Anorganická chemie Úloha 1: Karbid křemíku
(4 body)
Karbid křemíku je oblíbeným brusným materiálem. Jedna z modifikací této látky krystaluje v krychlové soustavě. Základní buňka karbidu křemíku je znázorněna na obrázku:
Kde
reprezentuje Si a C. a) Napište empirický vzorec karbidu křemíku. Zjistěte, kolik atomů Si a kolik atomů C náleží základní buňce.(Nápověda: Pozor, atomy C zasahují do zákl. buňky jen z části, např. C ve stěně krychle náleží do buňky pouze svou 1/2. Podobně C ve vrcholech krychle náleží buňce pouze 1/8). b) Vypočítejte délku strany základní buňky (tj. mřížkový parametr a). Dostačujícími údaji pro výpočet jsou Mr(Si) = 28,086, Mr(C) = 12,011, hustota ###SiC = 3,230 g/cm3 a základní konstanty. c) Na základě známé struktury karbidu křemíku usuďte, jaké fyzikální vlastnosti lze u tohoto materiálu očekávat. d) Zdůvodněte, zda lze u karbidu křemíku za normálnch podmínek očekávat elektrickou vodivost kovového typu. e) Jmenujte látku, která je strukturou a vlastnostmi podobná karbidu křemíku.
Úloha 2:
(11 bodů)
Je dáno následující schema: M
SiCl4
g
B
r
C
- MgBrCl
A
CH3MgI
2 H5 MgBr
- MgBrCl
N
C
- MgBrI
B
C2H5MgBr F
NaN3 - NaCl
a
H
- NaCl
D
- H2O RCOONa
E
- NaCl
H
NaH - NaCl G Na - 1/2 H2 Ge(CH3)3 J - NaCl Ve schematu je respektována stechiometrie reaktantů a u některých reakcí jsou naznačeny i produkty. Jsou k dispozici doplňující údaje: I
Cl
a) Pro následující látky jsou dána %Si: D(18.7%), E(14.1%), F(13.7%), G(17.1%) b) Procentuální složení I je 64,4% C, 8,1% H, 15,1% Si a 12,3% Na. c) Látka J obsahuje 10,0% Si a 25,8 % Ge. Úkoly: 1. Doplňte strukturní vzorce produktů skrytých pod písmeny A - J . V případě, že některá z látek vytváří izomery, vyznačte všechny možné, a pro případné reakce z této látky vycházející použijte jejich směs. 2. Vypište prvky souměrnosti molekuly E a vypište, pod jakými písmeny jsou skryty molekuly se stejnou množinou prvků souměrnosti jako má E.
Úloha 3: Oxid křemičitý
(3 body)
A. Je známo, že SiO2 existuje ve více modifikacích. - Vyjmenujte 3 nejznámější (nejstabilnější) modifikace SiO2. - Vyznačte jejich vzájemné přeměny, pokud jsou možné. - Ze kterých modifikací lze získat rychlým roztavením křemenné sklo? - Jak se nazývá schopnost jedné chemické látky vystupovat ve více krystalových modifikacích? B. Krystaly křemene vynikají podivnou vlastností, tlakem nebo tahem získávají elektrický náboj, příp. vlivem vnějších elektrických polí se deformují. Jak se nazývá tato vlastnost a k jakým praktickým účelům se jí využívá?
Anorganická chemie Úloha 1:
(4 body)
a) Empirický vzorec je SiC. 0,5 bodu V základní buňce jsou 4 atomy Si (viz obrázek), a jim ze stechiometrie musí odpovídat 4 atomy C. (Počet atomů C v zákl. buňce zjistíme z obrázku takto: ve vrcholech krychle 8×1/8 C (atom C z vrcholu zasahuje do buňky pouze 1/8), ve stranách 6×1/2 C (atom C ve straně zasahuje do buňky 1/2). V zákl. buňce jsou tedy celkem 4 C). 0,5 bodu b) Mřížkový parametr a základní buňky souvisí s jejím objemem vztahem a3 = V, protože se jedná o krychlovou buňku. Objem V základní buňky lze vypočítat ze vztahu V = m / ###, kde m je hmotnost obsahu základní buňky (v našem případě atomů Si a C), a ### je zadáno. 0,5 bodu Pro to, abychom zjistili m, musíme - znát počet atomů Si a C v základní buňce (viz úloha a), -zjistit hmotnost jednoho atomu Si a C. 1 mol atomů Si má hmotnost 28,086 g, tj. 0,028086 kg, podobně 1 mol atomů C má hmotnost 0,012011kg (předpokládá se přírodní zastoupení isotopů obou prvků). Dělením Avogadrovou konst. získáme mSi = 4,66 . 10 -26 kg, mC = 1,99 . 10 -26kg. 0,5 bodu V základní buňce jsou tedy částice o hmotnosti 4 . mSi + 4 . mC = 4 . 6,65 . 10 -26 kg, hustota je 3230 kg . m-3, V je pak 8,23 . 10-29m3. Z toho a je určeno jako třetí odmocnina, a = 4,35 . 10-10m. 0,5 bodu c) Vzhledem ke struktuře lze očekávat inertnost, tvrdost , odolnost. Všechny elektrony ve struktuře SiC se účastní tvorby lokalizovaných kovalentních vazeb, proto je SiC elektricky nevodivý, dobrý izolant. 0,5 bodu d) Nevzniká vodivostní pás, proto vodivost kovového typu nelze očekávat. 0,5 bodu e) Diamant. 0,5 bodu
Úloha 2:
(11 bodů)
2.1 Za každé správně vyluštěné písmeno po 1 b (v případě C, D za každou strukturu po 0,5 b). Cl Cl
Si
A
Cl H
Cl
C 2 H5 CH3
B
C
C 2 H5
C 2 H5
CH3
C
C 2 H5 H
Cl
N3
Si
Si
C 2 H5
C 2 H5
E
C 2 H5
C 2 H5
F
O
H Si
Si
C 2 H5
Cl
Si
D
CH3
Si
C 2 H5
Si
CH3
Si
D
Cl
Cl
C 2 H5
G
O
CR
Si
C 2 H5
C 2 H5
H
Na Si C 2 H5
Ge(CH3 )3 Si
C 2 H5
I
C 2 H5
C 2 H5
J
celkem 10 b 2.2. Molekula E (tetraedrická) má rovinu souměrnosti (určena atomy Si, Cl a C z benzenového jádra). 0,5 bodu Stejnou množinu prvků souměrnosti nalézáme v molekulách B,F,G,H,I,J. Za libovolné dvě molekuly splňující podmínku zadání: 0,5 bodu Úloha 3: A.
křemen
(3 body) tridymit
cristobalit 1bod
Soutěžící nemusí udat, zda je modifikace dané látky α nebo β. Ze všech modifikací lze rychlým zahřátím získat sklo, neboť vzájemné přeměny mezi modifikacemi jsou pomalé. 0,5 bodu Polymorfie. 0,5 bodu B. Toto chování se označuje jako piesoelektrické, a užívá se jej v měřící technice, elektroakustice, pro vysílání stabilních kmitů, pro přeměnu střídavých proudů na zvukové vlny apod. 1 bod
