Задания и решения заданий для учителей химии –

Задания и решения заданий для учителей химии –
участников Олимпиады 2013 года
Общее время выполнения работы – 4 часа (240 минут)
Максимальное количество баллов - 240
Блок №1
Задание 1 (10 баллов)
«Лунный» элемент был открыт в 1817 году шведским химиком Берцелиусом, он же
предложил его название. Элемент является сильным ядом, действующим при поступлении
в организм подобно мышьяку. Этот элемент своих минералов практически не образует, в
природе сопутствует сере. В чистом виде образует простое вещество в твёрдом агрегатном
состоянии, обладающее серым цветом с металлическим отсветом… Это вещество
энергично взаимодействует с фтором, при нагревании – с хлором, кислородом. При
взаимодействии простого вещества с кислородом образуется только один оксид, белого
цвета, твёрдый при комнатной температуре ЭО2. Кислота, образованная этим элементом, а
также водородом и кислородом, в которой массовая доля элемента равна 0,545, способна
растворять золото.
1. Назовите элемент, ответ обоснуйте.
2. Напишите уравнения реакций простого вещества, образованного этим элементом, с
фтором, хлором, кислородом.
3. Установите формулу кислоты и напишите уравнение реакции этой кислоты с
золотом.
4. Элемент образует с серой соединение под названием сульсен, которое используют
в медицине. Какова может быть формула этого соединения?
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
Название «лунный», а также то, что этот элемент в природе сопутствует
сере, подсказывают, что искомый элемент – селен (греческое слово
«селене» означает «луна»)
Для элементов подгруппы серы характерны степени окисления -2, +4 и
+6, формы оксидов ЭО2 и ЭО3, соответствующие оксидам формы кислот
Н2ЭО3 и Н2ЭО4. Рассчитаем массовые доли селена в этих кислотах.
Для Н2SеО3: w (Se) = 79/129 = 0,612; для Н2SеО4: w (Se) = 79/145 = 0,545,
что отвечает условию задачи. Таким образом, элемент - селен. Кислота –
селеновая, её формула Н2SеО4
Уравнения реакций селена с фтором, хлором, кислородом:
2 Se + 5 F2 = SeF4 + SeF6
Se + 2 Cl2 = SeCl4
Se + O2 = SeO2
Уравнение реакции селеновой кислоты с золотом:
2 Au + 6 Н2SеО4 = Au2(SeO4)3 + 3 SeO2 + 6 H2O или
2 Au + 7 Н2SеО4 = 2 H[Au(SeO4)2] +3 H2SeO3 + 3 H2O
Учитывая, что сера более электроотрицательна, чем селен, то возможная
формула сульсена SeS2.
Баллы
1 балл
2 балла
3 балла
3 балла
1 балл
1
Максимальный балл
10
Задание 2 (10 баллов)
Определите реагирующие вещества и составьте уравнения реакций по их правым
частям (формулы всех веществ указаны с коэффициентами в уравнении реакции).
1)
2)
3)
4)
5)
… + … + … = 3H3PO4 + 5NO
… + … = 5NaI + NaIO3 + 3H2O
… + … = 2N2 + K2SO4 + 4H2O
… + … + … = 4H2 + K2SiO3
… + … + … = K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
1) 5HNO3 + 3P + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO
2) 3I2 + 6NaOH = 5NaI + NaIO3 + 3H2O
3) 2KNO2 + (NH4)2SO4 = 2N2 + K2SO4 + 4H2O
4) SiH4 + 2KOH + H2O = 4H2 + K2SiO3
5) 2KMnO4 +5SO2 + 2H2O = K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4
Максимальный балл
Баллы
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
10
Задание 3 (10 баллов)
В избытке HNO3 растворили 1,93 г кристаллогидрата соли, состоящей из трех
элементов. Раствор упарили, а осадок прокалили. При прокаливании выделилось 0,112 л
(н.у.) газа, поддерживающего горение и имеющего плотность по воздуху 1,103. После
прокаливания осталось 1,41 г нелетучей смеси нитрита натрия (48,94 массовых %) и
оксида элемента (VI) (51,06 массовых %). Оксид этого элемента содержит 33,33 массовых
% кислорода. Установите формулу кристаллогидрата.
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
Молярная масса газа М = 1,103 ∙ 29 = 32,0 (г/моль) – следовательно, этот
газ – кислород.
Количество вещества нитрита натрия:
n(NaNO2) = 1,44 ∙ 0,4894/69 = 0,010 (моль)
Молярная масса оксида шестивалентного элемента:
М(ЭО3) = 48/0,3333 = 144 (г/моль)
Относительная атомная масса этого элемента: Аr (Э) = 144 – 48 = 96
Элемент – молибден
Количество вещества МоО3 :
n(МоО3) = 1,41∙ 0,5106/144 = 0,005 (моль)
Формула соли Na2MoO4 ∙ x H2O. М (Na2MoO4) = 206 г/моль. Количество
вещества соли составляет 0,005 моль. Масса этой соли равна 206 ∙ 0,005 =
Баллы
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
2 балла
2
1,03 (г). Масса воды в кристаллогидрате составит 1,93 – 1,03 = 0,90 (г)
Количество вещества воды в кристаллогидрате:
n(Н2О) = 0,9/18 = 0,05 (моль)
Соотношение соль : кристаллизационная вода равно 1:10. Формула
кристаллогидрата:
Na2MoO4 ∙ 10H2O
Максимальный балл
1 балл
2 балла
10
Задание 4 (10 баллов)
При глубоком окислении оптически активного спирта А образуются две
органические кислоты, а при мягком окислении – вещество Б состава С5Н10О, не
восстанавливающее реактив Феллинга. При обработке Б гидроксиламином образуется
вещество В, восстановление которого приводит к веществу Г. Если на вещество Г
подействовать нитритом натрия в избытке HCl, то получается смесь веществ, в состав
которой входит исходный спирт А.
1.
Приведите уравнения происходящих реакций и назовите все вещества.
2.
Объясните причины оптической активности вещества А и проиллюстрируйте её
3.
Какое наиболее вероятное вещество может также входить в состав конечной
смеси?
Решение:
1. Т.к. при мягком окислении спирта А образуется вещество Б, не восстанавливающее
реактив Феллинга, следовательно, Б - это кетон, а А – вторичный спирт,
содержащий 5 атомов углерода.
Существует три изомерных вторичных спирта с 5 атомами углерода: пентанол-2, 3метилбутанол-2 и пентанол-3.
Пентанол-3 не может быть спиртом А, т.к. не обладает оптической активностью, а
при жестком окислении 3-метилбутанола-2 образуются кислота и кетон. Поэтому
искомый спирт А – пентанол-2
Уравнения реакций:
1.
5 H3C
CH CH2
CH2
CH3
+ 12 H2SO4
+ 8 KMnO4
OH
ï åí òàí î ë -2
À
5 CH3 COOH
óê ñóñí àÿ
(ýòàí î âàÿ)
ê è ñë î òà
2.
H3C
CH CH2
CH2
+ 5 CH3
CH2
ï ðî ï àí î âàÿ ê è ñë î òà
CH3
Cu, t
OH
3.
C CH2
CH3
C CH2
O
ï åí òàí î ë -2
CH3
COOH + 8 MnSO4 + 17 H2O + 4 K2SO4
CH2
O
CH2
CH3
+ H2
ï åí òàí î í -2
Á
CH3
+ H2N OH
CH3
C CH2
CH2
CH3
+ H2O
N OH
ï åí òàí î í -2
î ê ñè ì ï åí òàí î í à-2
Â
3
4.
CH3
C CH2
CH2
CH3
[H]
H3C
N OH
CH CH2
NH2
î ê ñè ì
CH2
CH3
2-àì è í î ï åí òàí
Ã
5.
NaNO2 +
H3C
HCl
CH CH2
NH2
HNO2 + NaCl
CH2
CH3 + HNO2
H3C
CH CH2
CH2
CH3
+ N2
+ H2O
OH
2-àì è í î ï åí òàí
ï åí òàí î ë -2
À
2.
Оптической активностью обладают органические соединения, для которых
возможна оптическая изомерия (стереоизомерия). Причиной возникновения
стереоизомеров является наличие в молекуле асимметрического углеродного
атома, т.е. атома углерода с четырьмя различными заместителями. При наличии
асимметрического углеродного атома, соединение может существовать в виде двух
стереоизомеров (оптических антиподов или энантиомеров).
В молекуле пентанола-2 второй атом углерода – асимметрический. Поэтому
возможно наличие двух стереоизомеров.
CH3
CH3
H3C
CH CH2
CH2
CH3
OH
3.
HO C
H
H C OH
C3H7
C3H7
R-ï åí òàí î ë-2
S-ï åí òàí î ë-2
(èëè
D-èçî ì åð)
(èëè L-èçî ì åð)
Вещество Г – 2-аминопентан (втор.пентиламин) – это первичный алифатический
амин. В реакциях с азотистой кислотой происходит выделение газообразного азота
и образование спирта. Также в условиях реакции возможно образование алкена –
пентена-2.
Критерии оценивания:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
За объяснение структуры спирта А
За названия веществ А-Г по 0,5 баллов
За уравнения реакций по 1 баллу
За определение оптической активности
За формулы энантиомеров
За побочный продукт в реакции 5
0,5 баллов
4 ∙ 0,5 = 2 балла
5 ∙ 1 = 5 баллов
1 балл
1 балл
0,5 баллов
Максимальный балл
10 баллов
4
Блок №2
Задание 5 (20 баллов)
«каждый охотник желает знать, где сидит фазан».
Соединение Ф (соединения такого типа называют «квасцами») представляет собой
темно-фиолетовые октаэдрические кристаллы. При растворении Ф в воде получается
фиолетовый раствор. При добавлении к этому раствору избытка раствора гидроксида
калия образуется раствор зеленого цвета (вещество З) (реакция 1). Если к полученному
раствору добавить пероксид водорода, то раствор станет желтым (вещество Ж) (реакция
2). При подкислении раствора вещества Ж раствором серной кислоты раствор становится
оранжевым (вещество О) (реакция 3). Прибавление к оранжевому раствору пероксида
водорода и диэтилового эфира, приводит к образованию соединения С, которое
окрашивает слой эфира в синий цвет (реакция 4).
Если же к подкисленному раствору вещества О добавить избыток цинка, то через
некоторое время раствор приобретет интенсивную голубую окраску (вещество Г)
(реакция 5).
К насыщенному раствору вещества О прилили концентрированной серной
кислоты, при охлаждении полученного раствора выпали ярко-красные кристаллы
вещества К (реакция 6).
1. Приведите название и формулу квасцов (соединение Ф), если содержание воды в
них равно 43,3%.
2. Приведите формулы соединений в соответствии с их цветом: красный, оранжевый,
желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
3. Напишите уравнения реакций образования веществ 1- 6.
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
Квасцы – соединения с общей формулой ЭIЭIII(SO4)2 · 12H2O. Если
содержание воды 43,3%, то молярная масса квасцов 12·18 : 0,433 = 499
(г/моль). На сумму атомных масс ЭI и ЭIII приходится 499 - 18·12 - 2·96 =
91. Судя по окраске упомянутых растворов, это хромовые квасцы, т.е. ЭIII
– Сr. Значит ЭI – К (калий) (39 + 52 = 91). Ф – хромокалиевые квасцы
Красный
CrO3
Оранжевый
K2Cr2O7
Желтый
K2CrO4
Зеленый
K[Cr(OH)4(H2O)2] или K3[Cr(OH)6]
Голубой
CrSO4
Синий
CrO5 или CrO5 ∙ (С2Н5)2O
Фиолетовый
КCr(SO4)2·12Н2О
КCr(SO4)2 + 6КОН = K3[Cr(OH)6] + 2К2SO4 или
КCr(SO4)2 + 4КОН + 2Н2О = K[Cr(OH)4(Н2О)2] + 2К2SO4
(1)
2K3[Cr(OH)6] + 3Н2О2 = 2K2CrO4 + 2КОН + 8Н2О
(2)
2K2CrO4 + Н2SO4 = K2Cr2O7 + Н2О + К2SO4 (3)
K2Cr2O7 + 4Н2О2 + Н2SO4 + С2Н5-О-С2Н5 = 2CrO5·(С2Н5)2О + 5Н2О +
К2SO4 (4)
K2Cr2O7 + 4Zn + 7Н2SO4 = 4ZnSO4 + 2CrSO4 + 7Н2О + К2SO4 (5)
K2Cr2O7 + 2Н2SO4 = 2CrO3↓ + Н2О + 2КHSO4
(6)
Баллы
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
5
Максимальный балл
20
Задание 6 (20 баллов)
Водный раствор иодида калия, содержащий примесь бромида калия, встряхивали с
избытком бромной воды, а затем упарили и кристаллизовали. В результате получили
продукт, масса которого на A граммов меньше массы первоначального препарата. Этот
продукт растворили в воде и через полученный раствор пропустили избыток хлора, после
чего упарили и опять кристаллизовали. Масса нового продукта также на A граммов
меньше массы препарата, полученного в предыдущем опыте. Найти массовую долю
бромида калия в исходном препарате. Считать, что все химические реакции идут
количественно.
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
Составим уравнения реакций:
2 KI + Br2 = 2 KBr + I2
2 KBr + Cl2 = 2 KCl + Br2
Пусть изначально в смеси было х г KBr и у г KI. Найдем количество
вещества KI, а через него массу образовавшегося KBr.
n(KI ) = m(KI)/M(KI) = у/166 (моль)
mобр.(KBr) = n(KI) ∙ M(KBr) = 119у/166 (г)
Теперь найдем разницу в массе навесок:
А = (х + у) – (х + 119у/166) = у - 119у/166 (г)
Общая масса KBr равна:
mоKBr = х + 119у/166 = (166х + 119у)/166 (г)
nKBr = mоKBr/MKBr = (166х + 119у)/(166 ∙ 119) (моль)
Теперь найдем массу получившегося KCl:
mKC l = nKCl∙MKC l = nKBr∙MKC l = 74,5(166х + 119у)/(166 ∙ 119) (г)
Попробуем опять вывести А и составить уравнение. А равно разнице
между массой mоKBr и массой получившегося хлорида калия:
А = (166х + 119у)/166 – 74,5(166х + 119у)/(166 ∙ 119)
Таким образом, получаем:
(166х + 119у)/166 – 74,5(166х + 119у)/(166 ∙ 119) = у – 119у/166
Решая его, получаем:
у = 14774х/595 = 24,83х
Теперь мы можем найти начальное содержание бромида калия в смеси:
w(KBr) = х/(х + у) = х/25,83х = 0,039 или 3,9%
Максимальный балл
Баллы
4 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
20
Задание 7 (20 баллов)
В 264 г раствора с массовой долей Hg2(NO3)2, равной 20 %, поместили железные
опилки. Через некоторое время массовая доля нитрата ртути (I) в растворе стала равна 6
%.
1. Какая масса ртути получена в результате реакции?
2. Какова массовая доля нитрата железа в полученном растворе?
6
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
Hg2(NO3)2 + Fe = Fe(NO3)2 + 2Hg ↓ (1)
M( Fe(NO3)2 = 180 г/моль; М(Hg) = 201 г/моль; M(Fe) = 56 г/моль;
M(Hg2(NO3)2 = 526 г/моль.
Найдем массу Hg2(NO3)2 в исходном растворе: m(Hg2(NO3)2) = 0,2·264 = 52,8
(г)
Масса раствора в ходе реакции изменяется. Масса раствора увеличивается на
массу железа, вступившего в реакцию, и уменьшается на массу ртути,
выпадающей в осадок.
Пусть Х г железа вступило в реакцию. Найдем массу полученной ртути по
уравнению реакции (1):
Баллы
2 балла
1 балл
1 балл
1 балл
2 балла
56/2·201 = Х/ m1
m1(Hg ) = 7,18X
Масса полученного раствора: m(p-pа) = 264 + X – 7,18X = 264 – 6,18X (г)
Найдем массу Hg2(NO3)2 в полученном растворе:
2 балла
1 балл
m(Hg2(NO3)2 ) = 0,06 (264 – 6,18X) = 15,84 – 0,37X
Найдем массу Hg2(NO3)2, которая вступила в реакцию:
1 балл
m(Hg2(NO3)2 ) = 52,8 – (15,84 – 0,37Х) = 36,96 + 0,37Х
Найдем значение Х по уравнению реакции (1), решая пропорцию:
2 балла
56 / 526 = Х/(36,96 + 0,37Х)
Х = 4,1; m(Fe) = 4,1 г.
Масса полученной ртути: m1(Hg ) = 7,18X = 7,18 · 4,1 = 29,4 (г)
Масса полученного раствора: m(p-pа) = 264 – 6,18X = 264 – 6,18 · 4,1 = 238,7
(г)
Найдем массу полученного нитрата железа(II):
2 балла
2 балла
2 балла
56 / 180 = 4,1/Y
Y = 13,18; m(Fe(NO3)2) = 13,18 г.
Найдем массовую долю нитрата железа(II) в полученном растворе:
1 балл
w ( Fe(NO3)2 ) = m( Fe(NO3)2 ) : m(p-pа) = 13,18: 238,7 = 0,055 (5,5 %)
Максимальный балл
20
Задание 8 (20 баллов)
В медицинской практике применяют сильное средство для местной анестезии,
которое
называется
тримекаина
гидрохлорид
(N,N-диэтиламино-2,4,6триметилацетанилид гидрохлорид). Одна из возможных схем синтеза этого вещества
7
приведена ниже. Расшифруйте схему (напишите уравнения реакций) и назовите все
неизвестные вещества.
Решение:
o
> 1000 C
CH4
E
H2/Pt
CH3MgI
A
ClCH2COOH
F
CH3I
B
G
Càêò.
C
t
I
- H2O
P, t
1) Et2NH
2) Et3N
HNO3
D
J
H2SO4
HCl
K
o
1.
2 CH4
> 1000 C
HC
CH
+ 3 H2
A
ýòèí (àöåòèëåí )
HC
+ CH3MgI
2.
HC
CH
3.
HC
C MgJ
+
C MgJ + CH4
B
ýòèí èëì àãí èéî äèä
HC C ÑH3 + MgI2
CH3I
C
ï ðî ï èí
CH3
4.
3 HC
Càêò.
C ÑH3
P, t
CH3
H3C
D
1,3,5-òðèì åòèëáåí çî ë
5.
NO2
CH3
CH3
H 3C
+ HNO3
CH3
H3C
+
H2SO4
H2O
CH3
6.
E
2,4,6-òðèì åòèë-1-í èòðî áåí çî ë
NH2
NO2
CH3
H3C
CH3
H2/Pt
CH3
H3C
CH3
F
2,4,6-òðèì åòèëàí èëèí
8
7.
NH3
NH2
CH3
H3C
CH3
H3C
O
ClCH2
ClCH2COOH
+
Ñ
-
O
CH3
CH3
G
2,4,6-òðèì åòèëàí èëèí èé
õëî ðàöåòàò
O
C CH2Cl
8.
+
NH3
NH
CH3
H3C
ClCH2
Ñ
CH3
H3C
O
t
+
-
H2O
O
CH3
CH3
I
2,4,6-òðèì åòèëàí èëèä
õëî ðóêñóñí î é êèñëî òû
9.
O
C
O
CH2Cl
C
CH2
NEt2
NH
NH
CH3
H3C
CH3
H3C
+ Et2NH
+ HCl
2) Et3N
CH3
CH3
J
N,N-äèýòèëàì èí î -2,4,6-òðèì åòèëàöåòàí èëèä
10.
O
C
CH2
O
NEt2
NH
NEt2
NH
CH3
H3C
C CH2
+ HCl
CH3
CH3
H3C
* HCl
CH3
K
N,N-äèýòèëàì èí î -2,4,6òðèì åòèëàöåòàí èëèä ãèäðî õëî ðèä
Критерии оценивания:
За уравнения реакций по 1,5 балла
За названия А-К по 0,5 балла
Максимальный балл
10 ∙ 1,5 = 15 баллов
10 ∙ 0,5 = 5 баллов
20 баллов
9
Блок №3
Задание 9 (30 баллов)
В шкафу лаборант обнаружил банку с надписью «сплав меди» и решил определить,
что входит в его состав кроме меди. Отобрав несколько стружек вещества, растворил при
нагревании в концентрированной азотной кислоте. При этом выпал белый осадок,
который он отфильтровал. К фильтрату лаборант добавил концентрированный водный
раствор аммиака, в результате реакции (1) образовался белый дым, а раствор окрасился в
яркий синий цвет (реакция 2) и выпал бурый осадок (реакция 3), пробирка сильно
разогрелась. Через некоторое время он отфильтровал осадок, растворил его в соляной
кислоте (реакция 4) и добавил несколько капель роданида аммония (реакция 5). В
результате раствор стал интенсивно красным. Так был установлен качественный состав.
Для определения количественного состава была взята навеска стружек массой 1,0321 г и
растворена в 10 мл концентрированной азотной кислоты. Полученный белый осадок он
отделил и прокалил при температуре 12000 С в течение 4 часов. Масса осадка после
прокаливания составила 0, 0923 г. Фильтрат был разбавлен до 200,0 мл в мерной колбе. К
одной аликвотной части полученного раствора объемом 10,00 мл он добавил 2 мл
раствора 1 М НСl и 10 мл 20%-ного раствора КI. Полученный раствор лаборант
оттитровал 0,0500 М раствором тиосульфата натрия. На титрование потребовалось 14,71
мл тиосульфата. К другой аликвотной части объемом 10,00 мл он добавил 20 мл раствора
пирофосфата натрия, 7 мл концентрированной НС1 и 10 мл 20%-ного раствора КI. На
титрование потребовалось 14,13 мл 0,0500 М раствора тиосульфата натрия.
1. Как называется сплав, который обнаружил лаборант?
2. Какие медные сплавы вам известны и каков их качественный состав?
3. Установите качественный состав сплава, предполагая, что он содержит только три
металла. Напишите уравнения реакций, которые помогли установить качественный состав
сплава.
4. Определите количественный состав сплава. Напишите уравнения реакций, которые
помогли установить количественный состав сплава.
5. Какова роль пирофосфата натрия во втором титровании?
6. Напишите уравнения реакций, которые произойдут при добавлении к синему раствору:
а) сероводорода;
б) 20%-ного раствора серной кислоты;
в) 20%-ного раствора H2SO4, NaCl, SO2.
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
Бронза – сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием и
другими металлами, кроме цинка.
Другие сплавы меди – латунь (сплав меди с цинком), мельхиор (с
никелем), манганин и константан (с марганцем и никелем в разных
соотношениях).
Белый осадок – это оксид олова (IV) (точнее, образуется оловянная
кислота состава SnO2 ∙ хН2О):
Sn + 4HNO3 = SnO2 ∙ х Н2О↓ + 4NO2 + (2 –x)H2O
Если бы сплавом была латунь, то нерастворимых веществ не
образовалось бы, так как и медь, и цинк переходят в растворимые
нитраты:
Баллы
1 балл
1 балл
1 балл
2 балла
10
Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Zn + 4HNO3 = Zn(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Кроме того, в сплаве присутствовало железо, о чем свидетельствует
качественная реакция с роданидом аммония – образование интенсивнокрасного окрашивания:
Fe3+ + SCN- = [Fe(SCN)]2+
(5)
Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O
При добавлении к фильтрату водного раствора аммиака происходят
следующие реакции:
HNO3 + NH3∙H2O = NH4NO3 (белый дым) + H2O (1)
В фильтрате остаются нитраты меди и железа(III). При добавлении к
фильтрату раствора аммиака образуется синий раствор:
Cu(NO3)2 + 4NH3∙H2O = [Cu(NH3)4](NO3)2 + 4H2O или
Cu(NO3)2 + 6NH3∙H2O = [Cu(NH3)4(H2O)2](OH)2 + 2NH4NO3 + 2H2O (2)
и бурый осадок:
Fe(NO3)3 + 3NH3∙H2O = Fe(OH)3↓ + 3NH4NO3
Fe(OH)3↓ + 3HCl = FeCl3 + 3H2O
1 балл
1 балл
1 балл
2 балла
(3)
(4)
Олово в сплаве было определено гравиметрически. При растворении
олова в азотной кислоте образуется оловянная кислота (см.выше), а при
ее прокаливании – оксид олова (IV):
Sn + 4HNO3 = SnO2∙ хН2О↓ + 4NO2 + (2 –x)H2O
SnO2 ∙ хН2О = SnO2 + хН2О
2 балла
Медь и железо в сплаве были определены иодометрическим титрованием.
На первом этапе было определено суммарное содержание меди и железа:
2Cu(NO3)2 + 4KI = 2CuI↓ + I2 + 4KNO3
2Fe(NO3)3 + 2KI = 2Fe(NO3)2 + I2 + 2KNO3
I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6
n(Na2S2O3) = n(Cu(NO3)2 + n(Fe(NO3)3
n(Na2S2O3) = c(Na2S2O3) ∙ V(Na2S2O3) ∙ Vколбы / Vпипетки = 0,0500 ∙ 0,01471 ∙
200,0 / 10,00) = 1,471 ∙ 10-2 (моль).
При втором титровании было определено содержание меди
Пирофосфат натрия связывает железо в бесцветный устойчивый
комплекс.
Следовательно,
при
втором
титровании
железо
восстанавливаться не будет, тогда:
n(Na2S2O3) = c(Na2S2O3) ∙ V(Na2S2O3) ∙ Vколбы / Vпипетки = 0,0500 ∙ 0,01413 ∙
200,0 / 10,00 = 1,1413 ∙ 10-2 (моль).
n(Cu(NO3)2 = 1,1413 ∙ 10-2 (моль).
m(Cu) = 1,1413 ∙ 10-2 (моль) ∙ 63, 546г/моль = 0,7252 г
n(Fe(NO3) = 1,471 ∙ 10-2 (моль) - 1,1413 ∙ 10-2 (моль) = 0,3297 ∙ 10-2(моль)
m(Fe) = 0,3297 ∙ 10-2 (моль) ) ∙ 55,847г/моль = 0,1841 г
Тогда состав сплава будет таким: ɷ(Cu) = 70,26%, ɷ(Sn) = 11,90%, ɷ(Fe)
= 17,84%.
[Cu(NH3)4](NO3)2 + 3H2S = CuS↓ + 2NH4NO3 + 2NH4HS или
[Cu(NH3)4(H2O)2](OH)2 + 5 H2S = CuS↓ + 4H2O + 4NH4HS
[Cu(NH3)4](NO3)2 + 2H2SO4 = Cu(NO3)2 + 2(NH4)2SO4
или
[Cu(NH3)4(H2O)2](OH)2 + 3H2SO4 = CuSO4 + 4H2O + 2(NH4)2SO4
2[Cu(NH3)4](NO3)2 + 2H2SO4 + 2NaCl + SO2 = 2CuCl↓+ Na2SO4+ 4NH4NO3
+ 2(NH4)2SO4 или
3 балла
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
2 балла
3 балла
3 балла
11
2[Cu(NH3)4(H2O)2](OH)2 + 4H2SO4 + 2NaCl + SO2 = 2CuCl↓ + 6H2O +
4(NH4)2SO4 + Na2SO4
Максимальный балл
30
Задание 10 (30 баллов)
Установлено, что в 1 л природной воды содержание гидрокарбонатов кальция и
магния составляет 130,0 и 10,0 мг, а сульфатов тех же металлов 15,0 и 5,0 мг
соответственно. Какой объем воды с указанным содержанием солей можно смягчить с
использованием 1 кг минерала алюмосиликата натрия общей формулы NaAlSi 2O6, если
известно, что он способен обменивать ионы натрия на другие катионы, находящиеся в
растворе? Какие минимальные массы негашеной извести и соды потребуются для
экономного и полного устранения жесткости 1 м3 воды? При этом следует учесть, что
сода значительно дороже извести. Гидроксид магния считать нерастворимым
соединением.
Решение:
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
В 1 м3 природной воды содержится:
Ca(HCO3)2 (130 г : 162,1 г ∙ моль-1 = 0,802 моль),
Mg(HCO3)2 (10 г : 146,3 г ∙ моль-1 = 0,068 моль),
CaSO4 (15 г : 136,2 г ∙ моль-1 = 0,110 моль),
MgSO4 (5 г : 120,4 г ∙ моль-1 = 0,042 моль),
Суммарное содержание солей кальция и магния в 1 м3 воды 1,022 моль
В 1 кг алюмосиликата натрия n = 1000 г: 202,2 г ∙ моль-1 = 4,95 моль
Ca2+ + 2Na+[AlSi2O6]- → 2Na+ + Ca[AlSi2O6] 2↓
Mg2+ + 2Na+[AlSi2O6]- → 2Na+ + Mg[AlSi2O6]2↓
Для смягчения 1 м3 природной воды необходимо 1,022 моль ∙ 2 = 2,044
моль алюмосиликата натрия
V(воды) = 4,95 моль : 2,044 моль ∙ м-3 = 2,42 м3
Сначала при использовании дешевого СаО удаляются гидрокарбонаты
кальция, магния и сульфат магния:
CaO + H2O → Ca(OH)2
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 → CaCO3↓ + MgCO3↓ + 2H2O
Ca(OH)2 + MgSO4 → CaSO4 + Mg(ОН)2↓
n(СaO) = n(Ca(HCO3)2) + n(Mg(HCO3)2) + n(MgSO4) = 0,802 + 0,068 +
0,042 = 0,912 (моль)
m(CaO) = 0,912 моль · 56,1 г ∙ моль-1 = 51,2 г
Во вторую очередь более дорогой содой удаляют CaSO4, как бывший
в растворе, так и образовавшийся при взаимодействии Ca(OH)2 + MgSO4
Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3↓ + Na2SO4
n(Na2CO3) = n(CaSO4) + n(MgSO4) = 0,110 + 0,042 = 0,152 (моль)
m(Na2CO3) = 0,152 · 106 = 16,1 (г )
Максимальный балл
Баллы
5 баллов
2 балла
2 балла
2 балла
1 балл
1 балл
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
1 балл
30
Задание 11 (30 баллов)
Юный химик проводил опыты. Он смешивал в пробирках растворы разных веществ
(см. таблицу). После некоторых опытов на стенках пробирки остались налёты.
1. Напишите уравнения всех протекающих реакций.
12
2. На стенках каких пробирок мог остаться налёт? Какого он цвета?
3. Какими реактивами можно отмыть эти налёты? Напишите уравнения реакций.
№ пробирки
1
2
3
4
5
6
7
Смешанные вещества
NaOH и HCl
AgNO3 и NaCl
HCl и Na2S2O3
K2SO3 и KMnO4
AgNO3 и Fe(NO3)2
FeCl3 и NaOH
HCl и спиртовой раствор фенолфталеина
Решение
Содержание верного ответа и указания по оцениванию
(допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
Уравнения реакций, протекающих в пробирках:
1) NaOH + HCl = NaCl + H2O
2) AgNO3 + NaCl = AgCl↓ + NaNO3
3) 2HCl + Na2S2O3 = 2NaCl + H2O + S↓ + SO2 ↑
4) 3K2SO3 + 2KMnO4 + H2O = 3K2SO4 + 2MnO2 ↓+ 2KOH
5) AgNO3 + Fe(NO3)2 = Ag ↓+ Fe(NO3)3
6) FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓+ 3NaCl
7) Фенолфталеин с соляной кислотой не реагирует, однако возможно
его выпадение в осадок из спиртового раствора при разбавлении
последнего водой или водным раствором кислоты.
Налёт мог остаться на стенках всех пробирок, кроме первой.Формулы и
цвета осадков: 2. АgСl - белый
3. S - жёлтый
4. МnО2 - коричневый
5.Аg – серебристый или тёмно-серый
6.Fе(ОН)3 - коричневый
7. фенолфталеин - белый
АgСl растворяется в водном растворе аммиака:
АgСl + 2NH3 = [Ag(NH3)2]Cl
Серу можно растворить в концентрированной серной кислоте:
S + 2H2SO4(конц.) = 3SO2↑ + 2H2O
МnО2 растворяется в соляной кислоте при нагревании:
МnО2 + 4HCl = Cl2↑ + MnCl2 + 2H2O
Серебро можно растворить в разбавленной азотной кислоте:
3Ag + 4HNO3 = 3AgNO3 + NO↑ + 2H2O
Свежеосаждённый Fе(ОН)3 растворим в сильных кислотах:
Fe(OH)3 +3HCl = FeCl3 +3H2O
Фенолфталеин можно отмыть щёлочью, с которой он даёт растворимую
соль
Максимальный балл
Баллы
1 балл
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
2 балла
1балл
30
Задание 12 (30 баллов)
13
м-Этилтолуол (соединение А) обработали бромом (в недостатке) в присутствии
AlBr3. В результате было выделено 4 продукта с различными выходами: В1, В2, В3, В4.
Известно, что соотношение ароматических и алифатических протонов во всех
соединениях В 3 : 8. В1 не реагирует с KNH2 в жидком аммиаке. В2 и В4 дают в этой же
реакции по 2 продукта: С1 и С2; и С2 и С3 соответственно. В3 дает все эти три вещества
одновременно. Известно также что С3 может подвергаться следующим превращениям:
D1
Ñ3
Cl2, h
D2
OH , ROH
OH , ROH
E
1) B2H6
2) H2O2, OH
CH3
G
NH
D3
причем вещества D имеют одинаковаую молекулярную формулу С9Н13Cl2N, а D2 –
смесь оптических изомеров
1.
Определите все неизвестные вещества.
2.
Оцените, у какого из веществ В максимальный выход.
3.
Напишите схему превращения вещества С3.
4.
Объясните, чем обусловлено существование оптических изомеров вещества D2.
Решение:
1.
При недостатке брома логично предположить что А подвергается
монобромированию. При этом, учитывая соотношение ароматических и
алифатических протонов (3:8) в соединениях В, все они образовались в результате
монозамещения брома в бензольное кольцо: [1]
CH2
CH3
CH2
CH3
CH2
CH3
CH2
CH3
CH2
CH3
Br
Br
Br2, AlBr3
H3C
+
H 3C
H3C
Br
B2
B1
A
2-áðî ì -3-ýòèëòî ëóî ë
+
+
H3C
2-áðî ì -5-ýòèëòî ëóî ë
Br
H3C
B3
B4
3-áðî ì -5-ýòèëòî ëóî ë
3-ýòèë-4-áðî ì òî ëóî ë
Выбор изомеров обусловлен тем, что вещество В1 не реагирует с KNH2 в аммиаке.
Ароматические галогенуглеводороды реагируют в этих условиях по механизму
отщепления-присоединения, образуя в промежутке дегидробензолы. 2-бром-3этилтолуол не имеет атомов Н у соседних с бромом атомов углерода, поэтому
отщепление бромоводорода невозможно. Остальные изомеры В дают различное
соотношение изомеров вещества С: [2]
CH2
CH3
CH2
CH2
CH3
CH3
KNH2, NH3
- HBr
H3C
Br
B2
H3C
CH2
CH3
+
H3C
H3C
NH2
NH2
C1
2-ì åòèë-4-ýòèëàí èëèí
C2
3-ì åòèë-5-ýòèëàí èëèí
[3]
14
CH2
H3C
CH3
Br
CH2
CH3
CH2
CH3
KNH2, NH3
+
- HBr
H3C
H 3C
B3
CH2
CH3
CH2
CH3
CH2
CH3
NH2
+
+
H3C
H3C
NH2
H3C
NH2
C2
C1
2-ì åòèë-4-ýòèëàí èëèí
C3
3-ì åòèë-5-ýòèëàí èëèí
2-ýòèë-4-ì åòèëàí èëèí
[4]
CH2
CH3
CH2
CH3
Br
H3C
CH3
CH2
CH3
NH2
KNH2, NH3
- HBr
H3C
CH2
+
H3C
H3C
NH2
B4
C2
C3
2-ýòèë-4-ì åòèëàí èëèí
3-ì åòèë-5-ýòèëàí èëèí
Выход В1 затруднен по стерическим причинам, В3 не выгоден по ориентации. Из
продуктов В2 и В4, примерно одинаково выгодных по ориентации, В2 наименее
стерически затруднен, поэтому у него максимальный выход.
Превращения С3
2.
3.
CH2 CH2 Cl
NH3 Cl
H3C
CH2
CH3
NH2
OH
D1
CH
Cl CH CH3
NH3 Cl
Cl2, h
H3C
H3C
OH , ROH
C3
D2
CH2
CH2
NH2
OH , ROH
1) B2H6
2) H2O2, OH
H3C
NH2
H3C
E
G
CH2 CH3
- H2O
NH3 Cl
CH3
Cl H2C
D3
CH2
NH
Превращение вещества E в G происходит в результате гидроборирования двойной связи с
последующим оксилением. Для гидроборирования применяют диборан, который в растворе
диссоциирует и существует в виде комиплекса борана с растворителем. Присоединение
против правила Марковникова отбусловленно электронными и стерическими факторами. Вопервых эелектроотрицательность бора ниже, чем водорода, что обеспечивает полярицацию
связи Н-В+. А во-вторых атом бора больше по размеру, чем атом водорода, что
15
обеспечивает связывание бора с наименее пространственно затрудненным атомом углерода
кратной связи. Образующиеся алкилбораны легко окисляются перекисью водорода в
щелочной среде, образуя спирты. Поэтому суммарно реакция гидроборирования-окисления
является примером присоединением воды по двойной связи против правила Марковникова.
Механизм гидроборирования-окисления:
H
-  +
Ar
CH CH2
B2H6 ( H BH2 )
Ar
BH2
HC
Ar
CH2 CH2
BH2
H2O2 , OH
CH2
Ar
CH2 CH2
BH2
O OH
4.
Ar
CH2
CH2
O
BH2
H2O2 , OH
H3BO3
- OH
Ar
CH2
CH2
OH
В веществе D2 имеется асимметрический атом углерода, наличие которого
обуславливает существование двух оптических изомеров:
Cl CH CH3
CH3
NH3 Cl
H
H3C
Cl
R
CH3
Cl
H
R
D2
Критерии оценивания:
1.
2.
3.
4.
5.
За расшифровку веществ В-G по 1 б
За написание реакций 1-4 по 2 б.
За определение максимального выхода вещества В2
За написание схемы превращения вещества С3
За оптическую изомерию D2
ИТОГО
12*1 = 12 б.
4*2 = 8 б.
2 б.
5б
3 б.
30 б.
16