Сплав "ферромарганец" содержит в своем составе четыре основных компонента – два металла и два неметалла. Образец такого сплава массой 10,0 г прокипятили с избытком концентрированной (60 %) азотной кислоты. Значительная часть сплава растворилась, но на дне все же остался осадок, который после отфильтровывания и сушки представлял собой белый порошок массой 1,29 г. Порошок этот отказывался реагировать со всеми сильными кислотами, но охотно растворился в кислоте плавиковой. Газообразные продукты, выделившиеся при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой, пропустили через избыток холодной известковой воды, которой они поглотились количественно, причем в ходе этой реакции выпал осадок массой 5,83 г.

Азотнокислый раствор испарили до минимального объема для удаления основного количества избыточной азотной кислоты, затем количественно перенесли в мерную колбу и долили воды до отметки 100,0 мл. Одну пробу этого раствора объемом 25,0 мл подвергли электролизу, получив на одном из электродов 2,175 г смеси порошков металлов и бесцветный раствор. Вторую такую же пробу раствора упарили досуха и прокалили на воздухе. Масса твердого остатка составила 3,38 г.

1. Какие четыре основных элемента входят в состав ферромарганца? Если Вы еще сомневаетесь, то знайте, что полученный азотнокислый раствор дает интенсивное кроваво-красное окрашивание с роданид-ионом, а белый порошок такого же состава Вы можете обнаружить в пакетике с надписью «Do not eat», который производители часто вкладывают в обувь или в пакеты с орешками (кстати, зачем?).

2. Напишите уравнения всех описанных в задаче реакций. Для процесса электролиза отдельно запишите уравнения реакций, идущие на катоде и аноде, а также уравнения суммарных реакций.

3. Определите количественный (масс. %) состав ферромарганца.

4. Все компоненты ферромарганца можно перевести в растворимые соединения, если сплавить ферромарганец с натриевой щелочью в присутствии кислорода. Полученный плав имеет красивый зеленый цвет с фиолетовым отливом. Попробуйте написать уравнения происходящих при сплавлении реакций.

Решение задачи

Существует несколько бинарных соединений элемента Э с водородом. Прямым взаимодействием простых веществ получают соединение А, содержащее 17,65 масс. % водорода, обладающее резким запахом и окрашивающее смоченную лакмусовую бумажку в синий цвет. Для получения соединения Б раствор А смешивают на холоду с гипохлоритом натрия в соотношении 30:1 и раствором желатина, а затем быстро пропускают под давлением через реактор при 150 °C (время контакта 1 с). Соединение Б, подобно А, окрашивает смоченную лакмусовую бумажку в синий цвет. Третье соединение, В, напротив, окрашивает лакмус в красный цвет. При этом реакция А и В приводит к образованию вещества Г, содержащего 6,67 масс. % водорода. А реакция Б и В приводит к образованию вещества Д, которое также содержит 6,67 масс. % водорода. Раствор соединения В можно получить при реакции Б с разбавленным сине-голубым раствором неустойчивой кислоты Е, отличающейся от остальных соединений наличием в ее составе кислорода.

1. Установите элемент Э, бинарные вещества АД, кислоту Е. Для веществ АЕ приведите формулы и названия.

2. Напишите уравнения всех упомянутых реакций.

Основное применение Б и его метил (Б1) и диметилпроизводных (Б2) — ракетное топливо в управляемых космических кораблях, луноходах и т. д. Луноход «Аполлон» сбрасывал скорость при посадке и набирал мощность при взлёте, используя смесь 1:1 (по молям) метил- и диметилпроизводных Б и N2O4 в качестве окислителя.

3. Приведите формулы и названия соединений Б1 и Б2. Известно, что теплота сгорания Б1 равна +1,30·103 кДж/моль, теплота сгорания Б2 — +3,14·103 кДж/моль, теплота образования N2O4 равна −9,16 кДж/моль. Напишите уравнения реакций, которым отвечают эти тепловые эффекты. Запишите уравнения реакций >Б1 и Б2 с N2O4 и рассчитайте количества теплоты, выделяющейся в этих реакциях.

4. Какую массу окислителя израсходовал «Аполлон» при посадке на Луну, которая потребовала 3 т топлива? Какое количество энергии «Аполлон» затратил на посадку?

Решение задачи

На завод, производящий свинцовые аккумуляторы, поступила железнодорожная цистерна, содержащая 40,0 м3 тяжелой (ρ =1,834 г/мл) бесцветной маслянистой жидкости без запаха, смешивающейся с водой в любых соотношениях. Эта едкая жидкость легко растворяет не только такие активные металлы, как цинк и марганец, но и медь, и даже серебро, а также серу и фосфор, реагирует с неорганическими солями (например, NaCl, KBr, KI), а от многих предметов органического происхождения остаются только черные хлопья, да и те при нагревании исчезают. Жидкость эта, иногда называемая «кровью химии», чрезвычайно востребована промышленностью развитых стран – ее мировое производство в 2008 г. перевалило за 200 млн т, из которых более 10 млн т было произведено в России.

  1. Назовите эту жидкость, напишите уравнения описанных реакций, объясните ее действие на предметы органического происхождения. Какая из отраслей химической промышленности является основным потребителем этой жидкости?
  2. Жидкость, находящаяся в цистерне, содержит 95,0 масс. % вещества А (остальное – вода). Рассчитайте «чистую» массу А, поступившего на завод. Сколько аккумуляторов завод сможет заправить электролитом, приготовленным из этой жидкости, если на каждый прибор требуется 1,50 л 35,0 % раствора А (его плотность 1,260 г/мл)? Рассчитайте точное соотношение объемов воды и исходной жидкости, которые требуется смешивать для приготовления нового раствора. Как Вы посоветуете аппаратчику готовить этот раствор, и какую воду он может взять для этой цели (морскую, речную, водопроводную, компании «Чистая вода» или какую-то другую)?
  3. Итак, 35 % раствор мы приготовили. Теперь посчитайте в нем молярную концентрацию А, поскольку дальше она нам очень пригодится. Напишите формулы и названия присутствующих в этом растворе ионов и оцените и их молярную концентрацию. Все, что Вам для этого нужно знать – вещество А, его свойства в водном растворе и одну справочную константу диссоциации (1,2*10−2). Оцените заодно, насколько холодно должно быть за окном, чтобы новый аккумулятор замерз. Известно, что понижение температуры замерзания раствора пропорционально моляльной концентрации растворенных веществ (придется считать и ее!). Криоскопическая константа воды 1,86 K*кг/моль.

    Электрические аккумуляторы – химические источники тока многократного действия. По принципу работы аккумуляторы не отличаются от гальванических элементов, но электродные реакции, а также суммарная токообразующая реакция в аккумуляторах обратимы. Поэтому после разряда аккумулятор может быть снова заряжен пропусканием тока в обратном направлении.

    Заготовка для электродов свинцовых аккумуляторов представляет из себя пасту, приготовленную замешиванием смеси Рb3О4 и РbО с раствором А (активная масса); эту пасту намазывают на сетки-токоотводы из сплава Рb с 2-12% Sb и опускают в раствор А. Сетки присоединяют к различным полюсам зарядного устройства и формируют электроды, пропуская через раствор постоянный ток; при этом основной компонент пасты на одном электроде восстанавливается до свинца, на другом – окисляется до диоксида свинца. По окончании зарядки аккумулятор готов к эксплуатации.

  4. Напишите уравнения реакций взаимодействия оксидов свинца с раствором А, , а также электродных полуреакций, протекающих в процессах зарядки и разрядки аккумулятора (с указанием названий и зарядов электродов). Напишите суммарное уравнение процесса разрядки. Зная стандартные потенциалы электродов при 25 °С (Е0PbO2/PbSO4 = 1,69 В, Е0PbSO4/Pb = –0,36 В), рассчитайте ∆Е0 и константу равновесия для процесса разрядки: К = exp(nF∆Е0/RT), где n – число электронов, F – число Фарадея (96485 Кл/моль).
  5. Допустим, в процессе работы нашего аккумулятора, содержащего 1,5 л электролита, плотность последнего упала от 1,260 до 1,140 г/мл (это соответствует 20 % раствору А). Проведите оценку массы израсходованного при этом вещества А в допущении, что объем электролита не изменился. Если у Вас все получилось, попробуйте посчитать эту массу точно, поскольку все данные для этого у Вас есть.
Решение задачи

При взаимодействии вещества А (тетрабромпроизводное, молярная масса которого не превышает 400 г/моль) с цинковой пылью в водно-спиртовом растворе был получен углеводород Б, не содержащий кратных связей. Навеску углеводорода Б сожгли в избытке кислорода, а образовавшиеся продукты сгорания пропустили вначале через взвешенную трубку с избытком оксида фосфора(V), а затем через избыток известковой воды. Установили, что масса трубки с P2O5 увеличилась на 1,081 г. Осадок, образовавшийся в склянке с избытком известковой воды, отфильтровали, высушили и взвесили. Его масса составила 7,508 г.

1. Установите молекулярную формулу углеводорода Б. Приведите необходимые расчеты и уравнения реакций.

2. Изобразите структурные формулы всех теоретически возможных изомеров Б, не содержащих кратных связей.

3. Известно, что для Б возможно существование лишь одного монобропроизводного (без учета оптических изомеров). Среди приведенных Вами в п. 2 структур выберите ту, которая удовлетворяет этому условию.

4. Изобразите структурную формулу соединения А, из которого был получен Б.

Решение задачи