Задания по химии. 11 класс

Задача 1

На промышленном предприятии произошла утечка ацетилена. Для определения взрывоопасности получившейся ацетиленово-воздушной смеси 20 л ее пропустили через подкисленный серной кислотой раствор перманганата калия. В результате 11.3 г перманганата калия восстановилось. Опасна ли концентрация ацетилена в воздухе, если такие смеси взрываются при содержании ацетилена в интервале 2.0-81% (в объемных долях)? 

Решение:

Взаимодействие кислого раствора перманганата калия с ацетиленом протекает по уравнению

2 KMnO₄ + C₂H₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 2CO₂ + 4H₂O

По уравнению реакции x = (11.3·22.4)/316 = 0.8 л, таким образом, объемная доля ацетилена 0.8/20 = 0.04 или 4%. Смесь взрывоопасна.

Задача 2

Сплавлением оксида железа (III) с окислительно-щелочной смесью (на основе КОН) была получена соль, содержащая 28.3 % (масс.) железа. После удаления других продуктов реакции, указанная соль была перенесена в заполненный воздухом закрытый сосуд объемом 1 л (н.у.). В сосуд также добавили воду, в количестве, необходимом для её полного гидролиза. В результате давление в сосуде увеличилось на 0.192 атм. Какая соль была подвергнута гидролизу и какое количество (г) исходного оксида железа (III) было израсходовано? (Объемом, занимаемым реагентами и водой в сосуде можно пренебречь). 

Решение:

1. Определим соль железа, получаемую сплавлением оксида железа (III) с окислительно-щелочной смесью. В результате такого процесса получается феррат щелочного металла (в нашем случае калия), в котором железо находится в своей максимальной степени окисления +6. Запишем уравнение возможной реакции:

Fe₂O₃ + 3KNO₃ + 4KOH → 2K₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O. (1)

Массовая доля железа в феррате калия составляет 28.28 % (масс) ((56·100)/198), что хорошо согласуется с условием задачи. Итак, содержащая железо соль – феррат калия.

2. Запишем уравнение гидролиза K₂FeO₄:

4K₂FeO₄ +10Н₂О → 4Fe(OH)₃ + 3O₂↑+ 8KOH. (2)

Из уравнения (2) видно, что в результате гидролиза K₂FeO₄ выделяется кислород.

Рассчитаем мольный состав воздуха объемом 1 л находящийся при нормальных условиях (Т=273 К, р=1 атм) полагая, что состав воздуха (по объемным процентам) составляет: N₂ – 78%; O₂ – 21% и CO₂ – 1%. Принимая состояние этих газов близких к идеальному, можно рассчитать:

n(N₂) = 0.78 (л)/22.4 (л/моль) = 0.0348 моль; n(О₂) = 0.21 (л)/22.4 (л/моль) = 0.0094 моль; n(СО₂) = 0.01 (л)/22.4 (л/моль) = 0.00045 моль.

Поскольку в воздухе содержится СО₂, то он будет поглощаться продуктами гидролиза (в частности, КОН) и поэтому его необходимо исключить при определении состава конечной газовой смеси.

По уравнению состояния идеального газа определим число молей газовой смеси после проведения гидролиза K₂FeO₄:

n(N₂ + O₂) = pV/RT = (101325·(1+0.192)·10^-3)/8.314·273=0.0532 моль.

Количество выделившегося в результате гидролиза K₂FeO₄ равно:

n(O₂)_{гидролиз} = n(N₂ + O₂) — n(N₂)_исх. — n(О₂)_исх. = 0.0532 — 0.0348 — 0.0094 = 0.0090 моль.

3. По уравнению реакции (2) находим количество K₂FeO₄, подвергнутого гидролизу:

из 4 моль K₂FeO₄ образуется 3 моль О₂,

из x₁ моль K₂FeO₄ образуется 0.009 моль О₂,

отсюда х₁ = 0.012 моль.

4. По уравнению реакции (1) находим количество Fe₂O₃, затраченное на получение 0.012 моль K₂FeO₄:

из 1 моль Fe₂O₃ образуется 2 моль K₂FeO₄,

из x₂ моль Fe₂O₃ образуется 0.012 моль K₂FeO₄,

отсюда х₂ = 0.006 моль, что составляет 0.96 г.

Ответ: K₂FeO₄; m(Fe₂O₃)=0.96 г.

Задача 3

Предложите схему реакций, позволяющих получить 2-хлор-4-нитробензойную кислоту из неорганических веществ.

Решение:

Задача 4

Соединение Х получено в результате реакции между хлоридом кобальта (II), аммиаком, хлоридом аммония и окислителем. Химический анализ вещества Х дал следующие результаты (% масс.): Со – 25.3; N – 24.0; Н – 5.14 и Cl – 45.6. Обработка 1.00 г Х раствором нитрата серебра дает 0.614 г хлорида серебра. Выведите формулу Х и назовите соединение. Докажите строение и нарисуйте структуру (или структуры) Х. Изобразите структуру соединения Y, которое получится, если вместо аммиака использовать H₂NCH₂CH₂NH₂. Назовите соединение Y. К какому классу относятся соединения Х и Y? 

Решение:

1. Определим брутто-формулу вещества Х. Из условия задачи следует, что в 100 г вещества Х содержится 25.3 г Со, 24.0 г N, 5.14 г. Н и 45.6 г Сl. Отсюда можно рассчитать мольное соотношение компонентов в веществе Х:

n(Co)/n(N)/n(H)/n(Cl)=(25.3/59):(24.0/14):(5.14/1):(45.6/35.5)=0.43:1.71:5.14:1.28

или

n(Co)/n(N)/n(H)/n(Cl)=1:4:12:3.

Таким образом, простейшая формула вещества Х может быть записана как:

CoN₄H₁₂Cl₃.

Вещество такого состава получается при взаимодействии CoCl₂ с NH₃(водн.), NH₄Cl и окислителем (в качестве последнего могут выступать перекись водорода или кислород воздуха). Для химии кобальта характерно образование комплексных соединений, среди которых основную группу составляют соединения с координационным числом у кобальта равным 6. Исходя из этого можно записать реакцию получения соединения Х, имеющего состав CoN₄H₁₂Cl₃:

CoCl₂ + NH₄Cl + 3NH₃ + (0.5H₂O₂) → [Co(NH₃)₄Cl₂]Cl + Н₂О. (1)

Соединение [Co(NH₃)₄Cl₂]Cl называется: хлорид тетраамминдихлорокобальта (III).

2. Доказательством строения вещества Х является реакция с AgNO₃:

[Co(NH₃)₄Cl₂]Cl + AgNO₃ → [Co(NH₃)₄Cl₂]NO₃ + AgCl. (2)

Из уравнения (2) следует, что 0.614 г AgCl действительно образуется из 1 г [Co(NH₃)₄Cl₂]Cl: 1/233.5=0.614/143.5=0.0043. Отсюда следует, что во внешней координационной сфере комплексного соединения состава CoN₄H₁₂Cl₃ имеется только один атом хлора, что подтверждает наше предположение о том, что вещество Х – это хлорид тетраамминдихлорокобальта (III).

У соединения [Co(NH₃)₄Cl₂]Cl возможно два изомера:

Хлорид цис-тетраамминдихлорокобальта (III) и хлорид транс-тетраамминдихлорокобальта (III).

3. Если вместо NH₃ использовать H₂NCH₂CH₂NH₂ (1,2-диаминоэтан, этан-1,2-диамин), то получится соединение хлорид ди(этан-1,2-диамин)дихлорокобальта (III) (Y), цис— и транс-изомеры которого представлены двумя оптическими изомерами (энантиомерами):

4. Рассмотренные соединения относятся к классу комплексных соединений. Соединение Y называется хелатом. Лиганд H₂NCH₂CH₂NH₂ называется хелатирующим или хелатообразующим.

Задача 5

При обработке нитрующей смесью ароматического вещества А, молекулярная формула которого C₈H₁₀, образуются преимущественно два вещества, В и В’, с молекулярной формулой C₈H₉O₂N. При окислении вещества А подкисленным водным раствором KMnO₄ образуется вещество С с молекулярной формулой С₇H₆O₂. Окисление в тех же условиях веществ В и В’ дает изомерные вещества D и D’. Установите строение веществ А, B, B’, C, D и D’. Приведите полные уравнения реакций. 

Решение:

Вещество А может иметь следующие структурные формулы:

Так как при окислении А образуется соединение с меньшим числом атомов углерода – С₇Н₆О₂, или C₆H₅COOH, вещество А представляет собой этилбензол (формула I).

Описанные в условии задачи превращения можно выразить следующими схемами: 

Задача 6

В объемном отношении 3:3:4 смешали 0.3 н., 0.1 М и 0.6 н. растворы ортофосфорной кислоты. Вычислить концентрацию ионов водорода в полученном растворе, принимая во внимание, что степень диссоциации кислоты по первой ступени в нем равна 20%. Чему равен рН полученного раствора? Диссоциацию кислоты по остальным ступеням можно не учитывать.

Решение:

1. Перейдем от нормальной концентрации исходных растворов к молярной. Поскольку фактор эквивалентности H₃PO₄ равен 1/3, имеем

С_М = С_Н/3.

Таким образом, в отношении 3:3:4 смешали соответственно 0.1 М, 0.1 М и 0.2 М растворы ортофосфорной кислоты

2. Допустим, что взяты 3 л 0.1 М, 3 л 0.1 М и 4 л 0.2 М растворов H₃PO₄. Тогда в конечном растворе (10 л) будет содержаться 1.4 моль H₃PO₄. В итоге получается раствор 0.14 М (С_М=n(H₃PO₄)/V(р-р)=1.4моль/10 л=1.4 моль/л (М)).

3. Если учитывать диссоциацию H₃PO₄ только по первой стадии:

H₃PO₄ ↔ H₂PO₄^— + Н⁺,

то следует, что из каждого подвергшегося диссоциации моля H₃PO₄ образуется 1 моль ионов водорода. Так как степень диссоциации равна 20%, в растворе диссоциирует 0.028 моль/л H₃PO₄ и поэтому концентрация ионов водорода равна 0.028 моль/л.

4. По определению рН=-lg[H⁺]. Отсюда рН=-lg0.028=1.55

Ответ: С_М(H⁺)=0.028 моль/л; рН=1.55.

Задача 7

Из бензола и других необходимых реагентов получите 4-бром-3-нитробензойную кислоту (A) и 4-бром-2-нитробензойную кислоту (B). Обоснуйте выбор последовательности превращений и назовите все промежуточные продукты. Затем получите из кислот A и В сложные эфиры, используя этиловый спирт.

Решение:

Получение продукта А:

На первой стадии происходит алкилирование по Фриделю-Крафтсу, затем бромирование по Фриделю-Крафтсу. Далее окисление до бензойной кислоты и нитрование. На последней стадии происходит согласованная ориентация реакции нитрования (А). Реакция этерификации:

Получение продукта B:

На первой стадии происходит алкилирование по Фриделю-Крафтсу, затем бромирование по Фриделю-Крафтсу. Далее происходит нитрование 4-бромтолуола (несогласованная ориентация). Нитропродукт окисляется до бензойной кислоты (B). Реакция этерификации: