Школьные олимпиады по химии

LX Московская городская олимпиада школьников по химии

Городской этап              2003/2004 уч. год

Задания 10 класса

10-1    Качественный анализ минерала леонита показал присутствие в нем ионов калия, магния и сульфат-ионов. При прокаливании образца минерала массой 7,32 г его масса уменьшается на 1,44 г. Такая же навеска минерала при растворении в воде и последующем прибавлении избытка раствора хлорида бария образует 9,32 г осадка.
Определите формулу леонита.

10-2    Смесь этана, этилена и пропена имеет плотность по водороду 15,9. К 1 литру этой смеси добавили 1 литр водорода и пропустили полученную смесь над платиновым катализатором. Общий объем газов на выходе из реактора составил 1,5 л.
Рассчитайте состав исходной смеси углеводородов в процентах по объему, считая что реакция прошла количественно (все объемы измерены при н.у.).

10-3    При взаимодействии смеси двух монобромалканов с металлическим натрием получена смесь углеводородов А, Б и В (в порядке возрастания молекулярной массы). Бромированием А можно получить два изомерных монобромпроизводных с плотностью по воздуху 4,72. Бромирование В приводит к трем продуктам с плотностью по воздуху 6,66.
1. Определите структурные формулы всех упомянутых веществ.
2. Приведите уравнения реакций
3. Как Вы думаете, какой из трех продуктов бромирования углеводорода В образуется в большем количестве и почему?

10-4    Газ А получается при нагревании кусочков парафина с простым веществом Х. Газ Б образуется при взаимодействии некоторых металлов с кислотой В в присутствии паров воды. Газы А и Б реагируют друг с другом в объемном отношении 2:1, при этом получается вещество Х.
О каких веществах идет речь? Напишите уравнения упомянутых реакций.

10-5    Перед вами отрывок из книги Астрид Линдгрен "Приключения Калле Блюмквиста", в котором пропущены некоторые слова или словосочетания.

– Это обыкновенная колба, в которую я наливаю _____ и кладу несколько кусочков ___. Тут выделяется водород, так? Если теперь сюда ввести мышьяк в каком угодно виде, то получится газ _____. Отсюда газ поступает для просушивания в трубку с сухим ______, а затем вот в эту узенькую трубочку. Здесь мы подогреваем газ на спиртовке, и он распадается на _____ и _____. Причем _____ оседает на стенках трубки в виде блестящего серо-черного налета. Так называемое мышьяковое _____ – надеюсь, вы о нем слышали, мой молодой друг. Его молодой друг вообще ни о чем не слышал, но он с неослабевающим интересом следил за всеми приготовлениями. – Но не забудьте – я вовсе не утверждаю, что в шоколаде действительно есть мышьяк,– заметил Калле, когда он наконец зажег спиртовку.– Просто я для порядка делаю небольшой опыт и искренне надеюсь, что мои подозрения неосновательны.

1. Вставьте пропущенные слова
2. Напишите уравнения реакций
3. Возможно, Вы знаете как называется указанный метод обнаружения мышьяка. В каких материалах определяют мышьяк (качественно и количественно) и для чего?

10-6    Простое вещество А взаимодействует с жидкостью, состоящей из элементов Б и В. При этом выделяется газ Б₂, а из раствора можно выделить легко возгоняющееся вещество состава АВ₃, содержащее 33,33% элемента В. АВ₃ реагирует с газом Б₂, образуя при этом вещество А и другое соединение элементов Б и В.
Определите, о каких веществах идет речь. Напишите уравнения реакций.

РЕШЕНИЯ 

10-1.При прокаливании образца удаляется кристаллизационная вода.
Определим ее массу: 7,32 - 1,44 = 5,88 г.
При добавлении хлорида бария получается сульфат бария:
М = 233, n = 9,32 / 233 = 0,04 моль.
Таким образом, исходная навеска содержит 0,04 моль сульфат-ионов. Масса сульфат-ионов в навеске - 3,84 г, масса суммы металлов - 2,04 г.
Для вычисления формулы минерала составим систему уравнений:
2 n (Mg)  + n (K) = 2 n (SO₄^2-) (условие электронейтральности).
24 n (Mg) + 39 n (K) = 2,04 (масса металлов в навеске минерала).
Решая систему уравнений, получаем n (Mg) = 0,02, n (K) = 0,04.
Соотношение K : Mg : SO₄ = 2 : 1 : 2. Таким образом, формула – K₂Mg(SO₄)₂. Теперь надо найти количество кристаллизационной воды. 1,44 г воды составляет 0,08 моль - в два раза больше, чем число моль сульфата.
Следовательно, формула леонита - K₂Mg(SO₄)₂ • 4 H₂O

10-2.При пропускании смеси над платиновым катализатором происходит гидрирование этилена и пропилена, этан остается без изменений.
Пусть смесь содержит X л этана, Y л этилена и Zл пропилена.
C₂H₄ + H₂ = C₂H₆
C₃H₆ + H₂ = C₃H₈

Так как 1 объем углеводорода реагирует с 1 объемом водорода и в результате получается 1 объем, то уменьшение объема смеси (0,5 л) соответствует объему прореагировавшего водорода, а также суммарному объему этилена и пропилена в смеси.
Таким образом, Y + Z = 0,5. Так как общий объем смеси 1 литр, то X = 1 - 0,5 = 0,5.
Плотность смеси по водороду записывается следующим образом:
X • 15 + 14 Y + 21 Z = 15,9, (X, Y и Z представляют собой  объемные доли соответствующих углеводородов в смеси, так как объем смеси 1 л, а 15, 14 и 21 - это плотности по водороду этана, этилена и пропилена соответственно). Так как X = 0,5, получаем
0,5 • 15 + 14 Y + 21 Z = 15,9
14 Y + 21 Z = 8,4. Кроме того, известно, что
Y + Z = 0,5
Решение системы уравнений дает Y = 0,3, Z = 0,2.
Таким образом, исходная смесь содержит 50% этана, 30% этилена и 20% пропилена.

10-3. 1) Пусть формулы исходных веществ R¹Br и R²Br
Тогда углеводороды А, Б и В имеют формулы R¹– R¹, R¹– R², и R²– R²

Молярная масса продуктов бромирования углеводорода А равна 137, за вычетом брома (80) плюс водород (1) получаем молярную массу А, это 58, A = C₄H₁₀
Молярная масса продуктов бромирования В равна 193, минус 80 плюс 1 дает 114, это соответствует В = C₈H₁₈. Очевидно, что Б = C₆H₁₄.
Исходные бромиды - C₂H₅Br и C₄H₉Br.
Определить структурные формулы можно на основании того, что А образует два монобромпроизводных, а В - три. Кроме того, молекулы А и В должны быть симметричными.
Вещество А - н-бутан (молекула изобутана несимметрична)
Симметричные изомеры октана:

н-октан CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃  - дает четыре разных продукта при бромировании.

Данные изомеры могут образовать соответственно одно и четыре монобромпроизводных.
Таким образом, структурная формула вещества В :

Вещество Б:

Исходные бромиды: RBr: CH₃CH₂Br и (CH₃)₂CHCH₂Br.

2) Уравнения реакций:
реакция Вюрца C₂H₅Br + C₄H₉Br + Na ®  C₄H₁₀ + C₆H₁₄ + C₈H₁₈ + NaBr
Бромирование углеводородов RH + Br₂ = RBr + HBr

3) На относительные количества продуктов замешения влияют два фактора. Первый факор — это высокая подвижность атома водорода при третичном атоме С (группы CH) по сравнению с вторичным (группы CH₂) и первичным (группы CH₃). С другой стороны, количество атомов Н при первичном С атоме — 12, при вторичном – 4, а при третичном – только 2. Видно, что эти факторы действуют в противоположных направлениях, поэтому предсказать окончательный результат сложно, не зная во сколько раз константа скорости реакции для третичного атома больше, чем для первичного или для вторичного.

10-4.А = сероводород
Х = сера
Б = SO₂
В = конц. серная кислота
Реакции: C₄₀H₈₂ + 41 S = 41 H₂S + 40 С
Cu + 2 H₂SO₄ = SO₂ + CuSO₄ + 2 H₂O
SO₂ + 2 H₂S = 3 S + 2 H₂O

10-5.
1.  (1) соляная кислота (или другая, которая пригодна для получения водорода – в смысле не азотная)
(2) - цинк (или другой металл, который взаимодействует с кислотой с выделением водорода)
(3) AsH₃  (арсин)
(4) хлорид кальция или любой другой осушитель
(5), (6) мышьяк и водород или водород и мышьяк
(7) мышьяк
(8) зеркало

2. Можно написать несколько вариантов реакций.
Например, Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂
AsO₃^3- + 9 H (атомарный водород) = AsH₃ + 3 H₂O
другой вариант:  K₃AsO₃ + 3 Zn + 9 HCl = 3 ZnCl₂ + AsH₃ + 3 H₂O + 3 KCl
2 AsH₃ = 2 As + 3 H₂.

3. Мышьяк определяют в объектах окружающей среды, так как он токсичен и на его содержание разработаны нормы (ПДК) для различных объектов. Примерами объектов окружающей среды могут быть вода, почва, воздух. Содержание мышьяка определяют также в пищевых продуктах. Здесь речь идет о количественном определении. В области криминалистики мышьяк определяют в связи со случаями отравления — например, в описанном выше примере предполагалось, что мышьяк был добавлен в шоколад. Если человек был отравлен, то наличие мышьяка в тканях (обычно в волосах) покажет, что отравление произошло именно мышьяком В этих случаях достаточно качественного определения.

10-6.
1) Предположительно, АВ₃ является оксидом. (В = кислород)
Определим молярную массу элемента А (х)
48 / (х + 48) = 0,3333.  Отсюда х = 96. Элемент - молибден.
Таким образом, А = молибден,
Б и В  = водород и кислород. Жидкость, состоящая из них - H₂O₂.
AB₃ = MoO₃
Другое соединение элементов Б и В - вода.

2) Реакции
Mo + 2 H₂O₂® MoO₃ +  H₂ + H₂O либо 2 Mo + 3 H₂O₂® 2 MoO₃ + 3 H₂
MoO₃ + 3 H₂ = Mo + 3H₂O.