IChO 1994 · Theory problem 3
Sulphur oxohalides: structures and identification
Sulphur forms many different compounds with oxygen and halogens (sulphur as the central atom). These compounds are mainly molecular, and many are easily hydrolysed in water.
3.1 Write Lewis structures for molecules \(\ce{SCl2}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{SO2ClF}\), \(\ce{SF4}\), and \(\ce{SBrF5}\).
3.2 Carefully draw the geometries of the 5 molecules. (Disregard small deviations from "ideal" angles.)
3.3 A compound, consisting of sulphur (one atom per molecule), oxygen and one or more atoms of the elements \(\ce{F}\), \(\ce{Cl}\), \(\ce{Br}\), and \(\ce{I}\), was examined. A small amount of the substance reacted with water. It was completely hydrolyzed without any oxidation or reduction, and all reaction products dissolved. 0.1 M solutions of a series of test reagents were added to separate small portions of a diluted solution of the substance.
Which ions are being tested for in the following tests?
i) Addition of \(\ce{HNO3}\) and \(\ce{AgNO3}\).
ii) Addition of \(\ce{Ba(NO3)2}\).
iii) Adjustment to \(pH = 7\) with \(\ce{NH3}\) and addition of \(\ce{Ca(NO3)2}\).
Write the equations for the possible reactions in the tests:
iv) Addition of \(\ce{KMnO4}\) followed by \(\ce{Ba(NO3)2}\) to an acid solution of the substance.
v) Addition of \(\ce{Cu(NO3)2}\).
3.4 In practice, the tests in 3.3 gave the following results:
i) A yellowish precipitate.
ii) No precipitate.
iii) No visible reaction.
iv) The main features were that the characteristic colour of permanganate disappeared, and a white precipitate was formed upon addition of \(\ce{Ba(NO3)2}\).
v) No precipitate.
Write the formulas of the possible compounds, taking the results of these tests into account.
3.5 Finally, a simple quantitative analysis was undertaken:
7.190 g of the substance was weighed out and dissolved in water to give 250.0 \(\mathrm{cm^3}\) of a solution. To 25.00 \(\mathrm{cm^3}\) of this solution, nitric acid and enough \(\ce{AgNO3}\) was added to secure complete precipitation. After washing and drying the precipitate weighed 1.452 g. Determine the formula of the compound.
3.6 Write the equation describing the reaction of the substance with water.
If you have not found the formula for the compound, use \(\ce{SOClF}\).
Official English text of the problem.
Answers
- 3.1
| Molecule | SMILES | Bonds at sulphur | Lone pairs on sulphur |
|---|---|---|---|
| Sulphur dichloride, \(\ce{SCl2}\) | ClSCl |
Two single bonds | 2 |
| Sulphur trioxide, \(\ce{SO3}\) | O=S(=O)=O |
Three double bonds | 0 |
| Sulphuryl chloride fluoride, \(\ce{SO2ClF}\) | O=S(=O)(F)Cl |
Two oxygen double bonds and two halogen single bonds | 0 |
| Sulphur tetrafluoride, \(\ce{SF4}\) | FS(F)(F)F |
Four single bonds | 1 |
| Bromopentafluorosulphur, \(\ce{SBrF5}\) | FS(F)(F)(F)(F)Br |
Six single bonds | 0 |
Each terminal halogen has three lone pairs; each oxygen in these structures has two lone pairs. All formal charges are zero.
-
3.2 \(\ce{SCl2}\): bent; \(\ce{SO3}\): trigonal planar; \(\ce{SO2ClF}\): tetrahedral; \(\ce{SF4}\): seesaw, with an equatorial lone pair; \(\ce{SBrF5}\): octahedral.
-
3.3
- i) Chloride
[Cl-], bromide[Br-], and iodide[I-]. - ii) Sulphate
[O-]S(=O)(=O)[O-]. - iii) Fluoride
[F-]. - iv) Sulphite
[O-]S(=O)[O-]is oxidized to sulphate, which then precipitates: \[ \ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \] \[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \] -
v) Iodide gives copper(I) iodide and iodine: \[ \ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2} \]
-
3.4 The possible compounds are thionyl bromide, \(\ce{SOBr2}\),
O=S(Br)Br, and thionyl bromide chloride, \(\ce{SOBrCl}\),O=S(Cl)Br. -
3.5 The intended compound is thionyl bromide chloride, \(\boxed{\ce{SOBrCl}}\). The printed masses have a small numerical inconsistency, discussed below.
-
3.6 \[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Solution
3.1 — Lewis structures
The total valence-electron counts are:
\[ \begin{array}{c|c} \text{Molecule}&\text{Valence electrons}\\ \hline \ce{SCl2}&6+2(7)=20\\ \ce{SO3}&6+3(6)=24\\ \ce{SO2ClF}&6+2(6)+2(7)=32\\ \ce{SF4}&6+4(7)=34\\ \ce{SBrF5}&6+6(7)=48 \end{array} \]
Using the bonds and lone pairs listed in the Answers accounts for every electron. For example, in \(\ce{SF4}\), the four bonds use eight electrons, the fluorine lone pairs use twenty-four, and the remaining two form one sulphur lone pair.
These are conventional expanded-octet Lewis structures for sulphur where necessary. SMILES records connectivity and formal bond orders; it does not explicitly show the lone pairs or the geometries described below. Ionic SMILES used later likewise do not describe a solid’s crystal lattice.
3.2 — Molecular geometries
In VSEPR counting, each single or multiple bond constitutes one electron domain.
| Molecule | VSEPR type | Precise description of the requested drawing |
|---|---|---|
| \(\ce{SCl2}\) | \(\mathrm{AX_2E_2}\) | Four electron domains have a tetrahedral arrangement. Two positions contain chlorine atoms and two contain lone pairs, giving a bent molecule. The ideal tetrahedral reference angle is \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SO3}\) | \(\mathrm{AX_3}\) | Put sulphur at the centre of an equilateral triangle, with the three oxygen atoms at its vertices. All four atoms are coplanar; the angles are \(120^\circ\). |
| \(\ce{SO2ClF}\) | \(\mathrm{AX_4}\) | Put sulphur at the centre of a tetrahedron and the two oxygen atoms, chlorine, and fluorine at its four vertices. Ideal angles are \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SF4}\) | \(\mathrm{AX_4E}\) | Start from a trigonal bipyramid. Put the lone pair in one equatorial position, two fluorines in the other equatorial positions, and two fluorines in the axial positions. This gives a seesaw: axial–axial \(180^\circ\), equatorial–equatorial \(120^\circ\), and axial–equatorial \(90^\circ\). |
| \(\ce{SBrF5}\) | \(\mathrm{AX_6}\) | Put sulphur at the centre of an octahedron. Place bromine above sulphur, one fluorine directly below, and the other four fluorines at the corners of a square in the perpendicular plane. Adjacent bonds make \(90^\circ\), and opposite bonds make \(180^\circ\). |
The lone pair in \(\ce{SF4}\) occupies an equatorial position because that position has only two \(90^\circ\) interactions with neighbouring domains, whereas an axial position would have three.
3.3 — Analytical tests
i) Nitric acid and silver nitrate
Silver(I) ions [Ag+] detect chloride, bromide, and iodide by precipitation:
\[ \ce{Ag+ + Cl^- -> AgCl(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + Br^- -> AgBr(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + I^- -> AgI(s)} \]
The products are:
- Silver chloride
[Ag+].[Cl-]: white. - Silver bromide
[Ag+].[Br-]: cream or pale yellow. - Silver iodide
[Ag+].[I-]: yellow.
Silver fluoride [Ag+].[F-] is soluble, so this is not a fluoride test. Nitric acid O[N+](=O)[O-] suppresses interference from sulphite precipitation without introducing a halide.
ii) Barium nitrate
Barium ions [Ba+2] detect sulphate through formation of white, acid-insoluble barium sulphate [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-]:
\[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \]
The acidity of the hydrolysed sample matters: sulphite does not give the same persistent, acid-insoluble precipitate.
iii) Neutralization and calcium nitrate
Calcium ions [Ca+2] detect fluoride by precipitation of calcium fluoride [Ca+2].[F-].[F-]:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2F^- -> CaF2(s)} \]
Neutralization prevents fluoride from remaining predominantly as hydrogen fluoride, F. Ammonia N accepts a proton, forming ammonium [NH4+]:
\[ \ce{HF + NH3 -> NH4+ + F^-} \]
iv) Acidic permanganate, followed by barium nitrate
Permanganate [O-][Mn](=O)(=O)=O oxidizes sulphur(IV) to sulphur(VI) and is reduced to manganese(II), [Mn+2].
Using sulphite notation, the half-reactions are:
\[ \ce{SO3^{2-} + H2O -> SO4^{2-} + 2H+ + 2e^-} \]
\[ \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O} \]
Multiplying the first by five and the second by two gives:
\[ \boxed{\ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O}} \]
Here water is O, and hydrogen ions are represented by [H+].
In acidic solution, sulphur(IV) occurs mainly as dissolved sulphur dioxide O=S=O and hydrogen sulphite O=S(O)[O-], rather than free sulphite. An equivalent equation using hydrogen sulphite is:
\[ \ce{5HSO3^- + 2MnO4^- + H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \]
The subsequent precipitation is:
\[ \boxed{\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)}} \]
Permanganate can also oxidize bromide and iodide:
\[ \ce{2MnO4^- + 10X^- + 16H+ -> 2Mn^{2+} + 5X2 + 8H2O} \]
For \(X=\ce{Br}\) or \(\ce{I}\), the products are bromine BrBr or iodine II. Under sufficiently strongly acidic conditions, chloride can also be oxidized by this equation to chlorine ClCl.
Thus, disappearance of the permanganate colour alone is not specific to sulphur(IV). Formation of sulphate, demonstrated by the subsequent barium precipitate, supplies the decisive additional evidence.
v) Copper(II) nitrate
Copper(II) ions [Cu+2] oxidize iodide to iodine. The reduced copper precipitates as white copper(I) iodide [Cu+].[I-]:
\[ \boxed{\ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2}} \]
This is the diagnostic iodide reaction relevant here.
3.4 — Possible compounds
Under the qualitative-test assumptions of the problem:
- The yellowish silver precipitate indicates bromide and/or iodide. Chloride may also be present in a mixed precipitate.
- The negative copper(II) test excludes iodide. Therefore, bromide is present.
- The negative calcium test excludes fluoride.
- No initial barium precipitate means sulphate is absent. Formation of barium sulphate after oxidation shows that the original hydrolysate contains sulphur(IV).
Because hydrolysis involved no oxidation or reduction, the sulphur in the original compound also had oxidation state \(+4\).
Let its composition be \(\ce{SO_{a}X_{b}}\), where \(X\) represents monovalent halogens. With oxygen at \(-2\) and halogens at \(-1\),
\[ 2a+b=4. \]
Both oxygen and halogen must be present, so \(a\geq1\) and \(b\geq1\). The only integer solution is
\[ a=1,\qquad b=2. \]
The compound is consequently a thionyl dihalide. Since bromine must occur, chlorine may occur, and fluorine and iodine are excluded, the possibilities are:
\[ \boxed{\ce{SOBr2}\quad\text{or}\quad\ce{SOBrCl}}. \]
Their names and SMILES are thionyl bromide O=S(Br)Br and thionyl bromide chloride O=S(Cl)Br. The analysis does not determine an absolute configuration at sulphur in the mixed halide.
3.5 — Quantitative identification
The mass of original substance represented by the aliquot is
\[ m_{\text{aliquot}} = 7.190\ \mathrm{g} \left(\frac{25.00\ \mathrm{cm^3}}{250.0\ \mathrm{cm^3}}\right) = 0.7190\ \mathrm{g}. \]
The problem gives no atomic masses. Using standard rounded atomic masses in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} M(\ce{S})&=32.06,&M(\ce{O})&=16.00,\\ M(\ce{Cl})&=35.45,&M(\ce{Br})&=79.90,&M(\ce{Ag})&=107.87, \end{aligned} \]
gives
\[ \begin{aligned} M(\ce{AgCl})&=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M(\ce{AgBr})&=187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
For thionyl bromide, each mole gives two moles of silver bromide:
\[ m_{\text{precipitate}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{207.86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(2\times187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) = 1.299\ \mathrm{g}. \]
For thionyl bromide chloride, each mole gives one mole each of silver bromide and silver chloride:
\[ m_{\text{precipitate}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{163.41\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(187.77+143.32\right)\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 1.457\ \mathrm{g}. \]
| Candidate | Predicted precipitate mass |
|---|---|
| \(\ce{SOBr2}\) | \(1.299\ \mathrm{g}\) |
| \(\ce{SOBrCl}\) | \(1.457\ \mathrm{g}\) |
| Experimental value | \(1.452\ \mathrm{g}\) |
The reported value clearly selects the mixed halide as the intended answer:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl}}. \]
Nevertheless, its predicted mass differs from the printed value by approximately \(0.0048\ \mathrm{g}\), or \(0.33\%\). Ordinary atomic-mass rounding does not explain that difference.
3.6 — Hydrolysis
Thionyl bromide chloride hydrolyses to sulphur dioxide, hydrogen bromide Br, and hydrogen chloride Cl:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
The aqueous designation respects the statement that all products dissolved.
Using the conventional sulphurous-acid representation, sulphurous acid O=S(O)O, the same hydrolysis is commonly written:
\[ \ce{SOBrCl + 2H2O -> H2SO3 + HBr + HCl}. \]
Here \(\ce{H2SO3}\) denotes the aqueous sulphur(IV) system. Sulphur remains at oxidation state \(+4\), so the hydrolysis involves no redox change.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1994 · Theorieaufgabe 3
Schwefeloxohalogenide: Strukturen und Identifizierung
Schwefel bildet viele verschiedene Verbindungen mit Sauerstoff und Halogenen (mit Schwefel als Zentralatom). Diese Verbindungen sind überwiegend molekular aufgebaut, und viele werden in Wasser leicht hydrolysiert.
3.1 Geben Sie die Lewis-Strukturen der Moleküle \(\ce{SCl2}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{SO2ClF}\), \(\ce{SF4}\) und \(\ce{SBrF5}\) an.
3.2 Zeichnen Sie sorgfältig die räumlichen Strukturen der 5 Moleküle. (Vernachlässigen Sie kleine Abweichungen von den „idealen“ Winkeln.)
3.3 Eine Verbindung aus Schwefel (ein Atom pro Molekül), Sauerstoff und einem oder mehreren Atomen der Elemente \(\ce{F}\), \(\ce{Cl}\), \(\ce{Br}\) und \(\ce{I}\) wurde untersucht. Eine kleine Menge der Substanz reagierte mit Wasser. Sie wurde ohne jegliche Oxidation oder Reduktion vollständig hydrolysiert, und alle Reaktionsprodukte lösten sich. Zu getrennten kleinen Portionen einer verdünnten Lösung der Substanz wurden 0.1 M Lösungen einer Reihe von Nachweisreagenzien gegeben.
Auf welche Ionen wird mit den folgenden Nachweisen geprüft?
i) Zugabe von \(\ce{HNO3}\) und \(\ce{AgNO3}\).
ii) Zugabe von \(\ce{Ba(NO3)2}\).
iii) Einstellung auf \(pH = 7\) mit \(\ce{NH3}\) und Zugabe von \(\ce{Ca(NO3)2}\).
Geben Sie die Gleichungen für die möglichen Reaktionen bei den folgenden Nachweisen an:
iv) Zugabe von \(\ce{KMnO4}\), gefolgt von \(\ce{Ba(NO3)2}\), zu einer sauren Lösung der Substanz.
v) Zugabe von \(\ce{Cu(NO3)2}\).
3.4 Bei der Durchführung der Nachweise aus 3.3 wurden folgende Ergebnisse erhalten:
i) Ein gelblicher Niederschlag.
ii) Kein Niederschlag.
iii) Keine sichtbare Reaktion.
iv) Die wesentlichen Beobachtungen waren das Verschwinden der charakteristischen Farbe des Permanganats und die Bildung eines weißen Niederschlags bei Zugabe von \(\ce{Ba(NO3)2}\).
v) Kein Niederschlag.
Geben Sie unter Berücksichtigung dieser Nachweisergebnisse die Formeln der möglichen Verbindungen an.
3.5 Abschließend wurde eine einfache quantitative Analyse durchgeführt:
7.190 g der Substanz wurden eingewogen und in Wasser zu 250.0 \(\mathrm{cm^3}\) Lösung gelöst. Zu 25.00 \(\mathrm{cm^3}\) dieser Lösung wurden Salpetersäure und genügend \(\ce{AgNO3}\) gegeben, um eine vollständige Fällung sicherzustellen. Nach dem Waschen und Trocknen wog der Niederschlag 1.452 g. Bestimmen Sie die Formel der Verbindung.
3.6 Geben Sie die Gleichung für die Reaktion der Substanz mit Wasser an.
Falls Sie die Formel der Verbindung nicht ermittelt haben, verwenden Sie \(\ce{SOClF}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 3.1
| Molekül | SMILES | Bindungen am Schwefel | Freie Elektronenpaare am Schwefel |
|---|---|---|---|
| Schwefeldichlorid, \(\ce{SCl2}\) | ClSCl |
Zwei Einfachbindungen | 2 |
| Schwefeltrioxid, \(\ce{SO3}\) | O=S(=O)=O |
Drei Doppelbindungen | 0 |
| Sulfurylchloridfluorid, \(\ce{SO2ClF}\) | O=S(=O)(F)Cl |
Zwei Doppelbindungen zu Sauerstoff und zwei Einfachbindungen zu Halogenen | 0 |
| Schwefeltetrafluorid, \(\ce{SF4}\) | FS(F)(F)F |
Vier Einfachbindungen | 1 |
| Brompentafluorschwefel, \(\ce{SBrF5}\) | FS(F)(F)(F)(F)Br |
Sechs Einfachbindungen | 0 |
Jedes endständige Halogenatom besitzt drei freie Elektronenpaare; jedes Sauerstoffatom in diesen Strukturen besitzt zwei freie Elektronenpaare. Alle Formalladungen sind null.
-
3.2 \(\ce{SCl2}\): gewinkelt; \(\ce{SO3}\): trigonal-planar; \(\ce{SO2ClF}\): tetraedrisch; \(\ce{SF4}\): wippenförmig, mit einem äquatorialen freien Elektronenpaar; \(\ce{SBrF5}\): oktaedrisch.
-
3.3
- i) Chlorid
[Cl-], Bromid[Br-]und Iodid[I-]. - ii) Sulfat
[O-]S(=O)(=O)[O-]. - iii) Fluorid
[F-]. - iv) Sulfit
[O-]S(=O)[O-]wird zu Sulfat oxidiert, das anschließend ausfällt: \[ \ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \] \[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \] -
v) Iodid ergibt Kupfer(I)-iodid und Iod: \[ \ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2} \]
-
3.4 Die möglichen Verbindungen sind Thionylbromid, \(\ce{SOBr2}\),
O=S(Br)Br, und Thionylbromidchlorid, \(\ce{SOBrCl}\),O=S(Cl)Br. -
3.5 Die gesuchte Verbindung ist Thionylbromidchlorid, \(\boxed{\ce{SOBrCl}}\). Die abgedruckten Massen weisen eine kleine zahlenmäßige Unstimmigkeit auf, die weiter unten erläutert wird.
-
3.6 \[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Lösung
3.1 — Lewis-Strukturen
Die Gesamtzahlen der Valenzelektronen sind:
\[ \begin{array}{c|c} \text{Molekül}&\text{Valenzelektronen}\\ \hline \ce{SCl2}&6+2(7)=20\\ \ce{SO3}&6+3(6)=24\\ \ce{SO2ClF}&6+2(6)+2(7)=32\\ \ce{SF4}&6+4(7)=34\\ \ce{SBrF5}&6+6(7)=48 \end{array} \]
Mit den unter „Antworten“ aufgeführten Bindungen und freien Elektronenpaaren ist jedes Elektron berücksichtigt. Beispielsweise entfallen in \(\ce{SF4}\) acht Elektronen auf die vier Bindungen und vierundzwanzig auf die freien Elektronenpaare der Fluoratome; die verbleibenden zwei bilden ein freies Elektronenpaar am Schwefel.
Dies sind konventionelle Lewis-Strukturen, bei denen Schwefel erforderlichenfalls ein erweitertes Oktett besitzt. SMILES gibt die Verknüpfung der Atome und die formalen Bindungsordnungen wieder; die freien Elektronenpaare oder die unten beschriebenen räumlichen Strukturen werden nicht ausdrücklich dargestellt. Ebenso beschreiben die später verwendeten SMILES für Ionen nicht das Kristallgitter eines Feststoffs.
3.2 — Molekülgeometrien
Bei der Zählung nach dem VSEPR-Modell gilt jede Einfach- oder Mehrfachbindung als eine Elektronendomäne.
| Molekül | VSEPR-Typ | Genaue Beschreibung der geforderten Zeichnung |
|---|---|---|
| \(\ce{SCl2}\) | \(\mathrm{AX_2E_2}\) | Vier Elektronendomänen sind tetraedrisch angeordnet. Zwei Positionen sind mit Chloratomen und zwei mit freien Elektronenpaaren besetzt, sodass ein gewinkeltes Molekül entsteht. Der ideale tetraedrische Referenzwinkel beträgt \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SO3}\) | \(\mathrm{AX_3}\) | Platzieren Sie Schwefel im Mittelpunkt eines gleichseitigen Dreiecks und die drei Sauerstoffatome an dessen Ecken. Alle vier Atome liegen in einer Ebene; die Winkel betragen \(120^\circ\). |
| \(\ce{SO2ClF}\) | \(\mathrm{AX_4}\) | Platzieren Sie Schwefel im Mittelpunkt eines Tetraeders und die beiden Sauerstoffatome sowie das Chlor- und das Fluoratom an dessen vier Ecken. Die idealen Winkel betragen \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SF4}\) | \(\mathrm{AX_4E}\) | Gehen Sie von einer trigonalen Bipyramide aus. Platzieren Sie das freie Elektronenpaar in einer äquatorialen Position, zwei Fluoratome in den anderen äquatorialen Positionen und zwei Fluoratome in den axialen Positionen. Daraus ergibt sich eine Wippenform: axial–axial \(180^\circ\), äquatorial–äquatorial \(120^\circ\) und axial–äquatorial \(90^\circ\). |
| \(\ce{SBrF5}\) | \(\mathrm{AX_6}\) | Platzieren Sie Schwefel im Mittelpunkt eines Oktaeders. Ordnen Sie Brom oberhalb des Schwefels, ein Fluoratom unmittelbar darunter und die anderen vier Fluoratome an den Ecken eines Quadrats in der dazu senkrechten Ebene an. Benachbarte Bindungen bilden Winkel von \(90^\circ\), gegenüberliegende Bindungen Winkel von \(180^\circ\). |
Das freie Elektronenpaar in \(\ce{SF4}\) besetzt eine äquatoriale Position, weil es dort nur zwei \(90^\circ\)-Wechselwirkungen mit benachbarten Domänen gibt, während es in einer axialen Position drei wären.
3.3 — Analytische Nachweise
i) Salpetersäure und Silbernitrat
Silber(I)-Ionen [Ag+] weisen Chlorid, Bromid und Iodid durch Fällung nach:
\[ \ce{Ag+ + Cl^- -> AgCl(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + Br^- -> AgBr(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + I^- -> AgI(s)} \]
Die Produkte sind:
- Silberchlorid
[Ag+].[Cl-]: weiß. - Silberbromid
[Ag+].[Br-]: cremefarben oder blassgelb. - Silberiodid
[Ag+].[I-]: gelb.
Silberfluorid [Ag+].[F-] ist löslich, daher ist dies kein Fluoridnachweis. Salpetersäure O[N+](=O)[O-] unterdrückt Störungen durch Sulfitfällung, ohne ein Halogenid einzubringen.
ii) Bariumnitrat
Bariumionen [Ba+2] weisen Sulfat durch Bildung von weißem, säureunlöslichem Bariumsulfat [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] nach:
\[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \]
Der Säuregrad der hydrolysierten Probe ist dabei entscheidend: Sulfit ergibt keinen entsprechend beständigen, säureunlöslichen Niederschlag.
iii) Neutralisation und Calciumnitrat
Calciumionen [Ca+2] weisen Fluorid durch Fällung von Calciumfluorid [Ca+2].[F-].[F-] nach:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2F^- -> CaF2(s)} \]
Die Neutralisation verhindert, dass Fluorid überwiegend als Fluorwasserstoff, F, vorliegt. Ammoniak N nimmt ein Proton auf und bildet dabei Ammonium [NH4+]:
\[ \ce{HF + NH3 -> NH4+ + F^-} \]
iv) Permanganat in saurer Lösung, gefolgt von Bariumnitrat
Permanganat [O-][Mn](=O)(=O)=O oxidiert Schwefel(IV) zu Schwefel(VI) und wird zu Mangan(II), [Mn+2], reduziert.
Bei einer Darstellung mit Sulfit lauten die Teilreaktionen:
\[ \ce{SO3^{2-} + H2O -> SO4^{2-} + 2H+ + 2e^-} \]
\[ \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O} \]
Multiplikation der ersten Gleichung mit fünf und der zweiten mit zwei ergibt:
\[ \boxed{\ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O}} \]
Hier steht O für Wasser, und Wasserstoffionen werden durch [H+] dargestellt.
In saurer Lösung liegt Schwefel(IV) hauptsächlich als gelöstes Schwefeldioxid O=S=O und Hydrogensulfit O=S(O)[O-] und nicht als freies Sulfit vor. Eine gleichwertige Gleichung mit Hydrogensulfit lautet:
\[ \ce{5HSO3^- + 2MnO4^- + H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \]
Die anschließende Fällung lautet:
\[ \boxed{\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)}} \]
Permanganat kann auch Bromid und Iodid oxidieren:
\[ \ce{2MnO4^- + 10X^- + 16H+ -> 2Mn^{2+} + 5X2 + 8H2O} \]
Für \(X=\ce{Br}\) oder \(\ce{I}\) entstehen Brom BrBr beziehungsweise Iod II. Unter hinreichend stark sauren Bedingungen kann nach dieser Gleichung auch Chlorid zu Chlor ClCl oxidiert werden.
Das Verschwinden der Permanganatfarbe allein ist somit nicht spezifisch für Schwefel(IV). Die Bildung von Sulfat, nachgewiesen durch die anschließende Fällung mit Barium, liefert den entscheidenden zusätzlichen Beleg.
v) Kupfer(II)-nitrat
Kupfer(II)-Ionen [Cu+2] oxidieren Iodid zu Iod. Das reduzierte Kupfer fällt als weißes Kupfer(I)-iodid [Cu+].[I-] aus:
\[ \boxed{\ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2}} \]
Dies ist die hier maßgebliche charakteristische Nachweisreaktion für Iodid.
3.4 — Mögliche Verbindungen
Unter den Annahmen der Aufgabe zu den qualitativen Nachweisen gilt:
- Der gelbliche Silberniederschlag weist auf Bromid und/oder Iodid hin. In einem gemischten Niederschlag kann auch Chlorid vorhanden sein.
- Der negative Kupfer(II)-Nachweis schließt Iodid aus. Daher ist Bromid vorhanden.
- Der negative Calciumnachweis schließt Fluorid aus.
- Dass zunächst kein Bariumniederschlag entsteht, bedeutet, dass kein Sulfat vorhanden ist. Die Bildung von Bariumsulfat nach der Oxidation zeigt, dass das ursprüngliche Hydrolysat Schwefel(IV) enthält.
Da bei der Hydrolyse weder Oxidation noch Reduktion stattfand, hatte der Schwefel auch in der ursprünglichen Verbindung die Oxidationszahl \(+4\).
Die Zusammensetzung sei \(\ce{SO_{a}X_{b}}\), wobei \(X\) für einwertige Halogene steht. Mit der Oxidationszahl \(-2\) für Sauerstoff und \(-1\) für die Halogene gilt:
\[ 2a+b=4. \]
Sowohl Sauerstoff als auch Halogen müssen vorhanden sein, also gilt \(a\geq1\) und \(b\geq1\). Die einzige ganzzahlige Lösung ist
\[ a=1,\qquad b=2. \]
Die Verbindung ist folglich ein Thionyldihalogenid. Da Brom vorkommen muss, Chlor vorkommen kann und Fluor sowie Iod ausgeschlossen sind, kommen folgende Verbindungen infrage:
\[ \boxed{\ce{SOBr2}\quad\text{oder}\quad\ce{SOBrCl}}. \]
Ihre Namen und SMILES sind Thionylbromid O=S(Br)Br und Thionylbromidchlorid O=S(Cl)Br. Die Analyse bestimmt keine absolute Konfiguration am Schwefel im gemischten Halogenid.
3.5 — Quantitative Identifizierung
Die im Aliquot enthaltene Masse der ursprünglichen Substanz beträgt
\[ m_{\text{Aliquot}} = 7.190\ \mathrm{g} \left(\frac{25.00\ \mathrm{cm^3}}{250.0\ \mathrm{cm^3}}\right) = 0.7190\ \mathrm{g}. \]
In der Aufgabe sind keine Atommassen angegeben. Mit üblichen gerundeten Atommassen in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} M(\ce{S})&=32.06,&M(\ce{O})&=16.00,\\ M(\ce{Cl})&=35.45,&M(\ce{Br})&=79.90,&M(\ce{Ag})&=107.87, \end{aligned} \]
ergibt sich
\[ \begin{aligned} M(\ce{AgCl})&=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M(\ce{AgBr})&=187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Bei Thionylbromid ergibt jedes Mol zwei Mol Silberbromid:
\[ m_{\text{Niederschlag}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{207.86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(2\times187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) = 1.299\ \mathrm{g}. \]
Bei Thionylbromidchlorid ergibt jedes Mol jeweils ein Mol Silberbromid und Silberchlorid:
\[ m_{\text{Niederschlag}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{163.41\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(187.77+143.32\right)\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 1.457\ \mathrm{g}. \]
| Mögliche Verbindung | Berechnete Niederschlagsmasse |
|---|---|
| \(\ce{SOBr2}\) | \(1.299\ \mathrm{g}\) |
| \(\ce{SOBrCl}\) | \(1.457\ \mathrm{g}\) |
| Experimenteller Wert | \(1.452\ \mathrm{g}\) |
Der angegebene Wert weist eindeutig auf das gemischte Halogenid als gesuchte Antwort hin:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl}}. \]
Dennoch weicht die dafür berechnete Masse um etwa \(0.0048\ \mathrm{g}\) beziehungsweise \(0.33\%\) vom abgedruckten Wert ab. Die übliche Rundung der Atommassen erklärt diese Abweichung nicht.
3.6 — Hydrolyse
Thionylbromidchlorid hydrolysiert zu Schwefeldioxid, Bromwasserstoff Br und Chlorwasserstoff Cl:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Die Kennzeichnung als wässrige Spezies berücksichtigt die Angabe, dass sich alle Produkte lösten.
In der konventionellen Darstellung mit schwefliger Säure, O=S(O)O, wird dieselbe Hydrolyse häufig wie folgt geschrieben:
\[ \ce{SOBrCl + 2H2O -> H2SO3 + HBr + HCl}. \]
Hier bezeichnet \(\ce{H2SO3}\) das wässrige Schwefel(IV)-System. Schwefel behält die Oxidationszahl \(+4\), sodass bei der Hydrolyse keine Redoxänderung stattfindet.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1994 · Teori sorusu 3
Kükürt oksohalojenürleri: yapıları ve tanımlanmaları
Kükürt, oksijen ve halojenlerle birçok farklı bileşik oluşturur (merkez atom kükürttür). Bu bileşikler çoğunlukla moleküler yapıdadır ve birçoğu suda kolayca hidrolize olur.
3.1 \(\ce{SCl2}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{SO2ClF}\), \(\ce{SF4}\) ve \(\ce{SBrF5}\) moleküllerinin Lewis yapılarını yazınız.
3.2 Bu 5 molekülün geometrilerini dikkatlice çiziniz. ("İdeal" açılardan küçük sapmaları göz ardı ediniz.)
3.3 Kükürt (molekül başına bir atom), oksijen ve \(\ce{F}\), \(\ce{Cl}\), \(\ce{Br}\) ve \(\ce{I}\) elementlerinin bir veya daha fazla atomundan oluşan bir bileşik incelenmiştir. Maddeden az miktarda alınarak suyla tepkimeye sokulmuştur. Madde, herhangi bir yükseltgenme veya indirgenme olmaksızın tamamen hidrolize olmuş ve tüm tepkime ürünleri çözünmüştür. Maddenin seyreltik çözeltisinden alınan ayrı küçük örneklere, bir dizi test reaktifinin 0.1 M çözeltileri eklenmiştir.
Aşağıdaki testlerde hangi iyonlar aranmaktadır?
i) \(\ce{HNO3}\) ve \(\ce{AgNO3}\) eklenmesi.
ii) \(\ce{Ba(NO3)2}\) eklenmesi.
iii) \(\ce{NH3}\) ile \(pH = 7\) olacak şekilde ayarlanması ve \(\ce{Ca(NO3)2}\) eklenmesi.
Testlerde gerçekleşebilecek tepkimelerin denklemlerini yazınız:
iv) Maddenin asidik bir çözeltisine önce \(\ce{KMnO4}\), ardından \(\ce{Ba(NO3)2}\) eklenmesi.
v) \(\ce{Cu(NO3)2}\) eklenmesi.
3.4 Uygulamada, 3.3'teki testler aşağıdaki sonuçları vermiştir:
i) Sarımsı bir çökelek.
ii) Çökelek yok.
iii) Görünür bir tepkime yok.
iv) Başlıca gözlemler, permanganatın karakteristik renginin kaybolması ve \(\ce{Ba(NO3)2}\) eklendiğinde beyaz bir çökelek oluşmasıdır.
v) Çökelek yok.
Bu testlerin sonuçlarını dikkate alarak olası bileşiklerin formüllerini yazınız.
3.5 Son olarak, basit bir nicel analiz yapılmıştır:
Maddeden 7.190 g tartılmış ve 250.0 \(\mathrm{cm^3}\) çözelti elde edilecek şekilde suda çözülmüştür. Bu çözeltinin 25.00 \(\mathrm{cm^3}\)'üne nitrik asit ve çöktürmenin tam olmasını sağlayacak kadar \(\ce{AgNO3}\) eklenmiştir. Yıkanıp kurutulduktan sonra çökeleğin kütlesi 1.452 g olarak bulunmuştur. Bileşiğin formülünü belirleyiniz.
3.6 Maddenin suyla tepkimesini gösteren denklemi yazınız.
Bileşiğin formülünü bulamadıysanız \(\ce{SOClF}\) kullanınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 3.1
| Molekül | SMILES | Kükürt atomundaki bağlar | Kükürt atomundaki ortaklanmamış elektron çiftleri |
|---|---|---|---|
| Kükürt diklorür, \(\ce{SCl2}\) | ClSCl |
İki tekli bağ | 2 |
| Kükürt trioksit, \(\ce{SO3}\) | O=S(=O)=O |
Üç çift bağ | 0 |
| Sülfüril klorür florür, \(\ce{SO2ClF}\) | O=S(=O)(F)Cl |
Oksijenlerle iki çift bağ ve halojenlerle iki tekli bağ | 0 |
| Kükürt tetraflorür, \(\ce{SF4}\) | FS(F)(F)F |
Dört tekli bağ | 1 |
| Bromopentaflorokükürt, \(\ce{SBrF5}\) | FS(F)(F)(F)(F)Br |
Altı tekli bağ | 0 |
Uç konumdaki her halojen atomunda üç ortaklanmamış elektron çifti; bu yapılardaki her oksijen atomunda iki ortaklanmamış elektron çifti bulunur. Tüm formal yükler sıfırdır.
-
3.2 \(\ce{SCl2}\): açısal; \(\ce{SO3}\): düzlem üçgen; \(\ce{SO2ClF}\): dörtyüzlü; \(\ce{SF4}\): ortaklanmamış elektron çifti ekvatoryal konumda olan tahterevalli; \(\ce{SBrF5}\): sekizyüzlü.
-
3.3
- i) Klorür
[Cl-], bromür[Br-]ve iyodür[I-]. - ii) Sülfat
[O-]S(=O)(=O)[O-]. - iii) Florür
[F-]. - iv) Sülfit
[O-]S(=O)[O-]sülfata yükseltgenir; ardından sülfat çöktürülür: \[ \ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \] \[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \] -
v) İyodür, bakır(I) iyodür ve iyot oluşturur: \[ \ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2} \]
-
3.4 Olası bileşikler tiyonil bromür, \(\ce{SOBr2}\),
O=S(Br)Brve tiyonil bromür klorür, \(\ce{SOBrCl}\),O=S(Cl)Brbileşikleridir. -
3.5 Kastedilen bileşik tiyonil bromür klorür, \(\boxed{\ce{SOBrCl}}\) bileşiğidir. Basılı metindeki kütlelerde, aşağıda ele alınan küçük bir sayısal tutarsızlık vardır.
-
3.6 \[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Çözüm
3.1 — Lewis yapıları
Toplam değerlik elektronu sayıları şöyledir:
\[ \begin{array}{c|c} \text{Molekül}&\text{Değerlik elektronları}\\ \hline \ce{SCl2}&6+2(7)=20\\ \ce{SO3}&6+3(6)=24\\ \ce{SO2ClF}&6+2(6)+2(7)=32\\ \ce{SF4}&6+4(7)=34\\ \ce{SBrF5}&6+6(7)=48 \end{array} \]
Cevaplar bölümünde listelenen bağlar ve ortaklanmamış elektron çiftleri kullanıldığında tüm elektronlar hesaba katılır. Örneğin, \(\ce{SF4}\) molekülünde dört bağ için sekiz elektron, flor atomlarının ortaklanmamış elektron çiftleri için yirmi dört elektron kullanılır; kalan iki elektron ise kükürt üzerinde bir ortaklanmamış elektron çifti oluşturur.
Bunlar, gerektiğinde kükürt için genişlemiş oktet kullanılan geleneksel Lewis yapılarıdır. SMILES, atomların birbirine bağlanışını ve formal bağ mertebelerini kaydeder; ortaklanmamış elektron çiftlerini veya aşağıda açıklanan geometrileri açıkça göstermez. Daha sonra kullanılan iyonik SMILES gösterimleri de benzer şekilde bir katının kristal örgüsünü betimlemez.
3.2 — Molekül geometrileri
VSEPR sayımında her tekli veya çoklu bağ bir elektron bölgesi oluşturur.
| Molekül | VSEPR tipi | İstenen çizimin ayrıntılı tarifi |
|---|---|---|
| \(\ce{SCl2}\) | \(\mathrm{AX_2E_2}\) | Dört elektron bölgesi dörtyüzlü düzende yerleşir. İki konumda klor atomları, diğer iki konumda ise ortaklanmamış elektron çiftleri bulunur; böylece açısal bir molekül oluşur. İdeal dörtyüzlü referans açısı \(109.5^\circ\)'dir. |
| \(\ce{SO3}\) | \(\mathrm{AX_3}\) | Kükürdü bir eşkenar üçgenin merkezine, üç oksijen atomunu da köşelerine yerleştiriniz. Dört atomun tamamı aynı düzlemdedir; açılar \(120^\circ\)'dir. |
| \(\ce{SO2ClF}\) | \(\mathrm{AX_4}\) | Kükürdü bir dörtyüzlünün merkezine; iki oksijen atomunu, kloru ve floru dört köşesine yerleştiriniz. İdeal açılar \(109.5^\circ\)'dir. |
| \(\ce{SF4}\) | \(\mathrm{AX_4E}\) | Üçgen çift piramit düzeninden başlayınız. Ortaklanmamış elektron çiftini bir ekvatoryal konuma, iki flor atomunu diğer ekvatoryal konumlara ve iki flor atomunu aksiyal konumlara yerleştiriniz. Böylece bir tahterevalli geometrisi oluşur: aksiyal–aksiyal \(180^\circ\), ekvatoryal–ekvatoryal \(120^\circ\) ve aksiyal–ekvatoryal \(90^\circ\). |
| \(\ce{SBrF5}\) | \(\mathrm{AX_6}\) | Kükürdü bir sekizyüzlünün merkezine yerleştiriniz. Bromu kükürdün üstüne, bir flor atomunu doğrudan altına, diğer dört flor atomunu ise bu doğrultuya dik düzlemdeki bir karenin köşelerine yerleştiriniz. Komşu bağlar \(90^\circ\), karşılıklı bağlar ise \(180^\circ\) açı yapar. |
\(\ce{SF4}\) molekülündeki ortaklanmamış elektron çifti ekvatoryal bir konumu işgal eder; çünkü bu konumun komşu bölgelerle yalnızca iki \(90^\circ\)'lik etkileşimi vardır, oysa aksiyal bir konumun üç böyle etkileşimi olurdu.
3.3 — Analitik testler
i) Nitrik asit ve gümüş nitrat
Gümüş(I) iyonları [Ag+], klorür, bromür ve iyodürü çöktürme yoluyla tespit eder:
\[ \ce{Ag+ + Cl^- -> AgCl(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + Br^- -> AgBr(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + I^- -> AgI(s)} \]
Ürünler şöyledir:
- Gümüş klorür
[Ag+].[Cl-]: beyaz. - Gümüş bromür
[Ag+].[Br-]: krem rengi veya açık sarı. - Gümüş iyodür
[Ag+].[I-]: sarı.
Gümüş florür [Ag+].[F-] çözünür olduğundan bu bir florür testi değildir. Nitrik asit O[N+](=O)[O-], ortama halojenür katmadan sülfit çökelmesinden kaynaklanan girişimi baskılar.
ii) Baryum nitrat
Baryum iyonları [Ba+2], beyaz ve asitte çözünmeyen baryum sülfat [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] oluşumu yoluyla sülfatı tespit eder:
\[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \]
Hidrolize olmuş örneğin asitliği önemlidir: sülfit, aynı şekilde kalıcı ve asitte çözünmeyen bir çökelek vermez.
iii) Nötralleştirme ve kalsiyum nitrat
Kalsiyum iyonları [Ca+2], kalsiyum florür [Ca+2].[F-].[F-] çökelmesi yoluyla florürü tespit eder:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2F^- -> CaF2(s)} \]
Nötralleştirme, florürün ağırlıklı olarak hidrojen florür, F, hâlinde kalmasını önler. Amonyak N, bir proton alarak amonyum [NH4+] oluşturur:
\[ \ce{HF + NH3 -> NH4+ + F^-} \]
iv) Asidik permanganat, ardından baryum nitrat
Permanganat [O-][Mn](=O)(=O)=O, kükürt(IV)'ü kükürt(VI)'ya yükseltger ve mangan(II)'ye, [Mn+2], indirgenir.
Sülfit gösterimi kullanıldığında yarı tepkimeler şöyledir:
\[ \ce{SO3^{2-} + H2O -> SO4^{2-} + 2H+ + 2e^-} \]
\[ \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O} \]
Birincisi beşle, ikincisi ikiyle çarpıldığında şu denklem elde edilir:
\[ \boxed{\ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O}} \]
Burada su O, hidrojen iyonları ise [H+] ile gösterilir.
Asidik çözeltide kükürt(IV), serbest sülfitten ziyade başlıca çözünmüş kükürt dioksit O=S=O ve hidrojen sülfit O=S(O)[O-] hâlinde bulunur. Hidrojen sülfit kullanılarak yazılan eşdeğer bir denklem şöyledir:
\[ \ce{5HSO3^- + 2MnO4^- + H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \]
Ardından gerçekleşen çökelme şöyledir:
\[ \boxed{\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)}} \]
Permanganat, bromür ve iyodürü de yükseltgeyebilir:
\[ \ce{2MnO4^- + 10X^- + 16H+ -> 2Mn^{2+} + 5X2 + 8H2O} \]
\(X=\ce{Br}\) veya \(\ce{I}\) için ürünler brom BrBr veya iyot II olur. Yeterince kuvvetli asidik koşullarda klorür de bu denkleme göre klora ClCl yükseltgenebilir.
Dolayısıyla, permanganat renginin kaybolması tek başına kükürt(IV)'e özgü değildir. Ardından oluşan baryum çökeleğiyle gösterilen sülfat oluşumu, belirleyici ek kanıtı sağlar.
v) Bakır(II) nitrat
Bakır(II) iyonları [Cu+2], iyodürü iyoda yükseltger. İndirgenen bakır, beyaz bakır(I) iyodür [Cu+].[I-] olarak çöker:
\[ \boxed{\ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2}} \]
Burada ilgili olan ayırt edici iyodür tepkimesi budur.
3.4 — Olası bileşikler
Sorudaki nitel test varsayımları altında:
- Sarımsı gümüş çökeleği, bromür ve/veya iyodür bulunduğunu gösterir. Karışık bir çökelekte klorür de bulunabilir.
- Bakır(II) testinin negatif olması iyodür olasılığını eler. Dolayısıyla bromür vardır.
- Kalsiyum testinin negatif olması florür olasılığını eler.
- Başlangıçta baryum çökeleği oluşmaması, sülfatın bulunmadığı anlamına gelir. Yükseltgenmeden sonra baryum sülfat oluşması, başlangıçtaki hidroliz çözeltisinin kükürt(IV) içerdiğini gösterir.
Hidroliz sırasında yükseltgenme veya indirgenme gerçekleşmediğinden, başlangıçtaki bileşikte bulunan kükürdün yükseltgenme basamağı da \(+4\) idi.
Bileşiğin bileşimi \(\ce{SO_{a}X_{b}}\) olsun; burada \(X\), tek değerlikli halojenleri temsil eder. Oksijenin yükseltgenme basamağı \(-2\), halojenlerinki \(-1\) olduğundan,
\[ 2a+b=4. \]
Hem oksijen hem de halojen bulunmalıdır; dolayısıyla \(a\geq1\) ve \(b\geq1\) olur. Tek tam sayı çözümü şöyledir:
\[ a=1,\qquad b=2. \]
Sonuç olarak bileşik bir tiyonil dihalojenürdür. Bromun bulunması zorunlu olduğundan, klor bulunabileceğinden ve flor ile iyot elendiğinden, olasılıklar şöyledir:
\[ \boxed{\ce{SOBr2}\quad\text{veya}\quad\ce{SOBrCl}}. \]
Bunların adları ve SMILES gösterimleri tiyonil bromür O=S(Br)Br ve tiyonil bromür klorür O=S(Cl)Br şeklindedir. Analiz, karışık halojenürdeki kükürt atomunun mutlak konfigürasyonunu belirlemez.
3.5 — Nicel tanımlama
Alınan alikotun temsil ettiği başlangıç maddesinin kütlesi şöyledir:
\[ m_{\text{alikot}} = 7.190\ \mathrm{g} \left(\frac{25.00\ \mathrm{cm^3}}{250.0\ \mathrm{cm^3}}\right) = 0.7190\ \mathrm{g}. \]
Soruda atom kütleleri verilmemiştir. \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) biriminde standart yuvarlatılmış atom kütleleri kullanıldığında,
\[ \begin{aligned} M(\ce{S})&=32.06,&M(\ce{O})&=16.00,\\ M(\ce{Cl})&=35.45,&M(\ce{Br})&=79.90,&M(\ce{Ag})&=107.87, \end{aligned} \]
şu değerler elde edilir:
\[ \begin{aligned} M(\ce{AgCl})&=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M(\ce{AgBr})&=187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Tiyonil bromür için her mol, iki mol gümüş bromür verir:
\[ m_{\text{çökelek}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{207.86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(2\times187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) = 1.299\ \mathrm{g}. \]
Tiyonil bromür klorür için her mol, birer mol gümüş bromür ve gümüş klorür verir:
\[ m_{\text{çökelek}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{163.41\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(187.77+143.32\right)\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 1.457\ \mathrm{g}. \]
| Aday | Öngörülen çökelek kütlesi |
|---|---|
| \(\ce{SOBr2}\) | \(1.299\ \mathrm{g}\) |
| \(\ce{SOBrCl}\) | \(1.457\ \mathrm{g}\) |
| Deneysel değer | \(1.452\ \mathrm{g}\) |
Bildirilen değer, kastedilen cevabın karışık halojenür olduğunu açıkça gösterir:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl}}. \]
Bununla birlikte, öngörülen kütle basılı metindeki değerden yaklaşık \(0.0048\ \mathrm{g}\), yani \(0.33\%\) kadar farklıdır. Atom kütlelerinin olağan biçimde yuvarlanması bu farkı açıklamaz.
3.6 — Hidroliz
Tiyonil bromür klorür, kükürt dioksit, hidrojen bromür Br ve hidrojen klorür Cl oluşturacak şekilde hidrolize olur:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Sulu çözelti gösterimi, tüm ürünlerin çözündüğünü belirten ifadeyle uyumludur.
Geleneksel sülfüröz asit gösterimi, yani sülfüröz asit O=S(O)O, kullanıldığında aynı hidroliz yaygın olarak şöyle yazılır:
\[ \ce{SOBrCl + 2H2O -> H2SO3 + HBr + HCl}. \]
Burada \(\ce{H2SO3}\), sulu kükürt(IV) sistemini belirtir. Kükürt \(+4\) yükseltgenme basamağında kalır; dolayısıyla hidroliz herhangi bir redoks değişimi içermez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1994 · Problema teórico 3
Oxohaluros de azufre: estructuras e identificación
El azufre forma muchos compuestos diferentes con oxígeno y halógenos (con el azufre como átomo central). Estos compuestos son principalmente moleculares, y muchos se hidrolizan fácilmente en agua.
3.1 Escriba las estructuras de Lewis de las moléculas \(\ce{SCl2}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{SO2ClF}\), \(\ce{SF4}\) y \(\ce{SBrF5}\).
3.2 Dibuje cuidadosamente las geometrías de las 5 moléculas. (Ignore las pequeñas desviaciones respecto a los ángulos «ideales».)
3.3 Se examinó un compuesto constituido por azufre (un átomo por molécula), oxígeno y uno o más átomos de los elementos \(\ce{F}\), \(\ce{Cl}\), \(\ce{Br}\) y \(\ce{I}\). Se hizo reaccionar una pequeña cantidad de la sustancia con agua. Se hidrolizó por completo sin que se produjera oxidación ni reducción, y todos los productos de la reacción se disolvieron. Se añadieron disoluciones 0.1 M de una serie de reactivos de ensayo a pequeñas porciones separadas de una disolución diluida de la sustancia.
¿Qué iones se pretende detectar en los siguientes ensayos?
i) Adición de \(\ce{HNO3}\) y \(\ce{AgNO3}\).
ii) Adición de \(\ce{Ba(NO3)2}\).
iii) Ajuste a \(pH = 7\) con \(\ce{NH3}\) y adición de \(\ce{Ca(NO3)2}\).
Escriba las ecuaciones de las posibles reacciones en los ensayos:
iv) Adición de \(\ce{KMnO4}\), seguida de \(\ce{Ba(NO3)2}\), a una disolución ácida de la sustancia.
v) Adición de \(\ce{Cu(NO3)2}\).
3.4 En la práctica, los ensayos de 3.3 dieron los siguientes resultados:
i) Un precipitado amarillento.
ii) Ningún precipitado.
iii) Ninguna reacción visible.
iv) Las observaciones principales fueron la desaparición del color característico del permanganato y la formación de un precipitado blanco al añadir \(\ce{Ba(NO3)2}\).
v) Ningún precipitado.
Escriba las fórmulas de los posibles compuestos, teniendo en cuenta los resultados de estos ensayos.
3.5 Finalmente, se realizó un análisis cuantitativo sencillo:
Se pesaron 7.190 g de la sustancia y se disolvieron en agua hasta obtener 250.0 \(\mathrm{cm^3}\) de disolución. A 25.00 \(\mathrm{cm^3}\) de esta disolución se añadieron ácido nítrico y suficiente \(\ce{AgNO3}\) para asegurar la precipitación completa. Tras lavar y secar el precipitado, su masa fue de 1.452 g. Determine la fórmula del compuesto.
3.6 Escriba la ecuación que describe la reacción de la sustancia con agua.
Si no ha encontrado la fórmula del compuesto, utilice \(\ce{SOClF}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 3.1
| Molécula | SMILES | Enlaces del azufre | Pares solitarios del azufre |
|---|---|---|---|
| Dicloruro de azufre, \(\ce{SCl2}\) | ClSCl |
Dos enlaces simples | 2 |
| Trióxido de azufre, \(\ce{SO3}\) | O=S(=O)=O |
Tres enlaces dobles | 0 |
| Cloruro fluoruro de sulfurilo, \(\ce{SO2ClF}\) | O=S(=O)(F)Cl |
Dos enlaces dobles con oxígeno y dos enlaces simples con halógenos | 0 |
| Tetrafluoruro de azufre, \(\ce{SF4}\) | FS(F)(F)F |
Cuatro enlaces simples | 1 |
| Bromuro pentafluoruro de azufre, \(\ce{SBrF5}\) | FS(F)(F)(F)(F)Br |
Seis enlaces simples | 0 |
Cada halógeno terminal tiene tres pares solitarios; cada oxígeno de estas estructuras tiene dos pares solitarios. Todas las cargas formales son cero.
-
3.2 \(\ce{SCl2}\): angular; \(\ce{SO3}\): trigonal plana; \(\ce{SO2ClF}\): tetraédrica; \(\ce{SF4}\): de balancín, con un par solitario ecuatorial; \(\ce{SBrF5}\): octaédrica.
-
3.3
- i) Cloruro
[Cl-], bromuro[Br-]y yoduro[I-]. - ii) Sulfato
[O-]S(=O)(=O)[O-]. - iii) Fluoruro
[F-]. - iv) El sulfito
[O-]S(=O)[O-]se oxida a sulfato, que a continuación precipita: \[ \ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \] \[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \] -
v) El yoduro produce yoduro de cobre(I) y yodo: \[ \ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2} \]
-
3.4 Los posibles compuestos son el bromuro de tionilo, \(\ce{SOBr2}\),
O=S(Br)Br, y el bromuro cloruro de tionilo, \(\ce{SOBrCl}\),O=S(Cl)Br. -
3.5 El compuesto que se pretende identificar es el bromuro cloruro de tionilo, \(\boxed{\ce{SOBrCl}}\). Las masas impresas presentan una pequeña discrepancia numérica, que se analiza más adelante.
-
3.6 \[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Solución
3.1 — Estructuras de Lewis
Los números totales de electrones de valencia son:
\[ \begin{array}{c|c} \text{Molécula}&\text{Electrones de valencia}\\ \hline \ce{SCl2}&6+2(7)=20\\ \ce{SO3}&6+3(6)=24\\ \ce{SO2ClF}&6+2(6)+2(7)=32\\ \ce{SF4}&6+4(7)=34\\ \ce{SBrF5}&6+6(7)=48 \end{array} \]
Los enlaces y pares solitarios indicados en las Respuestas permiten contabilizar todos los electrones. Por ejemplo, en \(\ce{SF4}\), los cuatro enlaces utilizan ocho electrones, los pares solitarios de los átomos de flúor utilizan veinticuatro y los dos restantes forman un par solitario del azufre.
Estas son estructuras de Lewis convencionales con octeto expandido para el azufre cuando es necesario. SMILES representa la conectividad y los órdenes de enlace formales; no muestra explícitamente los pares solitarios ni las geometrías descritas a continuación. Del mismo modo, los SMILES iónicos utilizados más adelante no describen la red cristalina de un sólido.
3.2 — Geometrías moleculares
En el recuento según el modelo RPECV, cada enlace simple o múltiple constituye un dominio electrónico.
| Molécula | Tipo RPECV | Descripción precisa del dibujo solicitado |
|---|---|---|
| \(\ce{SCl2}\) | \(\mathrm{AX_2E_2}\) | Cuatro dominios electrónicos presentan una disposición tetraédrica. Dos posiciones contienen átomos de cloro y otras dos contienen pares solitarios, lo que da lugar a una molécula angular. El ángulo tetraédrico ideal de referencia es \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SO3}\) | \(\mathrm{AX_3}\) | Sitúe el azufre en el centro de un triángulo equilátero, con los tres átomos de oxígeno en sus vértices. Los cuatro átomos son coplanarios; los ángulos son de \(120^\circ\). |
| \(\ce{SO2ClF}\) | \(\mathrm{AX_4}\) | Sitúe el azufre en el centro de un tetraedro y los dos átomos de oxígeno, el cloro y el flúor en sus cuatro vértices. Los ángulos ideales son de \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SF4}\) | \(\mathrm{AX_4E}\) | Parta de una bipirámide trigonal. Sitúe el par solitario en una posición ecuatorial, dos átomos de flúor en las otras posiciones ecuatoriales y dos átomos de flúor en las posiciones axiales. Esto da lugar a una geometría de balancín: axial–axial \(180^\circ\), ecuatorial–ecuatorial \(120^\circ\) y axial–ecuatorial \(90^\circ\). |
| \(\ce{SBrF5}\) | \(\mathrm{AX_6}\) | Sitúe el azufre en el centro de un octaedro. Coloque el bromo por encima del azufre, un átomo de flúor directamente por debajo y los otros cuatro átomos de flúor en los vértices de un cuadrado situado en el plano perpendicular. Los enlaces adyacentes forman ángulos de \(90^\circ\), y los enlaces opuestos forman ángulos de \(180^\circ\). |
El par solitario de \(\ce{SF4}\) ocupa una posición ecuatorial porque esa posición solo presenta dos interacciones de \(90^\circ\) con dominios vecinos, mientras que una posición axial tendría tres.
3.3 — Ensayos analíticos
i) Ácido nítrico y nitrato de plata
Los iones plata(I) [Ag+] detectan cloruro, bromuro y yoduro mediante precipitación:
\[ \ce{Ag+ + Cl^- -> AgCl(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + Br^- -> AgBr(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + I^- -> AgI(s)} \]
Los productos son:
- Cloruro de plata
[Ag+].[Cl-]: blanco. - Bromuro de plata
[Ag+].[Br-]: crema o amarillo pálido. - Yoduro de plata
[Ag+].[I-]: amarillo.
El fluoruro de plata [Ag+].[F-] es soluble, por lo que este ensayo no permite detectar fluoruro. El ácido nítrico O[N+](=O)[O-] suprime la interferencia debida a la precipitación de sulfito sin introducir un haluro.
ii) Nitrato de bario
Los iones bario [Ba+2] detectan sulfato mediante la formación de sulfato de bario [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-], blanco e insoluble en medio ácido:
\[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \]
La acidez de la muestra hidrolizada es relevante: el sulfito no produce el mismo precipitado persistente e insoluble en medio ácido.
iii) Neutralización y nitrato de calcio
Los iones calcio [Ca+2] detectan fluoruro mediante la precipitación de fluoruro de calcio [Ca+2].[F-].[F-]:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2F^- -> CaF2(s)} \]
La neutralización evita que el fluoruro permanezca predominantemente como fluoruro de hidrógeno, F. El amoníaco N acepta un protón y forma amonio [NH4+]:
\[ \ce{HF + NH3 -> NH4+ + F^-} \]
iv) Permanganato en medio ácido, seguido de nitrato de bario
El permanganato [O-][Mn](=O)(=O)=O oxida el azufre(IV) a azufre(VI) y se reduce a manganeso(II), [Mn+2].
Utilizando la notación del sulfito, las semirreacciones son:
\[ \ce{SO3^{2-} + H2O -> SO4^{2-} + 2H+ + 2e^-} \]
\[ \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O} \]
Al multiplicar la primera por cinco y la segunda por dos se obtiene:
\[ \boxed{\ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O}} \]
Aquí el agua es O, y los iones hidrógeno se representan mediante [H+].
En disolución ácida, el azufre(IV) se encuentra principalmente como dióxido de azufre disuelto O=S=O e hidrogenosulfito O=S(O)[O-], en lugar de sulfito libre. Una ecuación equivalente que utiliza hidrogenosulfito es:
\[ \ce{5HSO3^- + 2MnO4^- + H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \]
La precipitación posterior es:
\[ \boxed{\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)}} \]
El permanganato también puede oxidar bromuro y yoduro:
\[ \ce{2MnO4^- + 10X^- + 16H+ -> 2Mn^{2+} + 5X2 + 8H2O} \]
Para \(X=\ce{Br}\) o \(\ce{I}\), los productos son bromo BrBr o yodo II. En condiciones de acidez suficientemente elevada, el cloruro también puede oxidarse según esta ecuación a cloro ClCl.
Por tanto, la desaparición del color del permanganato por sí sola no es específica del azufre(IV). La formación de sulfato, demostrada por el posterior precipitado de bario, aporta la evidencia adicional decisiva.
v) Nitrato de cobre(II)
Los iones cobre(II) [Cu+2] oxidan el yoduro a yodo. El cobre reducido precipita como yoduro de cobre(I) [Cu+].[I-], de color blanco:
\[ \boxed{\ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2}} \]
Esta es la reacción de identificación del yoduro pertinente en este caso.
3.4 — Posibles compuestos
Bajo los supuestos de los ensayos cualitativos del problema:
- El precipitado amarillento de plata indica la presencia de bromuro y/o yoduro. También puede haber cloruro en un precipitado mixto.
- El resultado negativo del ensayo con cobre(II) excluye el yoduro. Por tanto, hay bromuro.
- El resultado negativo del ensayo con calcio excluye el fluoruro.
- La ausencia de un precipitado inicial de bario significa que no hay sulfato. La formación de sulfato de bario tras la oxidación muestra que el hidrolizado original contiene azufre(IV).
Como la hidrólisis no implicó oxidación ni reducción, el azufre del compuesto original también tenía el estado de oxidación \(+4\).
Sea su composición \(\ce{SO_{a}X_{b}}\), donde \(X\) representa halógenos monovalentes. Con el oxígeno en \(-2\) y los halógenos en \(-1\),
\[ 2a+b=4. \]
Deben estar presentes tanto oxígeno como halógeno, por lo que \(a\geq1\) y \(b\geq1\). La única solución entera es
\[ a=1,\qquad b=2. \]
Por consiguiente, el compuesto es un dihaluro de tionilo. Como debe contener bromo, puede contener cloro y se excluyen el flúor y el yodo, las posibilidades son:
\[ \boxed{\ce{SOBr2}\quad\text{o}\quad\ce{SOBrCl}}. \]
Sus nombres y SMILES son bromuro de tionilo O=S(Br)Br y bromuro cloruro de tionilo O=S(Cl)Br. El análisis no determina una configuración absoluta en el azufre del haluro mixto.
3.5 — Identificación cuantitativa
La masa de sustancia original contenida en la alícuota es
\[ m_{\text{alícuota}} = 7.190\ \mathrm{g} \left(\frac{25.00\ \mathrm{cm^3}}{250.0\ \mathrm{cm^3}}\right) = 0.7190\ \mathrm{g}. \]
El problema no proporciona masas atómicas. Utilizando masas atómicas estándar redondeadas en \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} M(\ce{S})&=32.06,&M(\ce{O})&=16.00,\\ M(\ce{Cl})&=35.45,&M(\ce{Br})&=79.90,&M(\ce{Ag})&=107.87, \end{aligned} \]
se obtiene
\[ \begin{aligned} M(\ce{AgCl})&=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M(\ce{AgBr})&=187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Para el bromuro de tionilo, cada mol produce dos moles de bromuro de plata:
\[ m_{\text{precipitado}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{207.86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(2\times187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) = 1.299\ \mathrm{g}. \]
Para el bromuro cloruro de tionilo, cada mol produce un mol de bromuro de plata y un mol de cloruro de plata:
\[ m_{\text{precipitado}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{163.41\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(187.77+143.32\right)\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 1.457\ \mathrm{g}. \]
| Candidato | Masa prevista del precipitado |
|---|---|
| \(\ce{SOBr2}\) | \(1.299\ \mathrm{g}\) |
| \(\ce{SOBrCl}\) | \(1.457\ \mathrm{g}\) |
| Valor experimental | \(1.452\ \mathrm{g}\) |
El valor indicado identifica claramente el haluro mixto como la respuesta prevista:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl}}. \]
No obstante, su masa prevista difiere del valor impreso en aproximadamente \(0.0048\ \mathrm{g}\), o un \(0.33\%\). El redondeo habitual de las masas atómicas no explica esa diferencia.
3.6 — Hidrólisis
El bromuro cloruro de tionilo se hidroliza para dar dióxido de azufre, bromuro de hidrógeno Br y cloruro de hidrógeno Cl:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
La indicación de estado acuoso respeta la afirmación del enunciado de que todos los productos se disolvieron.
Utilizando la representación convencional mediante ácido sulfuroso, ácido sulfuroso O=S(O)O, la misma hidrólisis suele escribirse:
\[ \ce{SOBrCl + 2H2O -> H2SO3 + HBr + HCl}. \]
Aquí \(\ce{H2SO3}\) denota el sistema acuoso de azufre(IV). El azufre permanece en el estado de oxidación \(+4\), por lo que la hidrólisis no implica ningún cambio redox.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1994 · 理论题 3
硫的含氧卤化物:结构与鉴定
硫能与氧和卤素形成多种不同的化合物(以硫为中心原子)。这些化合物主要是分子化合物,其中许多在水中容易水解。
3.1 写出分子 \(\ce{SCl2}\)、\(\ce{SO3}\)、\(\ce{SO2ClF}\)、\(\ce{SF4}\) 和 \(\ce{SBrF5}\) 的路易斯结构。
3.2 仔细画出这 5 种分子的几何构型。(忽略与“理想”键角的微小偏差。)
3.3 对一种由硫(每个分子含一个硫原子)、氧以及元素 \(\ce{F}\)、\(\ce{Cl}\)、\(\ce{Br}\) 和 \(\ce{I}\) 中的一种或多种元素的原子组成的化合物进行了检验。取少量该物质与水反应。该物质完全水解,过程中未发生任何氧化或还原,且所有反应产物均溶解。将该物质的稀溶液分取为若干小份,分别加入一系列检验试剂的 0.1 M 溶液。
下列检验分别用于检验哪些离子?
i) 加入 \(\ce{HNO3}\) 和 \(\ce{AgNO3}\)。
ii) 加入 \(\ce{Ba(NO3)2}\)。
iii) 用 \(\ce{NH3}\) 将溶液调节至 \(pH = 7\),再加入 \(\ce{Ca(NO3)2}\)。
写出下列检验中可能发生的反应的方程式:
iv) 向该物质的酸性溶液中加入 \(\ce{KMnO4}\),随后加入 \(\ce{Ba(NO3)2}\)。
v) 加入 \(\ce{Cu(NO3)2}\)。
3.4 实际进行 3.3 中的检验时,得到以下结果:
i) 生成淡黄色沉淀。
ii) 无沉淀。
iii) 无可见反应。
iv) 主要现象是高锰酸根的特征颜色消失,且加入 \(\ce{Ba(NO3)2}\) 后形成白色沉淀。
v) 无沉淀。
根据这些检验结果,写出可能的化合物的化学式。
3.5 最后,进行了一项简单的定量分析:
称取 7.190 g 该物质,溶于水并配成 250.0 \(\mathrm{cm^3}\) 溶液。取其中 25.00 \(\mathrm{cm^3}\),加入硝酸和足量的 \(\ce{AgNO3}\),以确保沉淀完全。沉淀经洗涤、干燥后,质量为 1.452 g。确定该化合物的化学式。
3.6 写出该物质与水反应的方程式。
如果你未能确定该化合物的化学式,请使用 \(\ce{SOClF}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
- 3.1
| 分子 | SMILES | 硫原子上的化学键 | 硫原子上的孤电子对数 |
|---|---|---|---|
| 二氯化硫,\(\ce{SCl2}\) | ClSCl |
两个单键 | 2 |
| 三氧化硫,\(\ce{SO3}\) | O=S(=O)=O |
三个双键 | 0 |
| 氯氟化硫酰,\(\ce{SO2ClF}\) | O=S(=O)(F)Cl |
两个与氧形成的双键和两个与卤素形成的单键 | 0 |
| 四氟化硫,\(\ce{SF4}\) | FS(F)(F)F |
四个单键 | 1 |
| 五氟一溴化硫,\(\ce{SBrF5}\) | FS(F)(F)(F)(F)Br |
六个单键 | 0 |
每个末端卤素原子都有三对孤电子对;这些结构中的每个氧原子都有两对孤电子对。所有形式电荷均为零。
-
3.2 \(\ce{SCl2}\):折线形;\(\ce{SO3}\):平面三角形;\(\ce{SO2ClF}\):四面体形;\(\ce{SF4}\):跷跷板形,孤电子对位于赤道位置;\(\ce{SBrF5}\):八面体形。
-
3.3
- i) 氯离子
[Cl-]、溴离子[Br-]和碘离子[I-]。 - ii) 硫酸根离子
[O-]S(=O)(=O)[O-]。 - iii) 氟离子
[F-]。 - iv) 亚硫酸根离子
[O-]S(=O)[O-]被氧化为硫酸根离子,随后形成沉淀: \[ \ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \] \[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \] -
v) 碘离子反应生成碘化亚铜和碘: \[ \ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2} \]
-
3.4 可能的化合物为溴化亚砜,\(\ce{SOBr2}\),
O=S(Br)Br,以及氯溴化亚砜,\(\ce{SOBrCl}\),O=S(Cl)Br。 -
3.5 题目预期的化合物为氯溴化亚砜,\(\boxed{\ce{SOBrCl}}\)。题中印出的质量数据存在小幅数值不一致,下文将予以讨论。
-
3.6 \[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
解答
3.1 — 路易斯结构
价电子总数如下:
\[ \begin{array}{c|c} \text{分子}&\text{价电子数}\\ \hline \ce{SCl2}&6+2(7)=20\\ \ce{SO3}&6+3(6)=24\\ \ce{SO2ClF}&6+2(6)+2(7)=32\\ \ce{SF4}&6+4(7)=34\\ \ce{SBrF5}&6+6(7)=48 \end{array} \]
答案中所列的化学键和孤电子对恰好涵盖了全部电子。例如,在 \(\ce{SF4}\) 中,四个化学键使用八个电子,氟原子上的孤电子对使用二十四个电子,剩余的两个电子构成硫原子上的一对孤电子对。
这些是常规的路易斯结构,其中在必要时采用硫原子的扩展八隅体结构。SMILES 记录原子连接关系和形式键级;它并不明确表示孤电子对或下文所述的几何构型。后文使用的离子 SMILES 同样不描述固体的晶格。
3.2 — 分子几何构型
在 VSEPR 计数中,每个单键或多重键均算作一个电子域。
| 分子 | VSEPR 类型 | 对所要求绘图的准确描述 |
|---|---|---|
| \(\ce{SCl2}\) | \(\mathrm{AX_2E_2}\) | 四个电子域呈四面体排列。两个位置由氯原子占据,另外两个由孤电子对占据,因此分子呈折线形。理想四面体的参考键角为 \(109.5^\circ\)。 |
| \(\ce{SO3}\) | \(\mathrm{AX_3}\) | 将硫原子置于等边三角形的中心,三个氧原子置于其顶点。四个原子共面;键角为 \(120^\circ\)。 |
| \(\ce{SO2ClF}\) | \(\mathrm{AX_4}\) | 将硫原子置于四面体的中心,两个氧原子、氯原子和氟原子置于其四个顶点。理想键角为 \(109.5^\circ\)。 |
| \(\ce{SF4}\) | \(\mathrm{AX_4E}\) | 从三角双锥构型出发。将孤电子对置于一个赤道位置,两个氟原子置于另外两个赤道位置,另两个氟原子置于轴向位置。由此得到跷跷板形构型:轴向—轴向夹角为 \(180^\circ\),赤道—赤道夹角为 \(120^\circ\),轴向—赤道夹角为 \(90^\circ\)。 |
| \(\ce{SBrF5}\) | \(\mathrm{AX_6}\) | 将硫原子置于八面体的中心。将溴原子置于硫原子上方,一个氟原子置于正下方,其余四个氟原子置于垂直于该轴线的平面内的正方形四角。相邻化学键的夹角为 \(90^\circ\),相对化学键的夹角为 \(180^\circ\)。 |
\(\ce{SF4}\) 中的孤电子对占据赤道位置,因为该位置与相邻电子域之间只有两个 \(90^\circ\) 的相互作用,而轴向位置则有三个。
3.3 — 分析检验
i) 硝酸和硝酸银
银(I)离子 [Ag+] 通过沉淀反应检验氯离子、溴离子和碘离子:
\[ \ce{Ag+ + Cl^- -> AgCl(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + Br^- -> AgBr(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + I^- -> AgI(s)} \]
产物为:
- 氯化银
[Ag+].[Cl-]:白色。 - 溴化银
[Ag+].[Br-]:乳黄色或淡黄色。 - 碘化银
[Ag+].[I-]:黄色。
氟化银 [Ag+].[F-] 可溶,因此这不是氟离子的检验方法。硝酸 O[N+](=O)[O-] 可抑制亚硫酸盐沉淀造成的干扰,同时不会引入卤离子。
ii) 硝酸钡
钡离子 [Ba+2] 通过生成白色、不溶于酸的硫酸钡 [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] 来检验硫酸根离子:
\[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \]
水解后样品的酸性至关重要:亚硫酸根不会形成同样持久存在且不溶于酸的沉淀。
iii) 中和及硝酸钙
钙离子 [Ca+2] 通过生成氟化钙沉淀 [Ca+2].[F-].[F-] 来检验氟离子:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2F^- -> CaF2(s)} \]
中和可避免氟主要以氟化氢 F 的形式存在。氨 N 接受一个质子,形成铵离子 [NH4+]:
\[ \ce{HF + NH3 -> NH4+ + F^-} \]
iv) 酸性高锰酸盐,随后加入硝酸钡
高锰酸根 [O-][Mn](=O)(=O)=O 将硫(IV)氧化为硫(VI),自身被还原为锰(II)离子 [Mn+2]。
采用亚硫酸根的表示方式,半反应为:
\[ \ce{SO3^{2-} + H2O -> SO4^{2-} + 2H+ + 2e^-} \]
\[ \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O} \]
将第一个半反应乘以五,第二个半反应乘以二,得到:
\[ \boxed{\ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O}} \]
这里水表示为 O,氢离子表示为 [H+]。
在酸性溶液中,硫(IV)主要以溶解的二氧化硫 O=S=O 和亚硫酸氢根 O=S(O)[O-] 的形式存在,而不是游离的亚硫酸根。用亚硫酸氢根表示的等价方程式为:
\[ \ce{5HSO3^- + 2MnO4^- + H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \]
随后发生的沉淀反应为:
\[ \boxed{\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)}} \]
高锰酸根也能氧化溴离子和碘离子:
\[ \ce{2MnO4^- + 10X^- + 16H+ -> 2Mn^{2+} + 5X2 + 8H2O} \]
当 \(X=\ce{Br}\) 或 \(\ce{I}\) 时,产物为溴 BrBr 或碘 II。在酸性足够强的条件下,氯离子也可以按照该方程式被氧化为氯气 ClCl。
因此,仅凭高锰酸根颜色消失并不能特异性地检出硫(IV)。随后生成钡盐沉淀,证实形成了硫酸根,这提供了决定性的补充证据。
v) 硝酸铜(II)
铜(II)离子 [Cu+2] 将碘离子氧化为碘。还原后的铜以白色碘化亚铜 [Cu+].[I-] 的形式沉淀:
\[ \boxed{\ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2}} \]
这就是此处用于鉴别碘离子的特征反应。
3.4 — 可能的化合物
在本题定性检验所依据的假设下:
- 淡黄色银盐沉淀表明存在溴离子和/或碘离子。混合沉淀中也可能含有氯离子。
- 铜(II)检验呈阴性,排除了碘离子。因此,存在溴离子。
- 钙盐检验呈阴性,排除了氟离子。
- 起初不生成钡盐沉淀,说明不存在硫酸根。氧化后生成硫酸钡,表明原始水解液中含有硫(IV)。
由于水解过程中没有发生氧化或还原,原化合物中硫的氧化态也为 \(+4\)。
设其组成为 \(\ce{SO_{a}X_{b}}\),其中 \(X\) 代表一价卤素。氧的氧化态为 \(-2\),卤素的氧化态为 \(-1\),因此
\[ 2a+b=4. \]
氧和卤素都必须存在,因此 \(a\geq1\) 且 \(b\geq1\)。唯一的整数解为
\[ a=1,\qquad b=2. \]
因此,该化合物为二卤化亚砜。由于必须含有溴,可能含有氯,而氟和碘已被排除,可能的化合物为:
\[ \boxed{\ce{SOBr2}\quad\text{或}\quad\ce{SOBrCl}}. \]
它们的名称和 SMILES 分别为溴化亚砜 O=S(Br)Br 和氯溴化亚砜 O=S(Cl)Br。该分析不能确定混合卤化物中硫原子的绝对构型。
3.5 — 定量鉴定
所取等分试液中对应的原物质质量为
\[ m_{\text{等分试液}} = 7.190\ \mathrm{g} \left(\frac{25.00\ \mathrm{cm^3}}{250.0\ \mathrm{cm^3}}\right) = 0.7190\ \mathrm{g}. \]
题目未给出原子质量。采用常用的经四舍五入的标准原子质量,以 \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) 为单位,
\[ \begin{aligned} M(\ce{S})&=32.06,&M(\ce{O})&=16.00,\\ M(\ce{Cl})&=35.45,&M(\ce{Br})&=79.90,&M(\ce{Ag})&=107.87, \end{aligned} \]
得到
\[ \begin{aligned} M(\ce{AgCl})&=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M(\ce{AgBr})&=187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
对于溴化亚砜,每摩尔生成两摩尔溴化银:
\[ m_{\text{沉淀}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{207.86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(2\times187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) = 1.299\ \mathrm{g}. \]
对于氯溴化亚砜,每摩尔分别生成一摩尔溴化银和一摩尔氯化银:
\[ m_{\text{沉淀}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{163.41\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(187.77+143.32\right)\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 1.457\ \mathrm{g}. \]
| 候选化合物 | 预测沉淀质量 |
|---|---|
| \(\ce{SOBr2}\) | \(1.299\ \mathrm{g}\) |
| \(\ce{SOBrCl}\) | \(1.457\ \mathrm{g}\) |
| 实验值 | \(1.452\ \mathrm{g}\) |
所报告的数值明确表明,预期答案为混合卤化物:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl}}. \]
然而,其预测质量与题中印出的数值相差约 \(0.0048\ \mathrm{g}\),即 \(0.33\%\)。通常的原子质量取舍无法解释这一差异。
3.6 — 水解
氯溴化亚砜水解生成二氧化硫、溴化氢 Br 和氯化氢 Cl:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
标注为水溶液符合题目中所有产物均溶解的说明。
采用常规的亚硫酸表示方式,其中亚硫酸为 O=S(O)O,同一水解反应通常写为:
\[ \ce{SOBrCl + 2H2O -> H2SO3 + HBr + HCl}. \]
这里 \(\ce{H2SO3}\) 表示水溶液中的硫(IV)体系。硫的氧化态保持为 \(+4\),因此该水解过程不涉及氧化还原变化。
解答已与官方解答核对。
IChO 1994 · Теоретическая задача 3
Оксогалогениды серы: строение и идентификация
Сера образует множество различных соединений с кислородом и галогенами (сера является центральным атомом). Эти соединения имеют преимущественно молекулярное строение, и многие из них легко гидролизуются в воде.
3.1 Напишите структуры Льюиса для молекул \(\ce{SCl2}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{SO2ClF}\), \(\ce{SF4}\) и \(\ce{SBrF5}\).
3.2 Аккуратно изобразите пространственное строение этих 5 молекул. (Пренебрегайте небольшими отклонениями от «идеальных» углов.)
3.3 Было исследовано соединение, состоящее из серы (один атом на молекулу), кислорода и одного или нескольких атомов элементов \(\ce{F}\), \(\ce{Cl}\), \(\ce{Br}\) и \(\ce{I}\). Небольшое количество вещества прореагировало с водой. Оно полностью гидролизовалось без какого-либо окисления или восстановления, и все продукты реакции растворились. К отдельным небольшим порциям разбавленного раствора вещества добавляли 0.1 М растворы ряда аналитических реагентов.
Какие ионы обнаруживают в следующих пробах?
i) Добавление \(\ce{HNO3}\) и \(\ce{AgNO3}\).
ii) Добавление \(\ce{Ba(NO3)2}\).
iii) Доведение до \(pH = 7\) с помощью \(\ce{NH3}\) и добавление \(\ce{Ca(NO3)2}\).
Напишите уравнения возможных реакций в следующих пробах:
iv) Добавление \(\ce{KMnO4}\), а затем \(\ce{Ba(NO3)2}\) к кислому раствору вещества.
v) Добавление \(\ce{Cu(NO3)2}\).
3.4 На практике пробы из пункта 3.3 дали следующие результаты:
i) Желтоватый осадок.
ii) Осадок отсутствует.
iii) Видимых признаков реакции нет.
iv) Основные наблюдения: характерная окраска перманганата исчезла, а при добавлении \(\ce{Ba(NO3)2}\) образовался белый осадок.
v) Осадок отсутствует.
Напишите формулы возможных соединений с учётом результатов этих проб.
3.5 Наконец, был проведён простой количественный анализ:
Навеску вещества массой 7.190 г растворили в воде, получив 250.0 \(\mathrm{cm^3}\) раствора. К 25.00 \(\mathrm{cm^3}\) этого раствора добавили азотную кислоту и достаточное для полного осаждения количество \(\ce{AgNO3}\). После промывания и высушивания масса осадка составила 1.452 г. Определите формулу соединения.
3.6 Напишите уравнение реакции вещества с водой.
Если вы не нашли формулу соединения, используйте \(\ce{SOClF}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 3.1
| Молекула | SMILES | Связи атома серы | Неподелённые пары на атоме серы |
|---|---|---|---|
| Дихлорид серы, \(\ce{SCl2}\) | ClSCl |
Две одинарные связи | 2 |
| Триоксид серы, \(\ce{SO3}\) | O=S(=O)=O |
Три двойные связи | 0 |
| Хлорид-фторид сульфурила, \(\ce{SO2ClF}\) | O=S(=O)(F)Cl |
Две двойные связи с кислородом и две одинарные связи с галогенами | 0 |
| Тетрафторид серы, \(\ce{SF4}\) | FS(F)(F)F |
Четыре одинарные связи | 1 |
| Бромид-пентафторид серы, \(\ce{SBrF5}\) | FS(F)(F)(F)(F)Br |
Шесть одинарных связей | 0 |
Каждый концевой атом галогена имеет три неподелённые пары; каждый атом кислорода в этих структурах имеет две неподелённые пары. Все формальные заряды равны нулю.
-
3.2 \(\ce{SCl2}\): угловая; \(\ce{SO3}\): плоская треугольная; \(\ce{SO2ClF}\): тетраэдрическая; \(\ce{SF4}\): форма качелей с неподелённой парой в экваториальном положении; \(\ce{SBrF5}\): октаэдрическая.
-
3.3
- i) Хлорид
[Cl-], бромид[Br-]и иодид[I-]. - ii) Сульфат
[O-]S(=O)(=O)[O-]. - iii) Фторид
[F-]. - iv) Сульфит
[O-]S(=O)[O-]окисляется до сульфата, который затем осаждается: \[ \ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \] \[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \] -
v) Иодид образует иодид меди(I) и иод: \[ \ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2} \]
-
3.4 Возможные соединения — бромид тионила, \(\ce{SOBr2}\),
O=S(Br)Br, и бромид-хлорид тионила, \(\ce{SOBrCl}\),O=S(Cl)Br. -
3.5 Подразумеваемое соединение — бромид-хлорид тионила, \(\boxed{\ce{SOBrCl}}\). В приведённых значениях масс имеется небольшое численное несоответствие, обсуждаемое ниже.
-
3.6 \[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Решение
3.1 — Структуры Льюиса
Общее число валентных электронов составляет:
\[ \begin{array}{c|c} \text{Молекула}&\text{Валентные электроны}\\ \hline \ce{SCl2}&6+2(7)=20\\ \ce{SO3}&6+3(6)=24\\ \ce{SO2ClF}&6+2(6)+2(7)=32\\ \ce{SF4}&6+4(7)=34\\ \ce{SBrF5}&6+6(7)=48 \end{array} \]
Связи и неподелённые пары, перечисленные в разделе «Ответы», позволяют учесть все электроны. Например, в \(\ce{SF4}\) на четыре связи приходится восемь электронов, на неподелённые пары атомов фтора — двадцать четыре, а оставшиеся два образуют одну неподелённую пару атома серы.
Это обычные структуры Льюиса, в которых при необходимости используется расширенный октет атома серы. SMILES отражает связность атомов и формальные порядки связей; эта запись не показывает явно неподелённые пары или описанную ниже геометрию. Аналогично используемые далее ионные SMILES не описывают кристаллическую решётку твёрдого вещества.
3.2 — Пространственное строение молекул
При подсчёте по модели отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR) каждая одинарная или кратная связь составляет одну электронную область.
| Молекула | Тип по VSEPR | Точное описание требуемого рисунка |
|---|---|---|
| \(\ce{SCl2}\) | \(\mathrm{AX_2E_2}\) | Четыре электронные области расположены тетраэдрически. Два положения занимают атомы хлора, а два — неподелённые пары, что придаёт молекуле угловую форму. Идеальный тетраэдрический угол, служащий ориентиром, равен \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SO3}\) | \(\mathrm{AX_3}\) | Поместите атом серы в центр равностороннего треугольника, а три атома кислорода — в его вершины. Все четыре атома лежат в одной плоскости; углы равны \(120^\circ\). |
| \(\ce{SO2ClF}\) | \(\mathrm{AX_4}\) | Поместите атом серы в центр тетраэдра, а два атома кислорода, атом хлора и атом фтора — в его четыре вершины. Идеальные углы равны \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SF4}\) | \(\mathrm{AX_4E}\) | Возьмите за основу тригональную бипирамиду. Поместите неподелённую пару в одно экваториальное положение, два атома фтора — в остальные экваториальные положения, а ещё два атома фтора — в аксиальные положения. Получается форма качелей: угол между аксиальными связями составляет \(180^\circ\), между экваториальными — \(120^\circ\), а между аксиальной и экваториальной — \(90^\circ\). |
| \(\ce{SBrF5}\) | \(\mathrm{AX_6}\) | Поместите атом серы в центр октаэдра. Расположите атом брома над атомом серы, один атом фтора непосредственно под ним, а остальные четыре атома фтора — в вершинах квадрата в перпендикулярной плоскости. Соседние связи образуют угол \(90^\circ\), а противоположные — \(180^\circ\). |
Неподелённая пара в \(\ce{SF4}\) занимает экваториальное положение, поскольку в этом положении она испытывает лишь два взаимодействия с соседними электронными областями под углом \(90^\circ\), тогда как в аксиальном положении таких взаимодействий было бы три.
3.3 — Аналитические пробы
i) Азотная кислота и нитрат серебра
Ионы серебра(I) [Ag+] позволяют обнаружить хлорид, бромид и иодид по образованию осадков:
\[ \ce{Ag+ + Cl^- -> AgCl(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + Br^- -> AgBr(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + I^- -> AgI(s)} \]
Образуются следующие продукты:
- Хлорид серебра
[Ag+].[Cl-]: белый. - Бромид серебра
[Ag+].[Br-]: кремовый или бледно-жёлтый. - Иодид серебра
[Ag+].[I-]: жёлтый.
Фторид серебра [Ag+].[F-] растворим, поэтому эта проба не предназначена для обнаружения фторида. Азотная кислота O[N+](=O)[O-] подавляет мешающее осаждение сульфита, не внося галогенид-ионов.
ii) Нитрат бария
Ионы бария [Ba+2] позволяют обнаружить сульфат по образованию белого, нерастворимого в кислотах сульфата бария [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-]:
\[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \]
Кислотность гидролизованной пробы имеет значение: сульфит не даёт такого же устойчивого, нерастворимого в кислотах осадка.
iii) Нейтрализация и нитрат кальция
Ионы кальция [Ca+2] позволяют обнаружить фторид по осаждению фторида кальция [Ca+2].[F-].[F-]:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2F^- -> CaF2(s)} \]
Нейтрализация препятствует сохранению фторида преимущественно в виде фтороводорода, F. Аммиак N присоединяет протон, образуя ион аммония [NH4+]:
\[ \ce{HF + NH3 -> NH4+ + F^-} \]
iv) Перманганат в кислой среде с последующим добавлением нитрата бария
Перманганат [O-][Mn](=O)(=O)=O окисляет серу(IV) до серы(VI) и восстанавливается до марганца(II), [Mn+2].
При записи через сульфит-ион полуреакции имеют вид:
\[ \ce{SO3^{2-} + H2O -> SO4^{2-} + 2H+ + 2e^-} \]
\[ \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O} \]
Умножая первую полуреакцию на пять, а вторую на два, получаем:
\[ \boxed{\ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O}} \]
Здесь вода обозначается как O, а ионы водорода представлены записью [H+].
В кислом растворе сера(IV) находится преимущественно в виде растворённого диоксида серы O=S=O и гидросульфита O=S(O)[O-], а не свободного сульфит-иона. Эквивалентное уравнение с использованием гидросульфита имеет вид:
\[ \ce{5HSO3^- + 2MnO4^- + H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \]
Последующее осаждение описывается уравнением:
\[ \boxed{\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)}} \]
Перманганат также может окислять бромид и иодид:
\[ \ce{2MnO4^- + 10X^- + 16H+ -> 2Mn^{2+} + 5X2 + 8H2O} \]
При \(X=\ce{Br}\) или \(\ce{I}\) продуктами являются бром BrBr или иод II. В достаточно сильнокислой среде хлорид также может окисляться по этому уравнению до хлора ClCl.
Таким образом, само по себе исчезновение окраски перманганата не является специфическим признаком серы(IV). Образование сульфата, подтверждённое последующим осаждением соли бария, даёт решающее дополнительное свидетельство.
v) Нитрат меди(II)
Ионы меди(II) [Cu+2] окисляют иодид до иода. Восстановленная медь выпадает в осадок в виде белого иодида меди(I) [Cu+].[I-]:
\[ \boxed{\ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2}} \]
Именно эта реакция служит здесь для обнаружения иодида.
3.4 — Возможные соединения
В рамках допущений задачи о качественных пробах:
- Желтоватый осадок соли серебра указывает на бромид и/или иодид. В смешанном осадке также может присутствовать хлорид.
- Отрицательная проба с медью(II) исключает иодид. Следовательно, присутствует бромид.
- Отрицательная проба с кальцием исключает фторид.
- Отсутствие осадка соли бария до окисления означает отсутствие сульфата. Образование сульфата бария после окисления показывает, что исходный гидролизат содержит серу(IV).
Поскольку гидролиз протекал без окисления или восстановления, сера в исходном соединении также имела степень окисления \(+4\).
Пусть его состав — \(\ce{SO_{a}X_{b}}\), где \(X\) обозначает одновалентные галогены. При степенях окисления кислорода \(-2\) и галогенов \(-1\)
\[ 2a+b=4. \]
Должны присутствовать и кислород, и галоген, поэтому \(a\geq1\) и \(b\geq1\). Единственное целочисленное решение:
\[ a=1,\qquad b=2. \]
Следовательно, соединение является дигалогенидом тионила. Поскольку бром должен присутствовать, хлор может присутствовать, а фтор и иод исключены, возможны следующие соединения:
\[ \boxed{\ce{SOBr2}\quad\text{или}\quad\ce{SOBrCl}}. \]
Их названия и SMILES: бромид тионила O=S(Br)Br и бромид-хлорид тионила O=S(Cl)Br. Анализ не позволяет определить абсолютную конфигурацию у атома серы в смешанном галогениде.
3.5 — Количественная идентификация
Масса исходного вещества, соответствующая аликвоте, равна
\[ m_{\text{аликвота}} = 7.190\ \mathrm{g} \left(\frac{25.00\ \mathrm{cm^3}}{250.0\ \mathrm{cm^3}}\right) = 0.7190\ \mathrm{g}. \]
В условии задачи атомные массы не приведены. Использование стандартных округлённых атомных масс в \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} M(\ce{S})&=32.06,&M(\ce{O})&=16.00,\\ M(\ce{Cl})&=35.45,&M(\ce{Br})&=79.90,&M(\ce{Ag})&=107.87, \end{aligned} \]
даёт
\[ \begin{aligned} M(\ce{AgCl})&=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M(\ce{AgBr})&=187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Для бромида тионила каждый моль даёт два моля бромида серебра:
\[ m_{\text{осадок}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{207.86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(2\times187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) = 1.299\ \mathrm{g}. \]
Для бромида-хлорида тионила каждый моль даёт по одному молю бромида серебра и хлорида серебра:
\[ m_{\text{осадок}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{163.41\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(187.77+143.32\right)\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 1.457\ \mathrm{g}. \]
| Возможное соединение | Расчётная масса осадка |
|---|---|
| \(\ce{SOBr2}\) | \(1.299\ \mathrm{g}\) |
| \(\ce{SOBrCl}\) | \(1.457\ \mathrm{g}\) |
| Экспериментальное значение | \(1.452\ \mathrm{g}\) |
Приведённое значение однозначно указывает на смешанный галогенид как на подразумеваемый ответ:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl}}. \]
Тем не менее расчётная масса для него отличается от напечатанного значения приблизительно на \(0.0048\ \mathrm{g}\), или \(0.33\%\). Обычное округление атомных масс не объясняет это расхождение.
3.6 — Гидролиз
Бромид-хлорид тионила гидролизуется с образованием диоксида серы, бромоводорода Br и хлороводорода Cl:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
Обозначение водного раствора соответствует указанию в условии, что все продукты растворились.
При традиционном представлении через сернистую кислоту O=S(O)O тот же гидролиз обычно записывают так:
\[ \ce{SOBrCl + 2H2O -> H2SO3 + HBr + HCl}. \]
Здесь \(\ce{H2SO3}\) обозначает систему соединений серы(IV) в водном растворе. Сера сохраняет степень окисления \(+4\), поэтому гидролиз не сопровождается окислительно-восстановительными изменениями.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1994 · مسألة نظرية 3
هاليدات الكبريت الأكسجينية: البنى والتعرّف عليها
يُكوِّن الكبريت العديد من المركبات المختلفة مع الأكسجين والهالوجينات (تكون ذرة الكبريت هي الذرة المركزية). وهذه المركبات جزيئية في معظمها، ويتحلل كثير منها مائيًا بسهولة في الماء.
3.1 اكتب تراكيب لويس للجزيئات \(\ce{SCl2}\)، و\(\ce{SO3}\)، و\(\ce{SO2ClF}\)، و\(\ce{SF4}\)، و\(\ce{SBrF5}\).
3.2 ارسم بدقة الأشكال الهندسية للجزيئات الخمسة. (أهمل الانحرافات الصغيرة عن الزوايا «المثالية».)
3.3 جرى فحص مركب يتكون من الكبريت (ذرة واحدة في كل جزيء)، والأكسجين، وذرة واحدة أو أكثر من العناصر \(\ce{F}\)، و\(\ce{Cl}\)، و\(\ce{Br}\)، و\(\ce{I}\). تفاعلت كمية صغيرة من المادة مع الماء. وقد تحللت مائيًا تحللًا كاملًا دون أي أكسدة أو اختزال، وذابت جميع نواتج التفاعل. أُضيفت محاليل بتركيز 0.1 M من مجموعة من كواشف الاختبار إلى أجزاء صغيرة منفصلة من محلول مخفف للمادة.
ما الأيونات التي يُكشف عنها في الاختبارات الآتية؟
i) إضافة \(\ce{HNO3}\) و\(\ce{AgNO3}\).
ii) إضافة \(\ce{Ba(NO3)2}\).
iii) ضبط الأس الهيدروجيني عند \(pH = 7\) باستخدام \(\ce{NH3}\) وإضافة \(\ce{Ca(NO3)2}\).
اكتب معادلات التفاعلات الممكنة في الاختبارين الآتيين:
iv) إضافة \(\ce{KMnO4}\) ثم \(\ce{Ba(NO3)2}\) إلى محلول حمضي للمادة.
v) إضافة \(\ce{Cu(NO3)2}\).
3.4 عمليًا، أعطت الاختبارات الواردة في 3.3 النتائج الآتية:
i) راسب مائل إلى الصفرة.
ii) لا راسب.
iii) لا تفاعل مرئي.
iv) تمثلت الملاحظتان الرئيسيتان في اختفاء اللون المميز للبرمنغنات، وتكوّن راسب أبيض عند إضافة \(\ce{Ba(NO3)2}\).
v) لا راسب.
اكتب صيغ المركبات الممكنة، مع مراعاة نتائج هذه الاختبارات.
3.5 أخيرًا، أُجري تحليل كمي بسيط:
وُزنت 7.190 g من المادة وأُذيبت في الماء للحصول على 250.0 \(\mathrm{cm^3}\) من المحلول. وأُضيف إلى 25.00 \(\mathrm{cm^3}\) من هذا المحلول حمض النتريك وكمية كافية من \(\ce{AgNO3}\) لضمان الترسيب الكامل. وبعد غسل الراسب وتجفيفه، بلغت كتلته 1.452 g. حدّد صيغة المركب.
3.6 اكتب المعادلة التي تصف تفاعل المادة مع الماء.
إذا لم تتوصل إلى صيغة المركب، فاستخدم \(\ce{SOClF}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 3.1
| الجزيء | SMILES | الروابط عند ذرة الكبريت | الأزواج الإلكترونية الحرة على ذرة الكبريت |
|---|---|---|---|
| ثنائي كلوريد الكبريت، \(\ce{SCl2}\) | ClSCl |
رابطتان أحاديتان | 2 |
| ثالث أكسيد الكبريت، \(\ce{SO3}\) | O=S(=O)=O |
ثلاث روابط مزدوجة | 0 |
| كلوريد فلوريد السلفوريل، \(\ce{SO2ClF}\) | O=S(=O)(F)Cl |
رابطتان مزدوجتان مع الأكسجين ورابطتان أحاديتان مع الهالوجين | 0 |
| رباعي فلوريد الكبريت، \(\ce{SF4}\) | FS(F)(F)F |
أربع روابط أحادية | 1 |
| برومو خماسي فلورو الكبريت، \(\ce{SBrF5}\) | FS(F)(F)(F)(F)Br |
ست روابط أحادية | 0 |
لكل ذرة هالوجين طرفية ثلاثة أزواج إلكترونية حرة؛ ولكل ذرة أكسجين في هذه التراكيب زوجان إلكترونيان حران. جميع الشحنات الشكلية تساوي صفرًا.
-
3.2 \(\ce{SCl2}\): منحنٍ؛ \(\ce{SO3}\): مثلثي مستوٍ؛ \(\ce{SO2ClF}\): رباعي السطوح؛ \(\ce{SF4}\): على شكل أرجوحة، مع زوج إلكتروني حر في موضع استوائي؛ \(\ce{SBrF5}\): ثماني السطوح.
-
3.3
- i) الكلوريد
[Cl-]، والبروميد[Br-]، واليوديد[I-]. - ii) الكبريتات
[O-]S(=O)(=O)[O-]. - iii) الفلوريد
[F-]. - iv) تتأكسد الكبريتيت
[O-]S(=O)[O-]إلى كبريتات، تترسب بعد ذلك: \[ \ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \] \[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \] -
v) يعطي اليوديد يوديد النحاس(I) واليود: \[ \ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2} \]
-
3.4 المركبان الممكنان هما بروميد الثيونيل، \(\ce{SOBr2}\)،
O=S(Br)Br، وبروميد كلوريد الثيونيل، \(\ce{SOBrCl}\)،O=S(Cl)Br. -
3.5 المركب المقصود هو بروميد كلوريد الثيونيل، \(\boxed{\ce{SOBrCl}}\). يوجد عدم اتساق عددي طفيف في الكتل المطبوعة، يُناقَش أدناه.
-
3.6 \[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
الحل
3.1 — تراكيب لويس
الأعداد الكلية لإلكترونات التكافؤ هي:
\[ \begin{array}{c|c} \text{الجزيء}&\text{إلكترونات التكافؤ}\\ \hline \ce{SCl2}&6+2(7)=20\\ \ce{SO3}&6+3(6)=24\\ \ce{SO2ClF}&6+2(6)+2(7)=32\\ \ce{SF4}&6+4(7)=34\\ \ce{SBrF5}&6+6(7)=48 \end{array} \]
يتيح استخدام الروابط والأزواج الإلكترونية الحرة الواردة في قسم الإجابات احتساب كل إلكترون. فعلى سبيل المثال، في \(\ce{SF4}\)، تستهلك الروابط الأربع ثمانية إلكترونات، وتستهلك الأزواج الحرة على ذرات الفلور أربعة وعشرين إلكترونًا، ويكوّن الإلكترونان المتبقيان زوجًا حرًا واحدًا على ذرة الكبريت.
هذه هي تراكيب لويس التقليدية للكبريت، مع توسيع قاعدة الثمانية عند الضرورة. يسجل ترميز SMILES كيفية اتصال الذرات ورتب الروابط الشكلية؛ ولا يُظهر صراحةً الأزواج الإلكترونية الحرة أو الأشكال الهندسية الموصوفة أدناه. وبالمثل، لا تصف رموز SMILES الأيونية المستخدمة لاحقًا الشبكة البلورية للمادة الصلبة.
3.2 — الأشكال الهندسية الجزيئية
عند العدّ وفق نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ (VSEPR)، تمثل كل رابطة أحادية أو متعددة مجالًا إلكترونيًا واحدًا.
| الجزيء | نوع VSEPR | وصف دقيق للرسم المطلوب |
|---|---|---|
| \(\ce{SCl2}\) | \(\mathrm{AX_2E_2}\) | تتخذ المجالات الإلكترونية الأربعة ترتيبًا رباعي السطوح. تشغل ذرتا الكلور موضعين، ويشغل زوجان إلكترونيان حران الموضعين الآخرين، فيكون الجزيء منحنيًا. الزاوية المرجعية المثالية لرباعي السطوح هي \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SO3}\) | \(\mathrm{AX_3}\) | ضع الكبريت في مركز مثلث متساوي الأضلاع، وذرات الأكسجين الثلاث عند رؤوسه. تقع الذرات الأربع جميعها في مستوى واحد؛ وتكون الزوايا \(120^\circ\). |
| \(\ce{SO2ClF}\) | \(\mathrm{AX_4}\) | ضع الكبريت في مركز رباعي السطوح، وذرتي الأكسجين والكلور والفلور عند رؤوسه الأربعة. الزوايا المثالية هي \(109.5^\circ\). |
| \(\ce{SF4}\) | \(\mathrm{AX_4E}\) | ابدأ بثنائي هرم مثلثي. ضع الزوج الإلكتروني الحر في أحد المواضع الاستوائية، وذرتي فلور في الموضعين الاستوائيين الآخرين، وذرتي فلور في الموضعين المحوريين. ينتج عن ذلك شكل أرجوحة: الزاوية بين الموضعين المحوريين \(180^\circ\)، وبين الموضعين الاستوائيين \(120^\circ\)، وبين الموضع المحوري والموضع الاستوائي \(90^\circ\). |
| \(\ce{SBrF5}\) | \(\mathrm{AX_6}\) | ضع الكبريت في مركز ثماني السطوح. ضع البروم فوق الكبريت، وذرة فلور واحدة تحته مباشرة، وذرات الفلور الأربع الأخرى عند زوايا مربع في المستوى العمودي على هذا المحور. تصنع الروابط المتجاورة زاوية \(90^\circ\)، وتصنع الروابط المتقابلة زاوية \(180^\circ\). |
يشغل الزوج الإلكتروني الحر في \(\ce{SF4}\) موضعًا استوائيًا لأن هذا الموضع ينطوي على تآثرين فقط بزاوية \(90^\circ\) مع المجالات المجاورة، في حين ينطوي الموضع المحوري على ثلاثة تآثرات.
3.3 — الاختبارات التحليلية
i) حمض النتريك ونترات الفضة
تكشف أيونات الفضة(I) [Ag+] عن الكلوريد والبروميد واليوديد بالترسيب:
\[ \ce{Ag+ + Cl^- -> AgCl(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + Br^- -> AgBr(s)} \]
\[ \ce{Ag+ + I^- -> AgI(s)} \]
النواتج هي:
- كلوريد الفضة
[Ag+].[Cl-]: أبيض. - بروميد الفضة
[Ag+].[Br-]: كريمي أو أصفر باهت. - يوديد الفضة
[Ag+].[I-]: أصفر.
فلوريد الفضة [Ag+].[F-] قابل للذوبان، لذا فإن هذا الاختبار لا يكشف عن الفلوريد. يحدّ حمض النتريك O[N+](=O)[O-] من التداخل الناتج عن ترسيب الكبريتيت دون إدخال هاليد.
ii) نترات الباريوم
تكشف أيونات الباريوم [Ba+2] عن الكبريتات بتكوين كبريتات الباريوم [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] البيضاء غير القابلة للذوبان في الحمض:
\[ \ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)} \]
تكتسب حموضة العينة المتحللة مائيًا أهمية هنا: فالكبريتيت لا تعطي الراسب نفسه الذي يبقى دون ذوبان في الحمض.
iii) التعادل ونترات الكالسيوم
تكشف أيونات الكالسيوم [Ca+2] عن الفلوريد بترسيب فلوريد الكالسيوم [Ca+2].[F-].[F-]:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2F^- -> CaF2(s)} \]
يمنع التعادل بقاء الفلوريد في معظمه على هيئة فلوريد الهيدروجين، F. تستقبل الأمونيا N بروتونًا، فتكوّن الأمونيوم [NH4+]:
\[ \ce{HF + NH3 -> NH4+ + F^-} \]
iv) البرمنغنات في وسط حمضي، ثم نترات الباريوم
تؤكسد البرمنغنات [O-][Mn](=O)(=O)=O الكبريت(IV) إلى الكبريت(VI)، وتُختزل إلى المنغنيز(II)، [Mn+2].
باستخدام صيغة الكبريتيت، يكون نصفا التفاعل كما يأتي:
\[ \ce{SO3^{2-} + H2O -> SO4^{2-} + 2H+ + 2e^-} \]
\[ \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O} \]
بضرب الأول في خمسة والثاني في اثنين نحصل على:
\[ \boxed{\ce{5SO3^{2-} + 2MnO4^- + 6H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O}} \]
هنا يُمثَّل الماء بالرمز O، وتُمثَّل أيونات الهيدروجين بالرمز [H+].
في المحلول الحمضي، يوجد الكبريت(IV) أساسًا على هيئة ثاني أكسيد الكبريت المذاب O=S=O والكبريتيت الهيدروجينية O=S(O)[O-]، بدلًا من الكبريتيت الحرة. ويمكن كتابة معادلة مكافئة باستخدام الكبريتيت الهيدروجينية:
\[ \ce{5HSO3^- + 2MnO4^- + H+ -> 5SO4^{2-} + 2Mn^{2+} + 3H2O} \]
ويكون الترسيب اللاحق كما يأتي:
\[ \boxed{\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4(s)}} \]
يمكن للبرمنغنات أيضًا أن تؤكسد البروميد واليوديد:
\[ \ce{2MnO4^- + 10X^- + 16H+ -> 2Mn^{2+} + 5X2 + 8H2O} \]
عندما يكون \(X=\ce{Br}\) أو \(\ce{I}\)، تكون النواتج البروم BrBr أو اليود II. وفي ظروف ذات حموضة شديدة بما يكفي، يمكن أيضًا أن يتأكسد الكلوريد وفق هذه المعادلة إلى الكلور ClCl.
إذن، لا يختص اختفاء لون البرمنغنات وحده بالكبريت(IV). أما تكوّن الكبريتات، الذي يثبته راسب الباريوم اللاحق، فيوفر الدليل الإضافي الحاسم.
v) نترات النحاس(II)
تؤكسد أيونات النحاس(II) [Cu+2] اليوديد إلى اليود. ويترسب النحاس المختزَل على هيئة يوديد النحاس(I) الأبيض [Cu+].[I-]:
\[ \boxed{\ce{2Cu^{2+} + 4I^- -> 2CuI(s) + I2}} \]
هذا هو التفاعل التشخيصي لليوديد المعني هنا.
3.4 — المركبات الممكنة
وفق افتراضات الاختبارات النوعية في المسألة:
- يشير راسب الفضة المائل إلى الصفرة إلى وجود البروميد و/أو اليوديد. وقد يوجد الكلوريد أيضًا ضمن راسب مختلط.
- تستبعد النتيجة السلبية لاختبار النحاس(II) وجود اليوديد. ولذلك، فإن البروميد موجود.
- تستبعد النتيجة السلبية لاختبار الكالسيوم وجود الفلوريد.
- يعني عدم تكوّن راسب باريوم في البداية غياب الكبريتات. ويُظهر تكوّن كبريتات الباريوم بعد الأكسدة أن محلول التحلل المائي الأصلي يحتوي على الكبريت(IV).
ولأن التحلل المائي لم يتضمن أكسدة أو اختزالًا، فقد كانت حالة أكسدة الكبريت في المركب الأصلي أيضًا \(+4\).
لنفرض أن تركيبه هو \(\ce{SO_{a}X_{b}}\)، حيث يمثل \(X\) هالوجينات أحادية التكافؤ. وبما أن حالة أكسدة الأكسجين هي \(-2\) وحالة أكسدة الهالوجينات هي \(-1\)، فإن
\[ 2a+b=4. \]
يجب أن يوجد كلٌّ من الأكسجين والهالوجين، لذا فإن \(a\geq1\) و\(b\geq1\). والحل الوحيد بالأعداد الصحيحة هو
\[ a=1,\qquad b=2. \]
وعليه، فالمركب ثنائي هاليد الثيونيل. وبما أن البروم يجب أن يوجد، وقد يوجد الكلور، بينما يُستبعد الفلور واليود، فإن الاحتمالين هما:
\[ \boxed{\ce{SOBr2}\quad\text{أو}\quad\ce{SOBrCl}}. \]
واسماهما ورمزا SMILES لهما هما بروميد الثيونيل O=S(Br)Br وبروميد كلوريد الثيونيل O=S(Cl)Br. ولا يحدد التحليل التشكيل الفراغي المطلق عند الكبريت في الهاليد المختلط.
3.5 — التعرّف الكمي
كتلة المادة الأصلية التي يمثلها الجزء المأخوذ من المحلول هي
\[ m_{\text{الجزء المأخوذ}} = 7.190\ \mathrm{g} \left(\frac{25.00\ \mathrm{cm^3}}{250.0\ \mathrm{cm^3}}\right) = 0.7190\ \mathrm{g}. \]
لا تعطي المسألة كتلًا ذرية. وباستخدام الكتل الذرية القياسية المقرّبة بوحدة \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ \begin{aligned} M(\ce{S})&=32.06,&M(\ce{O})&=16.00,\\ M(\ce{Cl})&=35.45,&M(\ce{Br})&=79.90,&M(\ce{Ag})&=107.87, \end{aligned} \]
نحصل على
\[ \begin{aligned} M(\ce{AgCl})&=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M(\ce{AgBr})&=187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
بالنسبة إلى بروميد الثيونيل، يعطي كل مول مولين من بروميد الفضة:
\[ m_{\text{الراسب}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{207.86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(2\times187.77\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) = 1.299\ \mathrm{g}. \]
بالنسبة إلى بروميد كلوريد الثيونيل، يعطي كل مول مولًا واحدًا من كلٍّ من بروميد الفضة وكلوريد الفضة:
\[ m_{\text{الراسب}} = \frac{0.7190\ \mathrm{g}}{163.41\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \left(187.77+143.32\right)\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 1.457\ \mathrm{g}. \]
| المركب المرشح | كتلة الراسب المتوقعة |
|---|---|
| \(\ce{SOBr2}\) | \(1.299\ \mathrm{g}\) |
| \(\ce{SOBrCl}\) | \(1.457\ \mathrm{g}\) |
| القيمة التجريبية | \(1.452\ \mathrm{g}\) |
تحدد القيمة المذكورة بوضوح الهاليد المختلط بوصفه الإجابة المقصودة:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl}}. \]
ومع ذلك، تختلف كتلة الراسب المتوقعة له عن القيمة المطبوعة بنحو \(0.0048\ \mathrm{g}\)، أو \(0.33\%\). ولا يفسر التقريب المعتاد للكتل الذرية هذا الفرق.
3.6 — التحلل المائي
يتحلل بروميد كلوريد الثيونيل مائيًا إلى ثاني أكسيد الكبريت، وبروميد الهيدروجين Br، وكلوريد الهيدروجين Cl:
\[ \boxed{\ce{SOBrCl + H2O -> SO2(aq) + HBr(aq) + HCl(aq)}} \]
يتوافق تحديد الحالة المائية مع ما ورد في نص المسألة من أن جميع النواتج قد ذابت.
وباستخدام التمثيل التقليدي بحمض الكبريتوز، الذي رمزه O=S(O)O، يُكتب التحلل المائي نفسه عادةً كما يأتي:
\[ \ce{SOBrCl + 2H2O -> H2SO3 + HBr + HCl}. \]
تشير \(\ce{H2SO3}\) هنا إلى منظومة الكبريت(IV) المائية. ويبقى الكبريت في حالة الأكسدة \(+4\)، لذا لا ينطوي التحلل المائي على أي تغير تأكسدي اختزالي.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.