ГИМНАЗИЧЕСКИЕ ОЛИМПИАДЫ
ПО ХИМИИ

2007/08 учебный год

11 класс

Задания

1. 20 л смеси водорода, монооксида углерода и этилена сожгли в кислороде. На сжигание 1 л этой смеси требуется 1,125 л кислорода (объемы измерены при н.у.). 20 л исходной смеси (при н.у.) имеют массу 13,393 г. Определите объемные доли компонентов исходной смеси. (9 баллов.)

2. Составьте уравнения химических реакций в соответствии со следующей схемой:

Назовите вещества А, В, С и D. (4 балла.)

3. В таблице приведены результаты измерения юным химиком показателя кислотности (рН) нескольких различных проб. Заполните пропущенные ячейки данной таблицы.

(4 балла.)

4. Колбу заполнили сухим хлороводородом при н.у., а затем водой. При этом хлороводород оказался полностью растворившимся в воде. Определите массовую долю образовавшейся в колбе соляной кислоты. (5 баллов.)

5. После пропускания 11,2 л углекислого газа (н.у.) через раствор едкого кали образовалось 57,6 г смеси кислой и средней солей. Определите массу средней соли. (5 баллов.)

6. Древние римляне весьма почитали металлы и присваивали им имена своих богов. По их мнению, металл Сатурна в виде кроны дерева можно получить путем погружения палочки цинка в раствор нитрата свинца. Чтобы увидеть дерево Дианы, достаточно прибавить каплю ртути к раствору нитрата серебра. Какой металл римляне называли металлом Сатурна и какой – деревом Дианы? Напишите уравнения химических реакций, о которых идет речь, и объясните, почему они возможны. (3 балла.)

Итого: 30 баллов.

Решения и ответы

1. Уравнения реакций горения компонентов смеси:

2H₂ + O₂ = 2H₂O, (0,5 б.)

2CO + O₂ = 2CO₂, (0,5 б.)

C₂H₄ + 3O₂ = 2CO₂ + 2H₂O. (0,5 б.)

Пусть в исходной смеси было x (л) водорода, y (л) монооксида углерода и z (л) этилена, тогда получаем следующее уравнение:

x + y + z = 20. (0,5 б.)

Если на сжигание 1 л исходной смеси требуется 1,125 л кислорода, то на сжигание 20 л смеси потребуется 22,5 л кислорода. (0,5 б.)

По уравнениям химических реакций на сжигание x (л) водорода требуется 0,5x (л) кислорода, на сжигание y (л) монооксида углерода – 0,5y (л) кислорода, а на сжигание z (л) этилена – 3z (л) кислорода. Отсюда получаем второе уравнение:

0,5x + 0,5y + 3z = 22,5. (1 б.)

Чтобы найти количество вещества каждого газа в исходной смеси, нужно его объем при н.у. разделить на молярный объем газа при н.у., а чтобы найти массу газа, нужно полученное значение умножить на молярную массу газа. Отсюда получаем третье уравнение:

2x/22,4 + 28y/22,4 + 28z/22,4 = 13,393

или 2x + 28y + 28z = 300. (2 б.)

Решаем полученную систему из трех уравнений и получаем:

x = 10, y = 5, z = 5. (2 б.)

Затем находим объемные доли газов в исходной смеси:

(H₂) = V(H₂)/V(смеси)•100(%) = 10/20•100(%) = 50%, (0,5 б.)

(СO) = V(CO)/V(смеси)•100(%) = 5/20•100(%) = 25%, (0,5 б.)

(C₂H₄) = V(C₂H₄)/V(смеси)•100(%) = 5/20•100(%) = 25%. (0,5 б.)

______________

Всего 9 баллов.

2. Уравнения реакций:

_____________

Всего 4 балла.

3. Для расчета рН и рОН используются формулы:

рН = –lgC (Н⁺), рН + рОН = 14.

За каждую заполненную ячейку – 0,25 балла.

____________

Всего 4 балла.

4. Пусть объем колбы V (л), тогда количество вещества хлороводорода:

(HCl) = V/V_M = V/22,4 моль. (1 б.)

Масса хлороводорода:

m(HCl) = (HCl)•M(HCl) = 36,5V/22,4 = 1,63V г. (1 б.)

Масса воды, содержащейся в полностью заполненной колбе:

m(H₂O) = V•r(H₂O)/M(H₂O) = V•1000/18 = 55,56V г. (1 б.)

Масса соляной кислоты в колбе:

m(р-ра) = m(HCl) + m(H₂O) = 1,63V + 55,56V = 57,19V г. (1 б.)

Массовая доля соляной кислоты в колбе:

(HCl) = m(HCl)•100(%)/m(р-ра) = 1,63V•100(%)/(57,19V) = 2,85%. (1 б.)

______________

Всего 5 баллов.

5. Уравнения химических реакций, приводящих к образованию кислой и средней солей:

CO₂ + KOH = KHCO₃, (0,5 б.)

CO₂ + 2KOH = K₂CO₃ + H₂O. (0,5 б.)

Пусть в конечной смеси содержалось x (моль) гидрокарбоната калия и y (моль) карбоната калия.

Массы солей:

m(KHCO₃) = (KHCO₃)•M(KHCO₃) = 100x г,

m(K₂CO₃) = (K₂CO₃)•M(K₂CO₃) = 138y г.

Отсюда можно составить уравнение:

100x + 138y = 57,6. (1 б.)

Общее количество вещества углекислого газа, вступившее в обе реакции:

(CO₂) = V/V_M = 11,2/22,4 = 0,5 моль.

По уравнениям реакций количества вещества углекислого газа равны количествам вещества образующихся солей, отсюда получаем второе уравнение:

x + y = 0,5. (1 б.)

Решаем полученную систему из двух уравнений и получаем:

x = 0,3, y = 0,2. (1,5 б.)

Масса карбоната калия:

m(K₂CO₃) = 138y = 27,6 г. (0,5 б.)

______________

Всего 5 баллов.

6. Металл Сатурна – свинец. (0,5 б.)

Дерево Дианы – серебро. (0,5 б.)

Уравнения химических реакций:

Zn + Pb(NO₃)₂ = Zn(NO₃)₂ + Pb, (0,5 б.)

Hg + 2AgNO₃ = Hg(NO₃)₂ + 2Ag. (0,5 б.)

Данные реакции возможны, т.к. цинк и ртуть, как более активные металлы, вытесняют соответственно свинец и серебро из водных растворов их солей. (1 б.)

_____________

Всего 3 балла.

Итого: 30 баллов.

10 класс

Задания

1. Определите десять самых распространенных в природе простых веществ, образованных элементами А–К, и укажите их химические формулы:

• А образует почти со всеми остальными элементами бинарные соединения и способствует сгоранию материалов на воздухе;

• Б находится в 3-м периоде и в IVa группе периодической системы химических элементов;

• В получается в промышленности электролизом расплава своего оксида, причем сырьем для этого производства являются бокситы;

• Г образует оксиды состава ГО и Г₂О₃, которые в процессе производства в доменной печи восстанавливаются угарным газом и углеродом;

• Д реагирует с водой с одновременным образованием водорода и гашеной извести;

• Е окрашивает пламя в желтый цвет, а раствор его гидроксида образуется при электролизе раствора хлорида натрия;

• Ж окрашивает пламя в фиолетовый цвет, его атом содержит 19 электронов, причем один из них является валентным;

• З образует оксид, в котором его степень окисления +2; молярная масса оксида равна
40 г/моль;

• И был открыт в 1766 г., присутствует во всех кислотах, основаниях и большинстве органических соединений;

• К назван в честь мифического гиганта, благодаря своей химической стойкости и жаропрочности используется для изготовления корпусов подводных лодок и ракет.

(5 баллов.)

2. Определите объем озонированного кислорода, содержащего по объему 10% озона, необходимый для сжигания 42 л пропана. (5 баллов.)

3. 200 г раствора нитрата двухвалентного металла разделили на две равные части. К одной добавили избыток раствора сульфида натрия, причем выпало 4,78 г осадка, к другой – избыток раствора сульфата калия, при этом выпало 6,06 г осадка. Определите неизвестный металл, а также массовую долю его нитрата в исходном растворе. (7 баллов.)

4. «Горькая», или «английская», соль (кристаллогидрат серосодержащей соли магния) впервые была выделена англичанином Неемиасом Грю из воды минерального источника в Эпсоме – пригороде Лондона. Эта соль применяется в медицине при заболеваниях нервной системы, для снижения артериального давления, а также как слабительное средство. Определите химическую формулу и молярную массу «английской соли», если массовые доли элементов в ней составляют 9,86% Mg, 13,01% S, 71,40% O, 5,73% H. (4 балла.)

5. Чтобы доказать наличие серебра в сплаве, на его поверхность наносят каплю подкисленного раствора дихромата калия. Если содержание серебра в сплаве превышает 25%, то образуется ярко-красный осадок дихромата серебра в соответствии со схемой реакции:

Ag + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ Ag₂Cr₂O₇ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

Составьте схему электронного баланса, подберите с ее помощью коэффициенты в данном уравнении, укажите окислитель и восстановитель. Определите объем 0,166М раствора дихромата калия, необходимого для взаимодействия с 10,8 г серебра. (6 баллов.)

6. Составьте уравнения химических реакций в соответствии со следующей схемой:

H₂ Fe Ni Cu.

(3 балла.)

Итого: 30 баллов.

Решения и ответы

1. А – кислород O₂. (0,5 б.)

Б – кремний Si. (0,5 б.)

В – алюминий Al. (0,5 б.)

Г – железо Fe. (0,5 б.)

Д – кальций Ca. (0,5 б.)

Е – натрий Na. (0,5 б.)

Ж – калий K. (0,5 б.)

З – магний Mg. (0,5 б.)

И – водород H₂. (0,5 б.)

К – титан Ti. (0,5 б.)

______________

Всего 5 баллов.

2. Уравнения реакций горения пропана в кислороде и озоне:

C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O, (0,5 б.)

3C₃H₈ + 10O₃ = 9CO₂ + 12H₂O. (0,5 б.)

Пусть в кислороде сгорело x (л) пропана, а в озоне – y (л), тогда получаем первое уравнение:

x + y = 42. (0,5 б.)

По уравнению реакции объем кислорода равен 5x (л), а объем озона – 10y/3 (л). По условию задачи озонированный кислород содержит 10% озона, это равносильно тому, что объем кислорода в 9 раз больше объема озона:

5x = 9•10y/3,

5x = 30y,

x = 6y. (1,5 б.)

Решаем полученную систему из двух уравнений и получаем:

x = 36, y = 6. (1 б.)

Отсюда объем кислорода равен 180 л, объем озона – 20 л, а общий объем озонированного кислорода – 200 л. (1 б.)

Всего 5 баллов.

3. Учитывая, что металл (M) двухвалентный, запишем уравнения химических реакций в общем виде:

M(NO₃)₂ + Na₂S = MS + 2NaNO₃, (0,5 б.)

M(NO₃)₂ + K₂SO₄ = MSO₄ + 2KNO₃. (0,5 б.)

Найдем количества веществ осадков в каждом случае:

(MS) = m(MS)/M(MS) = 4,78/(x + 32),

где x (г/моль) – молярная масса неизвестного металла; (0,5 б.)

(MSO₄) = m(MSO₄)/M(MSO₄) = 6,06/(x + 96). (0,5 б.)

Перед проведением реакций исходный раствор разделили на две равные части, следовательно, в них содержалось одинаковое количество нитрата металла. Из уравнений реакций следует, что в каждом случае количество вещества нитрата металла равно количеству вещества осадка, т. е. количества веществ осадков равны. Получаем уравнение:

4,78/(x + 32) = 6,06/(x + 96). (1,5 б.)

Решаем уравнение и получаем:

x = 207 г/моль.

Такую молярную массу имеет свинец. (1,5 б.)

Массовая доля нитрата свинца в исходном растворе:

(Pb(NO₃)₂) = m(Pb(NO₃)₂)•100(%)/m(р-ра) = (Pb(NO₃)₂)•M(Pb(NO₃)₂)•100(%)/m(р-ра). (0,5 б.)

Из уравнений реакций следует:

(Pb(NO₃)₂) = (PbS) + (PbSO₄) = (4,78/(x + 32)) + (6,06/(x + 96)) =

= (4,78/239) + (6,06/303) = 0,02 + 0,02 = 0,04 (моль). (1 б.)

Тогда

(Pb(NO₃)₂) = 0,04•331•100(%)/200 = 6,62%. (0,5 б.)

______________

Всего 7 баллов.

4. Запишем формулу «английской соли» в виде Mg_xS_yO_zH_q. Найдем соотношение индексов химических элементов в формуле вещества следующим образом:

x : y : z : q = ((Mg)/A_r(Mg)) : ((S)/A_r(S)) : ((O)/A_r(O)) : ((H)/A_r(H)) =

= (9,86/24) : (13,01/32) : (71,40/16) : (5,73/1) =

= 0,41 : 0,41 : 4,46 : 5,73. (1 б.)

Упростим полученное соотношение, разделив все числа на наименьшее из них (0,41). Получаем:

x : y : z : q = 1 : 1 : 11 : 14.

Откуда брутто-формула соединения – MgSO₁₁H₁₄. (1 б.)

Преобразуем эту формулу, учитывая, что кристаллогидрат содержит молекулы воды и их в данном случае 7, т.к. атомов водорода 14. Получаем: MgSO₄•7H₂O – гептагидрат сульфата магния.
(1 б.)

Молярная масса данного кристаллогидрата составляет 246 г/моль. (1 б.)

_______________

Всего 4 балла.

5. Определим степени окисления атомов элементов, являющихся окислителем и восстановителем, и составим уравнения электронного баланса:

(2 б.)

Расставим коэффициенты в уравнении реакции, исходя из найденных по электронному балансу коэффициентов для окислителя и восстановителя:

6Ag + 4K₂Cr₂O₇ + 7H₂SO₄ = 3Ag₂Cr₂O₇ + Cr₂(SO₄)₃ + 4K₂SO₄ + 7H₂O. (2 б.)

Найдем количество вещества серебра, вступившего в реакцию:

(Ag) = m(Ag)/M(Ag) = 10,8/108 = 0,1 моль. (0,5 б.)

По уравнению реакции найдем количество вещества дихромата калия:

(K₂Cr₂O₇) = 4/6(Ag) = 2/3(Ag) = 0,067 моль. (0,5 б.)

Найдем объем раствора дихромата калия по формуле:

V(р-ра K₂Cr₂O₇) = (K₂Cr₂O₇)/с(K₂Cr₂O₇) = 0,067/0,166 = 0,4 л = 400 мл. (1 б.)

_______________

Всего 6 баллов.

6. 1) 4H₂ + Fe₃O₄ 3Fe + 4H₂O (возможно использование других оксидов железа); (1 б.)

2) Fe + Ni(NO₃)₂ = Ni + Fe(NO₃)₂; (1 б.)

3) Ni + CuSO₄ = Cu + NiSO₄. (1 б.)

_____________

Всего 3 балла.

Итого: 30 баллов.

9 класс

Задания

1. В бездонных космических просторах испарился кусок льда массой 1 кг. Образовавшееся газовое облако содержало 10 молекул воды в 1 см³. Найдите объем образовавшегося облака, считая распределение газа в пространстве равномерным. Количественно сравните найденный объем с объемом Земли, равным 109 км³. (3 балла.)

2. Три вещества А, Б и В имеют различную окраску. А – простое вещество, обладающее высокой электропроводностью, используемое для изготовления проводников электрического тока и известное человеку уже с глубокой древности; вещества Б и В – сложные, содержащие в своем составе атомы элемента, образующего вещество А. Приведите уравнения возможных химических реакций, соответствующие следующей схеме:

А  Б В.

Назовите вещества А, Б и В, укажите их окраску. (4 балла.)

3. Запишите знаки химических элементов трех первых периодов периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева в ряд. Приглядитесь к этому ряду внимательно и подумайте, какие элементы нужно убрать, чтобы между любыми соседними оставшимися в ряду элементами было возможно химическое взаимодействие образуемых ими простых веществ. Составьте химические уравнения этих реакций и назовите получающиеся соединения. (12 баллов.)

4. Атмосферные загрязнения постепенно уничтожают озоновый слой Земли. В реакциях разложения озона участвуют многие газы, но прежде всего оксиды азота. Взаимодействие монооксида азота с озоном приводит к образованию кислорода и диоксида азота.

1) Составьте уравнение данной химической реакции.

2) Рассчитайте скорость этой реакции, если через 25 с после начала реакции молярная концентрация озона была 0,8 моль/л, а через 55 с (с начала реакции) стала равной 0,02 моль/л.

3) Что означает слово «озон» в переводе на русский язык?

4) Опишите физические свойства озона.

5) В результате каких процессов происходит образование озона у поверхности Земли?

6) Какую опасность для окружающей среды и для здоровья человека таит в себе разрушение атмосферного озона? (8 баллов.)

5. Самый главный металл нашей цивилизации – железо. Однако человечество терпит огромные убытки из-за того, что железо подвергается коррозии – разрушается под действием кислорода и атмосферных осадков. Определите формулу соединения железа, которое образуется при коррозии на воздухе в присутствии большого количества воды, если оно содержит 62,9% железа, 36,0% кислорода и 1,1% водорода. (3 балла.)

Итого: 30 баллов.

Решения и ответы

1. Найдем количество вещества воды, содержащееся в облаке:

(H₂O) = m(H₂O)/M(H₂O) = 1000(г)/18(г/моль) = 55,56 моль. (0,5 б.)

Найдем общее число молекул воды в облаке:

N(H₂O) = (H₂O)•N_А = 55,56•6,02•10²³ = 3,34•10²⁵ молекул. (0,5 б.)

Найдем объем облака, учитывая, что в 1 см³ содержится 10 молекул воды:

V(H₂O) = N(H₂O)/10 = 3,34•10²⁵/10 = 3,34•10²⁴ см³ = 3,34•10⁹ км³ . (1 б.)

Найдем, во сколько раз объем облака превышает объем Земли:

V(облака)/V(Земли) = 334•10⁷/109 = 30 000 000 (30 млн раз). (1 б.)

______________

Всего 3 балла.

2. Вещество А – медь Cu. Она имеет красно-оранжевый цвет, обладает металлическим блеском. (1 б.)

Вещество Б (один из вариантов) – оксид меди(II) CuO. Он имеет черный цвет. (1 б.)

Вещество В (один из вариантов) – сульфат меди(II) CuSO₄. Он имеет в водном растворе голубой цвет. (1 б.)

Уравнения химических реакций:

1) 2Cu + O₂ 2CuO; (0,5 б.)

2) CuO + H₂SO₄ CuSO₄ + H₂O. (0,5 б.)

_____________

Всего 4 балла.

3. H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar.

Из этого ряда нужно убрать инертные газы (гелий, неон, аргон), а также бериллий, фтор, магний, алюминий. Тогда останется ряд, в котором возможно химическое взаимодействие между любыми соседями:

H, Li, B, C, N, O, Na, Si, P, S, Cl. (2 б.)

Далее записываем 10 уравнений возможных химических реакций (за каждое уравнение – 0,5 б. и по 0,5 б. за название каждого продукта – всего максимально 10 баллов):

1) H₂ + 2Li = 2LiH – гидрид лития;

2) 3Li + B = Li₃B – борид лития;

3) 4B + 3C = B₄C₃ – карбид бора;

4) 2C + N₂ = C₂N₂ – нитрид углерода (дициан);

5) N₂ + O₂ = 2NO – оксид азота(II) (монооксид азота);

6) O₂ + 4Na = 2Na₂O – оксид натрия (возможен вариант: O₂ + 2Na = Na₂O₂ – пероксид натрия);

7) 4Na + Si = Na₄Si – силицид натрия;

8) 3Si + 4P = Si₃P₄ – фосфид кремния(IV);

9) 2P + 5S = P₂S₅ – сульфид фосфора(V);

10) S + 2Cl₂ = SCl₄ – хлорид серы(IV).

_______________

Всего 12 баллов.

4. 1) Уравнение реакции:

NO + O₃ = NO₂ + O₂. (1 б.)

2) Скорость химической реакции рассчитывается по формуле:

= (с₀(O₃) – с₁(O₃))/(₁ – ₀) = (0,8 – 0,02)/(55 – 25) = 0,78/30 = 0,026 моль/л•с. (2 б.)

3) Слово «озон» в переводе с греческого означает «пахнущий». (1 б.)

4) Озон – бесцветный газ с характерным запахом, растворим в воде лучше кислорода, при охлаждении до –112 °C превращается в жидкость темно-синего цвета. (1 б.)

5) Озон образуется у поверхности Земли при грозовых разрядах, а также при окислении смолы хвойных деревьев. (1 б.)

Атмосферный озон защищает все живое на Земле от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, поэтому при разрушении озона в атмосфере степень этого воздействия на живые организмы возрастает, что увеличивает количество непредвиденных генетических изменений (мутаций) в организмах и вызывает образование злокачественных опухолей. Для человека это опасно увеличением риска возникновения онкологических заболеваний кожи и заболеваний сетчатки глаз. (2 б.)

______________

Всего 8 баллов.

5. Запишем формулу соединения железа в виде Fe_xO_yH_z. Найдем соотношение индексов химических элементов в формуле вещества следующим образом:

x : y : z = ((Fe)/A_r(Fe)) : ((O)/A_r(O)) : ((H)/A_r(H)) =

= (62,9 / 56) : (36,0 / 16) : (1,1 / 1) =

= 1,1 : 2,2 : 1,1. (1 б.)

Упростим полученное соотношение, разделив все числа на наименьшее из них (1,1). Получаем:

x : y : z = 1 : 2 : 1,

откуда брутто-формула соединения – FeO₂H. (1 б.)

Преобразуем эту формулу, выделив гидроксильную группу. Получаем:

FeO(OH) – метагидроксид железа(III). (1 б.)

_____________

Всего 3 балла.

Итого: 30 баллов.

В заданиях олимпиады использованы авторские задачи, а также задачи из источников, указанных в списке литературы.

Л и т е р а т у р а

Аликберова Л.Ю., Рукк Н.С. Полезная химия: задачи и истории. М.: Дрофа, 2006; Бенеш П. и др. 111 вопросов по химии… для всех: Книга для учащихся. М.: Просвещение, 1994; Задания российского заочного конкурса «Проект “Познание и творчество”». Номинация «Химия». Конкурс для учащихся 8–9-х классов. Обнинск, 2007; Кузьменко Н.Е., Чуранов С.С. Общая и неорганическая химия. Учебное пособие. М.: Изд-во Московского университета, 1977; Семенов И.Н. Задачи по химии повышенной сложности (для абитуриентов). В 4-х вып. Вып. 3. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991.

А.С.ГОРДЕЕВ,
учитель химии и экологии гимназии № 20
(г. Донской, Тульская обл.)