Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №18/2001

Вариант экзаменационных билетов в 11 классе средней общеобразовательной школы

Вопросы и ответы

Билет № 4

  • Вопрос 1. Общие свойства металлов. Особенности строения атомов.

Ответ. Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и превращаются при этом в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются восстановителями. В этом и состоит главное и наиболее общее химическое свойство металлов. В соединениях металлы проявляют только положительную степень окисления.

Восстановительная способность разных металлов неодинакова и возрастает в электрохимическом ряду напряжений металлов от Au до Li.

Физические свойства

1. Электропроводность. Обусловлена наличием в металлах свободных электронов, образующих электрический ток (направленное движение электронов).
2. Теплопроводность.
3. Ковкость и пластичность.

Металлы с r < 5 г/см3 – легкие, с r > 5 г/см3 – тяжелые.
Легкоплавкие металлы: с tпл < 1000 °C, тугоплавкие – с tпл > 1000 °C.

Схемы взаимодействия металлов с серной кислотой*.

Разбавленная H2SO4 растворяет металлы, расположенные в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд активности металлов) до водорода:

M + H2SO4 (разб.) ® соль + Н2­ (M = (Li ® Fe) в ряду активности металлов).

При этом образуются соответствующая соль и вода.

С Ni разбавленная H2SO4 реагирует очень медленно, с Сa, Mn, Sn и Pb кислота не реагирует. При действии кислоты на поверхности свинца образуется пленка PbSO4, защищающая его от дальнейшего взаимодействия с кислотой.

Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, с разбавленной H2SO4 не реагируют.

Концентрированная H2SO4 при обычной температуре со многими металлами не взаимодействует. Однако при нагревании концентрированная кислота реагирует почти со всеми металлами (кроме Pt, Au и некоторых других). При этом кислота восстанавливается до H2S, S или SO2:

Водород в этих реакциях не выделяется, а образуется вода.

Схемы взаимодействия металлов с азотной кислотой*.

При взаимодействии металлов с HNO3 водород не выделяется; он окисляется, образуя воду. В зависимости от активности металла кислота может восстанавливаться до соединений:

При этом образуется также и соль азотной кислоты.

Разбавленная HNO3 реагирует со многими металлами (исключение: Ca, Cr, Pb, Au) чаще всего с образованием NH3  NH4NO3, N2 или NO:

М + HNO3 (разб.) ® соль + Н2О + NH3 (NH4NO3, N2, NO).

Концентрированная HNO3 взаимодействует в основном с тяжелыми металлами с образованием N2O или NO2:

М + HNO3 (конц.) ® соль + Н2О + N2О (NO2).

При обычной температуре эта кислота (сильный окислитель) не реагирует с Al, Cr, Fe и Ni. Она легко переводит их в пассивное состояние (на поверхности металла образуется плотная защитная оксидная пленка, препятствующая контакту металла со средой).

  • Вопрос 2. Крахмал и целлюлоза. Сравнить их строение и свойства. Их применение.

Ответ. Строение крахмала: структурное звено – остаток молекулы a-глюкозы. Строение целлюлозы: структурное звено – остаток молекулы b-глюкозы.

Физические свойства

Крахмал – белый хрустящий порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде образует коллоидный раствор – клейстер.

Целлюлоза – твердое волокнистое вещество, нерастворимое в воде и органических растворителях.

Химические свойства

1. Крахмал и целлюлоза подвергаются гидролизу:

6Н10О5)n + nH2O = nС6Н12О6.

При гидролизе крахмала образуется a-глюкоза, при гидролизе целлюлозы – b-глюкоза.

2. Крахмал с йодом дает синее окрашивание (в отличие от целлюлозы).

3. Крахмал переваривается пищеварительной системой человека, а целлюлоза не переваривается.

4. Для целлюлозы характерна реакция этерификации:

5. Молекулы крахмала имеют как линейную, так и разветвленную структуру. Молекулы же целлюлозы имеют линейное (т. е. неразветвленное) строение, благодаря чему целлюлоза легко образует волокна. Это основное различие крахмала и целлюлозы.

6. Горение крахмала и целлюлозы:

6Н10О5)n + О2 = СО2 + Н2О + Q.

Без доступа воздуха происходит термическое разложение. Образуются СН3О, СН3СООН, (СН3)2СО и др.

Применение

Крахмал:

1. Путем гидролиза превращают в патоку и глюкозу.
2. Как ценный питательный продукт (основной углевод пищи человека – хлеба, круп, картофеля).
3. В производстве клейстера.
4. В производстве красок (загуститель).
5. В медицине (для приготовления мазей, присыпок).
6. Для накрахмаливания белья.

Целлюлоза:

1. В производстве ацетатного волокна, оргстекла, негорючей пленки (целлофан).
2. При изготовлении бездымного пороха (тринитроцеллюлоза).
3. В производстве целлулоида и колодита (динитроцеллюлоза).

  • Вопрос 3. Решить задачу. К 500 г 10%-го раствора NaCl прибавили 200 г 5%-го раствора того же вещества, потом еще 700 г воды. Найдите процентную концентрацию полученного раствора.

Ответ.

Дано:

m1(NaCl) = 500 г,
w1(NaCl) = 10%,
m2(NaCl) = 200 г,
w2(NaCl) = 5%.

Найти:

w3(NaCl) = ?

Решение

m1(NaCl, безв.) = 500•10/100 = 50 г,
m2(NaCl, безв.) = 200•5/100 = 10 г,
m(р-ра) = 500 + 200 + 700 = 1400 г,
mобщ(NaCl) = 50 + 10 = 60 г,
w3(NaCl) = 60/1400•100% = 4,3%.

Ответ: w3(NaCl) = 4,3%.

Билет № 5

  • Вопрос 1. Ацетилен. Его строение, свойства, получение и применение.

Ответ. Ацетилен относится к классу алкинов.

Ацетиленовые углеводороды, или алкины, – непредельные (ненасыщенные) углеводороды с общей формулой СnH2n–2, в молекулах которых между атомами углерода есть тройная связь.

Электронное строение

Углерод в молекуле ацетилена находится в состоянии sp-гибридизации. Атомы углерода в этой молекуле образуют тройную связь, состоящую из двух p-cвязей и одной s-связи.

Молекулярная формула: C2H2.

Графическая формула: Н–СєС–Н

Физические свойства

Газ, легче воздуха, малорастворим в воде, в чистом виде почти без запаха, бесцветный, tкип = –83,6 °С. (В ряду алкинов с увеличением молекулярной массы алкина температуры кипения и плавления увеличиваются.)

Химические свойства

1. Горение:

2. Присоединение:

а) водорода:

б) галогена:

в) галогеноводорода:

(по правилу Марковникова);

г) воды (реакция Кучерова):

3. Замещение:

4. Окисление:

5. Тримеризация:

6. Димеризация:

Получение

1. Дегидрирование алканов (крекинг жидких нефтяных фракций):

2. Из природного газа (термический крекинг метана):

3. Карбидный способ:

СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2­.

Применение

1. В производстве винилхлорида, ацетальдегида, винилацетата, хлоропрена, уксусной кислоты и других органических веществ.
2. В синтезе каучука и поливинилхлоридных смол.
3. В производстве поливинилхлорида (кожзаменитель).
4. В производстве лаков, лекарств.
5. При изготовлении взрывчатых веществ (ацетилениды).

  • Вопрос 2. Обратимость химической реакции. Химическое равновесие. Условия его смещения.

Ответ. Необратимые реакции – реакции, идущие в одном направлении и до конца, т. е. до полного израсходования одного из реагирующих веществ.

При протекании необратимых реакций образуются газ, осадок нерастворимого вещества или малодиссоциированное соединение (например, вода):

CaCO3 + HCl = CaCl2 + H2O + CO2­,

AlCl3 + 3AgNO3 = 3AgCl (осадок)Ї + Al(NO3)3,

HCl + NaOH = NaCl + H2O.

Обратимые реакции – химические реакции, одновременно протекающие в двух взаимно противоположных направлениях. Образующиеся в ходе реакции продукты снова вступают друг с другом в реакцию, продуктами которой являются исходные вещества первой реакции:

Если скорости прямой и обратной реакции оказываются равными, то о системе говорят, что она находится в состоянии химического равновесия.

К системе, находящейся в состоянии равновесия, применим принцип А. Ле Шателье (принцип подвижного равновесия): если к системе, находящейся в состоянии равновесия, приложено внешнее воздействие (изменяются концентрация, температура, давление), то система реагирует таким образом, чтобы уменьшить это воздействие.

1. Если удаляется продукт реакции, положение равновесия системы сдвигается вправо, частично компенсируя уменьшение концентрации продукта.

2. Если добавляется реагент, положение равновесия системы также смещается вправо, что ускоряет расходование реагента.

3. Если систему нагревать, это приведет к смещению ее положения равновесия в сторону протекания эндотермической реакции, способной поглотить часть поступающего в систему тепла.

Эндотермическая реакция – реакция, идущая с поглощением тепла. Экзотермическая реакция – реакция, идущая с выделением тепла.

Реакция

СО2 + С = 2СО­ – Q

эндотермическая, поэтому при повышении температуры равновесие сместится вправо (в сторону образования продукта).

4. При увеличении давления в газовой системе ее положение равновесия будет смещаться в сторону образования меньшего числа молекул газа, уменьшая тем самым давление в системе.

В приведенную реакцию вступают четыре молекулы азота и водорода, а образуются только две молекулы аммиака. Следовательно, при повышении давления положение равновесия сместится вправо (в сторону образования аммиака), т. к. объем продукта в 2 раза меньше объемов реагентов.

5. При добавлении катализаторов или ингибиторов равновесие не смещается; они только ускоряют наступление равновесия или замедляют его.

· Вопрос 3. Решить задачу. На 200 г 10%-й серной кислоты подействовали 24 г Mg. Сколько литров водорода при этом выделяется, если выход реакции 90%.

Ответ.

Дано:

m(H2SO4) = 200 г,
w(H2SO4) = 10%,
m(Mg) = 24 г.

Найти:

V(H2) = ?

Решение

m(H2SO4) = 200•10/100 = 20 г.

х1 = 24 (г)•98 (г/моль)/24 (г/моль) = 98 г, значит, H2SO4 содержится в недостатке.
х2 = V(H2) = 22,4•20/98 = 4,57 л.
Vпракт(H2) = 4,57•0,9 = 4,11 л.
Ответ: V(H2) = 4,11 л.

Билет № 6

  • Вопрос 1. Предельные углеводороды. Их строение и свойства. Основные направления промышленного использования метана.

Ответ. Предельные (ненасыщенные) углеводороды, или алканы, – органические вещества с общей формулой СnH2n+2, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарной связью (s-связь), а все остальные валентности насыщены атомами водорода.

Представитель алканов – этан C2H6.
Молекулярная формула: C2H6.
Графическая формула: CH3–CH3.

Номенклатура

Построение названий алканов с разветвленной цепью.

1. Выбирают самую длинную цепочку атомов углерода.
2. Нумеруют ее с того конца, к которому ближе стоит углеводородный радикал.
3. Цифрами указывают номера углеродных атомов, с которыми связаны радикалы, а приставками («ди-», «три-» и т. д.) – количество радикалов.
4. К названиям радикалов приписывают название алкана, которому соответствует длинная цепочка атомов углерода.

Пример:

Изомерия углеродного скелета

Физические свойства

С1–С4 – газы, С5–С16 – жидкости, С17 и более – твердые вещества, в воде нерастворимы, могут растворяться в органических растворителях. Температура кипения неразветвленных алканов выше, чем у разветвленных. Температура кипения тем выше, чем больше масса молекулы.

Химические свойства

1. Окисление:

а) горение:

СН4 + 2О2 = СО2­ + 2Н2О + Q;

б) каталитическое окисление:

2. Дегидрирование:

а) крекинг:

б) разложение:

3. Изомеризация:

4. Замещение:

а) нитрование (реакция Коновалова):

б) замещение галогенами (происходит по свободнорадикальному механизму):

Под действием света молекула хлора распадается на два радикала Cl•:

Реакционная способность этих радикалов обусловлена наличием у них неспаренного электрона, т. е. ненасыщенной валентности. Один радикал Cl взаимодействует с молекулой углеводорода, отрывая от нее Н. При этом образуются химически активная частица – радикал

Радикал CH3 далее взаимодействует с новой молекулой Сl2, образуя галогенопроизводное и радикал Cl:

Радикал Cl продолжает далее цепь превращений.

Полное хлорирование метана:

Получение

1. Реакция Вюрца:

2. Синтез из солей карбоновых кислот:

3. Синтез из простых веществ:

4. Разложение карбида алюминия водой:

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4­.

5. Гидрирование циклоалканов на катализаторе.

6. Из природных источников (природного и попутного газов, нефти, каменного угля).

7. Электролиз по Кольбе:

8. Синтез из угарного газа и водорода:

Промышленное использование метана

1. Получение синтез-газа:

(Из синтез-газа получают различные углеводороды.)

2. Синтез хлорпроизводных, используемых для получения фреонов, растворителей, полимерных соединений.

  • Вопрос 2. Роль металлов в современной технике.

Ответ. Роль металлов в современной технике очень велика. Они широко используются во многих областях народного хозяйства, в том числе в тяжелой отрасли промышленности, станкостроении, в производстве машин и механизмов, в авиационной и автомобильной отраслях промышленности, в космической технике. Наиболее широкое применение имеют железо и алюминий.

Применение алюминия

1. При получении легких сплавов (дюралюминий – в авиа- и ракетостроении, в строительстве).
2. В металлургии: для восстановления металлов из их оксидов (алюминотермия).
3. При изготовлении электрических проводов и кабелей (легче, чем провода из меди).
4. В производстве бытовых предметов.

Применение железа

1. При изготовлении электромагнитов, трансформаторов, электромоторов, мембран микрофонов (благодаря способности к быстрому намагничиванию и размагничиванию).
2. Основная масса железа используется в виде железоуглеродистых сплавов – чугуна и стали, широко используемых в промышленности.

Применение меди

1. При изготовлении электрических проводов и кабелей (хороший проводник тока).
2. Как компонент сплавов (латуней, бронзы и др.).

Применение цинка

1. Как антикоррозионное покрытие от электрохимической коррозии (благодаря химической активности).
2. Получение технически важных (высокопластичных) сплавов: с Cu (латуни), с Al и Ni.
3. Производство гальванических элементов (цинково-угольных).

Применение титана

1. При получении сплавов (титан и его сплавы обладают большой легкостью, прочностью, термической и коррозионной устойчивостью).
2. В авиа- и ракетостроении, при строительстве подводных лодок.
3. В морском судостроении для изготовления обшивки корпусов судов, обладающих высокой прочностью и стойкостью в морской воде.
4. Как конструкционный материал при изготовлении оборудования для химической, текстильной и бумажной отраслей промышленности.

Применение хрома

1. В производстве высококачественных твердых сталей (феррохром).
2. При изготовлении металлорежущих инструментов.
3. Как компонент нержавеющих сталей и сплавов.
4. Как антикоррозионное покрытие (хромирование стальных изделий для предотвращения коррозии).

Применение никеля

1. Как компонент легированных сталей, а также жаростойких, сверхтвердых антикоррозионных и других сплавов.
2. Никелирование поверхностей предметов (от коррозии).
3. Как конструкционный материал при изготовлении химической аппаратуры и ядерных реакторов.

  • Вопрос 3. Решить задачу. Сколько литров кислорода и воздуха нужно для полного сгорания 100 л смеси, состоящей из 10% метана, 20% пропана и 70% оксида углерода(II)?

Ответ.

Дано:

V(смеси) = 100 л,
w(СH4) = 10%,
w(С3H8) = 20%,
w(СО) = 70%.

Найти:

V(О2) = ?
V(возд.) = ?

Решение

V(СH4) = 100•10/100 = 10 л,

V(С3H8) = 100•20/100 = 20 л,

V(СО) = 100•70/100 = 70 л.

х1 = V12) = 10•44,8/22,4 = 20 л,
х2 = V22) = 20•112/22,4 = 100 л,
х3 = V32) = 70•22,4/44,8 = 35 л,
Vобщ2) = 20 + 100 + 35 = 155 л,
V(возд.) = 155•100/21 = 738 л (в воздухе по объему содержится ~21% кислорода).

Ответ. Vобщ2) = 155 л, V(возд.) = 738 л.

Продолжение следует

Материал подготовил В.А.Демидов