Олимпиадные задания с решениями

Химия 11 класс, школьный (первый) этап, г. Москва, 2017-2018 год

Содержание

  1. Задача 1. Элемент-хамелеон
  2. Задача 2. Свойства гомологов
  3. Задача 3. Синтез ванадата
  4. Задача 4. Гидратация углеводородов
  5. Задача 5. Идентификация кислородсодержащего соединения
  6. Задача 6. Получение и свойства неизвестной жидкости

Задача 1. Элемент-хамелеон

Содержание ↑

На приведённой ниже схеме представлены превращения соединений одного химического элемента:

Вещества Б, Д и Е нерастворимы в воде, а раствор вещества Г под действием серной кислоты меняет окраску. Определите вещества А–Е и напишите уравнения реакций, представленных на схеме.

Решение

Содержание ↑

А – K3[Cr(OH)6] (или K[Cr(OH)4])

Б – Cr(OH)3 (или Cr2O3·xH2O)

В – Cr2(SO4)3

Г – K2CrO4

Д – Cr2O3

Е – Cr

Уравнения реакций:

2K3[Cr(OH)6] + 3H2SO4 = 2Cr(OH)3↓ + 3K2SO4 + 6H2O

2Cr(OH)3 + 3H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 6H2O

2K3[Cr(OH)6] + 3KClO = 2K2CrO4 + 3KCl + 2KOH + 5H2O

2Cr(OH)3 = Cr2O3 + 3H2O

Cr2O3 + 4KOH + 3KNO3 = 2K2CrO4 + 3KNO2 + 2H2O

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3

2Cr + 6H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Критерии оценивания:

Формулы веществ А–Е – по 0,5 балла (всего 3 балла)

Уравнения реакций – по 1 баллу (всего 7 баллов)

(за неуравненные реакции ставить по 0,5 балла)

Итого 10 баллов

 

Задача 2. Свойства гомологов

Содержание ↑

Ниже приведены схемы термического разложения трёх органических веществ A, Г и Е, являющихся ближайшими гомологами:

А → Б + В

Г → Д + В

Е → Ж + H2O

Определите неизвестные вещества, если известно, что водные растворы соединений А, Б, Г, Д и Е окрашивают лакмус в красный цвет. Приведите тривиальные и систематические названия веществ А-Е. Напишите уравнение реакции соединения Ж с бензолом в присутствии хлорида алюминия.

Решение

Содержание ↑

А – щавелевая (этандиовая) кислота HOOC–COOH

Б – муравьиная (метановая) кислота HCOOH

В – углекислый газ (оксид углерода (IV)) CO2

Г – малоновая (пропандиовая) кислота HOOC–CH2–COOH

Д – уксусная (этановая) кислота CH3COOH

Е – янтарная (бутандиовая) кислота HOOC–CH2–CH2-COOH

Ж – янтарный ангідрид

Уравнение реакции:

Критерии оценивания:

Формулы веществ А–Ж по 0,5 балла (всего 3,5 балла)

Тривиальные названия веществ А–Е по 0,25 балла (всего 1,5 балла)

Систематические названия веществ А–Е по 0,25 балла (всего 1,5 балла)

Уравнение реакции вещества Ж с бензолом – 3,5 балла

Итого 10 баллов

 

Задача 3. Синтез ванадата

Содержание ↑

В муфельной печи при температуре 820° С и давлении 101,3 кПа прокалили 8,260 г стехиометрической смеси оксида ванадия(V) и карбоната натрия. Образовалась соль, и выделился газ объёмом 3,14 л (при условиях эксперимента).

  1. Рассчитайте состав смеси в массовых долях.
  2. Определите формулу полученной соли. Напишите уравнение реакции.
  3. Полученная соль принадлежит гомологическому ряду солей, в котором гомологическая разность – NaVO3. Установите формулу родоначальника этого ряда.
  4. Приведите примеры формул двух солей этого гомологического ряда.

Решение

Содержание ↑

1) Количество вещества и массу карбоната натрия можно найти через объём выделившегося углекислого газа:

ν(Na2CO3) = ν(CO2) = PV / RT = 101,3 × 3,14 / (8,314 × 1093) = 0,035 моль.

m(Na2CO3)= νM = 0,035 × 106 = 3,71 г.

Состав смеси:

ω(Na2CO3) = 3,71 / 8,26 = 0,449 = 44,9 %; ω(V2O5) = 0,551 = 55,1%

2) Формулу ванадата определим из молярного соотношения реагентов:

ν(V2O5) = m / M = (8,260 – 3,71) / 182 = 0,025 моль.

ν(Na2CO3) : ν(V2O5)= 0,035 : 0,025 = 3,5 : 2,5 = 7 : 5.

Уравнение реакции:

7Na2CO3 + 5V2O5 = 7CO2↑­ + 2Na7V5O16

Формула ванадата – Na7V5O16.

(Принимается любая формула вида (Na7V5O16)n)

3) В первом члене гомологического ряда должен быть один атом ванадия. Чтобы найти соответствующую формулу, надо из формулы Na7V5O16 вычесть 4 гомологические разности:

Na7V5O16 – 4NaVO3 = Na3VO4.

4) Ближайшие гомологи первого члена ряда – Na4V2O7 и Na5V3O10.

Критерии оценивания:

Количество вещества CO2 1 балл

Масса карбоната натрия – 1 балл

Cостав смеси – 1 балл

Формула соли – 3 балла

Уравнение реакции – 1 балл

Формула первого члена ряда – 2 балла

Формулы двух гомологов – 1 балл (по 0,5 балла за каждую формулу)

Итого 10 баллов

 

Задача 4. Гидратация углеводородов

Содержание ↑

При гидратации двух нециклических углеводородов с неразветвлённой углеродной цепью, содержащих одинаковое число атомов углерода, образуются предельный одноатомный вторичный спирт и кетон в молярном соотношении 1 ꞉ 2. При сгорании исходной смеси углеводородов массой 15,45 г образуются продукты реакции общей массой 67,05 г. Известно, что при пропускании исходной смеси углеводородов через аммиачный раствор оксида серебра осадок не образуется.

  1. Определите молекулярные формулы углеводородов. Приведите необходимые расчёты и рассуждения.
  2. Установите возможное строение углеводородов.
  3. Приведите уравнения реакций гидратации искомых углеводородов с указанием условий их проведения.

Решение

Содержание ↑

  1. Если при гидратации углеводорода образуется одноатомный насыщенный спирт, то исходным соединением в этой реакции является алкен CnН2n. Кетон образуется при гидратации алкина CnН2n–2.

0,5 балла

0,5 балла

Уравнения реакций горения алкена и алкина:

CnН2n + 1,5nO2nCO2 + nH2O 0,5 балла

CnН2n–2 + (1,5n–0,5)O2nCO2 + (n–1)H2 O 0,5 балла

Согласно условию молярное соотношение спирта и кетона равно 1 ꞉ 2, следовательно, в таком же соотношении взяты алкен и алкин. Пусть количество вещества алкена равно x моль, тогда количество вещества алкина равно 2x моль. Используя эти обозначения, можно выразить количества вещества продуктов реакции горения:

ν(CO2)III = nx + 2nx = 3nx моль,

ν(H2O) = nx + 2x(n–1) = (3n–2)x моль.

Молярные массы: М(CnН2n) = 14n г/моль, М(CnН2n–2) = (14n–2) г/моль.

Запишем выражения для массы исходной смеси и массы продуктов сгорания:

14x + (14n–2) ·2x = 15,45

44·3nx + 18×(3n–2)x = 67,05

Решение этой системы уравнений:

x = 0,075, n = 5.

Следовательно, исходные углеводороды имеют молекулярные формулы: алкен – C5Н10, алкин – C5Н8. 4 балла

2) Гидратация двух алкенов состава C5Н10 с неразветвлённой углеродной цепью приводит к образованию вторичных спиртов. Этими алкенами являются пентен-1 и пентен-2. 1 балл

Существует только один алкин состава C5Н8, который не имеет терминального расположения тройной связи и не реагирует по этой причине с аммиачным раствором оксида серебра, это пентин-2. 1 балл

3) Уравнения реакций гидратации пентена-1 и пентена-2:

CH2=CHCH2CH2CH3 + H2O → CH3CH(OH)CH2CH2CH3

CH3CH=CHCH2CH3 + H2O → CH3CH2CH(OH)CH2CH3

и

CH3CH=CHCH2CH3 + H2O → CH3CH(OH)CH2CH2CH3

Реакции присоединения воды к алкенам происходят в присутствии кислотных катализаторов, например серной или фосфорной кислот. 1 балл

Уравнение реакции гидратации алкина:

CH3C≡CCH2CH3 + H2O → CH3CH2C(О)CH2CH3

и

CH3C≡CCH2CH3 + H2O → CH3C(O)CH2CH2CH3

Присоединение воды к алкинам происходит в присутствии солей ртути(II) и сильных кислот. 1 балл

Итого 10 баллов

 

Задача 5. Идентификация кислородсодержащего соединения

Содержание ↑

В молекуле органического вещества имеются бензольное кольцо, карбонильная и гидроксильная группы. Все остальные связи углерод–углерод одинарные, других циклов и функциональных групп нет. В 0,25 моль этого вещества содержится 1,204·1024 атомов водорода.

  1. Определите молекулярную формулу органического вещества. Приведите соответствующие расчёты.
  2. Установите строение и дайте название органического соединения, если известно, что оно не даёт осадка с бромной водой, вступает в реакцию серебряного зеркала, а при окислении перманганатом калия в кислой среде образует терефталевую (1,4-бензолдикарбоновую) кислоту.
  3. Приведите уравнения реакций взаимодействия искомого соединения с аммиачным раствором оксида серебра и перманганатом калия в кислой среде.

Решение

Содержание ↑

1) Общая формула соединений, имеющих бензольное кольцо, карбонильную и гидроксильную группы – CnH2n–8O2.

Количество вещества водорода в 0,25 моль данного органического вещества равно:

ν(Н) = 1,204·1024 / 6,02·1023 = 2 моль.

1 моль данного соединения содержит 8 моль водорода: ν(Н) = 2 / 0,25 = 8 моль.

Используя эти данные можно определить число атомов углерода в искомом соединении и, соответственно, его молекулярную формулу:

2n – 8 = 8; n = 8; молекулярная формула соединения – C8H8O2.

4 балла

2) Соединение реагирует с аммиачным раствором оксида серебра с выделением металлического серебра (реакция серебряного зеркала), следовательно, карбонильная группа в нём – альдегидная. С водным раствором брома данное соединение не даёт осадка, следовательно, гидроксильная группа – не фенольная, т. е. не связана непосредственно с бензольным кольцом. В результате окисления образуется 1,4-бензолдикарбоновая кислота, следовательно, альдегидная и гидроксиметильная группы расположены в пара-положении по отношению друг к другу:

4-гидроксиметилбензальдегид

4 балла

3) Уравнение реакции с аммиачным раствором оксида серебра:

п-HOCH2–C6H4–CHO + 2[Ag(NH3)2]OH → п-HOCH2–C6H4–COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O 1 балл

Уравнение реакции окисления перманганатом калия в кислой среде:

5п-HOCH2–C6H4–CHO + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5п-HOOC–C6H4–COOH + 3К2SO4 + 6MnSO4 + 14H2O 1 балл

Итого 10 баллов

 

Задача 6. Получение и свойства неизвестной жидкости

Содержание ↑

Вещество Х – бесцветная прозрачная жидкость с характерным резким запахом, смешивается с водой в любых отношениях. В водном растворе Х лакмус принимает красную окраску. Во второй половине XVII века это вещество было выделено из рыжих лесных муравьёв. С веществом Х провели несколько опытов.

Опыт 1.

В пробирку налили немного вещества Х и добавили концентрированную серную кислоту. Пробирку закрыли пробкой с газоотводной трубкой (см. рисунок). При небольшом нагревании наблюдали выделение газа Y без цвета и запаха. Газ Y подожгли, наблюдали пламя красивого голубого цвета. При горении Y образуется газ Z.

Опыт 2. В пробирку с раствором дихромата калия, подкисленным серной кислотой, налили небольшое количество вещества X и нагрели. Окраска раствора изменилась, из реакционной смеси выделялся газ Z.

Опыт 3. К веществу Х добавили каталитическое количество порошкообразного иридия и нагрели. В результате реакции Х разложилось на два газообразных вещества, одним из которых является Z.

Опыт 4. Измерили относительную плотность паров вещества Х по воздуху. Полученное значение оказалось заметно больше отношения молярной массы X к средней молярной массе воздуха.

  1. О каких веществах X, Y и Z идёт речь в условии задачи? Напишите уравнения реакций превращения Х в Y и Y в Z.
  2. Какие правила безопасности и почему следует соблюдать при проведении опыта 1?
  3. Как и почему изменяется окраска раствора в опыте 2? Ответ проиллюстрируйте уравнением химической реакции.
  4. Напишите уравнение реакции каталитического разложения X в рисутствии иридия (опыт 3).
  5. Объясните результаты опыта 4.

Решение

Содержание ↑

1) X — муравьиная кислота, Y — угарный газ, Z — углекислый газ.

3 балла

(по 1 баллу за каждое верное вещество)

1 балл

(по 0,5 балла за каждое верное уравнение)

2) Угарный газ — ядовитое вещество. При работе с ним следует соблюдать осторожность, работать под тягой, не допуская попадания газа в рабочую зону. Также следует соблюдать осторожность при работе с концентрированными серной и муравьиной кислотами. Это едкие вещества, которые могут вызвать сильные ожоги. Нельзя допускать попадание этих веществ на кожу, особенно следует беречь глаза.

1 балл

3) Дихромат-ионы Cr2O72, имеющие яркую оранжевую окраску, восстанавливаются муравьиной кислотой до катионов хрома Cr3+, окраска которых зелёная:

3HCOOH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = 3CO2↑ + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O

2 балла

4)

1 балл

5) Между молекулами муравьиной кислоты образуются водородные связи, благодаря которым даже в газообразном состоянии существуют довольно устойчивые димеры:

По этой причине плотность паров муравьиной кислоты оказывается больше того значения, которое можно рассчитать из условия, что все молекулы в газовой фазе одиночные.

2 балла

Итого 10 баллов

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

Рекомендуем ознакомиться: