2004 第36 屆國際化學奧林匹亞競賽試題（二）實作部分

2004 第 36 屆 國 際 化 學 奧 林 匹 亞 競 賽 試 題( 二 ) 實 作 部 分戴 嘉 南 * 蔡 文 亮 **楊 慶 成 ** 邱 鴻 麟 ** 張 ㄧ 知 *** 蘇 政 宏 ***** 國 立 高 雄 師 範 大 學** 國 立 高 雄 師 範 大 學 化 學 系*** 國 立 台 灣 師 範 大 學 化 學 系**** 高 雄 市 立 高 雄 女 中- 安 全 規 則 ; 遵 循 如 準 備 題 所 描 述 的 安 全 規 則 , 特 別 是 在 實 驗 室 時 , 全 程 戴 安全 眼 鏡 。- 違 反 安 全 規 則 ; 一 次 警 告 , 再 犯 出 局 。- 題 目 冊 ; 兩 各 題 目 共 12 頁 。 由 第 一 題 做 起 。 當 告 知 才 可 以 開 始 第 二 題 。- 時 間 ; 5 小 時 , 結 束 前 30 分 鐘 會 警 告 。- 答 案 紙 ; 3 頁- 你 的 姓 名 和 學 生 編 號 ; 在 答 案 紙 每 一 頁 均 須 填 寫 。- 作 答 ; 只 能 在 答 案 紙 的 相 關 方 格 中 作 答 , 其 他 地 方 將 不 給 分 。 適 當 的 計算 必 須 列 出 。- 只 能 用 提 供 的 筆 和 計 算 機 ;- 結 果 ; 在 有 數 值 答 案 的 有 效 數 字 位 數 必 須 和 實 驗 計 算 誤 差 一 致 。 即 使 你的 實 驗 技 巧 無 缺 點 , 此 類 錯 誤 將 會 被 扣 分 。- 滴 定 管 ; 儘 可 能 精 確 讀 出 。- 更 多 的 化 學 藥 品 ; 如 需 更 多 的 Na2-EDTA、Na 2 S 2 O 3 , 超 導 體 溶 液 、 超 導 體 固 體 、 聚碳 酸 酯 、 雙 酚 A, 可 以 告 知 指 導 員 。 對 於 這 些 化 學 藥 品 , 每 要 一類 扣 5 分 。- 問 題 ; 對 安 全 性 , 器 材 , 化 學 藥 品 等 有 疑 問 可 向 指 導 員 詢 問 。- 化 學 廢 棄 物 ; 只 能 置 於 指 定 的 容 器 。- 官 方 英 語 版 ; 只 有 要 求 才 會 提 供 , 可 向 指 導 員 提 出 。- 終 止 信 號 之 後 ; 將 答 案 紙 放 入 信 封 ( 不 須 彌 封 ), 將 其 送 至 指 定 的 指 導 員 室 , 保 留 你的 題 目 冊 、 筆 和 計 算 機 。當 終 止 信 號 之 後 , 你 必 須 馬 上 停 止 你 的 工 作 。 延 遲 5 分 鐘 將 導 致 此 工 作 為 0 分 。- 59 -

科 學 教 育 月 刊 第 273 期 中 華 民 國 九 十 三 年 十 月1. 2,2– 雙 ( 對 – 苯 氧 基 醋 酸 ) 丙 烷 ( 雙 酚 A 二 ( 羧 基 甲 基 ) 醚 ) 的 二 階 段 有 機 合 成 。(100 分 )說 明 :第 一 階 段 是 經 由 鹼 性 水 解 一 聚 碳 酸 酯 (polycarbonate), 而 得 到 雙 酚 A(bisphenol A) 鈉 鹽 的 中 間物 。 在 加 入 一 種 酸 後 , 這 一 鹽 類 會 變 成 2,2 – 雙 (4- 羥 基 苯 基 ) 丙 烷 ( 雙 酚 A)。反 應 式 :OCH 3OOCOCH 3nCH 3NaOH, H 2 OH 3 O + , H 2 OnHOCOHCH 3第 二 階 段 則 是 雙 酚 A 跟 氯 化 醋 酸 鈉 鹽 (sodium chloroacetate) 反 應 , 形 成 酚 的 醚 化 物 , 即 雙 酚 A二 ( 羧 基 甲 基 醚 )。反 應 式 :CH 3HOCOHClCH 2 COONa, NaOH, H 2 OH 3 O + , H 2 OCH 3OCCH 2CH 3HOOCOOCH 3H 2 CCOH• 每 一 階 段 都 必 須 分 離 出 產 物 來 。( 乾 燥 和 稱 重 由 大 會 專 人 負 責 )• 必 須 將 第 二 階 段 的 產 物 裝 填 成 三 支 熔 點 量 測 管 。( 大 會 專 人 負 責 裝 填 第 一 階 段 產 物 的 熔 點 量 測 管 )( 熔 點 的 測 定 由 大 會 專 人 負 責 )- 60 -

2004 第 36 屆 國 際 化 學 奧 林 匹 亞 競 賽 試 題 ( 二 ) 實 作 部 分• 當 大 會 專 人 收 到 分 配 給 你 , 貼 有 階 段 一 的 燒 杯 A(beaker A) 時 , 將 會 給 你 2.00 克 的 雙 酚 A, 作為 第 二 階 段 的 起 始 物 。• 在 答 案 紙 P1 回 答 其 他 的 問 題 。• 不 要 把 瓷 墊 片 從 磁 攪 拌 噐 移 走 。步 驟 :步 驟 1 經 由 鹼 性 水 解 聚 碳 酸 酯 製 備 雙 酚 A製 備 :• 將 2.54 克 的 聚 碳 酸 酯 ( 編 號 1,No.1) 4.0 克 的 氫 氧 化 鈉 ( 編 號 5) 和 3 毫 升 的 去 離 子 水 放 入 瓶 口 為磨 砂 口 的 100 毫 升 錐 形 瓶 中 。• 將 瓶 口 蓋 上 塑 膠 蓋 , 輕 輕 搖 動 避 免 溶 液 沾 到 磨 砂 口 。 為 了 排 氣 , 有 時 要 打 開 塑 膠 蓋 , 當 部 分 氫氧 化 鈉 溶 解 時 , 將 會 出 現 高 熱 。• 四 分 鐘 後 , 拿 掉 塑 膠 蓋 , 放 入 磁 攪 拌 子 , 並 將 錐 形 瓶 放 在 加 熱 板 上 。 在 瓶 口 上 方 架 一 冷 凝 管 ,以 Teflon 接 合 片 作 為 錐 形 瓶 和 冷 凝 管 的 連 接 , 固 定 好 冷 凝 管 。• 最 後 , 一 面 攪 拌 一 面 經 由 冷 凝 管 加 入 20 毫 升 的 乙 醇 。• 加 熱 迴 流 60 分 鐘 。 剛 開 始 時 , 將 加 熱 板 的 加 熱 鈕 轉 到 最 大 , 當 溶 液 開 始 沸 騰 時 , 慢 慢 降 溫 ,但 混 合 物 仍 要 保 持 沸 騰 。• 在 加 熱 時 , 會 有 一 無 色 沉 澱 物 產 生 。在 等 候 期 間 , 強 烈 建 議 你 開 始 進 行 分 析 化 學 實 驗分 離 :• 在 一 小 時 後 , 停 止 加 熱 , 讓 溶 液 冷 至 室 溫 。 移 開 冷 凝 管 , 加 入 25 毫 升 的 去 離 子 水 , 將 反 應 的混 合 物 放 進 400 毫 升 燒 杯 中 , 以 25 毫 升 的 去 離 子 水 清 洗 錐 形 瓶 。• 最 後 , 以 去 離 子 水 加 滿 到 150 毫 升 。• 假 如 反 應 的 混 合 物 是 不 透 明 的 話 , 將 它 經 由 玻 璃 纖 維 濾 進 一 錐 形 瓶 中 。• 一 面 用 玻 璃 棒 攪 拌 , 一 面 慢 慢 加 入 15 毫 升 的 鹽 酸 ( 編 號 3)。 有 一 油 狀 物 或 是 一 結 晶 物 會 形 成 。• 為 了 加 速 結 晶 的 形 成 , 可 以 向 大 會 指 導 員 索 取 少 許 雙 酚 A( 編 號 27) 的 結 晶 種 子 。• 以 玻 璃 棒 充 份 攪 拌 。 為 了 讓 結 晶 完 全 , 要 不 時 地 攪 拌 , 直 到 懸 浮 的 水 溶 液 幾 乎 透 明 為 止 。• 以 抽 氣 過 濾 , 收 集 粗 產 物 。 以 10 毫 升 的 去 離 子 水 清 洗 二 次 , 將 他 全 部 移 進 已 歸 零 並 標 示 為 燒杯 A(beaker A) 的 燒 杯 內 。• 要 乾 燥 和 稱 重 時 , 將 你 的 燒 杯 A 送 到 指 導 員 室 。• 之 後 , 你 將 會 拿 到 2.00 克 的 雙 酚 A( 編 號 28), 這 是 你 的 第 二 階 段 起 始 物 。• 送 去 產 物 及 收 到 起 始 物 時 你 都 必 須 簽 名 。- 61 -

科 學 教 育 月 刊 第 273 期 中 華 民 國 九 十 三 年 十 月第 二 階 段 雙 酚 A 跟 氯 化 醋 酸 形 成 2,2 – 雙 ( 對 苯 氧 基 醋 酸 ) 丙 烷 的 反 應製 備 :• 將 你 完 成 第 一 階 段 時 所 拿 到 的 雙 酚 A( 編 號 28) 全 部 放 進 有 磨 砂 口 的 錐 形 瓶 內 。• 加 入 10 毫 升 的 氫 氧 化 鈉 水 溶 液 ( 編 號 6),1 毫 升 的 去 離 子 水 和 一 磁 攪 拌 子 ,• 將 錐 形 瓶 放 上 加 熱 板 , 在 瓶 口 上 方 架 一 冷 凝 管 , 以 Teflon 接 合 片 作 為 錐 形 瓶 和 冷 凝 管 的 連 接 ,固 定 好 冷 凝 管 。• 一 面 攪 拌 一 面 加 熱 直 到 溶 液 澄 清 。• 移 開 加 熱 板 和 冷 凝 管 , 加 入 5.0 克 的 氯 化 醋 酸 鈉 鹽 ( 編 號 4)。• 再 次 連 接 反 應 瓶 和 冷 凝 管 後 , 在 強 烈 攪 拌 下 加 熱 迴 流 30 分 鐘 。• 開 始 加 熱 時 溶 液 會 變 清 , 有 時 候 會 有 一 無 色 固 體 沉 澱 。 假 如 在 加 熱 的 過 程 當 中 , 所 有 反 應 的 混合 物 都 變 成 固 體 時 , 就 必 須 停 止 加 熱 。• 之 後 , 從 冷 凝 管 小 心 加 入 50 毫 升 的 乙 醇 ( 不 要 忘 記 會 突 沸 ), 攪 拌 混 合 物 並 加 熱 迴 流 五 分 鐘 , 一無 色 固 體 沉 澱 下 來 或 結 晶 已 完 全 了 。分 離 :• 冷 卻 5 分 鐘 後 , 以 50 毫 升 的 乙 醇 ( 編 號 2) 將 反 應 的 混 合 物 完 全 移 置 一 燒 杯 內 , 反 應 的 混 合 物 必須 劇 烈 攪 拌 。• 拿 掉 磁 攪 拌 子 , 並 將 反 應 的 混 合 物 經 由 抽 氣 過 濾 , 過 濾 液 析 出 的 固 體 要 丟 棄 , 以 10 毫 升 的 乙醇 清 洗 燒 杯 , 沉 澱 物 以 10 毫 升 的 乙 醇 清 洗 二 次 。( 過 濾 液 要 棄 放 在 有 機 溶 劑 廢 液 中 )• 將 沉 澱 物 全 部 移 到 燒 杯 內 , 放 入 磁 攪 拌 子 , 以 150 毫 升 去 離 子 水 將 沉 澱 物 溶 掉 。 混 合 物 要 劇 烈攪 拌 , 大 塊 的 固 體 要 以 刮 杓 壓 碎 。• 假 使 溶 液 不 是 透 明 的 話 , 則 必 須 要 用 摺 疊 的 濾 紙 過 濾 到 一 錐 形 瓶 內 。• 在 慢 慢 加 入 5 毫 升 的 鹽 酸 到 攪 拌 的 反 應 混 合 物 後 , 會 有 一 白 色 沉 澱 物 產 生 。• 經 由 抽 氣 過 濾 收 集 粗 產 物 , 以 10 毫 升 的 去 離 子 水 清 洗 二 次 , 將 它 全 部 移 到 已 歸 零 並 標 示 為 B燒 杯 的 燒 杯 內 。• 以 細 刮 杓 取 出 一 點 產 物 樣 品 , 將 它 壓 碎 在 一 瓷 片 上 並 乾 燥 之 。 將 均 勻 又 乾 燥 的 樣 品 裝 填 到 三 支熔 點 量 測 管 內 , 為 了 能 達 到 緊 密 且 5 毫 米 高 的 裝 填 , 要 使 用 75 公 分 長 的 玻 璃 管 和 量 測 板 。• 將 三 支 熔 點 量 測 管 放 入 試 管 B 中 , 該 試 管 B 貼 有 你 的 學 生 編 號 (code), 將 該 試 管 以 及 燒 杯 B 內的 產 物 一 起 交 給 指 導 員 , 再 遞 交 時 你 必 須 簽 名 。- 62 -

2004 第 36 屆 國 際 化 學 奧 林 匹 亞 競 賽 試 題 ( 二 ) 實 作 部 分2. 一 個 超 導 體 的 定 性 和 定 量 分 析 (113 分 )前 言 :銅 酸 鑭 (La 2 CuO 4 ) 的 超 導 體 其 通 式 為 LaxM (2-x) CuO 4 ( M=Ca,Sr,Ba)本 題 包 含 兩 部 份 :一 定 性 測 定 鰔 土 金 屬一 定 量 測 定 鑭 和 銅讀 取 滴 定 管 刻 度 盡 可 能 精 確 結 果 寫 在 答 案 紙 上回 答 在 答 案 紙 上 額 外 題 目 並 且 以 適 當 的 精 確 將 結 果 寫 出 來實 驗 中 定 性 和 性 量 分 析 , 可 隨 意 何 者 先 做步 驟 :2.1 定 性 測 定 鹼 土 金 屬 ( 如 果 被 指 定 的 通 風 櫥 有 人 使 用 , 先 做 2.2 的 滴 定 )在 此 實 驗 , 你 必 須 使 用 固 體 的 超 導 體 (LaxM (2-x) CuO 4 ; 編 號 14)。開 始 時 鑭 必 須 以 不 溶 體 分 離 。所 有 步 驟 必 須 在 通 風 櫥 內 進 行 !在 燒 杯 中 加 入 所 有 樣 品 , 以 約 5mL 過 氯 酸 ( 編 號 22) 加 熱 使 混 合 物 完 全 溶 解 。 之 後 , 加 入 5mL 去離 子 水 。溶 液 冷 卻 至 微 溫 。加 入 5mL 去 離 子 水 , 再 加 入 氨 水 ( 編 號 17), 直 至 反 應 混 合 物 呈 鹼 性 。 鑭 形 成 氫 氧 化 物 沉 澱 , 同形 成 深 藍 色 的 四 氨 錯 合 物 。 沉 澱 物 濾 出 並 以 少 量 去 離 子 水 洗 滌 。濾 液 加 入 過 量 的 碳 酸 銨 溶 液 ( 編 號 18), 並 煮 沸 數 分 鐘 。 鹼 土 金 屬 以 碳 酸 鹽 化 合 物 沉 澱 。 將 沉 澱 物濾 出 , 並 以 少 量 去 離 子 水 洗 滌 數 次 。之 後 , 將 沉 澱 物 溶 於 醋 酸 ( 編 號 16)。 加 過 量 的 醋 酸 鈉 ( 編 號 8) 及 過 量 的 重 鉻 酸 鉀 溶 液 ( 編 號 23)。如 果 有 鋇 , 黃 色 的 BaCrO 4 沉 澱 析 出 。 煮 沸 混 合 物 一 分 鐘 後 , 將 鉻 酸 鋇 濾 出 , 以 去 離 子 水 洗 滌 沉澱 物 。( 如 果 沒 有 鉻 酸 鋇 沉 澱 , 亦 須 要 以 有 鉻 酸 鋇 沉 澱 的 步 驟 進 行 。)澄 清 的 溶 液 加 入 氨 水 ( 編 號 17) 至 其 成 鹼 性 。 加 過 量 的 碳 酸 銨 溶 液 ( 編 號 18), 煮 沸 混 合 物 數 分鐘 。 如 果 有 鍶 和 ( 或 ) 鈣 , 出 現 白 色 碳 酸 鹽 化 合 物 沉 澱 。濾 出 沉 澱 物 並 以 去 離 子 水 洗 滌 數 次 。然 後 將 其 溶 於 2mL 去 離 子 水 及 數 滴 鹽 酸 ( 編 號 3)。 將 溶 液 分 於 兩 支 試 管 中 :- 63 -

科 學 教 育 月 刊 第 273 期 中 華 民 國 九 十 三 年 十 月• 一 支 試 管 中 加 入 飽 和 硫 酸 鈣 溶 液 ( 編 號 21)。 如 果 有 鍶 , 少 量 白 色 硫 酸 鍶 沉 澱 析 出 。 為 加 速 沉澱 , 以 玻 棒 摩 擦 試 管 內 璧 數 分 鐘 。• 第 二 支 試 管 加 入 硫 酸 銨 ( 編 號 20)。 如 果 有 鍶 和 ( 或 ) 鈣 , 會 有 白 色 硫 酸 鹽 化 合 物 沉 澱 析 出 。 沉 澱物 濾 出 以 很 少 量 去 離 子 水 洗 滌 沉 澱 物 。濾 液 加 入 1mL 的 草 酸 銨 溶 液 ( 編 號 19)。 如 果 有 鈣 , 數 分 鐘 後 會 出 現 白 色 草 酸 鈣 沉 澱 。超 導 體 母 液 (parent solution) 的 準 備在 250mL 量 瓶 中 裝 有 超 導 體 溶 液 (LaxM (2-x) CuO 4 的 過 氯 酸 溶 液 ; 編 號 13)加 去 離 子 水 至 250mL, 以 下 稱 此 溶 液 為 ” 母 液 ”。2.2 定 量 測 定 鑭 和 銅 的 總 含 量將 25mL 的 母 液 轉 移 至 錐 形 瓶 。溶 液 加 約 5~6 匙 (spatula) 醋 酸 鈉 (CH 3 COONa ; 編 號 8) 和 小 匙 (micro spatula) 的 xylenolorange( 編 號 15), 加 去 離 子 水 至 約 75m。在 滴 定 前 ,pH 值 必 須 約 為 pH 6, 如 果 不 是 , 多 加 一 些 醋 酸 鈉 。以 Na2-EDTA 溶 液 ( 編 號 7) 滴 定 此 溶 液 。 使 顏 色 由 淡 紫 色 滴 定 至 深 的 淡 綠 色 。( 滴 定 過 程 中 顏 色變 化 數 次 )如 果 可 能 , 重 複 數 次 。2.3 定 量 測 定 銅 含 量轉 移 25.00mL 母 液 ( 編 號 13) 至 100mL 量 瓶 , 且 加 入 去 離 子 水 至 100mL。對 每 一 次 的 滴 定 , 轉 移 25.00mL 以 上 的 配 置 溶 液 至 錐 形 瓶 , 加 入 氫 氧 化 鈉 溶 液 ( 編 號 6), 至 溶 液呈 鹼 性 。 此 步 驟 使 藍 色 沉 澱 形 成 。 加 入 硫 酸 ( 編 號 12) 至 藍 色 沉 澱 溶 解 。 溶 液 必 須 為 酸 性(pH1~2), 此 時 會 出 現 少 量 的 白 色 沉 澱 。加 入 10mL 碘 化 鈉 ( 編 號 9), 搖 動 錐 形 瓶 1 分 鐘 。 以 硫 代 硫 酸 鈉 溶 液 ( 編 號 10) 滴 定 溶 液 。 在 滴 定終 點 之 前 , 加 入 澱 粉 溶 液 ( 編 號 11) 為 指 示 劑 。 滴 定 終 點 的 判 定 是 溶 液 保 持 無 色 至 少 60 秒 。如 果 可 能 , 重 複 數 次 。- 64 -