Олимпиадные задания с решениями

Химия 11 класс, муниципальный (второй) этап, г. Москва, 2016 год

Задание 1. (10 баллов) Правые части

По правой части с коэффициентами восстановите формулы веществ и коэффициенты в левой части уравнений реакций:

  1. … + … + … = 2Na2CrO4 + 3NaNO2 + 2CO2
  2. … + … = Na2Cr2O7+ 2NaCl + H2O
  3. … + … + … = 2Na3[Cr(OH)6] + 3S + 4NaOH
  4. … + … = 2CrBr3 + 3Br2 + 7H2O + 2NaBr
  5. … + … = K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4
  6. + = 2Cr(OH)3 + H2CrO4+ 12HF
  7. + = Cr2(SO4)3 + SO2 + 2H2O + 4HCl
  8. + = 2Na3[Cr(OH)6] + 3Na2S
  9. + = 2CrCl3 + 12CO
  10. + = 2Na2CrO4+ H2O

Решение.

  1. Cr2O3 + 3NaNO3 + 2Na2CO3 = 2Na2CrO4 + 3NaNO2 + 2CO2
  2. 2Na2CrO4+ 2HCl = Na2Cr2O7+ 2NaCl + H2O
  3. 2Na2CrO4+ 8H2O + 3Na2S = 2Na3[Cr(OH)6] + 3S + 4NaOH
  4. Na2Cr2O7+ 14HBr = 2CrBr3 + 3Br2 + 7H2O + 2NaBr
  5. KCr(SO4)2 + 6KOH = K3[Cr(OH)6] + 2K2SO4
  6. 3CrF4 + 10H2O = 2Cr(OH)3 + H2CrO4+ 12HF
  7. 2CrCl2 + 4H2SO4(конц.) = Cr2(SO4)3 + SO2 + 2H2O + 4HCl
  8. Cr2S3 + 12NaOH(конц.) = 2Na3[Cr(OH)6] + 3Na2S
  9. 2Cr(CO)6 + 3Cl2= 2CrCl3 + 12CO
  10. Na2Cr2O7+ 2NaOH = 2Na2CrO4+ H2O

Критерии оценивания:

Каждое уравнение – 1 балл (если верные вещества, но не уравнено – 0,5 балла).

Всего за задачу – 10 баллов.

Задание 2. (10 баллов) «Активное ароматическое соединение»

Ароматическое соединение А состава С7H8O взаимодействует со щелочами, растворяясь в них, даёт окрашивание с хлоридом железа(III), реагирует с ацетилхлоридом и, при осторожном окислении, даёт продукт состава С7H6O3.

Продукт окисления соединения А при нитровании образует, преимуществен но, один изомер.

  1. Приведите структурные формулы всех ароматических соединений состава С7H8
  2. Определите, какая из приведённых структур соответствует соединению А? Обоснуйте свой выбор.
  3. Напишите уравнения реакций взаимодействия соединения А с гидроксидом натрия, ацетилхлоридом, с подкисленным раствором перманганата калия, а также уравнение реакции нитрования продукта окисления соединения А.

Решение

  1. Молекулярной формуле С7H8O соответствуют пять ароматических соединений: о-, м— и п-крезолы (метилфенолы), бензиловый спирт и метилфениловый эфир.

о-, м-, п-крезолы

бензиловый
спирт

метилфениловый
эфир

2. Из этих пяти изомеров со щёлочами взаимодействуют только крезолы. Они же дают качественную реакцию с хлоридом железа(III). Все три крезола взаимодействуют с ацетилхлоридом и окисляются до гидроксибензойных кислот состава С7H6O3. В гидроксибензойных кислотах имеются активирующая (–OH) и дезактивирующая (–COOH) группы. В этом случае ориентация замещения определяется, главным образом, активирующей группой. При нитровании о— и м-крезолов образуются два и три изомерных мононитро-соединения, соответственно, и только п-гидроксибензойная кислота даёт преимущественно одно нитропроизводное. Следовательно, соединению А соответствует п-крезол (п-метилфенол).

3. Уравнения реакций:

Критерии оценивания.

  1. Структурные формулы ароматических соединений, соответствующихмолекулярной формуле С7H8O, – 3 балла (по 0,5 балла за каждый из крезолов и бензиловый спирт, 1 балл – за простой эфир).
  2. Выбор соединения А из межклассовых изомеров С7H8O и его обоснование – 3 балла (из них – 1 балл за выбор крезола, 2 балла – за обоснование пара-изомера).
  3. Уравнения реакций – по 1 баллу, всего – 4 балла.

Всего за задачу – 10 баллов.

Задание 3. (10 баллов) «Расчёт состава газовой смеси»

Смесь ацетилена, этилена и водорода, имеющая относительную плотность по водороду 4,4, содержит 25 % водорода как элемента (по массе).

  1. Определите объёмные доли газов в исходной смеси.
  2. Напишите уравнения реакций гидрирования углеводородов, составляющих исходную газовую смесь.
  3. Определите объёмные доли газов в смеси, полученной после пропускания исходной газовой смеси над никелевым катализатором. (Считайте выход реакций гидрирования равным 100 %.)

Решение

1. Пусть количество вещества исходной смеси газов равно 1 моль, n(С2Н2) = x моль; n(С2Н4) = y моль, тогда n(Н2) = (1 – x –y) моль. Средняя молярная масса исходной газовой смеси равна:

Мср(исх.) = 4,4·2 = 8,8 г/моль.

8,8 = 26x + 28y +2(1 – x –y) = 24x + 26y +2

24x + 26y = 6,8 (1-е уравнение)

Массовая доля атомов водорода в смеси:

Упрощая, получаем 2-е уравнение:

6x + 4,5y = 1,5

Решая систему уравнений, находим x = 0,175; y = 0,10.

  • φ(С2Н2) = 0,175 = 17,5%;
  • φ(С2Н4) = 0,10 = 10%;
  • φ(Н2) = 1 – 0,175 – 0,10 = 0,725 = 72,5%.

2. Уравнения реакций гидрирования ацетилена и этилена:

  • C2H2 + 2 H2 C2H6
  • C2H4 + H2 C2H6

3. Газовая смесь после пропускания исходной смеси над никелевым катализатором состоит из этана и остаточного водорода.

  • n(Н2)прореаг = n(С2Н2)·2 + n(С2Н4) = 0,45 моль;
  • n(Н2)ост = 0,725 – 0,45 = 0,275 моль;
  • n(С2Н6) = n(С2Н2) + n(С2Н4) = 0,275 моль.

Количества вещества этана и остаточного водорода равны, следовательно, равны и их объёмные доли:

φ(С2Н6) = φ(Н2) = 50%.

Критерии оценивания

  1. Расчёт мольной доли ацетилена, этилена и водорода в исходной газовой смеси – 4 баллов (из них – по 1 баллу за составление уравнений для средней молярной массы и массовой доли водорода).
  2. Уравнения реакций гидрирования ацетилена и этилена – 2 балла.
  3. Определение состава конечной газовой смеси и объёмных долей газов – 4 балла (по 1,5 балла – за количества веществ и 1 балл за объёмные доли).

Всего за задачу – 10 баллов.

Задание 4. (10 баллов) «Органическое основание»

Органическое соединение X, содержащее 11,57% азота (по массе), часто применяется в органическом синтезе в качестве основания. О реакционной способности соединения Х известно следующее: при взаимодействии соединения Х с хлором на свету образуется смесь двух монохлорпроизводных, при реакции с бромом в присутствии бромида железа(III) образуется единственное монобромпроизводное, а окисление Х горячим подкисленным раствором перманганата калия происходит без выделения газа.

  1. Установите структуру соединения Х и приведите его систематическое название.
  2. Напишите уравнения всех описанных реакций.
  3. Приведите уравнение реакции соединения Х с соляной кислотой.

Решение

1. Из описанных свойств вещества Х можно предположить, что оно имеет ароматический характер. Рассчитаем молярную массу вещества Х в предпо- ложении, что в молекуле – один атом азота:

M(X) = 14 / 0,1157 = 121 г/моль.

Вычитая молярную массу азота, получаем 107 г/моль, что соответствует остатку С8Н11. Таким образом, брутто-формула вещества Х – С8H11N. Тот факт, что соединение Х реагирует с хлором на свету, говорит о наличии боковых алкильных групп, присоединенных к ароматической системе (причём, как минимум, двух, так как происходит образование двух монохлорпроизводных). Поскольку при окислении подкисленным раствором перманганата калия не происходит выделения газа, можно сделать вывод о том, что алкильные группы представляют собой либо метильные группы, либо радикалы нормального строения длиной от трёх атомов углерода (окисляются в карбоновые кислоты). Наличие в молекуле этильных или изопропильных групп, соединённых с арома- тическим ядром, будет приводить к выделению углекислого газа. Так как бромирование на бромиде железа приводит к единственному монобромпроизводному, можно сделать вывод, что все свободные положения в ароматической системе Х, доступные для реакций замещения, эквивалентны. Анализ брутто-формулы говорит о том, что соединение Х – либо замещенный анилин, либо замещенный пиридин. Однако ни одно производное анилина не удовлетворяет условиям задачи. Из производных пиридина условиям удовлетворяют 2,4,6-триметилпиридин (известный как симм- коллидин) и 3,4,5-триметилпиридин. Последний плохо бромируется в орто- положение, но формально подходит.

2,4,6-триметилпиридин

3,4,5-триметилпиридин

2. Уравнения реакций (на примере 2,4,6-триметилпиридина):

Уравнения реакций (на примере 2,4,6-триметилпиридина)

(допускается вариант с HBr и свободным пиридином)

Критерии оценивания

  1. Расчёт брутто-формулы вещества Х 2 балла.
  2. Структурная формула вещества Х 3 балла.
  3. Название вещества Х 1 балл.
  4. Уравнения реакций – по 1 баллу (всего 4 балла) (0,5 балла за неуравненную реакцию).

Верно написанные уравнения реакций с изомерными анилинами или пиридинами оценивать полным баллом в случае, если количества образующихся продуктов удовлетворяют условию задачи.

Всего за задачу – 10 баллов.

Задание 5. (10 баллов) «Превращения азотсодержащих соединений»

Взаимодействие вещества K, содержащего 15,38% азота (по массе), с водо родом на палладиевом катализаторе приводит к образованию вещества L, активно применяемого в производстве красителей. Кипячение вещества L в безводной уксусной кислоте приводит к образованию белого кристаллического вещества M. Взаимодействие вещества M со смесью концентрированных азотной и серной кислот при нагревании даёт вещество N, при кипячении которого в водном растворе гидроксида натрия образуется продукт O, содержащий 20,29% азота (по массе).

  1. Укажите структуры веществ K–O и приведите уравнения всех упомянутых реакций.
  2. Приведите промышленный способ получения вещества L.
  3. Почему вещество O нельзя получить напрямую из вещества L?

Решение

  1. Описанные в задаче превращения говорят о наличии в веществах K–O ароматического кольца. Найдём молярную массу вещества K, предположив, что в молекуле K один атом азота: 14/0,1538 = 91 г/моль. Вычитая молярные массы азота и шести атомов углерода (бензольное кольцо), получаем 91 – 14 – 72 = 5 г/моль, что соответствует пяти атомам водорода. Однако для брутто-формулы C6H5N не удаётся подобрать адекватную структуру. Предположим, что в молекуле K два атома азота. Тогда М(K) = 28/0,1538 = 182 г/моль.

Удвоение брутто-формулы даёт C12H10N2, которое можно рассматривать как два бензольных кольца (С6H5) присоединённых к фрагменту N2, что соответствует структуре:

 

Гидрирование азобензола приводит к образованию анилина (L).

Уравнения реакций:

Финальным соединением в цепочке является пара-нитроанилин, содержащий 20,29% азота.

2. В промышленности анилин получают восстановлением нитробензола водородом:

3. Прямое нитрование анилина невозможно, так как аминогруппа неустойчива к действию кислот и окислителей.

Критерии оценивания

  1. Структура вещества K 2 балла
  2. Структуры веществ L–O по 1 баллу (всего 4 балла)
  3. Уравнения реакций – по 0,5 балла (всего 2 балла)
  4. Верно указан промышленный способ получения анилина (засчитывать любые разумные восстановители) – 1 балл
  5. Верно указаны причины невозможности прямого нитрования анилина – 1 балл

Всего за задачу – 10 баллов.

Задание 6. (10 баллов) «Органический эксперимент»

Органическое вещество А можно получить в лаборатории несколькими способами, два из которых рассмотрены ниже.

Способ 1

В пробирку 1 (см. рис. 6.1) наливают небольшое количество жидкости X, над которой закрепляют раскалённую медную спираль 2. По тонкой трубочке в пробирку вдувают воздух. По газоотводной трубке в пробирку 3 с холодной водой проходят пары, содержащие вещество А.

Рисунок 6.1

Способ 2

В колбу Вюрца 1 (см. рис. 6.2) помещают кусочки твёрдого вещества Y1. Из капельной воронки добавляют воду. Как только вода приходит в соприкосновение с поверхностью Y1, тотчас начинает выделяться бесцветный газ Y2, который пропускают через раствор сульфата меди в банке 2 для очистки от примесей. В банку 3 предварительно наливают раствор серной кислоты и добавляют оксид ртути(II). При взаимодействии этих веществ образуется катализатор для реакции синтеза A. В присутствии данного катализатора газ Y2 в банке 3 превращается в вещество А.

Рисунок 6.2

  1. О получении какого вещества А идёт речь в условии задачи?
  2. Из какого вещества X получают А в приборе, показанном на рис. 6.1? Приведите соответствующее уравнение реакции.
  3. Определите вещества Y1 и Y2, о которых идёт речь при описании второго способа получения вещества А. Составьте соответствующие уравнения реакций. Кто открыл реакцию получения А из Y2?
  4. С помощью каких качественных реакций можно доказать образование вещества А в ходе описанных опытов? Приведите два примера.
  5. По мере пропускания газа в банке 2 образуется осадок чёрного цвета. Предположите, какая реакция протекает в этом промывном сосуде, если известно, что сырьё, используемое в промышленности для получения Y1, может содержать примесь сульфатов.
  6. Часто для получения газа Y2 на вещество Y1 действуют не водой, а крепким раствором поваренной соли. Почему?

Решение и критерии оценивания

1. Вещество А – уксусный альдегид (ацетальдегид, этаналь) CH3CHO.

1 балл

2. Способ 1 – получение ацетальдегида из этанола, т.е. вещества X.

1 балл

Допускается несколько вариантов уравнений:

  1. CH3 – CH2 – OH  CH3 – CHO + H2 (дегидрирование этанола)
  2. 2CH3 – CH2 – OH + O2   2CH3–CHO + 2H2O (каталитическое окисление этанола)
  3. CH3 – CH2 – OH + CuO → CH3 – CHO + H2O + Cu

1 балл за одно верное уравнение (любое)

3. Y1 – карбид кальция; Y2 – ацетилен

1 балл

  1. CaC2 + 2H2O → C2H2↑ + Ca(OH)2
  2. CH ≡ CH + H2O CH3 – CHO

По 1 баллу за каждое уравнение.

Реакцию гидратации ацетилена (и его гомологов) в присутствии солей ртути открыл российский учёный М.Г. Кучеров (1881 г.).

1 балл

4. Образование ацетальдегида можно доказать с помощью качественных реакций на альдегиды, например, с фуксинсернистой кислотой или с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса).

1 балл (по 0,5 балла за каждый пример)

5. Технический карбид кальция (Y1) — продукт прокаливания смеси оксида кальция с коксом. Оксид кальция получают из природных известняков, содержащих примеси фосфата и сульфата кальция. В результате их восстановления коксом в конечном продукте оказываются фосфид и сульфид.

При действии воды на карбид кальция, загрязнённый данными соединениями, протекает реакция их гидролиза и в образующийся ацетилен попадают примеси фосфина и сероводорода. В банке 2 выделяющийся ацетилен очищается от этих примесей. Сероводород с растворимой солью меди образует осадок чёрного цвета:

H2S + CuSO4 = CuS↓ + H2SO4

1 балл

Фосфин в этих же условиях тоже даёт осадок чёрного цвета: 3PH3 + 6CuSO4 + 3H2O = 2Cu3P↓ + 6H2SO4 + H3PO3

6. При приливании воды к карбиду кальция реакция идёт всегда очень бурно.

Для получения более спокойного и равномерного тока ацетилена часто к карбиду кальция добавляют крепкий раствор поваренной соли.

1 балл

Всего за задачу – 10 баллов.

Максимальное количество баллов за работу – 50.

Общие указания:  если  в  задаче  требуются расчёты, они обязательно должны быть  приведены  в  решении.  Ответ,  приведённый  без  расчётов  или  иного обоснования, не засчитывается.

В итоговую оценку из 6 задач засчитываются 5 решений, за которые участник набрал  наибольшие  баллы,  то  есть  одна  из  задач  с наименьшим  баллом  не учитывается.

Класс:  / Предмет:  / Этап:  / Год:  / Город:  / 

Рекомендуем ознакомиться: