HUN-4 C-0 C-1

HUN-4 C-0 C
Benedek Sajósi

IChO
General instructions
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

IChO
HUN-4 C-0 G-1

Nemzetközi Kémiai Diákolimpia, 2021 Japán
53rd IChO2021 Japan
25th July – 2nd August, 2021
https://www.icho2021.org

G0-1
Hungarian (Hungary)

IChO

G0-2

HUN-4 C-0 G-2

Hungarian (Hungary)Általános tudnivalók• Csak tollat használhatsz a válaszlapon.
• A számológéped nem lehet programozható.
• A dolgozat 9 feladatot tartalmaz.
• Cserébe tetszőleges sorrendben oldhatod meg őket.
• A feladatok megoldására összesen kemény 5 órát kapsz.
• Akkor kezdhetsz dolgozni, mikor a START elhangzik.
• Minden választ a Válaszlap megfelelő dobozaiba, tollal kell beírnod. A kérdések hátoldalára firkálhatsz, de ne feledd, azt nem bírálják el, ami a dobozokon kívül van!!!
• Írd be a vonatkozó számításokat a megfelelő dobozokba, ha szükséges. A helyes válaszokért is csak
akkor adnak teljes pontot, ha látszik a munkád.
• A felügyelő a STOP előtt 30 perccel figyelmeztet.
• A STOP hallatára meg kell állnod, különben elbuksz mindent.
• A hivatalos angol verzióból is kérhetsz, ha a fordításunk értelmetlenre sikerült.
• Nem szabad elhagynod a munkahelyedet engedély nélkül. Ha kell valami (lerobbant a számológép,ki kell menni), szólj a felügyelőnek!
Szerencse fel!

Feladatok és pontozás
Cím

Részpontok összege

Az egész százalékában

1

Hidrogén fémfelületen

24

11

2

Izotópok időkapszulában

35

11

3

Lambert–Beer törvény?

22

8

4

A cink redox kémiája

32

11

5

Titokzatos szilícium

60

12

6

Átmenetifémek szilárd anyagokban

45

13

7

Játék a nem benzolszerű aromássággal

36

13

8

Dinamikus szerves molekulák és kiralitásuk

26

11

9

Egy kapszula vonzalmai és ellenszenvei

23

10Összesen

100

IChO
HUN-4 C-0 G-3

G0-3
Hungarian (Hungary)Állandók és egyenletekÁllandókA fény sebessége vákuumban𝑐 = 2.99792458 × 108 m s−1

Planck-állandóℎ = 6.62607015 × 10−34 J s

Elemi töltés

𝑒 = 1.602176634 × 10−19 C

Az elektron tömege

𝑚e = 9.10938370 × 10−31 kg

Dielektromos állandó(a vákuum permittivitása)

𝜀0 = 8.85418781 × 10−12 F m−1

Avogadro-szám

𝑁A = 6.02214076 × 1023 mol−1

Boltzmann-állandó

𝑘B = 1.380649 × 10−23 J K−1

Faraday-állandó

𝐹 = 𝑁A × 𝑒 = 9.64853321233100184 × 104 C mol−1

Gázállandó

𝑅 = 𝑁A × 𝑘B = 8.31446261815324 J K−1 mol−1= 8.2057366081 × 10−2 L atm K−1 mol−1

Atomi tömegegység

𝑢 = 1 Da = 1.66053907 × 10−27 kg

Standard nyomás

𝑝 = 1 bar = 105 Pa

Atmoszférikus nyomás𝑝atm = 1.01325 × 105 Pa

A Celsius-skála nulla pontja

0 ∘ C = 273.15 KÅngstrom

1 Å = 10−10 m

Pikométer

1 pm = 10−12 m

Elektronvolt

1 eV = 1.602176634 × 10−19 J

Part-per-million

1 ppm = 10−6

Part-per-billion

1 ppb = 10−9Part-per-trillion

1 ppt = 10−12pi

𝜋 = 3.141592653589793

A természetes logaritmus alapja(Euler-szám)𝑒 = 2.718281828459045

IChO
HUN-4 C-0 G-4

G0-4
Hungarian (Hungary)

Egyenletek
Ideális gázegyenlet
Coulomb-törvény

𝑃 𝑉 = 𝑛𝑅𝑇𝑃 a nyomás, 𝑉 a térfogat, 𝑛 a mólszám, 𝑇 az abszolút hőmérséklet
𝑞 𝑞
𝐹 = 𝑘e 1 2 2𝑟𝑘e (≃ 9.0 × 109 N m2 C−2 )A termodinamika elsőtörvénye

Δ𝑈 = 𝑞 + 𝑤, Δ𝑈 belsőenergia-változás, 𝑞 a leadott hő, 𝑤 végzett munka

Entalpia,𝐻

𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉

Entrópia, Boltzmann elve alapján, 𝑆

𝑆 = 𝑘B ln 𝑊
𝑊 a mikroállapotok száma𝑞
Δ𝑆 = rev
𝑇
𝑞rev a reverzibilis folyamat hője.

Entrópiaváltozás Δ𝑆
Szabadentalpia

𝐺 = 𝐻 − 𝑇𝑆
Δr 𝐺∘ = −𝑅𝑇 ln 𝐾 = −𝑧𝐹 𝐸 ∘𝐾 az egyensúlyi állandó, 𝑧 az elektronok száma, 𝐸 ∘ a standard elektródpotenciál

𝑄

Δr 𝐺 = Δr 𝐺∘ + 𝑅𝑇 ln 𝑄
A
𝑎A + 𝑏B ⇌ 𝑐C + 𝑑D reakcióra𝑐𝑑[C] [D]𝑄=𝑎𝑏[A] [B][A] az A koncentrációja.

IChO
HUN-4 C-0 G-5Hőváltozás Δ𝑞
Nernst-egyenlet
Arrhenius-egyenlet

G0-5
Hungarian (Hungary)Δ𝑞 = 𝑛𝑐m Δ𝑇
𝑐m a hőmérsékletfüggetlen moláris hőkapacitás
𝐶
𝑅𝑇
ln ox
𝐸 = 𝐸∘ +𝑧𝐹
𝐶red
𝐶ox az oxidált forma koncentrációja, 𝐶red a redukált forma koncentrációja
𝐸
𝑘 = 𝐴 exp (− 𝑎 )𝑅𝑇
𝑘 a sebességi állandó, 𝐴 a preexponenciális állandó, 𝐸𝑎 az aktiválási energia.
exp(𝑥) = 𝑒𝑥

Lambert–Beer törvény

𝐴 = 𝜀𝑙𝑐
𝐴 az abszorbancia, 𝜀 a moláris abszorpciós koefficiens, 𝑙 az optikai úthossz,
𝑐 a koncentráció.

Henderson–HasselbalchegyenletA
HA ⇌ H+ + A− egyensúlyra
ahol az egyensúlyi állandó 𝐾a ,[A− ])pH = p𝐾a + log ([HA]𝑐
𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ𝜆𝜈 a sugárzás frekvenciája, 𝜆 a hullámhossza

A foton energiája
Egy mértaniösszegesorozat

Egy közelítő egyenlet

Ha 𝑥 ≠ 1,𝑛

1 + 𝑥 + 𝑥2 + ⋯ + 𝑥𝑛 = ∑𝑖=0 𝑥𝑖 =Ha 𝑥 ≪ 1,
1
≃1+𝑥
1−𝑥

1 − 𝑥𝑛+1
1−𝑥

IChO
HUN-4 C-0 G-6

Periódusos rendszer

G0-6
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-0 G-7

1

H-NMR Kémiai eltolódásokΔ𝛿 egy alkil-csoport szubsztitúció esetén: ca. +0.4 ppm

G0-7
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-1 C-1

HUN-4 C-1 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 1
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q1-1

IChO
HUN-4 C-1 Q-1

Hungarian (Hungary)

Hidrogén fémfelületen
Az egész 11 %-a
Kérdés

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Összesen

Pont

6

4

5

3

3

3

24

Eredmény

A hidrogén olyan reményteli energiahordozó, ami független lehet a fosszilis tüzelőanyagoktól. Ebben afeladatban a hidrogén fémekben való tárolását vizsgáljuk, ami fontos lehet a hidrogén szállításának és
tárolásának technológiájában.

A részA hidrogén a fém belsejébe a felületén át kerül be. Vizsgáljuk először a hidrogén fémfelületen való adszorpciójának folyamatát, H2 (g) → 2H(ad). Itt a gázállapotot és az adszorbeált állapotot: (g) , illetve (ad)jelöli.
Azok a hidrogénmolekulák (H2 ), amelyek elérik a fém (M) felületét, disszociálnak, és H atomokként adszorbeálódnak (ld. 1. ábra, másik lap). A H2 potenciális energiáját két változó függvényében vizsgálták: aH-atomok távolsága, 𝑑, és a felületi fématomoktól mért távolság, 𝑧. A két H atomot összekötő egyenest
a felülettel párhuzamosnak vesszük, és a molekula tömegközéppontja mindig a függőleges pontozottvonalon (1. ábra) marad.
A 2. ábra a felületen történő disszociáció potenciális energiáját mutatja szintvonalas ábrázolásban. A
feltüntetett potenciális energia értékek kJ-ban értendők, egy mol H2 -re. A folytonos vonalak között 20
kJ mol−1 a szintkülönbség, a szaggatott vonalak között 100 kJ mol−1 . A folytonos és szaggatott közti ugrás
80 kJ mol−1 . A rezgési zéruspont-energiától eltekinthetünk itt.

IChO
HUN-4 C-1 Q-2

Q1-2

1. ábra A változók definíciója. A rajz nem méretarányos!

2. ábraHungarian (Hungary)

Q1-3

IChO
HUN-4 C-1 Q-3

A.1

A.2

Hungarian (Hungary)

A megadott (i)–(iii) mennyiségekhez válaszd ki a legjobb értéket az A–G opciók
közül!
(i) Az atomok közti távolság egy gáz halmazállapotú H2 molekulában(ii) A fématomok közti távolság (𝑑M az 1. ábrán)(iii) Az adszorbeált H atomok távolsága a felülettől (ℎad az 1. ábrán)A. 0,03 nm

B. 0,07 nm

C. 0,11 nm

E. 0,19 nm

F. 0,23 nm

G. 0,27 nm

6pt

D. 0,15 nm

A megadott két (i)–(ii) mennyiséghez válaszd ki a legjobb értéket az A–H opciók
közül!
(i) a gáz halmazállapotú H2 gáz halmazállapotú H-né történő disszociációjához
szükséges energia[H2 (g) → 2H(g)](ii) a gáz halmazállapotú H2 adszorpciója során felszabaduló energia [H2 (g) →2H(ad)]
A. 20 kJ mol−1

B. 40 kJ mol−1

C. 60 kJ mol−1

D. 100 kJ mol−1

E. 150 kJ mol−1

F. 200 kJ mol−1

G. 300 kJ mol−1

H. 400 kJ mol−1

4pt

IChO
HUN-4 C-1 Q-4

Q1-4
Hungarian (Hungary)B részAz adszorbeált hidrogénatomok később vagy megkötődnek a fém belsejében vagy pedig rekombinálódva deszorbeálódnak gázfázisba. A folyamatokat az (1a) és (1b) reakció mutatja. A H(ab) a fém belsejében
kötött hidrogénatomot jelenti.

Az egyes reakciók (adszorpció, deszorpció, megkötődés) felületi kötőhelyekre vonatkoztatott reakciósebességeit 𝑟1 [s−1 ], 𝑟2 [s−1 ] ,illetve 𝑟3 [s−1 ] jelöli. A reakciósebességi egyenletek:

Itt 𝑘1 [s−1 Pa−1 ], 𝑘2 [s−1 ] és 𝑘3 [s−1 ] a reakciósebességi állandók. 𝑃H2 a H2 nyomása. A 𝜃 (0 ≤ 𝜃 ≤ 1) a
felületen elérhető kötőhelyekből a H atomok által elfoglalt hányad. Feltételezhetjük, hogy az adszorpció
és a deszorpció gyors a megkötődéshez viszonyítva (𝑟1 , 𝑟2 ≫ 𝑟3 ), és hogy a 𝜃 állandó marad.
B.1

𝑟3 kifejezhető a következő módon:Add meg 𝐶-t 𝑘1 és 𝑘2 segítségével kifejezve!

5pt

IChO
HUN-4 C-1 Q-5

Q1-5
Hungarian (Hungary)

Egy 𝑆 = 1, 0 × 10−3 m2 felületű fém mintát egy 1, 0 × 10−3 m3 ) térfogatú, H2 -vel töltött (𝑃H2 = 1, 0 × 102 Pa)
tartályba helyeztek. A hidrogénatom-kötőhelyek sűrűsége a felületen 𝑁 = 1, 3 × 1018 m−2 . A felülethőmérsékletét 𝑇 = 400 K hőmérsékleten tartották. Az (1) reakció előrehaladásával a 𝑃H2 állandó 𝑣 =4.0 × 10−4 Pa s−1 sebességgel 𝑣 = 4.0 × 10−4 Pa s−1 csökkent. Tételezd fel hogy a H2 ideális gáz, és hogy a
fém minta térfogata elhanyagolható!

B.2

Számítsd ki, hogy hány mol H atom kötődik meg a fém belsejében egységnyi
felületen át, egységnyi idő alatt, 𝐴 [mol s−1 m−2 ]!

3pt

B.3

𝑇 = 400 K-en a 𝐶 értéke 1, 0 × 102 Pa−1 . Számítsd ki 𝑘3 értékét 400 K-en! Ha
nem tudtad a B.2-t megoldani, használd az 𝐴 = 3, 6 × 10−7 mol s−1 m−2 értéket!

3pt

B.4

Egy másik 𝑇 hőmérsékleten 𝐶 = 2, 5 × 103 Pa−1 és 𝑘3 = 4, 8 × 10−2 s−1 . Ezen ahőmérsékleten akarjuk 𝑟3 -at a 𝑃H2 függvényében ábrázolni. Válaszd ki, hogyaz (a)-(h) lehetőségek közül melyik a helyes diagram!

3pt

IChO
HUN-4 C-1 A-1

Hidrogén fémfelületen
A részA.1 (6 pt)
(i)

(ii)

(iii)

A.2 (4 pt)
(i)

(ii)

A1-1
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-1 A-2

B részB.1 (5 pt)

𝐶=
B.2 (3 pt)𝐴=

mol s−1 m−2

A1-2
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-1 A-3

B.3 (3 pt)

𝑘3 =B.4 (3 pt)

s−1

A1-3
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-2 C-1

HUN-4 C-2 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 2
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q2-1

IChO
HUN-4 C-2 Q-1

Hungarian (Hungary)

Izotópok időkapszulában
Az egész 11 %-a
Kérdés

A.1

A.2

A.3

A.4

Összesen

Pont

8

8

10

9

35

Eredmény

A csak izotópösszetételükben eltérő molekuláris entitásokat, mint például a CH4 és a CH3 D, izotopológoknak nevezik. Az izotopológoknak elvileg megegyeznek a kémiai tulajdonságaik, de a valóságban van
egy kis különbség.
Tételezd fel, hogy az összes anyag, amiről a feladatban szó lesz, a gázfázisban található!
Tekintsük a következő egyensúlyt:Az 𝑆 entrópia növekszik, ha a rendszer elérhető mikroállapotainak száma, 𝑊 növekszik:

𝑊 = 1 a 12 C16 O2 és a 12 C18 O2 esetében. Viszont a 12 C16 O18 O molekula esetében 𝑊 = 2 , mert ebben a molekulában az oxigénatomok megkülönböztethetőek. Mivel az (1) egyensúly jobb oldalán két 12 C16 O18 O
molekula van, ezért itt𝑊 = 22 = 4.

IChO
HUN-4 C-2 Q-2

A.1

Q2-2
Hungarian (Hungary)

A (3) folyamat entalpiaváltozása, Δ𝐻, minden hőmérsékleten pozitív.

8pt

Számítsd ki a (3) folyamat 𝐾 egyensúlyi állandóit nagyon alacsony (𝑇 → 0) és
nagyon magas (𝑇 → +∞) hőmérsékleteken! Tételezd fel, hogy a reakció ezekben az esetekben is ugyanaz marad, és hogy a Δ𝐻 magas hőmérsékleten egyállandó értékhez tart!
Az alábbi folyamat ΔH-ját a molekuláris rezgések segítségével lehet megmagyarázni.

Egy kétatomos molekula rezgési energiáját 𝑇 = 0 K-en a következő kifejezések adják meg, ha a molekula
rezgési frekvenciája 𝜈 [s−1 ]:Itt 𝑘 az erőállandó és 𝜇 a redukált tömeg. Ez utóbbi a molekulát alkotó két atom tömegéből, 𝑚1 és 𝑚2
kapható meg:

A.2

A H2 rezgése 4161,0 cm−1 hullámszámmal jellemezhető. Számítsd ki az alábbi
folyamat Δ𝐻-ját 𝑇 = 0 K hőmérsékleten J mol−1 egységben!

Tételezd fel, hogy
• csak a rezgési energia határozza meg a Δ𝐻-t!
• a 𝑘 értékek azonosak a H2 , HD, és D2 esetén!
• a H tömege 1 Da és a D tömege 2 Da!

8pt

IChO
HUN-4 C-2 Q-3

Q2-3
Hungarian (Hungary)A H2 , HD, és D2 móltörtje függ a hőmérséklettől egy egyensúlyban levő rendszerben. Legyen ΔD2 a D2
móltörtjének megváltozása.

[D2 ]
[D ]
arányt a vizsgált mintában. Az 𝑅D∗ 2 pedig az 2 arány értéke 𝑇 → +∞ esetén.
[H2 ]
[H2 ]
Az izotópok eloszlása véletlenszerű lesz, ha 𝑇 → +∞.

Itt az 𝑅D2 megadja aA.3

Számítsd ki ΔD2 értékét egy olyan hőmérsékleten, ahol az izotópcsere (4)es egyenlet szerinti egyensúlyára 𝐾 értéke 0,300, és a deutérium gyakorisága természetes! A D és H természetes izotópgyakorisága 1, 5576 × 10–4 és
1 − 1, 5576 × 10–4 .

10pt

Q2-4

IChO
HUN-4 C-2 Q-4

Hungarian (Hungary)Vizsgáljuk meg a 44-es és 47-es móltömegű CO2 molekulák (később a jelölésük CO2 [44] és CO2 [47] ) móltörtjét. Általában a kétszeresen szubsztituált izotopológok, a két nehéz izotópot tartalmazó molekulák
móltörtje nagyobb lesz, ha a hőmérséklet csökken. Az Δ47 mennyiséget a következőképpen definiálják:[CO2 [47]][CO2 [47]]∗arány értéke a mintában. Az 𝑅47
pedig aarány értéke 𝑇 → +∞ esetén. A[CO2 [44]][CO2 [44]]szén és oxigén izotópjainak gyakoriságát a táblázatok mutatják. A fel nem tüntetett izotópokkal nem kellfoglalkozni.

Az 𝑅47 a

12természetes gyakoriság

16

természetes gyakoriságC

13

0,988888

0,011112

C

O

17

O

18

0,997621

0,0003790

0,0020000

OÚgy találták, hogy a vizsgált mintákban Δ47 az alábbiak szerint függ a hőmérséklettől. Itt a 𝑇 az abszolúthőmérséklet K mértékegységben:

A.4

Egy antarktiszi iszapmintában a fosszilis planktonban az 𝑅47 értéke 4, 50865 ×
10–5 volt. Becsüld meg a mért 𝑅47 segítségével a hőmérsékletet! A kapott hőmérsékletet úgy értelmezik, hogy ez volt a levegő hőmérséklete akkor, amikora plankton élt. A számítás során egyedül csak a CO2 [47] leggyakoribb izotopológját vedd számításba!

9pt

IChO
HUN-4 C-2 A-1

Izotópok időkapszulában
A.1 (8 pt)

𝑇 →0∶𝐾=, 𝑇 → +∞ ∶ 𝐾 =A2-1
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-2 A-2

A.2 (8 pt)

Δ𝐻 =J mol−1

A2-2
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-2 A-3

A.3 (10 pt)

ΔD2 =

A2-3
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-2 A-4

A.4 (9 pt)

𝑇 =

K

A2-4
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-3 C-1

HUN-4 C-3 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 3
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q3-1

IChO
HUN-4 C-3 Q-1

Hungarian (Hungary)

Lambert–Beer törvény?
Az egész 8 %-a
Kérdés

A.1

B.1

B.2

Összesen

Pont

10

6

6

22

Eredmény

Ebben a feladatban ne foglalkozz a küvetta és az oldószer abszorpciójával. Minden oldat és gáz hőmérséklete állandó, 25 ° C.

A rész
HA és NaA felhasználásával egy X jelű vizes oldatot készítünk. Ebben az [A− ], [HA], és [H+ ] rendre
1, 00 × 10−2 mol /dm3 , 1, 00 × 10−3 mol/dm3 , és 1, 00 × 10−4 mol/dm3 , amelyek között a következő
egyensúlyi összefüggés áll fenn:
HA ⇌ A− + H+

𝐾=

[A− ][H+ ]
[HA]

(1)

Az A feladatrészben az optikai úthossz 𝑙 . A hígítás során elhanyagolható a sűrűségváltozás, és az (1)egyenleten kívül más reakció nem történik.
A.1

Az X jelű oldat abszorbanciája 𝜆1 hullámhosszon 𝐴1 volt. Ezt követően az
X jelű oldatot kétszeresére hígítottuk olyan sósavval, amelynek a pH-ja pH =2,500. A hígítás után 𝜆1 hullámhosszon még mindig 𝐴1 abszorbanciát mértünk.
Határozd meg a 𝜀HA /𝜀A− arányt! 𝜀HA és 𝜀A− a HA és A− moláris abszorpciós koefficiensei 𝜆1 hullámhosszon.

10pt

Q3-2

IChO
HUN-4 C-3 Q-2

Hungarian (Hungary)B részNézzük a következő gázfázisú egyensúlyt.
D ⇌ 2M(2)

Egy téglatest alakú átlátszó tartályt (l. a lenti ábrát) tiszta D gázzal töltünk meg 𝑃 nyomáson. A tartálynak
van egy mozgatható, 𝑆 keresztmetszetű átlátszó fala. Az egyensúly beállása során a nyomást 𝑃 -n tartjuk.
A gáz abszorbanciája az 𝐴 = 𝜀(𝑛/𝑉 )𝑙 egyenlettel írható le, ahol 𝜀, 𝑛, 𝑉 , és 𝑙 rendre az abszorpciós koefficiens, a gáz anyagmennyisége mólokban kifejezve, a gáz térfogata és az optikai úthossz. Vedd úgy, hogya gázkeverék minden komponense ideális gázként viselkedik.

Ha kell, az alább definiált jelöléseket használhatod.
Kezdeti állapot

Egyensúly beállása után

D

M

D

M

Parciális nyomás

𝑃

0

𝑝D

𝑝M

Mólszám

𝑛0

0

𝑛D

𝑛M

Térfogat

𝑉0

𝑉

B.1

A gáz abszorbanciája 𝜆B1 hullámhosszon 𝑥 irányból nézve (𝑙 = 𝑙𝑥 ) a kezdeti
állapotban és az egyensúly beállása után is egyaránt 𝐴B1 . Határozd meg az
𝜀D /𝜀M arányt a 𝜆B1 hullámhosszon! 𝜀D és 𝜀M a D és M komponensek abszorpciós
koefficiensei.

6pt

B.2

A gáz abszorbanciája 𝜆B2 hullámhosszon 𝑦 irányból nézve a kezdeti állapotban(𝑙 = 𝑙𝑦0 ) és az egyensúly beállása után (𝑙 = 𝑙𝑦 ) is egyaránt 𝐴B2 . Határozd meg
az 𝜀D /𝜀M arányt a 𝜆B2 hullámhosszon is!

6pt

IChO
HUN-4 C-3 A-1

Lambert–Beer törvény?
A részA.1 (10 pt)(folytatható a következő oldalon)

A3-1
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-3 A-2

A.1 (cont.)

𝜀HA /𝜀A− =A3-2
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-3 A-3

B részB.1 (6 pt)

𝜀D /𝜀M =A3-3
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-3 A-4

B.2 (6 pt)

𝜀D /𝜀M =A3-4
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-4 C-1

HUN-4 C-4 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 4
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q4-1

IChO
HUN-4 C-4 Q-1

Hungarian (Hungary)

A cink redox kémiája
Az egész 11 %-a
Kérdés

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Összesen

Pont

6

5

4

3

5

9

32

Eredmény

A cinket régóta használják ötvözetekben, pl. sárgarézben vagy acél ötvözőjeként. Az ipari szennyvízben
lévő cinket csapadékként leválasztják, a kapott csapadékot pedig redukálják, hogy a cinket visszanyerjék,
és fémcinkként újra felhasználhassák.

A részAz (1)-(4) egyenletekben a cink-hidroxid Zn(OH)2 (s) oldódási egyensúlya(i)t és a 25 ∘ C-on hozzájuk tartozó
egyensúlyi állandókat találod.

IChO
HUN-4 C-4 Q-2

Q4-2
Hungarian (Hungary)

A cink-hidroxid oldhatósága, 𝑆, (vagyis a cinkionok összkoncentrációja a telített vizes oldatban) az (5)egyenlettel fejezhető ki.

A.1

Számítsd ki azt a pH-tartományt, ahol az (1)-(4) egyensúlyok beállása után a[Zn(OH)2 (aq)] a legnagyobb a [Zn2+ (aq)], [Zn(OH)2 (aq)], és [Zn(OH)2−
4 (aq)] közül!

6pt

A.2

Zn(OH)2 (s)-ból pH = 7,00 -n telített oldatot készítettek és leszűrték. A szűrlethez
addig adtak NaOH-t, míg a pH 12,00 lett. Számítsd ki, hogy a cink hány mólszázaléka vált le csapadékként, miközben a pH-t 7-ről 12-re emelték! A térfogat- éshőmérsékletváltozás elhanyagolható.

5pt

B részEzután a visszanyert cink-hidroxidot hevítették, hogy cink-oxidot nyerjenek az alábbi reakció szerint:

Majd a cink-oxidot hidrogénnel fém-cinkké redukálták:

B.1

Ahhoz, hogy a (7) reakció lejátszódjon állandó 1 bar hidrogénnyomás mellett, akeletkező vízgőz parciális nyomását alacsonyan kell tartani. Számítsd ki a vízgőz maximális parciális nyomását, amelyen a (7) reakció még lejátszódik 300∘
C-on! A cink-oxid és a vízgőz képződési szabadentalpiája 300 ∘ C-on és a gázállapotú komponensek 1 bar-os nyomása mellett
Δ𝐺ZnO (300∘ C) = −2, 90 × 102 kJ mol−1 és
Δ𝐺H2 O (300∘ C) = −2, 20 × 102 kJ mol−1 .

4pt

A fémcinket negatív elektródként (anódként) használják a fém-levegő akkumulátorokban. Az elektród
Zn-ből és ZnO-ból áll. A villamos energia a következő redoxreakció során termelődik, melynek elektromotoros ereje (EME) 25 °C hőmérsékleten és 1 bar nyomáson 𝐸 ∘ :B.2

Egy cink-levegő akkumulátort 20 mA-rel 24 órán keresztül használtak.
Számítsd ki, mennyivel változott az akkumulátor negatív elektródjának (anódjának) a tömege!

3pt

IChO
HUN-4 C-4 Q-3

Q4-3
Hungarian (Hungary)

Mt. Fuji
B.3

És most lássuk a cink-levegő akkumulátor EME-jének változását a környezet hatására. Számítsd ki, mennyi az EME a Fuji hegy csúcsán februárban, 3776 m-enés - 38°C-on! A légköri nyomás ezzel a képlettel számolható:

5pt

ha ℎ [m] a magasság és 𝑇 [∘ C] a hőmérséklet. Az oxigén mólszázaléka a levegőben 21%. A (8) reakció szabadentalpia-változása −38 ∘ C-on és 1 bar nyomáson
Δ𝐺ZnO (−38∘ C) = −3, 26 × 102 kJ mol−1 .
B.4

Számítsd ki a (6) reakció szabadentalpia-változását 25 ∘ C-on!
A 25 ∘ C-ra és 1 bar nyomásra vonatkozó 𝐸 ∘ (Zn2+ /Zn) és 𝐸 ∘ (O2 /H2 O) standard
redoxpotenciálokat a (10) és (11) egyenletekben találod.

9pt

IChO
HUN-4 C-4 A-1

A cink redox kémiája
A részA.1 (6 pt)< pH <

A4-1
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-4 A-2

A.2 (5 pt)%

A4-2
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-4 A-3

B részB.1 (4 pt)

bar

𝑝H2 O=
B.2 (3 pt)

gA4-3
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-4 A-4

B.3 (5 pt)

VA4-4
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-4 A-5

B.4 (9 pt)

Δ𝐺∘ =J mol−1

A4-5
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-5 C-1

HUN-4 C-5 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 5
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q5-1

IChO
HUN-4 C-5 Q-1

Hungarian (Hungary)

Titokzatos szilícium
Az egész 12 %-a
Kérdés

A.1

A.2

A.3

A.4

B.1

B.2

B.3

Összes

Pont

9

7

6

10

5

15

8

60

Eredmény

Bár a szilícium szintén a IV. főcsoportba tartozó elem, mint a szén, tulajdonságaik jelentősen eltérnek.

A részA szén-szén hármas kötéssel ellentétben az R1 –Si ≡ Si–R1 (R: szerves szubsztituens) vegyületben aszilícium-szilícium hármas kötés rendkívül reaktív. Például etilénnel reagálva egy négytagú gyűrűt
tartalmazó terméket képez.

Amikor a R1 –Si ≡ Si–R1 egy alkinnel (R2 –C ≡ C–R2 ) reagál, a négytagú gyűrűt tartalmazó A vegyület képződik mint kezdeti intermedier. Egy másik R2 –C ≡ C–R2 molekula és az A reakciója során a B és C izomerekképződnek. Mindkettő benzolszerű ciklikus konjugált szerkezet, úgynevezett ”diszilabenzol”, amely egy
hattagú gyűrűt tartalmaz, és a (R1 –Si)2 (R2 –C)4 képlettel írható le.

IChO
HUN-4 C-5 Q-2

Q5-2
Hungarian (Hungary)

A hattagú gyűrű Si2 C4 vázának 13 C NMR -je B izomer esetén kettő, a C esetén egy jelet mutat.
A.1

Rajzold le A, B, és C szerkezeti képletét R1 , R2 , Si, és C használatával, az egyik
lehetséges rezonanciaszerkezetet feltüntetve!

9pt

A.2

Számítsd ki az előjel nélküli aromás stabilizációs energiát (ASE) benzolra és a C
izomerre (legyen R1 = R2 = H)! Használd az 1. ábrán felsorolt entalpiaváltozásokat, amelyek telítetlen rendszerek hidrogénezési reakcióira vonatkoznak!

7pt

1. ábra

Q5-3

IChO
HUN-4 C-5 Q-3

Hungarian (Hungary)

Amikor a C izomer xilolos oldatát melegítik, izomerizáció történik, amelynek a során a D és E vegyületek
egyensúlyi keveréke keletkezik. 50 ˚C-on a mólarányuk D : E = 1 : 40, míg 120 ˚C-on D : E = 1 : 20.
A.3

Számítsd ki a Δ𝐻-t a D-ből E-be való átalakulásra! Tegyük fel, hogy Δ𝐻 nem
függ a hőmérséklettől.

6pt

A C vegyület D-be és E-be való izomerizációja során csak 𝜋-kötések alakulnak át 𝜎-kötéssé, egyetlen 𝜎kötés sem szakad fel. A D Si2 C4 vázának 13 C NMR -je egy jelet mutat, míg az E vegyületé kettőt. A D
vegyület vázában egyáltalán nincs háromtagú gyűrű, míg az E vegyületében kettő is van, ráadásul egyélük közös.
Rajzold le D és E szerkezeti képletét R1 , R2 , Si, és C használatával!

A.4

10pt

B részA szilícium képes nagy koordinációs számú vegyületeket (> négy szubsztituens) alkotni elektronegatív
elemekkel, például fluorral. A fém-fluoridokat is gyakran alkalmazzák fluorozószerként, és a nagy koordinációs számú szilícium-fluoridok is működhetnek fluorozószerként.
A következőkben a CCl4 fluorozásáról lesz szó Na2 SiF6 reagens felhasználásával.
• Na2 SiF6 oldat ”faktorozása”:· Előkészítésg) vízben oldva (össztérfogat: 200 cm3 ).
F vizes oldat: 0,855 g Na2 SiF6 (188,1 molg
G vizes oldat: 6,86 g Ce2 (SO4 )3 (568,4 mol) vízben oldva (össztérfogat: 200 cm3 ).

· Eljárás
Ez egy csapadékos titrálás, amelyben az F-oldat 50,0 cm3 -éhez csepegtetik a G-oldatot. Az indikátor xilenolnarancs, ami a Ce3+ -mal komplexet képez. Az oldat színe 18,8 cm3 G-oldat adagolása után sárgából
lilába vált. A keletkezett csapadék egy Ce3+ -tartalmú biner vegyület, és az egyetlen szilíciumvegyület,ami keletkezik, az a Si(OH)4 .
B.1

5pt

Írd le a Na2 SiF6 és a Ce2 (SO4 )3 közötti reakció rendezett egyenletét!

• CCl4 reakciója Na2 SiF6 -tal:(A következő műveletek során az anyagveszteség, pl. a párolgás elhanyagolható.)
Na2 SiF6 -ot (𝑥 [g]) adtak CCl4 -hoz (500,0 g) és 300˚C-ra hevítették egy zárt nyomásálló reakcióedényben.
3
Az elreagálatlan Na2 SiF6 -ot és a képződött NaCl -t kiszűrték, és a kapott szűrletet 1,00 dm -re hígították
29
CCl4 -dal (ez lett a H-oldat). A H-oldat Si-NMR spektrumában kizárólag a SiF4 volt jelen szilícium-tartalmú
vegyületként. A 19 F-NMR spektrumában a SiF4 mellett CFCl3 , CF2 Cl2 , CF3 Cl, és CF4 jelei is megfigyelhetőek
voltak (1. táblázat). A 19 F-NMR spektrumban az integrálok arányai a fluoratomok számával arányosak.
1. táblázat
19

F-NMR adatok

CFCl3

CF2 Cl2

CF3 Cl

CF4Integrálok arányai

45,0

65,0

18,0

2,0

IChO
HUN-4 C-5 Q-4

Q5-4
Hungarian (Hungary)

A SiF4 az alábbi (8) egyenletnek megfelelően H2 SiF6 -tá hidrolizál :A H-oldatot (10 cm3 ) feleslegben lévő vízhez adva a SiF4 teljesen hidrolizált. Elválasztás után a vizes oldatban a hidrolízistermék H2 SiF6 -ot semlegesítették, és teljesen átalakították Na2 SiF6 formába (ez lett a
J vizes oldat).
Az elreagálatlan Na2 SiF6 -ból és a NaCl-ból álló csapadékot, amelyet a kezdeti lépésben kiszűrtek (aláhú3
zott rész), vízben teljesen feloldották (K-oldat, 10,0 dm ).
Újabb két csapadékos titrálást végeztek a G-oldattal, a következő végpontokkal:· J-oldat teljes mennyiségére: 61,6 cm3 .
· K-oldat 100 cm3 -jére: 44,4 cm3
Azt azért itt meg kell jegyezni, hogy az oldatban még jelenlévő NaCl vagy SiO2 nincs semmilyen hatással
a csapadékos titrálásra.
B.2

Számítsd ki a reakcióedényben keletkezett NaCl (l. aláhúzott rész) tömegét,valamint számítsd ki a kiindulási Na2 SiF6 tömegét (𝑥 [g])!

15pt

B.3

A kiindulási CCl4 77,8%-a nem reagált. Számítsd ki a keletkezett CF3 Cl tömegét!

8pt

IChO

A5-1

HUN-4 C-5 A-1

Hungarian (Hungary)

Titokzatos szilícium
A részA.1 (9 pt)
A (3 pt)

B (3 pt)

C (3 pt)

A.2 (7 pt)

C6 H6 ∶

kJ mol–1 , C ∶kJ mol–1

IChO
HUN-4 C-5 A-2

A.3 (6 pt)

kJ mol–1

Δ𝐻 =A.4 (10 pt)
D (5 pt)

E (5 pt)

A5-2
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-5 A-3

B részB.1 (5 pt)

B.2 (15 pt)(folytathatod a következő oldalon)

A5-3
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-5 A-4

B.2 (cont.)

NaCl ∶

g, Na2 SiF6 ∶g

A5-4
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-5 A-5

B.3 (8 pt)

CF3 Cl ∶g

A5-5
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-6 C-1

HUN-4 C-6 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 6
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q6-1

IChO
HUN-4 C-6 Q-1

Hungarian (Hungary)Átmenetifémek szilárd anyagokban
Az egész 13 %-a
Kérdés

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

B.3

B.4

C.1

C.2

C.3

Összesen

Pont

6

3

3

6

4

4

4

5

5

5

45

Eredmény

Vulkán Sakurajima szigetén

A részJapánban van egy csomó vulkán. Amikor a magmából kikristályosodnak a szilikátásványok, a magmábanlevő átmenetifémionok (Mn+ ) egy része beépül a szilikátásványokba. A feladatban vizsgált Mn+ ionokat
oxidionok (O2− ) koordinálják. A magmában négyszeresen koordinált és tetraéderes (𝑇d ) a geometriájuk,míg a szilikátásványokban hatszorosan koordinált és oktaéderes (𝑂h ) a szerkezetük. A tárgyalt fémionok
mindkét esetben nagyspinszámú elektronkonfigurációban vannak. Az Mn+ ionok szilikátásványok és amagma közötti 𝐷 megoszlási hányadosa az alábbi módon írható fel:itt [M]s és [M]l az Mn+ ionok koncentrációja a szilikátásványokban illetve a magmában. A táblázatban
feltüntettük a 𝐷 értékeit Cr2+ és Mn2+ ionokra.

IChO
HUN-4 C-6 Q-2

Q6-2
Hungarian (Hungary)

Legyen a ΔO és a CFSEO az Mn+ ionok d pályáinak energiafelhasadása, illetve kristálytérstabilizációsenergiája az 𝑂h kristálytérben. A ΔT és a CFSET ugyanezek a mennyiségek, de a 𝑇d kristálytérben.
A.1

Számítsd ki a|CFSEO −CFSET | = ΔCFSE mennyiséget a ΔO segítségével kifejezvea Cr2+ , a Mn2+ , és a Co2+ ionokra! Vedd úgy, hogy ΔT = 4/9ΔO !

6pt

A.2

Ha az ln𝐷-t a ΔCFSE / ΔO függvényében ábrázoljuk az alábbi diagramon, akkor
lineáris összefüggés figyelhető meg.
Becsüld meg 𝐷 értékét a Co2+ ionokra!

3pt

Az MO fémoxidok (M: Ca, Ti, V, Mn, vagy Co) NaCl-típusú rácsban kristályodnak. A kristályban az Mn+
ionok geometriája 𝑂h és nagyspinszámú lesz az elektronkonfigurációjuk. Ezeknek az oxidoknak a rácsenergiáját elsősorban az elektrosztatikus kölcsönhatások határozzák meg, amelyek az ionok sugarától
és töltésétől függenek. A rácsenergiához hozzájárul az Mn+ ionok 𝑂h térben mutatott kristálytérstabilizációs energiája (CFSE) is.
A.3

Válaszd ki az (a)-(f) opciók közül, hogy melyik a valódi rácsenergiák sorozata[kJ mol−1 ]-ban!

3pt

IChO
HUN-4 C-6 Q-3

Q6-3
Hungarian (Hungary)B részAz A vegyes oxid, amelyben La3+ és Cu2+ ionok találhatóak, az 1. ábrán látható tetragonális elemi cellában kristályosodik. A [CuO6 ] oktaéderekben a Cu–O távolság nagyobb a z-tengely irányában (𝑙𝑧 ), mint
az x-tengely irányában (𝑙𝑥 ), így a [CuO6 ] eltorzul a szabályos 𝑂h geometriához viszonyítva. A torzulás
következtében az eg pályák (d𝑥2 −𝑦2 és d𝑧2 ) degenerációja megszűnik.

1. ábraA úgy állítható elő, hogy a B komplex vegyületet pirolizáljuk (hőbontjuk). A komplexet úgy állítják elő,hogy fém-kloridokat adnak a kétértékű C4 H2 O4 sav ammóniát is tartalmazó híg vizes oldatához. A száraz
levegőn végzett pirolízis során B 200 °C hőmérsékletig 29,1% tömegvesztést mutat, amit a kristályvíz
távozása okoz. A 700 °C-ig történő hevítés során további tömegvesztés történik, amit CO2 kilépése kísér.
Ha A keletkezik B-ből, akkor a teljes tömegvesztés 63,6%. A pirolízis során csak víz és CO2 távozik.
B.1

Írd fel az A és B képletét!

6pt

B.2

Számítsd ki 𝑙𝑥 és 𝑙𝑧 értékét az 1. ábra segítségével!

4pt

B.3

Vizsgáljuk az A torzult [CuO6 ] oktaéderében levő Cu2+ ionokat (1. ábra). Írda válaszlapon a felhasadt eg pályák [(i) és (ii)] mellé a jelüket (d𝑥2 −𝑦2 és d𝑧2 )!
Rajzold be a pályák elektronkonfigurációját a válaszlapon található dobozba!

4pt

Q6-4

IChO
HUN-4 C-6 Q-4

Hungarian (Hungary)

A egy szigetelő anyag. Amikor egy La3+ iont kicserélnek egy Sr2+ ionra, akkor egy elektromosságot
vezetni képes lyuk is keletkezik a kristályrácsban. Ennek következményeként a Sr2+ ionokkal szennyezett
A 38 K alatt szupravezető lesz. Amikor lejátszattak egy szubsztitúciós reakciót A-val, 2, 05 × 1027 lyuk/m3
keletkezett.
B.4

Számítsd ki, hogy a Sr2+ ionok a La3+ ionok hány százalékát helyettesítették
ebben a reakcióban! A kristályrácsot felépítő ionok koordinációja és a kristályszerkezete nem változik meg a szubsztitúciós reakció során.

4pt

C rész−2+

A Cu2 (CH3 CO2 )4 négy CH3 CO2 iont tartalmaz, amelyek két Cu ionhoz koordinálódnak (2A. ábra). A−
Cu2 (CH3 CO2 )4 egység szerkezete nagyon szimmetrikus. A négy CH3 CO2 ion szénatomjain átmegy két
2+
forgástengely, és a két Cu ion is meghatároz egy további forgástengelyt. A három tengely egymásra−merőleges. Ha a CH3 CO2 ion helyett dikarboxilát ligandumokat használnak, akkor egy ún. kalitkakomp2+
L1
lex alakul ki. A Cu4 (L1L1)4 kalitkakomplexet az L1 síkalkatú dikarboxilátion (2B. ábra) és Cu ionok alkotják(2C. ábra). A két karboxilátcsoport koordinációs irányát a 2B. ábrán nyilak mutatják. Az ezek az irányok
által közbezárt szög, θ meghatározza a kalitkakomplex szerkezetét. Az L1 esetében a θ értéke 0°. A 2.
ábrán a hidrogénatomokat nem tüntették fel.

2. ábra

Q6-5

IChO
HUN-4 C-6 Q-5

C.1

Hungarian (Hungary)

Az L2 síkalkatú dikarboxilátion esetében a θ szög fixen 90˚. Legyen az L2 lig2+
L2
andumból és a Cu ionokból keletkező kalitkakomplex összetétele Cu𝑛 (L2L2)𝑚 .
Add meg a legkisebb lehetséges n és m egész számpárt! Feltételezheted, hogy−

csak az L2 CO2 csoportjai koordinálódnak a Cu

2+

ionokhoz.

5pt

Q6-6

IChO
HUN-4 C-6 Q-62+

Hungarian (Hungary)−

A Zn4 O(CH3 CO2 )6 , cinkkomplexet négy tetraéderes Zn ion, hat CH3 CO2 ion és egy O2− ion építi fel−(3A. ábra). A Zn4 O(CH3 CO2 )6 szerkezetét tekintve az O2− ion az origóban található, és az egyes CH3 CO2
ionok szénatomjain átmenő forgástengelyek merőlegesek egymásra.
−2+

Ha a CH3 CO2 ionok helyett p-benzoldikarboxilát ionokat (3B. ábra, L3, θ = 180°) használnak, akkor a Zn
klaszterek összekapcsolódnak és az X kristályos anyag (3C. ábra) keletkezik, amit pórusos koordinációs
polimernek neveznek.
L3
Az X anyag összetétele [Zn4 O(L3L3)3 ]𝑛 . Az anyag köbös rendszerben kristályosodik, és benne nanoméretű
2+
pórusok találhatóak. Egy ilyen pórust mutat a 3D. ábrán látható gömb. A tetraéderes Zn klaszterek a
3C. és 3D. ábrán látható sötétszürke poliéderek. A 3. ábrán sem tüntették fel a hidrogénatomokat.

3. ábraC.2

Az X elemi cellájának élhossza 𝑎 (3C. ábra).
Számítsd ki 𝑎 értékét [cm]-ben!

Az X sűrűsége 0,592 g cm−3 .

5pt

C.3

Az X bőségesen tartalmaz pórusokat. 1 g X anyag 3, 0 × 102 cm3 CO2 gázt tud
megkötni a pórusaiban 1 bar-on és 25 °C-on. Számítsd ki, hogy átlagosan hány
CO2 molekula van egy pórusban!

5pt

IChO
HUN-4 C-6 A-1

A6-1
Hungarian (Hungary)Átmenetifémek szilárd anyagokban
A részA.1 (6 pt)

Cr2+ ∶ΔO , Mn2+ ∶ΔO , Co2+ ∶

ΔO

IChO
HUN-4 C-6 A-2

A.2 (3 pt)

𝐷∶

A.3 (3 pt)

A6-2
Hungarian (Hungary)

IChO

A6-3

HUN-4 C-6 A-3

Hungarian (Hungary)B részB.1 (6 pt)

A∶

,B∶

B.2 (4 pt)

𝑙𝑥 =nm, 𝑙𝑧 =nm

IChO
HUN-4 C-6 A-4

B.3 (4 pt), (ii) ∶(i) ∶B.4 (4 pt)%

A6-4
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-6 A-5

C részC.1 (5 pt)𝑛=,𝑚=

C.2 (5 pt)

𝑎=

cm

A6-5
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-6 A-6

C.3 (5 pt)

A6-6
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-7 C-1

HUN-4 C-7 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 7
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q7-1

IChO
HUN-4 C-7 Q-1

Hungarian (Hungary)

Játék a nem benzolszerű aromássággal
Az egész 13 %-a
Kérdés

A.1

A.2

A.3

B.1

ÖsszesenPontok

5

2

19

10

36

Eredmény

Prof. Nozoe (1902–1996) foglalkozott először a nem benzolszerűen aromás vegyületekkel, amelyek napjainkban gyakran felbukkannak a szerves kémiában.

Photo courtesy: Tohoku Univ.

A részA lineariifolianone egy különleges szerkezetű természetes vegyület, amit az Inula linariifolia-ból lehet
kinyerni. A valencene-t (1) egy lépésben lehet átalakítani a 2 vegyületté, majd további három lépésben
a 3-on keresztül juthatunk el a 4 ketonhoz. Az eremophilene-t (5) ugyanilyen négy lépéses szintézisbenalakítjuk át a 6 vegyületté.

IChO
HUN-4 C-7 Q-2

Q7-2
Hungarian (Hungary)

Inula linariifolia

A.1

Rajzold fel a 2 és 6 vegyületek szerkezetét és ahol szükséges, egyértelműen
jelöld a sztereokémiát is!

5pt

IChO
HUN-4 C-7 Q-3

Q7-3
Hungarian (Hungary)

Ezután a 4 ketont átalakítjuk a 15 észterré. A 8 vegyületben (moláris tömege: 188) a 7 minden sztereocentruma megmarad. A 9 és 10 vegyületekben öt sztereocentrum található és nem tartalmaznak
szén-szén kettős kötést. Tegyük fel, hogy a 13 és 14 18 O-jelölt-lineariifolianone-ok 11 és 12 -ből történő
szintéziséhez H2 18 O használunk H2 16 O helyett. A 13 és 14 vegyületek egymás 18 O-jelölt izotopomerjei. Az
izotópjelölést figyelmen kívül hagyva, mind a 13, mind a 14 tökéletesen egyező sztereokémiával ugyanazt
a 15 vegyületet adja.

IChO
HUN-4 C-7 Q-4

Q7-4
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-7 Q-5

Q7-5
Hungarian (Hungary)A.2

Válaszd ki az A-nak megfelelő szerkezetet!

2pt

A.3

Rajzold fel a 8–14 vegyületek szerkezetét és, ahol szükséges, egyértelműen jelöld a sztereokémiát is! Továbbá jelöld a 13 és 14 vegyületek esetében a beépülő 18 O atomokat úgy, ahogy az alábbi példa mutatja!

19pt

IChO
HUN-4 C-7 Q-6

Q7-6
Hungarian (Hungary)B részA 19 vegyületet az alább vázolt módon lehet előállítani. A nem benzolszerű aromássága miatt a 19 felhasználható alkoholok aktiválására. Például a 20 alkoholból 22 képződik a 21 ionpár intermedieren keresztül. Bár a 21 képződése kimutatható NMR segítségével, a 21 gyorsan elbomlik, és 18 és 22 képződik
belőle.

B.1

Rajzold fel a 17–19 és a 21 vegyületek szerkezetét! A sztereokémiát nem kelljelölnöd.

10pt

IChO
HUN-4 C-7 A-1

Játék a nem benzolszerű aromássággal
A részA.1 (5 pt)
2 (2 pt)

A.2 (2 pt)

6 (3 pt)

A7-1
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-7 A-2

A.3 (19 pt)

A7-2
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-7 A-3

B részB.1 (10 pt)
17 (2 pt)

18 (2 pt)

19 (3 pt)

21 (3 pt)

A7-3
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-8 C-1

HUN-4 C-8 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 8
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q8-1

IChO
HUN-4 C-8 Q-1

Hungarian (Hungary)

Dinamikus szerves molekulák és kiralitásuk
Az egész 11 %-a
Kérdés

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

ÖsszesenPontok

9

3

7

3

4

26

Eredmény

A részAz orto helyzetben összekapcsolódó policiklusos aromás szénhidrogéneket szokás [n]karbohelicéneknek
nevezni (ahol az n a hatos gyűrűk számát jelöli, ahogy ez alább is látható). A [4]karbohelicén ([4]C) hatékonyan előállítható az alábbiakban látható, fotoreakciót is tartalmazó úton. A fotoreakcióban képződő
intermedier (Int.) könnyen tovább oxidálható jóddal.

A fotoreakció a következő példákhoz hasonlóan játszódik le.

IChO
HUN-4 C-8 Q-2

Q8-2
Hungarian (Hungary)Megjegyzés: Az egész 8. feladatban alternáló egyes-kettős kötéseket használj a válaszaidban,
mint ahogy a karbohelicén esetében is láthatod. A konjugált 𝜋 -rendszerek jelölésére ne használj
karikákat!
A.1

Rajzold le az A–C vegyületek szerkezetét! A sztereoizomereket eltérő vegyületeknek tekintjük.

9pt

A.2

Az [5]karbohelicént megpróbálták előállítani ugyanazzal a foszfóniumsóval és amegfelelő kiindulási anyagból, de [5]karbohelicén csak nyomokban keletkezett.
Ellenben az [5]karbohelicénnél 2 Da-al kisebb tömegű D terméket kapták. A D
vegyület 1 H-NMR eltolódásai alább láthatók. Rajzold le a D vegyület szerkezetét!
[D (𝛿, ppm CS2 -ben, szobahőmérsékleten), 8,85 (2H), 8,23 (2H), 8,07 (2H), 8,01
(2H), 7,97 (2H), 7,91 (2H)]

3pt

Az [5]- és nagyobb [n]karbohelicének helikálisan királisak, az enantiomerek egymásba alakulása szobahőmérsékleten meglehetősen lassú. Az [n]karbohelicének kiralitásának jelölését (M) , illetve (P) segítségével alább láthatod.

Az [n]karbohelicének (ahol n nagyobb, mint 4) enantiomerjei szétválaszthatók a Prof. Yoshio Okamatoáltal kifejlesztett királis oszlopkromatográfiával.

Photo courtesy: The Japan Prize Foundation

IChO
HUN-4 C-8 Q-3

Q8-3
Hungarian (Hungary)

A többszörös helicének olyan molekulák, amelyek kettő vagy több helicénszerű részletet tartalmaznak.
Ha a helicén részletek királisak, akkor számos sztereoizomerje lehet egy többszörös helicénnek. Például
az E vegyület három [5]karbohelicénszerű részletet tartalmaz egy molekulában. Az egyik sztereoizomert
láthatod alább, amely (P, P, P)-ként írható le.

A.3

Az 1,2-dibrómbenzol nikkel-katalizálta trimerizációjával állítható elő a trifenilén.
Amikor ugyanilyen reakcióban az F vegyület egyik enantiomerjét, a (P)-F-et alakítjuk át, a G (C66 H36 ) többszörös helicént kapjuk. A reakció során nem tapasztalható a sztereoizomerek egymásba alakulása. Azonosítsd G összes olyan lehetséges sztereoizomerjét, ami a folyamat során keletkezhet! Mindegyiket csak
egyszer vedd figyelembe!
Egy izomert rajzolj ki teljesen és jelöld számozással együtt a kiralitását is, olymódon, ahogy azt a fentebbi példán láttad! A többi sztereoizomert elég felsorolnod az előbbi számozásodat és az M és P jelöléseket használva. Például az E
további szteroizomerjei felsorolva a következők: (1, 2, 3) = (P, M, P), (P, M, M), (P,P, M), (M, M, M), (M, M, P), (M, P, P) és (M, P, M).

7pt

IChO
HUN-4 C-8 Q-4

Q8-4
Hungarian (Hungary)B részA sumanene egy tál-alakú szénhidrogén, amit először 2003-ban Japánban állítottak elő. A ”sumanene”
név a szanszkrit-hindi ”suman” szóból származik, amelynek jelentése napraforgó.
A sumanene előállításához vezető szintézissorban gyűrű-nyitó és -záró metatézist használnak.

A ruténium (Ru*) komplex által katalizált metatézis reakciókra látsz alább példákat.

B.1

Rajzold le az I intermedier szerkezetét (a sztereokémiát nem kell jelölnöd)!

3pt

IChO
HUN-4 C-8 Q-5

B.2

Q8-5
Hungarian (Hungary)Az optikailag aktív J vegyületből kiindulva ugyanez a reakciósor a K optikailag
aktív sumanene származékot adja. A J vegyületben található sztereocentrumok
a metatézis reakció során nem szenvednek inverziót. Rajzold le a K vegyület
szerkezetét a megfelelő sztereokémia jelölésével!

4pt

IChO

A8-1

HUN-4 C-8 A-1

Hungarian (Hungary)

Dinamikus szerves molekulák és kiralitásuk
A részA.1 (9 pt)
A (3 pt)

A.2 (3 pt)

B (3 pt)

C (3 pt)

IChO
HUN-4 C-8 A-2

A.3 (7 pt)

A8-2
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-8 A-3

B részB.1 (3 pt)

B.2 (4 pt)

A8-3
Hungarian (Hungary)HUN-4 C-9 C-1

HUN-4 C-9 C
Benedek Sajósi

IChO
Problem 9
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q9-1

IChO
HUN-4 C-9 Q-1

Hungarian (Hungary)

Egy kapszula vonzalmai és ellenszenvei
Az egész 10 %-a
Kérdés

A.1

A.2

A.3

A.4

A.5

ÖsszesenPontok

13

2

2

3

3

23

Eredmény

A jó kisgyerekek nem tesznek ilyet, de ha szétvágsz egy teniszlabdát, akkor kettő U-alakú darabot kaphatsz.

Ebből ötletet merítve állították elő az 1 és a 2 vegyületeket, amelyeknek U-alakú, de eltérő méretű amolekulája. A 3 vegyületet azért állították elő, hogy összehasonlítsák az 1 vegyület kapszulaképzési tulajdonságaival.

IChO
HUN-4 C-9 Q-2

Q9-2
Hungarian (Hungary)A 2 vegyülethez vezető szintézissor alább látható. A 9 vegyület tömegszázalékos elemi összetétele akövetkező: C: 40,49%, H: 1,70%, és O: 17,98%

IChO
HUN-4 C-9 Q-3

A.1

Q9-3
Hungarian (Hungary)Rajzold le a 4–9 vegyületek szerkezetét; a sztereokémiát nem kell jelölnöd! A
p-metoxibenzil csoportot ne rajzold ki! Jelölésére használd a ”PMB” rövidítést,
ahogy fentebb az ábrán is látod!

13pt

IChO
HUN-4 C-9 Q-4

Q9-4
Hungarian (Hungary)Az 1 vegyület tömegspektrumában található ioncsúcs egyértelműen a dimerjéhez (112 ) tartozik, míg a 3
spektrumában nyoma sincs a 3 2 ion csúcsának. Az 1 2 oldatának 1 H-NMR spektrumában minden 1-hez
tartozó NH proton kémiailag ekvivalens, és a kémiai eltolódásuk jelentősen különbözik a 3 vegyület NH
protonjaiétól. Ezek az adatok azt mutatják, hogy a dimer kapszula képződése során hidrogénhíd-kötés
alakult ki az egyik 1 molekula NH részletei és egy másik 1 molekula X atomjai között.
A.2

Karikázd be a megfelelő X atomot/atomokat az 1 vegyületben!

2pt

A.3

Add meg a hidrogénhíd-kötések számát a dimer kapszulában (112 )!

2pt

IChO
HUN-4 C-9 Q-5

Q9-5
Hungarian (Hungary)Az 1 vegyület dimer kapszulájának (112 ) van egy belső tere, ahol egy kis molekulát, Z-t, meg tud kötni. Ezt
a jelenséget az alábbi egyenlettel lehet kifejezni:

A Z 12 kapszulába zárásának egyensúlyi állandója a következő:Egy molekula kapszulába záródása NMR spektroszkópiával követhető. Például C6 D6 -os oldatban vizsgálva az 1 2 eltérő jeleket ad a 1 H-NMR spektrumban CH4 hozzáadása előtt és után.
A 2 vegyület szintén egy merev és nagyobb kapszuladimert tud képezni (222 ). A 22 vegyület 1 H-NMR spektrumát felvették C6 D6 , C6 D5 F és C6 D6 /C6 D5 F keverék oldószerben is, miközben minden más körülményugyanaz volt. Ezen oldószerekben mérve a 2 vegyület Ha protonjának kémiai eltolódásai alább láthatóak. A 2 vegyület Ha protonjai kizárólag csak a listában lévő jeleket adták. Feltételezhetjük, hogy a kapszula belseje mindig a lehetséges legtöbb oldószer molekulát tartalmazza, és minden eltolódás érték
megfeleltethető a teli kapszula egy bizonyos típusának.

A.4

oldószer𝛿 (ppm) - Ha

C6 D6

4,60

C6 D5 F

4,71

C6 D6 / C6 D5 F

4,60; 4,71; 4,82

Add meg, hogy hány darab C6 D6 , illetve C6 D5 F molekula van a 2 2 kapszulába
zárva a megadott Ha jelekhez tartozó specieszekben?

3pt

IChO
HUN-4 C-9 Q-6

Q9-6
Hungarian (Hungary)

A C6 D6 -ban végzett 1 H-NMR mérések azt mutatták, hogy a 2 2 egy molekula adamantán-1-karbonsavat(AdA) tud befogadni. Az alábbi stabilitási állandót (𝐾a ) több hőmérsékleten is meghatározták. A[solvent@222 ] egy olyan specieszt jelöl, ami egy vagy több oldószer molekulát tartalmaz.

Az előbbihez hasonlóan a CH4 -re és az 1 2 -re vonatkozó 𝐾a -kat (lásd (2) egyenlet) is meghatározták különböző hőmérsékleteken C6 D6 -ban végzett 1 H-NMR mérésekkel. A két komplexképződési állandó hőmérsékletfüggésének grafikonját (ln 𝐾a az 1/T függvényében) alább láthatod.

Az 1 2 nem zár a kapszulájába C6 D6 molekulát.

A.5

A II egyenes esetében a Δ𝑆 entrópia változás ...(1)... és a Δ𝐻 entalpia változás...(2)..., ami azt mutatja, hogy a kapszulába zárás hajtóereje a II egyenes esetében az ...(3)... . Tehát, az I egyenes a ...(4)... egyensúlyához, míg a II egyenes a...(5)... egyensúlyához tartozik.
Válaszd ki a fenti bekezdés ...(1)...–...(5)...-tel jelölt pozícióiba illő helyes választ(A vagy B)!
A

B...(1)...

pozitív

negatív

...(2)...

pozitív

negatív

...(3)...

Δ𝑆

Δ𝐻...(4)...

1 2 és CH4

2 2 és AdA...(5)...

1 2 és CH4

2 2 és AdA

3pt

IChO
HUN-4 C-9 A-1

Egy kapszula vonzalmai és ellenszenvei
A.1 (13 pt)
4 (2 pt)

5 (3 pt)

6 (2 pt)

7 (2 pt)

8 (2 pt)

9 (2 pt)

A9-1
Hungarian (Hungary)IChO
HUN-4 C-9 A-2

A9-2
Hungarian (Hungary)

A.2 (2 pt)

A.3 (2 pt)
A.4 (3 pt)
𝛿 (ppm) - HaC6 D6 molekulák száma

C6 D5 F molekulák száma

4,60 ppm

4,71 ppm

4,82 ppm

A.5 (3 pt)
(1) ∶

(2) ∶

(4) ∶

(5) ∶

(3) ∶