Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou

Transkript

1 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou Ročník 1 (00/003)

2 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Obsah Úvod Zadání 1. série série série série Řešení 1. série série série série Seriál Výsledková listina Poděkování

3 Úvod Milí přátelé chemie a přírodních věd vůbec! To, co se Vám právě dostalo do rukou, je brožurka obsahující zadání a řešení úloh prvního ročníku Korespondenčního Semináře Inspirovaného Chemickou Tematikou (dále jen KSICHT), který je určen pro studenty všech typů středních škol. Prvního ročníku, jenž proběhl ve školním roce 00/003, se zúčastnilo 85 řešitelů. Jak KSICHT probíhá? Korespondenční seminář je soutěž, při níž si řešitelé dopisují s námi, autory semináře, a naopak. Na řešitelích je poslat nám řešení zadaných úloh, nám přísluší vše opravit a ohodnotit a poslat jim je zpátky s přiloženým autorským řešením a pěti úlohami další série. To všechno se za celý školní rok čtyřikrát opakuje. Proč řešit KSICHT? Důvodů je jistě mnoho, a tak jmenujme alespoň ty nejdůležitější. Naším cílem je rozvíjet ve studentech zájem o chemii a pomoci jim k získání nových znalostí. V rámci tohoto semináře se studenti zdokonalí nejen v chemii samotné, ale i v mnoha dalších a užitečných schopnostech. Za všechny jmenujme zlepšení logického myšlení, schopnosti vyhledávat informace, třídit je a zařazovat je do kontextu. V rámci doprovodných akcí, které se uskutečňují během celého roku, mají studenti možnost seznámit se s dalšími řešiteli a námi, studenty vysokých škol. Mají šanci rozšířit si své obzory, dozvědět se informace o vysokých školách a o průběhu vysokoškolského studia. Na konci školního roku pořádáme odborné soustředění, během kterého si studenti vyzkouší práci v laboratoři, seznámí se s moderními přístroji a poslechnou si zajímavé přednášky. A pro úspěšné řešitele jsou připraveny hodnotné ceny. Jaké úlohy vymýšlíme? Úlohy se týkají různých odvětví chemie a snažíme se, aby si v nich každý z řešitelů přišel na své. Jsou tu úložky hravé i pravé lahůdky, jejichž vyřešení už dá práci. Nechceme jen suše prověřovat znalosti řešitelů, procvičí si i chemickou logiku. Pokud nezvládnou vyřešit všechny úlohy, nevadí, byli bychom totiž moc rádi, kdyby si z řešení úloh odnesli nejen poučení, ale hlavně aby se při řešení KSICHTu dobře bavili. 3

4 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Jak mohu stát řešitelem KSICHTu? Není nic jednoduššího, než si o zadání aktuální série napsat na KSICHT Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy Hlavova 030, Praha nebo em na ksicht@iglu.cz. Zapojit se můžete kdykoliv v průběhu školního roku, není třeba čekat na začátek ročníku. KSICHT na Internetu Informace o semináři, zadání a řešení úloh všech sérií, průběžné výsledky a nejnovější informace (např. i errata tištěné podoby série) můžete nalézt na Internetu na adrese Zde naleznete i kontakty na nás, autory úloh. Úlohy na Internetu jsou obohaceny o barevné obrázky a o užitečné odkazy. Výlet V průběhu školního roku pořádáme dvě víkendové akce. První na konci listopadu, druhou na začátku jara. Snažíme se vybrat taková místa, která by byla dostupná ze všech koutů republiky. Soustředění Na konci školního roku pořádáme pro řešitele soustředění na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. Zatímco výlety se konají spíše v oddechovém stylu, soustředění má za cíl seznámit účastníky s prací v laboratoři. Dále jsou na programu odborné přednášky z různých oblastí chemie. Nechybí ale samozřejmě ani oddechové hry a spousta zábavy. Organizátoři Tým autorů a organizátorů KSICHTu tvoří z největší části studenti a bývalí studenti Přírodovědecké fakulty UK a Vysoké školy chemicko-technologické. Jak již bylo uvedeno výše, informace o nás lze nejsnadněji získat na naší internetové adrese Pokud byste měli zájem nám se seminářem pomáhat, neváhejte a dejte nám vědět! Uplatnit se může každý, neboť pracovní náplní organizátora KSICHTu není jen chemie, ale i mnoho dalších zajímavých věcí. 4

5 Série 1, zadání 1. série Zadání Úloha č. 1: Jan Svatopluk Presl (7 bodů) autoři: Michal Řezanka, Pavel Řezanka V roce 188 vydal J. S. Presl knihu Lučba čili chemii zkusná. V ní uveřejnil nové české názvy některých prvků, kterým dal koncovku -ík. Některé názvy se dochovaly dodnes (sodík, draslík, vodík, hliník, dusík, hořčík, uhlík atd.), ale jiné už rozežral zub času. 1. Přiřaďte níže uvedené Preslovy názvy prvků k názvům současným.. Pokuste se vysvětlit, jak byly tyto názvy odvozeny. Preslovy názvy prvků: barvík, chaluzík, chasoník, ďasík, jermík, kazík, kostík, luník, nebesík, pochvistík, sladík, solík, voník, žestík. Současné názvy těchto prvků: berylium, fluor, fosfor, chlor, chrom, jod, kobalt, mangan, molybden, nikl, osmium, selen, titan, uran. 5

6 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. : Ježíšovo roucho (6 bodů) autoři: Karel Berka, Richard Chudoba Podle našich exkluzivních zpráv bylo právě dnes (nebo to bude zítra?) nalezeno v Izraeli Ježíšovo roucho. A Vy jste byli požádáni, abyste ho podrobili archeologickému zkoumání. Jako chemici samozřejmě využijete metod fyzikální chemie, konkrétně metody radiouhlíkového datování. Metoda radiouhlíkového datování slouží k určování stáří předmětů, které jsou rostlinného či živočišného původu, tj. věcí ze dřeva, lnu, vlny atp. Zjišťuje se procentuální zastoupení radioaktivního izotopu uhlíku 14 C, jehož poločas rozpadu je 5730 let. Ve všech živých organismech je relativní zastoupení tohoto izotopu stejné, po smrti organismu však začne toto množství klesat podle rovnice (1). N = N 0.e -λt, (1) kde N 0 je množství izotopu v době úmrtí organismu a N je množství izotopu v čase t. Konečně λ je rozpadová konstanta. Ale tu už vlastně znáte, neboť znáte poločas rozpadu izotopu. Stačí si uvědomit, že poločas rozpadu je doba, po které je množství izotopu N polovinou počátečního množství N Zastoupení 14 C v přírodě by mělo v důsledku radioaktivního rozpadu klesat. Proč tomu tak není, jakým způsobem může izotop 14 C v přírodě vznikat?. Jak to, že ve všech živých organismech je procentuální množství izotopu 14 C stejné a po úmrtí začne klesat? 3. Kolik procent původního množství izotopu 14 C obsahuje dnes (píše se rok 00) pravé Ježíšovo roucho? Předpokládejte, že toto roucho bylo utkáno v roce Ježíšovy smrti, tedy podle historických údajů v roce 9 n.l. 4. Jak vysvětlíte, že v Milánském rouchu, které je vystavováno jako Ježíšova relikvie, je obsah 14 C 90,8% původního množství? Doložte výpočtem! 6

7 Série 1, zadání Úloha č. 3: Železný pavouk (1 bodů) autor: Jakub Fiala V následujícím schématu odhalte sloučeniny železa skrývající se pod jednotlivými písmeny. Vodítkem Vám může být nápověda v dolní části úlohy. Vedlejší produkty neuvádějte. Schéma: 1. Jaké látky se skrývají pod A až P?. U látek C, M, N a O nakreslete strukturní vzorec. Vysvětlivky: UV = ultrafialové záření, Pa = zvýšený tlak, t = zvýšená teplota Nápověda: Látky A, C, E, F, G, H, K, L, M a N obsahují 1 atom Fe. Látky B, I, J, O a P obsahují atomy Fe. Látka D obsahuje 3 Atomy Fe. Látka F přechází při tavení s KOH na látku H, ve které je Fe v nižším oxidačním stupni. 7

8 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 4: Odpadní kýbl (11 bodů) autoři: Jakub Fiala, Helena Handrková, Jiří Kysilka V každé chemické laboratoří existuje nádoba, do níž chemik vylévá veškeré chemikálie, které již nepotřebuje. Chemické složení takovéhoto odpadního kýble mnohdy bývá velice zajímavé. Jeden takový odpadní kýbl nalezl i chemik Jeremy. Nedůvěřivě si prohlédl obsah nádoby a pozoroval, že v bezbarvém roztoku plove šedohnědá sraženina A. Zaujat vzezřením sraženiny, rozhodl se ji Jeremy zkoumat podrobněji. Sraženinu tedy odfiltroval a promyl destilovanou vodou. Čirý filtrát F měl ph 11. Proto se rozhodl sraženinu A rozpustit v 10% kyselině sírové. Získal bezbarvý roztok B. S malým množstvím roztoku provedl v slabě alkalickém prostředí reakci se sulfidem amonným. K jeho nemalé radosti se vyloučila sraženina pleťové barvy C. Jeremymu svitlo. K několika kapkám zalkalizovaného roztoku B přidal krystalky jodistanu draselného. Zahříváním se roztok zbarvil do fialova za vzniku iontu D. Po zalkalizování roztoku B hydroxidem sodným se vyloučila bílá sraženina E, která stáním na vzduchu přechází v původní šedohnědou sraženinu A. Tyto informace Jeremymu postačily k předpovězení přítomnosti kationtu 1. Žádné další kationty ve sraženině nalezeny nebyly. Nyní tedy obrátil Jeremy svou pozornost k původnímu alkalickému filtrátu F. Pokoušel se filtrát zneutralizovat pozvolným přidáváním 1M roztoku kyseliny chlorovodíkové. Začala se vylučovat bílá gelovitá sraženina G, která se však v nadbytku kyseliny znovu rozpouštěla. Opakoval stejný postup, avšak k neutralizaci použil místo kyseliny chlorovodíkové kyselinu sírovou (1:4). Kromě přechodné sraženiny G se vylučovala i bílá sraženina H, nerozpustná ani ve velkém nadbytku kyseliny sírové. Z uvedených pozorování usuzoval Jeremy na přítomnost dvou kationtů. Kation dával pozitivní reakci s alizarinem (cihlově červená skvrna na filtračním papíře). Navzdory jedovatosti kationtu 3, je jeho sloučenina H nejedovatá a používá se jako kontrastní látka v lékařství. Vzhledem k zásaditosti původního filtrátu uvažoval Jeremy automaticky přítomnost aniontu 1. Chtěl zjistit, zda se v roztoku vyskytuje ještě nějaký další anion. Napadlo ho nechat reagovat malé množství zásaditého filtrátu F s 1M roztokem dusičnanu stříbrného. Vyloučila se bílá vločkovitá sraženina I, která se rozpouštěla v nadbytku amoniaku. Z toho Jeremy usoudil, že je přítomen běžný anion, který je též přítomen v mořské vodě. Žádné další anionty se Jeremymu nepodařilo v roztoku prokázat. 8

9 Série 1, zadání 1. Určete, které 3 kationty (tj. prvky, které by se po úplném zneutralizování celého obsahu kýble vyskytovaly v roztoku jako kationty) a které anionty se podařilo Jeremymu v odpadním kýblu prokázat.. Napište chemické složení substancí A až I. Jde-li o směsi, napište v případě směsi pevných látek všechny pevné složky, v případě roztoků všechny ionty. 3. Vyčíslenými chemickými rovnicemi popište veškeré pozorované chemické děje. Je-li to vhodné, smíte použít i iontových rovnic. V případě reakce kationtu s alizarinem stačí vysvětlit princip reakce, uvést vznikající sloučeninu a popsat stechiometrii reakce. 4. Vysvětlete, proč se lišil účinek kyseliny chlorovodíkové a kyseliny sírové při neutralizaci zásaditého filtrátu. 5. Proč je možné sraženinu H bez problémů požít, ačkoli kation 3 je všeobecně velmi jedovatý? Přestože sloučenina H je nejedovatá, byly zaznamenány i otravy, kdy při jisté nedbalosti lékaře pacient požil nejedovatou sloučeninu H a přitom se otrávil kationtem 3. Byli byste schopni tento fakt vysvětlit? 6. Při dokazování aniontů si mohl Jeremy zkoušky na některé anionty rovnou odpustit. Proč a které? Napište alespoň takovéto anionty. 9

10 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 5: Indikátor (10 bodů) autoři: Jiří Kysilka, Pavel Řezanka Indikátory jsou látky, které svou barevnou změnou zviditelňují bod ekvivalence při titracích. Nás nyní budou zajímat indikátory acidobazické. Tyto látky jsou slabými kyselinami, jejichž nedisociované molekuly mají jinou barvu než ionty, vzniklé disociací. Disociaci indikátoru lze popsat rovnicí (1). HInd + H O Ind - + H 3 O + (1) V jedné nejmenované výzkumné laboratoři byla právě objevena látka, která má vlastnosti indikátoru. Struktura této látky není ještě do všech detailů prozkoumána. V laboratoři však byly zjištěny jisté informace. Látka je rozpustná ve vodě, v kyselých roztocích je bezbarvá, zatímco v zásaditých roztocích je barevná. Při přesném měření absorpčního spektra byl použit roztok o koncentraci 5, mol.l -1, jehož ph bylo upraveno na 1. V takovémto prostředí je totiž takřka všechna rozpuštěná látka přítomna v disociované formě (Ind - ). Bylo zjištěno, že látka nejvíce absorbuje při 65 nm. Naměřená absorbance byla 1,185. Poté se pracovníci snažili zjistit disociační konstantu indikátoru. K tomuto účelu si připravili roztoky o stejné koncentraci indikátoru, kterou ovšem ve své práci opomněli uvést. Oba roztoky se ovšem lišily svým ph. Absorbance prvního roztoku, jehož ph bylo 7,00, byla 0,67 při vlnové délce 65 nm. Absorbance druhého roztoku, jehož ph bylo 9,00, byla při stejné vlnové délce 0,854. Měření byla prováděna v kyvetě o délce 1 cm. 1. Jakou barvu má tato látka?. Uměli byste z těchto dat spočítat disociační konstantu zkoumaného indikátoru? Jestliže ano, pak ji spočítejte! 3. Při jakém ph dochází k barevnému přechodu? 4. Vyhledejte v literatuře strukturu nějakého indikátoru, nakreslete jeho nedisociovanou i disociovanou formu a jednoduše (z organickochemického hlediska) vysvětlete barevnou změnu. 10

11 Série, zadání. série Úloha č. 1: Šifra (5 bodů) autor: Karel Berka Náš molekulární dešifrátor s krycím jménem RNA- -polymerasa vytvořil podle kousku DNA přijatého od spřátelené buňky úsek mrna, který kóduje protein se zcela ojedinělými vlastnostmi. Čteme-li kódující vlákno mrna od konce 5 ke konci 3, pak je to tato sekvence: AUGAAAUCGAUCUGCCAUACGGUAGCAUCGGUAAUCACGGCAUGA Do práce, molekulární detektivové! 1. Napište, jak vypadala obě vlákna kousku DNA.. Jakým způsobem mrna pomáhá tvořit protein? 3. Napište, jak vypadal náš protein pomocí jednopísmenných zkratek aminokyselin. Začněte u N-konce proteinu. 4. Jaká je vůbec funkce a působiště našeho dešifrátora v buňce? 11

12 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. : Analytický obrázek (14 bodů) autor: Helena Handrková Jak vybarvit obrázek? Nejprve rozpoznejte ionty 1 až 1, na výběr máte následující: Li +, Ca +, Cr 3+, Mn +, Co +, Cu +, Sr +, Ag +, Ba +, Hg +, Tl +, Pb +. Poté s nimi (hypoteticky) provedete reakce a až i. Pokud prvek poskytuje danou sraženinu, políčko (N, M) v níže uvedené tabulce vybarvíte, pokud ne, necháte jej prázdné (N ion, M reakce). 1) jedovatý ion, který se sráží koncentrovanou H SO 4 ) bezvodé krystaly solí jsou modré, vodné roztoky malinově červené 3) kov. skupiny vznikající jako štěpný produkt v JETE (Jaderné elektrárně Temelín) 4) ion kapalného kovu 5) prudký jed působící vypadávání vlasů, latinský název je odvozen od řeckého výrazu pro zelenou ratolest 6) hydratovaný ion je fialový, oxid tohoto kovu se používal k barvení 100Kčs bankovek 7) ion, který se v basickém prostředí stříbrným kationtem oxiduje na burel 8) dvojmocný ion kovu, používaného v olověných akumulátorech 9) jednomocný ion ušlechtilého kovu 10) barví plamen cihlově červeně 11) ion alkalického kovu 1) hydratovaný ion je blankytně modrý a) s Na HPO 4 vzniká žlutá sraženina b) s HCl vzniká sraženina c) s H S vzniká černá sraženina d) s (NH 4 ) S vzniká sraženina e) s koncentrovaným Na CO 3 vzniká sraženina f) se zředěným KOH vzniká sraženina g) s KI vzniká červenooranžová, žlutá či nažloutlá sraženina h) s CH 3 COONa vzniká sraženina i) ion oxiduje v alkalickém prostředí Mn + na MnO Co se po vybarvení políček objeví na obrázku? 1

13 Série, zadání a b c d e f g h i 13

14 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 3: Benzenové sluníčko (1 bodů) autor: Ondřej Kundrát Při řešení této úlohy si musíte uvědomit, jakou roli hraje sterický efekt, který mnohdy nedovoluje, aby na sousedících atomech uhlíků byly objemné skupiny. A také s tím souvisejí ortho, para a meta dirigující skupiny, které ovlivňují substituci benzenového jádra do vyšších stupňů. Nezapomeňte ani na skupiny snadno odstupující z arenů. Typickým příkladem je sulfonová skupina, jež může být poměrně snadno nahrazena jinou elektrofilní skupinou. Bylo by také dobré se zmínit o stabilitě karbokationtů, které formálně vznikají odtržením vodíkového aniontu z molekuly uhlovodíku a jejichž stabilita klesá v pořadí terciární, sekundární a primární karbokation. Velmi často u nich potom dochází k vnitřním přesmykům atomu vodíku za vzniku stabilnějších karbokationtů. c) N 1.ClCH COOH Br Br D e) O P d) NaNO HCl M b) Fe, HCl J L.NaNH a) a) nitrace 30 C 6 5? a) a) O [Cr(CO) 6 ] Cl E A b) O b) c) c) B + C 1 H SO 4.nitrace F CH 3 COOOH b) H I 1. O 3 d) KMnO 4 G K. Zn H Pokud není uvedeno jinak, napište reakční schémata a produkty pojmenujte. Několik důležitých poznámek a otázek: 1. Navrhněte maximálně pětistupňovou syntézu 1,-dibrombenzenu. Přímou bromací benzenu získáte tento produkt ze sterických důvodů jen v malém množství. Nápověda: Volte správnou dobře odstupující skupinu. 14

15 Série, zadání. a) + b) Friedl-Craftsovou alkylací se připraví látka A, jejíž kysele katalyzovanou oxidací vznikají dva důležité technické produkty, tříuhlíkaté B a šestiuhlíkaté C. B a C se touto reakcí dokonce vyrábějí průmyslově. c) Sulfonací C při 100 C a následnou nitrací (max. 40 C) se připraví žlutá krystalická látka D, která je silnou Brönstedovou kyselinou (pk a = 0,4). Vysvětlete proč. Jakou má D chuť? A co její praktické využití? 3. a) Destrukční oxidace na katalyzátoru V O 5 při 400 C vede na anhydrid, který hydrolýzou poskytuje čtyřuhlíkatou kyselinu E. b) Reakcí E a CH 3 COOOH a následnou hydrolýzou vzniklého meziproduktu získáme F. Vzniká směs dvou izomerů F, která nestáčí rovinu polarizovaného světla. Uveďte Fischerovy vzorce obou vznikajících izomerů F. c) Reakcí E s KMnO 4 v kyselém prostředí vzniká látka G. Je látka G opticky aktivní? Uveďte její Fischerův vzorec. d) Ozonolýzou následovanou redukcí zinkem ve vodné kyselině octové získáme látku H. 4. Varem hexakarbonylchromu v nadbytku benzenu se získá organokovová sloučenina I. Jaké jídlo připomíná struktura této látky? 5. a) + b) Reakcí s butan-1,3-dienem se získá látka J, jejíž hydrogenací (kat. Ni, 00 C) dostaneme produkt K. Tato látka může být získána jako kinetický (tj. stálý při nižších teplotách, vznikající snadněji a rychleji), nebo termodynamický produkt. Přiřaďte prostorové vzorce oběma produktům, pojmenujte je jak systematicky, tak i triviálně. 6. c) Sloučenina N je přírodní barvivo. d) Reakce probíhá za nízké teploty. Co by vzniklo zahřátím roztoku? e) Reakcí s -hydroxynaftalenem v kyselém prostředí vzniká oranžové barvivo P. Co způsobuje barevnost sloučeniny P? 15

16 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 4: Cykly (7 bodů) autoři: Michal Řezanka, Pavel Řezanka Mnoho chemiků přímo miluje cyklení. Pokud mezi ně patříte také, budete určitě nadšeni touto úlohou. A co že to vlastně budeme cyklit? Inu, budeme cyklit zejména nasycené uhlovodíky, ale nejen je. Budeme cyklit také termodynamické veličiny, tedy vlastně jen entalpii. Entalpie je stavovou funkcí. To znamená, že její změna nezávisí na způsobu, jakým se ze stavu 1 dostaneme do stavu, ale pouze na stavech samotných. Pokud se tedy z nějakého stavu 1 dostaneme jakkoli složitou cestou zpět do stavu 1 (ach, ty cykly ), je změna entalpie pro tento děj nulová (zamyslete se nad tím). Jedno odvětví fyzikální chemie je postaveno právě na tomto principu. Ano, jedná se o termochemii. Termochemie zkoumá tepla, která se uvolňují nebo spotřebovávají při průběhu reakce, tzv. reakční entalpie. Jedním způsobem, jak toto teplo zjistit, je provést zkoumanou reakci v kalorimetru a z naměřených hodnot jej vypočítat. Většina pro nás zajímavých reakcí neběží tak snadno, nebo neběží vůbec, a tak nezbývá než si opět vzpomenout na naše drahé cykly a využít výše zmíněných vlastností entalpie. Jak na to, to nám říkají pánové Lavoisier a Hess, tedy spíše zákony, které nám tu po nich zbyly. Představme si, že myšlenkově spálíme jeden mol zkoumané látky na její nejstabilnější oxidy. Entalpie příslušející takovémuto procesu se nazývá molární spalná entalpie a my ji budeme značit ΔH 0 c. Molární spalné entalpie sloučenin byly změřeny a my je můžeme nalézt v tabulkách. Entalpii reakce vyjádříme pomocí spalných entalpií reaktantů a produktů (1) ΔH = ΔH C ΔH C (1) reaktanty produkty Vztah (1) se nám bude hodit při výpočtu energií pnutí cykloalkanů. Jak vyplývá z měření spalných tepel, jsou cyklické sloučeniny energeticky bohatší než odpovídající acyklické řetězce. Toto zvýšení energie zahrnuje: Pitzerovo pnutí, způsobené nevazebnými interakcemi atomů na nesousedních vazbách, Bayerovo pnutí, které vzniká z deformace valenčních úhlů, transanulární nevazebné interakce, vyvolané vynucenou vzájemnou blízkostí protilehlých částí kruhu. 1. Uveďte příklad cyklu, kde se uplatňuje zejména Bayerovo a Pitzerovo pnutí, příklad cyklu, kde se uplatňují zejména transanulární nevazebné interakce, a příklad cyklu, kde je pnutí téměř nulové. Všechny tři případy vysvětlete. 16

17 Série, zadání. Vypočtěte zvýšení energie pnutí pro jednotlivé uhlovodíky, když víte, že spalné teplo vodíku je -41,86 kj/mol. Energie pnutí je rovna energii zacyklení, které vyjadřuje tato rovnice (). () 3. Sestrojte graf závislosti energie pnutí na počtu atomů uhlíku. Co z vašeho grafu vyplývá? Potřebné údaje jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1. Spalné entalpie lineárních a cyklických uhlovodíků: Sloučenina: ΔH 0 c /kj.mol -1 Sloučenina: ΔH 0 c /kj.mol -1 propan -19, cyklopropan -091,4 butan -876,5 cyklobutan -70,9 pentan -3509,1 cyklopentan -389,4 hexan -4163,0 cyklohexan -391, heptan -4816,0 cykloheptan -4598,4 oktan -5470, cyklooktan -566,7 nonan -614,6 cyklononan -593,5 dekan -6777,9 cyklodekan -6586,3 17

18 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 5: Otrava oxidem uhelnatým (14 bodů) autor: Jiří Kysilka Oxid uhelnatý je jedovatý plyn, který nerozpoznáme ani zrakem ani čichem. A právě v tom tkví jeho nebezpečnost. Vzniká při nedokonalém spalování přírodních materiálů (uhlí, dřevo, nafta). Známým příkladem jsou špatně táhnoucí kamna, kdy lidé přítomní v postižené místnosti zjistí přítomnost nebezpečného plynu až ve chvíli, kdy už jsou otráveni a nemají dost síly na to, aby místnost opustili. Pokud nepřijde pomoc zvnějšku, končí takovéto otravy často tragicky. V naší úloze se budeme zabývat biochemickým principem otravy oxidem uhelnatým. Jistě jste již cosi slyšeli o přenosu kyslíku krví. V krvi jsou přítomny červené krvinky (asi 5 milionů na 1 mm 3 krve). V červených krvinkách je vázáno červené krevní barvivo hemoglobin (na každou krvinku připadá asi 8,3 milionů molekul hemoglobinu). Přítomnost hemoglobinu v krvi významně usnadňuje transport kyslíku krví. Hemoglobin je makromolekula skládající se z bílkoviny (globinu) a porfyrinového komplexu dvojmocného železa (hemu). Hlavní funkcí globinu je ochrana železa z hemu před nežádoucí oxidací. V plicích je krev okysličována a kyslík, který se v krvi rozpustí, je komplexován v souladu s rovnovážnou reakcí (1). Hb + O HbO (1) K(O ) = [HbO ] / ([Hb].[O ]) () log K(O ) = 1,83 (3) Na tomto místě je důležité upozornit, že se hemoglobin skládá ze čtyř rovnocenných částí, z nichž každá může vázat jednu molekulu kyslíku. Symbolem Hb zde tedy označujeme jednu z těchto jednotek, jedno vazebné místo pro kyslík. V této úloze budeme předpokládat, že vazebná místa se vzájemně neovlivňují. Je-li ve vzduchu přítomen oxid uhelnatý, probíhá v krvi konkurenční reakce (4). Hb + CO HbCO (4) K(CO) = [HbCO] / ([Hb].[CO]) (5) log K(CO) = 4,81 (6) 18

19 Série, zadání Komplex hemoglobinu s oxidem uhelnatým (tzv. karboxyhemoglobin) je, jak vidno, mnohem stabilnější, obsadí více vazebných míst pro kyslík a kvalita transportu kyslíku se snižuje. Při vyšších koncentracích oxidu uhelnatého v ovzduší je v krvi přítomno takové množství karboxyhemoglobinu, že cílovým orgánům se nedostává kyslíku, což může vést až k udušení. A nyní několik otázek (všude je řeč o tepenné krvi, kterou můžete idealizovat jako roztok hemoglobinu, nad nímž je vzduch patřičného složení a teploty 5 C; přítomnost oxidu uhličitého a tím spíše jeho vazbu na hemoglobin zanedbejte). 1. Kolikrát větší afinitu k hemoglobinu má oxid uhelnatý oproti kyslíku?. Jaká je celková koncentrace hemoglobinu v krvi? Jaká je koncentrace Hb (vazebných míst pro kyslík) v krvi? 3. Když je v krvi přítomno více než 7% hemoglobinu ve formě karboxyhemoglobinu, projevují se první příznaky otravy oxidem uhelnatým, zejména snížená schopnost soustředit se a řešit úlohy. Vypočítejte, jaké množství oxidu uhelnatého (v mg/m 3 ) by muselo být přítomno ve vzduchu kolem Vás, abyste nebyli schopni vyřešit tuto úlohu (tj. aby množství karboxyhemoglobinu ve Vaší krvi dosáhlo 7% celkového množství hemoglobinu). 4. Člověk, který pobýval 30 minut v prostředí, v němž byla stálá koncentrace oxidu uhelnatého 4680 mg.m 3, zemřel. Za předpokladu, že 30 minut je dostatečně dlouhá doba pro ustanovení všech rovnováh, vypočítejte, kolik procent hemoglobinu v jeho krvi bylo přítomno ve formě karboxyhemoglobinu. 5. Jak byste co nejrychleji pomohli člověku, který je těžce otráven oxidem uhelnatým, ale ještě žije? Pár důležitých informací a rad na závěr: Budete určitě potřebovat molární hmotnost oxidu uhelnatého, M(CO) = = 8 g.mol -1. Dále budeme předpokládat, že všechny přítomné plyny se chovají ideálně, tedy podle stavové rovnice (7). p.v = n.r.t, (7) kde p je tlak, V objem, n látkové množství, T termodynamická teplota v Kelvinech, R je molární plynová konstanta, R = 8,314 J.mol -1.K -1. Při výpočtech také potřebujete znát rovnovážné koncentrace kyslíku a oxidu uhelnatého v krvi. V našem případě závisí rovnovážná koncentrace 19

20 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 plynů v krvi jen na parciálním tlaku plynu ve vzduchu podle Henryho zákona (8) a (9). [O ] = H(O ).p(o ) (8) [CO] = H(CO).p(CO), (9) kde příslušné Henryho konstanty jsou H(O ) = 1, mol.l -1.Pa -1 a H(CO) = 8, mol.l -1.Pa -1. Vzduch obsahuje 1% kyslíku, parciální tlak kyslíku tedy vypočtete podle vztahu (10). Atmosférický tlak je jak známo 101,35 kpa. p(o ) = 0,1.p(atmosférický) (10) Dávejte si pozor na dosazování ve správných jednotkách! A jedna malá rada na závěr: úlohu byste měli být schopni vyřešit i tehdy, kdybyste neznali molární koncentraci hemoglobinu v krvi; jinými slovy, výsledky jsou na této informaci nezávislé. 0

21 Série 3, zadání 3. série Úloha č. 1: Jak se měl Matýsek o Vánocích (5 bodů) autor: Jiří Kysilka Nejdříve si přečtěte Matýskův příspěvek z lednové Mateřídoušky: Jsem Matýsek a je mi. O Vánocích bylo pěkně. S a jsme zdobili vánoční. Na Štědrý den jsem nejedl žádné, abych uviděl zlaté. K večeři byl. Když z něj zbyla jen, zazvonil a my šli rozbalovat. Dostal jsem houpacího. Pak jsme zapálili a koukali na. 1

22 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Venku padaly. Když druhý den vysvitlo, šli jsme stavět. Nasadili jsme mu na hlavu, hele, jak mu to sluší! 1. Nyní už můžete pojmenovat všechno, o čem Matýsek vypráví. K pojmenování použijte pravidla systematického názvosloví podle IUPAC (International Union for Pure and Aplied Chemistry), pokud tato pravidla neznáte, vřele doporučuji si je prostudovat, ještě se Vám určitě budou hodit. Názvy pište popořadě a k danému názvu vždy připište název věci, o které Matýsek píše.

23 Série 3, zadání Úloha č. : Nepořádky s entropií (6 bodů) autor: Karel Berka Víte, že je nepořádek jedním z měřítek, jestli reakce nebo fázová přeměna proběhne? Tedy jeho míra entropie. Pro reakci je důležité, jak se entropie (ΔS) změní. Pokud má reakce proběhnout samovolně, pak musí entropie izolované soustavy vzrůst, nebo zůstat stejná. Tolik úvodem a nyní trocha hudby, ehm totiž fyzikální chemie. Mějme 18 g podchlazené vody při 10 C při normálním tlaku. Zatřepáním jí část ztuhne a po chvíli, kdy vodu necháme stále při 10 C, ztuhne (teď už všechna) na 18 g ledu při teplotě okolí. Podívejme se na tuto záležitost číselně! 1. Jak velké množství vody se okamžitě přemění na led?. Jakou má v této chvíli systém teplotu? 3. Vypočtěte ΔS naší vody při tomto postupu. Nápověda: Vyjde záporně. 4. Vysvětlete, případně i podepřete výpočtem, kde se stala chyba, když je experimentálně známo, že je voda při 10 C za normálního tlaku ve skupenství pevném, a náš výpočet objevil, že ΔS vody je záporná. Potřebné vztahy: Q Δ S T pro děje beze změny teploty za konstantního tlaku, přičemž relace = platí pro vratné, relace > pro nevratné (náhlé) děje Q teplo přijímané systémem, [Q] = J ΔS reakce= ΔS reakce opačné T termodynamická teplota, [T] = K T pro vratné děje se změnou teploty za konstantního tlaku Δ S = n. C p.ln C p molární tepelná kapacita T 1 Qohřev = n. C p.( T T1 ) n látkové množství Q ohřev teplo, které se spotřebuje při ohřátí Qtání = n. ΔH Q tání teplo, které se spotřebuje při tání A konstanty: C p (voda) = 76,1 J.K -1.mol -1 C p (led) = 37,15 J.K -1.mol -1 ΔH(tání) = 6006,8 J.mol -1 3

24 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 3: Sodík a draslík v hornině (6 bodů) autor: Jakub Fiala Sodík a draslík, kovy s podobnými chemickými reakcemi, lze dnes stanovit pomocí instrumentálních metod během okamžiku. Vraťme se však o 150 let zpátky a situaci uvidíme z jiného pohledu. O AAS a jiných instrumentálních metodách se mohlo chemikům jen zdát, a přesto se analýzy zhostili s úspěchem pomocí vážkového stanovení. Výchozím vzorkem je hornina, která kromě K a Na obsahuje SiO, Fe a těžké kovy. Celý postup stanovení lze rozdělit na následující tři kroky: 1. Vzorek horniny o hmotnosti 1,0000 g tavíme 1 hodinu s 1 g NH 4 Cl a 8 g CaCO 3. Poté taveninu vyloužíme horkou vodou a nerozpustný zbytek promýváme na filtru do vymizení reakce na Cl -.. Spojené roztoky vzniklé v bodě 1 zahřejeme a přidáme roztok (NH 4 ) CO 3, vyloučí se bílá sraženina A, kterou odfiltrujeme. Filtrát odpaříme do sucha a poté 30 minut žíháme nad mírným plamenem kahanu. Uniká plyn B, který reaguje s Na 3 [Co(NO ) 6 ] za vzniku žluté sraženiny. Výsledkem je směs NaCl a KCl o hmotnosti 0,8100 g. 3. Směs NaCl a KCl vzniklou v bodě zahříváme s koncentrovanou kyselinou sírovou. Během zahřívání probíhá reakce (1). NaCl (KCl) + H SO 4 C D E (1) Teplota roste ve směru šipek. Po odpaření dostaneme směs solí K a Na o hmotnosti 0,9646 g. Dekahydrát sodné soli má triviální název Glauberova sůl. 1. Identifikujte látky A E (napište vzorce!).. Uveďte instrumentální metodu, pomocí níž byste stanovili Na + vedle K Jaká činidla byste použili pro důkaz Na + a K +? Na + uveďte alespoň činidla K + uveďte alespoň 3 činidla 4. Proč se při tavení horniny v bodě 1 přidává CaCO 3? 5. Určete obsah Na a K v hornině. Výsledek uveďte v g Na a K na 1 g horniny s přesností na 4 desetinná místa. 4

25 Série 3, zadání Úloha č. 4: Výbušiny (13 bodů) autor: Robert Betík Výbušiny jsou jedny z nejdůležitějších látek moderní doby. Z hlediska jejich výbušinářských vlastností se dělí na třaskaviny, trhaviny a střeliviny. Třaskaviny jsou velice citlivé k iniciaci a jsou schopny na malém prostoru rozvinout plnou detonaci, používají se pro plnění rozbušek (jejich vysoká citlivost prakticky vylučuje možnosti jiného použití). Trhaviny jsou látky málo citlivé k iniciaci (detonují od rozbušky), ale jejich síla je mnohem větší, než je tomu v případě třaskavin. Vědomosti o střelivinách pro první dvě úlohy nebudete potřebovat, a proto nechť jest Vám jejich definice prozatím utajena. Část 1: PETN 1. Jednou z nejúčinnějších trhavin je pentaerythritoltetranitrát (PETN, pentrit). Tato látka je součástí jedné z nejslavnějších plastických trhavin vyráběné v semtínské Synthesii. Víte které?. PETN se vyrábí esterifikací pentaerythritolu 90% 100% kyselinou dusičnou. Pentaerythritol se vyrábí aldolovou kondenzací formaldehydu a acetaldehydu (5:1) v suspenzi Ca(OH). Napište rovnici reakce včetně reakčního mechanismu. 3. Detonační rychlost PETN je 8500 m.s -1 při hustotě 1,75 g.cm -3, energie výbuchu je 640 kj.kg -1. Vypočítejte, jaký výkon má trhavina, je-li ve tvaru koule detonované od středu a její hmotnost je 1kg. 4. PETN se rozkládá přibližně podle rovnice (1). C 5 H 8 (ONO ) 4 (s) 3 CO (g) + 4 H O (g) + N (g) + CO (g) (1) Pokuste se vypočítat objem plynů vzniklých výbuchem 1 kg pentritu, uvažujte ideální chování plynu. Teplota výbuchu je 4503 K, tlak je atmosférický. 5. Vypočítejte, jaký je tlak při výbuchu menší nálože PETN (rychlost detonace je tak vysoká, že můžete zanedbat expanzi plynů před koncem detonace, jako objem plynu tedy použijte objem původní nálože); uvažujte ideální chování plynů. Část : Pyrotechnik Ve druhé části úlohy si budete hrát na mladého pyrotechnika. V tabulce jsou uvedeny základní charakteristiky čtyř výbušin. 5

26 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 1. Rozhodněte, kterou z nich byste použili pro následující úkoly: trhací práce v kamenolomu výroba rozbušek řezání ocelových hranolů výroba kumulačních náloží. Svoji odpověď se pokuste krátce zdůvodnit. Tabulka 1. Základní charakteristiky výbušnin Název Cena za kg D E charakteristika v Kč (m.s -1 ) (kj.kg -1 ) C plastická trhavina azid Pb třaskavina hexogen-lisovaný lisovaná trhavina pernomex sypká trhavina D - detonační rychlost, E - energie výbuchu, cena je bez DPH. Všechny údaje jsou přibližné. Část 3: Střeliviny Nyní si řekneme něco málo o střelivinách. Na to určitě všichni netrpělivě čekají. Jsou to látky, které nedetonují, ale explozivně hoří (deflagrace). Lineární rychlost hoření je velmi závislá na tlaku a pohybuje se od centimetrů za sekundu do kilometrů za sekundu. Mezi střeliviny patří černý střelný prach nebo bezdýmné střelné prachy a mnoho jiných. Používají se hlavně k pohonu střel nebo projektilů ve střelných zbraních. Byl jednou jeden myslivec a ten, aby ušetřil, plnil si vystřelené nábojnice doma sám. Používal k tomuto účelu bezdýmný střelný prach (hustota 1, g.cm -3, E = 4, kj.kg -1, teplota výbuchu 800 K, přibližná rychlost hoření při výstřelu 500 m.s -1 ). Jednou si ale myslivec přečetl, že PETN je mnohem silnější výbušina než bezdýmný prach, a rozhodl se, že zkusí naplnit nábojnici PETNem. Dal se do práce a nezahálel, už večer měl hotov svůj super náboj. Hned další den ráno se vydal na lov. Spatřiv zajíčka, nabil svoji brokovnici, zamířil, vystřelil a 1. Pokuste se na základě uvedených údajů dokončit příběh. Co se asi stalo se zajíčkem, myslivcem a brokovnicí? Nápověda: Podívejte se na poslední úlohu v první části. Dalo by se z uvedených údajů spočítat obdobným způsobem tlak při výbuchu bezdýmného prachu? Pokud ano, učiňte tak. Pokud ne, vysvětlete proč a pokuste se alespoň odhadnout, je-li tlak větší nebo menší než u PETN. Ze svých pozorování učiňte patřičné závěry. 6

27 Série 3, zadání Úloha č. 5: Exkurz do struktury látky nejednou ovlivnivší běh starověkého Řecka (1 bodů) autor: Tomáš Mikulka Mnozí z Vás se podiví nad tímto vzletným nadpisem, ale možná, že si vzpomenete na dobu plnou intrik a politických sporů, které byly často řešeny prostřednictvím zkušených travičů. Ano, řeč bude o látkách, jež nazýváme alkaloidy. Se sloučeninami tohoto rázu se setkáváme téměř denně, třebaže si to raději nepřipouštíme. Tyto se staly tvrdým, leč chutným oříškem starých německých chemiků. Proto se staňme na chvíli takovýmito objeviteli a rozluštěme strukturu jednoho alkaloidu, který se stal mnoha Řekům osudným! Doporučuji, abyste se seznámili s následujícími pojmy: Hofmannovo methylační štěpení Ozonolýza Chiralita Stavová rovnice ideálního plynu Po složité extrakci rostlinného materiálu byla získána směs alkaloidů, z níž byl běžnými postupy jeden separován. Nejdříve bylo potřeba určit přibližný obsah prvků, tj.: C, H, O, N atp. 1. Pro zjištění obsahu dusíku bylo odváženo přesně 8,37 mg alkaloidu, ten byl spálen v přítomnosti Co 3 O 4 a vzniknuvší plyny byly zavedeny do gasometru naplněného roztokem KOH. Po vytemperování na pokojovou teplotu 5 C byl odečten objem dusíku 0,83 ml při tlaku 98, kpa. Dále bylo zkoumáno zastoupení C, H, popřípadě O. K tomuto účelu bylo odváženo přesně 11, mg alkaloidu. Toto množství bylo kvantitativně spáleno a zplodiny byly pohlcovány nejprve bezvodým MgClO 4 a poté natronovým vápnem. U-trubice byly pečlivě zváženy a bylo nalezeno, že látka poskytla spálením 30,9 mg CO a 13,5 mg vody. Na základě takto získaných údajů napište sumární vzorec alkaloidu. Nápověda: Molekulová hmotnost je menší než 50.. Nyní se dostáváme k nejnáročnější části problému, tedy k určení struktury. Látka byla v prvním kroku podrobena Hofmannovu štěpení, čímž byla získána směs tří produktů o různém procentuálním zastoupení. Ve druhém kroku bylo provedeno opět Hofmannovo štěpení, kterým se rozmanitost produktů 7

28 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 zachovala. Všechny byly podrobeny ozonolýze a opatrné redukci zinkem v prostření kyseliny octové. Pracnou separací,4-dinitrofenylhydrazonů reakčních produktů bylo na základě ostrých bodů tání určeno složení produktů odbourávání: methanal, ethanal, propanal, butanal, propan-1,3-dial, butan-1,4- -dial a pentan-1,5-dial. Jaká je tedy struktura zkoumaného alkaloidu a jaký je jeho triviální název? Nápověda: Kombinací produktů musíte pokaždé dostat stejnou délku řetězce. Snad také pomůže, když oznámím, že při štěpení každého derivátu nikdy nevznikají dvě stejné látky, vždy směs různých. 3. Pokud jste úspěšně rozluštili nelehkou strukturu, bude již snadné určit centra chirality a nakreslit všechny optické izomery. Zároveň se zamyslete, zda existuje nějaký způsob, kterým by bylo možné od sebe rozdělit izomery; pokud ano, jaký? Nakonec napište, se kterým izomerem byste se mohli setkat v přírodním materiálu, a vyhledejte český a latinský název rostliny, z níž byl izolován tento alkaloid. 8

29 Série 4, zadání 4. série Úloha č. 1: Osmisměrka autor: Michal Řezanka, Pavel Řezanka (1 bodů) N D B R U C I N N A T U B O L K Y C A A U O E N A P U L K D E A A O Y Ž Y J R T N I M A N O H C N I C S L N E K N N S R Z M P N N Ř Z I E E I I N I A E E A I E L D A A L E A T T T I N D K O R Y N A N T H E I N A Č M O E I E L S A R A K N T N E D S N E N E N R D K K U N O I O E Z, I Y H C A T O O E F O A S K N N I M A L Y H T E M U D R N Y T A E D T O Z V D I P E L U G I L V Š B R N O A O A R N E E T F L O R O G L U C I N L H N I I H A H L C M E E Y C C N C N I Y E D N U P Y Y I E S P H H E N Y A M D N K R O U L Z T T O U O N A L X O R I I T T R O N E R O L I D O L G E N O N B O A I R E P I I P C Y K L O H E X A N U B N A B E N Z Y L I D E N A N I L I N U C N H R E H T E L Y N E F I D A L O N. Ž 9

30 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 vtip je uveden v tajence Jednodušší sloučeniny, u nichž stačí většinou určit systematický název: O O 1 O N 6 O CH =C=CH O N N OH 4 F 5 NC-CN

31 Série 4, zadání CH 3 -(CH ) 130 -CH 3 1 CH 3 -NH RCOOR 13 HO Složitější sloučeniny, jejichž název je triviální: O OH O N 0 O NH 1 OH O N OH O N N HO OH H 3 HO HO 4 OH OH O NH H N HO OH 8 N H 6 OH O OH OH N N Fe N N 30 5 HO N + 31 O N H H HO N O H O 7 H N O 33 N H 3 O N H O OH O 34 OH N H O O 9 N 31

32 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 O HN CH 3 H H 35 H N 36 H H H 37 H N H N O 39 OH H HO 38 Na O O S O N N H 4 O P N O CN N N 40 N H N N O O 46 N O P F 44 O OH S O 48 H N 45 O 41 OH OH H H H 49 OH Upozornění: Písmeno CH považujte za dva znaky, to znamená za C a H! 1. Každé struktuře přiřaďte odpovídající název (pod každou strukturou je její číslo) a ten potom zaškrtněte v osmisměrce. Tučně označené sloučeniny považujte za zaškrtnuté. Nápověda: Některé ze složitějších sloučenin se vyskytují v Strychnos nux-vomica, kůře Pseudocinchona africana, kůře chinové, Claviceps purpurea, Lolium cuneatum, Humulus lupulus, květech pomerančovníku a ve žluči. Dvě z látek jsou silnými nervovými jedy. Seřazení sloučenin také není náhodné.. Nevyškrtnuté znaky (včetně mezer atd.) tvoří tajenku. Napište ji. 3. Kdo je autorem obrázku ke vtipu? 3

33 Série 4, zadání Úloha č. : Rum (6 bodů) autor: Richard Chudoba Rum lihovina kořeněné či jemné kokosové vůně a chuti. Vyrábí se z cukrové třtiny. Nejprve se z ní extrahuje cukr, který se v podobě sirupu či melasy zkvasí za nepřístupu vzduchu. Vznikne tak roztok obsahující přibližně 10 % ethanolu, který se předestiluje na bezbarvou kapalinu ostré chuti s 80 % ethanolu. Někteří mají tento čerstvý silný rum rádi, ale většinou se nechává zrát ještě rok, tři, pět i déle v malých dubových sudech, ve kterých se předtím připravovala whisky či bourbon. Nakonec se rum při stáčení ředí vodou na obsah alkoholu 37,5 60 % vol. Rum se výborně hodí na přípravu míchaných nápojů. Velice chutná je Beach Party. Do šejkru s ledem nalijeme 4 cl světlého rumu, 3 cl pomerančového a 3 cl ananasového džusu a 0,5 cl grenadiny. Suroviny dokonale protřepeme, aby došlo k jejich smísení. Nápoj nalijeme do vinné sklenky, kterou ozdobíme kolečkem ananasu a koktejlovou třešní. Poznámka: Všechny reakce stačí uvádět souhrnně bez detailního vysvětlování biochemických pochodů. Příklad: C 1 H O O 1 CO + 11 H O. Pokud reakce probíhá jen v jednom kroku, napište k ní i enzym, který ji katalyzuje. Není-li uvedeno jinak, jsou zadána hmotnostní procenta. 1. Jaký je rozdíl mezi např. kubánským rumem a tuzemským rumem, aneb proč tuzemák žádným rumem není?. Jaká chemická látka (případně jejich směs) dává tuzemáku specifickou vůni a chuť? 3. Jaký cukr obsahuje cukrová třtina? Nakreslete jeho Haworthův vzorec. Vyskytuje se stejný cukr i v cukrové řepě? 4. Napište rovnici, která popisuje kvašení při výrobě rumu. Který sacharid (či sacharidy) přímo vstupuje do biochemického cyklu kvasinek, jehož konečným produktem je ethanol? Jestliže tento sacharid (či tyto sacharidy) není přímo obsažen v cukrovém sirupu z cukrové třtiny, zapište chemickou rovnicí, jak z něj vzniká. K čemu by došlo, kdyby kvašení probíhalo za přístupu vzduchu? Dokumentujte chemickou rovnicí! 5. Proč po zkvašení cukrového sirupu vznikne roztok jen s přibližně 10 % ethanolu? Spočítejte, kolik procent ethanolu bude obsahovat roztok, který vznikne zkvašením 5% cukrového sirupu získaného z cukrové třtiny. 6. Kolik gramů alkoholu obsahuje sklenka Beach Party připravená podle návodu? Na láhvi rumu je uvedeno 37,5 % vol. 33

34 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 3: Kouzlo? (8 bodů) autor: Jiří Kysilka Napětí v sále rostlo. Možná i proto, že celá místnost byla zahalena do šera. Jediným zdrojem světla byly plamínky dvou svíček plápolajících na stole. Kouzelník předstoupil před napjaté obecenstvo: Kouzlo, které jsem si připravil nyní, jen tak někde neuvidíte. Jedná se totiž o hotový zázrak. Zatímco někteří eskamotéři jsou schopni vycvičit zvířata, jako jsou lvi, holubi nebo žáby, já jsem vycvičil plyn v tomto odměrném válci. Naučil jsem jej rozpoznávat barvy. Plyn mě ovšem během výcviku dosti překvapil. Některé barvy si oblíbil. Po těchto slovech vytáhl kouzelník svůj kapesní světlomet a záhy byli všichni oslněni červeným bleskem (λ = 670 nm), kterým kouzelník posvítil na svůj cvičený plyn. Napjaté publikum netrpělivě čekalo, co se stane. Tím spíš bylo překvapeno tím, že plyn vůbec nijak nezareagoval. Kouzelník ovšem pokračoval: Jiné barvy ovšem přímo nesnáší. Než se diváci nadáli, držel kouzelník v ruce jiný světlomet a užuž se chystal na plyn posvítit jiným světlem. Jak všichni záhy zjistili, šlo o modrý blesk (λ = 430 nm). Ale co víc! V plynu to zajiskřilo a drobnou explozí oznámil, že není příliš nadšen, když se na něj svítí modrým světlem. Jak vidíte, červené světlo mému plynu nevadí, zatímco modrá mu k srdci zrovna nepřirostla! vítězoslavně prohlásil kouzelník. Kouzelník ovšem netušil, že v jeho publiku je spousta chemiků, kteří tento trik znají a na báchorky o cvičených plynech nevěří. Ve válci vlastně nebyl jeden plyn, ale směs dvou plynů. Oba tyto plyny kouzelník připravil z kyseliny chlorovodíkové. První z nich působením zinku, druhý působením burelu, tedy oxidu manganičitého. V temném prostředí zavedl odpovídající objemy připravených plynů do odměrného válce a před publikem potom pomocí světla inicioval chemickou reakci. 1. Identifikujte oba plyny, které jsou smíchány v kouzelníkově odměrném válci. Napište vyčíslené rovnice chemických reakcí, na jejichž základě si kouzelník plyny připravil. Pro každý plyn navrhněte jeden alternativní způsob přípravy (pokud možno principiálně jiný než kouzelníkův způsob přípravy).. Napište vyčíslenou rovnici chemické reakce, která probíhá v odměrném válci. Víte-li, že reakce probíhá radikálovým mechanismem za iniciace světlem, napište tento mechanismus po jednotlivých krocích (iniciace, propagace, terminace). 34

35 Série 4, zadání 3. Jak je možné, že modré světlo reakci iniciuje, zatímco červené nikoli? Na základě uvedeného mechanismu vypočítejte, jakou vlnovou délku musí mít světlo, aby bylo schopno iniciovat tuto reakci. 4. Za předpokladu, že všechny plyny se chovají ideálně, vypočítejte, jaký tlak bude ve válci po proběhnutí reakce. Vzhledem k rychlému průběhu reakce předpokládejte, že proběhla adiabaticky (tj. nedošlo k výměně tepla s okolím). Pokud by reakce proběhla izotermicky, pozorovali bychom explozi? Svou odpověď zdůvodněte. 5. A na závěr malá odbočka: proč se v organické chemii běžně neprovádí radikálová fluorace (pomineme-li značně nepohodlnou práci s nebezpečným fluorem), když radikálová chlorace a bromace se v průmyslu i v laboratoři celkem běžně využívá? Potřebné údaje Molární tepelné kapacity ideálních plynů za konstantního objemu (C V ) je pro jednoatomový plyn rovna 3/ R a pro dvouatomový plyn 5/ R. Molární tepelné kapacity za stálého tlaku a za stálého objemu jsou svázány molární univerzální plynovou konstantou R = 8,314 J.mol -1.K -1 vztahem (1). C P - C V = R (1) Během řešení úlohy se Vám bude hodit tabulka 1. Čísla vyjadřují energii (v kj.mol -1 ) potřebnou k rozštěpení jednoduché vazby mezi uvedenými dvěma atomy (a zcela logicky tedy i energii, která se uvolní při tvorbě této vazby). Na závěr malá rada: považujte monochromatické záření o vlnové délce λ za proud fotonů, tj. balíčků energie o velikosti (). E = h.c/λ, () kde h je Planckova konstanta (h = 6, J.s) a c je rychlost světla ve vakuu (c = m.s -1 ). Tabulka 1. Disociační energie jednoduchých vazeb [kj.mol 1 ] H C N O S F Cl Br I H C N O S F Cl Br I

36 Korespondenční Seminář Inspirovaný Chemickou Tematikou, ročník 1 Úloha č. 4: Zápisky cestovatele aneb úloha termodynamická (1 bodů) autor: Ondřej Kaman Toho rána, již to devátého, co v pohoří Ťanšanu dlíme, a to v nejvýchodnějším cípu země kyrgyzské, jsme se všichni probudili brzce, neboť zamýšlejíce výstup na samý vrchol Piku Pobědy, bylo nám den vskutku časně započíti. Nikdo z nás netrpěl příznaky horské nemoci, ba nevolno nám nezdálo se též býti, byť náš výškoměr ukazoval téměř neomylně, jako vždy ostatně, šest a půl tisíc metrů nad mořem. Co rána tkne se, toto začalo však v obvyklém sledu; led, jehož teplota stejna teplotě vzduchu byla, mínus deset stupňů Celsiových tak obnášejíc, posloužil nám k přípravě ranní kávy. Na skromném vařiči propan-butanovém jsme jej rozhřáli a až k varu vsled vodu z něj povstávající přivedli. Čas ubíhal během snídaně vele rychle a my posílivše se, jali jsme se vážných příprav ku pokoření vrcholu činiti. 0. Přečtěte si pozorně výše uvedený úryvek z deníku cestovatele. (Tato otázka není bodově hodnocena.) 1. Spočtěte teplotu, při které bude vřít voda v uvedeném táboře.. Určete jak dlouho byste mohli z jedné propan-butanové láhve vařit každému z Vaší čtyřčlenné výpravy dvě ranní kávy. Dále zjistěte, čeho se Vám bude nedostávat dříve, oblíbené poživatiny, nebo topného plynu? 3. Za jak dlouho po zapnutí hořáku dosáhne voda varu, jestliže připravujete nápoj toliko pro sebe? 4. Porovnejte (procentuálně) spotřebu propan-butanu pod vrcholem Piku Pobědy s její spotřebou při trampování v našich zeměpisných podmínkách, tj. přibližně za standardního tlaku. O výsledcích veďte diskusi. Vodu berete z rybníka o teplotě 10 C. (Pro slabší povahy je přípustný předpoklad průzračné studánky.) Potřebné údaje Hmotnost vody na přípravu jednoho šálku je 165 g, stanoveno na autorově oblíbeném hrnečku při spotřebě 7,5 g mleté kávy. Účinnost vařiče napojeného na propan-butanovou láhev: η = 0,65. Do hořáku vstupuje 4, molekul.s -1. Zbylo Vám už jen jedno čtvrtkilogramové balení kávy a jedna plná propan-butanová láhev s 50 g náplní. 36

37 Série 4, zadání Barometrická rovnice (1). 0 0 ρ gh [T]: p = p exp 0, (1) p p je tlak v nadmořské výšce h, p 0 atmosférický tlak při hladině moře (považujme ho za standardní tlak), ρ 0 hustota vzduchu při hladině moře. Ještě jednou zdůrazněme platnost této formule pouze pro izotermický přechod mezi danými nadmořskými výškami. Clausiova-Clapeyronova rovnice v integrálním tvaru (). p ΔH výp 1 1 ln =, () p1 R T1 T kde p 1, resp. p značí tlak nasycených par nad kapalinou dané látky při teplotě T 1, resp. T, ΔH výp představuje molární výparnou entalpii. Poznamenejme, že integrace výchozí diferenciální rovnice byla provedena za zjednodušujícího předpokladu nezávislosti výparné entalpie na teplotě, tedy předpokládáme: ΔH výp = konst. na intervalu teplot T 1 až T. V tabulce 1 je uvedeno složení vzduchu a v tabulce složení topného plynu. Tabulka 3 uvádí konstanty, které doporučujeme použít. Tabulka 1. Složení vzduchu v objemových procentech 100.ϕ Látka N O Ar 100.ϕ Tabulka. Složení topného plynu v hmotnostních procentech 100.w Látka C 3 H 8 C 4 H w Tabulka 3. Konstanty, které doporučujeme použít označení hodnota rozměr význam c p (H O (s) ),06 J.K -1.g -1 Specifická tepelná kapacita při konstantním tlaku Δh tání (H O) 333,5 J.g -1 Specifická entalpie tání C p (H O (l) ) 75,383 J.K -1.mol -1 Molární tepelná kapacita při konstantním tlaku ΔH výp (H O) J.mol -1 Molární výparná entalpie ΔH sp (C 3 H 8 ) -19,9 kj.mol -1 Standardní spalná molární entalpie ΔH f (C 4 H 10 ) -14,73 kj.mol -1 Standardní slučovací entalpie ΔH f (H O (l) ) -85,83 kj.mol -1 Standardní slučovací entalpie ΔH f (CO ) -393,51 kj.mol -1 Standardní slučovací entalpie 37