A. Teoretická část Anorganická chemie Autor: Recenzent:
Mgr. Jan Rohovec Katedra anorganické chemie PřF UK Praha Doc. RNDr. Ivan Lukeš, CSc. Katedra anorganické chemie PřF UK Praha RNDr. Jana Šímová Masarykovo gymnázium, Plzeň
Studijní část Úlohy letošního ročníku chemické olympiády se budou zabývat druhým nejrozšířenějším prvkem na Zemi - křemíkem. Chemie tohoto prvku je nesmírně bohatá, pokrývá oblasti od jednoduchých oxidů až k metaloorganickým sloučeninám. Křemík je prvkem zcela vyjímečným, spojujícím anorganickou i organickou chemii a pro pochopení jeho chování je proto nutné sledovat obě větve. Pozornost budeme věnovat vztahům mezi chemickým chováním křemíku a uhlíku a jejich sloučenin, dále pak obecným vztahům mezi strukturou a fyz. a chem. vlastnostmi látek, geometrii a souměrnosti molekul. Zvláštní pozornost upřeme ke struktuře a vlastnostem křemene, karbidu křemíku a křemičitanů, jakož i k chemii silikoorganických sloučenin. K úspěšnému řešení úloh Vám pomůže níže uvedená literatura. Základní informace lze načerpat v přehledech středoškolského učiva (1), nejdůležitější učebnicí je tradičně oblíbená (2), kterou lze nahradit nověji vydanou (3). Vzhledem k tomu, že chemie je pouze jediná, je doporučována k nastudování i příslušná kapitola učebnice chemie organické (4). O symetrii molekul se lze dočíst v lit. (5), průmyslem silikoorganických sloučenin se zabývá (6). Mnoho příjemných chvil zábavy i poučení na cestě ke správným řešením úloh Vám přeje autor. Doporučená literatura: 1. Vacík J. a kol.: Přehled středoškolské chemie, SPN Praha 1990, str. 197 - 200 nebo Vacík J. a kol.: Přehled středoškolské chemie, SPN Praha 1995 2. Gažo J. a kol. : Všeobecná a anorganická chémia, Alfa Bratislava 1974: kap. 17 - Kremík, str. 409 - 428 3. Greenwood N. N., Earnshaw A.: Chemie prvků, Informatorium Praha 1993, kap. 9, str. 401 - 447 4. Červinka O., Dědek V., Ferles M.: Organická chemie, SNTL / Alfa Praha 1980, str. 411 - 415 nebo Červinka O. a kol.: Chemie organických sloučenin, str. 433 - 438 a str. 854 - 856 5. Vacík J. : Obecná chemie, SPN Praha, str. 156 - 160 nebo Moore W.J. : Fysikální chemie, SNTL Praha 1981, str. 727 - 736 6. B•chner W. a kol.: Průmyslová anorganická chemie, SNTL Praha 1991, str. 259 - 265, str. 276 - 312
Úloha 1: Něco úvodem
(3 body)
Křemík je homologem uhlíku, přesto však mezi vlastnostmi sloučenin těchto prvků nacházíme spíše rozdíly než shody. 1. Vysvětlete, jak se bude lišit chování chloridu uhličitého a chloridu křemičitého při působení vody za laboratorní teploty a nepřítomnosti jiných látek (katalyzátorů apod). 2. Zdůvodněte, čím je odlišné chování způsobeno, a nakreslete schema ataku SiCl4 molekulou H2O. 3. Odvoďte na základě výše uvedených skutečností, zda lze uvažovat o náhradě CF3Cl (ve freonech) za SiClF3. 4. Jak reagují CF4 či SiF4 s HF ve vodných prostředích? Úloha 2: Silikony a meziprodukty jejich výroby
(9,5 bodu)
Při reakci křemíku s chlormethanem za podmínek podle Muellera - Rochowa byla získána reakční směs, jejíž pečlivá frakční destilace poskytla kapalné produkty A - E (20 °C, norm. tlak). Látky A - D reagují bouřlivě s vodou, produkt E však s vodou nereaguje. Dále je známo, že a) Hydrolýzou A a následným zpracováním produktu hydrolýzy lze připravit významnou stacionární fázi pro chromatografii. Speciální úpravou tohoto produktu hydrolýzy získáme oblíbený sušicí materiál. b) Látka B má jako jediná ze zmíněné serie silné redukční účinky, je velmi snadno vznětlivá a chemicky silně reaktivní. Obsahuje 20,7 % Si, 78,5%Cl, 0,7% H. c) Látka C je nejdůležitějším produktem této syntézy. Reaguje s vodou za zvýšené teploty na směs mnoha produktů, přitom však žádný z produktů neobsahuje rozvětvený řetězec z Si-O vazeb. d) Produkty hydrolýzy D prováděné za zvýšené teploty nejsou polymerní povahy, nevytváří gely. Jeden z nich se svými fyz. a chem. vlastnostmi podobá etherům. e) Produkt E je chemicky velmi inertní a svými vlastnostmi připomíná alkany. Úkoly: 1. Identifikujte látky A - E, stručně zdůvodněte, jak jste při identifikaci postupovali. Je každému písmenu přiřazena právě jedna látka? 2. Označte produkt hydrolýzi A, který je po zpracování užíván v chromatografii. Jak se nazývá sušící materiál, diskutovaný ad a)? 3. Napište rovnici působení hydridu sodného na B. 4. Napište rovnici hydrolýzy D za zvýšené teploty a napište vzorec konečného produktu, který se podobá etherům. 5. Produkt E má velký význam v jisté spektroskopické metodě. Jak se tato metoda nazývá a k jakému účelu v ní E slouží?
6. Navrhněte obecnou reakci, kterou lze získat E z A, C i D. Jaká látka by vznikala za podmínek této reakce z B? (Napište rovnice vzniku E z A, C, D a rovnici , v níž B bude vystaveno působení stejného reaktantu). 7. Napište, který z produktů A-E by měl mít nejnižší bod varu a svůj předpoklad zdůvodněte. 8. Napište rovnice procesů, které probíhají při výrobě silikonového kaučuku z C. 9. Vypište prvky souměrnosti, které nalézáme na molekule B. Úloha 3: Křemen, křemenná skla
(2,5 bodu)
1. Nakreslete strukturní motiv, který je přítomný na monokrystalu křemene. Zdůvodněte na základě tohoto motivu, proč existují levo - a pravotočivé monokrystaly křemene, přestože jejich stavební jednotka SiO4 nemůže býti chirální. 2. Zdůvodněte, proč laboratorní nádobí vyrobené z křemenného skla mohou být vyhřáty do červeného žáru a bezprostředně poté prudce vychlazeny na 20 0C bez nebezpečí prasknutí. Je možné stejně zacházet i s laboratorním nádobím vyrobeným z běžných typů skla? Úloha 4: Vodní sklo
(3 body)
1. Běžnou látkou v domácnosti našich babiček bylo tzv. vodní sklo. Jak se průmyslově vyrábí tento roztok a k čemu se užívá? 2. Co je chemickou podstatou vodního skla? 3. Zředěním komerčního vodního skla asi na 1/2 vodou získáme roztok, s nímž lze provést následující pokus, známý pod názvem chemická zahrádka. Získaný roztok nalijeme do vyšší nádoby, na dno vložíme větší krystal soli manganaté, nikelnaté, železnaté, chromité či vápenaté (nejvhodnější jsou chloridy nebo sírany) a ponecháme v klidu několik hodin stát. Proveďte tento pokus a vysvětlete, proč pozorujeme růst jednotlivých větviček z krystalů solí. Jakou barvu by měl mít strom vypěstovaný z chloridu kobaltnatého (zdůvodněte). Úloha 5: (4 body) "Hledá se materiál pro výrobu nehořlavých vláken na oděvy automobilových závodníků (a nejen na ně)." 1. Navrhněte dva typy křemičitanů, které by byly potenciálními kandidáty pro tento účel. Vycházejte ze znalostí základních typů struktur křemičitanů. 2. Pojmenujte své kandidáty triviálními názvy a napište, k jakým třídám křemičitanů patří z hlediska mineralogického. 3. Nakreslete základní strukturní motivy obou typů, napište empirické vzorce jejich aniontů. 4. K jakým dalším účelům lze podobné materiály využít? K čemu se užívají ve vaší chemické laboratoři? Organická chemie Autor:
RNDr. Jan Sejbal, CSc.
Recenzenti:
Katedra organické chemie PřFUK, Praha Profesor RNDr. Miloslav Černý, DrSc. Katedra organické chemie PřFUK, Praha RNDr. Jana Šímová Masarykovo gymnázium , Plzeň
Studijní část Organická část letošního ročníku chemické olympiády je zaměřena především na přípravu a reakce karboxylových kyselin a jejich derivátů (funkčních a substitučních). K úspěšnému řešení úloh vám pomůže studium níže doporučené literatury. Pozornost věnujte reakcím, při nichž se karboxylová skupina transformuje na jiné skupiny, jako -CH2OH, -C≡N, -COX, -CO2R, -CONH2 atd. Dále pak reakcím, při nichž karboxylová skupina vzniká. Svůj zájem soustřeďte i na reakce, při nichž se modifikuje alifatický nebo aromatický zbytek karboxylové kyseliny a na reakce dvojné vazby konjugované s karboxylem. Úspěšný řešitel se samozřejmě neobejde bez znalosti systematického názvosloví i triviálních názvů běžných karboxylových kyselin. Doporučená literatura: 1. Učebnice organické chemie pro gymnázia. 2. Pacák J.: Stručné základy organické chemie, SNTL Praha 1975, str. 173-209. 3. Červinka O., Dědek V., Ferles M.: Organická chemie, SNTL Praha 1980, str. 585597-603, 605-608, 626-628. Úloha 1:
591,
(6 bodů)
Přidáme-li 1 mol 1,4-dibrombutanu k roztoku 2 molů diethylmalonátu a 2 molů ethoxidu sodného v ethanolu, získáme jako hlavní produkt látku A, která reakcí se zředěnou kyselinou solnou poskytuje látku B. Zahřívání sloučeniny B na vyšší teplotu vede k látce C. Přidáme-li 1 mol 1,4-dibrombutanu k roztoku 1 molu diethylmalonátu a 2 molů ethoxidu sodného v ethanolu, získáme jako hlavní produkt látku D, která reakcí se zředěnou kyselinou solnou poskytuje látku E. Zahřívání sloučeniny E na vyšší teplotu vede k látce F. - Nakreslete reakční schemata obou reakčních sledů. - Napište systematické názvy látek C a F. Úloha 2: Doplňte produkty A - F v následujících reakcích:
(6 bodů)
O
O H2O2/H2SO4
CH3CH2CO2H
1. P + Br2
Cl
CH2CH2CO2Et C2H5ONa
C
CH2CH2CO2Et
CH3
D
C2H5ONa
CH3CO2Et
B
2. CH3OH
OH-
A
CHO
Ac2O CH3CO2Na
Úloha 3:
E
F
(4 body)
Uveďte triviální a systematické názvy následujících karboxylových kyselin. Ve vzorcích označte hvězdičkou centra chirality. CO2H OH
H
CO2H C C
CH3 B
A
CH2 HO2C CH2 CO2H E
H
CH2
CH2CO2H CH2CO2H F
CH2CO2H HO C CO2H
OH CH CO2H
CH2CO2H C
OH CH3 CH CO2H G
D
O CH3 C CO2H H
Fyzikální chemie Autor: Recenzent:
Mgr. David Viduna Katedra fyzikální chemie PřF UK Praha RNDr. František Zemánek Katedra fyzikální chemie PřF UK Praha RNDr. Jana Šímová Masarykovo gymnázium, Plzeň
Studijní část V mnoha chemických dějích probíhajících v přírodě či v laboratoři hraje světlo významnou roli. Nebýt světelné energie, život na Zemi by vůbec neexistoval. Proto těmto dějům budeme v letošní fyzikálně chemické části chemické olympiády věnovat zaslouženou pozornost. Částí chemie zabývající se chemickými ději souvisejícími se zářením je fotochemie. Proto, abyste se o ní dozvěděli více, pročtěte si odpovídající kapitoly v dostupné literatuře (viz Doporučená literatura) a seznamte se s pojmy jako kvantový výtěžek reakce, absorpce záření, Jablonskiho diagram, tripletový a singletový stav, fluorescence, zhášení fluorescence, vlnová délka, ultrafialová, viditelná a infračervená oblast spektra, Planckův vztah, fotosenzitizace (fotosenzibilizace), chemiluminiscence, mechanismus reakce, stavová rovnice ideálního plynu a viskozita. Přečtěte si též něco o fotografickém procesu a fotosyntéze. A když se s tím vším seznámíte a vezmete rozum do hrsti, plný počet bodů vás jistě nemine. Doporučená literatura: 1. Brdička R., Dvořák J.: Základy fyzikální chemie, Academia, 1977, Praha, str. 803-806, 808815 2. Moore W.J.: Fyzikální chemie, SNTL, 1981, Praha, str. 782-789, 793-796 3. Opava Z.: Chemie kolem nás, Albatros, 1986, Praha, str. 142-153 4. Karlson P.: Základy biochemie, Academia, 1965, Praha, str. 303-309 UPOZORNĚNÍ: Pokud jste si dosud nepřečetli obecný úvod k úlohám z fyzikální chemie, přečtěte si ho nyní. Bude to pro vás užitečné. Pamatujte také, že mnohem většího úspěchu při řešení úloh následujícího kola dosáhnete, když si znovu, tentokrát již s řešením po ruce, přečtete již řešené úlohy a znovu se nad nimi zamyslíte. Úloha 1:
(4 body)
Proč je v systémech podléhajících fotochemické reakci absorpce fotonu iniciujícím kro-kem ? Jakým jiným způsobem lze iniciovat reakci v nereagujícím systému ? Úloha 2: (4 body) Nakreslete Jablonskiho diagram. Vysvětlete, proč má tripletový stav T1 nižší energii než singletový stav S1.
Úloha 3:
(6 bodů)
Zředěný roztok fluoresceinu byl ozářen velmi krátkým pulsem světla o vlnové délce λ = 500 nm. Okamžitě po pulsu byla měřena relativní intenzita fluorescence I v závislosti na čase t a byly získány tyto hodnoty: t / ns I
0 1 2 3 4 5 6 7 8 1,00 0,78 0,61 0,47 0,37 0,29 0,22 0,17 0,14
a) Zjistěte, jaká je funkční závislost intenzity fluorescence na čase. Napište, jaký tvar má funkce I = f (t). b) Vypočítejte, za jakou dobu se počet molekul fluoresceinu v excitovaném stavu sníží díky fluorescenci o polovinu. c) Mění se tato doba s časem ? Úloha 4:
(2 body)
Roztok fluoresceinu se používá v analytické chemii jako indikátor při stanovení halogenidů dusičnanem stříbrným. Vysvětlete, jak indikátor funguje.
Biochemie Autor: Recenzent:
Mgr. Michal Štorek Katedra biochemie PřF UK Praha Mgr. Alice Šonská Katedra biochemie PřF UK Praha RNDr. Jana Šímová Masarykovo gymnázium, Plzeň
Studijní část V kategorii A se setkáváte s biochemií. Její poznatky zasahují do mnoha oblastí - kromě chemie též do lékařství, farmakologie, biologie, molekulární genetiky a ekologie. V tomto ročníku chemické olympiády se budeme zabývat translací (proteosyntézou), tedy biosyntézou peptidů a proteinů podle informace obsažené v mRNA. Z doporučené literatury si nastudujte základní charakteristiky translace, pozornost věnujte principům, ne pouze faktům. Neučte se nazpaměť genetický kód, stačí vědět, že kodony UAA, UAG a UGA jsou stop kodony - zastavují proteosyntézu. Pozornost též věnujte 20 základním aminokyselinám a 5 nukleotidům (A,C,G,T,U). Budete též potřebovat běžné poznatky z organické chemie, neboť biochemické reakce probíhají stejnými či velmi podobnými mechanismy. Mnoho proteinů je dále modifikováno, přičemž v letošním ročníku se nebudeme posttranslačními modifikacemi zabývat. Doporučená literatura: 1. Gymnaziální učebnice chemie či biologie 2. Šípal Z. a kol.: Biochemie, 1. vydání, SPN 1992, str. 407-418 3. Kolektiv pracovníků katedry biochemie: Biochemie - základní kurz, 1. vydání, Karolinum, str. 74-83 4. Karlson P.: Základy biochemie, 3. vydání, Academia 1981, str. 137-171 5. Vodrážka Z.: Biochemie (3. díl), 1. vydání, Academia 1992, str. 25-37 Zájemci mohou studovat i z následujících velmi podrobných učebnic: 6. Voet D., Voetová J.: Biochemie, 1. české vydání, Victoria Publishing 1995 (či libovolné anglické vydání) 7. Stryer L.: Biochemistry, 3. či 4. vydání, W. H. Freeman and Comp. 1995 Úloha 1:
(10 bodů)
1. Který proces je odpovědný za syntézu mRNA? 2. Na jakou molekulu je navázána aminokyselina, která bude během proteosyntézy připojena k peptidu? 3. Jaká je role ribozómu při translaci? 4. V jakém směru (5´→3´ či 3´→5´) je čtena mRNA ribozómem? 5. Ve které části buňky probíhá proteosyntéza?
B. Praktická část Úloha 1:
(maximum 40 bodů) - pro kategorie A a E
Autor:
Ing. Karel Ventura, CSc. Univerzita Pardubice, FCHT - KAlCH Petr Matoušek, student PřF UK, Praha Doc. Ing. Milan Karlík, CSc. Katedra analitické chemie VŠCHT Praha, nyní v důchodu Prof. Ing. Jaromír Vrbský, CSc. Katedra analitické chemie VŠCHT Praha, nyní v důchodu RNDr. Jana Šímová Masarykovo gymnázium, Plzeň
Recenzent:
Studijní část: Praktická část letošního ročníku chemické olympiády kategorie A bude zaměřena na využití oxido-reduktometrických metod (jodometrie, bromatometrie, manganometrie) pro stanovení vybraných anorganických iontů. Praktická část v každém kole bude obohacena syntetickou úlohou (syntéza soli organické kyseliny). V doporučené literatuře se seznamte s kapitolami týkajícími se oxido-reduktometrických metod v odměrné analýze, jejich principů (oxidačně-redukční potenciály) a základními operacemi při vážkové analýze a syntéze látek, což Vám umožní snazší vyřešení zadaných úkolů. Doporučená literatura: 1. Večeřa M., Panchartek J.: Laboratorní příručka organické chemie, SNTL Praha 1985. str. 329365 2. Holzbecher Z. a kol.: Analytická chemie, SNTL Praha 1974. str. 140-181, 248-255, 264-268, 321-326, 328-335 3. Holzbecher Z., Churáček J.: Analytická chemie, SNTL Praha 1987. str. 101-121 4. Berka A., Feltl L., Němec I.: Příručka k praktiku z kvantitativní analytické chemie, SNTL Praha 1985. str. 36-47, 96-97, 122-150 5. Vondrák D., Vulterin J.: Analytická chemie, SNTL Praha 1985. str. 46-49, 110-114, 133-143 6. Čakrt M. a kol.: Praktikum z analytickej chémie, ALFA Bratislava 1989. str. 128-142, 186-203 7. Vláčil F. a kol.: Příklady z chemické a instrumentální analýzy, Informatorium Praha 1991. str. 45-54
Úkoly: 1.Popište rovnicemi
reakce jodu s a) sloučeninami antimonu (s oxidačním číslem tři) b) siřičitanem c) thiosíranem (uveďte rovnici v neutrálním i zásaditém prostředí) d) kyselinou askorbovou e) acetonem f) formaldehydem (v zásaditém prostředí) reakce bromu s g) iontem jodidovým h) 8-chinolinolem (oxinem) ch)fenolem reakce manganistanu draselného v kyselém prostředí s i) iontem železnatým j) iontem chloridovým k) dusitanem l) peroxidem vodíku m) kyselinou šťavelovou
2. Uveďte základní látky pro oxidimetrické metody - jodometrii (jakými látkami lze standardizovat a) odměrný roztok thiosíranu, b) roztok jodu), - bromatometrii a manganometrii. Uveďte příslušné iontové rovnice. 3. Pro standardizaci odměrného roztoku jodu byl použit oxid arsenitý.
Bylo odváženo přesně 0,19784 g As2O3 a po rozpuštění v NaOH byl takto vzniklý roztok zneutralizován zředěnou H2SO4 na methyloranž. Po přidání cca 1g NaHCO3 byl roztok titrován za přídavku škrobového indikátoru odměrným roztokem jodu do vzniku modrého zabarvení. Spotřeba roztoku jodu byla 10,15 ml. a) Určete koncentraci použitého odměrného roztoku jodu v mol.l-1. M(As2O3) = 197,84 g.mol-1. b) Titr jodového roztoku v kyselém a neutrálním prostředí není stejný. Kdy je větší a proč. 4. Navrhněte a) přípravu 8-hydroxychinolátu hlinitého (gravimetrie). b) odměrné stanovení kationtu hlinitého z navážky části 8-hydroxychinolátu hlinitého připraveného v části 4 a); (bromatometrie + jodometrie). Dle možnosti proveďte prakticky v laboratoři. V případě technických obtíží nahraďte praktické provedení jakoukoli realizovatelnou úlohou z vážkové analýzy + vybrané odměrné stanovení (manganometrické či jodometrické) nebo můžete předložit jen teoretické řešení (pracovní postupy).
Úloha 2:
(maximum 40 bodů) pouze pro kategorii E časová náročnost: 120 minut
Autor:
Ing. Josef Janků SPŠCH Brno Ing. Irena Jančařová, CSc. MZLU Brno Ing. Josef Báča SPŠCH Praha
Recenzent:
Studijní část Praktická část letošního ročníku chemické olympiády kategorie E je zaměřena na důkaz kationtů, aniontů a elementární analýzu organických látek. Doporučená literatura: 1. 2. 3. 4.
Holzbecher Z. a kol.: Analytická chemie, SNTL, Praha 1974 Čerňák J., Polonský J.: Prehľad analytickej chémie, ALFA, Bratislava 1970 Večeřa M., Gasparič J.: Důkaz a identifikace organických látek, SNTL, Praha 1973 Jureček M.: Organická analýsa I, Nakladatelství ČAV, Praha 1955
Pomůcky: porcelánová miska, zkumavky (10), stojánek na zkumavky, baničky (3), nálevka, filtrační papír, laboratorní kleště, ochranný štít, laboratorní stojan, držáky, střička, nůž, pipety, držák na zkumavky, zátka s ohnutou trubičkou Činidla: CuO, Ba(OH)2, Na, FeSO4, FeCl3, HCl, NaOH, Na2[Fe(CN)5NO], Na2[Pb(OH)4], HNO3, AgNO3, CH3COOH, Cu drát roztepaný, Pt drátek, HClO4, amoniakální roztok (NH4)2CO3 Zadání: Máte dva vzorky, ze kterých jeden je látkou anorganickou a druhý látkou organickou. Pomocí uvedených činidel určete anion a kation, ze kterého je složena anorganická látka, a z jakých prvků se skládá látka organická (s výjimkou důkazu kyslíku). Provedené důkazy popište chemickými rovnicemi.
