Неизвестный минерал или сплав — Неорганическая химия для олимпиад

Неизвестный минерал или сплав

9 заданий

Анализ сплава

Чтобы определить содержание меди и олова в сплаве, используют различие в их поведении при действии азотной кислоты. Бронза — сплав меди с оловом (обычно 5–20 % олова). Концентрированная азотная кислота окисляет оба металла, но медь переходит в раствор, а олово(IV) выделяется в виде гидратированного диоксида, называемого метаоловянной кислотой. В уравнении реакции олова с азотной кислотой осадок условно записан как безводный оксид: \(\ce{Sn + 4HNO3 -> SnO2 v + 4NO2 + 2H2O}\); \(\ce{Cu + 4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O}\).

Осадок отделяют, прокаливают до \(\ce{SnO2}\) и взвешивают. По массе оксида находят содержание олова в сплаве. Медь в фильтрате определяют иодометрически, по количеству выделившегося иода (урок 111), или выделяют электролизом и взвешивают. Определение массы вещества, выделенного при электролизе, называют электрогравиметрией.

history_eduБронзовый век

Сплав меди с оловом твёрже меди и плавится при более низкой температуре. С его распространением около 3300 лет до н. э. начался бронзовый век. Олово было редким: его перевозили за тысячи километров, а торговые пути связывали древние цивилизации Средиземноморья с Британией («Оловянные острова»).

scienceРазделение меди и олова

  1. \(\ce{SnO2*xH2O ->[t] SnO2 + xH2O}\) — при прокаливании осадок теряет воду и превращается в оксид олова(IV).
  2. \(\ce{2Cu^2+ + 4I- -> 2CuI v + I2}\) — при иодометрическом определении меди образуются осадок иодида меди(I) и иод, по количеству которого находят количество меди.
  3. \(\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}\) — при электролизе ионы меди восстанавливаются, и медь осаждается на платиновом катоде.

Карбонатные минералы

При прокаливании карбонатов выделяется \(\ce{CO2}\) (урок 145), поэтому масса образца уменьшается. Если известны условия прокаливания, по потере массы можно сопоставить образец с возможными минералами:

МинералФормулаПотеря массы при прокаливании
кальцит\(\ce{CaCO3}\)44,0 %
магнезит\(\ce{MgCO3}\)52,2 %
доломит\(\ce{CaMg(CO3)2}\)47,7 %
сидерит\(\ce{FeCO3}\)38,0 %. При прокаливании на воздухе потеря меньше, поскольку железо окисляется до \(\ce{Fe2O3}\).
малахит\(\ce{Cu2(OH)2CO3}\)28,1 %. При прокаливании выделяются \(\ce{CO2}\) и вода.

Потеря массы зависит не только от формулы минерала, но и от того, какие вещества образуются при прокаливании. Это особенно важно при анализе сидерита.

errorСидерит на воздухе

При прокаливании сидерита на воздухе протекает реакция \(\ce{4FeCO3 + O2 -> 2Fe2O3 + 4CO2}\). Масса образовавшегося остатка больше, чем была бы при образовании \(\ce{FeO}\), поэтому потеря массы составляет 31,0 %, а не 38,0 %. При определении минерала необходимо учитывать условия прокаливания.

scienceПрокаливание минералов

  1. \(\ce{CaMg(CO3)2 ->[t] CaO + MgO + 2CO2}\) — при прокаливании доломита образуются оксиды кальция и магния и выделяется углекислый газ.
  2. \(\ce{Cu2(OH)2CO3 ->[t] 2CuO + CO2 + H2O}\) — при прокаливании малахита образуются оксид меди(II), углекислый газ и вода.
  3. \(\ce{4FeCO3 + O2 ->[t] 2Fe2O3 + 4CO2}\) — при прокаливании сидерита на воздухе образуется оксид железа(III) и выделяется углекислый газ.

Гидратированные оксиды и кристаллогидраты

Вода может входить в состав природного вещества в постоянном или переменном соотношении с остальными компонентами. Это различие важно при определении формулы по результатам анализа.

  • Кристаллогидрат — индивидуальное соединение, в кристаллической решётке которого вода содержится в определённом соотношении с остальными компонентами. Примеры — \(\ce{CuSO4*5H2O}\) и \(\ce{Na2CO3*10H2O}\). Число молекул воды в формуле постоянно и обычно целое (иногда полуцелое).
  • Гидратированный оксид — вещество переменного состава. Вода может удерживаться на поверхности и в порах, а её количество зависит от условий. Примеры — опал \(\ce{SiO2*nH2O}\) (\(n\) = 0,1–0,5), силикагель, метаоловянная кислота и «\(\ce{Fe(OH)3}\)» (на деле \(\ce{Fe2O3*xH2O}\)). Значение \(n\) может быть дробным.

boltКак отличить

Если повторные анализы разных образцов показывают, что \(n\) меняется, это указывает на гидратированный оксид. Если у кристаллов одного вещества содержание воды воспроизводится и соответствует целому или полуцелому числу молекул в формуле, речь идёт о кристаллогидрате. На термограмме, показывающей изменение массы при нагревании, кристаллогидрат обычно теряет воду отдельными ступенями (урок 5), а гидратированный оксид — более плавно.

auto_awesomeИгра цвета опала

Благородный опал состоит из плотно упакованных шариков \(\ce{SiO2}\) диаметром 150–300 нм. Их упорядоченное расположение вызывает дифракцию света, подобную действию дифракционной решётки; поэтому опал переливается всеми цветами радуги. Такую природную структуру называют фотонным кристаллом.

push_pinГлавное

При действии азотной кислоты на бронзу (Cu–Sn) медь переходит в раствор, а олово выделяется в виде метаоловянной кислоты (\(\ce{SnO2*xH2O}\)), которую прокаливают до \(\ce{SnO2}\). Карбонатные минералы теряют \(\ce{CO2}\) при прокаливании; для доломита \(\ce{CaMg(CO3)2}\) потеря массы составляет 47,7 %. Гидратированный оксид, например опал \(\ce{SiO2*nH2O}\), имеет переменный состав, поэтому значение \(n\) может быть нецелым. В отличие от него, кристаллогидрат является индивидуальным соединением с постоянным, обычно целым или полуцелым числом молекул воды в формуле. Вывод о составе вещества надёжен, когда результаты разных методов анализа согласуются.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.