Между молотом и наковальней
Газообразные при н.у. вещества Х1 и Y1 участвуют в химических превращениях (схемы 1 -4):
- Нагревание без доступа воздуха:
- Сгорание в кислороде:
- Поглощение концентрированной азотной кислотой:
Если для этих реакций взять одинаковые массы Х1 и Y1, а затем оттитровать полученные растворы гидроксидом кальция то из раствора Х4 образуется осадок Х5, а из раствора Y4 осадок Y5, массы осадков одинаковы. Небольшая разница в массах (6.62% от большей массы) возникает, если полученные осадки прокаливать до температуры выше 250 оС (прекращение выделения воды), с образованием средних солей X6 и Y6.
- Механическое сжатие под давлением:
В условиях синтеза Х7 имеет кубическую ячейку с «лёгкими» атомами в серединах всех граней и рёбер, и «тяжёлыми» атомами в центре и вершинах куба. Плотность паров жидкости Y7 равна 9.05 г/л (175K и давлении 101.3кПа). Вещество Х7, впервые полученное в 2015 году, обладает уникальной электропроводностью, что стимулировало изучение его аналогов при высоких давлениях. Благоприятная стехиометрия Y1 заставила проверить и его проводимость при высоком давлении в 2019 году.
Вещества Х1-Х7 содержат один общий элемент, вещества Y1-Y7 – другой. Газообразная смесь равных масс Х1 и Y1 имеет плотность 1.52 г/л при н.у.
1. Определите молекулярные формулы 14 неизвестных веществ: Х1 – Х7 и Y1 – Y7, ответ обоснуйте.
Вещества Х1 и Y1 газообразные, а продукты их окисления азотной кислотой являются кислородсодержащими кислотами, поскольку титруются щёлочью. Можно предположить, что элементы, входящие в состав Х1 и Y1 являются неметаллами. Судя по схеме 3, жидким продуктом реакции с азотной кислотой является вода Б = Н2О, а газообразным В = NO2. Следовательно Х1 и Y1 содержит водород, поскольку одним из продуктов их сжигания является вода. Речь идёт о водородных соединениях неметаллов (значит А = Н2), зашифрованных в качестве Х1 и Y1. Оценим интервал молярных масс для Х1 и Y1 из плотности смеси: г/моль, это значит, что по крайней мере один из элементов имеет атомную массу менее 34 и образует газообразное при н.у. водородное соединение. Такими неметаллами являются: B, C, N, F, Si, P, S. Азот и фтор не дают твердого остатка при нагревании водородных соединений. Различные продукты окисления (как по агрегатному состоянию, так и по составу) азотной кислотой и сжигания на воздухе среди оставшихся элементов даёт только сера, а продукт окисления азотной кислотой, способный титроваться щёлочью среди оставшихся элементов приведенного ряда даёт лишь фосфор. Вспомним что H2S и РН3 имеют одинаковые молярные массы (34 г/моль) и расшифруем остальные вещества. Х1 = H2S и Y1 = РН3, продукты их разложения Х2 = S или S8, Y2 = P или Р4. При сжигании сероводорода на воздухе образуется X3 = SO2, а в случае фосфина Y3 = НPO3, при окислении сероводорода азотной кислотой образуется X4 = H2SO4, а при окислении фосфина Y4 = Н3PO4. Осадки с одинаковыми молярными массами, полученные в схеме 3 это гипс X5 = CaSO4 2H2O и преципитат Y5 = CaНРO4 2H2O. По условию осадок отличается от продукта его прокаливания, поэтому в случае соединения серы речь идёт именно о кристаллогидрате, а не о безводной соли. Соответствующие средние соли имеют состав: X6 = CaSO4 и Y6 =Ca2Р2O7. Разница в молярных массах в расчёте на один атом кальция или фосфора составляет ~9г/моль, что соответствует 6.6% от молярной массы CaSO4.
Определим количество атомов каждого типа, приходящееся на элементарную ячейку Х7. Позиции в серединах рёбер имеют кратность 1/4, в центрах граней 1/2, всего рёбер у куба 12, а граней 6, значит число «лёгких» атомов шт. Позиции, целиком расположенные внутри ячейки имеют кратность 1, их в данной структуре 1 (в центре), а расположенные в вершинах позиции имеют кратность 1/8, их в данной ячейке 8, значит «тяжёлых» атомов шт. . Т.е. состав вещества Х7 это Н3S. Х7 сохраняет сверхпроводящие свойства вплоть до 203 К под давлением около 1.5 млн. атмосфер, научный прорыв 2015 года привел к тому что буквально за 2020-2021 годы появилось несколько сообщений о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре для различных гидридов и исследовании свойств металлического водорода при сверхвысоком давлении.
Найдём молярную массу вещества из плотности, используя уравнение состояния идеального газа:
Для соединения молярная масса равна
то есть
Интересной особенностью является равновесие между линейной и разветвлённой формами.
2. Из какого материала изготовлена «наковальня» для сжатия образцов в схеме 4?
Наковальни для синтеза при сверхвысоком давлении изготавливают из алмаза