Theorie Lösungen

40. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2014
Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
𝟏𝟎
Problem A - 10 rp ≙ 26 bp; 𝒇 = 𝟐𝟔
Multiple Choice
1.
a NaCl
b FeSO4
c
CH3COOH
d CH3CH2OH
e
K2CO3
1,5bp
2.
a AgNO3
b CH4O
c
CNa2O3
d C2H3Cl
e
C2H6O
1,5bp
3.
a Chlor
b Fluor
c
Natrium
d Phosphor
e
Beryllium
2bp
4.
a NH3(aq)
b HCl(aq)
c
NaOH(aq)
d KCl(aq)
e
Na2SO4(aq)
2bp
5.
a Fe3+
b Ni2+
c
Ti4+
d V2+
e
Mn2+
2bp
6.
a Cu
b Cu und Sn
c
Mg
d Mg und Zn
e
Zn und Sn
2bp
7.
a 6,02·1023
b 4,93·1022
c
9,43·1022
d 3,94·1022
e
3,49·1022
3bp
8.
a 105,4
b 201,3
c
242,5
d 284,7
e
303,6
3bp
9.
a CH4
b C2H4
c
C2H6
d C3H8
e
C3H6
3bp
10.
a 7,4·10-5
b 5,9·10-5
c
4,7·10-5
d 3,7·10-5
e
1,85·10-5
3bp
11.
a 8,88
b 4,45
c
0,296
d 0,0741
e
0,148
3bp
𝟏𝟒
Problem B – 14 rp ≙ 35 bp; 𝒇 =
𝟑𝟓
Arsen und Spitzenhäubchen
a)
Geben Sie die Oxidationszahl von Arsen in As2O3 an: +3
1bp
b) Geben Sie die Namen oder Symbole der Elemente X und Y sowie die Formel von
Misspickel an. Begründen Sie, indem Sie die Berechnung zeigen.
X: Fe
1bp
Berechnung:
M(Arsenkies) =
Y: S
g
(<
mol
g
M(X) = 162,8 · 0,343 = 55,85 mol
g
M(Y) = 162,8 · 0,1969 = 32,06 mol
c)
74,91
0,4601
1bp
= 162,8
Misspickel: FeAsS
1bp
200)
Geben Sie die Formeln von A , B, C und D an.
A: Fe2O3 1bp
B: SO2 1bp
C: SO3 1bp
D: H2SO4 1bp
d) Geben Sie eine abgestimmte Gleichung für das Rösten von Arsenkies an:
2 FeAsS + 5 O2 → Fe2O3 + As2O3 + 2 SO2
Finale Version vom Jänner 2014
1
2bp
40. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2014
Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
e)
Geben Sie eine abgestimmte Gleichung für die Bildung der Säure H3AsO3 aus As2O3 an:
As2O3 + 3 H2O → 2 H3AsO3
1,5bp
f)
Zeichnen Sie eine LewisStruktur für die Säure:
2bp
g)
Welche Geometrie erwarten Sie rund um das As-Atom:
linear, trigonal pyramidal, quadratisch planar,
tetraedrisch oder oktaedrisch?
trigonal pyramidal
1,5bp
h)
Welche zwei der angegebenen Verbindungen können in dieser Weise eingesetzt werden?
Kreisen Sie die beiden Strukturen ein.
1bp
1bp
i)
Für den Einsatz in der Medizin ist gute Wasserlöslichkeit wünschenswert. Welche der
beiden Verbindungen von vorher bleibt unter diesen Voraussetzungen noch? Schreiben
Sie einen Buchstaben aus a) bis e):
c)
1,5bp
j)
Geben Sie abgestimmte Gleichungen für folgende Vorgänge in dieser Apparatur an,
die Erzeugung von Wasserstoff:
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2
1,5bp
die Reduktion von Arsenik zur Arsen-Wasserstoffverbindung:
As2O3 + 6 H2 → 2 AsH3 + 3 H2O
2,5bp
die Thermolyse dieser Verbindung: 2 AsH3 → 3 H2 + 2 As
1,5bp
die Reaktion in der Wasserstoff-Flamme:
1bp
k)
2 H2 + O2 → 2 H2O
Welche Masse Arsen waren in der Leiche? Zeigen Sie die Berechnung!
Um welchen Faktor war die nachgewiesene As-Masse höher als normal?
m(As) = 2,09 g
2bp
Faktor: 298
Berechnung:
105
Im Magen: 0,0365 ∙ 0,525 = 7,3 𝑚𝑔
In der Leiche: 7,3 ∙
30000
105
= 2,0857 𝑔
0,0001 Promille von 70 kg: 70000 ∙ 1 ∙ 10−7 = 7 ∙ 10−3 𝑔
2,086
= 298
7∙10−3
Finale Version vom Jänner 2014
2
1bp
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Landeswettbewerb, Mai 2014
Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
l)
Wenn 100 mL der fertigen Medizin einzunehmen sind, bis zu welcher Potenz ist die
Urtinktur zu verdünnen, damit die verabreichte Dosis nur 1/100 der tödlichen Dosis
beträgt?
Potenz = D4
2bp
Berechnung:
1
100 mL der Urtinktur enthalten 2,06 g As2O3; 100 der tödlichen Dosis = 1 mg
2,06
0,001
= 2060 liegt zwischen D3 und D4
m) Berechnen Sie die Masse (in g) von As2O3, die in 100 mL der D30-Potenz von Arsenicum
Album vorhanden sind.
m = 2,06·10-30 g
2bp
Berechnung:
20,6
−29
𝑔/𝐿
30 = 2,06 ∙ 10
10
n) Wie viel Geld müsste man ausgeben, um im Mittel 1 Atom Arsen gekauft zu haben?
Preis: ≈ 2,51 Milliarden €
3bp
Berechnung:
100 mL (5 Flaschen) enthalten 2,06·10-30 g, mit M (As2O3) = 197,84 g/mol sind das
2,0825·10-32 mol As
2,0825 · 10−32 ∙ 6,0221 ∙ 1023 = 1,2541 ∙ 10−8 Atome As
5∙6,3
= 2,51176 ∙ 109
1,2541∙10−8
Finale Version vom Jänner 2014
3
40. Österreichische Chemieolympiade
Landeswettbewerb, Mai 2014
Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
𝟏𝟑
Problem C – 13 Punkte ≙ 33 bp; 𝒇 = 𝟑𝟑
Gleichgewicht und Thermochemie
1. Rund um die Essigsäure
a)
Berechnen Sie die Stoffmenge Ethin, die in diesem Ansatz umgesetzt wurde.
n (Ethin) = 5,03·104 mol
2bp
Berechnung:
𝑝∙𝑉
106400∙1155
𝑛 = 𝑅∙𝑇 = 8,314∙294,15 = 50251 mol
b)
Berechnen Sie die molare Konzentration an Essigsäure in Lösung B.
c (Essigsäure in B) = 2,34·10-2 mol/L (vereinfacht: 2,28 ·10-2 mol/L)
Berechnung:
𝐾𝐴 =
[𝐻3 𝑂 + ]2
𝑐𝐵 −[𝐻3
−5
𝑂+]
Vereinfacht:
2
=
(10−3,2 )
𝑐𝐵
−10−3,2
= 1,75 ∙ 10−5
𝐾𝐴 ≈
1,75 ∙ 10 ∙ 𝑐𝐵 − 1,1 ∙ 10−8 = 3,98 ∙ 10−7
𝑐𝐵 = 2,337 ∙ 10−2 𝑚𝑜𝑙/𝐿
c)
4bp bzw. 3bp
𝑐𝐵 =
[𝐻3 𝑂 + ]2
𝑐𝐵
2
=
2
(10−3,2 )
1,75∙10−5
(10−3,2 )
𝑐𝐵
= 1,75 ∙ 10−5
= 2,275 ∙ 10−2 𝑚𝑜𝑙/𝐿
Berechnen Sie die molare Konzentration an Essigsäure in Lösung A.
c(Essigsäure in A) = 9,35 mol/L (vereinfacht: 9,10 mol/L)
2bp
Berechnung:
1000
𝑐𝐴 = 𝑐𝐵 ∙ 2,5 = 9,35 𝑚𝑜𝑙/𝐿
d)
Geben Sie die Konzentration der Lösung A in Massenprozent an.
% A = 53,0% (vereinfacht: 51,6%)
2bp
Berechnung:
𝑐 ∗ = 𝑐𝐴 ∙ 60,0 = 561,06 𝑔/𝐿 (546 g/L)
561
𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉 = 1059 𝑔
= 0,5298 (0,5156)
1059
e)
Berechnen Sie für obigen Ansatz die Ausbeute an Essigsäure bezogen auf die eingesetzte
Menge Ethin.
Ausbeute: 26,3% (vereinfacht: 25,7%)
2bp
Berechnung:
52,98% von 1500 kg = 794,7 kg HAc (51,56% von 1500 kg = 773,37 kg HAc),
das sind 13,23 kmol (12,89 kmol)
13,23
12,89
= 0,26765 (50,251 = 0,25651)
50,251
Finale Version vom Jänner 2014
4
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Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
f)
Berechnen Sie den pH-Wert dieser Lösung C.
pH = 4,66
3,5bp
Berechnung:
90 ∙ 0,025 = 2,25 mmol HAc gemischt mit 10 ∙ 0,1 = 1,0 mmol NaOH ergeben:
1,25 mmol HAc und 1 mmol NaAc, eine Pufferlösung:
[𝐴𝑐 − ]
1
𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝐴 + 𝑙𝑜𝑔 [𝐻𝐴𝑐] = − log(1,75 ∙ 10−5 ) + 𝑙𝑜𝑔 1,25 = 4,66
g) Berechnen Sie den pH-Wert dieser Lösung D.
pH = 11,8
3,5bp
Berechnung:
90 ∙ 0,025 = 2,25 𝑚𝑚𝑜𝑙 HAc gemischt mit 30 ∙ 0,1 = 3,0 𝑚𝑚𝑜𝑙 NaOH ergeben:
2,25 mmol NaAc und 0,75 mmol OH- (OH- durch Ac- -Hydrolyse ist vernachlässigbar):
[𝑂𝐻 − ] =
0,75
120
= 6,25 ∙ 10−3
𝑚𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙
( 𝐿 )
𝑚𝑙
𝑝𝑂𝐻 = −𝑙𝑜𝑔[𝑂𝐻 − ] = 2,204
𝑝𝐻 = 14 − 𝑝𝑂𝐻
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5
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Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
2. Zersetzung von Ethen
W
Die Bildungsenthalpie des Elementes Wasserstoff ist deshalb von Null verschieden,
weil die Temperatur 1000 K und nicht 298 K beträgt.
1bp
F
Die Reaktion ist exotherm.
1bp
F
Das Gleichgewicht der Reaktion liegt rechts.
1bp
W Durch weiteres Erhöhen der Temperatur könnte man die Ausbeute verbessern.
1bp
F
Druckerhöhung führt auch zur Ausbeuteverbesserung.
1bp
W Die Reaktion verläuft unter Vergrößerung der Stoffmenge.
1bp
b) Ethen wurde in einem Autoklaven bei 1000 K und einem Gesamtdruck von 10,0 bar
gehalten, bis bei obiger Reaktion ein Gleichgewicht eingestellt hatte. Berechnen Sie die
Partialdrucke der drei Gase im Gleichgewicht.
Bedenken Sie, dass der Standarddruck mit 1 bar gegeben ist.
p(C2H4) = 9,93 bar
p(C2H2) = 3,32·10-2 bar
p(H2) = 3,32·10-2 bar
Berechnung:
𝜃
∆𝑅 𝐻1000
= 295 + 20,4 − 97,7 = 217,7 𝑘𝐽
𝜃
∆𝑅 𝑆1000
= 173 + 273 − 304 = 142
J
K
𝜃
∆𝑅 𝐺1000
= 217,7 − 1000 ∙ 0,142 = 75,7 kJ
𝐾𝑃 = exp (−
𝐾𝑃 =
75700
) = 1,11 ∙ 10−4
8,314 ∙ 1000
𝑝(𝐻2 )∙𝑝(𝐶2 𝐻2 )
𝑝(𝐶2 𝐻4 )
1,11 ∙ 10−4 =
mit 𝑝(𝐻2 ) = 𝑝(𝐶2 𝐻2 ) und 𝑝(𝐶2 𝐻4 ) = 𝑝𝐺 − 2 ∙ 𝑝(𝐻2 ) ergibt sich
𝑝2 (𝐻2 )
10 − 2 ∙ 𝑝(𝐻2 )
1,11 ∙ 10−3 − 2,22 ∙ 10−4 ∙ 𝑝(𝐻2 ) = 𝑝2 (𝐻2 )
𝑝2 (𝐻2 ) + 2,22 ∙ 10−4 ∙ 𝑝(𝐻2 ) − 1,11 ∙ 10−3 = 0
𝑝(𝐻2 ) = −1,11 ∙ 10−4 + √1,2321 ∗ 10−8 + 1,11 ∙ 10−3
𝑝(𝐻2 ) = 3,3206 ∙ 10−2 bar = 𝑝(𝐶2 𝐻2 )
𝑝(𝐶2 𝐻4 ) = 10 − 2 ∙ 3,3206 ∙ 10−2 = 9,9336 bar
Finale Version vom Jänner 2014
6
8bp
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Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
𝟕
Problem D – 7 Punkte ≙ 19 bp; 𝒇 = 𝟏𝟗
Reaktionen und Spektroskopie
Zeichnen Sie Konstitutionsformeln für die Verbindungen A bis F in die vorgegebenen Kästchen
und schreiben Sie die Zeichen A1 bis F2 zu jenen H-Atomen, die die so bezeichneten Signale in
den NMR erzeugen.
A
B
B1
A1
Br
A2
H
A3
F
B3
B2
C
F1
C1
O
C2
F2
E
C3
D
E1
D1
OH E3
H
E4
D2
E2
Je richtiger Struktur: 2bp
Zuordnungen:
A1, B1, C1, D1, E1 und F1: je 0,25bp
Alle anderen: je 0,5bp
𝟏𝟔
Problem E – 16 ≙ 41 bp; 𝒇 = 𝟒𝟏 Punkte
Synthese und Stereochemie
a)
Ermitteln Sie die Summenformel von A. Zeigen Sie die Berechnungen.
Summenformel und Berechnung:
100
𝑛(𝐴) = 192 = 0,5208 𝑚𝑚𝑜𝑙
275
= 6,25 𝑚𝑚𝑜𝑙
44
75
𝑛(𝐻2 𝑂) = 18 = 4,167 𝑚𝑚𝑜𝑙
192−(144+16)
𝑁(𝑂) =
=2 ⟹
16
𝑛(𝐶𝑂2 ) =
⟹
⟹
6,25
= 12
0,5208
4,167
=8
0,5208
⟹ 16 𝐻
2𝑂
C12H16O2
Finale Version vom Jänner 2014
⟹ 12 𝐶
3bp
7
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Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
b) Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln von Phenylalanin und die Konfigurationsformel
von natürlichem Phenylalanin.
Konstitution
Konfiguration
1,5bp
c)
2bp
Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln von B, C, H, J, K und L.
B
C
2bp
2bp
H
J
2bp
2bp
K
L
2bp
Finale Version vom Jänner 2014
2bp
8
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Landeswettbewerb, Mai 2014
Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
d) Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln von D, E, F, M, N und O.
D
E
2bp
2bp
F
M
2bp
2bp
N
O
2bp
e)
2bp
Zeichnen Sie die Konstitutionsformen von A und Methacrylsäure.
A
Methacrylsäure
2bp
Finale Version vom Jänner 2014
2bp
9
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Landeswettbewerb, Mai 2014
Theoretischer Teil
Lösungen mit Bewertung
f)
Von Verbindung K gibt es 2 Stereoisomere. Wie heißt diese Art von Isomerie?
Geometrische, cis-trans, E/Z-Isomerie (Diastereomerie)
g)
1,5bp
Zeichnen Sie die Konfigurationsformel von einem der vier Stereoisomeren von L.
Schreiben Sie zu den Asymmetriezentren die richtigen Stereodescriptoren R/S.
Eine der vier Strukturen: 4bp
h) Wie heißt der Reaktionsmechanismus für die Reaktion von D nach E?
Elektrophile Substitution
Finale Version vom Jänner 2014
1bp
10