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 V_M = 22,4 л/моль следующие:

m = • M = (V/V_M) • 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 %,

(Н₂) = 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 Cr_aO_b 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 – Sb_0,8H_2,4 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 С_nH_2n 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:

2С₆Н₁₀ + 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 (N_Pо) в объеме 22,4 л при давлении р₀ составило бы:

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

Число Авогадро N_A определяют при стандартном давлении р_станд = 101,325 кПа:

N_A = N_Pо • р_станд /р₀ = 3,759•10²³•101,325/61,71 = 6,17•10²³.

О т в е т. N_A = 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 А_r(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, m(О₂) = 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):

_об(О₂) = 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. _об(О₂) = 23,08 %,
_об(NО₂) = 69,23 %,
_об(NО) = 7,69%.

5. Углеводородом А общей формулы С_nН_2n–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 + yСН₃NН₂ + 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 СН₃NН₂:

1,2(СН₃)₃N + 0,8СН₃NН₂ + 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(СН₃NН₂) = 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)