CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. 47. ročník, školský rok 2010/2011. Kategória EF, úroveň E. Školské kolo TEORETICKÉ A PRAKTICKÉ ÚLOHY

Transkript

1 CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 47. ročník, školský rok 2010/2011 Kategória EF, úroveň E Školské kolo TEORETICKÉ A PRAKTICKÉ ÚLOHY 47. ročník Chemickej olympiády, teoretické úlohy školského kola kategórie EF, úrovne E Zodpovedný autor: Ing. Ľudmila Glosová Recenzenti: S. Kedžuch, RNDr. V. Poláčková, PhD., Ing. E. Kulichová, Ing. A. Ďuricová, Ing. Z. Bučková Vydal: IUVENTA - Slovenský inštitút mládeže, 2010 Slovenská komisia Chemickej olympiády

2 ÚLOHY ZO VŠEOBECNEJ A FYZIKÁLNEJ CHÉMIE (I) Chemická olympiáda kategória EF, úroveň E 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Iveta Ondrejkovičová Oddelenie anorganickej chémie, Ústav anorganickej chémie, technológie a materiálov, FCHPT STU, Bratislava Maximálne 15 bodov (b) Doba riešenia: 40 minút Maximálne 15 bodov (b) 1 (6,5 b) Sodík je neušľachtilý kov, ktorý búrlivo reaguje s vodou: 2 Na(s) + 2 H 2 O(l) 2 NaOH(aq) + H 2 (g) r H = 367,5 kj mol 1. a) Vysvetlite, prečo sodík veľmi ochotne reaguje s vodou. Uveďte, či je hodnota E (Na + Na) záporná, kladná alebo rovná 0 V. b) Napíšte, aké ph bude mať vzniknutý roztok (ph = 7, ph < 7, ph > 7) a svoje tvrdenie vysvetlite. c) Napíšte, či uvedená reakcia je exotermická alebo endotermická, a svoju odpoveď zdôvodnite. d) Vypočítajte množstvo uvoľneného alebo pohlteného tepla, ak s vodou zreaguje 4,00 g sodíka. 2 (4,5 b) Oxid dusičitý existuje v plynnom a v kvapalnom skupenstve ako rovnovážna zmes hnedého NO 2 a bezfarebného N 2 O 4, čo možno vyjadriť rovnicou: N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) r H = 57 kj mol 1. I. Napíšte názov zlúčeniny N 2 O 4. II. Napíšte ako a vysvetlite, prečo sa zmení rovnovážne zloženie sústavy, ak sa v sústave: a) zväčší teplota, b) zmenší tlak. 1

3 3 (4 b) Prvky N, P, As, Sb a Bi zaraďujeme do 15. skupiny periodického systému prvkov (PSP). Pre tieto prvky je charakteristická podobnosť ich vlastností, lebo majú podobnú elektrónovú konfiguráciu valenčnej vrstvy. Napriek tomu sa tieto prvky vyznačujú mnohými odlišnými vlastnosťami. Napíšte: a) názvy jednotlivých prvkov, b) elektrónovú konfiguráciu valenčnej vrstvy prvkov 15. skupiny PSP, t.j. všeobecný skrátený zápis elektrónovej konfigurácie, a uveďte počet valenčných elektrónov, c) aké oxidačné čísla môžu tieto prvky nadobúdať vo svojich zlúčeninách, d) názov a vzorec jednej zlúčeniny prvku P: - s maximálnym oxidačným číslom - s minimálnym oxidačným číslom e) názvy prvkov, ktoré sú za bežných podmienok plynnými látkami. 2

4 ÚLOHY Z ORGANICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória EF 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Viera Mazíková Katedra chemických technológií a environmentu Fakulta priemyselných technológií, Púchov Maximálne 10 bodov (b), resp. 36 pomocných bodov (pb) Doba riešenia: 40 minút 1 (12 pb) Etylén patrí ku kľúčovým zlúčeninám organickej technológie. Až z 20% jeho ročného objemu výroby sa získava produkt pre etylénoxidovú chémiu. a) Pomenujte tento produkt a uveďte podmienky výroby. b) Ktoré alkadiény majú praktický význam a prečo, uveďte triviálne názvy. c) Napíšte ich vzorec a substitučný názov. 2 (11 pb) Najjednoduchšia metatézna reakcia, ktorá sa využíva priemyselne v prípadoch nadbytku propylénu bola patentovaná firmou Phillips v USA už v roku Napíšte reakciu a uveďte ďalšie dva katalyzátory, ktoré sa využívajú pri metatézach. Je táto reakcia vratná? 3 (10 pb) Napíšte prípravu etyléndiamínu z eténu. 4 (3 pb) Aký hlavný produkt vznikne hydrogenáciou izoprénu do prvého stupňa na platine? Prečo? 3

5 ÚLOHY Z ANALYTICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória EF 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Martina Gánovská Stredná odborná škola, Svit Maximálne 10 bodov (b), resp. 40 pomocných bodov (pb) Doba riešenia: 60 minút 1 (21 pb) Okrem významného postavenia chloridov vo fotografickom priemysle sa tieto spolu s dusitanmi pridávajú do potravín ako známe E-čka a používajú sa ako konzervačné látky mäsových výrobkov. Ak porovnáme charakter chemických reakcií, zistíme, že dusitany, tiokyanatany a chrómany reagujú podobne ako halogenidy. Preto sa z analytického hľadiska považujú za tzv. pseudohalogenidy. Ich reakciou s dusičnanom strieborným vznikajú zrazeniny s rôznym súčinom rozpustnosti. Pri porovnávaní vlastností spomínaných zlúčenín sme si pripravili štyri kadičky, v ktorých bolo po 20 cm 3 sodných alebo draselných solí chloridu, tiokyanatanu, chromanu a dusitanu. Koncentrácia všetkých roztokov bola 4 3 c 2,00 10 mol dm. Do každej kadičky sme pridávali 5 cm 3 AgNO 3 s koncentráciou c 0,1000 mol dm 3 a pozorovali sme priebeh reakcií. a) Uveďte stechiometrický stavový a skrátený iónový zápis zrážacích reakcií jednotlivých aniónov s dusičnanom strieborným. b) Uveďte sfarbenie zrazenín. c) Výpočtom zistite, v ktorých prípadoch opísaného experimentu zrazeniny naozaj vzniknú. d) V prípadoch kde by sme tvorbu zrazeniny nepozorovali vypočítajte, akú koncentráciu aniónu treba dať do kadičky, aby po pridaní uvažovaného objemu dusičnanu strieborného zrazenina vznikla. e) Určte hmotnosť AgSCN, ktorý sa nachádza v 250 cm 3 nasýteného roztoku, ak sa ako rozpúšťadlo použije destilovaná voda. 4

6 Pri výpočtoch použite nasledujúce hodnoty: pk ( AgCl) 9,75, pk ( AgSCN) 11,97, pk Ag CrO ) 11,61 s s s ( 2 4 pk ( s AgNO2 ) 3,22, M (AgSCN) 165,95 g mol 1 2 (19 pb) Na konci 19. storočia a na začiatku 20. storočia sa bromid sodný používal ako súčasť liekov pôsobiacich na centrálnu nervovú sústavu. Nevýhodou užívania liekov s obsahom bromidov však bolo možné riziko liekovej závislosti. Súčasťou lieku bol aj chlorid draselný, ktorého úlohou bolo hlavne doplniť množstvo draslíka do organizmu. Pri rozbore takéhoto lieku sa stanovovali bromidy a chloridy vedľa seba argentometricky priamo podľa Mohra. Na stanovenie sa navážilo 500 mg vzorky, čo predstavovalo jednu dávku lieku. Chlorid draselný a bromid sodný predstavovali 35% z hmotnosti lieku, zvyšok boli pomocné látky. Z návažku sa pripravilo 100 cm 3 titráciu sa použilo 10 cm 3 zásobného roztoku a na jednu tohto roztoku. Roztok sa titroval odmerným roztokom dusičnanu strieborného. Priemerná spotreba odmerného roztoku bola 9,1 cm 3. Odmerný roztok AgNO 3 sa pripravil ako roztok s približnou koncentráciou a štandardizoval sa priamou titráciou podľa Fajansa. Zásobný roztok NaCl sa získal tak, že 0,1367 g NaCl sa rozpustilo vo vode a doplnilo na objem 100 cm 3. Na jednu štandardizáciu laboranti odpipetovali 10 cm 3 spotreba dusičnanu strieborného bola 10,8 cm M (NaCl) 58,44 g mol, pk s (AgBr) 12,11, pk (AgCl) s 9,8-1 M (NaBr) 102,89 g mol, roztoku základnej látky. Priemerná -1 M (KCl) 74,55 g mol a) Zapíšte stechiometrickými rovnicami všetky reakcie prebiehajúce počas stanovenia a štandardizácie. b) Vypočítajte presnú koncentráciu odmerného roztoku dusičnanu strieborného. c) Na základe výpočtu rozpustnosti určte, ktorá zrazenina sa počas titrácie začne vylučovať ako prvá. d) Vypočítajte látkové množstvo halogenidov spolu vo vzorke. Vypočítajte hmotnostný zlomok KCl a NaBr v liečive. 5

7 ÚLOHY Z TECHNOLOGICKÝCH VÝPOČTOV Chemická olympiáda kategória EF, úroveň E 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Ľudmila Glosová Stredná odborná škola, Nováky Maximálne 15 bodov (b), resp. 24 pomocných bodov (pb) Doba riešenia: 40 minút 1 (17,5 pb) Náplň bezpečnostných airbagov v autách obsahuje toxický azid sodný a pri reakcii sa tvorí veľmi reaktívny sodík. Náplň preto musí obsahovať presné dávky všetkých zložiek. Okrem azidu sodného a dusičnanu draselného sa do zmesi ešte pridáva oxid kremičitý, ktorý v závere zreaguje na neškodné silikátové sklo. reakcie: 1. 2 NaN 3 2 Na + 3 N Na + 2 KNO 3 5 Na 2 O + K 2 O + N 2 3. Na 2 O + SiO 2 Na 2 SiO 3 K 2 O + SiO 2 K 2 SiO 3 Vypočítajte: a) koľko g NaN 3 musí obsahovať náplň, ak sa použije 8 g KNO 3, b) aké minimálne množstvo SiO 2 treba pridať do náplne, c) aký bude objem bočného airbagu po nafúknutí pri teplote 20 C a tlaku 103 kpa. R = 8,314 J mol -1 K -1 M(NaN 3 ) = 65,011 g mol -1 M(Na) = 22,991 g mol -1 M(KNO 3 ) = 101,107 g mol -1 M(SiO 2 ) = 60,085 g mol -1 6

8 2 (6,5 pb) Kvapkajúci vodovod prepustí 100 cm 3 teplej vody za 4 minúty. Vypočítajte: a) objemový prietok vody v m 3 s -1, b) rýchlosť pretekajúcej vody, ak predpokladáme, že voda uniká kruhovým otvorom priemeru 3 mm, c) straty teplej vody v dm 3, d) koľko by sme zaplatili navyše za 30 dní za uniknuté množstvo vody, ak cena 1 m 3 teplej vody je 10. 7

9 ÚLOHY Z PRAXE Chemická olympiáda kategória EF 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Elena Kulichová Stredná odborná škola Nováky Maximálne 50 bodov Doba riešenia: 240 minút V školskom kole sa pozrieme bližšie na obsah soli v prípravkoch na dochucovanie a konzervovanie potravín. Medzi najviac používané patria prípravky na nakladanie zeleniny, ktoré sa predávajú pod obchodným názvom Deko, Zeko, Nakladač a pod. Pomôcky: Odvažovačka so zábrusovým uzáverom, pipety 10, 20 a 25 cm 3, odmerné banky s objemom 100, 250 a 500 cm 3, titračné banky 150 cm 3, byreta 25 cm 3, kadičky, odmerné valce, analytické lieviky, filtračný papier, teplomer, stojany, svorky, lapáky, filtračné kruhy, nádoba na ľadový kúpeľ. Chemikálie: NaCl (p.a., štandardná látka), zásobný roztok AgNO 3 (s koncentráciou blízkou c= 0,5 mol dm -3 ), odmerný roztok NH 4 SCN s koncentráciou blízkou 0,05 mol dm -3, indikátor fluoresceín, indikátor nasýtený roztok síranu amónno-železitého v 1 molárnej kyseline dusičnej, roztok kyseliny dusičnej s koncentráciou blízkou 3 mol dm -3, ľad, vzorka konzervačného prostriedku DEKO. Upozornenie: Pre dusičnan strieborný platia nasledujúce bezpečnostné údaje: R8, R34, R50/53 S (1/2), S26, S45, S60, S61 1: Príprava roztokov na argentometrickú titráciu 1.1 Vypočítajte hmotnosť NaCl, potrebnú na prípravu 100 cm 3 štandardného roztoku s koncentráciou blízkou c = 0,05 mol dm -3. Roztok pripravte a vypočítajte jeho presnú koncentráciu. 8

10 1.2 Vypočítajte objem zásobného roztoku AgNO 3 s koncentráciou blízkou c = 0,5 mol dm -3, ktorý je potrebný na prípravu 250 cm 3 odmerného roztoku s koncentráciou blízkou c = 0,05 mol dm -3. Roztok pripravte. 2: Stanovenie presnej koncentrácie odmerného roztoku AgNO Do titračnej banky pipetujte 10 cm 3 štandardného roztoku NaCl. Pridajte 3 4 kvapky indikátora fluoresceín a steny banky opláchnite destilovanou vodou. 2.2 Titrujte odmerným roztokom AgNO Vypočítajte presnú koncentráciu roztoku AgNO Opíšte vizuálnu zmenu, ktorá slúži na indikáciu ekvivalentného bodu, vysvetlite princíp indikácie ekvivalentného bodu podľa Fajansa. 3: Úprava vzorky 3.1 Do zábrusovej odvažovačky odvážte s analytickou presnosťou 1,3-1,6 g vzorky rozotreného a zhomogenizovaného konzervačného prípravku. Pomocou približne 60 cm 3 destilovanej vody preneste vzorku kvantitatívne do kadičky s objemom 150 cm 3. Zmes zahrejte na teplotu C tak, aby okrem korenín neostali vo vzorke nerozpustené podiely. 3.2 Vzorku ochlaďte v ľadovom kúpeli tak, aby jej teplota (v roztoku) dosiahla hodnotu 4 5 C. 3.3 Pripravte 2 ks skladaného filtra. Jeden použite pre ďalšiu prácu, druhý priložte k odpoveďovému hárku. 3.4 Vychladenú vzorku prefiltrujte cez skladaný filter, ktorý ste si pripravili v bode 3.3. Filtračný koláč premyte niekoľkokrát vychladenou destilovanou vodou. 3.5 Z filtrátu pripravte 500 cm 3 zásobného roztoku vzorky na analýzu. 9

11 4: Analýza vzorky 4.1 Do kadičky s objemom 100 cm 3 pipetujte 10 cm 3 vzorky roztoku, ktorý ste pripravili v úlohe 3.5. Pridajte 20 cm 3 roztoku AgNO Zostavte filtračnú aparatúru a zrazeninu odfiltrujte kvantitatívne cez hladký filter. Filtračný koláč starostlivo premyte aspoň trikrát 10 cm 3 destilovanej vody. Filtrát zachytávajte do titračnej banky s objemom 250 cm Do titračnej banky pridajte 2 cm 3 indikátora (roztok síranu amónno-železitého), zmes okyslite 10 cm 3 roztoku kyseliny dusičnej s koncentráciou c = 3 mol dm Titrujte odmerným roztokom NH 4 SCN z bieleho do hnedočerveného sfarbenia. 4.5 Vykonajte slepý pokus: postupujte podľa bodu 4.1, 4.2 a 4.3, 10 cm 3 roztoku vzorky však nahraďte rovnakým objemom destilovanej vody. 4.6 Vykonajte potrebný počet paralelných analýz podľa postupu v bodoch Vypočítajte hmotnostný zlomok NaCl v konzervačnom prostriedku a vyplňte odpoveďový hárok. Pri výpočtoch použite nasledujúce hodnoty mólových hmotností: M(NaCl) = 58,44 g mol -1 M(AgNO 3 ) = 169,87 g mol -1 M(NH 4 SCN) = 76,12 g mol -1 10

12 Odpoveďový hárok z PRAXE Škola: Meno súťažiaceho: Celkový počet pridelených bodov: Podpis hodnotiteľa: Výpočet hmotnosti NaCl: 1.1 Skutočný návažok NaCl: m ST = Výpočet presnej koncentrácie štandardného roztoku: Výpočet objemu zásobného roztoku AgNO 3 : Skrátený iónový zápis rovnice reakcie, ktorá prebehne pri stanovení presnej koncentrácie AgNO 3 : Spotreba odmerného roztoku AgNO 3 na titráciu: Výpočet priemeru Výpočet presnej koncentrácie roztoku AgNO 3 : 11

13 2.4 Opis a vysvetlenie indikácie ekvivalentného bodu podľa Fajansa 3.1 Hmotnosť vzorky konzervačného prostriedku odobratého na analýzu: 4.1 Skrátený iónový zápis rovnice reakcií, ktoré prebehnú pri stanovení vzorky: Miesto na nalepenie skladaného filtra Spotreba odmerného roztoku NH 4 SCN na stanovenie: 4.4 Výpočet priemernej spotreby na stanovenie 4.5 Spotreba odmerného roztoku NH 4 SCN na slepý pokus: Výpočet priemernej spotreby na slepý pokus: 4.6 Výpočet hmotnostného zlomku NaCl vo vzorke konzervačného prostriedku: 12