Задания по химии. 10 класс

Задача 1

Гидроксид золота (III) взаимодействует с кислотами HCl и HBr согласно уравнению реакции:

Au(OH)₃ + 4HHal(р-р) → H[AuHal₄](p-p) + 3H₂O (ж).

При протекании реакций с участием HCl и HBr выделяется 23 ккал и 36.8 ккал теплоты, соответственно. Смешение в стехиометрическом соотношении растворов H[AuBr₄] и HCl сопровождается поглощением 0.51 ккал тепла. Какой процент H[AuBr₄] превращается при этом в H[AuCl₄]?

Решение.

Составим термохимические уравнения взаимодействия Au(OH)₃ с HCl и HBr:

Au(OH)₃ + 4HCl(р-р) → H[AuCl₄](p-p) + 3H₂O (ж) + 23 ккал; (1)

Au(OH)₃ + 4HBr(р-р) → H[AuBr₄](p-p) + 3H₂O (ж) + 36.8 ккал. (2)

Если вычесть уравнение (2) из уравнения (1), то получаем:

H[AuBr₄](p-p) + 4HCl(р-р) → H[AuCl₄](p-p) + 4HBr(р-р) – 13.8 ккал. (3)

(Обращаем внимание, что тепловой эффект данной реакции равен разности тепловых эффектов рассмотренных выше реакций (1) и (2): 23 ккал – 36.8 ккал=-13.8 ккал).

Из уравнения (3) видно, что если в реакцию вступает 1 моль H[AuBr₄], то поглощается 13.8 ккал тепла, а если x моль, то 0.51 ккал (по условию). Отсюда, х=0.0369 моль, что соответствует 3.69% H[AuBr₄], вступившего в реакцию.

Ответ: ω(H[AuBr₄])=3.69%.

Задача 2

При крекинге пропана образуется смесь CH₄, H₂, C₂H₄ и С₃H_8. После пропускания этой смеси над никелевым катализатором получили новую газовую смесь, плотность которой по воздуху равна d. Уравнения реакций, протекающих при крекинге:

СH₃–CH₂–CH₃ → CH₄ + CH₂=CH₂, (1)

СH₃–CH₂–CH₃ → H₂ + CH₂=CH – CH₃. (2)

Вычислите, какая часть пропана разложилась по уравнению (1). (Средняя молярная масса воздуха равна 28.9 г/моль). 

Решение.

По условию газы крекинга не содержат пропана, т. е. пропан разложился полностью. Пусть при крекинге одного моля пропана a моль пропана разложилось по уравнению (1) и b моль пропана – по уравнению (2), тогда

a + b =1 (3)

В полученной газовой смеси находится a моль СH₄, a моль C₂H₄, b моль Н₂ и b моль С₃Н₆. При пропускании этой смеси над никелевым катализатором водород присоединяется к алкенам:

С₂H₄ + H₂ → C₂H₆ (4)

C₃H₆ + H₂ → C₃H₈ (5)

Так как смесь содержит меньшее количество водорода, чем алкенов (b < a + b), реакции (4) и (5) пройдут частично. Допустим, что прореагировало x моль С₂Н₄ и у моль С₃Н_6, тогда

x + y = b (6)

В реакциях (4) и (5) образовалось х моль С₂Н₆ и у моль С₃Н₈. Конечная газовая смесь содержит а моль СН₄ (М = 16 г/моль), (а – х) моль С₂Н₄ (М = 28 г/моль), х моль С₂Н₆ (М = 30 г/моль), (b – y) моль С₃Н₆ (М = 42 г/моль) и у моль С₃Н₈ (М = 44 /моль), т. е. всего а + а – х + х + b – y + y = 2a + b моль газов. Средняя молярная масса смеси равна

 М=[16a+28(a–x)+30x+42(b–y)+44y]/(2a+b)=(44a+2x+42b+2y)/(2a+b) (7)

 Учитывая соотношение (6), получаем

М = (44a + 44b)/(2a + b)

Среднюю молярную массу смеси можно выразить через плотность по воздуху: М = 28.9d. Таким образом,

(44a + 44b)/(2a + b) = 28,9d (8)

При решении системы алгебраических уравнений (3) и (8) получаем формулы для вычисления a и b:

a = (44 – 28.9d)/28.9d; b = (57.8d – 44)/28.9d.

Задача 3

Некоторый газ был смешан с аргоном в объемном отношении 1:9. Через трубку с раскаленными магниевыми стружками (800 ^оС) пропустили 5.6 л (н.у.) этой смеси. Из трубки выходил чистый аргон, а масса твердого содержимого увеличилась на 3.02 г. Растворимая в холодной воде часть содержимого трубки составила 2.38 г. При действии раствора нитрата серебра на полученный раствор образовалось 7.13 г белого осадка, не растворимого в разбавленных кислотах, но растворимого в водном растворе аммиака. Твердый остаток в трубке был обработан разбавленной соляной кислотой. Нерастворившаяся часть составила 1.86 г, а после прокаливания на воздухе уменьшилась до 1.56 г. Остаток представлял собой бесцветную соль. Определите молекулярную формулу и состав газа. Объясните указанные превращения. Благодаря каким свойствам этот газ находит применение?

Решение

1. В смеси искомого газа содержалось 0.1 часть или 0.56 л, следовательно через трубку пропустили 0.56/22.4=0.025 моль неизвестного газа, который имеет массу 3.02 г, то есть его молярная масса (M) составляет около 121 г/моль (3.02 г /0.025 моль = 120.8 г/моль).

Растворимая в воде часть содержимого трубки это хлорид магния (MgCl₂).

MgCl₂ + 2AgNO₃ → 2AgCl↓ + 2Mg NO₃;

AgCl + 2NH₃ → [Ag(NH₃)₂]Cl.

Массу хлора находим из массы AgCl и она составляет 1.77 г или 0.05 моля атомов хлора, то есть в состав газа входят 2 атома хлора (71 а.е.м.).

Оставшиеся 50 а.е.м. приходится на элементы, которые с одной стороны дают с магнием соль не растворимую в воде и соляной кислоте, а с другой стороны при прокаливании на воздухе образует газообразный оксид (диоксид серы не подходит, так как сульфид магния — растворим).

В нерастворимом остатке возможно наличие углерода в количестве 1.86-1.56 = 0.3 г или 0.025 моль, т.е. в состав газа будет входить 1 атом углерода. На долю оставшихся элементов приходится 38 а.е.м. Это может быть атом двухвалентного элемента (такого нет) или 2-х атомов фтора. Тогда оставшаяся соль — фторид магния (MgF₂) (он не растворим в воде и соляной кислоте). Значит неизвестный газ — CCl₂F₂, известный как фреон-12. Он используется в промышленности в холодильных установках и аэрозольных баллонах благодаря своей инертности и нетоксичности.

Задача 4

На схеме представлены превращения соединения Х. Расшифруйте формулы веществ A–J и Х. Напишите уравнения всех реакций. 

Решение.

Условию задачи удовлетворяет карбид кальция. Х – СаС₂, поэтому левая часть схемы соответствует превращениям неорганических соединений кальция: А – Са(ОН)₂, В – CaCl₂, С – Са(НСО₃)₂, D – СаСО₃, Е – СаО.

Правая часть схемы соответствует превращениям органических веществ:

F – С₂Н₂, G – CH₃CHO, H – CH₂=CH₂, I – C₂H₆, J – C.

 Уравнения приведенных реакций:

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O                                       CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂                                   Ca(HCO₃)₂ —^t° →CaCO₃ + CO₂↑ + H₂O

CaCO₃  —^t° → CaO + CO₂↑                                                  C₂H₂ + H₂O —^t°HgSO4 →CH₃CHO

CH₃CHO + H₂ → C₂H₅OH                                                  C₂H₅OH  —^{t°C, H+ →}C₂H₄ + H₂O

C₂H₄ + H₂ → C₂H₆                                                             C₂H₆ —^t°→2C + 3H₂

3C + CaO —^t° →CaC₂ + CO

Задание 5

Какой объем займет газ (p=2 атм, t=50°С), который может быть выделен из раствора, полученного при взаимодействии цинка массой 5.2 г с раствором азотной кислоты, в котором массовая доля HNO₃ составляет 8%? Вычислите объем этого раствора и раствора NaOH концентрации 2 М, затраченного на выделение этого газа. Напишите все уравнения протекающих реакций. Плотность водных растворов HNO₃ составляет: ρ (при ω=5% HNO₃)=1.026 г/мл; ρ (при ω=10% HNO₃)=1.054 г/мл; ρ (при ω=15% HNO₃)=1.084 г/мл.

Решение.

1. Разбавленная азотная кислота реагирует с цинком с образованием нитрата аммония (NH₃NO₃). Уравнение протекающей реакции:

4Zn + 10HNO₃ → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O . (1)

Масса образовавшегося NH₄NO₃ составила:

262 г Zn реагируют с образованием 80 г NH₄NO₃

5.2 г Zn реагируют с образованием х₁ г NH₄NO₃

отсюда x₁ = (5.2·80)/262=1.59 г.

Масса вступившей в реакцию HNO₃ составила:

262 г Zn реагируют с 630 г HNO₃

5.2 г Zn реагируют с х₂ г HNO₃

отсюда x₂ = (5.2630)262=12.50 г, что соответствует 0.199 (0.2) молям HNO₃.

Масса 8 %-го раствора HNO₃, содержащего 12.5 г кислоты может быть рассчитана по пропорции:

m(HNO₃ р-р) = (12.5 * 100)/8 = 156.25 г.

Для расчета объема 8%-го раствора HNO₃ массой 156.25 г необходимо значение плотности этого раствора. В условии задачи приведены плотности для 5%, 10% и 15% растворов HNO₃. Из графика зависимости ρ=f(ω) видно, что плотность растворов HNO₃ в рассмотренном интервале концентраций изменяется прямо пропорционально изменению массовой доли. Для определения плотности 8%-го раствора HNO₃ (ρ_х) воспользуемся равенством:

(ρ_х — ρ₁)/( ω_х — ω₁) = (ρ₂ — ρ₁)/(ω₂ — ω₁),

где ω_х – массовая доля исследуемого раствора, которая является промежуточной между массовыми долями ω₁ и ω₂; ρ_х, ρ₁ и ρ₂ – соответствующие значения плотностей.

В нашем случае ω₁=5%, ω₂=10%; ρ₁=1.026 г/мл, ρ₂=1.054 г/мл. Отсюда, плотность 8%-го раствора HNO₃ (ρ_х) равна 1.0428 г/мл.

Таким образом, искомый объем HNO₃ равен 156.25/1.0428=149.8 мл.

2. Нитрат аммония взаимодействует с гидроксидом натрия, в результате чего выделяется аммиак:

NH₄NO₃ + NaOH → NaNO₃ + NH_3↑ + H₂O . (2)

Масса вступившего в реакцию NaOH составила:

80 г NH₄NO₃ реагируют с 40 г NaOH

1.59 г NH₄NO₃ реагируют с х₃ г NaOH

отсюда x₃ = (1.5940)/80=0.795 г, что соответствует 0.0199 (≈0.02) молям NaOH.

Из определения молярной концентрации раствора (С_M, моль/л или М) следует, что

С_M=n/V,

где n – число молей растворенного вещества (моль); V – объем раствора (л). Отсюда

V(NaOH р-р) = n/С_M=0.02/2=0.01 л или 10 мл.

3. Из уравнения (2) следует, что объем выделившегося при н.у. (p=1 атм, t=0°С) аммиака равен числу молей потраченного NaOH, т.е. 0.02 моля, что соответствует 0.448 л (0.02 моль·22.4 л/1 л). Для пересчета этого объема к условиям задачи (p=2 атм, t=50°С) воспользуемся формулой:

(p_1*V₁)/T₁=(p_2*V₂)/T₂; (Т(К)=t(°С) +273)

V₂=(p_1*V_1*Т₂)/(p_2*Т₁) = (1 атм*0.448 л*323 К)/(2 атм*273 К) = 0.265 л

Ответ: V(NH₃)=0.265 л; V(8% HNO₃ р-р)=149.8 мл.; V(2 М NaOH р-р)=10 мл.

Задача 6

Газообразный углеводород сожгли в избытке кислорода. При этом число молей в системе не изменилось. Приведите молекулярные формулы не менее 4-х углеводородов, удовлетворяющих условию задачи. 

Решение.

Запишем уравнение горения:

С_xH_y + (x + y/4)O₂ = xCO₂ + y/2H₂O,

отсюда 1 + x + y/4 = x + y/2; y = 4.

Возможные формулы для углеводородов: CH₄, C₂H₄, C₃H_4, C₄H₄ и т. д.

Задача 7

Как получить 1-бутанол из воды, угля и известняка, не используя никаких органических веществ? Напишите соответствующие уравнения реакций.

Решение:

Имеющиеся в нашем распоряжении материалы можно превратить в ацетилен:

Располагая терминальным алкином, можно подумать о его превращении в анион и о взаимодействии этого аниона с подходящим галогеналканом. Чтобы получить цепь из четырех углеродных атомов, необходимо использовать производное этана, например, хлорэтан:

Хлорэтан можно получить из ацетилена последовательным гидрированием и присоединением хлороводорода:

Теперь необходимо превратить алкин (1-бутин) в первичный спирт (1-бутанол). Этого можно достигнуть гидрированием с последующим присоединением элементов воды против правила Марковникова: