CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. 39. ročník

Transkript

1 Ústřední komise Chemické olympiády CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 39. ročník KRAJSKÉ KOLO Kategorie A SOUTĚŽNÍ ÚLOHY TEORETICKÉ ČÁSTI časová náročnost: 120 minut Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

2 I. ANORGANICKÁ CHEMIE Krajské kolo ChO kat. A, E 2002/2003 Úloha 1 6 bodů Na obrázku je zachyceno jedno z prvních schémat jistého přístroje. F E D B A C 1. Popište tento přístroj, doplňte k písmenům názvy součástek, A F. Která součástka přístroje je nejpodstatnější pro jeho činnost? 2. Je identifikace prvku tímto přístrojem jednoznačná? 3. Jaká vlastnost (veličina) identifikuje prvek? 4. Který laboratorní předmět musel být vynalezen ještě před tímto přístrojem, aby přístroj mohl pracovat (tento předmět je rovněž na obrázku)? Kdo byl šťastným objevitelem? 5. Jaké způsoby získávání viditelného záření (vzbuzení prvku do excitovaného stavu) známe dnes? 6. Je možné kvantifikovat obsah prvku na základě intenzity zabarvení, které udílí plameni? Pokud ano, jak se nazývá analytická technika založená na tomto principu?

3 Úloha 2 Jména prvků 6 bodů Objevitelé prvků často odvozují názvy svých nových prvků od: a) božstev či mytologických postav b) typických vlastností nového prvku či jeho sloučenin (zápach, agresivní chování...) c) zeměpisných (místopisných) názvů souvisejících s prvkem d) barev typických pro prvek nebo jeho sloučeniny e) původu suroviny, z níž byl prvek připraven 1. Rozepište následující prvky k jednotlivým uvedeným kategoriím a) až e): F, Cl, Br, I, At, Ru, Nb, Ta, Eu, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. 2. K prvkům v kategorii d) uveďte, z jakého výchozího materiálu byly připraveny, a jednu reakci poskytující jako produkt daný prvek. Úloha 3 1 bod Spektrální analýza neznámých látek není záležitostí jen laboratoří přírodovědců. V české literatuře 19. století známe dokonce i poměrně věrný popis důkazu, že hmotné složení hvězd je jednostejné s kovovými prvky použitými pro stavbu Země. Text, třebaže krátký, svědčí o jadrném pochopení principu metody spektrální analýzy a jejího použití. 1. Který autor sepsal báseň s uvedenou tematikou? Jak se jmenuje básnická sbírka tento text obsahující? 2. Vyvzpomenete si přesně na dvojverší, výrok to starého žabáka, týkající se spektrální analýzy? 3. Řadíme autora básně k ruchovcům, lumírovcům nebo družině májové? 4. Měl autor v básni na mysli spektroskopii ve viditelné oblasti spektra, nebo uvažoval o charakteristickém RTG záření prvků? Úloha 4 3 body Antikatoda RTG lampy vyrobená z jistého prvku poskytla charakteristickou čáru K α při vlnové délce 0, m. Z jakého prvku byla vyrobena antikatoda? Konstanta úměrnosti v Moseleyho vztahu, kterou jste zjistili ve školním kole, je rovna 1, m 1. Poznámka: K řešení úlohy 4 mají soutěžící k dispozici periodickou tabulku prvků.

4 II. ORGANICKÁ CHEMIE Krajské kolo ChO kat. A, E 2002/2003 Úloha 1 6 bodů Co vznikne následující sekvencí reakcí? Doplňte vzorce meziproduktů a produktu. Sumární vzorec produktu je C 7 H 7 Br. NH 2 acetanhydrid pyridin Br 2 HCl HNO 2 EtOH B C D E F var CH 3 Úloha 2 5 bodů Reakcí benzenu s ethylenem za kyselé katalýzy vzniká sloučenina B, která dehydrogenací poskytuje důležitý monomer C. Látka C poskytuje chlorací sloučeninu D, která reakcí s hydroxidem sodným poskytuje sloučeninu E. Sloučenina E uvolňuje amoniak při reakci s amidem sodným a nedává pozitivní Beilsteinův test. a) Nakreslete vzorce a napište systematické názvy sloučenin B E. b) Je některá ze sloučenin B E chirální? Úloha 3 5 bodů Které z následujících sloučenin představují aromatický systém (případně aromatický systém s alifatickým substituentem)? A B C D N O N H NO 2 O E F G H

5 III. FYZIKÁLNÍ CHEMIE Krajské kolo ChO kat. A, E 2002/2003 Úloha 1 Tepelný rozklad PAN 16 bodů Peroxyacetylnitrát (PAN, CH 3 C(O) OONO 2 ) hraje prominentní roli v troposférické chemii. Byl identifikován v roce 1956 v rámci výzkumu fotochemického znečištění vzduchu a bylo zjištěno, že tato sloučenina je fytotoxická a mutagenní pro určité bakteriální kmeny, navíc jde o látku dráždící oči. Zásadní je však především význam této sloučeniny jako rezervoáru oxidů dusíku. PAN vzniká reakcí peroxoacetylového radikálu (CH 3 C(O) OO, označme jej pracovně PA) s oxidem dusičitým: A: PA + NO 2 PAN (k 1 ) Za vyšší teploty se pak PAN rozpadá zpět na peroxyacetylový radikál a oxid dusičitý: B: PAN PA + NO 2 (k 1 ) Rychlostní konstanta této reakce (tj. termického rozkladu PAN) je silně teplotně závislá. Oxid dusičitý je tak za nižší teploty vázán ve formě PAN, jakmile se však začne teplota zvyšovat, oxid dusičitý se uvolní. Změna teploty může nastat buďto v rámci denních výkyvů nebo transportem vzdušné masy do teplejších oblastí. Znečištění oxidy dusíku se tak může objevit i v oblastech bez vlastního zdroje znečištění. Z minulého odstavce vyplývá, proč byl tepelný rozklad PAN často experimentálně studován. D. Grosjean et al. (J. Air. and Waste Manage. Assoc. 44, 391 (1994)) naměřili při teplotě 298 K následující závislost koncentrace PAN na čase: čas [min] 37,0 75,0 c(t) / c(0) 0,50 0,25 a) Jaký je řád této reakce? (1 bod) b) Jaký je poločas τ této reakce při teplotě 298 K? (1 bod) c) Vypočítejte rychlostní konstantu k 1 při teplotě 298 K! (2 body)

6 Titíž autoři měřili závislost koncentrace na teplotě také pro teplotu 288 K a získali hodnotu rychlostní konstanty k 1 (288 K) = 4, min 1 = 6, s 1. d) Vypočítejte aktivační energii této reakce! (3 body) e) Tepelný rozklad PAN je endotermická reakce. Nakreslete energetický profil této reakce. Bude aktivační energie reakce A (tj. syntézy PAN) větší nebo menší než u reakce B (tj. tepelného rozkladu)? (3 body) f) Většina oxidů dusíku v Arktidě je vázána ve formě PAN. Vypočítejte dobu života (což je doba za kterou koncentrace klesne na 1/e počáteční koncentrace) PAN za typické teploty 35 C. (Popř. je možné vypočítat poločas rozkladu, obě varianty jsou stejně bodově ohodnocené.) (3 body) g) Jaká by musela tato teplota být, aby doba života PAN byla 1 den (alternativně můžete řešit úlohu jaká by musela tato teplota být, aby poločas rozkladu PAN byl jeden den). (3 body) Konstanty: R = 8,314 J.K 1.mol 1, univerzální plynová konstanta e = 2, Poznámka: Můžete požádat o nápovědu rychlostní konstanty k 1 při 298 K (viz. bod c), tento úkol se vám však nebude počítat, nebo o nápovědu arrheniovských parametrů (aktivační energie a předexponenciálního faktoru), v tomto případě se nebude počítat úkol d.

7 IV. BIOCHEMIE Hormony povahy peptidů a bílkovin Úloha 1 8 bodů Peptidy tvoří nejpočetnější skupinu chemických regulátorů hormonů, které řídí jak metabolické, tak fyziologické pochody. Jsou vylučovány endokrinními žlázami. Neurohypofýza, zadní lalok hypofýzy, uvolňuje dva peptidické hormony, které jsou syntetizovány v hypothalamu. Vasopresin, známý též jako antidiuretický hormon (ADH), zvyšuje krevní tlak a podněcuje ledviny k zadržování vody. Oxytocin způsobuje stahy děložního svalstva a tak zahajuje porod. Primární struktura obou peptidů je uvedena níže. NH 2 -Gly-Leu-Pro-Cys-Asn-Gln-Ile-Tyr-Cys OXYTOCIN (Arg) (Phe) (VASOPRESIN) K zjištění přítomnosti či nepřítomnosti disulfidové vazby byl použit následující postup. Peptidy se nechaly reagovat s jodacetátem a následně s 2-thioethanolem (2-merkaptoethanol či 2-hydrogensulfanoethanol). Po kyselé hydrolýze peptidů byly nalezeny aminokyseliny cysteinu nemodifikované. Při obráceném postupu, tj. při působení 2-thioethanolu na peptid a následné reakci s jodacetátem se po kyselé hydrolýze nalezl veškerý cystein ve formě karboxymethylcysteinu. 1. Na základě těchto experimentálních údajů rozhodněte, zda je či není v peptidech přítomna disulfidová vazba. Své tvrzení zdůvodněte. 2. Popište reakci s jodacetátem a redukci 2-thioethanolem chemickými rovnicemi. Místo vzorce peptidů použijte symbolický zápis : P SH SH P S S 3. Lze papírovou elektroforézou při ph = 7 od sebe oddělit oxytocin a vasopresin? Zdůvodněte! Úloha 2 4 body Dalším hormonem, který je vylučován endokrinními orgány, je i insulin peptid obsahující 51 aminokyselinových zbytků, který reguluje využívání glukosy v organismu. 1. Uveďte, kde je insulin v organismu syntetizován. 2. Jakou chorobu, která může končit i smrtí organismu, vyvolává nedostatek insulinu?

8 Ústřední komise Chemické olympiády CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 39. ročník KRAJSKÉ KOLO Kategorie A SOUTĚŽNÍ ÚLOHY PRAKTICKÉ ČÁSTI časová náročnost: 120 minut Institut dětí a mládeže Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy

9 Úloha Stanovení hliníku jako 8-chinolinolátu 40 bodů Mnohé organické sloučeniny, jako fenoly, aromatické aminy, některé heterocyklické sloučeniny atp. lze roztokem bromu nebo jodu za příslušných reakčních podmínek jednoznačně halogenovat, což je základem jejich kvantitativního stanovení. Např. 8-chinolinol (oxin) se bromuje kvantitativně v o- a p- poloze k hydroxylové skupině. Přesné množství bromu přidané v malém nadbytku se získá reakcí bromičnanu s bromidem v kyselém prostředí. Kation Al 3+ se sráží vodným neutrálním roztokem 8-chinolinolu (C 9 H 7 ON) v prostředí octanového pufru jako žlutý krystalický 8-chinolinolát hlinitý, který se po rozpuštění v kyselině chlorovodíkové titruje, jak je popsáno výše. Al C 9 H 7 ON [Al(C 9 H 6 ON) 3 ] + 3 H + C 9 H 7 ON + 2 Br 2 C 9 H 5 Br 2 ON + 2 HBr BrO Br + 6 H + 3 Br H 2 O Nadbytečný brom vyloučí po přidání jodidu draselného ekvivalentní množství jodu, který se ztitruje thiosíranem sodným. Br I I Br I S 2 O 2 3 S 4 O I Vzorek: Pomůcky: roztok Al 3+ (dusičnan) ve 100 ml odměrné baňce 2 titrační baňka 250 ml pipeta 10 ml byreta 25 ml byreta 50 ml 2 nálevka k byretám 2 kádinka 150 ml kádinka 800 ml odměrný váleček 50 ml střička s destilovanou vodou skleněný filtrační kelímek S-4 odsávací baňka, tulipánek, vývěva skleněná tyčinka teploměr kahan, trojnožka, síťka

10 Chemikálie: Pracovní postup: srážecí činidlo (roztok 8-chinolinolu v octanovém pufru) 0,02 M odměrný roztok KBrO 3 obsahující nadbytek KBr (správná koncentrace bude zadána) 0,05 M odměrný roztok Na 2 S 2 O 3 (správná koncentrace bude zadána) škrobový roztok (cca 0,3%) octan amonný (tuhý) jodid draselný (tuhý) kyselina chlorovodíková (zředěná 1:1) methyloranž (0,1 %) Vzorek v odměrné baňce 100 ml doplňte po rysku destilovanou vodou a promíchejte. Do titrační baňky odpipetujte 10 ml a zřeďte vodou asi na 150 ml. Pak přidejte 2 3 gramy octanu amonného rozpuštěného asi v 10 ml vody. Pomalu, za stálého míchání, přikapávejte srážecí činidlo tak dlouho, až dojde k částečnému sbalení sraženiny. Reakční směs zahřejte na vodní lázni na teplotu 70 C a při této teplotě ji ponechte asi 5 minut. Po ochlazení vyloučenou sedlinu zfiltrujte skleněným filtračním kelímkem S-4 a promyjte ml horké vody a asi 5 za sebou menším množstvím studené vody. Sraženinu z titrační baňky nemusíte převést na filtr kvantitativně, protože kelímek se sraženinou vložíte zpět do této baňky a rozpustíte ji v 50 ml HCl (1:1) za horka. Roztok zřeďte vodou na cca 150 ml, ochlaďte na laboratorní teplotu a přidejte několik kapek methyloranže jako indikátoru. Takto připravený roztok titrujte směsí 0,02 M roztoku KBrO 3 a KBr do původního citrónově žlutého zbarvení (rozrušení indikátoru). K právě odbarvenému roztoku přidejte asi 0,2 g KI a jod, který se vyloučí nadbytečným množstvím bromu, ztitrujte 0,05 M roztokem Na 2 S 2 O 3. K indikaci použijte škrobu, tj. přidejte odměrným válečkem 5 ml škrobového roztoku a modravý roztok titrujte do odbarvení. Stanovení proveďte 2, výsledek uveďte v miligramech hliníku ve 100 ml vzorku. A r (Al) = 26,9815 Kontrolní otázky: 1. Napište strukturní vzorec 8-chinolinolu (oxinu). 2. Kolik mililitrů 0,0492 M NH 4 SCN se spotřebuje na titraci nadbytečného roztoku AgNO 3 při argentometrickém stanovení I, jestliže k roztoku vzorku obsahujícího 54,30 mg I bylo přidáno 20 ml odměrného roztoku 0,0527 M AgNO 3? A r (I) = 126,90

11