РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ РЕГИОНАЛЬНОЙ ОТКРЫТОЙ ОЛИМПИАДЫ ШКОЛЬНИКОВ «УДИВИТЕЛЬНАЯ ХИМИЯ» 2014 г

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ РЕГИОНАЛЬНОЙ ОТКРЫТОЙ ОЛИМПИАДЫ
ШКОЛЬНИКОВ «УДИВИТЕЛЬНАЯ ХИМИЯ» 2014 г
КузГТУ, 6.12.2014 г
Общая и неорганическая химия
1. На практической работе класс получал кислород из марганцовки. Внезапно у Никиты
лопнула пробирка, и 2 г марганцовки высыпалось в пламя горелки с сухим горючим. Эффект
был ошеломляющим.
Определите объем (н.у.) кислорода, позволивший пламени вырасти до потолка и лишить
Никиту возможности дальнейшего выполнения практических работ из-за нарушения правил
техники безопасности (что категорически запрещено), если в марганцовке было 0,02 г
примесей.
Решение: V(O2) = 1,98/316 = х/22,4, х = 0,14 л О2.
Ответ: V(O2) = 0,14 л – такой объем кислорода оказался для Никиты роковым.
2. Металл М находит широкое применение в металлургии; особенно незаменим он при
изготовлении нержавеющих сталей или покрытий. Юный химик для изучения свойств
соединений металла М провел ряд опытов, используя в качестве исходного соединения
металла его хлорид, взятый в школьной лаборатории. Проведенные опыты он изобразил
следующей схемой:
1. Установите вещества А–Д и металл М.
2. Напишите уравнения всех приведенных на схеме и описанных в условии задачи реакций.
3. Объясните, почему действие AgNO3 и на раствор вещества В, и на раствор вещества Г
приводят к образованию одного осадка Д.
Решение:
СrCl3 (М) + 6KOHизб = K3[Cr(OH)6] (Б) + 3NaCl
СrCl3 (М) + 3KOHнедост = Cr(OH)3 (А) + 3KCl (A)
K3[Cr(OH)6] (Б) + 3CO2 = Cr(OH)3 (А) + 3KHCO3
2K3[Cr(OH)6] (Б) + 3H2O2 = 2K2CrO4 (В) + 8H2O+ 2KOH
2K2CrO4 + H2SO4 = K2Cr2O7 (Г) + K2SO4 + H2O
K2Cr2O7 (Г) + 2AgNO3 = Ag2Cr2O7 (Д) + 2 KNO3
K2Cr2O7 (Г) + 2H2SO4 = 2 KHSO4 + 2 CrO3 + H2O
3. Под стеклянный колпак поместили два открытых сосуда. Один содержал 400 г 25%ного раствора сульфата магния(II), второй - 20 г безводного сульфата натрия(I). Через
некоторое время в первом сосуде начали выпадать кристаллы.
1. Найдите массу кристаллов, выпавших в первом сосуде после того, как вес второго
сосуда перестал меняться. Растворимость сульфата магния(II) в условиях опыта равна 35,5 г.
2. Укажите максимальную концентрацию (в %) раствора сульфата магния(II), при которой
осадок не будет выпадать.
Решение: 1. В первом сосуде находился ненасыщенный 25%-ный раствор сульфата
магния (масса соли 100 г). В результате испарения воды и поглощения ее безводным Na2SO4
(M = 142) во втором сосуде образуется кристаллогидрат Na2SO4·10H2O, содержащий после
установления равновесия (180·20)/142 = 25,34 г воды. В результате испарения воды и
достижения концентрации насыщенного раствора (35,5 г MgSO4 (M = 120) на 100 г воды) в
первом сосуде начнут выпадать кристаллы состава MgSO4·7H2O (M =246).
Если принять массу выпавших кристаллов за x г, то масса конечного насыщенного
раствора составит (400 - 25,34 - x) г, а масса MgSO4 в этом растворе (100 - 120x/246) г.
Учитывая, что 135,5 г насыщенного раствора содержат 35,5 г MgSO4, получаем уравнение:
(400 - 25,34 - x) · 35,5 = 135,5 · (100 - 120x/246).
Из этого уравнения следует, что x = 8,16 г МgSO4·7H2O.
2. Если исходная концентрация МgSO4 будет y %, то общая масса соли в исходном растворе
массой 400 г составит 4y г. После испарения 25,34 г воды осадок не будет выпадать, если
концентрация MgSO4 будет меньше, чем в насыщенном растворе:
4y / (400-25,34) < 35,5 / 135,5,
откуда y < 0,2454, или 24,54%.
4. На чашках весов уравновешены два открытых стакана, содержащие 43,5 мл 25%-ного
раствора азотной кислоты плотностью 1,15 в каждом. В один из стаканов внесено 20 г
мрамора, а в другой - 20 г карбоната магния. Изменится ли равновесие весов после окончания
реакции.
Решение: В 43,5 мл 25% кислоты с плотностью 1,15 содержится 43,5·1,15·25/100 = 12,5 г
= 0,2 моль азотной кислоты. 20 г мрамора это 20/100 = 0,2 моль карбоната кальция. 20 г
карбоната магния это 20/84 = 0,24 моль. После окончания реакции в стакане с мрамором
прореагирует 0,1 моль мрамора с 0,2 молями кислоты дав 0,1 моль или 4,4 г углекислого газа.
В стакане с карбонатом магния прореагирует 0,1 моль карбоната магния также дав 0,1 моль
или 4,4 г углекислого газа.
Вывод: равновесие весов не изменится.
5. Участнику олимпиады на экспериментальном туре было предложено различить
соляную кислоту, силикагель, гидроксид натрия и поваренную соль. На рабочем месте он
увидел штатив с четырьмя пронумерованными пробирками, в двух из которых были жидкости
и в двух - твердые вещества, и пустые пробирки. Победитель олимпиады успешно определил,
где находится каждое из веществ.
Предложите ваш способ определения содержимого каждой из пробирок. Ответ
подтвердите уравнениями необходимых реакций.
Решение: Одна из жидкостей - соляная кислота (водный раствор НСl). Остальные
соединения - SiO2 (прокаленный гель кремниевой кислоты), NaOH (едкий натр) и NaCl
(поваренная соль) - твердые вещества, но NaOH и NaCl могут быть предложены в виде
водных растворов. Для различения этих веществ следует исследовать растворимость
небольших количеств твердых веществ в жидкостях. При этом возможны два случая.
В первом случае жидкости - растворы NaOH и HCl, а твердые вещества - SiO2 и NaCl.
Соль растворяется как в растворе HCl, так и в растворе щелочи. SiO2 растворяется только в
растворе NaOH (возможно, при нагревании) за счет протекания реакции:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O. (1)
Таким образом, различены все четыре вещества.
Второй случай: если одно из твердых веществ растворяется в обеих жидкостях, а второе
не удается растворить ни в одной их них, тогда нерастворимым веществом является диоксид
кремния SiO2, а растворимым - NaOH, который растворяется как в растворе NaCl, так и в
растворе НСl с протеканием реакции:
NaOH + HCl = NaCl + H2O + Q. (2)
(если растворы разбавлены, то разогревания можно и не обнаружить, тем более, что NaOH
растворяется в воде тоже с выделением тепла). Таким образом, различены твердые вещества:
SiO2 и NaOH.
Теперь в нашем распоряжении имеются растворы (NaOH + NaCl) и (HCl + NaCl).
Диоксид кремния будет растворяться в растворе смеси NaCl и NaOH и не будет растворяться
в растворе NaCl + HCl (самое главное, чтобы при проведении опытов не было взято слишком
много раствора NaOH, так как при избытке NaOH оба раствора будут иметь одинаковый
качественный состав NaOH + NaCl). Для более строгого подтверждения наличия НСl в одном
из исходных растворов можно дополнительно воспользоваться реакцией:
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2 NaCl. (3)
Раствор (HCl + NaCl) или раствор НСl будет реагировать с раствором, полученным по
реакции (1). Таким образом, и в этом случае различены все четыре вещества.
6. Смесь водорода и аммиака пропустили через нагретую трубку с избытком оксида меди
(II) массой 107,33 г. Объем собранного газа после трубки составил 5,6 л (н.у.). Содержимое
трубки перемешали и разделили на 2 равные части. Первую часть нагрели в атмосфере
кислорода и ее масса увеличилась на 6,8 г. Вторую часть полностью растворили в 2 л 20%
азотной кислоты (плотность 1,19 г/см3). Найти состав исходной газовой смеси в объемных
процентах и массовую долю нитрата меди в полученном растворе.
Решение: Реакции, описанные в задаче:
CuO + H2 → Cu + H2O
3CuO + 2NH3 → 3Cu + N2 + 3H2O
2Cu + O2 → 2CuO
CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Поскольку на выходе из трубке получено 5,6/22,4 = 0,25 моль азота, значит в реакцию
вступило 3 · 0,25 = 0,75 моль оксида меди и 2 · 0,25 = 0,5 моль аммиака.
При прокаливании в кислороде разница масс составила 6,8 г за счет присоединения
кислорода, что составляет 6,8/32 = 0,2125 моль. Значит в реакцию вступило 2 · 0,2125 = 0,425
моль меди. А всего было восстановлено в 2 раза больше меди, т.е. 0,85 моль. Из этого
количества 0,75 моль восстановлено аммиаком, а 0,85-0,75 = 0,1 моль - водородом.
Следовательно в исходной смеси содержалось 0,1 моль водорода и 0,75 моль аммиака,
что в объемных процентах составит соответственно 0,1· 100/0,85=11,8% и 0,75·
100/0,85=88,2%.
Всего оксида меди было 107,33/79,5 = 1,35 моль. В реакции вступило 0,85 моль,
следовательно 1,35-0,85 = 0,5 моль оксида осталось непрореагировавшим. Кроме того
образовалось 0,85 моль меди. Половина этой смеси, т.е. 0,25 моль оксида меди и 0,425 моль
меди была растворена в азотной кислоте.
Масса получившегося нитрата меди (0,25+0,425) · 187,5=126,5 г.
Масса раствора = m(Cu) + m(CuO) + m(р-ра HNO3) - m(NO) = 0,425· 63,5 + 0,25· 79,5 +
2000· 1,19 + 2·0,425·30 = 2418,36 г.
Откуда массовая доля нитрата меди = 126,5· 100/2418,36 = 5,2%.
Органическая химия
7. Закончите уравнения реакций, воспроизведите структуры исходных соединений и
условия реакций:
1. A + B
 CH3 (CH2)4C  CH + 2 KCl + 2 H2O
2. A + B
 (CH3)2CHCOOC3H7 + H2O
3. A + B
 C2H5Cl + POCl3 + HCl
4. A + B
 C6H5CH3 + HCl
5. A + B
 C2H5CH2Cl + HCl
Результаты занести в таблицу:
Решение:
№
Исходные вещества
Условия реакции
1.
1,1 дихлоргептан,
КОН/С2Н5ОН
2.
3.
2-метилпропановая,
изомасляная кислота;
пропиловый спирт
этиловый спирт,
пятихлористый фосфор
4.
бензол, хлористый метил
5.
пропан, Cl2
Н2SO4
Конечный продукт
1-гептин, пентилацетилен
пропиловый эфир
изомасляной кислоты
хлористый этил
катализатор
(AlCl3)
h; нагревание
(300oС)
толуол
1-хлорпропан наряду с 2хлорпропаном
8. Спирты, как и другие кислородсодержащие вещества растворимы в холодной
концентрированной серной кислоте. В случае некоторых вторичных и третичных спиртов
после растворения наблюдается постепенное отделение нерастворимого слоя с высокой
температурой кипения. Как можно объяснить эти факты? Напишите соответствующие
уравнения реакций.
Решение:
9. Восстановите схему многостадийного синтеза изопропилового спирта (6 стадий).
Буквами обозначьте структуры исходного вещества и промежуточных продуктов, а
цифрами условия проведения превращений.
Исходные вещества и продукты:
Реагенты:
Решение:
CH3
\
CH3
\
CH2
/
CH3
CH3
\
CH  Cl
/
CH2  Cl
Cl2

h
CH  Cl
/
NaOH

C2H5OH
CH3
CH3
\
NaOH
C

///
C2H5OH
CH
HOH

НgSO4
CH3
\
CH
//
CH2
CH3
\
CH = О
/
CH3
Cl2

h
H2

Ni
10. Выполните приведенную последовательность превращений. Все
назовите.
пропионовая

H2O
[H] кислота
CH4  HC  CH  A  Б  С

HgSO4
H2SO4

HONO2
H+ HOH


D
K+L
 [H]
Е

 HNO2

KMnО4
[O]
NaOH
NaOH
F  G  H  I  
HOH
HOH
тв.
CH3
\
CН  OН
/
CH3
соединения
Решение: