ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный педагогический институт имени М. Е. Евсевьева» МАЛАЯ ШКОЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ г. Саранск, ул. Студенческая, 13. Тел. 33-92-56, 33-92-57 www. mordgpi.ru II Открытая олимпиада школьников 2013–2014 учебный год Заключительный этап ХИМИЯ 9 КЛАСС Задание 1. После сжигания сероводорода в избытке кислорода и возвращения системы к первоначальным условиям (1 атм, 20 °С) объем газовой смеси уменьшился на 60 мл. Найдите объем сожженного сероводорода (до 4 баллов). Задание 2. На схеме показаны превращения соединений азота. Определите и назовите вещества, обозначенные буквами А, Б, В, Г, Д, Е и напишите уравнения реакций. Аммиак + кислород, без катализатора А +Б В +Г Д азотная кислота +Е Оксид азота (V) (до 5 баллов). Задание 3. Раствор, содержащий 25,2 г гидроксида натрия, добавили к раствору, содержащему 29,4 г ортофосфорной кислоты. Найдите число молей веществ, содержащихся в конечном растворе (до 10 баллов). Задание 4. При прокаливании 13,2 г смеси карбонатов аммония (А), кальция (Б) и калия (В) выделились газообразные продукты (2,016 л, объем указан после приведения к нормальным условиям), на сжигание которых было израсходовано 3,36. л воздуха с объемной долей кислорода 20%. Следовательно, соли в исходной смеси находились в молярном (мольном) соотношении n ((NH4)2CO3): n(СаСO3): n(К2СO3) = .... (до 17 баллов). Задание 5. Газ, выделившийся при взаимодействии 3,2 г меди с 100 мл 60%-ной азотной кислоты (плотностью 1,4 г/мл), растворили в 100 г 15%ного раствора гидроксида натрия. Рассчитайте суммарную массовую долю солей в полученном растворе (до 10 баллов). КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ОТВЕТОВ ХИМИЯ 9 КЛАСС Задание 1. После сжигания сероводорода в избытке кислорода и возвращения системы к первоначальным условиям (1 атм, 20 °С) объем газовой смеси уменьшился на 60 мл. Найдите объем сожженного сероводорода. № Критерии ответа п/п 1. Составлено уравнение реакции, указаны, какие соединения (реагенты и Балл 1 балл продукты) в заданных условиях (t = 20 ˚С, Р = 1 атм) находятся в газообразном состоянии, а также их молярные соотношения в реакции: Н2S + 3/2O2 → SO2 + Н2O газ газ газ жидкость 1 1,5 1 Итак, изменение объема газовой фазы связано с «уходом» из нее Н2S и O2 и «Приходом» SO2. При этом при сжигании 1 моля Н2Sрасходуется 1,5 моля O2 и образуется 1 моль SO2. 2. 3. Вариант решения 1 Переведены количества вещества газов в объемы, которые они 1 балл занимают. Обозначено, что объем 1 моля газа в условиях задачи за «V», и рассчитано изменение объемах газовой фазы: Н2S + 3/2O2 → SO2 + Н2O 1V 1,5V 1V ∆V = 1,5V ∆V = V(Н2S) + V(O2) – V(SO2) = 1V + 1,5V – 1V = 1,5V. Таким образом, установлено, что действительно, протекание реакции сопровождается уменьшением объема газовой фазы. Зная уменьшение объема газовой фазы по условию задачи, рассчитано, 1 балл каким объемам газов – вступивших в реакцию Н2S, O2 и образовавшегося SO2 оно соответствует. Поскольку в задаче требуется определить объем сожженного Н2S, обозначено, что V(Н2S) = х мл. ∆V = 60 мл х мл Н2S 1V 4. + 3 /2O2 → 1,5V SO2 1V + Н2O ∆V = 1,5V Установлено соответствие между объемом Н2S и изменением объема 1 балл газовой фазы в результате реакции: 1V Н2S — уменьшение на 1,5 V х мл Н2S — уменьшение на 60 мл x= = 40 мл Итак, V(Н2S) = 40 мл. 2. 3. Вариант решения 2 Реакция идет с уменьшением числа «газовых» молей, что в 1 балл соответствии с: законом Авогадро (объемы газов пропорциональны числу их молей), сопровождается уменьшением объема газовой фазы: ∆V = V(Н2S) + V(O2) – V(SO2) (1) По условию задачи ∆V = 60 мл 1 балл Обозначен объем сожженного Н2S за «х»: (V(Н2S) = х мл). Найдено с использованием уравнения реакции и пропорциальности объема газа числу его молей, соответствующие объемы O2 (а) и SO2 (b). х мл Н2S + 1 моль 4. a мл 3 b мл /2O2 → SO2 + 1,5 моль 1 моль Н2O a (O2) = 1,5x (мл) b S(O2) = x (мл) Подставив в уравнение (1) данные задачи, получено математическое 1 балл уравнение с одним неизвестным (х): 60 = ∆V = V(Н2S) + V(O2) – V(SO2) = х + 1,5х – х = 1,5х. Решено уравнение: х = 60: 1,5 = 40. V(Н2S) = 40 мл. Итого 4 балла Задание 2. На схеме показаны превращения соединений азота. Определите и назовите вещества, обозначенные буквами А, Б, В, Г, Д, Е и напишите уравнения реакций. Аммиак А В Д азотная кислота . (до 5 баллов). № Критерии ответа п/п 1. Окисление аммиака без катализатора приводит к получению азота. Балл 1 балл Вещество А – только N2. 4NН3 + 3O2 → 2N2 + 6Н2О (без катализатора) 2. 3. 4. 5. N2 + O2 → 2NO Б – O2; В – NO 2NO + O2 → 2NO2 Г – O2; Д – NO2 4NO2+ O2+ 2Н2О → 4HNO3 В качестве водоотнимающего средства может быть использован оксид фосфора (V). 2HNO3 Итого: N2O5 + Н2О 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл Е – P2O5 5 баллов Задание 3. Раствор, содержащий 25,2 г гидроксида натрия, добавили к раствору, содержащему 29,4 г ортофосфорной кислоты. Найдите число молей веществ, содержащихся в конечном растворе. № Критерии ответа п/п 1. Найдены количества вещества NаОН и Н3РO4: n(NаОН) = m/М = 25,2 : 40 = 0,63 (моль), n(Н3РO4) = m/М = 29,4 : 98 = 0,3 (моль). Сопоставлены полученные значения n(NаОН) и n(Н3РO4). Число молей щелочи более чем в 2 раза больше числа молей кислоты. Следовательно, в данном случае щелочи хватит для превращения всей фосфорной кислоты в гидрофосфат. Исходя из этого составлено уравнение реакции (1): Н3РO4 + 2 NаОН → Nа2НРO4 +2Н2O (1) Щелочь - в избытке. По числу молей, в соответствии с уравнением реакции 1, кислоты находим число молей образовавшегося гидрофосфата натрия и израсходованного гидроксида натрия: n (Nа2НРO4) = n(Н3РO4) = 0,3 моль; n(NаОН) израсх. = 2 n(Н3РO4) = 0,6 моль. Найден число молей гидроксида натрия оставшегося в избытке: n(NаОН) изб = n(NаОН) исх. - n(NаОН) израсх. = 0,63-0,6= 0,03 моль Далее гидрофосфат (0,3 моль) взаимодействует со щелочью (0,03 моль). Балл 2 балла 1 балл 2 балла 1 балл 1 балл Составлено уравнение реакции (2): Nа2НРO4 + 2 NаОН → Na3РO4 + 2Н2O (2) В соответствии с уравнением 2 реакции щелочь - в недостатке. По 2 балла числу молей NaОН найдено число молей образовавшегося Na3РO4 и прореагировавшего Nа2НРO4: n(NаОН) = n(Na3РO4) = 0,03 моль n(Nа2НРO4) прореаг = n(NаОН) = 0,03 моль 1 балл Вычислено число молей избыточного Nа2НРO4: n(Nа2НРO4) изб = n(Nа2НРO4) получ. по реакции 1 - n(Nа2НРO4) прореаг = = 0,30 - 0,03 = 0,27 (моль). Итак, в результате взаимодействия Н3РО4 и NaОН в количествах, указанных в задаче, образуется смесь солей - Nа2НРO4 и Na3РO4: n(Nа2НРO4) = 0,27 моль, n(Na3РO4) = 0,03 моль. 10 баллов Итого Задание 4. При прокаливании 13,2 г смеси карбонатов аммония (А), кальция (Б) и калия (В) выделились газообразные продукты (2,016 л, объем указан после приведения к нормальным условиям), на сжигание которых было израсходовано 3,36. л воздуха с объемной долей кислорода 20%. Следовательно, соли в исходной смеси находились в молярном (мольном) соотношении n ((NH4)2CO3): n(СаСO3): n(К2СO3) = ... № Критерии ответа Балл п/п 1. В первом опыте исходную смесь прокалили. Из трех карбонатов 2 балла разлагаются два. Составлены уравнения реакций 1, 2: (NH4)2CO3 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 2NH3↑ + CO2↑ + H2O↑ (1) CaCO3 CaO + CO2↑ (2) К2СО3 плавится без разложения. При этом газы образуются в результате обеих реакций: NН3 (реакция 1), СO2 (реакции 1, 2), Н2O (реакция 1). Объяснено, что поскольку объем газообразных продуктов указан после приведения их к нормальным условиям, при которых вода не является газом, 2,016 л – это общий объем выделившихся аммиака и оксида углерода(IV): V(NH3,СО2)=2,016 л. Рассчитано общее число молей NH3 и СО2: n (NH3,СО2) = V(NH3,СО2) / 22,4 = 2,016 : 22,4 = 0,09 (моль). Таким образом, на основании данных эксперимента № 1 установили общее число молей отдельных продуктов (NH3,СО2), образующихся в результате двух реакций (1 и 2). Из выделившихся в первом опыте газообразных продуктов (NH3,СО2, Н2O) горит только аммиак. Составлено уравнение реакции 2: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O (2) Объяснено, что, кислород, содержащийся в указанном количестве воздуха, расходуется только в реакции 2. Используя данные задачи, найден объем кислорода: V(O2) = ωоб(O2) V(возд.) = 0,2 • 3,36 = 0,672 (л) Найдено количество вещества кислорода: V(O2) = V(O2) /22,4 = 0,672 : 22,4 = 0,03 (моль). По уравнению реакции 2 рассчитано количество вещества NH3, соответствующее данному количеству вещества O2: 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. n (NH3) = 4/3 ∙ n (O2) = 4/3 ∙ 0,03= 0,04 моль Следовательно, по данным эксперимент № 2 установлено количество одного из продуктов (NH3) реакции (1) эксперимента № 1. Найдено общее количество n (СО2) выд. в р-ии 1+2 = n (NH3,СО2) – n (NH3) = 1 балл = 0,09 – 0,04 = 0,05 моль 1 балл Зная число молей выделившегося NH3 найдено, в соответствии с реакцией 1 число молей (NH4)2CO3 в исходной смеси и СО2, выделившегося в реакции 1: n ((NH4)2CO3) = n (СО2) выд. в р-ии 1 = n (NH3) = 0,04 = 0,02 моль. Исходя из общего числа молей СО2, выделившегося в первом опыте, и числа молей СО2, выделившегося по реакции 1, найдено число молей СO2, образовавшегося в результате реакции 2: n выд. в р-ии 2(СО2) = n (СО2) выд. в р-ии 1+2 – n (СО2) выд. в р-ии 1 = 0,05 – 0,02 = = 0,03 моль По уравнению реакции 2 рассчитано количество вещества СаСО3 в исходной смеси: n(СаСO3) = n выд. в р-ии 2(СО2) = 0,03 моль Найдены массы (NH4)2CO3 и CaCO3: m((NH4)2CO3) == М((NH4)2CO3) ∙n((NH4)2CO3) = 96 • 0,02 = 1,92 (г); m (CaCO3) = М(CaCO3) ∙n(CaCO3) = 100 • 0,03 = 3 (г). Найдена масса третьего компонента смеси (К2СО3) m(К2СO3) = m(смесь) – m((NH4)2CO3) - m((NH4)2CO3) = = 13,2 – 1,92 – 3 = 8,28 (г) Найдено количество вещества третьего компонента смеси (К2СО3): n(К2СO3) = m/М = 8,28 : 138 = 0,06 (моль). Найдены молярные соотношения компонентов в исходной смеси: n ((NH4)2CO3): n(СаСO3): n(К2СO3) = 0,02 : 0,03 : 0,06 = 1 : 1,5 : 3 = =2 : 3 : 6 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл 1 балл Итого: 17 баллов Задание 5. Газ, выделившийся при взаимодействии 3,2 г меди с 100 мл 60%-ной азотной кислоты (плотностью 1,4 г/мл), растворили в 100 г 15%-ного раствора гидроксида натрия. Рассчитайте суммарную массовую долю солей в полученном растворе. Критерии ответа: Баллы 1) Составлено уравнение реакции меди с азотной кислотой: 2) Определено количество вещества 1 : 0,5 моль 1,5 (в т.ч.0,5 - найдена масса раствора, 0,5 - найдена масса растворенного вещества, 0,5- найдено количество вещества для азотной кислоты) Определено, что азотная кислота в избытке, медь - в 0,5 недостатке 0,5 моль моль - в избытке 3) Составлено уравнение реакции оксида азота(IV) с гидроксидом натрия: 1 4) Рассчитана масса солей: моль моль Определено, что гидроксид натрия в избытке, NO2 недостатке г г 4) Определена суммарная массовая доля солей в растворе: г 1 (в т.ч. 0,5 - найдена масса растворенного вещества, 0,5- найдено количество вещества для гидроксида натрия) 1 - в 0,5 0,5 0,5 г или 0,5 0,5 0,5 % Итого 10 Задания по химии 10 - 11 классы Задание 1. В 5 склянках без этикеток находятся растворы следующих веществ: NaOH, K2CO3, H2SO4, Al2(SO4)3, BaCl2. Вопросы: а) Какие из этих веществ могут взаимодействовать между собой? Напишите молекулярные и краткие ионные уравнения соответствующих реакций. Опишите наблюдаемые явления. б) Один из осадков, получаемых при взаимодействии этих растворов, растворяется в избытке одного из исходных веществ. Что это за осадок и как объяснить растворение осадка (уравнение реакции). (до 10 баллов) Задание 2. Напишите уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить превращения и назовите все продукты реакций: этан +Cl2, cвет Х1 этилбензол +Cl2, AlCl3 Х2 KMnO4, H2SO4 Х3 п-метилбензойная кислота (до 10 баллов) Задание 3. Как изменится скорость прямой реакции N2(г)+3Н2(г) 2NH3(г), если давление в системе увеличить в 2 раза? (до 8 баллов) Задание 4. На сколько градусов повысится температура при растворении 0,2 моль серной кислоты в воде массой 200 г, если теплота растворения серной кислоты равна – 74,94 кДж, а удельная теплоемкость раствора равна 3,77 Дж/г ∙ К? (до 10 баллов) Задание 5. К водному раствору, содержащему 26,4 г сульфата аммония, добавляют избыток гидроксида натрия и нагревают. Выделившийся при этом газ полностью поглощается 100 мл раствора 4М фосфорной кислоты с плотностью 1,2 г/см3. Определите состав образующейся соли и ее концентрацию (масс. %) в полученном растворе. (до 12 баллов) КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ОТВЕТОВ ХИМИЯ 10-11 КЛАСС Задание 1.В 5 склянках без этикеток находятся растворы следующих веществ: NaOH, K2CO3, H2SO4, Al2(SO4)3, BaCl2. Вопросы: а) Какие из этих веществ могут взаимодействовать между собой? Напишите молекулярные и краткие ионные уравнения соответствующих реакций. Опишите наблюдаемые явления. б) Один из осадков, получаемых при взаимодействии этих растворов, растворяется в избытке одного из исходных веществ. Что это за осадок и как объяснить растворение осадка (уравнение реакции).(до 10 баллов) Ответ 1) Запись уравнений возможных реакций NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O OH– + H+ = H2O 6NaOH + Al2(SO4)3 = 2Al(OH)3↓ + 3Na2SO4 3OH – + Al3+ = Al(OH)3↓ K2CO3 + H2SO4 = K2SO4 + H2O + CO2↑ CO32– + 2H+ = H2O + CO2↑ 3K2CO3 +Al2(SO4)3+3H2O = 2Al(OH)3↓ +3K2SO4+3CO2↑ 3CO32– + 2Al3+ + 3H2O = 2Al(OH)3↓ + 3CO2↑ K2CO3 + BaCl2 = 2KCl + BaCO3↓ CO32– + Ba2+ = BaCO3↓ Балл 1 1 1 1 1 BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HCl SO42– + Ba2+ = BaSO4↓ 3BaCl2 + Al2(SO4)3 = 3BaSO4↓ + 2AlCl3 3SO42– + 3Ba2+ = 3BaSO4↓ 2) Возможные взаимодействия веществ удобно представить в виде таблицы: NaOH K2CO3 H2SO4 Al2(SO4)3 BaCl2 NaOH – осадок – K2CO3 – газ осадок + газ осадок H2SO4 газ – осадок Al2(SO4)3 осадок осадок + газ – осадок BaCl2 – осадок осадок осадок 3) Растворяться в избытке щелочи может гидроксид алюминия, вследствие своей амфотерности Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4] или Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O Итого 1 1 2 1 10 Задание 2. Напишите уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить превращения и назовите все продукты реакций: этан +Cl2, cвет Х1 этилбензол +Cl2, AlCl3 Х2 KMnO4, H2SO4 Х3 п-метилбензойная кислота (до 10 баллов) Ответ CH3 – CH3 + Cl2 → CH2Cl– CH3 + HCl + CH3CH2Cl CH2CH3 + Cl2 Балл 2 CH2CH3 AlCl3 2 + HCl CH2CH3 AlCl3 CH2CH3 + Cl Cl COOH CH2CH3 5 2 + HCl + 12KMnO4 + 18 H2SO4 5 + 5CO2 + 6 K2SO4 + 12 MnSO4 2 Cl Cl + 28 H2O COOH COOH + CH3Cl + 2 Na Cl + 2 NaCl 2 H3C Всего 10 Задание 3.Во сколько раз изменится скорость прямой реакции N2(г)+3Н2(г) 2NH3(г), если давление в системе увеличить в 2 раза? (до 8 баллов) Ответ Увеличение давления в системе в 2 раза равносильно уменьшению объема системы в 2 раза. При этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 Балл 2 раза. Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна Vн=k·[N2]·[H2]3 После увеличения давления в 2 раза концентрации азота и водорода увеличатся в 2 раза, и скорость реакциистанетравна Vк = k·2[N2]·23[H2]3 = k·16[N2]·[H2]3 ОтношениеVк./Vн показывает, как изменится скорость реакции после изменения давления. Следовательно, Ответ: скорость реакции увеличится в 16 раза. Всего 2 4 8 Задание 4.На сколько градусов повысится температура при растворении 0,2 моль серной кислоты в воде массой 200 г, если теплота растворения серной кислоты равна – 74,94 кДж, а удельная теплоемкость раствора равна 3,77 Дж/г ∙ К? (до 10 баллов) Ответ 1) Вычислим количество теплоты, которое выделится при растворении 0,2 моль кислоты: при растворении 1 моль серной кислоты выделится 74940 Дж теплоты; при растворении 0,2 моль серной кислоты выделится хДж теплоты. Балл 2 2) Найдем массу образовавшегося раствора: mр-ра = m (H2O) + m (H2SO4) m (H2SO4) = M (H2SO4) ∙ n (H2SO4) = 98 г/моль∙0,2 моль = 19,6 г mр-ра = 200 г + 19,6 г = 219,6 г 3) Вычислим изменение температуры раствора из его теплоемкости: Q = m ∙ C ∙ ∆T 4 Всего 10 4 Задание 5. К водному раствору, содержащему 26,4 г сульфата аммония, добавляют избыток гидроксида натрия и нагревают. Выделившийся при этом газ полностью поглощается 100 мл раствора 4М фосфорной кислоты с плотностью 1,2 г/см3. Определите состав образующейся соли и ее концентрацию (масс. %) в полученном растворе.(до 12 баллов) Ответ 1) Запишем уравнения протекающих реакций: (NH4)2SO4 + 2NaOH= 2NH3↑+ 2H2O + Na2SO4 NH3↑+ H3PO4 = (NH4)H2PO4либо2NH3↑+ H3PO4 = (NH4)2HPO4 или3NH3↑ + H3PO4 = (NH4)3PO4 2) Вычислим количество аммиака, которое выделится при Балл 2 2 взаимодействиисульфата аммония с избытком гидроксида натрия: n(NH3) = 2n((NH4)2SO4) = 0,4 моль 3) Рассчитаем количество фосфорной кислоты в растворе: n(H3PO4) = C∙V=4 ∙ 0,1 = 0,4 моль 4) Вычислим массовую долю полученного раствора, для чего сначала рассчитаем массы раствора и растворенного вещества: m(NH4)H2PO4 = n ∙ M = 0,4 моль ∙ 115 г/моль = 46 г Масса раствора кислоты равна: m1 =V∙ρ = 100 мл ∙ 1,2 г/см3 = 120 г. Масса поглощенного газа равна: m(NH3) = n(NH3) ∙ M(NH3) = 0,4 моль∙ 17 г/моль = 6,8 г Масса полученного раствора равна: m = m1+ m(NH3) =120 + 6.8 = 126,8 г. Массовая доля раствора: Всего 2 6 12