54. Olimpiada Chemiczna - I Etap(1).pdf - 54. Olimpiada Chemiczna - medstudent

E TAP I 17.11.2007

Z a d a n i a t e o r e t y c z n e

Z ADANIE 1

Rozpuszczalność wodorotlenków

A. Wodorotlenek wapnia jest związkiem o umiarkowanej rozpuszczalności w wodzie. Dlatego

wartość jego iloczynu rozpuszczalności można dość łatwo wyznaczyć mieszając ze sobą

roztwory soli wapnia i mocnej zasady o znanych stężeniach i obserwując, czy wytrąca się osad.

Do trzech naczyń wprowadzono roztwór NaOH o stężeniu 0,15 mol/dm 3 i objętości V .

Następnie do każdego z tych naczyń dodano porcje roztworu CaCl 2 o tej samej objętości V ,

ale o różnych stężeniach. Do pierwszego naczynia wprowadzono roztwór CaCl 2 o stężeniu

0,0010, do drugiego: 0,0020, a do trzeciego: 0,020 mol/dm 3 . W dwóch roztworach (powstałych

po zmieszaniu roztworów CaCl 2 i NaOH) wytrącił się osad. Wszystkie eksperymenty

przeprowadzono w temperaturze 25 o C.

Polecenia:

a1. Określ, w jakich granicach zawiera się wartość iloczynu rozpuszczalności wodorotlenku

wapnia, w temperaturze 25 o C.

a2. Oblicz, w jakim zakresie mieści się stężenie oraz wartość pH nasyconego roztworu tego

wodorotlenku.

a3. Opisz i wyjaśnij (bez prowadzenia obliczeń), jak zmieni się wartość pH nasyconego

roztworu wodorotlenku wapnia w wyniku:

( I ) rozcieńczenia,

( II ) dodatku roztworu mocnego kwasu,

( III ) dodatku roztworu mocnej zasady.

Załóż, że w każdym przypadku, przed dodaniem wody lub odpowiedniego roztworu oraz

po ich dodaniu, istnieje równowaga między osadem i roztworem.

B. Niektóre wodorotlenki są znacznie trudniej rozpuszczalne niż wodorotlenek wapnia i

wytracają się już w środowisku kwaśnym.

Polecenia:

b1. Oblicz, przy jakiej wartości pH może wytrącić się osad z roztworu zawierającego

Fe(NO 3 ) 3 o stężeniu 0,10 mol/dm 3 , jeżeli iloczyn rozpuszczalności Fe(OH) 3 można przyjąć

za równy 2 . 10 -39 .

b2. W kolbie przygotowano roztwór zawierający Fe(NO 3 ) 3 w stężeniu 0,010 mol/dm 3 i kwas

azotowy(V). Wartość pH tego roztworu wynosiła 1,5. Czy w wyniku 10-krotnego

rozcieńczenia takiego roztworu (czystą wodą) może wytrącić się osad?

Odpowiedź uzasadnij przeprowadzając odpowiednie obliczenia.

Z ADANIE 2

Klatrat chloru

Chlor jest gazem dość dobrze rozpuszczalnym w wodzie.

W roztworze nazywanym wodą chlorową, jest on

rozpuszczony głównie fizycznie, a tylko w niewielkim

stopniu ulega reakcji z wodą. W temperaturach niższych

niż 8°C z wody chlorowej można wydzielić krystaliczny

hydrat chloru, przy czym w zależności od warunków

prowadzenia krystalizacji otrzymuje się związki o różnym

składzie. Ze względu na swoją budowę związki takie

nazywane są klatratami (od łacińskiego słowa clathratus –

zamknięty w klatce).

Na rysunku przedstawiono fragment struktury klatratu chloru – „klatkę” utworzoną z 24

połączonych ze sobą cząsteczek wody (w węzłach przedstawionej sieci znajdują się atomy

tlenu cząsteczek wody), we wnętrzu której może znaleźć się cząsteczka Cl 2 lub inna

cząsteczka o zbliżonych rozmiarach, np. CH 4 .

Z roztworu wody chlorowej wykrystalizowano jasnożółty klatrat chloru, którego gęstość

wynosiła 1,310 g/cm 3 . W celu wyznaczenia jego składu chemicznego wykonano

jodometryczne oznaczanie chloru zgodnie z poniższym opisem. Do kolby stożkowej

zawierającej 50 cm 3 wody pozbawionej chlorków dodano około 2 g jodku potasu (KI) i

25 cm 3 roztworu H 2 SO 4 o stężeniu 2 mol/dm 3 , a następnie wprowadzono próbkę hydratu

chloru o masie 0,1649 g. Otrzymany roztwór miareczkowano roztworem Na 2 S 2 O 3 o stężeniu

0,100 mol/dm 3 , w obecności wskaźnika skrobiowego i zużyto 18,90 cm 3 titranta.

Polecenia:

a. Podaj równanie reakcji ilustrujące równowagę, jaka ustala się w roztworze wody

chlorowej.

b. Napisz w formie jonowej równania reakcji zachodzących podczas jodometrycznego

oznaczania chloru.

c. Określ, jakie oddziaływania międzycząsteczkowe są głównie odpowiedzialne za tworzenie

się „klatki” z cząsteczek wody?

d. Podaj skład stechiometryczny otrzymanego hydratu w przeliczeniu na 46 cząsteczek wody

(taka liczba cząsteczek wody jest równa liczbie cząsteczek wody w komórce elementarnej

kryształu hydratu).

e. Oblicz gęstość klatratu metanu analogicznego do opisanego klatratu chloru, zakładając, że

w obu hydratach wszystkie klatki są zajęte przez pojedyncze cząsteczki gazów.

W obliczeniach przyjmij następujące wartości mas molowych:

Cl – 35,45 g/mol; H – 1,01 g/mol; O – 16,00 g/mol, C – 12,01 g/mol

Z ADANIE 3

Struktura a trwałość izomerów

A. Propanon (aceton) i 1,2-epoksypropan, izomery o wzorze sumarycznym C 3 H 6 O, są

substancjami o dużym znaczeniu technologicznym. Dogodnym substratem do syntezy obu

związków (przy użyciu odpowiednich katalizatorów!) jest nie zawierająca tlenu substancja A .

Propanon otrzymuje się w procesie jednoetapowym natomiast synteza 1,2-epoksypropanu

przebiega dwuetapowo. Przemiany te są przedstawione na poniższym schemacie:

CH 3

H 2 O

H 2

O 2

H 3

CCH 2

Δ r H ° 1

Δ r H ° 2

Δ r H ° 3

H 3

Polecenia:

a1. Uzupełnij schemat wpisując w miejsce symboli A i B wzory strukturalne odpowiednich

substancji i dobierz współczynniki stechiometryczne reagentów. Podaj nazwy

systematyczne związków A i B .

a2. Korzystając z danych zamieszczonych w Tabeli 1 oblicz wartości standardowych entalpii

poszczególnych reakcji oraz sumaryczną wartość standardowej entalpii syntezy 1,2-epoksy-

propanu z substratu A.

a3. Oblicz wartość standardowej entalpii hipotetycznej reakcji izomeryzacji acetonu z

utworzeniem 1,2-epoksypropanu.

Tabela 1

Związek

Standardowa

entalpia tworzenia

(T = 298 K)

Δ tw H °, kJ mol −1

A (g)

184,9

B (g)

20,0

propanon (c)

−248,4

1,2-epoksypropan (c)

−123,0

H 2 O (c)

−285,8

B. Projektując syntezę chemiczną należy rozważyć, czy planowana reakcja w danych

warunkach rzeczywiście zachodzi lub czy oczekiwany produkt jest wystarczająco trwały.

Pewna funkcja termodynamiczna X jest znanym kryterium samorzutności przemian. Znając

wartość zmiany funkcji X podczas jakiegoś procesu możemy stwierdzić, czy jest on

termodynamicznie korzystny.

Polecenia:

b1. Podaj symbol i nazwę funkcji X oraz przedstaw jej zależność od innych funkcji

termodynamicznych. Wyjaśnij, w jaki sposób wartość zmiany tej funkcji wskazuje czy

dany proces przebiega samorzutnie. Biorąc pod uwagę efekt entalpowy izomeryzacji

acetonu oceń, czy przemiana ta jest termodynamicznie korzystna.

b2 . Podaj ogólną zależność łączącą zmianę funkcji X podczas reakcji, z jej stałą równowagi

oraz wynikający z tej zależności wzór na stałą równowagi izomeryzacji acetonu. Wiedząc,

że standardowe entropie molowe izomerów zwykle mało się różnią, zaproponuj takie

uproszczenie tej zależności, które pozwoli Ci oszacować wartość stałej równowagi

izomeryzacji acetonu na podstawie danych z Tabeli 1. Podaj odpowiedni uproszczony

wzór i oblicz przybliżoną wartość tej stałej równowagi w temperaturze 298 K.

b3 . Wyjaśnij krótko przyczynę różnicy trwałości propanonu i 1,2-epoksypropanu.

Z ADANIE 4

Alkohole

Trzy monohydroksylowe alkohole A , B i C, będące izomerami, poddano reakcji utleniania

w takich samych warunkach. Produktem utleniania alkoholu A jest związek D, który zawiera:

C 66,61%, H 11,20%, a produktem utleniania alkoholu B - związek E zawierający: C 54,52%,

H 9,17% (resztę w obu przypadkach stanowi tlen). Alkohol C nie ulega utlenianiu. W wyniku

reakcji eliminacji cząsteczki wody z alkoholi B i C tworzy się taki sam produkt.

Polecenia:

a. Podaj (wraz z obliczeniami i uzasadnieniem) wzór sumaryczny związku D .

b. Podobnie wyprowadź wzór sumaryczny związku E .

c. Podaj wzory strukturalne związków A – E.

d. Podaj wzór strukturalny produktu eliminacji alkoholi B i C .

e. Podaj wzory strukturalne trzech teoretycznie możliwych produktów eliminacji (cząsteczki

wody) z alkoholu A i wskaż , który z nich powstaje w przeważającej ilości (główny produkt).

W obliczeniach przyjmij następujące wartości mas molowych:

H – 1,01 g/mol; O – 16,00 g/mol, C – 12,01 g/mol

Z ADANIE 5

Analiza tłuszczu

Pewien naturalny tłuszcz A poddano reakcji z wodorem w obecności niklu. Okazało się, że

z optycznie czynnego substratu A powstał nieczynny optycznie produkt B .

Ten sam tłuszcz A poddano hydrolizie i z mieszaniny poreakcyjnej wyizolowano 2 kwasy

karboksylowe C i D w stosunku molowym 1 : 2. Natomiast po zredukowaniu otrzymanego

hydrolizatu wodorem (w obecności katalizatora Ni), wyizolowano tylko jeden kwas D .

Kwas C poddany reakcji z KMnO 4 w środowisku kwasowym na gorąco, daje mieszaninę

związków E i F , posiadających nierozgałęziony łańcuch węglowy o tej samej liczbie atomów

węgla. Próbka związku E o masie 0,395 g ulega zobojętnieniu roztworem NaOH o objętości

12,5 cm 3 i stężeniu 0,20 mol/dm 3 , podczas gdy do zobojętnienia 0,470 g związku F zużywa

się dwukrotnie większą objętość roztworu zasady o tym samym stężeniu.

Polecenia:

a. Podaj wzory strukturalne związków C , D , E , F wraz z uzasadnieniem. Dla związku C

podaj również wzór jego izomeru geometrycznego nie występującego w tłuszczach naturalnych.

b. Przedstaw schemat reakcji kwasu C z KMnO 4.

c. Podaj wzory tłuszczów A i B . Czy istnieje taki izomer związku A , który nie wykazuje

czynności optycznej? Odpowiedź uzasadnij.

d. Napisz równanie reakcji hydrolizy tłuszczu A.

P UNKTACJA : wszystkie zadania po 20 pkt ., łącznie 100 pkt.

C ZAS TRWANIA ZAWODÓW : 240 minut

E TAP I 17.11.2007

Rozwiązania zadań teoretycznych

R OZWIĄZANIE ZADANIA 1

a1. Iloczyn rozpuszczalności wodorotlenku wapnia jest opisany równaniem:

K B s0 B = [Ca P 2+ P ][OH P - P ] P 2 P .

Osad nie wytrącił się po dodaniu najbardziej rozcieńczonego roztworu CaCl B 2 B , czyli

iloczyn rozpuszczalności wodorotlenku wapnia jest większy niż iloczyn stężeń jonów

[Ca P 2+ P ][OH P - P ] P 2 P w pierwszym naczyniu (I), a mniejszy niż analogiczny iloczyn stężeń jonów

w drugim naczyniu (II). Uwzględniając zmiany stężeń jonów Ca P 2+ P i OH P - P po zmieszaniu

roztworów CaCl B 2 B i NaOH (objętość wzrosła dwukrotnie) obliczamy iloczyny stężeń w

tych dwóch naczyniach:

I: [Ca P 2+ P ][OH P - P ] P 2 P = 0,0005 P . P (0,075) P 2 P = 2,8 P . P 10 P -6 P

II: [Ca P 2+ P ][OH P - P ] P 2 P = 0,001 P . P (0,075) P 2 P = 5,6 P . P 10 P -6 P

Iloczyn rozpuszczalności Ca(OH) B 2 B mieści się więc w przedziale od 2,8 P . P 10 P -6 P do 5,6 P . P 10 P -6 P .

a2. Przyjmując, że w nasyconym roztworze Ca(OH) B 2 B stężenie jonów Ca P 2+ P wynosi S (gdzie S

jest stężeniem molowym nasyconego roztworu wodorotlenku wapnia), a stężenie jonów

OH P - P = 2 S , wyrażenie na iloczyn rozpuszczalności można zapisać w postaci: K B s0 B = S P . P (2 S ) P 2 P

= 4 S P 3 P . Stąd S = ( K B s0 B /4) P 1/3 P . Po podstawieniu obliczonych wartości K B s0 B uzyskujemy wartość

S w zakresie od 0,0089 do 0,011 mol/dm P 3 P . Ponieważ [OH P - P ] = 2 S , a pH = 14 – pOH, dla

nasyconego roztworu pH może zawierać się w granicach od 12,25 do 12,34 (czyli

wyniesie około 12,3).

a3. ( I ) W wyniku rozcieńczenia wartość pH nie zmieni się, ponieważ w obecności stałego

Ca(OH) B 2 B , w stanie równowagi roztwór wodorotlenku wapnia będzie stale nasycony i w

rezultacie stężenie jonów pochodzących z dysocjacji Ca(OH) B 2 B będzie stałe.

( II ) Dodawanie roztworu mocnego kwasu spowoduje zobojętnianie Ca(OH) B 2 B połączone z

rozpuszczaniem osadu. W wyniku tego będzie wzrastało stężenie jonów Ca P 2+ P w

roztworze. Ponieważ w stanie równowagi między osadem a roztworem iloczyn stężeń

[Ca P 2+ P ][OH P - P ] P 2 P jest stały i równy iloczynowi rozpuszczalności, stężenie jonów OH P - P będzie

się zmniejszać, czyli nastąpi obniżenie pH.

( III ) Podczas dodawania roztworu mocnej zasady zostaną wprowadzone dodatkowe jony

OH P - P (obniżające rozpuszczalność Ca(OH) B 2 B ), co doprowadzi do wzrostu pH.

b1. Iloczyn rozpuszczalności Fe(OH) B 3 B opisany jest równaniem: K B s0 B = [Fe P 3+ P ][OH P - P ] P 3 P . Ponieważ

[Fe P 3+ P ] = 0,10 mol/dm P 3 P , to stężenie jonów OH P - P , przy którym wytrąci się osad Fe(OH) B 3 B

wyniesie ( K B s0 B /[Fe P 3+ P ]) P 1/3 P . Po podstawieniu uzyskamy [OH P - P ] = 2,7 P . P 10 P -13 P mol/dm P 3 P . Odpowiada

to stężeniu jonów wodorowych [H P + P ] = 10 P -14 P /[OH P - P ] = 10 P -14 P /2,7 P . P 10 P -13 P = 0,037 mol/dm P 3 P . Stąd

pH = -log[H P + P ] = 1,4.

b2. Przed rozcieńczeniem stężenie jonów H P + P jest równe 10 P -1,5 P mol/dm P 3 P , a stężenie jonów OH P - P

wynosi wtedy 10 P -14 P /10 P -1,5 P = 10 P -12,5 P mol/dm P 3 P . Wówczas iloczyn [Fe P 3+ P ][OH P - P ] P 3 P wyniesie

0,010(10 P -12,5 P ) P 3 P = 3 P . P 10 P -40 P . Jest to wartość mniejsza od iloczynu rozpuszczalności, czyli

roztwór będzie klarowny. W wyniku 10-krotnego rozcieńczenia stężenie jonów Fe P 3+ P

obniży się do 0,0010 mol/dm P 3 P , ale jednocześnie stężenie jonów OH P - P wzrośnie do 10 P -11,5 P mol/dm P 3 P .

54. Olimpiada Chemiczna - I Etap(1).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: