TEORETICKÁ ČÁST (60 BODŮ) Úloha 1 Stavová rovnice ideálního plynu 1 bodů 1. Objem [m ] Univerzální plynová konstanta 8,145 J K 1 mol 1 p V n R T Tlak [Pa] Látkové množství [mol] Termodynamická teplota [K] každé doplněné políčko 1 bod Boyleův zákon: p V konst. [n, T] Při konstantní teplotě je součin objemu a tlaku daného množství ideálního plynu konstantní. matematická formulace, textová formulace. T (7,15 + {t})k. Termodynamickou teplotu T 1 dopočítáme ze vztahu v otázce. Tlak poté ze stavové rovnice ideálního plynu: ( { t }) ( { }) T 7,15 + K 7,15 + 0 K 7,15 K p 1 1 n R T 1 8,145 7,15 Pa,414 10 1 1 Vm 1015 Pa 4. Molární objem po roce 1985 vypočítáme ze stavové rovnice při teplotě 0 C tlaku p : 5. V m n R T p 1 1 8,145 7,15 m 100000,711dm 1 bod jednotka symbol jednotky 1015 Pa atmosféra 1 atm 100000 Pa bar 1 bar každé doplněné políčko 1
Úloha Křížovka 6 bodů 1. A Z I D. K O N D E N Z A C E. R E A K C E 4. P Á R A 5. A E R O S O L 6. T E K U T I N Y 7. V O D Í K 8. P R I E S T L E Y 9. E X P L O Z E 10. K Y S L Í K 11. O Z O N Tajenka: ideální plyn každý doplněný řádek křížovky Jedná se o zjednodušený model plynu umožňující jednoduchý matematický popis jeho chování. Od plynu reálného se liší dvěma hlavními idealizacemi je dokonale stlačitelný (tj. nelze ho zkapalnit) a nedochází v něm k vnitřnímu tření. Částice plynu se aproximují hmotnými body (zanedbává se tedy jejich vlastní objem), které mezi sebou nepůsobí žádnou jinou interakcí kromě vzájemných, dokonale pružných srážek (nedochází tedy ke změnám kinetické energie). Úloha Neznámý prvek 1 bodů 1. a) A kyslík, B rtuť, C uhlík, D železo b) t i) HgO O + Hg t ii) C + O CO t iii) 4 Fe + O Fe O každý prvek
. V případě uhlíku vznikal plynný oxid uhelnatý či uhličitý (které se po otevření nádoby uvolnily do atmosféry), hmotnostní úbytek uhlíku odpovídá zreagovanému množství uhlíku. V případě železa docházelo ke zvyšování jeho hmotnosti, k železu se vázal kyslík, vznikal pevný oxid železitý, který má vyšší molární hmotnost než železo, hmotnostní přírůstek odpovídá zreagovanému množství železa.. Hoření je exotermní redoxní reakce látky s kyslíkem 6, při které vznikají zejména oxidy přítomných prvků. MnO 4. HO O + HO 5. 6. KMnO KMnO + MnO + O t 4 4 HO H + O elektrolýza 7. zelené rostliny, fotosyntéza Úloha 4 Použití vodíku cesta z minulosti do současnosti. 9 bodů 1. Jednalo se o německou vzducholoď Hindenburg. H + O H O. Raketové motory, využívají zkapalněný vodík.. Složky svítiplynu: vodík, oxid uhelnatý, oxid uhličitý. za složky po, za označení hořlavých složek 0,5 bodu; celkem Jedovatá složka: oxid uhelnatý. Svítiplyn se vyráběl karbonizací uhlí. 4. Kyslíko-vodíkový palivový článek (lze uznat i jen palivový článek ). Anoda elektroda, na které dochází k oxidaci. Katoda elektroda, na které dochází k redukci. 6 V chemii je pojem hoření obecnější, hořet mohou látky i v jiném prostředí, např. v atmosféře oxidu dusného, chloru, v parách síry apod.
Rovnice poloreakcí: anoda: H 4 H + + 4 e katoda: O + 4 H + + 4 e H O 1 bod 1 bod Kyslíko-vodíkové palivové články se jeví jako ekologické, protože při jejich provozu vzniká pouze voda. Úloha 5 Explozivní hrátky 19 bodů 1. TNT tritol, trinitrotoluen, C 7 H 5 N O 6 název, vzorec 1 bod hexogen, cyklonit, C H 6 N 6 O 6. Ze sumárních vzorců vypočítáme kyslíkové přebytky podle uvedeného vztahu: 5 6 7 16 Ω TNT 100 % 74 % 7,1 Ω 6 6 16 100 % %,1 název, vzorec 1 bod. Detonace TNT: C 7 H 5 N O 6 (s) 7 C(s) + 7 CO(g) + 5 H O(g) + N (g) Detonace : C H 6 N 6 O 6 (s) CO(g) + H O(g) + N (g) vždy za produkty a 1 bod za vyčíslení; celkem 6 bodů 4. Nejprve vypočítáme molární množství detonujících výbušnin: mtnt 100 ntnt 0,44 mol M 7,1 n m TNT 100 M,1 0,45 mol Tato látková množství vynásobíme poměrem stechiometrických koeficientů plynných produktů a výchozí výbušniny, čímž získáme molární množství uvolněných plynů a pomocí stavové rovnice ideálního plynu vypočítáte objem detonačních plynů. Pozn.: Standardní tlak je nově 100 kpa (viz Úloha 1). TNT: n V g,tnt n n TNT ν CO + ν ν R T H O TNT + ν N 7 + 5 + 0,44, mol, 8,14 (7,15 + 50) g,tnt g, TNT 0,089 m 89 dm p 100000,75 bodu 4
: n V g, n n ν CO + ν ν R T H O + ν N + + 0,45 4,05 mol 1 4,05 8,14 (7,15 + 50) 100000 g, g, 0,109 m 109 dm p,75 bodu Účinnější výbušnina je. Síla výbušnin se exaktně posuzuje pomocí brizance, která je funkcí mnoha dalších veličin, např. detonační rychlosti. Obecně ale platí, že čím více plynu vzniká při detonaci, tím je výbušnina účinnější. V našem zjednodušeném případě lze účinnost posoudit na základě objemu vzniklých detonačních plynů. 5
PRAKTICKÁ ČÁST (40 BODŮ) Úloha 1 Gazometrické stanovení hmotnostního zlomku H O 0 bodů Pozn.: Doplněné hodnoty jsou reálná experimentální data. Tlak v laboratoři: 99 400 Pa Teplota vody: 5 C Měření č. 1 Hmotnost zkumavky [g] m 1 m m 1 m m 1 m,1 g 7,16 g,05 g 6,76 g 1,4 g 5,07 g Objem plynu V [cm ] (s přesností ±0,5 ml) 74,0 cm 69,0 cm 68,5 cm Body: 6 Body: změření teploty a tlaku, změření každé hmotnosti, provedení tří měření objemu uvolněného kyslíku ; celkem 10 bodů Otázky a úkoly: 1. Napište vyčíslenou rovnici rozkladu peroxidu vodíku: H O O + H O. Vypočítejte hodnotu molárního objemu V m za podmínek v laboratoři. 1 R 8,14 J K 1 mol Výpočet: T 5 + 7,15 98,15 K 99 400 V m 1 8,14 98,15 Molární objem V m : 4,94 dm mol 1 6
. Vypočítejte a do následující tabulky zapište hodnoty požadovaných veličin: M(H O ) 4,01 g mol 1 Měření č. 1 Body: Hmotnost roztoku vzorku ve zkumavce m(vzorek): Látkové množství uvolněného kyslíku n(o ): Odpovídající látkové množství peroxidu vodíku n(h O ): Hmotnost peroxidu vodíku m(h O ): Hmotnostní zlomek peroxidu vodíku w(h O ): Průměrná hodnota w(h O ):,95 g,71 g,65 g 1,5,97 mmol,77 mmol,75 mmol 1,5 5,94 mmol 5,54 mmol 5,50 mmol 1,5 0,0 g 0,188 g 0,187 g 1,5 5,1 % 5,07 % 5,1 % 1,5 5,11 % 0,5 za doplnění každé hodnoty, celkem 8 bodů Přesnost stanovení: w SKUT... skutečný hmotnostní zlomek w STAN... hmotnostní zlomek stanovený soutěžícím δ... relativní chyba stanovení wskut wstan δ 100 % w SKUT 0 < δ % 5 bodů % < δ 4 % 4 body 4 % < δ 6 % body 6 % < δ 8 % 8 % < δ 10 % 1 bod 10 % < δ 0 bodů 4. Kyslík se dokáže pomocí žhnoucí třísky (při styku s kyslíkem vzplane). 1 bod 5. Je to katalyzátor. 1 bod za laboratorní techniku, pečlivost a pořádek na pracovním stole 1 bod celkem za úlohu nejvýše 0 bodů 7
Úloha Šumivý prášek vlastní výroby Výroba šumivého nápoje v prášku vlastní výroby 10 bodů 4 body 1. Hydrogenuhličitan sodný, NaHCO. Rovnice neutralizace: H C COOH H C COONa HO C COOH + NaHCO CO + H O + HO C COONa H C COOH H C COONa. Výpočet: m(nahco ) n(nahco ) M(NaHCO ) n(c 6 H 8 C H O) M(NaHCO ) m(c H8O7 H O) 7 6 M (NaHCO) 84,01 8,40 g M (C H O H O) 10,14 6 8 7 4. Rovnice pyrolýzy jedlé sody 7 : NaHCO (s) CO (g) + H O(g) + Na CO (s) rovnice 1 bod za úlohu celkem nejvýše 10 bodů 7 Ve skutečnosti se u kypřícího prášku nejedná o pouhou pyrolýzu NaHCO, ale také o reakci s kyselinami, ať již obsaženými v kypřícím prášku, nebo v těstu. 8
POKYNY PRO PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁSTI Úloha 1 Gazometrické stanovení hmotnostního zlomku H O Vzorek Jako vzorek lze použít lékařský % roztok peroxidu vodíku zakoupený v lékárně, nebo lze vzorek připravit zředěním 0% peroxidu vodíku na % (na 1 objemový díl 0% H O 9 dílů destilované vody). Postup Před realizací studenty je třeba experiment vyzkoušet ze dvou důvodů: 1. Ověřit, že vzorek má vhodnou koncentraci a při rozkladu až 4 ml vzorku se uvolní optimálních cca 70 80 ml kyslíku.. Je potřeba provést stanovení podle návodu alespoň 5 za stejných podmínek (teplota, tlak, vybavení), za jakých budou pracovat studenti a získanou průměrnou hodnotu vzít jako správnou, podle které budou studenti hodnoceni. Výsledky stanovení jsou dobře reprodukovatelné, při praktické recenzi byla směrodatná odchylka pro 5 resp. 7 měření spolehlivě pod 1 %, studenti by při pečlivém provedení neměli mít problém této odchylky dosáhnout. 9