cz. pisemna - Komitet Organizacyjny Konkursu Chemicznego im

XXII edycja Konkursu Chemicznego
im. Ignacego Łukasiewicza
rok szkolny 2014/2015
ZADANIA
ETAP II – część pisemna
13 marca 2015 r.
Czas pracy 180 minut
UCZESTNIKU !
Przed Tobą 3 zadania otwarte. Rozwiąż je stosując zasady matematyki i właściwe prawa
chemiczne. Masy molowe pierwiastków i związków chemicznych wyrażaj w wartościach
liczb całkowitych, tam gdzie nie jest wskazanie większej dokładności. Wyniki podaj
z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku, jeśli w treści zadania polecenie nie
wskazuje inaczej. Wyeksponuj dyskusję jednostek i uwzględnij komentarz pisemny. Nie
używaj korektora ani ołówka, błędne zapisy przekreśl.
Każde zadanie winno znaleźć rozwiązanie na odpowiednich stronach w karcie
odpowiedzi (obliczenia pomocnicze również).
Strona 2 z 9
ZADANIE A
Max. 20 pkt
Skały są naturalnym zespołem minerałów powstałym w wyniku określonego procesu
geologicznego. Mogą być one złożone z ziaren jednego minerału lub z wielu minerałów. Minerały
wykorzystywane są do m.in. produkcji cementu albo farb, do wyrobu elementów ozdobnych, są też
przedmiotem badań laboratoryjnych.
1.
Do 29,125 g barytu (BaSO4) zawierającego 20% masowych domieszek rozpuszczalnych
w kwasie, a nie zawierających związków baru dolano 200 g kwasu siarkowego(VI) o
stężeniu 9,8% masowych. Otrzymano roztwór o gęstości 1,14 g/cm3.
Oblicz stężenie jonów baru w roztworze.
2. a. Tryfilin – ortofosforan(V) dwóch metali rozpuszczono kwasem solnym w stosunku
molowym 1 : 1. Do otrzymanego roztworu dodawano roztwór siarczku baru aż do
całkowitego wytrącenia osadu. W odfiltrowanym osadzie zidentyfikowano 300,5 g
fosforanu baru i 88g siarczku żelaza(II). W przesączu zidentyfikowano 1mol kationów, które
barwiły płomień palnika na czerwono, ale nie strącały się w roztworze jonów
węglanowych.
Ustal wzór tryfilinu i oblicz jego masę cząsteczkową.
2. b. Badanie izotopowe kationów zidentyfikowanych w przesączu wykazały obecność 7%
izotopu istotnego dla przemysłu nuklearnego. Jądra tego izotopu napromieniowane
neutronami ulegają przemianie w tryt (bez produktów ubocznych).
Napisz równanie opisanej przemiany.
3.
Pisząc odpowiednie równania reakcji i dokonując właściwych obliczeń ustal masę
strontianitu (SrCO3), konieczną do otrzymania nasyconego roztworu chromianu(VI) strontu,
dla którego KSO = 5·10–6.
4.
Próbkę malachitu – CuCO3 ·n Cu(OH)2 o masie 22,2 g rozpuszczono w kwasie siarkowym(VI).
Wydzielający się gaz zajął objętość 2,477 dm3 w warunkach standardowych.
Ustal liczbę cząsteczek Cu(OH)2 we wzorze malachitu. MCu=64 g/mol
5.
Okruch skalny – dolomit – węglan wapniowo-magnezowy rozpuszczono w kwasie solnym,
po czym dolano 0,5 dm3 roztworu ortofosforanu(V) sodu o stężeniu 0,08 mol/dm3.
Wytrącony osad odsączono, przemyto i wysuszono. Masa osadu wyniosła 5,72 g.
Ustal stosunek molowy wapnia do magnezu w dolomicie i zapisz wzór sumaryczny
minerału (w obliczeniach pomiń rozpuszczalność soli nierozpuszczalnych).
6.
Naturalna substancja promieniotwórcza może być miernikiem wieku skały, w której jest
zawarta. Podczas przemian promieniotwórczych uranu emitowane są cząstki α, które
przyłączają elektrony na skutek jonizacji ośrodka i tworzą atomy helu. 1 g uranu-238
produkuje rocznie 1,1·10–7 cm3 helu.
Oblicz, ile przemian α towarzyszy przemianom uranu-238 aż do powstania ołowiu-206.
Oblicz wiek skały, w której naukowcy znaleźli 49,5 cm3 helu.
Strona 3 z 9
ZADANIE B
1.
Max. 20 pkt
Pierwszą syntetyczną metodą otrzymywani amoniaku dla przemysłu chemicznego,
obecnie mającą już tylko historyczne znaczenie, jest metoda Serpeka. Polega ona na
działaniu wody na azotek glinu wytwarzany w reakcji tlenku glinu z azotem w obecności
węgla, gdzie produktem ubocznym jest czad.
Oblicz objętość zużytego azotu w metodzie Serpeka do produkcji 2 m3 amoniaku, gdy
wydajność pierwszego etapu procesu wynosi 70%, a wydajność drugiego etapu wynosi
90%.
2.
Obecnie amoniak produkuje się w bezpośredniej syntezie pierwiastków. Reakcja przebiega
z dostateczną szybkością dopiero w temperaturze powyżej 673 K i w obecności
katalizatorów: Ru, U, Os. Ze względu na wysoką cenę tych katalizatorów, w technice stosuje
się żelazo z dodatkiem tlenku glinu i wodorotlenku potasu. Katalizator ten działa jednak
dopiero w temperaturze 773 K i wyższych.
T [oC]
300
400
500
600
Rozpad termiczny amoniaku
Rozpad w % obj
p=1atm
p=200atm p=1000atm
97,2
37,2
8,4
99,56
63,7
20,2
99,87
82,4
42,5
99,95
91,75
68.6
E. Józefowicz Chemia nieorganiczna PWN 1962
Wybierz z tabeli najlepsze parametry dla prowadzenia syntezy amoniaku z pierwiastków
z użyciem katalizatora żelaznego i oblicz objętość azotu, jaką należy zmieszać z 3 m3
wodoru, aby otrzymać amoniak (wg wybranych parametrów). Stała równowagi reakcji
w temperaturze najwłaściwszej dla użytego katalizatora wynosi 1,5.
3.
Amoniak w laboratoriach stosuje się m.in. do sporządzania roztworów buforowych.
d
[g/cm3]
0,99
0,98
0,96
0,95
Gęstość roztworów amoniaku w T=15oC
NH3
NH3
d
NH3
3
[g/l]
[%]
[g/cm ]
[g/l]
22,8
2,31
0,94
146,8
47,0
4,80
0,92
199,9
95,1
9,91
0,90
254,7
120,9
12,74
0,88
313,3
NH3
[%]
15,63
21,75
28,33
35,60
E. Józefowicz Chemia nieorganiczna PWN 1962
3. a. Do 500 cm3 wodnego roztworu amoniaku o gęstości 0,95 g/cm3 dolano 500 cm3 roztworu
chlorku amonu. Sporządzony roztwór wykazuje pH=10.
Oblicz masę chlorku amonu konieczną do przygotowania roztworu o odpowiednim
stężeniu dla sporządzonego roztworu buforowego. KNH3 = 1,77∙10– 5 .
3. b. Oblicz zmianę pH powyższego roztworu buforowego po wprowadzeniu do niego 0,1 mola
wodorotlenku sodu bez zmiany objętości roztworu.
Strona 4 z 9
4.
Amoniak w przemyśle stosuje się m.in. do produkcji kwasu azotowego. Podgrzaną
mieszaninę amoniaku i powietrza przepuszcza się przez rozżarzoną siatkę platynową
otrzymując tlenek azotu(IV). Przez silne oziębienie, tlenek azotu może być wyodrębniony z
mieszaniny poreakcyjnej i wprowadzony do wody, gdzie zachodzi synteza dwóch kwasów
azotowych.
Oblicz pH roztworu kwasów, zakładając stechiometryczny udział cząsteczek kwasów
w 1 dm3 roztworu. Zapisz odpowiednie równania reakcji, a obliczenie wartości pH obdarz
niezbędnym komentarzem.
5.
Nie ochłodzony tlenek azotu(IV) częściowo dimeryzuje i ustala się stan równowagi
dynamicznej. Zawartość procentowa cząsteczek obu gazów w stanie równowagi zależy od
temperatury i ciśnienia.
Oblicz zawartość procentową (w % masowych) tlenku azotu(IV) w temperaturze 300K
pod ciśnieniem normalnym w 101,2 g mieszaniny gazowej zajmującej objętość 29,7 dm3.
Strona 5 z 9
ZADANIE C
1.
Max. 20 pkt
W przemyśle petrochemicznym szczególne miejsce zajmuje produkcja tworzyw
sztucznych. Jednym z ważniejszych surowców do syntezy monomerów dla reakcji
polimeryzacji jest acetylen. Można go otrzymać w tzw. procesie „mokrym” polegającym na
dozowaniu karbidu do wody albo w procesie pirolizy metanu w łuku elektrycznym.
Oblicz efekt energetyczny obu sposobów otrzymywania acetylenu. Zdecyduj i wyjaśnij,
która z opisanych metod jest korzystniejsza ze względów ekonomicznych.
kJ
∆Η osp [ mol
]
o
kJ
∆Η tw
[ mol
]
C2H2
CaC2
H2O(c)
Ca(OH)2
2.
226,7
– 62,8
– 285,8
– 986,6
C2H2
CH4
H2
– 1307,6
– 890,6
– 241,8
W wyniku dimeryzacji acetylenu z zastosowaniem katalizatora chlorku amonu i chlorku
miedzi(I) w T= 60oC pod p = 2 atm tworzy się winyloacetylen, który reagując
z chlorowodorem w obecności zakwaszonego chlorku miedzi(I) w T= 40oC tworzy
chloropren (2-chlorobuta-1,3-dien). Ten ulega polimeryzacji i powstaje kauczuk
chloroprenowy o różnym ułożeniu merów, albo 1,4-trans, albo 1,4-cis.
Napisz równania reakcji opisanych procesów stosując wzory półstrukturalne.
Napisz wzory obu merów w polichloroprenie eksponując izomerię geometryczną.
3.
Zaproponuj metodę, pisząc odpowiednie, kolejne równania reakcji z użyciem wzorów
półstrukturalnych, otrzymywania polistyrenu, mając do dyspozycji acetylen i dowolne
odczynniki nieorganiczne.
Oblicz, z ilu atomów węgla składa się łańcuch polistyrenu o masie cząsteczkowej 312000 u.
4.
Celem otrzymywania polialkoholu winylowego należy poddać hydrolizie zasadowej
polioctan winylu. Monomer polioctanu winylu powstaje w wyniku przyłączania
lodowatego kwasu octowego do acetylenu nad octanem cynku naniesionym na węgiel
aktywny
w T=120oC.
Napisz równania kolejnych reakcji prowadzących do otrzymania polialkoholu winylowego.
(Stosuj wzory półstrukturalne).
Wyjaśnij, dlaczego polialkohol winylowy nie produkuje się z odpowiedniego monomeru.
Strona 6 z 9
Strona 7 z 9
Strona 8 z 9
Strona 9 z 9