IChO 2008 · Theory problem 5
Two white crystalline substances
A and B are white crystalline substances. Both are highly soluble in water and can be moderately heated (up to 200 °C) without change but both decompose at higher temperatures. If an aqueous solution of 20.00 g A (which is slightly basic, pH ≈ 8.5-9) is added to an aqueous solution of 11.52 g B (which is slightly acidic, pH ≈ 4.5-5) a white precipitate C forms that weighs 20.35 g after filtering, washing and drying. The filtrate is essentially neutral and gives a brown colour reaction with an acidified \(\ce{KI}\) solution. When boiled, the filtrate evaporates without the appearance of any residue.
The white solid D can be prepared by the heating of A in the absence of air. The exothermic reaction of D with water gives a colourless solution. This solution, if kept in an open container, slowly precipitates a white solid E and leaves water. Upon prolonged exposure to air at room temperature, solid D is transformed into E as well. However, heating D in air at 500 °C produces a different white substance F, which is barely soluble in water and has a mass of only 85.8% of the E formed from the same amount of D. F gives a brown colour reaction with an acidified solution of \(\ce{KI}\).
E can be converted back into D but ignition above 1400 °C is required for this purpose. The reaction of B and D in water forms the precipitate C and is accompanied by a characteristic odour.
5.1 Give the formulae of the substances A - F
5.2 Write balanced equations for all the reactions mentioned. (The equation for the thermal decomposition of B is not required.)
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1
| Substance | Formula | Name | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | \(\ce{Ba(NO2)2}\) | Barium nitrite | [Ba+2].[O-]N=O.[O-]N=O |
| B | \(\ce{(NH4)2SO4}\) | Ammonium sulfate | [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| C | \(\ce{BaSO4}\) | Barium sulfate | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| D | \(\ce{BaO}\) | Barium oxide | [Ba+2].[O-2] |
| E | \(\ce{BaCO3}\) | Barium carbonate | [Ba+2].[O-]C(=O)[O-] |
| F | \(\ce{BaO2}\) | Barium peroxide | [Ba+2].[O-][O-] |
The ionic SMILES describe formula units; they do not show the extended crystal lattices. Polyatomic anions are represented by one resonance form.
- 5.2
The required balanced equations are: \[ \begin{aligned} &\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}\\ &\ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}\\ &\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}\\ &\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}\\ &\ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}\\ &\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}\\ &\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}\\ &\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}\\ &\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}\\ &\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}\\ &\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O} \end{aligned} \] Here, A is heated without air; peroxide formation occurs in air at \(500\,^\circ\mathrm{C}\); carbonate decomposition requires heating above \(1400\,^\circ\mathrm{C}\). An alternative overall representation of A’s thermolysis is discussed below.
Solution
5.1 — Identification of A–F
Identifying the metal from D, E and F.
The exothermic reaction of D with water, followed by precipitation upon exposure to air, suggests a basic metal oxide that forms a soluble hydroxide. Atmospheric carbon dioxide then produces an insoluble carbonate. Thus, for a divalent metal, the likely formulae are
\[
D=\ce{MO},\qquad E=\ce{MCO3}.
\]
Heating the oxide in air produces an oxidizing compound F. A peroxide, \(\ce{MO2}\), explains its ability to oxidize acidified iodide.
For equal initial quantities of D, the carbonate and peroxide contain equal amounts of metal. If \(x\) is the metal’s molar mass, \[ \frac{m(F)}{m(E)} = \frac{x+32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {x+60.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.858. \] Therefore, \[ x\approx 137\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] which identifies barium.
Using ordinary atomic masses gives \[ \frac{M(\ce{BaO2})}{M(\ce{BaCO3})} \approx \frac{169.33}{197.33} =0.8581, \] in agreement with the stated \(85.8\%\). Hence \[ \boxed{D=\ce{BaO},\quad E=\ce{BaCO3},\quad F=\ce{BaO2}}. \]
The high temperature required to regenerate D is also consistent with the thermal stability of barium carbonate.
Identifying B and C.
The characteristic odour when B reacts with the basic oxide D indicates ammonia. Therefore, B contains ammonium ions. This also explains its slightly acidic aqueous solution.
The quantities of A and B must be essentially stoichiometric: an appreciable excess of either original salt would leave a residue on boiling. In forming C, one barium ion replaces two ammonium ions while retaining the precipitating anion. Thus, \[ n(\ce{Ba}) = \frac{m(C)-m(B)} {M(\ce{Ba})-2M(\ce{NH4+})}. \] Using \(M(\ce{Ba})=137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) and \(M(\ce{NH4+})=18.039\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), \[ n(\ce{Ba}) = \frac{20.35-11.52\ \mathrm{g}} {137.327-2(18.039)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \approx 0.08721\ \mathrm{mol}. \]
The anionic contribution to C, per mole of barium, is therefore \[ \frac{20.35\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}} -137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx96.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] This agrees with sulfate, whose molar mass is approximately \(96.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Consequently, \[ \boxed{B=\ce{(NH4)2SO4},\qquad C=\ce{BaSO4}}. \]
Identifying A and the filtrate.
There is one barium atom per formula unit of A, so
\[
M(A)\approx
\frac{20.00\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}}
=229.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Subtracting the barium contribution leaves approximately
\[
229.3-137.3=92.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
This corresponds to two nitrite ions, each approximately
\(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Thus,
\[
\boxed{A=\ce{Ba(NO2)2}}.
\]
The filtrate is consequently ammonium nitrite. It accounts for both remaining observations:
- Nitrite oxidizes iodide to brown iodine in acidic solution.
- Ammonium nitrite decomposes on heating into nitrogen and water, leaving no solid residue.
The acid–base behaviour also agrees with the identification: \[ \ce{NO2^- + H2O <=> HNO2 + OH^-}, \] which explains the slightly basic solution of A, and \[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \] which explains the slightly acidic solution of B. The filtrate contains no excess strong acid or strong base; “essentially neutral” need not mean exactly \(\mathrm{pH}=7\).
Numerical check of the precipitation.
| Substance | Molar mass / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Amount calculated from the stated mass / \(\mathrm{mol}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 229.337 | 0.0872079 |
| \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 132.139 | 0.0871812 |
| \(\ce{BaSO4}\) | 233.388 | 0.0871939 |
These amounts agree within the rounding of the supplied masses. Taking the displayed reactant masses literally, the calculated precipitate mass is \[ m(\ce{BaSO4}) = 0.0871812\ \mathrm{mol} \times233.388\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 20.3471\ \mathrm{g} \approx\boxed{20.35\ \mathrm{g}}. \]
5.2 — Explanation of the reactions
Precipitation and behaviour of the filtrate.
Mixing A and B precipitates barium sulfate and leaves ammonium nitrite in solution:
\[
\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}.
\]
In the acidified iodide test, nitrogen in nitrite is reduced from oxidation state \(+3\) to \(+2\), while iodide is oxidized to iodine: \[ \ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}. \] On boiling, the ammonium nitrite undergoes internal oxidation–reduction: \[ \ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}. \] Its two nitrogen atoms, initially at oxidation states \(-3\) and \(+3\), both end at \(0\).
Preparation and hydration of D.
A balanced overall representation of barium nitrite thermolysis is
\[
\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}.
\]
At high temperature, nitrogen dioxide can dissociate:
\[
\ce{2NO2 <=> 2NO + O2}.
\]
Including this dissociation gives the alternative overall form
\[
\ce{2Ba(NO2)2 ->[\Delta] 2BaO + 4NO(g) + O2(g)}.
\]
The resulting barium oxide reacts exothermically with water: \[ \ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}. \]
Formation of E from solution or directly from D.
Atmospheric carbon dioxide precipitates barium carbonate from the hydroxide solution:
\[
\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}.
\]
The overall conversion of the solid oxide during prolonged exposure to air is
\[
\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}.
\]
Moisture can facilitate this conversion through hydration followed by carbonation.
Formation and iodide test of F.
At \(500\,^\circ\mathrm{C}\), oxygen converts barium oxide into barium peroxide:
\[
\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}.
\]
In acidic solution, the peroxide oxygens are reduced from oxidation state \(-1\) to \(-2\), oxidizing iodide:
\[
\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}.
\]
Regeneration of D and reaction of B with D.
Above \(1400\,^\circ\mathrm{C}\),
\[
\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}.
\]
Finally, barium oxide neutralizes ammonium ions while barium sulfate precipitates:
\[
\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O}.
\]
The characteristic odour is that of ammonia.
For completeness, the additional molecular and ionic species used in the solution have the following names and SMILES:
| Species | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO2}\) | Ammonium nitrite | [NH4+].[O-]N=O |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | Barium hydroxide | [Ba+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Ba^2+}\) | Barium(II) ion | [Ba+2] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ammonium ion | [NH4+] |
| \(\ce{NO2^-}\) | Nitrite ion | [O-]N=O |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Sulfate ion | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HNO2}\) | Nitrous acid | O=NO |
| \(\ce{OH^-}\) | Hydroxide ion | [OH-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Hydronium ion | [OH3+] |
| \(\ce{H+}\) | Hydrogen ion, represented formally as a proton | [H+] |
| \(\ce{I^-}\) | Iodide ion | [I-] |
| \(\ce{I2}\) | Iodine | II |
| \(\ce{H2O}\) | Water | O |
| \(\ce{CO2}\) | Carbon dioxide | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Dioxygen | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Dinitrogen | N#N |
| \(\ce{NH3}\) | Ammonia | N |
| \(\ce{NO}\) | Nitrogen monoxide, nitric oxide | [N]=O |
| \(\ce{NO2}\) | Nitrogen dioxide | [O-][N+]=O |
The proton notation represents solvated acidity in the aqueous equations. The dioxygen SMILES gives connectivity but does not encode its triplet ground state.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2008 · Theorieaufgabe 5
Zwei weiße kristalline Stoffe
A und B sind weiße kristalline Stoffe. Beide sind sehr gut wasserlöslich und können mäßig erhitzt werden (bis 200 °C), ohne sich zu verändern; bei höheren Temperaturen zersetzen sich jedoch beide. Wird eine wässrige Lösung von 20.00 g A (die schwach basisch ist, pH ≈ 8.5-9) zu einer wässrigen Lösung von 11.52 g B (die schwach sauer ist, pH ≈ 4.5-5) gegeben, bildet sich ein weißer Niederschlag C, der nach dem Filtrieren, Waschen und Trocknen 20.35 g wiegt. Das Filtrat ist im Wesentlichen neutral und zeigt mit einer angesäuerten \(\ce{KI}\)-Lösung eine braune Farbreaktion. Beim Sieden verdampft das Filtrat, ohne dass ein Rückstand zurückbleibt.
Der weiße Feststoff D lässt sich durch Erhitzen von A unter Luftausschluss herstellen. Die exotherme Reaktion von D mit Wasser ergibt eine farblose Lösung. Wird diese Lösung in einem offenen Gefäß aufbewahrt, fällt langsam ein weißer Feststoff E aus, und Wasser bleibt zurück. Auch der Feststoff D wandelt sich bei längerem Kontakt mit Luft bei Raumtemperatur in E um. Wird D jedoch an der Luft auf 500 °C erhitzt, entsteht ein anderer weißer Stoff F, der kaum wasserlöslich ist und dessen Masse nur 85.8% der Masse von E beträgt, das aus derselben Menge D gebildet wird. F zeigt mit einer angesäuerten \(\ce{KI}\)-Lösung eine braune Farbreaktion.
E kann wieder in D umgewandelt werden, muss dazu jedoch bei über 1400 °C geglüht werden. Bei der Reaktion von B und D in Wasser bildet sich der Niederschlag C, wobei ein charakteristischer Geruch auftritt.
5.1 Geben Sie die Formeln der Stoffe A - F an.
5.2 Stellen Sie ausgeglichene Gleichungen für alle genannten Reaktionen auf. (Die Gleichung für die thermische Zersetzung von B ist nicht erforderlich.)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1
| Stoff | Formel | Name | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | \(\ce{Ba(NO2)2}\) | Bariumnitrit | [Ba+2].[O-]N=O.[O-]N=O |
| B | \(\ce{(NH4)2SO4}\) | Ammoniumsulfat | [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| C | \(\ce{BaSO4}\) | Bariumsulfat | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| D | \(\ce{BaO}\) | Bariumoxid | [Ba+2].[O-2] |
| E | \(\ce{BaCO3}\) | Bariumcarbonat | [Ba+2].[O-]C(=O)[O-] |
| F | \(\ce{BaO2}\) | Bariumperoxid | [Ba+2].[O-][O-] |
Die ionischen SMILES beschreiben Formeleinheiten; sie zeigen nicht die ausgedehnten Kristallgitter. Mehratomige Anionen werden durch eine mesomere Grenzstruktur dargestellt.
- 5.2
Die gesuchten ausgeglichenen Gleichungen lauten: \[ \begin{aligned} &\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}\\ &\ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}\\ &\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}\\ &\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}\\ &\ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}\\ &\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}\\ &\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}\\ &\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}\\ &\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}\\ &\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}\\ &\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O} \end{aligned} \] Dabei wird A unter Luftausschluss erhitzt; die Peroxidbildung erfolgt an der Luft bei \(500\,^\circ\mathrm{C}\); die Carbonatzersetzung erfordert Erhitzen auf über \(1400\,^\circ\mathrm{C}\). Eine alternative Gesamtgleichung für die Thermolyse von A wird weiter unten besprochen.
Lösung
5.1 — Identifizierung von A–F
Identifizierung des Metalls anhand von D, E und F.
Die exotherme Reaktion von D mit Wasser und die anschließende Fällung bei Luftkontakt lassen auf ein basisches Metalloxid schließen, das ein lösliches Hydroxid bildet. Kohlenstoffdioxid aus der Luft bildet dann ein unlösliches Carbonat. Für ein zweiwertiges Metall sind die wahrscheinlichen Formeln daher
\[
D=\ce{MO},\qquad E=\ce{MCO3}.
\]
Beim Erhitzen des Oxids an der Luft entsteht eine oxidierend wirkende Verbindung F. Ein Peroxid, \(\ce{MO2}\), erklärt deren Fähigkeit, Iodid in angesäuerter Lösung zu oxidieren.
Bei gleichen Ausgangsmengen von D enthalten das Carbonat und das Peroxid gleiche Stoffmengen des Metalls. Ist \(x\) die molare Masse des Metalls, gilt \[ \frac{m(F)}{m(E)} = \frac{x+32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {x+60.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.858. \] Daraus folgt \[ x\approx 137\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] womit das Metall als Barium identifiziert ist.
Mit den üblichen Atommassen ergibt sich \[ \frac{M(\ce{BaO2})}{M(\ce{BaCO3})} \approx \frac{169.33}{197.33} =0.8581, \] in Übereinstimmung mit den angegebenen \(85.8\%\). Somit gilt \[ \boxed{D=\ce{BaO},\quad E=\ce{BaCO3},\quad F=\ce{BaO2}}. \]
Die zur Rückgewinnung von D erforderliche hohe Temperatur steht ebenfalls mit der thermischen Stabilität von Bariumcarbonat im Einklang.
Identifizierung von B und C.
Der charakteristische Geruch bei der Reaktion von B mit dem basischen Oxid D deutet auf Ammoniak hin. B enthält daher Ammoniumionen. Dies erklärt auch die schwach saure Reaktion seiner wässrigen Lösung.
Die Mengen von A und B müssen im Wesentlichen im stöchiometrischen Verhältnis vorliegen: Ein nennenswerter Überschuss eines der beiden Ausgangssalze würde beim Sieden einen Rückstand hinterlassen. Bei der Bildung von C ersetzt ein Bariumion zwei Ammoniumionen, während das die Fällung bewirkende Anion erhalten bleibt. Somit gilt \[ n(\ce{Ba}) = \frac{m(C)-m(B)} {M(\ce{Ba})-2M(\ce{NH4+})}. \] Mit \(M(\ce{Ba})=137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) und \(M(\ce{NH4+})=18.039\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ergibt sich \[ n(\ce{Ba}) = \frac{20.35-11.52\ \mathrm{g}} {137.327-2(18.039)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \approx 0.08721\ \mathrm{mol}. \]
Der Massenbeitrag der Anionen zu C beträgt pro Mol Barium daher \[ \frac{20.35\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}} -137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx96.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Dies stimmt mit Sulfat überein, dessen molare Masse ungefähr \(96.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) beträgt. Folglich gilt \[ \boxed{B=\ce{(NH4)2SO4},\qquad C=\ce{BaSO4}}. \]
Identifizierung von A und des Filtrats.
Pro Formeleinheit von A liegt ein Bariumatom vor, daher gilt
\[
M(A)\approx
\frac{20.00\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}}
=229.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Nach Abzug des Beitrags von Barium verbleiben ungefähr
\[
229.3-137.3=92.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Dies entspricht zwei Nitritionen mit jeweils ungefähr
\(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Somit gilt
\[
\boxed{A=\ce{Ba(NO2)2}}.
\]
Das Filtrat ist folglich eine Ammoniumnitritlösung. Damit lassen sich die beiden verbleibenden Beobachtungen erklären:
- Nitrit oxidiert Iodid in saurer Lösung zu braunem Iod.
- Ammoniumnitrit zersetzt sich beim Erhitzen zu Stickstoff und Wasser, ohne einen festen Rückstand zu hinterlassen.
Auch das Säure-Base-Verhalten stimmt mit der Identifizierung überein: \[ \ce{NO2^- + H2O <=> HNO2 + OH^-}, \] wodurch sich die schwach basische Lösung von A erklärt, und \[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \] wodurch sich die schwach saure Lösung von B erklärt. Das Filtrat enthält keinen Überschuss an starker Säure oder starker Base; „im Wesentlichen neutral“ muss nicht genau \(\mathrm{pH}=7\) bedeuten.
Numerische Überprüfung der Fällung.
| Stoff | Molare Masse / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Aus der angegebenen Masse berechnete Stoffmenge / \(\mathrm{mol}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 229.337 | 0.0872079 |
| \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 132.139 | 0.0871812 |
| \(\ce{BaSO4}\) | 233.388 | 0.0871939 |
Diese Stoffmengen stimmen innerhalb der Rundung der angegebenen Massen überein. Werden die angegebenen Eduktmassen wörtlich genommen, beträgt die berechnete Niederschlagsmasse \[ m(\ce{BaSO4}) = 0.0871812\ \mathrm{mol} \times233.388\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 20.3471\ \mathrm{g} \approx\boxed{20.35\ \mathrm{g}}. \]
5.2 — Erläuterung der Reaktionen
Fällung und Verhalten des Filtrats.
Beim Mischen von A und B fällt Bariumsulfat aus, während Ammoniumnitrit in Lösung verbleibt:
\[
\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}.
\]
Bei der Nachweisreaktion mit angesäuerter Iodidlösung wird der Stickstoff im Nitrit von der Oxidationsstufe \(+3\) auf \(+2\) reduziert, während Iodid zu Iod oxidiert wird: \[ \ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}. \] Beim Sieden durchläuft Ammoniumnitrit eine innere Redoxreaktion: \[ \ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}. \] Seine beiden Stickstoffatome, die anfangs die Oxidationsstufen \(-3\) und \(+3\) besitzen, erreichen beide die Oxidationsstufe \(0\).
Herstellung und Hydratation von D.
Eine ausgeglichene Gesamtgleichung für die Thermolyse von Bariumnitrit lautet
\[
\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}.
\]
Bei hoher Temperatur kann Stickstoffdioxid dissoziieren:
\[
\ce{2NO2 <=> 2NO + O2}.
\]
Unter Einbeziehung dieser Dissoziation ergibt sich die alternative Gesamtgleichung
\[
\ce{2Ba(NO2)2 ->[\Delta] 2BaO + 4NO(g) + O2(g)}.
\]
Das entstandene Bariumoxid reagiert exotherm mit Wasser: \[ \ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}. \]
Bildung von E aus der Lösung oder direkt aus D.
Kohlenstoffdioxid aus der Luft fällt Bariumcarbonat aus der Hydroxidlösung aus:
\[
\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}.
\]
Die Gesamtumwandlung des festen Oxids bei längerem Luftkontakt lautet
\[
\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}.
\]
Feuchtigkeit kann diese Umwandlung durch Hydratation mit anschließender Carbonatisierung begünstigen.
Bildung von F und dessen Nachweisreaktion mit Iodid.
Bei \(500\,^\circ\mathrm{C}\) wandelt Sauerstoff Bariumoxid in Bariumperoxid um:
\[
\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}.
\]
In saurer Lösung werden die Sauerstoffatome des Peroxids von der Oxidationsstufe \(-1\) auf \(-2\) reduziert, wobei Iodid oxidiert wird:
\[
\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}.
\]
Rückgewinnung von D und Reaktion von B mit D.
Oberhalb von \(1400\,^\circ\mathrm{C}\) gilt
\[
\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}.
\]
Schließlich neutralisiert Bariumoxid Ammoniumionen, während Bariumsulfat ausfällt:
\[
\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O}.
\]
Der charakteristische Geruch stammt von Ammoniak.
Der Vollständigkeit halber sind nachfolgend die Namen und SMILES der weiteren in der Lösung verwendeten molekularen und ionischen Spezies aufgeführt:
| Spezies | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO2}\) | Ammoniumnitrit | [NH4+].[O-]N=O |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | Bariumhydroxid | [Ba+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Ba^2+}\) | Barium(II)-Ion | [Ba+2] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ammoniumion | [NH4+] |
| \(\ce{NO2^-}\) | Nitrition | [O-]N=O |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Sulfation | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HNO2}\) | Salpetrige Säure | O=NO |
| \(\ce{OH^-}\) | Hydroxidion | [OH-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Oxoniumion | [OH3+] |
| \(\ce{H+}\) | Wasserstoffion, formal als Proton dargestellt | [H+] |
| \(\ce{I^-}\) | Iodidion | [I-] |
| \(\ce{I2}\) | Iod | II |
| \(\ce{H2O}\) | Wasser | O |
| \(\ce{CO2}\) | Kohlenstoffdioxid | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Disauerstoff | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Distickstoff | N#N |
| \(\ce{NH3}\) | Ammoniak | N |
| \(\ce{NO}\) | Stickstoffmonoxid, Stickstoffoxid | [N]=O |
| \(\ce{NO2}\) | Stickstoffdioxid | [O-][N+]=O |
Die Protonenschreibweise steht in den Gleichungen für wässrige Lösungen für solvatisierte Säureprotonen. Der SMILES für Disauerstoff gibt die Bindungsverknüpfung wieder, codiert jedoch nicht dessen Triplett-Grundzustand.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2008 · Teori sorusu 5
İki beyaz kristal madde
A ve B, beyaz kristal maddelerdir. Her ikisi de suda çok iyi çözünür ve değişime uğramadan orta derecede ısıtılabilir (200 °C'ye kadar); ancak her ikisi de daha yüksek sıcaklıklarda bozunur. 20.00 g A'nın sulu çözeltisi (hafif baziktir, pH ≈ 8.5-9), 11.52 g B'nin sulu çözeltisine (hafif asidiktir, pH ≈ 4.5-5) eklenirse, süzülüp yıkandıktan ve kurutulduktan sonra kütlesi 20.35 g olan beyaz bir C çökeltisi oluşur. Süzüntü esas olarak nötrdür ve asitlendirilmiş bir \(\ce{KI}\) çözeltisiyle kahverengi renk veren bir tepkimeye girer. Süzüntü kaynatıldığında herhangi bir kalıntı oluşmadan buharlaşır.
Beyaz katı D, A'nın havasız ortamda ısıtılmasıyla hazırlanabilir. D'nin suyla ekzotermik tepkimesi renksiz bir çözelti verir. Bu çözelti açık bir kapta bekletilirse yavaş yavaş beyaz bir katı olan E çöker ve geriye su kalır. Katı D de oda sıcaklığında uzun süre havaya maruz bırakıldığında E'ye dönüşür. Ancak D'nin havada 500 °C'de ısıtılması, suda çok az çözünen ve kütlesi aynı miktarda D'den oluşan E'nin kütlesinin yalnızca %85.8'i olan farklı bir beyaz madde, F, üretir. F, asitlendirilmiş bir \(\ce{KI}\) çözeltisiyle kahverengi renk veren bir tepkimeye girer.
E yeniden D'ye dönüştürülebilir; ancak bunun için 1400 °C'nin üzerinde kızdırılması gerekir. B ve D'nin sudaki tepkimesi C çökeltisini oluşturur ve tepkimeye karakteristik bir koku eşlik eder.
5.1 A - F maddelerinin formüllerini veriniz.
5.2 Sözü edilen tüm tepkimelerin denkleştirilmiş denklemlerini yazınız. (B'nin ısıl bozunma denklemi gerekli değildir.)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1
| Madde | Formül | Adı | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | \(\ce{Ba(NO2)2}\) | Baryum nitrit | [Ba+2].[O-]N=O.[O-]N=O |
| B | \(\ce{(NH4)2SO4}\) | Amonyum sülfat | [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| C | \(\ce{BaSO4}\) | Baryum sülfat | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| D | \(\ce{BaO}\) | Baryum oksit | [Ba+2].[O-2] |
| E | \(\ce{BaCO3}\) | Baryum karbonat | [Ba+2].[O-]C(=O)[O-] |
| F | \(\ce{BaO2}\) | Baryum peroksit | [Ba+2].[O-][O-] |
İyonik SMILES gösterimleri formül birimlerini betimler; uzanan kristal örgüleri göstermez. Çok atomlu anyonlar tek bir rezonans yapısıyla temsil edilmiştir.
- 5.2
İstenen denkleştirilmiş denklemler şunlardır: \[ \begin{aligned} &\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}\\ &\ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}\\ &\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}\\ &\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}\\ &\ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}\\ &\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}\\ &\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}\\ &\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}\\ &\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}\\ &\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}\\ &\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O} \end{aligned} \] Burada A havasız ortamda ısıtılır; peroksit oluşumu havada \(500\,^\circ\mathrm{C}\)'de gerçekleşir; karbonatın bozunması için \(1400\,^\circ\mathrm{C}\)'nin üzerinde ısıtma gerekir. A'nın termolizinin alternatif bir toplam gösterimi aşağıda ele alınmıştır.
Çözüm
5.1 — A–F'nin belirlenmesi
Metalin D, E ve F'den belirlenmesi.
D'nin suyla ekzotermik tepkimesinin ardından havaya maruz kaldığında çökelme görülmesi, çözünebilen bir hidroksit oluşturan bazik bir metal oksidi düşündürür. Ardından atmosferdeki karbon dioksit, çözünmeyen bir karbonat oluşturur. Dolayısıyla iki değerlikli bir metal için olası formüller şunlardır:
\[
D=\ce{MO},\qquad E=\ce{MCO3}.
\]
Oksidin havada ısıtılması, yükseltgen bir bileşik olan F'yi oluşturur. Bir peroksit, \(\ce{MO2}\), bu bileşiğin asitlendirilmiş ortamda iyodürü yükseltgeyebilmesini açıklar.
Başlangıçtaki D miktarları eşit olduğunda, karbonat ve peroksit eşit miktarda metal içerir. Metalin molar kütlesi \(x\) ise, \[ \frac{m(F)}{m(E)} = \frac{x+32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {x+60.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.858. \] Dolayısıyla, \[ x\approx 137\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] bu da metalin baryum olduğunu gösterir.
Yaygın olarak kullanılan atom kütleleriyle \[ \frac{M(\ce{BaO2})}{M(\ce{BaCO3})} \approx \frac{169.33}{197.33} =0.8581, \] elde edilir; bu değer verilen \(85.8\%\) ile uyumludur. Buna göre \[ \boxed{D=\ce{BaO},\quad E=\ce{BaCO3},\quad F=\ce{BaO2}}. \]
D'yi yeniden elde etmek için gereken yüksek sıcaklık da baryum karbonatın ısıl kararlılığıyla uyumludur.
B ve C'nin belirlenmesi.
B, bazik oksit D ile tepkimeye girdiğinde ortaya çıkan karakteristik koku, amonyağa işaret eder. Dolayısıyla B, amonyum iyonları içerir. Bu, sulu çözeltisinin hafif asidik olmasını da açıklar.
A ve B'nin miktarları esas olarak stokiyometrik olmalıdır: başlangıçtaki tuzlardan herhangi birinin kayda değer ölçüde fazlası, kaynatma sırasında kalıntı bırakırdı. C oluşurken, çökelmeyi sağlayan anyon korunur ve bir baryum iyonu iki amonyum iyonunun yerini alır. Dolayısıyla, \[ n(\ce{Ba}) = \frac{m(C)-m(B)} {M(\ce{Ba})-2M(\ce{NH4+})}. \] \(M(\ce{Ba})=137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ve \(M(\ce{NH4+})=18.039\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanılarak, \[ n(\ce{Ba}) = \frac{20.35-11.52\ \mathrm{g}} {137.327-2(18.039)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \approx 0.08721\ \mathrm{mol}. \]
Dolayısıyla, baryumun molü başına C'ye anyonların kütle katkısı \[ \frac{20.35\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}} -137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx96.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] olur. Bu değer, molar kütlesi yaklaşık \(96.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) olan sülfatla uyumludur. Sonuç olarak, \[ \boxed{B=\ce{(NH4)2SO4},\qquad C=\ce{BaSO4}}. \]
A'nın ve süzüntünün belirlenmesi.
A'nın her formül biriminde bir baryum atomu bulunduğundan,
\[
M(A)\approx
\frac{20.00\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}}
=229.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Baryumun katkısı çıkarıldığında geriye yaklaşık olarak
\[
229.3-137.3=92.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
kalır. Bu, her birinin molar kütlesi yaklaşık
\(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) olan iki nitrit iyonuna karşılık gelir. Dolayısıyla,
\[
\boxed{A=\ce{Ba(NO2)2}}.
\]
Sonuç olarak süzüntü, amonyum nitrit çözeltisidir. Bu, geriye kalan iki gözlemi de açıklar:
- Nitrit, asidik çözeltide iyodürü kahverengi iyoda yükseltger.
- Amonyum nitrit ısıtıldığında azot ve suya bozunur; geriye katı kalıntı bırakmaz.
Asit–baz davranışı da belirlenen maddelerle uyumludur: \[ \ce{NO2^- + H2O <=> HNO2 + OH^-}, \] tepkimesi A'nın çözeltisinin hafif bazik olmasını, \[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \] tepkimesi ise B'nin çözeltisinin hafif asidik olmasını açıklar. Süzüntüde kuvvetli asit veya kuvvetli baz fazlası bulunmaz; “esas olarak nötr” ifadesi, tam olarak \(\mathrm{pH}=7\) anlamına gelmek zorunda değildir.
Çökelmenin sayısal kontrolü.
| Madde | Molar kütle / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Verilen kütleden hesaplanan madde miktarı / \(\mathrm{mol}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 229.337 | 0.0872079 |
| \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 132.139 | 0.0871812 |
| \(\ce{BaSO4}\) | 233.388 | 0.0871939 |
Bu miktarlar, verilen kütlelerin yuvarlanma sınırları içinde birbiriyle uyumludur. Verilen tepken kütleleri aynen esas alındığında, hesaplanan çökelti kütlesi şöyledir: \[ m(\ce{BaSO4}) = 0.0871812\ \mathrm{mol} \times233.388\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 20.3471\ \mathrm{g} \approx\boxed{20.35\ \mathrm{g}}. \]
5.2 — Tepkimelerin açıklanması
Çökelme ve süzüntünün davranışı.
A ve B karıştırıldığında baryum sülfat çöker ve çözeltide amonyum nitrit kalır:
\[
\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}.
\]
Asitlendirilmiş iyodür testinde, nitritteki azotun yükseltgenme basamağı \(+3\)'ten \(+2\)'ye düşerken iyodür iyoda yükseltgenir: \[ \ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}. \] Kaynatıldığında amonyum nitrit, kendi içinde bir yükseltgenme–indirgenme tepkimesine uğrar: \[ \ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}. \] Başlangıçta yükseltgenme basamakları \(-3\) ve \(+3\) olan iki azot atomunun da son yükseltgenme basamağı \(0\) olur.
D'nin hazırlanması ve hidratasyonu.
Baryum nitritin termolizi için denkleştirilmiş bir toplam gösterim şöyledir:
\[
\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}.
\]
Yüksek sıcaklıkta azot dioksit ayrışabilir:
\[
\ce{2NO2 <=> 2NO + O2}.
\]
Bu ayrışma hesaba katıldığında alternatif toplam denklem elde edilir:
\[
\ce{2Ba(NO2)2 ->[\Delta] 2BaO + 4NO(g) + O2(g)}.
\]
Oluşan baryum oksit suyla ekzotermik olarak tepkimeye girer: \[ \ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}. \]
E'nin çözeltiden veya doğrudan D'den oluşumu.
Atmosferdeki karbon dioksit, hidroksit çözeltisinden baryum karbonatı çöktürür:
\[
\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}.
\]
Katı oksidin uzun süre havaya maruz kaldığında geçirdiği toplam dönüşüm şöyledir:
\[
\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}.
\]
Nem, hidratasyonun ardından karbonatlaşma yoluyla bu dönüşümü kolaylaştırabilir.
F'nin oluşumu ve iyodür testi.
\(500\,^\circ\mathrm{C}\)'de oksijen, baryum oksidi baryum perokside dönüştürür:
\[
\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}.
\]
Asidik çözeltide peroksitteki oksijen atomlarının yükseltgenme basamağı \(-1\)'den \(-2\)'ye düşer ve bu sırada iyodür yükseltgenir:
\[
\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}.
\]
D'nin yeniden elde edilmesi ve B'nin D ile tepkimesi.
\(1400\,^\circ\mathrm{C}\)'nin üzerinde,
\[
\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}.
\]
Son olarak, baryum sülfat çökerken baryum oksit amonyum iyonlarını nötrleştirir:
\[
\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O}.
\]
Karakteristik koku, amonyak kokusudur.
Eksiksiz olması için, çözümde kullanılan diğer moleküler ve iyonik türlerin adları ve SMILES gösterimleri aşağıda verilmiştir:
| Tür | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO2}\) | Amonyum nitrit | [NH4+].[O-]N=O |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | Baryum hidroksit | [Ba+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Ba^2+}\) | Baryum(II) iyonu | [Ba+2] |
| \(\ce{NH4+}\) | Amonyum iyonu | [NH4+] |
| \(\ce{NO2^-}\) | Nitrit iyonu | [O-]N=O |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Sülfat iyonu | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HNO2}\) | Nitröz asit | O=NO |
| \(\ce{OH^-}\) | Hidroksit iyonu | [OH-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Hidronyum iyonu | [OH3+] |
| \(\ce{H+}\) | Biçimsel olarak proton şeklinde gösterilen hidrojen iyonu | [H+] |
| \(\ce{I^-}\) | İyodür iyonu | [I-] |
| \(\ce{I2}\) | İyot | II |
| \(\ce{H2O}\) | Su | O |
| \(\ce{CO2}\) | Karbon dioksit | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Dioksijen | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Diazot | N#N |
| \(\ce{NH3}\) | Amonyak | N |
| \(\ce{NO}\) | Azot monoksit, nitrik oksit | [N]=O |
| \(\ce{NO2}\) | Azot dioksit | [O-][N+]=O |
Proton gösterimi, sulu ortam denklemlerinde solvatlanmış asitliği temsil eder. Dioksijenin SMILES gösterimi atomların bağlanma düzenini verir, ancak triplet temel hâlini kodlamaz.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2008 · Problema teórico 5
Dos sustancias cristalinas blancas
A y B son sustancias cristalinas blancas. Ambas son muy solubles en agua y pueden calentarse moderadamente (hasta 200 °C) sin sufrir cambios, pero ambas se descomponen a temperaturas superiores. Si se añade una disolución acuosa de 20.00 g de A (que es ligeramente básica, pH ≈ 8.5-9) a una disolución acuosa de 11.52 g de B (que es ligeramente ácida, pH ≈ 4.5-5), se forma un precipitado blanco C que pesa 20.35 g después de filtrarlo, lavarlo y secarlo. El filtrado es esencialmente neutro y da una reacción de coloración parda con una disolución acidificada de \(\ce{KI}\). Al hervirlo, el filtrado se evapora sin dejar ningún residuo.
El sólido blanco D puede prepararse calentando A en ausencia de aire. La reacción exotérmica de D con agua da una disolución incolora. Si se mantiene esta disolución en un recipiente abierto, precipita lentamente un sólido blanco E y queda agua. Tras una exposición prolongada al aire a temperatura ambiente, el sólido D también se transforma en E. Sin embargo, al calentar D en aire a 500 °C se produce una sustancia blanca diferente, F, que es apenas soluble en agua y cuya masa es solo el 85.8% de la de E formado a partir de la misma cantidad de D. F da una reacción de coloración parda con una disolución acidificada de \(\ce{KI}\).
E puede convertirse de nuevo en D, pero para ello se requiere una calcinación por encima de 1400 °C. La reacción de B y D en agua forma el precipitado C y va acompañada de un olor característico.
5.1 Indique las fórmulas de las sustancias A - F
5.2 Escriba las ecuaciones ajustadas de todas las reacciones mencionadas. (No se requiere la ecuación de la descomposición térmica de B.)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1
| Sustancia | Fórmula | Nombre | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | \(\ce{Ba(NO2)2}\) | Nitrito de bario | [Ba+2].[O-]N=O.[O-]N=O |
| B | \(\ce{(NH4)2SO4}\) | Sulfato de amonio | [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| C | \(\ce{BaSO4}\) | Sulfato de bario | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| D | \(\ce{BaO}\) | Óxido de bario | [Ba+2].[O-2] |
| E | \(\ce{BaCO3}\) | Carbonato de bario | [Ba+2].[O-]C(=O)[O-] |
| F | \(\ce{BaO2}\) | Peróxido de bario | [Ba+2].[O-][O-] |
Los SMILES iónicos describen unidades fórmula; no muestran las redes cristalinas extendidas. Los aniones poliatómicos se representan mediante una de sus formas de resonancia.
- 5.2
Las ecuaciones ajustadas requeridas son: \[ \begin{aligned} &\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}\\ &\ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}\\ &\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}\\ &\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}\\ &\ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}\\ &\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}\\ &\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}\\ &\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}\\ &\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}\\ &\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}\\ &\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O} \end{aligned} \] Aquí, A se calienta en ausencia de aire; la formación del peróxido tiene lugar en aire a \(500\,^\circ\mathrm{C}\); la descomposición del carbonato requiere calentamiento por encima de \(1400\,^\circ\mathrm{C}\). Más adelante se analiza una representación global alternativa de la termólisis de A.
Solución
5.1 — Identificación de A–F
Identificación del metal a partir de D, E y F.
La reacción exotérmica de D con agua, seguida de la precipitación al exponer la disolución al aire, sugiere un óxido metálico básico que forma un hidróxido soluble. El dióxido de carbono atmosférico produce después un carbonato insoluble. Por tanto, para un metal divalente, las fórmulas probables son
\[
D=\ce{MO},\qquad E=\ce{MCO3}.
\]
Al calentar el óxido en aire se produce un compuesto oxidante F. Un peróxido, \(\ce{MO2}\), explica su capacidad para oxidar el yoduro en medio acidificado.
Para cantidades iniciales iguales de D, el carbonato y el peróxido contienen cantidades iguales de metal. Si \(x\) es la masa molar del metal, \[ \frac{m(F)}{m(E)} = \frac{x+32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {x+60.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.858. \] Por tanto, \[ x\approx 137\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] lo que identifica al bario.
Utilizando las masas atómicas habituales se obtiene \[ \frac{M(\ce{BaO2})}{M(\ce{BaCO3})} \approx \frac{169.33}{197.33} =0.8581, \] en concordancia con el \(85.8\%\) indicado. Por consiguiente, \[ \boxed{D=\ce{BaO},\quad E=\ce{BaCO3},\quad F=\ce{BaO2}}. \]
La elevada temperatura necesaria para regenerar D también concuerda con la estabilidad térmica del carbonato de bario.
Identificación de B y C.
El olor característico cuando B reacciona con el óxido básico D indica la presencia de amoníaco. Por tanto, B contiene iones amonio. Esto también explica que su disolución acuosa sea ligeramente ácida.
Las cantidades de A y B deben ser esencialmente estequiométricas: un exceso apreciable de cualquiera de las sales iniciales dejaría un residuo al hervir. Al formarse C, un ion bario sustituye a dos iones amonio, conservándose el anión que precipita. Así, \[ n(\ce{Ba}) = \frac{m(C)-m(B)} {M(\ce{Ba})-2M(\ce{NH4+})}. \] Utilizando \(M(\ce{Ba})=137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) y \(M(\ce{NH4+})=18.039\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), \[ n(\ce{Ba}) = \frac{20.35-11.52\ \mathrm{g}} {137.327-2(18.039)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \approx 0.08721\ \mathrm{mol}. \]
La contribución aniónica a C, por mol de bario, es por tanto \[ \frac{20.35\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}} -137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx96.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Esto concuerda con el sulfato, cuya masa molar es aproximadamente \(96.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). En consecuencia, \[ \boxed{B=\ce{(NH4)2SO4},\qquad C=\ce{BaSO4}}. \]
Identificación de A y del filtrado.
Hay un átomo de bario por unidad fórmula de A, por lo que
\[
M(A)\approx
\frac{20.00\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}}
=229.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Al restar la contribución del bario quedan aproximadamente
\[
229.3-137.3=92.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Esto corresponde a dos iones nitrito, cada uno con una masa molar de aproximadamente
\(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Así,
\[
\boxed{A=\ce{Ba(NO2)2}}.
\]
El filtrado es, en consecuencia, una disolución de nitrito de amonio. Esto explica las dos observaciones restantes:
- El nitrito oxida el yoduro a yodo, de color pardo, en disolución ácida.
- El nitrito de amonio se descompone al calentarlo en nitrógeno y agua, sin dejar residuo sólido.
El comportamiento ácido–base también concuerda con la identificación: \[ \ce{NO2^- + H2O <=> HNO2 + OH^-}, \] lo que explica que la disolución de A sea ligeramente básica, y \[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \] lo que explica que la disolución de B sea ligeramente ácida. El filtrado no contiene un exceso de ácido fuerte ni de base fuerte; «esencialmente neutro» no tiene por qué significar exactamente \(\mathrm{pH}=7\).
Comprobación numérica de la precipitación.
| Sustancia | Masa molar / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Cantidad de sustancia calculada a partir de la masa indicada / \(\mathrm{mol}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 229.337 | 0.0872079 |
| \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 132.139 | 0.0871812 |
| \(\ce{BaSO4}\) | 233.388 | 0.0871939 |
Estas cantidades concuerdan dentro del redondeo de las masas proporcionadas. Tomando literalmente las masas indicadas de los reactivos, la masa calculada del precipitado es \[ m(\ce{BaSO4}) = 0.0871812\ \mathrm{mol} \times233.388\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 20.3471\ \mathrm{g} \approx\boxed{20.35\ \mathrm{g}}. \]
5.2 — Explicación de las reacciones
Precipitación y comportamiento del filtrado.
Al mezclar A y B, precipita sulfato de bario y queda nitrito de amonio en disolución:
\[
\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}.
\]
En el ensayo con yoduro acidificado, el nitrógeno del nitrito se reduce del estado de oxidación \(+3\) al \(+2\), mientras que el yoduro se oxida a yodo: \[ \ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}. \] Al hervir, el nitrito de amonio experimenta una oxidación–reducción interna: \[ \ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}. \] Sus dos átomos de nitrógeno, inicialmente en los estados de oxidación \(-3\) y \(+3\), terminan ambos en \(0\).
Preparación e hidratación de D.
Una representación global ajustada de la termólisis del nitrito de bario es
\[
\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}.
\]
A alta temperatura, el dióxido de nitrógeno puede disociarse:
\[
\ce{2NO2 <=> 2NO + O2}.
\]
Al incluir esta disociación se obtiene la forma global alternativa
\[
\ce{2Ba(NO2)2 ->[\Delta] 2BaO + 4NO(g) + O2(g)}.
\]
El óxido de bario resultante reacciona exotérmicamente con el agua: \[ \ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}. \]
Formación de E a partir de la disolución o directamente de D.
El dióxido de carbono atmosférico precipita carbonato de bario de la disolución de hidróxido:
\[
\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}.
\]
La conversión global del óxido sólido durante una exposición prolongada al aire es
\[
\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}.
\]
La humedad puede facilitar esta conversión mediante hidratación seguida de carbonatación.
Formación de F y ensayo con yoduro.
A \(500\,^\circ\mathrm{C}\), el oxígeno convierte el óxido de bario en peróxido de bario:
\[
\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}.
\]
En disolución ácida, los átomos de oxígeno del peróxido se reducen del estado de oxidación \(-1\) al \(-2\), oxidando el yoduro:
\[
\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}.
\]
Regeneración de D y reacción de B con D.
Por encima de \(1400\,^\circ\mathrm{C}\),
\[
\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}.
\]
Por último, el óxido de bario neutraliza los iones amonio mientras precipita sulfato de bario:
\[
\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O}.
\]
El olor característico es el del amoníaco.
Para completar la información, las especies moleculares e iónicas adicionales utilizadas en la solución tienen los siguientes nombres y SMILES:
| Especie | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO2}\) | Nitrito de amonio | [NH4+].[O-]N=O |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | Hidróxido de bario | [Ba+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Ba^2+}\) | Ion bario(II) | [Ba+2] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ion amonio | [NH4+] |
| \(\ce{NO2^-}\) | Ion nitrito | [O-]N=O |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Ion sulfato | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HNO2}\) | Ácido nitroso | O=NO |
| \(\ce{OH^-}\) | Ion hidróxido | [OH-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Ion hidronio | [OH3+] |
| \(\ce{H+}\) | Ion hidrógeno, representado formalmente como un protón | [H+] |
| \(\ce{I^-}\) | Ion yoduro | [I-] |
| \(\ce{I2}\) | Yodo | II |
| \(\ce{H2O}\) | Agua | O |
| \(\ce{CO2}\) | Dióxido de carbono | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Dioxígeno | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Dinitrógeno | N#N |
| \(\ce{NH3}\) | Amoníaco | N |
| \(\ce{NO}\) | Monóxido de nitrógeno, óxido nítrico | [N]=O |
| \(\ce{NO2}\) | Dióxido de nitrógeno | [O-][N+]=O |
La notación del protón representa la acidez solvatada en las ecuaciones acuosas. El SMILES del dioxígeno indica la conectividad, pero no codifica su estado fundamental triplete.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2008 · 理论题 5
两种白色晶体物质
A 和 B 是白色晶体物质。两者都易溶于水，适度加热（最高至 200 °C）时均不发生变化，但在更高温度下都会分解。若将含有 20.00 g A 的水溶液（呈弱碱性，pH ≈ 8.5-9）加入含有 11.52 g B 的水溶液（呈弱酸性，pH ≈ 4.5-5）中，会生成白色沉淀 C，经过滤、洗涤和干燥后，其质量为 20.35 g。滤液基本呈中性，与酸化的 \(\ce{KI}\) 溶液反应呈棕色。煮沸时，滤液蒸发，不留下任何残渣。
在隔绝空气的条件下加热 A，可制得白色固体 D。D 与水发生放热反应，生成无色溶液。将此溶液置于敞口容器中，会缓慢析出白色固体 E，并留下水。在室温下长时间暴露于空气中，固体 D 也会转化为 E。然而，将 D 在空气中于 500 °C 加热，会生成另一种白色物质 F，它几乎不溶于水，其质量仅为等量 D 所生成的 E 的质量的 85.8%。F 与酸化的 \(\ce{KI}\) 溶液反应呈棕色。
E 可以转化回 D，但为此需要在高于 1400 °C 的温度下灼烧。B 和 D 在水中反应生成沉淀 C，并伴有一种特征气味。
5.1 写出物质 A - F 的化学式
5.2 写出所提及的所有反应的配平方程式。（不要求写出 B 热分解的方程式。）
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1
| 物质 | 化学式 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 亚硝酸钡 | [Ba+2].[O-]N=O.[O-]N=O |
| B | \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 硫酸铵 | [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| C | \(\ce{BaSO4}\) | 硫酸钡 | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| D | \(\ce{BaO}\) | 氧化钡 | [Ba+2].[O-2] |
| E | \(\ce{BaCO3}\) | 碳酸钡 | [Ba+2].[O-]C(=O)[O-] |
| F | \(\ce{BaO2}\) | 过氧化钡 | [Ba+2].[O-][O-] |
这些离子型 SMILES 描述的是化学式单位，并不展示延展的晶格。多原子阴离子以其中一种共振式表示。
- 5.2
所要求的配平方程式为： \[ \begin{aligned} &\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}\\ &\ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}\\ &\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}\\ &\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}\\ &\ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}\\ &\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}\\ &\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}\\ &\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}\\ &\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}\\ &\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}\\ &\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O} \end{aligned} \] 其中，A 在隔绝空气的条件下加热；过氧化物在空气中于 \(500\,^\circ\mathrm{C}\) 生成；碳酸盐的分解需要加热至高于 \(1400\,^\circ\mathrm{C}\) 的温度。下文将讨论 A 热分解总反应的另一种表示方式。
解答
5.1 — A–F 的鉴定
根据 D、E 和 F 确定金属。
D 与水发生放热反应，随后在接触空气时析出沉淀，这表明它可能是一种能生成可溶性氢氧化物的碱性金属氧化物。空气中的二氧化碳随后使其生成难溶性碳酸盐。因此，对于二价金属，可能的化学式为
\[
D=\ce{MO},\qquad E=\ce{MCO3}.
\]
在空气中加热该氧化物，会生成具有氧化性的化合物 F。若其为过氧化物 \(\ce{MO2}\)，就能解释它在酸性条件下氧化碘离子的能力。
当 D 的初始用量相同时，生成的碳酸盐和过氧化物含有等量的金属。设该金属的摩尔质量为 \(x\)，则 \[ \frac{m(F)}{m(E)} = \frac{x+32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {x+60.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.858. \] 因此， \[ x\approx 137\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] 由此确定该金属为钡。
采用常用原子质量可得 \[ \frac{M(\ce{BaO2})}{M(\ce{BaCO3})} \approx \frac{169.33}{197.33} =0.8581, \] 与题给的 \(85.8\%\) 一致。因此 \[ \boxed{D=\ce{BaO},\quad E=\ce{BaCO3},\quad F=\ce{BaO2}}. \]
重新生成 D 所需的高温也与碳酸钡的热稳定性相符。
鉴定 B 和 C。
B 与碱性氧化物 D 反应时产生的特征气味表明生成了氨。因此，B 含有铵离子。这也解释了其水溶液呈弱酸性。
A 和 B 的用量必须基本符合化学计量比：若任何一种原有的盐明显过量，煮沸后都会留下残渣。在生成 C 时，一个钡离子取代两个铵离子，而形成沉淀的阴离子保持不变。因此， \[ n(\ce{Ba}) = \frac{m(C)-m(B)} {M(\ce{Ba})-2M(\ce{NH4+})}. \] 采用 \(M(\ce{Ba})=137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 和 \(M(\ce{NH4+})=18.039\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)，可得 \[ n(\ce{Ba}) = \frac{20.35-11.52\ \mathrm{g}} {137.327-2(18.039)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \approx 0.08721\ \mathrm{mol}. \]
因此，C 中每摩尔钡所对应的阴离子质量为 \[ \frac{20.35\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}} -137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx96.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] 这与硫酸根离子相符，其摩尔质量约为 \(96.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。因此， \[ \boxed{B=\ce{(NH4)2SO4},\qquad C=\ce{BaSO4}}. \]
鉴定 A 和滤液。
A 的每个化学式单位中含有一个钡原子，因此
\[
M(A)\approx
\frac{20.00\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}}
=229.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
扣除钡的质量贡献后，剩余部分约为
\[
229.3-137.3=92.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
这对应于两个亚硝酸根离子，每个亚硝酸根离子的摩尔质量约为
\(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。因此，
\[
\boxed{A=\ce{Ba(NO2)2}}.
\]
因此，滤液为亚硝酸铵溶液。这解释了其余两项实验现象：
- 在酸性溶液中，亚硝酸根离子将碘离子氧化成棕色的碘。
- 亚硝酸铵受热分解为氮气和水，不留下固体残渣。
酸碱性质也与鉴定结果相符： \[ \ce{NO2^- + H2O <=> HNO2 + OH^-}, \] 这解释了 A 的溶液呈弱碱性，而 \[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \] 则解释了 B 的溶液呈弱酸性。滤液中没有过量的强酸或强碱；“基本呈中性”并不一定意味着恰好为 \(\mathrm{pH}=7\)。
沉淀生成量的数值核验。
| 物质 | 摩尔质量 / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 根据题给质量计算的物质的量 / \(\mathrm{mol}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 229.337 | 0.0872079 |
| \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 132.139 | 0.0871812 |
| \(\ce{BaSO4}\) | 233.388 | 0.0871939 |
在题给质量的舍入误差范围内，这些物质的量相互一致。直接按所列反应物质量计算，沉淀质量为 \[ m(\ce{BaSO4}) = 0.0871812\ \mathrm{mol} \times233.388\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 20.3471\ \mathrm{g} \approx\boxed{20.35\ \mathrm{g}}. \]
5.2 — 反应说明
沉淀反应及滤液的性质。
将 A 和 B 混合后，硫酸钡沉淀析出，亚硝酸铵留在溶液中：
\[
\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}.
\]
在酸化的碘离子检验中，亚硝酸根离子中的氮由 \(+3\) 氧化态被还原为 \(+2\) 氧化态，而碘离子被氧化为碘： \[ \ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}. \] 煮沸时，亚硝酸铵发生内部氧化还原反应： \[ \ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}. \] 其中两个氮原子的初始氧化态分别为 \(-3\) 和 \(+3\)，最终均变为 \(0\)。
D 的制备和水合反应。
亚硝酸钡热分解的总反应可用以下配平的方程式表示：
\[
\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}.
\]
在高温下，二氧化氮可以解离：
\[
\ce{2NO2 <=> 2NO + O2}.
\]
将这一解离反应计入后，可得到总反应的另一种形式：
\[
\ce{2Ba(NO2)2 ->[\Delta] 2BaO + 4NO(g) + O2(g)}.
\]
所得氧化钡与水发生放热反应： \[ \ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}. \]
从溶液中生成 E 或由 D 直接生成 E。
空气中的二氧化碳使氢氧化物溶液析出碳酸钡沉淀：
\[
\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}.
\]
固体氧化物长时间暴露于空气中时发生的总转化为
\[
\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}.
\]
水分可通过先水合、后碳酸化的过程促进这一转化。
F 的生成及其碘离子检验。
在 \(500\,^\circ\mathrm{C}\) 下，氧气将氧化钡转化为过氧化钡：
\[
\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}.
\]
在酸性溶液中，过氧化物中的氧由 \(-1\) 氧化态被还原为 \(-2\) 氧化态，同时氧化碘离子：
\[
\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}.
\]
D 的再生以及 B 与 D 的反应。
在高于 \(1400\,^\circ\mathrm{C}\) 的温度下，
\[
\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}.
\]
最后，氧化钡中和铵离子，同时析出硫酸钡沉淀：
\[
\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O}.
\]
该特征气味是氨的气味。
为完整起见，解答中使用的其他分子和离子物种的名称及 SMILES 如下：
| 物种 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO2}\) | 亚硝酸铵 | [NH4+].[O-]N=O |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | 氢氧化钡 | [Ba+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Ba^2+}\) | 钡(II)离子 | [Ba+2] |
| \(\ce{NH4+}\) | 铵离子 | [NH4+] |
| \(\ce{NO2^-}\) | 亚硝酸根离子 | [O-]N=O |
| \(\ce{SO4^2-}\) | 硫酸根离子 | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HNO2}\) | 亚硝酸 | O=NO |
| \(\ce{OH^-}\) | 氢氧根离子 | [OH-] |
| \(\ce{H3O+}\) | 水合氢离子 | [OH3+] |
| \(\ce{H+}\) | 氢离子，形式上表示为质子 | [H+] |
| \(\ce{I^-}\) | 碘离子 | [I-] |
| \(\ce{I2}\) | 碘 | II |
| \(\ce{H2O}\) | 水 | O |
| \(\ce{CO2}\) | 二氧化碳 | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | 氧气 | O=O |
| \(\ce{N2}\) | 氮气 | N#N |
| \(\ce{NH3}\) | 氨 | N |
| \(\ce{NO}\) | 一氧化氮，氧化氮 | [N]=O |
| \(\ce{NO2}\) | 二氧化氮 | [O-][N+]=O |
在水溶液反应方程式中，质子符号表示溶剂化的酸性物种。氧气的 SMILES 给出了原子间的连接关系，但并未编码其三重态基态。
解答已与官方解答核对。
IChO 2008 · Теоретическая задача 5
Два белых кристаллических вещества
A и B — белые кристаллические вещества. Оба хорошо растворимы в воде и выдерживают умеренное нагревание (до 200 °C) без изменений, но при более высоких температурах разлагаются. Если водный раствор 20.00 г A (слабощелочной, pH ≈ 8.5-9) добавить к водному раствору 11.52 г B (слабокислому, pH ≈ 4.5-5), образуется белый осадок C, масса которого после фильтрования, промывания и высушивания составляет 20.35 г. Фильтрат практически нейтрален и при взаимодействии с подкисленным раствором \(\ce{KI}\) даёт бурую окраску. При кипячении фильтрат испаряется без образования какого-либо остатка.
Белое твёрдое вещество D можно получить нагреванием A без доступа воздуха. В результате экзотермической реакции D с водой образуется бесцветный раствор. При хранении этого раствора в открытом сосуде из него медленно выпадает белое твёрдое вещество E, и остаётся вода. При длительном контакте с воздухом при комнатной температуре твёрдое вещество D также превращается в E. Однако при нагревании D на воздухе при 500 °C образуется другое белое вещество F, которое малорастворимо в воде и масса которого составляет лишь 85.8% от массы E, полученного из такого же количества D. При взаимодействии с подкисленным раствором \(\ce{KI}\) вещество F даёт бурую окраску.
E можно снова превратить в D, но для этого требуется прокаливание при температуре выше 1400 °C. При реакции B и D в воде образуется осадок C и появляется характерный запах.
5.1 Приведите формулы веществ A - F
5.2 Напишите уравнения всех упомянутых реакций и расставьте коэффициенты. (Уравнение термического разложения B не требуется.)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1
| Вещество | Формула | Название | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | \(\ce{Ba(NO2)2}\) | Нитрит бария | [Ba+2].[O-]N=O.[O-]N=O |
| B | \(\ce{(NH4)2SO4}\) | Сульфат аммония | [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| C | \(\ce{BaSO4}\) | Сульфат бария | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| D | \(\ce{BaO}\) | Оксид бария | [Ba+2].[O-2] |
| E | \(\ce{BaCO3}\) | Карбонат бария | [Ba+2].[O-]C(=O)[O-] |
| F | \(\ce{BaO2}\) | Пероксид бария | [Ba+2].[O-][O-] |
Ионные записи SMILES описывают формульные единицы; они не отображают протяжённые кристаллические решётки. Многоатомные анионы представлены одной из резонансных форм.
- 5.2
Требуемые уравнения с расставленными коэффициентами: \[ \begin{aligned} &\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}\\ &\ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}\\ &\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}\\ &\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}\\ &\ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}\\ &\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}\\ &\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}\\ &\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}\\ &\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}\\ &\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}\\ &\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O} \end{aligned} \] Здесь A нагревают без доступа воздуха; образование пероксида происходит на воздухе при \(500\,^\circ\mathrm{C}\); для разложения карбоната требуется нагревание выше \(1400\,^\circ\mathrm{C}\). Альтернативное суммарное уравнение термолиза A обсуждается ниже.
Решение
5.1 — Определение веществ A–F
Определение металла по веществам D, E и F.
Экзотермическая реакция D с водой и последующее выпадение осадка при контакте с воздухом позволяют предположить, что это основный оксид металла, образующий растворимый гидроксид. Затем углекислый газ воздуха приводит к образованию нерастворимого карбоната. Таким образом, для двухвалентного металла вероятны следующие формулы:
\[
D=\ce{MO},\qquad E=\ce{MCO3}.
\]
При нагревании оксида на воздухе образуется соединение F, обладающее окислительными свойствами. Предположение о том, что это пероксид \(\ce{MO2}\), объясняет его способность окислять иодид в кислой среде.
При одинаковых исходных количествах D карбонат и пероксид содержат одинаковые количества металла. Если \(x\) — молярная масса металла, то \[ \frac{m(F)}{m(E)} = \frac{x+32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {x+60.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.858. \] Следовательно, \[ x\approx 137\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] что позволяет определить металл: это барий.
Используя обычные значения атомных масс, получаем \[ \frac{M(\ce{BaO2})}{M(\ce{BaCO3})} \approx \frac{169.33}{197.33} =0.8581, \] что согласуется с указанными \(85.8\%\). Следовательно, \[ \boxed{D=\ce{BaO},\quad E=\ce{BaCO3},\quad F=\ce{BaO2}}. \]
Высокая температура, необходимая для обратного получения D, также согласуется с термической устойчивостью карбоната бария.
Определение B и C.
Характерный запах при реакции B с основным оксидом D указывает на аммиак. Следовательно, B содержит ионы аммония. Это также объясняет слабокислую реакцию его водного раствора.
Количества A и B должны практически соответствовать стехиометрическому соотношению: заметный избыток любой из исходных солей оставил бы остаток при кипячении. При образовании C один ион бария замещает два иона аммония, а анион, входящий в состав осадка, сохраняется. Таким образом, \[ n(\ce{Ba}) = \frac{m(C)-m(B)} {M(\ce{Ba})-2M(\ce{NH4+})}. \] Используя \(M(\ce{Ba})=137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) и \(M(\ce{NH4+})=18.039\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем \[ n(\ce{Ba}) = \frac{20.35-11.52\ \mathrm{g}} {137.327-2(18.039)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \approx 0.08721\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, вклад аниона в массу C в расчёте на один моль бария составляет \[ \frac{20.35\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}} -137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx96.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Это согласуется с сульфат-ионом, молярная масса которого приблизительно равна \(96.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Следовательно, \[ \boxed{B=\ce{(NH4)2SO4},\qquad C=\ce{BaSO4}}. \]
Определение A и состава фильтрата.
На одну формульную единицу A приходится один атом бария, поэтому
\[
M(A)\approx
\frac{20.00\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}}
=229.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Вычитая вклад бария, получаем приблизительно
\[
229.3-137.3=92.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Это соответствует двум нитрит-ионам, молярная масса каждого из которых составляет приблизительно
\(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Таким образом,
\[
\boxed{A=\ce{Ba(NO2)2}}.
\]
Следовательно, фильтрат представляет собой раствор нитрита аммония. Это объясняет оба оставшихся наблюдения:
- Нитрит окисляет иодид в кислом растворе до иода, придающего раствору бурую окраску.
- Нитрит аммония при нагревании разлагается на азот и воду, не оставляя твёрдого остатка.
Кислотно-основные свойства также согласуются с установленным составом: \[ \ce{NO2^- + H2O <=> HNO2 + OH^-}, \] что объясняет слабощелочную реакцию раствора A, и \[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \] что объясняет слабокислую реакцию раствора B. Фильтрат не содержит избытка сильной кислоты или сильного основания; «практически нейтрален» не обязательно означает в точности \(\mathrm{pH}=7\).
Численная проверка осаждения.
| Вещество | Молярная масса / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Количество вещества, рассчитанное по указанной массе / \(\mathrm{mol}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 229.337 | 0.0872079 |
| \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 132.139 | 0.0871812 |
| \(\ce{BaSO4}\) | 233.388 | 0.0871939 |
Эти количества согласуются в пределах округления приведённых масс. Если принять указанные массы реагентов за точные значения, расчётная масса осадка составляет \[ m(\ce{BaSO4}) = 0.0871812\ \mathrm{mol} \times233.388\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 20.3471\ \mathrm{g} \approx\boxed{20.35\ \mathrm{g}}. \]
5.2 — Объяснение реакций
Осаждение и свойства фильтрата.
При смешивании A и B выпадает осадок сульфата бария, а в растворе остаётся нитрит аммония:
\[
\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}.
\]
При проведении пробы с подкисленным раствором иодида азот в нитрит-ионе восстанавливается из степени окисления \(+3\) до \(+2\), а иодид окисляется до иода: \[ \ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}. \] При кипячении нитрит аммония вступает во внутримолекулярную окислительно-восстановительную реакцию: \[ \ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}. \] Оба его атома азота, исходно имеющие степени окисления \(-3\) и \(+3\), в итоге приобретают степень окисления \(0\).
Получение и гидратация D.
Суммарное уравнение термолиза нитрита бария с расставленными коэффициентами имеет вид
\[
\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}.
\]
При высокой температуре диоксид азота может диссоциировать:
\[
\ce{2NO2 <=> 2NO + O2}.
\]
Учёт этой диссоциации даёт альтернативное суммарное уравнение:
\[
\ce{2Ba(NO2)2 ->[\Delta] 2BaO + 4NO(g) + O2(g)}.
\]
Полученный оксид бария реагирует с водой с выделением теплоты: \[ \ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}. \]
Образование E из раствора или непосредственно из D.
Углекислый газ воздуха осаждает карбонат бария из раствора гидроксида:
\[
\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}.
\]
Суммарное превращение твёрдого оксида при длительном контакте с воздухом описывается уравнением
\[
\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}.
\]
Влага может способствовать этому превращению благодаря гидратации с последующей карбонизацией.
Образование F и его реакция с иодидом.
При \(500\,^\circ\mathrm{C}\) кислород превращает оксид бария в пероксид бария:
\[
\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}.
\]
В кислом растворе атомы кислорода пероксида восстанавливаются из степени окисления \(-1\) до \(-2\), окисляя иодид:
\[
\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}.
\]
Обратное получение D и реакция B с D.
При температуре выше \(1400\,^\circ\mathrm{C}\)
\[
\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}.
\]
Наконец, оксид бария нейтрализует ионы аммония с одновременным выпадением осадка сульфата бария:
\[
\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O}.
\]
Характерный запах — это запах аммиака.
Для полноты ниже приведены названия и SMILES остальных молекул и ионов, использованных в решении:
| Частица | Название | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO2}\) | Нитрит аммония | [NH4+].[O-]N=O |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | Гидроксид бария | [Ba+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Ba^2+}\) | Ион бария(II) | [Ba+2] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ион аммония | [NH4+] |
| \(\ce{NO2^-}\) | Нитрит-ион | [O-]N=O |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Сульфат-ион | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HNO2}\) | Азотистая кислота | O=NO |
| \(\ce{OH^-}\) | Гидроксид-ион | [OH-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Ион гидроксония | [OH3+] |
| \(\ce{H+}\) | Ион водорода, формально представленный как протон | [H+] |
| \(\ce{I^-}\) | Иодид-ион | [I-] |
| \(\ce{I2}\) | Иод | II |
| \(\ce{H2O}\) | Вода | O |
| \(\ce{CO2}\) | Диоксид углерода | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | Молекулярный кислород | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Молекулярный азот | N#N |
| \(\ce{NH3}\) | Аммиак | N |
| \(\ce{NO}\) | Монооксид азота, оксид азота(II) | [N]=O |
| \(\ce{NO2}\) | Диоксид азота | [O-][N+]=O |
Обозначение протона в уравнениях реакций в водном растворе отражает кислотность, обусловленную сольватированными ионами водорода. Запись SMILES для молекулярного кислорода указывает связи между атомами, но не кодирует его триплетное основное состояние.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2008 · مسألة نظرية 5
مادتان بلوريتان بيضاوان
A وB مادتان بلوريتان بيضاوان. كلتاهما شديدة الذوبان في الماء، ويمكن تسخينهما تسخينًا معتدلًا (حتى 200 °C) دون تغير، لكنهما تتحللان عند درجات حرارة أعلى. إذا أُضيف محلول مائي يحتوي على 20.00 g من A (وهو قاعدي قليلًا، pH ≈ 8.5-9) إلى محلول مائي يحتوي على 11.52 g من B (وهو حمضي قليلًا، pH ≈ 4.5-5)، يتكوّن راسب أبيض C تبلغ كتلته 20.35 g بعد الترشيح والغسل والتجفيف. الراشح متعادل تقريبًا، ويعطي تفاعلًا لونيًا بنيًا مع محلول مُحمَّض من \(\ce{KI}\). وعند غليه، يتبخر الراشح دون ظهور أي بقايا.
يمكن تحضير المادة الصلبة البيضاء D بتسخين A في غياب الهواء. ويعطي تفاعل D الطارد للحرارة مع الماء محلولًا عديم اللون. وإذا حُفظ هذا المحلول في وعاء مفتوح، تترسب منه ببطء مادة صلبة بيضاء E ويتبقى الماء. وعند تعريض المادة الصلبة D للهواء مدة طويلة في درجة حرارة الغرفة، تتحول هي أيضًا إلى E. لكن تسخين D في الهواء عند 500 °C ينتج مادة بيضاء مختلفة F، شحيحة الذوبان في الماء، وتبلغ كتلتها 85.8% فقط من كتلة E المتكوّنة من الكمية نفسها من D. وتعطي F تفاعلًا لونيًا بنيًا مع محلول مُحمَّض من \(\ce{KI}\).
يمكن تحويل E مجددًا إلى D، لكن ذلك يتطلب تكليسها عند درجة حرارة أعلى من 1400 °C. ويؤدي تفاعل B وD في الماء إلى تكوّن الراسب C، وتصاحبه رائحة مميزة.
5.1 أعطِ صيغ المواد A - F
5.2 اكتب معادلات موزونة لجميع التفاعلات المذكورة. (لا تُطلب معادلة التحلل الحراري للمادة B.)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1
| المادة | الصيغة | الاسم | SMILES |
|---|---|---|---|
| A | \(\ce{Ba(NO2)2}\) | نتريت الباريوم | [Ba+2].[O-]N=O.[O-]N=O |
| B | \(\ce{(NH4)2SO4}\) | كبريتات الأمونيوم | [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| C | \(\ce{BaSO4}\) | كبريتات الباريوم | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| D | \(\ce{BaO}\) | أكسيد الباريوم | [Ba+2].[O-2] |
| E | \(\ce{BaCO3}\) | كربونات الباريوم | [Ba+2].[O-]C(=O)[O-] |
| F | \(\ce{BaO2}\) | فوق أكسيد الباريوم | [Ba+2].[O-][O-] |
تصف تمثيلات SMILES الأيونية وحدات الصيغة، ولا تُظهر الشبكات البلورية الممتدة. وتُمثَّل الأنيونات متعددة الذرات بصيغة رنين واحدة.
- 5.2
المعادلات الموزونة المطلوبة هي: \[ \begin{aligned} &\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}\\ &\ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}\\ &\ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}\\ &\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}\\ &\ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}\\ &\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}\\ &\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}\\ &\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}\\ &\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}\\ &\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}\\ &\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O} \end{aligned} \] هنا، تُسخَّن A دون هواء؛ ويتكوّن فوق الأكسيد في الهواء عند \(500\,^\circ\mathrm{C}\)؛ ويتطلب تحلل الكربونات التسخين فوق \(1400\,^\circ\mathrm{C}\). ويُناقَش أدناه تمثيل إجمالي بديل للتحلل الحراري للمادة A.
الحل
5.1 — تعيين هوية A–F
تعيين هوية الفلز انطلاقًا من D وE وF.
يشير تفاعل D الطارد للحرارة مع الماء، وما يتبعه من ترسيب عند التعرض للهواء، إلى أكسيد فلزي قاعدي يُكوِّن هيدروكسيدًا ذائبًا. ثم ينتج ثاني أكسيد الكربون الموجود في الجو كربونات غير ذائبة. ومن ثم، بالنسبة إلى فلز ثنائي التكافؤ، تكون الصيغ المرجحة هي
\[
D=\ce{MO},\qquad E=\ce{MCO3}.
\]
ينتج عن تسخين الأكسيد في الهواء مركب مؤكسِد F. وكونه فوق أكسيد، \(\ce{MO2}\)، يفسر قدرته على أكسدة اليوديد في وسط مُحمَّض.
عند البدء بكميتين متساويتين من D، تحتوي الكربونات وفوق الأكسيد على كميتين متساويتين من الفلز. إذا كانت \(x\) هي الكتلة المولية للفلز، فإن \[ \frac{m(F)}{m(E)} = \frac{x+32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {x+60.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.858. \] وعليه، \[ x\approx 137\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] مما يحدد هوية الفلز بأنه الباريوم.
وباستخدام الكتل الذرية المعتادة نحصل على \[ \frac{M(\ce{BaO2})}{M(\ce{BaCO3})} \approx \frac{169.33}{197.33} =0.8581, \] وهو ما يتفق مع القيمة المعطاة \(85.8\%\). إذن \[ \boxed{D=\ce{BaO},\quad E=\ce{BaCO3},\quad F=\ce{BaO2}}. \]
كما أن درجة الحرارة المرتفعة المطلوبة لإعادة تكوين D تتفق مع الثبات الحراري لكربونات الباريوم.
تعيين هوية B وC.
تدل الرائحة المميزة عند تفاعل B مع الأكسيد القاعدي D على الأمونيا. ولذلك تحتوي B على أيونات الأمونيوم. وهذا يفسر أيضًا كون محلولها المائي حمضيًا قليلًا.
لا بد أن تكون كميتا A وB متوافقتين تقريبًا مع النسبة الستوكيومترية: فوجود فائض ملحوظ من أي من الملحين الأصليين سيترك بقايا عند الغليان. وعند تكوّن C، يحل أيون باريوم واحد محل أيوني أمونيوم، مع الاحتفاظ بالأنيون المكوِّن للراسب. ومن ثم، \[ n(\ce{Ba}) = \frac{m(C)-m(B)} {M(\ce{Ba})-2M(\ce{NH4+})}. \] وباستخدام \(M(\ce{Ba})=137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) و \(M(\ce{NH4+})=18.039\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)، \[ n(\ce{Ba}) = \frac{20.35-11.52\ \mathrm{g}} {137.327-2(18.039)\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} \approx 0.08721\ \mathrm{mol}. \]
إذن، مساهمة الأنيونات في كتلة C، لكل مول من الباريوم، هي \[ \frac{20.35\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}} -137.327\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx96.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] وهذا يتفق مع الكبريتات، التي تبلغ كتلتها المولية نحو \(96.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). وبالتالي، \[ \boxed{B=\ce{(NH4)2SO4},\qquad C=\ce{BaSO4}}. \]
تعيين هوية A والراشح.
توجد ذرة باريوم واحدة في كل وحدة صيغة من A، لذا
\[
M(A)\approx
\frac{20.00\ \mathrm{g}}{0.08721\ \mathrm{mol}}
=229.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
وبطرح مساهمة الباريوم يتبقى تقريبًا
\[
229.3-137.3=92.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
وهذا يقابل أيوني نتريت، تبلغ الكتلة المولية لكل منهما نحو
\(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). ومن ثم،
\[
\boxed{A=\ce{Ba(NO2)2}}.
\]
وعليه، فالراشح هو محلول نتريت الأمونيوم. وهذا يفسر كلتا الملاحظتين المتبقيتين:
- تؤكسد النتريت اليوديد إلى اليود البني في المحلول الحمضي.
- تتحلل نتريت الأمونيوم بالتسخين إلى النيتروجين والماء، دون أن تترك بقايا صلبة.
ويتفق السلوك الحمضي–القاعدي أيضًا مع الهوية المحددة: \[ \ce{NO2^- + H2O <=> HNO2 + OH^-}, \] وهو ما يفسر كون محلول A قاعديًا قليلًا، و \[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \] وهو ما يفسر كون محلول B حمضيًا قليلًا. لا يحتوي الراشح على فائض من حمض قوي أو قاعدة قوية؛ ولا يلزم أن تعني عبارة «متعادل تقريبًا» أن \(\mathrm{pH}=7\) تمامًا.
التحقق العددي من الترسيب.
| المادة | الكتلة المولية / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | كمية المادة المحسوبة من الكتلة المعطاة / \(\mathrm{mol}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{Ba(NO2)2}\) | 229.337 | 0.0872079 |
| \(\ce{(NH4)2SO4}\) | 132.139 | 0.0871812 |
| \(\ce{BaSO4}\) | 233.388 | 0.0871939 |
تتفق هذه الكميات ضمن حدود تقريب الكتل المعطاة. وبأخذ كتل المتفاعلات المعروضة كما هي حرفيًا، تكون كتلة الراسب المحسوبة \[ m(\ce{BaSO4}) = 0.0871812\ \mathrm{mol} \times233.388\ \mathrm{g\,mol^{-1}} = 20.3471\ \mathrm{g} \approx\boxed{20.35\ \mathrm{g}}. \]
5.2 — تفسير التفاعلات
الترسيب وسلوك الراشح.
يؤدي خلط A وB إلى ترسيب كبريتات الباريوم وبقاء نتريت الأمونيوم في المحلول:
\[
\ce{Ba(NO2)2 + (NH4)2SO4 -> BaSO4(s) + 2NH4NO2}.
\]
في اختبار اليوديد المُحمَّض، يُختزَل النيتروجين في النتريت من حالة الأكسدة \(+3\) إلى \(+2\)، بينما يتأكسد اليوديد إلى اليود: \[ \ce{2NO2^- + 2I^- + 4H+ -> 2NO(g) + I2 + 2H2O}. \] عند الغليان، تخضع نتريت الأمونيوم لتفاعل أكسدة–اختزال داخلي: \[ \ce{NH4NO2 ->[\Delta] N2(g) + 2H2O}. \] تؤول حالتا أكسدة ذرتي النيتروجين فيها، وهما في البداية \(-3\) و\(+3\)، كلتاهما إلى \(0\).
تحضير D وإماهتها.
يمكن تمثيل التحلل الحراري لنتريت الباريوم بمعادلة إجمالية موزونة كما يلي
\[
\ce{Ba(NO2)2 ->[\Delta] BaO + NO(g) + NO2(g)}.
\]
عند درجة حرارة مرتفعة، يمكن أن يتفكك ثاني أكسيد النيتروجين:
\[
\ce{2NO2 <=> 2NO + O2}.
\]
وبإدراج هذا التفكك نحصل على الصيغة الإجمالية البديلة
\[
\ce{2Ba(NO2)2 ->[\Delta] 2BaO + 4NO(g) + O2(g)}.
\]
يتفاعل أكسيد الباريوم الناتج مع الماء تفاعلًا طاردًا للحرارة: \[ \ce{BaO + H2O -> Ba(OH)2}. \]
تكوّن E من المحلول أو مباشرةً من D.
يُرسِّب ثاني أكسيد الكربون الموجود في الجو كربونات الباريوم من محلول الهيدروكسيد:
\[
\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3(s) + H2O}.
\]
التحول الإجمالي للأكسيد الصلب أثناء التعرض المطوَّل للهواء هو
\[
\ce{BaO + CO2 -> BaCO3}.
\]
يمكن أن تُيسِّر الرطوبة هذا التحول من خلال الإماهة التي تتبعها الكربنة.
تكوّن F واختبارها باليوديد.
عند \(500\,^\circ\mathrm{C}\)، يحوِّل الأكسجين أكسيد الباريوم إلى فوق أكسيد الباريوم:
\[
\ce{2BaO + O2 -> 2BaO2}.
\]
في المحلول الحمضي، تُختزَل ذرات الأكسجين في فوق الأكسيد من حالة الأكسدة \(-1\) إلى \(-2\)، فتؤكسد اليوديد:
\[
\ce{BaO2 + 2I^- + 4H+ -> Ba^2+ + I2 + 2H2O}.
\]
إعادة تكوين D وتفاعل B مع D.
فوق \(1400\,^\circ\mathrm{C}\)،
\[
\ce{BaCO3 ->[\Delta] BaO + CO2(g)}.
\]
أخيرًا، يعادل أكسيد الباريوم أيونات الأمونيوم بينما تترسب كبريتات الباريوم:
\[
\ce{(NH4)2SO4 + BaO -> BaSO4(s) + 2NH3(g) + H2O}.
\]
الرائحة المميزة هي رائحة الأمونيا.
استكمالًا للعرض، ترد أدناه أسماء الأنواع الجزيئية والأيونية الإضافية المستخدمة في الحل وتمثيلاتها بصيغة SMILES:
| النوع الكيميائي | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO2}\) | نتريت الأمونيوم | [NH4+].[O-]N=O |
| \(\ce{Ba(OH)2}\) | هيدروكسيد الباريوم | [Ba+2].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Ba^2+}\) | أيون الباريوم(II) | [Ba+2] |
| \(\ce{NH4+}\) | أيون الأمونيوم | [NH4+] |
| \(\ce{NO2^-}\) | أيون النتريت | [O-]N=O |
| \(\ce{SO4^2-}\) | أيون الكبريتات | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HNO2}\) | حمض النيتروز | O=NO |
| \(\ce{OH^-}\) | أيون الهيدروكسيد | [OH-] |
| \(\ce{H3O+}\) | أيون الهيدرونيوم | [OH3+] |
| \(\ce{H+}\) | أيون الهيدروجين، ممثَّلًا صوريًا ببروتون | [H+] |
| \(\ce{I^-}\) | أيون اليوديد | [I-] |
| \(\ce{I2}\) | اليود | II |
| \(\ce{H2O}\) | الماء | O |
| \(\ce{CO2}\) | ثاني أكسيد الكربون | O=C=O |
| \(\ce{O2}\) | ثنائي الأكسجين | O=O |
| \(\ce{N2}\) | ثنائي النيتروجين | N#N |
| \(\ce{NH3}\) | الأمونيا | N |
| \(\ce{NO}\) | أحادي أكسيد النيتروجين، أكسيد النتريك | [N]=O |
| \(\ce{NO2}\) | ثاني أكسيد النيتروجين | [O-][N+]=O |
يمثّل ترميز البروتون الحموضة في صورتها المُميَّهة في المعادلات المائية. ويُبيّن تمثيل SMILES لثنائي الأكسجين كيفية اتصال الذرتين، لكنه لا يرمِّز حالته الأرضية الثلاثية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.