XLV. Irinyi János Középiskolai Kémiaverseny 2013. február 7* Iskolai forduló – II.a, II.b, IIc. kategória
Munkaidő: 120 perc Összesen 100 pont
A periódusos rendszer az utolsó lapon található. Egyéb segédeszközként csak toll és számológép használható!
Megoldókulcs és pontozási útmutató E1. Általános és szerkezeti kémia (15 pont) Jellemezd az alábbi molekulákat, összetett ionokat a megadott szempontok szerint! kötőelektronpárok száma a molekulában neve a molekula alakja σ-kötő π-kötő szén-dioxid kén-trioxid ammónia víz CBr4 Megoldás: Jellemezd az alábbi molekulákat a megadott szempontok szerint! kötőelektronpárok száma a molekulában a molekula alakja neve σ-kötő π-kötő szén-dioxid 2 2 lineáris kén-trioxid 3 3 egyenlő oldalú háromszög (sík trigonális) ammónia 3 0 piramis víz 2 0 V-alak (háromszög) CBr4 4 0 tetraéder minden jó válasz 1 pont Összesen: 15 pont
*
Feladatkészítők: Forgács József, Lente Gábor, Ősz Katalin, Petz Andrea, Pálinkó István, Sipos Pál Szerkesztő: Pálinkó István
E2. Szerves kémia (30 pont) (a) Melyik vegyületben nem egyenlő a C−C kötés közötti távolság? A: propán, B: benzol, C: propa-1,2-dién, D: ciklohexán, E: buta-1,3-dién. (b) M = 72 g/mol moláris tömegű szénhidrogének azon izomerjeinek száma, amelyek dehidrogénezéskor nem képeznek alként. A: 0, B: 1, C: 2, D: 3, E: 4. (c) Melyik az a legkisebb szénatomszámú, nyílt láncú szénhidrogén, amelynek lehet cisz- és transzizomerje is? A: 4, B: 5, C: 6, D: 7, E: 8. (d) Minden rendű szénatomot (primer, szekunder, tercier, kvaterner) tartalmazó, minimális szénatomszámú cikloalkán. A: 4, B: 5, C: 6, D: 7, E: 8. (e) Melyik az a vegyület, amelynek egy mólja elégetéséhez öt mól oxigén kell? A: metán, B: etán, C: propán, D: bután, E: a felsoroltak közül egyik sem. (f) Az etán (teljes) termikus bomlásakor keletkező gázelegy 20 térfogat%-a hidrogén. Hány százaléka alakult át az etánnak? A: 100 %, B: 75 %, C: 25 %, D: 20 %, E: 10 %. (g) Melyik az a legkisebb szénatomszámú, gyűrűs szénhidrogén, amelyben a geometriai izoméria lehetősége már adott? A: 4, B: 5, C: 6, D: 7, E: 8. (h) Hány darab olyan (nyíltláncú) pentén izomer van, amelynél nem léphet fel a geometriai izoméria jelensége? A: 1, B: 2, C: 3, D: 4, E: 5. (i) C4H6 összegképletű nyílt láncú izomerek száma. A: 2, B: 3, C: 4, D: 5, E: 6. (j) Melyik az az öt szénatomszámú alkán monoklór-származéka, amelynek HCl eliminációja és az azt követő HCl addíciója során csak ugyanaz a monoklór vegyület keletkezik? A: 1-klórpentán, B: 2-klórpentán, C: 3-klórpentán, D: 2-klór-2-metilbután, E: 1-klór-3-metil-bután. (k) Melyik vegyület nem keletkezik etanol kénsavval való reakciójakor? A: dietil-szulfát, B: etén, C: dietiléter, D: etil-hidrogénszulfát, E: etanal. (l) Melyik vegyületben nincs karbonilcsoport? A: propanal, B: propanon, C: benzaldehid, D: propánsav, E: karbolsav. (m) Hány szerkezeti izomer C7H8O összegképletű alkilfenol van? A: 6, B: 7, C: 3, D: 9, E: 4. (n) Melyik vegyület forráspontja a legmagasabb? A: etanol, B: metán, C: 2-metil-bután, D: dietiléter, E: etil-ciklopropán (o) Melyik vegyület nem kényszeríthető (1,2)-eliminációs reakcióra? A: etil-bromid, B: 1-bróm-2,2-dimetil-propán, C: 2-bróm-2-metil-propán, D: bróm-ciklobután
Megoldások: (a) E, (b) B, (c) A, (d) C, (e) C, (f) E, (g) B, (h) B, (i) C, (j) D, (k) E, (l) E, (m) C, (n) A, (o) B minden jó válasz 2 pont Összesen: 30 pont
Sz1. feladat (13 pont) Rendelkezésünkre áll 0,08 mol/dm3 koncentrációjú kénsavoldat és 0,05 mol/dm3 koncentrációjú nátrium-hidroxid-oldat. Hány dm3 lúgoldatot kell 1 dm3 kénsavoldathoz adni, hogy a keletkező oldat: (a) semleges kémhatású legyen, (b) 0,01 mol/dm3 koncentrációjú legyen kénsavra nézve, (c) 0,01 mol/dm3 koncentrációjú legyen NaOH-ra nézve? (Az oldatok térfogatai összeadódnak!) Megoldás: 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2 H2O (a) 0,08 mol kénsavhoz kell 0,16 mol NaOH, ez pedig 0,16/0,05 = 3,20 dm3 lúgoldatban van. (b) x dm3 NaOH-oldatot kell hozzáadni, ebben van 0,05x mol NaOH, ez semlegesít 0,025x mol kénsavat. Felírva a kénsav anyagmennyisége és a keletkezett oldat térfogata közötti arányt: (0,08 – 0,025x) mol/(1 + x) dm3 = 0,01 mol/1 dm3, ebből x = 2,00 dm3. (c) y dm3 NaOH-oldatot kell hozzáadni, ebben van 0,05y mol NaOH, ebből elfogy 0,16 mol. Felírható: (0,05y – 0,16) mol/(1 + y) dm3 = 0,01 mol/1 dm3, ebből y = 4,25 dm3. Összesen: 13 pont
1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 2 pont 1 pont 1 pont 1 pont 2 pont 1 pont
Sz2. feladat (9 pont) Egy 14,40 g tömegű vaskulcsot 100 cm3 0,25 M koncentrációjú CuSO4 oldatba helyezünk. Egy idő elteltével a kulcsot kivesszük az oldatból és tömegét megmérve azt találjuk, hogy az 14,56 g-ra növekedett. (a) Hány g Cu vált ki a vaskulcson? (b) Hogyan változott meg az oldat koncentrációja a folyamat során (mind a Cu2+-, mind a Fe2+ionok koncentrációjára kíváncsiak vagyunk. (az oldat sűrűségváltozását a folyamat során tekintsük elhanyagolhatónak.) Megoldás: (a) A folyamat során a Cu2+ + Fe → Fe2+ + Cu folyamat játszódik le. 1 mol Cu leválásakor 1 mol Fe kerülne az oldatba, ekkor a kulcs tömege 63,5 – 55,9 = 7,6 g-mal változna meg; mivel a tömegnövekedés 0,16 g, a kivált réz anyagmennyisége 2,105×10–2 mol, vagyis 1,337 g; (mindeközben 1,176 g Fe került az oldatba). (b) A 100 cm3 oldatban kiinduláskor 0,025 mol Cu(II) volt jelen, ebből 2,105×10–2 mol cementálódott, vagyis maradt 3,95×10–3 mol, vagyis az oldat Cu(II)-re 0,0395 M-os koncentrációjúvá vált. Az oldat Fe(II)-re 0,210 M-os. Összesen: 9 pont
1 pont 1 pont 1 pont 2 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont
Sz3. feladat (12 pont) Egy CaSO4-ből és CaSO4.2H2O keverékéből álló porelegy tömege 3,043 g. A porelegyet először vízgőzzel telített atmoszférába helyezve, azt teljes mértékben dihidráttá alakítjuk át, majd 200 oC-on hevítve visszaalakítjuk a kristályvíz-mentes alakba. A hevítés során a minta teljes tömegvesztesége 0,714 g. (a) Hány tömeg% CaSO4-ot és CaSO4.2H2O-t tartalmazott az eredeti minta? (b) Mekkora volt a minta tömegnövekedése, miközben a porkeveréket a vízgőzzel telített atmoszférában dihidrát formává alakítottuk át? Megoldás (a) A tömegveszteséget a 0,714/18 = 3,967 × 10–2 mol víz eltávozása okozta. A teljes mértékben dihidrát formában lévő porkeverék tehát ennek fele, vagyis 1,983 × 10–2 mol kalcium-szulfátot tartalmazott. 3,043 g = x mol × 136 + (1,983 × 10–2 – x) mol × 172, ahol x a vízmentes kálciumsó anyagmennyisége a porkeverékben. Ebből x = 0,0102 mol, vagyis 1,387 g, ami az eredeti tömeg 45,59 %-a. (b) Ha 0,0102 mol vízmentes CaSO4-ot dihidráttá alakítunk át, akkor az 0,0204 mol vizet fog megkötni, ami 0,367 g; ennyi volt a minta tömegnövekedése az első, kristályvizet megkötő folyamat során. Összesen: 12 pont
2 pont 2 pont 4 pont 2 pont
2 pont
Sz4. feladat (12 pont) Elemi nitrogén és hidrogén keverékét egy katalizátort is tartalmazó, 1 m3-es zárt tartályba vezették. A reakció elindítása előtt, 300 K hőmérsékleten a keverék nyomása a tartályban 7379 kPa, sűrűsége pedig 28,7 kg/m3 volt. 500 K-re hevítve a tartályt beállt az egyensúly, a nyomás 7379 kPa maradt. Add meg a reaktorban lévő gázok egyensúlyi koncentrációit 500 K-en. Mennyi az elegy sűrűsége 500 K-en? Megoldás: Az átalakulás egyenlete: N2 + 3H2
2NH3
2 pont (1 pont, akkor, ha egyenlőségjelet ír)
A zárt tartály térfogata nyilván nem változik a reakció alatt, a tömegmegmaradás törvénye miatt pedig a benne lévő gázok teljes tömege sem változhat. Így 500 K-en az elegy sűrűsége (ami a tömeg és a térfogat hányadosa) ugyanannyi, mint 300 K-en, vagyis 28,7 kg/m3.
1 pont
A tartályban a H2 anyagmennyisége n1, a N2-é pedig n2. A sűrűség ismert értékéből következően az össztömeg ekkor m = ρ × V = 28,7 kg/m3 × 1,000 m3 = 28,7 kg = 28 700 g.
1 pont
Ez ugyanakkor a két gáz tömegének az összege, és mivel egy adott gáz tömege az anyagmennyiségnek és a moláris tömegnek az összege: m = M1 × n1 + M2 × n2 = 2,00n1 + 28,0n2 = 28 700 g
1 pont
A teljes anyagmennyiség ekkora térfogatban az ideális gázok állapotegyenlete alapján számolható ki: n1 + n2 = n = pV/(RT) = 7379000 Pa × 1,000 m3 / (8,314 J/(mol K) × 300 K) = 2958 mol
1 pont
A kétismeretlenes egyenletrendszer megoldása: 2,00n1 + 28,0(2958 − n1 ) = 28 700 n1 = 2082 mol n2 = 876 mol
1 pont
Az 500 K-en beálló egyensúlyban az ammónia anyagmennyiségét jelöljük n3-mal. A maradék H2 anyagmennyisége n1 − 1,5n3, a N2-é pedig n2 − 0,5n3.
1 pont
Így a gázok teljes anyagmennyisége egyensúlyban n3 + (n1 − 1,5n3) + (n2 − 0,5n3) = n1 + n2 − n3.
1 pont
Ez az ideális gázok állapotegyenlete alapján is kiszámolható: n1 + n2 − n3 = pV/(RT) = 7379000 Pa × 1 m3 / (8,314 J/(molK) × 500 K) = 1775 mol
1 pont
Ebből n3 = n1 + n2 − 1775 mol = 1183 mol.
1 pont
Az egyensúlyi elegy összetétele tehát 1183 mol NH3, 2082 − 1,5 × 1183 = 307,5 mol H2 és 876 − 0,5 × 1183 = 284,5 mol N2. 1 pont Összesen: 12 pont
Sz5. feladata (9 pont) O 2 H +
H
+
H O
Ciklohexént (sűrűség: 0,811 g/cm3) állítunk elő ciklohexanolból a fenti egyenlet szerint. A szintézis során egy 100 cm3-es gömblombikba bemérünk 10 cm3 ciklohexanolt (sűrűség: 0,963 g/cm3). Intenzív rázogatás közben hozzáadunk 1 cm3 koncentrált H2SO4-oldatot. Az elegyet melegíteni kezdjük, és kinyerünk belőle 8,4 cm3 zavaros folyadékot, amely főként ciklohexént és vizet tartalmaz. A szerves fázist elválasztjuk, savmentesre mossuk NaHCO3-oldattal, majd desztillációval tisztítjuk. Végül 4 cm3 tiszta ciklohexént kaptunk. Hány %-át kaptuk meg az elméletileg lehetséges termékmennyiségnek? Írd fel a savmentesre mosás rekcióegyenletét. Megoldás: A ciklohexanol kiindulási tömege: 10 cm3×0,963 g/cm3 = 9,63 g, anyagmennyisége: 9,63 g/100 gmol−1 = 0,0963 mol. A kapott tiszta termék tömege: 4 cm3×0,963 g/cm3 = 3,852 g anyagmennyisége: 3,852 g/82 g/mol = 0,0470 mol. Elméletileg keletkezhetne 0,0963 mol ciklohexén A kapott anyagmennyiség ennek 48,8 %-a H2SO4 + 2NaHCO3 = Na2SO4 + 2H2O + 2CO2 Összesen: 9 pont
1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 2 pont 1 pont 2 pont
AZ ELEMEK PERIÓDUSOS RENDSZERE 1, I.A
2, II.A
3,
4,
5,
6,
7,
8,
9,
10,
11,
12,
13, III.A
14, IV.A
15, V.A
16, VI.A
17, VII.A
1
2 H 1,008 hidrogén
1. 3 2.
3.
4.
5.
6.
7.
18, VIII.A
4
5
Li 6,94 lítium
Be 9,01 berillium 11 12 Na Mg 23,0 24,3 nátrium magnézium 19 20 K Ca 39,1 40,0 kálium kalcium 37 38 Rb Sr 85,5 87,6 rubídium stroncium 55 56 Cs Ba 132,9 137,3 cézium bárium 87 88 Fr Ra (223) (226) francium rádium
6 B 10,8 bór
III.B 21 Sc 45,0 szkandium 39 Y 88,9 ittrium 57 La* 138,9 lantán 89 Ac** (227) aktínium
IV.B 22
aktinoidák**
VI.B 24
VII.B 25
VIII.B 26
27
V Cr Mn Fe Co 50,9 52,0 54,9 55,9 58,9 vanádium króm mangán vas kobalt 40 41 42 43 44 45 Zr Nb Mo Tc Ru Rh 91,2 92,9 95,9 (99) 101,1 102,9 cirkónium nióbium molibdén technécium ruténium ródium 72 73 74 75 76 77 Hf Ta W Re Os Ir 178,5 181,0 183,9 186,2 190,2 192,2 hafnium tantál wolfram rénium ozmium iridium 104 105 106 107 108 109 Rf Db Sg Bh Hs Mt rutherforseabormeitnedium dubnium gium bohrium hassium rium
I.B 28
Ti 47,9 titán
58 lantanoidák*
V.B 23
Ce 140,1 cérium 90 Th 232,0 tórium
59
29 Ni 58,7 nikkel
46
Cu 63,5 réz
47 Pd Ag 106,4 107,9 palládium ezüst 78 79 Pt Au 195,1 197,0 platina arany
7
N 14,01 nitrogén 13 14 15 Al Si P 27,0 28,1 31,0 II.B alumínium szilícium foszfor 30 31 32 33 Zn Ga Ge As 65,4 69,7 72,6 74,9 cink gallium germánium arzén 48 49 50 51 Cd In Sn Sb 112,4 114,8 118,7 121,8 kadmium indium ón antimon 80 81 82 83 Hg Tl Pb Bi 200,6 204,4 207,2 209,0 higany tallium ólom bizmut
60 61 62 63 64 65 66 67 Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho 140,9 144,2 (147) 150,4 152,0 157,3 158,9 162,5 164,9 prazeodimium neodimium prométium szamárium európium gadolínium terbium diszprózium holmium 91 92 93 94 95 96 97 98 99 Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es (231,0) 238,1 (237,0) (242,0) (243,0) (247,0) (249,0) (251,0) (254,0) proaktíurán neptúplútónium amerícium kűrium berkélium kaliforeinsteinium nium nium nium
C 12,01 szén
68
He 4,0 hélium 8 9 10 O F Ne 16,00 19,0 20,2 oxigén fluor neon 16 17 18 S Cl Ar 32,0 35,5 39,9 kén klór argon 34 35 36 Se Br Kr 79,0 79,9 83,8 szelén bróm kripton 52 53 54 Te I Xe 127,6 126,9 131,3 tellúr jód xenon 84 85 86 Po At Rn (210) (210) (222) polonium asztácium radon
69 70 71 Er Tm Yb Lu 167,3 168,9 173,0 175,0 erbium tulium itterbium lutécium 100 101 102 103 Fm Md No Lr (253,0) (256,0) (254,0) (257,0) fermium mendelé- nobélium laurenvium cium
