2008實作試題

(1)

40 th

International

Chemistry Olympiad

實作試題

15 July 2008

Budapest, Hungary

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說明

• 本實作含封面有 1 1 頁試題和 6 頁答案紙 ( 實作 1 , 2 共有 9 頁試題和 5 頁答 案紙，實作 3 有 2 頁試題和 1 頁答案紙 ) 。 • 你有 3 小時的時間完成實作 1 和 2 。完畢後必須離開實驗室做短暫的休息， 讓助理更換器材和試劑。再有 2 小時的時間完成實作 3 。 • 只有在開始 ( S t a rt )的指示後才能開始你的工作。當得到停止 ( S t op ) 的指示 時，必須馬上停止你的工作。不停止工作超過 3 分鐘會取消你的實作考試。 • 遵照 I C h O 規定的安全規則。在實驗室實都必須戴安全眼鏡或被認可的自己 的眼鏡。使用大會提供的安全吸球。使用有機液體時要戴手套。 • 如果違反安全規則，只會有一次的警告。第二次發生時，將會被踢出實驗室，並且整個實作考試成績為零分。 • 如果對有關安全有疑慮或者必須離開實驗室，告知工作人員。 • 只能用大會提供的筆和計算機。 • 在答案卷的每一頁都必須寫你的姓名和編號。不要將答案卷分開。 • 所有的結果必須寫在答案卷的適當位置上，寫在其他地方將不計分。如果你需要計算紙，可以使用答案卷的背面。 • 在競賽時，有需要重複使用一些玻璃器材，你可以在最近的水槽小心清洗。 • 將實作 1 的廢棄有機液體和實作 3 的所有廢棄液體，棄置於抽風櫃內標有廢棄溶液的容器中。 • 數字答案的有效數字必須遵循評估實驗誤差規則。即使實驗技術是完美的，錯誤將被扣分。 • 化學藥品和實驗器材基本上是不能要求補充或更換。每一次發生這類事件 ( 除了第一次會被允許) 將由你的實作 4 0 分中扣 1 分。 • 當完成一段的考試，必須將答案紙放入提供的信封中。信封不要封口。 • 正式英文試卷僅供澄清中文翻譯使用。若有需要，可以向監考人員索取。

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器材

共用物品

:

加熱塊，在通風櫥中，已加熱到 7 0 ° C 蒸餾水，在邊桌，補充用手套，在邊桌廢液回收筒 (Task 1, Task 3) 破玻璃和毛細管回收筒

個人使用

安全眼鏡 x 1 吹風機 x 1 簽字筆 x 1 鉛筆和尺 x 1 計時器 x 1 。若不會用，可以問助教。（實驗後你可以帶走）鑷子 x 1 刮勺 x 1 玻棒 x 1 磁磚片 x 1 擦拭紙 ( 一疊 ) 已裝滿水之洗瓶 x 1 9 個塑膠離心小瓶放在泡棉架上 T L C 片，在有編號的夾鏈袋中 x 1 塑膠針筒與過濾板 x 1 安全吸球 x 1 有刻度之塑膠滴管 x 1 4 需註記編號的培養皿 x 1 滴定管 x 1 鐵架與夾子 x 1 吸量管( 1 0 m L ) x 1 。此吸量管之標準體積是在中間玻璃球的上下兩刻度之間，使用時要特別注意。燒杯( 4 0 0 m L ) x 2 燒杯 ( 2 5 0 m L ) x 1 燒杯( 1 0 0 m L ) x 2 T L C 用的燒杯與錶玻璃，燒杯內已放一張濾紙

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毛細管 x 1 0 量筒( 2 5 m L ) x 2 錐形瓶( 2 0 0 m L ) x 3 漏斗 x 1 容量瓶 ( 1 0 0 m L ) x 1 試紙及標準 p H 色卡（在夾鏈袋中）

*

3 0 支試管及架子

*

木製試管夾 x 1

*

試管塞 x 2

*

實作 3 時才提供。

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藥品

同桌共用：

0 . 0 2 5 M 亞鐵試劑

0 . 0 2 5 mol/dm3 ferroin solution 0 . 2 % 二苯胺溶液 0 . 2 % (C6H5)2NH 0 . 1 M 赤血鹽 K3[Fe(CN)6] 溶液 0 . 1 m o l / d m3 K3[Fe(CN)6] solution 沸石 P u m i c e s t o n e

個人用：

無水氯化鋅( ZnCl2) 5 0 m g ，在小試管中，標有編號 1 0 0 m g 的 β － D 型－吡喃糖型葡萄糖的五醋酸酯（標示為 B P A G ） 100 mg BPAG 3 . 0 0 g 無水葡萄糖，已秤重 3.00 g C6H12O6 醋酸酐 1 2 m L ( 在錐形瓶中 ) (CH3CO)2O 醋酸酐 1 0 m L ( 在樣品瓶中 ) (CH3CO)2O 醋酸 1 5 m L ( 在樣品瓶中 ) CH3COOH 甲醇 1 0 m L ( 在樣品瓶中 ) CH3OH 內含 3 0 ％ H C l O4的醋酸 1 m L ( 在樣品瓶中 ) 30 % HClO4 in CH3COOH 展開液 2 0 m L E L U E N T 固體 K4[ F e ( C N )6] . 3 H2O 在小錐形瓶中，標有編號 ZnSO4溶液 2 0 0 m L ，有標示編號與濃度 ZnSO4 solution 0 . 0 5 1 3 6 M ( m o l / d m3) 的 C e4 +溶液( 8 0 m L ) 1 M 的 H2SO4溶液 2 0 m L 1 mol/dm3_H 2SO4 solution 實作 3 樣品溶液 ( 實作 3 開始時才發放 )

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實作

1

α － D －吡喃糖型葡萄糖的五醋酸酯的合成 O O H OH OH OH OH O OAc O OAc OAc OAc Ac Ac₂O HClO₄ 注意：在使用及操作醋酸及醋酸酐時，務必戴上手套。如果不慎打翻任何藥品，請馬上通知監考人員。將 1 2 m L 的純醋酸加到已裝有 1 2 m L 醋酸酐的錐形瓶內混合，再慢慢地加入 3 . 0 0 克的葡萄糖 ( 醋酸酐的量為過量 ) ，然後用塑膠滴管吸取 5 滴含有 3 0 ％ H C l O4的醋酸溶液，慢慢滴加入上述混合液內。當加入催化劑 ( 3 0 ％ H C l O4的醋酸溶液) 時，溶液的溫度會上升。將上述溶液加蓋並放置十分鐘，期間時常搖晃它以幫助反應。十分鐘後將此溶液慢慢地倒入已裝有 1 0 0 m L 水的燒杯內。使用玻棒刮燒杯的內壁直到有一點固體生成，此時再讓溶液靜置 1 0 分鐘，讓固體完全產生。再利用塑膠針筒與過濾板過濾出固體( 操作過程如下圖及文字說明 ) ，當固體過濾後，再將固體產物用 1 0 m L 的純水洗滌兩次（ 1 0 m L × 2 次）。

(7)

利用塑膠針筒與過濾板來過濾固體產物的方法 ( 如下圖及文字說明 ) 1 . 將針筒的活塞整個拉出針筒，加入實驗中含有固體的溶液。加入溶液的量不可以超過針筒壁上的通氣孔，以免溶液流失。再將針筒的活塞放回針筒。參考上圖步驟 1 。 2 . 用拇指壓住針筒壁上的通氣孔，將針筒活塞盡量往下壓，離通氣孔愈近愈好，但不可超過，此時會擠壓出部分液體。參考上圖步驟 2 , 3 。 3 . 放開拇指，將針筒活塞向上拉。小心不可讓空氣從針筒底部的過濾板吸入。參考上圖步驟 2 , 3 中箭頭的範圍內抽壓。 4 . 重複步驟 2 ~ 3 數次，直到其中所有液體被擠壓出為止。 5 . 重複步驟 1 ~ 4 ，直到所有的待濾溶液均被過濾完，固體留在圓形的過濾板上。 6 . 將針筒活塞壓到針筒底部，緊貼著圓形過濾餅，以便盡量擠壓出固體中的液體。參考上圖步驟 6 。 7 . 使用步驟 1 ~ 4 ，用水洗滌固體產物兩次，每次用 1 0 m L 。 8 . 將針筒活塞壓到針筒底部，緊貼著圓形過濾餅，以便盡量擠壓出固體中的洗滌水。參考上圖步驟 6 。 9 . 用拇指壓住通氣孔，拉出針筒的活塞，利用真空，將過濾板及已壓乾的固體產物取出。( 也可用刮勺從針頭處將過濾板整個推出 ) 。參考上圖步驟 9 。 - - - a ) 用簽字筆將你的編號寫在培養皿蓋上，將產物放到培養皿內蓋上蓋子，並且 放在桌上，監考人員會將你的產物乾燥及秤重並鑑定它的純度。 b ) 計算產物的理論產量 ( 用克為單位 ) ，詳細寫出計算過程。（碳的原子量為 1 2 ，氧的原子量為 1 6 ，氫的原子量為 1 ）步驟2,3 步驟6 步驟1 步驟9

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從 β － D －吡喃糖型葡萄糖的五醋酸酯來合成 α － D －吡喃糖型葡萄糖的五醋酸酯 另一種製備 α － D －吡喃糖型葡萄糖的五醋酸酯的方法，可以利用提供的 β － D －吡喃糖型葡萄糖的五醋酸酯 ( 標示為 B P A G ) 來進行異構化反應而生成。在本實驗中，我們將利用色層分析薄片 ( T L C ) 來觀察此異構化反應時，其反應的程度 ( 又稱為反應動力學 ) 。 O OAc O OAc OAc OAc Ac Ac₂O ZnCl₂ O OAc O OAc OAc OAc Ac 首先將 1 . 5 m L 的醋酸酐慢慢地加入至已裝有 5 0 m g 無水氯化鋅 ( Z n C l2) 的試管內（Z n C l2已事先精秤過並置於試管內），再將 1 0 0 m g 純的 β － D －吡喃糖型葡萄糖的五醋酸酯（B P A G ）慢慢地加到試管內，並且搖晃到 B P A G 全部溶解為止。取 3 滴溶液放在塑膠離心小瓶，馬上加入 0 . 5 m L 的甲醇到塑膠離心小瓶內以終止反應，此為第一個收集的溶液。將反應試管放到通風櫥內已加熱到 7 0 ° C 的加熱塊中加熱。加熱期間你必須時常搖晃試管以保持或幫助反應持續的進行。為了觀察反應程度，分別收集在反應進行至 2 分鐘、 5 分鐘、 1 0 分鐘、及 3 0 分鐘時的溶液。用塑膠滴管吸取 3 滴當時的反應溶液到塑膠離心小瓶內，並馬上加入 0 . 5 m L 的甲醇來中止反應。利用色層分析薄片（T L C ）展開所有收集的甲醇溶液，來觀察反應的過程 ( 反應動力學) 。先用鉛筆圈出你滴在 T L C 片上的各個溶液點 ( 亦即原點 ) ，再將色層分析薄片用 E L U E N T 展開 ( E L U E N T 為 1 比 1 的 i s o b u t y l a c e t a t e 及 i s o a m y l a c e t a t e 的展開液 ) 。展開後在通風櫥內用吹風機強熱吹乾 T L C 片，直到顏色穩定顯現為止。你必須用目測法來觀察展開後的色層分析薄片（T L C ）上面的點。

(9)

實作

2

當黃血鹽 K4[ F e ( C N )6] 加到含鋅離子的溶液中時，立刻會有沉澱產生。此實作要你找出此不含結晶水的沉澱物的組成。此沉澱反應是完全反應，並且發生的非常快，所以可以用滴定直接觀察。滴定終點可以用一個氧化還原指示劑來判斷，但是首先要標定 K4[ F e ( C N )6] 溶液的濃度。配製 K4[ F e ( C N )6] 溶液，並標定其正確濃度 將小錐形瓶中所有的固體 K4[ F e ( C N )6] • 3 H2O ( M = 4 2 2 . 4 1 g / m o l ) 完全溶解，並全部移到 1 0 0 . 0 0 m L 的容量瓶中，配製成 1 0 0 . 0 0 m L 。用吸量管吸取 1 0 . 0 0 m L 的此溶液（看注意事項），加入 1 M ( m o l / d m3) 的 H2S O4溶液 2 0 m L ，再加入 2 滴亞鐵指示劑（ f e r r o i n i n d i c a t o r ）；用 0 . 0 5 1 3 6 M ( m o l / d m3) 的 C e4 +溶液滴定。重複滴定足夠的次數。C e ( I V ) 在酸性條件下為強氧化劑，並產生 C e ( I I I ) 。注意事項：使用吸量管時，注意 1 0 . 0 0 m L 的體積是在吸量管中間玻璃球的上下 兩刻度線之間。不要將溶液全部流光。 a ) 記錄消耗的 C e4 + 溶液體積 b ) 寫出滴定反應之反應式，並算出你的 K4[ F e ( C N )6] • 3 H2O 樣品的質量。鋅離子和 K4[ F e ( C N )6] 的反應 取上面配製之 K4F e ( C N )6 溶液 1 0 . 0 0 m L ，加入 1 M 的 H2S O4溶液 2 0 m L ，再加入 3 滴二苯胺 ( ( C6H5)2N H ) 指示劑和 2 滴赤血鹽 K3[ F e ( C N )6] 溶液。二苯胺( ( C6H5)2N H ) 指示劑只有在樣品中含有一些 F e ( C N )63－時才會有用。用鋅離子溶液( Z n S O4 s o l u t i o n ) 慢慢滴定，直到藍紫色出現，即為滴定終點，重複滴定足夠的次數。 c ) 記錄消耗的鋅離子溶液 ( Z n S O4 s o l u t i o n ) 之體積。 d ) 想一想此滴定之原理，並回答在答案紙上的問題。 e ) 判斷此沉澱的化學式。 注意：實驗結果和理論值一模一樣，不一定會得滿分。

(10)

實作

3

注意: 將所有未知溶液視為有毒和腐蝕性物質操作。這些物質只能丟棄到適當的廢棄溶液容器。吹風機所吹出的風可高達 5 0 0 ° C 。不要將吹出的風直接指向可燃性物質或人體部分。小心出風口。加熱前須放一塊沸石( P u m i c e s t o n e ) 到液體中防止突沸。不能將加熱過試管的口朝向任何人。你有八個未知水溶液。每個溶液只有一個化合物。每一個化合物由下列表中的一種陽離子和一種陰離子組成: 陽離子：H+, N H4+, L i+, N a+, M g2 +, A l3 +, K+, C a2 +, C r3 +, M n2 +, F e2 +, F e3 +, C o2 +, N i2 +, C u2 +, Z n2 +, S r2 +, A g+, S n2 +, S n4 +, S b3 +, B a2 +, P b2 +, B i3 + 陰離子： O H–, C O32 –, H C O3–, C H3C O O–, C2O42 –, N O2–, N O3–, F–, P O43 –, H P O42 –, H2P O4–, S O42 –, H S O4–, S2 –, H S–, C l–, C l O4–, M n O4–, B r–, I– 除了蒸餾水和 p H 試紙之外，你只能用試管和必要時可加熱的方式，不需使用其他試劑。鑑定溶液 1 - 8 中的化合物。你可以用下一頁的一些離子溶解度表。如果你無法判斷出正確的離子，寫出最窄範圍的可能離子。附註: 未知溶液可能含微量不純物。由於所有溶液的濃度約為 5 % 的重量濃度，因此你能清楚的觀察到主要成分的沉澱。有些時候，沉澱不會馬上發生；一些物質

(11)

CH3COO– HR 1.0 ↓ ↓ ↓ ↓ C2O42– 3.6 ↓ ↓ ↓ ↓ (Y) ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ NO2– HR HR HR ↓ R HR ↓ 0.41 ((Y)) ↓ R ↓ ↓ ↓ NO3– F–_0.13_{↓ 0.5} _{↓ 4.0} _1.0 _↓ (W) ↓ (W) 1.4 2.6 ↓ 1.6 ↓ ↓ 0.16 ↓ ↓ SO42- 0.21 ↓ 0.84 ↓ ↓ ↓ PO43– HR ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ (W) ↓ ↓ (P) ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ (Y) ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ HPO42– ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ (W) ↓ (W) ↓ (P) ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ (Y) ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ H2PO4– HR 1.0 HR HR ↓ (W) HR ↓ ↓ HR ↓ (Y) ↓ ↓ ↓ HR ↓ ↓ ClO4– 2.1 MnO4– HR HR ↓ R R HR 0.91 R R ↓ R Br– _↓ ((Y)) 0.98 I– _R _{↓ R} _↓ (Y) 1.0 ↓ (Y) ↓ (B) 空白： 可溶解化合物 ↓ ：不溶解化合物 R ：室溫下會氧化還原反應 H R ：室溫下溶解，在熱溶液時，反應進行並且得到可觀察到的效果 ( 不一定是沉澱 ) 。 沉澱物顏色和他們的水合離子顯著不同：( B ) = 黑色， ( P ) = 紫色， ( W ) = 白色， ( ( Y ) ) = 淡黃色， ( Y ) = 黃色。