ВсОШ 2025, РЭ, 10 класс, №2

Решение

Определим простейшую формулу минерала исходя из представленной элементарной ячейки. На ней можно заметить три типа атомов, которым соответствуют маленькие шарики чёрного цвета, серые шарики среднего и большого размеров. Большие шарики находятся в вершинах, на гранях и в центре: + + = . Средние шарики находятся на ребрах и на гранях: + = . Чёрные шарики расположены вокруг атомов среднего размера по на каждый, т.е. их общее количество шт. По условию, атомов находятся вне ячейки (все они черные), атомов находятся внутри (один из них большой шар, и черных). Следовательно, – – = черных шариков расположены на гранях (на ребрах только средние и большие шарики: + = черных шариков. Также обратим внимание, что каждый чёрный шарик соединён с четырьмя белыми и при этом каждый белый связан ровно с одним чёрным. Поэтому белых шаров будет в раза больше, чем чёрных, то есть . Таким образом, простейшая формула минерала – , а на представленном изображении содержится формульных единицы этого вещества. Вычислим молярную массу этого соединения, используя его плотность = и параметры его элементарной ячейки:
= = см = ,

Описанный процесс щелочного вскрытия минерала с последующей кислотной обработкой и выделение при этом осадка гидратированного кислотного оксида, упоминание распространенного элемента, образующего твердый оксид, намекают на силикатный минерал. Тогда согласно рисунку фрагмента кристаллической структуры минерал имеет состав , и молярная масса элемента составляет г/моль, что соответствует цирконию М = . Соответствующий условию минерал циркон действительно используется в ювелирном деле. При его спекании с карбонатом натрия образуется смесь из силиката и цирконата натрия , при обработке которой азотной кислотой образуется осадок гидратированного диоксида кремния и раствор нитрата цирконила = . Стоит отметить, что в реальности катион цирконила имеет более сложную структуру, представленную на рисунке:

Обработка нитрата цирконила с помощью плавиковой кислоты позволяет получить осадок , при термическом разложении которого образуется вещество . Поскольку в дальнейшем вещество восстанавливают до с помощью кальция, логично предположить, что конечный продукт представляет собой металлический цирконий = . Тогда вещество, образующееся при прокаливании , — это безводный фторид = , а исходная соль — его кристаллогидрат. Используя представленную в условии задачи потерю массы в , получим моногидрат фторида циркония = . Тогда вещество представляет собой простое вещество, которое по свойствам практически идентично цирконию. Под это описание отлично подходит его более тяжёлый аналог – гафний = , который в природе действительно сопутствует цирконию. Таким образом, примесь , отделяемая от нитрата цирконила, представляет собой нитрат гафнила = . Представленное в условии задачи описание вещества позволяет предположить, что в его состав входят атомы циркония и кислорода, поскольку третий элемент, появляющийся в веществе и образующий твёрдый оксид, представляет собой кремний. Тогда = , а газообразное вещество , вносящее основной вклад в парниковый эффект на Земле, представляет собой обычный водяной пар = . Пароцирконевая реакция, протекающая при взаимодействии водяного пара с металлическим цирконием, получила широкое распространение в медиа после аварии на АЭС Фукусима-1 марта года.

Уравнения реакций :