Авторы заданий – Миссюль А.Б. (№ 1), Гусев И.М. (№ 2), Скрипкин М.Ю. (№ 3), Байгозин Д.В. (№№ 4-6), Ростовский Н.В. (№ 7)

№1

Работа литий-ионных аккумуляторов основана на обратимом переносе ионов лития между катодом и анодом. Типичная конструкция содержит в качестве анодного материала графит, в качестве катодного – LiCoO₂.

Определите, какие вещества образуются при зарядке такого аккумулятора, если известно, что:

1. При взаимодействии 100 мг заряженного анодного материала с водой образуется 14,18 мл (н.у.) газа.

2. При обработке 100 мг заряженного катодного материала избытком соляной кислоты и пропускании полученного газа через водный раствор KI образуется раствор, на титрование которого расходуется 15,9 мл 0,1 н раствора Na₂S₂O₃.

Емкость аккумулятора смартфона Samsung Galaxy SIII составляет 2100 мА·ч, а вес телефона 133 г. Какие массы графита и LiCoO₂ необходимо взять, чтобы получить аккумулятор такой емкости? (Побочными процессами в аккумуляторе пренебречь.) Какую долю массы телефона составляют материалы аккумулятора?

№2

Ниже приведена схема превращений элемента Е, соединения которого играют важнейшую роль в процессе фотосинтеза. Известно, что взаимодействием минерала Б с "морской" кислотой было впервые получено простое вещество, кислородсодержащие соединения которого широко используются в качестве отбеливателя. Соединение В кроме Е содержит 24,7 % массовых долей калия и 40,5% кислорода. Определите вещества А – З, напишите все уравнения реакций.

№3

При определении состава газообразных соединений нередко реакцию проводят непосредственно в масс-спектрометре с последующей идентификацией присутствующих в газовой фазе молекулярных ионов по значениям m/z (отношение массы молекулярного иона (а.е.м.) к его заряду (в единицах е)). При этом прибор обычно калибруется таким образом, чтобы определять только положительные значения m/z при z=1.

В масс-спектрометр ввели пары двух простых веществ. При этом зарегистрировали две группы сигналов со значениями m/z 162 и 164, вторую – со значениями m/z 464, 466, 468, 470, 472, 474 и 476.

А) определите, какие вещества были введены в масс-спектрометр;

Б) определите, какие продукты образовались при взаимодействии этих веществ;

В) какова пространственная структура этих продуктов? Ответ аргументируйте;

Г) каково соотношение интенсивностей двух крайних сигналов внутри этих двух групп?

Д) Какие новые группы сигналов будут регистрироваться при повышении температуры в масс-спектрометре?

№4

В органическом синтезе важное значение имеют доступные высокоактивные реагенты. К ним относится вещество Х, легко получаемое при взаимодействии метилового эфира муравьиной кислоты и пентахлорида фосфора. Х вступает в реакции со многими органическими веществами. Некоторые реакции и свойства образующихся органических продуктов приведены в таблице:

Реакция	Продукт	Массовая доля углерода в продукте, %	Температура кипения продукта, °С	Некоторые свойства продукта
HCOOCH3 + PCl5 при 20°С	Х	20,89		Положительная проба Бейльштейна
CH3-COOH + X	A	30,60		Положительная проба Бейльштейна. Бурно реагирует с водой
CH3-CO-CH3 + X	B	31,89		Положительная проба Бейльштейна
C6H6 + X+ TiCl4, затем Н2О	C	79,23		Отрицательная проба Бейльштейна. Легко окисляется.
CH3ONa + X	D	45,27		Отрицательная проба Бейльштейна. Легко гидролизуется водными растворами кислот, но не щелочей

Примечание. Проба Бейльштейна: медная проволочка, смоченная веществом, вносится в пламя горелки. Проба положительна, если пламя окрашивается в голубовато-зеленый цвет.

1. Какой реагент обозначен буквой Х? Предложите еще один способ его синтеза.

2. Какие вещества обозначены буквами A–D? Напишите схемы соответствующих превращений.

3. Какова предположительная структура продукта взаимодействия Х с C₆H₆ до взаимодействия с Н₂О?

4. Объясните химическую основу пробы Бейльштейна.

№5

Алкилсульфаты являются важными поверхностно-активными веществами, но их широкое использование приводит к загрязнению окружающей среды. Основным процессом их разрушения в природе является гидролиз, исследование которого представляет большой интерес. Для исследования зависимости кинетики гидролиза от рН среды был выбран неопентилсульфат калия, (CH₃)₃CCH₂OSO₃K (I). Результаты исследования оказались достаточно неожиданными.

Во-первых, если при гидролизе в кислой среде образовывался ожидаемый неопентиловый спирт, то в нейтральной или щелочной – изомерный продукт (II). При небольшом нагревании с водным раствором серной кислоты II образует газообразный продукт III, озонирование которого дает смесь IV и V, причем IV является популярным растворителем.

Во-вторых, наблюдаемая константа скорости реакции гидролиза I зависела от рН и имела значение k_набл = 2,3·10^–1·с_Н+ + 2,7·10^–6 с^–1.

1. Определите строение продукта гидролиза Iв нейтральных и щелочных средах. Напишите уравнения всех упомянутых в задаче превращений.

2. Постройте график зависимости lgk_набл от рН в диапазоне от 2 до 10, объясните его вид.

3. Напишите кинетические уравнения для гидролиза I в неопентиловый спирт, соединение II и суммарное кинетическое уравнение гидролиза I. Определите соотношение неопентилового спирта и продукта II при рН 5.

4. Объясните, почему попадание некоторых бактерий в почву резко ускоряет разложение присутствующих в почве алкилсульфатов.

№6

В рамках программы поиска интересных для парфюмерной промышленности соединений был синтезирован о-эвгенол (F) – изомер природного эвгенола. Синтез был осуществлен по схеме:

Вещества A, B, D, F дают характерное окрашивание при взаимодействии с раствором FeCl₃, вещества С и Е – нет. Соединения Е и F являются изомерами с молекулярной формулой С₁₀Н₁₂О₂. Для установления точной структурной формулы о-эвгенола его обработали сначала безводным хлористым водородом, а образовавшееся производное (G) – спиртовым раствором КОН. Образовавшийся продукт (H) имеет молекулярную формулу С₁₀Н₁₂О₂ и не взаимодействует с раствором FeCl₃.

1. Установите строение о-эвгенола и соединений В–Е и G–Н.

2. Рассчитайте общий выход о-эвгенола.

3. Почему при добавлении раствора FeCl₃ к некоторым веществам образуются окрашенные растворы?

№7

Поиск и синтез пористых органических молекул является актуальной задачей для получения металл-органических пористых полимеров. Вещество Х – возможная основа для таких материалов. Синтез Х описывается следующей схемой:

Соединение A (углеводород, содержащий 90 % углерода) имеет два, а вещество Х – три типа атомов водорода (по данным спектров ЯМР ¹Н). Вещество В содержит 80.8 % брома.

Вопросы.

1.Расшифруйте схему синтеза Х и напишите структурные формулы соединений А, В, С и X.

2.Возможно ли использование на стадии B – C раствора щёлочи?

3.Какова роль СF₃COOH на стадии получения Х?