ktatási Hivatal 2014/2015. tanévi rszágos Középiskolai Tanulmányi Verseny első forduló KÉMIA I - II. KATEGÓRIA Javítási-értékelési útmutató Az értékelés szempontjai 1. Egy-egy feladat összes pontszáma a részpontokból tevődik össze. Csak hibátlan megoldásért adható teljes pontszám. Részlegesen jó megoldásokat a részpontok alapján kell pontozni. 2. A megadottól eltérő minden elvileg helyes megoldás elfogadható. 3. Számítási vagy matematikai hiba elkövetése 1 pont elvesztésével jár. Ha a hibás adattal a továbbiakban elvileg helyesen számol a versenyző, minden további részpont megadható, feltéve, hogy a megoldás nem vezet ellentmondásra. 4. Kisebb elvi hiba elkövetésekor az adott műveletre nem jár pont, de a hibás adattal elvileg helyesen elvégzett számolás minden további részpontja megadható (de csak ellentmondásmentesség esetén). Kisebb elvi hibának minősül ebben a feladatsorban: - egy keverék százalékos összetételének hibás számítása - a tömeg, az anyagmennyiség és a moláris tömeg közti összefüggés hibás használata - az oldott anyag anyagmennyisége, az oldat térfogata és az oldat anyagmennyiségkoncentrációja közti összefüggés hibás használata - hibás mértékegység-átváltás - a hibás egyenletrendezés, ill. a reakció sztöchiometriai arányainak ebből következő hibás alkalmazása 5. Súlyos elvi hiba esetén nem csak az adott műveletre, hanem az adott feladatrészben az abból következő további számításokra sem adható pont. A kérdéses esetekben található részletes útmutatás arra vonatkozóan, hogy melyek azok az egységek, amelyek egymástól függetlenül értékelhetők (vagyis az egyikben elkövetett súlyos elvi hiba nincs hatással a másik értékelésére). KTV 2014/2015 1. forduló
Elérhető pontszámok: I. feladatsor: 29 pont II. feladatsor: 71 pont Összesen: 100 pont Kérjük a javító tanárokat, hogy az elért pontszámokat vezessék rá a borítólap IV. oldalán található értékelő lapra. Továbbküldhetők a legalább 50 pontot elért dolgozatok. FNTS! A dolgozathoz csatoltan kérjük visszaküldeni a feladatlap I-IV. oldalszámú külső borítóját, amely az ADATLAPT és a VÁLASZLAPT is tartalmazza. Kérjük, hogy az ADATLAP adatainak pontos és olvasható kitöltését ellenőrizzék a javító tanárok. Az I. és II. feladatsor nyomtatott példányai (a feladatlap 1-8. oldalai) az iskolában maradhatnak. KTV 2014/2015 2 1. forduló
I. feladatsor 1. 29Cu / réz (1) 208 2. Pb (1) A vegyjel és a tömegszám együtt 1 pont. 0,5 pont nem adható. 3. H 2 S, C 2, H 2 S 4, H 3 P 4, H 2 C 3, D 2 (2) 1 eltérés (hiány vagy többlet) 1 pont, 2 vagy több eltérés 0 pont 4. alumínium-nitrát, purin, inzulin, ATP, TNT (2) 1 eltérés (hiány vagy többlet) 1 pont, 2 vagy több eltérés 0 pont 5. NaHS 4 < Na 2 S 4 < NaHC 3 < Na 2 C 3 (1) Csak a helyes sorrendért adható pont. 6. jobbra (1) b) balra (1) c) bármilyen helyes reakcióegyenlet elfogadható (1) d) 129,8 kj/mol (1) Az egyenlet esetén nem szükséges mérlegelni, hogy a reakció laboratóriumi körülmények között is végbemegy-e, ill. használható-e. Így pl. a 2 KCl + F 2 2 KF + Cl 2 egyenlet is elfogadható. A reakcióhő csak helyes előjellel és mértékegységgel fogadható el. 7. Habarcs: hidrogén (1) Beton: szén-dioxid (1) 8. B (1) b) A (1) 9. első tartály (állandó hőmérséklet) második tartály (hőszigetelt) nyomás B D sűrűség C C átlagos moláris tömeg A A Minden helyes válasz 0,5 pont, összesen 3 pont. KTV 2014/2015 3 1. forduló
10. CaC 3, Ca(H) 2, CaS 4 b) K 2 C 3 c) X d) KN 3, KCl e) K 2 S 4 f) CaCl 2 g) Ca(N 3 ) 2 Minden helyesen megadott képlet (ill. a c) feladatrészben X) 0,5 pont, összesen 5 pont. Ha egy feladatrésznél hibás képlet is szerepel, azért nem kell pontot levonni, hiszen később, a megfelelő helyen hiányozni fog a kérdéses képlet, a pontlevonás ott megtörténik. Ha esetleg egy képlet az útmutatóban szereplő feladatrészen kívül más helyen is szerepelne, akkor azért csak akkor jár a pont, ha mindegyik esetben kémiailag helyes a szerepeltetése. Pl. ha valaki a b) pontban feltünteti a K 2 C 3 -ot, de később megfeledkezve a feladat utasításáról az e)-hez is beírja, megkapja a pontot a b)-nél (mivel a K 2 C 3 oxálsavval egyébként tényleg nem ad csapadékot). De ha a b) után az f) pontban tünteti fel ismét, akkor már nem jár pont a b)-nél sem, mert a K 2 C 3 AgN 3 -mal csapadékot képez vizes oldatban. 11. C (1) 12. E (1) 13. E (1) 14. 24 (1) 15. Kézenfekvő választás a light üdítő kisebb koncentrációját vizsgálni (jelentősen kisebb sűrűség, kevesebb bepárlási maradék). (2) Minden egyéb, konyhai körülmények között kivitelezhető és működő megoldás 2 pontot ér. lyan javaslatok, amely alapvetően laboratóriumi körülményeket igényelnek, nem fogadhatók el. Így pl. nem tételezhetjük fel, hogy a Fehling-reagensek megtalálhatók egy háztartásban. De ha valaki leír egy olyan módszert, amely mégis elvégezhetővé tesz egy Fehling-próbát, megoldása teljes értékűnek fogadható el. (A cukros üdítőkben általában nem szacharóz található, ezért lehet alkalmas a Fehling-próba.) Pl.: Rézgálicot (amely megfelelő szakboltokban beszerezhető, de gyerekek számára készült kísérletezős készletekben is fellelhető) vízben oldunk. Az oldathoz lefolyótisztítót (NaH) adunk, majd borkősavat vagy citromsavat oldunk benne. (A rézsóoldat előállítható réz kémiai oldásával is, pl. gáztűzhely lángján hevített rézpénzek sósavban vagy komplexképzőt tartalmazó lúgos oldatban való áztatásával.) Sötét színű ital esetén a csapadék nem jól látszik, de kiszűrhető belőle. A valahogy elvégzünk egy Fehling-próbát tehát nem elfogadható válasz. A feladatra 1 pont nem adható. KTV 2014/2015 4 1. forduló
II. feladatsor 1. feladat Legyen 100 g keverékben x tömegű Na 2 S 4. Mindkét só 1 móljából 1 mol BaS 4 keletkezik. (1) Felírható a szulfátionok anyagmennyiségére: x 100g x 150g (2) M Na S ) M(K S ) (BaS ) ( 2 4 2 4 M 4 Ebből x = 52,9 g (1) A keverék tömegszázalékos összetétele 52,9 % Na 2 S 4 és 47,1 % K 2 S 4. (1) Hibás anyagmennyiség-arány alkalmazása súlyos elvi hibának számít, így ebben az esetben pont nem adható. 5 pont 2. feladat M = 0,7811 28,0 g/mol + 0,2096 32,0 g/mol + 0,0093 39,95 g/mol = 28,9 g/mol (1) b) Az alfa bomlásokban keletkező alfa részecskékből. (1) c) A levegőből nyert nitrogén tömege a nagyobb, (1) mert abban található még argon is, amelynek nagyobb a moláris tömege a nitrogénénél. (1) d) A levegőből előállított nitrogénben 78,11:0,93 arányban található nitrogén és argon, vagyis ennek a térfogatszázalékos összetétele: 98,82 % N 2, 1,18 % Ar (1) A keverék átlagos moláris tömege: M = 0,9882 28,00 g/mol + 0,0118 39,95 g/mol = 28,15 g/mol (1) 3 pv 100kPa 5dm n = = 0,203 mol (1) 1 1 RT 8,314J mol K 296K Δm = n ( M 28,00 g/mol) = 0,030 g (1) 8 pont Ha a d) feladatrészben a levegőből előállított nitrogén összetételének vagy átlagos moláris tömegének számítása elvi hibás, a vizsgált térfogatú gáz anyagmennyiségének kiszámításáért akkor is megadható 1 pont. A rossz adattal elvileg helyesen számolva szintén megadható az utolsó részpont, a tömegkülönbség meghatározásáért, de csak akkor, ha nem vezet ellentmondásra, azaz a levegőből előállított nitrogén tömege adódik nagyobbnak. Ilyen elvi hiba lehet pl. az, ha a levegőből előállított nitrogénben is 78,11 V/V% N 2 -t és/vagy 0,93 V/V% Ar-t tételez fel, vagy a térfogatszázalékos és a tömegszázalékos összetételt összekeveri. KTV 2014/2015 5 1. forduló
3. feladat n(h 2 S 4 ) = 20,00 cm 3 0,204 mol/dm 3 = 4,08 10 3 mol (1) A kénsav feleslegére fogyott NaH anyagmennyisége: n(nah) = 8,58 cm 3 0,106 mol/dm 3 = 9,095 10 4 mol (1) A kénsav feleslege: n(h 2 S 4, felesleg) = 9,095 10 4 mol 0,5= 4,55 10 4 mol (1) A szulfiddal reagáló kénsav: n(h 2 S 4, reagált) = 4,08 10 3 mol 4,55 10 4 mol = 3,63 10 3 mol (1) Az oldatban lévő szulfidionok anyagmennyisége azonos a vele reagáló kénsav anyagmennyiségével: n(s 2 ) = 3,63 10 3 mol (1) 3 3,63 10 mol M(Na2S) γ(na 2 S) = = 14,1 g/dm 3 (1) 3 20,03cm 6 pont Ha a H 2 S 4 és a NaH közötti reakció sztöchiometriáját hibásan alkalmazza (pl. 1:1 vagy 2:1 arányt tételez fel 1:2 helyett), akkor a 3. és 4. részpont nem adható meg. A szulfidionok anyagmennyiségének, ill. koncentrációjának számítása külön egységként fogható fel, így arra a hibás adattal számolva is megadható a pont. Ha a kénsav és a szulfidionok közötti reakció sztöchiometriáját alkalmazza hibásan (tehát nem 1:1 anyagmennyiség-aránnyal számol), akkor az utolsó részpont sem jár. KTV 2014/2015 6 1. forduló
4. feladat CH 4 + 2 2 C 2 + 2 H 2 (g) r H = 2 ( 242 kj/mol) + ( 394 kj/mol) ( 75 kj/mol) = 803 kj/mol (1) C 2 H 6 + 3,5 2 2 C 2 + 3 H 2 (g) r H = 3 ( 242 kj/mol) + 2 ( 394 kj/mol) ( 84 kj/mol) = 1430 kj/mol (1) H 2 + 0,5 2 H 2 (g) r H = 242 kj/mol (1) 1 mol földgáz tökéletes égése során felszabaduló hő: Q = 0,9 mol 803 kj/mol + 0,1 mol 1430 kj/mol = 865,7 kj (1) Vegyünk annyi hidrogénnel dúsított földgázt, amelyben 1 mol földgáz van. Ekkor a 865,7 kj a teljes energiafelszabadulás 93,3 %-a. Ezek szerint a hidrogén égéséből nyert hő: 6,7 Q(hidrogén) = 865,7 kj= 62,2 kj 93,3 A hidrogénnel dúsított földgáz hidrogéntartalma 1 mol földgáz mellett tehát: 62,2 kj n(h 2 ) = = 0,257 mol (1) 242kJ/mol 0,257mol V/V%(H 2 ) = = 20,4 % (1) 1mol 0,257mol 0,257mol M(H2) m/m%(h 2 ) = = 2,89 % (1) 0,9 mol M(CH ) 0,1mol M(C H ) 0,257mol M(H ) 4 b) Ha Q hőfelszabadulás kíséri a hidrogénnel dúsított földgáz tökéletes égését, abból 0,933Q hő a szénhidrogének égéséből származik. Q hőfelszabadulás kíséri az összehasonlítandó tiszta földgáz tökéletes égését is. Mivel a metán : etán arány azonos a két esetben, ezért a szén-dioxid-kibocsátás egyenesen arányos az égés során felszabaduló hővel. (1) Ebből következik, hogy a hidrogénnel dúsított földgáz esetén éppen 6,7 %-kal kisebb a széndioxid-kibocsátás. (1) c) A hidrogén esetén a tökéletes égéshez szükséges oxigén és a hidrogén tömegaránya az égési egyenlet alapján 7,92. Ugyanez az arány a metán esetén 3,99, az etán esetén 3,73. (1) Az adatokból látszik, hogy a hidrogén részarányának növekedtével nő a levegő : üzemanyag tömegarány is. (1) 11 pont Ha az feladatrészben valamelyik egyenlet hibás rendezéséből adódóan hibás reakcióhő jön ki, arra nem jár pont, de minden további lépés maximális pontszámmal értékelhető. A b) feladatrészben nem szükséges felhasználni az -ban kiszámolt térfogat-, ill. tömegszázalékos hidrogéntartalmat. Ha a versenyző mégis az alapján számol, és az feladatrészben hibás eredményt kapott, akkor itt, a b) részben nem kaphatja meg a maximális 2 pontot, mert az eredménye ellentmondásra vezet. (Ugyanis az energiaszázalékból viszonylag könnyen látható a helyes végeredmény.) Ebben az esetben hibátlan számolás esetén 1 pont jár. A c) feladatrészben a számítással történő indoklás nélkül megadott helyes válaszra önmagában is jár 1 pont. 2 6 2 KTV 2014/2015 7 1. forduló
5. feladat A diklór-ecetsav-oldatra: [H + ] = 1,51 10 2 mol/dm 3 (1) [H ] c = = 1,53 10 2 mol/dm 3 Az oldatok koncentrációja tehát 1,53 10 2 mol/dm 3. (1) b) A többi savnál is megkapható a hidrogénion-koncentráció a disszociációfok segítségével: [H + ] = αc (1) Az ecetsavoldatra: c = 1,53 10 2 mol/dm 3 [H + ] = αc = 4,43 10 4 mol/dm 3 (1) 2 [H ] K s (ecetsav) = = 1,3 10 5 (2) c [H ] 1 pont a K s kiszámításának ismerete. Ez elvileg hibásan számolt [H + ] esetén is megadható. A monoklór-ecetsav-oldatra hasonlóképpen: [H + ] = αc = 6,09 10 3 mol/dm 3 (1) K s (monoklór-ecetsav) = 4,0 10 3 (1) A diklór-ecetsav esetén: K s (diklór-ecetsav) = 1,7 (1) 9 pont Ha a versenyző a savállandó nevezőjében nem az egyensúlyi savkoncentrációval ( c [H ]) számol, hanem a bemérési koncentrációval (c), az erre járó pontok nem adhatók meg. Ez összesen 3 részpontot érint (az ecetsav és a monoklór-ecetsav esetén). A diklór-ecetsav esetén olyan nagymértékű a disszociáció, azaz olyan kicsi a disszociálatlan sav koncentrációja, hogy a K s számítása numerikusan igen érzékennyé válik. A 1,82 2 (10 ) 1,82 10 10 0,991 1,82 művelet eredménye 1,67. A kerekített c, ill. [H + ] értékekből 1,14 adódik. 2 [H ] Emiatt ez esetben a K s = összefüggés elvileg helyesnek fogadható el, indoklás nélkül is. c KTV 2014/2015 8 1. forduló
6. feladat 2 Al 2 3 4 Al + 3 2 M( Al 23) m(al 2 3 ) = 1,00 t = 1,89 t (1) 2M(Al) b) Az anódon. (1) c) 1,00 t alumínium előállítása során 0,89 t oxigén keletkezik, ez 27,8 kmol. 0,45 t szén fogy, ez 37,5 kmol. (1) Ha x anyagmennyiségű C keletkezik x anyagmennyiségű C-ből, akkor (37,5 kmol x) anyagmennyiségű C alakul (37,5 kmol x) anyagmennyiségű C 2 -vé. (1) Az elreagáló oxigénre felírható: 0,5x + (37,5 kmol x) = 27,8 kmol (1) Ebből x = 19,4 kmol A keletkező C tömege tehát 19,4 kmol M(C) = 0,54 t. (1) d) 1,00 t alumínium anyagmennyisége 3,71 10 4 mol Ennek előállításához 3,71 10 4 mol 3F = 1,07 10 10 C töltés szükséges. (1) E = U Q = 4,5 V 1,07 10 10 C = 4,83 10 10 Ws = 1,34 10 4 kwh (1) e) Egy nap alatt felhasznált elektromos energia: E = U I t = 4,5 V 150 ka 24 h = 16200 kwh (1) Az előállítható alumínium tömege: 16200kWh m(al) = 1,00 t = 1,12 t (1) 14500kWh f) Nem változtatja meg. (1) g) Növeli. (1) 12 pont Ha a versenyző az e) feladatrészben a Q = I t képlet alapján számolt töltésmennyiségből határozza meg az előállított Al tömegét, azaz figyelmen kívül hagyja az áramkihasználást (ekkor 1,21 t jön ki), erre a feladatrészre 1 pontot kaphat. KTV 2014/2015 9 1. forduló
7. feladat H (1) b) H 2 N H (1) c) H d) Az acetil-szalicilsav (C 9 H 8 4 ) hidrogéntartalma 4,5 tömegszázalék, a sóé ennél nagyobb. Ebből következik, hogy a kation tartalmaz hidrogént. A só széntartalma ugyanakkor kisebb, mint az acetil-szalicilsavé, így feltehető, hogy a kation szenet viszont nem tartalmaz. Ebből kiindulva a só moláris tömege (egyszeres töltésű kation esetén): 9M (C) M(só) = = 197,19 g/mol (1) 0,5482 m(h) = 11,08 g Ezek szerint a só 1 mólja 11 mol hidrogénatomot tartalmaz. (1) Mivel az acetil-szalicilát-ionban 7 hidrogénatom van, a kation 4 hidrogénatomot tartalmaz. (1) Ezek alapján a só képlete (C 9 H 7 4 )(XH 4 ) alakban írható fel. A kérdéses X atom vagy atomcsoport tömege 1 mol sóban: m(x) = 197,19 g 9 12,01 g 11,08 g 4 16,00 g = 14,02 g (1) Ez gyakorlatilag megegyezik a nitrogén atomtömegével, ami azzal is összhangban van, hogy 4 hidrogénatomot tartalmaz a kation. A kation tehát az ammóniumion. (1) (Kétszeres vagy többszörös töltésű kation feltételezése nem vezet kémiailag értelmes eredményre.) 8 pont Az, b) és c) feladatrészben bármilyen, a konstitúciót helyesen mutató képlet elfogadható, természetesen a bevett egyszerűsítések is ( CH, CNH 2 stb.) (1) KTV 2014/2015 10 1. forduló
8. feladat 150g 80 C-on a telített oldatban 0,63 255,4 g KN 3 van. (1) 0,37 150g 20 C-on 150 g víz 0,242 47,9 g KN 3 -ot képes feloldani. (1) 0,758 Kikristályosodik tehát 207,5 g só. (1) b) b1) b2) + b3) 0 b4) b5) b6) + Elemenként 1 pont: (6) c) A kristályokon visszamaradó telített oldat a szárítás során bepárlódik, így annak káliumnitrát-tartalma növeli a szilárd anyag tömegét. A megszárított anyag tömege tehát 216 g. (1) d) A kristályokban 20 C-os telített oldat maradt. (Vagy ennek a ténynek a felhasználása.) (1) Ennek tömege: 8,5g m = = 35,1 g (1) 0,242 12 pont A c) feladatrészben az eredmény indoklás nélkül is elfogadható. Ha az feladatrészben hibás adatot kapott a versenyző, a c) részben azt kell értékelni, hogy 8,5 g-mal több a megszárított anyag tömege. KTV 2014/2015 11 1. forduló