ВсОШ 2026, 9–11 классы, №Н-9
Он чувствовал и различал камень по плотности.
Лесков Н.С. «Александрит»
Одним из быстрых и точных методов оценки плотности маленьких (менее мм) фрагментов минералов является метод флотации с использованием «плотного» раствора. Важной особенностью является то, что коэффициент преломления в растворе прямо пропорционален плотности этого раствора. Для идентификации были выбраны минерала ( А, , , ), для которых рефрактометрическим методом были получены коэффициенты преломления раствора, при которых этот минерал начинал тонуть. – , – , – , – .
Вопрос . По приведённым в условии кристаллическим решеткам и данным рефрактометрии определите формулы минералов – . Дополнительно известно, что красные атомы – кислород, белые – водород. В молярные массы самых тяжёлых элементов отличаются менее чем на %. Минерал люминесцирует в УФ-лучах, его часто путают с сапфиром, а при сгорании окрашивает пламя в жёлто-зелёный цвет.
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
«Плотный» раствор является водным раствором двух веществ и одинакового качественного состава, насыщенный раствор имеет очень высокую плотность (до г/мл), что и обусловливает его использование для исследования минералов. Результаты термогравиметрического анализа веществ и представлены на графиках. В спектре -ЯМР имеет один пик при ppm, а – при ppm. В спектре -ЯМР имеет один пик при ppm, а М – два пика со сдвигами ppm и ppm.
Вопрос . Определите формулы веществ и .
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
Вопрос . Чем обусловлен рост на графике для при температуре больше °С?
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос . Объясните поведение кривой на графике для после °С.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Разложение происходит ступенчато, на первой стадии оно теряет % своей массы, превращаясь в вещество О. В виде газа улетает .
Вопрос . Определите вещества и Н.
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
Справочные материалы: Кривые потери массы для веществ и :
Зависимость плотности «плотного» раствора и коэффициента преломления:
| Плотность раствора, г/мл | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Коэффициент преломления |
Параметры кристаллических решеток веществ –
| α | β | γ | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Å | Å | Å | ° | ° | ° | |
| Å | Å | Å | ° | ° | ° | |
| Å | Å | Å | ° | ° | ° | |
| Å | Å | Å | ° | ° | ° |
Кристаллические решетки минералов – (указаны только атомы, входящие в границы элементарной ячейки):
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. Найдем функциональную зависимость плотности раствора ( SG) от коэффициента преломления (RI), для этого возьмем крайние точки:
Теперь по данным зависимости найдем плотности минералов -
Посчитав для каждой ячейки ( : = , : = , : = , : = ), найдем молярные массы структурных единиц:
Проще всего определить – простое вещество с молярной массой г/моль – это С (Diamond). В соотношение частиц (зеленых шариков и «треугольников» из серого шарика и трех атомов кислорода) :. Частицы, содержащие кислород, имеют плоскотреугольную геометрию, подходит карбонат -анион (кремний обычно образует тетраэдр с атомами кислорода), тогда по молярной массе подходит (Calcite). В минерале найдем отношение атомов: ЗСТ (З – зеленый, С – серый, Т – телесный, О – кислород). Если вычесть массу атомов кислорода, то М(ЗСТ3) = – · = г/моль. Средняя молярная масса оставшихся атомов / = г/моль, суммарный заряд +, то есть, хотя бы один из оставшихся атомов должен иметь заряд + или больше. Если учесть, что желтозеленый цвет пламени придают обычно ионы бария, то расчет дополняется: суммарная молярная масса -х оставшихся атомов составляет – = = г/моль. Средняя молярная масса оставшихся атомов / = г/моль, заряд +. Подходят , . Наличие люминесценции и синего окраса (сапфир) указывает на титан. Поэтому, – (Benitoite). В минерале можно выделить тетраэдры фиолетовых (Ф) шаров с кислородом, столько же группировок (красные и белые шары), в раза больше серых шаров, то есть (ФО4). Если из молярной массы вычесть известные элементы, то останется – * – = г/моль на атома серого цвета и один атом фиолетового цвета. Суммарный заряд этих трех атомов должен быть + (+,+,+; +,+,+; +,+,+; +,+,+). Средняя молярная масса -х атомов
/ = г/моль, значит, молярные массы этих элементов лежат в пределах от до г/моль (±%). Единственным подходящим вариантом является , поэтому А – (Adamite).
. Данные -ЯМР указывают на то, что в и либо один атом водорода, либо их несколько, но они все эквивалентны. По химическому сдвигу можно сделать вывод, что водород в соседствует с сильно электроотрицательной группой (группами) – альдегидной, карбоксильной, ароматическим фрагментом, а у сдвиг не такой сильный, но больше, чем дает обычный метиловый или метиленовый углерод. Данные -ЯМР в указывает на атом углерода карбоксильной или карбонильной групп, в один атом карбоксильный/карбонильный, второй тип атомов – вторичный/третичный или спиртовой. Таким образом, в и есть углерод, водород, очень вероятно кислород, возможно, какие -то другие элементы. Данные ТГА указывают на то, что есть достаточно термостойкая часть в веществах и , например, металл. Это согласуется с ЯМР для углеродов с большим химическим сдвигом. Проще определить вещество – в нем вероятен карбоксильный фрагмент, а наличие водорода со сдвигом ppm указывает, что это формиат (учитывая, что все атомы углерода одинаковые). Проведем расчет по данным ТГА, вероятно, остаток после нагревания – это оксид металла, потеря массы составила %.
Ближе всего получается таллий. – , формиат таллия (thallium Formate). Действительно, только один тип атомов углерода, один тип атомов водорода, подходят по химическому сдвигу. Следовательно, тоже состоит из атомов углерода, водорода, кислорода и таллия. Рассчитаем молярную массу на один атом таллия, с учетом того, что при разложении , остается оксид таллия(:
Нечетная молярная масса остатка из углеродов, кислородов и водородов указывает на то, что либо водородов нечетное количество, либо надо взять четное количество атомов таллия. Например, таллия дадут молярную массу остатка г/моль, что соответствует малонат-иону. Проверим по данным ЯМР: действительно типа атомов углерода, один из них карбоксильный, второй метиленовый, что соответствует величинам химических сдвигов. Типов атомов водорода только один, с несколько большим отклонением, чем у обычных водородов при вторичных атомах углерода из -за наличия рядом электроноакцепторных групп. – , малонат таллия (thallium Malonate).
. Так как нагревание происходит на воздухе (можно увидеть на графике), то логично предположить, что происходит частичное окисление оксида таллия( до оксида таллия .
. По данным ТГА после °С происходит резкая потеря массы, если учесть, что к этому моменту остаются только оксиды таллия, то можно сделать вывод, что начинается испарение оксидов с соответствующим уменьшением массы твердых/жидких веществ.
. Рассчитаем молярную массу на моль :
моль, что соответствует молярной массе муравьиной кислоты. – (Hydrogencarboxylic acid). Тогда остается вещество – или .
Источник: . . Jahns (). "Clerici solution for the specific gravity determination of small mineral grains" (PDF). American Mineralogist. : .