Олимпиады по химии 11 класс

1. Некоторый алкан А, относительная плотность которого по воздуху не превышает 3, подвергли хлорированию. При этом получили смесь только двух монохлорпроизводных Б₁ и Б₂, которые после обработки спиртовым раствором гидроксида калия дают смесь органических веществ В₁ и В₂. Известно, что при кислотно-катализируемой гидратации как смеси В₁ и В_2, так и индивидуальных веществ В₁ или В₂, образуется единственный продукт Г, массовая доля кислорода в котором составляет 21,6%.

            1. Определите молекулярную формулу алкана А (приведите необходимые расчеты и рассуждения).

            2. Изобразите структурные формулы соединений А, Б₁, Б₂, В₁, В₂ и Г. Приведите их названия по номенклатуре IUPAC.

            3. Какие из упомянутых в условии задачи веществ способны существовать в виде

а) геометрических; б) оптических изомеров?

            4. Напишите уравнение реакций соединения Г со следующими веществами (с указанием всех продуктов и стехиометрических коэффициентов; для записи органических веществ используйте структурные формулы): а) бромоводородом; б) концентрированной серной кислотой при комнатной температуре; в) уксусной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании.

2. Как известно, первый случай использования химического оружия был зарегистрирован 22 апреля 1915 под бельгийским городом Ипр, где германские войска для атаки на окопы противника использовали облако газообразного хлора. Первые средства химической защиты от смертоносного газа не заставили себя ждать долго, и вскоре у солдат появились маски, пропитанные раствором тиосульфата натрия, который и теперь в быту еще часто называют «антихлор». Однако никто из организаторов производства таких масок в то время не удосужился до конца разобраться в химической сути процесса нейтрализации хлора тиосульфатом. Такая маска защищала от самого хлора, но все равно приводила к тяжелым последствиям для организма человека. Ошибка была устранена русскими химиками Н. А. Шиловым и А. М. Беркенгеймом. Они предложили вводить в состав пропитки для масок обыкновенную кристаллическую соду. Маска, пропитанная раствором смеси соды и тиосульфата натрия, полностью защищала человека от отравления.

            1. А Вы знаете, что такое тиосульфат натрия? Приведите его молекулярную и структурную формулу и предложите способ получения.

            2. Как Вы думаете, что становилось причиной тяжелых последствий для человеческого организма в случае применения маски, пропитанной только раствором тиосульфата натрия. Напишите уравнения реакций хлора с раствором тиосульфата натрия в случае избытка и недостатка хлора.

            3. А реагирует ли хлор с раствором чистой соды? Можно ли маской, пропитанной таким раствором, успешно защититься от хлора? Аргументируйте свой ответ.

            4. Объясните, с чем именно связана необходимость добавления соды в раствор для пропитки масок. Рассчитайте, какое минимальное количество соды необходимо добавить к 100 г 1 %-ого раствора тиосульфата натрия для предотвращения тяжелых последствий.

            5. Известно, что тиосульфат натрия довольно активен химически. Напишите уравнения реакций его водного раствора с кислородом, йодом, хлоридом серебра.

3. Термитная смесь (термит) – порошкообразная смесь алюминия с оксидами различных металлов (обычно железа). При воспламенении горит с выделением большого количества тепла (температура горения 2300-2700 °С) и применяется для сварки рельсов и при отливке крупных деталей. Ещё эту реакцию используют в промышленности для получения ряда металлов из их оксидов. Стандартные теплоты образования некоторых оксидов металлов приведены в таблице:

1. Как называется этот метод получения металлов? В реакции какого из перечисленных в таблице оксидов с алюминием выделяется наибольшее количество тепла (сколько именно) в расчете на моль взятого алюминия? А есть ли в таблице такие оксиды, которые реагировали бы с алюминием с поглощением тепла (не важно, можно ли провести эти реакции на самом деле)?

2. Оцените минимальные массы навесок Al и Fe₂O₃, которые нужно взять для приготовления железного термита, чтобы выделившегося тепла хватило для плавления 1 кг железного рельса. Теплота плавления железа 13,8 кДж/моль, можно принять, что все тепло, выделяющееся в реакции, тратится только на плавление рельса.

3. А теперь решите задачу более точно, учитывая, что рельс еще нужно нагреть до температуры плавления (1539 °С), стартуя от комнатной температуры(20 °С). Средняя теплоемкость железа на этом интервале температур составляет 35,77 Дж/(моль*К).

1. Прилагательное кальцинированный может встречаться в различных словосочетаниях, например, кальцинированная сода, кальцинированная солома. Какое вещество и почему называется кальцинированной содой? Как и с какой целью кальцинируют солому? Какие другие примеры кальцинирования Вам известны? Если эти процессы сопровождаются химическими превращениями, напишите соответствующие уравнения.  Объясните, существует ли, на Ваш взгляд, взаимосвязь между прилагательным кальцинированный и названием известного химического элемента. Предположите, какая может быть связь между названием этого элемента и словом калькулятор.

Решение:

Кальцинированной содой называется безводный карбонат натрия Na2CO3. Кальцинированной она называется потому, что получают ее прокаливанием (кальцинированием) гидрокарбоната натрия NaHCO3 или кристаллогидрата карбоната натрия, например, Na2CO3·10H2O . Кальцинирование соломы (и других грубых кормов) проводят путем обработки этих кормов известью с целью повышения ее переваримости и питательности. Жёсткость соломы, снижающая её поедаемость и затрудняющая ее переваримость, обусловлена тем, что в растении, по мере роста и развития, клетчатка пропитывается лигнином — веществом, придающим соломе прочность и свойства древесины. В основу кальцинирования соломы положено свойство щелочей нарушать связи лигнина с клетчаткой. Солому, обработанную известковым раствором, скармливают крупному рогатому скоту и овцам в сочетании с силосом и концентратами. Кальцинирование — прокаливание, обжиг. Примеры кальцинирования гипса:

            CaSO4·2H2O  CaSO4·0,5H2O + 1,5H2O

            витерита (карбоната бария):

            BaCO3  BaO + CO2

Безусловно, связь есть. Кальцинированный — пережженный, кальцинировать — пережигать (Даль В. Толковый словарь живого великорусского языка. Алхимики кальцинацией называли сам процесс обжига. При обжиге известняка — горной породы, сложенной кальцитом CaCO3, образуется известь, по-латински — calx, это слово послужило основой названия химического элемента № 20 — кальция. Впервые кальций получил из извести в 1808 году Г. Дэви, он же дал название новому элементу.

Римляне словом calx (род. падеж calcis) называли все мягкие камни. Со временем это название закрепилось только за известняком (недаром мел по-английски — chalk). Кальций — родственник калькулятору: у римлян calculus (уменьшительное от calx) — мелкий камешек, галька. Такие камешки использовали для простых расчётов с помощью доски с прорезями — абака, предка русских счётов. Все эти слова оставили след в европейских языках. Так, по-английски calx — окалина, зола, а также известь; calcimine — известковый раствор для побелки; calcination — прокаливание, обжиг; calculus — камень в почках, мочевом пузыре, а также исчисление (дифференциальное и интегральное) в высшей математике; calculate — вычислять, рассчитывать. В современном итальянском языке, который ближе всех к латинскому, calcolo — это и вычисление, и камень.

2. Два юных химика-астронавта поспорили, где лучше провести каникулы. Один из них хочет полететь на планету ИКС. В качестве источника энергии на поверхности планеты он предлагает использовать кислородную горелку, а образующуюся при ее работе воду пить и применять для других целей. Второй юный исследователь предложил провести каникулы на планете ИГРЕК, а в качестве источника энергии использовать пропановую горелку и аналогично утилизировать образующуюся воду. Космическая транспортная компания готова доставить необходимое количество газов на любую из планет, причем, стоимость доставки 1 кг кислорода на ИКС и 1 кг пропана на ИГРЕК одинакова. Представьте, что планы ребят осуществимы, постарайтесь обоснованно ответить, на какой планете и во сколько раз будет дороже: вскипятить чайник на газовой горелке (считайте чайник и объем нагреваемой воды в каждом случае одинаковыми); получить 1 л жидкой воды конденсацией водяного пара, образующегося при работе горелки?  Для расчетов Вам может потребоваться дополнительная информация. Общая информация о планетах. Название планеты, g, м/с2,состав атмосферы в процентах по объему, атмосферное давление на поверхности планеты, кПа   температура атмосферы в предполагаемом месте проведения каникул, °С

N2       CH4    O2       Ar

ИКС    9,8      5          76       0          19       101     25

ИГРЕК           9,8      78       0          21       1          101     25

Теплоты сгорания некоторых газов в стандартных условиях, название газа    

метан CH4    882

пропан           C3H8  2202

Решение:

Расчет количества теплоты, выделяющейся при работе газовых горелокCH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 кДж         C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O + 2202 кДж

На 1 кг кислорода: Qx = 1000/(3,2·2)·882 ≈ 13800 кДж         На 1 кг пропана: Qy = 1000/44·2202 ≈ 50000 кДж

Qy / Qx = 50000 / 13800 = ≈ 3,6

Таким образом, нагреть определенный объем воды до кипения (вскипятить чайник) дешевле на планете ИГРЕК в 3,6 раза.

Расчет количества воды.

На 1 кг кислорода:

nx(H2O) = nx(O2) = 1000 / 32 ≈ 31,3

На 1 кг пропана:

 ny(H2O) = 4ny(C3H8) = 4·1000 / 44 ≈ 90,9

Таким образом, вода, полученная конденсацией пара от работающих горелок, будет дешевле на планете ИГРЕК в 2,9 раза.

3. «Открытие на мусорной куче». В 1862 г. известный немецкий химик Фридрих Велер попытался получить некоторый металл спеканием его оксида с углем. В результате была получена серая масса, которая, по мнению Велера, ни на что не была пригодна. Ученый выбросил ее на мусорную свалку. Каково же было его удивление, когда под дождем из мусорной кучи начал выделяться газ, сгорающий коптящим пламенем. Об открытии какого газа идет речь в условии задачи? Напишите уравнения реакций, описанных в условии. Какими способами получают этот газ в промышленности? Какие вещества синтезируют из газа, «открытого на мусорной куче»? Приведите не более 5 примеров.

Решение:

Речь идет об открытии ацетилена C2H2.

CaO + 3C  CaC2 + CO↑

      CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2↑

      2C2H2+ 5O2 = 4CO2 + 2H2O

В настоящее время в промышленности ацетилен получают термоокислительным     крекингом, электрокрекингом (при 1500 °С):

    2CH4 = C2H2 + 3H2

Пиролиз этана и этилена.

4. Расшифруйте следующие превращения и запишите соответствующие уравнения химических реакций (буквами зашифрованы знаки химических элементов, коэффициенты не указаны):

            E2 + G2 → EG

            EG + G2 → EG2

EG + EG2 → E2G3

            E2G3 + L2G → LEG2

            LEG2 + G2 → LEG3

            LEG3 → EG2 + G2 + L2G

            EG2 + M → E2 + MG2

            E2 + L2 → EL3

            EL3 + L2G2 → E2L4 + L2G

            E2L4 + G2 → E2 + L2G

Решение:

E — азот, G — кислород, L — водород, M — сера или углерод

            N2 + O2 = 2NO

            2NO + O2 = 2NO2

            NO + NO2 = N2O3

            N2O3 + H2O = 2HNO2

            2HNO2 + O2 = 2HNO3

            4HNO3 = 4NO2 + O2 + 2H2O

            2NO2 + 2S = N2 + 2SO2

            N2 + 3H2 = 2NH3

            2NH3 + H2O2 = N2H4 + 2H2O

            N2H4 + O2 = N2 + 2H2O

5. В автомобильных подушках безопасности применяют специальные пиропатроны — газогенераторы. При ударе датчики посылают электрический импульс, под действием которого очень быстро протекает реакция, сопровождающаяся выделением большого количества газа, и подушка надувается. Часто основным компонентом таких смесей является вещество АБ3, которое реагирует с В2Г3, при этом выделяется газ Б2, плотность которого по водороду равна 14. При этом масса выделившегося газа достигает 45,8 % от массы АБ3 и В2Г3, смешанных в стехиометрическом отношении. Экологи обеспокоены тем, что токсичное вещество АБ3 может легко попасть в окружающую среду, когда старый автомобиль с неиспользованным пиропатроном оказывается на свалке. Кроме того, АБ3 взаимодействует с водой, в результате чего выделяется летучее ядовитое вещество (молярная масса 43 г/моль), а в полученном растворе можно обнаружить гидроксид натрия. Определите химические элементы А, Б, В и Г. Напишите уравнение реакции между АБ3 и В2Г3. Какие твердые пылевидные частицы могут попасть в салон автомобиля при аварийном срабатывании подушки безопасности? Какое действие они могут оказать на организм человека? Напишите уравнение реакции гидролиза АБ3. Изменится ли потенциальная опасность для окружающей среды при попадании на свалку уже отработанного пиропатрона? Ответ обоснуйте.

Решение:

Б2 — азот (N2), следовательно, элемент Б — N.

При взаимодействии вещества АБ3 с водой выделяется азидоводород HN3 (молярная масса 43 г/моль). Так как при гидролизе АБ3 образуется NaOH, элемент А — натрий.

 Эквивалентная молярная масса вещества В2Г3 равна

 28·1,5 / 0,458 – 65 = 26,7,

что соответствует оксиду железа (III): 26,7·6 ≈ 160 г/моль. Таким образом, элементы В и Г — железо и кислород.

6NaN3 + Fe2O3 = 3Na2O + 2Fe + 9N2

При срабатывании подушки безопасности вместе с азотом в салон автомобиля могут попасть пылевидные частицы железа и оксида натрия, которые вызывают раздражение кожи, слизистых оболочек дыхательных путей и глаз.

NaN3 + H2O = NaOH + HN3.