Ústřední komise Chemické olympiády. 42. ročník. KRAJSKÉ KOLO Kategorie B. SOUTĚŽNÍ ÚLOHY TEORETICKÉ ČÁSTI Časová náročnost: 120 minut

Transkript

1 Ústřední komise Chemické olympiády 42. ročník KRAJSKÉ KOLO Kategorie B SOUTĚŽNÍ ÚLOHY TEORETICKÉ ČÁSTI Časová náročnost: 120 minut Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

2 Zadání krajského kola ChO kat. B 2005/2006 Úloha 1 Trpasličí doly 13 bodů V trpasličích dolech se nachází kouzelná hlína, nesmírně bohatá na zlato a jiné cenné kovy, především stříbro a měď. Trpaslíci si ke zpracování vzali 2 tuny horniny. Nejprve ji důkladně rozemleli a pak ji loužili zředěným roztokem kyanidu draselného za současného vhánění vzduchu (1). Získaný roztok zahustili na menší objem a přisypali k němu 1 kg zinkových hoblin (2). Roztok zfiltrovali, sraženinu promyli koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou a vysušili. Získali tak 82 g surového kovu. Pro analýzu odebrali 5,00 g surové práškové slitiny a rozpouštěli ji za varu v koncentrované kyselině dusičné asi 2 hodiny (3). Poté roztok odpařili dosucha, vyloužili horkou vodou a kvantitativně zfiltrovali. Nerozpuštěný zbytek po vysušení vážil 3,84 g. Filtrát odpařili, všechen odparek rozpustili v horké vodě a doplnili v odměrné baňce na 100,00 ml. Pro titraci odebrali 10,00 ml tohoto roztoku, přidali 1 ml roztoku dichromanu draselného (4) jako indikátoru a titrovali 0,05M roztokem chloridu sodného (5) až do vymizení rezavého zbarvení. Spotřeba činila 12,4 ml. Otázky a úkoly: 1. V krocích (1) (5) vznikají sloučeniny, které obsahují stříbro. Napište jejich vzorce! 2. Spočítejte hmotnostní zlomek zlata, stříbra a mědi v surovém kovu. Předpokládejte, že surový kov kromě těchto tří kovů žádné další příměsi neobsahoval. Výsledek uveďte v procentech. 3. Za předpokladu, že účinnost izolace byla 75 %, spočtěte zastoupení prvků v původní hornině. Výsledek uveďte v ppm (tj. v desetitisícinách procenta). 4. Vysvětlete, proč se surový kov promýval koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou? Úloha 2 Daguerrotypie 14 bodů Možná jste se někdy pozastavili nad tím, že jste nikdy neviděli fotografii trpaslíka. Trpaslíci totiž nevynalezli fotografii, ale daguerrotypii. Narozdíl od fotografie je daguerrotypie pozitivním procesem, obraz tedy vzniká pouze v jedné kopii a tu si chamtiví trpaslíci samozřejmě pečlivě schovávají. Trpaslíci vezmou měděnou desku a ponoří ji do roztoku dusičnanu stříbrného (1). Takto upravenou desku uzavřou do komory a vystaví ji parám jodu (2). Od této chvíle je třeba desku chránit před světlem. Po expozici (3) je komora s deskou naplněna parami rtuti (4). Takto upravená deska je poté ponořena do roztoku sulfidu sodného (5). Exponovaná místa jsou mléčně bílá, zatímco místa, která expozici unikla, zčernají. Otázky a úkoly: 1. Popište děje (1) (5) vyčíslenými chemickými rovnicemi. 2. Které látky jsou zodpovědné za bílé a za černé zbarvení na daguerrotypii? 3. Co je to amalgám a jak vzniká? Jakou barvu má stříbrný amalgám, vznikající během tohoto postupu? 4. Jaká je koncentrace stříbrných iontů nad sraženinou jodidu stříbrného? Spočítejte koncentraci sulfidových iontů, při níž se z roztoku jodidu stříbrného začne srážet sulfid stříbrný. Co se tedy stane, když na pevný jodid stříbrný působíme 0,1M roztokem sulfidu sodného? K sp (AgI) = , K sp (Ag 2 S) =

3 Zadání krajského kola ChO kat. B 2005/2006 Úloha 3 Červený a černý 8 bodů Černý vzniká při intenzivním žíhání mědi v proudu kyslíku (A). Praktičtěji jej však lze připravit tepelným rozkladem hydrogenuhličitanu měďnatého (B). Pokud bychom se jej pokusili připravit srážením hydroxidem z vodného roztoku modré skalice, nebudeme mít úspěch vznikne modrý (C). Červený lze připravit z modrého působením hydrazinu (D). Vzniká také při důkazu redukujících sacharidů (E). 1. Jaké chemické látky jsou červený, černý a modrý? 2. Zapište vyčíslenými chemickými rovnicemi reakce (A) (E). 3. Nakreslete strukturní vzorec hydrazinu. Je to látka s redukčními nebo oxidačními účinky? 4. Mimochodem, kdo napsal román Červený a černý? Úloha 4 9 bodů 1. Nakreslete všechny řetězcové izomery hexanu. 2. Nakreslete všechny polohové izomery dibromnaftalenu. 3. Určete typ konstituční izomerie u této sloučeniny: H 3 C Úloha 5 16 bodů Molekula A obsahuje pouze atomy uhlíku a vodíku a její číslo nenasycenosti je 2. Její ozonolýzou získáme látky B a C. Látky D a E podléhají Kučerovově reakci. Z látky D vznikne látka B a z látky E vznikne látka C. A 1. O 3 / 78 C 2. Zn/ COOH/H 2 O B C Kučerovova reakce D E Údaje o produktech: Látka B má 3 atomy uhlíku. Látka C má 7 atomů uhlíku, jedná se o substituovaný cyklopentan. 1. Nakreslete látky A až E, látky B a D pojmenujte. 2. Jaká jsou čísla nenasycenosti látek B až E? 3. Pokud jste nevyřešili otázku 1., pokuste se alespoň napsat, jaké jsou sumární vzorce látek A až E. 2

4 Ústřední komise Chemické olympiády 42. ročník KRAJSKÉ KOLO Kategorie B SOUTĚŽNÍ ÚLOHY PRAKTICKÉ ČÁSTI Časová náročnost: 120 minut Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

5 Zadání krajského kola ChO kat. B 2005/2006 Úloha 1 Sedm zkumavek 15 bodů Pomůcky: 7 zkumavek označených čísly 1 4 a písmeny A C se vzorky, 12 prázdných zkumavek, stojan na zkumavky, kapátka, kartáček na zkumavky Chemikálie: vzorky 1 4: 5% roztok NH 3, 5% roztok K 4 [Fe(CN) 6 ], 5% roztok K 3 [Fe(CN) 6 ], 5% roztok KSCN; Postup: Poznámka: Otázky a úkoly: vzorky A C: 2% roztoky solí kationtů Cu 2+, Zn 2+, Fe 3+ (10 ml od každého vzorku) V předložených zkumavkách naleznete následující látky: roztok NH 3, roztok K 4 [Fe(CN) 6 ], roztok K 3 [Fe(CN) 6 ], roztok KSCN (označené čísly 1 4), 3 roztoky solí různých kationtů: Cu 2+, Zn 2+, Fe 3+ (označených písmeny A C). Vaším úkolem je identifikovat je na základě vzájemných reakcí. Do zkumavky odlijte asi 1 ml roztoku kationtu (vzorky označené písmeny). Pomalu přikapávejte roztok činidla (vzorky označené čísly). Proveďte reakce všech kationtů se všemi činidly a zaznamenejte pozorované děje, povšimněte si změn při přidání nadbytku činidla. Veškerá pozorování zaznamenejte. Dávejte pozor, abyste nezaměnili kapátka použitá pro jednotlivé roztoky! 1. Identifikujte vzorky činidel 1 4 a kationtů A C v předložených zkumavkách. 2. Napište barvu produktů provedených reakcí. Pokud při přidání nadbytku činidla pozorujete odlišné chování, taktéž zaznamenejte. 3. Jak se nazývají triviálním názvem K 4 [Fe(CN) 6 ] a K 3 [Fe(CN) 6 ] a jak se nazývají charakteristicky zbarvené produkty jejich reakce s kationty železa? Úloha 2 Kolorimetrické stanovení koncentrace železnatých iontů 25 bodů Pomůcky: 5 odměrných baněk 50 ml, šest stejných zkumavek, šest zátek na zkumavky, stojan na zkumavky, dvě 50ml kádinky, pipeta 10ml nedělená, pipeta 1ml nedělená, střička s destilovanou vodou, lihový fix, pipetovací nástavec Chemikálie pro jednoho soutěžícího: 0,4M roztok KSCN v zásobní lahvi, vzorek v 50ml odměrné baňce Chemikálie společné pro více soutěžících: 0,050M roztok Fe 2+ v zásobní lahvi, 10% H 2 O 2 v lahvičce s kapátkem, 1M roztok HCl v lahvičce s kapátkem Princip: Kolorimetrické stanovení železa je jednoduchou a citlivou metodou umožňující stanovit i nízké koncentrace železa ve vzorku. Na stejném principu je založeno i průmyslové stanovení železa ve vodě, jen se místo oka používá mnohem citlivější UV-VIS spektrofotometr. Kolorimetrie je komparativní metoda, při které se míra zbarvení vzorku porovnává s mírou zbarvení jednotlivých kalibračních roztoků. Železo přítomné ve vzorku se nejprve zoxiduje na železité ionty, které se dále převedou na thiokyanatanový komplex. Tento komplex absorbuje ve viditelné oblasti mnohem více než samotné železité a železnaté ionty, a proto jej lze stanovit kolorimetricky. 1

6 Zadání krajského kola ChO kat. B 2005/2006 Postup: Nejprve si do pěti očíslovaných odměrných baněk připravte sadu kalibračních roztoků železnatých solí. 0,050M standardní roztok Fe 2+ si odlijte ze zásobní lahve do čisté a suché kádinky. Pro odebrání roztoku především nepoužívejte vlastní pipety, abyste neznečistili kalibrační roztok, který budou používat i ostatní soutěžící! Odpipetujte 10,0 ml tohoto roztoku do odměrné baňky č. 1 a doplňte destilovanou vodou po rysku. Tak jste získali kalibrační roztok č. 1. Z odměrné baňky č. 1 odpipetujte 10,0 ml do odměrné baňky č. 2 a doplňte destilovanou vodou po rysku. Pečlivě promíchejte. Tak získáte kalibrační roztok č. 2. Ten použijte stejným způsobem pro přípravu kalibračního roztoku č. 3. Takto pokračujte, až získáte pět kalibračních roztoků. Nezapomeňte si během přípravy roztoků používanou 10ml pipetu promývat destilovanou vodou i použitým roztokem! Připravte si pět očíslovaných zkumavek. Do každé z nich odpipetujte 10,0 ml příslušného kalibračního roztoku. Do každé zkumavky přidejte 5 kapek 1M roztoku kyseliny chlorovodíkové a 5 kapek (ne více!) 10% roztoku peroxidu vodíku. Do každé zkumavky přidejte pipetou 1,0 ml 0,4M roztoku KSCN, zazátkujte a promíchejte. Takto jste získali barevnou kalibrační škálu, kterou použijete pro srovnání se svým vzorkem. Roztok v odměrné baňce doplňte po rysku destilovanou vodou a promíchejte. Tím získáte vzorek, jehož koncentraci máte stanovit. 10,0 ml takto zředěného vzorku odpipetujte do šesté zkumavky, přidejte 5 kapek 10% roztoku peroxidu vodíku a 1,0 ml 0,4 M roztoku KSCN a promíchejte skleněnou tyčinkou. Zrakem porovnejte intenzitu zbarvení s připravenou kalibrační škálou. Roztoky pozorujte svrchu proti bílému pozadí. Otázky a úkoly: 1. Spočítejte molární koncentraci Fe 2+ v kalibračních roztocích Přiřaďte vzorku číslo kalibračního roztoku, kterému vzorek odpovídá. Nápověda: Vzorek odpovídá přesně jednomu z kalibračních roztoků. 3. Kolik mg železa bylo v původním vzorku? 4. Proč se k roztoku železnaté soli přikapává roztok peroxidu vodíku? Proč se nesmí přidat velký nadbytek peroxidu vodíku? Doložte chemickými rovnicemi! 5. Napište vzorec částice zodpovědné za krvavé zbarvení roztoku. 6. Na kterých veličinách závisí intenzita absorpce záření roztokem (absorbance)? A r (Fe) = 55,85 2

7 Pracovní list Krajské kolo ChO kat. B 2005/2006 Praktická část krajského kola 42. ročníku ChO kategorie B PRACOVNÍ LIST soutěžní číslo: Body celkem: Úloha 1 Sedm zkumavek 1. Identifikace jednotlivých látek. zkumavka A B C látka 2. Barvy produktů jednotlivých reakcí: Cu 2+ Zn 2+ Fe 3+ NH 3 K 4 [Fe(CN) 6 ] K 3 [Fe(CN) 6 ] KSCN 3. K 4 [Fe(CN) 6 ] se triviálně nazývá:... K 3 [Fe(CN) 6 ] se triviálně nazývá:... Charakteristicky zbarvený produkt reakce K 4 [Fe(CN) 6 ] s příslušným kationtem železa se nazývá:... Charakteristický produkt reakce K 3 [Fe(CN) 6 ] s příslušným kationtem železa se nazývá:... 1

8 Úloha 2 Kolorimetrické stanovení koncentrace železnatých iontů 1. Molární koncentrace Fe 2+ v kalibračních roztocích 1 5. Pracovní list Krajské kolo ChO kat. B 2005/2006 kalibrační roztok koncentrace [ ] Nezapomeňte uvést jednotku molární koncentrace, které odpovídají vaše číselné hodnoty! 2. Vzorku odpovídá kalibrační roztok (kalibrační roztoky) číslo: Výpočet množství železa v původním vzorku: Vzorek obsahoval... mg železa. 4. Význam peroxidu vodíku při stanovení a vysvětlení nežádoucích efektů jeho nadbytku. 5. Částice zodpovědná za krvavé zbarvení roztoku má vzorec: Veličiny, na kterých závisí intenzita absorpce záření roztokem (absorbance): 2

9 Ústřední komise Chemické olympiády 42. ročník KRAJSKÉ KOLO Kategorie B ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

10 Řešení krajského kola ChO kat. B 2005/2006 TEORETICKÁ ČÁST (60 BODŮ) Úloha 1 Trpasličí doly 13 bodů 1. (1) K[Ag(CN) 2 ], (2) Ag, (3) AgNO 3, (4) Ag 2 CrO 4, (5) AgCl Za každý vzorec 0,5 bodu, celkem 2,5 bodu 2. Surový kov je směsí zlata, stříbra a mědi. Dvouhodinovým varem v koncentrované kyselině dusičné přejde stříbro a měď do roztoku, zatímco zlato zůstává jako nerozpuštěný zbytek. V 5 g surové slitiny tedy bylo 3,84 g zlata, což je 76,8 %. Ve zbytku (1,16 g) se stanovoval obsah stříbra. Desetina původního množství roztoku vzorku, tj. 10,00 ml, byla titrována 0,05M roztokem NaCl, spotřeba při titraci činila 12,4 ml. Tato spotřeba odpovídá 6, mol chloridových iontů, což odpovídá stejnému množství stříbrných iontů. V celém vzorku je tedy přítomno 6, mol stříbra, což činí 0,6688 g stříbra. Zbylých 0,4912 g tvoří měď. Vzorek tedy obsahuje 76,8 % zlata, 13,4 % stříbra a 9,8 % mědi. Výpočet celkem 6,5 bodu 3. Ze 2 tun horniny bylo izolováno 82 g surového kovu, při ideální izolaci by bylo izolováno 109,3 g kovu. Ve 2 tunách horniny by potom tedy bylo přítomno 84,0 g zlata, 14,7 g stříbra a 10,7 g mědi. Což přepočteno na ppm činí 42 ppm zlata, 7,4 ppm stříbra a 5,4 ppm mědi. Za určení zastoupení každého kovu 1 bod, celkem 3 body 4. Aby se odstranil nadbytečný zinek. 1 bod Úloha 2 Daguerrotypie 14 bodů 1. (1) Cu + 2 AgNO 3 2 Ag + Cu(NO 3 ) 2 (2) 2 Ag + I 2 2 AgI (3) 2 AgI 2 Ag + I 2 (4) Ag + x Hg AgHg x (5) 2 AgI + Na 2 S Ag 2 S + 2 NaI Určení reaktantů a produktů 1 bod, vyčíslení 0,5 bodu, za každou rovnici 1,5 bodu, celkem 7,5 bodu 2. Za černé zbarvení je zodpovědný sulfid stříbrný, za bílé zbarvení stříbrný amalgám. Za každou sloučeninu 1 bod, celkem 2 body 3. Amalgám je slitina kovu a rtuti. Vzniká rozpouštěním kovů ve rtuti. Stříbrný amalgám má mléčně bílou barvu. 1,5 bodu 4. [ Ag + ] = AgI 9 K sp( ) = 8,9 10 (1) [ S 2 ] = K sp ( Ag2S) = 7, [ Ag ] 34 (2) Působíme-li na pevný jodid stříbrný 0,1M roztokem sulfidu stříbrného, veškeré stříbro přítomné v jodidu stříbrném přejde na sulfid stříbrný. Za rovnice (1) a (2) po 0,75 bodu, za správnou odpověď 1,5 bodu, celkem 3 body 1

11 Řešení krajského kola ChO kat. B 2005/2006 Úloha 3 Červený a černý 8 bodů 1. Červený je oxid měďný Cu 2 O, černý oxid měďnatý CuO a modrý hydroxid měďnatý Cu(OH) 2. Za každou správně určenou látku (uznává se vzorec i název) 0,75 bodu, celkem 2,25 bodu. 2. (A) 2 Cu + O 2 2 CuO 0,5 bodu (B) Cu(HCO 3 ) 2 CuO + 2 CO 2 + H 2 O 0,5 bodu (C) Cu OH Cu(OH) 2 0,5 bodu (D) 4 Cu(OH) 2 + N 2 H 4 2 Cu 2 O + N H 2 O 1bod (E) 2 Cu 2+ + C 6 H 12 O OH Cu 2 O + C 6 H 11 O 7 (glukonát) + 3 H 2 O 1 bod Rovnice je možno uvést jak v iontovém, tak v úplném tvaru, celkem 3,5 bodu 3. Hydrazin, H 2 N NH 2. Jedná se o redukční činidlo. Za vzorec 1 bod, za určení druhu činidla 1 bod, celkem 2 body 4. Román Červený a černý napsal Stendhal (vlastním jménem Marie-Henri Beyle). Za jedno ze jmen 0,25 bodu Úloha 4 9 bodů 1. CH 3 CH 3 CH CH 3 3 CH 3 Za každý správný vzorec 0,5 bodu, celkem 2,5 bodu 2. Za každý správný vzorec 0,5 bodu, celkem 5 bodů 3. Jedná se o tutéž sloučeninu, žádný typ konstituční izomerie zde tudíž není. 1,5 bodu 2

12 Řešení krajského kola ChO kat. B 2005/2006 Úloha 5 16 bodů 1. Vzorce a názvy: O propanon, aceton O A B C CH CH propyn D E Za každý správný vzorec 2 body, za každý správný název 1 bod, celkem 12 bodů 2. B 1, C 2, D 2, E 3 Za každé správně určené číslo nenasycenosti 1 bod, celkem 4 body 3. A C 10 H 18, B C 3 H 6 O, C C 7 H 12 O, D C 3 H 4, E C 7 H 10 Boduje se pouze v případě neúplné první otázky (místo strukturního vzorce za 2 body, zde 1 bod za sumární vzorec). Za každý správně určený sumární vzorec 1 bod, celkem 5 bodů 3

13 Řešení krajského kola ChO kat. B 2005/2006 PRAKTICKÁ ČÁST (40 BODŮ) Úloha 1 Sedm zkumavek 15,5 bodů 1. Každý soutěžící měl látky pod jinými čísly a písmeny. 2. Doplněná tabulka: Za určení každého vzorku 1 bod, celkem 7 bodů. NH 3 Cu 2+ Zn 2+ Fe 3+ sv. modrá sraženina rozpustná v nadbytku na tm. modrý roztok* bílá sraženina rozpustná v nadbytku na bezbarvý roztok* rezavě hnědá sraženina K 4 [Fe(CN) 6 ] červenohnědá sraženina bílá sraženina modrá sraženina K 3 [Fe(CN) 6 ] žlutohnědá sraženina okrová sraženina tmavohnědý roztok KSCN zelený roztok, z něhož může vypadávat bílá (někdy černající) sraženina bezbarvý roztok krvavě červený roztok * rozpustnost sraženiny v nadbytku činidla považujte za zvláštní pozorování, úplnou odpověď (sraženina, rozpustná v nadbytku činidla) bodujte 1 bodem, odpovědi částečné (sraženina; bezbarvý roztok) bodujte 0,5 bodu. Za každé správné pozorování 0,5 bodu, celkem nejvýše 7 bodů 3. K 4 [Fe(CN) 6 ] se triviálně nazývá žlutá krevní sůl, K 3 [Fe(CN) 6 ] červená krevní sůl. Charakteristicky zbarvený produkt reakce K 4 [Fe(CN) 6 ] s kationtem železitým se nazývá berlínská modř a charakteristický produkt reakce K 3 [Fe(CN) 6 ] s kationtem železnatým se nazývá Turnbullova modř. Pozn.: Různé zdroje se liší v tom, zda jsou berlínská a Turnbullova modř stejné či různé látky. To, co je uvedeno v řešení, je typický středoškolský pohled. Podle rentgenové difrakce však jde o stejné látky. Uvedení alespoň jednoho z názvů se považuje za postačující řešení. Za správné uvedení názvů krevních solí po 0,5 bodu, za uvedení názvu Berlínské nebo Turnbullovy modři 0,5 bodu, celkem tedy 1,5 bodu. Úloha 2 Kolorimetrické stanovení koncentrace železnatých iontů 24,5 bodů 1. Při každém ředícím kroku se koncentrace zmenší pětkrát: kalibrační roztok koncentrace [mol dm -3 ] 0,010 2, , , , Za každou správně spočtenou koncentraci 0,5 bodu, nejvýše tedy 2,5 bodu 4

14 Řešení krajského kola ChO kat. B 2005/ Koncentrace roztoku vzorku je stejná jako koncentrace jednoho z kalibračních roztoků. Je-li přesně určen kalibrační roztok o dané koncentraci, ohodnoťte stanovení 15 body. Je-li určen sousední kalibrační roztok, ohodnoťte 3 body. V ostatních případech hodnoťte 0 bodů. Max. 15 bodů. 3. Výpočet množství železa v původním vzorku: (předpokládejme, že byla stanovena koncentrace 4, mol dm 3 ). m = c V A r (Fe) m = 5, g = 0,56 mg Za výpočet 1,5 bodu 4. Peroxid vodíku se k železnaté soli přidává proto, aby ji zoxidoval na sůl železitou podle rovnice: 2 Fe H + + H 2 O 2 2 Fe H 2 O Vzniklá železitá sůl narozdíl od soli železnaté reaguje s thiokyanatanem za vzniku barevného komplexu. Nadbytek peroxidu vodíku se k roztoku nesmí přidávat, protože by došlo k oxidaci thiokyanatanu podle rovnice: SCN + 3 H 2 O OH CN + SO H 2 O Za každé vysvětlení 0,5 bodu, za každou rovnici 1 bod, celkem nejvýše 3 body 5. [Fe(SCN) 2 ] + Převládající forma komplexu závisí na koncentraci ligandu i centrálního iontu, za jakýkoli vzorec obecného typu [Fe(SCN) n ] 3 n 1,5 bodu 6. Intenzita absorpce záření roztokem (absorbance) závisí na: tloušťce vrstvy roztoku, kterým světlo prochází koncentraci stanovované látky druhu látky (resp. jejím molárním absorpčním koeficientu) vlnové délce použitého záření (Odpověď vychází z pochopení Lambertova-Beerova zákona A = ε l c, ten není třeba uvádět.) Za uvedení správného parametru 0,5 bodu, nejvýše 1 bod 5