Московская городская олимпиада школьников по химии. Окружной этап. 2007 г. » 11 класс ◊

1.Прилагательное кальцинированный может встречаться в различных словосочетаниях, например, кальцинированная сода, кальцинированная солома.
Какое вещество и почему называется кальцинированной содой?
Как и с какой целью кальцинируют солому?
Какие другие примеры кальцинирования Вам известны? Если эти процессы сопровождаются химическими превращениями, напишите соответствующие уравнения.
Объясните, существует ли, на Ваш взгляд, взаимосвязь между прилагательным кальцинированный и названием известного химического элемента.
Предположите, какая может быть связь между названием этого элемента и словом калькулятор.

2.Два юных химика-астронавта поспорили, где лучше провести каникулы. Один из них хочет полететь на планету ИКС. В качестве источника энергии на поверхности планеты он предлагает использовать кислородную горелку, а образующуюся при ее работе воду пить и применять для других целей. Второй юный исследователь предложил провести каникулы на планете ИГРЕК, а в качестве источника энергии использовать пропановую горелку и аналогично утилизировать образующуюся воду. Космическая транспортная компания готова доставить необходимое количество газов на любую из планет, причем, стоимость доставки 1 кг кислорода на ИКС и 1 кг пропана на ИГРЕК одинакова.
Представьте, что планы ребят осуществимы, постарайтесь обоснованно ответить, на какой планете и во сколько раз будет дороже:
вскипятить чайник на газовой горелке (считайте чайник и объем нагреваемой воды в каждом случае одинаковыми);
получить 1 л жидкой воды конденсацией водяного пара, образующегося при работе горелки?
Для расчетов Вам может потребоваться дополнительная информация.

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

3.«Открытие на мусорной куче»
В 1862 г. известный немецкий химик Фридрих Велер попытался получить некоторый металл спеканием его оксида с углем. В результате была получена серая масса, которая, по мнению Велера, ни на что не была пригодна. Ученый выбросил ее на мусорную свалку. Каково же было его удивление, когда под дождем из мусорной кучи начал выделяться газ, сгорающий коптящим пламенем.
Об открытии какого газа идет речь в условии задачи?
Напишите уравнения реакций, описанных в условии.
Какими способами получают этот газ в промышленности?
Какие вещества синтезируют из газа, «открытого на мусорной куче»? Приведите не более 5 примеров.

4.Расшифруйте следующие превращения и запишите соответствующие уравнения химических реакций (буквами зашифрованы знаки химических элементов, коэффициенты не указаны):
E₂ + G₂ → EG
EG + G₂ → EG₂
EG + EG₂ → E₂G₃
E₂G₃ + L₂G → LEG₂
LEG₂ + G₂ → LEG₃
LEG₃ → EG₂ + G₂ + L₂G
EG₂ + M → E₂ + MG₂
E₂ + L₂ → EL₃
EL₃ + L₂G₂ → E₂L₄ + L₂G
E₂L₄ + G₂ → E₂ + L₂G

5.В автомобильных подушках безопасности применяют специальные пиропатроны — газогенераторы. При ударе датчики посылают электрический импульс, под действием которого очень быстро протекает реакция, сопровождающаяся выделением большого количества газа, и подушка надувается. Часто основным компонентом таких смесей является вещество АБ₃, которое реагирует с В₂Г₃, при этом выделяется газ Б₂, плотность которого по водороду равна 14. При этом масса выделившегося газа достигает 45,8 % от массы АБ₃ и В₂Г₃, смешанных в стехиометрическом отношении.
Экологи обеспокоены тем, что токсичное вещество АБ₃ может легко попасть в окружающую среду, когда старый автомобиль с неиспользованным пиропатроном оказывается на свалке. Кроме того, АБ3 взаимодействует с водой, в результате чего выделяется летучее ядовитое вещество (молярная масса 43 г/моль), а в полученном растворе можно обнаружить гидроксид натрия.
Определите химические элементы А, Б, В и Г.
Напишите уравнение реакции между АБ₃ и В₂Г₃.
Какие твердые пылевидные частицы могут попасть в салон автомобиля при аварийном срабатывании подушки безопасности? Какое действие они могут оказать на организм человека?
Напишите уравнение реакции гидролиза АБ₃.
Изменится ли потенциальная опасность для окружающей среды при попадании на свалку уже отработанного пиропатрона? Ответ обоснуйте.

6.Основным компонентом термоядерного заряда является кристаллическое вещество ab, состоящее из двух элементов: a и b, для каждого из которых известны два природных нуклида. При производстве боевых зарядов стараются увеличить содержание в ab легкого природного нуклида a и тяжелого природного нуклида b.
Если взять 10,0 мг промышленного образца ab и обработать избытком воды (природного изотопного состава), то можно получить 3,65 мг газа с плотностью 0,133 г/л (н.у.). Для полной нейтрализации оставшегося раствора потребуется 12,15 мл соляной кислоты с концентрацией HCl 0,1 моль/л.
Определите элементы a и b. Ответ подтвердите расчетом.
Какие нуклиды входят в состав промышленного образца ab?
Оцените примерное содержание требуемых нуклидов в природных образцах элементов a и b.


РЕШЕНИЯ:
1.Кальцинированной содой называется безводный карбонат натрия Na₂CO₃. Кальцинированной она называется потому, что получают ее прокаливанием (кальцинированием) гидрокарбоната натрия NaHCO₃ или кристаллогидрата карбоната натрия, например, Na₂CO₃·10H₂O
Кальцинирование соломы (и других грубых кормов) проводят путем обработки этих кормов известью с целью повышения ее переваримости и питательности. Жёсткость соломы, снижающая её поедаемость и затрудняющая ее переваримость, обусловлена тем, что в растении, по мере роста и развития, клетчатка пропитывается лигнином — веществом, придающим соломе прочность и свойства древесины. В основу кальцинирования соломы положено свойство щелочей нарушать связи лигнина с клетчаткой. Солому, обработанную известковым раствором, скармливают крупному рогатому скоту и овцам в сочетании с силосом и концентратами. (БСЭ, 1973. Т. 11, С. 238; Кормщиков П. А., Кальцинирование грубых кормов, М., 1958).
Кальцинирование — прокаливание, обжиг. Примеры кальцинирования
гипса:
CaSO₄·2H₂O CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O
витерита (карбоната бария):
BaCO₃ = BaO + CO₂
Безусловно, связь есть. Кальцинированный — пережженный, кальцинировать — пережигать (Даль В. Толковый словарь живого великорусского языка. М.: Прогресс. 1994. Т. 2. С. 195). Алхимики кальцинацией называли сам процесс обжига. При обжиге известняка — горной породы, сложенной кальцитом CaCO₃, образуется известь, по-латински — calx, это слово послужило основой названия химического элемента № 20 — кальция. Впервые кальций получил из извести в 1808 году Г. Дэви, он же дал название новому элементу.
Римляне словом calx (род. падеж calcis) называли все мягкие камни. Со временем это название закрепилось только за известняком (недаром мел по-английски — chalk). Кальций — родственник калькулятору: у римлян calculus (уменьшительное от calx) — мелкий камешек, галька. Такие камешки использовали для простых расчётов с помощью доски с прорезями — абака, предка русских счётов. Все эти слова оставили след в европейских языках. Так, по-английски calx — окалина, зола, а также известь; calcimine — известковый раствор для побелки; calcination — прокаливание, обжиг; calculus — камень в почках, мочевом пузыре, а также исчисление (дифференциальное и интегральное) в высшей математике; calculate — вычислять, рассчитывать. В современном итальянском языке, который ближе всех к латинскому, calcolo — это и вычисление, и камень. (И.А. Леенсон. Откуда твоё имя?// Химия и жизнь — XXI век. 2003. № 12. С. 47)

2.Расчет количества теплоты, выделяющейся при работе газовых горелок CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + 882 кДж C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 2202 кДж
На 1 кг кислорода: Q_x = 1000/(3,2·2)·882 ≈ 13800 кДж На 1 кг пропана: Q_y = 1000/44·2202 ≈ 50000 кДж

Q_y / Q_x = 50000 / 13800 = ≈ 3,6
Таким образом, нагреть определенный объем воды до кипения (вскипятить чайник) дешевле на планете ИГРЕК в 3,6 раза.
Расчет количества воды.
На 1 кг кислорода:
nx(H₂O) = nx(O₂) = 1000 / 32 ≈ 31,3
На 1 кг пропана:
ny(H2O) = 4ny(C₃H₈) = 4·1000 / 44 ≈ 90,9
Таким образом, вода, полученная конденсацией пара от работающих горелок, будет дешевле на планете ИГРЕК в 2,9 раза.

3.Речь идет об открытии ацетилена C₂H₂.
CaO + 3C = CaC₂ + CO↑
CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂↑
2C₂H₂+ 5O₂ = 4CO₂ + 2H₂O
В настоящее время в промышленности ацетилен получают термоокислительным \"витамин\"ингом, электро\"витамин\"ингом (при 1500 °С):
2CH₄ = C₂H₂ + 3H₂
Пиролиз этана и этилена:
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

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

5.Б₂ — азот (N₂), следовательно, элемент Б — N.
При взаимодействии вещества АБ₃ с водой выделяется азидоводород HN₃ (молярная масса 43 г/моль).
Так как при гидролизе АБ₃ образуется NaOH, элемент А — натрий.
Эквивалентная молярная масса вещества В₂Г₃ равна
28·1,5 / 0,458 – 65 = 26,7,
что соответствует оксиду железа (III): 26,7·6 ≈ 160 г/моль. Таким образом, элементы В и Г — железо и кислород.
6NaN₃ + Fe₂O₃ = 3Na₂O + 2Fe + 9N₂
При срабатывании подушки безопасности вместе с азотом в салон автомобиля могут попасть пылевидные частицы железа и оксида натрия, которые вызывают раздражение кожи, слизистых оболочек дыхательных путей и глаз.
NaN₃ + H₂O = NaOH + HN_3.
При срабатывании пиропатрона высокотоксичный азид натрия полностью разрушается, оксид натрия существенно безопаснее для окружающей среды.

6.Молярная масса выделившегося газа
M(газа) = ρ(газа)·Vm = 0,1339·22,4 = 2,98 ≈ 3 г/моль
Единственный газ, удовлетворяющий условию, — HD. Согласно условию ab обработали обычной водой, следовательно, дейтерий содержался в исходном веществе.
Природный водород представляет собой смесь двух изотопов: протия (H) и дейтерия (D), причем D — тяжелый нуклид, следовательно, элемент b — водород.

Расчет количества вещества выделившегося водорода и потребовавшегося HCl:
n(HD) = m(HD) / M(HD) = 3,645·10–3 / 2,98 ≈ 1,22·10–3
n(HCl) = V·C(HCl) = 12,15·10–3·0,1 ≈ 1,22·10–3
позволяет предположить протекание следующих реакций:
aD + H₂O = aOH + HD (1)
aOH + HCl = aCl + H2O (2)

Молярная масса исследуемого образца ab:
M(ab) = m(ab) / n(ab) = 10,0·10–3 / 1,22·10–3 ≈ 8,2 г/моль
Отсюда молярная масса элемента a: M(a) = 8,2 – 2 = 6,2 г/моль, следовательно, a — это литий (содержащий в основном легкий нуклид 6Li).

В состав промышленного образца входят ⁶Li и D, то есть исследуемое вещество — дейтерид лития-6.

Примерное содержание ⁶Li и D в природе можно оценить по значению относительной атомной массы этих элементов, приведенных в периодической системе. Учитывая, что в природе встречаются ⁶Li и ⁷Li, можно составить уравнение:
χ(⁶Li)·6 + χ(⁷Li)·7 = 6,941
где χ(⁶Li) и χ(⁷Li) — мольные доли соответствующих нуклидов лития; χ(6Li) + χ(7Li) = 1.
Получаем χ(⁶Li) ≈ 0,06; т.е. число атомов ⁶Li составляет примерно 6% от общего числа атомов природного лития.
Аналогичный расчет проводим для водорода:
χ(1H) + χ(2D)·2 = 1,0079
Получаем χ(2D) ≈ 0,008; т.е. примерно 0,8%.