56. ročník...Reakcí grafitu se studenou směsí KMnO 4, NaNO 3 a H 2SO 4 byla připravena...

Ústřední komise Chemické olympiády

56. ročník 2019/2020

KRAJSKÉ KOLO Kategorie A

Zadání 60 bodů, 120 minut

Krajské kolo ChO kategorie A 2019/2020: ZADÁNÍ Soutěžní číslo

2

ANORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ

Úloha 1 Sloučeniny uhlíku s kyslíkem 7,5 bodu

Základem pro kvantitativní analýzu oxidu uhelnatého je jeho reakce s oxidem jodičným a následné stanovení uvolněného jódu titrací thiosíranem.

1) Napište rovnice obou reakcí.

Rovnice:

body:

2) Které oxidy kovů reagují s oxidem uhelnatým za pokojové teploty? Uveďte alespoň jeden příklad.

Oxid:

body:

Dehydratací kyseliny propandiové vzniká suboxid uhlíku C3O2.

3) Nakreslete jeho elektronový strukturní vzorec.

Strukturní vzorec:

body:


3

Reakcí grafitu se studenou směsí KMnO4, NaNO3 a H2SO4 byla připravena žlutohnědá látka, pro niž se používá název A. Podrobíme-li její suspenzi ve vodě ultrazvuku, získáme koloidní roztok dvourozměrných částic nazývaných B. Redukcí B lze pak získat látku C složenou pouze z uhlíku.

4) Napište používané názvy látek A–C.

Název látky A:

Název látky B:

Název látky C:

body:

Fuleren C60 s ozonem tvoří ozonid C60O3, který se podle podmínek rozkládá za uvolnění molekuly kyslíku na dvě různé sloučeniny X a Y.

5) Na obrázcích naznačte, jak je kyslík vázán v jednotlivých látkách.

C60O3 X Y


4

Úloha 2 Kyslíkaté skupiny na povrchu uhlíku 4,5 bodu

Pomocí TPD (teplotně programovaná desorpce) analýzy vzorku aktivního uhlí (100 mg) se zjistilo, že při zahřátí vzorku do 800 ºC v inertní atmosféře došlo k uvolnění 128,4 μmol CO2 a 377,5 μmol CO.

1) Vypočtěte množství kyslíku na povrchu vzorku (v mg/g).

Výpočet:

Množství kyslíku: …………………………… mg/g

body:

Elementární analýzou bylo zjištěno, že studovaný vzorek obsahuje 15 hm. % kyslíku.

2) Určete rozdíl zjištěný elementární analýzou a TPD analýzou a vysvětlete jej.

Rozdíl:

Vysvětlení:

body:


5

Úloha 3 Specifický povrch 4 body

V 5,00 g vzorku uhlíku je obsaženo (adsorbováno) 15 hm. % vlhkosti (= vody). Předpokládejte, že dosedací plocha jedné molekuly vody je 0,106 nm2.

1) Vypočtěte plochu (v m2), kterou vlhkost zaujímá v 1 g suchého vzorku. Předpokládejte monovrstevné pokrytí povrchu vzorku molekulami vody.

Výpočet:

Plocha: ……………………………………… m2 g−1

body:

2) Určete počet molekulárních vrstev vody, pokud víte, že specifický povrch suchého vzorku je 156 m2 g−1.

Výpočet:

Počet vrstev: ………………………………………

body:


6

ORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ

Úloha 1 2 body

4-Hydroxymethylbenzaldehyd lze manganistanem draselným oxidovat na dikalium-tereftalát (dikalium-benzen-1,4-dikarboxylát). Dalšími produkty reakce jsou oxid manganičitý a voda.

1) Zapište reakci, určete oxidační čísla atomů, na kterých dochází k redoxnímu ději, a reakci vyčíslete.

Reakce:

body:


7

Úloha 2 4 body

K přípravě N-ethylbenzamidu (viz obrázek) z benzoylchloridu je třeba použít dva moly ethylaminu.

NH

O

1) Pomocí zahnutých šipek popište detailně mechanismus reakce mezi benzoylchloridem a dvěma moly ethylaminu. Nezapomeňte na všechny podstatné elektronové páry.

Mechanismus reakce:

body:


8

2) Vysvětlete, proč je k reakci nutné použít dva moly aminu.

Vysvětlení:

body:

Tento amid je možné připravit také reakcí benzoylchloridu s jedním molem ethylaminu.

3) Co v takovém případě musíme do reakční směsi přidat?

Odpověď:

body:


9

Úloha 3 7,5 bodu

V následující úloze si projdeme postup, kterým lze z cyklohexanonu připravit cyklopentanon (kontrakce kruhu). Mechanismy zapisujte pomocí zahnutých šipek a uvádějte všechny podstatné elektronové páry.

Prvním krokem je příprava diethyl-adipátu (diethyl-hexandioátu) z cyklohexanonu ve dvou reakčních krocích.

1) Napište příslušné rovnice.

Rovnice:

body:

Diethyl-adipát podléhá v bazickém prostředí intramolekulární Claisenově (Dieckmannově) kondenzaci.

2) Popište podrobný mechanismus reakce.

Mechanismus:

body:


10

Produkt reakce z bodu 2) podléhá varem v kyselém prostředí nejprve hydrolýze a následně dekarboxylaci.

3) Napište rovnice obou reakcí, u dekarboxylace uveďte mechanismus.

Rovnice:

body:

Produkt Dieckmannovy kondenzace z bodu 2) lze na uhlíku nesoucím nejkyselejší vodík alkylovat.

4) Napište mechanismus alkylace této sloučeniny methylbromidem.

Mechanismus:

body:


11

Úloha 4 2,5 bodu

Jedním z nejdůležitějších derivátů kyseliny uhličité je močovina.

1) Nakreslete její vzorec a jednu další rezonanční strukturu včetně šipek a elektronových párů znázorňujících přechod mezi oběma rezonančními strukturami.

Vzorec a rezonanční struktura:

body:

Močovinu lze převést na další z derivátů, kterým je semikarbazid.

2) Popište v rovnicích jeho přípravu.

Příprava:

body:


12

Zahříváním močoviny s ethanolem byla připravena sloučenina původně nazvaná „urethan“, která dala název celé skupině látek. Jedná se o ester kyseliny karbamové, ethyl-karbamát:

H2N O

O

H2N NH2

O

EtOH NH3

∆T

3) Navrhněte syntézu ethyl-N-fenylkarbamátu z fosgenu.

Syntéza:

body:


13

FYZIKÁLNÍ CHEMIE 16 BODŮ

Vzorečkovník:

Stavová rovnice ideálního plynu

𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 = 𝑁𝑁𝑘𝑘𝐵𝐵𝑛𝑛

Změna Gibbsovy energie

Δ𝐺𝐺 = Δ𝐻𝐻 − 𝑛𝑛Δ𝑆𝑆

Rovnovážná konstanta

𝛼𝛼A + 𝛽𝛽B ⇄ 𝛾𝛾C + 𝛿𝛿D

𝐾𝐾 = 𝑒𝑒−Δ𝐺𝐺∘/(𝑅𝑅𝑅𝑅) =𝑎𝑎C

𝛾𝛾𝑎𝑎D𝛿𝛿

𝑎𝑎A𝛼𝛼𝑎𝑎B

𝛽𝛽 , kde 𝑎𝑎𝑖𝑖 ≈𝑐𝑐𝑖𝑖

𝑐𝑐∘ (pro roztok) nebo 𝑝𝑝𝑖𝑖

𝑝𝑝∘ (pro plyn)

Energetické hladiny harmonického oscilátoru

𝐸𝐸𝑛𝑛 = (𝑛𝑛 + 1/2)ℏ𝜔𝜔, 𝑛𝑛 = 0,1,2, …,

kde úhlová frekvence je dána 𝜔𝜔 = �𝑘𝑘/𝜇𝜇 = 2𝜋𝜋𝑐𝑐𝜔𝜔� a redukovaná hmotnost 𝜇𝜇 = 𝑚𝑚1𝑚𝑚2/(𝑚𝑚1 + 𝑚𝑚2)

Poloha těžiště soustavy hmotných bodů ležících v přímce

𝑥𝑥𝑅𝑅 =𝑥𝑥1 𝑚𝑚1 + 𝑥𝑥2 𝑚𝑚2 + ⋯ 𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑚𝑚𝑖𝑖

𝑚𝑚1 + 𝑚𝑚2 + ⋯ 𝑚𝑚𝑖𝑖

Moment setrvačnosti (obecně)

𝐼𝐼 = ∑ 𝑚𝑚𝑖𝑖𝑟𝑟𝑖𝑖2

𝑖𝑖 ,

kde 𝑟𝑟𝑖𝑖 je vzdálenost od osy otáčení (u neukotveného tělesa těžiště, tj. 𝑟𝑟𝑖𝑖 = 𝑥𝑥𝑖𝑖 − 𝑥𝑥𝑅𝑅).

Moment setrvačnosti dvouatomové molekuly

𝐼𝐼 = 𝜇𝜇𝑑𝑑2,

kde d je délka vazby.

Energetické hladiny tuhého rotoru

𝐸𝐸𝐽𝐽 = 𝐵𝐵𝐵𝐵(𝐵𝐵 + 1), 𝐵𝐵 = 0,1,2, …,

kde rotační konstanta 𝐵𝐵 = ℎ𝑐𝑐𝐵𝐵� = ℏ2/(2𝐼𝐼) .

Energie fotonu

𝐸𝐸 = ℎν = ℏω = ℎ𝑐𝑐/λ = hcν�, kde vlnočet ν� = 1/λ.


14

Konstanty a převody jednotek:

Termodynamická teplota

𝑛𝑛[K] = 𝑛𝑛[°C] + 273,15

Planckova konstanta (běžná a redukovaná)

ℎ = 6,6261 ⋅ 10−34 J s, ℏ =ℎ

2π= 1,0546 ⋅ 10−34 J s

Molární plynová konstanta

𝑛𝑛 = 8,3145 J K mol−1

Boltzmannova konstanta

𝑘𝑘B = 1,3807 ⋅ 10−23 J K−1

Atomová hmotnostní konstanta

𝑢𝑢 = 1 a. m. u. = 1,6605 ⋅ 10−27 kg

Avogadrova konstanta

𝑁𝑁A = 6,0221 ⋅ 1023 mol−1

Standardní koncentrace a tlak1

𝑐𝑐∘ = 1 mol dm−3, 𝑝𝑝∘ = 1 bar = 105 Pa

Rychlost světla ve vakuu

𝑐𝑐 = 2,9979 ⋅ 108 m s−1

1 Můžete se potkat i se standardním tlakem 1 atm, ale v letošní olympiádě budeme používat jako standard 1 bar.


15

Úloha 1 Izotopová frakcionace 9 bodů

Frakcionace je proces, při kterém se jedna složka směsi obohacuje či ochuzuje o některý z izotopů přítomných prvků. K frakcionaci může docházet i při chemických reakcích a v této úloze se podíváme na reakci chlorovodíku s deuterovaným fluorovodíkem:

HCl + DF ⇄ DCl + HF (reakce č. 1)

V celé úloze budeme předpokládat, že všechen chlor je představován pouze izotopem 35Cl a že všechny atomy mají celočíselné atomové relativní hmotnosti.

Vazbu vodík–chlor/fluor budeme pro potřeby úlohy považovat za harmonický oscilátor.

Absorpce infračerveného světla pro H-Cl byla pozorována při 2990,95 cm−1 a pro H-F při 4138,32 cm−1. Tento vlnočet (= 1/λ) odpovídá přechodu mezi základním a prvním excitovaným stavem molekuly.

1) Vypočítejte úhlové frekvence v jednotkách [rad s−1] se kterými molekuly vibrují. Výsledek uveďte na 4 platné číslice.

body:


16

Pokud se vám nepodařilo úlohu spočítat, pokračujte s hodnotami:

ωHCl = 8,00 ⋅ 1013 rad s−1, ωHF = 2,00 ⋅ 1014 rad s−1

2) Spočítejte vibrační úhlové frekvence D-Cl a D-F za předpokladu, že tuhost vazby zůstala stejná jako u H-Cl a H-F. Výsledek uveďte na čtyři platné číslice.

body:


17

Pokud se vám nepodařilo úlohu spočítat, pokračujte s hodnotami:

ωDCl = 6,00 ⋅ 1013 rad s−1, ωDF = 1,50 ⋅ 1014 rad s−1

Za teploty 293 K, kdy můžeme předpokládat, že jsou všechny molekuly v základním vibračním stavu, smícháme stejná látková množství HCl a HF, kde v obou halogenovodících je přírodní zastoupení deuteria (0,020 % z atomů vodíku).

3) Vypočítejte molární změnu Gibbsovy energie pro reakci č. 1 za předpokladu, že je tato změna dána pouze změnou energie vibračních hladin.

body:


18

Pokud jste nespočítali, použijte hodnotu Δ𝐺𝐺 = 3,0 kJ mol−1

4) Spočítejte hodnotu rovnovážné konstanty reakce č. 1 při 293 K. Jaké procento deuteria se bude v rovnováze nacházet ve formě chlorovodíku a jaké ve fluorovodíku?

body:

5) Které z následujících předpokladů jsme v průběhu této úlohy udělali? Zakroužkujte všechny správné možnosti. Za špatné možnosti se strhávají body, ale celkově za otázku č. 5 nelze body ztratit.

a) Elektronová struktura halogenovodíků nezávisí na jejich izotopovém složení.

b) Vibrační hladiny halogenovodíků jsou nekonečně blízko u sebe.

c) Ekvimolární směs chloro- a fluorovodíku je azeotropní.

d) Rotační i translační entropie obou halogenovodíků jsou stejné pro protonované a deuterované molekuly.

e) Chlor a fluor mají zhruba stejné kovalentní poloměry.

body:


19

Úloha 2 Spektroskopie 7 bodů

Na obrázku jsou pod označením 1 až 5 zjednodušená absorpční spektra pěti systémů:

a) Vibrační spektrum molekuly CO (pouze přechody mezi sousedními hladinami) b) Vibrační spektrum molekuly BrCl (pouze přechody mezi sousedními hladinami) c) Rotační spektrum molekuly N2O (pouze přechody mezi sousedními hladinami) d) Rotační spektrum molekuly NO (pouze přechody mezi sousedními hladinami) e) Spektrum iontu vodíkového typu (všechny přechody začínají v základním stavu)


20

1) S použitím vzorců pro kvantované energie harmonického oscilátoru a tuhého rotoru vyjádřete

energie přechodů mezi sousedními hladinami pro tyto dva systémy, tj.:

a) 𝚫𝚫𝑬𝑬𝒏𝒏 = 𝑬𝑬𝒏𝒏+𝟏𝟏 − 𝑬𝑬𝒏𝒏 jako funkci 𝒏𝒏, ℏ, 𝝎𝝎

b) 𝚫𝚫𝑬𝑬𝑱𝑱 = 𝑬𝑬𝑱𝑱+𝟏𝟏 − 𝑬𝑬𝑱𝑱 jako funkci 𝑱𝑱, 𝑩𝑩

Každý tento přechod odpovídá jedné čáře ve spektru.

body:

2) Přiřaďte systémy a–e ke spektrům 1–5 (odpověď zaznamenejte do poskytnuté tabulky).

Systém Spektrum

body:


21

Z rotačního spektra neznámého halogenovodíku byla určena hodnota rotační konstanty 8,4649 cm−1.

3) Za pomoci následující tabulky určete, o jaký halogenovodík se jedná a jaká je délka jeho vazby (s přesností na 0,1 pm).

[Pokud nevíte, jak určit, o jaký halogenovodík se jedná, vyberte si jeden náhodně a alespoň vypočítejte, jaká by byla jeho vazebná délka, pokud by měl rotační konstantu uvedenou v zadání.]

Abychom dosáhli přesných výsledků, je třeba u každé sloučeniny uvažovat konkrétní izotopické složení, pro které bylo spektrum naměřeno, a přesné hmotnosti izotopů. Použijte proto atomové hmotnosti z následující tabulky raději než z periodické tabulky.

prvek kovalentní poloměr /pm atomová hmotnost /a.m.u H 30 1,0078 F 71 18,9984 Cl 99 34,9689 Br 114 80,9163 I 133 126,9045


22

body:


23

BIOCHEMIE 12 BODŮ

Úloha 1 Náboj proteinu a vliv pH 4 body

1) Mějme apoprotein při neutrálním pH; apoprotein neobsahuje histidin a má ve své sekvenci 17 nabitých zbytků aminokyselin.

a) Jaký je celkový náboj jedné molekuly tohoto proteinu při neutrálním pH, pakliže tato molekula obsahuje přesně 7 zbytků lysinu a 5 zbytků argininu.

b) Jaký celkový náboj bude mít molekula tohoto proteinu při pH 13, pakliže neobsahuje prvky těžší, než je atom křemíku.

a) …………………………………. b) ………………………………….

body:

2)

a) Na základě znalosti chemického složení proteinů se pokuste vysvětlit, jak může změna pH ovlivnit jejich prostorové uspořádání či funkci.

b) Který/é aminokyselinový/é zbytek/zbytky ovlivní třeba již jednotková změna pH od neutrálního?

c) Jaké aminokyseliny jsou ovlivněny většími výkyvy pH od neutrálního?

d) Nakreslete strukturu protonované i neprotonované formy alespoň od jedné uvedené aminokyseliny.

a) Odpověď:

b) Odpověď:

c) Odpověď:

d) Struktura:

body:


24

Úloha 2 Aminokyseliny a sekundární struktura proteinu 8 bodů

1) Který z níže uvedených vzorců a modelů definuje molekulu se systematickým názvem „(2S)-2-amino-3-methylbutanová kyselina“. Pozn. jedná se o esenciální aminokyselinu. (Řešení může být více.)

a)

C5H11NO2

b)

c)

d)

Odpověď (stačí uvést písmeno/písmena):

body:

2) Uveďte triviální název aminokyseliny z předcházející úlohy, její trojpísmennou a jednopísmennou zkratku.

Odpověď:

body:


25

3) Ve vzorci látky tvořené mimo jiné také z aminokyselin, zakroužkujte všechny části příslušející jednotlivým aminokyselinovým zbytkům a pojmenujete je, také označte N-konec peptidu.

body:

α-helix nacházející se na povrchu proteinu je tvořen z deseti aminokyselinových zbytků, jeho sekvence od N-konce je následující: Arg-Phe-Lys-Ala-Phe-Asn-Gln-Arg-Phe-Leu.

4) Která strana helixu při pohledu jako na obrázku je zanořena do proteinu (pravá, levá, horní či dolní)?

Odpověď:

body:

O

NHCH3

O

NH

NH2

O

NHS

S

O

NH

O

OH

O

NO

O

NH2

O N

O

O

O

O

Date post:	18-Jan-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

56. ročník...Reakcí grafitu se studenou směsí KMnO 4, NaNO 3 a H 2SO 4 byla připravena...

Documents