Олимпиадные задачи по химии

Задача 1. Бинарное соединение, молекулы которого имеют линейное строение, содержит 47% кислорода по массе. Его можно получить при отщеплении двух молекул воды от некоторой кислоты, содержащей 61,5% кислорода по массе. О каком соединении идет речь? Какова его структура и методы синтеза?

Задача 2. Плотность паров по воздуху у хлорированного предельного углеводорода равна 3,19. Определите брутто-формулу вещества. Сколько изомеров существует у вещества с такой формулой?

Задача 3. Смесь, состоящая из сероводорода и кислорода, находится в закрытом сосуде при температуре 200 С и давлении несколько ниже атмосферного. Смесь нагрели и дождались окончания протекания реакции, после чего температуру довели до исходной. При этом давление понизилось на 28,6% по сравнению с первоначальным. Затем в сосуд добавили 80 г кислорода и снова нагревали до прекращения реакции, после чего температуру вернули к исходной (200 С). Давление в сосуде стало в 1,43 раза выше первоначального. Определите состав исходной смеси в объемных долях, если известно, что в конечной смеси еще остался кислород.

Задача 4 (краевая олимпиада, 11 класс). Минимальным числом распростаненых или легкополучаемых реактивов требуется качественно определить 4 неподписанных водных раствора: серной кислоты, сульфата натрия, соляной кислоты, хлорида натрия. Напишите уравнения протекающих реакций. Осуществите эксперимент практически.

Задача 5. Напишите и уравняйте реакцию окисления комплекса [Cr(CO(NH2)2)6]4[Cr(CN)6]3 сернокислым раствором перманаганата калия, если известно, что все элементы-восстановители окисляются до высших степеней окисления, методами электронного и электронно-ионного баланса. Определите степени окисления элементов в комплексе-восстановителе.

Задача 6. В концентрированной азотной кислоте растворили 23,70 г вещества А, состоящего из 3 элементов, при этом выделяющиеся газы снова пропускали через тот же раствор. К получившемуся раствору добавили избыток раствора хлорида бария. При этом образуется 34,95 г белого осадка. Определить вещество А и написать уравнения всех проведенных реакций.

Задача 7. При обработке смеси двух твердых веществ А и Б горячей концентрированной азотной кислотой образуется газ В, раствор вещества Г и осадок Д. При нагревании этой же смеси до 150-200°C видимых изменений не происходит, а при сильном прокаливании при 800-900°C без доступа воздуха образуются только два продукта: металл М и газообразное при нормальных условиях вещество Е. Они устойчивы в условиях опыта. Те же продукты образуются при прокаливании смеси веществ А и Д. Пропускание газа Е через известковую воду приводит к выпадению осадка, который потом полностью растворяется, образуя вещество Ж. При длительном нагревании при 450 С порошка металла М на воздухе образуется соединение З с массовой долей кислорода 9,334%. Вещество З полностью растворяется в избытке щелочи и лишь частично в избытке разбавленной азотной кислоты. Назовите все перечисленные вещества. Напишите уравнения упомянутых реакций.

Задача 8. В разбавленной серной кислоте растворили 16,8 г некоторого металла. Определите металл если известно, что на реакцию израсходовалось 14,7 г серной кислоты.

Задача 9. Некоторый газ был смешан с аргоном в объемном отношении 1:9. Через трубку с раскаленными магниевыми стружками (800 С) пропустили 5,6 л (н.у.) этой смеси. Из трубки выходил чистый аргон, а масса твердого содержимого увеличилась на 3,02 г. Растворимая в холодной воде часть содержимого трубки составила 2,38 г. При действии раствора нитрата серебра на полученный раствор образовалось 7,13 г белого осадка, не растворимого в разбавленных кислотах, но растворимого в водном растворе аммиака. Твердый остаток в трубке был обработан разбавленной соляной кислотой. Нерастворившаяся часть составила 1,86 г, а после прокаливания на воздухе уменьшилась до 1,56 г. Остаток представлял собой бесцветную соль.

Определите молекулярную формулу газа. Объясните указанные превращения. Благодаря каким свойствам этот газ находит применение?

Задача 10. Предложите способ разделения смеси железных опилок, порошкообразной серы, оксида меди (II) и оксида цинка. Все эти вещества должны после разделения находится в том же химическом соединении в котором они присутствуют в смеси. Напишите уравнения используемых реакций. Предложите вариант разделения используя только химические процессы.

Задача 11. Смесь водорода и аммиака пропустили через нагретую трубку с избытком оксида меди (II) массой 107,33 г. Объем собранного газа после трубки составил 5,6 л (н.у.). Содержимое трубки перемешали и разделили на 2 равные части. Первую часть нагрели в атмосфере кислорода и ее масса увеличилась на 6,8 г. Вторую часть полностью растворили в 2 л 20% азотной кислоты (плотность 1,19 г/см3). Найти состав исходной газовой смеси в объемных процентах и массовую долю нитрата меди в полученном растворе.

 

Ответы на олимпиадные задачи по химии

Задача 1. Обозначим молекулярную массу бинарного соединения за М. Если молекула оксида содержит n атомов кислорода, то молекула кислоты имеет n+2 атомов кислорода, а ее молекулярная масса равна М+36. Решаем систему уравнений: 16n/M=0,47 и 16(n+2)/(M+36)=0,615 относительно n и М. Получаем М=68, n=2. Следовательно формула имеет вид Э_xO₂ и 1 моль оксида содержит 68-16*2=36 г второго элемента. Далее проверяем все полученные значения x:

при x=1 атомная масса элемента равна 36, что близко к Cl, но оксид ClO2 получается из HClO3 с отщеплением всего 1/2 молекулы воды на молекулу кислоты и еще с выделением кислорода, что не соотвествует условиям задачи;

при x=2 атомная масса элемента равна 16, что соотвествует кислороду, но O3 не является бинарным соединением;

при x=3 атомная масса элемента равна 12, что соответствует оксиду C3O2, образующемуся из малоновой кислоты CH2(COOH)2 с отщеплением 2 молекул воды и имеет линейное строение, что соответствует условиям; при x=4 атомная масса элемента равна 9, что соотвествует бериллию, но оксид Be4O2 не существует;

при x=5 атомная масса элемента равна 7,2, что близко к атомной массе лития, но при значениях x>4 значение валентности элемента становится меньше 1, что невозможжно.

Следовательно формула оксида C3O2. Его структура O=C=C=C=O; получают его дегидратацией малоновой кислоты.

Задача 2. По плотности паров по воздуху вычисляем молекулярную массу соединения Mr=3,19*29=92,5. Согласно условиям задачи у нас хлорированный предельный углеводород, т.е. имеет формулу C_nH_2n+2-xCl_x. Следовательно, молекулярная масса будет рассчитыватся по формуле Mr=12n+1(2n+2-x)+35,5x=92,5. Легко заметить, что дробная часть молекулярной массы существует только при нечетных значениях x. При x=3 35,5*3=106,5, что больше молекулярной массы, следовательно x=1. Отсюда вычисляем n: 12n+2n+2-1=92,5-35,5, откуда n=4 и формула вещества C4H9Cl. Вещество с такой формулой имеет 5 изомеров (у 2-хлорбутана 2 оптических изомера).

Задача 3. В зависимости от объемных соотношений реагирующих веществ могут протекать 2 реакции:

 

2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2 (1)

2H2S + O2 → 2H2O + 2S (2)

 

Если отношение H2S/O2=2/3, то протекает реакция (1) и начальное давление уменьшается на 20%; если отношение H2S/O2=2/1, то протекает реакция (2) и начальное давление уменьшается на 33,3%. По условиям задачи давление уменьшилось на 28,6%, то есть обе реакции протекают одновременно. Пусть x - количество моль взятого сероводорода и образовавшейся воды, y - количество моль взятого кислорода, z - количество моль диоксида серы, a - количество моль серы. Тогда получаем: a+z=x и 0,5a+1,5z=y, откуда высчитываем z=y-0,5x. При постоянных температуре и объеме (по условиям задачи) давление пропорционально количеству молей газообразных веществ. Откуда получаем уравнение 1: p/(1-0,286)p=(x+y)/(x+y-0,5x), где p - давление смеси. После введения 2,5 моль кислорода (80/32 г/моль) вся сера сгорела (т.к. в конечной смеси остался кислород). В этом случае взаимодействием x моль сероводорода с 1,5x моль кислорода образуется x моль паров воды и x моль двуокиси серы. После реакции в сосуде содержатся 2x+y+2,5-1,5x=y+0,5x+2,5 моль газов. Из чего составляем уравнение 2: p/1,43p=(x+y)/(y+0,5x+2,5). После решения системы уравнений 1 и 2 получаем x=2 моль, y=1,5 моль. Соответственно объемные доли: H2S=2/3,5=0,57, O2=1,5/3,5=0,43, т.е. в исходной смеси было 57 об% сероводорода и 43 об% кислорода.

Задача 4. Количество реактивов - 1. Это водный раствор гидрокарбоната кальция. Уравнения реакций:

 

Ca(HCO3)2 + H2SO4 → CaSO4 (осадок) + 2CO2 (выделение газа) + 2H2O

Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2 (выделение газа) + 2H2O

Ca(HCO3)2 + Na2SO4 → CaSO4 (осадок) + 2NaHCO3

Ca(HCO3)2 + 2NaCl → CaCl2 + 2NaHCO3

Задача 5. Заряд катиона равен +3, аниона -4. Мочевина электронейтральна, ион CN^- имеет заряд -1, поэтому в катионе хром имеет степень окисления +3, а в анионе +2. Остальные степени окисления - обычные.

Схема реакции:

[Cr(CO(NH2)2)6]4[Cr(CN)6]3 + KMnO4 + H2SO4 → K2Cr2O7 + KNO3 + CO2 + K2SO4 + MnSO4 + H2O

 

По способу электронного баланса:

 

4Cr⁺³ - 12e^- → 4Cr⁺⁶

48N^-3 - 384e^- → 48N⁺⁵

3Cr⁺² - 12e^- → 3Cr⁺⁶

18C⁺² - 36e^- → 18C⁺⁴

18N^-3 - 144e^- → 18N⁺⁵

Mn⁺⁷ + 5e^- → Mn⁺²

 

В реакции отдается 588 электронов и принимается 5 электронов. Еще следует полученные коэффициенты умножить на 2, чтоб получить четное число атомов хрома (для дихромат-иона). Окончательное уравнение:

 

10[Cr(CO(NH2)2)6]4[Cr(CN)6]3 + 1176KMnO4 + 1399H2SO4 → 35K2Cr2O7 + 660KNO3 + 420CO2 + 223K2SO4 + 1176MnSO4 + 1879H2O

 

Электронно-ионный баланс:

 

8[Cr(CO(NH2)2)6]³⁺ + 364H2O - 792e^- → 4Cr2O7^2- + 48CO2 + 96NO3^- + 92OH^-

6[Cr(CN)6]^4- + 201H2O - 384e^- → 3Cr2O7^2- + 36CO2 + 36NO3^- + 402H⁺

MnO4^- + 8H⁺ + 5e^- → Mn²⁺ + 4H2O

 

Итого:

 

40[Cr(CO(NH2)2)6]³⁺ + 30[Cr(CN)6]^4- + 1176MnO4^- + 2798H⁺ → 35Cr2O7^2- + 660NO3^- + 420CO2 + 1176Mn²⁺ + 1879H2O

Задача 6. Выпадение осадка в сильнокислой среде ведёт к мысли, что это сульфат бария. Но выделение газов при растворении в азотной кислоте наводит на мысль, что реакция окислительно-восстановительная. С образованием сульфата мог прореагировать сульфит. Обозначим сульфит как Me_nSO₃. Стабильные сульфиты известны для одно- и двухвалентных металлов. Соответственно n = 1 или 2.

Mr(BaSO4) = 233,40 г/моль, значит образовалось 34,95/233,40 = 0,15 моль сульфата бария. Так как из 1 моль сульфита образуется 1 моль сульфата, следовательно прореагировало 0,15 моль сульфит-иона, что составит 0,15*80,1 = 12 г от массы вещества А. 23,7 г вещества А относятся к его молярной массе, как 12 г сульфит-иона относятся к молярной массе сульфит-иона. Но молярная масса вещества А равна Mr = n * Mr(Me) + 80,1. Получаем: (n * Mr(Me) + 80,1)/80,1 = 23,7/12, откуда Mr(Me) = 78,1/n. Если n=1 то Ar(Me) = 78,1 - такого металла нет, если n = 2 то Ar(Me) = 39,05, что соответствует калию. Следовательно вещество А это сульфит калия.

Реакции:

 

K₂SO₃ + 2HNO₃ → K₂SO₄ + 2NO₂ + H₂O

K₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ + 2KCl

Задача 7. Вещество З - это оксид. Пусть его состав Me_xO_y. Тогда его молекулярная масса Mr = Ar(Me) * x + 16 * y. Отсюда вычисляем, что массовая доля кислорода = 0,09334 = 16y / (x * Ar(Me) + 16y). Выводим Ar(Me) = 155,25 * y/x. При x = 1,2,4 нет решений ни при каких значениях y. При x = 3 и y = 1,2,5 - нет решений, при y = 4 - это Pb₃O₄. Получаем реакции:

 

3Pb + 2O₂ → Pb₃O₄

Pb₃O₄ + 6NaOH + 4H₂O → 2Na₂[Pb(OH)₄] + Na₂[Pb(OH)₆]

Pb₃O₄ + 4HNO₃ → 2Pb(NO₃)₂ + PbO₂ + 2H₂O

Газ Е - это CO₂ или SO₂, так как с гидроксидом кальция он образует осадок, который затем растворяется. Углекислый газ следует исключить, так как любое соединение свинца, углерода и кислорода при действии концентрированной азотной кислоты при нагревании растворяется полностью. Значит Е это сернистый газ, тогда Д - это сульфат свинца (II). Если Д - сульфат свинца (II), то А - сера или сульфид свинца, но так как смесь до 200 С не изменяется, то серу следует исключить, следовательно А - это PbS. Поскольку вещество А не содержит кислорода, то Б обязательно должно его содержать, а также он может содержать свинец и серу. Если Б не содержит свинца то это сернистый газ, что не подходит; также не подходит оксид серы (VI). Следовательно Б содержит свинец. Если Б содержит серу, то возможны только два варианта - сульфит или сульфат свинца. Оба не подходят, так как при обработке горячей концентрированной азотной кислотой образуют нерастворимый сульфат свинца и в растворе ничего не остается. Следовательно Б не содержит серы и является оксидом свинца. Из 3 окислов подходит только PbO, так как при реакции с азотной кислотой с другими окислами свинца в осадке всегда будет еще и PbO₂. Значит получаем еще следующие реакции:

 

PbS + 8HNO₃ → PbSO₄ + H₂O + 8NO₂

PbO + 2HNO₂ → Pb(NO₃)₂ + H₂O

PbS + PbSO₄ → 2Pb + 2SO₂

Ca(OH)₂ + SO₂ → CaSO₃ + H₂O

CaSO₃ + SO₂ + H₂O → Ca(HSO₃)₂

PbS + 2PbO → 3Pb + SO₂

Задача 8. Масса металла относится к массе серной кислоты, как масса эквивалента металла относится к массе эквивалента серной кислоты. Отсюда получаем: Э(Me) = m(Me)*Э(H2SO4)/m(H2SO4) = 16,8 * 49 / 14,7 = 56. Перебирая варианты валентностей получаем, что подходит только металл с формулой сульфата MeSO4 и Ar = 112, что соответствует кадмию.

Задача 9. В смеси искомого газа содержалось 0,1 часть, следовательно через трубку пропустили 0,56 * 22,4 = 0,025 моля неизвестного газа, который имеет массу 3,02 г, то есть его Mr составляет 121 г/моль. Растворимая в воде часть содержимого трубки это хлорид магния. Массу хлора находим из массы хлорида серебра и она составляет 1,77 г или 0,05 моля атомов хлора, то есть в состав газа входят 2 атома хлора (71 а.е.м.). Оставшиеся 50 а.е.м. приходится на элементы, которые с одной стороны дают с магнием соль не растворимую в воде и соляной кислоте, а с другой стороны при прокаливании на воздухе образует газообразный оксид (диоксид серы не подходит, так как сульфид магния - растворим). В нерастворимом остатке возможно наличие углерода в количестве 1,86-1,56 = 0,3 г или 0,025 моль, т.е. в состав газа будет входить 1 атом углерода. На долю оставшихся элементов приходится 38 а.е.м. Это может быть атом двухвалентного элемента (такого нет) или 2 атома фтора. Тогда оставшаяся соль - фторид магния (он не растворим в воде и соляной кислоте). Значит неизвестный газ - CCl2F2 (фреон-12). Он используется в промышленности в холодильных установках и аэрозольных баллонах благодаря своей инертности и нетоксичности.

Задача 10. С использованием физических процессов. Из всех компонентов железо обладает магнетизмом и его можно отделить магнитом завернутым в пластиковый пакет или бумагу. Оксиды растворяем в соляной кислоте и отфильтровываем серу. Полученный раствор обрабатываем избытком щелочи, получая осадок гидроксида меди и раствор гидроксокомплекса цинка. Раствор гидроксокомплекса цинка обрабатываем кислотой добавляя ее по каплям для полного осаждения гидроксида цинка. Полученные гидроксиды нагревают на воздухе с образованием оксидов.

Используя только химические процессы. Использовать кислоту нельзя, так как образующаяся соль меди прореагирует с железом усложняя разделение. Поэтому смесь обрабатывают избытком щелочи для растворения оксида цинка. Отфильтровывают нерастворившиеся компоненты. Из раствора гидроксокомплекса цинка оксид цинка выделяют осаждением гидроксида и его термическим разложением. Остаток обрабатывают раствором хлорида висмута (или палладия). При этом железо растворяется, а висмут осаждается. Из раствора хлорида железа железо регенерируют реакцией его с оксалатом натрия и термическим разложением оксалата железа. Оставшийся осадок обрабатывают соляной кислотой для растворения оксида меди. Из раствора хлорида меди оксид получают осаждением гидроксида и его термическим разложением. Оставшуюся смесь висмута и серы обрабатывают разбавленной азотной кислотой для растворения висмута.

 

ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O

CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O

ZnCl2 + 4NaOH → Na2Zn(OH)4 + 2NaCl

CuCl2 + 2NaOH → Cu(OH)2 + 2NaCl

Na2Zn(OH)4 + 2HCl → Zn(OH)2 + 2NaCl + 2H2O

Cu(OH)2 → CuO + H2O

Zn(OH)2 → ZnO + H2O

ZnO + 2NaOH + H2O → Na2Zn(OH)4

3Fe + 2BiCl3 → 3FeCl2 + 2Bi

FeCl2 + Na2C2O4 → FeC2O4 + 2NaCl

FeC2O4 → Fe + 2CO2

Bi + 4HNO3 → Bi(NO3)3 + NO + 2H2O

Задача 11. Реакции, описанные в задаче:

 

CuO + H2 → Cu + H2O

3CuO + 2NH3 → 3Cu + N2 + 3H2O

2Cu + O2 → 2CuO

CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O

3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

 

Поскольку на выходе из трубке получено 5,6/22,4 = 0,25 моль азота, значит в реакцию вступило 3 * 0,25 = 0,75 моль оксида меди и 2 * 0,25 = 0,5 моль аммиака. При прокаливании в кислороде разница масс составила 6,8 г за счет присоединения кислорода, что составляет 6,8/32 = 0,2125 моль. Значит в реакцию вступило 2 * 0,2125 = 0,425 моль меди. А всего было восстановлено в 2 раза больше меди, т.е. 0,85 моль. Из этого количества 0,75 моль восстановлено аммиаком, а 0,85-0,75 = 0,1 моль - водородом. Следовательно в исходной смеси содержалось 0,1 моль водорода и 0,75 моль аммиака, что в объемных процентах составит соответственно 0,1*100/0,85=11,8% и 0,75*100/0,85=88,2%.

Всего оксида меди было 107,33/79,5 = 1,35 моль. В реакции вступило 0,85 моль, следовательно 1,35-0,85 = 0,5 моль оксида осталось непрореагировавшим. Кроме того образовалось 0,85 моль меди. Половина этой смеси, т.е. 0,25 моль оксида меди и 0,425 моль меди была растворена в азотной кислоте. Масса получившегося нитрата меди (0,25+0,425)*187,5=126,5 г. Масса раствора = m(Cu) + m(CuO) + m(р-ра HNO3) - m(NO) = 0,425*63,5 + 0,25*79,5 + 2000*1,19 + 2*0,425*30 = 2418,36 г. Отсуда массовая доля нитрата меди = 126,5*100/2418,36 = 5,2%.