Методическая копилка олимпиадных заданий по химии по теме "Алгоритм решения качественных задач"

Методическая копилка олимпиадных заданий по теме

«Алгоритмы решения качественных задач».

Султангулова Лениана Павловна, учитель химии ВКК

МАОУ-СОШ № 93 города Екатеринбурга

     Всероссийские олимпиады школьников по основам наук являются формой организации образовательного процесса, направленной на пропаганду научных знаний, определение интеллектуального потенциала обучающихся, расширение опыта социального взаимодействия.

     Целью организации олимпиады является активизация деятельности образовательного учреждения, направленной на создание условий для самореализации учащихся, развитие их интеллектуальных и творческих способностей, выявление наиболее одарённых детей, имеющих склонность к познавательной деятельности.

     Задачи олимпиады:

- повышение интереса учащихся к творческой научно-исследовательской деятельности;

- создание условий для ранней допрофессиональной и профессиональной ориентации учащихся через развитие их интеллектуальных и творческих способностей.

     В данной работе представлена подборка олимпиадных заданий по химии по теме «Алгоритмы решения качественных задач».

      «Качественными» будем называть не только задачи, в которых нет ни одной цифры, но и задачи, в которых цифры есть, но ключевым моментом являются химические явления, превращения; без знания химии такие задачи решить невозможно.

Другой вид задач – это такие, в условии которых содержится полное описание неизвестного школьнику вещества или процесса с необходимыми приложениями и предлагается на основании логики сделать какой-либо вывод, качественный или количественный. Такие задачи кроме школьных знаний требуют и логического мышления.

Пример. Бесцветный газ А, имеющий резкий запах, горит в кислороде с образованием распространенного в природе газа Б, но в зависимости от условий может дать газ Х. Б образует с водородом вещество А и при обычных условиях с активным металлом М дает только одно твердое вещество В, легко разлагающееся водой с образованием А и Г. Если вместо воды взять раствор НСl, то получается вещество Д и хлорид металла М. Твердое белое вещество Г разлагается при нагревании, теряет на 1 моль Г 0,5 моль воды и переходит в вещество Е, которое реагирует с водородом, образуя воду и твердое вещество Ж; при электролизе расплава 1 моль вещества Ж на аноде выделяется 11,2 л (н.у.) водорода. Какие вещества упомянуты в задаче? Напишите уравнения их превращений.

Решение.

Внимательно читаем, и видим, что 11,2 л водорода (0,5 моль из 1 моль расплава) выделяется на аноде. Значит, Ж – гидрид одновалентного металла. Дальше просто: если Ж – LiH, то Е – Li2O, образующееся при разложении Г = LiOH (гидроксиды других щелочных металлов так просто не разложить); понятно тогда, что М = Li. Соединение лития, легко разлагающееся водой и при этом не являющееся гидридом – это нитрид, который, по аналогии с оксидом, образуется взаимодействием лития с азотом. Азот, как известно, образуется при сжигании аммиака; сжигание с катализатором дает NO. Т.о., X – NO, А – NH3, Б –N2, B – Li3N, Г – LiOH, Д – NH4Cl. Эти вещества удовлетворяют химическим превращениям, описанным в условии:

4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O,

4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O,

N2 + 3 H2 = 2 NH3,

6 Li + N2 = 2 Li3N,

Li3N + 3 H2O = 3 LiOH + NH3,

Li3N + 4 HCl = 3 LiCl + NH4Cl,

2 LiOH = Li2O + H2O,

Li2O + 2 H2 = 2 LiH + H2O,

2 LiH = 2 Li + H2 (электролиз).

 Задачи на знание органолептических свойств веществ, умение идентифицировать вещества по цвету и запаху, осуществлять аналитические качественные определения.

Пример 1. Коричневый осадок, выпадающий при разбавлении водой раствора соли свинца, применили для восстановления замещенных кетонов сложного строения в соответствующие спирты. Реакцию проводили следующим образом: кетон (1) превратили стандартными методами в гидразон; высушенный коричневый осадок энергично взболтали с водой и к взвеси накапали полученный гидразон. Произошла бурная реакция, в результате которой органический слой содержал спирт (2) – с выходом 30–80% (чем объемнее заместители вокруг карбонильной группы исходного кетона, тем выше выход спирта). Альтернативный продукт (3)– соединение, содержащее азот, примерно удвоенной молярной массы исходного кетона. Если делать в обратном порядке – водную суспензию порошка добавлять в гидразон кетона, то образуется только продукт (3). Анализ коричневого порошка показал, что это соединение

- содержит свинец,

– чернеет, а затем краснеет при прокаливании до 400оС,

– раствор исходной соли свинца получается при кипячении этого красного порошка в концентрированной (“ледяной”) уксусной кислоте,

– чернеет при длительном хранении в закрытой банке, после чего его реакционная способность снижается, а в продуктах можно найти только (3).

Предложите и обоснуйте схему описанных превращений.

Решение.

Задача, помимо всего прочего, еще и тестирует инерцию мышления.

Какое же соединение свинца проявляет такие мощные восстановительные свойства?

Непременно на ум приходит сурик в красном порошке, дающий соль при кипячении с уксусом. Напрашивается классическое диспропорционирование:

Pb3O4 + 8 CH3COOH = 2 Pb(OOCCH3)2 + Pb(OOCCH3)4 + 4 H2O.

 Понятно, что без PbO2 не обошлось –это он разлагается при нагревании:

3 PbO2 = Pb3O4 + O2.

Дальше уже требуется применить логику и констатировать, что коричневый и черный порошок – это один и тот же диоксид свинца, выше валентностей у свинца не существует. Значит, коричневая форма, как следует из условия, активная, а черная – неактивная. Из чего образовался осадок диоксида свинца при разбавлении водой раствора исходной соли свинца? Очевидно, из тетраацетата свинца: Pb(OOCCH3)4 + 2 H2O = PbO2 + 4 CH3COOH.

Подходим к объяснению необъяснимой восстановительной способности диоксида свинца. В результате внимательного прочтения условия видим, что описано восстановление вовсе не карбонильной группы в спиртовую, а гидразона в спирт, а это не одно и то же.

RR′C=O + H2N–NH2  =  RR′C=N–NH2 + H2O

RR′C=N–NH2  =  RR′CH–OH + N2

Ведь во втором случае выделяется азот.

Можно легко сообразить, что описанная реакция только по отношению к углероду – восстановительная, а в сумме это типичное окисление азота гидразона в молекулярный азот (–4e), при котором пара электронов присваивается углеродом (+2e), а суммарный переход электронов все равно будет к сильнейшему окислителю диоксиду свинца, т. е. последнее уравнение описывает типичную реакцию окисления (азота).

Пример 2. Два газа А и Б с резким запахом, в зависимости от условий, реагируют между собой по-разному:

а) в случае избытка А по схеме: 8 А + 3 Б = 6 В + Г;

(сухой (газ) остаток)

б) в случае избытка Б – по иной схеме: 2 А + 3 Б = Г + 6 Д;

(газ) Белое вещество В обратимо разлагается при нагревании, образуя А и Д. Плотность Г составляет 1,25 г/л (н.у.).

Расшифруйте перечисленные вещества
Решение. Так как плотность Г составляет 1,25 г/л (н.у.), то его относительная молекулярная масса равна 28, что может соответствовать азоту, тогда:

A – NH3, Б – Cl2, B – NH4Cl, Г – N2, Д – HCl.

8 NH3 + 3 Cl2 = 6 NH4Cl + N2 (избыток NH3)

2 NH3 + 3 Cl2 = N2 + 6 HCl (избыток Cl2)

NH4Cl   =   NH3 + HCl.

Пример 3. Разбираясь на полках в лаборатории, химики обнаружили белое кристаллическое вещество. Вещество хорошо растворялось в воде, образуя кислый раствор. При добавлении к раствору 1,00 г этого вещества по каплям раствора нитрата серебра образовалось 2,73 г белого творожистого осадка. При дальнейшем добавлении AgNO3 наблюдается выпадение черного осадка и выделение газа с плотностью по водороду 14. Определите, какое вещество нашли химики, и напишите уравнения его реакций с AgNO3

Решение. Обнаруженное вещество одновременно является солью – хлоридом с гидролизующимся катионом (слабое основание), и этот катион еще и восстановитель. Другим способом никак не объяснить выпадение белого и черного осадков. Считаем молярную массу вещества в расчете на 1 и 2 хлорид-иона, подбором получаем, что исходное вещество – дигидрохлорид гидразина N2H6Cl2 (молярная масса катиона = 17 . n, где n – число атомов хлора).

Реакции:

N2H6Cl2 + 2 AgNO3 = N2H6(NO3)2 + 2 AgCl

N 2H6(NO3)2 + 4 AgNO3 = 4 Ag + 6 HNO3 + N2

Пример 4.  Жидкость, образующаяся при нагревании металлической меди с концентрированной серной кислотой, имеет коричневатую окраску. Если раствор хлорида меди(II) насыщать хлороводородом, то образующийся раствор тоже будет иметь коричневую окраску; причем при разбавлении водой растворов, полученных в обоих опытах, окраска меняется. Как будут окрашены растворы после разбавления? Объясните описанные явления.

Решение. Голубая окраска разбавленных растворов солей меди (II) связана с существованием гидратированных ионов меди. Образующийся в реакции меди с серной кислотой сульфат меди не гидратирован и придает раствору коричневатую окраску. Хлороводород, хорошо растворимый в воде, отнимает воду от гидратированных ионов меди, диссоциируя при этом. При разбавлении вновь образуются гидратированные ионы меди (II). Кроме того, в солянокислом растворе могут образовываться комплексные ионы CuCl3 (–) и CuCl4 (2–), дающие раствору желто-зеленую и коричневатую окраску.

Пример 5.  В двух сосудах находится раствор окрашенной соли А. В один сосуд внесли образец металла Б, в другой – образец металла В. После окончания бурных реакций растворы в обоих сосудах обесцветились, и образовались темные осадки, соответственно, Г и Д. Эти осадки частично растворяются в соляной кислоте, при этом окраска осадков несколько изменяется. При действии разбавленной азотной кислоты растворяется еще часть осадков Г и Д, опять-таки с изменением окраски остающегося нерастворимого осадка. Наконец, при кипячении с концентрированной азотной кислотой осадок Г полностью растворяется, образуя раствор, содержащий исходную соль А, а осадок Д и в этом случае растворяется не полностью, оставляя белое малорастворимое вещество Е. Что могут представлять собой исследованные вещества? Напишите уравнения реакций, подтверждающие ваши гипотезы.

Решение: Бурная реакция водного раствора соли с металлом могла происходить в том случае, когда активный металл взаимодействовал с водой. При этом может происходить не только вытеснение металла, катион которого придавал окраску раствору, но и ряд других реакций – образование гидроксидов активного металла и выпадение осадка гидроксида исходной соли, восстановление аниона соли и, наконец, образование нерастворимой соли добавленного активного (щелочно-земельного) металла. Условиям задачи удовлетворяет, например, сульфат меди (II), который будет в водном растворе при реакции с натрием давать осадок, состоящий из гидроксида и оксида меди (II), металлической меди, сульфида меди (II) (а также, возможно, и свободной серы). В случае аналогичной реакции с кальцием или барием в состав осадка дополнительно могут входить сульфид кальция или сульфаты кальция и бария, нерастворимые в кислотах. При действии соляной кислоты происходит удаление гидроксида и оксида меди (II), а также гидроксида и сульфида кальция. При действии разбавленной азотной кислоты удаляется металлическая медь; кипячение с концентрированной азотной кислотой удаляет свободную серу и переводит сульфид меди (II) в сульфат (исходная соль), а сульфаты кальция или бария остаются нерастворимыми в кислоте.

Пример 6.  Когда газы I, II, III и IV пропускают через бромную воду, она обесцвечивается. При пропускании газа I выделяется газ V в количестве, равном половине объема газа I, прореагировавшего с бромом. При пропускании газа II образуется жидкость VI, которая не смешивается с водой. Если пропускать газ III, то выделяется осадок VII, а если газ IV – то раствор только обесцвечивается. Что могут представлять собой газы I, II, III, IV и вещества V, VI, VII? Обсудите возможные варианты.

Решение. Бромную воду часто используют для качественного определения многих органических и неорганических веществ. Однако начинающий экспериментатор наблюдает обычно только первое и наиболее заметное изменение раствора – исчезновение окраски, а на другие изменения редко обращает внимание, хотя они очень важны для характеристики протекающих реакций. В органической химии бромную воду нередко используют как реагент для определения непредельных соединений, которые легко присоединяют бром. Продукты присоединения, ди- и тетрабромиды, – это обычно жидкие или даже твердые вещества, нерастворимые в воде. Поскольку исходное вещество – газ, то неизвестными веществами II и III могут быть газообразные непредельные соединения, например, пропилен и бутадиен. Они образуют соответственно жидкий дибромпропан и твердый тетрабромбутан. Для определения неорганических веществ часто используют окислительное действие бромной воды. Газом III может быть, например, сероводород, из которого при взаимодействии с раствором брома выделяется твердая сера. Можно найти немало газообразных и летучих соединений (органических и неорганических), которые окисляются бромной водой с образованием бесцветных продуктов или вступающих с ней в реакции замещения, при которых также образуются бесцветные вещества (H2S, бутадиен, формальдегид). Газ IV может быть, например, диоксидом серы или парами ацетальдегида. Может даже быть озоном: O3 + Br2 + H2O = HBrO3. Наконец, газ I может представлять собой аммиак или метиламин, которые окисляются бромной водой с образованием азота.

Литература:

1. И. В. Свитанько, В. В. Кисин, С. С. Чуранов. Олимпиадные задачи по химии. Учебное пособие для подготовки к олимпиадам школьников по химии. - М., Высший химический колледж РАН при РХТУ им. Д.И.Менделеева, Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН; 2017.