Решения задач заочного тура VII открытой олимпиады по химии 2012

1. Определите элементы A, B, X, Y.

2. Напишите уравнения всех упомянутых реакций. Каковы условия их проведения?

3. О каком химике идёт речь в задаче? Какое «агрессивное» вещество ему удалось получить? Приведите

уравнение реакции.
Решение.

Вторым по распространённости в земной коре является кремний Si – элемент Y. Элемент X должен быть неметаллом, так при гидролизе бинарных соединений с металлами образуются газообразные вещества. Так как из одинакового количества элемента X образуются разные газы и при этом в количествах, различающихся в 2 раза, то в одном газе атомов элемента X в 2 раза больше, чем в другом. Наиболее подходящим неметаллом на эту роль является углерод – элемент X. Разумно предположить, что это карбиды ряда метанидов и ацетиленидов.

Определим металлы A и B.

A₄C_x – метанид

A₄C_x + 4xH₂O = 4A(OH)_x + xCH₄

ν (A₄C_x) = _; М (А) = _ = 9x , где x – валентность элемента A. Для x = 3 M (A) = 27 – алюминий.

ν (B_xC₂) = ν (C₂H₂) =_ = 0.15 моль; ν(B) = 0.15 x; M (B) = _ = _, где 2x – валентность элемента B.

Единственно возможный ответ при x = 1 – кальций.

Таким образом, неизвестные бинарные соединения карбид алюминия Al₄C₃ и карбид кальция CaC₂.

4Al + 3C → Al₄C₃;

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃↓ + 3CH₄↑;

Ca + 2C → CaC₂;

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂↑.

Зелёный минерал SiC – муассанит, названный в честь Фердинанда Фредерика Анри Муассана (1852–1907), который он и обнаружил в 1893 году в каньоне Диабло. Анри Муассан получил в 1906 году Нобелевскую премию «за большой объём проделанных им исследований, за получение элемента фтора и введение в лабораторную и промышленную практику электрической печи, названной его именем».

Фтор получается электролизом безводной HF с добавкой KF:

2HF → H₂ (катод) + F₂ (анод).
Система оценок:

по 2 балла за элементы X, Y, A, B — всего 8 баллов;

по 1 баллу за уравнения реакций — всего 5 баллов;

2 балла за фамилию учёного и 2 балла за упоминание о фторе — всего 4 балла.

Сумма: 17 баллов.
Задача 2. Цепочка реакций. (7 баллов.)

Напишите уравнения реакций, соответствующих следующим превращениям (первой указана степень окисления атома в одном из реагентов, далее – в одном из продуктов, который, в свою очередь, является реагентом для следующей стадии):

Si⁺⁴ → P⁰ → Br^-1 → P⁺³→ Mn⁺²→ Na⁺ → S^-2.
Решение.

Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 5CO + 2P (1 балл)

2P + 3Br₂ → 2PBr₃ (1 балл)

PBr₃ + 3H₂O → H₃PO₃ + 3HBr (1 балл)

5H₃PO₃ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5H₃PO₄ + 3H₂O + K₂SO₄ (2 балла)

MnSO₄ + 2NaOH → Mn(OH)₂ + Na₂SO₄ (1 балл)

Na₂SO₄ + BaS → BaSO₄ + Na₂S (1 балл)

Сумма: 7 баллов.
Задача 3. Синтез «TrCl». (19 баллов.)

Формулу соединения Х профессиональные химики-органики часто сокращенно обозначают в виде «TrCl». Это соединение можно получить, например, по следующей схеме:

2. Способ получения тритилхлорида (TrCl) из бензола в одну стадию основан на реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце – алкилирование бензола четыреххлористым углеродом в присутствии кислоты Льюиса (AlCl₃).

Интересно отметить, что при этом в реакции участвуют не все атомы хлора в составе молекулы исходного CCl₄ (три из четырех).

Наиболее простые реакции между двумя кислотами – окислительно-восстановительные, а между двумя основаниями – комплексообразования.

Например:

а) H₂S + H₂SO₄ = S + SO₂ + 2H₂O

HOOC–COOH + H₂SO₄ = CO₂ + SO₂ + H₂O

б) 2NaOH + Zn(OH)₂ = Na₂[Zn(OH)₄]

Cu(OH)₂ + 4N(СН₃)₃ = [Cu(N(СН₃)₄](OH)₂

Однако возможны и другие реакции.

Многие органические вещества имеют тривиальные названия. Соотнесите приведенные ниже названия органических кислот со структурными формулами: пикриновая, винная, глутаминовая, лимонная, левулиновая, яблочная, пировиноградная, янтарная, капроновая, галловая, валериановая, барбитуровая, аскорбиновая, сульфаниловая, салициловая и аспарагиновая кислоты.

5,08 г сплава натрия с алюминием растворили в 62,0 мл раствора хлорида ртути (II), имеющего плотность 1,053 г/мл и содержащего 5,00 масс. % соли. В результате выделилось 4,66 л (н.у.) газа. Найти массовые доли металлов в сплаве, состав выпавшего осадка и массовые доли веществ в полученном растворе, с учетом того, что ртуть восстановилась полностью.

Количество вещества хлорида ртути (II) (и, соответственно, ртути) равно:

n(HgCl₂) = n(Hg) =62,0 1,053 0,05/272=0,0120 моль.

Количество вещества выделившегося водорода:

n(H₂) = 4,46/22,4 = 0,208 моль.

Поскольку часть водорода пошла на восстановление ртути, общее количество вещества водорода составит:

n(H₂) =0,012 + 0,208 = 0,220 моль.

Рассчитываем количество вещества натрия и алюминия в сплаве (полагая, например, что х моль натрия выделяет из раствора 0,5х моль водорода, а у моль алюминия – 1,5у моль). Весь амальгамированный алюминий растворился в водном растворе, поскольку в присутствии ртути пленка оксида алюминия уже не образуется на его поверхности.

Система уравнений получается следующая:

23х +27у = 5,08;

0,5х + 1,5у = 0,220.

Решая эту систему, получаем

х = 0,08;

у = 0,12.

Отсюда находим массы и массовые доли металлов в сплаве:

m(Na) = 23 0,08 = 1,84 г, или 36,2%;

m(Al) = 27 0,12 = 3,24 г, или 63,8%.

Наличие в исходном растворе 0,0120 моль хлорида ртути означает, что после ее выделения в этом растворе останется 0,024 моль ионов хлора. Таким образом, в конечном растворе образуется 0,024 моль NaCl и 0,056 моль NaOH.

0,056 моль гидроксида натрия переведут в раствор 0,056 моль гидроксида алюминия:

NaOH + Al(OH) = Na[Al(OH)₄].

В осадке останется 0,120 – 0,056 = 0,064 моль гидроксида алюминия (5,0 г). Кроме того, в осадке будет находиться вся ртуть – 2,4 г.

Находим массу конечного раствора:

М = М(исх.р-ра HgCl₂) + 5,08 – m(Hg) – m(Al(OH)₃ – m(H₂).

M = 62,0 1,053 + 5,08 – 2,4 – 5,0 – 0,208 2= 65,29 +5,08 – 2,4 – 5,0 – 0,42 = 62,55 г.

Массовые доли хлорида натрия и тетрагидроксоалюминита натрия составят:

w (NaCl) = 0,024 58,5/62,55 = 0,0225 или 2,25%;