Раздел №2. Структура, свойства и функции ( 7 баллов)

Раздел №1. Материя (10 баллов)

Масс-спектрометрия – незаменимый инструмент в руках современного химика-исследователя. Данный инструмент позволяет находить точную массу молекул, находящихся в растворе (бывают настолько точные инструменты, что пренебрегать массой электронов становится невозможным!).

Например, если поместить жидкий гексан (C₆H₁₄) в масс-спектрометр, можно увидеть молекулярный пик (М) величиной в 86 единиц.

Аналогично для воды – М = 18 единиц.

В природе чаще всего встречаются два изотопа углерода: ¹²C и ¹³С (относительная частота 1.1%). Несмотря на то, что изотоп углерод-12 очевидно преобладает, при наличии большого количества атомов углерода в молекуле в масс спектрометре начинает появляться маленький пик М+1.

1. Сколько атомов углерода в неизвестном соединении X, если относительные частоты пиков M:M+1 равны 4.289:1. (1 балл)

Воспользуемся простейшими соображениями теории вероятности. Если в соединении будет один атом углерода, соотношение М+1:M должно быть равно 1.1%. Чем больше атомов углерода, тем больше вероятность того, что в соединении попадется один (поскольку пик М+1) изотоп 13С. Если быть точнее, эта вероятность равна , где n – количество атомов углерода. Таким образом, получаем:

Откуда n = 21. (1 балл)

В таблице ниже приведены относительные частоты изотопов часто встречающихся элементов.

Изотоп	³²S	³⁴S	³⁵Сl	³⁷Сl	⁷⁹Br	⁸¹Br	¹⁴N	¹⁵N
Относительная частота (%)	94.93	4.29	75.76	24.24	50.69	49.31	99.64	0.36

Юный химик-исследователь Ануар получил четыре образца: S 1, S 2, S 3, S 4. Первым делом он пошел к масс-спектрометру и получил следующие данные:

· В спектре S 1 наблюдается два молекулярных пика с относительной частотой 1:1 (М:М+2)

· В спектре S 2 наблюдается два молекулярных пика с относительной частотой 3:1 (М:М+2)

· В спектре S 3 наблюдается три молекулярных пика с относительной частотой 9:6:1 (М:М+2:М+4)

· В спектре S 4 наблюдается три молекулярных пика с относительной частотой 1:2:1 (М:М+2:М+4)

2. Что вы можете сказать об атомном составе S 1? (1 балла)

Мы наблюдаем два молекулярных пика, которые отличаются на 2 атомные единицы в соотношении 1:1. Это все указывает на то, что в соединении должен быть атом, который в природе представлен в виде двух изотопов в соотношении 1:1. Воспользовавшись таблицей, приходим к выходу, что это Бром. Значит, в составе S1 есть один атом брома (1 балл).

3. Что вы можете сказать об атомном составе S 2? (1 балл)

Аналогично первому пункту, только теперь соотношение 3:1. В данном случае подходит хлор (1 балл)

4. Что вы можете сказать об атомном составе S 3? (2 балл)

Первый вариант – возможно наличие одного атома, который представлен тремя изотопами, каждый из которых отличается на две массовые единицы. Таких атомов в таблице не наблюдаем. Значит что-то другое.

Возможно ли сочетание двух атомов, каждый из которых представлен в виде двух изотопов? Нужно попробовать. Изотопы серы и азота находятся в соотношениях как минимум 23:1, значит, наверняка, их в соединении нет.

Что если в соединении два брома, два хлора или один бром один хлор?

Проверим вариант с бромом (соотношение изотопов 1:1):

Допустим в соединении два атома А и Б.

У нас есть четыре варианта:

· А – ⁷⁹Br, Б – ⁷⁹Br, масса М

· А – ⁷⁹Br, Б – ⁸¹Br, масса М+2

· А – ⁸¹Br, Б – ⁷⁹Br, масса М+2

· А – ⁸¹Br, Б – ⁸¹Br, масса М+4

Поскольку частота изотопов брома одинаковая (соотношение 1:1), все четыре варианта равновозможны, а значит соотношение пиков должно быть 1:2:1. Это не подходит под описание S3, но подходит под описание S4.

Попробуем вариант с двумя хлорами. Снова четыре варианта:

1. А – ³⁵Cl, Б – ³⁵Cl, масса М

2. А – ³⁵Cl, Б – ³⁷Cl, масса М+2

3. А – ³⁷Cl, Б – ³⁵Cl, масса М+2

4. А – ³⁷Cl, Б – ³⁷Cl, масса М+4

В данном случае соотношение изотопов 3:1, а значит четыре варианта не равновозможны. Вероятность того, что атом хлора окажется изотопом ³⁵Cl равна , а вероятность того, что атом хлора окажется изотопом ³⁷Cl равна .

Тогда, получаем вероятности четырех вариантов:

Поскольку второй и третий вариант обладают одинаковыми массами, получаем соотношение 9:6:1. Это соответствует описанию S3. Значит, мы можем сказать, что в S3 содержится два атома хлора (2 балла)

5. Что вы можете сказать об атомном составе S 4? (2 балла)

В нем находится два атома брома (как показано в предыдущем пункте). 2 балла.

Изомерия – это феномен в органической химии, когда два соединения с одинаковой химической формулой могут иметь разную структуру. Например, у гексана (C₆H₁₄) есть по меньшей мере два изомера:

6. Используя ваши знания о природе межмолекулярных взаимодействий, предположите, какой изомер будет обладать более низкой температурой кипения? (1 балл)

У двух изомеров одинаковая формула, а значит одинаковая масса и количество электронов. Мы видим, что соединения состоят в основном из связей C-H и С-С. С-С связь ковалентная неполярная, а С-Н слабополярная, т.к. С и Н обладают очень схожими значениями электронейтральности. Таким образом, влияние диполь-дипольных взаимодействий должно быть небольшим.

Это все наталкивает на мысль о том, что главную роль играют дисперсионные силы (лондоновские силы). Ключ к разгадке ответа на вопрос заключается в том, что дисперсионные силы пропорциональны площади поверхности молекулы. Нетрудно заметить, что второй изомер обладает меньшей площадью поверхности, поскольку он более сжатый в «комочек» нежели первый изомер. Таким образом, за счет меньшей площади поверхности дисперсионные силы притяжения будут слабее, а значит температура кипения данного изомера тоже будет ниже. (1 балл)

Раздел №2. Структура, свойства и функции ( 7 баллов)

Хром является довольно распространённым элементом в земной коре. В свободном виде голубовато-белый металл с кубической объемно-центрированной решёткой. Устойчив на воздухе за счёт пассивирования. Для хрома характерны степени окисления +2, +3 и +6. Степень окисления +3 соответствует амфотерный гидроксид Cr(OH)₃ . Благодаря амфотерным свойствам легко происходят реакции с растворами щелочей, но в их избытке образуется растворимый гидроксокомплекс. Хром, полученный при электролизе раствора нитрата хрома(III) обработали соляной кислотой, после чего раствор оставили на воздухе. Затем к этому раствору постепенно прилили раствор NaOH до полного растворения выпавшего вначале осадка. При этом израсходовано 228,6 см³ раствора NaOH с массовой долей 30 % (ρ = 1,40 г/см3).

7. Напишите уравнения реакций и рассчитайте массу выделенного на катоде хрома. Определите объем (н.у.) выделившего газа на аноде.

1) 4Cr(NO₃)₃ + 6 H₂O 4Cr + 3O₂↑ + 12HNO₃ (электролиз) (1 балл)

2) Cr + 2HCl CrCl₂ + H₂↑ (0.5 балла)

3) 4CrCl₂ + O2 + 4HCl 4CrCl₃ + 2H₂↑ (1 балл)

4) 3NaOH + CrCl₃ Cr(OH)₃↓+ 3NaCl (0.5 балла)

5) Cr(OH)₃ + NaOH Na[Cr(OH)₄] (0.5 балла)

Суммарные уравнения реакций.

6) 4Cr + 12HСl + 3O₂ 4CrCl₃ + 6H₂O

7) CrCl₃ + 4NaOH Na[Cr(OH)₄] + 3NaCl

M(NaOH) = 40 г/моль; M(Cr) = 52 г/моль.

Масса раствора NaOH 228,6•1,4 = 320,04г. Масса NaOH 320,04•0,3 = 96,012г. Количество NaOH в растворе составит 96,012/40 = 2,4 моль. Из уравнений реакций (6, 7) следует, что 1 моль Cr → 1 моль CrCl₃ → 4 моль NaOH, т.е. в реакцию с 2,4 моль NaOH вступает 2,4/4 моль хрома или 0,6•52 = 31,2 г. Следовательно, на катоде выделится 31,2 г хрома. (2 балла)

Количество кислорода определяем из уравнения реакции (1): оно равно 0,45 моль или 0,45•22,4 = 10,08 л кислорода. (1,5 балла)

Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 221; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!