KATEGORIE C Autoři: RNDr. Aleš Mareček, CSc. Přírodovědecká fakulta MU v Brně RNDr. Jaroslav Honza, CSc. Česká školní inspekce Recenze: Doc. RNDr. Hana Čtrnáctová, CSc. Přírodovědecká fakulta UK v Praze Ing. Bohuslav Dušek, CSc. VŠCHT Praha Mgr. Karel Halfar V průběhu řešení úkolů letošní chemické olympiády kategorie C se seznámíte s přípravou a vlastnostmi prvků, jejichž protonové číslo je menší než 10. Důraz bude kladen zvláště na chemii vodíku, dusíku a uhlíku. Pro úspěšné řešení úkolů letošního ročníku kategorie C bude rovněž třeba se seznámit se stavovou rovnicí (pro ideální plyny) a s výpočty souvisejícími s ředěním roztoků. Při přípravě věnujte rovněž pozornost vyrovnávání rovnic oxidačně redukčních reakcí (i v iontovém tvaru). Doporučená literatura: 1. Učebnice pro gymnázia, např. : Mareček A., Honza J.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 1. díl, Nakladatelství Olomouc 1998 Honza J., Mareček A.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 2. díl, Nakladatelství Olomouc 1998 Vacík J. a kol. : Přehled středoškolské chemie, SPN, Praha 1995 2. Rošiřující literatura: Greenwood N. N., Earnshaw A.: Chemie prvků, Informatorium, Praha 1993 Klikorka J., Hájek B., Votinský J.: Obecná a anorganická chemie, SNTL, Praha 1985 Brdička R., Kalousek M., Schűtz A.: Úvod do fyzikální chemie, SNTL, Praha 1972 Brown G. I.: Úvod do anorganické chemie, SNTL, Praha 1982 Gažo J. a kol.: Všeobecná a anorganická chémia, SNTL, Praha 1981 9
TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Kontrolní úlohy studijní části školního kola Úloha 1 21 bodů Roku 1671 R. Boyle zjistil, že působením zředěné kyseliny sírové na železo se uvolňuje hořlavý plyn A 2. H. Cavendish (r. 1766) prokázal, že plyn, o kterém je řeč, se uvolňuje i při reakci jiných kyselin se železem nebo zinkem. Prokázal rovněž, že tento plyn je lehčí než vzduch a zjistil, že uvedený plyn reaguje s plynem B 2 v objemovém poměru 2 : 1. Podle způsobu provedení může reakce proběhnout klidně nebo za výbuchu. Plyn B 2 vzniká např. při termickém rozkladu látky zvané salnitr (jiné zdroje uvádějí termín sanytr). Rozklad probíhá při teplotě 550 C. Plyn C 2 reaguje s plynem A 2 za vzniku látky AC; reakce je velmi prudká a probíhá za výbuchu již při teplotě 252 C. Látka AC má podstatně vyšší bod varu než látka stejného typu, v níž je prvek C nahrazen prvkem stejné skupiny, ale s vyšším protonovým číslem. Plyn A 2 je schopen za tepla redukovat sloučeninu mědi s prvkem B, jejíž složení vyjadřuje vzorec CuB. Produktem reakce je kovová měď a stejná sloučenina, která vzniká reakcí A 2 s B 2.. a) určit látky A 2, B 2, C 2, AC a sloučeninu, která vzniká reakcí prvku A s prvkem B. Jaká látka se skrývá pod názvem salnitr (sanytr)? b) napsat rovnice reakcí zředěné kyseliny chlorovodíkové se železem a zinkem a rozhodnout, zda je možno získat plyn A 2 i reakcí koncentrované nebo zředěné kyseliny dusičné s mědí. Své rozhodnutí zdůvodněte a uveďte, jaký plyn v obou případech (při reakci kyseliny dusičné) vzniká. c) napsat rovnici reakce plynu A 2 s plynem B 2, popsat podmínky, při nichž probíhá reakce za výbuchu a zároveň uvést, jakým způsobem je nutno podmínky upravit, aby průběh reakce byl klidný d) napsat rovnici termického rozkladu salnitru (sanytru) e) napsat rovnici reakce vzniku látky AC f) objasnit, proč má látka AC vyšší bod varu než analogická sloučenina, v níž je prvek C nahrazen prvkem stejné skupiny, ale vyššího protonového čísla g) napsat rovnici redukce sloučeniny CuB plynnou látkou A 2 10
Úloha 2 20 bodů Prvek B je možno v laboratoři připravit termickým rozkladem celé řady sloučenin. Jedna z těchto látek, označme ji písmenem D, je tvořena temně fialovými krystaly, které se při zahřívání bortí. Jejich termický rozklad je provázen charakteristickým praskavým zvukem. Kromě plynné látky B 2 vznikají dva pevné produkty E a F. Oba obsahují atom kovu, který byl i centrálním atomem v aniontu výchozí látky D. Oxidační čísla atomů kovu v obou pevných produktech reakce (E a F) jsou nižší než oxidační číslo zmíněného kovu ve výchozí sloučenině D. Pevný produkt E, obsahující atom kovu ve vyšším oxidačním čísle než v produktu F, se rozpouští ve vodě za vzniku temně zeleného roztoku. V neutrálním i v kyselém prostředí zmíněná látka snadno podléhá disproporcionační reakci, při níž původně zelený roztok přechází v temně fialový. V průběhu reakce vzniká výchozí látka termického rozkladu D současně s produktem termického rozkladu F. a) napsat vzorce a názvy látek D, E a F b) napsat iontovou rovnici termického rozkladu látky D c) objasnit pojem disproporcionační reakce d) napsat iontovou rovnici disproporcionační reakce látky E e) vypočítat (při teplotě 0 0 C a tlaku 101,325 kpa) objem plynného prvku B 2, který by vznikl při rozkladu čtyř molů látky D, pokud by reakce proběhla se 100% výtěžkem f) vypočítat látkové množství látky D, které by vzniklo disproporcionací veškeré látky E, která vznikla termickým rozkladem látky D (viz. bod e). Při výpočtu opět předpokládejte 100% výtěžek reakce Úloha 3 7 bodů V literatuře vyhledejte stavovou rovnici ideálního plynu a s jejím využitím vypočítejte, jaký objem by měla soustava plynných produktů vzniklých reakcí směsi, která se skládá ze 2 molů látky A 2 se 3 moly látky C 2, pokud by se reakční produkty při explozi zahřály na teplotu 1 200 K. Tlak soustavy je před i po reakci 10 5 Pa. 11
Úloha 4 12 bodů Doplňte následující reakční schémata a upravte je tak, aby odpovídala zákonu zachování hmotnosti: a) Zn + NaOH + H 2 O + b) K + NH 3 + c) B 2 O 3 + Mg + d) CH 4 + HCN + e) Termický rozklad: NH 4 NO 3 + f) Rozklad: HN 3 + 12
PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úloha 1 25 bodů Máte k dispozici plastovou láhev o objemu 1,5 až 2 dm 3 s uzávěrem. Pečlivě zkontrolujte, zda je uvnitř suchá, a i s uzávěrem ji zvažte na laboratorních předvážkách. Do frakční baňky nasypte 50 g uhličitanu vápenatého, nebo sodného a provlhčete jej vodou tak, aby vznikla kašovitá hmota připomínající tající sníh. Baňku upevněte do držáku a na boční vývod nasuňte gumovou hadičku opatřenou zaváděcí trubičkou. Do hrdla baňky vložte dělicí nálevku, na jejíž stonek je nasunuta gumová zátka. Zkontrolujte uzavření výpustního kohoutu a pak do dělící nálevky nalijte 100 cm 3 20% kyseliny chlorovodíkové. Zaváděcí trubičku vložte do plastové láhve tak, aby se dotýkala jejího dna. Do frakční baňky začněte pomalu přikapávat kyselinu chlorovodíkovou. Po vypuštění veškeré kyseliny z dělicí nálevky uzavřete výpustní kohout a vyčkejte do doby, kdy téměř ustane vývoj plynu. Pak láhev uzavřete a zvažte. Nakonec zjistěte přesný objem láhve; k dispozici máte vodu a odměrný válec. a) napsat rovnice reakcí uhličitanů sodného a vápenatého s kyselinou chlorovodíkovou b) odvodit vztah pro průměrnou molekulovou hmotnost vzduchu M vz. Pro výpočet předpokládejte, že se vzduch skládá pouze ze 78 % obj. dusíku, 21 % obj. kyslíku a 1 % obj. argonu. [A r (N) = 14; A r (O) = 16; A r (Ar) = 40] c) vypočítat hustotu vzduchu za normálních podmínek ρ vz 0 (Normální podmínky uvažujte: 101,325 kpa a 273,15 K) d) ze stavové rovnice odvodit vztah pro závislost hustoty vzduchu ρ vz na podmínkách, konkrétně na teplotě a tlaku e) vypočítat hmotnost vzduchu obsaženého ve vaší plastové láhvi. Zjištěnou hmotnost vzduchu použijte pro výpočet hmotnosti láhve f) ze stavové rovnice ideálního plynu odvodit vztah pro výpočet molární hmotnosti a po dosazení experimentálně zjištěných hodnot vypočítat molární hmotnost zkoumaného plynu 13
Úloha 2 10 bodů Do frakční baňky nasypte 7 g manganistanu draselného a nalijte 30 cm 3 destilované vody. Obsah baňky krouživým pohybem promíchejte. (Není nutné, aby byl veškerý manganistan rozpuštěn.) Do baňky přilijte 15 cm 3 30% kyseliny sírové a znovu promíchejte. Baňku upevněte do držáku a na boční vývod nasuňte gumovou hadičku opatřenou zaváděcí trubičkou. Do hrdla baňky vložte dělicí nálevku, na jejíž stonek je nasunuta gumová zátka. Po kontrole uzavření výpustního kohoutu do dělicí nálevky nalijte 35 cm 3 15% roztoku peroxidu vodíku. Vezměte dvě velké demonstrační zkumavky a pomocí držáků je upevněte tak, aby jedna byla dnem nahoru, druhá dnem dolů. Dále si připravte misku s vodou, do níž je dnem vzhůru umístěn vodou naplněný odměrný válec stejného nebo většího objemu než má vyvíjecí baňka s roztokem manganistanu draselného. Peroxid vodíku začněte pomalu přikapávat do okyseleného roztoku manganistanu draselného. Sledujte vývoj plynu. Zaváděcí trubici zasuňte do odměrného válce naplněného vodou, který jste si připravili. Plyn zavádějte tak dlouho, dokud z válce nevytlačí přibližně stejný objem vody jako má vyvíjecí baňka. Pak zaváděcí trubici vyjměte a plyn postupně zavádějte (vždy 30 sekund) do připravených zkumavek. Začněte zkumavkou obrácenou dnem dolů. Po naplnění zkumavek plynem vyčkejte přibližně 1 minutu a pak do obou vložte doutnající špejli. Své pozorování zaznamenejte. a) určit oxidační číslo kyslíku v peroxidu vodíku b) zjistit, jaký plyn při reakci vznikl a zaznamenat rovnici reakce c) v reakční soustavě určit oxidační a redukční činidlo d) na základě provedeného pozorování rozhodnout, zda je vznikající plyn lehčí nebo těžší než vzduch e) tvrzení uvedené v bodě d) dokázat jednoduchým výpočtem. Pro zjednodušení výpočtu předpokládejte, že vzduch je složen z 78 % obj. dusíku a 22 % obj. kyslíku (A r (N) = 14; A r (O) = 16) f) zdůvodněte, proč nejdříve zavádíme plyn do odměrného válce a teprve po uvolnění jistého objemu plynu do zkumavky 14
BĚSTVINA 2002 Co je to Běstvina? Běstvina je vesnička, kde se pravidelně již přes dvacet let koná letní odborné soustředění pro účastníky chemické a biologické olympiády. Jedná se vlastně o letní tábor s chemickou tematikou plný přednášek, pokusů, demonstrací, laboratoří, ale také sportu, dobrého jídla a zábavy. Pro koho je Běstvina? Běstvina je určena pro Ty z vás, kteří se umístíte na předních místech v krajských kolech chemické olympiády a svým způsobem je to odměna za vaše úsilí a dosažené výsledky. Co se dělá na Běstvině? Na Běstvině se toho dělá spousta. V první řadě je to mnoho přednášek na témata obvyklá a zažilá, ale také chemické novinky a v neposlední řadě přednášky a diskuse s autory úloh chemické olympiády. Tyto diskuse se netýkají pouze skončeného ročníku, ale přednáší se i témata, která v olympiádě další školní rok následují. Oblíbené jsou tzv. večerní přednášky ze všech možných oblastí přírodních věd, které bývají doprovázeny demonstracemi jako např. přednáška o jedech, výbušninách nebo fyzice nízkých teplot, po níž následuje show s kapalným dusíkem. Každý oddíl také několikrát absolvuje laboratoře, kde se seznámí např. s titrací na automatických byretách, spektrofotometrií, základy anorganické a organické syntézy, využití počítačů v chemii a dalšími laboratorními dovednostmi. Vzhledem k poněkud přírodním podmínkám je také občas potřeba trochu vlastní tvořivosti a improvizace. Nedílnou součástí Běstviny jsou radovánky v místním rybníce, který je hned vedle tábora. Nejedná se pouze o plavání a skotačení (případně nucené koupání některých lektorů), ale také o oblíbené projížďky na loďkách, jejichž cílem může být tajemný ostrůvek V táboře je také několik kvalitních antukových hřišť, kde se horlivě zápolí ve volejbale, basketu, nohejbale a tenise. V jídelně jsou také dva pingpongové stoly. V druhé polovině pobytu se již tradičně konají dva velké závody. Noční Labyrint netestuje zdaleka jen chemické znalosti, ale také poznatky z humanitních oborů a všeobecného vzdělání. Během nočního běhání a bloudění po lese se dozvíte mnoho nového, ale také se pořádně zasmějete. Denním kláním je Terčový závod, kdy probíháte terénem, odpovídáte na otázky a podle odpovědí kapete na kulatý filtrační papír různé roztoky. Ty se v cíli vyvolávají a vyhodnocují. Několikrát bude také táborák se vším co k němu patří. Během tábora určitě proběhne alespoň jeden taneční večer, hraje živá muzika v podání muzikantů z tábora, pouštějí se desky, kazety, tancuje se disko i klasika, latina i standard a možná se něco nového i přiučíte. S kým se na Běstvině setkáte? Vašimi oddílovými vedoucími podle kategorií budou studenti chemie z PřF UK, bývalí účastníci Běstviny. Přednášet Vám budou nejen studenti chemie, ale také páni doktoři, docenti a profesoři. Zjistíte, že to jsou výborní lidé, se kterými je legrace a mají stejnou zálibu jako Vy chemii. Proč je vlastně Běstvina? Letní soustředění je určeno pro vás, ty středoškoláky, kteří mají zájem o víc než o to, co se dozvědí od svých profesorů ve škole. Je to forma přípravy na další ročníky ChO. Již tradičně absolventi Běstviny dosahují výrazně lepších výsledků na všech úrovních olympiády. Z jejich středu povstávají týmy reprezentující Českou republiku na Mezinárodní chemické olympiádě, odkud vozí různé těžké kovy v podobě zlatých, stříbrných a bronzových medailí. Kde a kdy je Běstvina? Běstvina je vesnička ležící 8 km východně od Golčova Jeníkova v okrese Kutná Hora. Jako již tradičně se i letos bude Běstvina konat během druhého letního turnusu, tedy přibližně druhou polovinu července. Nezbývá víc než popřát Vám všem, účastníkům chemické olympiády, mnoho zdaru a štěstí při řešení soutěžních úloh s přáním, že se s Vámi v létě setkáme na Běstvině a strávíme spolu čtrnáct naplno prožitých prázdninových dní. 15