Нужны как воздух
Серебристо-белые простые вещества X, Y и Z, образованные элементами одной группы, на воздухе покрываются корками, состоящими из различных соединений. Кусочек X оставили надолго в камере, заполненной сухим воздухом (образовались вещества XO и X1, массовая доля Х в XO ниже, чем в X1), а затем растворили в воде (р-ции 1 – 3). При взаимодействии с водой образуется газ, раствор имеет щелочную реакцию среды и характерный резкий запах.
На поверхности кусочков Y и Z при длительном хранении в сухом воздухе образуются вещества YO и ZO, соответственно (р-ции 4 и 5).
Навеску вещества YO массой 1.000 г растворили в 25.00 мл соляной кислоты (С = 1.000 моль/л) при этом выделился газ, поддерживающий горение, а на нейтрализацию избытка кислоты потребовалось 11.00 мл раствора NaOH (С = 0.994 моль/л). Такая же навеска вещества ZO в избытке холодной соляной кислоты растворяется без выделения газа. Оба раствора, полученные в этих реакциях, темнеют при добавлении кристаллов иодида калия (р-ция 6).
Смесь веществ YO и ZO применяется в космонавтике для регенерации кислорода внутри космических аппаратов. Вещества в этой смеси взяты в таком соотношении, что при поглощении углекислого газа выделяется равный объём кислорода (р-ции 7 и 8).
1. Определите вещества X – Z, XO, X1, YO, ZO, ответ обоснуйте. Состав Y****O подтвердите расчётом.
По описанию простых веществ можно заключить, что они представляют собой активные металлы, покрывающиеся на воздухе кислородными соединениями. Скорее всего, речь идёт про щелочные металлы, для которых характерно образование широкого спектра кислородных соединений – оксиды, пероксиды, супероксиды и озониды. Последние на воздухе не образуются, поэтому рассматривать их далее не будем. Щелочноземельные металлы рассматривать не будем, поскольку основными продуктами окисления на воздухе являются оксиды, которые при реакции с кислотами не приводят к выделению газов, поддерживающих горение.
Вспомним, какие продукты могут образоваться на поверхности щелочных металлов на воздухе и рассмотрим качественные признаки их реакций с кислотами.
По описанию опытов с окисленными кусочками X заметно упоминание о появлении резкого запаха. Это указывает на выделение аммиака, который образуется при гидролизе продуктов окисления X. Это возможно только для лития, значит, X – литий. Выделение газа, воспламеняющего тлеющую лучину, указывает на образование кислорода. Диспропорционирование ионов O2 – и O2 2– можно написать как до перекиси (и кислорода), так и до воды и кислорода. По описанию конечных растворов можно понять, что они способны окислить иодид-ионы до иода. Значит, реакции идут с образованием перекиси, а не воды:
Таким образом, ZO – пероксид. Единственный щелочной металл, образующий на воздухе пероксид – натрий.
Значит, Z – натрий и ZO – пероксид натрия Na2O2.
Осталось всего три металла (K, Rb, Cs), и все они образуют супероксиды. В соответствии со стехиометрией реакции взаимодействия супероксида с соляной кислотой они реагируют в соотношении 1:1:
произведём расчёт молярной массы YO:
Следовательно, YO – супероксид калия KO2, тогда Y – калий.
2. Напишите уравнения реакций 1 – 8.
3. Рассчитайте массовые доли веществ Y****O и Z****O в смеси, применяющейся для регенерации воздуха в космических аппаратах.
Из уравнений реакций 7 и 8 видно, что пероксид натрия при поглощении 2 молей CO2 выделяет 1 моль O2, а супероксид калия при поглощении 2 молей CO2 выделяет 3 моль O2. Если суммировать реакции 7 и 8 получится искомое соотношение CO2 и кислорода:
Ясно, что для равенства количества вещества поглощённого CO2 количеству вещества выделившегося кислорода, необходимо смешать KO2 и Na2O2 в мольном соотношении 2 : 1. Расчёт массовой доли проще всего произвести по смеси, содержащей по 1 моль пероксида натрия:
4. При температуре 25oС и давлении 101325 Па человек вдыхает около 7 литров воздуха (21 объёмный % кислорода) в минуту. Выдыхаемый воздух содержит 16 объёмных % кислорода, объём выдыхаемого воздуха примерно равен объёму вдыхаемого. В расчёте на одного человека оцените срок службы кассеты для регенерации кислорода, которая содержит 500 г смеси Y****O и ZO.
Согласно условиям задачи, в минуту 21 – 16 = 5 % воздуха превращается из кислорода в углекислый газ. При указанных условиях молярный объём идеального газа:
Человек выдыхает углекислый газ:
В смеси содержится:
Всего в реакцию могут вступить
Такое количество CO2 полностью израсходует кассету для регенерации.
Следовательно, срок службы кассеты:
В таблице приведены элементарные ячейки 4-х соединений A – D. В первой строке - общий вид, во второй – проекция на основание элементарной ячейки. Белые шары полупрозрачны.
Соотнесите приведенные структуры с соединениями, упомянутыми в задаче (X1, XO, YO, ZO). Ответ обоснуйте.
Определим для приведенных элементарных ячеек соотношение черных и белых шариков. Атомы в вершинах ячейки принадлежат на 1/8, атомы на ребрах – на 1/4, атомы на гранях на 1/2, а атомы, расположенные внутри ячейки, принадлежат ей полностью. Причём, принадлежность атома к ячейке определяется положением его центра.
Для наглядности на общем виде ячейки вещества D относительный размер атомов отражает степень их принадлежности к ячейке:
Глядя на соотношение атомов в соединениях легко определить С = Li3N; D = Na2O2.
В Li2O и KO2 соотношение элементов 2:1 и 1:2. Т.к. в условии ничего не говориться про окраску, она не может служить основанием для выбора соединений. Наличие в структуре B связей между черными шариками однозначно указывает на KO2, в структуре, которого присутствуют супероксиданионы. Таким образом, A = Li2O, B = KO2.