Министерство образования Республики Башкортостан

Министерство образования Республики Башкортостан
Задания муниципального этапа Всероссийской олимпиады школьников по
химии
2011-12 учебный год
11 класс
Задача 11-1. Минерал церуссит представляет собой карбонат некоторого
металла Me-1, причем содержание металла в минерале составляет 77,5% вес.
Справа от этого металла в Периодической таблице Д.И. Менделеева
находится металл Ме-2. Выше металла Ме-1 в той же подгруппе
Периодической таблицы находится металл Ме-3. Если взять эти металлы в
мольном соотношении Ме1:Ме2:Ме3 = 1:1,98:1,74, то получится сплав Розе.
Определите формулу церуссита, а также качественный и количественный (в
вес. %) состав сплава Розе. Укажите особое свойство сплава Розе.
Решение 11-1.
а) Пусть Ме-1 – одновалентный металл, Ме12СО3, тогда М(церуссит) =
2М(Ме1) + 60. Следовательно,
откуда М(Ме1) = 103 г/моль.
Это соответствует родию, но Rh не проявляет валентности (I), для него
характерны валентности (II) и, особенно, (III). Кроме того, карбонаты родия
неустойчивы.
2 балла
б) Пусть Ме-1 – двухвалентный металл, Ме1СО3, тогда М(церуссит) =
М(Ме1) + 60. Следовательно,
откуда М(Ме1) = 207 г/моль.
Это соответствует свинцу, для которого валентность (II) характерна.
Следовательно, церуссит – это PbCO3.
2 балла
в) Пусть Ме-1 – трехвалентный металл, Ме12(СО3)3 тогда М(церуссит) =
2М(Ме1) + 180. Следовательно,
откуда М(Ме1) = 310 г/моль.
Элементов с такой массой не существует.
2 балла
Очевидно, что Ме-2 - это висмут, сосед Pb по 6 периоду.
1 балл
Свинец находится в главной подгруппе 4 группы, его сосед по группе –
олово. Таким образом, Ме-3 = Sn.
1 балл
Исходя из атомных масс металлов следует, что мольному соотношению
металлов 1:1,98:1,74 соответствует весовое соотношение 1:2:1. Таким
образом, сплав Розе состоит из 25% Pb, 50% Bi и 25% Sn.).
3 балла.
Особым свойством сплава Розе является его легкоплавкость. Он плавится
при температуре +94С, т.е. ниже температуры кипения воды. Это более
тугоплавкий сплав, чем известный сплав Вуда, но менее токсичный ввиду
отсутствия в нем кадмия, который входит в сплав Вуда.
1 балла
Итого 12 баллов.
Задача 11-2. Смесь п-крезола (4-метил-фенола) и неизвестного циклического
вторичного амина массой 16,52 г может прореагировать с 1792 мл (н.у.)
хлороводорода или с 50,4 г 10 %-ного раствора гидроксида калия.
Предложите структурные формулы трех изомеров этого амина.
Решение 11-2.
С гидроксидом калия реагирует только крезол:
CH3-C6H4-OH +KOH → CH3-C6H4-OK + H2O
ν(CH3-C6H4-OH) = ν(KOH) = 50,4•0,1/56 = 0,09 моль;
m(CH3-С6H4-OH) = 0,09·108 = 9,72 г.
С хлороводородом реагирует амин, например:
CxHyN + HCl→CxHyN+Clν(СxHyN) = ν(HCl) = 1,792/22,4 = 0,08 моль
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
1 балл
0,5 балл
m(CxHyN) = 16,52 - 9,72 = 6,8 г.
M(CxHyN) = 6,8/0,08 = 85 г/моль.
Формула амина: CxHyN.
Составляем уравнение:
12x + y + 14 = 85; 12x + y = 71.
1 балл
Единственное решение: x = 5; y = 11, отсюда простейшая
ФормулаC5H11N.
1 балл
Возможные структурные формулы циклических вторичных аминов:
1,5 балла
Итого 10 баллов.
Задача 11-3. Полициклический ароматический углеводород пирен имеет
формулу С16Н10. Какой продукт и по какой причине образуется при
гидрировании пирена, если 50,5 г пирена прореагировало с 5,6 л (н.у.)
водорода? Нарисуйте структурные формула пирена и продукта
гидрирования, назовите продукт реакции по принятой химической
номенклатуре.
Решение 11-3.
Структурная формула углеводорода С16Н10, сохраняющего
ароматичность (т.е. сопряжение кратных связей по циклу), такова
2
3
1
10
4
9
5
8
или
или
6
7
Все структурные формулы эквивалентны, на первой из них указаны
номера атомов углерода в соответствии с принятой номенклатурой.
2 балла
Т.к. реагенты (пирен и Н2) взяты в мольном соотношении 1:1 то очевидно,
что гидрируется одна С=С связь. Также очевидно, что гидрирование должно
приводить к частичной потере ароматического сопряжение в продукте
гидрирования пирена. Из структурных формул 1 и 2 видно, что наименьшая
потеря ароматичности будет при гидрировании по кратной связи С4=С5 (или
С9=С10). Поэтому продуктом реакции будет 4,5-дигидропирен:
+ H2
или
3 балла
При гидрировании по другим положениям неизбежно будет нарушаться
ароматическое сопряжение в двух шестичленных циклах пирена, а это
невыгодно с энергетической точки зрения.
2 балла
Итого 7 баллов.
Задача 11-4. Углерод, являющийся одной из основных составляющих
биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде
стабильных изотопов 12C (98.9%), 13C (1.1%) и радиоактивного 14C, который
присутствует в следовых количествах (около 10-10%). Изотоп 14C постоянно
образуется в верхних слоях атмосферы при столкновении вторичных
нейтронов от космических лучей с ядрами атмосферного азота. Радиоизотоп
углерода 14C подвержен β-распаду с периодом полураспада 5730 лет.
Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере
и в биосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания
атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в
углеродном обмене, получая углерод из окружающей среды, а изотопы, в
силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах
практически одинаковым образом.
Удельная активность углерода в живых организмах соответствует
атмосферному содержанию радиоуглерода и составляет 0,3 распада в
секунду на грамм углерода. С гибелью организма углеродный обмен
прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а
радиоактивный (14C) постепенно распадается, в результате его содержание в
останках постепенно уменьшается. Определив текущее соотношение
содержания изотопов в биологическом материале, можно установить время,
прошедшее с момента гибели организма.
Исследование фрагментов Туринской плащаницы (христианской
святыни, якобы хранящей на себе следы тела распятого Христа), проведённое
в 1988 году, показало, что удельная активность углерода плащаницы
составляет 16,2 распада в минуту на грамм углерода. Определите возраст
плащаницы. Могло ли тело Христа после казни быть завернуто в плащаницу?
Решение 11-4.
Расходование радиоуглерода соответствует кинетическому закону
реакции первого порядка, описывается уравнением:
ln
C0
 k  t,
C
где C0 – естественная радиоактивность углерода 14C, составляющая 0,360 =
18 распадов в минуту на грамм углерода.
3 балла
По условию задачи C = 16,2 распадов в минуту на грамм углерода. Время
полураспада мономолекулярной реакции связано с константой скорости k
соотношением:
 1/ 2 
ln 2
 5730 лет.
k
3 балла
Вычисляем константу скорости реакции k = 1,2110 год . Тогда из первого
уравнения легко рассчитать, что t = 870 лет, т.е. плащаница была изготовлена
(1988 – 870 = 1118 г.) в XII веке после Рождества Христова.
2 балла
Возраст плащаницы – 870 лет, т.е. она изготовлена более чем через тысячу
лет после смерти Христа.
1 балл.
Итого 9 баллов.
-4
-1
Задача 11-5. Углеводород А, массой 0,19 г, простейшая формула которого
C3H2, реагирует с 0,115 г металлического натрия. При гидрировании его в
присутствии тонкоизмельченного никеля образуется углеводород В,
имеющий простейшую формулу C3H7. Установите структурные формулы
веществ А и В. Существуют ли данные соединения в виде пространственных
изомеров, если существуют, приведите их формулы.
Решение 11-5.
Соединение с брутто-формулой C3H2 не существует, но C6H4 –
существующее соединение, вероятно, непредельное. Молярная масса C6H4
равна 76 г/моль. Взаимодействие с натрием указывает на наличие в молекуле
углеводорода концевой тройной связи.
1 балл
По условию задачи исходное соединение А в количестве 0,19 г (М = 76
г/моль; ν = 2,5 · 10-3 моль)
1 балл
-3
реагирует с 0,0115 г (М = 23 г/моль, ν = 5·10 моль) натрия.
1 балл
Это означает, что тройных связей две и они концевые.
1 балл
С учетом выявленного, структурная формула соединения А выглядит
так:
HC≡C – CH = CH – C≡CH
1 балл
Данное соединение может существовать в виде двух изомеров (цис и
транс).
1 балл
Также возможно существование еще одной структуры:
НС≡С – С(СН2) – С≡СН
1 балл
Проверяем правильность решения задачи по соединению В. Его
простейшая формула С3H7, после гидрирования соединения А. Полностью
гидрированным может быть алкан, с брутто-формулой C6H14:
C6H4 + 5Н2 → C6H14
1 балл
Возможно существование двух изомеров (исходя из возможных
структур А):
H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – СH3
1 балл
H3C – CH2 – CH(СH3) – CH2 – СH3 ;
1 балл
Итого 10 баллов.