Próbny I etap przed 65 Olimpiadą Chemiczną

Serdecznie zapraszam!

Zasady są bardzo proste :

• piszecie 5 godzin – pamiętajcie jednak, że w tym czasie uwzględnione musi być przepisywanie na czysto! Polecam właśnie w ten sposób podejść do tego testu, a więc zrobić te zadania w postaci czystopisu i kiedy pojawią się rozwiązania, po prostu sprawdzić ile punktów się uzyskało. Jak nie ma czegoś w waszych odpowiedziach, to punktów nie ma! I wtedy się nauczycie na przyszłość, że coś trzeba zapisać, a czegoś nie.
• nie ma czegoś takiego, że robicie sobie najpierw dwie godziny, potem dzień przerwy i znów trzy godziny. Dlatego, że olimpiada to pięciogodzinne zawody : to nie sztuka być skupionym przez dwie czy trzy godziny, sztuką jest właśnie wejść na najwyższe obroty w czwartej czy piątej godzinie, kiedy wchodzi już trochę zmęczenia, a dotarliśmy do kluczowego momentu jakiegoś zadania, od którego zależy nasze być albo nie być w kolejnym etapie!
• nie przejmuj się, jeśli zadania są dla Ciebie za trudne! Po pierwsze, zostały jeszcze dwa tygodnie, więc to wystarczająco dużo czasu, aby skorygować plan nauki i maksymalnie wykorzystać ten intensywny okres przygotowawczy. Po drugie – ja zawsze robię zadania trochę trudniejsze (czy czasami nawet dużo trudniejsze) niż zadania o rzeczywistym poziomie I etapu. Dlaczego? Dlatego, że takie zadania traktować można jak bieganie z dziesięciokilogramową kamizelką. Wyobrażacie sobie tą ulgę, gdy na zawodach pobiegniemy bez tego okropnego obciążenia? I dokładnie do tego dążę. Po zrozumieniu i dokładnym przerobieniu tych zadań wraz z rozwiązaniami, powrót do zadań olimpijskich z I etapu będzie przyjemnością – i o to chodzi!
• obstawiam, że wynik > 30 pkt to będzie naprawdę przyzwoity rezultat 🙂 . Oczywiście ambitni powinni celować > 60 pkt (co daje właściwie 100% pewności, że przejdzie się do II etapu).

Powodzenia! Pamiętajcie, żeby nigdy się nie poddawać i walczyć do ostatnich minut tych 5 godzin! Musicie ciągle mieć w głowie jeden fakt – jeżeli zadania są trudne, to są one trudne dla większości uczestników (po prostu taka się trafiła edycja), co oznacza że wówczas progi byłyby niższe. Dlatego każdy punkt będzie ważny – najgorsze co możecie zrobić to się po prostu poddać!

Walczcie!

*rozwiązania będą tu :  Próbny I etap – rozwiązania  oraz tu  Próbny I etap – rozwiązania cz. 2

---

*do dyspozycji macie tylko układ okresowy, nie wolno mieć tabeli aminokwasów!

 

Zadanie 1 :  elektrochemia

Miedź w roztworze może występować w formie jonów  \(Cu^{+} \)   lub  \(Cu^{2+} \) . W trakcie rozwiązywania zadania przyjmij  \(T = 298 \ K \) . Oto wartości potencjałów standardowych :

\(E^{\circ}_{Cu^{2+}/Cu^{+}} = 0,153 \ V  \)  oraz  \(E^{\circ}_{Cu^{+}/Cu} = 0,521 \ V \)

a) oblicz potencjał standardowy  \(E^{\circ}_{Cu^{2+}/Cu} \)   (3 pkt)

b) oblicz potencjał półogniwa, które otrzymano poprzez zanurzenie płytki miedzianej w roztworze  \(Cu(NO_{3})_{2} \)  o stężeniu równym  \(c_{1} = 0,3 \ \frac{mmol}{dm^{3}}  \) . Jak zmieni się ten potencjał jeśli stężenie azotanu miedzi (II) wzrośnie stukrotnie?   (3 pkt)

c) oblicz potencjał półogniwa, które otrzymano poprzez zanurzenie płytki cynkowej w roztworze siarczanu cynku o stężeniu  \(c_{2} = 0,09 \ \frac{mol}{dm^{3}} \) . Wartość potencjału standardowego :  \(E^{\circ}_{Zn^{2+}/Zn} = – 0,76 \ V \)  (2 pkt)

d) oblicz SEM ogniwa zbudowanego z półogniw, o których była mowa w podpunktach b) oraz c). Użyj stężeń  \(c_{1} \) oraz  \(c_{2} \)   (1 pkt)

e) udowodnij, że jony miedzi (I) są w roztworze nietrwałe ze względu na zachodzącą reakcję dysproporcjonacji. W tym celu oblicz wartość pewnej funkcji termodynamicznej i skomentuj uzyskany wynik.          (3 pkt)

f) mając dany potencjał standardowy  \(E^{\circ}_{CuI/Cu} = – 0,147 \ V \)  oraz wiedząc, że stężenie jonów jodkowych w danym roztworze nasyconym jodkiem miedzi (I)  wynosi  \([I^{-}] = 1 \ M \) , oblicz stałą rozpuszczalności dla osadu jodku miedzi (I) :  \(CuI \)   (3 pkt)

g) oblicz stałą równowagi dla reakcji  \(2Cu^{2+} + 4I^{-} \leftrightarrow 2CuI + I_{2} \)      (4 pkt)

h) zaznacz odpowiedź (I – IV), która poprawnie opisuje stałą Faradaya :  (1 pkt)

• (I) : stałą Faradaya można obliczyć ze wzoru  \(F = N_{A} \cdot e \) , gdzie \(N_{A} \) oznacza stałą Avogadro, natomiast  \(e \)  oznacza masę elektronu.
• (II) : wyprowadzony wzór na stałą Faradaya na podstawie prawa elektrolizy ma postać :  \(F = \frac{Itm}{M \cdot n} \) ; gdzie  \(I \)  to natężenie prądu , \(t \) oznacza czas, \(m \)  to masa substancji ,  \(M \)  to masa molowa, natomiast \(n \) to ładunek jonu.
• (III) : stała Faradaya ma wartość \(1F = 26,8 \frac{Ah}{mol} \)
• (IV) : jest to stała fizyczna, która opisuje ładunek elektryczny przypadający na  \(n \)  moli elektronów.

\(E^{\circ}_{I_{2}/I^{-}} = 0,535 \ V \)  \(F = 96485 \ \frac{C}{mol} \)

Zadanie 2 :  nieznany pierwiastek

Pewien związek A jest związkiem binarnym i w warunkach normalnych jest ciałem stałym. Wiadomo, że procentowa zawartość wodoru w tym związku wynosi więcej niż 10%. Związek A jest silnym reduktorem i w reakcji z wodą powstaje między innymi lotny produkt B. Przez związek A w podwyższonej temperaturze przepuszczono \(CO_{2} \)  pod wysokim ciśnieniem w efekcie czego powstał jedyny produkt – związek C, w którym zawartość procentowa tlenu wynosi 61,6%.

Kiedy związek C reaguje z rozcieńczonym kwasem siarkowym, powstaje organiczny produkt D. Natomiast ta sama reakcja tylko z użyciem stężonego roztworu kwasu siarkowego daje gazowy produkt E, o gęstości mniejszej niż powietrza.

a) na podstawie zawartości wodoru w związku A, określ trzy możliwe struktury tego związku.   (6 pkt)

b) ustal wzór związku A oraz C. Podaj odpowiednie obliczenia.             (4 pkt)

c) zapisz reakcje związku A z wodą, zidentyfikuj produkt B.   (2 pkt)

d) zapisz reakcję tworzenia związku C.   (1 pkt)

e) zapisz reakcje związku C ze stężonym i rozcieńczonym kwasem siarkowym. Uzasadnij strukturę produktu E.   (5 pkt)

f) określ typ wiązania oraz stopień utlenienia wodoru w związku A  (2 pkt)

*Masy molowe należy zaokrąglać do drugiego miejsca po przecinku.

Zadanie 3 :  wyznaczanie rzędu reakcji oraz reakcja odwracalna

W warunkach izotermicznych oraz izochorycznych pewien reaktor napełniono związkiem X, który następnie zaczął się rozkładać się w myśl równania :

\(2X_{(g)} \rightarrow 3Y_{(g)} + 2Z_{(g)} \)

Aby zbadać kinetykę powyższej reakcji przeprowadzono pomiar ciśnienia całkowitego  (\(p_{c} \))  w różnych momentach czasu. Wyniki zebrano w tabelce :

\(t \)   [min]	0	100	200
\(p_{c} \)   [mmHg]	800	1400	1700

a) wyprowadź ogólny wzór na jednostkę stałej szybkości, jeśli wiadomo, że rząd reakcji wynosi :  \(r \)  (2 pkt)

b) wyprowadź wzór na ciśnienie związku X  (\(p_{X} \)) w dowolnym czasie  \(t \)  trwania reakcji.   (3 pkt)

c) wyznacz rząd reakcji oraz oblicz stałą szybkości.   (6 pkt)

d) ile czasu musi upłynąć, aby reakcja była dokonana w 87,5 % ?         (2 pkt)

e) oblicz czas połowicznego rozpadu dla tej reakcji.  (1 pkt)

f) w rzeczywistości, w momencie gdy rozpoczyna się reakcja o przedstawionym na początku równaniu, to zaczyna się również reakcja odwracalna. Załóżmy, że stała szybkości reakcji w przód (czyli tworzenia związków Y oraz Z) wynosi  \(k_{1} \) , natomiast reakcja wstecz (czyli odtwarzania związku X) wynosi  \(k_{2} \) . Jak będzie wyglądało wyrażenie na szybkość tej reakcji? Załóż, że na początku reakcji był tylko związek X.  (4 pkt)

g) wyznacz wzór na stałą równowagi na podstawie stałych szybkości (2 pkt)

Zadanie 4 :  izomery

Związki A oraz B są izomerami, o procentowej zawartości węgla równej 73,68%. Oba związki poddano reakcji ozonolizy, a schemat przedstawia się następująco :

\(A \xrightarrow{O_{3} , Me_{2}S} C_{1} + (C_{2}) \leftrightarrow E \xrightarrow{[O]} G \xrightarrow{katalizator} H \)

Związek A jest poddany ozonolizie i powstają dwa różne produkty \(C_{1} \) oraz \(C_{2} \) . Związek \(C_{1} \) ulega samoistnie przekształceniu do związku E. Następnie związek E poddano reakcji utleniania, a powstały produkt G przereagował z katalizatorem zawierającym cynę na II stopniu utlenienia o wzorze :  \(Sn(Oct)_{2} \)

Oct = reszta kwasu 2-etyloheksanowego.

\(B \xrightarrow{O_{3} , Me_{2}S} D_{1} + (C_{2}) \leftrightarrow F \)

Związek B poddano ozonolizie w takich samych warunkach, a z powstałych produktów związek \(D_{1} \) mógłby ulegać przemianie do związku F, jednak jego powstanie nie jest faworyzowane i powstaje on w bardzo małych ilościach.

Dodatkowo wiadomo, że związki A oraz B reagują z sodem z wydzieleniem gazu oraz że reagują z jednym molem \(CH_{3}COCl \).

Związek \(C_{1} \) skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w przeciwieństwie do związku \(D_{1} \). Związek \(C_{2} \)  jest symetryczny i reaguje pozytywnie w próbie Tollensa, tak samo jak związki \(C_{1} \)  oraz \(D_{1} \)

Masa molowa związku H wynosi :  \(M_{H} = 954 \frac{g}{mol} \)

*W obliczeniach masy molowe pierwiastków można zaokrąglić do liczb całkowitych.

*Wskazówka : oto przykładowy schemat reakcji ozonolizy :

Siarczek dimetylu sprawia, że jest to tzw. ozonoliza redukująca, a więc mogą się tworzyć ketony lub aldehydy.

a) wiedząc, że masa molowa A i B nie przekracza  \(150 \frac{g}{mol} \)  podaj wzór sumaryczny tych izomerów.    (4 pkt)

b) podaj wzory \(C_{1} \) , \(C_{2} \) , \(D_{2} \) . Narysuj wzór \(C_{1} \)  w konfiguracji S.   (6 pkt)

c) podaj wzory E oraz F oraz wytłumacz, dlaczego E tworzy się samoistnie ze swojego prekursora czyli związku  \(C_{1} \) w przeciwieństwie do związku F.   (3 pkt)

d) podaj wzór kwasu 2-etyloheksanowego i związku G   (3 pkt)

e) narysuj wzór związku H   (3 pkt)

f) wyjaśnij krótko czy kwas mrówkowy da pozytywny wynik w próbie Tollensa   (1 pkt)

Zadanie 5 :  test z biocząsteczek

Część I – CUKRY :

Poniżej przedstawiono strukturę pewnego cukru :

a1) zakreśl węgiel anomeryczny na powyższym rysunku  (1 pkt)

b1) do jakiego szeregu należy ten cukier?  (1 pkt)

c1) narysuj wzór tego cukru w projekcji Fischera.  (2 pkt)

d1) ile centrów stereogenicznych zawiera ten cukier? Ile innych stereoizomerów istnieje dla tego cukru?  (2 pkt)

e1) cukier należący do szeregu D jest zawsze  (1 pkt)  :

1. lewoskrętny
2. prawoskrętny
3. żadna odpowiedź nie jest prawidłowa

f1) narysuj wzór adenozyny, czyli nukleozydu zbudowanego z adeniny oraz rybozy, w którym istnieje wiązanie  \(\beta -N- \)glikozydowe   (3 pkt)

Wzór adeniny :   oraz wzór rybozy : 

Część II – AMINOKWASY I PEPTYDY :

L-Treonina to inaczej kwas (2S,3R) – 2-amino-3-hydroksybutanowy.

a2) narysuj wzór półstrukturalny L-Treoniny oraz w projekcji Fischera.  (3 pkt)

b2) jaka będzie konfiguracja centrów stereogenicznych dla D-Treoniny?  (1 pkt)

c2) narysuj tripeptyd powstały z dwóch cząsteczek Treoniny oraz jednej cząsteczki glicyny,  jeśli wiadomo, że na N-końcu znajduje się reszta Treoniny.  (2 pkt)

Część III – TŁUSZCZE I POCHODNE :

a3) narysuj wzór glicerolo-1-fosforanu   (2 pkt)

b3) narysuj schemat reakcji glicerolo-1-fosforanu z 2 molami acetylo-koenzymu A, który można schematycznie zapisać jako :  \(CH_{3}C(=O)-S-R \)   (2 pkt)

 

Po wszystkim proszę o wypełnienie maksymalnie 10-minutowej ankiety :  Ankieta o próbnym I etapie