Ústřední komise Chemické olympiády. 53. ročník 2016/2017. ŠKOLNÍ KOLO kategorie C ŘEŠENÍ TEORETICKÉ ČÁSTI

Transkript

1 Ústřední koise Cheické olypiády 53. ročník 2016/2017 ŠKOLNÍ KOLO kategorie C ŘEŠENÍ TEORETICKÉ ČÁSTI

2 Řešení teoretické části školního kola ChO kat.c 2016/2017. ŘEŠENÍ TEORETICKÉ ČÁSTI (60 BODŮ) Úloha 1 Reakce kovů s kyselinai 15 bodů 1. A Al; B Pb; C Cu; D Fe; E Ag za každou správná odpověď 2 body, celke 10 bodů 2. Sloučenina X je PbCl 2. Pokud bude použita HI, vzniká žlutý PbI 2. za každou správnou odpověď 0,5 bodu, celke 1 bod 3. Cu + 2H 2 SO 4 CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O Unikající plyn je oxid siřičitý, síra v ně á oxidační číslo +IV. správná rovnice 1 bod, za každou další správnou odpověď 0,5 bodu, celke 2 body 4. Ag + 2HNO 3 AgNO 3 + NO 2 + H 2 O Unikající plyn je oxid dusičitý, dusík v ně á oxidační číslo +IV. správná rovnice 1 bod, za každou další správnou odpověď 0,5 bodu, celke 2 body Úloha 2 Kovové stroy Dianin stro 10 bodů 1. Merkurův kov potřebný pro přípravu Dianina strou je rtuť. správná odpověď 1 bod, celke 1 bod 2. Dianin stro je tvořen aalgae rtuti a stříbra. Dianiný kove je stříbro. každá správná odpověď 0,5 bod, celke 1 bod 3. 2AgNO 3 + Hg 2Ag + Hg(NO 3 ) 2 2Ag + + Hg 2Ag + Hg 2+ každá správná rovnice 0,5 bod, celke 1 bod 4. aqua fortis označovalo kyselinu dusičnou. správná odpověď 0,5 bodu, celke 0,5 bodu 5. Aalga je za laboratorní teploty kapalná nebo pevná slitina rtuti a dalšího kovu. správná odpověď 0,5 bodu, celke 0,5 bodu 6. hotnost rtuti na začátku reakce 0 = 10,00 g hotnost zreagované rtuti (60 % hotnosti 0 ) Hg = 0,6 0 = 6,00 g 1 bod Z che. rovnice reakce plyne, v jaké vztahu je hotnost zreagované rtuti ( Hg ) a hotnost vyloučeného stříbra ( Ag ): 2n Hg = n Ag 1 bod Ag = n Ag M Ag 2n M Ag Hg Ag 2

3 Řešení teoretické části školního kola ChO kat.c 2016/2017. Ag Ag 2 M 2 MAg M M Hg Hg Ag Hg 2Hg MAg 2 6, ,87 6,45g M 200,59 Hg Hotnost vyloučeného Dianina kovu (stříbra) byla 6,45 g. Poěr hotností Dianina a Merkurova kovu ve vzniklé Dianině strou se vypočítá: Ag ( Hg nezreagovaná ) 0 Hg Ag 6,45 1,61 (1 0, 6) 4, 00 1 Poěr Dianina a Merkurova kovu ve vzniklé Dianině strou byl 1,61 : 1. Maxiální teoreticky ožná hotnost vyloučeného stříbra ( Ag100% ) se spočítá: 0 Ag100% 2 MAg MHg Ag100% 2 M 0 M Hg Ag 2 10,00 107,87 10,76 g 200,59 Maxiální teoretická hotnost vyloučeného stříbra je 10,76 g. 1 bod 1 bod 1 bod 1 bod lze uznat i jiný logicky správný výpočet, správný výpočet axiálně celke 6 bodů Úloha 3 Vytěsňování kovů z roztoku 11 bodů 1. F Zn; G Cu; H Pb, I Ag za každou správnou odpověď 2 body, celke 8 bodů 2. Jedná se o pentahydrát síranu ěďnatého triviálně nazývaný odrá skalice. správná odpověď 1 bod, celke 1 bod 3. Ve vodě dobře rozpustné soli: AgNO 3, AgF, AgClO 4, Ag(CH 3 COO), AgBF 4. Ve vodě špatně rozpustné soli: AgCl, AgBr, AgI, Ag 2 S, Ag 2 CrO 4, Ag 2 CO 3, Ag 3 PO 4, AgCN aj. za každou správnou odpověď 0,5 bodu, celke 2 body Úloha 4 Galvanické články aneb cheická reakce zdroje elektrické energie 13 bodů 1. anoda (oxidace): Mg(s) Mg 2+ (aq) + 2e záporná elektroda ( ) katoda (redukce): Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) kladná elektroda (+) za každou správnou odpověď 1 bod, celke 2 body 2. schéatický zápis galvanického článku ( ) Mg/Mg 2+ //Cu 2+ /Cu (+) správná odpověď 1 bod, celke 1 bod 3. celková redoxní reakce v soustavě Mg(s) + Cu 2+ (aq) Mg 2+ (aq) + Cu(s) správná rovnice 0,5 bodu, celke 0,5 bodu 3

4 Řešení teoretické části školního kola ChO kat.c 2016/ Kovový hořčík se bude oxidovat na Mg 2+ kationty a současně se kationty Cu 2+ redukují na ěď. Výsledné napětí tohoto elekrocheického článku: E o (katoda) E o (anoda) = 0,34 ( 2,36) = 2,70 V 5. schéatický zápis galvanického článku 1: ( ) Al/Al 3+ //Pb 2+ /Pb (+) schéatický zápis galvanického článku 2: ( ) Pb/Pb 2+ //Ag + /Ag (+) 6. článek1: anoda (oxidace): Al(s) Al 3+ (aq) + 3e záporná elektroda ( ) katoda (redukce): Pb 2+ (aq) + 2e Pb (s) kladná elektroda (+) článek 2: anoda (oxidace): Pb(s) Pb 2+ (aq) + 2e záporná elektroda ( ) katoda (redukce): Ag + (aq) + 1e Ag (s) kladná elektroda (+) správný výpočet 1 bod, celke 1 bod za každou správnou odpověď 1 bod, celke 2 body za každou správnou odpověď 1 bod, celke 4 body 7. Rozdílná polarita eletkrody tvořené olove (Pb) je způsobena tí, že v první případě je zapojena do článku s elektronegativnější kove (Al, zápornější redox potenciál), v toto případě funguje Pb-elektroda jako katoda; v druhé případě je zapojena s kove elektropozitivnější (Ag, kladnější redox potenciál), v toto případě funguje Pb-elektroda jako anoda (oxiduje se). Je to způsobeno různou (nižší a vyšší) hodnotou redox potenciálu druhé elektrody. 8. článek 1: článek 2: E o (katoda) E o (anoda) = 0,13 ( 1,67) = 1,54 V E o (katoda) E o (anoda) = 0,80 ( 0,13) = 0,93 V správná odpověď 0,5 bodu, celke 0,5 bodu za každý správný výpočet 1 bod, celke 2 body Úloha 5 Zajíavé redoxní reakce 11 bodů 9. A) 4 FeS O 2 2 Fe 2 O SO 2 ox.: 2Fe II III Fe 2 + 2e I ox.: 2S 2 4S IV + 20e 0 red.: O 2 + 4e 2O II B) Fe 3 O CO 3 Fe + 4 CO 2 ox.: C II C IV + 2e III red.: Fe 2 + 6e 2Fe 0 red.: Fe II + 2e Fe 0 C) 3CuO + 2 NH 3 3 Cu + N H 2 O ox.: N - III N 0 + 3e red.: Cu II + 2 e Cu 0 D) 6 Hg + 8 HNO 3 3 Hg 2 (NO 3 ) NO + 4 H 2 O ox.: 2Hg 0 I Hg 2 + 2e red.: N V + 3e N II za každou správně vyčíslenou rovnici 1 bod, za poloreakce 0,5 bodu, celke 9 bodů 4

5 Řešení teoretické části školního kola ChO kat.c 2016/ FeS 2 = disulfid železnatý správná odpověď 0,5 bod, celke 0,5 bodu 11. Fe II Fe III 2O 4 správná odpověď 0,5 bod, celke 0,5 bodu 12. Oxidační číslo rtuti je +I a je způsobeno vazbou kov-kov v Hg 2+ 2 kationtu. Správná odpověď a 0,5 bodu, celke 1 bod 5

6 Ústřední koise Cheické olypiády 53. ročník 2016/2017 ŠKOLNÍ KOLO kategorie C ŘEŠENÍ PRAKTICKÉ ČÁSTI

7 Řešení praktické části školníhoho kola ChO kat.c 2016/2017 PRACOVNÍ LIST (40 BODŮ) Soutěžní číslo: body celke Úloha 1 Příprava velkých krystalů ědi 20 bodů Popis krystalů ědi Vzhled (barva a tvar) krystalů ědi Červenohnědá/červená/růžová/hnědá barva krystalů svý tvare připoínající větvičky stroů, lze pozorovat i kostičky nebo jiné tvary. příprava pevného produktu dle návodu a popis jeho vzhledu axiálně celke 13 bodů body Otázky a úkoly: 1. Vyčíslená cheická rovnice v iontové tvaru: Fe + Cu 2+ Fe 2+ + Cu za správnou rovnici 1 bod, celke 1 bod body 2. kov: Mg, Zn, Al, Pb, Sn a jiné další kovy ležící v Beketovově řadě napětí nalevo od Cu a nereagující s vodou. za jakýkoliv správný prvek axiálně celke 1 bod body 3. ionty: Roztok obsahující Ag + nebo Pb 2+ ionty. za správný ion axiálně celke 1 bod body 2

8 Řešení praktické části školníhoho kola ChO kat.c 2016/ Výpočet hotnosti: (CuSO 4 5H 2 O) = 10,00 g M(CuSO 4 5H 2 O) = 249,69 g ol 1 n(cuso 4 ) = / M = 10 / 249,69 = 0,04005 ol n(cuso 4 ) = n(cu) (Cu) = n(cu) M(Cu) = 0, ,55 = 2,55 g Cu (100% teoretická výtěžnost) Množství ědi (Cu) = 2,55 g Výpočet výtěžnosti reakce při 2,00 g produktu Cu: w = (Cu-získaná) / (Cu-teoretická) = 2,00 / 2,55 = 0,784, tj. 78,4 % Cu Výtěžnost reakce je 78,4 %. za výpočet hotnosti 2 body, za výpočet výtěžnosti 2 body, celke 4 body body Úloha 2 Redukce oxidu ěďnatého 20 bodů Popis produktu Barva produktu Červenohnědá. příprava produktu podle návodu axiálně celke 12 bodů body Otázky a úkoly: 1. Vyčíslená cheická rovnice Zn + 2HCl H 2 + ZnCl 2 za správnou rovnici (uznává se i v iontové tvaru) 1 bod, celke 1 bod body 3

9 Řešení praktické části školníhoho kola ChO kat.c 2016/ Slovní popis: Černý CuO ění barvu na červenohnědou, zkuavka se orosí. Vyčíslená cheická rovnice: CuO + H 2 Cu + H 2 O za správný popis pozorování 1 bod, za správnou rovnici 1 bod, celke 2 body body 3. Vysvětlení: Orosení zkuavky je způsobeno vznike vedlejšího produktu vody, která kondenzuje ve forě kapaliny na chladnějších částech zkuavky. za správnou odpověď 1 bod, celke 1 bod body 4. Vyčíslená cheická rovnice: CuO + 2HCl CuCl 2 + H 2 O za správnou rovnici 1 bod, celke 1 bod body 5. Produkt: Na filtrační papíře zůstane vyredukovaná ěď. za správnou odpověď 1 bod, celke 1 bod body 6. Vysvětlení: Aby se odstranil nezreagovaný CuO, který na rozdíl od produktu s HCl reaguje. za správnou odpověď 2 body, celke 2 body body 4

10 Řešení praktické části školníhoho kola ChO kat.c 2016/2017 POKYNY PRO PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁSTI Úlohu 1 je nutné rozdělit do dvou pracovních částí, kdy v první pracovní části se připraví soustava na přípravu ěděného strou (cca 1 h), která se za 2-3 týdny zpracovává ve druhé části (cca 0,5 h). Úloha 2 (cca 1 1,5 h) ůže být přiřazena k jakékoliv z předešlých pracovních částí Úlohy 1. Úloha 1 Příprava velkých krystalů ědi 20 bodů Nádoba, ve které lze připravovat velké ěděné krystaly, ůže být buď vysoká kádinka o objeu 250 nebo i 400 l nebo jiná skleněná nádoba podobného objeu (průěr cca 5 8 c, výška cca c) pokud ožno uzavíratelná, jako nejjednodušší a nejdostupnější ůže být použita podobně velká sklenice s víčke, např. od tatarky nebo od jogurtu. Množství hřebíků, které je potřeba na provedení experientu: 3 kusy hřebíků o délce 50, což odpovídá asi 5 g Fe, nebo 20 kusů hřebíků délky 20. Velikost hřebíků není pro průběh experientu zásadně důležitá, lepší výsledky ale byly dosaženy s většíi hřebíky. Hřebíky lze v případě potřeby (staré, zkorodované) pro zvýšení jejich reaktivity ještě oýt 5% H 2 SO 4. Vrstva vaty by neěla přesáhnout výšku asi 1 c, vyšší vrstva prodlužuje dobu reakce. Místo vaty je ožné použít filtrační papír (reakce probíhá stejně, jen je potřeba opatrněji nalévat roztok NaCl, protože se do pevného NaCl vsakuje poaleji). Výška pevného NaCl by neěla přesáhnout 5 c, vyšší sloupec prodlužuje dobu reakce v řádu několika dní až 1 2 týdnů. Pokud se produkt nevyloučí běhe 14 dní, nechte soustavu reagovat ještě další týden. Ukázka reakčních sěsí po 14 dnech (nahoře) a po 3 týdnech (uprostřed) a ukázka izolovaného produktu krystalické ědi (dole) na vzduchu (vlevo) a uchovaného v 5% roztoku kyseliny sírové (vpravo). 5

11 Řešení praktické části školníhoho kola ChO kat.c 2016/2017 Úloha 2 Redukce oxidu ěďnatého 20 bodů Půl alé lžičky CuO odpovídá asi 0.5 g (ůže být zkontrolováno vážení). Zkuavky s reaktanty je nutné upevnit na laboratorní stojan buď jeden, což vyžaduje větší zručnost, nebo na dva stojany (zasunutí trubičky se realizuje posunutí vodorovné zkuavky s CuO i se stojane). V případě použití éně kvalitního zinku (starý, zoxidovaný) ůže reakce s kyselinou probíhat poalu a vodík začne vznikat za delší dobu. Proto je potřeba buď počkat, než se začne vodík živě vyvíjet a poto teprve začít zahřívat CuO, nebo je potřeba zinek aktivovat (buď jeho ponoření do 1 2% roztoku CuSO 4 na několik inut nebo přídavke 1 2 krystalků CuSO 4.5H 2 O přío do reakční sěsi). 6

12 Řešení praktické části školníhoho kola ChO kat.c 2016/2017 Zkuavku s CuO je potřeba zahřívat zespodu po větší ploše, aby nedošlo k jejíu prasknutí nebo přitavení reakční sěsi ke stěně zkuavky v jedno ístě. Případně lze použít těžkotavitelnou zkuavku, kdy je nutné počítat s tí, že její zahřátí trvá delší dobu, za kterou ůže dojít k ukončení vývoje vodíku. Pokud škola nedisponuje aparaturou na filtraci za sníženého tlaku (Bűchnerova nálevka + odsávací baňka + zdroj vakua), je ožné použít filtraci za tlaku norálního (klasické uspořádání pouze se skleněnou nálevkou a kádinkou). Žáci produkt nesuší, pouze pozorují jeho barvu. Jde o to, aby se soutěžící pokud ožno prakticky seznáili s filtrací za sníženého tlaku, kterou budou provádět v krajské kole. 7