Олимпиадные задания

Химия 11 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. «Анализ неорганического вещества»
  3. Задание 3. «Необычный эфир»
  4. Задание 4. «Полезный полимер»
  5. Задание 5. «Соединение-платформа»
  6. Задание 6. «Органический эксперимент»

 

Задание 1. Правые части

Содержание ↑

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

  1. … + … = Fe(CO)5
  2. … + … = Fe(OH)3 + NaOH
  3. … + … = Fe(OH)3 + Na2SO4
  4. … + … + … = 2Fe(OH)3 + 6NH4Cl
  5. … + … = 3Fe(NO3)2
  6. … + … + … = K2FeO4 + 3KNO2 + H2O
  7. … + … = 2NaFeO2 + CO2
  8. … + … = 2Na2FeO4 +2Na2O
  9. … + … = K4[Fe(CN)6] + 2KCl
  10. … + … = 2FeS + S +6NH4Cl

Решение для задания «Правые части»

  1. Fe + 5CO = Fe(CO)5
  2. NaFeO2 + 2H2O = Fe(OH)3 + NaOH
  3. Fe(OH)SO4 + 2NaOH = Fe(OH)3 + Na2SO4
  4. 2FeCl3 + 6NH3 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 6NH4Cl
  5. Fe + 2Fe(NO3)3 = 3Fe(NO3)2
  6. Fe + 2KOH + 3KNO3 = K2FeO4 + 3KNO2 + H2O
  7. Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2
  8. 2NaFeO2 + 3Na2O2 = 2Na2FeO4 +2Na2O
  9. FeCl2 + 6KCN = K4[Fe(CN)6] + 2KCl
  10. 2FeCl3 + 3(NH4)2S = 2FeS + S + 6NH4Cl

Критерии оценивания

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

Итого 10 баллов.

 

Задание 2. Анализ неорганического вещества

Содержание ↑

При прокаливании 5,00 г фиолетового вещества A образовалось голубое вещество В массой 3,92 г. Если через водный раствор, содержащий 2,00 г вещества А, пропустить постоянный ток, то на катоде выделится серебристый металл С массой 0,711 г, который притягивается магнитом. При добавлении к раствору B раствора нитрата серебра выпадает белый творожистый осадок вещества D, нерастворимого в азотной кислоте.

  1. Определите вещества А – D. Ответ подтвердите расчётом.
  2. Какую окраску имеет водный раствор вещества А и чем она обусловлена?
  3. Запишите уравнения катодного и анодного процессов при его электролизе.
  4. Приведите ещё два примера металлов, которые так же, как и С, притягиваются магнитом.

 

Решение для задания «Анализ неорганического вещества»

1. Белый творожистый осадок D – это хлорид серебра AgCl. В 3,92 г вещества B содержится 0,711⋅5/2 = 1,778 г металла С. Массовая доля металла в веществе В составляет 1,778 / 3,92 = 0,4534. Если предположить, что вещество В состоит только из металла С и хлора, то массовая доля хлора равна 1 – 0,4534 = 0,5466, следовательно, молярная масса вещества В: M(B) = 35,5x / 0,5466 = 65x, где x – валентность металла в хлориде. Перебирая различные значения x, находим при x = 2, что неизвестный металл С – кобальт. Тогда вещество B – хлорид кобальта (II) CoCl2.

Убыль массы при прокаливании вещества А составляет 5 – 3,92 = 1,08 г. Количество вещества хлорида кобальта: n(CoCl2) = 3,92 / 130 = 0,030 моль, тогда молярная масса остатка 1,08 / 0,03 = 36 г/моль, что соответствует двум молекулам воды. Вещество А – дигидрат хлорида кобальта, CoCl2∙2H2O.

2. В водном растворе ионы [Co(H2O)6]2+ придают раствору красную (розовую) окраску.

3. Уравнения электродных процессов:

Катод: Co2+ + 2e– = Co↓

Анод: 2Cl– – 2e–= Cl2↑

4. Примерами металлов, притягивающихся магнитом, являются Fe, Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er (оценивать и другие верные варианты).

Ответ A–CoCl2∙2H2O, B – CoCl2, C – Co, D – AgCl.

Критерии оценивания

Итого 10 баллов.

 

Задание 3. Необычный эфир

Содержание ↑

При горении органического соединения X массой 12,00 г образуются 11,20 л (н.у.) оксида углерода (IV) и 10,80 г воды. Это соединение устойчиво в щелочной среде и легко гидролизуется в кислой с образованием смеси уксусной кислоты и метанола в молярном соотношении 1꞉3.

  1. Определите молекулярную формулу соединения X.
  2. Приведите структурную формулу соединения X и предложите его название.
  3. Составьте уравнение реакции гидролиза X в кислой среде.
  4. Предложите способ получения X.
  5. Соединения, к которым принадлежит X, обладают высокой реакционной способностью и широко используются в органическом синтезе. Обсудите возможность взаимодействия вещества X с 2,4,6-триметилбензойной кислотой и этанолом и укажите, какие соединения при этом образуются.

 

Решение и критерии оценивания для задания «Необычный эфир»

1. Судя по продуктам сгорания, вещество X может содержать углерод, водород и кислород и его можно описать формулой СxHyOz.

Определение молекулярной формулы вещества X.

ν(СО2) = 11,2 : 22,4 = 0,5 моль;

ν(С) = 0,5 моль;

ν(Н2О) = 10,8 : 18 = 0,6 моль;

ν(Н) = 1,2 моль.

Наличие кислорода можно определить по разности масс исходного вещества и масс углерода и водорода в продуктах сгорания:

m(O) = 12 – (12∙0,5 + 1∙1,2) = 4,8 г;

ν(О) = 4,8 : 16 = 0,3 моль

ν(С) ꞉ ν(Н) ꞉ ν(О) = 0,5 ꞉ 1,2 ꞉ 0,3 = 5 ꞉ 12 ꞉ 3.

Молекулярная формула X – С5Н12О3        2 балла

2. Анализ молекулярной формулы свидетельствует об отсутствии кратных связей в соединении. Эта формула может принадлежать трёхатомным спиртам, но такое заключение не соответствует условию задачи, так как трёхатомные спирты не подвергаются гидролизу. Анализ продуктов гидролиза даёт право предположить, что соединение состава С5Н12О3 содержит три спиртовые группы и одну кислотную, и тогда ему может соответствовать структурная формула CН3–С(ОСН3)3.

Известно, что гидратные формы карбоновых кислот – ортокарбоновые кислоты RC(OH)3 – неустойчивы, однако их эфиры RC(OR)3 – вполне устой чивые соединения, имеющие высокие температуры кипения. Они, в отличие от сложных эфиров, не подвергаются гидролизу в щелочной среде, но легко гидролизуются в кислой, что соответствует условию задачи. Назвать этого соединение можно либо триметилортоацетатом, либо 1,1,1-триметоксиэтаном.

3 балла

3. При гидролизе триметилортоацетата вначале образуется сложный эфир, а затем карбоновая кислота:

CН3–С(ОСН3)3 + Н2О(Н+) → CН3СООСН3 + 2СН3ОН

CН3СООСН3 + Н2О(Н+) → СH3СООН + СН3ОН

Уравнение кислотного гидролиза метилового эфира ортоуксусной кислоты можно записать и суммируя эти две реакции:

CН3 – С(ОСН3)3 + 2Н2О(Н+) → CН3СООН + 3СН3ОН   1 балл

4. Эфиры ортокислот можно получить из 1,1,1-тригалогенидов углеводородов:

CН3СCl3 +3CH3ONa → CН3–С(ОСН3)3 + 3NaCl.

Можно использовать также алкоголиз нитрилов соответствующих кислот:

CH3C≡N + 3CH3OH + HCl → CН3–С(ОСН3)3 + NH4Cl 2 балла

5. При взаимодействии ортоэфиров с карбоновыми кислотами образуются сложные эфиры. Такой способ получения сложных эфиров можно использовать в тех случаях, когда этерификация пространственно затруднена. Такие затруднения возникают, например, при получении сложного эфира 2,4,6-триметилбензойной кислоты. Особенностью этой реакции является то, что для её проведения не требуются кислотные катализаторы.

 

1 балл

Ортоэфиры реагируют со спиртами с образованием простых эфиров:

C2H5OH + СН3–С(ОСН3)3 → C2H5OСН3 + СН3COOСН3+ CH3OH 1 балл

Итого 10 баллов.

 

Задание 4. Полезный полимер

Содержание ↑

2,58 г органического вещества А, применяемого в синтезе чрезвычайно важного полимера Б, сожгли в атмосфере кислорода и при этом получили 1,20 г твёрдого вещества В, 0,72 г бесцветной жидкости Г и 1792 мл (при н. у.) эквимолярной смеси газов Д и Е, которая тяжелее воздуха в 1,388 раз. Определите формулы неизвестных веществ А–Е, если известно, что газ Д легче газа Е, а вещество A не содержит кислорода. Ответ подтвердите расчётом. Напишите уравнение реакции горения А. Приведите две области применения полимера Б.

 

Решение для задания «Полезный полимер»

Поскольку соединение А органическое, при его горении в кислороде должен образовываться углекислый газ, следовательно один из газов – Д или Е – это СО2. Средняя молярная масса газовой смеси:

Mср = 29×Dвозд. = 29 × 1,388 = 40,25 г/моль.

Поскольку смесь газов Д и Е эквимолярная, средняя молярная масса равна среднему арифметическому молярных масс Д и Е. Так как одно из веществ это углекислый газ (М = 44 г/моль), второе вещество имеет молярную массу меньше 40,25. Таким образом, вещество Е – это углекислый газ. Найдём молярную массу вещества Д:

(44 + M(Д))/2 = 40,25

M(Д) = 36,5 г/моль

Газ Д – хлороводород.

Объём газовой смеси при н. у. равен 1792 мл, что соответствует 0,08 моль газов. Так как смесь эквимолярная, количества углекислого газа и хлороводорода соответственно равны по 0,04 моль. Бесцветная жидкость Г, образующаяся при сгорании органического вещества, вероятнее всего, – вода.

Её количество равно 0,72 : 18 = 0,04 моль. В состав исходного вещества А должен входить ещё один элемент, образующий нелетучий оксид В. Рассчитаем его молярную массу. Пусть вещество А содержит x атомов хлора. Исходя из полученных выше данных формулу вещества А можно описать как Э(CH3Cl)x.

Если х = 1, то молярная масса М(А) = 2,58 : 0,04 = 64,5 г/моль, М(Э) = 14, что соответствует азоту, однако он не образует нелетучего оксида.

Если х = 2, то молярная масса М(А) = 2,58 : 0,02 = 129 г/моль, М(Э) = 28, что соответствует кремнию, т.е. молекулярная формула соединения А – C2H6SiCl2. Тогда соединение В – это оксид кремния (IV). Действительно, m(SiO2) = 2,58/129 × 60 = 1,20 г, что соответствует условию задачи.

Таким образом, вещество А – это дихлордиметилсилан (CH3)2SiCl2, являющийся предшественником в синтезе полидиметилсилоксана (силикона) Б [–OSi(CH3)2–]n. При горении А образуются SiO2В, вода Г, хлороводород Д и углекислый газ Е.

Ответ:

А – (CH3)2SiCl2, Б – [–OSi(CH3)2–]n, В – SiO2, Г – H2O, Д – HCl, Е – CO2.

Уравнение реакции горения:

(CH3)2SiCl2 + 4O2 = SiO2 +2H2O + 2HCl + 2CO2

Силикон применяется для изготовления шлангов, силиконовой кухонной посуды, уплотнений, герметизации швов, смазки, теплоносителя и др.

Критерии оценивания для задания «Полезный полимер»

Определение веществ А–Е – по 1 баллу (всего 6 баллов).

Уравнение реакции горения – 2 балла (с неверными коэффициентами – 1 балл).

Любые две верно указанные области применения силикона – 2 балла.

(Ответ без расчётов – 0 баллов за всю задачу)

Итого 10 баллов.

 

Задание 5. Соединение-платформа

Содержание ↑

В последнее десятилетие большую популярность получил синтез на основе возобновляемого природного сырья. Некоторые соединения, получаемые из растительной биомассы, были включены в список так называемых «соединений-платформ», на основе которых будет создаваться химическая промышленность будущего. Одно из возможных соединений-платформ K, получаемое из углеводной биомассы, содержит 49,83 % углерода, 22,15 % кислорода и 24,57 % хлора (по массе). Соединение K вступает в следующие превращения:

Определите неизвестные вещества K–O и напишите уравнения протекающих реакций.

В качестве «зелёной» альтернативы какому веществу может рассматриваться соединение О?

Решение для задания «Соединение-платформа»

Сумма массовых долей элементов в соединении K составляет 96,55 %, следовательно, логично предположить, что в состав К также входит 3,45 % водорода. Выведем простейшую формулу соединения Х:

n(C) : n(H) : n(Cl) : n(O) = 49.83/12 : 3,45/1 : 24,57/35,5 : 22,15/16 = 6 : 5 : 1 : 2

Таким образом, формула соединения K – С6H5ClO2.

Под действием водного раствора гидроксида натрия происходит замена хлора на гидроксильную группу, следовательно, соединение M вероятнее всего имеет спиртовую группу. Оксид меди при нагревании окисляет первичную спиртовую группу до альдегидной, что сопровождается потерей двух атомов водорода. Окисление подкисленным раствором перманганата калия должно приводить к карбоновой кислоте. Поскольку количество атомов кислорода увеличилось на два, можно предположить, что соединение N содержало две альдегидные группы, а соединение O содержит две карбоксильные группы.

Таким образом, соединение О можно представить в виде С4H2O(COOH)2, где остаток С4H2O соответствует фурановому кольцу. Поскольку углеродный скелет в веществах К–О согласно условию получается из молекул углеводов, единственный возможный вариант соединения О – фуран-2,5-дикарбоновая кислота, являющаяся «зелёным» аналогом терефталевой кислоты. Синтез вещества L – это реакция алкилирования по Фриделю–Крафтсу.

Уравнения реакций:

Вещество О может выступать в качестве аналога терефталевой кислоты.

Критерии оценивания:

Вывод простейшей формулы вещества К – 1 балл

Структуры веществ К–О – по 1 баллу (всего 5 баллов)

(если указаны изомерные производные фурана вместо 2,5-дизамещенных, оценивать каждую структуру в 0,5 балла)

Уравнения реакций – по 1 баллу (всего 4 балла)

Итого 10 баллов.

 

Задание 6. Органический эксперимент

Содержание ↑

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

 

Способ 1. В пробирку 1 (см. рис. 1) наливают небольшое количество этанола, над которым 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 1

Способ 2. В колбу Вюрца 1 (см. рис. 2) помещают кусочки карбида кальция. Из капельной воронки добавляют воду. Как только вода попадает на поверхность карбида, тотчас начинает выделяться бесцветный газ Y, 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 вещества A. В присутствии данного катализатора газ Y превращается в вещество А.

Рисунок 2

  1. О получении какого вещества А идёт речь в условии задачи?
  2. Приведите уравнение реакции превращения этанола в А.
  3. Определите вещество Y, о котором идёт речь при описании второго способа получения вещества А. Составьте соответствующие уравнения реакций. Кто открыл реакцию получения вещества А из вещества Y?
  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.
  6. Предположите, какая реакция протекает в этом промывном сосуде, если известно, что сырьё, используемое в промышленности для получения вещества Y1, может содержать примесь сульфатов.

 

Решение и критерии оценивания для задания «Органический эксперимент»

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

2. Способ 1 – получение ацетальдегида из этанола. Допускается несколько вариантов уравнений:

CH3–CH2–OH

CH3–CHO + H2 (дегидрирование этанола)

2CH3–CH2–OH + O2 

2CH3–CHO + 2H2O (каталитическое окисление этанола)

CH3–CH2–OH + CuO → CH3–CHO + H2O + Cu

2 балла за одно верное уравнение (любое)

3. Y – ацетилен 1 балл

CaC2 + 2H2O → C2H2↑ + Ca(OH)2

CH ≡CH + H2O → CH3–CHO

По 1 баллу за каждое уравнение

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

По одному баллу за каждый правильный вариант, всего 2 балла.

5. Технический карбид кальция – 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.

Итого 10 баллов.

Содержание ↑