Решение задачи с международной химической олимпиады Решение подготовлено сайтом ChemiDay.com В условии задачи сказано, что соединение Х образуется при реакции голубого кристаллогидрата и одноосновной фосфорной кислоты. В свою очередь данный кристаллогидрат образуется при реакции металла К с концентрированной серной кислотой. То есть, скорее всего, данный кристаллогидрат будет сульфатом. Итак, мы имеем голубой кристаллогидрат, который является сульфатом. Первое, что приходит в голову, это медный купорос CuSO4∙5H2O, образующийся по реакции: Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O CuSO4 + 5H2O = CuSO4∙5H2O Итак, при реакции медного купороса с одноосновной фосфорной кислотой образуется бинарное соединение Х с массовой долей наиболее тяжелого компонента 98,45%. Данное соединение может состоять из следующих элементов: Cu, P, S, H, O. Логично предположить, что для того, чтобы массовая доля одного из элементов была практически 100%, в состав Х должны входить элементы, у которых разность атомных масс наибольшая. В нашем случае это Cu и H. Тогда соединение Х – гидрид меди. Осталось определить, какой именно – меди(I) или меди(II). Для этого представим формулу гидрида в виде CuHn, где n – индекс при водороде. 𝐴𝑟(𝐶𝑢) 64 = = 0,9845 𝑀(𝐶𝑢𝐻𝑛 ) 64 + 1 ∗ 𝑛 𝑊 𝐶𝑢 = 64 = 0,9845 ∗ (64 + 𝑛) 64 = 63,008 + 0,9845𝑛 0,9845𝑛 = 0,992 𝑛= 0,992 = 1,0076 ≈ 1 0,9845 То есть формула соединения Х – CuH. При нагревании гидрид меди(I) разлагается на медь и водород: 2CuH = 2Cu + H2 Одно из этих простых веществ обозначается буквой F. Скорее всего, F – это водород, потому что медь у нас уже обозначена буквой К. Е присутствует в составе минералов оливина, доломита и карналлита. Эти три минералы объединяются тем, что во всех них содержится металл магний. Значит, Е – это магний. При реакции Е с F (то есть магния с водородом), образуется вещество Z – гидрид магния MgH2: Mg + H2 = MgH2 При реакции его с хлорсодержащей кислотой J образуется CuH. Значит, эта кислота должна содержать и медь, и хлор. Очевидно, что J – это комплексная кислота H2[CuCl4]. Тогда реакция будет следующей: 2MgH2 + H2[CuCl4] = CuH + 2MgCl2 + 5/2H2 Выведем теперь формулу нитрида G. Для этого представим формулу нашего нитрида в виде Э3Nn. 𝑊 𝑁 = 𝐴𝑟 𝑁 ∗ 𝑛 14𝑛 = = 0,402 𝐴𝑟 Э ∗ 3 + 𝐴𝑟 𝑁 ∗ 𝑛 3𝐴𝑟 Э + 14𝑛 14𝑛 = 0,402 ∗ (3𝐴𝑟 Э + 14𝑛) 14𝑛 = 1,206𝐴𝑟 Э + 5,628𝑛 8,372𝑛 = 1.206𝐴𝑟(Э) 𝐴𝑟 Э ≈ 6,94𝑛 n может принимать только целочисленные значения, что дает нам возможность использовать метод подбора. Итак, при n = 1 Ar(Э) = 6, 94, что соответствует атомной массе металла лития. Тогда G – это нитрид лития Li3N. При его реакции с водородом образуется гидрид лития и аммиак: Li3N + H2 = LiH + NH3 Но вот вопрос: какой из продуктов будет являться соединением L? В условии задачи сказано, что X, Y, Z, L – это соединения, относящиеся к одному классу. Х – это гидрид, следовательно, и L будет являться гидридом, то есть L – это LiH. K и H – металлы с зарядом ядра, различающимися на 1. Так как К – это медь, то H это либо цинк, либо никель. Реагируя с йодметаном, образуется легковоспламеняющаяся жидкость с молярной массой 95, 4 г/моль. Это никакой не йодид и не свободный йод, так как атомная масса йода слишком велика. Но это и не углеводород, так как при дальнейшем химическом взаимодействии с L вещество D переходит в гидрид Y, а гидрид должен содержать металл. Тогда, скорее всего, вещество D имеет формулу Me(CH3)2, где Me – это цинк или никель (индекс 2 после метил-радикала мы имеем право поставить, так как оба рассматриваемых металла проявляют валентность II). Теперь мы можем найти молярную массу металла: 𝑀 𝑀𝑒 = 𝑀 𝐷 − 𝑀 𝐶𝐻3 ∗ 2 = 95,4 − 30 = 65,4 Атомная масса 65 соответствует цинку. Итак, мы определили, что металл Н – это цинк. Zn + 2CH3I = Zn(CH3)2 + I2 Соединение D – это диметилцинк. Zn(CH3)2 + 2LiH = ZnH2 + 2CH3Li Соединение Y – это гидрид цинка. Оно разлагается на водород и цинк: ZnH2 = Zn + H2 При реакции гидрида лития с йодидом С образуется гидрид цинка. Тогда логично предположить, что соединение С – это йодид цинка: 2LiH + ZnI2 = ZnH2 + 2LiI Последнее, что нам осталось вывести, это одноосновная кислота В, содержащая фосфор. Наиболее известных одноосновных кислот фосфора всего две – HPO3 и H3PO2. Теперь надо выбрать одну из них. При реакции медного купороса с ней медь переходит из степени окисления +2 в степень окисления +1. Значит, кислота должна быть восстановителем, то есть фосфор в ней должен находиться не в максимальной степени окисления (не в +5). В H3PO2 фосфор находится в +1, а в HPO3 – в +5. Выбор очевиден: 2CuSO4 + 3H2O + 3H3PO2 = 2CuH + 3H3PO3 + 2H2SO4 Итак, подведем итоги и ответим на вопросы задачи: 1. K – Сu, A – CuSO4∙5H2O, B – H3PO2, X – CuH, J – H2[CuCl4], Z – MgH2, E – Mg, F – H2, G – Li3N, L – LiH, C – LiI, Y – ZnH2, D – Zn(CH3)2, H – Zn. 2. Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O 2CuSO4 + 3H2O + 3H3PO2 = 2CuH + 3H3PO3 + 2H2SO4 2CuH = 2Cu + H2 Mg + H2 = MgH2 2MgH2 + H2[CuCl4] = CuH + 2MgCl2 + 5/2H2 Li3N + H2 = LiH + NH3 2LiH + ZnI2 = ZnH2 + 2LiI ZnH2 = Zn + H2 Zn(CH3)2 + 2LiH = ZnH2 + 2CH3Li Zn + 2CH3I = Zn(CH3)2 + I2 3. Все дело в продуктах реакции. Гидриды цинка и меди дают при реакции с водой соответственно нерастворимый оксид и гидроксид, которые покрывают пленкой реагирующий гидрид и мешаю дальнейшему протеканию реакции. Гидроксид магния, образующийся при реакции его гидрида с водой, не настолько нерастворим, как гидроксид цинка, поэтому реакция идет, хоть и медленно. А вот гидроксид лития хорошо растворим, поэтому реакция его гидрида с водой протекает быстро и бурно. 4. Гидрид магния можно использовать как накопитель водорода. 5. Потому что в составе это кислоты имеется лишь одна карбоксильная группа