Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

ОТВЕТЫ

ХVI Российской дистанционной олимпиады школьников по химии-2016

(XIV Международной дистанционной олимпиады школьников «Интер-Химик-Юниор-2016»)

При составлении ответов использовались работы участников Олимпиады

1. В периодической системе элементов Д.И. Менделеева теллур (относительная атомная масса 127,60) и йод (относительная атомная масса 126,90) расположены не в порядке увеличения атомных масс элементов. Означает ли это, что нарушается Периодический закон Д.И. Менделеева? Предложите Ваше объяснение данному факту.

Ответ. Кажущееся несоответствие в расположении некоторых элементов в периодической системе Д.И. Менделеева вызвано распространением на Земле изотопов этих элементов. У теллура имеются шесть стабильных и относительно легких (с относительной атомной массой от 120 до 126), а также два тяжелых радиоактивных изотопа (с относительной атомной массой 128 до 130). Содержание легких изотопов не превышает 33,3 %. Поскольку период полураспада тяжелых изотопов очень велик (~1021 – 1024 лет), атомная масса теллура больше 127. Единственным стабильным изотопом йода является йод-127. Остальные изотопы – со сравнительно малыми величинами периода полураспада.

Распространенность же элементов и их изотопов во Вселенной отличается от их распространенности на нашей планете. Считается, в частности, что при образовании планет из межзвездной пыли легкие изотопы остались в космическом пространстве.

Дополнение в ответах участников олимпиады из Гимназии г. Ливны, Орловская область:

Данный факт не нарушает Периодический закон. Таких пар элементов в Периодической системе несколько:

18Ar(39,948) – 19K(39,106)

27Co(58,933) – 28Ni(58,71)

52Te(127,6) – 53I(126,904)

90Th(232,038) – 91Pa(231)

Относительная атомная масса элемента равна среднему значению относительных масс всех его природных изотопов с учётом их распространённости. У этих пар для элемента с меньшим порядковым номером содержание тяжёлых изотопов больше. Поэтому значение относительной атомной массы будет немного больше. Для элемента с большим порядковым номером содержание более лёгких изотопов больше. Поэтому и значение относительной атомной массы будет меньше.

В соответствии с современной формулировкой Периодического закона, свойства химических элементов и, соответственно, их положение в периодической системе химических элементов определяются не столько их атомной массой, сколько зарядом атомных ядер. А это свойство у данных пар элементов не нарушено.

 

2. В химическом соединении кислорода по массе в 12 раз больше, чем водорода, а азота – в 7 раз больше, чем водорода. Определите химическую формулу этого соединения. Как оно разлагается при нагревании?

Решение. Содержание водорода Х, азота – 7Х, кислорода – 12Х. 20Х=100. Х=5,0 мас.%. Азота 35%, Кислорода – 60%. N:H:O=35/14:5:/1:60/16=2,5:5:3,75=2:4:3. NH4NO3. Термическое разложение:

NH4NO3  N2O↑ + 2 H2O (to<200oC);

NH4NO3  N2↑ + O2↑ 2 H2O (to>200oC).

Оценка за это задание снижалась, если не представлены обе реакции термического разложения не указаны температуры, при которых они протекают.

 

3. В двух пробирках без этикеток находятся концентрированные растворы едкого натра и сульфата цинка. Как не используя химических реактивов, а лишь одну чистую пустую пробирку определить в какой из пробирок находится сульфат цинка?

Ответ (здесь и в ответах на другие задания приводятся возможные варианты уравнений химических реакций; в ряде случаев можно использовать и другие варианты, которые также являются правильными).

Для определения в какой из пробирок содержится ZnSO4, а в какой NaOH, в чистую пробирку наливаем небольшое количество раствора, например из пробирки № 1. К этому раствору добавляем раствор из пробирки № 2. При этом сначала образуется осадок гидроксида цинка:

ZnSO4 + 2 NaOH ® Na2SO4 + Zn(ОН)2 ¯

Если при дальнейшем добавлении раствора № 2 происходит растворение осадка, значит в пробирке № 2 находится щелочь. В данной реакции образуется гидроксоцинкат:

Zn(ОН)2 + 2 NaOH ® Na2[Zn(ОН)4]

Если осадок гидроксида цинка не растворяется при добавлении раствора из пробирки № 2, значит в этой пробирке находится сульфат цинка.

 

4. Определите, какие два вещества и при каких условиях вступили в химические реакции, если в их результате получены следующие продукты (указаны без коэффициентов):

a) ? → I2 + KMnO4;

б) ? → FeSO4  +Fe2(SO4)3;

в) ? → Cl2 + FeCl3 + KCl + H2O;

г) ? → S + FeSO4 + K2SO4 ;

д) ? → S + FeS + K2SO4.

Напишите уравнения этих реакций.

Ответ.

a) Поскольку перманганат образуется в кислой среде, то теоретически можно предложить несколько вариантов:

2 KIO4 + 2 Mn I2 + 2 KMnO4 (Самсонова Екатерина, Республика Казахстан);

KIO4 + MnI2 →3/2 I2↓+KMnO4 (Базарбаев Акбар, г. Ташкент, Республика Узбекистан)

2 KIO3 + 2 MnО → I2 + 2 KMnO4 (Билоус Екатерина, Красноярск);

2 KIO2 + 2 MnO2I2 + 2 KMnO4 (Билоус Екатерина, Красноярск);

2 KIO + 2 MnO3 → I2 + 2 KMnO4;

б) Fe3O4 + 4 SO3→ FeSO4  +Fe2(SO4)3;

в) 16 HCl + 2 K2FeO4→ 3 Cl2 + 2 FeCl3 + 4 KCl + 8 H2O;

Луньков Сергей, г. Ангарск, Иркутская область:

г) K2S + Fe2(SO4)3(избыток)S + 2 FeSO4 + K2SO4 (K2S добавляется в раствор Fe2(SO4)3);

д) 3 K2S(избыток) + Fe2(SO4)3S + 2 FeS + 3 K2SO4 (Fe2(SO4)3 добавляется в раствор K2S).

 

5. 24,64 л (н.у.) аммиака полностью растворили в 334 мл 16 мас. % раствора ортофосфорной кислоты (плотность 1,1003 г/мл). Определите состав полученного раствора и массовые доли веществ (в %) в этом растворе.

Решение. v(NH3)=24,64 л/22,4 л/моль=1,1 моль; m(NH3)=18,7 г;

m(H3PO4)раствор= 367,5г; m(H3PO4)=58,8г. ν (H3PO4)=0,6 моль.

1)  NH3 + H3PO4 NH4H2PO4. Остается 1,1-0,6=0,5 моль NH3 .

2)  NH3 + NH4H2PO4 → (NH4)2HPO4 прореагировало 0,5 моль NH4H2PO4 и 0,5 моль NH3 .

Осталось 0,1 моль NH4H2PO4. Масса:  NH4H2PO4, - 11,5 г. Масса (NH4)2HPO4 – 66 г. Масса раствора 367,5+18,7=386,2 г. Массовые доли NH4H2PO4, 11,5/386,2=2,98 %; (NH4)2HPO4 – 66/386,2=17,1%.

Ответ: 0,1 моль NH4H2PO4 (2,98 %) 0,5 моль (NH4)2HPO4 (17,1 %).

 

6. Определите, какие два вещества и при каких условиях вступили в химические реакции, если в их результате получены следующие продукты (указаны без коэффициентов):

a) ? + ? ®CН3-СН=СН-СН2Br;

б) ? + ? ®CН3СОONa+ CH3-СН(ОН)-СH3;

в) ? + ? ®Br-CH2-CH2-CH2-Br;

г) ? + ?  ® CH3COOK +  MnO2¯ + KOH +  H2O;

д) ? + ? ® C2H5ºС-CH3 + NaBr.


Ответ.

а) CН2=СН-СН=СН2  + HBr CCН3-СН=СН-СН2Br;

б) CН3СOOСН(CH3)2 + NaOH -t® CН3СОONa+ CH3-СН(ОН)-СH3;

в) C3H6 (циклопропан) + Br2 ®Br-CH2-CH2-CH2-Br;

г) 3 CH3CH2OH + 4 KMnO4 - t® 3 CH3COOK + 4 MnO2¯ + KOH + 4 H2O;

д) NaСºС-CH3 + C2H5BrC2H5ºС-CH3 + NaBr.

 

7. Напишите уравнения реакций (с указанием условий их проведения), с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

.

Ответ (Назаров Равшан, г. Ташкент, Республика Узбекистан).

С+2H2  CH4;

2CH4   C2H2 +3H2;

C2H2 + H2 C2H4;

C2H4+Br2  Br-CH2-CH2-Br;

Br-CH2-CH2-Br+2KCN CN-CH2-CH2-CN+2KBr;

CN-CH2-CH2-CN + Н2О  .

Ацетилен лучше получать, используя реакции (Елисеев Александр, г. Макеевка, Донецкая область):

3C + CaO  CaC2 + CO – прокаливание смеси реагентов в электрической печи;

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 – реакция протекает при обработке карбида водой.

 

8. Предложите наиболее оптимальный способ получения 1-формилциклогексен-3, используя только неорганические реагенты. В Вашем распоряжении любые установки и катализаторы. Напишите уравнения всех химических реакций с указанием условий их проведения.

Ответ (Шокодир Шоанваров, г. Ташкент, Республика Узбекистан).

CaO+3 С (избыток) CaC2 + CO;

CaC2 + H2O = Ca(OH)2 + C2H2 ;

C2H2 + Н2О  CH3-CHO (Реакция Кучерова);

CH3-CHO  C2H5OH;

2 C2H5OH  H2C=CH-CH=CH2+2H2O+H2 (РеакцияЛебедова);

C2H2+CO+H2O  CH2=CH-CHO (Реакция Реппа);

H2C=CH-CH=CH2+CH2=CH-CHО   3-Cyclohexene-1-carboxaldehyde Structure(Реакция Дильса-Альдера).

 

9. Определите общую формулу гомологического ряда углеводородов, содержащих четыре двойных, три тройных связи и четыре насыщенных цикла.

Ответ. Как известно, одна двойная связь «отнимает» у углеводорода 2 атома водорода, значит четыре двойные связи «отнимают» 8 атомов водорода. Одна тройная связь заменяет 4 атома водорода, а три тройные связи – 12 атомов. Один цикл лишает молекулу двух атомов водорода, а четыре цикла- 8 атомов. Итого, молекула предельного углеводорода лишается 8+12+8=28 атомов водорода. Общая формула гомологического ряда предельных ациклических углеводородов CnH2n+2, а формула рассматриваемого углеводорода –  CnH2n-26.

 

10. В результате сгорания азотсодержащего гетероцикла объем полученной газовой смеси составил 6,16 л (н.у.). Относительная плотность полученной газовой смеси по воздуху равна 1,467. Определите строение этого гетероцикла и массу образца, взятую для сожжения, если известно, что плотность паров гетероцикла в 1,904 раза больше плотности конечной газовой смеси. Является ли гетероцикл ароматическим соединением? Ответ объясните.

Решение. В результате сгорания азотосодержащего гетероцикла образуются оксид углерода (IV) и азот:
                                       
CxHyNz + (х+у/4) O2 = x CO2 + y/2 H2O + z/2 N2.

Молярная масса полученной газовой смеси: М(газ.смеси)= 1,467*29 = 42,543 г/моль.

Количество вещества газовой смеси: n(смеси) = 6,16:22,4 = 0,275 моль.

Молярная масса гетероцикла: M(гетероцикла) = 42,543*1,904 = 81 г/моль.

Составляем систему уравнений: х + z =0,055; (44х + 28 z)/0,055=42,543, решая которую получаем: х=0,05; z=0,005. n(CO2) = 0,05 моль; n(C) = 0,05 моль;  n(N2) = 0,005 моль; n(N) = 0,01 моль. n(C)/n(N) = 0,05/0,01 = 5/1. Формула гетероцикла С5НуN. Находим число атомов водорода в гетероцикле (у):

М(C5HуN) = 12*5 + у + 14 = 81 г/моль; откуда у = 7. Искомая формула гетероцикла - C5H7N. Уравнение процесса сгорания гетероцикла: 4 C5H7N + 27 O2 = 20 CO2 + 2 N2 + 14 H2O.

Количество вещества сгоревшего гетероцикла составляет: n(N) = n(C5H7N) = 0,05 моль.

Масса сгоревшего гетероцикла равна: m(C5H7N) = nM = 0,05*81 = 4,05 г.

Возможные структуры гетероциклов с различным расположением двойных связей в кольце:

Ампилова Полина, г. Брянск

Ароматические

Неароматические

В первых трех случаях электронная пара азота по донорно-акцепторной связи образует с другими π-электронными парами кольца ароматическую систему. В третьем, четвертом и пятом случаях ароматическая система не образуется, так как двойные связи не сопряжены между атомами.