Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

ОТВЕТЫ НА ЗАДАНИЯ

посвященной 150-летию периодической системы химических элементов

Д.И. Менделеева XIХ Российской дистанционной олимпиады школьников по химии  (XVII Международной дистанционной олимпиады школьников «Интер-Химик-Юниор-2019»)

 

При составлении ответов использованы материалы, присланные участниками олимпиады

 

1. Название или открытие каких химических элементов связано с русскими учеными? Дайте краткую информацию.

Ответ: (Аксенова Арина, Школа № 1900, г. Москва)

Химические элементы, названные в четь России и российских ученых

Рутений – элемент № 44.

Ruthenia — латинское название Руси

Открыт профессором кафедры химии Казанского университета Карлом Карловичем Клаусом. Клаус был современником и другом основоположников русских химических школ — Н. Н. Зинина и А. А. Воскресенского, а также учителем А.М. Бутлерова.  Рутений – единственный из открытых в России химических элементов, который получен естественным путём, извлечён из минерального сырья  (платиновой руды).

Самарий – элемент № 62.

Уральский горный инженер В.Е. Самарский в середине XIX века открыл минерал, позже названный самарскитом.

В 1878 году французский химик Марк Делафонтен обнаружил в составе самарскита новый элемент. А через год другой французский химик Лекок де Буабодран дал новому элементу его современное название — самарий.

Элемент назван в честь Василия Евграфовича Самарского - Быховца. С 1845 по 1861 гг. он был начальником штаба Корпуса горных инженеров и предоставил химикам для исследования образцы уральского минерала.

Менделевий – элемент № 101.

Первые 17 атомов менделевия синтезировали в 1955 году американские учёные А. Гиорсо, Б. Харви, Г. Чоппин, С. Томпсон и Г. Сиборг. Затем ученые ОИЯИ в Дубне синтезировали для исследований сотни атомов менделевия. Назван в честь Дмитрия Ивановича Менделеева, создателя периодической системы элементов.

Дубний – элемент № 105.

Впервые был получен на ускорителе в Дубне в 1970 году группой Георгия Николаевича Флёрова Лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (СССР) и независимо в Беркли (США) группой учёных Радиационной лаборатории имени Эрнста Лоуренса. Рабочая группа ИЮПАК в 1993 году сделала вывод, что честь открытия элемента должна быть разделена между группами из Дубны и Беркли.

Получил название в честь выдающихся заслуг советских и российских учёных из города, в котором он был впервые получен. Дубна – город учёных, наукоград.  Главным градообразующим предприятием является Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). Построенные в Дубне синхроциклотрон и синхрофазотрон в 60-х годах были крупнейшими в мире ускорителями заряженных частиц и сыграли значительную роль в развитии физики.

В этом институте с 1965 по 1981 гг. были синтезированы химические элементы с порядковыми номерами 102, 103, 104, 105, 107. С момента основания Объединённого института ядерных исследований из 18 элементов, которые с тех пор были открыты во всём мире,  11 получены в этом институте.

Флеровий – элемент № 114.

Элемент назван в честь Лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований и выдающегося советского и российского физика-ядерщика, основателя этой лаборатории Георгия Николаевич Флерова. Впервые синтезирован российскими учёными этого института в декабре 1998 года.

Получение нового элемента российскими учёными было подтверждено в 2004 и в 2006 годах в сотрудничестве  Дубна-Ливермор в Дубне, а также в 2009 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США).

Московий – элемент № 115.

Элемент был впервые получен в 2003 году совместной командой российских и американских учёных в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Россия.

Московий является чрезвычайно радиоактивным веществом: его наиболее стабильный известный изотоп Mc-290 имеет период полураспада всего 0,8 секунды.

С химической точки зрения представляет загадку. Его свойства изучаются теоретически, учёные опираются на формулы и установленные наукой закономерности. Хотя в периодической таблице московий стоит под висмутом, но в химическом плане его сравнивают не столько с ним, сколько с таллием и щелочными металлами.

Оганесон – элемент № 118.

Элемент оганесон назван в честь своего первооткрывателя, академика Юрия Цолаковича Оганесяна. Оганесон принадлежит к инертным газам, имеет  завершённую электронную конфигурацию, что означает его химическую инертность и нулевую, по умолчанию, степень окисления. Однако соединения тяжёлых благородных газов (начиная с криптона) с сильным окислителями (например, фтором или кислородом) всё же существуют. По мере роста порядкового номера электроны удаляются от ядра, поэтому лёгкость окисления инертного газа сильными окислителями от криптона к радону возрастает. Учёные предполагают, что оганесон, хотя и будет химически малоактивным по сравнению с большинством других элементов, но по сравнению с предыдущими инертными газами будет достаточно активен.

Помимо выше перечисленных элементов с исследованиями русских ученых связано открытие других сверхтяжелых химических элементов в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна).

 

2. В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева не все элементы расположены в порядке увеличения атомных масс. Какие это элементы? Какова, по Вашему мнению, причина этой «аномалии»?

Ответ: В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева элементы аргон и калий; кобальт и никель, также теллур и йод, а также некоторые тяжелые радиоактивные элементы расположены не в порядке увеличения атомных масс. Кажущееся несоответствие в расположении некоторых элементов в периодической системе Д.И. Менделеева вызвано распространением на Земле изотопов этих элементов. У аргона, например, из трех стабильных изотопов Ar36 (0,337%), Ar38 (0,063%) и Ar40 (99,600%) наиболее распространен на Земле тяжелый изотоп Ar40, а у калия – легкий. Распространенность же элементов и их изотопов во Вселенной отличается от их распространенности на нашей планете. Считается, в частности, что при образовании планет из межзвездной пыли легкие изотопы аргона остались в космическом пространстве.

Элементы, которые расположены не в порядке увеличения атомных масс (Минько Анастасия (093), «Ангарский лицей №2» имени М.К. Янгеля, г.Ангарск, Иркутская область):

1.      Аргон (Ar) и Калий (K)

2.      Кобальт (Co) и Никель (Ni)

3.      Теллур (Te)  и Йод (I)

4.      Торий (Th) и Протактиний (Pa)

5.      Уран (U) и Нептуний (Np)

6.      Сиборгий (Sg) и Борий (Bh)

 

3. Сера и хром существенно отличаются по своим физическим и химическим свойствам. В то же время некоторые соединения серы и хрома похожи по своим химическим свойствам. Какие это соединения? В чем причина близости химических свойств этих соединений?

Ответ: (Съедин Денис (002), г. Макеевка, СШ № 4) Сходны по свойствам соединения серы(VI) и хрома(VI). Например, высшие оксиды этих элементов SO3 и CrO3 являются типичными кислотными оксидами, реагирующими с водой с образованием серной (H2SO4) и хромовой (H2CrO4) кислот. Как серная, так и хромовая кислоты – сильные кислоты, проявляющие окислительные свойства и склонны к образованию поликислот (например, H2S2O7 и H2Cr2O7). Как сульфаты, так и хроматы бария и свинца являются практически нерастворимыми солями; относительно низкая растворимость присуща сульфату и хромату кальция, причем для обеих солей с повышением температуры растворимость не растет, а понижается. Сходные химические свойства соединений серы (VI) и хрома(VI) объясняются наличием шести валентных электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов, а также схожей структурой внешних оболочек ионов S6+ – 1s22s22p6 и Cr6+ – 1s22s22p63s23p6.

 

4. Почему отличаются по своей структуре молекулы СF4, XeF4 и SF4? Определите геометрию этих молекул и предложите Ваш вариант объяснения их строения.

Ответ. (Александра Бочарова (039), г. Санкт-Петербург, лицей № 214) Для определения геометрической формы молекул используют метод отталкивания валентных электронных пар.

Согласно этой теории молекулы или ионы, содержащие только простые связи, на валентном уровне центрального атома М могут иметь два типа электронных пар: связывающие пары связей М-Х и неподеленные пары электронов Е. Эти связывающие и неподеленные пары электронов располагаются таким образом, чтобы их взаимное отталкивание было минимальным.

С увеличением электроотрицательности лиганда электронная плотность связывающей общей пары электронов смещается в сторону лиганда и уменьшается в области центрального атома, поэтому отталкивание этой пары будет меньшим, чем отталкивание других общих пар электронов.

В силу направленности ковалентной связи при определении геометрии молекул следует учитывать не только связывающие, но также и неподеленные электронные пары центрального атома. Неподеленные пары учитываются при выборе типа окружения центрального атома, (типа гибридизации атомных орбиталей) но не входят в описание геометрии. На основании вышесказанного можно проанализировать строение указанных молекул.

СF4 – у углерода четыре связывающих электронных пар (sp3 - гибридизация) геометрическая форма – тетраэдр (в центре этого тетраэдра находится атом углерода, в вершинах тетраэдра - атомы фтора).

XeF4 - четыре связывающие и две неподеленные электронные пары обуславливают октаэдрическое окружение (sp3d2 - гибридизация), в котором последние располагаются в противоположных вершинах, что приводит к геометрии квадрата.

SF4 - четыре связывающие и одна неподеленная электронные пары обуславливают окружение тригональной бипирамиды, в котором неподеленная пара занимает экваториальное положение, что приводит к геометрии, которая носит название «качели». (sp3d - гибридизация). В экваториальном положении отталкивание неподеленной электронной пары меньше, чем в аксиальном.

 

5. Ковалентная химическая связь между атомами в молекулах образуется с помощью электронных пар. Поэтому большинство молекул содержат четное число электронов. Встречаются, однако, и молекулы с нечетным числом электронов. Приведите примеры таких молекул с ковалентной химической связью. Объясните образование химической связи в этих молекулах.

Ответ. (Топилов Ислом (086), школа № 6, г. Янгиер, Ресублика Узбекистан)

Природу химической связи в рассматриваемых молекулах можно объяснить на основе метода молекулярных орбиталей (МО). Для молекулы NO, например, расположение электронов на молекулярных орбиталях происходит следующим образом:

 

 

 

Кратность связи в молекуле NO, таким образом, равна 2,5.

Для молекулы NO2 схема расположения электронов на молекулярных орбиталях имеет вид:

Молекула NO2 имеет угловую форму. Порядок связи 1,5 (имеет промежуточное значение между длиной одинарной и двойной связей). Длина связи = 0,1197 нм.

 

Связь в рассматриваемых молекулах можно объяснить также с помощью метода валентных связей и концепции резонанса структур:

Для объяснения химической связи можно использовать также и представления об образовании донорно-акцепторной связи. Для молекулы NO2, например, получаем:

Примерами других соединений с нечетным количеством электронов являются: CuS, CuO, MnO, MnO2, FeCl3 и др.

 

6. При действии концентрированной серной кислоты на смесь порошков меди и углерода образовались газообразные продукты реакции объемом 40,32 л (н.у.). Образовавшуюся газовую смесь пропустили через избыток раствора перманганата калия, при этом объем газов уменьшился в пять раз. Определите содержание меди и углерода в исходной смеси, напишите уравнения всех протекающих реакций и определите массу образовавшихся солей в растворе.

Ответ: (Фомина Юлия (001), г. Челябинск, школа № 116)

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2 H2O; C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2 H2O

2KMnO4 + 5SO2 + 2H2O = K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2 SO4

Таким образом, после пропускания образовавшейся газовой смеси через раствор перманганата калия остается только оксид углерода (IV).

V (СО2) = 40,32 / 5 = 8,06 л; n(СО2) = 8,06 / 22,4 = 0,36 моль.

n(C) = n(CO2) = 0,36 моль; m(C) =0,36 моль × 12 = 4,32 г.

В реакции с углеродом выделилось оксида серы (IV)

n1(SO2) = 2 ×n( CO2) = 0,36 × 2 = 0,72 моль;

V1(SО2) = 0,72 × 22,4 = 16,13 л.

Значит в реакции с медью выделилось оксида серы (IV)

V2(SО2) = 40,32 – 8,06 – 16,13 = 16,13 л.

n2(SO2) = 16,13 / 22,4 = 0,72 моль

n(Cu) = n2(SO2) = 0,72моль; m(Cu) = 0,72 моль× 64 = 46,08 г.

m(смеси) = 4,32 + 46,08 г = 50,40 г.

wu) = 46,08 × 100 / 50,40 = 91,43%

w(С) = 4,32 × 100 / 50,40 = 8,57%

Общее количество оксида серы (IV) в смеси

n(SO2) = 0,72 + 0,72 = 1,44 моль

Отсюда найдем массу образовавшегося сульфата

n2SO4) = 1,44 / 5 = 0,29 моль; m2SO4) = 174 . 0,29 = 50,46 г.

n(MnSO4) = 1,44× 2 / 5 = 0,58 моль; m(MnSO4) = 151. 0,58 = 87,58 г.

 

7. Элемент X образует четыре соединения с кислородом: А, В, С и D. При сгорании элемента X образуется соединение А с содержанием кислорода 41,0% (реакция 1). При нагревании соединения А можно получить вещество B с содержанием кислорода 25,8% (реакция 2). Соединение С (58,2% кислорода) используется для регенерации кислорода из углекислого газа в замкнутых помещениях (реакция 3). Название четвертого соединения D (67,6% кислорода) происходит от названия одной из аллотропных модификации кислорода. Определите, о каком элементе идет речь, если при растворении 0,186 г. соединения B в воде получается только щелочь (реакция 4), для нейтрализации которой необходимо 30 мл 0,1 М раствора серной кислоты (реакция 5). Напишите уравнения реакций 1 – 5.

Ответ. (Тургинбеков Алмаз (088), Школа-гимназия № 30, г. Нур-Султан, Республика Казахстан)

1.                  Определяем формулу вещества А. В общем виде формула соединения элемента Х с кислородом записывается XnOm. Если кислорода в этом веществе 41,0%, то элемента Х – 59,0%. Обозначим атомную массу элемента Х через М. Можно составить следующее соотношение:

Xn

Om

59%

41%

М*n

16*m

Отсюда выразим массу элемента Х:

M=

Учитывая, что m и n – индексы, только целые и положительные числа, методом подстановки находим, что при m=n=1 атомная масса элемента Х составит 23. Это соответствует Na. Но вещества состава NaO не существует, следовательно, речь идет о Na2O2 (это соединение А)

2Na +O2 =Na2O2  (реакция 1)

2.      Таким же образом определяем формулу вещества В

Xn

Om

74,2 %

25,8 %

М*n

16*m

M=; при m=1 и n=2 получаем формулу соединения В – Na2O – оксид натрия

2Na2O2 = 2Na2O2 (реакция 2)

Na2O+H2O = 2NaOH (реакция 4)

3.      Определяем формулу вещества С

Xn

Om

41,8 %

58,2 %

М*n

16*m

M=; при m=2 и n=1 получаем формулу соединения В – NaO2– надпероксид натрия

4NaO2+2CO2 =2Na2CO3 +3O2 (реакция 3)

4.      Определяем формулу вещества D

Xn

Om

32,4 %

67,6 %

М*n

16*m

M=; при m=3 и n=1 получаем формулу соединения В – NaO3– озонид натрия

Na2O+H2O = 2NaOH (реакция 4)

ν(Na2O)=

Как видно из реакции (4) ν(NaOH)=2ν(Na2O)=0,006 моль

2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2 H2O (реакция 5); из этого уравнения видно, что кислоты потребуется в 2 раза меньше, чем было взято щелочи. Определяем количество вещества серной кислоты, потраченной на нейтрализацию щелочи: ν(H2SO4)=Cm*V=0,1 моль/л*0,03 л=0,003 моль, что соответствует условию задачи. Ответ: речь идет об элементе Na

 

8. Колбу с находящимся в ней при давлении 11,2 атм. и температуре 0 оС аммиаком заполнили 2,90 масс. % раствором ортофосфорной кислоты (ρ=1,014 г/см3). Рассчитайте массовые доли (в %) веществ в полученном растворе.

Ответ. (Аксенова Арина (096), Школа № 1900, г. Москва). Пусть объем колбы Vк = 1 л. и объем аммиака в колбе при давлении 11,2 атм. V2 = 1л. При постоянной температуре   р12 = V2/V1

При н.у. аммиак из колбы займет объем  V1 = р2* V21 = 11,2* 1/1 = 11,2 л. Количество вещества аммиака n(NH3) = V1/Vm = 11,2/22,4 = 0,5 моль, m(NH3) = n*M = 0,5*17 = 8,5 г. Количество вещества фосфорной кислоты, заполнившей колбу:

n(H3PO4) = V*ρ* ω / M = 1000*1,014* 0,029/ 98 = 0,3 моль.

m(р-ра H3PO4) = V*ρ = 1000*1,014 = 1014 г.

Уравнения  взаимодействия аммиака и кислоты:

    0,5 моль    0,3 моль            0,3 моль

     NH3     +      H3PO4     =     NH4H2PO4

избыток NH3 0,2 моль

        0,3 моль      0,2 моль         0,2 моль

    NH4H2PO4   +   NH3       =   (NH4)2HPO4

избыток  NH4H2PO4  0,1 моль

Раствор после реакции:  m(р-ра) = m(р-ра H3PO4) + m(NH3) = 1014 + 8,5 = 1022,5 г.

m(NH4H2PO4) = n*M = 0,1 * 115 = 11,5 г.  m((NH4)2HPO4) = n*M = 0,2 * 132 = 26,4 г.

ω(NH4H2PO4) = 11,5 / 1022,5 = 0,0112 или 1,12 %. ω((NH4)2HPO4) = 26,4 / 1022,5 = 0,0258 или 2,58 %.

ω(Н2O) = 100 – 2,58 – 1,12 = 96,3 %

 

9. Предложите химические формулы трех соединений предельных углеводородов с наименьшей молекулярной массой, обладающих оптической изомерией.

Ответ. С наименьшей молекулярной массой будут производные этилена, у которых некоторые атомы водород заменен на дейтерий (D), тритий (T). Можно также использовать и изотопы углерода(13C, 14C):

 

10. Один грамм трех соединений двухвалентного металла (М) с одинаковой брутто-формулой (МХn) содержит соответственно 24,55·1021, 22,96·1021 и 4,965·1021 атомов. Установите химические формулы этих соединений.

Ответ. Молярная масса веществ будет равна количеству вещества ν атомов (24,55·1021, 22,96·1021 и 4,965·1021), умноженному на (n+1). Делим число атомов на число Авогадро (6,022·1023) и получаем количество вещества ν атомов рассматриваемых соединений (Калиев Чингиз (073), Назарбаев интеллектуальная школа, г. Павлодар, республика Казахстан): 4,077·10–2, 3,813·10–2 и 8,245·10–3 моль атомов. Молярные массы веществ, один грамм которых содержат рассчитанное число моль атомов, будут кратны величинам 1/ν, т.е. кратны 24,53; 26,23 и 121,3. В зависимости от величины n в формуле соединения МХn получаем следующие величины молярных масс возможных соединений:

n

А

Б

В

1

49,06

52,46

242,6

2

73,59

78,69

363,9

3

98,12

104,9

485,2

4

122,6

131,2

606,5

5

147,2

157,4

727,8

6

171,7

183,6

849,1

7

196,2

209,8

970,4

8

220,8

236,1

1092

9

245,3

262,3

1213

10

269,8

288,5

1334

Величины n, равные 1 – 5 не соответствуют имеющимся атомным массам металов периодической системы химических элементов. В нашем случае n=6. Искомый металл – стронций , соединения А, Б и В – азид Sr(N3)2, озонид Sr(O3), и полийодид SrI6.