EMIKÁ OLYMPIÁDA 46. ročník, školský rok 2009/2010 kategória EF, úrove E školské kolo TEORETIKÉ A PRAKTIKÉ ÚLOY
ÚLOY Z TENOLOGIKÝ VÝPO TOV hemická olympiáda kategória EF, úroveň E 46. ročník školský rok 2009/2010 Školské kolo udmila Glosová Stredná odborná škola, Nováky Maximálne 15 bodov, resp. 60 pomocných bodov Doba riešenia: 60 minút Úloha 1 (32 pb) Sorbit (sorbitol), označovaný ako E 420, sa používa ako náhradné sladidlo hlavne pre diabetikov. Má polovičnú sladivosť ako sacharóza a v organizme sa mení na fruktózu. Výroba sorbitu je založená na hydrogenizácii glukózy v prítomnosti katalyzátora za určitých podmienok. Reakcia prebieha podľa schémy: O 2 O O O O + 2 20 MPa, 160 Ni O O O O O 2 O 2 O glukóza sorbit Vypočítajte: a) Koľko čistej glukózy je potrebné na výrobu 100 kg 15% sorbitu pri konverzii 98%, b) koľko dm 3 vodíka treba použiť za daných podmienok reakcie, 1
c) koľko vody treba odpariť pri zahrievaní 15 % roztoku sorbitu, ak výsledný produkt má obsahovať 67 % sorbitu. Koľko výsledného produktu pri tom vznikne? M(glukóza) = 180,16 g.mol -1 M(sorbit) = 182,17 g.mol -1 R = 8,314 J. K -1.mol -1 Úloha 2 (28 pb) Pri úprave sorbitu odparovaním sa 15 % roztok zahrieva prostredníctvom rúrkového výmenníka tepla. Vnútorný priemer rúrky je 5 cm, dĺžka rúrky 80 cm. Vypočítajte, na akú teplotu sa ohreje vnútorný povrch rúrky, ak ohrevné médium má teplotu 130. Súčiniteľ prestupu tepla prúdením má hodnotu 1300 W.m -2.K -1. Za hodinu prejde z ohrevného média teplo v množstve 11,8 MJ. 2
ÚLOY ZO VŠEOBENEJ A FYZIKÁLNEJ ÉMIE hemická olympiáda kategória EF, úroveň E 46. ročník školský rok 2009/2010 Školské kolo Iveta Ondrejkovi ová Oddelenie anorganickej chémie, Ústav anorganickej chémie, technológie a materiálov, FPT STU, Bratislava Maximálne 15 bodov, resp. 60 pomocných bodov Doba riešenia: 80 minút Úloha 1 (26 pb) Reakciou medených stružlín so zriedeným vodným roztokom kyseliny dusičnej vznikol roztok dusičnanu meďnatého a plynný oxid dusnatý. Napíšte: a) uvedenú chemickú rovnicu v stavovom tvare bez stechiometrických koeficientov, b) vyznačte oxidačné čísla všetkých atómov, ktoré zmenili svoje oxidačné čísla počas chemickej reakcie, c) vyriešte stechiometrické koeficienty a doplňte ich do rovnice. Úloha 2 (16 pb) Mangán tvorí niekoľko oxidov, v ktorých nadobúda oxidačné čísla od II do VII. Napíšte: a) vzorce a názvy štyroch oxidov mangánu s oxidačnými číslami v uvedenom rozsahu; zároveň vyznačte oxidačné číslo atómu mangánu v každom vzorci oxidu, b) skrátené zápisy elektrónovej konfigurácie atómov mangánu v štyroch uvedených oxidoch. Úloha 3 (18 pb) Zriedením 180,0 g 24,0% vodného roztoku dusičnanu draselného destilovanou vodou sme pripravili 17,0% roztok dusičnanu draselného. 3
Vypočítajte: a) hmotnosť pripraveného roztoku, b) hmotnosť vody potrebnej na zriedenie 24,0% roztoku dusičnanu draselného, aby sme dostali 17,0% roztok. 4
ÚLOY Z ORGANIKEJ ÉMIE hemická olympiáda kategória EF, úroveň E 46. ročník školský rok 2009/2010 Školské kolo Viera Mazíková Katedra chemických technológií a environmentu FPT TnUAD, Púchov Maximálne 10 bodov Doba riešenia: 60 minút Úloha 1 (1,33 b) Pomenujte nasledujúce zlúčeniny: a. N 2 b. N 2 ( 2 ) 6 N 2 c. N 2 d. N Úloha 2 (4,33 b) Metylová oranžová je sodná soľ kyseliny 4 -(N,N-dimetylamino)azobenzén-4- sulfónovej. a.) Napíšte vzorec látky. b) Napíšte rovnicami jej syntézu z N,N- dimetylanilínu a kyseliny 4- aminobenzén sulfónovej. c) Napíšte názov takýchto typov reakcií a farbív, ktoré nimi vznikajú. d) Vymenujte aspoň dva dôvody, prečo sa použitie týchto typov farbív obmedzuje a na ktoré typy vlákien sa používali. Úloha 3 (3,00 b) Navrhnite prípravu 3-nitroanilínu z anilínu. Využite spôsob prípravy, kedy pridaním nadbytku kyseliny sírovej vznikne amóniový dusík, čím sa zmení charakter substituenta. 5
Úloha 4 (1,34 b) Doplňte reakčnú schému: O N Nl N 3 3 6
ÚLOY Z ANALYTIKEJ ÉMIE hemická olympiáda kategória EF, úroveň E 46. ročník školský rok 2009/2010 Školské kolo Martina Gánovská Stredná odborná škola, Svit Maximálne 10 bodov, resp. 40 pomocných bodov Doba riešenia: 40 minút Úloha 1 (5 pb) Výsledky kúpeľov Korytnica v liečení anémie zapríčinenej nedostatkom železa boli také vynikajúce, že podnikatelia vybudovali v kúpeľoch plničku minerálnej vody. Korytnickú minerálku dodávali najmä do vtedajšieho hlavného mesta Budapešti. Svojou kvalitou sa čoskoro stala známou v monarchii, v Európe i na celom svete, keď v roku 1904 získala striebornú medailu na svetovej výstave v St. Louis ako jediná európska minerálka. Čoskoro sa však ukázalo, že liečba pacientov priamo v kúpeľoch sa nedá nahradiť pitím nakupovanej Korytnice. Zo zdravotného hľadiska majú totiž význam železnaté soli, ktoré sa počas skladovania postupne oxidujú na železité. Túto skutočnosť sa Dr. Šafranka pokúšal svojim pacientom ilustrovať. Použil na to modelové roztoky (vzorku Korytnice nemohol použiť, pretože koncentrácia železa v nej z analytického hľadiska je nízka, dôkazové reakcie v nej sa prekrývajú a často sú nezreteľné). Do troch skúmaviek teda nalial modelové roztoky, pričom roztok v prvej skúmavke obsahoval železnatý katión, roztok v druhej železitú soľ a roztok v tretej zmes oboch iónov. K dispozícii mal nasledujúce skúmadlá: kyselina vínna, chelatón 3, tiokyanatan draselný, 1% roztok diacetyldioxímu, dusičnan strieborný, peroxid vodíka, hydroxid sodný, hexakyanoželezitan draselný a jodistan draselný. a) Vyberte vhodné činidlá, ktoré mal Dr. Šafranka použiť na dôkaz katiónov v skúmavkách. b) Uveďte iónové zápisy prebiehajúcich reakcií a farebné zmeny, ktoré môžeme pozorovať. 7
Úloha 2 (11 pb) Železité a železnaté nerasty sú často sprevádzané aj soľami mangánu. Manganaté soli sú však v pitných vodách nevítané. Zhoršujú ich chuť, spôsobujú zákal a pri koncentrácii Mn 2+ nad 0,1 mg dm -3 sú už neprijateľné. Dôkazu manganatých solí vedľa železitých katiónov sa preto venovali aj lekári v Korytnici. Po pozorovaniach reakcií katiónov s vodným roztokom amoniaku Dr. Šafranka predpokladal, že podobne budú reagovať manganaté a železité katióny aj s alkalickými hydroxidmi. Svoje predpoklady overil na modelových roztokoch chloridu železitého a chloridu manganatého. Pozorovania si starostlivo zapísal do pripravenej tabuľky. Katión Sfarbenie zrazeniny Fe 3+ Mn 2+ Zmena na vzduchu Rozpúšťanie v nadbytku zrážadla a) Opíšte vizuálne rozdiely v zrážaní a rozpustnosti zrazenín v nadbytku hydroxidu, charakterizujte farebné zmeny, vyplňte tabuľku. b) Stechiometrickým stavovým, iónovým úplným aj skráteným zápisom zapíšte reakcie uvedených chloridov s hydroxidom sodným. a) Na zrážanie hydroxidov má vplyv p. Vypočítajte, pri akom p sa začne z roztoku 0,01 mol dm -3 Mn 2+ zrážať hydroxid. K (Mn S 2 13 ( O) ) = 1,26 10 Úloha 3 (14 pb) helatometrické metódy používané na stanovenia manganatých, chromitých, železnatých aj železitých katiónov pracovníkmi vodohospodárskych laboratorií si vyžadovali používanie tlmivých roztokov. Udržiavanie hodnoty p v určitom rozmedzí pomocou nich malo vplyv na stabilitu komplexov aj na výber indikátora. Na stanovenie chromitých katiónov sa používali kyslé tlmivé roztoky. Medzi ne patril aj tlmivý roztok zložený z kyseliny octovej a jej soli so silnou zásadou, napr. octanom sodným, ktorý sa pripravil rozpustením 41 g 3 OONa a 14 cm 3 80 % kyseliny octovej v 1 dm 3 vody. 8
a) Pomocou rovnice reakcie ľubovoľného katiónu kovu s EDTA vysvetlite, prečo je pri chelatometrickom stanovení potrebné udržať stabilné p v titrovanom roztoku. b) Vypočítajte p tlmivého roztoku opísaného v zadaní a rozhodnite, či by bolo vhodné použiť ho pri stanovení chromitých katiónov, kde sa vyžaduje p 2-3 c) hemickými rovnicami opíšte reakcie octanového tlmivého roztoku, ktoré nastanú po pridaní kyseliny a hydroxidu a sú podstatou jeho tlmivého účinku. d) Vypočítajte, ako sa zmení p tohto roztoku po pridaní 10 cm 3 0,1 mol dm -3 l. -1 M ( OONa) = 82 g mol, M( OO) 3 3 = ρ ( 3OO w = 0,8) = 1,068 g cm K A ( 3OO) = 1,75 10-5 -1 60,05 g mol -1 Úloha 4 (10 pb) Vo vzorke vody odobratej z Váhu v Ružomberku pracovníci vodohospodárskeho laboratória stanovovali chromité a železité katióny vedľa seba. Pri stanovení postupovali takto: Vzorku 10 násobne zakoncentrovali (z 1 litra vzorky odpadovej vody získali 100 cm 3 vody na analýzu) a preniesli do titračnej banky, kde upravili p na 2-3 pomocou 1 mol dm -3 NO 3. Takto pripravenú vzorku titrovali odmerným roztokom chelatónu III (c = 0,0051 mol dm -3 ) s použitím indikátora xylenolová oranž z červena do žlta. Priemerná spotreba bola 17,2 cm 3. Keďže oba katióny (železité aj chromité) reagujú s chelatónom III v kyslom prostredí za vzniku stabilných komplexov, týmto spôsobom stanovili ich celkové látkové množstvo vo vzorke. V druhej titračnej banke stanovili r 3+ nepriamo. Vzorku vody (1 dm 3 ) opäť zakoncentrovali na 100 cm 3, hodnotu p vzorky upravili na 8 pomocou amoniakálneho tlmivého roztoku, pridali 20 cm 3 E III (c = 0,0051 mol dm -3 ) a nezreagované množstvo stanovili na odmerným roztokom MnSO 4 ( c= 0,0043 mol dm -3 ) na eriochromovú čerň T. Priemerná spotreba bola 7,2 cm 3. a) Napíšte iónové zápisy rovníc chemických reakcií, ktoré prebiehajú pri stanovení. b) Vypočítajte hmotnostnú koncentráciu r a Fe vo vzorke vody v mg dm -3. Ar (Fe) = 55,85, Ar(r) = 51,99 9
ÚLOY Z PRAXE hemická olympiáda kategória EF, úroveň E 46. ročník školský rok 2009/2010 Školské kolo Elena Kulichová Stredná odborná škola Nováky Maximálne 50 bodov Doba riešenia: 270 minút Úvod Schopnosť železa ľahko prechádzať z oxidačného stupňa II do oxidačného stupňa III, ktorá je dôležitá pre jeho biologickú funkciu, robí ťažkosti pri príprave a uchovávaní železnatých solí. Pritom na výrobu antianemických preparátov sa používajú práve železnaté soli. Na oxidáciu stačí často už kontakt so vzdušným kyslíkom, dokonca aj s kyslíkom, ktorý je absorbovaný vo vode. Ak priehľadnú fľašu naplníme prírodnou minerálnou vodou s pôvodne vyšším obsahom železa (Korytnica, Čerínska), po určitom čase pozorujeme na jej stenách hnedočervený sediment hydratovaného oxidu železitého. ieľom experimentálnej práce v tomto kole súťaže bude overiť vplyv prostredia na rýchlosť oxidácie železnatých iónov. Úloha 1: Stanovenie presnej koncentrácie odmerného roztoku KMnO 4 1.1 Vypočítajte hmotnosť dihydrátu kyseliny šťaveľovej, ktorý potrebujete na prípravu 100 cm 3 štandardného roztoku 2 2 O 4 s koncentráciou c = 0,05 mol dm -3. 1.2 Do titračnej banky pipetujte 10,0 cm 3 štandardného roztoku 2 2 O 4, pridajte 50 cm 3 destilovanej vody, 5 cm 3 kyseliny sírovej (c = 2,0 mol dm -3 ) a zahrejte na 80 85. Titrujte za horúca odmerným roztokom ma nganistanu draselného do ružového sfarbenia (farba má byť stála aspoň 30 s). Analýzu opakujte trikrát. Vypočítajte presnú koncentráciu odmerného roztoku. 10
Úloha 2: Príprava roztokov 2.1 Roztok 1 modelový roztok hydrogénuhličitanu: Vypočítajte hmotnosť hydrogénuhličitanu sodného, ktorú potrebujete na prípravu 100 cm 3 roztoku NaO 3 s koncentráciou c = 0,05 mol dm -3. Vypočítanú hmotnosť odvážte, roztok pripravte v odmernej banke, prelejte ho do čistej titračnej banky a vytemperujte vo vodnom kúpeli na 25. 2.2 Roztok 2 modelový roztok kyseliny chlorovodíkovej: Vypočítajte objem koncentrovanej (w=0,1) kyseliny chlorovodíkovej, ktorú potrebujete na prípravu 100 cm 3 roztoku s koncentráciou c = 0,05 mol dm -3. Vypočítaný objem odpipetujte, roztok pripravte v odmernej banke, prelejte ho do čistej titračnej banky a vytemperujte vo vodnom kúpeli na 25 2.3 Roztok 3 porovnávací roztok. Do čistej titračnej banky pipetujte 100 cm 3 destilovanej (demineralizovanej) vody a obsah vytemperujte vo vodnom kúpeli na 25. Úloha 3: Príprava a analýza roztoku síranu železnatého 3.1 Vypočítajte hmotnosť heptahydrátu síranu železnatého, ktorú potrebujete na prípravu 100 cm 3 roztoku FeSO 4 s hmotnostnou koncentráciou c m (Fe) = 5,0 g dm -3. Vypočítanú hmotnosť odvážte, roztok pripravte, okyslite niekoľkými kvapkami koncentrovanej 2 SO 4, zhomogenizujte a analyzujte manganometrickou titráciou. 3.2 Do titračnej banky pipetujte na stanovenie 10 cm 3 roztoku vzorky železnatej soli, pridajte 25 cm 3 destilovanej vody, okyslite 2 cm 3 2 SO 4 (c = 2,0 mol dm -3 ) a niekoľko kvapiek koncentrovanej 3 PO 4. Za chladu titrujte odmerným roztokom manganistanu draselného známej koncentrácie do trvalého ružového sfarbenia. Vykonajte tri paralelné stanovenia. Úloha 4: Sledovanie postupnej oxidácie železnatej soli Do vytemperovaných roztokov 1, 2 a 3, ktoré ste pripravili v úlohe 2, postupne pridajte po 10 cm 3 roztoku FeSO 4, ktorý ste pripravili v úlohe 3.1. Zmes v každej titračnej banke nechajte za občasného premiešania stáť pri teplote 25. 20 minút. Po uplynutí 20 minút titrujte zmes odmerným roztokom manganistanu draselného 11
s presne známou koncentráciou postupom podľa bodu 3.2. Vypočítajte hmotnosť železnatej soli (ako Fe 2+ ), ktorá vo vzorke ešte ostala. Poznámka: Pri pridávaní roztoku FeSO 4 do jednotlivých baniek dodržte približne 10 minútové intervaly, aby ste po uplynutí predpísaného času stihli vykonať titráciu. Úloha 5: Vypl te odpove ový hárok Úloha 6: Grafické spracovanie výsledkov Výsledky úlohy 4 znázornite pomocou stĺpčekového diagramu. Pri výpočtoch použite nasledujúce hodnoty mólových hmotností: M NaO 3. 10 2 O) = 84,01 g mol -1 M (l) = 36,46 g mol -1 ρ 3 ( l ) = 1,048 g cm M ( 2 2 O 4. 2 2 O) = 126,07 g mol -1 M (FeSO 4. 7 2 O) = 278,01 g mol -1 M (Fe) = 55,85 g mol -1 12
Odpove ový hárok z PRAXE Škola: Meno súťažiaceho: elkový počet pridelených bodov: Podpis hodnotiteľa: Úloha 1.1 Výpočet hmotnosti dihydrátu kyseliny šťaveľovej na prípravu štandardného roztoku: Skutočná hmotnosť použitého dihydrátu m st = Výpočet skutočnej koncentrácie štandardného roztoku: Úloha 1.2 Rovnica reakcie, ktorá prebehne pri štandardizácii: Spotreba odmerného roztoku na štandardizáciu V odm Výpočet priemernej hodnoty Výpočet presnej koncentrácie odmerného roztoku: 13
Úloha Výpočet hmotnosti hydrogénuhličitanu sodného na prípravu roztoku 1: 2.1 Úloha Výpočet objemu kyseliny chlorovodíkovej na prípravu roztoku 2: 2.2 Úloha Výpočet hmotnosti FeSO 4. 7 2 O na prípravu roztoku síranu železnatého: 3.1 Úloha Rovnica reakcie, ktorá prebehne pri stanovení železnatej soli: 3.2 Spotreba odmerného roztoku na stanovenie pôvodnej koncentrácie železnatej soli V sol Výpočet priemernej spotreby: Výpočet pôvodnej koncentrácie železnatej soli c sol v roztoku: 14
Výpočet hmotnostnej koncentrácie železnatej soli c m sol v roztoku (vyjadrí sa v g(fe II ) dm -3 ): Úloha Výpočet hmotnosti železnatej soli, ktorú ste pridali do jednotlivých roztokov: 4 Spotreba odmerného roztoku na titráciu vzoriek železnatej soli, ktoré boli v kyslom, zásaditom a neutrálnom prostredí: V(kys) V(zás) V( 2 O) Výpočet hmotnosti železnatej soli v g (Fe II ) pre jednotlivé prípady: Záver: 46. ročník hemickej olympiády, teoretické a praktické úlohy školského kola kategórie EF, úroveň E Vydal: IUVENTA, 2010 Ďalšie informácie na www.olympiady.sk Slovenská komisia hemickej olympiády 15