Решения задач Открытой олимпиады по химии (Очный тур)

Решения задач очного тура
VII Открытой олимпиады по химии 2012 г.
Задача 1
В уравнениях окислительно-восстановительных реакций допишите продукты и расставьте коэффициенты любым известным Вам способом. Укажите названия веществ
окислителя и веществ-восстановителей и степени окисления элементов.
K2S + KMnO4 + H2O  S + MnO2 + ???
Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4  Na2SO4 + K2SO4 + ??? + H2O
Zn + HNO3(оч. разб.)  Zn(NO3)2 + NH4NO3 + ???
N2O + H2SO4(разб.) + KMnO4  NO + MnSO4 + ??? + H2O
NaNO2 + Na2Cr2O7 + H2SO4  Na2SO4 + ??? + NaNO3 + H2O
Решение:
1. 3 K2S + 2 KMnО4 + Н2О  3 S + 2 MnO2 + 8 КОН
Мn+7 + 3е  Мn+4  2
S-2  2e  S0
3
KМnO4 окислитель за счет Mn+7 (перманганат калия)
К2S  восстановитель за счет S2 (сульфид калия)
2. 5 Na2SO3 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4  5 Na2SO4 + K2SO4 + 2 MnSO4 + 3 H2O
Mn+7 + 5e  Mn+2  2
S+4  2e  S+6
5
KМnO4  окислитель за счет Mn+7 (перманганат калия)
Na2SO3  восстановитель за счет S+4 (сульфит натрия)
3. 4 Zn + 10 HNO3  4 Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3 H2O
Zn0  2e  Zn+2  4
N+5 + 8e  N3
1
HNO3 – окислитель за счет N+5 (азотная кислота)
Zn0 – восстановитель (цинк)
4. 5 N2O + 3 H2SO4 + 2 KMnO4  10 NO + 2 MnSO4 + H2SO4 + 3 H2O
2 N+1  2e  2 N+2  5
Mn+7 + 5e  Mn+2  2
KMnO4  окислитель за счет Mn+7 (перманганат калия)
N2O  восстановитель за счет N+1 (оксид азота (I))
5. 3 NaNO2 + Na2Cr2O7 + 4 H2SO4  Na2SO4 + Cr2(SO4)3 + 3 NaNO3 + 4 H2O
N+3  2e  N+5
3
+6
+3
2 Cr + 6e  2 Cr  1
Na2Cr2O7  окислитель за счет Cr+6 (дихромат натрия)
NaNO2  восстановитель за счет N+3 (нитрит натрия)
Каждое уравнение реакции с указанием окислителя и восстановителя оценивается
по 2 балла. Сумма 10 баллов.
Задача 2
Образец смеси этилацетата и этилформиата массой 12,5 г обработан при нагревании
32,8 мл раствора гидроксида натрия (массовая доля щелочи в растворе 20%, плотность раствора 1,22 г/мл). Избыток основания после окончания реакции может прореагировать при нагревании с 25 мл раствора хлорида аммония с концентрацией 2
моль/л. Вычислите массовые доли сложных эфиров в исходной смеси и объем газа
(при н. у.), который мог выделиться при действии раствора соли аммония.
Решение:
x O
1. CH3
2. H
C
x O
O
y
O
C
O
C2H5 + NaOH
CH3
C
O
Na + C2H5OH
y O
C2H5 + NaOH
3. NH4Cl + NaOH
NaCl + NH3
H
C
O
Na + C2H5OH
+ H2O
m (NaOH) р-ра = V = 32,8 мл 1,25 г/мл = 40 г
m (NaOH) в-ва =
С=

V
m р-ра 
= 40 20 % = 8 г

100 %
 = СV
(NH4Cl) = 2 моль/л 0,025 л = 0,05 моль
Значит, (NaOH) вступило в 3 реакцию равно 0,05 моль
(NaOH) = (NH4Cl) = (NH3) = 0,05 моль
V(NH3) = (NH3)  Vm = 0,05 моль  22,4 моль/л = 1,12 л
Пусть (СH3C(O)OC2H5) = х моль, а (НС(О)ОС2Н5) = y моль
(NaOH), вст. в 1 и 2 реакции равно 0,2 моль  0,05 моль = 0,15 моль
(СH3C(O)OC2H5) = (NaOH)1 = х моль
(HC(O)OC2H5) = (NaOH)2 = у моль 
х + у = 0,15
М(СH3C(O)OC2H5)  х + М(НС(О)ОС2Н5)  у = 12,5
88 х + 74 у = 12,5
х + у = 0,15
 74
88 х + 74 у =12,5 
74 х + 74 у = 11,1
88 х + 74 у = 12,5
14 х = 1,4
х = 0,1 моль
у = 0,15  0,1 = 0,05 моль
m(СH3C(O)OC2H5) = 88 г/моль  0,1 моль = 8,8 г
m(HC(O)OC2H5) = 74 г/моль  0,05 моль = 3,7 г
O

CH3
C
O
C2H5
=
m (в-ва)
100 % = 8,8 г : 12,5 г 100 %
m (смеси)
O

H
C
O
C2H5
= 3,7 г : 12,5 г 100 % = 29,6 %
Ответ: (этилацетата) = 70,4 %; (этилформиата) = 29,6 %; V(NH3) = 1,12 л
Каждое уравнение реакции по 1 баллу. Расчет количеств этилацетата и этилформиата в смеси по 3 балла. Расчет содержания сложных эфиров в смеси 2 балла.
Сумма 10 баллов.
Задача 3. Имеется смесь анилина, фенола и толуола. Как химическим путем выделить каждое соединение в индивидуальном виде? Опишите последовательность действий и запишите соответствующие уравнения реакций.
Решение:
NH2
Анилин
OH
Фенол
CH3
Толуол
Сначала нужно добавить HCl.
NH2
NH3Cl
+ HCl
NH3Cl
NH2
+ NaOH
+ NaCl + H2O
Соль анилина растворима в воде. Определим водный раствор. К водному раствору
нужно добавить NaOH, при этом выделится анилин (он нерастворим в воде).
При помощи делительной воронки отделить анилин
Затем к смеси фенола и толуола добавляем NaOH.
OH
ONa
+ H2O
+ NaOH
OH
ONa
+ HCl
+ NaOH
фенолят
натрия
Отделим раствор фенолят натрия, который затем подкисляем НСl.
Отделим фенол.
Толуол с гидроксидом натрия не реагирует.
CH3
+ NaOH
Таким образом, можно отделить 3 вещества.
Написание формул фенола, анилина и толуола по 1 баллу. Написание всех уравнений
реакций 4 балла. Описание последовательности действий 3 балла. Сумма 10 баллов.
Задача 4.
Реакции образования аммиака и метанола обратимы:
N2(г) + H2(г)  NH3(г) + Q
СО(г) + Н2(г)  СН3ОН(г) + Q
Расставьте коэффициенты. Перечислите все условия, при которых происходит смещение равновесия в этих реакциях в сторону конечных продуктов реакций. Объясните действие каждого из условий.
Решение.
Для смещения равновесия в сторону продуктов следует:
1. Понижение температуры реакции (равновесие сместится в сторону экзотермической реакции);
2. Повышение давления (равновесие сместится в сторону реакции сопровождающееся уменьшением объема);
3. Уменьшение концентрации продуктов реакции (конденсация аммиака и метанола).
4. Увеличение концентрации исходных веществ, лучше того вещества, который реагирует большим числом молей, т.е. водорода.
Использование катализатора не влияет на смещение равновесия. Он ускоряет химическую реакцию.
Расстановка коэффициентов каждой реакции по 1 баллу. Перечисление всех 4 условий смещения равновесия по 2 балла. Сумма 10 баллов.
Задача 5
Предварительно нагретая тонкая металлическая проволока массой 32 г при опускании в колбу с неизвестным газом раскаляется и сгорает. Если через раствор соли
двухвалентного металла, образовавшейся в результате сгорания, пропустить избыток
сероводорода, то выпадает 48 г черного осадка. Из какого металла сделана проволока? Сколько граммов оксида марганца (IV) и сколько миллилитров 36,5%-ного раствора соляной кислоты (плотность 1,19 г/мл) нужно взять для получения неизвестного газа в количестве, необходимом для полного сгорания исходной проволоки?
Решение:
Проволока сделана из меди (следует из расчетов)
Неизвестный газ  Cl2 (следует из способа получения из соляной кислоты)
Cu + Cl2  CuCl2
CuCl2 + H2S  CuS + 2 HCl
черный
осадок
(Cu) = m/M = 32 г : 64 г/моль = 0,5 моль
(Cu) = (CuСl2) = 0,5 моль
(CuСl2) = (CuS) = 0,5 моль
m(CuS) = 0,5 моль  96 г/моль = 48 г
MnO2 + 4 HCl  Cl2 + MnCl2 2 H2O
(Cl2) = 0,5 моль
(MnO2) = 0,5 моль
m(MnO2) = 87 г/моль  0,5 моль = 43,5 г
(HCl) = 4  0,5 моль = 2 моль
m (HCl)в-ва = 2 моль  36,5 г/моль = 73 г
m (HCl)р-ра = m(в-ва)  100 % / 36,5 % = 73 г  100 % / 36,5 % = 200 г
V = m/
V(HCl)р-ра = 200 г / 1,19 г/моль = 168 мл
m(MnO2) = 43,5 г
V(HCl)р-ра = 168 мл
Установление материала проволоки 6 баллов. Расчет количества диоксида марганца
и соляной кислоты 4 балла. Сумма 10 баллов.
Задача 6
Ароматический углеводород с одним бензольным кольцом содержит 91,53% углерода
по массе. При окислении 2,36 г этого углеводорода подкисленным раствором перманганата калия выделилось 448,2 мл газа (н.у.), а при нитровании образуется смесь, со-
держащая два мононитропроизводных. Установите возможную структуру исходного
углеводорода. Сколько мононитропроизводных образуется при нитровании продукта
окисления углеводорода? Напишите уравнения упомянутых реакций с указанием
всех продуктов и расстановкой коэффициентов.
Решение.
Расчет формулы СхНy.
С – 91.53, Н – 8,47
С : Н, как 91,53/12 : 8,47/1
С : Н = 1 : 1,111.
Тогда формула углеводорода С9Н10. Этой формуле могут удовлетворять пять соединений:
H2C
C
H
CH2
HC
C
H
CH3
HC
CH2
HC
CH2
HC
CH2
CH3
CH3
CH3
Условию задачи не удовлетворяет первое соединение, т.к. при его окислении выделяется 0,896 л углекислого газа.
H2C
C
H
CH2
COOH
[O]
+ 2 CO2
ν (С9Н10) = 2,36 / 118 = 0,02 моль, а ν (СО2) = 0,04 моль, V(СО2) = 0,04× 22,4 = 0,896 л.
При окислении второго соединения углекислый газ вообще не выделяется.
HC
C
H
CH3
COOH
[O]
+ СН3CO2Н
Таким образом, условию задачи по количеству углекислого газа удовлетворяют изомеры метилстирола.
HC
CH2
COOH
[O]
+ CO2
CH3
COOH
ν (С9Н10) = 2,36 / 118 = 0,02 моль, а ν (СО2) = 0,02 моль, V(СО2) = 0,02× 22,4 = 0,448 л.
Два нитропроизводных получается из 4-метилстирола, так как из остальных изомеров
получается больше нитропроизводных.
HC
CH2
HC
HC
CH2
CH2
NO2
HNO3
+
H2SO4
NO2
CH3
CH3
CH3
При нитровании продукта окисления будет получаться одно нитропроизводное.
COOH
COOH
HNO3
H2SO4
NO2
COOH
COOH
Расчет формулы углеводорода С9Н10 (2 балл). Написание всех структур 5 баллов.
Написание уравнений реакций окисления, нитрования 4-метилстирола и продукта
его окисления (3 балла). Сумма 10 баллов.