XLV. Irinyi János Középiskolai Kémiaverseny 2013. február 7 * Iskolai forduló II.a, II.b, IIc. kategória Munkaidő: 120 perc Összesen 100 pont A periódusos rendszer az utolsó lapon található. Egyéb segédeszközként csak toll és számológép használható! Megoldókulcs és pontozási útmutató E1. Általános és szerkezeti kémia (15 pont) Jellemezd az alábbi molekulákat, összetett ionokat a megadott szempontok szerint! kötőelektronpárok száma a neve molekulában a molekula alakja szén-dioxid kén-trioxid ammónia víz CBr 4 σ-kötő π-kötő Jellemezd az alábbi molekulákat a megadott szempontok szerint! kötőelektronpárok neve száma a molekulában a molekula alakja σ-kötő π-kötő szén-dioxid 2 2 lineáris kén-trioxid 3 3 egyenlő oldalú háromszög (sík trigonális) ammónia 3 0 piramis víz 2 0 V-alak (háromszög) CBr 4 4 0 tetraéder Összesen: 15 pont minden jó válasz * Feladatkészítők: Forgács József, Lente Gábor, Ősz Katalin, Petz Andrea, Pálinkó István, Sipos Pál Szerkesztő: Pálinkó István
E2. Szerves kémia (30 pont) (a) Melyik vegyületben nem egyenlő a C C kötés közötti távolság? A: propán, B: benzol, C: propa-1,2-dién, D: ciklohexán, E: buta-1,3-dién. (b) M = 72 g/mol moláris tömegű szénhidrogének azon izomerjeinek száma, amelyek dehidrogénezéskor nem képeznek alként. A: 0, B: 1, C: 2, D: 3, E: 4. (c) Melyik az a legkisebb szénatomszámú, nyílt láncú szénhidrogén, amelynek lehet cisz- és transzizomerje is? A: 4, B: 5, C: 6, D: 7, E: 8. (d) Minden rendű szénatomot (primer, szekunder, tercier, kvaterner) tartalmazó, minimális szénatomszámú cikloalkán. A: 4, B: 5, C: 6, D: 7, E: 8. (e) Melyik az a vegyület, amelynek egy mólja elégetéséhez öt mól oxigén kell? A: metán, B: etán, C: propán, D: bután, E: a felsoroltak közül egyik sem. (f) Az etán (teljes) termikus bomlásakor keletkező gázelegy 20 térfogat%-a hidrogén. Hány százaléka alakult át az etánnak? A: 100 %, B: 75 %, C: 25 %, D: 20 %, E: 10 %. (g) Melyik az a legkisebb szénatomszámú, gyűrűs szénhidrogén, amelyben a geometriai izoméria lehetősége már adott? A: 4, B: 5, C: 6, D: 7, E: 8. (h) Hány darab olyan (nyíltláncú) pentén izomer van, amelynél nem léphet fel a geometriai izoméria jelensége? A: 1, B: 2, C: 3, D: 4, E: 5. (i) C 4 H 6 összegképletű nyílt láncú izomerek száma. A: 2, B: 3, C: 4, D: 5, E: 6. (j) Melyik az az öt szénatomszámú alkán monoklór-származéka, amelynek HCl eliminációja és az azt követő HCl addíciója során csak ugyanaz a monoklór vegyület keletkezik? A: 1-klórpentán, B: 2-klórpentán, C: 3-klórpentán, D: 2-klór-2-metilbután, E: 1-klór-3-metil-bután. (k) Melyik vegyület nem keletkezik etanol kénsavval való reakciójakor? A: dietil-szulfát, B: etén, C: dietiléter, D: etil-hidrogénszulfát, E: etanal. (l) Melyik vegyületben nincs karbonilcsoport? A: propanal, B: propanon, C: benzaldehid, D: propánsav, E: karbolsav. (m) Hány szerkezeti izomer C 7 H 8 O összegképletű alkilfenol van? A: 6, B: 7, C: 3, D: 9, E: 4. (n) Melyik vegyület forráspontja a legmagasabb? A: etanol, B: metán, C: 2-metil-bután, D: dietiléter, E: etil-ciklopropán (o) Melyik vegyület nem kényszeríthető (1,2)-eliminációs reakcióra? A: etil-bromid, B: 1-bróm-2,2-dimetil-propán, C: 2-bróm-2-metil-propán, D: bróm-ciklobután Megoldások: (a) E, (b) B, (c) A, (d) C, (e) C, (f) E, (g) B, (h) B, (i) C, (j) D, (k) E, (l) E, (m) C, (n) A, (o) B Összesen: 30 pont minden jó válasz
Sz1. feladat (13 pont) Rendelkezésünkre áll 0,08 mol/dm 3 koncentrációjú kénsavoldat és 0,05 mol/dm 3 koncentrációjú nátrium-hidroxid-oldat. Hány dm 3 lúgoldatot kell 1 dm 3 kénsavoldathoz adni, hogy a keletkező oldat: (a) semleges kémhatású legyen, (b) 0,01 mol/dm 3 koncentrációjú legyen kénsavra nézve, (c) 0,01 mol/dm 3 koncentrációjú legyen NaOH-ra nézve? (Az oldatok térfogatai összeadódnak!) 2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2 H 2 O (a) 0,08 mol kénsavhoz kell 0,16 mol NaOH, ez pedig 0,16/0,05 = 3,20 dm 3 lúgoldatban van. (b) x dm 3 NaOH-oldatot kell hozzáadni, ebben van 0,05x mol NaOH, ez semlegesít 0,025x mol kénsavat. Felírva a kénsav anyagmennyisége és a keletkezett oldat térfogata közötti arányt: (0,08 0,025x) mol/(1 + x) dm 3 = 0,01 mol/1 dm 3, ebből x = 2,00 dm 3. (c) y dm 3 NaOH-oldatot kell hozzáadni, ebben van 0,05y mol NaOH, ebből elfogy 0,16 mol. Felírható: (0,05y 0,16) mol/(1 + y) dm 3 = 0,01 mol/1 dm 3, ebből y = 4,25 dm 3. Összesen: 13 pont Sz2. feladat (9 pont) Egy 14,40 g tömegű vaskulcsot 100 cm 3 0,25 M koncentrációjú CuSO 4 oldatba helyezünk. Egy idő elteltével a kulcsot kivesszük az oldatból és tömegét megmérve azt találjuk, hogy az 14,56 g-ra növekedett. (a) Hány g Cu vált ki a vaskulcson? (b) Hogyan változott meg az oldat koncentrációja a folyamat során (mind a Cu 2+ -, mind a Fe 2+ - ionok koncentrációjára kíváncsiak vagyunk. (az oldat sűrűségváltozását a folyamat során tekintsük elhanyagolhatónak.) (a) A folyamat során a Cu 2+ + Fe Fe 2+ + Cu folyamat játszódik le. 1 mol Cu leválásakor 1 mol Fe kerülne az oldatba, ekkor a kulcs tömege 63,5 55,9 = 7,6 g-mal változna meg; mivel a tömegnövekedés 0,16 g, a kivált réz anyagmennyisége 2,105 10 2 mol, vagyis 1,337 g; (mindeközben 1,176 g Fe került az oldatba). (b) A 100 cm 3 oldatban kiinduláskor 0,025 mol Cu(II) volt jelen, ebből 2,105 10 2 mol cementálódott, vagyis maradt 3,95 10 3 mol, vagyis az oldat Cu(II)-re 0,0395 M-os koncentrációjúvá vált. Az oldat Fe(II)-re 0,210 M-os. Összesen: 9 pont
Sz3. feladat (1) Egy CaSO 4 -ből és CaSO. 4 2H 2 O keverékéből álló porelegy tömege 3,043 g. A porelegyet először vízgőzzel telített atmoszférába helyezve, azt teljes mértékben dihidráttá alakítjuk át, majd 200 o C-on hevítve visszaalakítjuk a kristályvíz-mentes alakba. A hevítés során a minta teljes tömegvesztesége 0,714 g. (a) Hány tömeg% CaSO 4 -ot és CaSO. 4 2H 2 O-t tartalmazott az eredeti minta? (b) Mekkora volt a minta tömegnövekedése, miközben a porkeveréket a vízgőzzel telített atmoszférában dihidrát formává alakítottuk át? Megoldás (a) A tömegveszteséget a 0,714/18 = 3,967 10 2 mol víz eltávozása okozta. A teljes mértékben dihidrát formában lévő porkeverék tehát ennek fele, vagyis 1,983 10 2 mol kalcium-szulfátot tartalmazott. 3,043 g = x mol 136 + (1,983 10 2 x) mol 172, ahol x a vízmentes kálciumsó anyagmennyisége a porkeverékben. 4 pont Ebből x = 0,0102 mol, vagyis 1,387 g, ami az eredeti tömeg 45,59 %-a. (b) Ha 0,0102 mol vízmentes CaSO 4 -ot dihidráttá alakítunk át, akkor az 0,0204 mol vizet fog megkötni, ami 0,367 g; ennyi volt a minta tömegnövekedése az első, kristályvizet megkötő folyamat során. Összesen: 1 Sz4. feladat (1) Elemi nitrogén és hidrogén keverékét egy katalizátort is tartalmazó, 1 m 3 -es zárt tartályba vezették. A reakció elindítása előtt, 300 K hőmérsékleten a keverék nyomása a tartályban 7379 kpa, sűrűsége pedig 28,7 kg/m 3 volt. 500 K-re hevítve a tartályt beállt az egyensúly, a nyomás 7379 kpa maradt. Add meg a reaktorban lévő gázok egyensúlyi koncentrációit 500 K-en. Mennyi az elegy sűrűsége 500 K-en? Az átalakulás egyenlete: N 2 + 3H 2 2NH 3 (, akkor, ha egyenlőségjelet ír) A zárt tartály térfogata nyilván nem változik a reakció alatt, a tömegmegmaradás törvénye miatt pedig a benne lévő gázok teljes tömege sem változhat. Így 500 K-en az elegy sűrűsége (ami a tömeg és a térfogat hányadosa) ugyanannyi, mint 300 K-en, vagyis 28,7 kg/m 3. A tartályban a H 2 anyagmennyisége n 1, a N 2 -é pedig n 2. A sűrűség ismert értékéből következően az össztömeg ekkor m = ρ V = 28,7 kg/m 3 1,000 m 3 = 28,7 kg = 28 700 g. Ez ugyanakkor a két gáz tömegének az összege, és mivel egy adott gáz tömege az anyagmennyiségnek és a moláris tömegnek az összege: m = M 1 n 1 + M 2 n 2 = 2,00n 1 + 28,0n 2 = 28 700 g A teljes anyagmennyiség ekkora térfogatban az ideális gázok állapotegyenlete alapján számolható ki: n 1 + n 2 = n = pv/(rt) = 7379000 Pa 1,000 m 3 / (8,314 J/(mol K) 300 K) = 2958 mol
OHH++H2A kétismeretlenes egyenletrendszer megoldása: 2,00n 1 + 28,0(2958 n 1 ) = 28 700 n 1 = 2082 mol n 2 = 876 mol Az 500 K-en beálló egyensúlyban az ammónia anyagmennyiségét jelöljük n 3 -mal. A maradék H 2 anyagmennyisége n 1 1,5n 3, a N 2 -é pedig n 2 0,5n 3. Így a gázok teljes anyagmennyisége egyensúlyban n 3 + (n 1 1,5n 3 ) + (n 2 0,5n 3 ) = n 1 + n 2 n 3. Ez az ideális gázok állapotegyenlete alapján is kiszámolható: n 1 + n 2 n 3 = pv/(rt) = 7379000 Pa 1 m 3 / (8,314 J/(molK) 500 K) = 1775 mol Ebből n 3 = n 1 + n 2 1775 mol = 1183 mol. Az egyensúlyi elegy összetétele tehát 1183 mol NH 3, 2082 1,5 1183 = 307,5 mol H 2 és 876 0,5 1183 = 284,5 mol N 2. Összesen: 1 Sz5. feladata (9 pont) OCiklohexént (sűrűség: 0,811 g/cm 3 ) állítunk elő ciklohexanolból a fenti egyenlet szerint. A szintézis során egy 100 cm 3 -es gömblombikba bemérünk 10 cm 3 ciklohexanolt (sűrűség: 0,963 g/cm 3 ). Intenzív rázogatás közben hozzáadunk 1 cm 3 koncentrált H 2 SO 4 -oldatot. Az elegyet melegíteni kezdjük, és kinyerünk belőle 8,4 cm 3 zavaros folyadékot, amely főként ciklohexént és vizet tartalmaz. A szerves fázist elválasztjuk, savmentesre mossuk NaHCO 3 -oldattal, majd desztillációval tisztítjuk. Végül 4 cm 3 tiszta ciklohexént kaptunk. Hány %-át kaptuk meg az elméletileg lehetséges termékmennyiségnek? Írd fel a savmentesre mosás rekcióegyenletét. A ciklohexanol kiindulási tömege: 10 cm 3 0,963 g/cm 3 = 9,63 g, anyagmennyisége: 9,63 g/100 gmol 1 = 0,0963 mol. A kapott tiszta termék tömege: 4 cm 3 0,963 g/cm 3 = 3,852 g anyagmennyisége: 3,852 g/82 g/mol = 0,0470 mol. Elméletileg keletkezhetne 0,0963 mol ciklohexén A kapott anyagmennyiség ennek 48,8 %-a H 2 SO 4 + 2NaHCO 3 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O + 2CO 2 Összesen: 9 pont
AZ ELEMEK PERIÓDUSOS RENDSZERE 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, I.A II.A III.A IV.A V.A VI.A VII.A VIII.A 1. 1 H 1,008 hidrogén 2 He 4,0 hélium 2. 3 Li 6,94 lítium 4 Be 9,01 berillium 5 B 10,8 bór 6 C 12,01 szén 7 N 14,01 nitrogén 8 O 16,00 oxigén 9 F 19,0 fluor 10 Ne 20,2 neon 3. 11 Na 23,0 nátrium 12 Mg 24,3 magnézium III.B IV.B V.B VI.B VII.B VIII.B I.B II.B 13 Al 27,0 alumínium 14 Si 28,1 szilícium 15 P 31,0 foszfor 16 S 32,0 kén 17 Cl 35,5 klór 18 Ar 39,9 argon 4. 19 K 39,1 kálium 20 Ca 40,0 kalcium 21 Sc 45,0 szkandium 22 Ti 47,9 titán 23 V 50,9 vanádium 24 Cr 52,0 króm 25 Mn 54,9 mangán 26 Fe 55,9 vas 27 Co 58,9 kobalt 28 Ni 58,7 nikkel 29 Cu 63,5 réz 30 Zn 65,4 cink 31 Ga 69,7 gallium 32 Ge 72,6 germánium 33 As 74,9 arzén 34 Se 79,0 szelén 35 Br 79,9 bróm 36 Kr 83,8 kripton 5. 37 Rb 85,5 rubídium 38 Sr 87,6 stroncium 39 Y 88,9 ittrium 40 Zr 91,2 cirkónium 41 Nb 92,9 nióbium 42 Mo 95,9 molibdén 43 Tc (99) technécium 44 Ru 101,1 ruténium 45 Rh 102,9 ródium 46 Pd 106,4 palládium 47 Ag 107,9 ezüst 48 Cd 112,4 kadmium 49 In 114,8 indium 50 Sn 118,7 ón 51 Sb 121,8 antimon 52 Te 127,6 tellúr 53 I 126,9 jód 54 Xe 131,3 xenon 6. 55 Cs 132,9 cézium 56 Ba 137,3 bárium 57 La* 138,9 lantán 72 Hf 178,5 hafnium 73 Ta 181,0 tantál 74 W 183,9 wolfram 75 Re 186,2 rénium 76 Os 190,2 ozmium 77 Ir 192,2 iridium 78 Pt 195,1 platina 79 Au 197,0 arany 80 Hg 200,6 higany 81 Tl 204,4 tallium 82 Pb 207,2 ólom 83 Bi 209,0 bizmut 84 Po (210) polonium 85 At (210) asztácium 86 Rn (222) radon 7. 87 Fr (223) francium 88 Ra (226) rádium 89 Ac** (227) aktínium 104 Rf rutherfordium 105 Db dubnium 106 Sg seaborgium 107 Bh bohrium 108 Hs hassium 109 Mt meitnerium lantanoidák* 58 Ce 140,1 cérium 59 Pr 140,9 prazeodimium 60 Nd 144,2 neodimium 61 Pm (147) prométium 62 Sm 150,4 szamárium 63 Eu 152,0 európium 64 Gd 157,3 gadolínium 65 Tb 158,9 terbium 66 Dy 162,5 diszprózium 67 Ho 164,9 holmium 68 Er 167,3 erbium 69 Tm 168,9 tulium 70 Yb 173,0 itterbium 71 Lu 175,0 lutécium aktinoidák** 90 Th 232,0 tórium 91 Pa (231,0) proaktínium 92 U 238,1 urán 93 Np (237,0) neptúnium 94 Pu (242,0) plútónium 95 Am (243,0) amerícium 96 Cm (247,0) kűrium 97 Bk (249,0) berkélium 98 Cf (251,0) kalifornium 99 Es (254,0) einsteinium 100 Fm (253,0) fermium 101 Md (256,0) mendelévium 102 No (254,0) nobélium 103 Lr (257,0) laurencium