Неизвестный элемент по совокупности признаков
Метод: гипотеза и проверка
Задачи «найти элемент» — любимый жанр олимпиад, и почти все они решаются одной схемой.
- Сузить группу. Конфигурация, скачок энергий ионизации, формулы соединений с водородом и кислородом (\(\ce{ЭO2}\), \(\ce{H2Э}\)) или характерная степень окисления дают группу (или две-три возможные).
- Найти массу. Массовая доля элемента в известном соединении даёт эквивалент, а при выбранной степени окисления — атомную массу (урок 8).
- Отсечь лишнее. Цвет соединений, растворимость, реакции, агрегатное состояние, окраска пламени проверяют каждого кандидата.
- Проверить всё. Найденный элемент должен объяснить каждое число и каждое наблюдение условия.
history_eduЭкасилиций: проверка через пятнадцать лет
В 1871 году Менделеев описал ещё не открытый элемент под кремнием — «экасилиций» — и предсказал его свойства по соседям в таблице. В 1886 году Клеменс Винклер нашёл в минерале аргиродите германий.
| 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 4,70 |
| хлорид | \(\ce{EsCl4}\), жидкость, кипит ниже 100 °C, плотность 1,9 | \(\ce{GeCl4}\), кипит при 86 °C, плотность 1,89 |
| этильное соединение | кипит около 160 °C | \(\ce{Ge(C2H5)4}\) кипит при 160 °C |
Менделеев предсказывал, «интерполируя» свойства соседей — кремния и олова, галлия и мышьяка. Это и есть работа с совокупностью признаков: каждый сосед добавляет ограничение.
scienceГерманий и его соседи
- \(\ce{GeO2 + 4HCl -> GeCl4 + 2H2O}\) — в концентрированной соляной кислоте (так германий и отделяют перегонкой: \(\ce{GeCl4}\) летуч).
- \(\ce{GeCl4 + 2H2O -> GeO2 v + 4HCl}\) — хлорид гидролизуется водой, как \(\ce{SiCl4}\).
- \(\ce{GeO2 + 2H2 ->[t] Ge + 2H2O}\) — восстановление водородом до полупроводникового германия.
- \(\ce{SiO2 + 2C ->[t] Si + 2CO}\) — кремний получают углём, а германий водородом.
errorОдна доля — много кандидатов
Оксиды \(\ce{CuO}\) и \(\ce{TeO2}\) содержат по 20,1 % кислорода, \(\ce{TiO2}\) и \(\ce{MgO}\) — около 40 %, \(\ce{SnO2}\) и \(\ce{CoO}\) — около 21 %. Если в задаче есть лишь массовая доля, ищите в условии второй признак: цвет (чёрный \(\ce{CuO}\) и белый \(\ce{TeO2}\)), поведение с водородом (медь восстанавливается до красного металла), растворимость.
Практикум: элементы главных подгрупп
Решите задачи, опираясь на схему «группа → масса → свойства → проверка». В каждой задаче есть признак, отсекающий «похожих» кандидатов.
boltФормулы-подсказки
\(\ce{ЭO2}\) у щелочного металла — надпероксид (K, Rb, Cs); \(\ce{Э4O6}\) и \(\ce{Э4O10}\) — молекулярные оксиды фосфора, мышьяка, сурьмы; \(\ce{ЭCl4}\), дымящий на воздухе, — хлорид элемента 14 группы; скачок энергии ионизации после третьего электрона — 13 группа.
scienceРеакции, которые помогут в задачах
- \(\ce{SiCl4 + 2H2O -> SiO2 + 4HCl}\) — дымит во влажном воздухе.
- \(\ce{As4O6 + 12NaOH -> 4Na3AsO3 + 6H2O}\) — оксид мышьяка(III) растворяется в щёлочи.
- \(\ce{As2O3 + 6Zn + 12HCl -> 2AsH3 ^ + 6ZnCl2 + 3H2O}\), затем \(\ce{2AsH3 ->[t] 2As + 3H2}\) — проба Марша: чёрное «мышьяковое зеркало» на холодном стекле.
- \(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\); \(\ce{Al2O3 + 3H2SO4 -> Al2(SO4)3 + 3H2O}\).
- \(\ce{K + O2 -> KO2}\) и \(\ce{4KO2 + 2CO2 -> 2K2CO3 + 3O2 ^}\) — оранжево-жёлтый надпероксид калия (45,0 % кислорода) — «химический кислород».
- \(\ce{Sb2O3 + 6HCl -> 2SbCl3 + 3H2O}\), затем \(\ce{SbCl3 + H2O -> SbOCl v + 2HCl}\) — хлорид сурьмы(III) при разбавлении раствора гидролизуется до белого оксохлорида: так сурьму отличают от мышьяка.
history_eduПроба Марша
В 1836 году английский химик Джеймс Марш разработал способ найти следы мышьяка: соединения мышьяка восстанавливают цинком в кислоте до газообразного арсина, а его разлагают нагреванием — на холодном фарфоре появляется блестящий налёт. Метод позволял обнаружить доли миллиграмма и положил конец эпохе «безнаказанных» отравлений: мышьяк перестал быть «порошком для наследников».
Практикум: d-элементы
У d-элементов много степеней окисления, поэтому массовой доли мало: одна и та же доля может соответствовать разным оксидам. Выручают цвета: они у соединений d-элементов яркие и характерные.
| 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-красный |
scienceРеакции-«подписи» d-элементов
- \(\ce{2KMnO4 + H2SO4 -> Mn2O7 + K2SO4 + H2O}\) — с концентрированной кислотой образуется маслянистый взрывчатый оксид марганца(VII).
- \(\ce{2K2CrO4 + H2SO4 -> K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O}\) — жёлтый хромат становится оранжевым дихроматом.
- \(\ce{Cu(OH)2 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4](OH)2}\) — синий аммиакат меди.
- \(\ce{FeCl3 + 3KSCN -> Fe(SCN)3 + 3KCl}\) — кроваво-красное окрашивание, качественная реакция на железо(III).
push_pinГлавное
Каждый признак сужает круг кандидатов: конфигурация или энергии ионизации дают группу, массовая доля — атомную массу при выбранной степени окисления, цвет и реакции отсекают оставшиеся варианты. Надёжный ответ — тот, что согласуется со всеми данными условия. Одна массовая доля может подходить нескольким элементам (\(\ce{CuO}\) и \(\ce{TeO2}\) содержат по 20,1 % кислорода) — различают их по свойствам.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.