Hlavova Praha 2 Tento projekt podporuje MŠMT grantem

Korespondenˇcn´ı Semináˇr Inspirovan´ y Chemickou Tematikou

roˇ cn´ık 5, s´ erie 2 2006/2007

Errata 21. ledna 2007

roˇ cn´ık 5, s´ erie 2

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

Korespondenˇcn´ı semináˇr prob´ıhá pod záˇstitou Pˇr´ırodovˇedecké fakulty Univerzity Karlovy Hlavova 2030 128 43 Praha 2 ˇ Tento projekt podporuje MSMT grantem 280-47-237-502.

Mil´ı pˇ r´ıznivci chemie i ostatn´ıch pˇ r´ırodovˇ edn´ ych obor˚ u! Pr´ avˇe drˇz´ıte v rukou zad´ an´ı u ´loh Korespondenˇcn´ıho Semináˇre Inspirovaného Chemickou Tematikou, KSICHTu. Uˇz p´ at´ ym rokem pro v´ as, stˇredoˇskol´ aky, KSICHT pˇripravuj´ı studenti Pˇr´ırodovˇedecké fakulty Univerzity Karlovy, Vysoké ˇskoly chemicko-technologické a Pˇr´ırodovˇedecké fakulty Masarykovy univerzity.

Jak KSICHT prob´ıh´ a? Korespondenˇcn´ı semin´ aˇr je soutˇeˇz, pˇri n´ıˇz si vy, ˇreˇsitelé 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 nové série. To vˇsechno se za cel´ y ˇskoln´ı rok ˇctyˇrikrát zopakuje.

Proˇ cˇ reˇ sit KSICHT? V r´ amci tohoto semináˇre se zdokonal´ıte nejen v chemii samotné, ale i v mnoha dalˇs´ıch uˇziteˇcn´ ych schopnostech. Za vˇsechny jmenujme zlepˇsen´ı logického myˇslen´ı, schopnosti vyhled´ avat informace, tˇr´ıdit je a zaˇrazovat je do kontextu. Aˇckoli to zn´ı moˇzn´ a hrozivˇe, nebojte, ono to p˚ ujde vlastnˇe samo. Na doprovodn´ ych akc´ıch, které se konaj´ı bˇehem celého roku, se seznám´ıte s dalˇs´ımi ˇreˇsiteli KSICHTu a n´ ami, studenty vysok´ ych ˇskol. M´ ate ˇsanci rozˇs´ıˇrit si své obzory, dozvˇedˇet se informace o vysok´ ych ˇskol´ ach a o pr˚ ubˇehu vysokoˇskolského studia, ale taky moˇznost se bavit a uˇz´ıt si. Uvid´ıte, ˇze chemici nejsou suchaˇri v b´ıl´ ych pl´ aˇst´ıch, jak si moˇzn´ a nˇekteˇr´ı mysl´ı. Na konci ˇskoln´ıho roku poˇra´d´ ame odborné soustˇredˇen´ı, kde si vyzkouˇs´ıte práci v laboratoˇri, sezn´ am´ıte se s modern´ımi pˇr´ıstroji a poslechnete si zaj´ımavé pˇredn´ aˇsky. A hlavnˇe, pro u ´spˇeˇsné ˇreˇsitele jsou pˇripraveny hodnotné ceny!

Jak´ eu ´ lohy na v´ as ˇ cekaj´ı? ´ Ulohy se t´ ykaj´ı r˚ uzn´ ych odvˇetv´ı chemie a snaˇz´ıme se, aby si v nich kaˇzd´ y z vás pˇriˇsel na své. Jsou tu u ´loˇzky hravé i pravé lah˚ udky, jejichˇz vyˇreˇsen´ı uˇz 1



d´ a práci. Nechceme jen suˇse provˇeˇrovat vaˇse znalosti, procviˇc´ıte si i chemickou logiku. Pokud nezvl´ adnete vyˇreˇsit vˇsechny u ´lohy, v˚ ubec to nevad´ı, byli bychom moc r´ adi, kdybyste si z ˇreˇsen´ı u ´loh odnesli nejen pouˇcen´ı, ale hlavnˇe abyste se pˇri ˇreˇsen´ı KSICHTu dobˇre bavili. Jak se n´ am naˇse snaˇzen´ı daˇr´ı, to uˇz mus´ıte posoudit sami. KSICHT v´ am pˇrináˇs´ı s kaˇzdou séri´ı i seri´ al, ˇcten´ı na pokraˇcov´ an´ı. V letoˇsn´ım roˇcn´ıku zaˇrazujeme na vaˇse pˇr´ an´ı seri´ al o chemii v kuchyni. Dozv´ıte se spoustu zaj´ımav´ ych a uˇziteˇcn´ ych informac´ı, které pak m˚ uˇzete pouˇz´ıt nejen pˇri ˇreˇsen´ı u ´loh KSICHTu, ale i pˇri dalˇs´ım studiu chemie.

Jak se tedy 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 elektronické podobˇe na [email protected]) ˇreˇsen´ı d´ ale uveden´ ych u ´loh. Pokud nemáte pˇr´ıstup k Internetu, napiˇste n´ am s ˇreˇsen´ım na zvl´ aˇstn´ı pap´ır jméno 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 ˇctyˇrletého gymnázia, kter´ y je ekvivalentn´ı tomu vaˇsemu).

Jak vypracov´ avat ˇ reˇ sen´ı? Kaˇzdou u ´lohu vypracujte na zvl´ aˇstn´ı pap´ır (aspoˇ n form´ atu A5, menˇs´ı kusy pap´ıru maj´ı totiˇz tendenci se ztr´ acet), uved’te vaˇse jméno, n´ azev a ˇc´ıslo u ´lohy! ˇ sen´ı piˇste ˇcitelnˇe, vˇezte, ˇze nem˚ Reˇ uˇzeme povaˇzovat za správné nˇeco, co nelze pˇreˇc´ıst. Pokud n´ am pos´ıl´ ate ˇreˇsen´ı e-mailem, pos´ılejte jej jako jeden soubor, kter´ y pojmenujte Serie Prijmeni Jmeno, napˇr´ıklad 2 Novak Bedrich. Pˇrij´ımáme ˇreˇsen´ı v obvykl´ ych form´ atech, tzn. doc, odt, pdf a txt. Pokud byste chtˇeli poslat ˇreˇsen´ı v jiném form´ atu, je lepˇs´ı se s n´ ami napˇred domluvit, jinak se m˚ uˇze stát, ˇze ˇreˇsen´ı bude povaˇzov´ ano za neˇcitelné. V záhlav´ı kaˇzdé stránky ˇreˇsen´ı nezapomeˇ nte uvést svoje jméno a ˇc´ıslo u ´lohy. Nepos´ılejte nám pros´ım naskenovan´ a ˇreˇsen´ı, nebot’ jsou ˇcasto velice ˇspatnˇe ˇciteln´ a. V´ yjimkou jsou nakreslené a naskenované obr´ azky, které pˇripoj´ıte k ˇreˇsen´ı napsanému na poˇc´ıtaˇci. Do ˇreˇsen´ı piˇste vˇsechny svoje postupy, kter´ ymi jste dospˇeli k v´ ysledku, nebot’ i ty bodujeme. Uved’te radˇeji v´ıce neˇz ménˇe, protoˇze se m˚ uˇze st´ at, ˇze za strohou odpovˇed’ nem˚ uˇzeme d´ at témˇeˇr ˇzádné body, aˇckoli je spr´ avná. 1 http://ksicht.iglu.cz/prihlaska.php

2



Tipy, triky Pro kreslen´ı chemick´ ych vzorc˚ u doporuˇcujeme pouˇz´ıvat programy dostupné zdarma: MDL ISIS/Draw 2.5 (freeware s povinnou registrac´ı; Windows, Mac OS), ChemSketch 10.0 Freeware (freeware s povinnou registrac´ı; Windows) a Chemtool (GPL; Linux).

KSICHT na Internetu Na webov´ ych stránk´ ach KSICHTu2 naleznete broˇzurku ve form´ atu PDF a rovnˇeˇz aktu´ aln´ı informace o pˇripravovan´ ych akc´ıch. Na Internetu s´ıdl´ı také diskusn´ı f´ orum Nerozpustn´ y kˇreˇcek3 . Tématem 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 vás sluˇzba KSICHTu! Napiˇste n´ am, ˇze máte zájem vyuˇz´ıvat tuto sluˇzbu, a aˇz n´ am dojde vaˇse ˇreˇsen´ı, poˇsleme v´ am e-mail.

Term´ın odesl´ an´ı 2. s´ erie Série bude ukonˇcena 8. ledna 2007. Vyˇreˇsené u ´lohy je tˇreba odeslat nejpozdˇeji v tento den (rozhoduje datum poˇstovn´ıho raz´ıtka ˇci datum poˇstovn´ıho serveru).

2 http://ksicht.iglu.cz 3 http://www.hofyland.cz

3



´ Uvodn´ ıˇ cek ˇ aci! Drahé ˇreˇsitelky, draz´ı ˇreˇsitelé, mil´ı KSICHT´ Po t´ ydnech nadˇejného oˇcekáv´ an´ı a mnoha nedoˇckav´ ych dotazech m´ am tu ˇcest v´ am ozn´ amit skvˇelou novinu. Nespoˇcetné dny naˇs´ı spoleˇcné tv˚ urˇc´ı práce, hodiny strávené nad stovkami pap´ır˚ u popsan´ ych v´ ypoˇcty, n´ aˇcrty a jin´ ymi poznámkami byly korunov´ any u ´spˇechem. Dovolte, abych vás informoval o tom, ˇze druhá série byla pr´ avˇe dokonˇcena a jej´ı témˇeˇr jeˇstˇe tepl´ y v´ ytisk máte právˇe to ˇstˇest´ı drˇzet ve sv´ ych rukou. Co v´ as v n´ı vˇsechno ˇcek´ a a nemine? (Za pˇredpokladu, ˇze lidé zodpovˇedn´ı za sklád´ an´ı broˇzurek nezapomenou vloˇzit nˇekter´ y z list˚ u.) Vˇsichni zajisté zn´ ate hit posledn´ı doby, onu podivnou kombinaci kˇr´ıˇzovky a piˇskvorek. Ano, m´ am na mysli sudoku. Jenˇze to bychom nebyli chemici, ´ aby v tom nebyl nˇejak´ y ten prvek. Uloha po n´ı n´ asleduj´ıc´ı nese prost´ y n´ azev ozonol´ yza“ a pˇresnˇe této chemické metodˇe se v n´ı také budeme detailnˇe ” vˇenovat. Naskytne se v´ am napˇr´ıklad jedineˇcn´ a pˇr´ıleˇzitost zozonolyzovat naˇse logo. Sen kaˇzdého mladého organika. No, a pokud se v´ am zd´ a zcela samozˇrejmé, ˇze z vaniˇcky vznikne ˇzidliˇcka i pˇres to, ˇze je to vlastnˇe kruh, nebudete m´ıt sebemenˇs´ı problém ani s u ´lohou tˇret´ı. Nejen pˇr´ıznivce metalu, ale i kaˇzd´ y spr´ avn´ y anorganick´ y chemik pak ocen´ı u ´lohu ˇc´ıslo ˇctyˇri vˇenuj´ıc´ı se povrchov´ ym u ´prav´ am neˇzelezn´ ych kov˚ u. P´ atou, závˇereˇcnou, u ´lohu si dovol´ım uvést drobnou hádankou. Lidské oˇci to spatˇrilo poprvé roku 1952 v Cambridge a zkratku to má DNA. Co je to? N´ apovˇeda: Douglas N. Adams se nepoˇc´ıt´ a. KSICHT vˇsak nejsou pouze u ´lohy, ale i spousta bezvadn´ ych lid´ı, proˇceˇz bych v´ am chtˇel podˇekovat za pˇr´ıjemn´ y v´ ylet v kouzelné atmosféˇre mˇesteˇcka Chocnˇe. V´ yletové fotky by mˇely b´ yt jiˇz brzy dostupné na naˇsich webov´ ych stránkách. Závˇerem bych v´ am za cel´ y autorsk´ y kolektiv chtˇel popˇra´t veselé V´ anoce, mnoho d´ ark˚ u pod jehliˇcnanem a pˇredevˇs´ım pak dobrou n´ aladu a trochu toho ˇstˇest´ı i v pˇr´ıˇst´ım roce. Honza Havl´ık

4



Zad´ an´ı u ´loh 2. s´ erie 5. roˇ cn´ıku KSICHTu ´ Uloha ˇ c. 1: Sudoku ˇ Autoˇri: Michal Rezanka a Markéta Zaj´ıcov´ a

7 bod˚ u

Vˇetˇsinu periodik, pˇredvolebn´ıch let´ ak˚ u a jiných tiskovin ovl´ adla pro mnohé nov´ a hra – sudoku. Dennˇe jsou vidˇet v dopravn´ıch prostˇredc´ıch studenti (a nejen ti) usilovnˇe pˇremýˇslej´ıc´ı nad nevyplnˇenými ˇctvereˇcky. My jsme pro v´ as také pˇripravili sudoku, ale co bychom to byli za chemiky, kdyby nebylo takové troˇsku jiné – chemické. Chemické sudoku je principem stejné jako normáln´ı“. Liˇs´ı se t´ım, ˇze se do ” nˇej nedoplˇ nuj´ı ˇc´ısla, ale chemické znaˇcky jednotliv´ ych prvk˚ u. ´ Jak luˇstit sudoku? Ukolem je vyplnit mˇr´ıˇzku 9×9 tak, aby v kaˇzdém ˇrádku, sloupci a ˇctverci 3×3 bylo zastoupeno vˇsech devˇet prvk˚ u uveden´ ych pod hlavolamem. Nˇekdy je velmi snadné zjistit, ˇze v dané ˇra´dce ˇci sloupci chyb´ı pˇresnˇe ten prvek, doplnit ho a logicky postupovat, nˇekdy v´ am to zabere delˇs´ı dobu. V kaˇzdém sudoku je i tajenka – tvoˇr´ı ji slovo sestavené z chemick´ ych znaˇcek prvk˚ u. Tajenku tvoˇr´ı jeden ze sloupc˚ u nebo ˇra´dk˚ u. 1. Vyluˇstˇete sudoku (1–3, pˇriloˇzené uvnitˇr KSICHTu) a poˇslete nám je spolu s ˇreˇsen´ım. Jsou ˇrazeny od nejlehˇc´ıho po nejtˇeˇzˇs´ı. 2. Napiˇste tajenku prvn´ıho sudoku. 3. Napiˇste tajenku druhého sudoku a najdˇete vˇsechny izomery dané slouˇceniny. 4. Napiˇste tajenku tˇret´ıho sudoku a nakreslete strukturn´ı vzorec této slouˇceniny.

5


´ Uloha ˇ c. 2: Ozonol´ yza ˇ Autor: Pavel Rezanka


6 bod˚ u

Ozonolýza byla vynalezena v roce 1840 Christianem Friedrichem Sch¨ onbeinem a je dodnes pouˇz´ıv´ ana ke zjiˇst’ov´ an´ı struktury novˇe objevených pˇr´ırodn´ıch slouˇcenin. Princip je zaloˇzen na rozˇstˇepen´ı dvojných vazeb pˇr´ıtomných v molekule, ˇc´ımˇz vzniknou jednoduˇsˇs´ı molekuly, které lze uˇz sn´ aze identifikovat. V dneˇsn´ı dobˇe plné modern´ıch analytických metod (NMR, MS. . . ) by se zd´ alo, ˇze takto star´ a metoda uˇz nem´ a význam, ale opak je pravdou. Je totiˇz st´ ale nezbytným pomocn´ıkem pˇri urˇcov´ an´ı stereochemie, kterou modern´ı metody zjistit neum´ı. Kromˇe toho se ozonolýza vyuˇz´ıv´ a také v pr˚ umyslu. Nejˇcastˇejˇs´ı proveden´ı ozonol´ yzy je zaloˇzeno na reakci ozonu s dvojnou vazbou pˇr´ıtomnou v molekule. V´ ysledn´ y meziprodukt je pak zinkem v kyselinˇe octové reduktivnˇe rozˇstˇepen za vzniku karbonylov´ ych slouˇcenin. 1. (a) Pojmenujte slouˇceninu, kter´ a je v logu KSICHTu. (b) Systematicky nazvˇete produkt reduktivn´ı ozonol´ yzy této slouˇceniny. Alternativou k reduktivn´ı ozonol´ yze je dvoustupˇ nov´ a reakce, kdy alken reaguje nejprve s oxidem osmiˇcel´ ym za vniku diolu, kter´ y je potom rozˇstˇepen jodistanem sodn´ ym opˇet na karbonylové slouˇceniny. 2. (a) P˚ usoben´ım tˇechto alternativn´ıch ˇcinidel na l´ atku A vzniká pouze glyoxalov´ a kyselina. Nazvˇete ji systematicky a nakreslete jej´ı strukturn´ı vzorec. (b) Nazvˇete l´ atku A trivi´ aln´ım n´ azvem, v´ıte-li, ˇze nem˚ uˇze tvoˇrit cyklick´ y anhydrid. (c) Jak se trivi´ alnˇe jmenuje dalˇs´ı l´ atka, ze které reduktivn´ı ozonol´ yzou vzniká pouze glyoxalová kyselina? (d) Nazvˇete obˇe dvˇe nezn´ amé l´ atky systematicky. (e) Nakreslete a systematicky pojmenujte meziprodukty (tj. dioly) vznikaj´ıc´ı pˇri reakci tˇechto dvou nezn´ am´ ych l´ atek. Vˇenujte pˇritom pozornost jejich stereochemick´ ym konfigurac´ım. Jak se tyto látky naz´ yvaj´ı trivi´ aln´ımi n´ azvy? 3. (a) Reduktivn´ı ozonol´ yzou l´ atky B vznikaj´ı dvˇe karbonylové slouˇceniny v pomˇeru 1:1. Jedna z nich je nejjednoduˇsˇs´ı keton, kter´ y se pouˇz´ıv´ a jako ˇredidlo a organické rozpouˇstˇedlo. Druh´ a slouˇcenina je aldehyd, 6



kter´ y vznik´ a pˇri opatrné oxidaci vˇsem dobˇre známého alkoholu. Tento aldehyd také zp˚ usobuje nepˇr´ıjemné pˇr´ıznaky, které se dostavuj´ı po poˇzit´ı vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı zm´ınˇeného alkoholu. Nazvˇete obˇe dvˇe karbonylové slouˇceniny systematick´ ymi a trivi´ aln´ımi názvy. (b) Nazvˇete systematicky l´ atku B. (c) Jak´ y je trivi´ aln´ı n´ azev l´ aky B ? V jaké skupinˇe pˇr´ırodn´ıch l´ atek se tento strukturn´ı motiv vyskytuje? Jak jiˇz moˇzná tuˇs´ıte, dalˇs´ım typem ozonol´ yzy je oxidativn´ı ozonol´ yza. Prvn´ı krok je totoˇzn´ y, tj. reakce ozonu s dvojnou vazbou, ve druhém je vˇsak meziprodukt rozˇstˇepen peroxidem vod´ıku. 4. (a) Oxidativn´ı ozonol´ yzou l´ atky C vzniká pouze 3-oxopentandiov´ a kyselina. Nakreslete tuto kyselinu. (b) Nakreslete l´ atku C o n´ıˇz je zn´ amo, ˇze je sloˇzena pouze z atom˚ u uhl´ıku a vod´ıku. A samozˇrejmˇe i u této metody existuje alternativa, a to v podobˇe manganistanu draselného. 5. (a) P˚ usoben´ım manganistanu draselného na l´ atku D vzniká oxid uhliˇcit´ ya 6-methylheptanová kyselina. Nakreslete strukturn´ı vzorce obou l´ atek. (b) Systematicky pojmenujte l´ atku D. 6. Vyluˇstˇete vzkaz, kter´ y v´ am pos´ılaj´ı organiz´ atoˇri KSICHTu. Staˇc´ı, kdyˇz za sebe nap´ıˇsete prvn´ı znaky z n´ azv˚ u slouˇcenin z ˇreˇsen´ı podot´ azek b); u ot´ azky 4 je souˇcást´ı vzkazu celá molekula.

7


´ Uloha ˇ c. 3: Cykly Autor: Petra Ménov´ a


11 bod˚ u

V 19. stolet´ı se chemici domn´ıvali, ˇze vˇsechny cykloalkany jsou plan´ arn´ı. Pak ale pˇriˇsel Nˇemec Adolf von Baeyer se zjiˇstˇen´ım, ˇze jiné neˇz cyklopentanové a cyklohexanové kruhy se v pˇr´ırodˇe vyskytuj´ı jen zˇr´ıdka a jejich syntéza je velmi obt´ıˇzn´ a. Zaˇcal detailnˇe studovat strukturu malých a velkých kruh˚ u a d˚ uvody jejich (ne)stability. Vydejme se ted’ po jeho stop´ ach. . . 1. Za pˇredpokladu, ˇze uhl´ıkaté skelety vˇsech cykloalkan˚ u jsou planárn´ı, vypoˇc´ıtejte velikost u ´hlu mezi sousedn´ımi C − C vazbami v cyklopropanu, cyklobutanu, cyklopentanu, cyklohexanu, cykloheptanu a cyklooktanu. Na základˇe v´ ysledku urˇcete, která ze struktur by mˇela b´ yt nejstabilnˇejˇs´ı. 2. K urˇcen´ı relativn´ı energie cykloalkan˚ u m˚ uˇzeme vyuˇz´ıt jejich spaln´ a tepla. Pro kaˇzd´ y ˇclen tabulky vypoˇc´ıtejte spalné teplo pˇripadaj´ıc´ı na jednu CH2 skupinu. cykloalkan

spaln´ e teplo [kJ/mol] pˇ ri 298 K

cyklopropan cyklobutan cyklopentan cyklohexan cykloheptan cyklooktan

2 091 2 721 3 291 3 920 4 599 5 267

3. Je odpovˇed’ na ot´ azku 1 pro cyklopropan a cyklobutan v souladu s odpovˇed´ı na ot´ azku 2? Jak naz´ yv´ ame pnut´ı, které zp˚ usobuje n´ ar˚ ust energie mal´ ych kruh˚ u? 4. Nyn´ı se zamˇeˇrte na cyklohexan. Porovnejte v´ ysledky z otázek 1 a 2. Proˇc v jednom pˇr´ıpadˇe v´ ypoˇcet ukazuje, ˇze by molekula mˇela b´ yt ménˇe stabiln´ı? Co je pˇr´ıˇcinou stability cyklohexanového kruhu? 5. Nakreslete z´ akladn´ı konformace cyklohexanu (vaniˇcku, zkˇr´ıˇzenou ˇzidliˇcku, ˇzidliˇcku). Uvedené konformace jsou fixov´ any v nˇekter´ ych polycyklick´ ych slouˇcenin´ ach, napˇr´ıklad v adamantanu, bicyklo[2.2.2]oktanu a twistanu. Nakreslete tyto slouˇceniny a vyznaˇcte v nich dané konformace ˇsestiˇclenného kruhu. 8



6. Dˇejem zvan´ ym ring inversion“ pˇrech´ az´ı jedna ˇzidliˇckov´ a konformace v dru” hou. Nakreslete obˇe tyto konformace. 7. Vyznaˇcte vazby vych´ azej´ıc´ı z atom˚ u uhl´ıku v obou ˇzidliˇckách a vaniˇcce. Na z´ akladˇe tohoto obr´ azku pak urˇcete, která z konformac´ı je stabilnˇejˇs´ı (ˇzidliˇcka versus vaniˇcka). 8. Nakreslete molekulu bromcyklohexanu v obou ˇzidliˇckov´ ych konformac´ıch a vyznaˇcte, k jak´ ym interakc´ım doch´ az´ı mezi atomem bromu a okoln´ımi atomy vod´ıku. Vysvˇetlete, zda je stabilnˇejˇs´ı cyklohexan se substituentem v axi´ aln´ı nebo ekvatori´ aln´ı poloze. 9. Nakreslete nejstabilnˇejˇs´ı konformaci 1-terc-butyl-1-fluorcyklohexanu, cis-1,2-dichlorcyklohexanu a trans-1,2-dichlorcyklohexanu. 10. Dekalin je dalˇs´ım z pˇredstavitel˚ u bicyklick´ ych slouˇcenin. Pojmenujte jej systematicky a nakreslete oba stereoizomery, které vytv´ aˇr´ı. 11. Nakreslete vˇsechny izomery dimethylcyklohexanu (uvaˇzujte pouze konstituˇcn´ı a geometrickou izomerii), pojmenujte je a urˇcete, které jsou achir´ aln´ı a které chir´ aln´ı.

9


´ Uloha ˇ c. 4: Chemick´ e barven´ı povrch˚ u neˇ zelezn´ ych kov˚ u Autor: Zbynˇek Rohl´ık


10 bod˚ u

Galvanické pokovov´ an´ı a modern´ı nátˇerové hmoty bohuˇzel vytlaˇcily z bˇeˇzného pouˇz´ıv´ an´ı ˇradu ˇcistˇe chemick´ ych postup˚ u, jimiˇz lze povrchovˇe upravit neˇzelezné i ˇzelezné kovy. Pˇritom jeˇstˇe v 50. letech minulého stolet´ı byla jistá kniha p´ an˚ u R. a J., z n´ıˇz jsem pro tuto u ´lohu ˇcerpal, nepochybnˇe republikov´ ym bestsellerem. Amatérˇst´ı i profesion´ aln´ı kovomodel´ aˇri, ˇsperkaˇri, sochaˇri, technologové, astrologové, geometˇri, agronomové, psychiatˇri. . . , to je u ´plnˇe jin´ a p´ısniˇcka. . . v n´ı mohli nalézt postupy chrom´ atov´ an´ı a fosf´ atov´ an´ı (metody pasivace povrch˚ u pomoc´ı sol´ı CrVI resp. H3 PO4 ), informace o moˇren´ı a opalov´ an´ı (odstraˇ nov´ an´ı zkorodované povrchové vrstvy pomoc´ı kyselin), n´ avody na l´ aznˇe maj´ıc´ı leˇstic´ı u ´ˇcinek, a hlavnˇe – nepˇrebernou rozmanitost receptur pro chemické barven´ı nejr˚ uznˇejˇs´ıch kov˚ u. Z nich jsem vybral jeden postup – pers´ıranové ˇcernˇen´ı mˇedi, jednoduchou a u ´ˇcinnou metodu z´ıskán´ı sametovˇe ˇcerného povlaku na zm´ınˇeném kovu. Roztok pro ˇcernˇen´ı je velmi jednoduch´ y – pˇriprav´ı se vnesen´ım 10 g pers´ıranu draselného do horkého roztoku 50 g hydroxidu sodného v 1 dm3 destilované vody. Vlastn´ı ˇcernˇen´ı potom prob´ıhá optimálnˇe v roztoku zahˇrátém na cca 100 ◦ C. Po ponoˇren´ı peˇclivˇe obrouˇseného, vyleˇstˇeného a odmaˇstˇeného mˇedˇeného pˇredmˇetu do l´ aznˇe se objevuj´ı nejprve nábˇehové barvy (podobnˇe jako pˇri ˇz´ıh´ an´ı mˇedi v plameni). Zanedlouho zaˇcne povrch tmavnout, aˇz koneˇcnˇe zcela zˇcern´ a. L´ azeˇ n se bˇehem procesu barv´ı do modra a na dnˇe se usazuje jemn´ a ˇcerná sraˇzenina. Po ukonˇcen´ı barven´ı je pˇredmˇet z l´ aznˇe vyjmut a omyt, opatrnˇe otˇren od slabé povrchové ˇspatnˇe lp´ıc´ı vrstviˇcky, osuˇsen a oˇsetˇren konzervaˇcn´ım olejem ˇci ochrann´ ym lakem. Tlouˇst’ka i kvalita z´ıskaného povrchu je závisl´ a na podm´ınk´ ach ˇcernˇen´ı (teplota l´ aznˇe, koncentrace reagenci´ı, doba ponoru, vyˇcerpanost roztoku, kvalita opracov´ an´ı povrchu barveného pˇredmˇetu a podobnˇe). 1. Jaké je sloˇzen´ı ˇcerné vrstviˇcky tvoˇr´ıc´ı se bˇehem procesu na povrchu mˇedi? 2. Zkuste navrhnout jin´ a ˇcinidla, u nichˇz byste oˇcekávali podobn´ y v´ ysledek jako u pers´ıranu (vznik ˇcerné vrstvy). P´ as leˇstˇeného odmaˇstˇeného a omoˇreného (zˇredˇen´ a H2 SO4 ) mˇedˇeného plechu o rozmˇerech 10,0 × 100 cm a tlouˇst’ce 0,4000 mm pˇresnˇe (k takovému plechu bychom si v re´ alu samozˇrejmˇe tˇeˇzko pomohli, v r´ amci v´ ypoˇcetn´ı u ´lohy

10



si ho ale pˇredstavit m˚ uˇzeme. . . ) byl svinut do spir´ aly a ˇcernˇen za v´ yˇse uveden´ ych podm´ınek. Po vyjmut´ı byl opl´ achnut, rozvinut a otˇren buniˇcitou vatou. Om´ yvac´ı roztok i pouˇzitá buniˇcitá vata byly pˇrid´ any do pouˇzitého ˇcernic´ıho roztoku a v této smˇesi byl po u ´pravˇe urˇcen celkov´ y obsah mˇedi 0,473 g Cu. Z poˇcernˇeného plechu po vyrovn´ an´ı bylo vystˇriˇzeno pˇet obdéln´ıkov´ ych destiˇcek o rozmˇerech a, b (zjiˇstˇeny mikrometrem), které jsou uvedeny v Tabulce 1. Tyto destiˇcky byly kaˇzd´ a zvl´ aˇst’ zbaveny poˇcernˇen´ı ve zˇredˇeném vodném roztoku kyseliny X a vzniklé roztoky byl upraveny a doplnˇeny na objem 50 ml v pˇeti odmˇern´ ych baˇ nk´ ach. Poté byla s 10ml alikvoty pˇripraven´ ych vzork˚ u provedena série jodometrick´ ych stanoven´ı mˇedi pomoc´ı 1,000mM roztoku Na2 S2 O3 . Spotˇreby odmˇerného roztoku pˇri jednotliv´ ych stanoven´ıch jsou uvedeny v Tabulce 1. Vzorek

a [cm]

b [cm]

V1 [ml]

V2 [ml]

V3 [ml]

1 2 3 4 5

2,145 2,078 1,996 2,322 2,201

1,964 2,203 2,183 2,027 2,100

11,00 12,50 11,75 12,75 12,50

11,25 12,25 11,50 12,50 12,75

11,25 12,50 11,25 12,50 12,25

Tabulka 1: Rozmˇery vzork˚ u ˇcernˇeného plechu a odpov´ıdaj´ıc´ı spotˇreby 1mM Na2 S2 O3 pˇri jodometrickém stanoven´ı mˇedi

3. Jak (o kolik) se teoreticky zmˇenila tlouˇst’ka p´ asu mˇedˇeného plechu po ˇcernˇen´ı? K v´ ypoˇctu budete potˇrebovat hustotu ˇcerného povlaku (ρ = = 6,500 g cm−3 ) a nˇekteré dalˇs´ı hodnoty snadno dohledatelné v tabulkách. Pˇri v´ ypoˇctech v´ am d´ ale pom˚ uˇze uváˇzlivé zanedbán´ı. Pozor na zaokrouhlov´ an´ı. (Autor u ´lohy si vyhrazuje pr´ avo posoudit, které zaokrouhlov´ an´ı resp. zanedbán´ı je vhodné a pˇr´ıpustné.) 4. Spoˇctˇete ploˇsnou hustotu ˇcerné vrstvy na plechu z pˇredchoz´ıho u ´kolu vyj´ adˇrenou v mg cm−2 (berte plochu jako souˇcin ab, nikoli jako 2ab) a v unc´ıch na ˇctvereˇcn´ı stopu (oz/sq ft) (a pro jistotu uved’te pˇrevodn´ı vztah). 5. Lze podle vaˇsich pˇredchoz´ıch v´ ypoˇct˚ u pouˇz´ıt pers´ıranové ˇcernˇen´ı i k povrchové u ´pravˇe pˇredmˇet˚ u galvanicky pomˇedˇen´ ych? 6. Jak by ovlivnilo v´ yslednou ploˇsnou hmotnost povlaku, kdybychom m´ısto peˇclivˇe vyleˇstˇeného plechu pouˇzili plech jemnˇe osmirkovan´ y (o stejné ma11



kroskopické tlouˇst’ce) pˇri zachov´ an´ı vˇsech ostatn´ıch podm´ınek? Zd˚ uvodnˇete. 7. Kter´ a kyselina (X ) je podle v´ as vhodná k rozpuˇstˇen´ı vylouˇceného povlaku pˇri anal´ yze uvedené v u ´kolu 3? 8. Nic v´ am nebr´ an´ı provést vlastn´ı ˇcernic´ı experiment a k ˇreˇsen´ı pˇriloˇzit produkt kombinace chemického procesu a vlastn´ı bezbˇrehé v´ ytvarné invence. Autor u ´lohy si osobuje pr´ avo pˇridˇelit za n´ apadit´ y v´ ytvor zanedbatelný bodov´ y bonus spojen´ y s veˇrejnou pochvalou. 9. A propos, co je to vlastnˇe ten pers´ıran“ a jakou má strukturu? ”

12



´ Uloha ˇ c. 5: Objev struktury DNA Autor: Richard Chudoba

14 bod˚ u

Jeˇstˇe na poˇc´ atku pades´ atých let toho nebylo o struktuˇre DNA mnoho zn´ amo. Vˇedˇelo se, ˇze obsahuje deoxyribosu, fosf´ at a ˇctyˇri b´ aze – adenin, guanin, thymin a cytosin a ˇze zastoupen´ı baz´ı se ˇr´ıd´ı Chargaffovým pravidlem. Pozdˇeji se podaˇrilo urˇcit kovalentn´ı chemickou strukturu, coˇz ovˇsem uspokojivˇe nevysvˇetlovalo replikaci DNA. Aˇz v roce 1953 zvˇeˇrejnili James Watson a Francis Crick skromný ˇcl´ anek4 , ve kterém navrhovali pro DNA strukturu dvojˇsroubovice. Tento model DNA d´ av´ a pˇrirozené odpovˇedi na vlastnosti DNA i jej´ı biologickou funkci. ´ ech Watsona a Cricka byl podm´ınˇen znalost´ı rentgenostrukturn´ıch dat. Uspˇ Kvalitn´ı difraktogram DNA se jim podaˇrilo z´ıskat d´ıky usilovné pr´ aci Rosalindy Franklinové. Kl´ıˇcovou roli tohoto difraktogramu na uhodnut´ı“ spr´ avné ” struktury DNA m˚ uˇzeme ilustrovat na pˇr´ıkladu Linuse Paulinga, který bez jeho znalosti navrhl chybný model, kde DNA mˇela podobu trojˇsroubovice. 1. Kteˇr´ı z vˇedc˚ u zm´ınˇen´ ych v u ´vodu jsou nositeli Nobelovy ceny? 2. Nakreslete chemick´ ym vzorcem dinukleotid DNA 5’-AC-3’. 3. (a) Jak zn´ı Chargaffovo pravidlo? (b) Které b´ aze se podle Watsona a Cricka p´ aruj´ı? Nakreslete chemick´ ym vzorcem a vyznaˇcte vod´ıkové interakce. (c) V obr´ azku k odpovˇedi na ot´ azku 2 nakreslete chemick´ ym vzorcem komplement´ arn´ı vl´ akno DNA v p´ arov´ an´ı podle Watsona a Cricka. Vod´ıkové interakce vyznaˇcte. 4. (a) Proˇc se DNA naz´ yvá kyselinou, kdyˇz je tvoˇrena bázemi? Pod´ılej´ı se b´ aze v´ yznamnˇe na pKA molekuly DNA? Jak´ ym zp˚ usobem? Jaké bude pKA molekuly DNA (kyselé, neutr´ aln´ı, z´ asadité)? Zd˚ uvodnˇete. (b) Chybn´ y Pauling˚ uv model DNA mˇel strukturu trojˇsroubovice, kde uvnitˇr byl cukr-fosf´ atov´ y skelet a na povrchu jednotlivé b´ aze. Jaké byste oˇcekávali pKA takto uspoˇra´dané DNA (kyselé, neutr´ aln´ı, zásadité)? Zd˚ uvodnˇete. Keto neboli imino forma guaninu je termodynamicky stabilnˇejˇs´ı neˇz jeho enol neboli enamino protˇejˇsek. Pˇresto se m˚ uˇze vyskytnout i v enol formˇe, coˇz 4 http://profiles.nlm.nih.gov/SC/B/B/Y/W/

13

/scbbyw.pdf



pak vede k nespr´ avnému p´ arov´ an´ı. Prvn´ı modely DNA dokonce pˇredpokl´ adaly enol formu této b´ aze. 5. (a) Nakreslete chemick´ ym vzorcem enol formu guaninu. (b) S kterou keto b´ az´ı se bude enol-guanin p´ arovat? V chemickém vzorci p´ ar˚ u baz´ı vyznaˇcte vod´ıkové interakce. DNA se m˚ uˇze za jist´ ych podm´ınek vyskytovat rovnˇeˇz jako trojˇsroubovice, i kdyˇz v jiné podobˇe, neˇz navrhoval Pauling. Základem je Watsonova-Crickova dvojˇsroubovice, kde jedno vl´ akno obsahuje pouze purinové nukleotidy a druhé vl´ akno pouze pyrimidinové nukleotidy. K této dvojˇsroubovici se pak v´ aˇze vl´ akno tˇret´ı. 6. Navrhnˇete, jak se bude p´ arovat tˇret´ı vl´ akno se zbytkem trojˇsroubovice DNA. Nakreslete chemick´ ym vzorcem s vyznaˇcen´ım vod´ıkov´ ych interakc´ı. Na ilustraˇcn´ım obr´ azku se nach´ az´ı rentgenov´ y difraktogram dvojˇsroubovice ˇ DNA tak, jak jej z´ıskala Rosalinda Franklinov´ a. Cern´ e skvrny pˇredstavuj´ı difrakˇcn´ı maxima. Jejich uspoˇra´d´ an´ı do tvaru p´ısmene X svˇedˇc´ı pro ˇsroubovici (a vyhasl´ a reflexe na ˇctvrté vrstevnici pro dvojˇsroubovici). Horn´ı a doln´ı oblouky pak odpov´ıdaj´ı v´ yˇsce z´ avitu dvojˇsroubovice. 7. (a) Difrakce rentgenového záˇren´ı na krystalu se ˇr´ıd´ı Braggov´ ym zákonem. Jak zn´ı? Nezapomeˇ nte napsat, co znamenaj´ı jednotlivé symboly. (b) Vzd´ alenost oblouk˚ u na difraktogramu odpov´ıd´ a Braggovu u ´hlu 1,3◦ . Pˇri mˇeˇren´ı bylo pouˇzito rentgenové záˇren´ı o vlnové délce 0,1541 nm. Jak´ a je v´ yˇska závitu dvojˇsroubovice? (c) Prvn´ı tˇri zˇretelná difrakˇcn´ı maxima odpov´ıdaj´ı Braggov´ ym u ´hl˚ um 13◦ , ◦ ◦ 6,5 a 4,3 . Jak´ a je pr˚ umˇern´ a v´ yˇska jednoho p´ aru baz´ı ve dvojˇsroubovici? (d) Kolik p´ ar˚ u baz´ı pˇripadá na jeden z´ avit dvojˇsroubovice?

14



ˇ sen´ı u Reˇ ´loh 1. s´ erie 5. roˇ cn´ıku KSICHTu ´ Uloha ˇ c. 1: Hled´ an´ı kamene mudrc˚ u Autor: Richard Chudoba

6 bod˚ u

ˇ sen´ı je uvedeno v n´ 1. Reˇ asleduj´ıc´ı tabulce: L´ atka

N´ azev prvku

Lat. n´ azev prvku

Znaˇ cka

H2 O Eu2 O3 N2 H4 NaCl NI3 .NH3 GaAsP

vod´ık europium5 dus´ık sod´ık j´ od gallium

Hydrogenium Europium Nitrogenium Natrium Iodium Gallium

H Eu N Na I Ga

NaBH4 RaCl2 AgBr [Ni(CO)4 ] Dy2 O3 TiO2

bor radium stˇr´ıbro nikl dysprosium titan

Borum Radium Argentum Niccolum Dysprosium Titanium

B Ra Ag Ni Dy Ti

2. Alchymista se jmenoval Hennig Brandt, poch´ azel z Hamburku a ˇzil v letech 1630–1692 ˇci 1710. 3. Objevil prvek fosfor, kter´ y pojmenoval podle svˇetélkov´ an´ı ve tmˇe jako φωσφoρoζ (phosphorus), coˇz ˇrecky znamená svˇetlonoˇs. 4. Typickou slouˇceninou je tˇreba oxid fosforeˇcn´ y P4 O10 , coˇz je b´ıl´ y pr´ aˇsek bouˇrlivˇe reaguj´ıc´ı s vodou za vzniku kyseliny fosforeˇcné H3 PO4 . Ot´ azka 1 za kaˇzdý spr´ avnˇe urˇcený prvek a jeho znaˇcku 0,4 bodu, ot´ azka 2 – 0,4 bodu, ot´ azka 3 – 0,4 bodu, ot´ azka 4 – 0,4 bodu. Celkem 6 bod˚ u.

5 Pro slouˇ ceniny europia je fosforescence typick´ a. Slouˇ cenina europia se napˇr´ıklad pouˇ z´ıv´ a jako souˇ c´ ast ochrann´ eho fosforenˇ cn´ıho prvku na euro-bankovk´ ach. Jako spr´ avn´ a odpovˇ ed’ bylo t´ eˇ z uzn´ av´ ano erbium (Er).

15



´ Uloha ˇ c. 2: Chiralita v ˇ ziv´ ych syst´ emech Autor: Martin Hrub´ y

9 bod˚ u

1. H2N

COOH

H3C

H

R−alanin

HOOC

NH2

H

CH3 S−alanin

2. Dva asymetrické uhl´ıky, tˇri enantiomery, z nichˇz dva stáˇcej´ı rovinu polarizovaného svˇetla a jeden je symetrick´ y, a tud´ıˇz achiráln´ı. 3. 2 · 0,5150 = 1,4 · 10−45 = 1,4 · 10−43 % 4. 0,5150 = 7,0 · 10−46 = 7,0 · 10−44 % 5. 0,99150 = 0,22 = 22 % 6. (100 · 150 · 0,001/6,023 · 1023 )/(2 · 0,5150 ) = 1,8 · 1022 kg 7. N˚ uˇz – zrcadlov´ y obraz je ztotoˇzniteln´ y, proto staˇc´ı n˚ uˇz jen trochu jinak uchopit, a náhle se z nˇej stáv´ a n˚ uˇz pro lev´ aky. Kosa – vytvoˇren´ y zrcadlov´ y obraz nen´ı ztotoˇzniteln´ y, proto nelze vhodnˇe otoˇcit pro leváka. 8. Receptor, kter´ y zprostˇredkov´ av´ a ˇcichov´ y vjem z limonenu, je b´ılkovina sloˇzen´ a z l-aminokyselin a je tedy chir´ aln´ı; komplexy receptor-S -(−)-limonen a receptor-R-(+)-limonen jsou diastereomern´ı pár s r˚ uznou silou vzájemné interakce. 9.

Obr´ azek 1: Struktura S -(−)-limonenu ˇ ykaˇcka z˚ 10. Zv´ ustane vˇetrov´ a“, pˇrechodem do zemˇe za zrcadlem se otoˇc´ı nejen ” konfigurace limonenu, ale i Alenˇcin´ ych receptor˚ u, takˇze charakter a s´ıla interakce mezi limonenem a receptorem z˚ ustane na stejné energetické u ´rovni a tedy i konstantˇe stability (enantiomern´ı p´ ar). 16



Ot´ azka 1 – 1 bod, ot´ azka 2 – 1 bod, ot´ azka 3 – 0,75 bodu, ot´ azka 4 – 0,75 bodu, ot´ azka 5 – 0,75 bodu, ot´ azka 6 – 0,75 bodu, ot´ azka 7 – 1 bod, ot´ azka 8 – 1 bod, ot´ azka 9 – 1 bod a ot´ azka 10 – 1 bod. Celkem 9 bod˚ u.

´ Uloha ˇ c. 3: Urˇ cov´ an´ı vzorc˚ u koordinaˇ cnˇ e-kovalentn´ıch slouˇ cenin Autor: Eva Pluhaˇrová

11 bod˚ u

1. Anion Cl− . 2. Ze vzorce vyj´ adˇr´ıme vztah pro molárn´ı hmotnost slouˇceniny: −∆T = KK cm x = KK ∆T = −KK

n mrozp.

x

(1)

m M

x mrozp. KK m x M =− ∆T mrozp.

(2) (3)

Protoˇze zn´ ame hmotnostn´ı zlomek kovu M ve slouˇceninˇe, m˚ uˇzeme pro kaˇzd´ y pˇr´ıpad vypoˇc´ıtat jeho relativn´ı atomovou hmotnost a porovnat s periodickou tabulkou prvk˚ u. Ar (M ) = w(M ) M

(4)

x

1

2

3

4

5

A

M (slouˇ c.) Ar (M )

66,91 14,75

133,81 29,51

200,72 44,26

267,63 59,01

334,53 73,76

B


83,41 19,64

166,82 39,29

250,22 58,93

333,63 78,57

417,04 98,21

C


116,61 29,46

233,23 58,91

349,84 88,37

466,46 117,83

583,07 147,28

Tuˇcnˇe napsané v´ ysledky jsou hledané molárn´ı hmotnosti, neznám´ y kov je kobalt. Za kaˇzdý vztah 0,5 bodu, za kaˇzdou tabulku 0,5 bodu. Celkem 2,5 bodu. 17



3. Typick´ a oxidaˇcn´ı ˇc´ısla kobaltu jsou II a III, typické koordinaˇcn´ı ˇc´ıslo je 6. Z toho, co bylo ˇreˇceno v zad´ an´ı, si m˚ uˇzeme domyslet, ˇze jedn´ım z ligand˚ u je voda nebo amoniak. Na z´ akladˇe mol´ arn´ıch hmotnost´ı bychom mohli jeˇstˇe uvaˇzovat hydroxidov´ y nebo fluoridov´ y anion, ale to by komplexn´ı ˇcástice nemohla b´ yt kationem, coˇz vzhledem k pˇr´ıtomnosti chloridového aniontu b´ yt mus´ı. Pokud zkus´ıme vypoˇc´ıtat molárn´ı hmotnosti l´ atek A aˇz C podle pˇredpokl´ adan´ ych sumárn´ıch vzorc˚ u, zjist´ıte, ˇze v´ ysledky souhlas´ı pro amoniak. Voda v koordinaˇcn´ı sféˇre kobaltu nem˚ uˇze b´ yt také kv˚ uli redoxn´ı neˇ asti“, ze kter´ stabilitˇe aquaˇcástic CoIII . C´ ych se slouˇceniny skládaj´ı, jsou ” tedy CoIII , amoniak a Cl− . l´ atka

souhrnn´ y vzorec

ionty

A B C

CoCl3 . 6 NH3 CoCl3 . 5 NH3 CoCl3 . 5 NH3

[Co(NH3 )6 ]3+ + 3 Cl− [Co(NH3 )5 ]2+ + 2 Cl− [Co(NH3 )4 ]+ + Cl−

Za kaˇzdé ˇc´ıslo 0,2 bodu, za kaˇzdé pol´ıˇcko v tabulce 0,2 bodu. Celkem 1,8 bodu. 4. Jedná se o geometrickou izomerii. C je chlorid trans-tetraammin-dichlorokobaltit´ y, D je chlorid cis-tetraammin-dichlorokobaltit´ y. L´ atky nejsou chir´ aln´ı. 5. l´ atka

barva

historick´ y n´ azev

A B C D

ˇzlutá r˚ uˇzov´ a zelen´ a fialová

luteochlorid purpureochlorid praseochlorid violeochlorid

6. Ag+ (aq) + Cl− (aq) → AgCl(s) +

AgCl(s) + 2 NH3 (aq) → [Ag (NH3 )2 ] (aq) + Cl− (aq)

(5) (6)

7. m(AgCl) =

3 · m(A) · M (AgCl) 3 · 0,1 · 143,32 = = 0,161 g M (A) 267,63

18

(7)



8. Rovnice popisuj´ıc´ı rozpouˇstˇen´ı je v odpovˇedi 6. Nejprve vypoˇcteme rozpustnost AgCl v 0,1M roztoku amoniaku: +

[Cl− ] = [Ag (NH3 )2 ]

z rovnice rozpouˇstˇ en´ı

[NH3 ]0 = [NH3 ] + 2 ·

l´ atkov´ a bilance pro amoniak pouˇ zit´ı konstanty stability dosazen´ı do (8)

+ [Ag (NH3 )2 ] −

+ [Ag (NH3 )2 ]

+

= β2 · [Ag ] · [NH3 ] [Cl ] = β2 · [Ag+ ] · [NH3 ] KS [Cl− ] = β2 · · [NH3 ] [Cl− ] [Cl− ] [NH3 ] = √ KS · β2 [Cl− ] [NH3 ]0 = √ KS · β2 + 2 · [Cl− ] √ [NH3 ]0 · KS · β2 − √ [Cl ] = 1 + 2 · KS · β2 [Cl− ] = 4,89 · 10−3 mol dm−3

pouˇ zit´ı KS u ´prava

dosazen´ı (13) a (8) do (9)

(8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16)

L´ atkové mnoˇzstv´ı AgCl zn´ ame: n(Cl) =

m(AgCl) 0,1 = = 6,98 · 10−4 mol M (AgCl) 143,32

(17)

Potˇrebn´ y objem roztoku: V =

n = 0,143 dm3 = 143 ml c

(18)

Ot´ azka 1 – 1 bod, ot´ azka 2 – 2,5 bodu, ot´ azka 3 – 1,8 bodu, ot´ azka 4 – 0,4 bodu, ot´ azka 5 – 0,8 bodu, ot´ azka 6 – 1 bod, ot´ azka 7 – 1 bod a ot´ azka 8 – 2,5 bodu. Celkem 11 bod˚ u. Literatura 1. J. Fischer a kol.: Fyzik´ aln´ı chemie 2. Greenwood, Earnshaw: Chemie prvk˚ u II

19



´ Uloha ˇ c. 4: Biodegradovateln´ e polymery Autor: Jiˇr´ı Kysilka

9 bod˚ u

1. Poly-l-laktid je polyesterem. Monomerem je kyselina mléˇcná.

CH 3 *

COOH

* O HO

H

O CH 3

n

2. Mechanismem biodegradace esterové vazby je hydrol´ yza. R-CO-OR + H2 O −→ R-CO-OH + HO-R

(1)

Hydrol´ yza je kysele katalyzovan´ a. Proton se pˇripoj´ı na alkoholov´ y kysl´ık, dojde k odˇstˇepen´ı alkoholu a pˇrechodnˇe vznikl´ y karbokation hydrolyzuje za vzniku karboxylové kyseliny. 3. Pˇri hydrol´ yze esterové vazby vznik´ a karboxylová skupina, ˇc´ımˇz se do okol´ı m˚ uˇze uvolnit kysel´ y vod´ık. Hydrol´ yza esterové vazby je uvolnˇen´ ym protonem znaˇcnˇe urychlena, proton p˚ usob´ı jako katalyzátor. 4. Rychleji zvˇetr´ av´ a kupodivu kompaktn´ı forma polymeru, tj. koule. Protony vznikaj´ıc´ı pˇri hydrol´ yze nemaj´ı kam unikat, z˚ ust´ avaj´ı uvnitˇr, a proto je autokatalytick´ y efekt velmi v´ yrazn´ y. Koule pak zvˇetráv´ a zevnitˇr a po urˇcité dobˇe se celá rozpadne. Naproti tomu protony vznikaj´ıc´ı pˇri hydrol´ yze vl´ akna jsou rychle odplavov´ any a autokatalytick´ y efekt nen´ı tak v´ yrazn´ y. 5. Ze spotˇreb odmˇerného roztoku KOH zjist´ıme dle vzorce n = cV poˇcty mol˚ u proton˚ u pˇr´ıtomn´ ych ve vzorku. Ty odpov´ıdaj´ı koncov´ ym karboxyl˚ um, a tak m˚ uˇzeme pˇredpokl´ adat, ˇze jeden proton odpov´ıd´ a jedné molekule polymeru. Hmotnost polymeru ˇcin´ı u vˇsech vzork˚ u 1,0000 g. Pomoc´ı vzorce M = m/n m˚ uˇzeme spoˇc´ıtat pˇr´ısluˇsnou molárn´ı hmotnost. Po odeˇcten´ı 18 (OH + H na konci polymeru, zanedbán´ı vˇsak nezp˚ usob´ı velkou chybu) a vydˇelen´ı 72 (mol´ arn´ı hmotnost monomern´ı jednotky) z´ısk´ ame polymeraˇcn´ı stupeˇ n. V´ ysledky jsou uvedeny v tabulce 1. 6. Vynesená kˇrivka vykazuje esovitou závislost, která odpov´ıdá autokatalytickému efektu – s pˇrib´ yvaj´ıc´ım poˇctem rozˇstˇepen´ ych vazeb se rychlost hydrol´ yzy zvyˇsuje a u ´mˇernˇe s t´ım klesá mol´ arn´ı hmotnost. Ke konci má pokles molárn´ı hmotnosti pˇribliˇznˇe exponenciáln´ı charakter. 20



Vzorek

Mol´ arn´ı hmotnost [g mol−1 ]

Polymeraˇ cn´ı stupeˇ n

1 2 3 4 5 6

12 500 11 700 9 390 3 100 1 020 99

173 162 130 43 14 1–2

Tabulka 1: Poˇcetnˇe stˇredn´ı molárn´ı hmotnost vzork˚ u polymeru po degradaci

12 500

Mr

10 000 7 500 5 000 2 500 0 0

1

2

3

4

5

ˇcas [dny] Obr´ azek 1: Graf degradace polymeru v závislosti na ˇcase 7. Pˇri v´ ypoˇctu postupujeme stejn´ ym zp˚ usobem jako v bodˇe 5, jen dosazujeme za hmotnost polymeru 0,9987 g. Z´ıskáme mol´ arn´ı hmotnost 10 797 g mol−1 . To je v´ıce neˇz v pˇr´ıpadˇe, kdy mˇeˇren´ı prob´ıhalo bez filtrace, kdy se na spotˇrebˇe pod´ılela i volná kyselina mléˇcná a n´ızkomolekul´ arn´ı oligomern´ı fragmenty, které se nejsp´ıˇs odˇstˇepily z konc˚ u polymeru. Vzhledem k tomu, ˇze degradace prob´ıhá neselektivnˇe a hydrolyzovat se m˚ uˇze kter´ akoli z vazeb (r˚ uznou reaktivitu vazeb na konc´ıch a uprostˇred molekuly m˚ uˇze lehce ovlivˇ novat pouze pˇr´ıstupnost vazby pro molekulu vody), nutnˇe se ˇcást polymeru degraduje aˇz na tyto rozpustné produkty. Mol´ arn´ı hmotnost má potom ˇsirokou distribuci. Odfiltrov´ an´ım nerozpustné frakce se tedy zbav´ıme tˇechto n´ızkomolekul´ arn´ıch fragment˚ u a zjist´ıme molárn´ı hmotnost pevné frakce polymeru. V pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe jsme vlastnˇe zjistili pr˚ umˇernou molárn´ı hmotnost rozpustn´ ych i nerozpustn´ ych fragment˚ u

21



(pˇresnˇeji: poˇcetnˇe stˇredn´ı molárn´ı hmotnost, tj. stˇredn´ı molárn´ı hmotnost, kdy statistickou v´ ahou je poˇcet a nikoliv velikost molekul). Ot´ azka 1 – 1 bod, ot´ azka 2 – 1 bod, ot´ azka 3 – 1 bod, ot´ azka 4 – 1 bod, ot´ azka 5 – 2 body, ot´ azka 6 – 1 bod a ot´ azka 7 – 2 body. Celkem 9 bod˚ u.

22



´ Uloha ˇ c. 5: At´ om ` a la Vilo Autor: Viliam Kolivoˇska

14 bod˚ u

1. (a) Autorom slov je starovek´ y grécky filozof Demokritos z Abdéry. ’ (b) Ked voda mrzne, ˇcastice sa v nej nezhust’uj´ u, pr´ ave naopak. 2. (a) Thomsonov model at´ omu je zaloˇzen´ y na predstave diskrétnych elektrónov viac-menej rovnomerne rozmiestnen´ ych v spojite kladne nabitej hmote. (b) T´ ymto jedlom je puding. Angliˇcania si doˇ nho radi prid´ avaj´ u suˇsené hrozienka. Hrozienka reprezentuj´ u z´ aporne nabité elektróny v kladne nabitej hmote – pudingu. 3. (a) Tenk´ a kovov´ a f´ olia je ostrel’ovan´ a kladne nabit´ ymi ˇcasticami α. Tie ˇcastice α, ktoré sa nedostan´ u do tesnej bl´ızkosti at´ omového jadra, preletia f´ oliou bez zmeny smeru. T´ ychto ˇcast´ıc je drviv´ a v¨ aˇcˇsina. Mal´ a ˇcast’ ˇcast´ıc α, ktoré sa poˇcas svojho letu do bl´ızkosti at´ omov´ ych jadier dostan´ u, zmenia svoj smer. Takto dˆ ojde k rozptylu ˇcast´ıc α. Pri experimentoch boli pouˇzité f´ olie zo zlata, hlin´ıka, ˇzeleza a olova. Na detekciu sa pouˇzilo tienidlo zo ZnS a ˇspeciálny mikroskop. Na základe nameran´ ych v´ ysledkov Rutherford vyvodil záver, ˇze kladn´ y náboj je v hmote lokalizovan´ y vo vel’mi malom priestore – at´ omovom jadre. Tieto v´ ysledky viedli k vyvr´ ateniu Thomsonovho pudingového“ modelu ” at´ omu.

Obr´ azek 1: Rutherfordov experiment (b) Tieto experimenty vykonali Rutherfordovi ˇstudenti Ernest Marsden a Hans Geiger.

23



(c) Hlavn´ y rozdiel je v tom, ˇze Rutherfordov model at´ omu uvaˇzuje existenciu kladne nabitého at´ omového jadra zaberaj´ uceho len nepatrn´ u ˇcast’ objemu celého at´ omu. 4. (a) Ako s´ uˇcast’ svojej dizertaˇcnej pr´ ace vyslovil franc´ uzsky fyzik Louis de Broglie prevratn´ u myˇslienku, ˇze kaˇzdej pohybuj´ ucej sa ˇcastici materi´ alnej povahy s hybnost’ou vel’kosti p = mv moˇzno prip´ısat’ vlnov´ u d´lˇzku λ podl’a vzt’ahu λ=

h . p

(1)

Vlnovo-ˇcasticov´ y dualizmus hovor´ı, ˇze kaˇzdá ˇcastica má vlnové vlastnosti (napr. elektronov´ a difrakcia pozorovan´ a Davissonom a Germerom) a kaˇzdá vlna má ˇcasticové vlastnosti (napr. svetelné kvant´ a zavedené Planckom). (b) Veliˇcina n nadob´ uda hodnoty prirodzen´ ych ˇc´ısel. Pohyb elektr´ onu okolo jadra moˇzno v r´ amci Bohrovho modelu vn´ımat’ ako elektr´ onové ” vlny“ v potenciálovej jame kruhového tvaru so ˇs´ırkou L = 2πr. Veliˇcinu λ moˇzno potom povaˇzovat’ za vlnov´ u d´lˇzku“ tohto vlnenia, priˇcom ” 2πr L λ= = . (2) n n Na obr´ azku 2 je zn´ azornen´ y elektr´ onov´ y stav at´ omu vod´ıka s n = 6 a λ = L6 . Nakreslen´ y je geometrick´ y v´ yznam veliˇciny λ, ako aj klasické“ ” veliˇciny popisuj´ uce pohyb elektr´ onu okolo at´ omového jadra.

Obr´ azek 2: Bohrov model atomu

24



(c) Prv´ u Bohrovu podmienku si uprav´ıme na tvar e2 = v 2 r. 4πǫ0 me

(3)

Do druhej Bohrovej podmienky dosad´ıme de Broglieho vzt’ah pre elektr´ on h h (4) 2πr = n = n p me v a vyjadr´ıme si z toho Bohrov polomer r=

nh . 2πme v

(5)

Po dosaden´ı rovnice (5) do rovnice (3) a nepatrnej u ´prave dostaneme ˇziadan´ y vzt’ah 2 2 e 1 1 e4 me 2 (6) E = − me v = − me = − 2 2 2. 2 2 2ǫ0 hn 8ǫ0 h n Po dosaden´ı ˇc´ıseln´ ych hodnˆ ot fyzik´ alnych konˇstánt a preveden´ı joulov na elektr´ onvolty dost´ avame notoricky zn´ amy vzt’ah E=−

13,6 eV . n2

(7)

5. (a) Energie at´ omu vod´ıka v stavoch ni a nj (bud’ teda nj > ni ) s´ u E(ni ) = −

e4 me 8ǫ20 h2 n2i

a

E(nj ) = −

e4 me . 8ǫ20 h2 n2j

(8)

Evidentne je E(nj ) > E(ni ) a energetick´ y rozdiel stavov i, j je ∆Eij = = E(nj ) − E(ni ). Ten sa rovná energii pr´ısluˇsného elektromagnetického ˇziarenia a t´ u moˇzno vyjadrit’ pomocou Planckovho postulátu (jeho znenie je v b) ∆Eij = hνij =

hc , λij

(9)

kde c = 2,998 · 108 m s−1 je r´ ychlost’ svetla vo v´ akuu a νij resp. λij s´ u ´ frekvencia, resp. vlnová dlˇzka spektr´ alnej ˇciary odpovedaj´ ucej danému elektr´ onovému prechodu. Po dosaden´ı (8) do (9) dostaneme ! hc e4 me 1 1 − 2 = . (10) 8ǫ20 h2 n2i nj λij 25



Porovnan´ım vzt’ahu (10) s empirick´ ym Rydbergov´ ym vzt’ahom uveden´ ym v zadan´ı je jasné, ˇze Rydbergovu konˇstantu RH moˇzno vyjadrit’ ako RH =

e 4 me . 8ǫ20 h3 c

(11)

(b) Celkov´ a energia elektromagnetického ˇziarenia je rozdelen´ a na diskrétne energetické kvant´ a. Energiu jedného takéhoto kvanta moˇzno vypoˇc´ıtat’ ako E = hν.

(12)

(c) Pretoˇze kvantové ˇc´ısla nadob´ udaj´ u diskrétne hodnoty. (d) Pr´ısluˇsná ˇciara sa naz´ yva hrana spektr´ alnej série. Odpovedá ionizácii at´ omu z danej elektr´ onovej hladiny. (e) Vlnov´ u d´lˇzku spektr´ alnej ˇciary spoˇcteme ako 1 e4 me = 2 3 λij 8ǫ0 h c =

1 1 − 2 n2i nj

!

=

(13)

(1,602 · 10−19 )4 · (9,109 · 10−31 ) 8 · (8,854 · 10−12 )2 · (6,626 · 10−34 )3 · (2,998 · 108 )

1 1 − 2 2 2 3

.

´ λ = 656,4 nm. Ano, ˇciara je vo viditel’nej oblasti spektra – ˇcervené svetlo. (f) On´ ym vedcom je americk´ y fyzik Theodore Lyman. (g) Vo viditel’nej oblasti sa nachádza len jedna spektrálna séria (Balmerova). Ot´ azka 1a – 0,5 b, 1b – 0,5 b; ot´ azka 2a – 0,5 b, 2b – 0,5 b; ot´ azka 3a – 0,8 b, 3b – 0,4 b, 3c – 0,8 b; ot´ azka 4a – 1,0 b, 4b – 0,5 b, 4c – 1,5 b, 4d – 1,0 b; ot´ azka 5a – 1,5 b, 5b – 1,0 b, 5c – 0,5 b, 5d – 1,0 b, 5e – 1,0 b, 5f – 0,5 b, 5g – 0,5 b. Celkom 14 bodov.

26



Seri´ al – Chemie v kuchyni II Autor: Helena Handrkov´ a V tomto d´ılu se zamˇeˇr´ım na b´ılkoviny, jejich z´ akladn´ı sloˇzky a na pˇr´ıbuzné l´ atky.

Aminokyseliny, peptidy, b´ılkoviny Aminokyseliny Aminokyseliny jsou organické slouˇceniny, které maj´ı souˇcasnˇe alespoˇ n jednu prim´ arn´ı aminoskupinu (−NH2 ) a jednu karboxylovou skupinu (−COOH). Podle povahy aminoskupiny se aminokyseliny dˇel´ı na primárn´ı, sekund´ arn´ı a pˇr´ıpadnˇe terci´ aln´ı, podle vzájemné polohy karboxyskupiny v˚ uˇci aminoskupinˇe na α (aminoskupina v´ azaná na α uhl´ık, tj. na uhl´ık soused´ıc´ı s karboxyskupinou), β, γ . . . , a podle stereochemie na asymetrickém α uhl´ıku na l (vˇetˇsina) a d. Vˇsechny tzv. k´ odované aminokyseliny v b´ılkovin´ ach jsou α a l, s ˇcestnou v´ yjimkou glycinu, kter´ y nese na α uhl´ıku dva ekvivalentn´ı vod´ıkové atomy. K´ odovan´ ych aminokyselin, ze kter´ ych se syntetizuj´ı b´ılkoviny, je dvacet, pˇriˇcemˇz nˇekteré z nich mohou b´ yt d´ ale kovalentnˇe modifikov´ any. Pˇr´ıkladem m˚ uˇze b´ yt hydroxylace prolinu v kolagenu (proteinu vazivové tkánˇe), pˇremˇena l-alaninu na d-alanin (v bakteri´ aln´ıch proteoglykanech), nebo vratná fosforylace (reguluj´ıc´ı katalytickou aktivitu nˇekter´ ych enzym˚ u). Spektrum aminokyselin vyskytuj´ıc´ıch se v pˇr´ırodˇe je podstatnˇe ˇsirˇs´ı: zat´ım bylo nalezeno v´ıce neˇz 700 rozd´ıln´ ych aminokyselin. Podle vlastnost´ı svého postrann´ıho ˇretˇezce se k´ odované aminokyseliny dˇel´ı na kyselé, bazické, pol´ arn´ı, nepol´ arn´ı, aromatické. Glycin, alanin, threonin a prolin jsou vn´ım´ any jako sladké, leucin, isoleucin, fenylalanin, tyrosin a tryptofan jako hoˇrké, kyseliny asparagov´ a a glutamov´ a jako kyselé, ostatn´ı jsou pak (samy o sobˇe) chut’ovˇe indiferentn´ı. Aminokyseliny, které si organismus neum´ı sám syntetizovat a je závisl´ y na jejich pˇr´ıjmu z potravy, se oznaˇcuj´ı jako esenciáln´ı. Peptidy Aminokyseliny se mohou vyskytovat i volnˇe, ale ˇcastˇeji jsou souˇcást´ı jin´ ych makromolekul. Polymery aminokyselin, které maj´ı ménˇe neˇz asi 100 aminokyselinov´ ych zbytk˚ u, se oznaˇcuj´ı jako peptidy, pokud jsou delˇs´ı, hovoˇr´ıme o b´ılkovin´ ach (proteinech). Kromˇe toho se mohou peptidy v´ azat na sacharidy nebo lipidy a tvoˇrit glykoproteiny, resp. lipoproteiny. Nˇekteré peptidy slouˇz´ı 27



jako sign´ aln´ı molekuly nebo hormony, jiné maj´ı zaj´ımavé redoxn´ı vlastnosti a chr´ an´ı buˇ nky pˇred poˇskozen´ım voln´ ymi radikály, jiné jsou d˚ uleˇzit´ ymi metabolick´ ymi meziprodukty. Peptidy se vyskytuj´ı v potravin´ ach jako produkty hydrol´ yzy b´ılkovin, jako jejich pˇrirozen´ a sloˇzka nebo jako potravin´ aˇrsk´ a aditiva. K ˇcásteˇcné proteol´ yze doch´ az´ı také pˇri zrán´ı masn´ ych v´ yrobk˚ u a s´ yr˚ u nebo pˇri v´ yrobˇe piva, kde jsou produkty hydrol´ yzy sladov´ ych protein˚ u d˚ uleˇzité pro stabilizaci pivn´ı pˇeny. Také sójov´ a omáˇcka nebo maggi jsou b´ılkovinné hydrolyzáty. Syntetick´ y dipeptid aspar´ at-fenylalanin se s oblibou pouˇz´ıv´ a jako umˇelé sladidlo.

Jemn´ y n´ astin metabolismu b´ılkovin a aminokyselin Tr´ aven´ı b´ılkovin zaˇc´ın´ a aˇz v ˇzaludku jejich denaturac´ı (pokud k n´ı nedoˇslo ˇ jiˇz pˇri u ´pravˇe pokrmu) a ˇcásteˇcnou hydrol´ yzou. Zaludeˇ cn´ı ˇst’áva obsahuje pepsinogen, kter´ y se pˇri n´ızkém pH pˇremˇen ˇuje na enzymaticky aktivn´ı proteasu pepsin. Do dvan´ actn´ıku u ´st´ı pankreas, kter´ y vyluˇcuje ˇst’ávy, které neutralizuj´ı tr´ aveninu a obsahuj´ı dalˇs´ı proteasu, trypsin. Proteol´ yza pokraˇcuje v tenkém stˇrevˇe, kde p˚ usob´ı karboxypeptidasy a aminopeptidasy, které hydrolyzuj´ı vˇetˇsinu peptid˚ u na jednotlivé aminokyseliny. Aminokyseliny jsou pak vstˇreb´ any do krve a vˇetˇsina je dále metabolizov´ ana v j´ atrech. Mohou slouˇzit bud’ pro syntézu nov´ ych b´ılkovin, peptid˚ u nebo jejich deriv´ at˚ u, nebo b´ yt degradov´ any za u ´ˇcelem energetického zisku. Zat´ımco cukry maj´ı velkou ˇc´ ast metabolick´ ych pˇremˇen spoleˇcnou, je metabolismus aminokyselin (vzhledem k jejich vˇetˇs´ı pestrosti) také sloˇzitˇejˇs´ı. Pˇrebyteˇcn´ y dus´ık je odbour´ av´ an v moˇcovinovém (ornithinovém) cyklu a opouˇst´ı tˇelo ve formˇe moˇcoviny. V tomto se savci liˇs´ı od pt´ ak˚ u a plaz˚ u, jejichˇz odpadn´ım produktem dus´ıkatého metabolismu je kyselina moˇcová, a od ryb, které vyluˇcuj´ı pˇr´ımo amoniak. Nˇekteré aminokyseliny si organismus dok´ aˇze vyrobit z jin´ ych l´ atek, esenciáln´ı jsou pouze valin, leucin, isoleucin, methionin, fenylalanin, tryptofan, threonin, lysin, u dˇet´ı nav´ıc jeˇstˇe histidin a arginin. Aminokyseliny jsou zabudované do protein˚ u na z´ akladˇe poˇrad´ı nukleotid˚ u v genu, kter´ y dan´ y protein k´ oduje. Genov´ a DNA je nejprve pˇreps´ ana (transkribov´ ana) do jakési pracovn´ı kopie“, ” mRNA. Kaˇzd´ a k´ odovaná aminokyselina je specifick´ ym enzymem pˇrenesena na urˇcit´ y typ tRNA. Na z´ akladˇe komplementarity baz´ı mRNA (kter´ a slouˇz´ı jako matrice) a baz´ı na smyˇcce tRNA (na jej´ıˇz 3’ konec je nav´ azán aminokyselinov´ y zbytek) je ke spr´ avné trojici mRNA pˇriˇrazena spr´ avná aminokyselina. Cel´ y dˇej se odehr´ av´ a v ribosomu a je katalyzov´ an pro zmˇenu tˇret´ım typem RNA, ribosom´ aln´ı rRNA, avˇsak neobejde se bez celé plejády protein˚ u. Avˇsak zpˇet k tématu. . .

28



B´ılkoviny Aˇckoliv po chemické stránce nejsou b´ılkoviny nic jiného neˇz delˇs´ı peptidové ˇretˇezce, jejich vlastnosti a funkce v organismu se zásadnˇe liˇs´ı. B´ılkoviny maj´ı stavebn´ı funkci, nˇekteré katalyzuj´ı rozliˇcné metabolické dˇeje, jiné maj´ı regulaˇcn´ı nebo sign´ aln´ı funkci, a jistˇe byste naˇsli des´ıtky dalˇs´ıch pˇr´ıklad˚ u. Nejv´ yznamnˇejˇs´ımi zdroji b´ılkovin v potravin´ ach jsou r˚ uzné druhy masa a tk´ an´ı ˇzivoˇcich˚ u, mléko a mléˇcné v´ yrobky, z rostlin pak pˇredevˇs´ım luˇstˇeniny. V n´ asleduj´ıc´ıch odstavc´ıch se budu vˇenovat b´ılkovinnému sloˇzen´ı základn´ıch potravin a fyzik´ alnˇe-chemick´ ym pochod˚ um, které doprov´ azej´ı jejich u ´pravu.

Maso Maso tvoˇr´ı kostern´ı svalovina teplokrevn´ ych ˇzivoˇcich˚ u (v ˇsirˇs´ım smyslu slova i dalˇs´ı poˇzivatelné tk´ anˇe vˇsech ˇzivoˇcich˚ u). Maso obsahuje b´ılkoviny tˇr´ı skupin: rozpustné globul´ arn´ı proteiny myosin a myoglobin, vl´ aknité proteiny u ´ˇcastn´ıc´ı se svalového stahu aktin a myosin, a proteiny membr´ an a mezibunˇeˇcné hmoty, zejména kolagen. Vedle b´ılkovin je d˚ uleˇzitou souˇc´ ast´ı masa tzv. intramuskul´ arn´ı tuk, kter´ y obsahuje cenné nenasycené mastné kyseliny, ale i cholesterol, a v´ yraznˇe ovlivˇ nuje sensorické i v´ yˇzivové vlastnosti masa. Maso také obsahuje d˚ uleˇzité vitam´ıny (A, B – zejména B6 a B12 , D a E) a miner´ aln´ı l´ atky. Za ˇcervenou barvu ˇcerstvého masa jsou zodpovˇedné proteiny myoglobin a hemoglobin, které obsahuj´ı vedle b´ılkovinné ˇcásti (globinu) porfyrinov´ y skelet s chelatovan´ ym ˇzeleznat´ ym iontem, tzv. hem. Pˇri atmosférickém nebo vyˇsˇs´ım tlaku kysl´ıku koordinuje hemové FeII molekulu kysl´ıku, ale samo se neoxiduje. Naopak pˇri poklesu parciáln´ıho tlaku kysl´ıku dojde k oxidaci hemového FeII na FeIII a vznik´ a hnˇed´ y aˇz hnˇedoˇsed´ y metmyoglobin (resp. methemoglobin). Tuky také usnadˇ nuj´ı oxidaci hemov´ ych barviv a naopak hem katalyzuje oxidaci mastn´ ych kyselin. Hem reaguje také s dusitany, které se pˇrid´ avaj´ı do salám˚ ua dalˇs´ıch masn´ ych v´ yrobk˚ u; vznikl´ y nitroxykomplex má ˇcervenor˚ uˇzovou barvu. Biochemie svalov´ e buˇ nky ˇ a svalov´ Ziv´ a buˇ nka má jisté z´ asoby ATP a glykogenu a jej´ı pH je pˇribliˇznˇe neutr´ aln´ı. Po smrti je zastaven pˇr´ısun kysl´ıku a pˇrestanou b´ yt doplˇ nov´ any zásoby glykogenu a rychle nastupuje anaerobn´ı metabolismus. pH postupnˇe klesá vlivem hromad´ıc´ı se kyseliny mléˇcné na hodnotu kolem 5,5, pˇri kterém je vˇetˇsina b´ılkovin masa prakticky nerozpustn´ a. Po vyˇcerpán´ı bunˇeˇcn´ ych zásob

29



ATP doch´ az´ı k pevnému spojen´ı aktinov´ ych a myosinov´ ych vláken a maso je neobyˇcejnˇe tuhé, tento stav se oznaˇcuje jako rigor mortis. Okyselen´ım tk´ anˇe dojde k poruˇsen´ı nitrobunˇeˇcn´ ych struktur a vylit´ı proteas, které ˇc´ asteˇcnˇe hydrolyzuj´ı b´ılkoviny, postupnˇe docház´ı k r˚ ustu pH a maso kˇrehne. Doch´ az´ı k v´ yvinu sensoricky zaj´ımav´ ych sloˇzek masa a zlepˇsov´ an´ı jeho vlastnost´ı. Dalˇs´ı proteol´ yza na kr´ atké peptidy a aminokyseliny je jiˇz neˇzádouc´ı, jakoˇz i n´ asledn´ a oxidace tuk˚ u, nebot’ kaz´ı v˚ uni a chut’ masa. Zpracov´ an´ı masa Maso je v syrovém stavu ˇspatnˇe stravitelné a záhy podléhá mikrobi´ aln´ı zkáze, takˇze se obvykle konzumuje aˇz po tepelné nebo jiné u ´pravˇe. Tatarsk´ y biftek, kter´ y je z mlet´ eho syrov´ eho masa, se pod´ av´ a se syrov´ ym vaj´ıˇ ckem a r˚ uzn´ ym koˇren´ım. Vejce obsahuje avidin (l´ atku s mimoˇr´ adnou afinitou k biotinu, kter´ y je nezbytn´ y pro mikroorganismy) a dalˇs´ı antimikrobi´ aln´ı l´ atky. Maso je tedy (alespoˇ n do jist´ e m´ıry) chr´ anˇ eno pˇred napaden´ım neˇ z´ adouc´ımi mikroorganismy.

Solen´ı masa: s˚ ul kuchyˇ nsk´ a (NaCl) se pˇrid´ av´ a k ochucen´ı v´ yrobku, p˚ usob´ı jako konzervaˇcn´ı l´ atka, zvyˇsuje rozpustnost nˇekter´ ych b´ılkovin a ovlivˇ nuje jeˇ jich schopnost v´ azat vodu. Casto se pˇrid´ av´ a ve smˇesi s dusitanem sodn´ ym, kter´ y se také pod´ıl´ı na dotvoˇren´ı chut’ov´ ych vlastnost´ı v´ yrobku, má konzervaˇcn´ı vlastnosti a s hemov´ ymi barvivy vytv´ aˇr´ı r˚ uˇzovoˇcerven´ y nitroxykomplex6 . Mezi dalˇs´ı aditiva patˇr´ı polyfosf´ aty a kyselina askorbov´ a a do fermentovan´ ych salám˚ u se pˇrid´ av´ a sacharosa jako substr´ at pro mikrofl´ oru, glukonolakton pro u ´pravu pH a d´ ale r˚ uzn´ a koˇren´ı. Uzen´ı a suˇ sen´ı: bˇehem uzen´ı doch´ az´ı k tepelné u ´pravˇe masa, jeho konzervaci l´ atkami z kouˇre a k dosaˇzen´ı ˇz´ adouc´ı v˚ unˇe a chuti. Nejvhodnˇejˇs´ı je bukové nebo jiné tuhé dˇrevo. Kouˇr vˇsak obsahuje nˇekteré karcinogenn´ı l´ atky, a tak se zaˇcaly vyv´ıjet kapalné udic´ı prepar´ aty, které jsou obohacené o ˇzádouc´ı aromatické sloˇzky, ale v´ yrobky jsou ménˇe trvanlivé a maj´ı ponˇekud odliˇsnou chut’. Suˇsen´ı má také konzervaˇcn´ı vlastnosti a obvykle se kombinuje se solen´ım a uzen´ım. Trv´ a r˚ uznˇe dlouhou dobu podle typu v´ yrobku, u nás vˇetˇsinu t´ yden aˇz 14 dn´ı. Prˇsut“, uzená ˇsunka, se suˇs´ı dva i v´ıce let. ” Vaˇ ren´ı, peˇ cen´ı nebo duˇ sen´ı: pˇri tˇechto dˇej´ıch se b´ılkoviny masa denaturuj´ı a jsou lépe stravitelné. Barevné zmˇeny jsou pˇritom spojeny s pˇremˇenami hemov´ ych skupin myoglobinu. Denaturace protein˚ u závis´ı na teplotˇe a dobˇe jej´ıho p˚ usoben´ı. Papin˚ uv hrnec je kr´ asnou uk´ azkou praktického vyuˇzit´ı povˇestné Clausiovy-Clapeyronovy rovnice. Ta pˇredpov´ıd´ a, ˇze zv´ yˇsen´ı tlaku vede ke zv´ y6 Obsah dusitan˚ u i soli je peˇ clivˇ e hl´ıd´ an, nebot’ dusitany jsou ponˇ ekud toxick´ e a tak´ e mohou vytv´ aˇret s aminov´ ymi skupinami (napˇr´ıklad aminokyselin) karcinogenn´ı nitrosaminy. Nadmˇ ern´ y pˇr´ısun soli zase zatˇ eˇ zuje organismus. Dˇr´ıve se m´ısto dusitan˚ u pouˇ z´ıvaly dusiˇ cnany ( salnitr“ nebo tak´ e sanitr“), kter´ e vˇsak bylo potˇreba v masn´ ych v´ yrobc´ıch redukovat. ” ”

30



ˇsen´ı bodu varu vody; pˇri vyˇsˇs´ı teplotˇe staˇc´ı maso (napˇr. gul´ aˇs) vaˇrit kratˇs´ı dobu, aby bylo mˇekké. Ml´ eko V naˇsich podm´ınk´ ach se nejˇcastˇeji setk´ av´ ame s mlékem kravsk´ ym, pˇr´ıpadnˇe koz´ım nebo ovˇc´ım. 88 % mléka tvoˇr´ı voda, asi 3 % b´ılkoviny (hlavnˇe kasein, d´ ale b´ılkoviny syrovátky), asi 4,5 % cukr (laktosa), asi 4,5 % lipidy a mezi dalˇs´ı l´ atky patˇr´ı vitam´ıny, protil´ atky, hormony, enzymy, pigmenty aj. Toto sloˇzen´ı umoˇzn ˇuje dobré ˇzivotn´ı podm´ınky pro celou ˇradu mikroorganism˚ u, ale protoˇze je mléko prim´ arnˇe urˇceno pro ˇcerstvˇe narozená ml´ ad’ata (svého druhu) s dosud nezral´ ym imunitn´ım systémem, obsahuje l´ atky brán´ıc´ı rozvoji patogenn´ıch mikrob˚ u, aˇckoliv je m˚ uˇze pˇrenáˇset. Mléko také obsahuje vˇseliké viry parazituj´ıc´ıch na mlékaˇrsk´ ych bakteri´ıch. ˇ Cerstv´ e mléko se oˇsetˇruje tzv. pasterizac´ı, coˇz je záhˇrev na teplotu 85– –95 ◦ C po dobu 5 s (pro v´ yrobu konzumn´ıho mléka), UHT záhˇrev (ultra high temperature) je ohˇra´t´ı na teplotu 140–144 ◦ C po dobu 2–5 s. Homogenizac´ı se zmenˇs´ı pr˚ umˇer emulgovan´ ych tukov´ ych kapének a vytvoˇr´ı se stabilnˇejˇs´ı emulze. Mléko by se mˇelo skladovat za nepˇr´ıstupu vzduchu, nebot’ dobˇre absorbuje pachy, a svˇetla, nebot’ by mohlo doch´ azet k rozkladu napˇr. riboflavinu a zhorˇsen´ı sensorick´ ych vlastnost´ı mléka. Mléko se dále zpracováv´ a na máslo, o kterém budu psát pˇr´ıˇstˇe, a dalˇs´ı mléˇcné v´ yrobky. S´ yry se z´ıskávaj´ı zpracov´ an´ım vysráˇzené mléˇcné b´ılkoviny; podle typu sráˇzen´ı se dˇel´ı na kyselé (tvarohové) s´ yry a na sladké s´ yry (sraˇzené enzymaticky). Historicky starˇs´ı je v´ yroba kysel´ ych s´ yr˚ u. Kysel´ ym sráˇzen´ım mléka (pˇr´ıdavkem bakteri´ı mléˇcného kvaˇsen´ı – streptokok˚ u, nˇekdy také mesofiln´ıch a termofiln´ıch tyˇcinek – a nˇekdy malého mnoˇzstv´ı syˇridla) se z´ıská tvaroh, kter´ y se pro v´ yrobu kysel´ ych s´ yr˚ u dále dochucuje a r˚ uznˇe upravuje. Pro v´ yrobu sladk´ ych s´ yr˚ u se pasterizované mléko sm´ıch´ a s chloridem v´ apenat´ ym (u nˇekter´ ych typ˚ u také s dusiˇcnanem draseln´ ym) a také s kulturami mikroorganism˚ u podle typu s´ yra. Vysráˇz´ı se pˇr´ıdavkem syˇridla, jehoˇz u ´ˇcinnou sloˇzkou je enzym chymosin. Vznikl´ a s´ yˇrenina, která je tvoˇrena hlavnˇe kaseinem, se d´ ale upravuje na poˇzadovan´ y obsah vody, velikost a tvar. S´ yry se poté r˚ uznˇe dlouhou dobu máˇc´ı v solné l´ azni a zraj´ı ve zrac´ıch sklep´ıch; bˇehem této doby doch´ az´ı k proteolytick´ ym, pˇr´ıpadnˇe lipolytick´ ym pochod˚ um p˚ usoben´ım pˇridan´ ych mikroorganism˚ u, pH s´ yra ponˇekud klesá a s´ yr z´ıskáv´ a typické fyzik´ aln´ı a sensorické vlastnosti. Za sensorické vlastnosti jsou zodpovˇedné hlavnˇe methylketony a kr´ atké peptidy, pˇr´ıp. aˇz jednotlivé aminokyseliny. 31



Taven´ e s´ yry se pˇripravuj´ı rozemlet´ım sladk´ ych a kysel´ ych s´ yr˚ u s tavic´ımi solemi: dˇr´ıve to byl nejˇcastˇeji citr´ at trisodn´ y nebo hydrogenfosforeˇcnan disodn´ y, kter´ y byl pozdˇeji nahrazen pˇrev´ aˇznˇe polyfosforeˇcnany a smˇes se tav´ı pˇri teplotˇe 80–85 ◦ C, horká tavenina se odlévá do ˇzádan´ ych tvar˚ u a bal´ı. ˇ Ceskou specialitou jsou proslulé olomouck´ e tvar˚ uˇ zky. Vyráb´ı se z tvarohu pˇripraveného zakys´ an´ım smˇes´ı termofiln´ıch tyˇcinek a streptokok˚ u (1:1) pˇri teplotˇe kolem 40 ◦ C. Po 3–4 hodin´ ach se tvarohovina sced´ı a lisuje v plátˇen´ ych pytl´ıch, prosol´ı a nechá 2 t´ ydny i déle zrát. Poté se rozemele a lisuje do formy tvar˚ uˇzk˚ u, které se suˇs´ı pˇri 20–24 ◦ C. Bˇehem této doby je s´ yr vystaven p˚ usoben´ı povrchov´ ych kvasinek rodu Torulopsis a Candida, které kvas´ı kyselinu mléˇcnou na CO2 a H2 O. Nakonec se tvar˚ uˇzky omyj´ı a zraj´ı p˚ usoben´ım bakterie Brevibacterium linens pˇri teplotˇe kolem 20 ◦ C, po dobu 8 dn´ı. Kysan´ e ml´ eˇ cn´ e v´ yrobky: pˇripravuj´ı se z mléka oˇsetˇreného sterilizac´ı a mlékaˇrské kultury mikroorganism˚ u, které anaerobnˇe fermentuj´ı laktosu na kyselinu mléˇcnou a pˇr´ıpadnˇe dalˇs´ı produkty. V potravináˇrské technologii se uplatˇ nuj´ı n´ asleduj´ıc´ı bakteri´ aln´ı kultury mléˇcného kysán´ı: mesofiln´ı bakterie (kysané smetany, podm´ asl´ı), termofiln´ı bakterie (jogurt, acidofiln´ı mléko) nebo bakterie mléˇcného kys´ an´ı a kvasinky (kef´ır, kumys). Kysané mléˇcné v´ yrobky jsou jednak lépe stravitelné neˇz samotné mléko a také pˇr´ıznivˇe ovlivˇ nuj´ı stˇrevn´ı mikrofl´ oru. Produkty s prodlouˇzenou trvanlivost´ı jsou oˇsetˇreny z´ ahˇrevem, ˇcasto se pˇrid´ avaj´ı stabiliz´ atory k vyv´ azán´ı uvolnˇené vody (napˇr. ˇzelatina, ˇskrob). Fermentac´ı se zpracovávaj´ı i nˇekteré vedlejˇs´ı produkty pˇri zpracov´ an´ı mléka, napˇr. podm´ asl´ı a syrov´ atka.

Pokus Zkuste si podom´ acku vyrobit nˇekter´ y z kysan´ ych mléˇcn´ ych v´ yrobk˚ u. Budete potˇrebovat sklenici vhodného objemu se ˇsroubovac´ım v´ıˇckem, kterou si vysterilizujete kr´ atk´ ym varem, nebo alespoˇ n propl´ achnut´ım vrouc´ı vodou a nech´ ate okapat na ˇcisté utˇerce. Do sklenice nalijete mléko, pˇridáte cukr (asi 1 kávovou lˇziˇcku na 200 ml mléka) a oˇcko, bakteri´ aln´ı kulturu. Zaoˇckovat m˚ uˇzete jogurt, kef´ır nebo jinou ˇzivou kulturu (asi 1 polévkovou lˇz´ıci na 200 ml mléka). Obsah sklenice dobˇre prom´ıch´ ate, v´ıˇcko nech´ ate ponˇekud nedotaˇzené (aby mohl unikat CO2 vznikaj´ıc´ı kvaˇsen´ım) a nádobu um´ıst´ıte do tepla. Doba zrán´ı v´ yrobku závis´ı na teplotˇe, pˇri 30 ◦ C jsou to asi 2 dny. Pokud neholdujete mléˇcn´ ym v´ yrobk˚ um, snad dáte pˇrednost anal´ yze dˇej˚ u prob´ıhaj´ıc´ıch pˇri tepelné u ´pravˇe masa. Vˇedˇeli byste, jaké aromatické l´ atky vznikaj´ı napˇr. pˇri peˇcen´ı? Dalˇs´ı d´ıl seri´ alu bude zamˇeˇren pr´ avˇe na sensorické vlastnosti potravin, takˇze se mysl´ım m´ ate naˇc tˇeˇsit.

32

Sudoku 1

Sudoku 2

Am, I, K, Li, N, Na, O, Se, Y

Am, C, H, I, In, Li, N, No, O

Sudoku 3 C, Es, I, In, N, O, Ra S, U

Hlavova Praha 2 Tento projekt podporuje MŠMT grantem

Recommend Documents