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

ОТВЕТЫ

ХVIII Российской дистанционной олимпиады школьников по химии-2018

(XVI Международной дистанционной олимпиады школьников

«Интер-Химик-Юниор-2018»)

При составлении ответов использовались работы участников олимпиады

1. Установите, какие два вещества прореагировали и напишите уравнения химических реакций, в результате которых образуются следующие продукты (указаны без коэффициентов):

А) ? + ? → HPO3 + N2O5.

Б) ? + ? →  CaCl2 + HCl + S↓ .

В) ? + ? → NO↑ + Fe(NO3)3 + H2O + S↓.

Г) ? + ? → H2S↑ + NaNO3 + Ag2S↓.

Д) ? + ? → NO2↑ + Cu3(PO4)2.

Ответ:

А) Р2О5 + 4 HNO3 = 2 HPO3 + N2O5

Б) Са(HS)2 + 2 Cl2 →  CaCl2 + 2 HCl + 2 S↓ .

В) FeS + 4 HNO3(разб.)NO↑ + Fe(NO3)3 + 2 H2O + S↓.

Г) 2 AgNO3 + 2 NaHSH2S↑ + NaNO3 + Ag2S↓.

Д) Cu3P2 + 8 N2O5 → 16 NO2↑ + Cu3(PO4)2.

 

2. В 280 мл 20,0 мас.% раствора ортофосфорной кислоты (ρ=1,116 г/мл) растворили 32,5 л (н.у.) аммиака. Определите состав полученного после протекания всех химических реакций и массовые доли растворенных веществ в этом растворе.

Решение. Масса исходного раствора равна 280·1,116=312,5 г. Масса кислоты m(H3РО4)=62,50 г; n(H3РО4)=0,638 моль. Масса растворенного аммиака равна 17·32,5/22,4=24,7 г. n(NH3)=1,45 моль – в избытке. Протекающие реакции:

1. H3РО4 + NH3 = NH4H2PO4; 2. NH4H2PO4 + NH3 = (NH4)2HPO4; 3. (NH4)2HPO4 + NH3 = (NH4)3PO4;

В результате реакции (1) израсходуется 0,638 моль аммиака. Останется 0,812 моль NH3. Этого количества достаточно для протекания реакции (2), в результате которого останется 0,174 моль NH3. Этот аммиак прореагирует с 0,174 моль (NH4)2HPO4 с образованием (NH4)3PO4.

В результате получается 0,464 моль (NH4)2HPO4 и 0,174 моль (NH4)3PO4. Масса конечного раствора равна 312,5+24,7=337,2 г. Массовая доля (NH4)2HPO4 равна 0,464·132/337,2=0,182 или 18,2 %. Массовая доля (NH4)3PO4 равна 0,174·149/337,2=0,0769 или 7,69 %.

 

3. Моносилан кипит при температуре 161 К. Его хлорпроизводные кипят при температурах 331, 305, 282 и 243 К. Температуры кипения трех бромпроизводных силана равны: 343, 381 и 426 К. Температура кипения SiH3Br точно не определена. Оцените температуру кипения SiH3Br.

Решение. Для определения неизвестной температуры кипения SiH3Br лучше всего воспользоваться методом сравнительного расчета, предложенным в середине прошлого века профессором МХТИ им. Д.И. Менделеева Михаилом Карапетьянцем. Зависимость температуры кипения бромпроизводных от хлорпроизводных силана (см. рисунок) описывается уравнением у=1,5412х–87,858. Подставив в это уравнение tкип. SiH3Cl=243 K, получаем tкип.(SiH3Br)=286,6 K.

 

4. В сосуде для измерения электропроводности (ЭП) 1,0 молярным раствором КОН провели нейтрализацию 20 мл смеси уксусной и соляной кислот. По полученным экспериментальным значениям ЭП построили график y=f(x), где у – удельная ЭП, х – объем щелочи (мл). Полученные точки укладываются на три пересекающиеся прямые (см. рисунок). Определите молярные концентрации кислот в исходной смеси.

Решение. Соотношение между объемами (V) и молярностями (М) реагирующих в нашем случае веществ: VКОНMКОН=VкислотыMкислоты. Титруется сначала НС1, потом СН3СООН (НАс).

По точкам пересечения находим объем щелочи, пошедший на титрование HCl: y1=y2.

9-х1=1/4(15-х1). х1=7 мл. Концентрация НС1 равна MHCl=VКОНMКОН/VHCl= 7·1/20=0,35 моль/л.

Вторая точка пересечения соответствует объему КОН, израсходованному на титрование вух кислот: y2=y3. 1/4(15-х2)=1/3(4х2-40,5). х2=9 мл. На титрование НАс пошло 9-7=2 мл 1 М КОН. Концентрация НАс равна: MHАсl=VКОНMКОН/VHАс= 2·1/20=0,1 моль/л.

 

5. Используя только воздух и воду, предложите способ получения гидразина. Любая аппаратура и катализаторы в Вашем распоряжении.

Решение. Для получения аммиака можно использовать метод Байера:

2 NH3 + H2O2N2H4 + 2H2O.

Для получения аммиака азот отделяется от кислорода фракционной перегонкой жидкого воздуха, а водород получается электролизом воды. Синтез аммиака проводится при повышенных давлении и температуре в присутствии катализатора:

N2 + 3 H2  → 2 NH3 .

H2O2 получается окислением водорода кислородом воздуха в растворе С6Н6. В качестве катализатора используются алкилпроизводные антрахинона. Этот метод разработан компанией BASF в 30-х годах прошлого века и в середине XX века вытеснил персульфатный процесс синтеза пероксида водорода.

 

6. В результате взаимодействия 17,2 г смеси металла и его оксида с водой получилось 22,4 г гидроксида. Определите массовые доли металла и его оксида в исходной смеси.

Решение. С водой взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы и их оксиды:

2 Me + 2 H2O = 2 MeOH + H2 ; Мe2O + H2O = 2 MeOH;

Me + 2 H2O = Me(OH)2 + H2 ; МeO + H2O = Me(OH)2.;

Для данного металла максимальное количество гидроксида получается при взаимодействии 17,2 г металла с водой, а минимальное – при взаимодействии 17,2 г оксида с водой.

При взаимодействии 17,2 г лития, например, получается 59,0 г гидроксида, а 17,2 г оксида лития – 27,52 г гидроксида. Литий не удовлетворяет условию задачи. Проверяя, таким образом, другие металлы, находим, что условию задачи отвечают натрий, калий и стронций.

Проведем расчет для калия. Обозначив за х содержание металла можно записать

56/39 x + 112/94(17,2 – x)=22,4.

Решая уравнение, получаем х=7,8 г (калий), 17,2– х=9,4 г (оксид калия).

Решая аналогичным образом задачу для натрия и стронция получаем в результате:

Металл

Натрий

Калий

Стронций

Содержание металла

2,67 %

45,35 %

60,58 %

Содержание оксидп

97,33 %

54,65 %

39,42 %

 

7. Установите какие два вещества прореагировали и напишите уравнения химических реакций, в результате которых образуются следующие продукты (указаны без коэффициентов):

А) ? + ? → C2H5-C(O)-CH3 (метилэтилкетон).

Б) ? + ? → С6Н5СН2-ОН + С6Н5СООК.

В) ? + ? → С2Н5-С(О)-СН3 + (СН3)2СНСООК + MnO2 + KOH + H2O.

 Г) ? + ? СН3-C≡C-CH3 + KBr + H2O.

Д) ? + ?С6Н5СOOK + CO2 + MnO2 + KOH + H2O.

Ответ:

А) СН3-C≡C-CH3 + H2O C2H5-C(O)-CH3

Б) 2 С6Н5СHO + KOHконц. = С6Н5СН2-ОН + С6Н5СООК.

В) С2Н5-С(СН3)=СН(СН3)+2 KMnO42Н5-С(О)-СН3 + (СН3)2СНСООК + 2 MnO2 + KOH +H2O.

Г) СН3-C(Br)2-CH2-CH3 + 2 KOH СН3-CC-CH3 + 2 KBr + H2O.

Д) 3 С6Н5-C2H5 + 10 KMnO4 = 3 С6Н5СOOK + 3 CO2 + 10 MnO2 + 7 KOH + H2O.

 

 8. Используя только неорганические вещества и полученные из них органические промежуточные соединения, предложите два способа получения мета-метоксибензойной кислоты. Любая аппаратура и катализаторы в Вашем распоряжении.

Ответ. Ниже приведена схема получения мета-метоксибензойной кислоты.

Возможны также и другие варианты получения требуемого соединения.

 

9. Соединение Х используется в промышленности для дезинфекции воды. В реакционный сосуд емкостью 268,8 л поместили три газа (при н.у.) с резким запахом в мольном соотношении 1:1:4, которые прореагировали с образованием 381 г вещества Х, которое не имеет запаха. Известно, что в результате взаимодействия вещества Х с РCl5 образуются три продукта реакции с массовой долей хлора 67,10; 69,38 и 97,26 %. Установите формулу вещества Х и напишите уравнения всех протекающих реакций.

 Решение. 268,8 л (н.у.) – 12 моль газов. Значит 2 моль одного, 8 моль другого и 2 моль третьего взято газов. Предположим, что получилось 2 моль вещества Х. Тогда его молярная масса составит 190,5 г/моль. Поскольку пять десятых – значит в состав Х входит хлор (М=35,5 г/моль). Реакция с PCl5:             Х + PCl5 = POCl3 + HCl + [P(CH2Cl)4]Cl.

По массовым долям хлора определяем вещества: POCl3 (69,38%); HCl (97,26 %) и [P(CH2Cl)4]Cl с массовой долей хлора 67,10 % Cl. Если вещество Х содержит один атом хлора, значит остаток атомной массы (без хлора) равен 190,5-35,5=87,0 г/моль. Органический газ с резким запахом – формальдегид. При соединении 1 моль HCl, 4 моль НСНО и 1 моль неизвестного газа Y получается YC4H9O4Cl. Молярная масса газа Y равна: 190,5 – 48 – 9 – 64 – 35,5 = 34 г/моль. Газ Y PH3 .

Ответ: Три газа с резким запахом НСНО, РС13, НС1. Соединение Х – [P(CH2OH)4]+Cl – тетракис(гидроксиметил)хлорид фосфония. Уравнение реакции:

HCl + 4 HCHO + PH3 = [P(CH2OH)4]+Cl.

 

10. Реакция Дильса-Альдера широко используется в органической химии для получения новых соединений. Непредельный фторсодержащий углеводород А и другой органический газ Б, плотность которого по А равна 0,52 в мольном соотношении 1:1 прореагировали на свету с образованием двух изомерных жидких веществ В и Г. Один из полученных изомеров В взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра и дает осадок с массовой долей углерода 27,8 % и массовой долей серебра 41,7 %. При мягком гидрировании двух изомеров В и Г получается одно и то же соединение Д с массовой долей углерода 46,15 %. Определите вещества А, Б, В, Г, Д и напишите уравнения всех протекающих химических реакций.

Ответ: Фторсодержащий углеводород СF2=CF2. Органический газ СН2=СН≡СН. Плотность D=52:100=0,52. Продукт реакции c серебром С4H2F4-CCAg. M=259. %(Ag)=108/259=41,7. Массовая доля углерода – 72:259=27,8 %. При гидрировании получается С4H2F4-CН2-СН3. Массовая доля углерода 72:156=46,15 %.

Ответ:

А

Б

В

Г

Д

СF2=CF2

СН2=СН-С≡СН

Реакция Дильса-Альдера:

СН2=СН-С≡СН +  СF2=CF2