45. ročník. KRAJSKÉ KOLO kategoriía a E. SOUTĚŽNÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁ STI časová ná ročnost: 120 minut

Ná rodníinstitut dě tía mlá deže Ministerstva školství, mlá deže a tě lový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy

45. roční k 2008 – 2009

KRAJSKÉ KOLO kategoriíA a E SOUTĚŽNÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁ STI časová ná ročnost: 120 minut

Zadá níkrajského kola ChO kat. A, E 2008/2009

TEORETICKÁ Č Á ST (60 BODŮ) I. ANORGANICKÁ CHEMIE Ú loha 1 Vzduš ný pytel

6 bodů

Pokud se vybourá te v autě, které není vybaveno airbagy, zpravidla vá m nepomů ž e ani Anděl strá ž ný . Jak takový airbag funguje?

Sché ma konstrukce airbagu

Při ná razu odpá lí elektronické čidlo směs, sklá dající se z azidu sodného, dusičnanu draselného a oxidu křemičitého. Okamž itě se uvolní velkémnož ství dusíku, kteréairbag naplní a zmírní ná raz. Vý vin dusí ku lze popsat těmito rovnicemi: (1) (2)

NaN3 ¾® Na + N2 Na + KNO3 ¾® N2 + K2O + Na2O

1. Vyčí slete uvedenérovnice. 2. Kolik gramů NaN3 a KNO3 dohromady je potřeba do směsi pro airbag o objemu 15 litrů při tlaku 130 kPa při teplotě 25 °C? 3. Ve směsi je přítomen 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 . Navrž enou bezpečnější alternativou je lá tka zná má pod zkratkou BTAT (bistetrazolylaminotetrazin): N HN

N

N

N

NH N

N N

N

N

N

1

N


4. Kolik gramů BTAT je třeba k naplnění airbagu dusíkem (15 litrů , 130 kPa, 25 °C), pokud se všechen dusí k obsaž ený v BTAT přemění na plynný molekulový dusík? 5. BTAT byl navrž en takéjako velmi chytrý zhá šeč pož á rů . Proč pož á r zhasne, když do něj hodí te ná lož BTAT? Ar(H) = 1,0

Ar(C) = 12,0

Ar(N) = 14,0

Ú loha 2 Reaktivní formy kyslíku

10 bodů

Latimerů v diagram pro kyslí k (při pH = 14): ?

O3 O2

0,682

H2O2

1,776

H2O

1,229

O

2,42

Ozon je reaktivní forma kyslí ku, která hraje klíčovou roli v zemskéatmosféře. 1. Nakreslete Lewisů v vzorec molekuly O3 a z rezonančních struktur odhadněte, zda bude délka vazby O–O větší nebo menší ve srovná ní s dikyslíkem. Ozon se v oxidační ch reakcí ch chová typicky jako „přenašeč kyslíku“, tj. redukuje se pouze jeden atom kyslí ku podle rovnice: (1)

O3 + 2 H+ + 2 e– ¾® H2O + O2

E1° = 2,076 V

V tomto smyslu se oxidují např. jodidy při jodometrickém stanovení ozonu. 2. Napište iontovou rovnici oxidace jodidů ozonem. Někdy se mohou redukovat všechny tři atomy kyslíku, jako v případě oxidace chloridu cínatého v prostředí kyseliny chlorovodí kové. 3. Napište rovnici této reakce. 4. Vypočí tejte potenciá l odpoví dají cí poloreakce: (2)

O3 + 6 H+ + 6 e– ¾® 3 H2O

E2° = ? V

5. Atomá rní kyslí k je další reaktivní formou kyslíku. Napište příslušnou poloreakci odpovídají cí v Latimerově diagramu potenciá lu E° = 2,42 V . 6. Na zá kladě hodnot potenciá lů rozhodněte, která z forem kyslíku (O, O2, O3) je nejsilnější m oxidační m činidlem. Co je pravděpodobnou příčinou? F = 96 485 C/mol

2


II. ORGANICKÁ CHEMIE Ú loha 1 Diarylhaloniové soli

5 bodů

Oxidací jodbenzenu manganistanem draselný m v přítomnosti bromidu draselného vznikla (kromě jiný ch lá tek) i zají mavá organická lá tka sumá rního vzorce C12H10IBr. Podle NMR spekter bylo zjištěno, ž e se jedná o tzv. difenylhaloniovou sů l obecného vzorce: XX+

Pokuste se z ná sledují cí ch dat zjistit její konstituční vzorec. –

Srá ž ecí reakcí její ho vodného roztoku s dusičnanem stříbrný 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. Napište vzorec a ná zev haloniovésoli a rovnice reakcí použ itý ch k jejímu dů kazu. Ú loha 2 Oxidace thiolů

6 bodů

Nejčastější m syntetický m přístupem při přípravě 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 , kterévá ž e vznikají cí halogenovodí k. Pokud je v molekule i jiná funkční skupina, je potřeba zvá ž it vý běr halogenu, aby byla oxidace chemoselektivní. Ná sledující schéma prezentuje přípravu již zmí něného diallyldisulfidu oxidací allylsulfanu (nesprá vně – allylthiolu): SH

X2

S

S

NaHCO3, H2O

Ní ž e má te uvedeny redoxní potenciá ly pá rů X2/X– a RSSR/RSH při neutrá lním pH: E°(Cl2/Cl–) = +1,4 V E°(Br2/Br–) = +1,1 V E°(I2/I–) = +0,5 V E°(RSSR/RSH) = –0,1 až –0,3 V a) Který z halogenů (Cl, Br, I) lze použ ít na oxidaci alkylsulfanu (alkylthiolu) na dialkyldisulfid? b) Který z halogenů (Cl, Br, I) lze použ ít na oxidaci allylsulfanu (allylthiolu) na diallyldisulfid? Zdů vodněte s ohledem na mož ný prů běh vedlejších reakcí . Napište rovnici mož né vedlejší reakce.

3


Ú loha 3 Aktivace pentenylglykosidů

5 bodů

V chemii sacharidů se poměrně často připravují glykosidy reakcí glykosylkationtu s volnou hydroxylovou skupinou. Klí čový m krokem, který předchá zí této tzv. glykosylaci je příprava vý chozího karbokationtu. Existují rů zné 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: I

ROCH2 O RO

O RO

CH2CH2CH2

CH=CH2

OR

+

O

I+

O

CH 2CH2CH 2

CH

CH 2

adice na dvojnou vazbu ROCH2

ROCH2

(pent-4en-1yl)glykosid

O

O RO

RO

I +

O O

CH 2CH2CH 2

CH

RO

CH 2

OR

+ A (C5H9IO)

eliminace lá tky A

a) Napište konstituční vzorec lá tky A b) Vyberte ty lá tky (př. kombinaci dvou lá tek), kterémohou bý t zdrojem kationtu I+: ICl I2/AgClO4 AgI NaI/H2SO4

4

RO

OR


III. FYZIKÁ LNÍ CHEMIE Ú loha 1 Palivový článek

8 bodů

Energii chemický ch vazeb mů ž eme zí skat z toho, co země dá (ropa, řepka apod.) třeba ve spalovací m motoru. To ale není jediná mož nost. Potenciá lně nebezpečné (vý buch) a neefektivní (kliková hří del) člá nky spalovací ho 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. Na obrá zku je schéma kyslí ko-vodí kového palivového člá nku. Ke katodě člá nku se přivá dí okysličovadlo, k anodě palivo (v tomto případě vodík), které se zde oxiduje. Maximá lní prá ce, kterou mohou elektrony vykonat v obvodu, je rovna změně Gibbsovy energie při celkovéreakci: H2 + ½ O2 ¾® H2O. 1. Palivové člá nky methanol/kyslí k by mělo bý t brzy mož né použ ívat jako zá lož ní zdroje do notebooků , a to i na palubě letadel. Napište 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 standardní ch slučovací ch Gibbsový ch energií uvedenév tabulce níž e. Sloučenina H2O (l) CO2 (g) CH3OH (l)

ΔGfo [kJ·mol–1] –237 –394 –166

3. Jakémaximá lní napětí lze za standardních podmínek docílit na tomto člá nku? 4. Vrať me se k člá nku vodí k/kyslí k. Maximá lní dosaž itelnénapětí na tomto člá nku (1,23 V) je jen nepatrně vyšší než při použ ití kombinace methanol/kyslík. Vypočítejte energii, kterou mů ž ete zí skat: a) z 1 kg vodí ku a z 1 kg methanolu, b) z 1 litru (kapalného) vodí ku a z 1 litru methanolu. Hustota kapalného vodí ku je 70 kg·m–3, hustota kapalného methanolu je 790 kg·m–3. 5


5. Proč se vodí ku dá vá přednost v městský ch autobusech svobodného hanzovního města Hamburg? Vyberte z ná sledují cí ch mož ností (více než jedna odpověď mů ž e bý t sprá vnou): a) Vodí k je snadnější transportovat než methanol. b) Autobusy s vodí kový m pohonem mohou mít menší ná drž e. c) Hamburg zí ská vá velké množ ství vodíku jako vedlejší produkt při nabíjení lodní ch akumulá torů . d) Starosta města Hamburg je gauner uplacený vodíkovou mafií „Hydra“. e) Spalová ní vodí ku je technologicky nejlépe zvlá dnutou reakcí. f) Methanol je zatí ž en vysokou daní, neboť hamburští ná mořníci jej s oblibou popí její v koktejlu „Mistr Hanuš“. g) Vodí k je bezpečnější palivo. h) Vodí kový palivový člá nek neprodukuje CO2. Ú loha 2 Fotočlánek

8 bodů

Ve fotočlá nku se energie světelného kvanta (fotonu) přeměňuje přímo na energii elektronu, který pak mů ž e konat prá ci v elektrickém obvodu. Fotočlá nky lze vyrobit z krystalický ch polovodičů , např. arsenidu galia GaAs na obrá zku. Všechny stavy arsenové 3p hladiny, která se v krystalu rozší ří na tzv. valenční pá s, jsou obsazeny, a naopak všechny stavy galiové4s hladiny, rozšířenédo tzv. vodivostní ho pá su, jsou prá zdné. Tyto dva pá sy odděluje pá s zaká zaný ch energií (do kterého nelze elektron excitovat) o ší řce Eg. Foton o energii Eexc mů ž e excitovat elektron z vrcholu valenční ho pá su do vodivostního pá su, pokud jeho energie Eexc ³ Eg. Z této energie ovšem čá st, Eexc – Eg, ztratí me, neboť elektron spadne na dno vodivostního pá su, přeměňuje svou přebytečnou energii na teplo (kmity krystalovémří ž e, tzv. fonony). Na hraně zaká zaného pá su 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 podí l energie fotonu a vygenerovanéelektrickéenergie. 6


Ší řky 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 3. Jaký vý kon dodá ideá lní křemí kový fotočlá nek o ploše 1 m2 namířený přímo proti Slunci? Počí tejte s účinností vypočítanou v bodě 2 a zanedbejte pohlcová ní sluneční energie atmosférou. Vý kon slunečního zá ření dopadají cí 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


IV. BIOCHEMIE Ú loha 1

12 bodů

Hlavní m mechanismem poškození ž ivočišný ch buněk zá řením γ je indukovaná tvorba reaktivní ch forem kyslí ku, kterépak poškozují DNA. Buňky mají mechanismy jak se tomuto oxidačnímu stresu brá nit, a to především tvorbou tzv. zhá šečů volný ch radiká lů . Hlavním zhá šečem 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 tí m je detoxikuje. Smrtelná dá vka zá ření γ je pro člověka při ozá ření celého těla okolo 5 Gy (Gray; jednotka odpoví dá 1 J energie absorbované v 1 kg hmotnosti organismu). Některé druhy ž ivočichů , především ští ři, však jsou schopny přež ít bez větší újmy i dá vky přes 1000 Gy.

Ští ry před radiačně generovaný m oxidačním stresem chrá ní především jejich krevní barvivo hemocyanin. Hemocyanin má podobnou funkci jako hemoglobin, tj. přenos kyslíku, ale místo iontů Fe2+ obsahuje ionty Cu+, takž e v oxidovaném stavu je krev štírů modrá a v odkysličeném stavu bezbarvá . A prá vě hemocyanin má kromě schopnosti přená šet kyslík i silnou peroxidasovou, katalasovou a superoxiddismutasovou aktivitu a je schopen zhá šet ·OH radiká ly, které jsou nejdů lež itější m činidlem poškozují cí m DNA při oxidačním a radiačním stresu. a) Samotnéionty Cu+ v roztoku mohou zhá šet ·OH radiká ly. Napište rovnici této reakce. b) Role mědi však není tak jednoznačná . Ionty Cu+ a Cu2+ v roztoku jsou schopny v přítomnosti peroxidu vodí ku (který při oxidační m a radiačním stresu rovněž vzniká ) reaktivní formy kyslí ku naopak generovat. Napište rovnici tvorby ·OOH radiká lů pomocí Cu2+ a rovnici tvorby ·OH radiká lů pomocí Cu+. c) V organickésyntéze i při dekontaminaci odpadních vod od organický ch polutantů se už ívá tzv. Fentonova reakce, tj. oxidace peroxidem vodíku v přítomnosti iontů Fe2+ (a dalších, napří klad prá vě Cu2+ či Mn2+). Vlastní m činidlem jsou zde opět radiká ly ·OH. Napište rovnici vzniku ·OH radiká lů z peroxidu vodí ku a Fe2+. d) O kolik stupňů by se ohřá la tká ň dá vkou 5 Gy při ozá ření celého těla pro člověka o hmotnosti 70 kg? Předpoklá dejte, ž e veškerá energie pohlceného zá ření 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) Napište mechanismus, který m glutathion zhá ší volnéradiká ly (R·).

8

Zadá níkrajského kola ChO kat. A, E 2008/2009 H2N

H N

O HO

O

O OH N H

O

glutathion

SH

f) Jednou z metod likvidace choroboplodný ch zá rodků je radiační sterilizace zá řením γ v dá vká ch kolem 25 000 Gy. Proč je snazší takto sterilizovat materiá l obsahující vzduch než např. masové konzervy? g) Po vý buchu jadernébomby je blí zko epicentra cítit zvlá štní štiplavý zá pach, který je stejný jako zá pach ze starších laserový ch tiská ren a xerokopírek. Co ho způ sobuje? h) Při ná dorový ch onemocnění ch, která vedou ke vzniku velký ch lezí , je často vnitřek ná doru hypoxický (= nedostatečně zá sobený kyslíkem) kvů li vysoké metabolické aktivitě a nedostatečnému prokrvení . Jaký to má vliv na citlivost ná doru a jaké jsou dů sledky pro radioterapii ná dorový ch onemocnění ?

9


45. roční k 2008 – 2009

KRAJSKÉ KOLO kategoriíA a E SOUTĚŽNÍ Ú LOHY PRAKTICKÉ ČÁ STI časová ná ročnost: 90 minut

Praktická č á st krajského kola ChO kat. A, E 2008/2009

PRAKTICKÁ Č Á ST (40 BODŮ)

Ú loha 1

Stanovení kyseliny L-askorbové v tabletě Celaskonu

40 bodů

V jodometrii se použ ívá odměrný roztok jódu (I2) a odměrný roztok thiosíranu sodného (Na2S2O3), který stechiometricky redukuje jód na jodid (I–) a sá m se oxiduje na tetrathionan sodný (Na2S4O6). Jedna molekula jódu oxiduje dvě molekuly thiosíranu sodného: I2 + 2 Na2S2O3 ¾® 2 NaI + Na2S4O6. Odměrný m roztokem I2 lze v kyselém prostředí přímo titrovat rů zné anorganické a organické analyty, které se jódem stechiometricky oxidují. Odměrné roztoky I2 je třeba standardizovat na vhodný standard, jako je například oxid arsenitý či thiosíran sodný . Při jodometrický ch titracích se konec titrace indikuje škrobem, neboť škrob se jódem barví intenzivně modře, popřípadě intenzivně hnědě podle druhu použ itého škrobu. Kyselinu L-askorbovou neboli vitamí n C (C6H8O6) lze v kyselém prostředí stechiometricky oxidovat jódem na kyselinu dehydroaskorbovou (C6H6O6), přičemž jedna molekula kyseliny askorbovéreaguje prá vě s jednou molekulou jódu. CH2 OH H OH O

HO

CH2OH H O

+

OH O

I2 O

OH

O

+

2HI

O

Vzorek kyseliny askorbové mů ž eme přímo titrovat v kyselém prostředí odměrný m roztokem I2. Před koncem titrace mů ž e tato redoxní reakce probíhat relativně pomalu, a proto je nutnév okolí bodu ekvivalence titrovaný roztok opatrně a dů kladně promíchá vat krouž ivý mi pohyby titrační baňky, a tí m podpořit reakci. Jako indiká tor se při této jodometrickétitraci použ ívá roztok škrobu, který svý m modrý m či hnědý m zabarvením indikuje konec titrace. Před vlastním stanovení m je nutnéodměrný roztok jódu standardizovat na thiosíran sodný . 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

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

1


Pracovní postup: A. Standardizace odměrné ho roztoku jódu 1. Odměrný roztok jódu lze standardizovat na thiosíran sodný . Pro standardizaci odměrného roztoku jódu odpipetujte nedělenou pipetou 10,00 ml roztoku 0,1600 mol dm–3 Na2S2O3 do titrační baňky a přidejte odměrný mi vá lci zhruba 30 ml destilovanévody a 3 ml roztoku škrobu (nebo 5 kapek, pokud budete mí t 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 indikují cí ho konec titrace. 3. Titraci proveďte celkem třikrá t a ze získaný ch spotřeb titračního činidla vypočítejte přesnou molá rní koncentraci odměrného roztoku jódu na čtyři desetinná místa. Vý slednou lá tkovou koncentraci vyjá dřete jako aritmetický prů měr tří paralelních měření. B. Stanovení kyseliny L-askorbové v tabletě Celaskonu 1. Stanovte obsah vitamí nu C postupně ve třech tabletá ch Celaskonu. Nejprve vlož te kaž dou tabletu odděleně do 50ml ká dinky s 10 ml destilované vody a ponechte ji rozpadnout se macerací ve vodě. Poté rozpadlou tabletu i s vodou kvantitativně převeďte do titrační baňky pomocí destilované vody ze střičky. Nezapomeňte dobře vyplá chnout 50ml ká dinku, aby byl všechen vzorek dokonale převeden do titrační baňky. 2. Do titrační baňky přidejte pomocí odměrného vá lce 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 popřípadě hnědého zbarvení indikují cího konec titrace. 3. Titraci proveďte celkem třikrá t a ze získaný ch spotřeb titračního činidla vypočítejte obsah vitamí nu C v mg v analyzovaný ch tabletá ch Celaskonu. Relativní molekulová hmotnost kyseliny askorbovéje Mr(C6H8O6) = 176,12. Otázky a úkoly: 1. Ze zí skaný ch spotřeb titrační ho činidla při standardizaci jódu vypočítejte přesnou molá rní koncentraci odměrného roztoku jódu na čtyři desetinná místa. 2. Ze zí skaný ch spotřeb titrační ho činidla a vý še určené molá rní koncentrace titračního činidla vypočí tejte obsah vitamí nu 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. Napište a stechiometricky vyčíslete rovnici standardizace odměrného roztoku jódu na oxid arsenitý , při ní ž je oxid arsenitý oxidová n jódem ve vodném roztoku na oxid arseničný za vzniku jodovodí ku. 4. V manganometrii je titrační m činidlem odměrný roztok manganistanu draselného, který je v kyselém prostředí silný m oxidačním činidlem a stechiometricky oxiduje mnoho anorganický ch a organický ch lá tek. Titrace se nejčastěji prová dí v prostředí kyseliny sírové, neboť kyselina chlorovodí ková mů ž e bý t čá stečně oxidová na manganistanem draselný m na plynný chlór, což manganometrické stanovení ruší. Při titraci v kyselém prostředí vyměňuje manganistanový anion pět elektronů , neboť je reduková n analytem na manganatý kation. MnO4– + 8 H+ + 5 e– ¾® Mn2+ + 4 H2O 2


Odměrný roztok KMnO4 má typickéfialovézabarvení. Manganatá sů l vznikající jeho redukcí je bezbarvá . Fialové zabarvení titrační ho činidla lze využ ít k indikaci konce titrace, kdy první nadbytečná kapka odměrného roztoku KMnO4 zbarví titrovaný roztok rů ž ově až fialově. Odměrnéroztoky KMnO4 je třeba standardizovat na vhodný primá rní standard, jako napří klad dihydrá t kyseliny šť avelové. Napište a stechiometricky vyčíslete rovnici standardizace odměrného roztoku manganistanu draselného na kyselinu šť avelovou, při níž je kyselina šť avelová oxidová na manganistanem draselný m v prostředí kyseliny sí rové na oxid uhličitý za vzniku síranu manganatého, sí ranu draselného a vody.

3


Praktická čá st krajské ho kola 45. ročníku ChO kategorie A PRACOVNÍLIST Body celkem: soutěžní číslo:

Praktická č á st kat. A a E – výsledky stanovení 1. Standardizace I2: Č íslo stanovení

1. titrace

2. titrace

3. titrace

Průměr

Spotřeba I2 [ml] Koncentrace I2 [mol dm–3]

Body za přesnost:

Body:

Vý počty: Body za vý počet:

4

Body:


2. Stanovení obsahu kyseliny L-askorbové : Č íslo stanovení

1. tableta

2. tableta

3. tableta

Průměr

Spotřeba I2 [ml] Obsah kys.askorbové[mg]

Body za 3 titrace:

Tableta Celaskonu má deklarovaný obsah … … … mg kyseliny askorbové.

Body:

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 š ť avelovou:

Body:

5


45. roční k 2008 – 2009

KRAJSKÉ KOLO kategoriíA a E ŘEŠENÍ SOUTĚŽNÍ CH Ú LOH

Ř eš eníkrajského kola ChO kat. A, E 2008/2009

TEORETICKÁ Č Á ST (60 BODŮ) I. ANORGANICKÁ CHEMIE Ú loha 1 Vzduš ný pytel 1.

(1) (2)

6 bodů

2 NaN3 ¾® 2 Na + 3 N2 10 Na + 2 KNO3 ¾® N2 + K2O + 5 Na2O

0,5 bodu 1 bod

2. Pro naplnění airbagu potřebujeme n( N 2 ) =

pV 130 000 × 0,015 = = 0,787 mol dusíku. RT 8,314 × 298

Za látkové množství dusíku 1 bod

Ze stechiometrie rovnic vyplý vá , ž e kaž dý ch 5 molů NaN3 a 1 mol KNO3 poskytne 8 molů N2. Potřebujeme tedy 5 m( NaN 3 ) = n( NaN 3 ) × M (NaN 3 ) = 0, 787 × × 65 = 31,97 g NaN 3 a 8 1 m(KNO 3 ) = n(KNO3 ) × M (KNO 3 ) = 0,787 × × 101,1 = 9,95 g KNO3 , dohromady tedy 8 msměs = 31,97 + 9,95 = 41,92 g směsi. Za vý sledek 1,5 bodu 3. Kyselinotvorný SiO2 vá ž e vznikají cí silně bazické oxidy Na2O a K2O (funguje vlastně jako struskotvorná přísada, která posouvá rovnová hu reakce doprava, vznikají křemičitany). Odpověď 0,5 bodu 4. Sumá rní vzorec BTAT je C4H3N13. Z kaž dý ch 2 molů BTAT vznikne 13 molů N2. Potřebná hmotnost BTAT je tedy: 2 m(BTAT ) = n(BTAT ) × M (BTAT ) = 0, 787 × × 233 = 28, 21 g. Za vý počet 1 bod 13 5. Dojde v vý buchu, během kterého se BTAT velmi rychle rozlož í. To má za ná sledek, ž e z prostoru pož á ru 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 O3 mů ž eme pomocí Lewisový ch vzorců vyjá dřit takto: O

O O

O

O

O

Z rezonanční ch struktur vyplý vá , ž e řá d vazby je 1,5. V molekule dikyslíku je dvojná vazba: O

O

Délka vazby O–O bude tedy větší v molekule O3. Lewisův vzorec O3 0,5 bodu, srovnání dé lek vazby 0,5 bod 1


2. O3 + 2 I– + 2 H+ ¾® I2 + O2 + H2O 2 body 3. O3 + 3 SnCl2 + 6 HCl ¾® 3 SnCl4 + 3 H2O 2 body 4. Rovnici (2) zí ská me součtem rovnice (1) a rovnice (5), kterou jsme s příslušný m potenciá lem odvodili z Latimerova diagramu: (1) (5)

O3 + 2 H+ + 2 e– ¾® H2O + O2 O2 + 4 H+ + 4 e– ¾® 2 H2O

E1° = 2,076 V E5° = 1,229 V

O3 + 6 H+ + 6 e– ¾® 3 H2O

E2° = ? V

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

(2)

Hledaný potenciá l pak vypočítá me použ itím vztahů DG° = –nFE a DG2° = DG1° + DG5°, neboli: E2o =

n1E1o + n5 E5o n1E1o + n5 E5o 2 × 2,076 + 4 × 1, 229 = = = 1,511 V n1 + n5 n2 6 Správný vý počet 3 body

5. O + 2 H+ + 2 e– ¾® H2O

1 bod

6. Z hodnot potenciá lů vyplý vá , ž e nejsilnějším oxidačním činidlem je atomá rní kyslík – O. 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 valenční ch elektronů ). To je dů vodem jeho extrémní reaktivity a oxidační ch vlastností . Atomární kyslík 0,5 bodu, zdůvodnění 0,5 bodu

2


II. ORGANICKÁ CHEMIE Ú loha 1 Diarylhaloniové soli

5 bodů

– Naž loutlá sraž enina rozpustná v koncentrovaném amoniaku je bromid stříbrný , který vzniká podle rovnice: Br– + Ag+ ¾® AgBr¯ 1 bod – Bí lá sraž enina je bromid sodný , který se na rozdíl od NaI v acetonu prakticky nerozpouští . Br– + NaI ¾® NaBr¯ + I–

1 bod

Z těchto pozorová ní je zřejmé, ž e halogen přítomný jako anion v haloniovésoli je brom, tedy konstituční vzorec soli je: BrI+

2 body Ná zev: difenyljodonium-bromid (bromid difenyljodonia)

1 bod

Ú loha 2 Oxidace thiolů

6 bodů

a) Lze použ í t libovovolný z uvedený ch halogenů , protož e standardní elektrodový potenciá l pá ru X2/X– je ve všech případech vyšší než pá ru SS/SH, tedy při vzá jemné reakci bude dochá zet k oxidaci thiolu a redukci halogenu. 2 body b) Lze použ í t pouze jod, protož e u chloru a bromu bude současně probíhat nevratná adice na dvojnou vazbu allylové skupiny, která bude „ubírat halogen oxidaci“. Adice jodu bude sice probíhat také, ale je vratná a tak se nakonec všechen jod spotřebuje na oxidaci SH skupiny. 2 body Rovnice: X

X2

SH

SH X

2 body, uznat s Cl i Br

Ú loha 3 Aktivace pentenylglykosidů a) Lá tka A je:

5 bodů

I O

3 body

b) Zdrojem kationtu I+ mohou bý t: ICl, I2/AgClO4 Po 1 bodu, celkem tedy 2 body, za označení více látek se body odečítají.

3


III. FYZIKÁ LNÍ CHEMIE Ú loha 1 Palivový článek

8 bodů

1. Při zá pisu reakcí vychá zí me z obrá zku, studenti mohou uvést reakce s jinou stechiometrií. katodická redukce:

½ O2 + 2 e– ¾® O2–

anodická oxidace:

CH3OH – 6 e– + O2– ¾® CO2 + 4 H+

Mož ná jsou i jiná řešení , např.: katodická redukce:

½ O2 + 2 H+ + 2 e– ¾® H 2 O

anodická oxidace:

CH3OH + H2O ¾® CO2 + 6 H+ + 6 e–

Celková reakce (počet vyměněný ch elektronů na mol methanolu je z = 6): CH3OH + 3/2 O2 ¾® CO2 + 2 H2O Za každou rovnici 0,5 bodu. 2. DG = DG f ( CO2 ) + 2 × DG f ( H 2O ) - DG f ( CH 3OH ) = -702 kJ/mol 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 přímo z Gibbsový ch energií : DG = DGmol = -2 × F × DE = -2 × 96485 ×1, 23 = -237, 4 kJ/mol m 1000 DG = DGmol × n = -2 × F × DE × = -237, 4 ×103 × = -1,18 × 108 J M 2, 016 m 1000 Methanol: DG = DG mol × n = DG mol × = -702000 × = -0,219 × 10 8 J M 32,04 r ×V 70 × 1 b) Vodí k: DG = -DGmol × = -237, 4 ×103 × = -8, 24 ×106 J M 2, 016 r ×V 790 ×1 Methanol: DG = DGmol × = -702 ×103 × = -1, 73 ×107 J M 32, 04 Vodí k:

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 nejvý še 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


Ú loha 2 Fotočlánek 1. E =

h×c

l

=

8 bodů

6, 626 × 10 -34 × 3 × 10 8 570 × 10

2. Účinnost v %: h =

Eg Eexc

-9

= 3,49 × 10 -19 J = 2,18 eV

2 body

× 100 Materiá l Ší řka 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, 71 kW 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


IV. BIOCHEMIE Ú loha 1

12 bodů

a) Cu+ + ·OH → Cu2+ + OH–

2 body

b) Cu2+ + H2O2 + H2O → Cu+ + H3O+ + ·OOH

1 bod

Cu+ + H2O2 → Cu2+ + OH– + ·OH 2+

c) Fe

3+

1 bod

–

+ H2O2 → Fe + OH + ·OH

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) NH2 HO O

O

H N

N H

O

NH2

OH O

SH

+

O

H N

HO O

O

NH2 2

H N

HO O

O

HO

O N H S

H N

OH O

O

O

O

O

HO NH2

O N H S S

N H

O

S

+ RH

NH2

OH

N H

R

H N

OH O O OH

O

1 bod f) Pro vznik sterilizují cí ch reaktivní ch forem kyslíku prostřednictvím ionizujícího zá ření je zapotřebí molekulá rní kyslí k. V anaerobních podmínká ch převlá dnou další mechanismy poškození buněk (vznik radiká lů radiolý zou vody, přímépoškození DNA a membrá n), které však jsou méně účinné. 1 bod g) Ozón (O3).

1 bod

h) Hypoxické ná dory jsou méně citlivé vů či radioterapii (a tedy i hů ře léčitelné), protož e nedostatek kyslí ku vede ke sní ž enétvorbě jeho reaktivních forem účinkem ionizujícího zá ření . 1 bod

6


PRAKTICKÁ Č Á ST (40 BODŮ) Ú loha 1

Stanovení kyseliny L-askorbové v tabletě Celaskonu

40 bodů

Bodové ohodnocení přesnosti prá ce vypočteme pro kaž dou titraci zvláš ť podle ná sledují cí tabulky: Odchylka Počet bodů 0,0 – 0,3 ml 5 0,3 – 1,3 ml 5 × (1,3 – odchylka) ≥1,3 ml 0 Odchylka se udá vá v absolutní hodnotě v ml od hodnoty experimentálně zjiš těné 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 thiosí ranu sodného se pohybuje kolem 16 ml. V našem konkrétním případě činí 16,20 ml, což odpoví dá přesnékoncentraci odměrného roztoku jódu 0,0494 mol dm–3. 10,00 mL 1 1000 c (I 2 ) = 0,1600 mol dm - 3 × × × = 0,0494 mol dm- 3 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 konkrétní m případě činí 10,95 ml, což odpovídá obsahu 95,3 mg kyseliny askorbovév tabletě Celaskonu. m(C 6 H 8 O 6 ) = 10,95 mL × 0,0494 mol dm -3 × 176,12 g mol-1 = 95,3 mg Za správný vý počet 4 body Na zá kladě obsahu kyseliny askorbové95,3 mg se soutěž í cí 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. As2O3 + 2 I2 + 2 H2O ¾® As2O5 + 4 HI Za správně sestavenou a vyčíslenou rovnici 2 body 4. 5 (COOH)2 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 ¾® 10 CO2 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O Za správně sestavenou a vyčíslenou rovnici 2 body

7


POKYNY PRO PŘ ÍPRAVU PRAKTICKÉ Č Á 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 thiosí ran sodný (asi ve 100 ml destilovanévody v 1000ml odměrnébaňce se rozpustí 39,7 g Na2S2O3·5H2O a roztok se doplní na 1000,0 ml destilovanou vodou) – soutěž í cí bude mí t 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 I2 rozetřeného na prá šek 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 soutěž í cí. · 0,05 mol dm–3 kyselina sí rová (2,8 ml konc. H2SO4 se naředí do 1000 ml destilovanévody) Minimá lníspotř eby roztokůpro jednoho soutěžícího: · 0,1600 mol dm–3 thiosí ran 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 sí rová – 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

45. ročník. KRAJSKÉ KOLO kategoriía a E. SOUTĚŽNÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁ STI časová ná ročnost: 120 minut

Recommend Documents