Московская городская олимпиада школьников по химии. Городской этап. 2007 г. » 10 класс. » Задания и решения ◊

10 класс

1. Масса колбы, заполненной смесью метана и кислорода, равна 57,5 г. Та же колба, заполненная
метаном, имеет массу 57,0 г, а та же колба с кислородом — 59,0 г. Все газы находятся при
одинаковых условиях. Достаточно ли в первой колбе кислорода для полного сгорания всего
метана? Ответ подтвердите расчетом.
2. Предельный углеводород состава C4H10 пропустили над алюмохромовым катализатором при
температуре 450°С, при этом получили два газа А и Б. Газ Б пропустили через водный раствор
серной кислоты с массовой долей 60%, в результате получена смесь жидких продуктов В и Г
(н.у.). После выделения из раствора и очистки, вещества В и Г ввели в реакцию с газом А в
присутствии никелевого катализатора и получили один продукт — углеводород Д, который
представляет собой один из эталонов автомобильного топлива.
а) Изобразите структурные формулы упомянутых веществ, напишите уравнения реакций.
б) Что показывает октановое число автомобильного топлива?
3. При взаимодействии 3,50 г смеси двух углеводородов, представляющих собой геометрические
изомеры, с бромистым водородом было получено 7,55 г монобромпроизводного. Изобразите
структурные формулы углеводородов, удовлетворяющих данному условию, и продуктов их
реакции с бромистым водородом. Ответ обоснуйте.
4. Образец металла массой 2,3 г, сожгли в кислороде. Продукт сжигания полностью растворили
в 200 г соляной кислоты с массовой долей 10%. На нейтрализацию избытка кислоты
потребовалось 86,0 г раствора едкого натра с массовой долей 10%. Затем образец того же металла
той же массы сожгли на воздухе и продукт реакции также растворили в 200 г 10%-ной HCl. На
нейтрализацию избытка кислоты в этом случае потребовалось 52,5 г 10%-ного раствора NaOH.
а) Какой металл был взят?
б) Чем вызвано различие результатов двух экспериментов? Напишите уравнения реакций.
в) Рассчитайте массы веществ, получающихся при растворении продуктов сгорания в соляной
кислоте.
5. При сжигании 0,552 г летучего неорганического бинарного соединения элемента Х
образовалось 1,08 г воды. Определите простейшую формулу соединения. Совпадает ли
молекулярная формула соединения с его простейшей формулой? Напишите уравнения реакций
горения, взаимодействия с водой и с хлором для этого соединения.
6. Основным способом извлечения самородного (элементного) золота из руд является цианидное
выщелачивание, при котором измельченную руду выдерживают в растворе, содержащем цианид
натрия, через который пропускают кислород. Раствор после цианирования направляется в
электролизёр для выделения растворенного золота на стальных катодах. Недостатком этого
метода является образование большого количества сточных вод, содержащих цианид-ионы.
а) Какие химические реакции лежат в основе извлечения золота?
б) Какие еще способы перевода металлического золота в раствор вы знаете?
в) Предложите методы обезвреживания сточных вод, содержащих цианид-ионы. Напишите
уравнения реакций.

Решения:

10-1. Пусть М – масса пустой колбы. ν — число моль газа, которое находится в сосуде при
данных условиях.
Тогда М + 16ν = 57,
М + 32ν = 59.
Отсюда ν = 0,125
Масса колбы получается из любого и двух уравнений М = 55 г.
Теперь у нас есть 2,5 г. смеси метана и кислорода, и требуется определить ее состав
ν1 – число моль метана ν2 – число моль кислорода
ν1 + ν2 = 0,125
16 ν1 + 32 ν2 = 2,5
Отсюда ν1 = 0,09375, ν2 = 0,125 – 0,09375 = 0,03125.
Так как на сгорание метана по реакции CH₄ + 2 O₂ = CO₂ + 2 H₂O требуется 2 моль
кислорода на один моль метана, то очевидно, что кислорода на полное сгорание не хватит.
Другой способ
В некоторых работах встречается такое остроумное решение:
Пусть k — доля колбы, заполненная метаном в смеси метана с кислородом, тогда
кислородом заполнена часть 1 – k.
Тогда 57 k + (1 – k)59 = 57,5
Решая уравнение, легко получаем k = 0,75, то есть метана (по объему и соответственно по
количеству вещества) в три раза больше, чем кислорода, следовательно, кислорода
недостаточно.

10-2. Первая реакция представляяет собой дегидрирование
газ А – водород, газ Б – изобутен
Вторая реакция – димеризация, дает два изомерных октена – В и Г:

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

Третья реакция – гидрирование обоих октенов, которое дает один продукт – изооктан
(2,2,4- триметилпентан)
Октановое число моторного топлива характеризует способность топлива к детонации,
которая является вредной, и ее следует избегать.
Октановое число показывает стойкость к детонации (т.е. степень сжатия топлива, при
которой топливо детонирует). Изооктан считается неспособным к детонации, ОЧ = 100.
Второй эталон — н-гептан ОЧ = 0, его стойкость к детонации считается нулевой.
Детонационные свойства реального бензина измеряют по аналогии: одноцилиндровый
мотор с переменной степенью сжатия доводят до появления детонации исследуемого
топлива. Затем подбирается смесь двух эталонных углеводородов. Процентное
содержание изооктана в смеси, детонирующей при той же степени сжатия, что и
исследуемое топливо, и будет являться октановым числом (ОЧ) топлива.

10-3.
Пусть молярная масса любого из исходных углеводородов М, масса продукта с одним
атомом брома – М + 81 (присоединение HBr).
Тогда М г дают (М + 81) г продукта
3,5 г дают 7,55 г продукта.
Решая пропорцию, получаем М = 70, то есть формула углеводорода C5H10
Далее следует определить структурную формулу углеводорода.
(1) Углеводород может представлять собой алкен, в данном случае, пентен. Для пентена
воможно существование нескольких изомеров: пентен-1, пентен-2, 2-метилбутен-1, 2-
метилбутен-2, 3-метилбутен-2.
Так как исходные вещества – два геометрических изомера, то подходит только пентен-2,
так как в других случаях цис-транс изомеров нет.
(2) Второй вариант – циклоалкан. Формулу C₅H₁₀ имеет циклопентан, метилциклобутан,
1,1-диметилциклопропан и 1,2-диметилпропан. Только в последнем случае существуют
геометрические изомеры. Таким образом, второй ответ задачи — это 1,2-диметилпропан.
Структурные формулы бромпроизводных:
(1) При бромировании пентена-2 будет получено оба возможных монобромпроизводных,
так как правило Марковникова не дает однозначного выбора:
CH₃CH(Br)CH₂CH₂ CH₃ CH₃CH₂CH(Br)CH₂CH₃

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

10-4. а) В первом случае образовался оксид металла. При его растворении в соляной
кислоте получен хлорид этого же металла.
200 г раствора HCl содержат 20 г или 0,548 моль HCl. На нейтрализацию избытка кислоты
затрачено 86 × 0,1 = 8,6 г, т.е. 0,215 моль NaOH.
Значит избыток кислоты составлял тоже 0,215 моль. Таким образом, на образование
хлорида металла затрачено 0,548 – 0,215 = 0,333 моль.
Таким образом, 2,3 г составляют 0,333 г-экв. металла
Молярная масса металла М = 6,9 n
При n = 1 металл – литий, при n = 2, 3, 4 новых решений не появляется.
б) Во втором случае металл взаимодействует не только кислородом, но и с азотом.
2 Li + O₂ = Li₂O
Li₂O + 2 HCl = 2 LiCl + H₂O
6 Li + N₂ = 2 Li₃N
Li₃N + 4 HCl = 3 LiCl + NH₄Cl
Последние две реакции объясняют различие результатов двух опытов – т.е. образование
нитрида и дополнительное количество НСl на связывание азота.
3. Массы веществ. В первом опыте получено 0,333 моль LiCl, что составляет 14,12 г.
Во втором эксперименте исходное количество соляной кислоты 0,548 моль. На
нейтрализацию израсходовано 5,25 г щелочи, что составляет 0,131 моль. Избыток кислоты
– это тоже 0,131 моль. Тогда на растворение продуктов реакции затрачено 0,417 моль
кислоты.
Уравнения реакций растворения Li₂O + 2 HCl = 2 LiCl + H₂O (1)
Li₃N + 4 HCl = 3 LiCl + NH₄Cl (2)
Пусть х моль лития – образовало оксид, а у моль лития – нитрид.
x + y = 0,333
Количество соляной кислоты на растворение оксида – x моль.
Количество соляной кислоты на растворение нитрида – y / 3 • 4 = 4/3y.
тогда x + 4/3y = 0,417
Система уравнений легко решается вычитанием первого уравнения из второго
y/3 = 0,417 – 0,333 = 0,084
у = 0,252, х = 0,081.
Массы веществ в растворе:
масса хлорида лития в итоге та же, что и в первом случае, так как весь литий переходит в
хлорид. Масса хлорида аммония: количество вещества хлорида аммония у/3 = 0,084.
Масса его – 4,49 г.

10-5. Исходное соединение – водородное, так как при сгорании образуется вода.
ЭH_n → n/2 H₂O
Пусть х – атомная масса элемента, тогда х + n/2 г в-ва образуют 9 n г воды
по условию: 0,522 г дают 1,08 г воды. Решение пропорции дает х = 3,6 n
При n = 1, такого элемента нет. Если n = 2, х = 7,2 такого элемента также нет.
Если n = 3, х = 10,8. Этот элемент бор. Если n = 4, х = 14,4 мог бы подойти азот, но он не
четырехвалентный.
Таким образом, остается бор. Соединение – BH₃.
Соединение BH3 не существует в свободном виде, но существует целый ряд
бороводородов. Простейшее из них (и соответствующее найденной простейшей формуле!)
– это диборан B₂H₆.
Реакции
B₂H6 + 3 O₂ = B₂O₃ + 3 H₂O
B₂H₆ + 6 H₂O = 2 H₃BO₃ + 6 H₂
B₂H₆ + 6 Cl₂ = 2 BCl₃ + 6 HCl

10-6. 1. цианидное выщелачивание протекает по реакции: 4Au + 8 KCN + O₂ + 2 Н₂O =
4 K[Au(CN)₂] + 4 КОН
2. Другие способы перевода золота в раствор, например
2 Au + 3 Cl₂ + 2 HCl = 2 H[AuCl₄]
Au + HNO₃ + 4HCl = H[AuCl₄] + NO + 2 H₂O (растворение в царской водке)
2 Au + 6 H₂SeO₄ = Au₂(SeO₄)₃ + 3 SeO₂ + 6 H₂O
3. В реальном в технологическом процессе для разложения цианид-ионов в раствор
добавляют гипохлорит, готорый превращает цианид в полностью нетоксичные
соединения.
2 NaCN + 5 NaClO + 2 H₂O = 2 NaHCO₃ + 5 NaCl + N₂
Другие реакции, приводящие к малотоксичным соединениям, в том числе связывание
цианид-ионов в комплексы, также оценивались как правильные.