CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. kategória A. školské kolo TEORETICKÉ ÚLOHY. 45. ročník, školský rok 2008/2009. určené pre najvyššie ročníky gymnázií

Transcript

1 CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 45. ročník, školský rok 2008/2009 kategória A určené pre najvyššie ročníky gymnázií školské kolo TEORETICKÉ ÚLOHY

2 ÚLOHY Z ANORGANICKEJ A ANALYTICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 45. ročník školský rok 2008/2009 Školské kolo Anton Sirota Medzinárodné informačné centrum MCHO, IUVENTA, Bratislava Maximálne 18 bodov Predpokladaná doba riešenia: 50 minút Úloha 1 Je známe, že rastliny na tvorbu svojich orgánov, na priebeh a usmerňovanie životných procesov potrebujú popri vode a oxide uhličitom, ktoré sú základnými látkami pri fotosyntéze, aj ďalšie látky, ktoré odoberajú z pôdy. Prvky, ktoré rastliny nevyhnutne potrebujú pre svoj vývoj, sa nazývajú biogénne prvky. Hnojivá sú látky, ktoré po pridaní do prostredia rastlín môžu zlepšiť ich výživu, úrodu a kvalitu. Tým sa v podstatnej miere zvýši produktivita pestovania niektorých dôležitých rastlín. Medzi biogénne prvky patrí aj fosfor, a preto sa v poľnohospodárstve používajú aj fosforečné hnojivá. Údajom, ktorým sa meria v poľnohospodárskej praxi obsah fosforu v hnojive, je obsah oxidu fosforečného, ktorého vzorec sa v tomto prípade píše v tvare P 2 O 5. Jeho obsah v hnojive sa vyjadruje v hmotnostných percentách Hlavnou zložkou superfosfátu je monohydrát bis(dihydrogenfosforečnanu) vápenatého. Vyjadrite v ňom obsah fosforu vo forme hmotnostného percenta P 2 O 5. Oxid fosforečný má v skutočnosti vzorec P 4 O Rozhodnite, či P 4 O 10 je dimér oxidu fosforečného P 2 O 5 a jeho vzorec možno napísať aj v tvare (P 2 O 5 ) 2. Zdôvodnite svoje tvrdenie. Opíšte slovne tvar molekuly P 4 O 10 a pokúste sa nakresliť jej tvar. Z fosforečnanov, ktoré sa nachádzajú v prírode, môžu rastliny priamo využívať len malý podiel fosforu, pretože sú vo vode málo rozpustné. Podstatné zväčšenie podielu rozpustných fosforečnanov sa dosiahne chemickým spracovaním prírodných fosfátov minerálnymi kyselinami. Takto získané produkty sa nazývajú superfosfáty. Jednoduchý superfosfát sa pripravuje dvojstupňovou syntézou. Prvou rýchlou reak- 1

3 ciou sa minerál fluorapatit Ca 10 F 2 (PO 4 ) 6 rozkladá kyselinou sírovou za vzniku kyseliny trihydrogenfosforečnej. Uvoľnená kyselina fosforečná potom pomaly rozkladá ďalší podiel fluorapatitu za vzniku vo vode pomerne dobre rozpustného monohydrátu bis(dihydrogenfosforečnanu) vápenatého Napíšte chemické rovnice pre uvedené dve reakcie Napíšte sumárnu rovnicu opísanej prípravy superfosfátu. Na hodine chémie sa preberala látka o fosfore. Učiteľ vysvetľoval dôležitosť rozpustnosti fosforečnanov pri ich využití ako hnojív v poľnohospodárstve. Na stole mal reagenčnú fľašku, v ktorej bolo 100 g bis(fosforečnanu) trivápenatého. Spýtal sa žiakov, či si myslia, že sa toto množstvo uvedenej soli rozpustí vo vode plaveckého bazéna. (Rozmery bazéna sú 50,0 m x 20,0 m x 2,00 m). Keď si žiaci predstavili množstvo vody, ktoré sa nachádza v bazéne a na druhej strane malé množstvo soli, takmer všetci si mysleli, že soľ sa vo vode bazéna určite rozpustí. Len dvaja žiaci, ktorí sa úspešne zapájali do riešenia úloh Chemickej olympiády, si neboli istí a tvrdili, že odpoveď na túto otázku možno získať len výpočtom. Vzali si chemické tabuľky, kalkulačku a po chvíli počítania vyhlásili, že 100 g bis(fosforečnanu) trivápenatého sa nerozpustí úplne v bazéne Vypočítajte rozpustnosť Ca 3 (PO 4 ) 2 v jeho nasýtenom vodnom roztoku a uveďte ju v jednotkách mol dm Zistite výpočtom, či sa 100 g bis(fosforečnanu) trivápenatého rozpustí úplne vo vode bazéna a ktorá skupina žiakov mala teda pravdu. Pri výpočtoch neuvažujte zmenu objemu roztoku pri rozpúšťaní. Súčin rozpustnosti K s (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) = 2, A r (Ca) = 40,078; A r (P) = 30,974; A r (O) = 15,999. 2

4 ÚLOHY Z FYZIKÁLNEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 45. ročník školský rok 2008/2009 Školské kolo Ján Reguli Katedra chémie PdF TU, Trnava Maximálne 17 bodov Doba riešenia: 60 minút Úloha 1 (3 b) Do tlakového hrnca vybaveného teplomerom sme naliali 2 litre vody. Hrniec sme postavili na sporák, zapálili sme plyn a počkali sme, kým voda začne vrieť a ustáli sa teplota. Aký tlak v hrnci udrží ventil, ak sa teplota ustálila na 120,4 C? Vo vedľajšom otvorenom hrnci voda vrela pri 100,0 C a tla k na barometri na stene ukazoval 101,325 kpa. Molárna výparná entalpia vody má hodnotu vap H(H 2 O) = 44,016 kj mol 1. Úloha 2 (5 b) 1 mol stavovo ideálneho dusíka (ktorého c vm = 5/2 R) sme v uzavretej kovovej nádobe zohriali z 25 C na 75 C. V nádobe sme pies tom udržiavali tlak na konštantnej hodnote (ktorú udrží poistný ventil). Počiatočný objem nádoby bol 15 litrov Vypočítajte, ako sa zväčšila vnútorná energia a entalpia dusíka Aké teplo sme dusíku dodali? Nádobu sme pri 75 C stlačili späť na 15 litrov, pričom z nej cez poistný ventil vyfučala časť dusíka Na aký tlak je nastavený poistný ventil? 2.4. Koľko gramov dusíka sme z nádoby vypustili? M(N 2 ) = 28 g mol 1. Úloha 3 (5,5 b) Valček s polomerom 10 mm a s výškou 5 cm je potrebné pokryť vrstvičkou chrómu s hrúbkou 40 µm. Ako dlho bude trvať elektrolytické pochrómovanie prúdom 3

5 0,45 A (s prúdovým výťažkom 88 %) v elektrolyzéri, naplnenom vodným roztokom síranu chromitého? Hustota chrómu je 7,1 g cm 3, M Cr = 52,00 g mol 1. Koľko mólov síranu chromitého ubudne pri elektrolýze z roztoku? Úloha 4 (3,5 b) Vek vzoriek vody alebo vodných roztokov sa dá zistiť stanovením obsahu rádioaktívneho trícia, ktorý vzniká v prírode pôsobením kozmického žiarenia. Vypočítajte vek vzorky vody, ktorá má oproti vzorke čerstvej vody desaťkrát menšiu rádioaktivitu. Predpokladajte, že tam, kde bola vzorka vody uložená, nepreniklo kozmické žiarenie. Polčas rozpadu trícia je 12,5 rokov. 4

6 ÚLOHY Z ORGANICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 45. ročník školský rok 2008/2009 Školské kolo Marta Sališová, Andrej Boháč Katedra organickej chémie PRIF UK, Bratislava Maximálne 17 bodov Doba riešenia: 60 minút Úloha 1 (1,8 b) Doplňte kompatibilné stereoizoméry a pomenujte zlúčeniny s použitím deskriptorov R,S resp. E,Z: a) H Br CH 2 CH 2 COOH COOH b) HOOC HOH 2 C C=C CH 2 CH 2 OH CH 2 CH 2 COOH Úloha 2 (2,93 b) V reakčnej schéme nahraďte písmená A I reaktantmi: CH 2 CH 3 A CH-CH 3 B CH-CH 3 C Br MgBr CH-CH 3 CH 2 CH 2 OMgBr 5

7 D CH-CH 3 CH 2 CH 2 OH E CH-CH 3 CH 2 COOH F CH-CH 3 CH 2 COCl CH 3 CH 3 G H I CH 3 O OH OOC-C(CH 3 ) 3 Úloha 3 (3,0 b) a) Navrhnite syntézu etylesteru kyseliny butánovej (príjemne voňavej zlúčeniny po ananáse), ak pri reakciách musíte využiť nasledovné reagenty: propén, etanol, KCN, HBr, H 2 O 2, NaOH, HCl a PCl 3. b) Priraďte signály v 1 H NMR spektre metylesteru kyseliny butánovej odpovedajúcim vodíkom. Zápis spektra je nasledovný: 1 H NMR (CDCl 3 ) (δ): 0.96 (t, 3H, CH 3 ); 1.25 (t, 3H, CH 3 ); 1.65 (sex, 2H, CH 2 ); 2.27 (t, 2H, CH 2 ); 4.13 (q, 2H, CH 2 ) 6

8 Poznámka : na rozdiel od esterov kyseliny butánovej, samotná kyselina butánová nepríjemne zapácha po skazenom masle (podľa toho má aj triviálny názov kyselina maslová). Úloha 4 (3,30 b) ε-kaprolaktám B je východiskovou zlúčeninou na výrobu silonu. a) Navrhnite syntézu cyklohexanón oxímu, ak ako východiskovú zlúčeninu musíte použiť dietylester kyseliny heptándiovej. b) Napíšte mechanizmus Beckmannovho prešmyku cyklohexanón oxímu A na ε- kaprolaktám. c) Naznačte, aký polymér vznikne po kyslej hydrolýze ε-kaprolaktámu: O N-OH NH B A Úloha 5 (2,40 b) O zlúčenine A (C 17 H 24 O) je známe, že: a) dáva pozitívnu reakciu s Bradyho činidlom (2,4-dinitrofenylhydrazínom), b) reaguje s roztokom brómu v chloroforme, c) nereaguje s Tollensovým ani Lugolovým činidlom, d) zlúčeninu A je možné pripraviť zo 4-izopropylbenzaldehydu a symetrického ketónu B za katalýzy NaOH, e) symetrický ketón B je možné pripraviť v dvojstupňovej reakcii z hept-3-énu. f) Napíšte, aký produkt C by mohol vzniknúť pri reakcii nadbytku 4-izopropylbenzaldehydu so symetrickým ketónom B. Úloha 6 (3,60 b) Polyamid KEVLAR sa vyznačuje odolnosťou voči teplu a používa sa do kordov pri výrobe pneumatík, do nepriestrelných viest a pod. Kevlar sa pripravuje polymeri- 7

9 záciou chloridu kyseliny benzén-1,4-dikarboxylovej (tereftalovej) a benzén-1,4- diamínu. a) Navrhnite prípravu chloridu kyseliny benzén-1,4-dikarboxylovej, ak ako východiskovú látku máte k dispozícii toluén. b) Navrhnite prípravu benzén-1,4-diamínu ak ako východiskovú látku máte k dispozícii anilín (benzénamín). c) Napíšte dve sekvencie uvedeného polyamidu. 8

10 ÚLOHY Z BIOCHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 45. ročník školský rok 2008/2009 Školské kolo Ing. Boris Lakatoš, PhD. Oddelenie biochémie a mikrobiológie, FChPT STU, Bratislava Maximálne 8 bodov Doba riešenia: 40 minút Úloha 1 (5 b) Olivový olej je výborným zdrojom nenasýtených mastných kyselín, ktoré sú nevyhnutné pre zdravú výživu človeka. Hlavnými zástupcami sú: kyselina olejová, kyselina linolová a kyselina linolénová. Kyselina olejová je mononenasýtená mastná kyselina so sumárnym vzorcom C 17 H 33 COOH. Kyseliny linolová a linolénová sú polynenasýtené mastné kyseliny so sumárnymi vzorcami C 17 H 31 COOH a C 17 H 29 COOH. a) Nakreslite štruktúrne vzorce týchto kyselín ak viete, že pre kyselinu linolovú platí skrátený zápis 18:2 (9c, 12c) a pre linolénovú 18:3 (9c, 12c, 15c), kde druhé číslo v skratke udáva počet dvojitých väzieb a čísla v zátvorke indikujú číslo uhlíka, z ktorého vychádza dvojitá väzba a písmenko určuje konfiguráciu (cis-c alebo trans-t). b) Degradácia týchto mastných kyselín prebieha v mitochondriách. Napíšte o aký typ degradácie ide a pomenujte hlavný produkt degradácie mastných kyselín. c) V priebehu degradácie mastných kyselín v mitochondriách dochádza k redukcii dvoch rôznych reakčných partnerov X a Y. Napíšte názvy týchto molekúl. d) Na základe výpočtu rozhodnite, či je z energetického hľadiska výhodnejšie degradovať kyselinu olejovú alebo kyselinu steárovú (skrátený zápis: 18:0), ak viete, že 1 mól hlavného produktu oxidácie mastných kyselín prechodom cez citrátový cyklus poskytne 12 mólov ATP a 1 mól X umožní v dýchacom reťazci vznik 3 mólov ATP a 1 mól Y v dýchacom reťazci umožní vznik 2 mólov ATP. 9

11 Úloha 2 (3 b) V závislosti od dostupnosti O 2 sa môže glukóza vstupujúca do glykolýzy premieňať na rôzne koncové produkty. Uveďte, aké molekuly okrem ATP vzniknú a aký bude ich počet za predpokladu, že dôjde ku premene jednej molekuly glukózy: a) v anaerobných podmienkach v živočíšnych bunkách, b) v anaerobných podmienkach v kvasinkách a c) v aerobných podmienkach. 45. ročník Chemickej olympiády, teoretické úlohy školského kola kategórie A Vydal: IUVENTA, 2008 Ďalšie informácie na Slovenská komisia Chemickej olympiády 10