55iit.pdf

(360 KB) Pobierz
Microsoft Word - II 55 zadania teor
Sponsorem II Etapu 55 Olimpiady Chemicznej
jest Grupa Chemiczna Ciech SA
I 30.01.2009
Z a d a n i a t e o r e t y c z n e
T
A
P
I
Z ADANIE 1
Kwasowe właściwości akwajonów ołowiu(II)
Rozpuszczone sole ołowiu(II) mogą ulegać hydrolizie prowadzącej do zakwaszenia roztworu. W
rzeczywistości proces ten jest dysocjacją kwasową akwajonów ołowiu(II) (mających właściwości
kwasu Brønsteda) w roztworach. Zakładając, że w sferze hydratacyjnej jonu ołowiu(II) znajduje się
6 cząsteczek wody, równowagę dysocjacji można opisać równaniem (1):
Pb(H 2 O) 6 2+ + H 2 O ' Pb(H 2 O) 5 (OH) + + H 3 O + (1)
Produkt reakcji, Pb(H 2 O) 5 (OH) + można też uważać za wynik kompleksowania jonów ołowiu(II)
przez jony OH - , opisanego równaniem (2):
Pb(H 2 O) 6 2+ + OH - ' Pb(H 2 O) 5 (OH) + + H 2 O (2)
Ołów i jego związki są silnie toksyczne. Istotne zagrożenie dla środowiska mogą stanowić
zużyte akumulatory samochodowe, a w nich m.in. słabo rozpuszczalny siarczan(VI) ołowiu(II).
Ponieważ jednak ołów(II), jak wspomniano wyżej, wykazuje właściwości kwasowe, to
rozpuszczalność PbSO 4 i związane z tym zagrożenia będą zależały od pH środowiska, w jakim osad
ten się znajduje.
Polecenia:
a. (3 pkt.) Korzystając z podanej niżej wartości stałej trwałości kompleksu Pb(H 2 O) 5 (OH) +
wyznacz wartość stałej dysocjacji kwasowej, K a , dla akwajonów Pb(H 2 O) 6 2+ uczestniczących w
równowadze (1).
b. (4 pkt.) Oblicz pH roztworu Pb(NO 3 ) 2 o stężeniu 0,1 mol/dm 3 i oceń, jaki procent
rozpuszczalnych form ołowiu(II) występuje w postaci Pb(H 2 O) 5 (OH) + .
c. (2 pkt.) Podobnie jak dla typowych słabych kwasów, przy rozcieńczaniu roztworu Pb(NO 3 ) 2
stopień dysocjacji z wytworzeniem Pb(H 2 O) 5 (OH) + będzie wzrastał. W roztworze Pb(NO 3 ) 2 o
stężeniu 10 -5 mol/dm 3 stopień dysocjacji będzie już dość duży. Oblicz, do jakiej wartości pH
(np. przez zakwaszenie za pomocą HNO 3 ) należy doprowadzić roztwór Pb(NO 3 ) 2 o stężeniu
10 -5 mol/dm 3 , aby zawartość formy Pb(H 2 O) 5 (OH) + wśród rozpuszczalnych form ołowiu(II) nie
przekraczała 1%.
d. (8 pkt.) Oblicz i porównaj rozpuszczalność molową PbSO 4 w roztworach o pH = 4 i pH = 8. Dla
roztworu o pH = 8 określ, jaki procent całkowitej zawartości rozpuszczalnych form ołowiu(II)
stanowi Pb(H 2 O) 5 (OH) + . (W obliczeniach można pominąć efekt protonowania jonów SO 4 2- ).
e. (3 pkt.) Napisz odpowiednie równanie Nernsta i oblicz potencjał elektrody z metalicznego
ołowiu zanurzonej w nasyconym roztworze PbSO 4 , przy pH = 4 i pH = 8 (w temp. 25 o C).
(W obliczeniach potencjału należy uwzględnić tylko te jony ołowiu(II), które nie uległy
hydrolizie, czyli Pb(H 2 O) 6 2+ .)
Stała trwałości kompleksu Pb(H 2 O) 5 (OH) + : β = 3 . 10 7
Iloczyn jonowy wody: K W = 10 -14
Iloczyn rozpuszczalności PbSO 4 : K s0 = 1,6 . 10 -8
Stała gazowa: R = 8,314 J/(mol K)
Potencjał standardowy dla układu Pb 2+ /Pb: E 0 = -0,126 V
Stała Faraday’a: F = 96484 C/mol
E
93093047.004.png 93093047.005.png 93093047.006.png
Z ADANIE 2
Aktywny metal
Pierwiastek X jest bardzo szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, ale występuje wyłącznie w
postaci związków. Zawierają one tylko jeden izotop tego pierwiastka, w którym liczba neutronów
jest o jeden większa od liczby protonów. W stanie wolnym X jest srebrzystobiałym metalem,
odpornym na działanie wody i powietrza, ale łatwo reagującym z mocnymi zasadami oraz
stężonymi roztworami niektórych kwasów (np. z kwasem solnym).
Próbkę metalu X o masie m 1 = 4,1819 g wprowadzono do wodnego roztworu NaOH. Podczas
roztwarzania metalu wydzieliło się V 1 = 5,211 dm 3 gazu (w przeliczeniu na warunki normalne).
Otrzymany klarowny roztwór nasycano gazowym CO 2 , w trakcie czego wytrącał się biały osad
związku A . Po zakończeniu reakcji osad odsączono, przemyto wodą i ostrożnie wysuszono w
temperaturze 120°C. Otrzymano m 2 = 12,0906 g związku A .
Związek A ogrzewano najpierw w temperaturze 150°C i stwierdzono, że uległ on reakcji
kondensacji do związku B, a ubytek masy wyniósł Δ 1 = 23,1%.
Wygrzewanie związku B w temperaturze około 500°C prowadzi do powstania produktu C w
postaci odmiany polimorficznej znanej jako odmiana γ (gamma). Ze względu na bardzo rozwiniętą
powierzchnię związek γ-C jest powszechnie wykorzystywany jako katalizator o wszechstronnym
działaniu lub też jako nośnik katalizatorów.
Powyżej 1000°C faza regularna γ-C przekształca się w heksagonalną odmianę polimorficzną –
α-C . Jest to najtrwalsza odmiana związku C odporna na działanie nawet stężonych zasad i kwasów,
charakteryzująca się dużą twardością i wysoką temperaturą topnienia (2050°C). Przez stapianie α-C
z niewielkim dodatkiem Cr 2 O 3 (ok. 0,1%) można otrzymać pięknie zabarwione sztuczne kamienie
szlachetne mające również zastosowanie w technice laserowej.
Całkowity ubytek masy po wygrzewaniu w temperaturze 1100°C wyniósł Δ 2 = 34,6% (względem
masy związku A) .
Do roztworu wodnego otrzymanego w reakcji X z NaOH (aq) , wziętych w stosunku molowym
1:3, dodano ostrożnie nadmiar kwasu fluorowodorowego. Z kwaśnego roztworu wykrystalizowała
trudnorozpuszczalna bezwodna sól sodu D , występująca w przyrodzie jako minerał, stosowana m.
in. jako topnik w elektrolitycznym procesie otrzymywania metalu X ze związku C .
Polecenia:
a. (5 pkt.) Zidentyfikuj pierwiastek X i wyznacz jego masę molową w g/mol (z dokładnością do
0,01 g/mol). Określ liczbę masową ( A ) naturalnego izotopu pierwiastka X oraz jego liczbę
atomową ( Z ).
b. (5 pkt.) Napisz w formie cząsteczkowej i jonowej równania reakcji zachodzących podczas
roztwarzania metalu X w roztworze NaOH i nasycania otrzymanego roztworu gazowym CO 2 .
Podaj wzór związku A i potwierdź jego skład za pomocą odpowiednich obliczeń.
c. (4 pkt.) Podaj wzory związków B i C . Napisz równania reakcji zachodzących w trakcie rozkładu
termicznego związku A do związku B oraz związku A do związku C . Odpowiedź uzasadnij i
potwierdź stosownymi obliczeniami.
d. (4 pkt.) Podaj wzór i zaproponuj budowę przestrzenną anionu występującego w strukturze
związku D . Napisz w formie cząsteczkowej, równania reakcji zachodzących w trakcie
otrzymywania związku D .
e. (2 pkt.) Wyjaśnij, dlaczego metal X jest odporny na działanie wody i powietrza.
W obliczeniach przyjmij następujące wartości mas molowych:
H – 1,008 g/mol; O – 16,00 g/mol; F – 19,00 g/mol; Na – 22,99 g/mol;
oraz objętość molową gazu w warunkach normalnych Vm = 22,41·10 −3 m 3 /mol
2
Z ADANIE 3
Analiza kinetyki reakcji metodą szybkości początkowych
Badano kinetykę reakcji jonów jodkowych z nadtlenkiem wodoru w kwaśnym roztworze
wodnym, prowadzącej do powstania wolnego jodu. Wszystkie cztery badane próbki w chwili
rozpoczęcia pomiarów zawierały dodatkowo tiosiarczan sodu o stężeniu początkowym [Na 2 S 2 O 3 ] 0
= 0,00030 mol dm −3 oraz śladową ilość skrobi. Poniżej podano wyniki pomiarów czasu pojawienia się
niebieskiego zabarwienia ( t 0 ) zmierzone dla różnych stężeń początkowych substratów ( T = 298 K).
W rozważaniach przyjmij, że tiosiarczan reaguje bardzo szybko z jodem natomiast praktycznie nie
ulega reakcji z nadtlenkiem wodoru.
nr
[HOOH] 0 /mol dm −3 [I ¯ ] 0 / mol dm −3 [H 3 O + ] 0 / mol dm −3
t 0 / s
1
0,012
0,030
0,050
43
2
0,020
0,030
0,050
26
3
0,020
0,050
0,050
15
4
0,012
0,030
0,125
41
Polecenia:
a. (2 pkt.) Napisz w formie jonowej sumaryczne równanie badanej reakcji oraz reakcji jonów
tiosiarczanowych z jodem.
b. (2 pkt.) Podaj ogólną postać równania kinetycznego reakcji jonów jodkowych z nadtlenkiem
wodoru, uwzględniającą wszystkie substraty.
c. (3 pkt.) Na podstawie danych z tabeli oblicz doświadczalne szybkości początkowe v 01 v 04 wyrażone w
mol dm −3 min −1 . (Można przyjąć, że tak wyznaczone wartości są z dostatecznym przybliżeniem
równe szybkości początkowej zdefiniowanej ściśle jako zmiana stężenia reagenta w chwili
początkowej reakcji, np. w odniesieniu do produktu reakcji v 0 = d c /d t ( t =0)).
d. (3 pkt.) Wyznacz rzędy cząstkowe wykorzystując metodę szybkości początkowych. Przyjmij,
że są one wyłącznie liczbami całkowitymi.
e. (2 pkt.) Podaj postać doświadczalnego równania kinetycznego i określ całkowity rząd reakcji.
f. (2 pkt.) Oblicz wartości stałej szybkości reakcji ( k) na podstawie danych z kolejnych
eksperymentów i jej średnią wartość ( k śr ) .
g. (2 pkt.) Przeanalizuj zaproponowany niżej mechanizm reakcji i wskaż produkty pośrednie.
HOOH + I ¯ HOI + OH ¯ (powoli)
HOI + I ¯ I 2 + OH ¯ (szybko)
OH ¯ + H 3 O + 2 H 2 O (szybko)
h. (4 pkt.) Wykaż, że mechanizm reakcji przedstawiony w poleceniu g. nie jest sprzeczny z
danymi doświadczalnymi.
Z ADANIE 4
Synteza leków
Cząsteczka jednego z leków przeciwbólowych, nefopamu, zawiera ośmioczłonowy pierścień
heterocykliczny. Nefopam otrzymuje się z kwasu 2-benzoilobenzoesowego według schematu:
kwas
2-benzoilo-
benzoesowy
⎯⎯⎯⎯→
2. H +
B
(C 14 H 10 O 2 )
CH 3 NH 2
⎯⎯⎯⎯→
C
⎯⎯⎯⎯→
LiAlH 4
⎯⎯⎯⎯→
D
⎯⎯⎯⎯→
E
(C 17 H 17 NO 2 )
LiAlH 4 /BF 3
⎯⎯⎯⎯→
nefopam
3
1. NaBH 4
ClCH 2 COCl
93093047.007.png
Widmo IR nefopamu nie wykazuje pasm absorpcji w zakresie 1700-1750 cm -1 ani w zakresie
3200-3600 cm -1 .
W widmach IR związków B , C i E występują pasma absorpcji w zakresie 1650-1800 cm -1 , przy
czym pasma te dla B i E są podobne, a różnią się znacznie od obrazu w widmie związku C .
Kwas 2-benzoilobenzoesowy można otrzymać ze związku A i benzenu w reakcji jednoetapowej.
Związek A zawiera tylko węgiel, wodór i tlen.
Polecenia:
a. (3 pkt.) Podaj wzór strukturalny związku A .
b. (2 pkt.) Zapisz schemat reakcji otrzymywania kwasu 2-benzoilobenzoesowego z benzenu oraz
związku A i podaj rodzaj wymaganego katalizatora.
c. (15 pkt.) Podaj wzory szkieletowe związków B, C, D, E i nefopamu .
Z ADANIE 5
Identyfikacja pewnego związku naturalnego
Na podstawie podanych niżej informacji określ budowę naturalnego związku A, złożonego tylko
z węgla, wodoru i tlenu. Związek ten występuje m. in. w niektórych owocach, a ponadto odgrywa
dużą rolę w metabolizmie cukrów i tłuszczy.
1. Związek A pod wpływem działania specyficznego enzymu ulega dehydratacji do związku B .
2. Wiadomo, że związek B może występować w postaci dwóch izomerów geometrycznych B1
oraz B2 . Z izomeru B1 w wyniku ogrzewania powstaje produkt C , którego masa molowa jest o
18 g/mol mniejsza niż związku B ; izomer B2 w tych samych warunkach nie ulega żadnym
przemianom.
3. W wyniku ozonolizy prowadzonej w warunkach nieredukujących ze związku B2 powstaje tylko
jeden związek D .
4. W wyniku reakcji związku B2 z CH 3 OH wobec SOCl 2 powstaje związek E , którego widmo
13 C NMR składa się z 3 sygnałów, natomiast widmo 1 H NMR z 2 sygnałów, o stosunku
intensywności 1:3.
5. Związek E ulega reakcji hydratacji wobec enzymu, tworząc produkt F, o konfiguracji absolutnej S.
6. Związek A można otrzymać w wyniku całkowitej hydrolizy związku F (konfiguracja absolutna
nie ulega zmianie).
7. Addycja Br 2 do związku B2 prowadzi do powstania produktu G . W wyniku spalenia 1 mmola
związku G otrzymuje się m. in. 176 mg CO 2 i 36 mg H 2 O.
Polecenia:
a. ( 6 pkt.) Wyprowadź wzór sumaryczny związku B a następnie narysuj wzory półstrukturalne lub
szkieletowe izomerów B1 i B2. Podaj wzór produktu C i wyjaśnij, dlaczego powstaje on w
wyniku ogrzewania izomeru B1, a nie powstaje z izomeru B2.
b. ( 4 pkt. ) Narysuj wzory półstrukturalne lub szkieletowe związków D i E. Krótko uzasadnij
wybór każdej ze struktur.
c. ( 4 pkt.) Narysuj wzory klinowe (uwzględniające stereochemię) związków F oraz A.
d. ( 6 pkt. ) Przedstaw w konwencji Fischera wzory produktów addycji Br 2 do związków B1 i B2.
C ZAS TRWANIA ZAWODÓW : 300 minut
4
Sponsorem II Etapu 55 Olimpiady Chemicznej
jest Grupa Chemiczna Ciech SA
E TAP II 30.01.2009
Rozwiązania zadań teoretycznych
R OZWIĄZANIE ZADANIA 1
[Pb(H
2
O)
5
(OH)
+
][H
3
O
+
]
a . Dla równowagi (1), stała równowagi (dysocjacji):
K
=
,
a
6
+
[Pb(H
O
)
]
2
a dla równowagi kompleksowania (równanie (2)) stała równowagi (trwałości):
[Pb(H
2
O)
5
(OH)
+
]
[
Pb(H
2
O)
5
(OH)
+
][H
3
O
+
]
K
a
β
=
=
=
, gdzie K W jest iloczynem
[Pb(H
O)
6
+
][OH
]
[
Pb(H
O
)
6
+
]
K
K
2
2
W
W
jonowym wody.
Stąd, K a = β . K W = 3 . 10 7 . 10 -14 = 3 . 10 -7 .
b. Dla równowagi (1) można przyjąć, że [H 3 O + ] = [Pb(H 2 O) 5 (OH) + ] oraz (ze względu na bardzo
małą wartość stałej dysocjacji K a ), że [Pb(H 2 O) 6 2+ ] = 0,1 mol/dm 3 , czyli udział formy
Pb(H 2 O) 5 (OH) + w całkowitym stężeniu ołowiu(II) jest mały.
Wówczas [H 3 O + ] 2 = K a [Pb(H 2 O) 6 2+ ], czyli
[
H
3
O
+
]
= K
a
[
Pb(H
2
O
)
6
+
]
=
3
10
7
0
=
= 1,7 . 10 -4 mol/dm 3 ; pH = -log (1,7 . 10 -4 ) = 3,8
Stopień dysocjacji = [H 3 O + ]/0,1 = 1,7 . 10 -3 , czyli 0,17 % ołowiu występuje w postaci
Pb(H 2 O) 5 (OH) + . Jednocześnie niska wartość stopnia dysocjacji wskazuje, że założenie
[Pb(H 2 O) 6 2+ ] = 0,1 mol/dm 3 jest słuszne.
c. Po przekształceniu wyrażenia opisującego stałą dysocjacji K a do postaci:
[H 3 O + ] = K a [Pb(H 2 O) 6 2+ ]/[ Pb(H 2 O) 5 (OH) + ] podstawiamy [Pb(H 2 O) 5 (OH) + ]/[ Pb(H 2 O) 6 2+ ] = 1/99
i obliczamy, że: [H 3 O + ]= 3 . 10 -7 . 99/1 = 3 . 10 -5 mol/dm 3 , stąd pH = -log (3 . 10 -5 ) = 4,5.
d. Ponieważ dla jonów Pb(H 2 O) 6 2+ wartość p K a = -log(3 . 10 -7 ) = 6,5, to wartość pH = 4 jest dość
odległa od p K a . Oznacza to, że w tym środowisku dysocjację kwasową jonów Pb(H 2 O) 6 2+
można zaniedbać.
Równowagę rozpuszczania PbSO 4 opisuje równanie: PbSO 4 ' Pb 2+ + SO 4 2- , a iloczyn
rozpuszczalności tej soli K s0 = [Pb 2+ ][SO 4 2- ] (stosujemy uproszczony zapis Pb 2+ zamiast
Pb(H 2 O) 6 2+ ). Przyjmując dalej, że [Pb 2+ ] = [SO 4 2- ] = S (gdzie S jest rozpuszczalnością molową
soli), otrzymamy K s0 = S 2 . W rezultacie S = K s0 1/2 = 1,3 . 10 -4 mol/dm 3 .
W roztworze o pH = 8, dysocjacja kwasowa jonów Pb(H 2 O) 6 2+ jest istotna i wówczas można
zapisać, że S = [SO 4 2- ] oraz S = [Pb(H 2 O) 6 2+ ] + [Pb(H 2 O) 5 (OH) + ].
Ponieważ [Pb(H 2 O) 5 (OH) + ] = K a [Pb(H 2 O) 6 2+ ]/[H 3 O + ], w rezultacie
S = [Pb(H 2 O) 6 2+ ](1 + K a /[H 3 O + ]) czyli [Pb(H 2 O) 6 2+ ] = S /(1 + K a /[H 3 O + ]).
Stąd dochodzimy do następującej zależności pomiędzy K s0 i S :
K s0 = [Pb(H 2 O) 6 2+ ][SO 4 2- ] = S 2 /(1 + K a /[H 3 O + ]), więc S 2 = K s0 (1 + K a /[H 3 O + ]).
Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymamy S = 7 . 10 -4 mol/dm 3 . Wyznaczona wartość
rozpuszczalności jest ponad 5 razy większa niż w roztworze o pH = 4.
Alternatywny sposób rozwiązania to wykorzystanie równowagi kompleksowania opisanej stałą
trwałości β. Ponieważ [Pb(H 2 O) 5 (OH) + ] = β [Pb(H 2 O) 6 2+ ][OH - ] i S = [Pb(H 2 O) 6 2+ ] +
[Pb(H 2 O) 5 (OH) + ], to po podstawieniu S = [Pb(H 2 O) 6 2+ ] (1 + β[OH - ]). Po dalszych
93093047.001.png 93093047.002.png 93093047.003.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin