MEGOLDÁS:

X. osztály, I. forduló, 2003 / 2004 –es tanév, IX. évfolyam

 

1. a) Exoenergetikus (energia termelő), vagyis a rendszer energiát ad le a környezetének

(hő, elektromos vagy mechanikai munkavégzés formájában). (0,25 p)

  1. Jele: D H; előjele: D H < O, amely a végállapot és a kezdeti állapot közötti energiakülönbséget
  2. jelöli. (0,5 p)

  3. Az energiaminimumra való törekvés elve alapján, amelynek során az átalakulás

eredménye, a kiindulási állapothoz viszonyítva egy stabilabb állapot létrejötte. (0,5 p)

  1. A rendszerek belső rendezetlenségének mértéke: a spontán lefolyásnak kedvez, ha a rendszer rendezetlensége csökken (= rendezettsége nő). Ez az entrópiának nevezett állapothatározó, jele „S” és a folyamat végbemenetele szempontjából az entrópiaváltozás: D S > 0 kell legyen. (0,75 p)
  2. A rendszerek belső rendezetlenségének növekedése az átalakulások során (akár kémiai, akár fizikai átalakulás) azért kedvezőbb, mint a rendezettség növekedése, mert ez utóbbi olyan vonzóerőket igényel, amelyek a részecskéket közel tartják és így csökkentik a mozgási lehetőségüket. Mindenki könnyen elképzelheti a következő jelenetet: ha 20 db. egyforma golyót egyszerre elgurítunk egy helységben, minimális a valószínűsége annak, hogy mind a 20 egy sorban álljon meg; vagy: 10 fehér és 10 piros, egyforma nagyságú golyót ugyanígy elgurítunk, biztosan nem fognak 1:1 arányban váltakozva egymás mellé kerülni a golyók. (0,75 p)
  3. Ilyen esetben a két tényező együttes hatását a szabadentalpiának (G) nevezett állapothatározó fejezi ki. Izoterm és izobár állapotváltozás során a szabadentalpia változása: D G = D H – TD S. (0,5 p)

Matematikailag könnyen megállapítható, hogy ha mindkét tényező kedvező (D H < 0 és D S > 0), akkor D G < 0 és a reakció végbemegy, fordított esetben pedig (D H > 0 és D S < 0), D G > 0, az átalakulás nem megy végbe. (0,75 p)

Tehát D G < 0 esetén végbemehet a folyamat, és ha az egyik tényező kedvezőtlen (D H > 0 vagy D S < 0) a T hőmérséklet lesz a döntő tényező: (0,25 p)

2. a) XYn típusú interhalogenidek:

ClF, BrF, IF, BrCl, ICl, IBr (1,5 p)

ClF3, BrF3, IF3, I2Cl6 (=Icl3) (1 p)

ClF5, BrF5, IF5, IF7 (1 p)

  1. Az a) pontban megadott XYn összetételű képletekből következik, hogy a Br és a I egyetlen esetben sem lehet az „Y” halogén elem. Ez a tény az egyes halogénatomok térfogatával magyarázható. Az XYn molekulában az Y atom csak kis térfogatú lehet, mert ellenkező esetben sztérikusan (térben) gátolt a több atom hozzákapcsolódása az X központi atomhoz. Ígz az Y atom szerepét csak a F- és Cl-atomok képesek betölteni.
  2. (1,5 p)

  3. A fluor az a halogén elem, amely bármely vegyületben csak egy vegyértékű állapotban szerepelhet, mert az atom elektronkonfigurációja nem teszi lehetővé több elektron felhasználását kémiai kötések kialakításában. Ionos kötés esetében: az utolsó elektronhéjról csak egy elektron hiányzik az oktett konfigurávió kialakításához; kovalens kötés kialakításakor: csak p típusú félig feltöltött orbitál van a szerkezetében, és a p alhéjról szintén csak egy elektront tehet közössé. (1,5 p)

3. Az egynél több izotóppal rendelkező elemek esetében, az izotópok gyakoriságának természetes változékonyságából adódik. A változékonyság egyik oka lehet a vizsgált ásvány földrajzi eredete is. Egy másik tényező azon elemek esetében léphet fel, amelyeknek természetes izotópjai között radioaktív atommagok is találhatók, és ezeknek a gyakorisága időben változik. A változás mértéke az adott izotópok felezési idejétől függ. Néhány elem esetében ez az időbeli változás a stabilis izotópok tényleges koncentrációját is befolyásolja. (Olyan esetekben, amikor a radioaktív bomlási sorozat utolsó tagja egy stabilis izotóp). (2,5 p)

4. a) 104,5o (majdnem tetraéderes) (0,25 p)

b) Mind a négy esetben (b1 – b4) a tulajdonságok közötti összefüggés a következő: H2O < D2O < T2O . (1 p)

Magyarázat:

c) Kb. 1,385x109 km3 (0,25 p)

d) A sós víz több, mint 97,3 % és az édes víz kevesebb, mint 2,7 %. (0,5 p)

e) Bizonyos ipari folyamatok sokkal tisztább vizet igényelnek, mint az emberi fogyasztás. A nagynyomású kazánokban 99,999998 %-os tisztaságú vízre van szükség, míg az ivóvíz minőségi előírásai (Egészségügyi Világszervezet) a megengedett Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42- , stb. tartalom ez alatti tisztaságot eredményez. (1 p)

5. a) Súrlóporok, festékmaró anyagok és zsíroldók összetevője, mert vizes oldata erősen lúgos kémhatású. A NaOCl (nátrium-hipoklorit) –tal képezett komplex vegyület formájában az automata mosógépekben használt mosóporok nagyon fontos komponense; ennek a komplexnek: [(Na3PO4 . 11H2O)4 . NaCl)] vizes oldata nagyon erős lúgos kémhatású, ebből aktív klór szabadul fel és így együttesen jelentkezik a suroló, fertőtlenítő és fehérítő hatás. (1,5 p)

  1. A dihidrátot más foszfátokkal együtt egy 1916 – os szabadalom alapján emulgeáló – szerként használják a pasztőrözött ömlesztett sajt gyártása során (naponta több ezer tonnányi ilyen sajtot állítanak elő.) Sajnos a kutatók kiterjedt vizsgálatainak ellenére még mai napig nem tudják megmagyarázni, hogy a foszfátok miért viselkednek emulgeátorként. (Az elemek kémiája II. , Greenwood, Earnshaw, Budapest, 1999).
  2. Na2HPO4 – t adnak a bepárolt tejhez, hogy a tejpor ne folyósodjon el, valamint azért, hogy a pontos Ca / PO4 – arány fennmaradjon.

    Ugyanezt a vegyületet adagolják kis mennyiségben a sonka pácolásához felhasznált sóléhez, mivel pácolás utáni főzéskor segíti a hús megpuhulását és megakadályozza a kiszáradását. Ezen kívül keményítő adalékanyag segíti s vízben kialakuló gélek képződését (pl. főzés nélküli puding készítés); a keményítő tartalmú termékekhez adva enyhén lúgos pH – t biztosít, aminek következtében a reggelihez használt gabonakészítmények gyorsabban megfőnek.

    Mindezek a felhasználási területeken a Na2HPO4 puffer- és emulgeátor hatása érvényesül.

    (1,5 p)

  3. A NaHCO3 – tal együtt hashajtó pezsgőtablettákban és a kazánok tápvize pH – jának beállítására használják, mert vízben jól oldódó, savas tulajdonságú vegyület. (1.5 p)
  4. A vizes oldatának puffer-hatása miatt a gépkocsik hűtővizéhez korróziógátlóként adják, mivel a hűtővíz a fagyásgátló (etilénglikol) lassú oxidációja miatt elsavasodna. Az (NH4)2HPO4 – tal keverve az ún. kiegyensúlyozott összetételű műtrágya alkotórésze (NPK műtrágya), mivel a talaj nedvességében (vízben) jól oldódik. (1,5 p)
  5. A két foszfát nagy N- és P – tartalma, valamint vízoldékonysága miatt speciális műtrágyákban és fermentkeverékben tápanyagként használják.
  6. Az ammónium – foszfátok egy másik felhasználási területe a cellulózalapú anyagok lángmentesítőjeként történő alkalmazása, mivel ezek a vegyületek hevítés hatására könnyen NH3 – ra és H3PO4 – ra disszociálnak. (A foszforsav katalizálja a cellulóz lassan égő, szénné történő bomlását és ez a folyamat csökkenti a többi illékony és gyúlékony anyagok lángralobbanási lehetőségét.) Ezen tulajdonság alapján elsősorban függönyök, színházi díszletek, egyszer használatos papírruhák kezelésére használják. (1,5 p)

  7. A különböző összetételű kalcium – foszfátokat sütőpor összetevőként, fogkrémekben csiszoló és polírozoó anyagként, ásványi élelmiszer – adalékként, állati takarmányokban és P – tartalmú műtrágyaként használják. A sütőiparban a Ca(H2PO4)2..H2O monohidrátot NaHCO3 – tal, NaAl(SO4)2 – tal és keményítővel keverve használják, melyek melegítés hatására lassan fejlesztenek CO2 –t. Fogkrémekben a mechanikai tisztítóhatást a CaHPO4 .2H2O összetételű vegyület biztosította, de ezekben nem lehet fluorid, mert ez CaF2 formájában kicsapódik. Ezért ezt a Ca-vegyületet Ca2P2O7 – tal (kalcium-difoszfát) helyettesítették, amely az összes Ca – foszfát közül a legoldhatatlanabb. Az egyes Ca – foszfátok műtrágyaként történő felhasználása az oldhatóságukkal indokolt: a növények számára nélkülözhetetlen foszfor könnyen felszívódhat. (2,5 p)

6. A kvarc a legfontosabb felhasználása piezoelektromos anyagként történik kristály-oszcillátorokban, frekvenciavezérlő és modulálást szabályozó szűrőkben, elektromechanikus berendezésekben. (1 p)

A kvarcüveget laboratóriumi üvegedények készítésére, ultraibolya – látható spektrofotométerhez küvetták gyártására használják, mivel ennek az anyagnak nagyon kicsi a hőtágulási együtthatója és átengedi az ultraibolya fényt. (1 p)

A szilikagélt, amely az amorf SiO2 nagyon porózus változata, széles körben alkalmazzák szárítóanyagként, szelektív abszorbensként, kromatográfiás állófázisként és szigetelőként (hő- és hangszigetelésnél). Saját súlyának több, mint 40 % -át kitevő vízmennyiséget képes abszorbeálni

Amennyiben a szilikagélt kobaltsókkal adalékolják, olyan szárítószerek készíthetők, amelyek hevítéssel regenerálhatóak és színváltozással is jelzik az aktuális víztartalmat (vízmentesen kék-, míg hidratáltan rózsaszín).

Ugyancsak ezt a módosulatot csomósodás- és összetapadás-gátlóként használják az élelmiszeriparban (kakaóporban, gyümölcsital porokban, étkezési szódabikarbónában, porcukorban, fűszerekben, stb.) Ez a felhasználási lehetőség kémiai inertségének, nem mérgező és nem duzzadó tulajdonságának köszönhető.

Lakkokban, festékekben, kozmetikai szerekben, különböző műanyagokban történő felhasználása is ismeretes, mivel mutatós, sima, kellemes tapintású felületet eredményez. (3 p)

Megjegyzés: Bármilyen más, helyesen megadott felhasználási terület és az itt érvényesülő tulajdonság megnevezése is elfogadott azonos pontszám értékben.

 

  1. – a képződéshőknek megfelelő reakcióegyenletek:
  2. (1) C + 2H2 ® CH4 D H1 = - 64,8 kJ/mol (2) C + O2 ® CO2 D H2 = - 393 kJ/mol

    (3) H2+1/2O2 ® H2O D H3 = - 286 kJ/mol (0,75 p)

    (4) CH4 + 2O2 ® CO2 + 2H2O D H4 = ? (0,25 p)

    Hess – törvénye értelmében:

    D H4 = - D H1 + D H2 + 2D H3 = 74,8 – 393 – 2x286 = - 890,2 kJ hőenergia szabadul fel 1 mol metán elégetésekor. (1 p)

    Q / D H4 = 89115 / 890,2 = 100,1 mol metán (0,5 p)

    Vmetán (25o C) = 100,1x24,5 = 2452,45 dm3 = 2,45245 m3 CH4 (0,5 p)

    - tehát a feladat azért téves, mert a megadott gázelegy össztérfogata 1,2 m3 és a számadatok alapján ebben 2,4524 m3 CH4 kellene legyen!!! (1 p)

    - a reális megoldás feltételei a megadott számértékek nagyságrendi módosításával – két lehetőség van:

    a) 12 m3 gázelegy esetén: V% CH4 = 2,4524x100/12 = 20,43 tf.% CH4

    b) kevesebb felszabadult hőenergia (Q), pl. 8911,5 kJ:

    Q / D H4 = 8911,5/890,2 = 10,01 mol CH4 = 10,01x24,5 = 245,2 dm3 CH4 = 0,2452 m3 CH4 az elegyben; V% CH4 = 0,2452x100/1,2 = 20,43 tf.% CH4 (1 p)

  3. a) A színes virágszirom színe kifakul (0,25 p)
  4. b) A kén égetésével SO2 keletkezik: S + O2 ® SO2 , amely a vízzel (pohár falán és nedves virágszirmok) kénessavvá alakul: SO2 + H2O ® H2SO3 (0,75 p)

    A SO2 , illetve a kénessav erélyes redukálószer, amelynek hatására a virágfestékek elbomlanak, a színes vegyületek színtelenné válnak: 2H2SO3 + O2 ® 2H2SO4 (0,5 p)

    c) Először azért kell a pohár szájánál kevés rést hagyni, hogy az égéshez szükséges oxigén bejuthasson. Kevés idő után azért kell teljesen befedni a poharat, hogy a keletkezett SO2 – gáz ne távozhasson. Igaz, hogy a SO2 nehezebb, mint a levegő, de gázhalmazállapota miatt egy része így is távozhat a nyitott edényből. (0,5 p)

    d) A SO2 , illetve a H2SO4 redukáló tulajdonságának eredménye az erjedést gátló és csírátlanító hatása. Ez a sajátossága nyer alkalmazást ősszel a bor tárolása előtt, amikor „kénezik” a boroshordókat. (0,5 p)

    e) A kén kékes színű lánggal ég (más szín észlelése a szennyező anyagok jelenlétének tulajdonítható), amely azzal magyarázható, hogy az égés során felszabaduló energia hatására a kénatomok elektronjainak egy része gerjesztett (nagy energiájú) állapotba kerül. Ebből az állapotból az alapállapotba való visszatérést energia-felszabadulás kíséri, és ezt az energiát az anyag fény formájában bocsátja ki. (1 p)

     

     

     

  5. Fehér – fekete rejtvény megoldása

a) (4 p)

  1. „A víz keménységét a benne oldott kalcium és magnézium sók adják. Ezen fémionok eltávolítását vízlágyításnak nevezzük.” (1,5 p)
  2. A kemény vízben a szappan kicsapódik, így kisebb a tisztító hatása ilyen körülmények között;
  3. – a kemény víz nem alkalmas hüvelyesek főzésére, mert a bennük levő fehérjék kicsapódnak és a főzés során ezek a zöldségek egyre jobban megkeményednek;

    csővezetékekben és kazánokban „vízkő” formájában lerakódnak a Ca- és Mg-vegyületek; ez végül a kazán megrepedéséhez vezethet. (1,5 p)

  4. Desztillálással a víz elpárolog és a benne oldott Ca- és Mg-vegyületek visszamaradnak;

megfelelő vegyszerek hozzáadásával a Ca2+ és Mg2+ - ionok leválaszthatók és szűréssel eltávolíthatók;

ioncseréléssel a Ca2+ - és a Mg2+ - ionokat Na+ - és / vagy H+ - ionokra, az anionokat pedig HO- - ionokra cserélik ki. (1,5 p)