iChemist ediția a III-a, 2017, clasa a X-a, problema 2

Dezinfectarea apei    (35p)

       Apa din piscine şi bazine de înot este în mod continuu predispusă contaminării cu microorganismele existente în atmosferă sau introduse în bazin de utilizatori.

Clorul gazos este un dezinfectant ideal, dar este foarte coroziv şi foarte reactiv, toxic de aceea necesită măsuri de siguranţă suplimentară, stocarea sau transportul acestuia făcându-se în condiţii speciale.

Reacția clorului cu apa la temperatura de 500 K este un proces omogen, revesibil, ca rezultat stabilindu-se un echilibru între reactanți și produșii de reacție.

1.    Scrieți ecuația reacției chimice.                                                                                    (2p)

       Într-un recipient închis, nedeformabil cu volumul de 25 L, după 15 minute de vidare, se introduc 0,1 mol de Cl₂ și 0,1 mol de apă.

2.    Care este valoare presiunii inițiale în recipient, la temperatura de 500K?                     (3p)

Rezolvare: Răspuns: p = .................

       Conform legii lui Dalton, presiunea amestecului de gaze este egală cu suma presiunilor parțiale ale gazelor pure care îl compun. (p_i=x_iP, unde x_i este fracția molară a componentului „i” din amestecul gazos.)

3.      Ce valori au presiunile parțiale ale fiecărui gaz component?                                         (3p)

Rezolvare: Răspuns: p(Cl2) = .............., p(H2O) = ..............

       La momentul stabilirii echilibrului dintre reacția directă și cea inversă, presiunea totală a sistemului ajunge la 0,41 bar. (1 bar=100 kPa)

4.    Calculați presiunile parțiale pentru fiecare component al sistemului aflat în stare de echilibru.  (6p)

Rezolvare: Răspuns: p(Cl2) = .............., p(H2O) = .............. p(HCl) = .............., p(O2) = ..............

5.      Determinați valoarea constantei de echilibru, în condițiile specificate.                                   (3p)

Rezolvare: Răspuns: Kp = ............

    

     O reacție este considerată „totală” atunci când valoarea constantei de echilibru este  10⁴.

6.    Apreciați dacă reacția clorului cu apa în condițiile menționate poate fi caracterizată ca fiind totală.                                                                                                                                                          (1p)

       Din aprilie 2012 sistemul de alimentare cu apă al orașului Chișinău utilizează pentru dezinfectarea apei hipocloritul de sodiu, costul implementării noii tehnologii fiind de peste 9 milioane lei.

7.    Explicați procesul prin care este dezinfectată apa utilizând această substanță. Scrieți ecuația reacției.                                                                                                                                            (2p)

8.    Scrieți ecuația reacției de producere a acestui dezinfectant utilizând ca materie primă soda caustică.                                                                                                                                         (2p)

      

       Un alt produs de dezinfectare a apei este substanța A. Aceasta este mai puțin agresivă decât clorul și mai stabilă la lumină față de hipocloriți. Substanța A se obține prin reacția clorului cu hidrură volatilă B, la temperatura de 20°C.

Amestecul stoechiometric conține clor și gaz B în raport molar de 1:2, are densitatea la temperatura  de 20°C egală cu 1,4556 g/L.

9.    Determinați formula compusului B.                                                                                           (5p)

Rezolvare: Răspuns: substanța B este: .................

       În urma reacției se obțin două substanțe cu aceeași compoziție calitativă, compusul A este un gaz ce conține hidrogen în cantitate mai mică decât celălalt produs al reacției, care este solid.

10. Scrieți ecuația reacției chimice de producere a substanței A și numiți-o.                                        (3p)

Ecuația reacției: Denumirea substanței A este:

11. Scrieți ecuația reacției substanței A cu apa și explicați acțiunea dezinfectantă a substanței A.   (3p)

Ecuația reacției: Explicație:

12. Propuneți o metodă de sinteză pentru substanța A plecând de la hipocloritul de sodiu.            (2p)

(problemă alcătuită de Valeriu Cemortan, masterand Paris)

iChemist ediția a III-a, 2017, clasa a X-a, problema 1

Problema I. „Cerneala simpatică” (27p)

          Ați auzit probabil despre cerneala cu care se pot scrie mesaje secrete. Spre exemplu, în Primul Război Mondial, spionii îşi notau mesaje pe unghiile degetelor de la picioare şi foloseau suc de lămâie pe post de cerneală invizibilă; scrisul devenea vizibil doar la încălzire.

          Una din substanțele care pot fi folosite în acest scop este clorura de cobalt (II). Aceasta are culorii diferite în formă hidratată (roșu, violet) sau anhidră (albastră). Forma de culoare roșie este cristalohidratul hexahidratat.

1.    Determinați pierderea de masă (în %) ce are loc la calcinarea clorurii de cobalt (II) hexahidratat până la masă constantă.                                                                                                             (2p)

Rezolvare: Răspuns: Δm= .................

          Pentru prepararea CoCl₂·6H₂O se dizolvă stoechiometric o probă de carbonat de cobalt (II), cu masa de 56,287 g, în soluție de acid clorhidric cu concentrația 6,15 M (ρ_sol.=1,1g/ml). La 20°C, solubilitatea clorurii de cobalt (II) este de 52,9 g la 100 ml apă, iar la 7°C este de 45,0 g.

2.    Argumentați prin calcule dacă în soluția obținută, la 20°C, se observă formarea de cristale roșu-violet.                                                                                                                                             (8p)

Rezolvare: Răspuns:.....................................................

Soluția se evaporă până la masa de 150 g și apoi se răcește până la 7°C.   

3.    Calculați  ce masă de cristale de CoCl₂·6H₂O se va forma.                                                        (4p)

Rezolvare: Răspuns:   m(CoCl2·6H2O)=.....................................................

          În 1913, chimistul elvețian Alfred Werner primește Premiul Nobel pentru teoria combinațiilor complexe, formulată pe baza studierii sărurilor de cobalt.

4.    Scrieți formula clorurii de cobalt (II) hexahidratate conform acestei teorii.                 (1p)

     Încercuiți litera/literele corespunzătoare răspunsului corect.                                                  (2p)

5.    Denumirea corectă a acestui compus complex este: (încercuiți litera/literele corespunzătoare răspunsului corect).   

a.    diclorohexaaqua cobalt (II)

b.    clorură de hexaaquacobalt (II)

c.    hexaclorodiaquacobalt (II).                                                                                                                                                                                       

6.    Atomul metalic central din acest complex se află în stare de hibridizare:

a.    sp                   sp³                            c. sp³d                          d. sp³d²                             e. sp³d³

7. Propuneți o formula de structură posibilă pentru ionul complex.                          (2p)

          Substanța de culoare violet se obține în procesul de calcinare incompletă a hexahidratului, pierderea de masă la calcinare fiind de 30,252%.

8.    Determinați formula moleculară a acestui cristalohidrat.                                               (3p)

Rezolvare: Răspuns: formula cristalohidratului este..............

          Din clorura de cobalt (II), în urma reacției cu nitritul de sodiu și acid acetic se prepară hexanitrocobaltiatul trisodic, reactivul folosit pentru identificarea ionului de potasiu. Reacția este una din cele mai sensibile, rezultând un precipitat galben cristalin.

9.    Formula combinației complexe utilizată pentru identificarea ionului K+ este: (încercuiți litera corespunzătoare răspunsului corect).                                                                                      (1p)

a.    Na₃[Co(NO₃)₆]           b. Na₃[Co(CN)₆]           c. Na₃[Co(NO₂)₆]                                                         

10. Scrieți ecuația reacției prin care se obține această combinație complexă, știind că în urma reacției se degajă un gaz cu densitatea relativă față de hidrogen egală cu 15.                                            (4p)

iChemist ediția a III-a, 2017, clasa a IX-a, problema 2

Supraviețuirea lui James Bond (34p)

       În filmul „Diamonds are forever”, personajul negativ Blodfeld îl blochează pe James Bond într-o țeavă închisă ermetic. În problema următoare vă propunem să analizați șansele de supraviețuire ale lui Bond. Pentru determinarea presiunii gazelor din aer, vom folosi legea lui Dalton, sau legea presiunilor parțiale, în care se mențiunează că, la o temperatură constantă, presiunea unui amestec de gaze este suma presiunilor parțiale ale gazelor componente. Presiunea parțială se calculează ca produsul dintre presiunea totală și partea de volum a gazului în amestec.

       Porțiunea de țeavă în care este închis Bond are volumul de 2,5 m³, iar presiunea inițială a aerului aflat în ea este de cca 1bar (100 kPa).

1.    Cunoscând procentul de volum al oxigenului în aer (21%), aflați cantitatea de oxigen și presiunea sa parțială la momentul blocării lui Bond?                                                                                        (2p)

Rezolvare: Răspuns: ν(O2)= ................., p(O2)= .................

2.    Considerând că aerul este format doar din azot și oxigen, calculați partea de masă a oxigenului aflat în aer.                                                                                                                                         (4p)

Rezolvare: Răspuns: ω(O2)= .................

Prin procesul de respirație, Bond consumă oxigen pentru arderea glucozei din sânge (C₆H₁₂O₆).

3.    Scrieți ecuația reacției de ardere a glucozei.                                                                            (2p)

          Un adult își pierde cunoștința când presiunea parțială a oxigenului coboară sub 0,1 bar. Se știe că într-un minut o persoană consumă, în medie, 12,5 mmol de oxigen.

4.    Ce cantitate de oxigen se va găsi în aer în momentul în care Bond își pierde cunoștința?        (4p)

Rezolvare: Răspuns: ν(O2)= .................,

5.    Câte minute va fi conștient Bond?                                                                                               (1p)

Rezolvare: Răspuns: Δt = ............min.

          Un alt pericol care îl paște pe Bond este acumularea de CO₂, care la presiunea parțială de peste 0,15 bar produce sincopa cerebrală (leșinul).

6.    Care este pericolul mai urgent: consumul de O₂ sau acumularea de CO₂?                                 (6p)

Rezolvare: Răspuns: .............................................................................................................................

          În spațiile închise, cum sunt submarinele, se utilizează diferite substanțe pentru purificarea aerului.

7.    Indicați formula unei substanțe care l-ar fi ajutat pe Bond să micșoreze acumularea de CO₂. Scrieți ecuația reacției chimice dintre CO₂ și substanța propusă.                                                    (2p)

Formula chimică:                 , ecuația reacției:

8.    Ce masă de substanță ar fi necesară pentru a absorbi cantitatea de CO₂ eliminată timp de 10 minute?                                                                                                                                              (3p)

Rezolvare: Răspuns: m(subst.)= .................

          „Oxygen candles” (lumânările de oxigen) sunt dispozitive care pot asigura oxigenul necesar unei persone adulte circa 6 ore. Ele sunt confecționate dintr-un amestec de clorat de sodiu (NaClO₃) și pilitură de fier. Prin aprinderea lumânării rezultă clorură de sodiu, oxid de fier (II) și se eliberează cca 3340 L de oxigen.

9.    Scrieți ecuația reacției ce are loc la arderea lumânării.                                                               (2p)

10. Explicați principiul de funcționare al acestor lumânări.                                                             (2p)

Răspuns:

11. Determinați raportul de masă în care se amestecă pilitura de fier și cloratul de sodiu pentru  producerea lumânărilor.                                                                                                                 (5p)

Rezolvare: Răspuns: m(oxid)= .................

12. Câte minute ar mai fi putut rezista Bond, fără să leșine, dacă ar fi avut asupra sa o astfel de lumânare?                                                                                                                                     (1p)

Rezolvare: Răspuns: m(oxid)= .................

                                                         (problemă realizată în colaborare cu Valeriu Cemortan, masterand, Franța)