Ústřední komise Chemické olympiády. 55. ročník 2018/2019 TEST ŠKOLNÍHO KOLA. Kategorie A ZADÁNÍ (60 BODŮ) časová náročnost: 120 minut

Transkript

1 Ústřední komise Chemické olympiády 55. ročník 2018/2019 TEST ŠKOLNÍHO KOLA Kategorie A ZADÁNÍ (60 BODŮ) časová náročnost: 120 minut

2 ZADÁNÍ ANORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ Úloha 1 Oxokyseliny dusíku 7,5 bodu Dusík tvoří tři významnější oxokyseliny. 1) Napište vzorce a názvy oxokyselin dusíku dle klesajícího oxidačního stavu: kyselina A má nejvyšší oxidační stav dusíku, kyselina B prostřední a kyselina C nejnižší oxidační stav dusíku. Srovnejte jejich sílu. Kyselina A: Kyselina B: Kyselina C: Síla kyselin: 2

3 Jednotlivé kyseliny dusíku jsou propojeny s různými oxidy. Kyselinu A je možné získat reakcí dvou různých oxidů dusíku s vodou (reakce 1 a 2). Kyselinu B je možné získat hydratací odpovídajícího oxidu (reakce 3). Tento oxid je ovšem nestálý, proto se uvedená kyselina získává oklikou: reakcí hydroxidu (reakce 4) nebo uhličitanu (reakce 5) s vhodnou směsí oxidů dusíku. Volnou kyselinu B lze ze vzniklé soli za nízké teploty získat reakcí 6. 2) Zapište rovnice reakcí 1 6. Reakce 1: Reakce 2: Reakce 3: Reakce 4: Reakce 5: Reakce 6: 3) Proč musíme reakci 6 chladit? Dokumentujte příslušnou rovnicí. Vysvětlení: Rovnice: 3

4 Vraťme se ještě k velmi významné kyselině A. 4) Tato látka se musí uchovávat v tmavých lahvích. Proč? Zdůvodněte chemickou rovnicí. Zdůvodnění: Rovnice: 5) Ponoříme-li železný hřebík do zředěné a koncentrované kyseliny A, budou mezi probíhajícími reakcemi nějaké rozdíly? Vysvětlete slovně. Vysvětlení: 6) A nakonec: zapište vzorec a název dvouprvkové sloučeniny dusíku, která ve vodném roztoku vystupuje jako kyselina. Vzorec sloučeniny: Název sloučeniny: 4

5 Úloha 2 Kjeldahlovo stanovení 3,5 bodu Kjeldahlova metoda slouží ke stanovení dusíku v organických látkách. Vzorek organické látky se mineralizuje pomocí koncentrované kyseliny sírové za přítomnosti vhodného katalyzátoru. Aminový dusík se tak převede na síran amonný. Následně dochází k alkalizaci směsi hydroxidem sodným. Vyloučený amoniak se destilací s vodní parou převede do nadbytku kyseliny, přebytečná kyselina se stanoví alkalimetrickou titrací. 1,0000 g vzorku organické látky bylo podrobeno popsané analýze. Objem roztoku po mineralizaci byl upraven na 200 ml. Z roztoku bylo pipetováno 20 ml, ze kterých byl uvolněn amoniak. Amoniak byl zaveden do 50,00 ml 0,1000M roztoku kyseliny sírové. Přebytek kyseliny byl titrován hydroxidem sodným na methylčerveň, spotřeba 0,5000M roztoku NaOH činila 13,3 ml. 1) Výpočtem určete procentuální obsah dusíku ve vzorku. Výpočet: Obsah dusíku ve vzorku:... % 5

6 2) Určete, která látka byla analyzována acetamid, močovina či ethylamin. Své rozhodnutí podložte výpočtem. Výpočet: Analyzovaná látka:... 3) Napište vzorce uvedených organických sloučenin. Acetamid: Močovina: Ethylamin: 6

7 Úloha 3 Symetrie 5 bodů 1) Zapište strukturní elektronové vzorce dusitanového a dusičnanového aniontu tak, aby byly v souladu s oktetovým pravidlem. Dusitanový anion: Dusičnanový anion: 2) Určete bodovou grupu symetrie dusitanového a dusičnanového aniontu. Nezapomeňte, že v aniontech oxokyselin dochází k delokalizaci záporného náboje přes všechny atomy kyslíku. Grupa symetrie dusitanového aniontu:... Grupa symetrie dusičnanového aniontu:... 3) Který oxid dusíku má bodovou grupu symetrie C v? Napište vzorec alespoň jedné další částice obsahující dusík, která má tuto grupu symetrie. Oxid dusíku:... Další částice s obsahem dusíku: 7

8 4) Bodová grupa C 1 obsahuje jediný prvek symetrie. Jaký? Napište jeho název i označení. Obr. 1: Schéma pro určení bodové grupy symetrie, odpovědi A/N značí ano/ne (převzato z Atkins, De Paula, Fyzikální chemie, VŠCHT Praha 2013). Prvek symetrie a jeho označení: 8

9 ORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ Úloha 1 Aldolové reakce 4 body 1) Zkříženou aldolovou reakcí acetaldehydu se třemi ekvivalenty formaldehydu za bazické katalýzy vzniká produkt A, viz reakce níže. Napište strukturní vzorec tohoto produktu. Struktura produktu A: 2) Aldolizace a aldolové kondenzace jsou často zvratné reakce. Součástí jedné důležité metabolické dráhy je enzymaticky katalyzované retroaldolové štěpení dinatrium-fruktosa-1,6-bisfosfátu, případně zpětná reakce. Pokuste se napsat strukturní vzorce produktů tohoto štěpení B a C. Produkt B: Produkt C: 9

10 3) Diketon benzil podléhá bazicky katalyzované aldolové kondenzaci s ketonem D za odštěpení dvou molekul vody a vzniku 2,3,4,5-tetrafenylcyklopenta-2,4-dien-1-onu. Nakreslete strukturní vzorec ketonu D. Reaktant D: 10

11 Úloha 2 Píšeme mechanismy organických reakcí 5 bodů Doplňte šipky popisující pohyby elektronových párů v reakčním mechanismu, který popisuje vznik iminu z primárního aminu a ketonu. Mechanismus: 11

12 Úloha 3 Trocha chemie dusíkatých derivátů 7 bodů Napište strukturní vzorce látek E až K v následujících schématech. Produkt E: Produkt I: Produkt F: Produkt J: Produkt G: Produkt K: Produkt H: 12

13 FYZIKÁLNÍ CHEMIE 16 BODŮ Úloha 1 Kosmogenní beryllium 5 bodů Jedny z nuklidů, které vznikají z kosmického záření je např. 10Be nebo 7Be, což jsou radioaktivní izotopy beryllia. 1) Navrhněte, jak mohou oba tyto radioizotopy beryllia vznikat v atmosféře z kosmického záření reakcí kosmogenních neutronů se stabilním izotopem kyslíku 16 O. Rovnice: 2) Izotop 10 Be se následně rozpadá β rozpadem. Osud 7 Be spočívá v elektronovém záchytu. Jaká jádra vznikají jejich samovolnými přeměnami? Jádro vzniklé z 10 Be: Jádro vzniklé ze 7 Be: H. Nagai a kol. (Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. B, 172, 1-4(2000)) měřili rychlost tvorby 7 Be a 10 Be ve stratosféře a troposféře. Zjistili, že celková produkce 10 Be činí 0,036 atomů cm 2 s 1 (vztaženo na jednotku plochy zemského povrchu). Tento radioizotop s poločasem rozpadu 1, y (let) se velmi rychle deponuje do mořské vody a okamžitě se rozpadá. Předpokládejte, že objem mořské vody je celkem 1, m 3 a celková plocha Země je km 2. 3) Jaká je rovnovážná aktivita 10 Be v 1 m 3 mořské vody? Výsledek uveďte v Bq m 3. Výpočet: Aktivita:... Bq m 3 13

14 Ve vzorku Grónského ledovce byla zkoumána aktivita 10 Be. Měřením a přepočtem bylo zjištěno, že v 1 m 3 ledu z ledovce je aktivita 10 Be 0,0184 rozpadů za minutu. 4) Určete stáří ledovce v letech, pokud vznikl z vody, která byla v rovnováze s kosmickým zářením. (Pokud se vám nepodařilo odpovědět na předchozí otázku, počítejte s rovnovážnou aktivitou 10 Be 0,1 Bq m 3.) Výpočet: Staří ledovce:... 14

15 Úloha 2 Radioterapie při léčbě rakoviny 8 bodů Poměrně novou a zatím stále experimentální, metodou léčby některých maligních nádorových onemocnění, zejména hlavy a krku, je tzv. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT, borová neutronová záchytová terapie). Metoda spočívá v přípravě speciální sloučeniny, která obsahuje nuklidy 10 B. Sloučenina boru (Na 2B 12H 11SH, M = 220 g mol 1 ) se selektivně váže na nádorové buňky. Ty jsou potom ozařovány proudem pomalých neutronů. Nuklid boru pohltí jeden neutron, přičemž dojde ke vzniku metastabilního nuklidu 11m B, který podléhá samovolnému rozpadu (τ 1/2 = 20 ms) na 7 Li za současného uvolnění γ-fotonu o energii 2,31 MeV. Energie a částice uvolněné při tomto rozpadu ničí veškerou tkáň, ale pouze do vzdálenosti několika mikrometrů od místa, kde k rozpadu dojde. 1) Předpokládejme, že pacientovi podáme 200 mg výše uvedené sloučeniny boru, která obsahuje přírodní molární poměr 10 B/ 11 B = 19,9/80,1. Kolik atomů 10 B se v podané dávce sloučeniny nachází? Výpočet: Počet atomů:... 15

16 Experimentální BNCT v Řeži u Prahy má následující parametry: průměr neutronového paprsku je 12 cm, tok neutronů činí 0, neutronů cm 2 s 1. K deaktivaci nádorové buňky je třeba dávka alespoň 1 Gy γ-záření. Účinná plocha nádoru o hmotnosti 20 g, který chceme zneškodnit, činí 2 cm 2 a účinnost záchytu neutronů je 0,5. 2) Jak dlouho je třeba provádět ozařování pacienta neutrony na daném BCNT, aby se zničilo aspoň 20% hm. buněk nádoru? Předpokládejte, že bylo podáno dostatečné množství 10 B. Výpočet: Doba ozařování:... 16

17 Je zajímavé srovnat, jak se liší doba ozařování BNCT a např. klasickým ozařováním protony. Předpokládejme opěr nádor o hmotnosti 20 g, ve kterém chceme zničit jedním ozařováním 20 % buněk. Tento nádor ozařujeme protony o energii 180 kev (účinnost záchytu buňkou je 10 %). Elektrický proud v protonovém paprsku činí 0,50 na. Buňka o hmotnosti 1,0 ng se považuje za mrtvou, pokud absorbuje 500 kev energie. Žádná buňka není během ozařování zabita dvakrát. 3) Jak dlouho je třeba ozařovat popsaný nádor, aby došlo k jeho zničení z 20 %? Výpočet: Doba ozařování:... 17

18 Úloha 3 Radiochemická titrace 3 body Radiochemie se nevyužívá pouze v lékařství, dá se aplikovat i v běžných metodách analytické chemie, jako jsou srážecí titrace. Tuhý vzorek o hmotnosti 376 mg obsahující rozpustné sulfidy a jodidy byl převeden do roztoku, do kterého bylo zároveň přidáno zanedbatelné množství 131 I. Zjišťováním aktivity matečného roztoku v závislosti na přídavku odměrného roztoku AgNO 3 byla získána následující křivka: Odměrný roztok AgNO 3 byl připraven zředěním 10 ml zásobního roztoku (ρ = 1,013 g cm 3, w = 1,677 %) na 100 ml. 1) Vypočítejte molární koncentraci odměrného roztoku AgNO 3. Výpočet: Koncentrace odměrného roztoku: mol dm 3 18

19 2) Vysvětlete tvar křivky, pokud víte, že rozpustnost Ag 2S je řádově nižší než rozpustnost AgI (obě jsou však prakticky nerozpustné sraženiny). Vysvětlení: 3) Vypočítejte obsah I a S 2 v tuhém vzorku v hm. %. Výpočty: Hmotnostní zlomek S 2 % Hmotnostní zlomek I % 19

20 BIOCHEMIE 12 BODŮ Úloha 1 Nejen lipidy 7 bodů Lipidová dvouvrstva je základem biomembrán. Aby nefungovala jen jako těžko překonatelná bariéra, ale plnila i další funkce, obsahuje membránové bílkoviny. Inkorporace bílkovin do membrány je usnadněna tím, že lipidová dvouvrstva není rigidní útvar nebo polymer, ale je složena z malých molekul, které se mohou v případě potřeby rozestoupit. Podíl a typ membránových bílkovin závisí na typu tkáně, v níž se buňka nachází, a samozřejmě na tom, o kterou membránu se jedná. Je logické, že vnitřní mitochondriální membrána bude obsahovat jiné typy bílkovin než cytoplasmatická membrána, která má odlišné funkce. Obr. 2: Schéma lipidové dvouvrstvy s membránovými bílkovinami 1) K jednotlivým pojmům v následující tabulce doplňte odpovídající písmena A G označující struktury v Obrázku 2. Odpovědi volte tak, aby každému pojmu odpovídalo právě jedno písmeno a každé písmeno bylo použit právě jedenkrát. Vnitřní list: Vnější list: Transmembránová integrální bílkovina: Transmembránový kanál: Periferní bílkovina vázaná elektrostaticky: Periferní bílkovina s lipidovou kotvou: Periferní bílkovina s oligopeptidovou kotvou: 20

21 2) Rozhodněte o pravdivosti tvrzení uvedených v pracovním listu. Pozor, každá špatně vybraná odpověď má zápornou bodovou hodnotu velikostí rovnou správné odpovědi. Tvrzení Pravdivost Transmembránové bílkoviny mají na svém povrchu vystaveném vodě polární aminokyseliny a na svém povrchu uvnitř lipidové dvouvrstvy nepolární aminokyseliny. ANO NE Laterální pohyb molekuly lipidu v rámci jednoho listu lipidové dvouvrsty je snadný ve srovnání s pohybem molekuly lipidu z jednoho listu do druhého. ANO NE Enzymy flipasy (též flip-flopasy) zajištují, aby oba listy lipidové dvouvrstvy rostly rovnoměrně. ANO NE Procentuální zastoupení jednotlivých typů polárních lipidů ve vnitřním a vnějším listu se obvykle liší. ANO NE Procentuální zastoupení jednotlivých typů polárních lipidů v různých typech buněk se obvykle liší. ANO NE Hmotnostní podíl bílkovin na celkovém složení membrány je ve vnitřní mitochondriální membráně vyšší než v cytoplasmatické membráně erythrocyte. ANO NE Transmembránové kanály zajišťují usnadněný transport. ANO NE Transmembránové segmenty bílkovin obsahují řetězce, které jsou obvykle uspořádány do sekundární struktury zvané neurčitý list (tzv. ψ-list). ANO NE 21

22 Úloha 2 IDSPISPOPD 5 bodů Lipidová dvouvrstva představuje semipermeabilní membránu, která je pro různé látky různě propustná. Polární, nabité či objemné molekuly mají problém se přes takovou bariéru dostat, byť by byl elektrochemický gradient mezi oběma oddělenými prostory sebevětší (tedy ne tak úplně, protože při překročení elektrické kapacity membrány by došlo k probití). Lipofilní membrána pro ně totiž představuje bariéru na ploše volné energie. Jako takové pohoří mezi dvěma údolími či zeď. Pokud se tedy chtějí dostat pohodlně z jedné strany na druhou, musí si nějak najít snazší cestu. Třeba zbourat kus zdi, použít tunel nebo využít služeb převaděče. 1) Jak souvisí název úlohy s přechodem přes membránu? Vysvětlete. Vysvětlení: 2) Jak obecně označujeme takové molekuly, které jsou součástí membrány, nejsou kanály a usnadňují přechod jiným částicím přes membránu? Co znamená, že jsou tyto molekuly usnadňující přechod specifické? Označení molekul: Vysvětlení pojmu specifické : 3) K čemu slouží membránové ionofory? Vysvětlení: 4) Stručně charakterizujte pojmy uniport, symport a antiport. Uniport: Symport: Antiport: 22

23 Uvažujme membránu, jež odděluje dva prostory. V jednom z nich je nulová koncentrace látky, ve druhém má látka koncentraci c. Pak platí, že počáteční rychlost prosté difuse přes membránu je lineárně závislá na koncentraci c. Naopak závislost počáteční rychlosti usnadněného přechodu má hyperbolický charakter, kdy počáteční rychlost s rostoucí koncentrací c nejprve prudce roste, poté se růst rychlosti zmenšuje, až je při vysoké koncentraci c téměř dosaženo limitní rychlosti transportu, kdy další zvyšování koncentrace c má na zvyšování rychlosti zanedbatelný charakter. 5) Pokuste se vysvětlit, proč má křivka usnadněného transportu takový na první pohled neobvyklý charakter (stačí slovní úvaha, nejsou potřeba rovnice). Vysvětlení: 23

24