MNE - 1 - ICho2017 · MNE - 1 Theoretical problems (official English version), 49th IChO 2017,...

MNE - 1

Theoretical problems (official English version), 49th IChO 2017, Thailand 1

Exam Reading: Students will have 15 minutes to read this exam booklet

before starting the exam. Do not write or calculate during this period,

otherwise YOU will be disqualified. The official English version of

this examination is available on request only for clarification.

MNE - 1


Teorijski zadaci

"Bonding the World with Chemistry"

49th INTERNATIONAL CHEMISTRY OLYMPIAD

Nakhon Pathom, THAILAND

General Instructions.

MNE - 1


Pages: This theoretical exam booklet contains 54 pages. There are 11 Problems in total.

Exam Reading: Students will have 15 minutes to read this exam booklet before starting

the exam. Do not write or calculate during this period, otherwise YOU will be

disqualified. The official English version of this examination is available on request

only for clarification.

Exam Time: Students will have a total of 5 hours to complete the exam.

Start/Stop: Students may begin as soon as the “Start” command is given and must stop

your work immediately when the “Stop” command is announced.

Failure to stop the task by 1 minute or longer after the “Stop” command has been

announced will lead to nullification of your theoretical exam.

After the “Stop” command has been given, place your exam booklet back in your

exam envelope and wait at your seat. The Exam Supervisor will come pick up

your exam paper.

Answer sheets: All results and answers must be clearly written in the appropriate area

on the exam papers for grading. Only answers written in pen (HEMIJSKOM

OLOVKOM) will be graded.

Koristite samo hemijske olovke koje su vam dodijeljene. (Use only pens provided

for you.)

You may use the backside of the sheets as scratch papers. They will not be

marked.

Calculator: For any calculation, use only the 49th IChO calculator provided.

Need Assistance: If you need assistance (e.g. more snacks or drinks or go to a restroom),

Waive the orange IChO flag provided on your table.

MNE - 1


Table of Content

Problem

No. Title Page

% of Total

Score

1 Production of propene using heterogeneous catalysts 5 6%

2 Kinetic isotope effect (KIE) and zero-point vibrational

energy (ZPE) 9 6%

3 Thermodynamics of chemical reactions 15 6%

4 Electrochemistry 19 5%

5 Phosphate and silicate in soil 25 5%

6 Iron 30 6%

7 Chemical Structure Puzzles 35 6%

8 Silica Surface 41 5%

9 Into the Unknown 45 6%

10 Total Synthesis of Alkaloids 48 7%

11 Twist & Chirality 53 2%

MNE - 1


Zadatak 1 A B C

Ukupno A1 A2 A3

Ukupno 4 1 2 7 6 20

Rezultat/Score

Zadatak 1. Dobijanje propena pomoću heterogenih katalizatora

Propen ili propilen je jedna od važnijih hemikalija za petrohemijsku industriju na Tajlandu i

svugdje na svijetu. Jedan dobar primjer komercijalnog korišćenja propena je proizvodnja

polipropilena (PP).

Dio A.

Propen se može sintetizovati direktnom dehidrogenizacijom propana u prisustvu heterogenog

katalizatora. Međutim, ovakva reakcija nije ekonomski isplativa zbog same prirode reakcije.

Dajte precizno objašnjenje na svako sledeće pitanje.

Dodatna informacija: Hveza(C=C) = 1.77 Hveza(C-C), Hveza(H-H) = 1.05Hveza(C-H), i

Hveza(C-H) = 1.19Hveza(C-C), gdje Hveza odgovara prosječnoj entalpiji veze za datu hemijsku

vezu.

1-A1) Šta je promjena entalpije reakcije direktne dehidrogenizacije propana? Prikažite vaš račun

i objasnite vaš odgovor u vezi sa Hveza(C-C).

Proračun:

Zadatak 1

6% od ukupnog broja poena

MNE - 1


1-A2)

Teško je povećati količinu propena povećavanjem pritiska na konstantnoj temperaturi.

Koji zakon ili princip najbolje objašnjava ovaj fenomen? Odaberite vaš odgovor markiranjem

“” jednog od datih krugova.

⃝ Bojl-ov zakon

⃝ Šarl-ov zakon

⃝ Dalton-ov zakon

⃝ Raul-ov zakon

⃝ Le Chatelier-ov princip

1-A3)

U početku, sistem je u ravnoteži. U skladu sa pitanjem 1-A1), šta je/su tačan set/setovi znakova

za sledeće termodinamičke varijable za sistem za direktnu dehidrogenizaciju propana? Odaberite

vaše odgovore markiranjem jednog ili više praznih krugova.

H S G T*

⃝ - + + niža

⃝ - + - viša

⃝ - - + niža ⃝ - - - viša

⃝ + + + niža

⃝ + + - viša

⃝ + - + niža

⃝ + - - viša

⃝ Ništa od navedenog nije tačno

* U odnosu na početnu temperaturu na istom parcijalnom pritisku.

Dio B.

Bolja reakcija za proizvodnju veće količine propena je oksidativna dehidrogenizacija

(ODH) uz pomoć čvrstih katalizatora, kao što su vanadijum oksidi u prisustvu kiseonika. Iako je

ovaj tip reakcije još uvijek u fazi intezivnog naučnog razvoja, obećava da će se proizvodnja

propena u industrijskim uslovima odvijati putem direktne dehidrogenizacije.

MNE - 1


1-B)

Ukupna potrošnja propana u reakcij je

283

8

OoxHCred

HC

pk

p

pk

p

1r

3 , gdje su kred i kox konstante

brzine za redukciju metal oksidnog katalizatora propanom i za oksidaciju katalizatora

molekularnim kiseonikom, respektivno i standardnimp pritiskom od 1 bara. U nekim

eksperimentima je pronađeno da je stopa oksidacije katalizatora 100,000 puta brža nego

oksidacije propanom što je i eksperimentalno potvrđeno p

pkr

HC

obsHC3

3

8

8 na 600 K, gdje je kobs

dobijena konstanta brzine (0.062 mol s-1). Ukoliko se reaktor koji sadrži katalizator kontinuirano

snabdijeva propanom i kiseonikom na ukupnom pritisku od 1 bara, odredite vrijednosti kred i kox

kada je parcijalni pritisak propana 0.10 bara. Predpostavlja se da je parcijalni pritisak propena

zanemarljiv.

Proračun:

MNE - 1


Dio C.

Metal oksidni katalizator na svojoj površini sadrži atome kiseonika koji služe kao aktivna

mjesta za OHD. Kako je red* oznaka za smanjeni broj aktivnih mjesta i O(s) je oznaka za atom

kiseonika na površini katalizatora, jedan od predloženih mehanizama za ODH u prisustvu

katalizatora može se napisati:

C3H8(g) + O(s) 1k C3H6(g) + H2O(g) + red* (1)

C3H6(g) + 9O(s) 2k 3CO2(g) + 3H2O(g) + 9red* (2)

O2(g) + 2red* 3k 2O(s) (3)

sites active ofnumber total

sites reduced ofnumber ,

Number of reduced sites – broj smanjenih mjesta

Total number of active sites - ukupan broj aktivnih mjesta,

Zakonitosti koje važe za prethodna 3 koraka su:

)1(8311 HCpkr ,

)1(6322 HCpkr ,

i 233 Opkr .

1-C) Predpostavljajući da na površini katalizatora količina kiseonikovih atoma ostaje konstantna za

svo vrijeme trajanja reakcije, izračunajte kao funkciju od k1, k2, k3, 83HCp ,

63HCp .

Proračun:

MNE - 1


Zadatak 2 A

Ukupno A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8

Ukupno 2 2 7 3 3 1 5 1 24

Rezultat/Score

Zadatak 2: Kinetički izotopni efekat (KIE) i nulta tačka vibracione energije (ZPE)

Proračun za ZPE i KIE

Kinetički izotopni efekt (KIE) je fenomen povezan sa promjenom konstante brzine reakcije kada

je jedan od atoma zamijenjen sa njegovim izotopom. KIE se može koristiti za potvrdu da li je

određena veza sa vodonikom raskinuta u reakciji. Harmonijski oscilatorni model je korišćen za

utvrđivanje razlike u brzini, između C-H i C-D aktivacije veze (D = H12 ).

Vibraciona frekvencija () data harmonijskim oscilatornim modelom je:

k

2

1 ,

Gdje je k konstanta sile i smanjena masa.

Vibraciona energija molekula je

2

1hnEn

,

Gdje je n vibracioni kvantni broj sa mogućim vrijednostima 0, 1, 2, ... Energija najnižeg

vibracionog energetskog nivoa (En at n= 0) se zove nulta vibraciona energija (ZPE).

2-A1) Izračunajte smanjenu masu C-H (CH) i C-D (CD) u atomskoj jedinici mase. Predpostavite

da je masa deuterijuma duplo veća od mase vodonika.

Proračun:

Zadatak 2

6% od ukupnog broja

poena

MNE - 1


(Napomena: Ukoliko student nije izračunao vrijednost za CH i CD u 2-A1), koristiće CH =

1.008 i CD = 2.016 za određene dijelove pitanja. Primjetićete da date vrijednosti ne moraju biti

približne stvarnim vrijednostima.)

2-A2) S obzirom da je konstanta sile (k) za C-H istezanje ista kao i za C-D istezanje i da je C-H

frekvencija istezanja 2900 cm-1, pronađite odgovarajuću C-D frekvenciju istezanja (u cm-1).

Proračun:

MNE - 1


2-A3) U skaldu sa C-H i C-D frekvencijama istezanja u pitanju 2-A2) izračunajte nultu

vrijednost vibracionih energija (ZPE) za C-H i C-D istezanje u kJ mol-1.

Proračun:

[Ukoliko studenti nijesu izračunali vrijednost za ZPE u 2-A3), koristiće ZPECH = 7.23 kJ/mol i

ZPECD = 2.15 kJ/mol za određene dijelove pitanja. Primjetićete da date vrijednosti ne moraju

biti približne stvarnim vrijednostima.]

MNE - 1


Kinetički izotopni efekat (KIE)

Zbog razlike u nultoj tački vibracionih energija, protonovano jedijenje i njemu odgovarajuće

deuterisano jedinjenje se očekuje da reaguju u različitim odnosima.

Za C-H i C-D vezu disocionih reakcija, energije oba prelazna stanja i oba produkta su identična.

Znači, izotopni efekat je kontrolisan razlikama u ZPE's za C-H and C-D veze.

2-A4) Izračunajte razliku u vezi disocione energije (BDE) između C-D veze i C-H veze (

CHBDECDBDE ) u kJ mol-1.

Proračun:

2-A5) Predpostavimo da je aktivaciona energija (Ea) za C-H/C-D raskidanja veza

aproksimativno jednaka sa disociacionom energijom veze i Arenijus-ov faktor je isti za oba

C-H i C-D raskidanja veza. Pronađite odnos relativnih konstanti brzine za C-H/C-D raskidanje

veza (kCH/kCD) na 25 oC.

MNE - 1


Proračun:

Upotreba KIE za analizu reakcionog mehanizma

Istraživana je oksidacija nedeuterisanog i deuterisanog difenilmetanola pomoću hromne

kiseline dodate u višku.

MNE - 1


2-A6) Neka je C0 početna koncentracija bilo nedeuterisanog difenilmetanola ili deuterisanog

dimetilmetanola i Ct je koncentracija na vremenu t. Eksperiment je predstavljen sa dva dijagrama

(Slika 2a i Slika 2b), iz kojih se može odrediti konstanta prvog reda.

Slika 2a Slika 2b

Koji dijagram predstavlja oksidaciju nedeuterisanog difenilmetanola a koji oksidaciju

deuterisanog difenilmetanola?

Za oba stanja označite svoj odgovora sa “” u jedan od datih krugova.

Oksidacija nedeuterisanog difenilmetanola: ⃝ Slika 2a ⃝ Slika 2b

Oksidacija deuterisanog difenilmetanola: ⃝ Slika 2a ⃝ Slika 2b

2-A7) Odredite kCH, kCD (u min-1), i kCH/kCD za ovu reakciju sa dijagrama datog u pitanju 2-A6).

Proračun:

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0 100 200 300 400 500

ln (

C0/C

t)

Time / min

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0 15 30 45 60 75 90

ln (

C0/C

t)Time / min

MNE - 1


2-A8) Predloženi mehanizam reakcije je:

Na osnovu informacija iz pitanja 2-A6) i 2-A7), koji korak će odrediti stopu reakcije?

Označite svoj odgovora sa “” u jedan od datih krugova.

⃝ Korak (1)

⃝ Korak (2)

⃝ Korak (3)

Zadatak 3 A B Ukupno

A1 A2 A3

Ukupno 7 3 8 6 24

Rezultat/Score

Zadatak 3: Termodinamika hemijskih reakcija

Dio A.

Metanol se komercijalno proizvodi iz smješe ugljenmonoksida i vodonika u prisustvu

cink oksida/bakar oksida kao katalizatora.

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g).

Standardna entalpija (Hfo) i apsolutna entropija (So) za svaki od tri gasa na sobnoj temperaturi

(298 K) i na pritisku od 1 bara su date u sledećoj tabeli.

Gas Hfo (kJ mol-1) So (J K-1 mol-1)

CO(g) -111 198

H2(g) 0 131

CH3OH(g) -201 240

Zadatak 3

6% od ukupnog broja poena

MNE - 1


3-A1) Izračunajte Ho, So, Go, i Kp za reakciju na 298 K.

Proračun:

Ho = ………..……… kJ

So = ………….…….. J K-1

Go = ………..………. kJ

Kp = ….…………….

Ukoliko nijeste izračunali Kp na 298 K u zadatku 3-A1), koristićete Kp = 9 × 105 za kasniji

proračun.

3-A2) Komercijalni reaktor radi na temperaturi od 600 K. Izračunajte vrijednost za Kp na ovoj

temperaturi imajući u vidu da Ho i So ne zavise od temperature.

Proračun:

Kp = ……………………….

MNE - 1


Ukoliko nijeste izračunali Kp na 600 K u zadatku 3-A2), koristićete Kp = 1.0×10-2 za dalji

proračun.

3-A3) Proizvodnja metanola u industriji bazirana je na protoku kompresovanog gasa 2.00 mola

H2 za svaki mol CO u reaktoru. Nađeno je da molska frakcija metanola u otpuštenom gasu iz

reaktora iznosi 0.18. Imajući u vidu da je ravnotežau uspostavljena, koliki je ukupan pritisak u

reaktoru na visokoj temperature od 600 K?

Proračun:

Ukupan pritisak = ………………………. bara.

MNE - 1


Dio B.

3-B) Razmotrite sledeći zatvoreni sistem na 300 K. Sistem se sastoji iz dva dijela, odvojena

zatvorenim ventilom (valve), koja imaju zanemarljivu zapreminu. Na istom pritisku dio A i dio

B sadrže 0.100 mol argona i 0.200 mol azota, respektivno. Zapremine oba dijela, VA and VB, su

odabrane tako da se gasovi u njima ponašaju kao idealni gasovi.

Nakon laganog otvaranja ventila, sistem se uravnotežuje. Predpostalja se da oba gasa

formiraju idealnu gasnu smješu. Izračunajte promjenu slobodne Gibs-ove energije na 300 K,

G .

Proračun:

G = ………..………. J

MNE - 1


Zadatak 4

(5%)

A Ukupno

A1 A2 A3 A4

Ukupno 4 1 5 6 16

Rezultat/Score

Zadatak 4: Elektrohemija

Dio A. Galvanska ćelija

Eksperiment je izvođen na 30.00ºC. Elektrohemijska ćelija se sastoji od vodonične polućelije

[Pt(s)│H2(g)│H+(aq)] koja sadrži platinsku elektrodu uronjenu u puferski rastvor pod pritiskom

vodonikovog gasa. Vodonična polućelija je povezana sa polućelijom metala (M) koja je uronjena

u rastvor nepoznate koncentracije M2+(aq). Dvije polućelije su povezane preko sonog mosta

kako je prikazano na slici 1.

Napomena: Standardni redukcioni potencijali dati su u Tabeli 1

Slika 1 Galvanska ćelija

Zadatak 4

5% od ukupnog

broja poena

MNE - 1


Tabela 1. Standard reduction potential (range 298-308 K)

Half-reaction E๐ (V)

Ba2+(aq) + 2e- Ba(s) -2.912

Sr2+(aq) + 2e- Sr(s) -2.899

Ca2+(aq) + 2e- Ca(s) -2.868

Er2+(aq) + 2e- Er(s) -2.000

Ti2+(aq) + 2e- Ti(s) -1.630

Mn2+(aq) + 2e- Mn(s) -1.185

V2+(aq) + 2e- V(s) -1.175

Cr2+(aq) + 2e- Cr(s) -0.913

Fe2+(aq) + 2e- Fe(s) -0.447

Cd2+(aq) + 2e- Cd(s) -0.403

Co2+(aq) + 2e- Co(s) -0.280

Ni2+(aq) + 2e- Ni(s) -0.257

Sn2+(aq) + 2e- Sn(s) -0.138

Pb2+(aq) + 2e- Pb(s) -0.126

2H+(aq) + 2e- H2(g) 0.000

Sn4+(aq) + 2e- Sn2+(aq) +0.151

Cu2+(aq) + e- Cu+(aq) +0.153

Ge2+(aq) +2e- Ge(s) +0.240

VO2+(aq) + 2H+(aq) +e- V3+(aq) + H2O(l) +0.337

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) +0.340

Tc2+(aq) + 2e- Tc(s) +0.400

Ru2+(aq) + 2e- Ru(s) +0.455

I2(s) + 2e- 2I-(aq) +0.535

UO22+(aq) + 4H+(aq)+ 2e- U4+(aq) + 2H2O(l) +0.612

PtCl42-(aq) + 2e- Pt(s) + 4Cl-(aq) +0.755

Fe3+(aq) + e- Fe2+(aq) +0.770

Hg22+(aq) + 2e- 2Hg(l) +0.797

Hg2+(aq) + 2e- Hg(l) +0.851

2Hg2+(aq) + 2e- Hg22+(aq) +0.920

Pt2+(aq) + 2e- Pt(s) +1.180

MnO2(s) + 4H+(aq) + 2e- Mn2+(aq) + 2H2O(l) +1.224

Cr2O72-(aq)+ 14H+(aq) + 6e- 2Cr3+ (aq) + 7H2O (l) +1.360

Co3+(aq) + e- Co2+(aq) +1.920

S2O82-(aq) + 2e- 2SO4

2-(aq) +2.010

MNE - 1


4-A1) Ukoliko je reakcioni kvocijent – odnos (Q) za cijelu galvansku ćeliju 2.18 x 10-4 na

30.00๐C, elektromotorna sila je +0.450 V. Izračunajte vrijednost standardnog redukcionog

potencijala (E๐) i dentifikujte metal “M”.

Napomena; QRTGG o ln

Proračun

Standardni redukcioni potencijal za metal M je ……....………..………V

(Odgovor dati na tri decimale)

Metal “M” je …………..………

4-A2) Napišite izjednačenu jednačinu spontane redoks reakcije u galvanskoj ćeliji.

MNE - 1


4-A3) Nepoznata koncentracija M2+(aq) rastvora u ćeliji (Slika 1) može se analizirati

jodometrijskom titracijom. Dodato je 25.00 cm3 alikvota M2+ vodenog rastvora u konični sud

uz dodatak KI u višku. Dodato je 25.05 cm3 0.800 mol dm-3 natrijum tiosulfata potrebnog za

postizanje ekvivalentne odnosno završne tačke titracije. Napišite sve redoks reakcije povezane

sa ovom titracijim i izračunajte koncentraciju M2+(aq) rastvora.

Proračun

Koncentracija M2+(aq) rastvora je……….………mol dm-3

(odgovor dati na 3 decimale)

Ukoliko student ne odgovori,koristiće 0.950 mol dm-3 kao koncentraciju M2+ za dalji proračun.

MNE - 1


4-A4) Na Slici 1, ako je vodonična polućelija pod pritiskom od 0.360 bara gasa vodonika i ako

je platinska elektroda uronjena u 500 cm3 puferskom rastvoru koji sadrži 0.050 mol mliječne

kiseline (HC3H5O3) i 0.025 mol natrijum laktata (C3H5O3Na), izmjerena elektromotorna sila

galvanske ćelije iznosi +0.534 V. Izračunate pH puferskog rastvora i konstantu disocijacije (Ka)

mliječne kiseline na 30.00๐C.

Proračun za pH puferskog rastvora

pH puferskog rastvora je ……………………………………

(odgovor dati na dvije decimale)

Ukoliko student nije odgovorio, koristiće vrijednost 3.46 kao pH pufera za dalji proračun.

MNE - 1


Proračun za konstantu disocijacije (Ka) mliječne kiseline

Konstanta disocijacije mliječne kiseline je ……………………………………

MNE - 1


Zadatak 5 A

B C

D Ukupno

A1 A2 C1 C2

Ukupno 1 1 3 1 2 2 10

Rezultat/Score

Zadatak 5: Fosfati i silikati u zemljištu

Raspodjela i pokretljivost fosfora u zemljištu se obično analizira sekvencijalnom ekstrakcijom.

Sekvencijalna ekstrakcija se izvodi koristeći kisele ili bazne reagense za izdvajanje neorganskog

fosfora u zemljištu. Uzorak zemljišta je ekstrahovan i analiziran na sledeći način:

Dio A. Određivanje ukupnog fosfata (PO43-) i silikata (SiO4

4-)

5.00 grama uzorka zemljišta je razblaženo da bi se dobila konačna zapremina od 50.0

cm3 razbalženog rastvora koji rastvara ukupni fosfor i silicijum. Ekstrakt je analiziran za

određivanje ukupne koncentracije fosfora i silicijuma. Nađeno je da je koncentracija fosfora i

silicijuma 5.16 mg dm-3 i 5.35 mg dm-3, respektivno.

5-A1) Odredite masu PO43- u mg za 1.00 g zemljišta.

Proračun

1 g zemljišta sadrži PO43- = mg (odgovor dati na 3 decimale)

5-A2) Odredite masu SiO44- u mg za 1.00 g zemljišta.

Proračun

1 g zemljišta sadrži SiO44- = mg (odgovor dati na 3 decimale)

Zadatak 5

5% od ukupnog broja

bodova

MNE - 1


Dio B. Određivanje dostupnog PO43- u kiselom ekstraktu

Fosfat se može analizirati korišćenjem molibden plavom metodom. Jedan mol fosfata je

preveden u jedan mol molibden plavo jedinjenja. Ovaj metod se koristi za određivanje fosfata u

kiselom ekstraktu. Absorbanca (A) i transmitansa (T) su snimljene na 800 nm. Molarna

apsorbcija – absorbtivnost molibden plavo jedinjenja je 6720 dm3 mol-1 cm-1 i za sva mjerenja

korišćena je kiveta od 1.00-cm.

Transmitansa i absorbanca su date sledećim jednačinama:

T = I / Io

A = log (Io / I)

Gdje je I intezitet transmitovane svjetlosti i Io je intezitet početne svjetlosti.

5-B1) Kada uzorak koji se analizira sadrži visoku koncentraciju fosfata, referentni rastvor od 7.5

x 10-5 mol dm-3 molibden plavo jedinjenja se koristi za podešavanje nula absorbance. Izmjerena

transmitansa rastvora uzorka 0.55. Izračunajte koncentraciju fosfata (mol dm-3) rastvora uzorka.

Proračun

MNE - 1


koncentracija fosfata u nepoznatom uzorku = mol dm-3

Dio C. Određivanje PO43- i SiO4

4- u baznom ekstraktu

Oba jona, fosfat i silikat, mogu reagovati sa molibdatom u alkalom ratsvoru dajući žuti molibdo

fosfat i žuti molibdo silikat. Redukcija sa askorbinskom kiselinom daje intezivno obojena

molibden plava jedinjenja. Oba kompleksa postižu maksimalnu absorbciju na 800 nm.

Dodavanje tartaratne kiseline pomaže u sprečavanju nastajanja smetnji prouzrokovanih silikatom

kod određivanja fosfata.

Dvije serije standarda fosfata su tretirane sa i bez tartaratne (vinske) kiseline, dok serije

silikatnog standarda nijesu tretirane tartaratnom kiselinom. Linearne jednačine dobijene iz

kalibracionih krivih su:

Uslovi Linearne jednačine

Fosfat sa i bez tartaratne kiseline y = 6720x1

Silikat bez tartaratne kiseline y = 868x2

MNE - 1


y je absorbanca na 800 nm,

x1 je koncentracija fosfata u mol dm-3,

x2 je koncentracija silikata u mol dm-3

Absorbanca na 800 nm alkalne frakcije ekstrakta zemljišta nakon tretiranja sa ili bez tartaratne

kiseline iznosi 0.267 i 0.510, respektivno.

5-C1) Izračunajte koncentraiju fosfata u alkalnom ekstraktu zemljišta u mol dm-3 i izračunajte

odgovarajući fosfor u mg dm-3.

Proračun

koncentracija PO43- = mol dm-3

koncentracija P = mg dm-3

(dati odgovor na 2 decimale)

MNE - 1


5-C2) Izračunajte koncentraciju silikata u uzorku zemljišta u alkalnoj frakciji u mol dm-3 i

izračunajte odgovarajući silicijum u mg dm-3.

Proračun

koncentracija SiO44- = mol dm-3


Koncentracija Si = mg dm-3


MNE - 1


Dio D. Koncentrovanje amonijumfosfomolibdata

100 cm3 vodenog uzorka amonijumfosfomolibdata ((NH4)3PMo12O40) je ekstrahovano sa

5.0 cm3 organskog rastvarača. Koeficijent raspodjele organsko-vodene faze (Kow) je definisan kao

odnos koncentracije jedinjenja u organskoj fazi (co) i u vodenoj fazi (cw). Kow amonijum

fosfomolibdata je 5.0. Molarna absorbcija – absortivnost amonijumfosfomolibdata u organskoj

fazi je 5000 dm3 mol-1 cm-1.

5-D) Ako je absorbanca za organsku fazu 0.200, izračunajte ukupnu masu fosfora (u mg) u

izvornom vodenom rastvoru uzorka. Dužina kivete je 1.00 cm.

Proračun

ukupna količina P u izvornom vodenom rastvoru = mg

MNE - 1


Zadatak 6

(6%)

A B C Ukupno

A1 A2 B1 B2 B3 C1 C2

Ukupno 3 8 4 3.5 5 2 4 29.5

Rezultat/

Score

Zadatak 6: Gvožđe

Gvožđe (Fe) je četvrti najzastupljeniji element u Zemljinoj kori i koristi se više od 5,000 godina.

Dio A.

Čisto gvožđe se lako oksidiše, što ograničava njegovu upotrebu. Element X je jedan od

legirajućih elemenata koji se dodaje da bi se unaprijedila otpornost gvožđa na oksidaciju.

6-A1) Navedene su neke informacije vezane za element X:

(1) U prvoj jonizaciji, elektron sa kvantnim brojevima n1 = 4 – l1 je uklonjen.

(2) U drugoj jonizaciji, elektron sa kvantnim brojem n2 = 5 – l2 je uklonjen.

(3) Atomska masa X je manja od atomske mase Fe.

Šta je element X?

(Napišite odgovarajući simbol u skladu sa periodnim sistemom elemenata)

Zadatak 6

6% od ukupnog

broja bodova

MNE - 1


6-A2) Oba elementa, Fe and X, kristališu u zapreminski centriranoj kubičnoj strukturi.

Aproksimirajući Fe atome kao tvrde sfere, zapremina okupirana - zauzeta atomima gvožđa

unutar jedinične ćelije iznosi 1.59x10-23 cm3. Zapremina jedinične ćelije X je 0.0252 nm3.

Kompletna supstitucija čvrstog rastvora obično se javlja kada je R = (|𝑅𝑋−𝑅𝐹𝑒|

𝑅𝐹𝑒) × 100 manje

ili jednako 15, gdje su RX i RFe atomski radijusi X i Fe, respektivno. Mogu li X i Fe obrazovati

kompletan supstitucionalni čvrsti rastvor? Prikažite svoj proračun. Poeni neće biti dodijeljeni

bez datog proračuna. Zapremina sfere je 4/3r3.

Odgovor (Označite u odgovarajuću kvadratić)

DA (R 15) NE (R > 15)

Proračun

RFe = ...…………...…..nm RX = ………………….nm R = ……………..…..

MNE - 1


Dio B.

U prirodnoj vodi gvožđe je prisutno u formi Fe(HCO3)2, u obliku Fe2+ and HCO3- jona. Da bi

uklonili gvožđe iz vode, Fe(HCO3)2 je oksidovan u nerastvorni Fe(OH)3, koji se filtracijom može

ukloniti iz vode.

6-B1) Fe2+ se može oksidovati sa KMnO4 u baznom rastvoru pri čemu se talože Fe(OH)3 i MnO2.

Napišite izjednačenu jonsku jednačinu za ovu reakciju u baznom rastvoru.

Pod ovim uslovima, HCO3 joni se prevode u CO3

2. Napišite izjednačenu jonsku jednačinu za

ovu reakciju u baznom rastvoru.

6-B2) Kovalentno jedinjenje A koje sadrži više od dva atoma i, potencijalno oksidaciono

sredstvo, može biti dobijeno reakcijom između diatomskog molekula halogena (Q2) i NaQO2. 1Q2 + xNaQO2 yA + zNaQ gdje je x+y+z ≤ 7

Gdje su x, y i z koeficijenti u jednačini reakcije.

Među binarnim jedinjenjima koja sadrže vodonik i halogen, HQ ima najnižu tačku ključanja.

Identifikujte Q i ako A ima nesparen elektron, nacrtajte Luis-ovu strukturu jedinjenja A sa nula

valentnim stanjem na svim atomima.


MNE - 1


6-B3) Jedinjenje D je nestabilno oksidaciono sredstvo koje se može koristiti za uklanjanje

Fe(HCO3)2 iz prirodne vode. Sastoji se od elemenata G, Z i vodonika. Oksidacioni broj Z je +1.

U ovom jedinjenju vodonik je povezan sa elementom koji ima veću elektronegativnost od njega.

Date su neke informacije vezane za elemente G i Z:

(1) G se u elementarnom stanju nalazi u obliku diatomne molekule, G2.

(2) Z ima jedan proton manje od elementa E. E je gas pri standardnim uslovima. Z2 je

isparljiva čvrsta supstanca.

(3) Jedinjenje EG3 ima piramidalni oblik.

Identifikujte elemente G i Z i nacrtajte molekularnu strukturu jedinjenja D.


G = …….………….…… Z = ……………….…..

Molekularna struktura jedinjenja D

Q = ……………........

Luis-ova struktura jedinjenja A

Kakva je molekulska geometrija jedinjenja A? (Označite u odgovarajuću kvadratić)

linearna savijena ciklična tetraedarska trigonalno planarna ostalo

MNE - 1


Dio C.

59Fe je radiofarmaceutski izotop koji je korišten za istraživanje metabolizma gvožđa u slezini.

Ovaj izotop se raspada na 59Co:

𝐹𝑒2659 𝐶𝑜27

59 + a + b (1)

6-C1) Šta su a i b u jednačini (1)? (Označite u odgovarajuća polja)

proton neutron beta pozitron alfa gama

6-C2) Razmatrajući jednačinu (1), ukoliko je 59Fe izotop ostavljen 178 dana čiji je n broj puta

ostvarenog vremena poluraspada (t1/2), molski odnos 59Co u 59Fe je 15:1. Ako je n cijeli broj,

koliko je vrijeme poluraspada 59Fe izraženo u danu (danima)? Prikažite vaš proračun.

Proračun:

Vrijeme poluraspada 59Fe = …………………….dana (1 decimala)

MNE - 1


Zadatak 7

(6%)

A Ukupno

A1 A2 A3 A4 A5

Ukupno 4.5 1.5 6 6 2 20

Rezultat/Score

Zadatak 7: Zagonetne hemijske strukture

Titanijumovi kompleksi su istraživani zbog njihove antitumorne aktivnosti. Mnogi faktori

uključujući izomerizaciju i veličinu, su pokazali uticaj na potencijal kompleksa. Ova pitanja su

povezana sa sintezom i karakterizacijom nekih titanijumovih kompleksa.

7-A1) Reakcija 2 ekvivalenta 2-tert-butilfenola, 2 ekvivalenta of formaldehida, i N,N'-

dimetiletilena-1,2-diamina pod kiselim uslovima na 75 C daje tri glavna produkta iste hemijske

formule C26H40N2O2, kako je i prikazano na jednačini koja slijedi. Nacrtajte strukturu za svaki

produkt.

Produkt 1:

Produkt 2:

Zadatak 7

6% od ukupnog broja

bodova

MNE - 1


Produkt 3:

7-A2) Ako je 2,4-di-tert-butilfenol korišten kao substrat umjesto 2-tert-butilfenola koristeći

stehiometriju kao u 7-A1), samo jedan proizvod X će biti dobijen. Nacrtajte strukturu proizvoda

X.

MNE - 1


Reakcija između X iz 7-A2) i Ti(OiPr)4 [iPr = izopropil] u dietil etru pri inertnoj atmosferi

rezultira oktaedarskim Ti kompleksom Y, kao žuta kristalna supstanca i isopropanolom, na

sobnoj temperaturi.

(jednačina 1)

kUV-Vis spektar od X, Ti(OiPr)4, i Y pokazuje da samo product Y ima absorbciju na = 370

nm. Promjenom zapremina X i Ti(OiPr)4, koncentracije 0.50 mol dm-3, i korišćenjem benzena

kao rastvarača, podaci za absorbciju na = 370 nm su dati u sledećoj tabeli:

Zapremina X

(cm3)

Zapremina Ti(OiPr)4

(cm3)

Zapremina benzena

(cm3)

Absorbanca

0 1.20 1.80 0.05

0.20 1.00 1.80 0.25

0.30 0.90 1.80 0.38

0.50 0.70 1.80 0.59

0.78 0.42 1.80 0.48

0.90 0.30 1.80 0.38

1.10 0.10 1.80 0.17

1.20 0 1.80 0.02

7-A3) Popunite odgovarajuće vrijednosti u datoj tabeli.

4

i Pr)Ti(O of mole + of mole

of mole

X

X Absorbanca

0.05

0.25

0.38

0.59

0.48

0.38

0.17

0.02

(na 2 decimale)

MNE - 1


Nacrtajte grafik prikazujući vezu između mole of X

mole of X + mole of Ti(Oi Pr)4

i absorbance u

prostoru koji slijedi.

Vrijednost mole of X

mole of X + mole of Ti(Oi Pr)4

koja povećava količinu produkta Y predstavlja udio

X u hemijskoj formuli Y. Na osnovu dobijenog grafika, koji je molarni odnos između Ti:X u

kompleksu Y?

Molarni odnos između Ti:X u kompleksu Y je ................................................

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Ab

sorb

ance

mole of X mole of X + mole of Ti(OiPr)4

MNE - 1


7-A4) Ti kompleks Y je oktaedarski. IR spektar Y ne sadrži široku absorbcionu traku u opsegu

od 3200–3600 cm-1. Y postoji u tri diastereomerne forme. Zanemarujući stereohemiju na

atomima N, jasno nacrtajte strukture sva tri diastereomera.

Nije potrebno nacrtati kompletnu strukturu liganda. Samo identifikujte donorske atome koji su

uključeni u koordinaciju sa titanom i ligandnu mrežu između donorskih atoma, kao što je dato

sledećim primjerom:

Na primjer: može se nacrtati kao:

**Ukoliko niste dobili strukturu X iz 7-A2), koristite simbol liganda koji slijedi da predstavite

X (A i Z su donorski atomi):

Diastereomer 1:

Diastereomer 2:

MNE - 1


Diastereomer 3:

7-A5) Pod određenim uslovima, reakcija prikazana u jednačini 1 daje samo jedan diastereomer

Y. Data struktura Y je "fiksirana" (nema intermolekularnog pomijeranja), 1H NMR spektar Y u

CDCl3 pokazuje četiri rezonantna singleta na 1.25, 1.30, 1.66, i 1.72 koji odgovaraju tert-butil

grupama. Nacrtajte strukturu jedinog mogućeg diastereomera Y.

(Nije potrebno nacrtati kompletnu strukturu liganda. Identifikujte samo donorske atome koji su

uključeni u koordinaciju i ligandnu mrežu između donorskih atoma, koja može biti nacrtana kao

što je dato u 7-A4))

MNE - 1


Zadatak 8 A Ukupno

(5%) A1 A2 A3 A4 A5

Ukupno 6 5.5 3 4 1.5 20

Rezultat/Score

Zadatak 8: Silica Površina

Silika postoji u različitim formama, kao amorfna i kristalna. Silika se može sintetizovati sol-gel

procesom koristeći silicijum alkokside kao što je tetrametoksisilan (TMOS) i tetraetoksisilan

(TEOS) kao što je prikazano:

a. Hidroliza

b. Vodena kondenzacija

c. Alkoholna kondenzacija

Zadatak 8

5% od ukupnog

broja bodova

MNE - 1


U praškastoj silici, svi atomi silicijuma su tetraedarski vezani za kiseonikov atom gradeći

trodimenzionalne čvrste mreže. Okruženje oko atoma silicijuma u silici je prikazano na sledećoj

slici:

8-A1) Okruženje tri atoma silicijuma (slično kao na primjeru gore) je uobičajeno za silica

površinu. Nacrtajte tri strukturne jedinice silicijumovog okruženja u datim poljima.

Silika može biti korišćena kao dobar metal jon adsorbent u vodi. Predložena struktura za metal

silica kompleks je:

I

II

8-A2) Nakon što se Cu2+ adsorbuje, boja silike se mijenja iz bijele u svijetlo plavu. Vidljivi

spektar pokazuje široku absorbcionu traku (sa ispupčenjem) na max = 550 nm. Cu2+ se može

vezati za siliku i poprimiti strukturu sličnu II. Nacrtajte dijagram cijepanja d-orbitala za Cu2+

jon uključujući numeraciju d orbital u kompleksu i specificirajte odgovarajući elektronski prelaz

(prelaze) za vidljivu absorbciju.

x

y

z

MNE - 1


Dijagram cijepanja:

Odgovarajući elektronski prelaz (prelazi) (prikažite d-orbitalu najniže i najviše energije)

8-A3) Ako prvi red prelaznih metalnih jona gradi komplekse sa silikom analogno Cu2+, koji

metalni jon (joni) ima (imaju) analogan elektronski prelaz (prelaze) kao Cu2+? Metalni jon (joni)

moraju biti u +2 ili +3 oksidacinom stanju. Imajte u vidu da su silanolne grupe (Si-OH) i voda

slabi ligandi slabog ligandnog polja.

MNE - 1


Međutim, silica se nasumice veže za različite tipove metalnih jona. Da bi povećali selektivnost,

modifikacija silica površine je izvedena prevlačenjem sa različitim organskim molekulama kao

što su 3-aminopropiltrimetoksisilan and 3-merkaptoproplltrimetoksisilan.

8-A4) Ako se Hg2+ jedino veže za sumporova mjesta u silici - SH, formiraće se simetrični

kompleks [Hg(silica-SH)2]2+. Nacrtajte strukturu [Hg(silica-SH)2]

2+, odredite smjer prostiranja

veze i nacrtajte odgovarajući dijagram cijepanja d-orbitala. (Možete koristiti R-SH umjesto

crtanja cijele structure silica-SH.)

Struktura: dijagram cijepanja d-orbitala :

8-A5) Označite da li su tačne ili netačne sledeće tvrdnje:

a) d-d prelazi su nađeni u [(Hg(silica-SH)x)]2+

Tačno Netačno

MNE - 1


b) [(Cu(silica-NH2)x]2+ sa sličnom geometrijom, za očekivati je da ima boju sličnu

ostalim bakar(II) aminskim compleksima.

Tačno Netačno

c) U vidljivom dijelu absorbcionog spektra max za [(Cu(silica-NH2)x]2+ je veća od

one za [(Cu(silica-OH)x]2+.

Tačno Netačno

MNE - 1


Zadatak 9 A

Ukupno A1 A2 A3

Ukupno 6 6 11 23

Rezultat/Score

Zadatak 9: U nepoznato

9-A1) Organsko jedinjenje A je hiralno i sadrži samo tri elementa sa molekulskom težinom

(MW) 149 (zaokruženom na cijeli broj).

1H NMR spektar jedinjenja A pokazuje, između ostalog, tri tipa aromatskih protona i

njegov 13C NMR spektar pokazuje osam signala, od koji su četiri signala u opsegu od120–

140ppm.

Jedinjenje A se može dobiti tretiranjem karbonilnog jedinjenja sa metilaminom uz

prisustvo NaBH3CN. Napišite sve moguće strukturne formule jedinjenja A. Steheometrija se ne

zahtijeva od vas i ne uključujte stereoizomere.

Zadatak 9

6% od ukupnog broja

bodova

MNE - 1


9-A2) Jedan od pozicionih izomera jedinjenja A (strukture A1, A2 ili A3) može se sintetizovati

od jedinjenja B ili C i D kako je prikazano na dijagramu koji slijedi. Napišite strukturne formule

jedinjenja B-F i pozicioni isomer od jedinjenja A.

MNE - 1


9-A3) Jedinjenje A je (R)-forma jedne od struktura A1-A3.Može se dobiti iz vicinalnih diola X

i Y kako je prikazano na datom dijagramu. Oba diola su strukturni izomeri, I svaka struktura

sadrži jedan ugljenikov atom manje nego jedinjenje A. Nacrtajte strukturne formule jedinjenja

od G-N, X, Y i (R)-formu jedinjenja A. Morate prikazati steheometriju za sva jedinjenja.

MNE - 1


Zadatak 10

(7%)

A B Ukupno

A1 B1 B2

Ukupno 20.5 4 5.5 30

Rezultat/Score

Zadatak 10: Totalna Sinteza Alkaloida

Alkaloidi su grupa azotnih prirodnih jedinjenja. Njihova strukturna kompleksnost i

potencijalna biološka aktivnost izazivaju pažnju. Dva reprezentativna primjera alkaloida -

sauristolactam and pancratistatin su istaknuta u narednim pitanjima.

Dio A

Sauristolactam posjeduje izvrsnu citotoksičnost na različite tipove ćelija raka. Može se dobiti

prateći sintetičke korake koji su dati. (1H-NMR spektar snimljen u CDCl3 na 300 MHz.)

10-A1) Nacrtajte strukture od A-G po koracima. Unesite vaše odgovore u sledeća prazna polja.

Zadatak 10

7% od ukupnog broja

bodova

MNE - 1


MNE - 1


Strukture od A-G.

A B

C D

E F

G

MNE - 1


Dio B

Pancratistatin, izolovan iz Havajske biljke, spider lily, pokazuje potencijal za inhibitornu

aktivnost na rast ćelija raka in vitro i in vivo zajedno sa izvrsnom antivirusnom aktivnošću.

Pancratistatin se može uspješno sintetizovati preko intermedijata X1 i X2. Sinteza ovih

intermedijata je prikazana na sledećoj šemi.

10-B1) Nacrtajte structure A i B.

10-B2) Intermedijat X1 (jedan enantiomer sa prikazanom stereohemijom) je označen sa

deuterijumom konfiguracijom prikazanom dolje, predložite 3-D strukturu stolice jedinjenja E i

strukturu jedinjenja F sa stereohemijom.

MNE - 1


Da li je Y proton (1H) ili deuterium (2H)?

MNE - 1


Zadatak 11 A

Ukupno A1 A2

Ukupno 10 2 12

Rezultat/Score

Zadatak 11: Obrt & Hiralnost

trans-Cyclooctene ima hiralnu ravan i veliki otpor prema racemizaciji. Dvostruka veza trans-

cyclooctene je obrtna, kao rezultat, molekule pokazuju neuobičajenu reaktivnost u

cikloadicionim reakcijama.

U 2011, Foks i njegovi saradnici razvili su fotohemijsku sintezu zasnivajući je na različitim

trans-cyclooctene derivatima. Process nije stereokontrolisan. Data je šema sinteze:

Zadatak 11

2% od ukupnog broja

bodova

MNE - 1


11-A1) Nacrtajte sve moguće stereoizomere komponente 3 koji se mogu dobiti redukcijom

komponente 2. Nije potrebno navoditi R,S konfiguraciju.

11-A2) Ako je jedan od stereoizomera jedinjenja 3 preveden u jedinjenje 4, koliko će se

stereoizomernih formi dobiti iz jedinjenja 4?

Broj mogućih stereoizomernih formi jedinjenja 4 =

Ukoliko postoji više od jednog stereoizomera, da li je moguće razdvojiti dobijene

stereoizomere jedinjenja 4 ahiralnom hromatografijom?

DA NE

MNE - 1 - ICho2017 · MNE - 1 Theoretical problems (official English version), 49th IChO 2017,...

Documents

Transcript of MNE - 1 - ICho2017 · MNE - 1 Theoretical problems (official English version), 49th IChO 2017,...