ВсОШ 2026, 9–11 классы, №Н-8
– Да что вы вообще знаете о …?
– Я открыл …
Наиболее востребованным соединением металла , происхождение название которого можно описать словосочетанием “dwarf …”, является жёлто-коричневое вещество со структурой флюорита. Высокотемпературное взаимодействие с трииодидом алюминия позволяет получить интересное соединение (р-ция ), с молярной массой менее г/моль. Будучи окрашенным в ярко-зелёный цвет, оно выиграло в лотерее температуру плавления – °С. Продуктом его обработки с помощью раствора натрия в жидком аммиаке (р-ция ) является вещество с нечётным числом протонов в формульной единице, кристаллизующееся в структурном типе галита. Предполагается, что эта реакция протекает в две стадии: восстановление до мелкодисперсного простого вещества и его последующее растворение в жидком аммиаке с образованием и водорода. Высокотемпературное окисление соединения кислородом приводит к образованию упомянутого ранее соединения (р-ция ), а растворение в М соляной кислоте – к образованию окрашенного в сине-фиолетовый цвет раствора вещества (р-ция ). При добавлении к нему жёлтой кровяной соли образуются светло-синий осадок труднорастворимого кристаллогидрата (р-ция ), аналогичного берлинской лазури и содержащего % азота по массе. Для элемента получены соединения и в более низких степенях окисления. При обработке ярко-зелёного вещества с помощью раствора KCp* в диэтиловом эфире образуется голубое вещество (р-ция ), которое при добавлении в реакционную смесь эквимолярного количества и криптанда crypt-. быстро превращается в тёмно-фиолетовые кристаллы вещества (р-ция ).
Удобным методом переведения металла в его наиболее устойчивую степень окисления является его растворение в азотной кислоте в присутствии небольшого количества фторид-ионов, приводящее к средней соли . Добавление к полученному раствору иодата натрия позволяет получить малорастворимое вещество (р-ция ) , которое при повышенной температуре превращается в (р-ция ) . При упаривании раствора, содержащего и нитрат таллия( , образуются кристаллы вещества (р-ция ). Длительное окисление смеси и оксида лития кислородом приводит к образованию соли (р-ция ), содержащей
% лития по массе. Вещества – содержат атомы элемента в четырёх степенях окисления, две из которых обладают существенно большей устойчивостью. Кроме того, в тексте представлены по одному веществу, содержащему в его наименьшей и наибольшей положительной степенях окисления соответственно. Реакции и протекают без изменения степени окисления . Интересно, что сплав простого вещества с двумя металлами характеризуется плотностью г/ и обладает сверхпроводящими свойствами при температурах ниже К. В ходе сплавления объём образца уменьшается на %. Информация о составе сплава приведена в таблице ниже:
| Образец | Металл (ρ = г/) | Металл (ρ = г/) |
|---|---|---|
| Массовая доля в сплаве, % |
Простое вещество кристаллизуется в моноклинной элементарной ячейке с параметрами = нм, = нм, = нм, в которой единственный угол, отличный от прямого, равен β = °. Число формульных единиц в ней равно одной из степеней двойки.
Вопрос . Установите состав соединений , – . Напишите уравнения реакций – .
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
Вопрос . Заполните пропуск в словосочетании “dwarf …”, связанном с происхождением названия элемента .
Пропущенное слово по-английски.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
Одним из способов идентификации простого вещества , представленного в условии задачи, является расчёт его молярной массы исходя из кристаллографических данных. Однако ситуация осложнена тем, что в условии не дано число формульных единиц и плотность данного простого вещества. Последнюю можно вычислить исходя из содержания сплава и изменения объёма при его образовании. Предположим, что мы решили получить г упомянутого сплава. Для этого необходимо взять г металла , г металла и г простого вещества . Вычислим объём сплава и суммарный объём простых веществ, взятых для сплавления:
Для установления плотности необходимо вычислить объём взятого простого вещества, используя данные о плотностях металлов и :
Столь высокая плотность простого вещества обычно характерна для переходных металлов d-ряда и актинидов. Исходя из кристаллографических данных и рассчитанной плотности простого вещества , вероятно являющегося металлом, вычислим его молярную массу:
Согласно условию задачи, число формульных единиц в элементарной ячейке металла равно некоторой степени двойки, поэтому рассмотрим возможные варианты:
| --- | --- | --- | --- |
| | | | , , |
| | | | − |
| | | | − |
| | | | − |
| | | | − |
| | | | − |
Поскольку для урана, нептуния и плутония в Периодической системе приведены молярные массы наиболее долгоживущих изотопов, то данный расчёт может указывать на любой из них. Элементы дальше плутония рассматривать не рационально, поскольку они не встречаются в природе. Более того, даже плутоний находится в основном в следовых количествах в урановых рудах, поскольку образуется при распаде . Вещество , в виде которого в основном применяется элемент , образуется в ходе термического разложения соли и при окислении кислородом воздуха бинарного вещества . Логично предположить, что он представляет собой один из оксидов элемента , который кристаллизуется в структурном типе флюорита , то есть представляет собой диоксид элемента . Однако диоксиды известны для всех трёх упомянутых выше элементов – урана, нептуния и плутония. В условии задачи сказано, что лишь в одном из веществ элемент находится в своей максимальной степени окисления. Логичным кандидатом на эту роль является вещество , образующееся при длительной обработке смеси диоксида и оксида лития с помощью кислорода. Оно содержит в своём составе атомы лития, и кислорода, поэтому его простейшая формула может быть записана в виде LiaXOb. Определим высшую степень окисления этого элемента с помощью массовой доли лития в веществе :
Поскольку является натуральным числом, дробная часть числа должна быть записана в виде **. с учётом небольшой погрешности. Наименьший возможный вариант – = , которому соответствует = . Таким образом, состав вещества описывается формулой , то есть степень окисления в нём равна +. Данная степень окисления невозможна для урана, поэтому может быть нептунием или плутонием. Обратим внимание на бинарное соединение , кристаллизующееся в структурном типе галита. Поскольку оно, согласно описанному механизму реакции, образуется при растворении полученного in situ мелкодисперсного в жидком аммиаке, то помимо атома металла вещество может содержать один атом азота. Таким образом, формула вещества может быть XN. Поскольку атом азота содержит нечётное число протонов, то в ядре их должно быть чётное число. Этому условию соответствует плутоний ( = ). Поэтому – , – , – . Также на плутоний как элемент в задаче указывает эпиграф, представляющий собой довольно известный диалог между Гленном Сиборгом, первооткрывателем плутония и научным советником президента США, и одним из сенаторов. Однажды во время жаркого спора последний спросил учёного: «Да что вы в ообще знаете о плутонии?». Ответ был весьма прост: «Я открыл плутоний».
Поскольку вещество образуется при обработке диоксида плутония с помощью иодида алюминия, оно может представлять собой бинарное соединение иода и плутония с формулой , где ≤ в силу ограничения молярной массы сверху. Поскольку реакция протекает без изменения степени окисления плутония, вещество имеет состав – , тогда – . Продукт растворения нитрида плутония в соляной кислоте представляет собой трихлорид – . При добавлении к его раствору жёлтой кровяной соли образуется осадок ги драта гексацианоферрата( калия -плутония ·, аналогичный берлинской лазури. Исходя из массовой доли азота определим, что = , тогда – ·. Поскольку реакция протекает без изменения степени окисления плутония, а реакция представляет собой обычный ионный обмен, то – , а – . При упаривании смеси нитратов таллия( и плутония( из азотнокислого раствора образуется гексанитратоплутонат( таллия( – , построенный аналогично церий -аммоний нитрату ( CAN) . Вещество , образующееся в ходе реакции ионного обмена, представляет собой комплекс плутония( с замещённым циклопентадиенил -анионом: – PuCp*. Продукт его восстановления с помощью содержит аналогичный анион двухвалентного плутония – [(crypt-.)][PuCp*].
| · |
| PuCp* | [(crypt-.)][PuCp*] |
Уравнения реакций – :
) + → + +
) + + → ↓ + + ↑
) + → +
) + → +
) + + → ·↓ +
) + KCp* → PuCp* +
) PuCp* + + crypt-. → [(crypt-.)][PuCp*] +
) + → ↓ +
) → + +
) + →
) + + →
Плутоний получил своё название в честь карликовой планеты Плутон. Англоязычная версия термина «карликовая планета» – “dwarf planet”.