EUSO felkészít és el feladatok Daru János daru@bolyai.elte.hu 1. Általános tudnivalók Az EUSO válogatón nem sok háttértudással kell rendelkezni, sokkal fontosabb, hogy ügyesen gondolkozz és számolj. Ennek ellenére a tájékozottság, a jártasság nagyon hasznos lehet a példák megoldásánál. Ezért, ha ismeretlen kifejezést találsz az átnézend témák között, olvass utána! Ez az el készít két feladatot és egy rövid leírást tartalmaz. A feladatok nem nehezek, szerepük inkább a felkészítés, mint a válogatás. Ennek ellenére az analitika példa igényes kivitelezéséhez id t kell rászánni, ne hagyjátok az utolsó pillanatra! Jó tanulást, gyakorlást kívánok! 2. Termokémia dióhéjban Egy kémiai vagy zikai változás gyakran jár a környezettel történ h cserével. Ha például elégetünk egy anyagot, akkor az h t ad le a környezetének, a jég felolvadásakor pedig a környezete leh l. Ezt a h t (állandó nyomáson) entalpiaváltozásnak is nevezzük, és H-val jelöljük. Ha az általunk vizsgált rendszer h t ad le, akkor az entalpia-változás negatív, ha h t vesz fel, akkor pedig pozitív. Vegyészek számára kitüntetett fontosságú a reakciók entalpia-változása, a reakcióh vagy reakcióentalpia-változás ( r H). Ez az az el jeles h változás, amit akkor tapasztalunk, amikor a reakció kiindulási anyagainak az egyenlet által 1
jelölt anyagmennyiségei kvantitatívan reagálnak, és a kiindulási anyagokkal azonos h mérséklet terméket adnak. Például a 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (f) egyenlet esetében az a h változás, amit akkor észlelünk, ha két mól hidrogén-gáz egy mól oxigénnel egyesül, és a keletkez víz visszah lve a kiindulási h mérsékletre lecsapódik. A fenti példa is mutatja, hogy egy reakcióentalpia-változást csak akkor lehet megadni, ha precízen deniáljuk a reakciót és a benne szerepl anyagok zikai állapotát. A reakcióentalpia természetesen függ a h mérséklett l, de mi néhány tíz fokon belül állandónak fogjuk tekinteni. A reakcióh segítségével denálható a képz désh fogalma is ( f H). Ez nem más, mint az adott anyag 1 móljának elemeib l való képz désének reakcióentalpiaváltozása. Mivel egy elemnek több allotróp módosulata lehetséges, fontos, hogy mindig az adott körülmények között legstabilabb módosulatra számoljunk. A képz désh ket tipikusan standard állapotra adják meg, ahol a h mérséklet 298, 15 K, a nyomás 1 bar, az oldatok koncentrációja pedig 1 mol/dm 3. Természetesen nem minden vegyületet lehet el állítani elemeib l. Szerencsére Hess tétele segítségével ezen vegyületek képz désh je is denálható. A tétel kimondja, hogy egy folyamat entalpia-változása csak is a kiindulási anyagoktól és termékekt l függ, az el állítási úttól nem. Más szóval mindegy, hogy egy anyagot közvetlenül állítunk el, vagy több lépésben kerül úton, az entalpiaváltozása ugyanannyi. 3. Kalorimetria A reakciók entalpia-változását kísérleti úton is meg lehet határozni. Ezzel foglalkozik a kalorimetria. Ezen tudományág rengeteg különböz kalorimétert alkalmaz, mi azonban csak a legegyszer bb esettel fogunk foglalkozni. Ebben az esetben a kaloriméterünk egy termosztát, azaz egy olyan eszköz, ami megakadályozza a rendszer és a környezet h cseréjét. Ha egy ilyen adiabatikus kaloriméterrel dolgozunk, akkor a reakció által termelt vagy felhasznált h a reakcióelegy 2
és a kaloriméter h mérsékletét fogja megváltoztatni. A reakcióh mérését tehát a h mérséklet-változásra vezetjük vissza. Fontos, zikából ismer s alapegyenlet denálja a h kapacitást: Q = C p T ahol Q a képz dött vagy elvont h t, C p az állandó nyomáson mérhet h kapacitást, T pedig a h mérsékletet jelöli. 3
4. Beadandó feladatok 4.1. Termokémia gyakorló feladat A benzol égésh je standard állapoton: r H = 3267.5 kj/mol C 6 H 6(f) + 7, 5 O 2(g) 6 CO 2(g) + 3 H 2 O (f) Az acetilén égésh je standard állapoton: C 2 H 2(f) + 2, 5 O 2(g) 2 CO 2(g) + H 2 O (f) r H = 1299.73 kj/mol A fenti adatokból számold ki a következ reakcióhoz tartozó standard entalpiaváltozást: 3 C 2 H 2(f) C 6 H 6(f) Mennyi a folyékony benzol standard képz désh je, ha az acetiléné: f H acetilen = 226.88 kj/mol? 4.2. Analitika gyakorló feladat Egy foszforsavat tartalmazó oldat ph-ját er s savval, illetve bázissal tetsz legesen beállíthatjuk. A különböz ph-jú oldatokban természetesen más és más lesz a sav és a savmaradék anionok koncentrációja. A tömegmegmaradás és a savi disszociációs állandók deniciója alapján vezesd le az egyes specieszek (H 3 P O 4, H 2 P O4, HP O2 4, P O3 4 ) koncentrációjának függését a teljes bemérési foszforsav koncentrációtól és a hidrogénion koncentrációtól! Azaz add meg a [H n P O (3 n) 4 ] = f([h + ], c); n {0, 1, 2, 3} függvénykapcsolatok analitikus alakját. Az így levezetett képletek segítségével számold ki a fent említett specieszek és a víz saját ionjainak koncentrációját a (0-14) ph intervallumra, minden egész ph értékre, c=1.0 M-os esetre. A számértékeket 4
tudományos igényesség táblázatban foglald össze (számok normálalakban, fejlécben jelölt mértékegységgel). Az így kapott adatsorokat ábrázold kézzel milliméterpapíron! A számolt pontokat ezúttal lazán összekötheted. A grakon megszerkesztésekor gyelj a következ kre: tengelyfeliratok (tengelybeosztás, ábrázolt mennyiség és mértékegysége), különböz adatsorok eltér jelölése és a jelölés feloldása, diagramcím. Elemezd az így kapott diagramot! Van-e az egyes görbéknek lokális-maximuma, minimuma (deriválni nem kell, elég grakusan megkeresni a széls értékeket)? Hol metszik egymást a különböz adatsorok? Milyen tartományokon lehet elhanyagolni az egyes specieszeket a másikhoz képest összegképzés esetén? Milyen kapcsolatban vannak ezek a határok a savi kitev kkel? Ezeket a kvalitatív megállapításokat számolási példáknál még alkalmazhatod majd. Bár az adatok ábrázolását kézzel kell végezni, a levezetett képletekbe való behelyettesítésre használhattok tesz leges segédezközt, például táblázatkezel programot. Ha valaki még ilyennel nem találkozott, felhasználhatja ezt a dokumentumot és a beleírt segítséget: http://goo.gl/ee6pq A táblázatkezel használata opcionális, a válogatón nem kell majd számítógépet használni. 5
Ag 5. Átnézend tematika Természetesen más is felmerülhet a feladatokban, kérdésekben, de az alábbi alapismeretek nagyon fontosak, hiszen az EUSO-n els sorban gyakorlati feladatok lesznek. Titrálások (reakcióegyenletek, végpontjelzés, titrálási görbék): Acidi-alkalimetria Permanganometria Jodometria Egyszer csapadékos titrálások (argentometria) Egyszer komplexometriás titrálások (EDTE) Szerves vegyületek egyszer kimutatási reakciói: Alkoholok, fenolok, aldehidek, ketonok, aminok Redukáló cukrok, ketózok, keményít, fehérjék A következ fémionok, illetve reagensek reakciói: +, Cu 2+, F e 2+, F e 3+, Zn 2+, Ni 2+, Ca 2+, Mg 2+ KI-oldat, NaOH-oldat, NH 3 -oldat Elektrokémia Cementálás Galváncellák, elektromotoros er, Nernst-egyenlet Elektrolízis, Faraday-törvények Lángfestés 6