ВсОШ 2024, 10 класс, №10-2
Элементы – одной группы Периодической системы образуют соединения, отвечающие простейшей формуле . Все пять соединений сильно летучие, самовоспламеняются на воздухе и бурно реагируют с водой. Некоторые свойства этих соединений представлены в таблице.
| При | Ткип при мм.рт.ст. | Среднее расстояние Э–С* | Окраска пламени | |
|---|---|---|---|---|
| Бесцветная жидкость | Å | |||
| Бесцветный газ | Å | зеленая | ||
| Бесцветная жидкость | ||||
| Белые кристаллы | разл. со взрывом при при мм.рт.ст. при мм.рт.ст. | Å | ||
| Белые кристаллы | (начало разл. при | Å | фиолетовая | |
| * по данным рентгеноструктурного анализа монокристаллов |
Задания:
Рассчитайте, какой могла бы быть температура кипения при давлении мм.рт.ст., если бы оно не разлагалось. Используйте зависимость давления пара от температуры (в Кельвинах) = ( ).
Температура кипения, , до целых. Расчёт приведите в полном решении.
По рисунку оцените длины связей с точностью до . Измеряйте расстояния линейкой с точностью до мм. Учтите, что электронная плотность, соответствующая атомам водорода, не показана. Погрешность электронной плотности .
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
, Å, до сотых.
, Å, до сотых.
Установите элементы – . Объясните изменение температур кипения и длин связей Э–С.
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
Элемент .
Элемент .
Элемент .
Элемент .
Элемент .
Приведите структурные формулы и (стерео-вид с обозначением всех связей, образуемых атомами углерода).
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Какова природа связей в ?
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Для напишите реакции полного гидролиза и полного сгорания.
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
1. Рассчитаем по данным таблицы
Теперь рассчитаем температуру кипения, которая могла бы быть при давлении мм.рт.ст.:
следовательно, ( мм.рт.ст.) .
. Легко обнаружить две группы расстояний = Å и = Å. Эти расстояния нельзя усреднять между собой, поскольку разница между ними больше погрешности, и они соответствуют разным типам связей – терминальным (концевым) и мостиковым.
. При движении вниз по группе элементов в однотипных элементорганических соединениях (и не только в них) обычно наблюдаются тенденции – увеличение температур кипения (за счет увеличения массы и в отсутствие направленных межмолекулярных взаимодействий, например, водородных связей) и удлинение расстояний элемент-углерод за счет увеличения радиусов элементов. В этой связи рассмотрим . В этом соединении наикратчайшее расстояние элементуглерод и наименьшая Ткип в серии. Разумно предположить, что – это самый легкий из группы элементов. Учитывая окраску пламени, элемент – бор. В таком случае, – это таллий, в метил-производном которого наибольшая длина связи элемент-углерод, а рассчитанная Ткип соединения также наибольшая. Соответственно, чуть меньшее расстояние Э–С и несколько более низкая Ткип указывает на то, что – это индий. Это также подтверждается окраской пламени. Если опираться только на Ткип, то должен быть алюминий, а – галлий. Однако, метил-производное явно выбивается из ряда, поскольку имеет две существенно различные длины связи Э–С. Рассмотрение карты электронной плотности в кристалле этого соединения показывает, что на более тяжелых атома в одной плоскости лежат более легких, а в ортогональной плоскости еще таких же. То есть, суммарно на более тяжелых более легких. Соотношение максимумов электронной плотности составляет в среднем . Учитывая то, что один из атомов – углерод, можно с уверенностью заключить, что второй (более тяжелый, – это алюминий. В итоге, соединение – это димер триметилалюминия , который имеет «аномально» высокую Ткип в серии, где другие соединения мономерные. Набор из двух связей объясняется тем, что более короткие – связи с терминальными метилами, а более длинные – с мостиковыми. Соответственно, – это галлий, а = в простейших формулах рассматриваемых соединений.
. Стереоизображение атомов водорода в мостиковых метильных группах необязательно. Важно показать пять связей, образуемых атомами углерода мостиковых фрагментов.
. В , конечно, мостиковые атомы углерода не образуют ковалентных связей. Ковалентными (2-х-центровыми 2-х-электронными) являются только связи с терминальными метильными группами. Мостиковые связи с алюминием центровые 2-х-электронные, что отражается в их большей длине (то есть, меньшей кратности).
. Реакции полного гидролиза и полного сгорания представлены ниже.