解读诺贝尔医学奖中的化学知识

2016-10-09 18:39李德前
试题与研究·中考化学 2016年2期
关键词:青蒿青蒿素溶液

李德前

2015年10月5日,瑞典卡罗琳医学院在斯德哥尔摩宣布,将2015年诺贝尔生理学或医学奖授予中国药学家屠呦呦。屠呦呦成为第一位获得诺贝尔科学奖的中国本土科学家,她的获奖理由是:“因为发现青蒿素——一种用于治疗疟疾的药物,挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命。”

屠呦呦所获诺贝尔医学奖涉及新物质的提取和制造,因而与化学密切相关。本文将以化学的视角解读2015年屠呦呦的诺贝尔医学奖。

一、青蒿素的组成

例1.屠呦呦获得诺贝尔奖,引起国人的高度关注。某化学兴趣小组尝试利用初中化学知识探究青蒿素的组成,他们设计了如图1所示的实验装置。已知 NaOH与酒精不反应,但能溶于酒精形成无色溶液,NaOH的酒精溶液与NaOH的水溶液化学性质相似,碳酸钠不与酒精反应也不溶于酒精。请回答下列问题。

(1)实验装置中有一处明显错误,合理的改正是 。

(2)实验时打开分液漏斗的活塞,将H2O2溶液滴入A装置中,再点燃C处酒精灯。A装置中CuSO4溶液起 作用。

(3)观察到 现象,说明青蒿素试样中含有碳元素,装置E中反应的化学方程式为 。

(4)装置F的作用是 。

(5)若青蒿素试样为14.1 g,其完全燃烧后,装置D增重9.9 g,装置E增重33 g(假设各装置均能充分吸收有关气体)。据此可以算出,14.1 g青蒿素试样中含有的碳、氢、氧元素的质量及其质量分数(如碳元素质量是 g,氧元素的质量分数是 ),再结合青蒿素的相对分子质量,即可推出青蒿素的化学式。

(6)若缺少装置B,测出的氢元素质量会 (填“偏小”“偏大”或“无影响”)。

解析:(1)装置B是洗气瓶,导气管应“长进短出”,这样才能除去氧气中的水蒸气。 (2)在过氧化氢的分解反应中,硫酸铜溶液具有催化作用,能使过氧化氢在常温下即可快速分解。(3)青蒿素中若含有碳元素,则其完全燃烧后会生成二氧化碳,二氧化碳进入E装置中会与氢氧化钠反应生成碳酸钠,而碳酸钠在酒精中不溶解。因此,会观察到氢氧化钠的酒精溶液变浑浊的现象。(4)本实验通过测量青蒿素完全燃烧生成的二氧化碳和水的质量,进而计算出青蒿素的组成,所以,F装置主要是阻止空气中的二氧化碳、水蒸气进入E装置,以防干扰实验。(5)分析实验数据可知,14.1 g青蒿素完全燃烧生成9.9 g水、33 g二氧化碳。33 g二氧化碳中含有的碳元素质量为33 g×[1244]=9 g,即14.1 g青蒿素中含有9 g碳元素;青蒿素完全燃烧需要的氧气质量为9.9 g+33 g-14.1 g=28.8 g,而33 g二氧化碳中含有氧元素的质量为33 g-9 g=24 g,9.9 g水中含有氧元素的质量为9.9 g×[1618]=8.8 g,进而可知14.1 g青蒿素中含有的氧元素质量为24 g+8.8 g- 28.8 g=4 g,所以青蒿素中氧元素的质量分数为[4 g14.1 g]×100%=28.4%。(6)氢元素的质量是通过测定装置D吸水后增加的质量来推算的,若缺少B装置,将使装置D的质量偏大,这样推算出的氢元素质量也会偏大。

答案:(1)装置B中的进气管插入液面下,出气管刚好露出橡皮塞 (2)催化 (3)E中溶液变浑浊 CO2+2NaOH=Na2CO3↓+H2O (4)吸收空气中的二氧化碳和水蒸气,防止进入E装置 (5)9 28.4% (6)偏大

二、青蒿素的提取

例2.屠呦呦曾对媒体指出,她看到葛洪的《肘后备急方》记录了一个治疗疟疾的药方:“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁,尽服之”,她因此认识到“不能用加热的方法提取青蒿素”,于是改用乙醚提取。请回答下列问题。

(1)研究表明,在60 ℃时青蒿素的结构就会被破坏,从而失去活性。据此可知,青蒿素具有的化学性质是 ,贮藏青蒿素药品应注意 、密封保存。

(2)乙醚的分子结构如图2所示,其中短线表示原子间的连接,则乙醚的化学式为 。乙醚的沸点很低(34.6 ℃),将少许乙醚吸入注射器里,封闭后手捂针筒加热,很快观察到乙醚 。 [H C C O C C H][H][H] [H][H][H][H][H][H][图2]

(3)乙醚是优良的有机溶剂,利用乙醚提取青蒿素的主要流程是:干燥、破碎青蒿叶→在乙醚中浸泡、萃取→浓缩提取液→粗品→精制。由其生产流程可知,青蒿素易溶于 ;浸泡、萃取时主要发生 (填“物理”或“化学”)变化。

(4)在图3所示的实验中,把浸有乙醚的少许棉花放在厚玻璃筒底部,当快速下压活塞时,浸有乙醚的棉花立刻燃烧起来。以下说法错误的是 (填字母)。

A.乙醚是可燃物,着火点不高

B.活塞向下压缩时棉花的着火点降低

C.做功可以改变物体的内能

D.厚玻璃筒内充满氮气时棉花不能被压燃

解析:(1)60 ℃时青蒿素的结构就会被破坏,说明青蒿素受热易分解;因此,贮藏青蒿素药品应注意防晒、避光,密封于阴凉干燥处。(2)观察乙醚的分子结构式可知,1个乙醚分子中含有4个碳原子、10个氢原子、1个氧原子,即乙醚的化学式是C4H10O。因为乙醚的沸点只有34.6 ℃,低于人体正常温度,所以“手捂加热”密闭针筒里的少许乙醚,可以观察到乙醚沸腾。(3)分析题意可知,青蒿素易溶于乙醚;从提取青蒿素的流程可以看出,对青蒿植物进行浸泡、萃取时,主要发生物理变化(这样才能确保青蒿素不分解流失)。(4)当用力把活塞迅速下压时,活塞做功使空气、乙醚蒸气的内能增加;由于乙醚的着火点仅有160 ℃,于是乙醚首先燃烧,进而引燃棉花团,在这个过程中,棉花的着火点没有改变;若玻璃筒内充满氮气,乙醚、棉花因为缺氧都不能燃烧。

答案:(1)受热易分解(或受热不稳定) 阴凉(或遮光) (2)C4H10O 汽化(或沸腾) (3)乙醚 物理 (4)B

三、植物青蒿的药用

例3.植物通过复杂的生物化学作用,能形成多种营养物质,有些特殊的成分还具有药用价值。像植物青蒿中就含有几百种化学成分,不仅可以预防疟疾,还能降温解热,是一种廉价的草药。请回答下列问题。

(1)光合作用的化学方程式是 。

(2)青蒿的枝叶干燥后,采用水蒸馏法可以提炼出青蒿油,它被广泛应用于医药、化妆品等行业。某种青蒿油的化学式是C8H18,其完全燃烧的化学方程式是 。

(3)青蒿中不仅含有青蒿素(C15H22O5),还含有青蒿甲素(C15H22O3),它是重要的化学试剂。

①青蒿素与青蒿甲素的组成元素 (填“相同”或“不同”,下同),分子结构 。

②如果青蒿素与青蒿甲素中含有等质量的氢元素,则青蒿素与青蒿甲素的分子个数之比是 。

解析:(2)C8H18完全燃烧生成二氧化碳和水,再结合配平技巧,即可写出该化学方程式。(3)①观察青蒿素与青蒿甲素的化学式可知,两者的组成元素相同,但分子的结构不同。 ②如果青蒿素与青蒿甲素的分子个数相同,则它们所含的氢元素质量相同。

答案:(1)6CO2+6H2O[光照叶绿素]C6H12O6+6O2 (2)2C8H18+25O2[点燃]16CO2+18H2O (3)①相同 不同 ②1∶1

四、诺贝尔奖与黄金

例4.第二次世界大战期间,丹麦著名物理学家玻尔(曾获1922年诺贝尔物理学奖)为躲避纳粹的追捕,他将自己的诺贝尔奖章用王水溶解,战后再利用置换反应原理从“金溶液”中提出金,并重新铸造了一枚诺贝尔奖章。请回答下列问题。

(1)已知黄金溶解在“王水”中形成HAuCl4(四氯合金酸),没有氢气产生。下列有关说法正确的是 (填序号)。

①“王水”溶解黄金是化学变化

②金比氢活泼

③HAuCl4中,Au的化合价为+3

④玻尔可以使用金属铁、铜等提炼出“金溶液”中的金

⑤“王水”可以用耐腐蚀的青铜容器盛装

(2)最近,苏州某电镀厂员工偷偷将“吸金纸”放入镀金用的溶液内,半个月盗窃黄金 47 g,他因此获刑9个月。原来,“吸金纸”是用金属镍制作的一张灰色细密的金属网。镍是重要金属,我国一元硬币就是钢芯镀镍,钛-镍合金还具有形状记忆功能。

①已知Ni+CuSO4 =Cu+NiSO4,则利用上述吸金纸 (填“能”或“不能”)从硝酸银溶液中“吸”到金属银。

②已知镍离子(Ni2+)显绿色,将金属镍投入稀硫酸中,反应的化学方程式为 Ni+H2SO4 =NiSO4 +H2↑,可观察到的实验现象是 ;产生该现象的原因是,溶液中 离子减少、 离子增加。

③氢氧化镍[Ni(OH)2]为强碱,请写出它与稀盐酸反应的化学方程式: ,该反应 热量。

解析:(1)“王水”溶解黄金是化学变化,即①正确;在金属活动性顺序里,金排在氢的后面,因此氢比金活泼,即②错误;在HAuCl4中,H是+1价,Cl是-1价,根据化合物里正、负化合价的代数和为零可知,Au为+3价,即③正确;铁、铜的活动性比金强,所以金属铁、铜能置换出“金溶液”中的金,即④正确;“王水”能溶解黄金这样极其稳定的金属,当然也能溶解铜、锡(青铜),即⑤错误。(2)由Ni+CuSO4 = Cu+NiSO4可知,镍比铜活泼,当然镍也比银活泼,所以该吸金纸能“吸出”硝酸银溶液中的银。由Ni+H2SO4=NiSO4+H2↑和镍离子显绿色可知,金属镍与稀硫酸反应时,可观察到的实验现象是有气泡冒出,溶液由无色逐渐变为绿色;产生该现象的原因是,溶液中氢离子减少、镍离子增加。Ni(OH)2与盐酸发生中和反应生成镍盐和水,中和反应均为放热反应。

答案:(1)①③④ (2)①能 ②有气泡产生,溶液由无色逐渐变为绿色 H+ Ni2+ ③Ni(OH)2+2HCl=NiCl2+2H2O 放出

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