2001實作試題

(1)

第三十三屆國際化學奧林匹亞競賽

孟買, 西元 2 0 0 1 年 7 月 8 日（星期日）

(2)

(3)

學生指導說明

* 於所有的答案紙上寫下你的姓名及學生代碼, 其他紙張則寫上學生代碼。 * 請仔細閱讀每個實驗內容與熟悉答案卷回答的格式，才開始進行實驗步驟。 * 答案必須寫在答案紙的指定框框位置上，否則不予計分。若你需要額外的紙張書寫 或更換答案卷，可向指導員索取。 * 如果藥品用完或玻璃器材破損，可要求額外補充。每補充一次將被扣 1 點。 * 你有 4 小時 30 分的時間進行實作測驗及作答，本實作測驗由三個獨立的實驗構 成。你必須依實驗 1，實驗 2，實驗 3 的順序，進行實作測驗。當指導員喊 STOP 時，馬上停止，並交回答案卷。若超過 3 分鐘才交卷，本次實作測驗將被取消，該 實驗題並以零分計算。 * 當你考完時，必須將所有的紙放入信封中，在交給監考官之前，你必須將信封封上並簽名。 * 還沒告知可離開試場時，不可離開試場。當你離開試場時，你將收到一張告訴你已經收到信封的收據。 * 只能使用大會所提供的筆和計算機。 * 本實作測驗共有 13 頁試題及 8 頁的答案紙。 * 大會將提供一張元素週期表的影印。 * 唯有提出要求時，方提供正式英文版的試題。

(4)

33rd IChO • Laboratory Tasks

(5)

安全規則 Safety Rules

*

實作測驗全程，你必須穿實驗衣/圍裙(apron).

*

於實驗室中，任何時候均必須戴安全眼鏡. 如果你戴隱形眼鏡，則必須戴上完全密封保護眼睛的安全眼鏡. 廢棄化學品、裝備及玻璃儀器的處理規則. * 有機過濾物及清洗溶液(實驗 1) 必須放置於標有 "有機合成殘餘物(Residues from organic preparation)" 的廢棄筒容器中. * 滴定殘餘物 ( 實驗 2) 必須放置於標有 " 錯化滴定殘餘物 (Residues from complexometric titration)" 的廢棄容器中. * 氧化還原滴定的殘餘物(實驗 3) 必須放置於標有 "氧化還原滴定殘餘物(Residues from redox titration)" 的廢棄容器中.

* 破損的玻璃必須放置在標有 ”玻璃廢棄物(Glass disposa)”的廢棄筒中. * 非化學廢棄物及紙張必須放置於沒有標示的廢棄容器中. 學生若違反任何安全規則及廢棄物處理規則，實驗室指導員將給一次警告。如果第二 次再犯錯的話，將被視為嚴重缺點，並被驅離實驗室，整個實驗將以零分計算。 如果對實驗上的安全問題有任何質疑的話，請勿猶豫，立刻問指導人員。

請注意(Please note)

♦ 僅使用大會提供的蒸餾水。若有需要，你可以要求更多所需的蒸餾水。 ♦ 測驗結束並交出你的答案信封後，必須以濕抹布擦拭乾淨實驗桌面。

(6)

33rd IChO • Safety Student Code

Chemicals : Risk (R) and Safety (S) phrases

Laboratory Task 1

2-Aminobenzoic acid (Anthranilic acid) Formula:NH2C6H4COOH Molecular weight: 137.14

R36/37/38: Irritating to

eyes, respiratory system

and skin.

S26/36: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice. Wear suitable protective clothing.

Sulphuric acid

Formula:H2SO4

Molecular weight: 98.08

R36/37/38: Irritating to

eyes, respiratory system

and skin.

S26/36: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice. Wear suitable protective clothing. Potassium iodide Formula: KI Molecular weight. 166.00 Not classified.

Sodium nitrite

Formula: NaNO2 Molecular weight: 69.00 R8/25:Contact with

combustible material may cause fire. Toxic if

swallowed.

S44: Seek medical advice if you feel unwell.

Sodium carbonate anhydrous

Formula: Na2CO3 Molecular weight:105.99

R36: Irritating to eyes.

S26: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.

S22: Do not breathe dust.

Sodium bicarbonate

Formula: NaHCO3 Molecular weight: 84.01 Not classified.

i

(7)

Laboratory Task 2

Ethylenediamine tetraacetic acid disodium salt (Na2EDTA).2H2O Formula:C10H14O8Na2N2.2H2O Molecular weight: 372.24 R22: Harmful if swallowed. R36/37/38: Irritating to eyes, respiratory system and skin. S26: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.

S36: Wear suitable

protective clothing. n

(8)

33rd IChO • Safety Student Code Manganese(II)sulphate monohydrate Formula: MnSO4.H2O Molecular weight: 169.01 Magnesium(II)chloride Formula: MgCl2.6H2 O Molecular weight: 203.30 Ammonia Formula: NH3 Molecular weight: 17.03 Ammonium nitrate Formula: NH4NO3 Molecular weight: 80.04 Hydroxylamine hydrochloride Formula:NH2OH•HCl Molecular weight: 69.49 Sodium fluoride Formula: NaF Molecular weight: 41.99 Not classified. Not classified.

R36/37/38: Irritating to

eyes, respiratory system and

skin.

S36: Wear suitable

protective clothing.

R36/37/38: Irritating to eyes, respiratory system and skin. S26: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.

S36: Wear suitable protective clothing.

R20/22-36/38: Harmful by inhalation and if swallowed. Irritating to eyes, respiratory system and skin.

S26/36: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice. Wear suitable protective clothing.

R23/24/25: Toxic by inhalation, in contact with skin and if swallowed. S26/44: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.

n

i

(9)

Laboratory Task 3

Sodium thiosulphate

Formula: Na2S2O3 .5H2O Molecular weight: 248.17 Not classified.

Potassium iodide

Formula: KI

Molecular weight: 166.00

Not classified.

Ethanol

Formula: C

2

H

6

O

Molecular weight: 46.08 b.p. 78.5°C Density:0.785 g/cm3 R11: Highly flammable.

S7: Keep container tightly closed. S16: Keep away from sources of ignition.

Hydrochloric acid

Formula: HCl

Molecular weight: 36.46

R-36/37/38: Irritating to eyes, respiratory system and skin.

S26: In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.

Potassium dichromate

Formula: K2Cr2O7 Molecular weight: 294.18

R36/37/38: Irritating to eyes, respiratory system and skin. S22: Do not breathe dust.

S28:After contact with skin

wash with plenty of water.

(10)

Name 實驗 1

12 分

製備 2-碘苯甲酸(2-iodobenzoic acid)

[預定完成時間: 1 小時]

本實驗使用 2- 胺基苯甲酸 (2-aminobenzoic acid) 來製備 2- 碘苯甲酸 (2-iodobenzoic acid)，實驗步驟包括 2-胺基苯甲酸的重氮化作用(diazotization)及其後與 KI (in H2SO4水溶液)的反應等步驟。 實驗步驟: 1) 將 2-胺基苯甲酸固體樣品全部移入置於冰浴的 100mL 燒杯中，加入 7.2 mL 的 H2SO4(2.6M)，以玻棒攪拌 1 分鐘，使混合均勻。溶液繼續在冰浴中冷卻 5 分鐘。 2) 以量筒量取置於冰浴已冰過的 NaNO2溶液 4.4mL 。 3) 以滴管緩緩將上述 NaNO2 溶液加入步驟 1)的酸液中，加入時需不時以玻棒攪拌，以得到幾乎澄清的溶液(此步驟約需 3-5 分鐘) 。 4) 將燒杯由冰浴中移開，一面攪拌，一面緩慢加入 9.4mL 的 KI 溶液。 5) 向實驗室指導員領取開水，將燒杯置於熱水中 5 分鐘。 6) 過濾粗產物，以 10mL 的蒸餾水清洗之。 7) 收集清洗液和濾液，慢慢加入 Na2CO3 固體以中和此混合液直至停止冒泡為止。將剩下的 Na2CO3固體交予實驗室管理員秤重。

(11)

實驗 1 純化粗產物 將原先過濾時盛有粗產物的漏斗置於 100 mL 的錐形瓶上。以試管緩慢地將 15 至 20 mL 大會所提供的 NaHCO3 溶液倒入漏斗上的濾紙中，使沈澱完全溶解。 8) 加入活性碳粉末至濾液中，並混合均勻。過濾溶液以除去活性碳。 9) 緩緩加入稀硫酸至濾液中，直至冒泡停止為止，過濾純化後的產物，以 10 至 15 mL 蒸餾水清洗產物，將產物連同濾紙置於錶玻璃上。 10) 以過濾時用的漏斗蓋住錶玻璃，交予指導員烘乾(烘乾過程至少須要一小時以上)。在整個實驗快結束之前，請指導員秤重所烘乾的產物，並記錄之。

(12)

Name 實驗 2 18 分

樣品溶液中 Mn(II)和 Mg(II)之含量的測定 .

(預計完成時間：1.5 小時)

本實驗乃利用已知濃度的 N a2EDTA 標準溶液，對未知樣品進行錯化反應滴定，來定量未知物中 Mn(II)和 Mg(II)之含量。第一個滴定步驟，可以得知金屬離子的總量。此時使用適量的 NaF 固體，將 Mg- EDTA 錯化物中的 EDTA 完全地釋放出來。隨後，這些釋放出來的 EDTA 與新加入的已知過量的 Mn(II)標準溶液反應，將釋放出的 EDTA 全部重新轉變為錯化物。未被反應掉的 Mn(II)，可以利用 N a2EDTA 標準溶液進行反滴定，來推算尚未被錯化的 Mn(II) 的量。以上二次滴定，皆在 pH10 的緩衝溶液中進行，並且都使用 Eriochrome Black T 為指示劑。 二個完全相同之樣品將各別置放於 250mL 之錐形瓶中。每位參賽者應該 滴定此二個樣品溶液 (Trial I 和 Trial II) ，並將所得到的滴定結果記錄在答案 紙上。 實驗步驟 每位參賽者各有二支 25mL 的滴定管，將 N a2EDTA 標準溶液裝入其中一支滴定管，Mn(II)標準溶液裝入另外一支滴定管。 滴定 1 將放置於一個小試藥瓶中的所有N H2O H • H C l固體，加入裝有 T r i a l I樣品溶液的 250mL錐形瓶中，然後加入5 0毫升的蒸餾水。然後在此溶液中，加入使用量筒所量取之1 0 毫升的p H 1 0 緩衝溶液，並且加入滿滿一整個金屬刮勺的固體指示劑。搖動所得溶液至均勻混合，然後用 N a2EDTA 標準溶液滴定，直到溶液顏色由酒紅色轉

(13)

變為藍色為止。記錄滴定前後之滴定管體積讀數於答案紙上（ A毫升）。你必須在整個滴定過程中，確實持續徹底搖動錐形瓶。 滴定 2 在上述滴定後之錐形瓶中，加入一個小試藥瓶中的所有 NaF 固體，然後搖晃錐形瓶一分鐘。隨後，從另一支滴定管中，將 20.0 毫升的 Mn(II)標準溶液以每次非常少量（2 至 3 毫升）的方式，加入上述已均勻搖晃過的溶液，而且在每次少量添加的過程中，均需均勻搖晃之。當所有 Mn(II)標準溶液都已加入錐形瓶後，再搖晃錐形瓶二至三分鐘。在此過程中，溶液的顏色將會由藍色轉變為酒紅色。最後，使用 N a2EDTA 標準溶液來滴定錐形瓶中過量的 Mn(II) ，直到溶液顏色由酒紅色轉變為藍色為止。記錄此滴定前後之滴定管的體積讀數於答案紙上（B 毫升）。 對 Trial II 的樣品溶液，重複進行上述之實驗步驟。

(14)

Name

Student Code 實驗 3

10 分

測定乙醇和鉻(VI)產生氧化還原反應時的速率常數( rate constant)

(預計完成時間：1.5 小時) 酒精被鉻(VI)氧化為測定呼氣樣品酒精濃度的依據。在強酸(3.6M HCl)存在下，稀 K2Cr2O7溶液會產生 HCrO4−，而 HCrO4−為本反應的氧化劑。

本實驗以滴定來測定 HCrO4− 和 CH3CH2OH 的反應速率. 在規定的實驗條件下，速率定率為 速率(rate) = k[ HCrO4− ]x

其中 x 為反應級數。

反應中的任一特定時間， [ HCrO

4−

] 濃度可由碘還原滴定法

( iodometric titration)得到。

實驗步驟

你有一瓶裝有 100 mL 溶於 HCl溶液的 K2Cr2O7 標準溶液，將小試藥瓶中的乙醇全部倒入此 K2Cr2O7 溶液的瓶中，並加蓋，混合均勻並迅速按下馬錶，記錄此時為 t = 0。每隔 10 分鐘之後，取出 10.0 mL 的上述混合溶液，加至一個含有 4 mL KI 溶液的乾淨錐形瓶中，溶液會變成棕色。以大會提供之 Na2S2O3 標準溶液滴定之，直至顏色變為淡黃綠色(greenish yellow) 。加入 2 mL 的澱粉指示劑後，繼續滴定，直至顏色由藍變為淡綠色，在答案紙上記錄滴定前後的滴定管體積讀數。重複上述步驟，以得到四次數據。

(15)

33rd IChO • 實驗 1 答案紙 12 分

製備 2-碘苯甲酸

空錶玻璃的質量 /克

指導員簽名

錶玻璃與產物的質量/克 指導員簽名 1.1 產物的質量/克: 1.2 依使用之 2-胺基苯甲酸所計算的理論產率/克 : 1.3 以理論產率的百分比表示產率: 1.4 產物的顏色: [指導員會將顏色以 X 註記於適當的格子中並簽名.] (a) 棕黃 (b) 黃色 (c) 淡黃 / 奶油黃

(16)

Name

33rd IChO • 實驗 1 答案紙

1.5 寫出下列反應的平衡化學反應式

(a) 以 NaNO2 和 H2SO4進行 2-胺基苯甲酸的重氮化反應.

(b) 重氮化反應後的產物與 KI 的反應.

處罰(Penalty)!

如果藥品用完或玻璃器材破損，可要求額外補充。每補充一次將被扣 1 點。

No. 化學藥品/玻璃器材學生簽名指導員簽名

(17)

33rd IChO • 實驗 2 答案紙 18 分

樣品溶液中 Mn(II)和 Mg(II)之含量的測定 .

Na2EDTA 標準溶液的濃度 : M Mn (II) 溶液的濃度 : M 2.1 提供給你的樣品編號 : Trial I Trial II 滴定 1 滴定 2 滴定 1 滴定 2 最初滴定管讀數 (mL) 最終滴定管讀數 (mL) Na2EDTA 的體 積 (mL) _(A) _(B) _(A) _(B)

2.2 分別寫出 Mg(II) 和 Mn(II)離子與 Na2EDTA 反應的平衡反應式。 (以 Na2H2Y 做為 Na2EDTA 的代號)

(18)

Name

33rd IChO • 實驗 2 答案紙

2.4 計算 Trial I 或 Trial II 任一樣品溶液中， Mg (II) 和 Mn (II) 離子的質量/克(寫出主要的計算步驟。)

2.5 在滴定 1 的滴定終點(end point)時顏色的變化 (酒紅至藍色 wine red to blue)是因為

(a) 產生金屬-指示劑錯合物( metal-indicator complex) 。

(b) 由金屬-指示劑錯合物中釋放出指示劑。 (c) 產生金屬-EDTA 的錯合物。 [在正確的框格中畫上 X。]

計算:

Trial No.

Mg

Mn

(19)

33rd IChO • 實驗 2 答案紙 處罰(Penalty)! 如果藥品用完或玻璃器材破損，可要求額外補充。每補充一次將被扣 1 點。 No. 化學藥品/玻璃器材學生簽名指導員簽名 總扣點數 :

(20)

Name

33rd IChO • 實驗 3 答案紙 10 分

測定乙醇和鉻(VI)產生氧化還原反應的速率常數( rate constant)

Na2S2O3標準溶液的濃度 : M t =0 時的 HCrO4 –濃度 : M 滴定 1 [10 mins.] 滴定 2 [20 mins.] 滴定 3 [30 mins.] 滴定 4 [40 mins.] 最初滴定管讀數 (mL) 最終滴定管讀數 (mL) Na2S2O3 的體積 (mL)

(21)

33rd IChO • 實驗 3 答案紙 3.2 寫出 HCrO4 − 和 I−反應的平衡反應式。 3.3 寫出滴定的平衡反應式。 3.4 對任一次滴定的讀數，寫出計算 HCrO4 –_{濃度(M)的主要計算步驟.} 3.5 不同時間的 HCrO4 –_濃度(M):

Time (mins.) [ HCrO4 – ] ln [ HCrO4 – ]

0

(22)

Name 33rd IChO • 實驗 3 答案紙 3.6 以 ln [ HCrO4 – ] 對時間作圖。 3.7 依圖形所示，決定 HCrO4 –_{的反應級數 (x).} 3.8 計算出所測定的反應速率常數. 處罰(Penalty)! 如果藥品用完或玻璃器材破損，可要求額外補充。每補充一次將被扣 1 點。 No. 化學藥品/玻璃器材學生簽名指導員簽名 總扣點數 : k =

2001實作試題

第三十三屆國際化學奧林匹亞競賽

孟買, 西元 2 0 0 1 年 7 月 8 日（ 星期日）

學生指導說明

*

*

請注意(Please note)

Chemicals : Risk (R) and Safety (S) phrases

Laboratory Task 1

R36/37/38: Irritating to

eyes, respiratory system

and skin.

R36/37/38: Irritating to

eyes, respiratory system

and skin.

Sodium nitrite

R36: Irritating to eyes.

Sodium bicarbonate

i

i

i

Laboratory Task 2

R36/37/38: Irritating to

eyes, respiratory system and

skin.

S36: Wear suitable

protective clothing.

i

Laboratory Task 3

Potassium iodide

Molecular weight: 166.00

Not classified.

Formula: C

H

O

S28:After contact with skin

wash with plenty of water.

製備 2-碘苯甲酸(2-iodobenzoic acid)

樣 品 溶 液 中 Mn(II)和 Mg(II)之 含 量 的 測 定 .

(預計完成時間：1.5 小時)

測定乙醇和鉻(VI)產生氧化還原反應時的速率常數( rate constant)

其中 x 為反應級數。

反應中的任一特定時間， [ HCrO

] 濃度可由碘還原滴定法

( iodometric titration)得到。

實驗步驟

製備 2-碘苯甲酸

空錶玻璃的質量 /克

指導員簽名

樣 品 溶 液 中 Mn(II)和 Mg(II)之 含 量 的 測 定 .

計算:

Trial No.

Mg

Mn

測定乙醇和鉻(VI)產生氧化還原反應的速率常數( rate constant)

x =

孟買, 西元 2 0 0 1 年 7 月 8 日（星期日）

樣品溶液中 Mn(II)和 Mg(II)之含量的測定 .

樣品溶液中 Mn(II)和 Mg(II)之含量的測定 .