CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. 47. ročník, školský rok 2010/2011. Kategória C. Krajské kolo RIEŠENIE A HODNOTENIE TEORETICKÝCH A PRAKTICKÝCH ÚLOH

Transkript

1 CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 47. ročník, školský rok 2010/2011 Kategória C RIEŠENIE A HODNOTENIE TEORETICKÝCH A PRAKTICKÝCH ÚLOH 47. ročník Chemickej olympiády, riešenie a hodnotenie teoretických a praktických úloh krajského kola kategórie C Zodpovedný autor: Prof. RNDr. Milan Melicherčík, PhD. Recenzent: RNDr. Anton Sirota, PhD. Vydal: IUVENTA - Slovenský inštitút mládeže, 2011 Slovenská komisia Chemickej olympiády

2 RIEŠENIE A HODNOTENIE ÚLOH Z TEORETICKEJ ČASTI Chemická olympiáda kategória C 47. ročník školský rok 2010/2011 Milan Melicherčík, Jarmila Kmeťová, Mária Lichvárová Katedra chémie, Fakulta prírodných vied UMB, Banská Bystrica Maximálne 60 bodov Doba riešenia 120 minút Riešenie úlohy 1 (15 b) 1,5 b 1.1 a) Fe Fe e - 1,5 b b) Fe 2+ Fe e - 1,5 b 1.2 a) 2 H 2 O + 2 e - 2 OH - + H 2 1,5 b b) O H 2 O + 4 e - 4 OH - 1,5 b c) 2 H 3 O e - H 2 + H 2 O 1,5 b Fe + 2 H 2 O + 3 O 2 2 Fe 2 O 3 H 2 O 1,5 b 1.4 Pasivácia je vytvorenie takých produktov na kove, ktoré sú v koróznom prostredí nerozpustné, čím je korózny proces brzdený. Ponorením železa do koncentrovanej kyseliny dusičnej sa vytvorí na povrchu kovu oxidová vrstva, ktorá chráni kov pred ďalším účinkom kyseliny. Tomuto deju sa hovorí pasivácia železa. 1,5 b 1.5 Hliník, aj keď je neušľachtilý kov, je na vzduchu veľmi stály, pretože sa pokrýva súvislou vrstvičkou oxidu (hrubá 0,0002 mm), ktorá ho takmer dokonale chráni. Aby sa ešte zvýšila odolnosť hliníka proti korózii, v praxi sa na povrchu hliníka necháva často umele vytvoriť anodickou oxidáciou podstatne silnejšia vrstva oxidu (hrubá 0,02 mm). Tomuto deju sa hovorí eloxovanie hliníka. 2 b 1.6 Na pokrytie striech domov je výhodnejšie použiť pozinkovaný železný plech ako pocínovaný, aj keď sú obidva neušľachtilé kovy. Kovy treba porovnať v elektrochemickom rade napätia kovov. Nanesené povlaky z ušľachtilejších kovov vzhľadom k železu, ako sú cín alebo meď chránia železo pred koróziou, len pokiaľ sú nepoškodené, urýchľujú však koróziu 1

3 akonáhle sú porušené, pretože tvoria so železom lokálny galvanický článok, v ktorom má železo úlohu anódy, prebieha na ňom oxidácia. Zinkový povlak naproti tomu chráni železo, aj keď je poškodený, pretože v tomto prípade podlieha reakcii (korózii) menej ušľachtilý kov voči železu, a to je zinok, ktorý tu má úlohu anódy, prebieha na ňom oxidácia. Železo v tomto prípade plní úlohu katódy, prebieha na ňom redukcia. Postavenie uvedených kovov v rade napätia je nasledovné: Zn, Fe, Sn, H 1 b 1.7 Cu(CO) 3 Cu(OH) 2 hydroxid-uhličitan meďnatý (medenka), uznať aj Cu 2 (CO 3 )(OH) 2 dihydroxid-uhličitan meďnatý Riešenie úlohy 2 (24 b) 9 b (alebo II. B), menšie, menej, striebrobielej (strieboleskej), mäkký, krehký, II, pozinkovanie, korózii, zinok, železo, oxid uhličitý, uhličitanu zinočnatého, ZnCO 3 Zn(OH) 2, zinková bieloba, žlta, vratná, kyselinami aj so zásadami 2 b 2.2 a) ZnO(s) + 2 H 3 O + (aq) Zn 2+ (aq) + 3 H 2 O(l) 2 b b) ZnO(s) + 2 OH - (aq) + H 2 O(l) [Zn(OH) 4 ] 2- (aq) 2 b 2.3 Zn(OH) 2 (s) + 4 NH 3 H 2 O(aq) [Zn(NH 3 ) 4 ](OH) 2 (aq) + 4 H 2 O(l) 2 b 2.4 ZnSO 4 7 H 2 O heptahydrát síranu zinočnatého 2 b 2.5 Zn II + 2 e - Zn 0 Zinok sa v zlúčeninách nachádza v oxidačnom čísle II. Kovový zinok má oxidačné číslo 0. Dej, pri ktorom sa elektróny prijímajú redukcia. 5 b 2.6 Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 m(zn) = 12,5 g w(hcl) = 0,200 12,5 g n(zn) = = 0,191 mol 1 65,39 g mol Výpočet hmotnosti 20 % HCl: Z rovnice chemickej reakcie vyplýva: n(hcl) = 2 n(zn) n(hcl) = 2 0,191 mol = 0,382 mol 2

4 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) m HCl n HCl M HCl m (20 % HCl) = = w HCl w HCl m (20 % HCl) = Výpočet objemu vodíka: 0,382 mol 36,46 g mol 0,200 Z rovnice chemickej reakcie vyplýva: n(h 2 ) = n(zn) = 0,191 mol 1 = 69,6 g Normálny mólový objem V mn ľubovoľného plynu je približne 22,41 dm 3 V(H 2 ) = n(h 2 ) Vmn = 0,191 mol 22,41 dm 3 mol -1 = 4,28 dm 3 Na rozpustenie zinku potrebujeme 69,6 g roztoku HCl s w(hcl) = 20,0 % a vznikne za normálnych podmienok 4,28 dm 3 vodíka. Riešenie úlohy 3 (21 b) Chemické rovnice: 1 b 1. 2 Al (s) + 2 NaOH (aq) + 6 H 2 O (l) T 2 Na[Al(OH) 4] (aq) + 3 H 2 (g) 1 b 2. 2 Al (s) + Cr 2 O 3 (s) T Al2O 3 (s) + 2 Cr (s) 1 b 3. 2 Al (s) + 3 Cl 2 (g) T 2 AlCl3 (s) 2.b 4. Al 2 (SO 4 ) 3 (aq)+6 NH 3 (aq)+6 H 2 O (l) 2 Al(OH) 3 (s) + 3 (NH 4 ) 2 SO 4 (aq) Al(OH) 3 (s) + 3 HCl (aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 O (l) 1 b 5. Al(OH) 3 (s) + 3 HCl (aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 O (l) 1 b 6. 2 Al(OH) 3 (s) + 3 H 2 SO 4 (zried.) Al 2 (SO 4 ) 3 (aq) + 6 H 2 O (l) 1 b 7. 2 Al(OH) 3 (s) T Al 2 O 3 (s) + 3 H 2 O (l) 1 b 8. Al 2 O 3 (s) + 2 NaOH (aq) + 3 H 2 O (l) T 2 Na[Al(OH) 4] (aq) Doplnenie schémy (za každý správne určený údaj prideliť 0,5 bodu): A: AlN (s) nitrid hlinitý, B: Al 2 S 3 (s) sulfid hlinitý, C: Al 2 O 3 (s) oxid hlinitý, D: Na[Al(OH) 4 ] (aq) tetrahydroxohlinitan sodný, E: AlCl 3 (s) chlorid hlinitý, F: Al 2 (SO 4 ) 3 (aq) síran hlinitý, G: AlCl 3 (aq) chlorid hlinitý, H: Al(OH) 3 (s) hydroxid hlinitý. 3

5 RIEŠENIE A HODNOTENIE ÚLOH PRAKTICKEJ ČASTI Chemická olympiáda kategória C 47. ročník školský rok 2010/2011 Milan Melicherčík, Iveta Nagyová Katedra chémie, Fakulta prírodných vied UMB, Banská Bystrica Maximálne 40 bodov Doba riešenia: 180 minút Riešenie úlohy 1 (2 b) 2 b 2 AlK(SO 4 ) NH 3 H 2 O 2 Al(OH) (NH 4 ) 2 SO 4 + K 2 SO 4 Riešenie úlohy 2 (8 b) Z rovnice chemickej reakcie uvedenej v úlohe 1 vyplýva: 2 b n[al(oh) 3 ] = n[alk(so 4 ) 2 ] = n[alk(so 4 ) 2 12 H 2 O] 2 b ( ) w ( ) M AlK ( SO ) m zmes AlK SO 4.12 H 2 2O n AlK ( SO 4).12 H 2 2O = = 4.12 H 2 2O 14,0 g 0,600 = = 0,018 mol ,38 g mol Pre m[al(oh) 3 ] platí: 1 b m[al(oh) 3 ] = n[al(oh) 3 ] M[(Al(OH) 3] 2 b m[al(oh) 3 ] = 0,018 mol 78,003 g mol -1 = 1,40 g 1 b Zrážaním pripraveného roztoku síranu draselno-hlinitého možno teoreticky pripraviť 1,40 g Al(OH) 3. Riešenie úlohy 3 (2 b) 2 b 2 Al(OH) 3 T Al2O H 2 O Riešenie úlohy 4 (6 b) Z riešenia úloh 2 a 3 vyplýva: 4

6 2 b n(al 2 O 3 ) = 0,5 n[al(oh) 3] = 0,5 0,018 mol = 0,009 mol Pre m(al 2 O 3 ) platí: 1 b m(al 2 O 3 ) = n(al 2 O 3 ) M(Al2O 3 ) 2 b m(al 2 O 3 ) = 0,009 mol 101,9613 g mol. -1 = 0,92 g 1 b Vyžíhaním 1,40 g Al(OH) 3 možno teoreticky získať 0,92 g Al 2 O 3. Riešenie úlohy 5 (3 b) Uvedený je vzorový výpočet, ak predpokladáme, že hmotnosť prakticky získaného Al 2 O 3 je 0,80 g: 1 b Výťažok (%) = m(exp.)(al O 2 m(teoret.)(al 1 b Výťažok (%) = 0,80 g 0,92 g 2 3 O ) 3 ) 100 % 100 % = 87,0 % 1 b Výťažok chemickej reakcie je 87,0 %. Riešenie úlohy 6 (13 b) Hodnotenie manuálnych zručností: 3 b Príprava skladaného filtra. 5 b Príprava filtračnej aparatúry a spôsob filtrácie za atmosférického tlaku. 5 b Príprava filtračnej aparatúry a spôsob filtrácie za zníženého tlaku. Riešenie úlohy 8 (6 b) 6 b Odovzdanie produktu Al 2 O 3. 5

7 POZNÁMKY K PRÍPRAVE PRAKTICKEJ ČASTI Chemická olympiáda kategória C 47. ročník školský rok 2010/2011 Pomôcky: Kadička 250 cm 3, kadička 400 cm 3, odmerný valec 5 až 10 cm 3, odmerný valec 100 cm 3, hodinové sklíčko, sklená tyčinka, lyžička na chemikálie, 2 filtračné papiere, univerzálny indikátorový papierik, filtračný lievik, filtračný kruh, kovový stojan, trojnožka, kovová sieťka, kahan, triangel, porcelánový téglik, zábrusová odvažovačka s viečkom, chemické kliešte, Büchnerov lievik s predvŕtanou zátkou, odsávacia banka 250 cm 3 s gumovou hadičkou, vodná výveva, striekačka s destilovanou vodou, nožnice, predvažovacie váhy, exsikátor, sušiareň. Chemikálie a roztoky: Zmes obsahujúca AlK(SO 4 ) 2 12 H 2 O, Fe 2 O 3 a SiO 2, v ktorej hmotnostné zlomky jednotlivých zložiek sú 0,600, 0,100, resp. 0,300, roztok amoniaku, zriedený v objemovom pomere 1:3. Príprava roztokov: Množstvá pre 1 študenta 1. 14,0 g zmesi pripravenej z 8,40 g AlK(SO 4 ) 2 12 H 2 O, 1,40 g Fe 2 O 3 a 4,20 g SiO Roztok amoniaku, zriedený v objemovom pomere 1 : 3. Príprava: 100 cm 3 amoniaku (w = 26 %) v 300 cm 3 destilovanej vody. 100 cm 3 roztoku odmerať do 100 cm 3 odmernej banky. 6