ВсОШ 2024, 9–11 классы, №Н-9

«– Будь осторожен!

– А когда я был неосторожен за эти долгие годы?

– Да, пожалуй, не был. Тем обиднее оступиться в конце пути.» Дж. Р. Р. Толкин, «Две крепости»

Металл малореакционноспособен, растворяется при нагревании в смеси плавиковой и азотной кислот (р-ция . Препаративным методом получения вещества является нагревание мелкораздробленного до в токе азота, насыщенного при комнатной температуре парами вещества (р-ция . Образующийся в результате конденсируется на стенках в виде тёмно-красных кристаллов. При смешивании растворов и соли в тионилбромиде выпадает осадок соли (рция , в которой массовое содержание элементов составляет % , % и % .

Приведите формулы веществ и – , если соль является единственным продуктом реакции , а спектр ЯМР соли содержит всего два сигнала – триплет и квартет. Напишите уравнения реакций .

Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.

Предположите, почему для проведения реакции используют такой необычный растворитель, как тионилбромид. Раствор вещества в ацетонитриле анализировали методом спектроскопии ЯМР2. Спектр этого раствора содержит единственный сигнал при м.д. Для другого исследования готовили эквимолярный раствор солей и в ацетонитриле. Через ч после приготовления раствора записали его спектр ЯМР. Он содержит ряд достаточно широких сигналов, значения их химических сдвигов приведены в таблице ниже. Наиболее интенсивен сигнал , наименее интенсивны же сигналы и .

Сигнал
, м.д. ??? ???

Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.

Приведите формулу соли , зная, что они с содержат одинаковые катионы в своём составе. Приведите структурную формулу вещества, которому соответствует сигнал при м.д. в растворе .

Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.

Сколько различных X-содержащих ионов содержится в растворе солей и в ацетонитриле? Ответ объясните.

Число различных ионов с учётом пространственных изомеров.

Войдите, чтобы проверять ответы

Приведите брутто-формулы комплексов, соответствующих сигналам . Вычислите химические сдвиги сигналов и . Все ответы объясните. В другой работе исследователи изучали методом спектроскопии ЯМР продукты сольволиза небольших количеств соединения метанолом в различных растворителях. Из вещества по процедуре, аналогичной реакции , можно получить соль . При добавлении разного количества метанола к взвеси вещества в бензоле можно получить ряд растворов. Анализ их спектров ЯМР позволил установить, что в них может содержаться несколько сигналов (в зависимости от количества добавленного метанола), значения их химических сдвигов приведены в таблице ниже.

Сигнал
, м.д.

У сигналов в спектрах ЯМР есть два основных параметра: химический сдвиг и интенсивность . Чем больше значение для конкретного ядра, тем в более электроотрицательном окружении оно находится. Стандартом (образцом, химический сдвиг исследуемых ядер в составе которого принят за миллионных долей (м.д.)) в спектроскопии ЯМР принят раствор в .

При пропускании аммиака через смесь метанола с веществом можно получить вещество (р-ция , спектр ЯМР его раствора в бензоле содержит сигнал . Попытка приготовить концентрированный раствор вещества (р-ция в бензоле приводит к образованию раствора, спектр ЯМР которого содержит три сигнала, в том числе и с одинаковой интенсивностью, а также ещё один небольшой сигнал, интенсивность которого составляет % от общей интенсивности всех сигналов в спектре.

Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.

Приведите формулу вещества , напишите уравнение реакции .

Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.

Приведите формулу вещества , оцените значение третьего сигнала. Напишите уравнение реакции и рассчитайте константу его равновесия.

Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.

Формула .

Войдите, чтобы проверять ответы

Константа равновесия.

Войдите, чтобы проверять ответы

Оценку химического сдвига и уравнение реакции приведите в полном решении. Допустимые приближения сверяются по официальному решению.

Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.

Полное решение задачи.

Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение

. По данным элементного анализа осадка соли попробуем установить стехиометрическое соотношение , и :
: : = ∶ ∶ = : : : : .
Такое соотношение соответствует фрагменту состава ; наличие в спектре ЯМР триплетного и квартетного сигналов указывает на то, что в веществе содержатся только этильные группы, тогда = , катион тетраэтиламмония. В предположении, что формула соли – , молярная масса соли равна г/моль. Тогда на анион приходится масса г/моль. Так как масса этого аниона уже весьма велика, предположим пока, что = . Для дальнейших размышлений крайне полезно прочитать текст всей задачи – можно обнаружить, что ядра изотопа являются магнитными, и их используют в спектроскопии ЯМР. Тогда для оценки состава можно воспользоваться приближением M(X) г/моль. Тогда за вычетом г/моль остаётся г/моль, что весьма близко к массе эквивалентов брома – что сходится с методом получения , в котором используется азот, насыщенный парами при комнатной температуре – значит, является летучим при комнатной температуре, бром под этот критерий подходит. Тогда, наконец, можно понять, что масса металла действительно близка к г/моль, и этот металл – ниобий . Также – бром , – пентабромид ниобия (или , – бромид тетраэтиламмония , – гексабромониобат(V) тетраэтиламмония . Уравнения реакций :

или

. Тионилбромид препятствует гидролизу пентабромида ниобия в ходе реакции, вступая в реакцию вместо него: + + .

. Так как состав соли нам известен, а в спектре ЯМР содержится сигнал при м.д., наиболее естественным предположением будет, что соль является аналогичным гексахлорониобатом (бром является менее электроотрицательным, а потому логично наличие сингалов ЯМР с меньшими значениями , один из которых соответствует аниону .

Н-9: схема или рисунок к решению, фрагмент 1, страница 23

При растворении в ацетонитриле происходит его сольволиз с образованием , который и даёт сигнал при м.д. Это значение в комбинации с последующими рассуждениями в п. . позволяет установить соответствие сигналов в другом растворе. Предположение об автодиссоциации типа + + + – не подтверждается из-за наличия в спектре ЯМР только одного сигнала.

. Хотя изначально раствор и содержит лишь анионы и , от которых должно быть лишь два сигнала, в конечном растворе мы наблюдаем семь сигналов. Поскольку ядер тем больше, чем более электроотрицательно окружение, а атомы менее электроотрицательны, чем атомы , можно предложить соотнесение с м.д. и с м.д. Последнее подтверждается значением химсдвига , установленного в предыдущем пункте. Есть два возможных процесса, которые могут приводить к образованию новых частиц (как следствие, к росту числа сигналов в спектре): замещение галогенидионов на молекулы растворителя или обмен галогенид-ионами между частицами и . Первый процесс должен приводить к росту значения , поскольку снижается плотность электронного облака вокруг ядра ниобия в частице по сравнению с исходным ионом , как это было продемонстрировано в п. . Для комплекса это привело бы к наличию сигналов с положительным химсдвигом, чего не наблюдается. Значит, происходит обмен галогенид-ионами с образованием ряда из частиц , что дополнительно подтверждается количеством сигналов. Однако для частиц с возможна пространственная изомерия – цис- и транс-изомеры для случаев = , и гран- и ос-изомеры для . Тогда, с учётом изомеров, всего в растворе можно найти различных ниобийсодержащих частиц. Химсдвиг ядер в составе этих изомеров отличается слабо – из-за значительной ширины сигналов отдельно их различить затруднительно.

. Продолжая рассуждения, начатые в предыдущем пункте, можно соотнести оставшиеся сигналы с комплексами :

Сигнал
, м.д. ??? ???

Рассмотрим разности химсдвигов между известными сигналами.

Сигнал
, м.д. ??? ???
, м.д.

Можно заметить, что разность химсдвигов между соседними сигналами непостоянна. Можно предложить для зависимости разности соседних химсдвигов от следующую формулу: – – = + . Исходя из такого приближения, попробуем найти параметры и :

Отсюда = и = . Исходя из такого приближения, получим
= – + = м.д. и = – + = м.д.
Другой вариант более сложен и связан с электронной плотностью вокруг ядер . Предложим модель, в которой на электронную плотность влияют не отдельные связи, а «уголки» X–Nb–Y , = , . По известным химсдвигам можно рассчитать вклады разных уголков :
Н-9: схема или рисунок к решению, фрагмент 1, страница 25
Н-9: схема или рисунок к решению, фрагмент 2, страница 25
Н-9: схема или рисунок к решению, фрагмент 3, страница 25
Тогда = , = , = . В таком случае можно рассчитать химсдвиги в составе разных ионов и :
Н-9: схема или рисунок к решению, фрагмент 4, страница 25
Н-9: схема или рисунок к решению, фрагмент 5, страница 25
При таком приближении химсдвиги или м.д. (для изомеров и м.д. (для . На самом деле сигналы и имеют химические сдвиги м.д. и м.д. Если же использовать линейное приближение = , то получим химсдвиги м.д. и м.д. соответственно.

. Вещество – пентахлорид ниобия (или , так как из него можно получить . Судя по описанию, приведённому в условии задачи, можно ожидать протекания процессов типа: + + . Построив график и предположив линейную зависимость типа = + , можно установить, что , .

Н-9: схема или рисунок к решению, фрагмент 1, страница 26
Так как веществу соответствует сигнал = , можно сделать вывод, что это – пентаметилат ниобия . Уравнение реакции его получения:

+ + + .

. Так как вещество образует раствор, содержащий равные количества и (о чём можно сделать вывод по равной интенсивности сигналов и , наиболее логично предполагать, что оно представляет собой . Согласно линейному приближению, значение его химического сдвига составляет = – = м.д. (фактическое значение м.д.). Вследствие термодинамических причин (повышенной растворимости в метаноле по сравнению с бензолом) растворы по описанной процедуре получить невозможно. Происходит «диспропорционирование» :

+ . Для этого процесса константа равновесия вычисляется по известной интенсивности сигнала ЯМР, соответствующего веществу ; примем общую интенсивность сигналов за единицу, в таком случае на приходится , а на
и по = :

Литература:

. Furlani, . Zinato. . Anorg. Allg. Chem., , , .

. . Kidd, . . Spinney. Inorg. Chem., , , .

. . , . . Crayston. . Chem. ., Dalton Trans., , , .

1

Формулы веществ и – – по баллу Уравнения реакций – по баллу

8
2

Указание на препятствие гидролизу

1
3

Формула соли – балл Структурная формула – балл

2
4

Количество частиц: ионов с полным объяснением – балла ионов по числу сигналов (без учёта изомерии) – балл Любое другое число или с неверным объяснением – баллов

2
5

Формулы комплексов – – по балла Предложение аддитивной формулы для расчёта химсдвигов (через замещение на или через углы) – балл За линейное приближение – балла Расчёт химсдвигов сигналов и – по баллу

6.5
6

Формула вещества – балл Уравнение реакции – балл

2
7

Формула вещества – балл Расчёт значения химического сдвига – балла Уравнение реакции – балл Расчёт константы равновесия – балл

3.5
Максимум: 25

Похожие задачи

ВсОШ 2024, 10 класс, №10-2

Элементы Э1 – Э5 одной группы Периодической системы образуют соединения, отвечающие простейшей формуле Э(CH3)n. Все пять соединений сильно летучие, самовоспламеняются на воздухе и бурно реагируют с водой. Некоторые свойства этих соединений представлены в т

ВсОШ 2024, 10 класс, №10-4

Пары углеводорода CxHy (1.175 л при 300 {}circmathrm C и 1 атм), являющегося продуктом крупнотоннажного производства, смешали со стехиометрическим количеством кислорода и сожгли полученную смесь в закрытом сосуде. После полной конденсации паров воды (1.8 г) давление

ВсОШ 2026, 9–11 классы, №ХиЖ-2

mathrm{In} solano veritas «У того картошка не родится, кто пахать ленится» Народная пословица Картофель является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в мире. История распространения картофеля в России связана с именем Петра mathrm{I}, который способствовал его внедрению в сельское хозяйст

ВсОШ 2025, 9–10 классы, №Н-5

Много Паскалей не бывает! В нормальных условиях металл A при взаимодействии с веществом X образует соединение X1. При гидролизе 25.00 мг X1 выделяется газ mathrm{Y} и образуется раствор, на титрование которого уходит 21.43 мл 0.1 М раствора соляной кислоты. Массовая доля металл