SLOVENSKÁ KOMISIA CHEMICKEJ OLYMPIÁDY

Transkript

1 SLOVENSKÁ KOMISIA HEMIKEJ OLYMPIÁDY HEMIKÁ OLYMPIÁDA 49. ročník, školský rok 2012/2013 Kategória B Krajské kolo TEORETIKÉ A PRAKTIKÉ ÚLOHY

2 ÚLOHY ZO VŠEOBENEJ A ANORGANIKEJ HÉMIE hemická olympiáda kategória B 49. ročník školský rok 2012/2013 Krajské kolo Juraj Bujdák Maximálne 40 bodov Doba riešenia: 80 minút Úloha 1 (17 b) Najjednoduchšou aminokyselinou je glycín (kyselina aminooctová). Jej štruktúrny molekulový vzorec je: N O O H Molekula glycínu má jednu aminoskupinu - N a jednu karboxylovú skupinu -OOH. Obe skupiny reagujú vo vode podobne, ako samostatné molekuly kyseliny octovej a amoniaku. Hodnota pk a kyseliny octovej je 4,74 a pk a amónneho katiónu je 9,24. Pre analogické funkčné skupiny glycínu hodnoty pk a konštánt sú 2,35 a 9,78. a. Napíšte rovnice chemických reakcií molekúl: (i) kyseliny octovej, (ii) amoniaku a (iii) glycínu vo vode (neutrálne ph) vyjadrujúce acidobázické vlastnosti týchto látok, resp. ich funkčných skupín. (Poznámka: Reakciou molekuly aminokyseliny vzniká zwitterión, t.j. obojaký ión.) b. Nakreslite molekulový štruktúrny vzorec vznikajúceho zwitteriónu (obojakého iónu) glycínu. c. Priraďte, ktorým funkčným skupinám molekuly resp. zwitteriónu glycínu patria hodnoty pk a 9,78 a 2,35. d. Nakreslite štruktúrne vzorce iónov glycínu, ktoré existujú v silne zásaditých a silne kyslých vodných roztokoch. e. Porovnajte silu kyseliny octovej s kyslými vlastnosťami karboxylovej skupiny molekuly glycínu. Podobne porovnajte silu zásady amoniaku so zodpovedajúcou 1

3 funkčnou skupinou v molekule glycínu. Zdôvodnite porovnania na základe pk a hodnôt. f. Porovnajte, ktorá z uvedených aminokyselín bude mať výrazne kyslejšie, ktorá výrazne zásaditejšie vlastnosti ako glycín a ktorá sa bude acidobázickými vlastnosťami najmenej líšiť od glycínu. N O H O H 3 N H O N H O N H O O H O H O H Úloha 2 (9 b) Vo vysokej peci pri výrobe železa prebieha mnoho chemických reakcií. Časť vznikajúceho oxidu uhličitého môže reagovať s uhlíkom vo forme koksu alebo uhlia pri teplotách >1100 K, pričom vzniká oxid uhoľnatý. a. Napíšte rovnicu chemickej reakcie uhlíka s oxidom uhličitým. b. Vypočítajte molárnu entalpiu reakcie uhlíka s oxidom uhličitým pričom máme k dispozícii molárne entalpie nasledovných čiastkových dejov z úlohy zo školského kola: I. (s)+ 1/2 O 2 (g) O (g) -283,0 kj mol -1 II. O (g)+ 1/2 O 2 (g) O 2 (g) -110,5 kj mol -1 III. (s)+ O 2 (g) O 2 (g) -393,5 kj mol -1 Úloha 3 (14 b) hrómanový anión sa protonizuje v kyslom prostredí pričom v reakčnej rovnováhe vzniká hydrogénchrómanový anión prípadne až molekula nábojovo neutrálnej kyseliny chrómovej. Okrem protolytickej reakcie, reakcia s niektorými minerálnymi kyselinami môže viesť ku kondenzačnej reakcii, pričom vzniká dichrómanový anión. 2

4 Sú však aj prípady, keď vznikajú iné produkty. hrómany s kyselinou chlórovodíkovou reagujú tak, že dochádza k substitúcii OH - skupiny v protonizovanom anióne skupinou l -. a. Napíšte rovnice chemických reakcií chrómanového aniónu s kyselinou za vzniku hydrogénchrómanu a v ďalšom stupni za vzniku kyseliny chrómovej. Rovnice napíšte v iónovom tvare. b. Napíšte rovnicu kondenzačnej reakcie vzniku dichrómanu z hydrogénchrómanu v iónovom tvare. c. Napíšte chemický vzorec iónu produktu, ktorý vzniká reakciou chrómanového aniónu s kyselinou chlórovodíkovou. d. Pre porovnanie nakreslite štruktúrne molekulové vzorce hydrogénchrómanového a chlórchrómanového aniónu. e. Experimentom sa dokázalo, že dichrómany vznikajú v roztoku zriedenej kyseliny dusičnej. V zmesi kyseliny dusičnej a dusičnanu olovnatého však dichrómany nevznikajú. Pokúste sa vysvetliť prečo. Popíšte, čo možno pozorovať v reakčnej sústave zmesi kyseliny dusičnej a dusičnanu olovnatého a chromanu draselného. f. Pre dichrómany a chrómany sa zistili nasledovné parametre vzhľadom na ich redox vlastnosti: r 2 O H + + 6e - 2r O ro O + 3e - r(oh) 3 + 5OH - E 0 = 1,33 V E 0 = -0,13 V Porovnajte ich oxidačné vlastnosti a napíšte, pri akom ph sa tieto vlastnosti uplatňujú. 3

5 ÚLOHY Z ORGANIKEJ HÉMIE hemická olympiáda kategória B 49. ročník školský rok 2012/2013 Krajské kolo Martin Walko Maximálne 20 bodov Doba riešenia: 60 minút Úloha 1 (4,8 b) Z nasledujúcich reakcií vyberte šesť takých, ktoré sú rozhodujúce počas radikálovej bromácie etánu. Vybrané reakcie priraďte k jednotlivým fázam reakčného mechanizmu. Do odpoveďového hárku uveďte písmená ktorými sú reakcie označené. A) H + Br-Br HBr + Br B) H + H 3 - H 3 -H 3 ) H + Br HBr D) H + H E) Br + H 3 -H 3 Br- -H 3 + H F) Br-Br 2 Br G) Br + H 3 -H 3 HBr + H 3 - H) Br + Br Br 2 I) Br + H 3 - H 3 - -Br J) H 3 -H 3 2 H 3 K) H 3 -H 3 H H L) H 3 + Br-Br H 3 -Br + Br M) H Br-Br H 3 - -Br + Br N) 2 H 3 - H H 3 4

6 Úloha 2 (2 b) a) Prečo je prvým stupňom pri chlorácii alkánov disociácia väzby molekuly l 2? A. Molekula l 2 dobre absorbuje UV svetlo. B. l 2 ma v zmesi najväčšie zastúpenie.. Väzba l-l má v zmesi najnižšiu disociačnú energiu. D. Radikály l sú veľmi stabilné. b) Koľko elektrónov má radikál chlóru vo valenčnej vrstve A. 5 B D. 17 Úloha 3 (7,2 b) a) Napíšte počet monochlór-, dichlór- a brómchlór-derivátov (neuvažujte stereoizoméry) propánu, 2-metylpropánu, cyklobutánu a 2,2-dimetylpropánu. b) Napíšte štruktúrne vzorce tých derivátov propánu a 2-metylpropánu z úlohy 3a), ktoré sa môžu vyskytovať vo forme stereoizomérov. Úloha 4 (6 b) Ak je pomer rýchlostí radikálovej chlorácie väzby -H na primárnom:sekundárnom:terciárnom atóme uhlíka 1:4:5, aký bude pomer monochlórderivátov izolovaných po radikálovej chlorácii 2-metylbutánu? Do tabuľky vpíšte názvy vznikajúcich monochlórderivátov. Ako výsledok uveďte pre každý derivát jeho percentuálne zastúpenie v zmesi. Stereochémiu neberte do úvahy. Zapíšte aj postup riešenia ako ste k výsledku dospeli. 5

7 PRAKTIKÉ ÚLOHY Z ANALYTIKEJ HÉMIE hemická olympiáda kategória B 49. ročník školský rok 2012/13 Krajské kolo Pavel Májek Maximálne 40 bodov Doba riešenia: 135 minút Stanovenie obsahu glukózy v hroznovom cukre (12 bodov) Pracovný postup Presne 1-1,5 g vzorky hroznového cukru sa rozpustí v kadičke, kvantitatívne prenesie do 250 cm 3 odmernej banky a doplní po značku deionizovanou O. Zmiešaním roztokov Fehlig I a Fehlig II v pomere 1:1 si v kadičke pripravíme 50 cm 3 čerstvého Fehligoveho činidla. Roztok KI potrebný pri stanovení pripravíme tak, že 3 g KI rozpustíme v 15 cm 3 vody. Do dvoch titračných baniek odpipetujeme 5 cm 3 vzorky. V tretej si pripravíme slepý pokus: 5 cm 3 vzorky nahradíme deionizovanou O. Do všetkých troch titračných baniek pridáme pipetou 10 cm 3 Fehligovho činidla, odmerným valcom 25 cm 3 deionizovanej O a varné kamienky. Banky s roztokmi zahrejeme do varu a necháme 2 minúty vrieť. Po prudkom ochladení studenou vodou do každej titračnej banky pridáme 5 cm 3 roztoku KI a 5 cm 3 zriedenej SO 4 (1:4). Po premiešaní titrujeme štandardným roztokom Na 2 S 2 O 3 do svetložltého zafarbenia. Potom pridáme 1 cm 3 škrobového indikátora a dotitrujeme do zmeny indikátora ( biela káva, ktorej farba sa už pridaním titračného činidla nemení). Za rovnakých podmienok titrujeme aj druhú banku so vzorkou a slepý pokus. Zo spotrieb oboch titrácií vzoriek zistíme priemernú spotrebu Na 2 S 2 O 3. Vypočítame rozdiel medzi spotrebou pri slepom pokuse a priemernou spotrebou pri vzorke. Pomocou Schoorlovej tabuľky určíme množstvo glukózy vo vzorke. Pozn.: Nevylejte varné kamienky do výlevky pri čistení titračných baniek!!! 6

8 Úloha 1 (3 b) Napíšte chemické reakcie stanovenia (v iónovom tvare). Úloha 2 (3 b) Vysvetlite, prečo vylúčený jód ako nepolárna látka je rozpustený v titrovanom (vodnom) roztoku? Úloha 3 (3 b) Vysvetlite princíp indikácie pomocou škrobového indikátora. Úloha 4 (2 b) Vysvetlite, prečo je potrebné stanovenie zopakovať. Úloha 5 (2 b) Vysvetlite, prečo pri výpočte použijeme priemernú hodnotu spotreby titračného činidla. Úloha 6 (8 b) Vypočítajte obsah glukózy v hroznovom cukre. Úloha 7 (3 b) Vypočítanú hodnotu porovnajte so skutočnou hodnotou, vypočítajte absolútnu a relatívnu chybu (v %) a uveďte množstvo glukózy vo vzorke hroznového cukru (v mg) spolu s relatívnou chybou. Úloha 8 (4 b) Vysvetlite, prečo sa pri kvantitatívnom stanovení glukózy jodometricky podľa Schoorla používajú tabelované hodnoty. Pomôcky Byreta 25 cm 3, 3 titračné banky 250 cm 3, odmerná banka 250 cm 3, 2 kadičky 50 cm 3, kadička cm 3, odmerné valce 25 cm 3 a 5 cm 3, strička, sklenená tyčinka, byretový lievik, laboratórny stojan, svorka, lapák, varné kamienky. 7

9 hemikálie a roztoky Vzorka hroznového cukru, štandardný roztok pentahydrátu tiosíranu sodného, roztoky Fehling I a Fehling II, kyselina sírová (1:4), jodid draselný, škrobový indikátor, deionizovaná voda. Príloha: Schoorlova tabuľka 8

10 Schoorlova tabuľka 0,1 mol dm -3 Na 2S 2O 3 cm 3 glukóza mg 0,1 mol dm -3 Na 2S 2O 3 cm 3 glukóza mg 0,1 mol dm -3 Na 2S 2O 3 cm 3 glukóza mg 0,1 mol dm -3 Na 2S 2O 3 cm 3 glukóza mg 0,1 0,3 3,1 9,8 7,1 22,7 9,1 29,3 0,2 0,7 3,2 10,1 7,2 23,0 9,2 29,6 0,3 1,0 3,3 10,4 7,3 23,3 9,3 30,0 0,4 1,3 3,4 10,7 7,4 23,7 9,4 30,3 0,5 1,6 3,5 11,0 7,5 24,0 9,5 30,6 0,6 1,9 3,6 11,4 7,6 24,3 9,6 31,0 0,7 2,2 3,7 11,7 7,7 24,6 9,7 31,3 0,8 2,5 3,8 12,0 7,8 24,9 9,8 31,6 0,9 2,8 3,9 12,3 7,9 25,2 9,9 31,9 1,0 3,2 4,0 12,6 8,0 25,6 10,0 32,3 1,1 3,5 5,1 16,3 7,1 22,7 10,1 32,7 1,2 3,8 5,2 16,6 7,2 23,0 10,2 33,0 1,3 4,1 5,3 16,9 7,3 23,3 10,3 33,3 1,4 4,4 5,4 17,2 7,4 23,7 10,4 33,7 1,5 4,7 5,5 17,6 7,5 24,0 10,5 34,0 1,6 5,0 5,6 17,9 7,6 24,3 10,6 34,3 1,7 5,3 5,7 18,2 7,7 24,6 10,7 34,6 1,8 5,6 5,8 18,5 7,8 24,9 10,8 35,0 1,9 5,9 5,9 18,9 7,9 25,2 10,9 35,3 2,0 6,3 6,0 19,2 8,0 25,6 11,0 35,7 2,1 6,6 6,1 19,5 8,1 25,9 11,1 36,0 2,2 6,9 6,2 19,8 8,2 26,2 11,2 36,3 2,3 7,2 6,3 20,0 8,3 26,6 11,3 36,7 2,4 7,5 6,4 20,5 8,4 26,9 11,4 37,0 2,5 7,8 6,5 20,8 8,5 27,3 11,5 37,3 2,6 8,1 6,6 21,1 8,6 27,6 11,6 37,6 2,7 8,5 6,7 21,4 8,7 28,0 11,7 38,0 2,8 8,8 6,8 21,8 8,8 28,3 11,8 38,3 2,9 9,1 6,9 22,1 8,9 28,6 11,9 38,7 3,0 9,4 7,0 22,4 9,0 28,9 12,0 39,0 Autori: RNDr. Juraj Bujdák, PhD., Ing. Pavel Májek, PhD., (vedúci autorského kolektívu), RNDr. Martin Walko Recenzenti: doc. RNDr. Milan Hutta, PhD., doc. RNDr. Martin Putala, PhD., prof. RNDr. Peter Schwendt, DrSc. Vydal: IUVENTA, Slovenský inštitút mládeže, Bratislava