CHO45stkAprRi

CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 45. ročník, školský rok 2008/2009 kategória A určené pre najvyššie ročníky gymnázií študijné kolo PRAKTICKÉ ÚLOHY Riešenie a hodnotenie úloh

RIEŠENIE ENIE A HODNOTENIE PRAKTICK RAKTICKEJ ÚLOHY Z ANALYTICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 45. ročník školský rok 2008/2009 Študijné kolo Pavol Tarapčík Ústav analytickej chémie, FCHPT STU, Bratislava Maximálne 25 bodov (b), resp. 100 pomocných bodov (pb) Pri prepočte pomocných bodov pb na konečné body b použijeme vzťah: body b = pomocné body pb 0,25 Praktická a doplnková úloha pokyny pre učiteľov a riešenia Doba trvania: bez časového limitu. Prácu možno rozdeliť aj do viacerých dní. Odporúčané hodnotenie: 100 bodov. Učiteľ ho môže upraviť na základe konkrétnych podmienok danej školy. Vykonanie praktickej práce je vo veľkej miere nácvikom, preto je vhodné vykonávať práce tohto kola vo viacerých dňoch. Odporúčané hodnotenie Vzhľadom na charakter vzorky a zmysel študijného kola nie je hodnotenie zisteného obsahu látky určujúcim parametrom vykonania úlohy. Treba si všímať najmä správne vykonávanie laboratórnych operácií, schopnosť spracovať namerané hodnoty a porozumenie princípov. Laboratórna práca: príprava roztokov váženie, práca s odmernou bankou práca s pipetou, práca s byretou výsledky titrovania reprodukovateľnosť výpočet výsledkov (postupy výpočtov) správna organizácia experimentu (vhodné veľkosti spotrieb) vedenie laboratórnych záznamov 20 pb 1

Súvisiace vedomosti: odpovede na položené otázky 20 pb Potrebné chemikálie a pomôcky Uvedené sú v zadaní tejto úlohy a uverejnené na internetovej stránke IUVENTY. Riešenia úloh odpovede na otázky a postupy výpočtov uvedené v poradí ako sa vyskytujú v zadaní práce Pomocné tabuľkové hodnoty - rovnovážne konštanty disociácie relevantných kyselín: Kyselina uhličitá: pk = 6,35, pk 2 = 10,33 Kyselina ftalová: pk = 2,95, pk 2 = 5,41 Kyselina sírová: pk = -3, pk 2 = 1,99 iónový súčin vody pk w = 14 Tieto hodnoty môžu byť potrebné pre výpočet/odhad jednotlivých vysvetľujúcich hodnôt ph, resp. pre určenie tvaru titračných kriviek. Prečo je pre toto stanovenie vhodným indikátorom fenolftaleín? (3 pb) Pri titrácii slabej kyseliny (hydrogenftalan) silnou zásadou je ph v bode ekvivalencie v zásaditej oblasti. Fenolftaleín má funkčnú oblasť ph od 8 do 9,8 Pri titrácii silnej kyseliny sírovej silnou zásadou ph v bode ekvivalencie 7, ale zmena/skok ph je veľmi veľká, môžeme preto použiť viaceré indikátory s funkčnou oblasťou v rámci tohto skoku, aj fenolftaleín. Prečo je pri tomto stanovení spätnou titráciou nevyhnutné použitie prevarenej vody? Je to otázka použitého indikátora pri indikácii v kyslej oblasti (metyloranž) sa vplyv malého množstva rozpusteného CO 2 (v rovnováhe s atmosférou) neprejaví, pri indikácii v zásaditej oblasti (fenolftaleín) prebehne aj reakcia slabej kyseliny uhličitej a výsledky budú posunuté. Ilustruje to priebeh titračnej krivky, ktorá je zložená z dvoch následných vĺn, čo je ešte výraznejšie vidieť na derivačnej krivke. 2

14 12 10 8 ph 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 (%) Čo je to základná látka a aké má mať vlastnosti? (3 pb) Špeciálny prípad referenčnej látky, ktorá je chemickým indivíduom. Alternatívny názov je primárny štandard. Musí mať tieto vlastnosti: 1. Zanedbateľný obsah nečistôt. 2. Stabilita pri skladovaní. 3. Jednoduchá príprava z obchodných preparátov. 4. Vysoká molová hmotnosť. 5. Dobrá rozpustnosť za podmienok analýzy. a) Vypočítajte potrebné množstvo hydrogenftalanu draselného na túto jednotlivú titráciu. (4 pb) Ak predpokladáme spotrebu 20 cm 3 0,1 mol dm -3 NaOH m = c(naoh) V(NaOH) M(KHftalan) = 0,1 0,02 204,99 g, teda cca 0,41 g b) Vypočítajte presnú koncentráciu (mol dm -3 ) odmerného roztoku hydroxidu sodného. (4 pb) c(naoh) = m(khftalan) / M(KHftalan) / V(NaOH) kde 3

m(khftalan) je reálny návažok na jednotlivú titráciu V(NaOH) je spotreba odmerného roztoku pri jednotlivej titrácii Z opakovaných titrácií sa vypočíta priemerná hodnota. Jednotlivé koncentrácie by sa nemali líšiť viac ako 1%. Prečo po dlhšej dobe státia vymizne zafarbenie fenolftaleínu v roztoku kyseliny presne vytitrovanom roztokom zásady? Rozpustením CO 2 z atmosféry v roztoku sa jeho ph zníži a tým sa zmení farba indikátora. c) Vypočítajte presnú koncentráciu (mol/l) odmerného roztoku kyseliny sírovej. (4 pb) c(h 2 SO 4 ) = c(naoh) V(NaOH) / 2 / V(H 2 SO 4 ) Kde V(NaOH) je priemerná spotreba pri titrácii, jednotlivé spotreby by sa nemali líšiť viac ako 0,1 cm 3. Opíšte podrobne postup správneho pipetovania. (3 pb) Pipetovaným roztokom sa opláchne kadička, z ktorej sa bude plniť pipeta. Pipetovaný roztok sa z kadičky naberie do pipety cca do polovice a roztokom sa opláchnu steny pipety. Oplachovacie roztoky sa vylievajú do odpadu. Pipeta sa naplní nad značku. Osušia sa prípadné kvapky z vonkajšieho povrchu špičky. Hladina v pipete sa spustí na dotyk spodného menisku k značke. Roztok z pipety sa nechá voľne vytiecť do titračnej banky. Po ukončení vytekania sa počká ešte 15 sekúnd a po tejto dobe na stečenie filmu na stenách pipety do špičky sa špičkou dotkneme rozhrania sklo-kvapalina-vzduch. d) Vypočítajte množstvo vzorky potrebné pre jednotlivú titráciu. (4 pb) Predpokladajme, že c(h 2 SO 4 ) = 0,1 mol dm -3 a vzorka je čistý Na 2 CO 3, potom m(vzorka) = (c(h 2 SO 4 ) V(H 2 SO 4 )) M(Na 2 CO 3 ) = 0,1 0,015 105,99 = 0,159 g (Ak by vzorka bola znečistená vlhkosťou mali by sme odvážiť mierne viac, ak by bola znečistená silnou zásadou (NaOH), naopak treba zobrať mierne menej.) 4

e) Vypočítajte obsah (%) Na 2 CO 3 vo vzorke. (4 pb) w(%) = (c(h 2 SO 4 ) V(H 2 SO 4 ) 2 - c(naoh) V(NaOH)) / 2 M(Na 2 CO 3 ) / m(vzorka) kde m(vzorka) je množstvo vzorky odvážené na jednotlivú titráciu V(H 2 SO 4 ) je objem roztoku H 2 SO 4 v nadbytku pri jednotlivej titrácii V(NaOH) je spotreba odmerného roztoku pri jednotlivej titrácii Z opakovaných titrácií sa vypočíta priemerná hodnota. Jednotlivé výsledky merania by sa nemali líšiť viac ako 1% (relatívne). Čo pre chemika znamená, ak sa v postupe uvádza: pridajte 25,0 cm 3 roztoku a čo by znamenalo, keby bolo uvedené " pridajte 25 cm 3 roztoku? Počtom platných miest je vyjadrená potrebná presnosť práce a teda v prvom prípade musíme použiť pipetu, v druhom prípade stačí meranie približné, napríklad odmerným valcom. Čo sa dosiahne povarením roztoku vzorky po pridaní nadbytku H 2 SO 4? (3 pb) Reakciou vzorky s prebytkom kyseliny vznikne nasýtený roztok CO 2. Rozpustnosť plynu sa teplotou zníži a dokonca pri vare je plynný CO 2 strhávaný plynnou vodou (parou), ktorá sa tvorí v celom objeme roztoku. Tým sa CO 2 zo sústavy odstráni. Ak by v sústave ostal, okrem prebytku silnej kyseliny by sa titrovala aj kyselina uhličitá. Na obrázku je hypotetická krivka titrácie za podmienky, že všetok CO 2 by zostal v roztoku. Za nízkou vlnou titrácie silnej kyseliny, by nasledovali dve vlny titrácie kyseliny uhličitej. Keďže reálne je obsah CO 2 v sústave obmedzený ale neurčitý, pri použití indikátora v zásaditej oblasti dostaneme výsledky tiež posunuté a neurčité. Po odstránení CO 2 je na titračnej krivke len jedna veľmi vysoká vlna. 5

14 12 10 ph 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 (%) Prečo treba urobiť toto opatrenie? Roztok hydroxidu sodného leptá sklo, najmä na drsných plochách zábrusu. Tieto plochy by sa bez dôkladného očistenia časom zlepili, byreta by sa zničila. 6

RIEŠENIE A HODNOTENIE ÚLOH Z PRAKTICKEJ ČASTI ORGANICKÁ SYNTÉZA Chemická olympiáda kategória A 45. ročník školský rok 2008/2009 Študijné kolo Martin Putala, Anna Kicková Katedra organickej chémie PRIF UK, Bratislava Maximálne 15 bodov (b), resp. 20 pomocných bodov (pb) Pri prepočte pomocných bodov pb na konečné body b použijeme vzťah: body b = pomocné body pb 0,75 Úloha 1 () 1,00-1,50 g ; za každých začatých ± 0,05 g -0,25 pb, pri izolovaní produktu však minimálne 5 pb Pozn.: Reálne získaná hmotnosť produktu pri kontrolnom experimente: 1,18 g Úloha 2 (1b) a) V nitrobenzéne: N(III) (0,5b), v anilíne N(-III) (0,5b) (1b) b) C 6 H 5 -NO 2 + 3 SnCl 2 + 6 HCl C 6 H 5 -NH 2 + 3 SnCl 4 + 2 H 2 O resp. C 6 H 5 -NO 2 + 3 SnCl 2 + 7 HCl C 6 H 5 -NH 2.HCl + 3 SnCl 4 + 2 H 2 O Úloha 3 1 pb a) n (C 6 H 5 NO 2 ) = m / M = ρ. V / M = 1,2. 2 / 123 (mol) = 0,0195 mol n (SnCl 2 ) = m / M = 20 / 190 (mol) = 0,105 mol Stechiometria (úloha 2b) vyžaduje na 1 mol nitrobenzénu 3 mol chloridu cínatého, t.j. na 0,0195 mol nitrobenzénu 0,0585 mol chloridu cínatého: Pre rozsah reakcie je určujúci nitrobenzén 0,5 pb b) m (C 6 H 5 NH 2.HCl) = n (C 6 H 5 NO 2 ). M (C 6 H 5 NH 2.HCl) = 0,0195. 129,5 g = 2,52 g 0,5 pb c) Výťažok uvedený v percentách zaokrúhlený na celé čísla. 7

Pri uvádzaní výsledkov na väčší počet platných číslic -0,1 pb pri každom výsledku. Úloha 4 Za schému každej reakcie 1 pb Na O NH 2 Cl N 2 O Na N N NaNO 2 HCl Úloha 5 Za každý produkt 1pb. O CH CH 2 OH H 2 N A O B 2 N Úloha 6 Za každý produkt 1 pb. C N N D NH HN 45. ročník Chemickej olympiády, praktické úlohy študijného kola kategórie A, riešenie a hodnotenie úloh Vydal: IUVENTA, 2008 Ďalšie informácie na www.olympiady.sk Slovenská komisia Chemickej olympiády 8