51. Ogólnopolski Konkurs Chemiczny im. prof. A. Swinarskiego
Etap II
Zadanie A (15 pkt)
Dla następujących reakcji podano odpowiednie stałe równowagi:
a) Oblicz rozpuszczalność Cu(OH)
2
(w mol/dm
3
) przy pH = 8.
b) Określ, czy wytrąci się osad, gdy zmiesza się 20,0 cm
3
roztworu CuSO
4
o stężeniu 0,0010 mol/dm
3
z 50,0 cm
3
roztworu NaOH o takim samym stężeniu molowym. Przedstaw obliczenia
uzasadniające odpowiedź.
c) Roztwór zawierający kompleks Cu(NH
3
)
4
2+
o stężeniu 0,001 mol/dm
3
i amoniak o stężeniu 0,1
mol/dm
3
rozcieńczono dziesięciokrotnie. Jak (wzrośnie, zmaleje, pozostanie bez zmian) i ew. o ile
zmieni się stężenie wolnych jonów Cu
2+
w wyniku rozcieńczenia?
d) Napisz równanie reakcji między Cu(OH)
2 (s)
a wodnym roztworem NH
3
i na tej podstawie napisz
wyrażenie na stałą równowagi tej reakcji, uwzględniając tam gdzie to możliwe podane stałe.
e) Opisz, co zaobserwujesz, gdy do roztworu jonów Cu
2+
o stężeniu 0,10 mol/dm
3
będzie się
dodawało kroplami roztwór wodny amoniaku o stężeniu 5,0 mol/dm
3
.
Zadanie B (15 pkt)
Ogniwo Daniella wynalezione zostało w roku 1836 przez angielskiego chemika Johna F. Daniella
i zbudowane jest dwóch połączonych kluczem elektrolitycznym półogniw. Jedno składa się z blaszki
cynkowej zanurzonej w roztworze jonów Zn
2+
, drugie z blaszki miedzianej zanurzonej w roztworze
jonów Cu
2+
. Wiedząc, że potencjały standardowe tych półogniw wynoszą odpowiednio
E°(Cu|Cu
2+
) = 0,337V i E°(Zn|Zn
2+
) = -0,763V oraz aktywności jonów miedzi(II) i cynku(II) w
odpowiednich półogniwach wynoszą
3
,
0
2
Cu
a
i
02
,
0
2
Zn
a
a) zapisz równania reakcji połówkowych zachodzących półogniwie katodowym i anodowym w czasie
procesu prądotwórczego,
b) napisz schemat ogniwa Daniella zgodnie z konwencją sztokholmską,
c) oblicz potencjały półogniw w oparciu o równania Nernsta,
d) wylicz wartość siły elektromotorycznej tego ogniwa,
e) podaj przykłady trzech innych znanych ogniw galwanicznych i napisz, z czego zbudowana jest w
nich katoda i anoda.
Zadanie C (15 pkt)
Do metod oznaczania stężenia alkoholu etylowego we krwi obok chromatografii gazowej i metod
enzymatycznych należą metody chemiczne, wykorzystujące reakcje utleniania-redukcji. Reakcja
etanolu z dichromianem (VI) potasu wykorzystywana jest również w niektórych alkotestach
chemicznych do oznaczania zawartości alkoholu w wydychanym powietrzu.
a) Napisz (jonowo) równania reakcji połówkowych, a następnie zbilansowane równanie sumaryczne
reakcji między etanolem i dichromianem (VI) potasu, wiedząc, że produktami są kwas etanowy i
Cr
3+
.
b) Alkotest jednorazowego użytku składa się z plastikowego worka pojemności 1 dm
3
i rurki
szklanej, zawierającej nasączone roztworem kwasu kryształy dichromianu (VI) potasu.
Napełniony powietrzem worek łączy się z rurką. W zależności od zawartości alkoholu w
wydychanym powietrzu odpowiednia ilość kryształów zmienia zabarwienie.
i) Napisz, na podstawie równania reakcji z p. a), na jaki kolor zabarwi się zawartość rurki, gdy w
badanym powietrzu znajdzie się etanol?
ii) W polskich przepisach dopuszczalna dla kierowców ilość alkoholu we krwi wynosi 0,2
promila. Jakiej ilości alkoholu w wydychanym powietrzu odpowiada ta wartość, jeśli w
temperaturze ciała stężenie alkoholu we krwi jest około 2100 razy wyższe niż w wydychanym
powietrzu? Wynik podaj w g na 1000 cm
3
powietrza.
iii) Zakładając, że wspomniany alkotest powinien być w stanie zmierzyć co najmniej trzykrotne
przekroczenie dopuszczalnego limitu, oblicz jaką minimalną masę dichromianu (VI) potasu
powinna zawierać rurka alkotestu.
c) Wśród elektronicznych alkomatów funkcjonujących na rynku istnieją alkomaty
elektrochemiczne, z sensorami działającymi jako ogniwa paliwowe. Ogniwo takie składa się z
elektrod platynowych, przedzielonych membraną protonowymienną. Uzupełnij schemat takiego
ogniwa, dopisując reagenty ulegające przemianie na elektrodach. Narysuj strzałką kierunek
przepływu H
+
. Napisz reakcje elektrodowe, przyjmując dla uproszczenia, że etanol utlenia się
tylko do kwasu etanowego, a utleniaczem jest tlen z powietrza.
Zadanie D (15 pkt)
Polikondensacją w chemii polimerów nazywa się reakcję, w której ze związków małocząsteczkowych
powstają nowe, większe cząsteczki, z wydzieleniem cząsteczek związku prostego, jak: H
2
O, HCl, NH
3
itp. Jeżeli substraty reakcji zawierają po dwie lub więcej grup funkcyjnych, to istnieje możliwość
wiązania się ich w makrocząsteczki o budowie liniowej lub usieciowanej. Tą drogą otrzymuje się np.
poliestry lub poliamidy, stosowane np. jako włókna w przemyśle tekstylnym. Wielkość cząsteczek
otrzymanego polimeru zależy od warunków prowadzenia procesu i można ją do pewnego stopnia
kontrolować przez zastosowanie odpowiednich procedur.
a) Napisz ogólne równanie reakcji otrzymywania poliestów z kwasu dikarboksylowego HOOC-R
1
-
COOH oraz diolu HO-R
2
-OH.
b) Napisz wzór półstrukturalny nylonu-6,6 otrzymanego w wyniku polikondensacji równomolowej
mieszaniny kwasu adypinowego (kwas heksano-1,6-diowy) i heksametylenodiaminy (1,6-
heksylenodiaminy). Co jest produktem małocząsteczkowym tej reakcji?
c) Długość otrzymanych łańcuchów polimerowych określa tzw. średni stopień polimeryzacji X. Jest
to liczba, określająca z ilu merów składa się średnio łańcuch polimeru. Znając masę członu
polimeru, otrzymanego w p.b, oblicz średnią masę cząsteczkową poliamidu, jeśli średni stopień
polimeryzacji X wyniósł 48,5. Uwaga: pamiętaj o grupach funkcyjnych na końcach łańcucha.
Pt
Pt
katoda
anoda
…………..
…………..
…………..
…………..
Membrana protonowymienna
e
-
e
-
(substrat/y)
(produkt/y)
(produkt/y)
(substrat/y)
d) Inną metodą otrzymywania np. poliamidu-6 jest bezpośrednia polimeryzacja z otwarciem
pierścienia. Napisz równanie reakcji otrzymywania poliamidu-6 z kaprolaktamu (azepan-2-on,
laktam kwasu -aminokapronowego), który jest pierścieniowym związkiem o wzorze
sumarycznym C
6
H
11
NO. W równaniu stosuj wzory półstrukturalne.
e) Zaproponuj przynajmniej jedną metodę na odróżnienie włókna poliestrowego od poliamidowego.
Zadanie E (20 pkt)
Aldehydy i ketony ze względu na obecność spolaryzowanej grupy karbonylowej są związkami
reaktywnymi chemicznie. Między innymi reagują z pochodnymi amoniaku i hydrazyny zgodnie z ogólnym
schematem:
R’COR’’ + H
2
NX
R’C(=NX)R’’ + H
2
O
gdzie
R’: dowolna reszta węglowodorowa,
R’’: wodór lub dowolna reszta węglowodorowa,
X: – OH, -NH
2
, -NHR; -NHCONH
2
.
Drugim typowym przykładem są reakcje przyłączenia do grupy karbonylowej innego połączenia
karbonylowego. Najczęściej reakcje te zachodzą w środowisku zasadowym i polegają na przyłączeniu cząsteczki
aldehydu (ketonu) do grupy karbonylowej drugiej cząsteczki aldehydu (ketonu). Reagujące cząsteczki mogą być
takie same lub różne. Cechą charakterystyczną tej reakcji jest fakt przyłączenia węgla α aldehydu (ketonu) do
karbonylowego atomu węgla drugiej cząsteczki aldehydu (ketonu). Produkt tej reakcji nosi nazwę aldolu i nazwa
ta jest również używana do określenia samego procesu (kondensacja aldolowa). Przykładem jest reakcja dwóch
cząsteczek etanalu w środowisku zasadowym prowadząca do 3-hydroksybutanalu (aldolu):
CH
3
CHO + CH
3
CHO
CH
3
CH(OH)CH
2
CHO
Imbir
jest
znaną
i
cenioną
od
tysięcy
lat
przyprawą
i
substancją
leczniczą.
Jednym z wielu aktywnych składników kłączy imbiru jest podstawiona pochodna n-butanu o nazwie zwyczajowej
ZINGERON.
Analiza elementarna tego związku wykazuje obecność 68,04% C i 7,22% H. Zingeron ulega
reakcji nitrowania, reaguje z roztworem chlorku żelaza(III) oraz 2,4-dinitrofenylohydrazyną nie dając
jednocześnie pozytywnej próby Trommera. Między innymi można go otrzymać z alkoholu
wanilinowego (4-hydroksy-3-metoksy-fenylo-metanolu).
Na podstawie analizy tekstu i odpowiednich obliczeń:
a) Obliczyć wzór sumaryczny zingeronu.
b) Narysować wzór strukturalny zingeronu.
c) Przedstawić w punktach pełny tok rozumowania, który doprowadził do ustalenia struktury
składnika kłączy imbiru.
d) Zapisać równanie reakcji zingeronu z 2,4-dinitrofenylohydrazyną.
e) Przedstawić schemat czteroetapowej syntezy zingeronu stosując jako substraty tylko dwa związki
organiczne: alkohol wanilinowy oraz aceton. Typy przemian i stosowne odczynniki wybrać z
podanych poniżej. Każdy z etapów opisać podając nad strzałką nazwę przemiany a pod
strzałką stosowane reagenty.
Uwaga: w równaniach nie stosować wzorów sumarycznych.
TYPY REAKCJI:
addycja; alkilowanie; aminowanie; aromatyzacja; arylowanie; bromowanie; bromowodorowanie;
borowodorowanie; cyklizacja; chlorowanie; dehydrogenizacja; dekarboksylacja; dimeryzacja; diazowanie;
eliminacja; epoksydacja; estryfikacja; hydroliza; hydroksylowanie; izomeryzacja; kondensacja; kondensacja
aldolowa; mieszana kondensacja aldolowa; nitrowanie; nitrozowanie; odwodnienie; odwodornienie;
podstawienie; przyłączanie; polikondensacja; polimeryzacja; przegrupowanie Beckmanna; racemizacja;
redukcja; saponifikacja; substytucja; sulfonowanie; utlenianie; uwodornienie; wodorowanie; zmydlanie.
REAGENTY:
B
2
H
6
/THF; Br
2
; Br
2
/CCl
4
; Cl
2
; n-C
4
H
9
Br/AlBr
3
; n-C
4
H
9
Br/THF; t-C
4
H
9
OK/t-C
4
H
9
OH; CH
3
CO
3
H/CH
2
Cl
2
;
C
2
H
5
OH/H
2
SO
4
; p-CH
3
C
6
H
4
SO
3
H; CH
2
N
2
/(C
2
H
5
O)
2
; dichromian(VI) pirydyny/CH
2
Cl
2
; DMSO/ogrzewanie;
H
2
/kat; H
2
, HBr/ligroina; H
2
SO
4
rozc.; HNO
3
/H
2
SO
4
; I
2
; KNH
2
/NH
3(c)
; kompleks pirydyny z CrO
3
/CH
2
Cl
2
;
kompleks pirydyny z SO
3
; KCN/DMSO; KHSO
3
; KHSO
4
; KMnO
4(aq)
; Li/NH
3(c)
; LiAlH
4
/(C
2
H
5
)
2
O;
NaNO
2
/HCl
(aq)
; NaOH
(aq)
lub KOH
(aq)
, NOCl; NaBH
4
/CH
3
OH; PCl
5
; oleum; PhCl/AlCl
3
; platyna, pallad, tlenki
molibdenu i chromu/temp., ciśnienie; SOCl
2
.