Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №6/2009
ОЛИМПИАДЫ

 

Окружная олимпиада по химии
в Москве

Задания см. в № 5/2009

Р е ш е н и я

8 класс

1. Последовательность выбранных букв Р–О–О–Д–А–Г–А–В. Фамилия ученого – Авогадро.

Закон Авогадро:

в равных объемах разных газов при одинаковых условиях (температура и давление) содержится одинаковое число молекул.

Фамилию определили многие, а формулировка вызвала затруднения. (Большей частью учащиеся этот пункт игнорировали.)

2. 1) В состав атмосферы Урана входят три газа: А – метан СН4, Б – водород Н2, В – гелий Не.

2) Реакции газов А и Б с кислородом:

3) Вещества А, Б и В не содержатся в атмосфере Земли. Небольшие количества легких газов Н2 и Не, образующихся в результате вулканической деятельности и «дыхания» Земли, рассеиваются в верхних слоях атмосферы. У газа СН4 нет постоянного источника для поддержания его запаса в воздухе. (Например, на поддержание массовой доли газа СО2 ( = 0,03 %) в атмосфере работают все живые существа Земли (дышат), тепловые машины, пожары, вулканы, процессы гниения, разложения карбонатов (коралловые рифы) и др.)

4) Для расчета массовой доли каждого газа в атмосфере Урана определим такие доли в 100 л смеси. Массы газов с учетом молярного объема VM = 22,4 л/моль следующие:

m = M = (V/VM) • M,

m(СН4) = (2/22,4) • 16 = 1,43 г,

m(H2) = (83/22,4) • 2 = 7,41 г,

m(He) = (15/22,4) • 4 = 2,68 г.

Масса смеси:

m(см.) = 1,43 + 7,41 + 2,68 = 11,52 г.

Массовые доли:

(CH4) = 1,43/11,52 = 0,124, или 12,4 %,

2) = 7,41/11,52 = 0,643, или 64,3 %,

(Не) = 2,68/11,52 = 0,233, или 23,3 %.

Наибольшую трудность вызвало задание найти массовые доли газов.

3. 1) Формулы с пробелами (подчеркнуты простые вещества):

H2O, P2O5, Al, O2, Na, H2, O3, CO2, Na3N, C, FeCl3, N2, K2S, SiO2.

2) Вероятно, вторая часть задания показалась учащимся витиеватой, поэтому многие обошлись без нее. На этом они потеряли оценочные баллы.

Формулировка задания: «Составьте химические формулы по названиям веществ: вода, оксид фосфора(V), алюминий, кислород, натрий, водород, озон, углекислый газ, нитрид натрия, уголь (углерод), хлорид железа(III), азот, сульфид калия, оксид кремния».

Если бы задание звучало более настойчиво, в повелительном наклонении: «Назовите вещества…», – то учащиеся, скорее всего, выполнили бы и вторую часть задания.

4. Уравнения реакций горения магния.

Реакции соединения:

2Mg + O2 = 2MgO,

Mg + Cl2 = MgCl2,

3Mg + O3 = 3MgO;

реакции замещения:

2Mg + CO2 = 2MgO + C,

Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2.

Во всех рассмотренных реакциях процесс сопровождается пламенем, т.е. при горении веществ выделяются тепло и свет – признаки реакций, называемых горением.

5. Лучше всего знать формулу бихромата аммония. Если не знать этого, но знать формулы оксидов хрома – CrO, Cr2O3 и CrO3, то по содержанию кислорода (O) = 31,58 % можно выбрать нужную формулу – Cr2O3. Когда ничего из опережающих знаний нет, решаем напрямую.

Для 100 г оксида хрома с пока неявной формулой CraOb отношения количеств вещества (они будут индексами а и b в химической формуле оксида) следующие:

(Cr) : (O) = m(Cr)/M(Cr) : m(O)/M(O) = 68,42/52 : 31,58/16 = 1,316 : 1,974 = 2 : 3.

Формула оксида – Cr2O3.

Предположим, что: какие количества вещества разных химических элементов (в составе новых веществ) образуются при разложении 1 моль бихромата аммония, такие же количества вещества входят в его состав.

Объем азота N2, равный 22,4 л, соответствует 1 моль N2 или двум атомам азота в химической формуле соединения. Количество вещества оксида хрома(III) в размере 1 моль привносит в формулу искомого соединения два атома хрома и три атома кислорода. Количество вещества (H2O) в 72 г воды следующее: (H2O) = m/M = 72 : 18 = 4. Значит, формула включает 4 Н2О или 8 Н и дополнительно 4 О (всего – 7 О). Таким образом, молекулярная формула бихромата аммония – N2H8Cr2O7 (на этом часто останавливались те, кто справился с заданием), а с представлением катиона аммония в обособленном виде – (NH4)2Cr2O7.

Уравнение реакции разложения «вулканчика»:

(NH4)2Cr2O7 N2 + Cr2O3 + 4H2O.

 

9 класс

1. Алебастр – продукт обжига гипса*:

При дальнейшем обжиге алебастра получается ангидрит:

Около 1000 °С ангидрит частично разлагается, получается высокообжиговый гипс, содержащий негашеную известь:

Все рассмотренные соединения – вяжущие материалы, они используются в строительстве, а также для производства цемента. При сплавлении ангидрита с поташом K2СО3 (продукт сжигания древесины) получается специфический вяжущий материал. Если в этот расплав добавить песок SiO2, то при остывании получается особое стекло:

Название литературного произведения – «Преступление и наказание», его главный герой – Р.Раскольников.

2. Бесцветные кристаллы – сульфат меди(II). Водный раствор сульфата меди – голубой (от ионов Cu2+). В присутствии избытка Cl-ионов (от HCl) раствор приобретает зеленую окраску из-за образования недиссоциированного CuCl2. (При разбавлении раствор вновь становится голубым – окраска ионов Cu2+.) При прибавлении водного раствора аммиака выпадает голубой осадок Cu(OH)2:

Дымок над раствором – результат реакции в газовой фазе (образование кристалликов хлорида аммония):

В избытке аммиака образуется растворимое комплексное соединение – аммиакат гидроксида меди(II):

3. Фосфорную кислоту Н3РО4 получают из оксида фосфора(V) Р2О5 по схеме:

Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4.

Простейшая формула Р2О5 не отражает истинного строения этого оксида фосфора. Различают летучую модификацию состава Р4О10 и полимерные – из множества тетраэдров РО4 (где атом Р находится в центре тетраэдра, и атомы кислорода одновременно принадлежат соседним тетраэдрам). Летучая модификация гидратируется быстро, а полимерные модификации – медленно. Смесь долгое время содержит твердый остаток.

Улучшить технологию производства можно либо по пути преимущественного получения исходного оксида фосфора в виде летучей модификации, либо перемешиванием при нагревании водной суспензии. Схема процесса:

4. Уравнение реакции разложения нитрата меди(II):

Уравнение взаимодействия меди с кислородом при нагревании:

Предположим, что в смеси было 376 г Cu(NO3)2. Тогда масса выделившихся газов (см. уравнение (1)) равна 216 г, в том числе 32 г О2. Считаем, что весь образующийся при разложении кислород прореагировал со вторым компонентом исходной смеси – медью (см. уравнение (2)). При выбранных условиях масса исходной смеси: 376 + 128 = 504 г, масса улетевшего NO2 равна 184 г.

Уменьшение массы: 184/504 = 0,365, или 36,5 %. Очевидно, что часть О2 улетает, т.е. меди меньше, чем 128 г, и она реагирует полностью.

Обозначим массу прореагировавшего кислорода х г, тогда масса прореагировавшей меди: (128/32)х = 4х; масса улетевшего кислорода: (32 – х) г.

Выражение для массовой доли улетевших газов:

(газов) = (184 + 32 – х)/(376 + 4х) = 0,4545.

Отсюда найдем х:

216 – х = 0,4545•376 + 1,18х,

2,18х = 216 – 170,9, х = 20,7 г.

m(Cu) = 4x = 82,8 г.

Массовые доли компонентов исходной смеси:

(Cu) = 82,8/(376 + 82,8) = 0,1805, или 18 %,

(Cu(NO3)2) = 82 %.

О т в е т. (Cu) = 18 %, (Cu(NO3)2) = 82 %.

5. Для получения древнеегипетского стекла можно использовать природные силикаты: нефелин KNa3[AlSiO4]4, ортоклаз K[AlSi3O8]; диопсид MgCa[SiO3]2; каолинит Al2[Si2O5](OH)4; оливин Mg[FeSiO4]; орлец (старинное русское название родонита) CaMn4[Si5O15].

Из-за тугоплавкости силикатов (температуры их плавления лежат в диапазоне 750–2000 °С) процесс необходимо вести при высокой температуре: 1400–1600 °С. При этом силикаты (или другие соединения металлов – карбонаты, сульфаты) разлагаются на оксиды:

2KNa3[AlSiO4]4 3Na2O + K2O + 4Al2O3 + 8SiO2,

CaMn4[Si5O15] CaO + 4MnO + 5SiO2.

В зависимости от содержания компонентов в исходной смеси образуется стекло (как правило, при его варке добавляют песок SiO2) с разными свойствами (прозрачное или матовое, цветное или бесцветное). При этом протекают химические реакции образования новых силикатов, например:

 

6. Взрывоопасные неорганические вещества (взрываются в смеси с воздухом при поджигании): Н2, H2S, PH3, CS2, P4.

Бинарное неорганическое соединение, содержащее 97,6 % сурьмы – это скорее всего гидрид. Элемент сурьма находится в Va группе периодической системы химических элементов. Формула его летучего водородного соединения SbH3 (подобно аммиаку NH3, фосфину PH3, арсину AsH3).

Из данных задачи эту формулу можно вывести, принимая массу SbH3 за 100 г. Тогда

(Sb) = m/M = 97,6/122 = 0,8 моль,

(H) = 2,4/1 = 2,4 моль,

формула гидрида – Sb0,8H2,4 или SbH3.

 

10 класс

1. Отметим, что в четвертом уравнении задания пропущен коэффициент 2 перед FeS, а в последнем уравнении указан коэффициент 4 перед BaSO4, когда он там не требуется.

Уравнения реакций с восстановленной левой частью:

MnO2 + 2KBr + 2H2SO4 = Br2 + MnSO4 + K2SO4 + 2H2O,

Al2S3 + 8HNO3(разб.) = 2Al(NO3)3 + 2NO + 3S + 4H2O,

5H2S + 3H2SO4 + 2KMnO4 = 5S + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O,

2FeCl3 + 3Na2S = S + 2FeS + 6NaCl,

2FeBr2 + 3Cl2 = 2Br2 + 2FeCl3,

Ba(OH)2 + 2KHSO3 = BaSO3 + K2SO3 + 2H2O,

3CuO + 2NH3   3Cu + N2 + 3H2O,

(NH4)2HPO4 + 3KOH = K3PO4 + 2NH3 + 3H2O,

KHCO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + KOH + H2O,

Ba(HCO3)2 + NH4HSO4 = CO2 + H2O + BaSO4 + NH4HCO3.

2. Уравнение реакции магния с разбавленной азотной кислотой:

 

Ход рассуждений следующий: по схеме реакции двум атомам азота азотной кислоты (степень окисления N (+5)) необходимо 8e, чтобы превратиться в соединение N2O (степень окисления азота N (+1)); еще одному атому азота N (+5) требуется 8e для превращения в катион NH4+ (степень окисления азота N (–3)). Недостающие 16е трем атомам азота поставляют 8 атомов магния. Поэтому коэффициент в левой части уравнения перед Mg – 8 и в правой части перед Mg(NO3)2 тоже 8.

В правой части уравнения 20 атомов азота, поэтому коэффициент в левой части перед HNO3 – 20. Наконец, коэффициент в правой части перед формулой воды – 8.

3. Обозначим искомый объем 70%-го раствора азотной кислоты через х мл. Тогда масса чистой азотной кислоты составит:

m(HNO3) = 0,7•1,413x.

Масса серной кислоты (при условии полного превращения SO3 в H2SO4):

m(H2SO4) = 7 + 3•98/80 = 10,675 г.

Массовые доли одной и другой кислот в полученном растворе по условию задачи находятся в следующем соотношении:

2(HNO3) = (H2SO4).

Поскольку масса раствора одна и та же, верно равенство:

2m(HNO3) = m(H2SO4),

или

2•0,7•1,413х = 10,675 г.

Отсюда х = 5,4 мл.

О т в е т. 5,4 мл 70%-й HNO3.

4. Схема процесса для СnH2n при n = 4 с использованием структурных формул:

5. Исходный предельный углеводород с описанными свойствами – 1,2,3-триметилциклопропан. Приведем схемы его гидрирования и бромирования:

 

Уравнение реакции горения 1,2,3-триметилциклопропана С6Н12:

Найдем объем кислорода:

х = 37,8•201,6 / 84 = 90,72 л.

О т в е т. 90,72 л О2.

6. Рассмотрим на графических формулах возможные варианты алканов С6Н14:

В них – три, пять, четыре, две и три группы неэквивалентных протонов соответственно. По числу неэквивалентных протонов можно определить число различных монохлорпроизводных. Эквивалентными являются протоны с одинаковым окружением (ближайшими соседями). Так, в н-гексане эквивалентны протоны метильных групп С(1)Н3 и С(6)Н3, метиленовых групп С(2)Н2 и С(5)Н2, а также С(3)Н2 и С(4)Н2. (В скобках указаны номера атомов углерода главной углеродной цепи.)

Различные монохлорпроизводные н-гексана:

Таким образом, нас интересует 2,3-диметилбутан. В нем две группы неэквивалентных протонов: 12 Н от четырех СН3-групп и 2 Н от двух СН-групп. При замене одного атома Н в любой из четырех СН3-групп на атом Сl получается 1-хлор-2,3-диметилбутан. При замене одного атома Н в любой из двух СН-групп на атом Сl получается 2-хлор-2,3-диметилбутан. Два алкена состава С6Н12 – это 2,3-диметилбутен-1 и 2,3-диметилбутен-2.

Структурная формула целевого алкана:

7. Схемы синтеза заданных соединений:

8. Углекислый газ в реакциях алкенов и диенов с окислителями выделяется при расположении двойной связи на концах цепи. В диене с изолированными двойными связями – две С=С-связи. Чтобы при его сгорании выделилось в три раза больше СО2, чем при окислении, в молекуле диена должно быть 6 атомов углерода. Это гексадиен-1,5. Окисление гексадиена-1,5 раствором KМnО4 в присутствии серной кислоты протекает по схеме:

 

При этом из 1 моль диена получается 2 моль СО2.

При сгорании 1 моль диена образуется 6 моль СО2, т.е. в 3 раза больше, чем при окислении:

6Н10 + 17О2 = 12СО2 + 10Н2О.

 

11 класс

1. Уравнения реакций с дописанной левой частью:

6FeO + 3Cl2 2Fe2O3 + 2FeCl3,

2(CuOH)2CO3 + 2NH4Cl  3Cu + CuCl2 + N2 + 2CO2 + 6H2O,

Ca(OCl)2 + 2H2S = CaCl2 + 2S + 2H2O,

4KMnO4 + 3CS2 + H2O = 6S + 4MnO2 + 2KHCO3 + K2CO3,

CaCN2 + 3H2O = 2NH3 + CaCO3,

HСOOH + Cl2 = CO2 + 2HCl,

2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2,

3FeO + 2NH3  3Fe + N2 + 3H2O,

FeCl2 + NaNO2 + 2HCl = NO + FeCl3 + NaCl + H2O,

4HNO3  4NO2 + O2 + 2H2O.

2. -Частицы – это ядра гелия Не2+. Масса выделившихся -частиц:

() = m0 – m1 = 12,93 – 10,70 = 2,23 мг.

Используя соотношение р0/Т0 = р1/Т1, рассчитаем давление р0(Не) в ампуле, приведенное к 0 °С:

р0(Не) = 67,36•273/298 = 61,71 кПа.

Число -частиц в ампуле: N = m(())/m() = (2,23•10-3)/(6,644 •10-24) = 0,33564•1021.

Число -частиц (NPо) в объеме 22,4 л при давлении р0 составило бы:

NPо = (0,33564•1021•22,4)/0,02 = 3,759•1023.

Число Авогадро NA определяют при стандартном давлении рстанд = 101,325 кПа:

NA = NPо • рстанд /р0 = 3,759•1023•101,325/61,71 = 6,17•1023.

О т в е т. NA = 6,17•1023.

3. Предположим, что формулы оксидов В и С – М2О3 и МО. (Это предположение строится на приблизительном анализе содержания кислорода в оксидах А, В, С по массе.) Тогда выражение массовой доли металла в оксиде C будет иметь вид:

Решая уравнение, получим Аr(M) = 207, металл М – свинец Pb. Формулы оксидов: A – PbO2, B – Pb3O4, C – PbO. (Так, для PbO2 (Pb) = 207/239 = 0,8661, или 86,61 %. Для Pb3O4 (Pb) = 621/685 = 0,9066, или 90,66 %.)

Уравнения реакций термического разложения оксидов А и В:

3PbO2 Pb3O4 + O2, 2Pb3O4 6PbO + O2.

Уравнения других реакций оксидов А и В:

a) PbO2 + 4HCl (конц.)  PbCl2 + Cl2 + 2H2O;

б) PbO2 + 2NaOH (конц.)  Na2PbO3 + H2O;

в) PbO2 + SO2 = PbSO4;

г) 3Pb3O4 + 20HNO3 (разб.) = 9Pb(NO3)2 + 2NO + 10H2O + 3О2;

д) Pb3O4 + 6NaOH (конц.) 2Na2PbO2 + Na2PbO3 + 3Н2О.

4. Уравнение реакции термического разложения нитрата меди(II):

Из мольных соотношений веществ в реакции (1) видно, что массы газов, образовавшихся при разложении 18,8 г Cu(NO3)2, составляют:

m(NO2) = 9,2 г, m2) = 1,6 г.

Схема разложения диоксида азота:

В задании сказано: «массовая доля кислорода в ней (смеси) возросла в 1,2 раза» – речь идет об образовавшейся смеси газов. Следовательно, масса кислорода О2 в газовой фазе равна:

1,6•1,2 = 1,92 г (1,344 л).

Привес за счет реакции (2) 0,32 г соответствует 0,01 моль или 0,224 л О2.

Согласно мольным соотношениям по уравнению (2) разложилось 0,02 моль или 0,448 л NO2 (осталось 0,18 моль или 4,032 л NО2), образовалось 0,02 моль или 0,448 л NО.

Найдем объемные доли газов в полученной равновесной смеси (V(смеси) = 1,344 (О2) + 4,032 (NО2) + 0,448 (NО) = 5,824 л):

об2) = 1,344/5,824 • 100 (%) = 23,08 %,

об(NО2) = (4,032/5,824) • 100 (%) = 69,23 %,

об(NО) = (0,448/5,824) • 100 (%) = 7,69 %.

Синтез безводного Сu(NО3)2 можно осуществить, выдерживая синий порошок кристаллогидрата в герметически закрытом эксикаторе над пентаоксидом фосфора Р2О5 до изменения цвета на белый по схеме:

Сu(NО3)2•3Н2О + Р2О5 —> Сu(NО3)2 + 2Н3РО4.

Другой способ состоит в пропускании при нагревании смеси газов NО2 и О2 над порошком СuО:

2CuO + 4NO2 + O2 = 2Cu(NO3)2.

О т в е т. об2) = 23,08 %,
об(NО2) = 69,23 %,
об(NО) = 7,69%.

5. Углеводородом А общей формулы СnН2n–2, реагирующим с бромной водой и водным раствором перманганата калия на холоду, может быть диен, алкин или винилциклоалкан. Углеводородом Б может быть бициклоалкан (например, декалин С10Н18 состоит из двух конденсированных, т.е. имеющих общую сторону, циклогексановых колец), спироалкан (циклоалкан, в котором два кольца имеют один общий атом, например, спиро[3,3]гептан С7Н12), вещество с двумя связанными кольцами (например, циклопропилциклопентан С8Н14).

Оба углеводорода А и Б будут вступать в реакции горения (+О2) при поджигании, хлорирования (на свету), гидрирования (при нагревании в присутствии катализатора).

Уравнения реакций, характерные для углеводорода А:

Уравнения реакций, характерные для углеводородов А и Б:

6. Схемы синтеза при заданных исходных и конечных веществах:

7. Предложенным брутто-формулам отвечают следующие соединения.

а) С4Н6 – это бутин-2 СН3С=ССН3. Линейный, т.к. гидрируется в н-бутан; содержит тройную связь С=С, т.к. гидратируется по Кучерову; связь С=С внутри цепи, а не краевая, т.к. не образует соль серебра.

б) С4Н6О2 – это цис-бутен-2-овая кислота

Ее геометрический изомер – транс-бутен-2-овая кислота, в этом изомере атомы водорода находятся по разные стороны относительно двойной связи С=С. При окислении этого соединения разрывается двойная связь и атомы углерода превращаются в карбоксильные группы:

5C4H6O2 + 8KMnO4 + 12H2SO4 = 5HOOCCOOH + 5CH3COOH + 4K2SO4 + 8MnSO4 + 12H2O.

8. Напишем схему горения смеси двух аминов:

x(СН3)3N + yСН32 + zО2 —> 4,4СО2 + N2 + aН2О,

где x, y, z и a – соответствующие коэффициенты, поскольку все исходные вещества и используемые при решении продукты реакции (СО2 и N2) – газы. Подберем коэффициенты в левой части уравнения, чтобы справа получилось соотношение количеств вещества компонентов:

(СО2) : (N2) = 4,4 : 1.

Такое соотношение достигается при мольных пропорциях исходных аминов 1,2 моль (СН3)3N к 0,8 моль СН32:

1,2(СН3)3N + 0,8СН32 + zО2 —> 4,4СО2 + N2 + aН2О.

Рассчитаем коэффициенты a и z при формулах Н2О и О2, они будут равны соответственно 7,4 и 8,1:

Согласно формуле m = М, где  – количество вещества в молях, пропорциональное (у нас – равное) коэффициентам при химических формулах в уравнении реакции, рассчитаем массы исходных аминов при заданном мольном соотношении и их общую массу:

m((СН3)3N) = 70,8 г,

m(СН32) = 24,8 г,

m(смеси аминов) = 95,6 г.

Найдем массовые доли аминов в исходной смеси:

((СН3)3N) = 70,8/95,6 = 0,7406, или 74,06 %,

(CH3NH2) = 24,8/95,6 = 0,2594, или 25,94 %.

О т в е т. ((СН3)3N) = 74,06 %,

(CH3NH2) = 25,94 %.

9. Пронумеруем последовательность превращений в предложенной цепочке и напишем уравнения реакций:


* Словом «алебастр» называют не только продукт обжига минерала гипс, но и одну из разновидностей этого минерала. – Прим. ред.

Материал подготовил А.Д.МИКИТЮК,
учитель химии школы № 384
(г. Москва)