Здравствуйте, уважаемые читатели!
Продолжаю свой обзор Кембриджского экзамена по химии. Более подробно о назначении, структуре и содержании этого экзамена можно прочитать по ссылке https://www.cambridgeinternational.org/programmes-and-qualifications, конкретно химии посвящена страница : https://www.cambridgeinternational.org/programmes-and-qualifications/cambridge-international-as-and-a-level-chemistry-9701/past-papers/
Сегодняшняя статья посвящена разбору 2 части Кембриджского экзамена. Ее первоисточник можно найти по ссылке: https://www.cambridgeinternational.org/Images/554354-2022-specimen-paper-2.pdf
Перевод текста - 2 части - авторский.
Итак,
Задание 1 - на зависимость свойств элементов и их соединений от положения в Периодической системе (ПС):
1.1. Показано положение некоторых элементов
Используя рис. 1.1,
А.Определите элемент, который образует растворимый гидроксид и нерастворимый сульфат
В.Определите наиболее летучий элемент в группе, которая содержит элементы во всех трех состояниях вещества при комнатной температуре и давлении
С.Определите элемент, который образует самый большой катион
Ответы: А- Ва, В-F, C-Cs
1.2. На рис. 1.2 показаны относительные первые энергии ионизации шести последовательных элементов в периоде ПС.
А. Дайте определение понятия "первой энергии ионизации"
В.Предположите, почему первая энергия ионизации элемента B намного меньше, чем у элемента A
Ответы:
А.Первая энергия ионизации - минимальная энергия, необходимая для удаления первого электрона из свободного атома в его основном состоянии на бесконечность.
В. Возможные причины уменьшения первой энергии ионизации у элемента В (по сравнению с элементом А): внешний электрон в меньшей степени притягивается к ядру из-за увеличения эффекта экранирования ядра электронами; имеет место межэлектронное отталкивание внешних электронов.
1.3. А.Нарисуйте график, показывающий тенденцию изменения атомного радиуса химических элементов в 3 периоде.
В.Объясните свой ответ.
Ответы:
В.Причиной уменьшения атомного радиуса в периоде является увеличение притяжения между ядром и электронами. Это происходит вследствие следующих причин: рост заряда ядра при неизменном количестве заполняемых электронами уровней.
Задание 2: Свойства простых веществ (углерода и кремния)
Углерод и кремний относятся к элементам 14 группы (по устаревшей классификации- элементы 4 группы главной подгруппы).
А.1 Опишите структуру твердого вещества C60.
Ответ: молекулярная кристаллическая решетка, атомы углерода расположены в вершинах шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы.
А.2 C60 возгоняется (превращается непосредственно из твердого состояния в газообразное) примерно при 800 К. Алмаз тоже возгоняется, но только выше 3800 К. Объясните, почему C60 и алмаз возгоняются при таких разных температурах.
Ответ: С60 обладает слабыми межмолекулярными и внутримолекулярными ковалентными связями, алмаз имеет сложную структуру с прочными ковалентными связями. Поэтому в случае алмаза требуется больше энергии для разрыва связей.
В.1 C60 образует углеводороды с химическими свойствами, подобными свойствам алкенов. Один такой алкен C60H18. Укажите признак, показывающий наличие двойных связей между атомами углерода в молекулах алкенов.
Ответ: качественные реакции на алкены : обесцвечивание бромной воды или разбавленного раствора перманганата калия.
В.2 Укажите наблюдения, наблюдаемые при проведении качественных реакций для алкенов.
Ответ: При пропускании алкена через бромную воду ее окраска меняется от оранжево-коричневой до бесцветной. При пропускании алкена через разбавленный раствор перманганата калия выпадает бурый осадок и окраска раствора меняется от малиновой до бесцветной.
С. 0,144 г C60 помещают в сосуд объемом 100 см3, наполненный газообразным водородом при температуре 20 °C и давлении 1,00 × 10^5 Па. Контейнер нагревают, чтобы вызвать реакцию C60 и газообразного водорода. Реакция протекает согласно уравнению: C60(т)+хН2(г)=С60Н2х(т). После реакции контейнер охлаждают до 20°С. Давление снижается до 2,21 × 10^4 Па. Прореагировал весь C60 .Назовите тип реакции. Рассчитайте количества (моль) С60 и газообразного водорода, которые вступают в реакцию. Выведите молекулярную формулу С60Н2х
Ответ:
Тип реакции - присоединение.
n(C60)=0,144/720=0,0002 моль, nпрореаг(Н2)=(P1-Р2)*V/RT=0,0032 моль
0,0002/1=0,0032/х, откуда х=16, С60Н2х=С60Н32
D. Кремний демонстрирует тот же тип связи и структуру, что и алмаз. Кремний реагирует с магнием с образованием Mg2Si. Твердый Mg2Si реагирует с разбавленной соляной кислотой с образованием газообразного SiH4 и раствора хлорида магния. Составьте уравнение этой реакции. Предскажите форму молекулы SiH4.
Ответ:
Mg2Si(т) + 4HCl (водн.) = SiH4(г) + 2MgCl2(водн.)
Форма молекулы силана является тетраэдрической, похожей на молекулу метана.
Задание 3: Свойства кальция
А. Когда металлический кальций помещают в разбавленную серную кислоту, он сначала бурно реагирует. Через короткое время реакция останавливается. Часть металлического кальция и разбавленной серной кислоты остаются непрореагировавшими. Предложите объяснение этим наблюдениям
Ответ: На металлическом кальции образуется слой осадка сульфата кальция, не реагирующего с серной кислотой. Этот защитный слой CaSO4 препятствует реакции между кальцием и кислотой.
B. Этандиоат кальция образуется, когда кальций реагирует с этандиовой кислотой HOOCCOOH. Этандиоат кальция содержит один катион и один анион. Укажите полную электронную конфигурацию катиона в этандиоате кальция. Определите заряд катиона.
Ответ: Полная электронная конфигурация катиона Са2+:
1s22s22p63s23p6.
C.1 Хлорат кальция(I), Ca(ClO)2, используется в качестве альтернативы хлорату натрия(I), NaClO, в некоторых бытовых продуктах.Ион хлората (I) образуется, когда холодный водный раствор гидроксида натрия реагирует с хлором. Напишите ионное уравнение этой реакции.
Ответ: Cl2 + 2OH– = Cl–+ ClO– + H2O
C.2 Ион хлората(I) нестабилен и разлагается при нагревании, согласно схеме: 3ClO– = 2Cl–+ ClО3 - . Определите степень окисления хлора в каждой частице.
Ответ: с.о.Cl в ClO–=+1, с.о.Cl в Cl–=-1, с.о.Cl в ClО3 -=+5,
D.1 Карбонат кальция реагирует с 2-гидроксипропановой кислотой с образованием продукта Y:
Определите два других продукта реакции 2-гидроксипропановой кислоты с карбонатом кальция.
Ответ: углекислый газ и вода
D.2 Два возможных способа получения 2-гидроксипропановой кислоты показаны на рис. 3.2.
Укажите подходящие реагенты и условия для реакций 1 и 3.
Ответ: реакция 1: HCN ; реакция 3: нагревание с подкисленным раствором KMnO4 (K2Cr2O7)
D.3 Реагентом для реакции 4 является NaBH4. Определите роль NaBH4 в этой реакции
Ответ: NaBH4- восстановитель
Задание 4.
Схема реакции с участием циклогексана показана на рис. 4.1.
Реакция 1 включает механизм свободнорадикального замещения.
А. Укажите основное условие, необходимое для протекания реакции 1
Ответ: ультрафиолет или нагрев.
В. Заполните таблицу 4.1, чтобы подробно описать механизм реакции Используйте фигурные стрелки, чтобы показать движение электронов, происходящее на завершающей стадии.
Ответ:
С.Гекс-3-ен является изомером циклогексана. Гекс-3-ен можно превратить в пропановую кислоту:
Укажите реагенты и условия реакции 3.
Ответ: нагревание с подкисленным концентрированным раствором KMnO4
Задание 5.
Соединение X содержит только атомы углерода, водорода и кислорода. Записывают масс-спектр X. Информация о двух пиках с m/e больше 100 показана на рис. 5.1
А. Молекула X содержит 6 атомов углерода. Продемонстрируйте, что это правильно, используя информацию из рис. 5.1.
Ответ: Для определения числа атомов углерода в молекуле по масс-спектру необходимо разделить интенсивность пика М+1 в процентах от М на 1,1 (множитель 1,1 отражает соотношение масс изотопов С13 и С12) Полученное частное означает максимально возможное число атомов углерода в молекуле.
n=6,5/1,1=5,91, значит, в молекуле 6 атомов С
В.Предложите молекулярную формулу X , используя информацию из рис. 5.1.
Ответ: М(С6НуOz)=102 г/моль
М(НуOz)=102-12*6=102-72=30 , НуOz=Н14O
Молекулярная формула X: С6Н14O
С.Предложите молекулярную формулу фрагмента X при m/e = 31
Ответ: Это катион (СН2OН)+, имеющий М=31.
D. На рис. 5.2 показан инфракрасный спектр X
Определите функциональную группу, присутствующую в X , используя ваш ответ в (В) и информацию из рис.5.2 и таблицы 5.1. Обоснуйте свой ответ.
Ответ: Это -гидроксильная группа (из-за широкого пика в диапазоне 3000-3500) и атома О в молекулярной формуле.
Резюме: в целом, 2 часть Кембриджского экзамена произвела странное впечатление. Сочетание достаточно простых вопросов по общей и неорганической химии с типовыми заданиями по органике и -... задача на ФХМИ, да еще - на масс-спектрометрию. Для желающих поближе познакомиться с этим методом ( с обработкой масс-спектров) - ссылка https://studizba.com/files/mass-spektrometriya/book/217442-a.t.-lebedev-mass-spektrometrija-v.html
Кстати, с весовым вкладом каждой из частей экзамена в общее количество баллов можно познакомиться по ссылке: https://www.cambridgeinternational.org/Images/554616-2022-2024-syllabus.pdf (стр 11). Несмотря на кажущуюся простоту, вторая часть оценивается выше, чем первая:
Причина этого - в структурировании вопросов (часть 2), в то время как в части 1 представлены только вопросы с множественным выбором. Но- повторюсь, большинство структурированных вопросов Кембриджского экзамена показались мне достаточно простыми и сопоставимыми с типовыми вопросами, разбирающимися на уроках химии в наших школах.
В третьей части экзамена акцент делается на проверку практических навыков экспериментальных исследований. Начинаю переводить 3 часть.
Заранее благодарна за конструктивные замечания и дополнения.
Всего доброго!