Súťažné úlohy Chemickej olympiády v kategórii B

Transcript

1 Súťažné úlohy hemickej olympiády v kategórii B Pre 2. ročníky stredných škôl Študijné kolo teória 2006/07 Vydala Iuventa v spolupráci so Slovenskou komisiou hemickej olympiády v roku 2006

2 ÚLOHY Z ANORGANIKEJ HÉMIE hemická olympiáda - kategória B - šk. rok 2006/2007 Študijné kolo Juraj Bujdák Ústav anorganickej chémie SAV, Bratislava Maximálne 40 bodov Úvod Úlohy chemickej olympiády zo všeobecnej a anorganickej chémie budú v tomto školskom roku zamerané na nasledovné tematické okruhy: 1. hróm a jeho zlúčeniny. Výskyt chrómu v prírode. História objavenia chrómu. Typy zlúčenín. Príprava chrómu a jeho zlúčenín. hemické reakcie. Soli chromité, chrómany, koordinačné zlúčeniny, polyzlúčeniny chrómu. Význam chrómu a jeho priemyselné využitie. 2. hemické výpočty. Látkové množstvo. Avogadrova konštanta. Hmotnosť, objem, hustota. Relatívna atómová a molekulová hmotnosť. Molová hmotnosť. Koncentrácia roztoku. 3. Molekulové oxidy. Štruktúra, vlastnosti a chemické reakcie najvýznamnejších molekulových oxidov. Molekulové oxidy halogénov, dusíka, uhlíka, síry a podobne. Odporúčaná literatúra: 1. Ľ. Ulická a L. Ulický: Príklady zo všeobecnej a anorganickej chémie. Alfa, Bratislava, Kapitola: 1. Fyzikálne veličiny a základné chemické pojmy. 2. J. Gažo a kolektív: Všeobecná a anorganická chémia. Alfa, Bratislava, Kapitoly: 2. Empirické zákony chémie. 8. Roztoky. Zloženie roztokov. 10. Kyslík. Oxidy. 12. Halové prvky. Kyslíkaté zlúčeniny halogénov. 13. Síra. Kyslíkaté zlúčeniny síry. 14. Dusík. Oxidy a kyslíkaté zlúčeniny dusíka. 16. Uhlík. Oxidy a kyslíkaté zlúčeniny uhlíka. 32. Podskupina chrómu. 1

3 3. F. A. otton, G. Wilkinson: Anorganická chemie. Academia, Praha, Kapitoly: 29-. hrom. 4. H. Remy: Anorganická chemie, I. Díl. SNTL, Praha, Kapitoly. Uhlík. Dusík. Fosfor. Síra. Sedmá hlavní podskupina periodické soustavy: Halogeny, podkapitoly: Sloučeniny s kyslíkem. 5. H. Remy: Anorganická chemie, II. Díl. SNTL, Praha, Kapitoly: hrom Úloha 1 (13 b) Langmuirove-Blodgettovej filmy sú typom molekulových filmov, ktoré sa pripravujú špeciálnym postupom. Keďže pozostávajú z diskrétnych molekulových vrstiev, ich hrúbka je okolo jedného nanometra i menej. Pripravujú sa nanášaním monomolekulových vrstiev, ktoré vznikajú na fázovom rozhraní roztoku a vzduchu, na povrch pevného substrátu. Prípravu objavili Irving Langmuir a Katherine Blodgettová už na začiatku 20 storočia. V súčasnosti Langmuirove-Blodgettovej filmy sú opäť veľkým hitom ako súčasť alebo prekurzory širokej škály nanomateriálov s perspektívnymi aplikáciami a s výnimočnými fyzikálnochemickými vlastnosťami. Vedcom sa podarilo pripraviť monomolekulový film zložený z molekúl fullerénu. Fullerén je zvláštna forma uhlíka. Za objav fullerénu bola udelená Nobelova cena v roku Najbežnejší a najjednoduchší fullerén je zložený z molekúl 60, ktorých tvar má podobu futbalovej lopty. Polomer molekuly je okolo 0,7 nm. a) Vypočítajte relatívnu molekulovú hmotnosť fulerénu 60, ak relatívna atómová hmotnosť uhlíka je 12,01. b) Vypočítajte, koľko molekúl 60 a koľko atómov uhlíka tvorí monomolekulovú vrstvu fulerénu s plochou 1 cm 2. Elektrónovou mikroskopiou filmu fullerénu sa zistilo, že jedna molekula 60 zaberá plochu v priemere 2 nm 2. c) Vypočítajte hustotu filmu fulerénu (v g cm -3 ) a porovnajte ju s hustotou uhlíka vo forme diamantu (3,51 g cm -3 ) a grafitu (2,27 g cm -3 ). Úloha 2 (8 b) V roku 1761 Johann Gottlob Lehmann objavil na Urale minerál, ktorý nazval sibírske červené olovo. Tento minerál je zlúčeninou olova a chrómu (látka A). Neskôr sa tento minerál často používal ako farbivo, tzv. chrómová žltá. 2

4 a) Napíšte vzorec chemickej zlúčeniny A, ktorá tvorí objavený minerál sibírske červené olovo. V roku 1797 Nicolas-Louis Vauquelin pripravil z minerálu (látky A) oxid chrómový. Pomocou redukcie uhlíkom (sadzami) pripravil z oxidu chrómového kovový chróm. Nový prvok pomenoval podľa vlastnosti prvku tvoriť farebné zlúčeniny (latinské slovo chroma čiže farba). b) Napíšte rovnicu chemickej reakcie prípravy chrómu z oxidu chrómového redukciou uhlíkom. Až v roku 1894 Hans Goldschmidt použil ďalší, z hľadiska priemyselného využitia jeden z najvýznamnejších spôsobov prípravy chrómu, tzv. aluminotermickú reakciu. c) Napíšte chemickú rovnicu aluminotermickej reakcie prípravy chrómu z oxidu chromitého. hróm je pomerne inertný kov. Pri rozpúšťaní v kyselinách v redukčnom prostredí a bez prístupu vzduchu možno pripraviť chromnaté soli. Keďže chromnaté soli sú pomerne nestále a ľahko sa oxidujú, v prítomnosti kyslíka sa chróm v kyselinách rozpúšťa priamo na soli chromité. d) Na ktorý ďalší významný kovový prvok sa chróm týmito vlastnosťami podobá? e) Napíšte elektrónové konfigurácie valenčnej vrstvy atómu chrómu v chrómnatých a chromitých zlúčeninách. Úloha 3 (19 b) a) Z uvedenej série vyberte chemické vzorce molekulových oxidov: SiO 2, O 2, KO 2, TiO 2, MnO 2, VO 2, lo 2, SO 2 b) Nakreslite štruktúru (približný tvar a rozmiestnenie atómov) vybraných molekulových oxidov z predchádzajúcej úlohy, prípadne opíšte ich štruktúru. c) Ktoré z uvedených molekulových oxidov obsahujú polárne molekuly? d) Akými fyzikálnymi vlastnosťami sa líšia uvedené molekulové oxidy (skupenstvo, teplota varu) od ostatných zlúčenín, ktorých vzorce sú uvedené v úlohe 3a? Dnes je známych najmenej sedem molekulových oxidov dusíka. Tri z nich sú známe už vyše 200 rokov (N 2 O, NO, NO 2 ). Väčšina z oxidov dusíka sú za normálnych podmienok plynné látky. 3

5 e) Ktorý z oxidov dusíka (látka X) vzniká rozkladom dusičnanu amónneho. Látka X je známa pod názvom rajský plyn. Napíšte jej chemický vzorec a chemický názov. f) Napíšte rovnicu chemickej reakcie prípravy látky X z dusičnanu amónneho. Oxid dusíka (látka Y) je plyn, ktorý má tmavočervené sfarbenie. Je to veľmi jedovatá látka. Je jedným z faktorov spôsobujúcich znečistenie atmosféry v dôsledku spaľovania výfukových plynov. Tvorí bezfarebný dimér. g) Napíšte chemický vzorec látky Y a nakreslite alebo popíšte štruktúru molekuly. Molekula oxidu dusíka (látka Z) dimerizuje, pričom vzniká molekula: O=N N=O. Molekula diméru látky Z nemá lineárnu štruktúru, a preto teoreticky môže byť buď vo forme cis alebo trans. (is-forma je stabilnejšia.) h) Nakreslite štruktúrny vzorec molekuly cis- a trans- izoméru O=N N=O. i) Vysvetlite, prečo molekula O=N N=O nie je lineárna. j) Látka Z reaguje spontánne so vzdušným kyslíkom, pričom vzniká látka Y. Napíšte rovnicu chemickej reakcie látky Z s kyslíkom. Poznámka: Pomocou štruktúrnej analýzy s použitím RTG difrakcie sa zistilo, že štruktúra diméru zodpovedá cis-forme molekuly O=N-N=O. V staršej literatúre sa bežne uvádza dávnejšie publikovaná štruktúra obdĺžnikového zoskupenia dvoch molekúl NO: O N N O 4

6 ÚLOHY Z ORGANIKEJ HÉMIE hemická olympiáda - kategória B - šk. rok 2006/2007 Študijné kolo Martin Putala Katedra organickej chémie, Prírodovedecká fakulta UK, Bratislava Maximálne 20 bodov Úvod Súťažné úlohy v tomto školskom roku budú zamerané najmä na väzby v organických zlúčeninách (hybridizácia, väzbové uhly, polarita, dipólový moment) a na štruktúru, izomériu, reakcie a vlastnosti alkénov a diénov, aplikované na terpény. Úspešné riešenie úloh vyžaduje základné znalosti názvoslovia organických zlúčenín, predovšetkým uhľovodíkov a karbonylových zlúčenín. Odporučená literatúra: 1. hémia pre 2. ročník gymnázia, 2. vydanie, SPN, Bratislava 1992, str , 88-95, , J. Heger, I. Hnát, M. Putala: Názvoslovie organických zlúčenín, SPN, Bratislava, 2004, str , 48-55, P. Zahradník, M. Kollárová: Prehľad chémie 2 (Organická chémia a biochémia), 2. upravené vydanie, SPN, Bratislava 2002, str. 5-21, 37-45, 59-65, 81-87, 88-89, T. Vencel, M. Sališová, M. Putala: Názvoslovie organických zlúčenín, Stručné princípy a riešené príklady, Úloha 1 (10 b) Polarita väzieb a molekúl sa dá vyjadriť pomocou dipólového momentu (µ). Dipólový moment je vektorová veličina a teda má veľkosť a smer (smeruje od kladného k zápornému náboju). Dipólový moment molekuly je výslednicou vektorového súčtu dipólových momentov jednotlivých väzieb. Možno to demonštrovať na výslednom dipólovom momente, ktorý sa graficky získa ako vektorový súčet dvoch dipólových momentov: 5

7 sčítaním alebo odčítaním hodnôt dipólových momentov, ak oba tieto vektory ležia na priamke (t. j. uhol, ktorý zvierajú väzby, je 180 ), ako uhlopriečka rovnobežníka, ktorého dve priľahlé strany tvoria vektory dipólových momentov, ak väzby zvierajú uhol iný ako 180. Ak je to potrebné, vektory sa upravia tak, aby vychádzali z jedného bodu, ako je to znázornené na obrázku. µ 1 H 2 µ 2 l θ Br µ 1 µ 2 θ µ µ 1 H 3 µ 1 µ 1 µ θ = θ µ µ µ Br 2 2 H 2 Približnú hodnotu dipólového momentu molekuly možno vypočítať podľa kosínusovej vety z dipólových momentov jednotlivých väzieb, ak poznáme uhol, ktorý navzájom zvierajú: 2 2 µ = µ + µ µ µ cosθ Napíšte typ hybridizácie valenčných orbitálov atómov uhlíka a približné hodnoty uhlov H-- v molekulách: a) metánu, b) eténu, c) acetylénu, d) benzénu S pomocou grafickej analýzy uveďte pre benzén hodnoty uhlov väzieb H--H v polohách: a) 1, 2 b) 1, 3 c) 1, 4. Jedna z možností riešenia: predĺžte úsečky vyjadrujúce jednotlivé väzby -H do stredu benzénového jadra tak, aby sa preťali S pomocou grafickej analýzy uveďte pre etén hodnoty uhlov medzi dvomi väzbami -H: a) na tom istom atóme uhlíka, b) na susedných atómoch uhlíka, ktoré sú navzájom v polohe cis, c) na susedných atómoch uhlíka, ktoré sú navzájom v polohe trans. Jedna z možností riešenia: Pri stanovovaní uhla medzi väzbami -H na susedných atómoch uhlíka stotožnite atómy uhlíka ( vypustením dvojitej väzby ). 6

8 1.4. Nasledovné zlúčeniny rozdeľte podľa toho, či majú ich molekuly nulový alebo nenulový dipólový moment. Načrtnite, ako možno graficky určiť vektorový súčet dipólových momentov jednotlivých väzieb (dipólový moment väzby -H zanedbajte). a) oxid uhličitý, b) formaldehyd (metanál), c) cis-1,2-dibrómetén, d) trans-1,2-dibrómetén, e) dijódmetán, f) tetrabrómmetán, g) nitroetán, h) propín, i) 1,2-dichlórbenzén, j) 1,4-dinitrobenzén Vypočítajte hodnotu dipólového momentu molekúl nasledovných zlúčenín (na dve platné číslice): a) 1,4-dichlórbenzénu, b) p-chlórtoluénu (1-chlór-4-metylbenzénu), c) m-xylénu (1,3-dimetylbenzénu), d) 1,2-dinitrobenzénu. Priemerné hodnoty dipólového momentu väzieb (Ar)-X: µ( H 3 ) = 1, m; µ( l) = 5, m; µ( NO 2 ) = 14, m; µ( H) 0. Úloha 2 (4,5 b) Ozonolýza zohrala v minulosti dôležitú úlohu pri stanovení štruktúry neznámych nenasýtených uhľovodíkov. Pri redukčnej ozonolýze alkénov sa ich molekula štiepi na mieste dvojitej väzby a vznikajú karbonylové zlúčeniny (aldehydy a ketóny). Napríklad redukčnou ozonolýzou 2-metylpropénu vzniká etanál a acetón: H 3 H 3 1. O 3 2. H 2 O, Zn H 3 O + O H 3 H H 3 H H Napíšte konštitučné vzorce a substitučné názvy produktov ozonolýzy: a) 2-metylpent-1-énu, b) 2-metylpent-2-énu, c) 4-metylpent-2-énu, d) cyklopenténu, e) 1-metylcyklohexénu, 7

9 f) 3-metylcyklohexénu, g) 2-metylbuta-1,3-diénu (izoprénu), h) 2-metylcyklohexa-1,3-diénu. Úloha 3 (5,5 b) Terpény tvoria skupinu prírodných zlúčenín rastlinného pôvodu, známych tiež ako éterické oleje. Vo svojej štruktúre obsahujú niekoľko (2 alebo viac) jednotiek izoprénu (2- metylbuta-1,3-diénu), a preto počet atómov uhlíka v ich molekule je násobkom 5. K predstaviteľom monoterpénov (látok obsahujúcich 2 izoprénové jednotky v molekule) patria napríklad nasledovné uhľovodíky: H 2 H 3 H 3 H 2 H H H H 2 H H 2 H H 2 H 2 H H 2 H 2 H H 2 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 2 myrcén ocimén limonén 3.1. Vytvorte tabuľku a v nej pre každý uvedený monoterpén napíšte: a) systémový názov, b) sumárny vzorec, c) štruktúrny vzorec a bodkovanou deliacou čiarou v ňom vyznačte izoprénové jednotky, d) štruktúrny a sumárny vzorec produktu reakcie s nadbytkom brómu, e) štruktúrny vzorec produktu úplnej hydratácie zriedenou kyselinou sírovou, f) štruktúrne vzorce a substitučné názvy produktov redukčnej ozonolýzy. 8