ЗАДАНИЙ МУНИЦИПАЛЬНОГО ЭТАПА ОЛИМПИАДЫ 2010 год
олимпиадные задания по химии на тему

РЕШЕНИЯ И ОТВЕТЫ, РАЗБАЛЛОВКА ДЛЯ ЖЮРИ

ЗАДАНИЙ МУНИЦИПАЛЬНОГО ЭТАПА ОЛИМПИАДЫ

ПО ХИМИИ

9 КЛАСС

Задача 9-1

Металл А реагирует с простым газообразным веществом Б, образуя твёрдое соединение В, которое растворяется в избытке соляной кислоты, образуя соли Г и Д. Соль Г взаимодействует с раствором щёлочи с выделением газа Е. Назовите перечисленные соединения, если известно, что соль Д содержит 25,26% металла А.

РЕШЕНИЕ

Судя по реакции со щёлочью с выделением газа, соль Г — соль аммония, в данном случае, хлорид аммония. Образование соли аммония одновременно с солью металла указывает на то, что соединение В — нитрид металла. Действительно, нитрид образуется при реакции металла с простым газообразным веществом (азотом). Таким образом, соль Д представляет собой хлорид металла. Пусть молярная масса металла x. Тогда молярная масса хлорида (x + 35,5n), где n — валентность металла в хлориде.

[x/(x + 35,5n)]100 = 25,26.                                                              (1 балл)

Отсюда х = 12n. При n = 1 такого металла нет. При n = 2 это магний. При n = 3 металла нет. Для n = 4 масса соответствует титану (48), однако титан не вступает в описанные реакции и TiCl4 не существует в водном растворе.

Таким образом:

А — магний,                                                                                      (1 балл)

Б — азот,                                                                                            (1 балл)

В — нитрид магния,                                                                          (1 балл)

Г — хлорид аммония,                                                                        (1 балл)

Д — хлорид магния,                                                                           (1 балл)

Е — аммиак.                                                                                      (1 балл)

3Mg + N2 = Mg3N2                                                                               (1 балл)

Mg3N2 + 8HCl = 3MgCl2 + 2NH4Cl                                                   (1 балл)

NH4Cl + NaOH = NH3 + NaCl + H2O                                                (1 балл)

Итого 10 баллов

Задача 9-2

Для восстановления 3,2 г оксида некоторого металла потребовалось

1,344 л водорода. При растворении полученного металла в избытке соляной кислоты выделилось 0,896 л водорода. Определите, какой это металл, напишите уравнения реакций.

Решение

Количество водорода, которое пошло на восстановление, не равно количеству, выделившемуся при растворении в кислоте, так как металл имеет разную степень окисления в исходном оксиде и в хлориде.                (1 балла)

Отношение объемов выделившегося водорода в двух реакциях равно: 1,344 / 0,896 = 3/2.                                                                                        (1 балл)

Значит, соответствующие степени окисления 3 и 2.                    (1 балл)

Определим металл.

Mе2O3     +    3H2   =   2Mе   +    3H2O                                            (2 балла)

Количество вещества водорода, затраченного на восстановление металла: 1,344 / 22,4 = 0,06 моль                                                                (1 балл)

В соответствии с уравнением реакции оксида металла было 0,02 моль.(1 балл)

Молярная масса оксида: M(Mе2O3)  =  3,2 / 0,02 = 160.                (1 балл)

Масса металла в 1 моль: (160 – 48) = 112.                                          

Молярная масса металла — 56. Это железо.                                  (1 балл)

Реакция железа с соляной кислотой:

Fe   +   2 HCl     =     FeCl2    +     H2                                                 (1 балл)

Итого 10 баллов

Задача 9-3. 

При сжигании углерода количеством вещества 1 моль выделяется 402  кДж теплоты. Вычислите массу угля, с массовой долей углерода 80%, необходимого для получения тепла, за счет которого можно разложить 1 т известняка, содержащего 20% примесей. Для разложения 1 моль карбоната кальция требуется 180 кДж тепла.

РЕШЕНИЕ

1 элемент.  Написаны 2 термохимические уравнения реакций:

C + O2  --- CO2  + 402 кДж,

CaCO3 --- CaO + CO2  - 180 кДж.                                                              (2 балла).

2 элемент. Вычислена масса чистого карбоната кальция и количество его моль:

m(CaCo3) = 800 кг, n(CaCo3) = 8000 моль.                                             (2 балла).

3 элемент. Вычислено количество тепла, требуемое для разложения  1 т известняка: Q = 8000*180 = 1,44*106 кДж.                                           (2 балла).

4 элемент.  Вычислена количества вещества и масса чистого углерода

n(C) = 3, 58*103 моль, m(C) = 42,96 кг                                                   (2 балла).

5 элемент. Вычислена масса углерода с учетом примесей в угле:

m(C) = 53,7 кг.                                                                                          (2 балла). 

Итого 10 баллов.

Задача 9-4. 

При взаимодействии газа, полученного растворением меди массой 19,05 г в разбавленной азотной кислоте, с некоторым газом, выделившимся при разложении бертолетовой соли, суммарный объем газов стал равен 8,96 л (н.у.).

Определить формулу и количество моль газа, выделившего при растворении меди в азотной кислоте.

Определить формулу второго газа, полученного при разложении бертолетовой соли.

Написать уравнение реакции взаимодействия этих газов.

Найти соотношение объемов газов, при котором суммарный объем газов равен 8,96 л.

Вычислить массу бертолетовой соли, необходимой теоретически.

Вычислить массу бертолетовой соли, необходимой с учетом потерь.

РЕШЕНИЕ

Элемент 1. Написано уравнение реакции меди с разбавленной азотной кислотой, расчет количества моль меди: n(Cu) =0,3моль.                (2 балла)

Элемент 2. Написаны уравнения реакций разложения бертолетовой соли и взаимодействия оксида азота(11) с кислородом.                               (2 балла).

Элемент 3. За определение соотношения числа моль реагентов третьей реакции  и отсюда n(O2) =0,3 моль.                                                      (4 балла).

Элемент 4. За расчет массы бертолетовой соли без учета потерь     (1 балл)

Элемент 5. За расчет массы бертолетовой соли с учетом потерь       (1 балл).

Итого 10 баллов.

Задача 9-5 

Даны три элемента: А, В и С. Простые вещества А и В при нагревании до высокой температуры образуют между собой соединение, которое гидролизуется водой с выделением горючего газа,  обладающего неприятным запахом. Элементы А и С образуют соединение, которое является одним из наиболее твердых веществ. Элементы В и С образуют газ, растворимый в воде, в растворе этого соединения лакмус приобретает красную окраску. Соединение всех трех элементов представляет бесцветную, растворимую в воде соль, которая гидролизуется в водном растворе.

Определите элементы А, В и С. Обоснуйте свой выбор уравнениями реакций. В каких отраслях промышленности находят применение названные элементы и их соединения.

РЕШЕНИЕ.

Сложное соединение между А и В может быть солью, которая подвержена гидролизу.                                                                                 2 балла.

Соединение между А и С – одно из самых твердых веществ, это или оксид алюминия, или карбид кремния.                                                 2 балла.

Элементы В и С образуют газообразное соединение, растворимое в воде и обладающее кислым характером, это оксиды неметаллов, возможно серы или углерода.                                                                                 2 балла.  

Учитывая свойства продукта гидролиза соединения между А и В – горючий газ, неприятный запах (сероводород!),  элемент В – это сера.

Тогда элемент А –это алюминий, С - кислород.                         2 балла.

За дополнительную информацию и уравнения реакций –                 2 балла.

Итого: 10 баллов.

10 КЛАСС

Задача 10-1. 

Имеется газовая смесь, состоящая из 4 газов. При последовательном пропускании этой смеси объемом 1л (н.у.) над безводным сульфатом меди (11)  цвет сульфата стал синим, масса соли выросла на 0,18г. При дальнейшем пропускании газовой смеси через раствор гидроксида кальция выпал осадок массой 1 г. В оставшейся газовой смеси сожгли кремний.  При этом образовалось твердое вещество массой 0,6г , а объем газовой смеси уменьшился до 328мл. Оставшийся газ при обычных условиях инертен.

Определить качественный состав газовой смеси.

Написать уравнения реакций и определить количественный состав газовой смеси.

Решение.

Элемент 1. С сульфатом меди (II) реагируют пары воды с образованием синего кристаллогидрата. За уравнение реакции и расчет числа моль паров воды  0,01 моль, объем паров воды 0,224л                                              2 балла.

Элемент 2. С раствором гидроксида кальция реагирует углекислый газ. За уравнение реакции и расчет объема углекислого газа, равного 0,224л.

                                                                                                                      2 балла.

Элемент 3. Реакцию горения поддерживает кислород. За уравнение реакции кремния с кислородом и расчет объема кислорода в газовой смеси      2 балла.

Элемент 4. Инертный газ – азот.                                                         2 балла.

Элемент 5 За правильный расчет состава газовой смеси –                      2балла.

Итого 10 баллов.

Задача 10-2.

В 40 г насыщенного водного раствора хлорида железа (II) внесли 10 г безводной соли. Полученную смесь нагрели до полного растворения соли, а затем охладили до исходной температуры. При этом выпало 24,3 г осадка в виде кристаллогидрата. Известно, что насыщенный раствор содержит 38,5% безводной соли. Установите формулу кристаллогидрата.

РЕШЕНИЕ

Элемент 1. С сульфатом меди (II) реагируют пары воды с образованием синего кристаллогидрата. За уравнение реакции и расчет числа моль паров воды  0,01 моль, объем паров воды 0,224л                                             (2 балла).

 Элемент 2. С раствором гидроксида кальция реагирует углекислый газ. За уравнение реакции и расчет объема углекислого газа, равного 0,224л.  

 (2 балла).

Элемент 3. Реакцию горения поддерживает кислород. За уравнение реакции кремния с кислородом и расчет объема кислорода в газовой смеси   (2 балла). 

Элемент 4. Инертный газ – азот. (2 балла).

Элемент 5 За правильный расчет состава газовой смеси –                   (2балла).

Итого 10 баллов

Задача 10-3

При сжигании неизвестного вещества в кислороде образовалось 3,6 мл воды и 2,24 л азота (при нормальных условиях). Относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 16. Определите молекулярную формулу вещества. Какими свойствами оно обладает? Где используется?

Решение

Вещество может содержать водород, азот, кислород.                    

Однако относительная молекулярная масса вещества М  =  16 2=32    (1 балл)

ограничивает число атомов кислорода до одного или полностью исключает

его.                                                                                                                (1 балл)

По условию азота образовалось 2,24 л, что составляет  

(2,24 : 22,4)  =  0,1 моль

0,1 моль N2 составляют 0,2 моль атомов азота.                                        (1 балл)

По условию воды образовалось 3,6 мл, что составляет 3,6 г или

(3,6 : 18 )  =   0,2 моль.                                                                                 (1 балл)

Водорода в воде 0,4 моль;                                                                          (1 балл)

Соотношение азота и водорода в соединении будет 0,2 : 0,4 = 1 : 2.      (1 балл)

Простейшая формула — NH2.                                                           (1 балл)

Mr(NH2) = 16; Mr(N2H4) = 32 совпадает с задаваемой в условии задачи. (1 балл)

Отсюда формула исходного вещества H2N-NH2.

Это гидразин, при комнатной температуре он представляет собой бесцветную   жидкость,                                                                              (1 балл)

используется как один из компонентов ракетного топлива. Нитрат и перхлорат гидразина применяются в качестве очень мощных взрывчатых веществ — разных сортов астролита.  Жидкая смесь гидразина и нитрата аммония используется как мощное взрывчатое средство.                  (1 балл)

Итого 10 баллов

Задача 10-4

В реакционной смеси, полученной при действии хлора на некоторый углеводород X, были обнаружены четыре хлорсодержащих органических вещества, относительная плотность паров которых по воздуху при температуре 423К и давлении 1,17 105 Па оказалась одинаковой и равной 3,67. Установите структурную формулу углеводорода X.

Решение.

Очевидно, что все хлорпроизводные — изомеры с молярной массой

29 • 3,67 = 106,5 г/моль.                                                            (1 балл)

Пусть формула этих соединений CxHyClz.

Тогда 12x + y + 35,5z = 106,5.                                                (1 балл)

При z = 3: 12x + у = 0, что не имеет химического смысла.

При z = 2: 12х + у = 35,5, но это уравнение не имеет решения при целочисленных x и у. Отсюда z = 1: 12x + у = 71,                         (1 балл)

и единственным решением этого неопределенного уравнения, удовлетворяющим условию у ≤ 2x +2, являются значения х = 5 и у = 11. Формула хлорпроизводных C5H11Cl.                                                  (1 балл)

Эти соединения могли быть получены при хлорировании одного из изомерных пентанов. Существуют три изомерных пентана:

а) н-пентан, который при хлорировании дает три монохлорпроизводных (1-, 2-, 3-хлорпентаны);

                                                                                                      (1 балл)

б) 2,2-диметилпропан, который должен дать одно монохлор- производное (2,2-диметил-1-хлорпропан)                                          (1 балл)

в) 2-метилбутан, образующий при хлорировании четыре изомера:

- 2-метил-1-хлорбутан С1СН2СН(СНз)2СН2СН3,                                           (1 балл)

- 2-метил-2-хлорбутан (СН3)2СС1СН2СН3,                                                (1 балл)

- З-метил-2-хлорбутан (СН3)2СНСНСlСН3                                                (1 балл)

- З-метил-1-хлорбутан (СН3)2СНСН2СН2Сl).                                                 (1 балл)

Следовательно, углеводород X это 2-метилбутан.

Итого 10 баллов

Задача 10-5. 

Неизвестное химическое соединение образовано металлом и неметаллом, входящими в его состав в массовых соотношениях 18:7. При действии воды на 1 моль этого соединения образуются 2 моль газообразного вещества и 3 моль слаборастворимого в воде соединения. Оба продукта гидролиза обладают основными свойствами. Плотность выделяющегося газа равна 0,76 г/л.

Между какими элементами образовано описанное соединение?

Обоснуйте свой выбор расчетами и уравнениями реакций.

Решение.

1). Условию задачи удовлетворяют нитриды и фосфиды.                         2 балла.

2). В случае нитридов гидролиз приводит к образованию основания и аммиака. Учитывая плотность газа, остаются только нитриды.  Неметалл – азот.                                                                                                              3 балла.

 3). Из металлов  массовое соотношение выполняется только для магния.

Металл – магний.                                                                                         3 балла.

Итого:  8 баллов.

.

11 КЛАСС

Задача 11-1

Определите структурные формулы исходного и промежуточных веществ в следующей схеме превращений. Напишите уравнения реакций.

C9H10O +2HCl X1 +2NaOH(водный)  X2  +CuO(изб) X3 + HNO3,(изб),  H2SO4   ---- С6Н3(СООН)2NO2

Решение.

Исходная молекула – 1-винил-3-гидроксиметилбензол, (2 балла),

  X1 -1-хлорметил-3-1| - - хлорэтилбензол,  X2 -    - 1-гидроксиметил-3-1| -гидроксиэтилбензол,  X3  - 1- формил -3 – ацетилбензол.  

За каждое правильное уравнение реакции по 2 балла.

Итого 10 баллов.

Задача 11-2

Газовая смесь состоит из водорода и азота количеством вещества 1 моль.  В первом опыте при пропускании этой смеси через трубку с избытком оксида меди (11) выделилось 40 кДж тепла. В другом опыте при пропускании такого же количества исходной газовой смеси через реактор для синтеза аммиака полученную газовую смесь  после установления химического равновесия также пропустили через трубку с избытком оксида меди (11). При этом выделилось 30,76 кДж тепла. Стандартные теплоты образования для оксида меди, воды и аммиака соответственно равны: 162,0 кДж/моль, 242,0 кДж/моль, 46,2 кДж/моль.

        Написать термохимические уравнения для обоих опытов.

        Определить количественный состав исходной газовой смеси.

        Определить степень превращения в реакции синтеза аммиака.

        Указать влияние температуры, давления и наличия катализатора на возможность смещения  химического равновесия  в реакции синтеза аммиака.

Решение.

За правильные   термохимические уравнения реакций –                        3 балла.

При образовании 1 моль аммиака выделяется  46,1 кДж/моль тепла, для реакции оксида меди с водородом выделяется 80 кДж тепла, для реакции аммиака с оксидом меди выделяется 147,6 кДж тепла. Расчеты согласно закону Гесса.

Первый опыт позволяет вычислить количественный состав исходной газовой смеси, т.к. с оксидом меди из газовой смеси реагирует только водород: поэтому количество вещества водорода равно 0,5 моль, значит и азота тоже 0,5 моль. За этот этап –                                                                              2 балла.

Для реакции синтеза аммиака определены равновесные количества для всех молекул: если для аммиака обозначить через x моль, то для  водорода (0,5-1,5x) моль, для азота (0,5-0,5x) моль.                                                       2 балла.

Во втором опыте с оксидом меди реагируют как молекулы водорода, так и молекулы аммиака. С учетом равновесных количеств реагентов можно вычислить x = 0,2 моль.                                                                              4 балла.

Если бы реакция синтеза аммиака была необратимой, теоретически можно было бы получить 0,33 моль аммиака (по алгоритму избыток-недостаток). Тогда степень превращения в реакции образования аммиака равна 0,2/0,33=60,6%.                                                                                            2 балла.

Для смещения равновесия необходимо: а) температуру понизить,

б) давление повысить. Катализатор не смещает химическое равновесие, но ускоряет время достижения равновесия.                                                  2 балла.

Итого 15 баллов.

Задача 11-3

Соединение А (С11Н16О) - оптически активный спирт, существующий в виде двух оптических антиподов (энантиомеров), не поглощает водород при каталитическом гидрировании на Pd при обычных условиях. При обработке соединения А разбавленной серной кислотой идет дегидратация и в качестве основного продукта образуется алкен Б. Озонолиз (деструктивное окисление с разрывом С=С связи) алкена Б дает два продукта: пропаналь и кетон В (С8Н8О). Взаимодействие пропаналя с кетоном В в щелочной среде приводит к соединению Г (С11Н12О)- Установите строение А, Б, В, Г. Напишите схемы указанных превращений.

Решение.

Исходный спирт не поглощает водород при каталитическом гидрировании. Следовательно, он не содержит изолированных и сопряженных двойных и тройных связей. Можно предположить, что кетон В - это ацетофенон                           (1 балл)

Тогда алкен Б - это 2-фенилпентен-2.                                                  (1 балл)

Этот алкен может быть получен в качестве основного продукта при кислотной дигидратации двух спиртов:

2-фенилпентанола-2 и 2-фенилпентанола-3 (дегидратация протекает в соответствии с правилом Зайцева).                                                                                                         (1 балл)

2-Фенилпентанол-3 содержит два асимметрических центра, и, следовательно, образует две пары энантиомеров.                                                                              

CH3CH2-C*H(OH)-C*H(CH3)-C6H5                                                  (1 балл)

2-Фенилпентанол-2 имеет один асимметрический атом углерода, и, следовательно, может существовать в виде двух энантиомеров (оптических антиподов) и, следовательно, отвечает требованием, предъявляемым к соединению А.

CH3CH2CH2-C*(OH)(CH3)-C6H5                                                          (1 балл)

                             A

         1)                                                                               2) O3

A   →   CH3CH2CH=C(CH3)-C6H5        →        C6H5 COCH3      +    CH3CH2CHO

                                             Б                              3) Zn  + CH3COOH            В

                                                                                     По 1 баллу за реакцию       (3 балла)

В щелочной среде возможна альдольно-кротоновая конденсация пропаналь с ацетофеноном. В этой реакции пропаналь выступает в качестве карбонильной компоненты, а ацетофенон - в качестве метиленовой компоненты конденсации.

                                                                                                                                                                       - H2O

CH3CH2CHO   +  C6H5 COCH3  → [CH3CH2CH(OH)CH2COC6H5 ]   →

CH3CH2CH=CHCOC6H5                                                                (2 балла)

                Г

Итого 10 баллов

Задача 11-4

Из бутадиена-1,3 может быть получено высокомолекулярное соединение Е, обладающее полезными свойствами. Схема синтеза представлена ниже:

Бутадиен-1,3

1. Составьте уравнения реакций

2. Укажите строение соединений А, Б, В, Г, Д, и Е.

3. Укажите область применения соединения Е

Решение.

1). CH2=CH-CH=CH2   +    Cl2      →    ClCH2CH=CHCH2Cl   +    CH2ClCHClCH=CH2     

                                                                                            A

2). ClCH2CH=CHCH2Cl    +     KCN   →   NCCH2CH=CHCH2CN

                                                                                      Pt, 20oC                          Б

3). NCCH2CH=CHCH2CN    +     H2      →        NCCH2CH2CH2CH2CN

                                                                                              В

                                                                                                 Pt, 200oC

4). NCCH2CH2CH2CH2CN    +    4 H2      →        H2NCH2CH2CH2CH2CH2CH2NH2

                                                                                               Г

                                                                                                      H+

5). NCCH2CH=CHCH2CN    +     H2O    →     HOOCCH2CH2CH2CH2CH2 CH2COOH

                                                                                                Д

6).H2NCH2CH2CH2CH2CH2CH2NH2    +    HOOCCH2CH2CH2CH2CH2 CH2COOH   →

→  (- CO-(CH2)4CO-HN-(CH2)6-NH-)n

                                  Е

Соединение Е - полигексаметиленадипинамид имеет и другие названия: найлон 6,6, анид, глацем и другие. Получаемые из этого полиамида волокна превосходят по прочности натуральные.

1,2-присоединение хлора к молекуле бутадиена дает 3,4-дихлор-бутен-1, который не позволяет выйти к целевому соединению Е.

Система оценок:

Составление уравнений (1-6) по 1 баллу                                      - 6 баллов

Структурные формулы соединений А, Б, В, Г, Д, и Е                                - 3 балла

Область применения соединения Е                                                                  - 1 балл

Итого 10 баллов

Задача 11-5

Константа равновесия реакции при 500оС равна Кр = 5,5.

CO(газ)   +   H2O(газ)        CO2(газ)    +    H2(газ)

Смесь, состоящую из 1 моль CO и 5 моль H2O, нагрели до этой температуры. Рассчитайте мольную долю H2O в равновесной смеси.

Решение.

Поскольку количество веществ газов в левой и в правой части уравнения одинаковые:  Кр  =  Кс  =  5,5.                                                              (1 балл)

Кроме того общее количество вещества в смеси в результате протекания реакции не изменяется и равно (1 + 5 = 6) моль.                               (1 балл)

CO(газ)   +   H2O(газ)        CO2(газ)    +    H2(газ)

Начальные конц, моль/л                     :         1                    5                             0                       0

Реагировало, моль/л                                      X                   X    Образовалось: X                     X

Равновесные конц., моль/л                         (1 – X)            (5 – X)                    X                       X

Расчет по уравнению реакций равновесных концентраций                                (2 балла)

Составим выражение для константы равновесия и подставим в него равновесные концентрации:

Кс  =  ([CO2] [H2])/([CO] [H2O])  =  5,5                                                  (1 балл)

Кс  =  [X X]/[(1 – X) (5 – X)]  =  5,5                                                             (1 балл)

Решим его относительно X. Из двух решений  X1  =  6,37 и  X2  =  0,96, значение X1 не подходит, так как больше, чем 1 моль/л.                                     (2 балла)

Рассчитаем равновесные концентрации компонентов смеси:

[CO2] = X = 0,96 моль/л;  [H2] = X = 0,96 моль/л;  [CO]  =  (1 – X)  = 1- 0,94  = 0,04 моль/л;  [H2O]  =  (5 – X)  = 5 – 0,96  =  4,04 моль/л.                                                             (1 балл)

Таким образом, мольная доля воды в равновесной смеси:

χ(H2O)  =  (4,04 / 6 ) = 0,673                                                                       (1 балл)

Итого 10 баллов.