O k t a t á si Hivatal KÓDSZÁM: Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia II. kategória 1. feladat Budapest, 2014. március 29. 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 2 ) 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 120 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! 2 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 2 ] sz, ill. [I 2 ] 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! 1 pont
Zárjuk el a rázótölcsér csapját. Mérjünk bele 20,00 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. 2 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 2 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. 2 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? Miért szükséges KI hozzáadása a szerves fázis titrálásakor? 2 pont 2 pont 2. Koncentrációmeghatározás Az előkészített oldatokat ismeretlen koncentrációjú tioszulfát mérőoldattal titráljuk. A titrálás vége felé, amikor az oldat színe halványsárga, tegyünk hozzá 8-12 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 2 O 3 2 ) tetrationátion (S 4 O 6 2 ) keletkezik. Írja fel a I 2 és a I 3 titrálását leíró reakció egyenletét! 2 pont
A szerves fázisra mért fogyások: Az átlagfogyás: Pontosság: 30 pont A vizes fázisra mért fogyások: Az átlagfogyás: Pontosság: 40 pont A tioszulfát mérőoldat pontos koncentrációja: Száma: Koncentrációja: 5 pont A mért adatok alapján számítsa ki az elválasztás során kapott vizes fázis jódkoncentrációját! A megoszlási hányados értéke 25 C-on 150. 5 pont
Számítsa ki [I 3 ] értékét a vizes fázisban! 5 pont Számítsa ki [I ] értékét a vizes fázisban! 2,5 pont Az előzőekben kiszámított értékek felhasználásával adja meg a trijodidion képződésének egyensúlyi állandóját a kísérlet hőmérsékletén! 2,5 pont Hogyan lehetne a rendelkezésre álló eszközökkel és vegyszerekkel meghatározni a D megoszlási hányadost? 1 pont
MELLÉKLET Eszközök és anyagok listája Minden versenyzőnek: 200 cm 3, tioszulfát mérőoldat, számmal ellátva 100 cm 3, 0,1000 mol/dm 3 koncentrációjú KI-oldat, KI, főzőpohárban 2 db csiszolt dugós Erlenmeyer-lombik 1 db 100 cm 3 -es rövid szárú rázótölcsér 1 db tölcsértartó 1 db 20 cm 3 -es pipetta 1 db 250 cm 3 -es főzőpohár, kuka 1 db 10 cm 3 -es mérőhenger 1 db 50 cm 3 -es mérőhenger 2 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 2 -oldattal, pontos koncentrációja az edényen desztillált sósav diklórmetános gyűjtő tölcsérrel keményítő indikátor
O k t a t á si Hivatal Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Kémia II. kategória 2. feladat Budapest, 2014. március 29. 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 (0,2 mol/dm 3 koncentrációjú K 2 HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); timolkék (0,2 mol/dm 3 koncentrációjú K 2 HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); brómfenolkék (0,2 mol/dm 3 koncentrációjú K 2 HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); brómkrezolzöld (0,2 mol/dm 3 koncentrációjú K 2 HPO 4 -oldat és 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú citromsavoldat segítségével zöld színűre állítva); 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú NiCl 2 (telített NaCl-oldatban oldva); 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú CuCl 2 (telített NaCl-oldatban oldva); 0,2 mol/dm 3 koncentrációjú HCl-oldat; 0,2 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) = 1,12 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 < 1,2 piros; 1,2 < ph < 2,8 narancssárga; 2,8 < 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- (2-hidroxi-2-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-2,4- diénsav) savi disszociációs állandóját!
KÓDSZÁM: VÁLASZLAP A/1. Melyik kémcsőben vannak a megnevezett anyagok? (Az összpontszám 31%-a.) brómtimolkék CuCl 2 timolkék HCl brómfenolkék NaOH brómkrezolzöld NH 4 Cl NiCl 2 [NH 3 OH] + Cl A/2. 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 ph = 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú hidroxilamin-hidroklorid-oldat: ph =
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 Reakció/Változás/Észlelet brómtimolkék timolkék brómfenolkék brómkrezolzöld NiCl 2 CuCl 2 HCl NaOH NH 4 Cl [NH 3 OH] + Cl
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/2. Becsülje meg az oldatok ph-ját az indikátoroldatok segítségével! (Az összpontszám 18%-a.) oldat ph 0,5 mol/dm 3 monoklórecetsav 0,1 mol/dm 3 mandulasav 0,1 mol/dm 3 kálium-szorbát
B/3. Számítással adjon becslést a monoklórecetsav, a mandulasav és a szorbinsav savi disszociációs állandójára! (Az összpontszám 9%-a.) monoklórecetsav K s = mandulasav K s = szorbinsav K s = A feladatra összesen 20 pont kapható.