XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 36

 

 

 

 

 

К  этанольному  раствору  поли-N-винилпирролидона  добавили  кристаллы  Z  и  интенсивно 
перемешивали раствор. Постепенно раствор приобрел красный цвет и загустел, а затем стал 
твердым.  Изменяя  концентрацию  наночастиц  X  в  полимере,  можно  изменять  оптические 
свойства материала, в том числе и показатель преломления. 
 

1.

 

К какому классу относится полученный наноматериал? (2 балла) 
 

2.

 

Из каких частей он состоит? (2 балла) 

 

3.

 

Запишите формулы веществ X, Y, Z. (6 баллов) 

 

4.

 

Запишите  уравнение  реакции  образования  полимера,  а  также  все  другие  реакции, 
упомянутые в тексте. (6 баллов) 

 

5.

 

Чем обусловлена окраска наночастиц Х? (2 балла) 

 

6.

 

При проведении опыта при более высокой температуре полимер окрасился в желтый 
цвет.  Сопоставьте  размеры  наночастиц  в  образцах  поливинилпирролидона, 
окрашенных в красный и в желтый цвет. (2 балла) 

 

Всего – 20 баллов 
 

Задача 8. Биокаталитическое формирование наноразмерных материалов

 

 

 

 
Изучение  уникальных  свойств  элементов  скелета  стеклянных  губок  класса  Hexactinellida 
может 

способствовать 

пониманию 

молекулярной 

эволюции 

опорных 

структур 

беспозвоночных животных в скелеты многоклеточных организмов.  
 
Однако  самой  перспективной  практической  точкой  приложения  получаемых  знаний 
представляется  разработка  новых  подходов  по  биокаталитическому  формированию 
наноразмерных  материалов.  Так,  образование  спикул  –  минеральных  элементов  скелета 
губок  критично  зависит  от  белка  силикатеина,  который  участвует  в  формировании 
неорганических  полимеров  на  основе  оксида  кремния  (IV).  Органической  матрицей,  на 
которой  формируется  скелет  губок  путем  отложения  соединений  кремния,  служит 
фибриллярный белок X. 
 
Известно, что белок X содержит необычный мотив – повторяющуюся последовательность из 
трех  аминокислотных  остатков.  Соответствующий  данной  последовательности  трипептид  Y 
(молярная  масса  301  г/моль)  образован  остатками  аминокислот  A,  B  и  C.  Соотношение 
молярных масс аминокислот A и C составляет 1.75. 

282

 

 

 

 

 

1.

 

Если  предположить,  что  Y  образован  только  каноническими  аминокислотами, 
возможно  ли  найти  такие  структуры  A-C,  которые  соответствуют  условию? 
Обязательно  приведите  логику  своих  рассуждений,  воспользовавшись  справочной 
информацией в конце условия. (6 баллов) 
 

2.

 

Сколько  ациклических  трипептидов  с  указанной  молярной  массой  можно  построить 
на  основе  аминокислот  A,  B  и  C,  найденных  Вами  при  ответе  на  первый  вопрос? 
(3 балла) 

 
В  действительности,  только  аминокислота  С  является  канонической.  При  этом  две  другие 
являются  структурными  изомерами  и  получаются  в  одну  стадию  из  остатка  (res) 
канонической аминокислоты D по уравнению реакции: 
 

res-D + C

5

H

6

O

5

 + O

2

 → res-B + C

4

H

6

O

4

 + CO

2 

 

3.

 

Установите  структурные  формулы  аминокислот,  если  в  данной  реакции  атомы 
углерода, связанные с атомом азота в молекуле D, не подвергаются атаке кислорода.  
(6 баллов) 

 

4.

 

Какой  тип  межмолекулярных  связей,  с  Вашей  точки  зрения,  является  основным  в 
формировании депозитов полимера на основе оксида кремния на белке X? (1 балл) 

 
Было  показано,  что  силикатеины  способны  к  гидролизу  нитратов  некоторых  металлов  с 
образованием  наноразмерных  частиц,  размещающихся  на  белковой  фибрилле  (см. 
фотографию).  Так,  наночастицы  соединения  Z1  (67.87%  металла  и  31.15%  кислорода  по 
массе)  для  целей  эксперимента  получают  внесением  филамент  силикатеина  в 
концентрированный водный раствор нитрата Z при 16°С. 
 

5.

 

Установите соединения Z и Z1, приведя необходимые расчеты. (4 балла) 

 
Всего – 20 баллов 
 

 

283

 

 

 

 

 

Справочная информация по каноническим аминокислотам  H

2

N–CH(R)–COOH 

 

Аминокислота 

Аббревиатура 

Боковая цепь -R 

Молярная 

масса, Да 

глицин

 

Gly 

-H 

75,1 

аланин

 

Ala 

-СH

3 

89,1 

серин

 

Ser 

-CH

2

OH 

105,1 

пролин

 

Pro 

-CH

2

CH

2

CH

2

- 

115,1 

валин

 

Val 

-CH(CH

3

)

2

 

117,1 

треонин

 

Thr 

-CH(OH)CH

3

 

119,1 

цистеин

 

Cys 

-CH

2

SH

 

121,2 

изолейцин

 

Ile 

-CH(CH

3

)CH

2

CH

3

 

131,2 

лейцин

 

Leu 

-CH

2

CH(CH

3

)

2

 

131,2 

аспарагин

 

Asn 

-CH

2

CONH

2

 

132,1 

аспарагиновая 
кислота 

Asp 

-CH

2

COOH 

133,1 

глутамин

 

Gln 

-CH

2

CH

2

CONH

2

 

146,1 

лизин

 

Lys 

-(CH

2

)

4

NH

2

 

146,2 

глутаминовая кислота 

Glu 

-CH

2

CH

2

COOH 

147,1 

метионин

 

Met 

-CH

2

CH

2

SCH

3

 

149,2 

гистидин

 

His 

-CH

2

-C

3

H

3

N

2

 

155,2 

фенилаланин

 

Phe 

-CH

2

C

6

H

5

 

165,2 

селеноцистеин

 

Sec 

-CH

2

SeH

 

168,1 

аргинин

 

Arg 

-(CH

2

)

3

NH-C(NH)NH

2

 

174,2 

тирозин

 

Tyr 

-CH

2

-C

6

H

4

OH 

181,2 

триптофан

 

Trp 

-CH

2

C

8

H

6

N

 

204,2 

 
 

 

284

 

 

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Решения. Простые задачи (вариант 2) 

 

Решение задачи 1. Синтез нанопленки 
 

Очевидно, что неметалл – это кислород, вещество – оксид. Ни один из оксидов постоянной 
валентности  не  соответствует  массовой  доле  металла  73.4%.  Среди  смешанных  оксидов 
перебором можно определить формулу Co

3

O

4

. (4 балла) 

 
Уравнение реакции: 6Co(OH)

2

 + O

2

 = 2Co

3

O

4

 + 6H

2

O. (4 балла) 

 

Решение задачи 2.

 

Люминесцентный материал 

 
По  условию,  объем  полимера  равен  объему  мономера,  т.е.  20  мл  (гексан  объемом  2.5  мл 
испарили). В 20 мл полимера содержится 25 мг люминофора X, в 1 см

3

 – 1.25 мг X. (4 балла) 

 
Число наночастиц: 1.2510

–3

 / 5.010

–18

 = 2.510

14

. (4 балла) 

 

Решение задачи 3.

 

Оксид графена 

В  20%  sp

3

-гибридных  атомов  входят  атомы  C  и  O.  На  одну  эпоксидную  группу 

, 

содержащую  3  атома,  приходится  12  неокисленных  атомов  C  в  sp

2

-гибридном  состоянии. 

Формула  оксида  графена  –  C

14

O.  (4  балла)  Если  учитывалась  гибридизация  только  атомов 

углерода, то ставился 0 баллов. 
 
Уравнение реакции: C

14

O + C

3

H

8

O  14C + C

3

H

6

O + H

2

O 

m(C

3

H

8

O) = 1 / M(C

14

O)  M(C

3

H

8

O) = 1 / 184  60 = 0.326 г. (4 балла) 

 
Если  в  предыдущем  пункте  была  получена  неправильная  формула,  но  с  ней  был  проведен 
правильный расчет по уравнению реакции, за второй пункт ставился максимальный балл. 
 

Решение задачи 4.

 

Нанопорошок 

 
На восстановление 1.0 г неизвестного оксида требуется 0.0133 моль алюминия. Для оксидов 
уравнения реакций записываются так: 
 

2 Al + 3 М

2

O = Al

2

O

3

 + 6 M  

 

ν(Al)  = 0.0133 моль 
ν(M)  = 0.0200 моль 
M(M

2

O) = 50 г/моль 

M(M) = 17 г/моль 
Подходящего металла нет 

2 Al + 3 MO = Al

2

O

3

 + 3 M  

 

ν(Al) = 0.0133 моль 
ν(M)  = 0.0200 моль 
M(MO) = 50 г/моль 
M(M) = 34 г/моль 
Подходящего металла нет 

285

 

 

 

 

 

2 Al + М

2

O

3

 = Al

2

O

3

 + 2 M 

 

ν(Al) = 0.0133 моль 
ν(M) = 0.00667 моль 
M(M

2

O

3

) = 150 г/моль 

M(M) = 51 г/моль 
Подходит 

ванадий, 

для 

которого 

характерна степень окисления +3. 

 
Таким образом, нанопорошок имеет состав V

2

O

3

. (4 балла) 

 
Уравнения реакций: 
 

2 Al + V

2

O

3

 = Al

2

O

3

 + 2 V  

 

 

(2 балла) 

V

2

O

3

 + 6 HCl = 2 VCl

3

ˑaq + 3 H

2

O  

 

(2 балла) 

 

Решение задачи 5.

 

Анодное окисление 

 

1.

 

На аноде: 













6H

O

Al

6e

O

3H

2Al

3

2

2

 

(1.5 балла) 

На катоде: 

2

H

2e

2H









 (в кислой среде) 

(1.5 балла) 

Суммарное уравнение реакции можно получить, сложив реакцию на аноде с тремя 
реакциями на катоде: 

2

3

2

2

2

3

2

2

3H

O

Al

O

3H

2Al

3H

6H

O

Al

6e

6H

6e

O

3H

2Al





























 

(1 балл) 

 

2.

 

По закону Фарадея найдём массу образовавшегося оксида алюминия: 
 

QM

m

nF



 

 
Объём плёнки равен  

m

V 



 

или  

V

S h

 

 

 
Тогда 

3

2

3

г

100 Кл 102 

г

моль

3.12 

Кл

см

6 96485 

1.13 см 5 10 см

моль

QM

m

S h

nF

QM

nFSh



   



 









 

 

(4 балла) 

 

 

286

 

 

 

 

 

 

Химия для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Решения. Более сложные задачи 

 

Решение задачи 6. Карбин 

 

1.

 

α-карбин: 

n

)

C

C

C

C

(











 

β -карбин: 

n

)

C

C

C

C

(











 

 
Обе  структуры  линейные.  Отличие  в  строении  данных  модификаций  состоит  в 
различной  кратности  связей  углерод-углерод:  в  случае  α-карбина  это  чередующиеся 
одинарные и тройные связи, а в случае β-карбина это только двойные связи. 

 

2.

 

Одним из наиболее простых методов является озонирование карбина, так как α- и β-
карбин приведут к различным продуктам окисления: 

 

COOH

HOOC

  

2n

)

C

C

C

C

(

O

H

  

2.

O

  

1.

n

2

3





 













 

2

O

 

n

CO

  

4n

)

C

C

C

C

(

3















 

 

3.

 

Соединение А – 





2

NC CH

COOH

: 

 

KCl

COOH

CH

CN

KCN

COOH

ClCH

2

2













 

 

Соединение B – 

COOH

CH

HOOC

2





: 

 

Cl

NH

COOH

CH

HOOC

O

H

HCl

COOH

CH

CN

4

2

2

2

















2

  (гидролиз) 

 
Соединение C – 

O

C

C

C

O









: 

3

C

100

5

2

2

4HPO

 

O

C

C

C

O

O

P

COOH

CH

HOOC

o

 

2













 









 (дегидратация) 

 

Соединение D –  

n

OH

OH

|

|

C

C

C

C

C

































: 

Mg(OH)Br

n

OH

OH

|

|

C

C

C

C

C

O

H

2n

CMgBr

BrMgC

n

O

C

C

C

O

 

n

n

2

 

2

 

 



















































(удлинение цепи) 

 

HCl

 

2n

SnO

n

)

C

C

C

C

C

(

  

SnCl

n

OH

OH

|

|

C

C

C

C

C

2

n

2

n





















































 

 

 

(восстановление) 

 
 

 

287

 

 

 

 

 

Система оценивания 

1.

 

Структурные формулы с пояснением – 2 балла (по 1 баллу за каждую структуру) 

2.

 

Химический метод – 4 балла 

3.

 

Соединения A – D и уравнения реакций – 14 баллов: 

Соединения A, B и C – по 1.5 балла 
Соединение D – 2 балла 
Уравнения – по 1.5 балла, всего 7.5 баллов. 
Всего за задачу 2 + 4 + 14 = 20 баллов 
 

Решение задачи 7. Полимерный наноматериал 

 

1.

 

Нанокомпозит (2 балла) 

 

2.

 

Нанокомпозит состоит из наночастиц серебра и полимерной матрицы (2 балла) 

 

3.

 

Кислота Y – HNO

3

, так как выделяется бурый газ NO

2

. 

 
При выходе 100% масса кристаллов составила бы 0.93 / 0.3 = 3.10 г. 
Предполагая, что металл одновалентный, (Х) = 1.97 / М = (XNO

3

) = 3.10 / (M+62), 

М = 108 (серебро), X – Ag, Z – AgNO

3

. 

(По 2 балла за вещество, всего – 6 баллов) 

 

4.

 

Ag + 2HNO

3

 = AgNO

3

 + NO

2

 + H

2

O 

 

Под  действием  этанола  серебро  восстанавливается,  образуя  наночастицы,  которые 
связываются полимерной матрицей. 
 

2AgNO

3

 + C

2

H

5

OH = 2Ag + 2HNO

3

 + CH

3

CHO 

 

При этом N-винилпирролидон и его полимер выступают в роли основания, связывая 
образующиеся ионы H

+

 и повышая рН. 

 
Реакция полимеризации: 
 

 

(По 2 балла за реакцию, всего – 6 баллов). 

 

5.

 

Окраска наночастиц обусловлена поверхностным плазмонным резонансом. (2 балла) 

 

6.

 

Плазмонная  частота  соответствует  поглощению  света  наночастицами.  Красная 
окраска  соответствует  поглощению  зеленого  света,  а  желтая  –  синего.  Синий  цвет 
имеет большую энергию (меньшую длину волны). Энергия плазмона определяется в 
том числе его поверхностью, она тем больше, чем меньше поверхность, то есть чем 
меньше  размер  наночастицы.  Соответственно,  наночастицы,  придающие  стеклу 
желтый цвет, по размеру меньше тех, которые окрашивают полимер в красный цвет. 
(2 балла) 

288

 

 

 

 

 

Решение  задачи  8.  Биокаталитическое  формирование  наноразмерных 
материалов 

 

1.

 

Определим суммарную молярную массу аминокислот, образующих Y: 
 

M(сум.) = M(Y) + 2M(H

2

O) = 301 + 36 = 337 г/моль 

 
Средняя  молярная  масса  аминокислот,  входящих  в  состав  Y,  составляет  337/3≈112 
г/моль.  Только  три  протеиногенные  аминокислоты  имеет  молярную  массу  меньше 
полученного значения  Gly, Ala и Ser. Так как средняя молярная масса относительно 
небольшая,  то  соединению  C  однозначно  соответствует  одна  аминокислота  из  этой 
тройки. Тогда: 

 

Аминокислота С 

Молярная масса А, г/моль 

Соответствие 

Gly 

131 

Ile, Leu 

Ala 

156 

- 

Ser 

183 

- 

 

Отсюда единственный вариант состава Y: глицин (С), изолейцин (A или B) и лейцин (A 
или B). Аминокислотный состав трипептида Y: Gly

1

-Ile

1

-Leu

1

. 

(структуры А-С по 2 балла; всего 6 баллов) 

 

2.

 

Так  как  в  условии  спрашивается,  сколько  ациклических  трипептидов  с  указанной 
молярной массой можно построить на основе аминокислот A, B и C, то с учетом того, 
что  Ile  и  Leu  –  изомеры  с  одинаковой  молярной  массой,  можно  предложить  три 
варианта аминокислотного состава: Gly

1

-Ile

1

-Leu

1

 (1), Gly

1

-Ile

2

 (2) и Gly

1

-Leu

2

 (3).  

 

Для вариантов (2) и (3) с учетом неэквивалентности N- и C-концов трипептида можно 
предложить по 3 структуры (как пример: Gly-Ile-Ile, Ile-Gly-Ile, Ile-Ile-Gly). Для варианта 
(1)  комбинаторика  предполагает  формирование  в  пределе  6  пептидов.  Тем  самым, 
всего  можно  предложить  12  вариантов  пептидов,  построенных  из  канонических 
аминокислот. (3 балла) 

 

3.

 

Определение  баланса  атомов  для  уравнения  реакции  модификации  остатка 
аминокислоты  D  приводит  к  заключению,  что  в  структурах  аминокислот  B  и  C 
появляется  дополнительный  атом  кислорода.  Так  как  молярные  массы  B  и  C 
совпадают (структурные изомеры!) и составляют 131 – 16 = 115 г/моль, то соединение 
D  –  это  пролин,  Pro.  С  учетом  условия,  что  в  реакции  атомы  углерода,  связанные  с 
атомом азота в молекуле D, не подвергаются атаке молекулярного кислорода, можно 
предложить только две структуры: 3-гидроксипролин и 4-гидроксипролин: 

 

 

 
(по 3 балла за каждую структуру, всего – 6 баллов) 

289