Ústřední komise Chemické olympiády
47. ročník 2010/2011
ŠKOLNÍ KOLO kategorie C ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011
TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Úloha 1 Redoxní děje
12 bodů
1. Stechiometrické koeficienty reakcí: a) Zn + H2SO4 ⎯→ ZnSO4 + H2, 2 e– 3 e– b) 3 Ag + 4 HNO3 ⎯→ 3 AgNO3 + NO + 2 H2O, c) 2 FeSO4 + 2 Ce(SO4)2 ⎯→ Fe2(SO4)3 + Ce2(SO4)3, 2 e– 2 e– d) Fe + CuSO4 ⎯→ FeSO4 + Cu, e) 6 KBr + K2Cr2O7 + 7 H2SO4 ⎯→ 3 Br2 + Cr2(SO4)3 + 4 K2SO4 + 7 H2O, 6 e– f) 5 H2O2 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 ⎯→ 5 O2 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O, 10 e– g) 5 K4[Fe(CN)6] + KMnO4 + 4 H2SO4 ⎯→ 5 K3[Fe(CN)6] + 3 K2SO4 + MnSO4+ 4 H2O, 5 e– – 2– 2– h) 2 IO3 + 5 SO3 + 2 H+ ⎯→ I2 + 5 SO4 + H2O, 10 e– i) KBrO3 + 5KBr + 3 H2SO4 ⎯→ 3 Br2 + 3 K2SO4 + 3 H2O, 5 e– − + j) 2 I + H2O2 + 2 H ⎯→ I2 + 2 H2O. 2 e– á 1 bod (celkem 10 bodů) 2. Součet elektronů vyměněných při oxidaci v jednotlivých redoxních reakcí je 47, prvek Ag. Reakce Ag se sírou: 2 Ag + S ⎯→ Ag2S 0,5 bodu za určený prvek a 0,5 bodu za vyčíslenou rovnici (celkem 1 bod) 3. Hexakyanoželeznatan draselný (žlutá krevní sůl) + manganistan draselný + kyselina sírová ⎯→ hexakyanoželezitan draselný (červená krevní sůl) + síran draselný + síran manganatý + voda 1 bod Úloha 2 Teorie oxidace – redukce
12 bodů
1. Správná tvrzení: 1, 3, 5, 6, 8, 9, tj. N O I T A K. Hledané slovo: KATION. 1. N Oxidace je reakce, kterou můžeme charakterizovat ztrátou elektronů. Redukce je reakce, při které dochází ke snižování oxidačního čísla atomu 2. M prvku, tzn. ke snižování počtu elektronů ve valenční sféře. Oxidační číslo je relativní elektrický náboj, který by byl na atomu přítomen, 3. O kdybychom elektrony z každé vazby, která z něj vychází, přiřadili prvku elektronegativnějšímu. 4. S Oxidační činidlo je látka, která se snadno oxiduje a ostatní látky redukuje. 5. I Mezi nejsilnější redukční činidla mezi prvky patří např. sodík a draslík. 6. T Elektrolyty jsou roztoky nebo taveniny, které vedou elektrický proud. 7. V Katoda je záporná elektroda, na níž probíhá oxidace. 8. A Při elektrolýze je anoda elektroda, na které je kladný náboj. Elektrolýza je děj probíhající při průchodu elektrického proudu elektrolytem, 9. K při kterém dochází k chemickým změnám na elektrodách. Olověný akumulátor je galvanický článek, jehož elektrody jsou tvořeny 10. L olovem a oxidem olovičitým, elektrolytem je kyselina dusičná o koncentraci 35%. á 0,5 bodu výběr správného tvrzení (celkem 3 body), 0,5 bodu za sestavení slova 2. MnO2, LiH, Cr , MnO4-, H2O2, O2, Fe2+, CO, CaH2, I2, Fe, C, K2Cr2O7 2+
1
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011
Oxidační činidlo
Redukční činidlo LiH Cr2+ H2O2 Fe2+ CO CaH2 C Fe
MnO2 – MnO4 H2O2 O2 I2 K2Cr2O7
á 0,25 bodu za správné zařazení (celkem 3,5 body) 3. Prvek/ion Ca2+ Cr Ni2+ S2– Cr3+ Sn Ag+ Si4+ Cu I–
Elektronová konfigurace [18Ar] [18Ar] 3d5 4s1 [18Ar] 3d8 [10Ne] 3s2 3p6 [18Ar] 3d3 [36Kr] 4d10 5s2 5p2 [36Kr] 4d10 [10Ne] [18Ar] 3d10 4s1 [36Kr] 4d10 5s2 5p6 á 0,5 bodu (celkem 5 bodů)
Úloha 3 Exhalace
16 bodů
1. Exhalace – příměsi a jejich směsi (pevné, kapalné i plynné látky) vstupující do ovzduší ze zdrojů znečištění. za vysvětlení pojmu exhalace 1 bod 2. Produkty reakcí: a) 2 SO2 + O2 ⎯katalyzáto ⎯ ⎯⎯r → 2 SO3 oxid siřičitý + kyslík ⎯→ oxid sírový b) SO2 + 2 H2 ⎯→ S + 2 H2O oxid siřičitý + vodík ⎯→ síra + voda c) SO2 + H2O H2SO3 d) SO2 + 2 H2S ⎯→ 3 S + 2 H2O oxid siřičitý + sulfan (sirovodík) ⎯→ síra + voda e) 3 SO2 + K2Cr2O7 + H2SO4 ⎯→ Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O oxid siřičitý + dichroman draselný + kyselina sírová ⎯→ síran chromitý + síran draselný + voda f) SO2 + I2 + 2 H2O ⎯→ H2SO4 + 2 HI oxid siřičitý + jod + voda ⎯→ kyselina sírová + kyselina jodovodíková g) SO2 + Ca(OH)2 ⎯→ CaSO3 + H2O á 1 bod za správně zapsanou reakci (celkem 7 bodů) Redoxní reakce jsou a), b), d), e), f). á 1 bod za pojmenování produktů a reaktantů u redoxní reakce (celkem 5 bodů) 2
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011 3. Odsíření kouřových zplodin v tepelných elektrárnách SO2 + ½ O2 + 2 H2O + CaCO3 ⎯→ CaSO4.2H2O + CO2 oxid siřičitý + kyslík + voda + uhličitan vápenatý ⎯→ dihydrát síranu vápenatého (energosádrovec resp. sádrovec) + oxid uhličitý 1 bod CaSO4.2H2O – energosádrovec se používá jako podkladový materiál při stavbách silnic a železnic, výplň nahrazující uhlí ve vytěžených uhelných slojích, pro terénní úpravy a modelování krajiny při rekultivacích, využívá se v suchých maltových směsích, k výrobě sádry, vyrábí se z něj sádrokartonové desky, které se využívají ve stavebnictví.1 bod (celkem 2 body) 4. Kyselina sírová – H2SO4 název a vzorec kyseliny 0,5 bodu výroba SO2: a) S + O2 ⎯→ SO2 b) 4 FeS2 + 11 O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2 za každou rovnici 0,25 bodu (celkem 1 bod) Úloha 4 Redoxní děje kolem nás
7 bodů
1. Napište název popsaných redoxních dějů (1 – 5) a chemického zdroje elektrické energie (6). (1) fotosyntéza, (2) dýchání, (3) kvašení, (4) hoření, (5) koroze, (6) galvanický článek. á 0,5 bodu za název reakce (celkem 3 body) 2. Zapište zjednodušeně rovnice redoxních dějů (1), (3). , chlorofyl (1) 6 CO2 + 12 H2O ⎯E⎯ ⎯⎯→ C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O, E , chlorofyl nebo 6 CO2 + 6 H2O ⎯⎯ ⎯⎯→ C6H12O6 + 6 O2 (3) C6H12O6 ⎯ ⎯→ 2 C2H5OH + 2 CO2 á 0,5 bodu za rovnici (1), (3) (celkem 1 bod) 3. Pevná látka: a) S + O2 ⎯→ SO2, b) 2 C + O2 ⎯→ CO (nedokonalé spalování), c) nebo C + O2 ⎯→ CO2 (dokonalé spalování). Kapalina a) C2H5OH + 3O2 ⎯→ 2 CO2 + 3 H2O, Plynná látka a) CH4 + 2 O2 ⎯→ CO2 + 2 H2O, b) 2 H2 + O2 ⎯→ 2 H2O. á 0,5 bodu za reakci (celkem 3 body) Úloha 5 Elektrolýza
4 body
Reakce na elektrodách: – – • Anoda: 2 Cl ⎯→ Cl2 + 2 e + – • Katoda: 2 Na + 2 e ⎯→ 2 Na
á 1 bod za reakci (celkem 2 body)
Obrázek 2: Elektrolyzér (elektrody jsou uhlíkové) 3
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011 Úloha 6 Výpočet
9 bodů
1. Reakce: 2 PbO + C ⎯→ 2 Pb + CO2 2 PbIIO−II + C0 ⎯→ 2 Pb0 + CIVO2−II 0,5 bodu za reakci a 0,5 bodu za správná oxid. čísla Výpočet: M(PbO) = 223,19 g mol–1, M(Pb) = 207,21 g mol–1 m 5 nPb = Pb = = 0,024 M Pb 207,21 nPb = 0,024 mol m=n·M m = 0,024 · 223,19 = 5,36 ≅ 5,4 Pro přípravu 5 g olova musí zreagovat 5,4 g oxidu olovnatého.2 body za výpočet (celkem 3 body)
2. 1 t = 1000 kg uhlí, které obsahuje 15 kg síry M(S) = 32, 06 g mol–1 M(SO2) = 64,06 g.mol–1 M(CaSO4·2 H2O) = 172,07 g mol–1 M(CaCO3) = 100,09 g mol–1 S + O2 ⎯→ SO2 SO2 + ½ O2 + 2 H2O + CaCO3 ⎯→ CaSO4.2H2O + CO2 m 15 mSO2 = S M SO2 = 64,06 = 29,97 ≅ 30 MS 32,06 mSO2 = 30 kg
mezivýpočet 0,5 bodu
za obě rovnice celkem 0,5 bodu
Jestliže s vápencem zreaguje 95 % vzniklého oxidu siřičitého, odpovídá to 28,5 kg oxidu siřičitého. za dílčí výpočet 0,5 bodu mSO2 menergosádrovec = M energosádrovec M SO2 28,5 172,07 = 76,55 64,06 = 76,6 kg
menergosádrovec = menergosádrovec
mCaCO3 =
menergosádrovec M energosádrovec
2 body
M CaCO3
76,55 100,09 = 44,53 172,07 = 44,5 kg
mCaCO3 = mCaCO3
2 body
K odsíření kouřových plynů vzniklých při spalování 1 tuny uhlí je potřeba 44,5 kg vápence. Touto metodou se připraví 76,6 kg energosádrovce. za odpověď 0,5 bodu (celkem 6 bodů)
4
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011
PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úloha 1 Příprava heptahydrátu síranu železnatého (zelená skalice)
20 bodů
1. Výsledky vážení
uvedení navážek hřebíků (železa) 2 body výtěžek žáka v rozmezí 3,5 – 5,5 g zelené skalice 8 bodů výtěžek žáka v rozmezí 2,5 – 3,4 g zelené skalice 6 bodů výtěžek žáka v rozmezí 0,5 – 2,4 g zelené skalice 4 body výtěžek žáka v rozmezí 0,1 – 0,4 g zelené skalice 2 body 2. Chemická rovnice: Fe + H2SO4 ⎯→ FeSO4 + H2, nebo Fe + H2SO4 + 7H2O ⎯→ FeSO4.7H2O + H2 2 body 3. Teoretický výtěžek – výpočet z přesné hmotnosti navážených hřebíků použitých v reakci. Pozn. z 1,00 g Fe (hřebíků) lze připravit 5 g zelené skalice, body přidělit podle konkrétní navážky Fe žáka ⇒ hmotnost produktu. 3 body 4. Teoretický výtěžek – výpočet ze zreagovaných x g Fe (hřebíků) vzniklo y g zelené skalice. Pozn.: zreaguje-li 0,5 – 0,8 g Fe, tomu odpovídá teoreticky 2,5 – 4 g zelené skalice, body přidělit podle konkrétní spotřeby Fe žáka ⇒ hmotnost produktu. 3 body 5. Ne, železo se v koncentrované kyselině sírové pasivuje. 2 body Úloha 2 Oxidace iontů Fe2+
16 bodů
reakce 1 (síran železnatý s peroxidem vodíku v kyselém prostředí) 2 FeSO4 + H2O2 + H2SO4 ⎯→ Fe2(SO4)3 + 2 H2O výchozí barva světle zelená, barva po reakci rezavá, hnědá reakce s produktem reakce 2
4 Fe3+ + 3 [Fe(CN)6]4– ⎯→ Fe4[Fe(CN)6]3 2 Fe2(SO4)3 + 3 K4[Fe(CN)6] ⎯→ Fe4[Fe(CN)6]3 + 6 K2SO4 nebo Fe2(SO4)3 + 2 K4[Fe(CN)6] ⎯→ 2 KFeIII[FeII(CN)6] + 3 K2SO4 výchozí barva rezavá, hnědá, barva po reakci modrá reakce 3 Fe2(SO4)3 + 6 KSCN ⎯→ 2 Fe(SCN)3 + 3 K2SO4 nebo Fe2(SO4)3 + 8 KSCN ⎯→ 2 K[Fe(SCN)4] + 3 K2SO4 nebo Fe2(SO4)3 + 12 KSCN ⎯→ 2 K3[Fe(SCN)6] + 3 K2SO4 výchozí barva rezavá, hnědá, barva po reakci červená
5
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011
reakce 4 Fe2(SO4)3 + 6 NaOH ⎯→ 2 Fe(OH)3 + 3 Na2SO4 výchozí barva rezavá, hnědá, barva po reakci rezavá, hnědá
za každou rovnici 3 body za každou správnou barvu po reakci 1 bod celkem 16 bodů Úloha 3 Měděná spirála
4 body
1. Probíhající reakce. 2 Cu + O2 ⎯→ 2 CuO CuO + CH3CH2OH ⎯→ Cu + CH3CHO + H2O
za každou rovnici 1 bod (celkem 2 body) 2. Vyberte správné tvrzení – označte (zakroužkujte) Ethanol se oxiduje – redukuje, ethanol je oxidační činidlo – redukční činidlo. za každé správné tvrzení 1 bod (celkem 2 body)
6
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011
POKYNY PRO PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁSTI Úloha 1 Příprava heptahydrátu síranu železnatého (zelená skalice) Chemikálie pro 1 žáka: • cca 1 g železa (hřebíky o délce 0,5 – 1 cm) – nutno je předem odmastit v saponátu Žáci si zváží hřebíky sami přesně (na desetinu gramu). Chemikálie pro 4 žáky: • 25% kyselina sírová, • destilovaná voda, • 96% ethanol. Pomůcky pro 1 žáka: • kahan/vařič, • varný kruh, • síťka, 3 • varná baňka cca 250cm , • zpětný chladič (Liebigův nebo kuličkový), • 2 stojany, • 3 držáky, • 3 svorky, • 2 hadice k chladiči, • filtrační papír, • filtrační kruh, • filtrační nálevka, • odměrná zkumavka, • velká kádinka na studenou vodu, • 2 kádinky, • skleněná tyčinka, • střička s vodou, • střička s ethanolem. Pomůcky pro 4 žáky: • váhy.
7
Řešení školního kola ChO kat. C 2010/2011 Úloha 2 Oxidace iontů Fe2+ Chemikálie pro 1 žáka: • 15% roztok H2O2, • 5% roztok K4[Fe(CN)6], • 5% roztok KSCN, • 2% roztok NaOH. Pomůcky pro 1 žáka: • 4 zkumavky, • 1 až 2 odměrné zkumavky, • lžička, • tyčinka. Pomůcky pro 4 žáky: • váhy technické nebo digitální. Úloha 3 Měděná spirála Chemikálie pro 1 žáka: • 96% ethanol (lze použít i technický líh). Pomůcky pro 1 žáka: • měděný drát o délce cca 15 cm na jednom konci stočený do spirály (namotat jeden konec drátu na tužku – 5 až 10 závitů), • zkumavka, • plynový kahan. • chemické kleště nebo pinzeta (pokud je drát dostatečně dlouhý, není třeba, žáci se nespálí).
8
Kontrolní test školního kola ChO kat. C 2010/2011
KONTROLNÍ TEST ŠKOLNÍHO KOLA (60 bodů) Časová náročnost: Úloha 1
60 minut
Přípustné pomůcky:
kalkulačka
Názvosloví
10 bodů
Doplňte do tabulky názvy nebo vzorce sloučenin. Vzorec
Název
Sulfan CuSO4.5H2O Dusičnan železitý Ce(SO4)2 K2Cr2O7 Pyrit NH3 Hydrogenfosforečnan sodný (NH4)2MoO4 Dihydrát síranu vápenatého
Úloha 2
Pojmy
Přiřaďte pojmy. 1 Oxidace 2 Katoda 3 Redukční činidlo 4 Redukce 5 Anoda
10 bodů A B C D E F
Elektroda, na níž dochází ke ztrátě elektronů. Poloreakce, při níž dochází ke ztrátě valenčních elektronů. Poloreakce, při které dochází ke snižování oxidačního čísla. Látka, která se při reakci sama redukuje a oxiduje ostatní látky. Elektroda, na které probíhá redukce. Látka schopná předávat jiným látkám elektrony. 1
2
3
9
4
5
Kontrolní test školního kola ChO kat. C 2010/2011 Úloha 3
Oxidačně redukční reakce
20 bodů
Vyčíslete chemické rovnice a u každé určete, který z reaktantů je v dané reakci oxidačním a redukčním činidlem. Reaktanty a produkty pojmenujte. 1. ___ Fe2O3 + ___ CO ⎯→ ___ Fe + ___ CO2 2. ___ Ag2S + ___ HNO3 ⎯→ ___ AgNO3 + ___ NO2 + ___ S + ___ H2O 3. ___ HCl + ___ MnO2 ⎯→ ___ MnCl2 + ___ Cl2 + ___ H2O 4. ___ Mg + konc. ___ HNO3 ⎯→ ___ Mg(NO3)2 + ___ N2O + ___ H2O 5. ___ HgCl2 + ___ SnCl2 ⎯→ ___ Hg2Cl2 + ___ SnCl4
Úloha 4
Elektrolýza
10 bodů
Úkoly: 1. Nakreslete schéma elektrolýzy vodného roztoku chloridu měďnatého, popište části elektrolyzéru. 2. Napište chemické reakce odehrávající se na jednotlivých elektrodách. 3. Zapište, na které elektrodě probíhá oxidace a na které redukce.
Úloha 5
Výpočet
10 bodů
Zahříváním směsi práškového uhlíku a oxidu měďnatého na vyšší teplotu vzniká oxid uhličitý a měď. Vypočtěte, jaké množství uhlíku a jaké množství oxidu měďnatého musí zreagovat, abychom touto reakcí získali 7 g mědi*.
*
Mr(O) = 16; Mr(Cu) = 63,55; Mr(C) = 12
10
Řešení kontrolního testu školního kola ChO kat. C 2010/2011
ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA Úloha 1 Název úlohy
10 bodů
Doplňte do tabulky názvy nebo vzorce sloučenin: Vzorec
Název
Sulfan Pentahydrát síranu měďnatého (modrá skalice) Dusičnan železitý Síran ceričitý Dichroman draselný Pyrit Amoniak, čpavek Hydrogenfosforečnan sodný Molybdenan amonný Dihydrát síranu vápenatého á 1 bod
H2S CuSO4.5H2O Fe(NO3)3 Ce(SO4)2 K2Cr2O7 FeS2 NH3 Na2HPO4 (NH4)2MoO4 CaSO4.2H2O
Úloha 2 Pojmy
10 bodů
1
2
3
4
5
B
E
F
C
A
á 2 body Úloha 3
Oxidačně redukční reakce
20 bodů
1. Fe2O3 + 3 CO ⎯→ 2 Fe + 3 CO2 oxidační činidlo: Fe2O3 redukční činidlo: CO oxid železitý + oxid uhelnatý ⎯→ železo + oxid uhličitý 2. Ag2S + 4 HNO3 ⎯→ 2 AgNO3 + 2 NO2 + S + 2 H2O oxidační činidlo: HNO3 redukční činidlo: Ag2S sulfid stříbrný + kyselina dusičná ⎯→ dusičnan stříbrný + oxid dusičitý + síra + voda 3. 4 HCl + MnO2 ⎯→ MnCl2 + Cl2 + 2 H2O oxidační činidlo: MnO2 redukční činidlo: HCl kyselina chlorovodíková (chlorovodík) + oxid manganičitý (burel) ⎯→ chlorid manganatý + chlor + voda 4. 4 Mg + 10 HNO3 ⎯→ 4 Mg(NO3)2 + N2O + 5 H2O oxidační činidlo: HNO3 redukční činidlo: Mg hořčík + kyselina dusičná ⎯→ dusičnan hořečnatý + oxid dusný + voda
11
Řešení kontrolního testu školního kola ChO kat. C 2010/2011
5. 2 HgCl2 + SnCl2 ⎯→ Hg2Cl2 + SnCl4 oxidační činidlo: HgCl2 redukční činidlo: SnCl2 chlorid rtuťnatý + chlorid cínatý ⎯→ chlorid rtuťný + chlorid cíničitý
á 4 body (1 bod vyčíslení, 1 bod ox. činidlo, 1 bod red. činidlo, 1 bod pojmenování) Úloha 4 Elektrolýza
10 bodů
1.
Obrázek: Elektrolyzér (katoda a anoda jsou uhlíkové) za schéma a popis 4 body 2. Reakce na elektrodách: a) Anoda: 2 Cl– ⎯→ Cl2 + 2 e– b) Katoda: Cu2+ + 2 e– ⎯→ Cu á 2 body za reakci 3. Na anodě se vylučuje plynný chlor – oxidace. 1 bod Na katodě se vylučuje kovová měď – redukce. 1 bod Úloha 5 Výpočet
10 bodů
reakce: 2 CuO + C ⎯→ 2 Cu + CO2 1 bod za vyčíslenou rovnici –1 M(CuO) = 79,55 g mol M(Cu) = 63,55 g mol–1 M(C) = 12 g mol–1 mCu mCuO = 2M CuO 2 ⋅ M Cu 7 mCuO = 79,55 = 8,76 g ≅ 8,8 g oxidu měďnatého 4 body za výpočet 63,55 m mC = Cu ⋅ M C 2M Cu 7 mC = 12 = 0,66 g ≅ 0,7 g uhlíku 4 body za výpočet 127,1 Pro přípravu 7 g mědi musí zreagovat 8,76 g (8,8 g) oxidu měďnatého a 0,66 g (0,7 g) práškového uhlíku. 1 bod za odpověď
12
Chemická olympiáda Autorská řešení soutěžních úloh školního kola kategorie C 47. ročník – 2010/2011 Autoři kategorie C:
Odborná recenze: Pedagogická recenze: Redakce: Vydal:
doc. RNDr. Marta Klečková, CSc., Mgr. Martina Vašíčková, Bc. Jana Vranová PhDr. Bořivoj Jodas, Ph.D. RNDr. Jana Strádalová Bc. Ladislav Nádherný Vydavatelství VŠCHT Praha – 50 ks
ISBN:
978-80-7080-758-3
