pobierz - Konkurs Chemiczny im. prof. Antoniego Swinarskiego

pobierz - Konkurs Chemiczny im. prof. Antoniego Swinarskiego

52. Ogólnopolski Konkurs Chemiczny im. prof. A. Swinarskiego – I etap
ZADANIE A (20 pkt)
1. pKa fenoloftaleiny w temp. pokojowej wynosi 9,3. a) Oblicz stosunek stężenia formy anionowej do
formy kwasowej w roztworze o pH=8,2 i pH=10. b) Wyjaśnij zmianę barwy tego wskaźnika w tym
zakresie pH.
2. Podaj, z jakiego(jakich) monomeru (ów) można otrzymać polimer
przedstawiony obok. Jaki to rodzaj polimeryzacji i do jakiego typu polimerów
jest zaliczany ten polimer?
3. Jaki związek jest głównym produktem addycji bromowodoru do 5-metylo-heks-2-enu? Podaj wzór
półstrukturalny i nazwę związku.
4. Czas połowicznej przemiany pewnej reakcji I rzędu wynosi 1,5 godziny. Ile czasu potrzeba, żeby 94%
substratu uległo przereagowaniu?
5. W jakim środowisku reakcja AsO2– + I2 + … = AsO43– + I– + … zachodzi w stronę prawą, a w jakim w
stronę lewą? Zapisz zbilansowane równanie reakcji.
6. Iloczyn rozpuszczalności węglanu manganu (II) w temp. 25 C wynosi 2∙10-11. Ile maksymalnie gramów
tej soli rozpuści się w 1 dm3 roztworu w temperaturze 25 C ?
7. Stosując metodę VSEPR określ liczbę par elektronowych wiązań i wolnych par atomu centralnego w
cząsteczce SOCl2 i określ jej strukturę przestrzenną.
8. Glutation jest peptydem o wzorze podanym obok. Jakie są produkty
całkowitej hydrolizy tego peptydu (podaj wzory strukturalne)
9. Chlor rozpuszczony w roztworze NaOH w temp. 15 C ulega reakcji dysproporcjonacji. Reakcję tę używa
się do otrzymywania pewnego produktu stosowanego m.in. w gospodarstwie domowym. Zapisz równanie
tej reakcji.
10. W cząsteczce winyloacetylenu (but-1-en-3-yn) jest …. wiązań typu i …. wiązań typu (podaj liczbę
wiązań). Narysuj wzór tego związku i określ hybrydyzację każdego z atomów węgla w tej cząsteczce.
ZADANIE B (15 pkt)
Związek A zawiera 2,23% wodoru, 26,67% węgla i
71,10% tlenu (% wag). Podczas miareczkowania
próbki 0,112 g tego związku roztworem KOH o
stężeniu 0,2500 mol/dm3 otrzymano krzywą jak na
rysunku obok.
1) Wyznacz empiryczny wzór związku A.
2) Na podstawie wyników miareczkowania oblicz
masę molową związku A i podaj jego wzór
sumaryczny.
3) Produktami reakcji związku A z K2Cr2O7 w środowisku kwaśnym są jony chromu (III) oraz tlenek węgla
(IV). Napisz zbilansowane równanie tej reakcji w formie jonowej oraz opisz, jak zmieni się barwa roztworu
podczas tej reakcji.
4) Jaka objętość tlenku węgla (IV) powstanie w temperaturze 20 C i przy ciśnieniu 990 hPa, gdy 0,451 g
związku A przereaguje z nadmiarem K2Cr2O7? Uwaga: Załóż, że tlenek węgla (IV) można potraktować jak gaz
idealny.
ZADANIE C (20 pkt)
Węgiel i tlenek węgla (IV) umieszczono w zbiorniku o pojemności 2,0 dm3 w temperaturze 1160 K. W
zbiorniku zaszła reakcja według równania:
C(s) + CO2(g)  2CO(g)
W czasie procesu mierzono ciśnienie w zbiorniku. Po osiągnięciu równowagi pozostała jeszcze pewna ilość
węgla. Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli poniżej:
Czas [godziny]
Całkowite ciśnienie w zbiorniku [bar]
1)
2)
3)
4)
5)
0,0
5,00
2,0
6,26
4,0
7,09
6,0
7,75
8,0
8,50
10,0
8,50
Zapisz wyrażenie na stałą równowagi, Kp, tej reakcji.
Oblicz początkową liczbę moli tlenku węgla (IV) (załóż, że objętość stałego węgla można pominąć).
W stanie równowagi w tej temperaturze cząstkowe ciśnienie CO2(g) w mieszaninie reakcyjnej wyniosło
1,60 bara. Oblicz cząstkowe ciśnienie tlenku węgla (II) oraz stałą równowagi reakcji, Kp.
Oblicz entalpię reakcji C(s) + CO2(g) → 2 CO(g) i określ, w jaki sposób obniżenie temperatury reakcji
wpłynie na stan równowagi tej reakcji: równowaga przesunie się w stronę produktu, cofnie w stronę
substratów, nie ulegnie zmianie.
C(s) + ½ O2(g) → CO(g)
H = -110,0 kJ
C(s) + O2(g) → CO2(g)
H = -394,0 kJ
W innym eksperymencie dotyczącym tej samej reakcji zbiornik poj. 2,0 dm3 zawierał początkowo 10,0
g C(s) oraz CO(g) i CO2(g) , których ciśnienia cząstkowe wynosiły 2,00 bary (każdego z nich) w temp.
1160 K. Czy ciśnienie cząstkowe CO2(g) zmniejszy się, zwiększy czy pozostanie bez zmian po
osiągnięciu stanu równowagi? Uzasadnij odpowiedź obliczeniami.
Uwaga: Załóż, że wszystkie gazy można potraktować jak gazy idealne.
ZADANIE D (10 pkt)
Wśród związków o wzorze sumarycznym C4H10O są cztery izomery konstytucyjne, należące do grupy
alkoholi. Rzędowość alkoholi można określić na podstawie reakcji, jakim ulegają. Oprócz analizy produktów
takich reakcji jak utlenianie pomocne mogą okazać się inne reakcje, jak Lucasa (reakcji z chlorkiem cynku
w stężonym kwasie solnym w temperaturze pokojowej), oraz reakcja jodoformowa, stosowana najczęściej
do identyfikacji metyloketonów H3C-CO-, a której ulegają również alkohole, zawierające grupę –OH w
podobnym położeniu.
1) Narysuj wzory półstrukturalne i podaj nazwy systematyczne oraz zwyczajowe tych alkoholi. Wskaż,
które z nich są optycznie czynne i narysuj wzory ich enancjomerów.
2) O alkoholach A, B, C i D wiadomo, że:
a) Alkohol A można otrzymać m.in. w reakcji addycji wody do but-1-enu.
b) W reakcji z dichromianem (VI) potasu w przypadku związków A, B i D następuje zmiana
zabarwienia na zielone, alkohol C nie reaguje.
c) Alkohol C w próbie Lucasa reaguje szybko, powstaje zmętnienie roztworu. W przypadku alkoholu
A zmętnienie występuje po dłuższym czasie, związki B i D nie reagują.
d) Alkohol A ulega reakcji jodoformowej (alkaliczny roztwór jodu w jodku potasu) z wtrąceniem
żółtego osadu trijodometanu. Pozostałe alkohole nie reagują.
e) Temperatury wrzenia alkoholi A-D podane są w tabeli niżej. Alkohol B ma nieco wyższe napięcie
powierzchniowe i wyższą lepkość niż D.
Alkohol
A
B
C
D
98-100
108
82-83
116-119
Twrz , C
Na podstawie podanych w p.2. informacji zidentyfikuj alkohole A, B, C i D. Podaj symbol, nazwę
alkoholu oraz wyjaśnij swój tok rozumowania podczas identyfikacji związków, podając, które informacje
pozwoliły ci zidentyfikować dany związek.
3) Napisz równania reakcji zachodzących w p. 2a i 2b. Nazwij produkty reakcji w p.2b.
4) Który z alkoholi: A, B, C czy D powinien najlepiej rozpuszczać się w wodzie? Uzasadnij.
5) Związek E, będący bezbarwną cieczą, również posiada wzór sumaryczny C4H10O, nie jest jednak
alkoholem. Stosowany jest m.in. jako rozpuszczalnik. Napisz wzór półstrukturalny tego związku i podaj
jego nazwę zwyczajową i systematyczną.
ZADANIE E (15 pkt)
Wanad jest pierwiastkiem przejściowym, charakteryzującym się tym, że występuje na kilku stopniach
utlenienia, tworząc barwne roztwory o kolorze zależnych od stopnia utlenienia. Możliwość występowania
wanadu na różnych stopniach utlenienia została wykorzystana m.in. w redoksowych bateriach wanadowych.
1) Napisz wzór elektronowy atomu wanadu w stanie podstawowym i na najwyższym stopniu utlenienia.
2) Otrzymano 50 cm3 roztworu soli wanadu na najwyższym stopniu utlenienia przez rozpuszczenie 0,102 g
wanadu w kwasie azotowym. Roztwór miał kolor żółty. Otrzymaną sól wanadu poddano redukcji,
uzyskując roztwór barwy fioletowej. 10 ml tego roztworu zmiareczkowano za pomocą KMnO 4 o stężeniu
0,025 mol/dm3 w środowisku kwaśnymi (mangan przechodzi do Mn2+). Na przejście z powrotem do
żółtego roztworu zużyto 9,62 cm3 roztworu KMnO4. W celu wyznaczenia stopnia utlenienia wanadu w
fioletowym roztworze należy obliczyć :
i) liczbę moli MnO4– zużytych w miareczkowaniu
ii) stosunek moli jonów wanadu do MnO4– w tym miareczkowaniu
iii) zmianę stopnia utlenienia wanadu w tej reakcji oraz stopień utlenienia wanadu w fioletowym
roztworze.
3) W baterii wanadowej po jednej stronie membrany oddzielającej roztwory krąży roztwór zawierający
VO2+ i VO2+ (w środowisku kwaśnym), natomiast po drugiej – roztwór zwierający jony V2+ i V3+.
Membrana zabezpiecza przed przechodzeniem jonów wanadu z jednej komory do drugiej, pozwala
natomiast na swobodne przenikanie jonów wodorowych. Podczas rozładowania akumulatora po jednej
stronie roztwór zmienia kolor z żółtego na niebieski, a po drugiej z fioletowego w zielony.
a) Określ stopień utlenienia wanadu w jonach VO2+ i VO2+.
b) Na podstawie informacji z p.2 i 3 wydedukuj, jaką barwę mają wszystkie występujące w
akumulatorze kationy wanadu. Podaj stopień utlenienia i kolor.
c) Napisz reakcje redoks zachodzące podczas rozładowania akumulatora w każdej z komór i reakcję
sumaryczną.
4) Wiedząc, że kation barwy fioletowej tworzy akwakompleksy o liczbie koordynacyjnej 6, napisz wzór
takiego jonu kompleksowego. Jaką strukturę przestrzenną ma ten jon?
5) Tlenek wanadu na najwyższym stopniu utlenienia ma właściwości amfoteryczne. Zapisz reakcje tego
tlenku z kwasem siarkowym (VI) oraz wodorotlenkiem sodu. Uwaga: wanad na wyższych stopniach
utlenienia występuje w postaci oksokationów, patrz opis wyżej.
ZADANIE F (20 pkt)
Węglowodór A w warunkach normalnych jest bezbarwną, oleistą ciecz. W wyniku całkowitego spalania 1
mola A powstaje 179,2dm3 CO2 i 24,08∙1023 cząsteczek H2O.
Związek A reaguje z bromem w środowisku wodnym jak i wobec katalizatora (np. FeBr 3) tworząc
różne produkty.
W wyniku reakcji uwodornienia tworzy węglowodór B, który utleniany manganianem(VII) potasu
tworzy związek C o wzorze sumarycznym C7H6O2. Związek C w reakcji z wodnym roztworem NaOH daje
produkt stosowany jako popularny konserwant żywności.
Produkt polimeryzacji związku A stosowany jest do produkcji opakowań i izolacji.
W wyniku addycji wody do związku A powstaje związek D zawierający asymetryczny atom węgla.
Utlenianie związku A przy użyciu nadtlenokwasów, np. kwasu m-chloroperoksybenzoesowego
prowadzi do epoksydu E.
Na podstawie podanych informacji należy:
1. Podać wzór sumaryczny i strukturalny związku A oraz jego nazwę zwyczajową i systematyczną.
2. Napisać równanie reakcji związku A z wodą bromową.
3. Napisać równanie reakcji otrzymywania związku B ze związku A.
4. Podać wzór związku C i jego nazwę zwyczajową i systematyczną.
5. Podać nazwę polimeru związku A.
6. Podać wzory przestrzenne dwóch enancjomerów związku D.
7. Podać wzór związku E.
ROZWIĄZANIA
ZADANIE A (każde pytanie 2 pkt)
1. pKa fenoloftaleiny w temp. pokojowej wynosi 9,3. a) Oblicz stosunek stężenia formy anionowej do
formy kwasowej w roztworze o pH=8,2 i pH=10. b) Wyjaśnij zmianę barwy tego wskaźnika w tym
zakresie pH.
Odp.: (pH 8,2):
0,08
(pH 10):
5
b) Forma anionowa fenoloftaleiny jest barwna (różowa), forma kwasowa jest bezbarwna. W zakresie pH
8-10 następuje zwiększenie stężenia formy anionowej, co powoduje zmianę barwy.
2. Podaj, z jakiego(jakich) monomeru (ów) można otrzymać polimer
przedstawiony obok. Jaki to rodzaj polimeryzacji i do jakiego typu polimerów
jest zaliczany ten polimer?
Odp: poliester
Przykładowe monomery: kwas tereftalowy i glikol etylenowy
polikondensacja
3. Jaki związek jest głównym produktem addycji bromowodoru do 5-metylo-heks-2-enu? Podaj wzór
półstrukturalny i nazwę związku.
Odp:Powstanie mieszanina produktów:
4-bromo-2-metyloheksan
2-bromo-5-metyloheksan
4. Czas połowicznej przemiany pewnej reakcji I rzędu wynosi 1,5 godziny. Ile czasu potrzeba, żeby 94%
substratu uległo przereagowaniu?
Odp: 6,1 godziny
5. W jakim środowisku reakcja AsO2– + I2 + … = AsO43– + I– + … zachodzi w stronę prawą, a w jakim w
stronę lewą? Zapisz zbilansowane równanie reakcji.
Odp: Równanie reakcji: AsO2– + I2 + 2H2O = AsO43– + 2I– + 4H+
(lub: AsO2– + I2 + 4OH– = AsO43– + 2I– + 2H2O)
Reakcja w stronę prawą zachodzi w środowisku: obojętnym(zasadowym), a w lewą w środ.
kwaśnym(obojętnym).
6. Iloczyn rozpuszczalności węglanu manganu (II) w temp. 25 C wynosi 2∙10-11. Ile maksymalnie gramów
tej soli rozpuści się w 1 dm3 roztworu w temperaturze 25 C ?
Odp: 5,1∙10-4 g
7. Stosując metodę VSEPR określ liczbę par elektronowych wiązań i wolnych par atomu centralnego w
cząsteczce SOCl2 i określ jej strukturę przestrzenną.
Odp:Liczba wolnych par atomu siarki – 1, liczba par wiązań – 4
Piramida trygonalna (zniekształcony tetraedr) – typ AX3N
8. Glutation jest peptydem o wzorze podanym obok. Jakie są produkty
całkowitej hydrolizy tego peptydu (podaj wzory strukturalne)
Odp:
kwas glutaminowy,
L-cysteina,
glicyna
9. Chlor rozpuszczony w roztworze NaOH w temp. 15 C ulega reakcji dysproporcjonacji. Reakcję tę używa
się do otrzymywania pewnego produktu stosowanego m.in. w gospodarstwie domowym. Zapisz równanie
tej reakcji.
Odp: Cl2 + 2NaOH
temperaturze)
NaOCl + NaCl + H2O (OCl– ulega dysproporcjonacji do Cl– i ClO3– w wyższej
10. W cząsteczce winyloacetylenu (but-1-en-3-yn) jest 7 wiązań typu i 3 wiązania typu (podaj liczbę
wiązań). Narysuj wzór tego związku i określ hybrydyzację każdego z atomów węgla w tej cząsteczce.
Odp:
C1 – sp2, C2 – sp2, C3 – sp, C4 - sp
ZADANIE B
1) (3 pkt) Stosunek mas w związku A wynosi
H:O:C =
Zatem empiryczny wzór związku A ma postać: CO2H
2) (4 pkt) W miareczkowaniu użyto 10,0 cm3 KOH o stężeniu 0,2500 mol/dm3 (odczytane z krzywej)
nKOH = 0,010 dm3∙0,2500 mol/dm3 = 0,0025 mol
Z krzywej miareczkowania wynika, że związek A jest kwasem dwuprotonowym, zatem
nA = ½ nKOH = 0,00125 mol
masa użytego A w miareczkowaniu m = 0,112 g, więc
M = m/n = 0,112g/0,00125 mol = 89,6 g/mol
Ponieważ masa CO2H wynosi 45 g/mol, zatem wzór rzeczywisty związku A to H2C2O4.
Jest to kwas etanodiowy (szczawiowy) (COOH)2
3) (3 pkt) Równanie reakcji A z K2Cr2O7 (jonowo):
Cr2O72– + 3C2O42– + 14 H+ 2Cr3+ + 6CO2 + 7H2O
Roztwór zmienia barwę z pomarańczowej na zieloną
4) (5 pkt) T = 20 C = 293 K
p = 990hPa = 99000 N/m2
nA = 0,451g/90,0 g/mol = 0,005 mol
nCO2 = 2∙nA = 0,01 mol
Stosując równanie Clapeyrona:
pV = nRT
Objętość wydzielonego CO2 wynosi 246 cm3.
ZADANIE C
1) (3 pkt) Stała równowagi reakcji Kp
2) (3 pkt) Początkowe ciśnienie wynosiło 5 bar = 5∙105 N/m2, temperatura T = 1160 K, V = 2∙10-3 m3,
zatem
3) (5 pkt) W stanie równowagi ciśnienie całkowite wynosiło 8,5 bar. Ciśnienie cząstkowe CO (g):
pCO = 8,5 bar – 1,6 bar = 6,9 bar
4) (5 pkt) Entalpia reakcji
H = 2 Htw,CO – Htw,CO2 = 2∙(-110,0 kJ)-(-394,0 kJ) = 174 kJ
Reakcja jest endotermiczna, zatem po obniżeniu temperatury równowaga przesunie się w stronę
tworzenia substratów.
5) (4 pkt) Ciśnienia cząstkowe CO i CO2 są równe 2,00 bar, zatem
Cząstkowe ciśnienie CO2 zmaleje.
ZADANIE D
1) (2 pkt) Alkohole o wzorze sumarycznym C4H10O
CH3
OH
H3C CH2 CH2 CH2OH
H3C CH2 CH CH3
butan-1-ol, n-butanol
butan-2-ol, butanol-2,
sec-butanol
H3C CH CH2 OH
2-metylo-propan-1-ol,
izobutanol
Optycznie czynny jest butan-2-ol
CH3
CH3
C
H
CH3CH2
OH
(R)-(-)-butan-2-ol
H
C
CH2CH3
OH
(S)-(+)-butan-2-ol
CH3
HO C
CH3
CH3
2-metylo-propan-2-ol,
tert-butanol
2) (4 pkt) Identyfikacja alkoholi
Symbol
Alkohol
Potwierdzenie
A
butan-2-ol
B
2-metylo-propan-1-ol
C
D
2-metylo-propan-2-ol
butan-1-ol
Ulega reakcji jodoformowej, czyli posiada ugrupowanie CH3CH(OH)Utlenia się z dichromianem, czyli jest alkoholem 1 lub 2rzędowym
Ulega r. Lucasa, ale wolno – 2-rzędowy alkohol,
W r. addycji wody powstaje 2-butanol
Jest alkoholem I-rzędowym (ulega utlenieniu z dichromianem, nie
reaguje w próbie Lucasa), mniejsza cząsteczka niż n-butanol –
niższa Twrz, silniejsze wiązania wodorowe, więc wyższa lepkość i
napięcie powierzchniowe
Nie utlenia się z dichromianem, ulega r. Lucasa b. szybko
Jest alkoholem I-rzędowym (ulega utlenieniu z dichromianem, nie
reaguje w próbie Lucasa), większa cząsteczka niż izobutanol –
wyższa Twrz, słabsze wiązania wodorowe niż w izobutanolu, więc
niższa lepkość i napięcie powierzchniowe
3) (2 pkt) a) CH3-CH2-CH=CH2 + H2O CH3-CH2-CH(OH)-CH3
b) 3CH3-CH2-CH2-CH2OH + 2Cr2O72– + 16H+
3CH3-CH2-CH2-COOH + 4Cr3+ + 11H2O
kwas butanowy (masłowy)
2–
+
3CH3-CH(CH3)-CH2OH + 2Cr2O7 + 16H
3CH3-CH(CH3)-COOH + 4Cr3+ + 11H2O
kwas 2-metylopropanowy
2–
+
3CH3-CH2-CH(OH)-CH3 + Cr2O7 + 8H
3CH3-CH2-CO-CH3 + 2Cr3+ + 7H2O
butanon, butan-2-on
(akceptowane utlenianie do aldehydów)
4) (1 pkt) tert-butanol – tworzy najsilniejsze wiązania wodorowe z wszystkich czterech alkoholi
5) (1 pkt) CH3-CH2-O-CH2-CH3 etoksyetan, eter dietylowy, eter
ZADANIE E
1) (2 pkt) 23V : 1s22s22p63s23p64s23d3
Najwyższy stopień utl. V+V: 1s22s22p63s23p6
2) (4 pkt) nKMnO4 = 0,025 mol/dm3∙ 0,00962 dm3 = 2,4∙10-4 mola
nV,0 = 0,102 g / 50,9 g/mol = 0,002 mol (w 50 cm3 roztworu)
w 10 cm3 roztworu użytego do miareczkowania
nV = 0,002 mol /5 = 0,0004 mol
nV/nKMnO4 = 1,67
Mn przechodzi ze stopnia utl +VII na +II, zmiana wynosi 5
Zmiana stopnia utlenienia wanadu = 5/1,67 = 3
Końcowy stopień utlenienia wanadu wynosił +V (najwyższy stopień utl), zatem roztwór fioletowy
ma stopień utl V+2
3) a) (1 pkt) VO2+ - wanad na st.utl. +IV
VO2+ - wanad na st.utl. +V
b) (2 pkt) z p. 1 i 2 wynika, ze V+V ma kolor żółty, V+II – fioletowy
jeśli zatem w jednej z komór barwa zmienia się z żółtej na niebieski, muszą tam znajdować się jony
VO2+ i VO2+ bo żółte są jony VO2+, zatem VO2+ mają kolor niebieski. W drugiej komorze są jony
V2+ i V3+, barwa zmienia się z fioletowej na zieloną, V2+ są fioletowe, więc zielone są V3+.
c)
(3 pkt) Reakcje połówkowe:
VO2+ + e– + 2H+ VO2+ + H2O
V2+ V3+ + e–
Reakcja sumaryczna:
VO2+ + V2+ + 2H+ VO2+ + V3+ + H2O
4) (1 pkt) [V(H2O)6]2+ oktaedryczna
5) (2 pkt) V2O5 + H2SO4 (VO2)2SO4 + H2O
V2O5 + 2NaOH 2NaVO3 + H2O (lub V2O5 + 6NaOH
2Na3VO4 + 3H2O)
ZADANIE F
1) (4 pkt) C8H8,
nazwa systematyczna: fenyloeten
zwyczajowa: styren, winylobenzen
2) (2 pkt)
Br
H2O
Br
Br2
3) (2 pkt)
kat.
H2
4) (3 pkt)
COOH
5) (1 pkt) Polistyren (polifenyloetylen)
6) (5 pkt) np.
7) (3 pkt)
O
nazwa systematyczna: kwas benzenokarboksylowy
nazwa zwyczajowa: kwas benzoesowy