XIX Baltijas Ķīmijas Olimpiāde. Teorētiskie uzdevumi Aprīlis 2011 Viļņa, Lietuva

Transcript

1 XIX Baltijas Ķīmijas Olimpiāde Teorētiskie uzdevumi 1517 Aprīlis 2011 Viļņa, Lietuva

2 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April 2011 Instrukcijas Uzraksti uz visām atbilžu lapām savu kodu. Jums ir dotas 5 stundas eksāmena uzdevumu risināšanai. Sākt risināt drīkst tikai pēc komandas START. Visiem rezultātiem jābūt ierakstītiem tikai atvēlētajās vietās. Jebkādi dati ierakstīti ārpus ierāmētajiem laukumiem netiks vērtēti. Melnrakstiem jūs varat izmantot uzdevumu lapu otro pusi. Ja atbildes neietilpst tam atvēlētajās vietās, tad var palūgt papildus atbilžu lapas. Rakstiet visus nepieciešamus aprēķinus. Ja sarežģītajos uzdevumos jūs uzrādīsiet tikai gala rezultātu, tas netiks vērtēts. Darbs jābeidz tūlīt pēc stop komandas. Aizkavēšanās par 5 minūtēm, novedīs pie darba anulēšanas un dos 0 punktus par šo darbu. Neatstājiet savu darba vietu pirms saņēmat atļauju no laboratorijas asistenta (arī gadījumā, ja nepieciešams iziet). Teorijas uzdevumi ir uz 12 lapām, atbilžu lapas uz 11 lapām. Teorijas uzdevumu oficiālo angļu valodas versiju neskaidrību gadījumā var saņemt pēc pieprasījuma. Theoretical problems 2

3 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April 2011 Konstantes un formulas Avogadro konstante: Universālā gāzu konstante: Faradeja konstante: Planka konstante: Gaismas ātrums: Nulle Celsija skalā: Arrēniusa vienādojums: N A = mol 1 R = J K 1 mol 1 Ideālas gāzes stāvokļa vienādojums: Gibsa enerģija: pv = nrt G = H TS F = C mol 1 O Δ G = RT lnk = nfe h = J s r Nernsta vienādojums: o cell O E = E + RT ln P zf P c = m s 1 Logaritms ln x = 2.303log x K Aktivitāte a = λn k = A exp(e A /RT) Radioaktīvā sabrukšana N = N 0 exp(λt) Līdzsvara konstantes aprēķinos visas koncentrācijas ir attiecinātas uz standartkoncentrācijām 1 mol/dm 3. Visas gāzes visos uzdevumos uzskatīt par ideālām. Ķīmisko elementu periodiskā tabula H Li Na K Rb Cs Fr 4 Be Mg Ca Sr Sc Y Ba Ra Ti Zr Hf Rf 23 V Nb Ta Db 24 Cr Mo W Sg 25 Mn Tc 75 Re Bh 26 Fe Ru Os Hs 27 Co Rh Ir Mt 28 Ni Pd Pt Ds 29 Cu Ag Au Rg 30 Zn Cd Hg B Al Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi O S Se Te Po 9 F Cl Br I At ox red 2 He Ne Ar Kr Xe Rn 57 La Ac 58 Ce Th Pr Pa Nd U Pm 93 Np 62 Sm Pu 63 Eu Am 64 Gd Cm 65 Tb Bk 66 Dy Cf 67 Ho Es 68 Er Fm 69 Tm Md 70 Yb No 71 Lu Lr Theoretical problems 3

4 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April uzdevums 6 punkti Alumīnijs Alumīnijs ir izplatītākais metāls Zemes garozā. Daži alumīnija savienojumi, piemēram, alauns, (dubultais sulfāts KAl(SO 4 ) 2 12H 2 O) tiek lietots jau kopš senās Grieķijas laikiem. a) Ūdens krioskopiskā konstante ir K f = 1,86 o C kg mol 1. Aprēķināt sasalšanas temperatūru šķīdumam, kas pagatavots, izšķīdinot 9,48 g KAl(SO 4 ) 2 12H 2 O 100,0 ml ūdens. b) Pati svarīgākā alumīniju saturošā rūda ir boksīts, kas sastāv no Al 2 O 3 un piemaisījumiem. Boksītu var attīrīt, izšķīdinot to koncentrētā NaOH šķīdumā. Uzrakstīt molekulāro reakcijas vienādojumu, kas parāda notiekošo, kad Al 2 O 3 reaģē ar NaOH šķīdumu. c) Pēc nešķīstošo piemaisījumu atdalīšanas, b daļā iegūtajam šķīdumam pievieno vāju skābi un izgulsnējas Al(OH) 3. Al(OH) 3 šķīdības konstante K SP = 1, (25 o C temperatūrā). Aprēķināt tīra Al(OH) 3 masu, ko var izšķīdināt 10,0 L tīra ūdens 25 o C temperatūrā. EDTA (etilēndiamīntetraetiķskābe vai tās sāļi) ir viens no svarīgākajiem un plašāk lietotajiem reaģentiem titrimetrijā. Diemžēl šis reaģents nav piemērots tiešai alumīnija jonu noteikšanai, jo EDTA ar alumīnija joniem reaģē pārāk lēni. Šo problēmu var apiet, lietojot attitrēšanas metodi. Sākumā veic EDTA un alumīnija savienojuma šķīduma reakciju, maisījumu vairākas minūtes karsējot, tad EDTA pārākumu var ātri un viegli notitrēt ar Zn 2+ (aq). Analīzi veic buferšķīduma klātienē. Aprakstītajā metodē notiekošās ķīmiskās reakcijas var uzrakstīt kā: Al 3+ + EDTA 4 Al EDTA un Zn 2+ + EDTA 4 Zn EDTA 2 d) 20,00 ml šķīduma, kas satur Al 3+, pārnesa kolbā, kas satur 50,00 ml 0,0500 M EDTA šķīduma. Maisījumu vairākas minūtes vārīja. Iegūtā maisījuma notitrēšanai bija nepieciešami 23,25 ml 0,0500 M Zn 2+ šķīduma. Aprēķināt Al 3+ molāro koncentrāciju sākotnējā šķīdumā. Alumīnija trihalogenīdi (piemēram, AlCl 3 ) ir ļoti stipras Luisa skābes un tie tiek plaši lietoti kā katalizatori. Ar dažiem ligandiem L alumīnija trihlorīds var veidot kompleksos savienojumus AlCl 3 L ar koordināciju četri un pat AlCl 3 L 2 ar koordināciju pieci. e) Pieņemot, ka L ir monodentāts ligands, uzzīmējiet visus iespējamos AlCl 3 L 2 ģeometriskos izomērus. f) Gāzes fāzē alumīnija trihlorīds pastāv Al 2 Cl 6 molekulu veidā, kurās ir divi tiltiņveida hlora atomi. Uzzīmēt Al 2 Cl 6 molekulas telpisko struktūru. Theoretical problems 4

5 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April uzdevums 10 punkti Sargies gaismas! Skolnieki laboratorijā atrada kādas nedaudz mitras vielas A pudelīti, uz kuras bija rakstīts, ka to nedrīkst uzglabāt gaismā. Skolnieki šim uzrakstam neticēja, tāpēc, ejot vasaras brīvdienās, to nolika uz palodzes, kur to pāris stundas dienā apspīd tieši saules stari. Kad skolnieki bija atgriezušies pēc vasaras brīvdienām, ielūkojoties pudelītē ievēroja, ka notikušas pārmaiņas. Šo pārmaiņu rezultātā bija izveidojušās trīs vielas: B, C un D. Vielu A izmanto arī vielas C šķīdības palielināšanai ūdenī. Šajā procesā veidojas vielu D veidojošais anjons E. Ja sajauc koncentrētus vielu A un B šķīdumus un iegūtajam šķīdumam liek reaģēt ar kādu dzeltenzaļu gāzi F, veidojas divas jaunas vielas, no kurām viena ir G, kas skābā vidē reaģē ar A un kā vienu no produktiem veido C. Skābekļa saturs savienojumā G ir 22,4% (masas daļās). Savukārt savienojumam G reaģējot ar koncentrētu F veidoto skābi, kura sastāv tikai no diviem elementiem, veidojas C, F un vēl divas vielas. 1. Atšifrē visas vielas AG un uzraksti visas notikušās reakcijas! 2. Kāpēc gaismā pārmaiņas ar A notiek, bet tumsā nenotiek? Izvēlēties pareizo(ās) atbildes! a. gaismas veidā tiek pievadīta aktivācijas enerģija, b. gaisma ierosina elektrolītisko disociāciju, c. gaisma ierosina radikāļu veidošanos, d. gaisma ir oksidētājs, e. gaisma ir reducētājs. 3. Kāpēc šķīdinot ūdenī C, pieliekot vielu A, šķīdība palielinās? 4. Uzzīmēt anjona E Luisa struktūrformulu! 5. Aprēķini maksimālo ph vērtību, pie kuras reakcija starp A un G vēl notiek 25 o C temperatūrā, ja [G] = 0,25M, bet [A] = 0,10M! Zināms, ka E o (A) = 0,536 V, E o (G) = 1,195 V. Pirms vasaras brīvdienām skolēni lietoja savienojumu A reakciju kinētikas pētījumiem. Ir zināms, ka savienojums A reaģē ar persulfāta joniem (S 2 O 2 8 ), veidojot savienojumu C un sulfāta jonus. Pētot šīs reakcijas kinētiku 25 o C temperatūrā skolēni noteica reakcijas sākotnējo ātrumu v 0 atkarībā no reaģentu sākotnējām koncentrācijām C 0. Iegūtie dati ir apkopoti tabulā 1. Theoretical problems 5

6 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April 2011 C 0 (S 2 O 2 8 ), mmol/l C 0 (A), mmol/l v mol/(l s) 0, ,1 0, ,2 0, ,1 1.tabula 6. Uzrakstīt reakcijas vienādojumu savienojuma A reakcijai ar persulfāta joniem (pietiek arī ar saīsināto jonu vienādojumu). 7. Noteikt reakcijas parciālās pakāpes, uzrakstīt reakcijas kinētisko vienādojumu un aprēķināt reakcijas ātruma konstanti 25 o C temperatūrā. 8. Skolēni atrada literatūrā, ka šīs reakcijas aktivācijas enerģija ir 42 kj/mol. Aprēķināt, kāda temperatūra ( o C) ir nepieciešama, lai reakcijas ātrums palielinātos 10 reizes, ja reaģentu koncentrācijas nemainās. 9. Aprēķināt, cik stundās reaģentu koncentrācijas samazinās 10 reizes, ja reakcija notiek 25 o C temperatūrā un abu reaģentu sākotnējās koncentrācijas ir 1.0 mmol/l. Theoretical problems 6

7 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April uzdevums 7 punkti Fizikālā ķīmija A. Reakcijā H 2 + N 2 NH 3 sākuma apstākļi ir n 0 (H 2 ) = n 0 (N 2 ), n 0 (NH 3 ) = 0. Reakcijas līdzsvara konstante 400 o C temperatūrā ir K p = 1, bar 2. a) Uzrakstīt reakcijas vienādojumu un izlikt koeficientus! b) Ar matemātisku sakarību izteikt K p un x(nh 3 ) (moldaļa) atkarībā no y, kas ir iegūtā amonjaka daudzuma dalījums ar divkāršotu izejvielu sākotnējo daudzumu, y = n (NH 3 )/2n 0 vai n (NH 3 ) = 2yn 0. c) Aprēķināt spiedienu (bar), kādā amonjaka NH 3 parciālais spiediens ir 11,11% no kopējā spiediena. B. Gāzu maisījums, kas saturēja CO, H 2 un CH 3 OH tika laists pāri katalizatoram 500 K temperatūrā. d) Vai notiks metanola veidošanās reakcijā CO + H 2 CH 3 OH šādos apstākļos: p = 9p = 99p, p = bar, un Δ G o = 21,21kJ mol. CO H2 CH3OH Δ rg = Δ rg + RTln Q CH3OH r / e) Aprēķināt Q vērtību apstākļos, kad r G = 0. Līdzsvars nobīdīsies metanola rašanās virzienā, ja Q būs (izvēlēties vienu pareizo atbildi): A lielāks par aprēķināto, B mazāks par aprēķināto. Theoretical problems 7

8 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April uzdevums 13 punkti Titrēšana Zvaigžņu karu stilā Filmas Zvaigžņu kari varonis, ļoti gudrs robots R2D2, saņēma analīzei 20,0 mg radioaktīvas vielas parauga P, kas saturēja tikai ķīmisko elementu A. Robots sadalīja šo paraugu divās vienādās daļās. Izmantojot gāzes difūzijas metodi, viņš pirmo pusi sadalīja atkal divās daļās. Viņš ieguva divus vienādus tilpumus gāzes (piemērotos apstākļos), kuru masas bija 4,92 mg un 5,08 mg, bet aktivitāte bija 5, un 2, sabrukšanas sekundē, attiecīgi. Šīs divas gāzes bija elementa A izotopi. Otro parauga daļu robots R2D2 hlorēja, iegūstot augstāko elementa hlorīdu B, kas hidrolizējas ūdenī, veidojot trīsvērtīgu skābi C un stipru skābi D. Iegūtā šķīduma titrēšanai izlietoja 19,95 cm 3 0,1234 M NaOH šķīduma. a) Uzrakstīt elementa A ķīmisko simbolu un savienojumu BD formulas. b) Uzrakstīt visu četru minēto reakciju vienādojumus! c) Ar aprēķiniem pamatot jūsu atbilžu pareizību! d) Aprēķināt, pēc cik ilga laika paraugs būs sabrucis praktiski pilnībā, t.i. parauga kopējā aktivitāte būs mazāka par 0,1 % no sākotnējās aktivitātes. R2D2 noskaidroja, ka pēc šī laika paraugs P sastāvēja no diviem elementa E izotopiem. Robots nespēja pretoties kārdinājumam hlorēt atlikušos 10,0 mg šo izotopu. Rezultātā viņš ieguva dzeltenu savienojumu F. Pēc savienojuma F hidrolīzes ūdenī veidojās vāja divvērtīga skābe G, divvērtīga skābekli saturoša skābe H un skābe D. Iegūtā šķīduma titrēšanai izlietoja 2,136 cm 3 0,4321 M NaOH šķīduma. e) Uzrakstīt elementa E ķīmisko simbolu un savienojumu FH formulas. f) Uzrakstīt piecus ķīmisko reakciju vienādojumus un divus vienādojumus, kas raksturo elementa A radioaktīvo sabrukšanu. g) Ar aprēķiniem pamatot jūsu atbilžu pareizību! Piezīme. Pieņemt, ka izotopu molmasas ir vesels skaitlis. Theoretical problems 8

9 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April uzdevums 11 punkti Hirālie polihidroksilētie cikloheksanoīdi Uzskata, ka enantiomēri tīri polihidroksilētie cikloheksanoīdi ir vērtīgi savienojumi diabēta, vīrusu infekciju un vēža ārstēšanā. Shēmā ir parādīta enzimātiski katalizēta kinētiskā savienojuma B atdalīšana: 1. Kāda enzīmu klase katalizē šo reakciju? (izvēlies atbilstošu atbildi) a) oksidoreduktāzes b) izomerāzes c) lipāzes d) ligāzes 2. Kāds ir vielas B maksimāli iespējamais iznākums? a) 100 % b) 90 % c) 75 % d) 50 % 3. Atrod hirālus centrus savienojuma B struktūrā un nosaki to absolūto konfigurāciju. Konfigurāciju pieraksti blakus atbilstošam hirālam centram. Cl MeO OMe Cl Cl Cl OCOMe Viens no ICHO 43 organizatoriem C. Tanyeli izmantoja savienojumu B kā izejvielu enantiotīru polihidroksilētu savienojumu G1 un G2 iegūšanā: (sk. nākamajā lapā) Theoretical problems 9

10 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April 2011 Savienojumu F1 un F2 molekulformula ir C 8 H 10 O Uzraksti visu savienojumu DG struktūras. 5. Savienojumi G1 un G2 savā starpā ir: a) enantiomēri b) struktūrizomēri c) diastereomēri d) konformēri Theoretical problems 10

11 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April uzdevums 13 punkti Planāra oglekļa meklējumi No teorētiska viedokļa, planāru oglekļa atomu ar sp 3 hibridizāciju saturošu savienojumu sintēze būtu aizraujošs sasniegums. Šāda oglekļa atoma ģeometrija ir saistīta ar milzīgu struktūras elementu spriegumu, kas padara stabilu savienojumu iegūšanu par ļoti sarežģītu uzdevumu. Fenestrāni ir speciāla savienojumu klase, kas varētu atrisināt šo problēmu, taču jāpiebilst, ka vispievilcīgākais pārstāvis simetriskais C 9 fenestrāns, kas varētu eksistēt planāra savienojuma veidā vēl līdz šim brīdim nav uzsintezēts. Šis uzdevums apraksta simetriska C13 fenestrāna sintēzi, kaut gan saišu leņķi šajā molekula krasi atšķiras no C sp 3 ideāla leņķa, tomēr planāru simetriju oglekļa atoms nesasniedz. O O N H 1. Cl OEt 1. bulky base A B C 2. H 3 O + 2. Reagent 1 C 12 H 16 O 3 1. base 2. Reagent 2 D E contains P C 15 H 18 O 3 Br Br P OMe OMe OEt O Reagent 1 Reagent 2 Bulky base = 2 ekvivalenti stēriski lielas bāzes, piemēram, LDA (litija diizoproilamīda) Savienojuma D iegūšanā pielietotas bāzes teorētiskais daudzums ir viens mols C savienojuma deprotonēšanas reakcijā, bāze nereaģē ar terminālo alkīnu D iegūst S N 2 reakcijā un tā struktūra satur fosforu, savienojuma izdalīšanas gaitā, skābos apstākļos, D nav stabils un pārvēršas par E E ir C 8 biciklisks savienojums Tālākai oglekļa atomu skeleta veidošanai bija nepieciešama PausonKhand reakcija (PKR). Vispārīgā gadījumā PKR izmanto alkīnu, alkēnu un oglekļa monoksīdu. Kobalta katalizatora klātbūtnē PKR rezultātā veidojās ciklopentenona cikls. Ievēro! Lai izmantotu PKR šajā sintēzē, savienojuma E karbonilgrupa bija aizvākta izveidojot savienojumu F. Theoretical problems 11

12 XIX Baltic Chemistry Olympiad Vilnius, 1517 April 2011 PKR H 2,Pd F G H C 15 H 20 O 2 C16 H 20 O 3 1. HSCH 2 CH 2 SH 2. Raney Ni I 1. NaOH J C 16 H 24 O 2 2. HCl, Δ C13 H 20 G jau satur oglekļa atomu skeletu kas ir savienojumā J. J ir ļoti simetrisks 1. Uzraksti savienojumu AJ struktūras! 2. Piedāvā mehānismu D E reakcijai! Theoretical problems 12

13 XIX Baltijas Ķīmijas Olimpiāde Teorētiskie uzdevumi Atbilžu lapas Kods: Σ 1517 Aprīlis 2011 Viļņa, Lietuva

14 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: 1.uzdevums 6 punkti Alumīnijs a) Aprēķini: Sasalšanas temperatūra ir: b) Molekulārais vienādojums: Theoretical problems 2

15 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: c) Aprēķini: Masa = d) Aprēķini: e) Izomēri: f) Al 2 Cl 6 molekulas telpiskā struktūra: Theoretical problems 3

16 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: 2.uzdevums 10 punkti Sargies gaismas! 1. Savienojumu formulas: A B C D 1.reakcija: 2.reakcija: 3.reakcija: 4.reakcija: 5.reakcija: 2. Atzīmēt pareizo(ās) atbildes: A B C D E E F G 3. Šķīdība palielinās, jo E Luisa formula: 5. Theoretical problems 4

17 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: ph = 6. Reakcijas vienādojums savienojuma A reakcijai ar persulfātu : 7. Parciālās reakcijas pakāpes: attiecībā pret A un attiecībā pret S 2 O 8 2. Kinētiskais vienādojums: Reakcijas ātruma konstantes aprēķins: 8. Temperatūras aprēķini: Nepieciešamā temperatūra: o C 9. Reakcijas norises laika aprēķins: Reakcijas norises laiks stundas. Theoretical problems 5

18 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: 3.uzdevums 7 punkti Fizikālā ķīmija a) b) c) d) A Nē Aprēķini: B Jā e) Aprēķini: Līdzsvars nobīdīsies metanola rašanās virzienā, ja Q būs (apvilkt vienu pareizo atbildi): A lielāks par aprēķināto, B mazāks par aprēķināto. Theoretical problems 6

19 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: 4. uzdevums 13 punkti Titrēšana Zvaigžņu karu stilā a) A B C D b) Reakciju vienādojumi c) Aprēķini d) Aprēķini Laiks = e) E: F: G: H: Theoretical problems 7

20 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: f) Ķīmisko reakciju vienādojumi: Kodolreakciju vienādojumi: 1 2 g) Aprēķini: Theoretical problems 8

21 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: 5. uzdevums 11 punkti Hirālie polihidroksilētie cikloheksanoīdi 1. Kāda enzīmu klase katalizē šo reakciju? (izvēlies atbilstošu atbildi) a) oksidoreduktāzes b) izomerāzes c) lipāzes d) ligāzes 2. Kāds ir vielas B maksimāli iespējamais iznākums? a) 100 % b) 90 % c) 75 % d) 50 % 3. Atrod hirālus centrus savienojuma B struktūrā un nosaki to absolūto konfigurāciju. Konfigurāciju pieraksti blakus atbilstošam hirālam centram. Theoretical problems 9

22 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: 4. Uzraksti visu savienojumu DG struktūras. D: E: F1: F2: G1: G2: 5. Savienojumi G1 un G2 savā starpā ir: a) enantiomēri b) struktūrizomēri c) diastereomēri d) konformēri Theoretical problems 10

23 XIX Baltic Chemistry Olympiad Student code: 6. uzdevums 13 punkti Planāra oglekļa meklējumi A B C D E F G H I J 2. Mehānisms Theoretical problems 11