Олимпиадные задания с решениями
олимпиадные задания по химии (8,9,10,11 класс) по теме

  Решения задач для 8-9 классов

Задача(8-9) - 1.

         Из массового соотношения реагентов можно перейти к количественному: n(Na2SO4) : n(C) : n(CaCO3) = (3/142) : (1/12) : (2/100) = 0,021 : 0,083 : 0,02 ≈ 1 : 4: 1.                     2 балла                             

Также несложно догадаться, что выделяющийся газ – СО (угарный газ), который, окисляясь до СО2 (углекислый газ), осаждает СаСО3 (карбонат кальция, негашёная известь) из известковой воды.                                                                                         1 балл

Собрав все эти данные воедино, можно составить уравнение реакции 1:

Na2SO4 + 4C + CaCO3    960 C       Na2CO3 + CaS + 4CO                                                     2 балла

Реакция 2: 2СО + О2   →  2СО2                                                                                    0,5балла

Реакция 3: Са(ОН)2 + СО2  →   СаСО3    + Н2О                                                          0,5балла         

При обработке водой смеси соды и сульфида кальция (СаS) происходит гидролиз сульфида (реакция 4): СaS + 2Н2О  →   Са(ОН)2   + Н2S   с образованием сероводорода и гидроксида кальция (гашёной извести).                                                                      1 балл

Окислительно-восстановительная.                                                                            0,5балла

Плохо растворимый карбонат кальция переходит в хорошо растворимый гидрокарбонат, ‘муть’ исчезает: CaCO3 + CO2 + H2O  →  Ca(HCO3)2                                                        0,5балла

Это минерал трона NaHCO3*Na2CO3* H2O, египетская соль                                   1 балл

Угарный газ применяется для восстановления металлов из их оксидов (например, FeO + CO  →  Fe +CO2), также его можно применять для получения карбонилов (Ni + 4CO →                    Ni(CO)4), метилового спирта (CO +2H2  давление CH3OH), и т. д.                           0,5*2= 1 балл

                                                                                                                                        Всего 10 баллов

Задача(8-9) -2.                        

1. Жёлто-зелёный газ, это, вероятнее всего, хлор.

                   Реакция 1:         6KOH(гор.) + 3Cl2  →  KClO3 + 5KCl + 3H2O             2 балла

                  Реакция 2:          2KClO3  диоксид Mn, 400С → 2KCl + 3O2                                    2 балла

                  Реакция 3:         4KClO3    400С  → KCl + 3KClO4                                               2 балла

Значит,    А – хлорат калия KClO3,    Б – хлор Cl2, В – хлорид калия KCl, Г – кислород (плотность по фосфину= 32/34 = 0,94),  Д – перхлорат калия KClO4.

                                                                                                                   2*1 балл=2 балла

        2.   Реакция 4:    KClO4   550-620С → KCl + 2O2.                                                2 балла

                                                                                                                        Всего 10 баллов

Задача(8-9) -3.                        

1. Определим массу продуктов окисления

 m окисл.= mобразца  . ω окисл.  =2 г * 1,5% /100% = 0,03 г                                        1 балл                                                                   

2. Найдем массу чистого металла  (очевидно, что это натрий)                                           mмет. =  mобразца  - m окисл.= 2г – 0,03г = 1,97г                                                       1 балл
3. Найдем массу продукта – гидроксида натрия:

           2Na + 2H2O  2NaOH + H2                                                                                 1 балл

       m 1(NaOH) = 1,97г * 80г / 46г = 3,43г                                                       1 балл

                      2Na2О2 + 2H2O  4NaOH + О2                                                               2 балла

       m 2(NaOH) = 0,03г * 160г / 156г = 0,031г                                                1 балл

                    Общая масса гидроксида натрия

                           m (NaOH) = 3,43г + 0,03г = 3.46г                                                             1 балл

4. Определим массу образовавшейся поваренной соли:

              NaOH + HCl  NaCl + H2O                                                                 1 балл

              m (NaCl) = 3,46г *58,5г / 40г = 5,06г                                                      1 балл

                                                                                                             Всего 10 баллов

Задача(8-9) -4.                              

CuO + 2HCl  CuCl2 + H2O                  голубой раствор                                   2 балла

            Fe2O3 + 6HCl  2FeCl3 + 3H2O            желто-бурый цвет                                 2 балла

Ag + HCl                                              реакция не идет                                   2 балла

Fe + 2HCl  FeCl2 + H2                     зеленоватый раствор,

                                                                выделение газа                                      2 балла

                                                                                                                  Всего  8 баллов

    Задача(8-9) -5.                        

      Все соли аммония при нагревании разлагаются:                                        1 балл

                                                  t

                                     NH4Cl  NH3 + HCl                                                        1 балл

Газообразные продукты разложения хлорида аммония улетучиваются, остается одна соль.                                                          

                                                                                                                   Всего 2 балла                                                                                                                    

Решения задач для 10 класса

Задача 10-1.                        

  1.  Обозначим простейшую формулу искомого углеводорода                                                                  СхНy, где х = n(C), y = n(Н).                                                                                                          1 балл

2.    Определим массу атомов углерода в оксиде:

44 г СО2 содержит 12 г атомов углерода

3,434 г СО2 содержит m1 г атомов углерода

                                                     m1 = 0,9376 г                                                                1 балл

3.    Определим массу атомов водорода в воде:

18 г Н2О содержит 2 г атомов водорода

0,562 г Н2О содержит m2 г атомов водорода

                                               m2 = 0,0624 г                                                     1 балл                                

4.   Соотношение атомов углерода и водорода в углеводороде:

                    n(C) : n(Н) =  m1 /12 : m2 /1 = 0,9376 / 12 : 0,0624 /1 = 5 :  4               1 балл

Следовательно, простейшая формула будет иметь вид  С5Н4 (Мr = 64).                                  1 балл

5.    Установим молекулярную формулу вещества:

       По   условию, пары 1 моль углеводорода занимают в четыре раза меньший объем, чем 1 моль кислорода.      Отсюда, Мr(СхНy) = 4 Мr(О2) = 4 32 = 128, т.е. молекулярная формула углеводорода С10Н8, так как Мr(СхНy) = 2 Мr(С5Н4).                                                                                        3  балла

   6.   Можно предложить большое число структурных формул веществ состава С10Н8. Важнейшими из них являются нафталин и его изомеры.                                                        2 балла 

                                                                                                                                                          Всего 10 баллов

Задача 10-2.                        

1.         Реакция 1 – Na2SO4 + BaCl2   → BaSO4  + 2NaCl                                             0,5 балла

           Реакция 2 – BaSO4 + 4С 1100 С  →  BaS + 4CO                                                    1 балл

            Реакция 3 – BaS + 2H2O   →  Ba(OH)2 + H2S                                                    0,5 балла

Зная, что свойства целестина схожи со свойствами BaSO4 (А) и используя информацию о реакциях 4-6, можно написать:

         Реакция 4 – XSO4 + 3С 1100 С   →XS + 2СО + СО2                                                     1 балл

        Реакция 5 – Ba(OH)2 + CO2     → BaCO3 + H2O                                                  0,5 балла

       Реакция 6 – XS + 2H2O кипячение  → X(OH)2 + H2S                                                1 балл

Таким образом, А – BaSO4; Б – BaS; В – CO; Г – H2S; Д – XS; Е – СО2

2.    Найдём  количество выделившегося в реакции 4 углекислого газа:  из уравнения реакции 5  υ(СО2) = υ (BaCO3) =   m(BaCO3):М(BaCO3) = 0,254 моль.                        1 балл         3.   Определим количество сероводорода, выделившегося в реакции 3:

По уравнениям реакций 4 и 6:    υ(H2S) = υ(XSO4) = υ(СО2), тогда количество сероводорода (реакция 3)  равно 0,254 – 1,21:22,4 = 0,2 моль. Следовательно, и количество сульфата бария равно 0,2 моль.                                                                                                      2 балла

4.      Определим элемент Х.   Примем за  х атомный вес  элемента Х и составим уравнение:

m(BaSO4) = m(XSO4);

233,3*0,2 = (x + 96)*0,254;

х = 87,7 г/моль , что соответствует стронцию Sr.

Значит,  химическая формула целестина – SrSO4.                                                        2 балла

5.      Барит, или тяжёлый шпат.                                                                              0,5 балла

                                                                                                                              Всего 10 баллов                                                                                                                  

Задача 10-3.                        

1     Представим уравнение реакции в общем виде:                                                                                                                      2ROH + 2Na →  2RONa + H2 ,  где    R= CnH2n+1                                                         2 балла

2     Определяем количество вещества водорода:

               υ  =  V / Vm =  5,6 л / 22,4 л/моль = 0,25 моль                                                           2 балла

3      По уравнению реакции:  2 υ ROH  =  υ H2 , отсюда   υ ROH = 0,5 моль                 2 балла 

4     Молярная масса спирта     М = m/ υ = 16г / 0,5моль = 32 г/моль,  а  Мr = 32            1 балл

5     Определяем молекулярную формулу спирта  CnH2n+1OH          

     Мr =  12n + 2n + 1 + 16 + 1 = 32;   n = 1;                   CH3OH   -  метанол                1 балл

6      Рассчитаем объем водорода:

         По уравнению реакции:  V (H2) = 0,5 моль . 22,4 л/моль = 11,2 л                     2 балла

                                                                                                                                       Всего 10 баллов

                Задача 10-4.             

        Логично предположить, что X – уксусная кислота: она незаменима в быту и как органическая кислота проявляет слабые кислотные свойства. Проверим это по реакции с NaOH. Уравнение реакции:

       CH3COOH + NaOH  → CH3COONa + H2O.                                                           1 балл

Было взято n1 = (204*0,05)/60 = 0,17 моль уксусной кислоты, и получилось   n2 = 13,94/82 = 0,17 моль ацетата натрия (A). Следовательно, наше предположение верно.  

                                                                                                                                           1 балл
Сплавление ацетата натрия с NaOH – типичный пример реакции Дюма:                1 балл

СH3COONa + NaOH сплавление  → СH4 + Na2CO3.                                                         0,5 балла

Выделяющийся при этом газ Б – метан (природный газ, болотный газ).              0,5 балла          Далее метан вступает в реакцию с хлором:                                                                                      

CH4 + Cl2   свет → CH3Cl + HCl.                                                                                     0,5  балла

При пропускании образующегося хлорметана (В) над бензолом в присутствии AlCl3 образуется толуол (Г) по механизму Фриделя-Крафтса:                                        1 балл

CH3Cl + C6H6     кат  → C6H5CH3 + HCl, содержащий 84/92=91,3% углерода по массе.

                                                                                                                                         1 балл

При нитровании толуола образуется 2,4,6-тринитротолуол  (Д) (тол, тротил):    1 балл

C6H5 CH3 + 3HNO3 серная кислота  → С6H2CH3(NO2)3 +3H2O.                                          0,5балла

 Процесс кристаллизации ацетата натрия – экзотермический процесс, что и используется в грелках.                                                                                                                           1 балл

 Принимаются любые верные способы.                                       2 способа = 2*0,5 =1 балл

                                                                                                                              Всего 10 баллов

Решения задач для 11 класса

Задача 11-1.                        

     1.   Рассчитаем количественное соотношение атомов углерода, водорода и азота в пиридине: оно равно n(C) : n(H) : n(N) = (75,9/12) : (6,3/1) : (17,8/14) = 6,325 : 6,3 : 1,27 = 4,98 : 4,96 : 1 ≈ 5 : 5 : 1, то есть количественная формула пиридина – C5H5N.           1  балл

    2.  Используя условие ароматичности, можно установить структурную формулу пиридина: . Действительно, данная формула удовлетворяет всем требованиям:        эта молекула плоская, т.к. в ней содержатся 3 кратные связи, вращение вокруг которых невозможно                                                                                                                     2 балла                              в этой молекуле всего один цикл                                                                                 1 балл                                     все связи сопряжены (кратные связи чередуются с одинарными)                           1 балл     система содержит 6 π-электронов (по 2 от каждой кратной связи; n=1)                 2 балла                                                                                                                  

   3.   Исходя из похожих рассуждений, установим, что циклопентадиен и циклооктатетраен  неароматичны (т.к. число  π-электронов не равно 4n+2), а тиофен отвечает всем требованиям ароматичности.                                         3*1 балл =3 балла                     

                                                                                                                            Всего 10 баллов

Задача 11-2.                 

1.    Формула винной килоты – НООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН,  следовательно,  формула её кислой соли имеет вид ХООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН.                                    

                                                                                                                                          1 балл 

 2.    По условию,   массовая доля углерода в этом соединении равна  ω(С) = 25,53%, т.е.   ω(С) = 48/16*6+12*4+1*5+Ar(Х) =0,2553                                       Отсюда,  Х – калий.

                                                                                                                                         0,5 баллов

Формула винного камня –        КООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН, его нынешнее название – гидротартрат калия.                                                                                                  

                                                                                                                                            1 балл

   3.    Поташ К2СО3.                                                                                                      0,5 баллов

4.    Калий – серебристый, лёгкий, мягкий металл с низкой температурой плавления. При горении калия на воздухе образуется надпероксид калия: К + О2 → КО2. Соединения калия окрашивают пламя спиртовки в фиолетовый цвет.                                                    1 балл

5.    Реакция 1 

 КООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН + NaOH → КООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООNa + Н2О

                                                                                                                                         1 балл

Реакция 2 –

                            Cu2+ + 2OH- + 2C4O6H42- → 

                                                                                                                    2 балла

Реакция 3 –

                                                                                                                    2 балла

      6.   Хелатные.

                                                                                                                     1 балл

                                                                                                                       Всего 10 баллов

Задача 11-3.

1.   «Семёрка металлов древности» – это Pb, Fe, Au, Ag, Hg, Cu, Sn. Сульфаты не всех металлов растворимы в воде , т.е. не подвергаются электролизу в растворе.             2 балла                                       

     С помощью уравнения Фарадея определим возможное значения молярных массы солей:

m = (M*I*t)/(n*F), откуда M = (m*n*F)/(I*t) = (0,0893*96500*n)/(15*3600*2) = 0,0798n  

                                                                                                                                                1 балл                       

При n=1     М=79,8г/моль                                                                                                                                                        При n=2     М=159,6г/моль, что соответствует сульфату меди CuSO4.                                                                                       При n=3     M=239,4г/моль,  ни один из указанных сульфатов не подходит. Таким образом, металл Х – медь.                                                                                                                2 балла

2.   Малахит (СuOH)2CO3, халькопирит или медный колчедан СuFeS2,  халькозин или медный блеск Cu2S.                                                         

                                                                                                                                 2*0,5= 1 балл

    Реакция 1: Сu + 2H2SO4 (конц.) → CuSO4 + SO2 + H2O. Образуются сульфат меди(II) (А), оксид серы(IV) и вода.                                                                                                    0,5 балла

Реакция 2: СuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2 ↓ + Na2SO4. Получается гидроксид меди(II) (Б) сине-голубого цвета и сульфат натрия.                                                                 0,5 балла

Реакция 3: СН2О + Сu(OH)2 → HCOOH + 2CuOH +H2O (при нагревании).                Продукты:   HCOOH –муравьиная кислота (В);  CuOH  - гидроксид меди(I) (Г) жёлтого цвета,                                                                                                                             1 балл               который далее распадается  на оксид меди (I) красного цвета и воду:                                 2CuOH → Cu2O + H2O. Этим и объясняется постепенное изменение окраски раствора.  

                                                                                                                                       2 балла                                                                                                               

                                                                                                                         Всего 10 баллов

Задача 11-4.                           

  1.  Реакции:

С2Н6 + Сl2 → C2H5Cl (на свету)  +   HCl                                                                       0,5 балла

C2H5Cl + NaCN → C2H5CN + NaCl                                                                               0,5 балла

C2H5CN + 2H2O → C2H5COOH + NH3 (в присутствии серной кислоты)                   0,5 балла

C2H5Cl + Mg → C2H5MgCl                                                                                              0,5 балла

C2H5MgCl + CO2(сухой лёд) → C2H5COOMgCl                                                           0,5 балла

C2H5COOMgCl + H2O → C2H5COOH + Mg(OH)Cl                                                      0,5 балла

C2H5COOH + 2Cl2 → CH3CCl2COOH + 2HCl (катализатор – PCl5)                               1 балл

CH3CCl2COOH → CH3CHCl2 + CO2 (при нагревании)                                                   1 балл

CH3CHCl2 + 2H2 → C2H6 +2HCl (на никелевом катализаторе)                                      1 балл

Таким образом, А – C2H5Cl;  Б – C2H5CN;  В – C2H5COOH;  Г – C2H5MgCl;  Д – C2H5COOMgCl;  Е – CH3CCl2COOH;  Ж – CH3CHCl2.

2. Подтверждение дополнительными данными:

Соединение Г действительно содержит 24/(2*12+5*1+24+35,5) = 0,271, т.е. 27,1% Mg по массе;                                                                                                                                    1 балл   в реакции 3НСООН + 2КMnO4 → 2 MnO2 + 3СО2 + 2KOH + 2H2O (при нагревании) выделяется углекислый газ СО2, следовательно, сухой лёд имеет состав СО2.          2 балла

3.      Французский химик Виктор Гриньяр.                                                             1 балл

                                                                                                                               Всего 10 баллов

Девятый класс

Задача 9-1

«Когда в густой крепкой купоросной водке, с которой четыре доли воды смешано, влитую в узкогорлую склянку, положены будут железные опилки, тогда выходящий пар от свечного пламени загорается… Иногда случается, что загоревшийся пар склянку с великим треском разрывает» (М. В. Ломоносов, Полное собрание сочинений, – М.: 1953, т. 1, стр. 474).

Вопросы:

1. Определите массовую долю (%) растворённого вещества в разбавленной «купоросной водке», если исходная массовая доля в «крепкой купоросной водке» составляла 98 %, а доли воды при разбавлении были взяты по массе.
2. Напишите уравнения реакций железа с раствором «купоросной водки» и горения «выходящего пара».
3. Напишите 3 уравнения реакций, которые могут протекать при взаимодействии железных опилок с раствором «купоросной водки» в зависимости от ее концентрации.
4. Определите соотношение объёмов разбавленного раствора «купоросной водки» (плотность 1,2 г/см3) и «выходящего пара» при нормальных условиях, если принять протекание химических процессов количественными.

Задача 9-2

Ниже представлена таблица, описывающая взаимодействие растворов бинарных солей калия и элементов X1, X2, X3 и X4, расположенных в одной группе периодической таблицы, с растворами нитратов серебра, свинца и ртути.

Вопросы:

1. Определите соли элементов X1, X2, X3 и X4.
2. Напишите уравнения взаимодействия бинарных солей элементов X1, X2, X3 и X4 с нитратами серебра, свинца и ртути. В уравнениях обязательно укажите вещество, выпадающее в осадок.
3. Напишите уравнения взаимодействия твёрдых бинарных солей калия элементов X1, X2, X3 и X4 с концентрированной серной кислотой.
4. При взаимодействии смеси сухих солей LiX2, NaX2 и KX2 массой 5,85 г с концентрированной серной кислотой образовалось 12,0 г гидросульфатов. Определите объём (при 30 °С и 130 кПа) газа, который может выделится.

Задача 9-3

Элемент Х образует большое количество кислородсодержащих кислот. Примерами этих кислот являются неорганические кислоты 1–4, причём все они имеют разную основность. В состав молекул кислот 1–3 входит по три атома водорода, а число атомов кислорода в ряду кислот 1–3 увеличивается на единицу.

Ниже приведены данные о содержании водорода и элемента Х в кислотах 3 и 4.

Вопросы:

1. Назовите элемент Х. Напишите уравнение реакции промышленного получения простого вещества, образованного элементом Х.

2. О каких кислотах 1–4 идёт речь в условии задачи? Заполните таблицу:

3. Напишите уравнения химических реакций каждой из кислот 1–4 с раствором гидроксида натрия с образованием средних солей.

4. Кислоты 1 и 2 в окислительно-восстановительных реакциях выступают в роли восстановителей. Приведите уравнения химических реакций этих кислот с раствором перманганата калия, подкисленным серной кислотой.

5. Напишите уравнения реакций (с указанием условий их проведения), с помощью которых из простого вещества, образованного элементом Х, можно получить кислоты 3 и 4.

Задача 9-4

Газ Х находит широкое применение в медицине, в том числе в качестве компонента смеси для анестезии. Газ Y применяется в медицине как наркоз. Оба газа образуют взрывчатые смеси с водородом (реакции 1а и 1б). Тлеющая лучинка вспыхивает при внесении в них. Отличить X от Y можно смешением равных объёмов анализируемых газов с оксидом азота (II). Смесь газа X с оксидом азота (II) окрашивается в оранжево-красный (бурый) цвет (реакция 2). Для медицинской практики важна чистота препарата. Для установления отсутствия примеси A газ X пропускают через водный раствор нитрата диамминсеребра. В случае наличия примеси A раствор чернеет (реакция 3). Про вещество A известно, что оно не имеет запаха и легче X. Для проверки наличия примеси B газ X пропускают через насыщенный раствор гидроксида бария (реакция 4). Смесь газов B и Х не имеет запаха. Для количественного определения содержания X газ медленно пропускают через раствор, содержащий хлорид аммония и аммиак, туда же помещают взвешенный кусочек медной проволоки. В результате образуется ярко-синий раствор (реакция 5).

Вопросы.

1. Определите X и Y; ответ обоснуйте. Назовите эти вещества. Изобразите формулы, передающие их строение.
2. Какие примеси A и B должны отсутствовать в медицинском препарате? Назовите эти вещества. Охарактеризуйте окислительно-восстановительные свойства A. Напишите уравнения упомянутых в тексте реакций 1–5.
3. Напишите уравнения реакций X с белым фосфором и PtF6 (реакции 6, 7). Напишите уравнение реакции Y с белым фосфором и перманганатом калия в кислой среде (реакции 8, 9).
4. Напишите по одному способу получения препаратов X и Y. Какие примеси могут содержать препараты, полученные предложенным Вами способом?

Задача 9-5

Кое-что о гемоглобине

Гемоглобин – основной белок дыхательного цикла, который переносит кислород от органов дыхания к тканям и углекислый газ от тканей к органам дыхания. Гемоглобин содержится в крови человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. Нарушения строения гемоглобина вызывают заболевания крови – анемии.

1. Молярную массу гемоглобина определяли с помощью измерения осмотического давления его раствора. Было установлено, что раствор 20 г гемоглобина в 1 л воды имеет осмотическое давление 7,52·10–3 атм при 25 °C. Рассчитайте молярную массу гемоглобина.

2. Для определения теплового эффекта реакции связывания кислорода с гемоглобином 100 мл водного раствора, содержащего 5,00 г дезоксигенированного гемоглобина, насыщали кислородом в теплоизолированном сосуде. После полного насыщения гемоглобина кислородом температура раствора изменилась на 0,031 °C. Повысилась или понизилась температура раствора? Объясните ваш ответ.

3. Рассчитайте тепловой эффект реакции на моль кислорода, учитывая, что 1 моль гемоглобина способен присоединить 4 моль кислорода. Теплоёмкость раствора Cp = 4,18 Дж·К–1·мл–1.

Для справки. Осмотическое давление  раствора связано с его молярной концентрацией с уравнением: .

Десятый класс

Задача 10-1

Являющийся основой всего живого элемент углерод по распространённости в земной коре (0,087 масс. %) занимает 13 место среди элементов Периодической Системы. В природе углерод представлен двумя стабильными изотопами 12С и 13С и одним радиоактивным 14С, образующимся в верхних слоях атмосферы под действием нейтронов космического излучения на изотоп 14N. Радиоактивный изотоп 14С (его содержание 10–12 % от общей массы углерода) является -излучателем с периодом полураспада 5700 лет.

Углерод в форме простого вещества известен ещё с доисторических времён. Очень рано люди познакомились с такими его ископаемыми минералами, как исключительно твёрдый А и горючий Б. С момента овладения огнём человечество узнало о тончайшем чёрном порошке В (до сих пор использующемся в качестве пигмента), а также об остающихся на кострище чёрных кусочках Г, которые, однако, сгорают при повторном разведении костра на том же месте.

Основная часть углерода находится на нашей планете Земля в окисленном виде, в частности, такие его минералы, как кальцит и доломит слагают целые горные хребты. Есть он и в атмосфере, примерно 0,046 масс % которой составляет углекислый газ. В атмосферном СО2, масса которого оценивается в 2,4∙1012 т, содержится 0,0027 масс. % от всего углерода на нашей планете.

Тем не менее, признание углерода как элемента состоялось лишь в XVIII веке после проведения целого ряда экспериментов, часть из которых мы представляем Вашему вниманию.

В 1752–1757 гг. шотландский учёный Джозеф Блэк обнаружил, что нагревание белой магнезии или действие на неё разбавленных кислот приводит к образованию газа, который он назвал «фиксируемый воздух», поскольку газ поглощался («фиксировался») известковой водой. Тогда же он показал, что тот же газ образуется при горении Г и при дыхании человека и животных.

Английский химик Смитсон Теннант в 1791 г первым получил свободный углерод химическим способом, пропуская пары фосфора над разогретым мелом, в результате чего образовалась смесь углерода с фосфатом кальция. Несколько позже (1796–1797 гг.), окисляя калиевой селитрой одинаковые количества А, Г и графита, Теннант установил, что они дают одинаковые количества продуктов и, следовательно, имеют одинаковую химическую природу.

Вопросы.

1. Для описанных в задаче форм углерода А–Г приведите их собственные названия, а для минералов кальцита и доломита напишите химические формулы, отражающие их состав.
2. Воспользовавшись приведёнными в задаче данными, оцените массу всего углерода на нашей планете, массу земной коры, а также массу земной атмосферы.
3. Исходя из значения атомной массы углерода и содержания 14С, оцените количество каждого из изотопов углерода в земной коре в штуках.
4. Напишите уравнения ядерных реакций образования изотопа 14С в атмосфере и его радиоактивного распада. Во сколько раз уменьшается содержание 14С в изолированном образце горной породы за 28500 лет?
5. Напишите уравнения реакций, проведённых Блэком и Теннантом. Предложите способ выделения углерода из его смеси с фосфатом кальция.

Задача 10-2

Для приготовления пирофорного нанопорошка металла юный химик использовал твёрдую двухосновную кислоту А, содержащую 32 % углерода и бесцветный порошок Б (содержит 4,5 % углерода), разлагающийся кислотой с выделением газа, имеющего плотность при н. у. 1,97 г/л. В результате реакции был получен раствор, из которого со временем выделились кристаллы вещества С. Они бесцветны, растворимы в воде, а их раствор даёт чёрный осадок под действием сероводорода и коричневый – под действием раствора гипохлорита натрия. Чёрный осадок при действии пероксида водорода становится белым. При нагревании вещества В до 400 °C в вакууме был получен нанопорошок металла Г с размером частиц 50 нм. На воздухе порошок самораскаляется, постепенно превращаясь в красно-коричневый порошок Д, содержащий 7,17 % кислорода.

Вопросы.

1. Назовите неизвестные вещества А – Д и запишите уравнения реакций.

2. Приведите два примера получения пирофорных порошков других металлов.

Задача 10-3

Однажды химик Юра Б., разбирая в своей лаборатории старый заброшенный сейф, обнаружил в нём неподписанную банку с белым кристаллическим веществом (соль X), окрашивающим пламя в фиолетовый цвет.

«Что же там?» – подумал Юра.

И, взяв с соседней полки концентрированную серную кислоту, прилил её к навеске соли массой 7,35 г (реакция 1). При этом он наблюдал выделение бурого газа с удушающим запахом (газ A) с плотностью по водороду 33,75.

«Налью-ка я туда чего-нибудь другого», – решил Юра и добавил к аликвоте соли этой же массы концентрированную соляную кислоту (реакция 2). Каково было удивление химика, когда он обнаружил выделение жёлто-зелёного газа (газ B). Плотность газовой смеси по водороду составляла 35,5.

«Как опасно!», – воскликнул Юра и осторожно прибавил к навеске данной соли немного концентрированного раствора щавелевой кислоты (реакция 3). При этом он наблюдал бурное выделение из раствора смеси газов A и С (плотность смеси по водороду 29,83).

«Теперь мне всё ясно, надо её подальше убрать, а то мало ли что может случиться», – твёрдо сказал химик и спрятал банку с солью подальше в сейф.

Результаты опытов сведены в таблицу.

Вопросы:

1. Расшифруйте формулы газов А, B, C. Ответ подтвердите расчётами.
2. Напишите уравнения реакций поглощения газов А, В, С раствором KOH.
3. Какую соль обнаружил Юра у себя в сейфе? Приведите необходимые расчёты.
4. Напишите уравнения реакций 1–3.
5. Напишите уравнения разложения соли X при 400 °C в присутствии катализатора (MnO2) и без него.
6. Объясните, чего опасался Юра? Где применяется соль X? Дайте её тривиальное название.

Задача 10-4

Смесь пентадиена-1,3 (I) и пентадиена-1,4 (II) полностью прореагировала с 9,6 л (45 °C, 110,2 кПа) H2 в присутствии Pt с выделением 46,7 кДж тепла. Такая же навеска смеси взаимодействует с 73,5 г 20 %-го раствора малеинового ангидрида в бензоле.

1. Напишите уравнения обсуждаемых реакций.

2. Установите состав смеси в мольных %.

3. Рассчитайте энергии гидрирования I и II (кДж/моль), если при гидрировании 0,2 моль эквимолярной смеси выделяется 48,1 кДж тепла.

4. Определите, насколько изомер I, содержащий сопряжённую систему двойных связей, стабильнее, чем изомер II c изолированными двойными связями (ΔE, кДж/моль).

Соединения I и II можно получить из пиперидина, используя превращения, показанные на приведённой ниже схеме. Именно таким путём Гофман впервые установил строение пиперидина.

5. Расшифруйте схему превращений. Напишите структурные формулы соединений А–С.

Задача 10-5

Золотой минерал

Самый распространённый сульфидный минерал X из-за великолепного золотого блеска нередко путают с золотом (поэтому минерал ещё называют кошачьим золотом или золотом дурака). Минерал состоит из двух элементов, массовая доля серы составляет 53,3 %. При обжиге X масса твёрдого вещества уменьшается на треть, а масса газообразного продукта на 60 % больше массы твёрдого остатка.

1. Определите химическую формулу минерала. Как он называется? Какие другие названия минерала или его разновидностей вы знаете?

2. Какой объём воздуха (н. у.), содержащего 20 % кислорода по объёму, требуется для обжига одного моля X? Рассчитайте объём (н. у.) и состав образующейся газовой смеси (в объёмных процентах).

3. При обжиге одного моль X выделяется 828 кДж теплоты. Рассчитайте теплоту образования X, если теплоты образования газообразного и твёрдого продуктов его обжига равны 297 и 824 кДж/моль соответственно.

Одиннадцатый класс

Задача 11-1

Для приготовления пирофорного нанопорошка металла юный химик использовал твёрдую двухосновную кислоту А, содержащую 32 % углерода и бесцветный порошок Б (содержит 4,5 % углерода), разлагающийся кислотой с выделением газа, имеющего плотность при н. у. 1,97 г/л. В результате реакции был получен раствор, из которого со временем выделились кристаллы вещества С. Они бесцветны, растворимы в воде, а их раствор даёт чёрный осадок под действием сероводорода и коричневый – под действием раствора гипохлорита натрия. Чёрный осадок при действии пероксида водорода становится белым. При нагревании вещества В до 400 °C в вакууме был получен нанопорошок металла Г с размером частиц 50 нм. На воздухе порошок самораскаляется, постепенно превращаясь в красно-коричневый порошок Д, содержащий 7,17 % кислорода.

Вопросы.

1. Назовите неизвестные вещества и запишите уравнения реакций.

2. Приведите два примера получения пирофорных порошков других металлов.

Задача 11-2

В водах мирового океана содержится 4,5 миллиарда тонн урана в виде уранил-иона . Это примерно в 820 раз больше, чем можно извлечь из всех известных месторождений урановой руды, из которой этот металл сегодня добывается для использования в ядерных реакторах. Однако в виду низкой концентрации и специфической формы уранил-иона, его экономически выгодное извлечение из морской воды известными химическими методами до недавнего времени считалось практически невозможным.

В 2010 году американские учёные предложили использовать для этого
2,6-терфенилкарбоксилат ион, который селективно координирует уранил-ион, образуя устойчивый, малорастворимый в воде комплекс. Объёмные фенильные группы закрывают уранил-ион в виде капсулы, таким образом, вытесняя воду из внутренней сферы и усиливая прочность комплекса:

Схема реакции

Полученный комплекс можно экстрагировать из водного раствора хлороформом. Эксперименты показали, что при достижении фазового равновесия концентрация комплекса в органической фазе в 40 раз выше, чем в водной.

При обработке органического экстракта разбавленным раствором азотной кислоты комплекс разрушается, и уранил-ион переходит в водную фазу. После добавления основания к полученному раствору (для нейтрализации избытка азотной кислоты и создания слабо-щелочной среды) его можно снова экстрагировать. Повторяя эту серию процедур несколько раз, можно добиться значительного концентрирования урана в воде.

Вопросы.

1. Из каких двух основных изотопов состоит природный уран? Какой из них участвует в ядерной реакции на ядерных электростанциях? Что такое обогащённый уран?
2. Напишите сокращённые ионные уравнения реакций образования комплекса и его разрушения раствором азотной кислоты. Для каждого продукта и участника реакции укажите фазу, в которой он находится («о» для органической фазы, «в» – для водной). 2,6-терфенилкарбоновую кислоту и соответствующий ей лиганд можно обозначить RCOOH и RCOO– соответственно. Считайте, что в качестве основания использовался аммиак.
3. Рассчитайте молярную концентрацию уранил-иона в морской воде, учитывая, что объём вод мирового океана составляет 1,3 млрд. кубических километров. Сколько раз необходимо повторить цикл концентрирования исходной морской воды, чтобы достичь концентрации уранил-иона не менее 0,5 моль/л? При решении используйте следующие данные: (1) при экстракции урана из водной фазы объём органической фазы в 10 раз меньше объёма морской воды; (2) при обратной экстракции урана в водную фазу объём раствора азотной кислоты в 10 раз меньше объёма органической фазы; (3) нейтрализация избытка разбавленной азотной кислоты и создание щелочной среды достигаются пропусканием газообразного аммиака через раствор, при этом увеличением объёма раствора можно пренебречь.
4. Потребление урана в мире составляет около 65 тыс. тонн в год. Через сколько лет следует ожидать истощения месторождений урановой руды? Предполагая, что после этого уран будет добываться из океана, и что скорость потребления останется неизменной, оцените количество воды, которое нужно будет перерабатывать в мире ежедневно, чтобы удовлетворить потребность в уране.

Задача 11-3

Вещество Х представляет собой бесцветные игольчатые кристаллы с резким запахом, постепенно розовеющие на воздухе. Оно умеренно растворимо в воде (6,5 г на 100 г воды), гораздо лучше в растворах щелочей. Х растворим также в этаноле, хлороформе, бензоле. Водный раствор X используется как антисептическое средство, для дезинфекции предметов домашнего и больничного обихода.

Вещество Х может быть получено из бензолсульфоновой кислоты (бензолсульфокислоты) сплавлением её натриевой соли с твёрдой щёлочью с последующей обработкой продукта реакции кислотой (реакции 1 и 2). Вещество Х даёт характерную сине-фиолетовую окраску с солями железа (III), например с FeCl3 (реакция 3).

В фармацевтическом анализе для установления подлинности препарата используют реакцию 1 % водного раствора Х с бромной водой, приводящую к образованию белого осадка вещества А (реакция 4). При избытке брома реакция протекает с образованием жёлтого осадка вещества В, содержащего 78 % брома (реакция 5). Вещество В не даёт характерной окраски с хлоридом железа (III) и является мягким бромирующим агентом.

В фармацевтическом анализе получила распространение другая методика: 0,5 г Х растворяют в 2 мл NH3 (C = 13,5 M), доводят до метки до 100 мл. К аликвоте 2 мл добавляют 0,05 мл NaClO (ω(Cl) = 0,03) и оставляют раствор при комнатной температуре. Постепенно появляется тёмно-синее окрашивание (вещество Y).

1. Установите и назовите вещество Х.

2. Напишите уравнения реакций 1 – 5.

3. Напишите уравнения реакций получения Y из Х, если в качестве промежуточных веществ последовательно образуются С и D. Содержание кислорода в C, D, Y составляет 30,2 %, 14,9 % и 16,1 % соответственно. Ответ подтвердите расчётами. Учтите, что в соединении С имеется лишь два типа атомов углерода.

4. Кроме указанного выше метода известно ещё по крайней мере 4 способа получения Х. Укажите один из них. Напишите соответствующее уравнение (или уравнения) реакции.

Задача 11-4

Как известно, основным направлением потребления углеводородов до сих пор является их сжигание. Однако известны и разнообразные примеры частичного окисления углеводородов, приводящего к тем или иным ценным продуктам. При этом в зависимости от используемого окислителя и условий проведения реакции один и тот же углеводород можно превратить в разные соединения. На приведённой схеме показаны наиболее часто используемые методы окисления алкенов на примере (Е)-пентена-2. Учтите, что соединение М содержит 69.8 % углерода, при действии MnO2 оно превращается в продукт N, дающий реакцию серебряного зеркала с образованием соли О; соединения J и L являются диастереомерами (оптическими изомерами, не являющимися зеркальным отображением друг друга), а соединения К и М – изомеры, имеющие разные функциональные группы.

1. Напишите структурные формулы соединений A–O.
2. Напишите уравнение реакции (Е)-пентена-2 с перманганатом калия в растворе серной кислоты.
3. Соединения D, F и H легко превращаются в А, а Е, G и I в В. На примере одного из продуктов реакции (А или В, на ваш выбор) напишите, с помощью каких реагентов можно осуществить эти превращения (один пример для каждого превращения).

Задача 11-5

Нарушается ли принцип Ле Шателье?

Аммиак – самый многотоннажный продукт химической промышленности, ежегодно его получают более 100 млн. тонн. Реакция синтеза обратима: N2 + 3H2 ⇄ 2NH3. При 200 °C и давлении 1 атм константа равновесия, выраженная через мольные доли, Kx = 1, а при 400 °C и том же давлении Kx = 0,01.

1. Напишите выражение для константы равновесия Kx.

2. С выделением или поглощением теплоты происходит реакция синтеза аммиака? Объясните.

3. Сколько молей аммиака может образоваться при 200 °C из 1 моль N2 и 3 моль H2?

4. В равновесной смеси при некоторых условиях находится 0,65 моль N2, 0,25 моль H2 и 0,1 моль NH3. В какую сторону сместится равновесие при добавлении к этой смеси 0,25 моль азота? Объясните ваш ответ.

Девятый класс

Задача 9-1 (автор – Жиров А. И.)

1. Пусть было 100 г концентрированного раствора. (Содержание «купоросной водки» – серной кислоты – 98 г) Тогда масса добавленной воды составит 400 г. Общая масса раствора – 500 г. Массовая доля серной кислоты составит 98 : 5 = 19,6 (%).
2. При взаимодействии железа с разбавленной серной кислотой образуется сульфат железа (II) и водород:

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

2H2 + O2 = 2H2O

3. При более высокой концентрации кислоты наряду с водородом могут выделяться сероводород и сера:

4Fe + 5H2SO4 = 4FeSO4 + H2S + 4H2O

3Fe + 4H2SO4 = 3FeSO4 + S + 4H2O

Концентрированная серная кислота образует оксид серы (IV) и cульфат железа (III):

2Fe + 6H2SO4  Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

4.        Литр разбавленного раствора серной кислоты имеет массу 1200 г и содержит 0,196 ∙ 1200 = 235,2 г серной кислоты, что составляет 2,4 моль кислоты. Тогда при полном взаимодействии кислоты с железом выделяется 2,4 моль водорода или 2,4 · 22,4 = 53,76 (л). Объём выделяющегося водорода в 53,76 раз больше объёма разбавленной серной кислоты (или объём кислоты в 53,76 раз меньше объёма водорода).

Система оценивания

1. Расчёт концентрации –                                                         5 баллов
2. Реакция с железом –                                                         2 балла
3. Горение водорода –                                                                 1 балл
4.  Три реакции по 2 балла –                                                         6 баллов
5. Соотношение объёмов –                                                        6 баллов

ИТОГО:                                                                                20 баллов

Задача 9-2 (автор – Антонов А. А.)

1. Нитрат свинца и нитрат серебра являются качественными реагентами на галогены. При этом фторид серебра является растворимым. Значит, зашифрованные элементы являются галогенами. Фторид серебра, как указано выше, является растворимым, значит KX3 – KF. Белый осадок при взаимодействии с нитратом серебра образуют хлориды, значит KX2 – KCl. Самыми интенсивно окрашенными являются йодиды серебра и свинца, тогда KX1 – KI, а KX4 – KBr.

KX1 – KI, KX2 – KCl, KX3 – KF, KX4 – KBr.

2.

3.         KX1:                2KI + 3H2SO4 → 2KHSO4 + I2 + SO2 + 2H2O или

                        6KI + 7H2SO4 → 6KHSO4 + 3I2 + S + 4H2O или

                        8KI + 9H2SO4 → 8KHSO4 + 4I2 + H2S + 4H2O

KX2:                KCl + H2SO4 → KHSO4 + HCl↑

KX3:                KF + H2SO4 → KHSO4 + HF

KX4:                KBr + H2SO4 → KHSO4 + HBr↑ или

                2KBr + 3H2SO4 → 2KHSO4 + Br2 + SO2 + 2H2O

Во всех случаях будет образовываться кислая соль, так как используется концентрированная серная кислота, т. е. имеется значительный избыток кислоты.

4. Запишем уравнения всех реакций:

LiCl + H2SO4 → LiHSO4 + HCl↑

NaCl + H2SO4 → NaHSO4 + HCl↑

KCl + H2SO4 → KHSO4 + HCl↑

Пусть во взаимодействия вступило x моль серной кислоты, тогда в результате выделилось x моль хлороводорода. Масса реакционной смеси до взаимодействия 5,85 + 98x, а после взаимодействия 12 + 36,5x. По закону сохранения массы

5,85 + 98x = 12 + 36,5x,

откуда x = 0,1 моль. Значит V = νRT/p = 0,1∙8,31∙303:130 = 1,94 л

Система оценивания:

1. По 1 баллу за верное определение каждого вещества (элемента)        4 балла. Примечание для проверяющих: если угадана группа (т. е. что зашифрованы галогены), но в неправильном порядке, то не более 1 балла за данный пункт.
2. 9 уравнений по 1 баллу.                                                        9 баллов.
3. 4 уравнения по 1 баллу.                                                        4 балла

Примечание для проверяющих: в реакции с бромом и йодом засчитывать любую одну реакцию. Если вместо гидросульфатов указаны сульфаты, то 0,5 балла за реакцию.

4. По 0,5 балла за уравнения с хлоридами лития и натрия. За расчёт числа молей 1,5 балла.
   За расчёт объёма 0,5 баллов.                                всего        3 балла.

ИТОГО:                                                                                 20 баллов

Задача 9-3 (авторы – Архангельская О. В., Ильин М. А.)

1 – 2. Заметим, что сумма содержания указанных элементов в кислотах 3 и 4 отлична от 100 %. Поскольку перечисленные кислоты являются кислородсодержащими, следовательно, помимо водорода и элемента Х в их состав входит кислород. Для кислоты 3 соотношение H : O = 3,09/1,01 : 65,3/16,0 = 3,06 : 4,08 = 3 : 4, т. е. её формула – Н3ХО4. Руководствуясь данными о содержании элемента Х в кислоте 3, найдём его атомную массу: , т. е. элемент Х – фосфор. Кислота 3 – H3PO4.

В промышленности фосфор получают при нагревании смеси фосфорита, песка и угля:

2Ca3(PO4)2 + 10C + 6SiO2  P4­ + 10CO­ + 6CaSiO3.

Установим молекулярные формулы остальных кислот. Для кислоты 4:

 Поскольку в состав молекул кислот 1–3 входит по три атома водорода, а число атомов кислорода в ряду кислот  1–3 увеличивается на единицу, кислота 1 имеет молекулярную формулу Н3PO2, а кислота 2 – H3PO3.

Теперь мы можем заполнить пропуски в таблице:

3.         Н3PO2 + NaOH = NaH2PO2 + H2O                Н3PO3 + 2NaOH = Na2HPO3 + 3H2O

 Н3PO4 +3NaOH = Na3PO4 +3H2O                Н4P2O7 + 4NaOH = Na4P2O7 + 4H2O

4. Фосфорноватистая и фосфористая кислоты проявляют восстановительные свойства и обесцвечивают раствор перманганата калия:

10H3PO2 + 8KMnO4 + 7H2SO4 ® 5Mn(H2PO4)2 + 3MnSO4 + 4K2SO4 + 12H2O;

10H3PO3 + 4KMnO4 + H2SO4 ® 4Mn(H2PO4)2 +2КH2PO4 + K2SO4 + 6H2O.

5. Приведём один из возможных методов получения ортофосфорной и пирофосфорной кислот из фосфора:

P + 5HNO3 конц.  H3PO4 + 5NO2­ + H2O;

2H3PO4  H4P2O7 + H2O.

Система оценивания:

1 – 2. Элемент Х        1,5 балла;

уравнение реакции получения фосфора        0,5 балла;

молекулярные формулы кислот 1– 4         0,5 балла ´ 4 = 2 балла;

графические формулы кислот 1 и 2         1 балл ´ 2 = 2 балла;

графические формулы кислот 3 и 4         0,5 балла ´ 2 = 1 балл;

название кислот        0,5 балла ´ 4 = 2 балла;

основность кислот 1 и 2        1 балл ´ 2 = 2 балла;

основность кислот 3 и 4        0,5 балла ´ 2 = 1 балл;

степень окисления фосфора в кислотах        0,5 балла ´ 4 = 2 балла;

3.Ууравнения реакций кислот 1 – 4 с КОН        0,5 балла ´ 4 = 2 балла;

4. Уравнения реакций взаимодействия кислот с KMnO4        1 балл ´ 2 = 2 балла;

Уравнения считать правильными, если в качестве продуктов написаны как кислые, так и средние соли ортофосфорной кислоты.

5. Уравнения реакций получения кислот 3 и 4        1 балл ´ 2 = 2 балла;        

ИТОГО        20 баллов.

Задача 9-4 (автор – Лебедева О. К.)

1. Условиям задания соответствуют кислород (O2) и оксид азота (I) (N2O). Реакция X с NO позволяет заключить, что газ Х – кислород. Для наркоза и анестезии используют N2O (Y) (или смесь кислорода с циклопропаном). Таким образом

X – O2 – кислород, дикислород

Y – N2O – веселящий газ, гемиоксид азота, оксид диазота, оксид азота (I), закись азота.

По методу валентных связей молекулу кислорода можно представить как O=O. Для молекулы N2O можно представить следующие формы записи

, , , .

Любая вышеприведённая форма записи может считаться правильной, кроме , поскольку азот не может образовывать более четырёх ковалентных связей. Формула N–O–N также не подходит, поскольку в молекуле остаётся четыре неспаренных электрона.

2. Почернение раствора [Ag(NH3)2]NO3 говорит о том, что вещество A или образует с ионами серебра осадки (коллоидные) чёрного цвета, или восстанавливает ионы серебра до металла. Осадок чёрного цвета с ионами серебра даёт сульфид-ион, но сероводород не подходит по описанию (запах, тяжелее кислорода). Значит, вещество А – это восстановитель. Типичным восстановителем является оксид углерода (II) – CO. Относительно вещества B ясно, что это оксид углерода (IV) – CO2, который вызывает помутнение баритовой воды, и не имеет запаха.

Уравнения реакций

O2 + 2H2= 2H2O                                        (реакция 1а)

N2O + H2 = N2 + H2O                                                        (реакция 1б)

 O2 + 2NO = 2NO2                                                        (реакция 2)

CO + 2[Ag(NH3)2]NO3 + 2H2O = 2Ag↓ + (NH4)2CO3 +2NH4NO3        (реакция 3)

CO2 + Ba(OH)2 = BaCO3↓ + H2O                                        (реакция 4)

2Cu + O2 = 2CuO                                                        (реакция 5)

CuO + 2NH3 + 2NH4Cl = [Cu(NH3)4]Cl2 + H2O

Можно записать суммарное уравнение

2Cu + O2 + 4NH3 + 4NH4Cl = 2[Cu(NH3)4]Cl2 + 2H2O

3. Реакции кислорода

5O2 + P4 = P4O10                                                        (реакция 6)

или
5O2 + 4P = 2P2O5

O2 + PtF6 = [O2][PtF6]                                                (реакция 7)

10N2O + P4 = P4O10 + 10N2                                                (реакция 8)

или 5N2O + 2P = P2O5 + 5N2

5N2O + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 10NO + 2MnSO4 + K2SO4 +3H2O (реакция 9)

4. Следует иметь в виду, что речь идёт о получении медицинских препаратов, поэтому не все реакции получения кислорода пригодны для этой цели. Кислород получают из воздуха путём его сжижения. Возможные примеси – азот, инертные газы. Другая промышленная реакция – электролиз водных растворов щёлочи

2H2O  2H2 + O2

Возможные примеси – пары воды (со следами щёлочи).

В лабораторных условиях

2KClO3 → 3O2 + 2KCl

(при каталитическом разложении возможно образование следов ClO2).

Удобными источниками кислорода могут быть так называемые «хлоратные свечи» (NaClO3 + Fe + BaO2), кислород при этом образуется по реакции: 2NaClO3 = 3O2 + 2NaCl (возможно образование следов ClO2).

Можно получать кислород из таблеток, содержащих хлорную известь и пероксид натрия

CaOCl2 + Na2O2 + H2O = Ca(OH)2 + 2NaCl + O2 (в примесях может быть небольшое содержание хлора)

Достаточно чистый кислород получают по реакции:

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2

Непригодны для получения препарата реакции

2HgO = 2Hg + O2

2Zn(NO3)2 = 2ZnO + 4NO2 + O2

Чаще всего N2O получают термическим разложением нитрата аммония

NH4NO3 = N2O + 2H2O

Образующийся газ загрязнён азотом и оксидом азота (II) NO.

Более чистый N2O получают по реакции

NH3OH+Cl– + NaNO2 = N2O + 2H2O + NaCl

Система оценивания.

1. Установление X и Y по 1 баллу                                                        2 балла

Название (одно из возможных) по 1 баллу                                2 балла

Строение (одно из возможных) по 1 баллу                                2 балла

2. Установление A                                                                        1 балл

(если указано только, что А – восстановитель, без формулы) 0,5 балла

Установление B                                                                1 балл

3. Уравнения десяти реакций по 1 баллу                                                10 баллов
4. По одному способу получения X и Y с указанием примесей
   или с указанием отсутствия примесей                                        2 балла

ИТОГО                                                                        20 баллов

Примечание: реакция 5 может быть засчитана как два уравнения по 0,5 балла
или одно уравнение – 1 балл.

Задача 9-5 (автор – Каргов С. И.)

1. , откуда

 = 65,0 кг×моль–1.

2. Температура раствора повысилась, потому что реакция связывания кислорода с гемоглобином протекает с выделением теплоты, так как образуется химическая связь.

3. Общее количество выделившейся теплоты:

q = Cp · V · ΔT = 4,18 Дж·К–1·мл–1 · 100 мл · 0,031 К = 13 Дж.

Тепловой эффект реакции на моль кислорода:

 = 42,0 кДж×моль–1.

Система оценивания

1. За правильный расчёт молярной массы гемоглобина                                8 баллов

2. 2 балла за правильный ответ (выделение теплоты),
   2 балла за правильное объяснение (образование химической связи)                4 балла

3. За правильный расчёт теплового эффекта реакции                                8 баллов

ИТОГО                                                                                20 баллов

Десятый класс

Задача 10-1 (автор – Емельянов В. А.)

1. А – алмаз, Б – каменный уголь, В – сажа, Г – древесный уголь, CaCO3 – кальцит, CaCO3∙MgCO3 – доломит.

2. На долю углерода в атмосферном углекислом газе, масса которого 2,4∙1012 т, приходится 12 : 44 · 2,4 · 1012 = 6,5 · 1011 т. Это 0,0027 масс. % от всего углерода на нашей планете. Отсюда масса всего углерода 100 · 6,5 · 1011 : 0,0027 = 2,4 · 1016 т. По условию, эта величина составляет около 0,087 масс. % земной коры. Следовательно, масса земной коры около 100 · 2,4 · 1016 : 0,087 = 2,8 · 1019 т. Масса атмосферы рассчитывается из содержания в ней углекислого газа: 100 · 2,4 · 1012 : 0,046 = 5,2 · 1015 т.

3. Масса радиоизотопа 14С в природе 10–2 · 10–12 · 2,4 · 1016 = 2,4 · 102 т = 2,4 · 108 г. Его количество в молях 2,4 · 108 : 14 = 1,7 · 107, в штуках 1,7 · 107· 6 · 1023 = 1 · 1031 шт.

При таком низком содержании 14С (10–12 %) его вклад в атомную массу углерода проявится лишь в районе 12-го знака после запятой. Следовательно, масса углерода, приведённая в периодической системе, складывается из масс 12С и 13С с мольными долями, соответствующими их природному соотношению. Обозначив за х мольную долю 13С в природной смеси, составим уравнение: 13х + 12(1 – х) = 12,011, откуда х = 0,011. Общая масса углерода в земной коре 2,4∙1016 т = 2,4∙1022 г, его количество 2,4·1022 : 12,011 = 2,0∙1021 моль или 2,0∙1021∙6∙1023 = 1,2∙1045 атомов. Количество 13С 1,2∙1045∙0,011 = 1,3∙1043 шт, количество 12С 1,2∙1045∙(1 – 0,011)  1,2∙1045 шт.

4. Уравнения ядерных реакций:

За каждый период полураспада остаётся половина от имевшихся атомов, соответственно за два – четверть и т. д. За 28500 / 5700 = 5 периодов полураспада содержание 14С уменьшится в 25 = 32 раза.

5. Реакции Блэка:

MgCO3 = MgO + CO2

MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + H2O + CO2

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O, C + O2 = CO2.

Реакции Теннанта:

4P + 6CaCO3 = 2Ca3(PO4)2 + 4C + 2CO

4KNO3 + 8C = 2K2CO3 + 6CO + 2N2.

Углерод можно отмыть от фосфата кальция раствором сильной кислоты (только не серной): Ca3(PO4)2(тв) + 4HCl(раствор) = Ca(H2PO4)2(раствор) + 2CaCl2(раствор).

Система оценивания:

1.  Названия А – Г 0,5 б. 4, формулы кальцита и доломита 1 б.  2          4 балла
2.  Расчёт масс углерода, земной коры и атмосферы 1 б.  3                3 балла
3.  Количество каждого из трёх изотопов углерода 1 б.  3                3 балла
4.  Уравнения ядерных реакций 1 б.  2
   расчёт уменьшение содержания углерода 2 б.                                 4 балла
5.  Уравнения реакций Блэка и Теннанта 1 б.  5
   реакция выделения углерода из смеси с фосфатом кальция 1 б.         6 баллов

ИТОГО                                                                                20 балов

Задача 10-2 (автор – Дроздов А. А.)

1. Из описания химических свойств можно предположить, что речь идёт о соединениях свинца. Так, именно для свинца характерно выпадение чёрного осадка сульфида, который при действии перекиси водорода окисляется в белый сульфат, окисление гипохлоритом до оксида свинца (IV). Этот вывод можно подтвердить выводом формулы оксида. В общем случае для оксида MOx, где x = 0,5; 1; 1,5; 2 и т. д. имеем 16x / (M + 16x) = 0,0717. При x = 1, M = 207, свинец. Выделяющийся при действии на вещество Б газ – углекислый (M = 1,9722,4 = 44 г/моль). Значит, вещество В – карбонат свинца PbCO3 (минерал церуссит). Проверяем по массовой доле углерода: 12 / (207 + 60) = 0,045. Органическая кислота А, по-видимому, содержит в своём составе углерод, водород и кислород, её формула CхHyOz. Массовая доля углерода равна 12x / (12x + y + 16z) = 0,32. Получаем 25,5x = y + 16z. Перебором (x = 2, 3, 4; y = 3, 4, 4, 6; z = 2, 3, 4) получаем x = 4, y = 6, z = 6, что соответствует двухосновной винной кислоте C4H6O6: HOOC–CH(OH)–CH(OH)–COOH. Вещество В – тартрат свинца Pb(C4H4O6).

PbCO3 + C4H6O6 → PbC4H4O6 + CO2 + H2O

PbC4H4O6 + H2S → PbS↓ (чёрный осадок) + С4H6O6.

PbS + 4H2O2 → PbSO4 (белый)+ 4H2O

PbC4H4O6 + 6NaClO + 8NaOH → PbO2(коричневый) + 6NaCl + 4Na2CO3 + 6H2O

PbC4H4O6 → Pb + 2H2O + 4CO

А – винная кислота

Б – карбонат свинца

В – тартрат свинца

Г – свинец

Д – оксид свинца(IV)

2. Можно получить пирофорные железо и кобальт разложением оксалатов, формиатов, цитратов, например

Co(HCOO)2 = Co + CO + CO2 + H2O

FeC2O4 = Fe + 2CO2

Система оценивания

1. Определение металла (свинец)                                                        2 балла

доказательство расчётом                                                        2 балла

определение каждого из веществ А, Б, В, Д по 1 баллу                        4 балла

За каждое из пяти уравнений реакций по 2 балла                                10 баллов

2. За два примера получения пирофорных порошков
   других металлов по 1 баллу                                                        2 балла

ИТОГО                                                                                20 баллов

Задача 10-3 (автор – Куриленко К. А.)

1. Рассчитываем молярную массу газа В

(г/моль),

учитывая, что этот газ получен при взаимодействии соли X c соляной кислотой, им может быть хлор. B – Cl2.

Рассчитаем молярную массу газа А.

(г/моль)

Исходя из дробной молярной массы A, его бурой окраски и удушающего запаха, можно предположить, что данный газ содержит хлор, тогда на оставшиеся элементы приходится 67,5 – 35,5 = 32 г/моль. Это соответствует 2 атомам кислорода, тогда возможная формула A – ClO2.

Зная молярную массу A и мольное соотношение, можно определить газ С.

 г/моль. Газом с такой молярной массой, выделяющимся из раствора щавелевой кислоты, может быть лишь CO2. C – CO2.

A – ClO2

B – Cl2

C – CO2.

2. Уравнения реакций взаимодействия газов со щёлочью в соответствии с условием задачи:

2ClO2 + 2KOH = KClO2 + KClO3 + H2O         (1)

3Cl2 + 6KOH = KClO3 + 5KCl + 3H2O (2)

Cl2 + 2KOH = KCl + KOCl + H2O (2а)

CO2 + 2KOH = K2CO3 + H2O (3)

3. По окраске пламени и выделении двуокиси хлора при взаимодействии соли X с концентрированной H2SO4 можно судить о наличии в её составе калия и хлора. По реакции 1 рассчитаем молярную массу X.

, по уравнению реакции

Составим таблицу

Из таблицы видно, что единственной солью с данной молярной массой, в которой присутствуют хлор и калий, может являться хлорат калия.

X – KClO3

4. Уравнения взаимодействия KClO3 c кислотами.

3KClO3 + 3H2SO4 → 3KHSO4 + HClO4 + 2ClO2 + H2O

KClO3 + 6HCl → KCl + 3Cl2 + 3H2O

2KClO3 + H2C2O4 → K2CO3 + CO2 + 2ClO2 + H2O

5. Разложение KClO3 начинается уже при 400 °C. Так, в присутствии катализатора (MnO2 и др.) разложение преимущественно идёт по следующей реакции:

2KClO3 → 2KCl + 3O2

В отсутствие катализатора образуются хлорид и перхлорат калия:

4KClO3 → 3KClO4 + KCl

6) Тривиальное название соли X – бертолетова соль. Она применяется в спичечном производстве, при изготовлении взрывчатых веществ и сигнальных ракет. Смеси этой соли с восстановителями (серой, фосфором и др.) легко взрываются от удара (видимо, это вызвало опасения Юры, и он аккуратно убрал банку с бертолетовой солью глубоко в сейф).

Система оценивания:

1. 3 газа + 3 расчёта = 3∙2 балла + 3∙0,5 балла                                 7,5 баллов
2. 3 уравнения по 1 баллу                                                         3 балла
3. соль + расчёт = 2 балла + 0,5 балла                                         2,5 балла
4. 3 уравнения по 1 баллу                                                         3 балла
5. 2 уравнения по 1 баллу                                                         2 балла
6. Объяснение опасений Юры + применение 2∙0,5 балла
   + название 1 балл                                                                 2 балла

ИТОГО                                                                                20 баллов

Задача 10-4 (автор – Бахтин С.)

1. При гидрировании как I, так и II образуется н-пентан:

С малеиновым ангидридом (МА) реагирует только I (реакция Дильса–Альдера):

2. ν(I) = ν(МА) =  моль.

ν(I + II) = ;  = 0,4 моль; ν(I + II) = 0,2 моль;
ν(II) = 0,2 – 0,15 = 0,05 моль. Найдём мольные доли: χ(I) = ; χ(II) = 25 %

3. Запишем схемы гидрирования диенов:

и составим систему уравнений:

Решая, находим: Q1 = 226,5 кДж/моль, Q2 = 254,6 кДж/моль.

4. ΔE = Q2 – Q1 = 28,1 кДж/моль.

5.

Система оценивания

1. 3 уравнения реакции по 2 балла за каждое.                                 6 баллов.
2. Расчёт состава смеси                                                        4 балла.
3. Энергии гидрирования каждого соединения – по 2 балла.                 4 балла.
4. Расчёт                                                                        1,5 балла.
5. Структуры соединений А–С по 1,5 балла.                                4,5 балла.

ИТОГО                                                                                 20 баллов

Задача 10-5 (авторы – Егельская Л. А., Ерёмин В. В.)

1. Пусть формула минерала MxSy, а молярная масса элемента M равна M. Тогда массовая доля серы равна:

, откуда .

Перебором при x = 1 и y = 2 получаем химически разумное решение M = 56, то есть формула минерала FeS2. Обычное название минерала – пирит. Название происходит от греческого «pyrites lithos», что означает «камень, высекающий огонь». Другие названия: железный или серный колчедан, марказит, бравоит.

2. При обжиге пирита образуются твёрдый и газообразный продукты. Твёрдый продукт – один из оксидов железа: FeO, Fe2O3 или Fe3O4. По условию задачи при обжиге масса твёрдого вещества уменьшается на треть. В случае образования каждого из трёх перечисленных оксидов отношение масс твёрдых веществ равно:

,

,

.

Следовательно, твёрдый продукт обжига – Fe2O3.

Газообразный продукт – один из оксидов серы: SO2 или SO3. По условию задачи масса газообразного продукта на 60 % (т. е. в 1,6 раза) больше массы твёрдого остатка (Fe2O3). Тогда с учётом стехиометрии (на 2 атома железа приходится 4 атома серы) молярная масса газообразного продукта равна

 = 64 г/моль.

Следовательно, газообразный продукт обжига – SO2.

Примечание для проверяющих: учащиеся могут сразу выбрать в качестве продуктов Fe2O3 и SO2. В этом случае они должны проверить соответствие отношений масс условиям задачи.

Уравнение реакции обжига пирита:

4 FeS2(тв.) + 11 O2(г.) = 2 Fe2O3(тв.) + 8 SO2(г.)

Для обжига 1 моля пирита требуется 11 / 4 = 2,75 моль O2.

Объём воздуха (н. у.) равен 2,75 / 0,2 · 22,4 = 308 л.

В нём содержится 308 · 0,8 = 246,4 л N2.

При обжиге образуется 8 / 4 · 22,4 = 44,8 л SO2.

Общий объём полученной газовой смеси (н. у.) равен 246,4 + 44,8 = 291,2 л.

Объёмные доли компонентов газовой смеси составляют:

(SO2) = 44,8 / 291,2 = 15,4 %.

(N2) = 246,4 / 291,2 = 84,6 %.

3. По закону Гесса

2 Qобр(Fe2O3) + 8 Qобр(SO2) – 4 Qобр(FeS2) = 4 · 828,

или 2 · 824 + 8 · 297 – 4Qобр(FeS2) = 4 · 828,

откуда Qобр(FeS2) = 178 кДж/моль.

Система оценивания

1.  4 балла за правильную формулу X, 2 балла за название,
   2 балла за хотя бы одно другое название                                 8 баллов
2. 4 балла за расчёт объёма воздуха,
   4 балла за состав газовой смеси                                                8 баллов
3. За расчёт теплоты образования X                                        4 балла

ИТОГО                                                                                20 баллов

Одиннадцатый класс

Задача 11-1 (автор – Дроздов А. А.)

См. решение задачи 10-2

Задача 11-2 (автор – Можаров С. А.)

1. Природный уран в основном состоит из изотопа  (99,3 %). В ядерной реакции на электростанциях участвует только изотоп , содержание которого в природном уране составляет примерно 0,7 %. В обогащённом уране содержание изотопа  искусственно увеличено до 3 – 20 % или более. Именно обогащённый уран используется как топливо в ядерных реакторах.

2. 3RCOOH(о) + UO22+(в) + 3NH3(в) → NH4[UO2(RCOO)3] (о) + 2NH4+ (в)

NH4[UO2(RCOO)3](о) + 3H+(в) → 3RCOOH(о) + UO22+(в) + NH4+(в)

3. 4,5 миллиарда тонн урана ( г) соответствует  моль. Молярная концентрация уранил-иона в морской воде составляет М.

Предложенная методика концентрирования состоит из трёх этапов. На первом этапе происходит экстракция урана из морской воды в органическую фазу в виде комплекса. Известно, что равновесная концентрация урана в органической фазе (с) в 40 раз больше, чем в водной (), и что объём органической фазы (V) в 10 раз меньше объёма водной (). Определим равновесную концентрацию урана в органической фазе (c). Обозначим исходную концентрацию урана в воде . Суммарное количество урана после экстракции должно соответствовать исходному количеству урана в водной фазе: . Решая это уравнение относительно с, получим . Следовательно, на первой стадии процесса концентрация урана увеличилась в 8 раз.

Согласно условию, на второй стадии уран количественно переходит в водную фазу, объём которой в 10 раз меньше объёма органической фазы. Это эквивалентно 10-кратному увеличению концентрации урана.

На третьей стадии в раствор добавляется аммиак, и указывается, что увеличением объёма следует пренебречь. Следовательно, один цикл концентрирования приводит к 80-кратному увеличению концентрации урана. Для получения полумолярного раствора, исходя из морской воды, концентрацию урана необходимо увеличить в  раз. Для нахождения необходимого количества повторений процедуры концентрирования, нужно найти минимальное значение x, при котором будет выполняться условие .

Таким образом, цикл концентрирования необходимо повторить 4 раза, что вполне реально осуществить.

4. Мировые запасы урана в виде руды составляют

При текущей скорости добычи и потребления этого хватит на 6 года. Объём воды, который нужно будет перерабатывать ежедневно, чтобы покрыть такую потребность:

.

***(По материалам работы S. Beer et al, Chem. Sci., 2010, 1, 43 – 47)

Система оценивания:

1. Природные изотопы                                                        1 балл.

Изотоп электростанций                                                        1 балл.

Обогащённый уран                                                                1 балл

2. Образование комплекса                                                         1 балл,

разрушение комплекса                                                         2 балл

3. Расчёт молярной концентрации                                                 3 балла,

расчёт количества циклов                                                        5 баллов

4. Истощение месторождений                                                3 балла,

переработка воды                                                                3 балла

ИТОГО                                                                        20 баллов

Задача 11-3 (автор – Лебедева О. К.)

1. Твёрдое кристаллическое вещество с резким запахом, умеренно растворяющееся в воде и хорошо – в растворах щелочей, используемое в медицине как антисептическое средство, может относиться к классам органических кислот или фенолов. По способу получения и качественным реакциям с хлоридом железа и бромом вещество Х относится к классу фенолов. Для получения Х использовалась незамещённая бензолсульфокислота, следовательно Х является фенолом – C6H5OH.
2. Реакции (1), (2) и (4) хорошо известны.

C6H5SO3Na + 2NaOH = C6H5ONa + H2O + Na2SO3                                (1)

C6H5ONa + H2SO4 = C6H5OH + NaHSO4                                                (2)

Реакция (3) представляет собой реакцию обмена атомов хлора в хлориде железа на остатки фенолят-иона. Хотя соляная кислота более сильная, чем фенол, образование комплексного соединения приводит к вытеснению сильной кислоты из её соли кислотой более слабой. Для комплексных соединений железа характерно координационное число 6. Поэтому формулу продукта можно написать как H3[Fe(C6H5O)6].

6C6H5OH + FeCl3 = H3[Fe(C6H5O)6] + 3HCl                                        (3)

Вещество В содержит 78 % брома. Это больше, чем содержание брома в 2,4,6-трибромфеноле (72,5 %). Если А в условиях реакции не подвергается деструкции, значит В содержит дополнительные атомы брома. Пусть число атомов брома в молекуле В равно 4. Тогда МВ = 320/0,78 = 410. Это соответствует формуле С6Н2Br4O. То есть произошло замещение ещё одного атома водорода на бром. Поскольку В является мягким бромирующим агентом и не даёт характерной окраски с FeCl3, это соединение не является 2,3,4,6-тетрабромфенолом, который, как и любой другой фенол, взаимодействует с FeCl3, но не может выступать как бромирующий агент. Однако в молекуле А есть ещё атом водорода, связанный с атомом кислорода. Поскольку связь O–Br очень слабая, прямое замещение Н на бром при атоме кислорода невозможно. Однако возможна атака брома по уже замещённому пара-положению с отщеплением атома водорода фенольной группы и образованием соединения, имеющего так называемую хиноидную структуру.

3. Рассчитаем соотношение фенола и гипохлорита натрия, взятых для анализа. В 2 мл аликвоты раствора фенола (PhOH) содержится m(PhOH) = (0,5·2)/100 = 0,01 г PhOH, что соответствует ν(Ph) = 0,01/94 ≈ 0,0001моль. Массовая доля хлора в NaClO составляет ω(Cl) = 35,5/74,5 = 0,48. В 0,05 мл NaClO содержится с учётом массовой доли хлора m(Cl) = (0,05·3)/100 = 0,0015г (Cl). Это соответствует m(NaClO) = 0,0015/0,48 = 0,003125г, что соответствует ν(NaClO) = 0,003125/74,5 = 4,2·10–5 моль. Значит, фенол по отношению к NaClO находится почти в двукратном избытке. Содержание кислорода в самом феноле равно 17,0 %. Увеличение содержания кислорода почти в два раза (с 0,170 до 0,302) при окислении фенола гипохлоритом, свидетельствует о том, что вещество С содержит два атома кислорода (на 6 атомов углерода). Напротив, D снова содержит один атом кислорода на 6 атомов углерода. Если считать, что вещество D по-прежнему содержит именно 6 атомов углерода, можно определить M(D). M(D) = 16/0,149 = 107. После вычета массы 6 атомов углерода и одного атома кислорода остаётся 19. Эта масса образована атомами водорода и ещё какого-то элемента. Поскольку реакцию окисления проводят в растворе аммиака, этим элементом должен быть азот. То есть молекулярная формула D – C6H5NO. Аналогичный расчёт не даёт подходящего ответа для соединения Y при условии, что Y содержит 6 атомов углерода. Но это соединение может содержать 6n атомов углерода (и n атомов кислорода). Проверим этом предположение. При n = 2 M(Y) = 32/0,161 = 199. Из этой величины 144 приходится на 12 атомов углерода, 32 на два атома кислорода. Тогда на остальные атомы – 23. Следовательно, в молекуле может быть только один атом азота (14) и 9 атомов водорода. Формула Y – C12H9NO2. Учитывая высокую симметрию С (два типа атомов углерода), можно сделать вывод, что окисление фенола в этих условиях протекает следующим образом:

4. Фенол можно получить нагреванием хлорбензола с NaOH. Этот способ, как и получение фенолов из сульфокислот, имеет в основном историческую и теоретическую ценность и сейчас не применяется:

                        С6Н5Cl + NaOH = C6H5OH + NaCl

Фенол образуется из раствора соли фенилдиазония при его хранении при комнатной температуре. Это обычно нежелательный процесс, поэтому такие соли получают при охлаждении.

                        С6Н5N2+ Cl– + H2O = C6H5OH + HCl + N2

Фенол получают в промышленности кумольным методом

и прямым окислением бензола закисью азота:

                        С6Н6 + N2O = C6H5OH + N2

Система оценивания:

1. Формула и название вещества Х – по 1 баллу.                                2 балла.
2. 5 уравнений реакций по 2 балла.                                                10 баллов

В реакции (3) за правильный ответ следует принимать и другие формулы комплексов железа с координационным числом 6, например, [FeCl3(C6H5OH)3]).

3. 3 уравнения реакций по 2 балла.                                                6 баллов.
4. Указание реагентов – 1 балл, уравнение реакции – 1 балл                 2 балла.

Примечание: баллы ставятся за любой из методов получения фенола,
в том числе и неперечисленный в решении, если он является правильным.

ИТОГО                                                                                20 баллов

Задача 11-4 (автор – Трушков И. В.)

1. Реакция окисления 1,2-дизамещённых этиленов перманганатом калия в кислой среде приводит к образованию двух кислот. Из 2-пентена образуются уксусная и пропионовая кислоты. А и В – CH3COOH и C2H5COOH.

Реакция озонирования алкенов даёт озонид, который в условиях окислительного расщепления (щелочной раствор перекиси водорода) превращается в соли тех же двух кислот. При восстановительном расщеплении озонида цинком в уксусной кислоте образуются соответствующие альдегиды, а если озонид восстанавливать борогидридом натрия – спирты.

Окисление алкенов водным раствором перманганата калия при комнатной температуре приводит к образования вицинальных диолов. Эта реакция протекает как син-присоединение двух гидроксильных групп к двойной связи С=С.

Согласно условию, соединение L является диастереомером J. Иначе говоря, L отличается от J только тем, что имеет иную относительную конфигурацию двух стереоцентров (если НО-группа при атоме С2 направлена к нам, то НО-группа при атоме С3 будет направлена не к нам, а от нас).

Соединения К и М содержат по 69,8 % углерода. Считая, что при образовании К и М количество атомов углерода в молекуле не уменьшается, получаем, что их молекулярная масса равна (5·12 / 0,698) = 86. Это соответствует формуле С5Н10О, причём соединение М при действии оксида марганца окисляется в альдегид, вступающий в реакцию серебряного зеркала с образованием соли кислоты. Значит, М – первичный аллиловый спирт, N – соответствующий альдегид, а О – аммониевая соль соответствующей кислоты. С другой стороны, К образуется из алкена при действии надуксусной кислоты. Это – хорошо известная реакция Прилежаева, приводящая к образованию эпоксида.

2. 5 СН3СН=СНС2Н5 + 8 KMnO4 + 12 H2SO4 = 5 CH3CO2H + 5 C2H5CO2H + 4 K2SO4 +

+ 8 MnSO4 + 12 H2O

3. Рассмотрим эти реакции на примере уксусной кислоты. Соединение D является солью кислоты А, т. е. для его превращения в А требуется просто добавить сильную кислоту.

СН3CO2Na + HCl = CH3CO2H + NaCl

Этанол и уксусный альдегид превращаются в уксусную кислоту окислением, например, подкисленным раствором перманганата калия, KMnO4. Можно использовать хромовую кислоту H2CrO4 и другие окислители. Однако нужно помнить, что при использовании щелочного раствора окислителя образуется не кислота (что требуется по условию), а её соль. Примером является превращение N в О.

Система оценивания:

1. Структуры A–О по 1 баллу. (Для С принимается формула как первичного, так и вторичного озонида). Если структуры J–L приведены без указания стереохимии, то они оцениваются в 0,5 балла.                                максимум 15 баллов.
2. 2 балла (при правильных коэффициентах уравнение оценивается в 2 балла независимо от того, использованы структурные или молекулярные формулы)
3. 3 превращения по 1 баллу.                                                        3 балла.

ИТОГО                                                                                20 баллов

Задача 11-5 (автор – Ерёмин В. В.)

1. 

2. При нагревании константа равновесия уменьшается, то есть равновесие смещается в сторону реагентов. Согласно принципу Ле Шателье это означает, что реакция идёт с выделением теплоты.

3. Пусть в реакцию вступило a моль N2, тогда прореагировало 3a моль H2 и образовалось 2a моль NH3. Общее количество вещества после реакции: (N2) + (H2) + (NH3) = (1–a) + (3–3a) + 2a = 4 – 2a.

.

.

.

a = 0,34.

(NH3) = 2  0,34 = 0,68 моль.

4. Рассчитаем мольные доли веществ после добавления азота и составим из них величину Q, по форме аналогичную константе равновесия:

.

.

Это значение превышает значение константы равновесия:

.

Это означает, что продукта реакции больше, чем необходимо в равновесной смеси, следовательно, для достижения равновесия должна пойти обратная реакция. Таким образом, в данном случае добавление реагента приводит к смещению равновесия влево.

Комментарий: Это противоречит традиционной формулировке принципа Ле Шателье (но не самому принципу!). Кажущееся противоречие объясняется тем, что количество азота в исходной смеси сильно превышает стехиометрическое, поэтому дальнейшее добавление азота термодинамически невыгодно.

Система оценивания

1. За правильное выражение для константы равновесия                        2 балла
2. 2 балла за правильный ответ (выделение теплоты), 2 балла за объяснение        4 балла
3. За правильный расчёт числа молей                                                6 баллов
4. 2 балла за правильный ответ (равновесие сместится влево),
   6 баллов за объяснение с расчётом (4 балла за объяснение без расчёта)        8 баллов

ИТОГО                                                                                20 баллов

Задания для 8-9 классов

Задача (8-9) -1.

В 1775г. Французская академия наук объявила специальную премию за изобретение искусственного способа получения соды. Его нашёл французский химик Никола Леблан, предложивший получать это вещество из глауберовой соли спеканием её с углём и карбонатом кальция (массовое соотношение реагентов приблизительно 3:1:2 соответственно) (реакция 1). В ходе реакции выделяется газ, который после поджигания на воздухе (реакция 2) вызывает помутнение известковой воды (реакция 3). Для выделения соды из продуктов  реакции 1 образующуюся твёрдую массу выщелачивали (обрабатывали водой) (реакция 4) и затем кристаллизовали соду из получившегося раствора.

1. Приведите уравнения реакций 1 – 4, назовите их продукты и приведите необходимые расчёты.
2. К какому типу реакций относится реакция 1?
3. Что происходит при длительном пропускании продукта реакции 2 через известковую воду ?
4. Из какого природного минерала можно добывать соду? Приведите его название и химическую формулу.
5. Где применяется газ, выделяющийся в реакции 1? Ответ подтвердите уравнениями реакций (засчитывается 2 верных примера).

Задача(8- 9) -2.

Соединение А, являющееся сильным окислителем, можно получить, пропуская жёлто-зелёный газ Б (галоген)  через горячий концентрированный раствор едкого кали (реакция 1).  При этом помимо А образуется соль В. Если А нагреть в присутствии оксида марганца (IV)  до 4000С, то выделится двухатомный газ Г плотностью по фосфину 0,94, а в остатке будет В (реакция 2). Однако, если термолиз проводить без катализатора, то наряду с В образуется соединение Д (реакция 3). Д плохо растворимо в воде  в отличие от своего натриевого аналога.

1. Установите вещества А-Д, напишите уравнения реакций 1-3. Назовите вещества А, Д.
2. Напишите уравнение реакции разложения Д (реакция 4).

Задача (8-9)  -3.

Образец щелочного металла массой 2г, окисленный  с поверхности на 1,5%, поместили в воду. Один из полученных продуктов при действии на него хлороводородной кислоты дает вещество, широко используемое в приготовлении пищи.  

1. Напишите уравнения реакций.
2. Какова масса образовавшегося вещества?

Задача(8- 9)  -4.

В четырех пробирках находятся порошки оксида меди(II), оксида железа (III), серебра и железа. Используйте один из предложенных реактивов: NaOH, HClразб.,  H2O, Na2CO3, с помощью которого можно распознать каждое вещество.

Задача (8-9) -5. 

Как из смеси двух твердых солей – хлорида магния и хлорида аммония – выделить соль магния?

Задания для 10 класса

Задача 10-1.

При испарении некоторого количества углеводорода его пары занимают четверть объема, который заняло бы такое же по массе количество кислорода (при одинаковых  температуре и давлении). Полное сгорание 1 г этого углеводорода дает 0,562 г воды и 3,434 г оксида углерода(IV).  

1. Какова молекулярная формула углеводорода?
2. Какой важнейший углеводород такого состава Вам известен?

Задача 10-2.

Целестин (от лат. caelestis — небесный) – это природный минерал, образующий красивые бледно-голубые или розово-красные кристаллы. В состав целестина входит элемент Х, проявляющий валентность II в своих соединениях. Известно, что осадок А, образующийся при добавлении к раствору глауберовой соли раствора хлорида бария (реакция 1), содержит атомы элемента той же группы, в которой находится элемент Х.

При нагревании навески А с коксом (t=11000C) получили твёрдый остаток Б и токсичный газ  (хороший восстановитель) В (реакция 2). Затем Б растворили в избытке подогретой воды, и выделился газ Г с неприятным запахом (реакция 3).

Когда проводили аналогичные операции с такой же навеской целестина, оказалось, что при её нагревании с коксом (реакция 4) помимо твёрдого белого остатка Д и газа В  выделяется ещё и газ Е, вызывающий помутнение баритовой воды (реакция 5); а при растворении Д в воде газ Г начал выделяться лишь при кипячении раствора (реакция 6).  

1. Напишите уравнения упомянутых реакций.
2. Определите химический состав целестина, если известно, что в реакции 5 выделилось   50,12 г осадка, а в реакции 6 – на 1,21 л газа Г больше, чем в реакции 3.
3. Какие названия есть у минерала, имеющего такой же химический состав, что и А?

Задача 10-3.

При взаимодействии 16 г неизвестного предельного одноатомного спирта с натрием выделилось 5,6 л (н.у.) водорода.

1. Установите молекулярную формулу спирта.
2. Определите объем газа, выделяющегося при взаимодействии 1 моль спирта с натрием.

Задача 10-4.

Соединение X , широко применяемое в быту в виде 3% или 70-80% водных растворов, является слабой кислотой. При взаимодействии 204г 5% водного раствора X с избытком NaOH и дальнейшем выпаривании смеси образуется 13,94г белого порошка вещества А, которое  используется в химических грелках, а также как консервант. При сплавлении А и сухого NaOH выделяется газ Б, являющийся важным химическим сырьём и незаменимым топливом. Смесь газа Б и хлора, взятая в объёмном соотношении 1:1,  реагирует на свету с образованием смеси веществ, основным компонентом которой является вещество В. В реакции В с бензолом в присутствии хлорида алюминия(III) образуется вещество Г, содержащее 91,3% углерода по массе. При взаимодействии Г со смесью азотной и серной кислот образуется опасное взрывчатое вещество Д (считать, что реакция идёт до конца

1. Определите вещества А-Д, X и приведите их названия, где возможно – тривиальные.
2. Напишите уравнения всех упомянутых реакций, ответ подтвердите расчётом.
3. Есть ли среди описанных реакций именные? Назовите, какие.
4. Каким свойством вещества А обусловлено его применение в химических грелках?
5. Какие еще способы получения вещества Б вы знаете? Приведите не менее двух способов.

Задания для 11 класса

Задача 11-1.

Ещё в давние времена люди заметили, что в винных бочках при длительном хранении вина на стенках образуется налёт, который они назвали винным камнем. Лишь несколько веков спустя учёные выяснили, что это вещество – кислая соль винной (2,3-дигидроксибутандиовой) кислоты и металла Х (ω(С) = 25,53%).

1. Определите металл Х, а также структурную формулу винного камня. Приведите необходимые расчёты. Как сейчас называется винный камень?
2. Какая соль металла Х использовалась в средние века в производстве мыла? Как её тогда называли?
3. Опишите физические свойства металла Х, напишите уравнение реакции его горения на воздухе, назовите продукт реакции. В какой цвет окрашивают пламя спиртовки соединения Х?

При нейтрализции винного камня едким натром (реакция 1) образуется сегнетова соль, имеющая в своём составе атомы пяти  химических элементов. Смешением водного раствора медного купороса и щелочного раствора сегнетовой соли (реакция 2) можно получить тёмно-синюю фелингову жидкость, которая используется в качественном анализе для обнаружения углеводов.

Напишите уравнения реакций (1-3), если известно, что один из продуктов реакции 2 – комплексная соль меди, сходная по строению с продуктом реакции этиленгликоля и свежеприготовленного гидроксида меди(II)  (реакция 3).  Реакцию 2 запишите в сокращённой ионной форме.

Как называются комплексы такого типа?

Задача 11-2.

В молекулу пиридина помимо атомов углерода и водорода входит ещё и атом азота. Известно, что массовая доля углерода в пиридине составляет 75,9%, водорода – 6,3%, остальное – азот.

1. Установите структурную формулу пиридина, если известно, что он является ароматическим соединением (согласно правилу Хюккеля ароматической является плоская моноциклическая сопряженная система, содержащая (4n + 2) π-электронов, где n = 0,1,2…).
2. Являются ли ароматическими следующие соединения:

циклопентадиен ; циклооктатетраен  ; тиофен  ?

Задача 11-3.

Современной промышленности часто требуются высокочистые металлы. Есть много способов их очистки, один из которых – метод  электрохимического рафинирования. Так, для получения металла X высокой чистоты через водный раствор его сульфата пропускают электрический ток с электродами, сделанными из Х. При пропускании в течение двух часов через этот раствор тока силой 15А на аноде выделилось 89,3г металла Х.

1. Определите металл Х  ( известно, что он входит в число «семи металлов древности»). Ответ подтвердите расчётом.
2. Какие минералы, в состав которых входит металл Х, вы знаете? Приведите химические формулы двух из них, а также названия.

Если к Х прилить избыток концентрированной серной кислоты, то образуется раствор соли А (реакция 1), добавление к которому  NaOH вызывает выпадение осадка Б сине-голубого цвета (реакция 2). Добавляя Б к раствору формальдегида при нагревании, можно получить соединение В (реакция 3), а также вещество Г желтого цвета.  В ходе реакции наблюдается изменение окраски раствора с жёлтой до красной.

3. Определите вещества А-Г, напишите упомянутые уравнения реакций и назовите их продукты, если известно, что А, Б , Г содержат Х, а В – нет.
4. С помощью уравнения реакции объясните, почему раствор в реакции 3 краснеет не сразу.

Задача 11-4.  Рассмотрите следующую схему превращений:

                                       NaCN                 Б  горячая вода, серная кислота   В    хлор, хлорид фосфора (V)          Е

Этан  хлор, свет  → А 

                                  Mg           Г   cухой лёд    Д      вода

                   водород, Ni Ренея                                                    Ж                 нагрев     

Известно, что:

- соединение Г содержит 27,1% Mg по массе;

- соединение, имеющее такой же количественный и качественный состав, что и сухой лёд, образуется при нагревании муравьиной кислоты с перманганатом калия;

- реакции  получения  веществ А,  Г, Д  относятся к реакциям присоединения;

- при превращении В в Е в реакцию вступает только α-атом углерода (реакция идёт до конца).

1. Осуществите указанные на схеме превращения, ответ подтвердите с помощью дополнительных данных (расчёт + полное уравнение реакции).

2. Какой учёный внёс большой вклад в химию соединений, подобных соединению Г?