Súťažné úlohy Chemickej olympiády v kategórii C Pre 1. ročníky stredných škôl Študijné kolo prax 2006/07 Vydala Iuventa v spolupráci so Slovenskou komisiou Chemickej olympiády v roku 2006
PRAKTICKÁ ČASŤ Chemická olympiáda kategória C šk. rok 2006/07 Študijné kolo Milan Melicherčík, Iveta Nagyová, Jarmila Kmeťová, Mária Lichvárová Katedra chémie, Fakulta prírodných vied UMB, Banská Bystrica Maximálne 40 bodov Doba riešenia: 180 minút Úvod V tomto školskom roku venujte pozornosť v príprave na praktické úlohy chemickej o- lympiády v kategórii C najmä týmto oblastiam: Rozdeľovanie zmesi látok. Príprava látok. Príprava roztokov. Výpočty a prepočty zloženia roztokov (látková koncentrácia, hmotnostný zlomok). Spôsoby vyjadrovania rozpustnosti látok. Krivky rozpustnosti. Nenasýtený, nasýtený a presýtený roztok. Výpočty vzťahované na kryštalizáciu. Výpočty na základe chemických rovníc. Elektrochemický rad napätia kovov. Meď, zinok, železo a ich zlúčeniny. Laboratórne techniky: zrážanie, kryštalizácia, filtrácia za atmosferického a zníženého tlaku, odparovanie, sušenie, žíhanie. Odporúčaná literatúra 1. J. Gažo a spol.: Anorganická chémia. Laboratórne cvičenia a výpočty. 2. vyd. Bratislava, Alfa 1977. s. 101 105, 107 114, 122 127, 187, 200 201, 204 206, 317 334. 2. J. Gažo a spol.: Všeobecná a anorganická chémia. 3. vyd. Bratislava, Alfa 1981. s. 201 203, 220 221, 230 231, 632 637, 673 679, 687 690. 3. Ľ. Ulická, L. Ulický: Príklady zo všeobecnej a anorganickej chémie. 2. vyd. Bratislava, Praha, Alfa, SNTL 1987. s. 66 98. 4. J. Kohout, M. Melník: Anorganická chémia 1. Základy anorganickej chémie. 2. vyd. Bratislava, STU 1997. s. 137 142, 150 153. 1
Experimentálna úloha (40 b) Príprava medi cementáciou Úvod Meď sa z prírodných surovín získava dvomi spôsobmi, a to tzv. hutníckym spôsobom a na mokrej ceste. Pri hutníckom spôsobe sa sulfidové rudy pražia a tavia. Následne prebieha premena vzniknutého oxidu a sulfidu meďného na kovovú meď. Mokrá cesta sa používa pri rudách chudobných na meď, na ktoré sa pôsobí kyselinou sírovou a následne sa z roztoku po jeho úprave získava meď elektrolýzou alebo tzv. cementáciou. Pri cementácii sa do roztoku pridáva neušľachtilý kov, napr. zinok alebo železo. (Názov cementácia sa používa aj v súvislosti s obohacovaním železa uhlíkom za neprístupu vzduchu, aby sa dosiahlo zväčšenie tvrdosti povrchu železa.) Pomôcky: 2 kadičky 250 cm 3, 1 kadička 150 cm 3, 1 odmerná banka 250 cm 3 (pre H 2 SO 4 ), 1 odmerná banka 100 cm 3 (pre NaOH), 1 skúmavka so zátkou 10 cm 3 (pre NH 3 ), 1 odmerný valec 100 cm 3, 2 hodinové sklíčka alebo navažovačka, 1 porcelánový téglik, 1 sklená tyčinka, 1 filtračný lievik, 1 Bϋchnerov lievik so zátkou, 1 odsávacia banka, 1 filtračný kruh, 1 kovový stojan, 1 trojnožka, 1 kovová sieťka nad kahan, 1 Bunsenov kahan, 1 triangel, 1 chemické kliešte, 1 striekačka s destilovanou vodou, 1 nožnice, 1 lyžička na chemikálie, 2 kusy filtračného papiera, predvažovacie váhy, exsikátor. Chemikálie: tuhý CuSO 4 5 H 2 O, 3 % vodný roztok H 2 SO 4, Zn (práškový), 26 % vodný roztok NH 3, 5 % vodný roztok NaOH, 2
Úloha: a) Pripravte práškovú meď chemickou reakciou zinku s roztokom síranu meďnatého Postup: Na predvažovacích váhach odvážte 15,0 g pentahydrátu síranu meďnatého. Do kadičky s objemom 250 cm 3 odmerajte odmerným valcom 75 cm 3 roztoku kyseliny sírovej (w(h 2 SO 4 ) = 3 %). Za stáleho miešania opatrne pridajte do kadičky odvážené množstvo pentahydrátu síranu meďnatého a nechajte ho úplne rozpustiť. Potom do okysleného roztoku síranu meďnatého v kadičke pridávajte práškový zinok po malých dávkach, aby roztok nevzkypel. Po každom pridaní zmes pomiešajte sklenou tyčinkou. Chemická reakcia prebieha prakticky kvantitatívne v prítomnosti malého nadbytku zinku. Preto návažok zinku zväčšite o 0,5 g oproti množstvu vypočítanému z rovnice chemickej reakcie. Zinok odvážte na predvažovacích váhach. Pred vážením nahláste pedagogickému dozoru vypočítanú hmotnosť zinku. Koniec chemickej reakcie sa prejaví odfarbením pôvodne modrého roztoku. Kontrolu prítomnosti meďnatých katiónov v roztoku vykonajte tak, že z neho odoberte do skúmavky 1 cm 3 a pridajte 1 kvapku koncentrovaného roztoku amoniaku (w(nh 3 ) = 26 %). Ak sa roztok sfarbí na modro, musíte do reakčnej zmesi pridať ešte trochu zinku. Ak sa netvorí tmavomodré sfarbenie komplexného meďnatého katiónu, chemická reakcia je ukončená. Vzniknutý bezfarebný roztok síranu zinočnatého zlejte do inej kadičky a použite ho na prípravu oxidu zinočnatého. Práškovú meď vyčistite pomocou 3 % roztoku kyseliny sírovej. Do kadičky s meďou pridajte 30 až 50 cm 3 roztoku kyseliny sírovej (w(h 2 SO 4 ) = 3 %), zmes dobre premiešajte sklenou tyčinkou, potom meď nechajte usadiť a nakoniec roztok nad meďou zlejte. Túto procedúru, ktorá sa nazýva dekantácia, urobte ešte dvakrát. Kyselina sírová pritom rozpustí prípadne nezreagovaný zinok a dekantáciou sa odstráni vzniknutý síran zinočnatý. Pripravená meď je veľmi reaktívna a na vzduchu sa oxiduje. Preto ju uchovávame pod malou vrstvou 3 % roztoku kyseliny sírovej a v tejto podobe ju aj odovzdáme dozoru. b) Pripravte hydroxid zinočnatý zrážaním roztoku síranu zinočnatého a z neho oxid zinočnatý. Postup: Roztok síranu zinočnatého, ktorý ste získali ako vedľajší produkt pri cementácii medi, najprv prefiltrujte a potom pridajte do filtrátu vypočítaný objem 5 % roztoku hydroxidu sod- 3
ného. Roztok hydroxidu sodného pridávajte po malých množstvách za stáleho mierneho miešania. Zrazeninu nechajte usadiť a do roztoku nad zrazeninou pridajte ešte 1 až 2 kvapky roztoku hydroxidu. Pozorujte, či pritom vzniká zrazenina. Ak sa v roztoku nad zrazeninou ďalšia zrazenina už netvorí, zrážanie ukončite. Pri nadbytku roztoku hydroxidu sodného by dochádzalo k premene vzniknutej zrazeniny na rozpustný komplex. Vzniknutú zrazeninu hydroxidu zinočnatého prefiltrujte pomocou Bϋchnerovho lievika a premyte ju dvakrát asi s 20 cm 3 studenej destilovanej vody, aby ste zo zrazeniny odstránili síran sodný. (Pozor! Pri premývaní zrazeniny dbajte na to, aby ste pri nalievaní vody na zrazeninu odpojili vývevu od odsávacej banky. Zrazeninu s vodou jemne premiešajte otavenou sklenou tyčinkou tak, aby ste neporušili filtračný papier. Potom pripojte vývevu na odsávaciu banku a premývací roztok odsajte.) Nakoniec zrazeninu čiastočne vysušte na Bϋchnerovom lieviku presávaním vzduchu. Časť zrazeniny (asi dve tretiny) preneste do porcelánového téglika a téglik umiestnite do triangla na trojnožke. Najprv zahrievajte téglik veľmi miernym plameňom kahana. (Pozor! Ak zrazenina ešte nie je dostatočne suchá, pri intenzívnejšom žíhaní téglik môže prasknúť a v niektorých prípadoch môže vypadnúť celé dno.) Potom produkt intenzívne vyžíhajte, pričom využívajte vždy oxidačnú časť plameňa. Po vyžíhaní nechajte téglik chvíľu chladnúť voľne na vzduchu, potom ho preneste pomocou predhriatych chemických klieští do exsikátora a nechajte vychladnúť na laboratórnu teplotu. Vychladnutý produkt v tégliku (oxid zinočnatý) odovzdajte. Nevyžíhanú zrazeninu hydroxidu zinočnatého s filtračným papierom preneste na hodinové sklíčko a odovzdajte. Úloha 1 (2 b) Zapíšte chemickou rovnicou v stechiometrickom aj v skrátenom iónovom tvare reakciu, ktorá prebieha v roztoku síranu meďnatého so zinkom. Úloha 2 (1 b) Zdôvodnite priebeh chemickej reakcie v úlohe 1 na základe postavenia zinku a medi v elektrochemickom rade napätia kovov. Úloha 3 (1 b) Vypočítajte, aké teoretické množstvo zinku (v g) je potrebné na chemickú reakciu s 15,0 g pentahydrátu síranu meďnatého. M(CuSO 4 5 H 2 O) = 249,68 g mol -1 M(Zn) = 65,39 g mol -1 4
Úloha 4 (2 b) Vypočítajte, aké množstvo (v g) medi a síranu zinočnatého môže teoreticky vzniknúť chemickou reakciou, ak predpokladáme 100 % výťažok reakcie. M(ZnSO 4 ) = 161,44 g mol -1 M(Cu) = 63,546 g mol -1 Úloha 5 (7 b) Zapíšte chemickými rovnicami v stechiometrickom aj v skrátenom iónovom tvare: a) reakciu síranu zinočnatého s hydroxidom sodným vo vodnom roztoku, b) reakciu hydroxidu zinočnatého s nadbytkom hydroxidu sodného a pomenujte produkt chemickej reakcie, c) chemickú reakciu prebiehajúcu pri žíhaní hydroxidu zinočnatého. Úloha 6 (3 b) Vypočítajte, aký objem roztoku hydroxidu sodného (w(naoh) = 5 %) treba na vyzrážanie hydroxidu zinočnatého z roztoku síranu zinočnatého (úloha 4) a aké množstvo oxidu zinočnatého sa získa po jeho vyžíhaní, ak predpokladáme 100 % výťažok oboch chemických reakcií. M(NaOH) = 39,9971 g mol -1 ρ(5 % NaOH) = 1,0538 g cm -3 M(ZnO) = 81,38 g mol -1 Úloha 7 (3 b) Zapíšte chemickou rovnicou v stechiometrickom aj v skrátenom iónovom tvare chemickú reakciu prebiehajúcu s amoniakom pri dôkaze meďnatých katiónov (CuSO 4 ) a pomenujte produkt chemickej reakcie. Úloha 8 (18 b) Odovzdajte získané produkty: meď, hydroxid zinočnatý a oxid zinočnatý. Úloha 9 (3 b) Z praktickej práce napíšte protokol. 5