Презентация: Методика решения олимпиадных задач.

1. РЕШЕНИЕ ОЛИМПИАДНЫХ
ЗАДАЧ
Петренко Дмитрий БорисовичПетренко Дмитрий Борисович
доцент кафедры теоретической и
прикладной химии МГОУ
E-mail: DBPetrenko@yandex.ru

2. Решение задач о химическом составе неизвестных природных веществ и
минералов
Полезно посмотреть:
1. Бетехтин А.Г. Курс минералогии М. 2008. (Приложение – список наиболее важных
минералов по главным элементам).
2. Менделеев Д.И. Основы химии. 13 изд., т. 1-2, М. — Л., 1947
3. Химия: Энциклопедия химических элементов / Под ред. проф. А. М. Смолеговского.
— М.: Дрофа, 2000. — 432 с.
4. Фигуровский Н.А.. Открытие элементов и происхождение их названий М.,1970
2

3. H
Li Be CB N
P S
O F Ne
He
Cl Ar
N
Al Si
ZnCuNiCoFeMnCrVTiSc
Y CdZr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag
Pt Au HgIrOsReWTaHf
MgNa
Ga
In
Tl
K Ca
SrRb
BaCs
RaFr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg
Ge
Sn
Pb
As
Sb
Bi
Se
Te
Po
Br
l
At
Kr
Xe
Rn
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
LrNoMdFmEsCfBkCmAmPuNpUPaThAc
Uut Uup Uus UuoCn Fl Lv
до 1500 г. (13 элементов): Древний мир и средневековье
1500—1800 гг. (+21 элемент): открытия эпохи Просвещения.
1800—1849 гг. (+24 элемента): революции научная и промышленная.
1850—1899 гг. (+26 элементов): импульс открытиям придало развитие спектроскопии.
1900—1949 гг. (+13 элементов): импульс от квантовой теории атома и квантовой механики.
1950—1999 гг. (+16 элементов): открытия после начала использования атомной энергии, 98 и выше, синтез на ускорителях .(N )
2000 г.—настоящее время (+5 элементов): недавний ядерный синтез
Хронология открытия химических элементов
3

4. Авторы открытий химических элементов
4В. Рамзай - аргон, гелий, криптон, неон, ксенон
И. Берцелиус - церий, селен, кремний, торий
Г. Деви - калий, кальций, натрий, магний
П. Лекок де Буабодран - галлий, самарий, гадолиний, диспрозий
М. Клапрот - титан, цирконий, уран
К. Мосандлер - лантан, тербий, эрбий
Л. Воклен - берилий, хром
У. Волластон - родий, палладий
Р. Бунзен и Г. Кирхгоф - рубидий, цезий
К. Ауэр фон Вельсбах - празеодим и неодим
П. Клеве - гольмий, тулий
С. Тенант - осмий, иридий

5. Геохимическая классификация элементов
Гольдшмидта
5

6. Редкие металлы
6

7. Д.И. Менделеев. Основы химии
7

8. «Когда (1860) были открыты приемы спектрального анализа, тогда множество веществ было
подвергнуто исследованию посредством спектральных аппаратов и было замечено, что в тех
отложениях которые получаются при сжигании некоторых колчеданов, содержится элемент,
обладающий весьма резким и характерным спектром, а именно — в зеленой части спектра ему
отвечает резкая зеленая черта (длина волны 535 миллионных миллиметра), не
соответствовавшая ни одному из известных до тех пор элементов. Исследуя вещество нашли ...,
потому что именно он и обладает этим спектром. Растворы солей ..., при действии
гальванического тока, выделяют металл в виде тяжелого порошка. Он обладает серым цветом,
подобным олову, мягок как натрий, блестящ, имеет уд. вес 11,8, плавится при 2940
и в сильном
жару перегоняется; накаленный несколько выше температуры плавления, он образует
нерастворимую в воде высшую окись ..., в виде темного порошка, который сопровождается,
однако, обыкновенно и низшей степенью окисления ..., которая также имеет черный цвет, но
растворима в воде и спирте; такой раствор обладает резкою щелочною реакциею. Эта закись ...
плавится при 300° и легко получается из гидрата ... При накаливании его без доступа воздуха
(при доступе воздуха накаленная закись легко переходит в окись). Гидрат закиси ...
кристаллизуется из растворов с содержанием одного пая кристаллизационной воды и образует
желтые призмы, весьма легко растворимые в воде. Для получения такого раствора можно брать
металлический ..., потому что он, притягивая кислород воздуха в присутствии воды, дает такой
гидрат. Но металлический ... не разлагает воды, хотя и дает Гидрат закиси, растворимый в воде.
Вся совокупность других сведений о химических и физических свойствах ...,двух его степенях
окисления и соответственных им солях выражается тем местом, которое этот металл занимает по
величине своего атомного веса ... между ... и ... .»
8
(Д.И. Менделеев «Основы химии», т.2, стр.132, М.-Л., 1947).
Пример 1.

9. 9
Пример 1.
Вставьте в текст пропущенные формулы и числа.
1. «Исследуя вещество нашли ...»?
2. «... образует нерастворимую в воде высшую окись ...»
3. «Эта закись ...»?
4. «Гидрат закиси ...»?
5. «... этот металл занимает по величине своего атомного веса между ... и ...»?
6. Напишите реакции:
а) окисления металла выше температуры плавления;
б) образования гидрата закиси;
в) термического разложения гидрата закиси.

10. «Когда (1860) были открыты приемы спектрального анализа, тогда множество веществ было
подвергнуто исследованию посредством спектральных аппаратов и было замечено, что в тех
отложениях которые получаются при сжигании некоторых колчеданов, содержится элемент,
обладающий весьма резким и характерным спектром, а именно — в зеленой части спектра ему
отвечает резкая зеленая черта (длина волны 535 миллионных миллиметра), не
соответствовавшая ни одному из известных до тех пор элементов. Исследуя вещество нашли ...,
потому что именно он и обладает этим спектром. Растворы солей ..., при действии
гальванического тока, выделяют металл в виде тяжелого порошка. Он обладает серым цветом,
подобным олову, мягок как натрий, блестящ, имеет уд. вес 11,8, плавится при 2940
и в сильном
жару перегоняется; накаленный несколько выше температуры плавления, он образует
нерастворимую в воде высшую окись ..., в виде темного порошка, который сопровождается,
однако, обыкновенно и низшей степенью окисления ..., которая также имеет черный цвет, но
растворима в воде и спирте; такой раствор обладает резкою щелочною реакциею. Эта закись ...
плавится при 300° и легко получается из гидрата ... При накаливании его без доступа воздуха
(при доступе воздуха накаленная закись легко переходит в окись). Гидрат закиси ...
кристаллизуется из растворов с содержанием одного пая кристаллизационной воды и образует
желтые призмы, весьма легко растворимые в воде. Для получения такого раствора можно брать
металлический ..., потому что он, притягивая кислород воздуха в присутствии воды, дает такой
гидрат. Но металлический ... не разлагает воды, хотя и дает Гидрат закиси, растворимый в воде.
Вся совокупность других сведений о химических и физических свойствах ..., двух его степенях
окисления и соответственных им солях выражается тем местом, которое этот металл занимает
по величине своего атомного веса ... между ... и ... .»
10
(Д.И. Менделеев «Основы химии», т.2, стр.132, М.-Л., 1947).
Пример 1.

11. Решение1. Исследуя вещество нашли таллий. Таллий был открыт в 1861 г.
У.Круксом (Лондон, Англия); выделен в 1862 г. К.-А. Лэми (Париж,
Франция).
2. Таллий образует нерастворимую в воде высшую окись Тl2
O3.
3. Эта закись Тl2
O.
4. Гидрат закиси TlOH.
5. ... этот металл занимает по величине своего атомного веса 204,38 между
Hg и Bi.
6. а) 4Тl + 3O2
=2Тl2
O3
б) 4Тl + O2
+ 2Н2
O =4ТlOH
в)2ТlOH = Тl2
О+ Н2O
11

12. Первый год двадцатого столетия стал памятным для Е.-А. Демарсе, т.к. мировая
общественность признала за ним приоритет в открытии нового элемента. Все
предшествующие 15 лет, пока Демарсе выделял и очищал этот элемент, он в своих
дневниках именовал его «элемент ∑». Назовем его пока так и мы. ∑ — довольно
редкий и дорогой металл серебристого цвета, весьма реакционноспособный, быстро
окисляется кислородом, разлагает воду при обычной температуре, проявляет в своих
соедине-ниях различные степени окисления. Один из трех оксидов этого элемента
содержит 12,31% кислорода, он быстро растворяется в соляной кислоте с
постепенным выделение водорода. Другой оксид, полностью изоструктурный
минералу галиту, имеет плотность 8,2 г/см3
и параметр кристаллической решетки
5,14 А. Один из халькогенидов ∑, также изоструктурный галиту, имеет плотность 6,5
г/см3
и параметр кристаллической ре-шетки 6,58 А. Один из гидроксидов элемента ∑,
содержащий 68,47% металла, на воздухе постепенно переходит в другой гидроксид.
12
Пример 2.

13. 1. Какой элемент скрывался под знаком ∑ и в честь чего он по­лучил свое название?
2. О каких трех оксидах идет речь в задаче?
3. Какова формула халькогенида ∑?
4. Какие гидроксиды образует элемент ∑? Какой из них наиболее растворим?
5. Оцените ионные радиусы элемента ∑ и хаяъкогена, если ион­ный радиус
кислорода принять за 1,36 А.
6. Как отделяют элемент ∑ от сопутствующих элементов в при­родных ископаемых?
7. Приведите уравнения химических реакций, оговоренных в ус­ловии задачи.
Надеемся, что свои ответы на вопросы Вы сопроводи­те необходимыми расчетами.
13
Пример 2.

14. Первый год двадцатого столетия стал памятным для Е.­А. Демарсе, т.к. мировая
общественность признала за ним приоритет в открытии нового элемента. Все
предшествующие 15 лет, пока Демарсе выделял и очищал этот элемент, он в своих
дневниках именовал его «элемент ∑». Назовем его пока так и мы. ∑ — довольно
редкий и дорогой металл серебристого цвета, весьма реакционноспособный,
быстро окисляется кислородом, разлагает воду при обычной температуре,
проявляет в своих соединениях различные степени окисления. Один из трех оксидов
этого элемента содержит 12,31% кислорода, он быстро растворяется в соляной
кислоте с постепенным выде­ление водорода. Другой оксид, полностью
изоструктурный минералу галиту, имеет плотность 8,2 г/см3
и параметр
кристаллической решетки 5,14 А. Один из халькогенидов ∑, также изоструктурный
галиту, имеет плотность 6,5 г/см3
и параметр кристаллической решетки 6,58 А. Один
из гидроксидов элемента ∑, содержащий 68,47% металла, на воздухе постепенно
переходит в другой гидроксид.
14
Пример 2.

15. Обозначим гидроксид как ∑(ОН)n Тогда: М(∑)/(М(∑)+17n) = 0,6846, откуда
М(∑) = 36,90n. Легко убедиться даться, что ни при одном целочисленном
значении не получается разумных значений М(∑). Обозначим гидроксид как
∑(OH)n·mH2
O. Тогда: M(∑)/(M(∑)+17n+18m) = 0,6846,
откуда M(∑)=36,90n+39,07m
Перебор n и m дает:
15
Решение
Возможны: Ra(OH)2
·2H2
O (для Ra нет степени окисления +4)
Cd(OH)2· H2O (дальше не окисляется)
Sm(OH)3·H2
O (то же замечание)
Еu(ОН)2
·2Н2
O - то, что и искали!
Итак, Еu(ОН)2
·2Н2
O и, как продукт его окисления на воздухе Еu(ОН)3.

16. БЕРЦЕЛИУС ВЁЛЕРУ.
Посылаю тебе при этом обратно твой X, который я вопрошал, как мог, но от которого
получил лишь уклончивые ответы. «Ты титан?» — спрашивал я. «Вёлер уже тебе
сказал, что я не титан». Я также ус­тановил это. «Ты циркон?» «Нет, — отвечал он,
— я же растворяюсь в соде до эмалево­белого стекла ... чего не делает цирконовая
земля». «Ты олово?» «Я содержу олово, но очень мало». «Ты ...?» «Я с ним
родственен, — отвечал он, — но я постепенно растворяюсь в едком кали и
осаждаюсь из него желто­коричневым». «Ну что же ты тогда за дьявольская вещь?»
— спросил я. «Мне еще не дали имени». Меж­ду прочим я не совсем уверен,
действительно ли я это слышал, пото­му что он был по правую сторону от меня, а я
плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух, по­видимому, гораздо лучше моего,
то я шлю тебе этого сорванца, чтобы учинить ему новый допрос».
ВЁЛЕР БЕРЦЕЛИУСУ
«Относительно второго … о котором ты мне писал, когда я занимался
пирохлорбм, действительно, твоя правда. Я не печалюсь о том что он от
меня ускользнул, и от души радуюсь открытий славного Генриха».
16
Пример 3.

17. 1. Что исследовали Берцелиус и Вёлер (X), если X содержит 30,1% кислорода?
2. Что такое циркон и «цирконовая земля»?
3. С чем родственен X (....)?
4. Попробуйте записать реакции растворения в едком кали X и осаждения.
5. Что содержит «пирохлор», из которого Вёлер выделял X, и почему он так
называется?
6. Кто такой «славный Генрих», что он открыл?
17
Пример 3.

18. БЕРЦЕЛИУС (1779 —1848)
Посылаю тебе при этом обратно твой X, который я вопрошал, как мог, но от которого
получил лишь уклончивые ответы. «Ты титан?» — спрашивал я. «Вёлер уже тебе
сказал, что я не титан». Я также установил это. «Ты циркон?» «Нет, — отвечал он, —
я же растворяюсь в соде до эмалево­белого стекла ... чего не делает цирконовая
земля». «Ты олово?» «Я содержу олово, но очень мало». «Ты ...?» «Я с ним
родственен, — отвечал он, — но я постепенно растворяюсь в едком кали и
осаждаюсь из него желто­коричневым». «Ну что же ты тогда за дьявольская вещь?»
— спросил я. «Мне еще не дали имени». Между прочим я не совсем уверен,
действительно ли я это слышал, потому что он был по правую сторону от меня, а я
плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух, по­видимому, гораздо лучше моего,
то я шлю тебе этого сорванца, чтобы учинить ему новый допрос».
ВЁЛЕР БЕРЦЕЛИУСУ
«Относительно второго … о котором ты мне писал, когда я занимался
пирохлором, действительно, твоя правда. Я не печалюсь о том что он от
меня ускользнул, и от души радуюсь открытий славного Генриха».
18
Пример 3.

19. 19
Решение
1. Оксид ниобия. (Nb2
O5).
2. Циркон — минерал ZrSiO4. «Цирконова земля» — ZrO2.
3. С танталом (в данном случае с Ta2
O5)
4.6KOH + Nb2
O5 = 2K3
NbO4 +3H2
O (сплавление)
2К3
NbO4+ 6НCl = 6KCl + Nb2
O5
↓+ 3Н2
О
5.Минерал M(Nb,Ta)2
O6, гдеM – Ca, Fe, Mn при нагревании приобретает
зеленую окраску (отсюда и название).
6. «Славный Генрих» - Генрих Розе (1795-1864), немецкий химик, ученик
Берцелиуса. Независимо от Ч. Хатчетта открыл (1844) в минерале колумбите
элемент (в виде окиси), близкий по свойствам к, танталу и названный им
ниобием. Доказал, что ниобий и тантал являются разными элементами.

20. В лаборатории разбили термометр. Металл, которым он был заполнен,
образует два хлорида (массовая доля металла в одном из них на 25% больше,
чем в другом) и два оксида (массовая доля металла в одном из них на 9%
больше, чем в другом). Из раствора соли этого металла, содержащего 0,201 г
металла в 33,5 мл гидроксид начинает осаждаться при рН 3. Известно, что
значительная часть этого металла извлекается из отходов, образующихся при
производстве цинка из сфалерита.
1. Каким металлом был заполнен термометр? Ответ подтвердите, расчетом.
2. Каковы формулы его хлоридов и оксидов? Каково геометрическое
строение молекул хлоридов?
3. При какой величине рН осаждение гидроксида этого металла,. будет
практически полным, т.е. остаточная концентрация металла в растворе не
будет превышать 10-6
моль/л?
4. Почему этот металл часто содержится в цинковых рудах?
5. Этот металл образует множество сплавов, зачастую жидких при
комнатной температуре. Как называются эти сплавы?
20
Пример 4.

21. 21
Решение
1. Для хлоридов МСlа и МСlb
(b>а) имеем:
А/(А+35,5b): А/(А+35,5а)= 1,25, откуда А = 142а - 177,5b.
Для оксидов М2Оа и М2
Оb
имеем:
2А/(2А+16b): 2А/(2А+16а) = 1,09,
откуда А = 88,89а-9б,89b:
Следовательно,
142а - 177,5b = 88,89а - 96,89b или а = 1,5b.
Очевидно, что b=2, а=3 или b = 4, а = 6. Подходит первый вариант, в
этом случае атомная масса металла близка к атомной масса галлия.

22. 22
Решение
2. GaCl3
иGaCl2; Ga2
O3
иGaO.
В газовой фазе хлорид галлия образует димеры Са2
Сl6
(два , тетраэдра с
общим ребром)
3. Концентрация ионов Ga3+
в растворе составляет 0,086 моль/л.
ПР = [Ga3+
][OH-
]3
=0,086∙(10-11
)3
= 8,6∙10-35
.
Полное осаждение отвечает концентрации галлия 10-6
моль/л. Тогда
[OH-
] = (ПP/[Ga3+
])1/3
= 4,4∙10-10
или рОН = 9,4, рН = 4,6.
4. Цинк и галлий — соседние элементы в Периодической табли-це Д.И.
Менделеева. Их атомные (и ионные радиусы) достаточно близки и
галлий может замещать цинк с сульфиде (параметры ре-шеток ZnS и
GaS составляют 5,42 и 5,63 А, соответственно).
5. Галламы (по аналогии с амальгамами).

23. БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!