XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 35

 

 

 

 

 

Задача 5. Анодное окисление 

 
Одним  из  наиболее  перспективных  мембранных  материалов  является  анодный  оксид 
алюминия,  получаемый  электрохимическим  окислением  алюминиевой  пластинки  в  кислой 
среде.  Среди  его  преимуществ  можно  отметить  простоту  синтеза  и  удобство  контроля 
параметров  мембраны.  Например,  толщину  подобных  оксидных  плёнок  легко 
контролировать  кулонометрически,  то  есть  по  величине  заряда,  пропускаемого  через 
раствор. 
 

1.

 

Напишите  уравнения  процессов,  происходящих  на  катоде  и  аноде  при  электро-
химическом окислении алюминия. Составьте полное уравнение реакции. (4 балла) 
 

2.

 

Определите  толщину  полученной  плёнки  анодного  оксида  алюминия,  если  на  её 
синтез  затратили  200  Кл.  Площадь  образца  равна  1.13  см

2

,  а  плотность  получаемого 

оксида 3.2 г/см

3

. Постоянная Фарадея F = 96485 Кл/моль. (4 балла) 

 
Всего – 8 баллов 
 
 

 

274

 

 

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Простые задачи (вариант 2) 

 

Задача 1. Синтез нанопленки 
 

Одно  из  веществ,  из  которых  получают  нанопленки,  представляет  собой  соединение 
металла  и  неметалла,  в  котором  массовая  доля  первого  равна  73.4%.  Пленку  получают 
осаждением  гидроксида  металла  и  его  длительным  нагревании  на  воздухе.  Установите 
формулу вещества и напишите уравнение реакции его синтеза. 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 2. Люминесцентный материал 

 
Для  создания  люминесцентного  материала  нанокристаллы  люминофора  X  равномерно 
распределили  в  объеме  полимера.  Для  этого  к  20  мл  жидкого  мономера  добавили  2.5  мл 
раствора  X  в  гексане  (концентрация  10  мг/мл),  полученную  смесь  полимеризовали  под 
действием  света  и  растворитель  испарили.  Оцените,  сколько  наночастиц  содержится  в 
одном кубическом сантиметре полимера. Средняя масса нанокристалла 5.010

–18

 г. Примите, 

что полимеризация происходит без изменения объема. 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 3. Оксид графена 

 
Установите  простейшую  формулу  оксида  графена,  в  котором  20%  атомов  находятся  в  sp

3

 

гибридном  состоянии.  Примите,  что  кислород  входит  только  в  состав  эпоксидных  групп 

. (4 балла) Сколько граммов сверхкритического пропанола-2 потребуется для полного 

восстановления одного грамма оксида графена? (4 балла) 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 4. Нанопорошок 

 
Нанопорошок  неизвестного  оксида  металла  не  растворяется  в  воде,  распределяясь  на 
границе  раздела  воды  и  воздуха.  Он  также  не  взаимодействует  с  растворами  щелочей, 
однако  медленно  растворяется  в  соляной  кислоте,  окрашивая  раствор  в  бледный  зелено-
голубой  цвет.  В  твердом  виде  нанопорошок  реагирует  с  металлическим  магнием  и 
алюминием, восстанавливаясь до металла. На полное восстановление 1.0 г оксида тратится 
0.36  г  алюминия.  Размер  частиц  порошка  составляет  10-30  нм.  Определите  состав 
неизвестного нанопорошка. (4 балла) Запишите уравнения описанных реакций. (4 балла) 
 
Всего – 8 баллов 
 

 

 

275

 

 

 

 

 

Задача 5. Анодное окисление 

 
Одним  из  наиболее  перспективных  мембранных  материалов  является  анодный  оксид 
алюминия,  получаемый  электрохимическим  окислением  алюминиевой  пластинки  в  кислой 
среде.  Среди  его  преимуществ  можно  отметить  простоту  синтеза  и  удобство  контроля 
параметров  мембраны.  Например,  толщину  подобных  оксидных  плёнок  легко 
контролировать  кулонометрически,  то  есть  по  величине  заряда,  пропускаемого  через 
раствор. 
 

1.

 

Напишите  уравнения  процессов,  происходящих  на  катоде  и  аноде  при 
электрохимическом  окислении  алюминия.  Составьте  полное  уравнение  реакции. 
(4 балла) 
 

2.

 

Определите  плотность  полученной  плёнки  анодного  оксида  алюминия,  если  на  её 
синтез затратили 100 Кл. Площадь образца равна 1.13 см

2

, а его толщина составляет 

50 мкм. Постоянная Фарадея F = 96485 Кл/моль. (4 балла) 

 
Всего – 8 баллов 
 
 

 

276

 

 

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Простые задачи (вариант 3) 

 

Задача 1. Синтез нанопленки 
 

Одно из веществ, из которых получают нанопленки, состоит из двух элементов 4-го периода, 
металла и неметалла. Мольные доли элементов отличаются в 1.5 раза, а массовые  – в 1.21 
раза.  Пленку  получают  электрохимическим  восстановлением  смеси  двух  соединений  этих 
элементов.  Установите  формулу  вещества  и  предположите,  какие  исходные  соединения 
взяли для синтеза. 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 2. Люминесцентный материал 

 
Для  создания  люминесцентного  материала  нанокристаллы  люминофора  X  равномерно 
распределили  в  объеме  полимера.  Для  этого  к  50  мл  жидкого  мономера  добавили  2.5  мл 
раствора  X  в  гексане  (концентрация  15  мг/мл),  полученную  смесь  полимеризовали  под 
действием  света  и  растворитель  испарили.  Оцените,  сколько  наночастиц  содержится  в 
одном кубическом сантиметре полимера. Средняя масса нанокристалла 6.010

–18

 г. Примите, 

что полимеризация происходит без изменения объема. 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 3. Оксид графена 

 
Оксид  графена  имеет  простейшую  формулу  C

13

O

2

.  Сколько  процентов  атомов  в  этом 

веществе  находятся  в  sp

3

  гибридном  состоянии?  Примите,  что  кислород  входит  только  в 

состав  эпоксидных  групп 

.  (4  балла)  Сколько граммов  сверхкритического  пропанола-2 

потребуется для полного восстановления одного грамма оксида графена? (4 балла) 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 4. Нанопорошок 

 
Нанопорошок  неизвестного  оксида  металла  не  растворяется  в  воде,  распределяясь  на 
границе  раздела  воды  и  воздуха.  Он  также  не  взаимодействует  с  растворами  щелочей, 
однако  медленно  растворяется  в  соляной  кислоте,  окрашивая  раствор  в  бледный  зелено-
голубой  цвет.  В  твердом  виде  нанопорошок  реагирует  с  металлическим  магнием  и 
алюминием, восстанавливаясь до металла. На полное восстановление 0.50 г оксида тратится 
0.18  г  алюминия.  Размер  частиц  порошка  составляет  10-30  нм.  Определите  состав 
неизвестного нанопорошка. (4 балла) Запишите уравнения описанных реакций. (4 балла) 
 
Всего – 8 баллов 
 

 

 

277

 

 

 

 

 

Задача 5. Анодное окисление 

 
Одним  из  наиболее  перспективных  мембранных  материалов  является  анодный  оксид 
алюминия,  получаемый  электрохимическим  окислением  алюминиевой  пластинки  в  кислой 
среде.  Среди  его  преимуществ  можно  отметить  простоту  синтеза  и  удобство  контроля 
параметров  мембраны.  Например,  толщину  подобных  оксидных  плёнок  легко 
контролировать  кулонометрически,  то  есть  по  величине  заряда,  пропускаемого  через 
раствор. 
 

1.

 

Напишите  уравнения  процессов,  происходящих  на  катоде  и  аноде  при 
электрохимическом  окислении  алюминия.  Составьте  полное  уравнение  реакции. 
(4 балла) 

 
2.

 

Определите  заряд,  который  необходимо  затратить  для  синтеза  плёнки  анодного 
оксида  алюминия  толщиной  200  мкм.  Площадь  образца  равна  1.13  см

2

,  а  плотность 

получаемого оксида 3.2 г/см

3

. Постоянная Фарадея F = 96485 Кл/моль. (4 балла) 

 
Всего – 8 баллов 
 
 

 

278

 

 

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Простые задачи (вариант 4) 

 

Задача 1. Синтез нанопленки 
 

Одно  из  веществ,  из  которых  получают  нанопленки,  состоит  из  металла  4-го  периода  и 
неметалла  5-го  периода.  Мольные  доли  элементов  отличаются  в  1.5  раза,  а  массовые  –  в 
1.34  раза.  Пленку  получают  электрохимическим  восстановлением  смеси  двух  соединений 
этих элементов. Установите формулу вещества и предположите, какие исходные соединения 
взяли для синтеза. 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 2. Люминесцентный материал 

 
Для  создания  люминесцентного  материала  нанокристаллы  люминофора  X  равномерно 
распределили в объеме полимера. Для этого к 150 мл жидкого мономера добавили 3.0 мл 
раствора  X  в  гексане  (концентрация  40  мг/мл),  полученную  смесь  полимеризовали  под 
действием  света  и  растворитель  испарили.  Оцените,  сколько  наночастиц  содержится  в 
одном кубическом сантиметре полимера. Средняя масса нанокристалла 3.210

–18

 г. Примите, 

что полимеризация происходит без изменения объема. 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 3. Оксид графена 

 
Оксид  графена  имеет  простейшую  формулу  C

23

O

2

.  Сколько  процентов  атомов  в  этом 

веществе  находятся  в  sp

3

  гибридном  состоянии?  Примите,  что  кислород  входит  только  в 

состав  эпоксидных  групп 

.  (4  балла)  Сколько граммов  сверхкритического  пропанола-2 

потребуется для полного восстановления одного грамма оксида графена? (4 балла) 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 4. Нанопорошок 

 
Нанопорошок  неизвестного  оксида  металла  не  растворяется  в  воде,  распределяясь  на 
границе  раздела  воды  и  воздуха.  Он  также  не  взаимодействует  с  растворами  щелочей, 
однако  медленно  растворяется  в  соляной  кислоте,  окрашивая  раствор  в  бледный  зелено-
голубой  цвет.  В  твердом  виде  нанопорошок  реагирует  с  металлическим  магнием  и 
алюминием, восстанавливаясь до металла. На полное восстановление 2.50 г оксида тратится 
0.90  г  алюминия.  Размер  частиц  порошка  составляет  10-30  нм.  Определите  состав 
неизвестного нанопорошка. (4 балла) Запишите уравнения описанных реакций. (4 балла) 
 
Всего – 8 баллов 
 

 

 

279

 

 

 

 

 

Задача 5. Анодное окисление 

 
Одним  из  наиболее  перспективных  мембранных  материалов  является  анодный  оксид 
алюминия,  получаемый  электрохимическим  окислением  алюминиевой  пластинки  в  кислой 
среде.  Среди  его  преимуществ  можно  отметить  простоту  синтеза  и  удобство  контроля 
параметров  мембраны.  Например,  толщину  подобных  оксидных  плёнок  легко 
контролировать  кулонометрически,  то  есть  по  величине  заряда,  пропускаемого  через 
раствор. 
 

1.

 

Напишите  уравнения  процессов,  происходящих  на  катоде  и  аноде  при 
электрохимическом  окислении  алюминия.  Составьте  полное  уравнение  реакции. 
(4 балла) 

 
2.

 

Определите  площадь  полученной  плёнки  анодного  оксида  алюминия,  если  на  её 
синтез затратили 300 Кл. Толщина образца равна 150 мкм, а плотность получаемого 
оксида 3.2 г/см

3

. Постоянная Фарадея F = 96485 Кл/моль. (4 балла) 

 
Всего – 8 баллов 
 
 

 

280

 

 

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Более сложные задачи 

 

Задача 6. Карбин 

 
Одной  из  аллотропных  модификаций  углерода  является  карбин,  который  представляет 
собой полимерные углеродные цепочки. При этом различают α- и β-карбин. Стоит отметить, 
что  «карбин»  –  это  исторически  сложившееся  название,  которое  не  означает 
принадлежность к какому-либо классу органических соединений. 
 

1.

 

Изобразите структурные формулы α- и β-карбина и поясните их отличия. (2 балла) 
 

2.

 

Предложите  химический  метод,  позволяющий  различить  эти  модификации. 
(4 баллов) 

 
β-карбин можно синтезировать по следующей схеме: 
 

   

   

   

   

 























A

B

D

E

2 5

2

2

o

2

P O

HCl     H O

SnCl

KCN

1.  BrMgC CMgBr

2

2.  H O

100 C

ClCH

COOH 

β -карбин

 
Известно,  что  молекула  D  содержит  52.96  масс.%  углерода.  При  нормальных  условиях 
данное вещество является бесцветным газом с резким запахом. 
 

3.

 

Определите  соединения  A  –  E.  Напишите  уравнения  соответствующих  реакций.  
(14 баллов) 

 
Всего – 20 баллов 
 

Задача 7. Полимерный наноматериал  

 
N-винилпирролидон широко используется как мономер для получения полимера. 
 

 

 

Поли-N-винилпирролидон,  в  отличие  от  многих  других  полимеров,  хорошо  растворим  в 
этаноле. Это свойство используют для стабилизации наночастиц. Чтобы превратить вещество 
X в наночастицы, использовали следующий прием.  
 
1.97  г  простого  вещества  Х  растворили  в  растворе  кислоты  Y  c  образованием  бесцветного 
раствора.  Реакция  сопровождалась  выделением  бурого  газа.  При  медленном 
концентрировании  этого  раствора  из  него  выделились  кристаллы  вещества  Z.  Масса 
полученных кристаллов составила 0.93 г, что соответствует выходу 30%.  

281