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

.