O L I M P I A DA C HEM I CZ NA ZADANIE 1 ZADANIE 2

Transkrypt

1 O L I M P I A DA Z a d a n i a t e o r e t y c z n e C HEM I CZ NA ZADANIE 1 Reakcje utleniania i redukcji w chemii organicznej Podać wzory strukturalne głównych produktów organicznych A, B, C i D następujących reakcji oraz dobrać współczynniki stechiometryczne równań opisujących powstawanie tych produktów. a) Uwaga! Podany zapis D- glukopiranozy oznacza, że rozpatrujemy dowolnie wybrany anomer b) c) d) Test z chemii ogólnej ZADANIE 2 1. Wskaż które z opisywanych zjawisk są przemianami chemicznymi a które fizycznymi. W przypadku przemian chemicznych napisz odpowiednie równania reakcji. a) Świecenie neonu w reklamie świetlnej. b) Pokrywanie się czerwonym nalotem gwoździa żelaznego zanurzonego w roztworze CuSO 4. c) Osadzanie się warstwy lodu na ściankach zamrażalnika w lodówce. d) Powstawanie białych dymów w naczyniu z kwasem solnym, do którego wprowadzono opary amoniaku.

2 2 1. Produktami rozkładu termicznego pewnego związku zawierającego srebro, siarkę i tlen są siarczan(vi) srebra, srebro oraz dwutlenek siarki. Jaki jest stosunek mas Ag : S : O jeśli podczas rozkładu 14,79g tego związku uzyskano 5,9g srebra, 1,60g dwutlenku siarki oraz 7,80g siarczanu(vi) srebra. (Zamieść obliczenia prowadzące do końcowego wyniku.) a) 6,74 : 1 : 1,5 b) 1,48 : 1 : 2 c) 2 : 1 : d) 6,74 : 1 : 2. Łączna liczba orbitali elektronowych w elektroobojętnym atomie zawierającym 6 elektronów wynosi: a) 4 b) 1 c) 18 d) 10 e) 2. W których substancjach występują w stanie ciekłym silniejsze wiązania wodorowe a) HF czy H 2 O b) HCl czy HBr c) H 2 O czy PH. 4. Z podanych poniżej grup związków chemicznych wybierz te które mogą zachowywać się: a) Jak zasady wg definicji Arrheniusa: 2 Na ; Na 2 O ; NH ; SiH 4 ; CO ; CO2 ; H 2 S b) Jak zasady wg definicji Brřnsteda: Anion - w Na ; anion O 2-2 w Na 2 O ; NH ; SiH 4 ; CO ; CO2 ; H 2 S 1. Który z wymienionych związków (HClO 4, HClO, HClO 2, HClO) jest najmocniejszym kwasem: a) HClO 4 b) HClO c) HClO 2 d) HClO e) wszystkie mają jednakową moc 2. Wiadomo, że sól potasowa kwasu HA wykazuje w wodzie odczyn silnie zasadowy, zaś sól potasowa kwasu HB wykazuje w wodzie odczyn obojętny. Która z poniższych reakcji będzie przebiegała w środowisku wodnym? Odpowiedź uzasadnij. a) HA + B - HB + A - b) HB + A - HA + B -. Zbilansuj następujące równanie chemiczne T Cr 2 O (s) + KNO (s) + K (s) K 2 CrO 4(s) + KNO 2(s) + H 2 O (g) Opisz sposób uzgodnienia współczynników. Wskaż w równaniu utleniacz oraz reduktor. Kinetyka rozkładu pentatlenku diazotu Rozkład gazowego N 2 O 5 : ZADANIE N 2 O 5 (g) 2 NO 2 (g) + 0,5 O 2 (g) jest jedną z typowych reakcji chemicznych, służących wprowadzeniu podstawowych pojęć kinetyki chemicznej. Przebieg tej reakcji badano wprowadzając próbkę 0,1000 mol N 2 O 5 do szczelnego zbiornika o temperaturze 40 K, zaopatrzonego w manometr. Postęp reakcji mierzono za pomocą pomiaru całkowitego ciśnienia panującego w układzie w funkcji czasu i otrzymano następujące wyniki:

3 t [min] P ca³k (hpa) 2826,8 4108,7 500,1 6062,4 666,1 1. Oblicz stężenie N 2 O 5 (w mol/dm ) dla każdego pomiaru 2. Wykaż, na podstawie odpowiednich obliczeń, że badana reakcja jest pierwszego rzędu względem N 2 O 5 i wyznacz jej stałą szybkości (podaj miano!). Odpowiedz na pytanie: czy tą samą metodą można by mierzyć kinetykę reakcji: 2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g)? Uzasadnij odpowiedź. R = 8,14 J/(mol K); 1 Pa = 1 N/m 2. Własności alkoholi ZADANIE 4 A. Podaj wzory strukturalne alkoholi, które należy utlenić aby uzyskać następujące związki karbonylowe: 1. O 2. O. O C C C C 2 H 5 C2 H 5 H C CH2 H O O H C O O H B. Wśród utlenianych związków są alkohole czynne optycznie. Wskaż te alkohole, zaznacz gwiazdkami asymetryczne atomy węgla oraz narysuj stereoizomer R dla związku o budowie acyklicznej. C. Które z alkoholi dadzą pozytywny wynik w próbie jodoformowej ( z I 2, - ). D. Od jakiej cechy alkoholu zależy czy w reakcji utleniania powstanie aldehyd lub keton Identyfikacja i właściwości soli ZADANIE 5 Pewna sól nieorganiczna jest żółtopomarańczowym ciałem stałym. Związek ten w postaci kryształów jest półprzewodnikiem wykorzystywanym w czujnikach fotoelektrycznych, stosowany

4 jest też jako pigment malarski. 4 Związek ten jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, w rozcieńczonych kwasach na zimno i w roztworach zasad. Rozpuszcza się w stężonych roztworach chlorków (i). Rozpuszcza się też na gorąco w rozcieńczonym kwasie azotowym (V) z wytworzeniem jasnożółtej zawiesiny, przy czym wydziela się bezbarwny gaz (ii), brunatniejący w kontakcie z powietrzem (iii). Anion badanej soli w obecności AgNO wytrąca się w postaci czarnego osadu (iv), zaś w środowisku rozcieńczonego kwasu siarkowego (VI) odbarwia roztwór KMnO 4 (v). 1. Zidentyfikuj analizowany związek. Odpowiedź uzasadnij. 2. Zapisz w postaci jonowej zbilansowane równania reakcji dotyczących operacji oznaczonych (i-v).. Podaj barwę światła pochłanianego przez próbkę omawianego związku. Anion badanej soli, (A 2- ), jest anionem słabego kwasu dwuprotonowego. Stałe dysocjacji kwasowej wynoszą: K a1 = ; K a2 = 1, Wymień dwie formy spośród A 2-, HA - i H 2 A, które dominują w roztworze o ph = 7. Jaki jest stosunek stężeń tych form? 5. Czy jest możliwe takie dobranie ph roztworu, aby udział każdej z trzech wymienionych wyżej form w sumarycznym stężeniu A 2-, HA - i H 2 A był jednakowy? Odpowiedź uzasadnij. PUNKTACJA: Wszystkie zadania po 12 pkt, ŁĄCZNIE: 60 pkt CZAS TRWANIA ZAWODÓW: 240 minut M P I A O L I D A CH EM Z I C A N ROZWIĄZANIA ZADAŃ TEORETYCZNYCH ROZWIĄZANIE ZADANIA 1 Równania reakcji:

5 5 a) C 6 H 12 O 6 + 2Cu() 2 C 6 H 12 O 7 + Cu 2 O + 2H 2 O lub C 6 H 12 O 6 + 2Cu() 2 + Na C 6 H 11 O 7 Na + Cu 2 O + H 2 O b) C 6 H 5 NO 2 + 2Fe + 6HCl C 6 H 5 NH 2 + 2FeCl + 2H 2 O lub C 6 H 5 NO 2 + 2Fe + 7HCl C 6 H 5 NH Cl + 2FeCl + 2H 2 O c) + CuO O + Cu + H 2 O d) C 6 H 5 + 2KMnO 4 C 6 H 5 CO + 2MnO 2 + 2K lub C 6 H 5 + 2KMnO 4 C 6 H 5 COOK + 2MnO 2 + K + H 2 O lub w pkt. a), b) i d) poprawny zapis w postaci jonowej. Punktacja: Wzór strukturalny związku A (kwasu D-glukonowego) 2 pkt. Wzory głównych produktów (B D) pkt. ( x 1 pkt.) Równanie reakcji a) 2 pkt. Równanie reakcji b) 2 pkt. Równanie reakcji c) 1 pkt. Równanie reakcji d) 2 pkt. RAZEM 12 pkt. ROZWIĄZANIE ZADANIA 2 1. a) przemiana fizyczna 2+ b) przemiana chemiczna Cu + Fe 2+ Fe + c) przemiana fizyczna d) przemiana chemiczna HCl (aq) (g) (s) (g) (aq) + NH NH 4 Cl Cu (s) 2. 7,80g Ag 2 SO 4 zawiera 5,40g Ag ; 0,80g S oraz 1,60g O 1,60g SO 2 zawiera 0,80g S oraz 0,80g O Stosunek mas wynosi więc 6,74 : 1 : 1,5. Poprawna jest więc odpowiedź a). Rozkładanym związkiem był Ag 2 SO.. Powłoka K orbital 1s Powłoka L orbitale 2s 2p x 2p y 2p z Powłoka M orbitale s p x p y p z Powłoka N orbitale 4s 4p x 4p y 4p z 2 2 x y Razem 18 orbitali, prawidłowa odpowiedź c). (s) d d d 2 xy d xz d yz 4. Silniejsze wiązania wodorowe występują w przypadku: a) HF b) HCl c) H 2 O 1. Zasady wg Arrheniusa - Na Zasady wg Brřnsteda - anion -, anion O 2- ; NH ; z 2 CO 2. Najwyższy stopień dysocjacji ma HClO 4 prawidłowa odpowiedź a). Z przedstawionych danych wynika, że kwas HA jest kwasem słabym zaś kwas HB kwasem mocnym. Przebiega więc reakcja b), w której mocniejszy kwas wypiera kwas słabszy 4. Sposób I : Cr 2 O CrO + 5H2O + 6e /1/ 2 4

6 6 NO +2H + + 2e NO2 + H2O /2/ Po wymnożeniu równania /2/ przez i zsumowaniu otrzymujemy Cr 2 O + NO H CrO 4 + NO2 + 8H2O // Po uproszczeniu równania // uzyskujemy Cr 2 O + NO CrO 4 + NO2 + 2H2O Czyli T Cr 2 O (s) + KNO (s) + 4K (s) 2K 2 CrO 4(s) + KNO 2(s) + 2H 2 O (g) Sposób II : Cr 2 O + 5O C ro 4 + 6e /4/ 2- NO + 2e NO 2 + O /5/ Po wymnożeniu równania /5/ przez i zsumowaniu otrzymujemy Cr 2 O + NO + 2O CrO 4 + NO 2 /6/ Z reakcji /6/ wynika, że środowisko reakcji musi być zasadowe ( musi występować dodatkowy donor ligandów). 2 - O 2- + H 2 O /7/ Po wymnożeniu równania /7/ przez 2 i zsumowaniu równań /6/ i /7/ uzyskujemy Cr 2 O + NO CrO 4 + NO2 + 2H2O Utleniaczem jest NO (dopuszczalna odpowiedź KNO). Reduktorem jest Cr 2 O. Punktacja: 1. Poprawne wskazanie wszystkich przemian - 0,5pkt Podanie reakcji - 0,5pkt 2. Wskazanie poprawnej odpowiedzi - 1,0pkt Wykonanie obliczeń - 1,0pkt. Wskazanie poprawnej odpowiedzi - 1,0pkt 4. Każda poprawna odpowiedź po 0,5pkt razem - 1,5pkt 5. Wskazanie poprawnej odpowiedzi w punkcie a) - 0,5pkt Wskazanie pojedynczej zasady Brřnsteda 0,25pkt razem - 1,0pkt 6. Wskazanie poprawnej odpowiedzi - 1,0pkt 7. Wskazanie poprawnej odpowiedzi - 1,0pkt Uzasadnienie - 1,0pkt 8. Podanie poprawnego równania - 0,5pkt Podanie poprawnego sposobu uzgodnienia współczynników - 1,0pkt Wskazanie utleniacza i reduktora - 0,5pkt RAZEM : 12,0pkt ROZWIĄZANIE ZADANIA 1. Ze stechiometrii reakcji wynika, że z n moli przereagowanego N 2 O 5 powstanie 2 n moli NO 2

7 7 i 0,5 n mola O 2. Zatem zmiana liczby moli reagentów dla dowolnego czasu t wynosi (2 n +0,5 n n) = 1,5 n. Ponieważ całkowite ciśnienie panujące w układzie jest (zgodnie z równaniem Clapeyrona) proporcjonalne do całkowitej liczby moli gazu, dla dowolnego czasu t stosunek ciśnienia aktualnego P(t) do ciśnienia początkowego P 0 wynosi: P( t) n = P ,5 n = 1+ 1,5α n 0 gdzie n 0 jest początkową liczbą moli N 2 O 5, a α = n/n 0 jest stopniem jego przereagowania. Z powyższej zależności można obliczyć liczbę moli N 2 O 5 dla dowolnego czasu t: n 2P( t n ( t) = 0 5 ) P0 Ze znanej początkowej ilości moli N 2 O 5 i początkowego ciśnienia P 0 można wyznaczyć objętość układu: V = n 0 RT/P 0 = 0,1 mol 8,14 J/(mol K) 40 K/ Pa = m = 1 dm. Ostatecznie stężenia N 2 O 5 w funkcji czasu wyznacza się z zależności: n 2P( t C ( t) = 0 5 ) V P0 a obliczone wartości zestawione są w tabeli: t [min] C (N 2 O 5 ) 0,1000 0,0698 0,0487 0,027 0,0165 [mol/dm ] 1. Dla reakcji pierwszego rzędu względem rozważanego reagenta otrzymujemy liniową zależność logarytmu jego stężenia (ln C) od czasu. W równaniu tej prostej jej współczynnik kierunkowy jest równy stałej szybkości reakcji (z przeciwnym znakiem), a wyraz wolny logarytmowi początkowego stężenia reagenta (ln C 0 ). W celu potwierdzenia pierwszego rzędu badanej reakcji można wykonać i zanalizować wykres ln[n 2 O 5 ] w funkcji czasu ln [N 2 O 5 ] t [min] Otrzymujemy prostą o równaniu: ln [N 2 O 5 ] = -2,012 0,605 t Alternatywnie, bez sporządzania wykresu, można sprawdzić, czy stała szybkości k, obliczona z kolejnych eksperymentów, zgodnie z zależnością: ln k = 0 t [ C / C( t) ]

8 8 jest (w granicch błędu eksperymentalnego) rzeczywiście wartością stałą. Wykonując takie obliczenia otrzymujemy następujące wartości stałych szybkości: 0,60; 0,60; 0,60; 0,60 (wartości uzyskiwane przez zawodników mogą wykazywać niewielkie różnice, w zależności od przyjętych zaokrągleń dla stężeń). A zatem przebieg reakcji jest zgodny z kinetyką pierwszego rzędu, a stała szybkości reakcji wynosi 0,60 min Opisanej w zadaniu metody eksperymentalnej nie można zastosować do badania kinetyki dysocjacji jodowodoru ponieważ w jej trakcie praktycznie nie zmienia się całkowite ciśnienie panujące w układzie (w fazie gazowej z dwóch moli substratów powstają dwa mole produktów). Punktacja: 1. a) za zależność wiążącą stosunek ciśnień ze zmianą liczby moli reagentów 2,0 pkt. b) za zależność na obliczenie liczby moli N 2 O 5 1,5 pkt c) za obliczenie objętości reaktora 1.0 pkt. d) za wartości stężeń N 2 O 5 (jak w tabeli) 5 0,5 pkt = 2,5 pkt. Razem za pkt. 1 7,0 pkt. 2. za wykazanie 1. rzędu reakcji dowolną metodą 2,0 pkt. za wartość stałej szybkości (w zakresie 0,55 0,65 min -1 ) za miano stałej szybkości 0,5 pkt. Razem za pkt. 2 4,0 pkt. 1,5 pkt.. za wniosek, że badanie rozkładu jodowodoru nie jest możliwe 0,5 pkt za uzasadnienie 0,5 pkt Razem za pkt. 1,0 pkt. RAZEM ZA ZADANIE : 12,0 pkt. ROZWIĄZANIE ZADANIA 4 A C 2 H 5 CH C 2 H 5 H C CH HO HO H HO H H C CH

9 9 B. Aktywne optycznie alkohole z powyższego zestawu to: HO H 6. * H C CH * CH * HO C H H 2 H C C H2 R C. Pozytywny wynik będą dawały te alkohole które będą utleniały się do metyloketonów czyli: 2 i 6. D. Rodzaj produktu zależy od rzędowości alkoholu. Pierwszorzędowe będą utleniały się do aldehydów, drugorzędowe do ketonów (przy zastosowaniu odpowiednich środków utleniających). Punktacja : A. Za każdy prawidłowy wzór 0,5 pkt 7 x 0,5 pkt =,5 pkt Dodatkowe 0,5pkt jeśli wszystkie 7 wzorów jest podanych prawidłowo 0,5 pkt B. za wskazanie alkoholi optycznych po 0,5 pkt x 0,5 pkt = 1,5 pkt za wskazanie asymetrycznych atomów węgla po 0,5 pkt x 0,5 pkt = 1,5 pkt za prawidłowy wzór izomeru R 2-pentanolu 2,0 pkt. C. za wskazanie związków 2 i 6 po 1 pkt 2 x 1,0 pkt = 2,0 pkt D. Wymienienie rzędowości alkoholu jako cechy determinującej rodzaj produktu utleniania: 0,5 pkt za odpowiedź, że alkohole I-rzędowe dają w reakcji utleniania aldehydy, a II-rzędowe ketony 0,5 pkt RAZEM : 0,5 pkt 12,0 pkt ROZWIĄZANIE ZADANIA 5 1. Barwa związku, jego bardzo mała rozpuszczalność w wodzie oraz roztworach kwasów i zasad, a także właściwości chemiczne opisywane równaniami reakcji (i-ii,iv-v) wskazują, że jest to siarczek kadmu, CdS. 2. (i) CdS + 4Cl - CdCl S 2- (ii) CdS + 2NO - + 8H + Cd NO +4H 2 O + S (iii) 2NO + O 2 2NO 2 lub 2NO + O 2 N 2 O 4 (iv) S Ag + Ag 2 S (v) 2MnO H 2 S + 6H + 5S + 2Mn H 2 O, można uznać: 2MnO S H + 5S + 2Mn H 2 O

10 10. Próbka pochłania światło o barwie dopełniającej, czyli od niebieskiej do fioletowej (w zależności od odcienia barwy próbki). 4. Porównując wartości K a1 i K a2 można stwierdzić, że przy ph = 7 dominują formy HA - i H 2 A. Wartość K a2 jest zbyt mała, aby w tym roztworze mogły pojawić się jony A 2- w zauważalnym stężeniu. Ponieważ K a1 = [H + ][HA - ]/[H 2 A], to [HA - ]/[H 2 A] = K a1 /[H + ] = / 10-7 = 0,8 5. Równość stężeń form oznaczałaby m.in., że [HA - ]/[H 2 A] = [A 2- ]/[HA - ] = 1. Wymagałoby to spełnienia warunku: K a1 /[H + ] = K a2 /[H + ] = 1, czyli K a1 = K a2. W tym przypadku nie jest to spełnione. Punktacja: 1. Identyfikacja związku 1,5 pkt Uzasadnienie 1,0 pkt 2. Zapisanie jonowo równań reakcji 5 1,0 pkt = 5,0 pkt. Podanie barwy (wskazanie na jedną z następujących: niebieska, fioletowa, niebieskofioletowa, od niebieskiej do fioletowej 1,0 pkt (w tym podanie tylko, że jest to barwa dopełniająca) (0,5 pkt) 4. Wymienienie form dominujących 0,5 pkt Podanie sposobu obliczenia stosunku stężeń 1,0 pkt Podanie wartości liczbowej stosunku stężeń 0,5 pkt 5. Odpowiedź na pytanie 5 0,5 pkt Uzasadnienie (dopuszczalne jest inne uzasadnienie niż podane w rozwiązaniu) 1,0 pkt RAZEM: 12,0 pkt