Неизвестный элемент по совокупности признаков
Метод: гипотеза и проверка
В олимпиадной задаче неизвестный элемент обычно описан несколькими признаками. Каждый признак помогает сократить число возможных ответов, но редко определяет элемент сам по себе. Предположение о том, какой элемент скрыт в условии, называют гипотезой. Её проверяют, последовательно сопоставляя с числами и наблюдениями задачи.
- Сначала определите возможную группу элемента. Для этого используют электронную конфигурацию, формулы соединений с водородом и кислородом (\(\ce{ЭO2}\), \(\ce{H2Э}\)) и характерные степени окисления. Помогают также последовательные энергии ионизации — энергии, необходимые для удаления электронов из атома и образующихся ионов. Их резкий рост после удаления внешних электронов указывает на переход к удалению электрона с внутреннего уровня. На этом этапе может остаться несколько возможных групп.
- Затем оцените атомную массу. Массовая доля показывает, какую часть массы соединения составляет элемент. Если известен состав соединения, по массовой доле находят эквивалентную массу элемента — отношение его атомной массы к валентности. После выбора степени окисления определяют атомную массу, как в уроке 8.
- Сравните оставшихся кандидатов по свойствам. Цвет соединений, растворимость, агрегатное состояние, окраска пламени и результаты реакций позволяют исключить элементы, которые подходят по расчёту, но противоречат наблюдениям.
- Наконец, проверьте ответ по всему условию. Выбранный элемент должен объяснять каждое приведённое число и каждое наблюдение.
history_eduЭкасилиций: проверка через пятнадцать лет
В 1871 году Менделеев описал ещё не открытый элемент, расположенный под кремнием, — «экасилиций». Он предсказал его свойства, сопоставляя свойства соседних элементов: кремния и олова, галлия и мышьяка. В 1886 году Клеменс Винклер обнаружил в минерале аргиродите германий. Сравнение предсказанных и измеренных свойств показывает, почему совокупность признаков надёжнее одного совпадения.
| Свойство | Экасилиций (Менделеев, 1871) | Германий (Винклер, 1886) |
|---|---|---|
| Атомная масса | 72 | 72,3 |
| Плотность, г/см³ | 5,5 | 5,47 |
| Оксид | \(\ce{EsO2}\), плотность 4,7 | \(\ce{GeO2}\); плотность составляет 4,70. |
| Хлорид | \(\ce{EsCl4}\); жидкость с плотностью 1,9, кипящая ниже 100 °C. | \(\ce{GeCl4}\); жидкость с плотностью 1,89, кипящая при 86 °C. |
| Этильное соединение | Температура кипения составляет около 160 °C. | \(\ce{Ge(C2H5)4}\) кипит при 160 °C. |
Менделеев предсказал свойства экасилиция, усреднив свойства его соседей по таблице — кремния и олова, галлия и мышьяка. Так и работают с совокупностью признаков: каждый сосед добавляет своё ограничение. Свойства германия подтверждаются и его реакциями. При этом сходство с соседями не означает, что для получения этих элементов всегда применяют одинаковые вещества.
scienceГерманий и его соседи
- \(\ce{GeO2 + 4HCl -> GeCl4 + 2H2O}\) — при действии концентрированной соляной кислоты образуется летучий \(\ce{GeCl4}\), который отделяют перегонкой.
- \(\ce{GeCl4 + 2H2O -> GeO2 v + 4HCl}\) — хлорид германия гидролизуется водой, подобно \(\ce{SiCl4}\).
- \(\ce{GeO2 + 2H2 ->[t] Ge + 2H2O}\) — водород восстанавливает оксид до полупроводникового германия.
- \(\ce{SiO2 + 2C ->[t] Si + 2CO}\) — в отличие от германия, кремний получают восстановлением оксида углём.
Особенно важно не принимать результат расчёта по массовой доле за окончательный ответ: одинаковая доля кислорода встречается в оксидах разных элементов.
errorОдна массовая доля — несколько кандидатов
Оксиды \(\ce{CuO}\) и \(\ce{TeO2}\) содержат по 20,1 % кислорода, \(\ce{TiO2}\) и \(\ce{MgO}\) — около 40 %, а \(\ce{SnO2}\) и \(\ce{CoO}\) — около 21 %. Поэтому после расчёта ищите в условии другой признак. Например, \(\ce{CuO}\) имеет чёрный цвет, а \(\ce{TeO2}\) — белый; при восстановлении \(\ce{CuO}\) водородом образуется красная медь. Учитывайте также растворимость веществ.
Практикум: элементы главных подгрупп
При решении задач об элементах главных подгрупп удобно сохранять тот же порядок рассуждения: определить возможную группу, оценить атомную массу, затем проверить свойства. Формула соединения подсказывает направление поиска, но окончательный выбор делают по совокупности признаков.
boltФормулы-подсказки
Надпероксиды щелочных металлов (K, Rb, Cs) имеют состав \(\ce{ЭO2}\). Формулы \(\ce{Э4O6}\) и \(\ce{Э4O10}\) могут указывать на оксиды фосфора, мышьяка или сурьмы, но по одной записи нельзя заключить, что все эти оксиды имеют молекулярное строение. Дымящий на влажном воздухе хлорид состава \(\ce{ЭCl4}\) может принадлежать элементу 14 группы. Если резкий скачок энергии ионизации происходит после удаления третьего электрона, следует проверить элементы 13 группы.
Результаты реакций позволяют уточнить предположение, возникшее при рассмотрении формул. Например, гидролиз хлорида, растворение оксида или появление характерного осадка помогают различить сходных кандидатов.
scienceРеакции, которые помогут в задачах
- \(\ce{SiCl4 + 2H2O -> SiO2 + 4HCl}\) — хлорид кремния гидролизуется водой, поэтому он дымит во влажном воздухе.
- \(\ce{As4O6 + 12NaOH -> 4Na3AsO3 + 6H2O}\) — оксид мышьяка(III) растворяется в щёлочи.
- \(\ce{As2O3 + 6Zn + 12HCl -> 2AsH3 ^ + 6ZnCl2 + 3H2O}\), затем \(\ce{2AsH3 ->[t] 2As + 3H2}\) — эти реакции используют в пробе Марша: при разложении арсина на холодном стекле появляется чёрный налёт, называемый мышьяковым зеркалом.
- \(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\); \(\ce{Al2O3 + 3H2SO4 -> Al2(SO4)3 + 3H2O}\) — алюминий реагирует с хлором, а его оксид реагирует с серной кислотой.
- \(\ce{K + O2 -> KO2}\) и \(\ce{4KO2 + 2CO2 -> 2K2CO3 + 3O2 ^}\) — оранжево-жёлтый надпероксид калия содержит 45,0 % кислорода и служит источником «химического кислорода».
- \(\ce{Sb2O3 + 6HCl -> 2SbCl3 + 3H2O}\), затем \(\ce{SbCl3 + H2O -> SbOCl v + 2HCl}\) — после растворения оксида сурьмы(III) в кислоте разбавление раствора вызывает гидролиз хлорида с образованием белого оксохлорида; эта реакция помогает отличить сурьму от мышьяка.
history_eduПроба Марша
В 1836 году английский химик Джеймс Марш разработал способ обнаружения следов мышьяка. Соединения мышьяка восстанавливают цинком в кислоте до газообразного арсина, который затем разлагают нагреванием. На холодном фарфоре появляется блестящий налёт мышьяка. Метод позволял обнаруживать доли миллиграмма мышьяка. После этого мышьяк перестал быть «порошком для наследников», как его называли во Франции, а безнаказанные отравления стали почти невозможны.
Практикум: d-элементы
Для d-элементов расчёта массовой доли часто недостаточно: элемент может иметь несколько степеней окисления и образовывать разные оксиды. Дополнительным признаком служит цвет некоторых ионов и соединений. Его также необходимо сопоставлять с остальными данными задачи.
| Ион или вещество | Цвет |
|---|---|
| \(\ce{MnO4-}\) | Малиново-фиолетовый. |
| \(\ce{MnO4^2-}\) | Зелёный. |
| \(\ce{CrO4^2-}\) | Жёлтый. |
| \(\ce{Cr2O7^2-}\) | Оранжевый. |
| \(\ce{Cr2O3}\) | Тёмно-зелёный. |
| \(\ce{[Cu(NH3)4]^2+}\) | Ярко-синий. |
| \(\ce{Fe(SCN)3}\) | Кроваво-красное окрашивание раствора. |
Цвет помогает и при проведении качественных реакций — реакций, по результатам которых обнаруживают определённый ион. В таблице запись \(\ce{Fe(SCN)3}\) условна: окраска раствора обусловлена комплексами железа(III) с тиоцианат-ионами.
scienceХарактерные реакции d-элементов
- \(\ce{2KMnO4 + H2SO4 -> Mn2O7 + K2SO4 + H2O}\) — при действии концентрированной серной кислоты образуется маслянистый взрывчатый оксид марганца(VII).
- \(\ce{2K2CrO4 + H2SO4 -> K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O}\) — при подкислении жёлтый хромат превращается в оранжевый дихромат.
- \(\ce{Cu(OH)2 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4](OH)2}\) — при взаимодействии гидроксида меди с аммиаком образуется синий аммиакат меди.
- \(\ce{FeCl3 + 3KSCN -> Fe(SCN)3 + 3KCl}\) — взаимодействие соединения железа(III) с тиоцианатом калия вызывает кроваво-красное окрашивание раствора; это качественная реакция на железо(III).
push_pinГлавное
Неизвестный элемент устанавливают последовательной проверкой предположений: электронная конфигурация и энергии ионизации помогают определить группу, массовая доля — оценить атомную массу при выбранной степени окисления, а цвет и реакции — различить оставшихся кандидатов. Ответ верен только тогда, когда он согласуется со всеми данными условия. Так, \(\ce{CuO}\) и \(\ce{TeO2}\) содержат по 20,1 % кислорода, поэтому одной массовой доли для выбора между ними недостаточно.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.