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

ЗАДАНИЕ

XVII Российской дистанционной олимпиады школьников по химии

 (XV Международной дистанционной олимпиады школьников

«Интер-Химик-Юниор-2017»)

ОТВЕТЫ

При составлении ответов использовались работы участников олимпиады

1. Химические реакции протекают по схеме:  X + Y = Z, при этом в них участвуют и образуются жидкие (Ж), твердые (Т) и газообразные (Г) вещества. Предложите для каждого варианта (а – д) по две реакции в которых участвуют и образуются вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях (Ж, Т и Г):

Ответ:

а) Г + Г = Т:

NH3 + HCl = NH4Cl; 2 NH3 + H2S = (NH4)2S; (Стаканова Д.Е., г. Саров)

Xe + F2 XeF2;  Xe + 2 F2 XeF4Xe + 3 F2 XeF6 ;

б) Т + Т = Ж;

I2 + IF3 = 3 IF;

6 PBr5+ P4= 10 PBr3;

2 S+ C  CS2;

в) Ж + Т = Г;

N2O3 + N2O5 ® 4NO2;

2 SO3+S  3SO2 ;

IF3 + I2  3 IF;

г) Ж + Г = Т;

H2SO4 + 2 NH3 → (NH4)2SO4;

2Hg + O2 → 2HgO;

C6H6 + 3 Cl2  C6H6Cl6;

д) Г + Т = Ж .

4 CO + Ni =[Ni(CO)4];

Cl2 +  S   SCl2;

6 Cl24  4 РCl3.

Возможны и другие уравнения химических реакций, в том числе и с участием органических соединений.

 

2. Составьте уравнения реакций по схеме (с указанием условий их проведения):

Al → … → KAlO2 → … → Al2S3→ … → Li[AlH4] .

Ответ: (Власов В.С., г. Москва)

1) 4Al + 3O2  2Al2O3;

2) Al2O3 + 2KOH  2KAlO2 + H2O;

3) KAlO2 + 2H2O + CO2 ® KHCO3 + Al(OH)3;

4) 2Al(OH)3   Al2O3 + 3 H2O;

5) 2Al2O 4Al + 3O2;

6) 2Al + 3S  Al2S3 ;

7) Al2S3 + 6HCl ® 2AlCl3 + 3H2S;

8) AlCl3 + 4LiH  Li[AlH4] + 3LiCl;

9) 2Li[AlH4] + 4O2    Li2O + Al2O3 + 4H2O.

 

(Гнилевская Е.А., г.Трубчевск, Брянская обл.):

3) 2KAlO2 + 4H2SO4(р-р)Al2(SO4)3 + K2SO4 + 4H2O

4) Al2(SO4) + 12C  Al2S3 + 12CO↑

 

3. Определите, какие два вещества и при каких условиях вступили в химические реакции, если в результате были получены следующие продукты (даны без стехиометрических коэффициентов)?

а) ? + ? = KMnO4 + MnO2 + K2SO4 + H2O;

б) ? + ? = CrO2Cl2 + KCl + H2O;

в) ? + ? = Tl2O + Tl2S2O3;

г) ? + ? = NaCl + Na3PO4 + PH3 + H2O;

д) ? + ? = PbNH + KI + NH3.

Напишите уравнения этих химических реакций.

Ответ: 3 K2MnO4 + 2 H2SO4 = 2 KMnO4 + MnO2 + 2 K2SO4 + H2O.

K[CrO3Cl] + 2 HCl = CrO2Cl2 + KCl + H2O;

2 Tl2S + O2 = Tl2O + Tl2S2O3;

4 PCl3 + 21 NaOH –t-> 12 NaCl + 3 Na3PO4 + PH3 + 9 H2O.

PbI2 + 2 KNH2 –(NH3 (жидкий)-> PbNH + 2 KI + NH3.

 

4. Навеску тонко измельченной и тщательно перемешанной смеси металла и его оксида растворили в концентрированной хлороводородной кислоте. Определите массовую долю метала в его смеси с оксидом, если в результате растворения смеси: а) может выделяться только газ А, б) может выделяться только газ Б, в) может вообще не происходить выделение газов.

Решение. (Колобовникова Я.И., г. Красноярск)

Первый вариант: GСмесь состоит из марганца и оксида марганца (IV).

а) Mn + 2 HCl  MnCl2 + H2

б) MnO2 +4 HClCl2 + MnCl2 + 2 H2O

в) MnMnO2 + 4 HCl→2 MnCl2 +2 H2O

Найдем массовую долю металла для каждого из случаев:

Пусть количество Mn эквимолярно количеству MnO2, тогда:

ω Mn =  = 0387 (или 38,7%)

Делаем вывод, что если массовая доля металла в смеси больше, чем 38,7%, то выделяется газ А (H2). Если массовая доля металла меньше 38,7%, то выделяется газ Б (Cl2). Если же массовая доля металла равна 38,7 %, значит газа не выделяется.

Ответ: Металл – Mn. а) ω (Mn) > 38,7 %  б) ω (Mn) < 38,7% в) ω (Mn) = 38,7 %

Второй вариант: Смесь состоит из хрома и оксида хрома (VI).

а) Cr + 2 HClCrCl2 + H2

б) 2CrO3 + 12 HCl →3 Cl2 + 2 CrCl3 +6 H2O

в) Cr + CrO3 +6 HCl→2CrCl3 + 3 H2O

Найдем массовую долю металла для каждого из случаев:

Пусть количество Cr эквимолярно количеству CrO3, тогда:

ω Cr =  = 0342 (или 34,2%)

Делаем вывод, что если массовая доля металла в смеси больше, чем 34,2%, то выделяется газ А (H2). Если массовая доля металла меньше 34,2%, то выделяется газ Б (Cl2). Если же массовая доля металла равна 34,2 %, значит газ не выделяется.

Ответ: металл – Cr. а) ω (Cr) > 34,2 %  б) ω (Cr) < 34,2% в) ω (Cr) = 34,2 %

Третий вариант: Смесь состоит из свинца и оксида свинца (IV).

а) Pb + 2 HClPbCl2 + H2

б) PbO2 + 4HCl Cl2 + PbCl2+ 2H2O

в) Pb + PbO2 + 4 HCl PbCl2+ 2 H2O

Найдем массовую долю металла для каждого из случаев:

Пусть количество Pb эквимолярно количеству PbO2, тогда:

ω Pb=  = 0,464 (или 46,4%)

Делаем вывод, что если массовая доля металла в смеси больше, чем 46,4%, то выделяется газ А (H2). Если массовая доля металла меньше 46,4%, то выделяется газ Б (Cl2). Если же массовая доля металла равна 46,4 %, значит газ не выделяется.

Ответ: металл – Pb. а) ω (Pb) > 46,4 %  б) ω (Pb) < 46,4% в) ω (Pb) = 46,4 %

 

5. Исходя только из неорганических веществ и используя только полученные органические соединения предложите метод получения в лаборатории орто-бромтолуола без примеси пара-изомера. Напишите уравнения реакций с указанием условий их проведения.

Ответ:

Для получения орто-бромбензола без примеси пара-изомера необходимо сначала провести реакцию сульфирования толуола в условиях термодинамического контроля при высокой (100 – 120 оС) температуре. При этом образуется только пара-толуолсульфокислота. После ее бромирования удаляется сульфо-группа при нагревании с водой в кислой среде:

6. Какие два вещества и при каких условиях вступили в химические реакции, если в результате были получены следующие продукты?

Напишите уравнения этих химических реакций с указанием условий их проведения.

 

Ответ.

7. Для полного восстановления 0,372 моль транс-изомера органического соединения, содержащего одну двойную связь между атомами углерода, потребовалось 25,0 л (н.у.) водорода. В результате был получен спирт, содержащий 35,55 масс.% кислорода. Определите строение исходного органического соединения. Рассчитайте массу серебра, которая выделяется при взаимодействии 0,372 моль рассматриваемого транс изомера с аммиачным растворов оксида серебра. Напишите уравнения всех упомянутых реакций.

Решение. (Линник А.В., г. Полоцк, Республика Беларусь)

Найдем химическое количество водорода

Определим соотношение между химическим количеством водорода и неизвестного соединения

Следовательно, на взаимодействие с одной молекулой транс-изомера расходуется 3 молекулы водорода. Одна молекула присоединяется с связи С=С, а остальные две должны восстанавливать некоторую группу с образованием спиртовой. Определим формулу спирта.

Формула спирта – С4Н10О2.

В этой молекуле будет две спиртовые группы, тогда восстановлению подвергались альдегидные. На восстановление одной альдегидной группы с образованием гидроксильной группы расходуется одна молекула водорода. Следовательно, в исходном соединении должно присутствовать две карбонильные группы. Исходное неизвестное соединение – фумаровый диальдегид или транс-бутендиаль. Его структурная формула

Уравнение реакции восстановления бутендиаля

Определим массу серебра. При окислении альдегидной группы образуется карбоксильная группа. Продуктом реакции будет фумаровая кислота

(ОНС-СН=СН-СНО + 4 [Ag(NH3)2]OH = 4 Ag + 6 NH3 + NH4COO-CH=CH-COONH4 + 2 H2O)

 

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

Ответ:

 

9. 672 мл (н.у.) неизвестного ядовитого газа поглотили избытком известковой воды. При этом выпало 5,94 г осадка. При обработке этого осадка избытком 10,0 масс. % раствора хлороводородной кислоты произошло его частичное растворение и выделилось 672 мл (н.у.) газа, плотность которого при н.у. равна 2,86 г/л. Если нерастворившуюся часть осадка обработать концентрированным раствором серной кислоты, выделяется вещество, сжижающееся при 19,5 оС и имеющее плотность в жидком состоянии ~1,0 г/мл. Установите формулу неизвестного газа и напишите уравнения всех упомянутых реакций.

 

Решение. Неизвестный газ – фтористый тионил SOF2. Взаимодействие с известковой водой:

SOF2 + 2 Сa(OH)2 = CaSO3↓ + CaF2↓ + 2 H2O.

0,672/22,4=0,03 моль газа дают 0,03 моль CaSO3 (3,60 г) и 0,03 моль CaF2 (2,34 г). При действии разбавленного (10 %) раствора НСl происходит растворение сульфита кальция, а его фторид не растворяется: CaSO3 + 2 НСl = CaCl2 + SO2↑ + H2O. Т.е. выделяется те же 672  мл (н.у.) сернистого газа. При действии на не растворившийся в HCl фторид кальция концентрированной серной кислотой выделяется газообразный фтористый водород – газ, сжижающийся при температуре 19,5 оС:
                                                   CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2 HF↑.  

 

10. В результате нейтрализации 100 мл водного раствора едкого натра равным объемом раствора хлороводородной кислоты той же молярной концентрации температура раствора увеличилась на 2,66 градуса. Привлекая необходимые справочные данные, оцените температуру замерзания полученного раствора.

Решение.

Для экзотермической реакции NaOH +HCl = NaCl +H2O  Q=55,9 кДж/моль.

Количество теплоты Q = ∆t ср mраствора , где ср– удельная теплоемкость раствора.

В первом приближении принимаем плотность равной единице, а теплоемкость

qH2O=4183 Дж/кгК

Q = 2,66  4183 0,2 = 2225,35 Дж

n(раствора) = 0,04 моль (2225,35/55900)

C(NaCl) = 0,04 моль / 0,2 л = 0,2 моль/л.

Понижение температуры замерзания ∆tзам  прямо пропорционально моляльной концентрации Сm  раствора ∆tзам = К Сm  (K – криоскопическая константа; для воды К=1,86). Для диссоциирующих в растворе электролитов необходимо увеличение числа частиц в растворе за счет процесса электролитической диссоциации. Этот учет проводится с использованием изотонического коэффициента Вант-Гоффа. Для разбавленных растворов I-I электролитов его можно принять равным двум – т.е. концентрацию раствора необходимо удвоить (Аркадьев К.А. Лицей БГУ, г. Минск). В результате ∆tзам = 1,86 0,4 = 0,74 и температура замерзания раствора окажется равной tзам. = 0 – 0,74 = - 0,74 .

Примечание. На самом деле в данном расчете необходимо использовать не молярную, а моляльную концентрацию (она чуть больше молярной), а изотонический коэффициент 0,2 М раствора NaCl немного меньше двух. Увеличение одной и уменьшение другой величины при их умножении приведет к тому, что конечный результат – температура замерзания ненамного будут отличаться от рассчитанной величины (- 0,74 ).