Десятый
класс
Решение Задачи 10-1 (автор: Белоусов Ю. А.)
1.
Газ Б с плотностью по гелию 16 имеет молярную массу 64 г/моль,
что соответствует оксиду серы (IV). Можно предположить, что минерал – сульфид
неизвестного металла Х, а В – оксид того же металла. Поскольку
при обжиге образуются эквимолярные количества продуктов, можно заключить, что
состав минерала XS.
При растворении оксида В
в серной кислоте образуется сульфат Х. Проверим это предположение:
Х2On + nH2SO4
= X2(SO4)n + nH2O
(Х) 2М(Х)
=> M(X) 2M(X) nM 1(Х)
M(X) = M(SO42–)·n/2·(X) /(1 – (X)) = 96·n/2·(1
– 0.2089)
При n = 1 M(X) = 12,68 г/моль (нет
соответствия)
При n = 2 M(Х) = 25,35 г/моль (нет
соответствия)
При n = 3 M(Х) = 38,03 г/моль (нет
соответствия),
При n = 4 M(Х) = 50,70 г/моль (V, но из
водного раствора выделяется VOSO4).
Таким образом, сульфат
состава X2(SO4)n не подходит. При упаривании
водного раствора может образоваться кристаллогидрат сульфата Х: X2(SO4)n·mH2O.
В данном случае придётся перебирать все возможные значения n и m.
(Х) 2М(2Х))mM(H2O) =>M(X)
(2Х)
nM(SO124)(mХ)M(H2O) 2M(X)nM(SO4
M2(SO4)n
m n
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
1
|
15,05
|
17,43
|
19,80
|
22,18(Na)
|
24,56
|
26,93
|
29,31
|
31,69
|
34,06
|
3
|
40,40
|
42,78
|
45,15(Sc)
|
47,53
|
49,91
|
52,28
|
54,66
|
57,04
|
59,41
|
2(M(SO4)n/2·m/2H2O)
m n
|
2
|
4
|
6
|
8
|
10
|
12
|
14
|
16
|
2
|
30,10
|
34,86
|
39,61(Ca)
|
44,36
|
49,12
|
53,87
|
58,62(Co,Ni)
|
63,38(Cu)
|
4
|
55,45(Mn)
|
60,21
|
64,96
|
69,71(Ga)
|
74,47
|
79,22
|
83,97
|
88,73
|
Этот способ не
оптимален, т. к. требует много расчётов, но не даёт однозначный ответ в силу
большого числа возможных вариантов, для рассмотрения которых необходимо
привлечение дополнительных данных. Разумнее сначала выбрать круг возможных
металлов на основании дополнительных данных, а затем проводить для них расчёт.
Рассмотрим свойства
описываемых соединений. Зелёный цвет кристаллогидрата сульфата можно ожидать
для солей ванадия (III), хрома (III), и никеля (II). Добавление к раствору
сульфата щёлочи должно приводить к образованию осадка гидроксида металла, а при
его растворении в аммиаке образуется комплекс фиолетового цвета, что характерно
для меди (II) и никеля (II).
Из предыдущей таблицы
видно, что из упомянутых металлов условию соответствуют NiSO4·7H2O
и CuSO4·8H2O. Последний не существует, т. к. сульфат меди
кристаллизуется с 5 молекулами воды (CuSO4·5H2O, медный
купорос) и имеет голубую окраску.
Таким образом, A
– сульфид никеля NiS, Б – оксид серы SO2, В
– оксид никеля NiO, Г – гептагидрат сульфата никеля, NiSO4·7H2O.
Осадок Д – гидроксид никеля Ni(OH)2.
Молярная масса галогена в галогениде калия KHal (вещество З)
может быть вычислена:
(Hal) М(Hal) =>
M(Hal) (Hal)M(K) 0,671439,0983 79,9
M(Hal)
M(K) 1(Hal) 10,6714
Вещество З – это бромид калия KBr.
Установим формулу
вещества Ж. По условиям его получения в результате взаимодействия
образующегося в реакции 4 комплексного катиона Е с бромидом
калия, можно заключить, что формула Ж [Ni(NH3)n]Br2.
Определим n:
(Ni) М(Ni) =>n
(1(Ni))M(Ni)
2M(Br)
M(Ni)nM(NH3)2M(Br) (Ni)M(NH3) M(NH3)
6
Значит вещество Ж –
[Ni(NH3)6]Br2. Е – катион
аминокомплекса [Ni(NH3)6]2+. Бинарное
соединение И, получаемое при разложении Ж – это бромид никеля NiBr2.
2. Уравнения реакций:
1. NiS +
1.5O2 → NiO +
SO2 ;
2. NiO + H2SO4
+ 6H2O → NiSO4·7H2O;
3. NiSO4
+ 2NaOH →Ni(OH)2↓
+ Na2SO4;
4. Ni(OH)2
+ 6NH3 →
[Ni(NH3)6]2++2OH– или
Ni(OH)2
+ 6NH3 →
[Ni(NH3)6](OH)2;
5.
[Ni(NH3)6]2+ + 2Br– → [Ni(NH3)6]Br2
или [Ni(NH3)6](OH)2 + 2KBr → [Ni(NH3)6]Br2
+ 2KOH;
6. [Ni(NH3)6]Br2
→NiBr2
+ 6NH3.
Строение катиона гексааминникеля – октаэдр, что следует из
состава.
Система
оценивания
1 Определение элемента Х
|
1.5 балла
|
Определение соединений А–И (по
0.5 за вещество)
|
4.5 балла
|
Расчёт состава Б, Г, Ж,
З (по 1 б за в-во).
|
4 балла
|
2 Уравнения реакций (6 реакций по 1,5 б)
|
9 баллов
|
3 Строение катиона Е
|
1 балл
|
|
ИТОГО:
20 баллов
|
Решение
Задачи 10-2 (авторы: Медведев И. Н., Долженко В. Д.)
|
1) В опыте
1 одно из трёх простых веществ В не растворилось в щёлочи.
В опыте 2 получен
раствор нитрата В с непрореагировавшим избытком азотной кислоты (раствор
2). После упаривания раствора (опыт 3) удалили избыток
азотной кислоты, твёрдый остаток растворили в воде при этом в растворе
содержится только нитрат. Из него при реакции с сульфидом калия выпадает
чёрный осадок Е, вероятно, сульфида В.
Пусть Е имеет формулу В2Sn. Тогда, исходя
из того, что нам известны массы исходного В
(0,5180 г) и получившегося Е (0,5982 г), можно
определить массовую долю В в сульфиде:
0,5180 2M(B)
0,8659
0,5982 2M(B)
32n
Значит М(В) =
103,3·n, где n принимает целые значения. Тогда для различных n
получаем варианты: n = 1. M(В) =103,3 – близко к родию, но в
условиях реакции образование сульфида Rh(I) невозможно.
n = 2. M(В)
=206,6 – близко к свинцу. Свинец имеет чёрный нерастворимый сульфид PbS.
n = 3 и выше – М(В) больше 300, таких
элементов нет.
Значит, В – Pb, Е –
PbS. Свинец находится в 14 группе. В силу того, что углерод
нерастворим в щёлочи, возможные кандидаты на оставшиеся простые вещества – это
кремний, германий и олово.
В опыте 4
при нейтрализации образуется смесь гидратированных оксидов, один из которых по
условию задачи растворяется в концентрированной соляной кислоте.
Прокаливание оставшегося гидратированного оксида должно
приводить к обезвоживанию и
M
образованию
оксида вида АО2. Его масса равна 0,1803г, значит m(A) 0,1803 М –
M
32
молярная масса А.
В опыте 5
описано получение сульфида Б. Его масса равна 0,1828 г. Значит, m(Б)
Х 0,1828, где Х –
молярная масса Б. Нам также известна общая масса А и Б в
Х 64 исходной навеске:
она равна 0,7210 – 0,5180=0,2030 г. Получаем:
M Х m(A) m(Б) 0,1803 0,1828 0,2030 ,
M
32 Х
64
415,7440,6464 Х
Значит
М и Х связаны соотношением: М
0,1601 Х 1,4528
Теперь можно рассмотреть три случая:
Если Б – это кремний, то Х = 28,09, тогда М
= 142,52. Элементов с такой массой в группе углерода нет. Значит, Б – не
кремний.
Если Б – это германий, то Х = 72,61, тогда
М = 45,49. Элементов с такой массой в этой группе тоже нет. Значит, Б –
не германий.
Если Б – это олово, то Х = 118,71, тогда М =
28,06. Значит, A и Б – это Sn и Si. (в любом порядке), вещества: И
– это SiO2, К – это SnS2.
Бесцветный, лёгкий газ Г,
образующийся при растворении кремния и олова в концентрированном растворе
щёлочи, это H2.
Найдём молярную массу газа Д:
М(Д)
M(H2)DH2 2,01614,88
30,0 г/моль
Из всех существующих
оксидов азота, один из которых должен выделяться в ходе реакции свинца с
азотной кислотой, такую молярную массу имеет только оксид азота (II).
Следовательно Д – это NO.
При отжиге на воздухе
сульфида свинца (Е) образуется газ Ж и твёрдое оранжевое вещество
З. Значит, газ Ж – это SO2. А З – это один из
оксидов свинца – либо PbO, либо Pb3O4. Массовая доля
свинца в З равна 0,5180:0,5713=0,9067, что соответствует массовой доле
свинца в Pb3O4. Значит, З – это Pb3O4.
2)
Уравнения реакций:
1.
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2;
2.
Sn + 2NaOH + 4H2O → Na2[Sn(OH)6]
+ 2H2↑;
3.
3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO↑ +
4H2O;
4.
Pb(NO3)2 + K2S → 2KNO3
+ PbS↓;
5.
3PbS + 5O2 → Pb3O4 + 3SO2;
6.
Na2SiO3 + 2HCl + (n – 1)H2O
→ SiO2·nH2O↓ + 2NaCl;
7.
Na2[Sn(OH)6] + 2HCl + (n –
4)H2O → SnO2·nH2O↓ + 2NaCl;
8.
SnO2·nH2O + 6HCl → H2[SnCl6]
+ (n + 2)H2O ;
9.
SiO2·nH2O → SiO2 + nH2O;
10. H2[SnCl6]
+ 2H2S → SnS2↓ + 6HCl.
3)
Масса свинца в навеске нам дана: она равна m1
=> 0,5180 г.
Масса SiO2 равна 0,1803 г, значит, масса кремния
равна
M(Si) 28,086
m(Si)
m(SiO2) 0,1803 0,0843 г
M(SiO2) 60,084
Масса
SnS2 равна 0,1828 г, можно провести аналогичный расчёт для массы
олова:
M(Sn) 118,71
m(Sn) m(SnS2) 0,1828 0,1187 г или M(SnS2) 182,842
m(Sn) m(смеси)m(Pb)m(Si) 0,72100,51800,0843 0.1187 г
Массовые доли:
(Si) 0.1169 11,69 %
(Sn) 0.1646 16,46 %
(Pb) 0.7184 71,84 %
4)
Состав вещества Y не исчерпывается указанными элементами, т. к.
сумма их долей не равна 100 %. Найдём разницу:
= 100 – 2,506 – 56,459 – 23,564 – 3,053 – 3,955 = 10,463 % Определим мольное
отношение элементов, содержащихся в Y:
|
Na
|
Pb
|
C
|
N
|
H
|
|
2,506
|
56,459
|
23,564
|
3,055
|
3,955
|
M
|
22,989
|
207,2
|
12,011
|
14,007
|
1,008
|
/M
|
0,1090
|
0,2725
|
1,9619
|
0,2181
|
3,9236
|
/
|
1,0
|
2,5
|
18,0
|
2,0
|
36,0
|
Если привести к целым значениям, то Na : Pb : C :
N : H = 2
: 5 : 36 : 4 : 72.
Молекула 2,2,2-crypt
имеет формулу C18H36N2O6. Значит, Y
содержит 2 молекулы 2,2,2-crypt. Соотношение C : N : H = 18:2:36,
совпадает с таковым для 2,2,2-crypt, но молекула криптанда содержит ещё
и кислород рассчитаем массовую долю кислорода в соедини Y исходя из состава 2,2,2-crypt:
= 6·
= 0,6540(O)
= ·MO
= 10,464 %,
что совпадает с рассчитанным ранее
остатком, т. е. состав Y выражается формулой Na2Pb5C36H72N4O12[1]
или Na2Pb5(2,2,2-crypt)2.
5)
Из того факта, что на один атом натрия приходится одна молекула
криптанда, а в
состав аниона
входят только атомы одного сорта,
можно предположить образование комплексного катиона
[Na(2,2,2-crypt)]+ и аниона Pb52–.
Согласно правилу
октета свинец, который имеет 4 валентных электрона, может образовать 4
одинарные связи, наличие у аниона заряда «2–» говорит о том,
что 2 атома из пяти смогут
образовать только 3 связи. Таким образом, в анионе содержится 2 атома свинца с тремя
связями Pb–Pb и 3 атома с четырьмя связями Pb–Pb, этому условию отвечает тригональная
бипирамида.
Система
оценивания:
1.
Определение веществ А – З по 0,5 балла
4 балла
Расчёты PbS, SiO2 , SnS2,
Pb3O4 по 0,5 балла 2
балла
2.
Уравнения реакций по 1 баллу 10 баллов
3.
Расчёт массовых долей элементов 1
балла
4
Расчёт состава Y 2 балла
5
Строение аниона Pb52–.(0,5
балла), обоснование (0,5 балла) 1 балл
ИТОГО:
20 баллов
Решение Задачи 10-3 (авторы Гулевич Д. Г.,
Емельянов В. А.)
1.
Мольное соотношение Г/В в равновесной смеси при
температуре 25 °C и давлении 1 атм. составляет 2,16/1. Это значит,
что на 1 моль В в такой смеси приходится 2,16 моль Г, то есть из
суммарного числа молей 1 + 2,16 = 3,16 количество В составляет 1 моль, а
количество Г 2,16 моль. Отсюда находим мольные доли:
xВ = 1/3,16 = 0,316 или 31,6 %, xГ
= 2,16/3,16 = 0,684, или 68,4 %.
Для реакции димеризации
2В = Г константа равновесия K = pГ/рВ2,
где pГ и рВ – равновесные парциальные
давления газов Г и В. Поскольку pГ = xГ ·
робщ, рВ = xВ ·
робщ, а общее давление 1 атм, получаем pГ
= 0,684 атм., pВ = 0,316 атм. Тогда K =
0,684/0,3162 = 6,85.
2.
Из данных о плотности газовой смеси по воздуху определяем её
среднюю молярную массу: Мср. = Dвозд. · Mвозд. = 2,67 · 29 г/моль = 77,43 г/моль.
Средняя молярная масса газовой смеси равна сумме молярных масс компонентов,
умноженных на их мольные доли. Поскольку Г является димером В,
его молярная масса ровно в 2 раза превышает молярную массу В. Получаем
уравнение с одним неизвестным: Мср. = 0,316 ·
МВ + 0,684 ·
2 · МВ = 1,684МВ
= 77,43, откуда МВ = 46 г/моль.
Поскольку понижение
температуры приводит к смещению равновесия в сторону димеризации, из этого
можно сделать вывод, что реакция димеризации В экзотермическая.
3.
Основные компоненты воздуха – азот, кислород, аргон и
углекислый газ. Кислород и аргон не могут образоваться при сжигании А, а
для образования только воды и углекислого газа надо было сжигать углеводород,
который не подходит по условию. Тогда Д – это азот. Водородное
соединение азота А, удовлетворяющее условию (газ при н. у., водный
раствор которого окрашивает лакмусовую бумагу в синий цвет) – аммиак.
Тогда газ В с
молярной массой 46 г/моль – диоксид азота (оксид азота (IV)), газ Г –
тетраоксид диазота (димер оксида азота (IV)), а газ Б – монооксид азота
(оксид азота(II)).
Уравнения
реакций:
1)
4NH3 + 5O2 Pt/Rh4NO
+ 6H2O;
2)
2NO + O2 = 2NO2;
3)
2NO2 ⇄
N2O4;
4)
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O.
4.
Объёмное (оно же мольное) содержание азота в сухом воздухе
составляет 78 %. Тогда парциальное давление азота в описанных условиях составит
рN2 = 0,78 · 101,325 = 79 кПа.
5.
Смесь монооксида азота и диоксида азота (если более точно, то
его димера) при сильном охлаждении реагирует с образованием оксида азота (III).
Единственная распространённая азотсодержащая кислота (из которой, к тому же,
можно приготовить 50%ный водный раствор) – азотная. При взаимодействии аммиака
и азотной кислоты образуется нитрат аммония, термическое разложение которого
даёт оксид азота (I).
Уравнения реакций:
36 oC
5)
2NO + N2O4 2N2O3
(засчитывается NO + NO2 = N2O3);
6)
(С6Н12О5)n +
12nHNO3 = 6nNO + 6nNO2 + 6nCO2
+ 11nH2O (можно без n);
7)
NH3 + HNO3 = NH4NO3;
8)
NH4NO3 245 oC N2O + 2H2O.
Структурные формулы:
O O
Е O Ж O
H H
З
Система
оценивания:
1.
Расчёт мольных долей 1 балл, константы равновесия 1,5
балла 2,5 балла
2.
Расчёт молекулярной массы 1 балл, знак теплового эффекта 2
балла с обоснованием 1 балл (без обоснования 0,5 балла)
3.
Формулы веществ А–Д по 0,25 балла, названия А–Д
по 0,25 балла, 6,5 баллов уравнения реакций по 1 баллу
4.
Расчёт парциального давления азота 1
балл
5.
Уравнения реакций по 1 баллу, структурные формулы Е–И
по 1 баллу 8 баллов
(молекулярные
формулы Е–И не оцениваются)
ИТОГО:
20 баллов
Решение Задачи 10-4 (авторы: Андреев П. А.,
Трушков И. В.)
1.
Вещество В образуется при пиролизе метана и используется
для газовой сварки и резки металлов. Легко догадаться, что В – ацетилен,
C2H2. Окисление ацетилена избытком перманганата калия в
серной кислоте при нагревании приводит к образованию СO2 и H2O.
Следовательно,
единственное органическое соединение Z, образующееся при окислении смеси
А и В, является продуктом окисления А. На нейтрализацию
2.19 г Z требуется 3.75 · 0.32 = 1.2 г NaOH, что
соответствует 0.03 моль NaOH. Если Z – одноосновная кислота, то её
молекулярная масса равна 73 а. е. м. Это невозможно, поскольку молекулярная
масса соединений формулы СxHyOz должна быть
чётным числом. Если Z – двухосновная кислота, то её молекулярная масса
равна 146. Она соответствует формуле С4Н8(СО2Н)2. Отсюда можно сделать вывод, что А –
циклоалкен. Поскольку Z не содержит третичных атомов углерода, это либо
адипиновая (гександиовая) кислота, либо 2,2-диметилянтарная
(2,2-диметилбутандиовая кислота). Однако последняя должна получаться из крайне
нестабильного 3,3-диметилциклобутена. Адипиновая кислота образуется при
окислении циклогексена, который при нагревании в присутствии платинового
катализатора может подвергаться дегидрированию с образованием бензола.
Выделяющийся при этом водород (2 эквивалента) гидрирует ацетилен с образованием
этана. Действительно, и бензол, и этан не окисляются перманганатом калия в
кислой среде, а бензол можно получить тримеризацией ацетилена. Таким образом, А
– циклогексен, Z – адипиновая кислота, Х – бензол, Y –
этан.
HC≡CH
+ 2 KMnO4 + 3 H2SO4 = K2SO4
+ 2 MnSO4 + 2 CO2 + 4 H2O (реакция 5)
Реакция бензола с
хлороформом в присутствии AlCl3 представляет собой пример
алкилирования по Фриделю–Крафтсу. Поскольку продуктом реакции является
углеводород, можно сделать вывод, что в хлороформе все три атома хлора замещены
на фенильные группы, то есть образовался трифенилметан, (C6H5)3CH.
При действии на него натрия выделяется водород и образуется соль. Вывод –
трифенилметан проявляет слабые кислотные свойства, а солью является
трифенилметанид натрия, (C6H5)3CNa (D).
K3[Fe(CN)6] – одноэлектронный окислитель, превращающий
трифенилметильный анион в соответствующий радикал Е, который может
димеризоваться двумя путями: а) с образованием гексафенилэтана и б) в
результате атаки радикального центра одной частицы по фенильному кольцу другой.
Гексафенилэтан содержит только три типа атомов углерода, следовательно, это не
димер F. Димер имеет 9 типов атомов водорода, если трифенилметильный
радикал атакует другой радикал по пара-положению одной из фенильных
групп.
2.
При увеличении давления по принципу Ле-Шателье равновесие должно
сдвигаться в сторону димера. Следовательно, интенсивность окраски должна
ослабевать.
Система
оценивания:
1.
9 структурных формул – по 1 баллу 19 баллов
10
уравнений реакций по 1 баллу
2.
Ответ с обоснованием – 1 балл. 1 балл
Правильный
ответ без обоснования – 0.5 балла
ИТОГО:
20 баллов
Решение Задачи 10-5 (автор: Ерёмин В. В.)
При решении задачи
предполагаем, что поглощение света может привести к разрыву связи, если энергия
света больше или равна энергии связи.
1.
Длине волны 400 нм соответствует энергия
12 Дж/моль · 1 см / 400
нм = = 300 кДж/моль, а длине волны 700 нм – энергия 170 кДж/моль. Свет с такой
энергией может разложить на атомы молекулы Br2 и I2.
2.
O3
O2 + O.
Связь OO в молекуле
озона – промежуточная между одинарной O–O и двойной O=O. Если предположить, что
энергия такой связи равна среднему арифметическому: (497 + 146)
/ 2 = 321.5 кДж/моль, то такой энергии соответствует длина
волны света: 12 / 321500 · 107
нм = 373 нм. (На самом деле, пик поглощения озона приходится на 260 нм,
так как образуется возбуждённый молекулярный кислород).
3.
Энергию -связи
можно оценить как разность между энергиями двойной и одинарной связи: 612 −
348 = 264 кДж/моль. Такой энергии соответствует длина волны света: 12
/ 264000 · 107 нм = 455 нм.
Эта оценка – грубая, реально требуется УФ излучение, для разных алкенов 300–330
нм.
4.
а) Длине волны 500 нм соответствует энергия 240 кДж/моль, её
недостаточно для разрыва связей в CBrF3. Молекула не распадается.
б) 300 нм ~ 400 кДж/моль. Может
разорваться связь C–Br. Продукты: CF3 и Br. (В качестве правильного
ответа принимаются также C2F6 и Br2).
в) 200 нм ~ 600 кДж/моль. Может
разорваться любая связь. Возможные продукты: CF3, Br, CF2Br,
F. В качестве правильного ответа принимаются также продукты рекомбинации этих
частиц.
Ответы:
1. Br2
и I2.
2. 373
нм.
3. 455
нм.
4. а)
Ничего.
б) CF3 и Br.
в) CF3,
Br, CF2Br, F. Система оценивания:
1.
Расчёт энергии света – 2 балла. 4 балла
Выбор
молекул – 2 балла.
За
каждую неправильную молекулу минус 1 балл
2.
Уравнение реакции – 1 балл 5 баллов
Оценка
энергии связи – 2 балла Расчёт длины волны – 2 балла.
3.
Оценка энергии связи – 2 балла 4 балла
Расчёт
длины волны – 2 балла.
4.
а) Расчёт энергии – 1 балл. 7 баллов
Вывод
о том, что ничего не будет – 1 балл.
(верный
ответ без расчёта – 0 баллов). б) Расчёт энергии – 1 балл.
Продукты – 1 балл (по 0.5 балла за каждый) в) Расчёт энергии – 1 балл.
Продукты – 2 балла (по 1 баллу за продукты с разрывом каждой связи).
ИТОГО: 20
баллов
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.