединений: = , = , = , = .
. Подобно сере и селену, теллур окисляется кислородом до , = , растворение в перекиси водорода приводит к кислоте в высшей степени окисления элемента = (из-за бОльшего радиуса атома, в отличие от селена и серы, образующих «привычные» , а царская водка окисляет Те до = , в котором не самая высокая степень окисления стабилизирована благоприятным «мягким» окружением теллура из ионов . В состав катиона могут входить кислород, сера, водород и обязательно Те. Оценим, сколько атомов теллура (как самого тяжелого из названных элементов) может содержать этот катион: = = . Возникает мысль что = и других атомов, кроме Те в его составе нет, если учесть склонность к образованию цепей и циклов как в виде простых веществ, так и в составе катионов / анионов неметаллами группы. Для определения заряда иона вспомним что степень окисления Те в нем такая же как в , т.е. на атома Те будет приходится заряд , откуда формула красного иона . Формула соли = либо . Для число атомов Те в ионе = = при той же степени окисления Те что в , значит формула зелёного иона , откуда молекулярная формула = . Для иона p(Te) = = , т.е. содержит атома Те и другие элементы. Это не может быть ион «», поскольку степень окисления Те по условию , таким образом наличие азота в его составе исключаем. Остаются О и Н, на которые из г/моль приходится + = - = г/моль или атома О и атом Н. Формула катиона , = .
| или | или |
. Обсуждение возможной структуры катионов начнем с информации о равноценности атомов в них и того, что они содержит один и тот же геометрический фрагмент, не являющийся участком цепи. Структурой красного иона в может быть либо цикл, либо треугольная пирамида. Цикл выглядит предпочтительнее с учетом числа неподелённых пар у атома теллура: в пирамиде каждый атом оказался бы вовлечен в ковалентные связи, что повлекло бы заметный избыток электронов у каждого атома. «Собрать» зеленый ион из четырехчленных циклов можно лишь в том случае, если атомы теллура образуют правильную треугольную призму, боковые грани которой и будут циклами . Обратите внимание что с увеличением степени окисления Те при переходе от красного иона к зеленому у атомов теллура появилась возможность образовывать третью связь, вследствие ненасыщенности валентной оболочки Те за счет собственных электронов в зеленом ионе по сравнению с красным. Изобразим структуры катионов (плоский квадрат) и (треугольная призма):
