Ústřední komise Chemické olympiády 47. ročník 010/011 ŠKLNÍ KL kategorie B ŘEŠENÍ SUTĚŽNÍC ÚL
Řešení školního kola Ch kat. B 010/011 TERETICKÁ ČÁST (60 bodů) I. Anorganická chemie Úloha 1 xidační stavy síry 10 bodů 1. Síra je v 16. skupině PSP (též VI. A skupině), proto může nabývat oxidačních stavů v intervalu II až +VI. body. xidační stavy: a) S, ox. stav 0; b) S, ox. stav IV; c) CaS 4., ox. stav VI, dihydrát síranu vápenatého, sádrovec; d) FeS, ox. stav I, disulfid železnatý, pyrit, markazit; e) PbS, ox. stav II, sulfid olovnatý, galenit. za a) a b) 0,5 bodu, za c) d) 1 bod, celkem 4 body. Vyčíslené reakce: a) S + N S + N + 4, síra se oxiduje, b) 4 FeS + 11 Fe + 8 S, síra se oxiduje, c) K S + I K S 4 6 + KI, síra se oxiduje, d) 4 K S K S 4 + K S, síra se oxiduje i redukuje. za každou rovnici 0,5 bodu, za každé určení ox. nebo red. 0,5 bodu, celkem 4 body Úloha Sulfan a oxid siřičitý 10 bodů 1. Pach síry je způsobem oxidem siřičitým, který se uvolňuje pomalou oxidací síry na vzduchu i při pokojových teplotách. Při tření se zvyšuje rychlost oxidace, proto je zápach intenzivnější. za oxid siřičitý 1 bod. cystein methionin S N C S N. Dva sirné knoty představují g síry. Látkové množství spálené síry tedy je ms,000 g n S = = = 0,064 mol. M 1 S,060 g mol Spalování síry probíhá podle rovnice S + S. Látkové množství uvolněného S je tedy stejné, jako látkové množství spálené síry n = n 0,064 mol. S S = body Za normálních podmínek panujících v sudu je objem jednoho molu plynu (tedy S ) konstantní a roven molárnímu objemu V m =,4 dm mol 1. bjem uvolněného S je tedy 1
Řešení školního kola Ch kat. B 010/011 1 V S = ns Vm = 0,064 mol,4 dm mol = 1,98 dm. bjemový zlomek oxidu siřičitého ve stolitrovém sudu (V sud = 100 dm ) je pak V S 1,98 dm ϕ S = = = 0,0198 0,0140. V 100 dm sud Výpočet parciálního tlaku (1. varianta) Parciální tlak plynu v plynné směsi je dán součinem jeho objemového zlomku a celkového tlaku směsi (zde p celk = 1015 Pa) p = ϕ p = 0,0198 1015 Pa 1417 Pa. S S celk = Výpočet parciálního tlaku (. varianta) Parciální tlak plynu je takový tlak, který by plyn měl, pokud by v nádobě byl sám (ostatní složky plynné směsi by byly odstraněny). Proto jej při známém objemu nádoby, teplotě a látkovém množství plynu lze spočítat i ze stavové rovnice ideálního plynu, do které je nejlépe dosazovat v základních jednotkách (m, mol, teplota v K, R = 8,14 N m mol 1 K 1, tlak pak vyjde v jednotkách Pa). p V n RT p S sud = S n RT 0,064 mol 8,14 N m mol = = V 0,1m K 7,15 K 1 1 S S = sud 1417 Pa. bjemový zlomek oxidu siřičitého v sudu je 0,0140 (neboli 1,40 %) a jeho parciální tlak 1417 Pa. za správně určený objemový zlomek 4 body za správně určený parciální tlak body Úloha Kyselina sírová 10 bodů 1. Výroba kyseliny sírové: a) S + S, S + S S + S 4 1 bod b) xid vanadičný při oxidaci S na S. 0,5 bodu c) lavní důvody jsou dva: i. chemický zvýšení teploty sice urychlí oxidaci S na S, současně ale vede k posunu rovnováhy této exotermické reakce ve směru výchozích látek, snížil by se tedy výtěžek reakce body ii. ekonomický každé zvýšení teploty vede v průmyslovém měřítku k velmi citelnému prodražení výroby zvláště u takto objemné 0,5 bodu. lavním důvodem je skutečnost, že by oxid sírový reagoval s vodní parou (ještě nad hladinou vody, nebo lépe řečeno nad povrchem vodních kapiček v adsorbéru) za vzniku velmi stabilní mlhy (aerosolu) z kapiček S 4, která by unikala z výrobního zařízení. Při reakci s kyselinou sírovou se mlha netvoří (nad kapičkami konc. S 4 vodní pára prakticky není). body. V koncentrované kyselině sírové se železo tzv. pasivuje jeho povrch se pokrývá odolnou vrstvou, která brání další reakci. V tomto konkrétním případě je pasivující vrstva tvořena bezvodým síranem železnatým, který se v konc. kyselině sírové nerozpouští. za uvedení pasivace 1 bod, za uvedení FeS 4 1 bod
Řešení školního kola Ch kat. B 010/011 II. rganická chemie Úloha 1 Příprava a reakce alkenů 10 bodů 1. Činidla uvedených reakcí: a) C 5 Na nebo jakákoli jiná silná báze, b) Zn v ethanolu, c) S 4 nebo jakékoli jiné dehydratační činidlo ( P 4, P 5 ), d), Pd. 4 body. Produkty adičních reakcí. S C A B C D E elektrofilní adice radikálová adice elektrofilní adice elektrofilní adice elektrofilní adice 0,5 bodu za každou správnou strukturu (celkem,5 bodu) 0,5 bodu za určení typu reakce (celkem,5 bodu) Pravidlo vztahující se k regioselektivitě elektrofilních adicí se nazývá Markovnikovovo pravidlo. 1 bod Úloha zonolýza 15 bodů 1. C 0,5 bodu.. A + B C 7 1 bod formaldehyd butanal C + D C 7 methanová kyselina (kyselina mravenčí) 4. -methylbuta-1,-dien; butanová kyselina (kyselina máselná) 0,5 bodu za každý název, 0,5 bodu za každý vzorec (celkem 4 body) 1 bod C C 5. (E)-,7-dimethylokta-,6-dien-1-ol 1,5 bodu
Řešení školního kola Ch kat. B 010/011 6. 1.. Zn, kys. octová C 1.. Zn, kys. octová C C C C C 1.. Zn, kys. octová 1.. Zn, kys. octová 7. kaučuk 4 0,5 bodu za každou strukturu (celkem 5,5 bodu) nebo C C C C n gutaperča C C 0,5 bodu za strukturu každého z polymerů (celkem 1 bod) Kaučuk má cis- uspořádání na dvojných vazbách, gutaperča trans-. 0,5 bodu nebo C C n 4
Řešení školního kola Ch kat. B 010/011 Úloha Neznámá látka 5 bodů 1.. C A - -brom--ethylpentan B - -ethylpent--en C --ethylpent-1-en 0,5 bodu za vzorec, 0,5 bodu za název (celkem body) D - -brom-,4-dimethylpentan E -,4-dimethylpent--en 0,5 bodu za vzorec, 0,5 bodu za název (celkem body) 5
Řešení školního kola Ch kat. B 010/011 PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úloha 1 Stanovení siřičitanu a thiosíranu ve směsi 40 bodů Bodové ohodnocení přesnosti práce vypočteme z průměru pro každé stanovení zvlášť podle následující tabulky: Tabulka 1: Tabulka bodového hodnocení titrací dchylka ΔV (ml) Počet bodů 0,0 0, 10 0, 1, 10 (1, odchylka) 1, 0 dchylka se udává v absolutní hodnotě (v ml) od hodnoty experimentálně zjištěné organizátory, body se uvádí s přesností na 0,5 bodu. za každé stanovení maximálně 10 bodů celkem za přesnost práce maximálně 0 bodů tázky a úkoly: 1. Příklad výpočtu pro následující podmínky: c(i ) = 0,0500 mol dm, průměrné spotřeby V 1 = 8,0 ml; V = 15,0 ml. c(i) V1 0,05 8,0 10 a) c (S ) = = = 8,00 10 mol dm V 10 10 c(s pip c(i ) ( V V ) 0,05 7,0 10 1 - ) = = =,50 10 mol dm Vpip 10 10 za výpočet koncentrací analytů ve vzorku 6 bodů b) m (Na S.5 ) = c(s ) V M (Na S.5 ) = 8, 00 10 01, 4816, = 1985, g r - m (Na S) = c(s ) V M r (Na S) =,50 10 0,1 16,04 = 0,441 g za výpočet hmotností analytů ve vzorku 4 body lze uznat jakýkoliv jiný správný způsob výpočtu, bodování analogické, za výpočet celkem maximálně 10 bodů. - S S S S - - - S S S S thiosíran tetrathionan disiřičitan za každou strukturu 1 bod, celkem body. As, S, SnCl 4 za každý správně vybraný anion 1 bod, celkem body 4. Reakce: a) S + I S + I + +, b) P + I + P 4 + I + +, c) I 4 + 11 I + 8 + 4 I + 4, d) Mn 4 + 16 + + 15 I Mn + + 5 I + 8. za správně sestavenou a vyčíslenou rovnici po 1 bodu, celkem 4 body 6
Řešení školního kola Ch kat. B 010/011 PKYNY PR PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁSTI Pomůcky: byreta o objemu 5 ml, nedělená pipeta o objemu 10 ml, střička s destilovanou vodou, odměrný válec o objemu 5 ml (nebo pipeta o objemu 5 ml), titrační baňka o objemu 50 ml, malá nálevka na doplňování byrety, odměrná baňka o objemu 100 ml na vzorek, 4 kádinka o objemu 150ml, nástavec na pipety nebo balónek. 50ml odměrný válec, Chemikálie Každý soutěžící dostane napipetováno ve 100 ml odměrné baňce 0 ml směsného vzorku obsahujícího thiosíran (c = 0,4 mol dm ) a siřičitan (c = 0,175 mol dm ). Tento zásobní roztok se připraví rozpuštěním 99, g Na S.5 a,1 g Na S v destilované vodě a doplněním do 1 l. Chemikálie v zásobních lahvích vždy pro několik soutěžících dohromady: jod (c = 0,05 mol dm ) rozpuštěný v roztoku jodidu draselného (c = 0,15 mol dm ) jako titrační činidlo (asi v 50 ml destilované vody v odměrné baňce o objemu 1000 ml se rozpustí 5,0 g KI a poté 1,8 g I rozetřeného na prášek a roztok se doplní na celkový objem 1000 ml destilovanou vodou), roztok škrobu (w = 0,004); 4 g škrobu se suspendují ve studené vodě a za varu rozpustí v 1000 ml destilované vody, roztok C (w = 0,10); 100 ml koncentrované kyseliny octové se naředí na celkový objem 1000 ml destilovanou vodou, roztok formaldehydu (w = 0,05), 15 ml formaldehydu (w = 0,7) se naředí na celkový objem 1000 ml destilovanou vodou. Minimální spotřeby roztoků pro jednoho soutěžícího: jód minimálně 100 ml škrob minimálně 5 ml formaldehyd minimálně 5 ml kyselina octová minimálně 50 ml Poznámky: Koncentrace se soutěžícím udává jako c = 0,0500 mol dm, aby při výpočtu použili správný počet platných číslic. Pro účely soutěže není potřeba stanovovat titr roztoku jódu. V den soutěže je však nutné vyzkoušet obě stanovení (každé alespoň třikrát) a hodnotit přesnost výsledků soutěžících podle této experimentálně zjištěné průměrné spotřeby. 7
Kontrolní test školního kola Ch kat. B 010/011 KNTRLNÍ TEST ŠKLNÍ KLA (60 bodů) Časová náročnost: 60 minut Přípustné pomůcky: kalkulačka I. Anorganická chemie Úloha 1 Síra 5 bodů Úkoly: 1. Jakou barvu má elementární síra za běžných podmínek? Jeden z významných způsobů získávání elementární síry lze popsat takto: Z ropy, zemního plynu, koksárenského plynu nebo z jiného zdroje se získá jako surovina odpudivě zapáchající plyn A. Ten se nejprve oxiduje kyslíkem na jiný odporně páchnoucí plyn B a vodu. Plyn B se nechá reagovat s další dávkou plynu A na vodu a síru.. Identifikujte plyny A a B a napište vyčíslené rovnice popsaných dvou reakcí. Úloha Rio Tinto 1 bodů Pyrit je jedním z nejhojněji se vyskytujících minerálů síry a je také jedním z hlavních zdrojů tohoto prvku. V dolech nedaleko od Rio Tinto v provincii uelva severozápadně od španělské Sevilly je jedno z obrovských ložisek pyritu, který zde obsahuje 48,00 hm. % síry. Úkoly: 1. Jaký je hmotnostní zlomek síry v čistém disulfidu železnatém?. Vypočtěte obsah čistého disulfidu železnatého (v hm. %) v rudě z Rio Tinto za předpokladu, že ostatní složky rudy síru neobsahují.. Vypočtěte hmotnost 98%ní kyseliny sírové, kterou je možné teoreticky vyrobit z 1 tuny rudy od Rio Tinto. Úloha In vino S 8 bodů Jedním ze způsobů aplikace oxidu siřičitého při výrobě vína je přídavek disiřičitanu draselného. Ten vlivem kyselin ve víně (tzv. kyselinky ) postupně uvolňuje oxid siřičitý ( moly oxidu siřičitého vznikají z 1 molu disiřičitanu). Nevýhodou tohoto způsobu je zvýšení vylučování vinného kamene a snížení obsahu kyselinek ve víně, výhodou je naopak mnohem přesnější dávkování oxidu siřičitého. Podle nařízení Rady EU č. 149/1999 je mezní hranice obsahu S pro vína s přívlastkem pozdní sběr 00 mg/l. Úkoly: 1. Určete maximální hmotnost čistého disiřičitanu draselného, který je možné nadávkovat do stolitrového sudu vína s přívlastkem pozdní sběr, aby nebyl překročen daný limit.. Napište rovnice: a) rozkladu disiřičitanu draselného kyselinou chlorovodíkovou, b) vzniku disiřičitanu draselného zahříváním hydrogensiřičitanu draselného. 8
Kontrolní test školního kola Ch kat. B 010/011 Úloha 4 Kovy v S 4 5 bodů Kyselina sírová se mimo jiné používá i k přípravě svých solí síranů. Napište rovnice k následujícím přípravám: 1. Železo se rozpouští ve zředěné kyselině sírové.. Měď se rozpouští v horké koncentrované kyselině sírové. 9
Kontrolní test školního kola Ch kat. B 010/011 II. rganická chemie Úloha 1 Příprava a reakce alkenů 1 bodů 1. Napište produkty následujících adičních reakcí alkenů. Látka C vzniká reakcí alkenu s boranem v poměru 1:1. Cl A Cl B B C D. Následující alkylbromid může eliminací poskytnout dva odlišné produkty. Napište jejich struktury a určete, který převládá. Jak se nazývá pravidlo, které je spojeno s regioselektivitou eliminačních reakcí? C 5 Na, C 5 C. Najděte sloučeninu souhrnného vzorce C 7 1, která poskytuje daný alken jako jediný produkt eliminace. A B C C C C D E F G 10
Kontrolní test školního kola Ch kat. B 010/011 Úloha Izomery 7 bodů Napište vzorce všech izomerů (konstitučních i prostorových) uhlovodíku sumárního vzorce C 5 10. značte hvězdičkou všechny asymetrické atomy uhlíku. Úloha xidace a redukce alkenů 10 bodů xidace a redukce patří mezi nejdůležitější chemické reakce. V případě alkenů umožňují syntézu celé řady důležitých derivátů. 1. Napište vzorec -methylbut-1-enu a produkty následujících reakcí. kat. Pd Raney Ni -methylbut-1-en KMn 4, - 1.. Zn, kys. octová 1... Co je to Raneyův nikl a jak se připravuje? 11
Řešení kontrolního testu školního kola Ch kat. B 010/011 ŘEŠENÍ KNTRLNÍ TESTU ŠKLNÍ KLA I. Anorganická chemie Úloha 1 Síra 7 bodů 1. Žlutou. 1 bod. A = S, B = S S + + S, S + S + S. za určení A a B po 1 bodu, celkem body; za každou rovnici body, celkem 4 body Úloha Rio Tinto 11 bodů 1. motnostní zlomek prvku ve sloučenině je dán podílem molární hmotnosti prvku a celé sloučeniny násobeným počtem atomů prvku v molekule sloučeniny. M S,060 g mol w S = = = 0,545. M 1 119,97 g mol FeS motnostní zlomek síry v disulfidu železnatém je 0,545 (5,45 %). body. Ruda obsahuje 48,00 hm. % síry, tedy např. ve 100 g rudy je 48 g síry. Pokud je toto množství síry vázáno pouze v FeS, pak pro jeho množství (v myšlených 100 g rudy) platí 1 ms 48 g m FeS = = = 89,80 g. w 0,545 S Je-li ve 100 g rudy 89,80 g FeS, pak je jeho obsah 89,80 hm.%. Ruda od Rio Tinto obsahuje 89,80 % FeS. 5 bodů. bsah síry v rudě je 48,00 hm. %. 1 tuna rudy tedy obsahuje 480 kg, tj. 480 000 g síry. Látkové množství odpovídající této hmotnosti síry je ms 480000 g n S = = = 1497 mol. M 1 S,060 g mol Z jednoho atomu síry lze teoreticky vyrobit 1 molekula S 4. Z 1497 mol síry tedy teoreticky lze připravit 1497 mol S 4. Toto množství S 4 bude mít hmotnost 1 m S = n S M S = 1497 mol 98,07 g mol = 14684 g = 1468 kg. 4 4 4 Vypočtené množství se ale týká čisté, 100%-ní kyseliny sírové. motnost 98 %-ní kyseliny je S4 1468 kg m ( 98%) 1498 kg S = m = =. 4 0,98 0,98 Z jedné tuny rudy od Rio Tinto lze teoreticky vyrobit 1498 kg 98 %-ní kyseliny sírové. 4 body 1
Řešení kontrolního testu školního kola Ch kat. B 010/011 Úloha In vino S 8 bodů 1. Ve sto litrech vína s obsahem S 00 mg/l je celkem obsaženo 0000 mg S, tj. 0 g S. Jeho látkové množství je ms 0,000 g n S = = = 0,468 mol. M 1 64,058 g mol S Ze zadání (případně z rovnice rozkladu disiřičitanu v kyselém prostředí) plyne S 0,468 mol n K 0,4 mol S = n = =. 5 Pro jeho hmotnost pak vychází m = n M KS5 KS5 KS5 = 0,4 mol,15 g mol 1 = 5,0 g. Do stolitrového sudu s vínem je možné přidat maximálně 5 g disiřičitanu draselného. 4 body. Rovnice: a) K S 5 + Cl KCl + S +, b) KS K S 5 + za každou rovnici body, celkem 4 body Úloha 4 Kovy v S 4 4 body 1. Fe + S 4 FeS 4 + 1 bod. Cu + S 4 CuS 4 + S + body 1
Řešení kontrolního testu školního kola Ch kat. B 010/011 II. rganická chemie Úloha 1 Příprava a reakce alkenů 1 bodů 1. Cl Cl B. A B C D 1 bod za každou strukturu (celkem 4 body) majoritní minoritní C C 1 bod za obě struktury, 0,5 bodu za určení majoritního produktu (celkem 1,5 bodu) Zajcevovo pravidlo 0,5 bodu. A B C D C E F G 7 bodů Úloha Izomery 7 bodů C C C C C * * * * 0,5 bodu za každý vzorec (celkem 6 bodů) 1 bod za označené asymetrické atomy uhlíku (pouze jsou-li označeny všechny a není označen žádný další) 14
Řešení kontrolního testu školního kola Ch kat. B 010/011 Úloha xidace a redukce alkenů 10 bodů 1. kat. Pd 1 bod Raney Ni C C 1 bod KMn 4, - 1 bod 1 bod 1.. Zn, kys. octová body 1.. C body celkem 8 bodů. Raneyův nikl je hydrogenační katalyzátor. Připravuje se ze slitiny hliníku s niklem působením alkalického hydroxidu. ydroxid vytěsní hliník ve formě hlinitanů a zbyde samotný nikl o velké porózitě a tím i s velkým aktivním povrchem. body 15
Chemická olympiáda Autorská řešení soutěžních úloh školního kola kategorie B 47. ročník 010/011 Autoři kategorie B: dborná recenze: Pedagogická recenze: Redakce: Vydal: Mgr. Petr Cígler, Ph.D., Ing. Lucie Drábová, Ing. Petra Ménová, doc. RNDr. Václav Slovák, Ph.D. doc. RNDr. Pavel Coufal, Ph.D., doc. RNDr. Jan Kotek, Ph.D., prof. Ing. František Liška, CSc. Mgr. Jindřiška Pátečková, RNDr. Jiřina Svobodová Bc. Ladislav Nádherný Vydavatelství VŠCT Praha 50 ks ISBN: 978-80-7080-758-