Номер 51, страница 16 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

51. Тип кристаллической решётки очень сильно влияет на физические свойства вещества, например, на его твёрдость. Одна из кристаллических форм бинарного соединения элементов второго периода лишь немного уступает по твёрдости алмазу — самому твёрдому из известных веществ. Массовая доля одного из элементов в этом веществе равна $56,44 \%$. Установите формулу этого соединения и назовите его по систематической номенклатуре.

Дано:

Бинарное соединение элементов 2-го периода $E_{x}A_{y}$

Твердость соединения близка к твердости алмаза.

Массовая доля одного из элементов, пусть будет A, $\omega(A) = 56.44 \% = 0.5644$

Найти:

Формулу соединения и его название по систематической номенклатуре.

Решение:

1. В условии сказано, что соединение бинарное и состоит из элементов второго периода. Элементы второго периода: Li, Be, B, C, N, O, F. Также указано, что вещество по твёрдости лишь немного уступает алмазу. Алмаз — это аллотропная модификация углерода (C) с атомной кристаллической решёткой, что и обуславливает его чрезвычайную твёрдость. Подобными свойствами обладают ковалентные соединения элементов, расположенных в периодической таблице рядом с углеродом, а именно бора (B), углерода (C) и азота (N). Следовательно, искомое соединение, скорее всего, является карбидом бора ($B_x C_y$), нитридом бора ($B_x N_y$) или нитридом углерода ($C_x N_y$).

2. Найдём массовую долю второго элемента (E) в соединении:

$\omega(E) = 100\% - \omega(A) = 100\% - 56.44\% = 43.56\%$

3. Определим простейшую формулу соединения. Соотношение числа атомов элементов в соединении можно найти через их массовые доли и молярные массы. Обозначим молярные массы элементов как $M(E)$ и $M(A)$.

$x : y = \frac{\omega(E)}{M(E)} : \frac{\omega(A)}{M(A)}$

Проверим возможные пары элементов, используя их атомные массы: $M(B) \approx 10.81$ г/моль, $M(C) \approx 12.01$ г/моль, $M(N) \approx 14.01$ г/моль.

Вариант 1: Соединение бора и азота ($B_x N_y$).

а) Пусть элемент с большей массовой долей (56.44%) — это азот (N), а второй — бор (B).

$x_{B} : y_{N} = \frac{\omega(B)}{M(B)} : \frac{\omega(N)}{M(N)} = \frac{43.56}{10.81} : \frac{56.44}{14.01} \approx 4.03 : 4.03 = 1 : 1$

Соотношение индексов 1:1. Простейшая формула соединения — BN. Это соединение (нитрид бора), особенно его кубическая модификация (боразон), известно как сверхтвёрдое вещество, второе по твёрдости после алмаза. Этот вариант полностью соответствует условию задачи.

б) Проверим для полноты картины, что элемент с большей массовой долей — это бор (B).

$x_{B} : y_{N} = \frac{56.44}{10.81} : \frac{43.56}{14.01} \approx 5.22 : 3.11 \approx 1.68 : 1$. Такое соотношение не приводит к простой формуле с целыми числами.

Вариант 2: Соединение бора и углерода ($B_x C_y$).

а) Пусть элемент с долей 56.44% — углерод (C).

$x_{B} : y_{C} = \frac{43.56}{10.81} : \frac{56.44}{12.01} \approx 4.03 : 4.70 \approx 1 : 1.17$. Не является соотношением малых целых чисел.

б) Пусть элемент с долей 56.44% — бор (B).

$x_{B} : y_{C} = \frac{56.44}{10.81} : \frac{43.56}{12.01} \approx 5.22 : 3.63 \approx 1.44 : 1$. Также не является соотношением малых целых чисел. (Известный карбид бора $B_4C$ имеет массовую долю бора ~78.3%).

Таким образом, единственным подходящим вариантом является соединение с формулой BN.

4. Систематическое название. Соединение состоит из бора и азота. По правилам номенклатуры бинарных соединений, сначала называют более электроотрицательный элемент с суффиксом "-ид", а затем — менее электроотрицательный элемент в родительном падеже. Электроотрицательность азота (3.04) выше, чем у бора (2.04). Следовательно, название вещества — нитрид бора.

Ответ: Формула соединения — BN. Систематическое название — нитрид бора.