Ústřední komise Chemické olympiády. 43. ročník. OKRESNÍ KOLO Kategorie D. SOUTĚŽNÍ ÚLOHY TEORETICKÉ ČÁSTI Časová náročnost: 90 minut

Transkript

1 Ústřední komise Chemické olympiády 43. ročník OKRESNÍ KOLO Kategorie D SOUTĚŽNÍ ÚLOHY TEORETICKÉ ČÁSTI Časová náročnost: 90 minut Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

2 Ve školním kole jsme se zabývali řešením problematiky spojené s historií poznávání atmosféry a zkoumali jsme podrobněji jednotlivé látky, ze kterých se atmosféra skládá. Dnes budeme v tomto poznávání pokračovat. Vyzkoušej si tedy, co už o atmosféře a jejich složkách víš. (K řešení úloh můžeš používat periodickou soustavu prvků a kalkulačku. Používání mobilního telefonu není dovoleno!! ) Úloha 1 Příběh s technickými plyny 14 bodů Vzduch i jeho složky využíváme jako technické plyny. Ve skladu technických plynů bylo několik ocelových lahví označených podle zvyklostí. Nový skladník měl však k dispozici místo názvů pouze popisy charakteristických vlastností plynů a Tvým úkolem je pomoci mu lahve roztřídit a napsat jaké plyny jsou v jednotlivých lahvích uskladněny (uveď názvy a vzorce). a) Láhev obsahovala plyn bez barvy a zápachu, nezbytný k dýchání a hoření. Ve vzduchu je tohoto plynu obsaženo 21 %. Do obchodu se dodává v ocelových lahvích pod tlakem 15 MPa. Používá se především ke sváření kovů společně s acetylenem nebo vodíkem (autogenní sváření). b) V této láhvi byl také bezbarvý plyn charakteristického zápachu. Je snadno zápalný, se vzduchem tvoří v širokém rozsahu koncentrací výbušné směsi. Připravuje se rozkladem karbidu vápenatého vodou nebo se dodává v ocelových lahvích, v nichž je rozpuštěn v acetonu pod tlakem asi 1,5 MPa. Používá se především ke sváření a řezání kovů. Teplota jeho plamene s kyslíkem je asi 2300 C. c) Ve třetí láhvi byl plyn bez barvy a zápachu, tvořící se vzduchem i kyslíkem výbušné směsi. Je to nejlehčí z plynů, 14,4krát lehčí než vzduch. Dodává se v ocelových lahvích pod tlakem 15 MPa. Podobně jako předchozí plyn se společně s kyslíkem používá ke svařování a řezání kovů, teplota jeho plamene je až 2650 C. d) Čtvrtá láhev obsahovala plyn bez barvy a zápachu, těžší než vzduch, dobře rozpustný ve vodě. V přírodě vzniká zejména při hoření, hnití a kvašení. Protože je těžší než vzduch, může se hromadit v nevětraných prostorách pod úrovní terénu. Velký obsah tohoto plynu ve vzduchu ztěžuje dýchání a může způsobit i zadušení. Do obchodu přichází jednak zkapalněný v ocelových lahvích nebo jako tzv. suchý led, tj. tuhý plyn, který se na vzduchu zvolna vypařuje. Teplota suchého ledu dosahuje až 75 C. Zkapalněný plyn tvoří také náplň sněhových hasících přístrojů. Rozpuštěním tohoto plynu ve vodě se vyrábí sodovka; obsahují jej také různé druhy minerálních vod a nealkoholických nápojů. Má mj. také podíl na oteplování naší planety. e) Bezbarvý plyn pronikavého zápachu, výborně rozpustný ve vodě, ve velkém množství poškozuje zdraví. Dodává se zkapalněný v ocelových lahvích pod tlakem přibližně 1 MPa nebo jako 25% vodný roztok, který vykazuje zásaditou reakci. f) Žlutozelený plyn dusivého zápachu, těžší než vzduch, silně jedovatý, rozpustný ve vodě. Dodává se zkapalněný v ocelových tlakových lahvích. Byl použit i jako první bojová chemická látka v I. světové válce u belgického městečka Ypres. g) Bezbarvý plyn, bez zápachu a nehořlavý, málo rozpustný ve vodě. Ve vzduchu je ho obsaženo 78 % a také se ze vzduchu průmyslově vyrábí. Používá se k výrobě průmyslových hnojiv, amoniaku, kyseliny dusičné, střelného prachu apod. Dodává se zkapalněný v ocelových tlakových lahvích. Úloha 2 Vlastnosti oxidu uhličitého 8 bodů V jedné z lahví jsi správně určil také oxid uhličitý. Budeme se mu věnovat i v dalších úlohách. Je všeobecně známo, že oxid uhličitý je produktem dýchání většiny živočichů. Odpověz na následující otázky: 1

3 a) Jaké je v současnosti procentuální zastoupení oxidu uhličitého v zemské atmosféře? b) Které problémy by nastaly při jeho nadměrném hromadění ve vzduchu? c) Jak lze dokázat jeho přítomnost ve vydechovaném vzduchu (vyjádři chemickou rovnicí a vysvětli)? Úloha 3 Průmyslová výroba oxidu uhličitého 8 bodů Průmyslově se oxid uhličitý vyrábí tepelným rozkladem (pálením) vápence. Je v podstatě odpadním produktem při výrobě jedné průmyslově významné látky. a) Víš, o kterou průmyslově významnou látku se jedná a k čemu se využívá? b) Napiš chemickou rovnici tepelného rozkladu vápence a pojmenuj oba vzniklé produkty! c) Které látky vznikají při reakci obou uvedených produktů s vodou. Vyjádři oba děje chemickými rovnicemi a vysvětli! Úloha 4 Z plynu k pevné látce 5 bodů Oxid uhličitý lze ochlazením na 78,5 C a stlačením převést na tuhou formu suchý led. Vypočítej kolik kg suchého ledu vznikne z plynného oxidu uhličitého, který při 0 C zaujímá objem 500 dm 3. Úloha 5 Oxid uhličitý a hašení 8 bodů Na obr. 1 vidíš schéma hasícího přístroje. Náplň tvoří roztok sody (1), ve skleněné nádobce je kyselina chlorovodíková (2), v okamžiku spuštění se nádobka s kyselinou rozbije úderníkem (3). Obr. 1 Schéma hasicího přístroje a) Jakým způsobem dochází k vytlačování kapaliny z hasícího přístroje? b) Vyjádři chemickou rovnicí princip děje v hasícím přístroji po jeho uvedení do činnosti! c) V hasícím přístroji je rozpuštěno 0,5 kg sody (Na 2 CO 3 ). Kolik litrů oxidu uhličitého vznikne při spuštění hasícího přístroje (uvažujeme děj při normální teplotě a tlaku). 2

4 Úloha 6 Vzduch a další plyny 21 bodů Průměrná molární hmotnost vzduchu je přibližně 29 g mol 1. Urči, které z plynů uvedených v tabulce, jsou těžší a které lehčí než vzduch. Vyplň prázdná políčka v tabulce! Název plynu Vzorec plynu (L lehčí, T těžší) Molární hmotnost (g mol 1 ) Methan ( ) O 2 (T) ( ) 2 Chlorovodík ( ) CO 2 ( ) ( ) 71 Oxid siřičitý ( ) Úloha 7 Vzdušný CO 2 ve vodě 6 bodů Rozpustnost látek je veličina závislá na teplotě. Závislost rozpustnosti vzdušného oxidu uhličitého na teplotě vyjadřuje graf na obr. 2. Na základě tohoto grafu uveď: a) Kolik mg oxidu uhličitého je rozpuštěno v 1 dm 3 vody o teplotě 0 C? b) Kolik cm 3 oxidu uhličitého bude rozpuštěno v nádrži o objemu 250 dm 3 naplněné vodou o teplotě 20 C (objem 1 molu plynu je při 20 C 24,05 dm 3 )? Vliv teploty na rozpustnost vzdušného oxidu uhličitého ve vodě (p = 0,1 MPa) 1,4 Hmotnost CO 2 v 1 l vody (mg) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Teplota ( C) Obr. 2 Závislost rozpustnosti vzdušného oxidu uhličitého ve vodě na teplotě 3

5 Ústřední komise Chemické olympiády 43. ročník OKRESNÍ KOLO Kategorie D SOUTĚŽNÍ ÚLOHY PRAKTICKÉ ČÁSTI Časová náročnost: 90 minut Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

6 Úloha Stanovení hmotnostního zlomku hydrogenuhličitanu sodného v šumivém nápoji 30 bodů Charakteristika úkolu: Šumivé nápoje (prášky, tablety) obsahují hydrogenuhličitan sodný, který při přípravě nápoje reaguje s jednou z dalších složek kyselinou citronovou. Produktem této reakce je oxid uhličitý. Ten vzniká i při rozpouštění prášku v kyselině chlorovodíkové a z jeho množství lze výpočtem určit množství hydrogenuhličitanu a poté jeho hmotnostní zlomek v prášku. Pomůcky: Kónická baňka 100 ml, zátka s procházející trubičkou, zaváděcí trubice, pryžová hadička, skleněná vana, odměrný válec 100 ml, kalibrovaná kádinka 100 ml, stojan, křížová svorka, držák na chladič velký, čtverec filtračního papíru 5 5 cm, lžička (kopist). Chemikálie: Prášek pro přípravu šumivého nápoje o hmotnosti 1,0 g (třikrát), roztok kyseliny chlorovodíkové (w = 0,05) Pozor! Kyselina chlorovodíková je žíravina. S jejím roztokem pracuj opatrně! Postup práce (před provedením pokusu důkladně prostuduj zadání i pracovní list): 1. Sestav aparaturu pro vývoj a jímání plynů (podle obrázku). Vodou zcela zaplněný odměrný válec 100 ml je upevněn dnem vzhůru tak, že jeho ústí je pod hladinou vody ve skleněné vaně a zasahuje do něho konec zaváděcí trubice. 2. Šumivý prášek (přesně 1 g) přenes na čtverec filtračního papíru 5 5 cm a vše pečlivě sbal do kuličky. 3. Do kónické baňky nalij asi 50 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové (objem měř přibližně pomocí kádinky 100 ml). Do baňky vhoď kuličku s práškem a baňku ihned uzavři zátkou s trubičkou, vedoucí do odměrného válce. Pozoruj průběh reakce a sleduj hladinu vody v odměrném válci. 4. Jestliže se již objem plynu ve válci nemění, odečti jeho hodnotu a zapiš ji do pracovního listu. 5. Postup ještě dvakrát opakuj tak, že k obsahu baňky z předchozího měření vždy přidáš další kuličku s práškem. Odměrný válec také není třeba vždy znovu plnit, pokud je objem vyvíjeného plynu menší. 1

7 Úkoly (řešení a odpovědi zapiš do pracovního listu): 1. Zapiš rovnici reakce hydrogenuhličitanu sodného s kyselinou chlorovodíkovou. 2. Do tabulky zapiš hodnoty objemu uvolněného plynu a průměrnou hodnotu, se kterou provedeš výpočet. 3. Postupně vypočítej: látkové množství uvolněného oxidu uhličitého n(co 2 ) (předpokládej, že v laboratorních podmínkách, kdy měření provádíš, zaujímá 1 mol plynu objem V m = 24,4 dm 3 ); odpovídající látkové množství hydrogenuhličitanu sodného n(nahco 3 ); hmotnost hydrogenuhličitanu sodného m(nahco 3 ) (molární hmotnost hydrogenuhličitanu sodného M(NaHCO 3 ) = 84 g mol 1 ); hmotnostní zlomek hydrogenuhličitanu sodného w(nahco 3 ) v daném vzorku. 4. Napiš, co bys mohl pozorovat, kdyby byl oxid uhličitý jímán nad roztokem hydroxidu vápenatého. 5. Jak se nazývá látka, která by vznikala? 6. Zapiš rovnici reakce plynu s roztokem hydroxidu vápenatého. 2

8 Praktická část okresního kola 43. ročníku ChO kategorie D PRACOVNÍ LIST soutěžní číslo: Body celkem: Praktická část výsledky Úloha Stanovení hmotnostního zlomku hydrogenuhličitanu sodného v šumivém nápoji 30 bodů Úkoly: 1. Napiš rovnici reakce hydrogenuhličitanu sodného s kyselinou chlorovodíkovou: Do tabulky zapiš hodnoty objemu uvolněného plynu a průměrnou hodnotu, se kterou provedeš výpočet. Objem plynu V [cm 3 ] 1. Měření Průměr 3. Do tabulky zapiš vypočítané hodnoty včetně jednotek: Látkové množství oxidu uhličitého n(co 2 ): Látkové množství hydrogenuhličitanu sodného n(nahco 3 ): Hmotnost hydrogenuhličitanu sodného m(nahco 3 ): Hmotnostní zlomek hydrogenuhličitanu sodného w(nahco 3 ):

9 Místo pro výpočty: 4. Při jímání CO 2 nad roztokem hydroxidu vápenatého by bylo možno pozorovat (doplň): Vznikal by (doplň) Zapiš rovnici reakce plynu s roztokem hydroxidu vápenatého:...

10 Ústřední komise Chemické olympiády 43. ročník OKRESNÍ KOLO Kategorie D ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH TEORETICKÉ A PRAKTICKÉ ČÁSTI Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

11 Řešení okresního kola ChO kat. D 2006/2007 TEORETICKÁ ČÁST Úloha 1 Příběh s technickými plyny 14 bodů a) Kyslík O 2, b) ethyn (acetylen) C 2 H 2, c) vodík H 2, d) oxid uhličitý CO 2, e) amoniak NH 3, f) chlór Cl 2, g) dusík N bodů (2 body za každý správně určený plyn) Úloha 2 Vlastnosti oxidu uhličitého 8 bodů a) V současné době obsahuje zemská atmosféra přibližně 0,03 % oxidu uhličitého, b) Oxid uhličitý řadíme mezi tzv. skleníkové plyny a jeho hromaděním dochází ke globálnímu oteplování nejen ovzduší, ale celého klimatu na Zemi. c) Oxid uhličitý se nejčastěji dokazuje reakcí s tzv. vápennou vodou. Vápenná voda je čirý roztok hydroxidu vápenatého, získaný rozpuštěním hydroxidu ve vodě a jeho následnou filtrací. Reakcí s oxidem uhličitým se vápenná voda zakalí od vznikajícího uhličitanu vápenatého. Rovnice: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Jako správné řešení je možné uznat i reakci CO 2 s Ba(OH) 2. 8 bodů (odpovědi a) a b) po 2 bodech, odpověď c) 4 body) Úloha 3 Průmyslová výroba oxidu uhličitého 8 bodů a) Jedná se o výrobu páleného vápna, které se využívá ve stavebnictví pro výrobu maltových směsí, vápenného hydrátu apod. Pálené vápno je oxid vápenatý CaO. b) CaCO 3 CaO + CO 2 CaO oxid vápenatý CO 2 oxid uhličitý. c) Reakcí oxidu vápenatého s vodou vzniká hydroxid vápenatý (hašené vápno) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Reakcí oxidu uhličitého s vodou vzniká slabá kyselina uhličitá CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 8 bodů (odpověď a) 2 body, odpovědi b) a c) po 3 bodech) Úloha 4 Z plynu k pevné látce 5 bodů M(CO 2 ) = 44 g mol 1 V m = 22,4 dm 3 mol 1 (při 0 C) 22,4 dm 3 44, g 500, dm 3. x, g x = 982,1 g = 0,9821 kg Z 500 dm 3 oxidu uhličitého vznikne 0,9821 kg suchého ledu. Úloha 5 Oxid uhličitý a hašení 5 bodů 8 bodů a) Kapalinu z hasícího přístroje vytlačuje vznikající oxid uhličitý. b) Kyselina chlorovodíková reaguje s rozpuštěným uhličitanem sodným za vzniku chloridu sodného, vody a oxidu uhličitého. Na 2 CO HCl 2 NaCl + H 2 O + CO 2 1

12 c) Východiskem výpočtu je výše uvedená rovnice (odpověď b)). M(Na 2 CO 3 ) = 106 g mol 1 V m 0 (CO 2 ) = 22,4 dm 3 mol 1 (při 0 C) Ze 106 g sody. 22,4 dm 3 oxidu uhličitého Z 500 g sody. x, dm 3 x = 105,7 dm 3 oxidu uhličitého. Řešení okresního kola ChO kat. D 2006/2007 Uznat i alternativní varianty výpočtů, např. pomocí látkového množství apod. 8 bodů (odpověď a) 1 bod, odpověď b) 2 body a c) 5 bodů) Úloha 6 Vzduch a další plyny 21 bodů Odpovědi jsou uvedeny v tabulce: Název plynu Vzorec plynu (L lehčí, T těžší) Molární hmotnost (g mol 1 ) Methan CH 4 (L) 16 Kyslík O 2 (T) 32 Vodík H 2 (L) 2 Chlorovodík HCl (T) 36,5 Oxid uhličitý CO 2 (T) 44 Chlór Cl 2 (T) 71 Oxid siřičitý SO 2 (T) 64 Za vyplnění 21 bodů (každý plyn se všemi správnými položkami 3 body) Úloha 7 Vzdušný CO 2 ve vodě 6 bodů a) Z grafu lze určit, že v 1 dm 3 vody o teplotě 0 C je rozpuštěno přibližně 1,2 mg oxidu uhličitého. b) Z grafu určíme, že v 1 dm 3 vody o teplotě 20 C je rozpuštěno 0,62 mg oxidu uhličitého; ve 250 dm 3 je to ,62 = 155 mg oxidu uhličitého: mg CO 2. 24,05 dm 3 = cm mg CO 2. x, cm 3 x = 84,72 cm 3 Ve 250 dm 3 vody o teplotě 20 C je rozpuštěno 84,72 cm 3 oxidu uhličitého. Uznat i alternativní varianty výpočtů, např. pomocí látkového množství apod. 6 bodů (odpověď a) 2 body, odpověď b) 4 body 2

13 Řešení okresního kola ChO kat. D 2006/2007 PRAKTICKÁ ČÁST Úloha Stanovení hmotnostního zlomku hydrogenuhličitanu sodného v šumivém nápoji 30 bodů 1. Rovnice hydrogenuhličitanu sodného s kyselinou chlorovodíkovou: NaHCO 3 + HCl CO 2 + NaCl + H 2 O Za schéma reakce 1 bod, za správně zapsanou rovnici max. 5 bodů 2. Provedení tří měření objemu oxidu uhličitého 8 bodů 3. Hodnoty (respektovat správný postup i v případě nesprávného vstupního údaje, viz druhý sloupec tabulky; za správné použití jednotek vždy 0,5 bodu, v případě chybějících nebo nesprávných jednotek ocenění výpočtu o 0,5 bodu snížit): n(co 2 ) n(nahco 3 ) m(nahco 3 ) w(nahco 3 ) Správný postup (vztah, úvaha) výpočtu látkového množství plynu z objemu min. 0,5 bodu Správný postup (vztah, úvaha) výpočtu látkového množství hydrogenuhličianu min. 0,5 bodu Správný postup (vztah, úvaha) výpočtu hmotnosti hydrogenuhličitanu z látkového množství min. 0,5 bodu Správný postup (vztah, úvaha) výpočtu hmotnostního zlomku hydrogenuhličitanu z hmotnosti min. 0,5 bodu max. 2 body max. 2 body max. 2 body max. 2 body 4. Vznikal by bílý zákal (sraženina). 2 body 5. Bílá sraženina je uhličitan vápenatý 2 body 6. Rovnice reakce oxidu uhličitého s roztokem hydroxidu vápenatého: CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O Za schéma reakce 1 bod, za správně zapsanou rovnici max. 5 bodů Při řešení úlohy soutěžící provedou výpočty podle vztahů, resp. odpovídajících úvah vyjádřených např. trojčlenkou: V (CO ) 2 n (CO2) =, kde V m = 24,4 dm 3 mol 1 Vm n ( NaHCO 3) = n(co2) m NaHCO ) = n(nahco ). (NaHCO ), kde M(NaHCO ) = 84 g mol ( 3 3 M 3 m(nahco ) 3 w (NaHCO3) =, kde m vzorek je hmotnost vzorku (1 g) mvzorek 3 1 3