Korespondenˇcn´ı Semin´aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4 2006/2007
Errata 4. dubna 2007
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇcn´ı semin´aˇr prob´ıh´a pod z´aˇstitou Pˇr´ırodovˇedeck´e fakulty Univerzity Karlovy Hlavova 2030 128 43 Praha 2
Posledn´ı metodou konzervace jsou biologick´e metody, pˇri nichˇz se potraviny chr´ an´ı pˇred mikrobi´ aln´ı zk´ azou t´ım, ˇze se podrob´ı p˚ usoben´ı jin´ ych, neˇskodn´ ych mikroorganism˚ u. Typick´ ymi pˇr´ıklady jsou kysan´e ml´eˇcn´e v´ yrobky a kvaˇsen´e alkoholick´e n´apoje (alkohol je, jak zn´ amo, bunˇeˇcn´ y jed, ale nˇekter´e organismy jej sn´aˇsej´ı i ve vyˇsˇs´ıch koncentrac´ıch).
Pokus
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
Mil´ı pˇ r´ıznivci chemie i ostatn´ıch pˇ r´ırodovˇ edn´ ych obor˚ u!
L´ amala jsem si hlavu, jak´ y jednoduch´ y dom´ ac´ı experiment v´am pˇrichystat pro tuto s´erii, a nakonec zv´ıtˇezil tento: Zkuste si jednoduchou esterifikac´ı pˇripravit nˇekterou ovocnou nebo jinou libˇe von´ıc´ı esenci. Moˇzn´ a nam´ıt´ ate, ˇze doma nem´ ate vˇse potˇrebn´e, ale jistˇe jste zadobˇre s vaˇs´ım vyuˇcuj´ıc´ım chemie, kter´ y vaˇse b´ ad´ an´ı podpoˇr´ı. Ale kdyby n´ ahodou ne, snad v´ am utkv´ı v pamˇeti, proˇc se ryba pod´ av´ a pokapan´a citr´ onem nebo jin´e zaj´ımavosti.
Pr´avˇe drˇz´ıte v rukou zad´ an´ı u ´loh Korespondenˇcn´ıho Semin´aˇre Inspirovan´eho Chemickou Tematikou, KSICHTu. Uˇz p´ at´ ym rokem pro v´ as, stˇredoˇskol´ aky, KSICHT pˇripravuj´ı studenti Pˇr´ırodovˇedeck´e fakulty Univerzity Karlovy, Vysok´e ˇskoly chemicko-technologick´e a Pˇr´ırodovˇedeck´e fakulty Masarykovy univerzity.
Jak KSICHT prob´ıh´ a?
Z´ avˇ er Pokud se mi podaˇrilo uk´ azat v´ am potraviny oˇcima chemika a pˇresvˇedˇcit v´as o tom, ˇze se jedn´a o neobyˇcejnˇe pestr´ y a zaj´ımav´ y obor, pak byl u ´ˇcel tohoto seri´ alu splnˇen. Jistˇe jsem mnoh´e opomenula a mnoh´e zm´ınila jen povrchnˇe, ale nechtˇela jsem v´ as vys´ılit vyˇcerp´ avaj´ıc´ım encyklopedick´ ym textem. V´ am, kteˇr´ı jste trpˇelivˇe ˇcetli aˇz sem, dˇekuji za pozornost a douf´am, ˇze v´ am ˇcten´ı seri´ alu dalo tolik, kolik mnˇe pˇrineslo jeho vym´ yˇslen´ı. Dalˇs´ı d´ık patˇr´ı vˇsem recenzent˚ um za v´ ybornou spolupr´ aci, a zejm´ena pak Kr´apn´ıkovi za ilustraˇcn´ı obr´ azky a Ritchiemu za chemick´e vzorce. Literatura 1. Internetov´ a encyklopedie Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/) ˇ cka a kol, skripta VSCHT ˇ 2. Obecn´a potravin´aˇrsk´ a technologie, J. Cepiˇ Praha, 1999 3. Biochemistry, Voet J., Voet D., New York, 2000
Korespondenˇcn´ı semin´ aˇr je soutˇeˇz, pˇri n´ıˇz si vy, ˇreˇsitel´e KSICHTu, dopisujete s n´ami, autory, a naopak. Vy n´ am poˇslete ˇreˇsen´ı zadan´ ych u ´loh, my vˇse oprav´ıme, ohodnot´ıme a zaˇsleme v´ am je zp´ atky s pˇriloˇzen´ ym autorsk´ ym ˇreˇsen´ım a pˇeti u ´lohami nov´e s´erie. To vˇsechno se za cel´ y ˇskoln´ı rok ˇctyˇrikr´ at zopakuje.
Jak se m˚ uˇ zete st´ at ˇ reˇ siteli KSICHTu? Nen´ı nic jednoduˇsˇs´ıho! Nejprve se zaregistrujte1 a pak poˇslete na adresu KSICHT, Pˇ r´ırodovˇ edeck´ a fakulta Univerzity Karlovy, Hlavova 2030, 128 43 Praha 2 (nebo v elektronick´e podobˇe na
[email protected]) ˇreˇsen´ı d´ale uveden´ ych u ´loh. Pokud nem´ate pˇr´ıstup k Internetu, napiˇste n´ am s ˇreˇsen´ım na zvl´ aˇstn´ı pap´ır jm´eno a pˇr´ıjmen´ı, kontaktn´ı adresu, e-mail, ˇskolu, na n´ıˇz studujete, a roˇcn´ık (studenti v´ıcelet´ ych gymn´ azi´ı, uved’te pros´ım roˇcn´ık ˇctyˇrlet´eho gymn´ azia, kter´ y je ekvivalentn´ı tomu vaˇsemu).
Anketa Anketu z minul´e s´erie vyplnilo 27 ˇreˇsitel˚ u, kter´ ym dˇekujeme. Letoˇsn´ı nov´ı ˇreˇsitel´e se s KSICHTem sezn´ amili pˇribliˇznˇe stejnˇe ˇcasto ve ˇskole, na Bˇestvinˇe, nebo na Internetu. V loˇ nsk´em roˇcn´ıku se v´ am nejv´ıce l´ıbil Aspirin“, tˇesnˇe ” za n´ım skonˇcily u ´lohy Domino“, Myjete se?“, Osmismˇerka“ a Zaj´ımav´ y ” ” ” ” 1 http://ksicht.natur.cuni.cz/prihlaska
36
1
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
protokol“, kter´e z´ıskaly shodn´ y poˇcet hlas˚ u. Z letoˇsn´ıch tˇr´ı s´eri´ı se v´ am nejv´ıce l´ıbila Sudoku“, o druh´e a tˇret´ı m´ısto se dˇel´ı Patero b´ıl´ ych pr´ aˇsk˚ u“ a Objev ” ” ” struktury DNA“. ´ Ulohy byste vˇetˇsinou chtˇeli takov´e, jak´e souvis´ı s kaˇzdodenn´ım ˇzivotem a kter´e se t´ ykaj´ı novinek ve v´ yzkumu a laboratoˇri. V jin´ ych typech u ´loh jste zm´ınili snad vˇsechna moˇzn´ a odvˇetv´ı chemie, takˇze se pokus´ıme tuto rozmanitost dodrˇzet. Je tˇreba si ale uvˇedomit, ˇze kaˇzd´ y m´a jin´e z´aliby a ˇze to, co se l´ıb´ı jednomu, se nemus´ı l´ıbit druh´emu. Vˇeˇr´ıme, ˇze z nab´ızen´ ych u ´loh v´ as aspoˇ n jedna potˇeˇs´ı a ˇze ty, kter´e nepotˇeˇsily v´ as, potˇeˇs´ı nˇekoho jin´eho. V KSICHT´ı broˇzurce si nejˇcastˇeji ˇctete zad´ an´ı (89 %) a ˇreˇsen´ı (78 %), shodnˇe jsou v oblibˇe u ´vodn´ıˇcek a komiks (74 %), pak n´asleduje seri´al (70 %) a u ´vodn´ı informace (37 %). Je tedy vidˇet, ˇze m´ame i ˇreˇsitele, kteˇr´ı zad´ an´ı neˇctou! V pˇr´ıˇst´ım roˇcn´ıku bude vych´ azet seri´ al o detektivn´ı chemii. Tento n´avrh od v´ as obdrˇzel 83 bod˚ u. Nanoˇc´astice zlata z´ıskaly 66 bod˚ u a fluorovan´ a chemie 59 bod˚ u. Jako posledn´ı skonˇcila nukle´ arn´ı magnetick´ a rezonance s 58 body. Z´avˇerem mnohokr´ at dˇekujeme za vaˇse dˇekovn´e dopisy. Budeme se i nad´ ale snaˇzit v´est KSICHT k vaˇs´ı spokojenosti.
Soustˇ redˇ en´ı KSICHTu Od 11. do 15. ˇcervna se v Praze na Pˇr´ırodovˇedeck´e fakultˇe Univerzity Karlovy uskuteˇcn´ı soustˇredˇen´ı KSICHTu. Na programu budou pˇredn´ aˇsky z r˚ uzn´ ych oblast´ı chemie a pr´ ace v laboratoˇri. Laboratorn´ı u ´lohy se budeme snaˇzit sestavit tak, aby si na sv´e pˇriˇsel jak zaˇc´ ateˇcn´ık, tak i zkuˇsen´ y chemik. Samozˇrejmˇe nebudou chybˇet ani hry na odreagov´ an´ı a veˇcern´ı program. Ubytov´an´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, kolik m´ate bod˚ u. Pokud se chcete soustˇredˇen´ı z´ uˇcastnit, vyplˇ nte pros´ım co nejdˇr´ıve formul´ aˇr2 na webov´ ych str´ank´ ach KSICHTu. Podrobnosti o soustˇredˇen´ı zveˇrejn´ıme na odkazovan´e str´ance v kvˇetnu, kdy v´ as rovnˇeˇz budeme informovat e-mailem.
KSICHT na Internetu Na nov´ ych webov´ ych str´ank´ ach KSICHTu3 naleznete broˇzurku ve form´atu PDF a rovnˇeˇz aktu´ aln´ı informace o pˇripravovan´ ych akc´ıch. 2 http://ksicht.natur.cuni.cz/akce-ksichtu/3 3 http://ksicht.natur.cuni.cz
2
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
Napadlo v´ as nˇekdy, proˇc se pˇri zavaˇrov´ an´ı nech´avaj´ı sklenice chladnout v´ıˇckem dol˚ u? Pˇri ochlazov´an´ı sklenice kles´a tlak ve vzduchov´e bublinˇe a je tedy tˇreba zabr´ anit tomu, aby se dovnitˇr nas´ al vzduch a doˇslo k vyrovn´ an´ı tlak˚ u. Pokud sklenice stoj´ı pˇri chladnut´ı v´ıˇckem nahoru, nen´ı drˇzeno dostateˇcnou silou a m˚ uˇze doj´ıt k jeho podfouknut´ı a tedy vniknut´ı nesteriln´ıho vzduchu dovnitˇr, v obr´ acen´em pˇr´ıpadˇe k tomu ale nedoch´ az´ı. Atraktivn´ı technikou sterilace je pouˇzit´ı vysokoenergetick´eho nebo elektronov´eho z´ aˇren´ı. Jej´ımu rozˇs´ıˇren´ı v potravin´ aˇrsk´e technologii vˇsak br´ an´ı (mimo jin´e) skuteˇcnost, ˇze ionizuj´ıc´ı z´aˇren´ı poˇskozuje nutriˇcnˇe cenn´e l´ atky a doch´ az´ı k mˇeknut´ı potravin, vzniku neˇz´adouc´ıch pachut´ı a dokonce moˇzn´emu vzniku zdravotnˇe z´ avadn´ ych l´ atek. Podobnˇe nevhodn´ a je i sterilace chemick´ a. Tepeln´a sterilace se doplˇ nuje s dalˇs´ımi metodami zvyˇsuj´ıc´ımi odolnost potravin proti mikrob˚ um. Osmoanabi´ oza spoˇc´ıv´ a ve zv´ yˇsen´ı osmotick´eho tlaku kapaln´e sloˇzky potraviny nad m´ıru snesitelnou mikrob˚ um. Pˇri tomto postupu se pˇrebyteˇcn´ a voda odstran´ı odpaˇrov´ an´ım, vymrazov´ an´ım nebo membr´ anovou dial´ yzou oproti koncentrovan´emu roztoku jin´e l´ atky (obvykle cukru nebo soli). Osmotick´ y tlak m˚ uˇzeme tak´e zv´ yˇsit proslazov´ an´ım nebo prosolov´ an´ım potraviny, coˇz se obvykle kombinuje s pˇr´ısadou jin´ ych chemick´ ych konzervant˚ u. Anoxie, neboli odstranˇen´ı kysl´ıku, zcela potlaˇc´ı rozvoj aerobn´ıch mikrob˚ u, a prov´ ad´ı se bud’ vakuov´ ym balen´ım potravin, nebo nahrazen´ım vzduchu inertn´ı atmosf´erou. Chemick´ e a biologick´ e metody konzervace Dalˇs´ım typem konzervace je pouˇzit´ı chemick´ych l´ atek. U n´ as jsou v souˇcasn´e dobˇe povoleny kyselina benzoov´ a, sorbov´ a, mravenˇc´ı, oxid siˇriˇcit´ y a nˇekter´e estery kyseliny 4-hydroxybenzoov´e. Obt´ıˇznˇe definovateln´ ym typem chemick´e konzervace je i uzen´ı. V r˚ uzn´e m´ıˇre funguj´ı jako konzervaˇcn´ı ˇcinidla biogenn´ı organick´e kyseliny, nej´ uˇcinnˇejˇs´ı l´ atkou z t´eto skupiny je ocet, slabˇs´ı p˚ usoben´ı m´a kyselina ml´eˇcn´a a dalˇs´ı kyseliny. Tyto dalˇs´ı kyseliny vˇsak nemaj´ı kromˇe sn´ıˇzen´ı pH ˇz´adn´e dalˇs´ı antimikrobi´aln´ı u ´ˇcinky. Nicm´enˇe, i ocet se kombinuje s dalˇs´ımi konzervaˇcn´ımi z´akroky. Fytoncidy a antibiotika jsou l´ atky, kter´e si vytv´ aˇrej´ı ˇziv´e organismy (rostliny, resp. pl´ısnˇe nebo jin´e houby) na obranu proti infekc´ım. Pouˇzit´ı antibiotik nar´aˇz´ı na omezen´ı co do jejich toxicity a souˇcasn´eho uplatnˇen´ı v l´ekaˇrstv´ı a pouˇz´ıv´ a se snad jedinˇe nisin, produkovan´ y Streptomyces natalensis. Oproti tomu fytoncidy jsou pˇrirozenou souˇc´ast´ı r˚ uzn´ ych druh˚ u koˇren´ı (skoˇrice, hoˇrˇcice, koriandru. . . ) a zeleniny (kˇrenu, ˇcesneku, cibule. . . ). 35
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Vˇsechny tyto reakce prob´ıhaj´ı ve vodn´em prostˇred´ı, takˇze historicky nejstarˇs´ım zp˚ usobem konzervace potravin bylo suˇsen´ı a mraˇzen´ı (tato metoda byla po dlouhou dobu ponˇekud limitov´ ana klimatick´ ymi podm´ınkami). Dalˇs´ım ˇreˇsen´ım je vylouˇcit, nebo aspoˇ n omezit pˇr´ıstup vzduchu (vakuov´e balen´ı nebo balen´ı potravin do speci´aln´ıch obal˚ u). Oxidaci je tak´e moˇzno omezit pˇr´ıdavkem l´ atek, kter´e se oxiduj´ı ochotnˇeji neˇz ty obsaˇzen´e v potravin´ ach, kter´e chceme konzervovat12 . Takov´ ym l´ atk´ am se ˇr´ık´a antioxidanty a jsou to napˇr´ıklad tokoferoly, kyselina askorbov´ a (vitam´ın C), estery kyseliny gallov´e a dalˇs´ı l´ atky. Dalˇs´ı moˇznost´ı je podpoˇrit oxidaci tˇech l´ atek, u kter´ ych to nevad´ı“: do nˇekter´ ych obal˚ u se pˇrid´avala glukosaoxidasa, kter´ a ” katalyzovala vyv´ az´an´ı kysl´ıku na glukosu. Enzymy je tak´e moˇzn´e inaktivovat-denaturovat tepeln´ ym z´ahˇrevem na kr´ atkou dobu a vysokou teplotu. Je tˇreba ale m´ıt na pamˇeti, ˇze pˇri zvyˇsov´ an´ı teploty po nˇejakou dobu aktivita enzymu naopak roste, a proto by c´ılov´e teploty mˇelo b´ yt dosaˇzeno pokud moˇzno rychle. Mikrobn´ı zmˇ eny Druhou pˇr´ıˇcinou neˇz´ adouc´ıch pochod˚ u v potravin´ach jsou rozliˇcn´e mikroorganismy a jejich metabolity. P˚ uvodcem mohou b´ yt pl´ısnˇe, kvasinky nebo bakterie. Tyto skupiny mikrob˚ u se liˇs´ı ve sv´ ych n´ aroc´ıch pro ˇzivot a tomu odpov´ıdaj´ı i zp˚ usoby, jak se proti nim br´ anit. Kvasinky a pl´ısnˇe vyˇzaduj´ı kysl´ık, takˇze nenapadaj´ı potraviny balen´e vakuovˇe nebo v inertn´ı atmosf´eˇre. Tvoˇr´ı vˇsak odoln´e spory. Bakterie se ve sv´ ych poˇzadavc´ıch na kysl´ık liˇs´ı, ale obecnˇe nesn´aˇs´ı kysel´e prostˇred´ı (pH menˇs´ı neˇz 4). Nˇekter´e mohou tvoˇrit spory. Prvn´ı ochranou potravin pˇred mikrobi´ aln´ı zk´azou je d˚ ukladn´e mechanick´e oˇciˇstˇen´ı (pevn´ ych surovin) nebo filtrace (kapaln´ ych surovin, napˇr. ovocn´ ych ˇst’´ av) pˇres membr´ anov´e filtry. U ml´eka, kde filtrace nepˇripad´a v u ´vahu (zamyslete se, proˇc), se pˇristupuje k baktofugaci, odstˇred’ov´ an´ı pˇri 9000 g. Dalˇs´ım krokem je tepeln´ a inaktivace mikrob˚ u a jejich spor. Pro konzervaci ovoce a nakl´ adan´e zeleniny staˇc´ı kr´ atkodob´ y z´ahˇrev na teplotu 60–70 ◦ C, kter´ y usmrt´ı pl´ısnˇe a kvasinky, pˇr´ıpadnˇe jejich spory. Protoˇze je pH tˇechto potravin kysel´e, pˇrirozenˇe nepodporuje rozvoj bakteri´ı. Potraviny, kter´e nejsou tak v´ yraznˇe kysel´e, je potˇreba sterilizovat dlouhodobˇejˇs´ım z´ahˇrevem na teploty kolem 120 ◦ C, aby se zniˇcily i bakterie. Povˇsimnˇete si tak´e, ˇze p˚ usoben´ım vysok´e teploty pˇri sterilaci dojde k denaturaci vˇetˇsiny enzym˚ u, kter´e by se mohly na rozkladn´ ych procesech pod´ılet. 12 Maj´ ı tedy v dan´ ych podm´ınk´ ach ponˇ ekud niˇ zˇs´ı redoxn´ı potenci´ al, neˇ z maj´ı ty sloˇ zky, kter´ e chceme konzervovat.
34
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
Pokud m´ate dotaz k u ´loze, m˚ uˇzete se zeptat pˇr´ımo autora na e-mailov´e adrese ve tvaru
[email protected]. Jestliˇze m´a u ´loha v´ıce autor˚ u, piˇste prvn´ımu uveden´emu. Na Internetu s´ıdl´ı tak´e diskusn´ı f´ orum Nerozpustn´ y kˇreˇcek4 . T´ematem hovoru neb´ yv´ a vˇzdy jen chemie. Proto nev´ ahejte a pˇripojte se do diskuse.
Informace o doˇ sl´ em ˇ reˇ sen´ı M´ ate starosti, zdali k n´ am vaˇse ˇreˇsen´ı dorazilo? Potom je tady pro v´ as sluˇzba KSICHTu! Napiˇste n´ am, ˇze m´ate z´ajem vyuˇz´ıvat tuto sluˇzbu, a aˇz n´ am dojde vaˇse ˇreˇsen´ı, poˇsleme v´ am e-mail.
Errata Oprava menˇs´ı chyby v zad´ an´ı u ´lohy Neurosteroidy – slouˇcenina 1 m´a sum´arn´ı vzorec C30 H40 O4 , ˇcemuˇz odpov´ıdaj´ı i jin´ a hmotnostn´ı procenta element´arn´ıho sloˇzen´ı. Opraven´e podoby broˇzurek naleznete vˇzdy na webu KSICHTu jako PDF.
Term´ın odesl´ an´ı 4. s´ erie S´erie bude ukonˇcena 30. dubna 2007. Vyˇreˇsen´e u ´lohy je tˇreba odeslat nejpozdˇeji v tento den (rozhoduje datum poˇstovn´ıho raz´ıtka ˇci datum poˇstovn´ıho serveru).
4 http://www.hofyland.cz
3
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ Uvodn´ ıˇ cek
Neˇ z´ adouc´ı zmˇ eny potravin
Mil´e ˇreˇsitelky a mil´ı ˇreˇsitel´e! Stejnˇe tak jako kaˇzd´ y rok i letos uˇz to pˇriˇslo! Ano, je to tak. Jaro je tu. Pravda, letos ho tu m´ame jiˇz od zaˇc´atku u ´nora, ale o to v´ıce je si ho moˇzno uˇz´ıt. A ˇze si ho tak´e nˇekteˇr´ı jedinci uˇz´ıvaj´ı. Staˇc´ı si zaj´ıt do pˇr´ırody. Zde v Praze napˇr´ıklad na Petˇr´ın. . . Na druhou stranu nejen jarn´ımi n´amluvami ˇziv je organismus. Spr´ avn´ a mlad´ a intelektu´ aln´ı mysl totiˇz potˇrebuje vhodnou duˇsevn´ı stravu. Stejnˇe tak i dostatek pohybu, pravideln´ y sp´anek, vyrovnan´e rodinn´e prostˇred´ı a harmonick´e vztahy s okol´ım. Duˇsevn´ı stravy se v´ am dostane v t´eto s´erii opravdu mnoho. To ano. Ostatn´ı zm´ınˇen´e vˇeci v´ am vˇsak zaruˇcit nem˚ uˇzeme. Naopak je sp´ıˇse pravdˇepodobn´e, ˇze d´ıky naˇsim u ´loh´ am v nejbliˇzˇs´ıch dnech str´av´ıte hodiny a hodiny shrben´ı nad knihami, tot´ alnˇe vyˇcerp´ ani u ´navou z probdˇel´ ych noc´ı a h´adkami s rodiˇci, jestli sm´ıte ˇci nesm´ıte rozb´ıt kuchyˇ nsk´ y teplomˇer kv˚ uli ovˇeˇren´ı amalgamov´e u ´lohy. Co se t´ yˇce rozvracen´ı citov´eho ˇzivota, zde bude pˇredevˇs´ım z´aleˇzet na tom, zda v´ aˇs pˇr´ıtel ˇci pˇr´ıtelkynˇe bude nadˇsen´ a vaˇs´ım neust´ al´ ym hloub´an´ım nad moˇznostmi izolace lanolinu z ovˇc´ı vlny. Inu, nejsou to moc pˇekn´e vyhl´ıdky. Nebud’te vˇsak smutn´ı. Domn´ıv´ am se, ˇze celkovˇe pozitivn´ı dopad informac´ı obsaˇzen´ ych naˇsich u ´loh´ ach tyto drobn´e probl´emy zdaleka pˇrehluˇs´ı. ˇ Tak napˇr´ıklad: Dozv´ıte se, jak´ y m´a podle Josefa Svejka vliv pouˇstˇen´ı vˇetr˚ u ´ na glob´ aln´ı oteplov´ an´ı. Zjist´ıte, proˇc nˇekter´a Eˇcka chutnaj´ı l´epe lehce osmaˇzen´ a, kdeˇzto jin´ a je tˇreba podusit s organick´ ymi kyselinami obsaˇzen´ ymi v potravin´ ach. Vyp´ atr´ ate, zda m´a Nad’a r´ ada Vika i pˇres jeho utajovanou alergii na ovˇc´ı vlnu a jestli je lepˇs´ı rtut’ z rozbit´eho teplomˇeru kontrolovanˇe zneˇskodnit a nebo si ji radˇeji uschovat v lahviˇcce do nejbliˇzˇs´ı n´avˇstˇevy zubaˇre. I pˇres to vˇsechno jsme se rozhodli j´ıt jeˇstˇe d´ale a osobnˇe dohl´ednout a napravit kritick´ y stav nahl´ aˇsen´ ych jedinc˚ u bˇehem naˇseho jarn´ıho v´ yletu a pozdˇeji i ˇcervnov´eho soustˇredˇen´ı. Vˇsichni jste srdeˇcnˇe zv´ani! Pˇreji mnoho pˇr´ıjemn´ ych z´aˇzitk˚ u bˇehem ˇreˇsen´ı a na v´ yletˇe ahoj!
Tyto pochody lze rozdˇelit na mikrobn´ı (kter´e jsou zp˚ usobeny r˚ uzn´ ymi bakteriemi, kvasinkami nebo pl´ısnˇemi) a nemikrobn´ı (biochemick´e zmˇeny).
Honza Havl´ık
Nemikrobn´ı zmˇ eny potravin Ust´alen´ y stav, kter´ y se udrˇzuje v ˇziv´ ych buˇ nk´ ach a tk´ an´ıch, se po smrti naruˇs´ı a syst´em spˇeje spont´ ann´ımi reakcemi do rovnov´ ahy. Produkty tˇechto reakc´ı obvykle nejsou ˇz´ adouc´ı a sniˇzuj´ı kvalitu potravin. Jak´e reakce konkr´etnˇe prob´ıhaj´ı z´aleˇz´ı na typu potraviny, ale maj´ı nˇekter´e spoleˇcn´e rysy: • Poruˇsen´ı integrity bunˇek zp˚ usob´ı vylit´ı lytick´ ych enzym˚ u z lysosom˚ u a ty n´ aslednˇe degraduj´ı r˚ uzn´e sloˇzky bunˇek. Jedn´a se pˇredevˇs´ım o proteasy, kter´e ˇstˇep´ı b´ılkoviny na kratˇs´ı peptidy, a nukleasy degraduj´ıc´ı nukleov´e kyseliny. Proteol´ yza je ˇz´ adouc´ı pro kˇrehnut´ı masa, ale jinak se jedn´a o dˇeje nev´ıtan´e. • Barviva a obecnˇe l´ atky obsahuj´ıc´ı konjugovan´e dvojn´e vazby se snadno oxiduj´ı u ´ˇcinkem vzduˇsn´eho kysl´ıku. Pˇr´ıkladem m˚ uˇze b´ yt hnˇednut´ı ovoce na vzduchu. To je zapˇr´ıˇcinˇeno oxidac´ı pˇr´ıtomn´ ych anthokyan˚ u, resp. jejich glykosid˚ u, tˇr´ıslovin a dalˇs´ıch l´ atek. Podobn´ ym jevem je oxidace hemoglobinu na methemoglobin ve svalov´e tk´ ani. • Glukosa je po vyˇcerp´ an´ı redukovan´ ych koenyzm˚ u NAD+ a FADH2 metabolizov´ ana anaerobnˇe na kyselinu ml´eˇcnou, kter´ a sniˇzuje pH prostˇred´ı. Polysacharidy mohou podl´ehat ˇc´ asteˇcn´e hydrol´ yze a vznikl´e niˇzˇs´ı sacharidy chutnaj´ı sladce, coˇz zn´ ate u pozdn´ıch brambor ˇcasnˇe zjara11 nebo u semen pˇripraven´ ych na kl´ıˇcen´ı. • Tuky se mohou oxidovat nebo podl´ehat hydrol´ yze a zm´ ydelˇ nov´ an´ı, napˇr. z ml´eˇcn´eho tuku (m´ asla) se hydrol´ yzou uvoln´ı ostˇre zap´ achaj´ıc´ı kyselina m´aseln´ a. Enzymatick´e rozklady prob´ıhaj´ı daleko rychleji pˇri pokojov´e teplotˇe neˇz ve chladu a oxidace m˚ uˇze b´ yt snadno iniciov´ ana voln´ ymi radik´ aly vznikl´ ymi p˚ usoben´ım UV z´aˇren´ı (jako jedn´e ze sloˇzek sluneˇcn´ıho svˇetla), proto choulostiv´e potraviny skladujte v chladnu a temnu“. ” 11 U brambor vˇ sak doch´ az´ı souˇ casnˇ e k d´ ych´ an´ı, tedy aerobn´ı oxidaci glukosy, a proto brambory jen ztr´ acej´ı na objemu odparem vody a metabolizov´ an´ım ˇskrobu, ale nejsou kysel´ e, sp´ıˇse nasl´ adl´ e.
4
33
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
• zv´ yˇsen´ı jejich nutriˇcn´ı hodnoty (vitam´ıny, nenasycen´e mastn´e kyseliny, stopov´e prvky) • zlepˇsen´ı kvality a prodlouˇzen´ı trvanlivosti (konzervaˇcn´ı l´ atky, antimikrobi´ aln´ı l´ atky) • zlepˇsen´ı nebo usnadnˇen´ı procesu pˇr´ıpravy potravin (smˇesi na nakl´ ad´ an´ı masa) • u ´prava vzhledu a sensorick´ ych vlastnost´ı V souˇcasn´e dobˇe se pouˇz´ıv´ a pˇres 2888 aditiv9 , pˇriˇcemˇz drtivou vˇetˇsinu tvoˇr´ı koˇren´ı a l´ atky jako kypˇric´ı pr´aˇsek, kyseliny citronov´a a fosforeˇcn´ a, umˇel´a sladidla a pˇr´ırodn´ı a pˇr´ırodnˇe identick´ a barviva a aromata. Pro aditiva se vˇzil n´ azev ´eˇcka“, spr´ avnˇeji E k´ ody“, coˇz jsou ˇc´ısla pouˇz´ıvan´a v Evropˇe pro povo” ” len´ a aditiva10 . ´ cka Eˇ Chemicky pestrou skupinu aditiv tvoˇr´ı l´ atky pouˇz´ıvan´e pro zlepˇsen´ı nebo udrˇzen´ı textury potravin. Emulg´ atory zabraˇ nuj´ı vylouˇcen´ı tukov´e a vodn´e f´ aze ze smˇes´ı, a jsou to tedy l´ atky s amfifiln´ı povahou. Stabiliz´ atory zvyˇsuj´ı stabilitu smˇes´ı hererogenn´ıch l´ atek obecnˇe, patˇr´ı sem napˇr´ıklad l´ atky br´ an´ıc´ı tvorbˇe krystalk˚ u ledu ve zmrzlinˇe (karaginan). Zahuˇst’ovadla vynikaj´ı svou schopnost´ı v´ azat vodu, pˇr´ıkladem mohou b´ yt l´ atky pˇrid´ avan´e do n´ızkotuˇcn´ ych jogurt˚ u, kter´e zabraˇ nuj´ı vylouˇcen´ı syrov´ atky (ˇzelatina, ˇskrob), nebo pektin, kter´ y se pouˇz´ıv´ a pˇri v´ yrobˇe marmel´ ad. Jako protihrudkuj´ıc´ı l´ atky se pˇrid´ avaj´ı nˇekter´e anorganick´e soli, napˇr. hlinitokˇremiˇcitan sodn´ y. Barviva mohou b´ yt pˇr´ırodn´ı, napˇr. β-karoten, chlorofyl, karamel, nebo umˇel´a, kter´ a jsou vˇsak nejˇcastˇeji odvozen´a od pˇr´ırodn´ıch. Stejnˇe tak aromata b´ yvaj´ı vˇetˇsinou pˇr´ırodn´ı l´ atky nebo jejich deriv´ aty. Mezi l´ atky zv´ yrazˇ nuj´ıc´ı nebo reguluj´ıc´ı chut’ patˇr´ı r˚ uzn´ a koˇren´ı, sladidla (vedle sacharid˚ u je to nejˇcastˇeji aspartam), kyseliny (citronov´ a, octov´ a, fosforeˇcn´a, ml´eˇcn´ a, jableˇcn´ a. . . ) a regul´ atory kyselosti (neboli pufry; obecnˇe sodn´e soli v´ yˇse zm´ınˇen´ ych slab´ ych kyselin nebo kyseliny uhliˇcit´e), aromata a dalˇs´ı l´ atky. Zv´ yrazˇ novaˇce chuti zostˇruj´ı vn´ım´an´ı ostatn´ıch chut´ı, takovou vlastnost m´a napˇr. glutam´ at, kter´ y se s oblibou pouˇz´ıv´a v ˇc´ınsk´e kuchyni a jehoˇz chut’ se popisuje jako umami. Tak´e mal´e mnoˇzstn´ı chloridu sodn´eho ponˇekud zv´ yrazˇ nuje ostatn´ı chuti, o ˇcemˇz n´ as pouˇcuje i jedna zn´ am´a ˇcesk´a poh´adka – S˚ ul nad zlato. Konzervaˇcn´ım l´ atk´ am se budu vˇenovat d´ ale v samostatn´e kapitole. 9 http://www.answers.com/topic/food-additive 10 St´ aty
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
Zad´ an´ı u ´loh 4. s´ erie 5. roˇ cn´ıku KSICHTu ´ Uloha ˇ c. 1: Osmismˇ erka ˇ ˇ Autoˇri: Michal Rezanka, Pavel Rezanka a Mark´eta Zaj´ıcov´ a Y J S O R T H O F E N Y L F E N O L 1
N I R T X E D O L K Y C A T E B O
I M T Y N E T O R A K 0 B E H Y T T M
T ´ A R T I C L Y H T E I R T Y A M U A
K A A M E A U 0 Y ´I L 3 ˇ R P L L I N
E S B O T R O K K C A
P P I ˇ C U V ´I R ´I T O E ˇ C E ˇ S
R Z M L U L I S E 3
N A X O L I S Y L O P L Y H T E M I D
I R L V 5 U E , P Y G Z C H L B N 2
S T I I D I 1 L O L Y E Y A E O 2
R M Z A 0 S A K T L L A A C C Y T Z L
H ´ E ´ A A U L A X ˇ R A K Y P N E O Y O
T Y R E N A A G T T O ´ E L A L , Y M D V Y E A T 5 ´ T T T A M R H I ´ O E T A K A V K D N R A O I ´ R B L E L U L O R B I A N I T K N D E R E C Y
Z L O T I N N A M N E N P S G 4 L
E P R 2 B A R G O N 5 O I B A E ´ A 7 G
Sdˇelovac´ı prostˇredky na n´ as dennodennˇe u ´toˇc´ı informacemi o ˇskodlivosti ´ cek. Co jsou ale tyto l´ tzv. Eˇ atky zaˇc? To se dozv´ıte pˇri ˇreˇsen´ı t´eto u ´lohy. 1. Kaˇzd´emu ˇc´ıslu z tabulky 1 pˇriˇrad’te n´ azev (vˇzdy jednoslovn´ y) a ten potom ´ cko existuje v´ıce n´ zaˇskrtnˇete v osmismˇerce. Pokud pro dan´e Eˇ azv˚ u, uved’te ten, kter´ y je v osmismˇerce. Osmismˇerku n´ am pos´ılat nemus´ıte, staˇc´ı, kdyˇz ´ cka (seˇrad’te je vzestupnˇe) a k nˇemu pˇr´ısluˇsn´ n´ am nap´ıˇsete ˇc´ıslo Eˇ y n´ azev. 2. Nevyˇskrtnut´e znaky (vˇcetnˇe mezer apod.) tvoˇr´ı tajenku. Napiˇste ji. Upozornˇ en´ı: P´ısmeno CH povaˇ zujte za dva znaky, tzn. za C a H!
´ cek v Tabulce 1 nen´ı n´ 3. Seˇrazen´ı Eˇ ahodn´e. Podle ˇceho jsou tedy seˇrazena?
mimo Evropu ˇ casto pouˇ z´ıvaj´ı jen ˇ c´ıseln´ e oznaˇ cen´ı a ne vˇ zdy maj´ı odpov´ıdaj´ıc´ı E k´ od, protoˇ ze tyto l´ atky nemus´ı b´ yt v Evropˇ e povolen´ e.
32
O A H N A N E G A R A K Y N L K N R A
8 bod˚ u
5
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
´ cek. Napiˇste jejich n´azvy a moˇzn´e 4. I v samotn´e tajence se vyskytuj´ı ˇc´ısla Eˇ pouˇzit´ı. 5. V jak´e vyhl´ aˇsce jsou definov´ any podm´ınky pouˇzit´ı l´ atek pˇr´ıdatn´ ych (neboli ´ cek)? Eˇ
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
Velmi pestrou skupinou jsou pak heterocyklick´e dus´ıkat´e l´ atky oznaˇcovan´e jako alkaloidy. Setk´ ame se s nimi v r˚ uzn´ ych typech bylin a koˇren´ı a mnoh´e z nich jsou zodpovˇedn´e za hoˇrk´e t´ ony chut´ı. Jedn´a se vˇsak o biologicky aktivn´ı l´ atky, kter´e ovlivˇ nuj´ı fyziologii, takˇze se aˇz na v´ yjimky jako potravin´aˇrsk´ a aditiva neuplatˇ nuj´ı. Princip vn´ım´ an´ı v˚ un´ı a chut´ı (jemn´ y n´ astin)
Dokonˇcen´ı vtipu je uvedeno v tajence. Poˇ r.
´ cko Eˇ
Poˇ r.
´ cko Eˇ
Poˇ r.
´ cko Eˇ
Poˇ r.
´ cko Eˇ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
E175 E941 E939 E938 E951 E406 E559 E161b E422
10 11 12 13 14 15 16 17
E927b E160a E558 E904 E127 E234 E407 E440
18 19 20 21 22 23 24 25
E421 E163 E122 E310 E553b E410 E1505 E957
26 27 28 29 30 31 32 33
E952 E900 E474 E459 E231 E1103 E1200 E465
Schopnost vn´ımat chemick´e l´ atky ve sv´em okol´ı a reagovat na jejich koncentraˇcn´ı gradient maj´ı i primitivn´ı organismy, avˇsak rozpozn´ avaj´ı jen nˇekolik m´alo typ˚ u l´ atek. U vyˇsˇs´ıch ˇzivoˇcich˚ u se pak vyvinuly specializovan´e buˇ nky, kter´e mˇely schopnost citlivˇe reagovat na r˚ uzn´e chemick´e podnˇety, a tyto buˇ nky daly z´aklad specializovan´ ym smyslov´ ym org´ an˚ um, chemoreceptor˚ um. Vn´ım´an´ı chuti a v˚ unˇe m´a spoleˇcn´ y princip, ale liˇs´ı se citlivost´ı, dosahem, v chemick´em charakteru rozpozn´ avan´ ych l´ atek a poˇctem r˚ uzn´ ych slouˇcenin, na kter´e reaguj´ı. Vn´ım´an´ı v˚ un´ı a chut´ı zaloˇzeno na jednoduch´ ych principech: nejprve se molekula takov´ehle l´ atky nav´ aˇze na b´ılkovinov´ y receptor vnˇe buˇ nky, kter´a se na jej´ı vn´ım´an´ı specializuje. Tato interakce se prom´ıtne do prostorov´eho uspoˇr´ ad´ an´ı molekuly receptoru a dojde k m´ırn´e zmˇenˇe jeho tvaru. Receptor zasahuje i dovnitˇr buˇ nky, a tak se tato konformaˇcn´ı zmˇena pˇrenese i na molekuly, kter´e se v´ aˇzou v buˇ nce, nˇekter´a vazebn´a m´ısta zaniknou a naopak se vytvoˇr´ı jin´ a. Molekuly zodpovˇedn´e za ˇs´ıˇren´ı sign´ alu uvnitˇr buˇ nky maj´ı bud’ enzymatickou aktivitu, nebo schopnost ji modulovat (v tomto pˇr´ıpadˇe mluv´ıme o tzv. druh´ ych ” poslech“). P˚ uvodn´ı podnˇet je tedy velmi rychle a specificky rozˇs´ıˇren a vyvol´ a patˇriˇcnou reakci. Tou je zmˇena membr´ anov´eho potenci´ alu smyslov´e buˇ nky, vytvoˇren´ı nervov´eho vzruchu, kter´ y se v mozku vyhodnot´ı jako smyslov´ y vjem. Abych byla pˇreci jen trochu konkr´etnˇejˇs´ı – proteiny zodpovˇedn´e za pˇrenos sign´ alu z receptoru do buˇ nky jsou takzvan´e G-proteiny: p´ısmeno G je odvozeno od toho, ˇze se na proteiny t´eto skupiny v´ aˇze GTP8 nebo GDP jako allosterick´e faktory (ovlivˇ nuj´ıc´ı jeho vlastnosti a enzymatickou aktivitu). V roli druh´eho posla zde figuruje cyklick´ y adenosinmonofosf´ at (cAMP). Pro v´ıce informac´ı jiˇz laskav´ y ˇcten´aˇr zajist´e s´ ahne s´am do literatury. Potravin´ aˇ rsk´ a aditiva Jako potravin´ aˇrsk´ a aditiva se oznaˇcuj´ı l´ atky, kter´e se pˇrid´ avaj´ı do potravin za u ´ˇcelem zlepˇsen´ı n´ asleduj´ıc´ıch vlastnost´ı:
ˇ ısla Eˇ ´ cek vyskytuj´ıc´ıch se v osmismˇerce Tabulka 1: C´
8 Guanosintrifosf´ at, GTP, a guanosindifosf´ at, GDP, jsou podobnˇ e jako ATP a ADP nukleosidfosf´ aty. GTP a ATP se ˇrad´ı mezi energeticky bohat´ e l´ atky, protoˇ ze jejich hydrol´ yzou se uvoln´ı v´ yrazn´ e mnoˇ zstv´ı energie.
6
31
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ Uloha ˇ c. 2: Vik – velk´ y umˇ elec organick´ ych synt´ ez Autor: Iva Volesk´a
Seri´ al – Chemie v kuchyni IV Autor: Helena Handrkov´ a V tomto d´ıle dokonˇc´ım to, co jsem zapoˇcala v d´ıle minul´em, pokus´ım se v´ am objasnit princip vn´ım´ an´ı chuti a v˚ unˇe. S dalˇs´ımi sensoricky aktivn´ımi l´ atkami se sezn´ am´ıte v u ´loze V´ıme, co j´ıme“, kterou pro v´ as pˇripravila Petra M´enov´ a. ” Zastav´ım se tedy u dalˇs´ıch sensoricky aktivn´ıch l´ atek a potravin´ aˇrsk´ych aditiv, kter´e jsou mimo r´ amec t´eto u ´lohy. Naˇsi exkursi chemi´ı potravin zakonˇc´ım principem jejich zk´ azy a metodami konzervace potravin.
Sensorick´ e vlastnosti potravin (II) Sensoricky aktivn´ı l´ atky s hydrofiln´ım charakterem Zat´ımco v˚ uni, aroma potravin urˇcuj´ı pˇrev´ aˇznˇe tˇekav´e nepol´ arn´ı l´atky, chut´ı vn´ım´ame sp´ıˇse l´ atky pol´ arn´ı, rozpuˇstˇen´e ve vodˇe. Vn´ım´ame ˇctyˇri z´akladn´ı chutˇe (slanou, sladkou, kyselou a hoˇrkou), ke kter´ ym se ˇrad´ı jeˇstˇe chut’ umami (tˇeˇzko ’ popsateln´ a chut po masov´em buj´ onu nebo koˇren´ı maggi) a chut’ palˇciv´a7 , kterou vn´ım´ame skrze receptory bolesti. Obecnˇe plat´ı, ˇze n´ızkomolekul´ arn´ı l´ atky jsou tˇekavˇejˇs´ı neˇz jejich tˇeˇzˇs´ı homology. Avˇsak u menˇs´ıch pol´ arn´ıch l´ atek se v´ıce projevuj´ı mezimolekulov´e interakce (elektrostatick´e s´ıly a vod´ıkov´e m˚ ustky), kter´e drˇz´ı molekuly pohromadˇe a tˇekavost naopak sniˇzuj´ı. Pol´ arn´ıch aromatick´ ych sloˇzek potravin je tedy m´enˇe neˇz nepol´ arn´ıch. Z t´eto skupiny maj´ı bezpochyby nejvˇetˇs´ı v´ yznam estery, kter´e tvoˇr´ı typicky von´ıc´ı sloˇzky obsaˇzen´e v rozliˇcn´ ych druz´ıch ovoce. V´ıce se o nich dozv´ıte d´ıky u ´loze Petry M´enov´e. Za zm´ınku d´ ale stoj´ı jednoduch´e aminy. Trimethylamin je z´ akladn´ı sloˇzkou typick´eho pachu rybiny, kter´ y je (podle druhu ryby a dalˇs´ıch faktor˚ u) doprov´azen dalˇs´ımi aminy dotv´ aˇrej´ıc´ımi v´ ysledn´e aroma. Ryby se obvykle serv´ıruj´ı pokapan´e citronem, protoˇze obsaˇzen´ a kyselina citronov´ a protonizuje tyto aminy a t´ım v´ yraznˇe omezuje jejich tˇekavost a tedy neutralizuje jejich pach. Tak´e si nelze nevˇsimnout nˇekter´ ych jednoduch´ ych organick´ ych kyselin octov´e a m´aseln´e nebo ml´eˇcn´e, kter´e jsou produkty mikrobi´ aln´ıho metabolismu nebo neˇz´adouc´ıch oxidaˇcn´ıch proces˚ u. Jako koˇren´ı se pouˇz´ıv´a jen ocet, ten kvalitnˇejˇs´ı se vyr´ ab´ı z v´ına a ten obyˇcejn´ y kvaˇsen´ım sacharid˚ u na vhodn´em substr´ atu. Alkoholy se jako aromatick´e l´ atky neuplatˇ nuj´ı, i kdyˇz maj´ı tak´e charakteristickou v˚ uni. 7o
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Uˇz jsem se b´ ala, ˇze v˚ ubec nepˇrijdeˇs,“ ˇrekla Edita s oˇcividn´ym u ´sil´ım, aby ” v tom nezaznˇel ani mikrogram v´ytky, n´ybrˇz naopak tuna l´ askypln´e blahov˚ ule. Vy jste se b´ ala taky?“ zeptal se Vik Nadi. ” Ano, kdyˇz jste tak dlouho neˇsel?“ ” To protoˇze sv´ıt´ı slun´ıˇcko. Aˇz bude prˇset, napracuji si to. Vy dˇel´ ate kaˇzd´y ” den stejnˇe?“ To je snad norm´ aln´ı, ne?“ ˇrekla Nad’a ostraˇzitˇe. ” Ale snad dost u ´navn´e, ne?“ op´ aˇcil Vik. ” Vik m´ au ´plnˇe pravdu,“ zas´ ahla Edita rychle, a pak, Vik nen´ı nˇejak´y ˇradov´y ” ” chemik, ale velk´y umˇelec organick´ych synt´ez a za hodinu vymysl´ı v´ıc neˇz tˇreba j´ a za p˚ ul roku.“ Vid´ım, ˇze budeˇs ode mne nˇeco cht´ıt,“ ˇrekl Vik nevzruˇsenˇe Editˇe, otevˇrel ” ledniˇcku a zaˇcal pokojnˇe sn´ıdat ml´eko a posledn´ı jogurt z Prahy. Jen u ´plnˇe docela jenom nepatrnou maliˇckost,“ usm´ ala se Edita a jala se ” horlivˇe pˇredv´ adˇet sv´e lanolinov´e kaˇse, pasty a medy, produkty to vesmˇes odporn´e uˇz na pohled. Jeˇstˇe neˇz dosn´ıdal, pochopil Vik Editinu nesn´ az. Mˇela za u ´kol z lanolinu, odpadaj´ıc´ıho pˇri pran´ı ovˇc´ı vlny, izolovat l´ atku X. 1. Z kter´eho rom´ anu je uk´ azka a kdo je jeho autorem? 2. Identifikujte l´ atku X a uhlovod´ık, od kter´eho jsou l´ atky tohoto typu odvozeny. Nakreslete i struktury obou l´ atek. (N´ apovˇeda: L´ atka je souˇc´ ast´ı lipidov´ ych dvojvrstev a v organismu vznik´ a v posledn´ım kroku biosynt´ezy z lanosterolu na membr´ an´ ach endoplasmatick´eho retikula). Houby obsahuj´ı strukturnˇe podobnou l´ atku Y. Jakou? Kter´a z tˇechto dvou l´ atek (X a Y ) m´a vˇetˇs´ı molekulovou hmotnost? 3. Pomoc´ı ˇceho byla l´ atka v rom´ anu izolov´ ana (Z )? 4. Z obsahuje mimo jin´e l´ atky A, B a C. (a) Pˇri zahˇr´ıv´ an´ı l´ atky A s hydroxidem sodn´ ym a v´ apenat´ ym vznik´a nejjednoduˇsˇs´ı uhlovod´ık (reakce 1). (b) L´ atka B se snadno rozkl´ ad´a (reakce 2). Co by bylo vhodn´e pouˇz´ıt jako katalyz´ ator reakce 2 a co jako jej´ı inhibitor? L´ atka B se vyr´ ab´ı oxidac´ı 2-alkylantrahydrochinonu kysl´ıkem za teploty asi 35 ◦ C, tlaku 500 kPa a paladia jako katalyz´ atoru (reakce 3).
kter´ e jste se mohli dovˇ edˇ et v´ıce napˇr. v u ´loze Princip palˇ civ´ e chuti“ ”
30
8 bod˚ u
7
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
(c) L´ atka C vznik´a pˇri dvoustupˇ nov´e synt´eze. Prvn´ım krokem je reakce ethan-1,2-diolu s ethylenoxidem (reakce 4a), ve druh´em vznikaj´ıc´ı molekula reaguje s kyselinou chlorovod´ıkovou pˇri teplotˇe 500 ◦ C za vzniku C (reakce 4b). L´ atky A, B a C pojmenujte a napiˇste jejich vzorce. D´ ale uved’te reakce 1–4b. 5. Z obsahuje tak´e kyselinu peroxyoctovou, kter´a m´a pKA 8,20. Urˇcete pH roztoku t´eto kyseliny (a), je-li jej´ı koncentrace 0,01 mol dm−3 a koncentraci kyseliny octov´e (b) v mol dm−3 o stejn´em pH. pKA kyseliny peroxyoctov´e je o 3,50 vˇetˇs´ı neˇz pKA kyseliny octov´e. Povaˇzujte oba roztoky za ide´aln´ı. Kter´ a z kyselin je silnˇejˇs´ı a proˇc?
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
OBz
OBz
Na 2Cr2O 7 / AcONa AcOH / Ac 2O
1 AcO
AcO
2
OBz
OBz HClO4
H2, Pd / CaCO3 EtOH, EtOAc
MeOH / CHCl3
AcO
3
O
HO
H
6. Pˇredpokl´ adejte, ˇze m´ate podobn´ yu ´kol – rozpustit X. Jak´e vlastnosti (obecnˇe) by mˇelo m´ıt poˇzadovan´e rozpuˇstˇedlo (napˇr. typ l´atky, fyzik´ aln´ı vlastnosti)? Pˇredpokl´ adejte, ˇze rozpouˇstˇen´ı chcete prov´ adˇet v pr˚ umyslov´em mˇeˇr´ıtku).
O
O
4
H
OBz
OBz
TsCl
NaNO2
py
140 °C, DMF
TsO
5
O
HO
H
O
6
H
OBz
OBz MOMCl, DIPEA
L−Selectride ® −78 °C, THF
CH2Cl2
7 HO
8 MOMO
OH
MOMO H
H
O
OH PCC / Al2O3
NaOH 60 °C, EtOH
benzen
9 MOMO
10 MOMO
MOMO H
MOMO H
21 18 12
20 17
11 19 1
HCl 40 °C, benzen, MeOH
O
14 16
2 10 5
3
HO
H
9
13
4
H
8 7
H
15
11
OH H
6
Obr´ azek 1: Reakˇcn´ı sch´ema pˇr´ıpravy deriv´ atu pregnanolonu
8
29
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ Uloha ˇ c. 5: Neurosteroidy ˇ Autor: Michal Rezanka
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
14 bod˚ u
1. Viz reakˇcn´ı sch´ema. 2. P´ısmena α a β v n´ azvoslov´ı steroid˚ u popisuj´ı stereochemii na jednotliv´ ych atomech uhl´ıku. Substituent je α, pokud smˇeˇruje pod rovinu steroidu (ˇc´arkovan´ a vazba), a β, pokud smˇeˇruje nad rovinu steroidu (pln´ y kl´ınek). K absolutn´ı konfiguraci toto oznaˇcen´ı nem´a ˇz´adn´ y vztah. α m˚ uˇze b´ yt stejnˇe dobˇre R jako S ; podobnˇe i β. 3. Viz reakˇcn´ı sch´ema. 4. Pˇri tvorbˇe u ´lohy jsem vych´ azel z ˇcl´ anku popisuj´ıc´ım pˇredkl´ adanou synt´ezu ˇ ast synt´ezy jsem mˇel za u [1]. C´ ´kol prov´est v r´ amci odborn´e praxe na ´ ˇ (Ustav ´ UOCHB AVCR organick´e chemie a biochemie). Reakce jdou za sebou v tomto sledu: Allylov´ a oxidace na uhl´ıku 7, hydrogenace na 5α deriv´ at (ke vzniku druh´eho izomeru nedoch´ az´ı ze sterick´ ych d˚ uvod˚ u), hydrol´ yza acetylu, ochr´ anˇen´ı hydroxylu, nukleofiln´ı substituce a hydrol´ yza za zmˇeny konfigurace na stereogenn´ım centru, selektivn´ı redukce ketonu na 7α deriv´ at (ke vzniku druh´eho izomeru nedoch´ az´ı ze sterick´ ych d˚ uvod˚ u), ochr´ anˇen´ı hydroxyl˚ u methoxymethyly, hydrol´ yza benzoylu (tato esterov´a vazba je nest´ al´a v z´asadit´em prostˇred´ı, na rozd´ıl od ostatn´ıch pouˇzit´ ych chr´ anic´ıch skupin, kter´e jsou nest´al´e v prostˇred´ı kysel´em), oxidace alkoholu na keton na uhl´ıku 20 m´ırn´ ym oxidaˇcn´ım ˇcinidlem a koneˇcn´ a hydrol´ yza methoxymethyl˚ u za vzniku k´ yˇzen´eho produktu. 5. (a) Singlet u 2,02 ppm je sign´ al methylov´e skupiny z hydrolyzovan´eho acetylu, singlet u 2,45 ppm je methyl z tosylu, sign´aly mezi 7 a 8 ppm jsou vod´ıky na benzenov´em j´ adˇre tosylu, sign´ al u 3,83 ppm je vod´ık na uhl´ıku ˇc´ıslo 7, sign´ aly s hodnotou vyˇsˇs´ı neˇz 5 ppm zmizely, jelikoˇz byl odhydrolyzov´ an benzoyl s vod´ıky mezi 7,4 a 8,1 ppm. −1 (b) 1709 cm je absorpˇcn´ı p´ as C=O na uhl´ıku 7, 1699 cm−1 je absorpˇcn´ı p´ as C=O na uhl´ıku 20. Literatura 1. Chodounsk´ a H.; Kasal A. Collect Czech Chem. Commun. 1998, 63, 1543– 1548 Ot´ azka 1 – 1 bod, ot´ azka 2 – 1 bod, ot´ azka 3 – 10,5 bodu a ot´ azka 4 – 1,5 bodu. Celkem 14 bod˚ u. 28
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ Uloha ˇ c. 3: Amalg´ amy Autor: Radek Matuˇska
9 bod˚ u
Zaˇcnˇeme pˇr´ıhodou, kter´ a se mi ned´ avno stala. Na pˇredn´ aˇsce mi zvon´ı telefon, a kdyˇz jej zvednu, do sluch´ atka se mi ozve zoufal´y kamar´ ad, co pr´ avˇe rozbil teplomˇer, a ˇze jestli proboha nev´ım, co s t´ım, aby se u nˇej doma vˇsichni neotr´ avili. . . Abych to neprotahoval, tak v´ as ted’ nech´ am mluvit za mˇe, protoˇze jistˇe tuˇs´ıte, co bude vaˇs´ım u ´kolem. 1. Zkuste vysvˇetlit, proˇc je tˇreba vylitou rtut’ zneˇskodnit, pˇrestoˇze je zn´ amo nˇekolik pˇr´ıpad˚ u, kdy si sebevrazi podali rtut’ nitroˇzilnˇe a pˇreˇzili. 2. Rovnˇeˇz zkuste vysvˇetlit, proˇc se neotr´ avili sebevrazi popsan´ı v pˇredchoz´ı ot´ azce. 3. Vysvˇetlete pojem amalg´am a popiˇste sch´ematem obecnˇe vznik sod´ıkov´eho amalg´amu. Je tvorba sod´ıkov´eho amalg´amu reakc´ı exotermn´ı, nebo endotermn´ı? Jak byste to zd˚ uvodnili? Zp˚ usob z´ apisu amalg´amu si zvolte nejl´epe M/Hg. (Pokud se nejedn´a o vyloˇzenˇe stechiometrickou slouˇceninu!) 4. Jeˇstˇe se chv´ıli zdrˇz´ıme u sod´ıkov´eho amalg´amu a pak se koneˇcnˇe pust´ıme do t´e rozlit´e rtuti. . . Jednoduˇse popiˇste, jak to vypad´a se skupenstv´ım sod´ıkov´eho amalg´ amu v z´ avislosti na jeho sloˇzen´ı (tedy v z´ avislosti pomˇeru Na : Hg). 5. Pokuste se naj´ıt zp˚ usob, kter´ ym by se dala vylit´ a rtut’ odstranit. (Odpovˇed’ nehledejte jen v n´ azvu u ´lohy!) Najdˇete alespoˇ n dva zp˚ usoby, jejichˇz pouˇzitelnost zd˚ uvodnˇete sch´ematem i slovnˇe. N´ apovˇ eda: Jeden zp˚ usob vyuˇ z´ıv´ a v´ yhodn´ ych vlastnost´ı urˇ cit´ eho amalg´ amu. Pˇri z´ apisu rovnice uvaˇ zujte jenom reakci nertut’ov´ eho“ kovu a stechiometrii 1:1. ”
6. Vypoˇctˇete, kolik gram˚ u kaˇzd´e z v´ yˇse zjiˇstˇen´ ych l´ atek je tˇreba ke zneˇskodnˇen´ı rtuti z obyˇcejn´eho teplomˇeru, ve kter´em byla rtut’ ve v´ alcov´e n´adobce o vnitˇrn´ım polomˇeru 2 mm a v´ yˇsce 1,0 cm a rtut’ v kapil´ aˇre teplomˇeru o vnitˇrn´ım pr˚ umˇeru 0,20 mm vystoupala k 22 ◦ C. Stupnice byla dˇelena od −30 ◦ C po 1,0 mm na 0,5 ◦ C, proluka mezi n´adobkou na rtut’ a stupnic´ı je 0,50 cm. Hustota rtuti je ρHg = 13,58 g cm−3 pˇri 22 ◦ C. 7. Jak jistˇe v´ıte, rtut’ v teplomˇeru tuhne zhruba pˇri −38 ◦ C. Tuto nepˇr´ıjemnou vlastnost lze ˇc´asteˇcnˇe (aˇz do −58 ◦ C) odstranit rovnˇeˇz pouˇzit´ım jist´eho amalg´amu. Zkuste naj´ıt jak´eho.
9
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
To, co jsme ted’ provedli, vˇsak zcela jistˇe nen´ı jedin´e vyuˇzit´ı amalg´ am˚ u. Urˇcitˇe si pamatujete na zubn´ı plomby z dˇetstv´ı. Ty jsou rovnˇeˇz tvoˇreny amalg´ amem – a ne tak ledajak´ ym. Zkusme si tedy povˇedˇet nˇeco o dent´ aln´ıch amalg´ amech. 8. Jak´e vlastnosti by mˇel m´ıt takov´ y dent´ aln´ı amalg´am, aby byl v˚ ubec pouˇziteln´ y v l´ekaˇrstv´ı? Zkuste naj´ıt alespoˇ n tˇri takov´e aspekty. 9. Kdo poprv´e pouˇzil dent´ aln´ı plomby na b´ azi amalg´am˚ u? Ve kter´em roce to bylo? 10. Bˇeˇzn´e amalg´amy jsou smˇes´ı jednoho d´ılu rtuti a jednoho d´ılu (ob´e hmotnostn´ı) smˇesi zlata, stˇr´ıbra a mˇedi. Pˇredpokl´ adejme nyn´ı pro jednoduchost, ˇze pomˇer Au : Ag : Cu = 1 : 1 : 1 (hm.) a zubaˇr pro naˇsi plombu pouˇzije 3,12 g amalg´amu. Vypoˇctˇete, kolik gram˚ u zlata a rtuti n´ am tak vprav´ı do organismu. 11. Bud’me nyn´ı trochu skrbl´ıci a pokusme se zjistit, jak by se daly ony drah´e kovy z dent´ aln´ıho amalg´amu dostat ryz´ı byt’ ve smˇesi (Au, Ag, Cu). Struˇcnˇe se vyj´ adˇrete k tomuto zp˚ usobu z´ısk´av´ an´ı a jeho zdravotn´ıch aspektech. Pomˇernˇe zaj´ımav´ ym vyuˇzit´ım tvorby amalg´amu je v´ yroba hydroxidu sodn´eho elektrol´ yzou roztoku chloridu sodn´eho za pouˇzit´ı rtut’ov´e elektrody jako katody. Je to pomˇernˇe v´ yznamn´ a pr˚ umyslov´ a v´ yroba a mˇeli bychom se j´ı tedy zaob´ırat trochu v´ıce. 12. Napiˇste, jak´ a reakce prob´ıh´ a prim´arnˇe na katodˇe i anodˇe pˇri elektrol´ yze roztoku chloridu sodn´eho. Na katodˇe uvaˇzujte i reakci se rtut´ı. 13. Zabrous´ıme trochu do historie: Jak se obvykle naz´ yval (a dnes jeˇstˇe nˇekdy st´ale naz´ yv´ a) roztok chloridu sodn´eho? 14. Pokud jste odpovˇedˇeli na ot´ azku 12 spr´ avnˇe, urˇcitˇe se nediv´ıte, proˇc n´am ˇz´adn´ y hydroxid nevznikl, pˇrestoˇze jsme ho vyr´ abˇeli. Napiˇste tedy, jak vznik´a hydroxid sodn´ y z prim´ arn´ıho produktu reakce na katodˇe.
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
Po dosaden´ı (9) do (8) a drobn´ ych u ´prav´ ach postupne dostaneme KB =
αc[OH− ] α αc[OH− ] = = [OH− ] c − [BH+ ] c − αc 1−α
(10)
V´ yraz pre i´ onov´ y produkt vody Kw (≈ 1 · 10−14 pre 20 ◦ C) Kw = [H3 O+ ][OH− ]
(11)
uprav´ıme a dosad´ıme do (10) KB =
Kw α [H3 O+ ] 1 − α
a po drobn´ ych u ´prav´ ach dostaneme v´ yraz pre v´ ypoˇcet α −1 Kw α= 1+ KB [H3 O+ ]
(12)
(13)
Pretoˇze rovnice (8) a (11) platia vˇseobecne, mus´ı rovnica (13) platit’ nielen pre roztok ˇcistej b´ aze, ale aj obecne pre tlmiv´ y roztok. Zo zadania vieme, ˇze [H3 O+ ] = 3,16 · 10−8 a KB = 2,0 · 10−6 . Po dosaden´ı ˇc´ıseln´ ych hodnˆ ot do rovnice (13) dostaneme α ≈ 86 %. (b) Moˇznost´ı je samozrejme viac. Prv´ a z nich je klasick´e zmieˇsanie vypoˇc´ıtan´ ych mnoˇzstiev roztokov TRIS a HCl, doplnenie s´ ustavy do definovan´eho objemu a n´ asledn´ a kontrola pH takto vzniknut´eho roztoku. V praxi by bolo moˇzn´e pripravit’ tento tlmiv´ y roztok aj titr´ aciou“ ” dan´eho mnoˇzstva roztoku TRIS roztokom HCl (alebo naopak) za s´ uˇcasn´eho intenz´ıvneho mieˇsania a merania pH. Titr´ acia“ sa ukonˇc´ı ” v okamihu dosiahnutia poˇzadovanej hodnoty pH. ˇ cez deˇ (c) Z rohovky sa poˇcas nosenia KS n vyplavuj´ u prote´ıny a in´e splodiny l´ atkovej premeny jej buniek. Podstatn´ a ˇcast’ t´ ychto l´ atok je ˇ vyplavovan´a slzami. Mal´ z priestoru medzi rohovkou a KS a ˇcast’ sa ˇ Jednou z funkci´ı ˇcistiaceho vˇsak adsorbuje na vn´ utornom povrchu KS. roztoku je chemick´ a denatur´ acia a n´ asledn´a desorbcia t´ ychto prote´ınov. Oba tieto deje moˇzno v´ yrazne ur´ ychlit’ fyzik´ alnou cestou – ultrazvukom. Vo volnom roztoku sa desorbcia uskutoˇcnuje len pomocou dif´ uzie. Po zapnut´ı ultrazvuku pristupuje k dif´ uzii aj dalˇsia moˇznost’ l´ atkov´eho toku – konvekcia. Desorbcia sa t´ ym ur´ ychluje. Ot´ azky 1a–1d po 0,5 bodu, ot´ azky 2a a 2b po 1,5 bodu, ot´ azky 2c a 2d po 1 bodu, ot´ azky 3a a 3b po 0,5 bodu, ot´ azka 4a – 1,5 bodu, ot´ azka 4b – 0,5 bodu a ot´ azka 4c – 1 bod. Celkem 11 bod˚ u.
10
27
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
(b) Analogicky ako v (a), po dosaden´ı ˇc´ıseln´ ych hodnˆ ot zo zadania dostaˇ je neme v´ ysledok 3,9 · 1019 molek´ ul. Pr´ısun kysl´ıka do rohovky bez KS teda asi 3kr´ at vyˇsˇs´ı. (c) Rozptylky s´ u v strede tenk´e a na okraji hrub´e, u spojek je to pr´ave naopak. Okrajov´ a ˇcast’ rohovky sa priamo nez´ uˇcastˇ nuje refrakˇcnej ˇcinnosti oka, pretoˇze sa pod n ˇou nach´ adza d´ uhovka plniaca funkciu optickej clony. Naopak stredn´ a ˇcast’ rohovky odpoved´a oblasti zorniˇcky a teda sa lomu svetla priamo z´ uˇcastˇ nuje. Navyˇse maj´ u okrajov´e ˇcasti rohovky eˇste jednu moˇznost’ v´ yˇzivy – krvn´e rieˇciˇste z oˇcn´eho bielka. Podstatn´ a je teda hlavne dif´ uzia v strednej ˇcasti rohovky, ktor´a je vyˇsˇsia, ked’ ˇ tenˇsia. Z hl’adiska v´ je centr´ alna oblast’ KS yˇzivy s´ u teda v´ yhodnejˇsie rozptylky. (d) S´ uvis´ı to so zn´ıˇzen´ım r´ ychlosti dif´ uzie kysl´ıka do rohovky. Oˇcn´ y bielok v okol´ı rohovky na to reaguje zv´ yˇsen´ ym prekrven´ım, aby sa zachoval dostatoˇcn´ y pr´ısun kysl´ıka a konˇstantn´a u ´roveˇ n metabolizmu buniek rohovky. 3. (a) Index lomu ˇcistej vody je vˇzdy menˇs´ı ako index lomu pevnej ˇcasti ˇ Zvyˇsovan´ım obsahu vody v KS ˇ sa jej index lomu teda materi´ alu KS. zniˇzuje. (b) Je to hlavne dostatoˇcn´ a mechanick´ a odolnost’ (pevnost’ v tlaku a t’ahu) ’ a nez´avislost tvaru materi´ alu na drobnej zmene pH a osmomolarity s´lz. ˇ Zmena obsahu vody by Dˆ oleˇzit´ y je aj konˇstantn´ y obsah vody v KS. spˆosobila zmenu indexu lomu a teda aj zmenu optickej mohutnosti ˇ ˇco je v praxi neˇziad´ KS, uce. V neposlednej rade je podstatn´a aj dobr´ a ˇ s tkazm´aˇcavost’, pohyblivost’ v oku a biokompatibilita materi´ alu KS nivom rohovky. 4. (a) V ˇcistej vode reaguje TRIS (= B) podl’a rovnice B + H2 O → BH+ + OH− ,
(7)
ktor´ u moˇzno charakterizovat’ konˇstantou z´asaditosti KB KB =
[BH+ ][OH− ] [B]
(8)
Asociaˇcn´ y stupeˇ n (rovn´ y podielu protonizovanej formy TRIS v roztoku) je +
α=
26
[BH ] c
(9)
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ Uloha ˇ c. 4: V´ıme, co j´ıme Autor: Petra M´enov´ a
11 bod˚ u
Naˇsi v´yˇzivu zajiˇst’uj´ı z´ akladn´ı sloˇzky potravin – b´ılkoviny, sacharidy a lipidy. Krom toho mus´ı potrava obsahovat nezbytn´e vitam´ıny, miner´ aln´ı l´ atky a tak´e nestravitelnou vl´ akninu, d˚ uleˇzitou pro fyziologickou aktivitu zaˇz´ıvac´ıho traktu. Do mnoha potravin se pˇrid´ avaj´ı nejr˚ uznˇejˇs´ı chemick´e slouˇceniny pro zlepˇsen´ı chuti, v˚ unˇe, vzhledu, ale tak´e za u ´ˇcelem konzervace a vˇetˇs´ı odolnosti v˚ uˇci oxidaci vzduˇsn´ym kysl´ıkem. 1. K okyselov´ an´ı potravin slouˇz´ı cel´a ˇrada organick´ ych kyselin, pˇredevˇs´ım kyselina octov´ a, citronov´ a, vinn´ a, jableˇcn´ a, ml´eˇcn´ a. Nakreslete jejich vzorce a oznaˇcte hvˇezdiˇckou asymetrick´e uhl´ıky. Kolik existuje kyselin vinn´ ych (podle stereochemie na asymetrick´ ych uhl´ıc´ıch)? Nakreslete je. Co je to kyselina hroznov´ a? 2. Vˇsechny kyseliny z ot´ azky 1 se pˇrirozenˇe vyskytuj´ı v ovoci, bez probl´em˚ u se vstˇreb´ avaj´ı a tak´e se snadno metabolizuj´ı. Jejich nadmˇern´a konzumace vˇsak m˚ uˇze poˇskodit zubn´ı sklovinu. Hlavn´ı anorganickou sloˇzkou skloviny je l´ atka A. Pouˇz´ıv´ an´ım zubn´ı pasty s fluorem doch´ az´ı ke zmˇen´ am ve sloˇzen´ı skloviny, z l´ atky A vznik´a l´ atka B. Napiˇste vzorce l´ atek A a B a obˇe l´ atky pojmenujte trivi´ aln´ımi n´ azvy. Jsou rozpustn´e ve vodˇe? Kter´ a nich je m´enˇe rozpustn´ a? Co se s l´ atkami A a B stane v kysel´em prostˇred´ı (budete-li si napˇr´ıklad dopˇr´ avat kilogram citrus˚ u dennˇe)? Jak tato zmˇena ovlivn´ı jejich rozpustnost? 3. Aromata se pouˇz´ıvaj´ı k dod´an´ı v˚ unˇe potravin´ am i n´apoj˚ um. Maj´ı r˚ uznou chemickou povahu, nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı jsou estery karboxylov´ ych kyselin. Napiˇste vzorce rumov´e, ban´ anov´e, hruˇskov´e a ananasov´e esence. Aby esterifikace prob´ıhala rychleji, pˇrid´ avaj´ı se do reakˇcn´ı smˇesi katalyz´ atory. Pˇri v´ yrobˇe rumov´e esence se nejˇcastˇeji pouˇz´ıv´a kyselina s´ırov´ a. Odvod’te mechanismus t´eto kysele katalyzovan´e esterifikace a vysvˇetlete funkci kyseliny s´ırov´e jako katalyz´ atoru. 4. Benzenov´e deriv´ aty pˇredstavuj´ı dalˇs´ı skupinu aromatick´ ych substanc´ı. Po ˇcem von´ı benzaldehyd a methylanthranil´ at? Nakreslete tak´e jejich vzorce. Kter´ a jedovat´ a anorganick´a l´ atka von´ı podobnˇe jako benzaldehyd? 5. Eugenol, l´ atka sama o sobˇe aromatick´ a, m˚ uˇze b´ yt vyuˇzita k synt´eze dalˇs´ı aromatick´e slouˇceniny – vanilinu. Dvojn´a vazba eugenolu se nejprve posune do konjugace u ´ˇcinkem koncentrovan´eho KOH. Fenolick´a skupina takto
11
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
z´ıskan´eho isoeugenolu se ochr´ an´ı acetylac´ı. Nenasycen´ y ˇretˇezec se zoxiduje dichromanem draseln´ ym. Nakonec se hydrol´ yzou z´ısk´a c´ılov´ y produkt – vanilin. Napiˇste vzorec eugenolu a zjistˇete, v jak´em koˇren´ı je obsaˇzen. Pomoc´ı reakˇcn´ıch sch´emat vyj´ adˇrete v´ yˇse popsanou synt´ezu vanilinu. 6. Nezamˇeniteln´e v˚ unˇe skoˇrice se d´ a dos´ ahnout pˇrid´an´ım kyseliny skoˇricov´e nebo jej´ıho aldehydu. Ten se pˇripravuje aldolovou kondenzac´ı benzaldehydu s acetaldehydem. Kyselina skoˇricov´ a se vyr´ ab´ı tzv. Perkinovou synt´ezou – zahˇr´ıv´ an´ım benzaldehydu s acetanhydridem. Popiˇste obˇe reakce reakˇcn´ımi sch´ematy a uved’te, zda je pro jejich proveden´ı nutn´a kysel´a nebo bazick´a katal´ yza. 7. Diallyldisulfid je souˇc´ ast´ı silice ˇcesneku kuchyˇ nsk´eho, z nˇehoˇz byl tak´e izolov´ an jako jedna z prvn´ıch slouˇcenin obsahuj´ıc´ıch nenasycen´ y uhlovod´ıkov´ y zbytek. Pokuste se zjistit, proˇc se tento zbytek naz´ yv´ a pr´ avˇe allyl. Mal´ a n´apovˇeda: Spr´ avn´ y chemik vid´ı i za hranice sv´eho oboru. Jak byste pˇripravili diallyldisulfid z allylthiolu a jak byste z nˇeho z´ıskali zpˇet allylthiol? 8. Z hoˇrk´ ych l´ atek se jako pˇr´ısady do potravin nejv´ıce uplatˇ nuj´ı slouˇceniny ze skupiny alkaloid˚ u a chmelov´ ych pryskyˇric. Vyjmenujte tˇri hoˇrk´e alkaloidy (jsou obsaˇzeny v k´avˇe, ˇcaji, toniku) a dvˇe skupiny hoˇrk´ ych l´ atek obsaˇzen´ ych v chmelu (tzv. α- a β- hoˇrk´e kyseliny). Hoˇrk´ y alkaloid obsaˇzen´ y v toniku se pouˇz´ıv´ a na l´eˇcbu jedn´e v´ aˇzn´e choroby, jak´e?
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ Uloha ˇ c. 4: Kontaktn´ eˇ soˇ sovky Autor: Viliam Kolivoˇska
11 bod˚ u
1. (a) T´ ymto sl´avnym uˇcencom bol Leonardo da Vinci. ˇ bolo paradoxne sklo. Bud’ (b) Prv´ ym materi´alom pouˇzit´ ym na v´ yrobu KS to teda sklo ˇcist´e, pr´ıpadne zakriven´ a sklenen´a trubica naplnen´ a voˇ bola vel’mi mal´a a sklo dou. Samozrejme, ˇze zn´ aˇsanlivost’ tak´ ychto KS bolo postupne nahraden´e celuloidom a neskˆ or samozrejme aj rozliˇcn´ ymi modernejˇs´ımi materi´ almi. (c) Vyn´ alezcom je akademik Otto Wichterle. ˇ cka. (d) Coˇ 2. (a) I. Fickov z´akon 1n cin − cout = −D S t L si uprav´ıme na tvar DSt (cout − cin ) . (2) L Koncentr´ aciu O2 v atmosf´ere cout si vyjadr´ıme zo stavovej rovnice pre ide´ alny plyn nO2 pO2 cout = = (3) V RT a po vyuˇzit´ı Daltonovho z´ akona dostaneme patm xO2 , (4) cout = RT kde patm je atmosf´erick´ y tlak a xO2 je molov´ y zlomok kysl´ıka vo vzduchu. Po dosaden´ı (4) do (2) a vyn´ asoben´ı oboch str´ an vzniknutej rovnice Avogadrovou konˇstantou NA dostaneme rovnicu pre v´ ypoˇcet poˇctu molek´ ul kysl´ıka N NA DSt patm xO2 N= − cin . (5) L RT Po dosaden´ı ˇc´ıseln´ ych hodnˆ ot zo zadania dost´ avame (pri T = 308 K a patm = 101325 Pa) n=
6,022 · 1023 · 1,56 · 10−9 · 1,33 · 10−4 · 16 · 3600 · N= 0,5 · 10−3 101325 · 0,21 · − 7,5 = 1,2 · 1019 molek´ ul. 8,314 · 308 12
(1)
25
(6)
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Ot´ azka 1 – 0,5 bodu, ot´ azka 2 – 1 bod, ot´ azka 3 – 1 bod, ot´ azka 4 – 1,6 bodu, ot´ azka 5 – 2,1 bodu, ot´ azka 6 – 1,2 bodu, ot´ azka 7 – 0,5 bodu, ot´ azka 8 – 1 bod, ot´ azka 9 – 2,1 bodu. Celkem 11 bod˚ u.
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ ˇ Uloha ˇ c. 5: Svejkoviny atmosf´ ery Autor: Karel Berka
11 bod˚ u
Do poklidu star´eho domu potichu zp´ıvaly sv˚ uj duet paliˇcky pleten´ı obˇcas pˇreruˇsovan´e zaˇsustˇen´ım novin. Uˇz jste to ” ˇ slyˇsela, pan´ı Struncov´ a? Prej se naˇse Matiˇcka Zemˇe zahˇr´ıv´ a. Nˇejak´y vˇetry prej pouˇst´ıme do tej, no, atmosf´ery a ted’konc ˇ se n´ am to mst´ı.“ Svejk se zamyslel. Znal jsem kdysi jed” noho. . .“ ˇ 1. Dokonˇcete Svejkovo vypr´ avˇen´ı. Koho znal tentokr´ at? Nejn´ apaditˇejˇs´ı odpovˇed’ dostane bodov´ y bonus. ˇ Opust´ıme ted’ na chv´ıli Svejka a zaˇcneme se vˇenovat atmosf´eˇre jako takov´e. Atmosf´era je plynn´ y obal Zemˇe (viz Tabulka 1), kter´ y n´ am posledn´ı dobou prov´ ad´ı pˇekn´e ˇsvejkoviny. Pro n´ızk´e mol´arn´ı koncentrace plyn˚ u se zav´ ad´ı jednotky ppm (parts per million, ˇc´astic na milion ˇc´astic celkem“, tj. 10−6 ), ppb (parts per billion, pozor ” jde o americk´ y billion, tedy naˇsi miliardu 10−9 ) a ppt (parts per trillion). Pro ilustraci si m˚ uˇzete pˇredstavit ppm jako jednu kapiˇcku inkoustu ve 150 litrech vody. Aby byla situace nepˇrehlednˇejˇs´ı, obˇcas se emisn´ı limity vyjadˇruj´ı v jednotk´ ach µg m−3 a nˇekter´e l´ atky, napˇr´ıklad reaktivn´ı radik´ aly, mohou m´ıt koncentrace dokonce tak mal´e, ˇze se k jejich vyjadˇrov´ an´ı pouˇz´ıvaj´ı jednotky molekula cm−3 . majoritn´ı l´ atky dus´ık kysl´ık argon voda
zastoupen´ı 78,084 20,946 0,900 0–4
minoritn´ı l´ atky
% % % %
oxid uhliˇcit´ y neon methan ozon
zastoupen´ı 350 18,18 1,7 0,040
ppm ppm ppm ppm
Tabulka 1: Sloˇzen´ı atmosf´ery planety Zemˇe – such´ y vzduch v 0 m. n. m. pˇri 25 ◦ C; vzduch m˚ uˇze nav´ıc obsahovat aˇz 4 % vodn´ı p´ ary
2. Uved’te alespoˇ n tˇri funkce, kter´e atmosf´era pln´ı. ˇ m´ 3. V CR ame dva c´ılov´e limity pro pˇr´ızemn´ı ozon: 60 ppm a 80 µg m−3 . Kter´ y z nich je urˇcen pro ochranu zdrav´ı (pˇr´ısnˇejˇs´ı) a kter´ y pro ochranu
24
13
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
vegetace (volnˇejˇs´ı)? Doloˇzte v´ ypoˇctem.5 4. Koncentrace OH radik´ alu v zemsk´e troposf´eˇre je zhruba 106 molekul cm−3 . Vyj´ adˇrete tuto koncentraci v jednotk´ ach ppt. To, ˇze poˇcas´ı dˇel´a posledn´ı dobou sam´e ˇsvejkoviny, souvis´ı s urychlov´ an´ım promˇenlivost´ı chov´ an´ı atmosf´ery. V atmosf´eˇre se netvoˇr´ı rovnov´ aˇzn´e smˇesi, jako je tomu vˇetˇsinou v laboratoˇri, a ke slovu o jej´ım sloˇzen´ı se dost´ av´a chemick´ a kinetika. Vezmˇeme si tˇreba obecnou reakci a A + b B → c C + d D.
(1)
Rychlost reakce v je definov´ ana jako ˇcasov´ yu ´bytek reaktantu (A, B) nebo pˇr´ır˚ ustek produktu (C, D) normovan´ y na jeden mol reakˇcn´ıho obratu. To zn´ı vzneˇsenˇe, ale v podstatˇe se jedn´ a jen o podˇelen´ı u ´bytku (pˇr´ır˚ ustku) stechiometrick´ ym koeficientem (a, b, c, d) dan´e l´ atky. v=−
1 d[A] 1 d[B] 1 d[C] 1 d[D] =− = = a dt b dt c dt d dt
(2)
Reakˇcn´ı rychlost element´ arn´ı reakce6 z´avis´ı hlavnˇe aktu´ aln´ıch koncentrac´ıch v´ ychoz´ıch l´ atek a tak´e na teplotˇe, coˇz vyjadˇruje tzv. rychlostn´ı rovnice v = k[A]a [B]b ,
(3)
kde k je teplotnˇe z´avisl´ a rychlostn´ı konstanta a v hranat´ ych z´avork´ ach se ukr´ yvaj´ı okamˇzit´e koncentrace reaktant˚ u umocnˇen´e jejich stechiometrick´ ym koeficientem. Z´avislost na teplotˇe vyjadˇruje tzv. Arrheni˚ uv vztah k = Ae
Ea − RT
,
(4)
kde A je tzv. pˇredexponenci´aln´ı faktor, R = 8,314 J mol−1 K−1 je univerz´aln´ı plynov´ a konstanta, T je termodynamick´ a teplota vyjadˇrovan´ a v Kelvinech a Ea je aktivaˇcn´ı energie reakce vyj´ adˇren´ a v J mol−1 . Exponenty v rovnici (3) se oznaˇcuj´ı jako d´ılˇ c´ı ˇ r´ ady reakce k dan´emu reaktantu a jejich souˇcet d´ av´ a celkov´ y ˇ r´ ad reakce, coˇz je hlavn´ı rychlostn´ı klasifikaˇcn´ı krit´erium element´ arn´ıch reakc´ı. Nejbˇeˇznˇejˇs´ı rozˇrazen´ı ukazuje Tabulka 2. 5 Nen´ ı-li ˇreˇ ceno jinak, pˇredpokl´ adejte, ˇ ze je atmosf´ era tvoˇrena smˇ es´ı ide´ aln´ıch plyn˚ u chovaj´ıc´ım se podle stavov´ e rovnice pV = nRT , kde p je tlak, V je objem vzorku, n je celkov´ e l´ atkov´ e mnoˇ zstv´ı. Po celou dobu se v t´ eto u ´loze pohybujeme v troposf´ eˇre, coˇ z je nejniˇ zˇs´ı vrstva atmosf´ ery, pro kterou m˚ uˇ zete pˇredpokl´ adat standardn´ı podm´ınky, tj. teplotu 25 ◦ C a tlak 101 325 Pa. Pro jednoduchost pˇredpokl´ adejte, ˇ ze vzduch je such´ y. 6 Element´ arn´ı reakce je takov´ a, kterou jiˇ z nelze rozepsat do element´ arnˇ ejˇs´ıch krok˚ u. Jak uˇ z to b´ yv´ a, vˇ etˇsina reakc´ı je sloˇ zitˇ ejˇs´ı.
14
Obr´ azek 1: Ostwaldova zkumavka 6. (a) S´ahneme po oxidu seleniˇcit´em. (b) Velmi siln´ ym oxidaˇcn´ım ˇcinidlem je kyselina selenov´ a, respektive obecnˇe slouˇceniny selenu v oxidaˇcn´ım stavu VI. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, kyselina selenov´ a je schopn´ a rozpouˇstˇet zlato, v pˇr´ıtomnosti chloridov´ ych iont˚ u i platinu. 7. Jedn´a se o vrstviˇcku amorfn´ıho selenu. 8. Struˇcnˇe ˇreˇceno fotovodiv´ y materi´al je takov´ y materi´ al, kter´ y pˇri zmˇenˇe intenzity osvˇetlen´ı mˇen´ı sv´e vodiv´e vlastnosti (jak to vypad´a v praxi, najdete v n´ asleduj´ıc´ı odpovˇedi). 9. Kopie vznik´ a zhruba takto: Nejprve dojde k nabit´ı optick´eho v´ alce. Pot´e se prosv´ıt´ı kop´ırovan´ y dokument, kter´ y se takto cel´ y pˇrevede na ot´ aˇcej´ıc´ı se v´ alec – kde je dokument pokryt textem, tam ˇz´ adn´e svˇetlo neprojde a n´aboj na pˇr´ısluˇsn´em m´ıstˇe v´ alce se nezmˇen´ı; kde je pouze ˇcist´ y pap´ır, tam dopadne svˇetlo i na v´ alec a v tˇechto m´ıstech dojde k fotoelektrick´emu ˇ astice pigmentu se pomoc´ı sv´eho v´ yboji, tj. n´ aboj v dan´em m´ıstˇe se sn´ıˇz´ı. C´ nosiˇce (vˇetˇsinou polymer) schopn´eho elektrostatick´e interakce s nabit´ ymi m´ısty v´ alce pˇrichyt´ı pr´ avˇe na ta m´ısta, kter´a odpov´ıdaj´ı p˚ uvodn´ımu textu. Pot´e jsou z v´ alce pˇreneseny (st´ale spoleˇcnˇe s nosiˇcem) na pap´ır. Takto vznikl´ a kopie jeˇstˇe mus´ı proj´ıt pˇres p´ıcku, kde se barva zapeˇce“ do pap´ıru ” – termicky se odstran´ı polymern´ı nosiˇc a na pap´ıˇre z˚ ust´ av´ a jen pigment (urˇcitˇe jste si vˇsimli, ˇze pap´ır je po vyjet´ı z kop´ırky tepl´ y). A je to, kopie je na svˇetˇe. Dod´ am jeˇstˇe, ˇze po poˇr´ızen´ı kopie doch´ az´ı jeˇstˇe k oˇciˇstˇen´ı v´ alce od zbytk˚ u toneru a k vybit´ı pˇr´ıpadn´eho zbytkov´eho n´aboje, teprve pot´e m˚ uˇze zaˇc´ıt nov´ y cyklus.
23
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
´ Uloha ˇ c. 3: Uˇ ziteˇ cn´ y vyn´ alez Autor: V´ aclav Kub´ at
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
11 bod˚ u
1. Naˇs´ım tajemn´ ym prvkem je selen. 2. Tyto miner´ aly nejsou pˇr´ıliˇs d˚ uleˇzit´e, protoˇze selen se vyr´ ab´ı z odpadn´ıch“ ” produkt˚ u jin´ ych, pr˚ umyslovˇe v´ yznamnˇejˇs´ıch v´ yrob (pˇrev´ aˇznˇe z anodov´ ych kal˚ u po elektrolytick´e rafinaci mˇedi – selenidy doprov´ azej´ı sulfidy v pˇr´ısluˇsn´ ych hornin´ ach), takˇze tyto miner´ aly samotn´e netˇeˇz´ıme. Odpovˇedi typu protoˇze jsou tyto miner´ aly vz´acn´e“ jsem ˇc´asteˇcnˇe uzn´aval, ” ale je potˇreba si uvˇedomit, ˇze to nen´ı u ´pln´ a odpovˇed’, protoˇze pokud by nebyla efektivnˇejˇs´ı moˇznost z´ısk´av´ an´ı selenu, vyuˇz´ıvalo by se pravdˇepodobnˇe tˇechto, byt’ vz´acn´ ych, miner´ al˚ u. 3. Element´ arn´ı selen i jeho slouˇceniny jsou l´ atky toxick´e, sv´ ymi u ´ˇcinky se podobaj´ı slouˇcenin´ am arsenu, tˇekav´e slouˇceniny jsou jeˇstˇe nebezpeˇcnˇejˇs´ı (tˇreba selan je v´ yraznˇe toxiˇctˇejˇs´ı neˇz HCN). Na druhou stranu ve stopov´em mnoˇzstv´ı je selen biogenn´ı prvek a jeho nedostatek zp˚ usobuje poruchy imunitn´ıho syst´emu (v organismu funguje jako antioxidant). 4. Samozˇrejmˇe ˇze m´a dalˇs´ı pouˇzit´ı, jeho fotovodiv´ ych vlastnost´ı se kromˇe kop´ırek vyuˇz´ıv´a i ve fotobuˇ nk´ ach a dalˇs´ıch fotopˇr´ıstroj´ıch“, d´ ale se po” uˇz´ıv´ a k odbarvov´ an´ı ˇci obarvov´ an´ı skla (mal´e mnoˇzstv´ı selenu zp˚ usob´ı odbarven´ı skla, pˇr´ıdavek vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı zbarv´ı sklo r˚ uˇzovˇe aˇz ˇcervenˇe), do nˇekter´ ych polovodiˇcov´ ych souˇc´astek, v menˇs´ı m´ıˇre pak jako legovac´ı pˇr´ısada do ocel´ı, pˇri zpracov´ an´ı kauˇcuku nebo ve farmaceutick´em pr˚ umyslu. 5. Nejjednoduˇsˇs´ı by bylo pˇripravit selan reakc´ı nˇejak´eho selenidu (napˇr. ˇzeleznat´eho) s miner´ aln´ı kyselinou (napˇr. chlorovod´ıkovou): FeSe + 2 HCl → H2 Se + FeCl2
(1)
Principem t´eto reakce je vytˇesnˇen´ı slabˇs´ı kyseliny (tedy selanu) z jej´ı soli silnˇejˇs´ı kyselinou (tj. kyselinou chlorovod´ıkovou). Reakci by bylo vhodn´e prov´est v Ostwaldovˇe zkumavce ( = ods´avac´ı zkumavka opatˇren´ a pˇrikap´ avac´ı baˇ nkou). N´ akres aparatury vid´ıte na obr´azku. Tato aparatura je analogick´ a Kippovu pˇr´ıstroji, kter´ y vˇetˇsina z v´ as uv´ adˇela a kter´ y jsem samozˇrejmˇe uzn´ aval jako spr´ avnou moˇznost, ale je svoj´ı velikost´ı l´epe pˇrizp˚ usobena toxicitˇe vznikaj´ıc´ıho selanu (pˇreci jenom bˇeˇzn´ y Kipp˚ uv pˇr´ıstroj je pˇr´ıliˇs velk´ y pro pˇr´ıpravu takto nebezpeˇcn´eho plynu).
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
ˇ r´ ad reakce
rychlostn´ı rovnice
integrovan´ a rovnice v linear. tvaru
poloˇ cas reakce
0 1 2
v=k v = k[A] v = k[A]2
[A]t = [A]0 − kt ln[A]t = ln[A]0 − kt −1 [A]−1 t = [A]0 + kt
t1/2 (A) = [A]0 /2k t1/2 (A) = ln 2/k t1/2 (A) = 1/k[A]0
Tabulka 2: Pˇrehled rychlostn´ıch rovnic a poloˇcas˚ u reakce pro jednotliv´e ˇra´dy reakce V atmosf´erick´e chemii se pouˇz´ıv´a i tzv. stˇredn´ı doba ˇzivota τ (A) , coˇz je doba, po kterou jedna molekula A pr˚ umˇernˇe existuje, aniˇz by podstoupila adu je doba ˇzivota reakci a t´ım zemˇrela“. Pro reakci prvn´ıho ˇr´ ” 1 τ (A) = . (5) k A ted’ trocha kinetick´e hudby. Pˇredpokl´ adejte, ˇze n´ asleduj´ıc´ı reakce se chov´ a jako element´ arn´ı: 2 NO2 + O3 → N2 O5 + O2
(6)
5. Jak´ y je ˇra´d t´eto reakce? 6. Kolikr´ at se zv´ yˇs´ı reakˇcn´ı rychlost, pokud zv´ yˇs´ıme koncentraci NO2 tˇrikr´ at a koncentraci O3 ˇsestkr´ at? ˇ Kdyˇz Svejk mluv´ı o zan´ aˇsen´ı atmosf´ery vˇetry“, hovoˇr´ı v podstatˇe o smogu. ” Toto slovo pouˇzil poprv´e John Evelyn v 17. stolet´ı jako kombinaci kouˇre sm” oke“ a mlhy fog“. V literatuˇre se zmiˇ nuj´ı dva typy smogu, tzv. lond´ ynsk´ y ” (uheln´ y) a losangelesk´ y (automobilov´ y). Lond´ ynsk´ y smog poch´ az´ı ze spalov´ an´ı nekvalitn´ıho uhl´ı s velk´ ym pod´ılem s´ıry. Do ovzduˇs´ı se pak uvolˇ nuje velk´ a mnoˇzstv´ı oxidu siˇriˇcit´eho a prachov´ ych ˇc´astic. Losangelesk´ y smog obsahuje oxidy dus´ıku, kter´e za pomoci fotochemick´ ych reakc´ı se svˇetlem vytv´ aˇrej´ı dalˇs´ı toxick´e l´ atky, jako napˇr´ıklad pˇr´ızemn´ı ozon nebo PAN (peroxoacetylnitr´ at), kter´ y slouˇz´ı jako pˇrechodn´ y rezervo´ ar oxid˚ u dus´ıku. Molekula PAN (peroxoacetylnitr´ at, CH3 CO−OONO2 vznik´a z NO2 a peroxoacetylov´eho radik´ alu. PAN je pro ˇclovˇeka dr´aˇzdiv´ y, je fytotoxick´ y a mutagenn´ı. PAN se zpˇetnˇe rozpad´ a na NO2 a peroxoacetylov´ y radik´ al dle rovnice:
Podobnou moˇznost´ı je hydrol´ yza vhodn´eho selenidu, tˇreba hlinit´eho.
CH3 CO−OONO2 → CH3 CO−OO· +NO2
22
15
(7)
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
(8)
7. Oba tyto typy smogu vytv´ aˇrej´ı tzv. kysel´e deˇstˇe. Odhadnˇete, zda a pˇr´ıpadnˇe jak´ ymi kyselinami se od sebe tyto smogy liˇs´ı. 8. Jak´a je rychlostn´ı konstanta reakce pro teploty 0 ◦ C a 25 ◦ C a jak´e jsou pˇri obou tˇechto teplot´ ach stˇredn´ı doby ˇzivota PAN? 9. Kde se tedy vyskytuje nejv´ıc PAN? V Norsku, v Nˇemecku, v Nig´erii, nebo to nelze urˇcit? Zd˚ uvodnˇete svou odpovˇed’ jednou vˇetou. Jednou z nejˇcastˇejˇs´ıch reaktivn´ıch l´ atek je OH radik´ al, kter´ y v troposf´eˇre reaguje rychle se slouˇceninami obsahuj´ıc´ımi vod´ık. ·OH + C3 H8 → ·C3 H7 + H2 O
(9)
·OH + CH4 → ·CH3 + H2 O
(10)
Rychlostn´ı konstanty maj´ı hodnotu kC3 H8 = 1,1 · 10−12 cm3 s−1 molekul−1 a alu pokCH4 = 6,3 · 10−16 cm3 s−1 molekul−1 . Protoˇze se koncentrace OH radik´ hybuj´ı kolem 106 molekul cm−3 , prob´ıhaj´ı vˇsak tyto reakce jako podle prvn´ıho ˇra´du. 10. (a) Spoˇc´ıtejte efektivn´ı rychlostn´ı konstanty pseudoprvn´ıho ˇr´adu pro jednotliv´e reakce. N´ apovˇ eda: Pomohou v´ am jednotky.
(b) Za pˇredpokladu, ˇze se uhlovod´ıky z atmosf´ery odstraˇ nuj´ı jen tˇemito reakcemi, vypoˇc´ıtejte stˇredn´ı dobu ˇzivota uhlovod´ık˚ u v atmosf´eˇre. Kter´ y z nich vydrˇz´ı d´ele? Potˇ rebn´ eu ´ daje M (such´eho vzduchu) = 28,97 g mol−1 M (O3 ) = 48 g mol−1
16
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
• S´ adra: CaSO4 . 12 H2 O
Tato reakce je nesm´ırnˇe teplotnˇe z´ avisl´a. Z´avislost m´a tvar k = 1,58 · 1016 exp(−112,5 kJ mol−1 /RT ) [s−1 ].
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
– sm´ısen´a s nevelk´ ym mnoˇzstv´ım vody hydratuje a posl´eze na vzduchu tuhne na b´ılou hmotu: 2 CaSO4 . 21 H2 O + 3 H2 O → 2 CaSO4 .2H2 O
(2)
– nereaguje se slab´ ymi kyselinami (octov´ a, citronov´ a) – barv´ı plamen cihlovˇe ˇcervenˇe ˇ • Skrob: (C6 H10 O5 )n – nerozpustn´ y ve studen´e vodˇe, za tepla tvoˇr´ı gel oznaˇcovan´ y jako ˇskrobov´y maz – ˇskrobov´ y maz se barv´ı roztokem j´ odov´e tinktury fialovˇe; j´ od tvoˇr´ı s amylosou sloˇzit´e komplexy • Jedl´ a soda: NaHCO3 – dobˇre rozpustn´ a ve vodˇe i za studena – pH roztoku je slabˇe z´asadit´e, coˇz lze poznat pomoc´ı roztoku ˇrepn´e nebo jin´e pˇr´ırodn´ı ˇst’´ avy, kter´ a se barv´ı do modrofialova – kyselinami (citronovou nebo octovou) se rozkl´ ad´ a na CO2 (jak bylo pops´ ano v´ yˇse) Odpovˇedi nejsou a ani nemohou b´ yt zcela vyˇcerp´ avaj´ıc´ı, protoˇze jste se k u ´loze postavili s velikou fantazi´ı. Bodov´ any jsou tedy i vˇsechny dalˇs´ı spr´ avn´e d˚ ukazy. 2. Odpovˇed’ na posledn´ı ot´ azku je u kaˇzd´eho vzorku jin´a a m´ ate ji proto uvedenou ve sv´em opraven´em ˇreˇsen´ı. Za chemick´y vzorec kaˇzd´eho analytu po 0,1 bodu. Za spr´ avn´y popis alespoˇ n dvou nez´ avisl´ych experiment˚ u, kter´e vedly k jednoznaˇcn´e identifikaci kaˇzd´e z pˇeti l´ atek, maxim´ alnˇe 0,9 bodu. Za urˇcen´ı pˇriloˇzen´eho vzorku 1 bod. Celkem 6 bod˚ u.
21
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
´ Uloha ˇ c. 2: Patero b´ıl´ ych pr´ aˇ sk˚ u Autor: Helena Handrkov´ a
6 bod˚ u
1. L´ atky je moˇzn´e od sebe rozpoznat na z´akladˇe n´ asleduj´ıc´ıch fyzik´ aln´ıch vlastnost´ı a chemick´ ych reakc´ı: • Citronov´ a kyselina: COOH HO
COOH COOH
– dobˇre rozpustn´ a ve vodˇe i za studena – kysel´e pH lze rozpoznat pomoc´ı ˇst’´avy z ˇcerven´e ˇrepy, ostruˇzin, bor˚ uvek, viˇsn´ı nebo jin´ ych pˇr´ırodnin, kter´e se barv´ı v´ıce do ˇcervena – kyselina tak´e reaguje s uhliˇcitany a hydrogenuhliˇcitany za v´ yvinu CO2 ; roztok kyseliny citronov´e s jedlou sodou, pr´ aˇskem do peˇciva nebo s vodn´ım kamenem ˇsum´ı
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
ˇ sen´ı u Reˇ ´loh 3. s´ erie 5. roˇ cn´ıku KSICHTu ´ Uloha ˇ c. 1: Skr´ yvaˇ cka 6 bod˚ u ˇ Autoˇri: Karel Berka, Sab´ına Cujov´ a, Jan Havl´ık, Hana Medov´ a, Jana Sp´aˇcilov´ a a Pavla Sp´aˇcilov´a ˇ sen´ı ot´ Douf´ am, ˇze V´ am dalo vyhled´ av´ an´ı prvk˚ u dostateˇcnˇe zabrat. Reˇ azek 1–3 je shrnuto v Tabulce 1, odpovˇed’ na ot´ azku 4 je uvedena v Tabulce 2. Pozn´ amka autora: Chtˇ el bych se omluvit nˇ ekter´ ym ˇreˇsitel˚ um, kter´ ym jsem pˇri opravov´ an´ı latinsk´ ych n´ azv˚ u vyrobil drobn´ y zmatek v jejich ˇreˇsen´ıch. Pˇri opravov´ an´ı jsem p˚ uvodnˇ eˇ cerpal z dostupn´ e literatury a Wikipedie. Pozdˇ eji jsem ale zjistil, ˇ ze n´ azvoslov´ı latinsk´ ych n´ azv˚ u je v literatuˇre nekonzistentn´ı a zdroj od zdroje se liˇs´ı. Po konzultaci s prof. Karpenkem (historik chemie) jsem se rozhodl ve sporn´ ych pˇr´ıpadech uzn´ avat vˇsechny bˇ eˇ znˇ e rozˇs´ıˇren´ e varianty latinsk´ ych n´ azv˚ u. Dˇr´ıve opraven´ a ˇreˇsen´ı proto musela b´ yt znovu pˇrebodov´ ana.
Za spr´ avnˇe doplnˇen´y ˇcesk´y, latinsk´y, anglick´y n´ azev, popis a pˇr´ıklad pouˇzit´ı bylo u kaˇzd´eho prvku udˇeleno 0,25 bodu. Za kaˇzd´y ˇspatn´y, ˇci chybˇej´ıc´ı u ´daj bylo strˇzeno 0,05 bodu. Minim´ alnˇe bylo vˇsak za kaˇzd´y prvek udˇeleno 0,1 bodu za podm´ınky, ˇze ˇreˇsitel nalezl alespoˇ n ˇcesk´y n´ azev prvku.
COONa
COOH HO
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
HO
COOH + 3 NaHCO3
COONa + 3 CO2 + 3 H2O COONa
COOH
Pozn´ amka: Pokud l´ atky reaguj´ı v jin´ em stechiometrick´ em pomˇ eru, m˚ uˇ ze vznikat pouze disodn´ a nebo monosodn´ a s˚ ul. Vodn´ı k´ amen obsahuje uhliˇ citan v´ apenat´ y, reakce je podobn´ a.
• Sanitr: KNO3 – dobˇre rozpustn´ y ve vodˇe i za studena, s teplotou jeho rozpustnost ve vodˇe prudce roste a ochotnˇe tvoˇr´ı pˇresycen´ y roztok, ze kter´eho se po ochlazen´ı vyluˇcuj´ı jehlicovit´e krystalky – pH roztoku je neutr´ aln´ı – l´ atka barv´ı plamen fialovˇe – jeho oxidaˇcn´ı vlastnosti dokl´ ad´ a napˇr. jeho prudk´ a reakce s drcen´ ym aktivn´ım ( ˇzivoˇciˇsn´ ym“) uhl´ım po zahˇra´t´ı: ” 2 KNO3 + C → 2 KNO2 + CO2 ; (1) tuto reakci m˚ uˇzete pouˇz´ıt jako z´aklad pro pˇr´ıpravu sal´ onn´ıch beng´ alsk´ ych ohˇ n˚ u, m´ısto aktivn´ıho uhl´ı lze pouˇz´ıt i jin´ a redukˇcn´ı ˇcinidla (napˇr. cukr) 20
17
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
ˇ Cesk´ y n´ azev
Latinsk´ y n´ azev
Anglick´ y n´ azev
Popis
Astat Baryum
Astatine Barium
radioaktivn´ı kov naˇzloutl´ y stˇr´ıbrn´ y kov
Bor
Astatium Baryum i Barium Borum
Boron
Brom Cer C´ın
Bromum Cerium Stannum
Bromine Cerium Tin
Einsteinium Chlor Jod Kobalt Mˇed’ Neon Nikl Niob
Einsteinium Chlorum Iodum Cobaltum Cuprum Neon(um) Niccolum Niobium
Olovo Platina Titan Uran Vanad Vod´ık Xenon Zinek Zlato ˇ Zelezo
Plumbum Platinum Titanium Uranium Vanadium Hydrogenium Xenon(um) Zincum Aurum Ferrum
Einsteinium Chlorine Iodine Cobalt Copper Neon Nickel Niobium (Columbium) Lead Platinum Titanium Uranium Vanadium Hydrogen Xenon Zinc Gold Iron
ˇsedoˇcern´e nebo ˇzlut´e krystaly hnˇedoˇcerven´ a kapalina stˇr´ıbrnˇe b´ıl´ y kov stˇr´ıbrnˇe b´ıl´ y kov nebo ˇsed´e krystalky radioaktivn´ı kov ˇzlutozelen´ y plyn tmavˇe fialov´e krystaly stˇr´ıbrnˇe ˇsed´ y kov ˇcerven´ y kov bezbarv´ y atom´arn´ı plyn stˇr´ıbrn´ y kov stˇr´ıbrnˇe ˇsed´ y kov stˇr´ıbrnˇe ˇsed´ y kov sv´ıtivˇe ˇsed´ y kov ocelovˇe ˇsed´ y kov stˇr´ıbrn´ y kov sv´ıtivˇe ˇsed´ y kov bezbarv´ y plyn bezbarv´ y atom´arn´ı plyn namodrale stˇr´ıbrn´ y kov ˇzlut´ y kov stˇr´ıbrnˇe ˇsed´ y kov
roˇ cn´ık 5, s´ erie 4
Korespondenˇ cn´ı Semin´ aˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou
Prvek
Pˇ r´ıklady moˇ zn´ eho pouˇ zit´ı
Astat Baryum Bor Brom Cer C´ın Einsteinium Chlor Jod Kobalt Mˇed’ Neon Nikl Niob Olovo Platina Titan Uran Vanad Vod´ık Xenon Zinek Zlato ˇ Zelezo
radioterapie a vˇedeck´e u ´ˇcely do skla, barev a jako kontrastn´ı l´ atka polovodiˇce, v´ yroba skel, glazury oxidaˇcn´ı ˇcinidlo, ve fotografii slitiny, oxidaˇcn´ı ˇcinidlo, odbarvovaˇc skla bronzy, folie, varhanov´e p´ıˇst’aly pouze vˇedeck´e u ´ˇcely napˇr. pˇr´ıprava vyˇsˇs´ıch transuran˚ u dezinfekce, bˇelen´ı, chlorace dezinfekce, barviva, l´eˇciva magnety, pigmenty, radioterapie vodiˇce elektˇriny, mince, destilaˇcn´ı pˇr´ıstroje v´ ybojky, lasery magnety, mince, ochrana proti korozi supravodiˇce, jadern´e reaktory, slitiny baterie, skla, glazury, projektily katalyz´ atory, ˇsperky, palivov´e ˇcl´ anky pigmeny, protetika, slitiny, letadla, tenisov´e rakety projektily, jadern´e palivo, jadern´e zbranˇe slitiny, supravodiˇce, katalyz´ atory hydrogenace, v´ yroba amoniaku, methanolu a HCl osvˇetlovac´ı technika, anestetikum, oxidaˇcn´ı ˇcinidla galvanizace, baterie, pigmenty klenotnictv´ı, ochrana proti korozi, l´eˇciva ocele, katalyz´ atory, barviva Tabulka 2: Praktick´e pouˇzit´ı jednotliv´ ych prvk˚ u
Tabulka 1: N´ azvy jednotliv´ ych prvk˚ u a jejich popis
18
19