Ústřední komise Chemické olympiády
47. ročník 2010/2011
OKRESNÍ KOLO kategorie D SOUTĚŽNÍ ÚLOHY TEORETICKÉ ČÁSTI časová náročnost: 90 minut
©
Kolektiv autorů 47. ročníku Chemické olympiády kategorie D VŠCHT Praha a MŠMT ČR
ISBN: 978-80-7080-758-3
Teoretická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011
TEORETICKÁ ČÁST (70 BODŮ) Úloha 1 Palivo budoucnosti
25 bodů
Určitě jste o něm už slyšeli. A pakliže ne, prozradíme vám, že řeč nebude o ničem jiném než o vodíku! Stále se snižující zásoby ropy nutí vědce a technology vyvíjet nová paliva, která by nahradila „černé zlato“. Představy o palivu budoucnosti jsou nám všem jasné – mělo by být lehce vyrobitelné z obnovitelných zdrojů, jednoduché na přepravu a samozřejmě ekologické. A právě tyto předpoklady zatím vodík splňuje nejvíc. V této úloze se podíváme, jak se vodík vyrábí ve velkém. Dva nejznámější postupy výroby vodíku jsou: Parní reforming zemního plynu Tato technologie je v současnosti nejlevnějším a nejrozšířenějším způsobem výroby vodíku. Má dvě fáze: v první se za přítomnosti katalyzátoru přivádí do vodní páry methan a reakcí vzniká vodík a oxid uhelnatý (a). Ve druhé fázi probíhá konverze oxidu uhelnatého s přidanou vodní parou na další vodík a oxid uhličitý (b). Elektrolýza vody Při tomto procesu prochází stejnosměrný proud vodou a štěpí její molekuly na vodík a kyslík (c). Protože elektrolýza čisté vody je značně neefektivní, přidává se do vody síran sodný. Touto technologií lze získat vysoce čistý vodík. Úkoly: 1. Jak se triviálně říká směsi plynů vznikající při první fázi parního reformingu? 2. Napište rovnice všech tří reakcí (a)–(c), při kterých dochází k uvolnění vodíku, a vyčíslete je. 3. Jaké jsou nevýhody parního reformingu, co se týče ekologie a obnovitelnosti zdrojů? 4. Proč se při elektrolýze vody používá roztok síranu sodného a ne čistá voda? 5. Jaká látka vzniká při hoření vodíku na vzduchu? Doložte zápisem chemické rovnice. 6. Spočítejte, kolik kg vodíku se uvolní elektrolýzou 10 kg vody. 7. Vypočítejte, kolik kg vodíku se uvolní úplným reformingem 10 kg methanu. 8. Spočítejte, jaký objem by zaujímalo takové množství vodíku za normálních podmínek (definice normálních podmínek viz níže) a jaká by byla jeho hustota (vycházejte z výsledku úkolu 7, pokud ho nespočítáte, vycházejte ze 3 kg vodíku). 9. Kolikrát je vodík „lehčí“ než vzduch? Zadáno: ρvzd. = 1,2754 kg·m–3; Ar(C) = 12,01; Ar(H) = 1,01; Ar(O) = 16,00 Normální (viz řešení) podmínky: 0 °C, 100 kPa, Vm = 22,71 dm3·mol–1
2
Teoretická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011 Úloha 2 Oxid dusný
13 bodů
V uvedeném textu opět řádil šotek! Oxid dusný, triviálně nazývaný rajčatový plyn, je sloučenina dusíku a kyslíku v hmotnostním poměru 2:1. Jedná se o červený plyn s nasládlou vůní a chutí, který není vůbec rozpustný ve vodě. Oxid dusný je explozivní a podporuje hoření. Jeho rozkladem (např. za vysoké teploty) vzniká dusík a kyslík, tedy velmi silné redukční činidlo. Proto se používá jako aditivum ke zvýšení výkonu spalovacích motorů. Další využití nalézá oxid dusný v potravinářství. Používá se jako hnací plyn ve šlehačkách a k sycení perlivých minerálek. Stejně jako oxid uhličitý patří oxid dusný mezi skleníkové plyny. Oxid dusný má také specifické účinky na lidský organizmus. Vdechováním nejprve způsobuje stavy euforie, při vyšších dávkách člověk upadá do anestetického spánku. Dlouhodobé nebo intenzivní vdechování ovšem může vést k zástavě dýchání nebo k zastavení srdeční činnosti. Proto je bezpečné jeho zneužití jako drogy. Úkoly: 1. Najděte v textu 8 chybných informací a opravte je. 2. Výpočtem ověřte, zda má oxid dusný za normálních podmínek menší nebo větší hustotu než vzduch. 3. Oxid dusný se dá připravit tepelným rozkladem dusičnanu amonného: 250 °C Probíhá reakce: NH4NO3 → N2O + 2 H2O
Vypočítejte, kolik litrů plynných produktů se uvolní při rozkladu 65 g dusičnanu amonného (při teplotě reakce). Zadáno: ρvzd. = 1,2754 kg·m–3; Vm(250 °C) = 43,49 dm3; Ar(H) = 1,01; Ar(N) = 14,01; Ar(O) = 16,00 Úloha 3 Nemilosrdný prevít
9 bodů
Komorník Heinz Linge spolu s tajemníkem Bormannem po svém boku vstoupili do pokoje. Oba okamžitě ucítili vůni hořkých mandlí. Zděsili se. Vůdce se svou ženou seděli na malé pohovce. On měl hlavu provrtanou kulkou z Walthera PPK, který ležel na jeho nohou. Na opěradle bila do očí velká skvrna vyteklé krve. Ona neměla žádná viditelná zranění a Linge si domyslel, že se otrávila. Pozdější pitva ukázala, že oba manželé rozkousli ampulku cyankáli. Úkoly: 1. Smrt které historické osobnosti líčí tato scéna? Proč se se svojí ženou rozhodli pro sebevraždu? 2. Cyankáli je triviální název pro kyanid draselný. Žaludeční šťávy obsahují kyselinu chlorovodíkovou, která tento jed navíc přemění na prudce jedovatý plyn. Napište rovnici reakce a plyn pojmenujte. 3. Smrtná dávka cyankáli je asi 2 mg na kilogram tělesné hmotnosti. Spočítejte, jaký objem tohoto plynu by se uvolnil reakcí smrtné dávky cyankáli s kyselinami v žaludku člověka o hmotnosti 80 kg, pokud by veškerý jed doputoval až do žaludku. Uvažujte normální podmínky a výsledek uveďte v cm3. 4. Spočítejte, kolik miligramů jedovatého plynu obsahuje 1 m3 vzduchu, když dosáhne koncentrace 25 ppm (tzv. střední smrtná koncentrace). Zadáno: ρvzd. = 1,2754 kg·m–3; Ar(H) = 1,01; Ar(C) = 12,01; Ar(N) = 14,01; Ar(K) = 39,10
3
Teoretická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011 Úloha 4 Babiččina křížovka
12 bodů
Honzíkova babička Boženka si už neví rady při řešení následující křížovky, pomůžete jí? Doplňte chybějící slova a napište tajenku! 1. 3.
4.
Š
2.
K
M
V 6.
R
A
U
R
M
9.
P 11. D
L
O E
Y
D A
I
R
E
Í
K
15.
16. I
N
D 17. K
E
Š
D
G
A
R N
13. N
P
10.
N
12. S
K 8.
K
M
E
7.
E E
Z
5.
Á I
E
14.
O
O
R
K
E
N
K
A
U
18. 19.
20.
N E
21. Legenda svisle 1. předpona vyjadřující sto 2. jednotka látkového množství 3. prvek tvořící grafit 5. uvolňování škodlivin do ovzduší 8. nedostatečný tlak 10. laboratorní hořák 11. metoda oddělování složek směsi 12. proces snižování oxidačního čísla 13. vzácný plyn značky Kr 16. halogen o nejnižší molární hmotnosti 18. koncovka oxidačního stavu +VI
vodorovně 4. všechny částice v jádře atomu 6. vzorec kyseliny bromovodíkové 7. soubor atomů spojený vazbami 9. opak zásady 14. elektroda, na které dochází k oxidaci 15. kladně nabitá částice 17. jednotka tlaku 19. vzácný plyn používaný k plnění doutnavek 20. proces, při kterém se zvyšuje oxidační číslo 21. elementární částice se záporným nábojem
Tajenka Hnojení přírodním materiálem přináší své ovoce. V takovém hnoji je dostatek výživných látek, které rostliny potřebují, a navíc neobsahuje žádné nežádoucí produkty chemické výroby. Je to tedy plnohodnotný a .................................. zástupce umělých hnojiv.
4
Teoretická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011 Vinobraní u Kolibů
11 bodů
Už od chladného rána celá rodina Kolibů i se sousedy sbírala zralé hrozny z vinohradu. Děti s ženami stříhaly střapce z révy a muži nosili posbírané hrozny v bednách do vlečky. „Počkaj chvilu,“ vzdechl unavený strýc Jožin, když pomáhal Matějovi nést plnou bednu hroznů. „Mosím si odpočinút.“ Měli za sebou už velký kus práce. „Hen si daj, nech máš silu!“ povzbudil Jožina Matěj a podal mu střapec hroznů. Strýc utrhl několik kuliček révy a začal je žvýkat. „Hergot, ty sú sladké jak sirup!“ pousmál se, zbaštil několik dalších bobulí a za chvíli měl plno energie pokračovat v práci. Úkoly: 1. Jak se nazývá reakce, při které vznikají cukry obsažené například v bobulích révy nebo v sirupu? Jaké jsou nutné reaktanty a podmínky k uskutečnění této reakce? 2. Lidský organizmus získává energii oxidací glukosy. Napište rovnici tohoto děje. Jaký plyn je nezbytný pro průběh reakce a jaký se při ní uvolňuje? 3. Taková vinná kvasinka se naopak ráda spokojí s alkoholovým kvašením, které jí zajistí dostatečný přísun energie. Má to ovšem jednu nevýhodu, a to že vzniklý produkt je pro ni toxický. Napište rovnici alkoholového kvašení a označte sloučeninu, která zabíjí kvasinku. 4. Je alkoholové kvašení exotermní reakce? 5. Vypočítejte, kolik energie se uvolní z 10,0 g glukosy u člověka, pokud oxidací 1 molu glukosy získáme 2816 kJ energie. Zadáno: Mr(glukosa) = 180,16
5
Ústřední komise Chemické olympiády
47. ročník 2010/2011
OKRESNÍ KOLO kategorie D SOUTĚŽNÍ ÚLOHY PRAKTICKÉ ČÁSTI časová náročnost: 90 minut
Praktická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011
PRAKTICKÁ ČÁST (30 BODŮ) Úloha 1 Honzík provádí elektrolýzu
20 bodů
Matějův syn Honzík se rozhodl, že si doma postaví elektrolyzér a vyzkouší, co se děje při elektrolýze roztoku kuchyňské soli. Našel dvě staré zkumavky, dva dráty, dvě široké černé tuhy a láhev od okurek. Jako zdroj použil tatínkovu nabíječku na autobaterie. Pomůcky: • širší kádinka, alespoň 250ml • 9V baterie • elektrody (nejlépe uhlíkové, např. tuhy z tužky) • 2 zkumavky • zapalovač • lihový fix Chemikálie: • 10% roztok NaCl • výluh z červeného zelí (nebo fenolftalein) • destilovaná voda
Obr. 2. Schéma elektrolyzéru Pracovní postup 1. Do kádinky nalijte 200–300 ml 10% roztoku NaCl, který použijete jako elektrolyt. 2. Do elektrolytu přidejte pár kapek výluhu z červeného zelí nebo fenolftaleinu (fungují jako acidobazický indikátor) a promíchejte. 3. Dle obrázku sestavte aparaturu (vhodné je nejdříve naplnit zkumavky roztokem a až poté do nich zespoda vsunout elektrody). Na počátku jsou obě zkumavky zcela naplněné roztokem nebo alespoň skoro plné! (V případě, že nejsou zkumavky zcela naplněné, označte si hladiny elektrolytu lihovým fixem.) 4. Před zapojením si nechejte vždy zkontrolovat aparaturu! Připojte dráty na baterii a nechte probíhat elektrolýzu asi 5–10 minut. Při zapojeném elektrickém obvodu se nesmí vzájemně dotýkat elektrody ani neizolované části! 1
Praktická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011 Během elektrolýzy můžete provádět druhou úlohu – termický rozklad KMnO4. 5.
Proveďte test výbušnosti plynů. Opatrně vytáhněte elektrodu ze zkumavky (hrdlo zkumavky mějte stále pod hladinou!), ucpěte hrdlo zkumavky palcem, aby nedošlo k uniknutí vzniklého plynu, a vyjměte ji z kádinky dnem vzhůru. Zkumavku poté pomalu překlopte, aby se plyn dostal k jejímu hrdlu. Sejměte palec z hrdla zkumavky u plamene zapalovače. Opakujte pro druhou zkumavku. K oběma si opatrně čichněte.
Úkoly: 1. Přiřaďte vznikající plyny k elektrodě, na které se uvolňují, a napište, jak se změnila barva indikátorů u jednotlivých elektrod. 2. Napište rovnici reakce probíhající při elektrolýze. 3. Rozhodněte, jestli je prostředí u elektrod kyselé či zásadité. Která látka (popř. které látky) je zodpovědná za změnu pH? 4. V jakém poměru by měly vznikat plyny při elektrolýze? Je tomu při pohledu na hladinu ve zkumavkách skutečně tak? Vysvětlete. 5. Popište pozorování při testu výbušnosti. Otázka: Jaké produkty by vznikly elektrolýzou taveniny NaCl?
2
Praktická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011 Úloha 2 Termický rozklad KMnO4
10 bodů
Vaším druhým úkolem bude provést termický rozklad manganistanu draselného. Pomůcky: • zkumavka • stojan se svorkou • držák na zkumavky • kahan, sirky • špejle • ochranné brýle Chemikálie: • manganistan draselný – KMnO4 Pracovní postup 1. Na stojan upevněte pomocí svorky zkumavku ústím nahoru. 2. Do zkumavky vsypte 1 lžičku manganistanu draselného. 3. Zapalte kahan a žíhejte obsah zkumavky, dokud nezačnou krystaly praskat, poté vsuňte do ústí zkumavky asi 2 cm dovnitř žhnoucí špejli. Pozor! Při žíhání nemiřte ústím zkumavky na nikoho v laboratoři a používejte ochranné brýle! Úkoly: 1. Popište a vysvětlete, co se děje se žhnoucí špejlí ve zkumavce. 2. Doplňte plynný produkt reakce a rovnici vyčíslete: KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + … Otázka: Termický rozklad má také využití při pečení. Určitě víte, že se do těsta přidává kypřící prášek, aby při pečení těsto pěkně nakynulo. Tento prášek obsahuje hydrogenuhličitan sodný s pomocnými látkami. Jaký plyn vzniká termickým rozkladem hydrogenuhličitanu sodného? Napište rovnici termického rozkladu.
3
Praktická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011
Praktická část okresního kola 47. ročníku ChO kategorie D PRACOVNÍ LIST body celkem: soutěžní číslo:
Úloha 1 Honzík provádí elektrolýzu
20 bodů
Úkoly: 1. Doplňte: a) Plyn uvolňovaný na elektrodě KATODA:
ANODA: body:
b) Barva indikátoru na elektrodě KATODA:
ANODA: body:
2.
Rovnice reakce: body:
3.
Rozhodněte, jestli je prostředí u elektrod kyselé či zásadité. Která látka (popř. které látky) je zodpovědná za změnu pH? body:
4.
Jaký je teoretický poměr vznikajících plynů? Odpovídá to realitě? Vysvětlete. body:
5.
Pozorování: body:
Otázka: Jaké produkty by vznikly elektrolýzou taveniny NaCl? body:
4
Praktická část okresního kola ChO kat. D 2010/2011 Úloha 2 Termický rozklad KMnO4
10 bodů
Úkoly: 1. Pozorování: body:
Vysvětlení: body:
2.
Rovnice reakce: __ KMnO4 → __ K2MnO4 + __ MnO2 + __ body:
Otázka: Jaký plyn vzniká termickým rozkladem hydrogenuhličitanu sodného? Napište rovnici termického rozkladu. body:
5
