SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

Transkript

1 Ná rodníinstitut dětía mlá deže Ministerstvo školství, mlá deže a tělový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy 46. roč ník 2009/2010 ŠKOLNÍ KOLO kategorie A SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

2 Ná rodníinstitut dětía mlá deže Ministerstvo školství, mlá deže a tělový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy 46. roč ník 2009/2010 ŠKOLNÍ KOLO kategorie A SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

3 Kolektiv autorů (jmenovitě viz obá lka), 46. ročníku Chemické olympiá dy NIDM MŠ MT Č R ISBN:

4 Ministerstvo š kolství, mládeže a tělový chovy Č eské republiky ve spolupráci s Č eskou společností chemickou a Č eskou společností průmyslové chemie vyhlaš ují 46. ročník předmětové soutěže CHEMICKÁ OLYMPIÁ DA 2009/2010 kategorie A pro žáky 3. a 4. ročníků středních š kol a odpovídající ročníky víceletý ch gymnázií kategorie E pro žáky 3. a 4. ročníků středních odborný ch š kol s chemický m zaměřením 1 Chemická olympiá da je předmětová soutěž z chemie, která si klade za cíl podporovat a rozvíjet talentované žá ky. Formou zá jmové činnosti napomá há vyvolá vat hlubší zá jem o chemii a vé st žá ky k samostatné prá ci. Soutěž je jednotná pro celé území Č eské republiky a pořá dá se každoročně. Č lení se na kategorie a soutěžní kola. Vyvrcholením soutěže pro kategorii A je účast vítězů ná rodního kola ChO na Meziná rodní chemické olympiá dě a pro kategorii E na evropské soutěži Grand Prix Chimique, která se koná jednou za 2 roky. Ú spěšní řešitelé ú středního kola Chemické olympiá dy budou přijati bez přijímacího řízení na tyto vysoké školy: Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze (chemické obory), Přírodovědecká fakultu Masarykovy Univerzity v Brně (chemické obory), Fakulta chemické technologie VŠCHT v Praze, Fakulta technická VUT v Brně. Ú spěšným řešitelům Chemické olympiá dy kategorií A a E, kteří se umístí na místě v Ú středním kole a kteří se zapíší ke studiu chemických oborů na Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze, bude přiděleno mimořá dné stipendium. 2 Stipendium pro nejú spěšnější ře šitele nabízí také Nadační fond Emila Votočka při Fakultě chemické technologie VŠCHT v Praze. Ú spěšní řešitelé Ú středního kola ChO přijatí ke studiu na té to fakultě mohou zažá dat o stipendium pro první ročník studia. Nadační fond E. Votočka poskytne třem nejú spěšnějším účastníkům kategorie A resp. jednomu kategorie E během 1. ročníku studia stipendium ve výši Kč. 3 Celostá tní soutěž řídí Ú střední komise Chemické olympiá dy v souladu s organizačním řá dem. Na území krajů a okresů řídí Chemickou olympiá du krajské a okresní komise ChO. Organizá tory krajské ho kola pro žá ky středních škol jsou krajské komise ChO ve spoluprá ci se školami, pedagogickými centry a pobočkami Č eské chemické společnosti a Č eské společnosti prů myslové chemie. Na školá ch řídí školní kola ředitel a pověřený učitel. V souladu se zásadami pro organizová ní soutěží je pro vedení školy závazné, v případě zá jmu studentů o Chemickou olympiá du, uskutečnit její školní kolo, případně zabezpečit účast studentů v té to soutěži na jiné škole. 1 Tj. pro žá ky odborných škol, kteří mají alespoň 2 hodiny chemie a 2 hodiny laboratorních cvičení týdně po celou dobu studia (4 roky). 2 Podrobnější informace o tomto stipendiu budou uvedeny na webových strá nká ch fakulty 3 Stipendium bude vyplá ceno ve dvou splá tká ch, po řá dné m ukončení 1. semestru 4000 Kč, po ukončení 2. semestru 6000 Kč. Výplata je vázána na splnění všech studijních povinností. Celkem může nadační fond na stipendia rozdělit až Kč v jednom roce. 2

5 První kolo soutěž e První kolo soutěže (školní) probíhá na školá ch ve všech kategoriích zpravidla ve třech čá stech. Jsou to: a) studijní čá st, b) praktická laboratorní čá st, c) kontrolní test školního kola. V této brožuře jsou soutěžní úlohy studijní a praktické čá sti prvního kola soutěže kategorií A a E. Pro žáky soutěžící v kategorii E je teoretickáčást všech kol shodnás kategorií A. Praktická čá st školního a ústředního kola kategorie E je pak doplněna o jednu laboratorní úlohu. Autorská řešení těchto úloh společně s kontrolním testem a jeho řešením budou obsahem druhé brožury. Ú lohy ostatních kategorií budou vydá ny ve zvlá štních brožurá ch. Třetí čá st prvního kola kontrolní test bude separá tní přílohou v brožuře obsahující autorská řešení prvního kola soutěže. Upozornění: Žá ci středních odborných škol s chemickým zaměřením (splňující podmínky kategorie E) nemohou soutěžit v kategorii A. Vzor záhlaví vypracovaného úkolu Karel VÝBORNÝ Kat.: A, 2009/2010 Gymná zium, Korunní ul., Praha 2 Ú kol č.: 1 1. ročník Hodnocení: Š kolní kolo chemické olympiá dy řídí a organizuje učitel chemie (dá le jen pověřený učitel), které ho touto funkcí pověří ředitel školy. Ú kolem pověřené ho učitele je propagovat Chemickou olympiá du mezi žá ky a získá vat je k soutěžení, předá vat žá ků m texty soutěžních úkolů a dodržovat pokyny řídících komisí soutěže. Spolu s pověřeným učitelem se na přípravě soutěžících podílejí učitelé chemie v rá mci činnosti předmětové komise. Umožňují soutěžícím prá ci v laboratořích, pomá hají jim odbornou radou, upozorňují je na vhodnou literaturu, popřípadě jim zajišťují další konzultace, a to i s učiteli škol vyšších stupňů nebo s odborníky z praxe a výzkumných ústavů. Ředitel školy vytvá ří příznivé podmínky pro propagaci, úspěšný rozvoj i prů běh Chemické olympiá dy. Podporuje soutěžící při rozvoji jejich talentu a zabezpečuje, aby se prá ce učitelů hodnotila jako ná ročný pedagogický proces. Učitelé chemie spolu s pověřeným učitelem opraví vypracované úkoly soutěžících, zpravidla podle autorské ho řešení a krité rií hodnocení úkolů předem stanovených Ú K ChO, případně krajskou komisí Chemické olympiá dy, úkoly zhodnotí a sezná mí soutěžící s jejich sprá vným řešením. Pověřený učitel spolu s ředitelem školy nebo jeho zá stupcem: a) stanoví pořadí soutěžících, b) navrhne na zá kladě zhodnocení výsledků nejlepší soutěžící k účasti ve druhé m kole, c) provede se soutěžícími rozbor chyb. Ředitel školy zašle příslušné komisi Chemické olympiá dy jmenný seznam soutěžících navržených k postupu do dalšího kola, jejich opravená řešení úkolů, pořadí všech soutěžících (s uvedením procenta úspěšnosti) spolu s vyhodnocením prvního kola soutěže. Ú střední komise Chemické olympiá dy děkuje všem učitelům, ředitelům škol a dobrovolným pracovníkům, kteří se na průběhu Chemické olympiá dy podílejí. Soutěžícím pak přeje mnoho ú spěchů při řešení soutěžních ú loh. 3

6 VÝŇATEK Z ORGANIZAČ NÍHO Ř ÁDU CHEMICKÉ OLYMPIÁ DY Č l. 5 Ú koly soutěžících (1) Ú kolem soutěžících je samostatně vyřešit zadané teoretické a laboratorní úlohy. (2) Utajení textů úloh je nezbytnou podmínkou regulé rnosti soutěže. Se zněním úloh se soutěžící seznamují bezprostředně před vlastním řešením. Řešení úloh (dá le jen protokoly ) je hodnoceno anonymně. (3) Pokud má soutěžící výhrady k regulé rnosti prů běhu soutěže, má prá vo se odvolat v případě školního kola k pověřené mu učiteli, v případě vyšších soutěžních kol k příslušné komisi ChO, popřípadě ke komisi o stupeň vyšší. Č l. 6 Organizace a propagace soutěž e na š kole, š kolní kolo ChO (1) Zodpovědným za uskutečnění soutěže na škole je ředitel, který pověřuje učitele chemie zabezpečením soutěže (dá le jen pověřený učitel ). (2) Ú kolem pověřené ho učitele je propagovat ChO mezi žá ky, evidovat přihlá šky žá ků do soutěže, připravit, řídit a vyhodnotit školní kolo, předá vat žá ků m texty soutěžních úloh a dodržovat pokyny řídících komisí ChO, umožňovat soutěžícím prá ci v laboratořích, pomá hat soutěžícím odbornými radami, doporučovat vhodnou literaturu, případně jim zabezpečit další konzultace, a to i s učiteli škol vyšších stupňů nebo s odborníky z výzkumných ústavů a praxe. (3) Spolu s pověřeným učitelem se na přípravě, řízení a vyhodnocení školního kola mohou podílet další učitelé chemie v rámci činnosti předmětové komise chemie (dá le jen předmětová komise ). (4) Š kolního kola se účastní žá ci, kteří se do stanovené ho termínu přihlá sí u učitele chemie, který celkový počet přihlá šených žá ků ozná mí pověřené mu učiteli. (5) V případě zá jmu žá ka o účast v soutěži je škola povinna uskutečnit školní kolo, případně zabezpečit účast žá ka v ChO na jiné škole. (6) Š kolní kolo probíhá ve všech kategoriích v termínech stanovených NIDM a Ú K ChO zpravidla ve třech čá stech (studijní čá st, laboratorní čá st a kontrolní test). (7) Pověřený učitel spolu s předmětovou komisí, je-li ustavena: a) zajistí organizaci a regulé rnost prů běhu soutěžního kola podle zadá ní NIDM a Ú K ChO, b) vyhodnotí protokoly podle autorských řešení, c) sezná mí soutěžící s autorským řešením úloh a provede rozbor chyb, d) stanoví pořadí soutěžících a vyhlá sí výsledky soutěže. (8) Po skončení školního kola zašle ředitel školy nebo pověřený učitel: a) organizá torovi vyššího kola příslušné kategorie ChO výsledkovou listinu všech účastníků s počty dosažených bodů, úplnou adresou školy a stručné hodnocení školního kola, b) tajemníkovi příslušné komise ChO vyššího stupně stručné hodnocení školního kola včetně počtu soutěžících. (9) Protokoly soutěžících se na škole uschová vají po dobu jednoho roku. Komise ChO všech stupňů jsou oprá vněny vyžá dat si je k nahlé dnutí. Č l. 14 Zvláš tní ustanovení (1) Účast žá ků ve všech kolech soutěže, na soustředěních a v meziná rodních soutěžích se považuje za činnost, která přímo souvisí s vyučová ním. (2) Pravidelná činnost při organizová ní soutěže, vedení zá jmových útvarů žá ků připravujících se na ChO a pravidelné organizační a odborné pů sobení v komisích ChO se považuje za pedagogicky a společensky významnou činnost učitelů a ostatních odborných pracovníků, započítá vá se do pracovního úvazku nebo je zohledněno v osobním příplatku, případně ohodnoceno mimořá dnou odměnou. (3) Soutěže se mohou zúčastnit i žá ci studující na českých školá ch v zahraničí, jejichž stá tní příslušností je Č eská republika, a to v rámci územní oblasti, která je nejbližší místu studia žá ka. Žá ků m je v případě jejich účasti ve vyšších postupových kolech hrazeno jízdné pouze na území Č eské republiky. 4

7 Harmonogram 46. ročníku Chemické olympiády kategorie A Studijní část š kolního kola: červenec říjen 2009 Kontrolní test školního kola: Š kola odešle výsledky školního kola krajské komisi ChO nejpozději do: Krajská komise je oprá vněna na zá kladě dosažených výsledků ve školním kole vybrat omezený počet soutěžících do krajské ho kola ChO. Krajskákola: Předsedové krajských komisí odešlou výsledkovou listinu krajských kol Ú střední komisi Chemické olympiá dy, VŠ CHT Praha, v kopii na NIDM MŠ MT Č R Praha dvojím způ sobem: 1. Co nejdříve po uskutečnění krajské ho kola zapíší výsledky příslušné ho kraje do Databá ze Chemické olympiá dy, která je přístupná na webových strá nká ch (přes tlačítko Databá ze). Přístup je chrá něn uživatelským jmé nem a heslem, které obdržíte od Ú K ChO. Ihned po odeslá ní bude výsledková listina zveřejněna na webových strá nká ch ChO. 2. Tato databá ze umožňuje zapsané výsledkové listiny zároveň vytisknout. Takto vytištěnou výsledkovou listinu v papírové podobě spolu s hodnocením zašlete na adresu: VŠ CHT Praha, RNDr. Petr Holzhauser, Ú stav anorganické chemie, Technická 5, Praha 6 Dejvice. Ú střední komise ChO vybere na zá kladě dosažených výsledků v krajských kolech soutěžící do ústředního kola ChO. Ú střední kolo: na VŠ CHT v Praze Ú střední komise ChO vybere na základě dosažených výsledků v Ú středním kole soutěžící do výběrových soustředění (teoretické ho a praktické ho). Na Meziná rodní chemickou olympiá du postupují čtyři soutěžící s nejlepšími výsledky v ústředním kole a ve výběrových soustředěních. Mezinárodní olympiáda pro kategorii A: Letní odborné soustředění červenec 2010, Tokio, Japonsko červenec 2010, Běstvina Organizá toři vyberou na základě dosažených výsledků v krajských kolech soutěžící, kteří se mohou zúčastnit letního odborné ho soustředění Chemické olympiá dy v Běstvině. Od je garantem Chemické olympiády VŠ CHT Praha. 3

8 Kontakty na krajské komise Chemické olympiády školnírok 2009/2010 Kraj Předseda Tajemník doc. Ing. Jaroslav Kvíčala Mgr. Linda Rottová Ú stav organické chemie, VŠ CHT Stanice přírodovědců DDM hl.m. Prahy Praha Drtinova 1a Praha Technická Praha Praha 6 rottova@ddmpraha.cz jaroslav.kvicala@vscht.cz tel.: , l. 132 tel.: , Středočeský Jihočeský Plzeňský Karlovarský RNDr. Marie Vasileská, CSc. katedra chemie PedF UK M. D. Rettigové Praha 1 tel.: vasileska@cermat.cz RNDr. Karel Lichtenberg, CSc. Gymná zium, Jírovcova Č eské Budějovice tel.: licht@gymji.cz Mgr. Jana Pertlová Masarykovo Gymná zium Petá kova Plzeň tel.: pertlova@mgplzen.cz Ing. Miloš Krejčí Gymná zium Ostrov Studentská Ostrov tel.: ; milos.krejci@centrum.cz Dr. Martin Adamec katedra chemie PedF UK M. D. Rettigové Praha 1 tel.: Martin.adamec@pedf.cuni.cz Ing. Miroslava Č ermá ková DDM, U Zimního stadionu Č eské Budějovice tel.: cermakova@ddmcb.cz RNDr. Jiří Cais Krajské centrum vzdělá vá ní a jazyková škola PC Koperníkova Plzeň tel.: cais@kcvjs.cz Ing. Radim Adamec odbor školství, mlá deže a tělovýchovy Zá vodní 353/ Karlovy Vary tel.: ; radim.adamec@kr-karlovarsky.cz Ú stecký Liberecký Mgr. Tomá š Sedlá k Gymná zium Teplice Č s. dobrovolců 530/ Teplice tel.: sedlak@gymtce.cz PhDr. Bořivoj Jodas, Ph.D. katedra chemie FP TU Há lkova Liberec tel.: borivoj.jodas@volny.cz Ing. Květoslav Soukup, KÚ, odd. mlá deže, tělov. a volné ho času Velká Hradební Ú stí nad Labem tel.: soukup.k@kr-ustecky.cz Mgr. Věra Rousová tel.: , rousova.v@kr-ustecky.cz Vendulka Tošnerová DDM Větrník Riegrova Liberec tel.: ; Vendulka.Tosnerova@ddmliberec.cz 4

9 Kraj Předseda Tajemník PaedDr. Ivan Holý, CSc. Pedagogická fakulta UHK Vladimíra Kubínová Dů m dětí a mlá deže Krá lové hradecký Rokitanské ho 62 Rautenkraucova Hradec Krá lové Hradec Krá lové tel.: ivan.holy@uhk.cz tel.: l.104, Vladimira.Kubinova@centum.cz Pardubický Vysočina Jihomoravský Zlínský Olomoucký Moravskoslezský doc. Ing. Jiří Kulhá nek, Ph.D. FChT UPce, katedra org. chemie Studentská Pardubice jiri.kulhanek@upce.cz RNDr. Jitka Š edivá Gymná zium Jihlava Jana Masaryka Jihlava tel.: sediva@gymnazium.ji.cz RNDr. Valerie Richterová, Ph.D. Bořetická Brno tel.: valinka@centrum.cz Ing. Lenka Svobodová SPŠ, Třída T. Bati Otrokovice tel.: ; svobodoval@spsotr.eu kat. D RNDr. Stanislava Ulčíková ZŠ Slovenská Zlín tel.: ulcikova.stanislava@raz-dva.cz Mgr. Luká š Müller PřF UP Olomouc, katedra analytické chemie tř. 17. listopadu 12, Olomouc tel.: mlluk@post.cz Mgr. Alexandra Holoušková Gymná zium Havířov Komenské ho Havířov holouskova@gkh.cz Mgr. Klá ra Jelinkova DDM Delta Gorké ho Pardubice tel.: jelinkova@ddmdelta.cz RNDr. Josef Zlá malík Gymná zium Jihlava Jana Masaryka Jihlava tel.: zlamalik@gymnazium.ji.cz Mgr. Zdeňka Antonovičová Středisko volné ho času Lužá nky Lidická Brno Lesná tel.: , zdenka@luzanky.cz Petr Malinka odd. mlá deže, sportu a rozvoje lid. zdrojů KÚ Třída T. Bati Zlín tel.: petr.malinka@kr-zlinsky.cz Bc. Kateřina Kosková odd. mlá deže a sportu KÚ Jeremenkova 40 A Olomouc tel.: k.koskova@kr-olomoucky.cz Mgr. Marie Kociá nová Stanice přírodovědců Č kalova Ostrava Poruba tel.: marie.kocianova@svc-korunka.cz 5

10 Další informace získá te na té to adrese. NIDM MŠ MT Praha, Talentcentrum VŠ CHT Praha Na Poříčí1835/4, Praha 1 Technická 5, Praha 6 Dejvice tel.: tel: Ing. Jana Š evcová RNDr. Petr Holzhauser jana.sevcova@nidm.cz petr.holzhauser@vscht.cz Podrobnější informace o chemické olympiá dě a úlohá ch minulých ročníku získá te na strá nká ch Ú střední komise ChO je členem Asociace českých chemických společností. Informace o Asociaci a o spoluvyhlašovateli ChO Č eské chemické společnosti naleznete na strá nká ch Významným chemickým odborným časopisem vydá vaným v češtině jsou Chemické listy. Sezná mit se s některými člá nky můžete v Bulletinu, který vychá zí čtyřikrá t ročně a naleznete ho i na internetových strá nká ch na adrese 6

11 TEORETICKÁ Č ÁST (60 bodů) I. Anorganická chemie Autoři RNDr. Petr Holzhauser Ú stav anorganické chemie, VŠ CHT Praha RNDr. Jan Kotek, Ph.D. Katedra anorganické chemie, PřF UK Praha Recenzenti Mgr. Petr Cígler, Ph.D. (odborná recenze) Výzkumné centrum Ú OCHB & Gilead Sciences, Ú OCHB AV Č R, v.v.i., Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří Milí studenti, úlohy z anorganické chemie budou letos úzce prová zané s úlohami z fyziká lní chemie budou se totiž týkat elektronové struktury atomů a molekul. I anorganický chemik musí bravurně ovlá dat umění tvorby elektronových, případně Lewisových vzorců (a nejen anorganických, ale i organických lá tek, neboť mezi nimi není v principu žá dný rozdíl), chá pat původ, význam a užití oktetové ho pravidla, rozumět pojmů m jako oxidační číslo, formá lní náboj, izoelektronová čá stice. V přípravné m textu fyziká lní chemie "Nebojte se kvant" je nastíněna idea molekulových orbitalů, v anorganické čá sti se jimi budeme zabývat u dvojatomových molekul. Tamtéž můžete nalé zt pasá ž o fotoelektronové spektroskopii, mocné experimentá lní metodě, která doká že nahlé dnout pod pokličku hraničních orbitalů. Aby úlohy byly opravdové, nemůžeme hovořit pouze v obecných pojmech, ale musíme se vrhnout na reá lné molekuly. Proto svoji pozornost fokusujte na sloučeniny dusíku, prvku, který je pro demonstraci pestrosti elektronových struktur jako stvořený. Hodně zdaru, zá bavy i poučení při řešení úloh Vá m přejí autoři Základní doporučenáliteratura: 1. J. Klikorka, B. Há jek, J. Votinský: Obecná a anorganická chemie, SNTL/Alfa, Praha 1989, čl. (5.1), 5.2, 5.3, 6.2, 6.3 a 6.5 www 2. F. A. Cotton, G. Willkinson: Anorganická chemie, Academia, Praha 1973, čl. 3.9, T. Kubař, M. Kolá ř: Nebojte se kvant, přípravný text k chemické olympiá dě www 4. internetové vyhledá vače, klíčová slova: strukturní elektronové vzorce, oktetové pravidlo, Lewisovy vzorce, formá lní náboj, oxidační číslo, molekulové orbitaly dvojatomových molekul, řá d, dé lka a energie vazby, izoelektronové čá stice, fotoelektronová spektroskopie 5. Středoškolské učebnice chemie Rozš iřující literatura: www Tituly označené www jsou k dispozici na strá nká ch Chemické olympiá dy: -olympiada.cz 7

12 6. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie prvků, Informatorium, Praha 1993, čl. 8.8, odst , , W. Kołos: Základy kvantové chemie vyložené bez použití matematiky, Academia, Praha

13 Úloha 1 Pavouk 10 bodů Katalyzovanou reakcí vodíku s plynem A vzniká štiplavý plyn B, který lze snadno zkapalnit při ~ 33 C. Tento plyn snadno hoří na vzduchu za vzniku A a vody. Při použití platiny jako katalyzá toru však dojde až k oxidaci na bezbarvý oxid C, který další reakcí s kyslíkem poskytuje hnědočervený plyn D. Ten ochlazením dimeruje na lá tku E. Ekvimolá rní směs oxidů C a D při ochlazení poskytne intenzivně modrou kapalinu F, která dalším ochlazením na 100 C ztuhne na bledě modré krystaly. Reakcí oxidu D s vodou vzniká směs dvou kyselin G a H; kyselina H je nestabilní a rozklá dá se za vzniku látek C a G. Reakcí B a G vzniká sůl I, která zahřá ní m poskytuje lá tku J a vodu. Analogický rozklad lá tky K, připravené reakcí B a H, poskytuje vedle vody i plyn A. Oxidací látky B chlornanem sodným vznikne kromě chloridu sodné ho a vody i nová látka L, obsahující dva prvky, přičemž jedním z nich je vodík (12,6 hm. %). Reakcí L s kyselinou G v rů zných poměrech vznikají soli M a N; lá tka M obsahuje 5,3 hm. % vodíku, a lá tka N 3,8 hm. % vodíku. Je-li však lá tka L ponechá na reagovat s kyselinou H, dojde ke vzniku nové kyseliny O a vody. Kyselina O s lá tkou B poskytuje sů l P. Dehydratací kyseliny G oxidem fosforečným vzniká bílý oxid Q s teplotou tá ní ~30 C. Jeho reakcí s kyselinou chloristou vzniká sů l R a dochá zí k uvolnění kyseliny G. a) Identifikujte prvek A a ostatní sloučeniny B R. Lá tky nazvěte. b) Nakreslete lewisovský elektronový vzorec lá tek E, F a Q. Vyznačte formá lní ná boje na jednotlivých atomech. c) Nakreslete lewisovské elektronové vzorce aniontu kyseliny O, a vyznačte formá lní ná boje na jednotlivých atomech. d) Jaký má daný anion tvar? e) Nakreslete lewisovský elektronový vzorec látky J, a vyznačte formá lní náboje na jednotlivých atomech. Určete i oxidační čísla na jednotlivých atomech. f) Jaký má lá tka J tvar? g) Molekula D, anion kyseliny H a kation obsažený v soli R mají velmi příbuznou strukturu. Nakreslete jejich lewisovské elektronové vzorce. Určete jejich pořadí podle rostoucího vazebné ho úhlu na centrá lním atomu. h) Napište vyčíslenou rovnici reakce lá tky D s vodou za vzniku G a H. i) Napište vyčíslenou rovnici termá lního rozkladu lá tky I. j) Napište vyčíslenou rovnici reakce lá tek H a L. Úloha 2 Cesta do nitra molekuly kyslíku 6 bodů Elementá rní kyslík se dá připravit lecjakými chemickými metodami, např. pyrolýzou některých solí. 1. Napište rovnici tepelné ho rozkladu manganistanu draselné ho za vzniku kyslíku. Spalová ním alkalických kovů na vzduchu mohou vznikat různé soli. V případě sodíku vzniká jako hlavní produkt bílá krystalická sloučenina X. V případě draslíku zase sloučenina Y oranžové barvy. 2. Napište rovnice vzniku X a Y a lá tky pojmenujte. 9

14 V roce 1962 experimentoval pan Bartlett s fluoridem platinovým 4 (velmi těžká červená kapalina). Zjistil, že kontaktem par té to lá tku se vzduchem při 100 C vzniká krystalická lá tka Z. 3. Napište rovnici vzniku lá tky Z a pojmenujete přítomný anion. Všechny lá tky X Z obsahují čá stici se stejným složením jaké má molekula kyslíku, ale s rů zným ná bojem. Vaším úkolem bude popsat jejich elektronovou strukturu pomocí teorie MO (molekulových orbitalů ). 4. Nakreslete sché ma MO pro molekulu kyslíku. Označte pů vodní AO (atomové orbitaly) i MO (nezapomeňte na symboly vypovídající i vazebnosti, nevazebnosti, nebo protivazebnosti orbitalů ). 5. Na zá kladě nakreslené ho sché matu doplňte ná sledující tabulku: Látka O 2 X Y Z Přítomná čá stice O 2 Počet nepá rových e Řá d vazby Vazebná dé lka (pm) Energie vazby (kj mol 1 ) Vibrační frekvence (cm 1 ) Můžete vybírat z ná sledujících hodnot: Vazebné dé lky: 112, 121, 134 a 154 pm Energie vazeb: 204, 346 5, 490, 625 kj mol 1 Vibrační frekvence: 842, 1145, 1555, 1858 cm 1 Ná pověda: podobně jako u pružiny je vibrační frekvence je tím vyšší, čím je vazba pevnější. Skutečné energie MO můžeme elegantně získat pomocí tzv. fotoelektronové spektroskopie. Na obrá zku níže je fotoelektronové spektrum molekuly kyslíku zachycující signá ly tří nejvýše obsazených molekulových orbitalů. 6. Přiřaďte píky jednotlivým orbitalů m, odečtěte ze spektra orbitá lní energie a vepište je k příslušným orbitalů m ve sché matu z otá zky 4. 4 Fluorid platinový je těžká červená kapalina s teplotou varu 69,1 C a velmi silnými oxidačními účinky. Pan Bartlett si všiml, že ionizační energie molekuly kyslíku a atomu xenonu jsou skoro stejné a zopakoval týž pokus s xenonem. Podařilo se mu tak připravit historicky první skutečnou sloučeninu vzá cné ho plynu. Více viz S. Engels, A. Nowak: Chemické prvky Historie a současnost, SNTL/Alfa, Praha 1977, nebo též dop. lit. 6, str Hodnota získaná interpolací. 10

15 Fotoelektronové spektrum molekuly kyslíku 11

16 II. Organická chemie Autor Recenzenti RNDr. Jan Veselý, Ph.D. Katedra organické a jaderné chemie, PřF UK Praha Prof. Ing. Františ ek Liš ka, CSc. (odborná recenze) Katedra chemie a didaktiky chemie, PeF UK Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří Zadá ní úloh z organické chemie 46. ročníku Chemické olympiá dy bude v jejích jednotlivých kolech kategorie A zaměřeno na přípravu a reaktivitu karbonylových sloučenin (aldehydů a ketonů). Reakce karbonylových sloučenin patří k nejčastěji využívaným reakcím v organické synté ze na přípravu cenných syntetických meziproduktů, které nachá zejí široké uplatnění ve farmaceutické m, potraviná řské m a agrochemické m prů myslu. Témata úloh: příprava karbonylových sloučenin z alkenů a alkynů příprava a,b-nenasycených aldehydů a ketonů reakce aldehydů a ketonů s nukleofilními činidly kondenzační reakce (např. zkřížené kondenzační reakce, Darzenova kondenzační reakce) 1,2 a 1,4 adice a,b-nenasycených aldehydů a ketonů Wittigova reakce a její analogie malonesterová synté za Perkinova synté za haloformová reakce ozonolýza s reduktivním a oxidativním zpracová ním Doporučenáliteratura: 1. Středoškolské učebnice chemie. 2. Vacík, J. a kolektiv: Přehled středoškolské chemie, SPN, Praha 1995, Č ervinka, O., Dědek, V., Ferles, M.: Organická chemie, Informatorium, Praha 1991, , Pacá k, J.: Stručné zá klady organické chemie, SNTL, Praha 1975, McMurry J.: Organická chemie, VUTIUM Brno a VŠ CHT Praha 2007, , , , Č ervinka, O.: Chemie organických sloučenin I, SNTL, Praha 1987, Fikr, J., Kahovec, J.: Ná zvosloví organické chemie, Rubico, Olomouc WWW zdroje informací: 1. Jmenné reakce 2. Syntetické přístupy 3. Obecné hledá ní podle klíčových slov 12

17 Úloha 1 Oxymerkurace alkynů 5 bodů Jednou ze základních reakcí na přípravu karbonylových sloučenin je oxymerkurační reakce alkynů, přesněji formulová no oxymerkurační-demerkurační reakce. Syntetický význam má především použití této reakce u terminá lních a symetricky substituovaných interních alkynů. Oxymerkurační reakce alkynů je z hlediska reakčního mechanizmu adiční reakce molekuly vody katalyzovaná rtuťnatými kationty, která je velmi podobná oxymerkurační reakci alkenů. Zatímco alkeny v této reakci poskytují příslušné sekundá rní alkoholy, alkyny poskytují karbonylové sloučeniny. Karbonylové sloučeniny však nejsou přímým produktem adiční reakce, klíčovým krokem pro jejich vznik je izomerizační reakce, ve které je přímý produkt adice transformová n na konečný karbonylový produkt. U níže uvedené reakce zodpovězte ná sledující otá zky: HgSO 4 H 2 O, H 2 SO 4 A B a) Nakreslete lá tky A a B a rozhodněte, zda oxymerkurační reakce probíhá podle Markovnikova pravidla, či nikoliv. b) O jaký typ izomerie se jedná v případě lá tek A a B a jak se obecně nazývají izomery A a B? c) Proč je použití oxymerkurační reakce v případě nesymetricky substituovaných akynů nevhodné? H + Úloha 2 Reakce karbonylových sloučenin s deriváty amoniaku 7 bodů Mezi klasické reakce karbonylových sloučenin (aldehydů a ketonů ) patří jejich reakce s nukleofilními činidly jako je např. amoniak, primá rní a sekundá rní aminy, hydrazin a hydroxylamin a jejich derivá ty, alkoholy, thioly a řada dalších. V ná sledující úloze se zaměříme na synteticky velmi významnou skupinu na reakce karbonylových sloučenin s nukleofilními činidly odvozenými od molekuly amoniaku. Doplňte lá tky A - G u níže uvedených reakcí a pokuste se odpovědět na ná sledující otá zky: H N N H Ph Ph H 3 C O H K 2 CO 3 (bezv.) benzen A K O 2 CO 3 NH 2 OH.HCl cis-b tr ans-b Et O Et H N SO 3 H cis-c trans-c O H 3 C O H 2 N-NH 2 / H 3 O + D HO-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -OH KOH, E 13

18 a) Jak se obecně nazývají látky vznikající reakcí primá rních aminů a sekundá rních aminů s karbonylovými sloučeninami? b) Jak se obecně nazývají lá tky typu cis-b a trans-b? c) Proč se jako rozpouštědlo v poslední reakci používá diethylenglykol (HOCH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 OH) místo jiných alkoholů jako např. ethanol, či methanol? Úloha 3 Adice na a,b-nenasycené aldehydy a ketony 4 body V ná sledující čá sti se zaměříme na karbonylové sloučeniny obsahující dvojnou vazbu. Zvlá ště synteticky významné jsou především a,b-nenasycené aldehydy a ketony, které podobně jako konjugované dieny, jsou stabilizová ny elektoronovou delokalizací a proto např. velice snadno vznikají (kysele, či bazicky katalyzovanou) izomerizací z příslušných b,g-nenasycených karbonylových sloučenin. Reaktivita a,b-nenasycených aldehydů a ketonů se odvíjí z reaktivity jejich funkčních komponent (tj. přítomnosti karbonylové skupiny a násobné vazby) a zároveň z reaktivity konjugovaných systé mů. Prá vě druhá zmiňovaná reaktivita je předmětem té to úlohy. Doplňte produkty A D u níže uvedených reakcí a rozhodněte, o jaký typ adiční reakce se jedná. Ph O Ph KCN EtOH CH 3 COOH A O H 3 C CH 3 H 3 C 1. CH 3 Li, Et 2 O 2. H +, H 2 O B O CH 3 1. (CH 3 ) 2 CuLi, THF, -78 C 2. H +, H 2 O C Ph O H 1. CH 3 CH 2 MgBr, Et 2 O 2. H +, H 2 O D 14

19 III. Fyzikálníchemie Autoři Mgr. Michal Kolář Katedra fyziká lní a makromolekulá rní chemie, PřF UK v Praze Ú stav organické chemie a biochemie AV Č R, v.v.i. RNDr. Tomáš Kubař, Ph.D. Technische Universität Braunschweig, Německo Recenzenti RNDr. Františ ek Zemánek (odborná recenze) Katedra fyziká lní a makromolekulá rni chemie, PřF UK v Praze RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří Fyziká lně-chemická čá st 46. ročníku Chemické olympiá dy Vás, milí studenti, provede světem atomů, molekul, světem čá stic menších než je třeba kapka vody, dokonce menších než je polovina kapky vody. Vždyť takovouto kapku vody bychom mohli rozdělit na řá dově atomů nebo molekul a ti z Vás, kterým by to nestačilo, dělili by dál a dál na atomová jádra a elektronový obal a kdo ví, kde by s tím dělením skončili Prá vě elektronový obal atomu ná s bude v nadchá zejících fyziká lně-chemických úlohá ch zajímat nejvíce. Nejednou zabrousíme do oblastí, které jsou středoškolské mu studentovi během hodin chemie často zatajeny, avšak žá dnou obtíž v sobě neskrývají a proto není dů vodu se jich obá vat. Řeč bude o struktuře atomů, molekul, o teorii chemické vazby i o kvantové teorii, která vše již zmíněné s noblesou zaštiťuje. Řešitel fyziká lně-chemických úloh by neměl tá pat v pojmech jako jsou orbital, chemická vazba, hybridizace, aromaticita, kvantová čísla, výstavbový princip, Pauliho vylučovací princip, spin nebo foton. Dostatečnou zásobu informací naleznete v doporučené literatuře 2 4. Ambiciózní řešitel nahlé dne i do doporučené literatury 5 7, kde nalezne další rozšiřující informace. Pro popis mikrosvěta nelze použít zákony fyziky, se kterými se setká vá me v běžné m životě (např. že míček hozený na zeď se vždy odrazí a vrá tí zpět), ale je potřeba začít uvažovat kvantově (např. že míček hozený na zeď se někdy nevrá tí zpět, ale zdí projde naskrz, aniž by v ní byla díra). Kvantově chemické úlohy jsou vcelku náročné, řešitelné pouze výkonnými počítači (např. existuje ale řada zjednodušení, která řešení usnadní a zpřístupní papíru a tužce. My se budeme zabývat výhradně Hückelovou metodou molekulových orbitalů. Přípravný text Nebojte se kvant, který Vás uvede do světa kvantové chemie, obsahuje vše potřebné k zvlá dnutí fyziká lně-chemických úloh. Seznamte se tedy s pojmy jako Hückelova metoda, Hamiltonova matice, molekulový orbital, LCAO aproximace, delokalizační energie, fotoelektronová spektra, ionizační energie, MRI, paramagnetismus, dipólový moment, HOMO/LUMO orbitaly. Pro řešení úloh se Vám budou hodit i znalosti matematické, konkré tně řešení lineá rních a kvadratických rovnic a jejich soustav. Základy získá te např. v literatuře 8 a další znalosti můžete nabýt např. v textu Nebojte se kvant nebo v literatuře 9. Znalost pojmů jako vektor, matice, determinant, vlastní hodnoty či ortogonalita Vá m může být jedině ku pomoci. Mnoho štěstí a chuti pozná vat přejí autoři 15

20 Doporučenáliteratura: 1. T. Kubař, M. Kolá ř: Nebojte se kvant, přípravný text k chemické olympiá dě www 2. A. Mareček, J. Honza: Chemie pro čtyřletá gymná zia 1. díl, Nakladatelství Olomouc 1998, str I. Š toll a kol.: Fyzika pro gymná zia Fyzika mikrosvěta, Promé theus 2002, str J. Vacík a kol.: Přehled středoškolské chemie, SPN pedagogické nakl. 1999, str M. Otyepka: Struktura atomů a molekul, Univerzita Palacké ho Olomouc W. J. Moore: Fyziká lní chemie, SNTL 1979, str , , , , P. W. Atkins: Fyziká lna ché mia 2a, Oxford/STU Bratislava 1999, str. 9 10, 58 59, 72 82, 84 92, , J. Charvá t, J. Houf, L. Boček: Matematika pro gymná zia Rovnice a nerovnice, Promé theus 1999, str internet s použitím výše zmíněných klíčových slov Úloha 1 Opruzeniny dětských prdelek 5 bodů K léčbě rozmanitých kožních potíží zejmé na u dětí se často používá modrá mastička Dermazulen. Její účinnou složkou je látka zvaná guajazulen (viz Obrá zek 1), kterou lze získat například z heřmá nku (Matricaria recutita). Hlavní kostru guajazulenu tvoří bicyklická molekula azulenu. Obrázek 1. vzorec guajazulenu a) Uveďte systematický nebo polosystematický ná zev guajazulenu. b) Azulen můžeme považovat za kondenzá t dvou monocyklických aromatických čá stic. Zamyslete se, jaké podmínky musí čá stice splňovat, aby měla aromatický charakter, a ná zvy obou čá stic uveďte. c) Skutečné rozložení elektronové hustoty v molekule azulenu zčá sti odpovídá této úvaze. V dů sledku toho má azulen, na rozdíl od izomeru naftalenu, nenulový dipólový moment o velikosti asi 1 debye. Určete orientaci tohoto dipólové ho momentu. d) Modrá mastička Dermazulen se bude jevit černou, pokud ji osvítíme světlem o vhodné vlnové délce. Vypočítejte tuto vlnovou délku a vysvětlete podstatu tohoto pozorová ní. V tabulce jsou hodnoty orbitá lních energií π-orbitalů : www Tituly označené www jsou k dispozici na strá nká ch Chemické olympiá dy: -olympiada.cz 16

21 10 p ev 9 p ev 8 p ev 7 p ev 6 p ev 5 p ev 4 p ev 3 p ev 2 p ev 1 p ev Úloha 2 Velké G 4 body První, co snad každé ho znalé ho chemika napadne, když se vysloví písmeno G, je jeho úzká souvislost s medicínou. Toto písmeno hraje v medicíně a farmacii klíčovou roli! Dokladem toho budiž ná m pojmy jako gynekologie, Geriavit, glaukom, Gastrogel, G-bod nebo gumová rukavice. a) Stručně vysvětlete, co jednotlivé pojmy znamenají. b) Napište prvky, jejichž značka obsahuje písmeno G/g. Které z nich jsou paramagnetické? V medicíně se s úspěchem používá metoda MRI (Magnetic Resonance Imaging). Ta je založena na skutečnosti, že některá atomová jádra vykazují nenulový magnetický moment, který lze v magnetické m poli orientovat a citlivými přístroji sledovat změny v energii při následné relaxaci. Jedním z aktivních jader je 1 H, jehož různé okolní prostření v různých typech tká ní umožňuje lékařů m vytvá řet 2D i 3D obrazy lidské ho těla. V určitých situacích lze relaxaci ovlivnit změnou prostředí 1 H jader pomocí tzv. kontrastní lá tky, která, jak již ná zev napovídá, zvyšuje kontrast studované čá sti a poskytuje lékařů m další informace tolik potřebné k léčbě nemocných. c) Která sloučenina obsahující nuklid 1 H je v těle nejvíce zastoupena? d) Sloučeniny které ho prvku, jehož značka obsahuje písmeno G/g, se s oblibou používají jako kontrastní látky? Zapište jeho elektronovou konfiguraci a vysvětlete, proč je mezi doktory tolik oblíbený. e) Určete, který obsazený atomový orbital prvku z d) má nejnižší energii. Je tento orbital degenerovaný? Kolikrá t? f) Kolikrá t degenerovaný je g-orbital? Úloha 3 Aromaticita a trocha kvantové chemie 7 bodů Aromaticita je pojem v chemii zcela zásadní. Jako takový proto poutá (a v minulosti poutal daleko silněji) pozornost nejen experimentá lních chemiků, ale i těch teoretických. V této úloze provedeme vskutku kvantový výpočet, ve které m se budeme zabývat aromatickou sloučeninou par excellence benzenem (Obrá zek 2). Teoretický apará t nám poskytne Hückelova metoda molekulových orbitalů (HMO), jakožto jedna z nejjednodušších kvantově-chemických metod. Potřebné zá klady můžete získat např. v přípravné m textu Nebojte se kvant. 17

22 Obrázek 2. rezonanční struktury benzenu a) Kolik elektronů se v molekule benzenu účastní delokalizace? b) Sestavte Hamiltonovu matici pro benzen. Jak se bude lišit od Hamiltonovy matice pyridinu? Číslová ní pyridinu volte podle normy IUPAC začá tek na dusíku. Abychom pochopili, proč struktura cyklohexatrienu je pouze hypotetická, spočteme nyní, o co stabilnější je benzen oproti cyklohexatrienu. Rozdíl bude tvořit tzv. delokalizační energie, tedy energie související s faktem, že v benzenu jsou všechny C-C vazby ekvivalentní a elektrony se pohybují v jaké msi delokalizované m elektronové m oblaku. Cyklohexatrien pro nás bude z hlediska π-orbitalů trojice naprosto oddělených dvojných vazeb, stejných, jaké najdeme v molekule ethenu. Pro výpočet delokalizační energie benzenu budeme tedy potřebovat zná t celkovou π-elektronovou energii ethenu, kterou poté násobenou třemi odečteme od celkové π-elektronové energie benzenu. c) Sestavte Hamiltonovu matici pro ethen. d) Spočtěte vlastní energie Hamiltoniá nu. Nakreslete sché ma molekulových orbitalů a vyznačte jejich obsazenost. Nezapomeňte, že parametr beta je zá porný. e) Vyjá dřete v jednotká ch a a b celkovou π -elektronovou energii ethenu. f) Vyjá dřete v jednotká ch a a b delokalizační energii benzenu, víte-li, že celková π-elektronová energie benzenu je 6a + 8b. Parametr b je při výpočtech delokalizační energie roven přibližně -0,8 ev. Jaká je delokalizační energie benzenu v jednotká ch kj.mol -1? Ve výpočtech uvažujte: H C = a H N = a + 0,5 b H CC = b H CN = b b = -0,8 ev Avogadrova konstanta N A = 6, mol 1 elementá rní ná boj e = 1, C 18

23 IV. Biochemie Autor Recenzenti Mgr. Martin Hrubý, Ph.D. Ú stav makromolekulá rní chemie Akademie věd Č eské republiky, v.v.i. doc. Mgr. Lukáš Žídek, Ph.D. PřF Masarykovy univerzity, Ná rodní centrum pro výzkum biomolekul RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří Chiralita v živý ch systémech Většina molekul v živých organismech, například prá vě sacharidy anebo základní stavební kameny bílkovin aminokyseliny má alespoň jeden tzv. asymetrický uhlík. Asymetrický uhlík je uhlík v sp3 hybridizaci, který má každý ze čtyř substituentů jiný. Takové molekuly, pokud nemají žá dnou rovinu symetrie, mohou tvořit více neidentických struktur, které se liší pouze tzv. konfigurací, a žá dným otočením nelze převé st jeden enantiomer na druhý. Těchto tzv. optických izomerů může být od jedné kovalentní struktury maximá lně 2 n, kde n je počet asymetrických uhlíků. Existují sloučeniny, kde v dů sledku existence roviny symetrie je počet optických izomerů menší než 2 n, protože některé jsou shodné (např. u kyseliny vinné ). Protože i pravá a levá dlaň jsou optickými izomery, nazývají se takové látky chirá lní (řecky χηιροσ = dlaně). Existují i chirá lní molekuly a krystaly bez asymetrické ho uhlíku (např. minerá l křišťá l, kde každý krystal, který u některých mineralogických vzorků může mít i několik kilogramů, je čistým jedním enantiomerem, chirtalita je tu vlastností krystalové mřížky SiO 2 ), ale těmi se nyní nebudeme zabývat. Pokud se v živých systé mech vyskytuje chirá lní struktura, pak je obvykle přítomna pouze v jedné možné enantiomerní formě tj. například bílkoviny jsou tvořeny pouze L-aminokyselinami, sacharidy jsou naopak většinou D. Toto není jenom nějakým rozmarem přírody, ale nutností. Funkce bílkovin je totiž dá na jejich třírozměrnou strukturou a bílkovina se může posklá dat do funkční třírozměrné struktury pouze pokud jsou čá sti jejího řetězce ve sprá vné vzá jemné pozici, kde jsou sprá vné struktury a funkční skupiny na svých místech. Na letošní ročník chemické olympiá dy si nastudujte věci týkající se chirality organických sloučenin obecně, dá le nomenklaturu chirá lních sloučenin (L a D u sacharidů a aminokyselin a zejmé na obecnou nomenklaturu R a S), dá le výpočty z optické rotace, enantiomerního přebytku (ee), mutarotaci sacharidů, zopakujte si struktury kódovaných aminokyselin, sacharidů glukózy, galaktózy a mannózy a Haworthovu a Fischerovu projekci. Především však použijte zdravý selský rozum. Doporučenáliteratura: 1. (vzorce aminokyselin) 2. O. Č ervinka, V. Dědek, M. Ferles: Organická chemie, SNTL J. McMurry: Organická chemie, Vutivum D. Voet, J. G. Voetová : Biochemie, Victoria Publishing chiralita obecně, výpočty k chiralitě. 6. Z. Vodrá žka: Biochemie, Academia 1993 (nebo další vydá ní z let 2002 a 2006) Zadejte do české Wikipedie heslo: optická otá čivost do anglické Wikipedie hesla: chirality (chemistry), optical rotation, specific rotation, enantiomer, diastereomer, racemic mixture, 19

24 Haworth projection, Fischer projection, mutarotation, enantiomeric excess, glucose, mannose, galactose (vysvětlení R, S nomenklatury) Úloha 1 Stopařův průvodce po Galaxii aneb loď poháněná absolutní nepravděpodobností(inspirováno D. Adamsem) 12 bodů Pokud se v živých systé mech vyskytuje chirá lní struktura, pak je obvykle přítomna pouze v jedné možné enantiomerní formě tj. například bílkoviny jsou tvořeny pouze L-aminokyselinami. Toto není jenom nějakým rozmarem přírody, ale nutností. Funkce bílkovin je totiž dána jejich třírozměrnou strukturou a bílkovina se může posklá dat do funkční třírozměrné struktury pouze pokud jsou čá sti jejího řetězce ve sprá vné vzá jemné pozici, kde jsou sprá vné struktury a funkční skupiny na svých místech. Jediná aminokyselina v nesprá vné konfiguraci než jsou okolní může tuto strukturu zcela narušit, protože centrum chirality je v hlavním řetězci, a tím i zničit katalytickou aktivitu enzymu. Teoreticky je tedy vždy jen jedna kombinace konfiguračních izomerů aminokyselinových jednotek tvořící funkční enzym, respektive 2 kombinace, vezmemeli v potaz i druhý enantiomer enzymu se všemi centry s opačnou konfigurací, který je zrcadlovým obrazem celé ho enzymu. Ten má ovšem opačnou chirá lní specifitu z hlediska dvojice reaktantprodukt při reakci jím katalyzované. Pro následující úvahy budeme předpoklá dat, že vytvá říme enzym glukokiná zu. Enzym glukokiná za je klíčovým regulá torem metabolismu glukózy, reguluje první krok glykolýzy. Je to monomerní enzym o 465 aminokyseliná ch s molekulovou hmotností Da (platí pro krysí glukokiná zu), tj. spíše menší až prů měrný protein. Uvažujme, že zachová me její primá rní strukturu (pořadí a typ aminokyselin), a záměna jaké koliv z aminokyselin za její druhý enantiomer oproti zbytku řetězce naruší jeho 3D strukturu natolik, že enzym bude nefunkční. Chiralitu v bočních řetězcích (threonin, isoleucin) zanedbejte. Struktura krysí glukokiná zy obsahuje 40 glycinových zbytků. Substrá tem glukokiná zy je D-glukóza a ATP, produkty jsou ADP a glukóza-6-fosfá t, předpoklá dejme, že enzym považujeme za funkční pouze pokud je selektivní pro D-glukózu oproti L-glukóze. a) Čím se liší glycin od ostatních aminokyselin z hlediska chirality? b) Naktreslete všechny možné stereoizomery isoleucinu a threoninu. c) Jaký je procentuá lní výtěžek přípravy funkčního enzymu v procentech, pokud při synté ze nebudeme selektivní, jestli u prá vě zavá děné aminokyseliny bude zaveden enantiomer L nebo D (pravděpodobnost 50 % sprá vně a 50 % špatně )? Zaokrouhlete na 2 platné cifry. d) Jaký je výtěžek přípravy funkčního enzymu v procentech, pokud při synté ze budeme selektivní z 99 %, jestli u prá vě zavá děné aminokyseliny bude zaveden enantiomer L nebo D (tj. sprá vně zařazený enantiomer s pravděpodobností 99 %, špatně zařazený enantiomer s pravděpodobností 1 %? Zaokrouhlete na 2 platné cifry. e) Statisticky prů měrně kolik kilogramů materiá lu budeme muset vyrobit v příkladu C, než se ná m povede jedna molekula funkčního enzymu? Zaokrouhlete na 2 platné cifry, srovnejte s hmotností planety Země (6, kg) a nad výsledkem se zamyslete. Pro úlohu budete potřebovat počítat s více než dvouciferným exponentem pokud to Vaše kalkulačka neumožňuje, použijte převedení na počítá ní s logaritmy nebo použijte kalkulačku ve skupině programů Příslušenství (Accessories) operačního systé mu Microsoft Windows v režimu Vědecká ( Scientific ), která toto doká že. 20

25 Ná rodníinstitut dětía mlá deže Ministerstvo školství, mlá deže a tělový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy 46. roč ník 2009/2010 ŠKOLNÍ KOLO kategorie A SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY PRAKTICKÉ ČÁSTI

26 Praktická část školního kola ChO kat. A 2009/2010 PRAKTICKÁ Č ÁST (40 bodů) Autoři Ing. Kamil Záruba, Ph.D. Ú stav Analytické chemie, VŠ CHT Praha RNDr. Ing. Pavel Řezanka Ú stav Analytické chemie, VŠ CHT Praha Recenzenti Mgr. Petr Cígler, Ph.D. (odborná recenze) Výzkumné centrum Ú OCHB & Gilead Sciences, Ú OCHB AV Č R, v.v.i., Praha Ing. Lucie Drábová(odborná recenze) Ú stav chemie a analýzy potravin, VŠ CHT Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří Praktická čá st letošního ročníku chemické olympiá dy bude zaměřena na alkalimetrická stanovení obsahu kyselin ve vodných vzorcích. Při přípravě na řešení všech kol se soustřeďte na dva aspekty, které jsou úzce spojeny: 1. provedení alkalimetrické titrace včetně výpočtu výsledku při stanovení směsi kyselin, 2. volba acidobazických indiká torů včetně výpočtu ph v bodě ekvivalence a výpočtu stupně disociace jednosytné kyseliny při zadané m ph. Prostudujte si zá klady alkalimetrických stanovení kyselin HCl, H 3 PO 4, H 3 BO 3 a kyseliny vinné a dá le kapitoly o acidobazických indiká torech a výpočtech ph roztoku v bodě ekvivalence (ph amfolytů a slabé jednosytné kyseliny a zá sady). Rovněž byste při znalosti hodnoty K a nebo pk a slabé ho jednosytné ho protolytu měli zvlá dnout výpočet stupně disociace při zadané m ph. Doporučenáliteratura: 1. F. Čůta: Analytická chemie odměrná, Č SAV 1956, a (alkalimetrie), (teorie acidobazických indiká torů ). 2. F. Vlá čil a kol.: Příklady z chemické a instrumentá lní analýzy, Informatorium 1991, 4. vydá ní; kapitola 4.1, příklady 4.5, 4.8, 4.11, 4.17, 4.23,; kapitola 6.1 a 6.2, příklady 6.1, 6.4, 6.8, 6.11, 6.19, 6.24, 6.25, 6.35, 6.36; kapitola 6.3, příklady H. Moravcová : Analytická chemie Klasické metody II., Nakl. P. Klouda 1999, 1. vydá ní, kapitola 2 Kvalitativní anorganická analýza 1

27 Praktická část školního kola ChO kat. A 2009/2010 Změna barvy acidobazických indiká torů je způ sobena převá žením jedné z jejich formy (disociované nebo protonizované ), které se liší barvou. Acidobazický indiká tor methyloranž mění svou barvu při ph roztoku v rozmezí 3,1-4,5, protože při ph < 3,5 převažuje v roztoku nedisociovaná forma methyloranži (červená ), zatímco při ph > 4,5 převažuje v roztoku forma disociovaná (žlutá ). Jiný indiká tor fenolftalein mění svou barvu při ph roztoku v rozmezí 8 9,8. Volbou indiká toru tedy volíme ph titrované ho roztoku, při jehož dosažení ukončíme titraci (v tomto okamžiku roztok obarvený indiká torem změní barvu). Kyselinu fosforečnou lze proto alkalimetricky titrovat do prvního i druhé ho stupně. Pro titraci do prvního stupně lze použít indiká tor methyloranž (produktem reakce je dihydrogenfosforečnan, ph v bodě ekvivalence je asi 4,7). Pro titraci do druhé ho stupně indiká tor fenolftalein (produktem reakce je hydrogenfosforečnan, ph v bodě ekvivalence je asi 9,8). Vzhledem k tomu, že barevný přechod methyloranže v okolí bodu ekvivalence není náhlý, sprá vný odstín roztoku se zjistí porovná ním barvy roztoku v titrační baňce se srovná vacím roztokem, který má stejné složení jako titrovaný roztok v bodě ekvivalence. Pozná mka: Uvedené hodnoty ph roztoku v bodě ekvivalence leží u horní hranice funkční oblasti obou indiká torů, v případě dihydrogenfosforečnanu je hodnota 4,7 dokonce nad funkční oblastí methyloranže. Přesto se oba tyto indiká tory používají. Dů vodem je skutečnost, že při výpočtu ph v bodě ekvivalence (při neutralizaci H 3 PO 4 do prvního a druhé ho stupně) nebyl uvažová n vliv rozpuštěné ho oxidu uhličité ho (rovnová ha CO 2 /HCO 3 - ). Neutralizaci (přídavky titračního činidla) je proto třeba ukončit poněkud dříve. Pozor: odměrný roztok NaOH je žíravina, proto pracujte zásadně s ochranný mi brý lemi! Pomů cky: stojan s byretou (25 ml), pipeta 25 ml na odměření alikvotního podílu vzorku, titrační baňka, malá ná levka na dolití byrety, střička s destilovanou vodou, odměrná baňka 250 ml se vzorkem, ochranné brýle, ká dinka na dolé vá ní odměrné ho roztoku, ká dinka na odpad, ká dinka na pipetová ní roztoku vzorku, balónek na pipetová ní roztoku vzorku, ochranné brýle. Chemikálie: destilovaná voda, NaOH, H 3 PO 4, NaH 2 PO 4 2H 2 O nebo KH 2 PO 4, NaCl, methyloranž, fenolftalein Úloha 1 Titrace do prvního stupně 10 bodů Odpipetujte 25,00 ml vzorku do titrační baňky, oplá chněte její stěny malým množstvím vody ze střičky (ca 25 ml) a přidejte 10 kapek methyloranže (roztok musí být zřetelně červený). Titrujte odměrným roztokem NaOH do takové ho zbarvení, jaké vykazuje srovná vací roztok obsahující - H 2 PO 4 a methyloranž, který máte k dispozici (jedná se o odstín označovaný jako cibulově oranžový ). Srovná vací roztok je potřebný, neboť v okolí bodu ekvivalence nedochá zí k ná hlé změně barvy indiká toru. Zaznamenejte spotřebu odměrné ho roztoku NaOH na konci titrace (V MO,i ). Proveďte tři stanovení a spočítejte prů měrnou spotřebu V MO. Úloha 2 Titrace do druhého stupně 10 bodů Odpipetujte 25,00 ml roztoku vzorku do titrační baňky, oplá chněte její stěny malým množstvím vody ze střičky (ca 25 ml), přidejte malou plastovou lžičku pevné ho NaCl (ca 3 g) a 10 kapek fenolftaleinu. Roztok zamíchejte, aby se NaCl rozpustil, ale titraci můžete zahá jit dříve, než se veškerý NaCl rozpustí. Ukončete titraci v okamžiku, kdy původně bezbarvý roztok zrůžoví. Zaznamenejte spotřebu odměrné ho roztoku NaOH na konci titrace (V FFT,i ). Proveďte tři stanovení a spočítejte prů měrnou spotřebu V FFT. 2