Anketa. Nejčastěji se chystáte studovat chemii VŠCHT (10), PřF UK (5), chemické

Korespondenˇcn´ı Semináˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou

roˇ cn´ık 6, s´ erie 4 2007/2008

Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou

roˇ cn´ık 6, s´ erie 4

ˇreˇsen´ı naleznete pˇr´ımo na stránce s formul´ aˇrem. Nepos´ılejte n´ am pros´ım naskenovan´ a ˇreˇsen´ı, nebot’ jsou ˇcasto velice ˇspatnˇe ˇciteln´ a. V´ yjimkou jsou nakreslené ˇ sen´ı a naskenované obr´ azky, které pˇripoj´ıte k ˇreˇsen´ı napsanému na poˇc´ıtaˇci. Reˇ by nemˇelo ztratit smysl ani po vytiˇstˇen´ı na ˇcerno-b´ılé tisk´ arnˇe. Do ˇreˇsen´ı také piˇste vˇsechny vaˇse postupy, kter´ ymi jste dospˇeli k v´ ysledku, nebot’ i ty bodujeme. Uved’te radˇeji v´ıce neˇz ménˇe, protoˇze se m˚ uˇze stát, ˇze za strohou odpovˇed’ nem˚ uˇzeme d´ at témˇeˇr ˇzádné body, aˇckoli je spr´ avná.

Anketa Anketu vyplnilo rekordn´ıch 42 ˇreˇsitel˚ u, tj. 2/3 ˇreˇsitel˚ u 3. série, velmi dˇekujeme. Z letoˇsn´ıch nov´ ych ˇreˇsitel˚ u se v´ as s KSICHTem sezn´ amilo 15 ve ˇskole, 7 na Bˇestvinˇe, 5 na Internetu a 5 jinde. V loˇ nském roˇcn´ıku se vám nejv´ıce l´ıbilo Sudoku“, za n´ım skonˇcila Skr´ yvaˇcka“ a Patero b´ıl´ ych pr´ aˇsk˚ u“, které z´ıskaly ” ” ” shodn´ y poˇcet hlas˚ u. Z letoˇsn´ıch tˇr´ı séri´ı se v´ am nejv´ıce l´ıbil Ideáln´ı ostrov“, ” kter´ y zvolilo 10 ˇreˇsitel˚ u, druhé m´ısto patˇr´ı u ´loze Kdopak je tat´ınek“ s pˇeti ” hlasy a tˇret´ı m´ısto u ´loze Sladk´ a“ se ˇctyˇrmi hlasy. ” ´ Ulohy byste vˇetˇsinou chtˇeli takové, jaké souvis´ı s kaˇzdodenn´ım ˇzivotem (30 hlas˚ u) a které se t´ ykaj´ı novinek ve v´ yzkumu a laboratoˇri (21 hlas˚ u). V jin´ ych typech u ´loh jste zm´ınili snad vˇsechna moˇzná odvˇetv´ı chemie, takˇze se pokus´ıme tuto rozmanitost dodrˇzet. Je tˇreba si ale uvˇedomit, ˇze kaˇzd´ y má jiné záliby a ˇze to, co se l´ıb´ı jednomu, se nemus´ı l´ıbit druhému. Vˇeˇr´ıme, ˇze z nab´ızen´ ych u ´loh v´ as aspoˇ n jedna potˇeˇs´ı a ˇze ty, které nepotˇeˇsily v´ as, potˇeˇs´ı nˇekoho jiného. ˇ Nejˇcastˇeji se chystáte studovat chemii – VSCHT (10), PˇrF UK (5), chemické vysoké ˇskoly v Brnˇe (5) – a medic´ınu (10). Sedm z vás jeˇstˇe nen´ı rozhodnuto. Na záludnou ot´ azku Kam se chystáte?“ jste dost ˇcasto psali specifikaci studia ” na vysoké ˇskole nebo udivené smajl´ıky. Od ostatn´ıch jsme se dozvˇedˇeli, ˇze jdou odeslat ˇreˇsen´ı na poˇstu, naj´ıst se nebo nap´ıt do kuchynˇe, nˇekteˇr´ı ˇsli k poˇc´ıtaˇci, jin´ı spát. V pˇr´ıˇst´ım roˇcn´ıku bude vych´ azet seri´ al o nanoˇcástic´ıch, i kdyˇz v´ ysledky jsou velmi tˇesné. Pro tento n´ avrh jste se vyslovili 117 body. 103 bod˚ u z´ıskala fluorovan´ a chemie, n´ asledovaná nukle´ arn´ı magnetickou rezonanc´ı se 101 bodem. Závˇerem mnohokr´ at dˇekujeme za vaˇse dˇekovné dopisy. Budeme se i nad´ ale snaˇzit vést KSICHT k vaˇs´ı spokojenosti.

Soustˇ redˇ en´ı KSICHTu Od 9. do 13. ˇcervna se v Praze na Pˇr´ırodovˇedecké fakultˇe Univerzity Karlovy uskuteˇcn´ı soustˇredˇen´ı KSICHTu. Na programu budou pˇrednáˇsky z r˚ uzn´ ych oblast´ı chemie a pr´ ace v laboratoˇri. Laboratorn´ı u ´lohy se budeme snaˇzit sestavit tak, aby si na své pˇriˇsel jak zaˇcáteˇcn´ık, tak i zkuˇsen´ y chemik. Samozˇrejmˇe 2



nebudou chybˇet ani hry na odreagov´ an´ı a veˇcern´ı program. Ubytován´ı bude hrazeno. M´ ame kapacitu pro 30 u ´ˇcastn´ık˚ u, pokud se v´ as pˇrihl´ as´ı v´ıc, bude rozhodovat poˇcet bod˚ u. M´ ate-li z´ ajem, urˇcitˇe se pˇrihlaˇste, bez ohledu na to, jak si ve v´ ysledkové listinˇe stoj´ıte. Pokud se chcete soustˇredˇen´ı z´ uˇcastnit, vyplˇ nte pros´ım co nejdˇr´ıve formul´ aˇr3 na webov´ ych stránk´ ach KSICHTu. Podrobnosti o soustˇredˇen´ı zveˇrejn´ıme na odkazované stránce v kvˇetnu, kdy v´ as rovnˇeˇz budeme informovat e-mailem.

KSICHT na Internetu Na webov´ ych str´ ank´ ach KSICHTu4 naleznete broˇzurku ve form´ atu PDF a rovnˇeˇz aktu´ aln´ı informace o pˇripravovan´ ych akc´ıch. Pokud máte dotaz k u ´loze, m˚ uˇzete se zeptat pˇr´ımo autora na e-mailové adrese ve tvaru [email protected]. Jestliˇze má u ´loha v´ıce autor˚ u, piˇste prvn´ımu uvedenému.

Errata Autoˇri u ´lohy Ideáln´ı ostrov se hluboce omlouvaj´ı za chybu v ˇreˇsen´ı otázky 1. Spr´ avn´ y postup pˇri rozdˇel´ an´ı ohnˇe s Dannyho br´ ylemi (je kr´ atkozrak´ y, takˇze vlastn´ı rozptylky) je jejich spojen´ı po pˇredchoz´ım naplnˇen´ı vodou. Vˇsem ˇreˇsitel˚ um, které takto autoˇri nechtˇenˇe pˇripravili o body, se jeˇstˇe jednou omlouvaj´ı a t´ımto je ˇzádaj´ı o zaslán´ı jejich ˇreˇsen´ı, nejlépe oskenovan´ ych e-mailem, pro opravu jejich bodového ohodnocen´ı. Opravené podoby broˇzurek naleznete vˇzdy na webu KSICHTu jako PDF.

Term´ın odesl´ an´ı 4. s´ erie Série bude ukonˇcena 28. dubna 2008. Vyˇreˇsené u ´lohy je tˇreba odeslat nejpozdˇeji v tento den (rozhoduje datum poˇstovn´ıho raz´ıtka ˇci ˇcas na serveru KSICHTu).

3 http://ksicht.natur.cuni.cz/akce-ksichtu/6 4 http://ksicht.natur.cuni.cz

3



´ Uvodn´ ıˇ cek Drahé ksicht’aˇcky, draz´ı ksicht’´ aci! Tak n´ am opˇet zaˇcalo jaro. Chtˇelo by se skoro ˇr´ıci, ˇze v tomto obdob´ı puˇc´ı u ´plnˇe vˇsechno. Vyuˇziji tedy nab´ızené pˇr´ıleˇzitosti a p˚ ujˇc´ım si také jedno jarn´ı ˇr´ıkadlo: Snˇ eˇ zenka (F. Hrub´ın) Táta vˇcera na venku, naˇsel prvn´ı snˇeˇzenku, vedle petrkl´ıˇc, zima, uˇz je pryˇc! Nev´ım jak v´ am, ale mnˇe osobnˇe pˇripadá tento druh infantiln´ı poezie velmi obˇcerstvuj´ıc´ı. V tˇechto verˇs´ıch prostˇe nen´ı ani stopa po globáln´ım oteplov´ an´ı, humanit´ arn´ı krizi v D´ arf´ uru, ekonomické recesi v USA, nebo poplatc´ıch u lékaˇre. Vˇzdycky mi pˇriˇslo l´ıto, ˇze tˇreba MF DNES nem´ıv´ a nˇejak´ y podobn´ y r´ ym vtiˇstˇen´ y palcov´ ymi titulky na tituln´ı str´ ance. Stejn´ y postup bych uplatnil i v Televizn´ıch novin´ ach. Rey Koranteng by ho mohl vˇzdy pˇreˇc´ıst jako prvn´ı zpr´ avu dne. Pˇredstavuji si to tak, ˇze by nejprve umˇelecky pˇrednesl b´ aseˇ n Chumel´ı se chumel´ı a teprve poté ozn´ amil, ˇze vlivem snˇehové bouˇre doˇslo k nˇekolika automobilov´ ym nehodám a vˇetrem pol´ amané ˇ ˇ ek by to hned stromy pˇreruˇsily elektrické veden´ı na mnoha m´ıstech CR. Clovˇ pˇrijal s vˇetˇs´ım klidem. Co naplat, tento nápad nejsp´ıˇs neprojde. Vy vˇsak alespoˇ n nyn´ı dostanete pˇr´ıleˇzitost si oddechnout od pˇeny dn´ı d´ıky naˇsim nov´ ym u ´loh´ am. Co v´ as ˇceká a nemine? Rozehˇr´ at mozkové z´ avity a rozepsat své propisky budete moci u tradiˇcn´ı osmismˇerky. Tentokr´ ate s tematikou chemického nádob´ı. V u ´loze druhé v´ as ˇceká netradiˇcn´ı demografie z chemického pohledu. Aneb dˇeti, kdo v´ı, jak´ y je rozd´ıl mezi homolem a heteromolem? Jako tˇret´ı v poˇrad´ı na n´ as ˇceká drobná pˇripom´ınka ducha Velikonoc a jeho n´ asledovn´ık˚ u. Je jiˇz dlouhodobˇe a vˇseobecnˇe zn´ amo, ˇze pˇrem´ yˇslet nad t´ım, proˇc by se nemohli m´ıt vˇsichni lidé r´ adi a ˇze by si mˇeli neziˇstnˇe pomáhat, v´ as m˚ uˇze pˇrivést do pˇekné ˇslamastiky. Vemte si z toho ponauˇcen´ı. Na druhou stranu nic nen´ı ˇcernob´ılé. Coˇz dokazuje i u ´loˇzka n´ asleduj´ıc´ı. Radioaktivita napˇr´ıklad nen´ı jen prostˇredkem atomov´ ych ˇstváˇc˚ u proti pokojnˇe pracuj´ıc´ımu lidu, ale i celkem uˇziteˇcn´ a vˇec v syntetické chemii. Roli syntetického chemika si budete moci otestovat dosytosti. A pokud by se v´ am pˇreci jen zastesklo po roli atomového ˇstváˇce, pak je pro v´ as u ´loha posledn´ı s n´ azvem Atomic Bomberman jak vyˇsitá. Mˇejte se vˇsichni hezky a douf´ am, ˇze se s v´ ami uvid´ım osobnˇe na v´ yletˇe, ˇci alespoˇ n na soustˇredˇen´ı. Honza Havl´ık

4



Zad´ an´ı u ´loh 4. s´ erie 6. roˇ cn´ıku KSICHTu ´ Uloha ˇ c. 1: Osmismˇ erka Autor: Kateˇrina Holá

8 bod˚ u

Stejnˇe tak, jako nem˚ uˇze být chléb bez soli, neobejde se chemik bez chemického n´ adob´ı. Um´ıte se v této kuchyni“ spr´ avnˇe orientovat, nebo jste odsouzeni ” k neslané dietˇe“? ”

O N J O R T P L ´ A ˇ S ˇ T ˇ C

ˇ E A K V E L ´ A N Í C Í L ˇ E D P ˇ Z

I D A L H C

T I K A Z I

C A K ˇ Z

A T R J B L G N A I R T

K K ˇ S O Í ¨ U A T E R Y B O R A ´ K A ˇ T R I T K E S I ´ Z A N A T ?

ˇ N A A E T Y C T

A P K E L ´ A E H E S I ´ C Y M T S Í K P D I E C R A ˇ U C M Í T K ˇ O C A K

´ A T A N A M K L K L N I N A V E H Y E M ˇ K T Y S N K Í M ˇ C N O L C A A K D M ˇ A N B ´ A ˇ N

T K B K P E ´ Y ˇ C S H R K A ´ A A I Í T V ˇ N ˇ E B

I O ´ A V I M K M K X A O B N S S B L O A R Í

V O E N R E L P E A N T M I E R Y F E E R K O V V U A N B K A ˇ A N A K ˇ A R ´ B A ´ N Y ˇ N C

Z L ˇ E ´ A

L ´ Y M N A V A R N ´ Y K R U H N ´ A

T R ˇ E M O L P E T ˚ U N L K A N P D N R ´ V A

S O S R B M K D O A E O K M ˇ Í A D N L S A L ´ B E O A N V A K ˇ A V Í Z N C O C A Í D A J B L H O A A Í ˇ W Z ˇ T N

S E L ˇ C O A L A L I

K A S E K V E T

T S O N V A C S

A R E D U K C E

E I T K S K ˇ R Í ˇ Z O V ´ A S V O R K A B A D

1. Ke kaˇzdému n´ adob´ı pˇriˇrad’te jeho n´ azev (v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech i v´ıceslovn´ y – v´ıceslovné n´ azvy nejsou oddˇeleny mezerou), kter´ y n´ aslednˇe zaˇskrtnˇete v osmismˇerce. Pokud pro dan´ y typ nádob´ı existuje v´ıce n´ azv˚ u, uved’te ten, jenˇz naleznete v osmismˇerce. Osmismˇerku n´ am pos´ılat nemus´ıte, postaˇc´ı názvy n´ adob´ı pˇriˇrazené k jednotliv´ ym ˇc´ısl˚ um (vzestupnˇe). 5



2. V osmismˇerce se vyskytuj´ı n´ azvy dvou vˇec´ı, které nejsou zobrazeny na obr´ azku 1, nepatˇr´ı k chemickému n´ adob´ı, ale v laboratoˇri jsou naprosto nepostradatelné. Zaˇskrtnˇete a uved’te tyto dvˇe pom˚ ucky. 3. Nevyˇskrtnuté znaky (vˇcetnˇe mezer apod.) tvoˇr´ı tajenku. Napiˇste ji. Upozornˇ en´ı: P´ısmeno CH je povaˇ zov´ ano za dva znaky, tzn. za C a H.

ˇ 4. Razen´ ı n´ adob´ı na obr´ azku 1 nen´ı n´ ahodné. Podle ˇceho je seˇrazeno? 5. Jaké dalˇs´ı typy nádob´ı ˇc´ıslo 35 existuj´ı? Kter´ y z nich je zobrazen na obr´ azku 1? 6. K ˇcemu slouˇz´ı n´ adob´ı ˇc´ıslo 40? Jak´ ymi slouˇceninami b´ yv´ a nejˇcastˇeji naplnˇeno?

Dokonˇcen´ı vtipu je uvedeno v tajence.

6



Obr´ azek 1: Chemické n´ adob´ı pouˇzité v osmismˇerce 7


´ Uloha ˇ c. 2: Demografie trochu jinak Autoˇri: Radek Matuˇska a V´ aclav Kub´ at


6 bod˚ u

Bylo jednou jedno malé mˇesto s velmi poetickým n´ azvem Avogadrov. Psal se tehdy rok 6022 a v Avogadrovˇe ˇzilo pˇresnˇe 12345 ˇctyˇrˇclenných rodin. A v onom roce lidumilný starosta tohoto kr´ asného a prosperuj´ıc´ıho mˇesta (jmenoval se mimochodem Amedeo) ˇrekl, ˇze poˇcet rodin ve mˇestˇe je pˇresnˇe jeden homol. A od té doby se v Avogadrovˇe poˇc´ıt´ a poˇcet obyvatel jen v tˇechto jednotk´ ach. A to by nebyla demografie, kdyby se do toho nezaˇcaly plést nˇejaké dalˇs´ı veliˇciny. . . 1. Starosta byl dokonce tak troufal´ y, ˇze zavedl jakousi demografickou konstantu, kterou po sobˇe pojmenoval. Jak´ a je tedy hodnota Amedeovy konstanty, pokud jako jednotkov´ y objekt zvol´ıme rodinu? 2. Pˇredpokl´ adejme, ˇze pr˚ umˇern´ a ˇctyˇrˇclenn´ a rodina Avogadrova v´ aˇz´ı kolem 240 kg. Jak´ a je potom homol´ arn´ı hmotnost celého Avogadrova? 3. Kolik homol˚ u pˇrestavuje jedna rodina? A kolik jeden ˇclovˇek? Kolik homol˚ u lid´ı je v Avogadrovˇe? 4. Rozloha naˇseho Avogadrova 650 jiter. Jak´ a je homolárn´ı koncentrace obyvatel v Avogadrovˇe v homolech na jitro? 5. Na zaˇcátku jsme ale ˇrekli, ˇze Avogadrov je pomˇernˇe dobˇre prosperuj´ıc´ı mˇesto a v roce 6626 uˇz bylo v Avogadrovˇe 123456 rodin. Kolik rodin v jednotk´ ach homol je nyn´ı ve mˇestˇe? Jak se zmˇenila homolárn´ı hmotnost mˇesta, pokud obyvatelé Avogadrova netloustnou, narozd´ıl od lid´ı v mnoha dneˇsn´ıch zem´ıch. 6. Jak rychl´ y je pˇr´ır˚ ustek obyvatel v demografikc´ ych jednotk´ ach homol rok−1 −1 a ˇclovˇek rok ? Pˇredpokl´ adejte line´ arn´ı r˚ ust poˇctu obyvatel. 7. Jak by se zmˇenila homolárn´ı koncentrace obyvatel, kdyby mˇesto nezvyˇsovalo svou rozlohu mezi léty 6022 a 6626? 8. Mˇesto se ale rozp´ınalo také a to line´ arnˇe rychlost´ı 9,685 jitro rok−1 . Jak´ a je tedy potom homol´ arn´ı koncentrace obyvatel ve mˇestˇe v roce 6626? Struˇcnˇe se k tomuto demografickému ukazateli vyj´ adˇrete.

8



´ Uloha ˇ c. 3: Inkvizitorovo dilema Autoˇri: Eva Jen´ıˇckov´ a a Jana Zikmundov´ a

8 bod˚ u

Z´ıtra. . . Do z´ıtˇrka se mus´ım rozhodnout. A vˇeˇrte mi, v˚ ubec to nen´ı lehké. Samozˇrejmˇe, je mou povinnost´ı pˇrednˇe chr´ anit naˇsi velkou matku c´ırkev a jej´ı oveˇcky, ale ta babka vypad´ a vcelku neˇskodnˇe. Bratr Justýn, který ji vyslýchal, je sice o jej´ı vinˇe plnˇe pˇresvˇedˇcen, ale j´ a si st´ ale nejsem jistý. Podle mého n´ azoru by bratr Justýn byl schopen up´ alit i naˇseho biskupa. M´ a obrovský z´ apal pro vˇec, abych tak ˇrekl. A jak to vlastnˇe celé bylo? Letoˇsn´ı rok se v˚ ubec nevydaˇril. Hned zjara pˇriˇsly povodnˇe, v létˇe zas vyhoˇrel kostel po u ´deru blesku. V celém kraji se také silnˇe pˇremnoˇzili vlci. Po sklizni se zaˇcaly d´ıt uˇz u ´plnˇe divné vˇeci. Mnoho lid´ı onemocnˇelo – nˇekteˇr´ı jen trpˇeli pr˚ ujmy nebo zvracen´ım, ale nˇekterým – boˇze, chraˇ n – zˇcernaly prsty ˇci celé konˇcetiny, jakoby hoˇreli zevnitˇr. Tˇri nebo ˇctyˇri lidé u ´plnˇe zeˇs´ıleli a zemˇreli, nebo se sami zabili. A pˇribliˇznˇe v té dobˇe, kdy podivn´ a epidemie vrcholila, se ve mˇestˇe objevila ˇ star´ a Srucha s n˚ uˇs´ı plnou podivných vˇec´ı. Bohuˇzel (ˇci bohud´ık?) ˇsel ten den na trh i bratr Justýn. Hned babku odvlekl do ˇsatlavy. Trv´ a na tom, ˇze jde o ˇcarodˇejnici a ˇze je nutné ji popravit. Nejvyˇsˇs´ım c´ırkevn´ım pˇredstaveným ve mˇestˇe jsem ovˇsem j´ a, a proto je rozhodnut´ı na mˇe. . . ˇ Otec Metodˇej pro mˇe sestavil seznam toho, co Srucha ve své n˚ uˇsi pˇrinesla:

práˇsek z kýchavice kapky z oc´ unu práˇsek z koˇrene ˇsalamounku vrbovou k˚ uru nˇekolik klobouˇck˚ u muchom˚ urky ˇcervené sirup z náprstn´ıku suˇsené listy medvˇedice suˇsenou dobromysl 1. Zjistˇete hlavn´ı u ´ˇcinné l´ atky vˇsech zm´ınˇen´ ych rostlin a rozˇrad’te je do skupin (fenolick´ a l´ atka, glykosid, pseudoalkaloid, protoalkaloid, aminokyselina, terpen). 2. Uved’te moˇzn´ y zp˚ usob pouˇzit´ı prospˇeˇsného ˇclovˇeku. 9



1. DIBAL-H

E2 KCN

2. H+ H+/H2O

F2

CH3Br

K*CN

H+/H2O/∆

LiAlH4

B

A Et2O

G2

C KCN

H+/H2O

D3

D1 1. DIBAL-H 2. H+

NH3/H2O

E3

G4 H+/H2O/∆

HBr/H+ ∆

CH3CHO

F4 NH3/H2O

H2

D2

E1 H+/H2O

H+/H2O/∆

F3

H4

1. DIBAL-H 2. H+

KCN

H+/H2O

F1 NH3/H2O

G3 H+/H2O/∆

H3

NH3/H2O

G1 H+/H2O/∆

H1

Obr´ azek 1: Pˇr´ıprava l´ atky H z K∗ CN 2. Které z l´ atek A aˇz H jsou chir´ aln´ı? Vyznaˇcte chir´ aln´ı atomy a napiˇste, kolik moˇzn´ ych enantiomer˚ u existuje. 3. Jak se jmenuje skupina l´ atek, do které l´ atka H patˇr´ı? 4. Jak se jmenuje syntéza l´ atky H z KCN? 5. Pokud byste dostali znaˇcenou l´ atku H, jak byste urˇcili, na jak´ ych pozic´ıch je znaˇcena? Pˇri pr´ aci s izotopy s kr´ atk´ ym poloˇcasem rozpadu, jak´ y má napˇr´ıklad i 11 C (τ = 20,4 minut), je potˇreba br´ at do u ´vahu nejen v´ ytˇeˇznost reakce, ale i dobu trv´ an´ı jej´ıho proveden´ı. Tento fakt si vysvˇetl´ıme na sledu reakc´ı, kdy z K∗ CN (∗ C = 11 C) pˇriprav´ıme H4 . Nejprve oznaˇcme jednotlivé reakˇcn´ı kroky ˇc´ısly 1 (vznik F4 ), 2 (vznik G4 ) a 3 (vznik H4 ), pˇr´ısluˇsné ˇcasy pro jednotlivé reakce (jedn´ a se o celkové ˇcasy, tzn. vˇcetnˇe pˇr´ıpravy, samotné reakce i zpracov´ an´ı) pak jsou t1 , t2 a t3 a v´ ytˇeˇzky reakc´ı jsou η1 , η2 a η3 . Mˇejme nyn´ı dva chemiky, kteˇr´ı pˇripravili l´ atku H4 . Prvn´ı z nich postupoval podle postupu A, druh´ y podle postupu B. 11



Postup A: t1 = 0,5 hod, t2 = 0,2 hod a t3 = 1,2 hod; η1 = 90 %, η2 = 80 % a η3 = 95 %. Postup B: t1 = 0,2 hod, t2 = 0,1 hod a t3 = 0,5 hod; η1 = 55 %, η2 = 35 % a η3 = 40 %. 6. Pokud do reakce vstupuje 1 mol K∗ CN (∗ C = 11 C), vypoˇc´ıtejte, kolik z´ısk´ ame znaˇcené l´ atky H4 podle jednotliv´ ych postup˚ u (A, B). Kter´ y postup je tedy v´ yhodnˇejˇs´ı? Pozn´ amka: Radioaktivn´ı rozpad je pops´ an rovnic´ı kinetiky prvn´ıho ˇr´ adu (1). Aktivita A pˇredstavuje poˇ cet rozpad˚ u za jednotku ˇ casu. Integrac´ı v´ yrazu (1) z´ısk´ ame z´ avislost poˇ ctu ˇ c´ astic na ˇ case (2). dN = λN dt N = N0 e−λt A=−

(1) (2)

N0 znaˇ c´ı poˇ cet ˇ c´ astic na poˇ c´ atku, N poˇ cet ˇ c´ astic v ˇ case t a λ rychlostn´ı (rozpadovou) konstantu, kter´ a je nepˇr´ımo u ´mˇ ern´ a poloˇ casu rozpadu τ (3). λ=

ln 2 τ

12

(3)



´ Uloha ˇ c. 5: Atomic Bomberman Autor: Karel Berka

16 bod˚ u

Atomic Bomberman je star´ a poˇc´ıtaˇcov´ a hra z doby PC 386. Hra je to jednoduch´ a a rychl´ a. Hr´ aˇc v roli Bombermana pokl´ ad´ a v bludiˇsti bomby, jimiˇz si otev´ır´ a nové prostory a zab´ıj´ı protihr´ aˇce, kteˇr´ı proti nˇemu bojovali stejnými prostˇredky. Je ot´ azkou, zda by to tak jednoduché bylo i ve skuteˇcnosti. Asi ne. Ale vybuchovat n´ am toho bude dost, nebojte. Zamˇeˇr´ıme se totiˇz na chemii výbuˇsnin. V´ ybuˇsniny se nejˇcastˇeji naz´ yvaj´ı l´ atky schopné oxidace, pˇri jejichˇz aktivaci nastane v´ ybuch. Ale oxidace m˚ uˇze prob´ıhat i jin´ ymi rychlostmi. 1. Podle reakˇcn´ı rychlosti oxidace se daj´ı odliˇsit pojmy: deflagrace, detonace a neexplozivn´ı hoˇ ren´ı. Seˇrad’te tyto pojmy podle rychlosti. 2. Jak´ ym z nich se bude nejˇcastˇeji oznaˇcovat oxidace stˇrelivin5 ? 3. Jak byste doc´ılili, aby oxidace stˇrelivin prob´ıhala podle zb´ yvaj´ıc´ıch dvou pojm˚ u? Aby mohlo doj´ıt k oxidaci, je samozˇrejmˇe zapotˇreb´ı k l´ atce nˇejak´ ym zp˚ usobem dopravit kysl´ık. A to bud’ ze vzduchu, nebo pˇrid´ an´ım oxidaˇcn´ıho ˇcinidla. Nˇekteré l´ atky nicménˇe obsahuj´ı dostatek kysl´ıku pro svou vlastn´ı oxidaci. Jednoduch´ y zp˚ usob, jak spoˇc´ıtat, zda je v l´ atce dostatek kysl´ıku, pˇredstavuje tzv. kysl´ıkov´ y pomˇer. Jedn´ a se o porovn´ an´ı poˇctu atom˚ u kysl´ıku v molekule v´ ybuˇsniny v˚ uˇci poˇctu atom˚ u kysl´ıku, které by byly v molekul´ ach spalin (CO2 , H2 O, N2 ). Kysl´ıkov´ y pomˇer je pak definov´ an jako poˇcet pˇreb´ yvaj´ıc´ıch nebo chybˇej´ıc´ıch atom˚ u kysl´ıku n´ asoben´ y pod´ılem molárn´ı hmotnosti kysl´ıku a molárn´ı hmotnosti v´ ybuˇsniny. Pokud má smˇes v´ıc kysl´ık˚ u, neˇz by potˇrebovala, je v´ ysledn´ y kysl´ıkov´ y pomˇer vˇetˇs´ı neˇz nula. 4. Urˇcete kysl´ıkové pomˇery pro dusiˇcnan amonn´ y, nitroglycerin a TNT. 5. Aby se doc´ılilo nejvˇetˇs´ı u ´ˇcinnosti v´ ybuˇsnosti, je nejlepˇs´ı, kdyˇz má smˇes kysl´ıkov´ y pomˇer rovn´ y nule. Urˇcete molárn´ı a hmotnostn´ı zlomek pro nej´ uˇcinnˇejˇs´ı smˇes TNT a dusiˇcnanu amonného. 6. Pˇredpokl´ adejte, ˇze vybuchl 1,00 g nitroglycerinu. Urˇcete, kolik mol˚ u plyn˚ u vzniklo, a pomoc´ı stavové rovnice pro ide´ aln´ı plyn vypoˇc´ıtejte objem plyn˚ u pˇri 1 atm a teplotˇe 25 ◦ C. 5 Podrobnˇ ejˇs´ı

definice viz 4. d´ıl seri´ alu o detektivn´ı chemii.

13



7. Pomoc´ı sluˇcovac´ıch tepel urˇcete, kolik se pˇri v´ ybuchu 1,00 g nitroglycerinu uvolnilo energie. L´ atky, které v molekule neobsahuj´ı kysl´ık, vˇetˇsinou nejsou samy o sobˇe v´ ybuˇsné. Ke své oxidaci pouˇz´ıvaj´ı kysl´ık atmosférick´ y. Nicménˇe nevybuchuj´ı pˇri kaˇzdém pomˇeru s kysl´ıkem, ale pouze v rozmez´ı mezi tzv. spodn´ım v´ ybuˇsn´ ym limitem (LEL – Lower Explosive Limit) a horn´ım v´ ybuˇsn´ ym limitem (UEL – Upper Explosive Limit). Limity se daj´ı vyj´ adˇrit dvˇema rozd´ıln´ ymi zp˚ usoby – bud’ hmotnostn´ımi procenty, nebo pomoc´ı pomˇeru l´ atkov´ ych mnoˇzstv´ı paliva a okysliˇcovadla. Pomˇer Φ pak ud´ av´ a, jak moc se liˇs´ı pomˇer paliva k okysliˇcovadlu od stechiometrického sloˇzen´ı. 8. Proˇc l´ atka nem˚ uˇze hoˇret pod spodn´ım a nad horn´ım v´ ybuˇsn´ ym limitem? 9. V kuchyni o rozmˇerech 4 × 4 × 2,5 m je porouchan´ y spor´ ak, ze kterého se zaˇcal uvolˇ novat zemn´ı plyn rychlost´ı zhruba 100 gram˚ u za hodinu. Methan má meze hoˇrlavosti Φ = 0,5–1,6. Za jak dlouho bude m´ıt methan v´ ybuˇsnou koncentraci? Pˇredpokl´ adejte, ˇze vzduch v m´ıstnosti obsahoval 21 mol. % kysl´ıku pˇri tlaku 1 atm a teplotˇe 25 ◦ C a kuchynˇe je uzavˇren´ ym systémem. 10. Vyrazil by methan dveˇre a okna? Snesly by dveˇre a okna mechanickou explozi? A co termickou? Dveˇre vydrˇz´ı stabiln´ı rozd´ıl tlak˚ u 1,0 atm a okna 0,1 atm. N´ arazovˇe vydrˇz´ı zhruba 10× ménˇe. Pˇri v´ ybuchu m˚ uˇze teplota v m´ıstnosti vzr˚ ust i o 1000 ◦ C. CV (vzduch) = 20,85 J mol−1 K−1 . 11. Mimochodem, bombu lze vyrobit i ze suchého ledu. Navrhnˇete jak. Jaké chemické stopy byste na m´ıstˇe v´ ybuchu takové bomby naˇsli? 12. Co by se stalo, pouˇzil-li by se m´ısto suchého ledu kapaln´ y dus´ık? Potˇ rebn´ eu ´ daje L´ atka (skupenstv´ı) CO2 (g) H2 O (g) methan(g) nitroglycerin (s)

∆sluˇcH◦ [kJ mol−1 ] −393,51 −241,83 −74,78 −364

Tabulka 1: Standardn´ı sluˇcovac´ı entalpie slouˇcenin. Prvky v základn´ım stavu maj´ı sluˇcovac´ı entalpii rovnu nule.

14



ˇ sen´ı u Reˇ ´loh 3. s´ erie 6. roˇ cn´ıku KSICHTu ´ Uloha ˇ c. 1: Kdopak je tat´ınek? Autoˇri: Karel Berka a Pavla Spáˇcilová

8 bod˚ u

1. Rodiˇce AB maj´ı dva syny RT a rodiˇce CD maj´ı syna S a dceru P (obr´ azek 1).

Obr´ azek 1: Vztahy mezi rodiˇci a dˇetmi v naˇs´ı skupince

2. Jestliˇze má rodiˇc A krevn´ı skupinu A, jsou zde dvˇe moˇznosti jeho genotypu (AA, nebo A0). Rodiˇc B pak m˚ uˇze m´ıt genotyp BB nebo B0. B/A

A

A

A

0

AB/0

0

0

B B

AB AB

AB AB

AB AB

B0 B0

A B

A0 B0

A0 B0

B 0

AB A0

AB A0

AB A0

B0 00

Tabulka 1: Vˇsechny moˇznosti genotyp˚ u krevn´ıch skupin dˇet´ı

3. Jejich dˇeti R a T mohou m´ıt libovolnou krevn´ı skupinu (viz tabulka 1) s pravdˇepodobnostmi 56,3 % AB, 18,8 % A, 18,8 % B a koneˇcnˇe 6,3 % 0. 15



Naproti tomu dˇeti P a S maj´ı kaˇzdé 50% ˇsanci m´ıt pouze skupinu A nebo skupinu B. 4. V celém lidském genomu se vyskytne v pr˚ umˇeru 3600 mutac´ı. mnoˇzstv´ı mutac´ı = velikost genomu · chybovost 1 ≈ 3600 = 3 · 109 · 8,3 · 105

(1)

Pravdˇepodobnost v´ yskytu mutace se vypoˇc´ıt´ a podobnˇe, jen m´ısto velikosti genomu dopln´ıme velikost DNA v repetitivn´ıch kousc´ıch DNA (10 · 50 bp). Pravdˇepodobnost v´ yskytu mutace je pak 6,02 · 10−4 , takˇze pˇresnost metody je cca 99 %. 5. Proteiny jsou rozdˇeleny podle u ´ˇcasti na rekombinaci v tabulce 2. protein

funkce

DNA polymer´ aza

na základˇe jednoho vl´ akna DNA syntetizuje druhé vl´ akno z nukleosidtrifosf´ at˚ u spojuje zlomy v DNA hlavn´ı motor celé rekombinace, drˇz´ı u sebe vl´ akna DNA a vytv´ aˇr´ı jejich komplexy vytv´ aˇr´ı zlomy v DNA, které jsou potˇrebné k zah´ ajen´ı rekombinace

lig´ aza rekombin´ aza topoizomeráza fosfat´ aza elast´ aza jadern´ y importin RNA polymeráza telomer´ aza

odˇstˇepuje fosf´ atové zbytky z protein˚ u ˇstˇep´ı elastinov´ a vl´ akna protein umoˇzn ˇuj´ıc´ı specifick´ y transport protein˚ u do j´ adra syntetizuje RNA podle DNA templátu syntetizuje koncové chromozomové u ´seky – telomery

Tabulka 2: Proteiny u ´ˇcastn´ıc´ı se rekombinace (horn´ı polovina tabulky) a ne´ uˇcastn´ıc´ı se rekombinace (doln´ı polovina tabulky)

6. Robin Holliday (obr´ azek 2), je po nˇem pojmenována struktura vznikaj´ıc´ı pˇri DNA rekombinaci – tzv. Holliday junction. 7. Rozvrstven´ı krevn´ıch skupin jak ˇreˇsitel˚ u, tak i autor˚ u celkem pˇeknˇe kop´ıˇ (obr´ ˇ ruje rozloˇzen´ı krevn´ıch skupin v populaci CR azek 3). Skoda jen, ˇze 16



Obr´ azek 2: Robin Holliday a Holliday junction zhruba polovina ˇreˇsitel˚ u (ale i autor˚ u) nevˇedˇela, jakou krevn´ı skupinu má. Darujte krev, tam v´ am to ˇreknou.

Obr´ azek 3: V´ yskyt krevn´ıch skupin mezi ˇreˇsiteli a autory

Ot´ azka 1 – 2 body, ot´ azka 2 – 3 body, ot´ azka 3 – 1 bod, ot´ azka 4 – 1 bod a ot´ azka 5 – 1 bod. Celkem 8 bod˚ u.

17


´ Uloha ˇ c. 2: Koˇ renov´ y muˇ z´ık Autor: Helena Handrkov´ a


5 bod˚ u

1. (a) Mandragora lékaˇrsk´ a, Mandragora officinalis (staˇc´ı rodov´ y n´ azev rostliny). (b) Brambor. Dod´ av´ am, ˇze se jednalo o ˇceled’ lilkovité, Solanaceae. 2. (a) NCH3 O

O

Obr´ azek 1: Tropinon (b) —N(CH3 )— 3. (a) arginin (b) ornithin, 2,5-diaminopentanov´ a kyselina 4. (a) fenylalanin → fenyl (b) —O—(C=O)— 5.

NCH3 O OH O O

Obr´ azek 2: Skopolamin

Po 0,8 bodu za ot´ azky 1a, 2a, 3b a po 0,4 bodu za ot´ azky 1b, 2b, 3a, 4a, 4b. Za spr´ avné urˇcen´ı alkaloidu ψ (ot´ azka 5) 0,6 bodu. Celkem 5 bod˚ u.

18



Literatura 1. Vondráˇcek V, Riedl O.: Klinická toxikologie, SZN, Praha, 1958 2. Yamada Y, Tabata M: Plant Biotechnology of Tropane Alkaloids, Plant Biotechnology, 14(1); 1-10, 1997

´ Uloha ˇ c. 3: Dob´ yv´ an´ı vesm´ıru Autor: V´ aclav Kub´ at

12 bod˚ u

1. Bylo to 21. ˇcervence 1969 v 2.56 UTC (koordinovan´ y svˇetov´ y ˇcas). 2. Jadernˇe spinové izomery dvouatomov´ ych molekul vznikaj´ı u molekul X2 , jejichˇz jadern´ y spin (analogie spinu elektron˚ u, jen se jedn´ a o j´ adra) je r˚ uzn´ y od 0. Kaˇzdé j´ adro vod´ıku má sv˚ uj spin (↑ nebo ↓) a pokud dvˇe j´ adra vytvoˇr´ı molekulu H2 , mohou nastat dva pˇr´ıpady:

Spoj´ı se jádra se stejn´ ym spinem: spiny budou paraleln´ı (↑↑), vznikne energeticky bohatˇs´ı ortho-vod´ık (o-H2 ) Spoj´ı se jádra s rozd´ıln´ ym spinem: spiny budou antiparaleln´ı (↑↓), vznikne energeticky chudˇs´ı para-vod´ık (p-H2 ) Tyto izomery se m´ırnˇe liˇs´ı svou energi´ı a podle toho budou v závislosti na teplotˇe vznikat a vz´ ajemnˇe se na sebe mˇenit. Pˇri 0 K vznikne jen p-H2 , se zvyˇsuj´ıc´ı se teplotou bude pˇrib´ yvat o-izomeru aˇz se rovnováha ust´ al´ı na pomˇeru 75 % o-H2 : 25 % p-H2 zachovaném i za normáln´ıch podm´ınek. Jejich pˇremˇena o-H2 ←→ p-H2 + energie (0,08 kJ mol−1 )

(1)

m˚ uˇze b´ yt katalyzov´ ana paramagnetick´ ymi l´ atkami, napˇr. oxidem ˇzelezit´ ym. 3. Jaderná izomerie vod´ıku má pro raketové palivo nemal´ y v´ yznam. Pokud totiˇz do n´ adrˇze natankujeme o-H2 (respektive smˇes izomer˚ u), bude doch´ azet k v´ yˇse zm´ınˇené exotermické reakci, o-H2 se bude mˇenit na p-H2 za uvolnˇen´ı energie, coˇz znamen´ a, ˇze soustava se sama ohˇr´ıv´ a. Uvolnˇen´ a energie sice nen´ı nijak extrémnˇe vysok´ a, ale protoˇze v´ yparné teplo vod´ıku je také n´ızké, bude to znamenat odpaˇren´ı ˇc´ asti potˇrebného paliva, tedy 19



jeho ztr´ atu. Proto je nutné kapaln´ y vod´ık nejprve pˇrevést na p-izomer (to je u ´dajnˇe technologicky ˇreˇseno mj. c´ılenˇe trochu rezav´ ym potrub´ım – jak bylo zm´ınˇeno v´ yˇse, oxid ˇzelezit´ y, tedy rez, katalyzuje pˇremˇenu o-vod´ıku na p-vod´ık) a z´ıskan´ y p-H2 chladit, aby nedoch´ azelo k jeho zpˇetné pˇremˇenˇe. Pro u ´plnost je tˇreba podotknout, ˇze tento problém nepostihuje jen inˇzen´ yry v kosmick´ ych agentur´ ach, ale kohokoliv, kdo chce vyr´ abˇet/skladovat kapaln´ y vod´ık. 4. 0 4 CH3 HN−II N−II H2 + 5 NIV 2 O4 → 4 CO2 + 9 N2 + 12 H2 O

(2)

5. Jedná se o synproporcionaci. Pˇr´ıkladem je tˇreba reakce sulfanu s oxidem siˇriˇcit´ ym: 2 H2 S + SO2 → 2 H2 O + 3 S

(3)

6. Reakce methylhydrazinu s N2 O4 je bezpeˇcnˇejˇs´ı a lépe regulovatelná. Kysl´ık s vod´ıkem totiˇz po sm´ıchán´ı reaguj´ı velmi pomalu, pro explozivn´ı (v tomto pˇr´ıpadˇe ˇz´ adan´ y) pr˚ ubˇeh je tˇreba iniciace v podobˇe jiskry. Pˇri startu raketopl´ anu m˚ uˇzeme jiˇz chv´ıli pˇred startem dole u trysek motor˚ u vidˇet celé svazky jisker zaruˇcuj´ıc´ı bezpeˇcné zaˇzehnut´ı paliva v prav´ y okamˇzik. Pokud by k zap´ alen´ı smˇesi kv˚ uli nˇejaké závadˇe nedoˇslo, palivo by se hromadilo v trysk´ ach a pˇr´ıpadn´ y v´ ybuch by mohl m´ıt katastrofáln´ı n´ asledky, obzvl´ aˇstˇe ve vesm´ıru, kde by pos´ adka nemohla oˇcekávat brzkou pomoc ze Zemˇe. Oproti tomu, jak bylo zm´ınˇeno v u ´vodu k této sadˇe ot´ azek, smˇes MeN2 H3 s N2 O4 je samozápaln´ a, tedy ˇz´ adnou iniciaci nepotˇrebuje, l´ atky po sm´ıchán´ı zreaguj´ı a ke zniˇcuj´ıc´ı explozi nem˚ uˇze doj´ıt. Kromˇe toho tento pr˚ ubˇeh reakce zaruˇcuje pˇresnˇejˇs´ı manévrov´ an´ı neˇz v´ ybuch kysl´ıku a vod´ıku. Jak vid´ıte, NASA (a vˇsechny obdobné vesm´ırné organizace) si opravdu vˇse pojist´ı, jak jen je to moˇzné. 7. Peroxid˚ u alkalick´ ych kov˚ u se pouˇz´ıv´ a pro regeneraci d´ ychatelné atmosféry. A pln´ı hned dvoj´ı u ´ˇcel: odstraˇ nuj´ı oxid uhliˇcit´ y vyprodukovan´ y astronauty a zároveˇ n ve stejné reakci uvolˇ nuj´ı kysl´ık potˇrebn´ y pro d´ ychán´ı: Li2 O2 + CO2 → Li2 CO3 +

1 2

O2

(4)

8. Nejv´ yhodnˇejˇs´ı je peroxid lithn´ y, protoˇze lithium je nejlehˇc´ı alkalick´ y kov a jeho peroxid má tedy nejvyˇsˇs´ı procentueln´ı obsah kysl´ıku (69,74 %) ze vˇsech peroxid˚ u alkalick´ ych kov˚ u (Na2 O2 uˇz obsahuje jen“ 41,04 % atd.). ” Pro uvolnˇen´ı stejného mnoˇzstv´ı kysl´ıku je tedy tˇreba menˇs´ı hmotnost peroxidu, coˇz se pochopitelnˇe poˇc´ıtá v podm´ınk´ ach, kdy kaˇzd´ y gram zátˇeˇze je tˇreba dopravit na orbitu. 20



9. CO2 je moˇzné z atmosféry odstraˇ novat pohlcován´ım v alkalickém hydroxidu (opˇet je nejv´ yhodnˇejˇs´ı LiOH, protoˇze je nejlehˇc´ı): CO2 + LiOH → LiHCO3

(5)

Kysl´ık je moˇzné transportovat v tlakov´ ych lahv´ıch, coˇz je ovˇsem prostorovˇe n´ aroˇcnˇejˇs´ı neˇz vozit s sebou pevn´ y peroxid. Dalˇs´ı moˇznost´ı, vyuˇz´ıvanou tˇreba nukle´ arn´ımi ponorkami, je v´ yroba kysl´ıku elektrol´ yzou vody. Pochopitelnˇe toto si mohou dovolit pr´ avˇe nukle´ arn´ı ponorky, které maj´ı vlastn´ı reaktor a tedy relativn´ı pˇrebytek elektrické energie a v neposledn´ı ˇradˇe spoustu vody vˇsude kolem sebe, pro vesm´ırné lodi je to krajnˇe nev´ yhodné. 10. D´ıky vˇsem, kteˇr´ı odpovˇedˇeli, za n´ azory. Dopadlo to pomˇernˇe jednoznaˇcnˇe, z 61 doˇsl´ ych ˇreˇsen´ı 44 vyjadˇrovalo n´ azor, ˇze ve vesm´ıru nejsme sami, 6 z v´ as si mysl´ı, ˇze sami jsme. 10 ˇreˇsitel˚ u na ot´ azku ˇc. 10 neodpovˇedˇelo a 1 je rozpolcen, mysl´ı si, ˇze na 50 % jsme sami a na 50 % ne. Vaˇse nejˇcastˇejˇs´ı odpovˇedi se t´ ykaly jednak pouhé“ statistiky, tedy myˇslenky typu vesm´ır ” je tak velk´ y, ˇze uˇz ze statistického hlediska by nˇejaká forma ˇzivota nˇekde existovat mˇela. Mnoho z v´ as ovˇsem polemizuje s klasickou“ pˇredstavou ” zelen´ ych muˇz´ıˇck˚ u s anténkama a vyjadˇruje n´ azor, ˇze ˇzivot sice existuje, ale jestli je to forma inteligentn´ı, maj´ıc´ı vlastn´ı civilizaci podobnou té naˇs´ı, je ve hvˇezd´ ach. Podobnˇe dopadl i pr˚ uzkum mezi organiz´ atory KSICHTu, z 13 osloven´ ych si 10 organizátor˚ u mysl´ı, ˇze ˇzivot ve vesm´ıru existuje, 3 si mysl´ı opak. Ot´ azka 1 – 0,5 bodu, ot´ azka 2 – 2 body, ot´ azka 3 – 1,5 bodu, ot´ azka 4 – 1,5 bodu, ot´ azka 5 – 1 bod, ot´ azka 6 – 1,5 bodu, ot´ azka 7 – 1,25 bodu, ot´ azka 8 – 1 bod, ot´ azka 9 – 1,5 bodu a ot´ azka 10 – 0,25 bodu. Celkem 12 bod˚ u.

21



´ Uloha ˇ c. 4: L´ atka X Autor: Zbynˇek Rohl´ık

11 bod˚ u

1. A: imidazol, B: fosgen, C: chlorid imidazolia, D: oxid uhliˇcit´ y, X: 1,1’karbonyldiimidazol (CDI) neboli bis(imidazol-1-yl)keton O N

N

N

N

2. Reakce (1) a (2): H

O

N

4

H

O + Cl

N

N

N

Cl

+

N

N

2

. HCl

N N

O N

N

H + H2O

N

N

2

+ CO2

N N

3. Klasick´ a aparatura pro j´ım´ an´ı plynu nad vodou; pˇresná nav´ aˇzka CDI rozloˇzena nadbytkem vody, vznikl´ y plyn j´ımán nad vodou; v´ ypoˇcet ze stavové rovnice ide´ aln´ıho plynu (p, T , V ), oprava na tenzi vodn´ı p´ ary a rozpustnost CO2 ve vodˇe (pˇr´ıpadnˇe pˇredem nasycené). . . 4. O

O

O

R

R O

N

N

N

N

N

R

N

N

R

Obr´ azek 1: Intermedi´ aty Y1 –Y3

5. Tˇr´ıdy slouˇcenin Z1 –Z5 se naz´ yvaj´ı: dialkylkarbon´ aty (estery kyseliny uhliˇcité); O-alkyl-N,N -dialkylkarbam´ aty (estery kyseliny dialkylkarbamové); N,N,N’,N’ -tetraalkylmoˇcoviny; estery/laktony; amidy/laktamy. Pozn´ amka: Uzn´ av´ any byly jak´ ekoli smyslupln´ e variace.

22



O

O

O

R

R R O

O

R R N

O

R

O

O R

N

N

R

R

R R

O

R R

N R

Obr´ azek 2: Tˇr´ıdy slouˇcenin Z1 –Z5 6. 4 NH3 + COCl2 → CO(NH2 )2 + 2 NH4 Cl

(3)

7. Vznik´ a CH3 COOH a imidazol; 13 CO2 opustil reakˇcn´ı smˇes uˇz pˇri pˇr´ıpravˇe Y3 . 8. a) vznik´ a jej´ı laktam: 3,4-dihydro-1H-chinolin-2-on, b) vznik´ a 3-fenyl-4H[1.2.4]oxadiazol-5-on neboli 3-fenyl-1-oxa-2,4-diazacyklopent-2-en-5-on O N N

O

Ph

O N

Ot´ azka 1 – 2,5 bodu, ot´ azka 2 – 1 bod, ot´ azka 3 – 1 bod, ot´ azka 4 – 1,5 bodu, ot´ azka 5 – 2,5 bodu, ot´ azka 6 – 0,5 bod, ot´ azka 7 – 1 bod a ot´ azka 8 – 1 bod. Celkem 11 bod˚ u.

´ Uloha ˇ c. 5: Legr´ acky s tekut´ ym dus´ıkem (I) Autor: Radek Matuˇska

15 bod˚ u

1. Bˇeˇznˇe se dnes dus´ık z´ıskáv´ a zkapalnˇen´ım vzduchu a jeho n´ aslednou frakˇcn´ı destilac´ı a zpˇetn´ ym zkapalnˇen´ım dus´ıku. Vynálezcen je Carl von Linde a spojitost n´ azvu firmy Linde Technoplyn s jeho jménem nen´ı ˇcistˇe náhodná. 2. Rozklad prob´ıhá podle rovnice NH4 NO2 → N2 + 2 H2 O.

23

(1)



3. Nejjednoduˇsˇs´ı asi bude pouˇz´ıt stavovou rovnici ide´ aln´ıho plynu pV = nRT

⇒

pV =

m RT M

(2)

Z n´ı vyj´ adˇr´ıme molárn´ı hmotnost smˇesi plyn˚ u v trubici s vyroben´ ym dus´ıkem M=

mRT . pV

(3)

Pˇredpokl´ ad´ ame-li, ˇze oba dva plyny jsou ide´ aln´ı, je molárn´ı hmotnost jejich smˇesi rovna: (4)

M = x? M? + xN2 MN2

Porovnán´ım dvou posledn´ıch rovnic dostaneneme v´ yraz, ze kterého uˇz molárn´ı hmotnost nezn´ amého plynu vyj´ adˇr´ıme jako x? M? + xN2 MN2 =

mRT pV

⇒

M? =

mRT pV

− xN2 MN2 x?

.

(5)

Pokud tedy do (5) dosad´ıme ˇc´ıselné hodnoty (pro dus´ık xN2 = 0,9882, amého plynu MN2 = 28,0134 g mol−1 ), dostaneme molárn´ı hmotnost nezn´ M? =

2,1880·8,314·297,15 0,96·105 ·2·10−3 −0,9882·28,0134

0,0118

= 39,9 g mol−1 .

(6)

Nezn´ am´ ym plynem je tedy argon, kter´ y se opravdu v dus´ıku vyskytuje protoˇze jej nelze ze vzduchu chemicky odstranit. 4. Tekut´ y dus´ık se pˇri kontaktu s rukou, která má teplotu asi o 200 K vyˇsˇs´ı, velmi rychle odpaˇruje a tvoˇr´ı tak mezi nebezpeˇcnˇe ledov´ ym kapaln´ ym dus´ıkem a rukou jak´ ysi izolaˇcn´ı polˇstáˇr“, kter´ y zajist´ı, abychom na kr´ at” kou dobu nezmrzli. 5. Jakékoliv zkr´ aˇsluj´ıc´ı kovové i nekovové pˇredmˇety si samozˇrjemˇe sundat mus´ıme. Ale ne proto, ˇze by hrozilo zmenˇsen´ı jejich pr˚ umˇeru, jak pr´ avˇe ukáˇzeme. Délka pevného materi´ alu v z´ avisloti na teplotˇe je pops´ ana rovnic´ı ℓ = ℓ0 · (1 + α · ∆T ).

24

(7)



Délka“ prstenu je dána jeho obvodem, tedy ℓ0 = πd0 . Jeho nov´ y pr˚ umˇer ” je d = ℓ/π. Nov´ a délka je daná rovnic´ı uvedenou v´ yˇse, tedy po dosazen´ı: d=

πd0 · (1 + α∆T ) = d0 · (1 + α∆T ) π

(8)

Dosazen´ım do pˇredchoz´ı rovnice máme d = 1,8 · (1 + 1,9 · 10−5 · (−226)) = = 1,79 cm. Ucvaknut´ı prstu pstenem tedy bezprostˇrednˇe nehroz´ı. Nebezpeˇc´ı vˇsak spoˇc´ıvá v tom, ˇze v okol´ı prstenu se d´ıky jeho pomˇernˇe malé tepelné kapacitˇe a velké tepelné vodivosti netvoˇr´ı onen ochrann´ y polˇst´ aˇr“ ” plynu a velmi re´ alnˇe tak hroz´ı opravdové zmrznut´ı tk´ anˇe pod prstenem, n´ aramkem apod. 6. Ano, samozˇrejmˇe by se nˇeco stalo a nebylo by to moc pˇr´ıjemné. I onen plynov´ y polˇstáˇr“ se totiˇz ochlazuje (i kdyˇz relativnˇe pomalu) a pˇri delˇs´ım ” ponechán´ı ruky v kapalném dus´ıku opˇet hroz´ı jej´ı zmrznut´ı a t´ım i nevratné poˇskozen´ı. 7. Vzhledem k tomu, ˇze hadiˇcka je vyrobena z pryˇze, docház´ı pˇri teplotˇe tekutého dus´ıku v jej´ı struktuˇre ke sn´ıˇzen´ı pohyblivosti jednotliv´ ych polymern´ıch jednotek a t´ım i k celkovému sn´ıˇzen´ı elasticity. Teplota, pod kterou k tomuto doch´ az´ı, se naz´ yv´ a teplotou skelného pˇrechodu a je pro kaˇzd´ y polymer jin´ a. Kˇrehkou a ochlazenou pryˇz lze tedy pod teplotou skelného pˇrechodu rozb´ıt podobnˇe jako tal´ıˇr nebo sklenici. 8. Pˇri ohˇra´t´ı na pokojovou teplotu se elasticita kauˇcuku navr´ at´ı, protoˇze dojde k pˇrekroˇcen´ı teploty skelného pˇrechodu a t´ım i zv´ yˇsen´ı pohyblivosti polymern´ıch jednotek. 9. Je to zp˚ usobeno t´ım, ˇze pˇri ochlazen´ı kov˚ u doch´ az´ı ke sn´ıˇzen´ı Youngova modulu pruˇznosti, s ˇc´ımˇz souvis´ı i zv´ yˇsen´ı rychlosti zvuku a sn´ıˇzen´ı tlumen´ı kmit˚ u v l´ atce. Pokud tedy onen olovˇen´ y zvonec ochlad´ıme na teplotu tekutého dus´ıku, bude se v nˇem zvuk ˇs´ıˇrit lépe neˇz v olovu pˇri pokojové teplotˇe a zvonec zazvon´ı. 10. Chemické sloˇzen´ı b´ılého obalu je H2 O. Je to vzduˇsná vlhkost, která pˇrimrzla na zchlazené olovo. 11. Zde je opˇet d˚ uvodem pomˇernˇe vysok´ a tepeln´ a vodivost kov˚ u. Kdybychom na podchlazen´ y kovov´ y zvonec sáhli pˇr´ımo rukou, velmi pravdˇepodobnˇe bychom k nˇemu pˇrimrzli. Plastov´ a rukojet’ s malou tepelnou vodivost´ı toto riziko ˇcásteˇcnˇe eliminuje.

25



12. Z Charlesova z´ akona pro ide´ aln´ı plyn plat´ı, ˇze p/T = konst., a tedy mus´ı platit, ˇze p1 /T1 = p2 /T2 . Z tohoto jednoduˇse vyj´ adˇr´ıme p2 = p1 · (T2 /T1 ), to n´ am poskytne v´ ysledky p2 = 0,96 · 105 · (77/297) = 24,9 kPa. 13. Chyba je v tom, ˇze nˇekteré plyny obsaˇzené ve vzduchu pˇri teplotˇe tekutého dus´ıku kapaln´ı, nˇekteré pˇrecház´ı do pevné f´ aze. Jedn´ım z tˇechto plyn˚ u je i kysl´ık, kter´ y je v kondenzátu témˇeˇr v´ yhradnˇe zastoupen. Krystalky odpov´ıdaj´ı zmrzlé vzduˇsné vlhkosti. 14. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, jedná se o smˇes zkondenzovan´ ych plyn˚ u, jimˇz ale dominuje kysl´ık. Objem plynného kysl´ıku v l´ ahvi je VO2 (g) = x · VPET . Jeho l´ atkové mnoˇzstv´ı ze stavové rovnice potom nO2 (g) = (pVO2 (g) )/(RT ). Spojen´ım tˇechto dvou rovnic dostaneme: nO2 (g) =

pxVPET RT

(9)

Objem vzniklého kysl´ıku z´ıskáme ze vztah˚ u n = m/M a m = ρV . Plat´ı tedy, ˇze objem vypoˇcteme jako VO2 (l) = nMO2 /ρO2 (l) . Dosazen´ım tohoto vztahu do rovnice (9) dostaneme v´ ysledn´ y vztah, kter´ y po vyˇc´ıslen´ı poskytne v´ ysledek: VO2 (l) =

pxVPET MO2 0,96 · 105 · 0,21 · 0,5 · 10−3 · 31,998 · 10−3 = (10) ρO2 (l) RT 1140 · 8,314 · 297

V´ yˇse uveden´ y v´ yraz poskytuje v´ ysledek VO2 (l) = 0,11 ml. 15. Pravdˇepodobnˇe by doˇslo k prudké oxidaci hadiˇcky kysl´ıkem – moˇzn´ y je i v´ ybuch. 16. Vypaˇrov´ an´ı dus´ıku je reakce, pˇri které se spotˇrebuje znaˇcné mnoˇzstv´ı tepla. Pokud m´ ame dus´ık um´ıstˇen v nˇejaké relativnˇe dobˇre tepelnˇe izolované nádobˇe, pak teplo, které se spotˇrebuje na odpaˇren´ı, je vlastnˇe vyuˇzito k chlazen´ı zbylého dus´ıku. Proto lze s mal´ ym mnoˇzstv´ım vystaˇcit relativnˇe dlouho. Ot´ azka 1 – 0,5 bodu, ot´ azka 2 – 0,4 bodu, ot´ azka 3 – 1,9 bodu, ot´ azka 4 – 1 bod, ot´ azka 5 – 1,9 bodu, ot´ azka 6 – 0,8 bodu, ot´ azka 7 – 0,9 bodu, ot´ azka 8 – 0,7 bodu, ot´ azka 9 – 0,9 bodu, ot´ azka 10 – 0,7 bodu, ot´ azka 11 – 0,6 bodu, ot´ azka 12 – 0,7 bodu, ot´ azka 13 – 0,7 bodu, ot´ azka 14 – 1,6 bodu, ot´ azka 15 – 0,8 bodu a ot´ azka 16 – 0,9 bodu. Celkem 15 bod˚ u.

26



Seri´ al o detektivn´ı chemii – Pˇr´ıbˇ ehy ˇ z´ aru a v´ ybuch˚ u Autor: Karel Berka Detektiv Chemie se rozhlédl po tom, co zbylo z kuchynˇe. Nejv´ıc ˇcerné zdi jsou kolem spor´ aku a hlavnˇe trouby, to se dalo ˇcekat,“ po” myslel si detektiv. Pohled mu zabloudil na rozsekané okno, kterým sem dopadalo svˇetlo. Ale k oknu nevedla ˇcern´ a stopa, kter´ a by napov´ıdala, ˇze bylo otevˇrené v dobˇe poˇza ´ru. Ohoˇrelý byl pˇredevˇs´ım p´ as ve výˇsi oˇc´ı, coˇz by odpov´ıdalo hoˇren´ı ˇ by pˇrece jen samovolnˇe chytl plyn z trouby, který nˇekdo zapomnˇel plynu. Ze zavˇr´ıt? Detektiv se opatrnˇe pˇribl´ıˇzil ke spor´ aku a jaké bylo jeho pˇrekvapen´ı, kdyˇz zjistil, ˇze jde o spor´ ak elektrický a v troubˇe byla plynov´ a bomba. To mi ˇreknˇete, Om´ aˇcko, jak nˇekoho m˚ uˇze napadnout d´ at do elektrické ” ˇ aˇr byl bud’ neuvˇeˇritelnˇe geni´ trouby plynovou bombu? Zh´ aln´ı, nebo naopak neuvˇeˇritelnˇe hloupý. . .“ detektiv nevˇeˇr´ıcnˇe zavrtˇel hlavou a ˇsel se poptat majitele, zda jezd´ı obˇcas na ˇcundr.

H´ oˇ r´ı, h´ oˇ r´ı. . . ˇ ık´ R´ a se, ˇze oheˇ n je dobr´ y sluha, ale zl´ y pán. A zl´ y je i pro pozdˇejˇs´ı vyˇsetˇrov´ an´ı. Staˇc´ı si uvˇedomit, ˇze jako palivo funguje takˇrka jak´ ykoliv organick´ y materi´ al, takˇze na otisky prst˚ u m˚ uˇzete zapomenout. Mnohdy dokonce zniˇc´ı celou scénu zloˇcinu, ˇcasto i vinou pomoci hasiˇc˚ u, kteˇr´ı se snaˇzili oheˇ n uhasit. Podobnˇe nepˇr´ıjemnˇe se chovaj´ı k d˚ ukazn´ımu materiálu i v´ ybuˇsniny. Oheˇ n i v´ ybuˇsniny pracuj´ı na principu oxidace, jen pravda rozd´ıln´ ymi rychˇ ım vyˇsˇs´ı je rychlost oxidace, t´ım ménˇe staˇc´ı pˇristupovat lostmi (viz tabulka 1). C´ k reakci kysl´ık ze vzduchu a je k n´ı zapotˇreb´ı dalˇs´ı okysliˇcovadlo. Hoˇren´ı je exotermn´ı reakce, kter´ a nav´ıc vytv´ aˇr´ı velké mnoˇzstv´ı plyn˚ u. T´ım, ˇze produkuje teplo, se plyny ohˇr´ıvaj´ı a expanduj´ı. V pˇr´ıpadˇe ohnˇe vytvoˇr´ı plyny sloup d´ ymu, v pˇr´ıpadˇe zbran´ı tyto plyny rozpohybuj´ı projektil a v pˇr´ıpadˇe v´ ybuˇsnin vytvoˇr´ı tlakovou vlnu. Je d˚ uleˇzité si uvˇedomit, ˇze k hoˇren´ı jsou zapotˇreb´ı tˇri faktory: palivo, okysliˇ covadlo a teplo (viz obr´ azek 1). Odstran´ıte-li alespoˇ n jeden z nich, hoˇren´ı zastav´ıte. U paliva a okysliˇcovadla nav´ıc závis´ı na jejich pomˇeru a u tepla záleˇz´ı na jeho pˇrenosu.

Model hoˇ ren´ı dˇ reva Nejdˇr´ıv doch´ az´ı k pyrolytickému rozkladu dˇreva (viz obrázek 2). T´ım se z nˇej uvoln´ı lehˇc´ı uhlovod´ıky, které pak podléhaj´ı oxidaci v plameni. Zda bude

27


Typ hoˇ ren´ı Forenzn´ı pouˇ zit´ı Rychlost hoˇ ren´ı Palivob / typick´ e vazby Okysliˇ covadlo

plameny, deflagrace ˇzh´ aˇrstv´ı, boj s ohnˇem subsonick´ a hoˇrlaviny C-H, H-H, C=C vzduch, O2

Vytv´ aˇ ren´ y tlak Typ procesu

n´ızk´ y

Pˇ r´ıklady

celul´ oza

a Na b Pro


v´ ybuchy, detonace stˇrelné zbranˇe, balistika rychlost zvukua stˇreliviny C-N KNO3 , nitroslouˇceniny stˇredn´ı

termick´ y stˇreln´ y prach

letiˇstn´ı kontroly, teroristické u ´toky supersonick´ a v´ ybuˇsniny C-O, C=O − NO− 3 , ClO4 , organické peroxidy vysok´ y mechanick´ y (tlakov´ a vlna) TNT, RDX, PETN

vzduchu pˇri 0 ◦ C je rychlost ˇs´ıˇren´ı zvuku 330 m s−1 . pˇrehlednost vynech´ any anorganick´ e l´ atky jako napˇr´ıklad Mg, Na, U, Pu. . .

Tabulka 1: Rozd´ıly mezi ohnˇem a v´ ybuchy

Obr´ azek 1: Vliv jednotliv´ ych faktor˚ u hoˇren´ı: Bez okysliˇcovadla k reakci nedojde, je zapotˇreb´ı teplo k proveden´ı reakce a reakce uvoln´ı teplo

28



Obr´ azek 2: Hoˇren´ı dˇreva: Nejdˇr´ıve doch´ az´ı k pyrol´ yze dˇreva na lehˇc´ı uhlovod´ıky, ty se d´ ale teplem rozkl´ adaj´ı a oxiduj´ı (mnohdy nedokonale), coˇz uvolˇ nuje teplo oxidace u ´plná (na oxid uhliˇcit´ y) nebo ne´ uplná (na oxid uhelnat´ y, pˇr´ıpadnˇe na saze) rozhoduje teplota plamene a sloˇzen´ı hoˇrlavé smˇesi. Vliv teploty se mimochodem t´ yk´ a i zachov´ an´ı tˇel v ohni. Tˇela se v ohni pomˇernˇe zachovávaj´ı. Kremace prob´ıh´ a zhruba pˇri 800 ◦ C udrˇzovan´ ych po dobu dvou hodin. Oheˇ n m´ıstnosti sice m˚ uˇze dosahovat aˇz 1100 ◦ C, ale vˇetˇsinou jen na pˇr´ıliˇs kr´ atkou dobu, neˇz shoˇr´ı jeho palivo. U tˇel se nejdˇr´ıv vypaˇruje voda, a tak se zkracuj´ı svaly aˇz do typického boxerského“ postoje. Ale i zuhelnatˇelá ” tˇela jsou uvnitˇr pomˇernˇe zachoval´ a a d´ a se z nich stále poznat tˇreba otrava jedem nebo zranˇen´ı. Termodynamika hoˇ ren´ı Aby byla reakce samovoln´ a, mus´ı pˇri n´ı r˚ ust neuspoˇra´danost (entropie) soustavy (∆S > 0). Tato podm´ınka je splnˇena vzhledem k tomu, ˇze pˇri hoˇren´ı vznikaj´ı plyny, které jsou rozhodnˇe ménˇe uspoˇr´ adan´ ym systémem molekul, neˇz bylo pˇredchoz´ı dˇrevo. Dalˇs´ım ukazatelem proveditelnosti reakce je pokles Gibbsovy volné energie G v soustavˇe (∆G < 0). Ta je definov´ ana pomoc´ı entalpie H (tepla) a entropie S (neuspoˇra´danosti): ∆G = ∆H − T ∆S

29

(1)



Vzhledem k tomu, ˇze se uvolˇ nuje teplo, a to je zápornˇe vzatou entalpi´ı (Q = −∆H), vid´ıme, ˇze entalpie klesá (∆H < 0). Pokud je tedy zmˇena entropie kladn´ a a zmˇena entalpie záporn´ a, znamená to, ˇze záporná bude i zmˇena Gibbsovy volné energie a reakce bude samovoln´ a. Hoˇren´ı vyprodukuje jak urˇcit´ y objem plyn˚ u V , tak i teplo Q, a proto se k vyj´ adˇren´ı s´ıly hoˇrlavin a speciálnˇe v´ ybuˇsnin pouˇz´ıv´ a souˇcin QV . Nejsilnˇejˇs´ı v´ ybuˇsniny jsou ty, které vyprodukuj´ı nejv´ıce plyn˚ u pˇri co nejvyˇsˇs´ı teplotˇe. Nicménˇe, nemˇeli bychom zapom´ınat na vliv sloˇzen´ı smˇesi. Nejlépe reakce pobˇeˇz´ı, pokud bude zajiˇstˇena ide´ aln´ı stechiometrie sloˇzek smˇesi, tedy napˇr´ıklad k hoˇren´ı 1 molu methanu budeme pouˇz´ıvat pˇresnˇe 2 moly kysl´ıku. Ne vˇzdy tomu tak ale je. Zavedeme si pomˇer Φ mezi sloˇzen´ım smˇesi a sloˇzen´ım ideáln´ım Φ=

(P/O)sys (P/O)i

=

(mP /mO )sys (mP /mO )i

=

(nP /nO )sys (nP /nO )i

,

(2)

kde sys oznaˇcuje aktu´ aln´ı a i ide´ aln´ı smˇes, P je palivo a O okysliˇcovadlo a m je jejich hmotnost a n je l´ atkové mnoˇzstv´ı. Hodnota pomˇeru Φ ukazuje, jaké bude spalov´ an´ı smˇesi6 :

stechiometrick´ a smˇ es (Φ = 1) – ide´ aln´ı smˇeˇsovac´ı pomˇer, nejvyˇsˇs´ı dosaˇziteln´ a teplota; chud´ a smˇ es (Φ < 1) – smˇes je pˇrekysliˇcena, teplo se spotˇrebováv´ a i na ohˇrev nepouˇzitého okysliˇcovadla, teplota a t´ım i u ´ˇcinnost spalován´ı je niˇzˇs´ı; bohat´ a smˇ es (Φ > 1) – v systému je nedostatek okysliˇcovadla, spalován´ı je nedokonalé, tepla se uvoln´ı ménˇe. K hoˇren´ı nav´ıc dojde jen v pˇr´ıpadˇe, ˇze se Φ bl´ıˇz´ı jedné. Jestliˇze je v systému pˇr´ıliˇs mnoho okysliˇcovadla, nebo naopak paliva, k hoˇren´ı nedojde (viz tabulka 2). Proto taky vybuchuj´ı pouze pr´ azdné nádrˇze s benz´ınem, a ne n´ adrˇze zcela naplnˇené. . . Kinetika hoˇ ren´ı Ono se ˇrekne hoˇren´ı, ale jak´ y je vlastnˇe jeho mechanismus? Pˇrekvapivˇe sloˇzit´ y. Napˇr´ıklad u hoˇren´ı methanu je mechanismus zaloˇzen na 277 element´ arn´ıch reakc´ıch, pˇri hoˇren´ı vznik´ a 49 meziprodukt˚ u. A to jsme vyˇsli z jednoduché l´ atky, nikoli napˇr´ıklad z benz´ınu, kter´ y je smˇes´ı uˇz na poˇcátku. 6 Φ je vlastnˇ e pˇrevr´ acenou hodnotou λ-faktoru, o kter´ em jste mohli slyˇset u popisu automobilov´ ych katalyz´ ator˚ u. Jde o pˇrebytek kysl´ıku ve spalovac´ı smˇ esi. Tzv. λ-sonda hl´ıd´ a sloˇ zen´ı v´ yfukov´ ych plyn˚ u a poˇ c´ıtaˇ c upravuje m´ıch´ an´ı paliva pro motor tak, aby se sn´ıˇ zily emise.

30



L´ atka

Meze [% l´ atky]

L´ atka

Meze [% l´ atky]

Zemn´ı plyn Propan Butan

4–15 2–10 2–9

Vod´ık Acetylen Amoniak

4–75 2–81 16–25

Tabulka 2: Meze hoˇren´ı l´ atek na vzduchu Hoˇren´ı totiˇz nen´ı jednoduché sr´ aˇzen´ı se molekul paliva s molekulami okysliˇcovadla, jak by n´ as mohlo napadnout ze sráˇzkové teorie. Jde o ˇretˇezovou reakci, která je iniciov´ ana tvorbou voln´ ych radik´ al˚ u. Ty se posléze propaguj´ı sráˇzkami a dalˇs´ımi rozpady neutr´ aln´ıch molekul. Zanikaj´ı aˇz sráˇzkou dvou radik´ al˚ u. Pokud je rychlost propagace vˇetˇs´ı neˇz rychlost zániku, tak se reakce ˇs´ıˇr´ı. Pˇ renos tepla Nejjednoduˇsˇs´ı model plamene je model adiabatického plamene – ohˇr´ıvaj´ı se pouze produkty reakce. Uˇz tento model n´ am ukazuje, ˇze pˇri jiném neˇz stechiometrickém pomˇeru je dosaˇzená teplota niˇzˇs´ı o ohˇrev nereaguj´ıc´ıch ˇcástic. Ale teplo také proud´ı i jinam – tepl´ y vzduch je lehˇc´ı neˇz vzduch studen´ y, takˇze znaˇcn´ a ˇc´ ast tepla odvane“. Oheˇ n také ohˇr´ıv´ a dˇrevo, které se zplyˇ nuje ” a tyto zplynˇené uhlovod´ıky oheˇ n d´ ale ˇziv´ı. Oheˇ n vˇsak ohˇr´ıvá dˇrevo hloubˇeji, neˇz kam se dostane kysl´ık. Zde doch´ az´ı k tepelnému rozkladu – pyrol´ yze – v reduktivn´ım prostˇred´ı. Pyrol´ yzou vznikaj´ı jiné l´ atky neˇz hoˇren´ım, a proto vypad´ a zasaˇzená ˇcást jinak neˇz popel po hoˇren´ı.

No dobˇ re, ale co odliˇ suje hoˇ ren´ı a v´ ybuch? Rychlost reakce. Nic v´ıc, nic m´ıˇ n. V pˇr´ıpadˇe hoˇren´ı se tvoˇr´ı odpadn´ı plyny pomˇernˇe pomalu a maj´ı dostatek ˇcasu ˇs´ıˇrit se do okol´ı, takˇze se pˇr´ıliˇs nezvyˇsuje tlak. Naopak u v´ ybuch˚ u se vytv´ aˇrej´ı plyny natolik rychle, ˇze je nen´ı schopno okol´ı absorbovat a roste tlak. Mezi m´ısty s rozd´ıln´ ymi tlaky pak vznikne tlakov´ a vlna, kter´ a je odpovˇedn´ a za destrukˇcn´ı u ´ˇcinky v´ ybuchu. Pokud rychlost tlakové vlny nepˇresáhne rychlost zvuku v daném prostˇred´ı, jedná se o deflagraci. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe se jedná o detonaci. Vztah pro rychlost zvuku na vzduchu pˇribliˇznˇe popisuje rovnice: v = 331,4 + 0,6t [m s−1 ],

(3)

kde t je teplota v ◦ C. Pro 25 ◦ C je rychlost zvuku podle rovnice (3) 347 m s−1 .

31


Typ Slab´ a Siln´ a

Siln´ a

V´ ybuˇ snina Azid olovnat´ y– rozbuˇsky Nitroglycerin – dynamit, stˇreln´ y prach Kyselina pikrov´ a– standard pro porovn´ av´ an´ı explozivn´ıho indexu


Struktura

Rychlost [m s−1 ]

Silov´ y index PI – viz (4)

Pb(N3 )2

2300

14

7750

171

7900

100

6850

331,2

8440

457

ONO2

O2NO ONO2 NO2 HO

NO2

O2N NO2

Siln´ a

TNT – obl´ıbená komerˇcn´ı v´ ybuˇsnina

H3C

O2N

NO2 NO2

Siln´ a

N

RDX – Hexogen – vojenská trhavina

N

N

O2N

NO2

Tabulka 3: Porovn´ an´ı rychlosti hoˇren´ı a s´ıly nˇekolika bˇeˇzn´ ych v´ ybuˇsnin Jak jsme uˇz ˇr´ıkali, s´ıla v´ ybuˇsnin je definov´ ana podle mnoˇzstv´ı tepla a objemu plyn˚ u, které vyprodukuj´ı. Relativn´ı s´ılu pak uv´ ad´ı rovnice PI =

QVvýbuˇsnina · 100, QVkys. pikrová

(4)

kde se porovn´ av´ a souˇcin tepla Q a vyprodukovaného objemu plyn˚ u V v porovn´ an´ı s kyselinou pikrovou. V´ ybuˇsniny s P I menˇs´ım neˇz 100 jsou oznaˇcov´ any jako slab´ e. Jsou vˇetˇsinou citlivˇejˇs´ı, a proto se pouˇz´ıvaj´ı v rozbuˇsk´ ach. V´ ybuˇsniny s vˇetˇs´ım PI jsou oznaˇcov´ any jako siln´ e a k jejich v´ ybuchu je nejˇcastˇeji zapotˇreb´ı rozbuˇska. Posledn´ı skupinou v´ ybuˇsnin jsou stˇ reliviny. Jde povˇetˇsinou o homogenn´ı práˇskové smˇesi, které maj´ı pomalejˇs´ı a kontrolovatelnˇejˇs´ı hoˇren´ı, neˇz by mˇely samotné v´ ybuˇsniny, nebot’ jednolitou strukturou se v´ ybuch ˇs´ıˇr´ı rychleji. Pokud by byla rychlost hoˇren´ı pˇr´ıliˇs vysok´ a, hlaveˇ n by explodovala; pokud by byla pˇr´ıliˇs n´ızk´ a, náboj by letˇel menˇs´ı rychlost´ı a tedy i nepˇresnˇeji. 32



ˇ ıˇ Prvn´ı zn´ amou stˇrelivinou byl ˇ cern´ y stˇ reln´ y prach star´ ych C´ nan˚ u. Jde o smˇes 15 % uhl´ıku, 10 % s´ıry a 75 % ledku (dusiˇcnanu draselného). Jeho nev´ yhodou byla tvorba ˇcerného d´ ymu, kter´ a nejen ˇze prozrazovala pozici stˇrelˇ ıˇ ce, ale v pˇr´ıpadˇe bitvy za chv´ıli nikdo nikoho nevidˇel.7 C´ nané samozˇrejmˇe nepouˇz´ıvali stˇreln´ y prach jen na ohˇ nostroje, ale také vym´ yˇsleli prvn´ı palné zbranˇe. Nejstarˇs´ı design tˇechto zbran´ı byl tzv. ohniv´ y oˇstˇep“ a ˇslo vlastnˇe ” o plamenomet, do kterého se pˇridaly malé projektily. Pozdˇejˇs´ı zbranˇe pak omezily ohnivou ˇcást a pˇripom´ınaly sp´ıˇse brokovnici. Nev´ım jak vy, ale rozhodnˇe bych se coby mongolsk´ y nájezdn´ık nec´ıtil dobˇre, kdyby na mˇe m´ıˇril Hromov´ y vrhaˇc ohnˇe s dev´ıti pr˚ urazn´ ymi magicky otr´ ave” n´ ymi ˇs´ıpy“. Koncem 19. stolet´ı se zaˇcaly objevovat bezd´ ymn´ e stˇ reln´ e prachy, zaloˇzené vˇetˇsinou na smˇesi nitrocelul´ ozové ˇzelatiny. Recept na bezd´ ymn´ y stˇreln´ y prach d´ ale vylepˇsil Alfred Nobel pˇrid´ an´ım nitroglycerinu. A dnes jsou stˇrelné prachy jeˇstˇe doplnˇeny stabiliz´ atory a hygroskopick´ ymi l´ atkami na ochranu pˇred vlhkost´ı a pojivy. No dobˇre, uˇz v´ıte, co a jak hoˇr´ı, i p´ ar divn´ ych v´ ypoˇct˚ u u v´ ybuˇsnin jste se nauˇcili, zastˇr´ılet jste si zastˇr´ıleli, ale co se vlastnˇe zjiˇst’uje na m´ıstˇe ˇcinu?

Zkoum´ an´ı ohnˇ e U ohnˇe je prvn´ım ukazatelem jeho stopa. Podle n´ı se dá urˇcit, kde oheˇ n zaˇcal (viz obr´ azek 3). Ze vzhledu m´ısta zdroje ohnˇe se d´ a urˇcit, zda byl k jeho zap´ alen´ı pouˇzit nˇejak´ y urychlovaˇc hoˇren´ı, at’ uˇz plyn (methan), kapalina (benz´ın) nebo pevná l´ atka (pap´ır). A také by na m´ıstˇe mˇelo b´ yt zápalné zaˇr´ızen´ı, tˇreba sirka, zapalovaˇc nebo zkratovan´ a z´ asuvka.

ˇıˇren´ı hoˇrlavin v prostˇred´ı a urˇcen´ı zón, kde koncentrace zabrán´ı Obr´ azek 3: S´ hoˇren´ı 7 To

byl hlavn´ı d˚ uvod, proˇ c byly uniformy v napoleonsk´ e dobˇ e tak jasnˇ e barevn´ e.

33



Po plynn´ ych urychlovaˇc´ıch hoˇren´ı sice nez˚ ustanou ˇzádné stopy, ale z˚ ustane po nich nádoba, v které byly na m´ısto pˇrepraveny. Po pevn´ ych z˚ ustane aspoˇ n popel, ale nejlépe se analyzuj´ı kapalné urychlovaˇce. Jak je patrné z obr´ azku 3, kapalina tˇesnˇe u zemˇe nehoˇr´ı, a tak m˚ uˇze z˚ ustat po poˇzáru neshoˇren´ y urychlovaˇc ukryt´ y v nˇejaké ˇskv´ıˇre. Proto se sb´ıraj´ı vzorky zbytk˚ u po poˇz´ aru tak, aby se uloˇzily v neprodyˇsn´ ych nádob´ ach s dostatkem volného prostoru. Kapaln´ a l´ atka bude v rovnov´ aze se sv´ ymi parami, a tak se prostor nad zbytky nasyt´ı p´ arami urychlovaˇce. Nicménˇe takto ukryté kapaliny se postupem ˇcasu z m´ısta ˇcinu odpaˇr´ı, proto je tˇreba je sesb´ırat co moˇzná nejrychleji. Vzorek se poté zkoum´ a pomoc´ı plynové chromatografie, nejlépe s pomoc´ı hmotnostn´ı spektrometrie jako detektoru (GC-MS). Ten jsme uˇz potkali v druhém d´ılu seri´ alu, a tak pokroˇc´ıme d´ ale.

Zkoum´ an´ı stˇ relby Kdyˇz vyp´ al´ıme ze zbranˇe (nemysl´ım z praku nebo vzduchovky), kromˇe projektilu z hlavnˇe vylet´ı zbytky nespálen´ ych stˇrelivin, pojiv, podobnˇe jako spaliny a zbytky po rozbuˇsce (obr´ azek 4). Pˇredevˇs´ım rozbuˇska je vhodn´ ym objektem pro zkoum´ an´ı, d´ıky tomu, ˇze obsahuje tˇeˇzké kovy, které se posléze daj´ı analyzovat. Jako rozbuˇska se nejˇcastˇeji pouˇz´ıv´ a smˇes styfn´ atu olovnatého8 , sulfidu antimonitého a dusiˇcnanu barnatého. Nicménˇe se dnes zaˇc´ınaj´ı pouˇz´ıvat i bezolovnaté rozbuˇsky.

Obr´ azek 4: Zábleskov´ a fotografie v´ ystˇrelu z pistole (vlevo) a detail u ´st´ı hlavnˇe v okamˇziku v´ ystˇrelu (vpravo); zdroj: Aaron Brudenell, Tucson Crime Laboratory 8 2,4,6-trinitrobenzen-1,3-diol´ at

olovnat´ y

34



Tyto zbytky se od hlavnˇe ˇs´ıˇr´ı kuˇzelovitˇe do vzd´ alenosti zhruba 0,5 metru. Jejich sloˇzen´ı se mˇen´ı se vzd´ alenost´ı – tˇeˇzˇs´ı ˇc´ astice dolet´ı d´ al. Sloˇzen´ı se tedy d´ a pouˇz´ıt k urˇcen´ı pˇribliˇzné vzd´ alenosti stˇrelce od obˇeti. A to nejˇcastˇeji pomoc´ı mikroskopického vzhledu vznikl´ ych ˇcástic Pb-Sb-Ba a také pomoc´ı jejich element´ arn´ı anal´ yzy. Je nav´ıc nutné tyto ukazatele kombinovat, protoˇze ˇcástice obsahuj´ıc´ı Pb-Sb-Ba se vytv´ aˇrej´ı tˇreba pˇri brzdˇen´ı auta, ale vypadaj´ı troˇsiˇcku jinak. Mezi zbytky po v´ ystˇrelu je moˇzné naj´ıt i organické l´ atky, ale ty vˇetˇsinou na m´ıstˇe nevydrˇz´ı dlouho. Jedná se nejˇcastˇeji o zbytky stˇrelivin a zhruba odpov´ıdaj´ı sloˇzen´ı patrony.

Zkoum´ an´ı v´ ybuˇ snin S asi nejˇcastˇejˇs´ım zaˇr´ızen´ım na testov´ an´ı v´ ybuˇsnin se m˚ uˇzete potkat na letiˇst´ıch. Jsou to obl´ıbené r´ amy, kter´ ymi se proch´ az´ı pˇri kontrole zavazadel. Jde o iontovou mobiln´ı spektrometrii (IMS) a kromˇe detekce v´ ybuˇsnin se pouˇz´ıvá i k detekci drog. Sice jsme ji uˇz prob´ırali v druhém d´ılu seri´ alu, ale zde se na chv´ıli zastav´ıme u typu jednotliv´ ych iont˚ u, jaké v IMS detekujeme. IMS je zaloˇzena na elektroforetické separaci iontovˇe-molekul´ arn´ıch shluk˚ u podle pomˇeru hmotnosti a náboje. M˚ uˇze se nastavit tak, aby zachytila bud’ kladné, nebo záporné ionty, pˇriˇcemˇz pro detekci v´ ybuˇsnin se nejˇcastˇeji pouˇz´ıv´ a detekce anion˚ u typu dusiˇcnan˚ u nebo dusitan˚ u. Z r´ amu je odeb´ır´ an vzduch a ten se ionizuje pomoc´ı záˇriˇce 63 Ni. Ve vzduchu vzniknou nejˇcastˇeji ionty O2 − (H2 O)n , kde n je poˇcet shluknut´ ych molekul vody. Ty posléze naráˇzej´ı na jiné molekuly a vznikaj´ı pak dalˇs´ı fragmenty. Urˇcit´ y problém pˇredstavuj´ı organické v´ ybuˇsniny, které neobsahuj´ı ionty, ale jsou neutr´ aln´ı jako tˇreba nitroglycerin nebo RDX. Ty se aktivuj´ı pomoc´ı iontu Cl− , kter´ y se vytv´ aˇr´ı dopov´ an´ım vstupn´ıho vzduchu o dichlormethan. Vznikaj´ı pak shluky M · Cl− (H2 O)n , jako tˇreba RDX · Cl− (H2 O)n a ty uˇz se detekovat daj´ı. Horˇs´ı je, ˇze IMS nen´ı schopna rozpoznat v´ ybuˇsniny ukryté v tekutin´ ach, nebot’ netˇekaj´ı, a tak se dnes do letadla s pit´ım nedostanete. Doned´ avna byla také urˇcitou nev´ yhodou IMS velikost, ale jako ve vˇetˇsinˇe obor˚ u se snaˇz´ı v´ yrobci zmenˇsit zaˇr´ızen´ı tak, aby byly IMS pˇrenosné, dokonce se uvaˇzuje o velikosti ˇcipu.

Slovo z´ avˇ erem Zakonˇc´ım tento d´ıl zamyˇslen´ım nad jedn´ım m´ ytem drˇz´ıc´ım se ve forenzn´ıch vˇed´ ach. Lidské tˇelo se pr´ y m˚ uˇze jak´ ymsi z´ ahadn´ ym zp˚ usobem samo vzn´ıtit a 35



rychle shoˇret na popel. A to aniˇz by se plameny nˇejak zásadnˇe dotkly okol´ı. Prvn´ı popsan´ y pˇr´ıpad spont´ ann´ıho uhoˇren´ı se ud´ al v roce 1662. Jonas Dupot roku 1763 publikoval pr´ aci De Incendiis Corporis Humani Spontaneit, ve které vyloˇzil prvn´ı dvˇe protikladné teorie o tomto fenoménu: Podle prvn´ı teorie pˇredpokl´ adal, ˇze se v tˇele pohybuj´ı zvláˇstn´ı l´ atky tzv. humory“. Jejich zrychlen´ y pohyb podle nˇej mˇel analogii v procesech, které ” v neˇzivotné pˇr´ırodˇe vedou k teplu a ohni. Podle druhé teorie zp˚ usobovalo teplo tˇren´ı mezi nejmenˇs´ımi ˇcásteˇckami v krvi a jin´ ych tˇeln´ıch tekutin´ ach v pr˚ ubˇehu jejich cirkulace tˇelem. Samovzn´ıcen´ı se posléze stalo obl´ıbenou liter´ arn´ı metodou, kterou ve sv´ ych d´ılech vyuˇzili k odstranˇen´ı postavy i takov´ı autoˇri jako tˇreba Charles Dickens, Honoré de Balzac ˇci Mark Twain. Popisovalo se jako nadpˇrirozen´ y jev. K jeho osvˇetlen´ı potˇrebujeme odpovˇed’ na tˇri ot´ azky – (1) Byl ˇci nebyl pˇr´ıtomen zdroj tepla? (2) Proˇc se nic nestávalo okol´ı? a koneˇcnˇe (3) Jak m˚ uˇze ˇclovˇek jen tak shoˇret? Pˇri hled´ an´ı odpovˇedi na prvn´ı ot´ azku se uk´ azalo, ˇze ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u samovzn´ıcen´ı byl ve skuteˇcnosti pˇr´ıtomen i zdroj tepla – nejˇcastˇeji cigareta nebo d´ ymka. Experimenty se spalov´ an´ım hovˇez´ı a lidské tk´ anˇe pak odpovˇedˇely na druhou ot´ azku. Prok´ azaly, ˇze hoˇren´ım tk´ anˇe vznik´ a tak málo tepla, ˇze oheˇ n se nem˚ uˇze ˇs´ıˇrit vnˇe tˇela. Nemá k tomu dost energie. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı a nejtˇeˇzˇs´ı ot´ azka ale je ot´ azka, jak m˚ uˇze ˇclovˇek shoˇret? Jistˇe si vzpomenete, co jsem psal o kremaci a pomˇernˇe zachoval´ ych byt’ zuhelnatˇel´ ych tˇelech po poˇzáru. A nejlépe zat´ım odpov´ıd´ a teorie hoˇr´ıc´ıho knotu“, kdy jako ” knot sv´ıˇcky“ funguje obleˇcen´ı (nejlépe posypané popelem z cigarety) a takovou ” lidskou sv´ıˇcku pak ˇziv´ı tˇelesn´ y tuk tak dlouho, dokud nen´ı spálena vˇetˇsina tˇela a nez˚ ustane jen popel a hrom´ adka kost´ı. Lidské tˇelo se tedy skuteˇcnˇe m˚ uˇze vzn´ıtit, shoˇret a netknout pˇri tom své okol´ı, ale neuˇcin´ı tak samo. Skonˇc´ım seriál o detektivn´ı chemii jasn´ ym poselstv´ım: Kouˇ ren´ı ˇ skod´ı zdrav´ı.

Literatura Hlavn´ı prameny 1. Bell, Suzanne. Forensic Chemistry. 1st edition.: Pearson Education, 2006. 614 s. ISBN 0-13-147835-4. 2. LYLE, Douglas. Forensics for Dummies. 1st edition.: Wiley Publishing, 2004. 356 s. ISBN 0-7645-5580-4. 36



3. http://en.wikipedia.org – prvn´ı m´ısto, kam se je vˇetˇsinou vhodné pod´ıvat. Model hoˇ ren´ı 4. COTE, Artur E., NFPA Fire Protection Handbook, 19th ed.: National Fire Protection Association 2003. 5. http://www.nfpa.org 6. TURNS, S. R., Introduction to Combustion: Concept and Applications, 2ed.: McGraw-Hill, 2000. Lidsk´ e sv´ıˇ cky 7. Christensen, A. M. Experiments in the Combustibility of the Human Body. Journal of Forensic Sciences 2002 (47): 466-470. 8. Selvaggi G, Hoste S, Tondu T, Landuyt KV, Hamdi M, Blondeel P & Monstrey S. Spontaneous combustion. J Burns & Surg Wound Care9 2003 (1): 14.

9 http://www.journalofburns.com

37

Anketa. Nejčastěji se chystáte studovat chemii VŠCHT (10), PřF UK (5), chemické

Recommend Documents