← Все олимпиадные задачи
Задача 10 · Неорганика

Серебристо-белый металл, стойкий на воздухе

Известен серебристо-белый щелочноземельный металл X.

Реакций 15Раздел НеорганикаУровень муниципальный

Известен серебристо-белый щелочноземельный металл X. В отличие от щелочных металлов, он может относительно долго лежать на воздухе, покрываясь защитной оксидной пленкой.

При нагревании стружки металла X в атмосфере азота образуется бинарное соединение A, в котором массовая доля металла составляет $81,08\%$ (реакция 1).

При добавлении к веществу A воды выделяется газ с резким запахом и образуется взвесь малорастворимого вещества B (которое широко применяется в строительстве) (реакция 2). Сам металл X также способен реагировать с водой с образованием вещества B (реакция 3).

При пропускании через взвесь B углекислого газа сначала выпадает белый осадок C (массовая доля щелочноземельного металла в котором ровно $40,00\%$) (реакция 4), который при дальнейшем пропускании газа растворяется с образованием прозрачного раствора соли D (реакция 5). При кипячении раствора D снова выпадает осадок C (именно этот процесс обуславливает образование накипи в чайниках) (реакция 6).

Если осадок C сильно прокалить, выделяется газ и остается тугоплавкий оксид E (реакция 7). При взаимодействии оксида E с водой происходит бурная реакция с выделением большого количества теплоты и образованием вещества B (реакция 8).

Однако, если оксид E сплавить с коксом (углем) при высокой температуре, образуется бинарное соединение F (в котором массовая доля металла составляет $62,50\%$) (реакция 9). При добавлении к F воды снова получается вещество B, а также выделяется бесцветный горючий газ, который используется для газовой сварки металлов (реакция 10). А если вещество F нагреть в атмосфере азота, образуется ценное азотное удобрение G (реакция 11). Интересно, что при длительном гидролизе G горячей водой оно превращается в осадок C с выделением аммиака (реакция 12).

С другой стороны, металл X бурно реагирует с фосфором при нагревании, давая бинарное вещество H (реакция 13). Под действием соляной кислоты на H выделяется ядовитый газ с запахом тухлой рыбы и образуется раствор хорошо растворимой соли I (реакция 14). Эту же соль I можно получить прямым растворением вещества B в соляной кислоте (реакция 15).

Схема превращений (Большой цикл):

+ N₂, t° + H₂O + CO₂ + CO₂, H₂O t° t° + C, t° + H₂O + H₂O + P, t° + HCl + H₂O X A B C D E F G H I
Ещё превращения — вне схемы
  • X → B + H₂O
  • F → G + N₂, t°
  • B → I + HCl

Показать решение и уравнения реакций

Ответ

Шаг 1. Расшифровка веществ.

Щелочноземельный металл X, образующий малорастворимый гидроксид, широко использующийся в строительстве (гашеная известь), — это кальций (Ca). Проверим расчет:

При нагревании в азоте кальций дает нитрид $Ca_3N_2$ (вещество A).
Рассчитаем массовую долю кальция в $Ca_3N_2$:
$M(Ca_3N_2) = 40 \cdot 3 + 14 \cdot 2 = 120 + 28 = 148$ г/моль.
$\omega(Ca) = \frac{120}{148} \cdot 100\% \approx 81,08\%$. Все сходится!

Проверим массовые доли остальных веществ:
Для осадка C (карбонат кальция, $CaCO_3$): $\omega(Me) = \frac{{40}}{{100}} \cdot 100\% = 40,00\%$. Совпадает.
Для карбида F ($CaC_2$): $\omega(Me) = \frac{{40}}{{64}} \cdot 100\% = 62,50\%$. Совпадает.

Дальнейшая расшифровка:

  • X = Ca (кальций)
  • A = $Ca_3N_2$ (нитрид кальция)
  • B = $Ca(OH)_2$ (гидроксид кальция, гашеная известь)
  • C = $CaCO_3$ (карбонат кальция, мел)
  • D = $Ca(HCO_3)_2$ (гидрокарбонат кальция)
  • E = $CaO$ (оксид кальция, негашеная известь)
  • F = $CaC_2$ (карбид кальция)
  • G = $CaCN_2$ (цианамид кальция)
  • H = $Ca_3P_2$ (фосфид кальция)
  • I = $CaCl_2$ (хлорид кальция)

Шаг 2. Уравнения реакций:

  1. $3Ca + N_2 \xrightarrow{t^\circ} Ca_3N_2$
  2. $Ca_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2\downarrow + 2NH_3\uparrow$
  3. $Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow + H_2\uparrow$
  4. $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$
  5. $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$
  6. $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$
  7. $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$
  8. $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow$
  9. $CaO + 3C \xrightarrow{t^\circ} CaC_2 + CO\uparrow$
  10. $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\downarrow + C_2H_2\uparrow$
  11. $CaC_2 + N_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCN_2 + C$
  12. $CaCN_2 + 3H_2O \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NH_3\uparrow$
  13. $3Ca + 2P \xrightarrow{t^\circ} Ca_3P_2$
  14. $Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3\uparrow$
  15. $Ca(OH)_2 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + 2H_2O$