ETAP I ZADANIE 1

Transkrypt

1 ETAP I Z a d a n i a t e r e t y c z n e A. (10 pkt.) Krótki test z chemii rganicznej ZADANIE 1 1. D całkwiteg spalenia 0,5 mla związku wzrze sumarycznym C 10 ptrzeba: a) 6 mmli tlenu cząsteczkweg; b) 67, dm 3 tlenu cząsteczkweg w przeliczeniu na warunki nrmalne; c) 11, dm 3 tlenu cząsteczkweg w przeliczeniu na warunki nrmalne; d) mle tlenu cząsteczkweg.. Wskaż zdanie pprawnie pisujące budwę cząsteczek benzenu: a) Cząsteczki benzenu są zbudwane z atmów węgla hybrydyzacji rbitali walencyjnych sp i przyjmują knfrmację krzesłwą. b) Cząsteczki benzenu są zbudwane z atmów węgla hybrydyzacji rbitali walencyjnych sp 3 i przyjmują knfrmację krzesłwą. c) Cząsteczki benzenu są płaskie, a rbitalm walencyjnym atmów węgla mżna przypisać hybrydyzację sp. d) Cząsteczki benzenu są płaskie, a rbitalm walencyjnym atmów węgla mżna przypisać hybrydyzację sp W wyniku reakcji etynu z wdą wbec jnów g +, w śrdwisku kwaśnym, pwstaje: a) etanl; b) etanal; c) kwas etanwy; d) żadna z tych dpwiedzi nie jest prawidłwa.. Fenl w kntakcie z wdą wykazuje charakter: a) słabeg kwasu; b) słabej zasady; c) związku bjętneg; d) związku amfteryczneg. 5. Pddając prpann próbie Trmmera, mżna stwierdzić, że związek ten: a) ulega utlenieniu d kwasu ctweg; b) ulega utlenieniu d kwasu prpinweg; c) ulega redukcji d prpan--lu; d) nie ulega reakcji. 6. W wyniku addycji Cl d związku wzrze 3 C C C C C3 pwstaje: a) związek knfiguracji abslutnej R; b) związek knfiguracji abslutnej S; c) równmlwa mieszanina enancjmerów R i S; d) związek, który nie ma asymetrcznych atmów węgla. 7. Glicyna najprstszy aminkwas: a) pwstaje w wyniku reakcji dpwiednieg kwasu z dpwiednią aminą; b) ma jeden asymetryczny atm węgla; c) wykazuje właściwści zarówn kwasu jak i zasady; d) jest bezbarwną cieczą słdkawym zapachu. 8. Tluen reaguje z Cl a) tylk wbec światła; b) tylk wbec FeCl 3 ; c) zarówn wbec światła jak i wbec FeCl 3 ; d) żadna z pwyższych dpwiedzi nie jest prawidłwa. C 9. W stsunku d aldehydów prawdziwe jest następujące stwierdzenie: a) reagują z aminami I-rzędwymi twrząc iminy ( C=N ); b) ulegają reakcji z Ag twrząc alkhle; c) są izmerami alkanli; d) mżna je zredukwać d kwasów karbksylwych. C 3 1

2 10. Kwas benzeswy a) należy d hydrksykwasów; b) w reakcji z mieszaniną N 3 / S twrzy głównie kwas -nitrbenzeswy; c) reaguje z etanlem wbec SCl ; d) jest jasnżółtą cieczą. B. (10 pkt.) Narysuj wzry półstrukturalne (grupwe) szkieletwe substancji rganicznych, które kryją się pd literami A-E na pniższym schemacie. B 1 ml C 3 I N A N E D C 3 C grzewanie C Jednrazwe testy chemiczne ZADANIE Jednym z kierunków rzwju chemii analitycznej jest pracwywanie prstych i szybkich metd identyfikacji składu próbek i zawartści ich składników. Wygdnym narzędziem analitycznym stają się tzw. szybkie / suche testy, np. w pstaci pasków zawierających dpwiednie dczynniki, które p zanurzeniu d rztwru próbki przyjmują pewne zabarwienie. Na pdstawie teg mżna kreślić stężenie analizwanej substancji. Rzwiązując zadanie zapznasz się z zasadą działania testu paskweg służąceg d kreślania stężenia jnów chlrkwych w slance. Ple testwe zawiera czerwnbrunatn zabarwiny dichrmian(vi) srebra. W wyniku reakcji z jnami chlrkwymi następuje zmiana zabarwienia, na pdstawie której kreślane jest stężenie NaCl w analizwanym rztwrze. Plecenia: a. ( pkt.) Zapisz w frmie jnwej równanie reakcji przebiegającej p zanurzeniu paska testweg w rztwrze zawierającym NaCl. kreśl, jakie zmiany barwy twarzyszą tej reakcji. b. ( pkt.) Na pdstawie pdanych wartści ilczynów rzpuszczalnści wykaż, ze pwyższa reakcja przebiega d kńca w praw (dwdząc, że stała równwagi tej reakcji jest duż większa d 1). c. (3 pkt.) P zalkalizwaniu rztwru zawierająceg jny dichrmianwe(vi) następuje dwracalna zmiana barwy. Zapisz w frmie jnwej równanie przebiegającej reakcji i kreśl barwę prduktu. d. (5 pkt.) W pisanej analizie niektóre substancje mgą zakłócać pmiar (np. wskazywać pzytywny wynik w niebecnści jnów chlrkwych pwdwać pwstawanie związków innej barwie, utrudniającej krzystanie z testu). Czy wymienine jny / cząsteczki w stężeniu 0,1 ml/dm 3 : I -, N - 3, K +, Na +, N 3 będą przeszkadzały w analizie? dpwiedź uzasadnij. e. ( pkt.) W analizie przeszkadzają również substancje, które mgą być utleniane przez jny Cr - - 7, np. nadtlenek wdru. Zapisz w frmie jnwej równanie reakcji jnów Cr 7 z nadtlenkiem wdru w śrdwisku kwaśnym. Przedstaw równania reakcji płówkwych, które są pdstawą bilansu elektrnweg. Wartści ilczynów rzpuszczalnści: K s0 (AgCl) = , K s0 (Ag Cr 7 ) =. 10-7, K s0 (AgI) =

3 Altrpia ZADANIE 3 dważn dwie próbki sli: 5,0 g Na S 3 7 i 9,61 g Na S 9. Naważki te umieszczn w dwóch ddzielnych naczyniach i każdą z sli rzpuszczn w 100 cm 3 wdy. D zlewki zawierającej siarczek sdu ddan kł 15 cm 3 0 %-g rztwru kwasu siarkweg(vi), a następnie rzpczęt wkraplanie rztwru siarczanu(iv) sdu, intensywnie mieszając. Wytrącny, jasnżółty sad dsączn, przemyt wdą i wysuszn d stałej masy w temperaturze 90 C, w -3 atmsferze argnu. Masa sadu dpwiadała 5,0 10 mla trzymaneg prduktu A, a wydajnść prcesu wynisła 66,7%. Równlegle wyknan eksperyment, w którym d schłdzneg rztwru tisiarczanu sdu ddawan stpniw stężny kwas slny. Pdczas reakcji zabserwwan wydzielanie się bezbarwneg gazu charakterystycznym zapachu raz wytrącanie się szar-żółteg sadu. Stałe prdukty reakcji dsączn, przemyt wdą, a następnie rzpuszczn w niewielkiej ilści tluenu. Wytrącane pmarańczwe kryształy B przemyt i wysuszn. Na pdstawie dalszych badań ustaln, że prdukty A i B są dmianami altrpwymi pewnej substancji, a badania przeprwadzne z wykrzystaniem spektrmetru masweg pzwliły ustalić, że masa mlwa substancji B wynsi kł 19 g/ml. Różne dmiany altrpwe substancji A i B stanwią kryształy złżne z cząsteczek Y x (gdzie x mże przyjmwać wartści, 6, 7, 8, 18, 0 i inne), czyli kryształy mlekularne. Cząsteczki Y x istnieją także p stpieniu kryształów, a nawet p przeprwadzeniu substancji A B d fazy gazwej. Twim zadaniem będzie wyznaczenie wartści x dla prduktu A i B raz kreślenie struktury elektrnwej raz przestrzennej cząsteczek występujących w tych substancjach. Plecenia: a. (3 pkt.) Napisz w frmie jnwej równanie reakcji zachdzącej w zakwasznym rztwrze zawierającym siarczan(iv) sdu raz siarczek sdu. b. (6 pkt.) Pdaj wzór sumaryczny i nazwę substancji A. dpwiedź uzasadnij i ptwierdź stswnymi bliczeniami. c. (3 pkt. ) Pdaj wzór sumaryczny i nazwę substancji B. dpwiedź uzasadnij i ptwierdź stswnymi bliczeniami. d. (3 pkt.) Napisz w frmie cząsteczkwej równanie reakcji pmiędzy tisiarczanem sdu i kwasem slnym. Załóż, że jedynym prduktem gazwym jest ditlenek siarki(iv). e. (5 pkt.) Przedstaw wzór elektrnwy cząsteczki substancji A raz narysuj jej budwę przestrzenną. W bliczeniach przyjmij następujące wartści mas mlwych: 1,01 g/ml; 16,00 g/ml, S 3,07 g/ml, Na,99 g/ml ZADANIE Termdynamika syntezy związków aztu z wdrem Związki aztu z wdrem mają duże znaczenie technlgiczne. Dtyczy t przede wszystkim amniaku, który jest wytwarzany (a zarazem stswany) na lbrzymią skalę przez przemysł nawzów sztucznych. ydrazyna N znalazła z klei zastswanie m.in. jak paliw rakietwe. Pchdne azydku wdru N 3 azydki metali ciężkich (np. łwiu, rtęci, srebra) mają właściwści wybuchwe, a azydek sdu NaN 3 jest głównym składnikiem detnującym samchdwe pduszki pwietrzne. Plecenia: a. (1,5 pkt.) Napisz równania reakcji syntezy amniaku (reakcja I), hydrazyny N (reakcja II) i azydku wdru N 3 (reakcja III) z pierwiastków. b. ( pkt.) Krzystając z danych termdynamicznych zamieszcznych w tabeli (str. ) blicz wartści standardwych entalpii swbdnych tych reakcji w temperaturz e 98 K. Wskaż, który z prduktów jest związkiem termdynamicznie trwałym w tej temperaturze. 3

4 c. ( pkt.) blicz wartść stałej równwagi reakcji I w temperaturach T = 98 K i 50 K. Dla uprszczenia bliczeń przyjmij niezależnść standardwej entalpii i entrpii reakcji d temperatury. d. (8,5 pkt.) W termstatwanym naczyniu (50 K) umieszczn diazt i diwdór w stsunku mlwym 1 : 3, pd ciśnieniem 1 bar raz pewną ilść stałeg katalizatra. Przyjmując, że w układzie biegnie wyłącznie reakcja I, blicz równwagwy stpień przemiany raz całkwite ciśnienie w układzie w stanie równwagi. e. ( pkt.) Birąc pd uwagę temperaturwą zależnść stałej równwagi reakcji I, wyjaśnij, dlaczeg knieczne jest stswanie pdwyższnych temperatur w przemysłwej syntezie amniaku. T = 98 K Substancja Δ tw /kj S m /kj K 1 ml 1 ml 1 N (g) 0 0,191 (g) 0 0,131 N 3 (g) 6,1 0,19 N (c) +50,6 0,11 N 3 (g) +9,1 0,39 Ciśnienie standardwe p = 1 bar = 10 5 Pa, R = 8,31 J K 1 ml 1. ZADANIE 5 Synteza nienaturalnych aminkwasów W syntezie rganicznej duże znaczenie mają reakcje dbudwy szkieletów węglwych, czyli twrzenia nwych wiązań C C. Przykładem takiej reakcji jest kndensacja aldlwa, w której z dwu cząsteczek aldehydu twrzy się tzw. aldl nwy aldehyd większej cząsteczce. W wyniku kndensacji aldlwej aldehydu ctweg i p eliminacji cząsteczki wdy z aldlu (reakcja I) trzymuje się aldehyd A. W wyniku utleniania aldehydu A twrzy się kwas karbksylwy B następującym składzie pierwiastkwym: C 55,8 %, 7,0 %, 37, %. Kwas B pddan reakcjm przedstawinym na pniższym schemacie, których prduktami są dwa nienaturalne, izmeryczne aminkwasy E i G. Kwas B /Pd/C C 1. P/Br. D N 3 aq E Kwas B Cl F N 3 aq G Związek D ma wzór sumaryczny C 7 Br, a pierwszy etap przejścia C D nsi nazwę reakcji α-halgenwania. Aminkwasy E i G trzymuje się w pstaci mieszanin racemicznych, które mżna rzdzielić na pszczególne enancjmery. Plecenia: a. ( pkt.) Pdaj wzór empiryczny (elementarny) i sumaryczny kwasu B. b. (3 pkt.) Napisz schemat kndensacji aldlwej aldehydu ctweg, pdając wzry półstrukturalne substratu, prduktu pśrednieg (aldlu) i prduktu kńcweg p reakcji eliminacji. c. (1 pkt.) Narysuj wzór strukturalny teg izmeru związku A, który pwstaje w wyniku dwdnienia prduktu pśrednieg kndensacji aldlwej (jest t trwalsza z dwu mżliwych frm związku A). d. (10 pkt.) Pdaj wzry półstrukturalne ( szkieletwe) związków C G. e. ( pkt.) Narysuj wzry knfiguracyjne (perspektywiczne) enancjmerów S aminkwasów E i G. Czas trwania zawdów: 70 minut

5 ETAP I Rzwiązania zadań teretycznych RZWIĄZANIE ZADANIA 1 A. 1. b. c 3. b. a 5. d 6. c 7. c 8. c 9. a 10. c B. A B N + I - N * I N C N 3 + C3 C - N * C 3 C D N E Cl Punktacja: A. Za pprawne wskazanie dpwiedzi na pytania pkt. = 10 pkt. B. Za pprawne przedstawienie wzrów związków A-E 5 pkt. = 10 pkt. RAZEM 0 pkt. RZWIĄZANIE ZADANIA a. Ag Cr 7 + Cl - - AgCl + Cr 7 W wyniku reakcji czerwnbrunatny sad Ag Cr 7 rzpuszcza się i pwstaje biały sad AgCl. Uczniwie mgą udzielać też szerszych dpwiedzi, np. że sad AgCl filetwieje na świetle, rztwór przy pwierzchni paska zabarwia się na pmarańczw d pwstających jnów dichrmianwych(vi), a sam sad Ag Cr 7 w kntakcie z wdą przekształca się w trudniej rzpuszczalny Ag Cr, natmiast jny Cr - 7 przekształcają się w Cr -. b. Reakcja zapisana w p. a. stanwi sumę reakcji: Ag Cr 7 Ag + + Cr - 7 raz Cl - + Ag + AgCl. Stałe równwagi tych reakcji t K s0 (Ag Cr 7 ) i 1/(K s0 (AgCl)). W rezultacie stała równwagi reakcji sumarycznej t: K s0 (Ag Cr 7 ) / (K s0 (AgCl)). P pdstawieniu wartści liczbwych uzyskujemy: / ( ) = (>>1), czyli reakcja przebiega całkwicie w praw. c. Cr Cr - (barwa żółta) + d. Jny N - 3, K + i Na + nie przeszkadzają, a pzstałe (I - i N 3 ) mgą zakłócać pmiar, gdyż jny I - będą twrzyć sad AgI, znacznie trudniej rzpuszczalny d AgCl, a N 3 będzie rzpuszczać AgCl (raz Ag Cr 7 ) z wytwrzeniem amniakalnych kmpleksów srebra(i). e. Reakcje płówkwe: redukcja: Cr e Cr utlenianie: e i sumarycznie: Cr Cr

6 Punktacja: a. Za napisanie równania reakcji pkt. Za pisanie zmian barwy pkt. b. Za wykazanie, że reakcja przebiega w praw pkt. c. Za napisanie równania reakcji i pdanie barwy 3 pkt. d. Za wyjaśnienie wpływu pszczególnych jnów/ cząsteczek na pmiar 5 1 pkt.= 5 pkt. e. Za napisanie równania reakcji redks pkt. RZWIĄZANIE ZADANIA 3 RAZEM: 0 pkt. a. S + + S S + 3 S + S S + 9 Uwaga: dpwiedź będzie również pprawna, jeśli uczeń zamiast siarki elementarnej w równaniu uwzględni plisiarkę S x S 8 i zbilansuje równanie reakcji raz jeżeli zamiast jnów siarczkwych uwzględni prtnwaną frmę tych jnów, tj. S nawet S. b. W wyniku pwyższej reakcji pwstaje siarka, która ze względu na swją budwę elektrnwą w stanie wlnym występuje w pstaci S x. Łatw mżna wykazać, że w reakcji użyt stechimetryczne ilści siarczku sdu raz siarczanu(iv) sdu. Liczba mli siarczanu(iv) wynsiła: 5,0 g/5,19 g/ml = 0,0 mla, natmiast siarczku użyt 9,61 g/0,3 g/ml = 0,0 mla, czyli w wyniku reakcji trzymuje się teretycznie (0,0 3) / = 0,06 mla siarki elementarnej. Pnieważ wydajnść prcesu wynsiła 66,7%, trzyman 0,06 mla 66,7% = 0,0 mla siarki elementarnej. Pnieważ wartść ta różni się d ilści pdanej w zadaniu (5, mla), związek A musi być plisiarką wzrze S x, gdzie x = 0,0 5, = 8. Substancja A ma wzór S 8, czyli jest t ktasiarka. c. Z treści zadania wynika, że prdukt B jest inną dmianą altrpwą plisiarki S x, czyli x = 19 g/ml/3,07 g/ml 6. Substancja B ma wzór S 6, czyli jest t heksasiarka. d. Na S 3 + Cl NaCl + S +S + Uwaga: dpwiedź będzie również pprawna, jeśli uczeń zamiast siarki elementarnej w równaniu uwzględni plisiarkę S x S 6 S 8 i zbilansuje równanie reakcji. e. Atm siarki ma na pwłce walencyjnej dwie pary elektrnwe raz dwa niesparwane elektrny, które są wykrzystywane d wiązania klejnych atmów siarki. Cząsteczka S 8 ma budwę pierścieniwą i rdzenie siarki pwiązane są wiązaniami kwalencyjnymi. Wzór elektrnwy raz budwa przestrzenna cykl-ktasiarki są następujące: Wzór elektrnwy S 8. Budwa przestrzenna S 8. Kąty S S S wynszą kł 107, c świadczy hybrydyzacji sp 3 rbitali walencyjnych atmów siarki. Punktacja: a. Za napisanie równania reakcji 3,0 pkt. b. Za bliczenia i uzasadnienie wzru substancji A,0 pkt. Za pdanie wzru substancji A 1,0 pkt. Za pdanie nazwy substancji A 1,0 pkt. c. Za pdanie wzru i nazwy substancji B, bliczenia i uzasadnienie 3,0 pkt. d. Za napisanie równania reakcji 3,0 pkt. e. Za pdanie wzru elektrnweg cząsteczki substancji A,5 pkt. Za naryswanie (ew. mówienie) budwy przestrzennej cząsteczki substancji A,5 pkt. RAZEM 0 pkt.

7 RZWIĄZANIE ZADANIA a. (I) N + 3 = N 3 (II) N + = N (III) 3 N + = N 3 b. ΔG I = Δ I TΔ S I = Δ tw (N 3 ) T [ S m (N3) S m (N) 3 S m ()] = = ( 6,1) 98 ( 0,19 0, ,131) = 9, 98 ( 0,00) = 3,6 kj ml 1 Analgicznie bliczamy: ΔG II = Δ tw(n ) T [ S m (N ) S m (N) S m ()] = = 50,6 98 (0,11 0,191 0,131) = 50,6 98 ( 0,33) = 19,5 kj ml 1 ΔG III = Δ tw(n 3 ) T [ S m (N3) 3 S m (N) S m ()] = = 9,1 98 ( 0,39 3 0,191 0,131) = 588, 98 ( 0,6) = 655,5 kj ml 1 Jedynie amniak jest związkiem termdynamicznie trwałym w temperaturze 98 K. c. bliczamy wartść standardwej entalpii swbdnej reakcji I w temp. 50 K. ΔG I(50) = ( 6,1) 50 ( 0,19 0, ,131) = 9, 50 ( 0,00) =, kjml 1 bliczamy wartści stałych równwagi: ΔG I = RT lnk I, stąd K I = exp( ΔG I /RT) K I(98) = 5, 10 5 i K I(50) = 1,80 d. Stała równwagi reakcji I jest kreślna przez równwagwe ciśnienia cząstkwe: ( pn / p ) 3 K I(50) = 3 ( p / p )( p / p ) W stanie pczątkwym: = 0,5 bar i = 0,75 bar pn p W stanie równwagi: pn = 0,5 x; p = 0,75 3x; = x N p N3 (x) x K I(50) = = 3 (0,5 x)(0,75 3x) 7(0,5 x) x (0,5 x) 7 1,80 = = 1,15 x 3,86 (0,5 x) = (bierzemy jedynie ddatni pierwiastek, pnieważ tylk wtedy x > 0) Przekształcamy równanie kwadratwe x = 3,86 (0,065 0,5x + x ) x 0,787x + 0,065 = 0 x = 0,090 bar x = 0,697 bar (tylk pierwszy wynik spełnia warunki zadania) Stpień przemiany wynsi α = 0,090/0,5 = 0,36 Całkwite ciśnienie równwagwe wynsi p c = 0,5 x + 0,75 3x + x =1 x = 0,8 bar e. Równwaga reakcji syntezy amniaku zmienia się na niekrzyść ze wzrstem temperatury, ale bniżenie temperatury pwduje zmniejszenie szybkści reakcji. Stswanie pdwyższnej temperatury jest więc uzasadnine względami kinetycznymi, gdyż przyspiesza reakcję. Punktacja: a. Za napisanie równań reakcji 3 0,5 pkt.= 1,5 pkt. b. Za bliczenie entalpii swbdnych reakcji 3,0 pkt. Za prawidłwe wskazanie prduktu 1,0 pkt. c. Za bliczenie entalpii swbdnej reakcji 1,0 pkt. Za bliczenie stałych równwagi 3,0 pkt. d. Za bliczenie stpnia knwersji 6,5 pkt. Za bliczenie całkwiteg ciśnienia w układzie w stanie równwagi,0 pkt. e. Za prawidłwą dpwiedź,0 pkt. RAZEM 0 pkt. 3

8 RZWIĄZANIE ZADANIA 5 a. Wzór elementarny związku B (1 pkt.): C 3 Wzór sumaryczny związku B (1 pkt.): C 6 b. Schemat reakcji I: (1,5 pkt.) (1,5 pkt.) c. Wzór strukturalny związku A (1 pkt.): Twrzy się bardziej trwały termdynamicznie izmer trans (E): C 3 C itp d. C ( pkt.): D ( pkt.): Br E ( pkt.): F ( pkt.): G ( pkt.): Cl N N e. Wzór knfiguracyjny S związku E ( pkt.): N N inny pprawny wzór Wzór knfiguracyjny S związku G ( pkt.): N N inny pprawny wzór RAZEM 0 pkt. Uwaga! W dpwiedziach na plecenia c. e. pdan wzry szkieletwe, ale uznawać należy również każdy inny pprawny wzór związku (skrócny, półstrukturalny, strukturalny). Uznajemy także wzry aminkwasów w pstaci jnów bjnaczych.