CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. 47. ročník, školský rok 2010/2011. Kategória C. Krajské kolo TEORETICKÉ A PRAKTICKÉ ÚLOHY

Transkript

1 CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 47. ročník, školský rok 2010/2011 Kategória C Krajské kolo TEORETICKÉ A PRAKTICKÉ ÚLOHY 47. ročník Chemickej olympiády, zadanie 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 TEORETICKÉ ÚLOHY Chemická olympiáda kategória C 47. ročník školský rok 2010/2011 Krajské kolo Milan Melicherčík, Jarmila Kmeťová, Mária Lichvárová Katedra chémie, Fakulta prírodných vied UMB, Banská Bystrica Maximálne 60 bodov Doba riešenia: 120 minút Úloha 1 (15 b) Kovy s výnimkou niektorých ušľachtilých kovov, majú vplyvom okolitého prostredia (účinkom vzdušného kyslíka, vodných pár, sulfánu, oxidu uhličitého, oxidu siričitého a niektorých ďalších látok) snahu pokrývať sa vrstvičkami rôznych zlúčenín ako sú napr. oxidy, sulfidy a pod., čím dochádza k narušeniu rôznych kovových predmetov. Ide predovšetkým o koróziu železa, pri ktorej vzniká hrdza, ktorú tvorí najmä hydratovaný oxid železitý. Bezprostrednou príčinou korózie kovu je vo väčšine prípadov povrchová elektrochemická reakcia, ktorá vedie k oxidácii kovu a k vzniku uvedeného produktu korózie. Elektróny uvoľnené kovom musia byť inou reakciou spotrebované. Pri korózii prebieha teda na povrchu kovu súčasne oxidácia kovu aj redukcia zložiek prostredia, t. j. anodická reakcia aj katodická reakcia. Je to spôsobené bežnými prímesami v kove, ktoré vytvárajú podmienky pre tvorbu lokálnych galvanických článkov, v ktorých prebiehajú spomenuté elektródové reakcie. Preto malé nečistoty v kove, môžu niekedy spôsobiť rýchlu koróziu. Koróziou sa zničí okolo 25 % svetovej produkcie oceli, čím dochádza k nesmiernym ekonomickým stratám. Riešením by bolo používať nerezovú oceľ, ale táto je príliš drahá, aby sa mohla používať vo veľkých množstvách. Aby sa zabránilo poškodzovaniu železných predmetov, treba obmedziť vplyv vonkajšieho prostredia (vzduch a voda) na železný predmet. Robí sa to rôznymi spôsobmi. Najčastejšie sa chránia kovy rôznymi nátermi: mazivo (olej, vazelína), farba, laky, plast, nanesenie povlakov nehrdzavejúcich kovov: Zn, Sn, Ni, Cr, Cu, Au. Na protikoróznu ochranu železných predmetov sa využívajú aj chemické procesy ako je pasivácia a fosfatácia. Vašou úlohou je odpovedať na nasledovné otázky: 1

3 1.1 Chemickými rovnicami zapíšte reakcie anodickej oxidácie prebiehajúcej pri korózii železa. 1.2 Chemickými rovnicami zapíšte reakcie katodickej redukcie prebiehajúcej pri korózii železa. 1.3 Chemickou rovnicami zapíšte celkovú reakciu procesu korózie železa. 1.4 Napíšte, čo je to pasivácia a aká kyselina sa používa na pasiváciu železa. 1.5 Napíšte, prečo hliník je dobre odolný proti korózii, aj keď je neušľachtilý kov? Vysvetlite proces eloxovania hliníka. 1.6 Napíšte, či je na pokrytie striech domov výhodnejšie použiť pozinkovaný alebo pocínovaný železný plech, pričom zinok aj cín patria medzi neušľachtilé kovy. Svoju odpoveď zdôvodníte. Uveďte umiestnenie týchto troch kovov v elektrochemickom rade napätia kovov vzhľadom k vodíku. 1.7 Napíšte, akou ochrannou zelenou vrstvičkou (vzorec aj názov) sa pokrýva meď, ktorá patrí medzi ušľachtilé kovy? Pozor, v učebnici pre 2. ročník gymnázia je uvedený chybný názov. Úloha 2 (24 b) Zinok bol známy v podobe zliatiny s meďou (mosadze) už v starovekom Grécku. Izoloval ho W. Homberg v roku 1695 z kalamínu, zinkovej rudy, ktorú v antike nazývali kadmeia. Najrozšírenejšie rudy zinku sú kalamín čiže smithsonit, sfalerit a wurtzit. Vašou úlohou je odpovedať na nasledovné otázky: 2.1 Doplňte v texte chýbajúce slová: Zinok patrí do... skupiny periodickej sústavy prvkov. Atómy tohto prvku majú... atómové polomery ako atómy prvkov alkalických zemín a sú... reaktívne. Má... sfarbenie, a je to pomerne... a... kov. V zlúčeninách má atóm zinku výlučne oxidačné číslo... Zinok sa používa na... plechov a produktov zo železa, pôsobí ako ochrana proti... Táto vrstva je účinná len dovtedy, kým je kompaktná. Pri jej narušení vzniká tzv. lokálny galvanický článok. Jeho jednou elektródou je... a druhou je... Elektrolytom je roztok, ktorý vznikne rozpustením oxidov...a...zo vzduchu, prípadne inej látky. Na vlhkom vzduchu sa zinok pokrýva ochrannou vrstvičkou zasaditého..., ktorý zapíšeme chemickým vzorcom... Najdôležitejšou zlúčeninou zinku je jeho oxid. Používa sa ako biela maliarská farba, nazývaná... Pri 2

4 zahrievaní sa farbí do..., ale táto farebná zmena je... Tento biely, nerozpustný prášok je amfotérny, to znamená, že reaguje s Chemickými rovnicami zapíšte reakciu oxidu zinočnatého s iónmi H 3 O + (a) a OH - (b) v roztoku. 2.3 Chemickou rovnicou zapíšte rozpúšťanie hydroxidu zinočnatého vo vodnom roztoku amoniaku. 2.4 Biela skalica pri zahrievaní stráca kryštalickú vodu a pri 450 C vzniká bezvodá soľ. Pri silnejšom zahrievaní sa rozkladá na oxid zinočnatý a oxid sírový. Zapíšte bielu skalicu chemickým vzorcom a uveďte jej chemický názov. 2.5 Zinok sa vyrába zo svojich rúd redoxnými dejmi. Získava sa oxidáciou, alebo redukciou? Napíšte príslušnú polreakciu. 2.6 Zinok sa rozpúšťa v zriedenej kyseline chlorovodíkovej. Ak zreagovalo 12,5 g zinku, vypočítajte: a) hmotnosť 20,0 % kyseliny chlorovodíkovej, potrebnej na rozpustenie zinku, b) objem vzniknutého vodíky za normálnych podmienok. Napíšte slovnú odpoveď. M(Zn) = 65,39 g mol -1 M(HCl) = 36,46 g mol -1 3

5 NaOH (aq), ( T) S ( T) H SO (zried.) 2 4 H SO (zried.) 2 4 Úloha 3 (21 b) Chemickými rovnicami zapíšte chemické rovnice reakcií v schéme označených 1 až 8, ktoré možno za istých podmienok zrealizovať. (Poznámka: Reakcia 4 je zložená z dvoch za sebou nasledujúcich reakcií). V schéme doplňte vzorce hlavných produktov A až H, napíšte ich názov a uveďte stav látky (g, l, s, aq): A B C N ( T) 2 2 Cr O 2 3 ( T) 1 NaOH (aq),( T) 3 Cl 2 (g),( T) D Al E elektrolýza tavenina 4 1. NH (aq) C F 3 G HCl (aq) T HCl (aq) H Koniec teoretickej časti 4

6 PRAKTICKÉ ÚLOHY Chemická olympiáda kategória C 47. ročník školský rok 2010/2011 Krajské kolo Milan Melicherčík, Iveta Nagyová Katedra chémie, Fakulta prírodných vied UMB, Banská Bystrica Maximálne 40 bodov Doba riešenia: 180 minút Experimentálna úloha (40 b) zo zmesi Príprava oxidu hlinitého z kamenca draselno-hlinitého po jeho izolovaní 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. Úvod Experimentálna úloha má tri časti: 1. Oddelenie Fe 2 O 3 a SiO 2 zo zmesi 2. Príprava hydroxidu hlinitého 3. Príprava oxidu hlinitého 5

7 1. Oddelenie oxidu železitého a oxidu kremičitého zo zmesi Vašou úlohou je oddeliť filtráciou za atmosférického tlaku nerozpustné látky (oxid železitý a kremičitý) od roztoku síranu draselno-hlinitého. Postup: Do kadičky s objemom 250 cm 3 odmerajte odmerným valcom 100 cm 3 destilovanej vody. Potom pridajte 14,0 g zmesi obsahujúcej AlK(SO 4 ) 2 12 H 2 O, Fe 2 O 3 a SiO 2, ktorú máte pripravenú a vopred naváženú na pracovnom stole v odvažovačke. Zmes obsahuje 60,0 hmot. % kamenca AlK(SO 4 ) 2 12 H 2 O, 10,0 hmot. % Fe 2 O 3 a 30,0 hmot. % SiO 2. Obsah kadičky miešajte za tepla sklenou tyčinkou, aby sa kamenec draselnohlinitý rozpustil. Potom roztok ešte za tepla prefiltrujte cez skladaný filter (napr. FILTRAK 388) do kadičky s objemom 400 cm 3. Na filtri sa zachytia nerozpustné látky. Filtrát by mal byť bezfarebný a číry. Ak tomu tak nie je, prefiltrujte ho cez ten istý filter ešte raz. Poznámka 1: Pred vlastnou filtráciou privolajte pedagogický dozor, ktorý Vám ohodnotí techniku prípravy skladaného filtra a filtrácie za atmosférického tlaku. 2. Príprava hydroxidu hlinitého Hydroxid hlinitý pripravíme vyzrážaním pripraveného roztoku síranu draselnohlinitého vodným roztokom amoniaku. Postup: Roztok síranu draselno-hlinitého (filtrát) zrieďte destilovanou vodou na objem 150 cm 3. Roztok zahrejte takmer do varu a zrážajte po kvapkách roztokom amoniaku (1 : 3). Roztok amoniaku pridávajte z kadičky po sklenej tyčinke a za stáleho miešania. Zrážanie ukončite, ak sa po usadení zrazeniny a pridaní amoniaku v roztoku nad zrazeninou už netvorí zrazenina hydroxidu hlinitého a roztok mierne zapácha amoniakom. (Pozor! Roztok v kadičke nikdy priamo neovoniavame, ale vzduch nad roztokom si dlaňou navanieme smerom k nosu.) 6

8 Potom vzniknutú zrazeninu Al(OH) 3 odsajte na Büchnerovom lieviku. Použite filtračný papier (napr. FILTRAK 388). Poznámka 2: Pred vlastnou filtráciou privolajte pedagogický dozor, ktorý Vám ohodnotí techniku filtrácie za zníženého tlaku. Zrazeninu Al(OH) 3 premyte na Büchnerovom lieviku tak, že pri odpojenej výveve ju prelejete malým množstvom destilovanej vody (asi 10 cm 3 ), vývevu znovu zapojíte a roztok odsajete. Premývanie treba takto urobiť trikrát. Nakoniec zrazeninu vysušte prúdom vzduchu na Büchnerovom lieviku (3 až 5 minút). Potom zrazeninu aj s filtračným papierom preneste na čisté hodinové sklíčko a čiastočne ho vysušte v sušiarni pri teplote 105 C (asi 15 minút). 3. Príprava oxidu hlinitého hlinitého. Oxid hlinitý pripravíme tepelným rozkladom (žíhaním) pripraveného hydroxidu Postup: Čiastočne vysušenú zrazeninu hydroxidu hlinitého preneste do čistého, suchého a vopred odváženého porcelánového téglika, téglik umiestnite pomocou chemických klieští do triangla a najprv menej intenzívne a nakoniec intenzívne vyžíhajte v oxidačnom plameni. Keďže sa pri tomto experimente nedodržuje kvantitatívny postup, možno produkt v tégliku občas premiešať sklenou tyčinkou. Po vyžíhaní téglik s produktom preneste pomocou predhriatych chemických klieští do exsikátora s dehydratačnou náplňou a nechajte ho vychladnúť na laboratórnu teplotu. Potom obsah téglika rýchlo preneste do vopred odváženej zábrusovej odvažovačky, uzavrite ju viečkom a odvažovačku s produktom odvážte. Odvažovačku s produktom odovzdajte. Poznámka 3: a) Požiadajte jedného z členov pedagogického dozoru, aby vám demonštroval, ako sa správne otvára a zatvára exsikátor. 7

9 b) Produkt je veľmi hygroskopický, preto ho treba vážiť v uzavretej odvažovačke. Ú l o h y : Úloha 1 (2 b) Zapíšte chemickou rovnicou v stechiometrickom tvare chemickú reakciu prebiehajúcu pri príprave hydroxidu hlinitého. Úloha 2 (8 b) Vypočítajte hmotnosť hydroxidu hlinitého, ktorý možno teoreticky získať z roztoku síranu draselno-hlinitého pripraveného zo 14,0 g analyzovanej zmesi. Napíšte aj slovnú odpoveď. M[AlK(SO 4 ) 2 12 H 2 O] = 474,38 g mol -1 M[Al(OH) 3 ] = 78,003 g mol -1 Úloha 3 (2 b) Zapíšte chemickou rovnicou chemickú reakciu prebiehajúcu pri tepelnom rozklade (žíhaní) Al(OH) 3. Úloha 4 (6 b) Vypočítajte, akú hmotnosť Al 2 O 3 možno teoreticky získať po tepelnom rozklade (vyžíhaní) Al(OH) 3 pripraveného zrážaním roztoku síranu draselno-hlinitého tak, ako je uvedené v časti 2. Napíšte aj slovnú odpoveď. M(Al 2 O 3 ) = 101,9613 g mol -1 Úloha 5 (3 b) Vypočítajte, aký podiel (v %) z teoretického množstva Al 2 O 3 ste získali prakticky. Napíšte aj slovnú odpoveď. 8

10 Úloha 6 (13 b) Hodnotenie manuálnych zručností: Príprava skladaného filtra (3 b). Príprava filtračnej aparatúry a spôsob filtrácie za atmosférického tlaku (5 b). Príprava filtračnej aparatúry a spôsob filtrácie za zníženého tlaku (5 b). Úloha 7 (6 b) Odovzdajte získaný produkt Al 2 O 3. 9