решения отборочного тура олимпиады "шаг в будущее" 2011

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Отборочный (заочный) этап Всероссийской химической олимпиады школьников
“Шаг в будущее”
Вариант №1
1. В результате прокаливания смеси карбоната и гидрокарбоната натрия ее масса
уменьшилась в 1,42 раза. Определите массовую долю карбоната натрия в исходной смеси.
Ответ. При нагревании разлагается только гидрокарбонат натрия:
2 NaHCO3 –(to) → Na2CO3 + CO2↑ + H2O↑.
При прокаливании 2 моль NaHCO3 (168 г) масса уменьшается на 44+18=62 г, т.е. в
168:(168-62) =1,585 раз.
Возьмем 100 г смеси. Обозначим за х содержание в ней гидрокарбоната натрия. Тогда
масса карбоната натрия составит (100-х).
В результате прокаливания масса гидрокарбоната уменьшится в 1,585 раз и составит
0,631х. Масса карбоната натрия не изменится.
Отношение масс веществ до и после прокаливания составит:
100/(0,631х + 100-х)=1,42.
Решая это уравнение, находим: х=80 г. Масса карбоната натрия в образце составляет10080=20 г или 20 %.
2. Напишите уравнения реакций, которые могут протекать между водными растворами
хлорида цинка, гидроксида натрия и сульфида натрия.
Ответ.
ZnCl2 + 2 NaOH = Zn(OH)2↓ + 2 NaCl,
ZnCl2 + 4 NaOH(избыток) = Na2[Zn(OH)4] + 2 NaCl,
ZnCl2 + Na2S = ZnS↓ + 2 NaCl.
3. Содержащую сернистый ангидрид при н.у. колбу заполнили водой. Определите
массовую долю кислоты в полученном растворе.
Ответ. Уравнение химической реакции:
SO2 + H2O = H2SO3.
Примем объем колбы, равный одному литру. В этом случае количество вещества
растворенного SO2 равно 1:22,4=0,0446 моль. Масса растворенного SO2 равна
0,0446∙64=2,86 г. Масса раствора будет равна 1000+2,86=1002,86 г. Масса сернистой
кислоты в растворе составит 0,0446∙82=3,66 г. Массовая доля H2SO3 в растворе составит
3,66:1002,86=0,00365 или 0,365 %.
4. Используя только неорганические вещества, предложите способ получения этилацетата.
Любая аппаратура и катализаторы в Вашем распоряжении.
Ответ. Этилацетат получается взаимодействием уксусной кислоты с этанолом реакцией
этерификации:
СН3СООН + С2Н5ОН –(Н+)->,СН3СООС2Н5 + H2O.
Промежуточным веществом, из которого получают этанол и уксусную кислоту, является
ацетилен, который получается из карбида кальция. Карбид кальция синтезируют из
простых веществ. В результате необходимо провести следующие реакции:
Са + 2 С  (to) → CaС2.
СаС2 + 2 HСl -> CaCl2 + C2H2.
С2Н2 + Н2O  (Hg2+)→ CH3CHO.
CH3CHO + H2 Ni CH3CH2OH
СН3СHО + Ag2O NH3, H2O СН3СOOH + 2 Ag
2
Реакция получения этилацетата приведена выше.
5. В 25 мл раствора уксусной кислоты в этаноле, содержащем 15,09 мас.% кислоты и
имеющем плотность 0,800 г/мл растворили 1,725 г натрия. Затем в полученный раствор
добавили 1,00 мл воды. Смесь упарили, а сухой остаток прокалили. Определите мольные
доли веществ в остатке после прокаливания.
Ответ. Количество вещества уксусной кислоты в растворе равно 25∙0,8∙0,1509:60=0,05
моль. Количество вещества натрия составляет 1,725:23=0,075 моль. Таким образом, в
растворе протекают следующие реакции:
2 СН3COOH + 2 Na = 2 СН3COONa + H2↑,
2 С2Н5OH + 2 Na = 2 С2Н5ONa + H2↑,
в результате которых в растворе образуются 0,05 моль ацетата натрия и 0,075-0,05=0,025
моль этилата натрия.
При добавлении 1 мл воды (1:18=0,055 моль) и нагревании происходит гидролиз всего
этилата натрия:
С2Н5ONa + Н2О= С2Н5OН + NaОН.
В результате образуется 0,025 моль гидроксида натрия.
В процессе прокаливания смеси протекает химическая реакция:
CH3COONa + NaOH(тв) –(t)→ CH4↑ + Na2CO3.
в результате которой образуется 0,025 моль карбоната натрия, а в смеси остается 0,025
моль ацетата натрия. Таким образом, мольные доли СН3COONa и Na2CO3 одинаковы и
равны 0,5.
3
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Отборочный (заочный) этап Всероссийской химической олимпиады школьников
“Шаг в будущее”
Вариант №2
1. В результате прокаливания на воздухе смеси кальция и карбоната кальция ее масса не
изменилась. Определите массовую долю кальция в исходной смеси.
Ответ. При прокаливании смеси на воздухе протекают химические реакции:
2 Са + О2 –(to)→ 2 CaO,
СаCO3 –(to)→ CaO + CO2↑.
Чтобы масса смеси после завершения реакций не изменилась, необходимо, чтобы масса
присоединенного кислорода в первой реакции оказалась равной массе, унесенной
углекислым газом. Пусть смесь содержит 1 моль (100 г) карбоната кальция. Масса 1 моль
карбоната кальция при прокаливании уменьшается на 44 г (масса 1 моль СО2). 44 г к
смеси должно добавиться в результате образования оксида кальция. Количество вещества
атомарного кислорода составит 44:16=2,75 моль. Таким образом, чтобы масса смеси не
изменилась, на 1 моль СаСО3 (100 г) в этой смеси должно приходится 2,75 моль (110 г)
кальция. Массовая доля кальция в смеси составит 110:210=0,5238 или 52,38 %.
2. Напишите уравнения реакций, которые могут протекать между водными растворами
хлорида хрома (III), гидроксида калия и нитрата серебра.
Ответ.
CrCl3 + 3 KOH = Cr(OH)3↓ + 2 NaCl,
CrCl3 + 6 KOH(избыток) = K3[Cr(OH)6] + 3 KCl,
CrCl3 + 3 AgNO3 = Cr(NO3)3 + 3 AgCl↓,
2 AgNO3 + 2 KOH = Ag2O↓ + 2 KNO3.
3. Содержащую сероводород при н.у. колбу заполнили водой. Определите массовую долю
сероводородной кислоты в полученном растворе.
Ответ. Примем объем колбы, равный одному литру. В этом случае количество вещества
растворенного H2S равно 1:22,4=0,0446 моль. Масса растворенного H2S равна
0,0446∙34=1,52 г. Масса раствора будет равна 1000+1,52=1001,52 г. Массовая доля H2S в
растворе составит 1,52:1001,52=0,00152 или 0,152 %.
4. Используя только неорганические вещества, предложите способ получения глицина.
Любая аппаратура и катализаторы в Вашем распоряжении.
Ответ. Глицин (аминоуксусная кислота) получается при действии на хлоруксусную
кислоту аммиака:
Cl-СН2СOOH + 2 NH3 = NH2-СН2СOOH + NH4Cl.
Хлоруксусная кислота образуется при хлорировании на свету уксусной кислоты:
СН3СOOH + Cl2 –(hν)→ Cl-СН2СOOH + HСl.
Для получения уксусной кислоты синтезируется карбид кальция, из которого получают
ацетилен, а из ацетилена по реакции Кучерова уксусный альдегид. Окислением СН3СНО
получают уксусную кислоту:
Са + 2 С  (to)→ CaС2.
СаС2 + 2 HСl -> CaCl2 + C2H2.
С2Н2 + Н2O  (Hg2+)→ CH3CHO.
СН3СHО + Ag2O (NH3, H2O) СН3СOOH + 2 Ag.
4
5. 11,0 г газообразной смеси пропина и одного из бутинов (объемная доля пропина в смеси
равна 71,5%) пропустили через избыток аммиачного раствора оксида серебра. При этом
было получено 26,3 г осадка. Определите строение изомера бутина. Напишите уравнение
реакции окисления этого бутина кислым раствором КМпО4.
Ответ.
Пусть количество вещества пропина – х моль, а бутина – y моль. Составим систему
уравнений:
40х + 54y = 11, х/x+y = 0,715. Решение этой системы дает значение х = 0,179 моль
пропина. Если в реакции с гидроксидом диамминсеребра реагирует только пропин, то
масса полученного осадка пропинида серебра составит 147∙0, 179= 26,3 г, что
соответствует массе осадка по условию задачи.
СН3-С≡СН + [Ag(NH3)2]OH = СН3-С≡СAg↓ + NH3 + H2O.
Следовательно бутин не вступает в эту реакцию, а, поскольку существует только два
изомерных бутина : бутин-1 и бутин-2, то в смеси должен присутствовать бутин-2. Он не
вступает в указанную реакцию.
Окисление бутина-2:
5 СH3C≡CCH3 + 6 KMnO4 + 9 H2SO4  10 CH3COOH + 6 MnSO4 + 3 K2SO4 + 2 H2O.
5
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Отборочный (заочный) этап Всероссийской химической олимпиады школьников
“Шаг в будущее”
Вариант №3
1. В результате прокаливания на воздухе смеси цинка и его нитрата масса уменьшилась в
1,5 раза. Определите массовую долю цинка в исходной смеси.
Ответ. При прокаливании смеси на воздухе протекают химические реакции:
2 Zn + О2 –(to)→ 2 ZnO,
Zn(NO3)2 –(to)→ ZnO + 2 NO2↑ + ½ O2↑.
Чтобы масса смеси после завершения реакций не изменилась, необходимо, чтобы масса
присоединенного кислорода в первой реакции оказалась равна массе, унесенной оксидом
азота (IV) и кислородом. Пусть смесь содержит 1 моль (100 г) нитрата цинка. Масса 1
моль нитрата цинка при прокаливании уменьшается на [2∙46(масса 2 моль NО2) + 16
(масса ½ моль кислорода)]= 108 г. Таким образом, 108 г к смеси должно добавиться в
результате образования оксида цинка по первой реакции. Количество вещества
атомарного кислорода составит 108:16=6,75 моль. Таким образом, чтобы масса смеси не
изменилась, на 1 моль Zn(NO3)2 (189 г) в этой смеси должно приходится 6,75 моль (438,75
г) цинка. Массовая доля цинка в смеси составит 438,75:(189+438,75)=0,6989 или 69,89 %.
2. Напишите уравнения реакций, которые могут протекать между водными растворами
сульфида калия, хлорида алюминия и гидроксида калия.
Ответ.
3 K2S + 2 AlCl3 + 6 H2O = 2 Al(OH)3↓ + 4 KCl + 3 H2S↑,
AlCl3 + 3 KOH = Al(OH)3↓ + 3 KCl,
AlCl3 + 4 KOH(избыток) = K[Al(OH)4] + 3 KCl.
3. Содержащую газообразный ВС13 при н.у. колбу заполнили водой. Определите
массовые доли веществ в полученном растворе.
Ответ. Уравнение химической реакции:
BCl3 + 3 H2O = H3BO3 + 3 HCl.
Примем объем колбы, равный одному литру. В этом случае количество вещества
растворенного BCl3 равно 1:22,4=0,0446 моль. Масса растворенного BCl3 равна
0,0446∙117,5=5,24 г. Масса раствора будет равна 1000+5,24=1005,24 г.
Масса борной кислоты в растворе составит 0,0446∙62=2,76 г. Массовая доля H3BO3 в
растворе составит 2,76:1005,24=0,00275 или 0,275 %.
Масса хлороводородной кислоты в растворе составит 0,0446∙3∙36,5=4,88 г. Массовая доля
HCl в растворе составит 4,88:1005,24=0,00485 или 0,485 %.
4. Используя только неорганические вещества, предложите способ получения анилина.
Любая аппаратура и катализаторы в Вашем распоряжении.
Ответ. Анилин может быть получен восстановлением нитробензола. Нитробензол
образуется при нитровании бензола. Бензол синтезируем реакцией тримеризации
ацетилена. Последний получается из карбида кальция, который, в свою очередь, может
быть синтезирован из простых веществ. Ниже приведены описанные реакции:
Са + 2 С (to)  CaС2,
СаС2 + 2 HСl  CaCl2 + C2H2,
3 С2Н2 +  (to, катализатор)→ C6Н6,
С6Н6 + HNO3  (H2SO4)  C6H5NO2 + H2O,
6
C6H5NO2 + 3 Fe + 7 HCl  C6H5NH3Сl + 3 FeCl2 + 2 H2O.
C6H5NH3Сl + NaOH  C6H5NH2 + NaCl + H2O.
5. 0,0500 моль непредельного алифатического углеводорода обесцвечивает 160 г 10,0
мас.% раствора брома в СС14. При пропускании этого углеводорода через водный раствор
серной кислоты, содержащий HgSО4, образуется органическое соединение, имеющее в
составе 22,2 мас.% кислорода. Определите строение исходного углеводорода. Напишите
уравнения упомянутых реакций, а также уравнение реакции окисления исходного
углеводорода горячим нейтральным раствором КМпО4.
Ответ. Количество вещества брома, прореагировавшего с 0,05 моль непредельного
углеводорода равно 160∙0,1:160=0,1 моль. Следовательно, углеводород содержит или две
двойных или одну тройную углерод-углеродную связь. Если предположить, что это алкин,
то в результате реакции Кучерова образуется карбонильное соединение, содержащее один
атом кислорода. Массовая доля кислорода как элемента = М(O)/M(карбонильного
соединения), отсюда М(карбонильного соединения) = 16/ 0,222 = 72 г/моль, что
соответствует молекулярной формуле С4H8O. Карбонильное соединение является
бутаноном-2, т.к. в условиях реакции Кучерова из гомологов ацетилена образуются только
кетоны.
Исходным углеводородом могут быть как бутин-1, так и бутин-2.
Уравнения реакций для бутина-1:
СН3-СН2-С≡СН + 2 Br2 = СН3-СН2-С(Br)2-CH(Br)2.
СН3-СН2-С≡СН + H2O –(H+, Hg2+)→ С2Н5С(О)СH3.
Реакция окисления углеводорода горячим нейтральным раствором КМпО4:
3 СН3-СН2-С≡СН + 8 KMnO4 + H2O = 3 С2Н5 СООН + 3 К2 СО3 + 8 MnO2↓ + 2 KOH.
7
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Отборочный (заочный) этап Всероссийской химической олимпиады школьников
“Шаг в будущее”
Вариант №4
1. Определите содержание магния (масс. %) в его смеси с нитратом магния, если при
прокаливании на воздухе этой смеси ее масса не изменилась.
Ответ. При прокаливании смеси на воздухе протекают химические реакции:
2 Mg + О2 –(to)→ 2 MgO,
Mg(NO3)2 –(to)→ MgO + 2 NO2↑ + ½ O2↑.
Чтобы масса смеси после завершения реакций не изменилась, необходимо, чтобы масса
присоединенного кислорода в первой реакции оказалась равной массе, унесенной оксидом
азота (IV) и кислородом. Пусть смесь содержит 1 моль (100 г) нитрата магния. Масса 1
моль нитрата магния при прокаливании уменьшается на [2∙46(масса 2 моль NО2) + 16
(масса ½ моль кислорода)]= 108 г. Таким образом, 108 г к смеси должно добавиться в
результате образования оксида магния по первой реакции. Количество вещества
атомарного кислорода составит 108:16=6,75 моль. Таким образом, чтобы масса смеси не
изменилась, на 1 моль Mg(NO3)2 (148 г) в этой смеси должно приходится 6,75 моль (162 г)
магния. Массовая доля магния в смеси составит 162:(148+162)=0,5226 или 52,26 %.
2. Напишите уравнения реакций, которые могут протекать между водными растворами
нитрата серебра, сульфида натрия и хлорида железа (III).
Ответ.
2 AgNO3 + Na2S = 2 Ag2S↓ + 2 NaNO3,
3 AgNO3 + FeCl3 = 3 AgCl↓ + Fe(NO3)3,
3 Na2S + 2 Fe(NO3)3 = 2 FeS↓ + S↓ + NaNO3.
3. Содержащую оксид азота (IV) при н.у. колбу заполнили водой. Определите массовую
долю азотной кислоты в полученном растворе.
Ответ. Уравнение химической реакции:
2 NO2 + H2O = HNO2 + HNO3.
Примем объем колбы, равный одному литру. В этом случае количество вещества
растворенного SO2 равно 1:22,4=0,0446 моль. Масса растворенного NO2 равна
0,0446∙46=2,052 г. Масса раствора будет равна 1000+2,052=1002,052 г. Масса азотной
кислоты в растворе составит 0,0446∙63=2,81 г. Массовая доля HNO3 в растворе составит
2,81:1002,052=0,00280 или 0,28 %.
4. Используя только неорганические вещества, предложите способ получения толуола.
Любая аппаратура и катализаторы в Вашем распоряжении.
Ответ. Толуол можно получить алкилированием бензола хлорметаном:
С6Н6 + СН3Сl (AlCl3)  C6H5-CH3 + HCl.
Бензол может быть получен тримеризацией ацетилена. Сам же ацетилен образуется при
действии воды или кислоты на карбид кальция. Карбид кальция синтезируется из простых
веществ. Хлористый метил образуется при хлорировании на свету метана, полученного
гидролизом карбида алюминия. Этот карбид также получается прямым синтезом из
простых веществ. Уравнения вышеописанных реакций имеют следующий вид.
Са + 2 С (to)  CaС2,
СаС2 + 2 HСl = CaCl2 + C2H2,
3 С2Н2 + (to, катализатор)  C6Н6,
8
4 Al + 3 С ( to)  Al4С3,
Al4С3, + 12 HCl = 4 AlCl3 + 3 CH4↑,
CH4 + Cl2 –(hν) CH3Cl + HCl.
5. При восстановлении 19,50 г смеси альдегида и кетона образуется 20,04 г смеси
изомерных спиртов. Установите строение веществ, входивших в состав исходной смеси.
Напишите уравнение реакции окисления кетона кислым раствором КМпО4.
Ответ. Если полученные при восстановлении спирты изомерны, то исходные альдегид и
кетон – тоже изомеры и уравнения реакций восстановления альдегида и кетона можно
представить в виде:
СnH2nO + H2 (Ni) СnH2n+2O
В результате восстановления 1 моль смеси масса увеличивается на 2 г. Поэтому молярная
масса исходных изомеров составляет 19,5∙2/(20,04-19,5)=72. Искомый альдегид С3Н7СНО. Кетон - С2Н5-С(О) -СН3.
Реакции окисления кетона раствором перманганата калия в кислой среде приводит к
образованию карбоновых кислот :
5 С2Н5-С(О) -СН3. + 6 KMnO4 + 9 H2SO4 = 10 СН3ООН + 6 MnSO4 + 3 K2SO4 + 9 H2O.
5CH3CH2C(O)CH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 = 5CH3CH2COOH + 5CO2 + 8MnSO4+ 4K2SO4 +
17H2O.
9
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Отборочный (заочный) этап Всероссийской химической олимпиады школьников
“Шаг в будущее”
Вариант №5
1. В результате прокаливания смеси хлорида и гидрокарбоната калия ее масса
уменьшилась в 1,3 раза. Определите массовую долю хлорида калия в исходной смеси.
Ответ. При нагревании разлагается только гидрокарбонат натрия:
2 КHCO3 –(to)→ К2CO3 + CO2↑ + H2O↑.
При прокаливании 2 моль КHCO3 (200 г) масса уменьшается на 44+18=62 г, т.е. в
200:(200-62) =1,45 раз.
Возьмем 100 г смеси. Обозначим за х содержание в ней гидрокарбоната калия. Тогда
масса хлорида калия составит (100-х).
В результате прокаливания масса гидрокарбоната уменьшится в 1,45 раз и составит
0,6896х. Масса хлорида калия не изменится.
Отношение масс веществ до и после прокаливания составит:
100/(0,6896х + 100-х)=1,3.
Решая это уравнение, находим: х=74,44 г. Масса хлорида калия в образце составляет10074,44=25,56 г или 25,56 %.
2. Напишите уравнения реакций, которые могут протекать между водными растворами
хлорида меди(II), нитрата серебра и карбоната натрия.
Ответ.
СuCl2 + 2 AgNO3 = 2 AgCl↓ + Cu(NO3)2,
2 CuCl2 + 2 Na2CO3 + H2O = Cu2(OH)2CO3↓ + 4 NaCl + CO2 ↑.
2 AgNO3 + Na2CO3 = Ag2CO3↓ + 2 NaNO3.
3. Содержащий ClF3 при н.у. полиэтиленовый сосуд заполнили водой. Определите
массовую долю плавиковой кислоты в полученном растворе после протекания гидролиза
растворенного вещества.
Ответ. Уравнение реакции гидролиза ClF3:
ClF3 + 2 H2O = HClO2 + 3 HF.
Примем объем колбы, равный одному литру. В этом случае количество вещества
растворенного ClF3 равно 1:22,4=0,0446 моль. Масса растворенного HF равна
0,0446∙3∙20=2,676 г. Масса раствора будет равна 1000+0,0446∙92,5=1004,13 г. Массовая
доля HF в растворе составит 2,676:1004,13=0,00266 или 0,266 %.
4. Используя только неорганические вещества, предложите способ получения
этиленгликоля. Любая аппаратура и катализаторы в Вашем распоряжении.
Ответ. Можно предложить несколько способов получения этиленгликоля с
использованием только неорганических веществ. Например, последовательным
получением, метана, этана, этилена и его окислением. Или в результате получения
ацетилена гидратацией карбида кальция, с последующим его гидрированием до этилена,
хлорированием до 1,2-дихлорэтана и гидролизом. Ниже приводятся уравнения реакций
для второго варианта получения этиленгликоля:
Нагреванием кальция с углем получаем карбид кальция:
Са + 2 С (to)→ CaС2,
СаС2 + 2 HСl = CaCl2 + C2H2.
С2Н2 + Н2  (Ni, to)→ C2H4,
С2Н4 + Cl2 = Cl-CH2-CH2-Cl,
10
Cl-CH2-CH2-Cl. + 2 H2O = HO-CH2-CH2-OH + 2 HCl.
5. Сложный эфир одноосновной карбоновой кислоты и предельного одноатомного спирта
содержит 32,0 мас.% кислорода. 10,0 г этого сложного эфира нагрели с избытком водного
раствора едкого натра. Образовавшийся в результате гидролиза спирт отогнали и нагрели
с концентрированной серной кислотой. В результате был получен газ с относительной
плотностью по кислороду 0,875. Определите строение сложного эфира и массу натриевой
соли, полученной в результате гидролиза.
Ответ. Уравнение реакции взаимодействия сложного эфира с раствором едкого натра:
R1COOR2 + NaOH = R1COONa + R2OH.
В результате нагревания спирта с концентрированной серной кислотой образуется
непредельный углеводород СnH2n. Его молярная масса равна 32∙0,875= 28 г/моль.
Искомый углеводород - этилен С2H4. Молярная масса радикала C2H5 равна 29 г/моль.
Молярная масса сложного эфира равна 32:0,32=100 г/моль. Молярная масса радикала R1
будет равна 100-12-32-29=27 г/моль. Его химическая формула СН2=СН-.
Искомое соединение – этиловый эфир акриловой кислоты СН2=СН-СООС2Н5. Формула
натриевой соли акриловой кислоты СН2=СН-СООNa. Количество вещества сложного
эфира, нагретого с избытком NaOH равно 10:100=0,1 моль. Столько же натриевой соли
получилось. Ее масса равна 94∙0,1=9,4 г.