Неизвестный ранний переходный металл
От данных к формуле
Задачи «найти неизвестный металл» решают по плану:
- Молярная масса. Если известна масса соединения и масса продукта его превращения, запишите \(n_1 = n_2\) и решите уравнение относительно \(M\). Если степень окисления неизвестна — переберите +2…+5 и выберите химически разумный ответ.
- Массовая доля элемента в оксиде или хлориде: \(w(\ce{O}) = \dfrac{16y}{xM + 16y}\) — перебираем формулы \(\ce{MO}\), \(\ce{M2O3}\), \(\ce{MO2}\), \(\ce{M2O5}\).
- Проверка — по свойствам: состояние хлорида, цвет, гидролиз.
edit_noteХлорирование диоксида
\(\ce{XO2 + 2C + 2Cl2 -> XCl4 + 2CO}\). Из 7,987 г диоксида — 18,97 г тетрахлорида: \(\dfrac{7{,}987}{M + 32} = \dfrac{18{,}97}{M + 141{,}8}\) ⇒ \(M = 47{,}9\) — титан. Проверка: \(\ce{TiCl4}\) — дымящая жидкость.
boltЭквивалентная масса
Часто удобнее искать \(M/n\) — массу металла, приходящуюся на один электрон (эквивалент). Затем \(M = (M/n)\cdot n\) для \(n = 1, 2, 3, 4, 5\): подходит значение, совпадающее с атомной массой реального элемента и разумной степенью окисления.
Окраска и степени окисления
Окраска ионов ранних переходных металлов:
| Ион | Конфигурация | Цвет |
|---|---|---|
| \(\ce{Sc^3+}\), \(\ce{Ti^4+}\) (\(\ce{TiO^2+}\)), \(\ce{Zr^4+}\), \(\ce{VO4^3-}\) | \(d^0\) | бесцветные |
| \(\ce{VO2+}\) | \(d^0\) | жёлтый (перенос заряда) |
| \(\ce{Ti^3+}\) | \(d^1\) | фиолетовый |
| \(\ce{VO^2+}\) | \(d^1\) | синий |
| \(\ce{V^3+}\) | \(d^2\) | зелёный |
| \(\ce{V^2+}\) | \(d^3\) | фиолетовый |
Титрование даёт число электронов на атом: \(n(e) = n(\ce{MnO4-})\cdot5\) (или \(\cdot6\) для дихромата, \(\cdot1\) для \(\ce{Ce^4+}\) и \(\ce{Fe^3+}\)). Деля на количество металла, получаем разность степеней окисления.
errorВоздух — тоже окислитель
Растворы \(\ce{Ti^3+}\), \(\ce{V^2+}\) и \(\ce{V^3+}\) окисляются кислородом воздуха. Если титрование ведут на воздухе, результат занижен. В задачах это часто подсказка: «раствор обесцветился на воздухе» — значит, в нём был восстановитель.
Сквозной разбор
Соберём всё вместе. Металл растворили в кислоте — по объёму водорода и массе металла находим \(M/n\). Окраска раствора подсказывает заряд иона, а качественные реакции подтверждают элемент.
edit_noteМеталл, растворённый в соляной кислоте
Из 0,479 г металла — 336 мл \(\ce{H2}\) (15,0 ммоль). Если X → \(\ce{X^2+}\): \(M = 0{,}479/0{,}0150 = 31{,}9\) — металла с такой массой нет. Если \(\ce{X^3+}\): \(n(\ce{X}) = 10{,}0\) ммоль, \(M = 47{,}9\) — титан; фиолетовый раствор \(\ce{Ti^3+}\) это подтверждает.
boltПроверяйте каждое звено
Нашли кандидата — пройдите цепочку заново: совпадают ли массы всех промежуточных продуктов, цвета, агрегатные состояния, поведение в воде и на воздухе? Ошибка обычно видна на втором-третьем звене. Особенно коварны «близнецы» Zr/Hf и Nb/Ta — их различает только молярная масса.
scienceПроверочные реакции ранних d-металлов
- \(\ce{TiOSO4 + H2O2 -> [TiO(H2O2)]SO4}\) — жёлто-оранжевый.
- \(\ce{NH4VO3 + H2O2}\) в кислоте — красно-коричневый пероксованадий \(\ce{[VO(O2)]+}\).
- \(\ce{ZrOCl2 + Na2HPO4}\) — белый осадок фосфата циркония даже из кислого раствора.
- \(\ce{TiCl4 + 2H2O -> TiO2 + 4HCl}\) — «дым» на воздухе.
push_pinГлавное
Стратегия: (1) по окраске и её изменениям — степени окисления (\(\ce{Ti^3+}\) фиолетовый, ванадий: жёлтый → синий → зелёный → фиолетовый; \(d^0\) — бесцветные); (2) по титрованию — число электронов на атом; (3) по массам — молярную массу при предполагаемой формуле (перебор степеней окисления); (4) проверка: летучесть и гидролиз хлоридов (\(\ce{TiCl4}\) — дымящая жидкость, \(\ce{ZrCl4}\) — твёрдый), пероксокомплексы (Ti — жёлто-оранжевый), амфотерность (\(\ce{V2O5}\)), фторокомплексы (Nb, Ta). Каждый промежуточный продукт проверяйте на баланс масс и электронов.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.