XLVI. Irinyi János Középiskolai Kémiaverseny 2014. február 6.* Iskolai forduló – II.a és II.b 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 (14 pont) Állítsd sorba növekvő értékek alapján az alábbi molekulákat/ionokat! Ha azonos érték jellemzi őket, akkor a képletük közé írj „=” jelet! CO, CO2 C–O kötési energia/kötésfelszakítási energia szerint: C–O kötéshossz szerint: CCl4, H2O Polaritás szerint: Hidrogénkötés-képzési hajlam szerint: NH3, SO2 Vizes oldatuk savassága szerint: Kötésszög szerint: Polaritás szerint: NH4Cl, NaCl Vizes oldatuk savassága szerint: NH4+, CO32−, H2S Kötésszög szerint: Benne lévő kovalens kötések száma szerint: Benne lévő σ-kötések száma szerint: Megoldás: C–O kötési energia/kötésfelszakítási energia szerint: CO2 < CO C–O kötéshossz szerint: CO < CO2 Polaritás szerint: CCl4 < H2O Hidrogénkötés-képzési hajlam szerint: CCl4 < H2O Vizes oldatuk savassága szerint: NH3 < SO2 Kötésszög szerint: NH3 < SO2 Polaritás szerint: SO2 < NH3 Vizes oldatuk savassága szerint: NaCl < NH4Cl Kötésszög szerint: H2S < NH4+ < CO32− (részben jó: 1 pont) Benne lévő kovalens kötések száma szerint: H2S < NH4+ = CO32− (részben jó: 1 pont)
1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 2 pont 2 pont
* Feladatkészítők: Forgács József, Nagy Mária, Pálinkó István, Sipos Pál, Tóth Albertné Szerkesztő: Pálinkó István
1
Benne lévő σ-kötések száma szerint: H2S < CO32− < NH4+ részben jó (1 pont)
2 pont
E2. Szerves kémia (28 pont) (1) Rajzold fel az összes olyan telített szénhidrogén szerkezeti képletét, amelynek csak egyfajta monoklórozott származéka lehet, és szénatomjainak száma 1 és 5 között változik! Nevezd is el őket! (18 pont) Megoldás: A nevek: metán, etán, ciklopropán, ciklobután, tetrahedrán, 2,2-dimetil-propán, ciklopentán, propellán, spiropentán, plusz a szerkezeti képletek 18 pont A tetrahedrán, a spiropentán és a propellán nevét nem kell tudni, de ha valaki le tudja a szerkezeti képleteiket, akkor mindegyikért 2 pont jár. Ha valaki tudja a nevüket is, akkor mindegyikért még 1 pluszpont jár. (2) Milyen és mennyi geometriai izomerje lehet a következő vegyületeknek: (a) 1,2-dimetilciklopropán, (b) 1,2-dimetilciklobután, (c) 1,3-dimetil-ciklobután, (d) 1,4-dimetil-ciklohexán? minden jó válasz 1 pont Megoldás: (a) egy cisz és két transz, (b) egy cisz és két transz, (c) egy cisz és egy transz, (d) egy cisz és egy transz 10 pont Sz1. feladat (13 pont) Rendelkezésünkre áll 0,16 mol/dm3 koncentrációjú sósavoldat és 0,05 mol/dm3 koncentrációjú nátrium-hidroxid-oldat. Hány dm3 lúgoldatot kell 1 dm3 sósavoldathoz adni, hogy a keletkező oldat: (a) semleges kémhatású legyen, (b) 0,02 mol/dm3 koncentrációjú legyen sósavra nézve, (c) 0,01 mol/dm3 koncentrációjú legyen NaOH-ra nézve? (Az oldatok térfogatai összeadódnak!) Megoldás: NaOH + HCl = NaCl + H2O (a) 0,16 mol sósavhoz 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 0,05x mol sósavat Felírva a sósav anyagmennyisége és a keletkezett oldat térfogata közötti arányt: (0,16 – 0,05x) mol/(1 + x) dm3 = 0,02 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
2
Sz2. feladat (11 pont) Magnézium-karbonát és fémmagnézium keverékét levegőn hevítjük. A keletkezett szilárd termék tömege lehűtés után megegyezik a kiindulás keverék tömegével. Milyen reakciók játszódtak le? Számítsd ki a keverék tömeg- és mol%-os összetételét! Megoldás MgCO3 (hevítés) = MgO + CO2 Mg + 0,5 O2 = MgO 1 mol MgCO3 bomlásakor a tömegcsökkenés 44 g 1 mol Mg tömegnövekedése 16 g x mol Mg tömegnövekedése 44 g x = 44/16 = 2,75 mol Az elegy mol%-os összetétele: 100/3,75 = 26,67 mol% MgCO3 és 73,33 mol% Mg. Az elegy tömege: 1×84,3 g MgCO3 és 2,75×24,3 = 66,83 g MgO Az összes tömeg: 151,13 g Az elegy tömeg%-os összetétele: 100×84,3/151,13 = 55,78 % MgCO3, 44,22 % Mg. Összesen: 11 pont
1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 2 pont 1 pont 2 pont
Sz3. feladat (11 pont) 400 g 0 oC hőmérsékleten telített KAl(SO4)2-oldatot felmelegítjük 20 oC-ra. A 0 oC-on telített oldat 3,10 tömeg%-os, a 20 oC-on telített oldat pedig 5,70 tömeg%-os. (a) Hány gramm KAl(SO4)2.12 H2O oldódik 100 g vízben 20 oC-on? (b) Hány gramm KAl(SO4)2.12 H2O oldódik még a 400 g oldatban 20 oC-on? Megoldás (a) 100 g víz x g KAl(SO4)2.12 H2O-ot old, ebben van: 258,1x/474,1 = 0,544x g KAl(SO4)2 az oldat tömege: (100 + x) g 0,544×/(100 + x) = 5,7/100, ebből x = 11,69 g. (b) ha y g KAl(SO4)2.12 H2O oldódik még 400 g oldatban, az oldat tömege: (400 + y) g lesz. 400 g oldatban volt 4×3,1 = 12,4 g KAl(SO4)2 y g KAl(SO4)2.12 H2O-ban van 258,1y/474,1 = 0,544y KAl(SO4)2 a KAl(SO4)2 összes tömege: (12,4 + 0,544y) g Az oldott anyag és az oldat tömegaránya 20 oC-on: (12,4 + 0,544y) g/(400 + y) g = 5,7/100, ebből y = 21,4 g. Összesen: 11 pont
1 pont 1 pont 1 pont 2 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 2 pont
Sz4. feladat (13 pont) A 2013-as kémiai Nobel-díjat Martin Karplus, Michael Levitt és Arieh Warshel kapták mert (amint ezt az indoklásban is írták) „megteremtették a kémiai reakciók komplexebb számítógépes modellezésének lehetőségét”. A kémia reakciók számítógépes vizsgálatának egyik hatalmas előnye, hogy olyan adatok kiszámítását is lehetővé teszi, amelyeket kísérleti
3
úton nem tudnánk meghatározni, vagy azért, mert nem áll rendelkezésre alkalmas kísérleti módszer, vagy azért, mert a reakció terméke olyan kis mértékben (koncentrációban) képződik, hogy azt még a legérzékenyebb módszerekkel sem lehet „látni”. Például egy ilyen számítás eredménye az volt, hogy az A és a B vegyületek közötti egyensúlyi reakció, A + B AB egyensúlyi állandójára,
K = 10−36 érték adódott. (a) Ha veszünk egy olyan oldatot, amelyben A és B koncentrációja is 1-1 mol/dm3, mekkora lesz a termék, AB, egyensúlyi koncentrációja ebben az oldatban? (b) Hány AB molekulát jelent ez dm3-enként? (c) Mekkora térfogatú, A-ra és B-re nézve 1 mol/dm3-es koncentrációjú oldatban van jelen egy db ilyen AB molekula? (d) Hány darab, illetve hány mól AB molekula képződne a Balatonban (vízkészlet: 1660 millió m3), ha benne mind az A, mind a B vegyület koncentrációja 1 mol/dm3 volna? (e) Hány darab, illetve hány mól AB molekula képződne a Föld teljes vízkészletében (1,36 milliárd km3), ha benne mind az A, mind a B vegyület koncentrációja 1 mol/dm3 volna? (NA = 6×1023) Megoldás: (a) 10−36 mol/dm3 lenne AB koncentrációja 2 pont 3 3 23 (b) Ha egy oldat 1 mol/dm -es AB-re, akkor dm -enként 6×10 db AB molekula lenne benne. Ha a koncentráció ennek 10−36-od része, akkor az oldat 1 dm3-e 6.10−13 db AB molekulát tartalmazna (ami képtelenség). 3 pont 2 pont (c) 1,660×1012 dm3 oldatban 1 molekula képződne, ami 1/6×1023 mol (d) Ez pont a Balaton vízkészlete, tehát ennyiben van 1 AB molekula, ami 1/(6×1023) mol 2 pont 21 3 8 −15 (e) 1,36×10 dm oldatban van 8×10 AB molekula, ami 1.3×10 mol. 4 pont Nincs az a módszer, amivel ezt kísérletileg ki lehetne mutatni – a számítógépes modellekkel viszont igen! Összesen: 13 pont Sz5 feladata (10 pont) Egy H2-ből és CH4-ból álló gázelegy térfogatának 80%-a szükséges oxigénből a gázelegy teljes elégetéshez. (a) Mi a gázelegyben a H2:CH4 anyagmennyiség arány és a mol%-os összetétel? (b) Hány gramm gázelegy égéséhez elegendő 128 gramm oxigén? (c) A gázhalmazállapotú égéstermékben mennyi a komponensek anyagmennyiségének aránya? Megoldás: H2 + 0,5O2 = H2O CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
1 pont 1 pont 4
Az oxigén anyagmennyiségének megállapítása az ismeretlen anyagmennyiségekhez: H2 + 0,5O2 =H2O: x + 0,5x CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O: y + 2y a 80 % értelme a választott (x,y) kiindulási gázelegyhez: 0.8(x + y) = 0,5x + 2y (a) a két gáz anyagmennyiség-aránya: x:y = 4 és a anyagmennyiség-százalékos összetétel: 80% H2 és 20 % CH4 (b) a reakcióegyenlet alapján: 4H2+ 2O2=4H2O és CH4+2O2 = CO2+2H2O A 128 g oxigénben elégethető gázelegy tömege: 24 g (8 g H2 és 16 g CH4) a végtermékek anyagmennyiségének megállapítása az ismert anyagmennyiségekhez: 4+2 mol víz, és 1mol CO2 n(CO2):n(H2O)=1:6 Összesen: 10 pont
1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont 1 pont
Természetesen, minden más helyes gondolatmenet elfogadható, és teljes pontszámot ér.
5
Az elemek periódusos rendszere 1,
2,
3,
4,
5,
6,
7,
8,
9,
10,
11,
12,
13,
14,
15,
16,
17,
18,
I.A
II.A
III.A
IV.A
V.A
VI.A
VII.A
VIII.A
H 1,008 idrogén
4 Be 9,01 berillium 12 Mg Na 24,3 23,0 nátrium magnézium 20 Ca K 40,0 39,1 kalcium kálium 38 Sr Rb 87,6 85,5 ubídium stroncium 56 Ba Cs 137,3 132,9 bárium cézium 88 Ra Fr (226) (223) rádium rancium
29 Cu Ni 63,5 58,7 réz nikkel 47 46 Ag Pd 107,9 106,4 ezüst palládium 79 78 Au Pt 197,0 195,1 arany platina
He 4,0 hélium 10 9 8 7 6 5 Ne F O N C B 20,2 19,0 16,00 14,01 12,01 10,8 neon fluor oxigén nitrogén szén bór 18 17 16 15 14 13 Ar Cl S P Si Al 39,9 35,5 32,0 31,0 28,1 27,0 argon klór kén foszfor alumínium szilícium II.B 36 35 34 33 31 32 30 Kr Br Se As Ga Ge Zn 83,8 79,9 79,0 74,9 69,7 72,6 65,4 kripton bróm szelén arzén gallium germánium cink 54 53 50 52 49 51 48 Xe I Sn Te In Sb Cd 131,3 126,9 127,6 114,8 121,8 112,4 118,7 xenon jód tellúr indium antimon kadmium ón 86 85 84 83 82 81 80 Rn At Po Bi Pb Tl Hg (222) (210) (210) 209,0 207,2 204,4 200,6 radon polonium asztácium bizmut ólom tallium higany
64
66
Li 6,94 lítium
22
Sc 45,0 szkandium 39 Y 88,9 ittrium 57 La* 138,9 lantán 89 Ac** (227) aktínium
V 50,9 vanádium 41 40 Nb Zr 92,9 91,2 cirkónium nióbium 73 72 Ta Hf 181,0 178,5 tantál hafnium 105 104 Db Rf rutherfor‐ dubnium dium 59 58 Pr Ce 140,9 140,1 cérium prazeodimium 91 90 Pa Th (231,0) 232,0 proaktí‐ tórium nium
lantanoidák* aktinoidák**
23
21
Ti 47,9 titán
VII.B
VI.B
V.B
IV.B
III.B
25
24
Mn 54,9 mangán 43 42 Tc Mo (99) 95,9 molibdén technécium 75 74 Re W 186,2 183,9 rénium wolfram 107 106 Bh Sg seabor‐ bohrium gium 61 60 Pm Nd (147) 144,2 neodimium prométium 93 92 Np U (237,0) 238,1 neptú‐ urán nium
VIII.B 27
26 Fe 55,9 vas
Cr 52,0 króm
44 Ru 101,1 ruténium 76 Os 190,2 ozmium 108 Hs hassium 62 Sm 150,4 szamárium 94 Pu (242,0) plútónium
Co 58,9 kobalt 45 Rh 102,9 ródium 77 Ir 192,2 iridium 109 Mt meitne‐ rium 63 Eu 152,0 európium 95 Am (243,0) amerícium
2
I.B
28
65
67
Ho Dy Tb Gd 164,9 162,5 158,9 157,3 holmium diszprózium terbium gadolínium 99 98 97 96 Es Cf Bk Cm (254,0) (251,0) (249,0) (247,0) einstei‐ kűrium berkélium kalifor‐ nium nium
68
69
70
71
Tm Lu Er Yb 168,9 175,0 167,3 173,0 tulium lutécium erbium itterbium 103 102 101 100 Lr No Md Fm (257,0) (254,0) (256,0) (253,0) fermium mendelé‐ nobélium lauren‐ cium vium
6
