Олимпиадные задания с решениями

Химия 11 класс, школьный (первый) этап, г. Москва, 2016 год

Задача 1 «Гаснущие свечки»

В  прибор,  изображённый  на  рисунке,  поместили  небольшие  кусочки кристаллического  вещества Х  белого  цвета и налили жидкость Y. После  того как открыли кран, жидкость Y опустилась из воронки в нижнюю часть прибора и  пришла  в  соприкосновение  с  веществом  X,  началась  реакция,  сопровождающаяся  выделением  бесцветного  газа  Z.  Газ  Z  по  газоотводной  трубке поступал  в  стакан,  на  дне  которого  были  установлены  зажжённые  свечи различной высоты (см. рис. 1.1).

Рисунок 1.1

По мере заполнения стакана газом Z свечи гасли.

  1. Какой газ  получали  в  приборе,  изображённом  на  рисунке? Как  называется этот прибор?
  2. Что могут  представлять  собой  вещества  X  и  Y?  Напишите  уравнение возможной реакции между X и Y с образованием Z.
  3. Почему свечи начали гаснуть? В каком порядке они гасли? Почему? Находит ли это свойство газа Z какое-либо применение?
  4. Если газ  Z  пропускать  в  известковую  воду,  то  сначала  наблюдается помутнение,  обусловленное  выпадением  осадка  белого  цвета.  Однако дальнейшее  пропускание  Z  приводит  к  полному  растворению  первоначально выпавшего  осадка.  Объясните  данное  явление,  проиллюстрируйте  свой  ответ соответствующими уравнениями реакций.
  5. Если в сосуд, заполненный газом Z, внести горящий магний, то металл будет продолжать гореть. Какие  вещества  образуются? Составьте  уравнение  данной реакции.
  6. Известны вещества,  которые  реагируют  с  газом  Z,  при  этом  выделяется кислород. Приведите два примера таких веществ и соответствующие уравнения реакций.

Ответ:

  1. Получали углекислый газ (газ Z) в аппарате Киппа.

2 балла

  1. Вещество X –  нерастворимый  карбонат,  например  карбонат  кальция, в лабораторной  практике  часто  используют  кусочки  мрамора.  Y –  кислота, образующая  растворимые  соли  кальция,  например  соляная.  Возможный вариант взаимодействия:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2

1 балл

  1. Свечи гаснут,  т. к.  углекислый  газ  не  поддерживает  горение (0,5  балла). Углекислый  газ  тяжелее  воздуха,  поэтому  первой  погаснет  самая  маленькая свеча,  а  за  ней  постепенно  более  высокие  свечи  по  мере  заполнения  стакана CO2. (1 балл) Это  свойство  углекислого  газа  используется  в  работе  углекислотных огнетушителей. (0,5 балла)

2 балла

  1. При пропускании  углекислого  газа  в  известковую  воду  наблюдается образование осадка карбоната кальция:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O

При избытке CO2 осадок растворяется, т.к. образуется растворимая кислая соль:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

2 балла

  1. При горении магния в углекислом газе образуются оксид магния и сажа:

2Mg + CO2 = 2MgO + C

1 балл

  1. Углекислый газ реагирует с пероксидами и надпероксидами:
  • 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2
  • 4KO2 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3O2

 2 балла

Всего 10 баллов.

Задача 2 «Состав глауберовой соли»

Навеску  частично  выветрившейся  глауберовой  соли (кристаллогидрата сульфата  натрия)  массой 28,6  г  растворили  в  воде  и  прибавили  избыток раствора  хлорида  бария.  Образовалось 23,3  г  осадка.  Определите  формулу исходной соли.

Ответ:

Глауберова соль – Na2SO4·10H2O 1 балл
Формула частично выветрившейся глауберовой соли Na2SO4·хH2O 1 балл
По условию образовалось ν(BaSO4)=23,3/233=0,1 моль 2 балла
Согласно  уравнению реакции Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2NaCl 1 балл
в растворе находится 0,1 моль Na2SO4 , то есть 14,2 г. 1 балл
Тогда в навеске соли массой 28,6 г m(H2O) = 28,6 – 14,2=14,4 г 1 балл
ν(H2O)=14,4/18=0,8 моль. 1 балл
Значит формула исходного кристаллогидрата:  Na2SO4·8H2O 2 балла
Всего 10 баллов

Задача 3 «Анализ наследства»

Юный  химик  Вася  решил  исследовать  некий  сплав,  доставшийся  ему в наследство  от  бабушки.  Для  начала  Вася  попытался  растворить  сплав в соляной  кислоте,  однако  обнаружил,  что  при  этом  никакого  растворения  не происходит. Тогда он попробовал растворить его в горячей концентрированной азотной кислоте. При этом сплав разрушился, раствор окрасился в голубой цвет, однако на  дне  остался  окрашенный  осадок,  который не растворялся  даже при длительном  нагревании  в  азотной  кислоте.  Вася  отфильтровал  осадок  и высушил его. Поместив порошок в тигель и нагрев его до плавления, а потом охладив, Вася сразу понял, какое вещество было нерастворимым осадком.

  1. Из каких двух металлов состоит сплав, который исследовал Вася?
  2. Как растворить  осадок,  образующийся  при  нагревании  сплава  в  азотной кислоте? Приведите уравнение реакции.
  3. Как выделить  второй  компонент  сплава  из  голубого  раствора  полученного после реакции с азотной кислотой? Приведите необходимые уравнения реакций.

Ответ:

  1. Медь (по цвету раствора) и золото (нерастворимость в азотной кислоте и характерный вид компактного металла) по 2 балла
  2. Растворение в царской водке 1 балл

Уравнение реакции:

Au + HNO3(конц.) + 4HCl(конц.) = H[AuCl4] + NO + 2H2O   4 балла

(Подходят также варианты с соляной кислотой и хлором, селеновой кислотой, смесью азотной и плавиковой кислот и т.д. – оценивать полным баллом.)

  1. Любой разумный метод, например:

Fe + Cu(NO3)2 = Cu + Fe(NO3)2       1 балл

Всего 10 баллов.

Задача 4 «Изомерные реагенты и продукты»

Два изомерных углеводорода А и В содержат по 90,57 % углерода (по массе).

При  окислении  горячим  подкисленным  раствором  перманганата  калия A  и B окисляются  в  вещества  C  и  D,  которые  также  являются  изомерами,  причём вещество  С  активно  используется  в  производстве  полимеров.  Вещество  С достаточно  устойчиво  при  нагревании,  а  нагревание  вещества  D  приводит к образованию  вещества  E,  которое  также  можно  получить  окислением углеводорода  F (массовая  доля  углерода 93,75%)  кислородом  на  оксиде ванадия(V).

  1. Установите формулы веществ АF и напишите уравнения всех упомянутых реакций.
  2. Какой полимер получают на основе вещества С? Где он применяется?

 Ответ:

Из массовой доли углерода находим брутто-формулу А и В:

ν(C) : ν(H) = (90,57/12) : (9,43/1) = 4 : 5,

C4H5. Нечётного  числа  атомов  водорода  в  углеводородах  не  бывает,  поэтому молекулярная формула А и В – С8Н10. Это могут быть этилбензол или диметил-бензолы (ксилолы). Изомерные продукты окисления могут образоваться только из ксилолов.

Вещество C – продукт окисления А – используется в производстве полимеров, наиболее вероятно, что это терефталевая кислота, тогда А – 1,4-диметилбензол (пара-ксилол).

Вещество D – продукт окисления B – при нагревании отщепляет воду, наиболее вероятно,  что  это –  фталевая  кислота,  которая  при  нагревании  превращается в циклический ангидрид, тогда B – 1,2-диметилбензол (орто-ксилол).

Брутто-формула углеводорода F:

ν(C) : ν(H) = (93,75/12) : (6,25/1) = 5 : 4,

C5H4,  однако  в  реакциях  окисления  не  происходит  увеличения  количества атомов  углерода,  следовательно, F  содержит  минимум 8  атомов  углерода.

Удваивая индексы получаем, что F – С10Н8, нафталин.

Уравнения реакций:

Полимер –  полиэтилентерефталат (ПЭТ) –  применяется,  например,  для производства пластиковых бутылок.

Система оценивания:

Вывод брутто-формул А и В 1 балл
Формулы А – F по 0,5 балла (итого 3 балла)
Уравнения реакций по 1 баллу (по 0,5 за схемы) – итого 4 балла
Название полимера 1 балл
Любая разумная область применения полимера 1 балл
Всего 10 баллов

 

Задача 5 «Изомерные реагенты, но разные продукты»

Два  изомерных  углеводорода  А  и  B  при  присоединении  брома  образуют 1,2,3,4 – тетрабромбутан  и 1,1,2,2 – тетрабромбутан  соответственно. Углеводород  А при жёстком окислении деструктурируется до углекислого газа. Углеводород B в тех же условиях даёт пропановую кислоту и углекислый газ.

  1. Определите строение изомеров А и B.
  2. Приведите уравнения реакций бромирования изомеров А и B.
  3. Приведите уравнения  реакций  жёсткого  окисления  изомеров  А  и  B. Объясните,  почему  в  условиях жёсткого  окисления  изомер А  деструктурируется до углекислого газа.
  4. Предложите качественные  реакции,  с  помощью  которых  можно  отличить изомеры А и B.

 Ответ:

1. Изомер А: H2C = CH – CH = CH2 бутадиен–1,3

Изомер B: НС ≡ С – CH2 – CH3  бутин-1

2. Бромирование изомеров А и B

А:  H2C = CH – CH = CH2 + 2Br2 CH2Br – CHBr – CHBr – CH2Br

1,2,3,4 – тетрабромбутан

B:   НС ≡ С – CH2 – CH3 + 2Br2 CHBr2 – CBr2 – CH2 – CH3

1,1,2,2 – тетрабромбутан

3. Жёсткое окисление изомеров А и B можно осуществить, используя в качестве окислителя подкисленный раствор  перманганата  калия  или  хромовую  смесь  (K2Cr2O7 ∙H2SO4).

А:  5H2C = CH – CH = CH2 + 22KMnO4 + 33H2SO4   20CO2 + 11K2SO4 +  22MnSO4 + 48H2O

При  энергичном  окислении  на  промежуточной  стадии  реакции  окисления бутадиена-1,3  образуются  углекислый  газ  и щавелевая  кислота.  Эта  дикарбоновая  кислота  проявляет  восстановительные  свойства  и  окисляется  в  оксид углеродаIV. (Эта  реакция  используется  в  аналитической  химии  для  установления точной концентрации перманганата калия.)

H2C = CH – CH = CH НООС – СООН  НСООН  CO2 + H2O

B:  5НС ≡ С – CH2 – CH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 5CO2 + 5CH3 – CH2–COOH + 4K2SO4 + 8MnSO4 + 12H2O

4. Реакции  для  идентификации  изомеров  А  и  B.  При  взаимодействии  терминальных  алкинов  с  аммиачным  раствором  оксида  серебра  или  хлорида

меди(I) легко образуются ацетилениды серебра или меди, которые выпадают из раствора в осадок.

 НС ≡ С – CH2 – CH3 + [Ag(NH3)2]OH  AgС ≡ С – CH2 – CH3 + 2NH3 + H2O

или

НС ≡ С – CH2 – CH3 + [Cu(NH3)2]Cl    CuС ≡ С – CH2 – CH3 + NH4Cl + NH3

 Изомер А подобных реакций не даёт.

 Система оценивания:

Структурные формулы изомеров А и B. 2 балла
Уравнения реакций бромирования изомеров А и B. 2 балла
Уравнения реакций окислительной деструкции изомеров А и B с объяснением особенности реакции окисления изомера А. 4 балла
Способ идентификации изомеров А и B. 2 балла
Всего 10 баллов

Задача 6 «Качественный анализ»

В  четырёх  пронумерованных  пробирках  находятся  растворы  фенола,  ацетата натрия,  глюкозы  и  ацетамида (амида  уксусной  кислоты).  Определите  содержимое каждой пробирки, выбрав для анализа подходящие реактивы.

Для решения задачи составьте таблицу результатов мысленного эксперимента, в которой будут указаны визуальные признаки происходящих реакций.

Схема таблицы:

Органические соединения

Реактивы

Фенол Ацетат натрия Глюкоза

Ацетамид

1

2

3

4

Приведите  уравнения  реакций,  используемых  для  идентификации  указанных в задаче органических соединений.

Ответ:

Органические соединения

Реактивы

Фенол Ацетат  натрия Глюкоза Ацетамид
FeCl3(раствор) Раствор  окрашивается  в фиол. цвет
NaOH(раствор)+нагревание Характерный  запах  аммиака
Свежеосаждённый  Cu(OH)2 Растворение осадка и образование ярко-синего раствора (без нагревания). При нагревании образуется красный осадок
C2H5OH,  несколько  капель конц.  H2SO4 Характерный  запах  сложных  эфиров

Возможно использование других реактивов.

Для  образования фенолов можно использовать  реакцию  с  бромной  водой или раствором хлорида железа(III).

C6H5OH + 3Br2(водн. р-р) → C6H2Br3OH↓ белый осадок + 3HBr

Раствор фенола + раствор FeCl3 → фиолетовое окрашивание раствора.

Ацетамид  можно  определить  по  выделению  аммиака  при  нагревании  пробы вещества с раствором щёлочи.

CH3CONH2 + KOH → CH3COOK + NH3

 Глюкозу  легко  обнаружить  по  появлению  ярко-синего  окрашивания  при взаимодействии  со щелочным  раствором  гидроксида  меди(II)  без  нагревания.

Глюкоза  в  этом  случае  проявляет  свойства  многоатомного  спирта.  Цвет раствора  обусловлен  образованием  комплексного  соединения  меди.  При нагревании синего раствора образуется красный осадок оксида меди(I).

HOCH2(CHOH)4CHО + 2Cu(OH)2  HOCH2(CHOH)4COOH + Cu2O + 2H2O

Глюкозу (как  восстанавливающий  углевод)  можно  обнаружить  также с помощью реакции «серебряного зеркала).

HOCH2(CHOH)4 – COH + 2[Ag(NH3)2]OH →  HOCH2(CHOH)4 – CONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O

Ацетат  натрия  можно  идентифицировать  методом  исключения,  т. к.  он  не реагирует  ни  с  одним  из  перечисленных  реактивов. Однако  доказать,  что мы имеем  дело  с  солью  карбоновой  кислоты,  можно  с  помощью  пробы  на образование  сложных  эфиров:  к  раствору  соли  добавляют  небольшое количество спирта (например, этанола) и несколько капель концентрированной серной  кислоты  и  слегка  нагревают.  Если  смесь  вылить  в  воду,  то  на поверхности появятся капли сложного эфира с характерным запахом.

CH3COONa + C2H5OH + H2SO4 → CH3COOC2H5 этилацетат + NaHSO4 + H2O

Система оценивания:

Оформление  таблицы  результатов  мысленного  эксперимента  с  указанием визуальных признаков происходящих реакций. 2 балла
Идентификация:  фенола 2 балла
ацетата натрия 2 балла
глюкозы 2 балла
ацетамида 2 балла
Всего 10 баллов
В итоговую оценку из 6-и 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: