Номер 878, страница 159 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

878. Простое вещество А при нагревании на воздухе образует оксид Б. При взаимодействии последнего с раствором бромата калия, подкислённым азотной кислотой, образуются вещества В, Г (при н. у. представляет собой жидкость красного цвета) и соль Д, которую используют в производстве дымного пороха. Смесь В с соляной кислотой — одна из немногих систем, способных растворить металл Е, при этом образуются вещества Б и Ж, а раствор окрашивается в светло-жёлтый цвет.

а) Определите вещества А — Ж, если известно, что массовая доля хлора в веществе Ж составляет $41.77\ \%$ , а из $1.00$ г вещества Б образуется $1.306$ г В. Кратко поясните расчёты и рассуждения.

б) Приведите уравнения описанных в задаче превращений.

в) При кипячении А с раствором $Na_2SO_3$ образуется новое вещество З, содержащее $15.6\ \%$ серы по массе. Установите состав и опишите строение З.

г) Предложите ещё два способа перевода Е в раствор. Приведите уравнения соответствующих реакций.

а) Определите вещества А — Ж, если известно, что массовая доля хлора в веществе Ж составляет 41,77 %, а из 1,00 г вещества Б образуется 1,306 г В. Кратко поясните расчёты и рассуждения.

1. Идентификация вещества А и З. Начнём с пункта в). При кипячении простого вещества А с раствором $Na_2SO_3$ образуется вещество З, содержащее 15,6 % серы по массе. Эта реакция характерна для халькогенов (S, Se, Te), которые образуют тио- и селено/теллуросульфаты.

Предположим, А – это селен (Se). Тогда реакция протекает по уравнению:

$Se + Na_2SO_3 \rightarrow Na_2SeSO_3$

Вещество З – селеносульфат натрия ($Na_2SeSO_3$). Проверим массовую долю серы в нём.

Молярная масса $M(Na_2SeSO_3) = 2 \cdot 23.0 + 79.0 + 32.1 + 3 \cdot 16.0 = 46.0 + 79.0 + 32.1 + 48.0 = 205.1$ г/моль.

Массовая доля серы: $\omega(S) = \frac{M(S)}{M(Na_2SeSO_3)} = \frac{32.1}{205.1} \cdot 100\% \approx 15.65\%$.

Это значение совпадает с данными задачи (15,6 %), следовательно, А – селен (Se), а З – селеносульфат натрия ($Na_2SeSO_3$).

2. Идентификация веществ А, Б, В, Г, Д.

А – это селен (Se). При нагревании на воздухе селен сгорает, образуя диоксид селена. Следовательно, оксид Б – это $SeO_2$.

Вещество В – жидкость красного цвета. Наиболее вероятный кандидат – бром ($Br_2$).

Соль Д используется в производстве дымного пороха. Таким компонентом является нитрат калия ($KNO_3$).

Рассмотрим реакцию: Б ($SeO_2$) + раствор бромата калия ($KBrO_3$) + $HNO_3 \rightarrow$ В ($Br_2$) + Г + Д ($KNO_3$).

В этой реакции $SeO_2$ (Se в степени окисления +4) должен окислиться, а $KBrO_3$ (Br в степени окисления +5) – восстановиться до $Br_2$ (ст. ок. 0).

Полуреакции:

$SeO_2 + 2H_2O - 2e^- \rightarrow H_2SeO_4$

$2BrO_3^- + 12H^+ + 10e^- \rightarrow Br_2 + 6H_2O$

Суммарное уравнение: $5SeO_2 + 2KBrO_3 + 2HNO_3 + 4H_2O \rightarrow 5H_2SeO_4 + Br_2 + 2KNO_3$.

Из этого уравнения следует, что из 5 моль $SeO_2$ образуется 1 моль $Br_2$.

Массовое соотношение: из $5 \cdot M(SeO_2) = 5 \cdot 111 = 555$ г $SeO_2$ образуется $M(Br_2) = 160$ г $Br_2$.

Тогда из 1,00 г $SeO_2$ должно было бы получиться $\frac{1.00 \cdot 160}{555} \approx 0.288$ г $Br_2$.

Это противоречит условию (1,306 г $Br_2$).

Вероятнее всего, в условии задачи допущена опечатка, и вместо "бромата калия" должен быть "бромид калия" ($KBr$). В этом случае азотная кислота выступает окислителем как для бромид-ионов, так и для диоксида селена.

Дано:

$m(Б) = 1.00$ г

$m(В) = 1.306$ г

$\omega(Cl \text{ в Ж}) = 41.77\% = 0.4177$

Найти:

Формулы веществ А, Б, В, Г, Д, Е, Ж.

Решение:

Предположим, что в реакции участвует бромид калия. Тогда реакция: $SeO_2 + KBr + HNO_3 \rightarrow Br_2 + H_2SeO_4 + KNO_3 + ...$

Рассчитаем молярное соотношение реагентов и продуктов из данных задачи.

$n(Б) = n(SeO_2) = \frac{m(SeO_2)}{M(SeO_2)} = \frac{1.00 \text{ г}}{111 \text{ г/моль}} \approx 0.00901 \text{ моль}$

$n(В) = n(Br_2) = \frac{m(Br_2)}{M(Br_2)} = \frac{1.306 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} \approx 0.00816 \text{ моль}$

Соотношение $n(Br_2) : n(SeO_2) \approx 0.00816 : 0.00901 \approx 1:1$.

Составим уравнение реакции с таким соотношением. Окислитель - $HNO_3$, восстановители - $SeO_2$ и $KBr$.

$SeO_2 + 2KBr + 6HNO_3 \rightarrow H_2SeO_4 + Br_2 + 4NO_2 + 2KNO_3 + 2H_2O$

В этой реакции $n(Br_2):n(SeO_2) = 1:1$, что соответствует данным. Таким образом, исходное предположение об опечатке верно.

Продуктами реакции являются: В – $Br_2$, Г – $H_2SeO_4$ (селеновая кислота), Д – $KNO_3$ (и также $NO_2$, $H_2O$).

3. Идентификация веществ Е и Ж.

Смесь В ($Br_2$) с соляной кислотой – сильный окислитель, способный, подобно царской водке, растворять благородные металлы, например, золото (Au). Светло-жёлтый цвет раствора характерен для золотохлоридных комплексов. Предположим, Е – золото (Au).

В условии сказано, что при растворении металла Е образуются вещества Б ($SeO_2$) и Ж. Получение $SeO_2$ из $Au + Br_2 + HCl$ невозможно. Однако текст можно интерпретировать так: "смесь В с HCl" приведена как пример сильного растворителя, а само растворение Е происходит под действием другого реагента из полученных ранее, а именно вещества Г ($H_2SeO_4$) в присутствии $HCl$ (источник хлорид-ионов для комплексообразования). Селеновая кислота – сильный окислитель.

Реакция: $2Au + 3H_2SeO_4 + 8HCl \rightarrow 3SeO_2 + 2H[AuCl_4] + 6H_2O$.

В этой реакции образуются Б ($SeO_2$) и вещество Ж. Следовательно, Ж – это $H[AuCl_4]$ (тетрахлороаурат(III) водорода или золотохлористоводородная кислота).

Проверим массовую долю хлора в Ж.

$M(H[AuCl_4]) = 1.0 + 197.0 + 4 \cdot 35.5 = 339.0$ г/моль.

$\omega(Cl) = \frac{4 \cdot 35.5}{339.0} \cdot 100\% \approx 41.89\%$.

Используя более точные атомные массы ($H=1.008, Au=196.97, Cl=35.453$):

$M(H[AuCl_4]) = 1.008 + 196.97 + 4 \cdot 35.453 = 339.78$ г/моль.

$\omega(Cl) = \frac{4 \cdot 35.453}{339.78} \cdot 100\% \approx 41.736\%$.

Это значение практически совпадает с данными в условии (41,77 %), что подтверждает правильность определения всех веществ.

Ответ:А – Se (селен); Б – $SeO_2$ (диоксид селена); В – $Br_2$ (бром); Г – $H_2SeO_4$ (селеновая кислота); Д – $KNO_3$ (нитрат калия); Е – Au (золото); Ж – $H[AuCl_4]$ (золотохлористоводородная кислота).

б) Приведите уравнения описанных в задаче превращений.

1. Образование оксида Б из простого вещества А:

$Se + O_2 \xrightarrow{t} SeO_2$

2. Взаимодействие оксида Б с раствором бромида калия (с учётом исправленной опечатки), подкисленным азотной кислотой:

$SeO_2 + 2KBr + 6HNO_3 (\text{конц.}) \rightarrow H_2SeO_4 + Br_2 + 4NO_2 + 2KNO_3 + 2H_2O$

3. Растворение металла Е:

$2Au + 3H_2SeO_4 + 8HCl \rightarrow 3SeO_2 + 2H[AuCl_4] + 6H_2O$

Ответ:

$Se + O_2 \xrightarrow{t} SeO_2$

$SeO_2 + 2KBr + 6HNO_3 \rightarrow H_2SeO_4 + Br_2 + 4NO_2 + 2KNO_3 + 2H_2O$

$2Au + 3H_2SeO_4 + 8HCl \rightarrow 3SeO_2 + 2H[AuCl_4] + 6H_2O$

в) При кипячении А с раствором Na₂SO₃ образуется новое вещество З, содержащее 15,6 % серы по массе. Установите состав и опишите строение З.

Как было показано в пункте а), вещество А – это селен (Se). При кипячении с водным раствором сульфита натрия он образует селеносульфат натрия (З) по аналогии с реакцией серы с сульфитом (образование тиосульфата).

$Se + Na_2SO_3 \xrightarrow{t, H_2O} Na_2SeSO_3$

Состав вещества З – $Na_2SeSO_3$.

Строение аниона $[SeSO_3]^{2-}$ аналогично строению тиосульфат-иона $[S_2O_3]^{2-}$. Атом серы является центральным и находится в sp³-гибридизации. Он образует связи с тремя атомами кислорода и одним атомом селена. Геометрия аниона – искажённый тетраэдр. Атом селена формально имеет степень окисления -2, а центральный атом серы +6 (или Se 0, S +4 в другой трактовке). Связь S-Se является одинарной ковалентной, а связи S-O имеют частично двоекратный характер из-за делокализации заряда.

Ответ: Вещество З – селеносульфат натрия, формула $Na_2SeSO_3$. Анион $[SeSO_3]^{2-}$ имеет тетраэдрическое строение с центральным атомом серы, связанным с тремя атомами кислорода и одним атомом селена.

г) Предложите ещё два способа перевода Е в раствор. Приведите уравнения соответствующих реакций.

Металл Е – это золото (Au). Два распространённых способа его растворения:

1. Растворение в царской водке. Царская водка – это смесь концентрированных азотной и соляной кислот (обычно в объёмном соотношении 1:3). Азотная кислота окисляет золото, а хлорид-ионы из соляной кислоты связывают ионы золота в устойчивый комплексный анион $[AuCl_4]^-$.

$Au + HNO_3 (\text{конц.}) + 4HCl (\text{конц.}) \rightarrow H[AuCl_4] + NO \uparrow + 2H_2O$

2. Цианирование. Растворение золота в аэрируемых водных растворах цианидов щелочных металлов (например, NaCN). Этот метод является основным в промышленном извлечении золота из руд.

$4Au + 8NaCN + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Na[Au(CN)_2] + 4NaOH$

Ответ:

1. Растворение в царской водке: $Au + HNO_3 + 4HCl \rightarrow H[AuCl_4] + NO + 2H_2O$.

2. Растворение в растворе цианида натрия в присутствии кислорода: $4Au + 8NaCN + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Na[Au(CN)_2] + 4NaOH$.