ВсОШ 2026, 11 класс, №2
Построим координационный полимер!
Белое кристаллическое соединение в твёрдом виде построено из линейных неполярных молекул, которые сохраняются даже при его растворении в воде. При нагревании до ° полностью разлагается с образованием эквимолярной смеси газообразных веществ и (р-ция ), плотность которой составляет г/л при давлении атм и температуре разложения. Охлаждение продуктов разложения до °С приводит к конденсации более тяжёлого из них. При пропускании более лёгкого компонента через водный раствор едкого натра протекает реакция диспропорционирования с образованием двух солей и воды (р-ция ). Синтез вещества из его предшественника осуществляют в две стадии. На первом этапе растворяют в концентрированной серной кислоте до образования (р-ция ). Далее к добавляют раствор неорганической соли (р-ция ), которая содержит % железа по массе и встречается в большинстве химических лабораторий. Одним из продуктов протекающей реакции является соединение . В году из вещества был получен один из первых координационных полимеров со слоистым строением и очень сильной оптической анизотропией. Для его синтеза использовали реакцию взаимодействия , зелёного хлорида , содержащего % хлора по массе, белого вещества и TMEDA ,,','-тетраметилэтилендиамин) в метаноле при комнатной температуре (р-ция ). Белое вещество можно обнаружить среди продуктов сгорания в атмосфере жёлто-зелёного простого вещества (р-ция ). Известно, что вещество состоит из атомов шести элементов, причём массовые доли металлов равны
% и % для более тяжёлого и более лёгкого соответственно, в то время как на атомы азота и углерода приходится % и % массы вещества. В октаэдрическом окружении атомов более лёгкого металла в структуре присутствуют TMEDA и мостиковые лиганды , объединяющие структуру в катионный каркас. В его полостях расположены пятиатомные тетраэдрические анионы. Вопросы и задания:
Вопрос . Установите состав соединений – .
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
Вопрос . Установите состав ионов, входящих в состав координационного полимера .
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос . Напишите уравнения реакций – .
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос . Приведите тривиальное название вещества .
Тривиальное название .
Вопрос . В чём заключается суть явления оптической анизотропии?
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
Рассчитаем среднюю молярную массу газовой смеси, состоящей из веществ и в мольном соотношении : , исходя из данных о её плотности с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона:
Мольная доля каждого из газов в данной смеси составляет ., поэтому суммарная молярная масса газов и будет вдвое больше, чем её средняя молярная масса, то есть г/моль. Газообразных при °С веществ, способных образовывать две соли в результате диспорпорционирования в щёлочи, не так много. Среди галогенов под данное описание отлично подходят хлор и бром . Для сублимации иода при атмосферном давлении требуется более высокая температура – °С. Подобно галогенам, в щелочах могут диспропорционировать и псевдогалогены, например, дициан ( или межгалогенные соединения. Однако в случае межгалогенных соединений образование двух солей в растворе возможно лишь в отсутствии диспропорционирования, в то время как при изменении степени окисления более тяжёлого галогена всегда образуются три соли, например:
+ → + + ,
+ → + + + .
Образующийся при разложении соединения газообразный продукт может являться хлором , бромом или дицианом ( . Для каждого из случаев рассчитаем молярную массу более тяжёлого газа :
моль−.
| Формула газа | , г/моль | , г/моль | Формула газа |
|---|---|---|---|
| ? | |||
| ? | |||
Учитывая, что на следующем этапе продукт конденсации газа растворяют в концентрированной серной кислоте с образованием вещества , это вполне может быть ртуть , которая действительно является жидкостью при температуре чуть выше комнатной. Тогда — , — , — , а — . Цианид ртути( в твёрдом виде построен из линейных молекул ≡−−≡ и практически не диссоциирует в водных растворах, поскольку является ковалентным соединением. Установить формулы веществ – можно и иначе, отталкиваясь от железосодержащей соли , имеющей тривиальное название и встречающейся в большинстве химических лабораторий. Среди популярных соединений железа можно выделить соль Мора ( ·, жёлтую и красную кровяные соли. Проверим каждый из вариантов с помощью расчёта:
| Формула соли | (), г/моль | , % |
|---|---|---|
| · | ||
Представленной в условии массовой доли железа соответствует жёлтая кровяная соль – . Логично предположить, что в состав вещества входит одна или несколько циано-групп, тогда его состав может быть представлен в виде (), где – оставшийся фрагмент. Вероятно, одним из газообразных продуктов разложения такого вещества, вступающим в окислительно-восстановительную реакцию со щёлочью, является дициан – . В силу того, что в ходе реакции термического разложения образуется эквимолярная газовая смесь, то его состав, вероятно, описывается формулой (), где молярная масса составляет г/моль, что соответствует ртути – . Белое вещество , образующееся при сгорании ртути в атмосфере хлора, представляет собой хлорид ртути( – . В состав координационного полимера входят атомы шести элементов: азота, водорода и углерода из TMEDA, ртути и хлора из хлорида ртути( и неизвестного металла из хлорида . С помощью массовых долей ртути и хлора рассчитаем соотношение : в веществе :
Рассчитаем молярную массу более лёгкого металла , предполагая, что соотношение атомов ртути и в формульной единице равно : . Данное суждение весьма логично, поскольку массовая доля металла достаточно маленькая и ниже, даже чем у азота.
Путём перебора можно обнаружить, что варианту = соответствует () = г/моль — молярная масса меди . Таким образом, в состав формульной единицы входят атома ртути, атом меди и атомов азота, а её молярная масса равна г/моль. С помощью массовой доли углерода определим, что на атомов азота в молекуле приходится атомов углерода. Поскольку в состав одного TMEDA входят атома азота и атомов углерода, а в состав цианид-иона – по атому и , то в состав входят TMEDA и −. По остатку молярной массы или исходя из степеней окисления элементов можно понять, что атомов хлора в формульной единице четыре. Таким образом, состав может быть описан черновой формулой . Предположение, что более лёгкий атом металла является медью можно также проверить с помощью расчёта по массовой доле хлора в зелёном хлориде , характерном для двухвалентной меди. Его состав в общем случае можно представить в виде ·:
Таким образом, состав зелёного хлорида — ·. Согласно условию задачи, в состав катионного каркаса входят ионы меди, связанные с бидентатным лигандом TMEDA в соотношении :. Поскольку медь обладает октаэдрическим окружением, то её оставшиеся четыре соседа представляют собой мостиковые -группы. Они связывают между собой атома меди, поэтому на атом меди приходится фрагмента , что и соответствует брутто-формуле . Таким образом, катионный каркас в структуре может быть описан формулой [( TMEDA)[]]+. В его полостях расположены тетраэдрические анионы −. То есть – [(TMEDA)[]][].
| [(TMEDA)[]][] | · |
Уравнения реакций – :
) → ↑ + ↑ (°)
) + → + +
) + (конц.) → + ↑ +
) + → + +
) + · + + TMEDA →
→ [(TMEDA)[]][]↓ +
) + →
Тривиальное название вещества — жёлтая кровяная соль. Явление оптической анизотропии заключается в различии оптических свойств, например, показателя преломления или скорости распространения электромагнитной волны, вдоль разных направлений в среде. Например, она характерна для самого обычного кальцита , характеризующегося диапазоном показателей преломления. Наиболее ярким следствием оптической анизотропии кристалла является явление двулучепреломления, которое проявляется в «удваивании» изображения позади него.
