O k t a t á si Hivatal

Átírás

1 O k t a t á si Hivatal KÓDSZÁM: Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia I. kategória 1. feladat Budapest, március 29. Egy egyértékű szerves sav moláris tömegének és disszociációállandójának közelítő meghatározása A feladat során egy ismeretlen egyértékű savat fog vizsgálni. Először egy ismert tömegű minta sav-bázis titrálásával a moláris tömegére következtethet. Aztán a savból készített oldatok ph-ját meghatározva becslést adhat annak disszociációállandójára. A feladat elvégzésére és a válaszlap kitöltésére összesen 120 perc áll rendelkezésére. A kiadott eszközökön kívül kizárólag számológép használható. Az eszközöket újrafelhasználás esetén szükség szerinti alapossággal mosogassa el! A kérdésekre adott válaszait alaposan, szükség esetén számolásokkal indokolja! A rendelkezésre álló eszközök és anyagok listája a mellékletben található. A NaOH-mérőoldat pontos koncentrációjának meghatározása A mérések során használt NaOH-mérőoldat pontos koncentrációját sósavval titrálva határozhatjuk meg. A titrálást enyhén savas közegben színt váltó keverékindikátor mellett végezzük el átmeneti, szürke színig. A HCl-oldat pontos koncentrációja az üvegeken található. A fogyásokat egyértelműen feltüntetve szükség szerint ismételjük meg a mérést! A mért fogyások: Az átlagfogyás: V 1 Pontosság: 6 pont

2 A NaOH pontos koncentrációja a betűvel jelölt oldatban: V1 c(naoh) = 3 10 cm c(hcl) Betűjel: Koncentráció: Az ismeretlen sav koncentrációjának meghatározása Az asztalán található kis lombik egy egyértékű szerves sav rajta feltüntetett tömegű mintáját tartalmazza. Készítsen belőle 200,00 cm 3 törzsoldatot! A NaOH-oldattal titráljon belőle megfelelő részleteket fenolftalein indikátort használva! A mért fogyások: Az átlagfogyás: V 2 A sav pontos koncentrációja a betűvel jelölt oldatban: Pontosság: 12 pont 10,00 cm 3 térfogatú részleteket érdemes titrálni. V2 c = 3 10 cm c(naoh) Betűjel: Koncentráció:

3 A sav moláris tömege: M = m, ahol m a minta tömege. 20V 2 c( NaOH) A kiadott minták levulinsavat (4-oxo-pentánsavat) tartalmaztak. A várható moláris tömeg 116 g/mol közelében van. A sav disszociációállandójának megbecslése Asztalonként rendelkezésükre áll egy oldatsorozat. Az egyes kémcsövekben 3,8 és 5,0 közötti ph-jú oldatok találhatóak. Ezekhez brómkrezolzöld indikátort adtunk, így akár egytized phegységnyi különbség is észrevehető az oldatok eltérő színárnyalatán. Próbálkozzon összekeverni a rendelkezésére álló oldatokból olyan oldatot, amelynek a ph-ja a sorozat elemeinek ph-tartományában van. Adjon 10 cm 3 oldathoz 2 csepp brómkrezolzöld indikátort, és töltse kémcsőbe. Az oldatsorozattal összehasonlítva becsülje meg az oldatának ph-ját! Szükség esetén próbálkozzon újra! Mérések: Egyértelműen tüntesse fel, hogyan állított elő oldatokat, és mit tapasztalt! Ismert térfogatú NaOH- és savoldat összekeverésével lehet ilyen ph-jú oldatokat előállítani. A keverési arány elég széles tartományában is megfelelő a ph (az 1:2 arány mindkét oldalán). Bürettát és pipettát használva pontos térfogatokat lehet bemérni. Mérés és pontosság: 12 pont

4 Az oldat(ok) kémhatása és a bemért térfogatok ismeretében számítsa ki, hogy mennyi az ismeretlen sav disszociációállandója! Legyen egyértelmű, hogy milyen mérési adatokat használt fel számolásában! A kapott oldatok puffernek tekinthetőek. Bennük az elreagálatlan sav és az NaOH-val képződött só koncentrációja a bemért térfogatokból megkapható. A ph a vizuális összehasonlításból adódik. pk s = ph lg c c só sav A disszociációállandóra kapható érték nincs messze az irodalmi értéktől. (pk s = 4,76) 7 pont Ha a sav koncentrációjának meghatározásakor a brómkrezolzöld indikátor átmeneti színéig titrált volna, akkor milyen irányba tért volna el a sav számított moláris tömege a fenolftalein jelenlétében elvégzett méréshez képest? X Brómkrezolzöld mellett a számított moláris tömeg nagyobb lett volna. Brómkrezolzöld mellett a számított moláris tömeg kisebb lett volna. Nem lett volna eltérés a számított moláris tömegben. 2 pont

5 MELLÉKLET Eszközök és anyagok listája Minden versenyzőnek: 100 cm 3 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú HCl-oldat (pontos koncentrációval) 200 cm 3 kb. 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú NaOH-oldat (karbonátmentes!) 1 db 200 cm 3 -es mérőlombik benne kb 2 g ismeretlen, pontos tömeggel, tölcsér 10 cm 3 -es pipetta 1 db pipettalabda 1 db büretta állványon, 12 cm 3 10 cm 3 -es mérőhenger 1 db fehér csempe 1 flaska desztillált víz 1 db cseppentő 3 db titrálólombik 3 db főzőpohár (1 kuka, 2 kicsi pedig öntögetéshez) 3 kémcső és állvány 1 db védőszemüveg papírvatta 1 db feladatlap, melléklettel (5 oldal) Asztalonként: gumikesztyű keverékindikátor oldata, műanyag Pasteur-pipettával fenolftalein indikátor oldata, műanyag Pasteur-pipettával brómkrezolzöld indikátor oldata, műanyag Pasteur-pipettával brómkrezolzöldes oldatsorozat ph 3,8-5,0

6 O k t a t á si Hivatal KÓDSZÁM: Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia I. kategória 2. feladat Budapest, március feladat Cukrok azonosítása 38 pont A kémiai tanulmányi versenyeken nagyon ritkán találkozunk cukor ismeretlenekkel, mivel ezek az anyagok nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, és azonosításuk nem könnyű feladat. Most egy egyszerű, igazi sufnitechnológiával készült analitikai készülék és néhány hagyományos kémiai reakció segítségével ezt megteheti. A cukorszármazékok között kémiai szempontból nagyon kicsi az eltérés: sokszor csak egy szénatom, vagy esetleg csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációja különbözik. Így az analitikai kémiát nagy kihívás elé állította a cukrok vizsgálatának igénye. E célra a múlt század elején az egyik "legütőképesebb" módszer a polarimetria volt. Ez a módszer anyagok optikai forgatóképességének a meghatározására szolgál. Ha polarizált fény halad át királis anyagok oldatán, akkor a fény polarizációjának síkja elfordul. Az elfordulás mértéke függ: - az anyag szerkezetétől, - a koncentrációtól, - az oldatréteg vastagságától, - a fény hullámhosszától és - a hőmérséklettől. A polariméterekben két drága optikai elem, két polárszűrő található. Az egyik (az ún. polarizátor) előállítja a természetes, nem poláris fényből a vizsgálatra szolgáló polarizált fényt, a másikat, az ún. analizátort pedig addig kell forgatni, amíg az áthaladó fény intenzitása maximális lesz. A forgatóképességet végül a két polárszűrő által bezárt szög adja meg. Napjaink 3D TV technológiája forradalmat hozott a polárszűrők gyártásában: a korábbi igen drága kristályalapú szűrők mellett megjelentek a filléres, polimeralapú 3D szemüvegek. E szemüvegek (egyes típusában) két, egymáshoz képest 90º-ban elforgatott ( záró helyzetű) polárszűrő található. A 3D TV készülék a két szemnek szóló képet kétféle, egymáshoz képest 90º-ot bezáró polarizáltságú fénnyel vetíti ki.

7 Egy ilyen szemüveg, valamint egy műanyag csatornacső darab (T-idom) segítségével fogunk elkészíteni egy nagyon egyszerű sufni-polarimétert, ami segít majd a kiadott cukor ismeretlenek azonosításában. A laborban talál egy kész, összeszerelt készüléket. Ha nem világos a leírás, azon ellenőrizze, hogy pontosan hogyan kell összeállítani azt! 1. Vágja szét középen a kiadott 3D szemüveget, vágja le a szemüveg szárait, és tanulmányozza a két szűrőt! Fektesse őket egymásra, nézzen át rajtuk, majd forgassa el a két fóliát! 2. A T-idom szűk szárának végére ragassza fel az egyik szűrőt ragasztószalaggal úgy, hogy a szűrő mellett ne jusson be fény a cső belsejébe. Ez a szűrő lesz a fix, nem forgatható, ún. polarizátor. 3. A kiadott (WC-papír-gurigából elkészített) gyűrű szélesebbik végére ragassza fel a másik szűrőt hasonló módon. Csúsztassa be a papírgyűrűt a T-idom polarizátorral átellenes szárába. A gyűrű forgatható, így ez a szűrő lesz az analizátor. 4. Az asztalán talál egy fekete papírból készült maszkot. Ez az alkatrész a T-idom vízszintes szárába kerül (a berakáshoz vegye ki az analizátort, majd tegye vissza), és az a szerepe, hogy a behelyezett mintaüveg körüli rést takarja ki: a készüléken csak az a fény jut át, ami áthalad a mintaüvegen. 5. Fogja be a készüléket vízszintes helyzetben laborállványba úgy, hogy a T-idom középső szára felfelé nézzen! 6. Irányítsa a polarizátort egy jól megvilágított felületre! Töltse meg a mintaüveget vízzel, és helyezze be a T-idom középső szárába, majd fedje le ezt a nyílást egy szűrőpapír lappal. A készülék analizátor felőli végén nézzen be, és forgassa körbe az analizátort! A látótér hol elhalványodik, hol kivilágosodik. Keresse meg azt az állapotot, ahol a mintaüveget a legsötétebbnek látja. Ez a pozíciót lesz a készülék nulla állapota. Egy üvegíró filctoll ( marker ) segítségével jelölje meg az analizátor helyzetét a műanyag csőhöz képest! (A készülék működését bemutató ábrán azt a helyzetet mutattuk be, amikor az analizátor nyitott állásban van, azaz amikor a maximális fényintenzitást látja a megfigyelő. A gyakorlatban az alacsony intenzitást sokkal pontosabban tudjuk megfigyelni, mint az erős fényt, és a két állás között pont 90º az eltérés, tehát mindegy, hogy melyik helyzetet választjuk. A mérés a zárt állásban sokkal könnyebb és pontosabb, ezért most ezt a megoldást használjuk.) 7. Készítsen a vizsgálandó anyagból kb. 10 ml nagyon tömény, akár 50%-os oldatot egy főzőpohárban! A jelenséget annál jobban látni, minél töményebb a vizsgált oldat. Töltse az oldatot a mintaedénybe (elég, ha félig van oldattal), és helyezze azt a készülékbe! Az analizátor forgatásával ismét keresse meg azt a pozíciót, ahol a látótér a legsötétebb. Mivel a forgatóképesség függ az oldatréteg vastagságától, az edény középső, legvastagabb részét vegye figyelembe! Nézze meg, hogy történt-e változás az analizátor helyzetében a nulla helyzethez képest! Ha nem történt, akkor az anyag optikailag nem aktív (vagy csak olyan kis mértékben az, hogy ezzel a filléres eszközzel nem tudjuk kimutatni). Ha az analizátort az óramutató járásának irányában kellett elforgatnunk a nulla helyzethez képest, akkor a vizsgált anyag forgatóképességének iránya + (pozitív), ellenkező esetben (negatív). (Az előző oldalon látható ábrán egy pozitív forgatóképességű anyagot ábrázoltak.) A forgatóképesség értékének meghatározására ez az eszköz nem eléggé pontos, csak annak iránya deríthető ki. A feladat során a forgatóképesség meghatározásán kívül még az alábbi vizsgálatokat végezheti el: a) Az olvadáspont közelítő meghatározása: kémcsőbe tett pár tized gramm pormintát helyezzen max. 5 percre a forrásban lévő vízfürdőbe! b) Ezüsttükörpróba: kb 1 ml ezüst-nitrát-oldathoz adjon cseppenként annyi 2 mol/dm 3 koncentrációjú ammóniaoldatot, hogy a kiváló csapadék feloldódjék. Adjon az oldathoz késhegynyit a vizsgálandó cukorból, majd merítse a kémcsövet fél percre a forró vízfürdőbe!

8 Pozitív a teszt, ha rövid időn belül szürke-fekete színű ezüst kiválását, vagy szerencsés esetben ezüsttükör képződését tapasztalja. c) Szelivanov-reakció: egy kémcsőbe öntsön 2 ml 6 mol/dm 3 koncentrációjú HCl-oldatot. Adjon hozzá 4 csepp 2%-os rezorcin- (meta-dihidroxi-benzol-) oldatot! Adjon az elegyhez késhegynyit a vizsgálandó cukorból, és állítsa a kémcsövet fél-egy percre a forró vízfürdőbe! A reakció pozitív ketózok jelenlétében. A pozitív reakciót élénkvörös szín megjelenése jelzi. (A reakció során kizárólag keto-cukrokból tud egy bonyolult szerkezetű festékanyag létrejönni.) Vigyázzon, ha hosszú ideig melegíti az oldatot, akkor más minták is adhatják a reakciót! Az alábbi táblázatban szereplő hatféle cukorszármazék mintáit tartalmazza az asztalán a hat számozott kémcső. Megadtuk a cukrok olvadáspontját, valamint forgatóképességük irányát, a feladat végén pedig a képletüket is. A vegyületek egy része nem hagyományos cukor, hanem cukrok redukciójával nyert ún. cukoralkohol. Cukorszármazék Olvadáspont /ºC Forgatóképesség glükóz fruktóz 102 szacharóz xilit 94 inaktív eritrit 118 inaktív mannit A bevezetőben felsorolt eljárások és a sufni-polariméter segítségével állapítsa meg, hogy melyik kémcsőben melyik anyag található! Tapasztalatait a túloldali táblázatban foglalja össze! Határozza meg, hogy melyik minta melyik cukornak felelt meg! Tömören magyarázza meg, hogy miért! (Ha nem tartja szükségesnek egy kísérlet elvégzését, és az anyagot enélkül is sikerrel azonosítja, nyugodtan hagyja ki a vizsgálatot!) Végül válaszolja meg a feladat végén található kérdéseket is! xilit eritrit mannit

9 No Forg. kép. Olvadáspont Ezüsttükörpróba Szelivanovpróba Cukorszármazék neve Magyarázat 24 pont

10 Adják-e a cukoralkoholok az ezüsttükörpróbát? Nem. Adják-e a nem redukáló, ketóztartalmú összetett cukrok a Szelivanov-próbát? Mi lehet a jelenség magyarázata? Igen, a répacukor is adja. Mivel a reagens erősen savas, a nem redukáló összetett cukrok hidrolizálnak. 2 pont Írja fel, hogy az ezüsttükörpróbához szükséges reagens elkészítése során milyen reakciók zajlanak le! 2 Ag OH = Ag 2 O + H 2 O Ag 2 O + 4 NH 3 + H 2 O = 2 [Ag(NH 3 ) 2 ] OH Hány kiralitáscentrumot tartalmaz az eritrit molekulája? Miért nem mutat optikai aktivitást? 2 kiralitáscentrumot. A molekula belső szimmetriasíkot tartalmaz. 2 pont 2 pont Ha a cukorszármazékok között szerepelt volna a keményítő is, akkor hogyan lehetett volna azonosítani? A keményítő kolloid oldatot ad, ami szórja a fényt (Tyndall-effektus). (Természetesen bármely más helyes választ elfogadunk.) Meg tudja-e figyelni a polarimétere segítségével, hogy a forgatóképesség függ a fény hullámhosszától? Milyen erre utaló jelenséget láthatunk? Igen: az optikailag aktív anyagok esetén az analizátor állásának függvényében a küvetta nem fekete, hanem sötétkék vagy sötétbarna színű. Hogyan lehetne a polariméter érzékenységét növelni? 2 pont Vastagabb mintaüveget kéne használni.

11 A méz cukortartalmának döntő része gyümölcscukor, és csak kisebb mennyiségben tartalmaz répacukrot, glükózt, valamint nyomokban egyéb cukorféleségeket. Sajnos gyakori dolog, hogy a mézet hamisítják: répacukorból sűrű szirupot főznek, egy kis sárga ételfestéket adnak hozzá, és ezzel az anyaggal szaporítják illegálisan a drága valódi mézet. A feladat során használt módszerek közül melyik lehet alkalmas az ilyen csalás leleplezésére? Hogyan? A forgatóképesség mérése. A méz a magas fruktóztartalom miatt negatív forgatóképességgel rendelkezik. Ha jelentős mennyiségű szacharózzal hamisítják, úgy a forgatóképessége pozitív lesz. Más módszerek (akár az ezüsttükörpróba, akár a Szelivanov-próba) nem alkalmasak, mivel a hamisitás során is marad ketóz, ill. glükóz is a mézben. 3 pont

12 2. feladat Egy meglepő tény a növényi festékekről 20 pont Szinte az összes piros-lila, sőt kék virágnak, termésnek a festékanyaga az ún. antocianin családba tartozik (valójában sok, nagyon hasonló szerkezetű anyagról van szó). Ez a festék indikátor tulajdonsággal rendelkezik, melyet a kémiai feladatok szerzői előszeretettel ki is használnak. Tavaly is szerepelt az OKTV döntőjében lilakáposztás-indikátoros példa. Azonban a növények egy egészen szűk köre meglepő módon nem antocianinokat használ a piros szín elérésére, hanem más festékanyagokat, pl. betanint. Ebben a feladatban a lilakáposzta antocianin festékanyagát referenciaként használva megvizsgáljuk, hogy a további három növényi élelmiszer (vörösbor, cékla, bodzabogyó) közül melyiknek eltérő tulajdonságú a festékanyaga. Vagdossa apróra a szilárd mintákat, és egy-egy 50 ml-es főzőpohárban főzze 5 percig kb. 20 ml desztillált vízben. A kísérletet a kapott oldat néhány cseppjével végezze. Az eleve oldat formájú mintát közvetlenül, hígítás nélkül használja a vizsgálatokhoz. Az előre elkészített 1, 4, 7, 9, 11 és 13-as ph-jú oldatok kb. 3 ml-es részletéhez adjon pár cseppet a festékoldatokból. Jegyezze fel a színváltozást a táblázatba! Mindegyik esetben vizsgálja meg azt is, hogy a színváltozás reverzibilis-e, azaz a savas oldatot lúgosítva, vagy a lúgos oldatot savasítva visszafordítható-e a színváltozás. Ha irreverzibilis színváltozást tapasztal, azt a táblázatban csillaggal jelölje! Töltse ki az alábbi táblázatot! (Egyértelmű, érthető elnevezést használjon a színekre! Nincs olyan, hogy pl. zöldes-piros!) ph festékanyag színe lilakáposzta vörösbor cékla bodza 1 piros piros piros piros 4 rózsaszín rózsaszín piros rózsaszín 7 lila lila piros lila 9 kék kék piros kék 11 zöld zöld barna* zöld 13 sárga* sárga* barna* sárga* 1

13 A kísérleti adataink alapján mely élelmiszerpárok esetén bizonyítottuk, hogy biztosan azonos festékanyagot tartalmaznak? Egyik esetben sem. 3 pont A kísérleti adataink alapján mely élelmiszerpárok esetén bizonyítottuk, hogy biztosan eltérő festékanyagot tartalmaznak? A cékla és a másik három esetén. 3 pont A fenti élelmiszerek közül az ipar leginkább a cékla festékanyagát használja élelmiszer-színezék gyanánt. Mi az előnye a bodzasűrítménnyel szemben? Nem változik a színe az élelmiszerek esetén szokásos ph-nál. Milyen kémiai folyamat állhat a reverzibilis, és milyen az irreverzibilis színváltozások hátterében? Reverzibilis: protonálódás/deprotonálódás. Irreverzibilis: bomlás, pl. hidrolízis. 2 pont