§ 7. Задачи на получение и синтез новых веществ

Синтез неорганических соединений — так можно назвать перечисление методов получения оксидов, кислот, оснований и солей, приводимое в различных учебных пособиях по неорганической химии. Однако без знания основ такого синтеза невозможно рацио­нальное планирование превращений химических со­единений. От достаточно простых неорганических ре­акций можно затем переходить к изучению гораздо более сложного органического синтеза.

Любой синтез — это в большой степени искус­ство. Можно заложить в память ЭВМ все методы органической химии с целью разработки оптимальных путей превращений классов соединений — все равно машина даст более сложную цепочку превращений для получения требуемого вещества. Интуиция химика-синтетика пока непостижима. В чем-то выбор пу­ти синтеза можно сравнить с шахматами: ограниче­ния правил соответствуют определенным химическим свойствам, локальные проблемы чередуются с твор­ческими тупиками, плохая игра не вызывает удовле­творения и приводит к неудаче. Зато прекрасен миг, когда на дне колбы, пробирки, стакана, чашки из лучшего домашнего сервиза выпадают белые (а ча­ще неопределенно-коричневые) кристаллы того ве­щества, которое абсолютно необходимо (или абсо­лютно ни к чему) для дальнейшей работы. Настоя­щему химику этот миг важнее самой лучшей по­хвалы.

В этом разделе книги мы не сможем научить юного химика практическому органическому и неор­ганическому синтезу, но попытаемся вопреки прин­ципу «бумага все стерпит» дать приблизительное представление об этой части химии. В качестве спра­вочных материалов можно использовать таблицы и ссылки из § 6 (качественный анализ). В дополнение приведем несколько методов целевого «бумажной» синтеза простейших органических веществ (пропу­щенные коэффициенты в схемах реакций предлагаем читателю проставить самостоятельно).

Получение органических веществ из неорганиче­ских:

СаСО₃ + С_изб→СаС₂ + СО;

СаС₂ + Н₂O → Са(ОН)₂ + СН ≡ СН↓;

Аl + С → А1₄С₃ (карбид алюминия);

H₂O

А1₄С₃ + НСl → А1С1₃ + СН₄|;

CO + H₂ → CH₃OH;

C₃O₂+ Н⁺ → НООС— СН₂—СООН;

ангидрид малоновая кислота

малоновой кислоты

(0=С=С=С=0)

Удлинение и укорачивание цепи:

1)CO₂, тв

RСН₂Вr + Мg → RСН₂МgВr → КСН₂СООН; реактив ^{2) н} Гриньяра

2)H⁺

Реактив

Гриньяра

1)

RCH₂CH₂CH₂COOH

2) H⁺

1)

R(CH₂)₄OH;

2)H⁺

RСН₂Br + KCN →RCH₂CN + KBr;

H₂O

RCH₂COOH

[O]

RCH₂OCH₂R’ → RCH₂COOH + R’CH₂COOH + RCOOH + R’COOH.

Задачи

1. Может ли из простого вещества получиться другое простое вещество? Ответ подтвердите приме­рами.

2. Имеются смеси следующего состава, сера, медь хлорид цинка (смесь № 1); сера, медь, хлорид ртути(II) (смесь № 2). Какую из них можно разде­лить, не проводя химических превращений, а какую нет и почему? Предложите метод разделения.

3. Можно ли при взаимодействии двух водных растворов получить воду, практически не содержа­щую растворенных веществ? Приведите уравнения возможных химических реакций.

4. У юного химика имеются медь и соляная кис­лота. Какими способами он может получить хлорид меди(II)? Напишите уравнения соответствующих хи­мических реакций.

5. В лаборатории имеется оксид меди, содержа­щий меченый кислород ¹⁸О. Как получить из нее ме­ченый оксид фосфора (V), не загрязненный другими изотопами кислорода? Приведите уравнения реакций и укажите условия, в которых они протекают.

6. Напишите 5 уравнений химических реакций, в каждой из которых оказались бы представители всех четырех классов сложных неорганических ве­ществ. Исходные вещества в уравнениях не должны повторяться.

7. Расположите в ряд по убыванию объема по­глощаемого углекислого газа равными объемами концентрированных растворов Nа₂СO₃, СuС1₂, Nа₃РO₄ и NаСl, содержащих равное количество мо­лей веществ и одинаковые объемы воды. Дайте мо­тивированный ответ.

8. Как можно получить металлический натрий, располагая раствором поваренной соли?

9. Какими химическими способами можно дока­зать равноценность всех четырех N—Н-связей в ионе аммония?

10. В лаборатории имеется медный купорос, со­держащий радиоактивный изотоп серы. Как полу­чить из него меченный этим изотопом серы сульфид железа, не загрязняя его другими изотопами серы? Ответ иллюстрируйте уравнениями реакций с указа­ниями примерных условий их проведения.

11. Докажите полный качественный состав сле­дующих соединений, выделив каждый из элементов (кроме кислорода) в виде простого вещества: фос­фат калия, карбонат аммония, серная кислота. На­пишите уравнения соответствующих реакций и ука­жите условия их проведения.

12. В Вашем распоряжении имеются тяжелая во­да (D₂О) и любые реактивы, не содержащие дейте­рия. Предложите способы получения D₂SO₄, NaDCO₃, DNO₃, HD, ND₄NO₃.

13. В Вашем распоряжении имеются пирит, нит­рат серебра и вода. Напишите схему получения сер­ной кислоты из этих веществ.

14. Какие новые вещества можно получить, ис­пользуя хлор, серу, нитрат серебра, воду и продукты их превращений? Приведите уравнения химических реакций.

15. Предложите способ удаления из раствора: а) катионов аммония; б) сульфит-анионов. Приведи­те уравнения соответствующих реакций.

16. Закончите уравнения следующих химических реакций и уравняйте их:

KМnO₄ + FеSO₄ + Н₂O →

KMnO₄ + H₂SO₄ →

11. Имеется смесь порошков металлов: алюминия, меди, железа и золота. Как разделить эти металлы и выделить каждый из них в чистом виде? Какие до­полнительные реактивы необходимы для этого? На­пишите уравнения химических реакций.

12. В результате взаимодействия сульфида мышь­яка с раствором азотной кислоты образуется ортомышьяковая кислота, серная кислота и оксид азо­та (II). Напишите уравнения реакций, расставьте ко­эффициенты, укажите окислитель и восстановитель.

13. Докажите полный качественный состав соли с формулой K₄[Fе(СN)₆], выделив каждый из состав­ляющих ее элементов в виде простого вещества.

14. Образец меди загрязнен примесями железа, серебра и свободной серы. Предложите лабораторный (кроме электролиза) способ получения чистой меди из образца и напишите уравнения протекаю­щих при этом реакций.

15. Как осуществить следующую цепь превраще­ний: фосфоритная мука — ортофосфорная кислота аммофос — фосфат кальция — красный фосфор – фосфорный ангидрид, метафосфорная кислота ортофосфорная кислота — преципитат — двойной супер­фосфат— фосфат кальция. Напишите уравнения ре­акций и укажите условия их проведения.

16. Металлический натрий внесен в смесь обыч­ной и тяжелой воды. Какой изотоп водорода выде­ляется преимущественно и какой накапливается в растворе?

E_Na/Na⁺= - 2,71 B, E_H2/2H⁺= 0,00 B,

E_D2/2H⁺= — 0,0034 В.

11. Даны железные квасцы KFе(SO₄)₂ ∙ 12Н₂0 и мел. Не пользуясь другими исходными реактивами, получите в чистом виде сульфаты калия, кальция и железа. Напишите уравнения реакций и их условия.

12. В водный раствор нитрата меди(II) внесли не­сколько кусочков металлического кальция. Напиши­те уравнения химических реакций, которые могут при этом происходить.

13. Как можно в лаборатории, располагающей достаточным набором реактивов, зажечь спиртовку? Предложите несколько способов и поясните, на чем они основаны.

14. Образец нитрата бария сильно прокалили, а затем продукты разложения медленно охладили в токе кислорода. Образовавшееся вещество осторож­но при охлаждении добавили к разбавленной серной кислоте, осадок отфильтровали и к фильтрату доба­вили каплю раствора перманганата калия. Что бу­дет при этом наблюдаться? Напишите уравнения воз­можных реакций и дайте им необходимые поясне­ния.

15. Имеется раствор, содержащий нитраты нат­рия, бария, меди, свинца и цинка. Разделите данную смесь, выделив соединение каждого элемента в ин­дивидуальном состоянии. Напишите уравнения соот­ветствующих реакций.

16. При нагревании эластичного образца А до 400°С выделены пары веществ Б и В с плотностями по воздуху соответственно 2,2 и 6,6. Сжигание в из­бытке кислорода одинаковых масс А, Б и В дает одну и ту же смесь газов. Если для сжигания взять 1 г любого из веществ, то для полного поглощения продуктов сгорания требуется не менее 25 г 5%-го раствора гидроксида натрия, при этом получается 27 г раствора. Определите состав А, Б, В.