55i(1).pdf

I 22.11.2008

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

Z ADANIE 1

Małe co nieco z chemii organicznej

1. Wskaż, który z wymienionych związków nie reaguje z wodnym roztworem NaOH.

a) fenol c) alanina

b) anilina d) kwas benzoesowy

2. Wybierz nazwę systematyczną alkenu o wzorze szkieletowym:

a) trans -3-metylohept-5-en c) trans -5-etyloheks-2-en

b) cis -5-metylohept-2-en d) trans -5-metylohept-2-en

3. Cykloheksen od cykloheksanu można odróżnić, ponieważ cykloheksen:

a) nie odbarwia roztworu KMnO 4 i reaguje z Cl 2 z wydzieleniem HCl

b) odbarwia roztwór KMnO 4 i reaguje z Cl 2 bez wydzielenia HCl

c) nie odbarwia roztworu KMnO 4 i reaguje z Cl 2 bez wydzielenia HCl

d) odbarwia roztwór KMnO 4 i reaguje z Cl 2 z wydzieleniem HCl

4. Wskaż produkt reakcji opisanej schematem:

a) propanon

H 3

CH 3

H 2 O

H 3

d) propan-1-ol

HgSO 4 / H 2 SO 4

H 3

CH 2

5.1. Wymień wszystkie możliwe streoizomery dipepeptydu Ala-Ala podając konfigurację

absolutną asymetrycznych atomów węgla (oznaczaną symbolami R, S)

5.2. Wśród wymienionych stereoizomerów wskaż formę mezo lub krótko uzasadnij jej brak.

6. Podaj wzory półstrukturalne lub

szkieletowe związków, które

kryją się pod literami A-E w

schemacie reakcji.

H 3

/ AlCl 3

N 2 H 4 / KOH

HNO 3 / H 2 SO 4

D + E

7. Określ konfiguracje wszystkich

asymetrycznych atomów węgla

w cząsteczce opisanej wzorem:

CHO

8. Jeden z kwasów winowych (czysty optycznie) poddano reakcji z CH 3 OH wobec H 2 SO 4 .

Rozdzielono produkty, uzyskując dwie frakcje A i B . Frakcja A była bardziej polarna niż

frakcja B . Żadna z otrzymanych frakcji nie skręcała płaszczyzny światła spolaryzowanego.

Podaj wzory związku/związków z frakcji A i B oraz wyjaśnij spostrzeżenia dotyczące

skręcalności obu frakcji.

CH 2 OH

Z ADANIE 2

Wietrzenie skał wapiennych i twardość węglanowa

Węglan wapnia (CaCO 3 ), wchodzący w skład skał wapiennych, jest substancją trudno

rozpuszczalną w wodzie. W pewnym stopniu rozpuszcza się w wodzie zawierającej tlenek

węgla(IV) (dwutlenek węgla), czego skutkiem jest tzw. twardość węglanowa wody.

Wspomniany proces rozpuszczania CaCO 3 jest przykładem wietrzenia chemicznego, czyli

zjawiska niszczenia skał (minerałów) pod wpływem wody lub czynników atmosferycznych.

Tlenek węgla(IV) ulega w wodzie hydratacji a powstały produkt, który możemy opisać

wzorem CO 2 . H 2 O, częściowo dysocjuje na jony.

Twardość węglanowa wody może być ilościowo wyrażona w mg CaCO 3 /dm 3 (tabela).

Woda

mg CaCO 3 /dm³

Bardzo miękka

0-85

Miękka

85-170

Średnio twarda

170-340

Twarda

340-510

Bardzo twarda

>510

Podczas gotowania wody twardej w naczyniu pojawia się osad nazywany kamieniem kotłowym.

Jednym ze sposobów usuwania (obniżania) twardości wody jest wytrącanie jonów wapnia

i magnezu za pomocą tzw. sody, czyli węglanu disodu.

Polecenia:

a. Zapisz jonowo równanie reakcji rozpuszczania CaCO 3 w wodzie zawierającej CO 2 .

b. Oblicz, ile gramów CaCO 3 rozpuści się w 1 dm 3 wody pozbawionej CO 2 , zakładając dla

uproszczenia, że jony węglanowe nie ulegają reakcjom protolitycznym. Oblicz stosunek

stężeń jonów wapnia w nasyconym roztworze CaCO 3 i w średnio twardej wodzie, gdzie

na pełne zobojętnienie jonów HCO 3 - w 1 dm 3 potrzeba 4 mmol HCl.

c. Wartość pH wody zawierającej rozpuszczony dwutlenek węgla wynosiła 5,6. Oblicz, jaka

była masa CO 2 , który rozpuścił się 1 dm 3 tej wody, powodując jej zakwaszenie do takiej

wartości pH. Porównanie podanych niżej wartości K a1 i K a2 pozwala na uproszczenie tych

obliczeń. Można też pominąć wpływ dysocjacji wody.

d. Zapisz jonowo równanie reakcji powstawania kamienia kotłowego. Określ jak, w wyniku

podgrzania wody, zmieniają się stężenia reagentów uczestniczących w równowadze

wytrącania / rozpuszczania kamienia kotłowego (w porównaniu z wodą zimną).

Zaproponuj „domowy” chemiczny sposób usunięcia tego kamienia za pomocą substancji

dostępnych w życiu codziennym i zapisz jonowo równanie odpowiedniej reakcji.

e. Pewien zakład przemysłowy dysponował wodą o twardości odpowiadającej zawartości

136 mg jonów Ca 2+ / dm 3 , a do celów produkcyjnych potrzebna była woda bardzo

miękka. Oblicz minimalną masę sody, jak musi być dodana na tonę wody, aby uzyskała

ona żądane właściwości ( zakładamy że gęstość wody wynosi 1 g/cm 3 ).

W obliczeniach przyjmij przybliżone wartości mas molowych:

Ca: 40 g/mol; Na: 23 g/mol; C: 12 g/mol; O: 16 g/mol; H: 1 g/mol

Stałe równowagi dla reakcji:

CaCO 3 ' Ca 2+ + CO 3 2- K s0 = 4⋅10 -9

CO 2 . H 2 O + H 2 O ' HCO 3 - + H 3 O + K a1 = 4,0⋅10 -7

HCO 3 - + H 2 O ' CO 3 2- + H 3 O +

K a2 = 5,0⋅10 -11

Z ADANIE 3

Reakcje kondensacji

Dwie bezwodne sole NaH 2 PO 4 i Na 2 HPO 4 zmieszano w stosunku molowym 1:2 i

ogrzewano przez dłuższy czas w temperaturze około 500°C, w atmosferze powietrza. W

wyniku reakcji kondensacji masa próbki zmniejszyła się o 8,92%.

Stałym produktem reakcji jest biały, krystaliczny związek X , dobrze rozpuszczalny w

wodzie. Stosowany jest on m.in. w proszkach do prania, jako środek zmiękczający wodę oraz

sekwestrant (związek kompleksujący jony metali).

Próbkę soli X o masie m 1 = 0,938 g rozpuszczono w wodzie. Otrzymany roztwór,

wykazujący odczyn silnie zasadowy, zakwaszono kwasem solnym i pozostawiono na

kilkanaście godzin. Następnie w celu ilościowego oznaczenia fosforanów(V), roztwór zadano

nadmiarową ilością mieszaniny magnezowej (amoniakalny roztwór chlorków magnezu i

amonu). Wytrącony osad soli o wzorze MgNH 4 PO 4 (ortofosforan(V) magnezu i amonu)

odsączono, przemyto i wyprażono w temperaturze 1100°C do uzyskania stałej masy, która wyniosła

m 2 = 0,851g. Produktem tej kondensacji była sól Y , zawierająca tylko jeden rodzaj kationów.

Polecenia:

a. Napisz równanie reakcji otrzymywania soli X. Potwierdź poprawność wzoru soli X ,

przeprowadzając odpowiednie obliczenia.

b. Wyjaśnij przyczynę zasadowego odczynu roztworu soli X i napisz w formie jonowej

odpowiednie równanie reakcji.

c. Napisz w formie jonowej równanie reakcji, prowadzącej do powstania jonów

wodorofosforanowych(V) w roztworze soli X .

d. Napisz równanie reakcji kondensacji, prowadzącej do powstania soli Y . Potwierdź

poprawność wzoru soli Y, za pomocą odpowiednich obliczeń.

e. Zaproponuj budowę przestrzenną anionu soli Y wiedząc, że atom fosforu ma liczbę

koordynacyjną 4. (Przedstaw krótki opis struktury tego anionu lub odpowiedni rysunek.)

f. Aniony soli X i Y należą do wspólnego szeregu polifosforanów(V). Podaj wzór ogólny

anionów tego szeregu.

W obliczeniach przyjmij następujące wartości mas molowych:

H – 1,01 g/mol; O – 16,00 g/mol, P – 30,97 g/mol, Na – 22,99 g/mol; Mg – 24,31 g/mol

Z ADANIE 4

Dysocjacja tetratlenku diazotu

Do reaktora termostatowanego w temperaturze 298 K wprowadzono próbkę tetratlenku

diazotu o masie m = 0,4601 g. Reaktor ten jest tak skonstruowany, że objętość mieszaniny

reakcyjnej może ulegać zmianie, natomiast utrzymywane jest stałe ciśnienie p = 1000 hPa.

W warunkach prowadzenia eksperymentu część tetratlenku diazotu ulega odwracalnej

dysocjacji do tlenku azotu(IV). Gdy w reaktorze ustalił się stan równowagi zmierzono

objętość mieszaniny reakcyjnej i otrzymano wartość V = 0,1488 dm 3 .

Polecenia:

a. Napisz równanie reakcji dysocjacji tetratlenku diazotu.

b. Oblicz stopień dysocjacji tetratlenku diazotu w stanie równowagi.

c1. Oblicz wartość stałej równowagi dysocjacji tetratlenku diazotu w temperaturze 298 K.

(Pamiętaj, że stała równowagi reakcji jest bezwymiarowa).

c2. Oblicz wartość standardowej entalpii swobodnej ΔG 0 r (298K) tej reakcji.

d. Oblicz wartość standardowej entropii dysocjacji ΔS 0 r (298K) jednego mola tetratlenku

diazotu w temperaturze 298 K wiedząc, że w tej temperaturze standardowa entalpia

reakcji ma wartość ΔH 0 r (298K) = + 57,2 kJ⋅mol −1 .

Uwaga: Należy założyć, że tetratlenek diazotu oraz tlenek azotu(IV) zachowują się jak gazy

doskonałe, oraz, że w reaktorze znajdują się tylko wyżej wspomniane substancje.

W obliczeniach przyjmij wartość stałej gazowej R = 8,314 J/(mol⋅K) oraz następujące

wartości mas molowych: M N =14,01 g mol −1 i M O =16,00 g mol −1 .

Z ADANIE 5

Izomery

Substancje A i B , są izomerami konstytucyjnymi o wzorze C 4 H 8 , a ponadto jedna z nich

występuje w postaci mieszaniny izomerów geometrycznych. Wiadomo też, że związki te

ulegają reakcji z wodorem, prowadzonej z zastosowaniem katalizatora palladowego.

Substancje A i B poddano szeregowi przekształceń chemicznych pokazanych na

schemacie. Po addycji halogenowodoru, ze związku A otrzymano dwa izomery konstytucyjne

C i D , przy czym produktem głównym był D . Związek B dawał w tej reakcji tylko i

wyłącznie produkt D . W obydwu reakcjach produkt D okazał się być mieszanina racemiczną.

Na podstawie widma masowego stwierdzono, że wszystkie produkty C i D miały masę

molową równą 92,5 g/mol.

Następnie związki C i D poddano reakcji z KOH w wodzie, w wyniku czego otrzymano

związki E i F . Te produkty z kolei poddano reakcji utleniania za pomocą CuO i otrzymano

odpowiednio związki G i H . Związek G dał pozytywny wynik w próbie Tollensa (powstał

związek J ), podczas gdy H dał wynik negatywny.

C + D (główny produkt) D

KOH, H 2 O

CuO

daje pozytywny wynik

w próbie Tollensa,

tworzy się związek J

Polecenia:

a. Narysuj wzory półstrukturalne wszystkich izomerów o wzorze sumarycznym C 4 H 8 .

b. Narysuj wzory półstrukturalne (lub szkieletowe) związków A-H .

c. Wskaż, który ze związków, A czy B , występuje w postaci izomerów geometrycznych.

d. Wyjaśnij, dlaczego w reakcji addycji halogenowodoru do związku A powstaje mieszanina

produktów ( C i D ) i dlaczego D jest głównym produktem.

e. Stosując wzory klinowe narysuj stereoizomer D o konfiguracji absolutnej R .

f. Oblicz, ile gramów enancjomeru D o konfiguracji absolutnej R otrzymano z 0,5 mola

związku B, jeśli wydajność reakcji wyniosła 80%.

g. Narysuj wzór półstrukturalny związku J i określ, do jakiej grupy związków organicznych on należy.

P UNKTACJA : wszystkie zadania po 20 pkt ., łącznie 100 pkt.

C ZAS TRWANIA ZAWODÓW : 300 minut

I 22.11.2008

Rozwiązania zadań teoretycznych

R OZWIĄZANIE ZADANIA 1:

1. b, 2. d, 3. b, 4. a.

5.1. Istnieją 4 stereoizomery dipeptydu Ala-Ala (R,R; S,S; R,S; S,R )

5.2. Peptyd ten nie występuje w formie mezo ze względu na brak płaszczyzny symetrii w

cząsteczce (niezależnie od rodzaju stereoizomeru).

NO 2

O 2 N

Odwrotne przyporządkowanie związków D i E jest tak samo prawidłowe.

7. Konfiguracja poszczególnych atomów węgla jest następująca: 1 R , 2 S , 3 S , 4 S

8. W wyniku reakcji kwasu winowego z CH 3 OH wobec H 2 SO 4 następuje estryfikacja grup

karboksylowych. Z treści zadania wynika, że nastąpiła całkowita estryfikacja (obydwie

grupy karboksylowe zostały przekształcone w estry metylowe) i niecałkowita (tylko jedna

grupa karboksylowa została przekształcona w ester metylowy). Wiadomo to na podstawie

analizy polarności: monoester (frakcja A ) jest bardziej polarny niż diester (frakcja B ).

Dokonując analizy skręcalności optycznej można wydedukować, który z kwasów został

wzięty do reakcji:

* jeśli reakcji poddano formę mezo kwasu winowego, wtedy otrzymano:

frakcja A - monoestry

frakcja B – diester

COOH

COOCH 3

COOH

COOCH 3

cząsteczka ma płaszczyznę symetrii (forma

mezo ) skręcalność optyczna wynosi 0

* jeśli reakcji poddano optycznie czynną formę kwasu winowego otrzymano:

frakcja A - monoestry

mieszanina racemiczna –

skręcalność optyczna wynosi 0

frakcja B – diester

COOH

COOCH 3

H H

COOCH 3

COOH

COOCH 3

frakcja skręca płaszczyznę światła

spolaryzowanego, powstał tylko jeden

związek (jeden enancjomer)

Tak samo będzie dla enancjomeru wyjściowego kwasu winowego, co oznacza, że do reakcji

wzięto formę mezo tego kwasu.

frakcja skręca płaszczyznę światła

spolaryzowanego, powstał tylko

jeden związek (jeden enancjomer)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: