Одиннадцатый класс

Задача 11-1. Лаборант Петя приготовил три одинаковые навески белого порошка А (1, 2, 3), а лаборант Коля отвесил две одинаковые порции порошка Б (4, 5). Для проведения опыта юный химик Юра взял навески 1 и 4 и высыпал их в стакан с водой. При этом выделился бесцветный газ Г(реакция 1). Вторую навеску порошка А он высыпал в воду, в которую опущены магниевые стружки. При этом выделился газ Д (реакция 2). Оставшиеся две навески (3 и 5) Юра поместил в отдельные тигли и прокалил. При прокаливании первого вещества наблюдалось выделение едких белых паров вещества Е. (реакция 3а). Прокаливание второго вещества – реакция 3б. Смесь твердых остатков, полученных в результате реакций 3а и 3б, при растворении в воде дает с раствором хлорида бария белый осадок массой 3, 315 г (реакция 4). При обработке соляной кислотой масса осадка уменьшается до 2, 33 г (реакция 5). Известно, что вещества А и Б окрашивают пламя в желтый цвет.

1. Определите вещества А, Б, Г, Д и Е.

2. Запишите уравнения проведённых реакций.

3. Рассчитайте массу одной навески вещества А и одной навески вещества Б.

4. Какой объем (при 25^оС и 1 атм.) газа Д выделился при взаимодействии порошка А с магнием?

Задача 11-2. Газобаллонная атака на французском фронте, произведенная немцами у бельгийского города Ипр 22.04.1915 г., была первым применением химических средств в большом масштабе. Сравнительно быстро было установлено, что немцы применяют хлор. Поэтому еще в начале мая 1915 г. организации Красного креста приступили к изготовлению первых защитных масок, пропитанных раствором вещества Х, которое и теперь еще иногда называют «антихлор». Однако после их использования во время газовой атаки на русские окопы, произведенной немцами 23.06.1915 в 50 км к западу от Варшавы, стало очевидно, что маски совершенно не защищают от отравления. Поэтому солдаты их бросали или «украшали» ими и прилагавшимися к ним бутылочками с пропитывающей жидкостью попадающиеся на пути деревья. Дело в том, что врачи, организовавшие производство таких масок, не задумались о химической сути процесса нейтрализации хлора «антихлором». Эта ошибка была обнаружена русскими химиками Н.А. Шиловым (1872-1930) и А.М. Беркенгеймом (1867-1938) и побудила к постановке одного из первых научных исследований, касающихся противогазового дела. Такое исследование было выполнено Н.А. Изгарышевым (1884-1956) в Москве в лаборатории профессора Шилова. Уже летом 1915 г. рецепт пропитки масок был изменен, и в нее была введена кальцинированная сода (карбонат натрия), а также глицерин как предохраняющее средство от быстрого высыхания маски. Маска, пропитанная таким раствором, значительно лучше защищала человека от отравления.

1. Вещество Х в безводном состоянии состоит из трех элементов: Na (массовая доля 29, 1 %), S (40, 5 %) и O (30, 4 %). Установите его молекулярную формулу и назовите его по известной Вам химической номенклатуре.

2. Как обычно получают вещество Х? Напишите уравнение соответствующей реакции с указанием условий.

3. В продажу «антихлор» обычно поступает в виде кристаллогидрата (вещество У), массовая доля кислорода в котором составляет 51, 6 %. Вычислите молекулярную формулу вещества У, дайте и ему номенклатурное название.

4. Рецепт пропиточной жидкости для масок 1915 г был следующий (в массовых частях): вещества У 30 частей, соды безводной 10 частей, глицерина чистого 10 частей, воды 70 частей. Рассчитайте массы глицерина, вещества У и воды, которые необходимо добавить к 270 г кристаллической соды (декагидрата карбоната натрия) для приготовления правильного пропиточного раствора.

5. Что именно становилось причиной тяжелых последствий для человеческого организма в случае применения маски, пропитанной только водным раствором «антихлора»? Напишите уравнения реакций, протекающих при взаимодействии раствора «антихлора» с избытком и недостатком хлора.

6. А можно ли успешно защититься от хлора маской, пропитанной раствором чистой соды? Аргументируйте свой ответ, напишите уравнение реакции.

7. Напишите уравнение реакции, поясняющей важнейшую роль соды в составе пропитки, обеспечивающей более хорошую защиту человека от отравления хлором.

8. Водный раствор «антихлора» обладает довольно высокой реакционной способностью не только по отношению к хлору. Он легко реагирует с бромной и йодной водой, а также растворяет практически нерастворимый в воде бромид серебра. Напишите уравнения этих реакций.

Задача 11-3. При сгорании 2 г смеси изомерных газообразных (при н.у.) углеводородов А, В и С образуется 9, 0 л углекислого газа (330 °С, 83, 5 кПа) и 1, 8 г Н₂О.

1) Определите молекулярную формулу углеводородов А-С. Напишите структурные формулы возможных изомеров, соответствующих этой формуле.

Углеводород А при нагревании необратимо изомеризуется в углеводород В, который при нагревании в присутствии катализатора способен подвергаться циклотримеризации (с образованием D и E) или циклотетрамеризации в зависимости от использованного катализатора. Углеводород С в определенных условиях тоже способен превращаться в В и, в свою очередь, может быть получен из В. Однако при нагревании в отсутствии какого-либо катализатора С дает смесь продуктов циклодимеризации (F и G) и тримеризации. Соединения D и F содержат только два типа атомов водорода (т.е. могут образовать только два монобромпроизводных).

2) Напишите структурные формулы соединений A-G.

3) Напишите структурные формулы возможных продуктов тетрамеризации В.

При решении задачи учитывайте, что в отличие от плоских моноциклических соединений с чередующимися одинарными и двойными связями, имеющими (4n+2) p-электронов (ароматических соединений), плоские моноциклические соединения с чередующимися одинарными и двойными связями, имеющие 4n p-электронов, чрезвычайно нестабильны и могут существовать только при температуе жидкого аргона и ниже (поэтому их называют «антиароматическими»).

Задача 11-4. Соединение А существует в виде двух энантиомеров (оптических изомеров), в водном растворе находится в виде мономера, а в кристаллическом состоянии в виде циклического 6-членного димера В. При действии основания оно легко изомеризуется в соединение С, не имеющее асимметрических атомов углерода. Cоединение А дает реакцию серебряного зеркала, причем при действии избытка аммиачного раствора оксида серебра на 1, 35 г А образуется 3, 24 г осадка. Восстановление как А, так и С водородом над палладием или боргидридом натрия дает одно и то же вещество D. В клетках человека и животных А присутствует в основном в виде фосфата и в анаэробных условиях (т.е. в отсутствие кислорода) превращается в вещество E, изомерное А, также существующее в виде двух энантиомеров. По результатам кислотно-основного титрования на нейтрализацию 1, 35 г Е требуется 5, 7 мл 10% раствора NaOH (r = 1, 053 г/мл). Вещества A, B, D, E имеют важное значение для жизнедеятельности человека и многих животных.

1. Напишите структурные формулы соединений А-Е. Ответ подтвердите расчетами.

2. Изомерные соединения А, C, E содержат разные функциональные группы. Напишите остальные изомеры соединения А, имеющие набор функциональных групп, отличный от тех наборов, что присутствуют в А, С, E, и не содержащие связей О-О. Учтите, что, в соответствии с правилом Эльтекова-Эрленмейра соединения не могут содержать у одного атома углерода одновременно две группы –ОН или группы –ОН и –ОR (полуацетали) за исключением производных сахаров и других циклических полуацеталей.

Задача 11-5. Ксилолы (диметилбензолы) – полезные углеводороды, которые получают химической переработкой нефти. При нагревании в присутствии катализаторов – кислот Льюиса – различные ксилолы могут переходить друг в друга. В равновесной смеси, полученной при 500 К, из каждых 30 молекул 5 имеют орто -расположение метильных групп, 6 – пара, остальные – мета.

1) Рассчитайте константы равновесия реакций орто -ксилол ⇄ пара -ксилол (K ₁) и мета -ксилол ⇄ пара -ксилол (K ₂).

2) Какой из ксилолов обладает наибольшей, а какой – наименьшей энергией Гиббса? Объясните.

3) В таблице приведены теплоты образования газообразных ксилолов (считаем, что они практически не зависят от температуры).

а) Выразите мольную долю каждого изомера в смеси в общем виде через K ₁ и K ₂.

б) Рассчитайте процентное соотношение изомеров в равновесной смеси при 700 К. (Если не сможете получить точный ответ, приведите качественные соображения о том, доля какого изомера в смеси вырастет, а какого уменьшится.)

4) Наиболее ценным изомером является пара -ксилол. Его получают с выходом до 80 % в присутствии цеолитов – пористых катализаторов, через поры которых свободно проходят молекулы пара -изомера и не могут пройти молекулы остальных изомеров. Оцените верхнюю и нижнюю границу для диаметра пор цеолита. Длины связей в молекулах ксилолов приведены на рисунке, все связи C–H имеют примерно одинаковую длину. Радиусы атомов водорода не учитываем.

Необходимые формулы:

D G ° = − RT ln K,

.

III (региональный) этап. Кировская область, 30 января 2014 года