ВсОШ 2026, 9 класс, №3
Масс-спектрометрия — метод исследования вещества, основанный на определении отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации. Каждый пик в спектре конкретного молекулярного иона соответствует определённому значению , а интенсивность пиков пропорциональна мольной доле частиц с данным набором изотопов.
Например, спектр катиона содержит два пика с и .
Масс-спектрометрию можно использовать для исследования процессов олигомеризации*.
В эксперименте исследовали образование циклических трёхэлементных молекул и , имеющих одинаковую простейшую формулу и содержащих в своем составе лишь элементы малых периодов.
В качестве исходного соединения для синтеза и можно использовать высший хлорид , который образуется при хлорировании из бесцветного жидкого хлорида (р-ция ).
*Олигомеризация — это химический процесс, в котором мономерные звенья связываются между собой с образованием димеров, тримеров, тетрамеров или более длинных цепочечных или циклических молекул.
Примечание: при решении задачи можно принять, что все элементы кроме хлора представлены одним наиболее распространенным изотопом. На приведенных масс-спектрах изображены пики с мольной долей выше .
Вопрос 1. Используя среднюю атомную массу хлора г/моль, определите соотношение интенсивностей пиков в масс-спектре .
Изобразите масс-спектр иона , для каждого пика укажите и относительные интенсивности.
В поле укажите отношение , округлив до двух значащих цифр. Спектр и обоснование приложите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 2. Используя масс-спектр молекулярного иона , определите и .
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
Вопрос 3. Запишите реакцию , реакции полного гидролиза и (р-ции и ). Уравнения приложите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 4. Определите количество атомов хлора в и .
Вопрос 5. Определите число мономерных звеньев в и . Определите вещества и . Изобразите структуры и . Приведите реакцию получения из (р-ция ) и реакцию гидролиза в избытке горячего раствора каустической соды (р-ция ).
В кратких ответах укажите число мономерных звеньев. Формулы, структуры и уравнения реакций приложите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
1. Средняя атомная масса хлора равна г/моль:
решая уравнение, находим, .
Соотношение интенсивностей двух пиков в спектре :
Масс-спектр иона должен содержать три пика, соответствующих трём изотопологам: , , .
Вероятность того, что два атома попадут в один ион, равна , вероятность того, что в один ион попадут два атома , , а вероятность нахождения двух разных атомов равна или , двойка возникает из-за того, что и неразличимы. Самым интенсивным должен быть первый пик, второй — менее интенсивный, а третий самый низкий. Тогда соотношение пиков будет (нормировку значений можно осуществлять на вероятность самого интенсивного пика или на вероятность самого маленького пика , но соотношение между пиками должно сохранятся). Т.к. заряд иона , то значение для пиков примерно равны , и соответственно:
2. В задаче представлен масс-спектр молекулярного иона , т.е. это однократно ионизированная молекула хлорида . Первый пик в молекулярном спектре соответствует иону, который содержит исключительно наиболее распространенный изотоп хлора — (по условию задачи все прочие элементы представлены одним наиболее распространенным изотопом). Исходя из мольной доли, соответствующей данному пику, можно рассчитать число атомов :
Таким образом, хлорид содержит три атома хлора. Молекулярная масса , в котором все атомы хлора представлены изотопом , исходя из масс-спектра, равна г/моль. Для нахождения элемента вычтем из г/моль, три атомные массы , получим г/моль, что соответствует фосфору.
В этом пункте задачи для нахождения фосфора можно было ограничиться рассуждениями, что ион, соответствующий первому пику, содержит только один изотоп , и сделать перебор:
где — число атомов хлора в хлориде.
Итак, вещество — трихлорид фосфора (жидкость при н.у.), вещество — пентахлорид фосфора (получается хлорированием ).
3. Уравнения реакций:
4. Для определения количества атомов хлора в молекулах и можно воспользоваться рассуждениями аналогичными предыдущему пункту. Первый пик в молекулярном спектре соответствует иону, который содержит исключительно наиболее распространенный изотоп хлора — (по условию задачи все прочие элементы представлены одним наиболее распространенным изотопом).
Исходя из интенсивности пика можно рассчитать число атомов :
Альтернативное ход решения. Отношение интенсивностей двух пиков не зависит от единиц интенсивности (мольные доли, вероятность, интенсивность, нормированная на и т.д.). Первый пик — пик, где все атомы хлора представлены изотопом . Вероятность появления этого пика равна , где — это число атомов хлора в молекуле. Второй пик — пик, где атом хлора- и атом хлора-. Вероятность появления такого пика , множитель учитывает число позиций, которые может занять один атом хлора-.
Отношение вероятностей двух первых пиков:
В случае вещества отношение интенсивностей второго и первого пиков примерно равно , что соответствует .
В случае вещества отношение интенсивностей второго и первого пиков примерно равно , что соответствует .
5. Вещества и — циклические трехэлементные вещества одинакового качественного состава. Исходя из информации в условии задачи про циклические олигомеры, можно предположить, что мономер веществ и содержит в своем составе два атома хлора, тогда в структуре этих соединений содержится три и четыре мономерных звена соответственно. Молекулярные массы и , содержащие только изотоп хлора-, составляют и г/моль соответственно. Разделив эти числа на число мономерных звеньев, получим молекулярную массу мономера — г/моль. Вычитая из молекулярной массы мономерного звена два атома изотопа хлора- и один атом фосфора, получим г/моль — азот.
Альтернативное рассуждение. Разница молекулярных масс первых пиков ионов и равна г/моль, вычитая два атома хлора- остается г/моль. С учетом того, что соединения содержат фосфор, вычитая атомную массу фосфора приходим к азоту.
Таким образом, вещества и — это трихлорфосфазен и тетрахлорфосфазен соответственно.
Структуры и :
