Masarykova univerzita

Masarykova univerzita Pˇr´ırodovˇ edeck´ a fakulta ´ Ustav chemie a NCBR

ˇ sen´ı u Reˇ ´kol˚ u 3. s´ erie 2. roˇ cn´ık (2011/2012)

ViBuCh – Vzdˇel´ avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky

ˇreˇsen´ı u ´kol˚ u 3. s´erie (2. roˇcn´ık)

B3 Sol-gelov´ e procesy Autor:

Zenˇek Moravec (e-mail: [email protected])

15 bod˚ u

ˇ sen´ı u 1. Reˇ ´kol˚ u: (a) Fyzik´ aln´ı procesy jsou urˇceny teplotou, napˇr´ıklad t´an´ı. Naproti tomu chemick´a reakce probˇehne v okamˇziku, kdy syst´emu dod´ ame potˇrebn´e mnoˇzstv´ı energie, to znamen´a, ˇze pˇri vyˇsˇs´ı rychlosti ohˇrevu (dod´ av´ ame v´ıce energie za jednotku ˇcasu) probˇehnou reakce dˇr´ıve neˇz pˇri pomalejˇs´ım ohˇrevu. ˇ sen´ı: (b) Reˇ CuSO4.5H2O

CuSO4

-H2O

-SO3

CuSO4.CuO

CuO -SO3

ˇ sen´ı: (c) Reˇ M (CuSO4 ·5H2 O) = 249,68 g mol−1 M (CuSO4 ) = 159,60 g mol−1 M (CuSO4 ·CuO) = 239,15 g mol−1 M (CuO) = 79,55 g mol−1 w1 =

w2 =

159,60 g mol−1 × 100% = 64% 249,68 g mol−1

239,15 g mol−1 × 100% = 48% 2 × 249,68 g mol−1

w3 =

79,55 g mol−1 × 100% = 32% 249,68 g mol−1

Hmotnostn´ı zlomek pro prvn´ı a tˇret´ı dˇej odpov´ıdaj´ı TG kˇrivce. U druh´eho dˇeje shoda nen´ı, protoˇze se nerozloˇz´ı oˇcek´ avan´ ych 50 % s´ıranu mˇed’nat´eho, ale vˇetˇs´ı pod´ıl. ˇ sen´ı u 2. Reˇ ´kol˚ u: (a) Pˇri niˇzˇs´ı teplotˇe se molekuly plynu pohybuj´ı pomaleji a je vˇetˇs´ı pravdˇepodobnost, ˇze po dopadu na povrch z˚ ustanou zachyceny. Pˇri teplotˇe varu plynu doch´az´ı v p´orech ke kapil´arn´ı kondenzaci. (b) Slab´e, nevazebn´e interakce. Vznikaj´ı v nepol´arn´ıch molekul´ach, kter´e nemaj´ı permanentn´ı dip´ ol. Van der Waalsovy s´ıly vyuˇz´ıvaj´ı napˇr. Gekoni, aby mohly ˇsplhat po svisl´ ych, hladk´ ych ploch´ ach. (c) Interakce mezi vzorkem a plynem je zpravidla silnˇejˇs´ı neˇz mezi dvˇema vrstvami plynu (pro fyzisorpci se vyuˇz´ıvaj´ı inertn´ı plyny). Proto je i pravdˇepodobnˇejˇs´ı, ˇze se plyn bude v´azat nejprve na povrch vzorku a aˇz ten bude zaplnˇen, tak dojde k tvorbˇe druh´e vrstvy. (d) Jde o rovnov´ aˇzn´ y dˇej (adsorpce-desorpce), pˇri niˇzˇs´ı teplotˇe se rovnov´aha posouv´a smˇerem k adsorpci. ˇ sen´ı u 3. Reˇ ´kol˚ u: (a) Katalyz´ atory jsou l´ atky, kter´e do reakce vstoup´ı, zmˇen´ı reakˇcn´ı mechanismus a na konci reakce vystoup´ı nezmˇenˇeny. V´ ysledkem jejich p˚ usoben´ı je zmˇena kinetiky reakce. Homogenn´ı katalyz´ atory jsou ve stejn´e f´azi jako reaktanty. Heterogenn´ı naopak existuj´ı v jin´e f´ azi neˇz reaktanty – nejˇcastˇeji jsou pevn´e a reaktanty jsou kapaln´e nebo plynn´e. Ke katal´ yze pak doch´ az´ı na f´ azov´em rozhran´ı. (b) Protoˇze katal´ yza prob´ıh´ a na porchu a v p´orech katalyz´atoru. Aby ke katal´ yze mohlo doj´ıt, mus´ı p´ ory velikost´ı a tvarem vyhovovat reaktant˚ um a reakˇcn´ım meziprodukt˚ um. Jelikoˇz heterogenn´ı katalyz´ atory ˇcasto pracuj´ı za vysok´e teploty, je nutn´e zn´at jejich chov´ an´ı pˇri zahˇr´ıv´ an´ı. (c) Nejprve dojde k nav´ az´ an´ı oxidu siˇriˇcit´eho na povrch katalyz´atoru a tvorbu komplexu. V dalˇs´ım kroku dojde k redukci V2O5 a uvolnˇen´ı SO3. Vznikl´a vakance na povrchu je okamˇzitˇe zaplnˇena kysl´ıkem z atmosf´ery. 2

ViBuCh – Vzdˇel´ avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky

ˇreˇsen´ı u ´kol˚ u 3. s´erie (2. roˇcn´ık)

ˇ sen´ı u 4. Reˇ ´kol˚ u: (a) Supravodiˇce jsou materi´ aly, kter´e za vhodn´ ych podm´ınek nevykazuj´ı ohmick´ y odpor, tzn. ˇze dok´ aˇz´ı v´est elektrick´ y proud beze ztr´at. Do skupiny supravodiˇcu ´ 1. typu patˇr´ı kovy a polokovy, kter´e jsou vodiv´e za norm´ aln´ı teploty. Vyˇzaduj´ı ochlazen´ı na velmi n´ızkou teplotu, aby se utlumily molekul´ arn´ı vibrace na u ´roveˇ n umoˇzn ˇuj´ıc´ı nepˇreruˇsovan´e proudˇen´ı elektron˚ u, coˇz je podm´ınka supravodivosti dan´a BCS teori´ı. Supravodiˇce 1. typu se nˇekdy naz´ yvaj´ı jako mˇekk´e supravodiˇce. Tyto l´ atky byly zkoum´any jako prvn´ı, a vyˇzaduj´ı nejniˇzˇs´ı teploty pro vznik supravodivosti. Vykazuj´ı velmi ostr´ y pˇrechod do supravodiv´eho stavu a tak´e perfektn´ı diamagnetismus (Meissner-Ochsenfeld˚ uv efekt). Mezi supravodiˇce 2. typu patˇr´ı slouˇceniny kov˚ u a slitiny. Patˇr´ı sem napˇr. dnes nejnadˇejnˇejˇs´ı supravodiˇce, kter´e maj´ı strukturu perovskitu. Maj´ı vyˇsˇs´ı Tc neˇz supravodiˇce 1. typu. Supravodiˇce 2. typu – oznaˇcovan´e jako tvrd´e supravodiˇce – se od 1. typu odliˇsuj´ı t´ım, ˇze pˇrechod z norm´aln´ıho do supravodiv´eho stavu prob´ıh´ a pˇres tzv. pˇrechodov´ y stav. Tak´e je u nich moˇzn´e pronik´ an´ı extern´ıho magnetick´eho pole povrchem. To zapˇr´ıˇcinilo vznik nov´ ych pojm˚ u jako supravodiv´e struny (linky) a toky v´ır˚ u v mˇr´ıˇzkou. (b) YBCO je zkratka pro velmi nadˇejnou skupinu supravodiv´ ych materi´al˚ u zaloˇzen´ ych na smˇesn´em oxidu YBa2 Cu3 O7 , kter´ y m´ a strukturu perovskitu. 4 BaCO3 + Y2 (CO3 )3 + 6 CuCO3 + 1/2 O2 −→ 2 YBa2 Cu3 O7 + 13 CO2 Vlastnosti tˇechto materi´ al˚ u – kritick´a teplota, kritick´e pole, atd. – jsou silnˇe ovlivnˇeny stechiometri´ı, kter´ a se ˇcasto odchyluje od ide´aln´ıho sloˇzen´ı. Sol-gelov´e synt´ezy umoˇzn ˇuj´ı z´ıskat, d´ıky homogenn´ımu v´ ychoz´ımu stavu, produkt o ˇz´adan´e stechiometrii. ˇ sen´ı u 5. Reˇ ´kol˚ u: ˇ sen´ı: (a) Reˇ Hydroxylapatit – Ca10 (PO4 )6 (OH)2 Fluoroapatit – Ca5 (PO4 )3 F Chloroapatit – Ca5 (PO4 )3 Cl Karbon´ atohydroxylapatit – Ca5 (PO4 ,CO3 )3 (OH) Karbon´ atfluorapatit – Ca5 (PO4 ,CO3 )3 F Stronciumapatit – (Sr,Ca)5 (PO4 )3 (F,OH) (b) Alergick´ a reakce organismu na ciz´ı pˇredmˇet, kter´a m˚ uˇze v´est aˇz k odm´ıtnut´ı implant´atu organismem. M˚ uˇze se projevit i nˇekolik mˇes´ıc˚ u po implantaci, pacient zpravidla pocit’uje bolest. Implant´ at je nutn´e vyjmout a nahradit jin´ ym. Dalˇs´ı moˇznou negativn´ı reakc´ı organismu na ciz´ı implant´ at je vznik z´ anˇetliv´ ych loˇzisek zp˚ usoben´ y pˇr´ıtomnost´ı mikroskopick´ ych ˇc´astic na povrchu pˇredmˇetu. (c) Nejsnadnˇejˇs´ım a nej´ uˇcinnˇejˇs´ım zp˚ usobem je vyuˇzit´ı kovov´ ych materi´al˚ u jako j´adra implant´atu, kter´ y nepˇrijde s imunitn´ım syst´em do styku a na povrch tohoto j´adra se nˇekterou z dˇr´ıve zm´ınˇen´ ych metod nanese biokompatibiln´ı povlak (keramika na b´azi Ca(PO4 )3 ).

3

ViBuCh – Vzdˇel´ avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky

ˇreˇsen´ı u ´kol˚ u 3. s´erie (2. roˇcn´ık)

C2 Spinov´ a alchymie ˇıdek (email: [email protected]) Autor: Luk´ aˇs Z´

15 bod˚ u

1. 2818 Hz (2 body) 2. ±976 Hz (1 bod) 3. ±1836 Hz, ±1016 Hz (2 body) 4. 1836 Hz, 1016 Hz (1 bod) 5. 0,16 nm (1 bod) 6. 5 bod˚ u: Frekvence vod´ıku α / ppm 3.57 3.63 3.74 3.80 3.93 3.96 4.00 4.03 4.06 4.10 4.15 4.20 4.23 4.26 4.30 4.35 4.39 4.45 4.60 4.65 4.70 4.74 4.83 4.92 5.18

Aminokyselina K 12 Q 19 L 15 G3 V 21 R 17 R7 R 20 V 10 A 14 S 13 G3 S 16 K 23 H 18 E6 C2 L4 N 24 K1 F9 H 22 E 11 C5 S8

Frekvence vod´ıku v peptidov´e vazbˇe / ppm 7.40 7.44 7.49 7.55 7.62 7.72 7.77 7.81 7.85 7.91 8.03 8.29 8.37 8.47 8.55 8.61 8.65 8.70 8.78 8.95 8.99 9.06 9.19 9.30

7. E11–H22 (1 bod)

4

Aminokyselina R 20 L 15 H 22 A 14 H 18 C5 V 21 R 17 K 23 E 11 S8 Q 19 S 16 R7 N 24 E6 F9 K1 K 12 V 10 S 13 C2 G3 L4

ViBuCh – Vzdˇel´ avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky

ˇreˇsen´ı u ´kol˚ u 3. s´erie (2. roˇcn´ık)

D2 – Organick´ a synt´ eza – l´ eˇ civa, biologicky aktivn´ı l´ atky Autor:

Kamil Paruch (e-mail: [email protected])

12 bod˚ u

1. Protonov´e NMR spektrum obsahuje ˇsest sign´al˚ u. Tˇri sign´aly furanov´eho kruhu pˇri transformaci (1 na 2) nedoznaly vˇetˇs´ıch zmˇen a pro identifikaci produktu nejsou v´ yznamn´e. Zbyl´e sign´aly jsou pops´ any v tabulce. Multiplicita methylov´ e skupiny byla chybnˇ e uvedena jako singlet. Za tuto chybu se omlouv´ ame. (3 b.) chemick´ y posun (ppm) 1,56 4,05 cca 11

multiplicita sign´alu dublet kvartet singlet

1. n-BuLi; THF CH3I; -78 °C do 25 °C

CN

LiALH4 Et2O; 0 °C

O OH

2. KOH; CH3OH-H2O reflux

O

poˇcet atom˚ uH 3 1 1

O

OH O

CH3 2

1

CH3 4 PCC; CH2Cl2 25 °C H O O CH3 5

2. Nedalo, voda s butyllithiem prudce reaguje za rozkladu (1 b.). 3. Viz pˇredeˇsl´e sch´ema (1 b.). 4. Produkt viz pˇredeˇsl´e sch´ema, m´ısto PCC napˇr. TPAP/NMO, Swernova oxidace, PDC, Dess-Martinovo ˇcinidlo a dalˇs´ı (2 b.). 5. Viz sch´ema (1 b.): O H3C CH3

OH

O

H3C CH3 SOCl2 nebo jiné (PCl5)

O 8

6

1. H3C Cl

OEt

H3C CH3

OEt

LDA 2. H+

O

O 9

H3C CH3 OH O 10

6. Viz sch´ema (3 b.). 7. Keto-enol tautomerie (1 b.)

5

OEt

ViBuCh – Vzdˇel´ avac´ı ikurz pro budouc´ı chemiky

ˇreˇsen´ı u ´kol˚ u 3. s´erie (2. roˇcn´ık)

Y – Doplˇ nkov´ au ´ loha: Ropa Autor:

Jarom´ır Liter´ ak (e-mail: [email protected])

10 bod˚ u

1. Vhodn´ ym krit´eriem pro rozliˇsen´ı obnoviteln´ ych a neobnoviteln´ ych zdroj˚ u m˚ uˇze b´ yt ˇcas potˇrebn´ y k obnovˇe zdroje. Pokud je srovnateln´ y nebo kratˇs´ı neˇz je d´elka lidsk´eho ˇzivota, m˚ uˇzeme hovoˇrit o obnoviteln´em zdroji (1 b.). 2. Ropa m´ a vedle vysok´eho obsahu energie nˇekolik dalˇs´ıch pˇrednost´ı. Je to na jedn´e stranˇe relativn´ı snadnost jej´ıho z´ısk´ av´ an´ı (vyj´ adˇren´ a jak jej´ı EroEI, tak n´ızkou cenou), na druh´e stranˇe jej´ı kapaln´e skupenstv´ı, kter´e z ropy a l´ atek z n´ı odvozen´ ych ˇcin´ı ide´aln´ı palivo pro dopravu (snadno se s nimi manipuluje, konstrukce motoru je relativnˇe jednoduch´a). Tˇeˇzko si pˇredstavit letadlo poh´anˇen´e ˇcern´ ym uhl´ım, osobn´ı automobil vyuˇz´ıvaj´ıc´ı uhl´ı by byl mysliteln´ y, ale urˇcitˇe by byl n´aroˇcnˇejˇs´ı na obsluhu au ´drˇzbu ve srovn´ an´ı se souˇcasn´ ymi automobily. Zemn´ı plyn jako palivo v dopravˇe by vyˇzadoval sloˇzitˇejˇs´ı technologie (doprava, skladov´an´ı, distribuce, samotn´ y pohon) (1 b.). ˇ 3. Uv´ ad´ı se, ˇze ropn´ y zlom v Ceskoslovensku nastal v roce 1953 (0,5 b.). 4. Jedn´ a se o ropn´e pole Ghawar. Pole se nach´az´ı v druh´e f´azi tˇeˇzby, kdy je potˇreba jednoduch´ ymi technikami zvyˇsovat tlak na ropu – jedn´a se pˇredevˇs´ım o injekt´aˇz vody nebo plynu. Ve tˇret´ı f´ azi pˇrich´ az´ı na ˇradu pouˇzit´ı speci´ aln´ıch technik, napˇr. vh´anˇen´ı rozpouˇstˇedel nebo l´atek, kter´e mobilizuj´ı uhlovod´ıky (1,5 b.). 5. M˚ uˇze se jednat o kombinaci n´ astupu nov´ ych technologi´ı tˇeˇzby, umoˇzn ˇuj´ıc´ıch vytˇeˇzit v´ıce ropy ze st´ avaj´ıc´ıch vrt˚ u, objevov´ an´ı a tˇeˇzba nov´ ych loˇzisek (hlubokomoˇrsk´e dno) a pˇredevˇs´ım pokles spotˇreby ropy v 70. letech 20. stolet´ı v d˚ usledk˚ u ropn´eho embarga st´at˚ u OPEC (1 b.). 6. Pˇr´ıklad zcela nerealisticky pˇredpokl´ ad´a, ˇze ˇclovˇek je schopen delˇs´ı dobu pod´avat v´ ykon 100 W a jeˇstˇe to dˇelat za odmˇenu 100 Kˇc·h−1 . Aby ˇclovˇek takto vykonal pr´aci 1 kWh, musel by pracovat 10 hodin. Mzda ˇclovˇeka (a cena lidsk´e pr´ace) je tud´ıˇz 10 h × 100 Kˇc·h−1 = 1.000 Kˇ c. (1 b.) 1 kWh = 1.000 × 1 J · s−1 × 3600 s = 3, 6 MJ Pro z´ısk´ an´ı t´eto energie potˇrebujeme sp´alit n´asleduj´ıc´ı mnoˇzstv´ı benz´ınu: m=

3, 6 MJ = 0, 1125 kg = 112, 5 g 32 MJ · kg−1

Pˇredpokl´ adejme, ˇze hustota benz´ınu je 0,7 g · cm−3 . V =

112, 5 g . = 160 cm−3 = 0, 16 dm−3 0, 7 g · cm−3

Cena tohoto mnoˇzstv´ı benz´ınu pak je 0,16 dm−3 × 36 Kˇc·dm−3 = 5,8 Kˇ c (1 b.) Autorovi dod´ av´ a do dom´ acnosti elektˇrinu E.ON, cena 1 kWh ˇcin´ı po zapoˇcten´ı vˇsech souvisej´ıc´ıch poplatk˚ u 4,59 Kˇ c. (1 b.) 7. Bˇeˇzn´e fotovoltaick´e panely maj´ı u ´ˇcinnost pˇremˇeny svˇetla na elektrickou energii kolem 10 %. Vyˇsˇs´ı u ´ˇcinnost obvykle maj´ı fotovoltaick´e panely pro speci´aln´ı aplikace (sol´arn´ı panely druˇzic), kter´e jsou tak´e v´ yraznˇe draˇzˇs´ı. Plocha, kterou by panely musely zauj´ımat, aby poskytovaly v´ ykon 10 kW je: S =

10.000 W = 2.000 m2 (1 b.) 50 W · m−2 × 0, 1

Pro rostliny s u ´ˇcinnost´ı z´ achytu svˇeteln´e energie 0,5 %: S =

10.000 W = 40.000 m2 (1 b.) 50 W · m−2 × 0, 005

6