SOUTĚŽNÍ ÚLOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

Národní institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Ústřední komise Chemické olympiády

45. ročník 2008 – 2009

ŠKOLNÍ KOLO kategorie B SOUTĚŽNÍ ÚLOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

Národní institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy Ústřední komise Chemické olympiády

45. ročník 2008 – 2009

ŠKOLNÍ KOLO kategorie B SOUTĚŽNÍ ÚLOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

©

Kolektiv autorů (jmenovitě viz zadní část obálky) 45. ročníku Chemické olympiády NIDM MŠMT ČR

ISBN: 978-80-86784-66-3 (CD-ROM)

Zadání školního kola ChO kat. B 2008/2009

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy České republiky ve spolupráci s Českou společností chemickou a Českou společností průmyslové chemie vyhlašují 45. ročník předmětové soutěže

CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 2008 – 2009 kategorie B pro žáky 2. a 3. ročníků středních škol a odpovídající ročníky víceletých gymnázií Chemická olympiáda je předmětová soutěž z chemie, která si klade za cíl podporovat a rozvíjet talentované žáky. Formou zájmové činnosti napomáhá vyvolávat hlubší zájem o chemii a vést žáky k samostatné práci. Soutěž je jednotná pro celé území České republiky a pořádá se každoročně. Člení se na kategorie a soutěžní kola. Vyvrcholením soutěže pro kategorii A je účast vítězů Ústředního kola ChO na Mezinárodní chemické olympiádě a pro kategorii E na evropské soutěži Grand Prix Chimique, která se koná jednou za 2 roky. Úspěšní řešitelé Ústředního kola Chemické olympiády budou přijati bez přijímacích zkoušek na tyto vysoké školy: Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze (chemické obory), Přírodovědecká fakultu Masarykovy Univerzity v Brně (chemické obory), Fakulta chemické technologie VŠCHT v Praze, Fakulta chemická VUT v Brně a Fakulta chemicko-technologická, Univerzita Pardubice. Úspěšným řešitelům Chemické olympiády kategorií A a E, kteří se umístí na 1. – 3. místě v Ústředním kole a kteří se zapíší ke studiu chemických oborů na Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze, bude přiděleno mimořádné stipendium.1 Stipendium pro nejúspěšnější řešitele nabízí také Nadační fond Emila Votočka při Fakultě chemické technologie VŠCHT v Praze. Úspěšní řešitelé Ústředního kola ChO přijatí ke studiu na této fakultě mohou zažádat o stipendium pro první ročník studia. Nadační fond E. Votočka poskytne třem nejúspěšnějším účastníkům kategorie A resp. jednomu kategorie E během 1. ročníku studia stipendium ve výši 10 000 Kč.2 Celostátní soutěž řídí Ústřední komise Chemické olympiády v souladu s organizačním řádem. Na území krajů a okresů řídí Chemickou olympiádu krajské a okresní komise ChO. Organizátory krajského kola pro žáky středních škol jsou krajské komise ChO ve spolupráci se školami, krajskými úřady a pobočkami České chemické společnosti a České společnosti průmyslové chemie. Na školách řídí školní kola ředitel a pověřený učitel. V souladu se zásadami pro organizování soutěží je pro vedení školy závazné, v případě zájmu studentů o Chemickou olympiádu, uskutečnit její školní kolo, případně zabezpečit účast studentů v této soutěži na jiné škole.

1

Podrobnější informace o tomto stipendiu budou uvedeny na webových stránkách fakulty www.natur.cuni.cz/chemie/studium. 2 Stipendium bude vypláceno ve dvou splátkách, po řádném ukončení 1. semestru 4 000 Kč, po ukončení 2. semestru 6 000 Kč. Výplata je vázána na splnění všech studijních povinností. Celkem může nadační fond na stipendia rozdělit až 40 000 Kč v jednom roce. 3

Zadání školního kola ChO kat. B 2008/2009 První kolo soutěže První kolo soutěže (školní) probíhá na školách ve všech kategoriích zpravidla ve třech částech. Jsou to: a) studijní část, b) praktická laboratorní část, c) kontrolní test školního kola. V této brožuře jsou obsaženy soutěžní úlohy studijní a praktické části prvního kola soutěže kategorie B. Autorská řešení těchto úloh společně s kontrolním testem a jeho řešením budou obsahem druhé brožury. Třetí část prvního kola – kontrolní test – bude též součástí brožury obsahující autorská řešení prvního kola soutěže. Vzor záhlaví vypracovaného úkolu Karel VÝBORNÝ Gymnázium, Korunní ul., Praha 2 2. ročník

Kat.: B, 2008 – 2009 Úkol č.: 1 Hodnocení:

Školní kolo chemické olympiády řídí a organizuje učitel chemie (dále jen pověřený učitel), kterého touto funkcí pověří ředitel školy. Úkolem pověřeného učitele je propagovat Chemickou olympiádu mezi žáky a získávat je k soutěžení, předávat žákům texty soutěžních úkolů a dodržovat pokyny řídících komisí soutěže. Spolu s pověřeným učitelem se na přípravě soutěžících podílejí učitelé chemie v rámci činnosti předmětové komise. Umožňují soutěžícím práci v laboratořích, pomáhají jim odbornou radou, upozorňují je na vhodnou literaturu, popřípadě jim zajišťují další konzultace, a to i s učiteli škol vyšších stupňů nebo s odborníky z praxe a výzkumných ústavů. Ředitel školy vytváří příznivé podmínky pro propagaci, úspěšný rozvoj i průběh Chemické olympiády. Podporuje soutěžící při rozvoji jejich talentu a zabezpečuje, aby se práce učitelů hodnotila jako náročný pedagogický proces. Učitelé chemie spolu s pověřeným učitelem opraví vypracované úkoly soutěžících, zpravidla podle autorského řešení a kritérií hodnocení úkolů předem stanovených ÚK ChO, případně krajskou komisí Chemické olympiády, úkoly zhodnotí a seznámí soutěžící s jejich správným řešením. Pověřený učitel spolu s ředitelem školy nebo jeho zástupcem: a) stanoví pořadí soutěžících, b) navrhne na základě zhodnocení výsledků nejlepší soutěžící k účasti ve druhém kole, c) provede se soutěžícími rozbor chyb. Ředitel školy zašle příslušné komisi Chemické olympiády jmenný seznam soutěžících navržených k postupu do dalšího kola, jejich opravená řešení úkolů, pořadí všech soutěžících (s uvedením procenta úspěšnosti) spolu s vyhodnocením prvního kola soutěže. Ústřední komise Chemické olympiády děkuje všem učitelům, ředitelům škol a dobrovolným pracovníkům, kteří se na průběhu Chemické olympiády podílejí. Soutěžícím pak přeje mnoho úspěchů při řešení soutěžních úloh.

4


Výňatek z organizačního řádu Chemické olympiády Čl. 5 Úkoly soutěžících (1) (2) (3)

Úkolem soutěžících je samostatně vyřešit zadané teoretické a laboratorní úlohy. Utajení textů úloh je nezbytnou podmínkou regulérnosti soutěže. Se zněním úloh se soutěžící seznamují bezprostředně před vlastním řešením. Řešení úloh (dále jen „protokoly“) je hodnoceno anonymně. Pokud má soutěžící výhrady k regulérnosti průběhu soutěže, má právo se odvolat v případě školního kola k pověřenému učiteli, v případě vyšších soutěžních kol k příslušné komisi ChO, popřípadě ke komisi o stupeň vyšší.

Čl. 6 Organizace a propagace soutěže na škole, školní kolo ChO (1) (2)

(3) (4) (5) (6) (7)

(8)

(9)

Zodpovědným za uskutečnění soutěže na škole je ředitel, který pověřuje učitele chemie zabezpečením soutěže (dále jen „pověřený učitel“). Úkolem pověřeného učitele je propagovat ChO mezi žáky, evidovat přihlášky žáků do soutěže, připravit, řídit a vyhodnotit školní kolo, předávat žákům texty soutěžních úloh a dodržovat pokyny řídících komisí ChO, umožňovat soutěžícím práci v laboratořích, pomáhat soutěžícím odbornými radami, doporučovat vhodnou literaturu, případně jim zabezpečit další konzultace, a to i s učiteli škol vyšších stupňů nebo s odborníky z výzkumných ústavů a praxe. Spolu s pověřeným učitelem se na přípravě, řízení a vyhodnocení školního kola mohou podílet další učitelé chemie v rámci činnosti předmětové komise chemie (dále jen „předmětová komise“). Školního kola se účastní žáci, kteří se do stanoveného termínu přihlásí u učitele chemie, který celkový počet přihlášených žáků oznámí pověřenému učiteli. V případě zájmu žáka o účast v soutěži je škola povinna uskutečnit školní kolo, případně zabezpečit účast žáka v ChO na jiné škole. Školní kolo probíhá ve všech kategoriích v termínech stanovených NIDM a ÚK ChO zpravidla ve třech částech (studijní část, laboratorní část a kontrolní test). Pověřený učitel spolu s předmětovou komisí, je-li ustavena: a) zajistí organizaci a regulérnost průběhu soutěžního kola podle zadání NIDM a ÚK ChO, b) vyhodnotí protokoly podle autorských řešení, c) seznámí soutěžící s autorským řešením úloh a provede rozbor chyb, d) stanoví pořadí soutěžících a vyhlásí výsledky soutěže. Po skončení školního kola zašle ředitel školy nebo pověřený učitel: a) organizátorovi vyššího kola příslušné kategorie ChO výsledkovou listinu všech účastníků s počty dosažených bodů, úplnou adresou školy a stručné hodnocení školního kola, b) tajemníkovi příslušné komise ChO vyššího stupně stručné hodnocení školního kola včetně počtu soutěžících. Protokoly soutěžících se na škole uschovávají po dobu jednoho roku. Komise ChO všech stupňů jsou oprávněny vyžádat si je k nahlédnutí.

Čl. 14 Zvláštní ustanovení (1) (2)

(3)

Účast žáků ve všech kolech soutěže, na soustředěních a v mezinárodních soutěžích se považuje za činnost, která přímo souvisí s vyučováním. Pravidelná činnost při organizování soutěže, vedení zájmových útvarů žáků připravujících se na ChO a pravidelné organizační a odborné působení v komisích ChO se považuje za pedagogicky a společensky významnou činnost učitelů a ostatních odborných pracovníků, započítává se do pracovního úvazku nebo je zohledněno v osobním příplatku, případně ohodnoceno mimořádnou odměnou. Soutěže se mohou zúčastnit i žáci studující na českých školách v zahraničí, jejichž státní příslušností je Česká republika, a to v rámci územní oblasti, která je nejbližší místu studia žáka. Žákům je v případě jejich účasti ve vyšších postupových kolech hrazeno jízdné pouze na území České republiky.

5


Harmonogram 45. ročníku Chemické olympiády kategorie B Studijní část školního kola: Kontrolní test školního kola: Škola odešle výsledky školního kola krajské komisi ChO nejpozději do:

říjen 2008 – únor 2009 15. 4. 2009

Krajská kola:

14. – 15. 5. 2009

22. 4. 2009

Předsedové krajských komisí odešlou výsledkovou listinu krajských kol Ústřední komisi Chemické olympiády, NIDM MŠMT ČR Praha dvojím způsobem: a) Co nejdříve po uskutečnění krajského kola zapíší výsledky příslušného kraje do Databáze Chemické olympiády, která je přístupná na webových stránkách www.chemicka-olympiada.cz (přes tlačítko Databáze). Přístup je chráněn uživatelským jménem a heslem, které obdržíte od ÚK ChO. Ihned po odeslání bude výsledková listina zveřejněna na webových stránkách ChO. b) Tato databáze umožňuje zapsané výsledkové listiny zároveň vytisknout. Takto vytištěnou výsledkovou listinu v papírové podobě spolu s hodnocením zašlete na adresu NIDM nejpozději do 22. 5. 2009. Letní odborné soustředění Ústřední komise ChO vybere na základě dosažených výsledků v krajských kolech soutěžící, kteří se mohou zúčastnit letního odborného soustředění Chemické olympiády.

6


Kontakty na krajské komise Chemické olympiády pro školní rok 2008/2009 Kraj

Předseda

Praha

doc. Ing. Jaroslav Kvíčala Ústav organické chemie, VŠCHT Praha Technická 5 166 28 Praha 6 [email protected] tel.: 220 444 278, 220 444 242

Mgr. Linda Rottová Stanice přírodovědců DDM hl.m. Prahy Drtinova 1a 150 00 Praha 5 [email protected] tel.: 257 321 336, l. 532

Středočeský

RNDr. Marie Vasileská, CSc. katedra chemie PedF UK M. D. Rettigové 4 116 39 Praha 1 tel.: 221 900 256 [email protected]

Dr. Martin Adamec katedra chemie PedF UK M. D. Rettigové 4 116 39 Praha 1 tel.: 221 900 256

Jihočeský

RNDr. Karel Lichtenberg, CSc. Gymnázium, Jírovcova 8 371 61 České Budějovice tel.: 387 319 358 [email protected]

Ing. Miroslava Čermáková DDM, U Zimního stadionu 1 370 01 České Budějovice tel.: 386 447 319 [email protected]

Plzeňský

Mgr. Jana Pertlová Masarykovo Gymnázium Petákova 2 301 00 Plzeň tel.: 377270 874 [email protected]

RNDr. Jiří Cais Krajské centrum vzdělávání a jazyková škola PC Koperníkova 26 301 25 Plzeň tel.: 377 350 421 [email protected]

Karlovarský

Ing. Miloš Krejčí Gymnázium Ostrov Studentská 1205 363 01 Ostrov tel.: 353 612 753;353 433 761 [email protected]

Mgr. Bohumil Adamec odd. mládeže a tělovýchovy KÚ Závodní 353/88 360 21 Karlovy Vary tel.: 353 502 515 [email protected]

Ústecký

Liberecký

Tajemník

Ing. Květoslav Soukup Odd. lidských zdrojů, mlád. a tělových. KÚ Velká Hradební 48 400 02 Ústí nad Labem tel.: 475 657 235 [email protected]

Mgr. Tomáš Sedlák Gymnázium Teplice Čs. dobrovolců 530/11 415 01 Teplice tel.: 417 813 053 [email protected]

Mgr. Věra Rousová tel.: 475 210 861, 732 950 824 [email protected]

PhDr. Bořivoj Jodas, Ph.D. katedra chemie FP TU Hálkova 6 461 17 Liberec tel.: 485 104 412 [email protected]

Ing. Jana Huňková DDM Větrník Riegrova 16 461 01 Liberec tel.: 485 102 433 [email protected]

7

Zadání školního kola ChO kat. B 2008/2009 Kraj

Předseda

Tajemník

Královéhradecký

PaedDr. Ivan Holý, CSc. Pedagogická fakulta UHK Rokitanského 62 500 03 Hradec Králové tel.: 493 331 161 [email protected]

Mgr. Hana Šrámková Dům dětí a mládeže Lužická 843 500 03 Hradec Králové tel.: 495 406 181, 495 406 186 [email protected]

Pardubický

doc. Ing. Jiří Kulhánek, Ph.D. katedra org. chemie FChT UP Nám. Čs. Legií 565 532 10 Pardubice [email protected]

Mgr. Klára Jelinkova DDM Delta Gorkého 2658 530 02 Pardubice tel.: 466 301 010 [email protected]

Vysočina

RNDr. Jitka Šedivá Gymnázium Jihlava Jana Masaryka 1 586 01 Jihlava tel.: 567 303 613 [email protected]

RNDr. Josef Zlámalík Gymnázium Jihlava Jana Masaryka 1 586 01 Jihlava tel.: 567 303 613 [email protected]

Jihomoravský

RNDr. Valerie Richterová Bořetická 5 628 00 Brno tel.: 604 937 265 [email protected]

Mgr. Zdeňka Antonovičová Centrum volného času Lužánky Lidická 50 658 12 Brno – Lesná tel.: 549 524 124 [email protected]

Ing. Jaroslava Odstrčilová SPŠ, Třída T. Bati 331 765 02 Otrokovice tel.: 577 925 113 [email protected] Zlínský

Olomoucký

Moravskoslezský

kat. D RNDr. Stanislava Ulčíková ZŠ Slovenská 3076 760 01 Zlín tel.: 577 210 284 [email protected]

Bc. Jana Mašková odd. mládeže a tělovýchovy KÚ Třída T. Bati 3792 761 90 Zlín tel.: 577 615 443 [email protected]

RNDr. Libor Kvítek, CSc. kat. fyzikální chemie PřF UP Tř. Svobody 8 771 46 Olomouc tel.: 585 634 420 [email protected]

Ing. Antonín Zvěř odd. mládeže a sportu KÚ Jeremenkova 40A 779 11 Olomouc tel.: 585 508 561 [email protected]

Mgr. Alexandra Holoušková Gymnázium Havířov Komenského 2 736 01 Havířov [email protected]

Mgr. Marie Kociánová Stanice přírodovědců Čkalova 1881 708 00 Ostrava – Poruba tel.: 599 527 321 [email protected]

8

Zadání školního kola ChO kat. B 2008/2009 Další informace získáte na této adrese. ÚK ChO – NIDM MŠMT Praha, Talentcentrum Sámova 3, 101 00 Praha tel.: 246 088 230, fax: 271 746 615 Ing. Jana Ševcová e-mail: [email protected] Podrobnější informace o chemické olympiádě a úlohách minulých ročníku získáte na stránkách http://www.chemicka-olympiada.cz. Ústřední komise ChO je členem Asociace českých chemických společností. Informace o Asociaci a

o

spoluvyhlašovateli

ChO

České

chemické

společnosti

naleznete

na

stránkách

http://www.csch.cz. Významným chemickým odborným časopisem vydávaným v češtině jsou Chemické listy. Seznámit se s některými články můžete v Bulletinu, který vychází čtyřikrát ročně a naleznete ho i na internetových stránkách na adrese http://www.uochb.cas.cz/bulletin.html.

9


KATEGORIE B Autoři

doc. RNDr. Václav Slovák, Ph.D. (anorganická chemie, [email protected]) Katedra chemie, Přírodovědecká fakulta, Ostravská univerzita v Ostravě Mgr. Michal Řezanka (organická chemie, [email protected]) Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, Praha doc. Ing. Zuzana Navrátilová, CSc. (praktická část, [email protected]) Katedra chemie, Přírodovědecká fakulta, Ostravská Univerzita v Ostravě

Recenzenti

RNDr. Jan Rohovec, Ph.D. (odborná recenze) Geologický ústav, AV ČR RNDr. Jiří Kroutil, Ph.D. (odborná recenze) Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, Praha doc. RNDr. Pavel Coufal, Ph.D. (odborná recenze) Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymnázium Ostrov, Studentská

Anorganická část letošního ročníku Chemické olympiády kategorie B je zaměřena na prvek, který snad nejvíce ze všech ovlivnil historický vývoj lidstva – železo. Společně se zaměříme především na jeho výrobu ve vysokých pecích a na jeho zušlechťování na ocel – dnes stále ještě nejpoužívanější konstrukční materiál. Nezůstaneme ale pouze u průmyslové velkovýroby. Prozkoumáme také krásnou barevnou chemii železa a s její pomocí se naučíme některá efektní „chemická kouzla“. Zlehka se také dotkneme několika „divných“ sloučenin, které železo tvoří. Pro úspěšné zvládnutí úloh budete kromě základních znalostí o železe potřebovat také běžné chemické výpočty: vyčíslování chemických rovnic, stechiometrické výpočty, výpočty složení směsí a výpočty s využitím stavové rovnice ideálního plynu. V letošním ročníku organické části Chemické olympiády se zaměříme na symetrii organických sloučenin, na přípravu a reakce alkenů a halogenderivátů. Jmenovitě se budeme zabývat ozonolýzou dvojné a trojné vazby a jejími ekvivalenty. Pozornost věnujte též názvosloví organických sloučenin. K neochvějnému postupu vpřed při prodírání se záludnými úkoly vám pomůže níže uvedená literatura a internetové odkazy. Doporučená literatura 1. 2. 3. 4. 5.

Středoškolské učebnice chemie, kapitoly věnované železu. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie prvků II, Informatorium, Praha 1993, str. 1320 – 1372, pozn. jen informace o železe. J. McMurry: Organická chemie, VUTIUM, Brno 2007, str. 170 – 274, 317 – 394. O. Červinka, V. Dědek, M. Ferles: Organická chemie, SNTL, Praha 1970, str. 220 – 257, 282 – 321. J. Pacák: Stručné základy organické chemie, SNTL, Praha 1975, str. 81 – 117. 10

Zadání školního kola ChO kat. B 2008/2009 Odkazy na internetu Ozonolýza: • http://en.wikipedia.org/wiki/Ozonolysis • http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch09/ch9-11.html • http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch06/ch6-10.html 1,3-Dipolární adice: • http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/huisgen-1,3-dipolar-cycloaddition.shtm Alkeny: • http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/addene1.htm • http://en.wikipedia.org/wiki/Alkene • http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch05/ch5-0.html Halogenderiváty: • http://en.wikipedia.org/wiki/Haloalkane • http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/alhalrx1.htm Praktická část letošního ročníku úzce navazuje na část teoretickou, která se zabývá železem a jeho reakcemi. Provedením praktických úloh si znalosti získané studiem teorie potvrdíte a získáte představu o metodách důkazů a stanovení kationtů železa. V návaznosti na znalosti získané v anorganické chemii si prostudujte odměrné metody chelatometrické, naučte se vypočítat výsledek chelatometrické titrace, seznamte se s pojmy bod ekvivalence a jeho indikace. Doporučená literatura je řazena do tematických okruhů, řazení jednotlivých literárních pramenů je podle jejich vhodnosti pro účastníky ChO. Doporučená literatura Výpočty v analytické chemii: 1. F. Renger, J. Kalous: Analytická chemie I, Univerzita Pardubice, 2004, kap. 1.3. (zvláště partie týkající se vyjadřování koncentrace roztoků a vzorové příklady), str. 3 – 9. 2. P. Pánek a kol.: Základní výpočty v analytické chemii. Ostravská univerzita 1997. 3. M. Kotouček: Příklady z analytické chemie, PřF UP, Olomouc 1987. Chelatometrická titrace: 1. F. Renger, J. Kalous: Analytická chemie I, Univerzita Pardubice, 2004, kap. 4.4. str. 85 – 92 (chelatometrické titrace), str. 93 – 95 (vzorové příklady). 2. F. Renger, B. Voláková, B. Wanková: Návody pro cvičení z analytické chemie II, SNTL, Praha 1975. 3. J. Zýka a kol.: Analytická příručka I, SNTL, Praha 1979, str. 348 – 353. 4. R. Přibil: Komplexometrie, SNTL, Praha 1977, kap. 1. str. 20 – 37, kap. 6.1.6. str. 143 – 146.

11


TEORETICKÁ ČÁST (60 bodů) Úloha 1

Výroba železa a oceli I

15 bodů

Železo je prvkem, který lidstvo uvědoměle využívá nejdéle ze všech, přestože se v elementárním stavu vyskytuje jen velmi zřídka. Výrobu železa zřejmě jako první ovládli Chetité asi 3000 let před počátkem našeho letopočtu a byla to znalost tak strategicky významná, že se jim ji podařilo utajit před zbytkem světa skoro 2000 let. Teprve po rozpadu Chetitské říše kolem roku 1200 př. n. l. se znalost výroby železa rozšířila – začala doba „železná“. Druhý „skok“ v historii používání železa nastal v 18. století, kdy se k jeho výrobě začalo používat černé uhlí a koks. To vedlo k možnosti zvýšit množství vyráběného železa, mohly se z něj začít vyrábět kromě zbraní i stroje (hlavně parní) a mohla začít průmyslová revoluce. Dnes se na světě vyrábí více než miliarda tun surového železa ročně a hlavní surovinou pro tuto výrobu je hematit (Fe2O3). Chemický základ výroby železa je už přes 200 let pořád stejný – v podstatě pouze zvětšujeme měřítko výroby. Název „vysoká pec“ pro výrobnu surového železa je opodstatněný – dnešní největší vysoké pece mají na výšku přes 40 metrů. Úkoly: 1. Všechny následující reakce probíhají při výrobě železa ve vysoké peci. Které látky se skrývají pod symboly X1, X2 a X3? 3 Fe2O3 + X1 ⎯→ 2 X3 + X2 X3 + X1 ⎯→ 3 FeO + X2 FeO + X1 ⎯→ Fe + X2 CaCO3 ⎯→ CaO + X2 2 C + O2 ⎯→ 2 X1 2. Vypočtěte, kolik tun hematitu se spotřebuje na výrobu jedné miliardy tun surového železa, jestliže ruda obsahuje 97,0 hm. % Fe2O3 (zbytek jsou „neželezné“ nečistoty) a jestliže vyrobené surové železo obsahuje 6,8 hm. % nečistot (především uhlíku). Předpokládejte, že proces výroby probíhá beze ztrát. 3. Kolik procent hmotnosti planety Země představuje vypočtené množství zpracované rudy (přibližná hmotnost Země je 6 × 1021 t)? Výroba kvalitní a použitelné oceli ze surového železa probíhá (zjednodušeně řečeno) ve dvou krocích. Prvním z nich je snížení obsahu nečistot v surovém železe (většinou oxidací kyslíkem), druhým je pak „vylepšení“ vlastností pomocí vhodných přísad (tzv. legur). 4.

5.

Předpokládejme, že vyrobené surové železo v předchozím příkladu obsahovalo jako nečistoty uhlík (4,1 hm. %), fosfor (1,1 hm. %), křemík (1,2 hm. %) a síru (0,4 hm. %). Reakcí s kyslíkem z něj byla vyrobena ocel s obsahem uhlíku 1,1 hm. %, ostatní nečistoty byly odstraněny úplně. Napište rovnice reakcí jednotlivých nečistot s kyslíkem. Uvažujte vznik konečných oxidačních produktů. Vypočtěte objem kyslíku, který se spotřeboval na zušlechtění 1 tuny surového železa. Reakce probíhala beze ztrát při teplotě 1600 °C a atmosférickém tlaku 102 kPa a kyslík se při ní choval jako ideální plyn. Reakci kyslíku se železem neuvažujte stejně jako změnu hmotnosti vsádky železa při zušlechťování.

Značka prvku M(g mol–1)

Fe 55,8

O 16,0

C 12,0

P 31,0

Tabulka 1: Molární hmotnosti vybraných prvků.

12

Si 28,1

S 32,1


Úloha 2

Škola chemických čar a kouzel I

9 bodů

V centru Ostravy v Mastné ulici je na první pohled polorozpadlé stavení pocházející snad z předminulého století – vytlučená okna, kde díry mají zpravidla tvar sedmicípé hvězdy, na zbytcích omítky pod okny dlouhé šmouhy barvy zaschlé krve, střecha plná děr, jejichž počet se neustále mění. Na druhý pohled ovšem zarazí malá vyleštěná ocelová destička (beze stopy rzi) na rozpraskaných dveřích, na které stojí „Střední průmyslová škola chemických čar a kouzel – pobočka Ostrava“. Na třetí pohled, který nás nejvíc bude zajímat, je třeba vstoupit, projít zatuchlou vstupní chodbou ke schodišti, po něm do patra (musíme to ovšem brát po dvou schodech – každý druhý chybí) až ke dveřím s rudým nápisem „Ferrum Magicum“. Za dveřmi nás v páchnoucí laboratoři očekává postava ve špinavém a roztrhaném (kdysi snad bílém) plášti s rozevlátými vlasy – profesor Carbo. Přes svou uzavřenou povahu a odpor k „šmudlům“ (tedy těm, kteří chemická kouzla neovládají) se uvolil ukázat vám několik ze svých triků – ovšem, jak sám tvrdí, jen ty nejprimitivnější, které beztak už každý zná. Při naší první návštěvě podivínský profesor vytahuje ze skříňky lahvičku se žlutou kapalinou, ze zásuvky arch bílého papíru a z kapsy štětec. Na papír pak pomocí štětce píše touto kapalinou z lahvičky nápis: „To koukáte, co?“. A opravdu koukáme – jeden papír, jeden štětec, jeden inkoust, ale každé slovo nápisu má jinou barvu! Samozřejmě chceme vysvětlení, popis, zkrátka vědět, jak to dělá? Co je to za inkoust? Profesor je ovšem nemluva – ukáže na lavičku s inkoustem, potom na dveře své laboratoře a řekne jediné slovo – „chlorid“. A nám pomalu začíná svítat, ovšem informací stále málo, mračíme se na profesora. Ten nám to vrací (koneckonců, mračí se pořád) a ukazuje na pergamen na stěně laboratoře. Stojí na něm: „Není -natý jako -itý, to ví každý mozek hbitý“. Hmmm... Profesor má asi dobrou náladu, tak ještě ukazuje na papír a pak na něj pokládá tři lahvičky s nápisy „rhodanid draselný“, „žlutá krevní sůl“ a „acidum salicylicum“. Že by jimi byl papír napuštěn? Ale profesorova světlá chvilka skončila, mlčky nás vyhání ven a odchází přemýšlet o dalších kouzlech na blízkou Stodolní ulici. Zkusíte předvedený trik odhalit? Úkoly: 1. Určete látku, jejímž vodným roztokem je zázračný inkoust. Napište její název a vzorec a pokuste se zjistit, k čemu se běžně používá. 2. Napište vzorce látek použitých k napuštění papíru. 3. Doplňte barvy kouzelného inkoustu k jednotlivým oblastem papíru napuštěným jednotlivými činidly. Napuštěno

Barva

rhodanid draselný žlutá krevní sůl acidum salicylicum

13


Úloha 3

Sulfid železičitý

6 bodů

Jedním z nejběžnějších minerálů obsahujících železo je pyrit neboli kyz železný – temně rudý minerál hojný i v ČR. Jeho složení odpovídá vzorci FeS2, chemicky se jedná o sulfid železičitý. Především dříve byl významnou surovinou pro výrobu železa a kyseliny sírové. Dnes je využíván hlavně jako zdroj síry. Prvním krokem jeho zpracování je pražení na vzduchu, při kterém vzniká oxid železitý a oxid sírový. Úkoly: 1. Nezdá se vám na právě přečteném textu něco divného? Pokud ano, jste na dobré cestě odhalit čtyři chyby, které jsme do něj škodolibě zapracovali. Tak to zkuste. 2. Napište rovnici pražení pyritu. 3. Jaká jsou oxidační čísla železa a síry v pyritu?

Úloha 4

Ekvivalentní

7 bodů

V organické chemii se často setkáváme se symetrií organických sloučenin a s tím souvisejícím pojmem ekvivalentní atomy. Pro naše potřeby budou atomy nějaké sloučeniny ekvivalentní, když atom 1 bude mít všude kolem sebe v prostoru stejně uspořádané atomy jako atom 2. Příkladem budiž ethen, kde jsou navzájem ekvivalentní uhlíkové (nebo vodíkové) atomy a při adici (například bromovodíku) na jeho dvojnou vazbu dostaneme pouze jeden produkt. Naproti tomu má propen tři typy atomů uhlíku a při adici bromovodíku na jeho dvojnou vazbu můžeme očekávat produktů více. A nyní již k samotné úloze. V roce 1799 německý chemik (na obrázku) objevil sloučeninu X, která je prekurzorem pro přípravu sloučeniny Y. Bílá, sublimující sloučenina Y byla poprvé připravena opět německými chemiky v roce 1913. Sloučenina Y je zvláštní tím, že má sumární vzorec C12O9 a má pouze dva typy atomů uhlíku. Kromě sloučeniny Y lze ze sumárního vzorce C12O9 odvodit ještě jednu strukturu – sloučeninu Z, která má též dva typy atomů uhlíku. Tato sloučenina však nebyla dosud připravena. Úkol: Nakreslete strukturní vzorce sloučenin X, Y a Z a napište triviální název sloučeniny X a jméno jejího objevitele.

Úloha 5

Oxidativní

12 bodů

Ve dvacátém století byla ozonolýza oblíbenou metodou chemiků pro určování konstituce organických látek, neboť představovala spolehlivý prostředek pro zjišťování přítomnosti a hlavně polohy dvojné vazby. Většinou je prováděna tak, že je do roztoku alkenu v inertním rozpouštědle zaváděn kyslík obohacený o několik procent ozónu. Ozonolýzu je následně možné zakončit oxidativním, nebo reduktivním zpracováním reakční směsi. Úkoly: 1. Nakreslete dostatečně podrobně mechanismus ozonolýzy trans-pent-2-enu za vzniku příslušného ozonidu. 2. Jaké produkty můžeme očekávat při zpracování tohoto ozonidu? a) V případě redukce. b) V případě oxidace. 14


Úloha 6

Reaktivní

11 bodů

Sloučenina C je steroid, který se nachází v buněčných membránách všech tkání a u všech zvířat je přenášen krevní plazmou. Sloučeninu C syntetizují všechna eukaryota a stopová množství této sloučeniny se nacházejí v membránách rostlin a hub.

HO Obrázek 1: Sloučenina C.

Úkoly: 1. Napište název sloučeniny C. 2. Nakreslete produkty reakcí sloučeniny C s každým z níže uvedených činidel: a) Br2, b) HBr, c) OsO4, d) NaHSO3, e) BH3/THF, f) H2O2/NaOH, g) CH2I2/Zn(Cu). Poznámka: Při vypracovávání výše uvedených otázek neuvažujte stereochemii.

15


PRAKTICKÁ ČÁST (40 bodů) Úloha 1

Chelatometrické stanovení železa

25 bodů

Časová náročnost: 90 min. Stanovení železitých iontů přímou titrací odměrným roztokem chelatonu III (disodná sůl kyseliny ethylendiamintetraoctové) je nutno provádět v kyselém prostředí, kdy se tvoří dostatečně stálý žlutě zbarvený komplex. Pro správné a přesné stanovení je nutno použít odměrný roztok chelatonu III. Chelaton III p.a. je základní látkou; správným a přesným navážením lze připravit odměrný roztok o známé koncentraci. Látkovou koncentraci odměrného roztoku lze ověřit standardizací na vhodnou základní látku, např. lze použít Pb(NO3)2 nebo Zn(NO3)2. Pro stanovení železa chelatometrickou titrací se používá řada indikátorů, které s železem tvoří barevné komplexy. Velmi často používaným je kyselina sulfosalicylová, která v oblasti pH 1,8 – 2,5 tvoří červenofialový komplex s Fe3+ v poměru 1:1. Titrací odměrným roztokem chelatonu III se ionty Fe3+ váží do žlutě zbarveného komplexu. Barevný přechod v bodě ekvivalence je tedy z červené do žluté. Úkol: Proveďte stanovení železa ve vzorku, výsledek udejte v jednotkách mg dm–3. Studenti, kteří nemají možnost provést analýzu, navrhnou postup stanovení a zodpoví teoretické otázky, které jsou součástí této úlohy. Pomůcky: • byreta o objemu 25 ml, • 1 – 3 titrační baňky 250 ml, • odměrný válec 10 ml a 100 ml, • pipeta 10 ml, • váženka, • kapátko, • laboratorní lžička, • univerzální pH indikátorový papírek. Chemikálie: • chelaton III, p.a., • kyselina sulfosalicylová, 2% vodný roztok. Pracovní postup Příprava odměrného roztoku chelatonu III Vypočítejte si navážku potřebnou pro přípravu 250 ml 0,05 mol dm–3 roztoku chelatonu III, navažujte s přesností na desetinu mg (M(Na2H2Y.2H2O) = 372,24 g mol–1). Chelaton se hůře rozpouští, proto navážku rozpouštějte za tepla v kádince. Po rozpuštění roztok kvantitativně vpravte do odměrné baňky o objemu 250 ml. Po ochlazení na laboratorní teplotu doplňte destilovanou vodou po značku. Případně můžete odměrnou baňku s rozpouštěnou navážkou ohřívat pod teplou tekoucí vodou a po ochlazení na laboratorní teplotu doplnit na objem 250 ml. Roztok řádně promíchejte. 16

Zadání školního kola ChO kat. B 2008/2009 Stanovení iontů Fe3+ ve vzorku Do titrační baňky napipetujte 10 ml vzorku obsahujícího Fe3+, přidejte odměrným válcem 100 ml destilované vody a 5 ml 2%ního roztoku kyseliny sulfosalicylové. Titrujte 0,05 mol dm–3 odměrným roztokem chelatonu III. Asi 1 ml před bodem ekvivalence barva roztoku v titrační baňce zesvětlá (světle červená). Nyní přidávejte opatrně titrační činidlo po kapkách, vždy důkladně rozmíchejte. Barva přejde do tmavě oranžové a poté do citrónově žluté – to je bod ekvivalence. Titraci proveďte třikrát a pro výpočet stanovení použijte průměrnou spotřebu chelatonu III. Úkoly: 1. Vypočítejte obsah Fe3+ v analyzovaném vzorku v mg dm–3; výsledek zaokrouhlete na jednotky mg. 2. Základem standardizace odměrného roztoku chelatonu III je reakce kationtu Pb2+ s indikátorem xylenolová oranž v prostředí hexamethylentetraminu (urotropinu). Vytvořený indikátorový komplex červenofialové barvy je méně stabilní než komplex kationtů Pb2+ s disodnou solí ethylendiamintetraoctové kyseliny (tedy s chelatonem III). Titrováním se tedy do komplexu s chelatonem III převedou ionty Pb2+ volné a posléze vázané v indikátorovém komplexu. V bodě ekvivalence dojde k vytitrování Pb2+ z indikátorového komplexu, což se projeví žlutým zbarvením roztoku vlivem uvolněného indikátoru. Popište uvedenou standardizaci chemickými rovnicemi. 3. Popište princip chelatometrické titrace, uveďte základní látky a indikátory (alespoň tři) používané v této odměrné metodě analýzy.

Úloha 2

Reakce kationtů železa

15 bodů

Časová náročnost: 60 min. V teoretické části jste se seznámili s „kouzlem“ činidel umožňujících psát jednou látkou různými barvami. V této praktické úloze využijete získané poznatky k provedení důkazových reakcí iontů železa. Pomůcky: • porcelánová kapkovací destička, • 6 kapátek, • odměrný válec 10 ml a 100 ml. Chemikálie: • 1 mol dm–3 roztok KOH, • 10% roztok (NH4)2S, • 0,1 mol dm–3 roztok KSCN, • 2% roztok kyseliny sulfosalicylové, • 0,1 mol dm–3 roztok K4[Fe(CN)6]. Upozornění: V této části úlohy pracujete s roztoky, které mohou způsobit poleptání kůže, pracujte vždy pod vedením učitele a dbejte jeho pokynů. Při práci s KOH je nutno chránit zrak.

17

Zadání školního kola ChO kat. B 2008/2009 Postup Reakce s činidly provádějte na porcelánové kapkovací destičce. Ke kapce vzorku s obsahem železa přidejte vždy 1 – 2 kapky jednoho činidla. Pozorujte změny na kapkovací destičce a zaznamenávejte si je. Úkoly: 1. Zapište změny, které jste pozorovali, do tabulky v pracovním listě. 2. Napište chemické rovnice reakcí s činidly KOH, (NH4)2S, KSCN a K4[Fe(CN)6] 3. Ve vzorku obsahujícím ionty železa byl ion Fe2+ nebo Fe3+? 4. Napište vzorec kyseliny sulfosalicylové.

18


Praktická část krajského kola 45. ročníku ChO kategorie B PRACOVNÍ LIST body celkem: soutěžní číslo:

Praktická část – výsledky stanovení Úloha 1


číslo stanovení

1

2

2

průměr

spotřeba chelatonu III (ml) koncentrace Fe3+ (mol dm–3) Obsah železa ve vzorku .................................... mg dm–3. body:

Výpočty:

19


Praktická část – odpovědi Úloha 1 1.


Popište uvedenou standardizaci chemickými rovnicemi.

Jedná se o iontovou rovnici vzniku indikátorového komplexu s daným kovovým kationem (disociovaný indikátor označte Ind–) a iontovou rovnici titrace, kde uvažujte chelaton III jako disociovanou disodnou sůl (H2Y2– nebo HY3–). V rovnici pro bod ekvival ence napište i barvu indikátorového komplexu a volného indikátoru. body:

2.

Popište princip chelatometrické titrace, uveďte základní látky a indikátory (alespoň tři) používané v této odměrné metodě analýzy. body:

20


Úloha 2

Reakce kationtů železa

1. Činidlo

KOH

(NH4)2S

KSCN

kys. sulfosalicylová

K4[Fe(CN)6]

Produkt Tabulka 2: Tabulka reakcí vzorku Fex+ s činidly.

body:

2.

Rovnice vzorku Fex+ s činidly KOH, (NH4)2S, KSCN a K4Fe(CN)6].

body:

3.

Ve vzorku obsahujícím ionty železa byl ion Fe2+ nebo Fe3+? body:

4.

Napište vzorec kyseliny sulfosalicylové. body:

21

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:

23

Poznámky:

24

Chemická olympiáda Soutěžní úlohy studijní a praktické části kategorie B 45. ročník – 2008/2009 Autoři kategorie B:

Pedagogická recenze: Redakce: Vydal:

doc. RNDr. Václav Slovák, Ph.D., doc. Ing. Zuzana Navrátilová, CSc., Mgr. Michal Řezanka doc. RNDr. Pavel Coufal, Ph.D., RNDr. Jiří Kroutil, Ph.D. RNDr. Jan Rohovec, Ph.D. RNDr. Vít Vladimír Bc. Ladislav Nádherný, RNDr. Petr Holzhauser Národní institut dětí a mládeže MŠMT ČR

ISBN:

978-80-86784-66-3 (CD-ROM)

Odborná recenze:

SOUTĚŽNÍ ÚLOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

Recommend Documents