A XVII. VegyÉSZtorna I. fordulójának feladatai és megoldásai

Átírás

1 Megoldások: 1. Mekkora a ph-ja annak a sósavoldatnak, amelyben a kloridion koncentrációja 0,01 mol/dm 3? (ph =?,??) A sósav a hidrogén-klorid (HCl) vizes oldata, amelyben a HCl teljesen disszociál, mivel a HCl erős sav. A teljes disszociáció miatt a Cl - koncentrációja megegyezik a savoldat névleges koncentrációjával is, amely megadja a protonkoncenrációt (oxóniumion) is. Ha a töltésmérleg (ionegyenlet) alapján számolunk, akkor felmerülhet, hogy a [H + ] = [Cl - ] + [OH - ]. Tehát a proton koncentrációja nagyobb, mint a kloridioné. Azonban a víz öndisszociációjából származó proton mennyisége, amely azonos az hidroxidion mennyiségével, adott körülmények között nagyságrendekkel kisebb, mint a sósav disszociációjából származó. Tehát: ph = -lg ([H + ]) = -lg ([Cl - ]) = -lg (0,01) = 2,00 (5 p) 2. 50,00 mg fémnátrium hány cm 3 normál állapotú (0 C, 101,325 kpa) hidrogént fejleszt vízből? (?,?? cm 3 ) A fémnátrium reakciója vízzel heves, és megfelelő körülmények között teljes mértékben (kvantitatív módon) játszódik le: 2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2 50,00 mg (0,05000 g) nátrium az 2,17486 mmol (0, mol), hidrogénből azonban csak ennek a fele fejlődik, ami 1,08743 mmol (0, mol). (Ezt nem tudom jól kiszámítani, ha nem írom fel a reakcióegyenletet!) Normál körülmények között a H 2 -gáz tökéletes gáznak tekinthető (Mivel adott gáz esetében a forráspont hőmérséklete az adott körülményekhez képest kellően messze található, a H 2 molekulák közötti kölcsönhatások gyakorlatilag elhanyagolhatóak.) alkalmazhatjuk az általános gáztörvényt: p V=n R T Ebből p = 101,325 kpa ( Pa), n = 1,08743 mmol (0, mol), R = 8,314 J/(mol K) és T = 273,15 K. Ha kpa és mmol egységekben számolok, akkor az eredményt cm 3 -ben fogom megkapni. V = 1, , ,15/101,325 = 24,37 cm 3 (5 p). (Ha Pa és mol egységekben számolok, akkor az eredményt m 3 -ben fogom megkapni: 0, , ,15/ = 2, m 3 ) 3. Ismeretlen koncentrációjú 10,00 cm 3 ammóniaoldatot titrálunk metilvörös-metilénkék keverékindikátor mellett 0,1024 mol/dm 3 koncentrációjú sósavoldattal. A fogyás 9,23 cm 3. Mekkora az ammóniaoldat koncentrációja? (?,???? mol/dm 3 ) A sósav és az ammónia reakciója: NH 3 + HCl = NH Cl - Mivel a sósav erős sav, kvantitatív módon reagál egy gyenge bázissal is. Ebből következik, hogy n(nh 4 + ) = n(cl - ) tehát V(NH 4 + ) c(nh 4 + ) = V(Cl - ) c(cl - ). Átrendezve kapjuk a c(nh 4 + ) = V(Cl - ) c(cl - )/V(NH 4 + )

2 egyenletet. Ha a két térfogat esetében ugyanazt a mértékegységet használom (cm 3 ) akkor az eredmény mértékegysége a koncentráció alkalmazott mértékegyége lesz (mol/dm 3 ami ekvivalens egyébként a mmol/cm 3 -rel). c = 9,23 0,1024/10,00 = 0,0945 mol/dm 3 (5 p). Megjegyzések: Minták (nitrogén műtrágya vagy fehérjetartalmú minták, pl. talaj vagy bármilyen élelmiszer) összes nitrogéntartalmának meghatározásához alkalmazható klasszikus nedves módszer a Kjeldahl feltárás, mely során a minták nitrogéntartalma savas körülmények között ammóniává alakul. Zárt rendszerben megfelelő mennyiségű lúgot a feltárt mintához adva az ammónia a rendszerből teljes mértékben kidesztillálható. (A művelet során az ammónia mellett számottevő víz is átdesztillál.) Ha a szedőbe bórsavoldatot helyezünk, elkerülhetjük az ammóniaveszteséget, ráadaásul a bórsav gyenge sav (pk =9,24) az analízist sem zavarja. (A bórsav nevével ellentétben nem disszociál protonra és savmaradék anionra, hanem képes hidroxidionnal reagálni: B(OH) 3 + OH - = [B(OH) 4 ] -. Tehát nem Brönsted- hanem csak Lewis-sav.) Az indikátor kiválasztásánál figyelembe kell venni, hogy gyenge bázist titrálunk, tehát az ekvivalenciapont ph-ja a savas tartományra fog esni, mivel a reakcióban keletkező só, az NH 4 Cl gyenge sav. A metilvörös átcsapási ph tartománya ennek megfelelő 4,4-6,2. A keverékindikátorok egyik típusa, amikor adott ph-n egy ténylegesen színváltó anyagot (metilvöröst) és egy egyszerű színezéket (metilénkék, ami jelen esetben egy redoxindikátor is) keverünk össze. Mivel a tényleges indikátor átmeneti színe és a festékanyag színe komplementerek, (Kiegészítik egymást, gyakorlatilag minden látható hullámhosszon valamennyire elnyelnek.) az ekvivalanciapontban szürke szín figyelhető meg. Ez jobban érzékelhető, és ezért pontosabb végpontjelzést tesz lehetővé. 4. Összeöntünk 10,00 cm 3 1,000 mol/dm 3 koncentrációjú bárium-klorid és 20,00 cm 3 0,500 mol/dm 3 koncentrációjú nátrium-szulfát-oldatot. Milyen csapadék válik ki, és mennyi lehet annak pontos tömege? (?,?? g) Két sóoldat összeöntésekor elméletileg kétféle kation és kétféle anion található az oldatban, ami négyféle csapadék leválásához vezethet, konkrétan: BaCl 2, Na 2 SO 4, NaCl és BaSO 4. Azonban az első kettőröl tudjuk, hogy vízoldhatóak, hiszen a feladat szövege szerint oldatokat öntöttünk össze. A NaCl-ról is köztudott, hogy vízoldható, maradt tehát a BaSO 4, amely tényleg rendkívül oldhatatlan ( 2,5 mg / 1 dm 3 ) A bárium-klorid oldatban 10,00 cm 3 1,000 mol/dm 3 ( mmol/cm 3 ) = 10,00 mmol Ba(II) ion található. A nátrium-szulfát-oldatban 20,00 cm 3 0,500 mol/dm 3 ( mmol/cm 3 ) = 10,00 mmol SO 4 2- ion van. Mivel a két ion anyagmennyisége megegyezik, ezért 10,00 mmol BaSO 4 csapadék kiválásával számolhatunk (a BaSO 4 moláris tömege: 137,33 (Ba)+32,07 (S) ,00 (4O) = 233,40 g/mol), melynek tömege 10,00 mmol 233,40 g/mol ( mg/mmol) = 2334 mg 2,33 g (5 p). A BaSO 4 olyannyira oldhatatlan, hogy bár a Ba(II) igen mérgező, a BaSO 4 a mai napig alkalmazott kontrasztanyag orvosi röntgenfelvételek készítésekor. A gyomor és a bél röntgenvizsgálatkor a beteggel bárium-szulfát pépet etetnek, amely bevonja a gyomor- és a bélfalat és átlátszatlanná teszi azokat az alkalmazott röntgensugárzás számára. Hasonlóan a csontokat láthatóvá tevő Ca 2+ -

3 ionhoz, a Ba 2+ -ion is kellően nagy méretű, ezért a röntgensugarakat elnyeli, ellentétben a szöveteket alkotó kisebb méretű elemektől (zömében C, H, N és O). 5. Egy régi, még higanyos lázmérő eltörött, nagyjából fél gramm higanyt tartalmazott. A környezetet 10 g kénporral szórtuk be. Számítsd ki, mennyi higany-szulfid keletkezhetett maximum? (?,?? g) A lejátszódó reakció: Hg + S = HgS Ehhez 0,5 g / 200,59 g/mol =0, mol = 2,493 mmol higany és 10 g/ 32,07 g/mol = 0, mol = 311,818 mmol kén áll rendelkezésemre. Mivel higanyból van kevesebb, maximum ennyi higany-szulfid (moláris tömeg 200,59 g/mol + 30,07 g/mol = 232,66 g/mol) keletkezhetett, amelynek tömege 2,493 mmol 232,66 g/mol ( mg/mmol) = 597,9 mg 0,59 g HgS (5 p). Kimutatták, hogy ez a reakció nem játszódik le gyorsan és teljes mértékben (kvantitív módon), ezért a feladatban csak felső becslést számolhattunk. Ráadásul a higanyszennyezés eltávolítására tehát nem biztos, hogy a kénpor a legalkalmasabb. Jobb lehet erre a célra nagy felületű abszorbenseket, pl. aktív szenet alkalmazni. 6. A kristályos nikkel laponcentrált köbös elemi cellával rendelkezik. Ebben az esetben egy elemi cellában négy nikkelatom található, a kocka alakú elemi cella oldala 354,51 pm hosszú. Mekkora az egy atomra jutó térfogat pm 3 -ben kifejezve? (?,??? 10? pm 3 ) A kocka alakú elemi cella méretét kiszámíthatjuk ha az oldalhosszúság köbét kiszámítjuk: (354,51 pm) 3 = 4, pm 3. Minden elemi cellával kapcsolatos számításnál fontos lehet, hogy adott atomból hány található ténylegesen az elemi cellán belül. A legegyszerűbb úgy gondolkodni, hogy több cellát egymás mellé képzelve megnézzük, hogy adott atom hány elemi cellának képezi részét. Négy esetet lehet megkülönböztetni: Adott mag teljes terjedelmében az elemi cellán belül van. Ha a mag a cella oldalán található, akkor két egymással lapon érintkező elemi cella része, tehát az ilyen magnak csak a fele van egy elemi cellában. Ha a mag a cella élén található, akkor négy egymással egy él mentén érintkező elemi cella része, tehát az ilyen magnak csak az egy negyede van egy elemi cellában.

4 A csúcsokon található magok nyolc elemi cella részt képezik, tehát az ilyen magnak csak az egy nyolcada van egy elemi cellában. A lapon centrált elemi cella esetében a lapokon hat magot találunk a cella oldalán (6 0,5 = 3) ami három teljes atomnak felel meg, illetve van még nyolc darab atom a csúcsokon ami (8 1/8 = 1) ami egy teljes atomnak felel meg. Összesen tehát négy teljes nikkelatom található az elemi cellában. Ezért az egy nikkelatomra eső térfogat az elemi cella térfogatának ((351pm) 3 = 4, pm 3 ) a negyedrésze: 1, pm 3 (5 p). Bár az Ångström (Å) nem SI egység, de a kristálytanban a távolságmérésre leggyakrabban alkalmazott egység, melyet Anders Jonas Ångström svéd fizikusról, spektroszkópusról neveztek el. Mivel átváltása SI egységekbe könnyű (1 Å = m = 0,1 nm = 100 pm), így használata nem okozhat különösebb nehézséget. A legtöbb esetben a kötésben lévő atomok távolsága kb. 1-2 (3) Å, ezért a legtöbb atomi méretekre jellemző adatot a legkényelmesebb Ångström-ben kifejezni. Jelen esetben pl. az elemi cella oldala 3,5451 Å, a cella térfogata 44,55 Å 3, és az egy nikkelatomra eső térfogat 11,14 Å Elégetünk egy mol butánt. Hány g CO 2 és hány gramm víz képződik? (?,?? g CO 2 és?,?? g víz) C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 O A bután összegképlete C 4 H 10. Ha feltételezzük, hogy az égés tökéletes volt (nem keletkezett sem C, sem CO, sem egyéb más vegyület pl. hangyasav CO 2 -on és H 2 O-en kívül) akkor 4 mol CO 2 (moláris tömeg 12,01+16,00 2 = 44,01 g/mol ) és 5 mol H 2 O (moláris tömeg 16,00+1,01 2 = 18,02 g/mol) keletkezett. Ez megfelel 4 44,01 = 176,04 g CO 2 -nak (2,5 p), és 5 18,02 = 90,10 g H 2 O- nek (2,5 p). 8. A transz-zsírsav -ak jelenlegi tudásunk alapján károsak az egészségre. Melyek lennének azok a zsírsavak, amelyek nem azok? Mi a neve ennek a geometriai izomériafajtának? (?,?) A kérdésre a válasz a cisz-zsírsavak (2,5 p), amelyek egészséges(ebb)ek, mint a transz változat. A megfelelő kémiai izoméria a cisz-transz izoméria (2,5 p). Utóbbira a szén-szén kettős kötés mentén gátolt rotáció miatt van lehetőség.

5 A zsírsavaknak három fő típusa van: telített, egyszeresen telítetlen és többszörösen telítetlen. A zsírsavakban lévő kettős kötések cisz vagy transz elrendezésűek lehetnek. A zsírsavak egy különleges csoportját alkotják a transz-zsírsavak, amelyek olyan telítetlen zsírsavak, ahol a kettős kötés mentén a hidrogénatomok egymással szemben, transz állásban helyezkednek el. Számos természetes olaj (jellemzően a növényi és pl. a halolajok) leggyakrabban telítetlen cisz zsírsavakat tartalmaznak. (Kivételként a kókuszzsír, a pálmaolaj és a kakaóvaj említhető, amely sok telített zsírsavat tartalmaz.) Az állati eredetű zsírok (marha, a sertés és a szárnyasok) jellemzően telített zsírsavakat tartalmaznak. Transzzsírok alapvetően kétféle módon keletkezhetnek, egyrészt mesterségesen, a növényi olajok részleges hidrogénezése vagy az olajok finomítása során, másrészt természetes úton, a kérődző állatok anyagcseréje során. (A vaj átlagosan pl. 2-4% transz-zsírsavat tartalmaz.) A magas transz-zsírsavakat tartalmazó étrendet összefüggésbe lehet hozni szívbetegségekkel, cukorbetegséggel, elhízással és számos egyéb egészségügyi problémával. Jelenleg azt feltételezzük, hogy még a telített zsíroknál is kedvezőtlenebb a transz-zsírok hatása az emberi szervezetre. 9. A pamutvatta hány tömegszázaléka oxigén? (Tételezzük fel, hogy a vatta anyaga egységes, 100%- ban ugyanazt a kémiai komponest tartalmazza.) (?,?? m/m%) A pamutvatta gyakorlatilag csak cellulózmolekulákból áll. A cellulóz ß-D-glükózból származtatott poliszacharid, képlete (C 6 H 10 O 5 ) n. Ennek megfelelően a monomer moláris tömege , ,00 = 162,16 g/mol. 1 mol monomert tartalmazó cellulóz 162,16 g, ebből 5 16,00 = 80,00 g oxigén. Tehát 80,00 g / 162,16 g = 49,33 m/m % az oxigéntartalma a pamutvattának. (5p) A növények vázanyagának jelentős része a cellulóz, amely a fák kb. 40%-át, a gyapot 50%-át, a len és a kender 80%-át teszi ki. A tisztítási folyamat(ok) révén a vatta és a papír szinte 100%-ban cellulózból áll. A cellulózban a glükózegységek β-1,4 glikozidos kötésekkel kapcsolódnak össze, az egymást követő glikozidos kötések térállása ellentétes. A monomerek száma néhány száztól több ezerig terjedhet. A cellulóz rokon anyaga a keményítő, azonban a cellulóz béta-glükózegységekből épül fel változó térállásban, míg a keményítő alfa-glükózegységekből áll. További különbség, hogy a cellulózt több glükózegység építi fel, mint a keményítőt, és hogy a cellulóz molekula lánc alakú, a keményítőé pedig spirális. 10. Ebben a feladatban egy olyan szót kell kitalálni, amely összerakható vegyjelekből. A feladat megoldása során ki kell találni, a megadott információk alapján, mely elemek vegyjeleiről lehet szó. Ha ezek megvannak, akkor összeolvasva őket (végig kisbetűvel, illetve az első betű lehet nagy) őket egy értelmes, nem feltétlenül a kémiához köthető szót kapunk. Jelen feladatban egy négybetűs szót kell kitalálni, amely három elem vegyjeléből állítható össze. Az első betű: ez az elem képezi a legváltozatosabb összetételű vegyületeket, amelyeket külön kiemelt kategóriában tárgyal a kémiatudomány. A második betű: ez az elem kétatomos molekulát alkot, amelynek sötét színű oldata a legismertebb/leggyakoribb általános fertőtlenítőszer.

6 A hamadik és negyedik betű: ez a fém ionos formában lényegi alkotóeleme biológiai külső illetve belső vázaknak, úgymint a puhatestűeknél kagylóhéj és csigaház, vagy akár a gerinceseknél a csontváz. (?) Első betű: C, ez az elem a szén, a külön kiemelt kategória pedig a szerves kémia. (1p) A második betű: I, ez az elem a jód. Más elemet jellemően nem használunk (seb)fertőtlenítésre, és ennek a kálium-jodidos oldata valóban sötét színű. (Vízkezelésre, fertőtlenítésre használnak még klórt is, de ennek lúgos oldata a hypo színtelen és inkább fehérítőszerként ismert.) (1 p) A harmadik és negyedik betű: Ca, ez az elem a kalcium. Ez a meglehetősen reaktív fém ionos formában (Ca 2+ ) fontos alkotóeleme a puhatestűek külső vázának (CaCO 3 ), illetve a gerincesek csontozatának is (zömében hidroxiapatit Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 formában). (1 p) Összeolvasva: CICa = cica (2 p)