Бериллий и тяжёлая вода: разбор задачи 9-3 регионального этапа ВсОШ по химии 2023–2024

У обычной воды, аммиака и метана разные молярные массы: 18, 17 и 16 г/моль. Но если заменить в этих молекулах обычный водород тяжёлым, все три массы становятся равны 20 г/моль. Такое совпадение не случайно, и на нём построена вся задача.

Это третья задача теоретического тура регионального этапа 2023–2024 для 9 класса, разбор предыдущей — в статье «Свинец, олово и молибден». В условии нет ни одного названия вещества: только схема с буквами и пять коротких подсказок. Решение держится на одной догадке, но её не нужно угадывать: достаточно аккуратно перебрать простые вещества. По ходу разбора мы заметим, что в опубликованном решении забыт неон, и узнаем, почему открытие дейтерия опиралось на ошибочное измерение.

• 1. О чём задача
• 2. Что нужно знать перед решением
• 3. Вещества A и E: откуда взять отношение 8
• 4. Как нашли дейтерий
• 5. Вещества D и C и молярная масса 20
• 6. Почему у трёх молекул одна масса
• 7. Кто здесь X, Y и Z
• 8. Откуда берётся 3 : 4
• 9. Вещество B: бериллий
• 10. Вся схема в уравнениях
• 11. Какие ещё карбиды и нитриды реагируют с водой
• 12. Чем тяжёлая вода отличается от обычной
• 13. Ответы коротко
• 14. Порядок действий в таких задачах
• 15. Что вынести для других задач
• 16. Типичные ошибки
• 17. Частые вопросы
• Задания для тренировки
• Литература

1. О чём задача

Официальные условие и решение опубликованы организаторами [1, 2]; автор задачи в решении указан как Н. С. Крысанов. Перескажем условие своими словами.

Три бинарных соединения X, Y и Z в газообразном состоянии имеют почти одинаковую плотность. Их связывает такая цепочка. Простое вещество B при нагревании реагирует с тремя другими простыми веществами: с D образует G, с C образует F, с E образует H. При действии X соединение G даёт I и Z, а соединение F даёт I и Y. При нагревании I разлагается на H и X.

Дополнительно известно следующее:

1. В состав X, Y и Z входят атомы элемента, образующего простое вещество A. Молярная масса A в 8 раз меньше, чем у E.
2. A, B, C, D и E — простые вещества, и их молярная масса растёт в этом порядке.
3. При нормальных условиях B и C твёрдые, а A, D и E — газы.
4. Из одинаковых по массе навесок B получаются Y и Z в объёмном отношении 3 : 4 при одинаковых условиях.
5. При термическом разложении 1 моль I образуется 1 моль X.

Нужно вычислить молярную массу X, Y и Z, определить вещества A–I и установить состав X, Y и Z. За задачу дают 15 баллов: по 1 баллу за каждое из девяти веществ A–I и по 2 балла за каждое из соединений X, Y и Z [2].

2. Что нужно знать перед решением

Что такое плотность газа и при чём здесь молярная масса

По закону Авогадро 1 моль любого газа при одних и тех же температуре и давлении занимает один и тот же объём. Поэтому плотность газа ρ = M / V_m пропорциональна его молярной массе. Слова «почти одинаковая плотность» означают ровно то же, что «почти одинаковая молярная масса». Условие говорит о «газообразном состоянии» потому, что одно из веществ может быть при комнатной температуре жидкостью, и тогда сравнивают его пар.

Что такое изотопы и почему дейтерий даёт простое вещество

Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Химические свойства у них почти совпадают, а масса различается. Для большинства элементов эта разница мала, но у водорода она наибольшая: ядро обычного водорода (протия) содержит один протон, а ядро дейтерия — протон и нейтрон, поэтому дейтерий вдвое тяжелее. Его обозначают символом D, а вещество D₂ простое, и его молярная масса равна 4 г/моль.

Будьте внимательны: в этой задаче есть вещество с буквой D из условия и атом дейтерия с символом D. Это разные вещи. Дальше мы будем писать «вещество D», когда речь об условии, а в формулах D всегда означает дейтерий.

Как реагируют с водой карбиды и нитриды

Карбиды и нитриды активных металлов содержат атомы углерода и азота с большим отрицательным зарядом. Такие частицы очень прочно присоединяют протоны, поэтому отрывают их даже от молекул воды. Металл при этом переходит в гидроксид, а неметалл — в водородное соединение:

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Mg₃N₂ + 6H₂O = 3Mg(OH)₂ + 2NH₃

Важно, откуда приходит водород: весь водород в метане и аммиаке здесь взят из воды. Значит, с тяжёлой водой получатся метан и аммиак, содержащие дейтерий.

Как разлагаются гидроксиды

Большинство нерастворимых гидроксидов при нагревании теряют воду и превращаются в оксиды. Сколько молей воды получится из 1 моль гидроксида, зависит от степени окисления металла. Подсказка 5 опирается именно на это.

3. Вещества A и E: откуда взять отношение 8

Начинать лучше с самого жёсткого условия. Вещества A и E — простые, при нормальных условиях газы, и молярная масса E в 8 раз больше. Газообразных простых веществ мало, поэтому их можно перебрать все. Первой приходит мысль об обычном водороде, но он не подходит.

Остаётся одна пара: A — дейтерий D₂, E — кислород O₂. Гелий отпадает по подсказке 1: атомы элемента, образующего A, входят в три бинарных соединения, а устойчивых соединений гелия такого рода нет.

Опубликованное решение рассуждает короче: предполагает, что E — кислород, и получает массу A, равную 4 г/моль [2]. На туре так и надо действовать, но полный перебор показывает, что другого ответа и правда нет.

4. Как нашли дейтерий

Ещё в начале 1931 года тяжёлый водород никто не наблюдал. Он составляет всего около 0,0156 % атомов природного водорода, то есть примерно один атом на 6400 [6]. Обнаружить такую примесь помог косвенный расчёт. Рэймонд Бёрдж и Дональд Мензел сравнили атомную массу водорода, найденную химическими методами, с массой, измеренной на масс-спектрографе Фрэнсисом Астоном. После учёта только что открытых изотопов кислорода значения немного расходились, и Бёрдж с Мензелем предположили, что расхождение объясняется тяжёлым изотопом водорода примерно в отношении 1 к 4500 [3].

Гарольд Юри с Джорджем Мёрфи начали искать в спектре водорода линию, смещённую из-за большей массы ядра. В природном образце она едва угадывалась, поэтому Юри рассчитал, что последние порции испаряющегося жидкого водорода должны быть обогащены тяжёлым изотопом. Фердинанд Брикведде из Национального бюро стандартов США испарил несколько литров жидкого водорода, оставив последние миллилитры: в одном опыте 6 л при температуре около 20 К, в других по 4 л при температуре примерно на 6 К ниже. В спектре этих образцов появилась новая линия [4, 5].

В этой истории есть две любопытные подробности. Брикведде взял чистый водород, полученный электролизом, а электролиз как раз удаляет дейтерий из выделяющегося газа. Об этом тогда никто не подумал: электрохимик Виктор Ламер из того же университета утверждал, что электролиз не влияет на состав изотопов. Линия стала заметной только тогда, когда в электролизёре постепенно накопился дейтерий и он начал попадать в газ. Вторая подробность выяснилась позже: в 1935 году Астон нашёл ошибку в своём значении массы водорода, и после исправления довод Бёрджа и Мензела перестал работать. Расхождение, с которого всё началось, лежало в пределах погрешности измерений, но к тому времени дейтерий уже был открыт [3]. За это открытие Юри получил Нобелевскую премию по химии 1934 года [4]. Название «дейтерий» происходит от греческого слова «второй».

Почти весь дейтерий образовался в первые минуты после Большого взрыва, а звёзды его только расходуют [6]. Поэтому в каждой капле воды есть ядра дейтерия, возраст которых почти равен возрасту Вселенной.

5. Вещества D и C и молярная масса 20

Молярная масса простых веществ растёт от A к E, значит, вещество D — газ с молярной массой от 4 до 32 г/моль. В опубликованном решении сказано, что такой газ один, азот [2]. Это не совсем так: в этот промежуток попадает и неон, 20,2 г/моль. А если учитывать изотопы, как мы уже сделали для A, то ещё и тритий T₂, 6,03 г/моль. Отбросить их помогает схема. Вещество D реагирует с B при нагревании. Неон не образует соединений. Тритий с активным металлом дал бы гидрид, а при действии X из него получился бы водород, и плотность Z оказалась бы намного меньше, чем у X и Y. Значит, вещество D — азот N₂.

Теперь у нас есть водород, кислород и азот. Их простейшие соединения — вода и аммиак. Посчитаем молярные массы таких молекул с дейтерием:

M(D₂O) = 2 · 2,014 + 15,999 = 20,03 г/моль

M(ND₃) = 14,007 + 3 · 2,014 = 20,05 г/моль

Это и есть «почти одинаковая плотность». Осталось найти третье соединение с такой же массой. Если в молекуле n атомов дейтерия, то на всё остальное приходится 20 − 2n г/моль. Переберём варианты:

Углерод твёрдый, и его молярная масса 12 г/моль лежит между 4 и 28. Он подходит на роль вещества C. Получается красивый результат: все три неметалла, углерод, азот и кислород, есть в списке простых веществ. Итак, молярная масса X, Y и Z равна 20 г/моль, вещество C — углерод, а сами соединения — D₂O, ND₃ и CD₄. Какое из них какой буквой обозначено, ещё предстоит установить.

Теперь можно вернуться к варианту с тритием на месте A из таблицы выше. Молярные массы T₂O, NT₃ и CT₄ равны 22,0, 23,1 и 24,1 г/моль. Они различаются на 9 %, и почти одинаковой плотностью это не назвать. У соединений обычного водорода с массами 18,0, 17,0 и 16,0 г/моль разница составляет 12 %, а у соединений дейтерия всего 0,2 %.

Решение разрешает и другие соединения с той же молярной массой, если участник логично их обоснует: это фтороводород HF (20,0 г/моль) и BT₃ (19,9 г/моль) [2]. В самой схеме им места не находится: фтор не может быть одним из веществ A–E, потому что масса F₂ (38 г/моль) больше, чем у самого тяжёлого из них, кислорода, а молекулы вида BH₃ неустойчивы и объединяются в димеры. Поэтому основной ответ — три соединения дейтерия.

6. Почему у трёх молекул одна масса

Совпадение масс объясняется устройством атомов. Массовое число — это сумма протонов и нейтронов, а в ядрах ¹²C, ¹⁴N и ¹⁶O, как и в ядре дейтерия, их поровну. Посчитаем:

Все эти частицы изоэлектронны неону, то есть содержат столько же электронов, сколько атом неона. При переходе от кислорода к азоту и затем к углероду центральное ядро теряет протон и нейтрон, но в молекуле появляется ещё один атом дейтерия с такими же протоном и нейтроном. Поэтому масса почти не меняется. В обычном водороде нейтрона нет, и в ряду H₂O, NH₃, CH₄ на каждом шаге теряется один нейтрон: масса падает. Молярная масса HF тоже равна 20, хотя в нём обычный водород. Причина в том, что в ядре ¹⁹F нейтронов на один больше, чем протонов.

Масса совпадает, а свойства очень разные, потому что заряды ядер различаются и электроны распределены в молекулах по-разному. Тяжёлая вода при обычных условиях жидкость, а аммиак и метан — газы. Главная причина — водородные связи: между молекулами воды они особенно прочны, в аммиаке слабее, а в метане их нет.

7. Кто здесь X, Y и Z

Читаем схему. Соединение G получено из B и азота, поэтому в нём есть только эти два элемента. Соединение F получено из B и углерода. При действии X из G образуется Z, а из F образуется Y. Посмотрим, откуда может взяться кислород. В G и F его нет, поэтому получить D₂O в виде Y или Z можно, только если кислород содержится в самом X. Но X, Y и Z — это три разные молекулы, и кислород есть лишь в одной из них. Значит, X — тяжёлая вода D₂O. Тогда Z получается из нитрида и содержит азот, а Y получается из карбида и содержит углерод: Z — аммиак ND₃, Y — метан CD₄.

В опубликованном решении вода выбрана как самый разумный кандидат, а Z определён «по остаточному принципу» [2]. Приведённое рассуждение показывает, что другого варианта и нет. Есть и ещё одно подтверждение. Вещество I разлагается на H и X, а H получается из B и кислорода, то есть это оксид. Если X — вода, всё сходится: гидролиз даёт гидроксид, гидроксид при нагревании распадается на оксид и воду, и вода снова получается как X.

Заодно это объясняет, почему вещество I — одно и то же в обеих реакциях: гидролиз и карбида, и нитрида даёт один и тот же гидроксид. Только гидроксид здесь не обычный: весь водород приходит из тяжёлой воды, поэтому вместо групп OH в нём группы OD. Такое вещество называют дейтероксидом.

8. Откуда берётся 3 : 4

Элемент, образующий B, пока не определён, поэтому запишем реакции в общем виде. Пусть его степень окисления равна +k. Степень окисления углерода в карбиде −4, азота в нитриде −3. Составляем формулы по равенству зарядов: B₄C_k и B₃N_k. Здесь B означает элемент, образующий вещество B, а не бор. Из 1 моль этого элемента получается:

• карбид, содержащий k / 4 моль углерода, а значит, k / 4 моль метана;
• нитрид, содержащий k / 3 моль азота, а значит, k / 3 моль аммиака.

При одинаковых условиях отношение объёмов равно отношению количеств:

V(Y) : V(Z) = (k / 4) : (k / 3) = 3 : 4

Степень окисления k сократилась. Это не случайность, а прямое следствие закона сохранения заряда: сколько электронов отдал металл, столько приняли неметаллы, причём атом углерода принимает 4 электрона, а атом азота 3. Поэтому подсказка 4 ничего не говорит о самом элементе B. Для алюминия или магния получится то же самое 3 : 4. Зато она подтверждает, какая буква чему соответствует: если бы Y был аммиаком, а Z метаном, отношение было бы 4 : 3.

В опубликованном решении логика та же, но в записи есть две описки. Степень окисления там приписана «элементу A», хотя речь об элементе B. А в уравнениях гидролиза продукты записаны как nCD_k и nND_k, тогда как должно быть kCD₄ и kND₃ [2].

9. Вещество B: бериллий

Вещество B твёрдое, и его молярная масса лежит между 4 г/моль (A) и 12 г/моль (C). Таких элементов всего три: литий, бериллий и бор. Сравним, что будет с их дейтероксидами при разложении.

Подсказка 5 требует ровно 1 моль воды, то есть k = 2. Вещество B — бериллий, 9,0 г/моль. В общем виде это выражается одним равенством: из 1 моль B(OD)_k получается k / 2 моль воды, и k / 2 = 1.

Литий и бор не подошли бы и по другим причинам. Литий с углеродом образует не метанид, а ацетиленид Li₂C₂, дающий с водой ацетилен [11, 18]. Бор образует с углеродом и азотом очень твёрдые и стойкие вещества, карбид B₄C и нитрид BN, а вода при обычных условиях на них почти не действует [11].

Бериллий уже встречался в разборе задачи 9-3 тура 2024–2025, и история у него богатая. В 1798 году французский химик Луи-Никола Воклен выделил из берилла и изумруда новую «землю», то есть оксид неизвестного элемента. Редакторы журнала назвали её глюцином за сладкий вкус некоторых соединений. Элемент долго назывался глюцинием, и только в 1949 году ИЮПАК закрепил название «бериллий». Металл получили в 1828 году независимо друг от друга Фридрих Вёлер и Антуан Бюсси, восстановив хлорид калием [12]:

BeCl₂ + 2K t° Be + 2KCl

Пробовать соединения бериллия на вкус ни в коем случае нельзя: его пыль и соли очень токсичны. Вдыхание пыли вызывает бериллиоз, тяжёлое хроническое заболевание лёгких [12].

Дейтерий и бериллий связывает ещё и 1932 год. В феврале Джеймс Чедвик опубликовал заметку о нейтроне: он исследовал излучение, которое возникает при бомбардировке бериллия α-частицами [13]. А первое сообщение о дейтерии вышло в январе [5]. Получается, что простейшее ядро с нейтроном обнаружили меньше чем за два месяца до самого нейтрона.

Сегодня бериллий известен по телескопу «Джеймс Уэбб». Главное зеркало диаметром 6,5 м состоит из 18 сегментов, сделанных из бериллия и покрытых тонким слоем золота. Бериллий выбрали за прочность, малую плотность и почти неизменную форму при низких температурах, а золото нужно для отражения инфракрасного света [14].

10. Вся схема в уравнениях

Простое вещество B реагирует с тремя другими

2Be + C t° Be₂C

3Be + N₂ t° Be₃N₂

2Be + O₂ t° 2BeO

Карбид бериллия — кристаллы от жёлтого до красного цвета, его получают нагреванием бериллия с углеродом выше 950 °C [15]. Нитрид плавится около 2200 °C [16], а оксид около 2580 °C. У оксида бериллия есть необычное свойство: он проводит тепло лучше большинства металлов, поэтому его применяют в теплоотводах для электроники [17]. При горении бериллия на воздухе наряду с оксидом образуется и немного нитрида, потому что азот воздуха тоже реагирует с металлом [17].

Гидролиз тяжёлой водой

Be₂C + 4D₂O = 2Be(OD)₂ + CD₄

Be₃N₂ + 6D₂O = 3Be(OD)₂ + 2ND₃

Разложение дейтероксида

Be(OD)₂ t° BeO + D₂O

Проверим подсказку 4 на этих уравнениях. Из 6 моль бериллия получится 3 моль Be₂C и 3 моль CD₄, а также 2 моль Be₃N₂ и 4 моль ND₃. Отношение 3 : 4 совпадает.

Схема из условия — учебная конструкция, и на опыте её осуществить непросто. Карбид бериллия реагирует с водой очень медленно, а ускоряют реакцию кислоты и горячие концентрированные щёлочи. В некоторых справочниках встречается и запись с образованием оксида [15]:

Be₂C + 2H₂O = 2BeO + CH₄

Нитрид тоже гидролизуется водой медленно, а кислотами и щёлочами быстро [16]. Поэтому для настоящего получения ND₃ разумнее взять более активный нитрид, например нитрид магния. Он легко реагирует с водой, и с тяжёлой водой уравнение будет таким же:

Mg₃N₂ + 6D₂O = 3Mg(OD)₂ + 2ND₃

По той же логике CD₄ удобнее получать из карбида алюминия:

Al₄C₃ + 12D₂O = 4Al(OD)₃ + 3CD₄

11. Какие ещё карбиды и нитриды реагируют с водой

Эта тема постоянно встречается в олимпиадах. Продукт гидролиза карбида определяется тем, какие группы атомов углерода есть в кристалле [18].

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Mg₂C₃ + 4H₂O = 2Mg(OH)₂ + C₃H₄

Реакция карбида кальция с водой практически важна: на ней работали карбидные лампы, и ею до сих пор получают ацетилен для сварки. Обратите внимание на формулу пропина: углеродная цепочка из трёх атомов в Mg₂C₃ сохраняется. Формулу углеводорода легко получить из заряда углеродной группы: у C₃⁴⁻ он равен −4, поэтому группа присоединяет 4 протона.

С нитридами активных металлов проще: азот в них всегда даёт аммиак.

Li₃N + 3H₂O = 3LiOH + NH₃

Ca₃N₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2NH₃

Так же реагируют фосфиды (получается фосфин) и сульфид алюминия (получается сероводород):

Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

12. Чем тяжёлая вода отличается от обычной

Свойства

Значения приведены по справочным данным [7]. Обратите внимание: плотность выросла примерно на 11 %, почти как молярная масса. Молекулы занимают почти такой же объём, просто каждая стала тяжелее. Поэтому лёд из D₂O тонет в обычной воде.

Как её получили

Первую тяжёлую воду получили тем самым электролизом, действие которого проглядели первооткрыватели дейтерия. При электролизе лёгкий водород выделяется быстрее тяжёлого, поэтому оставшаяся вода обогащается дейтерием. Разница скоростей связана с тем, что связь с дейтерием разорвать труднее. Это явление называется кинетическим изотопным эффектом. Суммарно процесс выглядит так:

2H₂O электролиз 2H₂ + O₂

Гилберт Льюис и Р. Т. Макдональд в 1933 году первыми получили практически чистую тяжёлую воду таким многократным электролизом [3, 7, 8]. Способ дорогой: чтобы получить 1 л воды с 10 % дейтерия, надо подвергнуть электролизу 2700 л природной воды и затратить 320 МВт·ч электроэнергии [3].

Заводы и война

Такая энергия была доступна на гидроэлектростанции в норвежском Веморке, недалеко от Рюкана. Там компания «Норск Гидро» уже разлагала огромные количества воды, чтобы получать водород для синтеза аммиака. Руководитель водородных исследований компании Йомар Брун и физик Лейф Тронстад поняли, что рядом можно получать и тяжёлую воду. Первый заказ был отправлен в августе 1934 года, а с января 1935 года вода чистотой более 99 % продавалась примерно по 50 центов за грамм [3].

Во время Второй мировой войны Норвегию оккупировала Германия, и завод стал целью союзников. Причина в том, что тяжёлая вода замедляет нейтроны, почти не поглощая их, и подходит для реактора на природном уране. После неудачной операции с планёрами в 1942 году норвежские диверсанты в ночь с 27 на 28 февраля 1943 года взорвали электролизные ячейки. В феврале 1944 года был потоплен паром «Гидро», перевозивший запасы тяжёлой воды, при этом погибли 14 мирных жителей [7].

Мирное применение нашлось в реакторах, а ещё в физике нейтрино: нейтринная обсерватория Садбери в Канаде использовала 1000 т тяжёлой воды, взятой на время у канадской атомной компании [7]. В этом опыте важен нейтрон в ядре дейтерия: нейтрино способно расщепить такое ядро.

Тяжёлая вода и живые организмы

Первые опыты на живых организмах провёл сам Льюис в 1934 году: семена табака в почти чистой тяжёлой воде не прорастали [9]. Теперь известно, что небольшие количества безвредны, а замена более половины воды в организме смертельна для многоклеточных организмов. Крысы, которых поили только тяжёлой водой, погибают примерно через неделю [7].

Долго оставался неясным вопрос о вкусе. В 1935 году Юри и Фейлла не нашли отличий от обычной воды. Но в 2021 году исследователи из Израиля и Чехии показали, что людям тяжёлая вода кажется сладковатой. Вкус возникает при участии рецептора сладкого TAS1R2/TAS1R3, а мыши такого вкуса не чувствуют [10]. Если вспомнить о сладких соединениях глюциния, получится, что оба главных вещества этой задачи связаны со сладким вкусом.

Изотопный эффект и другие применения

Масса влияет не только на скорость реакций. Молекула аммиака выворачивается как зонтик: атом азота проходит сквозь плоскость атомов водорода благодаря квантовому туннелированию. У NH₃ частота такого перехода составляет около 24 ГГц, а у более тяжёлого ND₃ всего около 1,6 ГГц, то есть примерно в 15 раз ниже [19]. Именно на переходе в аммиаке NH₃ в 1954 году заработал первый мазер Гордона, Цайгера и Таунса, предшественник лазера [20].

Прочность связи C–D нашла применение и в лекарствах. Многие препараты разрушаются в печени с разрывом связи C–H. Если заменить нужные атомы водорода дейтерием, разрушение замедляется. В 2017 году в США был одобрен первый такой препарат — дейтетрабеназин, средство от непроизвольных движений при хорее Гентингтона [6, 21].

13. Ответы коротко

Молярная масса X, Y и Z равна 20 г/моль.

Ответы совпадают с опубликованным решением [2]. Отличие касается только рассуждений: решение не упоминает, что в промежуток масс от 4 до 32 г/моль попадает неон, и содержит описки в обозначениях, о которых сказано в разделе об отношении 3 : 4. На ответ это не влияет. Если участник расшифровал только часть схемы и его вещества не противоречат условию, эти вещества оцениваются полным баллом [2].

14. Порядок действий в таких задачах

1. Начинайте с самого жёсткого числового условия. Здесь это отношение молярных масс 8 и список всех газов.
2. Перебирайте все варианты. Если не сходится ни одно обычное простое вещество, вспомните об изотопах.
3. Используйте порядок молярных масс. Он сразу задаёт границы для остальных букв.
4. Считайте молярные массы кандидатов точно. Именно они показывают, почему с протием задача не решается.
5. Определяйте вещества по составу. Продукт не может содержать элемент, которого нет в реагентах.
6. Запишите реакции с неизвестной степенью окисления. Одна буква k часто заменяет разбор нескольких случаев.
7. Проверьте все подсказки на готовом ответе. Отношение 3 : 4 и условие о разложении должны выполняться.

15. Что вынести для других задач

• Дейтерий D₂ — простое вещество с молярной массой 4 г/моль, а тритий T₂ — 6 г/моль.
• Молекулы D₂O, ND₃ и CD₄ имеют одну молярную массу, потому что содержат по 10 протонов и 10 нейтронов.
• Водород в продуктах гидролиза приходит из воды, поэтому гидролиз тяжёлой водой даёт дейтерированные продукты.
• Отношение количеств метана и аммиака из одной и той же массы металла всегда равно 3 : 4, если в карбиде есть отдельные атомы углерода.
• Из 1 моль гидроксида со степенью окисления металла +k получается k / 2 моль воды.
• Be₂C и Al₄C₃ дают метан, CaC₂ — ацетилен, Mg₂C₃ — пропин.
• Бериллий — двухвалентный металл с молярной массой 9 г/моль.

Следующая задача тура разобрана в статье «Дальтониды и бертоллиды».

16. Типичные ошибки

• Брать обычный водород за A. Тогда молярная масса E должна быть около 16 г/моль, а такого простого газа нет.
• Считать A гелием. Масса подходит, но гелий не даёт бинарных соединений X, Y и Z.
• Искать соединения с молярными массами 16–18. Тогда плотности не будут почти одинаковыми: разница составит 12 %.
• Перепутать Y и Z. Отношение 3 : 4 относится именно к паре Y : Z, поэтому Y — метан, а Z — аммиак.
• Писать Be(OH)₂ вместо Be(OD)₂. В схеме нет источника обычного водорода: весь водород приходит из X.
• Писать формулу карбида как BeC₂. Такой карбид был бы ацетиленидом и давал бы ацетилен, а не метан с молярной массой 20.
• Пытаться найти k из отношения 3 : 4. Оно не зависит от k: степень окисления определяется только подсказкой 5.
• Путать букву D из условия с символом дейтерия. Вещество D — это азот.

17. Частые вопросы

Разве можно считать дейтерий отдельным простым веществом?

Да. В химии простое вещество состоит из атомов одного элемента, а D₂ состоит только из атомов водорода. Его свойства заметно отличаются от H₂: например, он кипит при 23,6 К, а не при 20,3 К [6].

Радиоактивна ли тяжёлая вода?

Нет. Дейтерий стабилен, и его ядра не распадаются. Радиоактивен третий изотоп, тритий: у него один протон и два нейтрона. Тяжёлая вода опасна только тем, что при замене большой доли воды в организме нарушает работу клеток.

Сколько в природной воде тяжёлых молекул?

На один атом дейтерия приходится примерно 6400 атомов протия. Поэтому почти весь дейтерий находится не в D₂O, а в молекулах HDO: примерно одна молекула на 3200. Чистая D₂O образуется, если дейтерий окажется в молекуле дважды, и это одна молекула примерно на 41 миллион.

Как догадаться, что водород в задаче тяжёлый?

Подсказки две. Первая: для обычного водорода не находится простого газа с массой 16 г/моль, а для молярной массы A, равной 4 г/моль, есть только гелий и дейтерий. Вторая: условие подчёркивает, что плотность трёх соединений почти одинакова, а у обычных водородных соединений соседних элементов массы различаются заметно.

Почему бор не подходит, ведь карбид и нитрид у него есть?

Формально подсказка 5 даёт для бора 1,5 моль воды, а не 1 моль. Кроме того, B₄C и BN почти не реагируют с водой, поэтому метан и аммиак с их помощью не получить.

Получится ли на опыте чистый ND₃?

Только если в смеси совсем нет обычного водорода. На практике примесь обычной воды и обмен с влагой воздуха дают немного NHD₂, поэтому чистоту таких веществ контролируют отдельно.

Задания для тренировки

1. Найдите точные молярные массы D₂O, ND₃ и CD₄ и плотность их паров при н. у., считая их идеальными газами. На сколько процентов различаются крайние значения?

   Разбор

   Молярные массы равны 20,03, 20,05 и 20,07 г/моль. Делим на 22,4 л/моль: 0,894, 0,895 и 0,896 г/л. Разница составляет (20,07 − 20,03) / 20,03 = 0,2 %.

2. Две навески бериллия по 0,900 г полностью превратили: одну в карбид, другую в нитрид. Затем оба вещества обработали избытком D₂O. Какие объёмы газов получатся при н. у.?

   Разбор

   n(Be) = 0,900 / 9,012 = 0,0999 моль. Метана вдвое меньше: 0,0499 моль, то есть 1,12 л. Аммиака 2/3 от количества бериллия: 0,0666 моль, то есть 1,49 л. Отношение объёмов 1,12 : 1,49 = 3 : 4.

3. Проверьте на алюминии, что отношение количеств метана и аммиака из одинаковых навесок металла равно 3 : 4. Напишите уравнения реакций карбида и нитрида с водой.

   Разбор

   Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

   AlN + 3H₂O = Al(OH)₃ + NH₃

   Из 4 моль алюминия получается 3 моль метана и 4 моль аммиака. Отношение равно 3 : 4, как и у бериллия.

4. Какая масса D₂O нужна для полного гидролиза 1,00 г Be₃N₂? Какой объём ND₃ (н. у.) получится?

   Разбор

   M(Be₃N₂) = 55,05 г/моль, n = 0,0182 моль. Тяжёлой воды надо в 6 раз больше: 0,109 моль, то есть 2,18 г. Аммиака вдвое больше, чем нитрида: 0,0363 моль, то есть 0,814 л.

5. Сколько чистой D₂O можно было бы получить из 1 т природной воды, если выделить весь дейтерий? Доля дейтерия среди атомов водорода равна 0,0156 %.

   Разбор

   В 1 т воды содержится 10⁶ / 18,02 = 55 500 моль молекул, то есть 111 000 моль атомов водорода. Дейтерия из них 17,3 моль, а значит, D₂O 8,66 моль, что составляет около 173 г.

6. При разложении 5,00 г Be(OD)₂ получены оксид и тяжёлая вода. Найдите их массы и убедитесь, что масса сохраняется.

   Разбор

   M(Be(OD)₂) = 45,04 г/моль, n = 0,111 моль. Масса BeO равна 0,111 · 25,01 = 2,78 г, масса D₂O равна 0,111 · 20,03 = 2,22 г. Сумма равна 5,00 г.

7. При гидролизе 1,00 г нитрида двухвалентного металла получено 0,444 л аммиака (н. у.). Определите металл.

   Разбор

   n(NH₃) = 0,0198 моль, значит, нитрида M₃N₂ вдвое меньше, 0,00991 моль. Его молярная масса равна 100,9 г/моль, а 3M = 100,9 − 28,0 = 72,9. Отсюда M = 24,3 г/моль: это магний.

8. К 1,00 г Al₄C₃ добавили избыток D₂O. Какой объём и какая масса газа получатся? Какой газ выделился бы, если бы вместо этого карбида взяли карбид кальция?

   Разбор

   Al₄C₃ + 12D₂O = 4Al(OD)₃ + 3CD₄

   n(Al₄C₃) = 1,00 / 143,96 = 0,00695 моль. Метана втрое больше: 0,0208 моль, то есть 0,467 л и 0,418 г. С карбидом кальция выделился бы дидейтероацетилен:

   CaC₂ + 2D₂O = Ca(OD)₂ + C₂D₂

Литература

1. Всероссийская олимпиада школьников по химии 2023–2024. Региональный этап, теоретический тур, 9 класс. Задания. https://www.chem.msu.ru/rus/olimpiad/russia/2024-regional/teor-9-zad.pdf
2. Всероссийская олимпиада школьников по химии 2023–2024. Региональный этап, теоретический тур, 9 класс. Решения и система оценивания. https://www.chem.msu.ru/rus/olimpiad/russia/2024-regional/teor-9-resh.pdf
3. Waltham C. An early history of heavy water. arXiv:physics/0206076. https://arxiv.org/abs/physics/0206076
4. National Institute of Standards and Technology. Harold C. Urey, Ferdinand G. Brickwedde, and the discovery of deuterium. https://www.nist.gov/director/nbsnist-culture-excellence/harold-c-urey-ferdinand-g-brickwedde-and-discovery-deuterium
5. Urey H. C., Brickwedde F. G., Murphy G. M. A hydrogen isotope of mass 2. Phys. Rev. 1932, 39, 164–165.
6. Deuterium. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Deuterium
7. Heavy water. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Heavy_water
8. Lewis G. N., MacDonald R. T. Concentration of H² isotope. J. Chem. Phys. 1933, 1, 341–344.
9. Lewis G. N. The biology of heavy water. Science 1934, 79, 151–153.
10. Ben Abu N., Mason P. E., Klein H., et al. Sweet taste of heavy water. Commun. Biol. 2021, 4, 440.
11. Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2nd ed. Butterworth-Heinemann, 1997.
12. Beryllium. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Beryllium
13. Chadwick J. Possible existence of a neutron. Nature 1932, 129, 312.
14. NASA. Webb's mirrors. https://science.nasa.gov/mission/webb/webbs-mirrors/
15. Beryllium carbide. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Beryllium_carbide
16. Beryllium nitride. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Beryllium_nitride
17. Beryllium oxide. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Beryllium_oxide
18. Carbide. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Carbide
19. Coles P. J., Gheorghiu V., Griffiths R. B. Consistent histories for tunneling molecules subject to collisional decoherence. Phys. Rev. A 2012, 86, 042111.
20. Gordon J. P., Zeiger H. J., Townes C. H. Molecular microwave oscillator and new hyperfine structure in the microwave spectrum of NH₃. Phys. Rev. 1954, 95, 282–284.
21. Schmidt C. First deuterated drug approved. Nat. Biotechnol. 2017, 35, 493–494.