ВсОШ 2024, 9–10 классы, №Н-3
Одно из наиболее изученных соединений элемента – бинарное вещество . Это вещество использовалось в медицине ещё во времена Средневековья, однако по мере накопления информации о его биологическом действии области медицинского применения существенно сократились. О составе вещества известно следующее: отношение числа нейтронов к числу протонов равно . При растворении вещества в небольшом количестве воды образуется соединение Б (р-ция , при дальнейшем электролизе которого на одном из электродов выделяется водород, а в приэлектродном пространстве второго электрода происходит образование соединения (р-ция . При добавлении разбавленного раствора каустической соды к раствору вещества при образуется раствор кислой соли Г с > (р-ция . Одной из качественных реакций на анион соли Г является взаимодействие водных растворов солей, содержащих этот анион, с растворами аммиака и хлорида магния (р-ция . В результате этой реакции образуется белый осадок кристаллогидрата Д, который при нагревании ступенчато разлагается. При этом нагревание до превращает Д в кристаллогидрат (р-ция с потерей массы %. Дальнейшее нагревание при температуре выше приводит к образованию вещества Ж, имеющего ионное строение (р-ция , при этом потеря массы в этой реакции составляет % от исходной массы вещества Д. Известно, что анион в соединении Ж образован двумя тетраэдрами с общей вершиной. Другой, хорошо известной качественной реакцией на анион соли Г, служит реакция с нитратом серебра, которая приводит к образованию шоколадно-коричневого безводного осадка. В этом осадке отношение массы катионов к массе аниона равно . Важно напомнить, что вещество послужило одним из первых реагентов для получения «элементорганических» соединений. В году директор Севрской фарфоровой фабрики Луи Клод Каде де Гассикур, перегоняя ацетат калия с веществом в мольном соотношении : (р-ция , неожиданно получил дымящуюся жидкость с отвратительным запахом, названную впоследствии его именем. Считается, что эта реакция послужила началом развития элементорганической химии. Впоследствии выяснилось, что неприятный запах полученной жидкости обусловлен легкокипящим соединением З, в котором все атомы водорода эквивалентны. Вместе с веществом З в этой реакции также образуются в эквимолярных количествах поташ и бесцветный газ с плотностью г/л (н.у.). При действии на соединение З избытка раствора соляной кислоты образуется отвратительно пахнущая жидкость И (р-ция , которая кипит при температуре близкой к . Растворение соединения И в тетрагидрофуране и добавление к полученному раствору метилмагний иодида в эквимолярном соотношении приводит к образованию молекулярного соединения (р-ция . Вещество имеет пирамидальное строение и кипит при . После отделения вещества от реакционной смеси и пропускании через него эквимолярного количества хлора, происходит образование соединения Л (р-ция , которое при нагревании разлагается на И и , образующиеся в эквимолярных количествах (р-ция . К раствору вещества Л в диэтиловом эфире добавили стехиометрическое количество . При этом происходит образование вещества (р-ция , а отношение М(Л) к М(М) равно . Вещество при нагревании выше разлагается на смесь газов , П и в мольном соотношении , соответственно (р-ция . Вопросы:
Определите элемент , соединения – П (ответ подтвердите расчётом либо логическим рассуждением).
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
Элемент .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Напишите уравнения реакций – .
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
Шоколадно-коричневый осадок, образовавшийся при взаимодействии соли Г и нитрата серебра – это одна из солей серебра. Приняв это, можно рассчитать молекулярную массу аниона соли серебра, полагая, что в брутто-формуле осадка содержится атомов серебра: M(аниона) = / . Значения молекулярной массы аниона при разных приведены в таблице:
| M(аниона), г/моль | |||
|---|---|---|---|
| (не подходит) | (не подходит) | (подходит) |
При = M(аниона) равна г/моль. Рассмотрим кислородсодержащий вариант аниона, т.к. заряд , как правило, дают именно кислородсодержащие анионы . Из возможных анионов подходит ортоарсенат – анион . Таким образом, в данной задаче речь идёт о соединениях мышьяка (Х = . Судя по описанию вещества в условии задачи (информация о применении в медицине с давних времён), речь идёт об оксиде мышьяка . Эту гипотезу легко подтвердить расчётом отношения общего числа нейтронов к общему числу протонов в , оно равно . Очевидно, что при растворении в воде образуется мышьяковистая кислота (вещество Б), которая окисляется в прианодном пространстве до мышьяковой кислоты (вещество В) при электролизе её достаточного концентрированного водного раствора. По аналогии с фосфорной кислотой, при нейтрализации мышьяковой кислоты каустической содой могут образовываться три типа солей, однако разбавленный раствор щелочи не может обеспечить образование ортоарсенат-иона, а раствор дигидроарсената по аналогии с дигидрофосфатом имеет кислую реакцию среды. Таким образом, Г это гидроортоарсенат натрия > . Анион вещества Ж представляет собой диортоарсенат (строение аналогично пироортофосфату). По описанию синтеза данного вещества в его катионную часть по условию задачи могут входить катионы магния, аммония или натрия. Однако катион аммония неустойчив к нагреванию, а двухзарядные ионы образуют более устойчивые кристаллические структуры с пирофосфат- и пироарсенат-ионами. Исходя из этих рассуждений, можно предположить, что Ж = . Рассчитаем молекулярную массу Д: – – = г/моль. Т.к. практически всегда пироформы солей получаются нагреванием соответствующих ортоформ, то логично предположить, что Д и содержат по одному атому мышьяка. Тогда М(Д) г/моль, а потеря массы соответствует потере молекул воды. Вычитая из М(Д) молекулярную арсенат-иона и пяти молекул воды получаем г/моль, что соответствует сумме молекулярных масс катионов аммония, магния и одной молекулы воды. Таким образом, Д = , = , Ж = . Эти вещества могли быть определены по аналогии с соответствующими соединениями фосфора. Газ с плотностью г/л (н.у.) – это , поташ – . Запишем реакцию в общем виде:
+ = «...» + + ,
очевидно, что уравнение имеет вид:
+ = «...» + + ,
тогда исходя из материального баланса получаем, что «...» это или , известное как оксид какодила. Таким образом, З = . При действии на оксид какодила избытком соляной кислоты, по аналогии с органическими простыми эфирами, образуется хлористый какодил (И = , который взаимодействуя с реактивом Гриньяра дает триметиларсин (К = и хлорид-иодид магния. Триметиларсин может окислятся хлором до производного пятивалентного мышьяка, т.е. веществом Л очевидно будет , который при нагревании разлагается на и в эквимолярном количестве. Нетрудно видеть, что материальный баланс в реакции сохраняется, если брутто-формула вещества - (хлорметан). Реакция с метиллитием позволяет заменить атомы хлора на метильные группировки. Следовательно, вещество это , что также подтверждается отношением молекулярных масс веществ Л и . Реакцию разложения можно записать в виде:
= + П + .
Если предположить, что , тогда:
= + П + .
Сумме веществ + П соответствует состав , что, очевидно, можно записать как смесь + .
| Г | З | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Д | И | ||||||
| Б | |||||||
| Ж | Л | П |
Уравнения реакций:
+ =
+ = + (электролиз)
+ =
+ + + = +
= +
= + +
+ = + +
+ = +
+ = +
+ =
= +
+ = +
= + +