ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ (ΦΥΕ 12) ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ Ημερομηνία εξετάσεων: 1 Ιουλίου 2006

Transcript

1 ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ (ΦΥΕ 12) Ονοματεπώνυμο Φοιτητή: Αριθμός Μητρώου: ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ Ημερομηνία εξετάσεων: 1 Ιουλίου 2006 ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ Διαβάστε με προσοχή το κάθε θέμα και αποσαφηνίστε ποιο ακριβώς είναι το ζητούμενο. Με βάση τα δεδομένα του θέματος, αλλά και αυτά που πρέπει μόνοι σας να πάρετε από πίνακες, εξισώσεις και σχήματα του βιβλίου σας, καταστρώστε την ακολουθητέα πορεία επίλυσης της άσκησης. Οι απαντήσεις σε όλα τα θέματα θα συνοδεύονται απαραίτητα από μια σχετική αιτιολόγηση. Απαντήσεις χωρίς αιτιολόγηση ή απλή παραπομπή σε ενότητες, σχήματα και πίνακες του βιβλίου δεν λαμβάνονται υπ όψιν. Γράφετε ευανάγνωστα, καθαρά και κατά το δυνατόν ορθογραφημένα, διατυπώνοντας τις σκέψεις με τρόπο απλό, κατανοητό και συγχρόνως μεστό. Όπου ζητείται αναγραφή χημικών εξισώσεων θα πρέπει οι χημικές οντότητες να συνοδεύονται από ενδείξεις φυσικής κατάστασης [π.χ. (g), (s), (aq)] Όποια δεδομένα χρειάζεστε για τη λύση των ασκήσεων (φυσικές σταθερές, συντελεστές μετατροπής, ατομικά βάρη κ.λπ.), μπορείτε να τα πάρετε από τα βιβλία σας, εκτός αν είναι ζητούμενα. Λάβετε υπ όψιν τα παροράματα (διορθωτέα) που υπάρχουν στα βιβλία σας και χρησιμοποιήστε τις διορθωμένες εκφράσεις, τιμές, λύσεις κ.λπ. Στα αριθμητικά προβλήματα, δώστε προσοχή στο σύστημα μονάδων, στα σημαντικά ψηφία, στον εκθετικό συμβολισμό, στο στρογγύλεμα των αριθμητικών αποτελεσμάτων και στη συνέπεια ως προς τις διαστάσεις των μεγεθών (ελέγξετε στο τέλος πόσο λογικό είναι το αποτέλεσμα στο οποίο καταλήξατε). Χρησιμοποιήστε για πρόχειρο τις τελευταίες σελίδες του επίσημου φυλλαδίου των εξετάσεων. Τα δέκα θέματα είναι ισότιμα μεταξύ τους. ΚΑΛΗ ΕΠΙΤΥΧΙΑ

2 ΘΕΜΑ 1 Υπολογίστε (με αριθμητικές πράξεις) αν ένα φωτόνιο ορατού φωτός (λ = nm) έχει την απαιτούμενη ενέργεια για να διεγείρει το ηλεκτρόνιο ενός υδρογονοατόμου (α) από τη θεμελιώδη κατάσταση (n = 1) στην κατάσταση με n = 5, (β) από την κατάσταση με n = 2 στην κατάσταση με n = 6. Θα εφαρμόσουμε την εξίσωση 2.8 (1/98) για να βρούμε πρώτα την απαιτούμενη συχνότητα ν, την οποία στη συνέχεια θα μετατρέψουμε σε μήκος κύματος λ για να κάνουμε τη σύγκριση τιμών: ΔΕ = h v = 1 1 k v = 2 2 n i n f k 1 1 h 2 n i n f 2 (1) (α) Είναι n i = 1 και n f = 5, οπότε (1) v = 18 2, J , J s 1 5 v = 3, s c 2, m s λ = = = 9, m ή λ = 94,96 nm ν , s (β) Είναι n i = 2 και n f = 6, οπότε (1) v = 18 2, J , J s 2 6 v = 7, s c 2, m s λ = = = 4, m ή λ = 410,2 nm ν , s Επομένως, το ορατό φως έχει αρκετή ενέργεια για τη διέγερση (n i = 2) (n f = 6), όχι όμως και για τη διέγερση (n i = 1) (n f = 5). ΘΕΜΑ 2 Υπολογίστε τον βαθμό διαστάσεως ή ιοντισμού ενός διαλύματος ΝΗ 3 0,10 Μ. Γράφουμε την εξίσωση για την ισορροπία ΝΗ 3 (aq) + Η 2 Ο( ) ΝH 4 + (aq) + ΟΗ (aq) + [NH 4 ] Ο βαθμός διαστάσεως α δίνεται από τη σχέση a = 100% [NH ] 3 αρχική

3 Η έκφραση για τη σταθερά ισορροπίας Κ b είναι [NH ][OH ] [NH ] K b = = 1,8 10 (Πιν 8.1, 3/88) 3 Θέτουμε τη συγκέντρωση [ΝΗ 4 + ] στη θέση ισορροπίας ίση με x M, οπότε έχουμε: ΝΗ 3 (aq) + Η 2 Ο( ) ΝH 4 + (aq) + ΟΗ (aq) Αρχικές συγκεντρώσεις 0,10 Μ 0 0 Μεταβολές λόγω διάστασης x M +x M +x M Συγκεντρώσεις ισορροπίας (0,10 x) M x M x M Αντικαθιστούμε τις συγκεντρώσεις στην έκφραση της Κ b : K b x x = = 1,8 10 0,10 x Επειδή η τιμή της Κ b είναι πολύ μικρή, περιμένουμε και η τιμή του x να είναι επίσης πολύ μικρή και μπορούμε να δεχθούμε ότι 0,10 x 0,10. Λύνουμε λοιπόν την εξίσωση x 2 = 1,8 10 6, από την οποία προκύπτει ότι x = [ΝΗ 4 + ] = 1, Μ [NH 4 ] 1,3 10 M a = 100% = 100% = 1,3% [NH ] 0,10 M 3 αρχική Σημείωση: Ο βαθμός διαστάσεως α μπορεί να υπολογιστεί και από τη σχέση 8.1 (3/91) που είναι γνωστή ως νόμος αραιώσεως του Ostwald. ΘΕΜΑ 3 Το θειοθειικό νάτριο που χρησιμοποιείται στη διαδικασία εμφάνισης των φωτογραφικών φιλμ παράγεται από θειώδες νάτριο και θείο. Πόσα γραμμάρια θειοθειικού νατρίου μπορούν να ληφθούν από 25,0 g θείου; Η αντίστοιχη χημική εξίσωση παραγωγής του θειοθειικού νατρίου είναι Na 2 SO 3 (aq) + S(s) Na 2 S 2 O 3 (aq) (4/243) ή ορθότερα, επειδή το S είναι στην πραγματικότητα S 8, 8 Na 2 SO 3 (aq) + S 8 (s) 8 Na 2 S 2 O 3 (aq) (1) Σύμφωνα με την εξίσωση (1), η σχέση των moles Na 2 S 2 O 3 και S 8 είναι 8 : 1, οπότε η μάζα του Na 2 S 2 O 3, που μπορεί να ληφθεί, υπολογίζεται ως εξής (μέθοδος των συντελεστών μετατροπής):

4 1 mol S 8 mol Na S O 158,110 g Na S O 25,0 g S = 123 g Na S O ,528 g S8 1 mol S8 1 mol Na 2S2O3 ΘΕΜΑ 4 Προβλέψτε τη γεωμετρία των ιόντων: BrO 3, HCO 2 (μυρμηκικό ιόν), CH 3 και NO 2 και βρείτε το είδος του υβριδισμού που εμφανίζει το κεντρικό άτομο σε καθένα από αυτά τα ιόντα. Γράφουμε κατά τα γνωστά τις δομές Lewis των ιόντων και βρίσκουμε σε ποιο γενικό τύπο ανήκει το καθένα. Κατόπιν, προσδιορίζουμε τη γεωμετρία των ηλεκτρονικών ζευγών (ΗΖ) του φλοιού σθένους του κεντρικού ατόμου με τη βοήθεια του μοντέλου VSEPR. Την πραγματική γεωμετρία του ιόντος τη δίνει ο Πίνακας 4.5 (2/85) και τον τύπο υβριδισμού ο Πίνακας 5.1 (2/120). Έτσι έχουμε: O Br O O H C H C H O N O O O H Γενικός τύπος ΑΒ 3 Ε ΑΒ 3 ΑΒ 3 Ε ΑΒ 2 Ε Γεωμετρία τετραεδρική επίπεδη τετραεδρική επίπεδη ΗΖ τριγωνική τριγωνική Γεωμετρία τριγωνική επίπεδη τριγωνική κεκαμμένη ιόντος πυραμιδική τριγωνική πυραμιδική Τύπος sp 3 sp 2 sp 3 sp 2 υβριδισμού ΘΕΜΑ 5 Ποια από τις χημικές οντότητες C 2, C 2 +, C 2 και C 2 2 είναι σταθερότερη; Ποια έλκεται ισχυρότερα από ένα μαγνητικό πεδίο; Θα εφαρμόσουμε τη θεωρία μοριακών τροχιακών. Το άτομο C έχει 4 ηλεκτρόνια σθένους. Άρα, οι χημικές οντότητες C 2, C 2 +, C 2 και C 2 2 έχουν 8, 7, 9 και 10 ηλεκτρόνια σθένους, αντίστοιχα. Σύμφωνα με το Σχήμα 5.18 (2/138) που ισχύει για ομοπυρηνικά διατομικά μόρια, έχουμε τις ακόλουθες ηλεκτρονικές δομές:

5 C 2 (8 e) : (σ 2s ) 2 (σ 2s *) 2 (π 2p ) 4 (σ 2p ) 0 τ.δ. = (6 2) / 2 = 2,0 (Κανένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο) C + 2 (7 e) : (σ 2s ) 2 (σ 2s *) 2 (π 2p ) 3 (σ 2p ) 0 τ.δ. = (5 2) / 2 = 1,5 (Ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο) C 2 (9 e) : (σ 2s ) 2 (σ 2s *) 2 (π 2p ) 4 (σ 2p ) 1 τ.δ. = (7 2) / 2 = 2,5 (Ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο) C 2 2 (10 e) : (σ 2s ) 2 (σ 2s *) 2 (π 2p ) 4 (σ 2p ) 2 τ.δ. = (8 2) / 2 = 3,0 (Κανένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο) Όσο μεγαλύτερη η τάξη δεσμού (τ.δ.), τόσο μικρότερο το μήκος του, τόσο μεγαλύτερη η ενέργειά του και, φυσικά, τόσο μεγαλύτερη η σταθερότητά του. Άρα, σταθερότερη είναι η χημική οντότητα C 2 2, στην οποία τα δύο άτομα C συνδέονται μεταξύ τους με τριπλό δεσμό. Οι χημικές οντότητες C 2 και C 2 2 έχουν και οι δύο τα ηλεκτρόνιά τους συζευγμένα και γι' αυτό είναι διαμαγνητικές. Οι άλλες δύο, C 2 + και C 2, έχοντας από ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, είναι παραμαγνητικές και έλκονται (με την ίδια δύναμη) από ένα μαγνητικό πεδίο. ΘΕΜΑ 6 Ο λευκόχρυσος(ιι) σχηματίζει επίπεδα τετραγωνικά σύμπλοκα και ο λευκόχρυσος(iv) δίνει οκταεδρικά σύμπλοκα. Πόσα ισομερή είναι πιθανά για καθένα από τα παρακάτω σύμπλοκα του λευκοχρύσου; Σχεδιάστε τις δομές όλων των συμπλόκων και δώστε τα ονόματά τους. (α) [( ) 3 ] +, (β) [( ) 2 Br], (γ) [( ) 5 ], (δ) [( ) 4 Br] 2+ Στο (α), ο αριθμός οξείδωσης του είναι x + 3(0) + ( 1) = +1 x = +2 Πρόκειται για επίπεδο τετραγωνικό σύμπλοκο του γενικού τύπου ΜΑ 3 Β. Άρα, δεν εμφανίζει ισομέρεια. + Ιόν του τριαμμινοχλωρολευκοχρύσου(ιι) Στο (β), ο αριθμός οξείδωσης του είναι x + 3(0) + 2( 1) = 0 x = +2 Πρόκειται για επίπεδο τετραγωνικό σύμπλοκο του γενικού τύπου ΜΑ 2 Β 2. Άρα, εμφανίζει γεωμετρική ισομέρεια (cis-trans ισομερή). cis Br Br trans cis-διαμμινοβρωμοχλωρολευκόχρυσος(ιι) trans-διαμμινοβρωμοχλωρολευκόχρυσος(ιι) Στο (γ), ο αριθμός οξείδωσης του είναι x + 1(0) + 5( 1) = 1 x = +4

6 Πρόκειται για οκταεδρικό σύμπλοκο του γενικού τύπου ΜΑ 5 Β. Άρα, δεν εμφανίζει ισομέρεια. Αμμινοπενταχλωρολευκοχρυσικό(ΙV) ιόν Στο (δ), ο αριθμός οξείδωσης του είναι x + 4(0) + 2( 1) = +2 x = +4. Πρόκειται για οκταεδρικό σύμπλοκο του γενικού τύπου ΜΑ 4 Β 2. Άρα, εμφανίζει γεωμετρική ισομέρεια (cis-trans ισομερή). 2+ Br 2+ Br Ιόν του cis-τετρααμμινοβρωμοχλωρολευκοχρύσου(iv) Ιόν του trans-τετρααμμινοβρωμοχλωρολευκοχρύσου(iv) ΘΕΜΑ 7 Υπολογίστε την ενέργεια πλέγματος για το υδρίδιο του ασβεστίου (CaH 2 ) χρησιμοποιώντας τα ακόλουθα δεδομένα: Ca(s) Ca(g) ΔΗ 1 = 178,2 kj/mol Ca(g) Ca 2+ (g) + 2 e ΔΗ 2 = 1734,5 kj/mol H 2 (g) 2 H(g) ΔΗ 3 = 436,0 kj/mol H(g) + e H (g) ΔΗ 4 = 72,8 kj/mol Η ενθαλπία σχηματισμού του CaH 2 ισούται με 186,2 kj/mol.

7 Επειδή στο CaH 2 υπάρχουν 2 ιόντα H, θα πρέπει, πριν εφαρμόσουμε τον νόμο του Hess, να πολλαπλασιάσουμε την τελευταία εξίσωση (μαζί με το αντίστοιχο ΔΗ) επί 2. Έτσι θα έχουμε: 1. Ca(s) Ca(g) (εξάχνωση του Ca(s)) ΔΗ 1 = 178,2 kj/mol 2. Ca(g) Ca 2+ (g) + 2 e (ιοντισμός του Ca(g), Ι 1 + Ι 2 ) ΔΗ 2 = 1734,5 kj/mol 3. H 2 (g) 2 H(g) (διάσπαση ή διάσταση του H 2 ) ΔΗ 3 = 436,0 kj/mol 4. H(g) + e H (g) (ηλεκτρονική συγγένεια του H(g), ΗΣ 1 ) ΔΗ 4 = 72,8 kj/mol ή 2 H(g) + 2 e 2 H (g) ΔΗ 4 = 145,6 kj 5. Ca 2+ (g) + 2 H (g) CaH 2 (s) ΔΗ 5 = ; Ca(s) + H 2 (g) CaH 2 (s) (ενθαλπία σχηματισμού) ΔΗ συνολική = 186,2 kj/mol Σύμφωνα με το νόμο του Hess θα ισχύει (Ε 4.3, 2/25, Πρδ 4.2, 2/29): ΔΗ συνολική = ΔΗ 1 + ΔΗ 2 + ΔΗ 3 + ΔΗ 4 + ΔΗ 5 ή 186,2 kj = 178,2 kj ,5 kj + 436,0 kj 145,6 kj + ΔΗ 5 ΔΗ 5 = 2389,3 kj Επειδή κατά τον ορισμό, η ενέργεια πλέγματος έχει θετικό πρόσημο και επειδή η διαδικασία αυτή οδηγεί στο σχηματισμό ενός mole CaH 2, η ενέργεια πλέγματος του CaH 2 θα είναι +2389,3 kj/mol. ΘΕΜΑ 8 Το ορυκτό φθορίτης είναι φθορίδιο του ασβεστίου, CaF 2. Υπολογίστε τη διαλυτότητα (σε γραμμάρια ανά λίτρο) του φθοριδίου του ασβεστίου στο νερό από την Κ sp = 5, (Θεωρήστε αμελητέα την υδρόλυση των ιόντων F.) Πρώτα γράφουμε την εξίσωση ισορροπίας και την έκφραση της K sp : CaF 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 F (aq) K sp = [Ca 2+ ][F ] 2 Παρατηρούμε ότι για κάθε mole CaF 2 που διαλύεται, εμφανίζονται στο διάλυμα ένα mole ιόντων Ca 2+ και δύο moles ιόντων F. Επομένως, αν η γραμμομοριακή διαλυτότητα του CaF 2 είναι s, τότε στο διάλυμά του οι συγκεντρώσεις των ιόντων θα είναι: [Ca 2+ ] = s και [F ] = 2 s Αντικαθιστούμε στην έκφραση της K sp και έχουμε K sp = s(2s) 2 = 4s 3 s = 3 K sp /4 s 3 9 = 5,3 10 / 4 = 3 5,3/ = 1, M Η γραμμομοριακή διαλυτότητα είναι 1, mol CaF 2 ανά λίτρο. Για τη μετατροπή της σε γραμμάρια ανά λίτρο, θα χρησιμοποιήσουμε τη γραμμομοριακή μάζα του CaF 2 (78,1 g/mol).

8 Διαλυτότητα = 1, ,1 g CaF2 mol CaF 2 /L 1 mol CaF = 8, g CaF 2 /L 2 ή 0,086 g CaF 2 /L ΘΕΜΑ 9 60,0 ml διαλύματος ΗΝΟ 3 0,150 Μ ογκομετρούνται με διάλυμα NaOH 0,450 Μ. (α) Πόσα mmol ΗΝΟ 3 υπάρχουν κατά την έναρξη της ογκομέτρησης; (β) Πόσα ml NaOH απαιτούνται για να φθάσουμε στο ισοδύναμο σημείο; (γ) Ποιο είναι το ph στο ισοδύναμο σημείο; (δ) Σχεδιάστε το γενικό σχήμα της καμπύλης ογκομέτρησης. Πρώτα γράφουμε την αντίδραση εξουδετέρωσης που λαμβάνει χώρα κατά την παραπάνω ογκομέτρηση: HΝΟ 3 (aq) + NaOH(aq) NaΝΟ 3 (aq) + H 2 O( ) ή H 3 O + (aq) + ΟΗ (aq) 2 Η 2 Ο( ) (α) Τα mmol του HΝΟ 3 είναι: (60,0 ml)(0,150 mmol/ml) = 9,00 mmol (β) Σύμφωνα με τη χημική εξίσωση της αντίδρασης, για 1 mmol ΗΝΟ 3 απαιτείται 1 mmol NaOH. Άρα, για να φθάσουμε στο ισοδύναμο σημείο (πλήρη εξουδετέρωση του ΗΝΟ 3 ) απαιτούνται 9,00 mmol NaOH ή 9,00 mmol = 20,0 ml NaOH 0,450 mmol/ml (γ) Επειδή πρόκειται για εξουδετέρωση ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση, το διάλυμα στο ισοδύναμο σημείο θα είναι ουδέτερο, δηλαδή θα έχει ph = 7,00. (δ) Δίνονται τα ακόλουθα οξείδια: ΘΕΜΑ 10

9 (α) 2 O 7 (β) K 2 O (γ) BaO 2 (δ) Na 2 O 2 (ε) RbΟ 2 (στ) Ρ 4 O 10 (ζ) SO 3 (η) ZnO (θ) SrO (ι) CO Επίσης, δίνονται οι χαρακτηρισμοί οξειδίων: ιοντικό, ομοιοπολικό, όξινο, βασικό, επαμφοτερίζον, ανυδρίτης οξέος, ανυδρίτης βάσεως, κανονικό οξείδιο, υπεροξείδιο, σουπεροξείδιο. (Ι) Ταιριάξτε σε καθένα οξείδιο τους κατάλληλους χαρακτηρισμούς. (ΙΙ) Βρείτε τον αριθμό οξείδωσης του οξυγόνου σε ένα υπεροξείδιο και σε ένα σουπεροξείδιο. (Ι) Τα οξείδια των μετάλλων είναι κατά βάση ιοντικά, ενώ τα οξείδια των αμετάλλων είναι ομοιοπολικά. Κανονικό είναι κάθε οξείδιο στο οποίο ο αριθμός οξείδωσης του οξυγόνου είναι 2. Υπεροξείδια είναι οι ενώσεις που περιέχουν το ιόν Ο 2 2. Σουπεροξείδια είναι οι ενώσεις που περιέχουν το ιόν Ο 2. Οξείδια, υπεροξείδια και σουπεροξείδια των μετάλλων των Ομάδων 1Α και 2Α αντιδρούν με το νερό και παράγουν βασικά διαλύματα (4/41). (α) 2 O 7 : Ομοιοπολικό οξείδιο, κανονικό, όξινο οξείδιο, ανυδρίτης οξέος (HΟ 4 ) (β) K 2 O : Ιοντικό οξείδιο, κανονικό, βασικό, ανυδρίτης βάσεως (ΚΟΗ) (γ) BaO 2 : Ιοντικό οξείδιο, υπεροξείδιο, βασικό (δ) Na 2 O 2 : Ιοντικό οξείδιο, υπεροξείδιο, βασικό (ε) RbΟ 2 : Ιοντικό οξείδιο, σουπεροξείδιο, βασικό (στ) Ρ 4 O 10 : Ομοιοπολικό οξείδιο, κανονικό, όξινο οξείδιο, ανυδρίτης οξέος (H 3 ΡΟ 4 ) (ζ) SO 3 : Ομοιοπολικό οξείδιο, κανονικό, όξινο οξείδιο, ανυδρίτης οξέος (H 2 SΟ 4 ) (η) ZnO : Ιοντικό οξείδιο, κανονικό, επαμφοτερίζον (θ) SrO : Ιοντικό οξείδιο, κανονικό, βασικό, ανυδρίτης βάσεως [Sr(ΟΗ) 2 ] (ι) CO : Ομοιοπολικό οξείδιο, κανονικό (χωρίς όξινες ιδιότητες, τυπικός ανυδρίτης του ΗCΟΟΗ). (ΙΙ) Na 2 O 2 : Αν x ο αριθμός οξείδωσης του οξυγόνου, θα έχουμε 2(+1) + 2x = 0 x = 1 RbO 2 : Αν x ο αριθμός οξείδωσης του οξυγόνου, θα έχουμε 1 + 2x = 0 x = 0,5