Chemiczne łamigłówki - ebook

OD AUTORÓW

Do rąk Czytelników oddajemy zbiór różnorodnych zadań z chemii. Rozwiązywali je uczestnicy dziewięciu edycji Dolnośląskiego Konkursu Drużynowego z Chemii, odbywającego się w ramach Dolnośląskiego Festiwalu Nauki (DFN). W roku 2011, Międzynarodowym Roku Chemii, dr inż. Magdalena Piętka-Ottlik i dr inż. Elżbieta Wojaczyńska z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej, wsparte przez dr. Jacka Wojaczyńskiego z Wydziału Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego (głównego autora zadań), postanowiły zorganizować konkurs dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych z terenu Dolnego Śląska. Impreza spotkała się z przychylnym przyjęciem uczestników i wpisała się już na stałe w program DFN, znaczna część szkół uczestniczy w niej corocznie.

Poziom trudności zadań jest zróżnicowany. Przeznaczone są zasadniczo, jak można się domyślić, dla zainteresowanych chemią uczniów szkół średnich. Z niektórymi z nich poradzi sobie jednak zdolny ósmoklasista. Również studenci kierunków chemicznych i pokrewnych mogą testować swoją wiedzę i umiejętności, rozwiązując problemy zamieszczone w tej książce. Zachęcamy do zmierzenia się z nimi wszystkich, którzy mają lub mieli kiedykolwiek styczność z chemią i nie podzielają powszechnego (niestety) wyobrażenia, że jest to nauka trudna i nieciekawa. Układając zadania, staraliśmy się pokazać, że tak nie jest, sięgając po zagadnienia różnorodne i przykłady z życia codziennego. Chemia opisuje przecież otaczający nas świat oraz przemiany, których mnóstwo zachodzi nieustannie w komórkach wszystkich organizmów, a bez których życie (przynajmniej w formie, jaką znamy) nie byłoby możliwe.

Nauczyciele chemii mogą wykorzystać wybrane problemy, realizując program nauczania i podczas zajęć dodatkowych. Poruszane zagadnienia obejmują również materiał początkowych lat studiów chemicznych, przede wszystkim z zakresu podstaw chemii, ale zawierają też elementy chemii analitycznej, organicznej i fizycznej. Ze zbioru mogą zatem korzystać również nauczyciele akademiccy.

Problemy w znacznym stopniu różnią się zarówno od tych, które znajdują się w podręcznikach i zbiorach zadań, jak i zagadnień rozwiązywanych przez uczestników Olimpiady Chemicznej. Udział w niej wymaga specjalnych przygotowań, zapoznania się z określonymi liniami tematycznymi, które znacznie wykraczają poza – nawet rozszerzony – program nauczania chemii w szkołach średnich. W przypadku zamieszczonych w tym zbiorze zadań incydentalnie zdarzają się pytania wykraczające poza ten zakres (w końcu skierowane są do osób zainteresowanych chemią), jednak w zdecydowanej większości przypadków do ich rozwiązania wystarczy znajomość podstawowych pojęć, zasad i przekształceń oraz umiejętność logicznego myślenia.

Ważne: W pytaniach testowych (nr 1–16) znajdujących się we wszystkich zestawach treningowych prawidłowa jest jedna lub dwie odpowiedzi.

Forma zbioru odzwierciedla przebieg Konkursu Drużynowego z Chemii. Startują w nim dwuosobowe reprezentacje dolnośląskich liceów, które w pierwszym, półgodzinnym etapie rozwiązują indywidualnie test eliminacyjny. Wyniki partnerów są sumowane, a w trwającym godzinę finale, do którego kwalifikuje się 10 najlepszych drużyn, zawodnicy pracują już wspólnie nad książeczką zawierającą 10 bardziej rozbudowanych zadań. Biorąc do rąk niniejszy zbiorek, można potraktować część testową (zawierającą również proste zadania obliczeniowe) jako rozgrzewkę przed przystąpieniem do problemów trudniejszych.

Oryginalne zadania konkursowe zostały nieznacznie zmienione, niektóre nieco rozbudowane. Pytania, które nawiązywały do wysłuchanego przez zawodników wykładu, zostały zastąpione innymi. Dołączyliśmy również dziesiąty zestaw, przeznaczony na konkurs, który miał się odbyć w 2020 roku, ale został odwołany z powodu ograniczeń wywołanych pandemią. W drugiej części zbioru znajdują się rozwiązania zadań, pokazujące też przykładowy schemat rozumowania, a także komentarze do niektórych poruszanych zagadnień.

Życzymy udanych zmagań z zamieszczonymi zadaniami, mając nadzieję, że będą dla Państwa źródłem przyjemności i satysfakcji.

Jacek Wojaczyński

Elżbieta WojaczyńskaKONWENCJE STOSOWANE W KSIĄŻCE

W książce stosujemy konsekwentnie zapis jednostek złożonych, np. gęstości w postaci g · cm–3, masy molowej g · mol–1 oraz stężenia molowego mol · dm–3 (z reguły ta ostatnia zapisywana skrótowo jako M).

Równowagi kwasowo-zasadowe rozpatrywaliśmy na gruncie teorii Brønsteda-Lowry’ego: kwas jest według niej donorem, a zasada – akceptorem jonu wodorowego, a ich reakcje z wodą prowadzą do powstawania odpowiednio jonów oksoniowych H3O+ i wodorotlenkowych OH–. Ponieważ stężenia roztworów na ogół nie przekraczają 0,1 M, do obliczenia pH można stosować wzór uproszczony:

pH = –log

Stosowaliśmy uproszczony zapis wyrażeń opisujących stałe równowagi (bez tzw. standaryzacji), traktując je jako bezwymiarowe. W obliczeniach dotyczących gazów przyjęliśmy, że zachowują się jak gazy idealne.

Obok systematycznych nazw związków chemicznych w zadaniach pojawiają się zakorzenione w języku nazwy zwyczajowe, takie jak dwutlenek węgla, kwas octowy, aceton. W rozwiązaniach zadań struktury związków organicznych przedstawione są za pomocą wzorów szkieletowych. Pomija się w nich atomy węgla (są obecne w każdym miejscu załamania łańcucha i na jego końcach) i przyłączone do nich atomy wodoru (ich liczbę łatwo ustalić, pamiętając o czterowiązalności węgla). Atomy innych pierwiastków są uwidocznione wraz z przyłączonymi do nich atomami wodoru. Dwa proste przykłady pokazane na rysunku 1 powinny ułatwić zrozumienie tych wzorów i posługiwanie się nimi.

Rys. 1. Szkieletowe wzory związków organicznych i pełne wzory strukturalne, które im odpowiadająZESTAW 1

Zadania treningowe

1.1. Wskaż zbiór lub zbiory pierwiastków chemicznych, których wszystkie izotopy są radioaktywne:

a) Am, Cm, Fm, Pm

b) Ar, Er, Pr, Sr

c) Ta, Tb, Te, Tl

d) Ra, Rf, Rg, Rn.

1.2. Uczony, którego nazwisko wymawia się tak, jak polskie nazwy dwóch pierwiastków chemicznych, był narodowości:

a) francuskiej,

b) szwedzkiej,

c) duńskiej,

d) niemieckiej.

1.3. Związek chemiczny, którego potoczna nazwa kojarzy się z dawaniem i państwem w Afryce ma wzór:

a) H2S

b) NH3

c) CO2

d) CO.

1.4. Naczynia szklane, w których prowadzi się reakcje chemiczne, ale również przygotowuje roztwory o dokładnie znanym stężeniu, to:

a) kolby,

b) zlewki,

c) pipety,

d) retorty.

1.5. Konfiguracja elektronowa jonu X3+ jest następująca: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d10. Gdzie w układzie okresowym znajduje się pierwiastek X? Masz do wyboru:

a) w 4 okresie, w grupie 10,

b) w 4 okresie, w grupie 13,

c) w 5 okresie, w grupie 15,

d) w 5 okresie, w grupie 13.

1.6. Wskaż związek o najmniejszej zawartości procentowej chloru:

a) chloroform,

b) chlorofil,

c) chlorowodór,

d) chlorometan.

1.7. Jakie jest stężenie procentowe roztworu HCl, jeśli 80% masy roztworu stanowi tlen?

a) 5%

b) 10%

c) 15%

d) 20%.

1.8. W reakcji wymiany podwójnej:

a) suma współczynników po lewej stronie równania jest zawsze taka sama, jak suma współczynników przy produktach,

b) zawsze wydziela się ciepło,

c) mogą brać udział tylko substancje nieorganiczne,

d) często możliwe jest przekształcenie produktów z powrotem w substraty.

1.9. Mieszaninę alkoholu etylowego i wody zawierającą 40% obj. etanolu pozostawiono w otwartym naczyniu w temperaturze pokojowej. Po pewnym czasie:

a) zawartość procentowa etanolu zwiększyła się,

b) skład procentowy nie uległ zmianie, zmniejszyła się tylko objętość mieszaniny,

c) stężenie etanolu zmniejszyło się,

d) nie można stwierdzić, jak zmienił się skład, nie znając początkowej ilości mieszaniny.

1.10. Związek o dwóch centrach stereogenicznych (tzw. asymetrycznych atomach węgla):

a) skręca płaszczyznę polaryzacji światła o dwukrotnie większy kąt niż związek z jednym centrum stereogenicznym,

b) skręca płaszczyznę polaryzacji światła o kąt większy, ale niekoniecznie dwukrotnie, niż związek z jednym centrum stereogenicznym,

c) jest zawsze optycznie nieaktywny, bo skręcalności wynikające z obecności dwóch centrów się znoszą,

d) może być chiralny (optycznie aktywny) lub achiralny.

1.11. Którą z reakcji dimeryzacji można zaliczyć do procesów redukcji?

a) przekształcenie CrO42– w Cr2O72– pod wpływem kwasu,

b) przejście NO2 w N2O4 w wyniku obniżenia temperatury,

c) przekształcenie cysteiny w cystynę,

d) otrzymywanie bifenylu (C6H5–C6H5) z benzenu,

e) reakcję Wurtza, w której z 1-bromopropanu powstaje n-heksan.

1.12. Wskaż sól o najmniejszej zawartości procentowej tlenu:

a) NaNO2

b) NaNO3

c) Na2CO3

d) Na2SO3

e) Na2SO4.

1.13. Według teorii Brønsteda zasadą jest substancja zdolna do przyłączania jonu wodorowego. Do zasad nie zaliczymy:

a) metanu

b) wody

c) jonu HSO4–

d) jonu NH4+

e) jonu CH3O–.

1.14. Zmieszano roztwór NaCl o stężeniu 10% z roztworem 20% tej soli. Powstały roztwór ma na pewno stężenie:

a) 30%

b) 15%

c) większe niż 10%, ale mniejsze niż 20%

d) nie da się tego określić bez znajomości gęstości roztworów.

1.15. Pewien związek organiczny o wzorze C8H18 nie jest n-alkanem, lecz związkiem o budowie rozgałęzionej. Która z podanych nazw może być prawidłowa?

a) 1,6-dimetyloheksan,

b) 3-etylo-2-metylopentan,

c) 2,2-dietylobutan,

d) 3,3,3-trimetylopentan,

e) 4-propyloheptan,

f) 6-metyloheptan.

1.16. Glukoza i fruktoza są izomerami. Różni je między innymi liczba:

a) grup hydroksylowych,

b) centrów stereogenicznych (tzw. asymetrycznych atomów węgla),

c) atomów tworzących pierścień w podstawowej formie cyklicznej,

d) atomów węgla o hybrydyzacji sp2.

1.17. Kawałek cynku zanieczyszczonego tlenkiem cynku poddano reakcji z 1,25 M wodnym roztworem kwasu bromowodorowego. Do całkowitego roztworzenia próbki zużyto 128 cm3 roztworu HBr. Wydzieliło się przy tym 1,66 dm3 wodoru (w przeliczeniu na warunki normalne). Oblicz, ile ważyła roztwarzana próbka.

1.18. Złoto tworzy z fluorem kilka związków. W jednym z nich fluor stanowi 32,5%, a liczba atomów fluoru jest większa o 8 od liczby atomów złota. Ustal wzór rzeczywisty tego fluorku.

1.19. Jakie jest pH roztworu HCl, jeśli po dodaniu do 50,0 cm3 tego roztworu nadmiaru roztworu azotanu(V) srebra wytrąciło się 0,324 g AgCl?

1.20. Masa kryształku cukru (sacharozy) wynosi ok. 0,2 mg. Ile atomów wodoru mieści się w takim kryształku?

Łamigłówki

1.1. BUTLA

Stalowa butla napełniona wodorem pod ciśnieniem 2,50 MPa w temperaturze 13,0°C ma masę 42,0 kg. Identyczna butla napełniona argonem w tych samych warunkach ma masę 44,0 kg. Jaka jest pojemność butli?

1.2. SYMBOLE DALTONA

John Dalton oznaczał atomy pierwiastków kółeczkami wypełnionymi w różny sposób. Stosując oryginalne symbole Daltona, narysowano wzory 10 związków chemicznych (jeden z nich jest wzorem elementarnym, rys. 2). Podaj ich współczesne wzory chemiczne (sumaryczne lub półstrukturalne). Podaj wzór chemiczny związku, zawierającego jedynie atomy oznaczone symbolami i , wiedząc że jeden z tych pierwiastków jest w nim na swoim najwyższym, a drugi – na najniższym możliwym stopniu utlenienia.

Wszystkie pierwiastki występujące w zadaniu znajdziemy w pierwszych trzech okresach tablicy Mendelejewa.

Rys. 2. Wzory chemiczne przedstawione zą pomocą symboli Daltona

1.3. PRAŻENIE

Prażono mieszaninę złożoną wyłącznie z tlenku wapnia i węglanu wapnia. W wyniku tej operacji masa preparatu zmniejszyła się o 22%. Jaki procent wyjściowej mieszaniny stanowił węglan wapnia?

1.4. KRZYŻÓWKA Z PIERWIASTKAMI

Każdy z podanych poniżej wyrazów zawiera nazwę pierwiastka chemicznego. Część tych słów należy wpisać do diagramu w taki sposób, aby utworzyły krzyżówkę, przy czym w białe pola wpisuje się po jednej literze, a w szarych polach powinny znaleźć się symbole pierwiastków (pokazano to na przykładzie słowa zagroda).

Apolonia, arsenał, asekurant, cynaderki, czołówka, dewastator, fermentacja, franszyza, koncerz, loglina, manikiurzystka, monochromator, neonazista, neuropatia, oberkelner, oświetlenie, pacynka, paradontoza, pelargonia, skandal, sterburta, świniobicie,wibrometr, winda, wirydarz, wybory, zagroda

1.5. ZWIĄZEK A

Do 0,43 g jednofunkcyjnego, optycznie aktywnego związku A dodano odczynnik Tollensa i ogrzewano. Wydzieliło się 1,09 g czarnego osadu. Narysuj wzór strukturalny związku A.

1.6. UKŁADANKA

Z podanych sylab ułóż 8 nazw sprzętu używanego w laboratoriach chemicznych. Wszystkie sylaby powinny zostać wykorzystane.

BA BA BIU CE EK GIEL GIET KA KA KOL PE

PI RE STA SY SZCZYP TA TA TOR TY TYW

1.7. ODCZYNY

Określ odczyn (kwasowy, obojętny, zasadowy) roztworów podanych substancji, a następnie uszereguj je w kolejności wzrastającego pH. Obliczenie pH poszczególnych roztworów nie jest wymagane.

A) 0,1 M KOH, B) 0,1 M CH3COOH, C) 0,1 M K2SO4, D) 0,5 M NaOH, E) 0,2 M HCOOH, F) 0,1 M HCl, G) 0,1 M HCOOH, H) 0,1 M CH3COOH + 0,1 M CH3COONa, I) 0,1 M HCOONa, J) 0,1 M H2SO4.

1.8. REKRYSTALIZACJA

Związek A zawiera domieszkę związku B, którą można oddzielić przez rekrystalizację. Wiadomo, że w temperaturze 100°C w 100 g wody rozpuszcza się 50 g związku A i 20 g związku B, natomiast w temperaturze pokojowej w 100 g wody rozpuszcza się 1 g A i 2 g B.

Próbkę o masie 100 g zawierającą 95% związku A oraz związek B rozpuszczono na gorąco w 200 g wody, a następnie ochłodzono roztwór do temperatury pokojowej. Wydzielone kryształy odsączono, przemyto i wysuszono. Oblicz zawartość procentową związku A w wykrystalizowanym, wysuszonym preparacie.

1.9. ANALIZA

W czterech probówkach oznaczonych A, B, C, D znajdują się 0,1 M wodne roztwory następujących substancji: ZnCl2, HCl, NaCl i Na2S. W celu identyfikacji zawartości probówek uczeń zmieszał po 1 cm3 roztworów A i D; to samo zrobił z każdą parą roztworów. Obserwacje zebrał w tabeli:

--- ------------------------------------------ ------------------------- -----------------------
A B C

D Brak widocznych zmian Brak widocznych zmian Brak widocznych zmian

C Wytrąca się osad. Wydziela się gaz

Osad rozpuszcza się po dodaniu związku B o nieprzyjemnym zapachu

B Brak widocznych zmian
--- ------------------------------------------ ------------------------- -----------------------

a) Na podstawie danych z tabeli określ, co zawierała każda z probówek.

b) Napisz równania trzech zachodzących reakcji.

1.10. WĘGLOWODÓR

Stwierdzono, że związek B składający się wyłącznie z węgla i wodoru zawiera 16% wagowych H. Wiadomo, że liczba atomów węgla w cząsteczce tego związku jest liczbą pierwszą. Wyznacz wzór rzeczywisty (sumaryczny) badanego związku. Narysuj możliwe wzory strukturalne (bez uwzględniania enancjomerii). Wskaż, który z nich odpowiada związkowi B, jeśli wiadomo, że w jego cząsteczce nie ma drugorzędowych atomów węgla.