Kemi A

Digital




Gammel ordning
Tirsdag den 2. juni 2020
kl. 09.00-14.00

Vejledning


Prøven

Opgavesættet består af 4 opgaver med i alt 15 delopgaver.
Alle hjælpemidler er tilladt.

Følgende hjælpemidler forudsættes:
DATABOG fysik kemi (F&K Forlaget), 11. udgave (2007) eller senere udgave.

Opgavebesvarelsen
Din opgavebesvarelse skal afleveres i et samlet dokument, gemt i pdf-format.

Bedømmelse
Ved bedømmelsen af din besvarelse lægges vægt på, at du er i stand til at anvende din kemiske viden på nye problemstillinger, og at din besvarelse er ledsaget af
   - forklarende tekst
   - reaktionsskemaer
   - beregninger
   - figurer og
   - kemiske formler
i et sådant omfang, at din tankegang fremgår klart.

Der gives én karakter på baggrund af en helhedsbedømmelse.



Opgave 1:    Sex-feromoner - et alternativt insekticid


I DTU Science Park er unge forskere i gang med at etablere en virksomhed til fremstilling af sex-feromoner. Det er bæredygtige produkter, der anvendes til bekæmpelse af skadelige insekter i landbruget. Ideen er, at haninsekter forvirres med duftstoffer, så de ikke kan finde huninsekterne og parre sig. Der forskes i fremstilling af feromoner baseret på fermentering af gærceller.
Fremstilling af sex-feromoner ved kemiske reaktioner vanskeliggøres af, at det oftest kun er en af flere stereoisomere former, som tiltrækker haninsekter.

Til fremstilling af et sex-feromon anvendes nedenstående stof B




B


Figur 1.1


Figur 1.1.mrv  Figur 1.1.sk2


  a) Marker funktionelle grupper i stof B, og angiv hvilke stofklasser de tilhører.


En skjoldlusart, Maconellicoccus hirsutus, som er skadelig for mange afgrøder, træer og blomster, kan bekæmpes med sex-feromoner. Et af duftstofferne er en ester dannet ved kondensation mellem en carboxylsyre HA og alkoholen B i figur 1.1.

En vandig opløsning af syren HA har koncentrationen 0,20 m ved 25 °C.
Ks for syren HA er 1,07 · 10-5 m.


  b) Beregn pH i den vandige opløsning af syren HA ved 25 °C.


I et skolelaboratorium skal strukturen af syren HA bestemmes. Syren titreres med natriumhydroxid, som vist i filmen nedenfor.

Titrering af syren HA


Datafilen fra titreringen ses nedenfor.

Excel-fil

Carboxylsyren HA er en monohydron syre, RCOOH, hvor R er en alkylgruppe. HA indeholder et asymmetrisk C-atom.


  c) Vis, med udgangspunkt i filmen, at den molare masse for syren HA er 102 g/mol.
Bestem strukturen for syren HA.


Carboxylsyren HA reagerer med alkoholen B og danner esteren som vist i reaktionsskemaet i figur 1.2. Der anvendes 15,0 mL af alkoholen B og 12,9 g af carboxylsyren HA. Der fremstilles 10,4 g af esteren.



HA B

M = 154,25 g/mol
ρ = 0,878 g/mL		  


Figur 1.2



  d) Beregn udbyttet af esteren i procent af det teoretisk mulige.


Et andet sex-feromon, D, udsendes af hunmyrer af arten Tapinoma igerrimum. D giver gult bundfald med 2,4-dinitrophenylhydrazin. Der dannes ikke rødt bundfald med Fehlings væske. D har molekylformlen C8H16O.

Strukturen af stoffet D bestemmes ved 1H-NMR-spektroskopi.
I figur 1.3 ses 1H-NMR-spektret for D. Spektrometerfrekvensen er 800 MHz.





Figur 1.3     


  e) Bestem strukturformlen for D. Inddrag integralforhold, kemiske skift og koblingsmønstre, idet signaler i spektret tilordnes stoffets strukturformel.




Opgave 2:    Diels-Alder reaktionen - en syntetisk vej til komplicerede naturstoffer


Forskerne, der lægger navn til Diels-Alder-reaktionen fik nobelprisen i kemi for opfindelsen.
I en Diels-Alder reaktion, reagerer en alkadien med en alken, og danner en cyclohexen. Reaktionen er stereospecifik og er fx velegnet til syntese af naturstoffet taxol, der tidligere blev udvundet fra barken af 100 år gamle taxoltræer.


Den omvendte reaktion af en Diels-Alder reaktion kaldes en retro-Diels-Alder reaktion. I figur 2.1 ses et eksempel på en retro-Diels-Alder reaktion. Reaktionen er reversibel.




A

farveløs

M = 520,66 g/mol 		  B

orange


Figur 2.1



0,46 g stof A overføres til en 100 mL målekolbe, og der tilføres opløsningsmiddel til stregen.


  a) Beregn den formelle stofmængdekoncentration af stof A i opløsningen.



I et skolelaboratorium undersøges, hvordan ligevægten i figur 2.1 afhænger af temperaturen. Undersøgelsen er vist i filmen nedenfor.

Undersøgelse af ligevægtens temperaturafhængighed


  b) Gør rede for, i hvilken retning ligevægten i figur 2.1 forskydes ved opvarmning.
Begrund, om omdannelsen fra A til B er exoterm eller endoterm.


Diels-Alder reaktionen for omdannelsen af stof B til stof A har været undersøgt ved en spektrofotometrisk analyse. Koncentrationen af stof B blev bestemt som funktion af tiden. Resultaterne er vist i datafilen.

Excel-fil


  c) Undersøg reaktionsordenen for omdannelsen af stof B til stof A.




Opgave 3:    Katalysator til dieselbiler


Den største miljømæssige udfordring for dieselbiler er udledningen af NOx, som ikke kan fjernes med de mest udbredte katalysatorer i dieselbiler.
Der er udviklet forskellige NH3-SCR -katalysatorer til fjernelse af NOx i udstødningen. Der er problemer med levetiden af katalysatorerne, fordi svovldioxid i udstødningsgassen nedsætter effektiviteten af katalysatorer. Det sker især ved de lave temperaturer, der er ved motorstart.


I NH3-SCR -katalysatorer omdannes NOx til dinitrogen efter tilførsel af ammoniak til udstødningsgassen. I reaktion 1 ses reaktionen for omdannelsen af nitrogenmonoxid.


4 NO(g) + 4NH3(g) + O2(g) → 4 N2(g) + 6 H2O(g)             (1)


  a) Redegør for, at reaktion 1 er en redoxreaktion.
  b) Beregn ΔS° for reaktion 1.
Kommenter resultatet i forhold til reaktionsskemaet.


Udstødningsgassens temperatur i katalysatoren varierer meget, afhængigt af motorens belastning og katalysatorens placering i udstødningsrøret.
ΔG° for reaktion 1 er bestemt ved forskellige temperaturer i intervallet 500 K – 1500 K. Resultaterne fremgår af figur 3.1.


191231_opg3_figur3_1 ΔG° / kJ mol 600 800 1000 1200 1400 1600 T / K -1660 -1680 -1700 -1720 -1740 -1760 y = -0,0797x - 1632,4

Figur 3.1


  c) Beregn ligevægtskonstanten for reaktion 1 ved 1000 °C
Gør rede for, om ligevægtskonstanten for reaktion 1 er større eller mindre ved koldstart af motoren, hvor udstødningsgassens temperatur er 200 °C.

Reaktionshastigheden for omdannelsen af NO i en NH3-SCR -katalysator blev undersøgt ved forskellige temperaturer for udstødningsgassen.
Hastighedskonstanten for reaktion 1 i NH3-SCR -katalysatoren er bestemt ved forskellige temperaturer i intervallet 106 °C – 253 °C. De eksperimentelle data følger et Arrhenius-plot for temperaturer over 200 °C, mens de afviger ved lavere temperaturer. Datafilen er vist nedenfor.


Excel-fil


  d) Bestem aktiveringsenergien for reaktion 1 i NH3-SCR -katalysatoren ved temperaturer over 200 °C.
Begrund, om afvigelserne ved temperaturer under 200 °C kan forklares ved at udstødningsgassens svovldioxidindhold nedsætter katalysatorens effektivitet.




Opgave 4:    Enalapril - blodtryksnedsættende medicin


Forhøjet blodtryk rammer mange mennesker, og det kan være livstruende, hvis det ikke behandles. Ved en type medicinsk behandling benyttes såkaldte ACE-hæmmere, hvor lægemidler med stoffet enalapril er nogle af de mest benyttede i dag. Enalapril blev udviklet i begyndelsen af 1980erne. Lægemidler med enalapril giver i dag medicinalvirksomheder milliardindtægter, og er endvidere på WHO’s liste over essentielle medikamenter.


Enalapril virker kun i begrænset omfang nedsættende på blodtrykket. For at virke effektivt, skal enalapril omdannes til det aktive stof enalaprilat ved en reaktion katalyseret af enzymer i blodet.



enalapril   enalaprilat


Figur 4.1


Figur 4.1.mrv  Figur 4.1.sk2


  a) Færdiggør reaktionsskemaet.
Angiv reaktionstypen.


Ved blodets pH 7,4 findes enalaprilat på formen i figur 4.2



Figur 4.2


Enalaprilat kan bindes til enzymet ACE, og konsekvensen bliver, at blodtrykket ikke stiger. Enalaprilat fastholdes i enzymets bindingslomme. Det sker ved, at grupper i enalaprilat bindes til sidegrupper i enzymets aminosyreenheder og til en zink(2+).
Bindingslommen med enalaprilat ses i figur 4.3.



Figur 4.3


  b) Gør rede for mulige hydrofobe vekselvirkninger, hydrogenbindinger og ionbindinger mellem enalaprilat, zink(2+) og aminosyreenhederne i bindingslommen.


Blodtrykssænkende lægemidler med enalapril indtages som tabletter, der typisk også indeholder et vanddrivende middel, stof B. Strukturen af de to stoffer ses i figur 4.4.



enalapril
M = 376,4 g/mol		   B
M = 297,7 g/mol
Figur 4.4


For at give en nem kontrol af sådanne lægemidler, er der udviklet en spektrofotometrisk metode til bestemmelse af indholdet af de to stoffer i tabletter.

Enalapril og stof B absorberer begge i UV-området, som vist i figur 4.5.


191231_opg4_figur4_5_2 A 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 enalapril B 200 250 300 λ / nm


Figur 4.5


En tablet, som indeholder de to stoffer i figur 4.4, knuses. Enalapril og stof B opløses, fyldstoffer filtreres fra, og der fyldes opløsningsmiddel op til mærket i en 10 mL målekolbe. Opløsningen fortyndes en faktor 250.

Absorbansen for den fortyndede opløsning måles ved 207 nm og 272 nm. Resultaterne er vist i tabel 4.1.

Tabel 4.1


λ / nm A
207
272		 0,870
0,393



I tabel 4.2 ses de molare absorptionskoefficienter, ε, for enalapril og stof B ved de to bølgelængder.


Tabel 4.2


λ / nm ε (enalapril) / (m-1 · cm-1) ε (B) / (m-1 · cm-1)
207
272		 3,01 · 10 4
2,19 · 10 2		 2,27 · 10 4
2,32 · 10 4


Kuvettebredden er 1,00 cm.
De målte absorbanser i tabel 4.1 er summen af absorbansen for enalapril og absorbansen for stof B ved de angivne bølgelængder. Begge stoffers absorbans følger Lambert-Beers lov.


  c) Beregn massen af enalapril og massen af stof B i tabletten.






Filer til opgaverne

Filnavn Opgave Figur Beskrivelse
191231_figur1_1.mrv 1 1.1 MarvinSketch fil med strukturformel
191231_figur1_1.sk2 1 1.1 ChemSketch fil med strukturformel
191231_opg1_excel.xlsx 1 - Excel datafil
191231_opg2_excel.xlsx 2 - Excel datafil
191231_opg3_excel.xlsx 3 - Excel datafil
191231_figur4_1.mrv 4 4.1 MarvinSketch fil med strukturformel
191231_figur4_1.sk2 4 4.2 ChemSketch fil med strukturformel


Klik her for at downloade alle filer.

Kildeliste


Opgave 1
Colourbox.com

Opgave 2
Opgavekommissionen

Opgave 3
Colourbox.com

Opgave 4
Colourbox.dk