ВсОШ 2025, 10 класс, №10-2
Редкоземельные металлы , , , , применяемые в различных областях электротехники, в природе всегда встречаются вместе из-за схожести их химических свойств. Выделить в чистом виде каждый из таких элементов – непростая задача, а разработанные методы разделения основываются на индивидуальных химических особенностях. Рассмотрим схему вскрытия минерала и разделения входящих в его состав родственных металлов. Элементный состав образца представлен в таблице.
| Элемент | Т | Х | кислород | фтор | углерод | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| , % |
Вскрытие проводят прокаливанием при °С, при этом образуется смесь бинарных соединений (р-ция , одно из которых – углекислый газ. На полученный твердый остаток действуют азотной кислотой (р-ции . К образовавшемуся раствору вначале добавляют растворы перекиси водорода и аммиака, затем кипятят для полноты выделения осадка гидратированного оксида элемента (р-ция , который отделяют фильтрованием и прокаливают. На оставшийся после отделения оксида раствор действуют (р-ция , полученный безводный осадок разлагают при нагревании с образованием оксида (р-ция , при этом потеря массы составляет %. Смесь и долгое время считали одним и тем же элементом, позднее было установлено, что прокаливание смеси их нитратов с при °С приводит к оксиду (р-ция со структурой флюорита, который не растворяется в уксусной кислоте, а нитрат при °С к действию окислителей устойчив. Разложение нитрата при °С (р-ция приводит к другому оксиду , содержащему % кислорода по массе, частично растворимого в уксусной кислоте (р-ция .
Вопрос . Определите , , , , строго обоснуйте свой выбор количественными данными.
Символ элемента .
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Символ элемента .
Символ элемента .
Символ элемента .
Вопрос 2. Составьте уравнения реакций , для реакций используйте в качестве символа, обозначающего каждый из родственных металлов. Дополнительно известно, что из г безводного нитрата может быть получено не более г оксида.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. Начнем разгадывать элементы из количественной информации о превращениях индивидуальных соединений каждого из них. Нитрат , окисляли , следовательно в оксиде , степень окисления выше чем в нитрате. Схема реакции , причем у > . – молярная масса неизвестного металла.
+ = + , откуда
Заполним таблицу: Граничные значения х и у
| = | = | = | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| = | |||||||||
| = | |||||||||
| = | |||||||||
| = | |||||||||
| = |
связаны с тем, что растворимые в воде нитраты со степенью окисления не встречаются (необратимо гидролизуются), как и переходы в и более степени окисления в этих условиях. Данные приведены с точностью четырех значащих цифр, поэтому молярная масса элемента не должна отличаться от расчетного значения более чем на г/моль. Среди найденных таким способом элементов следует отклонить (поскольку не проявляет степени окисления и (поскольку в растворимых солях степень окисления не характерна). Таким образом = , из нитрата путем окисления получают , а родственные металлы, судя по всему – лантаноиды. Для металла предположительно степень окисления в ряду превращений не меняется, тогда масса твердого остатка разложения оксалата равна массе образовавшегося оксида, что составляет % – % = % от массы исходного оксалата. = , в таком случае
или + = + ,
Перебором степени окисления х найдем металла.
= , = ; = , = ; = , = . Откуда = . Ближайшими родственниками и являются и , вероятно эти два элемента и будут и . Обратимся к составу исходного минерала, чтобы определить их. Выделившийся при прокаливании минерала газ имеет М =
г/моль, среди возможных вариантов , , , лишь способен выделяться из минералов, тогда исходный минерал содержит карбонат-ион. Состав аниона минерала : : = : : = : : = : : . На формульную единицу приходится один анион и один анион , с учетом трёхвалентности лантаноидов и исходя из электронейтральности формульной единицы, формула минерала . Суммарное количество катионов , , , должно быть очень близко к содержанию , т.к. по стехиометрии минерала. В г минерала содержится = = моль, = = моль, значит на сумму двух оставшихся приходится = – – = – – = моль. Рассмотрим два возможных варианта: = , = , = + = моль - согласуется слабо, = , = , = + = моль – этот вариант обоснованно доказан. Отсутствие у неодима более высоких степеней окисления, по сравнению с празеодимом, упомянутое в тексте условия, подтверждает результаты вычислений. С по годы с легкой руки Мозандера смесь этих элементов считалась элементарной и носила имя «дидим», что значит «близнец», подразумевая сходство с открытым им ранее лантаном. Современные названия и переводятся с греческого как «светло-зеленый близнец» и «новый близнец», соответственно.
. Поскольку в реакциях принимают участие все родственные элементы, используем для удобства их обозначения символ :
Флюорит имеет состав , если продукт окисления празеодима – оксид имеет такую же структуру, то соотношение катион : анион в его составе также будет : , т.е. .
Определим формулу другого оксида празеодима:
умножим на : : = : = : . Формула оксида .
Подсказка о нерастворимости в уксусной кислоте содержится в тексте условия.