Вещества от A до E

Порошкообразная платина — превосходный катализатор. Она, например, катализирует многие реакции, в которых участвуют (в качестве как исходного вещества, так и продукта) газообразные O₂ или H₂. Например:

N₂H₄ = N₂ + 2H₂

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂

C₂H₅ОH + H₂O = CH₃COOH + 2H₂

Задача решается технически довольно просто.

Еще со школы мы знаем, что масса атома (атомная масса) водорода H условно принята за 1. Массы остальных атомов и молекул — обычно целые числа (дробные, если элемент состоит из изотопов — атомов одного элемента с разной массой); они указаны в таблице Менделеева.

Например, атомная масса цинка Zn равна 65, а молекулярная масса серной кислоты H₂SO₄ — 98 (она складывается из атомных масс составляющих элементов: у серы 32, у водорода 1, у кислорода 16; итого 32 + 2×1 + 4×16 = 98).

В 1 г атомов водорода H содержится 6×10²³ атомов водорода. Поэтому если молекула, например серной кислоты, весит 98 или атом цинка 65, то в 98 г серной кислоты и 65 г цинка будет содержаться 6×10²³ молекул серной кислоты или атомов цинка. Это количество (6×10²³) называется молем, а молярная масса совпадает по определению с молекулярной (или атомной), но выражается в граммах.

Если известна масса вещества в граммах, то можно пересчитать ее в количество молей этого вещества. Количество вещества в молях, которое расходуется или получается в реакции, пропорционально коэффициентам реакции (потому что всё в 6×10²³ раз больше числа молекул).

Для газов: если известен объем газа в литрах, то, разделив этот объем на 22,4, можно получить количество газов в молях.

Теперь перейдем к решению задачи.

2,6 г цинка Zn — это 2,6/65 = 0,04 моля.

224 мл при стандартных условиях — это 0,01 моля газа, а 896 мл при стандартных условиях — это 0,04 моля газа.

Из 0,04 моля Zn, скорее всего, получилось 0,04 моля соли Е — а это 6,44 г. Значит, 1 моль Е весит 6,44/0,04 = 161 г. Молярная масса соли (а это, наверное, соль цинка, так как при электролизе получается цинк и кислота F) 161.

Если вычесть атомную массу цинка 65, остается 96 — это хорошо соответствует кислотному остатку SO₄^2– (еще столько же весит HPO₄^2–). Тогда Е — это ZnSO₄

Теперь «раскручиваем» всё обратно.

Е получилось из реакции Zn с кислотой С. Тогда C — это H₂SO₄, а газ D — это водород H₂:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂.

До этого момента все рассуждения были совсем простыми, а теперь начинаются более интересные вещи.

После встряхивания осталось в 2 раза меньше газа D, а газ В исчез вовсе, причем, раз кроме сульфата цинка и воды, ничего не осталось, то газ В может быть только кислородом (так как D — это водород).

Известно, что озон на платине разлагается. Это означает, что кислород (В) прореагировал с водородом (D) на платиновом катализаторе:

2 H₂ + O₂ = 2H₂O.

А кислород (В) выделился при разложении вещества А на платине как катализаторе. Давайте поймем, что такое А.

Известно что раствор 3,88 г А в воде на платине разлагается с образованием 0,01 моля О₂ (газ В) и 0,04 моля H₂SO₄ (количество определено по реакции с 0,04 моля Zn). Получаем:

?А + ?H₂O = 4H₂SO₄ + O₂.

На 1 моль O₂ у нас 388 г А. Если 388 г весит один моль вещества A, то получается вещество с  четырьмя атомами серы, а это много (хотя такие вещества и бывают). А вот если 388 г весят 2 моля А то молярная масса А равна 194 и по составу хорошо подходит H₂S₂O₈:

2 H₂S₂O₈ + 2H₂O = (на платине) 4H₂SO₄ + O₂.

И действительно, вещество A в чистом виде — белые легкоплавкие кристаллы, оно получается электролизом холодного концентрированного раствора H₂SO₄ на платиновых электродах.

H₂SO₄ = H⁺ + HSO₄^–,

HSO₄^– – e^– = HSO₄.

И далее два таких радикала спариваются своими неспаренными электронами, образуя связь между двумя кислородами:

2 HSO₄^. = H₂S₂O₈.

Обычно кислоты в разбавленных растворах реагируют с металлами с выделением водорода:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂.

Если металл недостаточно активный (например, серебро Ag, платина Pt), то реакция с кислотой не идет. Концентрированные кислоты-окислители реагируют даже с малоактивными металлами; получается тоже соль, но вместо водорода образуются продукты восстановления кислоты:

Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂ + H₂O,

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + H₂O.

Платина растворяется только в царской водке:

3Pt + 18HCl + 4HNO₃ = 3H₂PtCl₆ + 4NO +8H₂O.

Но при этом платина может выступать катализатором разложения вещества, не расходуясь при этом. Это ее свойство используется в нашей задаче.

Пероксодвусерная кислота H₂S₂O₈ (искомое вещество A из нашей задачи), и особенно ее соли — малорастворимый в воде K₂S₂O₈ и (NH₄)₂S₂O₈ — являются сильными одноэлектронными окислителями, способными окислить соли металлов до высших степеней окисления металлов. Например:

3K₂S₂O₈ + Cr₂(SO₄)₃ + 7H₂O = H₂Cr₂O₇ + 3K₂SO₄ + 6H₂SO₄,

5K₂S₂O₈ + 2MnSO₄ + 8H₂O = 2HMnO₄ + 5K₂SO₄ + 7H₂SO₄.

Эта реакция катализируется ионом серебра Ag⁺. При действии на него персульфата серебро окисляется до Ag²⁺, а уже этот ион окисляет металлы до высшей степени окисления.

Персульфат аммония используется как инициатор всевозможных реакций, в которых участвуют свободные радикалы. Ион персульфата S₂O₈^2– распадается на два аниона-радикала SO₄^–, которые инициируют цепь.