+ Ústřední komise Chemické olympiády 53. ročník 2016/2017 KRAJSKÉ KOLO kategorie C ZADÁNÍ TEORETICKÉ ČÁSTI (60 BODŮ) časová náročnost: 120 minut
Úloha 1 Reakce kovů s kyselinami 21 bodů Ve školním kole jste se dozvěděli, že vybrané kovy (Pb, Zn, Fe, Al, Cu, Ag, Hg, Sn) mohou s různými kyselinami reagovat za tvorby různých produktů v závislosti na tom, jestli se řadí mezi kovy ušlechtilé nebo neušlechtilé a jestli kyselina, se kterou reagují, má nebo nemá oxidační vlastnosti. V této úloze budete muset uplatnit znalosti, které jste se dosud naučili. 6 neznámých kovů A F bylo za laboratorní teploty podrobeno reakcím s koncentrovanými nebo zředěnými kyselinami HCl, H 2 SO 4 a HNO 3 (kromě reakcí s konc. H 2 SO 4, které probíhaly po zahřátí, viz. Tabulka níže). Neznámý kov A B C D E F HCl konc. nereaguje nereaguje H 2 SO 4 zřed. (asi 5%) H 2 SO 4 konc. po zahřátí HNO 3 zřed. (asi 20 30%) HNO 3 konc. nereaguje nereaguje po zahřátí po zahřátí + produkt X pomalá reakce - + produkt Y bouřlivá reakce - pasivace nereaguje pasivace pasivace pasivace nereaguje pasivace pasivace Neznámý kov A, který nereagoval s HCl, byl podroben reakci se zředěnou a posléze i s koncentrovanou HNO 3. V prvním případě se vyvíjel, který musel být jímán pod vodou, protože při styku se vzduchem ihned docházelo ke změně jeho zbarvení na hnědo-oranžové. V druhém případě vznikal ihned hnědo-oranžový. Roztoky po reakcích byly bezbarvé. Druhý kov B také nereagoval s HCl, s koncentrovanou H 2 SO 4 reagoval pouze po zahřátí a s HNO 3 reagoval se zředěnou i koncentrovanou formou a to za vývoje stejného bezbarvého nebo hnědooranžového u jako v případě reakce s kovem A (záleží na konkrétních podmínkách). Oxidační číslo kovu B ve vzniklých produktech bylo +I. Třetí kov C s HCl reagoval velmi dobře a vznikal, se zředěnou H 2 SO 4 i HNO 3 reagoval za vzniku stejného výbušného u. V případě reakce C se zředěnou HNO 3 může docházet ke vzniku dalšího produktu X, který vzniká redukcí HNO 3 atomárním prvkem tvořící (nascentním = ve stavu zrodu ), a ve kterém má dusík záporné oxidační číslo III. Kov C reagoval i s koncentrovanou H 2 SO 4 (po zahřátí) i s koncentrovanou HNO 3 (nevzniká bílá sraženina oxidu). Kov D reagoval se zředěnou nebo koncentrovanou HNO 3 pomalu nebo až po zahřátí za vývoje bezbarvého nebo hnědo-oranžového u jako v případě reakce kovu A, ve styku s HCl reaguje také velmi pomalu za vzniku výbušného bezbarvého u a produktu Y, s H 2 SO 4 docházelo k pasivaci. Kov E reagoval s HCl bouřlivým způsobem za vývoje bezbarvého výbušného u, v H 2 SO 4 i HNO 3 docházelo k jeho pasivaci. Poslední kov F reagoval za vývoje bezbarvého výbušného u s HCl, se zředěnou H 2 SO 4 i HNO 3, v případě koncentrovaných H 2 SO 4 i HNO 3 docházelo k jeho pasivaci. 1. Identifikujte neznámé kovy A F. 2
2. Identifikujte vznikající y: 1, 2, 3, 4 hnědo-oranžový a vedlejší produkty X a Y. Napište jejich název i vzorec. 3. Vyčíslenými chemickými rovnicemi popište reakci kovu A se zředěnou i koncentrovanou HNO 3. 4. Napište vzorec látky, které způsobuje pasivaci kovu D v H 2 SO 4. Která vlastnost této látky zapříčiňuje pozorovanou pasivaci? Úloha 2 Kovové stromy Saturnův strom 12 bodů Dalším kovem, který lze připravit ve formě dobře vyvinutých a lesklých krystalů připomínajících kovový strom je Saturnův kov. Podobně jako ve školním kole, alchymistický návod na jeho přípravu by zněl asi takto: 20 uncí Saturnova leštěnce zahřívej v proudu vzduchu dmuchavkou vytvářejíce. Vzniklý produkt rozpusť v aqua fortis střední síly a dostatečné čistoty a tento roztok nařeď dvaceti pěti uncemi destilované vody. Poté přidej čtyři unce zinku a vyčkej několik dní. Růst Saturnova kovu tvarem strom připomínající pozoruj. Atomové hmotnosti příslušných kovů vyhledejte na základě jejich správné identifikace v periodické tabulce. 1. Identifikujte prvek, který byl alchymisty nazýván Saturnovým kovem, pokud víte, že se jedná o nepřechodný kov. 2. Která sloučenina představuje Saturnův leštěnec? Napovíme vám, že je to velmi běžná dvouprvková (binární) sloučenina (minerál se označuje jako leštěnec), ve které se Saturnův kov běžně nachází v přírodě. Pokud jej budeme zahřívat na vzduchu, připravíme jinou dvouprvkovou sloučeninu někdy označovanou jako klejt. Napište vzorce obou sloučenin, pokud víte, že tento postup se běžně používá v průmyslové výrobě Saturnova kovu. 3. Která sloučenina obsahující Saturnův kov vzniká reakcí klejtu s aqua fortis? 4. Napište vyčíslenou rovnici reakce vzniku Saturnova stromu. 5. Vypočítejte, jakou hmotnost bude mít Saturnův strom (vyloučený Saturnův kov + nezreagovaný Zn), pokud víte, že strom byl připravován podle výše uvedeného návodu, že jedna unce odpovídá 28,35 g, a že zinku zreagovalo pouze 30 % jeho hmotnosti. Vypočítanou hmotnost Saturnova stromu vyjádřete v gramech i v uncích. O kolik procent se zvětšila hmotnost Saturnova stromu oproti původní hmotnosti čistého zinku? Úloha 3 Vytěsňování kovů z roztoku 9 bodů 6 kovů A F, vybraných ze seznamu v zadání Úlohy 1, lze vytěsňovat z jejich roztoků podle výše uvedeného schématu, kdy vždy kov ležící vlevo/nahoře od reakční šipky je schopen vytěsnit 3
z roztoku kov, který leží od reakční šipky vpravo/dole např. kov A je schopen vytěsnit z roztoku kov B a kov D, ale není schopen vytěsnit kov C (přeškrtnutá čárkované čára). Dále jsou uvedeny další důležité informace ohledně vlastností vybraných kovů A F. Kov C vystupuje ve sloučeninách výhradně v oxidačním stupni +III. Většina sloučenin kovu A jsou bílé nebo bezbarvé látky. Sloučeniny kovu D často podléhají hydrolýze (rozkladná reakce s vodou). Sloučeniny kovu B jsou toxické. Všechny kovy A F jsou za laboratorní teploty pevné látky. 1. Na základě znalosti Beketovovy řady napětí kovů a výše zmíněných informací identifikujte kovy A F. 2. Napište dvě rozpustné soli kovu F, z jejichž vodných roztoků může být vyloučen. 3. Který z kovů vyjmenovaných v Úloze 1 byste mohli použít místo kovu A a místo kovu F (vyberte vždy jen jeden kov), tak aby schéma pořád platilo? Úloha 4 Galvanický článek 9 bodů poločlánek Mg/MgSO 4 Zn/ZnSO 4 Cu/CuSO 4 Ag/AgNO 3 standardní elektrodový potenciál E o 2,36 V 0,76 V 0,34 V 0,80 V 1. Sestavte všechny možné kombinace galvanických článků z výše uvedených poločlánků. 2. Vypočtěte napětí těchto článků. 3. Vyberte články s nejnižší a nejvyšší hodnotou napětí. 4. Který kov/kovy vystupují ve vámi sestavených článcích jednou jako katoda a jednou jako anoda (podle typu článku mohou být buď katodou nebo anodou). 5. Zčernalé (zašlé) stříbrné předměty je možné vyčistit, pokud je položíme buď na hliníkový plech (folii), nebo železný nebo měděný plech (cca 10x10cm) a vše ponoříme do misky s horkým roztokem chloridu sodného ve vodě. Z kterého kovu vyberete podložku tak, aby vyčištění stříbra probíhalo nejsnadněji/nejrychleji a proč? Úloha 5 Zajímavé rovnice 9 bodů A) Hg + H 2 SO 4 Hg 2 SO 4 + SO 2 + H 2 O B) Pb 3 O 4 + HNO 3 PbO 2 + Pb(NO 3 ) 2 + H 2 O C) Pb 3 O 4 + HCl PbCl 2 + Cl 2 + H 2 O 1. Vyčíslete následující chemické rovnice, napište také dílčí poloreakce odpovídající oxidaci a redukci. 2. Vyskytuje se mezi rovnicemi chyták v podobě rovnice, která redoxní není? Pokud ano, která to je? 3. Jak se triviálně nazývá Pb 3 O 4? 4
1 18 I. A VIII. A 1 2 3 4 5 6 7 1,00794 4,003 1H 2 13 14 15 16 17 2He 2,20 II. A III. A IV. A V. A VI. A VII. A Vodík relativní atomová hmotnost Helium 6,941 9,012 18,998 10,811 12,011 14,007 15,999 18,998 20,179 značka 3Li 4Be 9F 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne 0,97 1,50 protonové 4,10 elektronegativita 2,00 2,50 3,10 3,50 4,10 Lithium Berylium Fluor Bor Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon číslo název 22,990 24,305 26,982 28,086 30,974 32,060 35,453 39,948 11Na 12Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar 1,00 1,20 III. B IV.B V.B VI.B VII.B VIII.B VIII.B VIII.B I.B II.B 1,50 1,70 2,10 2,40 2,80 Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlor Argon 39,10 40,08 44,96 47,88 50,94 52,00 54,94 55,85 58,93 58,69 63,55 65,38 69,72 72,61 74,92 78,96 79,90 83,80 19K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr 0,91 1,00 1,20 1,30 1,50 1,60 1,60 1,60 1,70 1,70 1,70 1,70 1,80 2,00 2,20 2,50 2,70 Draslík Vápník Skandium Titan Vanad Chrom Mangan Železo Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton 85,47 87,62 88,91 91,22 92,91 95,94 ~98 101,07 102,91 106,42 107,87 112,41 114,82 118,71 121,75 127,60 126,90 131,29 37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe 0,89 0,99 1,10 1,20 1,20 1,30 1,40 1,40 1,40 1,30 1,40 1,50 1,50 1,70 1,80 2,00 2,20 Rubidium Stroncium Yttrium Zirconium Niobium Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium Stříbro Kadmium Indium Cín Antimon Tellur Jod Xenon 132,91 137,33 178,49 180,95 183,85 186,21 190,20 192,22 195,08 196,97 200,59 204,38 207,20 208,98 ~209 ~210 ~222 55Cs 56Ba 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn 0,86 0,97 1,20 1,30 1,30 1,50 1,50 1,50 1,40 1,40 1,40 1,40 1,50 1,70 1,80 1,90 Cesium Barium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Rtuť Thallium Olovo Bismut Polonium Astat Radon ~223 226,03 261,11 262,11 263,12 262,12 270 268 281 280 277 ~287 289 ~288 ~289 ~291 293 87Fr 88Ra 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108Hs 109Mt 110Ds 111Rg 112Uub 113Uut 114Uuq 115Uup 116Uuh 117Uus 118Uuo 0,86 0,97 Francium Radium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Ununbium Ununtrium Ununquadium Ununpentium Ununhexium Ununseptium Ununoctium 6 Lanthanoidy 7 Aktinoidy 138,91 140,12 140,91 144,24 ~145 150,36 151,96 157,25 158,93 162,50 164,93 167,26 168,93 173,04 174,04 57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,00 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 Lanthan Cer Praseodym Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium 227,03 232,04 231,04 238,03 237,05 {244} ~243 ~247 ~247 ~251 ~252 ~257 ~258 ~259 ~260 89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm101Md 102No 103Lr 1,00 1,10 1,10 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 Aktinium Thorium Protaktinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrecium