1  

 

                   

www.biosan.lv 

1ST ROUND, PROBLEMS  

Solve all or some of the four problems given on the next pages and write your answers in MS Excel answer sheets provided. If there are some explanations required, write them in English or Russian. Please, send your answers to: kimijas_olimpiades@inbox.lv till 29.10.2009. at 24:00. Answers which will be sent after this time will not be graded. Write all the answers in one workbook but in different worksheets for each problem. You should fill in the green spaces provided. 

File  name  must  consist  from  your  name,  surname  (in  English)  and  country,  for  example John_Black_England.xls (or *.xlsx). If you do not name the file as described you will receive 3 point penalty. For all correctly solved problems you can get the maximum of 30 points. The exact amount of points for each task is given at the top of each problem.  

All students who will be taking part  in at  least one round will participate  in the final round which will be held on the web on 27th of February. During the final round you will have to solve the multiple choice test.   Authors for problems in this round: 

   Kaspars Veldre  Vladislav Ivaništšev Bernardas Morkunas 

PhD student, University of Latvia, Department 

of Chemistry  

PhD student,  Tartu University, Institute 

of Chemistry 

3rd year student,  Cambridge University 

   Karina Kizjakina  Agris Bērziņš  Aurimas Vysniauskas PhD student, 

Virginia Polytechnic Institute and State 

University, Department of Chemistry 

MS student, University of Latvia, Department of 

Chemistry  

Student,  Oxford University 

 Good luck with problem solving! ☺   

If you have any questions, address them to us in English and send them to: kimijas_olimpiades@inbox.lv  Feel free to ask!      

2  

 

Problem 1 (Lithuania)

Self destructing paper (6 points)

Old  books  are  a  very  important  cultural  heritage  of  nation’s 

history. USA is losing this treasure, soon 40% of the books will be 

too  fragile to handle. Problem of this  fact hides  in the paper of 

these books. In XIX century paper manufacturers found it useful 

to  add  Al2(SO4)3  into  paper  in  the manufacturing  process  but, 

unfortunately,  this  compound  causes  self  destruction  of  the 

paper due to the formation of Al(OH)2+ ions during the hydrolysis reaction. 

a) Al(OH)2+ also forms in aqueous Al(NO3)3 solution.  Ionization degree of this hydrated ion is 

52.9% and pH of this solution is 5.00. Calculate pKa of this ion. 

b) One page of a book made  from paper manufactured using Al2(SO4)3 contains 0.86 mg of  it. 

Book of 500 pages was dipped into 5.0 L volume of water and all alum dissolved. 1.0 ml of this 

solution  was  taken  and  pipetted  into  1.0  L  flask  filled  with  distilled  water.  Calculate 

concentrations of all ions present in the resulting solution.  

c) What  compound  causes  destruction  of  the  paper?  Propose  possible  way  to  prevent 

destruction. 

 

f

t

t

TT

 

st

Problem

Searchi

We  all definition  fofrom the remdetrimental "Kryptonite"the most co

In one otable,  whicKryptonium 

1. Calcu2. Calcu

In other episThe  chemicTantalum: Unknown: 0

3. Calcupartia pos

Anothescreenshots

There wNovember 2sodium  liththere  is no small sensatorange colo

m 2 (Lat

ing for s

know  whator  that.  Thismains of Supeffects  on

" covers a vammon "greeof “Supermach  in  realithas a radioa

ulate radioaulate, after w

sode there ical  composit18.06%,  Xe0.57%. 

ulate  the emicle that conssible miner

r  version  ofs from this m

was no mine2006,  a minium  boron fluorine  in  ttion due to r when expo

tvia)

secrets

t  term  kryps material  isperman's nan  Supermaariety of formen" form. ans” episodety  correspoactive half‐li

ctive decay rwhat time on

s another idtion  for  theenon:  27.71

mpirical  formntains two alral for this fo

f what  is  krmovie that sh

eral with  sucneral  Jadaritsilicate  hydthis mineralits noticeabosed to UV li

of Super

ptonite  is  res usually  shative planet n  and  othms of the su

es it is given onds  to  unfe of 250 00

rate constannly 10% of s

ea for what e  Kryptonite1%,  Promet

mula of Krypluminum atoormula? Subs

ryptonite  is hows chemic

ch composite was discodroxide:  LiN and  it  is wble similarityight. 

3

rman (1

elated  to;  town  as havof Krypton, her  Kryptonubstance, bu

as " elemennbihexium/e00 years. 

nt of Kryptontarting kryp

kryptonite ie  according thium:  24.0

ptonite  in  “Soms, and thstantiate yo

mentioned cal composit

tion until  thovered  in  SeaSiB3O7(OH)hite rather y with krypt

10 point

there  is  no ving been  crand generalnians.  The t usually ref

nt 126" in pekaplutonium

nium. tonium will 

is: to  “Superm

02%,  Dialium

Superman  IIe unknown ur answer.

in  “Supermtion and app

he movie waerbia,  Jadar )  or  Na2OLithan green onite. The  j

ts)

clear reated lly has name fers to 

eriodic m  and  is  c

remain. 

man  III”  is  Pm:  10.62%,

II”, assuminelement is h

man  Returnspearance of t

as presentedValley.  Its  ci2O(SiO2)2(B2(see pictureadarite  fluo

called  Kryp

Plutonium: ,  Mercury: 

g  that Dialihydrogen. Is 

s”.  There  arthis mineral

d, but after chemical  for

2O3)3H2O.  Ae below),  it resces  in a 

tonium. 

15.08%, 3.94%, 

ium  is a there is 

re  some : 

that,  in rmula  is Although made a pinkish‐

g

4. Explafluor

Jadaritegroup  is P2

13.8047(1) Å

5. Calcujadaon th

The mo(relative inte

6. Use BKα ra

Possible jada

7. If  it patte

Bruk

ain  how  flurine is observ

e  crystallize

1/c with  latt

Å, c = 7.8695

ulate the volrite  (in g/cmhe right). 

ost intensive ensity, and d

d‐spacing (4.666 3.716 3.180 3.152 3.027 2.946 2.252 

Bragg’s equadiation with

arite PXRD p

is  possible ern from fig

ker D8 Advan

orine  can  bved?  

s  in  hard tice parame

51(9) Å, and 

lume of jadam3  if crystal 

diffraction d‐spacing) [2

Å)  R

ation to calch the wavele

patterns 

from  data ure in previo

nce diffracto

be  bound  in

monoclinic eters a = 6.7

β = 124.089

arite unit celstructure [1

reflexes are2].  

Relative inten62398274 40100 38 

culate positiength 0.1541

given  aboveous page wh

omter using C

4

jadarite.  In

crystals;  sp76421(7) Å, 

95(5)° [1].  

ll and densit1] of  it  is sho

 shown in ta

nsity

ions of 1st or18 nm is use

e,  please,  shich correspo

Cu Kα radiat

n what  othe

pace b = 

ty of own 

able 

rder diffractd.  

elect  the  rigonds to jada

tion.   

er mineral  s

ion reflexes 

ght  powderarite. All pat

ame  situatio

in 2‐Θ scale

r  diffraction terns are do

on with 

e(o) if Cu 

 

(PXRD) one with 

5  

 Jadarite  Hydrated copper uranyl phosphate 

 

There is a real mineral what is green and radioactive. Its chemical composition  is: Cu(UO2)2(PO4)2∙(8‐12)H2O  (hydrated copper uranyl phosphate). 

On  the  right  side  of  the  page  the  decay  chain  of uranium‐238  (main  isotope  of  natural  uranium)  is  shown. 

Assume, that process 238U → 234U is one step process with the 

rate  constant  the  same  as  for  238U →  234Th.  In  natural uranium  nowadays  the  abundance  of  isotopes  is  238U  – 99.2742%, 235U – 0.7204% and 234U – 0.0054%. 

8. Write down all the reactions and classify them by the type of decay (alpha, beta or     gamma). 

Alchemist  Daniel  Rebuss  took  5.00  g  of  Cu(UO2)2(PO4)2∙(8‐12)H2O  (hydrated  copper uranyl  phosphate)  and  determined  that  it  loses  20.6%  of mass  by  heating.  Let’s  assign amount of uranium atoms in this ore with N0.  

9. Calculate N0.  

10. Construct the graph to show how the amounts of 238U, 234U, 230Th, 226Ra and 222Rn in     this sample will change during the next million years.  

For your calculations you can use computer program “Kinet” from IChO 2007 (Moscow, Russia),  program  “Kinetics”  (available  in  http://lu.lv/skoleniem/kim/konkurss/2009/, created by Mihails Arhangeļskis) or create your own calculation spreadsheet, for example, in MS Excel.  Graphs can be saved as screenshots (use Print Screen button).  

11. Find  the  time  tmax1,  when  there  is  maximum  number  of  230Th  atoms  in  the  sample  of     Daniel Rebuss. 

Now, assume that you have pure 234U isotope. In situations  like this tone can use equations given below for calculation of the amount of particles in left (?) time: 

 

And its derivative:  

 

12. Using formulas given above calculate the time tmax2, when there is the maximum number of 230Th atoms     in the sample. 

13. Explain the differences between tmax1 and tmax2! 

Scientific references 1. P. S. Whitfield, Y. Le Page, J. D. Grice, C. J. Stanley et.al. LiNaSiB3O7(OH) ‐ novel structure of the new borosilicate 

mineral jadarite determined from laboratory powder diffraction data, Acta Cryst. (2007). B63, 396‐401  2. Web  page:  mindat.org  ‐  the  mineral  and  locality  database  Available  online:  http://www.mindat.org/min‐

31570.html [07.07.2009.],Copyright  Jolyon Ralph and Ida Chau 1993‐2009 

6  

Problem 3 (Lithuania)

Push those arrows (8 points)

The study of  the mechanisms of reactions  in the modern organic chemistry  is a  field of a great scientific interest. In this problem you will have an opportunity to show your skills  in predicting mechanisms of simple (and not so simple) organic and bioorganic reactions.  

At first, let us explore a very handy reaction discovered by Charles Friedel and James Crafts in 1877.  

1. Provide a detailed mechanism for Friedel‐Crafts alkylation.  

 However, the Friedel‐Crafts alkylation is usually replaced by Friedel‐Crafts acylation.  

2. Provide a detailed mechanism for Friedel‐Crafts acylation.  

 3. Predict the reagents for synthesis of the Product 1 using Friedel‐Crafts alkylation reaction. Predict the 

major products of this reaction along with mechanisms of their formation.  

That is it for the easy part. ☺  

4. Provide a detailed mechanism for the formation of 1,2,3,4,5,6‐hexahydropentalene 

 Feeling bored already? Well, you should. Now, let us explore a basic bioorganic reaction. ☺ 

5. Provide a plausible mechanism for the formation of a cyclic triterpene and spot the terpene subunits in the starting compound and the product. (Hint:  ‐OPP group acts as a  leaving group during the first step) 

 

g

Problem

Secrets

Nucleapreeminent  tcompounds. of NMR, espeNMR  methogroups can bproblem belocompound. 

CompoNMR spectrucontaining twaddition  to  tReduction of 1H  NMR  specompound  gmaximums  iOzonolysis ofacid (Malonic

a) Draw

b) Draw

m 4 (Est

of spect

ar  magnetic technique  foChemists heecially on 1H‐d.  In  additioe gained withow demonstr

ound of empium and anothwo methyl grthat,  the  resuthe given comectrum  and gives  compoun  the  intervf this compouc acid), ethan

w the structu

w the mechan

tonia)

troscop

resonance  (or  determininavily rely on NMR, which on,  some  infh Infrared (IRrates how NM

irical  formulaher a triplet. roups one of ulting  compompound by Lintensive  maund  C10H14O3

val  1700–172und gives theedioic acid (O

re of the orig

nisms for all t

y (6 poi

NMR)  spectrng  the  structthe spectrosis the most cformation  ab) spectroscopMR and  IR ca

a C12H18O3 coReduction owhich still h

ound  has  inteiAlH4 gives coaximum  at  3

3  which  has 20  cm−1  and e following pOxalic acid).

ginal compoun

the mentione

7

ints)

roscopy  is  thture  of  organscopic methocommonly usebout  functionpy analysis. Than be used  to

ntains two mf the given cas a triplet  inensive maximompound C10H3400  cm−1  insinglet  for  ma  broad  maroducts: 4‐ox

nd. 

d reactions.

he nic ds ed nal he ogether  to de

methyl groupsompound byn  1H NMR spmums  at  3400H18O2 which hn  IR  spectrummethyl  grouaximum  at  2xopentanoic a

etermine  the

s one of whicy NaBH4 givesectrum but a0  and  1740 has doublet fom.  Basic  hydp  in  its  1H 2500–3400  cacid (Levulini

e structure of

ch has a sings compound another a docm−1  in  IR  spor methyl grodrolysis  of  thNMR  spectrucm−1  in  IR  spic acid), prop

f a given 

glet  in 1H C12H20O3 ublet.  In pectrum. oup in its he  given um,  two pectrum. anedioic