A-47-škola-zadanie[2]

Prepis

1 CEMICKÁ LYMPIÁDA 47. ročník, školský rok 2010/2011 Kategória A Školské kolo TERETICKÉ ÚLY 47. ročník Chemickej olympiády, Teoretické úlohy školského kola kategórie A (Školské kolo kategórie A neobsahuje praktické úlohy.) Zodpovedný autor: RNDr. Anton Sirota, PhD. Recenzenti: Doc. Ing. E. Klein, PhD., Doc. RNDr. P. Magdolen, PhD., Doc. Ing. V. Milata, PhD., RNDr. A. Sirota, PhD., Ing. M. Tatarko, PhD., Prof. RNDr. Ľ. Varečka, DrSc. Vydal: IUVENTA - Slovenský inštitút mládeže, 2010 Slovenská komisia Chemickej olympiády

2 ÚLY Z ANRGANICKEJ A ANALYTICKEJ CÉMIE Chemická olympiáda kategória A 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Anton Sirota Medzinárodné informačné centrum MC, IUVENTA, Bratislava Maximálne 18 bodov Doba riešenia: 60 minút Úvod Úloha 1 (9,45 b) Predstavte si, že molekula vody, 2, sa nachádza v rovine xy. 1.1 Ak budeme predpokladať, že väzby sa tvoria len s využitím atómových orbitálov atómov kyslíka a vodíka, uveďte: a) orbitály kyslíka, ktoré sú vhodné na tvorbu väzieb, b) hodnotu v stupňoch, ktorú by mal mať uhol. 1.2 Ak predpokladáme hybridizáciu atómových orbitálov atómov kyslíka, uveďte: a) umiestnenie valenčných elektrónov v jednotlivých orbitáloch, b) pomocou ktorých orbitálov atómov kyslíka a vodíka možno vysvetliť vznik väzby, c) očakávanú teoretickú hodnotu uhla (s presnosťou na stupne) d) skutočnú hodnotu uhla v molekule vody v plynnej fáze (s presnosťou na stupne) a vysvetlite odchýlku od očakávanej teoretickej hodnoty. V porovnaní s vodou peroxid vodíka má o jeden atóm kyslíka viac. Molekula peroxidu vodíka nie je rovinný útvar, ale atómy, z ktorých pozostáva, sa nachádzajú v dvoch navzájom sa pretínajúcich rovinách pod uhlom β. 1.3 a) Nakreslite prekrytie jednotlivých orbitálov, ktorými možno vysvetliť vznik väzieb v molekule peroxidu vodíka a vysvetlite priestorové usporiadanie molekuly peroxidu vodíka na základe priestorového smerovania chemických väzieb a. b) dhadnite interval, v ktorom sa nachádza hodnota uhla α() a uhla β. Použite pritom symboly nerovnosti (<, resp. >). 1

3 Skupine dvoch atómov kyslíka možno v peroxide vodíka priradiť tzv. skupinové oxidačné číslo II nasledovne: I -II 2 2 ( ). Keďže takto priradené oxidačné číslo možno deliť dvomi a výsledok je celé číslo, vo väčšine učebníc sa atómu kyslíka v peroxide vodíka priraďuje oxidačné číslo I. 1.4 Napíšte rovnicu chemickej reakcie v iónovom tvare, v ktorej sa v peroxide vodíka: a) zmenšuje oxidačné číslo atómu kyslíka, b) zväčšuje oxidačné číslo atómu kyslíka, Úloha 2 (8,55 b) Zloženie čistého hydrátu síranu meďnatého možno vyjadriť vzorcom CuS (modrá skalica). V kryštálovej štruktúre je atóm medi v oktaédrickom obklopení, čo možno vyjadriť chromofórom Cu 6. (Chromofór zahrňuje centrálny atóm a donorové atómy, cez ktoré sa ligandy viažu na centrálny atóm.) V tomto prípade oktaéder nie je pravidelný a má tvar pretiahnutej bipyramídy. Pri zohrievaní sa modrá skalica dehydratuje a nakoniec vznikne biely bezvodý síran meďnatý. Dehydratácia prebieha v dvoch stupňoch, pričom v prvom stupni sa hmotnosť rozkladaného produktu zmenší o 28,86 hmot. %. 2.1 Napíšte chemické rovnice vyjadrujúce uvedený rozklad modrej skalice. 2.2 Nakreslite opísaný deformovaný oktaéder a umiestnite v ňom atómy medi a kyslíka. V nákrese označte jednotlivé donorové atómy kyslíka tak, aby bolo zrejmé, z akého ligandu pochádzajú. Tuhá zmes s hmotnosťou 10,0 g obsahovala bezvodý síran draselný a čiastočne zvetraný hydrát síranu meďnatého. Zmes sa vysušila pri teplote, pri ktorej z nej unikla všetka voda. Po vysušení mala zmes hmotnosť 8,17 g. Vysušená zmes sa rozpustila v 50 cm 3 vody, roztok sa mierne okyslil s kyselinou chlorovodíkovou a vyzrážal zriedeným roztokom chloridu bárnatého. Vylúčená zrazenina sa odfiltrovala, na filtri sa premyla vodou a nakoniec sa vysušila. Jej hmotnosť po vysušení bola 11,39 g. 2.3 Výpočtom zistite zloženie (v hmot. %) východiskovej zmesi tuhých látok, 2

4 2.4 Vzorec zvetraného síranu meďnatého si napíšte v tvare CuS 4. x 2 a vypočítajte hodnotu x. Poznámka: Pri riešení možno použiť chemické tabuľky. 3

5 ÚLY Z FYZIKÁLNEJ CÉMIE Chemická olympiáda kategória A 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Ján Reguli Katedra chémie, Pedagogická fakulta Trnavskej univerzity v Trnave Maximálne 17 bodov Doba riešenia: 60 minút Úloha 1 (4 b) 1.1 Prídavok 3,2 g síry do 1000 g sírouhlíka (K e = 2,50 K kg mol 1 ) mal za následok zvýšenie teploty varu o T = 0,031 K. Určte molárnu hmotnosť M rozpustenej síry. 1.2 smotický tlak vodného roztoku neprchavej látky pri 26 C je 6,127 MPa. ustota vody pri 26 C je 996,78 kg m 3 a jej molárna hmotnosť M( 2 ) = 18,016 g mol 1. Výparná entalpia vody pri 100 C je 40,66 kj mol 1. Predpokladajte, že tento roztok sa správa ako ideálny a vypočítajte jeho teplotu varu pri 101,325 kpa. Úloha 2 (5 b) V každej otázke vyznačte všetky správne odpovede. 2.1 Rýchlostná konštanta chemickej reakcie a) je konštanta úmernosti v rýchlostnej rovnici. b) nezávisí od koncentrácie reagujúcich látok. c) nezávisí od teploty. 2.2 Rozmer rýchlostnej konštanty a) je rovnaký pre všetky chemické reakcie. b) závisí od poriadku reakcie. c) závisí od definície reakčnej rýchlosti. 2.3 Pre danú chemickú reakciu závisí číselná hodnota rýchlostnej konštanty a) od jednotiek koncentračného vyjadrenia v rýchlostnej rovnici. b) od teploty. c) od jednotky času, použitej pri vyjadrení reakčnej rýchlosti. 4

6 2.4 Reakčná rýchlosť pre reakciu prvého poriadku a) klesá lineárne s časom. b) rastie lineárne s koncentráciou východiskovej zložky. c) sa s časom nemení. d) nezávisí od koncentrácie východiskovej zložky. 2.5 Rozklad oxidu dusičného v roztoku chloridu uhličitého pri 45 C prebieha ako reakcia prvého poriadku s polčasom 15 min. Za aký čas poklesne koncentrácia N 2 5 z pôvodnej hodnoty 2 mol dm 3 na hodnotu 0,25 mol dm 3? Úloha 3 (5 b) Pre reakciu N N 3 N 2 bol navrhnutý tento mechanizmus: N 2 5 N 2 + N 3 rýchlostná konštanta k 1 N 2 + N 3 N 2 5 rýchlostná konštanta k 1 N + N 3 2 N 2 rýchlostná konštanta k Zostavte rýchlostnú rovnicu vyjadrujúcu úbytok N 2 5 za použitia predpokladu o konštantnej stacionárnej koncentrácii reaktívneho medziproduktu N Ako sa zjednoduší výsledný vzťah, ak sa oxid dusnatý použije vo veľkom nadbytku? Úloha 4 (3 b) Vypočítajte pre teplotu 25 C p vodného roztoku Cl s k oncentráciou c Cl = mol dm 3. Iónový súčin vody má pri teplote 25 C hodnotu

7 ÚLY Z RGANICKEJ CÉMIE Chemická olympiáda - kategória A - šk. rok 2010/2011 Školské kolo Marta Sališová a Radovan Šebesta Katedra organickej chémie PRIF UK, Bratislava Maximálne 17 bodov Doba riešenia: 60 minút Úloha 1 (1.84 b) Doplňte kompatibilné stereoizoméry a pomenujte zlúčeniny s použitím deskriptorov R,S, resp. E,Z Úloha 2 (3.22 b) V reakčnej schéme nahraďte písmená A F reaktantmi a produkt pomenujte. 6

8 Úloha 3 (1.84 b) Napíšte mechanizmus a produkt reakcie: Úloha 4 (0.92 b) Napíšte štruktúrny vzorec zlúčeniny A, z ktorej sa po ozonolýze získa 2,3-dimetylbutándiál a 5-metoxyhexa-2,4-dión. Úloha 5 (2.76 b) Navrhnite prípravu alkoholu A z karbonylovej zlúčeniny a Grignardovho činidla. Uveďte všetky možné riešenia. A Úloha 6 (2.30 b) Doplňte štruktúry látok A E v reakčnej schéme: C 3 NBS A(C 7 7 Br) KCN 2 S 4 B(C 8 7 N) 2,t C(C ) C 3 / + t D(C ) C 3 Na E(C ) 7

9 Úloha 7 (4.14 b) Vanilín (4-hydroxy-3-metoxybenzaldehyd) má okrem svojej príjemnej chuti a vône použitie aj v organickom laboratóriu. Používa sa na vyfarbovanie škvŕn na platničkách v tenkovrstvovej chromatografii (TLC). Táto metóda dobre funguje pre látky s nukleofilnými funkčnými skupinami. 7.1 Z nasledujúcej skupiny zlúčenín vyberte tie, ktoré budú reagovať vanilínom (a tým aj potenciálne poskytovať farebnú škvrnu) v prítomnosti kyseliny sírovej: tiofenol, oktanol, brómcyklohexán, antracén, butylamín, propán-1,3-diol, metoxybenzén. Napíšte aj príslušné chemické reakcie. 7.2 V 1 NMR spektre vanilínu sa nachádzajú nasledovné signály: 3.96 (s, 3 ); 6.39 (s, 1 ); 7.05 (d, 1 ); 7.42 (m, 2); 9.82 (s, 1 ). Priraďte signály v 1 NMR spektre jednotlivým vodíkom vanilínu 8

10 ÚLY Z BICÉMIE Chemická olympiáda kategória A 47. ročník školský rok 2010/2011 Školské kolo Boris Lakatoš ddelenie biochémie a mikrobiológie, FChPT STU, Bratislava Maximálne 8 bodov Doba riešenia: 30 min Úloha 1 (3 b) Dobre si prezrite nižšie uvedené štruktúry sacharidov. 2 C A B C 2 C C 3 D E Povedzte, ktorý z uvedených sacharidov: a) obsahuje pentózu alebo je pentóza, b) obsahuje ketózu alebo je ketóza, c) je redukujúci sacharid, d) obsahuje rovnaké monosacharidy a pomenujte tieto monosacharidy, e) je sacharóza, f) sa uvoľňuje pri trávení škrobu. 9

11 Úloha 2 (5 b) Pri prechode monosacharidov na cyklickú formu vznikajú z jednej opticky aktívnej konfigurácie dve izomérne izoformy, pričom sa ustáli chemická rovnováha. Tento typ izomérie je známy ako anoméria. Keďže medzi α a β anomérom neexistuje štruktúrny vzťah predmetu a jeho zrkadlového obrazu, nie sú tieto izoméry optickými antipódmi, t.j. neotáčajú rovinu polarizovaného svetla o rovnaký uhol v opačnom zmysle. Špecifické rotácie α a β anomérov D-glukózy sú +112,2 a +18,7. Špecifická rotácia [ α ] d je definovaná ako pozorovaná rotácia svetla s vlnovou dĺžkou 589 nm, ktoré prechádza cez 10 cm hrubú vrstvu roztoku vzorky s koncentráciou 1 g/ml. Keď je kryštalická forma α -D-glukopyranózy rozpustená vo vode špecifická rotácia poklesne z hodnoty +112,2 na rovnovážnu hodnotu +52, 7. a) Nakreslite štruktúru anomérov D-glukózy v aworthovej projekcii. b) Na základe údajov uvedených vyššie zistite aké je percentuálne zastúpenie jednotlivých anomérov v rovnováhe. Množstvo D-glukózy v lineárnej forme považujte za zanedbateľné. 10