Ústřední komise Chemické olympiády 52. ročník 2015/2016 OKRESNÍ KOLO kategorie D časová náročnost 60 min ŘEŠENÍ TEORETICKÉ ČÁSTI
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 TEORETICKÁ ČÁST OKRESNÍHO KOLA (70 BODŮ) Vaše odpovědi a výsledky zapisujte do předtištěných rámečků jen tyto výsledky budou hodnoceny! Soutěžní číslo: celkem 70 Úloha 1 Historie používání mědi 5 bodů S různými způsoby využití mědi jsme se setkali již v domácím kole. Nyní se zaměříme na některá její užití v minulosti. Měď patří spolu se zlatem a stříbrem ke kovům nejdéle využívaným lidmi. Na Předním Východě začala být využívána nejpozději kolem roku 5 000 př. n. l., v čisté podobě se však nikdy nestala hlavní surovinou pro výrobu nástrojů. To se podařilo až jisté slitině mědi, která se rovněž nejprve objevila v oblasti Předního Východu, a to kolem roku 3 300 př. n. l. Zajímavé je využití některých sloučenin mědi jako barviv, které v podobě svinibrodské zeleně a dalších barev přetrvává dodnes. V minulosti se například azurit (hydroxid-diuhličitan měďnatý) rozdrcený na prášek používal jako modrá barva. Nevýhodou však bylo, že po několika staletích všechny modré plochy na obraze zezelenaly. 1. Proč se měď začala v porovnání například se železem používat dříve? (Uveďte jeden důvod.) Nachází se v přírodě v čistém stavu a je snadno zpracovatelná. Za alespoň jeden z uvedených důvodů 1 bod. 1 2. Která slitina mědi se začala široce využívat jako první a jaký kov kromě mědí obsahuje? Jako první se začal využívat bronz, což je slitina mědi a cínu. Za určení slitiny 1 bod, za určení složení 1 bod. 2 2
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 3. Proč se plochy natřené azuritovou barvou časem barví do zelena? Azurit reaguje s vodou obsaženou ve vzduchu za vzniku hydroxid-uhličitanu měďnatého. Za správnou odpověď 1 bod, lze uznat i vznik malachitu nebo měděnky. 1 4. Proč při využití čisté mědi k pokrytí střechu nevadí, že na vzduchu koroduje? Koroduje pouze povrch mědi, vrstva měděnky pak vytváří ochranu před další korozí. 1 3
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Úloha 2 Neznámé látky 20 bodů Dvouatomová molekula plynného prvku A reaguje za vysoké teploty s mědí za vzniku sloučeniny B, která obsahuje v molekule dva atomy mědi (REAKCE 1). Sloučenina B se rozpouští v silné kyselině C, přičemž vzniká měď, sůl D a voda (REAKCE 2). Reaguje-li měď s horkou koncentrovanou kyselinou C, vznikne opět sůl D, voda a také plyn E (REAKCE 3), který lze získat i exotermní reakcí prvku A s nekovovým prvkem F (REAKCE 4) a jehož uvolňování při spalování hnědého uhlí představuje vážný ekologický problém. Reakcí prvku A a sloučeniny G získáme plyn E a sloučeninu B; měď při této reakci nemění oxidační číslo (REAKCE 5). Určete všechny zmíněné látky a napište chemické rovnice popsaných dějů (1 5). A kyslík B oxid měďný C kyselina sírová D síran měďnatý E oxid siřičitý F síra G sulfid měďný REAKCE 1: 4 Cu + O 2 2 Cu 2 O REAKCE 2: Cu 2 O + H 2 SO 4 CuSO 4 + Cu + H 2 O REAKCE 3: Cu + 2 H 2 SO 4 CuSO 4 + SO 2 + 2 H 2 O REAKCE 4: S + O 2 SO 2 REAKCE 5: 2 Cu 2 S + 3 O 2 2 Cu 2 O + 2 SO 2 Za každou správně určenou látku A G 1 bod, tj. maximálně 7 bodů. Za reakce 1 a 4 po 2 bodech, za reakce 2,3 a 5 po 3 bodech. 20 4
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Úloha 3 Reakce s účastí mědi 10 bodů Doplňte produkty reakcí a rovnice vyčíslete. 1. Cu(OH) 2 + 2 HBr CuBr 2 + 2 H 2 O 2. CuCl 2 + Cu 2 CuCl 3. CuSO 4 + 2 NaOH Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 4. Cu(NO 3 ) 2 + H 2 S CuS + 2 HNO 3 5. Cu + 2 HCl + H 2 O 2 CuCl 2 + 2 H 2 O Za každou reakci 2. 10 5
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Úloha 4 Určování minerálů 10 bodů Přiřaďte odpovídající minerál ke každému popisu. 1. Tento minerál je tvořen dvouprvkovou sloučeninou mědi. Bývá průsvitný až průhledný, barva je červená, vryp červenohnědý. Krystalizuje v krychlové soustavě. Vyskytuje se především v měděných ložiscích spolu s dalšími minerály obsahujícími měď. 2. Jedná se o podvojný sulfid mědi a železa. Je mosazně žlutý, na vzduchu se na jeho povrchu vytváří vícebarevná patina. Vzniká v hydrotermálních sulfidových žílách, nachází se v některých magmatických a vzácněji i v metamorfovaných horninách a v měděných ložiscích. Jedná se o nejdůležitější rudu mědi. 3. Chemické složení tohoto minerálu je totožné s modrou skalicí. Barva je obvykle modrá, ale vyskytuje se i nazelenalý. Krystalizuje v triklinické soustavě, nejčastěji se vyskytují tabulkovité a prizmatické krystaly. Rozpouští se ve vodě, proto se vyskytuje především v sušších oblastech. 4. Chemicky je totožný s měděnkou. Barva je sytě zelená, typické je střídání zelených a černých proužků. Krystalizuje v monoklinické soustavě, krystaly se však vyskytují jen výjimečně. Obvykle tvoří hroznovité či krápníkovité agregáty nebo povlaky. 5. Minerál je tvořen solí mědi se dvěma různými anionty. Typická pro něj je tmavě modrá barva, v minulosti se po rozemletí na prášek využíval jako barvivo. Krystalizuje v monoklinické soustavě, obvykle tvoří složené, tabulkovité krystaly. Vyskytuje se hlavně v oxidačních zónách měděných ložisek, obvykle zasazených do vápence. A) malachit B) kuprit C) chalkantit D) azurit E) chalkopyrit 1. B 2. E 3. C 4. A 5. D Za každou správně určenou dvojici 2. 10 6
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Úloha 5 Tvrzení 10 bodů U každého tvrzení vyznačte, zda je pravdivé, nebo nepravdivé. Tvrzení Pravda Nepravda Platina je schopna vytěsnit měď z roztoku dusičnanu měďnatého za vzniku dusičnanu platičitého. Fosforečnan měďnatý lze připravit reakcí mědi s kyselinou fosforečnou bez přidání dalších látek. Mosaz je slitina mědi a zinku. V Daniellově článku je elektroda vyrobená z mědi ponořena do roztoku kyseliny sírové. Koroze mědi probíhá pouze za přítomnosti vody. Reaktivnější kovy, které snadno tvoří kationty, se v Beketovově řadě kovů nacházejí nalevo od vodíku. Při reakci mědi s koncentrovanou kyselinou sírovou vzniká vodík a síran měďnatý. Měďnaté soli se často vyskytují ve formě hydrátů. Oxid měďný je černá, ve vodě nerozpustná sloučenina Reakcí mědi s roztokem dusičnanu stříbrného lze vyredukovat stříbro Za každé správné určení pravdivosti tvrzení 1 bod. 8 7
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Úloha 6 Výpočet 15 bodů Chlorid měďnatý lze připravit reakcí oxidu měďnatého se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou. Probíhající chemický děj lze zapsat rovnicí: CuO + 2 HCl CuCl 2 + H 2 O Uvedeným postupem se připraví dihydrát chloridu měďnatého, naši výpočtovou úlohu budeme řešit pro bezvodý chlorid měďnatý. M(CuO) = 79,55 g mol 1 M(CuCl 2 ) = 134,46 g mol 1 M(HCl) = 36,46 g mol 1 1. Vypočtěte objem 10% roztoku kyseliny chlorovodíkové (ρ = 1,05 g cm 3 ), který je třeba k přípravě 4,00 g chloridu měďnatého. Hmotnost HCl: 72,92 g HCl (tj. 2 36,46 g) odpovídá 134,46 g CuCl 2 x g HCl odpovídá 4,00 g CuCl 2 x= 72,92 4 134,46 2,17 g (10% HCl) 21,7 g (10% HCl) = (10% HCl) (10% HCl) (10% HCl) 21,7 =20,7 cm 1,05 K přípravě 4,00 g chloridu měďnatého je třeba přibližně 20,7 cm 3 10% roztoku kyseliny chlorovodíkové. Za správné určení hmotnosti HCl 4. Za správné určení hmotnosti 10% roztoku HCl 2. Za správné určení objemu 10% HCl 1 bod. 7 8
Řešení teoretické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 2. Vypočtěte hmotnost oxidu měďnatého, která je třeba k přípravě 4,00 g chloridu měďnatého. Hmotnost CuO: 79,55 g CuO odpovídá 134,46 g CuCl 2 y g CuO odpovídá 4,00 g CuCl 2 y= 79,55 4 134,46 g, K přípravě 4,00 g chloridu měďnatého je třeba přibližně 2,37 g oxidu měďnatého. 4 3. Kolik g 90% oxidu měďnatého by bylo k této reakci třeba? Hmotnost 90% CuO 2,37 g odpovídá 100 % z g odpovídá 90 % z= 2,37 100 90 g, K přípravě 4,00 g chloridu měďnatého je třeba přibližně 2,63 g 90% oxidu měďnatého. Pokud žák volí správný postup, ale vychází z nesprávného výsledku výpočtu hmotnosti (100%) CuO, přiznejte za tuto část řešení plný počet bodů, tj. 4. 4 9
Ústřední komise Chemické olympiády 52. ročník 2015/2016 OKRESNÍ KOLO kategorie D časová náročnost 60 min ŘEŠENÍ PRAKTICKÉ ČÁSTI
Řešení praktické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 PRAKTICKÁ ČÁST OKRESNÍHO KOLA (30 BODŮ) Úloha 1 Modrá skalice v centru reakcí a barevných změn 30 bodů V praktické části okresního kola blíže prostudujeme vlastnosti a reakce jedné z nejdůležitějších měďnatých solí, modré skalice neboli pentahydrátu síranu měďnatého. Zaměříme se na důkazy některých složek této sloučeniny a využijeme jejího roztoku pro ukázku metody přípravy měďnatých solí, které nelze připravit rozpouštěním mědi v příslušné kyselině. Pomůcky odměrný válec 50 cm 3 odměrný válec 10 cm 3 (nebo odměrné zkumavky) kádinka 50 cm 3 3 zkumavky ve stojanu keramická odpařovací miska skleněná tyčinka trojnožka kahan a zápalky lžička laboratorní kleště kancelářská sponka střička s destilovanou vodou Chemikálie 3 g modré skalice 5% roztok uhličitanu sodného 5% roztok kyseliny chlorovodíkové 5% roztok kyseliny fosforečné 5% kyseliny dusičné Pracovní postup 1. Do odpařovací misky nasypte modrou skalici a umístěte ji na trojnožku nad kahan. Za stálého míchání (jednou rukou držte misku kleštěmi, druhou rukou míchejte tyčinkou) vzorek zahřívejte, dokud nezmění barvu v celém objemu. Popište a stručně vysvětlete barevnou změnu při zahřívání modré skalice. 2. Produkt zahřívání převeďte lžičkou do kádinky s 20 cm 3 vody a promíchejte. Popište a stručně vysvětlete barevnou změnu po rozpuštění produktu zahřívání ve vodě. 3. Uchopte do kleští kancelářskou sponku a v plameni kahanu ji vyžíhejte do červeného žáru. Namočte ji v kádince s roztokem a opět ji vložte do plamene kahanu. Zapište pozorovanou změnu barvy plamene. Napište, která částice způsobila změnu barvy plamene. 4. Z kádinky odlijte do tří zkumavek vždy po 1 cm 3 roztoku. 5. Do všech tří zkumavek přidejte vždy po 2 cm 3 roztoku uhličitanu sodného a promíchejte (REAKCE 1). 6. Do první zkumavky pak přidejte 2 cm 3 kyseliny chlorovodíkové a promíchejte (REAKCE 2). 7. Do druhé zkumavky pak přidejte 2 cm 3 kyseliny trihydrogenfosforečné a promíchejte (REAKCE 3). 8. Do třetí zkumavky pak přidejte 2 cm 3 kyseliny dusičné a opět promíchejte (REAKCE 4). 2
Řešení praktické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Výpočet Jaký je hmotnostní zlomek (hmotnostní procento) bezvodého síranu měďnatého v roztoku připraveném rozpuštěním produktu zahřívání 5 g modré skalice ve 30 cm 3 vody (druhý krok pracovního postupu)? ρ(h 2 O) = 1 g cm 3 M(CuSO 4 5H 2 O) = 249,68 g mol 1 M(CuSO 4 ) = 159,56 g mol 1 Otázky a úkoly Proveďte výpočty a zodpovězte otázky podle pokynů v pracovním listu. 3
Řešení praktické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 PRACOVNÍ LIST Vaše odpovědi a výsledky zapisujte do předtištěných rámečků jen tyto výsledky budou hodnoceny! Soutěžní číslo: celkem 30 Otázky a úkoly 1. Popis a stručné vysvětlení barevných změn při zahřívání modré skalice a následném rozpuštění produktu zahřívání ve vodě. Modrá skalice zbělela (špinavě bílé zbarvení), protože došlo k její dehydrataci na bezvodý síran měďnatý. Po rozpuštění produktu při zahřívání ve vodě vznikl modrý roztok; měďnatý kation se opětovně hydratoval, krystalizací by vznikl pentahydrát síranu měďnatého. Za popis změny barvy při každém z dějů 0,5 bodu, za vysvětlení 0,5 bodu. 2 2. Jak se změnila barva plamene kahanu po vložení sponky namočené v roztoku? Jaká částice způsobila změnu barvy plamene? Plamen se po vložení sponky zbarvil modrozeleně (lze uznat i zeleně) působením měďnatých kationtů (mědi, atomů mědi). Za správně určenou barvu plamene 1 bod, za správné určení částice 1 bod. 2 4
Řešení praktické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 3. Tabulka změn pozorovaných při reakcích 1 4. Krok postupu přidání roztoku uhličitanu sodného Pozorované změny vznik světle modré či modrozelené sraženiny přidání roztoku kyseliny chlorovodíkové rozpuštění sraženiny, vznik světle modrého (tyrkysového) roztoku, vznik plynu přidání roztoku kyseliny fosforečné vznik modré sraženiny, vznik plynu přidání roztoku kyseliny dusičné rozpuštění sraženiny, vznik modrého roztoku, vznik plynu Za realizaci každého úkolu a správně uvedenou změnu 2,5 bodu. 10 4. Rovnice reakcí (zaměřte se na reakce sloučenin mědi): REAKCE 1 CuSO 4 + Na 2 CO 3 CuCO 3 + Na 2 SO 4 REAKCE 2 CuCO 3 + 2 HCl CuCl 2 + CO 2 + H 2 O Lze uznat i CuCO 3 + 2 HCl CuCl 2 + H 2 CO 3 REAKCE 3 3 CuCO 3 + 2 H 3 PO 4 Cu 3 (PO 4 ) 2 + 3 H 2 O + 3 CO 2 Lze uznat i 3 CuCO 3 + 2 H 3 PO 4 Cu 3 (PO 4 ) 2 + 3 H 2 CO 3 REAKCE 4 CuCO 3 + 2 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + CO 2 + H 2 O Lze uznat i CuCO 3 + 2 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + H 2 CO 3 Za správné uvedené reakce 1, 2 a 4 po 2 bodech, za správně uvedenou reakci 3 3. 9 5
Řešení praktické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Výpočet Jaký je hmotnostní zlomek (hmotnostní procento) bezvodého síranu měďnatého v roztoku připraveném rozpuštěním produktu zahřívání 5,0 g modré skalice ve 30 cm 3 vody (druhý krok pracovního postupu)? ρ(h 2 O) = 1,0 g cm 3 M(CuSO 4 5H 2 O) = 249,68 g mol 1 M(CuSO 4 ) = 159,56 g mol 1 Výpočet m(cuso 4 ) z navážky modré skalice (5 g) 249,68 g CuSO 4 5H 2 O odpovídá 159,56 g CuSO 4. 5 g CuSO 4 5H 2 O odpovídá x g CuSO 4 x= 159,56 5,0 249,68 x 3,195 g Hmotnostní zlomek síranu měďnatého lze vypočítat jako podíl hmotnosti síranu měďnatého a součtu hmotností síranu měďnatého a vody: = + g 30 +3,195 g 33,195 g = 3,195 33,195 =, Hmotnostní zlomek CuSO 4 v tomto roztoku je 0,096 (9,6% roztok CuSO 4 ). Alternativní postup výpočtu: (CuSO ) = (CuSO ) = (CuSO ) (CuSO ) + (H O) (CuSO ) (CuSO ) (CuSO ) (CuSO ) + (H O) (H O) 6
Řešení praktické části okresního kola ChO kat. D 2015/2016 Látkové množství síranu měďnatého je rovno látkovému množství modré skalice: (CuSO ) = (CuSO 5H O) (CuSO ) (CuSO 5H O) (CuSO ) + (H O) (H O) (CuSO ) = (CuSO 5H O) (CuSO 5H O) (CuSO ) (CuSO 5H O) (CuSO 5H O) (CuSO ) + (H O) (H O) (CuSO ) = 5,0 249,68 159,56 5,0 249,68 159,56 +30 1,0 ( ), =, % Hmotnostní zlomek síranu měďnatého v roztoku je přibližně 0,096 (9,6 %). Lze uznat jakýkoli logicky správný postup výpočtu. Za správný výpočet 7 bodů. 7 7