UTTAGNING TILL KEMIOLYMPIADEN 2005

Transkript

1 UTTAGNING TILL KEMIOLYMPIADEN 005 TEORETISKT PROV Provet omfattar 6 uppgifter, till vilka du ska ge fullständiga lösningar, om inte annat anges. Konstanter som inte ges i problemtexten, hämtas ur tabell. Du får poäng för korrekt löst deluppgift, även om du inte behandlat hela uppgiften. Provtid: 180 minuter. Hjälpmedel: Miniräknare, tabell- och formelsamling. Läs detta först! Börja lösningen av varje uppgift på ett nytt papper (enkelt A4-ark). Lämna en marginal om minst cm på varje papper. Skriv NAMN, FÖDELSEDATUM och SKOLA på VARJE inlämnat papper. Uppgift 1 (10 poäng) Till delfrågorna ska du i denna uppgift bara ange svar a) Ordna följande bindningar efter ökande polaritet, dvs så att den minst polära bindningen kommer först H F H H H C H O H N b) Rita elektronformel för CO. Sätt ut alla valenselektroner. Är molekylen polär eller opolär? Motivera ditt svar. c) Genom att i en spektrofotometer mäta absorbansen hos en provlösning kan man bestämma lösningens halt. Absorbansen (vid 80 nm) för en lösning som innehåller enzymet karboanhydras är 0,49. Vilken är lösningens halt uttryckt i g/dm om den molara absorptionskoefficienten, ε, är mol 1 dm cm 1, kyvettlängden är 1,0 cm och molmassan för karboanhydras är 900 g/mol? d) Man vill bestämma strukturformeln för en förening Y. För den skull tar man upp 1 H-NMR- och masspektrum för föreningen. Dessa spektra visas nedan. I masspektrumet är M + ( molekyljonen) 44. Ange namn och strukturformel för Y Masspektrum m/z 1 H-NMR-spektrum ppm e) Beräkna med hjälp av bindningsenergier H (reaktionsentalpin) för reaktion mellan propen och vatten under bildande av -propanol. Bindningstyp Bindningsenergi / (kj/mol) C C 47 C C 61 C O 58 C H 41 O H 464

2 Uppgift (8 poäng) Hos däggdjur finns två peptidhormoner, oxytocin och vasopressin, med likartad struktur men olika biologisk funktion. Oxytocin utlöser värkarna vid en förlossning och påverkar mjölkflödet vid amning. Vasopressin påverkar återresorptionen av vatten i njurarna. Av de 0 dm primärurin som produceras varje dygn resorberas vatten så att det endast återstår ca 1 dm urin. Nedan visas den del av den ena av två antiparallella DNA-kedjor som kodar för oxytocin: 5 CCCAAGGGGGCAATTTTGAATATAACA a) Ange bassekvensen (med början vid 5 -änden) för den mrna-molekyl som erhålls vid transkriptionen av denna gen. b) Ange med hjälp av den genetiska koden nedan den aminosyrasekvens som erhålls vid translation av den i a) erhållna mrna-kedjan. Börja med den N-terminala aminosyran. c) En för proteiner typisk strukturstabilisering sker i denna nonapeptid och ger upphov till en ringstruktur. Förklara. d) Vasopressins och oxytocins aminosyrasekvens skiljer sig åt endast när det gäller två aminosyror. Aminosyra (räknat från N-terminalen) i vasopressin är Phe och aminosyra 8 är Arg. Skriv av ovanstående DNA-sekvens och ringa in de två baser som har ersatts. Ange även med vilka baser de har ersatts. Genetiska koden: Första basen U C A G Andra basen Tredje U C A G Basen UUU UCU UAU UGU U Phe Tyr Cys UUC UCC UAC UGC C Ser UUA UCA UAA UGA Stopp A Leu Stopp UUG UCG UAG UGG Trp G CUU CCU CAU CGU U His CUC CCC CAC CGC C Leu Pro Arg CUA CCA CAA CGA A Gln CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U Asn Ser AUC Ile ACC AAC AGC C Thr AUA ACA AAA AGA A Lys Arg AUG Met ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U Asp GUC GCC GAC GGC C Val Ala Gly GUA GCA GAA GGA A Glu GUG GCG GAG GGG G

3 Uppgift (9 poäng) En större förpackning Mohrs salt, (NH 4 ) Fe(SO 4 ) 6H O, har av misstag förorenats av järnpulver. Föroreningen antas vara jämnt spridd i hela förpackningen. För att ta reda på om man trots allt kan använda saltet tog man ut ett prov ur förpackningen och bestämde halten järnpulver. Analysen gick till på följande sätt: Provet löstes i utspädd svavelsyra under försiktig upphettning. Då bildades vätgas som samlades upp över vatten i ett gasmätrör, varvid volymen gas uppmättes till 9, cm. Temperaturen på såväl gasen som lösningen var 4 C. Det yttre trycket var 104, kpa. Vattnets mättningstryck vid denna temperatur är 5, kpa. För att bestämma substansmängden järn(ii)joner i provlösningen titrerades en tiondel av lösningen med 0,000 mol/dm lösning av kaliumpermanganat, KMnO 4. Då åtgick 8,57 cm permanganatlösning. a) Skriv reaktionsformler för reaktionen mellan järn och svavelsyra samt för titrerreaktionen. b) Beräkna masshalten järnpulver i det förorenade saltet. Ge svaret i massprocent. Uppgift 4 (9 poäng) I en blandning av gaserna kvävemonoxid, kvävedioxid och syre ställer följande jämvikt in sig. NO (g) NO(g) + O (g) a) I ett reaktionskärl med volymen 0,50 dm fanns vid jämvikt 0,0055 mol kvävedioxid, 0,015 mol kvävemonoxid och 0,01 mol syrgas vid 65 C. Beräkna jämviktskonstanten för jämvikten ovan vid 65 C. b) I en gasjämvikt definieras även en annan jämviktskonstant, K p, där man istället för ämnenas koncentrationer sätter in deras partialtryck. För jämvikten ovan är K p ( p ) NO ( p ) NO p O. Visa att sambandet mellan K p och K för denna jämvikt blir K p K 10 RT då partialtrycken i K p anges i Pa och koncentrationerna i K anges i mol/dm. c) Beräkna K p för jämvikten vid 65 C. d) Vid 5 C är jämviktskonstanten K p 6, Pa för reaktionen NO (g) NO(g) + O (g). Reaktionskärlet fylls med kvävedioxid med initialtrycket 9, Pa. Beräkna partialtrycken vid 5 C för alla gaserna när jämvikt har uppnåtts. Uppgift 5 (10 poäng) Vid analys av lakvatten från en soptipp isolerades en förening med molekylformeln C 0 H 0 O 4 (A). Då en formelenhet av föreningen behandlades med natriumhydroxidlösning och därefter med syra erhölls en formelenhet C 8 H 6 O 4 (B) och två formelenheter C 6 H 14 O (C). Vid 1 H-NMR-analys visades att B hade väteatomer med två olika positioner i föreningen: en singlett (vid 1,5 ppm) som innehåller väten och en singlett (vid 8, ppm) som innehåller 4 aromatväten.

4 När förening C oxiderades erhölls en keton. Vid elimination av vatten från C bildades en alken (D) som vid addition av HBr gav -brom--metylpentan. NaOH(aq) C 0 H 0 O 4 (A) C 8 H 6 O 4 (B) + C 6 H 14 O (C) H + H O HBr C 6 H 14 O (C) C 6 H 1 (D) -brom--metylpentan a) Rita strukturformler för föreningarna A D. b) Skriv mekanismen för addition av HBr till D och rita pilar som visar elektronflödet. c) Vilken eller vilka av föreningarna A D har cis-trans-isomerer? d) Vilken eller vilka av föreningarna A D har optiska isomerer? Uppgift 6 (14 poäng) Vid intensiv fysisk aktivitet bildas mjölksyra i musklerna (anaerob metabolism). I blodet neutraliseras mjölksyran genom reaktion med vätekarbonatjoner. Mjölksyra (betecknas här HL) är en enprotonig syra med syrakonstanten K a (HL) 1, mol/dm. K a (H CO ) 4, mol/dm och K a (HCO ) 4, mol/dm. All koldioxid (kolsyra) som bildas vid reaktionerna förutsätts stanna i lösningen. a) Beräkna ph i en mjölksyralösning med koncentrationen, mol/dm. b) Beräkna jämviktskonstanten för jämvikten HL + HCO L + H CO. c) I en 0,04 mol/dm lösning av natriumvätekarbonat är ph 8,4. Beräkna [HCO /[H CO i lösningen. Till 1,00 dm 0,04 mol/dm lösning av natriumvätekarbonat sätter man, mol mjölksyra. d) Beräkna ph efter tillsatsen av mjölksyra. Det förutsätts att mjölksyran reagerar fullständigt och att lösningens volym inte ändras. Hos en person ändras ph från 7,40 till 7,5 i blodet beroende på den mjölksyra som bildats under fysisk träning. Blodet kan här betraktas som en vattenlösning med ph 7,40 och [HCO 0,0 mol/dm. e) Beräkna substansmängden mjölksyra som har tillsatts till 1,00 dm blod när ph har gått ner till 7,5. f) Blod innehåller kalcium. Beräkna maximala koncentrationen av fria kalciumjoner i blod (ph 7,40, [HCO 0,0 mol/dm, se ovan). Kalciumjonhalten antas begränsas av löslighetsprodukten för kalciumkarbonat, K s (CaCO ) (mol/dm ).

5 SVAR OCH RÄTTNINGSMALL TILL DET TEORETISKA PROVET Med tanke på provets omfattning och svårighetsgrad görs inga avdrag för olämpligt antal gällande siffror i svaren. Räknefel som inte leder till uppenbar katastrof tolereras också. Om ett resultat i en deluppgift ska användas i följande deluppgifter, ges full poäng på den senare deluppgiften, även om ett felaktigt ingångsvärde använts, såvida inte resultatet är uppenbart orimligt.. Uppgift 1 (10 p) a) H H H C H N H O H F p b) 1p Molekylen är opolär eftersom centrum för positiv laddning och för negativ laddning sammanfaller. Svaret opolär utan motivering ger ingen poäng. 1p c) c A / (ε l ) 0,49 / ( ,0) mol/dm 8, mol/dm Lösningens halt: 8, g/dm 0,6 g/dm p d) H H H C H acetaldehyd (etanal) e) C H 6 + H O C H 7 OH I C H 6 finns det 1 st C C, 1 st CC och 6 st C H bindningar. I H O finns st O H bindningar. I C H 7 OH finns det 1 st O H, 1 st C O, st C C och 7 st C H bindningar. H Σ bindningsenergier hos reaktanterna Σ bindningsenergier hos produkterna H ( ) ( ) 4 kj/mol. Man kan också räkna enbart på de bindningar som bryts respektive bildas. Svaret 4 kj/mol ger inga poäng. Uppgift (8 p) a) 5 UGU UAU AUU CAA AAU UGC CCC CUU GGG p b) N - Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly- C p c) Två cysteiner kopplas ihop via en disulfidbindning. p d) Ile >Phe; AUU >UUU Leu >Arg; CUU >CGU 5 CCCAAGGGGGCAATTTTGAATATAACA A har ersatts med C och T har ersatts med A p Uppgift (9 p) C O a) Fe(s) + H + (aq) Fe + (aq) + H (g) 1p MnO 4 (aq) + 5Fe (aq) + 8H (aq) Mn (aq) + 5Fe (aq) + 4H O 1p b) Beräkning av massan järn i provet p(h ) p(yttre) p(h O) 104, kpa 5, kpa 99,0 kpa n(h ) p(h ) V / (R T) 99,0 10 9, 10 6 / (8,14 07) mol,58 10 mol n(fe) n(h ),58 10 mol 1p 1p p

6 m(fe) 55,85,58 10 mol 0,00 g Om hänsyn inte tas till vattnets mättningstryck dras 0,5p. Beräkning av massan Mohrs salt i provet n(mno 4 ) 10 0,000 8,57 10 mol 5, mol + 1 mol MnO 4 motsvarar 5 mol Fe n(fe + ) 5 5, mol, mol Järn(II)jonerna kommer dels från Mohrs salt och dels från järnpulvret. n(fe +, fr. Mohrs salt) (,857 10,58 10 ) mol, mol m(mohrs salt) 9,15, g 9,800 g Andel järn i provblandningen: 100 0,00 / (9, ,00) %,00 % p p p 1p Uppgift 4 (9 p) a) [NO 0,0055/0,50 mol/dm 0,011 mol/dm [NO 0,015/0,50 mol/dm 0,00 mol/dm [O 0,01/0,50 mol/dm 0,04 mol/dm [O [ NO 0,00 0,04 K mol/dm 0,18 mol/dm p [NO 0,011 b) n NO [NO 10 V ; Faktorn 10 eftersom volymen, V, är uttryckt i m. Detta insätts i gasernas allmänna tillståndsekvation. p n RT/V 10 [NO RT NO NO På samma sätt erhålls K p ( p ) NO [NO [O [NO p ( p ) NO O 10 p NO 10 [NO RT och ( 10 [NO RT ) 10 ( 10 [NO RT ) RT K 10 RT [O RT p O 10 [O RT p c) K p K 10 RT 0, ,14 (65 + 7) Pa 1, 10 6 Pa 1p d) Då volymen är konstant är partialtrycken proportionella mot substansmängderna och man kan räkna direkt med partialtrycken. Anta att partialtrycket av O vid jämvikt är x Pa. NO NO + O Partialtryck från början / Pa 9, Partialtryck vid jämvikt / Pa 9, x x x p K p ( p ) NO ( p ) O, NO p 6, ( x) x 4 ( 9,0 10 x) x 5,0 Ekvationen kan man lösa numeriskt eller genom att försumma x bredvid 9, p(o ) 5,0 Pa ; p(no) 10,0 Pa ; p(no ) 9, Pa p

7 Uppgift 5 (10 p) a) Förening A ger p och föreningarna B, C och D ger vardera 1p b) 5p p c) D har cis-trans-isomerer 1p d) A och C har optiska isomerer. 1p

8 Uppgift 6 (14 p) a) HL + H O L + H O + C före protolys / (mol/dm ),00 10 C efter protolys / (mol/dm ),00 10 x x x + [HO [L K a vilket ger [HL - 1, x x,00 10 [H O + 5, mol/dm ph,4 p Om x försummas bredvid,00 10 fås ph,19. Då dras 1p. - - x b) [H CO [L [HO [L [H CO K a (HL) K,1 10 p [HCO [HL [HL + [H O [HCO K (H CO ) + a c) [HO [HCO K a (H CO) [H CO + -8, [HCO [HCO 4, [H CO [H CO d) n(hco ) 1,00 dm 0,04 mol/dm 0,04 mol n(hl), mol Mjölksyran reagerar fullständigt med vätekarbonatjonerna. HL + HCO L + H CO - Slutlösningen innehåller 0,01 mol HCO och,00 10 mol H CO. Då både H CO och HCO förekommer i hög koncentration kan ph beräknas direkt ur uttrycket för syrakonstanten. + + [HO [HCO -7 [HO 0,01 K a (H CO) 4,5 10 [H CO -,00 10 [H O + 6, mol/dm ph 7,19 p (Slutlösningen är en buffert och ph kan även beräknas med buffertformeln.) e) ph 7,40: Eftersom ph är känt kan [H CO beräknas direkt ur uttrycket för + -7,40 [HO [HCO ,0 jämviktskonstanten K a (H CO) 4,5 10 [H CO [H CO [H CO 1, mol/dm ph 7,5: Mjölksyran som bildas reagerar fullständigt med HCO enligt HL + HCO L + H CO Antag att x mol HL bildas och reagerar. [H CO (1, x) mol/dm [HCO (0,0 x) mol/dm + [HO [HCO (0,0 - x) K a (H CO) 4,5 10 x, 10-4 [H CO - (1, x) Det har bildats, 10-4 mol mjölksyra f) ph 7,40: Eftersom ph är känt kan [CO beräknas direkt ur uttrycket för [HO [CO jämviktskonstanten a (HCO + -7, [CO K ) 4, [HCO 0,0-5 + [CO,65 10 mol/dm, [Ca max K s (CaCO ) / [CO /, , mol/dm p -7,5 p p

9 EXPERIMENTELLT PROV Provet omfattar två uppgifter, som redovisas enligt anvisningarna. Provtid: 180 minuter. Hjälpmedel: Miniräknare. OBS! EJ tabell- och formelsamling Börja redovisningen av varje uppgift på ett nytt papper (enkelt A4-ark). Lämna en marginal om minst cm på varje papper. Skriv NAMN, FÖDELSEDATUM och SKOLA på VARJE inlämnat papper! Riskbedömning: måttligt riskfylld laboration Skyddsglasögon skall användas under hela det experimentella provet. Kemikalie risk klartext Bärnstenssyra R 6/7/8 irriterar ögonen, andningsorganen och huden Etylacetat R11 mycket brandfarlig R 6 irriterar ögonen R 66 upprepad kontakt kan ge torr hud eller R 67 hudsprickor ånga kan göra att man blir dåsig och omtöcknad Fenolftaleinindikator 1% i etanol R 1 mycket brandfarlig 0,1 mol/dm NaOH dvs. < %-ig lösning R6/8 irriterar ögonen och huden Etylacetat samlas upp i särskild behållare enligt anvisning. Bärnstenssyra, (butandikarboxylsyra) är en tvåprotonig syra med kemiska formeln HOOCCH CH COOH. Den upptäcktes i mitten av 1500-talet som produkt vid torrdestillation av bärnsten. Den har starkt sur smak och dess kristaller är färglösa. Bärnstenssyra bildas vid ett flertal jäsningsprocesser och den finns naturligt i t.ex. betor, sockerrör, alger och lavar. Den tillverkas industriellt genom hydrering av maleinsyra och används för framställning av bl.a. plaster, lacker och färgämnen. Det experimentella provet består av massbestämning av bärnstenssyra samt att bestämma fördelningskonstanten för bärnstenssyra mellan etylacetat och vatten. Atommassor Väte 1,0079 u Kol 1,011 u Syre 16,00 u

10 Uppgift 7 (15 poäng) Du skall i denna uppgift bestämma massan bärnstenssyra i det utdelade provet genom titrering med natriumhydroxidlösning med noggrant bestämd koncentration (0,1 mol/dm ). Genomförande Fyll upp mätkolven med bärnstenssyra till märket med avjonat vatten. Ta ut delprov på 10,00 cm, tillsätt ett par droppar fenolftalein och titrera med natriumhydroxidlösningen. Avläs titratorvolymen direkt vid första omslaget, eftersom fenolftaleins röda färg försvinner efter en stund i basisk lösning. Upprepa titreringen tills du får minst tre överensstämmande resultat. Redovisning 1. Redovisa koncist resultaten av titreringar du gjort för att bestämma massan av bärnstenssyra.. Skriv reaktionsformeln för titrerreaktionen när bärnstenssyra reagerar med hydroxidjoner.. Beräkna massan bärnstenssyra i ditt prov. Uppgift 8 (5 poäng) Bärnstenssyra löser sig både i vatten och etylacetat. Fördelningsjämvikten för bärnstenssyra uttrycks som koncentrationskvot enligt uttrycket: [Bärnstenssyra i etylacetat K D [Bärnstenssyra i vatten I denna uppgift skall du bestämma fördelningskonstanten, K D, samt ange skillnaden i att skaka blandningen (extrahera) med flera delportioner etylacetat (multipel extraktion) i jämförelse med endast en portion (enkel extraktion). Den till märket spädda lösningen från uppgift 7 skall användas. Genomförande a) Överför 50,00 cm av bärnstenssyralösningen till en separertratt. Tillsätt 0,00 cm etylacetat. Skaka blandningen (extrahera) ett par minuter och låt den separera. Ta därefter ut 10,00 cm av vattenfasen och titrera den med natriumhydroxidlösningen med fenolftalein som indikator. Upprepa titreringen. Häll etylacetatet i därför avsedd behållare. b) Överför 50,00 cm av bärnstenssyralösningen till separertratten, skaka bärnstenssyralösningen med 10,00 cm etylacetat. Avlägsna etylacetatfasen efter

11 Redovisning skakningen. Tillsätt på nytt 10,00 cm etylacetat till bärnstenssyralösningen och avlägsna etylacetatet efter skakning. Avsluta med ytterligare en portion med 10,00 cm etylacetat som också avlägsnas efter skakning. Ta sedan 10,00 cm av vattenfasen och titrera med natriumhydroxidlösningen och med fenolftalein som indikator. Upprepa titreringen. Häll etylacetatet i därför avsedd behållare. 4. Redovisa koncist resultaten av titreringarna som du gjort. 5. Beräkna fördelningskonstanten K D för bärnsstenssyra mellan etylacetat och vatten. 6. Tolka dina resultat som du erhållit vid enkel och multipel extraktion.

12 SVAR OCH RÄTTNINGSMALL TILL DET EXPERIMENTELLA PROVET 005 Uppgift 7 (15 poäng) 1. Väl genomförda titreringar med överensstämmande värden som ger korrekt värde på massan bärnstenssyra som erhållits. 10 p. Korrekt reaktionsformel: HOOCCH CH COOH + OH - - OOCCH CH COO - + H O p. Korrekt beräkning av bärnstenssyrans massa med tre gällande siffror. p Uppgift 8 (5 poäng) 4. Väl genomförda titreringar med överensstämmande värden och som ger K D 0,4 och visar att det är effektivare med multipel extraktion. 18 p 5. Korrekt beräkning av K D för bärnstenssyra. 5 p 6. Angett att multipelextraktion är effektivare än enkel extraktion. p

13 ANVISNINGAR TILL LEDAREN FÖR DET EXPERIMENTELLA PROVET Följande lösningar, blandningar och vätskor ska vara beredda i förväg: - Natriumhydroxidlösning, 0,1 mol/dm ca 00 cm, med noggrant angiven koncentration (tre värdesiffror) - Fenolftaleinlösning 1 % i etanol - Ett prov med bärnstenssyra som delvis lösts upp i ca 50 cm vatten i en 50 cm mätkolv (massan bärnstenssyra anges ej). Massan bärnstenssyra skall vara inom intervallet 1, - 1,5 g. Glöm inte att bifoga fullständiga vägdata med tre decimalers noggrannhet för de elever vilkas lösningar sänds in för rättning! Ge prov med olika massa bärnstenssyra till olika elever. - Kolv med propp som innehåller ca 75 cm etylacetat. Uppgift 7 och 8 För varje deltagare ska följande utrustning vara framdukad: Skyddsglasögon, hushållspapper, mätkolv (50 cm ) med bärnstenssyraprovet, separertratt, stativ med ring som passar till separertratten, pipett (10 cm ), pipett (5 eller 50 cm ), pipettfyllare, dropprör, sprutflaska med vatten (destillerat, avjonat eller osmosrenat), byrett (5-50 cm ) i stativ, liten tratt för byrettpåfyllning, magnetomrörare, magnetloppa, slaskbägare, 5 st E-kolvar (100 cm ) samt st bägare (100 cm ). Lösningar Natriumhydroxidlösning, 0,1 mol/dm, med noggrant angiven koncentration (tre värdesiffror), fenolftaleinindikator och etylacetat. Behållare för att samla upp använd etylacetat skall finnas tillgänglig för samtliga elever.

14 Kemiolympiaden 005 Andra uttagningen Försändelsen innehåller: Anvisningar till ledaren för det experimentella provet Överlämnas utan dröjsmål till kemiansvarig lärare 1 sida Resten av materialet förvaras under sekretess till omedelbart före proven. Teoretiskt prov Experimentellt prov Kopieras i erforderligt antal exemplar omedelbart före proven. 4 sidor sidor Svar och rättningsmall till det teoretiska provet Svar och rättningsmall till det experimentella provet Rättningsprotokoll Överlämnas till ansvarig lärare i anslutning till provets genomförande. TOTALT 4 sidor 1 sida 1 sida 14 sidor