SLOVENSKÁ KOMISIA CHEMICKEJ OLYMPIÁDY CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. 50. ročník, školský rok 2013/2014. Kategória EF. Školské kolo TEORETICKÉ A PRAKTICKÉ ÚLOHY

Transcript

1 SLOVENSKÁ KOMISIA CHEMICKEJ OLYMPIÁDY CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 50. ročník, školský rok 2013/2014 Kategória EF Školské kolo TEORETICKÉ A PRAKTICKÉ ÚLOHY

2 ÚLOHY ZO VŠEOBECNEJ A FYZIKÁLNEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória EF 50. ročník školský rok 2013/2014 Školské kolo Iveta Ondrejkovičová, Stanislav Kedžuch Maximálne 15 bodov (b) Doba riešenia: 80 minút 1 (9,5 b) (JUNIOR, SENIOR) Málorozpustný fosforečnan trivápenátý sa kvantitatívne vyzrážal z vodného roztoku dusičnanu vápenatého pridaním stechiometrického množstva vodného roztoku kyseliny trihydrogenfosforečnej (rovnica 1). Po odfiltrovaní zrazeniny sa získal roztok kyseliny dusičnej. Roztok dusičnanu vápenatého sa pripravil rozpustením 5,23 g tetrahydrátu dusičnanu vápenatého v 125,00 cm 3 vody. Roztok kyseliny trihydrogenfosforečnej sa pripravil zriedením potrebného množstva 70,0 % roztoku kyseliny trihydrogenfosforečnej vodou na objem 14,5 cm 3. I. Napíšte rovnicu 1 v stavovom stave. II. Vypočítajte: a) hmotnosť vzniknutého fosforečnanu trivápenatého, b) hmotnostný zlomok dusičnanu vápenatého v pripravenom roztoku, c) koncentráciu kyseliny trihydrogenfosforečnej v pripravenom roztoku, d) hmotnostný zlomok kyseliny dusičnej v roztoku získanom po odfiltrovaní zrazeniny. Predpokladáme, že hustota pripraveného roztoku kyseliny trihydrogenfosforečnej je približne 1,00 g cm (5,5 b) (JUNIOR, SENIOR) Roztok kyseliny chloristej sa pripravil zmiešaním 50,0 cm 3 roztoku kyseliny chloristej s ph = 3,35 so 75,0 cm 3 roztoku kyseliny chloristej s ph = 1,22. Vypočítajte: a) látkovú koncentráciu pripraveného roztoku kyseliny chloristej, b) ph pripraveného roztoku kyseliny chloristej.

3 3 (8 b) (SENIOR) V kyseline sa rozpustilo 10 g kovu. Vzniknutý roztok sa elektrolyzoval prúdom 0,50 A po dobu 40 minút, čím sa hmotnosť katódy zväčšila o 406,57 mg. a) Výpočtom určte neznámy kov. b) Vypočítajte objem plynu za normálnych podmienok, ktorý vznikol pri rozpúšťaní kovu v kyseline. 4 (7 b) (SENIOR) Úplnou elektrolýzou 23,38 g neznámeho halogenidu NaX rozpusteného vo vode vzniklo 4,48 litrov plynu za normálnych podmienok. Výpočtom určte neznámy halogenid.

4 ÚLOHY Z ORGANICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória EF- 50. ročník školský rok 2013/2014 Školské kolo Viera Mazíková Maximálne 10 bodov Doba riešenia: 30 min 1 (5b) K najdôležitejším skupinám antibiotík patrí skupina penicilínov a cefalosporínov, ktorých základná štruktúra je odvodená od valínu - esenciálnej a cysteínu neesenciálnej aminokyseliny. Napíšte ich vzorce a deskriptorom označte formu, v ktorej sa nachádzajú v bielkovinách. Ktoré funkčné skupiny vždy obsahujú aminokyseliny a ktorú má naviac cysteín? 2 (5b) Napíšte jednu z reakcií prípravy ďalšieho zo syntetických antibiotík cykloserínu. Syntéza začína modifikáciou metylesteru serínu s chloridom fosforečným za vzniku hydrochloridu metylesteru 2-amino-3-chlórpropiónovej kyseliny. Označte typ reakcie.

5 Odpoveďový hárok pre školské kolo z organickej chémie Škola: Meno súťažiaceho: Celkový počet pridelených bodov: b pbx0,5 Podpis hodnotiteľa: 1 Valín : pb Cysteín: pb Deskriptor, forma: pb Funkčné skupiny aminokyselín: pb 2 Cysteín obsahuje naviac funkčnú skupinu: Reakcia: pb pb Typ reakcie: pb

6 ÚLOHY Z CHÉMIE PRÍRODNÝCH LÁTOK A BIOCHÉMIE I. a II. Chemická olympiáda kategória EF 50. ročník školský rok 2013/2014 Školské kolo Miloslav Melník Maximálne 15 bodov Doba riešenia: 60 minút 1 (7,5 b) (JUNIOR) Glukóza je základným sacharidom ľudského organizmu a jej koncentrácia v krvi sa udržuje hormonálne stála hladina glukózy v krvi sa označuje ako glykémia. O- chorenie cukrovka (diabetes mellitus)je sprevádzané vysokou hladinou glukózy v krvi (hyperglykémia) a v moči (glykozúria). Na určenie prítomnosti glukózy v moči sa využíva napr. reakcia s Fehlingovým činidlo alebo testovacie prúžky. 1.1 Fehlingovo činidlo obsahuje štyri základné chemické látky. Aký je názov hlavnej (účinnej) zložky činidla? Napíšte názvy ostatných zložiek činidla. 1.2 Aká chemická vlastnosť glukózy sa využíva pri reakcii s Fehlingovým činidlom? 1.3 Aký bude výsledok reakcie s činidlom v prípade výskytu glukózy v moči? Testovacie prúžky na zistenie prítomnosti glukózy v moči využívajú enzýmové reakcie. D-Glukóza (látka A) sa oxiduje enzýmom glukózaoxidázou na látku B a peroxid vodíka. Ďalší enzým využije peroxid na oxidáciu vhodnej bezfarebnej látky za vzniku farebného produktu (dôjde k zmene farby pásika zo žltej na modrozelenú; tieto reakcie sa využívajú aj na stanovenie glukózy v krvi). 1.4 Napíšte Fischerove vzorce látok A a B a názov látky B (látka B patrí všeobecne medzi aldónové kyseliny, používa sa ako okysľujúca látka (E574) a jej železnatá soľ sa podáva pri nedostatku Fe). 2 (7,5 b) (JUNIOR, SENIOR)

7 Tagatóza je monosacharid (ketohexóza), ktorý sa prirodzene vyskytuje v malom množstve v mliečnych výrobkoch. Sladkosť D-tagatózy je porovnateľná so sladkosťou sacharózy, ale poskytuje podstatne menej energie. Na rozdiel od sacharózy nepodporuje vznik zubných kazov, vykazuje prebiotické účinky a nezvyšuje hladinu cukru v krvi. Z toho dôvodu sa používa ako u- melé sladilo vhodné pre diabetikov. 2.1 Koľko ďalších stereoizomérov D-radu (okrem D-tagatózy a anomérov) vytvárajú 2-ketohexózy? Napíšte ich Fischerove vzorce. 2.2 Jeden z napísaných vzorcov patrí ketohexóze, ktorá nemôže byť epimérom D-tagatózy. Označte príslušný vzorec písmenom X. HO HO H 2 C C CH CH HC OH O OH H 2 C OH D-tagatóza Xylóza (aldopentóza) je hlavným stavebným kameňom polysacharidov hemicelulóz, ktoré môžu tvoriť až 30 % hmoty niektorých rastlín (napr. breza). Prvýkrát bola xylóza izolovaná z dreva, podľa ktorého dostala aj názov (ako xylém sa označuje drevný cievny zväzok rastlín, čiže drevo). 2.3 Roztokom D-xylózy s koncentráciou 3,00 g / 50,0 cm 3 bola naplnená polarimetrická trubica s dĺžkou 19,0 cm a odmeral sa jeho uhol otočenia. Vypočítajte hodnotu špecifickej otáčavosti za daných podmienok, ak uhol otočenia mal hodnotu +2,14. V dôsledku mutarotácie sa časom mení uhol otočenia čerstvých roztokov sacharidov, pričom sa ustáli rovnováha medzi α-anomérom a β-anomérom. 2.4 Špecifická otáčavosť čistej α-d-manózy má hodnotu +29,3, čistej β-d-manózy -16,3. Roztok D-manózy (po dostatočne dlhej dobe; rovnovážna zmes α/βanoméru) obsahuje 67,5 % α-d-manózy. Vypočítajte hodnotu špecifickej otáčavosti roztoku D-manózy v dôsledku mutarotácie. 3 (7,5 b) (SENIOR) Pohár kravského mlieka (cca 250 cm 3 ) obsahuje celkovo 12 g laktózy. 3.1 Koľko molov ATP môže teoreticky poskytnúť úplná aeróbna oxidácia uvedeného množstva laktózy za predpokladu, že oxidácia galaktózy poskytuje rovnaké množstvo ATP ako oxidácia glukózy.

8 M r (laktóza) = 342,3 Pri trávení potravy s obsahom sacharidov sa zvyšuje hladina glukózy v krvi. Vplyvom inzulínu sa zrýchli prestup glukózy z krvi do buniek, pričom pri vstupe do bunky dôjde k fosforylácii glukózy. 3.2 Ako sa nazýva produkt fosforylácie glukózy, ktorý zahajuje sled reakcií glykolýzy? 3.3 Aký význam má táto reakcia (fosforylácia glukózy) z hľadiska glykolýzy? Vyššie spomenutá fosforylácia glukózy predstavuje z termodynamického hľadiska nevratnú reakciu. 3.4 Koľko ďalších reakcií glykolýzy (po pyruvát) považujeme za nevratné? 3.5 Jedna z nevratných reakcií umožňuje prepojiť glukoneogenézu s citrátovým cyklom. Napíšte názov a vzorec východiskového substrátu a názov konečného produktu uvedenej nevratnej reakcie (v smere glukoneogenézy).

9 ÚLOHY Z PRAXE Chemická olympiáda kategória E,F 50. ročník školský rok 2013/14 Školské kolo Elena Kulichová Maximálne 52 zo 60 bodov Doba riešenia: 270 minút Úvod Glukóza je monosacharid, ktorý má v prírode mimoriadny význam. Okrem toho, že je sprostredkovateľom využitia energie slnečného žiarenia pre rastlinnú ríšu, je glukóza životne dôležitá aj pre živočíchy a pre človeka. Prípady, kedy potrebujeme stanoviť jej koncentráciu, sú preto rôznorodé a aj paleta analytických metód je mimoriadne rozsiahla. V školskom kole si precvičíme ďalšiu odmernú metódu - stanovenie glukózy podľa Bertranda. Stanovíme jej obsah v infúznych roztokoch, ktoré sa používajú na priamu intravenóznu aplikáciu, alebo ako riediaci roztok pre niektoré liečivá. Intravenózne podaná glukóza slúži na krytie energetických potrieb organizmu pri pooperačných stavoch, šoku, intoxikácii organizmu, ochoreniach pečene a pod. Princíp stanovenia Bertrandova metóda je postup založený opäť na schopnosti glukózy redukovať meďnaté katióny zo zmesi Fehlingových roztokov. Reakciu možno zapísať zjednodušene: R - C O H + 2 CuSO NaOH Cu 2 O + R - C O ONa + 2 Na 2SO H 2O Získaná zrazenina oxidu meďného sa rozpustí v nadbytku železitej soli, z ktorej časť redukuje na soľ železnatú: Cu 2 O + Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 SO 4 2 CuSO FeSO 4 + H 2 O Látkové množstvo železnatých iónov sa stanoví manganometricky:

10 10 FeSO KMnO H 2 SO 4 2 MnSO Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO H 2 O Pri spracovaní výsledkov sa potom vychádza z hmotnosti meďnatých iónov, ktoré sa účinkom glukózy redukovali, alebo z hmotnosti vylúčeného Cu 2 O a podľa tabuliek sa priradí hmotnosť glukózy. 1 Príprava roztokov 1.1 Vypočítajte hmotnosť dihydrátu kyseliny šťaveľovej, ktorá je potrebná na prípravu 100 cm 3 štandardného roztoku kyseliny s koncentráciou blízkou c=0,05 mol dm -3. Štandardnú látku odvážte, roztok pripravte a vypočítajte jeho presnú koncentráciu. 1.2 Vypočítajte objem zásobného roztoku KMnO 4 s koncentráciou c = 0,05 mol dm -3, ktorý potrebujete na prípravu 250 cm 3 odmerného roztoku s koncentráciou blízkou c = 0,01 mol dm -3. Roztok pripravte a dôkladne zhomogenizujte. 1.3 V kadičke pripravte nasýtený roztok síranu železitého v kyseline sírovej podľa nasledujúceho postupu: do 200 cm 3 kyseliny (c = 3 mol dm -3 ) vsypte opatrne a za stáleho miešania 10 g nonahydrátu síranu železitého. Zmes nechajte stáť približne 60 minút, potom nerozpustený podiel oddeľte pomocou filtrácie pri atmosférickom tlaku. Vzhľadom na povahu roztoku je vhodné použiť sklený filtračný téglik (nuč). 1.4 K dispozícii sú nasledujúce roztoky: Fehlingove roztoky I a II, roztok kyseliny sírovej s koncentráciou c = 3 mol dm -3 a roztok KMnO 4 s koncentráciou blízkou c = 0,05 mol dm Stanovenie presnej koncentrácie odmerného roztoku manganistanu draselného 2.1 Vykonajte titráciu štandardného roztoku kyseliny šťaveľovej odmerným roztokom manganistanu draselného podľa nasledujúceho postupu: - do titračnej banky pipetujte 10 cm 3 roztoku kyseliny šťaveľovej a 10 cm 3 demi-neralizovanej vody - roztok ohrejte na 80 až 90 C, - pridajte 3 cm 3 roztoku kyseliny sírovej s koncentráciou c = 3 mol dm -3

11 - horúcu zmes titrujte odmerným roztokom KMnO 4 do ružového sfarbenia, ktoré je stále aspoň 30 sekúnd. 2.2 Vykonajte potrebný počet paralelných stanovení. Namerané hodnoty zaznačte do odpoveďového hárku a vypočítajte presnú koncentráciu odmerného roztoku. 3 Úprava vzorky 3.1 Z roztoku Infusio glucosi odoberte 10 cm 3 a pripravte 200 cm 3 zásobného roztoku vzorky. 4 Stanovenie sacharózy podľa Bertranda 4.1 Do vysokej kadičky s objemom 200 cm 3 pridajte postupne 15 cm 3 roztoku Fehling I a 15 cm 3 roztoku Fehling II. Roztok uveďte do varu. 4.2 Do vriaceho roztoku pridajte 10 cm 3 zásobného roztoku vzorky. Mierny var udržujte presne 2 minúty, potom ho ukončite pridaním 50 cm 3 demineralizovanej vody. Kadičku ochlaďte na laboratórnu teplotu vo vodnom chladiacom kúpeli. 4.3 Zostavte jednoduchú filtračnú aparatúru. Z filtračného papiera s bielou páskou zložte hladký filter. 4.4 Reakčnú zmes prefiltrujte a premyte niekoľkokrát horúcou demineralizovanou vodou. Dbajte, aby zrazenina oxidu meďného nebola vystavená oxidačnému pôsobeniu vzduchu. 4.5 Zrazeninu Cu 2 O kvantitatívne rozpusťte v roztoku síranu železitého. Do titračnej banky nalejte 40 cm 3 roztoku, ktorý ste si pripravili v úlohe 1.3. Roztok zahrejte takmer do varu a vložte do neho filter so zrazeninou. 4.6 Po rozpustení zrazeniny titrujte reakčnú zmes do ružového sfarbenia, ktoré je stále 10 s. Vykonajte paralelné stanovenie. 4.7 Podľa postupu v bodoch 4.1 až 4.6 vykonajte slepý pokus, pri ktorom 10 cm 3 vzorky nahradíte 10 cm 3 demineralizovanej vody. Výsledky zapíšte do odpoveďového hárku. 4.8 Vypočítajte hmotnosť meďnatých iónov (m Cu ), ktoré sa účinkom glukózy redukovali.

12 4.9 Podľa tabuľky priraďte k vypočítanej hodnote m Cu hmotnosť glukózy v analyzovanom podiele roztoku vzorky. Vypočítajte hmotnostnú koncentráciu glukózy v Infusio glucosi a udajte ju v g dm -3. Empirická Bertrandova tabuľka na stanovenie hmotnosti glukózy: m Cu mg Hmotnosť glukózy, mg m Cu mg Hmotnosť glukózy, mg m Cu mg Hmotnosť glukózy, mg 40,0 20,7 48,8 25,3 57,7 30,0 40,8 21,1 49,7 25,8 58,6 30,4 41,7 21,6 50,6 26,2 59,5 30,9 42,6 22,1 51,5 26,7 60,4 31,4 43,5 22,5 52,4 27,2 61,3 31,8 44,4 23,0 53,3 27,6 62,2 32,3 45,3 23,5 54,2 28,1 63,0 32,7 46,2 23,9 55,1 28,6 63,9 33,1 47,1 24,4 55,9 29,0 64,8 33,6 48,0 24,9 56,8 29,5 65,7 34,1 5 Refraktometrické stanovenie glukózy. 5.1 Pripravte zásobný roztok glukózy na refraktometrické stanovenie. S analytickou presnosťou odvážte 10,0 g čistej glukózy, rozpusťte ho v demineralizovanej vode a doplňte na objem 100 cm 3 (c m = 10,0 g/100cm 3 ). 5.2 Do odmerných baniek s objemom 10 cm 3 pipetujte postupne 2, 4, 6 a 8 cm 3 zásobného roztoku glukózy. Roztoky doplňte destilovanou vodou a zhomogenizujte. Vypočítajte hmotnostnú koncentráciu glukózy v pripravených roztokoch. 5.3 Odmerajte index lomu vody, zásobného roztoku glukózy a roztokov pripravených v úlohe 5.2. Každé meranie opakujte trikrát. Hodnoty zapíšte do odpoveďového hárku. 5.4 Na milimetrový papier priložený v odpoveďovom hárku zostrojte kalibračnú čiaru pre stanovenie glukózy. 5.5 Odmerajte index lomu Infusio glucosi. Pomocou kalibračnej krivky stanovte hmotnostnú koncentráciu glukózy v roztoku. 5.6 Porovnajte výsledok titračného a refraktometrického stanovenia glukózy.

13 Pri výpočtoch použite nasledujúce hodnoty mólových hmotností: M (H 2 C 2 O 4. 2 H 2 O) = 126,07 g mol -1 M (Cu) = 63,54 g mol -1 Odpoveďový hárok z analytickej PRAXE I. časť Škola: Meno súťažiaceho: Celkový počet pridelených bodov: Podpis hodnotiteľa: Výpočet hmotnosti H 2 C 2 O 4 na prípravu štandardného roztoku: 1.1 Hmotnosť dihydrátu kyseliny šťaveľovej skutočne použitá na prípravu štandardného roztoku: m ST1 = Výpočet presne koncentrácie štandardného roztoku: Výpočet objemu zásobného roztoku KMnO 4 na prípravu odmerného roztoku: Spotreba odmerného roztoku na štandardizáciu: Výpočet priemeru: Rovnica štandardizácie:

14 Výpočet presnej koncentrácie odmerného roztoku : Spotreba odmerného roztoku na stanovenie vzorky: 4.7 Výpočet priemeru: Spotreba odmerného roztoku na slepý pokus: Výpočet priemeru: Výpočet hmotnosti meďnatých katiónov (m Cu ) získaných redukčným účinkom glukózy: 4.8 Priradená hodnota hmotnosti glukózy z Bertrandovej tabuľky m GLUK =

15 4.9 Výpočet hmotnostnej koncentrácie glukózy v Infusio glucosi: 5.1 Hmotnosť glukózy použitá na prípravu štandardného roztoku: m ST2 = Výpočet koncentrácie glukózy v zriedených roztokoch: 5.2 Hodnoty získané refraktometrickým stanovením pre zriedené roztoky, na ktoré sa použil vyznačený objem štandardného roztoku glukózy: 0 ml 2 ml 4 ml 6 ml 8 ml 10 ml Vypočítaná koncentrácia roztokov: 5.3 Namerané hodnoty indexu lomu: Priemerné hodnoty:

16 5.4 Hodnoty indexu lomu vzorky: 5.5 Priemerná hodnota: Priradená hodnota hmotnostnej koncentrácie glukózy v Infusio glucosi c mvz = Porovnanie výsledkov získaných titračným a refraktometrickým stanovením 5.6 Výsledok odmerného stanovenia c mvz = Porovnanie a záver: Výsledok refraktometrického stanovenia c mvz =

17 DOPLNKOVÉ TEORETICKÉ ÚLOHY K ANALYTICKEJ PRAXI Chemická olympiáda kategória EF 50. ročník školský rok 2013/14 Školské kolo Elena Kulichová Maximálne 8 zo 60 bodov Doba riešenia: 45 minút 1 Reakciu aldóz so zásaditými roztokmi meďnatých iónov (zmesou Fehlingových roztokov) vystihuje reakcia : R - C O H + 2 CuSO NaOH Cu 2 O + R - C O ONa + 2 Na 2SO H 2O 1.1 Vypočítajte hmotnosť glukózy (M = 180g mol -1 ), ktorá sa nachádzala v 25 cm 3 roztoku, ak pri gravimetrickej analýze sa zistilo, že hmotnosť oxidu meďného (M = 143,1g mol -1 ), ktorý sa vyredukoval účinkom vzorky je 90 mg. 1.2 Empirická tabuľka pre priradenie hmotnosti glukózy uvádza pre hodnotu 90 mg vylúčeného oxidu meďného obsah 41,6 mg glukózy. Vysvetlite, čo je príčinou rozdielnych údajov. 2 Závislosť indexu lomu od koncentrácie pre vodné roztoky laktózy v intervale hmotnostných zlomkov od w = 0,0 do w = 0,1 vystihuje lineárna rovnica: n D = 1, ,11 w LAKT. 2.1 Vypočítajte hmotnostný zlomok laktózy v roztoku, ak refraktometrickým meraním zistená priemerná hodnota jeho indexu lomu bola n D = 1, Vypočítajte medzný uhol, ktorý zodpovedá nameranej hodnote indexu lomu.

18 3 Stanovenie glukózy Bertrandovou metódou je založené na titrácii železnatých solí odmerným roztokom manganistanu draselného. Stanovenie sa robí v silne kyslom prostredí. 3.1 Zapíšte iónový tvar rovnice, ktorá vystihuje reakciu stanovenia. 3.2 V prípade, že prostredie reakčnej zmesi nemá dostatočné nízke ph, vzniká počas titrácie hnedý zákal reakčnej zmesi. Vysvetlite, čo je jeho príčinou. Zapíšte rovnicu chemickej premeny pre tento prípad. 3.3 Rozhodnite, ako nedodržanie predpísanej hodnoty ph opísané v bode 3.2 ovplyvní spotrebu odmerného roztoku pri stanovení.

19 Odpoveďový hárok z analytickej PRAXE II. časť Škola: Meno súťažiaceho: Celkový počet pridelených bodov: Podpis hodnotiteľa: 1.1 Výpočet hmotnosti glukózy z chemickej reakcie: Zdôvodnenie rozdielu medzi vypočítanou a tabuľkovou hodnotou: 2.1 Výpočet hmotnostného zlomku laktózy: 2

20 2.2 Výpočet medzného uhla: 3.1 Iónový zápis rovnice stanovenia: 3.2 Rozbor vplyvu vyššieho ph na priebeh reakcie. Zápis reakcie chemickej premeny pre tento prípad: Rozbor vplyvu vyššieho ph na spotrebu odmerného roztoku:

21 Autori: Doc.Ing.Iveta Ondrejkovičová, PhD., Mgr.Stanislav Kedžuch, PhD., Mgr.Miloslav Melník, RNDr.Viera Mazíková, PhD., Ing.Elena Kulichová Recenzenti: Mgr.Stanislav Kedžuch,PhD., Doc.Ing.Iveta Ondrejkovičová, PhD., Ing.Daniel Vašš, Pavlína Gregorová, Ing.Boris Lakatoš, PhD., Ing.Anna Ďuricová, PhD. Ing. Martina Gánovská, Ing.Ľudmila Glosová Redakčná úprava: Ing.Ľudmila Glosová ( vedúca autorského kolektívu) Slovenská komisia Chemickej olympiády Vydal: IUVENTA Slovenský inštitút mládeže, Bratislava 2013