Химия 2009

Примеры наиболее интересных заданий с разбором решений
Химия как любая наука имеет свой язык: БУКВЫ - химические символы;
СЛОВА - химические формулы, ПРЕДЛОЖЕНИЯ – уравнения реакций, ЧАСТИ
РЕЧИ – классы соединений. Для
проверки Ваших знаний языка этой
замечательной науки выполните в качестве РАЗМИНКИ задания разделов I и II
(не следует тратить на это много времени!).
I. АЗБУКА И БУКВАРЬ ХИМИИ (проверяем Вашу химическую
грамотность)
Многие химические соединения известны под их исторически сложившимися
тривиальными названиями, которые используются до сих пор. Приведите
химические формулы для ДЕСЯТИ (по Вашему выбору) из перечисленных ниже
соединений, назовите их по химической номенклатуре и укажите, к каким классам
они относятся:
алхимическое золото, свинцовые белила, купоросное масло, нашатырный спирт,
веселящий газ, уксусная кислота, желтая кровяная соль, бертолетова соль, квасцы
(алюмокалиевые, железоаммонийные и др.), серебряная амальгама, аспирин,
болотный газ, ляпис, фосген, хромпик, глинозем, поташ, пергидроль, сухой лед,
хлорная известь.
II. ХИМИЯ ВОКРУГ НАС (проверяем Вашу химическую эрудицию)
Выполните любые ПЯТЬ заданий (по Вашему выбору), написав уравнения
реакций:
1. Что такое «кислотный дождь» и как он образуется?
2. На чем основано использование раствора сульфида натрия в качестве
противоядия при отравлении солями тяжелых металлов (свинец, кадмий, висмут)?
3. Каков механизм образования озона в стратосфере? Что является причиной
истощения озонового слоя Земли?
4. Почему при добыче серного колчедана в шахте возникает опасность
самопроизвольного образования серной кислоты в результате его взаимодействия с
кислородом и водой?
5. В природных железистых водах содержится гидрокарбонат железа(II).
Предложите простой способ удаления железа из воды без использования
химических реактивов.
6. В медэкспертизе на содержание алкоголя у водителей используют окисление
ацетальдегида (продукта метаболизма этанола) до уксусной кислоты при
взаимодействии в кислой среде с дихроматом калия, который меняет свою окраску
на зеленую окраску ионов Cr3+.
7. Почему до сих пор при окраске стен кухни наиболее гигиенически оптимальной
является известковая побелка?
8. Прогорклый вкус сливочного масла обусловлен гидролизом жира с
образованием масляной (бутановой) кислоты. Для его устранения масло
обрабатывают раствором пищевой соды.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
9. В Древнем Риме свинцовые водопроводные трубы явились причиной массовых
свинцовых отравлений, причем загрязнение воды свинцом зависело от содержания
в ней углекислого газа.
ТЕПЕРЬ ПРЕДЛАГАЕМ БОЛЕЕ СЕРЬЕЗНЫЕ РАЗДЕЛЫ (III и IV)
III. ХИМИЯ – ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА (Проверяем знание
основ химии!)
1. Соединения какого состава образует элемент с электронной конфигурацией
[Ar]3d64s2:
а) с серой б) с кислородом? Приведите их структурные формулы,
названия и укажите степени окисления этого элемента в них. Какую еще степень
окисления проявляет этот элемент (приведите пример соединения)?
2. Нарисуйте структурные формулы всех аммонийных солей ортофосфорной
кислоты и назовите их. Для любой из этих солей напишите два уравнения реакций
ее получения, используя разные исходные вещества.
3. Современная фармацевтическая промышленность широко использует реакции
органического синтеза. Попробуйте синтезировать препарат АНЕСТЕЗИН
(этиловый эфир n–аминобензойной кислоты), если в Вашем распоряжении только
одно соединение углерода – метан. Представьте схему химических реакций и
укажите условия их проведения.
4. Местоположение заводов, производящих азотные удобрения, можно определить
по «лисьим хвостам» (краснобурый дым) над их трубами. В состав дыма входят
окрашенный диоксид азота и его бесцветный димер. Известно, что реакция
димеризации диоксида азота является экзотермической. Как изменяется
интенсивность окраски «лисьих хвостов» а) при повышении атмосферного
давления б) при смене сезона – от зимы к лету? Ответ поясните.
IV. ХИМИЯ – ТОЧНАЯ НАУКА (Давайте посчитаем!)
Достаточно решить ТРИ задачи (по Вашему выбору)
1. «Тяжелая вода» часто используется для введения изотопной метки в различные
соединения. При проведении с ацетиленом реакции Кучерова использовалась
тяжелая вода с соотношением H/D = 1,0. Рассчитайте среднюю массу молекулы
полученного соединения. Сколько моль протонов, нейтронов и электронов
содержится в 18 г этого соединения?
2. Для определения содержания салициловой кислоты С6Н4(ОН)СООН (2гидроксибензойной) в фармацевтическом препарате таблетку массой 200 мг
растворяют в воде и действуют избытком иода в щелочной среде, при этом из двух
молекул кислоты образуется одна молекула соединения состава (С6Н2J2O)2,
которое выделяется в виде осадка массой 424 мг. Рассчитайте процентное
содержание салициловой кислоты в препарате. Сколько граммов этого препарата
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
потребуется для приготовления 200 мл «салицилового спирта» - 5 % -го раствора
салициловой кислоты в этаноле (плотность раствора 0,85 г/мл)?
3. Юный химик решил помочь бабушке, которая забыла взять на дачу соль для
засолки огурцов. Он растворил 46 г металлического натрия в 2 л воды, проверил
его рН по универсальной индикаторной бумаге и понял, что ошибся! Сколько мл
раствора соляной кислоты с концентрацией 4,0 моль/л нужно добавить к этому
раствору, чтобы его можно было использовать для засолки? Чему равны
концентрации компонентов (моль/л) и рН «неправильного» и «правильного»
растворов? Указание: изменением объема при растворении натрия пренебречь.
4. Минералы сфалерит ZnS и галенит PbS часто присутствуют в рудах совместно.
Для установления точного состава минерала образец обожгли на воздухе и
получили 1,57 л (н. у.) газообразного продукта, а оставшийся твердый остаток
растворили в азотной кислоте. Из полученного раствора действием серной
кислоты выделен белый кристаллический осадок массой 6,06 г. Определите
мольное отношение минералов в руде.
5. При получении спирта из свекловичной патоки с содержанием глюкозы 60 %
выход целевого продукта составляет 80 % от теоретического. Какой объем при
давлении 1 атм и температуре 47 0С занимает газ, выделяющийся в процессе
спиртового брожения 100 кг патоки? Какое количество картофеля (кг) с
содержанием крахмала 20 % требуется для получения такого же количества спирта,
если выход глюкозы при гидролизе крахмала составляет 75 % (выход спирта тот
же)?
ЖЕЛАЕМ УСПЕХОВ УЧАСТНИКАМ ОЛИМПИАДЫ - БУДУЩИМ СТУДЕНТАМ!
Если Вы справились со всеми требуемыми заданиями, в оставшееся время
попробуйте выполнить оставшиеся – это повысит Ваши шансы на успех!
Решения заданий
I. АЗБУКА И БУКВАРЬ ХИМИИ
алхимическое золото – SnS2 – сульфид олова(IV): соль, восстановитель;
свинцовые белила – (PbOH)2CO3 – гидроксокарбонат свинца: основная соль;
купоросное масло – H2SO4(конц) – серная кислота: кислота, окислитель;
нашатырный спирт – NH3(водн) – раствор аммиака: основание, восстановитель,
лиганд;
веселящий газ – N2O – оксид азота(I): безразличный оксид, восстановитель;
уксусная кислота – CH3COOH – этановая кислота: кислота;
желтая кровяная соль – K4[Fe(CN)6] – гексацианоферрат(II) калия: комплексная
соль, восстановитель;
бертолетова соль – KClO3 – хлорат калия: соль, окислитель;
квасцы алюмокалиевые – KAl(SO4)2*12H2O – додекагидрат сульфата алюминиякалия: двойная соль;
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
серебряная амальгама – Ag(Hg) – жидкий сплав серебра и ртути: металл
(интерметаллид), восстановитель;
аспирин – o-CH3C(O)OC6H4C(O)OH – ацетилсалициловая кислота: кислота,
ароматическое соединение;
болотный газ – CH4 – метан: восстановитель;
ляпис – AgNO3 – нитрат серебра: соль, окислитель
фосген – COCl2 – оксид-дихлорид углерода (карбонил хлорид): галогенангидрид;
хромпик – K2Cr2O7 – дихромат калия: соль, окислитель;
глинозем – Al2O3 – оксид алюминия: амфотерный оксид;
поташ – K2CO3 – карбонат калия: соль;
пергидроль – H2O2(водн) – пероксид водорода: окислитель;
сухой лед – СО2(тверд) – оксид углерода(IV): кислотный оксид;
хлорная известь – CaOCl2 – гипохлорит-хлорид кальция: двойная соль, окислитель.
II. ХИМИЯ ВОКРУГ НАС
1. «Кислотным» дождь называется в том случае, если рН дождевой воды смещен в
сильнокислую область. Образуются они чаще всего в тех случаях, когда в
отходящих газах промышленных предприятий в значительном количестве
содержатся оксиды азота и серы: NO + O2 = 2NO2, 2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3,
SO2 + H2O = “H2SO3” (SO2(водн)) = H+ + HSO3-.
2. Связывание катионов тяжелых металлов в труднорастворимые сульфиды резко
понижает их концентрацию: Pb2+ + S2- = PbS↓; Cd2+ + S2- = CdS↓; 2Bi3+ + 3S2- =
Bi2S3↓.
3. Под действием жесткого УФ-облучения часть молекул кислорода распадается на
атомы, которые далее взаимодействуют с молекулярным кислородом с
образованием озона: О2 = 2О;
О + О2 = О3. Причинами истощения озонового слоя Земли считают его
взаимодействие с антропогенными оксидами азота и атомарным хлором,
образующимся при УФ-распаде фреонов (хладагентов и компонентов аэрозолей):
O3 + 2•NO2 = N2O5 + O2; O3 + •Cl = O2 + •ClO;
O3 + •ClO = O2 + •ClO2 (CF2Cl2 = •CF2Cl + •Cl).
4. При дроблении минерала на части от монолита откалываются в том числе и
очень мелкие частицы, мгновенно сгорающие на воздухе (искры): 4FeS2 + 11O2 =
2Fe2O3 + 8SO2. При окислении серы и сульфидов на воздухе некоторая ее часть
окисляется до триоксида: 2SO2 + O2 = 2SO3, в реакции с водой дающего серную
кислоту: SO3 + H2O = H2SO4.
5. Пропустить через железистую воду большое количество воздуха, дать воде
отстояться и слить с образовавшегося осадка: 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3↓
+ 8CO2↑.
6. 3CH3CHO + Cr2O72- + 8H+ = 3CH3COOH + 2Cr3+ + 4H2O.
7. Известь поглощает из воздуха углекислый газ, которого особенно много на
кухнях, снабженных газовыми плитами: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О; Ca(OH)2 + CO2 =
CaCO3 + H2O.
8. СН2(С3Н7СОО)СН(С3Н7СОО)СН2(С3Н7СОО) + 3Н2О = СН2(ОН)СН(ОН)СН2ОН +
3С3Н7СООН; С3Н7СООН + NaHCO3 = С3Н7СООNa + CO2↑ + H2O.
9. 2Pb + CO2 + O2 + H2O = (PbOH)2CO3↓
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
III. ХИМИЯ – ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА
1. Элемент с электронной конфигурацией [Ar]3d64s2 – железо. Соединения с серой
и кислородом:
а) Fe+2S – сульфид железа(II), Fe+2S2 – дисульфид железа(II);
б) Fe+2О – оксид железа(II), Fe+32О3 – оксид железа(III), Fe+2Fe+32O4 – оксид
железа(II,III).
Еще известны ферраты со степенью окисления железа +6, например, K2FeO4.
2. (NH4)3PO4 – ортофосфат аммония; (NH4)2НPO4 – гидроортофосфат аммония;
(NH4)Н2PO4 – дигидроортофосфат аммония;
2NH3 + H3PO4 = (NH4)2НPO4; 2NH4НCO3 + Ca(H2PO4)2 = (NH4)2НPO4 + CaHPO4↓ +
2CO2↑ +2H2O.
3. СH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl (свет); 2CH4 = C2H2 + 3H2 (t~1500 oC), 3C2H2 = C6H6
(t>450 oC, актив. уголь); С6H6 + CH3Cl = C6H5CH3 + HCl (AlCl3); C6H5CH3 + HNO3 =
п-CH3C6H4NO2 + H2O (H2SO4(конц)); п-CH3C6H4NO2 + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = пHOOCC6H4NO2 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 5H2O; п-HOOCC6H4NO2 + 3Fe + 6HCl = пHOOCC6H4NH2 + 3FeCl2 + 2H2O; C2H2 + H2O = CH3CHO (Hg2+); CH3CHO + H2 =
C2H5OH (Ni); C2H5OH + п-HOOCC6H4NH2 = п-C2H5OOCC6H4NH2 + H2O (H+).
4. Так как димер не окрашен, интенсивность окраски «лисьих хвостов» зависит от
доли мономера, находящегося в равновесии с димером, в соответствии с
уравнением реакции:
2NO2(газ) = N2O4(газ) + Q. Поскольку в ходе димеризации уменьшается число
молекул, повышение давления смещает равновесие вправо, что будет уменьшать
интенсивность окраски. При смене сезона от зимы к лету увеличивается
температура воздуха, отчего положение равновесия в этой реакции сместится в
сторону эндотермической реакции – влево, следовательно, интенсивность окраски
«лисьих хвостов» летом возрастает.
IV. ХИМИЯ – ТОЧНАЯ НАУКА
1. C2H2 + HDO = CH2DCHO. Средняя масса молекулы 26 + 19 = 45 г/моль. В 18 г
содержится 18/45 = 0,4 моля молекул CH2DCHO, в каждой из которых по
6*2+1*4+8*1 = 24 протона и электрона и по 6*2+1*1+8*1 = 21 нейтрону. Итого
24*0,4 = 9,6 моля протонов и электронов и 21*0,4 = 8,4 моля нейтронов.
2. 2С6Н4(ОН)СООН + 5I2 = (С6Н2I2O)2 + 2CO2 + 8HI. Из 276 г кислоты получается
688 г продукта. Осадок массой 424 мг получится из 424*276/688 = 170 мг кислоты,
что составляет 100*170/200 = 85 % от массы таблетки. Масса раствора, который
требуется приготовить 200*0,85 = 170 г, масса кислоты в нем 0,05*170 = 8,5 г,
требующаяся масса препарата 8,5/0,85 = 10 г.
3. Натрий растворяется в воде с образованием щелочи: 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑.
У химика было ровно 46/23 = 2 моля натрия, щелочи получилось тоже 2 моля, а ее
концентрация составила 2/2 = 1 моль/л. Гидроксид натрия и соляная кислота
(хлороводород) реагируют в соотношении 1:1: NaOH + HCl = NaCl + H2O, поэтому
потребуется 2 моля HCl, которые содержатся в 2/4 = 0,5 л соляной кислоты.
Концентрация поваренной соли в новом растворе составит 2/2,5 = 0,8 моль/л. По
определению, рН = -lg[H+], а концентрации ионов Н+ и ОН- связаны соотношением
КW = 10-14 = [Н+][ОН-]. В «правильном» растворе [Н+] = [ОН-] = 10-7, рН = -lg[10-7] =
7, а в «неправильном» [Н+] = 10-14/[ОН-] = 10-14, рН = -lg[10-14] = 14.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
4. Уравнения реакций: 2MS + 3O2 = 2MO + 2SO2, MO + 2HNO3 = M(NO3)2 + H2O
(M = Zn или Pb), Pb(NO3)2 + H2SO4 = PbSO4↓ + 2HNO3. Суммарное количество
сульфидов совпадает с количеством образовавшегося сернистого газа и составляет
1,57/22,4 = 0,07 моля. Количество сульфата свинца в осадке 6,06/303 = 0,02 моля.
Следовательно, в образце минерала было 0,02 моля галенита и 0,07-0,02 = 0,05
моля сфалерита, а их мольное отношение в руде nZnS/nPbS = 5/2.
5. Уравнение реакции брожения: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2↑. В 100 кг патоки
содержится 60 кг или 60*103/180 = 333,3 моля глюкозы. При 80 % выходе
получится 0,8*2*333,3 = 533,3 молей углекислого газа. По уравнению МенделееваКлапейрона V = νRT/P, откуда объем газа составит 533,3*0,082*(273+47)/1 = 13994
л или 533,3*8,31*320/101325 = 14,0 м3.
Для получения 533,3 молей спирта требуется 333,3 моля глюкозы, которая
получится из 333,3/0,75 = 444,4 молей крахмала. Масса крахмала (С6Н10О5)n
составит 162*444,4 = 71993 г, т.е. около 72 кг, масса картофеля 72/0,2 = 360 кг.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com