SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

Ná rodníinstitut dětía mlá deže Ministerstvo školství, mlá deže a tělový chovy Ú středníkomise Chemické olympiá dy

46. roč ní k 2009/2010 ŠKOLNÍ KOLO kategorie A SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁSTI


46. roč ní k 2009/2010 ŠKOLNÍ KOLO kategorie A SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

©

Kolektiv autorů (jmenovitě viz obá lka), 46. ročníku Chemické olympiá dy NIDM MŠ MT Č R

ISBN: 978-80-86784-84-7

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 Ministerstvo š kolství, mládeže a tělový chovy Č eské republiky ve spolupráci s Č eskou společností chemickou a Č eskou společností průmyslové chemie vyhlaš ují 46. ročník předmětové soutěže

CHEMICKÁ OLYMPIÁ DA 2009/2010 kategorie A pro žáky 3. a 4. ročníků středních š kol a odpovídající ročníky víceletý ch gymnázií kategorie E pro žáky 3. a 4. ročníků středních odborný ch š kol s chemický m zaměřením1 Chemická olympiá da je předmětová soutěž z chemie, která si klade za cíl podporovat a rozvíjet talentované žá ky. Formou zá jmové činnosti napomá há vyvolá vat hlubší zá jem o chemii a vé st žá ky k samostatné prá ci. Soutěž je jednotná pro celé území Č eské republiky a pořá dá se každoročně. Č lení se na kategorie a soutěžní kola. Vyvrcholením soutěže pro kategorii A je účast vítězů ná rodního kola ChO na Meziná rodní chemické olympiá dě a pro kategorii E na evropské soutěži Grand Prix Chimique, která se koná jednou za 2 roky. Ú spěšní řešitelé ú středního kola Chemické olympiá dy budou přijati bez přijímacího řízení na tyto vysoké školy: Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze (chemické obory), Přírodovědecká fakultu Masarykovy Univerzity v Brně (chemické obory), Fakulta chemické technologie VŠCHT v Praze, Fakulta technická VUT v Brně. Ú spěšným řešitelům Chemické olympiá dy kategorií A a E, kteří se umístí na 1. – 3. místě v Ú středním kole a kteří se zapíší ke studiu chemických oborů na Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze, bude přiděleno mimořá dné stipendium.2 Stipendium pro nejú spěšnější řešitele nabízí také Nadační fond Emila Votočka při Fakultě chemické technologie VŠCHT v Praze. Ú spěšní řešitelé Ú středního kola ChO přijatí ke studiu na té to fakultě mohou zažá dat o stipendium pro první ročník studia. Nadační fond E. Votočka poskytne třem nejú spěšnějším ú častníkům kategorie A resp. jednomu kategorie E během 1. ročníku studia stipendium ve výši 10 000 Kč.3 Celostá tní soutěž řídí Ú střední komise Chemické olympiá dy v souladu s organizačním řá dem. Na území krajů a okresů řídí Chemickou olympiá du krajské a okresní komise ChO. Organizá tory krajské ho kola pro žá ky středních škol jsou krajské komise ChO ve spoluprá ci se školami, pedagogickými centry a pobočkami Č eské chemické společnosti a Č eské společnosti prů myslové chemie. Na školá ch řídí školní kola ředitel a pověřený učitel. V souladu se zá sadami pro organizová ní soutěží je pro vedení školy zá vazné , v případě zá jmu studentů o Chemickou olympiá du, uskutečnit její školní kolo, případně zabezpečit účast studentů v té to soutěži na jiné škole.

1 2 3

Tj. pro žá ky odborných škol, kteří mají alespoň 2 hodiny chemie a 2 hodiny laboratorních cvičení týdně po celou dobu studia (4 roky). Podrobnější informace o tomto stipendiu budou uvedeny na webových strá nká ch fakulty www.natur.cuni.cz/chemie/studium. Stipendium bude vyplá ceno ve dvou splá tká ch, po řá dné m ukončení 1. semestru 4000 Kč, po ukončení 2. semestru 6000 Kč. Výplata je vá zá na na splnění všech studijních povinností. Celkem mů že nadační fond na stipendia rozdělit až 40 000 Kč v jednom roce. 2

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 První kolo soutěž e První kolo soutěže (školní) probíhá na školá ch ve všech kategoriích zpravidla ve třech čá stech. Jsou to: a) studijní čá st, b) praktická laboratorní čá st, c) kontrolní test školního kola. V té to brožuře jsou soutěžní úlohy studijní a praktické čá sti prvního kola soutěže kategorií A a E. Pro žáky soutěžící v kategorii E je teoretická část vš ech kol shodná s kategorií A. Praktická čá st školního a ústředního kola kategorie E je pak doplněna o jednu laboratorní úlohu. Autorská řešení těchto úloh společně s kontrolním testem a jeho řešením budou obsahem druhé brožury. Ú lohy ostatních kategorií budou vydá ny ve zvlá štních brožurá ch. Třetí čá st prvního kola –kontrolní test bude separá tní přílohou v brožuře obsahující autorská řešení prvního kola soutěže. Upozornění: Žá ci středních odborných škol s chemickým zaměřením (splňující podmínky kategorie E) nemohou soutěžit v kategorii A. Vzor záhlaví vypracovaného úkolu Karel VÝBORNÝ Gymná zium, Korunní ul., Praha 2 1. ročník

Kat.: A, 2009/2010 Ú kol č.: 1 Hodnocení:

Š kolní kolo chemické olympiá dy řídí a organizuje učitel chemie (dá le jen pověřený učitel), které ho touto funkcí pověří ředitel školy. Ú kolem pověřené ho učitele je propagovat Chemickou olympiá du mezi žá ky a získá vat je k soutěžení, předá vat žá ků m texty soutěžních úkolů a dodržovat pokyny řídících komisí soutěže. Spolu s pověřeným učitelem se na přípravě soutěžících podílejí učitelé chemie v rá mci činnosti předmětové komise. Umožňují soutěžícím prá ci v laboratořích, pomá hají jim odbornou radou, upozorňují je na vhodnou literaturu, popřípadě jim zajišťují další konzultace, a to i s učiteli škol vyšších stupňů nebo s odborníky z praxe a výzkumných ústavů . Ř editel školy vytvá ří příznivé podmínky pro propagaci, úspěšný rozvoj i prů běh Chemické olympiá dy. Podporuje soutěžící při rozvoji jejich talentu a zabezpečuje, aby se prá ce učitelů hodnotila jako ná ročný pedagogický proces. Učitelé chemie spolu s pověřeným učitelem opraví vypracované úkoly soutěžících, zpravidla podle autorské ho řešení a krité rií hodnocení úkolů předem stanovených Ú K ChO, případně krajskou komisí Chemické olympiá dy, úkoly zhodnotí a sezná mí soutěžící s jejich sprá vným řešením. Pověřený učitel spolu s ředitelem školy nebo jeho zá stupcem: a) stanoví pořadí soutěžících, b) navrhne na zá kladě zhodnocení výsledků nejlepší soutěžící k účasti ve druhé m kole, c) provede se soutěžícími rozbor chyb. Ř editel školy zašle příslušné komisi Chemické olympiá dy jmenný seznam soutěžících navržených k postupu do dalšího kola, jejich opravená řešení úkolů , pořadí všech soutěžících (s uvedením procenta úspěšnosti) spolu s vyhodnocením prvního kola soutěže. Ú střední komise Chemické olympiá dy děkuje všem učitelům, ředitelům škol a dobrovolným pracovníkům, kteří se na průběhu Chemické olympiá dy podílejí. Soutěžícím pak přeje mnoho ú spěchů při řešení soutěžních ú loh. 3

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010

VÝŇATEK Z ORGANIZAČ NÍHO Ř Á DU CHEMICKÉ OLYMPIÁ DY (7)

Č l. 5 Ú koly soutěž ících (1) (2)

(3)

Ú kolem soutěžících je samostatně vyřešit zadané teoretické a laboratorní úlohy. Utajení textů úloh je nezbytnou podmínkou regulé rnosti soutěže. Se zněním úloh se soutěžící seznamují bezprostředně před vlastním řešením. Řešení úloh (dá le jen „protokoly“) je hodnoceno anonymně. Pokud má soutěžící výhrady k regulé rnosti prů běhu soutěže, má prá vo se odvolat v případě školního kola k pověřené mu učiteli, v případě vyšších soutěžních kol k příslušné komisi ChO, popřípadě ke komisi o stupeň vyšší.

(8)

Č l. 6 Organizace a propagace soutěž e na š kole, š kolní kolo ChO (1)

(2)

(3)

(4)

(5) (6)

Zodpovědným za uskutečnění soutěže na škole je ředitel, který pověřuje učitele chemie zabezpečením soutěže (dá le jen „pověřený učitel“). Ú kolem pověřené ho učitele je propagovat ChO mezi žá ky, evidovat přihlá šky žá ků do soutěže, připravit, řídit a vyhodnotit školní kolo, předá vat žá ků m texty soutěžních úloh a dodržovat pokyny řídících komisí ChO, umožňovat soutěžícím prá ci v laboratořích, pomá hat soutěžícím odbornými radami, doporučovat vhodnou literaturu, případně jim zabezpečit další konzultace, a to i s učiteli škol vyšších stupňů nebo s odborníky z výzkumných ústavů a praxe. Spolu s pověřeným učitelem se na přípravě, řízení a vyhodnocení školního kola mohou podílet další učitelé chemie v rá mci činnosti předmětové komise chemie (dá le jen „předmětová komise“). Š kolního kola se účastní žá ci, kteří se do stanovené ho termínu přihlá sí u učitele chemie, který celkový počet přihlá šených žá ků ozná mí pověřené mu učiteli. V případě zá jmu žá ka o účast v soutěži je škola povinna uskutečnit školní kolo, případně zabezpečit účast žá ka v ChO na jiné škole. Š kolní kolo probíhá ve všech kategoriích v termínech stanovených NIDM a Ú K ChO zpravidla ve třech čá stech (studijní čá st, laboratorní čá st a kontrolní test).

(9)

Pověřený učitel spolu s předmětovou komisí, je-li ustavena: a) zajistí organizaci a regulé rnost prů běhu soutěžního kola podle zadá ní NIDM a Ú K ChO, b) vyhodnotí protokoly podle autorských řešení, c) sezná mí soutěžící s autorským řešením úloh a provede rozbor chyb, d) stanoví pořadí soutěžících a vyhlá sí výsledky soutěže. Po skončení školního kola zašle ředitel školy nebo pověřený učitel: a) organizá torovi vyššího kola příslušné kategorie ChO výsledkovou listinu všech účastníků s počty dosažených bodů , úplnou adresou školy a stručné hodnocení školního kola, b) tajemníkovi příslušné komise ChO vyššího stupně stručné hodnocení školního kola včetně počtu soutěžících. Protokoly soutěžících se na škole uschová vají po dobu jednoho roku. Komise ChO všech stupňů jsou oprá vněny vyžá dat si je k nahlé dnutí. Č l. 14 Zvláš tní ustanovení

(1)

(2)

(3)

4

Ú čast žá ků ve všech kolech soutěže, na soustředěních a v meziná rodních soutěžích se považuje za činnost, která přímo souvisí s vyučová ním. Pravidelná činnost při organizová ní soutěže, vedení zá jmových útvarů žá ků připravujících se na ChO a pravidelné organizační a odborné pů sobení v komisích ChO se považuje za pedagogicky a společensky významnou činnost učitelů a ostatních odborných pracovníků , započítá vá se do pracovního úvazku nebo je zohledněno v osobním příplatku, případně ohodnoceno mimořá dnou odměnou. Soutěže se mohou zúčastnit i žá ci studující na českých školá ch v zahraničí, jejichž stá tní příslušností je Č eská republika, a to v rá mci územní oblasti, která je nejbližší místu studia žá ka. Žá ků m je v případě jejich účasti ve vyšších postupových kolech hrazeno jízdné pouze na území Č eské republiky.


Harmonogram 46. ročníku Chemické olympiády kategorie A Studijní část š kolního kola: Kontrolní test školního kola: Š kola odešle výsledky školního kola krajské komisi ChO nejpozději do:

červenec –říjen 2009 4. 11. 2009 18. 11. 2009

Krajská komise je oprá vněna na zá kladě dosažených výsledků ve školním kole vybrat omezený počet soutěžících do krajské ho kola ChO. Krajskákola:

11. –12. 12. 2009

Předsedové krajských komisí odešlou výsledkovou listinu krajských kol Ú střední komisi Chemické olympiá dy, VŠ CHT Praha, v kopii na NIDM MŠ MT Č R Praha dvojím způ sobem: 1. Co nejdříve po uskutečnění krajské ho kola zapíší výsledky příslušné ho kraje do Databá ze Chemické olympiá dy, která je přístupná na webových strá nká ch www.chemicka-olympiada.cz (přes tlačítko Databá ze). Přístup je chrá něn uživatelským jmé nem a heslem, které obdržíte od Ú K ChO. Ihned po odeslá ní bude výsledková listina zveřejněna na webových strá nká ch ChO. 2. Tato databá ze umožňuje zapsané výsledkové listiny zá roveň vytisknout. Takto vytištěnou výsledkovou listinu v papírové podobě spolu s hodnocením zašlete na adresu: VŠ CHT Praha, RNDr. Petr Holzhauser, Ú stav anorganické chemie, Technická 5, 116 00 Praha 6 –Dejvice. Ú střední komise ChO vybere na zá kladě dosažených výsledků v krajských kolech soutěžící do ústředního kola ChO. Ú střední kolo:

25. 1. –28. 1. 2010 na VŠ CHT v Praze

Ú střední komise ChO vybere na zá kladě dosažených výsledků v Ú středním kole soutěžící do výběrových soustředění (teoretické ho a praktické ho). Na Meziná rodní chemickou olympiá du postupují čtyři soutěžící s nejlepšími výsledky v ústředním kole a ve výběrových soustředěních. Mezinárodní olympiáda pro kategorii A:

červenec 2010, Tokio, Japonsko

Letní odborné soustředění

červenec 2010, Běstvina

Organizá toři vyberou na zá kladě dosažených výsledků v krajských kolech soutěžící, kteří se mohou zúčastnit letního odborné ho soustředění Chemické olympiá dy v Běstvině. Od 1.1. 2010 je garantem Chemické olympiády VŠ CHT Praha.

3


Kontakty na krajské komise Chemické olympiády školnírok 2009/2010 Kraj

Praha

Středočeský

Jihočeský

Plzeňský

Karlovarský

Předseda

Tajemník

doc. Ing. Jaroslav Kvíčala Ú stav organické chemie, VŠ CHT Praha Technická 5 166 28 Praha 6 [email protected] tel.: 220 444 278, 220 444 242 RNDr. Marie Vasileská , CSc. katedra chemie PedF UK M. D. Rettigové 4 116 39 Praha 1 tel.: 221 900 256 [email protected] RNDr. Karel Lichtenberg, CSc. Gymná zium, Jírovcova 8 371 61 Č eské Budějovice tel.: 387 319 358 [email protected] Mgr. Jana Pertlová Masarykovo Gymná zium Petá kova 2 301 00 Plzeň tel.: 377 270 874 [email protected] Ing. Miloš Krejčí Gymná zium Ostrov Studentská 1205 363 01 Ostrov tel.: 353 612 753;353 433 761 [email protected]

Ú stecký

Mgr. Tomá š Sedlá k Gymná zium Teplice Č s. dobrovolců 530/11 415 01 Teplice tel.: 417 813 053 [email protected]

Liberecký

PhDr. Bořivoj Jodas, Ph.D. katedra chemie FP TU Há lkova 6 461 17 Liberec tel.: 485 104 412 [email protected] 4

Mgr. Linda Rottová Stanice přírodovědců DDM hl.m. Prahy Drtinova 1a 150 00 Praha 5 [email protected] tel.: 257 321 336, l. 132 Dr. Martin Adamec katedra chemie PedF UK M. D. Rettigové 4 116 39 Praha 1 tel.: 221 900 256 [email protected] Ing. Miroslava Č ermá ková DDM, U Zimního stadionu 1 370 01 Č eské Budějovice tel.: 386 447 319 [email protected] RNDr. Jiří Cais Krajské centrum vzdělá vá ní a jazyková škola PC Koperníkova 26 301 25 Plzeň tel.: 377 350 421 [email protected] Ing. Radim Adamec odbor školství, mlá deže a tělovýchovy Zá vodní 353/88 360 21 Karlovy Vary tel.: 353 502 410;736 650 331 [email protected] Ing. Květoslav Soukup, KÚ , odd. mlá deže, tělov. a volné ho času Velká Hradební 48 400 02 Ú stí nad Labem tel.: 475 657 235 [email protected] Mgr. Věra Rousová tel.: 475 657 132, 732 950 824 [email protected] Vendulka Tošnerová DDM Větrník Riegrova 16 461 01 Liberec tel.: 485 102 433; 602 469 162 [email protected]


Kraj

Předseda

Tajemník

Krá lové hradecký

PaedDr. Ivan Holý, CSc. Pedagogická fakulta UHK Rokitanské ho 62 500 03 Hradec Krá lové tel.: 493 331 161 [email protected]

Pardubický

doc. Ing. Jiří Kulhá nek, Ph.D. FChT UPce, katedra org. chemie Studentská 573 532 10 Pardubice [email protected]

Vysočina

RNDr. Jitka Š edivá Gymná zium Jihlava Jana Masaryka 1 586 01 Jihlava tel.: 567 303 613 [email protected]

Jihomoravský

RNDr. Valerie Richterová , Ph.D. Bořetická 5 628 00 Brno tel.: 604 937 265 [email protected]

Vladimíra Kubínová Dů m dětí a mlá deže Rautenkraucova 1241 500 03 Hradec Krá lové tel.: 495 514 531 l.104, 777 758 436 [email protected] Mgr. Klá ra Jelinkova DDM Delta Gorké ho 2658 530 02 Pardubice tel.: 466 301 010 [email protected] RNDr. Josef Zlá malík Gymná zium Jihlava Jana Masaryka 1 586 01 Jihlava tel.: 567 303 613 [email protected] Mgr. Zdeňka Antonovičová Středisko volné ho času Lužá nky Lidická 50 658 12 Brno –Lesná tel.: 549 524 124, 723 368 276 [email protected]

Zlínský

Olomoucký

Moravskoslezský

Ing. Lenka Svobodová SPŠ , Třída T. Bati 331 765 02 Otrokovice tel.: 577 925 113; 776 010 493 [email protected] kat. D RNDr. Stanislava Ulčíková ZŠ Slovenská 3076 760 01 Zlín tel.: 577 210 284 [email protected] Mgr. Luká š Mü ller PřF UP Olomouc, katedra analytické chemie tř. 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc tel.: 585 634 419 [email protected] Mgr. Alexandra Holoušková Gymná zium Havířov Komenské ho 2 736 01 Havířov [email protected]

5

Petr Malinka odd. mlá deže, sportu a rozvoje lid. zdrojů KÚ Třída T. Bati 21 761 90 Zlín tel.: 577 043 764 [email protected]

Bc. Kateřina Kosková odd. mlá deže a sportu KÚ Jeremenkova 40 A 779 11 Olomouc tel.: 585 508 661 [email protected] Mgr. Marie Kociá nová Stanice přírodovědců Č kalova 1881 708 00 Ostrava –Poruba tel.: 599 527 321 [email protected]

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 Další informace získá te na té to adrese. NIDM MŠ MT Praha, Talentcentrum Na Poříčí1835/4, 115 00 Praha 1 tel.: 221 850 812 Ing. Jana Š evcová e-mail: [email protected]

VŠ CHT Praha Technická 5, 116 00 Praha 6 – Dejvice tel: 220 443 787 RNDr. Petr Holzhauser e-mail: [email protected]

Podrobnější informace o chemické olympiá dě a úlohá ch minulých ročníku získá te na strá nká ch http://www.chemicka-olympiada.cz Ú střední komise ChO je členem Asociace českých chemických společností. Informace o Asociaci a o spoluvyhlašovateli ChO Č eské chemické společnosti naleznete na strá nká ch http://www.csch.cz Významným chemickým odborným časopisem vydá vaným v češtině jsou Chemické listy. Sezná mit se s některými člá nky mů žete v Bulletinu, který vychá zí čtyřikrá t ročně a naleznete ho i na internetových strá nká ch na adrese http://www.uochb.cas.cz/bulletin.html.

6


TEORETICKÁ Č Á ST (60 bodů) I. Anorganická chemie Autoři

RNDr. Petr Holzhauser Ú stav anorganické chemie, VŠ CHT Praha RNDr. Jan Kotek, Ph.D. Katedra anorganické chemie, PřF UK Praha

Recenzenti

Mgr. Petr Cígler, Ph.D. (odborná recenze) Výzkumné centrum Ú OCHB & Gilead Sciences, Ú OCHB AV Č R, v.v.i., Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří

Milí studenti, úlohy z anorganické chemie budou letos úzce prová zané s úlohami z fyziká lní chemie –budou se totiž týkat elektronové struktury atomů a molekul. I anorganický chemik musí bravurně ovlá dat umění tvorby elektronových, případně Lewisových vzorců (a nejen anorganických, ale i organických lá tek, neboť mezi nimi není v principu žá dný rozdíl), chá pat pů vod, význam a užití oktetové ho pravidla, rozumět pojmů m jako oxidační číslo, formá lní ná boj, izoelektronová čá stice. V přípravné m textu fyziká lní chemie "Nebojte se kvant" je nastíněna idea molekulových orbitalů , v anorganické čá sti se jimi budeme zabývat u dvojatomových molekul. Tamté ž mů žete nalé zt pasá ž o fotoelektronové spektroskopii, mocné experimentá lní metodě, která doká že nahlé dnout pod pokličku hraničních orbitalů . Aby úlohy byly opravdové , nemů žeme hovořit pouze v obecných pojmech, ale musíme se vrhnout na reá lné molekuly. Proto svoji pozornost fokusujte na sloučeniny dusíku, prvku, který je pro demonstraci pestrosti elektronových struktur jako stvořený. Hodně zdaru, zá bavy i poučení při řešení úloh Vá m přejí autoři Základní doporučenáliteratura: 1. J. Klikorka, B. Há jek, J. Votinský: Obecná a anorganická chemie, SNTL/Alfa, Praha 1989, čl. (5.1), 5.2, 5.3, 6.2, 6.3 a 6.5 www 2. F. A. Cotton, G. Willkinson: Anorganická chemie, Academia, Praha 1973, čl. 3.9, 12.5 –12.8 3. T. Kubař, M. Kolá ř: Nebojte se kvant, přípravný text k chemické olympiá dě www 4. internetové vyhledá vače, klíčová slova: strukturní elektronové vzorce, oktetové pravidlo, Lewisovy vzorce, formá lní ná boj, oxidační číslo, molekulové orbitaly dvojatomových molekul, řá d, dé lka a energie vazby, izoelektronové čá stice, fotoelektronová spektroskopie 5. Středoškolské učebnice chemie Rozš iřující literatura: www

Tituly označené www jsou k dispozici na strá nká ch Chemické olympiá dy: www.chemicka-olympiada.cz 7

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 6. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie prvků , Informatorium, Praha 1993, čl. 8.8, odst. 11.3.1 –11.3.3, 11.3.5 –11.3.7, 14.2.1 7. W. Kołos: Zá klady kvantové chemie vyložené bez použití matematiky, Academia, Praha 1987

8

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 Úloha 1 Pavouk

10 bodů

Katalyzovanou reakcí vodíku s plynem A vzniká štiplavý plyn B, který lze snadno zkapalnit při ~ –33 ° C. Tento plyn snadno hoří na vzduchu za vzniku A a vody. Při použití platiny jako katalyzá toru však dojde až k oxidaci na bezbarvý oxid C, který další reakcí s kyslíkem poskytuje hnědočervený plyn D. Ten ochlazením dimeruje na lá tku E. Ekvimolá rní směs oxidů C a D při ochlazení poskytne intenzivně modrou kapalinu F, která dalším ochlazením na –100 ° C ztuhne na bledě modré krystaly. Reakcí oxidu D s vodou vzniká směs dvou kyselin G a H; kyselina H je nestabilní a rozklá dá se za vzniku lá tek C a G. Reakcí B a G vzniká sů l I, která zahřá ním poskytuje lá tku J a vodu. Analogický rozklad lá tky K, připravené reakcí B a H, poskytuje vedle vody i plyn A. Oxidací lá tky B chlornanem sodným vznikne kromě chloridu sodné ho a vody i nová lá tka L, obsahující dva prvky, přičemž jedním z nich je vodík (12,6 hm. %). Reakcí L s kyselinou G v rů zných poměrech vznikají soli M a N; lá tka M obsahuje 5,3 hm. % vodíku, a lá tka N 3,8 hm. % vodíku. Je-li však lá tka L ponechá na reagovat s kyselinou H, dojde ke vzniku nové kyseliny O a vody. Kyselina O s lá tkou B poskytuje sů l P. Dehydratací kyseliny G oxidem fosforečným vzniká bílý oxid Q s teplotou tá ní ~30 ° C. Jeho reakcí s kyselinou chloristou vzniká sů l R a dochá zí k uvolnění kyseliny G. a) Identifikujte prvek A a ostatní sloučeniny B–R. Lá tky nazvěte. b) Nakreslete lewisovský elektronový vzorec lá tek E, F a Q. Vyznačte formá lní ná boje na jednotlivých atomech. c) Nakreslete lewisovské elektronové vzorce aniontu kyseliny O, a vyznačte formá lní ná boje na jednotlivých atomech. d) Jaký má daný anion tvar? e) Nakreslete lewisovský elektronový vzorec lá tky J, a vyznačte formá lní ná boje na jednotlivých atomech. Určete i oxidační čísla na jednotlivých atomech. f) Jaký má lá tka J tvar? g) Molekula D, anion kyseliny H a kation obsažený v soli R mají velmi příbuznou strukturu. Nakreslete jejich lewisovské elektronové vzorce. Určete jejich pořadí podle rostoucího vazebné ho úhlu na centrá lním atomu. h) Napište vyčíslenou rovnici reakce lá tky D s vodou za vzniku G a H. i) Napište vyčíslenou rovnici termá lního rozkladu lá tky I. j) Napište vyčíslenou rovnici reakce lá tek H a L. Úloha 2 Cesta do nitra molekuly kyslíku

6 bodů

Elementá rní kyslík se dá připravit lecjakými chemickými metodami, např. pyrolýzou některých solí. 1. Napište rovnici tepelné ho rozkladu manganistanu draselné ho za vzniku kyslíku. Spalová ním alkalických kovů na vzduchu mohou vznikat rů zné soli. V případě sodíku vzniká jako hlavní produkt bílá krystalická sloučenina X. V případě draslíku zase sloučenina Y oranžové barvy. 2. Napište rovnice vzniku X a Y a lá tky pojmenujte.

9

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 V roce 1962 experimentoval pan Bartlett s fluoridem platinovým4 (velmi těžká červená kapalina). Zjistil, že kontaktem par té to lá tku se vzduchem při 100 °C vzniká krystalická lá tka Z. 3. Napište rovnici vzniku lá tky Z a pojmenujete přítomný anion. Všechny lá tky X–Z obsahují čá stici se stejným složením jaké má molekula kyslíku, ale s rů zným ná bojem. Vaším úkolem bude popsat jejich elektronovou strukturu pomocí teorie MO (molekulových orbitalů ). 4. Nakreslete sché ma MO pro molekulu kyslíku. Označte pů vodní AO (atomové orbitaly) i MO (nezapomeňte na symboly vypovídající i vazebnosti, nevazebnosti, nebo protivazebnosti orbitalů ). 5. Na zá kladě nakreslené ho sché matu doplňte ná sledující tabulku: Látka

O2

Přítomná čá stice

O2

X

Y

Z

Počet nepá rových e– Ř á d vazby Vazebná dé lka (pm) Energie vazby (kJ mol–1) Vibrační frekvence (cm–1) Mů žete vybírat z ná sledujících hodnot: Vazebné dé lky: Energie vazeb: Vibrační frekvence:

112, 121, 134 a 154 pm 204, 3465, 490, 625 kJ mol–1 842, 1145, 1555, 1858 cm–1

Ná pověda: podobně jako u pružiny je vibrační frekvence je tím vyšší, čím je vazba pevnější. Skutečné energie MO mů žeme elegantně získat pomocí tzv. fotoelektronové spektroskopie. Na obrá zku níže je fotoelektronové spektrum molekuly kyslíku zachycující signá ly tří nejvýše obsazených molekulových orbitalů . 6. Přiřaďte píky jednotlivým orbitalů m, odečtěte ze spektra orbitá lní energie a vepište je k příslušným orbitalů m ve sché matu z otá zky 4.

4

Fluorid platinový je těžká červená kapalina s teplotou varu 69,1 °C a velmi silnými oxidačními účinky. Pan Bartlett si všiml, že ionizační energie molekuly kyslíku a atomu xenonu jsou skoro stejné a zopakoval týž pokus s xenonem. Podařilo se mu tak připravit historicky první skutečnou sloučeninu vzá cné ho plynu. Více viz S. Engels, A. Nowak: Chemické prvky –Historie a současnost, SNTL/Alfa, Praha 1977, nebo té ž dop. lit. 6, str. 1106–1107. 5 Hodnota získaná interpolací. 10


Fotoelektronové spektrum molekuly kyslíku

11


II. Organická chemie Autor

RNDr. Jan Veselý , Ph.D. Katedra organické a jaderné chemie, PřF UK Praha

Recenzenti

Prof. Ing. Františ ek Liš ka, CSc. (odborná recenze) Katedra chemie a didaktiky chemie, PeF UK Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří

Zadá ní úloh z organické chemie 46. ročníku Chemické olympiá dy bude v jejích jednotlivých kolech kategorie A zaměřeno na přípravu a reaktivitu karbonylových sloučenin (aldehydů a ketonů). Reakce karbonylových sloučenin patří k nejčastěji využívaným reakcím v organické synté ze na přípravu cenných syntetických meziproduktů , které nachá zejí široké uplatnění ve farmaceutické m, potraviná řské m a agrochemické m prů myslu. Témata úloh: · · · · · · · · · ·

příprava karbonylových sloučenin z alkenů a alkynů příprava a,b-nenasycených aldehydů a ketonů reakce aldehydů a ketonů s nukleofilními činidly kondenzační reakce (např. zkřížené kondenzační reakce, Darzenova kondenzační reakce) 1,2 a 1,4 adice a,b-nenasycených aldehydů a ketonů Wittigova reakce a její analogie malonesterová synté za Perkinova synté za haloformová reakce ozonolýza s reduktivním a oxidativním zpracová ním

Doporučenáliteratura: 1. Středoškolské učebnice chemie. 2. Vacík, J. a kolektiv: Přehled středoškolské chemie, SPN, Praha 1995, 254-256. 3. Č ervinka, O., Dědek, V., Ferles, M.: Organická chemie, Informatorium, Praha 1991, 485549, 605-608. 4. Pacá k, J.: Stručné zá klady organické chemie, SNTL, Praha 1975, 150-170. 5. McMurry J.: Organická chemie, VUTIUM Brno a VŠ CHT Praha 2007, 225-227, 251-254, 683-725, 821-883. 6. Č ervinka, O.: Chemie organických sloučenin I, SNTL, Praha 1987, 1006-1066. 7. Fikr, J., Kahovec, J.: Ná zvosloví organické chemie, Rubico, Olomouc 2002. WWW zdroje informací: 1. Jmenné reakce –http://www.organic-chemistry.org/reactions.htm 2. Syntetické přístupy –http://www.organic-chemistry.org/synthesis/ 3. Obecné hledá ní podle klíčových slov –http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

12

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 Úloha 1 Oxymerkurace alkynů

5 bodů

Jednou ze zá kladních reakcí na přípravu karbonylových sloučenin je oxymerkurační reakce alkynů , přesněji formulová no oxymerkurační-demerkurační reakce. Syntetický význam má především použití té to reakce u terminá lních a symetricky substituovaných interních alkynů . Oxymerkurační reakce alkynů je z hlediska reakčního mechanizmu adiční reakce molekuly vody katalyzovaná rtuťnatými kationty, která je velmi podobná oxymerkurační reakci alkenů . Zatímco alkeny v té to reakci poskytují příslušné sekundá rní alkoholy, alkyny poskytují karbonylové sloučeniny. Karbonylové sloučeniny však nejsou přímým produktem adiční reakce, klíčovým krokem pro jejich vznik je izomerizační reakce, ve které je přímý produkt adice transformová n na konečný karbonylový produkt. U níže uvedené reakce zodpovězte ná sledující otá zky: H+

HgSO4

B

A

H2O, H2SO4

a) Nakreslete lá tky A a B a rozhodněte, zda oxymerkurační reakce probíhá podle Markovnikova pravidla, či nikoliv. b) O jaký typ izomerie se jedná v případě lá tek A a B a jak se obecně nazývají izomery A a B? c) Proč je použití oxymerkurační reakce v případě nesymetricky substituovaných akynů nevhodné ? Úloha 2 Reakce karbonylových sloučenin s deriváty amoniaku

7 bodů

Mezi klasické reakce karbonylových sloučenin (aldehydů a ketonů ) patří jejich reakce s nukleofilními činidly jako je např. amoniak, primá rní a sekundá rní aminy, hydrazin a hydroxylamin a jejich derivá ty, alkoholy, thioly a řada dalších. V ná sledující úloze se zaměříme na synteticky velmi významnou skupinu –na reakce karbonylových sloučenin s nukleofilními činidly odvozenými od molekuly amoniaku. Doplňte lá tky A - G u níže uvedených reakcí a pokuste se odpovědět na ná sledující otá zky: H N Ph

O H 3C

N Ph H

K2 CO3 (bezv.) H

O

Et

K 2CO3

NH2OH.HCl H

O

A

benzen

tr ans -B

SO 3H

N

cis -C

Et

O H 3C

cis-B

H2N-NH 2 / H3O+

D

trans-C

HO-CH 2-CH 2-O-CH 2-CH 2-OH KOH,

O

13

E

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 a) Jak se obecně nazývají lá tky vznikající reakcí primá rních aminů a sekundá rních aminů s karbonylovými sloučeninami? b) Jak se obecně nazývají lá tky typu cis-B a trans-B? c) Proč se jako rozpouštědlo v poslední reakci používá diethylenglykol (HOCH2CH2OCH2CH2OH) místo jiných alkoholů jako např. ethanol, či methanol? Úloha 3 Adice na a,b-nenasycené aldehydy a ketony

4 body

V ná sledující čá sti se zaměříme na karbonylové sloučeniny obsahující dvojnou vazbu. Zvlá ště synteticky významné jsou především a,b-nenasycené aldehydy a ketony, které podobně jako konjugované dieny, jsou stabilizová ny elektoronovou delokalizací a proto např. velice snadno vznikají (kysele, či bazicky katalyzovanou) izomerizací z příslušných b,g-nenasycených karbonylových sloučenin. Reaktivita a,b-nenasycených aldehydů a ketonů se odvíjí z reaktivity jejich funkčních komponent (tj. přítomnosti karbonylové skupiny a ná sobné vazby) a zá roveň z reaktivity konjugovaných systé mů . Prá vě druhá zmiňovaná reaktivita je předmětem té to úlohy. Doplňte produkty A –D u níže uvedených reakcí a rozhodněte, o jaký typ adiční reakce se jedná . O Ph

EtOH

KCN

A

CH3COOH

Ph

O H3C

1. CH3Li, Et2O

CH3

B

+

2. H , H2O

H3C

O

1. (CH3)2CuLi, THF, -78° C

CH3

O Ph H

+

C

2. H , H2O

1. CH3CH2MgBr, Et2O 2. H+, H2O

14

D


III. Fyzikálníchemie Autoři

Mgr. Michal Kolář Katedra fyziká lní a makromolekulá rní chemie, PřF UK v Praze Ú stav organické chemie a biochemie AV Č R, v.v.i. RNDr. Tomáš Kubař, Ph.D. Technische Universität Braunschweig, Německo

Recenzenti

RNDr. Františ ek Zemánek (odborná recenze) Katedra fyziká lní a makromolekulá rni chemie, PřF UK v Praze RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří

Fyziká lně-chemická čá st 46. ročníku Chemické olympiá dy Vá s, milí studenti, provede světem atomů , molekul, světem čá stic menších než je třeba kapka vody, dokonce menších než je polovina kapky vody. Vždyť takovouto kapku vody bychom mohli rozdělit na řá dově 1023 atomů nebo molekul a ti z Vá s, kterým by to nestačilo, dělili by dá l a dá l na atomová já dra a elektronový obal a kdo ví, kde by s tím dělením skončili… Prá vě elektronový obal atomu ná s bude v nadchá zejících fyziká lně-chemických úlohá ch zajímat nejvíce. Nejednou zabrousíme do oblastí, které jsou středoškolské mu studentovi během hodin chemie často zatajeny, avšak žá dnou obtíž v sobě neskrývají a proto není dů vodu se jich obá vat. Ř eč bude o struktuře atomů , molekul, o teorii chemické vazby i o kvantové teorii, která vše již zmíněné s noblesou zaštiťuje. Ř ešitel fyziká lně-chemických úloh by neměl tá pat v pojmech jako jsou orbital, chemická vazba, hybridizace, aromaticita, kvantová čísla, výstavbový princip, Pauliho vylučovací princip, spin nebo foton. Dostatečnou zá sobu informací naleznete v doporučené literatuře 2–4. Ambiciózní řešitel nahlé dne i do doporučené literatury 5–7, kde nalezne další rozšiřující informace. Pro popis mikrosvěta nelze použít zá kony fyziky, se kterými se setká vá me v běžné m životě (např. že míček hozený na zeď se vždy odrazí a vrá tí zpět), ale je potřeba začít uvažovat „kvantově“ (např. že míček hozený na zeď se někdy nevrá tí zpět, ale zdí projde naskrz, aniž by v ní byla díra). Kvantově chemické úlohy jsou vcelku ná ročné , řešitelné pouze výkonnými počítači (např. http://www.lanl.gov/roadrunner), existuje ale řada zjednodušení, která řešení usnadní a zpřístupní papíru a tužce. My se budeme zabývat výhradně Hü ckelovou metodou molekulových orbitalů . Přípravný text „Nebojte se kvant,“ který Vá s uvede do světa kvantové chemie, obsahuje vše potřebné k zvlá dnutí fyziká lně-chemických úloh. Seznamte se tedy s pojmy jako Hü ckelova metoda, Hamiltonova matice, molekulový orbital, LCAO aproximace, delokalizační energie, fotoelektronová spektra, ionizační energie, MRI, paramagnetismus, dipólový moment, HOMO/LUMO orbitaly. Pro řešení úloh se Vá m budou hodit i znalosti matematické , konkré tně řešení lineá rních a kvadratických rovnic a jejich soustav. Zá klady získá te např. v literatuře 8 a další znalosti mů žete nabýt např. v textu „Nebojte se kvant“ nebo v literatuře 9. Znalost pojmů jako vektor, matice, determinant, vlastní hodnoty či ortogonalita Vá m mů že být jedině ku pomoci. Mnoho štěstí a chuti pozná vat přejí autoři

15

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 Doporučenáliteratura: 1. T. Kubař, M. Kolá ř: Nebojte se kvant, přípravný text k chemické olympiá dě www 2. A. Mareček, J. Honza: Chemie pro čtyřletá gymná zia 1. díl, Nakladatelství Olomouc 1998, str. 11–51 3. I. Š toll a kol.: Fyzika pro gymná zia –Fyzika mikrosvěta, Promé theus 2002, str. 12–93 4. J. Vacík a kol.: Přehled středoškolské chemie, SPN –pedagogické nakl. 1999, str. 64–105 5. M. Otyepka: Struktura atomů a molekul, Univerzita Palacké ho Olomouc 2006 6. W. J. Moore: Fyziká lní chemie, SNTL 1979, str. 585–595, 630–645, 667–717, 790–743, 799–810 7. P. W. Atkins: Fyziká lna ché mia 2a, Oxford/STU Bratislava 1999, str. 9–10, 58–59, 72–82, 84–92, 121–134, 138–144 8. J. Charvá t, J. Houf, L. Boček: Matematika pro gymná zia –Rovnice a nerovnice, Promé theus 1999, str. 105–152 9. http://petr.olsak.net/linal.html 10. internet s použitím výše zmíněných klíčových slov

Úloha 1 Opruzeniny dětských prdelek

5 bodů

K lé čbě rozmanitých kožních potíží zejmé na u dětí se často používá modrá mastička Dermazulen. Její účinnou složkou je lá tka zvaná guajazulen (viz Obrá zek 1), kterou lze získat například z heřmá nku (Matricaria recutita). Hlavní kostru guajazulenu tvoří bicyklická molekula azulenu.

Obrázek 1. vzorec guajazulenu

a) Uveďte systematický nebo polosystematický ná zev guajazulenu. b) Azulen mů žeme považovat za kondenzá t dvou monocyklických aromatických čá stic. Zamyslete se, jaké podmínky musí čá stice splňovat, aby měla aromatický charakter, a ná zvy obou čá stic uveďte. c) Skutečné rozložení elektronové hustoty v molekule azulenu zčá sti odpovídá té to úvaze. V dů sledku toho má azulen, na rozdíl od izomeru naftalenu, nenulový dipólový moment o velikosti asi 1 debye. Určete orientaci tohoto dipólové ho momentu. d) Modrá mastička Dermazulen se bude jevit černou, pokud ji osvítíme světlem o vhodné vlnové dé lce. Vypočítejte tuto vlnovou dé lku a vysvětlete podstatu tohoto pozorová ní. V tabulce jsou hodnoty orbitá lních energií π-orbitalů :

www

Tituly označené www jsou k dispozici na strá nká ch Chemické olympiá dy: www.chemicka-olympiada.cz 16

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 10 p 9p 8p 7p 6p 5p 4p 3p 2p 1p

+2.328 eV +1.752 eV +0.791 eV – 1.984 eV – 2.859 eV – 4.937 eV – 5.938 eV – 7.503 eV – 8.207 eV – 9.603 eV

Úloha 2 Velké G

4 body

První, co snad každé ho znalé ho chemika napadne, když se vysloví písmeno G, je jeho úzká souvislost s medicínou. Toto písmeno hraje v medicíně a farmacii klíčovou roli! Dokladem toho budiž ná m pojmy jako gynekologie, Geriavit, glaukom, Gastrogel, G-bod nebo gumová rukavice. a) Stručně vysvětlete, co jednotlivé pojmy znamenají. b) Napište prvky, jejichž značka obsahuje písmeno G/g. Které z nich jsou paramagnetické ? V medicíně se s úspěchem používá metoda MRI (Magnetic Resonance Imaging). Ta je založena na skutečnosti, že některá atomová já dra vykazují nenulový magnetický moment, který lze v magnetické m poli orientovat a citlivými přístroji sledovat změny v energii při ná sledné relaxaci. Jedním z „aktivních“ jader je 1H, jehož rů zné okolní prostření v rů zných typech tká ní umožňuje lé kařů m vytvá řet 2D i 3D obrazy lidské ho těla. V určitých situacích lze relaxaci ovlivnit změnou prostředí 1H jader pomocí tzv. kontrastní lá tky, která , jak již ná zev napovídá , zvyšuje kontrast studované čá sti a poskytuje lé kařů m další informace tolik potřebné k lé čbě nemocných. c) Která sloučenina obsahující nuklid 1H je v těle nejvíce zastoupena? d) Sloučeniny které ho prvku, jehož značka obsahuje písmeno G/g, se s oblibou používají jako kontrastní lá tky? Zapište jeho elektronovou konfiguraci a vysvětlete, proč je mezi doktory tolik oblíbený. e) Určete, který obsazený atomový orbital prvku z d) má nejnižší energii. Je tento orbital degenerovaný? Kolikrá t? f) Kolikrá t degenerovaný je g-orbital? Úloha 3 Aromaticita a trocha kvantové chemie

7 bodů

Aromaticita je pojem v chemii zcela zá sadní. Jako takový proto poutá (a v minulosti poutal daleko silněji) pozornost nejen experimentá lních chemiků , ale i těch teoretických. V té to úloze provedeme vskutku kvantový výpočet, ve které m se budeme zabývat aromatickou sloučeninou par excellence – benzenem (Obrá zek 2). Teoretický apará t ná m poskytne Hü ckelova metoda molekulových orbitalů (HMO), jakožto jedna z nejjednodušších kvantově-chemických metod. Potřebné zá klady mů žete získat např. v přípravné m textu „Nebojte se kvant.“

17


Obrázek 2. rezonanční struktury benzenu

a) Kolik elektronů se v molekule benzenu účastní delokalizace? b) Sestavte Hamiltonovu matici pro benzen. Jak se bude lišit od Hamiltonovy matice pyridinu? Č íslová ní pyridinu volte podle normy IUPAC –začá tek na dusíku. Abychom pochopili, proč struktura cyklohexatrienu je pouze hypotetická , spočteme nyní, o co stabilnější je benzen oproti cyklohexatrienu. Rozdíl bude tvořit tzv. delokalizační energie, tedy energie související s faktem, že v benzenu jsou všechny C-C vazby ekvivalentní a elektrony se pohybují v jaké msi „delokalizované m elektronové m oblaku.“ Cyklohexatrien pro ná s bude z hlediska π-orbitalů trojice naprosto oddělených „dvojných vazeb,“ stejných, jaké najdeme v molekule ethenu. Pro výpočet delokalizační energie benzenu budeme tedy potřebovat zná t celkovou π-elektronovou energii ethenu, kterou poté ná sobenou třemi odečteme od celkové π-elektronové energie benzenu. c) Sestavte Hamiltonovu matici pro ethen. d) Spočtěte vlastní energie Hamiltoniá nu. Nakreslete sché ma molekulových orbitalů a vyznačte jejich obsazenost. Nezapomeňte, že parametr beta je zá porný. e) Vyjá dřete v jednotká ch a a b celkovou π -elektronovou energii ethenu. f) Vyjá dřete v jednotká ch a a b delokalizační energii benzenu, víte-li, že celková π-elektronová energie benzenu je 6a + 8b. Parametr b je při výpočtech delokalizační energie roven přibližně -0,8 eV. Jaká je delokalizační energie benzenu v jednotká ch kJ.mol-1 ? Ve výpočtech uvažujte: HC = a HN = a + 0,5 b HCC = b HCN = b b = -0,8 eV Avogadrova konstanta NA = 6,022.1023 mol–1 elementá rní ná boj e = 1,602.10–19 C

18


IV. Biochemie Autor

Mgr. Martin Hrubý , Ph.D. Ú stav makromolekulá rní chemie Akademie věd Č eské republiky, v.v.i.

Recenzenti

doc. Mgr. Lukáš Žídek, Ph.D. PřF Masarykovy univerzity, Ná rodní centrum pro výzkum biomolekul RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří

Chiralita v živý ch systémech Většina molekul v živých organismech, například prá vě sacharidy anebo zá kladní stavební kameny bílkovin –aminokyseliny–má alespoň jeden tzv. asymetrický uhlík. Asymetrický uhlík je uhlík v sp3 hybridizaci, který má každý ze čtyř substituentů jiný. Takové molekuly, pokud nemají žá dnou rovinu symetrie, mohou tvořit více neidentických struktur, které se liší pouze tzv. konfigurací, a žá dným otočením nelze převé st jeden enantiomer na druhý. Těchto tzv. optických izomerů mů že být od jedné kovalentní struktury maximá lně 2n, kde n je počet asymetrických uhlíků . Existují sloučeniny, kde v dů sledku existence roviny symetrie je počet optických izomerů menší než 2n, protože některé jsou shodné (např. u kyseliny vinné ). Protože i pravá a levá dlaň jsou optickými izomery, nazývají se takové lá tky chirá lní (řecky χηιροσ = dlaně). Existují i chirá lní molekuly a krystaly bez asymetrické ho uhlíku (např. minerá l křišťá l, kde každý krystal, který u některých mineralogických vzorků mů že mít i několik kilogramů , je čistým jedním enantiomerem, chirtalita je tu vlastností krystalové mřížky SiO2), ale těmi se nyní nebudeme zabývat. Pokud se v živých systé mech vyskytuje chirá lní struktura, pak je obvykle přítomna pouze v jedné možné enantiomerní formě – tj. například bílkoviny jsou tvořeny pouze L-aminokyselinami, sacharidy jsou naopak většinou D. Toto není jenom nějakým rozmarem přírody, ale nutností. Funkce bílkovin je totiž dá na jejich třírozměrnou strukturou a bílkovina se mů že posklá dat do funkční třírozměrné struktury pouze pokud jsou čá sti jejího řetězce ve „sprá vné “ vzá jemné pozici, kde jsou „sprá vné “ struktury a funkční skupiny na „svých“ místech. Na letošní ročník chemické olympiá dy si nastudujte věci týkající se chirality organických sloučenin obecně, dá le nomenklaturu chirá lních sloučenin (L a D u sacharidů a aminokyselin a zejmé na obecnou nomenklaturu R a S), dá le výpočty z optické rotace, enantiomerního přebytku (ee), mutarotaci sacharidů , zopakujte si struktury kódovaných aminokyselin, sacharidů glukózy, galaktózy a mannózy a Haworthovu a Fischerovu projekci. Především však použijte „zdravý selský rozum“. Doporučenáliteratura: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

http://projektalfa.ic.cz/tab_2.htm (vzorce aminokyselin) O. Č ervinka, V. Dědek, M. Ferles: Organická chemie, SNTL 1982. J. McMurry: Organická chemie, Vutivum 2007. D. Voet, J. G. Voetová : Biochemie, Victoria Publishing 1995. http://www.chempok.wz.cz/ZCHP20.pdf - chiralita obecně, výpočty k chiralitě. Z. Vodrá žka: Biochemie, Academia 1993 (nebo další vydá ní z let 2002 a 2006). http://cs.wikipedia.org/wiki/Hlavn%C3%AD_strana . Zadejte do české Wikipedie heslo: optická otá čivost. 8. http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page .Zadejte do anglické Wikipedie hesla: chirality (chemistry), optical rotation, specific rotation, enantiomer, diastereomer, racemic mixture, 19

Zadá níškolního kola ChO kat. A 2009/2010 Haworth projection, Fischer projection, mutarotation, enantiomeric excess, glucose, mannose, galactose. 9. http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/sterism3.htm (vysvětlení R, S nomenklatury) Úloha 1

Stopařův průvodce po Galaxii aneb loď poháněná absolutní nepravděpodobností(inspirováno D. Adamsem)

12 bodů

Pokud se v živých systé mech vyskytuje chirá lní struktura, pak je obvykle přítomna pouze v jedné možné enantiomerní formě –tj. například bílkoviny jsou tvořeny pouze L-aminokyselinami. Toto není jenom nějakým rozmarem přírody, ale nutností. Funkce bílkovin je totiž dá na jejich třírozměrnou strukturou a bílkovina se mů že posklá dat do funkční třírozměrné struktury pouze pokud jsou čá sti jejího řetězce ve „sprá vné “ vzá jemné pozici, kde jsou „sprá vné “ struktury a funkční skupiny na „svých“ místech. Jediná aminokyselina v nesprá vné konfiguraci než jsou okolní mů že tuto strukturu zcela narušit, protože centrum chirality je v hlavním řetězci, a tím i zničit katalytickou aktivitu enzymu. Teoreticky je tedy vždy jen jedna kombinace konfiguračních izomerů aminokyselinových jednotek tvořící funkční enzym, respektive 2 kombinace, vezmemeli v potaz i druhý enantiomer enzymu se všemi centry s opačnou konfigurací, který je zrcadlovým obrazem celé ho enzymu. Ten má ovšem opačnou chirá lní specifitu z hlediska dvojice reaktantprodukt při reakci jím katalyzované . Pro ná sledující úvahy budeme předpoklá dat, že vytvá říme enzym glukokiná zu. Enzym glukokiná za je klíčovým regulá torem metabolismu glukózy, reguluje první krok glykolýzy. Je to monomerní enzym o 465 aminokyseliná ch s molekulovou hmotností 51 924 Da (platí pro krysí glukokiná zu), tj. spíše menší až prů měrný protein. Uvažujme, že zachová me její primá rní strukturu (pořadí a typ aminokyselin), a zá měna jaké koliv z aminokyselin za její druhý enantiomer oproti zbytku řetězce naruší jeho 3D strukturu natolik, že enzym bude nefunkční. Chiralitu v bočních řetězcích (threonin, isoleucin) zanedbejte. Struktura krysí glukokiná zy obsahuje 40 glycinových zbytků . Substrá tem glukokiná zy je D-glukóza a ATP, produkty jsou ADP a glukóza-6-fosfá t, předpoklá dejme, že enzym považujeme za funkční pouze pokud je selektivní pro D-glukózu oproti L-glukóze. a) Č ím se liší glycin od ostatních aminokyselin z hlediska chirality? b) Naktreslete všechny možné stereoizomery isoleucinu a threoninu. c) Jaký je procentuá lní výtěžek přípravy funkčního enzymu v procentech, pokud při synté ze nebudeme selektivní, jestli u prá vě zavá děné aminokyseliny bude zaveden enantiomer L nebo D (pravděpodobnost 50 % „sprá vně“ a 50 % „špatně“)? Zaokrouhlete na 2 platné cifry. d) Jaký je výtěžek přípravy funkčního enzymu v procentech, pokud při synté ze budeme selektivní z 99 %, jestli u prá vě zavá děné aminokyseliny bude zaveden enantiomer L nebo D (tj. „sprá vně“ zařazený enantiomer s pravděpodobností 99 %, „špatně“ zařazený enantiomer s pravděpodobností 1 %? Zaokrouhlete na 2 platné cifry. e) Statisticky prů měrně kolik kilogramů materiá lu budeme muset vyrobit v příkladu C, než se ná m povede jedna molekula funkčního enzymu? Zaokrouhlete na 2 platné cifry, srovnejte s hmotností planety Země (6,0·1024 kg) a nad výsledkem se zamyslete. Pro úlohu budete potřebovat počítat s více než dvouciferným exponentem – pokud to Vaše kalkulačka neumožňuje, použijte převedení na počítá ní s logaritmy nebo použijte kalkulačku ve skupině programů Příslušenství (Accessories) operačního systé mu Microsoft Windows v režimu “Vědecká ” (“Scientific” ), která toto doká že.

20


46. roč ní k 2009/2010

ŠKOLNÍ KOLO kategorie A SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY PRAKTICKÉ ČÁSTI

Praktická č á st školního kola ChO kat. A 2009/2010

PRAKTICKÁ Č Á ST (40 bodů) Autoři

Ing. Kamil Záruba, Ph.D. Ú stav Analytické chemie, VŠ CHT Praha RNDr. Ing. Pavel Řezanka Ú stav Analytické chemie, VŠ CHT Praha

Recenzenti

Mgr. Petr Cígler, Ph.D. (odborná recenze) Výzkumné centrum Ú OCHB & Gilead Sciences, Ú OCHB AV Č R, v.v.i., Praha Ing. Lucie Drábová(odborná recenze) Ú stav chemie a analýzy potravin, VŠ CHT Praha RNDr. Vladimír Vít (pedagogická recenze) Gymná zium Ostrov nad Ohří

Praktická čá st letošního ročníku chemické olympiá dy bude zaměřena na alkalimetrická stanovení obsahu kyselin ve vodných vzorcích. Při přípravě na řešení všech kol se soustřeďte na dva aspekty, které jsou úzce spojeny: 1. 2.

provedení alkalimetrické titrace včetně výpočtu výsledku při stanovení směsi kyselin, volba acidobazických indiká torů včetně výpočtu pH v bodě ekvivalence a výpočtu stupně disociace jednosytné kyseliny při zadané m pH.

Prostudujte si zá klady alkalimetrických stanovení kyselin HCl, H3PO4, H3BO3 a kyseliny vinné a dá le kapitoly o acidobazických indiká torech a výpočtech pH roztoku v bodě ekvivalence (pH amfolytů a slabé jednosytné kyseliny a zá sady). Rovněž byste při znalosti hodnoty Ka nebo pKa slabé ho jednosytné ho protolytu měli zvlá dnout výpočet stupně disociace při zadané m pH. Doporučenáliteratura: 1. 2. 3.

F. Č ů ta: Analytická chemie odměrná , Č SAV 1956, 119–141 a 290–303 (alkalimetrie), 101– 104 (teorie acidobazických indiká torů ). F. Vlá čil a kol.: Příklady z chemické a instrumentá lní analýzy, Informatorium 1991, 4. vydá ní; kapitola 4.1, příklady 4.5, 4.8, 4.11, 4.17, 4.23,; kapitola 6.1 a 6.2, příklady 6.1, 6.4, 6.8, 6.11, 6.19, 6.24, 6.25, 6.35, 6.36; kapitola 6.3, příklady 6.41–6.44. H. Moravcová : Analytická chemie –Klasické metody II., Nakl. P. Klouda 1999, 1. vydá ní, kapitola 2 –Kvalitativní anorganická analýza

1

Praktická č á st školního kola ChO kat. A 2009/2010 Změna barvy acidobazických indiká torů je způ sobena převá žením jedné z jejich formy (disociované nebo protonizované ), které se liší barvou. Acidobazický indiká tor methyloranž mění svou barvu při pH roztoku v rozmezí 3,1-4,5, protože při pH < 3,5 převažuje v roztoku nedisociovaná forma methyloranži (červená ), zatímco při pH > 4,5 převažuje v roztoku forma disociovaná (žlutá ). Jiný indiká tor fenolftalein mění svou barvu při pH roztoku v rozmezí 8–9,8. Volbou indiká toru tedy volíme pH titrované ho roztoku, při jehož dosažení ukončíme titraci (v tomto okamžiku roztok obarvený indiká torem změní barvu). Kyselinu fosforečnou lze proto alkalimetricky titrovat do prvního i druhé ho stupně. Pro titraci do prvního stupně lze použít indiká tor methyloranž (produktem reakce je dihydrogenfosforečnan, pH v bodě ekvivalence je asi 4,7). Pro titraci do druhé ho stupně indiká tor fenolftalein (produktem reakce je hydrogenfosforečnan, pH v bodě ekvivalence je asi 9,8). Vzhledem k tomu, že barevný přechod methyloranže v okolí bodu ekvivalence není ná hlý, sprá vný odstín roztoku se zjistí porovná ním barvy roztoku v titrační baňce se srovná vacím roztokem, který má stejné složení jako titrovaný roztok v bodě ekvivalence. Pozná mka: Uvedené hodnoty pH roztoku v bodě ekvivalence leží u horní hranice funkční oblasti obou indiká torů , v případě dihydrogenfosforečnanu je hodnota 4,7 dokonce nad funkční oblastí methyloranže. Přesto se oba tyto indiká tory používají. Dů vodem je skutečnost, že při výpočtu pH v bodě ekvivalence (při neutralizaci H3PO4 do prvního a druhé ho stupně) nebyl uvažová n vliv rozpuštěné ho oxidu uhličité ho (rovnová ha CO2/HCO3-). Neutralizaci (přídavky titračního činidla) je proto třeba ukončit „poněkud“ dříve. Pozor: odměrný roztok NaOH je žíravina, proto pracujte zásadně s ochranný mi brý lemi! Pomů cky: stojan s byretou (25 mL), pipeta 25 mL na odměření alikvotního podílu vzorku, titrační baňka, malá ná levka na dolití byrety, střička s destilovanou vodou, odměrná baňka 250 mL se vzorkem, ochranné brýle, ká dinka na dolé vá ní odměrné ho roztoku, ká dinka na odpad, ká dinka na pipetová ní roztoku vzorku, balónek na pipetová ní roztoku vzorku, ochranné brýle. Chemikálie: destilovaná voda, NaOH, H3PO4, NaH2PO4·2H2O nebo KH2PO4, NaCl, methyloranž, fenolftalein Úloha 1 Titrace do prvního stupně

10 bodů

Odpipetujte 25,00 ml vzorku do titrační baňky, oplá chněte její stěny malým množstvím vody ze střičky (ca 25 ml) a přidejte 10 kapek methyloranže (roztok musí být zřetelně červený). Titrujte odměrným roztokem NaOH do takové ho zbarvení, jaké vykazuje srovná vací roztok obsahující H2PO4- a methyloranž, který má te k dispozici (jedná se o odstín označovaný jako „cibulově oranžový“). Srovná vací roztok je potřebný, neboť v okolí bodu ekvivalence nedochá zí k ná hlé změně barvy indiká toru. Zaznamenejte spotřebu odměrné ho roztoku NaOH na konci titrace (VMO,i). Proveďte tři stanovení a spočítejte prů měrnou spotřebu VMO. Úloha 2 Titrace do druhého stupně

10 bodů

Odpipetujte 25,00 ml roztoku vzorku do titrační baňky, oplá chněte její stěny malým množstvím vody ze střičky (ca 25 ml), přidejte malou plastovou lžičku pevné ho NaCl (ca 3 g) a 10 kapek fenolftaleinu. Roztok zamíchejte, aby se NaCl rozpustil, ale titraci mů žete zahá jit dříve, než se veškerý NaCl rozpustí. Ukončete titraci v okamžiku, kdy pů vodně bezbarvý roztok zrů žoví. Zaznamenejte spotřebu odměrné ho roztoku NaOH na konci titrace (VFFT,i). Proveďte tři stanovení a spočítejte prů měrnou spotřebu VFFT. 2

Praktická č á st školního kola ChO kat. A 2009/2010 V případě, že nebudete moci z objektivních dů vodů titraci prové st, zadá Vá m organizá tor spotřeby odměrné ho roztoku NaOH při titraci na methyloranž a fenolftalein, abyste mohli řešit ná sledující úkoly (mimo bodu 1 a 2). Nicmé ně nezanedbatelnou čá st bodů v dalších kolech získá te pouze, budete-li umět přesně titrovat. Otá zky a úkoly: 1. Prů měrnou spotřebu (VMO) použijte k výpočtu lá tkové ho množství H3PO4 v titrační baňce. Uveďte stechiometrický poměr n(H3PO4) / n(NaOH) a postup výpočtu. Přesnou koncentraci odměrné ho roztoku NaOH Vá m sdělí organizá tor. 2. Prů měrnou spotřebu (VFFT) použijte k výpočtu lá tkové ho množství H2PO4- v titrační baňce. Uveďte obě chemické rovnice, tj. reakce H3PO4 i H2PO4- ze vzorku, a postup výpočtu. 3. Vypočítejte hmotnost kyseliny fosforečné (97,9952 g/mol) a dihydrá tu dihydrogenfosforečnanu sodné ho (M = 156,0076 g/mol) v předložené m vzorku (250 mL). 4. Vypočítejte koncentraci hydrogenfosforečnanu v titrační baňce v bodě ekvivalence při titraci do druhé ho stupně, jestliže objem roztoku v titrační baňce je 60 mL, a vypočítejte pH tohoto roztoku (vliv rozpuštěné ho CO2 neuvažujte (viz pozná mka v zadá ní). Vyberte nejvhodnější indiká tor pro stanovení bodu ekvivalence při neutralizaci kyseliny fosforečné do druhé ho stupně, zná te-li funkční oblasti ná sledujících čtyř indiká torů : fenolová červeň (6,4-8,2), thymolová modř (8,0-9,6), fenolftalein (8,0-9,8) a thymolftalein (9,3-10,5). Ná pověda: Porovnejte vypočítanou hodnotu pH se středem funkční oblasti indiká torů . Zá porné dekadické logaritmy disociačních konstant H3PO4 jsou pKa1 = 2,16 , pKa2 = 7,21 a pKa2 = 12,3.

3


Praktická část školníkola 46. ročníku ChO kategorie A PRACOVNÍ LIST body celkem: soutěžníčíslo:

Úloha 1 Titrace do prvního stupně

číslo stanovení

1.

2.

3.

Prů měr

body

2.

3.

Prů měr

body

spotřeba NaOH [ml]

Úloha 2 Titrace do druhého stupně

číslo stanovení

1.

spotřeba NaOH [ml]

Otá zky a úkoly: 1. Titrace na methyloranž Stechiometrický poměr n(H3PO4) / n(NaOH): Výpočet lá tkové ho množství H3PO4 v titrační baňce:

body:

4

Praktická č á st školního kola ChO kat. A 2009/2010 2. Titrace na fenolftalein Vyčíslené chemické rovnice: body: … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … body: … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Výpočet lá tkové množství H2PO4- v titrační baňce:

body: 3. Výpočet hmotnosti H3PO4 ve vzorku:

body: Výpočet hmotnosti NaH2PO4·2H2O ve vzorku:

body: 4. Koncentrace HPO42- v bodě ekvivalence při titraci na fenolftalein:

body: pH v bodě ekvivalence při titraci na fenolftalein:

body: Vhodný indiká tor (zakroužkujte): body: fenolová červeň – thymolová modř – fenolftalein – thymolftalein

5


Doplňková úloha kategorie E Upozornění:

Podle rozhodnutí Ú K ChO:

– je kategorie E určena pro žá ky odborných škol s chemickým zaměřením, kteří mají alespoň 2 hodiny chemie a 2 hodiny laboratorních cvičení týdně po celou dobu studia (4 roky).

– soutěžící v kategorii E Chemické olympiá dy řeší vš echny obory teoretické části. Doporučenáliteratura: 1. A. Oká č: Analytická chemie kvalitativní, Č SAV, Praha 1961 2. J. Honza, A. Mareček: Chemie pro čtyřletá gymná zia, Nakl. Olomouc 2005, 3. vydá ní, 2. díl, 84–85 3. H. Moravcová : Analytická chemie –Klasické metody I., Nakl. P. Klouda 1999, 1. vydá ní, 17 –18 Úloha 3 Kvalitativnístanoveníaniontů

20 bodů

V 5 zkumavká ch označených písmeny A-E má te roztoky těchto sloučenin: KI, Na2SO4, Na2CO3, NaNO3 a H2C2O4. Vaším úkolem je identifikovat a přiřadit k jednotlivým písmenů m příslušné sloučeniny. K dispozici má te pH indiká torový papírek a zředěné roztoky CH3COOH, HCl, HNO3, NH3, AgNO3 a BaCl2. Postupujte tak, že nejprve provedete reakce s Ag+ a Ba2+. V případě vzniku sraženiny s Ba2+ zjistěte její rozpustnost v roztocích AcOH a HCl. V případě vzniku sraženiny s Ag+ zjistěte její rozpustnost v roztocích NH3 a HNO3. Při rozpouštění sraženin přidá vejte alespoň trojná sobný objem příslušné ho činidla. Všechny vá mi prová děné pokusy zapisujte. Zadání:

Dokažte jednotlivé anionty ve zkumavká ch A–E

Pomůcky:

6 zkumavek 4 kapá tka univerzá lní indiká torové papírky 5 zkumavek se vzorky

Chemikálie:

2% roztoky CH3COOH, HCl, HNO3, NH3, AgNO3 5% roztok BaCl2

Pracovní postup:

Postupně proveďte reakce všech vzorků s činidly. Pozitivní reakce označte znamé nkem + v tabulce. Na zá kladě reakcí určete anionty ve zkumavká ch A–E.

Otá zky a úkoly: 1. Vyplňte sprá vně tabulku v pracovním listě (uveďte, zda dochá zí ke změně barvy, vzniku sraženiny, popř. proškrtněte, pokud k reakci nedochá zí). Poslední řá dek v tabulce doplňte příslušným aniontem. 2. Napište všechny vá mi pozorované reakce s uhličitanem sodným. Reakce vyčíslete.

6


Praktická část školníkola 46. ročníku ChO kategorie E PRACOVNÍ LIST body celkem: soutěžníčíslo:

Úloha 3 Kvalitativnístanoveníaniontů 1. Vyplňte sprá vně tabulku v pracovním listě (uveďte, zda dochá zí ke změně barvy, vzniku sraženiny, popř. proškrtněte, pokud k reakci nedochá zí). Poslední řá dek v tabulce doplňte příslušným aniontem. zkumavka

A

B

C

D

E

pH Ba2+ –CH3COOH –HCl Ag+ –NH3 –HNO3

příslušný anion

body:

7

Praktická č á st školního kola ChO kat. A 2009/2010 2. Napište všechny vá mi pozorované reakce s uhličitanem sodným. Reakce vyčíslete.

body:

8

Chemická olympiá da Š kolníkolo kategorie A 46. roční k – 2009/2010 Autoři kategorie A:

Pedagogická recenze: Grafická úprava: Vydal:

RNDr. Petr Holzhauser Mgr. Martin Hrubý, Ph.D. Mgr. Michal Kolá ř RNDr. Jan Kotek, Ph.D. RNDr. Tomá š Kubař, Ph.D. RNDr. Ing. Pavel Řezanka RNDr. Jan Veselý, Ph.D. Ing. Kamil Zá ruba, Ph.D. Mgr. Petr Cí gler, Ph.D. Ing. Lucie Drá bová prof. Ing. František Liška RNDr. František Zemá nek doc. Mgr. Luká š Ží dek, Ph.D. RNDr. Vladimí r Ví t RNDr. Petr Holzhauser Ná rodníinstitut dětía mlá deže MŠ MT Č R – 50 ks

ISBN:

978-80-86784-84-7 (CD ROM)

Odborná recenze:

SOUTĚŽ NÍ Ú LOHY STUDIJNÍ ČÁSTI

Recommend Documents