Олимпиадные задания

Химия 10 класс, муниципальный этап (2 этап), г. Москва, 2017-2018 учебный год

Сборник олимпиадных заданий

Задания, ответы, критерии оценивания

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

Решения и система оценивания

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.

Содержание

  1. Задание 1. «Правые части»
  2. Задание 2. «Синтез аммиака»
  3. Задание 3. «Неизвестная соль»
  4. Задание 4. «Сильный органический окислитель»
  5. Задание 5. «Химия для города»
  6. Задание 6. «Неорганический эксперимент»

Задание 1. Правые части

Содержание ↑

По правой части уравнения с коэффициентами восстановите формулы веществи коэффициенты в левой части уравнений реакций:

  1. … + … = BaSiO3 + 2Ba
  2. … + … = 2BaO + BaO2
  3. … + … = Ba(NO3)2 + Hg + O2
  4. … + … = Ba3(PO4)2 + 4Na3PO4 + 12H2O
  5. … + … = BaS + 4H2O

 

Решение

  1. 3BaO + Si = BaSiO3 + 2Ba
  2. 3Ba + 2O2 = 2BaO + BaO2
  3. BaO2 + Hg(NO3)2 = Ba(NO3)2 + Hg + O2
  4. 3Ba(H2PO4)2 + 12NaOH = Ba3(PO4)2 + 4Na3PO4 + 12H2O
  5. BaSO4 + 4H2 = BaS + 4H2O

Критерии оценивания

За исходные вещества – по 1 баллу, всего – 5 баллов.

За уравнения с коэффициентами – по 1 баллу, всего – 5 баллов.

Итого 10 баллов.

 

Задание 2. Синтез аммиака

Содержание ↑

200 л азотоводородной смеси с плотностью по водороду DH2 = 3,6 пропустили через контактный аппарат, а затем через избыток раствора серной кислоты. В результате осталась смесь газов с плотностью по водороду D H2 = 3,0.

Определите объём образовавшегося аммиака (объёмы газов измерены приодинаковых условиях). Приведите уравнения описанных реакций.

 

Решение

1) Найдём состав исходной смеси.

Пусть V(N2) = x л, тогда V(H2) = (200 – x) л.

Средняя молярная масса смеси:

x = 40 л.

2) Выразим состав конечной смеси через объём образовавшегося аммиака:

N2 + 3H2 = 2NH3

Пусть V(NH3) = y л, тогда в реакцию вступило y/2 л N2 и 3y/2 л H2. Объёмы газов в конечной смеси:

V(N2) = (40 – y/2) л, V(H2) = (160 – 3y/2) л.

Аммиак поглощается избытком серной кислоты:

NH3 + H2SO4 = NH4HSO4 или 2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4.

3) Найдём объём аммиака:

V(NH3) = y = 48 л.

Возможны и другие решения, в которых средняя молярная масса выражается через объёмные или мольные доли.

Критерии оценивания

Расчёт средней молярной массы исходной смеси – 1 балл

Выражение для средней молярной массы через объёмы, моли или объёмные доли – 1 балл

Определение состава исходной смеси – 2 балла

Уравнения реакций синтеза аммиака и его поглощения (по 1 баллу) 2 балла

Расчёт средней молярной массы конечной смеси – 1 балл

Расчёт объёма аммиака – 3 балла

Итого 10 баллов.

 

Задание 3. Неизвестная соль

Содержание ↑

Соль Х представляет собой мелкокристаллический порошок белого цвета хорошо растворимый в воде. В 100 мл воды растворили 1,00 г соли Х, а затем добавили избыток соляной кислоты, при этом выделилось 266,7 мл (н. у.) газа без цвета и запаха.

  1. Определите соль Х. Ответ подтвердите расчётом. Запишите уравнение реакции взаимодействия соли Х с соляной кислотой.
  2. Напишите уравнение реакции разложения соли Х при нагревании.
  3. Назовите не менее двух областей применения соли Х.
  4. Какое тривиальное название имеет соль Х?

 

Решение и критерии оценивания

1. Так как соль Х хорошо растворима воде, а при добавлении избытка соляной кислоты выделяется газ без цвета и запаха, скорее всего, искомая соль – карбонат или гидрокарбонат щелочного металла, а бесцветный газ – углекислый газ.

Проверим карбонат:

Me2CO3 + 2HCl → 2MeCl + CO2 + H2O

n(CO2) = 0,2667 л / 22,4 л/моль = 0,0119 моль,

M(Me2CO3) = 1,00 / 0,0119 = 84 г/моль, следовательно, M = 12 г/моль – такого металла нет.

Проверим гидрокарбонат:

MeHCO3 + HCl → MeCl + CO2 + H2O

M(MeHCO3) = 1,00 / 0,0119 = 84 г/моль, следовательно, M = 23 г/моль – натрий (Na).

Искомая соль Х – NaHCO3, гидрокарбонат натрия.       4 балла

Уравнение реакции NaHCO3 с соляной кислотой:

NaHCO3+ HCl → NaCl + CO2 + H2O         1 балл

2. Уравнение реакции разложения:

2NaHCO3→ Na2CO3 + CO2 + H2O             2 балла

3. Гидрокарбонат натрия применяется в химической (для производства красителей, пенопластов и других органических продуктов, товаров бытовой химии), пищевой (хлебопечении, производстве кондитерских изделий, приготовлении напитков), лёгкой (в производстве подошвенных резин и искусственных кож, кожевенном производстве и текстильной промышленности), медицинской (как нейтрализатор ожогов кожи и слизистых оболочек человека кислотами и для снижения кислотности желудочного сока) и фармацевтической промышленности.

За любое применение – 1 балл, всего – 2 балла

4. Тривиальное название – питьевая (пищевая) сода. 1 балл

Итого 10 баллов.

 

Задание 4. Сильный органический окислитель

Содержание ↑

Жидкое органическое вещество A, известное ещё с середины XIX века, является сильным окислителем и со многими другими органическими веществами образует взрывчатые смеси. Один из способов синтеза A заключается в следующем: вначале ацетилен подвергают деструктивному нитрованию избытком концентрированной азотной кислоты (реакция 1), при этом образуются углекислый газ, оксид азота(IV) и вещество B, которое имеет следующий состав 7,95 мас. % С, 0,66 % Н, 63,58 % О. Затем к образовавшейся смеси добавляют концентрированную серную кислоту, при этом B превращается в конечный продукт A (реакция 2). Реакцию проводят при температуре 45–50 °C в присутствии нитрата ртути (II).

Вещество А состоит из трёх элементов и имеет следующий состав – 6,12 мас. % С, 65,31 % О. При обработке А водным раствором гидроксида калия образуются две неорганические соли и вода (реакция 3). Если же А обработать спиртовым раствором гидроксида калия, то образуются вещество В и неорганическая соль (реакция 4).

Определите формулы и структуры веществ А и В. Ответ подтвердите расчётом. Напишите уравнения реакций 1–4.

 

Решение и критерии оценивания

1. Определим состав вещества В.

Сумма массовых долей водорода, углерода и кислорода не равна 100%, следовательно, в состав В входит ещё один элемент. Поскольку В образуется при взаимодействии азотной кислоты с ацетиленом, единственно возможный вариант недостающего элемента – это азот.

ω(N)В = 100 % – 7,95 % – 0,66 % – 63,58 % = 27,81 %.

Для состава СkHlOmNn имеем:

1 балл

Т. к. азотная кислота является нитрующим агентом, логично предположить, что в состав В входит нитрогруппа, тогда

В – CH(NO2)3 – тринитрометан 1 балл

Определим состав вещества А:

ω(N)А = 100 % – 6,12 % – 65,31 % = 28,57 %.

Для состава CxOyNz имеем

Так как А – это дальнейший продукт нитрования В, получаем, что

А – С(NO2)4 – тетранитрометан 0,5 балла

2. Уравнения реакций:

C2H2 + 5HNO3 → CH(NO2)3 + CO2 + 2NO2 + 3H2O

C(NO2)4 + 6KOH → K2CO3 + 4KNO2 + 3H2O

C(NO2)4 + KOH → CH(NO2)3 + KNO3  6 баллов

(за каждое уравнение по 2 балла, в случае неверных коэффициентов – 1 балл)

CH(NO2)3 + HNO3 → C(NO2)4 + H2O 1 балл

Итого 10 баллов.

 

Задание 5. Химия для города

Содержание ↑

Я тучка, тучка, тучка,
Я вовсе не медведь

Чтобы дождь не помешал проведению больших праздников или важных государственных мероприятий, в области скопления облаков распыляют специальные вещества.

Микрочастицы распылённого реагента выступают как центры кристаллизации – на них намерзают капельки воды (или к ним прилипают кристаллики льда), из которых состоит облако, и, когда разросшийся кристалл становится достаточно тяжёлым, он падает вниз, превращаясь на подлёте к земле в воду. Распыление проводят с учётом направления ветра не менее чем за 50 километров от места, над которым должно быть обеспечено чистое небо. Впервые «разгон» облаков был осуществлён в 1995 году в Москве во время празднования 50-летия Победы.

В зависимости от типа облаков в основном применяются следующие реагенты – индивидуальные вещества X и Y, а также порошок Z, представляющий собой смесь оксидов и имеющий переменный состав. Вещество Х представляет собой простое газообразное вещество с плотностью 1,25 г/л (н. у.).

Индивидуальное соединение Y жёлтого цвета представляет собой галогенид металла, нерастворимый в воде. Массовая доля металла в Y составляет 45,96 %.

В состав порошка Z входят четыре оксида – Z1, Z2, Z3, Z4. Один из наиболее распространённых вариантов Z имеет следующий состав 67 % (масс.) Z1, 22 % Z2, 5 % Z3 и 3 % Z4. Про исследуемый порошок известно, что:

  • в Z1 массовая доля металла составляет 71,43 %;
  • Z2 представляет собой кислотный оксид, который нерастворим в воде, а при взаимодействии с Z1 образует соль, в которой массовая доля металла равна 34,48 %;
  • степень окисления металлов в Z3 и Z4 одинаковая;
  • массовая доля кислорода в Z3 в 1,57 раз больше, чем в Z4;
  • общее содержание кислорода в исследуемом порошке Z равно 34,12 %.
  1. Определите вещества X, Y, Z1–Z4. Ответ подтвердите расчётом.
  2. Напишите уравнения реакций Z1 с Z2 и c Z3.
  3. В каком виде применяют вещество X?

Решение и критерии оценивания

1. Определение веществ X, Y и Z1 – Z4.

Определение вещества Х:

M(X) = 1,25 × 22,4 = 28 г/моль. Так как согласно условию задачи, X – простое газообразное вещество, единственный возможный вариант – это азот.

X – N2 (азот)  0,5 балла

Определение вещества Y.

Согласно условию задачи Y – жёлтый галогенид металла, нерастворимый в воде. Из известных галогенидов с такими свойствами мы знаем иодид и бромид серебра, а также иодид свинца. Вариант со свинцом маловероятен ввиду токсичности его солей. Тогда пусть Y имеет состав AgHal.

M(Hal) = 108/0,4596  – 108= 127 г/моль, следовательно Hal = I

Y – AgI (иодид серебра) 2 балла

(если AgI найден без каких-либо обоснований – 0 баллов, без расчётов, но с указанием цвета и невозможности PbI2 – 1 балл)

Определение веществ Z1–Z4:

Пусть Z1 имеет формулу Me2On, тогда

При n = 2 имеем M(Me) = 40 г/моль, что соответствует кальцию (Ca).

Z1 – CaO (оксид кальция) 1 балл

Наиболее известный кислотный оксид, нерастворимый в воде – это оксид кремния(IV) (SiO2), который при взаимодействии с CaO образует соль состава CaSiO3.

ω(Ca) = 40/116 × 100 % = 34,48 %, что сходится с условием задачи, тогда

Z2 – SiO2 (оксид кремния (IV)). 1 балл

Пусть состав Z3 – A2Om, тогда Z4 – B2Om.

Возьмём массу порошка Z равной 100 г, тогда масса кислорода в этом порошке, согласно условию, составит 34,12 г. С другой стороны,

m(O/Z) = m(O/CaO) + m(O/SiO2) + m(O/Z3) + m(O/Z4);

m(O/Z) = ω(O/CaO) × m(CaO) + ω(O/SiO2) × m(SiO2) + ω(O/Z3) × m(Z3) + ω(O/Z4)×m(Z4).

Так как согласно условию ω(O/Z3) = 1,57ω(O/Z4), а также известен процентный состав порошка Z, получаем:

m(O/Z) = ω(O/CaO)×67 + ω(O/SiO2)×22 + 1,57ω(O/Z4)×5 + ω(O/Z4)×3

m(O/Z) = 0,2857×67 + 0,5333×22 + 10,85ω(O/Z4) = 34,12

Тогда ω(O/Z4) = 0,2991 2 балла

Z4 – B2Om, ω(O/Z4) = 0,2991

При m = 3 имеем M(B) = 56 г/моль, что соответствует железу, тогда

Z4 – Fe2O3 (оксид железа (III)) 1 балл

Так как согласно условию задачи, степень окисления металлов в Z3 и Z4 одинаковая, то Z3 имеет следующую формулу: A2O3.

Причём, ω(O/Z3) = 1,57ω(O/Z4) = 1,57×0,2991 = 0,4696.

Z3 – Al2O3 (оксид алюминия) 1 балл

2. Уравнения реакций:

CaO + SiO2 → CaSiO3

CaO + Al2O3 → Ca(AlO2)2  1 балл

(за каждое верное уравнение – 0,5 балла)

3. Азот применяется в жидком виде. 0,5 балла

Итого 10 баллов.

Задание 6. Неорганический эксперимент

Содержание ↑

Смешали оксид некоторого металла X с галогенидом металла Y. Полученную смесь поместили в колбу Вюрца 1 (см. рисунок). С помощью капельной воронки 2 добавили серную кислоту и нагрели. В банке 3 начал собираться тяжёлый газ жёлто-зелёного цвета с резким запахом – Z (простое вещество).

  1. Определите металлы X и Y, если известно, что они находятся в одном периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Массовая доля X в оксиде составляет 63,2 %, а массовая доля Y в галогениде – 52,4 %. Ответ подтвердите расчётом.
  2. Какой газ получили в ходе данного опыта? Напишите уравнение реакции, о которой идёт речь в условии задачи.
  3. Предложите ещё два способа получения газа Z в лаборатории. Приведите соответствующие уравнения реакций.

Решение и критерии оценивания

1. Формулу оксида можно записать в виде X2On, где n — валентность X в данном оксиде, тогда

M(X) = 13,74 n

Решение имеет смысл при n = 4, M(X) = 55, т. е. металл X — Mn, а оксид — MnO2.  2 балла

Из условия задачи следует, что в ходе реакции выделяется хлор Cl2 — Z. Тогда можно предположить, что галогенид является хлоридом, формула которого          YClm, где m — валентность металла Y.

M(Y) = 39m.

Решение имеет смысл при m = 1, M(Y) = 39, т. е. металл Y – калий, а хлорид – KCl.

Марганец и калий находятся в IV периоде. 2 балла

2. Получили хлор Cl2: 1 балл

MnO2 + 2KCl + 2H2SO4 = Cl2↑ + MnSO4 + K2SO4 + 2H2O 1 балл

3. Хлор можно получать в лаборатории различными способами. Например, действием концентрированной соляной кислоты на кристаллический перманганат калия:

2KMnO4 + 16HCl = 5Cl2↑ + 2KCl + 2MnCl2 + 8H2O

или электролизом водного раствора хлорида натрия с использованием инертного анода:

2NaCl + 2H2O 

2NaOH + H2↑ + Cl2↑

По 2 балла за каждый правильный способ.

Итого 10 баллов.

Содержание ↑