OLIMPIADA CHEMICZNA - 2002
	POWRÓT

Zadania z Olimpiady Chemicznej - etap II

Zadania teoretyczne

Zadanie 1

Analiza spektralna

Wykonano następujący ciąg reakcji:

Po każdym etapie syntezy wyodrębniano główne produkty B - E, których charakterystyczne zakresy absorpcji w widmach w podczerwieni (IR), w cm^-1, wynikające z obecności odpowiedniej grupy funkcyjnej, podane są pod ich symbolami.

Podaj wzory strukturalne związków A - E, wiedząc dodatkowo, że pasmo macierzyste (odpowiadające masie cząsteczkowej) w widmie spektroskopii mas związku E wynosi 197. Odpowiedź uzasadnij.

UWAGA: W obliczeniach masy molowe należy zaokrąglić do liczb całkowitych.

Zadanie 2

Kinetyka reakcji katalitycznych

Reakcja utleniania hydrazyny N₂H₄ przez nadtlenek wodoru w roztworze wodnym, prowadząca do gazowego azotu i ciekłej wody jest katalizowana przez jony miedzi(II). Badania kinetyki tego procesu opisali amerykańscy badacze: Wellman, Ward i Kuhn. Rozwiązując poniższe zadanie zapoznasz się z zastosowanym przez nich sposobem postępowania.

Badania prowadzono mierząc początkowe szybkości reakcji V₀ dla różnych początkowych stężeń reagentów, a wybrane wyniki zestawiono w poniższej tabeli. pH roztworu było stałe i wynosiło 9,7. W laboratorium panowało ciśnienie atmosferyczne 1013 hPa, a temperatura próbek wynosiła 25°C. W każdym eksperymencie objętość roztworu była równa 300 cm³.

1. Napisz równanie reakcji, o którym mowa w zadaniu
2. Oblicz szybkości początkowe reakcji w jednostkach: mol reagującego N₂H₄/(dm³·s) dla kolejnych eksperymentów.
3. Wyznacz cząstkowe rzędy reakcji x, y, z (zaokrąglając je do najbliższych liczb całkowitych) w równaniu kinetycznym:
4. Szybkość reakcji = k·[N₂H₄]^x[H₂O₂]^y[Cu²⁺]^z oraz całkowity rząd reakcji r.
5. Na podstawie szybkości reakcji obliczonych w p. 2 i rzędowości otrzymanych w p. 3 oblicz stałą szybkości reakcji w równaniu kinetycznym, podając jej miano.
6. Jakie substancje oddziałują ze sobą w najwolniejszym etapie reakcji?
7. Na podstawie przewidywań o możliwych chemicznych oddziaływaniach między reagentami zaproponuj chemiczne formy, w jakich występują substancje reagujące w tym najwolniejszym etapie.

Stała gazowa: R = 8,314 J/(mol·K).

Zadanie 3

Fosforany - zmniejszanie twardości wody

Kwas ortofosforowy może ulegać reakcjom kondensacji prowadzącym do powstania związków zawierających różną liczbę atomów fosforu. W pewnych warunkach mogą powstawać też polimery.

1. Zapisz wzory strukturalne związków fosforu uczestniczących w poniższych reakcjach:

Niektóre z tych związków, np. Na₅P₃O₁₀, po rozpuszczeniu w wodzie mogą być stosowane jako detergenty w przemyśle lub jako środki zmniejszające twardość wody, stanowiące m.in. składnik proszków do prania. Na₅P₃O₁₀ można otrzymać: (a) w reakcji (2) lub (b) przez syntezę z odpowiednich tlenków w wysokiej temperaturze.

2. Zapisz zbilansowane równania opisujące procesy (a) i (b).

Jony P₃O₁₀^5- mogą kompleksować jony Ca²⁺ (jeden jon Ca²⁺ przyłącza jeden ligand), dzięki czemu powodują zmiękczanie wody.

3. Jakie minimalne stężenie Na₅P₃O₁₀ byłoby potrzebne dla uniknięcia wytrącania osadu CaCO₃ z roztworu Ca(HCO₃)₂ o stężeniu 2·10^-3 mol/dm³, gdyby wszystkie jony HCO^3- w podwyższonej temperaturze przeszły w CO₃^2- (zapisz równanie reakcji)? Załóż, że jedynym źródłem jonów HCO^3- był rozpuszczony Ca(HCO₃)₂.

Stała trwałości kompleksu Ca²⁺ z jonem P₃O₁₀^5-: b = 2·10⁶

Iloczyn rozpuszczalności CaCO₃: Ks0 = 4·10^-9

Zadanie 4

Analiza stopu

W skład pewnego stopu (brązu) wchodzą następujące metale: miedź, cyna, cynk oraz ołów. Aby określić jego skład chemiczny, odważkę o masie 1,9870g poddano następującej analizie.

1. Całość zmielono i potraktowano mieszaniną stężonego kwasu azotowego(V) oraz wody (1:1 wag.). Po zakończeniu procesu roztwarzania, uzyskaną mieszaninę zagotowano i ostudzono. Otrzymano roztwór 1 oraz osad 1.
2. Osad 1, który zawierał metal M1, po oddzieleniu od roztworu przemyto, wysuszono a następnie wyprażono w temperaturze 1100°C do stałej masy. Masa osadu po prażeniu wyniosła 0,1766g.
3. Do roztworu 1 dodano nadmiar roztworu kwasu siarkowego(VI) o stężeniu 2 mol/dm³ i całość gotowano do uzyskania białych dymów SO₃, po czym ostudzono, dodano wody i zagotowano. Uzyskano osad 2 oraz roztwór 2.
4. Osad 2, zawierający metal M2, oddzielono przez odwirowanie, wysuszono a następnie wyprażono w temperaturze 400°C do stałej masy. Masa tak otrzymanego preparatu wynosiła 0,1745 g.
5. Roztwór 2 doprowadzono do pH=1 i nasycano siarkowodorem do całkowitego wytrącenia się osadu zawierającego metal M3. Uzyskano osad 3 oraz roztwór 3.
6. Osad 3, po dokładnym przemyciu rozpuszczono na gorąco w kwasie siarkowym(VI) o stężeniu 2 mol/dm³. Tak uzyskany roztwór doprowadzono buforem octanowym do pH=5, dodano jodku potasu w nadmiarze a wydzielony w reakcji jod odmiareczkowano za pomocą roztworu tiosiarczanu sodowego w obecności skrobi jako wskaźnika. Na zmiareczkowanie zużyto 23,70 cm³ roztworu Na₂S₂O₃ o stężeniu 1,0150 mol/dm³.
7. Roztwór 3 doprowadzono do pH=7 i ponownie nasycano siarkowodorem do pełnego wytrącenia się białego osadu zawierającego metal M4. Uzyskany osad przemyto, wysuszono oraz wyprażono przy dostępie powietrza w temperaturze 1000°C. W wyniku ogrzewania uzyskano 0,2473 g białego osadu zawierającego metal M4.

1. Napisz wszystkie równania reakcji, które wykorzystano do analizy stopu. Reakcje przebiegające w roztworze wodnym przedstaw w postaci jonowej.
2. Przypisz oznaczeniom M1, M2, M3, M4 odpowiadające im nazwy metali.
3. Oblicz skład procentowy wziętego do analizy brązu.

(UWAGA: Masy molowe zaokrąglić do drugiego miejsca po przecinku)

Zadanie 5

Cykliczny kwas tłuszczowy

Z indyjskiej rośliny Caloncoba echinata wyodrębniono olej, którego cząsteczki okazały się glicerydami cyklicznych kwasów tłuszczowych. Jeden z tych kwasów - optycznie czynny kwas (+)-gorlowy o wzorze sumarycznym C₁₈H₃₀O₂ w wyniku ozonolizy (działanie ozonem a następnie pyłem cynkowym w środowisku kwaśnym) przechodzi w trialdehyd o wzorze:

oraz związek A o wzorze C₆H₁₀O₃. Związek A wydziela CO₂ w reakcji z roztworem NaHCO₃ oraz redukuje odczynnik Tollensa. W wyniku jego wyczerpującej redukcji za pomocą LiAlH₄ otrzymuje się 1,6-heksanodiol.

1. Podać budowę i nazwę związku A. Odpowiedź uzasadnij.
2. Wiedząc, że w cząsteczce kwasu gorlowego występuje pierścień 5-członowy podaj budowę kwasu gorlowego. Odpowiedź uzasadnij.
3. Wiedząc, że w podanym wyżej trialdehydzie asymetryczny atom węgla ma konfigurację (R) podaj budowę przestrzenną kwasu (+)-gorlowego.

Zadanie laboratoryjne

W probówkach oznaczonych numerami 1 - 8 znajdują się wodne roztwory (o stężeniu 0,1 mol/dm³) pojedynczych substancji nieorganicznych, natomiast w probówkach oznaczonych literami A, B, C, D, E, F - roztwory wodne lub alkoholowe substancji organicznych.

W skład związków nieorganicznych wchodzą następujące metale: bar, chrom, potas, srebro, wapń, żelazo oraz następujące niemetale: azot, chlor, siarka, tlen, węgiel i wodór. Metale mogą występować na różnych stopniach utlenienia, mogą tworzyć kationy jak i aniony. Jedna z substancji to sól potasowa anionu zawierającego metal.

Niemetale tworzą tylko aniony, przy czym jeden z anionów to jon tiocyjanianowy i jeden: jon wodorotlenowy, zaś w pozostałych: azot jest na piątym stopniu utlenienia, siarka na szóstym, a chlor na minus pierwszym. Jony tiocyjanianowy i wodorotlenowy związane są z metalami występującymi głównie na pierwszym stopniu utlenienia. Niektóre roztwory mogą być lekko zakwaszone z uwagi na możliwość hydrolizy soli obecnych w badanym roztworze. Kwas użyty do zakwaszenia ma anion identyczny z anionem soli.

Substancjami organicznymi są: 1,10-fenantrolina, alizaryna S, oranż metylowy, kwas salicylowy, kwas cytrynowy i kwas szczawiowy.

Polecenia:

1) Dysponując 6 dodatkowymi probówkami i dokonując mieszania roztworów, podaj jakie substancje nieorganiczne znajdują się w oznaczonych cyframi probówkach. Możesz korzystać z wody destylowanej z tryskawki. Porcje cieczy do mieszania odmierzaj za pomocą pipet. Możesz posługiwać się roztworami substancji organicznych znajdujących się w probówkach oznaczonych literami. Podaj tok analizy z uzasadnieniem identyfikacji i zapisz jonowo równania zachodzących reakcji chemicznych.

2) Dokonaj rozpoznania substancji organicznych na podstawie charakterystycznych reakcji z właściwymi związkami nieorganicznymi. W sytuacjach wątpliwych wykonaj ślepą próbę (z wodą). Podaj uzasadnienie dokonanej identyfikacji.

Uwaga! Będące w Twojej dyspozycji ilości roztworów muszą Ci wystarczyć do przeprowadzenia identyfikacji. Pracuj rozsądnie i oszczędnie.

Pamiętaj o konieczności zachowania bezpieczeństwa w trakcie wykonywania analiz!

Autorami zadań są:

• Zadanie 1 - Janusz Stępiński
• Zadanie 2 - Marek Orlik
• Zadanie 3 - Krzysztof Maksymiuk
• Zadanie 4 - Zbigniew Brylewicz
• Zadanie 5 - Tadeusz Mizerski
• Zadanie laboratoryjne - Stanisław Kuś