Тема I Химия живого
I-1 Кислород и жизнь.
I-2 Азот в природе.

Тема II Химия в промышленности.
II-1 Инулин – новое возобновляемое природное сырье.
II-2 Производство метанола.
II-3 Арамиды – высокоэффективные полимерные материалы.

Тема III Химия природных соединений.
III-1 Фосфолипиды в мембранах.
III-2 Глутатион – важный природный олигопептид.

Тема IV Свет и энергия: химические аспекты.
IV-1 Лампы освещения.
IV-2 Красный рубин.
IV-3 Аккумуляторы для транспорта.

• Впишите свою фамилию и личный код (проставленный на вашем рабочем месте) в соответствующем месте каждого листа.
• Вам выделяется 5 часов на выполнение всех задач и запись результатов в листы ответов. После подачи команды СТОП вы обязаны немедленно прекратить работу. Задержка в выполнении этого требования на 3 минуты приведет к аннулированию текущей задачи и нулевому результату за нее.
• Все результаты должны быть вписаны в соответствующие места на листах ответов. Результаты, записанные в других местах, не будут оцениваться. Не пишите ничего на обратной стороне листов ответов. Если вам необходима писчая бумага для работы или требуется заменить испорченный лист ответа, попросите их у ассистента.
• При необходимости выйти в туалет, следует спросить разрешения.
• После окончания работы вы должны поместить все бумаги в выданный вам конверт и заклеить его. Проверяться и оцениваться будут только листы из этого конверта.
• Вам будет выдана квитанция за сданный заклеенный конверт. Не покидайте комнаты в которой вы выполняли задание до тех пор, пока вы не получите квитанцию.
• Используйте только принадлежности и калькулятор, которые были выданы вам.
• Периодическая система элементов прилагается в конце задания.
• Данное задание включает 36 листов.
• Официальная английская версия текста задания будет вам выдана, если вы попросите.

Кислород жизненно важен для всех нас. Кислород попадает в организм через легкие и переносится кровью в ткани (мышцы), где может производить энергию, окисляя сахара:

В данной реакции выделяется 400 кДж энергии на один моль кислорода. Кровь поглощает O₂ благодаря четырем группам гема (Hm), входящим в состав белка гемоглобина (Hb).
Свободный Hm состоит из иона Fe²⁺, связанного с 4 атомами азота лиганда порфирин^2-. Кислород может связываться с Fe²⁺, образуя комплекс Hm^. O₂. Монооксид углерода может связываться аналогично, образуя при этом комплекс Hm^. CO. Монооксид углерода CO является ядом, поскольку связывается с Hm прочнее, чем O₂. Константа равновесия K₁ для реакции:

в 10⁴ раз больше, чем константа равновесия K₂ для реакции:

Каждая молекула Hb может максимально связать 4 молекулы O₂. Кровь, контактирующая с O₂, поглощает его. Доля Hb, связанного с кислородом, зависит от давления кислорода, как показано на рис. 1 (кривая (1)). Также на рис. 1 приведены кривые (2) и (3) для крови, содержащей дефектные Hb. Такие дефекты встречаются у пациентов с наследственными заболеваниями.

Рис 1.

Данные, необходимые для решения задачи: давление O₂ в легких 15 кПа; давление O₂ в мышцах 2 кПа. Поток крови через сердце и легкие 4^. 10^–4 м^3. с^–1. Красные кровяные тельцах занимают 40% объема крови; внутри красных кровяных телец концентрация Hb составляет 340 кг м^–3; молярная масса Hb 64 кг^. моль^–1. R = 8,314 Дж.моль^–1. K^–1. T = 298 K.

I-1-1 Используя соотношение между константой равновесия K и стандартной энергией Гиббса реакции G⁰, рассчитайте разницу между значениями G⁰ для реакций (1) и (2).

Ответ дан в формате PDF
Ваши вычисления:

I-1-2 Используя рис. 1, рассчитайте (точность 2 значащие цифры), сколько молей O₂ попадет в мышцы при переходе одного моля Hb из легких в мышцы. Приведите расчеты для трех типов Hb (см. рис. 1).

Hb (1):
Hb (2):
Hb (3):

I-1-3 Кривая (1) имеет S-образную форму благодаря особенностям структуры Hb. Дефектный Hb, описываемый кривой (2), не оптимален для транспорта кислорода, потому что:

• Он связывается с O₂ слишком слабо.
• Он связывается с O₂ слишком сильно.
• Его максимальная емкость по кислороду слишком низкая.
• Дефектность обусловлена отравлением Hb монооксидом углерода.

Отметьте правильный ответ крестиком.

I-1-4 Рассчитайте, сколько кислорода (в моль.с^–1) может быть доставлено в мышцы кровью, содержащей нормальный Hb типа (1).
Ответ дан в формате PDF
Ваши вычисления:

I-1-5 Рассчитайте максимальную мощность, которую может произвести тело человека при условии, что процесс лимитируется переносом кислорода.
Ответ дан в формате PDF
Ваши вычисления:

7 баллов

Аммиак токсичен для морских животных при концентрации, превышающей 1 ppm. Нитрифицирующие бактерии играют важную роль в процессе превращения NH₃ сначала в нитрит, а затем в нитрат, являющийся основной формой нахождения азота в почве.

NADH является восстановленной формой кофермента никотинамиддинуклеотида (NAD), а NAD⁺ является окисленной формой кофермента NAD.

I-2-1 В квадратиках под соответствующей формулой укажите степень окисления азота для каждого из веществ:

Спектрофотометрическое определение нитрита основано на его реакции с индикатором. Получающийся окрашенный продукт имеет максимум поглощения при = 543 нм.

Для количественного анализа должна быть построена калибровочная кривая зависимости оптической плотности при = 543 нм от концентрации нитрита.

• отсутствует влияние примесей
• отсутствует влияние рассеянного света
• достигается оптимальная точность измерения
• неверно ни одно из вышеприведенных утверждений

Отметьте правильный ответ галочкой.

Оптическая плотность измеряется в однолучевом спектрофотометре. Однако при этом 5% света (так называемый рассеянный свет I_s) непосредственно попадает в детектор (см. рис. 2).

Рис 2.

1-2-3 Рассчитайте значение оптической плотности A, которую покажет описанный выше спектрофотометр, если = 6000 M^–1. cм^–1, l = 1 cм и c = 1^. 10^–4 M
Ответ дан в формате PDF
Ваши вычисления:

В эксперименте по определению нитритного азота в воде были получены следующие данные.

  I-2-4 Учитывая поправку на холостой опыт, определите из табличных данных значения m и b для калибровочной прямой A = m^. c + b.
Ответ дан в формате PDF
Ваши вычисления m:
Ваши вычисления b:

Результаты двух измерений одного и того же образца воды приведены ниже. Измерения были проведены при 543 нм в кювете с длиной оптического пути 2.000 см.

Для расчета концентрации нитритного азота, c (в ppm), в этом эксперименте методом наименьших квадратов было получено уравнение

Оптическая плотность с поправкой = 0.1769 c + 0.00150  которое применимо для кювет с длиной оптического пути 1.000 см.

I-2-5 Рассчитайте среднюю концентрацию нитритного азота в ppm и в мкг.мл^-1. (Учтите поправку на холостой опыт из первой таблицы).
Ответ дан в формате PDF
Ваши вычисления

Задача II-1. ИНУЛИН - НОВОЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЕ ПРИРОДНОЕ СЫРЬЕ
6 баллов

Инулин, который производят из корней цикория в Бельгии и Нидерландах, используют как пищевую добавку, так как он полезен для кишечной флоры. Он используется также как источник фруктозы, которая в 1.9 раза слаще сахарозы, и для производства маннита, применяющегося в жевательной резинке. Инулин – линейный полимер из фрагментов фруктозы с глюкозой на одном из концов. Проекция Хеуорса для инулина показана слева. В этой задаче инулин содержит 10 фрагментов фруктозы (n = 9).

II-1-1 Инулин может быть прогидролизован в условиях H⁺-катализа. Ниже приведены 4 механизма разрыва C-O связи (A, B, C и D).

Отметьте крестиком правильный механизм для наиболее эффективного гидролиза.

Гидролиз с использованием изотопно меченой воды может дать информацию о механизме реакции. Для этого используется современные методы ЯМР, которые могут "видеть" как дейтерий (²H), так и изотоп кислорода ¹⁷O.

II-1-2 Какая меченая вода может лучше всего использоваться для этой цели?
Отметьте правильный ответ.

• ²H₂O

• H₂¹⁷O

• 2H₂¹⁷O
• Ни один из вариантов.

При каталитическом гидрировании глюкоза дает сорбит (S), в то время как фруктоза (F) дает и маннит (M), и сорбит (S).

II-1-3 Нарисуйте проекции Фишера для фруктозы (F), сорбита (S) и маннита (M).

К 1.00 моль инулина в 2.00 кг воды добавляют катализатор и при 95 ^оС одновременно проводят гидролиз и гидрирование. Селективность гидрирования фруктозы в маннит/сорбит составляет
7/3.

II-1-4 Сколько молей маннита и сорбита образуется?

После завершения реакции катализатор удаляют и реакционную смесь охлаждают до 25 ^oC. Растворимость M в воде составляет 0.40 моль^. кг^–1 при 25 ^oC, а растворимость S настолько велика, что он не выпадает в осадок.

II-1-5 Рассчитайте, сколько молей M выпадет в осадок.

Ваши ответы и расчеты: