Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Ústřední
komise Chemické olympiády
55. ročník 2018/2019
TEST ŠKOLNÍHO KOLA Kategorie A
ZADÁNÍ (60 BODŮ)
časová náročnost: 120 minut
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
2
ZADÁNÍ
ANORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ
Úloha 1 Oxokyseliny dusíku 7,5 bodu
Dusík tvoří tři významnější oxokyseliny.
1) Napište vzorce a názvy oxokyselin dusíku dle klesajícího oxidačního stavu: kyselina A má nejvyšší
oxidační stav dusíku, kyselina B prostřední a kyselina C nejnižší oxidační stav dusíku. Srovnejte
jejich sílu.
Kyselina A:
Kyselina B:
Kyselina C:
Síla kyselin:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
3
Jednotlivé kyseliny dusíku jsou propojeny s různými oxidy. Kyselinu A je možné získat reakcí dvou různých
oxidů dusíku s vodou (reakce 1 a 2). Kyselinu B je možné získat hydratací odpovídajícího oxidu (reakce 3).
Tento oxid je ovšem nestálý, proto se uvedená kyselina získává oklikou: reakcí hydroxidu (reakce 4) nebo
uhličitanu (reakce 5) s vhodnou směsí oxidů dusíku. Volnou kyselinu B lze ze vzniklé soli za nízké teploty
získat reakcí 6.
2) Zapište rovnice reakcí 1–6.
Reakce 1:
Reakce 2:
Reakce 3:
Reakce 4:
Reakce 5:
Reakce 6:
body:
3) Proč musíme reakci 6 chladit? Dokumentujte příslušnou rovnicí.
Vysvětlení:
Rovnice:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
4
Vraťme se ještě k velmi významné kyselině A.
4) Tato látka se musí uchovávat v tmavých lahvích. Proč? Zdůvodněte chemickou rovnicí.
Zdůvodnění:
Rovnice:
body:
5) Ponoříme-li železný hřebík do zředěné a koncentrované kyseliny A, budou mezi probíhajícími
reakcemi nějaké rozdíly? Vysvětlete slovně.
Vysvětlení:
body:
6) A nakonec: zapište vzorec a název dvouprvkové sloučeniny dusíku, která ve vodném roztoku
vystupuje jako kyselina.
Vzorec sloučeniny:
Název sloučeniny:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
5
Úloha 2 Kjeldahlovo stanovení 3,5 bodu
Kjeldahlova metoda slouží ke stanovení dusíku v organických látkách. Vzorek organické látky se mineralizuje
pomocí koncentrované kyseliny sírové za přítomnosti vhodného katalyzátoru. Aminový dusík se tak převede
na síran amonný. Následně dochází k alkalizaci směsi hydroxidem sodným. Vyloučený amoniak se destilací
s vodní parou převede do nadbytku kyseliny, přebytečná kyselina se stanoví alkalimetrickou titrací.
1,0000 g vzorku organické látky bylo podrobeno popsané analýze. Objem roztoku po mineralizaci byl
upraven na 200 ml. Z roztoku bylo pipetováno 20 ml, ze kterých byl uvolněn amoniak. Amoniak byl zaveden
do 50,00 ml 0,1000M roztoku kyseliny sírové. Přebytek kyseliny byl titrován hydroxidem sodným na
methylčerveň, spotřeba 0,5000M roztoku NaOH činila 13,3 ml.
1) Výpočtem určete procentuální obsah dusíku ve vzorku.
Výpočet:
Obsah dusíku ve vzorku: ................................................. %
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
6
2) Určete, která látka byla analyzována – acetamid, močovina či ethylamin. Své rozhodnutí podložte
výpočtem.
Výpočet:
Analyzovaná látka: ........................................................................
body:
3) Napište vzorce uvedených organických sloučenin.
Acetamid:
Močovina:
Ethylamin:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
7
Úloha 3 Symetrie 5 bodů
1) Zapište strukturní elektronové vzorce dusitanového a dusičnanového aniontu tak, aby byly
v souladu s oktetovým pravidlem.
Dusitanový anion:
Dusičnanový anion:
body:
2) Určete bodovou grupu symetrie dusitanového a dusičnanového aniontu. Nezapomeňte, že
v aniontech oxokyselin dochází k delokalizaci záporného náboje přes všechny atomy kyslíku.
Grupa symetrie dusitanového aniontu: ..........................................................
Grupa symetrie dusičnanového aniontu: ......................................................
body:
3) Který oxid dusíku má bodovou grupu symetrie C∞v? Napište vzorec alespoň jedné další částice
obsahující dusík, která má tuto grupu symetrie.
Oxid dusíku: ......................................................
Další částice s obsahem dusíku:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
8
4) Bodová grupa C1 obsahuje jediný prvek symetrie. Jaký? Napište jeho název i označení.
Obr. 1: Schéma pro určení bodové grupy symetrie, odpovědi A/N značí ano/ne
(převzato z Atkins, De Paula, Fyzikální chemie, VŠCHT Praha 2013).
Prvek symetrie a jeho označení:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
9
ORGANICKÁ CHEMIE 16 BODŮ
Úloha 1 Aldolové reakce 4 body
1) Zkříženou aldolovou reakcí acetaldehydu se třemi ekvivalenty formaldehydu za bazické katalýzy
vzniká produkt A, viz reakce níže. Napište strukturní vzorec tohoto produktu.
Struktura produktu A:
body:
2) Aldolizace a aldolové kondenzace jsou často zvratné reakce. Součástí jedné důležité metabolické
dráhy je enzymaticky katalyzované retroaldolové štěpení dinatrium-fruktosa-1,6-bisfosfátu,
případně zpětná reakce. Pokuste se napsat strukturní vzorce produktů tohoto štěpení B a C.
Produkt B: Produkt C:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
10
3) Diketon benzil podléhá bazicky katalyzované aldolové kondenzaci s ketonem D za odštěpení dvou
molekul vody a vzniku 2,3,4,5-tetrafenylcyklopenta-2,4-dien-1-onu. Nakreslete strukturní vzorec
ketonu D.
Reaktant D:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
11
Úloha 2 Píšeme mechanismy organických reakcí 5 bodů
Doplňte šipky popisující pohyby elektronových párů v reakčním mechanismu, který popisuje vznik
iminu z primárního aminu a ketonu.
Mechanismus:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
12
Úloha 3 Trocha chemie dusíkatých derivátů 7 bodů
Napište strukturní vzorce látek E až K v následujících schématech.
Produkt E:
Produkt F:
Produkt G:
Produkt H:
Produkt I:
Produkt J:
Produkt K:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
13
FYZIKÁLNÍ CHEMIE 16 BODŮ
Úloha 1 Kosmogenní beryllium 5 bodů
Jedny z nuklidů, které vznikají z kosmického záření je např. 10Be nebo 7Be, což jsou radioaktivní izotopy
beryllia.
1) Navrhněte, jak mohou oba tyto radioizotopy beryllia vznikat v atmosféře z kosmického záření
reakcí kosmogenních neutronů se stabilním izotopem kyslíku 16O.
Rovnice:
body:
2) Izotop 10Be se následně rozpadá β− rozpadem. Osud 7Be spočívá v elektronovém záchytu. Jaká
jádra vznikají jejich samovolnými přeměnami?
Jádro vzniklé z 10Be:
Jádro vzniklé ze 7Be:
body:
H. Nagai a kol. (Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. B, 172, 1-4(2000)) měřili rychlost tvorby 7Be a 10Be ve
stratosféře a troposféře. Zjistili, že celková produkce 10Be činí 0,036 atomů cm−2 s−1 (vztaženo na jednotku
plochy zemského povrchu). Tento radioizotop s poločasem rozpadu 1,39∙106 y (let) se velmi rychle deponuje
do mořské vody a okamžitě se rozpadá. Předpokládejte, že objem mořské vody je celkem 1,4∙1018 m3 a
celková plocha Země je 510∙106 km2.
3) Jaká je rovnovážná aktivita 10Be v 1 m3 mořské vody? Výsledek uveďte v Bq m−3.
Výpočet:
Aktivita: ....................................................... Bq m−3
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
14
Ve vzorku Grónského ledovce byla zkoumána aktivita 10Be. Měřením a přepočtem bylo zjištěno, že v 1 m3 ledu
z ledovce je aktivita 10Be 0,0184 rozpadů za minutu.
4) Určete stáří ledovce v letech, pokud vznikl z vody, která byla v rovnováze s kosmickým zářením.
(Pokud se vám nepodařilo odpovědět na předchozí otázku, počítejte s rovnovážnou aktivitou 10Be
0,1 Bq m−3.)
Výpočet:
Staří ledovce: .......................................................
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
15
Úloha 2 Radioterapie při léčbě rakoviny 8 bodů
Poměrně novou a zatím stále experimentální, metodou léčby některých maligních nádorových onemocnění,
zejména hlavy a krku, je tzv. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT, borová neutronová záchytová terapie).
Metoda spočívá v přípravě speciální sloučeniny, která obsahuje nuklidy 10B. Sloučenina boru (Na2B12H11SH,
M = 220 g mol−1) se selektivně váže na nádorové buňky. Ty jsou potom ozařovány proudem pomalých
neutronů. Nuklid boru pohltí jeden neutron, přičemž dojde ke vzniku metastabilního nuklidu 11mB, který
podléhá samovolnému rozpadu (τ1/2 = 20 ms) na 7Li za současného uvolnění γ-fotonu o energii 2,31 MeV.
Energie a částice uvolněné při tomto rozpadu ničí veškerou tkáň, ale pouze do vzdálenosti několika
mikrometrů od místa, kde k rozpadu dojde.
1) Předpokládejme, že pacientovi podáme 200 mg výše uvedené sloučeniny boru, která obsahuje
přírodní molární poměr 10B/11B = 19,9/80,1. Kolik atomů 10B se v podané dávce sloučeniny nachází?
Výpočet:
Počet atomů: .......................................
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
16
Experimentální BNCT v Řeži u Prahy má následující parametry: průměr neutronového paprsku je 12 cm, tok
neutronů činí 0,60∙109 neutronů cm−2 s−1. K deaktivaci nádorové buňky je třeba dávka alespoň 1 Gy γ-záření.
Účinná plocha nádoru o hmotnosti 20 g, který chceme zneškodnit, činí 2 cm2 a účinnost záchytu neutronů je
0,5.
2) Jak dlouho je třeba provádět ozařování pacienta neutrony na daném BCNT, aby se zničilo aspoň
20% hm. buněk nádoru? Předpokládejte, že bylo podáno dostatečné množství 10B.
Výpočet:
Doba ozařování: ................................................
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
17
Je zajímavé srovnat, jak se liší doba ozařování BNCT a např. klasickým ozařováním protony. Předpokládejme
opěr nádor o hmotnosti 20 g, ve kterém chceme zničit jedním ozařováním 20 % buněk. Tento nádor
ozařujeme protony o energii 180 keV (účinnost záchytu buňkou je 10 %). Elektrický proud v protonovém
paprsku činí 0,50 nA. Buňka o hmotnosti 1,0 ng se považuje za mrtvou, pokud absorbuje 500 keV energie.
Žádná buňka není během ozařování zabita dvakrát.
3) Jak dlouho je třeba ozařovat popsaný nádor, aby došlo k jeho zničení z 20 %?
Výpočet:
Doba ozařování: ................................................
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
18
Úloha 3 Radiochemická titrace 3 body
Radiochemie se nevyužívá pouze v lékařství, dá se aplikovat i v běžných metodách analytické chemie, jako
jsou srážecí titrace.
Tuhý vzorek o hmotnosti 376 mg obsahující rozpustné sulfidy a jodidy byl převeden do roztoku, do kterého
bylo zároveň přidáno zanedbatelné množství 131I−. Zjišťováním aktivity matečného roztoku v závislosti na
přídavku odměrného roztoku AgNO3 byla získána následující křivka:
Odměrný roztok AgNO3 byl připraven zředěním 10 ml zásobního roztoku (ρ = 1,013 g cm−3, w = 1,677 %) na
100 ml.
1) Vypočítejte molární koncentraci odměrného roztoku AgNO3.
Výpočet:
Koncentrace odměrného roztoku: ……………………… mol dm−3
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
19
2) Vysvětlete tvar křivky, pokud víte, že rozpustnost Ag2S je řádově nižší než rozpustnost AgI (obě
jsou však prakticky nerozpustné sraženiny).
Vysvětlení:
body:
3) Vypočítejte obsah I− a S2− v tuhém vzorku v hm. %.
Výpočty:
Hmotnostní zlomek S2− ……………………… %
Hmotnostní zlomek I− ……………………… %
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
20
BIOCHEMIE 12 BODŮ
Úloha 1 Nejen lipidy 7 bodů
Lipidová dvouvrstva je základem biomembrán. Aby nefungovala jen jako těžko překonatelná bariéra, ale
plnila i další funkce, obsahuje membránové bílkoviny. Inkorporace bílkovin do membrány je usnadněna tím,
že lipidová dvouvrstva není rigidní útvar nebo polymer, ale je složena z malých molekul, které se mohou
v případě potřeby rozestoupit. Podíl a typ membránových bílkovin závisí na typu tkáně, v níž se buňka
nachází, a samozřejmě na tom, o kterou membránu se jedná. Je logické, že vnitřní mitochondriální
membrána bude obsahovat jiné typy bílkovin než cytoplasmatická membrána, která má odlišné funkce.
Obr. 2: Schéma lipidové dvouvrstvy s membránovými bílkovinami
1) K jednotlivým pojmům v následující tabulce doplňte odpovídající písmena A – G označující
struktury v Obrázku 2. Odpovědi volte tak, aby každému pojmu odpovídalo právě jedno písmeno
a každé písmeno bylo použit právě jedenkrát.
Vnitřní list:
Vnější list:
Transmembránová integrální bílkovina:
Transmembránový kanál:
Periferní bílkovina vázaná elektrostaticky:
Periferní bílkovina s lipidovou kotvou:
Periferní bílkovina s oligopeptidovou kotvou:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
21
2) Rozhodněte o pravdivosti tvrzení uvedených v pracovním listu. Pozor, každá špatně vybraná
odpověď má zápornou bodovou hodnotu velikostí rovnou správné odpovědi.
Tvrzení Pravdivost
Transmembránové bílkoviny mají na svém povrchu vystaveném vodě polární aminokyseliny a
na svém povrchu uvnitř lipidové dvouvrstvy nepolární aminokyseliny. ANO – NE
Laterální pohyb molekuly lipidu v rámci jednoho listu lipidové dvouvrsty je snadný ve srovnání
s pohybem molekuly lipidu z jednoho listu do druhého. ANO – NE
Enzymy flipasy (též flip-flopasy) zajištují, aby oba listy lipidové dvouvrstvy rostly rovnoměrně. ANO – NE
Procentuální zastoupení jednotlivých typů polárních lipidů ve vnitřním a vnějším listu se
obvykle liší. ANO – NE
Procentuální zastoupení jednotlivých typů polárních lipidů v různých typech buněk se obvykle
liší. ANO – NE
Hmotnostní podíl bílkovin na celkovém složení membrány je ve vnitřní mitochondriální
membráně vyšší než v cytoplasmatické membráně erythrocyte. ANO – NE
Transmembránové kanály zajišťují usnadněný transport. ANO – NE
Transmembránové segmenty bílkovin obsahují řetězce, které jsou obvykle uspořádány do
sekundární struktury zvané „neurčitý list“ (tzv. ψ-list). ANO – NE
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
22
Úloha 2 IDSPISPOPD 5 bodů
Lipidová dvouvrstva představuje semipermeabilní membránu, která je pro různé látky různě propustná.
Polární, nabité či objemné molekuly mají problém se přes takovou bariéru dostat, byť by byl
elektrochemický gradient mezi oběma oddělenými prostory sebevětší (tedy ne tak úplně, protože při
překročení elektrické kapacity membrány by došlo k probití). Lipofilní membrána pro ně totiž představuje
bariéru na ploše volné energie. Jako takové pohoří mezi dvěma údolími či zeď. Pokud se tedy chtějí dostat
pohodlně z jedné strany na druhou, musí si nějak najít snazší cestu. Třeba zbourat kus zdi, použít tunel nebo
využít služeb převaděče.
1) Jak souvisí název úlohy s přechodem přes membránu? Vysvětlete.
Vysvětlení:
body:
2) Jak obecně označujeme takové molekuly, které jsou součástí membrány, nejsou kanály a
usnadňují přechod jiným částicím přes membránu? Co znamená, že jsou tyto molekuly
usnadňující přechod specifické?
Označení molekul:
Vysvětlení pojmu „specifické“:
body:
3) K čemu slouží membránové ionofory?
Vysvětlení:
body:
4) Stručně charakterizujte pojmy uniport, symport a antiport.
Uniport:
Symport:
Antiport:
body:
Test školního kola ChO Kat. A 2018/2019: ZADÁNÍ Soutěžní číslo
23
Uvažujme membránu, jež odděluje dva prostory. V jednom z nich je nulová koncentrace látky, ve druhém má
látka koncentraci c. Pak platí, že počáteční rychlost prosté difuse přes membránu je lineárně závislá na
koncentraci c. Naopak závislost počáteční rychlosti usnadněného přechodu má hyperbolický charakter, kdy
počáteční rychlost s rostoucí koncentrací c nejprve prudce roste, poté se růst rychlosti zmenšuje, až je při
vysoké koncentraci c téměř dosaženo limitní rychlosti transportu, kdy další zvyšování koncentrace c má na
zvyšování rychlosti zanedbatelný charakter.
5) Pokuste se vysvětlit, proč má křivka usnadněného transportu takový na první pohled neobvyklý
charakter (stačí slovní úvaha, nejsou potřeba rovnice).
Vysvětlení:
body: