Химия
8 класс
Вопрос
Атомы элемента Е имеют электронную конфигурацию $K^2L^8M^{18}N^4$. В природе этот элемент существует в виде смеси изотопов с атомными массами 70(NULL,3 %), 72 (NULL,2 %), 73 (NULL,9 %), 74 (NULL,9 %), 76 (NULL,7 %) и встречается в виде минерала аргиродита, представляющего собой двойную соль состава $Ag$ - 76,51 %, $S$ - 17,06 % и $E$ - 6,4 %. При прокаливании в токе воздуха аргиродит образует серебро, оксид элемента $E$ в высшей степени окисления и газообразный продукт реакции. Разделение составных компонентов полученной при этом смеси осуществляется действием концентрированного раствора гидроксида натрия, в котором легко растворяется оксид элемента $E$. Этот оксид почти не растворим в воде и несколько лучше растворим в соляной кислоте. Раствор соли, образовавшейся при реакции оксида с NaOH, обладает щелочным характером.
Раствор натриевой соли, в которой элемент $E$ содержится в менее высокой степени окисления, обладает еще более сильной щелочной реакцией. Кроме того, названная соль характеризуется сильными восстановительными свойствами. При подкислении она восстанавливает перманганат калия до солей $Mn^{2+}$, в щелочной среде она восстанавливает $Bi(OH)_3$ до металлического висмута.
Элемент $E$ образует несколько соединений с водородом, по структуре аналогичных соединениям первого из элементов той же группы периодической системы. Известны соединения $E$ с водородом, содержащие 1-3 атома элемента $E$ в молекуле с насыщенным характером связей. В этих соединениях под действием хлористого водорода может быть проведено замещение водорода на хлор. В электрохимическом ряду элемент $E$ расположен между медью и серебром.
а. О каком элементе идет речь? Что вы знаете о его применении? Какую роль сыграло открытие этого элемента в развитии учения о химических элементах?
б. Установите формулу аргиродита (при расчетах следует использовать вычисленную из условий задачи атомную массу элемента $E$).
в. Напишите молекулярные (а где можно - ионные) уравнения реакций всех химических процессов, названных в задаче.
г. Охарактеризуйте свойства солей и оксидов элемента упомянутых в тексте.
д. Дайте характеристику физических свойств элементов той группы периодической системы, к которой принадлежит элемент $E$. Охарактеризуйте химические свойства оксидов элементов этой группы.
е. Предскажите явления, которые можно будет наблюдать, если пластины, изготовленные из цинка и элемента $E$, соединить между собой и погрузить в раствор серной кислоты. Объясните эти явления.
Ответ
а. Из электронной конфигурации следует, что элемент $E$ принадлежит к 4-му периоду и расположен в IV группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, т. е. он представляет собой германий $Ge$. Это подтверждается также и величиной атомной массы, вычисленной на основании изотопного состава природной смеси изотопов: $\bar{A} = 72,59$, что совпадает с атомной массой германит.
В виде простого вещества высокой чистоты германий используется как полупроводник.
Свойства германия - под названием экакремния - были предсказаны Д. И. Менделеевым, и они совпали с экспериментально установленными свойствами элемента, открытого К. Винклером и получившего название «германий».
б. Общая формула аргиродита $Ag_xGe_yGe_z$,
$x : y : z = \frac{76,51}{107,8} : \frac{17,06}{32,06} : \frac{6,43}{72,6} = 8 : 6 : 1$,
т. е. соединение имеет формулу $Ag_8S_6Ge$, и его можно рассматривать как двойную соль $4Ag_2S \cdot GeS_2$ (или $Ag_8GeS_6$.)
в. $4Ag_2S \cdot GeS_2 + 7O_2 = 8Ag + GeO_2 + 6SO_2$,
$GeO_2 + 2NaOH = Na_2GeO_3 + H_2O$,
$GeO_2 + 4HCl = GeCl_4 + 2H_2O$,
$GeO_2 + H_2O = H_2GeO_3$,
$GeO_2 + 2OH^{-} = GeO_3^{2-} + H_2O$.
Гидролиз соединений:
$Na_2GeO_3 + 2H_2O \rightleftharpoons H_2GeO_3 + 2NaOH$,
$GeO_3^{2-} + 2H_2O \rightleftharpoons H_2GeO_3 + 2OH^{-}$,
$Na_2GeO_2 + 2H_2O \rightleftharpoons H_2GeO_2 + 2NaOH$,
$GeO_2^{2-} + 2H_2O \rightleftharpoons H_2GeO_2 + 2OH^{-}$.
Окислительно-восстановительные реакции:
$5GeO_3^{2-} + 6H^{+} + 2MnO_4^{-} = 5GeO_3^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H_2O$,
$3GeO_2^{2-} + 2Bi(OH)_3 = 3GeO_3^{2-} + 2Bi + 3H_2O$,
$GeH_4 + HCl = GeH_3Cl + H_2$,
$GeH_3Cl + HCl = GeHCl_3 + H_2$,
$GeH_2Cl_2 + HCl = GeHCl_3 + H_2$,
$GeHCl_3 + HCl = GeCl_4 + H_2$.
Аналогичные реакции можно написать для $Ge_2H_6$ и $Ge_3H_8$ (хотя у этих соединений в большей степени, чем у углеводородов, наблюдается расщепление связи $Ge - Ge$):
$Ge_2H_6 + HCl \rightarrow GeH_3Cl + GeH_4$,
$Ge_3H_8 + HCl \rightarrow Ge_2H_5Cl + GeH_4$,
г. Оксиды $GeO$ и $GeO_2$ обладают амфотерными свойствами. $GeO$ имеет менее выраженный кислотный характер, чем $GeO_2$, соль $Na_2GeO_2$ (или $Na_2H_2GeO_4$) в растворе вследствие гидролиза проявляет более выраженные основные свойства, чем $Na_2GeO_3$.
д. При переходе от неметалла углерода $C$ - через ряд элементов, обладающих промежуточными свойствами, - к элементам олову $Sn$ и свинцу $Pb$, проявляющим преимущественно свойства металлов, наблюдается усиление металлических свойств простых веществ. Оксиды $CO$ и $SiO$ (существование последнего не доказано.) относят к несолеобразующим; оксида $GeO$, $SnO$, $PbO$ амфотерны с преобладанием основных свойств; оксиды $MO_2 - CO_2$ и $SiO_2$ обладают кислотными свойствами; $GeO_2$, $SNO_2$, $PbO_2$ амфотерны с преобладанием кислотных свойств.
е. При соединении указанных пластин образуется гальванический элемент, в котором на цинковой пластине (отрицательный полюс) протекают процессы окисления $Zn - 2 e = Zn^{2+}$, а на германиевой пластине (положительный полюс) происходит восстановление ионов водорода
$2H^{+} + 2 e = H_2$.
(Ток электронов в электрической цепи направлен от цинка к германию.)