Химия 9 класс: теоретический тур

Решения задач теоретического тура

Девятый класс

Решение Задачи 9-1 (автор: Ильин М. А.)

1.                       Обозначим состав хлорида А в виде XCl_n, а атомную массу металла X – x а. е. м.

Тогда:

35,45n

(Cl)             0,7975  35,45n 0,7975x 28,27n  0,7975x 7,18n  x 9,00n.

x35,45n

Перебирая целочисленные значения n от 1 до 8, приходим к единственному разумному варианту X – Al, а А – AlCl₃ (M = 133,4 г/моль). Учитывая, что стехиометрический состав хлорида Е – YCl₃, находим атомную массу металла Y: 

(133,4  1,187) – (35,45  3) = 158,3 – 106,4 = 51,9 а. е. м. 

Таким образом, Y – Cr.

2.                       При взаимодействии избытка концентрированного раствора щёлочи с хлоридом алюминия в зависимости от pH возможно образование гидроксокомплексов различного состава (реакция 2). Гидроксоалюминаты устойчивы лишь в водных растворах, при упаривании их водных растворов и последующем прокаливании (800 °С) происходит образование метаалюминатов (реакция 3). При пропускании избытка углекислого газа через раствор гидроксоалюминатов выпадает студенистый осадок гидроксида алюминия переменного состава (реакция 4), который также образуется при добавлении избытка водного раствора аммиака к раствору хлорида алюминия. При взаимодействии гидроксида алюминия с плавиковой кислотой в присутствии фторида натрия образуется соединение, содержащее устойчивый гексафтороалюминат-ион (реакция 5).

При добавлении водного раствора сульфида натрия к раствору хлорида хрома происходит необратимый гидролиз, в результате чего образуется осадок гидроксида хрома (III) (реакция 8). При добавлении избытка раствора соляной кислоты и металлического хрома в инертной атмосфере образуется раствор хлорида хрома (II) (реакция 9). Концентрированный раствор пероксида водорода в щелочной среде (KOH) приводит к окислению Cr(III), в результате чего образуется хромат калия (реакция 10). Хромат-ионы устойчивы лишь в нейтральной и щелочной среде, при подкислении раствором сильной минеральной кислоты (H₂SO_{4 разб.}) они довольно быстро превращаются в дихромат-ионы (реакция 11), которые в кислой среде проявляют довольно сильные окислительные свойства (реакция 12). Таким образом, формулы соединений А–К:

А – AlCl3;	Е – CrCl3;
Б – Na3[Al(OH)6] (Na[Al(OH)4], Na[Al(H2O)2(OH)4]);	Ж – Cr(OH)3;
В – NaAlO2;	З – CrCl2;

© ЦПМК ВсОШ по химии

Г – Al(OH)₃;                                                                                            И – K₂CrO₄;

Д – Na₃[AlF₆];                                                                                         К – K₂Cr₂O₇.

Уравнения реакций (1–12):

(1)  2Al + 3Cl₂  2AlCl₃;

(2)  AlCl₃ + 6NaOH _{изб. конц.}  Na₃[Al(OH)₆] + 3NaCl,

(AlCl₃ + 4NaOH _{изб. конц.}  Na[Al(OH)₄] + 3NaCl),

(AlCl₃ + 4NaOH _{изб. конц.} + 2H₂O  Na[Al(H₂O)₂(OH)₄] + 3NaCl);

^to NaAlO₂ + 2NaOH + 2H₂O, (3) Na₃[Al(OH)₆] _

(Na[Al(OH)₄] _^to NaAlO₂ + 2H₂O),

^to NaAlO₂ + 4H₂O); (Na[Al(H₂O)₂(OH)₄] _

(4)  Na₃[Al(OH)₆] + 3CO_{2 изб.}  Al(OH)₃ + 3NaHCO₃,

(Na[Al(OH)₄] + CO_{2 изб.}  Al(OH)₃ + NaHCO₃),

(Na[Al(H₂O)₂(OH)₄] + CO_{2 изб.}  Al(OH)₃ + NaHCO₃ + 2H₂O);

(5)  Al(OH)₃ + 3HF _конц. + 3NaF  Na₃[AlF₆] + 3H₂O;

(6)  AlCl₃ + 3NH_{3 изб.} + 3H₂O  Al(OH)₃ + 3NH₄Cl;

(7)  2Cr + 3Cl₂ _^to 2CrCl₃;

(8)  2CrCl₃ + 3Na₂S + 6H₂O  2Cr(OH)₃ + 6NaCl + 3H₂S;

(9)  2CrCl₃ + 2HCl + 2Cr ^атм^.^Ar 4CrCl₂ + H₂,

(2CrCl₃ + Cr ^атм^.^Ar 3CrCl₂);

(10)                2Cr(OH)₃ + 3H₂O_{2 конц.} + 4KOH  2K₂CrO₄ + 8H₂O; (11) 2K₂CrO₄ + H₂SO_{4 разб.}  K₂Cr₂O₇ + K₂SO₄ + H₂O;

                                                                                    ^to    2CrCl₃ + 3Cl₂ + 4KCl + 8H₂O.

(12) 2K₂CrO_{4 тв.} + 16HCl _конц. _

3.                       Тривиальное (оно же минералогическое) название соединения Д – криолит. Для получения алюминия используется смесь Al₂O₃ (~10–15 %) и Na₃[AlF₆] (~85–90 %). Криолит

позволяет        существенно        понизить       температуру       проведения         электролиза

(t_пл.(Al₂O₃) ~ 2053 °C!), а также значительно увеличить электропроводность расплава.

4.                       Водный раствор хлорида хрома (II) будет быстро окисляться кислородом воздуха до соединений Cr(III):

4CrCl₂ + O₂ + 2H₂O  4Cr(OH)Cl₂.

или (в присутствии HCl):  4CrCl₂ + O₂ + 4HCl  4CrCl₃ + 2H₂O

Система оценивания:

1.       Металлы X и Y (с расчётами; без расчётов – 0,5 балла)      1 балл

2.       Формулы соединений А–К по 0,5 балла;          17 баллов

Уравнения реакций 1–12 по 1 баллу

3.       Тривиальное (минералогическое) название Д – 0,5 балла;     1 балл

Добавление Д (любой из вариантов в решении) – 0,5 балла

4.       Уравнение реакции окисления раствора З на воздухе            1 балл

                                                                                                                        ИТОГО: 20 баллов

Решение Задачи 9-2 (автор: Лебедева О.К.)

1.              Из условия задачи видно, что элемент Х может образовывать по меньшей мере две кислоты, одна из которых очень сильный окислитель. Кислота 1 получается при действии азотной кислоты на простое вещество. Значит, элемент Х – неметалл, расположенный в главных подгруппах 6–7 групп. Неметаллы главных подгрупп 4–5 группы могут образовывать несколько кислот. Сильным окислителем, способным растворять золото, может быть только азотная кислота в смеси с соляной (царская водка), но в условии сказано, что в реакции не образуются газообразные продукты. Галогены в природе в виде простых веществ не встречаются, значит, речь может идти только об элементе 6 группы главной подгруппы. 

В природе часты минералы, содержащие серу и сера встречается в самородном виде. 

У элементов 6 группы могут быть кислоты состава H₂ЭО₃ и Н₂ЭО₄.(Э = S, Se, Te, Po). 

Элемент Y – сера. Элемент Х может быть селен, теллур или полоний. По процентному составу кислоты 1 H₂ЭО₃  элемент Х – селен  (Se). (ω = M(Se)/M(H₂SeO₃) = 79/129 =

61.2 %). Тогда кислота 1  – H₂SeO₃ а кислота 2 – H₂SeO₄.

2.              3Se + 4HNO₃ + H₂O = 3H₂SeO₃ + 4NO (реакция 1, можно и NO₂)           H₂SeO₃ +  H₂O₂ = H₂SeO₄ + H₂0, (реакция 2)

                    2Au+6H₂SeO₄=Au₂(SeO₄)₃ + 3H₂SeO₃ + 3H₂O (реакция 3) или

               2Au + 6H₂SeO₄ = Au₂(SeO₄)₃ + 3SeO₂ + 6H₂O        или          2Au + 7H₂SeO₄ = 2H[Au(SeO₄)₂] + SeO₂ + 6H₂O.

3.              Селен от Селены греческой богини луны.

4.              Установим состав соединения Б. Исходя из того, что оно бинарное и включает селен, можно предположить, что это соединение с водородом, алюминием, натрием или оксид. По процентному содержанию селена с учётом того, что в состав входят цепочки Se₄ можно исключить соединения с водородом и кислородом. Значит, это алюминий или натрий.

Рассмотрим соединение с натрием:

            Na_xSe_y                x : y = (12.6 / 23) : (87.3 / 79) = 0.55 : 1.1 = 1 : 2. 

Простейшая формула NaSe₂. Т. к. соединение содержит цепочки Se₄, то формула 

B = Na₂Se₄. Для алюминия нет веществ, удовлетворяющих условию.

12Se + 2 Al + 8 NaOH = 3Na₂Se₄ + 2 NaAlO₂ + 4 H2O (реакция 4)

Система оценивания:

1.        Установление элементов X,Y по 2 балла,       4 балла

2.        Установление формулы кислоты 1 и 2 по 1.5 балла             3 балла

3.        Уравнения реакции 1–3 по 2 балла      6 баллов

4.        Ответ на вопрос 3         1 балл

5.        Установление формулы вещества Б   4 балла

6.        Уравнение реакции 4     2 балла

                                                                                                                                 ИТОГО: 20 баллов

Решение Задачи 9-3 (авторы: Медведев И. Н., Долженко В. Д.)

1) После первых двух опытов нетронутым осталось вещество А массой 0,6005 г. Далее его сожгли и получили газообразный оксид Е, количество которого равно 1,12 / 22,4 = 0,05 моль. Пусть он содержит два атома А в молекуле, тогда количество А равно

0,1 моль и 

 

то есть близко к литию. Но литий газообразных оксидов не образует (к тому же, он растворился бы в предыдущих опытах). 

Значит, в молекуле Е один атом А. Тогда количество А равно 0,05 моль и 

 

Тогда это углерод и углекислый газ. Итак, А – это С, Е – это СО₂.

Значит, в задаче идёт речь об элементах подгруппы углерода.

Раствор 1 не содержит А и Б, значит в нём содержится только нитрат элемента В (так как раствор получен растворением В в азотной кислоте). Причём азотная кислота в такой концентрации окисляет элементы группы углерода только до степени окисления +2. В опыте 4 этот нитрат выделили из раствора и растворили в воде. После этого с помощью сульфида калия был осаждён, вероятно, сульфид. Тогда З имеет формулу ВS (степень окисления равна +2). Если атомная масса В равна х, то массовая доля В в соединении З равна 

 

а поскольку масса З равна 3,5890 г, то масса простого вещества В равна 

 

Оставшиеся элементы подгруппы углерода при растворении в концентрированной щёлочи окисляются до соединений со степенью окисления +4. Значит, при добавлении кислоты в опыте 5 выпадает гидратированный оксид вида БО₂·nH₂O. Он при прокаливании даст оксид БО2 (он же вещество И). Пусть молярная масса Б равна y. Тогда, аналогично предыдущим рассуждениям, исходя из того, что масса И равна 2,1030 г, масса Б равна 

Так как масса исходной смеси равна 4,6915 г, а масса углерода равна 0,6005 г, то 

Рассмотрим все возможные варианты:

Если Б – это свинец, то у = 207,2, тогда х = 55, то есть марганец. Но он находится не в группе углерода.

Если Б – это олово, то у = 118,71, тогда х = 67,5, то есть между галлием и цинком. Но ни тот, ни другой не располагаются в группе углерода. 

Если Б – это германий, то у = 72,61, тогда х = 88, то есть стронций. Он тоже не в группе углерода. 

Если Б – это кремний, то у = 28,09, тогда х = 207, то есть свинец. 

Число рассматриваемых вариантов можно сократить, если знать, что в щёлочи растворяются только кремний и олово, а чёрный сульфид образует свинец.

Значит, Б – это Si, В – это Pb, И – это SiO₂, З – это PbS. 

Газ Г – один из оксидов азота, которые обычно выделяются при реакциях металлов с азотной кислотой. Молярная масса Г при этом равна 14,88·2,02=30 г/моль. Из всех оксидов азота такую молярную массу имеет только NO. Г – это NO. 

При реакции кремния с концентрированной  щёлочью образуется водород. Значит, газ Д – это H₂. 

Ж кристаллизовалось из раствора, полученного пропусканием через щёлочь углекислого газа. Значит, это карбонат натрия. Но массовая доля кислорода в Ж равна 72,68 % (в безводном карбонате – 45,28 %). Значит, это кристаллогидрат вида Na₂CO₃·nH₂O.

Массовую долю кислорода в нём можно выразить:

Значит, Ж – это Na₂CO₃·10H₂O.  

2)        Уравнения реакций 

1.        3 Pb + 8 HNO₃ = 3 Pb(NO₃)₂ + 2 NO↑ + 4 H₂О

2.        Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2 H₂

3.        C + O₂ = CO₂

4.        CO₂ + 2 NaOH + 9 H₂O = Na₂CO₃·10H₂O

5.        Pb(NO₃)₂ + K₂S = 2 KNO₃ + PbS↓

6.        Na₂SiO₃ + 2 HCl + (n–1) H₂O = SiO₂·nH₂O↓ + 2 NaCl 

7.        SiO₂·nH₂O = SiO₂ + n H₂O  

3)        Массы углерода и свинца рассчитаны ранее. Теперь довольно легко найти массовые

доли веществ в исходной смеси:

(C)    0,1280 12,80%

(Pb)    0,6625  66,25%

(Si) = 100 % – 12,80 % – 66,25 % = 20,95 % Количество выделенного из раствора гидрата карбоната натрия:

(Na₂CO₃ 10H₂O)    0,030 моль

Т. к. на 1 формульную единицу Na₂CO₃·10H₂O приходится 1 моль углерода, максимальное количество Na₂CO₃·10H₂O равно исходному количеству моль углерода, т. е.

0,05 моль. 

 0,03

                                                                           Выход                       0,6  60%

                                                                                                    _теор           0,05

Система оценивания:

1.        Определение веществ А – И по 0,5 балла         

       Расчёты NO, CO₂ , PbS, SiO₂, Na₂CO₃·10H₂O по 1 баллу                                         9,5 баллов

2.        Уравнения реакций по 1 баллу 7 баллов  

3.        Расчёт массовых долей веществ в исходной смеси – 2,5 балла       3,5 балла

(верные массовые доли для любых 2-х по 1 баллу, третий – 0,5 балла) Расчёт выхода Na₂CO₃·10H₂O – 1 балл

                                                                                                                                 ИТОГО: 20 баллов

Решение Задачи 9-4 (авторы: Дроздов А. А., Андреев М. Н.)

Бурый газ, выделяющийся при реакции неизвестного вещества с концентрированной азотной кислотой – это оксид азота (IV) NO₂. Осадок Х₃, образующийся при действии раствора хлорида бария на азотнокислый раствор, полученный при растворении Х1, это сульфат бария BaSO₄, нерастворимый в кислотах (фосфат бария в этих условиях не образуется, т. к. в растворе кислая среда из-за большого избытка азотной кислоты). Осадок Х₄, полученный при добавлении нитрата серебра, это хлорид серебра AgCl. Жёлтый осадок Х5, образующийся при осторожном добавлении щёлочи, может представлять собой оксид ртути HgO или фосфат серебра Ag₃PO₄. Массовое отношение X₃ : X₅ = 1,074 для BaSO₄ : HgO, что не соответствует приведённому в условии. В случае фосфата серебра мольное отношение Ag₃PO₄ : BaSO₄ =419·1,39 : 233 =  1 : 2,5, то есть 2Ag₃PO₄ : 5BaSO₄, что соответствует соотношению элементов P : S = 2 : 5 и формуле X₁ P₂S₅. 

Итак, 

X₁ = P₂S₅,

X₂ =  NO₂,

X₃ = BaSO₄,

X₄ = AgCl,

X₅ = Ag₃PO₄

2) Уравнения реакций:

1.        P₂S₅ + 40HNO₃ = 2H₃PO₄ + 5H₂SO₄ + 40NO₂+ 12H₂O;

2.        H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄+ 2HCl;

3.        AgNO_3(изб) + HCl = AgCl + HNO₃;

4.        HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O;

5.        H₃PO₄ + 3NaOH + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄ + 3NaNO₃ + 3H₂O.

Система оценивания:

1.        Определение веществ Х₁ – Х₅ по 2 балла        10 баллов

2.        Уравнения реакций по 2 балла 10 баллов

                                                                                                                                 ИТОГО: 20 баллов

Решение Задачи 9-5 (автор: Ерёмин В. В.)

1.  Найдём молярную массу смеси. 

                                                            M = RT = 0.968 8.314 288              = 77.3 г/моль

                                                                         P                    30

Оба газа поглощаются щёлочью, поэтому логично предположить, что это – кислотные оксиды, поэтому один из двух элементов – кислород.

 Один из газов имеет молярную массу больше, чем 77.3 г/моль, и представляет собой кислотный оксид. Можно предположить Cl₂O, тогда второй газообразный оксид – ClO₂. Из условия N(Cl) = N(O) находим, что N(Cl₂O) = N(ClO₂), т. е. газ представляет собой эквимолярную смесь Cl₂O и ClO₂. Проверяем:

                        M_ср(Cl₂O, ClO₂) = 0.5M(Cl₂O) + 0.5M(ClO₂) = 77.25 г/моль – подходит.

2.  а) При освещении давление увеличивается в 1.5 раза. Это соответствует полному разложению обоих оксидов на простые вещества:

                        Cl₂O = Cl₂ + ½ O₂

                        ClO₂ = ½ Cl₂ + O₂

 В результате разложения образуется эквимолярная смесь Cl₂ и O₂. При добавлении щёлочи весь хлор поглощается, окраска исчезает, и давление уменьшается в 2 раза:

                        Cl₂ + 2KOH = KCl + KClO + H₂O

(газ – холодный, поэтому образуется гипохлорит).

 б) При нагревании давление меняется как вследствие увеличения температуры, так и за счёт химической реакции. Пересчитаем давление на исходную температуру 15 °C:

                       39.5 кПа  288 К / 303 К = 37.5 кПа.

Это означает, что за счёт химической реакции оно увеличилось на ¼ по сравнению с первоначальным. Следовательно, при 30 °C разложился только один из двух оксидов. Какой именно? Допустим, исходная смесь содержала по x моль Cl₂O и ClO₂, всего 2x моль. После нагревания общее количество вещества увеличилось на ¼ и составило 2.5x моль, а после добавления щёлочи осталось всего 0.5x моль газа (давление уменьшилось в 5 раз). И хлор, и неразложившийся оксид хлора поглощаются раствором щёлочи, следовательно остался кислород O₂. В таком количестве (0.5x моль) он образуется при разложении Cl₂O:

                        Cl₂O = Cl₂ + ½ O₂

Реакции со щёлочью:

                        Cl₂ + 2KOH = KCl + KClO + H₂O

(в этом случае можно принимать и образование KClO₃, так как температура более высокая),

                        2ClO₂ + 2KOH = KClO₂ + KClO₃ + H₂O.

            Ответы.

1.  По 50 % Cl₂O и ClO₂.

2.  а) При освещении оба оксида разложились на простые вещества.

б) При нагревании разложился только Cl₂O.

Система оценивания:

1.        Расчёт молярной массы газа 2 балла

Определение формул газов   2 балла Определение соотношения            2 балла

(по молярной массе или по мольной доле)

2.        4 Уравнения реакций по 2 балла         8 баллов

(2 реакции разложения, реакции Cl₂ и ClO₂ со щёлочью)

если продукты правильные, но реакция не уравнена – 1 балл за каждую реакцию

         Объяснение эксперимента с освещением, с расчётами                                         2 балла

(идея полного разложения без расчётов – 1 балл)

        Объяснение эксперимента с нагреванием                                                                4 балла

Из них

за идею разложения только одного из оксидов – 1 балл  за пересчёт давления к исходной температуре – 1 балл

                                                                                                                                 ИТОГО: 20 баллов

Краткое описание документа:

Изучить задания олимпиад в прошедшие годы. Они часто даются в определённой форме, ознакомьтесь с ней, чтобы представлять, чего ожидать. Разберите задания, обратите особое внимание на сложные и неясные моменты.Изучите сайт олимпиады. Иногда организаторы сами выкладывают лекции и видеоразборы своих заданий.Расширяйте сферу интересов, читайте больше дополнительного материала. Не ограничивайтесь школьными учебниками, дополните их вузовскими книгами и методичками, научной литературой, статьями из профильных журналов и с интернет-сайтов.