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).

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

2. 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

3. 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

4. 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

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

2Mg + CO₂ = 2MgO + C

1 балл

6. 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:

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.)

3. 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 А–F 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:

f4.1

f4.2

f4.3

f4.4

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

Система оценивания:

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_{2 Выделение кислорода}

 

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:

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:

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

Ответ:

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

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: