á rodníinstitut dětía mlá deže Ministerstva školství, mlá deže a tělový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy 45. ročník 2008 2009 KRAJSKÉ KL kategoriía a E SUTĚŽÍ Ú LY STUDIJÍ ČÁ STI časová ná ročnost: 120 minut
TERETICKÁ ČÁ ST (60 BDŮ) Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 I. ARGAICKÁ CEMIE Ú loha 1 Vzdušný pytel 6 bodů Pokud se vybourá te v autě, které není vybaveno airbagy, zpravidla vám nepomůže ani Anděl strážný. Jak takový airbag funguje? Sché ma konstrukce airbagu Při nárazu odpá lí elektronickéčidlo směs, sklá dající se z azidu sodného, dusičnanu draselného a oxidu křemičitého. kamž itě se uvolní velkémnož ství dusíku, kteréairbag naplní a zmírní náraz. Vý vin dusíku lze popsat těmito rovnicemi: (1) a 3 ææ a + 2 (2) a + K 3 ææ 2 + K 2 + a 2 1. Vyčí slete uvedenérovnice. 2. Kolik gramů a 3 a K 3 dohromady je potřeba do směsi pro airbag o objemu 15 litrů při tlaku 130 kpa při teplotě 25 C? 3. Ve směsi je pří tomen ještě oxid křemičitý. Proč asi? Použ ití azidů v airbegá ch není ideá lní, protož e jsou toxické jak pro člověka, tak pro ž ivotní prostředí. avrž enou bezpečnější alternativou je látka zná má pod zkratkou BTAT (bistetrazolylaminotetrazin): 1
Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 4. Kolik gramů BTAT je třeba k naplnění airbagu dusíkem (15 litrů, 130 kpa, 25 C), pokud se všechen dusík obsaž ený v BTAT přemění na plynný molekulový dusík? 5. BTAT byl navrž en takéjako velmi chytrý zhášeč požárů. Proč požár zhasne, když do něj hodíte ná lož BTAT? A r () = 1,0 A r (C) = 12,0 A r () = 14,0 Ú loha 2 Reaktivní formy kyslíku 10 bodů Latimerů v diagram pro kyslík (při p = 14): 3? 2 0,682 2 2 1,776 2 1,229 2,42 zon je reaktivní forma kyslíku, která hraje klíčovou roli v zemskéatmosféře. 1. akreslete Lewisů v vzorec molekuly 3 a z rezonančních struktur odhadněte, zda bude délka vazby větší nebo menší ve srovná ní s dikyslíkem. zon se v oxidačních reakcích chová typicky jako přenašeč kyslíku, tj. redukuje se pouze jeden atom kyslíku podle rovnice: (1) 3 + 2 + + 2 e ææ 2 + 2 E 1 = 2,076 V V tomto smyslu se oxidují např. jodidy při jodometrickém stanovení ozonu. 2. apište iontovou rovnici oxidace jodidů ozonem. ěkdy se mohou redukovat všechny tři atomy kyslíku, jako v pří padě oxidace chloridu cínatého v prostředí kyseliny chlorovodíkové. 3. apište rovnici této reakce. 4. Vypočí tejte potenciá l odpovídající poloreakce: (2) 3 + 6 + + 6 e ææ 3 2 E 2 =? V 5. Atomá rní kyslík je další reaktivní formou kyslíku. apište pří slušnou poloreakci odpovídající v Latimerově diagramu potenciá lu E = 2,42 V. 6. a základě hodnot potenciá lů rozhodněte, která z forem kyslíku (, 2, 3 ) je nejsilnější m oxidačním činidlem. Co je pravděpodobnou příčinou? F = 96 485 C/mol 2
Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 II. RGAICKÁ CEMIE Ú loha 1 Diarylhaloniové soli 5 bodů xidací jodbenzenu manganistanem draselný m v pří tomnosti bromidu draselného vznikla (kromě jiný ch látek) i zajímavá organická látka sumá rního vzorce C 12 10 IBr. Podle MR spekter bylo zjištěno, ž e se jedná o tzv. difenylhaloniovou sů l obecného vzorce: X + X - Pokuste se z ná sledujících dat zjistit její konstituční vzorec. Srážecí reakcí jejího vodného roztoku s dusičnanem stří brný m vznikla naž loutlá sraž enina rozpustná pouze v koncentrovaném (25%) amoniaku. Reakcí této soli s roztokem jodidu sodného v acetonu vznikla bílá sraž enina. apište vzorec a ná zev haloniovésoli a rovnice reakcí použ itý ch k jejímu dů kazu. Ú loha 2 xidace thiolů 6 bodů ejčastější m syntetický m pří stupem při pří pravě disulfidů, z nichž některé jsou zastoupeny v pří rodě (např. v česneku je diallyldisulfid), je mírná oxidace thiolů, která vede k tvorbě S S vazby. Vhodný m oxidačním činidlem jsou halogeny a reakce se prová dí v pufrovaném prostředí, kteréváže vznikající halogenovodík. Pokud je v molekule i jiná funkční skupina, je potřeba zvážit vý běr halogenu, aby byla oxidace chemoselektivní. ásledující schéma prezentuje pří pravu již zmíněného diallyldisulfidu oxidací allylsulfanu (nesprá vně allylthiolu): S X 2 S S ac 3, 2 íže má te uvedeny redoxní potenciá ly pá rů X 2 /X a RSSR/RS při neutrá lním p: E (Cl 2 /Cl ) = +1,4 V E (Br 2 /Br ) = +1,1 V E (I 2 /I ) = +0,5 V E (RSSR/RS) = 0,1 až 0,3 V a) Který z halogenů (Cl, Br, I) lze použít na oxidaci alkylsulfanu (alkylthiolu) na dialkyldisulfid? b) Který z halogenů (Cl, Br, I) lze použít na oxidaci allylsulfanu (allylthiolu) na diallyldisulfid? Zdů vodněte s ohledem na mož ný prů běh vedlejší ch reakcí. apište rovnici mož névedlejší reakce. 3
Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 Ú loha 3 Aktivace pentenylglykosidů 5 bodů V chemii sacharidů se poměrně často připravují glykosidy reakcí glykosylkationtu s volnou hydroxylovou skupinou. Klíčový m krokem, který předchá zí této tzv. glykosylaci je pří prava výchozího karbokationtu. Existují různé glykosylační postupy, které se liší prá vě ve způ sobu jeho generová ní. Jednou z mož ností je využ ití reakce (pent-4-en-1-yl)glykosidů s kationtem I + podle ná sledujícího schématu: RC 2 R C 2 C 2 C 2 C=C 2 I + I + C 2 C 2 C 2 C C 2 R R adice na dvojnou vazbu (pent-4en-1yl)glykosid I + C 2 C 2 C 2 C C 2 RC 2 R R + R RC 2 R R R eliminace lá tky A A (C 5 9 I) a) apište konstituční vzorec lá tky A b) Vyberte ty lá tky (př. kombinaci dvou lá tek), kterémohou bý t zdrojem kationtu I + : ICl I 2 /AgCl 4 AgI ai/ 2 S 4 4
Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 III. FYZIKÁ LÍ CEMIE Ú loha 1 Palivový článek 8 bodů Energii chemický ch vazeb můžeme získat z toho, co země dá (ropa, řepka apod.) třeba ve spalovacím motoru. To ale není jediná mož nost. Potenciá lně nebezpečné(vý buch) a neefektivní (kliková hří del) člá nky spalovacího procesu je mož néodstranit využ itím tzv. palivový ch článků. Palivový člá nek (viz schéma vý še) není nic jiného než kontinuá lně pracující galvanický člá nek. a obrá zku je schéma kyslíko-vodíkového palivového člá nku. Ke katodě člá nku se přivá dí okysličovadlo, k anodě palivo (v tomto pří padě vodík), kterése zde oxiduje. Maximá lní prá ce, kterou mohou elektrony vykonat v obvodu, je rovna změně Gibbsovy energie při celkovéreakci: 2 + ½ 2 ææ 2. 1. Palivovéčlá nky methanol/kyslík by mělo být brzy mož népoužívat jako zálož ní zdroje do notebooků, a to i na palubě letadel. apište reakce na katodě a na anodě, jakož i celkovou reakci pro spalová ní v tomto člá nku. 2. Jaká je změna Gibbsovy energie na jeden mol methanolu? Použ ijte hodnoty standardních slučovacích Gibbsový ch energií uvedenév tabulce níže. Sloučenina ΔG o f [kj mol 1 ] 2 (l) 237 C 2 (g) 394 C 3 (l) 166 3. Jakémaximá lní napětí lze za standardních podmínek docílit na tomto člá nku? 4. Vrať me se k člá nku vodík/kyslík. Maximá lní dosaž itelnénapětí na tomto člá nku (1,23 V) je jen nepatrně vyšší než při použ ití kombinace methanol/kyslík. Vypočí tejte energii, kterou můžete získat: a) z 1 kg vodíku a z 1 kg methanolu, b) z 1 litru (kapalného) vodíku a z 1 litru methanolu. ustota kapalného vodíku je 70 kg m 3, hustota kapalného methanolu je 790 kg m 3. 5
Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 5. Proč se vodíku dává přednost v městský ch autobusech svobodného hanzovního města amburg? Vyberte z ná sledujících mož ností (více než jedna odpověď může bý t sprá vnou): a) Vodík je snadnější transportovat než methanol. b) Autobusy s vodíkový m pohonem mohou mít menší ná drž e. c) amburg získá vá velké množ ství vodíku jako vedlejší produkt při nabíjení lodních akumulá torů. d) Starosta města amburg je gauner uplacený vodíkovou mafií ydra. e) Spalová ní vodíku je technologicky nejlépe zvlá dnutou reakcí. f) Methanol je zatížen vysokou daní, neboť hamburští námořníci jej s oblibou popíjejí v koktejlu Mistr anuš. g) Vodík je bezpečnější palivo. h) Vodíkový palivový člá nek neprodukuje C 2. Ú loha 2 Fotočlánek 8 bodů Ve fotočlá nku se energie světelného kvanta (fotonu) přeměňuje pří mo na energii elektronu, který pak může konat prá ci v elektrickém obvodu. Fotočlá nky lze vyrobit z krystalický ch polovodičů, např. arsenidu galia GaAs na obrá zku. Všechny stavy arsenové3p hladiny, která se v krystalu rozšíří na tzv. valenční pá s, jsou obsazeny, a naopak všechny stavy galiové4s hladiny, rozšířenédo tzv. vodivostního pásu, jsou prá zdné. Tyto dva pásy odděluje pás zaká zaný ch energií (do kterého nelze elektron excitovat) o šířce E g. Foton o energii E exc může excitovat elektron z vrcholu valenčního pásu do vodivostního pásu, pokud jeho energie E exc E g. Z této energie ovšem čá st, E exc E g, ztratíme, neboť elektron spadne na dno vodivostního pásu, přeměň uje svou přebytečnou energii na teplo (kmity krystalovémříže, tzv. fonony). a hraně zaká zaného pásu se tyto ztrá tové procesy zpomalí natolik, ž e se elektron podaří odvést do elektrickésítě. 1. Předpoklá dejte, ž e sluneční svit na povrchu země tvoří pouze ž lutéfotony o vlnovédélce 570 nm. Jakou energii má jeden takový foton v elektronvoltech? (1 ev = 1.6 10 19 J) 2. Spočí tejte účinnost fotočlá nků vyrobený ch z ná sledujících polovodičů : křemík, GaAs, diamant. Účinnost je definová na jako podíl energie fotonu a vygenerovanéelektrickéenergie. 6
Šířky zaká zaného pá su pro rů znémateriá ly: Materiá l Šířka zaká zaného pá su Si 1,12 ev GaAs 1,4 ev Diamant 5,6 ev Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 3. Jaký výkon dodá ideá lní křemíkový fotočlá nek o ploše 1 m 2 namířený pří mo proti Slunci? Počí tejte s účinností vypočí tanou v bodě 2 a zanedbejte pohlcová ní sluneční energie atmosférou. Vý kon slunečního záření dopadající na čtvereční metr ve stejnévzdá lenosti od Slunce, jako je Země, je označová n jako solá rní konstanta a v létě činí 1,4 kw m 2. 4. Kontrolní otá zka: kdyby na Zemi nedopadaly ž luté, ale UV fotony (ve stejném množ ství), byla by solá rní konstanta větší nebo menší? 7
Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 IV. BICEMIE Ú loha 1 12 bodů lavním mechanismem poškození ž ivočišný ch buněk zářením γ je indukovaná tvorba reaktivních forem kyslíku, kterépak poškozují DA. Buňky mají mechanismy jak se tomuto oxidačnímu stresu brá nit, a to předevší m tvorbou tzv. zhášečů volný ch radiká lů. lavním zhášečem volný ch radiká lů v ž ivočišný ch buňká ch je tripeptid glutathion. Glutathion reaguje s reaktivními formami kyslí ku za tvorby neškodný ch produktů a tím je detoxikuje. Smrtelná dá vka záření γ je pro člověka při ozáření celého těla okolo 5 Gy (Gray; jednotka odpovídá 1 J energie absorbovanév 1 kg hmotnosti organismu). ěkterédruhy ž ivočichů, předevší m štíři, však jsou schopny přežít bez větší újmy i dá vky přes 1000 Gy. Štíry před radiačně generovaný m oxidačním stresem chrá ní předevší m jejich krevní barvivo hemocyanin. emocyanin má podobnou funkci jako hemoglobin, tj. přenos kyslíku, ale místo iontů Fe 2+ obsahuje ionty Cu +, takž e v oxidovaném stavu je krev štírů modrá a v odkysličeném stavu bezbarvá. A prá vě hemocyanin má kromě schopnosti přenášet kyslík i silnou peroxidasovou, katalasovou a superoxiddismutasovou aktivitu a je schopen zhášet radiká ly, které jsou nejdů lež itější m činidlem poškozujícím DA při oxidačním a radiačním stresu. a) Samotnéionty Cu + v roztoku mohou zhášet radiká ly. apište rovnici této reakce. b) Role mědi však není tak jednoznačná. Ionty Cu + a Cu 2+ v roztoku jsou schopny v pří tomnosti peroxidu vodíku (který při oxidačním a radiačním stresu rovněž vzniká ) reaktivní formy kyslíku naopak generovat. apište rovnici tvorby radiká lů pomocí Cu 2+ a rovnici tvorby radiká lů pomocí Cu +. c) V organickésyntéze i při dekontaminaci odpadních vod od organický ch polutantů se užívá tzv. Fentonova reakce, tj. oxidace peroxidem vodíku v pří tomnosti iontů Fe 2+ (a další ch, napří klad prá vě Cu 2+ či Mn 2+ ). Vlastním činidlem jsou zde opět radiká ly. apište rovnici vzniku radiká lů z peroxidu vodíku a Fe 2+. d) kolik stupňů by se ohřá la tkáň dávkou 5 Gy při ozáření celého těla pro člověka o hmotnosti 70 kg? Předpoklá dejte, ž e veškerá energie pohlceného záření se přemění na teplo. Tepelnou kapacitu tká ně považ ujte za stejnou jako tepelnou kapacitu vody, tj. 4,2 kj kg 1 C 1. e) apište mechanismus, který m glutathion zháší volnéradiká ly (R ). 8
Zadá níkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 2 S glutathion f) Jednou z metod likvidace choroboplodný ch zárodků je radiační sterilizace zářením γ v dávká ch kolem 25 000 Gy. Proč je snazší takto sterilizovat materiá l obsahující vzduch než např. masové konzervy? g) Po vý buchu jadernébomby je blízko epicentra cítit zvláštní štiplavý zá pach, který je stejný jako zá pach ze starší ch laserový ch tiská ren a xerokopírek. Co ho způ sobuje? h) Při nádorový ch onemocněních, která vedou ke vzniku velký ch lezí, je často vnitřek nádoru hypoxický (= nedostatečně zásobený kyslíkem) kvů li vysoké metabolické aktivitě a nedostatečnému prokrvení. Jaký to má vliv na citlivost nádoru a jaké jsou důsledky pro radioterapii ná dorový ch onemocnění? 9
á rodníinstitut dětía mlá deže Ministerstva školství, mlá deže a tělový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy 45. ročník 2008 2009 KRAJSKÉ KL kategoriía a E SUTĚŽÍ Ú LY PRAKTICKÉ ČÁ STI časová ná ročnost: 90 minut
Praktická č ást krajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 PRAKTICKÁ ČÁ ST (40 BDŮ) Ú loha 1 Stanovení kyseliny L-askorbové v tabletě Celaskonu 40 bodů V jodometrii se používá odměrný roztok jódu (I 2 ) a odměrný roztok thiosíranu sodného (a 2 S 2 3 ), který stechiometricky redukuje jód na jodid (I ) a sá m se oxiduje na tetrathionan sodný (a 2 S 4 6 ). Jedna molekula jódu oxiduje dvě molekuly thiosíranu sodného: I 2 + 2 a 2 S 2 3 ææ 2 ai + a 2 S 4 6. dměrný m roztokem I 2 lze v kyselém prostředí pří mo titrovat různé anorganické a organické analyty, kterése jódem stechiometricky oxidují. dměrnéroztoky I 2 je třeba standardizovat na vhodný standard, jako je napří klad oxid arsenitý či thiosíran sodný. Při jodometrický ch titracích se konec titrace indikuje škrobem, neboť škrob se jódem barví intenzivně modře, popří padě intenzivně hnědě podle druhu použ itého škrobu. Kyselinu L-askorbovou neboli vitamín C (C 6 8 6 ) lze v kyselém prostředí stechiometricky oxidovat jódem na kyselinu dehydroaskorbovou (C 6 6 6 ), přičemž jedna molekula kyseliny askorbovéreaguje prá vě s jednou molekulou jódu. C 2 + I 2 C 2 + 2I Vzorek kyseliny askorbovémůžeme pří mo titrovat v kyselém prostředí odměrný m roztokem I 2. Před koncem titrace může tato redoxní reakce probíhat relativně pomalu, a proto je nutnév okolí bodu ekvivalence titrovaný roztok opatrně a důkladně promíchá vat krouž ivý mi pohyby titrační baňky, a tím podpořit reakci. Jako indiká tor se při této jodometrickétitraci používá roztok škrobu, který svý m modrý m či hnědý m zabarvením indikuje konec titrace. Před vlastním stanovením je nutnéodměrný roztok jódu standardizovat na thiosíran sodný. Pomůcky: 25ml byreta 10ml nedělená pipeta 10ml odměrný vá lec 50ml odměrný vá lec 250ml titrační baňka malá ná levka na doplňová ní byrety 3 150ml ká dinka 3 50ml ká dinka špachtle pipetovací ná stavec nebo balónek ochrannélatexovérukavice střička s destilovanou vodou Chemikálie: 3 tablety Celaskonu jako vzorky 0,05 mol dm 3 jód v 0,15 mol dm 3 KI 0,1600 mol dm 3 thiosíran sodný 0,4% roztok škrobu 0,05 mol dm 3 kyselina sírová 1
Praktická č ást krajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 Pracovní postup: A. Standardizace odměrné ho roztoku jódu 1. dměrný roztok jódu lze standardizovat na thiosíran sodný. Pro standardizaci odměrného roztoku jódu odpipetujte nedělenou pipetou 10,00 ml roztoku 0,1600 mol dm 3 a 2 S 2 3 do titrační baňky a přidejte odměrný mi vá lci zhruba 30 ml destilovanévody a 3 ml roztoku škrobu (nebo 5 kapek, pokud budete mít k dispozici škrob bramborový sdělí pořadatelé) jako indiká tor. 2. Roztok v titrační baňce titrujte 0,05 mol dm 3 odměrný m roztokem jódu do modrého popří padě hnědého zbarvení indikujícího konec titrace. 3. Titraci proveďte celkem třikrá t a ze získaný ch spotřeb titračního činidla vypočí tejte přesnou molá rní koncentraci odměrného roztoku jódu na čtyři desetinná místa. Výslednou látkovou koncentraci vyjá dřete jako aritmetický prů měr tří paralelních měření. B. Stanovení kyseliny L-askorbové v tabletě Celaskonu 1. Stanovte obsah vitamínu C postupně ve třech tabletá ch Celaskonu. ejprve vlož te kaž dou tabletu odděleně do 50ml kádinky s 10 ml destilované vody a ponechte ji rozpadnout se macerací ve vodě. Potérozpadlou tabletu i s vodou kvantitativně převeďte do titrační baňky pomocí destilovanévody ze střičky. ezapomeňte dobře vyplá chnout 50ml kádinku, aby byl všechen vzorek dokonale převeden do titrační baňky. 2. Do titrační baňky přidejte pomocí odměrného válce 5 ml 0,05 mol dm 3 kyseliny sírovéa 3 ml roztoku škrobu jako indiká tor. Jemně zakalený roztok, který obsahuje nerozpustná, avšak dobře suspendovaná plnidla tablety, titrujte standardizovaný m odměrný m roztokem jódu do modrého popří padě hnědého zbarvení indikujícího konec titrace. 3. Titraci proveďte celkem třikrá t a ze získaný ch spotřeb titračního činidla vypočí tejte obsah vitamínu C v mg v analyzovaný ch tabletá ch Celaskonu. Relativní molekulová hmotnost kyseliny askorbovéje M r (C 6 8 6 ) = 176,12. tázky a úkoly: 1. Ze získaný ch spotřeb titračního činidla při standardizaci jódu vypočí tejte přesnou molá rní koncentraci odměrného roztoku jódu na čtyři desetinná místa. 2. Ze získaný ch spotřeb titračního činidla a výše určenémolá rní koncentrace titračního činidla vypočí tejte obsah vitamínu C v mg v analyzovaný ch tabletá ch Celaskonu. Rozhodněte, zda analyzovanétablety Celaskonu mají deklarová n obsah 50, 100, 250, 500 nebo 1000 mg kyseliny L-askorbové. 3. apište a stechiometricky vyčí slete rovnici standardizace odměrného roztoku jódu na oxid arsenitý, při níž je oxid arsenitý oxidová n jódem ve vodném roztoku na oxid arseničný za vzniku jodovodíku. 4. V manganometrii je titračním činidlem odměrný roztok manganistanu draselného, který je v kyselém prostředí silný m oxidačním činidlem a stechiometricky oxiduje mnoho anorganický ch a organický ch látek. Titrace se nejčastěji prová dí v prostředí kyseliny sírové, neboť kyselina chlorovodíková může být čá stečně oxidová na manganistanem draselný m na plynný chlór, což manganometrickéstanovení ruší. Při titraci v kyselém prostředí vyměňuje manganistanový anion pět elektronů, neboť je reduková n analytem na manganatý kation. Mn 4 + 8 + + 5 e ææ Mn 2+ + 4 2 2
Praktická č ást krajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 dměrný roztok KMn 4 má typickéfialovézabarvení. Manganatá sů l vznikající jeho redukcí je bezbarvá. Fialovézabarvení titračního činidla lze využít k indikaci konce titrace, kdy první nadbytečná kapka odměrného roztoku KMn 4 zbarví titrovaný roztok růžově až fialově. dměrnéroztoky KMn 4 je třeba standardizovat na vhodný primá rní standard, jako napří klad dihydrá t kyseliny šť avelové. apište a stechiometricky vyčí slete rovnici standardizace odměrného roztoku manganistanu draselného na kyselinu šť avelovou, při níž je kyselina šť avelová oxidová na manganistanem draselný m v prostředí kyseliny sírovéna oxid uhličitý za vzniku síranu manganatého, síranu draselného a vody. 3
Praktická č ást krajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 Praktická čá st krajské ho kola 45. ročníku Ch kategorie A PRACVÍLIST soutěžní číslo: Body celkem: Praktická č ást kat. A a E výsledky stanovení 1. Standardizace I 2 : Č íslo stanovení 1. titrace 2. titrace 3. titrace Průměr Spotřeba I 2 [ml] Koncentrace I 2 [mol dm 3 ] Body za přesnost: Body: Vý počty: Body za vý počet: Body: 4
2. Stanovení obsahu kyseliny L-askorbové : Praktická č ást krajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 Číslo stanovení 1. tableta 2. tableta 3. tableta Průměr Spotřeba I 2 [ml] bsah kys.askorbové[mg] Body za 3 titrace: Body: Tableta Celaskonu má deklarovaný obsah mg kyseliny askorbové. Body: Vý počty: Body za vý počet: Body: 3. Rovnice standardizace odměrné ho roztoku jódu na oxid arsenitý : Body: 4. Rovnice standardizace odměrné ho roztoku manganistanu draselné ho na kyselinu šťavelovou: Body: 5
á rodníinstitut dětía mlá deže Ministerstva školství, mlá deže a tělový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy 45. ročník 2008 2009 KRAJSKÉ KL kategoriía a E ŘEŠEÍ SUTĚŽÍ C Ú L
TERETICKÁ ČÁ ST (60 BDŮ) Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 I. ARGAICKÁ CEMIE Ú loha 1 Vzdušný pytel 6 bodů 1. (1) 2 a 3 ææ 2 a + 3 2 0,5 bodu (2) 10 a + 2 K 3 ææ 2 + K 2 + 5 a 2 1 bod 2. Pro naplnění airbagu potřebujeme pv 130 000 0,015 n( 2 ) = = = 0, 787 moldusíku. Za látkové množství dusíku 1 bod RT 8,314 298 Ze stechiometrie rovnic vyplý vá, ž e kaž dý ch 5 molů a 3 a 1 mol K 3 poskytne 8 molů 2. Potřebujeme tedy 5 m ( a3) = n( a3) M ( a3) = 0,787 65 = 31, 97 g a3 a 8 1 m( K3) = n( K3) M ( K3) = 0,787 101,1 = 9, 95 g K3, dohromady tedy 8 m směs = 31,97 + 9,95 = 41, 92 g směsi. Za vý sledek 1,5 bodu 3. Kyselinotvorný Si 2 váže vznikající silně bazickéoxidy a 2 a K 2 (funguje vlastně jako struskotvorná pří sada, která posouvá rovnová hu reakce doprava, vznikají křemičitany). dpověď 0,5 bodu 4. Sumá rní vzorec BTAT je C 4 3 13. Z kaž dý ch 2 molů BTAT vznikne 13 molů 2. Potřebná hmotnost BTAT je tedy: 2 m ( BTAT) = n( BTAT) M ( BTAT) = 0,787 233 = 28, 21g. Za vý počet 1 bod 13 5. Dojde v výbuchu, během kterého se BTAT velmi rychle rozloží. To má za následek, ž e z prostoru požáru zmizí (je odfouknut) kyslík a vzniklý dusík oheň udusí. Za vysvětlení 2 0,25 bodu Ú loha 2 Reaktivní formy kyslíku 10 bodů 1. Elektronovou strukturu molekuly 3 můžeme pomocí Lewisový ch vzorců vyjá dřit takto: Z rezonančních struktur vyplý vá, ž e řá d vazby je 1,5. V molekule dikyslíku je dvojná vazba: Délka vazby bude tedy větší v molekule 3. Lewisův vzorec 3 0,5 bodu, srovnání dé lek vazby 0,5 bod 1
Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 2. 3 + 2 I + 2 + ææ I 2 + 2 + 2 2 body 3. 3 + 3 SnCl 2 + 6 Cl ææ 3 SnCl 4 + 3 2 2 body 4. Rovnici (2) získá me součtem rovnice (1) a rovnice (5), kterou jsme s pří slušný m potenciá lem odvodili z Latimerova diagramu: (1) 3 + 2 + + 2 e ææ 2 + 2 E 1 = 2,076 V (5) 2 + 4 + + 4 e ææ 2 2 E 5 = 1,229 V ææææææææææææææææææææææææææææææææææææææææææææææææ (2) 3 + 6 + + 6 e ææ 3 2 E 2 =? V ledaný potenciá l pak vypočí tá me použ itím vztahů DG = nfe a DG 2 = DG 1 + DG 5, neboli: E n E + n E n E + n E 2 2,076 + 4 1,229 = 6 o o o o o 1 1 5 5 1 1 5 5 2 = = = n1 + n5 n2 1,511 V Správný vý počet 3 body 5. + 2 + + 2 e ææ 2 1 bod 6. Z hodnot potenciá lů vyplý vá, ž e nejsilnější m oxidačním činidlem je atomá rní kyslík. Z elektronový ch vzorců všech čá stic (viz otá zka 1.) je zřejmé, ž e pouze atomá rní kyslík nemá úplný oktet (má pouze 6 valenčních elektronů ). To je důvodem jeho extrémní reaktivity a oxidačních vlastností. Atomární kyslík 0,5 bodu, zdůvodnění 0,5 bodu 2
Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 II. RGAICKÁ CEMIE Ú loha 1 Diarylhaloniové soli 5 bodů až loutlá sraž enina rozpustná v koncentrovaném amoniaku je bromid stří brný, který vzniká podle rovnice: Br + Ag + ææ AgBrØ 1 bod Bílá sraž enina je bromid sodný, který se na rozdíl od ai v acetonu prakticky nerozpouští. Br + ai ææ abrø + I Z těchto pozorová ní je zřejmé, ž e halogen pří tomný jako anion v haloniovésoli je brom, tedy konstituční vzorec soli je: 1 bod I + Br - á zev: difenyljodonium-bromid (bromid difenyljodonia) 2 body 1 bod Ú loha 2 xidace thiolů 6 bodů a) Lze použít libovovolný z uvedený ch halogenů, protož e standardní elektrodový potenciá l páru X 2 /X je ve všech pří padech vyšší než páru SS/S, tedy při vzá jemnéreakci bude dochá zet k oxidaci thiolu a redukci halogenu. 2 body b) Lze použít pouze jod, protož e u chloru a bromu bude současně probíhat nevratná adice na dvojnou vazbu allylovéskupiny, která bude ubírat halogen oxidaci. Adice jodu bude sice probíhat také, ale je vratná a tak se nakonec všechen jod spotřebuje na oxidaci S skupiny. 2 body Rovnice: X S X 2 S X 2 body, uznat s Cl i Br Ú loha 3 Aktivace pentenylglykosidů 5 bodů a) Lá tka A je: I 3 body b) Zdrojem kationtu I + mohou bý t: ICl, I 2 /AgCl 4 Po 1 bodu, celkem tedy 2 body, za označení více látek se body odečítají. 3
Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 III. FYZIKÁ LÍ CEMIE Ú loha 1 Palivový článek 8 bodů 1. Při zá pisu reakcí vychá zíme z obrá zku, studenti mohou uvést reakce s jinou stechiometrií. katodická redukce: ½ 2 + 2 e ææ 2 anodická oxidace: C 3 6 e + 2 ææ C 2 + 4 + Mož ná jsou i jiná řešení, např.: katodická redukce: ½ 2 + 2 + + 2 e ææ 2 anodická oxidace: C 3 + 2 ææ C 2 + 6 + + 6 e Celková reakce (počet vyměněný ch elektronů na mol methanolu je z = 6): C 3 + 3/2 2 ææ C 2 + 2 2 2. G G ( C ) G ( ) G ( C ) D =D + 2 D -D =- 702 kj/mol f 2 f 2 f 3 Za každou rovnici 0,5 bodu. 2 body, za vý sledek vztažený na jiné množství než 1 mol methanolu, který je jinak logicky bezvadný 1 bod DG 702000 3. DE = - = = 1, 21 V z F 6 96485 1,5 bodu, za vý sledek vztažený na jiné množství než 1 mol methanolu, ale jinak logicky správný 1 bod. Správné použití špatně vypočítané hodnoty DG nevede již k další bodové penalizaci. 4. a) Při vý počtu je mož no vychá zet buď z napětí na člá ncích, nebo pří mo z Gibbsový ch energií : Vodík: D G =D G =-2 F D E =-296485 1,23=-237,4kJ/mol Methanol: b) Vodík: Methanol: mol m 1000 G G n F E M 2,016 m 1000 8 DG = DGmol n = DGmol = -702000 = -0,219 10 J M 32,04 r V 3 70 1 6 D G =-DGmol =-237,410 =-8,24 10 J M 2,016 r V 3 790 1 7 D G =DGmol =-702 10 =-1,73 10 J M 32,04 3 8 D =D mol =-2 D =-237,410 =-1,18 10 J Za každý vý sledek 0,5 bodu, za vý sledky vztažené na jiný počet vyměňovaný ch elektronů polovinu. Správné použití špatně vypočítané hodnoty DG nevede již k další bodové penalizaci. 5. Sprá vnéodpovědi jsou e, h. Za úkol 5 nejvýše 1 bod, nelze celkově obdržet záporné body. Za každou správnou odpověď 0,5 bodu za každou špatnou odpověď 0,5 bodu. Pokud by podle tohoto přidělování vycházel záporný vý sledek, student obdrží za tento úkol 0 bodů. 4
Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 Ú loha 2 Fotočlánek -34 h c 6,626 10 3 10-19 1. E = = = 3,49 10 J = 2, 18-9 l 570 10 8 ev 8 bodů 2 body Eg 2. Účinnost v %: h = 100 E exc Materiá l Šířka zaká zaného pá su účinnost Si 1,12 ev 0,51 GaAs 1,4 ev 0,64 Diamant 5,6 ev 0 Energie "ž lutý ch fotonů " nepostačuje na excitaci přes zaká zaný pá s v diamantu. Za vztah 0,5 bodu, za jednotlivé hodnoty po 0,5 bodu, celkem 2 body 3. P = S K h = 1 1,4 0,51 = 0, 71kW 2 body Pozn. k bodování: dosazení špatné hodnoty účinnosti nevede ke stržení bodů, neboťtyto body byly již strženy v předchozí úloze. 4. Solá rní konstanta by byla větší (UV fotony mají kratší vlnovou délku a tedy větší energii než viditelnésvětlo). 2 body 5
Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 IV. BICEMIE Ú loha 1 12 bodů a) Cu + + Cu 2+ + 2 body b) Cu 2+ + 2 2 + 2 Cu + + 3 + + 1 bod Cu + + 2 2 Cu 2+ + + 1 bod c) Fe 2+ + 2 2 Fe 3+ + + 2 body d) 5 J kg 1 / 4200 J kg 1 C -1 = 1,2. 10 3 C (tedy velmi maléohřá tí ) 2 body e) 2 S + R 2 + R S 2 2 S 2 2 S S 1 bod f) Pro vznik sterilizujících reaktivních forem kyslíku prostřednictvím ionizujícího záření je zapotřebí molekulá rní kyslík. V anaerobních podmínká ch převlá dnou další mechanismy poškození buněk (vznik radiká lů radiolý zou vody, pří mépoškození DA a membrá n), které však jsou méně účinné. 1 bod g) zón ( 3 ). 1 bod h) ypoxické nádory jsou méně citlivé vůči radioterapii (a tedy i hůře léč itelné), protož e nedostatek kyslíku vede ke sníženétvorbě jeho reaktivních forem účinkem ionizujícího záření. 1 bod 6
PRAKTICKÁ ČÁ ST (40 BDŮ) Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 Ú loha 1 Stanovení kyseliny L-askorbové v tabletě Celaskonu 40 bodů Bodové ohodnocení přesnosti prá ce vypočteme pro každou titraci zvlášť podle následující tabulky: dchylka Počet bodů 0,0 0,3 ml 5 0,3 1,3 ml 5 (1,3 odchylka) 1,3 ml 0 dchylka se udá vá v absolutní hodnotě v ml od hodnoty experimentálně zjištěné organizátory soutěž e. Body se uvá dějí s přesností na 0,5 bodu. Za každou přesně provedenou titraci získásoutěžící 5 bodů. Celkem tedy za přesnost práce 15 bodů. 1. Spotřeba roztoku 0,05 mol dm 3 jódu při titraci 10,00 ml roztoku 0,1600 mol dm 3 thiosíranu sodného se pohybuje kolem 16 ml. V našem konkrétním pří padě činí 16,20 ml, což odpovídá přesnékoncentraci odměrného roztoku jódu 0,0494 mol dm 3. -3 10,00 ml 1 1000-3 c (I 2) = 0,1600 moldm = 0,0494 moldm 1000 2 16,20 ml Za správný vý počet 4 body 2. Za tři provedené titrace bez ohledu na jejich přesnost získásoutěžící celkem 9 bodů. Spotřeba roztoku 0,05 mol dm 3 jódu při titraci 100 mg tablety Celaskonu se pohybuje kolem 11 ml. V našem konkrétním pří padě činí 10,95 ml, což odpovídá obsahu 95,3 mg kyseliny askorbovév tabletě Celaskonu. -3-1 m (C6 86 ) = 10,95 ml 0,0494 moldm 176,12 gmol = 95,3 mg Za správný vý počet 4 body a základě obsahu kyseliny askorbové95,3 mg se soutěžící sprá vně rozhodne, ž e se jedná o 100 mg tabletu Celaskonu z mož ný ch nabízený ch obsahů. Za správné rozhodnutí, že se jednáo tabletu s deklarovaný mi 100 mg kyseliny askorbové, 4 body 3. As 2 3 + 2 I 2 + 2 2 ææ As 2 5 + 4 I Za správně sestavenou a vyčíslenou rovnici 2 body 4. 5 (C) 2 + 2 KMn 4 + 3 2 S 4 ææ 10 C 2 + 2 MnS 4 + K 2 S 4 + 8 2 Za správně sestavenou a vyčíslenou rovnici 2 body 7
Ř eš eníkrajského kola Ch kat. A, E 2008/2009 PKYY PR PŘÍPRAVU PRAKTICKÉ ČÁ STI Pomůcky: 25ml byreta 10ml nedělená pipeta 10ml odměrný vá lec 50ml odměrný vá lec 250ml titrační baňka malá ná levka na doplňová ní byrety 3 150ml ká dinka 3 50ml ká dinka špachtle pipetovací ná stavec nebo balónek ochrannélatexovérukavice střička s destilovanou vodou Chemiká lie pro jednoho soutěžícího: 3 tablety Celaskonu s obsahem 100 mg kyseliny askorbovéjako vzorky 0,1600 mol dm 3 thiosíran sodný (asi ve 100 ml destilovanévody v 1000ml odměrnébaňce se rozpustí 39,7 g a 2 S 2 3 5 2 a roztok se doplní na 1000,0 ml destilovanou vodou) soutěžící bude mít na stole alespoň 50 ml roztoku thiosíranu sodného v popsanésvévlastní lahvičce Chemiká lie v zá sobních lahvích vždy pro několik soutěžících dohromady: 0,05 mol dm 3 jód rozpuštěný v roztoku 0,15 mol dm 3 jodidu draselného jako titrační činidlo (asi v 50 ml destilovanévody v 1000ml odměrnébaňce se rozpustí 25 g KI a poté 12,7 g I 2 rozetřeného na prášek a roztok se doplní na 1000,0 ml destilovanou vodou) 0,4% roztok škrobu (4 g rozpustného škrobu se suspendují a za varu rozpustí ve 100 ml destilovanévody). Pokud bude použ it bramborový škrob (např. Solamyl), je potřeba jej dodat v lahvičce s kapá tkem a informovat soutěžící. 0,05 mol dm 3 kyselina sírová (2,8 ml konc. 2 S 4 se naředí do 1000 ml destilovanévody) Minimá lní spotřeby roztoků pro jednoho soutěžícího: 0,1600 mol dm 3 thiosíran sodný minimá lně 50 ml 0,05 mol dm 3 jód minimá lně 100 ml 0,4% škrob minimá lně 20 ml 0,05 mol dm 3 kyselina sírová minimá lně 20 ml Je nutné vyzkoušet titraci standardizace odměrné ho roztoku jódu na thiosíran sodný alespoň třikrát a hodnotit přesnost vý sledků soutěžících podle té to experimentá lně zjištěné průměrné spotřeby. 8