CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. Celoštátne kolo RIEŠENIE A HODNOTENIE TEORETICKÝCH A PRAKTICKÝCH ÚLOH. 50. ročník, školský rok 2013/2014

Transcript

1 SLOVENSKÁ KOMISIA CHEMICKEJ OLYMPIÁDY CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 50. ročník, školský rok 01/014 Kategória EF Celoštátne kolo RIEŠENIE A HODNOTENIE TEORETICKÝCH A PRAKTICKÝCH ÚLOH

2 RIEŠENIE A HODNOTENIE ÚLOH ZO VŠEOBECNEJ A FYZIKÁLNEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória EF 50. ročník školský rok 01/014 Celoštátne kolo Stanislav Kedžuch, Iveta Ondrejkovičová Maximálne 15 bodov (b)...seniori 0 pb, b 0,5x pb Riešenie úlohy 1 (9 b) I. b SnI 4 (aq) + (n + ) H O(l) SnO n H O(s) + 4 HI(aq) b SnO n H O(s) II. T SnO (s) + n H O(g) Za správny zápis reaktantov a produktov 1 b, za všetky koeficienty 0,5 b, za kompletný stavový zápis 0,5 b. a) Výpočet hmotnosti SnO Pri výpočte vychádzame z látkového množstva n(sni 4 ), ktoré vypočítame z m(sni 4 ) 1,50 g. m(sni 4) 0,5 b n(sni 4 ) M(SnI ) 0,5 b n(sni 4 ) 0,0095 mol 4 1,50 g -1 66,18 g mol Pri výpočte si môžeme pomôcť tak, že spojíme obidve rovnice do jednej rovnice: SnI 4 (aq) + H O(l) SnO (s) + 4 HI(aq) 0,5 b n(sno ) : n(sni 4 ) 1 : 1 n(sno ) n(sni 4 ) 0,0095 mol 0,5 b m(sno ) n(sno ) M(SnO ) 0,0095 mol 150,709 g mol -1 0,5 b m(sno ) 0,61 g b) Výpočet ph roztoku HI, ktorý sa získal zriedením 1,00 cm filtrátu vodou na objem 1500 cm. 0,5 b n(hi) : n(sni 4 ) 4 : 1 0,5 b n(hi) n(sni 4 ) 4 0,0095 mol 4 0,00958 mol 0,5 b V 1,00 cm roztoku HI (filtrátu) sa nachádza 1/50 z 0,00958 mol HI, čiže n 50 0,00958 : 50 0, mol

3 n 0,5 b c 50 (HI) 50(HI) V (HI) 0, mol 1,500 dm 0, mol dm Kyselina jodovodíková je silná jednosýtna kyselina, pre ktorú platí: 0,5 b ph -log c(hi) -log 0,000177,894,89 Riešenie úlohy (6 b) a) Výpočet hmotnosti pripraveného roztoku H SO 4, m (pripr. roztok) Vychádzame z hmotnostnej bilancie: 0,5 b m (pripr. roztok) m (96,0 %) + m (H O) m (96,0 % H SO 4 ) ρ (96,0 % H SO 4 ) V (96,0 % H SO 4 ) Roztok s w(h SO 4 ) 0,960 má hustotu ρ (H SO 4 ) 1,855 g cm - 0,5 b m (96,0 % H SO 4 ) 1,855 g cm - 1,0 cm 8,545 g 0,5 b Ak hustota vody ρ 1,00 g cm -, potom 77,0 cm 77,0 g. 0,5 b m (pripr. roztok) 8,545 g + 77,0 g 115,545 g 115 g b) Výpočet hmotnostného zlomku kyseliny sírovej v pripravenom roztoku, m(hso 4) 0,5 b w(pripr. roztok) m (H SO ) 4 0,5 b m(h SO 4 ) w(96,0 % H SO 4 ) m (96,0 % H SO 4 ) 0,960 8,545 g 0,5 b m(h SO 4 ) 7,00 g 0,5 b w(pripr. roztok) 7,00 g 115,545 g 0,0 c) Výpočet objemu pripraveného roztoku H SO 4, V (pripr. roztok) 0,5 b Roztok s w(h SO 4 ) 0,0 má hustotu ρ (H SO 4 ) 1,5 g cm -. m (H SO 4) V (H SO 4 ) ρ (H SO ) 4 115,545 g 0,5 b V (H SO 4 ) - 1,5 g cm 9,5 cm alebo aj pomocou n(h SO 4 ); v chemických tabuľkách pre w(h SO 4 ) 0,0 je c(h SO 4 ) 4,00 mol dm - n(hso 4) V (H SO 4 ) c(h SO ) 4 m (H SO ) w(h SO ) M(H SO ) c(h SO ) V (H SO 4 ) 115,5455 g 0,0 98,079 g mol 4,00 mol dm -1-0,095 dm

4 d) Porovnanie objemu pripraveného roztoku V (H SO 4 ) 9,5 cm so súčtom východiskových objemov roztoku kyseliny sírovej V (96,0 % H SO 4 ) 1,0 cm a vody V(H O) 77,0 cm. 0,5 b V (96,0 % H SO 4 ) + V(H O) 1,0 cm + 77,0 cm 98,0 cm Skutočný objem V (pripr. roztok) 9,5 cm 0,5 b V 98,0 cm - 9,5 cm 4,5 cm Objem pripraveného roztoku je o 4,5 cm menší ako súčet východiskových objemov (nastala objemová kontrakcia). Riešenie úlohy (7 b) a) Pri chelátometrii reagujú katióny kovu X z+ s chelatónom (CH) v pomere 1:1 a preto: z + 4 b n( X ) n(ch ) c(ch )V(CH ) 5, 0 10 mol b c ( n( X ) X ) 0, 010mol dm V( X ) b) n c V M m M.V m c V 0,54g 0,010mol dm,0dm b M 7 g mol 1 Al Riešenie úlohy 4 (8 b) a) n (Na S O ) c(na S O )V ( Na S O ) mol, Pri titrácii prebieha reakcia I + Na S O NaI + Na S 4 O 6 n(na S O ) b n (I ) 6, mol b) Pri príprave jódu prebieha na elektróde reakcia I - - e - I n It zf zfn b I 0,70 A t

5 c) V galvanickom článku sa elektróda z neznámeho kovu X oxiduje X - ze - X z+ Pre látkové množstvá vymenených elektrónov platí n n e e n(i ), z n( X ) n(i ) ( X ) z n M ( X ) m( X ) z m( X ) z, 71g mol n( X ) n(i ) Ak z 1, M,71 g mol -1 nevyhovuje žiadnemu kovu b Ak z, M 65,4 g mol -1 Zn 1

6 RIEŠENIE A HODNOTENIE ÚLOH Z ORGANICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória EF- 50. ročník školský rok 01/014 Celoštátne kolo Viera Mazíková Maximálne 10 bodov (b), resp. 0 pomocných bodov (pb) Pri prepočte pomocných bodov pb na konečné body b použijeme vzťah: pomocné body (pb) x 0,500 Podľa autorského hárku: 1 a.) chloramfenikol pb Baktérie, koky pb nasadením chemických zbraní spomalením, zastavením rastu až zánikom mikroorganizmu (baktérie) pb b.) 10pb c.) racemát je opticky neaktívna zmes rovnakého množstva ľavotočivej aj pravotočivej formy tej istej chemickej látky D(-) forma pb pb

7 d.) 8pb O N CO -CH Br - HCl O N O CH Br (CH ) 6 N 4 O NO H N CH

8 RIEŠENIE A HODNOTENIE ÚLOH Z CHÉMIE PRÍRODNÝCH LÁTOK A BIOCHÉMIE Chemická olympiáda kategória EF 50. ročník školský rok 01/014 Celoštátne kolo Miloslav Melník Maximálne 15 bodov (b), resp. 0 pomocných bodov (pb) Pri prepočte pomocných bodov pb na konečné body b použijeme vzťah: pomocné body (pb) 0,500 Riešenie úlohy 1 (15 pb) (JUNIOR) 1 pb 1.1 Vo Fehlingovom činidle sa redukuje meďnatý katión (Cu + ), resp. síran meďnatý (CuSO 4 ). pb Redukciou vzniká červenooranžová zrazenina oxidu meďného Cu O. pb 1. Ketózy (ketón) dávajú pozitívnu reakciu s Fehlingovým činidlom preto, lebo sa v zásaditom prostredí izomerizujú na aldózy (aldehyd) oxoenol tautoméria. H C C OH HC OH HC O O C OH HC OH R ketóza R R aldóza 1. Laktóza: pb galaktóza (β-d-galaktopyranóza) + glukóza (β-d-glukopyranóza);. Sacharóza: pb glukóza (α-d-glukopyranóza) + fruktóza (β-d-fruktofuranóza). 1 pb 1.4 Redukčné účinky má laktóza. pb 1.5 Tollensovo činidlo využíva redukčné účinky látok, preto pozitívnu reakciu dáva len laktóza (vznik strieborného zrkadla alebo sivočiernej zrazeniny), zatiaľ čo sacharóza nebude s Tollensovým činidlom reagovať. pb 1.6 Pôsobením HCl dôjde k hydrolýze oboch disacharidov na redukujúce monosacharidy, preto po hydrolýze budú pozitívnu reakciu s Tollensovým činidlom dávať oba roztoky disacharidov.

9 Riešenie úlohy (15 pb) (JUNIOR, SENIOR).1 Aldohexózy obsahujú 4 asymetrické atómy uhlíka, preto počet stereoizomérov môže byť 4 16, pričom polovica z nich (8) sú D- izoméry. pb Preto počet ďalších D-stereoizomérov je 8.. Epiméry sa odlišujú polohou hydroxylovej skupiny iba na jednom atóme uhlíka. Enantioméry (D/L-izoméry) sú navzájom zrkadlovými obrazmi. pb a) Dvojice epimérov D-aldohexóz sú: B-F, E-F, C-E pb b) Dvojice enantiomérov: A-C, D-F CHO CHO HO CH HO CH HC OH HC OH HO CH CH OH HC OH HC OH HC OH CHO CHO CHO CHO HC OH HC OH HO CH HO CH HO CH HO CH HO CH HC OH HO CH HC OH HO CH HO CH HC OH HO CH HC OH HC OH CH OH CH OH CH OH CH OH CH OH A B C D E F pb. Epimérom D-glukózy je sacharid s písmenom C (D-galaktóza, epimér na C 4 )..4 Celková optická otáčavosť roztoku závisí od príspevku každého sacharidu, ktorý je priamo úmerný koncentrácii príslušného sacharidu v roztoku. 1 pb Roztok monosacharidov po hydrolýze má celkovú koncentráciu c, g / 100 cm 0, g cm - ; l 10,0 cm 1,00 dm. pb Ak si označíme koncentráciu glukózy (g) písmenom X, potom: c(g) X g cm - Pre koncentráciu manózy (m) platí: c(m) (0, X) g cm - 1 pb Výsledný uhol otočenia: α α(g) + α(m) [α](g) x c(g) x l + [α](m) x c(m) x l 9,07 5,7 x X + 14,5 x (0, X) X 0,111 g cm - 1 pb Koncentrácia glukózy je 0,111 g cm -, manózy 0, g cm -. Pre pomer manózy a glukózy vychádza hodnota: c(m) 0, g cm 1 pb c(g) 0,111g cm

10 Pomer D-manózy a D-glukózy v polysacharide je. Riešenie úlohy (15 pb) (SENIOR) 1 pb.1 Reakčná schéma: H C C C O O OH NADH + H + NAD + C H CH C pb V intenzívne pracujúcom svale sa vytvorí anaeróbne prostredie (nedostatok kyslíka), čím sa zabráni obnove NAD + v dýchacom reťazci z redukovaného NADH+H +. Jediným zdrojom ATP je potom glykolýza, ktorá nemôže prebiehať pri nedostatku NAD + (NAD + je potrebný na oxidáciu glyceraldehyd--fosfátu na 1,-bisfosfoglycerát). Preto sa za týchto podmienok obnovuje NAD + pri redukcii pyruvátu na laktát. pb. Názvy látok (A C): A pyruvát (kyselina pyrohroznová, kyselina -oxopropánová) B oxalacetát (kyselina oxaloctová, kyselina -oxobutándiová) C malát (kyselina jablčná, kyselina -hydroxybutándiová) 1 pb Súčasťou citrátového cyklu sú oxalacetát (B) a malát (C). pb. Pri glykolýze je reakcia premeny fosfoenolpyruvátu na pyruvát z OH O OH termodynamického hľadiska nevratnou reakciou. pb.4 Červené krvinky neobsahujú mitochondrie (neobnovujú NAD + v dýchacom reťazci), preto jediným zdrojom energie je glykolýza pozri riešenie.1..5 Sacharóza sa v procese trávenia hydrolyzuje na základné zložky glukózu a fruktózu, pričom fruktóza poskytuje podľa zadania rovnaké množstvo ATP ako glukóza. Na základe toho môžeme napísať: 1 mol sacharózy mol glukózy Látkové množstvo sacharózy vypočítame pomocou molovej hmotnosti (M r 4,, z toho M 4, g mol -1 ): 1 pb n ( ) ( sacharóza) ( sacharóza) 100 g sacharóza m 0,9 mol 1 4, g mol M Hydrolýzou uvedeného množstva sacharózy získame 0,58 mol glukózy (0,9 mol glukózy + 0,9 mol fruktózyglukózy).

11 Alkoholovou glykolýzou 1 mol glukózy vznikne mol pyruvátu, pričom sa získa mol ATP a mol NADH+H +, ktoré sa použijú na redukciu mol acetaldehydu (vzniká dekarboxyláciou mol pyruvátu) na mol etanolu. 1 pb Celkový zisk ATP z 1 mol glukózy je mol ATP. Hydrolýza sacharózy poskytne 0,58 mol glukózy, preto jej rozkladom na etanol vznikne teoreticky 0,58 x mol ATP pb 1,16 mol ATP Množstvo 100 g cukru môže teoreticky poskytnúť 1,16 mol ATP.

12 RIEŠENIA ÚLOH Z PRAXE Chemická olympiáda kategória EF 50. ročník šk. rok 01/014 Celoštátne kolo Elena Kulichová Maximálne 60 bodov Úlohy z analytickej praxe riešia žiaci v dvoch etapách: samostatne riešia laboratórnu časť (70 minút). Zadania doplnkových teoretických úloh dostanú a riešia spolu s ostatnými teoretickými úlohami. Hodnotenie úloh z analytickej praxe sa potom skladá z nasledujúcich zložiek: Pridelený počet bodov 5 b Časť riešenia Hodnotenie všeobecných zručností a laboratórnej techniky: b dodržanie zásad bezpečnosti a hygieny práce v laboratóriu b laboratórna technika (príprava roztokov, úprava vzoriek, technika titrácie, práca s refraktometrom) 5 b 0 b Riešenie úloh v odpoveďovom hárku I: zohľadní vykonané operácie, správnosť výpočtov, znalosť chemických dejov a pod. Body sa pridelia podľa autorského riešenia úloh. Presnosť stanovenia: 10b Presnosť stanovenia koncentrácie odmerného roztoku tiosíranu sodného počet bodov 10 0,75 x % odchýlky stanovenia 10b Presnosť stanovenia hmotnostnej koncentrácie laktózy odmernou analýzou: počet bodov 10 0,5 x % odchýlky stanovenia 10 b Riešenie doplnkových úloh v odpoveďovom hárku II: 60 b Spolu

13 Štartovné číslo súťažiaceho Odpoveďový hárok z PRAXE I.časť Celkový počet pridelených bodov: Podpisy hodnotiteľov: b 0,5b Hmotnosť jodičnanu draselného, použitá na prípravu štandardného roztoku: m ST1 Rovnica vzniku jódu reakciou jodičnanu a jodidu draselného: 5 KI + KIO + H SO 4 I + K SO 4 + H O Body sa pridelia aj za inú správnu formu zápisu reakcie Výpočet presnej koncentrácie jódu v štandardnom roztoku: c m m ST1 ST V M po odsadení ST1 c ST - 1 ST1 0,5 dm 14 gmol Body sa pridelia za ľubovoľný správny postup výpočtu Spotreba odmerného roztoku na štandardizáciu: V 1 V V Za vykonanie jednej titrácie sa pridelí 1 bod, maximálne body Výpočet priemeru: Pre výpočet sa použije aritmetický priemer stanovení: V1 + V + V VODM Rovnica štandardizácie I + Na S O NaI + Na S 4 O 6 Body sa pridelia aj za inú správnu formu zápisu reakcie

14 Výpočet presnej koncentrácie odmerného roztoku : Výpočet presnej koncentrácie odmerného roztoku : cst 0,05dm codm VODM Body sa pridelia za ľubovoľný správny postup výpočtu Spotreba odmerného roztoku na stanovenie vzorky: 4.5 4b 4b V 1 V body sa pridelia za každú dokončenú analýzu zásobného roztoku vzorky, max. 4 body Výpočet priemeru V VZ1 V 1 + V Spotreba odmerného roztoku na slepý pokus: ,5b V 1 V 1 body sa pridelia za každý dokončený slepý pokus, max. 4 body Výpočet priemeru V VZ V 1 + V Výpočet ekvivalentného objemu V TAB : Na výpočet sa použije vzťah: V TAB ( V V ) VZ - VZ1 codm 0,1 0,5b Priradená hodnota hmotnosti laktózy z Luffovej-Schoorlovej tabuľky m LAKT Body sa pridelia za korektné odčítanie hmotnostnej koncentrácie laktózy Body sa pridelia za spresnenú hodnotu hmotnostnej koncentrácie laktózy metódou lineárnej interpolácie

15 4.8 Výpočet hmotnostnej koncentrácie laktózy vo vzorke mlieka: c mvz LAKT 4 m 0,0 dm 5. b Body sa pridelia za ľubovoľný správny postup výpočtu Hodnoty indexu lomu upravenej vzorky: n D 1 n D n D n D 4 Za každé meranie sa udelí 0,5b, max. body ,5b b Priemerná hodnota: Pre výpočet sa použije aritmetický priemer stanovení: nd 1+ nd + nd + nd 4 nd 4 Pri pridelení bodov sa zohľadní korektnosť výberu hodnôt na výpočet priemeru Priradená hodnota koncentrácie laktózy v upravenej vzorke c mlakt Výpočet hmotnostnej koncentrácie laktózy vo vzorke mlieka c mvz 0 cmlakt 100 0,0 dm Body sa pridelia za ľubovoľný správny postup výpočtu Porovnanie výsledkov získaných titračným a refraktometrickým stanovením Výsledok refraktometrického Výsledok odmerného stanovenia stanovenia c mvz Porovnanie a záver: c mvz Body sa pridelia za analýzu odchýlky stanovenia

16 RIEŠENIE DOPLNKOVÝCH TEORETICKÝCH ÚLOH K PRAXI Chemická olympiáda kategória EF 50. ročník šk. rok 01/14 Celoštátne kolo Elena Kulichová Maximálne 10 zo 60 bodov Odpoveďový hárok z PRAXE II. časť Štartovné číslo súťažiaceho: Celkový počet pridelených bodov: Podpisy hodnotiteľov: 1.1 Výpočet indexu lomu: 0 sinα 0 sin58 0,848 n D po dosadení a vyčíslení n D 1, 48 sin β sin9 0,69 Body sa pridelia za ľubovoľný správny postup výpočtu Výber sacharidu na refraktometrické meranie a jeho zdôvodnenie: Najvhodnejším sacharidom na refraktometrické stanovenie je laktóza. Z indexu lomu pre roztok laktózy vyplýva, že zo všetkých meraných roztokov má roztok laktózy najväčší rozdiel medzi indexom lomu rozpúšťadla a roztoku s hmotnostným zlomkom w0,1. Za predpokladu, že index lomu v rozsahu od w0,0 do w0,1 závisí od hmotnostného zlomku lineárne, je najvyšší rozdiel medzi indexom lomu čistého rozpúšťadla (n D (voda) 1,) predpokladom, že meranie bude mať najväčšiu presnosť aj citlivosť. Pod presnosťou pritom rozumieme zhodu nameranej a skutočnej hodnoty. Citlivosť merania ukazuje, aké najmenšie hodnoty možno metódou stanoviť. Rozbor možnosti ovplyvnenia presnosti stanovenia sacharózy: Schoorlovou metódou: prítomnosťou kyseliny askorbovej: Kyselina askorbová má, podobne ako glukóza získaná po inverzii sacharózy, výrazné redukčné účinky. Jej prítomnosť preto ovplyvní stanovenie: spotreba odmerného roztoku tiosíranu sodného na analýzu vzorky bude menšia, rozdiel spotrieb na analýzu slepého pokusu a vzorky bude vyšší a z tabuľky vyplývajúca hmotnosť glukózy bude tiež väčšia (pozitívna odchýlka stanovenia).

17 . Výpočet hmotnostného zlomku sacharózy v sirupe: V prvom kroku sa vypočíta ekvivalentný objem tiosíranu s koncentráciou c 0,1 mol dm pre Schoorlovu tabuľku: V V SCH SCH ( V V ) VZ - VZ1 c po dosadení 0,1 - ( 1,4cm - 14,8 cm ) 0,095 moldm 0,1mol dm - 6,7 cm. V tabuľke sú k dispozícii hodnoty: pre 6 cm 18,8 mg sacharózy pre 7 cm,0 mg sacharozy Interpoláciou dostaneme: m (,0 mg - 18,8 mg) 18,8 mg + 1cm 0,7 cm SACH Interpoláciou dostaneme: m (,0 mg - 18,8 mg) 18,8 mg + 1cm 0,7 cm SACH 19,7 mg 19,7 mg m SACH 5 w SACH po dosadení a vyčíslení w m VZ1 w 0,049 SACH Metóda 1 Názov: Polarimetria SACH 0,0197 g 5 10,054 g Princíp: Uhol otáčania roviny polarizovaného svetla je priamoúmerný koncentrácii opticky aktívnej látky. Metóda je vhodná najmä na kvantitatívnu analýzu roztokov jedného sacharidu. Metóda Názov: Fotometria Princíp: Meďné ióny, ktoré vznikajú redukčným účinkom cukrov z meďnatých solí tvoria komplexy s vhodnými skúmadlami (napr. neokuprínom). Fotometricky sa stanoví absorbancia, ktorá je priamoúmerná koncentrácii meďného komplexu a tým aj koncentrácii redukujúceho cukru vo vzorke. Metóda Názov: Vysokoúčinná kvapalinová resp. ionexová chromatografia. Princíp: Metóda umožňuje kvalitatívnu i kvantitatívnu analýzu. Retenčný čas je ukazovateľom kvality vzorky, plocha príslušného píku je mierou kvantity.

18 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 01