Олимпиадные задания на вывод формулы
олимпиадные задания по химии (8, 9, 10 класс)

1. Вещество состоит из элементов Х и Y, находящихся в одном периоде, и имеет формулу XY. Водородные соединения элементов X и Y содержат 21.43% и 17.65% (по массе) водорода, соответственно. Определите вещество XY. Какими интересными свойствами оно обладает? (Самара, 2015)

Решение.

1. Определим атомную массу элемента X. Запишем формулу соединения элемента X с водородом в общем виде как XНn (где n – число атомов Н, равное валентности элемента X (т.к. водород всегда одновалентен)). Отсюда, молекулярная масса XНn равна:     М(XНn) = А(X) + n∙А(Н).

Составим пропорцию и находим (полагая, что А(Н)=1 г/моль):

М(XНn) – 100 %;

n∙А(Н) – 21.43 %.

М(XНn) = А(X) + n∙А(Н) = (n∙А(Н)∙100%)/21.43 % = 4.67∙n г/моль.

Отсюда, А(X) = 4.67∙n – n = 3.67∙n. Условию задачи удовлетворяет случай при n=3. А(X)=11 г/моль. Элемент X – бор (В), элемент второго периода.

2. Определим атомную массу элемента Y. Запишем формулу соединения элемента Y с водородом в общем виде как YНn (где n – число атомов Н, равное валентности элемента Y (т.к. водород всегда одновалентен)). Отсюда, молекулярная масса YНnравна:М(YНn) = А(Y) + n∙А(Н).

Составим пропорцию и находим (полагая, что А(Н)=1 г/моль):

М(YНn) – 100 %;

n∙А(Н) – 17.65 %.

М(YНn) = А(Y) + n∙А(Н) = (n∙А(Н)∙100%)/17.65 % = 5.67∙n г/моль.

Отсюда, А(Y) = 5.67∙n – n = 4.67∙n. Условию задачи удовлетворяет случай при n=3. А(Y)=14 г/моль.

Элемент Y – азот (N), элемент второго периода.

Итак, вещество XY – нитрид бора BN.

3. Охарактеризуем нитрид бора:

Нитрид бора (BN) образуется при взаимодействии при высокой температуре бора с азотом, а также бора или В2О3 с аммиаком (гексагональнаграфитоподобнаяя модификация). Это кристаллическое соединение, весьма инертное и термостойкое. Существует в виде полимера, его кристаллическая решетка состоит из слоёв, образованных из шестичленных колец, в которых чередуются поляризованные атомы B и N (рис.1(а)). Показанные на рис.1(а) двойные связи приведены условно, поскольку в действительности -связи здесь как и в бензоле делокализованы. Элементы В и N расположены в периодической системе по обе стороны от С, поэтому соединение ВN можно рассматривать как гетероатомный аналог графита. Как и графит, он легко разделяется на чешуйки, жирный на ощупь, но, в отличие от графита, бесцветен и неэлектропроводен.

В условиях высоких давления и температуры (6.0-8.5 ГПа, 1500-1800 ºС) гексагональный нитрид бора переходит в кубическую алмазоподобную модификацию (рис.1(б)), которая имеет несколько технических названий (эльбор, кубонит, боразон). Это бесцветное неэлектропроводящее кристаллическое вещество, обладающее сверхвысокой твёрдостью. По твёрдости оно лишь немного уступает алмазу, но значительно превосходит его по термостойкости, выдерживает нагревание на воздухе до 2000 ºС (алмаз, например, сгорает уже при 800 ºС). В кубическом BN, как и в алмазе, окружение атомов тетраэдрическое (sp3-гибридизация). Одна из  связей в кубическом BN донорно-акцепторная, она образуется за счет неподелённой электронной пары атома азота и свободной атомной орбитали бора.

Ответ: нитрид бора BN

2. Массовая доля кислорода в оксиде элемента, проявляющего степень окисления +7, равна 61.2%. Определите этот элемент и составьте формулу оксида. (Самара -2015)

Формула оксида будет имеет вид Э2О7. Запишем выражение для молярной массы оксида: М(Э2О7) = 2A(Э) + 7A(O) = 2Ar(Э) + 112.

Массовая доля элемента в оксиде равна ω(Э) = 100 – 61.2 = 38.8 (%).

Для определения атомной массы элемента составим пропорцию:

112 массовых частей составляют 61.2%

2A(Э) массовых частей составляют 38.8%

A(Э) = 112∙38.8 / (2∙61.2) = 35.5 (г/моль).

Атомная масса 35.5 г/моль соответствует элементу хлору. Формула оксида – Cl2O7.

3.9-3. Определите формулу соли, если известно, что она состоит из трѐх элементов: азота, водорода и кислорода. Массовая доля азота в ней составляет 43,75 %. Известно, что при нагревании этой соли не образуется твердого остатка. Напишите уравнение реакции термического разложения этой соли (Москва-2010).

РЕШЕНИЕ.

1) Соли состоят из катионов и анионов. Так как не остается твердого остатка, значит, в состав катиона и аниона входит азот. Возможные варианты: катион аммония и анион, содержащий азот, нитрат или нитрит.

NH4+ и NOх¯ , соль имеет формулу NH4NOх, это могут быть нитрат или нитрит аммония - NH4NO3 и NH4NO2

2) Вычисление молярной массы предполагаемой соли и нахождение еѐ формулы

М(NH4NO3) = 14+4+14+16∙3 = 80 г/моль

М(NH4NO2) = 14+4+14+16∙2 = 64 г/моль

ω=m(N)/М(NH4NOх);М(NH4NO3) = m(N)/ω; М(NH4NO3) = 28/0,4375 = 64

Искомая соль – нитрит аммония NH4NO2

3) Уравнение реакции NH4NO2 = N2 ↑ + 2H2O

4. (Татарстан-2016) Оксид иттрия, карбонат бария и оксид меди реагируют при высокой температуре (900°C), образуя соединение A, которое обладает интересными физическими свойствами. A имеет следующий состав: 13,14% Y, 41,2% Ba и 28,6% Cu, остальное – кислород.

1. Определите брутто-формулу соединения A.

2. Определите среднюю степень окисления меди в соединении A.

3. Напишите уравнение реакции получения A.

4. Какое свойство этого соединения необычно?

Решение.

1.   (3 балла).

2.   (2 балла)

3. YBa2Cu3O7

2Y2O3 + 8BaO + 12CuO + O2 = 4YBa2Cu3O7 (3 балла).

4. Обладает сверхпроводящими свойствами (нулевое сопротивление) при сравнительно высокой температуре (1 балл, если указана сверхпроводимость без указания высокой температуры, 0,5 балла).

5. Татарстан-2017. Недавно было опубликовано сообщение о синтезе нового вещества с чрезвычайно высокой ионной проводимостью. Его формула LixGeA2B12 (символами A и B мы зашифровали два разных химических элемента, а символом x – некоторое целое число). Массовая доля лития в этом соединении составляет 11,79%, а германия – 12,34%. Побочным продуктом реакции является соединение Li4A2B6, массовая доля лития в котором 9,84%.

1. Определите значение x в формуле ионного проводника.

2. Определите элементы A и B.

3. Определите среднюю степень окисления элемента A в обоих соединениях.

Решение

1. Определим соотношение количеств атомов лития и германия:

x = 10 (2 балла)

2. M(Li10GeA2B12 ) = 10∙6,94 : 0,1179 = 588,63 = 10∙6,94 + 72,61 + 446,62, то есть 2M(A) + 12M(B) = 446,62

M(Li4A2B6) = 4∙6,94 : 0,0984 = 282,11 = 4∙6,94 + 254,35, то есть
2M(A) + 6M(B) = 254,35.

Отсюда получаем приближенные значения M(A) = 31,0 и M(B) = 32,0. A – P(фосфор) (3 балла), B – S(сера) (3 балла).

Формулы соединений: Li10GeP2S12,Li4P2S6.

3. Средняя степень окисления фосфора (A) в Li10GeP2S12+5 (1 балл), в Li4P2S6+4 (1 балл).

Всего максимум 10 баллов.