Для выполнения задания 30 используйте следующий перечень веществ: оксид хрома(III), гидроксид магния, серная кислота, оксид меди(I), ацетат аммония, перманганат калия. Допустимо использование водных растворов веществ. Из предложенного перечня выберите слабый электролит и вещество, которое вступает с этим слабым электролитом в реакцию ионного обмена. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции с участием выбранных веществ.

\(Mg(OH)_{2} + H_{2}SO_{4} = MgSO_{4} + 2H_{2}O\) \(Mg(OH)_{2} + 2H^{+} + SO_{4}^{2-} = Mg^{2+} + SO_{4}^{2-} + 2H_{2}O\) \(Mg(OH)_{2} + 2H^{+} = Mg^{2+} + 2H_{2}O\) Подробный разбор Разберём перечень: \(Cr_{2}O_{3}\) и \(Cu_{2}O\) — оксиды, они вообще не электролиты; \(H_{2}SO_{4}\), \(CH_{3}COONH_{4}\) и \(KMnO_{4}\) — сильные электролиты (кислота и соли, распадаются на ионы полностью). Остаётся \(Mg(OH)_{2}\) — практически нерастворимое основание, то есть слабый электролит. В реакцию ионного обмена с ним вступает серная кислота: нейтрализация идёт до конца, потому что образуется вода — ещё более слабый электролит. Молекулярное уравнение: \(Mg(OH)_{2} + H_{2}SO_{4} = MgSO_{4} + 2H_{2}O\) Полное ионное уравнение (на ионы расписываем только сильные электролиты — \(H_{2}SO_{4}\) и растворимую соль \(MgSO_{4}\); \(Mg(OH)_{2}\) и \(H_{2}O\) оставляем в виде молекул): \(Mg(OH)_{2} + 2H^{+} + SO_{4}^{2-} = Mg^{2+} + SO_{4}^{2-} + 2H_{2}O\) Сокращённое ионное уравнение (сокращаем ионы \(SO_{4}^{2-}\), одинаковые в обеих частях): \(Mg(OH)_{2} + 2H^{+} = Mg^{2+} + 2H_{2}O\) Обрати внимание: перед \(H_{2}O\) обязателен коэффициент 2, а перед \(H^{+}\) — тоже 2, иначе не сойдётся ни баланс атомов, ни баланс зарядов (слева \(2\cdot(+1) = +2\), справа \(+2\)).

Иодид меди(I) поместили в концентрированный раствор азотной кислоты, при этом образовался бурый газ, соль и окрашенное простое вещество. Получившуюся соль выделили, высушили и прокалили. Окрашенное простое вещество, образовавшееся в результате реакции иодида меди(I) с азотной кислотой, нагрели с концентрированной азотной кислотой. Выделившийся при этом бурый газ смешали с кислородом и пропустили через раствор гидроксида калия. Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

1) 2CuI + 8HNO3 = 2Cu(NO3)2 + I2 + 4NO2 + 4H2O 2) 2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2 3) I2 + 10HNO3 = 2HIO3 + 10NO2 + 4H2O 4) 4NO2 + O2 + 4KOH = 4KNO3 + 2H2O Подробный разбор Разберём цепочку по действиям, описанным в условии. Концентрированная \(HNO_{3}\) — сильный окислитель, поэтому окисляются обе части соли: медь \(Cu^{+} \rightarrow Cu^{2+}\), а иодид-ион \(I^{-} \rightarrow I_{2}\) (это и есть окрашенное простое вещество — фиолетово-чёрный иод). Бурый газ — \(NO_{2}\), соль — нитрат меди(II): \(2CuI + 8HNO_{3} = 2Cu(NO_{3})_{2} + I_{2}\downarrow + 4NO_{2}\uparrow + 4H_{2}O\) Выделенную и высушенную соль прокаливают. Нитраты металлов средней активности (от \(Mg\) до \(Cu\)) разлагаются до оксида металла, \(NO_{2}\) и \(O_{2}\): \(2Cu(NO_{3})_{2} \overset{t}{\rightarrow} 2CuO + 4NO_{2}\uparrow + O_{2}\uparrow\) Иод при нагревании с концентрированной \(HNO_{3}\) окисляется до высшей степени окисления \(+5\), то есть до иодноватой кислоты \(HIO_{3}\): \(I_{2} + 10HNO_{3} = 2HIO_{3} + 10NO_{2}\uparrow + 4H_{2}O\) Смесь \(NO_{2}\) с кислородом в щёлочи даёт только нитрат (без \(O_{2}\) шло бы диспропорционирование на \(KNO_{3}\) и \(KNO_{2}\)): \(4NO_{2} + O_{2} + 4KOH = 4KNO_{3} + 2H_{2}O\) Обрати внимание: в первой реакции легко потерять окисление иодид-иона и написать в продуктах \(HI\) или \(CuI_{2}\) — с концентрированной азотной кислотой они существовать не могут.

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

Обозначим вещества цепочки: X1 — 2-метилпропанол-2 (трет-бутиловый спирт) \(CH_{3}-C(OH)(CH_{3})-CH_{3}\); X2 — пропанон-2 (ацетон) \(CH_{3}-C(O)-CH_{3}\); \(X_{3}\) — пропанол-2 \(CH_{3}-CH(OH)-CH_{3}\). Гидратация идёт по правилу Марковникова: \(OH\) присоединяется к более замещённому атому углерода, поэтому получается третичный спирт \(X_{1}\), а не изобутанол. \(CH_{2}=C(CH_{3})-CH_{3} + H_{2}O \overset{H^{+},\, t}{\rightarrow} CH_{3}-C(OH)(CH_{3})-CH_{3}\) Замещение гидроксогруппы на аминогруппу при действии аммиака даёт первичный амин с третичным углеродом — 2-амино-2-метилпропан. \(CH_{3}-C(OH)(CH_{3})-CH_{3} + NH_{3} \rightarrow CH_{3}-C(NH_{2})(CH_{3})-CH_{3} + H_{2}O\) Жёсткое окисление подкисленным перманганатом разрывает двойную связь. Фрагмент \(=C(CH_{3})_{2}\) содержит два заместителя и превращается в кетон, а концевая группа \(CH_{2}=\) окисляется полностью до \(CO_{2}\). \(5CH_{3}-C(CH_{3})=CH_{2} + 8KMnO_{4} + 12H_{2}SO_{4} \overset{t}{\rightarrow} 5CH_{3}-C(O)-CH_{3} + 5CO_{2}\uparrow + 8MnSO_{4} + 4K_{2}SO_{4} + 17H_{2}O\) Восстановление кетона водородом даёт вторичный спирт. \(CH_{3}-C(O)-CH_{3} + H_{2} \overset{кат.,\, t}{\rightarrow} CH_{3}-CH(OH)-CH_{3}\) Внутримолекулярная дегидратация спирта при нагревании выше 140 °C с концентрированной серной кислотой приводит к алкену. \(CH_{3}-CH(OH)-CH_{3} \overset{H_{2}SO_{4},\, t}{\rightarrow} CH_{2}=CH-CH_{3} + H_{2}O\)

При сгорании 6,62 г органического вещества А получили 5,28 г углекислого газа, 4,86 г бромоводорода. Известно, что вещество А образуется при бромировании соединения Б. Известно, что в соединении Б содержатся атомы углерода только в состоянии sp2-гибридизации. На основании данных условия задачи: 1) проведите необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин) и установите молекулярную формулу вещества А; 2) составьте структурную формулу вещества А, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 3) напишите уравнение бромирования соединения Б с образованием вещества А (используйте структурные формулы органических веществ).

1) Найдём количества вещества элементов по продуктам сгорания: \(n(CO_{2}) = \dfrac{5{,}28\ \text{г}}{44\ \text{г/моль}} = 0{,}12\ \text{моль}\), значит \(n(C) = 0{,}12\ \text{моль}\); \(n(HBr) = \dfrac{4{,}86\ \text{г}}{81\ \text{г/моль}} = 0{,}06\ \text{моль}\), значит \(n(H) = 0{,}06\ \text{моль}\) и \(n(Br) = 0{,}06\ \text{моль}\). Воды среди продуктов нет: весь водород ушёл в бромоводород. Остаток массы приходится на кислород: \(m(O) = 6{,}62 - 0{,}12 \cdot 12 - 0{,}06 \cdot 1 - 0{,}06 \cdot 80 = 0{,}32\ \text{г}\), \(n(O) = \dfrac{0{,}32\ \text{г}}{16\ \text{г/моль}} = 0{,}02\ \text{моль}\). \(n(C) : n(H) : n(Br) : n(O) = 0{,}12 : 0{,}06 : 0{,}06 : 0{,}02 = 6 : 3 : 3 : 1\), то есть молекулярная формула вещества А — \(C_{6}H_{3}Br_{3}O\) (\(M = 331\ \text{г/моль}\), \(n(A) = 0{,}02\ \text{моль}\)). 2) Все атомы углерода в соединении Б находятся в \(sp^{2}\)-гибридизации, а шесть атомов углерода при одном атоме кислорода — это бензольное кольцо с гидроксогруппой, то есть Б — фенол \(C_{6}H_{5}OH\). Тогда А — продукт замещения трёх атомов водорода кольца на бром: 2,4,6-трибромфенол. Его структурная формула: бензольное кольцо, у первого атома углерода группа \(-OH\), у второго, четвёртого и шестого — атомы \(-Br\), у третьего и пятого — атомы \(-H\): 3) Уравнение бромирования (бром действует на фенол без катализатора, сразу в три положения — \(-OH\) сильно активирует орто- и пара-положения кольца):

Через 400 г 36%-ного раствора нитрата железа(II) пропустили электрический ток. При этом объём газа, выделившегося на катоде, оказался в 2 раза меньше объёма газа, выделившегося на аноде, а массовая доля нитрата железа(II) уменьшилась до 10,19%. К полученному раствору добавили 120 г 40%-ного раствора карбоната аммония. Вычислите массовую долю нитрата железа(II) в конечном растворе. Возможными процессами окисления ионов Fe2+ и их осаждения из околокатодного пространства пренебречь. В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).

[1] 2Fe(NO3)2 + 2H2O = 2Fe(вниз) + 4HNO3 + O2(вверх) (электролиз) [2] 2H2O = 2H2(вверх) + O2(вверх) (электролиз) [3] 2HNO3 + (NH4)2CO3 = 2NH4NO3 + H2O + CO2(вверх) m(Fe(NO3)2) = 0,36*400 = 144 г n(Fe(NO3)2) = 144/180 = 0,8 моль Пусть в реакции [2] выделилось x моль O2, тогда n(H2) = 2x моль; n(O2 [1]) = 3x моль n(Fe(NO3)2 прореагировало) = 6x моль m(Fe(NO3)2 прореагировало) = 6*180x = 1080x г m(раств.)(Fe(NO3)2 осталось) = 400 - 4*32x - 4x - 6*56x = 400 - 468x г omega(Fe(NO3)2 оставш.) = (144 - 1080x)/(400 - 468x) = 0,1019 x = 0,1 моль n(O2 [1]) = 0,3 моль n(HNO3) = 1,2 моль m((NH4)2CO3) = 0,4*120 = 48 г n((NH4)2CO3) = 48/96 = 0,5 моль n(CO2) = 0,5 моль m(CO2) = 0,5*44 = 22 г m(Fe(NO3)2 оставш.) = 144 - 0,6*180 = 36 г m(кон. р-ра) = 400 - 0,1*468 + 120 - 22 = 451,2 г omega(Fe(NO3)2) = 36/451,2 = 0,08, или 8 % Подробный разбор При электролизе раствора \(Fe(NO_{3})_{2}\) на катоде сначала восстанавливается железо, но когда его ионы почти израсходованы, начинает выделяться водород; на аноде всё время выделяется кислород. Значит, идут два процесса: \(2Fe(NO_{3})_{2} + 2H_{2}O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2Fe\downarrow + 4HNO_{3} + O_{2}\uparrow\) \(2H_{2}O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2H_{2}\uparrow + O_{2}\uparrow\) Полученная кислота реагирует с карбонатом аммония: \(2HNO_{3} + (NH_{4})_{2}CO_{3} = 2NH_{4}NO_{3} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow\) Исходная соль: \(m(Fe(NO_{3})_{2}) = 400\ г \cdot 0{,}36 = 144\ г\), \(n(Fe(NO_{3})_{2}) = 144\ г : 180\ г/моль = 0{,}8\ моль\). Пусть в реакции 2 выделилось \(x\) моль \(O_{2}\), тогда по уравнению 2 \(n(H_{2}) = 2x\) моль. Водород — единственный газ на катоде, поэтому по условию весь кислород составляет \(2 \cdot 2x = 4x\) моль, из них в реакции 1 выделилось \(4x - x = 3x\) моль. По уравнению 1 \(n(Fe(NO_{3})_{2}\ \text{прореаг.}) = 2 \cdot 3x = 6x\) моль и \(n(Fe) = 6x\) моль. Раствор теряет массу с осевшим железом и обоими газами: \(m(р-ра) = 400 - 6x \cdot 56 - 4x \cdot 32 - 2x \cdot 2 = (400 - 468x)\ г\), \(\omega = \dfrac{144 - 6x \cdot 180}{400 - 468x} = 0{,}1019 \Rightarrow 144 - 1080x = 40{,}76 - 47{,}69x \Rightarrow x = 0{,}1\ моль\). Тогда \(n(O_{2}\ \text{по ур. 1}) = 0{,}3\ моль\), и по уравнению 1 \(n(HNO_{3}) = 4 \cdot 0{,}3 = 1{,}2\ моль\). Карбонат аммония: \(m((NH_{4})_{2}CO_{3}) = 120\ г \cdot 0{,}40 = 48\ г\), \(n = 48\ г : 96\ г/моль = 0{,}5\ моль\). По уравнению 3 на него нужно \(2 \cdot 0{,}5 = 1{,}0\ моль\ HNO_{3}\) — кислоты хватает (1,2 моль), поэтому карбонат реагирует полностью: \(n(CO_{2}) = 0{,}5\ моль\), \(m(CO_{2}) = 0{,}5\ моль \cdot 44\ г/моль = 22\ г\). Оставшийся нитрат железа(II): \(n = 0{,}8 - 6 \cdot 0{,}1 = 0{,}2\ моль\), \(m = 0{,}2\ моль \cdot 180\ г/моль = 36\ г\). Масса конечного раствора: \(m = 400 - 468 \cdot 0{,}1 + 120 - 22 = 451{,}2\ г\). \(\omega(Fe(NO_{3})_{2}) = \dfrac{36\ г}{451{,}2\ г} \cdot 100\% = 7{,}98\% \approx 8\%\)