ВсОШ 2026, 9–10 классы, №Н-5
(только для и классов)
Вещества, богатые элементом , могут рассматриваться как высокоэнергетические материалы, поскольку при их разложении выделяется много тепла. Это связано с образованием в процессе разложения простого вещества , содержащего в своей молекуле очень прочную ковалентную связь (Eсв = кДж/моль). Такие свойства открывают возможности применения этих соединений для хранения энергии, а также в качестве взрывчатых веществ и компонентов ракетного топлива. Исторически наиболее доступными из таких соединений являются соли необычной кисло ты . Соединение , взрывающееся от прикосновения металлическим шпателем, можно синтезировать, исходя из металла , по следующей схеме:
Вопрос . Расшифруйте элемент , металл и соединения – . Напишите уравнения реакций в соответствии со схемой. При взрыве мг бинарного вещества выделяется мл (при н.у.).
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
Еще одно соединение , формально содержащее в себе кислотный остаток кислоты А, впервые синтезировано в году, и представляет собой чрезвычайно взрывчатые кристаллы. При его разложении образуются два газа в мольном соотношении : , причем молекулы этих газов изоэлектронны друг другу.
Вопрос . Предложите состав и структурную формулу соединения , а также схему его синтеза с использованием в качестве исходных соединений этих двух газов и любых других реагентов, не содержащих элемент Х.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Высокоэнергетическая аллотропная модификация элемента может быть получена из соли и простого вещества , взятых в отношении : , в четыреххлористом углероде при ℃, второй продукт этой реакции – бинарное соединение .
Вопрос . Приведите формулы соединений – . Массовая доля металла в соединениях и равна % и % соответственно.
Формулы вводите латинскими буквами с обычными цифрами.
В году получен ряд солей металлов, содержащих циклический анион −, являющийся формально гомологом аниона кислоты . Источником элемента для натриевой соли служило органическое соединение , содержащее в себе уже готовый фрагмент из атомов . Синтез проведен по следующей схеме:
Вопрос . Определите состав соединения и напишите уравнение реакции его получения, используя структурные формулы для органических соединений. Известно, что массовая доля в кристаллогидрате составляет %.
Формула .
Вопрос . Объясните стабильность аниона –. Будет ли иметь циклическое строение частица, имеющая такой же состав, но положительный заряд? Приведите её структурную формулу.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Ещё более высокую ценность в области высокоэнергетических соединений могут представлять соли, содержащие элемент одновременно в катионе и анионе. Давно известно бинарное соединение , содержащее % элемента .
Вопрос . Приведите две возможные формулы соли .
Одна возможная формула .
В году синтезирован ряд солей, содержащих анион − и различные неметаллические катионы, в частности, соединение .
Вопрос . Найдите состав и изобразите структурную формулу катиона (укажите примерные значения валентных углов ~°, ~°, ~°, ~°) соли , в которой содержится % всего и % в катионе. Также известно, что катион содержит всего типа атомов и типа атомов водорода.
Формула соли .
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. Из всех простых веществ, образующих двухатомные молекулы, лучше всего подходит азот (в кислороде, водороде или галогенах энергия связи значительно ниже). Х – это азот. Необычная кислота А, «насыщенная» азотом – азидоводородная . Тогда соединение В имеет вид () или просто . Бинарное соединение с одним известным элементом удобно находить, пользуясь массовой долей, рассчитаем сначала её:
Теперь рассчитаем атомную массу металла в формуле ():
Что при = соответствует титану, а при = магнию. Уравнения реакций:
или
Вторая реакция – обмен, движущей силой которого является высокое сродство кремния со фтором. Однако, из -за высокой энергии решетки эта реакция не пойдет.
. Газ, образующийся при разложении азидсо держащих соединений – азот, а изоэлектронный ему газ – угарный. Учитывая их соотношение и необходимость наличия азидной группы, исходное соединение может иметь брутто -формулы простейшего состава или . Первый вариант выглядит значительно проще и химически более осмысленным, поэтому рассмотрим его. – карбонилдиазид . Возможная схема его синтеза:
Чтобы сделать этот синтез, требуется вспомнить, как обычно получают . Самый известный способ – конденсация гидразина с азотистой кислотой, и участник должен предложить использовать дигидразид угольной кислоты (или его соль) и азотистую кислоту (или нитрит металла). В свою очередь синтез гидразида угольной кислоты может быт ь предложен по аналогии с известным методом получения мочевины из фосгена. Синтез из фосгена и также можно рассматривать в качестве верного ответа.
. Начнем с расчёта состава соли , снова представив её в виде ():
Что при = соответствует серебру. Теперь, зная металл, можно найти соединение . Вычислим остаток молярной массы, приходящийся на второй элемент, если формула содержит атомов серебра:
Что при = соответствует хлору. Итак, = , = , = . Описанное уравнение реакции выглядит следующим образом:
Исходя из материального баланса, на месте оставшегося продукта может быть или . Второй вариант молекулы содержит чётное число электронов, поэтому более предпочтителен.
Механизм выглядит следующем образом (изображать с помощью изогнутых стрелок необязательно, достаточно написать два уравнения):
Радикальный механизм не годится, так как нет нагрева или облучения
. Гомологичным азиду анионом может быть −, однако в нём будет нечётное число электронов, что позволяет усомниться в его стабильности. Следующий вариант – −, который таких сомнений не допускает. Формула не соответствует приведённой в условии массовой доле, поэтому можно рассмотреть варианты сольвата. Начнём с гидрата вида ·. Составим уравнение для нахождения :
Откуда = . Состав – ·. Уравнение реакции ( и означают перкарбоновую и карбоновую кислоту):
. Циклический анион − является полностью азотным аналогом циклопентадиенил-аниона, известного своей ароматичностью ( π-электронов в сопряжении). Такой же катион будет уже антиароматичным, поэтому катион пентазениума + является ациклическим:
. Азотсодержащие основания – это гидразин и аммиак, поэтому можно предположить что бинарное соединение является азидом аммония или гидразиния. Рассчитаем его формулу, представив его в виде :
Что соответствует азиду аммония или , и азиду гидразиния или . Попробуем таким же образом рассчитать состав катиона, а затем и всей соли , предполагая его также бинарным:
Состав катиона соответствует аммонию, однако это нарушает условие о трёх типах атомов азота. Кратные формулы просто не могут существовать. Значит, данное соединение содержит еще как минимум один элемент вместе или вместо водорода. На ум приходит катион гид роксиламмония, но под числа он также не подходит. Предположим, что катион в соли однозарядный, и представим ее формулу следующим образом – . Справедливы следующие уравнения:
Решение этой системы даёт = , = . Одна из возможных формул, подходящих под это число – . Таким образом, = +-. Катион представляет собой диаминозамещённое производное гуанидина.
