Dürer Verseny. Kémia kategória. Levelező feladatsor 2013/2014

Átírás

1 Dürer Verseny Kémia kategória Levelező feladatsor 201/ feladat Egy alkáliföldfém ötvözet alkotói a periódusos rendszerben egymás alatt találhatóak. Az ötvözet 12,8 g-ját sósavban feloldva 9,62 standard állapotú H 2 gáz fejlődik. A nagyobb áris tömegű fémet megtaláltuk a laboratóriumban egy zárt üvegben. 9,16 g részben oxidálódott fém volt benne, amit sósavban feloldottuk. Na PO 4 -oldatot adtunk hozzá, amíg csapadékleválást tapasztaltunk. Ehhez 28 cm 0,5 / -es nátrium-foszfát kellett. a) Mi az ötvözet tömeg%-os összetétele? b) Hány g oxid volt az üvegben? c) Hány százaléka oxidálódott el a fémnek? Megoldás: a) A két fém ötvözetének tömege m = 12,8 g, melyből sósav hatására V = 9,62 standardállapotú hidrogéngáz fejlődik. Mivel standardállapotban a V m = 24,5 /, így a H 2 anyagmennyisége kiszáható az n = V/V m összefüggés alapján, így n H2 = 0,9. Az alkáliföldfémek 1 mólja a rájuk felírható reakcióegyenlet alapján 1 mól hidrogéngázt fejlesztenek sósavból, így a hidrogén és az ötvözet anyagmennyisége megegyezik. Ez alapján kiszáható az ötvözet átlagos áris tömege (M átl = m/n H2 ), ami 2,68 g/. Ez az érték az ötvözetet alkotó két fém áris tömege közé esik. Mivel ez a két fém a periódusos rendszerben egymás alatt található, így a két fém csak a magnézium és a kalcium lehet. Jelöljük x-nek a Mg tömegét, 12,8g-x-nek a Ca tömegét. Mindkettőnek kifejezve anyagmennyiségét és ezt összeadva megkapjuk az összes anyagmennyiséget, amit már kiszátunk. Így az alábbi egyenletet kapjuk: x 12,8g x + = 0,9 24, 40,1 Az egyenletet megoldva a Mg tömegére 4,51 g-ot, a Ca tömegére 8,2 g-ot kapunk. Ez alapján az ötvözet tömegszázalékos összetétele 5,1% Magnézium, 64,9% Kalcium. b) A laboratóriumban a nagyobb áris tömegű fémet és oxidját, azaz kalciumot és kalcium-oxidot találunk. A mintánk tömege m = 9,16 g. A mintát feloldjuk sósavban, mely során az alábbi reakciók zajlanak le: Ca + 2HCl -> CaCl 2 + H 2 CaO + 2HCl -> CaCl 2 + H 2 O

2 A kapott anyaghoz Na PO 4 -oldatot adunk csapadékleválásig, amit az alábbi reakcióegyenlet ír le: CaCl 2 + 2Na PO 4 ->Ca (PO 4 ) 2 + 6NaCl Jelöljük x-nek a CaO tömegét, 9,16-x-nek a Ca tömegét. Az első két reakcióegyenlet alapján ugyanannyi mól CaCl 2 keletkezett, mint amennyi mól Ca és CaO volt eredetileg. Fejezzük ki mindkettő anyagmennyiségét, és adjuk össze, ezzel így megkapjuk a CaCl 2 anyagmennyiségét: x 9,16g x + = n(cacl2) 56,1 40,1 A Na PO 4 anyagmennyisége a. reakcióegyenlet alapján a 2/-a a CaCl 2 -ének. A Na PO 4 anyagmennyisége könnyen kiszámítható a megadott adatok és az n=c*v összefüggés alapján, mivel c és V adottak (c = 0,5 /, V = 0,28 ). Így n NaPO4 = 0,119. Így már felírhatjuk az egyenletünket: 2 ( x 56,1 9,16g x + ) = 0,119 40,1 Az egyenletet megoldva x-re 7,02 g-ot kapunk, ami a CaO tömege. c) Hogy megtudjuk, hány százaléka oxidálódott a fémnek, ki kell szánunk, hány mól Ca és CaO volt a mintában kezdetben. Ehhez elég visszahelyettesítenünk x-et, így n Ca = 0,054, n CaO = 0,125. Ebből tudjuk kiszáni, hány százaléka oxidálódott a fémnek ( hogy a fém 70,1%-a oxidálódott. () ()() *100). Így megkapjuk, 2. feladat 10,0 cm ecetsavoldatot titrálunk 0,1 / néveleges koncentrációjú, f NaOH = 0,99 faktorú NaOH-oldattal. A fogyás értéke a titrálás végpontjában 11,2 cm. a) Mennyi volt az ecetsavoldat koncentrációja? b) Mekkora volt a ph értéke a titrálás végpontjában? c) A b) feladatrészben kapott érték alapján milyen indikátorral jeleznéd a titrálás végpontját? d) Milyen irányú és mekkora (tized% pontossággal) hibát okozna, ha metilnarancs indikátort használnánk az általad javasolt helyett? e) A titrálások során a vizsgált oldathoz általában csak néhány cseppnyit és nem 1 2 cm -t adnak az indikátor híg oldatából. Miért? f) A NaOH-oldat idővel elkarbonátosodik. Írd fel ennek a reakciónak az egyenletét! g) Milyen irányban változna a fogyás értéke, ha a fenti titrálást elvégeznénk egy több hete a laboratóriumban tárolt NaOH-oldattal? h) A NaOH-oldat koncentrációjának pontos meghatározásakor ismert koncentrációjú és térfogatú HCl-oldatot titrálnak. Milyen indikátort használnál ebben a reakcióban és miért? Adatok:

3 pk v = 14; pk ecetsav = 4,76; pk metilnarancs =,8 Megoldás: a) A titrálás egyenlete: NaOH + CH COOH = CH COONa + H 2 O, ez alapján a koncentráció: 0,99 0,1 11,210 c ecetsav 0,111 10,010 b) A titrálás végpontjában a ph az acetát-ion lúgos hidrolízise miatt 7-nél nagyobb érték lesz. A végpontban a teljes térfogat 2,26 cm, a Na-acetát koncentráció: 0,99 0,1 11,210 c ecetsav 0,0479 2,26 10 Ebből a CH COO + H 2 O = CH COOH + OH egyenlet alapján: ,76 2 [OH ] 0,0479 [OH, melyből a kémiailag helyes gyök: ] 6 [OH ] 5,25 10, ami 8,72-es ph értéknek felel meg. (Természetesen teljes pontszámmal elfogadjuk, ha a nevezőben elhanyagoltátok a hidroxidion koncentrációját!) c) Fenolftalein d) Az alábbiak írhatók fel, ha a hozzáadott NaOH térfogata V cm : Töltésmérleg (az [OH ] elhanyagolható): [Na + ] + [H + ] = [CH COO ] Anyagmérleg: V 0,099 Na ,0 V 1000 Egyensúlyi állandó: CH COOHCH COO [CH CH COO ] H COOH 10,0 0, ,0V A fentiekbe behelyettesítve a [H + ] = 10,8 / értéket V-re 1,09 cm adódik, a titrálás hibája tehát: 11,2 1,09 100% 90,%, negatív irányban. 11,2 4,76

4 A puffer képlet alkalmazásával is ez az ereény jön ki, azt a megoldást is teljes pontszámmal elfogadjuk. e)az indikátor is reagál a mérőoldattal, túl nagy indikátormennyiség esetén ez nagy hibát okozna. f) 2 NaOH + CO 2 = Na 2 CO + H 2 O g) Elvileg nem változna, a keletkező szén-dioxidot, ha nem forraljuk ki, akkor kicsit túltitrálhatjuk. h) Metilvörös, vagy metilnarancs, az oldódó CO 2 miatt az ekvivalenciapont kissé savas.. feladat Az élelmiszeradalékként is alkalmazott A vegyület B és C vegyületekből előállítható, melléktermékként D vegyület keletkezik. A folyamat során azonban a csapadékként kiváló D vegyület rárakódik a még el nem reagált B vegyületre, így rontja a termelés hatásfokát. Ezért egy korszerűbb eljárás során B vegyületet már meglévő A vegyülettel reagáltatják,és ekkor csapadékként E vegyület keletkezik, de ez nem tömörödik úgy, mint a D, így nem zavarja a gyártást. Azonban az E vegyület kiszűrhető, és C vegyülettel reagáltatva A és D vegyületek keletkeznek. a) Melyik vegyületeket jelölik az A-E betűk? Add meg a nevüket és a képletüket! b) 1 B-ből hány A-t tudunk gyártani a korszerűbb technikával (az átalakulást vegyük 100 %-osnak)? c) A D vegyületnek két közismert kristályvizes módosulata is létezik, az egyik 6,2 %; a másik 20,9 % kristályvizet tartalmaz. Mi a képletük? Egy harmadik, eddigiektől nagyban különböző eljárás is létezik. Ekkor B vegyületet F vegyülettel és G elemmel reagáltatják és H elem, I gáz halmazállapotú vegyület valamint J szilárd anyag keletkezik. H elégetésével kapják a K oxidot, mely vízzel reagálva A vegyületet adja. d) Melyik vegyületeket, illetve elemeket jelölik az F-K betűk? Add meg a nevüket és a vegyületek esetében a képletüket! e) Hogyan rajzolnád fel a K vegyület szerkezeti képletét, ha tudod, hogy két azonos atom között nincs kötés? f) Írd fel a feladatban szereplő összes reakció rendezett egyenletét (7 darab)! Segítség: A B vegyületben a kationok és az anionok aránya: :2. A J vegyület tömegszázalékos összetétele: 41,4 tömeg% O; 4,5 tömeg% Ca; 24,1 tömeg% Si. I gáz keletkezik akkor is, ha C vegyületet hangyasavhoz adagolják (egyenlete nem kell az f) feladatrészhez). Megoldás:

5 A B vegyületben a kationnak 2+ töltésűnek, míg az anionnak - töltésűnek kell lennie, hogy teljesüljön az ionarány feltétele. Az anion így nagy valószínűséggel a foszfát. (Szóba jöhetnek még szerves savak is, de ezek a későbbiekben könnyen kizárhatóak.) Az élelmiszeradalékként alkalmazott foszfát pedig nem más, mint a foszforsav (A). Ezt pedig sóiból fel lehet szabadítani erősebb savval, mint a kénsav (C). Ez egybevág azzal is, hogy a kénsavat hangyasavhoz adva valóban gáz keletkezik, szén-monoxid (I). Ha a foszforsavról van, szó akkor K oxid a difoszfor-pentoxid, a H elem pedig a foszfor. A B kationja a harmadik eljárás egyenletében csak a J vegyületben lehet, hiszen mellette foszfor és szénmonoxid keletkezett. A J vegyület kiszáható, hogy a kalcium-szilikát, így a B vegyület a kalciumfoszfát, míg az F vegyület a szilícium-dioxid, a G elem pedig a szén. Kizárásos alapon a D vegyület a kalcium-szulfát, és kicsit a foszforsav gyártásnak utánanézve kideríthető, hogy az E vegyület a kalcium-dihidrogén-foszfát. (Teljes pontszámmal csak akkor adunk, ha valamilyen logikai okfejtés után jutott el a csapat a megoldásig!) Az a) és d) kérdésekre tehát megadtuk a választ. Az egyenletek ( f) kérdés ): 2 Ca (PO 4 ) H 2 SO 4 = 6 CaSO H PO 4 Ca (PO 4 ) H PO 4 = Ca(H 2 PO 4 ) 2 Ca(H 2 PO 4 ) 2 + H 2 SO 4 = 2 H PO 4 + CaSO 4 Ca (PO 4 ) H PO 4 + H 2 SO 4 = 6 H PO 4 + CaSO 4 == Ca (PO 4 ) 2 + H 2 SO 4 = 2 H PO 4 + CaSO 4 Ca (PO 4 ) C + SiO 2 = CaSiO + 2 P + 5 CO 4 P + 5 O 2 = P 4 O 10 P 4 O H 2 O = 4 H PO 4 A b) kérdésre a 2-4. reakcióegyenletekből látszik, hogy 1 kalcium-foszfátból kalciumhidrogén foszfát képződik, amiből 6 foszforsavat kapunk. De 4 foszforsavat fel is használtunk az első lépésben, így összesen 2 foszforsavat nyerhetünk ki. c) 6,2 % : 1 CaSO 4 16,1 g ez 9,8 % akkor a 100 % 145,1 g a különbség: 9 g ami 0,5 víznek felel meg Tehát a képlet: CaSO 4 ½ H 2 O 20,9 % : 1 CaSO 4 16,1 g ez 79,1 % akkor a 100 % 172,1 g a különbség: 6 g ami 2 víznek felel meg Tehát a képlet: CaSO 4 2 H 2 O

6 e) 4. feladat: Egy ekulán végrehajtott azon egybevágósági transzformációkat, amelyek a ekulát önmagába viszik, szimmetriaműveleteknek nevezzük. A szimmetriaelem a ekula azon geometriai tulajdonsága, amely generálja a megfelelő szimmetriaműveletet. A szimmetriaelemet és az annak megfelelő szimmetriaműveletet ugyanazzal a betűvel jelöljük, ezek a következők: Jel Szimmetriaelem Szimmetriaművelet E - identitás C n n-edrendű forgástengely 60 /n-nel való elforgatás i középpontos tükrözésközéppontja középpontos tükrözés σ szimmetriasík síkra tükrözés S n tükrözéses forgatás tengelye tükrözéses forgatás (60 /n-nel való elforgatás, majd a forgás tengelyére merőleges síkra való tükrözés) A C n és az S n további szimmetriaműveleteket generál: C n 2 például 2 (60 /n)-nel való elforgatás. Egy példa: a BF ekula szimmetriaeleme a C tengely, amely körül 120 -kal elforgatva, tehát rajta a C szimmetriaműveletet végrehajtva, az eredeti ekulát kapjuk vissza. Az alábbi ábrán szemléltetjük a C szimmetriaműveletet és szimmetriatengelyt, illetve a σ h tükörsíkot. Az ehhez tartozó szimmetriaművelet a σ h síkra való tükrözés, amely szintén önmagába viszi a ekulát. A ekulák szimmetriája fontos szerepet játszik fizikai-kémiai tulajdonságaikban (például optikai, spektroszkópiai jellemzőikben). Ezért, hogy könnyebben áttekinthessük a szimmetriát, a ekulákat pontcsoportokba soroljuk. A pontcsoport elemei lesznek azok és csak azok a szimmetriaműveletek, amelyek a ekulát önmagába viszik. A csoportok jelölése általában a következőképpen történik: C 4v, D 6d.

7 A nagybetű D, ha az n-edrendű forgástengelyt rá merőlegesen n db C 2 kíséri, egyébként C-t használunk. A szám a főtengely rendűségét jelöli, a főtengely az a C n, amely a legnagyobb n-hez tartozik, ez jelöli ki a függőleges irányt. A kisbetű h, ha vízszintes szimmetriasík van, C esetén v, D esetén d, ha függőleges szimmetriasík van. A jelölésben a h előnyt élvez a v-vel és a d-vel szemben. Az alábbi ábrán látható egy algoritmus, amelyet végigkövetve eldönthető, hogy mely pontcsoportba tartozik egy ekula. Fontos, hogy a pontcsoport jelölésében a megfelelő n számértékét adjuk meg. Feladat: a) Soroljátok be pontcsoportba a megadott ekulákat! Válaszotokat minden egyes lépésben indokoljátok rajzzal! A ekulák: ciklohexán (kád konformáció), SF 6, HCN, NH, C 2 H 6 (fedő állás), C 6 H 6, PCl 5, H 2 O b) A következő ekulák pontcsoportját is állapítsátok meg és soroljátok fel az összes szimmetriaelemüket! (Az összes lehetséges C n m éss n m (m<n) elemet adjátok meg!) Ebben a feladatrészben nem szükséges rajzokat készíteni. A ekulák: ciklohexán (szék konformáció), H 2 O 2, CH 4, O 2, ferrocén, S 8, C 2 H 6 (nyitott állás), PdCl 4 2- (síknégyzetes geometria), C 60 Megoldás: a) ciklohexán (szék konformáció): C 2v SF 6 : O h HCN: C v NH : C v C 2 H 6 (fedő állás): D h C 6 H 6 : D 6h PCl 5 : D h H 2 O: C 2v b) ciklohexán (kád konformáció): D d H 2 O 2 : C 2 CH 4 : T d O 2 : D h ferrocén: C 5d S 8 : D 4d C 2 H 6 (nyitott állás): D d [PdCl 4 ] 2- : D 4h C 60 : I h

8