Олимпиада 2019
Задание №1
Общеизвестно, что пропускание углекислого газа через известковую воду приводит к образованию осадка, который полностью растворяется, если продолжать пропускать ток CO2 через жидкость, находящуюся в контакте с осадком.
Вопрос 1.1. Запишите в наиболее корректном виде происходящие реакции. При необходимости внести исправления в ваши записи после ответов на другие вопросы данного задания.
Вопрос 1.2. В школьной химии факт растворения карбоната кальция в водном растворе CO2 объясняется тем, что «...карбонат кальция в воде почти нерастворим, в то время, как гидрокарбонат кальция имеет высокую растворимость». Является ли приведенное объяснение явления а) – полностью ошибочным; б) – неполным; в) – в основном корректным? При выборе любого из вариантов обоснуйте ваш ответ.
Вопрос 1.3. Оценить концентрацию ионов кальция в водном растворе, равновесном как с осадком CaCO3, так и с газовой фазой CO2 при атмосферном давлении. Считать температуру комнатной, а растворимость углекислоты в воде – мало зависящей от концентрации ионов кальция (для разбавленных растворов). Необходимые табличные данные найти в справочнике (справочная литература находится в аудитории, где проводится Олимпиада).
Вопрос 1.4. Предположим, мы каким-то образом можем менять величины этих табличных данных (например, изменяя P и T или переходя к соединениям, также удовлетворяющим условиям задачи: CaCO3 ® SrCO3 или CaCO3 ® CaSO3). Как будет меняться растворимость осадка малорастворимой соли при изменении каждой из этих величин в ту или в другую сторону в условиях контакта трех фаз (твердой соли, жидкого раствора и газообразного ангидрида кислоты типа СO2) при неизменных P и T?
Задание №2
Растворимые в воде соединения кобальта Co3+ перестают быть сильными окислителями (превращаясь в растворимые соединения Co2+), в случае, если эти ионы образуют комплексы с КЧ = 6 с лигандами сильного поля. Например, для для электродной реакции [Co(H2O)6]3+ +`e = [Co(H2O)6]2+ величина E ° = 1,84 В; в то время, как для реакции [Co(NH3)6]3+ +`e = [Co(NH3)6]2+ значение E ° понижается до 0,10 В.
Вопрос 2.1. Почему так происходит? Почему эта особенность не распространяется на соединения никеля (соединения Ni3+ даже в комплексах с лигандами сильного поля при КЧ = 6 практически всегда являются сильными окислителями)? Для ответа на предложенные вопросы использовать представления теории кристаллического поля.
Вопрос 2.2. Может ли происходить растворение металлической меди, погруженной в концентрированный раствор [Co(NH3)6]3+, если для реакции Cuaq.2+ +`e = Cu0 величина E ° составляет +0.34 В? Считать, что аммиак связан с кобальтом прочно и кинетически в другие соединения (кроме кобальтовых комплексов) не переходит.
(Ответ: может, но до достижения равновесия растворится лишь очень мало меди.)
Задание №3
Имеются две герметичные ампулы из инертного материала. В одной из них при комнатной температуре и давлении 0,1 атм находится газообразный хлор. В другой такой же ампуле и при таких же условиях находится газообразный фтор. Ампулы помещают в печь и начинают медленно нагревать.
Предположить и изобразить на графике примерный ход зависимости давления в каждой из ампул с температурой, если установлено, что 500° С оба газа для условий данного эксперимента существуют практически только в виде молекул, а при 1500° С – практически только в виде атомов. Обе зависимости следует изобразить на одном графике.
Какие формулы следует иметь в виду при ответе на этот вопрос, даже если не требуется проводить расчетов?
Для какого из галогенов давление паров окажется большим при одной температуре (в интервале от 500 до 1500° С? Почему?
Задание №4 (возможная альтернатива №3)
При взаимодействии металлического серебра с концентрированной азотной кислотой получили бурый газ. Его отделили от паров воды и при температуре +21 °С и атмосферном давлении целиком заполнили ампулу. Выход из этой ампулы заткнули пробкой со вставленным в нее манометром. Для полученной таким образом закрытой системы производится измерение давление пара при различных температурах. Результаты измерения приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты измерения давления пара при различных температурах.
| t, °C | P, атм | t, °C | P, атм | t, °C | P, атм |
| -10 | 0,16 | 1,03 | 1,56 | ||
| -5 | 0,22 | 1,08 | 1,70 | ||
| 0,30 | 1,12 | 1,97 | |||
| 0,40 | 1,18 | 2,20 | |||
| 0,55 | 1,23 | 2,54 | |||
| 0,72 | 1,29 | 2,80 | |||
| 0,95 | 1,35 | 3,05 | |||
| 1,00 | 1,42 | 3,41 | |||
| 3,89 |
Примечание: при самых низких температурах, указанных в таблице, в ампуле наблюдается образование жидкости, а пар над этой жидкостью почти не окрашен.
Вопрос 4.1. Записать химические превращения, описываемые в тексте задачи.
Вопрос 4.2. Построить зависимость P от T по данным задачи в двух различных координатах (построить два графика).
Вопрос 4.3. Какое количество различных участков проявляется на этих графиках? Каким равновесиям они отвечают? Какую термодинамическую информацию можно извлечь из представленных данных?
Задание №5
На рисунках представлены T-x сечения систем «сера – хлор» и «сера – иод».
Рис. 1. T-x сечения систем «сера – хлор» (слева) и «сера – иод» (справа) при атмосферном давлении.
Вопрос 5.1. Какими формулами можно отобразить твердые фазы, присутствующие на этих диаграммах? Являются ли они, по вашему мнению, молекулярными или немолекулярными соединениями?
Вопрос 5.2. По соединениям, реализующимся в твердой фазе иногда можно делать осторожные прогнозы относительно молекулярных форм, которые присутствуют в газовой фазе. Осуществите такой прогноз: какие молекулы могут наблюдаться в паре в каждой из указанных систем?
Задание №6
Исследование верхних слоев атмосферы планеты-гиганта Юпитер потребует в будущем создания надежного зонда. Для исследования Земной атмосферы вполне подошел бы воздушный шар, к которому прикреплена коробка с оборудованием.
Как изготовить такой аэростат для исследования Юпитера с учетом особенностей атмосферы этой планеты? Оценить подъемную силу предполагаемого воздушного шара.
Состав верхних слоев атмосферы: водород: 89 мол.%, гелий: 10 мол. %, аммиак и метан – примерно по половине %. Температура до высоты 320 км почти не меняется и составляет ~ -170 К (давление на указанной высоте составляет 1 атм), выше этой высоты – плавно возрастает до 900 К на высоте 1000 км.