45. ročník. ŠKOLNÍ KOLO kategorie D. Národní institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Ústřední komise Chemické olympiády

Transkript

1 Národní institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Ústřední komise Chemické olympiády 45. ročník ŠKOLNÍ KOLO kategorie D ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH

2 Národní institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Ústřední komise Chemické olympiády 45. ročník ŠKOLNÍ KOLO kategorie D ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH

3 Brožura byla vytištěna za podpory sponzorského daru firmy BASF Slovensko spol. s r. o. Kolektiv autorů (jmenovitě viz zadní část obálky) 45. ročníku Chemické olympiády NIDM MŠMT ČR ISBN:

4 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Úloha 1 Reaktivita halogenů 8 bodů 1. Cl NaBr Br NaCl za chemickou rovnici 1 bod, Reakce by probíhala podobně. za odpověď 1 bod 2. NaCl + AgNO 3 AgCl + NaNO 3 Bílá sraženina chloridu stříbrného časem černá (vlivem fotonů slunečního záření), protože se z ní vylučuje stříbro. Této vlastnosti se využívá ve fotografii. za chemickou rovnici 1 bod, za vysvětlení 2 body 3. 3 Cl KOH KClO KCl + 3 H 2 O Chlorečnany jsou silná oxidační činidla. Může jít také o zdroj kyslíku. za chemickou rovnici 2 body, za odpověď 1 bod Úloha 2 Naleznete chybné údaje o fluoru? 9 bodů Chybný výraz Není jedovatý Je hlavní složkou krve Nejtěžší halový prvek Nejmenší elektronegativitu Nejméně reaktivní Fluor lze vytěsnit chlorem Ve sloučeninách má oxidační číslo I a V Nejsilnější halogenovodíková kyselina Fluorid křemitý Správný výraz Je jedovatý Je obsažen v zubech a kostech Nejlehčí halový prvek Největší elektronegativitu Nejvíce reaktivní Fluor nelze vytěsnit chlorem Ve sloučeninách nemá oxidační číslo V Nejslabší halogenovodíková kyselina Fluorid křemičitý za správně podtržený chybný výraz à 0,5 bodu za správný výraz à 0,5 bodu za každý chybný údaj 0,5 bodu odečíst Úloha 3 Atom chloru 4 bodů 1. Model atomu chloru. jádro atomu elektron Obrázek 1: Model atomu chloru. 3

5 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/ Chloridový anion vznikne přijetím jednoho elektronu do třetí hladiny elektronového obalu, která je potom zcela zaplněna, a získá tím mimořádně stabilní strukturu elektronového obalu vzácného plynu argonu. za každou správnou odpověď à 2 body, celkem 4 body Úloha 4 Obsah chloru ve sloučeninách 9 bodů Sloučenina Hmotnostní zlomek Pořadí Triviální název NaClO 3 33,3 % 1. Travex NaCl 60,6 % 3. Sůl kamenná, halit, sůl kuchyňská CaOCl 2 55,9 % 2. Chlorové vápno Výpočet: CaOCl 2... w = 55,9 % NaClO 3... w = 33,3 % NaCl... w = 60,6 % Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení. za správný výpočet à 1,5 bodu, tj. celkem 4,5 bodu, za správné pořadí à 0,5 bodu, tj. celkem 1,5 bodu, za triviální názvy à 1 bod, celkem 3 body Úloha 5 Reakce chloru s vodíkem 7 bodů 1. Cl 2 + H 2 2 HCl 2. V(H2):V(Cl2):V(HCl) = 1:1:2, poměr objemů je 1:1:2. 3. Celkový objem se nemění (HCl) 40 dm 3 V ( Cl2 ) = V = = 20 dm 2 2 K výrobě 40 dm 3 chlorovodíku je potřeba 20 dm 3 chloru. n( HCl) = 2 :1 5. n( H 2) n(hcl) = 2n(H 2 ) 2m(H 2 ) g n( HCl) = = = 1000 mol 1 M (H 2 ) 2,0 g mol Látkové množství chlorovodíku, které lze získat z 1 kg vodíku, je 1000 mol. Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení. za chemickou rovnici 1 bod, za odpovědi na otázky à 1 bod, celkem 3 body, za výpočet 5. otázku 2,5 bodů, za odpověď 0,5 bodu 4

6 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 Úloha 6 Kyselina chlorovodíková 11 bodů 1. m 1 = V 1 ρ = 100 cm 3 1,184 g cm 3 = 118,4 g Hmotnost použité kyseliny je 118,4 g. 2. m HCl = w 1 m1 = 0, ,4 g = 43,808 g Hmotnost chlorovodíku obsaženého v kyselině chlorovodíkové je 43,808 g. 3. mv = V V ρv = 100 cm 3 0,998 g cm 3 = 99,8 g Hmotnost vody je 99,8 g. 4. m 2 = m 1 + mv = 118,4 g + 99,8 g = 218,2 g Hmotnost vzniklého roztoku je 218,2 g. mhcl 43,808 g 5. w2 = = = 0,2008 = 20,08 % 20,1 % m 218,2 g 2 Hmotnostní zlomek chlorovodíku ve vzniklé kyselině chlorovodíkové je přibližně 20,1 %. Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení. za výpočet příkladu a) d) à 1,5 bodu, za odpovědi příkladu à 0,5 bodu. celkem 8 bodů, za výpočet příkladu e) 2,5 bodu, za odpověď 0,5 bod. celkem 3 body Úloha 7 Solanka 7 bodů 1. Elektrolýzou solanky lze připravit jako základní látky chlor, vodík, hydroxid sodný. Při reakci vznikají také jako vedlejší produkty chlornan sodný a chlorečnan sodný. za každý základní určený produkt 1 bod, tj. celkem 3 body 2. Kladná grafitová elektroda = anoda, vylučuje se na ní chlor. Záporná železná elektroda = katoda, vylučuje se na ní vodík. za každou dílčí odpověď 0,5 bodu, tj. celkem 1 bod 3. Na anodě: 2 Cl Cl e, na katodě: 2 H 2 O + 2 e H OH, také lze uznat H + + e H, popř. 2 H 3 O e H H 2 O. za každou správnou rovnici 1 bod, tj. celkem 2 body 4. Na kladné grafitové elektrodě, tj. na anodě dochází k oxidaci, protože se anion chloru oxiduje na chlor v základním stavu. za správnou odpověď 1 bod 5

7 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 Úloha 8 Solné halogenidy 5 bodů 1. Pro solné halogenidy je typická iontová vazba. 1 bod 2. Za solné halogenidy lze považovat: CaF 2, NaI, KBr, BaCl 2. za každý správně určený solný halogenid 0,5 bodu, tj. celkem 2 body, za nesprávně určený solný halogenid 0,5 bodu odečíst 3. Solné halogenidy lze připravit reakcí alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin (popř. jejich oxidů) s HX, neutralizací hydroxidu alkalického kovu nebo kovu alkalických zemin s HX, přímou syntézou prvků, rozpouštěním kovu v kyselině HX, reakcí uhličitanů s HX apod. za každou správnou možnost 1 bod, maximálně celkem 2 body 6

8 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úloha 1 Důkazy halogenidových aniontů 34 bodů Za každou správně vyplněnou buňku tabulky 0,5 bodu. Barevné cítění je individuální a je možné tolerovat drobné odchylky v popisu zbarvení sraženin a roztoků. Za každou správně zapsanou a vyčíslenou rovnici 2 body. Lze uznat také iontové zápisy rovnic. Za správné doplnění věty 2 body. max. 18 bodů max bodů max. 2 body Úloha 2 Důkaz citlivosti chloridu stříbrného na světlo 6 bodů Za správný popis pozorovaných změn 2 body. Za správné vysvětlení použití 4 body. max. 2 body max. 4 body 7

9 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 Úloha 1 Důkazy halogenidových aniontů 34 body 1. Doplňte tabulku. Přidávané činidlo dusičnan stříbrný beze změn bílá sraženina zředěný amoniak Halogenidový anion F Cl Br I beze změn rozpuštění sraženiny nažloutlá sraženina beze změn (zesvětlení) žlutá sraženina beze změn vzorec vznikající sraženiny AgCl AgBr AgI dusičnan vápenatý bezbarvá sraženina beze změn beze změn beze změn vzorec vznikající sraženiny CaF2 SAVO beze změn beze změn beze změn kyselina octová beze změn beze změn benzin beze změn beze změn žlutohnědé zbarvení žlutohnědé zbarvení benzinové vrstvy chlorid železitý beze změn beze změn beze změn žlutohnědé zbarvení zbarvení zesílí fialové zbarvení benzinové vrstvy žlutohnědé zbarvení 2. Napište rovnice srážecích reakcí. 18 bodů fluoridový anion: 2 NaF + Ca(NO 3 ) 2 CaF NaNO 3 chloridový anion: NaCl + AgNO 3 AgCl + NaNO 3 bromidový anion: KBr + AgNO 3 AgBr + KNO 3 jodidový anion: KI + AgNO 3 AgI + KNO 3 8 bodů 3. Napište rovnice probíhajících reakcí s roztokem desinfekčního prostředku SAVO (považujte SAVO za roztok chloru ve vodě) a s roztokem chloridu železitého. 2 KBr + Cl 2 Br KCl 2 KI + Cl 2 I KCl 2 FeCl KI I FeCl KCl 6 bodů 4. Po přidání roztoku bramborového škrobu k roztoku jodové tinktury nebo roztoku desinfekčního prostředku JODISOL se obsah zkumavky zbarvil modře. 2 body 8

10 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 Úloha 2 Důkaz citlivosti chloridu stříbrného na světlo 6 bodů 1. Popište změny, ke kterým došlo na filtračním papíře po osvětlení světlem. Po sejmutí předmětu je vidět jeho bílý obraz na fialově zbarveném okolí. 2 body 2. Vysvětlete, k jakým účelům byl děj pozorovaný na filtračním papíru dříve používán. Pozorovaný děj je podstatou klasické černobílé fotografie. 4 body celkem 40 bodů 9

11 Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 POKYNY PRO PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁSTI Pomůcky: stojan se zkumavkami, filtrační papír, pipeta s balónkem (popř. odměrná zkumavka), 2 Petriho misky, plastová pinzeta k máčení filtračního papíru v roztoku AgNO 3 (úloha 2), plochý neprůhledný předmět např. klíč, papírové písmenko z kartonu apod., kartáček/štětka na čištění zkumavek (1 ks pro společné použití). Chemikálie a roztoky: roztoky halogenidových aniontů (c = 0,1 mol dm 3 ), tj. 4,20 g NaF; 5,84 g NaCl; 11,9 g KBr; 16,6 g KI *, roztok AgNO 3 (c = 0,05 mol dm 3 ), tj. 8,50 g AgNO 3 *, roztok Ca(NO 3 ) 2 (c = 0,1 mol dm 3 ), tj. 16,4 g Ca(NO 3 ) 2 nebo 23,6 g Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O *, roztok amoniaku koncentrovaný amoniak zředěný 1:10, 8% ocet nebo 8% roztok kyseliny octové, roztok FeCl 3 (c = 0,1 mol dm 3 ); tj. 16,2 g FeCl 3 nebo 27,0 g FeCl 3.6H 2 O * ; roztok bramborového škrobu; 2 g bramborového škrobu rozmíchat v malém množství studené destilované vody a suspenzi vlít za míchání do asi 500 cm 3 vařící destilované vody. Je vhodné roztok za tepla zfiltrovat přes řídký filtr nebo filtrací za sníženého tlaku (ale pro dané užití ve školním kole to není nutné), roztok SAVO komerční roztok zředěný 1:20 (vyhověl Savo-Original i Savo-Prim, nevhodný je gelovitý Savo-Razant a pozor, existuje i Savo bez chloru je též nevhodný!), lékárenský benzin, jodisol nebo jodová tinktura (roztok jodu v ethanolu). Navážku vždy rozpouštějte destilovanou vodou v baňce o objemu 1000 cm 3 a doplňte po značku podle přesných analytických postupů. V případě zřetelných známek hydrolýzy je nutné roztok okyselit malým množstvím HCl. 10

12 Kontrolní test školního kola ChO kat. D 2008/2009 KONTROLNÍ TEST ŠKOLNÍHO KOLA (60 bodů) Časová náročnost: 60 minut Přípustné pomůcky: kalkulačka Úloha 1 Oxidační čísla chloru 19 bodů 1. Určete oxidační čísla chloru v daných sloučeninách. Seřaďte sloučeniny podle stoupajícího oxidačního čísla chloru a vyřaďte tu sloučeninu, která neexistuje (neexistující oxidační číslo chloru). Existující sloučeniny pojmenujte systematickým názvoslovím. Výsledky zapište do tabulky. Uvažujte sloučeniny: Ca(ClO) 2 KCl Ca 2 Cl NaClO 3 Pořadí sloučenin Ox. číslo chloru Název sloučeniny Neexistující sloučenina: U existujících sloučenin podle zadání 1. vypočítejte hmotnostní zlomek chloru (v procentech), napište odpovědi a seřaďte sloučeniny podle stoupajícího hmotnostního zlomku. Při výpočtu použijte uvedených zaokrouhlených hodnot relativních atomových hmotností. Výsledky zapište do tabulky. Pořadí sloučenin w(cl) Prvek Na K Ca O Cl A r 23,0 39,1 40,1 16,0 35,5 Vybrané hodnoty relativních atomových hmotností. Úloha 2 Poznáte halogenidy? 9 bodů Podtrhněte sloučeniny, které nelze označit jako halogenidy a ty pojmenujte: NaBr OF 2 Cl 2 O SCl 2 KIO 3 SF 4 PCl 3 BrF 5 Mg(ClO 4 ) 2 11

13 Kontrolní test školního kola ChO kat. D 2008/2009 Úloha 3 Elektronová konfigurace atomu chloru 6 bodů 1. Částice je složena ze 17 protonů, 18 neutronů a 18 elektronů. Určete, o kterou částici se jedná. a) atom chloru, b) anion chloridový, c) kation chlorný. 2. Vyberte správnou elektronovou konfiguraci této částice: a) [Ne] 2s 2 2p 5, b) [Ne] 2s 2 2p 6, c) [Ne] 2s 2 2p Určete, jak se změní elektronová konfigurace této částice, jestliže se počet neutronů zvýší o dva. Úloha 4 Elektrolýza roztoku chloridu sodného 7 bodů Při elektrolýze vodného roztoku chloridu sodného se na jedné z dvojice elektrod (železné a grafitové) vylučuje vodík. 1. Vyberte správné tvrzení: a) na kladné elektrodě, tedy katodě, b) na záporné elektrodě, tedy katodě, c) na kladné elektrodě, tedy anodě, d) na záporné elektrodě, tedy anodě. 2. Uveďte, který prvek nebo sloučenina se vylučuje na druhé elektrodě? 3. Vyjádřete chemickou rovnicí děje na katodě. 4. Vyjádřete chemickou rovnicí děje na anodě. Úloha 5 Ředění a směšování roztoků 9 bodů Ve vodě o objemu 50 cm 3 bylo rozpuštěno 5,15 dm 3 chlorovodíku (měřeno za normálních podmínek). Vypočítejte hmotnostní zlomek chlorovodíku ve vzniklé kyselině chlorovodíkové. M(HCl) = 36,46 g mol 1, nezapomeňte na odpověď. Poznámka: Hustotu vody lze považovat za jednotkovou (ρ = 1 g cm 3 ). Úloha 6 Sloučenina bromu s vápníkem 10 bodů Brom se sloučil s vápníkem. Doplňte následující výroky, popř. vyberte podle nabídky v závorce. 1. Vzniklá sloučenina se bude nazývat Oxidační číslo bromu v této sloučenině bude Při této reakci se brom (oxiduje / redukuje) Brom zde vystupuje jako činidlo (oxidační / redukční) Vazba ve vzniklé sloučenině bude (iontová / kovalentní) Vzniklou sloučeninu lze považovat za sůl (ano / ne)... 12

14 Kontrolní test školního kola ChO kat. D 2008/2009 Poznámka: K vyřešení otázek potřebujete znát elektronegativity prvků: X(Ca) = 1,0, X(Br) = 2,9. ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA (60 bodů) Úloha 1 Oxidační čísla chloru 19 bodů 1. Pořadí sloučenin chloru podle oxidačního čísla. Pořadí sloučenin KCl Ca(ClO) 2 NaClO 3 Oxidační číslo chloru I I V Název sloučeniny chlorid draselný chlornan vápenatý chlorečnan sodný Neexistující sloučenina: Ca 2 Cl. Teoretické oxidační číslo chloru ve sloučenině je II, které není v tomto případě možné. za určení všech oxidačních čísel à 0,5 bodu, tj. celkem 2 body, za správné seřazení existujících sloučenin podle stoupajícího ox. č. 1,5 bodu, za vyloučení neexistující sloučeniny 1 bod, za každý správný název 1 bod, tj. celkem 3 body 2. Pořadí sloučenin podle hmotnostního zlomku chloru. Pořadí sloučenin NaClO 3 KCl Ca(ClO) 2 w(cl) 33,3 % 47,6 % 49,6 % 35,5 w ( Cl/NaClO3 ) = = 0,333 = 33,3 % (23,0 + 35, ,0) Hmotnostní zlomek chloru v chlorečnanu sodném je 33,3 %. 35,5 w ( Cl/KCl) = = 0,476 = 47,6 % (39,1 + 35,5) Hmotnostní zlomek chloru v chloridu draselném je 47,6 %. 2 35,5 w ( Cl/Ca(ClO) 2 ) = = 0,496= 49,6% (40, , ) Hmotnostní zlomek chloru v chlornanu vápenatém je 49,6 %. za každé správné určení hmotnostního zlomku 3 body, tj. celkem 9 bodů, za každou odpověď à 0,5 bodu, tj. celkem 1,5 bodu, za správné seřazení sloučenin podle stoupajícího hm. zlomku 1 bod Úloha 2 Poznáte halogenidy? 9 bodů Za halogenidy nelze považovat tyto sloučeniny: Cl 2 O (oxid chlorný), KIO 3 (jodičnan draselný), Mg(ClO 4 ) 2 chloristan hořečnatý. za každé správné určení 2 body, tj. celkem 6 bodů, za správné pojmenování sloučenin 1 bod, tj. celkem 3 body, za špatnou odpověď (výběr sloučenin, které nelze považovat za halogenidy) 2 body odečíst 13

15 Řešení kontrolního testu školního kola ChO kat. D 2008/2009 Úloha 3 Elektronová konfigurace atomu chloru 6 bodů 1. Anion chloridový. 2. Správná odpověď je b). 3. Nezmění se, jedná se pouze o jiný izotop chloru. za každou správnou odpověď à 2 body, tj. celkem 6 bodů Úloha 4 Elektrolýza roztoku chloridu sodného 7 bodů 1. Vodík se vylučuje na katodě, tj. na záporné elektrodě. Tedy za b). 2 body 2. Na druhé elektrodě (anodě) se vylučuje molekulový chlor. 1 bod 3. Chemická reakce na katodě: 2 H 2 O + 2 e H OH, popř. 2 H 3 O + + 2e H 2 +2 H 2 O, 2 H e H Chemická rovnice na anodě: 2 Cl + 2 e Cl 2 za obě rovnice na elektrodách à 2 body, celkem 4 body Úloha 5 Ředění a směšování roztoků 9 bodů 3 5,15 dm n ( HCl) = = 0,230 mol ,4 dm mol m(hcl) = n(hcl) M(HCl) = 0,230 mol 36,46 g mol 1 = 8,386 g. 8,386 g w ( HCl) = = 0,1436 = 14,36 % (50 g + 8,386 g) Hmotnostní zlomek chlorovodíku je 14,36 %. Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení. za správný výpočet 8,5 bodu za odpověď 0,5 bodu Úloha 6 Sloučenina bromu s vápníkem 10 bodů 1. Vzniklá sloučenina se bude nazývat...bromid vápenatý 2. Oxidační číslo bromu v této sloučenině bude... I 3. Při této reakci se brom (oxiduje / redukuje)...redukuje 4. Brom zde vystupuje jako činidlo (oxidační / redukční)...oxidační 5. Vazba ve vzniklé sloučenině bude (iontová / kovalentní)...iontová 6. Vzniklou sloučeninu lze považovat za sůl (ano / ne)...ano za správnou odpověď a) b) 1 bod, tj. celkem 2 body za správnou odpověď c) f) 2 body, tj. celkem 8 bodů 14

16 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou Poznáte chemii jinak než jen jako vzorečky, reakce, výpočty a poučky. Zjistíte, že chemie může být i zábava. Dozvíte se mnoho zajímavostí z různých chemických oborů. Seznámíte se s partou lidí, kteří mají chemii stejně rádi jako Vy. KSICHT, to jsou netradiční úlohy, hříčky i úkoly k zamyšlení, výlety a soustředění plné přednášek, laboratoří, exkurzí, ale hlavně legrace a dobré pohody. A pro ty nejlepší z Vás máme připraveny hodnotné ceny! Zaujal Vás náš seminář? Řekněte si o něj u svého vyučujícího chemie nebo si ho stáhněte na našich stránkách. KSICHT.NATUR.CUNI.CZ První série začíná v říjnu. KSICHT@NATUR.CUNI.CZ

17 Poznámky: 16

18 Chemická olympiáda Autorská řešení soutěžních úloh kategorie D 45. ročník 2008/2009 Autoři kategorie D: Odborná recenze: Pedagogická recenze: Redakce: Vydal: RNDr. Miroslav Benátský, CSc., Mgr. Vladimír Smolka, doc. RNDr. Marie Solárová, Ph.D., prof. RNDr. Jan Tržil, CSc. Mgr. Karel Halfar PaedDr. František Lexa Bc. Ladislav Nádherný Národní institut dětí a mládeže MŠMT ČR ks ISBN: