Дорогие друзья!

Поздравляем вас с началом 5-ой Соросовской олимпиады. Перед вами заочное задание по химии для 9-го, 10-го и 11-го классов. Задание составлено таким образом, чтобы, во-первых, заинтересовать вас и показать, что химия - увлекательная наука, а, во-вторых, чтобы заставить вас потрудиться: некоторые задачи содержат сведения, которые можно найти только в дополнительной литературе. Наконец, это задание в некотором смысле обозначает уровень сложности Олимпиады, показывает, на какие разделы химии вам следует обратить особенное внимание. Некоторые из идей, встречающиеся в задачах заочного тура, могут быть использованы и в очных турах.

Решения задач присылайте в отдельной тетради, на первом листе которой надо указать ваши фамилию, имя, отчество, домашний адрес, домашний телефон и номер школы.

Решение постарайтесь сделать достаточно лаконичным, четко отвечая на поставленные в задачах вопросы. Нам будет очень удобно проверять вашу работу, если после решения вы будете выделять ответ. В решении не следует демонстрировать свою эрудицию, излагая лишние сведения, не относящиеся к задаче. В то же время, в каждом вопросе нужно сделать максимум возможного. Даже если вы не можете решить задачу полностью, постарайтесь ответить хотя бы на часть вопросов: абсолютно все фрагменты решения будут оцениваться.

Вы можете присылать решения не только за свой класс, но и за другие классы. В этом случае каждый класс оформляется в отдельной тетради так, как указано выше.

Желаем вам успеха и ждем ваши работы!

ХИМИЯ

I-9-1. В некоторых вариантах периодической таблицы символ элемента водорода размещен одновременно в I и VII группах.

1. Докажите, что водород – элемент I группы (нетипичный, как самый первый в группе). Приведите три уравнения реакций.

2. Докажите, что водород – элемент VII группы (нетипичный, как самый первый в группе). Приведите три уравнения реакций.

I-9-2. На Международном конгрессе химиков в 1860 году было принято следующее определение: "Молекула – это наименьшее количество вещества, участвующее в реакции". В настоящее время удается получить молекулярный хлорид натрия – в виде отдельных молекул, изолированных в твердом аргоне при температуре около 10 К (–263^оС).

1. Как может отличаться химическая активность молекулярного и кристаллического хлорида натрия в реакциях без участия растворителей (при одинаковых условиях)?

2. Каковы возможные причины такого отличия?

I-9-3. Реальная история. Маститый немецкий профессор на открытом уроке рассказывал школьникам, как рассчитывать массовые доли элементов в соединениях. В качестве примера он объяснил, почему массы кислорода и серы в любом количестве оксида серы (IV) равны.

Школьники выслушали его с огромным интересом, а затем спросили: "Нам говорили, что химия - экспериментальная наука. Как мы можем проверить, что массы кислорода и серы в SO₂ равны?" Профессор подумал несколько секунд и сказал: "Вы знаете, так, с ходу, это трудно решить. Вот если бы вы спросили насчет массовой доли меди в CuSO₄, то ее определить легко."

1. Помогите профессору. Предложите по возможности наиболее простые методы экспериментального определения массовой доли меди в CuSO₄ и серы в SO₂.

2. Напишите формулы двух бинарных (т.е. образованных ровно двумя элементами) соединений, в которых массовые доли элементов равны.

I-9-4. В 1676 году Р.Бойль провел следующий опыт: он взвесил запаянную реторту с порошком металла, нагрел ее, потом охладил до исходной температуры, вскрыл и взвесил снова. На основании этого опыта Р.Бойль сделал вывод, что при нагревании огненная материя проникает через стенки реторты и "... что части огня и пламени могут становиться устойчивыми и весомыми". В 1756 году М.В.Ломоносов повторил опыт Бойля с некоторыми изменениями и сделал вывод, "... что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо..."

1. Какую ошибку совершил Р.Бойль?

2. Как М.В.Ломоносов изменил опыт Р.Бойля?

3. К каким выводам пришел М.В.Ломоносов в результате проведенных опытов?

4. Вычислите массу огненной материи, которая, согласно Р.Бойлю, проникла во время нагревания в реторту объемом 5 л (запаянную при н.у.), содержащую 4 г порошка железа.

I-9-5. Образец металла А массой 1,00 г измельчили в атмосфере аргона и прилили к нему (в той же аргоновой камере) 1,29 мл тяжелой жидкости В. Произошла бурная химическая реакция, сопровождающаяся сильным разогреванием. Полученный твердый продукт С медленно реагирует с водой с выделением газа. Если внести в избыток воды 18,44 г вещества С, то при н.у. выделяется 0,487 л газа и образуется 17,44 г нерастворимого остатка - вещества В.

1. Определите вещества А и В.

2. Напишите формулу вещества С. Как называются вещества, подобные С?

3. Как используется вещество С в производстве металла А?

I-9-6. При пропускании V литров газа А (плотность по водороду 38,3) через стеклянную трубку, нагретую до красного каления, образовалось блестящее, красное в прозрачном слое металлическое зеркало (Б) и 2V литров газа В, хорошо растворимого в титане. При пропускании газа А через водный раствор AgNO₃ выпадает осадок Г.

1. Определите вещества А – Г.

2. Напишите уравнения реакций.

I-9-7. В вашем распоряжении имеются следующие вещества: газы - CO₂, H₂S, N₂O; жидкости - CS₂, H₂O, HNO₃, H₂SO₄, CH₃COOH; металлы - Au, Ni, Cu, Pt. Предложите по возможности наиболее короткий способ синтеза метана (CH₄) с использованием любых из перечисленных веществ (можно использовать не более пяти стадий).

Подсказка: этот способ был открыт французским химиком М.Бертло. Перечисленные вещества находились в его лаборатории.

I-9-8. Содержание хлорид-ионов в питьевой воде - важный показатель, говорящий о ее качестве. На станциях, где готовят питьевую воду, содержание хлорид-ионов ежедневно контролируют. По стандартной методике, обязательной к применению на всех станциях водоподготовки, хлорид-ионы титруют раствором нитрата ртути (II).

1. На N-ской станции водоподготовки определяли хлорид-ионы и выяснили, что их концентрация составляет 7,1 мг/л. Для титрования брали пробы воды по 10 мл и титровали три раза, причем все три раза результаты совпали. Растворы, оставшиеся после титрования, вылили в канализацию. Какой объем воды нужен, чтобы разбавить вылитую ртуть до концентрации, ниже предельно допустимой (0,005 мг/л)?

2. Почему хлорид-ионы реагируют с нитратом ртути (II), хотя образующийся хлорид ртути (II) хорошо растворим в воде?

3. Предложите способ вторичного использования ртути, находящейся в отходах после титрования.

4. Как можно определять хлорид-ионы, не используя соединения ртути? Почему все-таки используют соединения ртути?

I-9-9. Юный химик, забравшись в заброшенную лабораторию, нашел странного вида закрытую пробирку из темного стекла. Повертев ее в руках и не найдя на ней никаких опознавательных знаков, он сунул пробирку в карман. Придя домой, он открыл пробирку и обнаружил жидкость с металлическим блеском.

1. Предложите три вещества, которые могли быть в пробирке.

2. Предложите простые способы определения каждого вещества.

I-9-10. Юный химик нашел металлическую деталь из легкого сплава. Предположив, что это сплав магния и алюминия, он попытался проанализировать состав сплава. Тщательно продумав свои действия, юный химик смог обойтись для анализа только весами, мерными цилиндрами, некоторыми другими простыми приборами. Из реактивов ему понадобилась только соляная кислота. В результате анализа установлено, что сплав состоит в основном из магния (около 90%) с небольшой примесью алюминия.

1. Опишите ход анализа, проведенного юным химиком, и схему его вычислений.

2. Какие качественные и количественные ошибки могут возникнуть при таком анализе?

I-10-1. Как повлияют на процесс сгорания этилхлорида повышение температуры и давления? Обоснуйте ваш ответ.

I-10-2. В романе Жюля Верна "Таинственный остров" герои, попав на необитаемый остров, сумели не только выжить, но и наладили целый ряд химических производств в полупромышленном масштабе. Напишите пять уравнений химических реакций, осуществленных героями этого романа.

I-10-3. Первые электрические лампочки изготавливали с использованием угольной спирали. Позже стали использовать электролампы с вольфрамовой спиралью. Однако недостатком как тех, так и других ламп было то, что в процессе эксплуатации они покрывались изнутри темным налетом, хотя ни углерод, ни вольфрам при температуре накала нити лампы не испаряются. Было установлено, что введение небольшого кристалла иода в эти лампы позволяет не только избежать появления "копоти" в одном из этих типов ламп, но и резко увеличивает срок их жизни.

1. Объясните причины появления темного налета на внутренней поверхности ламп.

2. Объясните влияние иода на эти процессы.

3. Объясните, почему так называемые "аргон-криптоновые лампы" долговечнее вакуумных электроламп.

I-10-4. Во второй половине ХIХ века русский химик Н.Н.Бекетов предложил способ получения металлического рубидия. Для этого он нагревал в железном цилиндре, снабженном трубкой-холодильником и приемником, смесь гидроксида рубидия и порошкообразного алюминия. Из записей Н.Н.Бекетова: "Рубидий гонится постепенно, стекая, как ртуть, и сохраняя свой металлический блеск вследствие того, что снаряд во время операции наполнен водородом".

1. Напишите уравнение реакции, осуществленной Н.Н.Бекетовым.

2. В знакомом вам ряду напряжений металлов рубидий стоит намного левее алюминия. Как можно объяснить протекание этой реакции?

3. Можно ли применить этот процесс для получения металлического лития ?

I-10-5. Для определения кислотно-основного характера растворов обычно используют индикаторы. Классическим индикатором, упоминаемым во всех учебниках, является лакмус - экстракт некоторых видов лишайников, растущих в Индии.

1. Какой окраской обладает лакмус в кислой , нейтральной и щелочной среде?

2. Экстракты каких растений, более доступных, чем индийские лишайники, могут заменить лакмус? Ответ можете подтвердить вашими экспериментальными исследованиями: докажите при этом обратимость переходов окраски в кислой и щелочной среде и укажите наблюдавшиеся вами цветовые переходы.

3. Могут ли неорганические, достаточно распространенные соединения, выполнять роль индикаторов? Ответ мотивируйте.

4. Какую окраску будут иметь растворы, полученные при добавлении раствора лакмуса к растворам медного купороса, хромовокалиевых квасцов и к жавелевой воде?

I-10-6. "По сцене расхаживал лектор в зеленом френче и, недовольно поглядывая на дверь, с военной отчетливостью говорил: "По характеру действия боевые отравляющие вещества делятся на удушающие, слезоточивые, общеядовитые, нарывные, раздражающие и так далее. В числе слезоточивых ядовитых веществ можем отметить хлорпикрин, бромистый бензол, бромацетон, хлорацетофенон... Остап перевел мрачный взгляд с лектора на слушателей. Молодые люди смотрели оратору в рот, или записывали лекцию в книжечку. Во втором ряду одиноко сидела девушка спортивного вида. "Хорошая девушка, - решил Остап. - О чем она думает? Уж, наверно, не о бромистом бензоле" (Ильф и Петров "Золотой теленок", глава 23).

1. Правильно ли лектор назвал слезоточивые ядовитые вещества?

2. Приведите формулы названных веществ.

3. Укажите способы защиты от указанных веществ и методы их дегазации (нейтрализации).

I-10-7. В работах участников Соросовских олимпиад можно встретить самые разнообразные уравнения реакций, многие из которых совершенно правильны, а часть не приснится разумному химику даже в самом кошмарном сне...

Ниже приведены несколько уравнений реакций, взятых из работ ваших предшественников. Дайте мотивированный ответ, какие из этих уравнений верны, в каких допущены небольшие погрешности, а какие совершенно неправильны. Для возможных реакций напишите их правильные уравнения. Укажите (под знаком равенства) условия их проведения (раствор, использование нагревания, повышенного давления или катализаторов).

а) Cu + SO₄ = CuSO₄;

б) 2Al + 6HNO₃ = Al(NO₃)₃ + 3H₂;

в) CuSO₄ + Al(OH)₃ = Al₂(SO₄)₃ + Cu(OH)₂;

г) 2AlCl₃ + 3K₂CO₃ = Al₂(CO₃)₃ + 6KCl;

Pt/Rh

д) 4NH₃ + 3O₂ 2N₂ + 6H₂O.

I-10-8. В результате взаимодействия двух газообразных (при комнатной температуре) веществ наряду с другими продуктами была получена жидкость, содержащая 20,65% углерода, 3,01% водорода и 76,31% хлора (по массе).

1. Выскажите ваши соображения о возможном качественном составе жидкости.

2. Предложите способы установления строения соединений, входящих в состав этой жидкости. Напишите уравнения соответствующих реакций или укажите физико-химические характеристики, использованные вами при неразрушающих методах анализа.

3. Напишите уравнения реакций, которые привели к образованию компонентов этой жидкости.

I-10-9. Основатель Всесоюзных и Всероссийских химических олимпиад школьников, профессор Московского государственного университета Альфред Феликсович Платэ рассказывал, что в годы Великой Отечественной войны ему было поручено срочно исследовать содержимое двухлитровой тонкостенной металлической ампулы, находившейся в пилотской кабине сбитого вражеского истребителя. По результатам анализа эта жидкость содержала 22% углерода, 4,6% водорода и 73,4% брома (по массе). Результаты анализа ввергли инженеров и военных специалистов в недоумение.

Выскажите ваши соображения о том, с какой целью эта тонкостенная ампула с необычным содержимым была закреплена в пилотской кабине.

I-10-10. При пропускании паров некоторого углеводорода Х, содержащего около 84% углерода по массе, над нагретым никелевым катализатором была выделена смесь трех соединений. Эта смесь частично реагирует с разбавленным раствором перманганата калия, а при кипячении с его подкисленным раствором образует смесь двух веществ, одно из которых содержит 38,6% кислорода по массе. Обработка этой смеси избытком раствора гидроксида натрия, упаривание полученного раствора и последующее прокаливание образующегося твердого остатка приводят к образованию жидкости Y, которая , как и углеводород Х, не вызывает изменения окраски раствора перманганата калия даже при кипячении.

1. Установите структурные формулы всех органических соединений, описанных в задаче.

2. Напишите полные уравнения всех проведенных реакций (формулы органических веществ могут быть записаны в молекулярной форме).

I-11-1. Что такое "уннилквадий"? Опишите его характерные свойства.

I-11-2. На одной из школьных викторин двум школьникам было предложено объяснить следующие термины: 1) куб; 2) Колли; 3) контакт Петрова; 4) кефалины. Один из школьников ответил: " куб - геометрическая фигура; колли - порода собак; контакт Петрова - что-то из области электротехники; кефалины - мальки кефали". Другой школьник - юный химик - дал совершенно другие ответы, каждый из которых имел строгий химический смысл. Что ответил юный химик?

I-11-3. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующим превращениям различных классов веществ:

а) соль + кислота соль + соль + вода;

б) соль + соль + основание соль + соль + вода;

в) соль + кислотный оксид + вода соль + соль + кислота;

г) соль соль + два простых вещества.

I-11-4. Анализом установлено, что в состав неизвестной жидкости входят углерод (13,1% по массе), а также элементы А (69,9%) и В (17,0%). Известно, что А и В имеют близкие атомные массы. Что это за жидкость? Предложите способ получения этой жидкости из простых веществ.

I-11-5. Твердое вещество А белого цвета обработали тяжелой маслянистой жидкостью Б, при этом выделилось газообразное вещество В, хорошо растворимое в воде. Если вещество В прореагирует с одним из продуктов пиролиза нефти, то получится соединение Г, которое используют как обезболивающее средство. При сгорании соединения Г образуются вещества В, Д и вода. Вещество Д поглощается раствором вещества Ж с образованием слабой кислоты З, являющейся сильным окислителем, и твердого вещества И, одна из кристаллических модификаций которого была использована Микеланджело при изготовлении статуи Давида.

1. Определите вещества А – И.

2. Напишите уравнения реакций.

3. Почему оригинал статуи Давида хранится в закрытом помещении музея, а на площади установлена ее бронзовая копия?

I-11-6. В книге В.В.Похлебкина "Чай. Его типы, свойства, употребление" написано: "В процессе длительного кипячения из воды улетучиваются большие массы воды и таким путем увеличивается доля ... "тяжелой" воды D₂O... Тяжелая вода, естественно, осаждается внизу любого сосуда - чайника, титана. Поэтому, если не вылить остатки кипяченой воды, а долить к ней свежей, то при повторном кипячении процент тяжелой воды в данном сосуде еще больше увеличится. При многократных добавлениях в остатки старой кипяченой воды новых количеств свежей воды может быть получена довольно большая концентрация тяжелой воды. А это опасно для здоровья человека."

Действительно ли это так? Определите, сколько раз нужно доливать воду и кипятить ее в чайнике объемом 1,5 л, для того чтобы концентрация тяжелой воды увеличилась в 10 раз. Необходимые данные: а) мольная доля тяжелой воды в питьевой воде - 0,016%; б) коэффициент разделения, который показывает отношение концентраций тяжелой воды в жидкой фазе и в паре, равен 1,03; в) чайник каждый раз выкипает наполовину.

I-11-7. В некоторой Вселенной органические соединения построены на основе трехвалентного элемента X. Остальные элементы (водород, азот, кислород и др.) проявляют свою обычную валентность.

1. Напишите общие молекулярные формулы алканов, алкенов, алкинов и аренов в этой Вселенной.

2. Определите число структурных изомеров алканов и алкенов при n = 3ё 7.

3. Могут ли в этой Вселенной существовать аналоги белков и нуклеиновых кислот?

I-11-8. Юный химик Вася получил от учителя химии ответственное поручение. Васе вменялось в обязанность следить за тем, чтобы запасы титрованных растворов в школьной лаборатории были в идеальном состоянии, и главное, не иссякали.

Вася заготовил трехлитровые склянки двунормальных растворов. А чтобы склянки всегда были полными, он придумал хитрый способ: как отольет десятую часть раствора, так снова доливает до прежнего уровня дистиллированной водой. У него и метки секретные на склянках были сделаны: докуда отливать, докуда доливать. а рассуждал он просто:" Ну разбавляю на одну десятую. На столько-то и когда готовишь раствор ошибиться можно... Зато склянки всегда в порядке, и канители никакой."

Когда учитель химии готовился к лабораторной работе, он решил проверить титр Васиной кислоты. Результат оказался поразительным: на 20 мл однонормальной щелочи расходовалось 28,7 мл "двунормальной" кислоты! Призванный к ответу Вася признался во всем и получил два задания: 1) приготовить новый раствор кислоты с pH = 5; 2) вычислить, сколько раз он разбавил старый раствор. Первую заданию Вася выполнил с величайшей тщательностью, а со второй не может справиться до сих пор. Не поможете ли Вы ему?

1. Сколько раз Вася разбавил старый раствор?

2. Каков будет рН растворов, полученных при разбавлении водой нового раствора в 10; 100; 1000 раз?

I-11-9. При полном гидролизе грамицидина S - полипептида со свойствами антибиотика - образуются следующие аминокислоты:

Название	Обозначение	Формула	М, г/моль
Лейцин	Leu	(CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH	131
Орнитин	Orn	H2NCH2CH2CH2CH(NH2)COOH	132
Фенилаланин	Phe	C6H5CH2CH(NH2)COOH	165
Пролин	Pro		115
Валин	Val	(CH3)2CHCH(NH2)COOH	117

Определение молекулярной массы грамицидина S дает примерную величину 1300± 30.

1. Приведите молекулярную формулу грамицидина S в сокращенных обозначениях, если известно, что ни одна аминокислота входит в его состав более, чем дважды.

2. Определение С-концевого звена дает отрицательный результат; определение N-концевого звена при помощи динитрофторбензола приводит к единственному продукту - (NO₂)₂C₆H_3- NHCH₂CH₂CH₂CH(NH₂)COOH. На какую структурную особенность пептидной цепи это указывает?

3. Частичный гидролиз грамицидина S дает дипептиды с молекулярными массами 231, 245, 262, 278 и трипептиды с молекулярными массами 328, 344, 361. Какова структура грамицидина S?

I-11-10. Навеску некоторого углеводорода Х сожгли в атмосфере газа А и после охлаждения до 20 ^оС газообразные продукты пропустили через избыток раствора Са(OH)₂. При этом выделилось 6,24 г белого осадка. Сжигание другой навески такой же массы в другом газе В и пропускание продуктов горения через избыток раствора Ca(OH)₂ дает 16,0 г белого осадка. Известно, что Х не реагирует с бромом в присутствии железа, а при облучении светом и действии Cl₂ дает только одно монохлорпроизводное. При взаимодействии Х с горячим водным раствором KMnO₄ образуется вещество Y, способное прореагировать с 12-кратным количеством соляной кислоты.

1. Что представляет собой газы А и В?

2. Определите вещества Х и Y.

3. Напишите уравнения реакции.