Московская городская олимпиада школьников по химии. Городской этап. 2008 г. » 11 класс. ◊

ЗАДАНИЯ:

1. Напишите три различных примера уравнений неорганических реакций, в правой и левой части которых – по три вещества.
2. Бесцветная жидкость X состава C₈H₁₀ образует только одно монобромпроизводное при реакции с Br₂ в присутствии AlBr₃. Окисление X избытком KMnO₄ в присутствии серной кислоты приводит к веществу Y. Из Y и 1,3,5-тригидроксибензола можно получить сложный эфир Z состава C₃₆H₁₈O₁₂. Определите структуры веществ X–Z. Напишите уравнение окисления X в Y при указанных выше условиях и расставьте в нем коэффициенты.
3. При растворении 50 грамм сплава двух металлов в избытке водной щелочи максимально может выделиться 43,5 л (приведено к н.у.) водорода. При растворении остатка в избытке соляной кислоты образуется зеленый раствор и выделяется еще 5,74 л H₂. Определите состав сплава, ответ подтвердите расчетом. Как называется остаток, полученный при растворении сплава в щелочи, и для чего он используется в химической промышленности?
4. Ниже представлена схема синтеза вещества П – основного компонента многих жаропонижающих и болеутоляющих препаратов (Панадол, Тайленол, Эффералган и т.д.). Известно, что П содержит 63,6% углерода, 5,94% водорода, 21,2% кислорода и 9,26% азота, а на нейтрализацию водного раствора 1,51 грамма П расходуется 10,0 мл одномолярного раствора NaOH. Расшифруйте цепочку превращений и назовите вещество П по официальной номенклатуре ИЮПАК.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

5. Через последовательно соединенные электролизеры с инертными электродами пропускают электрический ток. Раствор в первом электролизере содержит 1 моль хлорида бария и 1 моль нитрата бария, а во втором – 2 моль сульфита калия. Электролиз прекратили, когда проба раствора из первого электролизера перестала давать осадок с раствором нитрата серебра. Определите состав и массу осадка выпавшего при смешении полученных растворов.
6. При совместном электролизе веществ А (20 г/моль) и B (60 г/моль) получают жидкость C, широко используемую в лабораторной и промышленной практике. Термическое разложение С приводит к образованию смеси двух газов D и E, ответственных за усиление «парникового эффекта» атмосферы Земли. При пропускании этой смеси через раствор NaOH, ее объем уменьшается вдвое, а плотность по водороду возрастает до 35. Напишите формулы веществ A–E и уравнения реакций упомянутых в задаче. Почему электролиз А и B нельзя проводить в стеклянной посуде и какую посуду можно использовать? Побочным продуктом разложения С является газ F (100 г/моль); приведите его формулу и укажите для чего он используется в промышленности. Кратко опишите суть парникового эффекта с физической точки зрения

Московская химическая олимпиада
РЕШЕНИЯ 11 класс 2007/08 уч. год:

1. Наиболее простой вариант – окислительно-восстановительная реакция, в которой третий компонент играет роль среды. Например: H₂S+KMnO₄+H₂SO₄ = K₂SO₄+MnSO₄+H₂O
Ca₃(PO₄)₂+C+SiO₂ = P₄+CO+CaSiO₃ Si+HNO₃+HF = SiF₄+NO+H₂O
2. Реакция с Br₂ в присутствии AlBr₃ ясно показывает, что вещество X – производное бензола. Составу C₈H₁₀ соответствуют 4 изомера: этилбензол, 1,2-диметилбензол, 1,3-диметилбензол, 1,4-диметилбензол. Из этих соединений только 1,4-диметилбензол образует одно монобромпроизводное, поскольку все ароматические атомы водорода в нем одинаковы. Окисление 1,4-диметилбензола избытком KMnO₄ в кислой среде дает 1,4-бензолдикарбоновую кислоту. Для того чтобы уравнять реакцию можно определить сколько электронов имеют атомы углерода в 1,4-диметилбензоле и 1,4-бензолдикарбоновой кислоте. При этом мы считаем, что степень окисления кислорода (–2) и водорода (+1) в реакции не меняется и, соответственно, не влияет на коэффициенты в уравнении реакции. Итак в 1,4-диметилбензоле атомы углерода имеют 8*4 + 10*1 = 42 электрона, а в 1,4-бензолдикарбоновой кислоте 8*4 + 6*1 – 4*2 = 30. Таким образом при окислении органическая часть отдает 12 электронов, т.е. коэффициент перед KMnO₄ – 12. Получаем: 5C₈H₁₀ + 12KMnO₄ + 18H₂SO₄ = 5C₈H₆O₄ + 12MnSO₄ + 6K₂SO₄ + 28H₂O Для определения строения Z нужно узнать сколько фрагментов Y (C₈H₆O₄) и 1,3,5-тригидроксибензола (C6H6O3) входит в его состав. При этом, поскольку в реакции выделяется вода проще всего считать фрагменты только по атомам углерода. Это можно сделать подбором или, если выражаться более строго, решить уравнение x*C₈ + y*C₆ = C₃₆, где x и y – целые числа. Получаем x = 3, y = 2. Для того чтобы нарисовать структуру Z нужно скомбинировать эти фрагменты:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

3. Один из металлов в сплаве – амфотерный (растворяется в щелочи) – возможно алюминий или цинк. Проверим цинк – рассчитаем его массу по количеству выделившегося водорода: Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na_2[Zn(OH)₄] + H₂ m(Zn) = (43,5/22,4)*65,4 = 127 г Итак цинк не подходит, поскольку его масса больше массы сплава. Проверим алюминий: 2Al + 6NaOH + 6H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂ m(Al) = (43,5/22,4)*2/3*27,0 = 35,0 г. Масса второго металла соответственно: 50 – 35 = 15 г. Попробуем теперь определить
молярную массу второго металла Met из уравнения его реакции с соляной кислотой: Met + xHCl = MetCl_x + x/2 H₂ (x – валентность металла) M(Met) = (15*2)/(x*5,74/22,4) = 117/x Для двухвалентного металла (x = 2) имеются решения Co и Ni – у них близкие молекулярные массы. Однако именно соли никеля имеют зеленый цвет в водном растворе. Образующийся после растворения в щелочи пористый Ni называют никелем Ренея и используют в качестве катализатора гидрирования
4. Сначала используя массовые доли элементов найдем брутто-формулу вещества П: C:H:O:N = 0,636/12 : 0,0594/1 : 0,212/16 : 0,0926/14 = 0,053 : 0,0594 : 0,0133 : 0,0066 = 8:9:2:1. Таким образом простейшая формула C₈H₉O₂N. Учитывая высокую ненасыщенность и первую реакцию цепочки (с (CH₃)₂CHCl в присутствии AlCl₃) логично предположить, что П – производное бензола. Попробуем в качестве первого вещества сам бензол, тогда:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

При нитровании изопропилбензола образуется в основном пара-изомер, так как объемная изопропильная группа блокирует орто-положение. Тем не менее в работах участников орто-изомер оценивался также в 2 балла. На последней стадии существует возможность ацилирования как OH так и NH₂ группы. Однако данные титрования П однозначно указывают его кислотные свойства, т.е. на наличие фенольного фрагмента. Таким образом должна ацелироваться NH2 группа. Наиболее распространенное тривиальное название П – парацетамол. Номенклатурное название – N-ацетил-1,4-аминогидроксибензол (принимались и другие верные названия)
5. В электролизерах проходят реакции: BaCl₂ + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂ + Cl₂ K₂SO₃ + H₂O = K₂SO₄ + H₂ Поскольку электролизеры соединены последовательно через них протекает одинаковое количество электричества. Когда проба раствора из первого электролизера перестала давать осадок с раствором нитрата серебра в нем израсходовался весь BaCl2, на электролиз которого пошло 2 моль электронов (2Cl^– + 2e = Cl2). Те же 2 моль электронов окислили один моль K2SO3 в сульфат во втором электролизере (можно представить как SO₃^2– – 2e = SO₃, затем SO₃ + H₂O = H₂SO₄). Таким образом к окончанию электролиза в первом электролизере находится 1 моль Ba(OH)2 и 1 моль Ba(NO₃)₂, а во втором – 1 моль K₂SO₄ и 1 моль K₂SO₃. При смешении растворов выпадают осадки 1 моль (217 г, 48%) BaSO₃ и 1 моль BaSO₄ (233 г, 52%)
Из условия задачи можно сразу определить, что вещество A – HF, поскольку оно имеет очень низкую молярную массу и разъедает стеклянную посуду. Электролиз с HF можно проводить в никелевой или пластиковой посуде. Также можно предположить, что один из газов D и E, который поглощается щелочью и
ответственен за усиление «парникового эффекта», является CO₂. Второй газ плотность по водороду 35, т.е. молярную массу 70 г/моль и, вероятно, содержит фтор (который был в исходном HF и не вошел во второй продукт – CO₂). Подбором можно найти удовлетворяющее этим условиям вещество – фтороформ, CHF₃. Таким образом жидкость C имеет состав CHF₃ + CO₂ = C₂HF₃O₂, причем реакция разложения C похожа на термическое декарбоксилирование карбоновых кислот. Из этого можно заключить, что C – трифторуксусная кислота, CF₃COOH. Тогда B – уксусная кислота, CH₃COOH, что подтверждается ее молярной массой (60 г/моль). Одним из широко использующихся в промышленности фторсодержащих веществ является тефлон, т.е. поли(перфторэтилен) –CF2–CF2–. Его получают из перфторэтилена CF₂=CF₂, который имеет молярную массу 100 г/моль, что как раз соответствует веществу F. Суть парникового эффекта заключается в том, что атмосфера пропускает электромагнитное излучение высокой частоты («свет») и задерживает отраженное от земли излучение низких частот («тепло»).