Московский Государственный Университет им. М.В.Ломоносова

ФАКУЛЬТЕТ НАУК О МАТЕРИАЛАХ

Решения Задач заочного тура

Задания см. в № 47/2002

ХИМИЯ

Задача 1

(NH₄)₂Cr₂O₇ = N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O (при нагревании).

Все следующие реакции протекают в водных растворах при комнатной температуре:

2КNO₂ + 4HCl + 2KI = I₂ + 4KCl + 2H₂O + 2NO,
3NaHCO₃+ CrCl₃ = 3NaCl + Cr(OH)₃ + 3CO₂,
5CH₂OHCHO + 8KMnO₄ + 12H₂SO₄ = 4K₂SO₄ + 8MnSO₄ + 10CO₂ + 22H₂O,
C₆H₃Cl(NH₂)(NO₂) + 3Zn + 8HCl = C₆H₉N₂Cl₃ + 3ZnCl₂ + 2H₂O.

Задача 2

Наиболее удобно в данной цепочке исходить из простых веществ.
Уравнения реакций:
2Al + 3S = Al₂S₃ (нагревание, Al и S в виде порошков),
Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S (водный р-р, комнатная температура),
2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2H₂O (горение в токе кислорода),
SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O (газовая фаза, комнатная температура),
Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄] (водный р-р),
2Na[Al(OH)₄] + SO₂ = Na₂SO₃ + 2Al(OH)₃ + H₂O (водный р-р),
Na₂SO₃ + S = Na₂S₂O₃ (длительное кипячение р-ра с измельченной серой),
Na₂S₂O₃ + 2HCl = 2NaCl + S + SO₂ + H₂O (водный р-р, комнатная температура).

Таким образом, A – Al, B – S, C – Al₂S₃, D – H₂O, E – Al(OH)₃, F – H₂S, G – Na[Al(OH)₄], H – SO₂, K – Na₂SO₃,
L – Na₂S₂O₃, X – NaOH.

Задача 3

В банке для слива протекли следующие превращения:

2CuSO₄ + 2Na₂CO₃ + H₂O = Cu(OH)₂•CuCO₃+ CO₂ + 2Na₂SO₄,
MnCl₂ + Na₂CO₃ = MnCO₃ + 2NaCl.

Задача имеет несколько вариантов решения. Предлагается один из них: выделить из смеси фенолят натрия, хлорид анилиния, хлорид марганца и сульфат меди.
Прибавим к раствору избыток серной кислоты. В этом случае пройдут следующие превращения:

Cu(OH)₂•CuCO₃ + 2H₂SO₄ = 2CuSO₄ + 3H₂O + CO₂,
MnCO₃ + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂O + CO₂,
2C₆H₅ – ONa + H₂SO₄ = 2C₆H₅OH + Na₂SO₄.

Остаток фенола из раствора можно экстрагировать в бензол.
После отделения осадка фенола и экстракции его остатка в смесь добавляется щелочь:

С₆H₅ – NH₂•HCl + NaOH = С₆H₅–NH₂ + H₂O + NaCl,
CuSO₄+ 2NaOH = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄,
MnSO₄ + 2NaOH = Mn(OH)₂+ Na₂SO₄.

Mn(OH)₂неустойчив и в присутствии воздуха окисляется до MnO₂.
Выпавший в осадок анилин весь экстрагируется в бензол. Оставшийся осадок отмывается от бензола и обрабатывается раствором NH₃. При этом медь переходит в раствор:

Cu(OH)₂ + 4NH₃ = [Cu(NH₃)₄](OH)₂.

Гидратированный оксид марганца отделяется и растворяется в соляной кислоте.
Растворимый комплекс меди разрушается серной кислотой. Чтобы избавиться от , медь можно осадить в форме основного карбоната (пропускание CO₂), осадок отфильтровать и растворить в серной кислоте.
Реакции фенола с натриевой щелочью и анилина с соляной кислотой приводят к образованию исходных солей.

Задача 4

Задача имеет много решений. Одно из наиболее простых представлено ниже:

За исходный изомер возьмем 1-нитропропан, из которого можно получить 2-аминопропановую кислоту согласно следующей схеме:

Задача 5

2NO + O₂ = 2NO₂. (1)

Согласно кинетическому закону действующих масс скорость химической реакции v зависит от концентрации реагентов:

= k•[NO]²[O²].

Обозначим объемы оксида азота(II) и кислорода в исходной смеси как V_NO и соответственно. Тогда объем исходной смеси равен:

V₁ = V_NO + .

Поскольку объемная доля кислорода в воздухе составляет = 0,21, то для замены кислорода необходимо взять следующий объем воздуха:

V_возд = /0,21.

Тогда объем смеси, содержащей воздух, составит:

V₂ = V_NO + /0,21 = VNO + 4,762 = V₁ + 3,762.

Учитывая, что число молей NO и O₂ в обоих случаях одинаковое, выразим отношение скоростей реакции (1) до и после замены O₂ на воздух через общий объем реагирующей смеси:

₁/₂ = (V₂/V₁)³ = [(V₁ + 3,762)/V₁]³ = [1 + 3,762/V₁]³ = 27.

Тогда /V₁ = 0,532. Значит, = 53,2%.
Ответ. = 53,2%.

Задача 6

При добавлении серной кислоты к раствору ацетата бария протекает реакция:

Ba(CH₃COO)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + 2CH₃COOH. (1)

Пусть имелось V₀ л раствора Ba(CH₃COO)₂. Тогда

(Ba(CH₃COO)₂) = 0,12V₀ моль.

По уравнению реакции (1)

(Ba(CH₃COO)₂) = (H₂SO₄).

Тогда объем прилитого раствора серной кислоты:

V(H₂SO₄) = /c = 0,12V/0,06 = 2V₀ (л),

а общий объем раствора после смешения – V₁ = V₀.

Учитывая стехиометрию реакции (1), найдем концентрацию уксусной кислоты в полученном растворе:

с₀ = (CH₃COOН)/V₁ = 2(Ba(CH₃COO)₂/V₁ = 0,08 (моль/л).

Для нахождения pH полученного раствора необходимо использовать величину константы диссоциации слабой уксусной кислоты:

CH₃COOH = CH₃COO^– + H⁺,
K_дис = [CH₃COO^–][H⁺]/[CH₃COOH] = [H⁺]²/(c₀ – [H⁺]).

(В квадратных скобках указаны равновесные молярные концентрации соответствующих частиц, с₀ – исходная молярная концентрация уксусной кислоты без учета диссоциации.)
Учитывая, что степень диссоциации уксусной кислоты незначительна, а ее исходная концентрация достаточно велика, найдем концентрацию ионов водорода, не решая квадратного уравнения, по упрощенной формуле, которая верна, если
[H⁺] << c₀:

(Найденная величина соответствует сделанному допущению.)

Тогда

pH = –lg [H⁺] = 2,92.

Для нахождения концентрации ионов бария в полученном растворе воспользуемся условием равновесия между осадком и раствором:

Тогда

[Ba²⁺] = (1,1•10^–10)^0,5 = 1,05•10^–5 моль/л.

Ответ. рН = 2,92; [Ba²⁺] = 1,05•10^–5 моль/л.

Задача 7

Найти массу второго (прилитого к первому) раствора можно, пользуясь уравнением теплового баланса:

где с – теплоемкость раствора хлорида кобальта, m_{р-р 1} и m_{р-р 2} – массы первого и второго растворов, = 80 (°C) – 40 (°C) = 40 °C, а = 40 (°C) – 20 (°C) = 20 °C.

Тогда

Масса получившегося раствора равна 102 + 204 = 306 г.

Поскольку растворы насыщенные, то массы растворенного вещества в 1-м и 2-м растворах соответственно равны
m_{p-p 1} = 50,0 г и m_{p-p 2} = 71,2 г.
Пусть выпадет x г кристаллогидрата CoCl₂•6H₂O. Поскольку молярные массы безводной соли и кристаллогидрата составляют M(CoCl₂) = 130 г/моль и M(CoCl₂•6H₂O) = 238 г/моль, то в x г кристаллогидрата содержится (130/238)•x = 0,5462x г безводной соли.
После выпадения кристаллогидрата в растворе массой (306 – x) г останется 50 + 71,2 – 0,5462x = 121,2 – 0,5462x (г) растворенного вещества.
Составим пропорцию для 40 °С:

Отсюда x = 4,18 г.

Ответ. m(осадка CoCl₂•6Н₂О) = 4,18 г.

Задача 8

Уравнение реакции:

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃ + Q. (1)

Найдем количества молей SO₂ и O₂ в исходной смеси:

₀(SO₂)= m/M = •V/M = 1,462•10,5/64 = 0,24 моль;

p(O₂) = •p_возд = 0,21 атм ( – объемная доля кислорода в воздухе),

₀(O₂)= pV/(RT) = 0,21•10/(0,082•261) = 0,0981 моль.

Теплота, выделяющаяся при образовании одного моля SO₃:

Q₁ = Q_обр(SO₃) – Q_обр(SO₂) – 0,5Q_обр(O₂) = 363,3 + 8,45 – 273,9 = 97,85 кДж/моль.

Найдем количество образовавшегося SO₃:

(SO₃) = Q/Q₁ = 13,70/97,85 = 0,140 моль

(Q – теплота, выделившаяся в данной реакции).
Тогда в реакцию вступило 0,140 моль SO₂ и 0,140/2 = 0,07 моль O₂.
Концентрации реагентов в реакции (1):

[SO_3] = (SO₃)/V = 0,014 моль/л;
n(SO₂)= ₀(SO₂) – 0,14 = 0,10 моль,
[SO₂] = (SO₂)/V = 0,01 моль/л;
n(O₂)= ₀(O₂) – 0,07 = 0,0281 моль,
[O₂] = (O₂)/V = 0,00281 моль/л.

Найдем константу равновесия реакции (1):

k = [SO₃]/([SO₂]•[O₂]^0,5) = 26,4.

Выход SO₃ рассчитываем по кислороду, т. к. он был в недостатке:

= (SO₃)/2₀(O₂) = 0,14/0,196 = 0,714 = 71,4%.

Повысить выход серного ангидрида в соответствии с принципом Ле Шателье можно:
1) понизив температуру, т. к. реакция экзотермическая;
2) увеличив давление, т. к. реакция идет с уменьшением объема газов;
3) повысив концентрацию исходного реагента (заменив воздух чистым кислородом).
Ответ. К = 26,4; = 71,4%.

Задача 9

Из условия задачи следует, что неизвестное органическое вещество содержит азот, хлор и, возможно, кислород. Обозначим его формулу как С_nH_mO_lN_xCl_y. Тогда сгорание вещества протекает по схеме:

При пропускании продуктов сгорания через колонку с фосфорным ангидридом поглощается вода (уравнение (2)), а через раствор Ca(OH)₂ (известковую воду) – CO₂ и HCl (уравнения (3) и (4) соответственно):

Оставшийся газ – азот.
На присутствие хлорид-ионов указывает выпадение белого творожистого осадка (реакция (6)) при добавлении к фильтрату, предварительно нейтрализованному азотной кислотой, нитрата серебра:

(Щелочной раствор был предварительно нейтрализован для того, чтобы избежать выпадения наряду с AgCl черного осадка Ag₂O.)
Таким образом, при сгорании 0,80 г неизвестного вещества образовалось 0,225 г H₂O (увеличение массы колонки с P₂O₅). Поглощение углекислого газа известковой водой привело к выпадению 1,5 г осадка CaCO₃. Масса осадка AgCl составила 1,44 г, а объем оставшегося газа азота – 56 мл.
Тогда в 0,80 г вещества содержалось:

Найдем простейшую формулу вещества С_nH_mO_lN_xCl_y:

n:m:l:x:y = (С):(H):(O):(N):(Сl) = 0,015:0,035:0,01:0,005:0,01 = 3:7:2:1:2 простейшая формула вещества С₃H₇O₂NCl₂, M(в-ва) = 160 г/моль – молярная масса, соответствующая простейшей формуле.
Согласно условию вещество проявляет кислотные свойства, реагируя с раствором NaOH в две стадии. Найдем эквивалентную массу вещества, которая приходится на каждую стадию титрования:

Отсюда Э(в-ва) = 2,40•40/1,20 = 80 г/моль.
Тогда на простейшую формулу неизвестного вещества приходится две различные кислотные группы (M(в-ва)/Э = 2).
Природу кислотных групп выясним, используя тот факт, что в водном растворе вещества содержатся хлорид-ионы. Действительно, из раствора c 1,2/M(в-ва) = 0,0075 моль исходного вещества выпало 1,08/143,5 = 0,0075 моль осадка AgCl, что соответствует половине от общего количества атомов хлора, имеющихся в веществе. Следовательно, только один из двух атомов хлора неизвестного вещества переходит в водный раствор в виде хлорид-иона.
Способность диссоциировать на ионы характерна для солянокислых солей аминов. Поскольку второй атом хлора при растворении неизвестного вещества в воде не участвует в диссоциации, значит, он непосредственно соединен полярной ковалентной связью с атомом углерода.
Раствор исходного соединения нейтрализуется в две стадии. Одна из стадий обусловлена наличием в нем HCl, а другая тем, что и само соединение – кислота. Из всех полученных данных можно сделать вывод, что исследованное соединение – солянокислая соль аминохлоропропановой кислоты C₂H₃ClNH₂СOOH•HCl.
Уравнения реакций этой соли со щелочью:

C₂H₃ClNH₂СOOH•HCl + NaOH = C₂H₃ClNH₂СOOH + H₂O + NaCl, (7)
C₂H₃ClNH₂СOOH + NaOH = C₂H₃ClNH₂COONa + H₂O, (8)

а также реакции горения данного соединения:

4C₃H₇NCl₂O₂ + 13O₂ = 12CO₂ + 10H₂O + 8HCl + 2N₂. (9)

Однозначный вывод о структуре соединения сделать нельзя, т. к. возможны варианты, некоторые из них приведены ниже:

Задача 10

Вещество B реагирует с веществом C с образованием Е и неустойчивого соединения F, которое, разлагаясь на свету, образует E и газообразное простое вещество Y. Под описание соединения F подходит HOCl, которое образуется в ходе реакции хлора с водой наряду с HCl. Поскольку D изменяет окраску лакмуса, то водный раствор D – кислота (D не может быть щелочью, иначе произошла бы нейтрализация с HCl). Две кислоты – HCl и H₂SO₄– образуются в ходе реакции SO₂ c Cl₂ в водной среде.
Таким образом, в задаче упомянуты вещества:
A – SO₂, B – Cl₂, C – H₂O, D – H₂SO₄, E – HCl, F – HOCl, X – S, Y – O₂.