Олимпиады по химии

(Львов-96, 2.1.1, 2.1.2)

Азот образует трифторид NF₃, но молекула NF₅ не существует. Однако для фосфора известны оба анало­гичные соединения PF₃ и PF₅. Объясните такое различие свойств азота и фосфора. На основании этого предскажи­те, какие из следующих молекул не существуют: OF₂, OF₄, OF₆, SF₂, SF₄, SF₆.
Решение
Для атомов элементов третьего и следующих за ним периодов правило октета выполняется не всегда. В соединении PF₅ атом фосфора обобществляет с соседними атомами 10 электронов. Это связано с тем, что атом Р имеет вакантный Зс/-уровень, кото- 184



Всеукраинские олимпиады. I тур рый используется при образовании ковалентных связей. У ато­ма О нет ¿-уровня, поэтому молекулы ОГ₄ и ОГ₆ не существуют.

182. 
     (Донецк-2001, 1.1.3, 1.1.4)
     

При исследовании некоторого металла и его ок­сида получены следующие данные:
а) при взаимодействии 0,5630 г металла с водой выде­ляется 340,9 мл Н₂ (температура 297,15 К; давление 9,943 • 10⁴ Па);
б) выдерживание 0,5160 г оксида металла в атмосфере сухого углекислого газа приводит к увеличению массы твер­дого вещества на 0,4008 г;
в) выдерживание 0,2305 г металла в атмосфере влаж­ного углекислого газа приводит к увеличению массы твер­дого вещества на 0,7709 г. Назовите металл. Считая мо­лярную массу атомов металла неизвестной, по данным каждого опыта рассчитайте ее. Сравните найденные зна­чения с приведенными в Периодической системе элемен­тов и определите относительные погрешности определения в каждом из описанных способов. Составьте уравнения описанных в тексте реакций.
При расчетах используйте точные значения атомных масс.
Универсальная газовая постоянная R = 8,314 Дж х х моль^-1 • К^-1.


Решение
Поскольку металл растворяется в воде, это — щелоч­ной или щелочноземельный металл, его взаимодействие с водой


передает уравнение реакции
Ме + хН₂О = Ме (ОН)_х +1 | Н₂Т .
По уравнению Менделеева — Клапейрона PV = nRT опреде­


лим количество вещества водорода:
,_{тт ч} 9,943 • 10⁴ • 340,9 • 10"⁶ м³
п (Н₂) = - - -г
^V ' 8,314 (Дж-моль^-1 К'¹)-297,15 К


= 1,3720 • 10~² моль,


185

9 класс

= 20,517 • х г/моль.


откуда молярная масса атомов
. _ч 0,5-х-лг(Ме)
При х = 1 металла не существует, при х = 2 металл — каль-
ций, рассчитанное значение ц(Са) = 41,035 г/моль. Оно отличает-
ся от точного (40,078 г/моль) на 0,957 г/моль. Таким образом,
относительная погрешность определения ц(Са) составляет
^0,957 100% = 2,4%
40,078
Взаимодействие СаО с СО₂:
СаО + СО₂ = СаСО₃.
Молярная масса ц(СО₂) = 12,011+2 15,9994 = 44,098 (г/моль).
С ц(СаО) г реагируют ц(СО₂) (44,098) г СО₂,
с 0,5160 г — 0,4008 г СО₂,
44,098-0,5160 _{ч ч}
откуда р(СаО) = 4008 = 56,773 (г/моль), ц(Са) =
= 56,773 - 15,994 = 40,773(г/моль), относительная погрешность
определения ц(Са) составляет
40,773 - 40,078
40,078
Наконец, при выдерживании кальция в атмосфере влажного
СО₂ происходят реакции:
Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + Н₂,
Са(ОН)₂ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂ (при избытке СО₂).
Увеличение массы твердого вещества Дтп = 0,7709 г - 0,2305 г =
= 0,5404 г;
молярные массы: ц(Н₂) = 2 • 1,00794 = 2,0159 (г/моль);
ц(СО₂) = 44,098 г/моль;
ц(Н₂О) = 2 • 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 (г/моль).
Из 1 моль Са образуется 1 моль Са(ОН)₂, который связывает
1 моль СО₂ и 1 моль Н₂О. При реакциях с 1 моль кальция увели-
чение массы составляет:
44,098 + 3 • 18,0153 - 2,0159 = 96,1280 (г).
Пользуемся стехиометрическим соотношением:
0,2305 г 0,5404 г
ц(Са) г • моль^-1 96,1280 г ’
откуда ц(Са) = 41,002 г/моль, относительная погрешность опре-
деления ц(Са) составляет:


186



Всеукраинские олимпиады. II тур
₄₁,002-40.078 ,_{100% = 2>3%}
40,078
Отметим, что проводить расчет молярной массы атомов каль­ция по количеству вещества образовавшегося Са(НСО₃)₂ некоррект­но, поскольку при этом приходится использовать неизвестное зна­чение ц(Са).

182. 
     
     5. 
        Задачи II теоретического тура Всеукраинских олимпиад
        
     
     (Ужгород-99, 1.1.3, 1.1.4)
     

Химики А, В и С работали в одной лаборато­рии. Каждый из них был специалистом в определенной области — органической, неорганической и аналитичес­кой химии. Каждый получил вещество, молекулярная мас­са которого равнялась его возрасту. Определите специаль­ность и возраст каждого химика, используя следующие данные.

1. 
   Аналитик знал, что получил соединение, которое содер­жит 5,88 % водорода и 94,12 % кислорода по массе.
   
2. 
   Аналитик знал, что В — не органик. Химик В получил газ, когда в раствор соединения, которое получил А, добавил подкисленный раствор перманганата калия.
   
3. 
   Старший среди химиков получил газ. 50 мл этого газа он смешал с 100 мл газа, который получил В. Смесь загорелась красно-фиолетовым пламенем, при этом об­разовалось 100 мл углекислого газа и 50 мл азота.
   

Решение

1. 
   Определяем соединение Н_аО₆:
   

а : Ь = = 1:1, (НО)_л -> Н₂О₂, М - 34 г/моль.

2. 
   Н₂О₂ —^КМп04 >о₂, м = 32 г/моль.
   

Н⁺

187

3. 
   
   9 класс
   
   Обозначим смесь, полученную старшим химиком, X.
   

x + o₂->co₂ + n₂.
V(X): У(О₂): V(CO₂): V(N₂) = 50 : 100 : 100 : 50 = 1 : 2 : 2 : 1.
X + 2О₂ = 2СО₂ + N₂.
В одной молекуле газа содержится два атома С и два атома N, это C₂N₂ — дициан, М = 52 г/моль.
Химик А — аналитик, ему 34 года, В — неорганик, ему 32 года, С — органик, ему 52 года.

182.