Олимпиадные задания

Химия 11 класс, школьный (первый) этап, г. Москва, од

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–Жпо 0,5 балла (всего 3,5 балла)

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

Систематические названия веществ А–Епо 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 CO21 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