ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ТУР

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ТУР
ЗАДАНИЯ И РЕШЕНИЯ
9 КЛАСС
Задание. Вам выданы шесть пронумерованных бюксов, в которых находятся сухие соли:
MgCl2, BaCl2, PbCl2, ZnCl2, MnCl2 и NaCl. Используя имеющиеся на столе реактивы и
оборудование, определите в каком бюксе находится каждый из выше перчисленных
хлоридов. Напишите уравнения реакций определения солей, там, где это необходимо.
Реактивы: 1M H2SO4, 1M NaOH, дистиллированная вода
Оборудование: шесть бюксов с солями, штатив с восемью пробирками, водяная баня,
шпатель для отбора проб.
ДЕВЯТЫЙ КЛАСС
Решение
MgCl2
BaCl2
PbCl2
ZnCl2
MnCl2
NaCl
H2O
р
р
р при нагр.
р
р
р
H2SO4
–
↓
↓*
–
–
–
NaOH
↓
–
↓р-ся в изб.
↓р-ся в изб.
↓буреет
–
*
осадок растворяется в избытке щелочи.
Ниже приводим один из вариантов решения. Определение солей начинаем с растворения
их в воде. Для растворения берем несколько крупинок соли. Растворяются в воде без
нагревания все соли, кроме PbCl2. Эта соль растворяется при нагревании, а при
охлаждении раствора вновь выпадает в осадок. Таким образом мы можем предположить,
что данная соль PbCl2. Подтвердить предположение можно следующими реакциями:
PbCl2(раствор) + H2SO4 = PbSO4↓ + 2HCl
Особенностью этого осадка является его растворимость в концентрированном растворе
щелочи:
PbSO4↓ +4 NaOH = Na2[Pb(OH)4] + Na2SO4.
К оставшимся растворам MgCl2, BaCl2, ZnCl2, MnCl2 и NaCl по каплям добавляем серную
кислоту. Осадок выпадает только в одной пробирке и не растворяется в избытке кислоты
и щелочи. Это может быть только BaSO4.
BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HCl.
1
Все остальные соли образуют сульфаты, растворимые в воде.
К оставшимся в четырех пробирках растворам добавляем по каплям щелочь. При этом
наблюдаем следующие эффекты.
В пробирке, содержащей раствор MgCl2, выпадает осадок, который не растворяется в
избытке реагента:
MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + 2NaCl.
В пробирке, содержащей раствор ZnCl2, выпадает осадок , который будет растворяться
как в избытке реагента, так и в кислоте. Это подтверждает амфотерность ионов цинка.
ZnCl2 + 2 NaOH = Zn(OH)2↓ + 2NaCl.
Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4].
Zn(OH)2 + H2SO4 = ZnSO4 + 2H2O.
В пробирке, содержащей раствор MnCl2, выпадает осадок, буреющий на воздухе.
MnCl2 + 2NaOH = Mn(OH)2 ↓+ 2NaCl.
2Mn(OH)2 + O2 = 2MnO(OH)2↓ (бурый) или
2Mn(OH)2 + O2 = 2MnO2 + 2H2O.
В пробирке, содержащей раствор NaCl, никаких эффектов не наблюдаем.
Система оценивания
За определение каждой соли с необходимыми уравнениями реакций – 5 баллов  6 = 30
ИТОГО
30 баллов
2
10 КЛАСС
Задание. В восьми пронумерованных бюксах находятся индивидуальные соли: Pb(NO3)2,
MnCl2, NH4Cl, (NH4)2CO3, ZnCO3, Ca3(PO4)2, MgSO4 и Al2(SO4)3. Используя имеющиеся на
столе реактивы и оборудование, определите каждую из выше перечисленных солей.
Напишите уравнения реакций определения солей.
Реактивы: 1M HCl, 1M NaOH, H2O(дист.)
Оборудование: восемь бюксов с солями, штатив с десятью пробирками, водяная баня,
шпатель для отбора проб.
ДЕСЯТЫЙ КЛАСС
Решение
Pb(NO3)2 MnCl2 NH4Cl (NH4)2CO3 Ca3(PO4)2
MgSO4
ZnCO3
Al2(SO4)3
H2O
р
р
р
Р
н
р
н
р
HCl
↓
–
–
↑CO2
р
–
р↑CO2
–
↓буреет
↑NH3
↑NH3
–
↓
–
↓раств. в изб
NaOH ↓раств в изб.
Приводим один из вариантов решения. Определение солей начинаем с их растворения.
Все соли, кроме ZnCO3 и Ca3(PO4)2 растворяются в воде. Не растворившиеся в воде соли
растворяем в кислоте, причем при растворении солей в одной из пробирок наблюдаем
выделение газа. При этом протекают следующие реакции:
Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H3PO4 или Ca3(PO4)2 + 4HCl = Ca(H2PO4)2 + 2CaCl2
ZnCO3 + 2HCl = ZnCl2 + CO2↑ + H2O.
Таким образом, мы определили две соли: ZnCO3 и Ca3(PO4)2.
К растворам оставшихся шести солей по очереди по каплям прибавляем раствор кислоты.
Наблюдаем следующие эффекты.
В пробирках, содержащих растворы MgSO4, MnCl2, NH4Cl, Al2(SO4)3 никаких видимых
изменений не наблюдаем.
В пробирке с раствором (NH4)2CO3 наблюдается выделение газа:
(NH4)2CO3 + 2HCl = 2NH4Cl + CO2↑ + H2O.
В пробирке, содержащей раствор Pb(NO3)2, наблюдаем выпадение осадка PbCl2.
Особенностью этого осадка является его растворение при нагревании и выпадение снова
при охлаждении раствора. Таким образом мы определили Pb(NO3)2.
Pb(NO3)2 + 2HCl = PbCl2↓ + 2HNO3.
3
В оставшихся пробирках находятся растворы следующих солей: MgSO4, MnCl2, NH4Cl,
Al2(SO4)3. Отбираем по несколько капель раствора каждой соли и переносим в чистые
пробирки. Затем в каждую пробирку по каплям добавляем щелочь, в недостатке и в
избытке. Наблюдаем за эффектами реакций. Пробирки можно нагреть на водяной бане. В
пробирке содержащей MgSO4, будет выпадать осадок, не растворяющийся в избытке
щелочи:
MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + Na2SO4.
В пробирке, содержащей MnCl2, будет выпадать осадок, буреющий на воздухе:
MnCl2 + 2NaOH = Mn(OH)2 ↓+ 2NaCl.
2Mn(OH)2 + O2 = 2MnO(OH)2↓ (бурый) или
2Mn(OH)2 + O2 = 2MnO2 + 2H2O.
В пробирке, содержащей NH4Cl, будет ощущаться запах аммиака, который будет
усиливаться при нагревании раствора:
NH4Cl + NaOH = NH3↑ + NaCl + H2O
В пробирке, содержащей Al2(SO4)3, будет наблюдаться выпадение осадка, который будет
растворяться в избытке реактива.
Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2Al(OH)3↓ +3 Na2SO4
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4] или
Al(OH)3 +3 NaOH = Na3[Al(OH)6] или
Al(OH)3 + NaOH + 2H2O = Na[Al(OH)4(H2O)2]
Таким образом, мы опредилили каждую из солей, находящихся в восьми бюксах.
Система оценивания
За определение солей с необходимыми уравнениями Pb(NO3)2, MnCl2, NH4Cl, (NH4)2CO3,
ZnCO3, и Al2(SO4)3 по 4 балла, Ca3(PO4)2, MgSO4 по 3 балла.
Замечание для членов Жюри:
Хлорид марганца и его раствор в воде отличается от других по цвету (розовый). Если
идентификация проведена только по этому признаку, без проведения соответствующих
реакций, то она оценивается в 1 балл.
ИТОГО
30 баллов
4
11 КЛАСС
Глубокоуважаемый Юный химик!
Вам предстоит работа с едкими и ядовитыми веществами – будьте осторожны и
внимательны! Склянки с аммиаком и формалином держите закрытыми, если Вы их не
используете. Если Вам что-либо будет непонятно, обращайтесь к члену жюри или
лаборанту. Ни в коем случае нельзя определять вкус веществ! Соблюдайте правила
техники безопасности!
Чтобы не терять время, во время упаривания растворов и охлаждения их до
комнатной
температуры
теоретические
вопросы
Вы
можете
(однако
помните,
отвечать
что
на
нельзя
поставленные
допускать
(стр. 2)
перегрева
и
разбрызгивания реакционной массы).
Гексаметилентетрамин (уротропин) – белые кристаллы сладкого вкуса,
одно
из
очень
немногих
синтетических
лекарственных
N
средств,
используемых в настоящее время, с более чем 100-летней историей: его
начали применять ещё в 1884 г., и сейчас это вещество можно приобрести в
N
N
N
уротропин
любой аптеке (например, в смеси с хлоридом кальция под названием
«кальцекс»).
Другое замечательное свойство уротропина – способность сгорать без образования
золы. Таблетки или брикеты «сухого горючего» состоят именно из уротропина с
небольшой добавкой парафина. Хотя сухое горючее почти всегда можно купить в
хозяйственном магазине или там, где торгуют туристическим снаряжением, в небольшом
количестве можно изготовить его и в лаборатории. Впервые синтез уротропина
осуществил 150 лет назад (1860 г.) Александр Михайлович Бутлеров.
Сегодня Вам предлагается получить уротропин из предложенных реактивов и
проделать некоторые характерные для этого вещества реакции.
Методика получения уротропина
Отмерьте с помощью мерной пипетки 1 мл 25 %-ного водного раствора аммиака,
перенесите отмеренный объём в стакан и добавьте 1 каплю фенолфталеина. Отмерьте с
помощью
мерного
цилиндра
12 мл
формалина
(40 %-ного
водного
раствора
формальдегида), прилейте его к полученному в стакане малиновому раствору и тщательно
перемешайте реакционную смесь стеклянной палочкой. Если спустя 1–2 мин. раствор в
стакане не обесцветился, добавьте с помощью пипетки ещё 1–2 мл формалина и вновь
перемешайте стеклянной палочкой.
Осторожно упарьте содержимое стакана до появления первых кристаллов уротропина
(нельзя допускать перегрева, поскольку происходит сильное разбрызгивание реакционной
5
массы). Охладите содержимое стакана до комнатной температуры, добавьте 5 мл
этилового спирта, отмеренного с помощью мерного цилиндра. Перемешайте содержимое
стакана стеклянной палочкой, тщательно смывая остатки уротропина со стенок.
Полученный раствор аккуратно перелейте в фарфоровую чашку и упарьте на водяной бане
досуха. Охладите чашку с полученными кристаллами уротропина до комнатной
температуры.
Полученный уротропин аккуратно перенесите (с помощью выданного Вам шпателя)
на предварительно взвешенную кальку и определите массу (запишите её!) полученного
уротропина.
Теоретические вопросы
1. Почему при добавлении фенолфталеина к раствору аммиака появилась малиновая
окраска, а при добавлении формалина она исчезла?
2. Напишите уравнение реакции, с помощью которой Вы получили уротропин.
3. К какому типу реакций относится эта реакция (выберите ответ (или ответы))?
а) разложения;
б) присоединения – отщепления;
в) обмена;
г) изомеризации;
д) конденсации.
4. Приведите все формулы для нахождения выхода полученного уротропина в расчёте на
введённое количество аммиака, считая плотность 25 %-ного водного раствора аммиака
0,91 г/см3. Рассчитайте выход продукта реакции.
Изучение некоторых свойств уротропина
а) С помощью шпателя отберите немного (около 1/3 полученного Вами вещества)
уротропина, поместите его на несгораемую подложку и подожгите.
Напишите уравнение реакции горения уротропина.
б) Небольшое количество уротропина с помощью шпателя поместите в пробирку,
добавьте ~1 мл раствора серной кислоты и слегка подогрейте на водяной бане. Понюхайте
(осторожно!) выделяющиеся пары.
Приведите уравнение реакции гидролиза уротропина в кислой среде. Предложите
реактивы, с помощью которых можно было бы идентифицировать образовавшиеся
продукты гидролиза. Напишите уравнения соответствующих реакций идентификации и
укажите наблюдаемые при этом эффекты.
в) Поместите в пробирку немного (3–4 кристаллика) твёрдого гексагидрата хлорида
кобальта (CoCl2 · 6H2O) и примерно столько же твёрдого уротропина. Тщательно
перетрите содержимое пробирки с помощью сухой стеклянной палочки (следите за тем,
чтобы палочка не разбила пробирку). Что наблюдаете?
6
Объясните появление голубой окраски твёрдой смеси в пробирке. Напишите
уравнение реакции, поясняющее Ваш ответ.
ОДИННАДЦАТЫЙ КЛАСС
Ответы на теоретические вопросы
1. В водном растворе аммиак проявляет оснóвные свойства вследствие протекания
процесса:
NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH.
Поэтому при добавлении фенолфталеина к водному раствору аммиака («нашатырному
спирту») появляется малиновая окраска. При добавлении формалина к раствору
аммиака протекает реакция образования уротропина, в результате чего аммиак
полностью расходуется и окраска фенолфталеина исчезает.
2. Уравнение реакции, с помощью которой Вы получили уротропин:
N
O
6H
C
+
H
4 NH3
N
N
+
6 H2O
N
уротропин
.
3. Для того, чтобы аргументировано отнести реакцию образования уротропина из
формальдегида и аммиака к какому-то из перечисленных типов органических реакций,
необходимо иметь некоторые представления о механизме ее протекания. На первой
стадии взаимодействия молекулы формальдегида с молекулой аммиака образуется
неустойчивый аминоспирт (нуклеофильное присоединение), далее превращающийся в
чуть более устойчивый альдимин (при этом отщепляется молекула воды). Альдимин
образует циклический тример, который далее конденсируется с тремя молекулами
формальдегида и одной молекулой аммиака с образованием гексаметилентетрамина:
H
H


C O + NH3
H
NH2
- H2O
C OH
H

H2C
HN

NH

HN
CH2


HN
CH2
H2C

NH


CH2
альдимин



NH
C NH
H
аминоспирт

H
CH2
+ 3 HCOH
+ NH3
- 3 H2O
N
N
N
N
.
7
Таким образом, реакцию образования уротропина из формальдегида и аммиака можно
одновременно отнести к реакциям присоединения – отщепления (вариант б) и
конденсации (вариант д).
4. Для
расчета
выхода
реакции ()
необходимо
знать
массу
полученного
уротропина (mэксп.) и массу продукта, рассчитанную на введенное количество аммиака:

mтеор. 
mэксп.
 100%;
mтеор.
1
1 V ( NH3 )  ( NH3 )  ( NH3 )
 ( NH3 )  M (C 6 H12 N 4 )  
 M (C 6 H12 N 4 );
4
4
M ( NH3 )
mтеор. 
1 1 мл  0,91 г / мл  0,25

 140 г / моль  0,47 г;
4
17 г / моль

mэксп.
 100%.
0,47
Изучение некоторых свойств уротропина
а) Бесцветные кристаллы уротропина, как и большинство органических
соединений, сгорают в кислороде воздуха:
C6H12N4 + 9O2  6CO2 + 6H2O + 2N2.
б) В подкисленных растворах уротропин неустойчив и гидролизуется согласно
уравнению:
C6H12N4 + 6H2O + 4H+  6HCOH + 4NH4+.
Продукты гидролиза уротропина можно распознать, проведя характерные
реакции на альдегид и соль аммония, например:
t
HCOH + 4Cu(OH)2 
CO2 + 2Cu2O + 5H2O,
красный осадок
NH4+ + OH  NH3 + H2O.
характерный запах
в) Появление голубой окраски твердой смеси в пробирке обусловлено
образованием комплексного соединения кобальта с молекулами уротропина
(уротропин выступает в роли комплексообразователя):
N
2
N
N
N + CoCl2
N
N
N
N
Co
N
N
N
N
Cl2
Система оценивания:
Проведение синтеза уротропина
8
Техника эксперимента
2 балла;
Выход уротропина:
50 %
10 баллов;
49 – 40 %
9 баллов;
39 – 30 %
8 баллов;
29 – 20 %
7 баллов;
менее 20 %
6 баллов.
Ответы на теоретические вопросы
1. Объяснение появления и исчезновения окраски фенолфталеина
2 балла;
2. Уравнение реакции получения уротропина
2 балла;
3. Тип реакции получения уротропина
0,5 балла  2 = 1 балл;
4. Вывод формул для расчета выхода уротропина
1 балл.
Изучение некоторых свойств уротропина
a) Уравнение реакции горения уротропина
2 балла;
b) Уравнение реакции гидролиза уротропина
2 балла;
Реагенты для распознавания продуктов гидролиза (NH4+ и НСОН)
0,5 балла  2
1 балл;
Уравнения реакций идентификации продуктов гидролиза
2 балла  2
c) Объяснение появления голубой окраски (комплексообразование)
Уравнение реакции комплексообразования
Итого за экспериментальный тур (максимальный балл)
4 балла;
1 балл;
2 балла.
30 баллов.
9