10 класс . iv.

IV. Задания для 10 класса.
Задача 1.
Для описания химических реакций в XVIII-XIX веках использовались тривиальные
названия веществ. Вот пример методики проведения реакции того времени: «Раствор
адского камня действовал на поташ. Получился осадок, который отфильтровали и
прокалили. Так выделили благородный металл. Этот же металл образуется и при
прокаливании адского камня, при этом появляется лисий хвост. Если же этот
благородный металл сплавить с желчью вулкана, можно получить черную землю,
растворимую только в селитряном спирте».
? 1. Напишите упомянутые химические реакции и определите формулу адского камня, если
дополнительно известно, что в состав адского камня входит три элемента в массовом
соотношении 7,72:1:3,43.
Задача 2.
Мы привыкли к тому, что окружающие нас углеводородные полимеры (полиэтилен,
полистирол, полипропилен, каучук и т.д.) не проводят электрический ток и используются
для изоляции токонесущих элементов.
? 1. Приведите формулы структурных звеньев полиэтилена, полистирола, полипропилена и
природного каучука.
Однако, полимеры и полимерные материалы могут выступать не только в роли изоляторов,
но полупроводников и проводников. Нобелевская премия по химии за 2000 год была
вручена профессорам Алану Хигеру (США), Алану Мак-Диармиду (США) и Хидеки
Шикарава (Япония) за тридцатилетний цикл исследований в области электрической
проводимости полимерных материалов. Попробуйте реконструировать часть химического
содержания их исследования.
Первый токопроводящий полимер был одновременно получен в 1974 году в виде
серебристых (полимер А1 – группа ученых из США) или золотистых (А2 – группа японских
химиков) кристаллов. В обоих случаях полимер А получался каталитической
полимеризацией широко используемого в органическом синтезе газа В. Полимеры А 1 и А2
имеют одинаковый количественный состав, а именно – 92,26% углерода и 7,74% водорода
(по массе).
? 2. Определите простейшую формулу полимеров А1, А2, газа В.
? 3. Определите строение газа В, предложите структурную формулу элементарного
структурного звена полимеров А1, А2.
? 4. Чем можно объяснить различия во внешнем виде двух полимеров с одинаковым
количественным составом.
Другой токопроводящий полимер С (полипарафенилен) тоже может быть получен исходя
из газа В, но в несколько стадий:
Br2
Br2
500oC
B
G1
+
G2
D
E
уголь(акт.)
FeBr3
FeBr3
68 мол.%
32 мол.%
C (полипарафенилен) + 2n Q
n G1 + 2n Cu
? 5. Расшифруйте цепочку превращений, запишите структурные формулы всех упомянутых
выше веществ.
Электрическая проводимость углеводородных полимеров А1, А2 и полипарафенилена
соответствует проводимости полупроводников, однако обработка их йодом или
металлическим натрием приводит к тому, что проводимость продукта реакции возрастает
и приближается к электропроводимости металлов.
? 6. Чем может объясняться электропроводность упомянутых в условии задачи полимеров.
Почему их проводимость резко возрастает при обработке натрием или йодом.
Задача 3.
Иодид фосфония — крупные прозрачные кристаллы с алмазным блеском, возгоняющиеся
при 62 ºС — можно получить при взаимодействии иодида фосфора(III) с фосфором и
водой по нижеприведённой методике.
В реакционный сосуд, заполненный сухим аргоном, наливают 50 – 100 мл безводного
сероуглерода. В нём растворяют 100 г белого фосфора и при охлаждении вносят
небольшими порциями йод. Затем растворитель отгоняют и к реакционной смеси
прибавляют по каплям воду, образующийся йодистый фосфоний конденсируется при этом
на стенках сосуда. Далее, для завершения всех реакций, сосуд нагревают до 200ºС
(температура разложения фосфористой кислоты), полностью перегоняя PH 4I в колбуприёмник. При этом в реакционной колбе остаётся только фосфорная кислота и
продукты её дегидратации). Выход PH4I — 120 г.
Суммарная схема синтеза выглядит следующим образом:
P4 + I2 + H2O  PH4I + H3PO4
? 1. Напишите уравнения промежуточных реакций, протекающих при получении иодида
фосфония по этой методике.
? 2. Рассчитайте оптимальные количества йода и воды, необходимые для синтеза, а также
выход продукта, приведенный в методике в % от теоретического. Повлияет ли на выход
избыток/недостаток воды или йода, и почему?
Задача 4.
В результате электролиза раствора сульфата кадмия на железной пластине отложился слой
кадмия (0,01 мм, плотность кадмия – 8,70 г/см3). Для определения заряда, прошедшего
через электролизер, последний был последовательно соединен с кулонометром (в
кулонометре иодид калия под действием электрического тока восстанавливается до
свободного иода). Раствор из кулонометра был разбавлен до 250 мл. На титрование пробы
в 20 мл, взятой из этого раствора было затрачено 23,2 мл Na 2S2O3 с молярной
концентрацией 0,100 моль/л.
? 1. Запишите уравнения катодного и анодного процессов, протекающих в электролизере и
кулонометре.
? 2. Запишите уравнение реакции иода с тиосульфатом натрия и вычислите количество
электрического заряда (1Кл = 1А1с), затраченное на проведение электролиза.
? 3. Рассчитайте площадь поверхности железной детали.
Задания для 10 класса (решение).
Задача 1.
Некоторые из веществ можно определить по названиям сразу: поташ – карбонат калия (K2CO3), лисий
хвост – оксид азота(IV) (NO2), желчь вулкана – моноклинная сера (S8), селитряный спирт – азотная
кислота (HNO3).
Из этого можно сделать предположение, что адский камень представляет собой нитрат какого-либо
металла, разлагающегося с выделением диоксида азота. Рассчитаем его состав. Для нитрата M(NO3)x
1:1х:3х = А(М)/7,72 : 14/1 : 16/3,43. Расчет для х=1 приводит к А(М) = 107,9 а.е.м., что соответствует
серебру, перебор других значений к какому-либо разумному результату. Ergo, адский камень представляет
собой нитрат серебра. Уравнения произошедших реакций:
2AgNO3 + K2CO3  Ag2CO3 + KNO3
Ag2CO3  2Ag + CO2 + ½O2
AgNO3  2Ag + NO2 + ½O2
2Ag + S  Ag2S
Ag2S + 8HNO3  2AgNO3 + 6NO2 + SO2 + 4H2O
Задача 2.
1. Структурные звенья перечисленных полимеров:
CH 2
CH 2
CH 2
CH
n
n
полиэтилен
CH 2
CH 3
полипропилен
CH
CH 2
n
CH
C
CH 2
n
CH 3
природный каучук
полистирол
2. Так как полимеры получены полимеризацией газа В, то элементный состав соединений А1, А2 и В будет
одинаков: простейшая формула – СН, молекулярная формула (СН)n.
3. Наиболее вероятно, что газ В – ацетилен, тогда предполагаемая структурная формула полимеров А1, А2
– -[-CH=CH-]n-Это полиацетилены.
4. Причина заключается в том, что А1 и А2 представляют собой изомеры, полученные в результате
использования различных типов катализаторов (при проверке баллы выставляются за предположение
об изомерах или об образцах полимеров с различной молярной массой). Полимеры, о которых
сообщалось в обосновании к Нобелевской премии представляют собой цис-(США) и транс-(Япония)
полиацетилены:
n
транс-полиацетилен
n
цис-полиацетилен
5. Подсказка содержится в самом названии полимера. Синтетическая цепочка:
Br
HC
CH
500oC
уголь(акт.)
Br2
FeBr3
Br
Br
Br
Br2
+
FeBr3
32 мол.%
Br
68 мол.%
Br
Br
+
2n Cu
+
2n CuBr
n
полипарафенилен
6. Электропроводность данных полимеров объясняется сплошной системой сопряжения на
протяженности всей полимерной цепочки. Движение электронов, отвечающих за проводимость данного
полимера, происходит по системе сопряженных кратных связей. Такая проводимость называется
проводимостью молекулярного провода. Обработка полиацетиленов или полипарафенилена галогеном
или натрием обеспечивает образование положительного или отрицательного иона в полимере
(аналогично образованию свободных электронов или «дырок» в кристалле полупроводника).
Задача 3.
1. Происходят следующие процессы: образование PI3 из элементов, его
диспропорционирование фосфора и фосфористой кислоты, образование фосфониевой соли:
1)
2)
3)
4)
5)
гидролиз,
P4 + 6I2  4PI3
PI3 + 3H2O  H3PO3 + 3HI
2P4 + 12H2O  3H3PO4 + 5PH3
4H3PO3  3H3PO4 + PH3
PH3 + HI  PH4I
2. Для расчёта количеств I2 и H2O нужно определить коэффициенты в уравнении реакции:
P4 + I2 + H2O  PH4I + H3PO4
X4
P4 - 20e—  4P+5
—
—3
X5
P4 + 12e  4P
—
—
X10
I2 + 2e  2I
Первым делом ставится множитель Х2 при полуреакции для йода, т. к. соотношение I—/P—3
должно быть равным, далее уравнивается электронный баланс. Таким образом, уравнение реакции
принимает вид:
9P4 + 10I2 + 64H2O  20PH4I + 16H3PO4
Теперь можно рассчитать массы реагентов и теоретический выход продукта:
m(I2) = 100гХ10Х254г/моль:9Х124г/моль = 227.6г;
m(Н2О) = 100гХ64Х18г/моль:9Х124г/моль = 103.2г;
m(PH4I, теор.) = 100гХ20Х162г/моль:9Х124г/моль = 290.3г;
Выход, % = 120:290.3Х100 = 41.3%
Избыток и недостаток йода, а также недостаток воды приведут к тому, что какое-то из веществ не
прореагирует полностью, что уменьшит выход PH4I. Избыток воды нежелателен по другой причине — при
контакте с ней продукт нацело гидролизуется.
Задача 4.
Уравнение взаимодействия иода с тиосульфатом натрия следующее:
I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6
(I2) = [½(Na2S2O3)]250/20 = ½(2500,02320,100)/20 = 0,0145 моль m(I2) = 3,683 г (с учетом того, что из
раствора брали аликвоту).
По
Закону
Фарадея
для
электролиза
m(I2)
=
M(I2)/2(It)/96500
следовательно
(It) = [mn96500]/M(X) вычисляем (It) = [3,683296500]/254 = 2,7985 Кл (или Ас)
m(Cd) = M(Cd)/2(It)/96500 = 0,000163 грамма,
V(Cd) = m(Cd)/(Cd) = 0,000163 г/8,70г/см3 = 1,8710-4 см3
S(детали) = 1,8710-4 см3/10-3см = 0,187 см2