Вернуться назад

Областная олимпиада школьников по химии 2006/2007 г.

Решения задач, деcятый класс.

Представлены несколько переработанные материалы пособия:
О.В. Архангельская, А.И. Жиров, О.К. Лебедева и др.
Методическое пособие в помощь областным оргкомитетам
Всероссийской олимпиады школьников по химии.
ЦМК Всероссийской химической олимпиады школьников, 2006.
Примечания автора сайта

Задача 10-1.

1. Уравнение реакции: Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2NaCl
Поскольку в растворе отсутствуют ионы бария, значит, хлорид бария полностью вступил в реакцию. В растворе присутствует NaCl и, возможно, избыток сульфата натрия.

2. Минимальное количество солей в растворе будет в том случае, когда соотношение исходных веществ отвечает уравнению реакции. При этом на 1 моль BaSO₄ (233 г) будет приходиться 2 моль NaCl (117 г), то есть масса осадка будет примерно лишь в два раза боль-ше массы соли в растворе. Поэтому условие б) – не корректно.

3. Решение задачи для условия а):

М, г/моль	142		208		233		58,5
Уравнение реакции	Na2SO4	+	BaCl2	=	BaSO4↓	+	2NaCl
Было, моль	x		y		0		0
В ходе реакции, моль	-y		-y		+y		+2y
Стало, моль	х-y		0		y		2y
Массы, г	142(х-y)		0		233y		117y

По условию задачи получаем уравнение:

3*233y = 142(x–y) + 117y; 724y = 142x; y =0,196x

m(исх.см.) = 142x + 208у = 142x + 208*0,196x = 182,8x

w(Na₂SO₄) = 142x/182,8x = 0,777 = 77,7% w(BaCl₂) = 40,8x /182,8x = 0,223 = 22,3%

4. Чтобы условие б) стало корректным, необходимо, чтобы масса соли в растворе стала меньше массы осадка в три раза. Для одновалентного металла:

Me₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2MeCl, M(MeCl) < (233/3)/2 = 38,8, Ar(Me) < 3,3

Металлов с такой атомной массой или значением эквивалента (Ar/валентность) нет.

Однако условие б) может стать корректным, если вместо средней соли взять кислую, например: NaHSO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + NaCl + HCl; m(BaSO₄)/m(NaCl) =233/58,5 = 3,98:1

(10 баллов)

К выводу о некорректности условия б) можно было прийти составив и попытавшись решить алгебраическое уравнение по этому условию.
- Некоторые участники пришли к правильному ответу начиная с фразы: "Пусть смесь содержала 1 моль BaCl₂ (в осадок выпал 1 моль BaSO₄...)"
- Вот еще простой способ, предложенный одним из участников: "Пусть масса осадка BaSO₄ равна х грамм, тогда масса солей в растворе 3х грамм, общая масса веществ после реакции 4х грамм, по закону сохранения масса исходной смеси тоже равна 4х грамм, а BaCl₂ там содержалось (208х/233)= 0,893х грамм, откуда w(BaCl₂) = 0,893х/4x = 0,223 = 22,3%"
- Была попытка ответить на 4-й вопрос, предложив соль изотопа лития-4. А есть такой? Впрочем и он не очень подходит.

Средний балл 2, максимальный балл - 8.

Задача 10-2.

1. Реакция солей с карбонатами осложняется протеканием гидролиза, степень которого тем больше, чем слабее соответствующее основание. Расположим катионы по силе соответствующих им оснований:

K⁺> Ca²⁺ > Mg²⁺ > Cu²⁺ >Al³⁺ ~ Fe³⁺

Реакции с хлоридом калия протекать не будет. Ca(OH)₂ – сильное основание, гидролиз по катиону не идет: CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl.

Соли магния и меди образуют основные карбонаты:
2MgCl₂ + 2Na₂CO₃ + 2H₂O = Mg(OH)₂•MgCO₃↓ + Mg(HCO₃)₂ + 4NaCl

Верными можно считать любые основные карбонаты. Сейчас считается, что в осадок выпадает Mg5(CO₃)₄(OH)₂•4H₂O. Mg(HCO₃)₂ остается в растворе.

2CuCl₂ + 2Na₂CO₃ + H₂O = Cu(OH)₂•CuCO₃↓ + 4NaCl + CO₂↑

При реакции солей алюминия и железа(III) протекает полный гидролиз:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 6NaCl + 3CO₂↑

2FeCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = Fe(OH)₃↓ + 6NaCl + 3CO₂↑

Получающиеся осадки представляют собой гели состава Me₂O₃•xH₂O (где Me = Al или Fe, x=1-5) с небольшим количеством карбонат-анионов включенных в структуру. При старении осадка образуются оксогидроксиды MeOOH.

2. В случае хлорида магния: Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

3. Использование в кулинарии основано на «гашении» гидрокарбоната уксусной кислотой с выделением углекислого газа, что придает выпечке пышность. В медицине питьевую соду используют для нормализации кислотности желудочного сока (при изжоге).

4. Нет, т.к. гидрокарбонат разлагается при температуре 70-80^oС и в растворе будет сильно щелочной раствор карбоната натрия. 2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂↑+ H₂O

(10 баллов)

А, казалось бы, простая реакция..
- про особенность солей алюминия и железа(+3) многие знают, но некоторые участники почему-то считают, что гидролиз идет с образованием оксидов. Хотя их состав переменен и выражается разными формулами, но считать осадки оксидами вряд ли корректно.

Средний балл 2,9, максимальный балл - 5,8, нет решения у 1 участника.

Задача 10-3.

1. Уравнение реакции: C₁₀H₈(тв) + 7О₂(г) = 10CO₂(г) + 4H₂O(ж) + Q_р-ции

Согласно закону Гесса:
Q_р-ции = 10Q_обр(CO₂) + 4Q_обр(H₂O) - Q_обр(C₁₀H₈) = 10*393,5+4*285,8-(-75,8) = 5154 кДж/моль

2. Q = Qр-ции*n; n(C₁₀H₈) = 20/128 =0,16 моль, следовательно, при сгорании 20 г нафталина выделится 5154*0,16 = 805,3 кДж теплоты.

3. Теплоемкость воды с = 4,184 Дж/г*градус. Учитывая, что Q = cm*Δt^o и считая плотность воды 1 г/мл, можно рассчитать, на сколько градусов должна увеличиться температура 1,5 л воды:

Δt^o = 805,3/(4,184*1500) = 128^o

Однако, при стандартных условиях вода закипает при 100^oC, поэтому температура воды максимально повысится до 100^oC

4. Нафталин - ароматический углеводород, с двумя конденсироваными бензольными кольцами. Для ароматических углеводородов не характерны реакции присоединения (реакция с бромной водой не пойдет), но характерны реакции электрофильного замещения. Так, под действием концентрированной серной кислоты идет реакция сульфирования с образованием α-нафталинсульфокислоты:

(10 баллов)

Представление о законе Гесса есть, но не совсем уверенное, обычный термохимический расчет не вызывает затруднений, многие правильно подходят к расчету изменения температуры. А вот охарактеризовать химические свойства нафталина, даже написав его структурную формулу, смогли немногие. В итоге на общем фоне эта задача - чемпион.

Средний балл 3,2, максимальный балл - 9,5, нет решения у 2 участников.

Задача 10-4.

1. Реакция (CH₃)₃CH приводит к образованию монохлорзамещенных углеводородов. Из них 31% приходится на третичный атом углерода и 69% на первичный.

Тип атома углерода	Относительные количества хлорзамещенных продуктов	Статистический фактор (число соответствующих атомов водорода)	Выход продукта на одну связь С-Н
первичный	69%	9	7,67%
третичный	31%	1	31%

Отношение скоростей замещения у первичного и третичного атома углерода найдем из данных этой таблицы, оно равно 7,67:31 = 1:4
Реакция хлорирования CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃ приводит к образованию 48% 2-хлорпентана, 24% 3-хлорпентана, 28% 1-хлорпентана

Тип атома углерода	Относительные количества хлорзамещенных продуктов	Статистический фактор (число соответствующих атомов водорода)	Выход продукта на одну связь С-Н
первичный	28%	6	4,67%
вторичный	48%	4	12%
вторичный	24%	2	12%

Отношение скоростей замещения у первичного и вторичного атома углерода найдем из второй таблицы, оно равно 4,67:12 = 1: 2,6. Поскольку в условии задачи сказано (и подтверждается процентными соотношениями), что скорости замещения атомов водорода при первичном, вторичном и третичном атоме углерода не зависят от длины и структуры углеродного скелета, эти данные можно объединить. Таким образом, относительная реакционноспособность перв : втор : трет = 1 : 2,6 : 4

2. При хлорировании 2,4-диметилпентана может образоваться три продукта:

Сумма относительных количеств (25,2) отвечает всей смеси продуктов (100%). Исходя из этого рассчитывают процентное содержание каждого продукта (последняя колонка).

(10 баллов)

К такому анализу реакционной способности большинство участников оказалось не очень готовы.

Средний балл 1,7, максимальный балл - 7,6, нет решения у 4 участников.

Задача 10-5.

1. Вещество – металл калий и соответствующий химический элемент калий

2K + 2H₂O = KOH + H₂

2. Г.Дэви получил калий электролизом расплава гидроксида калия (гидроксид калия имеет более низкую температуру плавления по сравнению с солями).

Катод: K⁺ + e = K

Анод: 4OH^- – 4e = O₂ + 2H₂O

4KOH = 4K + O₂ + 2H₂O

3. Чаще всего калий встречается в составе хлоридов сильвинита (Na,K)Cl, сильвина (KCl), карналлита (KCl*MgCl₂*6H₂O), силикатов (полевой шпат). Основные залежи его минералов в России находятся в Приуралье (Пермский край, г.Березники. «Древнее Пермское море охватывало весь Восток Европейской части России. Отдельные его заливы, языки на севере заходили под самый Архангельск, на юге длинные рукава протягивались к Донецкому Бассейну и к Харькову. Начиная с Соликамска вплоть до юго-восточной части Уральского хребта, тянутся отдельные линзы калиевых месторождений» А.Е.Ферсман. Занимательная геохимия. 1948 ). Цвет обычно белый. Красноватый оттенок придают следы железа, синий цвет обусловлен присутствием в минерале примесей радиоактивного ⁴⁰К, после распада которого образуются пустоты, придающие минералу синий цвет.

4. Питательная ценность (q) калийных удобрений рассчитывается как отношение массы K₂O к массе соответствующего калийного соединения, содержащего то же количество калия, что и в K₂O. Расчет носит условный характер. Одному молю K₂O соответствует по содержанию калия 2 моль KCl. Условное содержание K₂O в чистом хлориде калия равно:

q = M(K₂O)/2M(KCl) = 94/(2*74,5) = 63,08%

Это и есть максимальное значение, в техническом хлориде калия оно ниже.

5. 2K + 2NH₃(газ) = 2KNH₂ + H₂; амид калия

K + 6NH₃ж = [K(NH₃)₆]; комплексное соединение, гексаамминкалий

(10 баллов)

Чего только не открывал сэр Дэви в работах участников: и натрий и кальций, и магний.. А ведь была явная подсказка - один из трех элементов плодородия: N-P-K. Никто не написал и последнее уравнение, хотя образование амидов отметитли почти все.

Средний балл 1,8, максимальный балл - 6,3.

Задать вопрос

Наверх

Можаев Г. М., старший преподаватель
Тюменского государственного университета