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

Transcript

1 SLOVESKÁ KOMISIA CHEMICKEJ OLYMPIÁDY CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 50. ročník, školský rok 013/014 Kategória A Školské kolo RIEŠEIE A HODOTEIE TEORETICKÝCH ÚLOH

2 RIEŠEIE A HODOTEIE ÚLOH Z AORGAICKEJ A AALYTICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 50. ročník školský rok 013/14 Školské kolo Anton Sirota Maximálne 18 bodov (b), resp. 50 pomocných bodov (pb). Pri prepočte pomocných bodov pb na konečné body b použijeme vzťah: body b = pomocné body pb 0,36 Úloha 1 (0 pb) 1.1 Ak sumárny vzorec zlúčeniny napíšeme v tvare Co x Cl y H z w, potom jednotlivé hodnoty koeficientov x, y, z, w získame výpočtom: x : y : z : w =,03 39,76 6,78 31,43 : : : 58, ,453 1,008 14,007 = 4 pb pb pb pb 1 pb = 0,3738 : 1,115 : 6,76 :,439 = 1 : 3 : 18 : 6 Sumárny vzorec zlúčeniny je CoCl 3 H Molárna hmotnosť látky môže byť 67,479 g mol 1 alebo celočíselným násobkom tejto hodnoty. Ďalšie pokusy pomáhajú pri našom rozhodovaní. Zo spôsobu prípravy zlúčeniny A možno predpokladať, že dochádza k oxidácii kobaltu a vzniká kobaltitá zlúčenina. 1. Z výsledkov analýzy vyplýva, že uvoľňovaný plyn je amoniak. Odolnosť zlúčeniny A voči zriedenému vodnému roztoku hydroxidu sodného dokazuje neprítomnosť solvatovaného amoniaku. Uvoľňovanie amoniaku pri reakcii s koncentrovaným vodným roztokom hydroxidu sodného je v takýchto prípadoch typické pre amoniak viazaný v komplexoch. Z analýzy vyplýva, že na centrálny atóm sa viaže šesť molekúl amoniaku. Rovnica reakcie: [Co(H 3 ) 6 ] 3+ (aq) + 3 OH (aq) Co(OH) 3 (s) + 6 H 3 (g) 1.3 Reakcia zlúčeniny A s vodným roztokom dusičnanu strieborného, ktorou vzniká chlorid strieborný, je dôkazom toho, že zlúčenina A obsahuje nekoordinované chloridové anióny.

3 pb pb Reakcie: Ag + (aq) + Cl (aq) AgCl(s) AgCl(s) + H 3 (aq) [Ag(H 3 ) ] + (aq) + Cl (aq) 1.4 Meraním vodivosti sa dokázalo, že z 1 mólu zlúčeniny A vzniká po jej rozpustení vo vode 1 mól komplexných katiónov [Co(H 3 ) 6 ] 3+ a 3 móly chloridových aniónov Cl. Záver: pb 3 pb Zlúčenina A má vzorec [Co(H 3 ) 6 ]Cl n(a) = c(a) V(A) = 0,0 mol dm 3 0,150 dm 3 = 3, mol m(a) = n(a) M(A) = 3, mol 67,479 g mol 1 = 0,80 g Úloha.1 (30 pb) e g d x - y d z 5 pb t g d xy d xz d yz 1 pb pb. Co: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 7 4s.3 Elektrónová konfigurácia Co 3+ : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 Hodnota 4,9 B.M. zodpovedá štyrom nespáreným elektrónom. V 3d orbitále Co 3+ sa nachádza 6 elektrónov a z toho 4 elektróny sú nespárené. 3

4 To možno dosiahnuť len nasledovným spôsobom: e g d x y d z 5 pb t g d xy d xz d yz Samozrejme, že treba uznať aj riešenie s dvoma elektrónmi na orbitále d xz alebo d yz..4 pb Co Co optický izomér.5 e g d x y d z 3 pb t g d xy d xz d yz 4

5 e g d x y d z 10 pb e g d x y d z t g d xy d xz d yz t g d xy d xz d yz pb vysokospinový komplex Co II μ = [3(3 + )] 1/ = 3,87 B.M. nízkospinový komplex Co II μ = [1(1 + )] 1/ = 1,73 B.M. Poznámka: Pre vysokospinový komplex treba uznať aj riešenie s jedným elektrónom na orbitále d xy, resp. d xz. kým pri nízkospinovom komplexe treba uznať aj riešenie s jedným elektrónom na orbitále d. z 5

6 RIEŠEIE A HODOTEIE ÚLOH Z FYZIKÁLEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 50. ročník školský rok 013/14 Školské kolo Ján Reguli Katedra chémie, Pedagogická fakulta Trnavskej univerzity v Trnave Maximálne 17 bodov (68 pb; pomocné body treba vydeliť štyrmi) Úloha 1 (3 pb) 1.1 Vratný adiabatický dej ideálneho plynu prebieha po dráhe, ktorú opisuje rovnica p V κ = const. Poissonova konštanta κ = Cpm / CVm a keďže Cpm = CVm + R = 5 / R + R = 7 / R, pre tento príklad má hodnotu pb κ = Cpm / CVm = 7/ 5 = 1,4 Do rovnice adiabaty dosadíme počiatočný tlak a objem, vypočítaný zo stavovej rovnice: Po expanzii bol objem ( ) ( ) ( ) a teplota Zmena vnútornej energie mala hodnotu pb ΔU = n CVm (T T1) = (4/8).5.8,3145.(3,938 73)/ = 159,7 J zmena entalpie pb ΔH = n Cpm (T T1) = (4/8).7.8,3145.(3,938 73)/ = 141,61 J Pri adiabatickej expanzii je práca rovná zmene vnútornej energie: w = ΔU= 159,7 J 1. Druhým dejom cyklu bolo izochorické zohriatie z teploty 3,938 K na počiatočnú teplotu 73,00 K. Čiže zmena teploty bola rovnako veľká ako pri adiabatickom 6

7 deji, len s opačným znamienkom. Dodané teplo je rovné zvýšeniu vnútornej energie plynu pb q = ΔU= 159,7 J (keďže pri izochorickom deji sa práca nekoná). pb Entalpia vzrástla o ΔH = 141,61 J. 1.3 Tretím dejom bolo izotermické stlačenie do späť do počiatočného stavu (z objemu V naspäť na objem V 1 ). Prácu vypočítame zo vzťahu Prácu v priebehu celého cyklického deja dostaneme ako súčet prác v jednotlivých častiach cyklu: pb w = 159, ,55 = 155,805 J 1.4 Priebeh zmien v sústave ukazuje 4 pb p-v diagram: a jeho zostrojenie sme ešte potrebovali vypočítať hodnotu tlaku v bode 3 (po izochorickom ohriatí). a výpočet môžeme použiť rovnicu izotermy alebo stavovú rovnicu pre bod 3. p/kpa ,015 0,00 0,05 V/dm 3 pb alebo Priebeh zmien je zhrnutý v tabuľke: dej ΔU / J ΔH / J w / J q / J (1 ) q = 0 159,7 141,6 159,7 0 ( 3) V = const 159,7 141, ,7 (3 1) T = const , ,53 cyklus ,81 155,81 7

8 Úloha (0 pb).1 a výpočet molárnej výparnej entalpie benzénu použijeme Clausius-Clapeyronovu rovnicu, v ktorej poznáme dve dvojice hodnôt tlaku nasýtenej pary a teploty. ( ) ( ) ( ) 8 pb Výparná entalpia benzénu má hodnotu 3,66 kj mol 1. Z Clausius-Clapeyronovej rovnice vypočítame tlak nasýtenej pary benzénu pri teplote 300 K ( ) 4 pb p = 14416,83 Pa.3 Do 10 litrovej banky sa pri teplote 300 K a pri tlaku 14416,83 Pa zmestí Ďalší benzén bol v banke v kvapalnej fáze. Pri odsávaní sa tlak jeho vyparovaním udržiaval na hodnote 14,4 kpa. Odsali sme 4 pb benzénu Úloha 3 (16 pb) 3.1 Štandardné napätie galvanického článku je rovné rozdielu jeho štandardných elektródových potenciálov. 4 pb Štandardné napätie koncentračného galvanického článku E = 0 (Obe elektródy sú rovnaké, majú teda rovnakú hodnotu štandardného elektródového potenciálu.) 8

9 3. apätie článku dostaneme ako rozdiel potenciálov pravej a ľavej elektródy. Z tohto vzťahu potom dostaneme pomer koncentrácií meďnatých iónov, potrebný na dosiahnutie napätia 1 V: 3.3 apätie koncentračného článku s uvedenými koncentráciami roztokov je 9

10 RIEŠEIE A HODOTEIE ÚLOH Z ORGAICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 50. ročník školský rok 013/14 Školské kolo Radovan Šebesta a a Michal Májek b a Prírodovedecká fakulta, Univerzita Komenského, Bratislava b Fakulta chémie a farmácie, Univerzita v Regensburgu, SR Maximálne 17 bodov (100 p.b. x 0,17 (koeficient) = 17 b) Poznámka: Pri úlohách zložených z viacerých čiastkových úloh sú tieto samostatne bodované, takže ak neviete vyriešiť začiatok úlohy, skúste pokračovať v riešení jej ďalšími časťami. Úloha 1 (16 pb;,7 b) Pomenujte substitučným názvom zlúčeniny 1/1 1/4 a u chirálnych zlúčenín 1/1 1/3 určte aj konfiguráciu na stereogénnych centrách. 4x3 pb za názvy a 6x1 pb za konfigurácie stereogénnych centier. 10

11 Úloha (9 pb; 1,53 b) Za reakciu 3 pb, za štruktúru polyméru 3 pb. Úloha 3 (14 pb;,38 b) 3/1 A má väčší dipólový moment. U látky B polarizujú dve elektrón akceptorné skupiny molekulu opačnými smermi, zatiaľ čo u látky A sa polarizačný efekt skupín sčítava, pretože jedna je elektrón akceptorná a druhá elektrón donorná. (vektory polarizácie sú v rovnakom smere). pb za určenie látky, pb za vysvetlenie. (Obrázok s vektormi polarizácie sa nevyžaduje) Celkovo 4 pb. 3/ Za každú správnu štruktúru pb. Spolu 4 pb. 3/3 Keďže obe reakcie (premena A na C, aj premena B na D) prebiehali za rovnakých podmienok, množstvo produktov C, D bude závislé na relatívnych rýchlostiach akým sa tieto produkty tvorili. Obe východiskové látky A, B, sú substituované benzaldehydy líšia sa len substituentom. Prítomnosť elektrón akceptornej nitro skupiny v látke B spôsobí vyšší parciálny kladný náboj na karbonylovej skupine. aopak u látky A je parciálny kladný náboj znížený. Záporne nabitý enolát 11

12 acetónu bude rýchlejšie reagovať s centrom, ktoré má väčší kladný náboj takže acetón bude rýchlejšie reagovať s látkou B. Tým pádom sa bude tvoriť viac látky D než C a pomer C:D bude menši než 1. (Obrázok je ilustračný, nevyžaduje sa.) pb za správne určenie pomeru C:D, pb za vysvetlenie. Celkovo 4 pb. 3/4 Ak použijeme veľký nadbytok acetónu, nakoniec začne reagovať aldolovou kondenzáciou sám so sebou za vzniku mezityl oxidu (4-metylpent-3-én--ón). pb za štruktúru. Úloha 4 (14 pb;,38 b) 4/1 1. H 3 PO 4 ;. H SO 4, H O (alebo iné minerálne kyseliny ako katalyzátor). 4 pb. 4/ Pyridínium chlórchromát, alebo oxidácia až na kyselinu, esterifikácia a redukcia pomocou DIBAL-H. pb. 4/3 CrO 3, H SO 4 alebo iné silné oxidačné činidlá (KMnO 4, K Cr O 7 a pod.). pb. 4/4 ah, CH 3 I (možno uznať aj iné bázy alebo dimetylsulfát ako metylačné činidlo). pb. 4/5 H 3 PO 4, teplo (možno uznať aj iné kyseliny ako H SO 4 ). pb. 4/6 PBr 3 (alebo iné bromačné činidlá ako HBr). pb. Úloha 5 (39 pb; 6,63 b) 5/1 6 pb za správny návrh syntézy a. 5/ Pomocou P O 5. pb. 5/3 pb za každý reagent, t. j. x 7 pb = 14 pb. a. B: metoxid draselný b. C: H + (uznať akúkoľvek minerálnu kyselinu) 1

13 c. D: tionyl chlorid (uznať aj iné chloračné činidlo ako chlorid fosforitý, fosforečný, alebo fosforylu) d. E: dimetylamín e. F, G: dimetylamín, potaš (uznať aj inú anorganickú draselnú bázu) f. H: metyljodid (uznať aj iné metylačné činidlo, napr. dimetylsulfát) 5/4 Esterifikácia je vratná reakcia a zavedenie jednej esterovej skupiny na kyselinu butándiovú neovplyvňuje reaktivitu druhej kyseliny prítomnej v molekule (t. j. kyselina butándiová sa bude esterifikovať rovnako rýchlo ako monoester I). Dostaneme preto štatistickú zmes produktov kyselina butándiová, monoester I a dimetylester kyseliny butándiovej (približne v pomere 1::1). pb za určenie všetkých produktov. 5/5 Za každý medziprodukt pb. Spolu 8 pb. 13

14 5/6 pb za reagent, t. j. spolu 4 pb. a. Q: abh 4 (možno akceptovať aj LiAlH 4 ) b. R: kyselina sírová (uznať akúkoľvek silnú minerálnu kyselinu) 5/7 Látka T je naftalén. Oxidácia prebieha už na vzduchu, pretože dochádza k tvorbe nového aromatického jadra proces je energeticky veľmi výhodný. pb za štruktúru a 1 pb za vysvetlenie. Celkovo 3 pb. Úloha 6 (8 pb; 1,36) 8 pb za celkovo správnu štruktúru, po pb za fragment COCH CH 3, CH=CHCO, CH CH=CH, (CH 3 ) CH 14

15 RIEŠEIE A HODOTEIE ÚLOH Z BIOCHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 50. ročník školský rok 013/14 Školské kolo Boris Lakatoš Oddelenie biochémie a mikrobiológie, FCHPT STU v Bratislave Maximálne 8 bodov (4 pb; pomocné body treba vydeliť tromi) Úloha 1 (3 b, 9 pb) a) A glukóza-6-fosfát 1 pb za názov pb za vzorec b) B fruktóza-6-fosfát O H HO H H HO C C C C H OH H OH C OH CH O P O OH 1 pb za názov HO O P O OH HO O P O OH pb za vzorec CH CH OH O HO OH OH alebo CH OH O HO CH OH OH pb c) Enzým X fosfofruktokináza 1 pb produkt C fruktóza-1,6-bisfosfát 15

16 Úloha (3 b, 9 pb) pb a) za vzorec 1 pb dihydroxyacetónfosfát b) M(glukózy) = 180,155 g/mol 1 pb (pre výpočet stačí ak budú študenti počítať s M = 180 g/mol) Hmotnosť spotrebovanej glukózy mozgom m s (glukózy) 1 pb m s (glukózy) = ,75 = 10 g 1 pb n s (glukózy) = 10/180,155 = 0,666 mol Mozog za deň spotrebuje 0,666 mol glukózy. c) Koncentrácia glukózy v krvi: 10 g 1 pb c(glukózy) = = = 0,0111 mol/l = 11,1 mmol/l 180 g/mol. 5 l Rýchlosť spotreby glukózy: v = 1 mmol/l/h Rozdiel v koncentráciách je 9 mmol/l Čas spotreby glukózy na hraničnú hodnotu: pb t = = 9 mmol/l 1 mmol/l/h = 9 h 16

17 Úloha 3 a) ( b, 6 pb) xylulóza-5-fosfát ribóza-5-fosfát 4 pb ( pb za každý správny vzorec a zodpovedajúci názov) b) Premenu ribulóza-5-fosfátu na svoj epimér xylulóza-5-fosfát katalyzuje: 1 pb ribulóza-5-fosfát epimeráza akceptuje sa aj odpoveď epimeráza Premenu ribulóza-5-fosfátu na ribóza-5-fosfát katalyzuje: 1 pb ribulóza-5-fosfát izomeráza akceptuje sa aj odpoveď izomeráza V prípade, že študent oba enzýmy pomenuje izomeráza, udeliť len 1 pb. 17

18 Autori: doc. Ing. Boris Lakatoš, PhD., Michal Májek, doc. Ing. Ján Reguli, CSc. (vedúci autorského kolektívu), RDr. Anton Sirota, PhD., doc. RDr. Radovan Šebesta, DrSc. Recenzenti: Mgr. Stanislav Kedžuch, PhD., Martin Lukačišin, MBiochem., doc. RDr. Marta Sališová, PhD., Ing. Rastislav Šipoš, PhD., Ing. Miroslav Tatarko, PhD. Vydal: IUVETA Slovenský inštitút mládeže, Bratislava