E ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH

Transkript

1 Ústřední komise Chemické olympiády 47. ročník 00/0 KRAJKÉ KL kategorie A a E ŘEŠENÍ UTĚŽNÍCH ÚLH

2 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 TERETICKÁ ČÁT (60 BDŮ) I. ANRGANICKÁ CHEMIE Úloha Hydrazin jako raketové palivo 8,5 bodu. C(NH ) + NaCl + NaH N H 4 + H + NaCl + Na C 0,5 bodu. NH + NaCl N H 4 + H + NaCl; chloramin NH Cl 0,75 bodu. Z rovnice.: NH + NaCl N H 4 + H + NaCl, pro přípravu NaCl; NaH + Cl NaCl + NaCl + H ; m 0 nrt 0,658,4 9,5 n 0,65 mol ; V 5,04 dm Cl N H 4 M,05 p 0,5,5 bodu 4. H Cl -,5 bodu H N H 5. N H 4 N + H, N H 4 + N 4 N + 4 H. 0,75 bodu 6. N H 4 + N + H 0,5 bodu 7. H H, N N N + -, N N,5 bodu H H - N + 8. Hydrazin v reakci s dimerem oxidu dusičitého vystupuje jako redukovadlo. 0,5 bodu 9. 4 Ag + + N H H 4 Ag 0 + N + 4 H 0,5 bodu Této reakce lze využít k chemickému stříbření. 0,5 bodu Úloha Černý střelný prach použití v brokové munici 7,5 bodu. KN + + C K + N + C 74, n KN Látkové množství KN : n 7,06 mol,,5 mol 0,08 4,5 Látkové množství : n 4,9 mol,064 5, n Látkové množství C: n,59 mol, C 4,9 mol,0 Pro výpočet je limitující množství dusičnanu draselného, proto při výpočtu objemu uvolněných plynů použijeme látkové množství dusičnanu draselného. Podle vyčíslené rovnice ze dvou molů KN vzniknou čtyři moly plynných produktů (N + C ). 4 nkn RT 7,068,4 9,5 Vplynů 9,64 dm uvolněných plynů. body p 0,5. rh 7,06( 9,8) 7,06( 406,) 7,06( 494,5),06 mol kg body

3 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 7,06. Ve 8 g černého prachu je obsaženo: n KN 8 0,68 mol KN ; pro látkové množství vzniklých plynů (N + C ) platí, že se jich vyvíjí dvojnásobek (vztaženo k množství zrea- 000 govaného dusičnanu), tj. n = 0,56 56 mol plynů. Pro objem nábojnice platí V r v ( 0 ) 700 0, dm. nábojnice Tlak vypočteme ze stavové rovnice p plynů n 4 KN RT 0,688,4 (7,5 80) 0,44 GPa. V 0,06609,5 bodu

4 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 II. RGANICKÁ CHEMIE Úloha Neznámá látka 9,5 bodu. A kyselina pikrová, B fenol, C 4-hydroxybenzen-,-disulfonová kyselina (lze uznat i kyselina fenol-,4-disulfonová) H H H N H N H 4 HN H N fenol 4-hydroxybenzen-,-disulfonová kyselina,4,6-trinitrofenol uvedení reakce bod, pojmenování látek 0,5 bodu, celkem,75 bodu. Přímou nitrací fenolu nitrační směsí mohou vlivem jeho vysoké reaktivity vzniknout vedlejší produkty (oxidací, kondenzací, zpryskyřičnatěním apod.), znečišťující produkt a zmenšující výtěžek. bod. Například: Cl Cl H H N N N HN NaH HN N N N N uvedený postup přípravy kyseliny pikrové z chlorbenzenu,5 bodu, je možné uznat jakýkoliv jiný způsob dávající smysl 4. Pikran (pikrát) amonný a pikran olovnatý nacházejí použití např. v rozbuškách. N - N NH 4 + N - N Pb + N ; N uvedení vzorce 0,5 bodu, za uvedení názvu 0,5 b, za použití 0,5 bodu, celkem,5 bodu 5. Z důvodu reakce kovu s kyselinou pikrovou za vzniku pikrátů citlivějších vůči nárazu. 0,5 bodu

5 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 6. Kyselina pikraminová, redukce kyseliny pikrové sulfidem sodným. H H N N Na H N N N,4,6-trinitrofenol N -amino-4,6-dinitrofenol za uvedený postup přípravy kyseliny pikraminové, včetně uvedení redukovadla bod, za uvedení triviálního názvu 0,5 bodu, za systematický název 0,5 bodu, celkem,5 bodu 7. Přítomnost nitroskupin na jádře zvyšuje vlivem M mezomerního efektu polaritu vazby H v molekule kyseliny pikrové a tím tedy zvyšuje kyselost oproti fenolu. 0,5 bodu 8. Pikrylchlorid, rovnice přípravy je následující. H N N PCl 5 N Cl N N,4,6-trinitrofenol N -chlor-,,5-trinitrobenzen pojmenování 0,5 bodu, za uvedení rovnice 0,5 bodu Úloha Energeticky bohaté molekuly v atmosféře 6,5 bodu. A B C C za každou správnou strukturu 0,75 bodu, celkem,5 bodu. Trifluormethyl(fluorformyl)peroxykarbonát 0,5 bodu Lze uznat i jiný název, který vystihuje strukturu, např.: Trifluor({[(fluorformyl)peroxy]karbonyl}oxy)methan. Vznikají radikály následující struktury: P C P P P 4 C P 5 P 6 každý správně uvedený radikál 0,75 bodu, celkem 4,5 bodu 4

6 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 III. YZIKÁLNÍ CHEMIE Úloha RDX (Royal Demolition Explosive) a HMX (High Melting Point Explosive),5 bodu. Látka A je RDX, látka B je HMX. bod. A: (CH N-N ), 0,5 bodu B: (CH N-N ) 4. 0,5 bodu. Woolwichův postup H N 6 HN C H N C N 6 H. bod C Bachmannův postup CHCH C6HN4 4 HN NH4N 6 (CHC) CH6N66 CHCH. bod, celkem body 4. Rozklad látky A při nepřístupu kyslíku podle rovnice C H N C H. 0,5 bodu N Výpočet tepelného zabarvení reakceδ r H je proveden ze spalných tepel. Nejprve je třeba dopočítat spal H (C(g)). To je možné z Hessova zákona, protože spal H (C(s)) = H (C (g)). spal spal H C(g)) H(C(s)) H(C(g)) 8,0 kj mol 0,5 bodu ( spal H H (g)) H(H (l)) H(H (g l), 5 C) 44,00 kj mol 0,5 bodu H r ( spal i i i,sp H spalh(c(g)) spalh(h (g)) spalh(n (g)) spalh( A(s)) = 9 kj mol 0,5 bodu Rozklad látky B při nepřístupu kyslíku podle rovnice C4H8N88 4 C 4 H 4 N. 0,5 bodu Tepelné zabarvení reakce bude vypočítáno ze ovacích tepel. pět je třeba dopočítat ovací entalpii plynné vody pomocí Hessova zákona a spalné entalpie vodíku H H (g)) H(H (g)) H(H (l g), 5C) 4,8 kj mol 0,5 bodu H r ( spal spal i i i, H 4 H(C(g)) 4 H(H (g)) 4 H(N (g)) H( A(s)) = 5 kj mol. 0,5 bodu, celkem,5 bodu 5. Reakce probíhají podle rovnic A: CH6N66 C H N, B: C4H8N88 4 C 4 H 4 N. 0,5 bodu za obě rovnice Respektive pro empirický vzorec CH N (pouhé vykrácení rovnice počtem atomu uhlíku v molekule, vztaženo na jeden uhlík, C) CH. 0,5 bodu N C H N 5

7 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 Reakční entalpie vztažená na jeden uhlík ( C) je H( C(s)) H( B(s)) 5,75 kj mol. 4 rh(c) i i i, H(C(g)) H H( H(C (g)) (g)) 66, kj mol A potom tedy pro mol látky A a mol látky B A: H H(C) 98 kj mol r r H(H (g)) H(N (g)) 0,5 bodu B: H H(C) 644 kj mol 0,5 bodu r 4 r Porovnáním uvolněného tepla je vidět, že při přístupu kyslíku se uvolní téměř dvojnásobné množství energie. 0,5 bodu, celkem,5 bodu 6. Výpočet uvolněného tepla je opět zjednodušen, pokud si uvědomíme, že obsahuje pouze CH N. Není tedy nutné počítat hmotnost látky A a látky B v kg směsi. M CH N = 74,04 g mol Látkové množství těchto CH N v kg je m n,5 mol 0,5 bodu M CHN CHN Z jednoho molu se uvolní 66, kj energie. 0,5 bodu H m kg) n H(C) 8 98 kj 0,5 bodu, celkem,5 bodu ( CH N r 7. Podle předcházejících úvah spal 4 H ( B(s)) spalh( A(s)) 87 kj mol za správné považujte i jiné postupy vedoucí ke shodným výsledkům palná entalpie látky B je srovnatelná s publikovanou hodnotou, liší se o 0,50 0 %. bod 6

8 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 Úloha Inertní plyn helium,5 bodu. Van der Waalsovu rovnici můžeme zapsat v následujícím tvaru p a V V b RT / bod m m Molární objem V m vypočítáme pomocí objemu nádoby, známé hmotnosti helia m a atomové hmotnosti helia A He. V VAHe 4 V m,040 m mol 0,5 bodu n m Ve van der Waalsově rovnici je neznámý jen tlak, který může být vyjádřen např. ve tvaru RTV p V av ab RT m m 6 8,500 m V m b V 0 m b Vm a Tlak v plynové lahvi je 8, Pa.,5 bodu. Inertní je možné přeložit jako netečný. 0,5 bodu Pa. 7

9 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 IV. BICHEMIE Úloha 6 bodů. b), d). body. L-malát je dehydrogenován malátdehydrogenázou. body. Vytvoří se: a) molekuly ATP, b) molekuly ATP. body Úloha 6 bodů. a) ΔG R T ln K 7, 55 kj mol eq 0 b) Δ 0 D - glukosa fosfát. Postup výpočtu: ΔG ΔG RT ln. D - glukosa -- fosfát a) ΔG = 7,8 kj mol (afinita reakce je 7,8 kj mol ), reakce poběží zleva doprava, bude se tvořit D-glukosa-6-fosfát. b) ΔG = 0,5 J mol (afinita reakce je téměř nulová), reakce nepoběží, je v rovnováze. 6 G ΔG R T ln, 85 kj mol body 4 c) ΔG = 4, kj mol (afinita reakce je 4, kj mol ), reakce poběží zprava doleva, bude se tvořit D-glukosa--fosfát. 4 body 8

10 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 PRAKTICKÁ ČÁT (40 BDŮ) Úloha tanovení rozpustných dusitanů dle Lungeho 0 bodů Bodové hodnocení je třeba spočítat pro průměrnou spotřebu vzorku při titraci odměrného roztoku KMn 4, a to dle následující tabulky. Průměrná odchylka Počet bodů 0,0 0, ml 5 0, ml, ml 5 (, odchylka), ml 0 dchylka se udává v absolutní hodnotě (v ml) od hodnoty experimentálně zjištěné organizátory, body se uvádí s přesností na 0,5 bodu. celkem za spotřeby 5 bodů Na základě rovnice uvedené v zadání reagují ionty N a Mn 4 ve stechiometrickém poměru 5 :, tedy pro látkové množství stanovovaných dusitanů platí n(n ) = 5/ c(mn 4) V(Mn 4). Pro hmotnost kyseliny dusité v objemu vzorku spotřebovaném pro titraci 0 ml odměrného roztoku manganistanu platí vztah m (HN ) = M r (HN ) n(n ). Pro hmotnost kyseliny dusité ve 00 ml odměrné baňce platí m(hn ) = m (HN ) 00/V vz. Po dosazení hodnot do výše uvedených vztahů platí m(hn ) = 5/ c(mn 4) 0 47,0 00/V vz Do výpočtu je třeba spotřeby odměrných roztoků dosazovat v ml, koncentrace v mol dm. Hmotnost kyseliny dusité pak vyjde v mg. za správný postup výpočtu 5 bodů Úloha tandardizace odměrného roztoku KMn 4 0 bodů Bodové hodnocení je třeba spočítat pro průměrnou spotřebu odměrného roztoku KMn 4, a to dle následující tabulky. Průměrná odchylka Počet bodů 0,0 0, ml 5 0, ml 0,7 ml 5 (,4 odchylka) 0,7 ml 0 dchylka se udává v absolutní hodnotě (v ml) od hodnoty experimentálně zjištěné organizátory, body se uvádí s přesností na 0,5 bodu. celkem za spotřeby 5 bodů tandardizace odměrného roztoku manganistanu probíhá dle rovnice 5 (CH) + Mn H + 0 C + Mn H. 9

11 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 Pro přesnou koncentraci odměrného roztoku manganistanu tedy platí: c C H4 V C H4 c Mn4 5V (Mn4 ) za správný postup výpočtu 5 bodů Úloha Kontrolní otázky 0 bodů. Kyselina sírová upravuje ph roztoku na hodnotu vhodnou pro oxidaci e + podle této rovnice 5 e + + Mn H + 5 e + + Mn H. V neutrálním prostředí probíhá reakce s jinou stechiometrií e + + Mn 4 + H e + + Mn + 4 H. Nadbytek kyseliny sírové zaručuje kvantitativní průběh oxidace podle první rovnice. za zdůvodnění kyselého prostředí bod, za vyčíslenou rovnici bod, celkem body. dměrný roztok jodu: a) dměrný roztok I lze připravit rozpuštěním odpovídajícího množství jodu v roztoku KI I + I I Při reakci vzniká rozpustný trijodid, který je v roztoku přítomen v plně disociované formě. amotný jod se ve vodě nerozpouští. b) Škrob je polysacharid, ve kterém jsou glukózové jednotky spojeny do amylózové šroubovice. Reakcí trijodidového aniontu (I ) se škrobem vznikají modře zbarvené klatráty I -škrob, jejichž zbarvení je závislé na struktuře škrobu a na teplotě roztoku. Modré zbarvení je tedy podmíněno společnou přítomností I a I v roztoku. za způsob přípravy odměrného roztoku I bod, za vysvětlení funkce škrobového mazu bod, celkem body. Thiosíran, Tetrathionan, 4 6 Požadované vzorce lze psát i bez volných elektronových párů, a to následovně. Thiosíran, Tetrathionan, 4 6 za každý vzorec bod, tj. max. body 4. tandardizace odměrného roztoku. a) As + 6 H As + H As + I + H As 4 + I + H + 0

12 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 Pro stechiometrický poměr mezi jodem a oxidem arsenitým tedy platí As As I, tj. poměr :. Látkové množství I potřebného pro oxidaci naváženého As lze vypočítat dle vztahu n(i ) = m(as )/M(As ). Koncentrace odměrného roztoku jodu je určena vztahem c(i ) = n(i )/V(I ). Po dosazení hodnot do výše uvedených vztahů platí n(i ) = 0,99/97,84 = 0,0096 mol =,96 mmol, c(i ) =,96 / 9,6 = 0,094 mmol ml = 0,094 mol dm. b) Koncentrace jodového roztoku v kyselém prostředí nesouhlasí přesně s koncentrací stejného roztoku v neutrálním prostředí, protože i nejčistší preparáty jodidu draselného použitého k přípravě jodového roztoku obsahují alespoň stopy jodičnanu. Ten se při titraci v neutrálním prostředí neuplatní, ale v kyselých roztocích oxidují jodid na jod podle rovnice I + 5 I + 6 H + I + H. Koncentrace jodového roztoku je tedy v kyselém prostředí vždy větší než v neutrálním. za a) výpočet a výsledek body za zodpovězení podotázky b) bod tj. celkem 4 body

13 Řešení krajského kola Ch kat. A a E 00/0 PKYNY PR PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁTI Pomůcky: titrační baňka 50 ml, byreta 5 ml, malá nálevka, pipeta 0 ml, odměrný válec 0 ml, kádinka 50 a 50 ml, váženka, lžička, kahan, trojnožka, síťka, teploměr (do 00 C), střička s destilovanou vodou. Chemikálie: odměrný roztok KMn 4 (c = 0,0 mol dm ), H 4 (c = mol dm ), zásobní roztok (CH) (c = 0,05 mol dm ), vzorek dusitanu v odměrné baňce 00 ml. Příprava 0,0 mol dm odměrného roztoku KMn 4 Pro přípravu odměrného roztoku manganistanu je třeba přibližně,5 g KMn 4, p. a. rozpustit v přibližně litru redestilované nebo kvalitní destilované vody a roztok nechat v tmavé láhvi odstát cca týdny. Po této době, kdy dojde k ustálení koncentrace roztoku KMn 4, je třeba jeho přesnou koncentraci určit titrací zásobního roztoku kyseliny šťavelové o přesné koncentraci. Příprava mol dm H 4 Je třeba rozpustit cca ml kyseliny sírové, p. a. (96%, ρ =,8 g cm ) v přiměřeném množství destilované vody (cca 750 ml) a po zchladnutí doplnit do odměrné baňky na 000 ml. Příprava zásobního roztoku 0,05 mol dm kyseliny šťavelové Kyselina šťavelová má charakter základní látky. Pro přípravu litru zásobního roztoku je třeba s přesností na 4 desetinná místa cca 6,050 g dihydrátu kyseliny šťavelové, což je hmotnost odpovídající koncentraci přesně 0,0500 mol dm. kutečnou koncentraci zásobního roztoku je pak třeba spočítat ze skutečné navážky. Příprava vzorku dusitanu Pro přípravu vzorku je třeba nejprve připravit zásobní roztok dusitanu o koncentraci cca 0,5 mol dm rozpuštěním navážky příslušného dusitanu v destilované vodě (např. 4,5 g NaN nebo 4,5 g KN ) a doplněním na objem litr. outěžícím je pak třeba do 00 ml odměrných baněk přesně odměřit 0 ml tohoto zásobního roztoku. Přesný obsah dusitanů ve vzorku je třeba experimentálně určit na základě titrace provedené organizátory.