Решения задач Открытой олимпиады по химии

Решения задач заочного тура
VII Открытой олимпиады по химии 2012.
Задача 1. Необычный минерал. (17 баллов).
Французский химик, прославившийся получением в конце XIX века
очень «агрессивного» газообразного вещества (за что в частности и получил
в 1906 году Нобелевскую премию), нашёл как-то в каньоне Диабло в штате
Аризона, США зелёный минерал, названный впоследствии в его честь.
Минерал представляет собой бинарное соединение элементов X и Y. Элемент
Y является вторым по распространённости в земной коре. Для элемента X
учёный впоследствии синтезировал множество бинарных соединений,
используя изобретённую им электрическую печь. Так, из некоторого
количества элемента X и 10.8 г металла A получается соединение, которое
легко гидролизуется водой с выделением 6.72 л газа (н.у.). А из того же
количества элемента X и 6 г металла B образуется соединение, дающее при
гидролизе 3.36 л другого газа (н.у.).
1. Определите элементы A, B, X, Y.
2. Напишите уравнения всех упомянутых реакций. Каковы условия их
проведения?
3. О каком химике идёт речь в задаче? Какое «агрессивное» вещество
ему удалось получить? Приведите
уравнение реакции.
Решение.
Вторым по распространённости в земной коре является кремний Si – элемент Y.
Элемент X должен быть неметаллом, так при гидролизе бинарных соединений с
металлами образуются газообразные вещества. Так как из одинакового количества
элемента X образуются разные газы и при этом в количествах, различающихся в 2 раза, то
в одном газе атомов элемента X в 2 раза больше, чем в другом. Наиболее подходящим
неметаллом на эту роль является углерод – элемент X. Разумно предположить, что это
карбиды ряда метанидов и ацетиленидов.
Определим металлы A и B.
A4Cx – метанид
A4Cx + 4xH2O = 4A(OH)x + xCH4
ν (A4Cx) =
; М (А) =
= 9x , где x – валентность элемента A. Для x = 3 M (A)
= 27 – алюминий.
BxC2 – ацетиленид
BxC2 + 2H2O = B(OH)2x + C2H2
ν (BxC2) = ν (C2H2) =
= 0.15 моль; ν(B) = 0.15 x; M (B) =
=
, где
2x – валентность элемента B.
Единственно возможный ответ при x = 1 – кальций.
Таким образом, неизвестные бинарные соединения карбид алюминия Al 4C3 и
карбид кальция CaC2.
4Al + 3C → Al4C3;
Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3↓ + 3CH4↑;
Ca + 2C → CaC2;
CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2↑.
Зелёный минерал SiC – муассанит, названный в честь Фердинанда Фредерика Анри
Муассана (1852–1907), который он и обнаружил в 1893 году в каньоне Диабло. Анри
Муассан получил в 1906 году Нобелевскую премию «за большой объём проделанных им
исследований, за получение элемента фтора и введение в лабораторную и промышленную
практику электрической печи, названной его именем».
Фтор получается электролизом безводной HF с добавкой KF:
2HF → H2 (катод) + F2 (анод).
Система оценок:
по 2 балла за элементы X, Y, A, B — всего 8 баллов;
по 1 баллу за уравнения реакций — всего 5 баллов;
2 балла за фамилию учёного и 2 балла за упоминание о фторе — всего 4 балла.
Сумма: 17 баллов.
Задача 2. Цепочка реакций. (7 баллов.)
Напишите уравнения реакций, соответствующих следующим
превращениям (первой указана степень окисления атома в одном из
реагентов, далее – в одном из продуктов, который, в свою очередь, является
реагентом для следующей стадии):
Si+4 → P0 → Br-1 → P+3→ Mn+2→ Na+ → S-2.
Решение.
Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C → 3CaSiO3 + 5CO + 2P (1 балл)
2P + 3Br2 → 2PBr3 (1 балл)
PBr3 + 3H2O → H3PO3 + 3HBr (1 балл)
5H3PO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + 5H3PO4 + 3H2O + K2SO4 (2 балла)
MnSO4 + 2NaOH → Mn(OH)2 + Na2SO4 (1 балл)
Na2SO4 + BaS → BaSO4 + Na2S (1 балл)
Сумма: 7 баллов.
Задача 3. Синтез «TrCl». (19 баллов.)
Формулу соединения Х профессиональные химики-органики часто
сокращенно обозначают в виде «TrCl». Это соединение можно получить,
например, по следующей схеме:
CaC2
H2O
À
Ñàêòèâèð., 400oC
Á
1 ì î ëü CH3Cl
AlCl3
Ä
KMnO4
H2SO4 ð-ð
Å
1. Ã (2 ì î ëÿ)
CH3OH
Æ
H2SO4 êî í ö.
2. H2O
Ç
SOCl2
Br2
Fe
Â
Mg
(C2H5)2O
Ã
1. Приведите структурные формулы и названия веществ А – З и
соединения Х.
2. Соединение Х можно получить из вещества Б и значительно более
коротким путем – всего лишь в одну стадию. Попробуйте предложить
Õ
уравнение этой реакции (с указанием условий ее проведения, всех продуктов
и стехиометрических коэффициентов).
Решение.
CH3
1.
CaC2
H2O
HC CH
o
àöåò èëåí Ñàêòèâèð., 400 C
À
KMnO4
H2SO4 ð-ð
1 ì î ëü CH3Cl
AlCl3
áåí çî ë
Á
COOH
ò î ëóî ë
Ä
COOCH3
CH3OH
H2SO4 êî í ö.
áåí çî éí àÿ êèñëî ò à
Å
1. C6H5MgBr (2 ì î ëÿ)
2. H2O
C OH
SOCl2
ì åò èëáåí çî àò
Æ
ò ðèô åí èëêàðáèí î ë
Ç
Br2
Fe
Br
C Cl
ò ðèô åí èëõëî ðì åò àí
(ò ðèò èëõëî ðèä)
Õ
MgBr
Mg
(C2H5)2O
áðî ì áåí çî ë
Â
ô åí èëì àãí èéáðî ì èä
Ã
Примечание: для веществ А – З возможны и другие названия, которые
засчитываются в качестве правильного ответа (например, ацетилен – этин, толуол –
метилбензол, бромбензол – фенилбромид, метилбензоат – метиловый эфир бензойной
кислоты и т.д.).
2. Способ получения тритилхлорида (TrCl) из бензола в одну стадию основан на
реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце – алкилирование бензола
четыреххлористым углеродом в присутствии кислоты Льюиса (AlCl3).
3
+ CCl4
AlCl3
C
Cl + 3 HCl
Интересно отметить, что при этом в реакции участвуют не все атомы хлора в составе
молекулы исходного CCl4 (три из четырех).
Система оценок:
По 1 баллу за каждое соединение в схеме – всего 9 баллов;
по 0,5 баллов за название каждого соединения, но в сумме не более 4 баллов;
2 балла за расшифровку обозначения TrCl – тритилхлорид;
4 балла за более короткий способ получения тритилхлорида.
Сумма: 19 баллов.
Задача 4. Кислоты и основания. (12 баллов).
Приведите примеры реакций между двумя кислотами при условии, что:
а) обе кислоты – неорганические б) одна кислота органическая, другая –
неорганическая. Решите аналогичную задачу для двух оснований. Для
каждого случая напишите не более двух уравнений реакций.
Решение.
Наиболее простые реакции между двумя кислотами – окислительновосстановительные, а между двумя основаниями – комплексообразования.
Например:
а) H2S + H2SO4 = S + SO2 + 2H2O
HOOC–COOH + H2SO4 = CO2 + SO2 + H2O
б) 2NaOH + Zn(OH)2 = Na2[Zn(OH)4]
Cu(OH)2 + 4N(СН3)3 = [Cu(N(СН3)4](OH)2
Однако возможны и другие реакции.
Система оценок:
По 3 балла за каждую реакцию.
Сумма: 12 баллов.
Задача 5. Органические кислоты. 16 баллов.
Многие органические вещества имеют тривиальные названия.
Соотнесите приведенные ниже названия органических кислот со
структурными формулами: пикриновая, винная, глутаминовая, лимонная,
левулиновая, яблочная, пировиноградная, янтарная, капроновая, галловая,
валериановая, барбитуровая, аскорбиновая, сульфаниловая, салициловая и
аспарагиновая кислоты.
O
HO
O
C
CH2
CH
O
C
OH
HO
O
C
CH2
CH
NH2
O
HO
O
C
OH
CH3
C
OH
C
O
O
C
CH
CH
OH
OH
OH
OH
O
C
CH3
OH
CH2
CH2
CH2
CH2
C
OH
HO C CH2
O
O
O
CH3
CH2
CH2
CH2
C
OH
O
OH
HO
O
CH2
C
CH2
C
O
HN
NH
OH
O
OH
SO3 H
O
OH
O2N
NO2
H2C
HO
OH
OH
HC OH
O
NH2
NO2
O
HO
C
COOH
O
CH2
CH2
Решение.
CH
NH2
C
CH3
C
O
CH2
CH2
C
O
OH
HO
O
OH
C CH2 C OH
C
OH
COOH
OH
O
O
HO
O
C
CH2
CH
O
C
OH
HO
C
NH2
аспарагиновая
O
HO
O
O
CH2
CH
C
OH
CH3
OH
яблочная
C
C
O
пировиноградная
O
C
CH
CH
OH
O
C
CH3
OH
CH2
CH2 CH2
капроновая
CH2
OH
OH
винная
C
OH
HO C CH2
O
O
O
CH3
COOH
OH
CH2 CH2 CH2
валериановая
O
HO
CH2 CH2
янтарная
C
C
NO2
OH
O
NH
OH
O
O
барбитуровая
H2C
HO
OH
OH
HC OH
O
NO2
пикриновая
O
HO
C
COOH
галловая
O
CH2
CH2
глутаминовая
CH
NH2
C
C
OH
O2N
сульфаниловая
O
C CH2 C OH
OH
лимонная
HN
OH
SO3H
C
O
салициловая
NH2
OH
CH3
C
OH
HO
аскорбиновая
O
OH
O
O
CH2
CH2
C
OH
левулиновая
Система оценок:
По 1 баллу за определение соответствия формулы и названия кислоты.
Сумма: 16 баллов.
Задача 6. Сплав натрия с алюминием (20 баллов)
5,08 г сплава натрия с алюминием растворили в 62,0 мл раствора
хлорида ртути (II), имеющего плотность 1,053 г/мл и содержащего 5,00 масс.
% соли. В результате выделилось 4,66 л (н.у.) газа. Найти массовые доли
металлов в сплаве, состав выпавшего осадка и массовые доли веществ в
полученном растворе, с учетом того, что ртуть восстановилась полностью.
Решение.
Количество вещества хлорида ртути (II) (и, соответственно, ртути) равно:
n(HgCl2) = n(Hg) =62,0 1,053 0,05/272=0,0120 моль.
Количество вещества выделившегося водорода:
n(H2) = 4,46/22,4 = 0,208 моль.
Поскольку часть водорода пошла на восстановление ртути, общее количество
вещества водорода составит:
n(H2) =0,012 + 0,208 = 0,220 моль.
Рассчитываем количество вещества натрия и алюминия в сплаве (полагая,
например, что х моль натрия выделяет из раствора 0,5х моль водорода, а у моль алюминия
– 1,5у моль). Весь амальгамированный алюминий растворился в водном растворе,
поскольку в присутствии ртути пленка оксида алюминия уже не образуется на его
поверхности.
Система уравнений получается следующая:
23х +27у = 5,08;
0,5х + 1,5у = 0,220.
Решая эту систему, получаем
х = 0,08;
у = 0,12.
Отсюда находим массы и массовые доли металлов в сплаве:
m(Na) = 23 0,08 = 1,84 г, или 36,2%;
m(Al) = 27 0,12 = 3,24 г, или 63,8%.
Наличие в исходном растворе 0,0120 моль хлорида ртути означает, что после ее
выделения в этом растворе останется 0,024 моль ионов хлора. Таким образом, в
конечном растворе образуется 0,024 моль NaCl и 0,056 моль NaOH.
0,056 моль гидроксида натрия переведут в раствор 0,056 моль гидроксида
алюминия:
NaOH + Al(OH) = Na[Al(OH)4].
В осадке останется 0,120 – 0,056 = 0,064 моль гидроксида алюминия (5,0 г). Кроме
того, в осадке будет находиться вся ртуть – 2,4 г.
Находим массу конечного раствора:
М = М(исх.р-ра HgCl2) + 5,08 – m(Hg) – m(Al(OH)3 – m(H2).
M = 62,0 1,053 + 5,08 – 2,4 – 5,0 – 0,208 2= 65,29 +5,08 – 2,4 – 5,0 – 0,42 = 62,55 г.
Массовые доли хлорида натрия и тетрагидроксоалюминита натрия составят:
w (NaCl) = 0,024 58,5/62,55 = 0,0225 или 2,25%;
w (Na[Al(OH)4]) = 0,056 118/62,55 = 0,106 или 10,6%.
Система оценок:
8 баллов за расчет массовых долей металлов в сплаве;
8 балла за расчет массовых долей веществ в полученном растворе;
4 балла за установление формулы и массы осадка;
Сумма: 20 баллов.