 |
XXXXVI Всероссийская олимпиада школьников по химии
|
|
|
|
III (региональный) этап 2010 г. Теоретический тур
ДЕСЯТЫЙ КЛАСС
Задача 10-1.
В зоне выветривания сульфидных месторождений наряду с другими вторичными минералами часто встречается ярко-синий минерал азурит (I), который издревле использовали в качестве синего минерального красителя. При нагревании этого минерала, растертого в порошок, выше 300 °С он приобретает чёрную окраску (II), теряя в массе 30,76 %. Выделяющиеся газы в этих условиях имели плотность по водороду 17,66. При охлаждении до комнатной температуры плотность газа по водороду составила 22, а объём уменьшился приблизительно в три раза. Если нагревать полученный чёрный порошок (II) в потоке водорода, то он приобретает розово-красный цвет и теряет в массе 20,11 % (III).
Как исходный минерал азурит (I), так и продукты его разложения (II) и (III) растворяются в серной кислоте, но (III) растворяется только в концентрированной серной кислоте при нагревании выше 200 °С. Количество серной кислоты, расходуемое на растворение эквимолярных количеств (I) и (II) равны и вдвое меньше, чем в случае растворения (III).
Вопросы.
1. Определите состав соединений(I), (II) и (III), приведите их формулы.
2. Напишите уравнения реакций образования (II) и (III).
3. Напишите уравнения реакций растворения (I), (II) и (III) в серной кислоте.
4. Рассчитайте массу раствора, полученного растворением 40 г азурита (I) в 250 г 15 %-ного раствора серной кислоты.
Задача 10-2.
Минерал цинкит термически устойчив, при сильном прокаливании возгоняется (T возг = 1800 °С). Цинкит не реагирует с водой, не восстанавливается водородом, но растворим в кислотах, щелочах и водном растворе аммиака.
Вещество A, имеющее такой же состав, как и цинкит, широко используют в медицинской практике как вяжущий, подсушивающий, антисептический препарат. Исходным сырьём для получения препарата А является шпат. Согласно стандарту Государственной Фармакопеи (ГФ), для определения чистоты препарата А его предварительно растворяют либо в кислоте, например, уксусной (реакция 1), либо в щёлочи, например, гидроксиде натрия (реакция 2). К полученному по реакции 1 раствору добавляют жёлтую кровяную соль, при этом выпадает светло-жёлтый осадок двойной соли Б (реакция 3), не растворимой в кислотах, но растворимой в щелочах. Соль Б содержит 16,07 % Fe.
|
|
|
Специфической реакцией на вещество А служит образование зелени Ринмана, при спекании А с оксидом кобальта (II) (реакция 4).
Согласно стандарту ГФ, при испытании на чистоту препарата А, полученного из минерального сырья:
а) под действием кислот на А не должен выделяться газ;
б) из раствора, полученного действием избытка уксусной кислоты на А, при добавлении хромата калия не должен выделяться осадок вещества В (реакция 5), которое применяют как жёлтую краску.
Вопросы.
1. Установите состав А, Б и В.
2. Напишите уравнения реакций 1 – 5
3. Напишите уравнение реакции взаимодействия А с избытком водного раствора аммиака (реакция 6).
4. Какие примеси должны отсутствовать в препарате А?
Задача 10-3.
Однажды юный химик Никита принес домой старинную монету и попытался почистить её. Сначала он решил положить её в нашатырный спирт. Так как не было подходящего сосуда, а нашатырного спирта оказалось немного, использовали рюмку. Монета не легла на дно, а образовала перегородку, разделив раствор на две части. Через некоторое время нижняя часть стала синяя, а верхняя осталась бесцветная. Тогда Никита перемешал раствор. Но через некоторое время часть раствора над монетой снова стала бесцветной, а нижняя часть осталась синей. Это произошло уже через несколько минут после перемешивания.
|
|
|
Вопросы.
1. Все ли наблюдения юного химика были правильно описаны? Дайте обоснованный ответ.
2. Напишите уравнения химических реакций, происходящих в рюмке.
3. Напишите электронную конфигурацию атома металла в степени окисления 0. Объясните, чем объясняется высокая склонность этого металла к образованию комплексных соединений.
4. Рассчитайте, сможет ли раствориться такая монета массой 16,8 г, брошенная в закрытый сосуд, наполовину заполненный 88,726 мл раствора аммиака (ρ = 0,958 г/мл, w = 10 %) (считать, что монета полностью покрыта оксидной пленкой CuO массой 4 г, а в стакане содержится 840 мл кислорода (н. у.))
5. Предположите, что будет происходить, если пытаться очистить такую монету разбавленным раствором соляной кислоты (опишите наблюдаемые при этом явления).
6. Предложите способы получения всех оксидов этого металла из его гидроксида (II).
Задача 10-4.
В зависимости от условий реакции одни и те же реагенты могут образовывать разные продукты и, наоборот, разные реагенты могут давать одни и те же продукты. Например, при реакции углеводорода Х (w(C) = 85,7 %) с бромистоводородной кислотой образуется преимущественно соединение А и лишь очень незначительное количество изомерного продукта В. Однако если Х реагирует с газообразным HBr при нагревании или облучении в присутствии перекисей, основным продуктом является В, а соединение А образуется, наоборот, в очень небольшом количестве. Если А смешать с бензолом в отношении 1: 1 и добавить бромид железа (III) (метод 1), поначалу образуется только соединение С, но если реакционную смесь выдерживать очень долгое время (метод 2), то более половины С превращается в изомер D. Смесь С и D точно такого же состава образуется при реакции бензола с В, проведённой по методу 2. При взаимодействии C с бромом при облучении образуется в основном монобромид Е, который при обработке спиртовым раствором щёлочи превращается в единственный продукт F. При бромировании в тех же условиях соединения D образуется преимущественно монобромид G, который при действии спиртового раствора щёлочи даёт два продукта H и I с преобладанием последнего.
Вопросы.
1. Напишите структурную формулу Х, если известно, что при обработке 8,4 г X подкисленным раствором перманганата калия при нагревании выделяется 4,48 л газа (в пересчете на н.у.). Напишите уравнение данной реакции.
|
|
|
2. Напишите структурные формулы соединений А – I.
Для окисления С и D 6,4 г KMnO4 растворили в 60 мл 1 М H2SO4. Половину полученной смеси нагрели с 0,6 г С, а вторую половину – с 0,6 г D.
3. Напишите уравнения протекающих реакции.
4. Рассчитайте, какой объём 0,5 М раствора NaOH потребуется для полной нейтрализации реакционных смесей, образовавшихся при окислении С и D, считая, что все реакции протекают количественно, а побочных продуктов не образуется.
Задача 10-5.
Гетерогенный катализ
При гетерогенном катализе, когда катализатор и реагенты находятся в разных агрегатных состояниях, реакция происходит на поверхности катализатора, причем её скорость, в простом приближении, прямо пропорциональна площади этой поверхности.
Вопросы.
1. Приведите пример реакции, протекающей в присутствии гетерогенного катализатора.
2. Для приведённой вами реакции изобразите на одном графике (качественно) энергетические кривые (зависимости энергии от координаты реакции) в присутствии катализатора и без него. На графике покажите тепловой эффект реакции и энергии активации.
3. При измельчении катализатора скорость реакции растёт. Предположим, что частицы катализатора имеют сферическую форму. Во сколько раз надо уменьшить радиус частицы, чтобы увеличить скорость реакции в x раз? Ответ подтвердите расчётом. Общий объём катализатора при измельчении не меняется.
4. Какая частица – сферическая или кубическая – имеет бóльшую площадь поверхности при равном объёме? Ответ подтвердите расчётом.
Объём шара V = 4/3 p r 3, площадь поверхности S = 4p r 2.
XLVII Всероссийская олимпиада школьников по химии
III (региональный) этап. Кировская область, 1 февраля 2011 года.
Десятый класс
Задача 10-1
Являющийся основой всего живого элемент углерод по распространённости в земной коре (0,087 масс. %) занимает 13 место среди элементов Периодической Системы. В природе углерод представлен двумя стабильными изотопами 12С и 13С и одним радиоактивным 14С, образующимся в верхних слоях атмосферы под действием нейтронов космического излучения на изотоп 14N. Радиоактивный изотоп 14С (его содержание 10–12 % от общей массы углерода) является b-излучателем с периодом полураспада 5700 лет.
|
|
|
Углерод в форме простого вещества известен ещё с доисторических времён. Очень рано люди познакомились с такими его ископаемыми минералами, как исключительно твёрдый А и горючий Б. С момента овладения огнём человечество узнало о тончайшем чёрном порошке В (до сих пор использующемся в качестве пигмента), а также об остающихся на кострище чёрных кусочках Г, которые, однако, сгорают при повторном разведении костра на том же месте.
Основная часть углерода находится на нашей планете Земля в окисленном виде, в частности, такие его минералы, как кальцит и доломит слагают целые горные хребты. Есть он и в атмосфере, примерно 0,046 масс % которой составляет углекислый газ. В атмосферном СО2, масса которого оценивается в 2,4∙1012 т, содержится 0,0027 масс. % от всего углерода на нашей планете.
Тем не менее, признание углерода как элемента состоялось лишь в XVIII веке после проведения целого ряда экспериментов, часть из которых мы представляем Вашему вниманию.
В 1752–1757 гг. шотландский учёный Джозеф Блэк обнаружил, что нагревание белой магнезии или действие на неё разбавленных кислот приводит к образованию газа, который он назвал «фиксируемый воздух», поскольку газ поглощался («фиксировался») известковой водой. Тогда же он показал, что тот же газ образуется при горении Г и при дыхании человека и животных.
Английский химик Смитсон Теннант в 1791 г первым получил свободный углерод химическим способом, пропуская пары фосфора над разогретым мелом, в результате чего образовалась смесь углерода с фосфатом кальция. Несколько позже (1796–1797 гг.), окисляя калиевой селитрой одинаковые количества А, Г и графита, Теннант установил, что они дают одинаковые количества продуктов и, следовательно, имеют одинаковую химическую природу.
Вопросы.
1. Для описанных в задаче форм углерода А–Г приведите их собственные названия, а для минералов кальцита и доломита напишите химические формулы, отражающие их состав.
2. Воспользовавшись приведёнными в задаче данными, оцените массу всего углерода на нашей планете, массу земной коры, а также массу земной атмосферы.
3. Исходя из значения атомной массы углерода и содержания 14С, оцените количество каждого из изотопов углерода в земной коре в штуках.
4. Напишите уравнения ядерных реакций образования изотопа 14С в атмосфере и его радиоактивного распада. Во сколько раз уменьшается содержание 14С в изолированном образце горной породы за 28500 лет?
|
|
|
5. Напишите уравнения реакций, проведённых Блэком и Теннантом. Предложите способ выделения углерода из его смеси с фосфатом кальция.
Задача 10-2
Для приготовления пирофорного нанопорошка металла юный химик использовал твёрдую двухосновную кислоту А, содержащую 32 % углерода и бесцветный порошок Б (содержит 4,5 % углерода), разлагающийся кислотой с выделением газа, имеющего плотность при н. у. 1,97 г/л. В результате реакции был получен раствор, из которого со временем выделились кристаллы вещества С. Они бесцветны, растворимы в воде, а их раствор даёт чёрный осадок под действием сероводорода и коричневый – под действием раствора гипохлорита натрия. Чёрный осадок при действии пероксида водорода становится белым. При нагревании вещества В до 400 °C в вакууме был получен нанопорошок металла Г с размером частиц 50 нм. На воздухе порошок самораскаляется, постепенно превращаясь в красно-коричневый порошок Д, содержащий 7,17 % кислорода.
Вопросы:
1. Назовите неизвестные вещества А – Д и запишите уравнения реакций.
2. Приведите два примера получения пирофорных порошков других металлов.
Задача 10-3
Однажды химик Юра Б., разбирая в своей лаборатории старый заброшенный сейф, обнаружил в нём неподписанную банку с белым кристаллическим веществом (соль X), окрашивающим пламя в фиолетовый цвет.
«Что же там?» – подумал Юра.
И, взяв с соседней полки концентрированную серную кислоту, прилил её к навеске соли массой 7,35 г (реакция 1). При этом он наблюдал выделение бурого газа с удушающим запахом (газ A) с плотностью по водороду 33,75.
«Налью-ка я туда чего-нибудь другого», – решил Юра и добавил к аликвоте соли этой же массы концентрированную соляную кислоту (реакция 2). Каково было удивление химика, когда он обнаружил выделение жёлто-зелёного газа (газ B). Плотность газовой смеси по водороду составляла 35,5.
«Как опасно!», – воскликнул Юра и осторожно прибавил к навеске данной соли немного концентрированного раствора щавелевой кислоты (реакция 3). При этом он наблюдал бурное выделение из раствора смеси газов A и С (плотность смеси по водороду 29,83).
«Теперь мне всё ясно, надо её подальше убрать, а то мало ли что может случиться», – твёрдо сказал химик и спрятал банку с солью подальше в сейф.
Результаты опытов сведены в таблицу.
| Реакция | Мольное соотношение газов | Плотность газовой смеси по водороду | Объём раствора KOH (ρ = 1,092 г/мл, ω = 10 %), пошедший на полное поглощение газовой смеси (t = 40 °C) | ||
| A | B | C | |||
| – | – | 33,75 | 20,51 мл | ||
| – | – | 35,50 | 184,62 мл | ||
| – | 29,83 | 61,53 мл |
Вопросы:
1. Расшифруйте формулы газов А, B, C. Ответ подтвердите расчётами.
2. Напишите уравнения реакций поглощения газов А, В, С раствором KOH.
3. Какую соль обнаружил Юра у себя в сейфе? Приведите необходимые расчёты.
4. Напишите уравнения реакций 1–3.
5. Напишите уравнения разложения соли X при 400 °C в присутствии катализатора (MnO2) и без него.
6. Объясните, чего опасался Юра? Где применяется соль X? Дайте её тривиальное название.
Задача 10-4
Смесь пентадиена-1,3 (I) и пентадиена-1,4 (II) полностью прореагировала с 9,6 л (45 °C, 110,2 кПа) H2 в присутствии Pt с выделением 46,7 кДж тепла. Такая же навеска смеси взаимодействует с 73,5 г 20 %-го раствора малеинового ангидрида в бензоле.
Вопросы:
1. Напишите уравнения обсуждаемых реакций.
2. Установите состав смеси в мольных %.
3. Рассчитайте энергии гидрирования I и II (кДж/моль), если при гидрировании 0,2 моль эквимолярной смеси выделяется 48,1 кДж тепла.
4. Определите, насколько изомер I, содержащий сопряжённую систему двойных связей, стабильнее, чем изомер II c изолированными двойными связями (Δ E, кДж/моль).
Соединения I и II можно получить из пиперидина, используя превращения, показанные на приведённой ниже схеме. Именно таким путём Гофман впервые установил строение пиперидина.
5. Расшифруйте схему превращений. Напишите структурные формулы соединений А–С.
Задача 10-5
Золотой минерал
Самый распространённый сульфидный минерал X из-за великолепного золотого блеска нередко путают с золотом (поэтому минерал ещё называют кошачьим золотом или золотом дурака). Минерал состоит из двух элементов, массовая доля серы составляет 53,3 %. При обжиге X масса твёрдого вещества уменьшается на треть, а масса газообразного продукта на 60 % больше массы твёрдого остатка.
Вопросы:
1. Определите химическую формулу минерала. Как он называется? Какие другие названия минерала или его разновидностей вы знаете?
2. Какой объём воздуха (н. у.), содержащего 20 % кислорода по объёму, требуется для обжига одного моля X? Рассчитайте объём (н. у.) и состав образующейся газовой смеси (в объёмных процентах).
3. При обжиге одного моль X выделяется 828 кДж теплоты. Рассчитайте теплоту образования X, если теплоты образования газообразного и твёрдого продуктов его обжига равны 297 и 824 кДж/моль соответственно.
[1] Под энергией связи будем подразумевать энергию (теплоту), требующуюся для разделения 1 моль молекул на атомы или соответствующие фрагменты.
* Растворимость перманганата бария при 15°С равна 72,4 г на 100 г воды (ХЭ – 1990 г., т. 2, стр. 1277).
|
|
|
