59-я Московская олимпиада школьников по химии

Задачи теоретического тура (10 класс)

Условия задач

10-1 Известно, что белая краска на старинных картинах, представляющая собой свинцовые белила - основной карбонат свинца, темнеет после длительного пребывания в помещениях. Один из методов реставрации состоит в обработке потемневших участков пероксидом водорода. Почему краска темнеет и почему снова становится белой? Почему при реставрации на картинах иногда пропадает желтый цвет? Напишите соответствующие уравнения реакций.

10-2 Даны правые части уравнений химических реакций. Каждое из них описывает взаимодействие двух веществ. Запишите эти уравнения полностью.

= NaOH + NH3
= I2 + 2 FeCl2 + 2 KCl
= CO2 + 2HCl
= 2 FeSO4 + 2H2 + 9CO
= Fe(NO3)3 + 2NO + CO2
= 2NaHSO4 + SO2 + S + 2H2O
= 2K2CO3 + O2
= 2 Cu(NO3)2 + 2NO2 + 3H2O
= 4 Al(OH)3 + 3CH4
= LiCl + AlCl3 + 4H2

10-3 Газовую смесь, полученную при разложении некоторого нитрата А, пропустили в раствор гидроксида калия. В поглотительном растворе были обнаружены нитрат- и нитрит-ионы. Масса твердого остатка В после разложения нитрата относится к массе исходного нитрата как 4 : 9. При прокаливании вещества В в токе CO был получен темный порошок С, масса которого относится к массе В как 7 : 10. Определите вещества А, В и С и напишите уравнения всех упомянутых реакций.

10-4 Согласно одной из методик определения "общего олова", к водному раствору пробы добавляют равный объем концентрированной соляной кислоты, затем вносят в колбу несколько железных гвоздей и некоторое время кипятят. Нерастворившиеся остатки гвоздей извлекают, раствор охлаждают, добавляют к нему кусочки мрамора и сразу титруют раствором иода до появления окраски иода.

1) Что такое "общее олово"? На каких химических реакциях основана указанная методика?
2) Зачем в реакционную смесь добавляют кусочки мрамора? (учитывая, что мелом его заменить нельзя).
3) Что будет определяться по этой методике, если пропустить стадию кипячения с железными гвоздями?
4) Какую массу олова (в пересчете на металл) содержал раствор, на титрование которого пошло 25 мл раствора иода с концентрацией 0,1 моль/л?

10-5 Смесь этена и пропена объемом 11,2 л имеет плотность по водороду 16,8. К смеси прибавили такой же объем водорода и пропустили ее над платиновым катализатором. Объем смеси на выходе из реактора составил 17,92 л. Определите состав начальной и конечной смеси газов (в % по объему) и степень превращения (в %), считая, что она одинакова для обоих алкенов. Все объемы измерены при н.у.

10-6 Три изомерных вещества А, Б и В содержат 49,0% углерода, 2,7% водорода и элемент X. Продукты сгорания этих веществ в кислороде не содержит нелетучего остатка и полностью поглощаются раствором щелочи. Плотность паров этих веществ в пересчете на нормальные условия равна 6,56 г/л. Молекула соединения А имеет нулевой дипольный момент, дипольный момент молекулы Б больше, чем молекулы В. Установите структурные формулы этих трех изомеров.

Решения

10-1.

Свинцовые белила взаимодействуют с сероводородом, при этом образуется черный сульфид свинца

Pb₂CO₃(OH)₂ + H₂S = PbS + 3H₂O + CO₂

При обработке пероксидом водорода

PbS + 4 H₂O₂ = PbSO₂ +4H₂O

Желтый цвет пропадает, так как одновременно окисляется и сульфид кадмия, который образует желтый пигмент.

CdS + 4 H₂O₂ = CdSO₄ +4H₂O

10-2

NaNH₂ + H₂O = NaOH + NH₃

2 FeCl₃ + 2 KI = I₂ + 2 FeCl₂ + 2 KCl

COCl₂ + H₂O = CO₂ + 2HCl

Fe₂(CO)₉ + 2 H₂SO₄ = 2 FeSO₄ + 2H₂ + 9CO

FeCO₃ + NO₂ = Fe(NO₃)₃ + 2NO + CO₂

Na₂S₂O₃ + 2 H₂SO₄ = 2 NaHSO₄ + SO₂ + S + H₂O

2 K₂O₂ + 2 CO₂ = 2K₂CO₃ + O₂

Cu₂O + 6 HNO₃ = 2 Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 3H₂O

Al₄C₃ + H₂O = 4 Al(OH)₃ + 3CH₄

LiAlH₄ + 4 HCl = LiCl + AlCl₃ + 4H₂

10-3.

Так как в растворе обнаружены нитрат- и нитрит-ионы, то при разложении нитрата был получен оксид (или металл), диоксид азота и кислород, а не нитрит. Изменение массы при прокаливании в токе CO свидетельствует о восстановлении оксида до металла. Значит, при разложении нитрата был получен оксид.

Определим металл:

Пусть x - грамм-эквивалент металла.

Так как грамм-эквивалент - это количество, которое присоединяет 8 г кислорода, то

x : (x + 8) = 7 : 10 отсюда 10 x = 7(x + 8), x = 56/3 = 18,67

Очевидный вариант - это железо(III).  При валентности I или II таких элементов нет.

Тогда вещество C - Fe, вещество B - F₂O₃.

Теперь нужно определить нитрат.

Fe(NO₃)₃ с образованием Fe₂O₃ Отношение массы оксида к массе нитрата составляет:
(0,5  160) : 242 = 80 : 242 = 4 : 12,1, что не соответствует условию. (2 балла)

Остается предположить, что вещество A - нитрат двухвалентного железа, и при разложении железо окисляется.

Тогда отношение масс составит (0,5  160) : 242 = 80 : 180 = 4 : 9, что соответствует условию. Таким образом, вещество A - это Fe(NO₃)₂.

Вещество А при наличии расчета

Реакции

4 Fe(NO₃)₂ = 2 Fe₂O₃ + 8 NO₂ +O₂,                

Fe₂O-₃ + 3 CO = 2 Fe + 3 CO₂

10-4.

(1) Общее олово означает суммарное количество олова, независимо от его степени окисления, а именно сумму олова(II) и олова(IV)

Реакции: При кипячении с гвоздями: SnCl₄ + Fe = SnCl₂ + FeCl₂  

При титровании иодом: SnCl₂ + I₂ + 2HCl = SnCl₄ + 2HI                

Когда SnCl₂ в растворе заканчивается, то иод перестает расходоваться, и можно наблюдать его окраску.

(В данном случае мы пишем SnCl₄  как форму существования четырехвалентного олова в растворе, так как реакции идут в концентрированной HCl. Однако другие реальные формы также приветствуются).

(2) Так как мы имеем дело с кислотно-основным титрованием и в системе присутствуют вещества, которые легко окисляются, контакт с кислородом воздуха может исказить результаты анализа. Мрамор, представляющий собой карбонат кальция, взаимодействует с соляной кислотой с выделением CO₂, причем мрамор растворяется медленно, в отличие от мела. Постоянное выделение CO₂ в процессе титрования защищает раствор от контакта с кислородом.

 (3) Только двухвалентное олово.

(4) 25 мл 0,1 M раствора содержит 0,0025 моль иода. На основании уравнения реакции, раствор содержал такое же количество олова.

Масса олова 118,7  0,0025 = 0,3 г.

10-5.

Определим состав исходной смеси. Пусть а - доля этена.

Тогда 14 a + 21(1 - a) = 16,8, a = 0,6.

Всего смесь содержит 0,5 моль газов. Т.е. ее состав 0,3 моль этена и 0,2 моль пропена.

Водорода также 0,5 моль. Общий объем 22,4 л.

C₂H₄ + H₂ = C₂H₆     C₃H₆ + H₂ = C₃H₈

По реакциям видно, что объем смеси уменьшается на объем израсходовавшеглся водорода.

Конечный объем соответствует 0,8 моль (17,92 : 22,4). Значит, в реакцию вступило 0,2 моль водорода. Это соответствует 40% его общего количества. Углеводородов также прореагировало в сумме 0,2 моль, что составило 40% их общего количества.

Так как степени превращения алкенов по условию одинаковы, то степень превращения каждого из них составляет 40%.

 (другой способ подсчета с тем же результатом оценивается так же).

Определим состав конечной смеси.

H₂ - 0,3 моль

C₂H₆ - 0,3  0,4 = 0,12 моль

C₂H₄ - 0,3 - 0,12 = 0,18 моль,

C₃H₈ - 0,2  0,4 = 0,08 моль.

C₃H₆ - 0,2 - 0,08 = 0,12 моль.

10-6.

Молярная масса всех трех веществ - 6,56  22,4 = 147 г/моль

Определим содержание элементов:

Углерод: 147  0,49 = 72,03 г/моля (т.е. 6 атомов)

Водород: 147  0,027=4 г/моль (т.е. 4 атома)

На долю X приходится 147 - (72+4) = 71 г/моль

Логично предположить, что это два атома хлора. Т.к. продукты сгорания являются летучими и поглощаются щелочью - других вариантов нет.

Таким образом, формула каждого из веществ C₆H₄Cl₂

Вещества - изомеры дихлорбензола: 1,2-, 1,3-, 1,4-

Дипольный момент молекулы представляет собой сумму векторов дипольных моментов отдельных связей.

Нулевой дипольный момент соответствует 1,4-изомеру. А - 1,4-дихлорбензол

Дипольный момент 1,2-изомера больше, чем 1,3-изомера (т.к. угол между связями меньше) Таким образом, Б - 1,2 - дихлорбензол, В - 1,3 - дихлорбензол

59-я Московская олимпиада школьников по химии