XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 10

 

 

 

б)

 

Сколько  граммов  гидразина  потребуется  для  превращения  50  мг  ОГр  состава 
С

3

O  в  частично  восстановленный  ОГр  с  формулой  С

13

O?  Для  успешного 

проведения эксперимента требуется 15%-й избыток гидразина. (2 балла) 

 
На  рисунке  2  изображено  устройство  для  отделения  воды  от  нефти.  Это  стальная  сетка, 
покрытая восстановленным ОГр.  
 
Вот, как описывают авторы свой способ изготовления устройства:  
 
«ОГр,  приготовленный  окислением  исходного  материала,……..,  растворяют  в………. 
Стальную  сетку  ……..  в  получившийся  раствор  на  24  часа,  а  затем  …….  на  воздухе  при 
температуре  40 

о

С.    После  этого  сетку  обрабатывают  снизу  кислородной  плазмой  для 

восстановления……  в  сетке.    Затем  сетку  обрабатывают  гидразином.  После  этого 
поверхность сетки становится супер……..»   
  

3.

 

 

а)

 

Вставьте в текст, выделенный курсивом, пропущенные слова. (1,5 балла) 

 

б)

 

Если смесь воды и нефти подается сверху, что проходит сквозь сетку вниз, вода 

или нефть? Объясните. (2,5 балла) 

 

в)

 

При изготовлении устройства авторы сначала окисляют исходный материал, а 

затем восстанавливают его гидразином. Почему нельзя сделать проще и сразу 
нанести исходный материал на сетку? (1 балл) 

 
Всего – 10 баллов 

74

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Решение задачи 1. Отделение воды от нефти 

 

1.

 

Sp

2

 гибридизацию сохраняют атомы углерода, не связанные с кислородом.  Как видно 

на рисунке 1, каждый атом кислорода связан с двумя атомами углерода. По условию 
задачи,  на  каждый  атом  кислорода  приходится  шесть  атомов  углерода, 
следовательно,  четыре  из  шести  атомов  углерода  (~67%)  сохраняют  Sp

2 

гибридизацию. Правильный ответ давал 2 балла. 

 

2.

 

 

а)

 

Реакция с гидразином: 

 

>C–O–C< + N

2

H

4

  C–C + N

2

H

2

 + H

2

O 

 

или 

 

C

x

O + N

2

H

4

  C

x

 + N

2

H

2

 + H

2

O 

 
Уравнение  
 

 

C

x

O + N

2

H

4

 +H

2

O C

x

 + 2NH

2

(OH) 

 
тоже считалось правильным ответом. Оба ответа давали 1 балл. 
 

б)

 

13C

3

O + 10N

2

H

4

  3C

13

O + 10N

2

H

2

 + 10H

2

O 

 
M

C3O 

=52  г/моль;  M

N2H4 

=  32  г/моль.  Для  окисления  50  мг  ОГр  требуется 

(50*32*10)/(52*13) = 23.7 мг N

2

H

4

.  

С учетом избытка, m(N

2

H

4

) = 23.71.15 = 27.2 мг.  

 
Здесь  оценивалась  только  цифра!  Если  цифра  верная  –  это  давало  2  балла. 
Любая ошибка, даже мелкая арифметическая, снижала оценку сразу до нуля. 

 

3.

 

 

а)

 

«ОГр,  приготовленный  окислением  исходного  материала,  графита, 
растворяют в воде. Стальную сетку погружают в получившийся раствор на 
24 часа, а затем сушат на воздухе при температуре 40 

о

С. После этого сетку 

обрабатывают снизу кислородной плазмой для восстановления отверстий в 
сетке.  Затем  сетку  обрабатывают  гидразином.  После  этого  поверхность 
сетки становится супергидрофобной.»  (0.25 балла за каждое слово) 
 
Отметим типичные ошибки. Исходным материалом служил, конечно, графит, 
а не графен. Графит – доступный, дешевый материал, а графен, как материал, 
пока  еще  не  существует.  Есть  лабораторные  образцы,  но,  кто  же  будет  их 
тратить  на  изготовление  сеток?  Растворителем  является  вода,  а  не  серная 
кислота,  как  писали  многие.  Это  важная  деталь.  С  водой  просто  работать… 
Мало,  кто  догадался,  что  кислородная  плазма  восстанавливала  отверстия. 
Писали, что это химическое восстановление. Зачем же тогда гидразин? 
 

75

 

 

 

При оценке этого пункта приходилось делать округления, т.к. дробные баллы в 
Олимпиаде  не  ставились.  Два  угаданных  слова  (обычно  это  были  самые 
очевидные  слова:  погружают  и  сушат)  –  это  0  баллов.  Три  и  четыре 
угаданных слова  – 1 балл. Пять и шесть правильных ответов были редкостью. 
Здесь в каждом случае вопрос решался индивидуально. 
 

б)

 

После  восстановления  поверхность  ОГр  становится  гидрофобной.  Только 
нефть,  но  не  вода  способна  попасть  на  сетку  с  верхней  стороны.  Поэтому, 
нефть  проходит  и  на  другую  сторону,  стекает  вниз,  а  вода  остается  в 
пространстве над сеткой. Все дело в гидрофобности! 
 
Если  в  ответе  было  четко  сказано,  что  вниз  проходит  только  нефть,  участник 
получал 2 балла. Если вдобавок давалось объяснение, то, это учитывалось при 
округлении.  Несколько  участников  за  вопросы  2  (а,б)  получили  в  сумме 
4 балла. 

 

в)

 

Сам  исходный  материал,  графит,  не  растворяется  ни  в  воде,  ни  в  других 
растворителях.  Нет  простого  способа  нанести  его  на  поверхность  сетки! 
Наличие  эпоксидных  групп  делает  ОГр  гидрофильным.  При  х=2-3  С

х

О 

растворяется в воде, и его легко нанести на поверхность сетки ровным слоем. 
При  изготовлении  устройства  гидрофильность  материала  является  плюсом. 
Однако,  при  работе  устройства  гидрофильность  поверхности  –  минус,  капли 
воды  могут  садиться  на  поверхность  и  проникать  сквозь  сетку  вниз. 
Восстановление  снижает  гидрофильность,  и  устройство  начинает  работать 
правильно. Чем больше х, тем лучше!  
 
Этот  вопрос  оказался  самым  трудным.  Правильных  ответов  почти  не  было. 
Правильный ответ давал 1 балл. 
 

 
 
 

76

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Задача 2. Деградация красителя 

 
Проблема  загрязнения  природных  водоемов  продуктами  производственной  деятельности 
человека,  например,  органическими  красителями,  представляет  серьезный  вызов, 
требующий  нетривиальных  подходов.  В  частности,  в  настоящее  время  широко  изучается 
фотокаталитический  метод  деградации  подобных  веществ  с  применением  в  качестве 
катализаторов наночастиц некоторых соединений. 
 
Так, деградация органического красителя A при облучении светом в водном растворе резко 
усиливается  в  присутствии  наночастиц  соединения  X.  Наночастицы  Х  для  целей 
эксперимента получают при нагревании раствора (в качестве растворителя выступает смесь 
воды  и  нескольких  предельных  спиртов)  соединения  Y  –  нитрата  металла,  содержащего 
13,82% металла и 10,40% азота.  
 

1.

 

Установите  формулы  соединений  X  и  Y,  приведя  логику  своих  рассуждений  и 

необходимые расчеты. (1,5 балла) 

 
Известно,  что  один  из  таутомеров  катиона,  образующего  A,  (С

16

H

18

N

3

S

+

)  является 

высокосимметричным  соединением,  содержащим  2  типа  атомов  азота  и  4  типа  атомов 
водорода.  Структура  данного  катиона  может  быть  представлена  в  следующем  виде  без 
указания непредельных связей (R – заместитель): 
 

 

 

Учтите,  что  в  формировании  полициклической  системы  принимают  участие  12  атомов 
углерода. 
 

2.

 

Установите структуру данного таутомера. (2 балла) 

 

3.

 

Какой  таутомер  A  отвечает  за  наличие  у  данного  вещества  характерного  цвета? 

(1 балл) 

 
Деградация  A  в  водном  растворе  в  присутствии  наночастиц  соединения  X  и  пероксида 
водорода протекает с образованием частиц, имеющих, по данным одной из разновидностей 
масс-спектрометрии,  ESI-MS  следующие  соотношения  m/z:  270  (A1),  256  (A2)  и  111  (A3, 
C

6

H

11

N

2

, содержит систему из трех сопряженных двойных связей). 

 

4.

 

Установите структуры A1-A3, если они состоят из тех же элементов, что и A. (3 балла) 

 

5.

 

Предложите две реакции разложения пероксида водорода в присутствии наночастиц 

X с образованием реакционноспособных радикалов. (2 балла) 

 

6.

 

Каким  основным  свойством,  кроме  высокой  каталитической  активности,  с  Вашей 

точки  зрения,  должен  обладать  катализатор  разложения  органических  веществ  в 
сточных водах? (0,5 балла) 

77

 

 

 

Известно, что красящие свойства соединения  A лежат в основе одного из методов лечения 
некоторых психиатрических заболеваний, в частности биполярных расстройств. 
 

7.

 

Предложите  механизм  лечебного  эффекта  соединения  A.  Обусловлен  ли  он 

наноразмерными частицами? (1 балл) 

 
Всего – 11 баллов 

78

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Решение задачи 2. Деградация красителя 

 

1.

 

Определим молекулярную массу металла, участвующего в образовании наночастиц, с 
учетом  того,  что  формула  Y  может  быть  представлена  Ме(NO

3

)

n

,  где  n  –  степень 

окисления металла: 
 

   

                        

     

            

 
При n = 3 получаем, что искомый металл железо (M = 55.86 г/моль).  
 
Остаток  молярной  массы  не  соответствует  девяти  атомам  кислорода,  поэтому 
резонно предположить, что Y – гидрат нитрата железа (III). Тогда нетрудно рассчитать 
число атомов кристаллизационной воды в соединении: 
 

   

 

    

                                         

 

     

    

 
Отсюда  формула  Y  –  Fe(NO

3

)

3

·9H

2

O,  при  нагревании  которого  в  описанных  в  задаче 

условиях образуются наночастицы вещества X – оксида железа (III) α-Fe

2

O

3

. 

(формулы X и Y по 0.75 балла; всего 1.5 балла) 

 

2.

 

Количество  атомов  углерода  в  составе  заместителя  R  составляет  (16–12)/2  =  2.  При 
этом в состав полициклической системы должны входить атом серы и атом азота, так 
как  в  случае  вхождения  в  состав  циклов  двух  атомов  азота,  на  два  одинаковых 
заместителя  R  будет  приходиться  всего  один  атом  азота.  Отсюда  R  содержит  один 
атом азота. Высокая симметричность катиона соединения A, число типов атомов N и 
H приводят только к таким полициклическим фрагментам: 
 

 

 
С  учетом  соотношения  атомов  водорода  и  углерода  в  структуре  катиона  A,  он 
содержит  систему  ненасыщенных  связей.  В  предельном  случае  полициклический 
фрагмент  должен  содержать  6  атомов  водорода  (тогда  остальные  12  находятся  в 
составе радикалов, по 6 на каждый). С учетом типов атомов водорода заместитель  R 
должен  иметь  структурную  формулу  (CH

3

)

2

N,  тогда  формула  искомого  таутомерного 

катиона:  
 

 

 
(одна структура – 1.5 балла, 2 структуры – 2 балла) 

 

3.

 

Для  органических  красителей  принципиальной  с  точки  зрения  наличия  окраски 
является  хромофорная  система  –  система  сопряженных  непредельных  связей, 

79

 

 

 

поэтому  из  двух  вариантов  остается  только  один,  относящийся  к  группе 
хинониминовых синтетических красителей (метиленовый синий): 
 

 

 

4.

 

Исходя  из  последовательной  утери  при  переходах  A→A1→A2  14  единиц  атомной 
массы  (при  этом  обратим  внимание  на  отсутствие  в  соединениях  A1  и  A2  атомов 
кислорода)  можно  однозначно  утверждать,  что  на  этих  стадиях  происходит  реакция 
деметилирования с образованием следующих продуктов: 
 

 

 

Принимая  во  внимание  состав  A3,  с  учетом  предполагаемой  структуры  A2  можно 
выделить соответствующий фрагмент: 
 

 

 

(по 1 баллу за соединение, всего  3 балла) 

 

5.

 

Fe

3+

surface

 + H

2

O

2

 → Fe

2+

surface

 + 

•

OOH + H

+

  (1); 

Fe

2+

surface

 + H

2

O

2

 → Fe

3+

surface

 + 

•

OH + OH

–

  (2). 

 
(реакции по 1 баллу; всего 2 балла) 

 

6.

 

Важнейшим  свойством  катализаторов  разложения  органических  веществ  в  сточных 
водах  или  непосредственно  в  водоемах  выступает  отсутствие  у  них  токсичности, 
наличие  которой  бы  нивелировало  позитивное  воздействие  на  состояние 
окружающей  среды  за  счет  каталитического  действия.  Отметим,  что  наночастицы 
оксида железа (III) с этой точки зрения являются идеальным агентом. 

 

7.

 

Использование  метиленового  синего  в  качестве  лекарственного  средства  никоим 
образом  не  может  напрямую  повлиять  на  развитие  психиатрических  заболеваний, 
имеющих  сложную  гетерогенную  природу.  Но  при  этом  с  его  помощью  можно 
индуцировать  эффект  плацебо  у  лиц,  страдающих  биполярными  расстройствами, 
заранее  сообщив,  что  если  их  моча  на  фоне  приема  препаратов  окрасится  в  синий 
цвет, это будет означать их выздоровление. 
 

80

 

 

 

Физиологически 

это 

обусловлено 

тем, 

что 

в 

результате 

внушения 

мозг пациента начинает  выработку  соответствующих  этому  действию  веществ,  в 
частности эндорфинов, которые, по сути, частично заменяют действие лекарственных 
препаратов. В свою очередь, эндорфины представляют собой олигопептиды, размеры 
которых как раз находятся в нанодиапазоне. 

81