ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура Девятый класс Задача 9-1. «Илецкая натуральная соль всех прочих солей тверже и, будучи истолчена, получает очень белый цвет и с воздуха в себя влажность не притягивает. На распущение четырех унций сия соли пошло воды пятнадцать унций, из чего видно, что в ней по пропорции против других солей воды меньше, а больше той материи, которая в составлении соли есть главная, то есть алкалическая и кислая. После переварки сели из ней белые и весьма сухие зерна, что показывает снова изобилие соляной материи и пропорциональное оные смешения. С крепкою водкою сия соль шипит, из чего явствует, что она имеет сильную алкалическую материю, которая есть основание и твердость соли. Для таких свойств подобно сию соль в твердости, силе и спориозно предпочесть прочим солям.» М. В. Ломоносов «Репорт в кабинет об исследовании русских солей и слюды.» Полное собрание сочинений т. 5, с. 256. 1. Определите состав «илецкой натуральной соли», если при добавлении к 100 г ее насыщенного раствора избытка раствора хлорида кальция образуется 17 г осадка. 2. Определите состав соли, которая образуется при «переварке илецкой натуральной соли», если для растворения 4 фунтов «переваренной» требуется немного больше 4 фунтов воды. 3. В каких производствах «илецкую соль спориозно (с успехом) предпочесть прочим солям»? 4. Напишите уравнения реакций, происходящих при взаимодействии «илецкой соли с крепкими водками». Задача 9-2. Основным компонентом минерала является оксид A металла Y, содержащий 88,15 % металла. В качестве примесей в этом минерале также присутствуют вещества B и C, имеющие тот же качественный состав, что и A, и содержащие 84,80 % и 83,22 % металла соответственно. Известно, что этот металл может разлагаться с выделением газа X, причем в разных количествах. Вопросы: 1. Установите формулы соединений A, B, C. 1 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура 2. Установите формулу вещества Х. Напишите уравнение реакции, приводящие к образованию X. К какому типу реакций они относится? 3. В промышленности используют установки, в которых вещество A находится в атмосфере газа X. Как называются эти установки? 4. Напишите уравнения реакций металла, содержащегося в А, В и С с избытком фтора и избытком брома, исходя из степеней окисления, которые проявляет металл в соединениях А и С. Ответ обоснуйте. При ответе примите во внимание силу окислителей и размеры их атомов. 5. Предложите реакцию превращения металла Y с получается 256 102 22 10 Ne ,в результате которой No . Задача 9-3. Газ Х находит широкое применение в медицине, в том числе в качестве компонента смеси для анестезии. Газ Y применяется в медицине как наркоз. Оба газа образуют взрывчатые смеси с водородом (реакции 1а и 1б). Тлеющая лучинка вспыхивает при внесении в них. Отличить X от Y можно смешением равных объёмов анализируемых газов с оксидом азота (II). Смесь газа X с оксидом азота (II) окрашивается в оранжево-красный (бурый) цвет (реакция 2). Для медицинской практики важна чистота препарата. Для установления отсутствия примеси A газ X пропускают через водный раствор нитрата диамминсеребра. В случае наличия примеси A раствор чернеет (реакция 3). Про вещество A известно, что оно не имеет запаха и легче X. Для проверки наличия примеси B газ X пропускают через насыщенный раствор гидроксида бария (реакция 4). Смесь газов B и Х не имеет запаха. Для количественного определения содержания X газ медленно пропускают через раствор, содержащий хлорид аммония и аммиак, туда же помещают взвешенный кусочек медной проволоки. В результате образуется ярко-синий раствор (реакция 5). Вопросы. 1. Определите X и Y; ответ обоснуйте. Назовите эти вещества. Изобразите формулы, передающие их строение. 2. Какие примеси A и B должны отсутствовать в медицинском препарате? Назовите эти вещества. Охарактеризуйте окислительно-восстановительные свойства A. Напишите уравнения упомянутых в тексте реакций 1–5. 3. Напишите уравнения реакций X с белым фосфором и PtF6 (реакции 6, 7). Напишите уравнение реакции Y с белым фосфором и перманганатом калия в кислой среде (реакции 8, 9). 2 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура 4. Напишите по одному способу получения препаратов X и Y. Какие примеси могут содержать препараты, полученные предложенным Вами способом? Задача 9-4. Бесцветная жидкость (Tпл = –112 C, Tкип = 46 C) сгорает голубым пламенем в избытке кислорода, образуя смесь газов, плотность которой почти вдвое больше плотности воздуха. Полученная смесь полностью поглощается водным раствором щёлочи. При поглощении продуктов сгорания водным раствором пероксида водорода объём смеси уменьшается в три раза, причём оставшийся газ имеет плотность приблизительно в полтора раза больше плотности воздуха. Вопросы. 1. Определите состав жидкости, предложите химическое название соединения. 2. Напишите уравнения реакций получения, горения жидкости, реакции поглощения продуктов горения раствором щелочи и пероксидом водорода. 3. Для аналогов элементов, входящих в состав жидкости, напишите формулы химических соединений, образованных элементами, находящимися ниже в соответствующих группах. Предскажите их свойства (в первую очередь агрегатное состояние). Приведите 2 примера. Задача 9-5. Оптимальное топливо В вашем распоряжении имеются три вида топлива: газообразный водород под давлением 10 атм и при температуре 25 С (стоимость 25 у. е. за кубометр), газообразный метан при тех же условиях (стоимость 5 у. е. за кубометр) и уголь (стоимость 3 у. е. за килограмм), представляющий собой чистый графит. Вопросы. 1. Запишите уравнения сгорания каждого из веществ и рассчитайте тепловой эффект. 2. Определите, какой из видов топлива даёт наибольшую энергию при сгорании: а) на единицу объёма; б) на единицу массы; в) на одну у. е. стоимости. Справочные данные. а) Теплоты образования Q (кДж/моль): CH4 74,8 CO2 393,5 H2O(ж) 285,8 3 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура б) Плотность графита: 2,27 г/см3. Десятый класс Задача 10-1. Элемент Х образует большое количество кислородсодержащих кислот. Примерами этих кислот являются неорганические кислоты 1–4, причём все они имеют разную основность. В состав молекул кислот 1–3 входит по три атома водорода, а число атомов кислорода в ряду кислот 1–3 увеличивается на единицу. Ниже приведены данные о содержании водорода и элемента Х в кислотах 3 и 4. Кислота Содержание элементов (% по массе) H X 3 3,09 31,6 4 2,27 34,8 Вопросы: 1. Назовите элемент Х. Напишите уравнение реакции промышленного получения простого вещества, образованного элементом Х. 2. О каких кислотах 1–4 идёт речь в условии задачи? Заполните таблицу: Формула кислоты Кислота молекулярная Степень Название графическая Основность окисления Х в кислоте (структурная) 1 2 3 4 3. Напишите уравнения химических реакций каждой из кислот 1–4 с раствором гидроксида натрия с образованием средних солей. 4. Кислоты 1 и 2 в окислительно-восстановительных реакциях выступают в роли восстановителей. Приведите уравнения химических реакций этих кислот с раствором перманганата калия, подкисленным серной кислотой. 5. Напишите уравнения реакций (с указанием условий их проведения), с помощью которых из простого вещества, образованного элементом Х, можно получить кислоты 3 и 4. Задача 10-2. 4 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура Лаборант нашел в практикуме 4 склянки с белыми кристаллическими порошками. На склянках было написано «сода». Лаборант обнаружил, что все найденные вещества растворимы в воде. При действии раствора соляной кислоты на пробы твердых веществ в трех из четырех случаев выделяется газ. Лаборант решил измерить объем выделяющихся газов. Для этого он взвесил по 3,0 г каждой соды, растворил каждую навеску в 5,0 мл воды и к каждому раствору медленно прилил по 15,0 мл соляной кислоты ( 1,05 г/мл). Выделившийся газ был собран при 22С и 740 мм рт. ст. Результаты опытов представлены в таблице: № опыта V(газа), мл 1 900 2 250 3 370 1. Перечислите названия «сод», которые нашел лаборант. 2. Напишите химические формулы каждой соды и напишите их современные названия. 3. На основании расчетов (считая, что все реакции прошли количественно, и, пренебрегая растворимостью газа в воде) укажите, какая «сода» была в 1, 2 и 3 опытах соответственно. 4. Оцените массовую долю хлороводорода в использованном для опытов растворе. Задача 10-3. Элементы X, Y, Z и L образуют соединения состава: XYZ2L24O20 (соединение 1), XYL4O4 (соединение 2), X2Y2O7(соединение 3) и XZLO4(соединение 4), массовые доли кислорода в которых соответственно равны (%): 64.13; 40.25; 38.095 и 47.06. 1. Определите формулы этих соединений. К какому классу и подклассу они относятся? Назовите эти соединения. Ответы представьте в виде таблицы: № Соединение 1 XYZ2L24O20 2 XYL4O4 3 X2Y2O7 4 XZLO4 Бруттоформула Формула Класс Подкласс Название 5 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура 2. Напишите реакцию взаимодействия растворов a) соли 3 с гидроксидом бария. b) солей 2 и 4 c) солей 2 и 3. 3. Напишите уравнения реакций получения веществ 1–4 Задача 10-4. Молекулы промышленно важного углеводородаА (DH2 = 13) в присутствии катализаторов образуют различные олигомеры: Cu2Cl2 B + C A NH4Cl D акт. C 450 C 50 C Ni(CN)2 E 1. Напишите структурные формулы А–E, учитывая, что MA : MB : MC : MD : ME = 1 : 2 : 3 : 3 : 4. Из углеводородовА и В были получены изомерные углеводороды I–VI согласно приведенной ниже схеме превращений: B III изб.H2 F Ni K Pd/BaSO4 хинолин Pd/BaSO4 хинолин Pd/C t 1) NaH H2 H2 t G I Cl2 H t HBr, ROOR hn wC 53.0% 2) C2H5Br A CH2O KOH, t M изб.H2 KOH EtOH t V AlCl3 L Na NH3 Ni N J Zn II wC 28.0% HBr O Li/Hg диоксан IV wC 53.3% VI 2. Напишите структурные формулы I–V, F–О. Учтите, что превращения F в G и Kв L – изомеризации. Помните, что разные буквы не могут обозначать одно и то же вещество. 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. 6 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура 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. Одиннадцатый класс Задача 11-1. Вещества А–В – бинарные соединения одинакового качественного состава. Массовое содержание входящих в их состав элементов Х и Y, а также некоторые свойства соединений сведены в таблицу. Соединение А Б В Масс., содержание,% X Y 42,9 57,1 27,3 72,7 52,9 47,1 Реакции при комнатной температуре O2 H2O NaOH NH3 горит – – – – + + горит + + + Все три соединения при комнатной температуре являются газами. А и Б не имеют собственного запаха, В, напротив, пахнет отвратительно. А и В при поджигании сгорают на воздухе (реакции 1 и 2), газ Б не горюч. В воде А растворяется совсем плохо, Б чуть лучше (реакция 3), В – хорошо (реакция 4), при этом Б с водой взаимодействует частично, а В полностью. Газ А реагирует лишь с водяным паром при t > 230oC в присутствии Fe2O3 (реакция 5). С водными растворами щелочей и сухим газообразным аммиаком Б и В взаимодействуют легко (реакции 6, 7, 8 и 9), а А только в специальных условиях: со щелочью при t ~ 120oC и давлении > 5 атм. (реакция 10), с аммиаком при t ~ 500–800oC на смешанном катализаторе Al2O3/ThO2 (реакция 11). Последняя реакция используется в промышленности для получения широко известного ядовитого вещества. Интересно, что вещество, получающееся в реакции Б с аммиаком при t ~ 200–500oC и повышенном давлении (реакция 12), настолько безобидно, что его даже добавляют в жевательную резинку, как, впрочем, и продукт реакции Б со щелочью. 1. Рассчитайте молекулярные массы А и Б, если известно, что смесь равных объемов А и Б имеет плотность по водороду 18, а смесь одного объема А и трех объемов Б – 20. 7 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура 2. Установите элементы X и Y и состав соединений А–В. 3. Напишите уравнения всех описанных в задаче реакций. 4. Изобразите структурную формулу соединения В и назовите его. Задача 11-2. При добавлении аммиака к голубому растворуА его окраска становится ярко-синефиолетовой (B) (реакция 1). При добавлении к A раствора желтой кровяной соли выпадает красно-бурый осадок (C) (реакция 2). При нагревании порошка бинарного вещества D в токе аммиака цвет вещества становится розово-красным (вещество E) (реакция 3). При растворении вещества D в концентрированной соляной кислоте образуется раствор вещества Fжелто-оранжевого цвета (реакция 4). При небольшом разбавлении этого раствора водой окраска его становится зеленой (реакция 5), а при большем разбавлении голубой вследствие образования A(реакция 6). Все перечисленные вещества содержат элемент Х, массовая доля Хв цезиевой соли кислоты F составляет 13,49%. Вопросы: 1) Определите элемент X, ответ обоснуйте. 2) Определите вещества А–F, обоснуйте свой выбор, состав F подтвердите расчетом. 3) Напишите уравнения реакций всех описанных превращений. 4) Объясните изменение окраски при разбавлении раствора F. 5) Укажите цвет исходного соединения D. Задача 11-3. Приведенные ниже схемы превращений представляют собой важнейшие промышленные процессы с использованием органического соединения А, а также некоторых продуктов, образующихся из А. νèëè t  Ã1 Ã2 Ã3 Ã4 1. À Áh o t 2. А Д ЕЖ o t ИК 3. А З o t 4. А В Д Ж Г1 Г 2 Г3 Г 4 o 8 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура 900 С , Ni 5. А Ж Л М o 1500 С 6. А Н М o Ñ, Rh, 10ìñ 7. À Ï Ä 1100 Æ Ð o С 8. Т М 400 П o 200î Ñ , HgCl ( êàò .) У 9. B+H 2 2 Hg 10. Ж Н Н, Ф Напишите уравнения реакций, соответствующие этим схемам. Примите во внимание, что соединения Б, Д, М, Т – газообразные простые вещества, а З – простое вещество, существующее при комнатной температуре в твердом состоянии, причем атомные массы Д и З отличаются в 2 раза; A, В, Г4, Е, Ж, И-Л, Н, П – бинарные соединения. Кроме того, известно, что в зависимости от соотношения реагентов при взаимодействии А с Д может образовываться (наряду с Ж) также бинарное вещество Л, что обычно является крайне нежелательным процессом. Два разных продукта (отличающихся от А) могут образоваться и при взаимодействии М с Н. Наконец, присоединение Р к Ф дает аддукт, который после отщепления Ж превращается в продукт, являющийся, как и соединение У, важным мономером в синтезе высокомолекулярных соединений. Задача 11-4. Сегодня нашу жизнь невозможно представить без пластмассовых изделий и синтетических волокон: корпус ручки, которой Вы сейчас пишете, яркая кофточка на симпатичной девушке, что Вы встретили вчера, жевательная резинка, которую усердно жует сосед слева, клавиатура ноутбука автора этой задачи – все это сделано из высокомолекулярных продуктов крупнотоннажной химической промышленности. Ниже приведена некоторая информация о пяти распространенных синтетических полимерах I-V. Полимер Название или Промышленная схема получения аббревиатура 9 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура I II ПВХ CH4 1600oC C2H2 H2C ПС AlCl3, 450 C CH3 Á 600oC  Fe2O3 / CrO3 C8H8 î ðãàí è÷åñêèé ï åðî êñèä O2 à Co , 200oC, 2 Ì Ï à C8H6O4 2+ ï î ëèì åð I 250oC ПЭТ, лавсан H2C IV, V CH2 o H3C III HCl À î ðãàí è÷åñêèé Càêòèâ. / HgCl2 ï åðî êñèä ?, ? H2C CH2 CH2 O2 Ag, 250oC, 2 Ì Ï à H2O + o H , 300 C, 7 Ì Ï à Ä Æ H2O 150oC, 2 Ì Ï à 450oC ZnO / MgO ï î ëèì åð II ï î ëèì åð III Å Na ï î ëèì åð IV S 250oC Ç ï î ëèì åð V 1. Приведите структурные формулы промежуточных продуктов А – З, а также структурные формулы элементарных звеньев полимеров I-IV (без учета стереоизомеров). 2. Расшифруйте аббревиатуры названий полимеров I-III. От каких слов образовано название "лавсан"? Укажите названия полимеров IV и V. Как называется процесс превращения IV в V под действием серы? Какой из полимеров I-IV образовался в результате реакции поликонденсации? Задача 11-5. На российских космических кораблях и станциях, начиная с первого полета Гагарина, используется атмосфера, максимально близкая к земной (содержание кислорода 20 об. %, давление 1 атм). При выходах в открытый космос возникает необходимость восполнения воздушной среды в больших объёмах. Использование для этих целей сжатой газовой смеси в традиционных шар-баллонах ограничено корпусной массой. Рассмотрим возможность химического получения необходимой газовой смеси с использованием термического разложения аммонийных солей. При нагревании нитрита аммония выделяется азот, а при термическом разложении нитрата аммония образуется оксид азота (I), который при более высокой температуре каталитически разлагается на простые вещества. Свойства исходных и конечных веществ приведены в таблице. 10 © ЦПМК ВсОШпохимии ВсОШ по химии, III региональный этап 2013-2014 уч.год Задания экспериментального тура Вещество fH298, кДж/моль Tпл., С Ткип., С Плотность, г/см3(тв., ж.) г/л (газ) NH4NO2 NH4NO3 N2O N2 O2 H2O (ж) –256,1 –365,4 82,0 0 0 –285,8 разл. 169,6 –91 –210 –218,8 – > 35С разл. – –88,5 –195,8 –183,0 100 > 210 1,69 1,72 1,978 1,251 1,429 1,00 Здесь fH298 – стандартная энтальпия образования соединения при температуре 298 К. 1. Напишите уравнения термического разложения нитрата и нитрита аммония, оксида азота (I). 2. В каком соотношении нужно использовать нитрат и нитрит аммония для получения воздушной смеси? 3. Рассчитайте стандартные энтальпии реакций разложения при температуре 25 С. Определите, являются ли эти процессы экзо- или эндотермическими. 4. Какое давление оказывали бы газообразные продукты разложения нитрата и нитрита аммония, если бы газы находились в объёме, равном объёму соответствующих твёрдых солей при температуре 25 С? 5. Какая масса нитрата и нитрита аммония потребуется для заполнения воздухом переходного тамбура объёмом 1 м3 при 25 С? 6. Рассчитайте, сколько теплоты выделится в процессе получения воздушной смеси, необходимой для заполнения переходного тамбура. 7. Укажите причины, которые, на Ваш взгляд, могут ограничивать использование такого метода получения воздушной смеси на космических аппаратах. 11 © ЦПМК ВсОШпохимии