Súťažné úlohy Chemickej olympiády v kategórii F

Súťažné úlohy Chemickej olympiády v kategórii F Pre 3. a 4. ročníky stredných odborných škôl chemického zamerania Študijné kolo teória 2006/07 Vydala Iuventa v spolupráci so Slovenskou komisiou Chemickej olympiády v roku 2006

ÚLOHY Z FYZIKÁLNEJ CHÉMIE Chemická olympiáda - kategória F - šk. rok 2006/07 Študijné kolo Stanislav Kedžuch Ústav anorganickej chémie SAV, Bratislava Maximálne 17 bodov Úvod Úlohy z fyzikálnej chémie v tomto školskom roku budú zamerané na chemickú kinetiku, najmä na reakcie prvého poriadku a rozpadové rady. Druhá časť úloh sa bude venovať rozpustnosti a vplyvu ph na rozpustnosť málo rozpustných elektrolytov v súvislosti s rovnováhami slabých kyselín. Odporúčaná literatúra 1. Predchádzajúce ročníky úloh chemickej olympiády v kategórii A a F. 2. S. Biskupič, P. Kovařík, J. M. Lisý, L. Valko: Príklady a úlohy z fyzikálnej chémie I a II. STU, Bratislava 1996. 3. P. W. Atkins: Fyzikálna chémia. Preklad 6. vydania. Oxford Press/Vydavateľstvo STU, Bratislava 1999. Úloha 1 (6 b) Uhlík má dva stabilné izotopy 12 C, 13 C a rádioaktívny izotop 14 C. Rádioaktívny izotop vzniká účinkom vesmírneho žiarenia v horných vrstvách atmosféry jadrovou reakciou: 1 14 14 0 n + 7 N 6 C + Uhlík 14 C sa ďalej šíri v atmosfére vo forme oxidu uhličitého, rozpúšťa sa vo vode oceánov a morí, fotosyntézou sa dostáva do rastlín a tým aj do všetkých živých organizmov. Súčasne sa uhlík 14 C rozpadá. Týmto procesom sa udržiava konštantný pomer izotopu uhlíka 14 C k celkovému množstvu uhlíka vo všetkých žijúcich organizmoch. Ak organizmus odumrie, prísun izotopu 14 C sa zastaví a jeho množstvo klesá v dôsledku rádioaktívneho rozpadu, čo je reakcia prvého poriadku. Tento mechanizmus objasnil a využil na stanovenie veku organických materiálov Willard Frank Libby v roku 1949, za čo dostal v roku 1960 Nobelovu cenu za chémiu. 1 1 1 p

Mapa Vinlandu údajne pochádza z 15. storočia a je údajne kópiou nezachovanej Mappa Mundi z 13. storočia. Okrem toho, že je na nej zakreslená časť Afriky, Ázie a Európy, na mape je aj územie pozdĺž Atlantického oceánu nazvané Vinlandia. Keďže toto územie zodpovedá dnešnému severovýchodnému pobrežiu amerického kontinentu, bola by táto mapa dôkazom, že Vikingovia objavili Ameriku pred Kolumbom. Táto mapa sa našla a začala skúmať v roku 1957, v roku 1965 sa určil jej vek rádiouhlíkovou metódou. Overte pravosť tejto mapy (teda rok vzniku), ak vzorka vlákien z mapy vykazuje 93,65 % výskytu izotopu 14 C oproti materiálu získanému z práve odumretej rastliny. Polčas rozpadu uhlíka 14 C je 5730 rokov. Na autentickosť mapy kontroverzne pôsobí fakt, že použitý atrament na báze oxidu titaničitého, ktorý sa bežne v prírode nevyskytuje, sa prvý raz použil ako syntetický pigment v roku 1920, čo spochybňuje autentickosť mapy. Na druhej strane, podobný atrament sa našiel aj v stredovekých rukopisoch, avšak štruktúra kryštálov atramentu mapy je na rozdiel od týchto rukopisov typická pre syntetický atrament. To, či atrament pochádza zo stredoveku, je otázkou ďalšieho skúmania. Úloha 2 (5 b) Súčin rozpustnosti Mn(OH) 2 pri 25 C je 1,6.10-13. Vypočítajte: a) rozpustnosť Mn(OH) 2, b) ph vzniknutého roztoku, c) rozpustnosť Mn(OH) 2 v roztoku NaOH s koncentráciou 0,01 mol.dm -3. Úloha 3 (6 b) Vodný roztok H 2 CO 3 sa správa ako slabá kyselina s konštantami kyslosti pre 25 C K 1 = 4,4.10-7 a K 2 = 4,7.10-11. Napíšte rovnice disociácie a určte percentuálne zastúpenie jednotlivých produktov disociácie a nedisociovanej kyseliny v roztoku pri ph = 8. 2

ÚLOHY Z ANALYTICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória F šk.rok 2006/07 Študijné kolo Elena Kulichová Združená stredná škola chemická, Nováky Maximálne : 17 bodov Cieľom riešenia úloh z analytickej chémie v 43. ročníku chemickej olympiády bude hlbšie štúdium vlastností a možností kvalitatívnej i kvantitatívnej analýzy organických kyselín. Ide o látky, ktoré sú z hľadiska praxe veľmi významné. Prirodzene sa vyskytujú v rastlinách. V potravinárskom priemysle patria medzi najdôležitejšie prísady, ktorými sa reguluje kyslosť, sfarbenie ale aj iné vlastnosti potravinárskych výrobkov. Na prítomnosť kyselín a ich solí nás často upozorňujú kódové označenia, populárne nazývané éčka, z ktorých majú spotrebitelia v niektorých prípadoch aj zbytočné obavy. V úlohách sa sústredíme na chromatografiu, alkalimetrické, acidimetrické a nepriame chelátometrické stanovenia, ktoré sú pre nižšie organické kyseliny typické. Poznatky z teoretickej časti súťaže budú veľmi užitočné pri riešení praktických úloh. Odporúčaná literatúra: 1. A. Príbela: Analýza potravín. Bratislava, STU, 1989 s.78 83. 2. K. Štulík a kol.: Analytická chémia 2. Bratislava, Alfa, 1993. 3. J. Kandráč, A. Sirota: Výpočty v stredoškolskej chémii. 3. vydanie, Bratislava, SPN, 1996 s.184 209. 4. P. Tarapčík a kol.: Zbierka príkladov z analytickej chémie. Bratislava STU, 1995. Úloha 1 (6 b) Medzi najčastejšie používané metódy, ktorými sa dokazuje prítomnosť organických kyselín v zmesiach, patrí papierová chromatografia. Na fólii pre papierovú chromatografiu sa vyznačil štart a naň sa v rovnomerných vzdialenostiach naniesli rovnaké objemy štandardných roztokov, v ktorých bola rovnaká 3

koncentrácia organických kyselín (c = 0,4 mol dm -3 ). Zároveň sa naniesol roztok zmesi organických kyselín, ktorý bolo potrebné kvalitatívne analyzovať. Spodný okraj fólie sa ponoril do nasýteného roztoku vody v butylacetáte a chromatogram sa vyvíjal vzostupnou technikou, kým čelo mobilnej fázy nedosiahlo úroveň asi 1,5 cm od horného okraja fólie. Potom sa chromatogram vybral z vyvíjacej komory, nechal sa voľne vysušiť a pomocou mechanického rozprašovača sa upravil roztokom brómkrezolovej zelenej. Tým sa vykonala detekcia škvŕn na chromatograme. Pre každú škvrnu sa stanovil geometrický stred a meraním sa zistila vzdialenosť stred - štart a cieľ štart. Zistené výsledky sa zapísali do prehľadnej tabuľky. Rovnaký postup sa uplatnil s použitím iného zloženia mobilnej fázy (do nasýteného roztoku vody v butylacetáte sa pridalo malé množstvo hexanolu). Zistené hodnoty sa opäť zapísali do tabuľky: Látka nanesená na štart Vzdialenosť škvrna-štart, (cm) Eluent 1 Eluent 2 Kyselina etánová (octová) 12,5 13,1 Kyselina propánová (propiónová) 9.6 10,4 Kyselina butánová (maslová) 8,5 8,8 Kyselina pentánová (valérová) 8,4 7,9 Vzorka 8,4 7,8 9,5 10,4 5,1 5,9 Čelo 12,8 13,5 a) Vypočítajte hodnotu retenčného faktora pre jednotlivé štandardy a zložky vzorky. Pre štandardy vypočítajte hranice intervalu, v ktorom R F nemá odchýlku vyššiu ako 2% svojej hodnoty. b) Rozhodnite, z koľkých zložiek sa skladá vzorka c) Rozhodnite, ktoré zložky vzorka obsahuje Úloha 2 (3 b) Koncentrácia kyseliny 2-hydroxypropánovej (mliečnej) vo vzorke sa stanovila nasledujúcim postupom: Do kadičky sa diferenčne odvážilo 1,4852 g vzorky. Pridala sa destilovaná voda a postupne práškový uhličitan vápenatý, až kým sa nedosiahlo kvantitatívne zreagovanie kyseliny (v reakčnej zmesi ostal nadbytok nerozpusteného uhličitanu). 4

Nerozpustený podiel uhličitanu vápenatého sa odfiltroval, pričom roztok vápenatej soli kyseliny mliečnej vo filtráte, sa kvantitatívne zachytil v odmernej banke s objemom 200 cm 3. Z filtrátu sa doplnením po rysku pripravil zásobný roztok. Zo zásobného roztoku sa odpipetovalo 10 cm 3 a roztok sa titroval na indikátor murexid odmerným roztokom s presnou koncentráciou chelatónu 3 c ODM = 0,021 mol dm 3. Priemerná spotreba odmerného roztoku na stanovenie bola V ODM = 12,44 cm 3. Zapíšte rovnice chemických dejov a vypočítajte hmotnostný zlomok kyseliny mliečnej vo vzorke. Úloha 3 (5 b) Organické kyseliny patria medzi tzv. slabé, teda čiastočne disociujúce kyseliny. Disociačné konštanty vybraných kyselín sú uvedené v tabuľke: Kyselina Disociačná konštanta, K a Metánová (mravčia) 1,778. 10-4 etánová (octová) 1,738. 10-5 2-hydroxypropánová (mliečna) 1,374. 10-4 Etándiová (šťaveľová) 5,623. 10-2 Butándiová (jablčná) 3,383. 10-4 a) Vypočítajte koncentráciu H 3 O + iónov pre roztoky kyselín, v ktorých je koncentrácia kyseliny 0,1 mol dm -3. b) Určte ph týchto roztokov c) Na základe výpočtu zoraďte kyseliny od najsilnejšej po najslabšiu. Pri viacsýtnych kyselinách uvažujte o disociácii do prvého stupňa. Úloha 4 (3 b) Pri stanovení organických kyselín sa často využíva ph-metrická titrácia automatickým titrátorom. Na prístroji sa nastaví predpokladaná hodnota ph sodnej soli príslušnej kyseliny a prístroj automaticky pridáva odmerný roztok s presne známou koncentráciou do dosiahnutia príslušnej hodnoty. Vypočítajte, aké ph môžeme očakávať pri stanovení roztoku kyseliny 2-hydroxypropánovej (mliečnej) odmerným roztokom hydroxidu sodného. Spotreba odmerného roztoku s koncentráciou c(naoh) = 0,0984 mol dm -3 bola 12,6 cm 3 5

a celkový objem reakčnej zmesi v bode ekvivalencie bol 52,2 cm 3. Rozhodnite, ktorý indikátor je vhodné použiť na vizuálne stanovenie. K a (CH 3 CHOHCOOH) = 1,374. 10-4 6

ÚLOHY Z CHEMICKEJ TECHNOLÓGIE Chemická olympiáda kategória F šk.rok 2006/07 Študijné kolo Ľudmila Glosová Združená stredná škola chemická, Nováky Maximálne : 16 bodov Úvod V 43. ročníku chemickej olympiády budú úlohy z chemickej technológie zamerané na stechiometrické výpočty z oblasti spracovania fosfátov. Vo výpočtoch sa treba zamerať na zloženie zmesí, riešenie redoxných reakcií, zostavenie bilancie technologického procesu. Ďalšia časť je venovaná prestupu tepla vedením, prúdením a prechodu tepla. Zameraná je hlavne na oblasť šetrenia tepelnou energiou v súčasnosti. Odporúčaná literatúra : 1. E. Kossaczký: Chemické inžinierstvoi.alfa Bratislava,1968. 2. S. Bafrncová a kol.: Chemické inžinierstvo, príklady a úlohy.stu Bratislava,1996. 3. J. Heinrich a kol.: Príklady a úlohy z chemického inžinierstva,alfa Bratislava, 1970. 4. P. Hranoš: Anorganická technologie, učební text pro SPŠCH, 1994. 5. J. Široká: Chémia pre 1.ročník SPŠCH,Príroda Bratislava,1997. 6. J. Kandráč, A. Sirota: Výpočty v stredoškolskej chémii,spn Bratislava, 1989. 7. A. Macejková: Chemické a ekonomické výpočty. Expol pedagogika Bratislava, 2005. Úloha 1 ( 8 b ) Z minerálu apatitu so zložením 3 Ca 3 (PO 4 ) 2. CaF 2 sa rozpúšťaním v 70 % H 2 SO 4. vyrába hnojivo supersfosfát, ktorého hlavnou zložkou je dihydrogenfosforečnan vápenatý. a) Chemickou rovnicou vyjadrite chemický dej rozpúšťania minerálu apatitu v kyseline sírovej. 7

b) Ak sa spracuje 1 kg apatitu, vypočítajte hmotnosti zložiek v produkte (v gramoch) a zloženie produktu v hmotnostných percentách po odstránení HF, ak relatívny výťažok reakcie bol 74 %. c) Výsledky spracujte do prehľadnej tabuľky a uskutočnite celkovú bilanciu ako skúšku správnosti. M(Ca 3 (PO 4 ) 2 ) = 310,18 g mol -1 M(CaF 2 ) = 78,08 g mol -1 M(Ca(H 2 PO 4 ) 2 ) = 234,07 g mol -1 M(CaSO 4 ) = 136,14 g mol -1 M(H 2 SO 4 ) = 98,07 g mol -1 M(HF) = 20,00 g mol -1 Úloha 2 (8 b) Potrebujeme zohriať 0,5 kg vody z teploty 15 C na 100 C na plynovom sporáku. K dispozícii máme nádobu zo skla a z ocele. Vašou úlohou je výpočtom zistiť, v ktorej nádobe proces zohrievania pôjde rýchlejšie aká bude spotreba a cena energie za rok. Predpokladajme, že zohrievanie vody (napríklad pri príprave kávy) prebieha každý deň. Obe nádoby majú rovnaké rozmery, hrúbka dna je 2 mm, priemer kruhového dna je 10 cm. Sú známe tieto údaje : λ( ocele ) = 38 W m -1 K -1 λ( skla ) = 0,76 W m -1 K -1 α( plynu) = 780 W m -2 K -1 α( vriacej vody) = 2 400 W m -2 K -1 t varu vody = 100 C t plameňa = 600 C c p (voda) = 4 186 J kg -1 K -1 Prietok zemného plynu je 0,75 m 3 h -1, cena plynu 14 Sk m -3. 8