O k t a t á si Hivatal KÓDSZÁM: Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia II. kategória 1. feladat Budapest, 014. március 9. A trijodidion képződési (stabilitási) állandójának meghatározása Ebben a feladatban azt a homogén kémiai egyensúlyt vizsgáljuk, mely a jód KI-oldatban való oldásakor alakul ki. A molekulárisan oldott jód (I ) a jodidionokkal (I ) trijodid (I 3 ) komplex iont képez. A komponensek vizes oldatban kialakuló egyensúlyi koncentrációjának meghatározásához egy heterogén egyensúlyt használunk fel: a molekuláris jód két egymással nem elegyedő oldószer, víz és diklórmetán közötti megoszlását. A feladat elvégzésére és a válaszlap kitöltésére összesen 10 perc áll rendelkezésre. A kiadott eszközökön kívül kizárólag számológép és toll használható. A kérdésekre adott válaszait alaposan, szükség esetén számításokkal indokolja! A rendelkezésre álló eszközök és anyagok listája a mellékletben található. A diklórmetános oldatokat kérjük az asztalon található gyűjtőbe önteni, nem a lefolyóba! A feladat elvégzéséhez szemüveg használata kötelező. 1. Egyensúly és elválasztás Írja fel a trijodidion képződésének reakcióegyenletét és a reakció egyensúlyi állandójának kifejezését a komponensek egyensúlyi koncentrációjával! I + I I 3 K = [I [I [I 3 pont Vizes oldatban a trijodidionokkal egyensúlyban lévő jód koncentrációját annak a ténynek a kihasználásával tudjuk meghatározni, hogy a diklórmetán a vizes fázissal érintkezve oldja a molekuláris jódot, de nem oldja az ionos jódkomponenseket. A heterogén egyensúlyban a molekuláris jód szerves és vizes fázisban vett koncentrációjának ([I sz, ill. [I v ) aránya állandó, ez a megoszlási hányados (D). Értékét nem befolyásolja a vizes fázis egyéb ionjainak jelenléte. Írja fel a D megoszlási hányadost az egyensúlyi koncentrációkkal! D = [I [I sz v 1 pont
Zárjuk el a rázótölcsér csapját. Mérjünk bele 0,00 cm 3 0,1000 mol/dm 3 koncentrációjú KIoldatot, majd 10,00 cm 3 kb. 0,01 mol/dm 3 koncentrációjú diklórmetános jódoldatot (pontos koncentrációja a bürettán található). A csiszolatos dugó visszahelyezése előtt a rázótölcsért a kezünkbe véve keverjük meg az elegyet. A dugót kezünkkel a helyén tartva lassan fordítsuk fel a rázótölcsért és egyenlítsük ki a nyomást a csap óvatos megnyitásával, majd az elegy gyengéd keverésével. A csap elzárása után erőteljes mozdulatokkal rázzuk kb. percig; időnként fejre állítva és ismét kilevegőztetve. Helyezzük vissza a tartóba és várjuk meg, míg szétválnak a fázisok (5-6 perc). Gyengéden mozgassuk meg, hogy a felületi feszültség miatt a vizes fázis tetején összegyűlt diklórmetáncseppet is egyesítsük az alsó fázissal. Ekkor vegyük ki a dugót, a szerves fázist engedjük az egyik csiszolt dugós Erlenmeyer-lombikba úgy, hogy a csap furata még a szerves fázissal maradjon feltöltve. A száron maradt cseppet a lombik szájával vehetjük le. Körkörös irányba mozgatva a folyadékot, mossuk le a választótölcsér belső falát. Az Erlenmeyer-lombik tartalmához minél gyorsabban adjunk 30 cm 3 desztillált vizet, majd cm 3 desztillált sósavat és két kanál (kb. 1 g) KI-ot a vegyszerkanál nagyobbik végével. Titrálásig zárjuk le a dugójával. Kb. két perc múlva a választótölcsérben összegyűlt (kevés) diklórmetános fázist egyesítsük az előzővel, de most már a furatból is eresszük ki a szerves fázist, azt teljesen a vizes fázis töltse ki. A vizes fázist a másik Erlenmeyer-lombikba eresszük, a rázótölcsér oldalát is mossuk bele kb. 30 cm 3 desztillált vízzel. cm 3 sósav hozzáadása után zárjuk le a dugójával. Ismételjük szükség szerint az előzőekben leírt lépéseket! A várakozási idő alatt meg lehet titrálni az előző menetben elkülönített fázisokat. Miért kell gyorsan vizet hozzáadni a szerves fázishoz? Mert a jód illékony és párolgása veszteséget okoz. Miért szükséges KI hozzáadása a szerves fázis titrálásakor? pont Mert a jódot a (vizsgált) trijodidion-képzéssel lehet a szerves fázisból a titrálás közegébe, a vizes fázisba átvinni. pont. Koncentrációmeghatározás Az előkészített oldatokat ismeretlen koncentrációjú tioszulfát mérőoldattal titráljuk. A titrálás vége felé, amikor az oldat színe halványsárga, tegyünk hozzá 8-1 csepp keményítő indikátort, így a végpontot az oldat elszíntelenedése jelzi. A diklórmetános fázist is tartalmazó oldatokat a titrálás során néhányszor, de főként a végpont előtt (dugóját a kezünkkel rászorítva) alaposan össze kell rázni, hogy a teljes jódmennyiség a vizes fázisba kerüljön. A titrálás során a tioszulfátionból (S O 3 ) tetrationátion (S 4 O 6 ) keletkezik. Írja fel a I és a I 3 titrálását leíró reakció egyenletét! I + S O 3 I + S 4 O 6 I 3 + S O 3 3 I + S 4 O 6 pont
A szerves fázisra mért fogyások: Az átlagfogyás: V 1 Pontosság: 30 pont A vizes fázisra mért fogyások: Az átlagfogyás: V Pontosság: 40 pont A tioszulfát mérőoldat pontos koncentrációja: c = 3 10 cm c(i ) V V 1 Száma: Koncentrációja: 5 pont A mért adatok alapján számítsa ki az elválasztás során kapott vizes fázis jódkoncentrációját! A megoszlási hányados értéke 5 C-on 150. V1 c [I sz = 3 10 cm [I sz [I v = D 5 pont
Számítsa ki [I 3 értékét a vizes fázisban! [ I V c 3 = 3 0 cm [I v 5 pont Számítsa ki [I értékét a vizes fázisban! [ I = c(ki) [ I 3,5 pont Az előzőekben kiszámított értékek felhasználásával adja meg a trijodidion képződésének egyensúlyi állandóját a kísérlet hőmérsékletén! K = [I3 [I [I,5 pont Hogyan lehetne a rendelkezésre álló eszközökkel és vegyszerekkel meghatározni a D megoszlási hányadost? Ugyanilyen elválasztással 0 cm 3 desztillált víz + 10 cm 3 jódoldat vagy arányosan nagyobb mennyiség. Elég lenne csak a vizes fázist titrálni. 1 pont
MELLÉKLET Eszközök és anyagok listája Minden versenyzőnek: 00 cm 3, tioszulfát mérőoldat, számmal ellátva 100 cm 3, 0,1000 mol/dm 3 koncentrációjú KI-oldat, KI, főzőpohárban db csiszolt dugós Erlenmeyer-lombik 1 db 100 cm 3 -es rövid szárú rázótölcsér 1 db tölcsértartó 1 db 0 cm 3 -es pipetta 1 db 50 cm 3 -es főzőpohár, kuka 1 db 10 cm 3 -es mérőhenger 1 db 50 cm 3 -es mérőhenger db 50 cm 3 -es főzőpohár, mérőoldatnak és tartaléknak 1 db pipettalabda 1 db büretta állványon 1 db fehér csempe 1 flaska desztillált víz 1 db védőszemüveg papírvatta cseppentő vegyszerkanál Asztalonként: tekés büretta, kb. 0,01 mol/dm 3 koncentrációjú diklórmetános I -oldattal, pontos koncentrációja az edényen desztillált sósav diklórmetános gyűjtő tölcsérrel keményítő indikátor
O k t a t á si Hi v a t a l Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia II. kategória. feladat Budapest, 014. március 9. A feladat elvégzésére és a válaszlap kitöltésére összesen 90 perc áll rendelkezésre. A kiadott eszközökön kívül csak toll és számológép használható. A kémcsöveket többszöri használathoz el lehet mosogatni. A feladat elvégzése után a kitöltött válaszlapot a kódszámmal ellátva kell az asztalon hagyni vagy a felügyelőnek leadni. A válaszlapon szerepeljen a versenyző kódszáma! A feladatlap elvihető. Az indikátoroldatokból egyszer lehet utántöltést kérni pontlevonás nélkül! Az asztalon található: 1 db kémcsőállvány; 10 db számozott kémcső az ismeretlenekkel; 10 db üres kémcső; 3 db ismert koncentrációjú és összetételű oldat kémcsövekben (ezeket a B részhez a laborfelügyelőtől kell kérni); 13 db műanyag Pasteur-pipetta; desztillált víz. A) feladat A kiadott 10 számozott kémcsőben az alábbi oldatok találhatók: brómtimolkék (0, mol/dm 3 koncentrációjú K HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); timolkék (0, mol/dm 3 koncentrációjú K HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); brómfenolkék (0, mol/dm 3 koncentrációjú K HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); brómkrezolzöld (0, mol/dm 3 koncentrációjú K HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú NiCl (telített NaCl-oldatban oldva); 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú CuCl (telített NaCl-oldatban oldva); 0, mol/dm 3 koncentrációjú HCl-oldat; 0, mol/dm 3 koncentrációjú NaOH-oldat; 0,5 mol/dm 3 koncentrációjú NH 4 Cl-oldat; 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú hidroxil-amin-hidroklorid- ([NH 3 OH + Cl ) oldat. A rendelkezésre álló anyagok és eszközök felhasználásával azonosítsa az ismeretleneket!
Adatok: K b (ammónia) = 1,78 10 5 K b (hidroxil-amin) = 1,1 10 6 Az indikátorok színe különböző ph-tartományokban: Brómtimolkék: ph < 6,0 sárga; 6,0 < ph < 7,6 zöld; ph > 7,6 kék Timolkék: ph < 1, piros; 1, < ph <,8 narancssárga;,8 < ph < 8,0 sárga; 8,0 < ph < 9,6 zöld; ph > 9,6 kék Brómfenolkék ph < 3,0 sárga; 3,0 < ph < 4,6 zöld; ph > 4,6 kék Brómkrezolzöld ph < 3,8 sárga; 3,8 < ph < 5,4 zöld; ph > 5,4 kék B) feladat Ha úgy gondolja, hogy végzett az A) feladatrésszel, kérje el az ismert összetételű oldatokat a felügyelőtől! Az A) feladatban meghatározott indikátoroldatok segítségével becsülje meg a) a 0,5 mol/dm 3 koncentrációjú monoklórecetsav-oldat ph-ját és a monoklórecetsav savi disszociációs állandóját; b) a 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú mandulasav- (-hidroxi--fenilecetsav-) oldat ph-ját és a mandulasav savi disszociációs állandóját; c) a 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú kálium-szorbát-oldat ph-ját és a szorbinsav (hexa-,4- diénsav) savi disszociációs állandóját!
KÓDSZÁM: VÁLASZLAP A/1. Melyik kémcsőben vannak a megnevezett anyagok? (Az összpontszám 31%-a.) brómtimolkék CuCl timolkék HCl brómfenolkék NaOH brómkrezolzöld NH 4 Cl NiCl [NH 3 OH + Cl A/. Számítsa ki az ammónium-klorid- és a hidroxil-amin-hidroklorid-oldat ph-ját! (Az összpontszám 6%-a.) 0,5 mol/dm 3 koncentrációjú NH 4 Cl-oldat Mindkét esetben hidrolizáló só ph-ját kell kiszámítani. Így hidrolízisállandót használunk: K h = K w /K b Ilyen koncentráció esetén alkalmazható a következő közelítés [H + = (c K h ) 0,5 [H + = 1,68 10 5 mol/dm 3 ph = 4,8 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú hidroxilamin-hidroklorid-oldat: ph = 4,5
A/3. Mely reakció(k), változás(ok), illetve észlelet(ek) segítségével tudjuk egyértelműen azonosítani az egyes vegyületeket az analízis során? (Az összpontszám 31%-a.) (Ha valamelyik rész megválaszoláshoz kevés a hely, a külön lapon lehet folytatni. Ebben az esetben a táblázat F oszlopában *-gal jelezze, hogy máshol folytatódik a válasz!) F brómtimolkék (BTK) timolkék (TK) Reakció/Változás/Észlelet Zöld, kékből sósavval titrálva később vált színt, mint a TK. A színtelen oldatok közül hárommal sárga, eggyel kék színű. Zöld, sósavval piros színt ad. brómfenolkék (BFK) brómkrezolzöld (BKZ) NiCl Zöld, savas közegből nátrium-hidroxiddal titrálva hamarabb vált színt, mint a BKZ. A színtelen oldatok közül eggyel zöld, eggyel sárga, kettővel kék színű. Zöld, savas közegből nátrium-hidroxiddal titrálva később vált színt, mint a BFK. A színtelen oldatok közül eggyel sárga, kettővel zöld, eggyel kék színű. Zöld, NaOH-dal zöldes színű csapadék képződik. (Ammóniumkloriddal feloldható.) CuCl Zöld, desztillált vízzel hígítva kék. NaOH-dal világoskék színű csapadék képződik. (Ammónium-kloriddal sötétkéken oldódik.) HCl Színtelen, TK-val piros színű, a többi indikátorral sárga. NaOH Színtelen, minden indikátoroldattal kék. (Réz(II)-kloriddal világoskék csapadék, amely a reagens feleslegében nem oldódik.) NH 4 Cl [NH 3 OH + Cl Színtelen, intenzív, mélykék színnel oldja a réz(ii)-hidroxid csapadékot. Kék színnel oldja a nikkel(ii)-hidroxidot. Sárga BTK, zöld BKZ, kék BFK indikátorokkal. Színtelen, színtelen oldatként oldja* a réz(ii)-hidroxid csapadékot, kék színnel oldja a nikkel(ii)-hidroxidot. BFK, BKZ indikátorokkal zöld, BTK indikátorral sárga. [*A folyamat első lépésben komplexálás, majd a komplex bomlása közben réz(i)-vegyületté redukálja a réz(ii)-t.
B/1. Rajzolja fel a megnevezett vegyületek szerkezeti képletét! A képleteken *-gal jelölje a kiralitáscentrumokat! (Az összpontszám 5%-a.) Név Képlet monoklórecetsav mandulasav szorbinsav B/. Becsülje meg az oldatok ph-ját az indikátoroldatok segítségével! (Az összpontszám 18%-a.) oldat 0,5 mol/dm 3 monoklórecetsav ph 1,-,8 0,1 mol/dm 3 mandulasav,8-3,0 0,1 mol/dm 3 kálium-szorbát 7,6-8,0
B/3. Számítással adjon becslést a monoklórecetsav, a mandulasav és a szorbinsav savi disszociációs állandójára! (Az összpontszám 9%-a.) monoklórecetsav [H + = 10 ph K s = [H + /(c [H + ) K s = 5 10 6 9,1 10 3 mandulasav K s =,6 10 5 1,0 10 5 szorbinsav K s = 6,3 10 3 1,0 10 3 A feladatra összesen 0 pont kapható.