Как оформлять олимпиадное решение
Из чего состоит решение
Олимпиадное решение должно быть понятно проверяющему. Он оценивает работу по критериям — перечню утверждений и действий, за которые начисляются баллы. Например, за вывод «Вещество X — сульфат меди(II)» можно получить 1 балл, за уравнение реакции X со щёлочью — ещё 1 балл, а за расчёт, подтверждающий формулу, — 2 балла. Поэтому одного верного ответа недостаточно: нужно показать, как он получен. При этом решение с обоснованным ходом рассуждений может сохранить почти все баллы, даже если в конце допущена арифметическая ошибка.
Чтобы проверяющий мог проследить рассуждение, оформляйте решение последовательно:
- Запишите ответ на каждый вопрос отдельно и укажите номер соответствующего пункта.
- Обоснуйте определение каждого вещества: укажите признаки из условия, например цвет, характерную реакцию или результат расчёта массовой доли.
- Приведите уравнения всех использованных реакций с коэффициентами, в том числе тех, которые кажутся очевидными.
- Покажите в каждом расчёте формулу, подстановку чисел и результат с единицами измерения.
- Проверьте, согласуются ли найденные формулы и составы со всеми числовыми данными условия.
boltПишите для проверяющего
Проверяющий читает сотни работ и не должен восстанавливать пропущенные рассуждения. Вместо одного названия вещества напишите, например: «Газ Y тушит лучинку и мутит известковую воду, поэтому Y — \(\ce{CO2}\)». Пронумеруйте ответы на пункты задачи, а итоговые формулы запишите отдельно. Черновик сдают вместе с чистовиком, но оценивают чистовик.
errorНедостаточный аргумент
Сами по себе признаки «газ без цвета и запаха» и «белый осадок» подходят ко многим веществам. Признак, который позволяет отличить вещество от возможных альтернатив, называют идентифицирующим признаком. Например, газ, который мутит известковую воду, но не обесцвечивает бромную воду, можно отличить как \(\ce{CO2}\) от \(\ce{SO2}\). Если белый осадок, полученный при добавлении соли бария, не растворяется в кислотах, это \(\ce{BaSO4}\), а не \(\ce{BaCO3}\).
scienceРеакции для распознавания веществ
- \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}\) и \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\) — при пропускании газа известковая вода сначала мутнеет, а в избытке газа снова становится прозрачной.
- \(\ce{SO2 + Br2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HBr}\) — сернистый газ обесцвечивает бромную воду, а углекислый газ её не обесцвечивает.
- \(\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4 v}\) — при реакции сульфат-ионов с ионами бария образуется белый осадок, нерастворимый в кислотах; в отличие от него, карбонат бария растворяется в кислоте по реакции \(\ce{BaCO3 + 2HCl -> BaCl2 + H2O + CO2 ^}\).
- \(\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl v}\) — при реакции ионов серебра с хлорид-ионами образуется белый творожистый осадок, который темнеет на свету и растворяется в аммиаке по реакции \(\ce{AgCl + 2NH3 -> [Ag(NH3)2]Cl}\).
- \(\ce{Cu^2+ + 2OH- -> Cu(OH)2 v}\) — при реакции ионов меди со щёлочью образуется голубой осадок, который при нагревании чернеет в результате реакции \(\ce{Cu(OH)2 ->[t] CuO + H2O}\).
history_eduКак Менделеев поправил первооткрывателя
В 1875 году Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий и измерил его плотность: 4,7 г/см³. Менделеев, за несколько лет до этого предсказавший элемент под названием «экаалюминий», указал, что плотность должна быть около 5,9, и предположил, что образец недостаточно чист. После очистки металла Лекок получил значение 5,9. Этот случай показывает, зачем проверять гипотезу по совокупности данных: при противоречии нужно искать его причину, а не подгонять остальные данные под одно измерение.
Неизвестный элемент по массовой доле
В олимпиадной задаче элемент нередко требуется определить по массовой доле другого элемента в соединении. Пусть оксид неизвестного элемента Э содержит массовую долю \(w\) кислорода. Если степень окисления Э равна \(z\), формулу оксида можно записать как \(\ce{Э2O_z}\): на 2 атома Э в ней приходится \(z\) атомов кислорода. Из соотношения масс следует:
Величину \(E = 8(1 - w)/w\) называют эквивалентной массой элемента. Это масса элемента, которая соединяется с 8 г кислорода, или с 1,008 г водорода, или с 35,45 г хлора. Следовательно, атомную массу находят умножением эквивалентной массы на степень окисления. Если степень окисления неизвестна, возможные значения \(z\) перебирают и проверяют, какому элементу соответствует результат.
edit_noteОксид с 47,1 % кислорода
По массовой доле кислорода находим \(E = 8\cdot0{,}529/0{,}471 = 8{,}99\) г/моль. Теперь рассмотрим возможные степени окисления.
| Степень окисления \(z\) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Атомная масса \(A_r = zE\) | 9,0 | 18,0 | 27,0 | 36,0 | 45,0 |
| Проверка элемента | Be не образует такого оксида со степенью окисления +1. | Элемента с такой атомной массой нет. | Подходит Al. | Элемента с такой атомной массой нет. | Sc не образует такого оксида со степенью окисления +5. |
Таким образом, подходит алюминий. Для его оксида \(\ce{Al2O3}\) расчёт подтверждает условие: \(w(\ce{O}) = 48{,}0/102{,}0 = 47{,}1\) %.
boltПроверяйте каждый вариант
Не останавливайтесь на первом совпадении атомной массы. Для каждого \(z\) установите, существует ли элемент с такой массой и образует ли он оксид с соответствующей степенью окисления. Поэтому варианты «бериллий +1» и «скандий +5» не подходят. Если после проверки остаются два варианта, сравните их с другими признаками из условия: цветом, растворимостью или химической реакцией.
Такой же расчёт применяют к хлоридам (\(E = 35{,}45\,(1 - w)/w\)), сульфидам (\(E = 16{,}03\,(1 - w)/w\)), гидридам (\(E = 1{,}008\,(1 - w)/w\)) и к данным о реакциях. Например, если 1,00 г металла вытесняет из кислоты 0,0308 г водорода, то \(E = 1{,}008\cdot1{,}00/0{,}0308 = 32{,}7\). При \(z = 1\) металла с атомной массой 32,7 нет. При \(z = 2\) получается атомная масса 65,4, которая соответствует цинку.
scienceРеакции, по которым определяют эквивалент металла
- \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\) — по объёму выделившегося водорода определяют количество цинка, вступившего в реакцию с кислотой.
- \(\ce{2Mg + O2 ->[t] 2MgO}\) — по увеличению массы при сжигании магния определяют массу присоединившегося кислорода.
- \(\ce{CuO + H2 ->[t] Cu + H2O}\) — при восстановлении оксида меди используют массу образовавшейся воды или уменьшение массы оксида.
- \(\ce{MCl_z + zAgNO3 -> zAgCl v + M(NO3)_z}\) — по массе осадка хлорида серебра определяют содержание хлора в хлориде металла.
Расшифровка цепочки превращений
В задачах на цепочки превращений вещества часто обозначены буквами, а вместо их названий приведены реакции и наблюдения. Начинать удобно с ключа — признака, по которому одно из веществ распознаётся наиболее уверенно. Это может быть характерный цвет или запах, результат реакции либо числовое значение. Определив одно вещество, проверяют, какие вещества могли образоваться из него и из каких веществ оно могло получиться.
scienceБертолетова соль и её превращения
- \(\ce{MnO2 + 4HCl -> MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\) — при реакции чёрного порошка с концентрированной соляной кислотой выделяется жёлто-зелёный газ с резким запахом.
- \(\ce{Cl2 + 2KOH -> KCl + KClO + H2O}\) — при реакции хлора со щёлочью на холоду образуется гипохлорит.
- \(\ce{3Cl2 + 6KOH ->[t] 5KCl + KClO3 + 3H2O}\) — при нагревании в реакции хлора со щёлочью образуется хлорат, или бертолетова соль.
- \(\ce{2KClO3 ->[t, MnO2] 2KCl + 3O2 ^}\) — при нагревании хлората в присутствии катализатора \(\ce{MnO2}\) образуются хлорид и кислород.
- \(\ce{4KClO3 ->[t] 3KClO4 + KCl}\) — без катализатора при осторожном нагревании около 400 °C хлорат диспропорционирует с образованием перхлората и хлорида.
В этой цепочке \(\ce{MnO2}\) участвует в двух разных процессах: в первой реакции он является окислителем, а в четвёртой служит катализатором. Составители задач часто используют этот приём: одно и то же вещество участвует в цепочке в разных ролях, и это служит подсказкой для решения.
boltКак выбрать ключ к цепочке
Сначала ищите наиболее характерное наблюдение. Жёлто-зелёный газ указывает на \(\ce{Cl2}\), бурый газ может быть \(\ce{NO2}\) или парами брома, а синий цвет раствора указывает на ионы \(\ce{Cu^2+}\). Запах тухлых яиц характерен для \(\ce{H2S}\); резкий удушливый запах имеют \(\ce{SO2}\), \(\ce{Cl2}\) и \(\ce{NH3}\), поэтому здесь потребуются дополнительные признаки. Помочь могут реакция, при которой мутнеет известковая вода, вспыхивание тлеющей лучинки, посинение иодкрахмальной бумаги, а также молярная масса, массовая доля или потеря массы. Затем проверьте, согласуется ли выбранное вещество с остальными превращениями.
history_eduСоль, которая взрывается
Хлорат калия получил в 1786 году Клод Луи Бертолле, пропуская хлор через горячий раствор щёлочи. Он надеялся заменить хлоратом селитру в порохе, однако смеси с хлоратом оказались слишком чувствительны к удару и трению. В 1788 году при попытке наладить производство на пороховом заводе в Эсоне произошёл взрыв, унёсший жизни людей. Позднее хлорат стали использовать в спичечных головках и фейерверках, а название «бертолетова соль» сохранилось.
Проверка ответа
После получения ответа его нужно проверить отдельно: простого повторного чтения решения недостаточно. Проверка помогает обнаружить как ошибку в расчёте, так и вещество, которое подходит лишь к части данных условия.
| Что проверить | Как проверить |
|---|---|
| Баланс | Сравните число атомов каждого элемента и суммарный заряд в обеих частях каждого уравнения. |
| Размерность | Убедитесь, что единицы ответа соответствуют вопросу задачи. |
| Диапазон | Проверьте, что доля находится в пределах от 0 до 100 %, масса продукта не превышает суммарную массу реагентов, а выход не превышает 100 %. |
| Единственность | Выясните, не подходит ли к тем же данным другое вещество. |
| Полнота | Проверьте, использованы ли все числа из условия; если число не понадобилось, установите почему. |
| Химический смысл | Убедитесь, что найденное вещество существует и устойчиво в указанных условиях. |
errorЧастые потери баллов
- Если вещество названо без обоснования, проверяющий не поставит балл за критерий «идентификация с доказательством».
- Если в уравнении пропущены коэффициенты или неверно указан продукт, уравнение не подтверждает решение. Например, запись \(\ce{Fe + HCl -> FeCl3}\) неверна: продуктом этой реакции является \(\ce{FeCl2}\).
- Если ответ на пункт «а» находится лишь в середине решения пункта «в», проверяющему трудно установить, что первый пункт выполнен.
- Если ответ записан без единиц или в других единицах без пояснения, например в ммоль вместо моль, результат может быть оценён как неполный.
edit_noteПроверка единственности
Пусть оксид металла содержит 72,4 % металла. Сначала проверим возможные формулы. Для \(\ce{MO}\) расчёт \(A_r = 16\cdot72{,}4/27{,}6 = 42{,}0\) не приводит к подходящему двухвалентному металлу. Для \(\ce{M2O3}\) получаем \(A_r = 24\cdot72{,}4/27{,}6 = 63{,}0\). Это значение близко к атомной массе меди, но не совпадает с ней, поэтому такое предположение не подтверждается. Для \(\ce{M3O4}\) расчёт \(A_r = \tfrac{64}{3}\cdot72{,}4/27{,}6 = 56{,}0\) приводит к железу. Проверка массовой доли для \(\ce{Fe3O4}\) подтверждает ответ: \(167{,}5/231{,}5 = 72{,}4\) %. Если рассматривать только оксиды, в которых металл имеет одну целочисленную степень окисления, этот ответ будет пропущен.
auto_awesomeМагнетит — природный магнит
\(\ce{Fe3O4}\) — минерал магнетит, самый сильный природный магнит. Некоторые куски магнетита, по-видимому намагниченные ударами молний, притягивают железо. Этот минерал называют «магнитным железняком»; из него делали первые компасы. Кристаллики магнетита есть также в клетках магнитотактических бактерий: с их помощью бактерии ориентируются по магнитному полю Земли.
push_pinГлавное
В олимпиадном решении важно обосновать каждый ответ: объяснить определение вещества, записать уравнения реакций с коэффициентами и показать расчёты с единицами измерения. При поиске неизвестного элемента через эквивалентную массу используют соотношение \(A_r = zE\), перебирают возможные значения \(z\) и проверяют их химический смысл. При этом нужно учитывать и смешанные оксиды, например \(\ce{M3O4}\). Окончательный ответ должен согласовываться со всеми данными условия.
Закрепите теорию: 13 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.