第三十四届国际化学奥林匹克竞赛

第三十四届国际化学奥林匹克竞赛

第一题 I -- 生命化学

生命与化学密切相关. 了解和监控生命过程受到了化学家的极大重视.

I-1 生命中的氧气

分数: 6 分

氧气对我们每个人的生命是至关重要的。O 2通过肺进入我们的身体, 然后由血液传输到我们身体的各个组织。 在体内，通过糖的氧化提供能量, 其反应式如下:

C 6H 12O 6 + 6 O 2

6 CO 2 + 6 H 2O

在这个反应中, 每消耗1摩尔O 2将产生400 kJ 能量。在血液传输过程中, 血红蛋白(Hb)中的每4个亚铁血红素基团(Hm) 与一个O 2结合。

游离亚铁血红素是由一个亚铁离子Fe 2+ 与二价卟啉负离子(porphyrin 2-)中的四个氮原子配位组成的。O 2能与亚铁离子Fe 2+的配位点键合配位形成一个配合物 Hm ⋅O 2(反应式2)。一氧化碳也能与亚铁离子形成配合物Hm ⋅CO(反应式1)。CO 有毒的原因在于它与亚铁血红素的结合能力远远强于O 2。

Hm + CO

Hm .CO (1)

Hm + O 2

Hm .O 2

(2)

反应(1)的平衡常数 K 1比反应（２）的平衡常数 K 2 大10000倍。

每个Hb 分子能承载４个O 2。能与O 2结合的血液只吸收了该量的一部分, 并取决于O 2的压力, 如图1的曲线1所示。图1中同时给出的 曲线(2)和(3)分别表示二种缺血红蛋白的血液与O 2结合的曲线。这种现象通常在一些有某些遗传疾病的病人中观察到。

血红蛋白素结合O 2的量与O 2的压力关系图如下：

O 2的压力, kPa

图1

相关数据:

肺中的O 2压力是15kPa; 在肌肉中的O 2压力是 2 kPa 。通过心脏和肺的血液最大流速为 4 ⨯ 10-4 m 3s -1。血液中的血红细胞占血液体积的40%；细胞中血红蛋白(Hb)的浓度是340 kg m -3，血红蛋白(Hb)的摩尔质量为64 kg mol -1。R = 8.314 J mol -1 k -1。T = 298 K 。

I-1-1 利用平衡常数 K 和标准吉布斯能量∆G 0的关系式, 计算反应(1)和反应(2)之间的吉布斯能量差。

答案:

计算过程:

10

20

1

oxygen pressure, kP

( 2)

( 1)

( 3)

I-1-2 当一摩尔的血红蛋白从肺到肌肉再回到肺中时, 从图1所示的曲线在框中计算在这三种类型中释放在肌肉组织中的O2的摩尔数(精确到２位有效数字)。

I-1-3特殊的S形曲线1 体现了血红蛋白的精细结构特征。曲线2中所反映的血红蛋白不是最优原因是:

❑❑与O2的结合能力太差。

❑❑与O2的结合能力太强。

❑❑最大的O2容量值太低。

❑❑是由一氧化碳中毒引起的。

1

I-1-5 计算人体产生的最大功率(假定其受O2的传输限制)。

I-2 氮在自然界中的循环(7分)

如果氨的含量超过 1 ppm, 它就对海洋动物有

毒。硝化细菌在将氨先转化为亚硝酸盐,再进一步转化为硝酸盐(土壤中氮的储藏形式)中起着十分重要的作用。

亚硝化单

胞菌

NH 3 + 2 O 2 + NADH

NO 2 + 2 H 2O + NAD -+

细

菌

NADH 是烟碱二核苷酸辅酶(NAD)的生化还原剂，NAD +是烟碱二核苷酸辅酶(NAD)的生化氧化剂，

硝化细菌

2 NO 3

-2 NO 2 + O 2

-

细菌

I-2-1 写出下列各种氮的存在形式中氮的氧化态：(填在化合物下面的框内)

NH 3

NO 2

NO 3--

亚硝酸盐的分光光度分析是基于它与指示剂反应后的有色产物在波长λ = 543 nm 时有最大的吸收。

为了使定量分析结果准确，必须作一条校正后的在最大吸收波长λ = 543 nm 时的吸光度与亚硝酸盐浓度关系的标准工作曲线，

I-2-2 在最大吸收波长λ = 543 nm 下测量吸光度是因为：

❑ ❑ 没有杂质的干扰。 ❑ ❑ 没有偏离散射光的影响。 ❑ ❑ 在这时测量的值是最准确的。 ❑ ❑ 以上都不是。

选择正确的答案。

吸光度是用分光光度计测量的。然而有5%的光，也叫散射光I s ，未经样品而直接被检测器接收了, 如图2所示.

图2

I-2-3 在 消光系数ε = 6000 M -1cm -1，l = 1 cm 和 浓度c = 1 ⨯10-4 M 下, 计算由分光光度计所显示的吸光度A 的值.

下表是测定水中亚硝酸盐含量的有关数据。

亚硝酸盐中氮的含量 (ppm) 在 543 nm 下的吸光度(l

= 1.000 cm 样品池)

空白 0.003 (由于溶剂中的不纯物造成的) 0.915 0.167 1.830 0.328

I-2-4 通过溶剂中的不纯物校正后，利用以上的数据计算校正曲线 A = m c + b 中的斜率 m 和截距 b 。

水样的双重分析结果在下表中给出。测量是在最大吸收波长λ= 543 nm和一个2.000 cm 样品池中进行的。

水样吸光度

分析结果1 0.562

分析结果2 0.554

为了计算亚硝酸盐中氮(N)的浓度( c)(单位：ppm)，可利用下面的公式(在l = 1.000 cm 样品池中测量的):

校正的吸光度= 0.1769 c + 0.0015

I-2-5计算以亚硝酸盐形式存在的氮(N)的平均浓度，以ppm 和μg mL-1为单

第二题II--工业生产中的化学