← Все олимпиадные задачи
Задача 3 · Неорганика

Элемент — основа органической жизни

Уникальный элемент X, основа органической жизни.

Реакций 19Раздел НеорганикаУровень муниципальный

Уникальный элемент X, основа органической жизни, при неполном сгорании дает угарный газ A (реакция 1), а при полном — углекислый газ B с массовой долей элемента $27,27\%$ (реакция 2). Угарный газ A можно доокислить до газа B (реакция 3). Газ B также поддерживает горение активных металлов: если внести в него горящий магний, он продолжит гореть, выделяя сажу (то есть элемент X) (реакция 5). При растворении B в воде образуется слабая неустойчивая кислота C (реакция 4).

Газ B жадно поглощается щелочами: с гидроксидом кальция (известковой водой) выпадает белый осадок D (массовая доля элемента ровно $12,00\%$) (реакция 6). Этот же осадок D можно получить прямой реакцией газа B с оксидом кальция (реакция 7). А вот кислота C при взаимодействии с избытком гидроксида натрия дает соду H (реакция 14). Если продолжать пропускать газ B через осадок D, он растворится, перейдя в кислую соль E (реакция 8). При кипячении раствора E снова выпадает осадок D (реакция 9). Под большим давлением и температурой газ B реагирует с аммиаком, образуя ценное удобрение мочевину K (реакция 15).

Неметалл X может напрямую реагировать с водородом при нагревании с катализатором, давая метан F (реакция 10). Также он способен реагировать с металлами, образуя карбиды. При сплавлении с алюминием образуется желтоватый карбид I с массовой долей элемента $25,00\%$ (реакция 16), а с кальцием — карбид J (реакция 17). Оба карбида полностью гидролизуются: из I выделяется болотный газ метан F (реакция 18), а из J — ацетилен G (реакция 19). Оба газа при очень сильном нагревании без доступа воздуха распадаются на исходный элемент X и водород (реакции 11 и 13). А при пиролизе метана F при 1500°C с резким охлаждением также образуется ацетилен G (реакция 12).

Схема превращений (12 веществ):

+ O₂ (нед), t°1 + O₂, t°3 + H₂O4 + NH₃, t°, p15 + CaO6 + CO₂, H₂O8 9 + H₂, t°, Ni10 t° (>1000°C)11 1500°C12 + NaOH (изб)14 + Al, t°16 + H₂O18 + H₂O19 X A B C D E F G H I J K
Ещё превращения — вне схемы
  • X → B + O₂ (изб), t° (реакция 2)
  • B → X + Mg, t° (реакция 5)
  • C → D + Ca(OH)₂
  • G → X (реакция 13)
  • X → J + Ca, t° (реакция 17)

Показать решение и уравнения реакций

Ответ

Шаг 1: Расшифровка веществ.
Газ B с $\omega(C) = 27,27\%$ — это $CO_2$. $M = 12 + 32 = 44$. $\omega(C) = 12/44 \approx 0.2727$.
Осадок D с $\omega(C) = 12,00\%$ — это $CaCO_3$. $M = 40 + 12 + 48 = 100$. $\omega(C) = 12/100 = 0.12$.
Карбид I с $\omega(C) = 25,00\%$ — это $Al_4C_3$. $M = 27\cdot 4 + 12\cdot 3 = 144$. $\omega(C) = 36/144 = 0.25$.
Следовательно, X — Углерод ($C$).

Вещества: X = $C$, A = $CO$, B = $CO_2$, C = $H_2CO_3$, D = $CaCO_3$, E = $Ca(HCO_3)_2$, F = $CH_4$, G = $C_2H_2$, H = $Na_2CO_3$, I = $Al_4C_3$, J = $CaC_2$, K = $CO(NH_2)_2$.

Реакции (19 уравнений):
1. $2C + O_2(нед) \xrightarrow{t^\circ} 2CO$
2. $C + O_2(изб) \xrightarrow{t^\circ} CO_2$
3. $2CO + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2$
4. $CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3$
5. $CO_2 + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + C$
6. $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$
7. $CO_2 + CaO \rightarrow CaCO_3$
8. $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$
9. $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$
10. $C + 2H_2 \xrightarrow{t^\circ, Ni} CH_4$
11. $CH_4 \xrightarrow{1000^\circ C} C + 2H_2\uparrow$
12. $2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2\uparrow$
13. $C_2H_2 \xrightarrow{t^\circ} 2C + H_2\uparrow$
14. $H_2CO_3 + 2NaOH(изб) \rightarrow Na_2CO_3 + 2H_2O$
15. $CO_2 + 2NH_3 \xrightarrow{t^\circ, p} CO(NH_2)_2 + H_2O$
16. $3C + 4Al \xrightarrow{t^\circ} Al_4C_3$
17. $2C + Ca \xrightarrow{t^\circ} CaC_2$
18. $Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3 + 3CH_4\uparrow$
19. $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2\uparrow$