Kémia OKTV döntő I. kategória, 1. feladat Budapest, március 31. Titrálások hipoklorittal

Átírás

1 Oktatási Hivatal KÓDSZÁM: Kémia OKTV döntő I. kategória, 1. feladat Budapest, március 31. Titrálások hipoklorittal A hipoklorition erélyes oxidálószer. Reakciói általában gyorsan és egyértelmű sztöchiometria szerint mennek végbe. Ennek ellenére közvetlen titrálásokban mégsem könnyen használható. A mai gyakorlaton két mérés vár mindenkire. Az egyikben egy hipokloritoldat pontos koncentrációját mérjük meg az általa savas közegben kiválasztott jód mennyiségének meghatározásával. A másikban a hipoklorit- és a jodidionok bázisos közegben lezajló reakcióját közvetlenül vizsgáljuk meg a reakcióelegy hőmérsékletét követve. A feladat elvégzésére és a válaszlap kitöltésére összesen 120 perc áll rendelkezésre. A kiadott eszközökön kívül kizárólag számológép használható. A kérdésekre adott válaszait alaposan, szükség esetén számolásokkal indokolja! A rendelkezésre álló eszközök és anyagok listája a mellékletben található. Használjon gumikesztyűt a hipokloritoldatok kezelése során! A hipoklorit pontos koncentrációjának meghatározása A betűvel jelölt hipokloritoldat 20,00 cm 3 -éből készítsünk 100,00 cm 3 törzsoldatot. Vegyünk a törzsoldatból egy 10,00 cm 3 -es részletet, és adjunk hozzá 5 cm 3 1 mol/dm 3 -es kénsavoldat hozzáadásával megsavanyított 25 cm 3 0,10 mol/dm 3 -es KI-oldatot. Miért fontos, hogy a kénsav a KI-dal egyidejűleg, és ne előtte kerüljön a hipokloritoldatba? Azért, mert savas közegben a hipokloritból klór szabadulna fel, és ez hibát okozna a mérés során. 1 pont A kiváló jódot azonnal titráljuk meg a kb. 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú nátrium-tioszulfátoldattal a 12 cm 3 -es bürettát használva. A titráló oldat pontos koncentrációja az üvegeken található. A jód színének elhalványodásakor kb. 1 cm 3 keményítőoldatot hozzáadva cseppenként adagoljuk a mérőoldatot a végpont közelében. A fogyásokat egyértelműen feltüntetve szükség szerint ismételjük meg a mérést! A mért fogyások: Az átlagfogyás: V 1 cm 3 Pontosság: 10 pont

2 A lejátszódó reakciók rendezendő egyenletei: OCl + 2 H I = Cl + I 2 + H 2 O 2 S 2 O I 2 = 2 I + S 4 O pont A hipoklorit pontos koncentrációja a betűvel jelölt oldatban: n(s 2 O 3 2 ) = 0,001V 1 c (c a mérőoldat pontos koncentrációja mol/dm 3 -ben) n(i 2 ) = n(ocl ) = 0,0005V 1 c (10,00 cm 3 törzsoldatban) A kiadott ismeretlen oldat 20,00 cm 3 -ében 0,005V 1 c a hipoklorit anyagmennyisége. Betűjel: Koncentráció: c(ocl ) = 0,25V 1 c 3 pont A hipoklorit és jodid bázisos közegben lejátszódó reakciójának vizsgálata A hipoklorit reakcióit színtelen termékek esetén nehéz követni. Többféle műszeres eljárás kínálkozik a reakció megfigyelésére. Az egyik legegyszerűbb a reakcióban felszabaduló hő okozta hőmérséklet-változás mérése. Ha a reakcióelegyet jól hőszigetelt edényben (esetünkben habpohárban) játszatjuk le, akkor a reakcióhő jó közelítéssel csak a reagáló elegy melegítésére fordítódik. A reakció vizsgálata során érdemes a reakcióelegy össztérfogatát állandónak tartani. Ezt a két reakciópartner oldatát különböző arányban összekeverve tehetjük meg. Eredményként exoterm reakció esetén az alábbihoz hasonló grafikon kapható. T max anyagmennyiség-arány A reakcióelegy maximális hőmérséklete a reagáló anyagok anyagmennyiség-aránya függvényében Az elegyítés előtt győződjünk meg a kiindulási oldatok hőmérsékletéről. A polisztirolhabból készült pohárban (egy főzőpohárba állítva) büretták segítségével elegyítsünk össze 36 cm 3 -t különböző térfogatarányban a betűvel jelölt hipokloritoldatból és a 0,10 mol/dm 3 -es KIoldatból. Mindig a nagyobb térfogatú oldatot mérjük ki először. Az elegyet a bothőmérővel keverjük össze, miközben figyeljük a hőmérsékletét. A hőmérő higanyzsákja merüljön

3 teljesen az oldatba. Jegyezzük le minden keverék esetén a legmagasabb tapasztalt hőmérsékletet, és tüntessük fel az értékeket grafikonon. A kísérletet ismételjük meg annyi ponton, hogy a grafikonról egyértelműen leolvasható legyen a két reagáló ion anyagmennyiség-aránya. Mérések: Hipokloritoldat térfogata (cm 3 ) Jodidoldat térfogata (cm 3 ) Maximális hőmérséklet ( C) Hipokloritoldat térfogata (cm 3 ) Jodidoldat térfogata (cm 3 ) Maximális hőmérséklet ( C) 30 T+6 29 T+5 Maximális hőmérséklet ( o C) T+4 T+3 T+2 T A hipokloritoldat térfogata (cm 3 ) T

4 A két oldat térfogataránya az ekvivalenciapontban: Mérés és pontosság: 8 pont A hipoklorit és a jodid anyagmennyiség-aránya az ekvivalenciapontban: n(ocl ) : n(i ) 3:1 2 pont A kapott anyagmennyiség-arány alapján mi lehet a lúgos közegben lejátszódó reakció egyenlete? Szükség szerint egészítse ki és rendezze az egyenletet (a lehetséges termékek között Cl 2, Cl, I 2, OI, IO 3, IO 4 szerepelhet)! Az oldat esetleges elszíneződését nyomnyi mennyiségű anyagok is okozhatják, ezt nem érdemes figyelembe venni a termékek azonosításakor. 3 OCl + I = 3 Cl + IO 3 2 pont Az oldat sűrűsége és hőkapacitása csak kevéssé tér el a tiszta víz sűrűségétól (1,0 g/cm 3 ) és hőkapacitásától (4,18 J g 1 K 1 ). Becsülje meg a reakció reakcióhőjét a mérései alapján! A maximális hőmérséklet-változás az ekvivalenciapontban T. Az oldat tömege 36 g, tehát a felszabaduló hő: Q = 4,18 J g 1 K 1 36 g T Ha az ekvivalenciapontban a hipokloritoldat térfogata V 2, koncentrációja pedig c, akkor a hipoklorit anyagmennyisége V 2 c. A 3 OCl + I = 3 Cl + IO 3 egyenlethez tartozó reakcióhő: r H = 3 150,5 J K V 2 1 c T 2 pont

5 MELLÉKLET Eszközök és anyagok listája Minden versenyzőnek: Az összes oldat és a víz a labor hőmérsékletén kell legyen (nem hígítható/desztillálható frissen). 250 cm 3 hígított hypo, műanyag edényben, minden edényen betűkóddal 250 cm 3 0,10 mol/dm 3 koncentrációjú KI-oldat 60 cm 3, kb. 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú tioszulfátoldat, pontos koncentrációval tized fokos hőmérő 1 db 100 cm 3 -es mérőlombik 10 cm 3 -es pipetta 20 cm 3 -es pipetta 1 db pipettalabda 3 db büretta állványon, 12 és 2 25 cm 3 1 db fehér csempe 1 flaska desztillált víz 1 db cseppentő 3 db titrálólombik 3 db főzőpohár (1 kuka, 1 a habpoharak beleállítására, 1 pedig öntögetéshez) 25 cm 3 -es mérőhenger 1 db magas pohár, talpsúllyal a hőmérő tárolására 2 db 200 cm 3 -es habpohár 1 db védőszemüveg papírvatta 1 db feladatlap, melléklettel (5 oldal) Asztalonként: gumikesztyű keményítő indikátor oldata, műanyag, osztott Pasteur-pipettával 1 mol/dm 3 koncentrációjú kénsavoldat, 10 cm 3 -es mérőhengerrel

6 Oktatási Hivatal KÓDSZÁM: Kémia OKTV döntő I. kategória, 2. feladat Budapest, március 31. A feladatok során egyszerű kísérleteket kell az útmutatás alapján elvégezni, a kiadott eszközök és anyagok segítségével. A kísérletek során gondosan és alaposan figyelje meg a tapasztalt jelenségeket, és azokat (tömören) írja le a válaszra rendelkezésre álló helyre. Amennyiben a jelenségek magyarázatára utaló kérdéshez ér, kérjük, szintén tömören ismertesse a tapasztalatok hátterében álló kémiai jelenséget. Magyarázatként egy kémiai reakció felírása, vagy a jelenség megnevezése általában elegendő. 1. feladat Pénzhamisítás Az összpontszám 45 %-a. A pénzhasználattal egyidős az érmék hamisítása. Ebben a feladatban megvizsgálunk egy eljárást, amely alkalmas az érmék ezüsttartalmának azonosítására, és a hamis nem ezüstből készült érmék kiszűrésére. Az ezüstpénzeket a középkorban gyakran ólommal hamisították, mert ezt rosszul felszerelt műhelyekben is könnyű volt megmunkálni. Egy tiszta kémcsőben adjon 1-2 ml ezüst-nitrát-oldathoz pár csepp híg K 2 Cr 2 O 7 -oldatot. Ismételje meg a kísérletet ólom-nitrát- és nikkel-nitrát-oldatokkal! Mit tapasztal? Az AgNO 3 vörös, az Pb(NO 3 ) 2 sárga csapadékot ad, nikkellel nincs változás. Adjon mindhárom kémcsőhöz NH 3 -oldatot! Mit tapasztal? Magyarázza meg tapasztalatait! Az ezüstcsapadék oldódik, az ólomcsapadék nem. A nikkel-nitrátos kémcsőben zöld csapadék keletkezik, mely a reagens feleslegében kék színnel oldódik. Az ezüstcsapadék amminkomplex képződése miatt oldódik fel. Az ólom esetén nincs komplexképződés, így oldódás sem. A nikkel-nitrát nikkel-hidroxidot képez az ammóniaoldattal, amely a reagens feleslegében komplexképződés miatt feloldódik. Ag 2 CrO NH 3 2 [Ag(NH 3 ) 2 ] + + CrO 4 2- Ni OH Ni(OH) 2 Ni(OH) NH 3 [Ni(NH 3 ) 6 ] OH Az ezüst esetén elfogadható az egyenlet akkor is, ha Ag 2 Cr 2 O 7 szerepel benne. A nikkel komplexképződési reakciójának egyenlete nem elvárás. A fentiek alapján hogyan dönthető el, hogy egy ezüst- és nikkelionokat tartalmazó oldat tartalmaz-e ólomionokat? A K 2 Cr 2 O 7 reagens hatására keletkező csapadék ammóniaoldat adagolásakor nem oldódik fel teljesen.

7 Döntse el, hogy a kiadott 3 ezüsttartalmú oldatminta közül melyik tartalmaz ólmot! Írja be a kémcső számát! Ezüstérmék vizsgálatára gyakran használnak tömény kénsavban oldott K 2 Cr 2 O 7 -ot. Az oldat egy cseppjét az érmére ejtve vérvörös folt utal arra, hogy ezüstérmével van dolgunk (pozitív teszt). Döntse el, hogy a kiadott 3 érme közül melyik/melyek tartalmaznak ezüstöt! Írja be az érme/érmék számát! Miért szükséges tömény kénsavas oldatot használni ebben az esetben a híg vizes K 2 Cr 2 O 7 -oldat helyett? Az érme fémtartalmát fel kell oldani. Az ezüst csak oxidáló savakban oldódik, pl. tömény kénsavban. Az alábbi hamisítványok közül melyik esetben pozitív a kénsavas K 2 Cr 2 O 7 -próba? K 2 Cr 2 O 7 -teszt pozitív negatív Nikkelből készült érme. Ólomból készült hamisítvány. 30% ezüstöt és 70% nikkelt tartalmazó ötvözetből készült érme. Ezüstbevonattal ellátott ólomhamisítvány.

8 2. feladat Gyümölcsérés Az összpontszám 20 %-a. Az éretlen gyümölcsöknek nemcsak az édes ízért felelős cukortartalmuk alacsony, de a magas hidroxi-karbonsav-tartalom miatt savanyúak is. Az érés során a gyümölcsben enzimek bontják le a a savakat, a raktározott tartaléktápanyag átalakulásával pedig cukor keletkezik. Ebben a feladatban egy olyan eljárást próbálunk ki, amit a modern mezőgazdaság elterjedten használ az érettség fokának meghatározására. Töltsön egy főzőpohárba kb. 100 ml desztillált vizet! Adjon hozzá egy jódkristályt! Kevergesse üvegbottal! Mit tapasztal? Adjon az oldathoz spatulahegynyi KI-ot! Mit tapasztal? Magyarázza meg tapasztalatait! A jód vízben csak kismértékben oldódik. KI hatására gyorsan feloldódik, sárgásbarna színű oldat keletkezik. KI jelenlétében a jód oldhatósága jelentősen megnő, mert az alábbi reakcióban trijodidionok keletkeznek: I 2 + I I 3 (A trijodidionok képződésének ismerete nem elvárás.) Az így kapott oldatot öntse Petri-csészébe, és a kiadott alma- és banánszeleteket áztassa be fél-fél percre. A szeleteket kivétel után itassa le papírvattával! Mit tapasztal az éretlen, és mit az érett gyümölcsből vágott szelet esetén? Rajzolja le! Az éretlen gyümölcs teljes felülete sötétkék, az éretten csak kék rajzolat látszik. Magyarázza meg a tapasztalatot! Mi az eljárás kémiai magyarázata? Érés során a gyümölcsben raktározott keményítő cukorrá (elsősorban glükózzá) alakul. A jódoldat komplex vegyület képződésével kék színnel jelzi a keményítőt, így segítségével kimutatható, hogy érés során a keményítő mennyisége a gyümölcsben csökken. A jódoldattal megfestett gyümölcs képe korrelálható az érés fokával.

9 3. feladat Cseppfolyós CO 2 Az összpontszám 35 %-a. Kémiai tanulmányaink során az egyik leggyakrabban vizsgált gáz a szén-dioxid. A CO 2 halmazállapot-változásai szokatlanok: kevés vegyész mondhatja el magáról, hogy látott már cseppfolyós CO 2 -t. Ennek a feladatnak a megoldása során módunk lesz megismerkedni vele. A kísérleteink során szilárd CO 2 -ot, ún. szárazjeget fogunk használni. Figyelem! A feladat során túlnyomásos kísérleti eszközt fogunk használni. Mivel nagyon kis méretben dolgozunk, valamint lágy műanyag készüléket használunk, nincs tényleges robbanásveszély, de a nyomás alatti műanyag edénnyel való munka során különösen fontos a védőszemüveg és a bőr védőkesztyű használata! A szárazjég nagyon hideg, puszta kézzel való megfogása fagyási sérülést okozhat! A szárazjeget ezért mindig csipesszel fogja meg! Tegyen egy kis darab szárazjeget az asztalra, borítsa le egy Petri-csészével, és vizsgálja meg, mi történik az anyaggal! Ne tévessze meg, hogy a levegő nedvességtartalma ráfagy a szárazjégre. Mit tapasztal? Hogyan nevezzük ezt a halmazállapot-változást? A szilárd szárazjég a cseppfolyós halmazállapot kihagyásával válik gázhalmazállapotúvá. Szublimáció történik. Milyen más, köznapi anyagot ismer, ami hasonló halmazállapot-változást mutat? Pl. jód, naftalin Egy üres, száraz, műanyag centrifugacsőbe helyezzen 0,75-0,85 g szárazjeget. Semmiképpen ne használjon az előírt mennyiségnél többet. Mielőtt továbbhaladna, a felügyelő tanárnak mutassa be a csövet a szárazjéggel! Ezt követően tekerje rá a csőre a kupakot, és állítsa az asztalra. Figyelje az edényben bekövetkező változásokat! A túlnyomásos centrifugacsővel végzett munka során mindig viselje a védőszemüveget és a bőr védőkesztyűt! Mit tapasztal? A csőben túlnyomás alakul ki, a szárazjég megolvad, átlátszó folyadék keletkezik. Mielőtt a szilárd szárazjég teljes mennyisége eltűnne, a kupak óvatos meglazításával lassan engedje le a túlnyomást az edényből. Mit tapasztal? A folyadék felforr, majd ismét megfagy.

10 Az alábbi ábra három, betűvel jelölt mezője a tiszta CO 2 különböző halmazállapotait ábrázolja a hőmérséklet és a nyomás függvényében. Adja meg, hogy melyik betű melyik halmazállapotot jelöli! A: szilárd B: folyadék. C: gáz. Kísérleti tapasztalatai alapján döntse el az alábbi állításokról, hogy igazak vagy hamisak! Igaz Hamis Az elvégzett kísérlet alapján nem dönthető el Az ábrán T-vel jelölt hőmérséklet kisebb, mint 0 C. Az ábrán p-vel jelölt nyomás nagyobb, mint 1 atm.