Задача на незнакомую химию

9 заданий

Определения из условия

Олимпиадная задача часто вводит незнакомую химию. В такой задаче могут встретиться новые понятия: «правило Уэйда», «параметр Гольдшмидта», «кислотность по Люису — Пирсону», «число скелетных электронных пар», «индекс кислотности расплава». Знать их заранее не требуется. Сначала нужно прочитать определение в условии, выразить его формулой, если это возможно, и только затем применять.

edit_noteПравило Уэйда из условия

По приведённому в условии правилу кластер \(\ce{[B_nH_n]^{2-}}\) имеет \(n + 1\) пар скелетных электронов и строение замкнутого многогранника, который называют клозо-кластером. Скелетные электронные пары участвуют в построении каркаса кластера. Для \(\ce{[B6H6]^2-}\) правило указывает 7 пар и строение октаэдра, а для \(\ce{[B12H12]^2-}\) — 13 пар и строение икосаэдра. Таким образом, подсчитать число пар можно и без предварительного знакомства со словом «клозо».

boltТри шага при работе с незнакомым определением

Выпишите определение своими словами и формулой.
Проверьте его на примере, который дан в условии (там почти всегда есть пример).
Примените к нужному случаю и проверьте размерность и разумность.

Общие законы для незнакомых веществ

Определение из условия помогает разобраться с новым понятием, но основу решения составляют общие законы химии. Они применимы и тогда, когда свойства вещества заранее неизвестны:

Закон сохранения массы и атомов позволяет составлять и уравнивать реакции.
Принцип электронейтральности требует учитывать заряды частиц при составлении формул.
Электронный баланс связывает изменения степеней окисления участников реакции.
Термодинамические соотношения \(\Delta G^\circ = -nFE^\circ = -RT\ln K\) позволяют оценивать направление реакции и равновесие.
Газовые законы связывают параметры газов, а закон действующих масс — состав равновесной смеси с константой равновесия.

edit_noteИндий(I)

Пусть в условии даны \(E^\circ(\ce{In+}/\ce{In}) = -0{,}14\) В и \(E^\circ(\ce{In^3+}/\ce{In+}) = -0{,}44\) В. Чтобы оценить устойчивость \(\ce{In+}\) в воде, рассмотрим реакцию диспропорционирования \(\ce{3In+ -> In^3+ + 2In}\). Для неё \(\Delta E^\circ = -0{,}14 - (-0{,}44) = 0{,}30\) В > 0. Следовательно, диспропорционирование термодинамически выгодно; расчёт даёт \(\lg K = 10\). Такой же способ рассуждения применяли к \(\ce{Cu+}\) в уроке 201. Знать свойства индия заранее не понадобилось.

boltАналогии по группе и электронной конфигурации

При поиске решения полезно сравнивать частицы по электронной конфигурации и отдельным химическим свойствам. Для \(\ce{In+}\) и \(\ce{Tl+}\) характерна «инертная пара» \(s^2\); \(\ce{Au-}\) можно сопоставить с галогенидом, а \(\ce{NH4+}\) — с \(\ce{K+}\). Частицы \(\ce{BH4-}\), \(\ce{CH4}\) и \(\ce{NH4+}\) называют изоэлектронными, поскольку у них одинаковое число электронов; такие частицы часто имеют сходное строение. Аналогия подсказывает направление поиска, но её применимость нужно проверять.

Разумность ответа

Когда свойства вещества незнакомы, полезно проверять не только вычисления, но и порядок полученных величин. Такая проверка помогает обнаружить ошибку до того, как вы примете результат за ответ:

Рассчитанные степени окисления следует сопоставить с известными для элемента.
Массы должны быть положительными, а доли не должны превышать 100 %.
Константа равновесия должна согласовываться с изменением потенциала: при \(\Delta E = 0{,}1\) В значение \(K = 10^{300}\) неразумно для реакции с небольшим числом переходящих электронов.
Энергию отдельной связи следует сопоставлять с характерным порядком энергий связей — сотнями кДж/моль. Энергия всей реакции может быть больше энергии одной связи.

edit_noteПроверка порядка величины

Предположим, для окислительно-восстановительной реакции с \(\Delta E^\circ = 0{,}3\) В и \(n = 2\) получилось \(\lg K = 250\). Это повод проверить расчёт: значение должно быть около 10. Столь большое значение указывает на ошибку при подстановке, например в множителе 0,0592 или в числе электронов.

boltПредварительная оценка порядка величины

Перед точным расчётом сделайте грубую оценку (порядок величины). Если вычисленное значение далеко от оценки, следует проверить и расчёт, и саму оценку. В задаче на незнакомую химию такая проверка особенно важна: привычное представление о возможном ответе здесь может не помочь.

push_pinГлавное

При решении задачи на незнакомую химию сначала нужно перевести определения из условия в формулы, а затем применить законы сохранения массы и заряда, электронный баланс и соотношения \(\Delta G = -nFE\), \(\lg K = n\Delta E^\circ/0{,}0592\), \(pV = nRT\). Полезны и проверяемые аналогии: полииодидов с полисульфидами, \(\ce{In+}\) с \(\ce{Cu+}\), интергалогенидов с галогенами. Наконец, ответ необходимо проверить на разумность. Незнакомое вещество не мешает начать решение, если внимательно использовать сведения из условия.

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