Химия. Решение задач повышенной сложности. Готовимся к олимпиаде по химии. Учебное пособие

№ 4757 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Университет науки и технологий МИСИС

ИНСТИТУТ БАЗОВОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра общей и неорганической химии

М.Н. Тер-Акопян

ХИМИЯ. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ. ГОТОВИМСЯ К ОЛИМПИАДЕ ПО ХИМИИ

Под редакцией И.В. Пестряк

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2022

УДК 54 Т35

Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, доц., профессор кафедры цветных металлов и золота

Е.А. Богатырева

Тер-Акопян, Марина Норайровна.

Т35 Химия. Решение задач повышенной сложности. Готовимся к олимпиаде по химии : учеб. пособие / М.Н. ТерАкопян; под ред. И.В. Пестряк. – Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2022. – 58 с.

ISBN 978-5-907560-31-4

В учебном пособии приведены задания олимпиады по химии для студентов 1 го курса, проводимой кафедрой общей и неорганической химии НИТУ «МИСиС» за период 2014–2021 гг.; разобраны решения представленных задач. Цель пособия – развитие познавательных способностей, умений и навыков студентов в решении нестандартных, логических и комбинаторных задач по химии для подготовки к профессиональной деятельности.

Предназначено для студентов 1 го курса Горного института, Института новых материалов и нанотехнологий, Института экотехнологий и инжиниринга НИТУ «МИСиС» всех направлений подготовки.

УДК 54

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Более 20 лет кафедра общей и неорганической химии (ОиНХ) проводит олимпиаду для студентов 1 го курса НИТУ «МИСиС», в которой принимают участие все желающие. Олимпиада, как правило, проводится во второй половине весеннего семестра в очном формате. На олимпиаде предлагаются задания по общей и неорганической химии. Олимпиада 2019 г. была посвящена Международному году Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. В олимпиаде 2021 г. впервые приняли участие студенты филиалов НИТУ «МИСиС».

Продолжительность проведения олимпиады по химии НИТУ «МИСиС» составляет 3 астрономических часа. Студенты имеют право приносить с собой книги и записи, калькуляторы. Использование гаджетов запрещено, общение студентов между собой не допускается.

Работы проверяет жюри олимпиады, каждая из 10 задач билета оценивается максимально в 10 баллов. В соответствии с Положением о студенческой олимпиаде П  015.01–21 на основе набранного суммарного балла отбираются победители олимпиады – студенты, занявшие первое место, и призеры олимпиады – студенты, занявшие второе и третье места.

Огромный вклад в организацию олимпиады на кафедре ОиНХ внес канд. хим. наук, доцент Л.Г. Титов. Активное участие в подготовке и проведении олимпиады принимали работавшие ранее на кафедре ОиНХ преподаватели: канд. хим. наук, доцент С.В. Стаханова, канд. техн. наук, старший преподаватель Р.Н. Черепанин, канд. хим. наук, доцент И.Н. Чижова. В настоящее время создание олимпиадных заданий, проверку работ осуществляют помимо автора пособия преподаватели кафедры: канд. хим. наук, доцент В.Г. Лобанова, канд. хим. наук, старший преподаватель А.Н. Изместьев, канд. хим. наук, доцент А.А. Сименел.

Цель олимпиады – популяризация химии как науки, выявление и поощрение талантливых студентов, развитие их познавательной активности.

В начале учебного пособия приводится список разделов курса химии, на которых базируются задания олимпиады. Часть I

4

пособия содержит билеты, предлагавшиеся на олимпиадах по химии в 2014–2021 гг. В части  II рассмотрены решения предложенных в билетах задач. Для олимпиады 2021 г., проводившейся в два этапа, рассмотрен также демонстрационный билет первого, заочного этапа. Библиографический список содержит издания, в которых разбираются олимпиадные задания для абитуриентов, поступающих в химические вузы, а также учебные пособия с заданиями студенческих олимпиад по химии.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов 1 го курса Горного института, Института новых материалов и нанотехнологий, Института экотехнологий и инжиниринга НИТУ «МИСиС» всех направлений подготовки. Оно может быть полезно студентам других вузов, преподавателям и всем интересующимся химией.

5

СПИСОК РАЗДЕЛОВ КУРСА ХИМИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЗАДАНИЯХ ОЛИМПИАДЫ

1.  Стехиометрия. Расчеты по формулам и уравнениям реакций. Закон эквивалентов; эквивалентное число и молярная масса эквивалента в реакциях полного обмена и в окислительновосстановительных реакциях. Газовые законы. Закон Авогадро, уравнение Клапейрона – Менделеева. Относительная плотность газа.

2.  Строение атома и периодический закон. Квантовые числа, электронные формулы элементов. Периодичность изменения атомных характеристик элементов (атомного радиуса, энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности).

3.  Химическая связь с позиций метода валентных связей. Ковалентная связь; обменный и донорно-акцепторный механизм образования, σ-связь и π-связь, кратность связи. Типы гибридизации атомных орбиталей. Полярность ковалентной связи и полярность молекулы. Ионная связь, металлическая связь, межмолекулярное взаимодействие: силы Ван-дер-Ваальса, водородная связь.

4.  Термохимия как раздел термодинамики. Энтальпия химической реакции, фазовых переходов, энтальпия растворения. Расчет изменения температуры в результате растворения твердого вещества в воде или протекания химической реакции в растворе. Закон Гесса. Стандартная энтальпия образования вещества. Вычисление энтальпии реакции на основе значений стандартной энтальпии образования исходных веществ и продуктов реакции.

5.  Скорость химической реакции. Зависимость скорости от концентрации исходных веществ для элементарных реакций (закон действующих масс). Зависимость скорости от температуры (правило Вант-Гоффа). Качественные представления об энергии активации, энергетическая диаграмма реакции.

6.  Химическое равновесие. Выражение для константы равновесия. Смещение равновесия, принцип Ле Шателье. Расчет равновесных концентраций.

6

7.  Растворы. Способы выражения концентрации растворов: массовая доля, молярная концентрация, нормальность, моляльность, молярная (мольная) доля. Растворимость. Законы Рауля, изменение давления насыщенного пара растворителя, температур замерзания и кипения растворов.

8.  Теория электролитической диссоциации Аррениуса. Степень и константа диссоциации слабых электролитов. Закон разбавления Оствальда (упрощенная форма Kд = ca2). Применение законов Рауля к растворам электролитов, изотонический коэффициент Вант-Гоффа и его связь со степенью диссоциации. Вычисление концентрации ионов в растворах.

9.  Водородный показатель растворов (рН). Вычисление рН в растворах кислот и оснований. рН в растворах солей, гидролиз солей, константа и степень гидролиза.

10.  Произведение растворимости малорастворимых сильных электролитов. Вычисление концентрации насыщенного раствора малорастворимого электролита.

11.  Окислительно-восстановительные реакции, типичные окислители и восстановители. Метод электронного баланса. Метод полуреакций для реакций в растворах.

12.  Определение направления окислительно-восстанови- тельных реакций на основе значения ЭДС реакции. Понятие стандартного электродного потенциала. Вычисление электродного потенциала в нестандартных условиях по уравнению Нернста. Вычисление ЭДС гальванического элемента и составление уравнения токообразующей реакции.

13.  Электролиз водных растворов электролитов, закон Фарадея. Коррозия металлов и защита от коррозии.

14.  Комплексные соединения. Номенклатура комплексных соединений. Химическая связь в комплексах, тип гибридизации атомных орбиталей комплексообразователя и геометрическая структура комплекса. Реакции получения комплексных соединений и реакции с участием комплексных соединений. Диссоциация комплексных соединений в водных растворах, выражение для константы нестойкости. Вычисление концентраций ионов комплексообразователя, лигандов и комплексных частиц в растворах комплексных соединений.

15.  Химия элементов и их соединений.

7

а)  Химия неметаллов. Подгруппы галогенов, халькогенов, пниктогенов, неметаллы IIIА и IVА групп.

б)  s- и p-металлы. Общая характеристика щелочных и щелочноземельных металлов, алюминия, олова и свинца, сурьмы и висмута.

в)  d-металлы. Металлы семейства железа, металлы подгрупп цинка, меди, марганца, хрома, ванадия и титана.

г)  Общая характеристика f-металлов.

8

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

9

ЧАСТЬ  I. 

Билеты олимпиады по химии НИТУ «МИСиС»

1.1.  Билет олимпиады по химии 2014 г.

1.  В течение зимы даже без оттепелей исчезает около трети снега. Объясните, куда он девается?

2.  Молекула ВCl3 обладает плоской структурой, а молекула NCl3 – пирамидальной. Объясните это различие.

3.  В замкнутый сосуд поместили N2О4 в количестве 0,1 моль. После длительной выдержки при 25 °С в сосуде установилось равновесие, причем осталось 80 % N2О4 от первоначального количества. Затем сосуд нагрели до 100 °С, в результате чего в нем остался только диоксид азота. Во сколько раз увеличилось давление в сосуде при нагревании от 25 °С до 100 °С?

4.  Почему растворы щелочей нельзя хранить в стеклянной посуде? Ответ подтвердите уравнением реакции.

5.  К раствору, содержащему 80 г хлорида алюминия, прилили раствор, содержащий 33 г сульфида калия. Какова масса выпавшего осадка?

6.  Из 7,84 г сульфата некоторого трехвалентного металла можно получить 6,34 г его хлорида. Какой это металл?

7.  Две пластинки равной массы из некоторого металла поместили: одну в раствор соли меди, другую в раствор соли серебра. Некоторое время спустя пластинки вынули, высушили и взвесили. Масса первой пластинки увеличилась на 0,8 %, второй – на 16 %. Молярные концентрация ионов данного металла в обоих растворах после окончания реакций одинаковы, объемы растворов равны. Из какого металла сделаны пластинки?

8.  Известно, что в горных породах, состоящих в основном из карбонатов магния и кальция, образуются карстовые пещеры под действием воды и атмосферных газов. Составьте уравнения протекающих реакций.

9.  Смешали 1 л раствора щелочи с рН = 10 и 1 л раствора той же щелочи с рН = 12. Каково значение рН нового раствора?

10