Mgr. Jan Kotek (anorganická část) Ing. Jaroslav Kvíčala, CSc. (organická část) Ing. Kamil Záruba (praktická část)

Školní kolo ChO kat. B 2003/2004

KATEGORIE B pro žáky:

2. a 3. ročníků středních škol 6. a 7. ročníků osmiletých gymnázií 4. a 5. ročníků šestiletých gymnázií

Autoři:

Mgr. Petr Holzhauser (anorganická a praktická část) VŠCHT Praha Mgr. Petr Cígler (anorganická a praktická část) VŠCHT Praha Mgr. Ladislav Drož (organická část) Přírodovědecká fakulta UK v Praze

Recenze:

Mgr. Jan Kotek (anorganická část) Přírodovědecká fakulta UK v Praze Ing. Jaroslav Kvíčala, CSc. (organická část) VŠCHT Praha Ing. Kamil Záruba (praktická část) VŠCHT Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymnázium Ostrov nad Ohří

OBECNÁ A ANORGANICKÁ ČÁST – ÚVOD: Sloučeniny kobaltu dřímaly v zemské kůře po miliardy let bez povšimnutí. Starověcí a středověcí kovolitci neuměli kobalt z jeho rud připravit, tyto jedovaté minerály jim při práci spíše škodily. Lékař Georg Brandt kobalt sice izoloval v r. 1735 v elementární formě, tento prvek a jeho sloučeniny však zůstaly, až na několik málo příkladů použití ve sklářství a keramice, zase na dlouhou dobu nepovšimnuty. Vše se změnilo šťastnou shodou několika okolností, které přivedly v předminulém století ke studiu tohoto elementu ALFREDA WERNERA. Slovutný profesor anorganické chemie na Curyšské univerzitě pak formuloval na základě studia sloučenin kobaltu základy nového oboru – koordinační chemie. Vzrůstající objem poznatků o kobaltu byl ve 20. století příčinou jeho pozdějšího širšího uplatnění v průmyslu, po objevu jeho radioaktivních izotopů i jeho zneužití v podobě kobaltové bomby a naopak využití jako zdroje γ-záření v tzv. gama-noži při léčbě rakoviny… Pojďme tedy prozkoumat jeho chemii, poznat dopodrobna jeho koordinační chování a klidné, pastelové barvy jeho komplexů. Věříme, že při řešení našich úloh zažijete alespoň zlomek z oněch dobrodružství, které pociťoval WERNER při objevování do té doby téměř neprobádaného světa koordinačních sloučenin! Na rozdíl od něj však máte k dispozici knihy, které vám poslouží jako průvodce v neznámých krajinách. Kromě chemie kobaltu nezapomínejte na obecné základy koordinační chemie a také na středoškolské učebnice, jejichž obsah by měl tvořit základ vašich vědomostí. V letošním klání vám přejeme mnoho zábavy i poučení! Vaši autoři 9


Doporučená literatura: 1. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie prvků, II. díl, Informatorium Praha, 1993, str. 1141, 1375–1384 (jen části týkající se kobaltu), 1388–1389, 1407–1410 2. J. Klikorka, B. Hájek, J. Votinský: Obecná a anorganická chemie, SNTL/Alfa Praha, 1989, str. 558–559, 512–514 3. G. I. Brown: Úvod do anorganické chemie, SNTL Praha, 1982, str. 259–261, 298–299 4. J. A. Makašev, V. M. Zamjatkinová: Sloučeniny v hranatých závorkách, SNTL Praha, krásná knížka, přečtěte si několik kapitol

ORGANICKÁ ČÁST – ÚVOD: Letošní ročník ChO kategorie B v organické části je rozdělen na tři tématické celky. Budou vám předloženy úlohy ve kterých se budete zabývat stereochemií, a to především geometrickou a optickou izomerií. Další dva typy úloh se kterými se setkáte v letošním ročníku ChO budou zaměřeny na reaktivitu nenasycených a aromatických uhlovodíků. Při studiu reakcí se pak zejména soustřeďte na reakce adiční (iontové a radikálové adice na dvojné vazbě) a elektrofilní aromatické substituce na aromatických systémech. K úspěšnému řešení vám bude nápomocna doporučená literatura. Doporučená literatura: 1. J. Pacák: Stručné základy organické chemie, Praha, SNTL 1975, str. 81–90, 227–235, 248–249 2. M. Orchin: Organická chemie, příruční naučný slovník, Praha, SNTL 1986, str. 118–119 3. O. Červinka a kolektiv autorů: Chemie organických sloučenin díl první, Praha, SNTL 1985, str. 493–503, 591–592, 604, 608, 619 4. V. M. Potapov: Stereochemie, překlad z ruštiny, Praha, SNTL 1986, str. 29–30, 269–272 5. Učebnice chemie pro gymnázia

PRAKTICKÁ ČÁST – ÚVOD: V letošním ročníku budou praktické úlohy úzce spjaté se zaměřením teoretické části anorganické chemie. Jak správně očekáváte – týkají se chemie kobaltu. Prostudujte si navíc v libovolných vysokoškolských učebnicích analytické chemie části věnované argentometrii a chelatometrii (např. doporučené partie z učebnice Z. Holzbechera). Doporučená literatura: 1. 2.

Z. Holzbecher a kol.: Analytická chemie. SNTL/Alfa Praha, 1974, str. 311–313, 316–319 G. I. Brown: Úvod do anorganické chemie, SNTL Praha, 1982, str. 267–268

10


Motto:

Die Molekülverbindungen waren während der großen Entwicklungsepoche der organischen Chemie, in welcher die Strukturlehre ausgebaut wurde, zu Stiefkindern geworden, und nur einzelnen derselben wurde noch Beachtung geschenkt, weil ihnen ein praktisches Interesse zukam. Diese Vernachlässigung ist dadurch zu erklären, daß sich die Konstitution dieser Verbindungen nich auf derselben valenzchemischen Grundlage entwickeln ließ, wie die Konstitution der organischen Verbindungen. […] Die Elementaratome haben auch dann, wenn sie im Sinne der älteren Valenzlehre gesättigt sind, immer noch genügend chemische Affinität zur Verfügung, um andere, scheinbar

ebenfalls gesättigte Atome und Atomgruppen zu binden, und zwar unter

Erzeugung ganz bestimmter Atombindungen. Dieser Satz ist heute auf Grund der Untersuchung einer sehr großen Anzahl von Molekülverbindungen, welche man jetzt als Komplexverbindungen bezeichnet, in so reichem Maße experimentell begründet, daß wir ihn als Ausgangspunkt unserer weiteren Entwicklungen wählen dürfen.1 ALFRED WERNER Z přednášky u příležitosti udělení Nobelovy ceny, prosinec 1913 Přetištěno v Naturwissenschaften 2 (1914), 1 – 7

1

„Molekulové sloučeniny“ se v průběhu bouřlivého rozvoje organické chemie, během něhož byla vypracována nauka o struktuře, staly popelkami chemie. Pozornost byla věnována jen některým z nich pro jejich praktický význam. Toto přehlížení můžeme vysvětlit tím, že konstituce těchto sloučenin se nedala odvodit na stejném valenčním základě jako konstituce sloučenin organických. […] Atomy prvků mají k dispozici – i tehdy, když jsou podle starší nauky o vazbě valenčně nasyceny – stále ještě dost chemické afinity k tomu, aby mohly vázat stejně zdánlivě nasycené atomy a skupiny atomů. Tato teze je dnes na základě zkoumání obrovského počtu „molekulových sloučenin“, jež jsou nyní označovány jako sloučeniny komplexní, podložena výzkumy v tak široké míře, že ji můžeme zvolit za základní východisko našeho dalšího tvoření.

11


TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Kontrolní úlohy studijní části školního kola

Úloha 1 Komplexy kobaltu

13,5 bodu

Zakladatelem moderní koordinační teorie byl profesor curyšské techniky ALFRED WERNER (1866 – 1919). Za svou práci, kterou jako první objasnil strukturu koordinačních sloučenin, mu byla udělena na dlouhou dobu jediná Nobelova cena za anorganickou chemii. Na základě rozsáhlé systematické přípravy nových látek a za využití fyzikálně-chemických metod prokázal správnost svojí nové, koordinační teorie. 1. Ve kterém roce získal ALFRED WERNER Nobelovu cenu? Modelovou sloučeninu, která jako jedna z mnoha pomohla mladému Wernerovi dokázat jeho myšlenky, lze připravit následujícím postupem. Do roztoku chloridu kobaltnatého, který obsahuje nadbytek rozpuštěného chloridu amonného a amoniaku se přidá malé množství aktivního uhlí (slouží jako katalyzátor) a do vzniklé suspenze se zavádí proud vzduchu. Kobaltnatý ion se kyslíkem oxiduje na kobaltitý ion, váže na sebe molekuly amoniaku jako ligandy a vysráží se v podobě chloridu: CoCl2 + NH4Cl + NH3 + O2 → [Co(NH3)6]Cl3 + H2O Produkt byl pro svou barvu označován triviálním názvem jako luteochlorid. 2. Napište chemický název luteochloridu, jakou má barvu? 3. Vyčíslete rovnici jeho přípravy. Jednou z metod, kterou WERNER dokazoval, z jakých iontů jsou komplexní sloučeniny složeny, byla vodivostní měření. Rozpuštěním iontové látky ve vodě přejdou do roztoku ionty, které díky svému náboji značně zvýší vodivost roztoku. Vodivost roztoku je pak přímo úměrná počtu pohyblivých iontů v roztoku. Na obrázku je kopie grafu, který Werner uveřejnil v jednom ze svých stěžejních článků. Ukazuje, jak závisí molární vodivost (v jednotkách S.cm2.mol–1) na iontovém složení rozpuštěné látky. Hodnoty v grafu byly naměřeny pro 0,001 M roztoky uvedených komplexních solí v destilované vodě.

12


4. Jak se nazývá proces rozštěpení iontové látky na ionty během rozpouštění? 5. Jak se jmenuje jednotka vodivosti, jejíž značka je S? 6. Pro prvních pět komplexů v grafu (zleva) doplňte následující tabulku (šedivé políčko, odpovídající neznámé hodnotě ponechte zatím prázdné): Triviální název

*) Pozn.:

Chemický název

Chemický vzorec

Počet pohyblivých iontů *)

Molární vodivost [S.cm–2.mol–1]

Vodivost roztoku je způsobena ionty, ale ne všechny ionty přispívají stejnou měrou. Komplexní ionty jsou veliké a málo pohyblivé a k vodivosti téměř nepřispívají. Vodivost roztoku je pak zajištěna malými pohyblivými chloridovými nebo draselnými ionty. Do kolonky proto napište počet těchto malých pohyblivých iontů vzniklých při disociaci jedné molekuly komplexu.

V grafu byla záměrně vymazána hodnota pro xanthokobaltchlorid. Pokuste se předpovědět tuto neznámou hodnotu následujícím způsobem: 7. Použijte vhodný program pro práci s grafy (Microsoft Excel, Sigma Plot, Origin) a vyneste závislost molární vodivosti (osa y) na počtu pohyblivých iontů (osa x), jako to udělal WERNER (pro počet pohyblivých iontů 1 budete mít dva blízké body). Nechte program experimentálními body proložit přímku procházející počátkem souřadnic a předpovězte hodnotu molární vodivosti pro xanthokobaltchlorid. 8. Proložení přímky počátkem souřadnic neznamená nic jiného než předpoklad, že destilovaná voda má nulovou vodivost (promyslete!). Co si myslíte o tomto tvrzení?

13


Úloha 2 Tvary koordinačních částic

9,5 bodu

Tvary molekul koordinačních sloučenin zahrnují celou škálu různých geometrických útvarů. Mezi základní útvary, od kterých se odvozují složitější variace, patří: a) tetraedr b) oktaedr c) krychle (hexaedr) Centrální atom umísťujeme do geometrického středu tělesa, ligandy pak obsazují vrcholy tzv. koordinačního polyedru (mnohostěnu). 1. Naučte se přehledně nakreslit výše uvedené polyedry. 2. Ke každému z bodů a) – c) uveďte příklad koordinační sloučeniny nebo iontu majícího daný tvar. 3. Uvedené útvary řadíme mezi pět tzv. platónských těles. Vyhledejte v literatuře tento pojem a zjistěte, co mají tato tělesa společného. Napište názvy zbývajících dvou těles. 4. Předpokládejme komplexy typu [MA4], [MA6] a [MA8] mající tvar tetraedru, oktaedru a krychle (M – centrální atom, A – ligand). Jsou v jednotlivých případech všechny vrcholy koodrinačního polyedru ekvivalentní (rovnocenné)? 5. Kolik existuje geometrických izomerů komplexů výše uvedených tvarů o složení [MA2B2], [MA4B2] a [MA6B2]? (A, B – různé ligandy) Nakreslete je. 6. Jak se označují tyto izomery u oktaedrického komplexu typu [MA4B2]? Nakreslete prostorové vzorce obou forem komplexního iontu [Co(NH3)4Cl2]+ a pojmenujte je.

Úloha 3 Widium

7 bodů

Kobalt se využívá při výrobě extrémně tvrdých materiálů sloužících pro výrobu nožů, vrtáků a dalších obráběcích nástrojů. Představitelem této skupiny materiálů je widium, jež pro svou tvrdost dostalo název podle německého „Wie Diamond“. Základem materiálu je karbid wolframu, WC, který se při teplotě 1470 K slinuje a jako pojivo se používá právě elementární kobalt. Na výrobu vrtací korunky jednoho widiového vrtáku o průměru 8 mm je třeba 7,3 g slitiny. Vypočítejte, kolik je třeba čistého kobaltu na výrobu 100 takových vrtáků, pokud je molární poměr wolframu a uhlíku ve slitině nW/nC = 1,36 a obsah wolframu je 83,87 % (hmotnostních). Ar(C) = 12,01

Ar(Co) = 58,93

Ar(W) = 183,84

14


Úloha 4

8 bodů

Které z uvedených molekul nelze ztotožnit s jejich zrcadlovým obrazem? Zrcadlové obrazy vámi určených molekul nakreslete. Cl F

CH3

Br H2N

I

Cl

Br

H C C C C

H

COOH

H

Br

Br Br

H

F

C C C H

H

H Cl

F

C C C C Br

Br

F F

Cl

Br

Br

Cl

Br

12 bodů

Úloha 5 Určete strukturu cyklického uhlovodíku A, o kterém víte, že: a) odbarvuje roztok bromové vody

b) reaguje za chladu s roztokem KMnO4 za vzniku sloučeniny, u které vzájemný poměr kyslíku a vodíku je 1:6 c) působením vodíku na platinovém katalyzátoru dává nasycený uhlovodík v němž vzájemný poměr uhlíku a vodíku je 1:2 d) reakcí s roztokem KMnO4 za tepla poskytuje sůl C6 dikarboxylové kyseliny Napište strukturní vzorec a název neznámého uhlovodíku A a reakční schémata probíhajících dějů (neuvažujte stereochemii).

Úloha 6

10 bodů

Jaké produkty můžeme očekávat při reakci 1-heptenu s plynným bromovodíkem, jestliže byla reakce provedena za podmínek iontové adice? (Uvažujte příslušnou stereochemii) V jakém poměru produkty vznikají? Napište rovnici uvedené reakce a uveďte, za jakých podmínek k ní dochází a podle jakého pravidla se řídí. Jaký produkt bychom získali, jestliže by reakce probíhala za účasti UV záření? Napište rovnici uvedené reakce. Ve všech produktech označte asymetrický atom uhlíku hvězdičkou.

15


PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Schönit K2Co(SO4)2.xH2O Podvojné sírany obsahující dva kationty v oxidačních stavech I a II s určitým počtem hydrátových vod se nazývají schönity. Tyto sloučeniny dobře krystalují a jsou často vzájemně isomorfní (mají podobné parametry krystalových mřížek a tvoří směsné krystaly). Vylučují se ze směsných roztoků síranů M2ISO4 a MIISO4, neboť jsou většinou méně rozpustné než oba výchozí sírany. Barva krystalů schönitů je podobná barvě síranů výchozích přechodných kovů, neboť kationty přechodných kovů v obou typech sloučenin jsou podobně hydratované. V praktické části připravíte schönit o složení K2Co(SO4)2.xH2O krystalizací z vodného roztoků síranů K2SO4 a CoSO4. Tato sloučenina krystaluje za podmínek preparace s přesným počtem hydrátových vod x. Vaším úkolem bude nepřímé určení počtu hydrátových vod u připravené látky pomocí chelatometrického stanovení kobaltu.

Úloha 1 Příprava schönitu

10 bodů

Pracovní postup: Na předvážkách odvažte 2,00 g (7,1 mmol) CoSO4.7H2O a 1,24 g (7,1 mmol) K2SO4. Síran kobaltnatý převeďte do malé kádinky, přidejte pipetou 7,5 ml destilované vody a 3 kapky 10% H2SO4 na zabránění hydrolýzy. Kádinku zahřejte na síťce na cca 60 °C a míchejte, dokud se krystalky úplně nerozpustí. Síran draselný převeďte do zkumavky a přidejte pipetou 4 ml vody. Zkumavku uchopte do držáku a za stálého protřepávání roztok zahřejte k varu. Jakmile bude všechen síran rozpuštěn (v případě nerozpustěných krystalků přidejte několik kapek vody), přilijte jej k horkému roztoku síranu kobaltnatého a směs ochlaďte pod proudem tekoucí vody. Poté přidávejte pomalu za stálého míchání ethanol, dokud dochází k vylučování schönitu. Vzniklé krystalky odsajte na Büchnerově nálevce, promyjte třikrát cca 10 ml ethanolu a prosávejte 5 min. vzduchem. Produkt převeďte na čistý filrační papír a sušte 15 minut v sušárně při 85 °C Po vysušení produkt zvažte. (Pozor – schönit nesušte při vyšší teplotě! Dodržujte též předepsaných 15 minut, mohlo by dojít k jeho rozkladu.). Mr(CoSO4) = 155,00

Mr(K2SO4) = 174,26

16

Mr(H2O) = 18,02


Úloha 2 Chelatometrické stanovení kobaltu

30 bodů

Při chelatometrických titracích se využívá nejčastěji komplexotvorné činidlo Chelaton III (dvojsodná sůl kyseliny ethylendiamintetraoctové, EDTA), které v komplexech vystupuje jako anion s nábojem 4–. Při stanovení reaguje anion EDTA s iontem kovu Mn+ vždy v molárním poměru 1:1 nezávisle na náboji iontu n. K indikaci bodu ekvivalence se používá některý z tzv. metalochromních indikátorů, které tvoří výrazně zbarvené komplexy se stanovovaným iontem. O

O

O

O

N

N

O

O

4

O

O

EDTA

Pracovní postup: Do titrační baňky navažte diferenčně přibližně přesně 0,3000 g připraveného schönitu. Navážku rozpusťte v 50 ml vody, přidejte 5 kapek 10% H2SO4 a xylenolovou oranž (na špičku lžičky). Po malých dávkách pak přidávejte pevný hexamethylentetraamin (urotropin), až je roztok zřetelně fialově zbarven. Čirý fialový roztok zahřejte na cca 60 °C a titrujte odměrným roztokem Chelatonu III (c = 0,0500 mol.dm–3) do červenooranžového zbarvení. Stanovení proveďte třikrát, přičemž při prvním stanovení zjistíte, jak barevný přechod vypadá. Otázky a úkoly: 1. Určete počet hydrátových vod x v schönitu K2Co(SO4)2.xH2O. 2. Na základě známého složení schönitu napište chemickou rovnici jeho vzniku a vypočítejte výtěžek vaší preparace (v procentech). 3. Jak se triviálně nazývají podvojné sírany typu MIMIII(SO4)2.12H2O? 4. EDTA tvoří s ionty kovů oktaedrické komplexy. Pokuste se nakreslit koordinační polyedr komplexu EDTA s Co2+ způsobem, kterým jste zakreslovali tvary komplexních částic v teoretické části školního kola. Pro znázornění struktury EDTA použijte zjednodušené schéma: O

O N

N O

O

(Nejprve si nakreslete polyedr, poté do jeho vrcholů umístěte jednotlivé atomy a správně je spojte oblouky). 17


Pomůcky: Pro každého soutěžícího: • • • • • • • • • • • • • • • • •

2× malá kádinka (25 ml nebo 50 ml) 50 ml Erlenmeyerova baňka zkumavka dělená 10 ml pipeta Büchnerova nálevka odsávací baňka a připojení na vývěvu tyčinka nálevka byreta 250 ml titrační baňka navažovací lodička malá nálevka na plnění byrety střička s vodou lžička stojan filtrační kruh filtrační papír

Dohromady pro všechny soutěžící: • • •

předvážky analytické váhy sušárna

Chemikálie: Vždy pro několik soutěžících dohromady: • • • • • • •

síran draselný síran kobaltnatý heptahydrát ethanol hexamethylentetraamin xylenolová oranž rozetřená s NaCl nebo KNO3 v hmotnostním poměru 1:100 10% kyselina sírová odměrný roztok Chelatonu III (c = 0,0500 mol.dm–3). 18,612 g Chelatonu III se rozpustí v destilované vodě a doplní v 1000 ml odměrné baňce po rysku.

18

Školní kolo ChO kat. C 2003/2004

KATEGORIE C pro žáky :

Autoři:

1. a 2. ročníků středních škol 5. a 6. ročníků osmiletých gymnázií 3. a 4. ročníků šestiletých gymnázií doc. RNDr. Marie Solárová, Ph.D. Přírodovědecká fakulta Ostravské univerzity, Ostrava prof. RNDr. Jan Tržil, CSc. Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství VŠB-TU, Ostrava Mgr. Vladimír Smolka Přírodovědecká fakulta Ostravské univerzity, Ostrava RNDr. Miroslav Benátský, CSc. Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství VŠB-TU, Ostrava

Recenze:

doc. RNDr. Hana Čtrnáctová, CSc. Přírodovědecká fakulta UK v Praze Ing. Bohuslav Dušek, CSc. VŠCHT Praha Mgr. Karel Halfar Matiční gymnázium, Ostrava

Základní rozsah poznatků potřebných k řešení chemické olympiády je určen teoretickými úlohami školního kola. Rozsah úloh nepřekračuje rámec učiva 1. ročníku střední školy. Letošní úlohy chemické olympiády kategorie C jsou zaměřeny na téma „Barevná chemie“ Požadavky: 1. Znalost základních chemických výpočtů: z chemické rovnice, roztoky – výpočty koncentrací roztoků. 2. Orientace v základních typech reakcí – reakce acidobazické, redoxní, komplexotvorné. Vytvoření úplné chemické rovnice, její úprava (vyčíslení) a zkrácený iontový zápis. 3. Názvosloví základních anorganických kyslíkatých i bezkyslíkatých sloučenin, jednoduchých koordinačních sloučenin, elektrolytická disociace ve vodných roztocích, součin rozpustnosti. 4. Oxidační stavy manganu, chromu, mědi a jejich nejvýznamnější sloučeniny. 5. Acidobazické indikátory a jejich barevné přechody při změně pH, hydrolýza solí. 6. Redoxní děje, úprava redoxních rovnic. 7. Přehled a základní chemické vlastnosti jednoduchých organických sloučenin – aldehydů, ketonů, monosacharidů a disacharidů (v rozsahu učiva základní školy) a jejich důkazů pomocí analytických činidel (Fehlingovo a Tollensovo činidlo). 8. Laboratorní dovednosti potřebné pro přípravu roztoků, základní dovednosti při acidobazické titraci. 19


Doporučená studijní literatura: 1. P. Beneš, V. Pumpr, J. Banýr: Základy chemie II, Praha, Fortuna 1995 2. J. Vacík: Přehled středoškolské chemie, Praha, SPN 1995 3. J. Vacík: Chemie 1 pro gymnázia (obecná a anorganická chemie), Praha, SPN 1995 4. V. Flemr, B. Dušek: Chemie pro gymnázia I (obecná a anorganická), Praha, SPN 2001 5. V. Šrámek, L. Kosina: Chemické výpočty a reakce, Praha, Albra 1996 6. I. Karger a kol.: Chemie I, Praha, Prodos 1999 7. D. Pečová: Chemie II, Praha, Prodos 1999 8. J. Honza, A. Mareček: Chemie pro čtyřletá gymnázia – 1. a 2. díl., Olomouc, 1998 9. A. Berka: Příručka k praktiku z kvantitativní analytické chemie, Praha, SNTL/Alfa, 1985 10. L. Čermáková a kol.: Analytická chemie I pro střední průmyslové školy skupiny studijních oborů technická chemie, Praha, SNTL 1984

20


TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Kontrolní úlohy studijní části školního kola

Úloha 1 Barevné sloučeniny mědi

12,5 bodů

I.

Světle modrá krystalická látka A zahříváním na 300 °C ztrácí vodu a mění se v bílou bezvodou látku B (1). Dalším zahříváním nad 650 °C se rozkládá na černý prášek C a silně kyselý plyn D (2). Redukcí látky C vodíkem za tepla vznikne kov E (3), který reakcí s horkou koncentrovanou kyselinou sírovou (4) a následnou krystalizací poskytuje opět látku A. II. Pokud látku A rozpustíme ve vodě a přidáme roztok hydroxidu sodného, vylučuje se z původního světle modrého roztoku světle modrá sraženina látky F (5). Jestliže vzniklou sraženinu odfiltrujeme, promyjeme ji až je odstraněn zbytek NaOH a přikápneme k ní pár kapek zředěné kyseliny octové, vzniká roztok soli G (6), jehož odpařením dostaneme modré krystalky této soli. III. Jestliže látku A rozpustíme ve vodě a ke vzniklému roztoku přidáme roztok amoniaku, vzniká nejprve světle modrá sraženina F, která se při dalším přidání roztoku amoniaku mění na roztok fialovomodrého zabarvení – vzniká komplexní kation H. Redukcí některých komplexních solí měďnatých vzniká sloučenina CH – tato sloučenina červenohnědého zabarvení (ve vodě nerozpustná) je mimo jiné také jednou z výsledných produktů reakce Fehlingova činidla s organickými sloučeninami obsahujícími v molekule aldehydickou funkční skupinu.

Vaším úkolem bude: a) Přiřadit jednotlivým látkám A – CH správné vzorce a jejich názvy. b) Jednotlivé reakce označené 1 – 6 zapsat vyčíslenou chemickou rovnicí. c) Uvést alespoň dva způsoby praktického využití látky A.

Úloha 2 Důkaz organické sloučeniny

3,5 bodu

Některé organické sloučeniny (aldehydy, monosacharidy, redukující disacharidy) lze dokázat na základě barevné změny činidel, např. pomocí Fehlingova činidla. Vaším úkolem bude: a) Vyhledat v učebnici složení obou dílčích roztoků, ze kterých se skládá Fehlingovo činidlo. b) Popsat podstatu důkazu výše uvedených organických sloučenin. c) Zdůvodnit, proč laktosa s Fehlingovým činidlem reaguje, avšak sacharosa ne.

21


Úloha 3 Barevné změny indikátorů I.

7 bodů

Barevnosti různých sloučenin lze využít k určování acidobazických vlastností roztoků. K tomu se používají tzv. acidobazické indikátory (jedná se většinou o organické kyseliny nebo zásady). Acidobazické indikátory jsou látky, které mění svou barvu v závislosti na hodnotě pH roztoku. Vaším úkolem bude zapsat do příslušné tabulky barevné změny uvedených indikátorů a v literatuře vyhledat pH jejich barevného přechodu. Indikátor

Barevná změna

Oblast barevného přechodu pH

Thymolová modř Methyloranž Methylčerveň Lakmus Fenolftalein II. Napište chemické rovnice hydrolýzy solí a) roztok chloridu draselného, b) roztok octanu sodného, c) roztok draselného mýdla. Vysvětlete, jakou barvu bude mít indikátor ve vodném roztoku rozpuštěných solí: a) methyloranž v roztoku chloridu draselného b) lakmus v roztoku octanu sodného c) fenolftalein v roztoku draselného mýdla

Úloha 4 Barevné změny při redoxních reakcích

13 bodů

Kromě acidobazických reakcí se barevné změny mnohdy projevují též při redoxních reakcích. Výrazné barevné změny pozorujeme např. při oxidaci, respektive redukci sloučenin chromu a manganu. Oba uvedené prvky vystupují v řadě oxidačních stavů s charakteristickým zbarvením. Důležitými sloučeninami jsou dichroman draselný a manganistan draselný. Jsou to silná, často používaná oxidační činidla, která se při reakci redukují a mění své zbarvení. I. Reakce Cr2O72– a) Napište vzorec iontu chromu po redukci dichromanových aniontů v kyselém prostředí. b) Zapište chemickou rovnicí redukci dichromanu draselného siřičitanem draselným v prostředí kyseliny sírové, vyčíslete ji a napište rovnici v úplném tvaru i zkráceným iontovým zápisem (v iontovém tvaru). Uveďte změnu barvy sloučenin chromu. II. MnO4– a) Napište oxidační číslo manganu po redukci manganistanového aniontu v prostředí kyselém a neutrálním (či slabě zásaditém). b) Zapište chemickou rovnicí redukci manganistanu draselného peroxidem vodíku v prostředí kyseliny sírové, vyčíslete ji a napište rovnici v úplném tvaru i zkráceným iontovým zápisem (v iontovém tvaru). Uveďte změnu barvy sloučenin manganu. c) V silně zásaditém prostředí alkalických hydroxidů se manganistan redukuje na manganan. Napište a upravte rovnici této reakce v úplném tvaru a uveďte, která látka je zde redukčním činidlem. Uveďte změnu barvy sloučenin manganu. 22


Úloha 5 Vznik barevné sraženiny – výpočet

12 bodů

Analytická chemie kvalitativní je založena na tvorbě barevných sraženin nebo roztoků. Jedna z takových charakteristických barevných reakcí se používá v praxi k důkazu stříbrných kationtů – jedná se o reakci roztoku dusičnanu stříbrného s bromidem draselným. Vaším úkolem bude: a) Napsat chemickou rovnici reakce v úplném tvaru a určit barvu vzniklé sraženiny sloužící k důkazu stříbrných kationtů. b) Při reakci vzniklo 1,5 gramů této sraženiny. Jaká hmotnost dusičnanu stříbrného převedeného do roztoku a kolik gramů 35% roztoku bromidu draselného bylo při reakci použito? c) K uskutečnění dané chemické reakce máte k dispozici dva roztoky – jeden obsahující 2,7 gramů dusičnanu stříbrného a druhý obsahující 2,1 gramů bromidu draselného. Vypočítejte, kolik gramů dané sloučeniny vznikne a který z uvedených reaktantů je v nadbytku. Poznámka:

Při výpočtu příkladů 2 pracujte s přesností na tři desetinná místa. M(KBr) = 119,00 g.mol–1 M(AgNO3) = 169,87 g.mol–1

Úloha 6 Koordinační sloučeniny

3 body

Z uvedených vzorců koordinačních sloučenin a způsobu jejich použití vytvořte dvojice. Sloučeniny A až D pojmenujte. A. [ Ag(NH3)2]+ B. [ Cu(NH3)4](OH)2 C. [Ag(S2O3)2]3– D. Fe4[Fe(CN)6]3

1. 2. 3. 4.

ustalování fotografií důkaz redukujících sacharidů výroba umělého hedvábí výroba inkoustu

Úloha 7 Součin rozpustnosti

9 bodů

Při řešení další úlohy máte k dispozici vodné roztoky těchto látek: AgNO3 BaCl2 MgCl2 K2CrO4 K2CO3 KCl NaI Na2SO4 Pb(NO3)2 Vaším úkolem je sléváním dvojic roztoků připravit dvě žluté a dvě bílé sraženiny, přičemž každou z uvedených látek můžete použít pouze jednou. Rovnice srážecích reakcí napište v úplném i iontovém tvaru. U každé sraženiny uveďte její barvu a výraz pro její součin rozpustnosti. Hodnotí se pouze čtyři reakce (reakce, v nichž se opakovaně vyskytuje některá ze zadaných látek, se nehodnotí). Výsledky zapište do tabulky. Rovnice úplná iontová úplná iontová úplná iontová úplná iontová

Reakce

Barva žlutá žlutá bílá bílá

23

Součin rozpustnosti


PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úvod: Chemické reakce slouží především k přípravě (výrobě) různých chemických látek nebo k jejich důkazům a stanovením, ale můžeme je využít i k vyvolání neviditelného (tajného) písma nebo ke kouzelnickým výstupům. Ve školním kole se v praktické části věnujete právě tomuto zábavnému využití chemických reakcí, vaším úkolem však bude nejen provést dané experimenty, ale výsledné efekty také z chemického hlediska vysvětlit. Nakonec na doplnění stanovíte koncentraci NaOH v roztoku neutralizační titrací. Potřeby pro práci s tajnými inkousty: • • • •

husí brka (seříznuté špejle) tampónky na špejli – pro každého 3 ks proužky filtračního papíru – 10 ks pro každého včetně rezervy zkumavky na provedení komplexotvorných reakcí – pro každého 4 ks

Potřeby pro titraci (pro každého účastníka): • • • •

byreta (nejlépe na 25 cm3) laboratorní stojan a držák na byretu pipeta na 10 cm3 titrační baňka nebo kádinka (pokud možno 2 kusy)

Roztoky: č. 1 – 12 – viz Experimentální práce – Tajné inkousty a kouzla Experimentální práce: I. Tajné inkousty a kouzla

22 bodů

1. Roztokem CoCl2 (roztok č. 1) napište nebo nakreslete pomocí správně seříznutého husího brka nebo špejlí nápis nebo obrázek a nechte zaschnout. Pak papír s nápisem zahřejte nad plamenem kahanu (opatrně, ať vám neshoří), popř. nad horkým elektrickým vařičem. Nápis se objeví v modré barvě. Po určité době však písmo opět zmizí (zmizení můžete urychlit tím, že na nápis budete zblízka dýchat ústy). Napište úplnou chemickou rovnici a daný jev vysvětlete. 2. Na jiný papírek napište nápis s použitím roztoku (NH4)2Fe(SO4)2 (roztok č. 3). Písmo vyvolejte tampónkem s roztokem K3[Fe(CN)6) (roztok č. 8). Písmo bude krásně modré. Napište úplnou chemickou rovnici a daný jev vysvětlete. 3. Na papírek napište nápis roztokem měďnaté soli (roztok č. 4) a písmo vyvolejte tampónkem smočeným roztokem Na2S (roztok č. 6). Vysvětlete chemismus zviditelnění písma. Napište úplnou chemickou rovnici a daný jev vysvětlete. 4. Přeměna „vody“ ve „víno“ a „vína“ ve „vodu“: a) Kápněte na dno kádinky 1 kapku roztoku fenolftaleinu (roztok č. 11) a napusťte do kádinky vodu z vodovodu. Nyní do kádinky přidejte 1 kapku zředěného roztoku NaOH (roztok č. 7) a současně promíchejte – voda se tím přemění v červenofialové "víno". Zpět ve "vodu" ho 24


můžete proměnit přídavkem 1 kapky roztoku HCl nebo jiné kyseliny. Vysvětlete podstatu barevné změny roztoku. b) Kápněte na dno kádinky roztok železité soli (roztok č. 2) a pak do kádinky lijte „vodu“ – ve skutečnosti roztok NaSCN nebo KSCN, popř. NH4SCN (roztok č. 9). „Voda“ se změní rovněž v červené „víno“, ale poněkud jiného odstínu barvy. Ve „vodu“ se opět promění přídavkem roztoku NaF nebo NH4F (roztok č. 10). Napište obě chemické rovnice a oba jevy vysvětlete. 5. Vliv nadbytku činidla u srážecích reakcí: a) Do zkumavky nalijte asi 1 cm3 roztoku CuSO4. (roztok č. 4), k němu přikapávejte vodný roztok NH3 (roztok č. 12) do vzniku světle modré sraženiny a pokračujte dále až do úplného rozpuštění sraženiny za vzniku tmavě modrého (modrofialového) roztoku. b) Do zkumavky nalijte asi 1 cm3 roztoku AlCl3 (roztok č. 5) a k němu přidávejte vodný roztok NH3 (roztok č. 12) – vzniká sraženina, která se v nadbytku vodného roztoku NH3 nerozpustí. Napište obě chemické rovnice popsaných pokusů a vysvětlete rozdílný průběh pokusů v obou bodech (a,b).

II. Titrace

18 bodů

Stanovení koncentrace NaOH v roztoku neutralizační titrací odměrným roztokem H2SO4 Postup: Do titrační baňky nebo kádinky odpipetujte 10,00 cm3 roztoku NaOH o neznámé koncentraci, zřeďte destilovanou vodou asi na 50 cm3, přidejte několik kapek roztoku indikátoru a titrujte odměrným roztokem H2SO4 (c = 0,05 mol.dm–3 přesná koncentrace je uvedena na zásobní láhvi nebo na tabuli) do změny zbarvení. Titraci zopakujte. Úkoly: a) Sestavte úplnou chemickou rovnici výše uvedeného děje. b) Vypočtěte molární koncentraci NaOH v analyzovaném roztoku. K výpočtu použijte aritmetický průměr obou spotřeb. Poznámka:

Spotřeby odměrného roztoku by se neměly lišit o více než 0,3 cm3, v opačném případě proveďte třetí titraci a k výpočtu použijte průměr spotřeb těch dvou titrací, které vyhovují uvedené dovolené diferenci.

25

Školní kolo ChO kat. B, C 2003/2004

BĚSTVINA 2004 •

Co je to Běstvina? Běstvina je vesnička, kde se pravidelně již přes dvacet let koná letní odborné soustředění pro účastníky chemické a biologické olympiády. Jedná se vlastně o letní tábor s chemickou tematikou plný přednášek, pokusů, demonstrací, laboratoří, ale také sportu, dobrého jídla a zábavy. • Pro koho je Běstvina? Běstvina je určena pro Ty z vás, kteří se umístíte na předních místech v krajských kolech chemické olympiády a svým způsobem je to odměna za vaše úsilí a dosažené výsledky. • Co se dělá na Běstvině? Na Běstvině se toho dělá spousta. V první řadě je to mnoho přednášek na témata obvyklá a zažilá, ale také chemické novinky a v neposlední řadě přednášky a diskuse s autory úloh chemické olympiády. Tyto diskuse se netýkají pouze skončeného ročníku, ale přednáší se i témata, která v olympiádě další školní rok následují. Oblíbené jsou tzv. večerní přednášky ze všech možných oblastí přírodních věd, které bývají doprovázeny demonstracemi jako např. přednáška o jedech, výbušninách nebo fyzice nízkých teplot, po níž následuje show s kapalným dusíkem. Každý oddíl také několikrát absolvuje laboratoře, kde se seznámí např. s titrací na automatických byretách, spektrofotometrií, základy anorganické a organické syntézy, využití počítačů v chemii a dalšími laboratorními dovednostmi. Vzhledem k poněkud přírodním podmínkám je také občas potřeba trochu vlastní tvořivosti a improvizace. Nedílnou součástí Běstviny jsou radovánky v místním rybníce, který je hned vedle tábora. Nejedná se pouze o plavání a skotačení (případně nucené koupání některých lektorů), ale také o oblíbené projížďky na loďkách, jejichž cílem může být tajemný ostrůvek… V táboře je také několik kvalitních antukových hřišť, kde se horlivě zápolí ve volejbale, basketu, nohejbale a tenise. V jídelně jsou také dva pingpongové stoly. V druhé polovině pobytu se již tradičně konají dva velké závody. Noční Labyrint netestuje zdaleka jen chemické znalosti, ale také poznatky z humanitních oborů a všeobecného vzdělání. Během nočního běhání a bloudění po lese se dozvíte mnoho nového, ale také se pořádně zasmějete. Denním kláním je Terčový závod, kdy probíháte terénem, odpovídáte na otázky a podle odpovědí kapete na kulatý filtrační papír různé roztoky. Ty se v cíli vyvolávají a vyhodnocují. Několikrát bude také táborák se vším co k němu patří. Během tábora určitě proběhne alespoň jeden taneční večer, hraje živá muzika v podání muzikantů z tábora, pouštějí se desky, kazety, tancuje se disko i klasika, latina i standard a možná se něco nového i přiučíte. • S kým se na Běstvině setkáte? Vašimi oddílovými vedoucími podle kategorií budou studenti chemie z PřF UK, bývalí účastníci Běstviny. Přednášet Vám budou nejen studenti chemie, ale také páni doktoři, docenti a profesoři. Zjistíte, že to jsou výborní lidé, se kterými je legrace a mají stejnou zálibu jako Vy – chemii. • Proč je vlastně Běstvina? Letní soustředění je určeno pro vás, ty středoškoláky, kteří mají zájem o víc než o to, co se dozvědí od svých profesorů ve škole. Je to forma přípravy na další ročníky ChO. Již tradičně absolventi Běstviny dosahují výrazně lepších výsledků na všech úrovních olympiády. Z jejich středu povstávají týmy reprezentující Českou republiku na Mezinárodní chemické olympiádě, odkud vozí různé těžké kovy v podobě zlatých, stříbrných a bronzových medailí. • Kde a kdy je Běstvina? Běstvina je vesnička ležící 8 km východně od Golčova Jeníkova v okrese Kutná Hora. Jako již tradičně se i letos bude Běstvina konat během druhého letního turnusu, tedy přibližně druhou polovinu července. Nezbývá víc než popřát Vám všem, účastníkům chemické olympiády, mnoho zdaru a štěstí při řešení soutěžních úloh s přáním, že se s Vámi v létě setkáme na Běstvině a strávíme spolu čtrnáct naplno prožitých prázdninových dní.

26

Mgr. Jan Kotek (anorganická část) Ing. Jaroslav Kvíčala, CSc. (organická část) Ing. Kamil Záruba (praktická část)

Recommend Documents