Beck Mihály:Változatok egy elemre. Kajtár Márton emlékének. A grafit és a gyémánt

Átírás

1 DFT-BUDAPEST KÉTSZINTŰ ÉRETTSÉGI AKADÉMIA NYILVÁNOS PRÓBAÉRETTSÉGI VIZSGANAP KÉMIA PRÓBAÉRETTSÉGI MEGOLDÓKULCS EMELT SZINT. ÉVFOLYAM. FELADAT ESETTANULMÁNY Olvassa el figyelmesen a szöveget és válaszoljon a kérdésekre! Beck Mihály:Változatok egy elemre Kajtár Márton emlékének A cím feledhetetlen barátom, Kajtár Márton nagyszerû könyvének parafrázisa. Az a cím arra utalt, hogy négy elem, a szén, a hidrogén, az oxigén és a nitrogén a vegyületek csodálatos változatosságát építi fel. (Természetesen, mint arra a könyv is utalt, az ún. szerves vegyületekben az említett négy elem mellett még több más elem is elôfordul, sôt olykor nagyon is fontos alkotórész.) Ma már több mint tízmillió szénvegyületet ismerünk. A könyv 984-ben jelent meg. Addig az elemi szén nem tûnt ki a többi elem közül, mindössze két módosulata, a grafit és a gyémánt volt ismeretes. Több elemnek ismerték három vagy akár négy módosulatát is. 985-ben azonban felfedezték a fulleréneket, majd négy évvel késôbb elô is állították a harmadik módosulatot, a C 60 -at. A grafit és a gyémánt ( ) Nehezen lehetne nagyobb különbséget elképzelni is két anyag tulajdonságai között, mint ami a szén régóta ismert két kristályos módosulata, a gyémánt és a grafit fizikai és kémiai sajátosságai között van. Szerkezetük jellemzésére álljanak itt Kajtár Márton szavai: A gyémánt kristályrácsában minden szénatomnak négy legközelebbi szomszédja van, ezért a szénatomok tetraéderes kötésállapotban vannak, s egy-egy szigma-kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A gyémánt valójában egy óriási, csak szénatomokból felépített, sokgyûrûs»molekula«, amelyben a szén nincs atomos állapotban. A telített nyílt láncú és gyûrûs szénhidrogének tetraéders kötésállapotú szénatomjai a gyémánt szénatomjaihoz hasonlíthatóak. A telített szénhidrogének szerkezete olyan, mintha a gyémánt kristályrácsából volna kivágva egy darab, s az elvágott kötések helyére hidrogénatomok volnának kapcsolva. A telített szénhidrogének tehát»hidrogénezett gyémántdarabkák«. A grafit kristályrácsát háromszöges kötésállapotú szénatomok alkotják; mindegyik szénatom három másikhoz kapcsolódik egyegy szigma-kötéssel. Így jön létre egy nagy kiterjedésû, kétdimenziós»réteg«, amely nem más, mint a grafit szigma-váza. Ehhez még annyi pi-elektron tartozik, ahány szénatomból áll a grafitréteg. Ezek a pi-elektronok delokalizált állapotban vannak, ezért gyakorlatilag szabadon mozognak az egész, nagy kiterjedésû szigma-váz alkotta réteg felett és alatt. Ezért vezeti a grafit az elektromos áramot. Egy adott pi-állapotban csak két elektron lehet, de a különbözô pi-állapotok energiatartalma alig különbözik egymástól. Ezért a grafit bármilyen kis energiájú fénykvantummal gerjeszthetô, minden látható tartományba esô fényt elnyel. Ezért fekete. A grafitrácsban ezek a nagy kiterjedésû, alul és felül laza, könnyen polározható pi-elektronfelhôvel fedett rétegek erôsen tapadnak egymáshoz, mert az egyik réteg atommagjai a másik réteg pi-elektronrendszerét is vonzzák. A rétegek közötti kapcsolat mégsem olyan erôs, mint az egy rétegen belüli, hiszen az utóbbi szigma-kötéseket, az elôbbi viszont csak Van der Waals-kötéseket jelent. Ezért a rétegek elcsúszhatnak egymáson. Ez történik akkor is, amikor grafitceruzával írunk: az egymásról lecsúszó rétegek a papírhoz tapadnak. A grafitrács egyetlen rétege tehát egy óriási aromás»molekula«, amely rengeteg összeolvadt benzolgyûrûbôl épül fel. Az aromás szénhidrogéneket eszerint 'hidrogénezett grafitdarabkáknak' tekinthetjük. Olyan a szerkezetük, mintha a grafitrács kisebbnagyobb darabja volna kivágva, s az elvágott szigma-kötéseket hidrogénatomok foglalnák el. 065 Budapest, Bajcsy-Zsilinszky út 5., félemelet Telefon: , 69-38, fax: 3-55

2 KÉTSZINTŰ ÉRETTSÉGI AKADÉMIA. ábra. A grafit kristályszerkezete DFT-BUDAPEST A grafit és a gyémánt szerkezetét mutatja be az. és a. ábra. E szerkezetekbôl az is következik, hogy csak a gyémánt-, illetve grafitkristály belsejében lévô szénatom vegyértékei telítettek, a kristályok legkülsô atomjainak szabad vegyértéke van, melyek azonban nem maradnak lekötetlenül, hanem valamilyen idegen anyaggal történô reakció során felületi vegyületképzôdés révén telítôdnek. A gyémántnak csak kevés számú jelentôs elôfordulása ismeretes. India, Brazília, Dél-Afrika és Oroszország néhány lelôhelyérôl származik a forgalomba kerülô gyémántok messze túlnyomó része. Az eddig talált legnagyobb gyémánt a Dél- Afrikában lelt Cullinan, melynek nyers súlya 306 karát volt ( karát = 0,0 g), és amelybôl 9 nagy és 96 kis ékkövet csiszoltak. Közülük kerültek ki a legnagyobb csiszolt gyémántok is, a brit királyi ház jogarát díszítô 530, karátos Cullinan I és a brit királyi korona éke, a 37,4 karátos Cullinan II. A gyémánt értékét a súlya és a csiszolásának módja mellett a kô színe is jelentôsen befolyásolja. A fekete gyémántnak, a karbonádónak nincs drágakô értéke, fúrófejek készítésére használják. A szín a szennyezôdések, illetve kristályhibák következménye. Ez utóbbiakat nagy energiájú sugárzással is elô lehet idézni. A közönséges hômérsékleten és nyomáson a grafit a stabilisabb módosulat, de a gyémánttulajdonosokat nem fenyegeti veszély, hogy az értékes drágakô egyszer csak grafittá alakul, mert ez a változás ismét csak közönséges körülmények között csak rendkívül lassan következik be.( ). ábra. A gyémánt kristályszerkezete. Milyen viszonyban van egymással a grafit és a gyémánt (no és persze a fullerének)? ( pont) ALLOTRÓPIA. Írjon legalább két további elemet példaként a jelenségre! Nevezze meg az elemek változatait! (Bármely jó válasz 4pont) O -O 3 S(rombos)-S(monoklin) P(vörös)-P(fehér/sárga) 3. Adjon meg egy-egy konkrét szénhidrogént szerkezeti képlettel, amelyben a szénatom(ok) körüli kötésszög(ek) nagysága a gyémántban és a grafitban mérhető kötésszöge értékévelegyezik meg. Metán, benzol szerkezeti képletek helyes felírásáért 4 pont C 4. Írjon legalább 3 eltérő tulajdonságot, amelyben a gyémánt és a grafit eltér egymástól. (3 pont) Szín, áramvezetés, keménység 5. Az arany esetén is használják jellemzésül a karát -ot. Mit és hogyan jellemzünk ezzel az arany esetén? ( pont) Az arany tisztaságát jellemezzük. Az arany karátszáma megadja, hogy 4 tömegegység ötvözött arany hány tömegegység tiszta aranyat tartalmaz. 6. A függvénytáblázat adatainak felhasználásával határozza meg az eddig talált legnagyobb gyémánt térfogatát! ( pont) A gyémánt tömege 306 karát=67,4 g A gyémánt sűrűsége:3,5 g/cm 3 V=78 cm3 065 Budapest, Bajcsy-Zsilinszky út 5., félemelet Telefon: , 69-38, fax: 3-55

3 DFT-BUDAPEST KÉTSZINTŰ ÉRETTSÉGI AKADÉMIA. ELEMZŐ FELADAT árom kémcsőben A, B, C anyagokat találunk. Mindhárom szerves anyag, egymás konstitúciós izomerjei. Molekulaképletük: C36O 3 Az A és C anyag királis molekulákból áll. C vizes oldatában a metilnarancs indikátor vörös színű. vegyületel elvégezhetjük a pozitív ezüsttükör-próbát. A vegyületek közül kettő azonos vegyületcsalád tagja. a) Az összegképlet alapján milyen funkciós csoportok lehetnek a molekulákban? ( pont) Nevezze meg ezeket! A nyíltláncú vegyület db π-kötést tartalmaz, a molekulában van db oxocsoport és 3 db hidroxilcsoport. b) Melyik funkciós csoport kimutatására szolgál az ezüsttükör-próba? ( pont) Az ezüsttükör próba a láncvégi oxocsoport (formilcsoport) kimutatására szolgál. c) A kísérleti eredmények alapján azonosítsa a vegyületeket! Írja fel A, B, C vegyületek konstitúcióját, és nevezze el azokat! (6 pont) Mivel a C vizes oldatában a metilnarancs indikátor vörös színű, ezért a C karbonsav A megoldás a tejsav. (királis) A molekulája királis. Glicerinaldehid. A B szintén szénhidrát, tehát dihidroxi-aceton 3. EGYSZERŰ VÁLASZTÁS (0 PONT) Írja be az egyetlen megfelelő betűjelet a válaszok jobb oldalán található üres cellába!. Melyik sorban vannak növekvő erősségük sorrendjében a kémiai kötések? A) Diszperziós kölcsönhatás, fémes kötés, hidrogénkötés. B) Dipólus-dipólus kölcsönhatás hidrogénkötés, kovalens kötés. C) idrogénkötés, dipólus-dipólus kölcsönhatás. diszperziós kölcsönhatás D) Kovalens kötés, dipólus-dipólus kölcsönhatás, diszperziós kölcsönhatás. E) egyikben sem.. A szilárd kálium-nitrát és víz között lejátszódó folyamat neve: A) Oldódás. C) Közömbösítés. B) Sav-bázis folyamat. D) idrolízis. E) Olvadás. 3. Melyik vegyület levegőben való égése a legerősebben kormozó, azonos körülmények között? A) Metán B) Etanol C) Propán D) Propén E) Benzol 4. Melyik vegyület nem reagál tömény lúggal? A) i-propil-klorid C) Fenol B) Etil-acetát D) Propil-alkohol 5. Melyik az a sor, amelyben mind a négy alapvető rácstípusra találunk példát? A) Ca, Cl, O, Kr. C) NaF, O, Al O 3, K. B) I, Ba, RbCl, LiF. D) e, N, Si, NaF. 6. Melyik vegyületnek létezik geometriai (cisz-transz) izomerje? A),3-dimetilbut--én. C) Propén B) But--én. D),3-diklórbut--én. E) vajsav E) Ne, CaO, Cu, N3. E) -metilbut--én. 7. Melyik reakció egyensúlyi állapota nem változik, ha az egyensúlyi gázelegy térfogatát a megduplázzuk? A) N(g) + 3 (g) N3(g) D) CO(g) + O(g) CO(g) + (g) B) SO(g) + O(g) SO3(g) E) C6(g) C4(g) + (g) C) NO(g) + O(g) NO(g) B A E D C D D 065 Budapest, Bajcsy-Zsilinszky út 5., félemelet Telefon: , 69-38, fax:

4 KÉTSZINTŰ ÉRETTSÉGI AKADÉMIA DFT-BUDAPEST 8. Melyik esetben fejlődik hidrogén? A) nátrium-oxid + víz. B) kalcium-oxid + kénsav. C) Alumínium + sósav. D) mangán-dioxid + sósav. 9. Válassza ki a hibás állítást! A szén-dioxid A) fulladást okozó gáz halmazállapotú C) sűrűsége nagyobb a levegőénél. anyag, D) a vízkő ecetsavas oldásakor is keletkezik. B) molekulájában 09,5 -os a kötésszög. 0. Milyen anyagok okozzák a víz változó keménységét? A) Az összes oldott Ca- és Na só C) Az oldott MgSO 4, CaCO 3, B) Csak az oldott karbonátok. D) A MgCO3 és a CaCO3. E) Kalcium-acetilid + víz. E) szárazjéggé kondenzálható. E) Az oldott Mg(CO3) és Ca (CO3). C B B 4. NÉGYFÉLE ASSZOCIÁCIÓ (8 PONT) Írja a megfelelő betűjelet a feladat végén található táblázat megfelelő ablakába! A) Oxidáció B) Redukció C) Mindkettő D) Egyik sem. Az fémion képződése atomjából.. Elektrolízis során az anódon zajlik. 3. Vízbontás során a negatív póluson zajlik. 4. A hidrogén-peroxid bomlásakor az oxigénnel történik. 5. A Daniell-elem anódján zajlik. 6. Az elektrolízis negatív pólusán megy végbe. 7. A mészégetéskor a szénnel történik. 8. A standard hidrogénelektródon lejátszódhat A A B C A B D C 5. TÁBLÁZATOS FELADAT (0 PONT) Töltse ki az alábbi táblázatot! a nem játszódik le egy reakció,akkor nincs reakció megjelölést használjon! Alumínium Vas Réz A sűrűsége alapján nehéz vagy könnyűfém? Ionjaik lehetséges színe(i) vizes oldatban Könnyű Színtelen Reakció lúggal Al+3 O+O - =Al(O) Reakció sósavval Al+ 6Cl =AlCl 3 +3 Reakció tömény salétromsavval Nehéz Zöld/ sárga Fe+Cl=FeCl + Nehéz Kék Cu+4NO 3 = Cu(NO 3 ) +NO + O Budapest, Bajcsy-Zsilinszky út 5., félemelet Telefon: , 69-38, fax: 3-55

5 DFT-BUDAPEST KÉTSZINTŰ ÉRETTSÉGI AKADÉMIA 6. SZÁMÍTÁSI FELADAT Egy bázis vizes oldatának 0,050 mol/dm 3 koncentrációjú oldatának -es. Mekkora a bázisállandó? A bázis hány százaléka a disszociál? (5 pont) p=,00 tehát po=3,00 C(O - )= BO B + + O - Kezdet 0,050 mol/dm 3 0 mol/dm 3 0 mol/dm 3 Változás -0,00 mol/dm 3 0,00 mol/dm 3 0,00 mol/dm 3 Egyensúly 0,0500 0,00 mol/dm 3 0,00 mol/dm 3 ( ) + 3 B O 0 K= = [ BO] 0, 05 K=. 0-5 mol/dm 3 (0 pont) α=0,00/0,05=0,096 A disszociáció,96%-os (5 pont) 3 mol / dm 7. SZÁMÍTÁSI FELADAT:,00 tömegszázalékos CuSO 4 -oldatot,00 A áramerősséggel elektrolizálunk addig, amíg a katódon nem indul meg a gázfejlődés. A kapott oldatot vízzel 0 dm 3 hígítjuk, majd megmérjük a p-ját. Ez pontosan,00 értékűnek adódik. Mennyi ideig tartott az elektrolízis? Mekkora tömegű,00 tömegszázalékos oldatból indultunk ki? (5 pont) SO 4 + O= 3 O + + SO 4 - p= c( 3 O + )=0,0 mol/dm 3 c ( SO 4 )=0,005 mol/dm 3 (pont) V=0 dm 3 n ( SO 4 )=cv=0,05 mol ( pont) K: Cu + + e - =Cu A: O= + + /O + e - B: CuSO 4 + O e Cu +/O + SO 4 (3pont) Az elektrolízis során képződő kénsavval azonos anyagmennyiségű CuSO 4 -ot bontottunk, ennyi volt kezdetben az oldat réz-szulfát tartalma is, hiszen a katódon meginduló gázfejlődésig (azaz a réz teljes leválasztásáig) tartott az elektrolízis. Ehhez, mol elektronnak kellett a cellán áthaladnia. ( pont) n(cuso 4 ) =0,05 mol és n (e-) =0, mol (pont) M(CuSO 4 ) =59,5g/mol m(cuso 4 ) =7,975 g ami a kezdeti oldat %-a m(oldat)=797,5 g tömegű volt az %-os oldat (pont) Q= n (e-). F= 9650As Amiből t=485 s ( pont) 065 Budapest, Bajcsy-Zsilinszky út 5., félemelet Telefon: , 69-38, fax:

6 KÉTSZINTŰ ÉRETTSÉGI AKADÉMIA DFT-BUDAPEST 8. SZÁMÍTÁSI FELADAT: Két, a homológ sorban egymást követő alkin típusú szénhidrogén elegyét 5-szörös térfogatú, azonos állapotú levegővel keverjük, majd elégetjük. A vízmentes égéstermék térfogatszázalékos összetétele: 5,9% CO,48% O és 83,3% N. A, Melyik alkinek és milyen molszázalékos összetételben alkották az elégetett elegyet? B, Mekkora az égetés során alkalmazott levegőfelesleg? A levegő térfogatszázalákos összetétele % O -t és 79% N (5 pont) Avogadro tétele szerint azonos állapotjelzők melletta gázok térfogata arányos az anyagmennyiségükkel. A gázelegy például 0 molja 5-szörös térfogatú, tehát anyagmennyiségű levegőben ég el. A bevitt szénhidrogén elegy 0 mol A bevitt levegő 50 mol, ami 5,5 mol O -t és 97,5 mol N -t tartalmaz. Az 83,33%-a nitrogén, ami 97,5 molnak felel meg. ( pont) Ebből az égéstermék összetételét meghatározzuk. A CO 5,9%-a 36 mol gáznak, míg a ( pont) O,48 %-a 3,5 mol anyagot jelent. ( pont) A maradék oxigén 3,5 mol, a felhasznált oxigén pedig (5,5-3,5) mol, tehát 49 mol. ( pont) A levegőfelesleg: 3,5/49. 00%=7,4%-os ( pont) A 0 mol gázelegy égése során 3,6-szer több CO képződik. Ezért a gázelegy 3-as és 4-es szénatomszámú vegyületekből kell álljon. (A szén-dioxid mennyisége mindig annyiszor több, mint az elégetett elegyé, mint amennyi az elegyet alkotó vegyület- átlagosszénatomszáma) ( pont) Az elegyet C 3 4 és C 4 6 alkotja. xc xO = 3xCO +x O yc , 5y O= 4yCO + 3y O x+y=0 3x+4y=36 Amiből x=4 és y=6 A gázelegy 40 mol% propinból és 60% butinból áll. (5 pont) Budapest, Bajcsy-Zsilinszky út 5., félemelet Telefon: , 69-38, fax: 3-55