pobierz - Konkurs Chemiczny im. prof. Antoniego Swinarskiego

51. Ogólnopolski Konkurs Chemiczny im. prof. A. Swinarskiego
Etap II
Zadanie A (15 pkt)
Dla następujących reakcji podano odpowiednie stałe równowagi:
a) Oblicz rozpuszczalność Cu(OH)2 (w mol/dm3) przy pH = 8.
b) Określ, czy wytrąci się osad, gdy zmiesza się 20,0 cm3 roztworu CuSO4 o stężeniu 0,0010 mol/dm3
z 50,0 cm3 roztworu NaOH o takim samym stężeniu molowym. Przedstaw obliczenia
uzasadniające odpowiedź.
c) Roztwór zawierający kompleks Cu(NH3)42+ o stężeniu 0,001 mol/dm3 i amoniak o stężeniu 0,1
mol/dm3 rozcieńczono dziesięciokrotnie. Jak (wzrośnie, zmaleje, pozostanie bez zmian) i ew. o ile
zmieni się stężenie wolnych jonów Cu2+ w wyniku rozcieńczenia?
d) Napisz równanie reakcji między Cu(OH)2 (s) a wodnym roztworem NH3 i na tej podstawie napisz
wyrażenie na stałą równowagi tej reakcji, uwzględniając tam gdzie to możliwe podane stałe.
e) Opisz, co zaobserwujesz, gdy do roztworu jonów Cu2+ o stężeniu 0,10 mol/dm3 będzie się
dodawało kroplami roztwór wodny amoniaku o stężeniu 5,0 mol/dm3.
Zadanie B (15 pkt)
Ogniwo Daniella wynalezione zostało w roku 1836 przez angielskiego chemika Johna F. Daniella
i zbudowane jest dwóch połączonych kluczem elektrolitycznym półogniw. Jedno składa się z blaszki
cynkowej zanurzonej w roztworze jonów Zn2+, drugie z blaszki miedzianej zanurzonej w roztworze
jonów Cu2+. Wiedząc, że potencjały standardowe tych półogniw wynoszą odpowiednio
E°(Cu|Cu2+) = 0,337V i E°(Zn|Zn2+) = -0,763V oraz aktywności jonów miedzi(II) i cynku(II) w
0,3 i aZn 2 0,02
odpowiednich półogniwach wynoszą aCu 2
a) zapisz równania reakcji połówkowych zachodzących półogniwie katodowym i anodowym w czasie
procesu prądotwórczego,
b) napisz schemat ogniwa Daniella zgodnie z konwencją sztokholmską,
c) oblicz potencjały półogniw w oparciu o równania Nernsta,
d) wylicz wartość siły elektromotorycznej tego ogniwa,
e) podaj przykłady trzech innych znanych ogniw galwanicznych i napisz, z czego zbudowana jest w
nich katoda i anoda.
Zadanie C (15 pkt)
Do metod oznaczania stężenia alkoholu etylowego we krwi obok chromatografii gazowej i metod
enzymatycznych należą metody chemiczne, wykorzystujące reakcje utleniania-redukcji. Reakcja
etanolu z dichromianem (VI) potasu wykorzystywana jest również w niektórych alkotestach
chemicznych do oznaczania zawartości alkoholu w wydychanym powietrzu.
a)
Napisz (jonowo) równania reakcji połówkowych, a następnie zbilansowane równanie sumaryczne
reakcji między etanolem i dichromianem (VI) potasu, wiedząc, że produktami są kwas etanowy i
Cr3+.
b)
c)
Alkotest jednorazowego użytku składa się z plastikowego worka pojemności 1 dm3 i rurki
szklanej, zawierającej nasączone roztworem kwasu kryształy dichromianu (VI) potasu.
Napełniony powietrzem worek łączy się z rurką. W zależności od zawartości alkoholu w
wydychanym powietrzu odpowiednia ilość kryształów zmienia zabarwienie.
i) Napisz, na podstawie równania reakcji z p. a), na jaki kolor zabarwi się zawartość rurki, gdy w
badanym powietrzu znajdzie się etanol?
ii) W polskich przepisach dopuszczalna dla kierowców ilość alkoholu we krwi wynosi 0,2
promila. Jakiej ilości alkoholu w wydychanym powietrzu odpowiada ta wartość, jeśli w
temperaturze ciała stężenie alkoholu we krwi jest około 2100 razy wyższe niż w wydychanym
powietrzu? Wynik podaj w g na 1000 cm3 powietrza.
iii) Zakładając, że wspomniany alkotest powinien być w stanie zmierzyć co najmniej trzykrotne
przekroczenie dopuszczalnego limitu, oblicz jaką minimalną masę dichromianu (VI) potasu
powinna zawierać rurka alkotestu.
Wśród elektronicznych alkomatów funkcjonujących na rynku istnieją alkomaty
elektrochemiczne, z sensorami działającymi jako ogniwa paliwowe. Ogniwo takie składa się z
elektrod platynowych, przedzielonych membraną protonowymienną. Uzupełnij schemat takiego
ogniwa, dopisując reagenty ulegające przemianie na elektrodach. Narysuj strzałką kierunek
przepływu H+. Napisz reakcje elektrodowe, przyjmując dla uproszczenia, że etanol utlenia się
tylko do kwasu etanowego, a utleniaczem jest tlen z powietrza.
-
e
anoda
(substrat/y)
…………..
(produkt/y)
…………..
-
Membrana protonowymienna
e
katoda
………….. (substrat/y)
Pt
Pt
………….. (produkt/y)
Zadanie D (15 pkt)
Polikondensacją w chemii polimerów nazywa się reakcję, w której ze związków małocząsteczkowych
powstają nowe, większe cząsteczki, z wydzieleniem cząsteczek związku prostego, jak: H2O, HCl, NH3
itp. Jeżeli substraty reakcji zawierają po dwie lub więcej grup funkcyjnych, to istnieje możliwość
wiązania się ich w makrocząsteczki o budowie liniowej lub usieciowanej. Tą drogą otrzymuje się np.
poliestry lub poliamidy, stosowane np. jako włókna w przemyśle tekstylnym. Wielkość cząsteczek
otrzymanego polimeru zależy od warunków prowadzenia procesu i można ją do pewnego stopnia
kontrolować przez zastosowanie odpowiednich procedur.
a)
b)
c)
Napisz ogólne równanie reakcji otrzymywania poliestów z kwasu dikarboksylowego HOOC-R1COOH oraz diolu HO-R2-OH.
Napisz wzór półstrukturalny nylonu-6,6 otrzymanego w wyniku polikondensacji równomolowej
mieszaniny kwasu adypinowego (kwas heksano-1,6-diowy) i heksametylenodiaminy (1,6heksylenodiaminy). Co jest produktem małocząsteczkowym tej reakcji?
Długość otrzymanych łańcuchów polimerowych określa tzw. średni stopień polimeryzacji X. Jest
to liczba, określająca z ilu merów składa się średnio łańcuch polimeru. Znając masę członu
polimeru, otrzymanego w p.b, oblicz średnią masę cząsteczkową poliamidu, jeśli średni stopień
polimeryzacji X wyniósł 48,5. Uwaga: pamiętaj o grupach funkcyjnych na końcach łańcucha.
d)
e)
Inną metodą otrzymywania np. poliamidu-6 jest bezpośrednia polimeryzacja z otwarciem
pierścienia. Napisz równanie reakcji otrzymywania poliamidu-6 z kaprolaktamu (azepan-2-on,
laktam kwasu -aminokapronowego), który jest pierścieniowym związkiem o wzorze
sumarycznym C6H11NO. W równaniu stosuj wzory półstrukturalne.
Zaproponuj przynajmniej jedną metodę na odróżnienie włókna poliestrowego od poliamidowego.
Zadanie E (20 pkt)
Aldehydy i ketony ze względu na obecność spolaryzowanej grupy karbonylowej są związkami
reaktywnymi chemicznie. Między innymi reagują z pochodnymi amoniaku i hydrazyny zgodnie z ogólnym
schematem:
R’COR’’ + H2NX  R’C(=NX)R’’ + H2O
gdzie
R’: dowolna reszta węglowodorowa,
R’’: wodór lub dowolna reszta węglowodorowa,
X: – OH, -NH2, -NHR; -NHCONH2.
Drugim typowym przykładem są reakcje przyłączenia do grupy karbonylowej innego połączenia
karbonylowego. Najczęściej reakcje te zachodzą w środowisku zasadowym i polegają na przyłączeniu cząsteczki
aldehydu (ketonu) do grupy karbonylowej drugiej cząsteczki aldehydu (ketonu). Reagujące cząsteczki mogą być
takie same lub różne. Cechą charakterystyczną tej reakcji jest fakt przyłączenia węgla α aldehydu (ketonu) do
karbonylowego atomu węgla drugiej cząsteczki aldehydu (ketonu). Produkt tej reakcji nosi nazwę aldolu i nazwa
ta jest również używana do określenia samego procesu (kondensacja aldolowa). Przykładem jest reakcja dwóch
cząsteczek etanalu w środowisku zasadowym prowadząca do 3-hydroksybutanalu (aldolu):
CH3CHO + CH3CHO  CH3CH(OH)CH2CHO
Imbir jest znaną i cenioną od tysięcy lat przyprawą i substancją leczniczą.
Jednym z wielu aktywnych składników kłączy imbiru jest podstawiona pochodna n-butanu o nazwie zwyczajowej
ZINGERON.
Analiza elementarna tego związku wykazuje obecność 68,04% C i 7,22% H. Zingeron ulega
reakcji nitrowania, reaguje z roztworem chlorku żelaza(III) oraz 2,4-dinitrofenylohydrazyną nie dając
jednocześnie pozytywnej próby Trommera. Między innymi można go otrzymać z alkoholu
wanilinowego (4-hydroksy-3-metoksy-fenylo-metanolu).
Na podstawie analizy tekstu i odpowiednich obliczeń:
a) Obliczyć wzór sumaryczny zingeronu.
b) Narysować wzór strukturalny zingeronu.
c) Przedstawić w punktach pełny tok rozumowania, który doprowadził do ustalenia struktury
składnika kłączy imbiru.
d) Zapisać równanie reakcji zingeronu z 2,4-dinitrofenylohydrazyną.
e) Przedstawić schemat czteroetapowej syntezy zingeronu stosując jako substraty tylko dwa związki
organiczne: alkohol wanilinowy oraz aceton. Typy przemian i stosowne odczynniki wybrać z
podanych poniżej. Każdy z etapów opisać podając nad strzałką nazwę przemiany a pod
strzałką stosowane reagenty.
Uwaga: w równaniach nie stosować wzorów sumarycznych.
TYPY REAKCJI:
addycja; alkilowanie; aminowanie; aromatyzacja; arylowanie; bromowanie; bromowodorowanie;
borowodorowanie; cyklizacja; chlorowanie; dehydrogenizacja; dekarboksylacja; dimeryzacja; diazowanie;
eliminacja; epoksydacja; estryfikacja; hydroliza; hydroksylowanie; izomeryzacja; kondensacja; kondensacja
aldolowa; mieszana kondensacja aldolowa; nitrowanie; nitrozowanie; odwodnienie; odwodornienie;
podstawienie; przyłączanie; polikondensacja; polimeryzacja; przegrupowanie Beckmanna; racemizacja;
redukcja; saponifikacja; substytucja; sulfonowanie; utlenianie; uwodornienie; wodorowanie; zmydlanie.
REAGENTY:
B2H6/THF; Br2; Br2/CCl4; Cl2; n-C4H9Br/AlBr3; n-C4H9Br/THF; t-C4H9OK/t-C4H9OH; CH3CO3H/CH2Cl2;
C2H5OH/H2SO4; p-CH3C6H4SO3H; CH2N2/(C2H5O)2; dichromian(VI) pirydyny/CH2Cl2; DMSO/ogrzewanie;
H2/kat; H2, HBr/ligroina; H2SO4 rozc.; HNO3/H2SO4; I2; KNH2/NH3(c); kompleks pirydyny z CrO3/CH2Cl2;
kompleks pirydyny z SO3; KCN/DMSO; KHSO3; KHSO4; KMnO4(aq); Li/NH3(c); LiAlH4/(C2H5)2O;
NaNO2/HCl(aq); NaOH(aq) lub KOH(aq), NOCl; NaBH4/CH3OH; PCl5; oleum; PhCl/AlCl3; platyna, pallad, tlenki
molibdenu i chromu/temp., ciśnienie; SOCl2.