Химики изучили состав продуктов реакции металла X с веществом Y в присутствии различных количеств воды при комнатной температуре. Степень окисления металла Х в продуктах реакции одинакова во всех опытах. Эксперименты проводили с одинаковыми навесками X массой 1.000 г и избытком Y в герметичном сосуде. После того, как X полностью прореагировал, сосуд слегка подогревали для полного выделения газов из жидкой реакционной смеси, а затем из газовой фазы отбирали пробы, которые анализировали. Во всех экспериментах было установлено наличие трех газообразных продуктов реакции A, B, C, состоящих из одних и тех же двух элементов, смесь газов окрашена. Массы этих продуктов в сосуде после окончания каждого эксперимента приведены в таблице.
1. Определите элементы, входящие в состав газообразных продуктов, и формулу вещества Y.
Хорошо известно, что металлы вступают в реакцию с кислотами с образованием газов. Образование трех разных газов, состоящих из одной и той же пары элементов, говорит в пользу того, что речь идет об азотной кислоте HNO3 (Y) и оксидах азота – NO2, NO и N2O (N2O3 в описанных условиях разлагается).
2. Определите формулы соединений A, B, C. Ответ подтвердите расчетом.
Запишем уравнения реакций произвольного металла M с азотной кислотой с образованием каждого из трех газов:
Во всех трех опытах использовалось одинаковое количество металла, а значит, должна принимать одинаковые значения следующая величина (количество эквивалентов металла):
Теперь можно определить, под какой буквой скрывается каждый из газов. Заметим, что масса газа B сильно меняется (по сравнению с другими двумя газами) от второго эксперимента к третьему. Значит, ему соответствует минимальный коэффициент в вышеприведенной сумме, т.е. B – NO2. Чтобы определить A и C, вычислим значения для обоих вариантов отнесения:
- A – N2O, C – NO:
- A – NO, C – N2O:
Очевидно, что результаты сходятся лучше в первом случае. Таким образом, A – N2O, C – NO.
3. В каком из экспериментов было взято минимальное количество воды, а в каком – максимальное?
Как известно, концентрированная азотная кислота преимущественно восстанавливается до NO2, а с понижением ее концентрации выход NO2 падает. Поэтому эксперимент 3 соответствует минимальному количеству воды, а эксперимент 2 – максимальному.
4. С помощью расчета определите, какой металл X был использован в экспериментах. Запишите уравнения трёх реакций, протекающих в ходе описанных экспериментов, приводящих к образованию A, B и C.
Из вышеприведенной таблицы следует, что было взято примерно 31.7 ммоль эквивалентов металла. Это соответствует молярной массе эквивалента 1000 / 31.7 = 31.55 г/моль, что ближе всего к эквиваленту меди при n = 2 (31.77 г/моль).
Уравнения реакций
5. При использовании вместо X некоторых других металлов среди продуктов реакции можно обнаружить также газы D и E. Приведите их формулы.
Эти газы – азот N2 и водород H2.