Oktatási Hivatal
KÓDSZÁM:
Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia I. kategória 1. feladat Budapest, 2014. március 29. Egy egyértékű szerves sav moláris tömegének és disszociációállandójának közelítő meghatározása
A feladat során egy ismeretlen egyértékű savat fog vizsgálni. Először egy ismert tömegű minta sav-bázis titrálásával a moláris tömegére következtethet. Aztán a savból készített oldatok pH-ját meghatározva becslést adhat annak disszociációállandójára. A feladat elvégzésére és a válaszlap kitöltésére összesen 120 perc áll rendelkezésére. A kiadott eszközökön kívül kizárólag számológép használható. Az eszközöket újrafelhasználás esetén szükség szerinti alapossággal mosogassa el! A kérdésekre adott válaszait alaposan, szükség esetén számolásokkal indokolja! A rendelkezésre álló eszközök és anyagok listája a mellékletben található.
A NaOH-mérőoldat pontos koncentrációjának meghatározása A mérések során használt NaOH-mérőoldat pontos koncentrációját sósavval titrálva határozhatjuk meg. A titrálást enyhén savas közegben színt váltó keverékindikátor mellett végezzük el átmeneti, szürke színig. A HCl-oldat pontos koncentrációja az üvegeken található. A fogyásokat egyértelműen feltüntetve szükség szerint ismételjük meg a mérést! A mért fogyások:
Az átlagfogyás:
Pontosság: 6 pont
A NaOH pontos koncentrációja a betűvel jelölt oldatban:
Betűjel:
Koncentráció: 1 pont
Az ismeretlen sav koncentrációjának meghatározása Az asztalán található kis lombik egy egyértékű szerves sav rajta feltüntetett tömegű mintáját tartalmazza. Készítsen belőle 200,00 cm3 törzsoldatot! A NaOH-oldattal titráljon belőle megfelelő részleteket fenolftalein indikátort használva! A mért fogyások:
Az átlagfogyás:
Pontosság: 12 pont A sav pontos koncentrációja a betűvel jelölt oldatban:
Betűjel:
Koncentráció: 1 pont
A sav moláris tömege:
1 pont
A sav disszociációállandójának megbecslése Asztalonként rendelkezésükre áll egy oldatsorozat. Az egyes kémcsövekben 3,8 és 5,0 közötti pH-jú oldatok találhatóak. Ezekhez brómkrezolzöld indikátort adtunk, így akár egytized pHegységnyi különbség is észrevehető az oldatok eltérő színárnyalatán. Próbálkozzon összekeverni a rendelkezésére álló oldatokból olyan oldatot, amelynek a pH-ja a sorozat elemeinek pH-tartományában van. Adjon 10 cm3 oldathoz 2 csepp brómkrezolzöld indikátort, és töltse kémcsőbe. Az oldatsorozattal összehasonlítva becsülje meg az oldatának pH-ját! Szükség esetén próbálkozzon újra! Mérések: Egyértelműen tüntesse fel, hogyan állított elő oldatokat, és mit tapasztalt!
Mérés és pontosság: 12 pont
Az oldat(ok) kémhatása és a bemért térfogatok ismeretében számítsa ki, hogy mennyi az ismeretlen sav disszociációállandója! Legyen egyértelmű, hogy milyen mérési adatokat használt fel számolásában!
7 pont Ha a sav koncentrációjának meghatározásakor a brómkrezolzöld indikátor átmeneti színéig titrált volna, akkor milyen irányba tért volna el a sav számított moláris tömege a fenolftalein jelenlétében elvégzett méréshez képest? Brómkrezolzöld mellett a számított moláris tömeg nagyobb lett volna. Brómkrezolzöld mellett a számított moláris tömeg kisebb lett volna. Nem lett volna eltérés a számított moláris tömegben. 2 pont
MELLÉKLET Eszközök és anyagok listája Minden versenyzőnek: 100 cm3 0,1 mol/dm3 koncentrációjú HCl-oldat (pontos koncentrációval) 200 cm3 kb. 0,1 mol/dm3 koncentrációjú NaOH-oldat (karbonátmentes!) 1 db 200 cm3-es mérőlombik benne kb 2 g ismeretlen, pontos tömeggel, tölcsér 10 cm3-es pipetta 1 db pipettalabda 1 db büretta állványon, 12 cm3 10 cm3-es mérőhenger 1 db fehér csempe 1 flaska desztillált víz 1 db cseppentő 3 db titrálólombik 3 db főzőpohár (1 kuka, 2 kicsi pedig öntögetéshez) 3 kémcső és állvány 1 db védőszemüveg papírvatta 1 db feladatlap, melléklettel (5 oldal) Asztalonként: gumikesztyű keverékindikátor oldata, műanyag Pasteur-pipettával fenolftalein indikátor oldata, műanyag Pasteur-pipettával brómkrezolzöld indikátor oldata, műanyag Pasteur-pipettával brómkrezolzöldes oldatsorozat pH 3,8-5,0
Oktatási Hivatal
KÓDSZÁM:
Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia I. kategória 2. feladat Budapest, 2014. március 29. 1. feladat
Cukrok azonosítása
38 pont
A kémiai tanulmányi versenyeken nagyon ritkán találkozunk cukor ismeretlenekkel, mivel ezek az anyagok nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, és azonosításuk nem könnyű feladat. Most egy egyszerű, igazi „sufnitechnológiával” készült analitikai készülék és néhány hagyományos kémiai reakció segítségével ezt megteheti. A cukorszármazékok között kémiai szempontból nagyon kicsi az eltérés: sokszor csak egy szénatom, vagy esetleg csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációja különbözik. Így az analitikai kémiát nagy kihívás elé állította a cukrok vizsgálatának igénye. E célra a múlt század elején az egyik "legütőképesebb" módszer a polarimetria volt. Ez a módszer anyagok optikai forgatóképességének a meghatározására szolgál.
Ha polarizált fény halad át királis anyagok oldatán, akkor a fény polarizációjának síkja elfordul. Az elfordulás mértéke függ: - az anyag szerkezetétől, - a koncentrációtól, - az oldatréteg vastagságától, - a fény hullámhosszától és - a hőmérséklettől. A polariméterekben két drága optikai elem, két polárszűrő található. Az egyik (az ún. polarizátor) előállítja a természetes, nem poláris fényből a vizsgálatra szolgáló polarizált fényt, a másikat, az ún. analizátort pedig addig kell forgatni, amíg az áthaladó fény intenzitása maximális lesz. A forgatóképességet végül a két polárszűrő által bezárt szög adja meg. Napjaink 3D TV technológiája forradalmat hozott a polárszűrők gyártásában: a korábbi igen drága kristályalapú szűrők mellett megjelentek a filléres, polimeralapú „3D szemüvegek”. E szemüvegek (egyes típusában) két, egymáshoz képest 90º-ban elforgatott („záró” helyzetű) polárszűrő található. A 3D TV készülék a két szemnek szóló képet kétféle, egymáshoz képest 90º-ot bezáró polarizáltságú fénnyel vetíti ki.
Egy ilyen szemüveg, valamint egy műanyag csatornacső darab (T-idom) segítségével fogunk elkészíteni egy nagyon egyszerű sufni-polarimétert, ami segít majd a kiadott cukor ismeretlenek azonosításában. A laborban talál egy kész, összeszerelt készüléket. Ha nem világos a leírás, azon ellenőrizze, hogy pontosan hogyan kell összeállítani azt! 1. Vágja szét középen a kiadott 3D szemüveget, vágja le a szemüveg szárait, és tanulmányozza a két szűrőt! Fektesse őket egymásra, nézzen át rajtuk, majd forgassa el a két fóliát! 2. A T-idom szűk szárának végére ragassza fel az egyik szűrőt ragasztószalaggal úgy, hogy a szűrő mellett ne jusson be fény a cső belsejébe. Ez a szűrő lesz a fix, nem forgatható, ún. polarizátor. 3. A kiadott (WC-papír-gurigából elkészített) gyűrű szélesebbik végére ragassza fel a másik szűrőt hasonló módon. Csúsztassa be a papírgyűrűt a T-idom polarizátorral átellenes szárába. A gyűrű forgatható, így ez a szűrő lesz az analizátor. 4. Az asztalán talál egy fekete papírból készült „maszkot”. Ez az alkatrész a T-idom vízszintes szárába kerül (a berakáshoz vegye ki az analizátort, majd tegye vissza), és az a szerepe, hogy a behelyezett mintaüveg körüli rést takarja ki: a készüléken csak az a fény jut át, ami áthalad a mintaüvegen. 5. Fogja be a készüléket vízszintes helyzetben laborállványba úgy, hogy a T-idom középső szára felfelé nézzen! 6. Irányítsa a polarizátort egy jól megvilágított felületre! Töltse meg a mintaüveget vízzel, és helyezze be a T-idom középső szárába, majd fedje le ezt a nyílást egy szűrőpapír lappal. A készülék analizátor felőli végén nézzen be, és forgassa körbe az analizátort! A látótér hol elhalványodik, hol kivilágosodik. Keresse meg azt az állapotot, ahol a mintaüveget a legsötétebbnek látja. Ez a pozíciót lesz a készülék „nulla” állapota. Egy üvegíró filctoll („marker”) segítségével jelölje meg az analizátor helyzetét a műanyag csőhöz képest! (A készülék működését bemutató ábrán azt a helyzetet mutattuk be, amikor az analizátor „nyitott” állásban van, azaz amikor a maximális fényintenzitást látja a megfigyelő. A gyakorlatban az alacsony intenzitást sokkal pontosabban tudjuk megfigyelni, mint az erős fényt, és a két állás között pont 90º az eltérés, tehát mindegy, hogy melyik helyzetet választjuk. A mérés a zárt állásban sokkal könnyebb és pontosabb, ezért most ezt a megoldást használjuk.) 7. Készítsen a vizsgálandó anyagból kb. 10 ml nagyon tömény, akár 50%-os oldatot egy főzőpohárban! A jelenséget annál jobban látni, minél töményebb a vizsgált oldat. Töltse az oldatot a mintaedénybe (elég, ha félig van oldattal), és helyezze azt a készülékbe! Az analizátor forgatásával ismét keresse meg azt a pozíciót, ahol a látótér a legsötétebb. Mivel a forgatóképesség függ az oldatréteg vastagságától, az edény középső, legvastagabb részét vegye figyelembe! Nézze meg, hogy történt-e változás az analizátor helyzetében a „nulla” helyzethez képest! Ha nem történt, akkor az anyag optikailag nem aktív (vagy csak olyan kis mértékben az, hogy ezzel a filléres eszközzel nem tudjuk kimutatni). Ha az analizátort az óramutató járásának irányában kellett elforgatnunk a „nulla” helyzethez képest, akkor a vizsgált anyag forgatóképességének iránya + (pozitív), ellenkező esetben – (negatív). (Az előző oldalon látható ábrán egy pozitív forgatóképességű anyagot ábrázoltak.) A forgatóképesség értékének meghatározására ez az eszköz nem eléggé pontos, csak annak iránya deríthető ki. A feladat során a forgatóképesség meghatározásán kívül még az alábbi vizsgálatokat végezheti el: a) Az olvadáspont közelítő meghatározása: kémcsőbe tett pár tized gramm pormintát helyezzen max. 5 percre a forrásban lévő vízfürdőbe! b) Ezüsttükörpróba: kb 1 ml ezüst-nitrát-oldathoz adjon cseppenként annyi 2 mol/dm3 koncentrációjú ammóniaoldatot, hogy a kiváló csapadék feloldódjék. Adjon az oldathoz késhegynyit a vizsgálandó cukorból, majd merítse a kémcsövet fél percre a forró vízfürdőbe!
Pozitív a teszt, ha rövid időn belül szürke-fekete színű ezüst kiválását, vagy – szerencsés esetben – ezüsttükör képződését tapasztalja. c) Szelivanov-reakció: egy kémcsőbe öntsön 2 ml 6 mol/dm3 koncentrációjú HCl-oldatot. Adjon hozzá 4 csepp 2%-os rezorcin- (meta-dihidroxi-benzol-) oldatot! Adjon az elegyhez késhegynyit a vizsgálandó cukorból, és állítsa a kémcsövet fél-egy percre a forró vízfürdőbe! A reakció pozitív ketózok jelenlétében. A pozitív reakciót élénkvörös szín megjelenése jelzi. (A reakció során kizárólag keto-cukrokból tud egy bonyolult szerkezetű festékanyag létrejönni.) Vigyázzon, ha hosszú ideig melegíti az oldatot, akkor más minták is adhatják a reakciót! Az alábbi táblázatban szereplő hatféle cukorszármazék mintáit tartalmazza az asztalán a hat számozott kémcső. Megadtuk a cukrok olvadáspontját, valamint forgatóképességük irányát, a feladat végén pedig a képletüket is. A vegyületek egy része nem „hagyományos” cukor, hanem cukrok redukciójával nyert ún. cukoralkohol. Cukorszármazék glükóz fruktóz szacharóz xilit eritrit mannit
Olvadáspont /ºC 146 102 186 94 118 165
Forgatóképesség + – + inaktív inaktív +
A bevezetőben felsorolt eljárások és a „sufni-polariméter” segítségével állapítsa meg, hogy melyik kémcsőben melyik anyag található! Tapasztalatait a túloldali táblázatban foglalja össze! Határozza meg, hogy melyik minta melyik cukornak felelt meg! Tömören magyarázza meg, hogy miért! (Ha nem tartja szükségesnek egy kísérlet elvégzését, és az anyagot enélkül is sikerrel azonosítja, nyugodtan hagyja ki a vizsgálatot!) Végül válaszolja meg a feladat végén található kérdéseket is!
xilit
eritrit
mannit
24 pont
6.
5.
4.
3.
2.
1.
No.
Forg. kép.
Olvadáspont
Ezüsttükörpróba
Szelivanovpróba
Cukorszármazék neve Magyarázat
Adják-e a cukoralkoholok az ezüsttükörpróbát?
1 pont Adják-e a nem redukáló, ketóztartalmú összetett cukrok a Szelivanov-próbát? Mi lehet a jelenség magyarázata?
2 pont Írja fel, hogy az ezüsttükörpróbához szükséges reagens elkészítése során milyen reakciók zajlanak le!
2 pont Hány kiralitáscentrumot tartalmaz az eritrit molekulája? Miért nem mutat optikai aktivitást?
2 pont Ha a cukorszármazékok között szerepelt volna a keményítő is, akkor hogyan lehetett volna azonosítani?
1 pont Meg tudja-e figyelni a polarimétere segítségével, hogy a forgatóképesség függ a fény hullámhosszától? Milyen erre utaló jelenséget láthatunk?
2 pont Hogyan lehetne a polariméter érzékenységét növelni?
1 pont
A méz cukortartalmának döntő része gyümölcscukor, és csak kisebb mennyiségben tartalmaz répacukrot, glükózt, valamint nyomokban egyéb cukorféleségeket. Sajnos gyakori dolog, hogy a mézet hamisítják: répacukorból sűrű szirupot főznek, egy kis sárga ételfestéket adnak hozzá, és ezzel az anyaggal „szaporítják” illegálisan a drága valódi mézet. A feladat során használt módszerek közül melyik lehet alkalmas az ilyen csalás leleplezésére? Hogyan?
3 pont
2. feladat
Egy meglepő tény a növényi festékekről
20 pont
Szinte az összes piros-lila, sőt kék virágnak, termésnek a festékanyaga az ún. antocianin családba tartozik (valójában sok, nagyon hasonló szerkezetű anyagról van szó). Ez a festék indikátor tulajdonsággal rendelkezik, melyet a kémiai feladatok szerzői előszeretettel ki is használnak. Tavaly is szerepelt az OKTV döntőjében lilakáposztás-indikátoros példa. Azonban a növények egy egészen szűk köre meglepő módon nem antocianinokat használ a piros szín elérésére, hanem más festékanyagokat, pl. betanint. Ebben a feladatban a lilakáposzta antocianin festékanyagát referenciaként használva megvizsgáljuk, hogy a további három növényi élelmiszer (vörösbor, cékla, bodzabogyó) közül melyiknek eltérő tulajdonságú a festékanyaga. Vagdossa apróra a szilárd mintákat, és egy-egy 50 ml-es főzőpohárban főzze 5 percig kb. 20 ml desztillált vízben. A kísérletet a kapott oldat néhány cseppjével végezze. Az eleve oldat formájú mintát közvetlenül, hígítás nélkül használja a vizsgálatokhoz. Az előre elkészített 1, 4, 7, 9, 11 és 13-as pH-jú oldatok kb. 3 ml-es részletéhez adjon pár cseppet a festékoldatokból. Jegyezze fel a színváltozást a táblázatba! Mindegyik esetben vizsgálja meg azt is, hogy a színváltozás reverzibilis-e, azaz a savas oldatot lúgosítva, vagy a lúgos oldatot savasítva visszafordítható-e a színváltozás. Ha irreverzibilis színváltozást tapasztal, azt a táblázatban csillaggal jelölje! Töltse ki az alábbi táblázatot! (Egyértelmű, érthető elnevezést használjon a színekre! Nincs olyan, hogy pl. zöldes-piros!) pH
lilakáposzta
festékanyag színe vörösbor
cékla
bodza
1 4 7 9 11 13 11 pont
A kísérleti adataink alapján mely élelmiszerpárok esetén bizonyítottuk, hogy biztosan azonos festékanyagot tartalmaznak?
3 pont A kísérleti adataink alapján mely élelmiszerpárok esetén bizonyítottuk, hogy biztosan eltérő festékanyagot tartalmaznak?
3 pont A fenti élelmiszerek közül az ipar leginkább a cékla festékanyagát használja élelmiszer-színezék gyanánt. Mi az előnye a bodzasűrítménnyel szemben?
1 pont Milyen kémiai folyamat állhat a reverzibilis, és milyen az irreverzibilis színváltozások hátterében?
2 pont
