Ústřední komise Chemické olympiády 49. ročník 2012/2013 ŠKOLNÍ KOLO kategorie B ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA
KONTROLNÍ TEST ŠKOLNÍHO KOLA (60 BODŮ) ANORGANICKÁ CHEMIE 30 BODŮ Úloha 1 Titrační křivka hydrochloridu glycinu 9 bodů K neutralizaci jednotlivých disociačních stupňů glycinia dojde při přídavku takového látkového množství NaOH, které odpovídá látkovému množství (H 3 N + CH 2 CO 2 H)Cl. n((h 3 N + CH 2 CO 2 H)Cl ) = 0,001 mol = n(naoh) n(naoh) = V(NaOH) c(naoh) odtud V(NaOH) = 0,001 mol / 0,100 mol dm 3 = 0,010 dm 3 = 10 ml Spotřeby titračního činidla ke zneutralizování jednotlivých disociačních stupňů karboxylové kyseliny (V ekv1 ) a protonizované aminoskupiny (V ekv2 ) tedy budou 10 a 20 ml (červené čáry). Platí, že pk a = ph v polovině spotřeby objemu mezi jednotlivými ekvivalencemi, tj. při ½V ekv (modré čáry). V těchto bodech tedy titrační křivka prochází hodnotou ph = pk a (zelené čáry). 14 12 10 8 pk a = 9,60 ph 6 4 2 0 pk a = 2,31 ½V ekv1 V ekv1 ½(V ekv2 + V ekv1 ) V ekv2 0 5 10 15 20 25 30 V / ml Titrační křivka hydrochloridu glycinu za správně vypočtené body ekvivalence 2 body, za správné označení pk a 2 body, za rozumný tvar titrační křivky celkem 5 bodů 1. Na začátku titrace je glycin převážně ve formě H 3 N + CH 2 CO 2 H. 2. V prvním bodě ekvivalence došlo k neutralizaci karboxylové kyseliny, glycin je tedy přítomen existuje v podobě zwitteriontu, H 3 N + CH 2 CO 2. 1
3. Při ph = 9,6 = pk a je glycin přítomen v podobě H 3 N + CH 2 CO 2 a H 2 NCH 2 CO 2 v poměru 1:1. 4. Při ph = 12,7 (při ph významně vyšším než je hodnota druhého pk a ) je glycin zcela deprotonizovaný, tj. v podobě H 2 NCH 2 CO 2. Úloha 2 Síla kyselin 13 bodů 1. Proti atomu vodíku vázanému k uhlíku v molekule kyseliny mravenčí má atom uhlíku vázaný ke karboxylové skupině v ostatních kyselinách větší +I efekt, čímž dodá elektronovou hustotu a způsobí obtížnější odštěpování protonu z karboxylové skupiny. S narůstající délkou řetězce se tento +I efekt mírně zvýší, ale již se nejedná o nijak zásadní vliv. za smysluplné vysvětlení 2. Je očekávána hodnota větší než 4,8 (tj. správná odpověď iii), neboť oproti kyselině propionové jsou na α-uhlíku v molekule vázány další dvě methylové skupiny s +I efektem, díky čemuž dojde ke zvýšení elektronové hustoty na karboxylové skupině a odštěpení protonu bude obtížnější. Hodnota pk a kyseliny pivalové je 5,03. za správné označení správné odpovědi 2 body, za smysluplné vysvětlení ; celkem 3 body 3. a) b) kyselina: HI HIO HIO 3 pk a : 10 10,9 0,8 HI patří k nejsilnějším anorganickým kyselinám. Zbylé dvě kyseliny jsou seřazeny podle počtu terminálních atomů kyslíku v molekule. za správné přiřazení 2 body kyselina H 2 SO 4 H 2 SO 3 HSO 3 pk a : 3,0 +1,9 7,2 Kyselina sírová má nejvíce terminálních atomů kyslíku v molekule je z uvedené trojice nejsilnější. Kyselina siřičitá je ve skutečnosti silnou kyselinou (ale nestálou, a rozkládá se za vývoje oxidu siřičitého, takže se lidé obvykle mylně domnívají, že je to kyselina slabá). Nejvyšší pk a má hydrogensiřičitanový anion, neboť odtržení protonu z částice, která nese záporný náboj, je z elektrostatického hlediska nejobtížnější. za správné přiřazení 2 body 4. protonizovaná báze: NH 4 + MeNH 3 + Et 2 NH 2 + pk a : 9,3 10,5 11,1 S přibývajícím kladným indukčním efektem alkylových skupin se bazicita aminů obecně zvyšuje v pořadí amoniak < primární amin < sekundární amin. Pozor, terciární aminy nejsou nej- 2
5. silnější bází. Nastává u nich sice nejvyšší +I efekt, ale protonizace je již bráněna stericky alkyly v okolí atomu dusíku již zabírají velkou část prostoru. Proto je bazicita terciárních aminů obecně nižší než sekundárních aminů. za správné přiřazení 2 body kyselina pk a kyselina 4-aminobutanová 4,23 a 10,43 kyselina 3-aminopropanová (β-alanin) 3,60 a 10,19 kyselina 2-aminopropanová (α-alanin) 2,35 a 9,69 První hodnota pk a odpovídá disociaci karboxylové kyseliny. Tato skupina je tím kyselejší, čím více se uplatňuje I efekt elektronegativního atomu dusíku, tj. čím blíže je navázána aminoskupina. Druhá hodnota pk a odpovídá protonizované aminoskupině opět je tím nižší, čím blíže je elektrony odtahující karboxylová skupina. za správné přiřazení 2 body, za smysluplné vysvětlení ; celkem 3 body Úloha 3 Trocha výpočtů 8 bodů Nejprve je třeba určit, v jakém poměru jsou látky smíchány: n(hcl) = c(hcl) V(HCl) = 0,100 mol dm 3 0,030 dm 3 = 0,0030 mol Množství silné zásady vypočte následovně: n(oh ) = 2n(Ba(OH) 2 ) = 2 c(ba(oh) 2 ) V(Ba(OH) 2 ) = 2 0,050 mol dm 3 0,050 dm 3 = = 0,0050 mol Po smíchání roztoků zůstává nadbytek hydroxidových iontů, který činí: n(oh ) = 0,0050 mol 0,0030 mol = 0,0020 mol Konečný objem směsi je při zanedbání změn objemu: V = 30 ml + 50 ml = 80 ml, a tudíž, koncentrace iontů OH činí: c(oh ) = 0,0020 mol / 0,080 dm 3 = 0,025 mol dm 3, a tedy: ph = 14 poh = 14 + log(0,025) = 12,4 za úvahy o látkových množstvích 2 body, za správný výpočet látkových množství 2 body, za správný výpočet koncentrace nadbytečné báze 2 body, za výpočet správné hodnoty ph 2 body celkem 8 bodů 3
ORGANICKÁ CHEMIE 30 BODŮ Úloha 1 Výroky 5 bodů 1. Symetrické štěpení vazby se nazývá homolýza. 2. Vznik vazby elektronově symetrickým způsobem, kdy každý reaktant poskytne jeden elektron, se nazývá koligace. 3. Radikál je částice, která obsahuje lichý počet valenčních elektronů. 4. Propagace probíhá jako řetězová reakce. 5. Při tvorbě vazby se energie uvolňuje. za každou správnou odpověď ; celkem 5 bodů Úloha 2 Izomery 10 bodů primární CH 2 CH 2 CH CH 2 2 sekundární terciární nejstabilnější za každý vzorec, za rozdělení do skupin, za nejstabilnější radikál celkem 10 bodů Úloha 3 Vedlejší produkty při radikálových halogenacích 15 bodů 1. 2. 2 CH 2 CH 2 CH 2 2 Cl Cl 2 2 body 4
3. CH 2 H CH 2 CH 2 Preferenčně vzniká více substituovaný alken. za vznik ethenu, za každý 2-methylbuten, za určení převládajícího produktu celkem 4 body 4. CHCl 2 1,1-dichlorethan CH 2 Cl CH 2 Cl 1,2-dichlorethan za každý vzorec, za každý název; celkem 4 body 5. CCl 3 1,1,1-trichlorethan CH 2 Cl CHCl 2 1,1,2-trichlorethan za každý vzorec, za každý název; celkem 4 body 5