Для выполнения задания 30 используйте следующий перечень веществ: бром, фосфин, гидроксид калия, карбонат калия, гидроксид хрома(III), раствор хлорной кислоты. Допустимо использование водных растворов веществ. Из предложенного перечня выберите вещества, реакция ионного обмена между растворами которых сопровождается выделением газа. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения только одной возможной реакции.

\(2HClO_{4} + K_{2}CO_{3} = 2KClO_{4} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow\) \(2H^{+} + 2ClO_{4}^{-} + 2K^{+} + CO_{3}^{2-} = 2K^{+} + 2ClO_{4}^{-} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow\) \(2H^{+} + CO_{3}^{2-} = H_{2}O + CO_{2}\uparrow\) Подробный разбор Из перечня в растворе реально взаимодействуют по механизму ионного обмена с выделением газа только два вещества: хлорная кислота \(HClO_{4}\) (сильная, полностью диссоциирует) и карбонат калия \(K_{2}CO_{3}\) (растворимая соль слабой угольной кислоты). Сильная кислота вытесняет слабую, а угольная кислота сразу распадается на воду и углекислый газ. Молекулярное уравнение: \(2HClO_{4} + K_{2}CO_{3} = 2KClO_{4} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow\) Полное ионное уравнение (на ионы расписываем сильную кислоту и обе растворимые соли; вода и газ на ионы не расписываются): \(2H^{+} + 2ClO_{4}^{-} + 2K^{+} + CO_{3}^{2-} = 2K^{+} + 2ClO_{4}^{-} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow\) Сокращённое ионное уравнение (убираем ионы-«зрители» \(K^{+}\) и \(ClO_{4}^{-}\)): \(2H^{+} + CO_{3}^{2-} = H_{2}O + CO_{2}\uparrow\) Почему не подходят остальные вещества: бром и фосфин в реакциях ионного обмена не участвуют (это окислительно-восстановительные превращения), гидроксид хрома(III) нерастворим и с \(K_{2}CO_{3}\) не реагирует, а пара \(KOH\) — \(K_{2}CO_{3}\) газа не даёт.

Железную окалину растворили в разбавленной серной кислоте. В полученный раствор добавили раствор иодида калия. Одна из полученных при этом солей, не содержащая в своём составе атомов кислорода, прореагировала с концентрированным раствором азотной кислоты. Образовавшееся простое вещество отделили, а к оставшемуся раствору соли добавили раствор карбоната калия. Запишите уравнения четырёх описанных реакций.

Написаны четыре уравнения описанных реакций: 1) Fe3O4 + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + FeSO4 + 4H2O 2) Fe2(SO4)3 + 6KI = 2FeI2 + I2 + 3K2SO4 3) FeI2 + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + I2 + 3NO2↑ + 3H2O 4) 2Fe(NO3)3 + 3K2CO3 + 3H2O = 2Fe(OH)3↓ + 3CO2↑ + 6KNO3 Подробный разбор Железная окалина — это смешанный оксид \(Fe_{3}O_{4}\) (то есть \(FeO \cdot Fe_{2}O_{3}\)), поэтому при растворении в разбавленной серной кислоте сразу образуются две соли — железа(III) и железа(II): \(Fe_{3}O_{4} + 4H_{2}SO_{4} = Fe_{2}(SO_{4})_{3} + FeSO_{4} + 4H_{2}O\) \(Fe_{2}(SO_{4})_{3} + 6KI = 2FeI_{2} + I_{2} + 3K_{2}SO_{4}\) \(FeI_{2} + 6HNO_{3} = Fe(NO_{3})_{3} + I_{2} + 3NO_{2}\uparrow + 3H_{2}O\) \(2Fe(NO_{3})_{3} + 3K_{2}CO_{3} + 3H_{2}O = 2Fe(OH)_{3}\downarrow + 3CO_{2}\uparrow + 6KNO_{3}\) Во втором уравнении иодид-ион — восстановитель, поэтому \(Fe^{3+}\) восстанавливается до \(Fe^{2+}\), а иод выделяется в виде \(I_{2}\). Иодид железа(III) не существует, продукт — только \(FeI_{2}\). «Соль без атомов кислорода» — это \(FeI_{2}\) (у \(K_{2}SO_{4}\) кислород есть). С концентрированной \(HNO_{3}\) она окисляется полностью: \(Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+}\) и \(I^{-} \rightarrow I_{2}\), а азот восстанавливается до \(NO_{2}\). «Простое вещество», которое отделили, — иод \(I_{2}\). В последней реакции \(Fe_{2}(CO_{3})_{3}\) не образуется: соль слабой кислоты и слабого основания полностью гидролизуется, поэтому в продуктах \(Fe(OH)_{3}\downarrow\) и \(CO_{2}\uparrow\), а в уравнение слева обязательно входит вода.

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

Схема замкнётся, если из ароматического кольца получить циклогексановое, затем «раскрыть» цикл окислением по двойной связи — так шесть атомов углерода кольца превращаются в шестиуглеродную двухосновную кислоту. \(C_{6}H_{5}-OH + 3H_{2} \overset{Ni, t}{\rightarrow} C_{6}H_{11}-OH\) \(C_{6}H_{11}-OH + HBr \rightarrow C_{6}H_{11}-Br + H_{2}O\) \(C_{6}H_{11}-Br + KOH_{(спирт.)} \overset{t}{\rightarrow} C_{6}H_{10} + KBr + H_{2}O\) \(5C_{6}H_{10} + 8KMnO_{4} + 12H_{2}SO_{4} \overset{t}{\rightarrow} 5HOOC-(CH_{2})_{4}-COOH + 8MnSO_{4} + 4K_{2}SO_{4} + 12H_{2}O\) \(HOOC-(CH_{2})_{4}-COOH + 2CH_{3}OH \overset{H_{2}SO_{4}, t}{\rightleftarrows} CH_{3}OOC-(CH_{2})_{4}-COOCH_{3} + 2H_{2}O\) Вещества цепочки: \(X_{1}\) — циклогексанол \(C_{6}H_{11}OH\) \(X_{2}\) — бромциклогексан \(C_{6}H_{11}Br\) \(X_{3}\) — циклогексен \(C_{6}H_{10}\) \(X_{4}\) — гександиовая (адипиновая) кислота \(HOOC-(CH_{2})_{4}-COOH\) Обрати внимание на ключевые моменты: гидрирование фенола идёт и по кольцу, и по связи \(C-OH\) не затрагивает её, поэтому получается именно спирт, а не циклогексан. Спиртовой раствор \(KOH\) даёт отщепление (элиминирование) с образованием двойной связи, тогда как водный дал бы обратно спирт. Кислый раствор \(KMnO_{4}\) при нагревании разрывает цикл по двойной связи, и оба образовавшихся конца окисляются до карбоксильных групп — число атомов углерода при этом сохраняется.

Вещество А содержит по массе 19,25 % углерода, 7,49 % азота, 17,11 % серы, 51,34 % кислорода и водород. Вещество А образуется при действии избытка разбавленной серной кислоты на натриевую соль Б. На основании данных условия задачи: 1) проведите необходимые вычисления и установите молекулярную формулу вещества А; 2) составьте одну из возможных структурных формул вещества А, которая отражает порядок связи атомов в его молекуле; 3) напишите уравнение реакции получения вещества А при взаимодействии натриевой соли Б с серной кислотой (используйте структурные формулы органических веществ).

Подробный разбор Вещество А состоит из пяти элементов, поэтому массовую долю водорода находим по остатку: \(w(H) = 100\% - 19{,}25\% - 7{,}49\% - 17{,}11\% - 51{,}34\% = 4{,}81\%\). Массовые доли делим на атомные массы элементов (берём 100 г вещества, тогда проценты дают граммы): \(n(C) : n(H) : n(N) : n(S) : n(O) = \frac{19{,}25\ г}{12\ г/моль} : \frac{4{,}81\ г}{1\ г/моль} : \frac{7{,}49\ г}{14\ г/моль} : \frac{17{,}11\ г}{32\ г/моль} : \frac{51{,}34\ г}{16\ г/моль}\) \(= 1{,}604 : 4{,}81 : 0{,}535 : 0{,}535 : 3{,}209\) моль. Делим на наименьшее (0,535) и получаем \(3 : 9 : 1 : 1 : 6\). Молекулярная формула вещества А — \(C_{3}H_{9}NSO_{6}\) (\(M = 187\) г/моль). Формулу удобно разбить на две части: \(C_{3}H_{9}NSO_{6} = C_{3}H_{7}NO_{2} \cdot H_{2}SO_{4}\). Значит, А — соль аминокислоты состава \(C_{3}H_{7}NO_{2}\) (аланина) с серной кислотой: в избытке кислоты аминогруппа протонируется, а карбоксильная группа остаётся свободной. Структурная формула вещества А (гидросульфат аланина): \(HOOC-CH(CH_{3})-NH_{3}^{+}\ HSO_{4}^{-}\) Соль Б — натриевая соль той же аминокислоты, \(NH_{2}-CH(CH_{3})-COONa\). Избыток серной кислоты расходуется дважды: на замещение натрия и на протонирование аминогруппы, поэтому вторым продуктом получается гидросульфат натрия: \(NH_{2}-CH(CH_{3})-COONa + 2H_{2}SO_{4} \rightarrow HOOC-CH(CH_{3})-NH_{3}^{+}\ HSO_{4}^{-} + NaHSO_{4}\) Условию отвечает и соль \(\beta\)-аланина \(NH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-COONa\) — молекулярная формула продукта та же.

Смесь фосфида и нитрида лития, в которой масса протонов в ядрах всех атомов составляет 46 % от общей массы смеси, растворили в 200 г 36,5%-ной соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л (н. у.) газа. Вычислите массовую долю кислоты в конечном растворе. В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения и обозначения искомых физических величин).

Записаны уравнения реакций: Li3P + 3HCl = 3LiCl + PH3 Li3N + 4HCl = 3LiCl + NH4Cl n(PH3) = 5,6 : 22,4 = 0,25 моль m(PH3) = 0,25 * 34 = 8,5 г n(Li3P) = n(PH3) = 0,25 моль 1 моль Li3P содержит 3*3 + 15 = 24 моль протонов. 1 моль Li3N содержит 3*3 + 7 = 16 моль протонов. Пусть в смеси было x моль Li3N, тогда (16x + 24*0,25) : (35x + 52*0,25) = 0,46 x = n(Li3N) = 0,2 моль m(Li3P) = 0,25 * 52 = 13 г m(Li3N) = 0,2 * 35 = 7 г m(HCl) = 200 * 0,365 = 73 г n(HCl) = 73 / 36,5 = 2 моль n(HCl прореагировало) = 3*0,25 + 4*0,2 = 1,55 моль n(HCl осталось) = 2 - 1,55 = 0,45 моль m(HCl осталось) = 36,5 * 0,45 = 16,425 г m(конечного р-ра) = 200 + 20 - 8,5 = 211,5 г w(HCl) = 16,425 : 211,5 * 100 = 7,8 % Подробный разбор Оба вещества растворяются в соляной кислоте, но кислота взята в избытке, поэтому аммиак в свободном виде не выделяется — он связывается в хлорид аммония. Единственный газ здесь — фосфин. Уравнения реакций: \(Li_{3}P + 3HCl = 3LiCl + PH_{3}\uparrow\) \(Li_{3}N + 4HCl = 3LiCl + NH_{4}Cl\) Количество газа: \(n(PH_{3}) = 5,6\ л : 22,4\ л/моль = 0,25\ моль\) \(m(PH_{3}) = 0,25\ моль \cdot 34\ г/моль = 8,5\ г\) По первому уравнению \(n(Li_{3}P) = n(PH_{3}) = 0,25\ моль\). Находим второе вещество через долю протонов. Число протонов равно сумме порядковых номеров, а масса одного моля протонов ≈ 1 г, поэтому масса протонов в моле \(Li_{3}P\) равна \(3 \cdot 3 + 15 = 24\ г\), а в моле \(Li_{3}N\) — \(3 \cdot 3 + 7 = 16\ г\). Пусть \(n(Li_{3}N) = x\ моль\), тогда \(\dfrac{16x + 24 \cdot 0,25}{35x + 52 \cdot 0,25} = 0,46\) \(16x + 6 = 16,1x + 5,98\), откуда \(x = n(Li_{3}N) = 0,2\ моль\). Масса смеси: \(m(Li_{3}P) = 0,25\ моль \cdot 52\ г/моль = 13\ г\) \(m(Li_{3}N) = 0,2\ моль \cdot 35\ г/моль = 7\ г\) \(m(смеси) = 13 + 7 = 20\ г\) Кислота: \(m(HCl) = 200\ г \cdot 0,365 = 73\ г\); \(n(HCl) = 73\ г : 36,5\ г/моль = 2\ моль\) По первому уравнению на \(Li_{3}P\) идёт \(3 \cdot 0,25 = 0,75\ моль\), по второму на \(Li_{3}N\) — \(4 \cdot 0,2 = 0,8\ моль\): \(n(HCl_{прореаг.}) = 0,75 + 0,8 = 1,55\ моль\) \(n(HCl_{ост.}) = 2 - 1,55 = 0,45\ моль\); \(m(HCl_{ост.}) = 0,45\ моль \cdot 36,5\ г/моль = 16,425\ г\) Кислота действительно в избытке — значит, аммиак остался в растворе как \(NH_{4}Cl\). Масса конечного раствора: к кислоте прибавилась вся смесь, а фосфин улетел: \(m(р\text{-}ра) = 200\ г + 20\ г - 8,5\ г = 211,5\ г\) \(\omega(HCl) = \dfrac{16,425\ г}{211,5\ г} \cdot 100\% \approx 7,8\%\) Ответ: \(\omega(HCl) \approx 7,8\%\).