Národní institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Ústřední komise Chemické olympiády
45. ročník 2008 – 2009
ŠKOLNÍ KOLO kategorie D ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH
Národní institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Ústřední komise Chemické olympiády
45. ročník 2008 – 2009
ŠKOLNÍ KOLO kategorie D ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍCH ÚLOH
Brožura byla vytištěna za podpory sponzorského daru firmy BASF Slovensko spol. s r. o.
©
Kolektiv autorů (jmenovitě viz zadní část obálky) 45. ročníku Chemické olympiády NIDM MŠMT ČR
ISBN: 978-80-86784-72-4
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009
TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Úloha 1
Reaktivita halogenů
8 bodů
1.
Cl2 + 2 NaBr ⎯→ Br2 + 2 NaCl Reakce by probíhala podobně.
2.
NaCl + AgNO3 ⎯→ AgCl + NaNO3 Bílá sraženina chloridu stříbrného časem černá (vlivem fotonů slunečního záření), protože se z ní vylučuje stříbro. Této vlastnosti se využívá ve fotografii. za chemickou rovnici 1 bod, za vysvětlení 2 body 3 Cl2 + 6 KOH ⎯→ KClO3 + 5 KCl + 3 H2O Chlorečnany jsou silná oxidační činidla. Může jít také o zdroj kyslíku. za chemickou rovnici 2 body, za odpověď 1 bod
3.
Úloha 2
za chemickou rovnici 1 bod, za odpověď 1 bod
Naleznete chybné údaje o fluoru?
Chybný výraz Není jedovatý Je hlavní složkou krve Nejtěžší halový prvek Nejmenší elektronegativitu Nejméně reaktivní Fluor lze vytěsnit chlorem Ve sloučeninách má oxidační číslo –I a V Nejsilnější halogenovodíková kyselina Fluorid křemitý
9 bodů Správný výraz
Je jedovatý Je obsažen v zubech a kostech Nejlehčí halový prvek Největší elektronegativitu Nejvíce reaktivní Fluor nelze vytěsnit chlorem Ve sloučeninách nemá oxidační číslo V Nejslabší halogenovodíková kyselina Fluorid křemičitý za správně podtržený chybný výraz à 0,5 bodu za správný výraz à 0,5 bodu za každý chybný údaj 0,5 bodu odečíst
Úloha 3 1.
Atom chloru
4 bodů
Model atomu chloru. jádro atomu
elektron
Obrázek 1: Model atomu chloru.
3
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009 2.
Chloridový anion vznikne přijetím jednoho elektronu do třetí hladiny elektronového obalu, která je potom zcela zaplněna, a získá tím mimořádně stabilní strukturu elektronového obalu vzácného plynu – argonu. za každou správnou odpověď à 2 body, celkem 4 body
Úloha 4
Obsah chloru ve sloučeninách
9 bodů
1. + 2. Sloučenina NaClO3 NaCl
Hmotnostní zlomek 33,3 % 60,6 %
Pořadí 1. 3.
Triviální název Travex Sůl kamenná, halit, sůl kuchyňská
CaOCl2
55,9 %
2.
Chlorové vápno
Výpočet: CaOCl2 .............. w = 55,9 % NaClO3 .............. w = 33,3 % NaCl .................. w = 60,6 % Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení. za správný výpočet à 1,5 bodu, tj. celkem 4,5 bodu, za správné pořadí à 0,5 bodu, tj. celkem 1,5 bodu, za triviální názvy à 1 bod, celkem 3 body
Úloha 5
Reakce chloru s vodíkem
7 bodů
1.
Cl2 + H2 ⎯→ 2 HCl
2.
V(H2):V(Cl2):V(HCl) = 1:1:2, poměr objemů je 1:1:2.
3.
Celkový objem se nemění.
4.
V (HCl) 40 dm 3 = = 20 dm 3 2 2 3 K výrobě 40 dm chlorovodíku je potřeba 20 dm3 chloru. V (Cl 2 ) =
n( HCl ) = 2 :1 n ( H ) 2 5. n(HCl) = 2n(H2) 2m(H 2 ) 2 ⋅1000 g n(HCl) = = = 1000 mol M (H 2 ) 2,0 g mol −1 Látkové množství chlorovodíku, které lze získat z 1 kg vodíku, je 1000 mol. Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení. za chemickou rovnici 1 bod, za odpovědi na otázky 2. – 4. à 1 bod, celkem 3 body, za výpočet 5. otázku 2,5 bodů, za odpověď 0,5 bodu
4
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009
Úloha 6
Kyselina chlorovodíková
11 bodů
1.
m1 = V1 ⋅ ρ = 100 cm3 · 1,184 g cm–3 = 118,4 g Hmotnost použité kyseliny je 118,4 g.
2.
mHCl = w1 ⋅ m1 = 0,370 · 118,4 g = 43,808 g Hmotnost chlorovodíku obsaženého v kyselině chlorovodíkové je 43,808 g.
3.
mv =VV ⋅ρV = 100 cm3 · 0,998 g cm–3 = 99,8 g Hmotnost vody je 99,8 g.
4.
m2 = m1 + mV = 118,4 g + 99,8 g = 218,2 g Hmotnost vzniklého roztoku je 218,2 g.
5.
w2 =
mHCl 43,808 g = = 0,2008 = 20,08 % ≐ 20,1 % m2 218,2 g
Hmotnostní zlomek chlorovodíku ve vzniklé kyselině chlorovodíkové je přibližně 20,1 %. Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení. za výpočet příkladu a) – d) à 1,5 bodu, za odpovědi příkladu à 0,5 bodu. celkem 8 bodů, za výpočet příkladu e) 2,5 bodu, za odpověď 0,5 bod. celkem 3 body
Úloha 7
Solanka
7 bodů
1.
Elektrolýzou solanky lze připravit jako základní látky chlor, vodík, hydroxid sodný. Při reakci vznikají také jako vedlejší produkty chlornan sodný a chlorečnan sodný. za každý základní určený produkt 1 bod, tj. celkem 3 body
2.
Kladná grafitová elektroda = anoda, vylučuje se na ní chlor. Záporná železná elektroda = katoda, vylučuje se na ní vodík. za každou dílčí odpověď 0,5 bodu, tj. celkem 1 bod
3.
Na anodě: 2 Cl– ⎯→ Cl2 + 2 e–, na katodě: 2 H2O + 2 e– ⎯→ H2 + 2 OH–, také lze uznat H+ + e– ⎯→ H, popř. 2 H3O+ + 2 e– ⎯→ H2 + 2 H2O. za každou správnou rovnici 1 bod, tj. celkem 2 body
4.
Na kladné grafitové elektrodě, tj. na anodě dochází k oxidaci, protože se anion chloru oxiduje na chlor v základním stavu. za správnou odpověď 1 bod
5
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009
Úloha 8 1. 2. 3.
Solné halogenidy
5 bodů
Pro solné halogenidy je typická iontová vazba. 1 bod Za solné halogenidy lze považovat: CaF2, NaI, KBr, BaCl2. za každý správně určený solný halogenid 0,5 bodu, tj. celkem 2 body, za nesprávně určený solný halogenid 0,5 bodu odečíst Solné halogenidy lze připravit reakcí alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin (popř. jejich oxidů) s HX, neutralizací hydroxidu alkalického kovu nebo kovu alkalických zemin s HX, přímou syntézou prvků, rozpouštěním kovu v kyselině HX, reakcí uhličitanů s HX apod. za každou správnou možnost 1 bod, maximálně celkem 2 body
6
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009
PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úloha 1
Důkazy halogenidových aniontů
Za každou správně vyplněnou buňku tabulky 0,5 bodu. Barevné cítění je individuální a je možné tolerovat drobné odchylky v popisu zbarvení sraženin a roztoků. Za každou správně zapsanou a vyčíslenou rovnici 2 body. Lze uznat také iontové zápisy rovnic. Za správné doplnění věty 2 body.
Úloha 2
34 bodů max. 18 bodů
max. 8 + 6 bodů max. 2 body
Důkaz citlivosti chloridu stříbrného na světlo
6 bodů
Za správný popis pozorovaných změn 2 body.
max. 2 body
Za správné vysvětlení použití 4 body.
max. 4 body
7
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009
Úloha 1 1.
Důkazy halogenidových aniontů
34 body
Doplňte tabulku. Halogenidový anion
Přidávané činidlo
F–
Cl–
dusičnan stříbrný
beze změn
bílá sraženina
zředěný amoniak
beze změn
rozpuštění sraženiny
Br– nažloutlá sraženina beze změn (zesvětlení)
I– žlutá sraženina
vzorec vznikající sraženiny
–
AgCl
AgBr
AgI
dusičnan vápenatý
bezbarvá sraženina
beze změn
beze změn
beze změn
vzorec vznikající sraženiny
CaF2
–
–
–
SAVO
beze změn
beze změn
beze změn
kyselina octová
beze změn
beze změn
žlutohnědé zbarvení
benzin
beze změn
beze změn
žlutohnědé zbarvení benzinové vrstvy
chlorid železitý
beze změn
beze změn
beze změn
beze změn
žlutohnědé zbarvení zbarvení zesílí fialové zbarvení benzinové vrstvy
žlutohnědé zbarvení
18 bodů 2.
3.
Napište rovnice srážecích reakcí. fluoridový anion:
2 NaF + Ca(NO3)2 ⎯→ CaF2 + 2 NaNO3
chloridový anion:
NaCl + AgNO3 ⎯→ AgCl + NaNO3
bromidový anion:
KBr + AgNO3 ⎯→ AgBr + KNO3
jodidový anion:
KI + AgNO3 ⎯→ AgI + KNO3
8 bodů
Napište rovnice probíhajících reakcí s roztokem desinfekčního prostředku SAVO (považujte SAVO za roztok chloru ve vodě) a s roztokem chloridu železitého. 2 KBr + Cl2 ⎯→ Br2 + 2 KCl 2 KI + Cl2 ⎯→ I2 + 2 KCl 2 FeCl3 + 2 KI ⎯→ I2 + 2 FeCl2 + 2 KCl
4.
6 bodů
Po přidání roztoku bramborového škrobu k roztoku jodové tinktury nebo roztoku desinfekčního prostředku JODISOL se obsah zkumavky zbarvil modře. 2 body
8
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009
Úloha 2
Důkaz citlivosti chloridu stříbrného na světlo
6 bodů
1. Popište změny, ke kterým došlo na filtračním papíře po osvětlení světlem. Po sejmutí předmětu je vidět jeho bílý obraz na fialově zbarveném okolí.
2 body
2. Vysvětlete, k jakým účelům byl děj pozorovaný na filtračním papíru dříve používán. Pozorovaný děj je podstatou klasické černobílé fotografie. 4 body
celkem 40 bodů
9
Řešení školního kola ChO kat. D 2008/2009
POKYNY PRO PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁSTI Pomůcky: • stojan se zkumavkami, • filtrační papír, • pipeta s balónkem (popř. odměrná zkumavka), • 2 Petriho misky, • plastová pinzeta – k máčení filtračního papíru v roztoku AgNO3 (úloha 2), • plochý neprůhledný předmět – např. klíč, papírové písmenko z kartonu apod., • kartáček/štětka na čištění zkumavek (1 ks pro společné použití). Chemikálie a roztoky: • roztoky halogenidových aniontů (c = 0,1 mol dm–3), tj. 4,20 g NaF; 5,84 g NaCl; 11,9 g KBr; 16,6 g KI*, • roztok AgNO3 (c = 0,05 mol dm–3), tj. 8,50 g AgNO3*, • roztok Ca(NO3)2 (c = 0,1 mol dm–3), tj. 16,4 g Ca(NO3)2 nebo 23,6 g Ca(NO3)2.4H2O*, • roztok amoniaku – koncentrovaný amoniak zředěný 1:10, • 8% ocet nebo 8% roztok kyseliny octové, • roztok FeCl3 (c = 0,1 mol dm–3); tj. 16,2 g FeCl3 nebo 27,0 g FeCl3.6H2O*∗♠; • roztok bramborového škrobu; 2 g bramborového škrobu rozmíchat v malém množství studené destilované vody a suspenzi vlít za míchání do asi 500 cm3 vařící destilované vody. Je vhodné roztok za tepla zfiltrovat přes řídký filtr nebo filtrací za sníženého tlaku (ale pro dané užití ve školním kole to není nutné), • roztok SAVO – komerční roztok zředěný 1:20 (vyhověl Savo-Original i Savo-Prim, nevhodný je gelovitý Savo-Razant a pozor, existuje i Savo bez chloru – je též nevhodný!), • lékárenský benzin, • jodisol nebo jodová tinktura (roztok jodu v ethanolu).
∗ ♠
Navážku vždy rozpouštějte destilovanou vodou v baňce o objemu 1000 cm3 a doplňte po značku podle přesných analytických postupů. V případě zřetelných známek hydrolýzy je nutné roztok okyselit malým množstvím HCl.
10
Kontrolní test školního kola ChO kat. D 2008/2009
KONTROLNÍ TEST ŠKOLNÍHO KOLA (60 bodů) Časová náročnost: 60 minut Přípustné pomůcky: kalkulačka
Úloha 1 1.
Oxidační čísla chloru
19 bodů
Určete oxidační čísla chloru v daných sloučeninách. Seřaďte sloučeniny podle stoupajícího oxidačního čísla chloru a vyřaďte tu sloučeninu, která neexistuje (neexistující oxidační číslo chloru). Existující sloučeniny pojmenujte systematickým názvoslovím. Výsledky zapište do tabulky. Uvažujte sloučeniny: Ca(ClO)2
KCl
Pořadí sloučenin
Ca2Cl
Ox. číslo chloru
NaClO3
Název sloučeniny
Neexistující sloučenina: ......................... . 2.
U existujících sloučenin podle zadání 1. vypočítejte hmotnostní zlomek chloru (v procentech), napište odpovědi a seřaďte sloučeniny podle stoupajícího hmotnostního zlomku. Při výpočtu použijte uvedených zaokrouhlených hodnot relativních atomových hmotností. Výsledky zapište do tabulky. Pořadí sloučenin
Prvek Ar
Na 23,0
K 39,1
w(Cl)
Ca 40,1
O 16,0
Cl 35,5
Vybrané hodnoty relativních atomových hmotností.
Úloha 2
Poznáte halogenidy?
9 bodů
Podtrhněte sloučeniny, které nelze označit jako halogenidy a ty pojmenujte: NaBr
OF2
Cl2O
SCl2
KIO3
11
SF4
PCl3
BrF5
Mg(ClO4)2
Kontrolní test školního kola ChO kat. D 2008/2009
Úloha 3 1.
2.
3.
Elektronová konfigurace atomu chloru
6 bodů
Částice je složena ze 17 protonů, 18 neutronů a 18 elektronů. Určete, o kterou částici se jedná. a) atom chloru, b) anion chloridový, c) kation chlorný. Vyberte správnou elektronovou konfiguraci této částice: a) [Ne] 2s2 2p5, b) [Ne] 2s22p6, c) [Ne] 2s22p4. Určete, jak se změní elektronová konfigurace této částice, jestliže se počet neutronů zvýší o dva.
Úloha 4
Elektrolýza roztoku chloridu sodného
7 bodů
Při elektrolýze vodného roztoku chloridu sodného se na jedné z dvojice elektrod (železné a grafitové) vylučuje vodík. 1. Vyberte správné tvrzení: a) na kladné elektrodě, tedy katodě, b) na záporné elektrodě, tedy katodě, c) na kladné elektrodě, tedy anodě, d) na záporné elektrodě, tedy anodě. 2. Uveďte, který prvek nebo sloučenina se vylučuje na druhé elektrodě? 3. Vyjádřete chemickou rovnicí děje na katodě. 4. Vyjádřete chemickou rovnicí děje na anodě.
Úloha 5
Ředění a směšování roztoků
9 bodů
Ve vodě o objemu 50 cm3 bylo rozpuštěno 5,15 dm3 chlorovodíku (měřeno za normálních podmínek). Vypočítejte hmotnostní zlomek chlorovodíku ve vzniklé kyselině chlorovodíkové. M(HCl) = 36,46 g mol–1, nezapomeňte na odpověď. Poznámka: Hustotu vody lze považovat za jednotkovou (ρ = 1 g cm–3).
Úloha 6
Sloučenina bromu s vápníkem
10 bodů
Brom se sloučil s vápníkem. Doplňte následující výroky, popř. vyberte podle nabídky v závorce. 1.
Vzniklá sloučenina se bude nazývat ..................................................................................
2.
Oxidační číslo bromu v této sloučenině bude ....................................................................
3.
Při této reakci se brom (oxiduje / redukuje) .......................................................................
4.
Brom zde vystupuje jako činidlo (oxidační / redukční) .....................................................
5.
Vazba ve vzniklé sloučenině bude (iontová / kovalentní) .................................................
6.
Vzniklou sloučeninu lze považovat za sůl (ano / ne) ......................................................... 12
Kontrolní test školního kola ChO kat. D 2008/2009
Poznámka: K vyřešení otázek potřebujete znát elektronegativity prvků: X(Ca) = 1,0, X(Br) = 2,9.
ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA (60 bodů) Úloha 1 1.
Oxidační čísla chloru
19 bodů
Pořadí sloučenin chloru podle oxidačního čísla. Pořadí sloučenin Oxidační číslo chloru Název sloučeniny
KCl –I chlorid draselný
Ca(ClO)2 I chlornan vápenatý
NaClO3 V chlorečnan sodný
Neexistující sloučenina: Ca2Cl. Teoretické oxidační číslo chloru ve sloučenině je –II, které není v tomto případě možné.
za určení všech oxidačních čísel à 0,5 bodu, tj. celkem 2 body, za správné seřazení existujících sloučenin podle stoupajícího ox. č. 1,5 bodu, za vyloučení neexistující sloučeniny 1 bod, za každý správný název 1 bod, tj. celkem 3 body 2.
Pořadí sloučenin podle hmotnostního zlomku chloru. Pořadí sloučenin NaClO3 KCl Ca(ClO)2 w(Cl) 33,3 % 47,6 % 49,6 % 35,5 w(Cl/NaClO3 ) = = 0,333 = 33,3 % (23,0 + 35,5 + 3 ⋅ 16,0) Hmotnostní zlomek chloru v chlorečnanu sodném je 33,3 %. 35,5 w(Cl/KCl) = = 0,476 = 47,6 % (39,1 + 35,5) Hmotnostní zlomek chloru v chloridu draselném je 47,6 %. 2 ⋅ 35,5 w(Cl/Ca(ClO)2 ) = = 0,496 = 49,6 % (40,1 + 2 ⋅ 35,5 + 2 ⋅ 16) Hmotnostní zlomek chloru v chlornanu vápenatém je 49,6 %.
za každé správné určení hmotnostního zlomku 3 body, tj. celkem 9 bodů, za každou odpověď à 0,5 bodu, tj. celkem 1,5 bodu, za správné seřazení sloučenin podle stoupajícího hm. zlomku 1 bod
Úloha 2
Poznáte halogenidy?
9 bodů
Za halogenidy nelze považovat tyto sloučeniny: • Cl2O (oxid chlorný), • KIO3 (jodičnan draselný), • Mg(ClO4)2 chloristan hořečnatý. za každé správné určení 2 body, tj. celkem 6 bodů, za správné pojmenování sloučenin 1 bod, tj. celkem 3 body, za špatnou odpověď (výběr sloučenin, které nelze považovat za halogenidy) 2 body odečíst
13
Řešení kontrolního testu školního kola ChO kat. D 2008/2009
Úloha 3 1. 2. 3.
4.
6 bodů
Anion chloridový. Správná odpověď je b). Nezmění se, jedná se pouze o jiný izotop chloru. za každou správnou odpověď à 2 body, tj. celkem 6 bodů
Úloha 4 1. 2. 3.
Elektronová konfigurace atomu chloru
Elektrolýza roztoku chloridu sodného
7 bodů
Vodík se vylučuje na katodě, tj. na záporné elektrodě. Tedy za b). 2 body Na druhé elektrodě (anodě) se vylučuje molekulový chlor. 1 bod Chemická reakce na katodě: 2 H2O + 2 e– ⎯→ H2 + 2 OH–, popř. 2 H3O+ + 2e– ⎯→ H2 +2 H2O, 2 H+ + 2 e– ⎯→ H2. Chemická rovnice na anodě: za obě rovnice na elektrodách à 2 body, celkem 4 body 2 Cl– + 2 e– ⎯→ Cl2
Úloha 5
Ředění a směšování roztoků
9 bodů
5,15 dm3 = 0,230 mol 22,4 dm3 ⋅ mol−1 m(HCl) = n(HCl) · M(HCl) = 0,230 mol · 36,46 g mol–1 = 8,386 g. 8,386 g w(HCl) = = 0,1436 = 14,36 % (50 g + 8,386 g)
n(HCl) =
Hmotnostní zlomek chlorovodíku je 14,36 %. Poznámka: Lze uznat i jiný správný postup řešení.
Úloha 6 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Sloučenina bromu s vápníkem
za správný výpočet 8,5 bodu za odpověď 0,5 bodu
10 bodů
Vzniklá sloučenina se bude nazývat ............................................................bromid vápenatý Oxidační číslo bromu v této sloučenině bude..............................................–I Při této reakci se brom (oxiduje / redukuje) ................................................redukuje Brom zde vystupuje jako činidlo (oxidační / redukční)...............................oxidační Vazba ve vzniklé sloučenině bude (iontová / kovalentní) ...........................iontová Vzniklou sloučeninu lze považovat za sůl (ano / ne) ..................................ano za správnou odpověď a) b) 1 bod, tj. celkem 2 body za správnou odpověď c) – f) 2 body, tj. celkem 8 bodů
14
Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou
☺
Poznáte chemii jinak než jen jako vzorečky, reakce, výpočty a poučky. Zjistíte, že chemie může být i zábava.
☺
Dozvíte se mnoho zajímavostí z různých chemických oborů.
☺
Seznámíte se s partou lidí, kteří mají chemii stejně rádi jako Vy.
☺
KSICHT, to jsou netradiční úlohy, hříčky i úkoly k zamyšlení, výlety a soustředění plné přednášek, laboratoří, exkurzí, ale hlavně legrace a dobré pohody.
☺
A pro ty nejlepší z Vás máme připraveny hodnotné ceny!
Zaujal Vás náš seminář? Řekněte si o něj u svého vyučujícího chemie nebo si ho stáhněte na našich stránkách. HTTP:// KSICHT.NATUR.CUNI.CZ První série začíná v říjnu.
[email protected]
Poznámky:
16
Chemická olympiáda Autorská řešení soutěžních úloh kategorie D 45. ročník – 2008/2009 Autoři kategorie D:
Odborná recenze: Pedagogická recenze: Redakce: Vydal:
RNDr. Miroslav Benátský, CSc., Mgr. Vladimír Smolka, doc. RNDr. Marie Solárová, Ph.D., prof. RNDr. Jan Tržil, CSc. Mgr. Karel Halfar PaedDr. František Lexa Bc. Ladislav Nádherný Národní institut dětí a mládeže MŠMT ČR – 2 530 ks
ISBN:
978-80-86784-72-4
