A versenyző kódszáma:
Oktatási Hivatal
2010/2011. tanévi
Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló
KÉMIA II. kategória FELADATLAP Munkaidő: 300 perc Elérhető pontszám: 100 pont
ÚTMUTATÓ A munka megkezdése előtt nyomtatott nagybetűkkel ki kell tölteni a versenyző adatait tartalmazó részt. A munkalapokra nem kerülhet sem név, sem más megkülönböztető jelzés, kizárólag a versenyző számjele, amelyet minden munkalapra rá kell írni! A munkalapokat a borítóval együtt kell beküldeni! A feladatok megoldásához íróeszközön kívül csak függvénytáblázat és nem programozható zsebszámológép használható, egyéb elektronikus eszköz (pl. mobiltelefon) nem!
A VERSENYZŐ ADATAI
A versenyző kódszáma:
A versenyző neve: ............................................................................................... oszt.: .............. Az iskola neve: ............................................................................................................................. Az iskola címe: ……............. irsz. ………....................................................................... város ………………………….........................................................................utca ......................hsz. Megye: ........................................................................................................................................ A felkészítő tanár(ok) neve: ........................................................................................................ ..................................................................................................................................................... Középiskolai tanulmányait a 13. évfolyamon fejezi be:
igen
nem* *A megfelelő szó aláhúzandó
Kémia II. kategória
II ÚTMUTATÓ a dolgozat elkészítéséhez
1. A második forduló feladatlapja két feladatsort tartalmaz. Az I. feladatsor megoldásait a borító IV. oldalán lévő VÁLASZLAPON jelöljük. A II. feladatsor számpéldáit feladatonként külön lapra kérjük megoldani. A lap felső részén tüntessük fel a versenyző kódszámát, kategóriáját és a feladat sorszámát. 2. FIGYELEM! A dolgozathoz (a II. feladatsor megoldásához) csatolni kell az ADATLAPOT és a VÁLASZLAPOT (a feladatlap I-IV. oldalszámú borítólapját)! Az I. és a II. feladatsor nyomtatott feladatait (csak a feladatlap 1-12. oldalait!) megtarthatják a versenyzők. 3. A megoldásokat tetszés szerinti sorrendben lehet elkészíteni. Fogalmazványt (piszkozatot) nem szükséges készíteni. Törekedjünk a megoldások világos, szabatos megfogalmazására és olvasható, áttekinthető leírására! 4. A dolgozatnak a feladat megoldásához szükséges egyenleteket, mellékszámításokat, indoklásokat is tartalmaznia kell! Ferde vonallal határozottan áthúzott részeket nem veszünk figyelembe. A számítások végeredményét – a mértékegységek megjelölésével – kétszer húzzuk alá! A végeredmény pontossága feleljen meg az adatok pontosságának! 5. Segédeszközként függvénytáblázat és elektromos zsebszámológép használható.
2010/2011
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória I. FELADATSOR Az I. feladatsorban húsz kérdés szerepel. Minden kérdés után öt választ tüntettünk fel, melyeket A, B, C, D, illetve E betűkkel jelöltünk. Írja a borítólap IV. oldalán található VÁLASZLAPRA a feladat sorszáma mellé azt a betűt, amely az adott kérdésre a megfelelő választ jelöli! 1. Melyik fémnek lehet 1s22s22p63s23p63d9 elektronszerkezetű ionja valamelyik jellemző oxidációs állapotában? A) A kobaltnak. B) A nikkelnek. C) A réznek. D) A cinknek. E) A galliumnak. 2. Az alább felsorolt elemek közül melyiknek az alapállapotú atomjában van ugyanannyi +½ spinkvantumszámú elektron, mint amennyi a –½ kvantumszámú? A) Oxigén. B) Szilícium. C) Vas. D) Cink. E) Ólom. 3. A kálium gőzében a káliumatomok a körülményektől függő mértékben kétatomos molekulákká egyesülnek. A reakció egyensúlyra vezet; a reakcióhő –49,4 kJ/mol. Milyen módon lehet az egyensúlyt egyértelműen a molekulák keletkezésének irányába eltolni? A) A nyomás növelésével és melegítéssel. B) A nyomás növelésével és hűtéssel. C) A nyomás csökkentésével és melegítéssel. D) A nyomás csökkentésével és hűtéssel. E) Melegítéssel állandó nyomás mellett. 4. Mitől független a reakcióhő? A) A kiindulási anyagok és a végtermékek minőségétől. B) A kiindulási anyagok állapotától. C) A végtermékek állapotától. D) A reagáló anyagok mennyiségétől. E) A reakcióhő egyik tényezőtől sem független. 5. A felsorolt részecskék közül melyikben fordul elő a legnagyobb kötésszög? A) S8 B) SO 32− C) SO 24− D) SO2 E) H2S 2010/2011
1
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória 6. Ha egy ecetsavoldat pH-ja azonos egy foszforsavoldat pH-jával, akkor
1. a két oldatban megegyezik az oxóniumionok koncentrációja; 2. a két oldatban megegyezik az anionok összkoncentrációja; 3. a két oldatban megegyezik a kationok összkoncentrációja; 4. az ecetsavoldatban az ionok (anionok és kationok) összkoncentrációja nagyobb, mint a foszforsavoldatban. A fentiek közül hány állítás helyes? A) Egy. B) Kettő. C) Három. D) Négy. E) Egy sem. 7. Egy NaOH-oldatban, melynek 8,00 a pH-ja, a hidroxidionok hány százaléka származik a vízmolekulákból? A) 10 %-a. B) 1 %-a. C) 0,1 %-a. D) 0,01 %-a. E) 0,01-nél kisebb %-a. 8. Melyik vegyület 0,10 mol/dm3 koncentrációjú vizes oldatában a legkisebb a pH? A) Cézium-klorid. B) Szóda. C) Szalmiáksó. D) Szódabikarbóna. E) Ammónium-acetát. 9. A répacukor savas hidrolízisének reakciósebessége a répacukor koncentrációjával egyenesen arányos. Kiinduláskor 0,010 mol/dm3 koncentrációjú cukoroldatot hidrolizáltatva, 3 óra elteltével 0,005 mol/dm3 répacukrot tartalmaz az oldat. Azonos körülmények mellett folytatva a reakciót, mennyi idő elteltével nem lesz mérhető mennyiségű répacukor az edényben? A) További 3 óra múlva. B) További 6 óra múlva. C) További 9 óra múlva. D) További 1,5 óra múlva. E) Csak nagyon sok idő eltelte után.
2010/2011
2
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória 10. Az alább felsorolt molekulák, illetve ionok közül hánynak a szerkezete középpontosan szimmetrikus?
C2Cl4, CCl4, COCl2, CO 32− , CO2, CH3-CCl2-CH3, CHCl3 A) Kettő. B) Három. C) Négy. D) Öt. E) Hat. 11. Bizonyos szívritmus-szabályozók áramforrása lítiumot, lítium-jodidot és jódot is tartalmaz. Milyen reakció megy végbe a katódon, ill. az anódon? A) A katódon: Li → Li+ + e–; B) A katódon: Li+ + e– → Li; C) A katódon: 2 I– → I2 + 2 e–; D) A katódon: Li → Li+ + e–; E) A katódon: I2 + 2 e–→2 I–;
az anódon: 2 I– → I2 + 2 e–. az anódon: 2 I– → I2 + 2 e–. az anódon: Li → Li+ + e–. az anódon: I2 + 2 e–→2 I–. az anódon: Li → Li+ + e–.
12. Melyik sor tartalmaz csupa olyan anyagot, amelynek híg vizes oldatát platinaelektródok között elektrolizálva, a (folyamatosan kevert) oldat pH-ja növekedni kezd? A) NaOH, KNO3, AgNO3 B) HCl, Na2SO4, KCl C) KCl, HNO3, H2SO4 D) NaBr, KNO3, CuSO4 E) NaCl, NaOH, HCl 13. Melyik esetben nem tudjuk kiszámítani egy egyértékű gyenge sav disszociációállandóját a rendelkezésre álló adatokból? A) Ha ismerjük a sav híg oldatának koncentrációját és az oldat pH-ját. B) Ha ismerjük a disszociálatlan savmolekula és a sav anionjának koncentrációját a sav híg oldatában. C) Ha ismerjük a sav disszociációfokát az oldatban, a savoldat tömegszázalékos összetételét, sűrűségét és a sav moláris tömegét. D) Ha ismerjük a savoldat térfogatát, sűrűségét, pH-ját és a sav moláris tömegét. E) Ha ismerjük a sav anionjának bázisállandóját. 14. Melyik az az anion, amelyik egyetlen fémionnal sem ad csapadékos reakciót? A) B) C) D) E)
CO 32− NO 3− PO 34− SO 32− SO 24−
2010/2011
3
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória 15. Az alábbi szilárd anyagok megfelelő koncentrációjú sósavval gázfejlődés közben reagálnak. Egy esetben a sósav helyett lehetséges (sőt célszerű) tömény kénsavat használni a kérdéses gáz előállítására. Melyik ez az anyag? A) B) C) D) E)
KMnO4 Na2SO3 FeS Zn MnO2
16. Az általában MTBE néven ismert metil-terc-butil-étert (szabályos neve: 2-metil-2-metoxipropán) hatalmas mennyiségben állítja elő az olajipar benzinadalékként. Hány mol oxigéngáz szükséges 1 mol MTBE tökéletes elégéséhez? A) 5 B) 6 C) 7,5 D) 8 E) 9,5 17. A térizomereket is tekintve hány különböző triglicerid képződhet glicerinből, sztearinsavból és palmitinsavból? A) Hat. B) Hét. C) Nyolc. D) Kilenc. E) Tíz. 18. A felsorolt atomkapcsolatok közül hány fordul elő a DNS molekulájában?
P=O, P–O, N–O, C–N, C–P, C–O A) B) C) D) E)
Kettő. Három. Négy. Öt. Hat.
19. A 2-metilbutánsav enantiomerjeivel kapcsolatos állítások közül melyik nem igaz? A) A két enantiomer mért kötésfelszakítási energiáinak összege azonos. B) A két enantiomer savi disszociációállandója azonos. C) A két enantiomer színe azonos. D) A két enantiomer mért képződéshője azonos. E) A két enantiomer a bután-2-ol jobbra forgató enantiomerjével reagálva ugyanannak az észternek az enantiomerjeit adja termékként.
2010/2011
4
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória
20. Melyik vegyület százalékos elemi összetétele különbözik a többiétől? A) Ciklobután-1,1-dikarbonsav. B) Akrilsav (propénsav). C) 2-oxopropanal. D) But-2-in-1,4-diol. E) Ciklohexán-1,2,4-trikarbonsav.
2010/2011
5
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória II. FELADATSOR 1. feladat
A szakállmásodperc a fényévvel analóg hosszúságegység, SI-egységre átszámítva átlagos értéke 5 nanométer. Becsülje meg, hogy egy átlagos átmérőjű (120 µm), sűrűségű (1,32 g/cm3) és összetételű (5,0 tömegszázalék kéntartalmú) szakállszál növekedése során hány aminosav-molekulát építenek be a szőrtüsző sejtjei a szakállszálba másodpercenként!
Az emberi haj gyakorlatilag fehérjéből, mégpedig keratinból áll, amiben átlagosan az aminosavak 17,5 anyagmennyiség-százaléka cisztein [H2N-CH(CH2-SH)-COOH], 0,5 anyagmennyiség-százaléka metionin [H2N-CH(CH2-CH2-S-CH3)-COOH]. 7 pont 2. feladat
A száraz szalma elemi összetétele 50,0 tömegszázalék szén, 6,0 tömegszázalék hidrogén és 44,0 tömegszázalék oxigén. Tekintsünk egy biomassza-erőművet, mely óránként 20,0 tonna szalmát éget el! Az égetéshez szükséges levegőt egy levegőkompresszor juttatja be az égéstérbe. A beszívott levegő hőmérséklete –20 és +40 oC, nyomása pedig 98 és 103 kPa között változhat. Hány m3/óra teljesítményre kell méretezni a levegőkompresszort, ha az égetés során 10 % levegőfelesleget akarunk használni? 8 pont 3. feladat
Bárium-karbonátra sztöchiometrikus mennyiségű 15,0 tömegszázalékos sósavat öntünk, majd az elegyet 100 oC-ra melegítjük. Ezután kétféleképpen járhatunk el: a) az oldatot lehűtjük 0 oC-ra; vagy b) kezdődő kristálykiválásig bepároljuk, majd ezután hűtjük 0 oC-ra. Elméletileg hány százalékkal több BaCl2·2H2O-t nyerhetünk a b) módszerrel, mint az a) módszerrel?
100 g vízben 100 oC-on 58,7 g, 0 oC-on pedig 30,7 g vízmentes bárium-klorid oldható fel. Ar(Ba) = 137,33; Ar(Cl) = 35,45; Ar(H) = 1,01; Ar(C) = 12,01; Ar(O) = 16,00 12 pont
2010/2011
6
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória 4. feladat
Az alábbi táblázatban a szén különböző módosulatainak számított atomizációs hőjét és képződéshőjét tüntettük fel. (Az atomizációs hő szemléletes jelentése: az adott anyag vagy részecske 1 móljának szabad, gázhalmazállapotú atomjaira bontásához szükséges energia.) ∆atH / kJ·mol–1
∆kH / kJ·mol–1
C(grafit)
716,7
∆kH(gr)
C(gyémánt)
714,8
∆kH(gy)
C(g)
0
∆kH(C)
C2(g)
∆atH(C2)
831,9
a) A megadott adatok segítségével számítsa ki a táblázatban jelölt mennyiségeket! b) Számítsa ki, hogy mekkora a szén-szén kötések kötési energiája a gyémántban és a gázhalmazállapotú C2 molekulában!
A grafitban a szén-szén kötések kötési energiája 473,3 kJ/mol. c) Vesse össze ezt az értéket a grafit atomizációs hőjével! Milyen újabb adatra következtethetünk az összevetésből? 9 pont 5. feladat
A múlt festőművészeinek széles körben használt festékanyaga volt az ólomfehér, ami egy bázisos ólom(II)-karbonát, összetétele közelítőleg a Pbx(CO3)y(OH)z képlettel adható meg. Napjainkban inkább titán-dioxiddal helyettesítik, az ólomfehér ugyanis reakcióba lép a levegő esetleges kén-hidrogén-szennyezésével, ez pedig a festmények megfeketedését okozza. Az ólomfehéret levegőn 500 oC körüli hőmérsékleten tartósan hevítve, kémiai reakció játszódik le, amelyben egy másik gyakran használt vörös festékanyag, a mínium (Pb3O4) képződik. Ólomfehér 6,11 grammos mintáját levegőn hevítve 5,40 g mínium keletkezik. a) Határozza meg a festékanyag hozzávetőleges képletét (vagyis az ionok anyagmennyiségarányát a vizsgált mintában)! b) Írja fel a festékanyag szennyezett levegőn történő megfeketedésének, valamint hevítésének reakcióegyenletét! 11 pont
2010/2011
7
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória 6. feladat
A primer alkoholokat nem egyszerű úgy oxidálni, hogy csak a megfelelő aldehid keletkezzen. Egy erre alkalmas eljárás a nemvizes közegben történő elektrolízis. Az oxidáció végrehajtásához egy 100 cm3-es elektrolizálócellába (I. cella) 80 cm3 9:1 arányú metanol-ecetsav elegyet töltünk, bemérünk hozzá 2,44 g (4-metil-fenil)-metanolt és 0,44 g NaBF4-et (ez a nem reaktív só az elektródrekciókban nem vesz részt). Egy másik 100 cm3-es cellába (II. cella) 80,0 cm3 1,00 mol/dm3 koncentrációjú vizes KI-oldatot töltünk. A két cellát sorba kötjük, és áramot vezetünk át rajtuk. Az elektrolízis végeztével a II. cellában lévő oldatból 5,00 cm3-t kiveszünk, és a kivált jódot 0,300 mol/dm3 koncentrációjú nátriumtioszulfát-oldattal megtitráljuk: a fogyás 11,2 cm3. (Az elektrolízis során az oldat térfogatváltozása elhanyagolható.) a) Írja fel a II. cellában lejátszódó elektródfolyamatok egyenletét! b) Írja fel a titrálás egyenletét! c) Mennyi töltés haladt át a cellákon, ha a II. cellában az áthaladt töltés 100 %-a a jodid oxidációjára fordítódott?
Az I. cellában para-metil-benzaldehid képződött. Az elektrolízis befejezése után vizet adunk a reakcióelegyhez, dietil-éterrel kioldjuk a szerves anyagokat, majd a keverékből desztillációval elkülönítjük a megmaradt kiindulási anyagot és a terméket. A para-metil-benzaldehid mennyisége 2,06 g-nak adódott. d) Mi a szerepe a NaBF4-nek a cellában? e) Írja fel az I. cellában lejátszódó anódreakció egyenletét! f) Hány százalékos a para-metil-benzaldehid kitermelése? g) Az áram hány százaléka fordítódott a (4-metil-fenil)-metanol oxidációjára az I. cellában, ha feltételezzük, hogy a termék elkülönítése során nem volt veszteségünk? 10 pont
2010/2011
8
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória 7. feladat
Az összetett szénhidrátok szerkezetvizsgálatának egyik klasszikus módszere az ún. kimerítő metilezés. Az eljárás lényege, hogy megfelelő körülmények között a szénhidrát-molekula minden hidroxilcsoportját metoxicsoporttá (CH3O–) alakítják. Ezt a származékot savas hidrolízisnek vetik alá, majd szétválasztják a keletkező termékeket, és meghatározzák mennyiségüket. A savas hidrolízis során csak a glikozidos hidroxilcsoportok által létrehozott éterkötések (az ún. glikozidkötések) hidrolizálnak. Az eljárással információt nyerhetünk a monoszacharidok kapcsolódási módjáról és a vizsgált szénhidrát molekulatömegéről is. A növényvilág legelterjedtebb tartaléktápanyaga, a keményítő kétféle poliszacharidot tartalmaz: amilózt és amilopektint. Az α-D-glükóz „monomerek” mindkét szerkezetben 1–4 glikozidkötéssel kapcsolódnak egymáshoz, az amilopektinben azonban átlagosan 24-30 glükózegységenként elágazás is található, 1–6 típusú glikozidkötés révén. Egy rizsből izolált amilózminta kimerítő metilezése, majd az azt követő savas hidrolízise során A és B glükózszármazékok képződnek 624:1 anyagmennyiség-arányban. a) Rajzolja fel A és B szerkezeti képletét! (A kiralitáscentrumok konfigurációját nem kell jelölnie.) b) Számítsa ki a vizsgált amilóz átlagos moláris tömegét! c) A-n és B-n kívül keletkezik-e más glükózszármazék az amilopektin metilezés utáni hidrolízise során? Ha igen, rajzolja fel a szerkezeti képletét! d) Az amilopektin vizsgálata során A és B anyagmennyiség-aránya más lesz, mint az amilóz esetén. Kisebb vagy nagyobb n(A) / n(B) arányt várunk? Válaszát indokolja! e) A vizsgált eljárással kaphatunk-e információt a szénhidrát glikozidkötéseinek térállásáról (vagyis arról, hogy a felépítő monoszacharidok glikozidos hidroxilcsoportja α vagy β helyzetű)? Válaszát indokolja! f) Létezhet-e olyan összetett szénhidrát, amelyből a kimerítő metilezést követő savas hidrolízissel csak egyetlen terméket kapunk? Ha igen, javasoljon ilyen szerkezetet! 10 pont 8. feladat
Ecetsav és hangyasav azonos koncentrációjú vizes oldatát 5,00 : 1,00 térfogatarányban összekeverve 3,00 pH-jú oldatot kapunk. a) Mekkora volt az eredeti oldatok koncentrációja?
b) Mekkora lesz a pH, ha az oldatokat 1,00 : 5,00 térfogatarányban elegyítjük? (A számítás során tehet ésszerű elhanyagolásokat, ha igazolja ezek jogosságát.) Ks(ecetsav) = 1,75 · 10–5; Ks(hangyasav) = 1,77 · 10–4 13 pont
2010/2011
9
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória
2010/2011
10
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória
2010/2011
11
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória
2010/2011
12
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória
2010/2011
III
OKTV 2. forduló
Kémia II. kategória
IV
VÁLASZLAP I. feladatsor
1.
...............
6.
...............
11.
...............
16.
...............
2.
...............
7.
...............
12.
...............
17.
...............
3.
...............
8.
...............
13.
...............
18.
...............
4.
...............
9.
...............
14.
...............
19.
...............
5.
...............
10.
...............
15.
...............
20.
...............
A továbbiakat a Versenybizottság tölti ki! Az I. feladatsor összes pontszáma: .......................................... pont A II. feladatsor pontszámai: 1.
2. javító
3.
1.
2. javító
3.
1. feladat:
pont
5. feladat:
pont
2. feladat:
pont
6. feladat:
pont
3. feladat:
pont
7. feladat:
pont
4. feladat:
pont
8. feladat
pont
A II. feladatsor összes pontszáma:
1.
2. javító
3. pont
A dolgozat összes pontszáma:
................................... 1. javító tanár
2010/2011
pont
..................................... 2. javító tanár
..................................... 3. javító tanár
OKTV 2. forduló
