КУРСЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ |
Методические основы подготовки
к олимпиадам по химии
Учебный план курса
№ газеты | Учебный материал |
17 | Лекция № 1. Основные цели и задачи олимпиадного движения в контексте современного образования в России. История химического олимпиадного движения в России. Система химических олимпиад и творческих конкурсов в России. Роль химических олимпиад в образовании и науке. (Тюльков И.А., Архангельская О.В.) |
18 | Лекция № 2. Методика подготовки и проведения олимпиад различного уровня. Организация химических олимпиад: от простого к сложному. Подготовительная, основная и заключительная стадии организации олимпиад. Система действующих лиц олимпиады, их роль. (Тюльков И.А., Архангельская О.В.) |
19 | Лекция № 3. Концептуальная
основа содержания олимпиадных задач. Примерная
программа содержания различных этапов
химических олимпиад: жесткие границы или
ориентиры для подготовки? Классификация
олимпиадных задач. Задачи химических олимпиад:
от этапа к этапу, от тура к туру. (Тюльков И.А.,
Архангельская О.В.) Контрольная работа № 1 (срок выполнения – до 25 ноября 2008 г.) |
20 | Лекция № 4. Методика решения задач, включающих «цепочку» превращений. Классификация задач со схемами превращений. Тактика и стратегия решения олимпиадных задач с «цепочками». (Тюльков И.А., Архангельская О.В., Павлова М.В.) |
21 | Лекция № 5. Методика решения задач по физической химии (1). Задачи по термохимии. Задачи с использованием понятий «энтропия» и «энергия Гиббса». (Тюльков И.А., Архангельская О.В., Павлова М.В.) |
22 | Лекция № 6. Методика решения
задач по физической химии (2). Задачи на
химическое равновесие. Задачи по кинетике.
(Тюльков И.А., Архангельская О.В., Павлова М.В.) Контрольная работа № 2 (срок выполнения – до 30 декабря 2008 г.) |
23 | Лекция № 7. Методические
подходы к выполнению экспериментальных задач. Классификация
задач экспериментального тура. Практические
навыки, необходимые для успешного выполнения
экспериментальных задач. (Тюльков И.А., Архангельская О.В., Павлова М.В.) |
24 | Лекция № 8. Методические принципы подготовки школьников к олимпиадам. Использование современных педагогических технологий при подготовке к олимпиадам различного уровня. Тактика и стратегия подготовки и участия в олимпиадах. Организационно-методическая работа учителя-наставника. Методические подходы к составлению олимпиадных задач. Олимпиады как средство повышения квалификации педагогов-наставников. Роль интернет-общения и средств массовой информации в обмене педагогическим опытом. (Тюльков И.А., Архангельская О.В., Павлова М.В.) |
Итоговая работа. Краткий отчет о проведении итоговой работы, сопровождаемый справкой из учебного заведения, должен быть направлен в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2009 г. (Подробнее об итоговой работе будет напечатано после лекции № 8.) |
И.А.ТЮЛЬКОВ,
О.В.АРХАНГЕЛЬСКАЯ,
М.В. ПАВЛОВА
ЛЕКЦИЯ № 4
Методика решения задач,
включающих «цепочку» превращений
Классификация задач со схемами превращений
В заданиях Всероссийской олимпиады школьников по химии на любом этапе и для любой возрастной параллели участников всегда имеются задания со схемами последовательных превращений одних веществ в другие, которые характеризуют связь между основными классами органических и неорганических веществ. Многостадийную схему превращения одних веществ в другие в определенной последовательности часто называют «цепочкой». В «цепочке» часть или все вещества могут быть зашифрованы.
Для выполнения этих заданий необходимо знать основные классы неорганических и органических соединений, номенклатуру, лабораторные и промышленные способы их получения, химические свойства, в том числе продукты термического разложения веществ, механизмы реакций.
«Цепочки» – это оптимальный способ проверить большой объем знаний (практически по всем разделам общей, неорганической и органической химии) в одной задаче.
Схемы превращений веществ можно классифицировать следующим образом.
1) По объектам:
а) неорганические;
б) органические;
в) смешанные.
2) По типам или механизмам реакций (в основном это касается органической химии).
3) По форме «цепочки».
а) Даны все вещества без указаний условий протекания реакций.
б) Все или некоторые вещества зашифрованы буквами. Разные буквы соответствуют разным веществам, условия протекания реакций не указаны.
(В схемах стрелки могут быть направлены в любую сторону, иногда даже в обе стороны. Причем это не знак обратимости! Такие реакции, как правило, содержат разные реагенты.)
в) Вещества в схеме полностью или частично зашифрованы буквами и указаны условия протекания реакций или реагенты.
г) В схемах вместо веществ даны элементы, входящие в состав веществ, в соответствующих степенях окисления.
д) Схемы, в которых органические вещества зашифрованы в виде брутто-формул.
Схемы могут быть линейными, разветвленными, в виде квадрата или другого многоугольника (тетраэдра, куба и т.д.).
Тактика и стратегия решения олимпиадных задач с «цепочками»
В этой лекции мы будем придерживаться классификации заданий по форме представленных в «цепочке» последовательных превращений одних веществ в другие.
Для того чтобы правильно решить любую задачу на составление уравнений реакций согласно схеме, необходимо:
1) проставить цифры под или над стрелками – пронумеровать уравнения реакций, обратить внимание, в какую сторону направлены стрелки в цепочке превращений;
2) расшифровать представленные буквами, свойствами или брутто-формулами вещества (ответ должен быть мотивированным, т.е. необходимо не просто записать формулы расшифрованных соединений, а дать подробные объяснения расшифровки);
3) записать (под соответствующими номерами) все уравнения реакций;
4) внимательно проверить, правильно ли расставлены коэффициенты;
5) написать условия протекания реакций, если это необходимо.
Превратить одно вещество в другое можно различными путями. Например, получить CuO можно из Сu, Cu(OH)2, CuSO4, Cu(NO3)3 и т.д. Принимается любое правильное решение. Для некоторых задач приведены альтернативные решения.
Проиллюстрируем практически все типы «цепочек», которые даются на региональном (III) этапе. Уровень этих заданий близок к программе для поступающих в химические вузы. Поэтому это будут примеры не только из комплектов региональных этапов Всероссийской олимпиады, но и из вступительных экзаменационных билетов по химии в МГУ им. М.В.Ломоносова. Кроме того, используются задания из предшествующих этим экзаменам олимпиад последних лет (например, из конкурса «Покори Воробьевы горы» и олимпиады «Ломоносов»). При решении заданий, в которых имеются зашифрованные вещества, даются подробные объяснения расшифровки того или иного соединения.
Начнем с самых легких заданий.
Даны все вещества без указаний условий протекания реакций
Задача 1. Напишите уравнения химических реакций, соответствующие следующей цепочке превращений:
Fe2(SO4)3 —> FeI2 —> Fe(OH)2 —> Fe(OH)3 —> Fe2O3 —> Fe —> Fe2(SO4)3.
Р е ш е н и е
Пронумеруем цепочку:
Для проведения первой реакции нужны одновременно и восстановитель, и соединение, способное вывести из сферы реакции сульфат ион. Например, йодид бария.
В третьей реакции нужен окислитель. Наиболее подходящим является пероксид водорода, т.е. получается только один продукт реакции. Напишем уравнения реакций.
1) Fe2(SO4)3 + 3BaI2 = 2FeI2 + I2 + 3BaSO4;
2) FeI2 + 2NaOH = Fe(OH)2 + 2NaI;
3) 2Fe(OH)2 + H2O2 = 2Fe(OH)3;
4) 2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O;
5) Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3;
6) 2Fe + 6H2SO4 (50%-я) = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.
Задача 2. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме:
Р е ш е н и е
1) CH3COONa + HCl = CH3COOH + NaCl;
2) 5CH3CОCH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 = 5CH3CОOH +5CO2 + 8MnSO4 + 4K2SO4 + 17H2O;
3) 2CH3COOH + CaСO3 = (CH3COO)2Ca + H2O + CO2;
4) CH3COCH3 + 8NaMnO4 + 11NaOH = CH3COONa + 8Na2MnO4 + Na2CO3 +7H2O;
5) (CH3COO)2Ca + 2NaOH = 2CH3COONa + Ca(OH)2
или
(CH3COO)2Ca + Na2СО3 = 2CH3COONa + CaСO3;
6) (СН3СOO)2Ca(тв.) = СН3СOСН3 + CaCO3.
Задача 3.
Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме:
Р е ш е н и е
1) 2СuCl + Cl2 = 2CuCl2;
2) CuCl(тв.) + 3HNO3(конц.) = Cu(NO3)2 + HCl + NO2 + H2O;
3) Cu + 4HNO3(конц.) = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O;
4) Cu + Cl2 = CuCl2;
5) 2[Cu(NH3)2]Cl + 2NaOH + O2 = 2CuO + H2O + 2NaCl + 4NH3;
6) C3H3Cu (в реакции 6) может быть только
солью пропина (С3Н4), потому что алкины
с концевой
C=CH-группой – это СН-кислоты, с которыми
реагируют комплексы меди и серебра.
[Cu(NH3)2]Cl + CH=C–CH3 = CuC=C–CH3 + NH3+ NH4Cl;
7) 2C3H3Cu + 3H2SO4(конц.) = 2C3H4 + 2CuSO4 + SO2 + 2H2O;
8) CuSO4 CuO + SO3
или
CuSO4 CuO + SO2 + 0,5O2;
9) CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O;
10) CuCl + 2NH3(водн. р-р) = [Cu(NH3)2]Cl;
11) C3H3Cu + 3HNO3 (конц.) = Cu(NO3)2 + C3H4 + NO2 + H2O (в водном растворе);
12) Cu + 2H2SO4 (конц.) = CuSO4 + SO2 + 2H2O.
Все или некоторые вещества
зашифрованы буквами.
Условия протекания реакций не указаны
Задача 4. Дана схема превращений:
Напишите уравнения реакций, обозначенных стрелочками. Назовите неизвестные вещества.
Р е ш е н и е
Определение неизвестных веществ. CuSO4 можно получить растворением Cu, CuO или Cu2O в серной кислоте. Сu2O не подходит, т.к. это вещество уже имеется в цепочке. Таким образом, первые две реакции могут быть следующие:
1) 2Cu2O + O2 = 4CuO (Х1 = CuO);
2) СuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O.
Или:
1) Сu2O = Cu + СuO
или Сu2O + H2 = Cu + H2O (Х1 = Cu);
2) Cu + 2H2SO4 (конц.) = СuSO4 + SO2 + 2H2O.
Известно, что свежеприготовленный гидроксид меди(II) окисляет альдегиды. В результате реакции получается оранжевый осадок Cu2O. Следовательно, Х2 – Сu(OH)2.
3) CuSO4 + 2NaOH = Na2SO4 + Cu(OH)2;
4) 2Cu(OH)2 + R–CHO = R–COOH + Cu2O + 2H2O
или
RCHO + NaOH + 2Cu(OH)2 = RCOONa + 3H2O + Cu2O.
Ответ. X1 – это или медь, или оксид меди(II); X2 – это гидроксид меди(II) свежеприготовленный.
Задача 5 (химический факультет МГУ, 1998 г.). Напишите уравнения химических реакций, соответствующие следующей последовательности превращений:
Определите неизвестные вещества.
Р е ш е н и е
Отправным (ключевым) звеном в данной схеме является вещество Е – альдегид. Рассмотрим реакции 4, 5 и 1. Известно, что качественной реакцией на альдегид является его взаимодействие со свежеприготовленным Cu(OH)2. В результате получается соответствующая альдегиду карбоновая кислота и Cu2O. Вероятно, что вещество F – Cu2O, т.к. из вещества F следует получить вещество В. Поскольку вещество В получается и при термическом разложении Cu(OH)2, ясно, что В – CuO. Отсюда следует, что вещество С – Н2О. D – спирт, который восстанавливается с помощью CuO в альдегид. И, наконец, реакция 2: спирт (D) получается гидратацией алкена (в схеме спирт получается из воды!), значит, он должен содержать в цепи не менее двух атомов углерода.
A – Cu(OH)2; B – CuO;
C – H2О; D – RCH2CH2OH;
E – RCH2CHO; F – Cu2O.
Уравнения реакций:
1) Cu(OH)2CuO + H2O;
2) H2O + R–CH=CH2 = R–CH2–CH2OH;
3) R–CH2–CH2OH + CuO = R–CH2–CH=О + Cu + H2O;
4) R–CH2–CH=O + 2Cu(OH)2 = R–CH2–CООH + Cu2О + 2H2O
или
RCHO + NaOH + 2Cu(OH)2 = RCOONa + 3H2O + Cu2O;
5) 2Cu2O + O24CuO
или
Cu2O = Cu + CuO.
Задача 6 (для самостоятельного решения).
Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме последовательных превращений:
Назовите вещества X1 и X2.
Вещества в схеме полностью или
частично зашифрованы буквами
и указаны условия протекания или реагенты
Задача 7. Напишите уравнения химических реакций, соответствующие последовательности превращений:
Определите неизвестные вещества.
Р е ш е н и е
Пронумеруем уравнения реакций в цепочке:
При взаимодействии железа с соляной кислотой получается хлорид железа(II). (Это объясняется тем, что водород в момент выделения не дает окислиться железу до степени окисления +3.) Во 2-й реакции окисляется до , а серная кислота может восстанавливаться до серы или SO2. Получившийся раствор солей железа(III) имеет кислую среду, т.к. это соли, образованные слабым основанием и сильными кислотами. При добавлении соды – соли сильного основания и слабой кислоты – происходит совместный гидролиз, который протекает до конца, т.е. образуется осадок (Fe(OH)3) и газ (CO2). Гидролиз каждой соли усиливает гидролиз другой.
Х1 – FeCl2; Х2 – Fe2(SO4)3 и FeCl3 (смесь);
Х3 – Fe(OH)3 (или CO2, или NaCl и Na2SO4).
Уравнения реакций:
1) Fe + 2HCl = FeCl2 + H2;
2) 6FeCl2 + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 4FeCl3 + S + 4H2O
или
6FeCl2 + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 4FeCl3 + 3SO2 + 6H2O;
3) 4FeCl3 + Fe2(SO4)3 + 9Na2CO3 + 9H2O = 6Fe(OH)3 + 9CO2 + 12NaCl + 3Na2SO4.
Задача 8. Напишите уравнения химических реакций, соответствующие следующей цепочке превращений:
Р е ш е н и е
Пронумеруем уравнения реакций в «цепочке»:
Реакция 1 является тримеризацией ацетилена (типичный способ получения бензола). Далее (реакция 2) идет алкилирование бензола по Фриделю–Крафтсу в присутствии кислоты Льюиса AlBr3. Бромирование на свету (реакция 3) протекает в боковой цепи. Спиртовой раствор щелочи в реакции 4 является реактивом для получения алкина из дигалогенпроизводного алкана. Далее идет реакция обмена (реакция 5): водород при тройной связи в алкине и ион серебра в аммиачном растворе оксида серебра. И, наконец (реакция 6) – образующийся фенилацетиленид серебра вступает в обменную реакцию с метилйодидом, в результате которой удлиняется углеродная цепь.
Уравнения реакций:
1) 3C2H2 = C6H6;
2) C6H6 + C2H5Br = C6H5–C2H5 + HBr;
3) C6H5–C2H5 + 2Br2 = C6H5–CBr2–CH3 + 2HBr;
4) C6H5–CBr2–CH3 + 2KOH = C6H5–C=СН + 2KBr + H2O;
5) C6H5–CСН +[Ag(NH3)2]OH = AgC=C–C6H5 + 2NH3 + H2O;
6) AgC=C–C6H5 + CH3I = AgI + CH3–C=C–C6H5.
Итак, зашифрованные вещества:
В схемах вместо веществ даны
элементы,
входящие в состав веществ в соответствующих
степенях окисления
Задача 9. Напишите уравнения реакций, иллюстрирующие схему превращений:
Р е ш е н и е
Пронумеруем уравнения реакций в цепочке:
В реакции 1 идет окисление соединения Fe(II) до соединения Fe(III) (это могут быть соли, гидроксиды, оксиды и т.д.). В качестве окислителя можно взять дихроматы или хроматы, перманганаты, галогены и т.д.
В реакции 4 железо из степени окисления +3 восстанавливается до простого вещества. Обычно металлическое железо получают восстановлением его оксидов (например, хромом или алюминием при высоких температурах – металлотермия).
Оксид железа(III) можно получить в результате термического разложения его солей или гидроксида (реакция 3). Реакция 2 скорее всего обменная. Реакция 5 – взаимодействие металлического железа с кислотой-неокислителем (HCl, HBr, CH3COOH и т.д.).
Рассмотрим три из всех возможных вариантов решения этой задачи.
Первый вариант:
1) 2Fe2+ + Cl2 = 2Fe3+ + 2Cl–;
2) Fe3+ + 3OH– = Fe(OH)3;
3) 2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O (прокаливание);
4) Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe;
5) Fe + 2H+ = Fe2+ + H2.
Второй вариант:
1) 2Fe(OH)2 + H2O2 = 2Fe(OH)3;
2) Fe(OH)3 + 3HNO3 = Fe(NO3)3 + 3H2O;
3) 4Fe(NO3)3 = 2Fe2O3 + 12NO2 + 3O2 (прокаливание);
4) Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe;
5) Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.
Третий вариант:
1) 4FeO + O2 = 2Fe2O3;
2) Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O;
3) 2Fe2(SO4)3 = 2Fe2O3 + 6SO2 + 3O2 (прокаливание);
4) Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe;
5) Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.
Схемы, в которых органические
вещества
зашифрованы в виде брутто-формул
Задача 10. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме превращений:
В уравнениях укажите структурные формулы веществ и условия реакций.
Р е ш е н и е
Ключевым звеном в цепочке является вещество с формулой С3Н4О2. По реакции 1 вещество восстанавливается (в брутто-формуле появляются дополнительные четыре атома водорода), а по реакции 3 – окисляется (в формуле появляются дополнительные два атома кислорода). Наиболее вероятно, что С3Н4О2 – пропандиаль (CHO–CH2–CHO), тогда С3Н4О4 – пропандиоловая кислота (COOH–CH2–COOH), а С3Н8О2 – пропандиол-1,3 (CH2OH–CH2–CH2OH). Рассуждая аналогично (просчитывая изменения в числе атомов в молекуле), делаем вывод о том, что по реакции 4 получается двойной этиловый эфир пропандиоловой кислоты (C2H5OОС–CH2–COOC2H5). Реакция 5 – щелочной гидролиз эфира, в результате которого получается C3H2O4Na2 – соль (NaOOC–CH2–COONa), а по реакции 6 с помощью галогенметана получается двойной метиловый эфир пропандиоловой кислоты (CH3OOC–CH2–COOCH3).
Реакция 2 – взаимодействие пропандиола-1,3 с
метаналем с образованием диоксана-1,3
Уравнения реакций:
Задача 11.
Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме превращений:
В уравнениях укажите структурные формулы веществ и условия протекания реакций.
(Знак SN обозначает, что реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения.)
Р е ш е н и е
Пронумеруем уравнения реакций в цепочке:
В молекуле вещества C8H9Cl, полученного через одну стадию из бензола, содержится, по-видимому, радикал фенил – это следует из соотношения углерода и водорода в соединении (С6Н5С2H4Cl). Тогда Х может быть веществом C6H5–СH2–CH3, которое превращается в С6Н5–С2H4Cl при действии на него хлора на свету; или Х может быть веществом C6H5–СH=CH2, которое дает С6Н5С2H4Cl при действии на него HCl. И в том, и в другом случае хлор идет ко вторичному атому углерода С6Н5СHCl–СН3.
Вещество Y получается по реакции нуклеофильного замещения хлора скорее всего на ОН– группу (реакция 3). Тогда реакция 4 будет реакцией дегидратации. С8Н8 в контексте этой задачи, вероятно, С6Н5–СH=СН2. В этом случае реакция 5 – окисление по двойной связи перманганатом в нейтральной среде – приводит к образованию диола с брутто-формулой С8H10O2. И, наконец, появление в завершающей «цепочку» формуле (по сравнению с веществом Z) еще четырех атомов углерода, четырех атомов водорода и двух атомов кислорода означает реакцию этерификации диола и уксусной кислоты.
Уравнения реакций:
1) C6H6 + CH2=CH2 C6H5–C2H5;
2) C6H5–C2H5 + Cl2 C6H5–CHCl–CH3 + HCl;
3) C6H5–CHCl–CH3 + NaOH + H2O = C6H5CH(OH)–CH3 + NaCl;
4) C6H5–CH(OH)–CH3 C6H5CH=CH2 + H2O;
5) 3C6H5CH=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O = 3C6H5CH(OH)–CH2(OH) + 2MnO2 + 2KOH;
6) C6H5CH(OH)–CH2(OH) + 2CH3COOH =
* * *
В заключение приведем примеры заданий, которые были представлены на федеральных окружных* и заключительных этапах Всероссийской олимпиады школьников по химии. На этих этапах цепочки превращений становятся более сложными. Кроме непосредственно цепочки, даются дополнительные сведения о свойствах зашифрованных веществ. Для дешифровки веществ часто необходимо проводить расчеты. В конце текста задания обычно предлагается ответить на несколько вопросов, связанных со свойствами веществ из «цепочки».
Задача 1 (федеральный окружной этап 2008 г., 9-й класс).
«А, Б и В – простые вещества. А быстро реагирует с Б при нагревании до 250 °C, образуя темно-красные кристаллы соединения Г. Реакция Б с В после предварительной инициации протекает очень бурно, приводя к образованию бесцветного вещества Д, газообразного при нормальных условиях. Г, в свою очередь, способно реагировать с В при температуре 300–350 °С, при этом красные кристаллы превращаются в белый порошок Е и образуется соединение Д. Вещество А вступает в реакцию с Д только при температуре около 800 °C, при этом образуются Е и В. Вещество Г легко может быть сублимировано при пониженном давлении и температуре ниже 300 °C, но при нагревании выше 500 °C его пары разлагаются с образованием вещества Б и опять же соединения Е.
Содержание одного и того же элемента в соединениях Д и Е составляет 97,26 и 55,94 мас.% соответственно.
Вопросы.
1. Определите вещества А–Е.
2. Напишите уравнения всех упомянутых реакций в соответствии с приведенной схемой.
3. Как будут взаимодействовать вещества Г и Е с водными растворами сульфида и йодида натрия, с избытком концентрированного раствора цианида калия? Напишите уравнения реакций.
4. Напишите уравнения реакций, происходящих при взаимодействии веществ Г, Д и Е с концентрированной азотной кислотой».
Р е ш е н и е
1. Обратим внимание на проценты: соединение Д, состоящее из двух элементов Б и В, газообразное и содержит всего 2,74 % В. Такой малый процент свидетельствует о том, что или атомная масса элемента В очень мала, или в формуле Д большой индекс у элемента Б. Учитывая, что Д при н.у. является газом, наиболее вероятно, что В – это водород. Проверим нашу гипотезу. Если состав Д выразить формулой НхЭу, то
2,74 : (97,26/МЭ) = х : у.
Заметим, что соединения, где у не равен 1, не получить прямым взаимодействием элемента с водородом в ходе «бурной реакции после предварительной инициации». Перегруппировав уравнение, получаем МЭ = 35,5х, которое имеет единственное разумное решение при х = 1. Таким образом, В – водород, Б – хлор.
Определим вещество Е, в состав которого входит 55,94% хлора. Оно образуется в ходе реакции простого вещества А с хлороводородом, и при этом выделяется водород, что позволяет предположить: Е – хлорид элемента, образующего простое вещество А. Для соединения ЭClx:
(55,94/35,45) : (44,06/МЭ) = х.
Отсюда МЭ = 27,92х. При х = 1 и 3 получаются соответственно кремний (28) и криптон (84), но это противоречит их валентным возможностям и условию задачи, а вот при х = 2 получается железо (56), которое в реакции с хлороводородом действительно образует FeCl2. В ходе прямой реакции железа с хлором образуется другой хлорид – FeCl3.
Итак, зашифрованные вещества:
А – Fe; Б – Cl2; В – H2;
Г – FeCl3; Д – HCl; Е – FeCl2.
2. Уравнения реакций в цепочке:
3. 2FeCl3 + 3Na2S = 2FeS + S + 6NaCl;
FeCl2 + Na2S = FeS + 2NaCl;
2FeCl3 + 2NaI = 2FeCl2 + I2 + 2NaCl
(возможны реакции:
2FeCl3 + 6NaI = 2FeI2 + I2 + 6NaCl
или
6FeCl3 + 18NaI = 2Fe3I8 + I2 + 18NaCl);
FeCl2 + NaI ;
FeCl3 + 6KCN = K3[Fe(CN)6] + 3KCl;
FeCl2 + 6KCN = K4[Fe(CN)6] + 2KCl.
4. FeCl3 + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NOCl + Cl2 + 2H2O;
3HCl + HNO3 = NOCl + Cl2 + 2H2O;
2FeCl2 + 8HNO3 = 2Fe(NO3)3 + 2NOCl + Cl2 + 4H2O.
Задача 2 (федеральный окружной этап 2007 г., 10-й класс).
«Под А–Е (кроме В) зашифрованы вещества, содержащие переходные металлы.
Количественный состав веществ А и С:
А: (Cu)=49,3%, (O)=33,1%, (S)=16,6%.
C: (Co)=50,9%, (O)=34,5%, (S)=13,8%.
1. Определите вещества A–E и напишите уравнения реакций.
2. В каком случае в приведенной схеме вещество В получается аморфным и в каком кристаллическим? Предложите по одному альтернативному методу синтеза кристаллического и аморфного вещества В.
3. Какое тривиальное название имеет вещество D?»
Р е ш е н и е
1. Сложив все приведенные массовые доли (как для вещества А, так и для вещества С), мы не получим 100%. Значит, в этих веществах содержится как минимум еще по одному элементу!
Вещество А:
Учитывая малую массовую долю неизвестного элемента, можно предположить, что это водород. Тогда брутто-формула соединения А: Cu3S2O8H4, или Cu2SO3•CuSO3•2H2O.
Вещество С:
Аналогично предыдущему случаю можно предположить, что и здесь неизвестный элемент – водород. Тогда формула вещества С будет Co2(OH)2SO3.
Вещество В – это Al(OH)3. При взаимодействии сульфата алюминия с сульфитом натрия образуется аморфный гидроксид алюминия. Во втором же случае, при взаимодействии хлорида триэтиламмония с Na[Al(OH)4] образуется кристаллический гидроксид алюминия.
При взаимодействии В и С при нагревании образуется алюминат кобальта – Co(AlO2)2.
В щелочной среде восстановление перманганат-иона идет либо до степени окисления +6, либо до +5, соответственно Е – K2MnO4 или K3MnO4.
А – Cu2SO3•CuSO3•2H2O; B – Al(OH)3; C – Co2(OH)2SO3; D – CoAl2O4; E – K2MnO4 или K3MnO4.
Уравнения реакций в «цепочке»:
1) 3CuSO4 + 3Na2SO3 = Cu2SO3•CuSO3•2H2O + 3Na2SO4 + SO2;
2) 3Na2SO3 + Al2(SO4)3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4 + 3SO2
(наряду с гидроксидом алюминия в данной фазе будут присутствовать основные сульфаты различного состава, но традиционно считается, что образуется аморфный гидроксид алюминия);
3) Na[Al(OH)4] + [NHEt3]Cl = Al(OH)3 + NaCl + NEt3 + H2O;
4) 2CoSO4 + 2Na2SO3 + H2O = Co2(OH)2SO3 + SO2 + 2Na2SO4;
5) Co2(OH)2SO3 + 4Al(OH)3 2CoAl2O4 + SO2 + 7H2O;
6) 2KMnO4 + Na2SO3 + 2KOH = 2K2MnO4 + Na2SO4 + H2O
или
KMnO4 + Na2SO3 + 2KOH = K3MnO4 + Na2SO4 + H2O.
2. Растворы солей алюминия имеют кислую среду:
[Al(H2O)6]3+ H+ + [Al(H2O)5(OH)]2+ 2H+ + [Al(H2O)4(OH)2]+.
При добавлении щелочи (или водного раствора аммиака), карбонатов или гидрокарбонатов повышение рН раствора приводит к смещению равновесия вправо и полимеризации аквагидроксокомплексов через мостиковые гидроксо- и оксо-группы в многоядерные комплексы. В результате образуется продукт состава Al2O3•xH2O (х > 3) (аморфный осадок, не имеющий постоянного состава).
Метод получения аморфного гидроксида алюминия:
Al2(SO4)3 + 6KOH = 2Al(OH)3 + 3K2SO4
или
Al2(SO4)3 + 6KHCO3 = 2Al(OH)3 + 3K2SO4 + 6CO2.
Метод получения кристаллического гидроксида алюминия заключается в медленном пропускании CO2 через раствор тетрагидроксоалюмината натрия:
Na[Al(OH)4] + CO2 = NaHCO3 + Al(OH)3.
Во втором случае получается продукт определенного состава – Al(OH)3.
3. Алюминат кобальта имеет тривиальное название «тенарова синь».
Задача 3 (заключительный этап 2008 г., 10-й класс).
«На приведенной ниже схеме представлены превращения соединений A–К, содержащих в своем составе один и тот же элемент Х.
Дополнительно известно:
• элемент Х встречается в природе в виде
минерала A (содержание по массе: Na –
12,06 % ,
X – 11,34 %, H – 5,29 %, остальное – кислород);
• Б – бинарное соединение, содержащее 15,94 % (по массе) Х;
• В – бесцветный газ с плотностью по воздуху около 1;
• соединение Д используется в медицине в виде спиртового раствора;
• d-модификация З схожа с графитом по физическим свойствам;
• вещество И находит широкое применение в органическом синтезе в качестве восстановителя;
• молекула К (почти плоская) имеет ось симметрии третьего порядка (при полном повороте вокруг этой оси симметрии молекула К воспроизводит свое положение в пространстве три раза); в спектре ЯМР 1Н соединения К наблюдаются два сигнала.
Вопросы.
1. Определите элемент Х. Ответ подтвердите расчетом.
2. Приведите формулы соединений A–И. Назовите минерал А.
3. Изобразите структурную формулу К и назовите это соединение.
4. Напишите уравнения всех представленных на схеме реакций.
5. Напишите уравнение реакции Х (аморф.) со смесью концентрированных азотной и плавиковой кислот.
6. Чем объясняется сходство физических свойств -модификации З с графитом?»
Р е ш е н и е
1. Бинарное вещество Б образуется при взаимодействии минерала А с фторидом кальция в присутствии концентрированной серной кислоты. Можно предположить, что Б помимо элемента Х содержит фтор. Учитывая, что валентность фтора в соединениях равна 1, Б можно записать в виде ХFn. Определим элемент Х:
где Мr(Х) – относительная атомная масса элемента Х, n – валентность Х в соединении Б. Из этого уравнения находим
Мr(Х) = 3,603n.
Перебираем значения n от 1 до 8. Единственный разумный вариант получаем при n = 3: Мr(Х) = 10,81, т.е. элемент Х – бор, (а вещество Б – трифторид бора BF3).
2. Найдем состав вещества А.
т.е. Na2B4H20O17, или Na2B4O7•10H2O, – минерал «бура» (вещество А).
При восстановлении трифторида бора гидридом натрия образуется бесцветный газ В, вероятнее всего, представляющий водородное соединение бора. Поскольку плотность В по воздуху около 1, молекулярная масса В близка к 29, следовательно, вещество В – диборан B2H6 (Mr = 28).
Дальнейшее взаимодействие диборана с избытком NaH в эфире приводит к образованию комплексного гидрида, широко используемого в органическом синтезе в качестве восстановителя, – тетрагидридобората натрия Na[BH4] (вещество И).
При сжигании диборана образуется оксид бора, Г – В2О3, восстановление которого металлическим алюминием приводит к образованию аморфного бора. Оксид бора реагирует с водой, в результате образуется ортоборная кислота Н3ВО3 (вещество Д, в виде спиртового раствора применяется в медицине под названием «борный спирт»). Борная кислота вступает в реакцию с концентрированной плавиковой кислотой, давая комплексную кислоту, которая после обработки раствором гидроксида натрия превращается в тетрафтороборат натрия Na[BF4] (соединение Е).
Рассмотрим взаимодействие трифторида бора с газообразным аммиаком. BF3 – типичная кислота Льюиса (акцептор электронной пары); в молекуле аммиака имеется неподеленная пара электронов, т.е. NH3 может выступать в качестве основания Льюиса. При реакции трифторида бора с аммиаком образуется аддукт состава BF3•NH3 (соединение Ж) (ковалентная связь между атомами бора и азота образуется по донорно-акцепторному механизму). Нагревание этого аддукта выше 125 °С приводит к образованию нитрида бора BN (соединение З).
3. При реакции диборана с газообразным аммиаком при нагревании образуется продукт К, содержащий водород, бор и, вероятно, азот. Молекула К имеет плоское строение, ее высокая симметрия указывает на возможный углеродный аналог этого соединения – бензол. Однако, чтобы в молекуле К было два типа атомов водорода и имелась ось симметрии третьего порядка, необходимо в «бензольном» кольце вместо атомов углерода поочередно разместить атомы азота и бора (рис.). Соединение К называется «неорганическим бензолом» (боразол).
Рис. Боразол
4. Уравнения описанных в задаче реакций:
1) Na2B4O7•10Н2О + 6CaF2 + 8H2SO4 (конц.) = 4BF3 + 2NaHSO4 + 6CaSO4 + 17H2O;
2) 2BF3 + 6NaH = B2H6 + 6NaF;
3) B2H6 + 3O2 = B2O3 + 3H2O;
4) B2O3 + 2Al = Al2O3 + 2B;
5) B2H6 + 2NaH 2Na[BH4];
6) B2O3 + 3H2O = 2H3BO3;
7) H3BO3 + 4HF (конц.) = Н[BF4] + 3H2O,
Н[BF4] + NaOH = Na[BF4] + H2O;
8) BF3 + NH3 = BF3•NH3;
9) 4BF3•NH3BN + 3NH4BF4;
10) 3B2H6 + 6NH3 2B3N3H6 + 12H2.
5. B (аморф.) + 3HNO3 (конц.) + 4HF (конц.) = Н[BF4] + 3NO2 + 3H2O.
6. Заметим, что частица BN изоэлектронна частице C2, сумма ковалентных радиусов атомов бора и азота примерно равна сумме двух ковалентных радиусов атома углерода. Кроме того, бор с азотом имеют возможность образовывать четыре ковалентные связи (три по обменному механизму и одну – по донорно-акцепторному). Соответственно, BN тоже образует две структурные модификации – графитоподобную (-модификация) и алмазоподобную (-модификация). Именно поэтому -BN по физическим свойствам очень похож на графит (тугоплавкость, смазочные свойства).
Л и т е р а т у р а
Задачи Всероссийских олимпиад по химии. Под ред. акад. РАН, проф. В.В.Лунина. М.: Экзамен, 2004, 480 с.; Химия: формулы успеха на вступительных экзаменах. Учебное пособие. Под ред. Н.Е.Кузьменко, В.И.Теренина. М.: Изд-во МГУ, Наука, 2006, 377 с.; Химия-2006: Вступительные экзамены в МГУ. Под ред. проф. Н.Е.Кузьменко и проф. В.И.Теренина. М.: Изд-во МГУ, 2006, 84 с.; Вступительные экзамены и олимпиады по химии в Московском университете: 2007. Под ред. проф. Н.Е.Кузьменко и проф. В.И.Теренина. М.: Изд-во МГУ, 2008, 106 с.; Задачи Всероссийской олимпиады по химии федерального окружного и заключительного этапов 2003–2008 гг. Интернет. http://chem.rusolymp.ru; www.chem.msu.ru.
* До 2008 г. включительно ВОШ(х) проходила в пять этапов: школьный, муниципальный, региональный, федеральный окружной и заключительный. – Прим. авторов.