Jauno ķīmiķu konkurss 2012./ 2013. gads 12. klašu grupa 1. kārtas atbildes 1. Sadedzinot 6 gramus kāda organiska savienojuma ieguva 8,8 gramus oglekļa(iv) oksīda, kā arī ūdeni. Parauga sadedzināšanai patērēja 4,48 litrus skābekļa. Nosaki sadedzinātā organiskā savienojuma formulu! Uzraksti tā nosaukumu! Uzraksti, kā šo savienojumu iegūst rūpnieciskos apstākļos! Uzraksti trīs šī savienojuma izmantošanas jomas un izskaidro, kāpēc to iespējams izmantot šajā jomā! Tā kā sadedzinot šo organisko savienojumu radās tikai ūdens un ogļskābā gāze, tas nozīmē, ka organiskā savienojuma sastāvā var būt tikai ogleklis, ūdeņradis un, iespējams, arī skābeklis. Aprēķina savienojuma sastāvā esošo oglekļa daudzumu un tā masu: n(c) = n(co 2 ) = m(co 2 )/M(CO 2 ) = 8,8/44 = 0,2 moli m(c) = n(c) M(C) = 0,2 12 = 2,4 g Aprēķina skābekļa daudzumu, kas nepieciešams šo 8,8 g CO 2 iegūšanai: n(o 2 ) = n(co 2 ) = 0,2 moli Aprēķina organiskā savienojuma sadedzināšanai reāli patērētā skābekļa daudzumu: n(o 2 ) = V(O 2 )/V 0 = 4,48/22,4 = 0,2 moli Tas, ka CO 2 iegūšanai nepieciešamā un organiskā savienojuma sadedzināšanai patērētā skābekļa daudzumi ir vienādi, nozīmē to, ka organiskais savienojums bez oglekļa vēl satur ne tikai ūdeņradi, bet arī skābekli, pie kam ūdeņraža un skābekļa molārās attiecības ir tādas pašās kā ūdenī, kas ir otrs sadegšanas reakcijas gala produkts, t.i. 2 : 1. Aprēķina kopējo ūdeņraža un skābekļa masu un daudzumu organiskajā savienojumā: m(2h +O) = 6 2,4 = 3,6 g n (2H +O) = m(2h +O) /M(2H + O) = 3,6/18 = 0,2 moli Tātad šī savienojuma elementsastāvu sastāvu izsaka ķīmiskā formula C 0,2 H 0,4 O 0,2 jeb CH 2 O. Šajā savienojumā uz katru oglekļa atomu ir 2 ūdeņraža atomi un viens skābekļa atoms. Ķīmiskās formulas, kas atbilst šiem nosacījumiem, vispārīgā veidā var uzrakstīt kā (CH 2 O) n un tādas ir daudziem ķīmiskajiem savienojumiem, piemēram, metanālam (formaldehīdam) HCHO, etānskābei jeb etiķskābei CH 3 COOH, kā arī vienkāršajiem ogļhidrātiem, kuru vispārīgā formula ir C n H 2n O n, starp kuriem pazīstamākie ir glikoze C 6 H 12 O 6, fruktoze C 6 H 12 O 6, riboze C 5 H 10 O 5, galaktoze C 6 H 12 O 6 u.t.t. Katra šī savienojumu iegūšana un izmantošana plaši aprakstīta dažādā literatūrā. 2. Jodometrija ir tilpumanalīzes metode, kuras pamatā ir joda reakcija ar nātrija tiosulfātu. Uzraksti šīs ķīmiskās reakcijas vienādojumu un atrodi tā koeficientus ar kādu no Tev zināmajām oksidēšanās-reducēšanās reakciju koeficientu noteikšanas metodēm! Ilmārs
izvēlējās apgūt jodometriju, taču izrādījās, ka skolas laboratorijā joda nav. Tādi sīkumi Ilmāru nespēja aizkavēt un viņš nolēma joda vietā izmantot bromu. Ilmārs pagatavoja precīzas koncentrācijas nātrija tiosulfāta šķīdumu, kā arī aptuvenas koncentrāvijas broma šķīdumu. Titrēšanu Ilmārs atkārtoja trīs reizes un pēc tam aprēķināja pagatavotā broma šķīduma koncentrāciju, zinot reakcijā izlietotā nātrija tiosulfāta šķīduma tilpumu un precīzu tā koncentrāciju, kā arī izmantotā broma šķīduma tilpumu. Paskaidro, kāpēc Ilmārs titrēšanu atkārtoja 3 reizes! Tā kā titrēšanā izlietotie vielu tilpumi bija ļoti mazi, Ilmārs visus šķīdumus atšķaidīja 100 reizes un atkārtoti titrējot vēlreiz noteica broma šķīduma koncentrāciju. Veicot aprēķinus analoģiski kā iepriekšējā reizē izrādījās, ka atšķaidītā broma šķīduma koncentrācija nebija 100 reizes mazāka par sākotnējo un pat būtiski no tās atšķīrās. Tomēr Ilmārs ir pārliecināts, ka pareizi prot gan atšķaidīt šķīdumus, gan veikt aprēķinus. Izskaidro šo nesakritību! Ja iespējams, pamato to ar ķīmisko reakciju vienādojumiem! Jodometrijas būtību apraksta ķīmiskās reakcijas vienādojums: I 2 + 2 Na 2 S 2 O 3 Na 2 S 4 O 6 + 2 NaI (1) Titrēšanu nepieciešams atkārtot vismaz trīs reizes, lai iegūtu pēc iespējas precīzāku rezultātu. Izmantojot joda vietā bromu, var notikt reakcija, kas ir analoģiska (1) reakcijai: Br 2 + 2 Na 2 S 2 O 3 Na 2 S 4 O 6 + 2 NaBr (2) Taču broms ir ievērojami stiprāks oksidētājs nekā jods un spēj oksidēt tiosulfātjonus arī līdz sēra savienojumiem, kuros tā oksidēšanas pakāpe ir +6: 4 Br 2 + Na 2 S 2 O 3 + 5 H 2 O 8 HBr + 2 NaHSO 4 (3) Ar koncentrētākiem šķīdumiem varētu notikt (3) reakcija, bet ar stipri atšķaidītiem šķīdumiem (2) reakcija. 3. Lai noskaidrotu vai nātrija nitrāta šķīdums reaģē ar kālija hlorīda šķīdumu, Sintija uzrakstīja jonu un saīsinātos jonu reakciju vienādojumus šim ķīmiskajam procesam. Uzraksti šos vienādojumus! Uzraksti, ko Sintija varēja secināt par reakciju starp abiem sāļiem! Savus secinājumus Sintija parādīja Ilzei. Ilze teica, ka šo reakciju jau sen izmanto rūpnieciskai kālija nitrāta ieguvei: kālija nitrātu var iegūt apmaiņas reakcijā starp nātrija nitrātu un kālija hlorīdu. Noskaidro, vai Ilzei ir taisnība! Ja Ilzei taisnība, tad uzraksti jonu un saīsinātos jonu reakciju vienādojumus šim procesam un pamato šīs reakcijas norisi, kā arī aprēķini maksimālo iespējamo kālija nitrāta iznākumu šajā procesā! Vai iespējama ķīmiskā reakcija NaNO 3 + KCl KNO 3 + NaCl? Uzrakstot atbilstošo jonu vienādojumu seko, ka reakcijai ūdens šķīdumā nav jānotiek, jo gan izejvielas, gan reakcijas produkti ūdenī šķīst labi un disociē jonos: Na + + NO 3 - + K + + Cl - K + + NO 3 - + Na + + Cl - Šādu šķīdumu iztvaicējot iegūtu četru dažādu sāļu maisījumu: NaNO 3, KCl, KNO 3 un NaCl. Ir vēl otra iespēja šķīdumu var nevis iztvaicēt, bet tikai ietvaicēt, vai arī izšķīdināt abas izejvielas ūdenī augstā temperatūrā, piemēram, 100 C, iegūstot šķīdumu, kas ir piesātināts vai tuvu piesātinātam, un tad atdzesēt to līdz zemai temperatūrai, piemēram, 0 C. Temperatūrai pazeminoties, sāļu šķīdība ūdenī samazināsies un izkristalizēsies tas vai tie savienojumi, kuru
šķīdība šajā temperatūrā būs pārsniegta. Lai noskaidrotu, vai šādā var izkristalizēt KNO 3 un aprēķinātu tā iespējamo iznākumu, izmantosim datus par visu četru sāļu šķīdību ūdenī augstā un zemā temperatūrā. Tos atrodam Lurjē rokasgrāmatā, protams, var izmantot arī citas rokasgrāmatas (dažādās rokasgrāmatās dati ir nedaudz atšķirīgi). Četru sāļu šķīdība (izteikta gramos) simts gramos ūdens 0 C un 100 C temperatūrā. Sāls Šķīdība 0 C Šķīdība 100 C Izejvielas NaNO 3 73 180 KCl 27,6 56,7 Iespējamie gala produkti KNO 3 13,3 246 NaCl 35,7 39,8 Šajos aprēķinos pieņemsim, ka sāls šķīdību ūdenī neietekmē tur iepriekš izšķīdināta cita sāls, tas ir, ka 100 gramos ūdens 100 C vai izšķīdināt vienlaicīgi 180 gramus nātrija nitrāta un 56,7 gramus kālija hlorīda. No tabulas izriet, ka 0 C temperatūrā ūdenī vismazākā šķīdība ir kālija nitrātam, tātad atdzesējot 100 C pagatavoto šķīdumu, kālija nitrāts izkristalizēsies, bet attiecībā pret pārējām vielām šķīdumi varētu nebūt piesātināti. Tālākiem aprēķiniem ir ērti visu šo sāļu šķīdību ūdenī pārrēķināt molos izšķīdušās sāls 100 gramos ūdens: Sāļu šķīdība (molos) simts gramos ūdens 0 C un 100 C temperatūrā Savienojums 0 C 100 C Izejvielas NaNO 3 0,86 2,12 KCl 0,37 0,76 Iespējamie gala produkti KNO 3 0,13 2,43 NaCl 0,61 0,68 Izšķīdināsim 100 C 100 g ūdens maksimāli pieļaujamo kālija hlorīda daudzumu 0,76 molus. Kaut arī šajā šķīdumā var izšķīdināt 2,12 molus nātrija nitrāta, izšķīdināsim tikai 0,76 molus, jo abas vielas savā starpā reaģē molārajās attiecībās 1:1. Apmaiņas reakcijā varētu veidoties 0,76 moli kālija nitrāta, kā arī 0,76 moli nātrija hlorīda. Tā kā nātrija hlorīda šķīdība 100 C ir tikai 0,68 moli /100 g ūdens, iegūtais šķīdums būs pārsātināts attiecībā pret nātrija hlorīdu un jāizkristalizējas 0,76 0,68 = 0,08 moliem nātrija hlorīda. Nātrija hlorīda kristalizēšanās turpināsies arī šķīdumu atdzesējot, jo pazeminoties temperatūrai tā šķīdība nepārtraukti samazinās, kā rezultātā mēs iegūtu nevis tīru kālija nitrātu, bet ar nātrija hlorīda piemaisījumiem. Lai tā nenotiktu, ietvaicēsim šķīdumu 100 C tā, lai izkristalizētos pēc iespējas lielāks nātrija hlorīda daudzums, bet kālija nitrāta kristalizācija vēl nesāktos. Aprēķinām minimālo ūdens masu, kurā 100 C var izšķīdināt iegūtos 0,76 molus KNO 3 : 0,76*100/2,43 = 31 grams. Aprēķinām, cik daudz NaCl 100 C šķīst 31 gramā ūdens: 31*0,68/100 = 0,21 mols. Tas nozīmē, ka izkristalizēsies 0,76 0,21 = 0,55 moli NaCl, bet šķīdumā paliks 0,21 mols NaCl. Tālāk aprēķinām ūdens masu 0 C, kurā šķīst šis 0,21 mols atlikušā NaCl: 100*0,21/0,61 = 33 g. Tātad pēc NaCl izkristalizēšanas būs nepieciešams pievienot vēl 2 g ūdens. Pievienojam nepieciešamo ūdens daudzumu un atdzesējam šķīdumu līdz 0 C. Piesātināts šķīdums
šajā temperatūrā saturēs 0,13*33/100 = 0,04 molus KNO 3, tātad jāizkristalizējas 0,76-0,04 = 0,72 moliem KNO 3, kas ir 0,72/0,76*100 = 95 % no maksimāli iegūstamā kālija nitrāta daudzuma. 4. Skābekli laboratorijā var iegūt termiski sadalot dažādus ķīmiskos savienojumus, piem., dzīvsudraba(ii) oksīdu, bārija peroksīdu, kālija permanganātu, kālija hlorātu u.c. Juris apgalvo: jo lielāka skābekļa masas daļa (w) karsējamajā savienojumā, jo lielāku skābekļa tilpumu var iegūt no viena grama šī savienojuma. Turpretī Andri apgalvo: jo lielāka skābekļa masas daļa (w) karsējamajā savienojuma, jo lielāku skābekļa tilpumu var iegūt no viena mola šī savienojuma. Savukārt Aivars uzskata, ka ne Jurim, ne Andrim nav taisnība. Formulē savu viedokli un pamato to ar skaitļiem! Šoreiz taisnība ir Aivaram, jo karsējot lielāko daļu ķīmisko savienojumu skābekļa iegūšanai, ne vienmēr viss to sastāvā esošais skābeklis izdalās brīvā veidā, piem.,: 2 KMnO 4 K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 2 HgO 2 Hg + O 2 2 BaO 2 2 BaO + O 2 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 5. Eksperimentāli nosaki, kāda ir cukura šķīdība ūdenī dažādās temperatūrās! Formulē hipotēzi un izdari nepieciešamās darbības tās pārbaudei! Mērījumus veic vismaz piecās dažādās temperatūrās! Iegūtos datus attēlo grafiskā veidā! Ja iespējams, salīdzini tos ar literatūras datiem! Saglabā iegūtos datus, jo tie būs vajadzīgi arī konkursa nākošajā kārtā! Eksperimentālais uzdevums. 6. Valentīna ķīmijas grāmatā pamanīja sešu vielu formulas, nopriecājās un steidzās tās parādīt Rūdim, apgalvojot, ka tās visas ir skābes. Rūdis tūdaļ iebilda, teikdams, ka ne visas šīs vielas ir skābes. Valentīna gudri atcirta, ka pēc Brensteda teorijas visas sešas vielas taču iespējams deprotonēt, ja pievieno kādu piemērotu bāzi. Rūdis atkal nebija mierā, sakot, ka tas varot notikt arī bez papildus bāzes pievienošanas, vienkārši vielu izšķīdinot. Skolotāja Laimdota pēc dzirdētās vārdu apmaiņas abus samierināja, jo daļa taisnības esot abu teiktajā. Ko Brensteda teorijā dēvē par bāzi un ko par skābi? Kādēļ ūdeņraža jonus dēvē par protoniem? Uzraksti ķīmisko reakciju vienādojumus vielu A F reakcijām ar tādām bāzēm, kas spētu panāktu šo vielu deprotonēšanu!
Uzraksti arī ķīmiskās reakcijas vienādojumu(-s) gadījumā(-os), ja to iespējams panākt bez papildus bāzes pievienošanas! Vienādojumos izmanto vielu struktūrformulas! Vai visas šīs deprotonēšanas var veikt ūdens šķīdumā? Pamato savu spriedumu, izvērtējot vienu konkrētu piemēru ar reakcijas vienādojumu! 1. Pēc Brensteda teorijas skābe ir jebkurš ūdeņraža jona (protona) donors, bet bāze jebkurš ūdeņraža jona (protona) akceptors. 2. Ūdeņraža jonus dēvē par protoniem, jo tie abi pēc būtības ir viens un tas pats. Neitrālā ūdeņraža atomā ir viens elektrons, tā kodols sastāv no viena protona un tajā nav neitronu. Zaudējot vienīgo elektronu, atlikusī daļiņa ir protons. 3. Deprotonēšanu jeb ūdeņraža jona atšķelšanu no karbonskābju karboksilgrupas var veikt ūdens šķīdumos ar tādām vājām bāzēm kā sārmu metālu karbonāti un hidrogenkarbonāti. Protams, var izmantot arī metālu hidroksīdus. Vēl viena organisko savienojumu klase, kam raksturīgas skābes īpašības ūdens šķīdumos, ir fenoli. Arī tiem piemērotas šādas pat bāzes. Fenola skābumu pastiprina elektronakceptori aizvietotāji aromātiskā gredzena orto- (2-, 6-)un para- (4-) pozīcijās. Vājas bāzes ir slāpekļa savienojumi amīni. Ja pati skābes molekula satur amīna grupējumu, tas spēj iekšmolekulāri saistīt ūdeņraža jonu un kaut kādā mērā deprotonēšana notiek, vienkārši vielu izšķīdinot, bez papildus bāzes pievienošanas. Šis process izteiktāks polārā šķīdinātājā ūdenī. Tipiskas savienojumu grupas, kas satur gan aminogrupu, gan skābes grupu, ir aminoskābes un aminosulfonskābes. Īpašos apstākļos iespējams šķelt arī ievērojami mazāk polāras saites kā H-O hidroksīdgrupās. Tādā gadījumā ūdeņraža atomam jāatrodas blakus elektronus atvelkošām funkcionālajām grupām, piemēram, karbonilgrupām. Šādus savienojumus dēvē par C-H skābēm. Nepieciešamas ļoti stipras bāzes kā sārmu metālu hidrīdi, amīdi un metālorganiskie savienojumi.
4. No uzdevumā dotajiem piemēriem ūdens šķīdumā nevar veikt malonskābes dietilestera deprotonēšanu ar nātrija hidrīdu, pretējā gadījumā nātrija hidrīds nesalīdzināmi vieglāk reaģēs ar ūdeni, ko būs daudz vieglāk deprotonēt salīdzinājumā ar malonskābes dietilesteri: Arī malonskābes dietilestera nātrija sāls ir jutīgs pret ūdeni un hidrolizējas: Malonskābes dietilestera deprotonēšanu būtu jāveic kādā aprotonā šķīdinātājā, piemēram, acetonā.