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

10.  Составьте уравнение реакции окисления хлорида гек­ саамминкобальта(III) бромом, причем комплекс разрушается и выделяется свободный азот.

1.2.  Билет олимпиады по химии 2015 г.

1.  Образец цинка массой 6,6 г растворили в щелочи, причем выделилось 2,24 л водорода (нормальные условия). Определите содержание (%) нерастворимых примесей в образце.

2.  Дама, следящая за фигурой, не удержалась и съела на вечеринке в составе торта 180 г глюкозы C6H12O6. Сколько времени она должна заниматься на велотренажере (расход энергии 1870 кДж/ч), чтобы компенсировать излишества? Считайте, что глюкоза в организме полностью окисляется кислородом до углекислого газа и воды. Значения стандартной энтальпии образования глюкозы, углекислого газа и воды соответственно равны –1275 кДж/моль, –394 кДж/моль и –286 кДж/моль.

3.  При пропускании хлора через раствор иодида калия вначале наблюдалось появление бурой окраски, исчезнувшей в процессе дальнейшего пропускания этого газа. Объясните наблюдаемые явления, напишите уравнения протекающих реакций.

4.  Раствор, содержащий 1,62 г серы в 200 г бензола, кипит при температуре на 0,081 °C выше, чем чистый бензол. Определите относительную молекулярную массу серы и пояс-

ните результат. Эбулиоскопическая константа бензола равна 2,57 К кг моль–1.

5.  Синтез аммиака N2 + 3H2 2NH3, DH < 0 проводят при давлении 30 МПа и температуре 400…500 °C. Согласно принципу Ле Шателье, увеличение давления способствует смещению равновесия вправо, а увеличение температуры – влево. Почему смесь нагревают?

6.  Комплексное соединение содержит 15,3 % хрома, 37,0 % азота, 42,4 % кислорода и 5,3 % водорода. Определите формулу комплексного соединения и назовите его.

7.  Колбу заполнили хлороводородом при нормальных условиях, затем заполнили водой, причем весь хлороводород растворился. Каково значение рН полученного раствора?

11

8.  Смесь оксидов цинка и железа(III) растворили в разбавленной серной кислоте. К полученному раствору добавили избыток сульфида аммония, при этом выпало 5,13 г осадка. Обработка этого осадка избытком соляной кислоты привела к выделению 1,12 л газа (нормальные условия). Рассчитайте массу исходной смеси оксидов.

9.  Составьте уравнение реакции феррата калия K2FeO4 с серной кислотой (выделяется газ). Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

10.  Энтальпия нейтрализации (отнесенная к 1 моль образующейся воды) азотной кислоты гидроксидом натрия по абсолютной величине больше, чем азотистой кислоты. Почему?

1.3.  Билет олимпиады по химии 2016 г.

1.  Литровую колбу, заполненную воздухом, взвесили при нормальных условиях, заполнили другим газом и снова взвесили при нормальных условиях, причем масса колбы увеличилась на 0,6697 г. Каким газом была заполнена колба?

2.  Стандартные энтальпии образования оксидов железа FeO, Fe3O4 и Fe2O3 равны –265, –1117 и –822 кДж/моль соответственно. Если окислять по 1 г железа до образования каждого оксида, в каком случае теплоты выделится больше всего?

3.  Химический элемент Периодической таблицы Д.И. Менделеева с порядковым номером 120 еще не открыт. Опираясь на последовательность заполнения атомных орбиталей электронами, составьте электронную формулу этого элемента. К какой группе относится элемент?

4.  Вещество A содержит марганец. При обработке вещества A некоторой кислотой выделился газ, пропускание которого через раствор вещества B опять же привело к получению вещества A. Что это за вещества и о каких реакциях идет речь?

5.  Раствор, содержащий 0,571 г уксусной кислоты CH3COOH в 100 г воды, замерзает при –0,181 °С (константа криоскопическая для воды равна 1,86 К кг/моль). Проведите расчеты и сделайте вывод о том, сильным или слабым электролитом является эта кислота.

12

6.  Азотную кислоту можно использовать для получения диоксида углерода из карбоната натрия, но нельзя – для получения диоксида серы из сульфита натрия. Почему?

7.  Из раствора соли PtCl4 6NH3 нитрат серебра осаждает весь хлор, а из раствора соли PtCl2 2NH3 не осаждает вовсе. Составьте координационные формулы солей и назовите их.

8.  Определите рН водного раствора, содержащего Ba(OH)2 и BaCl2, если в 200 мл этого раствора находятся 8,428 1021 хло- рид-ионов и 4,816 1021 ионов бария.

9.  Известно, что вода не горит. Или горит? Когда? 10.  Завершите уравнение реакции:

Cu2Se + Cl2 + H2O → …

Примите во внимание, что селен в этом процессе окисляется полностью.

1.4.  Билет олимпиады по химии 2018 г.

1.  Составьте уравнение реакции, в которой в качестве исходных веществ и продуктов участвуют вещества A, B, C и D, если известны количества вещества в реакторе в моменты времени t1 и t2.

2.  К 100 мл 0,2 М раствора хлорида алюминия прилили 100 мл 0,3 М раствора сульфида натрия. Выпавший осадок отфильтровали и прокалили. Рассчитайте массу твердого ос­ татка.

3.  Составьте уравнение реакции раствора перманганата калия с порошком цинка в щелочной среде (KOH) и подберите коэффициенты методом электронного баланса.

4.  Навеску гептагидрата сульфата двухвалентного металла MSO4 7H2O массой 28,84 г растворили в 50 мл воды и получили 20%-ный раствор. Определите, соль какого металла была взята.

13

5.  Известно, что азот не поддерживает горения, он используется для создания инертной атмосферы в ряде металлургических процессов. Горящая лучина, внесенная в сосуд

сазотом, гаснет. Если же магний поджечь на воздухе и внести в сосуд с азотом, он продолжает гореть. Почему?

6.  Технический карбонат аммония массой 200 г, содержащий в качестве примеси 1,68 % пищевой соды, прокалили. Рассчитайте массу твердого остатка.

7.  Эксперт отклонил следующую задачу, предложенную для учебника: «Энтальпия реакции нейтрализации составля-

ет –56 кДж/моль H2O. Вычислите количество теплоты, выделившейся при добавлении к 1 л раствора азотной кислоты

сконцентрацией 0,25 моль/л твердого гидроксида натрия массой 10 г.» Что не понравилось эксперту? Какой информации не хватает в задаче?

8.  Смесь азота и водорода, имеющую относительную плотность по воздуху 0,2931, под давлением ввели в замкнутый реактор с ванадиевым катализатором. Через некоторое время давление в реакторе уменьшилось на 10 % (температура поддерживалась постоянной). Вычислите содержание компонентов в полученной смеси в объемных процентах.

9.  Получить хлор действием соляной кислоты на раствор дихромата калия при стандартных условиях нельзя, так как

j Cr2O72−/2Cr3+ =1,33 В, а j Cl2 /2Cl− =1,36 В. Тем не менее хлор в лабораториях часто получают по этой реакции. Объясните, почему это возможно.

10.  Объясните, почему карбонил железа имеет формулу [Fe(CO)5], а карбонил никеля [Ni(CO)4].

1.5.  Билет олимпиады по химии 2019 г.1

1.  Названия многих элементов так или иначе связаны

сРоссией, именами российских ученых, названиями городов

иобластей. Так, элемент дубний назван в честь города Дубны, где расположен Объединенный институт ядерных исследований, московий был назван в честь Московской области, элемент

1 Олимпиада 2019 г. посвящена Международному году Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева.

14

№ 118 оганесон – в честь выдающегося ученого, академика Ю.Ц. Оганесяна, а название менделевий говорит само за себя.

а)  Назовите еще три элемента, названия которых связаны с Россией или с именами российских и советских ученых.

б)  Английский язык является международным языком научного общения. Даже далекому от химии человеку понятно, что, когда говорят periodic table, имеют в виду Периодическую систему химических элементов. А сможете ли вы догадаться, что такое periodic acid? Запишите химическую формулу этого вещества.

2.  Сверхтяжелые элементы 113…118 были получены физи- ко-химиками Дубны в сотрудничестве с коллегами из Ливерморской национальной лаборатории (США) путем бомбардировки мишени, содержащей атомы актиноидов, ускоренными ионами кальция 48. Определите, какой из актиноидов An нужно использовать для получения ядер московия, если ядерная реакция протекает в соответствии со схемой:

mk An + 4820Ca = 288115Mc +301n.

Определите An, укажите k и m. Напишите электронную формулу московия, укажите его высшую степень окисления.

3.  Запишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в сернокислой среде между иодидом калия и оранжевым раствором соли этого же металла, если молярная масса эквивалента восстановителя в этой реакции равна 27,67 г/моль.

4.  Приготовили раствор пищевой соды и разлили его по двум стаканам, после чего один из стаканов нагрели на плитке, затем остудили до комнатной температуры. В каком стакане рН раствора выше и почему?

5. Для полного термического разложения некоторого количества нитрата цинка потребовалось 525 кДж теплоты. Энтальпия реакции разложения составляет 210 кДж/[моль Zn(NO3)2]. Рассчитайте:

а)  Минимальный объем 10%-ного раствора гидроксида натрия, имеющего плотность 1,1 г/см3, необходимый для растворения полученного твердого остатка.

15

б)  Массовую долю соли в полученном растворе.

6.  При добавлении иодида калия к раствору хлорида же­ леза(III) выделяется иод. Если же к раствору хлорида желе­ за(III) сначала добавить фторид калия, а только потом иодид калия, то выделение иода не наблюдается. Почему?

7.  В сосуд объемом 20 л ввели 4 моль СО и 8 моль Н2О. Рассчитайте концентрации всех веществ в сосуде после установления равновесия

СО(г) + Н2О(г) СО2(г) + Н2(г)

при некоторой температуре, если константа равновесия при данной температуре равна 1,8.

8.  Известно, что скорость реакции зависит от концентрации исходных веществ и в процессе протекания реакции ее скорость должна понижаться вследствие их расходования. Однако при взаимодействии перманганата калия с пероксидом водорода в нейтральной среде имеет место возрастание скорости выделения кислорода. Какова причина этого явления?

9.  Схема гальванического элемента:

Ag |K[Ag(CN)2] (1 моль/л), KCN (1 моль/л) ||AgNO3 (1 моль/л) |Ag.

На какую величину изменится ЭДС гальванического элемента, если растворы, в которые опущены серебряные электроды, разбавить в 10 раз? Температура и давление стандартные.

10.  Вещество имеет состав: AB4C8D6E4. Составьте формулу вещества и назовите его, если известно, что:

•A – металл, B, C, D и E – неметаллы;

•A имеет самую низкую среди металлов температуру плавления;

•из атомов элемента B состоит самое твердое вещество;

•C – самый распространенный элемент в космосе;

•элемент D имеет высокую электроотрицательность, а соответствующее простое вещество химически неактивно;

•при горении простого вещества E образуется газ с резким запахом, который используется для окуривания теплиц, овощехранилищ, винных бочек.

16

1.6.  Олимпиада по химии 2021 г.

1.6.1.  Демонстрационный билет отборочного этапа

1. Смесь порошков алюминия и никеля массой 16 г обработали избытком раствора гидроксида натрия. В данном процессе выделилось 13,44 л (нормальные условия) газа. Вычислите массовую долю (%) алюминия в смеси.

2.  Вычислите изменение энтальпии (кДж) при разложении 490 г бертолетовой соли, протекающего по уравнению

2KClO3(к) = 2KCl(к) + 3O2(г).

Значения стандартной энтальпии образования KClO3(к) и KCl(к) соответственно равны –399 и –437 кДж/моль.

3.  Какое комплексное соединение образуется при растворении оксида серебра(I) в избытке раствора аммиака? Составьте уравнение реакции. Укажите относительную молекулярную массу комплексного соединения (атомные массы элементов округляйте до целых чисел).

4.  Рассчитайте рН в 1 М растворе синильной кислоты HCN, если константа ее диссоциации 4,9 10–10. Приведите ответ с точностью до десятых.

5.  Вычислите массу (г) фтора, содержащегося в виде ионов в 100 л насыщенного раствора CaF2, если произведение растворимости этой соли 4,0 10–11 (ответ выразите в виде десятичной дроби с точностью до сотых).

1.6.2.  Билет заключительного этапа

1.  В конце XVIII – начале XIX в. Пруст установил закон постоянства состава: соотношение между массами элементов, входящих в состав данного чистого вещества, постоянны и не зависят от способа его получения. С последующим развитием науки оказалось, что этот закон ограниченно применим для веществ с немолекулярной структурой. Но и для веществ с молекулярной структурой, в частности для воды, могут наблюдаться отклонения от закона постоянства состава. Какова причина этих отклонений?

17

2.  Нитрат двухвалентного металла образует кристаллогидрат с массовой долей металла 17 %. Найдите формулу кристаллогидрата, учитывая, что металл относится к элементам главных подгрупп Периодической системы.

3.  Составьте уравнения трех реакций, в которых образуется сернистый газ, если известны продукты этих реакций (указаны все продукты реакций без стехиометрических коэффициентов):

…→ SO2 + Na2SO4 + H2O;

…→ SO2 + CuSO4 + H2O;

…→ SO2 + NaCl + Al(OH)3.

4.  Смесь алюминиевых, цинковых и железных стружек массой 32,5 г разделили пополам. При полном растворении одной половины смеси в соляной кислоте выделилось 11,984 л (нормальные условия) газа, а при действии избытка водного раствора NaOH на вторую половину смеси выделилось 9,744 л (нормальные условия) газа. Вычислите массовые доли (%) металлов в исходной смеси.

5.  Образование кислых солей характерно для двухили трехосновных кислот. Объясните существование кислых солей фтороводородной кислоты.

6. Глаз человека замечает осадок в виде мути при содержании в 1 мл раствора 10–5 г кристаллического вещества. Можно ли заметить образование осадка, если в пробирке смешать 5 мл 0,04 М раствора нитрата свинца и 5 мл 0,08 М раствора хлорида натрия, если произведение растворимости PbCl2 равно 1,7 10–5 (влиянием ионной силы раствора пренебречь).

7.  В вашем распоряжении имеются следующие реактивы: серная кислота, азотная кислота, металлический барий, дистиллированная вода. Предложите способ получения раствора, содержащего в качестве растворенного вещества только азотистую кислоту.

8.  Вычислите рН 10%-ного раствора аммиака, имеющего

плотность 0,96 г/см3. Константа диссоциации гидрата аммиака 1,74 10–5.

18

9.  В четырех пробирках содержатся растворы следующих солей:

а)  хлорида железа(II); б)  хлорида железа(III);

в)  гексацианоферрата(II) калия; г)  гексацианоферрата(III) калия.

Вкаждую из пробирок добавили раствор сульфида калия.

Втрех пробирках наблюдалось образование осадков. Определите, какие вещества выпали в осадок, если известно, что осадки в трех пробирках различаются по химическому составу. Напишите уравнения реакций. В пробирке с каким раствором осадок не образовался?

10.  Газовая смесь, состоящая из водорода и угарного газа,

имеет относительную плотность по воздуху 0,786. Вычислите, сколько теплоты выделится при сжигании 1 м3 (нормальные ус-

ловия) смеси. Стандартная энтальпия образования CO(г), CO2(г) и H2O(г) соответственно равна –110, –394 и –242 кДж/моль.

19

ЧАСТЬ  II. 

Решение задач олимпиады по химии НИТУ «МИСиС»

2.1.  Решение задач олимпиады 2014 г.

1.  Испарение снега происходит даже при температурах ниже нуля. На фазовой диаграмме воды есть фазовое равновесие «лед водяной пар», хотя давление пара надо льдом незначительно.

2.  В молекуле BCl3 имеет место sp2 гибридизация атомных орбиталей. Три гибридные атомные орбитали направлены к вершинам плоского треугольника, углы между связями 120°.

В молекуле NCl3 – sp3 гибридизация, образуются четыре гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра. Из них три связывающие, участвующие в образовании связей с тремя атомами хлора, и одна несвязывающая. Углы между связями несколько меньше тетраэдрического в результате отталкивания от несвязывающей орбитали.

3.  В сосуде протекает обратимая реакция:

N2O4(г) 2NO2(г).

По условию в сосуде из 0,1 моль N2O4 осталось 0,08 моль. Следовательно, 0,02 моль N2O4 прореагировало, при этом образовалось 0,04 моль NO2. В итоге при 25 °С установилось равновесие, когда в сосуде суммарно содержалось 0,12 моль веществ.

После нагревания весь N2O4, т.е. 0,08 моль, разложился; следовательно, при 100 °С в сосуде находилось 0,2 моль NO2.

Пусть Р1, n1, T1 – давление, суммарное количество вещества и температура для равновесного состояния до нагрева, Р2, n2, T2 – после нагрева; V – объем сосуда.

Используем уравнение Клапейрона – Менделеева:

Р1V =n1RT1;

Р2V =n2RT2.

20