Инженерный тур. 1 этап

Задача 1.1.(10 баллов)

Введение в органическую химию. Полимеры. Тест

Темы: виды полимеров, мономерное звено, синтез полимеров

Условие

Какое из приведенных веществ не является природным полимером?
1. ДНК.
2. Хитин.
3. Органическое стекло.
4. Крахмал.
Решение
1. ДНК — природный полимер, состоящий из нуклеотидов в качестве мономеров.
2. Хитин — полисахарид, длинноцепочечный полимер N-ацетилглюкозамина, амидного производного глюкозы.
3. Органическое стекло — тривиальное название вещества, получаемого из полиметилметакрилата.
4. Крахмал — смесь полисахаридов амилозы и амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза.
Ответ

C.
Условие

Какой из приведенных полимеров образуется в данной реакции?

Рис. 1.1.
1. Полистирол.
2. Полиэтилентерефталат.
3. Фенолформальдегидная смола.
4. Капрон.
Решение

Продуктом реакции поликонденсации этиленгликоля и терефталиевой кислоты является полиэтилентерефталат.

Ответ

B.

Задача 1.2.(5 баллов)

Синтез полимеров. Тест

Темы: высокомолекулярные соединения, полимеризация, радикальные реакции

Условие

Какое из приведенных веществ является мономером натурального каучука?
1. Этилен.
2. Пропилен.
3. Бутадиен.
4. Изопрен.
Решение

Натуральный каучук — природный полимер, получаемый полимеризацией изопрена, который содержится в млечном соке некоторых тропических растений.

Ответ

D.
Условие

Выберите неверное утверждение о стадиях полимеризации.
1. Инициирование — зарождение активных центров полимеризации.
2. Рост цепи — процесс последовательного присоединения молекул мономеров к центрам.
3. Разветвление цепи — образование нескольких активных центров из одного.
4. Обрыв цепи — переход активного центра на другую молекулу.
Решение

Обрывом цепи называют стадию гибели активных центров, а переходом активного центра на другую молекулу является стадия передачи цепи.

Ответ

D.

Задача 1.3.(10 баллов)

Нефтехимия для синтеза полимеров. Задача

Темы: органическая химия, углеводороды, кислородсодержащие органические вещества

Условие

Промышленный синтез полиамидов играет очень важную роль в современном производстве и улучшении качества жизни, обеспечивая высокопрочные и надежные материалы для различных нужд. Так, например, полиамиды широко применяются в строительстве, медицине и в электронике.

Рассмотрите схему синтеза полиамида X (рис. 1.2), который отличается хорошей термостойкостью: температура его размягчения выше 800 °C.

Рис. 1.2.

Вещество A (рис. 1.3), выделяемое из нефти риформингом, относится к ряду ароматических веществ, а его верная структура впервые была предложена в 1865 году немецким химиком Фридрихом Кекуле. Содержание углерода по массе в соединении A составляет 92,31%.

Рис. 1.3.

Спектр ЯМР 1H высокосимметричного вещества Ж, получаемого из A алкилированием по Фриделю – Крафтсу, показал, что соединение содержит два типа атомов водорода в соотношении \(6 : 1\). Вещества В и Г — изомеры, образующиеся после нитрования Б. На схеме (рис. 1.3) указаны их массовые доли в изомерной cмеси. В цепочке превращений участвует именно вещество Г, из которого получают Д, содержащее 52,17% углерода по массе. Расшифруйте структуры веществ A – И.

Решение

Ароматическое вещество A, верная структура которого была предложена Кекуле в 1865 году — бензол, рис. 1.4.

Рис. 1.4.

Это подтверждается и массовым содержанием углерода в \(\ce{C6H6}\): \[\omega(C)= \frac{12 \cdot 6}{12 \cdot 6+6}=0{,}9231.\]

Хлорирование бензола с использованием хлорида железа (III) (как катализатора хлорирования по Фриделю – Крафтсу) приводит к веществу Б — хлорбензолу (рис. 1.5),

Рис. 1.5.

который затем нитруется до изомеров — 2-нитрохлорбензола и 4-нитрохлорбензола (рис. 1.6),

Рис. 1.6.

причем, именно 4-нитрохлорбензол — это вещество Г как более выгодный пара-изомер. 4-нитрохлорбензол аммонируется под высокой температурой и давлением, образуя амин (рис. 1.7).

Рис. 1.7.

Образование амина подтверждается содержанием углерода в нем: \[\omega(C)= \frac{12 \cdot 6}{12 \cdot 6+14 \cdot 2+16 \cdot 2+6 }=0{,}5217.\]

Вывод о структуре вещества Д можно сделать и по приведенной структуре полимера X. Получившееся вещество Д гидрируется на палладиевом катализаторе, в результате чего образуется п-фенилдиамин — вещество Е, рис. 1.8.

Рис. 1.8.

Далее расшифруем структуру соединения Ж. Оно получается в результате алкилирования бензола по Фриделю – Крафтсу, причем, стоит обязательно обратить внимание на то, что на схеме бензол и хлорметил вступают во взаимодействие в соотношении \(1 : 4\). Данные спектра ЯМР 1H говорят о том, что в структуре Ж содержатся два типа атомов водорода в соотношении \(6 : 1\). Учитывая высокую симметричность соединения, нетрудно догадаться о том, что это 1,2,4,5-тетраметилбензол (рис. 1.9),

Рис. 1.9.

который окисляется кислородом до четырхосновной кислоты (рис. 1.10),

Рис. 1.10.

которая затем под действием оксида фосфора (V) теряет воду и переходит в свой ангидрид И (рис. 1.11),

Рис. 1.11.

который затем полимеризуется с полученным ранее п-фенилдиамином в диметилформамиде, образуя полиамид Х.

Задача 1.4.(10 баллов)

Правила работы в лаборатории. Тест

Тема: навыки работы в лаборатории

Условие

Какой из перечисленных методов анализа является наиболее доступным?
1. Масс-спектрометрия.
2. Титриметрия.
3. Рентгенография (рентгено-структурный анализ).
4. ЯМР (ядерно-магнитный резонанс).
Решение

Титриметрия — это классический химический метод количественного анализа, основанный на измерении объема реактива, необходимого для завершения химической реакции с анализируемым веществом. Метод требует минимального оборудования (бюретки, мерные колбы и реагенты), что делает его значительно дешевле в сравнении с такими высокотехнологичными методами, как масс-спектрометрия, рентгенография или ЯМР, для реализации которых необходимо сложное дорогостоящее оборудование и значительные затраты на его обслуживание.

Ответ

B.
Условие

Какая мера может наилучшим образом помочь снизить ошибку при титровании?
1. Максимально увеличить величину скачка и правильно выбрать индикатор.
2. Использовать более концентрированные растворы для титрования.
3. Использовать масс-спектрометр.
4. Использовать при анализе вторичный стандарт.
Решение
1. Может значительно помочь в снижении ошибки, так как правильный выбор индикатора и увеличение величины скачка позволяют более точно определить момент окончания реакции. Индикатор должен давать четкий и видимый переход, его подбор крайне важен.
2. Может, наоборот, увеличить ошибку. Более концентрированные растворы приводят к резкому протеканию реакции, что может затруднить точное определение конечной точки титрования. Кроме того, такие растворы менее стабильны.
3. Масс-спектрометрия — это метод анализа, при помощи которого, измеряя отношение массы к заряду ионов анализируемого вещества, можно идентифицировать его качественный состав (вплоть до структуры молекулы). В теории можно попробовать этот метод, ориентируясь на концентрацию детектируемых ионизированных частиц, но это крайне дорогой, долгий и, самое главное, неточный процесс.
4. Вторичный стандарт используется, когда первичный недоступен, он может внести дополнительные ошибки в количественное определение. Его использование нецелесообразно, если доступен первичный стандарт.
Ответ

A.
Условие

В условиях анализа жесткости воды титриметрическим методом чем является раствор комплексона-III?
1. Индикатором.
2. Титрируемым веществом.
3. Титрантом.
4. Аликвотой.
Решение

Титрант — это вещество, которое добавляют из бюретки в процессе титрования для определения концентрации анализируемого вещества. В анализе жесткости воды комплексон-III (ЭДТА) используется для комплексообразования с ионами кальция и магния, которые в основном задают жесткость воды. Поэтому он выполняет роль титранта.

Ответ

С.

Задача 1.5.(16 баллов)

Титриметрический метод анализа. Тест и задача

Темы: точка эквивалентности, расчеты титрования, аналитическая химия

Условие

Для стандартизации раствора гидроксида калия были взяты три навески дигидрата щавелевой кислоты массой \(0{,}300\), \(0{,}400\) и \(0{,}501\) г. В результате кислотно-основного титрования в присутствии фенолфталеина было израсходовано \(5{,}900\), \(8{,}100\), \(12{,}600\) мл раствора щелочи соответственно. Определите концентрацию раствора в молях на литр гидроксида калия, исходя из полученных данных. Промежуточные результаты и ответ округлите до третьей значащей цифры.

Решение

Реакция: \[\ce{H2C2O4} + 2\ce{KOH} \rightarrow \ce{K2C2O4} + 2\ce{H2O}.\]

Замечаем, что третье титрование сильно не сходится с первыми двумя. Значит, не учитываем его в дальнейших расчетах.

Сначала найдем количество вещества щавелевой кислоты в каждой из навесок: \[\frac{m(\ce{H2C2O4} \cdot 2\ce{H2O})}{M(\ce{H2C2O4} \cdot 2\ce{H2O})} = n(\ce{H2C2O4} \cdot 2\ce{H2O}).\]

Получаем 0,00238, 0,00317 моль соответственно.

С учетом того, что моли гидроксида калия в реакции нейтрализации находятся в соотношении \(2:1\) к молям кислоты, можем найти концентрацию раствора щелочи исходя из трех экспериментов: \[C(\ce{KOH}) = \frac{n(\ce{H2C2O4} \cdot 2\ce{H2O}) \cdot 2}{V(\ce{NaOH})}.\]

Получаем: 0,807 М, 0,783 М.

Среднее арифметическое: 0,795 М.

Ответ

\(0{,}795 \pm 0{,}050\) М.
Условие

В кулинарии в качестве разрыхлителя теста может использоваться смесь карбоната аммония и гидрокарбоната натрия. Чтобы понять, в каком соотношении находятся вещества в подобных разрыхлителях, был проведен титриметрический анализ. На титрование навески разрыхлителя массой 0,500 г, состоящей только из карбоната аммония и гидрокарбоната натрия, ушло 10 мл \(\ce{HCl}\) (C = 0,833 М). Определите массовые доли солей в смеси.

Решение

Реакции: \[(\ce{NH_4})_2\ce{CO_3} + 2\ce{HCl} \rightarrow 2\ce{NH_4}\ce{Cl} + \ce{H2O} + \ce{CO_2};\] \[\ce{NaHCO_3} + \ce{HCl} \rightarrow \ce{NaCl} + \ce{H2O} + \ce{CO_2}.\]

Составляем систему уравнений: \[\left\{ \begin{aligned} X + 2Y &= 0{,}833 \cdot 0{,}01, \\ 84X + 96Y &= 0{,}5, \end{aligned} \right.\] где \(X\) — количество моль гидрокарбоната натрия, \(Y\) — количество моль карбоната аммония.

Получаем: 0,234 г гидрокарбоната натрия и 0,266 г карбоната аммония.

Массовые доли: 46,8% и 53,2% соответственно.

Ответ

\(46{,}8 \pm 0{,}5\)%, \(53{,}2 \pm 0{,}5\)%.
Условие

Далеко не всегда представляется возможным выделить полимер из реакционной смеси и определить его массу или процент превращения.

В случае поликонденсации адипиновой кислоты с этиленгликолем в расплаве метод определения степени конверсии и схема реакции выглядят следующим образом, рис. 1.12.

Рис. 1.12.

Первую пробу отбирают после образования гомогенного расплава. Для этого в смесь вводят стеклянный стержень, отбирают небольшую пробу и переносят в стакан для титрования. После добавления спирта и хлороформа полимер растворяют и проводят титрование в присутствии тимолфталеина спиртовым раствором гидроксида калия. По каплям добавлять щелочь продолжают до нейтральной реакции среды — о ней будет свидетельствовать появление синей окраски, не пропадающей в течение 20 с при интенсивном перемешивании. Далее пробу отбирают еще несколько раз каждые 10 мин (то есть вторая проба была отобрана через 10 мин после начала эксперимента и т. д.).

После записи результатов в таблицу можно определить кислотное число (КЧ) проб. За \(\text{КЧ}_0\) возьмем результат для первой пробы. Формула для расчета: \[\text{КЧ} = \frac{m_{\text{KOH}}}{m_{\text{образца}}},\] то есть количество миллиграммов KOH, необходимое для титрования 1 г реакционной смеси.

В результате серии экспериментов были получены следующие результаты:
- массы образцов: 6, 6,1, 6,2, 5,8 г.
- объемы KOH: 10,1, 3,3, 2, 1,3 мл.
Для нахождения степени конверсии \(q\) используйте формулу: \[q = \frac{\text{КЧ}_0 - \text{КЧ}}{\text{КЧ}_0} \cdot 100\%.\]

Учитывая, что концентрация KOH равна 0,01 моль/л, найдите степень полимеризации спустя 20 мин после начала эксперимента.
Решение

Спустя 20 мин отбирается третья проба, значит, сначала находим \(\text{КЧ}_0\): \[\text{КЧ}_0 = \frac{C_{\text{KOH}} \cdot V_{\text{KOH}} \cdot M_{\text{KOH}}}{m_{\text{образца}}} = \frac{0{,}01 \cdot 0{,}0101 \cdot 56}{6} \cdot 1000 = 0{,}943 \, \text{мг/г}.\]

Аналогично находим \(\text{КЧ}\) для третьей пробы: \[\text{КЧ} =\frac{C_{\text{KOH}} \cdot V_{\text{KOH}} \cdot M_{\text{KOH}}}{m_{\text{образца}}}= \frac{0{,}01 \cdot 0{,}002 \cdot 56}{6{,}2} \cdot 1000 = 0{,}181 \, \text{мг/г}.\]

Значит, степень конверсии \(q\) равна: \[q = \frac{0{,}943 - 0{,}181}{0{,}943} \cdot 100\% = 80{,}8\%.\]

Ответ

\(80{,}8 \pm 0{,}5\)%.

Задача 1.6.(16 баллов)

Физико-химические методы анализа. Тест и задача

Темы: физико-химические методы анализа, спектроскопия, ИК-спектроскопия

Условие
Выберите верный вариант: электромагнитная волна с большей длиной волны обладает...
1. большей энергией,
2. меньшей энергией,
3. большей частотой,
4. меньшей скоростью.
Ответ

B.
Условие
Оптический спектр раствора какого вещества приведен на рис. 1.13?

Рис. 1.13.
1. Сульфат меди (II).
2. Хлорид железа (III).
3. Перманганат калия.
4. Сульфат никеля (II).
Ответ

C.
Условие
Спектрофотометрическое определение концентрации металла в руде является примером...
1. неинструментального метода анализа,
2. полуколичественного анализа,
3. количественного анализа,
4. качественного анализа.
Ответ

C.

Условие

Санитарный контроль пищевого полистирола

Обычно свойства полимеров и исходных мономеров значительно отличаются: в то время как контакт с полимером не несет непосредственных последствий для здоровья человека, мономеры часто представляют собой токсичные вещества — поэтому очень важно контролировать их остаточное содержание в материалах.

Изделия из полистирола широко используются в самых различных областях: от теплоизоляционных плит и детских игрушек до одноразовых шприцев, катетеров и пищевой упаковки. Из разных марок полистирола производят стаканчики для йогуртов, одноразовые контейнеры и посуду, упаковку для яиц и подложки. Важно проверять допустимые условия использования, поскольку при действии высокой температуры (например, при контакте с горячим напитком или разогреве в микроволновой печи) может происходить частичная деполимеризация с выделением токсичного стирола.

Рис. 1.14.

Определение содержания остаточного стирола в полистироле можно проводить спектрофотометрическим методом, при этом измерение оптической плотности проводят не для водных растворов, а для экстрактов в гексане.

Образец полимера (полистирол суспензионный ПС-С) массой 35,200 г вымачивали в 200 мл дистиллированной воды на протяжении 10 сут. Далее к полученной воде пипеткой добавили 10,0 мл гексана и осторожно взбалтывали 6 мин для перехода стирола в гексан, выдержали раствор 30 мин. После разделения водной и органической фазы гексановый слой (раствор X) отобрали и измерили его оптическую плотность при длине волны 247 нм относительно чистого гексана.

Также приготовили серию стандартных растворов 1–5: для этого к образцам воды по 200 мл добавили известное количество чистого стирола и провели экстракцию 10,0 мл гексана аналогичным образом, их оптическую плотность измерили.

Используя данные таблицы 1, определите массовую долю в процентах остаточного стирола в образце полистирола с точностью до тысячных, учитывая, что вода и гексан стирола не содержали, органические примеси в экстракте из полимера не поглощают излучение при выбранной длине волны. Сравните результат с допустимым значением 0,05%.


Раствор	Масса добавленного стирола, мг	Оптическая плотность
1	0,004	0,050
2	0,008	0,099
3	0,010	0,124
4	0,014	0,174
5	0,020	0,248
\(X\)		0,180

Решение

Рис. 1.15.

Зависимость оптической плотности экстракта связана с концентрацией вещества линейно по закону Бугера – Ламберта – Бера, а поскольку объемы растворов одинаковы, то это можно применить и к массе стирола: \[A=\varepsilon lc= \frac{\varepsilon l}{V} m=km,\] где \(k\) — некоторый коэффициент. Коэффициент \(k\) определим с помощью построения графика, рис. 1.15.

\(k = 12{,}43\) г\(^{-1}\), откуда масса стирола в экстракте \(X\) составляет: \[m=\frac{0{,}185}{12{,}43}=0{,}015~\text{г},\] то есть массовая доля стирола в полистироле составляет: \[\omega=\frac{0{,}015}{35{,}200}=0{,}042\%.\]

Ответ

\(0{,}042\pm 0{,}001\).

Условие
Цифрами 1–4 обозначены инфракрасные спектры пропускания: по оси ординат приведены значения оптической плотности, по оси абсцисс — волновые числа в обратных сантиметрах (см\(^{-1}\)). Сопоставьте инфракрасные спектры и соответствующие им полимеры, используя представленные структурные формулы полимеров. В ответе укажите последовательность букв, отвечающую полимерам.

ИК-спектры:
- Спектр 1
- Спектр 2
- Спектр 3
- Спектр 4
Полимеры:
1. Полистирол (ПС).
2. Полиакриловая кислота (ПАК).
3. Полиэтилентерефталат (ПЭТФ).
4. Полипропилен (ПП).
Решение

Характерными полосами поглощения в данном случае являются интенсивная широкая полоса 2800–3600 см\(^{-1}\) (О–Н группа), 2900 см\(^{-1}\) (С–Н группа), 1650–1750 см\(^{-1}\) (С=О группа), 700 см\(^{-1}\) (фенильная группа). Таким образом, для первого полимера ожидается полоса фенильной группы, для второго ОН и СО полосы, для третьего — СО, для четвертого — СН.

Ответ

CBAD.

Задача 1.7.(10 баллов)

Введение в нефтехимию. Тест

Темы: получение полимеров, анализ строения полимера, способы переработки нефти

Назовите химические способы переработки нефти.
1. Пиролиз.
2. Фракционирование.
3. Перегонка.
4. Каталитический крекинг.
Ответ

A, D.
Наилучшую детонационную устойчивость имеет бензин с октановым числом:
1. 50,
2. 96,
3. 75,
4. 82.
Ответ

B (чем больше, тем устойчивее топливо).
Для каких из процессов характерны самые высокие температуры?
1. Фракционирование.
2. Каталитический крекинг.
3. Термический крекинг.
4. Пиролиз.
Ответ

C, D.
В термическом крекинге из молекулы алкана может получиться (при условии образования лишь двух продуктов):
1. алкан и алкен,
2. алкан и алкан,
3. алкан и бензол,
4. два циклоалкана.
Ответ

A.

Задача 1.8.(16 баллов)

Поиск и анализ научной литературы. Тест

Тема: анализ научной литературы

Условие

Используя поиск в интернете, ознакомьтесь со статьей и выберите НЕВЕРНЫЕ утверждения:

Рыжикова И. Г., Волков А. М., Бауман Н. А., Казаков Ю. М., Вольфсон С. И. Исследование физико-механических свойств смесей ПП/СКЭПТ, модифицированных пероксидом и системой пероксид/ТМПТА // Вестник Казанского технологического университета. 2013. №10.
1. Все примененные составы модифицирующих систем показали увеличение показателя текучести расплава композиции по сравнению с немодифицированной системой ПП/СКЭПТ.
2. Молекулярная масса используемого СКЭПТ оказывает влияние на ударную вязкость композиции ПП/СКЭПТ.
3. Большее относительное удлинение при разрыве показывают композиции с низкомолекулярным СКЭПТ.
4. Одним из факторов, оказывающим влияние на свойства композиций, модифицированных триметилолпропантриакрилатом, является ускорение сшивания звеньев полипропилена и этилен-пропиленового каучука.
Ответ

D.
Условие

Используя поиск в интернете, ознакомьтесь со статьей и выберите ВЕРНОЕ утверждение:

DOI статьи 10.1016/j.polymer.2020.122341
1. Использовалась сверточная нейронная сеть, оперирующая непосредственно кодами SMILES в качестве входных данных.
2. Относительные ошибки и для обучающего, и для тестового наборов данных составили около 6%.
3. В функции потерь авторы применяют среднеквадратичную ошибку между предсказанными и реальными температурами стеклования.
4. Для генерации предсказания с помощью полученной модели необходимо использовать следующие входные данные для каждого прогнозируемого образца: химическая структурная формула, молекулярно-массовое распределение, температура стеклования.
Ответ

B.

Задача 1.9.(7 баллов)

Регрессионный анализ в Excel. Задача

Тема: регрессионный анализ

Условие

В реакторе при контролируемом давлении газообразного мономера проводили реакцию полимеризации. В ходе исследования кинетики процесса были получены следующие данные, см. таблицу 2.


Время, ч	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
\(P_t\), кПа	126	110,7	102,2	87,6	67,8	44,4	27,2	17,9

Известно, что рост полимерной цепи связан с давлением мономера и описывается уравнением нулевого порядка: \[P_t = P_0 - k \cdot t.\]

Используя регрессионный анализ, рассчитайте константу скорости реакции роста цепи полимера в килопаскалях в час с точностью до одного знака после запятой.

Решение

Сделаем необходимые расчеты в Excel: используя диаграмму, построим линию тренда по полученным точкам и найдем значения коэффициентов полученной функции. Красным на рис. 1.16 выделено значение константы в килопаскалях в час.

Рис. 1.16.

Ответ

\(32{,}6 \pm 0{,}1\) кПа/ч.