48 Olimpiada chemiczna - Etap 0.pdf - 48. Olimpiada Chemiczna - medstudent

48 A

1954

2001

Z a d a n i a t e o r e t y c z n e

CZĘŚĆ A: Zadania obowiązkowe

Zadanie 1A

Identyfikacja węglowodanów

Aldoheksoza szeregu D (związek A ) w wyniku utleniania rozc. kwasem azotowym(V) tworzy kwas

aldarowy (kwas 2,3,4,5-tetrahydroksyheksanodiowy, związek B ) w formie mezo . W wyniku degradacji

polegającej na skróceniu łańcucha węglowego aldozy A o jeden (o pierwszy) atom węgla (np. reakcja

Ruffa) powstaje aldopentoza C , która z kolei podobnie utleniana za pomocą HNO 3 tworzy kwas 2,3,4-

trihydroksypentanodiowy (związek D ) również o konfiguracji mezo .

Podaj:

a) wzory łańcuchowe Fischera aldoheksozy A , aldopentozy C , 2-ketoheksozy E – epimeru aldoheksozy

A oraz obu kwasów aldarowych B i D ;

b) wzór Hawortha disacharydu nieredukującego utworzonego z anomeru α piranozowej formy

aldoheksozy A i anomeru β furanozowej formy 2-ketoheksozy E .

Zadanie 2A

Termodynamika reakcji chemicznych

a) Dla wyznaczenia standardowej entalpii tworzenia ciekłego 100 % kwasu siarkowego z substancji

termodynamicznie prostych (pierwiastków w stanie podstawowym) można skorzystać ze znanych

efektów energetycznych innych procesów. Oblicz zatem entalpię tworzenia 100% kwasu siarkowego

na podstawie następujących danych termochemicznych:

standardowa entalpia utleniania siarki rombowej do gazowego SO 2 ,

∆ H 1 0

= -297 kJ/mol

∆ H 0

standardowa entalpia tworzenia kwasu siarkowego w reakcji SO 3 z wodą,

= -98 kJ/mol

∆ H 0

= -130 kJ/mol

standardowa entalpia spalania wodoru w tlenie do ciekłej wody,

∆ H 0

= -286 kJ/mol.

b) oblicz standardową entropię reakcji tworzenia 100 % kwasu siarkowego z substancji

termodynamicznie prostych na podstawie następujących danych entropii molowych:

S 0 (H 2 ) = 130,6 J/(mol×K), S 0 (S) = 31,9 J/(mol×K), S 0 (O 2 ) = 205,0 J/(mol×K), S 0 (H 2 SO 4 ) = 156,9

J/(mol×K)

c) Zinterpretuj otrzymane wartości entalpii i entropii tej reakcji ze względu na ich wkład do jej

spontanicznego przebiegu i oblicz wartość jej entalpii swobodnej w 298 K.

Zadanie 3A

Budowa związków kompleksowych

Przestrzenną symetrię ułożenia związków kompleksowych można przewidzieć na podstawie liczby

wyodrębnionych wszystkich izomerów tych związków. Rozważ następujące przykłady.

standardowa entalpia utleniania SO 2 do SO 3 ,

1) Związek kompleksowy NiCl 2 X 2 (gdzie X oznacza np. fosfinę PH 3 ) występuje w postaci tylko

jednego izomeru. Jakie jest przestrzenne ułożenie ligandów wokół jonu centralnego ?

2) Związek kompleksowy Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 występuje w postaci dwóch izomerów. Jakie jest przestrzenne

ułożenie ligandów wokół jonu centralnego ? Jaki to typ izomerii ?

3) Jakie przestrzenne ułożenia ligandów można teoretycznie przyjąć dla liczby koordynacyjnej 6

(zakładając, że jednakowe ligandy będą energetycznie równocenne) ?

4) kation kompleksowy [Co(NH 3 ) 4 Cl 2 ] + występuje w postaci dwóch izomerów. Jakie jest przestrzenne

ułożenie ligandów wokół jonu centralnego ? Jaki to typ izomerii ?

Zadanie 4A

Reakcja gazowych pierwiastków

Mieszanina chloru i wodoru ma w warunkach normalnych gęstość 1 g/dm 3 . Mieszaninę zapalono i

- po oziębieniu - rozpuszczono otrzymany produkt reakcji w wodzie, otrzymując 1 dm 3 roztworu. Po

dodaniu 500 cm 3 0,1 molowego roztworu wodorotlenku sodu wartość współczynnika pH otrzymanego

roztworu była równa 2. Obliczyć objętość (w warunkach normalnych) mieszaniny chloru i wodoru

użytej do reakcji.

Przyjąć masę molową wodoru = 1 g/mol, masę molową chloru = 35,5 g/mol i traktować obydwa

pierwiastki jak gazy doskonałe.

Zadanie 5A

Rozpuszczalność związków żelaza

Wody naturalne zawierają często rozpuszczone związki żelaza. W czasie gotowania wody jej pH może

się podwyższać, osiągając po pewnym czasie wartość 7. Prowadzi to do wytrącenia trudno

rozpuszczalnych uwodnionych tlenków lub wodorotlenku żelaza (III).

1. Dlaczego w czasie gotowania wody może nastąpić podwyższenie jej wartości pH ?

2. Jakie może być najwyższe możliwe stężenie wolnych jonów Fe 3+ w wodzie naturalnej o pH = 6 ?

Jaki procent tej zawartości żelaza pozostanie w formie rozpuszczalnej (w postaci jonów Fe 3+ ), gdy

w wyniku gotowania pH podwyższy się do 7 ? Iloczyn rozpuszczalności Fe(OH) 3 wynosi K s0 =

2,5⋅10 -39 .

3. Jak na rozpuszczalność Fe(OH) 3 wpłynie dodanie do wody o odczynie obojętnym następujących

substancji: a) CH 3 COOH, b) NH 4 Cl, c) NH 3 , d) KF ? Wybierz odpowiedź: wzrośnie, zmaleje, nie

zmieni się i krótko uzasadnij.

Zadanie 6A

Kompleksy z EDTA

Anion kwasu etylenodiaminotetraoctowego (EDTA), oznaczany też symbolem Y 4- :

- OOC-CH 2 CH 2 -COO -

\ /

N-CH 2 -CH 2 -N

/ \

- OOC-CH 2 CH 2 -COO -

jest ważnym odczynnikiem kompleksującym, znajdującym przede wszystkim zastosowanie w

analizie chemicznej. Tworzy kompleksy z wieloma jonami metali przejściowych, a także z jonami

wapniowców. W kompleksach tych stosunek ilości metalu do ligandu wynosi 1:1.

Przygotowano dwie próbki (A) i (B) zawierające po 50 cm 3 roztworu soli wapnia w stężeniu 0,01

mol/dm 3 . Do próbki (A) dodano 151 mg soli EDTA (Na 2 H 2 Y), a do próbki (B) 185 mg tej soli.

Oblicz stężenie wolnych jonów wapnia w obu próbkach. Jak zmieni się stężenie tych jonów, gdy oba

roztwory zostaną dwukrotnie rozcieńczone ?

Stała trwałości kompleksu Ca 2+ z EDTA wynosi β = 2⋅10 9 .

Zadanie 7A

Półspalanie metanu

( Zadanie sponsorowane przez PKN ORLEN SA w Płocku )

W procesie półspalania metanu w tlenie powstaje: acetylen, etylen, wodór, para wodna, tlenek

i dwutlenek węgla oraz sadza. Gaz po procesie zawiera również nieprzereagowany metan. Całkowity

stopień przemiany metanu wynosi 95% ( (W A [CH 4 ]–W E [CH 4 ])/W A [CH 4 ]=0,95 ). Stężenie tlenu w

mieszaninie z metanem (strumień W A ) wynosi 38% objętościowych. Uproszczony schemat procesu

przedstawiono na rysunku:

W A

W B

W E

CH 4 , O 2

REAKTOR

FILTR

CO, CO 2 , H 2 ,

CH 4

C 2 H 2 , C 2 H 4

W D

Stosunek molowy powstałego w reakcji tlenku węgla do nieprzereagowanego metanu wynosi 10

(W E [CO]/W E [CH 4 ]=10). Stopień przemiany metanu w sadzę wynosi 2% (W D [C]/W A [CH 4 ]=0.02).

Stosunek molowy wytworzonej w reaktorze pary wodnej do tlenku węgla wynosi 1

(W D [H 2 O]/W E [CO]=1 ).

Przyjmując za podstawę bilansu 100kmol/s strumienia W A wyznacz zależność ułamka

molowego acetylenu ( b ) w strumieniu W E od n ( n - stosunek molowy wytworzonego acetylenu do

sadzy (W E [C 2 H 2 ]/ W D [C]= n ).

Uwaga : symbol W A [CH 4 ] oznacza liczbę moli metanu w strumieniu A

C (sadza),

H 2 O

Zadanie 8A

Własności tlenków niemetali

Chlor, siarka oraz fosfor tworzą tlenki na różnych stopniach utlenienia

a) Podaj wzory sumaryczne oraz nazwy tlenków wspomnianych pierwiastków występujących na:

maksymalnym stopniu utlenienia G

na stopniu utlenienia G - 2.

b) Napisz równania reakcji powyższych tlenków z wodą oraz ze stałym NaOH.

c) Które z uzyskanych w punkcie b) produktów będą ulegały hydrolizie. Zapisz cząsteczkowo oraz

jonowo poszczególne etapy tych reakcji. Jakie będą odczyny środowiska po ich przebiegu?

d) Na jednym z przykładów wyjaśnij mechanizm przebiegu reakcji hydrolizy.

Poniżej przedstawiono wartości liczbowe pK dla wybranych kwasów t=20 °C.

H 3 PO 4 - pK 1 =2,15 ; pK 2 =7,20 ; pK 3 =12,37

H 2 HPO 3 - pK 1 =1,3 ; pK 2 =6,7

H 2 SO 4 -

pK 1 - mocny ; pK 2 = 1,9

HClO 4 - mocny

H 2 SO 3 -

pK 1 =1,9 ; pK 2 = 7,2

HClO 3 - mocny

H 2 O

pK w =14

HClO 2 -

pK =1,94

CZĘŚĆ B: Zadania fakultatywne

Zadanie 1B

Analiza spektralna

Współczesna organiczna analiza jakościowa w coraz mniejszym stopniu korzysta z prób

klasycznych (chemicznych). Do określania struktury związków stosuje się widma spektroskopowe takie

jak: widma absorpcyjne w zakresie promieniowania widzialnego i nadfioletowego (w skrócie UV-Vis),

widma absorpcyjne w zakresie promieniowania podczerwonego (IR), spektrometrię masową (MS) oraz

widma magnetycznego rezonansu jądrowego ( 1 H NMR, 13 C NMR, 19 F NMR i inne). Poniższe zadanie

stanowi przykład wykorzystania niektórych danych spektroskopowych do jednoznacznego przypisania

struktur związkom organicznym.

Podaj wzory strukturalne związków A – F, wiedząc że są one izomerami zawierającymi tylko węgiel,

wodór i tlen, oraz mając do dyspozycji następujące dane spektroskopowe:

Związek

Wybrane,

charakterystyczne

pasma IR (w cm -1 )

1 H NMR: δ w ppm a

(intensywnośćwzględna,

multipletowość sygnału)

Pasmo macierzyste

w MS (odpowiadające

masie czasteczkowej)

1715

1,05 (3, tryplet); 2,05 (3, singlet)

2,4 (2, kwartet)

1725;

2700 – 2900

1,0 (3, tryplet); 1,7 (2, m b );

2,4 (2, m); 9,75 (1, tryplet)

dwa sygnały o stosunku

intensywności 1:1, δ = 1,9 i 3,6

1640;

1,3 (3, tryplet); 3,8 (2, kwartet);

4 - 4,2 (2, m); 6,5 (1, d-d c )

1725;

2700 – 2900

1,1 (6, dublet); 2,6 (1, m);

9,5 (1, dublet)

1640

3330(szerokie)

1,5 (3, dublet); 2,5 d (1); 4,6 (1,m);

5,2 (2, m); 6,0 (1, m);

a wobec wzorca wewnętrznego TMS (tetrametylosilan), dla którego δ = 0 ppm;

b m - sygnał złożony (multiplet); c d-d - dublet dubletów (cztery składowe); .

d – podane przesunięcie chemiczne dotyczy widma wykonanego w CDCl 3 , wartość ta zależy od

użytego rozpuszczalnika, i co więcej, na widmie wykonanym w obecności D 2 O sygnał ten zanika.

Zadanie 2B

Kompleks oktaedryczny

Cząsteczka obojętnego elektrycznie kompleksu platyny(IV): PtCl 2 Br 2 (NH 3 ) 2 , ma symetrię

oktaedryczną, typową dla liczby koordynacyjnej 6. Związek ten występuje w różnych odmianach

izome-

rycznych. Podaj, jakie typy izomerii są możliwe dla tego połączenia i wymień wszystkie możliwe

izomery. W rozwiązaniu tego zadania, podobnie jak analogicznego zadania z części A, może pomóc

zbudowanie prostych modeli przestrzennych PtCl 2 Br 2 (NH 3 ) 2 .

Zadanie 3B

Kinetyka chemiczna - wyznaczanie stałych szybkości reakcji

Jednym z typowych eksperymentów z kinetyki chemicznej jest polarymetryczne badanie reakcji

inwersji sacharozy w środowisku wodnym, z udziałem jonów H + jako katalizatora. W trakcie tej reakcji

obserwuje się stopniową zmianę kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego (α) od wartości

dodatnich (odpowiadających czystej sacharozie) do ujemnych, odpowiadających powstającej

równomolowej mieszaninie glukozy i fruktozy. Przykładowe dane, odpowiadające kinetyce inwersji

sacharozy rozpuszczonej w dużym nadmiarze 0,5-molowego roztworu kwasu solnego, w temperaturze

298 K, zestawia poniższa tabela:

t [min]

180

∞

α [deg]

24,9

5,6

-8,2

1. Napisz równanie reakcji inwersji sacharozy

2. Na podstawie warunków prowadzenia procesu określ, kinetykę jakiego rzędu można

najprawdopodobniej przypisać badanej reakcji

3. Oblicz stałą szybkości tej reakcji

4. Oblicz czas, dla którego płaszczyzna światła spolaryzowanego nie będzie skręcona o żaden kąt w

stosunku do źródła tego światła.

Zadanie 4B

Konfiguracja absolutna

Oznacz konfigurację węgla chiralnego w następujących związkach:

1. linalolu – przyjemnie pachnącym olejku otrzymywanym z kwiatów drzewa pomarańczowego

CH 3

(CH 3 ) 2 C=CHCH 2 CH 2

CH CH 2

2. ibuprofenie – leku, którego tylko poniższy enancjomer posiada własności przeciwbólowe

CH 3

(CH 3 ) 2 CHCH 2

COOH

3. adrenalinie – hormonie, którego zapewne większe ilości krążą obecnie w twojej krwi (jest to

związek, który wydziela się , między innymi w stanie pogotowia do pracy

48 Olimpiada chemiczna - Etap 0.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: