Задания студенческого Химического турнира «ВОДА»

 

Отборочный тур

№1. Критическая точка.

Каковы физико-химические причины того, что вода возле критической точки значительно лучше растворяет  неполярные соединения (даже простые углеводороды), чем обычная вода?

 

№2. Проницаемость мембран.

В современной биохимии большое внимание уделяется измерению скорости различных процессов. Одним из важных биохимических процессов является водно-солевой обмен в клетках. Предложите наиболее удобный на Ваш взгляд способ измерения скорости проникновения воды через клеточную мембрану.

 

№3. Скользкий лед.

Предложите объяснение того, почему лед скользкий.

 

№4. Одномерная вода.

После открытия углеродных нанотрубок и аквапоринов началось интенсивное исследование поведения воды в наноканалах. Оказалось, вода в нанометровых каналах проявляет ряд необычных свойств. Изменения каких свойств жидкой воды можно ожидать в этих условиях. Предложите объяснение этих изменений.

 

№5. Водосберегающие технологии

Одним из перспективных направлений современной технологии является производство биотоплива. Однако эти технологии весьма водозатратны. Например, получение 1 м³ этанола на основе сахарного тростника и кукурузы требует, соответственно, 458 и 2036 м3 чистой воды. На каких стадиях производства биотоплива можно применить водосберегающие технологии. Какие приемы экономии воды Вы могли бы предложить.

 

№6. Азот грунтовых вод.

Одними из трудноудаляемых и токсичных для человека примесей в грунтовых водах являются соединения азота (нитраты, нитриты). Оказалось, что их содержание сильно зависит от времени года. Объясните причину сезонных изменений содержания соединений азота в грунтовых водах. В какие месяцы необходим особенно тщательный контроль их концентрации в питьевой воде, получаемой из колодцев и артезианских скважин?

 

№7. Атомная энергетика

Можно ли разработать метод получения водорода из воды, используя огромную тепловую энергию атомных реакторов без преобразования ее в электроэнергию?

№8. Мышьяк.

В ряде стран Юговосточной Азии питьевая вода содержит существенные количества мышьяка в виде растворимых арсенитов и арсенатов. Поэтому при освоении новых источников питьевой воды обязателен анализ на эти ионы. К сожалению, обычные химические методы экспресс-анализа не обладают достаточной чувствительностью, а приборные методы требуют доставки образцов в крупные лаборатории, то есть не являются экспрессными. Предложите метод анализа природных вод на арсениты и арсенаты, использующий минимальное количество оборудования, доступное для полевых лабораторий.

 

№9. Луна.

Спектральные исследования лунного грунта показали наличие адсорбированных на нем молекул Н₂О, радикалов ^•ОН и катионов [Н₂О]⁺. Предложите гипотезу образования «лунной» воды.

 

№10. Снежинки.

Известно, что все снежинки, выпадающие в виде осадков, обладают шестиугольной  формой (искаженной в той или иной степени). Предложите способы получения снежинок другой формы. Какие типы многоугольников можно получить по предложенному Вами методу?

 

Финальный тур.

№11. Марганец в воде.

Известно, что скваженная вода, содержащая большое количество железа (обычно в виде ионов Fe²⁺  и комплексов с гуминовыми кислотами), имеет достаточно высокую (до нескольких мг/л) концентрацию марганца, который, в отличие от железа, вреден для здоровья (ПДК 0,1 мг/л). Промышленные обезжелезиватели на основе диоксида марганца, удаляя железо, не уменьшают (или даже увеличивают) концентрацию марганца в воде. Системы обратного осмоса не рассчитаны на большие потоки. Предложите способ удаления марганца из питьевой воды, свободный от этих недостатков.

 

№12. Красное мясо.

В одном из регионов России жители начали жаловаться на то, что мясо при варке не меняет свой цвет (остается красным). Эффект наблюдается даже в воде, пропущенной через бытовой (угольный) фильтр. Какова возможная причина наблюдаемого явления, предложите способ его устранения.

 

№13. Сосульки.

Известно, что на карнизах старых домов в зимнее время образуются сосульки, при этом современные многоэтажки свободны от этой проблемы. Предложите недорогое покрытие для карнизов «опасных» домов, препятствующее образованию (или последующему падению) сосулек, но не нарушающее архитектурный облик нашего города.

 

№14. Физико-химические свойства мембран.

Многие физико-химические свойства липидных мембран (например, клеточных), такие как их толщина, фазовое состояние, текучесть и др. легко могут быть определены. В то же время проблемой является определение расположения молекул воды на поверхности мембраны. Предложите метод определения этого важного для биохимии параметра мембран.

 

№15. Ионообменные смолы.

При регенерации ионообменной смолы, используемой при промышленном и бытовом умягчении воды («карбоксильная смола»), используются минеральные кислоты. При этом, из-за невысокой эффективности процесса, не менее 50% регенерирующего вещества сливается в канализацию. Предложите способ(ы) регенерации больших количеств смол, свободные от этого недостатка.

 

№16. Гидрофильный полиэтилен.

Известно, что полые волокна, используемые в установках для микрофильтрации крови, изготовлены, чаще всего, из полиэтилена.  Для обеспечения первичного вытеснения воздуха из волокон их гидрофилизуют. Обычно для этого используется сложный и трудоемкий процесс, включающий плазменную обработку. Предложите дешевый метод гидрофилизации полиэтилена.

 

№17. Органическая химия в воде.

В последние годы многие органические реакции пытаются проводить не в органических растворителях, а в водных системах. Определите те особенности органических реакций, которые позволяют эффективно перенести их из органических растворителей в водные растворы. Какие типы органических реакций на Ваш взгляд в принципе не могут протекать в водной фазе.

 

№18. Нанотрубки.

Получение нанотрубок химическим осаждением из газовой фазы (CVD-процесс) сопровождается образованием значительного количества примеси аморфного углерода. Однако было показано, что добавление в газовую фазу контролируемого количества паров воды позволяет получить нанотрубки чистотой 99,98%. Предложите объяснение роли паров воды в получении чистых нанотрубок.

№19. Перекись водорода.

Перекись водорода является одним из продуктов крупнотоннажного химического синтеза. Основной современный способ ее получения - антрахиноновый - требует большого количества ароматических веществ и, следовательно, потенциально экологически опасен. Какие химические процессы можно было бы положить в основу промышленного получения Н₂О₂ из воды? Желательно, чтобы предложенный Вами метод был свободен от недостатков современного и более ранних промышленных процессов.

 

№20. Фотокатализ.

Фотокаталитическое разложение воды с использованием солнечной энергию является идеальным способом получения чистого водорода как носителя энергии. Еще в 1970-х годах было показано, что эффективным, дешевым, нетоксичным и химически устойчивым катализатором процесса фоторасщепления воды является TiO2. Главным недостатком TiO2 является неспособность использовать видимый свет. В то же время известно, что только 3% энергии падающего на земную поверхность солнечного света составляет энергия ультрафиолетового света.  Какие модификации процесса фотокатализа могут позволить использовать видимый участок солнечного спектра, сохраняя при этом достоинства TiO2 как катализатора.

 

Желаем успехов!

Составители задач.