IChO 2015 · Theory problem 4
From one yellow powder to another: A simple inorganic riddle
The yellow binary compound \(X_1\) was completely dissolved in concentrated nitric acid by heating, the gas evolved is 1.586 times denser than air. Upon adding an excess of barium chloride to the solution formed a white solid \(X_2\) precipitates. It was filtered. The filtrate reacts with an excess of silver sulfate solution forming a precipitate of two solids \(X_2\) and \(X_3\), also separated from solution by filtration. To the new filtrate the solution of sodium hydroxide was being added drop-wise until the solution became nearly neutral (about pH 7). At this time a yellow powder \(X_4\) (77.31 wt.% of \(\ce{Ag}\)) crystallized from the solution. The mass of \(X_4\) is nearly 2.4 times larger than that the mass of the first portion of \(X_2\).
4.1 Determine the chemical formulae of \(X_1\) – \(X_4\).
4.2 Determine the chemical formula of the gas and provide equations for all reactions in ionic or non-ionic form.
4.3 In the structural unit of \(X_1\) all atoms of only one element are in equivalent positions. Draw the structure of \(X_1\).
4.4 Predict the products of \(X_1\) interaction with:
a) excess oxygen;
b) excess of hot concentrated sulfuric acid;
c) solid \(\ce{KClO3}\) with grinding.
Write down the equations of the reactions.
Official English text of the problem.
Answers
- 4.1
| Compound | Formula | Name | SMILES |
|---|---|---|---|
| \(X_1\) | \(\ce{P4S3}\) | Tetraphosphorus trisulfide, also called phosphorus sesquisulfide | P12P3P1SP(S2)S3 |
| \(X_2\) | \(\ce{BaSO4}\) | Barium sulfate | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(X_3\) | \(\ce{AgCl}\) | Silver(I) chloride | [Ag+].[Cl-] |
| \(X_4\) | \(\ce{Ag3PO4}\) | Silver(I) phosphate | [Ag+].[Ag+].[Ag+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
-
4.2 The gas is nitrogen dioxide, \(\ce{NO2}\), SMILES
[O-][N+]=O. The balanced reaction equations are given below. -
4.3 The \(\ce{P4S3}\) molecule has a triangular base of three directly bonded phosphorus atoms. Each basal phosphorus is connected through one sulfur atom to a fourth, apical phosphorus. All three sulfur atoms are equivalent; the phosphorus atoms occupy two distinct environments.
-
4.4(a) \[ \ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2} \]
-
4.4(b) \[ \ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O} \]
-
4.4(c) \[ \ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl} \]
The disconnected SMILES for salts specify their constituent ions, rather than their crystal structures.
Solution
4.1 — Identification of \(X_1\)–\(X_4\)
The first white precipitate is consistent with barium sulfate, formed from sulfate produced during oxidation of sulfur in \(X_1\). Its precipitation from the strongly acidic solution supports this identification:
\[ X_2=\ce{BaSO4}. \]
The added barium chloride also introduces chloride ions. Subsequent addition of silver sulfate precipitates the remaining barium as more barium sulfate, while silver ions precipitate chloride as silver(I) chloride:
\[ X_3=\ce{AgCl}. \]
The final yellow precipitate is silver(I) phosphate. Using standard atomic molar masses,
\[ M(\ce{Ag3PO4}) =3(107.868)+30.974+4(15.999) =418.57\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Its calculated silver content is
\[ w(\ce{Ag}) = \frac{3(107.868)}{418.57}\times100\% = 77.31\%, \]
matching the stated value. Therefore,
\[ X_4=\ce{Ag3PO4}. \]
The binary starting material consequently contains phosphorus and sulfur. Each mole of phosphorus atoms gives one mole of silver phosphate, while each mole of sulfur atoms gives one mole of barium sulfate in the first precipitation.
With
\[ M(\ce{BaSO4})=233.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
the mass ratio gives
\[ \frac{m(X_4)}{m(X_2,\text{ first portion})} = \frac{n(\mathrm P)\,M(\ce{Ag3PO4})} {n(\mathrm S)\,M(\ce{BaSO4})} \approx2.4. \]
Thus,
\[ \frac{n(\mathrm P)}{n(\mathrm S)} \approx 2.4\frac{233.38}{418.57} = 1.338 \approx\frac43. \]
The starting compound is therefore
\[ \boxed{X_1=\ce{P4S3}}. \]
As a check, its predicted precipitate mass ratio is
\[ \frac{4M(\ce{Ag3PO4})}{3M(\ce{BaSO4})} = \frac{4(418.57)}{3(233.38)} = 2.391, \]
consistent with “nearly 2.4.”
Only the first portion of barium sulfate is used here: sulfate in the second portion comes from the added silver sulfate.
4.2 — Gas identification and reaction equations
At the same temperature and pressure, gas density is proportional to molar mass. Taking the mean molar mass of air as approximately \(29.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ M_{\text{gas}} = 1.586(29.0) = 46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
This identifies nitrogen dioxide, \(\ce{NO2}\), whose molar mass is approximately \(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Its SMILES is [O-][N+]=O; it is a bent, odd-electron molecule.
Oxidative dissolution. Hot concentrated nitric acid oxidizes phosphorus to phosphoric acid and sulfur to sulfuric acid:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 38HNO3 -> 4H3PO4 + 3H2SO4 + 38NO2 + 10H2O}}. \]
The molecular species used here are:
| Name | Formula | SMILES |
|---|---|---|
| Nitric acid | \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| Phosphoric acid | \(\ce{H3PO4}\) | OP(=O)(O)O |
| Sulfuric acid | \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Water | \(\ce{H2O}\) | O |
For the electron balance, the three sulfur atoms initially have oxidation state \(-2\), so the total oxidation-state sum for phosphorus is \(+6\). Oxidation of the four phosphorus atoms to \(+5\) releases \(20-6=14\) electrons. Oxidation of three sulfur atoms from \(-2\) to \(+6\) releases \(24\) electrons. The total is \(38\), matching reduction of \(38\) nitrogen atoms from \(+5\) to \(+4\).
First precipitation. Barium chloride, SMILES [Ba+2].[Cl-].[Cl-], supplies barium ions, [Ba+2], which precipitate sulfate ions, [O-]S(=O)(=O)[O-]:
\[ \boxed{\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}}. \]
Phosphoric acid remains dissolved under these acidic conditions.
Second precipitation. Silver(I) sulfate, SMILES [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-], supplies sulfate ions that remove the excess barium by the same barium sulfate precipitation reaction. Its silver(I) ions, [Ag+], also remove chloride ions, [Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}}. \]
Thus, the second precipitate contains both \(\ce{BaSO4}\) and \(\ce{AgCl}\). Excess silver ions remain in the filtrate.
Neutralization and yellow precipitation. Sodium hydroxide, SMILES [Na+].[OH-], supplies hydroxide ions, [OH-], which neutralize hydrogen ions, [H+]:
\[ \boxed{\ce{H+ + OH- -> H2O}}. \]
As the acidity decreases, silver phosphate precipitates. A net ionic equation incorporating phosphate deprotonation is
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3Ag+ + 3OH- -> Ag3PO4(s) + 3H2O}}. \]
This equation does not require fully deprotonated phosphate to be the predominant dissolved phosphate species at pH 7: precipitation draws the acid–base equilibria toward further deprotonation.
4.3 — Structure of \(X_1\)
Tetraphosphorus trisulfide, \(\ce{P4S3}\), SMILES P12P3P1SP(S2)S3, has a cage structure.
To draw it precisely:
- Draw three phosphorus atoms at the vertices of a triangular base, with a single phosphorus–phosphorus bond along each side.
- Place a fourth phosphorus atom above the centre of this triangle.
- Connect the apical phosphorus to each basal phosphorus through a separate sulfur atom, giving three bent \(\ce{P-S-P}\) bridges.
- Draw all bonds as single bonds. Each phosphorus has one lone pair, and each sulfur has two lone pairs.
There are three direct phosphorus–phosphorus bonds and six phosphorus–sulfur bonds, with no sulfur–sulfur bonds.
The molecular symmetry is \(C_{3v}\). The three sulfur atoms are equivalent, as are the three basal phosphorus atoms. The apical phosphorus is distinct: it bonds to three sulfur atoms, whereas each basal phosphorus bonds to two phosphorus atoms and one sulfur atom. This satisfies the stated equivalence condition.
4.4 — Reactions of \(X_1\)
The additional species appearing in these reactions are:
| Name | Formula | SMILES |
|---|---|---|
| Dioxygen | \(\ce{O2}\) | O=O |
| Tetraphosphorus decaoxide, phosphorus(V) oxide | \(\ce{P4O10}\) | O=P12OP3(=O)OP(=O)(O1)OP(=O)(O2)O3 |
| Sulfur dioxide | \(\ce{SO2}\) | O=S=O |
| Potassium chlorate | \(\ce{KClO3}\) | [K+].[O-]Cl(=O)=O |
| Potassium chloride | \(\ce{KCl}\) | [K+].[Cl-] |
The molecular \(\ce{P4O10}\) cage has four phosphorus atoms arranged tetrahedrally, six bridging oxygen atoms—one along each tetrahedral edge—and one terminal oxygen at each phosphorus. The conventional dioxygen SMILES records connectivity; ground-state dioxygen is a triplet.
(a) Excess oxygen
Combustion gives phosphorus(V) oxide and sulfur dioxide:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2}}. \]
Phosphorus reaches oxidation state \(+5\), while sulfur reaches \(+4\).
(b) Excess hot concentrated sulfuric acid
Sulfuric acid acts as the oxidant and is reduced to sulfur dioxide. The phosphorus becomes phosphoric acid, and the sulfur originally present in \(\ce{P4S3}\) also becomes sulfur dioxide:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O}}. \]
The phosphorus atoms release \(14\) electrons in total, and the three sulfur atoms release
\[ 3\bigl[4-(-2)\bigr]=18 \]
electrons. Thus, \(32\) electrons are released. Each sulfuric-acid sulfur atom accepts two electrons on changing from \(+6\) to \(+4\), requiring \(16\) sulfuric acid molecules. The \(19\) sulfur dioxide molecules contain \(16\) sulfur atoms from the acid and three from the starting compound.
(c) Solid potassium chlorate with grinding
Chlorate oxidizes the phosphorus and sulfur to phosphorus(V) oxide and sulfur dioxide, while chlorine is reduced from \(+5\) to \(-1\):
\[ \boxed{\ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl}}. \]
Each \(\ce{P4S3}\) molecule releases \(32\) electrons, and each chlorate accepts six. The smallest matching totals are
\[ 3(32)=16(6)=96, \]
giving the coefficients shown.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2015 · Theorieaufgabe 4
Von einem gelben Pulver zum anderen: Ein einfaches anorganisches Rätsel
Die gelbe binäre Verbindung \(X_1\) wurde unter Erwärmen vollständig in konzentrierter Salpetersäure gelöst; das dabei entwickelte Gas hat die 1.586-fache Dichte von Luft. Bei Zugabe eines Überschusses an Bariumchlorid zu der entstandenen Lösung fällt ein weißer Feststoff \(X_2\) aus. Dieser wurde abfiltriert. Das Filtrat reagiert mit einem Überschuss an Silbersulfatlösung unter Bildung eines Niederschlags aus zwei Feststoffen \(X_2\) und \(X_3\), die ebenfalls durch Filtration von der Lösung getrennt werden. Zu dem neuen Filtrat wurde tropfenweise Natriumhydroxidlösung gegeben, bis die Lösung nahezu neutral war (etwa pH 7). Dabei kristallisierte ein gelbes Pulver \(X_4\) (77.31 Massen-% \(\ce{Ag}\)) aus der Lösung. Die Masse von \(X_4\) beträgt nahezu das 2.4-Fache der Masse der ersten Portion von \(X_2\).
4.1 Bestimmen Sie die chemischen Formeln von \(X_1\) – \(X_4\).
4.2 Bestimmen Sie die chemische Formel des Gases und geben Sie die Gleichungen aller Reaktionen in ionischer oder nichtionischer Form an.
4.3 In der Struktureinheit von \(X_1\) befinden sich sämtliche Atome nur eines Elements in äquivalenten Positionen. Zeichnen Sie die Struktur von \(X_1\).
4.4 Sagen Sie die Produkte der Reaktion von \(X_1\) mit folgenden Stoffen voraus:
a) Sauerstoff im Überschuss;
b) heißer konzentrierter Schwefelsäure im Überschuss;
c) festem \(\ce{KClO3}\) beim Verreiben.
Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen auf.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 4.1
| Verbindung | Formel | Name | SMILES |
|---|---|---|---|
| \(X_1\) | \(\ce{P4S3}\) | Tetraphosphortrisulfid, auch Phosphorsesquisulfid genannt | P12P3P1SP(S2)S3 |
| \(X_2\) | \(\ce{BaSO4}\) | Bariumsulfat | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(X_3\) | \(\ce{AgCl}\) | Silber(I)-chlorid | [Ag+].[Cl-] |
| \(X_4\) | \(\ce{Ag3PO4}\) | Silber(I)-phosphat | [Ag+].[Ag+].[Ag+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
-
4.2 Das Gas ist Stickstoffdioxid, \(\ce{NO2}\), SMILES
[O-][N+]=O. Die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen sind unten angegeben. -
4.3 Das \(\ce{P4S3}\)-Molekül besitzt eine dreieckige Grundfläche aus drei direkt miteinander verbundenen Phosphoratomen. Jedes Phosphoratom der Grundfläche ist über ein Schwefelatom mit einem vierten Phosphoratom an der Spitze verbunden. Alle drei Schwefelatome sind äquivalent; die Phosphoratome befinden sich in zwei unterschiedlichen Umgebungen.
-
4.4(a) \[ \ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2} \]
-
4.4(b) \[ \ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O} \]
-
4.4(c) \[ \ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl} \]
Die SMILES-Schreibweisen mit getrennten Komponenten für Salze geben deren konstituierende Ionen und nicht ihre Kristallstrukturen an.
Lösung
4.1 — Identifizierung von \(X_1\)–\(X_4\)
Der erste weiße Niederschlag lässt sich als Bariumsulfat deuten, das aus dem bei der Oxidation des Schwefels in \(X_1\) entstandenen Sulfat gebildet wird. Seine Fällung aus der stark sauren Lösung stützt diese Zuordnung:
\[ X_2=\ce{BaSO4}. \]
Das zugesetzte Bariumchlorid bringt auch Chloridionen in die Lösung ein. Die anschließende Zugabe von Silbersulfat fällt das verbleibende Barium als weiteres Bariumsulfat aus, während Silberionen das Chlorid als Silber(I)-chlorid fällen:
\[ X_3=\ce{AgCl}. \]
Der abschließend gebildete gelbe Niederschlag ist Silber(I)-phosphat. Mit den üblichen molaren Atommassen ergibt sich
\[ M(\ce{Ag3PO4}) =3(107.868)+30.974+4(15.999) =418.57\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Sein berechneter Silbergehalt beträgt
\[ w(\ce{Ag}) = \frac{3(107.868)}{418.57}\times100\% = 77.31\%, \]
was mit dem angegebenen Wert übereinstimmt. Daher gilt
\[ X_4=\ce{Ag3PO4}. \]
Der binäre Ausgangsstoff enthält folglich Phosphor und Schwefel. Jedes Mol Phosphoratome ergibt ein Mol Silberphosphat, während jedes Mol Schwefelatome bei der ersten Fällung ein Mol Bariumsulfat ergibt.
Mit
\[ M(\ce{BaSO4})=233.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
ergibt sich aus dem Massenverhältnis
\[ \frac{m(X_4)}{m(X_2,\text{ erste Portion})} = \frac{n(\mathrm P)\,M(\ce{Ag3PO4})} {n(\mathrm S)\,M(\ce{BaSO4})} \approx2.4. \]
Somit gilt
\[ \frac{n(\mathrm P)}{n(\mathrm S)} \approx 2.4\frac{233.38}{418.57} = 1.338 \approx\frac43. \]
Die Ausgangsverbindung ist daher
\[ \boxed{X_1=\ce{P4S3}}. \]
Zur Kontrolle ergibt sich für sie das vorhergesagte Massenverhältnis der Niederschläge zu
\[ \frac{4M(\ce{Ag3PO4})}{3M(\ce{BaSO4})} = \frac{4(418.57)}{3(233.38)} = 2.391, \]
in Übereinstimmung mit „nahezu 2.4“.
Hier wird nur die erste Portion Bariumsulfat berücksichtigt: Das Sulfat in der zweiten Portion stammt aus dem zugesetzten Silbersulfat.
4.2 — Identifizierung des Gases und Reaktionsgleichungen
Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck ist die Dichte eines Gases proportional zu seiner molaren Masse. Setzt man für die mittlere molare Masse von Luft näherungsweise \(29.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) an, so ergibt sich
\[ M_{\text{Gas}} = 1.586(29.0) = 46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Damit wird das Gas als Stickstoffdioxid, \(\ce{NO2}\), identifiziert, dessen molare Masse etwa \(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) beträgt. Seine SMILES-Schreibweise lautet [O-][N+]=O; es ist ein gewinkeltes Molekül mit einer ungeraden Elektronenzahl.
Oxidatives Auflösen. Heiße konzentrierte Salpetersäure oxidiert Phosphor zu Phosphorsäure und Schwefel zu Schwefelsäure:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 38HNO3 -> 4H3PO4 + 3H2SO4 + 38NO2 + 10H2O}}. \]
Die hier verwendeten molekularen Spezies sind:
| Name | Formel | SMILES |
|---|---|---|
| Salpetersäure | \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| Phosphorsäure | \(\ce{H3PO4}\) | OP(=O)(O)O |
| Schwefelsäure | \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Wasser | \(\ce{H2O}\) | O |
Für die Elektronenbilanz haben die drei Schwefelatome anfangs die Oxidationszahl \(-2\), sodass die Summe der Oxidationszahlen für Phosphor \(+6\) beträgt. Die Oxidation der vier Phosphoratome zu \(+5\) setzt \(20-6=14\) Elektronen frei. Die Oxidation von drei Schwefelatomen von \(-2\) zu \(+6\) setzt \(24\) Elektronen frei. Die Gesamtzahl beträgt \(38\), entsprechend der Reduktion von \(38\) Stickstoffatomen von \(+5\) zu \(+4\).
Erste Fällung. Bariumchlorid, SMILES [Ba+2].[Cl-].[Cl-], liefert Bariumionen, [Ba+2], die Sulfationen, [O-]S(=O)(=O)[O-], ausfällen:
\[ \boxed{\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}}. \]
Phosphorsäure bleibt unter diesen sauren Bedingungen gelöst.
Zweite Fällung. Silber(I)-sulfat, SMILES [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-], liefert Sulfationen, die das überschüssige Barium durch dieselbe Bariumsulfat-Fällungsreaktion entfernen. Seine Silber(I)-Ionen, [Ag+], entfernen außerdem Chloridionen, [Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}}. \]
Somit enthält der zweite Niederschlag sowohl \(\ce{BaSO4}\) als auch \(\ce{AgCl}\). Überschüssige Silberionen verbleiben im Filtrat.
Neutralisation und Bildung des gelben Niederschlags. Natriumhydroxid, SMILES [Na+].[OH-], liefert Hydroxidionen, [OH-], die Wasserstoffionen, [H+], neutralisieren:
\[ \boxed{\ce{H+ + OH- -> H2O}}. \]
Mit abnehmender Acidität fällt Silberphosphat aus. Eine Nettoionengleichung, die die Deprotonierung der Phosphorsäure einschließt, lautet
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3Ag+ + 3OH- -> Ag3PO4(s) + 3H2O}}. \]
Diese Gleichung setzt nicht voraus, dass vollständig deprotoniertes Phosphat bei pH 7 die vorherrschende gelöste Phosphatspezies ist: Die Fällung verschiebt die Säure-Base-Gleichgewichte in Richtung weiterer Deprotonierung.
4.3 — Struktur von \(X_1\)
Tetraphosphortrisulfid, \(\ce{P4S3}\), SMILES P12P3P1SP(S2)S3, besitzt eine Käfigstruktur.
So lässt sie sich genau zeichnen:
- Zeichnen Sie drei Phosphoratome an die Ecken einer dreieckigen Grundfläche, mit jeweils einer Phosphor–Phosphor-Einfachbindung entlang jeder Seite.
- Platzieren Sie ein viertes Phosphoratom über dem Mittelpunkt dieses Dreiecks.
- Verbinden Sie das Phosphoratom an der Spitze mit jedem Phosphoratom der Grundfläche über jeweils ein eigenes Schwefelatom, sodass drei gewinkelte \(\ce{P-S-P}\)-Brücken entstehen.
- Zeichnen Sie alle Bindungen als Einfachbindungen. Jedes Phosphoratom besitzt ein freies Elektronenpaar und jedes Schwefelatom zwei freie Elektronenpaare.
Es gibt drei direkte Phosphor–Phosphor-Bindungen und sechs Phosphor–Schwefel-Bindungen, jedoch keine Schwefel–Schwefel-Bindungen.
Die Molekülsymmetrie ist \(C_{3v}\). Die drei Schwefelatome sind äquivalent, ebenso die drei Phosphoratome der Grundfläche. Das Phosphoratom an der Spitze unterscheidet sich von ihnen: Es ist an drei Schwefelatome gebunden, während jedes Phosphoratom der Grundfläche an zwei Phosphoratome und ein Schwefelatom gebunden ist. Damit ist die angegebene Äquivalenzbedingung erfüllt.
4.4 — Reaktionen von \(X_1\)
Die zusätzlichen Spezies, die in diesen Reaktionen auftreten, sind:
| Name | Formel | SMILES |
|---|---|---|
| Disauerstoff | \(\ce{O2}\) | O=O |
| Tetraphosphordecaoxid, Phosphor(V)-oxid | \(\ce{P4O10}\) | O=P12OP3(=O)OP(=O)(O1)OP(=O)(O2)O3 |
| Schwefeldioxid | \(\ce{SO2}\) | O=S=O |
| Kaliumchlorat | \(\ce{KClO3}\) | [K+].[O-]Cl(=O)=O |
| Kaliumchlorid | \(\ce{KCl}\) | [K+].[Cl-] |
Der molekulare \(\ce{P4O10}\)-Käfig besitzt vier tetraedrisch angeordnete Phosphoratome, sechs verbrückende Sauerstoffatome — eines entlang jeder Tetraederkante — und ein terminales Sauerstoffatom an jedem Phosphoratom. Die herkömmliche SMILES-Schreibweise für Disauerstoff gibt die Bindungsverknüpfung wieder; Disauerstoff befindet sich im Grundzustand in einem Triplettzustand.
(a) Sauerstoff im Überschuss
Bei der Verbrennung entstehen Phosphor(V)-oxid und Schwefeldioxid:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2}}. \]
Phosphor erreicht die Oxidationszahl \(+5\), während Schwefel \(+4\) erreicht.
(b) Heiße konzentrierte Schwefelsäure im Überschuss
Schwefelsäure wirkt als Oxidationsmittel und wird zu Schwefeldioxid reduziert. Der Phosphor wird zu Phosphorsäure umgesetzt, und der ursprünglich in \(\ce{P4S3}\) enthaltene Schwefel wird ebenfalls zu Schwefeldioxid umgesetzt:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O}}. \]
Die Phosphoratome setzen insgesamt \(14\) Elektronen frei, und die drei Schwefelatome setzen
\[ 3\bigl[4-(-2)\bigr]=18 \]
Elektronen frei. Somit werden \(32\) Elektronen freigesetzt. Jedes Schwefelatom der Schwefelsäure nimmt beim Übergang von \(+6\) zu \(+4\) zwei Elektronen auf, sodass \(16\) Schwefelsäuremoleküle benötigt werden. Die \(19\) Schwefeldioxidmoleküle enthalten \(16\) Schwefelatome aus der Säure und drei aus der Ausgangsverbindung.
(c) Festes Kaliumchlorat beim Verreiben
Chlorat oxidiert Phosphor und Schwefel zu Phosphor(V)-oxid und Schwefeldioxid, während Chlor von \(+5\) zu \(-1\) reduziert wird:
\[ \boxed{\ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl}}. \]
Jedes \(\ce{P4S3}\)-Molekül setzt \(32\) Elektronen frei, und jedes Chlorat nimmt sechs auf. Die kleinsten übereinstimmenden Gesamtzahlen sind
\[ 3(32)=16(6)=96, \]
woraus sich die angegebenen Koeffizienten ergeben.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2015 · Teori sorusu 4
Bir sarı tozdan diğerine: Basit bir anorganik bilmece
Sarı renkli ikili bileşik \(X_1\), derişik nitrik asitte ısıtılarak tamamen çözündürüldü; açığa çıkan gazın yoğunluğu havanın yoğunluğunun 1.586 katıdır. Oluşan çözeltiye fazla miktarda baryum klorür eklendiğinde beyaz bir katı olan \(X_2\) çöker. Bu katı süzülerek ayrıldı. Süzüntü, fazla miktarda gümüş sülfat çözeltisiyle tepkimeye girerek \(X_2\) ve \(X_3\) katılarından oluşan bir çökelek oluşturur; bu katılar da süzülerek çözeltiden ayrıldı. Yeni süzüntüye, çözelti neredeyse nötr hâle gelene kadar (yaklaşık pH 7) damla damla sodyum hidroksit çözeltisi eklendi. Bu sırada çözeltiden sarı bir toz olan \(X_4\) (kütlece %77.31 \(\ce{Ag}\)) kristallendi. \(X_4\)'ün kütlesi, ilk elde edilen \(X_2\) kısmının kütlesinin yaklaşık 2.4 katıdır.
4.1 \(X_1\) – \(X_4\) bileşiklerinin kimyasal formüllerini belirleyiniz.
4.2 Gazın kimyasal formülünü belirleyiniz ve tüm tepkimelerin denklemlerini iyonik veya moleküler biçimde yazınız.
4.3 \(X_1\)'in yapı biriminde yalnızca bir elementin tüm atomları eşdeğer konumlarda bulunur. \(X_1\)'in yapısını çiziniz.
4.4 \(X_1\)'in aşağıdakilerle etkileşiminin ürünlerini öngörünüz:
a) fazla miktarda oksijen;
b) fazla miktarda sıcak derişik sülfürik asit;
c) öğütme sırasında katı \(\ce{KClO3}\).
Tepkimelerin denklemlerini yazınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 4.1
| Bileşik | Formül | Adı | SMILES |
|---|---|---|---|
| \(X_1\) | \(\ce{P4S3}\) | Tetrafosfor trisülfür, fosfor seskisülfür olarak da adlandırılır | P12P3P1SP(S2)S3 |
| \(X_2\) | \(\ce{BaSO4}\) | Baryum sülfat | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(X_3\) | \(\ce{AgCl}\) | Gümüş(I) klorür | [Ag+].[Cl-] |
| \(X_4\) | \(\ce{Ag3PO4}\) | Gümüş(I) fosfat | [Ag+].[Ag+].[Ag+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
-
4.2 Gaz, azot dioksit, \(\ce{NO2}\)'dir; SMILES gösterimi
[O-][N+]=Oşeklindedir. Denkleştirilmiş tepkime denklemleri aşağıda verilmiştir. -
4.3 \(\ce{P4S3}\) molekülünün, birbirlerine doğrudan bağlanmış üç fosfor atomundan oluşan üçgen bir tabanı vardır. Tabandaki her fosfor, bir kükürt atomu üzerinden tepedeki dördüncü fosfora bağlanır. Üç kükürt atomunun tümü eşdeğerdir; fosfor atomları iki farklı kimyasal çevrede bulunur.
-
4.4(a) \[ \ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2} \]
-
4.4(b) \[ \ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O} \]
-
4.4(c) \[ \ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl} \]
Tuzlar için verilen bağlantısız SMILES gösterimleri, kristal yapılarını değil, onları oluşturan iyonları belirtir.
Çözüm
4.1 — \(X_1\)–\(X_4\)'ün belirlenmesi
İlk beyaz çökelek, \(X_1\)'deki kükürdün yükseltgenmesi sırasında üretilen sülfattan oluşan baryum sülfat ile uyumludur. Kuvvetli asidik çözeltiden çökelmesi bu belirlemeyi destekler:
\[ X_2=\ce{BaSO4}. \]
Eklenen baryum klorür, çözeltiye klorür iyonları da getirir. Ardından gümüş sülfat eklenmesi, kalan baryumu daha fazla baryum sülfat olarak çöktürürken gümüş iyonları da klorürü gümüş(I) klorür olarak çöktürür:
\[ X_3=\ce{AgCl}. \]
Son sarı çökelek gümüş(I) fosfattır. Standart atomik molar kütleler kullanıldığında,
\[ M(\ce{Ag3PO4}) =3(107.868)+30.974+4(15.999) =418.57\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Hesaplanan gümüş içeriği
\[ w(\ce{Ag}) = \frac{3(107.868)}{418.57}\times100\% = 77.31\%, \]
olup verilen değerle örtüşür. Dolayısıyla,
\[ X_4=\ce{Ag3PO4}. \]
Buna göre başlangıçtaki ikili bileşik fosfor ve kükürt içerir. Her bir mol fosfor atomu bir mol gümüş fosfat verirken her bir mol kükürt atomu ilk çöktürmede bir mol baryum sülfat verir.
\[ M(\ce{BaSO4})=233.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
olduğundan kütle oranı şu bağıntıyı verir:
\[ \frac{m(X_4)}{m(X_2,\text{ ilk kısım})} = \frac{n(\mathrm P)\,M(\ce{Ag3PO4})} {n(\mathrm S)\,M(\ce{BaSO4})} \approx2.4. \]
Böylece,
\[ \frac{n(\mathrm P)}{n(\mathrm S)} \approx 2.4\frac{233.38}{418.57} = 1.338 \approx\frac43. \]
Dolayısıyla başlangıç bileşiği
\[ \boxed{X_1=\ce{P4S3}}. \]
Kontrol amacıyla, bu bileşik için öngörülen çökelek kütle oranı
\[ \frac{4M(\ce{Ag3PO4})}{3M(\ce{BaSO4})} = \frac{4(418.57)}{3(233.38)} = 2.391, \]
olup “yaklaşık 2.4” ifadesiyle uyumludur.
Burada yalnızca ilk elde edilen baryum sülfat kısmı kullanılır: ikinci kısımdaki sülfat, eklenen gümüş sülfattan gelir.
4.2 — Gazın belirlenmesi ve tepkime denklemleri
Aynı sıcaklık ve basınçta gaz yoğunluğu molar kütleyle orantılıdır. Havanın ortalama molar kütlesi yaklaşık \(29.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) alınırsa,
\[ M_{\text{gaz}} = 1.586(29.0) = 46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bu sonuç, molar kütlesi yaklaşık \(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) olan azot dioksiti, \(\ce{NO2}\), işaret eder. SMILES gösterimi [O-][N+]=O şeklindedir; açısal, tek sayıda elektron içeren bir moleküldür.
Yükseltgenerek çözünme. Sıcak derişik nitrik asit, fosforu fosforik aside ve kükürdü sülfürik aside yükseltger:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 38HNO3 -> 4H3PO4 + 3H2SO4 + 38NO2 + 10H2O}}. \]
Burada kullanılan moleküler türler şunlardır:
| Adı | Formül | SMILES |
|---|---|---|
| Nitrik asit | \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| Fosforik asit | \(\ce{H3PO4}\) | OP(=O)(O)O |
| Sülfürik asit | \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Su | \(\ce{H2O}\) | O |
Elektron denkliği için, üç kükürt atomunun başlangıçtaki yükseltgenme basamağı \(-2\) olduğundan fosfor atomlarının yükseltgenme basamaklarının toplamı \(+6\)'dır. Dört fosfor atomunun \(+5\)'e yükseltgenmesiyle \(20-6=14\) elektron verilir. Üç kükürt atomunun \(-2\)'den \(+6\)'ya yükseltgenmesiyle \(24\) elektron verilir. Toplam \(38\) elektron, \(38\) azot atomunun \(+5\)'ten \(+4\)'e indirgenmesiyle uyumludur.
İlk çöktürme. SMILES gösterimi [Ba+2].[Cl-].[Cl-] olan baryum klorür, sülfat iyonlarını, [O-]S(=O)(=O)[O-], çöktüren baryum iyonlarını, [Ba+2], sağlar:
\[ \boxed{\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}}. \]
Fosforik asit bu asidik koşullarda çözünmüş hâlde kalır.
İkinci çöktürme. SMILES gösterimi [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-] olan gümüş(I) sülfat, aynı baryum sülfat çökelme tepkimesiyle fazla baryumu uzaklaştıran sülfat iyonlarını sağlar. Gümüş(I) iyonları, [Ag+], klorür iyonlarını, [Cl-], da uzaklaştırır:
\[ \boxed{\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}}. \]
Böylece ikinci çökelek hem \(\ce{BaSO4}\) hem de \(\ce{AgCl}\) içerir. Fazla gümüş iyonları süzüntüde kalır.
Nötralleşme ve sarı çökeleğin oluşumu. SMILES gösterimi [Na+].[OH-] olan sodyum hidroksit, hidrojen iyonlarını, [H+], nötralleştiren hidroksit iyonlarını, [OH-], sağlar:
\[ \boxed{\ce{H+ + OH- -> H2O}}. \]
Asitlik azaldıkça gümüş fosfat çöker. Fosfatın protonlarını kaybetmesini de içeren net iyon denklemi şöyledir:
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3Ag+ + 3OH- -> Ag3PO4(s) + 3H2O}}. \]
Bu denklem, pH 7'de çözünmüş fosfat türleri arasında tüm protonlarını kaybetmiş fosfatın baskın olmasını gerektirmez: çökelme, asit–baz dengelerini daha fazla proton kaybı yönüne kaydırır.
4.3 — \(X_1\)'in yapısı
SMILES gösterimi P12P3P1SP(S2)S3 olan tetrafosfor trisülfür, \(\ce{P4S3}\), kafes yapısına sahiptir.
Yapıyı tam olarak çizmek için:
- Üç fosfor atomunu üçgen bir tabanın köşelerine çiziniz ve her kenar boyunca bir tekli fosfor–fosfor bağı yerleştiriniz.
- Dördüncü bir fosfor atomunu bu üçgenin merkezinin yukarısına yerleştiriniz.
- Tepedeki fosforu tabandaki her fosfora ayrı bir kükürt atomu üzerinden bağlayarak üç açısal \(\ce{P-S-P}\) köprüsü oluşturunuz.
- Tüm bağları tekli bağ olarak çiziniz. Her fosforun bir ortaklanmamış elektron çifti, her kükürdün ise iki ortaklanmamış elektron çifti vardır.
Üç doğrudan fosfor–fosfor bağı ve altı fosfor–kükürt bağı bulunur; kükürt–kükürt bağı yoktur.
Molekülün simetrisi \(C_{3v}\)'dir. Üç kükürt atomu birbirine eşdeğerdir; tabandaki üç fosfor atomu da kendi aralarında eşdeğerdir. Tepedeki fosfor farklıdır: üç kükürt atomuna bağlanırken tabandaki her fosfor iki fosfor atomuna ve bir kükürt atomuna bağlanır. Bu yapı, belirtilen eşdeğerlik koşulunu sağlar.
4.4 — \(X_1\)'in tepkimeleri
Bu tepkimelerde yer alan ek türler şunlardır:
| Adı | Formül | SMILES |
|---|---|---|
| Dioksijen | \(\ce{O2}\) | O=O |
| Tetrafosfor dekaoksit, fosfor(V) oksit | \(\ce{P4O10}\) | O=P12OP3(=O)OP(=O)(O1)OP(=O)(O2)O3 |
| Kükürt dioksit | \(\ce{SO2}\) | O=S=O |
| Potasyum klorat | \(\ce{KClO3}\) | [K+].[O-]Cl(=O)=O |
| Potasyum klorür | \(\ce{KCl}\) | [K+].[Cl-] |
Moleküler \(\ce{P4O10}\) kafesinde tetrahedral düzende yerleşmiş dört fosfor atomu, tetrahedronun her kenarında bir tane olmak üzere altı köprü oksijen atomu ve her fosforda bir uç oksijen atomu bulunur. Dioksijenin geleneksel SMILES gösterimi atomların bağlantılarını belirtir; temel hâldeki dioksijen triplet durumundadır.
(a) Fazla miktarda oksijen
Yanma sonucunda fosfor(V) oksit ve kükürt dioksit oluşur:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2}}. \]
Fosfor \(+5\) yükseltgenme basamağına, kükürt ise \(+4\) yükseltgenme basamağına ulaşır.
(b) Fazla miktarda sıcak derişik sülfürik asit
Sülfürik asit yükseltgen olarak davranır ve kükürt dioksite indirgenir. Fosfor, fosforik aside dönüşür; başlangıçta \(\ce{P4S3}\)'te bulunan kükürt de kükürt dioksite dönüşür:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O}}. \]
Fosfor atomları toplam \(14\) elektron verir; üç kükürt atomu ise
\[ 3\bigl[4-(-2)\bigr]=18 \]
elektron verir. Böylece \(32\) elektron verilir. Sülfürik asitteki her kükürt atomu \(+6\)'dan \(+4\)'e geçerken iki elektron alır; dolayısıyla \(16\) sülfürik asit molekülü gerekir. \(19\) kükürt dioksit molekülü, asitten gelen \(16\) kükürt atomunu ve başlangıç bileşiğinden gelen üç kükürt atomunu içerir.
(c) Öğütme sırasında katı potasyum klorat
Klorat, fosfor ve kükürdü fosfor(V) oksit ve kükürt dioksite yükseltgerken klor \(+5\)'ten \(-1\)'e indirgenir:
\[ \boxed{\ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl}}. \]
Her \(\ce{P4S3}\) molekülü \(32\) elektron verir ve her klorat altı elektron alır. Birbirine eşit en küçük toplam elektron sayıları
\[ 3(32)=16(6)=96, \]
olup gösterilen katsayıları verir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2015 · Problema teórico 4
De un polvo amarillo a otro: Un sencillo acertijo inorgánico
El compuesto binario amarillo \(X_1\) se disolvió por completo en ácido nítrico concentrado mediante calentamiento; el gas desprendido es 1.586 veces más denso que el aire. Al añadir un exceso de cloruro de bario a la disolución obtenida, precipita un sólido blanco \(X_2\). Este se separó por filtración. El filtrado reacciona con un exceso de disolución de sulfato de plata formando un precipitado de dos sólidos, \(X_2\) y \(X_3\), que también se separan de la disolución por filtración. Al nuevo filtrado se le fue añadiendo gota a gota una disolución de hidróxido de sodio hasta que la disolución se volvió casi neutra (aproximadamente pH 7). En ese momento cristalizó de la disolución un polvo amarillo \(X_4\) (77.31 % en masa de \(\ce{Ag}\)). La masa de \(X_4\) es casi 2.4 veces la masa de la primera porción de \(X_2\).
4.1 Determine las fórmulas químicas de \(X_1\) – \(X_4\).
4.2 Determine la fórmula química del gas y escriba las ecuaciones de todas las reacciones en forma iónica o no iónica.
4.3 En la unidad estructural de \(X_1\), todos los átomos de solo uno de los elementos ocupan posiciones equivalentes. Dibuje la estructura de \(X_1\).
4.4 Prediga los productos de la reacción de \(X_1\) con:
a) oxígeno en exceso;
b) ácido sulfúrico concentrado caliente en exceso;
c) \(\ce{KClO3}\) sólido mediante trituración.
Escriba las ecuaciones de las reacciones.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 4.1
| Compuesto | Fórmula | Nombre | SMILES |
|---|---|---|---|
| \(X_1\) | \(\ce{P4S3}\) | Trisulfuro de tetrafósforo, también llamado sesquisulfuro de fósforo | P12P3P1SP(S2)S3 |
| \(X_2\) | \(\ce{BaSO4}\) | Sulfato de bario | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(X_3\) | \(\ce{AgCl}\) | Cloruro de plata(I) | [Ag+].[Cl-] |
| \(X_4\) | \(\ce{Ag3PO4}\) | Fosfato de plata(I) | [Ag+].[Ag+].[Ag+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
-
4.2 El gas es dióxido de nitrógeno, \(\ce{NO2}\), SMILES
[O-][N+]=O. Las ecuaciones ajustadas de las reacciones se presentan a continuación. -
4.3 La molécula de \(\ce{P4S3}\) tiene una base triangular de tres átomos de fósforo enlazados directamente entre sí. Cada átomo de fósforo basal está conectado, a través de un átomo de azufre, a un cuarto átomo de fósforo apical. Los tres átomos de azufre son equivalentes; los átomos de fósforo ocupan dos entornos distintos.
-
4.4(a) \[ \ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2} \]
-
4.4(b) \[ \ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O} \]
-
4.4(c) \[ \ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl} \]
Los SMILES de las sales, con componentes desconectados, especifican sus iones constituyentes, en lugar de sus estructuras cristalinas.
Solución
4.1 — Identificación de \(X_1\)–\(X_4\)
El primer precipitado blanco es compatible con sulfato de bario, formado a partir del sulfato producido durante la oxidación del azufre de \(X_1\). Su precipitación en la disolución fuertemente ácida respalda esta identificación:
\[ X_2=\ce{BaSO4}. \]
El cloruro de bario añadido también introduce iones cloruro. La adición posterior de sulfato de plata precipita el bario restante en forma de más sulfato de bario, mientras que los iones plata precipitan el cloruro como cloruro de plata(I):
\[ X_3=\ce{AgCl}. \]
El precipitado amarillo final es fosfato de plata(I). Utilizando las masas molares atómicas estándar,
\[ M(\ce{Ag3PO4}) =3(107.868)+30.974+4(15.999) =418.57\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Su contenido de plata calculado es
\[ w(\ce{Ag}) = \frac{3(107.868)}{418.57}\times100\% = 77.31\%, \]
lo que coincide con el valor indicado. Por tanto,
\[ X_4=\ce{Ag3PO4}. \]
En consecuencia, el compuesto binario de partida contiene fósforo y azufre. Cada mol de átomos de fósforo da un mol de fosfato de plata, mientras que cada mol de átomos de azufre da un mol de sulfato de bario en la primera precipitación.
Con
\[ M(\ce{BaSO4})=233.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
la relación de masas da
\[ \frac{m(X_4)}{m(X_2,\text{ primera porción})} = \frac{n(\mathrm P)\,M(\ce{Ag3PO4})} {n(\mathrm S)\,M(\ce{BaSO4})} \approx2.4. \]
Así,
\[ \frac{n(\mathrm P)}{n(\mathrm S)} \approx 2.4\frac{233.38}{418.57} = 1.338 \approx\frac43. \]
Por tanto, el compuesto de partida es
\[ \boxed{X_1=\ce{P4S3}}. \]
Como comprobación, la relación de masas de los precipitados predicha es
\[ \frac{4M(\ce{Ag3PO4})}{3M(\ce{BaSO4})} = \frac{4(418.57)}{3(233.38)} = 2.391, \]
en concordancia con «casi 2.4».
Aquí solo se utiliza la primera porción de sulfato de bario: el sulfato de la segunda porción procede del sulfato de plata añadido.
4.2 — Identificación del gas y ecuaciones de las reacciones
A la misma temperatura y presión, la densidad de un gas es proporcional a su masa molar. Tomando la masa molar media del aire como aproximadamente \(29.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ M_{\text{gas}} = 1.586(29.0) = 46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Esto identifica al dióxido de nitrógeno, \(\ce{NO2}\), cuya masa molar es aproximadamente \(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Su SMILES es [O-][N+]=O; es una molécula angular con un número impar de electrones.
Disolución oxidante. El ácido nítrico concentrado caliente oxida el fósforo a ácido fosfórico y el azufre a ácido sulfúrico:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 38HNO3 -> 4H3PO4 + 3H2SO4 + 38NO2 + 10H2O}}. \]
Las especies moleculares utilizadas aquí son:
| Nombre | Fórmula | SMILES |
|---|---|---|
| Ácido nítrico | \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| Ácido fosfórico | \(\ce{H3PO4}\) | OP(=O)(O)O |
| Ácido sulfúrico | \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Agua | \(\ce{H2O}\) | O |
Para el balance de electrones, los tres átomos de azufre tienen inicialmente un estado de oxidación de \(-2\), por lo que la suma total de los estados de oxidación del fósforo es \(+6\). La oxidación de los cuatro átomos de fósforo a \(+5\) libera \(20-6=14\) electrones. La oxidación de tres átomos de azufre de \(-2\) a \(+6\) libera \(24\) electrones. El total es \(38\), lo que coincide con la reducción de \(38\) átomos de nitrógeno de \(+5\) a \(+4\).
Primera precipitación. El cloruro de bario, SMILES [Ba+2].[Cl-].[Cl-], aporta iones bario, [Ba+2], que precipitan los iones sulfato, [O-]S(=O)(=O)[O-]:
\[ \boxed{\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}}. \]
El ácido fosfórico permanece disuelto en estas condiciones ácidas.
Segunda precipitación. El sulfato de plata(I), SMILES [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-], aporta iones sulfato que eliminan el exceso de bario mediante la misma reacción de precipitación del sulfato de bario. Sus iones plata(I), [Ag+], también eliminan los iones cloruro, [Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}}. \]
Así, el segundo precipitado contiene tanto \(\ce{BaSO4}\) como \(\ce{AgCl}\). Los iones plata en exceso permanecen en el filtrado.
Neutralización y precipitación del sólido amarillo. El hidróxido de sodio, SMILES [Na+].[OH-], aporta iones hidróxido, [OH-], que neutralizan los iones hidrógeno, [H+]:
\[ \boxed{\ce{H+ + OH- -> H2O}}. \]
A medida que disminuye la acidez, precipita el fosfato de plata. Una ecuación iónica neta que incorpora la desprotonación del fosfato es
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3Ag+ + 3OH- -> Ag3PO4(s) + 3H2O}}. \]
Esta ecuación no requiere que el fosfato completamente desprotonado sea la especie de fosfato disuelta predominante a pH 7: la precipitación desplaza los equilibrios ácido–base hacia una mayor desprotonación.
4.3 — Estructura de \(X_1\)
El trisulfuro de tetrafósforo, \(\ce{P4S3}\), SMILES P12P3P1SP(S2)S3, tiene una estructura de jaula.
Para dibujarla con precisión:
- Dibuje tres átomos de fósforo en los vértices de una base triangular, con un enlace sencillo fósforo–fósforo a lo largo de cada lado.
- Sitúe un cuarto átomo de fósforo por encima del centro de este triángulo.
- Conecte el fósforo apical con cada fósforo basal a través de un átomo de azufre distinto, formando tres puentes angulares \(\ce{P-S-P}\).
- Dibuje todos los enlaces como enlaces sencillos. Cada átomo de fósforo tiene un par de electrones no enlazante, y cada átomo de azufre tiene dos pares de electrones no enlazantes.
Hay tres enlaces directos fósforo–fósforo y seis enlaces fósforo–azufre, sin enlaces azufre–azufre.
La simetría molecular es \(C_{3v}\). Los tres átomos de azufre son equivalentes, al igual que los tres átomos de fósforo basales. El fósforo apical es distinto: se enlaza con tres átomos de azufre, mientras que cada fósforo basal se enlaza con dos átomos de fósforo y un átomo de azufre. Esto satisface la condición de equivalencia indicada.
4.4 — Reacciones de \(X_1\)
Las especies adicionales que aparecen en estas reacciones son:
| Nombre | Fórmula | SMILES |
|---|---|---|
| Dioxígeno | \(\ce{O2}\) | O=O |
| Decaóxido de tetrafósforo, óxido de fósforo(V) | \(\ce{P4O10}\) | O=P12OP3(=O)OP(=O)(O1)OP(=O)(O2)O3 |
| Dióxido de azufre | \(\ce{SO2}\) | O=S=O |
| Clorato de potasio | \(\ce{KClO3}\) | [K+].[O-]Cl(=O)=O |
| Cloruro de potasio | \(\ce{KCl}\) | [K+].[Cl-] |
La jaula molecular de \(\ce{P4O10}\) tiene cuatro átomos de fósforo dispuestos tetraédricamente, seis átomos de oxígeno puente —uno a lo largo de cada arista del tetraedro— y un oxígeno terminal en cada fósforo. El SMILES convencional del dioxígeno representa la conectividad; el dioxígeno en su estado fundamental es un triplete.
(a) Oxígeno en exceso
La combustión produce óxido de fósforo(V) y dióxido de azufre:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2}}. \]
El fósforo alcanza el estado de oxidación \(+5\), mientras que el azufre alcanza el \(+4\).
(b) Ácido sulfúrico concentrado caliente en exceso
El ácido sulfúrico actúa como oxidante y se reduce a dióxido de azufre. El fósforo se convierte en ácido fosfórico, y el azufre originalmente presente en \(\ce{P4S3}\) también se convierte en dióxido de azufre:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O}}. \]
Los átomos de fósforo liberan \(14\) electrones en total, y los tres átomos de azufre liberan
\[ 3\bigl[4-(-2)\bigr]=18 \]
electrones. Así, se liberan \(32\) electrones. Cada átomo de azufre del ácido sulfúrico acepta dos electrones al pasar de \(+6\) a \(+4\), por lo que se necesitan \(16\) moléculas de ácido sulfúrico. Las \(19\) moléculas de dióxido de azufre contienen \(16\) átomos de azufre procedentes del ácido y tres del compuesto de partida.
(c) Clorato de potasio sólido mediante trituración
El clorato oxida el fósforo y el azufre a óxido de fósforo(V) y dióxido de azufre, mientras que el cloro se reduce de \(+5\) a \(-1\):
\[ \boxed{\ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl}}. \]
Cada molécula de \(\ce{P4S3}\) libera \(32\) electrones, y cada ion clorato acepta seis. Los menores totales coincidentes son
\[ 3(32)=16(6)=96, \]
lo que da los coeficientes indicados.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2015 · 理论题 4
从一种黄色粉末到另一种:一个简单的无机化学谜题
将黄色二元化合物 \(X_1\) 加热,使其完全溶解于浓硝酸中,放出的气体密度为空气的 1.586 倍。向所得溶液中加入过量氯化钡,析出白色固体 \(X_2\)。将其过滤。滤液与过量硫酸银溶液反应,生成由两种固体 \(X_2\) 和 \(X_3\) 组成的沉淀,同样通过过滤将其从溶液中分离。向新的滤液中逐滴加入氢氧化钠溶液,直至溶液接近中性(pH 约为 7)。此时,黄色粉末 \(X_4\)(\(\ce{Ag}\) 的质量分数为 77.31%)从溶液中结晶析出。\(X_4\) 的质量约为第一批 \(X_2\) 质量的 2.4 倍。
4.1 确定 \(X_1\) – \(X_4\) 的化学式。
4.2 确定该气体的化学式,并以离子方程式或非离子方程式的形式写出所有反应的方程式。
4.3 在 \(X_1\) 的结构单元中,只有一种元素的所有原子均处于等价位置。画出 \(X_1\) 的结构。
4.4 预测 \(X_1\) 与下列物质反应的产物:
a) 过量氧气;
b) 过量热浓硫酸;
c) 固体 \(\ce{KClO3}\),研磨。
写出反应方程式。
题目译自官方英文原文。
答案
- 4.1
| 化合物 | 化学式 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|---|
| \(X_1\) | \(\ce{P4S3}\) | 三硫化四磷,也称倍半硫化磷 | P12P3P1SP(S2)S3 |
| \(X_2\) | \(\ce{BaSO4}\) | 硫酸钡 | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(X_3\) | \(\ce{AgCl}\) | 氯化银(I) | [Ag+].[Cl-] |
| \(X_4\) | \(\ce{Ag3PO4}\) | 磷酸银(I) | [Ag+].[Ag+].[Ag+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
-
4.2 该气体为二氧化氮,\(\ce{NO2}\),SMILES 为
[O-][N+]=O。配平的反应方程式见下文。 -
4.3 \(\ce{P4S3}\) 分子的底面为由三个直接成键的磷原子构成的三角形。每个底部磷原子均通过一个硫原子与位于顶端的第四个磷原子相连。三个硫原子全部等价;磷原子则处于两种不同的环境中。
-
4.4(a) \[ \ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2} \]
-
4.4(b) \[ \ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O} \]
-
4.4(c) \[ \ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl} \]
盐的 SMILES 中各部分以点分隔,表示其组成离子,而非晶体结构。
解答
4.1 — 确定 \(X_1\)–\(X_4\)
第一种白色沉淀的性质与硫酸钡相符,它由 \(X_1\) 中的硫在氧化过程中生成的硫酸根形成。它能从强酸性溶液中沉淀析出,也支持这一判断:
\[ X_2=\ce{BaSO4}. \]
加入氯化钡的同时也引入了氯离子。随后加入硫酸银,使剩余的钡进一步以硫酸钡的形式沉淀,而银离子使氯离子以氯化银(I) 的形式沉淀:
\[ X_3=\ce{AgCl}. \]
最后得到的黄色沉淀是磷酸银(I)。采用标准原子摩尔质量,
\[ M(\ce{Ag3PO4}) =3(107.868)+30.974+4(15.999) =418.57\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
计算得到其银含量为
\[ w(\ce{Ag}) = \frac{3(107.868)}{418.57}\times100\% = 77.31\%, \]
与题给值一致。因此,
\[ X_4=\ce{Ag3PO4}. \]
因此,起始二元化合物含有磷和硫。每摩尔磷原子生成一摩尔磷酸银,而每摩尔硫原子在第一次沉淀过程中生成一摩尔硫酸钡。
由
\[ M(\ce{BaSO4})=233.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
根据质量比可得
\[ \frac{m(X_4)}{m(X_2,\text{ 第一批})} = \frac{n(\mathrm P)\,M(\ce{Ag3PO4})} {n(\mathrm S)\,M(\ce{BaSO4})} \approx2.4. \]
因此,
\[ \frac{n(\mathrm P)}{n(\mathrm S)} \approx 2.4\frac{233.38}{418.57} = 1.338 \approx\frac43. \]
故起始化合物为
\[ \boxed{X_1=\ce{P4S3}}. \]
作为检验,由此预测的沉淀质量比为
\[ \frac{4M(\ce{Ag3PO4})}{3M(\ce{BaSO4})} = \frac{4(418.57)}{3(233.38)} = 2.391, \]
与“约为 2.4”一致。
这里仅使用第一批硫酸钡:第二批中的硫酸根来自加入的硫酸银。
4.2 — 确定气体及反应方程式
在相同温度和压力下,气体密度与摩尔质量成正比。取空气的平均摩尔质量约为 \(29.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ M_{\text{气体}} = 1.586(29.0) = 46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
由此可确定该气体为二氧化氮,\(\ce{NO2}\),其摩尔质量约为 \(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。它的 SMILES 为 [O-][N+]=O;它是一个弯曲形的奇电子分子。
氧化溶解。 热浓硝酸将磷氧化为磷酸,将硫氧化为硫酸:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 38HNO3 -> 4H3PO4 + 3H2SO4 + 38NO2 + 10H2O}}. \]
这里用到的分子物种为:
| 名称 | 化学式 | SMILES |
|---|---|---|
| 硝酸 | \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| 磷酸 | \(\ce{H3PO4}\) | OP(=O)(O)O |
| 硫酸 | \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| 水 | \(\ce{H2O}\) | O |
对于电子得失平衡,三个硫原子的初始氧化态均为 \(-2\),因此磷的氧化态总和为 \(+6\)。四个磷原子被氧化至 \(+5\),共失去 \(20-6=14\) 个电子。三个硫原子从 \(-2\) 被氧化至 \(+6\),共失去 \(24\) 个电子。合计失去 \(38\) 个电子,与 \(38\) 个氮原子从 \(+5\) 还原至 \(+4\) 所得的电子数相符。
第一次沉淀。 氯化钡的 SMILES 为 [Ba+2].[Cl-].[Cl-],它提供钡离子 [Ba+2],使硫酸根离子 [O-]S(=O)(=O)[O-] 沉淀:
\[ \boxed{\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}}. \]
在这些酸性条件下,磷酸仍溶解在溶液中。
第二次沉淀。 硫酸银(I) 的 SMILES 为 [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-],它提供硫酸根离子,通过同样的硫酸钡沉淀反应除去过量的钡。它提供的银(I) 离子 [Ag+] 还会除去氯离子 [Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}}. \]
因此,第二次得到的沉淀同时含有 \(\ce{BaSO4}\) 和 \(\ce{AgCl}\)。过量的银离子留在滤液中。
中和及黄色沉淀的生成。 氢氧化钠的 SMILES 为 [Na+].[OH-],它提供氢氧根离子 [OH-],中和氢离子 [H+]:
\[ \boxed{\ce{H+ + OH- -> H2O}}. \]
随着酸性减弱,磷酸银沉淀析出。包含磷酸去质子化过程的净离子方程式为
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3Ag+ + 3OH- -> Ag3PO4(s) + 3H2O}}. \]
该方程式并不要求在 pH 为 7 时,完全去质子化的磷酸根是溶液中含磷酸根物种的主要存在形式:沉淀会促使酸碱平衡向进一步去质子化的方向移动。
4.3 — \(X_1\) 的结构
三硫化四磷 \(\ce{P4S3}\) 的 SMILES 为 P12P3P1SP(S2)S3,具有笼状结构。
准确绘制其结构的方法如下:
- 在三角形底面的三个顶点各画一个磷原子,每条边上画一条磷—磷单键。
- 在该三角形中心的上方放置第四个磷原子。
- 将顶端磷原子分别通过一个硫原子与各底部磷原子相连,形成三个弯曲的 \(\ce{P-S-P}\) 桥。
- 所有键均画为单键。每个磷原子有一对孤电子对,每个硫原子有两对孤电子对。
其中有三条直接的磷—磷键和六条磷—硫键,没有硫—硫键。
分子的对称性为 \(C_{3v}\)。三个硫原子彼此等价,三个底部磷原子也彼此等价。顶端磷原子则不同:它与三个硫原子成键,而每个底部磷原子与两个磷原子及一个硫原子成键。这满足题目给出的等价性条件。
4.4 — \(X_1\) 的反应
这些反应中出现的其他物种为:
| 名称 | 化学式 | SMILES |
|---|---|---|
| 氧气 | \(\ce{O2}\) | O=O |
| 十氧化四磷,氧化磷(V) | \(\ce{P4O10}\) | O=P12OP3(=O)OP(=O)(O1)OP(=O)(O2)O3 |
| 二氧化硫 | \(\ce{SO2}\) | O=S=O |
| 氯酸钾 | \(\ce{KClO3}\) | [K+].[O-]Cl(=O)=O |
| 氯化钾 | \(\ce{KCl}\) | [K+].[Cl-] |
\(\ce{P4O10}\) 分子的笼状结构中,四个磷原子呈四面体排列,六个桥联氧原子分别位于四面体的每条棱上,且每个磷原子上还连有一个端位氧原子。常规的氧气 SMILES 记录的是连接关系;基态氧气为三重态。
(a) 过量氧气
燃烧生成氧化磷(V) 和二氧化硫:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2}}. \]
磷的氧化态达到 \(+5\),硫的氧化态达到 \(+4\)。
(b) 过量热浓硫酸
硫酸作为氧化剂,被还原为二氧化硫。磷转化为磷酸,而原先存在于 \(\ce{P4S3}\) 中的硫也转化为二氧化硫:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O}}. \]
磷原子总共失去 \(14\) 个电子,三个硫原子失去
\[ 3\bigl[4-(-2)\bigr]=18 \]
个电子。因此,共失去 \(32\) 个电子。每个硫酸分子中的硫原子从 \(+6\) 变为 \(+4\) 时得到两个电子,因此需要 \(16\) 个硫酸分子。\(19\) 个二氧化硫分子中,有 \(16\) 个硫原子来自硫酸,三个来自起始化合物。
(c) 与固体氯酸钾研磨
氯酸根将磷和硫氧化为氧化磷(V) 和二氧化硫,同时氯从 \(+5\) 被还原至 \(-1\):
\[ \boxed{\ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl}}. \]
每个 \(\ce{P4S3}\) 分子失去 \(32\) 个电子,每个氯酸根得到六个电子。使得失电子总数相等的最小值为
\[ 3(32)=16(6)=96, \]
由此得到上述系数。
解答已与官方解答核对。
IChO 2015 · Теоретическая задача 4
От одного жёлтого порошка к другому: простая неорганическая загадка
Жёлтое бинарное соединение \(X_1\) полностью растворили в концентрированной азотной кислоте при нагревании; выделившийся газ в 1.586 раза плотнее воздуха. При добавлении избытка хлорида бария к полученному раствору выпадает белый осадок \(X_2\). Его отфильтровали. При взаимодействии фильтрата с избытком раствора сульфата серебра образуется осадок двух веществ \(X_2\) и \(X_3\), который также отделили от раствора фильтрованием. К новому фильтрату по каплям добавляли раствор гидроксида натрия до тех пор, пока раствор не стал почти нейтральным (около pH 7). При этом из раствора выкристаллизовался жёлтый порошок \(X_4\) (77.31 масс.% \(\ce{Ag}\)). Масса \(X_4\) почти в 2.4 раза больше массы первой порции \(X_2\).
4.1 Определите химические формулы \(X_1\) – \(X_4\).
4.2 Определите химическую формулу газа и приведите уравнения всех реакций в ионной или молекулярной форме.
4.3 В структурной единице \(X_1\) все атомы только одного элемента занимают эквивалентные положения. Изобразите структуру \(X_1\).
4.4 Предскажите продукты взаимодействия \(X_1\) с:
a) избытком кислорода;
b) избытком горячей концентрированной серной кислоты;
c) твёрдым \(\ce{KClO3}\) при растирании.
Запишите уравнения реакций.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 4.1
| Соединение | Формула | Название | SMILES |
|---|---|---|---|
| \(X_1\) | \(\ce{P4S3}\) | Трисульфид тетрафосфора, также называемый сесквисульфидом фосфора | P12P3P1SP(S2)S3 |
| \(X_2\) | \(\ce{BaSO4}\) | Сульфат бария | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(X_3\) | \(\ce{AgCl}\) | Хлорид серебра(I) | [Ag+].[Cl-] |
| \(X_4\) | \(\ce{Ag3PO4}\) | Фосфат серебра(I) | [Ag+].[Ag+].[Ag+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
-
4.2 Газ — диоксид азота, \(\ce{NO2}\), SMILES
[O-][N+]=O. Уравнения реакций с расставленными коэффициентами приведены ниже. -
4.3 Молекула \(\ce{P4S3}\) имеет треугольное основание из трёх непосредственно связанных атомов фосфора. Каждый атом фосфора в основании соединён через один атом серы с четвёртым, вершинным атомом фосфора. Все три атома серы эквивалентны; атомы фосфора имеют два различных типа окружения.
-
4.4(a) \[ \ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2} \]
-
4.4(b) \[ \ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O} \]
-
4.4(c) \[ \ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl} \]
Записи SMILES солей с несвязанными компонентами указывают составляющие их ионы, а не кристаллические структуры.
Решение
4.1 — Определение \(X_1\)–\(X_4\)
Первый белый осадок соответствует сульфату бария, образовавшемуся из сульфата, полученного при окислении серы в \(X_1\). Выпадение этого осадка из сильнокислого раствора подтверждает такое определение:
\[ X_2=\ce{BaSO4}. \]
Добавленный хлорид бария также вносит хлорид-ионы. Последующее добавление сульфата серебра осаждает оставшийся барий в виде дополнительного количества сульфата бария, а ионы серебра осаждают хлорид-ионы в виде хлорида серебра(I):
\[ X_3=\ce{AgCl}. \]
Конечный жёлтый осадок — фосфат серебра(I). Используя стандартные молярные массы атомов, получаем:
\[ M(\ce{Ag3PO4}) =3(107.868)+30.974+4(15.999) =418.57\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Расчётное содержание серебра в нём составляет
\[ w(\ce{Ag}) = \frac{3(107.868)}{418.57}\times100\% = 77.31\%, \]
что совпадает с указанным значением. Следовательно,
\[ X_4=\ce{Ag3PO4}. \]
Таким образом, исходное бинарное вещество содержит фосфор и серу. Каждый моль атомов фосфора даёт один моль фосфата серебра, а каждый моль атомов серы — один моль сульфата бария при первом осаждении.
Поскольку
\[ M(\ce{BaSO4})=233.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
из отношения масс получаем
\[ \frac{m(X_4)}{m(X_2,\text{ первая порция})} = \frac{n(\mathrm P)\,M(\ce{Ag3PO4})} {n(\mathrm S)\,M(\ce{BaSO4})} \approx2.4. \]
Таким образом,
\[ \frac{n(\mathrm P)}{n(\mathrm S)} \approx 2.4\frac{233.38}{418.57} = 1.338 \approx\frac43. \]
Следовательно, исходное соединение —
\[ \boxed{X_1=\ce{P4S3}}. \]
Для проверки рассчитаем предсказываемое отношение масс осадков:
\[ \frac{4M(\ce{Ag3PO4})}{3M(\ce{BaSO4})} = \frac{4(418.57)}{3(233.38)} = 2.391, \]
что согласуется с формулировкой «почти 2.4».
Здесь используется только первая порция сульфата бария: сульфат во второй порции поступает из добавленного сульфата серебра.
4.2 — Определение газа и уравнения реакций
При одинаковых температуре и давлении плотность газа пропорциональна его молярной массе. Принимая среднюю молярную массу воздуха равной приблизительно \(29.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем:
\[ M_{\text{газа}} = 1.586(29.0) = 46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Это позволяет определить газ как диоксид азота, \(\ce{NO2}\), молярная масса которого составляет приблизительно \(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Его SMILES — [O-][N+]=O; это молекула углового строения с нечётным числом электронов.
Окислительное растворение. Горячая концентрированная азотная кислота окисляет фосфор до фосфорной кислоты, а серу — до серной кислоты:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 38HNO3 -> 4H3PO4 + 3H2SO4 + 38NO2 + 10H2O}}. \]
Использованные здесь молекулярные частицы:
| Название | Формула | SMILES |
|---|---|---|
| Азотная кислота | \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| Фосфорная кислота | \(\ce{H3PO4}\) | OP(=O)(O)O |
| Серная кислота | \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| Вода | \(\ce{H2O}\) | O |
Для составления электронного баланса учтём, что три атома серы изначально имеют степень окисления \(-2\), поэтому сумма степеней окисления атомов фосфора равна \(+6\). При окислении четырёх атомов фосфора до \(+5\) отдаётся \(20-6=14\) электронов. При окислении трёх атомов серы от \(-2\) до \(+6\) отдаётся \(24\) электрона. Всего отдаётся \(38\) электронов, что соответствует восстановлению \(38\) атомов азота от \(+5\) до \(+4\).
Первое осаждение. Хлорид бария, SMILES [Ba+2].[Cl-].[Cl-], служит источником ионов бария, [Ba+2], которые осаждают сульфат-ионы, [O-]S(=O)(=O)[O-]:
\[ \boxed{\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}}. \]
В этих кислых условиях фосфорная кислота остаётся в растворе.
Второе осаждение. Сульфат серебра(I), SMILES [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-], служит источником сульфат-ионов, которые удаляют избыток бария по той же реакции осаждения сульфата бария. Его ионы серебра(I), [Ag+], также удаляют хлорид-ионы, [Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}}. \]
Таким образом, второй осадок содержит как \(\ce{BaSO4}\), так и \(\ce{AgCl}\). Избыток ионов серебра остаётся в фильтрате.
Нейтрализация и выпадение жёлтого осадка. Гидроксид натрия, SMILES [Na+].[OH-], служит источником гидроксид-ионов, [OH-], которые нейтрализуют ионы водорода, [H+]:
\[ \boxed{\ce{H+ + OH- -> H2O}}. \]
По мере уменьшения кислотности выпадает осадок фосфата серебра. Сокращённое ионное уравнение, учитывающее депротонирование фосфорной кислоты, имеет вид
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3Ag+ + 3OH- -> Ag3PO4(s) + 3H2O}}. \]
Это уравнение не требует, чтобы полностью депротонированный фосфат-ион был преобладающей формой растворённого фосфата при pH 7: осаждение смещает кислотно-основные равновесия в сторону дальнейшего депротонирования.
4.3 — Структура \(X_1\)
Трисульфид тетрафосфора, \(\ce{P4S3}\), SMILES P12P3P1SP(S2)S3, имеет каркасную структуру.
Чтобы точно изобразить её:
- Нарисуйте три атома фосфора в вершинах треугольного основания, проведя одинарную связь фосфор–фосфор вдоль каждой стороны.
- Поместите четвёртый атом фосфора над центром этого треугольника.
- Соедините вершинный атом фосфора с каждым атомом фосфора в основании через отдельный атом серы, получив три изогнутых мостика \(\ce{P-S-P}\).
- Изобразите все связи одинарными. У каждого атома фосфора имеется одна неподелённая электронная пара, а у каждого атома серы — две.
Имеются три прямые связи фосфор–фосфор и шесть связей фосфор–сера; связи сера–сера отсутствуют.
Симметрия молекулы — \(C_{3v}\). Три атома серы эквивалентны, как и три атома фосфора в основании. Вершинный атом фосфора отличается от них: он связан с тремя атомами серы, тогда как каждый атом фосфора в основании связан с двумя атомами фосфора и одним атомом серы. Это удовлетворяет указанному условию эквивалентности.
4.4 — Реакции \(X_1\)
Дополнительные вещества, встречающиеся в этих реакциях:
| Название | Формула | SMILES |
|---|---|---|
| Кислород | \(\ce{O2}\) | O=O |
| Декаоксид тетрафосфора, оксид фосфора(V) | \(\ce{P4O10}\) | O=P12OP3(=O)OP(=O)(O1)OP(=O)(O2)O3 |
| Диоксид серы | \(\ce{SO2}\) | O=S=O |
| Хлорат калия | \(\ce{KClO3}\) | [K+].[O-]Cl(=O)=O |
| Хлорид калия | \(\ce{KCl}\) | [K+].[Cl-] |
Молекулярный каркас \(\ce{P4O10}\) содержит четыре атома фосфора, расположенных тетраэдрически, шесть мостиковых атомов кислорода — по одному вдоль каждого ребра тетраэдра — и по одному концевому атому кислорода при каждом атоме фосфора. Обычная запись SMILES молекулярного кислорода отражает порядок соединения атомов; в основном состоянии молекулярный кислород является триплетом.
(a) Избыток кислорода
При сгорании образуются оксид фосфора(V) и диоксид серы:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2}}. \]
Фосфор достигает степени окисления \(+5\), а сера — \(+4\).
(b) Избыток горячей концентрированной серной кислоты
Серная кислота выступает в роли окислителя и восстанавливается до диоксида серы. Фосфор превращается в фосфорную кислоту, а сера, изначально содержащаяся в \(\ce{P4S3}\), также превращается в диоксид серы:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O}}. \]
Атомы фосфора отдают в сумме \(14\) электронов, а три атома серы отдают
\[ 3\bigl[4-(-2)\bigr]=18 \]
электронов. Таким образом, отдаётся \(32\) электрона. Каждый атом серы в серной кислоте принимает два электрона при изменении степени окисления от \(+6\) до \(+4\), поэтому требуется \(16\) молекул серной кислоты. В \(19\) молекулах диоксида серы содержатся \(16\) атомов серы из кислоты и три из исходного соединения.
(c) Твёрдый хлорат калия при растирании
Хлорат окисляет фосфор и серу до оксида фосфора(V) и диоксида серы, а хлор восстанавливается от \(+5\) до \(-1\):
\[ \boxed{\ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl}}. \]
Каждая молекула \(\ce{P4S3}\) отдаёт \(32\) электрона, а каждый хлорат-ион принимает шесть. Наименьшее общее число электронов составляет
\[ 3(32)=16(6)=96, \]
откуда получаются указанные коэффициенты.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2015 · مسألة نظرية 4
من مسحوق أصفر إلى آخر: لغز بسيط في الكيمياء غير العضوية
أُذيب المركب الثنائي الأصفر \(X_1\) تمامًا في حمض النتريك المركز بالتسخين، وكانت كثافة الغاز المتصاعد تساوي 1.586 مرة كثافة الهواء. وعند إضافة فائض من كلوريد الباريوم إلى المحلول الناتج، ترسّبت مادة صلبة بيضاء \(X_2\). وفُصلت بالترشيح. يتفاعل الراشح مع فائض من محلول كبريتات الفضة، فيتكوّن راسب من مادتين صلبتين \(X_2\) و\(X_3\)، فُصلتا أيضًا عن المحلول بالترشيح. وأُضيف محلول هيدروكسيد الصوديوم إلى الراشح الجديد قطرةً قطرةً حتى أصبح المحلول شبه متعادل (عند pH يقارب 7). عندئذ تبلور من المحلول مسحوق أصفر \(X_4\) (يحتوي على 77.31% كتليًا من \(\ce{Ag}\)). وتساوي كتلة \(X_4\) نحو 2.4 مرة كتلة الدفعة الأولى من \(X_2\).
4.1 حدّد الصيغ الكيميائية للمركبات \(X_1\) – \(X_4\).
4.2 حدّد الصيغة الكيميائية للغاز، واكتب معادلات جميع التفاعلات بالصورة الأيونية أو غير الأيونية.
4.3 في الوحدة البنائية للمركب \(X_1\)، تقع جميع ذرات عنصر واحد فقط في مواضع متكافئة. ارسم بنية \(X_1\).
4.4 توقّع نواتج تفاعل \(X_1\) مع:
a) فائض من الأكسجين؛
b) فائض من حمض الكبريتيك المركز الساخن؛
c) \(\ce{KClO3}\) الصلب مع الطحن.
اكتب معادلات التفاعلات.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 4.1
| المركب | الصيغة | الاسم | SMILES |
|---|---|---|---|
| \(X_1\) | \(\ce{P4S3}\) | ثلاثي كبريتيد رباعي الفوسفور، ويُسمّى أيضًا سيسكوي كبريتيد الفوسفور | P12P3P1SP(S2)S3 |
| \(X_2\) | \(\ce{BaSO4}\) | كبريتات الباريوم | [Ba+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(X_3\) | \(\ce{AgCl}\) | كلوريد الفضة(I) | [Ag+].[Cl-] |
| \(X_4\) | \(\ce{Ag3PO4}\) | فوسفات الفضة(I) | [Ag+].[Ag+].[Ag+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
-
4.2 الغاز هو ثاني أكسيد النيتروجين، \(\ce{NO2}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو
[O-][N+]=O. ترد معادلات التفاعلات الموزونة أدناه. -
4.3 لجزيء \(\ce{P4S3}\) قاعدة مثلثة مؤلفة من ثلاث ذرات فوسفور مرتبطة مباشرةً بعضها ببعض. وتتصل كل ذرة فوسفور في القاعدة، عبر ذرة كبريت واحدة، بذرة فوسفور رابعة قِمّية. ذرات الكبريت الثلاث كلها متكافئة؛ أما ذرات الفوسفور فتشغل بيئتين مختلفتين.
-
4.4(a) \[ \ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2} \]
-
4.4(b) \[ \ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O} \]
-
4.4(c) \[ \ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl} \]
تحدّد تمثيلات SMILES المنفصلة للأملاح الأيونات المكوّنة لها، وليس بُناها البلورية.
الحل
4.1 — تعيين هوية \(X_1\)–\(X_4\)
تتوافق صفات الراسب الأبيض الأول مع كبريتات الباريوم، المتكوّنة من الكبريتات الناتجة أثناء أكسدة الكبريت في \(X_1\). ويدعم ترسّبها من المحلول الشديد الحموضة هذا التعيين:
\[ X_2=\ce{BaSO4}. \]
يُدخل كلوريد الباريوم المضاف أيضًا أيونات الكلوريد إلى المحلول. وتؤدي الإضافة اللاحقة لكبريتات الفضة إلى ترسيب الباريوم المتبقي على هيئة مزيد من كبريتات الباريوم، بينما ترسّب أيونات الفضة الكلوريد على هيئة كلوريد الفضة(I):
\[ X_3=\ce{AgCl}. \]
الراسب الأصفر النهائي هو فوسفات الفضة(I). باستخدام الكتل المولية الذرية القياسية،
\[ M(\ce{Ag3PO4}) =3(107.868)+30.974+4(15.999) =418.57\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
تبلغ نسبة الفضة المحسوبة فيه
\[ w(\ce{Ag}) = \frac{3(107.868)}{418.57}\times100\% = 77.31\%, \]
وهي تطابق القيمة المذكورة. ومن ثم،
\[ X_4=\ce{Ag3PO4}. \]
وبالتالي، تحتوي المادة الابتدائية الثنائية على الفوسفور والكبريت. يعطي كل مول من ذرات الفوسفور مولًا واحدًا من فوسفات الفضة، بينما يعطي كل مول من ذرات الكبريت مولًا واحدًا من كبريتات الباريوم في عملية الترسيب الأولى.
بما أن
\[ M(\ce{BaSO4})=233.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
فإن نسبة الكتلتين تعطي
\[ \frac{m(X_4)}{m(X_2,\text{ الدفعة الأولى})} = \frac{n(\mathrm P)\,M(\ce{Ag3PO4})} {n(\mathrm S)\,M(\ce{BaSO4})} \approx2.4. \]
إذن،
\[ \frac{n(\mathrm P)}{n(\mathrm S)} \approx 2.4\frac{233.38}{418.57} = 1.338 \approx\frac43. \]
وعليه، فإن المركب الابتدائي هو
\[ \boxed{X_1=\ce{P4S3}}. \]
وللتحقق، فإن نسبة كتلتي الراسبين المتوقعة له هي
\[ \frac{4M(\ce{Ag3PO4})}{3M(\ce{BaSO4})} = \frac{4(418.57)}{3(233.38)} = 2.391, \]
وهي متوافقة مع «نحو 2.4».
تُستخدم هنا الدفعة الأولى فقط من كبريتات الباريوم: فالكبريتات في الدفعة الثانية مصدرها كبريتات الفضة المضافة.
4.2 — تعيين هوية الغاز ومعادلات التفاعلات
عند ثبوت درجة الحرارة والضغط، تتناسب كثافة الغاز طرديًا مع كتلته المولية. وباعتبار متوسط الكتلة المولية للهواء مساويًا تقريبًا لـ \(29.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ M_{\text{الغاز}} = 1.586(29.0) = 46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
تحدّد هذه القيمة الغاز بأنه ثاني أكسيد النيتروجين، \(\ce{NO2}\)، الذي تبلغ كتلته المولية نحو \(46.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). وتمثيله بصيغة SMILES هو [O-][N+]=O؛ وهو جزيء منحنٍ ذو عدد فردي من الإلكترونات.
الإذابة التأكسدية. يؤكسد حمض النتريك المركز الساخن الفوسفور إلى حمض الفوسفوريك والكبريت إلى حمض الكبريتيك:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 38HNO3 -> 4H3PO4 + 3H2SO4 + 38NO2 + 10H2O}}. \]
الأنواع الجزيئية المستخدمة هنا هي:
| الاسم | الصيغة | SMILES |
|---|---|---|
| حمض النتريك | \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| حمض الفوسفوريك | \(\ce{H3PO4}\) | OP(=O)(O)O |
| حمض الكبريتيك | \(\ce{H2SO4}\) | OS(=O)(=O)O |
| الماء | \(\ce{H2O}\) | O |
لموازنة الإلكترونات، تكون حالة أكسدة ذرات الكبريت الثلاث في البداية \(-2\)، لذا يكون المجموع الكلي لحالات أكسدة الفوسفور \(+6\). وتحرّر أكسدة ذرات الفوسفور الأربع إلى \(+5\) عددًا من الإلكترونات يساوي \(20-6=14\). وتحرّر أكسدة ذرات الكبريت الثلاث من \(-2\) إلى \(+6\) عددًا من الإلكترونات يساوي \(24\). فيكون المجموع \(38\)، وهو ما يطابق اختزال \(38\) ذرة نيتروجين من \(+5\) إلى \(+4\).
الترسيب الأول. يزوّد كلوريد الباريوم، الذي يُمثَّل بصيغة SMILES [Ba+2].[Cl-].[Cl-]، المحلول بأيونات الباريوم، [Ba+2]، التي ترسّب أيونات الكبريتات، [O-]S(=O)(=O)[O-]:
\[ \boxed{\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}}. \]
يبقى حمض الفوسفوريك مذابًا في هذه الظروف الحمضية.
الترسيب الثاني. تزوّد كبريتات الفضة(I)، التي تُمثَّل بصيغة SMILES [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]، المحلول بأيونات الكبريتات التي تزيل فائض الباريوم بتفاعل ترسيب كبريتات الباريوم نفسه. كما تزيل أيونات الفضة(I) فيها، [Ag+]، أيونات الكلوريد، [Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}}. \]
وهكذا، يحتوي الراسب الثاني على كلٍّ من \(\ce{BaSO4}\) و\(\ce{AgCl}\). وتبقى أيونات الفضة الفائضة في الراشح.
التعادل والترسيب الأصفر. يزوّد هيدروكسيد الصوديوم، الذي يُمثَّل بصيغة SMILES [Na+].[OH-]، المحلول بأيونات الهيدروكسيد، [OH-]، التي تعادل أيونات الهيدروجين، [H+]:
\[ \boxed{\ce{H+ + OH- -> H2O}}. \]
مع انخفاض الحموضة، تترسّب فوسفات الفضة. والمعادلة الأيونية الصافية التي تتضمن نزع البروتونات من الفوسفات هي
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3Ag+ + 3OH- -> Ag3PO4(s) + 3H2O}}. \]
لا تشترط هذه المعادلة أن تكون الفوسفات المنزوعة البروتونات بالكامل هي النوع السائد من أنواع الفوسفات المذابة عند pH 7: فالترسيب يزيح اتزانات الحمض–القاعدة نحو مزيد من نزع البروتونات.
4.3 — بنية \(X_1\)
لثلاثي كبريتيد رباعي الفوسفور، \(\ce{P4S3}\)، الذي يُمثَّل بصيغة SMILES P12P3P1SP(S2)S3، بنية قفصية.
لرسمها بدقة:
- ارسم ثلاث ذرات فوسفور عند رؤوس قاعدة مثلثة، مع رابطة أحادية بين الفوسفور والفوسفور على كل ضلع.
- ضع ذرة فوسفور رابعة فوق مركز هذا المثلث.
- صِل ذرة الفوسفور القِمّية بكل ذرة فوسفور في القاعدة عبر ذرة كبريت مستقلة، لتتكوّن ثلاثة جسور منحنية من نوع \(\ce{P-S-P}\).
- ارسم جميع الروابط على أنها روابط أحادية. لكل ذرة فوسفور زوج إلكتروني حر واحد، ولكل ذرة كبريت زوجان إلكترونيان حران.
توجد ثلاث روابط مباشرة بين الفوسفور والفوسفور وست روابط بين الفوسفور والكبريت، ولا توجد روابط بين الكبريت والكبريت.
تناظر الجزيء هو \(C_{3v}\). ذرات الكبريت الثلاث متكافئة، وكذلك ذرات الفوسفور الثلاث في القاعدة. أما ذرة الفوسفور القِمّية فمختلفة: إذ ترتبط بثلاث ذرات كبريت، في حين ترتبط كل ذرة فوسفور في القاعدة بذرتي فوسفور وذرة كبريت واحدة. وهذا يحقق شرط التكافؤ المذكور.
4.4 — تفاعلات \(X_1\)
الأنواع الإضافية التي تظهر في هذه التفاعلات هي:
| الاسم | الصيغة | SMILES |
|---|---|---|
| ثنائي الأكسجين | \(\ce{O2}\) | O=O |
| عشاري أكسيد رباعي الفوسفور، أكسيد الفوسفور(V) | \(\ce{P4O10}\) | O=P12OP3(=O)OP(=O)(O1)OP(=O)(O2)O3 |
| ثاني أكسيد الكبريت | \(\ce{SO2}\) | O=S=O |
| كلورات البوتاسيوم | \(\ce{KClO3}\) | [K+].[O-]Cl(=O)=O |
| كلوريد البوتاسيوم | \(\ce{KCl}\) | [K+].[Cl-] |
يحتوي القفص الجزيئي لـ \(\ce{P4O10}\) على أربع ذرات فوسفور مرتبة على هيئة رباعي السطوح، وست ذرات أكسجين جسرية — واحدة على كل حافة من حواف رباعي السطوح — وذرة أكسجين طرفية واحدة عند كل ذرة فوسفور. يسجّل تمثيل SMILES التقليدي لثنائي الأكسجين كيفية اتصال الذرات؛ ويكون ثنائي الأكسجين في حالته الأساسية في حالة ثلاثية.
(a) فائض الأكسجين
ينتج عن الاحتراق أكسيد الفوسفور(V) وثاني أكسيد الكبريت:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 8O2 -> P4O10 + 3SO2}}. \]
يصل الفوسفور إلى حالة الأكسدة \(+5\)، بينما يصل الكبريت إلى \(+4\).
(b) فائض حمض الكبريتيك المركز الساخن
يعمل حمض الكبريتيك عاملًا مؤكسدًا ويُختزل إلى ثاني أكسيد الكبريت. ويتحول الفوسفور إلى حمض الفوسفوريك، كما يتحول الكبريت الموجود أصلًا في \(\ce{P4S3}\) إلى ثاني أكسيد الكبريت:
\[ \boxed{\ce{P4S3 + 16H2SO4 -> 4H3PO4 + 19SO2 + 10H2O}}. \]
تحرّر ذرات الفوسفور ما مجموعه \(14\) إلكترونًا، وتحرّر ذرات الكبريت الثلاث
\[ 3\bigl[4-(-2)\bigr]=18 \]
إلكترونًا. وهكذا، يتحرّر \(32\) إلكترونًا. وتكتسب كل ذرة كبريت في حمض الكبريتيك إلكترونين عند انتقالها من \(+6\) إلى \(+4\)، مما يتطلب \(16\) جزيئًا من حمض الكبريتيك. وتحتوي جزيئات ثاني أكسيد الكبريت البالغ عددها \(19\) على \(16\) ذرة كبريت من الحمض وثلاث ذرات من المركب الابتدائي.
(c) كلورات البوتاسيوم الصلبة مع الطحن
تؤكسد الكلورات الفوسفور والكبريت إلى أكسيد الفوسفور(V) وثاني أكسيد الكبريت، بينما يُختزل الكلور من \(+5\) إلى \(-1\):
\[ \boxed{\ce{3P4S3 + 16KClO3 -> 3P4O10 + 9SO2 + 16KCl}}. \]
يحرّر كل جزيء من \(\ce{P4S3}\) عددًا من الإلكترونات يساوي \(32\)، ويكتسب كل أيون كلورات ستة إلكترونات. وأصغر مجموعين متساويين هما
\[ 3(32)=16(6)=96, \]
مما يعطي المعاملات المبيّنة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.