Ústřední komise Chemické olympiády. 55. ročník 2018/2019 KRAJSKÉ KOLO. Kategorie A ZADÁNÍ TEORETICKÉ ČÁSTI (60 BODŮ) časová dotace 120 minut

Transkript

1 Ústřední komise Chemické olympiády 55. ročník 2018/2019 KRAJSKÉ KOLO Kategorie A ZADÁNÍ TEORETICKÉ ČÁSTI (60 BODŮ) časová dotace 120 minut

2 Vzorečkovník Fyzikální konstanty, jednotky a jejich převody: 0 C = 273,15 K 1 atm = Pa 1 ev = 1, J 1 Bq = 1 s 1 1 Gy = 1 J kg 1 m u = 1 u = 1 amu = 1, kg c = m s 1 e = 1, C N A = 6, mol 1 F = C mol 1 R = 8,314 J K 1 mol 1 Důležité vztahy: aktivita ΔN A = lim Δt 0 Δt = dn ln 2 = λ N λ = dt τ 1/2 rozpadový zákon N(t) = N(0) e λt vztah mezi hmotou a energií ΔE = Δm c 2 elektrický proud I = Q t výkon spotřebiče P = U I P = ΔE Δt stavová rovnice ideálního plynu p V = n R T elektrochemický potenciál μ i = μ i 0 + RT ln a i + z i FΔE G n = μ 2

3 ANORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ Úloha 1 Kyselina dusičná 7,5 bodu Kyselina dusičná je jednou ze základních průmyslových i laboratorních chemikálií. Je možné ji získat působením elektrického výboje na směs dusíku a kyslíku uzavřené v nádobě pod vodním uzávěrem. V takovém případě dochází ke dvěma navazujícím reakcím (reakce 1 a reakce 2), kdy produktem reakce 1 je plyn A a produktem následné reakce 2 plyn B. Reakcí plynu B s vodou (reakce 3) pak dochází ke vzniku kyseliny dusičné. V průmyslovém měřítku se ovšem plyn A získává sledem jiných dvou reakcí. Nejprve reaguje dusík s vodíkem za vzniku plynu C (reakce 4), produkt C je následně převeden (reakce 5) na plyn A. 1) Identifikujte plyny A C. Napište, jakou mají za normálních podmínek barvu a zapište rovnice reakcí 1 5. Látka A: Barva: Látka B: Barva: Látka C: Barva: Reakce 1: Reakce 2: Reakce 3: Reakce 4: Reakce 5: 3

4 2) Reakce 5 vyžaduje pro své provedení správné podmínky, bez jejich zajištění probíhá mezi stejnými reaktanty alternativní reakce 6. Jaké podmínky to jsou? Zapište rovnici reakce 6. Podmínky reakce 5: Reakce 6: Kyselinu dusičnou máme, podívejme se na její vlastnosti. 3) Zapište rovnice reakcí: a) zředěné kyseliny dusičné se zinkem za chlazení (probíhá osmielektronová redukce) b) zředěné kyseliny dusičné s olovem (vzniká oxid obsahující 47 % dusíku) c) zředěné kyseliny dusičné v přítomnosti H 2SO 4 s malými dávkami methanolu za chlazení d) koncentrované kyseliny dusičné s methanolem. a) b) c) d) 4

5 Úloha 2 Amonné soli 3,5 bodu Amonné soli patří mezi významné sloučeniny dusíku. Mají rozličné využití, ať už jako průmyslová hnojiva, součást výbušnin, raketové palivo či depolarizátor v suchých článcích. Amonné soli lze připravit neutralizačními reakcemi, průmyslově se vyrábí obdobou Solvayova procesu. 1) Napište rovnice přípravy dusičnanu amonného neutralizační reakcí a výroby síranu amonného, která je principem analogická k Solvayově způsobu výroby sody. Rovnice: 2) Jaké je využití dusičnanu amonného a síranu amonného? Využití: 3) Napište název a vzorec látky označované jako salmiak. Název:... Vzorec: 5

6 Amonné soli jsou látky většinou velmi dobře rozpustné ve vodě. 4) Čím se tato rozpustnost vysvětluje? Vysvětlení: Přítomnost amonných solí v roztoku můžeme prokázat Nesslerovým činidlem (tetrajodidortuťnatan draselný), které poskytuje se solemi žlutohnědý roztok až sraženinu. 5) Napište rovnici důkazu v iontovém tvaru. Rovnice v iontovém tvaru: Přidáme-li k amonné soli hydroxid sodný, můžeme důkaz provést navlhčeným lakmusovým papírkem, papírkem navlhčeným dusičnanem rtuťným nebo papírkem navlhčeným měďnatou solí. 6) Jak se projeví důkaz: a) navlhčeným lakmusovým papírkem b) papírkem navlhčeným dusičnanem rtuťným c) papírkem navlhčeným měďnatou solí a) b) c) 6

7 Úloha 3 Symetrie 5 bodů Určete bodovou grupu symetrie částic: a) amonný kation b) chloramoniový kation c) dichloramoniový kation d) azidový anion e) nitrobenzen (planární molekula). Obr. 1: Schéma pro určení bodové grupy symetrie, odpovědi A/N značí ano/ne (převzato z Atkins, De Paula, Fyzikální chemie, VŠCHT Praha 2013). 7

8 a)... b)... c)... d)... e)... Místo pro nákres molekul: 8

9 ORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ Úloha 1 Atropin 4 body Alkaloid atropin, který je obsažen v lilkovitých rostlinách, je esterem aminoalkoholu tropinu (A) a kyseliny tropové (B). Tropin (A) lze připravit redukcí ketonické skupiny v tropinonu (C). Keton tropinon pak lze připravit například adicí methylaminu na nenasycený keton D. 1) Nakreslete vzorec tropinu (A) a kyseliny tropové (B). Vzorec látky A: Vzorec látky B: 2) Nakreslete vzorec tropinonu (C). Vzorec látky C: 9

10 3) Nakreslete strukturní vzorec nenasyceného ketonu D. Vzorec ketonu D: 10

11 Úloha 2 Vyrábíme biologicky aktivní aminy 4 body Aminovou skupinu nalezneme v různých biologicky aktivních molekulách, které mohou být přírodního původu nebo uměle připravené. Pokuste se zodpovědět následující dotazy. Cholin je součástí mnoha biomolekul, například fosfolipidů podílejících se na stavbě biomembrán. 1) Napište strukturní vzorec látky E, která reakcí s oxiranem poskytne cholin. Vzorec látky E: 11

12 Diethylpropion je účinnou substancí v léčivech používaných při léčbě anorexie. Látku lze připravit přímou reakcí sloučeniny F s diethylaminem. Sloučeninu F lze připravit v jednom kroku z propiofenonu. Diethylamin lze ve dvou krocích připravit ze dvou molekul acetaldehydu. 2) Do schématu doplňte reagenty potřebné k provedení reakcí (příprava ethylaminu vyžaduje kombinaci 2 reagentů). Napište také strukturní vzorec látky F. Schéma: Vzorec látky F: 12

13 Úloha 3 Chemie enolů a enolátů 8 bodů Kurkumin je žluté barvivo rostlinného původu. Laboratorně jej lze připravit aldolovou kondenzací dvou karbonylových sloučenin G a H v přítomnosti oxidu boritého a aminu jako báze. 1) Napište strukturní vzorce látek G a H. H 3 CO O O OCH 3 HO kurkumin OH Vzorec látky G: Vzorec látky H: Vzorec kurkuminu reprezentuje jednu z možných tautomerních forem molekuly. 2) Nakreslete strukturní vzorec enol-formy kurkuminu. Enol-forma kurkuminu: 13

14 Následující nenasycený diketon podléhá intramolekulární Michaelově reakci (1,4-adici) a následné aldolové reakci (bez odštěpení molekuly vody) za vzniku tricyklického produktu. 3) Do schématu, které popisuje Michaelovu adici, doplňte šipky, které vystihnou vazebné změny probíhající při přeměně výchozí látky na meziprodukt K. Schéma: 4) Pokračujte dále a napište strukturní vzorec tricyklického produktu L, který vzniká aldolovou reakcí látky K. K enolizaci dochází na acetylové skupině, elektrofilem je karbonyl cyklického ketonu. Vzorec látky L: 14

15 5) Napište strukturní vzorce výchozích látek M a N a produktu O v sekvenci reakcí, kterou popisuje následující schéma. Vzorec látky M: Vzorec látky N: Vzorec látky O: 15

16 FYZIKÁLNÍ CHEMIE 16 BODŮ Úloha 1 Průjem, krev a fosfor 5 bodů Objem krve pacientů, kteří trpí dehydratací vlivem např. chronických průjmů, se často měří nepřímo radiochemickými metodami. Přímé metody měření objemu krve jsou ve většině případů destruktivní a znemožní stanovení další diagnózy. Jednou z možných metod je využití radiofosforu 32 P s poločasem rozpadu 14,29 d (β rozpad). Vyrábí se v poměrně běžně dostupných reaktorech ozařováním 32 S neutrony. Pacientovi byl odebrán vzorek krve o objemu 15,0 ml. Tento objem byl smíchán se zanedbatelným množstvím roztoku Na 2H 32 PO 4 o vysoké aktivitě. Vzorek krve se značeným hydrogenfosforečnanem byl ponechán 1 hodinu stát. Během této doby dojde k absorpci veškerého radiofosforu erytrocyty. Přesně 1,0 ml odstátého vzorku krve mělo aktivitu min 1. Přesně 5,0 ml tohoto vzorku krve bylo vpraveno zpět do krve pacienta a za 30 minut bylo odebráno opět 15 ml krve. Přesně 10,0 ml nově odebrané krve vykazovalo aktivitu 2300 min 1. 1) Na jaký anion se rozpadá H 32 PO 4 2? Napište příslušnou rovnici rozpadu 32 P a H 32 PO 4 2. Rovnice rozpadu 32 P: Rovnice rozpadu H 32 PO 4 2 : Název a vzorec aniontu: 16

17 2) Kolik pg Na 2H 32 PO 4 erytrocyty absorbovaly v 1 ml krve? (M = 142,96 g mol 1 ) Výpočet: Hmotnost Na 2H 32 PO 4... pg 17

18 3) Vypočítejte objem krve pacienta (75 kg) a rozhodněte, zda je v normě. Běžný objem krve činí ml kg 1 živé váhy. Uvažte, které vlivy můžete zanedbat a do řešení zapište všechny předpoklady, které jste v průběhu řešení učinili. Předpoklady: Výpočet: Objem krve pacienta... ml Je objem krve pacienta v normě? ANO NE 18

19 Úloha 2 Nevinné hrátky s plutoniem 4 body Přestože je na plutonium většinou nahlíženo jako na nežádoucí produkt jaderného štěpení uranu v jaderných elektrárnách, může nalézt i další uplatnění. Existuje celkem 20 různých izotopů Pu; v této úloze se některými budeme zabývat. V roce 1974 se vyráběly kardiostimulátory (viz obrázek vpravo), které obsahovaly izotop 238 Pu (poločas rozpadu 87,7 y, 100% α-rozpad). Energie z rozpadu tohoto nuklidu se využívala k pohánění kardiostimulátoru. Typický kardiostimulátor tehdy dodával energii pro srdeční rytmus pod napětím 5 V proudovými pulsy 10 ma dlouhými 0,5 ms pro 70 úderů za minutu. 1) Jaký je průměrný výkon takového kardiostimulátoru (v μw)? Výpočet: Výkon:... μw 19

20 2) Za předpokladu, že účinnost přenosu energie ze štěpné reakce na elektrickou je 65 %, určete, kolik mg 238 Pu musel kardiostimulátor nejméně obsahovat. Příslušné izotopové hmotnosti jsou 238 Pu: u, 234 U: u a 4 He: u. Pozn.: Pokud jste nespočítali předchozí otázku, dále uvažujte náhradní hodnotu P = 30 μw. Výpočet: Hmotnost Pu:... μg 20

21 Některé těžší izotopy plutonia podléhají podobným reakcím jako supertěžké prvky (proto je tak těžké supertěžké prvky zachytit). Jedná se o samovolné štěpení na různá lehčí jádra za současné emise několika dalších elementárních částic. Tento proces je většinou náhodný. Jako vhodný modelový případ pro studium těchto samovolných štěpení je izotop 244 Pu (poločas rozpadu 6, y pro samovolné štěpení). 3) Kolik neutronů se průměrně uvolní při samovolném rozpadu jednoho jádra 244 Pu, pokud vzorek 1,000 g 244 Pu poskytuje neutrony v množství 1890 s 1? Hmotnost 244 Pu berte přibližně jako 244 amu. Výpočet: Počet neutronů:... 21

22 Úloha 3 Radioaktivní řady a Avogadrova konstanta 7 bodů V přírodě se vyskytuje pouze jeden nuklid radia, a to 226 Ra. V roce 1908 zjistili Rutherford a Geiger, že 1,00 g radia při rozpadu na radon emituje α-částice rychlostí 3, s 1. O tři roky později Rutherford spolu s Boltwoodem změřili rychlost produkce helia rozpadem radia. Tento experiment na počátku 20. století posloužil k velmi přesnému odhadu hodnoty Avogadrovy konstanty. Bylo získáno určité množství velmi čisté soli, která obsahovala celkem 192 mg radia. Vzorek této soli byl umístěn do přístroje, který je schopný měřit objem vzniklého helia. Po 83 dnech vzniklo helium, jehož objem odpovídal 6,58 mm 3 (při 0 C a tlaku 1 atm). Rozpad radia probíhá v souladu s následujícím schématem: Ra α;>1500 y Rn α;3,83 d RaA α;3,05 min RaB β ;26,8 min RaC β ;19,7 min RaC α;1, s RaD β ;27,1 y RaE β ;5 d α;138 d Po? 1) Napište, jaký nuklid vzniká konečným rozpadem radia. Uveďte protonové i nukleonové číslo. Nuklid: 2) Kolik atomů helia vznikne z každého atomu radia po 83 dnech rozpadu? Uvažujte, že proběhnou všechny rozpady až na Po, které se hromadí (jeho rozpad zanedbejte). Kolik atomů helia vzniklo celkem během Rutherfordova-Boltwoodova experimentu? Počet atomů He vzniklých z 1 atomu Ra:... Výpočet: Celkem atomů He:... 22

23 3) Z uvedených dat vypočítejte přibližnou hodnotu Avogadrovy konstanty. Pozn.: Pokud jste nevypočítali předchozí otázku, dále uvažujte, že za 83 dnů vzniklo N He = 2, Výpočet: Přibližná hodnota N A: 23

24 Vypočtená Avogadrova konstanta nicméně není přesná, protože poločas rozpadu radonu (3,83 d) je porovnatelný s délkou trvání experimentu (83 dnů). 4) Posuďte správnost tvrzení. Tvrzení Hodnota vypočtené N A je nižší než skutečná hodnota, protože za dobu experimentu se všechen radon přeměnil na své produkty. Hodnota vypočtené N A je vyšší než skutečná hodnota, protože za dobu experimentu se nestihl všechen radon přeměnit na své produkty. Prodloužení doby popsaného experimentu by vypočtenou hodnotu N A přiblížilo přesné hodnotě. Pravdivost ANO NE ANO NE ANO NE 5) Který z grafů uvedených v pracovním listu nejlépe popisuje skutečný počet atomů radonu v průběhu experimentu? Zvýrazněte vaši volbu podtržením grafu. Pozn. Grafy jsou převzaty z Leenson I. A.: J. Chem. Edu., 75, 8 (1998) 24

25 BIOCHEMIE 12 BODŮ Úloha 1 Není kyselina jako kyselina 6 bodů V membránách buněk rostlin, řas a sinic se nacházejí glykolipidy označované zkratkou SQDG (obrázek 1). Jedná se o látky, které jsou kyselejší než fosfolipidy a mohou být silně asociované s membránovými proteiny. Dokonce i tak silně, že ani detergenty je od proteinových partnerů neoddělí. V některých organizmech se mohou tvořit i jako reakce na nedostatek fosforu v prostředí, kdy nahrazují chybějící fosfolipidy. Obr. 2: Běžný SQDG 1) Který sacharid je součástí molekuly SQDG na Obr. 2? A která vyšší mastná kyselina? Je glycerol stavebním kamenem vyobrazené molekuly SQDG? Sacharid: Vyšší mastná kyselina: Je glycerol součástí?: ANO NE 25

26 Molekula SQDG je sulfonová kyselina. 2) Jsou v biochemickém světě sulfonové kyseliny a jejich soli běžnější než vazby C S X, kde X je uhlík, vodík nebo síra? Věděli byste, jak z obdobného srovnání biochemického výskytu sloučenin fosforu vycházejí vazby C O P oproti vazbám C P? Tvrzení Sulfonové kyseliny a jejich soli jsou běžnější než vazby C-S-X. Vazby C-O-P jsou běžnější než vazby C-P. Pravdivost ANO NE ANO NE Kromě esterů (či amidů) vyšších mastných kyselin bývá důležitou součástí živočišných buněčných membrán i isoprenoidní látka, označme si ji jako látku Y, o níž se často hovoří v dietetických doporučeních v souvislosti s chorobami kardiovaskulárního systému. 3) Jak se látka Y jmenuje? Název látky Y: 4) Jakým způsobem ovlivňuje látka Y fluiditu lipidové dvouvrstvy za běžné tělesné teploty? Jakým způsobem ovlivňuje fluiditu membrány přítomnost acylů nasycených a jakým způsobem přítomnost cis-nenasycených mastných kyselin? Může lipidová dvouvrstva ztuhnout? Vliv látky Y na fluiditu: Vliv nasycených acylů na fluiditu: Vliv cis-nenasycených acylů na fluiditu: Může lipidová dvouvrstva ztuhnout?: ANO NE 26

27 Úloha 2 Pan Žaludek 6 bodů Žaludeční kyselina nám umožňuje dobře trávit potravu a bránit se nežádoucím choroboplodným zárodkům. Je produkována speciálními buňkami žaludeční sliznice. Přes membránu těchto buněk dochází k transportu protonů z cytosolu do prostoru žaludku. Žaludeční protonová pumpa funguje jako antiport, kdy zároveň s transportem jednoho protonu do žaludku dochází k přenosu jednoho draselného kationtu z žaludku do buněčného cytosolu, takže transport celkově není elektrogenní. V následujících úkolech uvažujte všechny aktivitní koeficienty rovny jedné. 1) Která kyselina je jednou z hlavních složek žaludečních šťáv obratlovců? Název kyseliny: 2) Jaké nejnižší hodnoty ph v žaludku můžeme dosáhnout, jestliže jsou buňky sliznice schopny vynaložit na transport protonů volnou energii až 38 kj mol 1? Uvažujte teplotu těla 37 C a ph uvnitř buněk 7,4. Elektrický příspěvek a koncentrační příspěvek draselných kationtů považujte za nulový. Výsledek uveďte na dvě platné cifry. Výpočet: Nejnižší dosažitelná hodnota ph:... 27

28 3) Uvažujte, že hodnota ph v žaludku zdravého člověka je rovna 2,5. Kolikrát je koncentrace protonů v žaludku vyšší než v cytosolu buněk sliznice s ph rovno 7,4? Výsledek uveďte na dvě platné cifry. Výpočet: Koncentrace protonů v žaludku je... vyšší než v cytosolu buněk sliznice. 4) Kterým termínem obecně označujeme transport proti koncentračnímu gradientu? Termín: 5) Jmenujte dva bezprostřední energetické zdroje volné energie (můžou být i sekundární), které buňky využívají na pohon transportu proti koncentračnímu gradientu. Energetické zdroje: 28

29