Pagina 1

Código Nivel 20ª OLIMPIADA VERACRUZANA DE QUÍMICA

2010

Anota tu código y el nivel en que participas en la parte donde se indica. Tienes 5 horas para contestar este examen. Sólo puedes utilizar tu calculadora científica y las tablas anexas. Todo debe ser contestado a pluma, ya sea tinta negra o azul.

No escribir en esta sección

Jurado 1 Jurado 2

Problema 1: Química General.

Problema 2: Química Analítica.

Problema 3: Fisicoquímica.

Problema 4: Química Inorgánica.

Problema 5: Química Orgánica (Solo Nivel A).

Problema 6: Bioquímica (Solo Nivel A).

Puntaje total

Fórmulas: ΔG = ΔH - T·ΔS ΔG= -R·T·ln Kp ln (Kp1/Kp2) = ΔH/R·(T2

-1 – T1-1) p·V = n·R·T

Ecuación de Nernst: E = E0 + (R·T/z·F) ·ln (cOx/cRed) Ecuación de Arrhenius: k= A·e-(Ea/RT) Ecuaciones cinéticas: Orden cero: c = co - k·t Orden 1: c = co·e -k t Orden 2: c-1 = k2·t + co

-1

Pagina 2

Problema 1: Química General. 1.- El acido peroximonosulfúrico es un oxácido de

azufre con formula H2SO5 y puede ser sintetizado a partir de acido sulfúrico (H2SO4). Calcule el peso molecular (g/ mol) de este acido. (A) 98.08 (B) 114.08 (C) 130.14 (D) 146.14 2.- ¿Cuál de los siguientes cationes presenta el

menor número de sales insolubles? (A) SO4

-2 (B) CO3-2 (C) Cl- (D) NO3

- 3.- ¿Cuál es el porcentaje de nitrógeno en nitrato de

amonio (NH4NO3)? (A) 22.6 % (B) 35.0 (C) 77.7 % (D) 60.0 % 4.- En los siguientes enlaces, ¿en cual el átomo de

carbono presenta más carga positiva? (A) C-Li (B) C-Mg (C) C-F (D) C-C 5.- Se tienen 5.00 g de helio que ocupan 5 L y

presentan una presión de 0.8 atm. Se cambia el volumen a 12 L. ¿Cuál es la presión en el nuevo volumen? (A)0.33 atm (B) 0.8 atm (C) 5.00 atm (D) P2=nRT/V1 6.- Se hace reaccionar zinc con HCl y se observa que

se desprende un gas. Identifica este gas. (A) Cl2 (B) H2 (C) ZnCl2 (D) H2O 7.- ¿Qué relación es válida para una celda

electroquímica?

(A) ΔG° > 0; E° = 0 (B) ΔG° < 0; E° = 0 (C) ΔG° > 0; E° > 0 (D) ΔG° < 0; E° > 0 8.- ¿Cuál de las siguientes reacciones tiene un ΔH

similar a su ΔE?

(A) H2(g) + Br2(g) 2 HBr(g) (B) H2(g) + 1/2O2(g) H2O(g) (C) H2O(l) H2O(g) (D) H2O(s) H2O(l) 9.- En una solución 0.1 M de HCl y CH3COOH, el pH

esta dado por: (A) el HCl (B) el CH3COOH (C) El promedio de ambos (D) El agua

Para contestar las preguntas 10 a 13 toma en cuenta la siguiente información: Un estudiante tomo 5.002 g de Na2CO3 (PM= 105.9643 g/mol) y los disolvió en 50 mL de agua y luego aforo a 100 mL. 10.- Calcula la molaridad de la solución

mol/L

11.- Si toma 5 mL de la solución anterior y los diluye

hasta 100 mL, cual es la nueva molaridad?

mol/L

12.- ¿Cuál es el número de oxidación del carbono en

el Na2CO3?

13.- ¿Cuál es el acido conjugado del anión CO3

-2?

Para contestar las preguntas 14 a 18 toma en cuenta la siguiente información: Tenemos los siguientes compuestos entre hidrogeno y otros elementos de la tabla periódica:

NaH, NH3, HF, HCl, HBr y HI 14.- ¿Qué tipo de enlaces se presentan en el NaH?

15.- ¿Cuál es la hibridación del átomo de nitrógeno

en el NH3?

16.- ¿Cuál es el acido más fuerte en los compuestos

anteriores?

17.- A partir de HCl, HBr y HI se puede obtener Cl2,

Br2 y I2. De estos tres últimos elementos unos es un liquido marrón, otro es un gas verde y otro un sólido purpura oscuro. Relaciona estas características con el elemento correcto.

Liquido marrón

Gas verde

Solido purpura oscuro

Pagina 3

Problema 2: Química Analítica Parte 1 Los cálculos renales aparecen por la cristalización de oxalato de calcio y otras sales insolubles de calcio en el sistema urinario así como por la cristalización de acido úrico. Un tratamiento para este padecimiento es la solución de Shohl la cual es un buffer de acido cítrico y citrato de sodio. 1.- Algunos de las sales causantes de cálculos renales se enlistan en la siguiente tabla. Dar el nombre de cada compuesto.

Formula Nombre

CaC2O4·H2O

CaC2O4·2H2O

CaHPO4·2H2O

(NH4)MgPO4·6H2O

El acido cítrico es un acido triprotico que podemos representar como H3A. Una solución 0.1 M de NaH2A tiene un pH = 3.95 y una solución 0.1 M de Na2HA tiene un pH = 5.57. Cuando se mezclan volúmenes iguales de las soluciones anteriores el pH = 4.76. 2.- Calcula las constantes de acidez para el acido cítrico.

pKa1 pKa2

pKa3

3.- Indicar los valores de pH en los que: a) Se tiene como especie predominante H3A; b) Se tiene como especie predominante A-3; c) Se tiene igual cantidad de HA-2 y A-3.

a) Se tiene como especie predominante H3A

b) Se tiene como especie predominante A-3

c) Se tiene igual cantidad de HA-2 y A-3

Cuando se administra la solución de Sholh, el pH de la orina cambia a un valor de 6.8. 4.- Que especies de citrato son las que se encuentran en mayor cantidad.

Especies predominantes:

5.- Tomemos al CaC2O4·2H2O como el único compuesto presente en los cálculos renales. Este compuesto presenta un Kps = 1.8 x 10-9. Se administra una dosis de solución de Sholh y se observa que la concentración total de X-3 es 0.0086 mol/L (esto es X-3 y CaX-). Calcula la solubilidad del esta sal en g/L en presencia de la solución de Sholh. La constante de equilibrio para la reacción Ca+2 + X-3 CaX- es igual a 104.68.

s= g/L

Pagina 4

6.- Ahora consideremos que el cálculo renal presenta solo acido úrico. Se administra la solución de Sholh y el pH de la orina es 6.8. Que especie de acido úrico (H2X, HX- o X-2) es la predominante? Las constantes de acidez del acido úrico son: 5.75 y 10.3.

Especie predominante:

Parte 2 Una celda electroquímica está compuesta por dos semiceldas separadas, las cuales están conectadas por medio de un puente salino. Una de las semiceldas consiste en una placa de zinc sumergida en una solución de nitrato de zinc 0.200 M, la otra es una placa de plata sumergida en una solución de nitrato de plata 0.100 M. El volumen de cada solución es 1.00 L y la temperatura es 25 °C. 1.- Dar las reacciones de reducción y oxidación que ocurren así como la reacción global.

Oxidación

Reducción

Reacción Total

2.- Calcula la fuerza electromotriz de la celda (en V).

E = V

Ahora supón que se tiene una muestra de 5.082 g de AgNO3 se disuelve en agua y se somete a un amperaje por 5 minutos, la intensidad de la corriente es 5.0 A. 3.-Calcular la masa de Ag que se deposita.

m = g

4.- Que tiempo es necesario para depositar todo la plata si se tiene un amperaje de 5.0 A?

t = segundos

Datos: Zn+2 + 2e- Zn E° = -0.76 V Ag+ + e- Ag E° = 0.80 V

Pagina 5

Problema 3: Fisicoquímica

Parte 1 Radioactividad y medicina

Los rayos X y gamma son usados en medicina para fines de diagnósticos y de tratamiento. Como sabemos la radiación en ciertas dosis llega a ser peligrosa por lo tanto varios métodos cuantitativos han sido creados para cuantificar la radiación absorbida por los tejidos. Uno de ellos el dosímetro químico, el cual usa una solución de sulfato ferroso alrededor de la fuente radiactiva, que simula los tejidos del cuerpo; se mide la radiación a través de la oxidación del Fe. Después de la exposición a la radiación, la cantidad de Fe+3 en la solución de sulfato ferroso es determinada por la medición de la transmisión de luz UV a través de la solución. Una vez que el número de átomos Fe es conocido, la energía absorbida puede ser calculada, dividiendo el número de átomos por kg de agua entre un factor llamado valor G.

Una solución de sulfato ferroso es expuesta a que emite radiación gamma. La medición de la

transmisión de luz UV en la solución irradiada indico la presencia de Fe+3 en una concentración 0.0001 mol/l. El valor G para la oxidación Fe+2/Fe+3 = 15.4 átomos /100 eV 1 eV= 1.6x10-19 J y 1 J = kg·Gy 1.- Cual fue la radiación absorbida (en Gy) por la solución?

Gy

2.- Cual es la cantidad de iones Fe+3 presentes en 1 kg de agua?

Átomos de Fe+3/kg de agua

3.- El decaimiento para producir rayos gamma cual es el principal producto del

a) b) c) d) e)

Señala la respuesta correcta.

Pagina 6

Un participante olímpico unos días antes de de la OVQ sufrió mareos seguidos. En el hospital, decidieron hacerle un estudio de perfusión cardiaca, en el cual se obtiene una imagen de la función del corazón a través de la emisión de rayos gamma de una sustancia inyectada en el órgano de interés; en el caso del participante olímpico le fueron inyectados al corazón 2 microlitros de una solucion 0.0001 mol/L de 99Tc como medio de contraste. El estudio de perfusión cardiaca se realiza en un equipo SPET (Single Photon Emission) el cual solo es funcional con un mínimo del 93 % de medio de contraste inyectado. Tiempo de vida media del Tc es t1/2= 6 hrs 4.- ¿Cuánto tiempo máximo (en minutos) puede transcurrir antes de que se necesite otra inyección de contraste 99Tc?

t = minutos

5.- ¿Cuánto 99Tc (átomos) quedará en su cuerpo después de 8 horas?

Numero de átomos: .

Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética, en el espectro electromagnético están muy cerca de los rayos gamma siendo su única diferencia el lugar de origen de los mismos en el átomo. Al igual que los rayos gamma los rayos X son usados en medicina para obtener imágenes internas del cuerpo. Los rayos X medicamente útiles deben ser de alta energía para no ser absorbidos por el cuerpo humano y obtener la imagen deseada (radiografía). 6.- ¿Cuál será la longitud de onda emitida (nm) de un equipo de rayos X medico si la energía proviene de un ánodo de tungsteno con una capacidad máxima de 140 keV?

λ= nm

7.- Las partículas alfa y beta no tienen relevancia en el diagnostico clínico. Balancea las siguientes ecuaciones de decaimiento radioactivo:

Decaimiento alfa para el

Decaimiento beta para el

Pagina 7

Parte 2 Formación y descomposición de ozono El ozono (O3) es un gas venenoso, su concentración máxima en el aire no debe exceder de 125 ppb (partes por billón). 1.- Calcula la máxima concentración permitida de ozono en mol/L. Considera que la temperatura ambiente es 25 °C y la presión atmosférica 101.3 kPa. Nota.- ppb es una unidad en 109.

mol/L

En las grandes ciudades se tienen problemas de contaminación debido a le emisión de gases como el NO (monóxido de nitrógeno) el cual puede reaccionar para formar ozono. Las siguientes reacciones muestran la formación del ozono.

(1) 2 NO + A 2 B (2) B NO + C

Reacción Total C + A O3 El ozono es un compuesto inestable que en la estratosfera descompone por la acción de los rayos UV. Esta descomposición es acelerada por la presencia de NO. El mecanismo de formación y descomposición del ozono en la estratosfera fue estudiado por el químico mexicano Mario Molina, lo que le valió el Premio Nobel en 1995.

(1) O3 C + A (2) NO + O3 B + A (3) B + C NO + A

2.- Dar la formulas de A, B y C.

A

B C

La descomposición térmica de la capa de ozono se acelera con la presencia de diversas sustancias, por ejemplo, el cloro. El mecanismo de la reacción y la expresión de la velocidad de reacción para cada etapa se muestran a continuación:

3.- Supongamos que las velocidades de formación y desaparición de los intermediarios Cl· y ClO· son iguales. Dar la expresión de la velocidad de descomposición del ozono [r(O3)] según este mecanismo, dar el orden global de esta descomposición y orden respecto al ozono y al Cl2.

Expresion de la velocidad Orden global Orden O3 Orden Cl2

Pagina 8

Parte 3 Tenemos los siguientes datos a 25 ºC:

Sº(H2(g)) = 130.58 J/ mol K Sº(Br2(l)) = 152.23 J/ mol K

∆Hºf(Br2(g)) = 30.91 kJ/mol Sº(Br2(g)) = 245.35 J/ mol K

∆Hºf(HBr(g)) = -36.23 kJ/mol Sº(HBr(g)) = 198.32 J/ mol K

(Toma que estos valores son independientes de la temperatura). 1.-Calcula ∆G y Kp de la reacción H2(g) + Br2(g) 2HBr(g).

ΔG = kJ/mol Kp =

2.-Calcula Kp a 1000 K.

Kp a 1000 =

1.000 moles de H2 y 1.000 moles de Br2 se depositaron en un recipiente con una presión de 0.2 bar a 1000 K. 3.-Da la porción de hidrogeno (en %) que no se convirtió a producto una vez alcanzado el equilibrio.

%

4.-Calcula el punto de ebullición del bromo a presión normal.

Temperatura de ebullición: °C

Pagina 9

Problema 4: Química Inorgánica. Parte 1 Vitriolo Vitriolo es el nombre genérico y comercial de diversos sulfatos hidratos de metales de la primera serie de transición. Se pueden tener diversos tipos de vitriolo: vitriolo verde, vitriolo azul, vitriolo blanco, etc. Estos nombres proviene del color de la sal que es similar al color de la solución obtenida cuando se disuelven estas sales en agua (el vitriolo blanco da una solución incolora). Cuando se calcinan por arriba de 700 °C se observa que los tres tipos de vitriolo anteriores pierden masa debido a la perdida de agua y óxidos de azufre. En el caso del vitriolo verde se obtiene dos diferentes óxidos de azufre, el vitriolo blanco y azul solo producen un oxido de azufre. El residuo que queda después de calcinar cada uno de estos compuestos es un oxido metálico. Cuando se calcina el vitriolo verde se pierde un 71.3 % de la masa, en el caso del vitriolo azul la pérdida es de 68.1 % y para el vitriolo blanco es de 71.7 %. En los tres vitriolos anteriores, los elementos metálicos tienen el mismo estado oxidación. Cuando se calcinan, los residuos del vitriolo azul y blanco son óxidos metálicos con el mismo número de oxidación que en el vitriolo de color blanco y negro respectivamente; en el caso del vitriolo verde, el oxido metálico tiene un grado que oxidación mayor, es de color marrón, se disuelve en soluciones acidas y produce una coloración roja si se añade una solución de tiocianato de sodio. 1.- Determinar la formula de cada vitriolo y la formula de los oxidos metalicos que se obtienen cuando se calcinan. El vitriolo blanco y verde tienen la misma cantidad de agua de cristalización en la formula.

Vitriolo Azul Vitriolo Blanco Vitriolo Verde

Oxido: Oxido: Oxido:

Parte 2 Identificación de compuestos En el siguiente esquema, cada uno de los compuestos binarios A a G tienen la formula XY2 donde X y Y son diferentes elementos.

Pagina 10

H representa un elemento químico del bloque p. En condiciones normales de temperatura y presión H es un sólido amarillo, mientras A, B, D e I son líquidos y C, E, F y G son gases. Algunos subproductos de la diversas reacciones no son mostrados. E reacciona con O2 para dar C y B. B es un liquido incoloro, inodoro e insípido, presenta su densidad máxima a 3.98 °C y presenta un comportamiento anormal por qué se vuelve menos densa cuando se enfría, de hecho el sólido es menos denso que el liquido. 1.- Dar la formula de las sustancias A a I.

A B C D E F G H I

2.- Dibujar una molécula de PCl5 mostrando claramente su geometría molecular.

3.- Dibujar estructuras de Lewis para el Cl2 y el O2 mostrando todos los electrones de la capa de valencia.

Estructura de Lewis Cl2 Estructura de Lewis O2

4.- Dar la configuración electrónica del ion Fe+3.

FIN DEL EXAMEN PARA NIVEL B; ¡MUCHO ÉXITO!

Nivel A continúa con los siguientes problemas

Pagina 11

Sólo Nivel A Problema 5: Química Orgánica Parte 1 Deducción de estructuras de compuestos

1.- El compuesto α-felandreno (C10H16) reacciona con H2 en presencia de un catalizador para dar 1-isopropil-4-metilciclohexano y bajo las condiciones dadas debajo de la reacción presentada. Deduce la estructura del α-felandreno.

2.-Considera la reacción mostrado abajo. Además del producto 1,4 esperado (45 %), otros dos productos, A (54 %) y B (1 %), son formados. Tanto A y B tiene la fórmula C6H9Cl. La RMN-1H del producto 1,4, A y B esta daba abajo. Deduce las estructuras de A y B.

Producto 1,4: 1.82 (s, 3H), 4.05 (s, 2 H). Nota.- en RNM-1H “vemos” 3 y 2 hidrógenos, pero la molécula tiene dos grupos metilos (6H) y dos metilenos (4H), los dos grupos metilos y los dos grupos metilenos son iguales por los que solo se “observa” una de cada uno.

A: 1.9 ppm (s, 3H), 4.2 ppm (s, 2H), cuatro picos en 6.1, 6.19, 6.22 y 6.3 (4 H)

B: 1.78 ppm (s, 3H), 1.85 ppm (s, 3H), 6.2 ppm (s, 1H), dos picos 5.08 y 5.0 ppm (2H).

A

B

3.-Dos alcoholes, C y D, tiene la misma fórmula molecular, C9H12O y reaccionan con H2SO4 para dar el mismo hidrocarburo E. El compuesto C es ópticamente activo y D no lo es. La hidrogenación catalítica de E da el hidrocarburo F (C9H12), el cual da dos productos cuando se trata con HNO3 y H2SO4. Dar las estructuras de C a F.

C

D E F

4.- El acetileno reacciona con LiNH2 dando G. G con 1-bromo-2-metilpropano (BrCH2CH(CH3)2) de H.

H es reducido con hidrogeno sobre Pt/BaSO4 dando I. I es tratado con acido diluido dando J, una

reacción de J con dicromato acidificado da K. Dibuja las estructuras de G a K.

G

H I J K

α-felandreno

Pagina 12

5.- El α-terpineno (1) y el γ-terpineno (2) son compuestos isomericos con formula C10H16. Por

hidrogenación catalítica ambos dan 1-isopropil-4-metilciclohexano; sin embargo, en ozonolisis en

condiciones oxidativas se obtienen diferentes productos:

Dar estructuras de 1 y 2.

1 2

Parte 2 Colesterol y compuestos relacionados El colesterol es un esterol (lípido) que se encuentra en los tejidos corporales y en el plasma sanguíneo de los vertebrados. El colesterol es imprescindible para la vida animal por sus numerosas funciones: estructurales, precursor de la vitamina D, precursor de hormonas sexuales, etc. La estructura del colesterol se muestra a continuación:

La síntesis del colesterol en el cuerpo es un proceso de varias etapas en la que intervienen diversas enzimas para acelerar las reacciones y permitir que se logre la estereoquímica deseada. Para la síntesis del colesterol se pasan por diversos intermediarios como el Escueleno y el Lenosterol, uno de los precursores de todos estos compuestos es el acido mevalonico el cual es un compuesto muy importante en Bioquímica. Para la síntesis de acido mevalonico y compuestos relacionados se comienza con 4-hidroxi-butanona:

Pagina 13

Nota.- La reacción A B es la reacción de Reformatsky la cual es un tipo de condensación aldolica, el Zn es usado para formar un compuesto organometalico similar al reactivo de Grignard pero menos nucleofilico. 1.- Da las estructuras de A, B, C y D.

A

B C D

2.- El acido mevalonico solo presenta un centro quiral el cual tiene configuración “R”; dibuja la estructura del acido mevalonico y da su nombre IUPAC.

Estructura Nombre IUPAC

3.- Sabemos que la reacción A B es una condensación aldolica. En una condensación aldolica tenemos un ion enolato que ataca un centro electrofilico (grupo carbonilo). Dibuja la estructura del ion enolato para la reacción A B.

Estructura del ion enolato

4.- Que tipo de reacción es la que se tiene al tratar la lactona del acido mevalonico con KHSO4?

Tipo de reacción:

Pagina 14

Una vez que se tiene acido mevalonico y con ayuda de enzimas podemos obtener Escualeno, con la ayuda de la enzima escualeno monooxigenasa es posible formar el 2,3-epoxido escualeno, el siguiente paso es la ciclación para dar un catión protosterol y finalmente Lanosterol mediante la migración de grupos metilos, una vez obtenido el Lanosterol y a través de al menos diecinueve reacciones se obtiene colesterol:

5.- En el esquema anterior muestra el movimiento de los electrones mediante flechas para explicar la formación del catión protosterol a partir del 2,3-epoxido escualeno. A partir del colesterol es posible obtener Vitamina D. Para esto, el colesterol se convierte en 7-dehidrocolesterol, en el laboratorio esto se puede realizar llevando a cabo las siguientes reacciones:

6.- Dar formulas para los reactivos a – b.

A

b c

Pagina 15

Problema 6: Bioquímica Proteínas Anticongelantes Las proteínas anticongelantes son una clase de polipéptidos producidos por ciertos organismos que les permiten sobrevivir en condiciones de frio extremo. Este tipo de proteínas actúa inhibiendo el crecimiento de cristales de hielo mediante la interacción entre diversas partes de la proteína y cristales de hielo diminutos, por lo tanto, la acción de las proteínas anticongelantes no se rige por las propiedades coligativas. A continuación se muestra la estructura de un fragmento de una proteína anticongelante:

Las hélices mostradas al principio y final de la secuencia representan secuencias de aminoácidos que no serán estudiados en este problema. El fragmento anterior es una secuencia de once aminoácidos en la cual algunos aminoácidos se repiten. Los aminoácidos presentes son (por orden alfabético): alanina (A), glutamina (Q), isoleucina (I), lisina (L), prolina (P), serina (S), treonina (T) y valina (V). El fragmento anterior se aisló y purifico y se trato con alanina aminopeptidasa y después con carboxipeptidasa B. La alanina aminopeptidasa rompe el enlace C-N en la posición N terminal de la alanina y la carboxipeptidasa B rompe enlaces C-N en la posición C terminal de la lisina. Un ejemplo de este se muestra a continuacion:

Los fragmentos obtenidos fueron: IP, SQSVV y ATQL. 1.- Con los datos anteriores dar la las estructuras de los diversos aminoácidos en este fragmento de proteína (ignora la estereoquímica).

Alanina Glutamina Isoleucina Lisina Prolina Serina Treonina Valina

2.- Se sabe que la forma de inhibición del crecimiento de cristales de hielos es por medio de puentes de hidrógenos entre el agua y grupos polares en la proteína anticongelante. En la estructura del fragmento de proteína anticongelante, encierra en un círculo los grupos polares que pueden formar puentes de hidrogeno con el agua. Nota.- analiza solo los sustituyentes que se encuentran en las ramificaciones de la cadena peptidica. 3.- Para comprobar cuales son los grupos que producen la interacción entre el agua y la proteína se realizo el siguiente experimento: a una pequeña cantidad de proteína anticongelante se le agrego anhídrido acético y se agito por 1 hora, el producto se purifico y se analizo su efectividad como anticongelante, se vio que disminuyo drásticamente, aun así fue posible detener parcialmente la formación de cristales de hielo. La explicación a esto es que aun tenemos grupos polares libres que pueden formar puentes de hidrógenos con el agua. Marca con una “X” en la estructura de la proteína anticongelante estos grupos.

¡ÁNIMO Y ÉXITO!