第三十四届国际化学奥林匹克竞赛.docx
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第三十四届国际化学奥林匹克竞赛
第三十四届国际化学奥林匹克竞赛
第一题I--生命化学
生命与化学密切相关.了解和监控生命过程受到了化学家的极大重视.
I-1 生命中的氧气
分数:
6分
1
2
3
4
5
评判分
25
25
15
25
10
氧气对我们每个人的生命是至关重要的。
O2通过肺进入我们的身体,然后由血液传输到我们身体的各个组织。
在体内，通过糖的氧化提供能量,其反应式如下:
在这个反应中,每消耗1摩尔O2将产生400kJ能量。
在血液传输过程中,血红蛋白（Hb）中的每4个亚铁血红素基团（Hm）与一个O2结合。
游离亚铁血红素是由一个亚铁离子Fe2+与二价卟啉负离子（porphyrin2）中的四个氮原子配位组成的。
O2能与亚铁离子Fe2+的配位点键合配位形成一个配合物HmO2（反应式2）。
一氧化碳也能与亚铁离子形成配合物HmCO（反应式1）。
CO有毒的原因在于它与亚铁血红素的结合能力远远强于O2。
反应
（1）的平衡常数K1比反应（２）的平衡常数K2大10000倍。
每个Hb分子能承载４个O2。
能与O2结合的血液只吸收了该量的一部分,并取决于O2的压力,如图1的曲线1所示。
图1中同时给出的曲线
（2）和（3）分别表示二种缺血红蛋白的血液与O2结合的曲线。
这种现象通常在一些有某些遗传疾病的病人中观察到。
血红蛋白素结合O2的量与O2的压力关系图如下：
0
10
20
0
1
oxygenpressure,kP
（
2）
（
1）
（
3）
O2的压力,kPa
图1
相关数据:
肺中的O2压力是15kPa;在肌肉中的O2压力是2kPa。
通过心脏和肺的血液最大流速为4104m3s1。
血液中的血红细胞占血液体积的40%；细胞中血红蛋白（Hb）的浓度是340kgm3，血红蛋白（Hb）的摩尔质量为64kgmol1。
R=8.314Jmol1k1。
T=298K。
I-1-1利用平衡常数K和标准吉布斯能量∆G0的关系式,计算反应
（1）和反应
（2）之间的吉布斯能量差。
答案:
计算过程:
I-1-2当一摩尔的血红蛋白从肺到肌肉再回到肺中时,从图1所示的曲线在框中计算在这三种类型中释放在肌肉组织中的O2的摩尔数（精确到２位有效数字）。
类型1:
类型2:
类型3:
I-1-3 特殊的S形曲线1体现了血红蛋白的精细结构特征。
曲线2中所反映的血红蛋白不是最优原因是:
❑❑ 与O2的结合能力太差。
❑❑ 与O2的结合能力太强。
❑❑ 最大的O2容量值太低。
❑❑ 是由一氧化碳中毒引起的。
I-1-4 计算由具有正常血红蛋白的血液1输送到组织中O2的量（单位为mols1）.
答案:
计算过程:
I-1-5计算人体产生的最大功率（假定其受O2的传输限制）。
答案:
计算过程:
I-2氮在自然界中的循环（7分）
1
2
3
4
5
评判分
15
15
20
25
25
如果氨的含量超过1ppm,它就对海洋动物有毒。
硝化细菌在将氨先转化为亚硝酸盐,再进一步转化为硝酸盐（土壤中氮的储藏形式）中起着十分重要的作用。
亚硝化单胞菌
细菌
NADH是烟碱二核苷酸辅酶（NAD）的生化还原剂，NAD+是烟碱二核苷酸辅酶（NAD）的生化氧化剂，
硝化细菌
细菌
I-2-1写出下列各种氮的存在形式中氮的氧化态：
（填在化合物下面的框内）
亚硝酸盐的分光光度分析是基于它与指示剂反应后的有色产物在波长=543nm时有最大的吸收。
为了使定量分析结果准确，必须作一条校正后的在最大吸收波长=543nm时的吸光度与亚硝酸盐浓度关系的标准工作曲线，
I-2-2在最大吸收波长=543nm下测量吸光度是因为：
❑❑ 没有杂质的干扰。
❑❑ 没有偏离散射光的影响。
❑❑ 在这时测量的值是最准确的。
❑❑ 以上都不是。
选择正确的答案。
吸光度是用分光光度计测量的。
然而有5%的光，也叫散射光Is，未经样品而直接被检测器接收了,如图2所示.
图2
I-2-3 在消光系数=6000M1cm1，l=1cm和浓度c=1104M下,计算由分光光度计所显示的吸光度A的值.
答案:
计算过程:
下表是测定水中亚硝酸盐含量的有关数据。
亚硝酸盐中氮的含量（ppm）
在543nm下的吸光度（l=1.000cm样品池）
空白
0.003（由于溶剂中的不纯物造成的）
0.915
0.167
1.830
0.328
I-2-4通过溶剂中的不纯物校正后，利用以上的数据计算校正曲线A=mc+b中的斜率m和截距b。
答案:
m的计算式:
b的计算式:
水样的双重分析结果在下表中给出。
测量是在最大吸收波长=543nm和一个2.000cm样品池中进行的。
水样
吸光度
分析结果1
0.562
分析结果2
0.554
为了计算亚硝酸盐中氮（N）的浓度（c）（单位：
ppm），可利用下面的公式（在l=1.000cm样品池中测量的）:
校正的吸光度=0.1769c+0.0015
I-2-5计算以亚硝酸盐形式存在的氮（N）的平均浓度，以ppm和gmL1为单位。
提示:
要考虑I-2-4的空白值。
答案:
计算过程:
第二题II--工业生产中的化学
在我们的日常生活中，常常使用工业产品。
而核心问题是要驾驭化学的本质。
II-1旋复花粉或称菊粉（Inulin）：
一种可再生的原材料分数：
6分
1
2
3
4
5
评判分
15
15
30
10
30
在比利时和荷兰，用菊苣（chicory）的根生产旋复花粉或称菊粉，由于它对肠道菌具有良好的作用而被用作食品添加剂。
其也被用作果糖的原料。
果糖比蔗糖甜1.9倍；其也被用于生产甘露醇，而甘露醇可用来制作口香糖。
旋复花粉是果糖线性聚合物，在其中一个末端有葡萄糖单元。
其哈伍斯投影式（Haworthprojectionformula）示于左边。
在本题中，菊粉有10个果糖单元（n=9）。
II-1-1菊粉可在质子酸（H+）酸性催化下有效水解，下列四种情况中何者的C-O键最容易断裂（A,B,C和D）。
标出最有效水解反应中正确的C-O键断裂机理。
利用现代NMR技术，可“检测”到氘（2H）和氧的同位素（O17），因此，用同位素标记水的方式研究水解反应，可得到有关水解反应机理的信息。
II-1-2标出上述情况下要使用的哪一种同位素标记水是最好的。
❑❑ 2H2O
❑❑ H217O
❑❑ 2H217O
❑❑ 以上都不是
葡萄糖催化氢化得到山梨醇（S），而果糖（F）催化氢化后得到甘露醇（M）和山梨醇（S）。
II-1-3画出果糖（F），山梨醇（S）和甘露醇（M）的费歇尔投影式。
在加入催化剂下，在95oC时1摩尔菊粉在2公斤水中一步水解和氢化反应。
果糖的氢化反应生成甘露醇（M）和山梨醇（S）的比例是73（即对M的选择性是7，对S选择性是3）。
II-1-4写出此反应中生成的甘露醇（M）和山梨醇（S）的摩尔数
在反应完成后，除去催化剂，反应物冷却到25oC。
在25oC时，甘露醇（M）在水中的溶解度为0.40molkg1，而山梨醇（S）在水中的溶解度很大以至于它不会从水中析出。
II-1-5计算析出的甘露醇（M）的摩尔数mol.
答案:
计算过程:
II-2甲醇的生产分数：
6分
1
2
3
4
5
评判分
15
20
15
25
25
甲醇（CH3OH）是用来制备汽油添加剂和许多普通塑料的原料，甲醇的生产是基于下面的反应:
而氢和CO是基于下述反应制得:
这样的生产包括三个单元，即：
H2和CO的生产器“reformer”、甲醇反应器“methanolreactor”、将甲醇分离出来的分离器“separator”，下图示出这三个部分，并用α、β、γ和δ分别表示四个位置。
图1
在γ处甲醇的流速n[CH3OH,γ]=1000mols1，该工厂设计能力为将2/3CO转化为甲醇，位置δ处过量的CO和H2用来加热第1个反应器，假定第一个反应（thereformerreaction）已完成。
II-2-1计算β处CO的流速及H2的流速
II-2-2计算γ处CO的流速及H2的流速。
II-2-3计算α处需要的CH4的流速和H2O的流速。
II-2-4假定所有的反应物质都是气体，用下列公式计算γ处CO，H2和CH3OH的分压（以MPa为单位）:
tot:
总
其中ni为化合物i的流速，pi为化合物i的分压,n总（ntot）为在该位置的总流速，p为体系的总压力（p=10MPa）。
答案p[CO,γ]:
答案p[H2,γ]:
答案p[CH3OH,γ]:
计算过程:
当反应在一个足够大的容器中进行，反应可达到平衡，分压服从下列关系式:
其中p0是常数（0.1MPa）,Kp是温度的函数，如图2所示（纵坐标为常用对数）。
图2
II-2-5计算Kp，并标出温度为多少（以K表示）时，反应才达到此平衡。
答案Kp:
答案Tγ:
计算过程:
II-3聚芳香酰胺（Aramids）,高性能的高分子材料（分数：
6分）
1
2
3
4
评判分
20
30
25
25
芳香的聚酰胺（Aromaticpolyamides）（聚芳香酰胺，aramids）是一种高强度,高性能的高分子纤维,经常在复合材料,防弹背心,高质量的滑雪板,安全帽等中使用.聚芳香酰胺（Aramids）PPTA在国际市场销售，包括杜邦的,泰金的和荷兰北部的其它制造商的产品。
PPTA的链是在正交垂直方向的薄片（平面）结构型的完美包装的纤维.其结构式如下:
II-3-1画出这些薄片的结构（只需画出三个主链）：
对于一个由等摩尔量的二个单体聚合的反应而言，其聚合物的平均链长度为
，其转化率为p，链的总数为Nt和单体的总起始量为U0摩尔。
聚合反应的平衡可用下列的方程式来表示:
其中C代表任何一个–COOH基团,A代表任何一个–NH2基团和Am代表任何一个酰胺基团.
II-3-2计算平均链长为500时单体的转化程度。
答案:
计算过程:
II-3-3为了合成PPTA,可考虑以下可能的合成方法:
其中哪些方法可用？
标出正确的答案（一个或一个以上）。
说明：
乙醚：
diethylether;碱：
base;极性溶剂:
polarsolvent.
II-3-4另一种聚芳香酰胺的合成是通过加热4-氨基苯甲酸（4-aminobenzoicacid或4-aminobenzenecarboxylicacid）来生产的.
（a）画出这种聚芳香酰胺（n=4）的结构式:
（b）反应在一个密闭的容器中进行时,计算其在平衡时的平均链长度。
平衡常数K=576
答案:
=
计算过程:
第三题III--自然界中的功能分子化学
对于化学家而言,化学中的挑战之一是发现自然界中正发生的和生物活性分子的结构与它们所起的作用的关系.
III-1膜中的磷脂 分数:
6分
具有生理活性的细胞薄膜是由大量的脂质和蛋白质组成的,是复杂的,功能化的,非共价键组装而成的.在生命过程中,它们的功能是十分重要的.它们将细胞从它的周围环境中分离出来,从而测定在细胞内含物和环境的信息的特殊传输过程.磷脂是细胞薄膜中存在的许多最重要的组份之一.化合物A是其中的一个.
在水中分散时（在一种低临界浓度上），化合物A形成紧密的双层结构，称为脂质体；将此作为在结构上更为复杂的细胞薄膜的一种模型化合物。
脂质体是一种球状聚集物，其中，由极性部分或离子组成的头部团与水结合，而由长链烷烃组成的尾部团形成了一个疏水核。
这双层的结构包含了一个水下的内在间隔间。
具有双尾结构的合成表面活性剂也能自组装成与脂质体相似的紧密的双层结构，但是现在通常叫做囊泡。
二甲基二正十二烷基氯化铵盐（DDAC）是其中的一个。
说明：
counterion:
相反离子;headgroup:
头部部分;tail:
尾部。
III-1-1（a）化合物A有多少种可能的立体异构体?
（b）化合物（B）有多少种可能的立体异构体?
合成化合物A的前体是一个由甘油转化而来的丙酮的缩酮化合物C。
化合物C的1HNMR氢谱图如下：
III-1-2在核磁氢谱（1HNMR）图中哪一个信号区与质子（H）Hc一致的?
Hc=
脂质体的双层结构可由碳氢链的体积V,在聚集体中磷脂头部团的已优化的代表性的表面积a0和所估计的碳链最长长度lc来表征.含n个碳原子的无支链长链烷烃组成的尾部团的一个好的近似值是:
V=（27.4+26.99n）x103nm3
lc=（0.154+0.1265n）nm
考虑到n值很大,尾部与尾部之间的相互作用就远远大于头部之间的排斥作用.
III-1-3计算在此条件下n很大磷脂头部基团的最小表面积.
答案:
计算过程:
（在它临界浓度上,cvc）由二甲基二正十二烷基氯化铵（DDAC）组成的囊泡催化6-硝基苯并异恶唑-3-羧酸盐（6-NBIC）的单分子脱羧反应.反应式如下:
在水中,25oC时,k1=3.1106s1。
在DDAC的浓度为c1时，6-NBIC完全被吸附在囊泡表面上，此时k1=2.1103s1。
III-1-4画出k1与DDAC的浓度关系图.X轴表示DDAC的浓度，浓度从03c1。
III-1-56-硝基苯并异恶唑-3-羧酸盐（6-NBIC）的脱羧反应能被DDAC囊泡有效催化的主要原因是
❑❑ 脱羧反应是被吸附着在囊泡表面的Cl催化的
❑❑ 当6-NBIC吸附在囊泡上后，其的羧酸盐的水合作用被有效降低了
❑❑ 在囊泡内部的CO2的强键合力
❑❑ 相对于6-NBIC而言,有机反应的产物与囊泡有强键合力
标出正确答案.
III-2谷胱甘肽,一个不可或缺的小肽分数:
6分
1a
1b
2a
2b
2c
3
评判分
10
24
18
8
25
15
谷胱甘肽，缩写为GSH，是一个几乎存在于所有动物组织中的小肽。
其结构式见下图。
GSH履行重要的生理功能，如在血液中的亲电化合物的清除和（有机）过氧化物的还原。
一个亲电化合物能与GSH发生不可逆反应，尤其是在肝中，生成一个初始产物，它能被一系列生物转化反应转变成叫做硫醚氨酸（mercapturicacid）的另一种化合物。
这种酸能通过尿排泄出去。
GSH的氧化反应能生成二硫化物GSSG,它又能被还原酶还原成GSH。
在许多细胞中,GSH与GSSG的比例500。
III-2-1（a）写出在GSH中有多少个氨基酸?
（b）画出所有氨基酸的结构并用号标出手性中心。
从一个丙烯腈（acrylonitrile，H2C=CH-CN）中毒的病人的尿样中分离得到的一种硫醚氨酸A（mercapturicacidA），其分子式为C8H12N2O3S。
其用氘代二甲亚砜作溶剂的氢谱核磁图1H-NMR在图1中列出。
当产物用重水重新处理后，位于12.8和6.8的信号峰不再出现，信号３的峰被简化了。
图１
III-2-2（a）与质子相关的核磁信号（Signals）有下列几个质子（protons）组：
CH，CH2，CH3，OH，NH。
在合适的框中写出分别与信号1-7一致的质子组：
（b）写出在化合物A中有多少个碳原子没有与质子相连?
（c）画出化合物A的结构式。
维生素C（VitaminC,抗坏血酸，ascorbicacid）能与氧化剂反应得到化合物D（去氢抗坏血酸，dehydroascorbicacidD），反应式如下：
氧化
还原
III-2-3吃新鲜水果和蔬菜有益于健康是
❑❑ 因为维他命C能与GSH形成络合物。
❑❑ 因为维他命C能与亲电试剂反应。
❑❑ 因为维他命C能清除氧化剂，防止GSH被破坏。
❑❑ 有许多原因，但是他们其中没有一个与GSH有关。
第四题IV--化学与光和能
化学在满足人类生活对光和能的需要中起着重要作用。
若没有光和能，人类生活是不可想象的。
IV-1发光灯 分数:
7分
1
2
3
4
5
评判分
10
25
25
35
5
1891年荷兰研制出第一支发光灯管，今天，与第一支灯相比其发展是巨大的，尤其是气体放电灯的研发。
其寿命以指数倍增加。
灯光颜色也是研发的一个重要方面。
目前，稀土金属化合物，如：
CeBr3,火焰温度可达6000K.该类化合物在室温下以离子型固体存在，加热时其可部分升华成中性金属卤化物气体分子，为了达到高蒸汽压，升华焓应尽可能小。
IV-1-1经由单核离子蒸汽，给出CeBr3升华过程的热化学循环（盖斯定律，LawofHess）。
（H1=H晶格;He=H静电;Hs=H升华;H不是绝对值，而是改变值H）
+
固体的晶格能可用下列公式（Born–Landéformula）计算：
Hl=f
当离子半径以纳米为单位时，因子fe2[所必需的晶格能（计算以kJmol1表示）]合计为139。
马德隆常数A为2.985。
玻恩指数n为11。
离子Z+和Z的电荷是整数（Z是负的）。
对计算气体CeBr3（当从离子形成时）的能量，可用上述的同一公式，但不需要马德隆常数A。
气相中CeBr3的结构是平面三角形，Ce3+的半径为0.115nm,Br（溴负离子）的半径为0.182nm。
IV-1-2计算CeBr3的升华焓（用整数表示，注意正负号!
）
答案:
计算过程:
曾经试图通过将一定化学量的CsBr加到CeBr3中，在室温下生成固态CsCeBr4的方式制造一种更好的发光灯。
当其升华温度降低，发光灯的寿命将同步增加。
CsCeBr4晶格结构与NaCl相同，Cs+作为阳离子，四面体的CeBr4作为络合阴离子。
CsCeBr4升华得到气态的CsBr和CeBr3分子。
IV-1-3写出上述过程的热化学循环的反应方程（盖斯定律，LawofHess），其中气相中某些步骤包括CeBr4－离子、单核离子、和气相中的中性分子。
第一步Step1:
第二步Step2:
第三步Step3:
第四步Step4:
+
总total:
说明：
lattice:
晶格能；molecules:
分子.
IV-1-4计算CsCeBr4的升华焓（用整数表示）。
利用上述公式（Born–Landéformula）计算，该过程所有步骤中每一步的焓值。
NaCl的马德隆常数A为1.75,晶格中Cs-Ce之间的距离为0.617nm。
CeBr4-阴离子是四面体结构，其中四面体的边长与从四面体顶角到其中心的距离之比为（2√6）/3=1.633。
CsBr的玻恩指数n等于11，Cs+的半径为0.181nm.。
答案Step1:
H1=
计算过程:
答案Step2:
H2=
计算过程:
答案Step3:
H3=
计算过程:
答案Step4:
H4=
计算过程:
总量的答案:
H总=
计算过程:
IV-1-5通过所得到上述答案的研究，我们是否可以认为加入CsBr是一个好主意吗？
选择一个正确答案。
❑❑
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