A. Teoretická část. Anorganická chemie

ŠK CHO kat A, E 98/99

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 Katedra biochemie LF UK Plzeň

Studijní část Vážení soutěžící, předkládané úlohy z anorganické chemie CHO 1998/99 jsou zaměřeny proti zvyklostem nikoli na chemii prvku či skupiny prvků, ale na jednu ze základních tříd reakcí - na acidobasické reakce. Jelikož většina chemických reakcí probíhá v roztocích, budeme si všímat i vlivu rozpouštědel na tyto děje. Úspěšný řešitel úloh letošního ročníku bude vynikat zvláště v následujících otázkách: 1. teorie kyselin a zásad 2. acidobasické chování koordinačních sloučenin, zvláště aquakomplexů a amminkomplexů 3. výpočty pH silných i slabých kyselin, basí a jejich směsí ve vodných roztocích, pufry jakož i rovnice Henderson-Hasselbalchova 4. solvolysa, solvatace 5. trendy kyselinotvorných a zásadotvorných vlastností ve skupinách látek 6. kyseliny a base odvozené od prvků 5,6, a 7 A skupiny PSP 7. isopolykyseliny a jejich hydrolysa 8. nevodná rozpouštědla a jejich acidobasické vlastnosti Pro nabytí potřebných znalostí se doporučuje soutěžícím nastudovat literaturu v níže uvedeném rozsahu. Nezbytností je ovšem i základní porce všeobecných znalostí ze středoškolských hodin chemie. Při pečlivém pročtení úloh základního kola lze odhadnout i temata úloh kol vyšších. Mnoho štěstí a zábavy při zdolávání úskalí letošního ročníku CHO přeje autor. Doporučená literatura: 1. Gažo J. a kol: Všeobecná a anorganická chémia, SNTL / Alfa, Praha 1981, str. 211223 a kapitoly o prvcích, k nimž se vztahují reakce v úloze 2, tj. str. 341-356, 379. Namísto (1) lze užít stejně vhodnou (2)

1


2. Klikorka J., Hájek B. a Votinský J.: Obecná a anorganická chemie, SNTL Praha 1989, kap. 12 str. 243 - 261 3. Gažo J. a kol.: Anorganická chémia, laboratorné cvičenia a výpočty, Alfa Bratislava 1977, str. 364 - 372, př. 238 - 277 nebo kapitola o výpočtech pH, hydrolyse a pufrech v kterékoli jiné sbírce příkladů 4. Vacík J. a kol.: Obecná chemie, SPN Praha 1986 (nebo 1990) str. 249-259, 263-266 5. Vacík J. a kol.: Přehled středoškolské chemie, SPN Praha 1990, str. 141-148 6. Greenwood, Earnshaw: Chemie prvků (pro ty, kteří chtějí vědět úplně všechno a pro účastníky celostátního kola) Úloha 1:

(2 body)

Napište, jak je definována kyselina a zásada podle teorie Arrheniovy, Brönsedovy a Lewisovy. Která z uvedených teorií je nejobecnější a proč. Úloha 2:

(3 body)

Uvažujme neutralisační reakci (ve smyslu Brönstedovy teorie) 2 NH4Cl + Ca(NH2)2

###

CaCl2

+ 2 NH3.

1. V jakém rozpouštědle tato reakce pravděpodobně probíhá? (Rozpouštědlo je i produktem reakce.) 2. Napište rovnici autoprotolysy tohoto rozpouštědla. 3. Která částice je nejsilnější možnou kyselinou v tomto rozpouštědle a proč? 4. Rozpouštědlo, v němž výše uvedená reakce probíhá, je protické a dipolární. Vysvětlete tyto dva pojmy. Napište příklad látky, odlišné od výše uvedených, která je v tomto rozpouštědle rozpustná. 5. Uveďte příklad rozpouštědla, které je dipolární aprotické. 6. Ačkoli je rozpouštědlo pro tuto reakci nízkovroucí (t.v. asi -33###C, norm. tlak), lze s ním pracovat i v mírně vychlazených běžných laboratorních nádobách. Pokuste se zdůvodnit, proč se vypařuje poměrně pomalu i při tomto způsobu zacházení. Která fysikální veličina podmiňuje toto chování při vypařování našeho rozpouštědla? K odpovědi lze využít i informací získaných v jiných úlohách tohoto zadání. Úloha 3:

(4 body)

Doplňte produkty následujících acidobasických reakcí: 1.

###Al(H2O)6###3+ + OH-

2.

A + 2 OH - ### B + ..... H2O

###

A + H2O

2


3. ###Co(NH3)5 (OH)###2+ + HCl (konc., var) ### C + H2O 4. PCl3 + 3 H2O ### 5. HF + HF ### 6. HF + SO3 ### 7. POCl3 + NH3 (aq.) (nadbytek) ### 8. NaH + H2O ### Dále pak : 1. Napište vztah pro rovnovážnou konstantu reakce (1). 2. Nazvěte A systematickým názvem. 3. Jestliže smísíme za studena ###Co(NH3)5(OH)###SO4 se zředěnou HCl, získáváme jiný produkt nežli C. Napište chem rovnici tohoto procesu. 4. Nakreslete strukturní vzorec toho produktu reakce (4), který má větší molární hmotnost. 5. Nakreslete strukturní vzorec aniontu, který vzniká reakcí (5). Jaký typ chem. vazby se v jeho struktuře uplatňuje? 6. Skupina látek vznikajících reakcí (6) se po event. přídavku fluoridu antimonitého vyznačuje zajímavými acidobasickými vlastnostmi. Napište triviální název, kterým se běžně tyto látky označují. Napište, zda oxid sírový v reakci (6) vystupuje jako Lewisova kyselina nebo base. 7. Reakce (7) neposkytuje jednoznačné produkty. Napište ty z nich, které považujete za pravděpodobné. 8. Označte páry konjugovaných kyselin a zásad v reakci (8) ve smyslu Brönstedovy teorie. Úloha 4: POVÍDÁNÍ O BINÁRNÍCH HYDRIDECH

(9 bodů)

Všechny sloučeniny ukryté v této úloze pod písmeny jsou binárními hydridy jediného prvku. Binární hydrid jistého prvku A poskytne při oxidaci chlornanem sodným v hydroxidu sodném podle Raschiga binární hydrid téhož prvku B. Látka A reaguje s jiným binárním hydridem C našeho neznámého prvku za vzniku látky D, zatímco B a C reagují podle poměru, v němž jsou smíseny, na látky E (reakcí B a C v poměru 1:1) a F (reakcí B a C v poměru 1:2). Zcela neuvěřitelně, bílé krystalické látky D, E a F jsou všechny binárními hydridy našeho neznámého prvku a všechny jsou solné povahy. Při žíhání D, E nebo F dochází k explosivnímu rozkladu a po žíhání nezbývá žádný netěkavý zbytek. Dále je známo, že A je za lab. teploty plyn, dobře rozpustný ve vodě na alkalicky reagujcící roztok {pKB (A) = 4,75}. A se užívá jako oblíbené chladivo a nevodné rozpouštědlo, B je součást raketových paliv, zatímco olovnatá a měďnatá sůl C vynikají pyrotechnickými vlastnostmi.

3


1. Identifikujte látky ukryté pod písmeny A-E a napište rovnice všech acidobasických reakcí (ve smyslu Brönstedovy teorie) v textu uvedených. 2. Vypočítejte pH vodného roztoku plynu A o koncentraci c=0,01M. 3. Bylo neutralisováno 150 ml 2M vodného roztoku HCl pomocí 300 ml 5M vodného roztoku látky A. Vzniklá směs byla doplněna na 500 ml dest. vodou. Vypočtěte její pH za předpokladu kompletní disociace HCl. ( Pozor, úloha je složitější, nežli vypadá. K výpočtu je potřeba konstanta pKB (A) = 4,75. Potřebného poučení se dosáhne i v kapitolách pojednávajících o pufrech.) Organická chemie Autor:

Recenzenti:

RNDr. Jan Sejbal, CSc. Katedra organické chemie PřF UK Praha Ladislav Drož student PřF UK Praha Profesor RNDr. Miloslav Černý, DrSc. Katedra organické chemie PřF UK Praha RNDr. Jana Šímová Katedra biochemi LF UK Plzeň

Studijní část Organická část letošního ročníku chemické olympiády je zaměřena především na přípravu a reakce karbonylových sloučenin (aldehydů a ketonů). K úspěšnému řešení úloh vám pomůže studium níže doporučené literatury. Pozornost věnujte reakcím, při nichž je za pomoci karbonylové skupiny budován uhlíkatý skelet molekuly, tj. dochází k prodloužení řetězce, rozšíření kruhu apod. Dále prostudujte oxidačně redukční reakce na karbonylové skupině a reakce dvojné vazby konjugované s karbonylem. Úspěšný řešitel se samozřejmě neobejde bez znalosti systematického názvosloví i triviálních názvů běžných aldehydů a ketonů a bez znalosti základů stereochemie a pojmu chiralita. Doporučená literatura: 1. Učebnice organické chemie pro gymnázia. 2. J. Pacák: Poznáváme organickou chemii, SNTL Praha 1989, str. 109-110, 171-181, 192-194. 3. O. Červinka, V. Dědek, M. Ferles: Organická chemie, SNTL Praha 1980, str.80-83, 104-105, 521-533, 536-549, 634-639, 777. Úloha 1: Určete produkty reakcí benzaldehydu s uvedenými činidly. 4

ŠK CHO kat A, E 98/99 OH

HO HCN

A

P2O5

O

K2CrO4

NaHSO3

B

H

konc.HNO3

LiAlH4

C

5°C

O H2N

N H

H+

CN- (jako katalyzátor) NH2

E

F

G

H

D

Úloha 2: Nakreslete vzorce a napište systematické názvy produktů následujících reakcí: a)

NaOEt

2 CH3CH2CO2CH2CH3

EtOH

b)

CH3CO2CH2CH3 + CH3COCH3

c)

CH3CHO + CH2

NaOEt EtOH

CO2H

amin

CO2H

(dekarboxylace)

Úloha 3: Vypočítejte, kolik gramů tetrahydridohlinitanu lithného je třeba k redukci 60g acetofenonu na 1-fenylethanol. Úloha 4: Chemik nalezl ve skříni velmi starou lahvičku s téměř setřeným nápisem, z něhož se mu podařilo vyluštit jen začátek a konec názvu Benz....on a dále sumární vzorec C10H10O. Zamyslel se nad obsahem a provedl s ním několik testů. Látka dávala pozitivní jodoformový test a při reakci s dinitrofenylhydrazinem poskytla kondenzační produkt. Chemik informoval o svých pokusech kolegu, ten se zamyslel a prohlásil, že se pravděpodobně jedná o látku, kterou lze snadno získat kondenzací dvou běžně dostupných karbonylových sloučenin. Ale aby měli jistotu, doporučil, aby se ještě 5


provedl nějaký test na přítomnost dvojné vazby. Náš chemik se zamyslel nad všemi informacemi a aniž by provedl nějaký další test, určil správně obsah lahvičky a nalepil na ni nový štítek. a) Jaký je vzorec, systematický a triviální název sloučeniny z lahvičky? b) Jak ji lze snadno připravit? Fyzikální chemie Autor: Recenzent:

Mgr. David Viduna Katedra fyzikální a makromolekulární chemie PřF UK Praha RNDr. František Zemánek Katedra učitelství a didaktiky chemie PřF UK Praha RNDr. Jana Šímová Katedra biochemie LF UK Plzeň

Studijní část V letošním roce se zaměříme na chemickou kinetiku, což je část fyzikální chemie zabývající se rychlostí chemických reakcí. Znalost rychlosti chemické reakce a způsobů, jak ji ovlivnit, umožňuje její přizpůsobení (tzn. urychlení reakce či její zpomalení) podle potřeby. Aby ale bylo možno rychlost reakce vhodně ovlivňovat, je třeba nejdříve plně poznat přesný sled jednotlivých dílčích chemických kroků nazývaných elementární reakce, které společně tvoří mechanismus reakce. K určení mechanismu reakce, je však třeba změřit rychlost reakce za různých podmínek a na základě měření vytvořit rychlostní rovnici. Tato rovnice vyjadřuje závislost rychlosti reakce na koncentraci jednotlivých introduktů (reaktantů) popř. produktů a na velikosti rychlostních konstant jednotlivých elementárních reakcí. Její tvar se často liší od výrazu, který by se dal očekávat na základě stechiometrie reakce. Jako obvykle byste se měli seznámit s některými pojmy, jejichž znalost vám pomůže při úspěšném řešení úloh: energetická bariéra, aktivační energie, Arrheniův vztah, reakční koordináta, rychlostní konstanta, rychlostní rovnice, mechanismus reakce, elementární reakce, řád reakce, kinetika prvního ci vyššího řádu, paralelní reakce (či jinak zvaná bočná), následná reakce, zvratná reakce, krok určující rychlost, rovnovážná konstanta a Le Chatelierův princip. Tyto pojmy najdete v doporučené literatuře. A na závěr dobrá rada. Pročtete-li si po vyřešení úloh určitého kola pořádně řešení, zjistíte při řešení úloh kola vyššího, že se vám ledacos hodí. Doporučená literatura: 1. W. J. Moore: Fyzikální chemie, SNTL, Praha, 1981, str. 338-361, 376-377, 421-422. 2. R. Brdička, J. Dvořák: Základy fyzikální chemie, Academia, Praha, 1977, str. 658685, 714-717. 3. F. Zemánek: Stručný úvod do chemické termodynamiky a kinetiky pro soutěžící chemických olympiád, ÚDPM JF v Praze, 1987, str. 46-75. 6


Úloha 1:

(12 bodů)

Rychlost rozkladu NOBr v plynné fázi byla při teplotě 10°C spektrofotometricky měřena a byla získána následující data: čas (min.) konc. NOBr / mol.dm-3

0 0,00425

0,5 0,00384

1 0,00354

2 0,00300

3 0,00234

a) Určete řád reakce a napište rychlostní rovnici této reakce. b) Určete rychlostní konstantu a vyjádřete ji v mol.dm-3s-1. Vypočítejte rychlost reakce v příslušných časových okamžicích. Pokud se jedná o reakci 1. řádu, vypočítejte poločas reakce. c) Pokuste se jednoduše vysvětlit tvar rychlostní rovnice. d) Vysvětlete, proč rychlost reakce s klesající koncentrací NOBr klesá. e) Jaké podmínky musí molekuly NOBr při srážce splnit, aby došlo k reakci? f) Dá se nějakým způsobem splnění těchto podmínek napomoci? Pokud ano, tak jak. Úloha 2:

(4 body)

V reakcích, z hlediska chemické kinetiky poněkud složitějších jako jsou např. reakce paralelní (bočné) či následné, hraje velkou roli tzv. krok určující rychlost. Vysvětlete tento pojem a uved´te, který krok je krokem určujícím u paralelních a který u následných reakcí. Biochemie Autor: Recenzent:

Mgr. Michal Štorek Katedra biochemie PřF UK Praha Mgr. Alice Šonská Katedra biochemie PřF UK Praha RNDr. Jana Šímová Katedra biochemie LF UK Plzeň

Studijní část V kategorii A se poprvé setkáváte s biochemií. Její poznatky zasahují do mnoha oblastí - kromě chemie též do lékařství, farmakologie, biologie, molekulární genetiky a ekologie. V letošním ročníku chemické olympiády se budeme zabývat základními metabolickými drahami. Z doporučené literatury si nastudujte kapitoly o aerobní i anaerobní glykolýze, citrátovém cyklu a oxidační dekarboxylaci. Pozornost též věnujte sumárním rovnicím základních metabolických procesů. Dýchací řetězec a oxidační fosforylaci si mohou nastudovat dobrovolníci - jinak stačí vědět, že oxidací jednoho molu 7


NADH + H+ v dýchacím řetězci vznikají po oxidační fosforylaci 3 moly ATP; oxidací jednoho molu FADH2 se získají 2 moly ATP. Též se seznamte se základními koenzymy (NAD+, FAD) a s jejich rolí při přenosu vodíku; s koenzymem A (zkratka CoASH) a jeho úlohou při přenosu acylů. Nesmíme zapomenout ani na ATP, přenašeče fosfátových zbytků. Rovnici hydrolýzy ATP si pro naše účely a pro přehlednost zjednodušíme na: ATP + H2O ———> Pi + ADP, kde symbolem Pi budeme značit odštěpený fosfát, bez ohledu na stupeň protonace, ačkoli víme, že v organismu se vyskytuje převážně jako dihydrogenfosforečnanový či hydrogenfosforečnanový anion. Doporučená literatura: 1. Z. Šípal a kol.: Biochemie, 1. vydání, SPN 1992 2. Kolektiv pracovníků katedry biochemie: Biochemie - základní kurz, 1. či 2. vydání, Karolinum 3. P. Karlson: Základy biochemie, 3. vydání, Academia 1981 4. Z. Vodrážka: Biochemie 1-3, 1. vydání, Academia 1992 5. J. Doubrava, J. Koštíř, J. Pospíšil: Základy biochemie, 1. vydání, SPN 1984 Zájemci mohou studovat i z následujících velmi podrobných učebnic: 6. D. Voet, J. Voetová: Biochemie, 1. vydání, Victoria Publishing 1995 7. L. Stryer: Biochemistry, 4. vydání, W. H. Freeman and Comp. 1995 Úloha 1:

(10 bodů)

Odpovězte na následující otázky: 1. Proč maso ze svalů uštvaných zvířat chutná kysele? 2. Jakými dvěma odlišnými mechanismy se v citrátovém cyklu tvoří obě molekuly CO2? Která reakce probíhá spontánně? 3. Popište schematicky oxidaci D-glukosy v živých soustavách za anaerobních podmínek! 4. Proč citrátový cyklus a oxidační dekarboxylace probíhají jen za aerobních podmínek, ačkoli kyslík přímo nevyžadují? 5. Proč jsou všechny meziprodukty glykolýzy fosforylovány? 6. Proč kvasinky nemohou žít v prostředí, kde je koncentrace ethanolu větší než asi 15%?

8


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 analytické chemie VŠCHT Praha, nyní v důchodu Prof. Ing. Jaromír Vrbský, CSc. Katedra analytické chemie VŠCHT Praha, nyní v důchodu RNDr. Jana Šímová Katedra biochemie LF UK Plzeň

Recenzent:

Studijní část: Praktická část letošního ročníku chemické olympiády kategorie A bude zaměřena na využití srážecích reakcí při důkazu a odměrném stanovení vybraných iontů. Proto si v doporučené literatuře prostudujte kapitoly týkající se argentometrie a merkurimetrie, tj. metod, při nichž se tvoří málo rozpustné, event. málo disociované sloučeniny. Seznamte se se základními pojmy jako jsou rozpustnost, součin rozpustnosti, titrační křivka, Mohrova a Volhardova metoda a pod. K tomu Vám poslouží jakákoliv vysokoškolská učebnice, např. z níže uvedených. Doporučená literatura: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Z. Holzbecher: Analytická chemie, SNTL Praha 1974. str. 110-140, 314-319, 348-349 Z. Holzbecher, J. Churáček: Analytická chemie, SNTL Praha 1987. str. 99-100, 124-145 J. Zýka: Analytická příručka 1, SNTL Praha 1988. str. 344-348 J. Vacík: Fyzikální chemie, SNTL Praha 1986. str. 224-226 Berka, L. Feltl, I. Němec: Příručka k praktiku z kvantitativní analytické chemie, SNTL Praha 1985. str. 163-173, 219 D. Vondrák, J. Vulterin: Analytická chemie, SNTL Praha 1985. str. 40-42, 128-129, 131-133 M. Čakrt a kol.: Praktikum z analytickej chémie, ALFA Bratislava 1989. str. 179-185 F. Vláčil: Příklady z chemické a instrumentální analýzy, Informatorium Praha 1991. str. 105-118 K. Volka a kol.: Příklady z analytické chemie, sešit 2 a 3,VŠCHT Praha 1997.

Úkoly: 9


1. Popište a vysvětlete argentometrická stanovení halogenidů metodami dle Mohra a Volharda; popř. uveďte ještě další argentometrická stanovení. Uveďte alespoň jeden způsob instrumentální indikace bodu ekvivalence při srážecích titracích. 2. Vysvětlete merkurimetrické stanovení halogenidů, popište vizuální indikaci bodu ekvivalence. 3. Tuhý vzorek o hmotnosti 376 mg obsahující rozpustné sulfidy a jodidy byl převeden do roztoku, do nějž bylo zároveň přidáno zanedbatelné množství radioaktivního 131I-. Zjišťováním aktivity roztoku na množství přidaného odměrného roztoku AgNO3 byla získána tato křivka: V bodě B činila spotřeba roztoku odměrného činidla 11,6 ml, v bodě C 17,9 ml. Odměrný roztok AgNO3 byl připraven tak, že se ze zásobního roztoku o hustotě 1,013 g.cm-3 a o hmotnostním procentu 1,677 % bylo odpipetováno 10 ml a doplněno do 100 ml. a) Vypočítejte titr odměrného roztoku AgNO3 v mol.dm3 . b) Vysvětlete průběh získané křivky, napište rovnice reakcí probíhajících během experimentu a rozhodněte, který anion byl titrován jako první. Která veličina o tom rozhoduje? c) Vypočítejte % obsah sulfidů a jodidů v tuhém vzorku. d) Vypočítejte poměr rovnovážných molárních koncentrací sulfidů k jodidům v bodě C. Poločas rozpadu 131I- je mnohem větší než doba provedení pokusu. Předpokládejte iontovou sílu rovnou 1, pro zjednodušení zanedbejte protonaci S2-. pKs(AgI)=16,08; pKs(Ag2S)=50,10; M(AgNO3)=169,87 g.mol-1; M(S2-)=32,06 g.mol-1; M(I-)=126,90 g.mol-1. 4. Vypočítejte rozpustnost NH4MgPO4 v destilované vodě, (pKs=12,6). Jak se změní rozpustnost - klesne - stoupne - nezmění se - přidáme-li k tomuto roztoku a) Na3PO4 b) MgCl2 c) KCl 5. Navrhněte a prakticky proveďte argentometrické stanovení jodidů, včetně standardizace odměrného roztoku dusičnanu stříbrného.

Úloha 2:

(maximum 40 bodů) pouze pro kategorii E časová náročnost: 120 minut 10


Autor: Recenzent:

Ing. Josef Janků SPŠCH Brno Ing. Irena Jančařová, CSc. MZLU Brno Ing. Josef Báča SPŠCH Praha

Studijní část Pomůcky: zkumavky (10), stojánek na zkumavky, nálevka, filtrační papír, držák na zkumavky, střička, pipety, kádinka, azbestová síťka Činidla: Fehlingovo činidlo, Tollensovo činidlo, Nesslerovo činidlo, 2,4dinitrofenylhydrazin, NaOH, AgNO3, NH3, HNO3 Zadání:

Máte tři vzorky, z kterých dva jsou látkami anorganickými a jeden je látkou organickou. Pomocí uvedených činidel případně pomocí vzájemných reakcí vzorků mezi sebou zjistěte, z jakého kationu a anionu se každá anorganická látka skládá a u látky organické jakou funkční skupinu obsahuje. V protokolu uveďte principy a chemické rovnice důkazových reakcí.

Upozornění: Tollensovo činidlo si připravte čerstvé. Po skončení důkazu reakční směs i činidlo ihned zlikvidujte. Nebezpečí vzniku třaskavého stříbra. Tollensovo činidlo připravíte smícháním stejných objemů vodného roztoku NaOH o koncentraci 2 mol.dm-3 a 10% roztoku AgNO3. Za současného třepání přikapávejte koncentrovaný roztok NH3 až se vzniklá sraženina Ag2O právě rozpustí.

11

A. Teoretická část. Anorganická chemie

Recommend Documents