10 класс - Республиканский лицей

ГБНОУ РМ «Республиканский Лицей»
Всероссийская олимпиада школьников по химии 2015/2016
Школьный этап, 10 класс
«Приключения Вани Колбочкина»
Ваня Колбочкин был неугомонным экспериментатором. Он анализировал всё, что его окружает, пытаясь
докопаться до сути. Предлагаем и вам поучаствовать в экспериментах Вани и помочь ему своими знаниями.
Задача 1. Старинная монета
Как-то раз у себя на даче Ваня Колбочкин нашел старинную монету, которая внешне была очень
похожа на золотую! Однако Ваня не стал спешить с выводами и решил установить состав сплава, из
которого она была сделана. Он определил, что монетный сплав состоит из двух металлов. Ваня взвесил
монету на аналитических весах и установил, что ее масса равна 5,00 г. Затем он бросил монету в
соляную кислоту. В результате реакции (реакция 1) выделилось 0,514 л (н.у.) газа без цвета и запаха, и
осталось 3,50 г нерастворившегося осадка. Ваня отфильтровал осадок и подействовал на него
разбавленной азотной кислотой. Реакция пошла довольно бурно (реакция 2), с выделением бесцветного
газа X, который быстро бурел на воздухе (считать этот газ единственным продуктом реакции), причем
плотность этого газа была близка к плотности воздуха. В результате реакции получился сине-зеленый
раствор, при добавлении к которому избытка щелочи (реакция 3) выпал голубой осадок. Голубой осадок
хорошо растворялся в нашатырном спирте с получением красивого фиолетового раствора (реакция 4), а
при нагревании (реакция 5) этого осадка образовалось 4,38 г черного вещества, содержащего 20%
кислорода по массе.
1. Помогите Ване определить металлы в сплаве. Ответы подтвердите расчетами. Как называется
такой сплав?
2. Рассчитайте массовые доли металлов в сплаве.
3. Напишите уравнения реакций 1-5.
4. Рассчитайте объем выделившегося газа Х (л).
5. Рассчитайте, какую массу данного сплава нужно добавить к 50 г 8% соляной кислоты, чтобы
уменьшить ее концентрацию в 2 раза.
Задача 2. Секретное послание
Однажды Ване удалось перехватить случайно попавшее в сеть секретное сообщение,
предназначенное для ЦРУ. Помимо малоинтересных планов по захвату мира, в сообщении
фигурировали записи, очень похожие на уравнения химических реакций. Просидев целый вечер над
дешифровкой, Ваня установил, что при написании химических формул для обозначения символов
элементов использованы двузначные числа (каждому элементу соответствует свое определенное
число), а коэффициенты в уравнениях и индексы в химических формулах обозначены буквами
латинского алфавита и записаны в строчку. Кроме того, двузначные числа, обозначающие элементы,
напрямую связаны с положением элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева.
А)
Б)
В)
Г)
31m3626d+62(2526d)m=623626d+m312526d
31m3626d+11m3626g=31m3626g+3626m+11m26
31m3626d+11m26m=31m3626g+11m26
m62(2526d)m=m6226+g2526m+26m
1. Помогите Ване расшифровать записи, и напишите все уравнения в привычном для нас виде.
2. Реакция Г представляет собой термическое разложение. Как будет выглядеть эта реакция, если
нагревание проводить осторожно, при более низкой температуре? Запишите уравнение в
зашифрованном и обычно виде.
3. Какие способы получения вещества 11m26m вы знаете? Приведите два уравнения (в обычном
виде).
Задача 3. Неизвестное вещество
Разбирая старые школьные реактивы, Ваня Колбочкин нашел банку без этикетки, в которой
находилось неопознанное вещество – легколетучая жидкость Х со специфическим запахом. Ваня взял
три одинаковых навески вещества Х и приступил к экспериментам. При полном сгорании первой навески
вещества Х (реакция 1) было получено 4,5 г воды и 5,6 л газа Y, вызывающего помутнение известковой
воды (реакция 2). Вторую навеску вещества Х обработали водородом в присутствии никеля, при этом
было получено 3,6 г вещества Z (реакция 3). К третьей навеске вещества Х прибавили избыток раствора
брома, при этом раствор быстро обесцветился, а из реакционной смеси было выделено 9,2 г вещества B
(реакция 4), причем выход последней реакции составил 80%. Вещество Х также легко обесцвечивало
водный раствор перманганата калия (реакция 5), и присоединяло хлороводород (реакция 6).
1) Определите массу навеcок вещества Х, использованных в опыте. Установите брутто-формулу
Х, ответ подтвердите расчетами. Приведите структурные формулы всех возможных изомеров,
удовлетворяющих химическим свойствам, описанным в задаче (включая геометрические изомеры),
назовите каждый изомер по номенклатуре ИЮПАК
2) Приведите схемы реакций 1-6 с указанием условий проведения (над стрелкой), на примере
любого изомера Х, удовлетворяющего условию.
3) Предложите из любого изомера Х схему синтеза пропаналя и пропионовой кислоты.
Задача 4. Зажигалка
Неугомонный Ваня Колбочкин давно мечтал установить состав горючего содержимого
зажигалки. Он осторожно разобрал обычную дешевую зажигалку и собрал все находящиеся внутри
вещества в газометр, при этом получив 2,24 л (н.у.) газовой смеси (при вскрытии зажигалки находящаяся
внутри жидкость с шипением полностью перешла в газообразное состояние). Анализ полученной
газовой смеси показал, что в ней содержится 2 компонента – вещества X и Y, являющиеся алканами.
Молярная масса Y больше, чем у X в 1,318 раз, а массовая доля углерода в Y больше, чем в Х в 1,0115
раз. Также было установлено, что вещество Y содержит третичный атом углерода.
1. Установите брутто-формулы алканов X и Y, приведите их структурные формулы.
2. Установите количественный состав смеси газов (массовые и объемные доли), если на
сжигание 560 мл этой смеси пошло 3,472 л кислорода (н.у). Напишите уравнения сгорания алканов.
3. Объясните, почему внутри зажигалки газы находятся в жидком состоянии. Рассчитайте
внутренний объем зажигалки, если плотность ее жидкого содержимого составляет 0,75 г/мл
4. Сколько теплоты (кДж) выделится при сгорании всего содержимого зажигалки, если теплота
сгорания Х составляет 2230 кДж/моль, а теплота сгорания Y составляет 2885 кДж/моль. Какой объем
воды (мл) можно вскипятить (начальная температура воды 20°С), используя эту теплоту, если молярная
теплоемкость воды составляет 75,4 Дж/(моль∙К). Хватит ли полученного кипятка, чтобы попить чая
четырем членам жюри школьной олимпиады?
+ см задачу на обороте!
Задача 5. Топливо для космической станции
Ваня Колбочкин работал над проектом обитаемой космической станции, и его интересовал
вопрос, какое доступное топливо выгоднее всего переправлять на Луну для обогрева станции. Ваня
собрал из старых запчастей вполне рабочий калориметр, и стал определять теплоты горения различных
веществ. Ваня установил, что при сжигании 1 г угля выделяется 32,79 кДж теплоты (уголь считать
чистым углеродом), при сгорании 1 л водорода – 12,76 кДж теплоты, а при сгорании 1 л метана
(природного газа) – 39,74 кДж теплоты. Во 2 и 3 реакции вода получена в жидком состоянии.
1) Запишите термохимические уравнения описанных процессов и вычислите их тепловые
эффекты в кДж/моль (на 1 моль сожженного топлива).
2) Для оценки эффективности транспортировки топлива на Луну удобнее всего использовать
теплоту, отнесенную на единицу веса топлива. Рассчитайте теплоту каждой реакции в кДж/кг (на 1 кг
сожженного топлива). Какое топливо является самым эффективным по этому показателю?
3) Большой проблемой использования горючего топлива в космосе является отсутствие там
кислорода. Один из способов получения кислорода – реакция углекислого газа (который будут выдыхать
космонавты) с надпероксидом калия KO2.
Сколько кг топлива, выбранного вами в качестве самого эффективного в пункте 2, необходимо
сжечь для получения 500 МДж энергии? (столько энергии потребуется в сутки для поддержания
постоянной температуры космической станции). Сколько литров кислорода пойдет на эту реакцию?
Сколько кг надпероксида калия и сколько л углекислого газа потребуется для получения этого
количества кислорода (в реакции кроме кислорода образуется карбонат калия)? Сколько человек
должно жить на космической станции, чтобы обеспечить нужное количество углекислого газа при
дыхании, если один человек за сутки в среднем выдыхает 433 л CO2 ?
РЕШЕНИЯ И СИСТЕМА ОЦЕНИВАНИЯ
Задача 1. Старинная монета
Содержание верного ответа
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла и
разумные альтернативные методы решения)
1. Расчет атомной массы первого металла
2Me + 2n HCl = 2MeCln + nH2
m(Me) = 5 – 3,5 = 1,5 г
1,5/2х = 0,514/22,4n
х = 32,7n, при n=2 х = 65,4 г/моль – это цинк (Zn).
балл
1 балл
2. Расчет атомной массы второго металла (через массу черного вещества,
1 балл
которое, вероятно, является оксидом второго металла)
2В = В2Оn
3,5/2х = 4,38/(2х+16n)
х = 31,9n, при n=2 х = 63,8 г/моль – это медь.
Другой способ расчета – по массовой доле металла в оксиде:
M(В2Оn) = 16/0,2 = 80 г/моль
При n=2 получаем M(B) = 80-16 = 64 г/моль - медь. (Оксид - CuO)
Также можно было догадаться о наличии меди по сине-зеленому цвету
раствора и другим качественным признакам. Тогда для доказательства нужно
было провести проверку
Сплав меди с цинком называется латунью
2. Массовые доли металлов в сплаве
w(Zn) = 70%, w(Cu)= 30%
3. Уравнения реакций:
1) Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
2) 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O газ Х = NO
3) Cu(NO3)2 + 2 NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaNO3
4) Cu(OH)2 + 4NH3 = [Cu(NH3)4](OH)2
5) Cu(OH)2 = CuO + H2O
4. 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
В реакцию вступило 3,5/64 = 0,0547 моль меди, то по уравнению реакции
n(NO) = 2/3*0,0547 = 0,03645 моль
V(NO) = 0,03645*22,4 = 0,8167 л
5. Пусть, к 50 г 8% соляной кислоты было добавлено х г сплава
С соляной кислотой реагирует только цинк, его масса – 0,7х г
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
n(Zn) = 0,7х/65 = 0,01077х моль
В реакцию вступит 0,01077х * 2 = 0,02154х моль HCl
В исходном растворе содержится 50*0,08 = 4 г HCl или 4/36,5 = 0,1096 моль.
После окончания реакции останется (0,1096 - 0,02154х) моль HCl
m(HCl)остав = (0,1096 - 0,02154х)*36,5 г
В реакции выделится 0,01077х * 2 = 0,02154х г водорода
Масса раствора будет равна 50 + 0,7х - 0,02154х = (50 + 0,67846х) г
Массовая доля станет равна 4%, то получим уравнение
(0,1096 - 0,02154х)*36,5 / (50 + 0,67846х) = 0,04
Решение уравнения: х = 2,46 г сплава
Итого
0,5 баллов
1 балл
0,5 баллов
1 балл
0,5 баллов
1 балл
0,5 баллов
1 балл
2 балла
10 баллов
Задача 2. Секретное послание
Содержание верного ответа
балл
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла и
разумные альтернативные методы решения)
Расшифровка символов основана на положении элемента в периодической
системе - первая цифра обозначает период, в котором находится элемент,
вторая цифра – номер группы
Тогда,
31 – это Na, 36 – S, 26 – O, 62 – Ba, 25 – N, 11 - H
Индексы и коэффициенты легче всего подобрать, исходя из знания
химических свойств.
m=2, d=3, g=4
Уравнения реакций имеют вид:
Na2SO3 + Ba(NO3)2→ BaSO3 + 2NaNO3
Na2SO3 + H2SO4 → Na2SO4 + SO2 + H2O
Na2SO3 + H2O2 → Na2SO4 + H2O
2Ba(NO3)2→ 2BaO + 4NO2 + O2
7 баллов
Нитрат бария при осторожном нагревании разлагается на нитрит и кислород,
аналогично нитратам щелочных металлов:
1 балл
Ba(NO3)2 → Ba(NO2)2 + O2
В зашифрованном виде:
62(2526d)m = 62(2526m)m + 26m
Перекись водорода (H2O2 или 11m26m) обычно получают либо электролизом
серной кислоты (гидросульфатов) или из пероксида бария (или пероксидов
щелочных металлов):
А) BaO2 + H2SO4 = BaSO4 + H2O2 (лабораторный способ)
2 балла
Б) 2H2SO4 → H2S2O8 + H2 (электролиз, в промышленности)
H2S2O8 + 2H2O → 2H2SO4 + H2O2
Как вариант, можно писать в одну стадию, или только гидролиз пероксосерной
кислоты
Итого
10 баллов
Задача 3. Неизвестное вещество
Содержание верного ответа
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла и
разумные альтернативные методы решения)
Газ Y – CO2,
Следовательно, в банке находится органическое вещество:
CxHyOz + O2 = xCO2 + y/2H2O
Найдем соотношение углерода и водорода:
n(CO2) = 5,6/22,4 = 0,25 моль, то n(C) = 0,25 моль
n(H2O) = 4,5/18 = 0,25 моль, то n(H) = 0,25*2 = 0,5 моль
Следовательно, x:y = 1:2
балл
Химические свойства Х (обесцвечивание бромной воды и перманганата,
гидрирование, присоединение HCl) позволяют предположить, что неизвестное
вещество Х – алкен (или содержит хотя бы одну двойную связь)
Тогда реакции 3 и 4 будут иметь вид:
CnH2n + H2 = CnH2n+2
CnH2n + Br2 = CnH2nBr2
По условию, n(CnH2n+2) = n(CnH2nBr2)
n(CnH2n+2) = 3,6/(14n+2)
C учетом выхода дибромида m(CnH2nBr2) = 9,2/0,8 = 11,5 г
n(CnH2nBr2) = 11,5/(14n+160)
Тогда получим уравнение
3,6/(14n+2) = 11,5/(14n+160), откуда n = 5,
То формула вещества – С5Н10 (отсутствие кислорода можно проверить)
Количество этого алкена n(С5Н10) = 0,25/5 = 0,05 моль
Масса алкена (каждой навески) m(С5Н10) = 0,05*70 = 3,5 г
Для алкена формулы С5Н10 существует 6 изомеров (5 обычных изомеров, кроме
того, пентен-2 обладает цис-транс изомерией):
Пентен-1
транс-пентен-2
4 балла
За вывод
формулы
цис-пентен-2
1 балл за
изомеры
3-метилбутен-1
3-метилбутен-2
2-метилбутен-1
1) С5Н10 + 7,5O2 = 5CO2 + 5H2O
2) CO2 + Са(OH)2 = CaCO3 + H2O
3 балла
Ni
3) С5Н10 + H2 → С5Н12
Br
Br 2
4)
Br
OH
KMnO4
HO
H2O
5)
Cl
HCl
6)
H
Самый простой способ синтеза пропаналя и пропионовой кислоты – озонолиз
пентена-2:
1) O3
O
O
2) Zn, H2O
1) O3
+
O
O
2) H2O2
Итого
2 балла
+
OH
OH
10 баллов
Задача 4. Зажигалка
Содержание верного ответа
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла и
разумные альтернативные методы решения)
Х - Пропан (С3Н8)
Y - изобутан (С4Н10)
H3C CH2 CH3
H3C CH CH3
CH3
С одной стороны, подобрать пару алканов, удовлетворяющих условию, несложно,
учитывая, что всего 4 члена ряда (метан, этан, пропан, бутан) представляют собой газы.
Если ответ приведен без математического расчета, то необходима проверка (подсчет
отношения молярных масс и массовых долей).
М(С3Н8) = 44, ω(С)=36/44 = 0,8182
М(С4Н0) = 58, ω(С)=48/58 = 0,8276
58/44 = 1,318
0,8276/0,8182 = 1,0115
балл
3 балла
Пример математического расчета:
Общая формула алканов СnH2n+2 , Молярная масса М=12n+2n+2 = 14n+2
Массовая доля углерода ω(С) = 12n/(14n+2) = 6n/(7n+1)
Обозначим количество атомов углерода в Х за n1, а Y – за n2
Тогда получим систему уравнений 6n2/(7n2+1) : 6n1/(7n1+1) = 1,0115
(14n2+2)/(14n1+2) = (7n2+1)/(7n1+1) = 1,318
Подставив второе уравнение в первое, получим: 6n2/6n1 = n2/n1 = 1,333
Подставляем во второе уравнение, получаем n2 = 4, n1 = 3
Уравнения реакций:
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О
С4Н10 + 6,5О2 = 4СО2 + 5Н2О
Пусть, объем пропана – х л, то объем изобутана – (0,56-х) л
Тогда объем кислорода в первой реакции – 5х л, во второй реакции – 6,5(0,56-х)
Получаем 5х + 6,5(0,56-х) = 3,472, откуда х = 0,112 л или 0,005 моль пропана (0,22 г)
Тогда объем изобутана = 0,56 – 0,112 = 0,448 л (0,02 моль или 1,16 г)
φ (С4Н10) = 0,02/0,025 = 0,8 или 80%, φ (С3Н8) = 20%
ω(С4Н10) = 1,16/1,38 = 84,06% , ω(С3Н8) = 15,94%
Внутри зажигалки повышенное давление (1-5 атм), а повышение давления вызывает
понижение температуры кипения веществ (понижается давление насыщенного пара в
соответствии с уравнением Клаузиуса-Клайперона)
Рассчитаем внутренний объем зажигалки:
Находящаяся внутри смесь веществ в газообразном состоянии занимает объем 2,24 л.
Из них 2,24*0,2= 0,448 л приходится на пропан (это 0,88 г), а 1,792 л – на изобутан (это
4,64 г).
То есть суммарная масса смеси составляет 0,88+4,64 = 5,52 г
В жидком состоянии (при плотности 0,75 г/мл) эта смесь будет занимать объем V = m/ρ =
5,52/0,75 = 7,36 мл
2 балла
2 балла
В соответствии с термохимическими уравнениями
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О + 2230 кДж/моль
С4Н10 + 6,5О2 = 4СО2 + 5Н2О + 2885 кДж/моль
С учетом конкретных количеств сгоревших веществ:
В первой реакции выделится 2230*0,02 = 44,6 кДж, во второй – 2885*0,08=230,8 кДж,
То есть суммарно выделится 275,4 кДж (275400 Дж)
В соответствии с уравнением Q=c*n*ΔT, количество воды n(H2O) =
275400/(75,4*80)=45,66 моль или 821,8 г (мл) воды. На одного человека приходится
205,5 мл, что вполне хватит на небольшую чашку чая))
3 балла
Итого
10 баллов
Задача 5. Топливо для космической станции
Содержание верного ответа
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла и
разумные альтернативные методы решения)
При сжигании 1 моль (12 г) угля выделиться Qсгор(С) = 12*32,79 = 393,5 кДж
При сжигании 1 моль (22,4 л) водорода выделиться Q сгор(Н2) = 22,4*12,76 =
285,8 кДж
При сжигании 1 моль (22,4 л) метана выделиться Q сгор(СН4) = 22,4*39,74 =
890,3 кДж
балл
3 балла
Тогда термохимические уравнения будут иметь вид:
С(ТВ) + О2(Г) = СО2(Г) + 393,5 кДж
Н2(Г) + 1/2О2(Г) = Н2О(Ж) + 285,8 кДж
СН4(Г) + 2О2(Г) = СО2(Г) + 2Н2О(Ж) + 890,3 кДж
Возьмем по 1 кг каждого из веществ
n(Н2) = 1000/2 = 500 моль
n(СН4) = 1000/16 = 62,5 моль
Тогда тепловые эффекты, отнесенные на 1 кг каждого топлива, будут равны:
Qсгор(С) = 32,8*1000 = 32800 кДж
Q сгор(Н2) = 500*285,8 = 142900 кДж
Q сгор(СН4) = 62,5*890,3 = 55600 кДж
Таким образом, самым эффективным топливом будет водород
3 балла
1 кг водорода при сгорании дает 142,9 МДж, то для получения 500 МДж
потребуется 500/142,9 = 3,5 кг H2.
n(Н2) = 3500/2 = 1750 моль
Из уравнения реакции Н2 + 1/2О2 = Н2О следует, что для сжигания 1750
моль водорода нужно 875 моль кислорода
V(О2) = 875*22,4 = 19600 л
Из уравнения реакции надпероксида с углекислым газом
2KO2 + CO2 = K2CO3 + 3/2O2 следует, что для получения 875 моль
кислорода потребуется 875*2/1,5 = 1166,67 моль KO2 и 875/1,5 = 583 моль
CO2
m(KO2) = M*n = 1166,67*71 = 82833,6 г или 82,8 кг
V(CO2) = Va*n = 583*22,4 = 13060 л
Такое количество CO2 «надышат» за сутки 13060/433 = 30 человек
4 балла
Итого
10 баллов