TAKÁCS  CSABA  KÉMIA  EMLÉKVERSENY,

X. - XII. osztály, I. forduló - megoldás

2010 / 2011 –es tanév, XVI. évfolyam

 

1.  As2+3S3-2 + HN+5O3 ® H3As+5O4 + H2S+6O4 + N+2O                                                 (0,5 p)

              (a)        2As+3 - 2x2e- ® 2As+5                                 (b)        3S-2 - 3x8e- ® 3S+6

           (a) + (b) = 28 e- leadás/1 mol As2S3                                                                              (1,25 p)

           (c) N+5  + 3e- ® N+2       3 e- felvétel /1 mol HNO3                                          (0,25 p)

      - a leadott és felvett elektronok számának kiegyenlítése eredményezi a redox folyamat oxidációfok változásában résztvevő vegyületek együtthatóit:

      3As2S3 + 28HNO3 ® 6H3AsO4 + 9H2SO4 + 28NO                                                          (1,0 p)

      - a fenti folyamatban a baloldalon található H- és O-atomok számai nem egyeznek meg a jobb oldalon találhatókkal:

      - baloldalon: 84 db. O-atom és 28 db. H-atom, míg jobboldalon: 88 db. O-atom és 36 db. H-atom;

      - a különbség: 4 db. O-atom és 8 db. H-atom, amely 4 H2O molekulának felel meg;(1,0 p)  

      - a helyes kiegyenlített reakcióegyenlet:  

           3As2S3 + 28HNO3 + 4H2O ® 6H3AsO4 + 9H2SO4 + 28NO                                 (0,75 p)

 

2.  a)  3HgO ® Hg2O + Hg + O2                                                                                 (0,5 p)

      b)             A lehetséges két folyamatban az egyikből a Hg2O, a másikból Hg keletkezik, és mindkét átalakulásban O2-gáz is felszabadul;                                                         (0,5 p)

           b1)      Hg+2O-2 ® Hg0 + O20                                                                           (0,25 p)

                      Hg+2 + 2e- ® Hg0  és  O-2 - 2e- ® O0                                                      (0,5 p)

                      2HgO ® 2Hg + O2                                                                                 (0,25 p)

 

              b2)      Hg+2O-2 ® Hg2+1O-2 + O20                                                                  (0,25 p)

                      Hg+2 + 1e- ® Hg+1  és  O-2 - 2e- ® O0                                                    (0,5 p)

                      2HgO ® Hg2O + 1/2O2                                                                          (0,5 p)

 

      c)   4HgO ® Hg2O + 2Hg + 3/2O2        vagy         8HgO ® 2Hg2O + 4Hg + 3O2  vagy

           6HgO ® 2Hg2O + 2Hg + 2O2          vagy         3HgO ® Hg2O + Hg + O2                 (0,75 p)

 

      d)  Hg+2O-2 ® Hg2+1O-2 + Hg0 + O20         

           Hg+2 + 1e- ® Hg+1  és  O-2 - 2e- ® O0   összesen - 1e-/mol HgO                     (0,75 p)

              Hg+2 + 2e- ® Hg0                                                                                           (0,25 p)

                           3HgO ® Hg2O + Hg + O2                                                                       (0,25 p)

           Vagy: Hg+2 + 2e- ® Hg0  és  2O-2 - 2x2e- ® 2O0   összesen - 2e-/mol HgO                            Hg+2 + 1e- ® Hg+1                     

                      3HgO ® Hg2O + Hg + O2

 

      e) A megadott 3 sztöchiometrikus egyenlet helyes a tömegmegmaradás elve alapján (egyenlet bal oldalán található atomok száma = jobboldalon található atomok számával).                  (0,75 p)

 

      f)   Az e)- és c)-pontok megoldásai azt igazolják, hogy a leírt folyamatnak több (!!végtelen sok) olyan megoldása van, amely matematikailag helyes. Ennek az a magyarázata, hogy a HgO termikus bomlásakor csak Hg + O2 keletkezik, a másik bomlási folyamat csak „papíron” van hozzáadva!                                                                                     (1,0 p)

 

3.  a)  4-etil-5-izobutil-4-izopropil-2,2,3,3,8,8,9-heptametil-6-neopentil-6-n-butil-7-n-propil-7-szekbutil-5-tercbutil-dekán                                                                     (3,5 p)

      - a főlánc megkeresése (leghosszabb egyenes lánc): 10 C-atomos                             (0,25 p)

      - a főlánc C-atomjainak számozása: az oldalláncok helyzete a szélektől azonos távolságra van, ezért az oldalláncokat tartalmazó C-atomok számának összege határozza meg az irányt: a kisebb összeg a helyes irány;                                                       (0,5 p)

       - balról jobbra: 2+2+3+3+4+4+5+5+6+6+7+7+8+8+9=79                                  (0,25 p)

       - jobbról balra: 2+3+3+4+4+5+5+6+6+7+7+8+8+9+9=86                                  (0,25 p)

 

      b) C46H94            hexatetrakontán                                                                      (0,75 p)

 

      c)   Az alkánokban a kötésszög értéke 109o28’, ezért ezek a térben zeg-zugos láncot képeznek.  A C–C kötéstávolság 0,154 nm. Ezek a szerkezeti sajátosságok nem teszik lehetővé, hogy két egymás melletti C-atomon több C-atomos oldalláncok létezzenek, mert térben gátoltak (=nem férnek el!). Pl. Egymás melletti C-atomokon: tercbutil-, neopentil-, szekbutil-, stb. gyökök. (A megadott szerkezet síkképletet jelöl, amely nem fejezi kia térbeli elrendeződést!).                                                                                                 (1,0 p)

 

4.  a)  A kevés C-atomot (kb. C1 – C6) tartalmazó alkánok az A) szerint oxidálódnak, míg a több, mint 6 C-atomosak a B) folyamatnak megfelelően oxidálódnak.                (0,75 p)

 

      b)  Az A) reakcióben keletkezett termékek a CO2 és H2O(g), míg a B) folyamatban az előző termékek mellett korom is keletkezik.                                                                    (1,5 p)

 

      c)   A nagyobb C-atomszámú alkánok esetében a több C-atom több oxigént igényel a teljes oxidációhoz, ezért hamar bekövetkezik a nem tökéletes égés (=kevesebb oxigén), amelynek során a CO2 és H2O(g) mellett korom (C szemcsék) is keletkeznek. A koromszemcsék a magas hőmérsékletű lángban felízzanak, miközben látható fényt sugároznak.                                                                                                  (2,0 p)

 

5.  a)  A kinyitáskor szétspriccol a palack, doboz tartalma.                                            (0,5 p)

     

      b)  Egy ilyen zárt rendszer kinyitásakor a benne levő nyomás lecsökken, ezért az edény falához, aljához tapadt buborékok kitágulnak és ennek a hatására a rendszerben található folyadék egy része távozik a palackból ® a „szertespriccolás” jelensége következik be.                                                                                                                 (1,5 p)

     

      c)   A jelenségnek megfelelő gáztörvényt leíró matematikai összefüggés: p1V1 = p2V2 , állandó hőmérsékleten történő változás;

           V1 – a palack térfogata;           V2 – a palackban levő anyag térfogata a kinyitás után;

           p1 – a zárt palackban a nyomás;          p2 – külső nyomás (=kinyitásután) (p1 > p2)

      A kinyitás után azért spriccol ki a folyadék, mert a fenti egyenlőség értelmében a V2 > V1 kell legyen.                                                                                                    (2,0 p)

 

      d) Boyle – Mariotte törvény; állandó hőmérsékleten egy meghatározott tömegű gáz térfogata a gáz nyomásával fordított arányban változik.                                          (1,5 p)

 

      e)  A külső mechanikai hatás (=ütögetés) következtében a kis buborékok a palack (doboz) felső részében gyűlnek össze, mivel a belső nyomás nő. Az ilyen helyzetben kinyitott palack (doboz) esetében csak a felső részben összegyűlt gáz távozik a kitágulás következtében, a folyadék pedig marad.                                                                                           (1,5 p)

 

6.  A csapvíz átlagosan 0,003% oldott levegőt tartalmaz, de a levegő oldékonysága a jégben ennél kisebb. A fagyasztóba betett jégkockatartó „rekeszeinek” felületéről indul meg a fagyás és befele tart. Ezért a jégkockák felületén képződött jégkristályok alig tartalmaznak levegőt. A fagyás befelé haladtával a víz egyre inkább telítődik a levegővel, amely viszont a jégképződés miatt a bezárt vízben marad. Amikor a maradék vízben a levegő koncentrációja eléri a 0,003 %-ot, a felesleges levegő buborékok formájában „bennmarad” a jégkockában.A víz fagyásával arányosan „hízik” a jég és egyre több buborék fejlődik.                                                                                                               (3,0 p)

 

7.  a)  (1) C46H94 + 139/2 O2 ® 46CO2 + 47H2O(g)                                                    (0,75 p)   (2) C46H94 + 93/2 O2 ® 46CO + 47H2O(g)                                                       (0,75 p)

           (3) C46H94 + 47/2 O2 ® 46C + 47H2O(g)                                                          (0,75 p)

 

      b)  - a felhasznált anyagban a tiszta C46H94 tömege, m = 22,8x85/100 = 19,38 kg , az anyagmennyisége (M=646) , n = 19380/646 = 30 mol   C46H94                              (0,75 p)

      - az (1) – (3) reakciókban felhasznált C46H94 anyagmennyisége:

           n(1) = 30/6 = 5 mól;  n(2) = 30x2/6 = 10 mól;  n(3) = 30x3/6 = 15 mól          (1,0 p)

 

      c)   - az a)-pont (3)-as egyenlete alapján: m(korom) = 15x46x12 = 8280 g korom        (0,75 p)

      - vízgőz mindhárom folyamatban keletkezik, minden esetben 1 mól C46H94 – ból 47 mól H2O, így összesen:  m = 30x47x18 = 25380 g = 25,38 kg vízgőz                                                 (1,0 p)

 

8.  a1) Rövid időn belül a kékszínű kristályos rézszulfát színe fokozatosan elhalványodik, majd fehér lesz:   CuSO4▪5H2O ® CuSO4 + 5H2O(g)                                             (1,0 p)

 

      a2) Az előző folyamatban keletkezett fehér CuSO4 a hozzáadott víz hatására ismét kék színű lesz:  CuSO4 + 5H2O ® CuSO4▪5H2O                                                                  (0,75 p)

      Az a1) és a2) folyamatok színváltozásai azt igazolják, hogy a CuSO4 kristályrácsába vízmolekulák tudnak beépülni (1:5 mólarányban) és ez olyan szerkezetváltozást idéz elő, amely más hullámhosszú fénysugarakat nyel el, ezért megváltozik a látható színe az anyagnak.                                                                                                               (0,75 p)

 

      a3) Rövid időn belül az alma, illetve a „pityóka” felületére tett fehér színű CuSO4 fokozatosan kezd megkékülni. A jelenség azt bizonyítja, hogy az alma is, a burgonya is vizet tartalmaz (további válasz az a2)-pontban).                                                          (1,0 p)

 

      b)  Az univerzális indikátorpapír színe mindkét esetben megváltozik. A színskála alapján az alma savasabb jellegű, mint a burgonya (pH –alma < pH -burgonya). (A savasságra vonatkozó eredmény várható volt, mert az alma egy savas anyagot, ún. almasavat tartalmaz!)       (0,75 p)

 

9.  a)                                                                                                                     (3,0 p)

5

8

2

9

3

1

4

6

7

  b)

 

C3H8 – propán, 1 izomér;              (0,3 p)

 C15H32 – pentadekán, 4347 izomér;

                                                     (0,45p)

  C20H42 – ejkozán, 366319 izomér;

                                                    (0,45 p)

C25H52 – pentakozán, 36.797.588 izomér;

                                                      (0,6 p)

  C30H62 – triakontán, 4.111.846.763

    izomér;                                   (0,7 p)

  C35H72 – pentatriakontán,   

  493.782.952.902 izomér;            (1,0 p)

 

  C40H82 – tetrakontán,

62.481.801.147.341 izomér;         (1,0 p)

   2

    4

4

8

3

3

7

6

7

   7

                        (0,45 p)pták ketten és 18 alkalommal kapták hárman a kémiai Nobel - díjat.k, sokkal fejlettebb elektroni1

3

6

4

5

2

8

9

8

8

1

3

9

4

7

0

0

6

4

9

7

2

8

1

3

5

3

7

1

2

2

8

1

9

1

2

3

8

5

9

6

7

4

1

0

2

2

1

1

5

9

5

1

4

9

6

1

7

3

5

2

8

8

4

7

5

5

5

1

4

6

1

5

7

4

8

2

3

9

6

3

8

2

8

2

2

5

7

2

8

2

5

3

6

7

9

1

4

4

3

4

2

4

9

3

2

3

3

7

4

8

1

9

6

5

2

3

0

0

8

4

4

9

6

6

9

6

1

2

5

4

8

7

3

  1

3

3

6

7

6

1

2

6

 

      CSAK  XI.-XII. OSZTÁLYOS  VERSENYZŐKNEK KÖTELEZŐ FELADATOK:

 

      10.           a)        A grafénnel kapcsolatos kutatási eredményekért kapta két orosz származású fizikus:

           Andrej Geim (holland állampolgár) és Konsztantyin Novoszelov (brit-orosz állampolgár).  (1,0 p)

 

      b)  A grafén az utóbbi évek „sztárja” az anyagtudományban, mivel egy teljesen új „matéria”, amelynél vékonyabbat és erősebbet eddig nem ismertünk.                                  (0,25 p)

      A grafén egyetlen atom vastagságú grafitréteg (amely nem más mint egy kitekert C-nanócső), amelyebn a C-atomok hatszöges rács csomópontjain helyezkednek el 0,14 nm távolságra egymástól.                                                                                        (0,5 p)

      A grafént műanyaggal keverve kiváló tulajdonságú anyagok állíthatók elő, amelyek vezetik az áramot, erősek, könnyűek, a hőnek jól ellenállnak. Elektromos vezetőképessége a rézéhez hasonló, hővezetése pedig minden más anyagénál jobb. Majdnem teljesen átlátszó, de mégis olyan tömör, hogy a legkisebb gázatom sem képes áthaladni rajta.                                                                                                       (1,0 p)

 

      c)   Egy amerikai elméleti fizikus (P.R.Wallace) már 1940-es évek végén kiszámolta az egy atom vastagságú grafitréteg elektronszerkezetét, de hosszú ideig lehetelennek tartották ennek az anyagnak a valós létét. Az 1990-es évek elején katalízissel foglalkozó szakemberek figyeltek fel először arra, hogy ultranagy vákuumu berendezéseikben egy monoréteg grafit vált ki. (A jelenség őket bosszantotta, mert tönkretette a katalizátoraikat, más kutatók előtt viszont hihetetlen kutatási területet nyitott meg.) A tudományos közösség 2003-2004 körül kezdett el intenzíven foglalkozni a grafénnel.                                             (1,0 p)

 

      d)   A grafit ceruzákban is használt közönséges grafitból állították elő. (Ragadós szalagot használtak arra, hogy egy atomnyi réteget „nyújtsanak” az anyagból.)                                (0,25 p)

 

      e)   Átlátszó és jó vezető, ezért alkalmas lesz érintőképernyők, fénypanelek, napelemek gyártására. Új elektronikai termékek keletkezhetnek. A jövőben űreszközök, repülőgépek, autók anyagában is találkozhatunk vele. A kétdimenziós C-réteggel végzett kísérletek lehetővé teszik a fizikusoknak azt, hogy kvantumfizikai jelenségeket tanulmányozzanak rajta, stb.                                                                               (1,0 p)

 

      f)   Richard F. Heck (AEÁ), Negisi Ei-icsi (japán származású, AEÁ) és Szuzuki Akira (Japán) – kémikusok, akik új és hatékony módon kapcsolták egybe a C-atomokat; ezt a „keresztkapcsolás”-nak nevezett folyamatot palládium katalizátor segítségével oldották meg.

                                                                                                                               (1,25 p)

      g)   Az új C – C kötés kialakítása a szintetikus szerves vegyületek előállításának fő problémája. Egyszerűbb molekulák esetében ez eddig is megoldható volt (a Grignard-, Wittig-reakciók, stb. használatával), de bonyolultabb molekulák építésénél az ismert reakciótípusok során túl sok nem  kívánt melléktermék keletkezett. A palládium által katalizált keresztkapcsolásoknál éppen az említett hátrányosság szüntethető meg, mivel a C-atomok egy Pd-atomon „találkoznak” és ez a közelség beindítja a kívánt kémiai folyamatot.                                                                                            (1,5 p)

      (Megj. „A szerves kémia a teremtés művészetévé vált a három tudós munkásságának köszönhetően. Kutatásaiknak az egész emberiség a haszonélvezője, hiszen az eljárásnak köszönhetően új gyógyszerek, sokkal fejlettebb elektronikai eszközök és technológiai anyagok jelentek meg. A Nobel-díj bizottság a napjainkban létező legfejlettebb vegyészeti eljárások egyikét ismerte el.” – emelte ki a Nobel – bizottság közleménye.)

 

      h) Egyszerűbben Pd-katalizált keresztkapcsolás, illetve a terület úttörőiről: Heck – Negisi- és Suzuki – reakció.                                                                                         (0,5 p)

 

      i)    102. alkalommal osztották ki 2010-ben a kémiai Nobel-díjat.                                        (0,2 p)

           8 alkalommal nem osztották ki: 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 és 1942.

                                                                                                                               (0,8 p)

      j)   62 – en kaptak egyedül, 22 alkalommal kapták ketten és 18 alkalommal kapták hárman a kémiai Nobel – díjat.                                                                                 (0,75 p)