Химия
8 класс
Вопрос
Бинарное соединение элементов $A$ и $B$ широко применяется при производстве электроники. В промышленности $AB$ получают, нагревая эквимолярную смесь газов $X$ и $Y$: образующийся при этом $AB$ кристаллизуется на подложке, а единственный побочный продукт $Z$ остается в газовой фазе. Из 794 мг $X$ и 539 мг $Y$ получается 465 мл газа $Z$ (при н.у.) и 1,00 г $AB$ (кстати, этого количества достаточно для производства более 100 мобильных телефонов). Само вещество $AB$ химически инертно, а вот исходные соединения $X$ и $Y$ легко воспламеняются на воздухе. Соединение $X$ также бурно реагирует с водой с выделением газа $Z$, причем из 1 моль $X$ образуется 3 моль $Z$. С помощью расчетов определите формулы веществ, описанных в задаче.
Ответ
Для начала определим молярную массу газа $Z$, исходя из закона сохранения массы в реакции $X$ и $Y$: $\frac{0,794г + 0,539г - 1,00г}{ \frac{ 0,465л}{22,4г/моль}} = 16,04 г/моль$. Такой молярной массой обладает единственный газ - метан. По условию задачи метан ($Z$) образуется в реакции $X$ с водой. Поскольку из воды в молекулу $Z$ мог попасть только водород, следовательно, углерод входит в состав $X$. А поскольку из 1 моль $X$ образуется 3 моль $Z$, то в молекулу $X$ входит 3 атома углерода. Теперь обратим внимание, что метан также образуется при реакции $X$ и $Y$. Так как атомы углерода присутствуют в $X$, то вещество Y содержит, по-видимому, водород. То есть $Y$ является гидридом элемента $B$. Молярная масса $Y$ равна: $\frac{n \cdot 0,539г}{ \frac{0,465л}{22,4л/моль}} = n \cdot 26,96 г/моль$, где $n$ - стехиометрическое соотношение между $Y$ и $Z$.
При $n = 1$ подходящих газообразных гидридов не существует (единственный возможный гидрид c такой молярной массой - $MgH_{2}$).
При $n = 2$ молярная масса $Y$ соответствует $TiH_{4}$ (на самом деле гидрид титана - очень неустойчивое соединение, зафиксированное лишь спектроскопическими методами, однако знать это школьник не обязан).
При $n = 3$ молярная масса $Y$ соответствует $AsH_{3}$.
При $n = 4$ подходящих гидридов не существует. В принципе, возможны и более сложные стехиометрические соотношения между $Y$ и $Z$ (например, $n = 2/3$), однако пока примем $Y = TiH_{4}$ или $AsH_{3}$ в качестве рабочей гипотезы. Если $Y = TiH_{4}$, то уравнение описанной в задаче реакции должно выглядеть так: $A(CH_{2})_{2} + TiH_{4} = ATi + 2CH_{4}$. Тогда молярная масса $A$ равна: $\frac{ 2 \cdot 0,794г}{ \frac{0,465л}{22,4л/моль}} - 2 \cdot 14г/моль = 48,50 г/моль$. Такой молярной массе не соответствует ни один элемент, а наиболее близок к ней сам $Ti (M = 47,90 г/моль)$. Однако даже с такой натяжкой гипотетическая реакция $Ti(CH_{2})_{2} + TiH_{4} = 2Ti + 2CH_{4}$ не дает бинарного соединения $AB$ (получается, что $A = B$).
Рассмотрим второй вариант: $A(CH_{3})_{3} + AsH_{3} = AAs + 3CH_{4}$. Тогда молярная масса $A$ равна: $\frac{3 \cdot 0,794г}{ \frac{0,465л}{22,4л/моль}} - 3 \cdot 15г/моль = 69,75 г/моль$. Такой массе хорошо соответствует галлий (который, кстати, имеет валентность равную трем).
Таким образом, ответ: $A = Ga, B = As, AB = GaAs, X = Ga(CH_{3})_{3}, Y = AsH_{3}, Z = CH_{4}$.