ChemNet
 

59-я Московская олимпиада школьников по химии

Задачи теоретического тура (11 класс)

Условия задач

Берем перо, легко наносим знаки
На белый лист уверенной рукой.
Они просты. Понять их может всякий,
Есть сумма правил для игры такой:

Стихотворение "Буквы" из "Игры в Бисер" Г. Гессе

  1. Соединение А состава C3H8NO2Cl, выделенное из организма животного, обладает оптической активностью. При взаимодействии 1,000 г вещества А с раствором 0,3188 г NaOH образуется соединение B не содержащее хлора и натрия. Реакция А с избытком NaOH приводит к образованию вещества С состава С3H6NO2Na. Определите вещества A, В и C. Приведите тривиальное и номенклатурное название вещества B. С чем связана оптическая активность вещества А? Изобразите его пространственное строение.
  2. Белое твердое вещество A растворяется в воде с образованием кислого раствора. При взаимодействии A с концентрированной H2SO4 происходит выделение газа с молярной массой 20 г/моль, содержащего элемент X. Определите вещество A, если известно, что массовая доля элемента X в нем равна 48,7%. Почему раствор А в воде имеет кислую реакцию?
  3. На нейтрализацию водного раствора, образовавшегося при гидролизе 1,000 г некоторого ангидрида X, было израсходовано 22,73 мл одномолярного раствора NaOH. Определите строение органического соединения X и предложите метод его получения из неорганических веществ.
  4. Газ А реагирует с газом B в соотношении 1:2 с образованием белого кристаллического вещества С. При растворении С в воде образуется вещество D. Взаимодействие раствора 1,00 г D с избытком водного раствора BaCl2 приводит к выпадению 2,05 г белого осадка Е, который при действии HCl растворяется с выделением газа А. Определите вещества А, В, С, D и Е.
  5. Расшифруйте схему превращений органических веществ, если известно, что в каждом из соединений A, D, E и F атомы водорода не различимы. Приведите тривиальные названия веществ A, B, C, D, E и F.
  6. Неорганические вещества А и B реагируют в соотношении 1:1 с образованием в качестве единственного продукта вещества С имеющего молярную массу 100 г/моль. При реакции 1 моль С с 3 моль NaOH образуется 2 моль H2O и эквимолярная смесь двух солей D и E, молярные массы которых отличаются на 100 г/моль. Определите вещества А, B и C. Ответ подтвердите расчетом.

Краткие ответы

  1. A = Гидрохлорид аланина
    В = Аланин (по номенклатуре, например: a-аминопропионовая кислота)
    С = Натриевая соль аланина
    Оптическая активность возникает вследствие наличия асимметрического атома углерода. Природный изомер - L (S).
  2. Элемент X = F
    Вещество A = KHF2
    Раствор имеет кислую реакцию вследствие гидролиза аниона HF2-.
  3. X = HC(O)O(O)CCH3 смешанный ангидрид муравьиной и уксусной кислоты
    Синтез может быть любым разумным.
  4. А = CO2
    B = NH3
    С = NH2COONH4
    D = (NH4)2CO3
    Е = BaCO3
  5. A = ацетон
    B = пинакол
    C = пинаколин
    D = ацетат натрия
    E = пивалоат натрия (натриевая соль триметилуксусной кислоты)
    F = иодоформ
  6. A и В = SO3 и HF
    C = HSO3F
    D и E = Na2SO4 и NaF

Решения

":Все видно насквозь.
Для тех, кому не видно..."

А.А. Зайцев

"...I didn't say it would be easy.
I just said it would be the truth:"

Morpheus, The Matrix


  1. Обратим внимание на реакцию А с избытком NaOH. Полученное в ней вещество С содержит натрий. Наиболее простой вариант - это натриевая соль карбоновой кислоты, общей формулы R-COONa. Вычтем из молекулярной формулы С формулу остатка натриевой соли кислоты COONa и получим R=C2H6N. Перебирая возможные варианты структур, находим единственный, в котором есть асимметрический атом углерода (отмечен звездочкой) - условие оптической активности соединения. Итак, С - это натриевая соль аланина, а A (из молекулярной формулы) - гидрохлорид аланина. Поскольку B не содержит ни натрия ни хлора, то это сам аланин (это можно также получить из расчета). Аланин выделенный из любого животного может быть только L-конфигурации (бактерии которые иногда содержат D-аминокислоты за животных не считаются).

  2. Газ с молярной массой 20 г/моль существует только один - это HF (можно, конечно, предложить еще NHD2, но это слишком хитро). Итак, A - некий фторид (предположительно металла, так как он твердый). Пусть А имеет формулу вида MxFy, тогда молярная масса металла равна:
    M(M) = (y.M(F)/ω(F) - y.M(F))/x. Перебором целых чисел x и y находим единственное решение M=Ca. Однако, CaF2 не растворим в воде. Дело в том, что фтор образует еще один класс солей - гидрофториды - соли с анионом HF2-, который за счет гидролиза в воде образует кислую реакцию раствора. Учитывая этот анион, решение - KHF2 (M(Ca)=M(K)+M(H)).
  3. Предположим, что Х - ангидрид карбоновой кислоты (другие предположения для большинства школьников не естественны). Общее уравнение гидролиза ангидридов карбоновых кислот:
    R-COOOC-R' + 2NaOH = R-COONa + R'-COONa + H2O
    Отметим, что в большинстве случаев (в школьной программе и на практике) R=R', но это не обязательно. Из уравнения найдем молярную массу Х:
    M(X)=(1,000/0,02273)*2=88 г/моль.
    После вычитания молярной массы фрагмента COOOC остается:
    M(R+R')=16, что может соответствовать только R=H и R'=CH3. Таким образом, X - смешанный ангидрид муравьиной и уксусной кислоты. Один из  кратчайших синтезов такой:
    CaC2 + H2O = C2H2
    C2H2 + H3O+ + (HgSO4) = CH3CHO
    CH3CHO + KMnO4 = CH3COOH
    CH3COOH + SOCl2 = CH3COCl
    CH3COCl + HCOONa = HC(O)O(O)CCH3
  4. Белый осадок Е, растворяющийся с выделением газа - скорее всего карбонат бария. Рассчитаем отсюда молярную массу D:
    M(D)=(1,00/2,05)*M(BaCO3)=96 г/моль.
    Вероятно, что D - также некий карбонат (общая формула MCO3 или M2CO3), а реакция приводящая к выпадению осадка - реакция обмена. Найдем молярную массу M:
    M(M)=96-12-3*16=36 (для формулы MCO3) или M(M)=(96-12-3*16)/2=18 (для формулы M2CO3). При M(M)=18, M = NH4+ (это можно также заключить из того, что вещество D получается из взаимодействия двух газов и воды, поэтому оно вряд ли содержит металл. Один из наиболее распространенных, не содержащих металл катионов, это NH4+). Очевидно, что если D = (NH4)2CO3, то A и B - CO2 и NH3 соответственно. Вещество C можно попытаться отгадать из его состава - CH6N2O2. По аналогии с амидами карбоновых кислот, можно предложить формулу H2NCOONH4 - карбамат аммония.
  5. Реакция с I2/NaOH используется в органической химии практически только как качественная - иодоформная реакция, отсюда F=CHI3 (он образуется в обеих реакциях). В результате этой реакции образуются натриевые соли карбоновых кислоты. При условии эквивалентности всех атомов водорода вещества А и D могут быть только ацетоном и ацетатом натрия соответственно. Если решающему задачу не известна реакция ацетона с магнием, можно воспользоваться следующим предположением. Пусть Е - соль простейшей карбоновой кислоты, содержащей только один тип атомов водорода, но не ацетат и не формиат. Тогда это - (CH3)3CCOONa, а исходное соединение С - соответствующий метилкетон - (CH3)3CCOCH3. Образование этого кетона под действием кислоты - широко известная пинаколиновая перегруппировка. Таким образом B - это пинакол - (CH3)2C(OH)-C(OH)(CH3)2.
  6. Запишем уравнения реакции данные в задаче:
    A + B = C
    C + 3NaOH = D + E + 2H2O
    Из второго уравнения очевидно, что вещество C содержит один атом водорода. Из того, что при взаимодействии С с NaOH образуется смесь двух солей логично предположить, что С - это смешанный ангидрид двух кислот. Обозначим за x и y, части этих кислот входящие в С, тогда можно записать уравнения:
    x + y + M(H) = 100
    x + 2*M(Na) + M(O) = y + M(Na) + 100
    Второе уравнение следует из следующего соображения: при реакции C с 3 моль NaOH в продукты (D и E) переходит 3 атома Na и один атом кислорода. Из большой разницы молекулярных масс D и E логично предположить, что они разделяются следующим образом - 2 атома Na и кислород переходят в ту соль, которая тяжелее (в случае нашего уравнения - образованную остатком x), а оставшийся один Na - в другую соль. В результате решения системы уравнений получаем:
    M(x) = 80       M(y) = 19
    откуда y = F. Подбором по молекулярной массе находится и вторая часть x = SO3. Итак A и B - это HF и SO3, С = HSO3F, а D и E - NaF и Na2SO4.

 

59-я Московская олимпиада школьников по химии




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору