ВсОШ 2025, 9–11 классы, №Н-8
Бинарное соединение , проявляющее кислотные свойства, впервые получено Курциусом в конце века и представляет из себя бесцветную жидкость, кипящую при °С. Спустя более ста лет, в году, коллектив учёных из Германии и США исследовал возможность генерации соединения с замещением одного элемента на ближайший аналог по группе). С этой целью два структурных изомера и были подвергнуты атаке быстрыми электронами при К, в результате чего были детектированы соответственно два изомера и .
Вопрос 1. Определите формулы , и . Известно, что при образовании молекулы из молекулы потеря массы составляет %.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 2. Приведите структурные формулы двух изомеров , а также трех возможных изомеров (учитывайте пространственную изомерию). В том же году группой учёных из Китая была описана генерация и свойства соединения - еще одного аналога , но с замещением только одного атома на более тяжёлый. В качестве исходного соединения для генерации в лабораторных условиях может служить газ , получаемый в промышленности из простого вещества , либо крайне нестабильное соединение , получение которого, впрочем, тоже начинается с . При взаимодействии с натрием в жидком аммиаке газ дает солеобразное соединение , которое подвергают длительному нагреванию в диметоксиэтане под большим давлением угарного газа. Если фильтрат, содержащий соединение , частично упарить и разбавить диоксаном, можно получить похожее на по составу соединение . Далее его нагревают до °С в присутствии стеариновой кислоты, и отгоняют в вакууме , который затем собирают в ловушку при °С. Для генерации соединения или облучают УФ-светом. В свою очередь, при облучении способно гомолитически распадаться на две частицы, но путь распада зависит от используемой длины волны.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос . Определите вещества и , напишите уравнения всех реакций, представленных на схеме (всего – . Дополнительная информация: и – кислоты, в молекулах которых есть такая же связь как и в ; Формула соединения записывается так же, как формула , но с другими элементами; В соединении катион натрия имеет координационное число , а единственный побочный продукт в реакции его получения – легкий горючий газ , получающийся в эквивалентном натрию количестве; Массовая доля натрия в соединениях и равна % и % соответственно.
Формула .
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Вопрос 4. Изобразите строение соединения .
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 5. Почему необходимо собирать в ловушку при °С сразу после получения? Предположите, что с ним произойдёт при более высокой температуре, проиллюстрируйте свой ответ схемами или уравнениями реакций.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. В задаче есть несколько деталей, за которые можно зацепиться при определении вещества :
Соединений, которые можно назвать бинарными кислотами, не так уж много: галогено-, халькогеноводороды и , и только последняя является жидкостью при стандартных условиях (комнатная температура и атмосферное давление). Широко известна перегруппировка Курциуса (двухстадийное превращение ацилазидов в изоцианаты), из чего можно сделать вывод, что соединения, содержащие группу , входили в сферу научных интересов этого учёного. На схеме в качестве соединений и легко угадываются элементарный фосфор и фосфин, а азот – более лёгкий электронный аналог фосфора. Оставшаяся часть задачи посвящена малоизвестным соединениям, получающимся при формальной замене азота на фосфор в «классических» соединениях. – , для которого можно нарисовать линейную или циклическую структуру. Чтобы установить формулу , нужно выполнить расчёт. Будем считать, что если весит , то весит : г
моль что отличается от молекулярной массы ровно на , следовательно, происходит потеря двух атомов водорода, и формула – , который также может быть циклическим или линейным, причём циклическая форма имеет два пространственных изомера – син- (все атомы водорода находятся с одной стороны от плоскости цикла) и анти- (один атом водорода находится по другую сторону от плоскости цикла).
. В нижней левой части схемы мы видим, что простое вещество реагирует со щелочью, и один из продуктов является газом. Следовательно, – неметалл, а второй продукт, –соль кислородсодержащей кислоты, которая по реакции обмена даёт соответствующую кислоту . Данная кислота при нагревании даёт другую кислоту и тот же самый газ, что может быть характерно для фосфорноватистой, фосфористой и азотистой кислот. Однако элементарный азот не реагирует со щелочами, поэтому – фосфор (белый, , а – фосфин. По условию, в молекуле вместо одного атома азота находится атом фосфора, значит это либо , либо . Глядя на схему, мы видим, что в реакции его получения участвует молекулярный азот, и крайне маловероятно, что при этом происходит распад очень прочной молекулы , поэтому – . Приводить его структурную формулу по условию не требуется, однако эта определенность нужна, чтобы предсказать его распад. Теоретически возможные пути распада на две частицы:
Первый вариант распада весьма вероятен, поскольку связь сравнительно слабая, и используемая длина волны совпадает с оной для генерации частицы из в реакции генерации , значит это длина волны, подходящая для гомолиза связи . Второй вариант распада также благоприятен, поскольку освобождается стабильная молекула азота. Для третьего варианта благоприятных факторов нет. Соединение несложно угадать, если рассмотреть как кислоту – данная реакция аналогична взаимодействию натрия с водой или аммиаком, таким образом, – дигидрофосфид натрия . Легкий горючий газ – очевидно, водород, тогда при простейшем раскладе следующая реакция будет выглядеть так:
Однако формула не подходит под массовую долю натрия. Предположим, что в данном соединении содержатся дополнительные молекулы растворителя, учитывая, что M(DME) = г/моль:
что соответствует двум молекулам диметоксиэтана. Однако формула всё еще не является верной, поскольку в таком комплексе у натрия КЧ будет только является линейным фрагментом). достижимо при образовании димера с мостиковым фосфоэтинолят-ионом и дигаптным кислородом. При добавлении к раствору данного соединения диоксана можно предположить замещение сольватного растворителя. Сделаем аналогичный расчёт, учитывая, что молярная масса диоксана равна г/моль:
Таким образом, состав соединения – . Со стеариновой кислотой происходит реакция обмена, в результате чего получается фосфорный аналог изоциановой кислоты – . Атомы связаны именно в таком порядке, поскольку далее это соединение должно распадаться с образованием частицы .
| или | ||||||||
Уравнения реакций:
или + = +
.
. по своей структуре может быть отнесено к классу фосфакетенов. Действительно, это крайне нестабильное соединение, которое олигомеризуется даже при температуре по аналогии с циановой кислотой или кетеном
