Ústřední komise Chemické olympiády. 47. ročník 2010/2011. ŠKOLNÍ KOLO kategorie C ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH

Transkript

1 Ústřední komise Chemické olympiády 47. ročník 2010/2011 ŠKOLNÍ KOLO kategorie C ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH

2 TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Úloha 1 Redoxní děje 12 bodů 1. Stechiometrické koeficienty reakcí: a) Zn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + H 2, 2 e b) 3 Ag + 4 HNO 3 3 AgNO 3 + NO + 2 H 2 O, 3 e c) 2 FeSO Ce(SO 4 ) 2 Fe 2 (SO 4 ) 3 + Ce 2 (SO 4 ) 3, 2 e d) Fe + CuSO 4 FeSO 4 + Cu, 2 e e) 6 KBr + K 2 Cr 2 O H 2 SO 4 3 Br 2 + Cr 2 (SO 4 ) K 2 SO H 2 O, 6 e f) 5 H 2 O KMnO H 2 SO 4 5 O MnSO 4 + K 2 SO H 2 O, 10 e g) 5 K 4 [Fe(CN) 6 ] + KMnO H 2 SO 4 5 K 3 [Fe(CN) 6 ] + 3 K 2 SO 4 + MnSO H 2 O, 5 e h) 2 IO SO H + I SO H 2 O, 10 e i) KBrO 3 + 5KBr + 3 H 2 SO 4 3 Br K 2 SO H 2 O, 5 e j) 2 I + H 2 O H + I H 2 O. 2 e á 1 bod (celkem 10 bodů) 2. Součet elektronů vyměněných při oxidaci v jednotlivých redoxních reakcí je 47, prvek Ag. Reakce Ag se sírou: 2 Ag + S Ag 2 S 0,5 bodu za určený prvek a 0,5 bodu za vyčíslenou rovnici (celkem 1 bod) 3. Hexakyanoželeznatan draselný (žlutá krevní sůl) + manganistan draselný + kyselina sírová hexakyanoželezitan draselný (červená krevní sůl) + síran draselný + síran manganatý + voda 1 bod Úloha 2 Teorie oxidace redukce 12 bodů 1. Správná tvrzení: 1, 3, 5, 6, 8, 9, tj. N O I T A K. Hledané slovo: KATION. 1. N Oxidace je reakce, kterou můžeme charakterizovat ztrátou elektronů. 2. M Redukce je reakce, při které dochází ke snižování oxidačního čísla atomu prvku, tzn. ke snižování počtu elektronů ve valenční sféře. Oxidační číslo je relativní elektrický náboj, který by byl na atomu přítomen, 3. O kdybychom elektrony z každé vazby, která z něj vychází, přiřadili prvku elektronegativnějšímu. 4. S Oxidační činidlo je látka, která se snadno oxiduje a ostatní látky redukuje. 5. I Mezi nejsilnější redukční činidla mezi prvky patří např. sodík a draslík. 6. T Elektrolyty jsou roztoky nebo taveniny, které vedou elektrický proud. 7. V Katoda je záporná elektroda, na níž probíhá oxidace. 8. A Při elektrolýze je anoda elektroda, na které je kladný náboj. 9. K Elektrolýza je děj probíhající při průchodu elektrického proudu elektrolytem, při kterém dochází k chemickým změnám na elektrodách. 10. L Olověný akumulátor je galvanický článek, jehož elektrody jsou tvořeny olovem a oxidem olovičitým, elektrolytem je kyselina dusičná o koncentraci 35%. á 0,5 bodu výběr správného tvrzení (celkem 3 body), 0,5 bodu za sestavení slova 2. MnO 2, LiH, Cr 2+, MnO 4 -, H 2 O 2, O 2, Fe 2+, CO, CaH 2, I 2, Fe, C, K 2 Cr 2 O 7 1

3 Oxidační činidlo MnO 2 MnO 4 H 2 O 2 O 2 I 2 K 2 Cr 2 O 7 Redukční činidlo LiH Cr 2+ H 2 O 2 Fe 2+ CO CaH 2 C Fe á 0,25 bodu za správné zařazení (celkem 3,5 body) 3. Prvek/ion Elektronová konfigurace Ca 2+ [ 18 Ar] Cr [ 18 Ar] 3d 5 4s 1 Ni 2+ [ 18 Ar] 3d 8 S 2 [ 10 Ne] 3s 2 3p 6 Cr 3+ [ 18 Ar] 3d 3 Sn [ 36 Kr] 4d 10 5s 2 5p 2 Ag + [ 36 Kr] 4d 10 Si 4+ [ 10 Ne] Cu [ 18 Ar] 3d 10 4s 1 I [ 36 Kr] 4d 10 5s 2 5p 6 á 0,5 bodu (celkem 5 bodů) Úloha 3 Exhalace 16 bodů 1. Exhalace příměsi a jejich směsi (pevné, kapalné i plynné látky) vstupující do ovzduší ze zdrojů znečištění. za vysvětlení pojmu exhalace 1 bod 2. Produkty reakcí: a) 2 SO 2 + O 2 katalyzátor 2 SO 3 oxid siřičitý + kyslík oxid sírový b) SO H 2 S + 2 H 2 O oxid siřičitý + vodík síra + voda c) SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 d) SO H 2 S 3 S + 2 H 2 O oxid siřičitý + sulfan (sirovodík) síra + voda e) 3 SO 2 + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 Cr 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + H 2 O oxid siřičitý + dichroman draselný + kyselina sírová síran chromitý + síran draselný + voda f) SO 2 + I H 2 O H 2 SO HI oxid siřičitý + jod + voda kyselina sírová + kyselina jodovodíková g) SO 2 + Ca(OH) 2 CaSO 3 + H 2 O á 1 bod za správně zapsanou reakci (celkem 7 bodů) Redoxní reakce jsou a), b), d), e), f). á 1 bod za pojmenování produktů a reaktantů u redoxní reakce (celkem 5 bodů) 2

4 3. Odsíření kouřových zplodin v tepelných elektrárnách SO 2 + ½ O H 2 O + CaCO 3 CaSO 4.2H 2 O + CO 2 oxid siřičitý + kyslík + voda + uhličitan vápenatý dihydrát síranu vápenatého (energosádrovec resp. sádrovec) + oxid uhličitý 1 bod CaSO 4.2H 2 O energosádrovec se používá jako podkladový materiál při stavbách silnic a železnic, výplň nahrazující uhlí ve vytěžených uhelných slojích, pro terénní úpravy a modelování krajiny při rekultivacích, využívá se v suchých maltových směsích, k výrobě sádry, vyrábí se z něj sádrokartonové desky, které se využívají ve stavebnictví.1 bod (celkem 2 body) 4. Kyselina sírová H 2 SO 4 název a vzorec kyseliny 0,5 bodu výroba SO 2 : a) S + O 2 SO 2 b) 4 FeS O 2 2 Fe 2 O SO 2 za každou rovnici 0,25 bodu (celkem 1 bod) Úloha 4 Redoxní děje kolem nás 7 bodů 1. Napište název popsaných redoxních dějů (1 5) a chemického zdroje elektrické energie (6). (1) fotosyntéza, (2) dýchání, (3) kvašení, (4) hoření, (5) koroze, (6) galvanický článek. á 0,5 bodu za název reakce (celkem 3 body) 2. Zapište zjednodušeně rovnice redoxních dějů (1), (3). (1) 6 CO H 2 O E, chlorofyl C 6 H 12 O O H 2 O, nebo 6 CO H 2 O E, chlorofyl C 6 H 12 O O 2 (3) C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 á 0,5 bodu za rovnici (1), (3) (celkem 1 bod) 3. Pevná látka: a) S + O 2 SO 2, b) 2 C + O 2 CO (nedokonalé spalování), c) nebo C + O 2 CO 2 (dokonalé spalování). Kapalina a) C 2 H 5 OH + 3O 2 2 CO H 2 O, Plynná látka a) CH O 2 CO H 2 O, b) 2 H 2 + O 2 2 H 2 O. á 0,5 bodu za reakci (celkem 3 body) Úloha 5 Elektrolýza 4 body Reakce na elektrodách: Anoda: 2 Cl Cl e Katoda: 2 Na e 2 Na á 1 bod za reakci (celkem 2 body) Obrázek 2: Elektrolyzér (elektrody jsou uhlíkové) 3

5 Úloha 6 Výpočet 9 bodů 1. Reakce: 2 PbO + C 2 Pb + CO 2 2 Pb II O II + C 0 2 Pb 0 + C IV II O 2 0,5 bodu za reakci a 0,5 bodu za správná oxid. čísla Výpočet: M(PbO) = 223,19 g mol 1, M(Pb) = 207,21 g mol 1 mpb 5 n Pb = = = 0,024 M Pb 207,21 n Pb = 0,024 mol m = n M m = 0, ,19 = 5,36 5,4 Pro přípravu 5 g olova musí zreagovat 5,4 g oxidu olovnatého.2 body za výpočet (celkem 3 body) 2. 1 t = 1000 kg uhlí, které obsahuje 15 kg síry mezivýpočet 0,5 bodu M(S) = 32, 06 g mol 1 M(SO 2 ) = 64,06 g.mol 1 M(CaSO 4 2 H 2 O) = 172,07 g mol 1 M(CaCO 3 ) = 100,09 g mol 1 S + O 2 SO 2 SO 2 + ½ O H 2 O + CaCO 3 CaSO 4.2H 2 O + CO 2 za obě rovnice celkem 0,5 bodu m m SO S = M M S SO 2 = 30 kg 2 SO 2 = 15 64,06 32,06 = 29,97 30 m Jestliže s vápencem zreaguje 95 % vzniklého oxidu siřičitého, odpovídá to 28,5 kg oxidu siřičitého. za dílčí výpočet 0,5 bodu mso2 m energosádrovec = M energosádrovec M SO2 28,5 m energosádr ovec = 172,07 = 76,55 64,06 m 76,6 kg 2 body energosádr ovec = m = m M energosádrovec CaCO3 CaCO M 3 energosádrovec 76,55 m CaCO = 100,09 = 44, ,07 m 44,5 kg 2 body CaCO = 3 K odsíření kouřových plynů vzniklých při spalování 1 tuny uhlí je potřeba 44,5 kg vápence. Touto metodou se připraví 76,6 kg energosádrovce. za odpověď 0,5 bodu (celkem 6 bodů) 4

6 PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úloha 1 Příprava heptahydrátu síranu železnatého (zelená skalice) 20 bodů 1. Výsledky vážení uvedení navážek hřebíků (železa) 2 body výtěžek žáka v rozmezí 3,5 5,5 g zelené skalice 8 bodů výtěžek žáka v rozmezí 2,5 3,4 g zelené skalice 6 bodů výtěžek žáka v rozmezí 0,5 2,4 g zelené skalice 4 body výtěžek žáka v rozmezí 0,1 0,4 g zelené skalice 2 body 2. Chemická rovnice: Fe + H 2 SO 4 FeSO 4 + H 2, nebo Fe + H 2 SO 4 + 7H 2 O FeSO 4.7H 2 O + H 2 2 body 3. Teoretický výtěžek výpočet z přesné hmotnosti navážených hřebíků použitých v reakci. Pozn. z 1,00 g Fe (hřebíků) lze připravit 5 g zelené skalice, body přidělit podle konkrétní navážky Fe žáka hmotnost produktu. 3 body 4. Teoretický výtěžek výpočet ze zreagovaných x g Fe (hřebíků) vzniklo y g zelené skalice. Pozn.: zreaguje-li 0,5 0,8 g Fe, tomu odpovídá teoreticky 2,5 4 g zelené skalice, body přidělit podle konkrétní spotřeby Fe žáka hmotnost produktu. 3 body 5. Ne, železo se v koncentrované kyselině sírové pasivuje. 2 body Úloha 2 Oxidace iontů Fe bodů reakce 1 (síran železnatý s peroxidem vodíku v kyselém prostředí) 2 FeSO 4 + H 2 O 2 + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) H 2 O výchozí barva světle zelená, barva po reakci rezavá, hnědá reakce s produktem reakce 2 4 Fe [Fe(CN) 6 ] 4 Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 2 Fe 2 (SO 4 ) K 4 [Fe(CN) 6 ] Fe 4 [Fe(CN) 6 ] K 2 SO 4 nebo Fe 2 (SO 4 ) K 4 [Fe(CN) 6 ] 2 KFe III [Fe II (CN) 6 ] + 3 K 2 SO 4 výchozí barva rezavá, hnědá, barva po reakci modrá reakce 3 Fe 2 (SO 4 ) KSCN 2 Fe(SCN) K 2 SO 4 nebo Fe 2 (SO 4 ) KSCN 2 K[Fe(SCN) 4 ] + 3 K 2 SO 4 nebo Fe 2 (SO 4 ) KSCN 2 K 3 [Fe(SCN) 6 ] + 3 K 2 SO 4 výchozí barva rezavá, hnědá, barva po reakci červená 5

7 reakce 4 Fe 2 (SO 4 ) NaOH 2 Fe(OH) Na 2 SO 4 výchozí barva rezavá, hnědá, barva po reakci rezavá, hnědá za každou rovnici 3 body za každou správnou barvu po reakci 1 bod celkem 16 bodů Úloha 3 Měděná spirála 4 body 1. Probíhající reakce. 2 Cu + O 2 2 CuO CuO + CH 3 CH 2 OH Cu + CH 3 CHO + H 2 O za každou rovnici 1 bod (celkem 2 body) 2. Vyberte správné tvrzení označte (zakroužkujte) Ethanol se oxiduje redukuje, ethanol je oxidační činidlo redukční činidlo. za každé správné tvrzení 1 bod (celkem 2 body) 6

8 POKYNY PRO PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁSTI Úloha 1 Příprava heptahydrátu síranu železnatého (zelená skalice) Chemikálie pro 1 žáka: cca 1 g železa (hřebíky o délce 0,5 1 cm) nutno je předem odmastit v saponátu Žáci si zváží hřebíky sami přesně (na desetinu gramu). Chemikálie pro 4 žáky: 25% kyselina sírová, destilovaná voda, 96% ethanol. Pomůcky pro 1 žáka: kahan/vařič, varný kruh, síťka, varná baňka cca 250cm 3, zpětný chladič (Liebigův nebo kuličkový), 2 stojany, 3 držáky, 3 svorky, 2 hadice k chladiči, filtrační papír, filtrační kruh, filtrační nálevka, odměrná zkumavka, velká kádinka na studenou vodu, 2 kádinky, skleněná tyčinka, střička s vodou, střička s ethanolem. Pomůcky pro 4 žáky: váhy. 7

9 Úloha 2 Oxidace iontů Fe 2+ Chemikálie pro 1 žáka: 15% roztok H 2 O 2, 5% roztok K 4 [Fe(CN) 6 ], 5% roztok KSCN, 2% roztok NaOH. Pomůcky pro 1 žáka: 4 zkumavky, 1 až 2 odměrné zkumavky, lžička, tyčinka. Pomůcky pro 4 žáky: váhy technické nebo digitální. Úloha 3 Měděná spirála Chemikálie pro 1 žáka: 96% ethanol (lze použít i technický líh). Pomůcky pro 1 žáka: měděný drát o délce cca 15 cm na jednom konci stočený do spirály (namotat jeden konec drátu na tužku 5 až 10 závitů), zkumavka, plynový kahan. chemické kleště nebo pinzeta (pokud je drát dostatečně dlouhý, není třeba, žáci se nespálí). 8

10 Kontrolní test školního kola ChO kat. C 2010/2011 KONTROLNÍ TEST ŠKOLNÍHO KOLA (60 bodů) Časová náročnost: 60 minut Přípustné pomůcky: kalkulačka Úloha 1 Názvosloví 10 bodů Doplňte do tabulky názvy nebo vzorce sloučenin. Vzorec Název Sulfan CuSO 4.5H 2 O Dusičnan železitý Ce(SO 4 ) 2 K 2 Cr 2 O 7 Pyrit NH 3 Hydrogenfosforečnan sodný (NH 4 ) 2 MoO 4 Dihydrát síranu vápenatého Úloha 2 Pojmy 10 bodů Přiřaďte pojmy. 1 Oxidace A Elektroda, na níž dochází ke ztrátě elektronů. 2 Katoda B Poloreakce, při níž dochází ke ztrátě valenčních elektronů. 3 Redukční činidlo C Poloreakce, při které dochází ke snižování oxidačního čísla. 4 Redukce D Látka, která se při reakci sama redukuje a oxiduje ostatní látky. 5 Anoda E Elektroda, na které probíhá redukce. F Látka schopná předávat jiným látkám elektrony

11 Kontrolní test školního kola ChO kat. C 2010/2011 Úloha 3 Oxidačně redukční reakce 20 bodů Vyčíslete chemické rovnice a u každé určete, který z reaktantů je v dané reakci oxidačním a redukčním činidlem. Reaktanty a produkty pojmenujte. 1. Fe 2 O 3 + CO Fe + CO 2 2. Ag 2 S + HNO 3 AgNO 3 + NO 2 + S + H 2 O 3. HCl + MnO 2 MnCl 2 + Cl 2 + H 2 O 4. Mg + konc. HNO 3 Mg(NO 3 ) 2 + N 2 O + H 2 O 5. HgCl 2 + SnCl 2 Hg 2 Cl 2 + SnCl 4 Úloha 4 Elektrolýza 10 bodů Úkoly: 1. Nakreslete schéma elektrolýzy vodného roztoku chloridu měďnatého, popište části elektrolyzéru. 2. Napište chemické reakce odehrávající se na jednotlivých elektrodách. 3. Zapište, na které elektrodě probíhá oxidace a na které redukce. Úloha 5 Výpočet 10 bodů Zahříváním směsi práškového uhlíku a oxidu měďnatého na vyšší teplotu vzniká oxid uhličitý a měď. Vypočtěte, jaké množství uhlíku a jaké množství oxidu měďnatého musí zreagovat, abychom touto reakcí získali 7 g mědi *. * M r (O) = 16; M r (Cu) = 63,55; M r (C) = 12 10

12 Řešení kontrolního testu školního kola ChO kat. C 2010/2011 ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA Úloha 1 Název úlohy 10 bodů Doplňte do tabulky názvy nebo vzorce sloučenin: Vzorec H 2 S CuSO 4.5H 2 O Fe(NO 3 ) 3 Ce(SO 4 ) 2 K 2 Cr 2 O 7 FeS 2 NH 3 Na 2 HPO 4 (NH 4 ) 2 MoO 4 CaSO 4.2H 2 O Název Sulfan Pentahydrát síranu měďnatého (modrá skalice) Dusičnan železitý Síran ceričitý Dichroman draselný Pyrit Amoniak, čpavek Hydrogenfosforečnan sodný Molybdenan amonný Dihydrát síranu vápenatého á 1 bod Úloha 2 Pojmy 10 bodů B E F C A á 2 body Úloha 3 Oxidačně redukční reakce 20 bodů 1. Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 oxidační činidlo: Fe 2 O 3 redukční činidlo: CO oxid železitý + oxid uhelnatý železo + oxid uhličitý 2. Ag 2 S + 4 HNO 3 2 AgNO NO 2 + S + 2 H 2 O oxidační činidlo: HNO 3 redukční činidlo: Ag 2 S sulfid stříbrný + kyselina dusičná dusičnan stříbrný + oxid dusičitý + síra + voda 3. 4 HCl + MnO 2 MnCl 2 + Cl H 2 O oxidační činidlo: MnO 2 redukční činidlo: HCl kyselina chlorovodíková (chlorovodík) + oxid manganičitý (burel) chlorid manganatý + chlor + voda 4. 4 Mg + 10 HNO 3 4 Mg(NO 3 ) 2 + N 2 O + 5 H 2 O oxidační činidlo: HNO 3 redukční činidlo: Mg hořčík + kyselina dusičná dusičnan hořečnatý + oxid dusný + voda 11

13 Řešení kontrolního testu školního kola ChO kat. C 2010/ HgCl 2 + SnCl 2 Hg 2 Cl 2 + SnCl 4 oxidační činidlo: HgCl 2 redukční činidlo: SnCl 2 chlorid rtuťnatý + chlorid cínatý chlorid rtuťný + chlorid cíničitý á 4 body (1 bod vyčíslení, 1 bod ox. činidlo, 1 bod red. činidlo, 1 bod pojmenování) Úloha 4 Elektrolýza 10 bodů 1. Obrázek: Elektrolyzér (katoda a anoda jsou uhlíkové) za schéma a popis 4 body 2. Reakce na elektrodách: a) Anoda: 2 Cl Cl e b) Katoda: Cu e Cu á 2 body za reakci 3. Na anodě se vylučuje plynný chlor oxidace. 1 bod Na katodě se vylučuje kovová měď redukce. 1 bod Úloha 5 Výpočet 10 bodů reakce: 2 CuO + C 2 Cu + CO 2 1 bod za vyčíslenou rovnici M(CuO) = 79,55 g mol 1 M(Cu) = 63,55 g mol 1 M(C) = 12 g mol 1 mcu mcuo = 2M CuO 2 M Cu 7 mcuo = 79,55 = 8,76 g 8,8 g oxidu měďnatého 4 body za výpočet 63,55 mcu mc = M C 2M Cu 7 m C = 12 = 0,66 g 0,7 g uhlíku 4 body za výpočet 127,1 Pro přípravu 7 g mědi musí zreagovat 8,76 g (8,8 g) oxidu měďnatého a 0,66 g (0,7 g) práškového uhlíku. 1 bod za odpověď 12

14 Chemická olympiáda Autorská řešení soutěžních úloh školního kola kategorie C 47. ročník 2010/2011 Autoři kategorie C: Odborná recenze: Pedagogická recenze: Redakce: Vydal: doc. RNDr. Marta Klečková, CSc., Mgr. Martina Vašíčková, Bc. Jana Vranová PhDr. Bořivoj Jodas, Ph.D. RNDr. Jana Strádalová Bc. Ladislav Nádherný Vydavatelství VŠCHT Praha 50 ks ISBN: