Содержание
- Задача 1. Элемент-хамелеон
- Задача 2. Свойства гомологов
- Задача 3. Синтез ванадата
- Задача 4. Гидратация углеводородов
- Задача 5. Идентификация кислородсодержащего соединения
- Задача 6. Получение и свойства неизвестной жидкости
Задача 1. Элемент-хамелеон
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
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
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
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
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).
- Рассчитайте состав смеси в массовых долях.
- Определите формулу полученной соли. Напишите уравнение реакции.
- Полученная соль принадлежит гомологическому ряду солей, в котором гомологическая разность – NaVO3. Установите формулу родоначальника этого ряда.
- Приведите примеры формул двух солей этого гомологического ряда.
Решение
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
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.
- Определите молекулярные формулы углеводородов. Приведите необходимые расчёты и рассуждения.
- Установите возможное строение углеводородов.
- Приведите уравнения реакций гидратации искомых углеводородов с указанием условий их проведения.
Решение
- 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 + 1,5nO2 → nCO2 + nH2O 0,5 балла
CnН2n–2 + (1,5n–0,5)O2 → nCO2 + (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:
14n·x + (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
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.
- Определите молекулярную формулу органического вещества. Приведите соответствующие расчёты.
- 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.
- Приведите уравнения реакций взаимодействия искомого соединения с аммиачным раствором оксида серебра и перманганатом калия в кислой среде.
Решение
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 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
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.
- О каких веществах X, Y и Z идёт речь в условии задачи? Напишите уравнения реакций превращения Х в Y и Y в Z.
- Какие правила безопасности и почему следует соблюдать при проведении опыта 1?
- Как и почему изменяется окраска раствора в опыте 2? Ответ проиллюстрируйте уравнением химической реакции.
- Напишите уравнение реакции каталитического разложения X в рисутствии иридия (опыт 3).
- Объясните результаты опыта 4.
Решение
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