ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ

Transcript

1 ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Γράφετε ευανάγνωστα και καθαρά! Όλες οι απαντήσεις να είναι επαρκώς αιτιολογημένες!!! Δώστε προσοχή στα σημαντικά ψηφία των αριθμητικών αποτελεσμάτων! Καλή επιτυχία. Δεδομένα Ατομικά βάρη (amu): μαγνησίου 2,3050, αζώτου 1,007, υδρογόνου, 1,008, αντιμονίου 121,75 Σταθερά διαστάσεως Κ a (Η 2 ΡΟ ) = 6, Το ιόν νιτριδίου είναι το Ν 3 ΘΕΜΑΤΑ 1. Δίνονται οι ουσίες: HBr, Η 2 C=CΗ 2, CHCl 3, NH 3. Ποια ουσία έχει (α) τις ισχυρότερες δυνάμεις διασποράς; (β) τους ισχυρότερους δεσμούς υδρογόνου; (γ) Σε ποια ουσία οι δυνάμεις διπόλου διπόλου είναι μηδενικές; 2. Τα φυσικά ισότοπα του αντιμονίου είναι το Sb και το 51Sb, το οποίο έχει ατομική μάζα 122,90 amu. Αν η εκατοστιαία φυσική αναλογία του πρώτου ισοτόπου είναι 1,319 φορές μεγαλύτερη από αυτή του δευτέρου, να υπολογισθεί η ατομική μάζα του πρώτου ισοτόπου. Δώστε το αποτέλεσμα με σημαντικά ψηφία! 3. Ποιες από τις ακόλουθες ηλεκτρονικές διατάξεις αντιστοιχούν σε διεγερμένη κατάσταση; Βρείτε για ποια συγκεκριμένα άτομα πρόκειται και γράψτε την ηλεκτρονική τους διάταξη στη θεμελιώδη κατάσταση. (α) 1s 2 2s 2 3p 1 (β) [Ne]3s 2 3p (γ) 1s 2 2s 2 2p 3s 1 (δ) [Ar]3d 5 s 2 p 1 Πόσα ασύζευκτα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε κάθε χημικό είδος στη θεμελιώδη κατάσταση;. Έστω το νιτρίδιο του βορίου σε αέρια κατάσταση, ΒΝ(g). Για να αυξήσετε την ισχύ του δεσμού του μορίου ΒΝ, θα προσθέτατε ή θα αφαιρούσατε ένα ηλεκτρόνιο; Εξηγήστε 5. Για ποια από τα παρακάτω μόρια ή ιόντα η περιγραφή των δεσμών απαιτεί χρησιμοποίηση απεντοπισμένων μοριακών τροχιακών (ΜΟ); (α) C 2 Η 2 (ακετυλένιο) (β) SO 2 (γ) NO 2 (δ) Cl 2 CO (ε) ΗCΟ 2 (μυρμηκικό ιόν) 6. (I) Ποιο από τα παρακάτω είναι άλας που σχηματίζεται από εξουδετέρωση ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση; Αναφερθείτε σε ΟΛΑ τα άλατα! (α) Ba(NO 2 ) 2, (β) CaS, (γ) NaF, (δ) SrBr 2, (ε) NH I (II) Ποιο από τα οξέα που βρήκατε είναι το ισχυρότερο; 1

2 7. Συμπληρώστε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: (α) Κατά τη θεωρία VSEPR, το μόριο SnCl 2 (g) ανήκει στον γενικό τύπο... και η πραγματική γεωμετρία του είναι..., ενώ το μόριο SCl 2 (g) που ανήκει στον γενικό τύπο... έχει μοριακή γεωμετρία... (β) Το ph διαλύματος ΗClO (aq) 0,010 Μ είναι ίσον με... Αν ένα τέτοιο διάλυμα αραιωθεί με νερό, ώστε ο όγκος του να διπλασιασθεί, το ph του νέου διαλύματος θα είναι ίσο με... (γ) Ο τύπος του μονοατομικού ιόντος που έχει 16 πρωτόνια και 18 ηλεκτρόνια είναι... Το ιόν αυτό ενώνεται με ιόντα Mg 2+ και δίνει το άλας (όνομα και τύπος)... (δ) Τα υβριδικά τροχιακά που χρησιμοποιεί ο άνθρακας στο κυανίδιο του υδρογόνου, ΗCΝ, είναι του τύπου..., ενώ αυτά που χρησιμοποιεί στη φορμαλδεΰδη, ΗCΗΟ, είναι του τύπου Όταν το μεταλλικό μαγνήσιο καίγεται στον αέρα σχηματίζεται οξείδιο του μαγνησίου και μικρή ποσότητα νιτριδίου του μαγνησίου, Mg 3 N 2. Το νιτρίδιο του μαγνησίου αντιδρά με νερό παράγοντας υδροξείδιο του μαγνησίου και αμμωνία. Υπολογίστε: (α) Τα γραμμάρια της αμμωνίας που μπορούν να ληφθούν από την αντίδραση 15,0 g νιτριδίου του μαγνησίου με την απαραίτητη ποσότητα νερού. (β) Τα moles του υδροξειδίου του μαγνησίου. 9. Το πλάσμα του αίματος διατηρείται σε ph = 7,0 (0,05) με τη βοήθεια ρυθμιστικών συστημάτων από ανθρακικά, φωσφορικά και πρωτεΐνες. Αν η ρύθμιση σε ph = 7,0 δεχθούμε ότι γίνεται μόνο χάρις στην ισορροπία φωσφορικών Η 2 ΡΟ (aq) + H 2 O() ΗΡΟ 2 (aq) + H 3 O + (aq) ποια τιμή πρέπει να έχει ο λόγος [Η 2 ΡΟ ]/[ΗΡΟ 2 ] στους 25 ο C; 10. (α) Ταυτοποιήστε το στοιχείο Χ, Υ, Ζ της δεύτερης περιόδου το οποίο, ως διατομικό μόριο ή ιόν έχει την ακόλουθη ηλεκτρονική διάταξη σθένους: (i) X 2 (σ 2s ) 2 (σ * 2s) 2 (π 2p ) (σ 2p ) 2 + (ii) Y 2 (σ 2s ) 2 (σ * 2s) 2 (σ 2p ) 2 (π 2p ) (π * 2p) 1 (iii) Z 2 (σ 2s ) 2 (σ * 2s) 2 (π 2p ) (σ 2p ) 1 (β) Πόση είναι η τάξη δεσμού στο (ii); 2

3 ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ 1. (α) Γενικά, οι δυνάμεις διασποράς (London) αυξάνονται με αυξανόμενη μοριακή μάζα. Από τις δεδομένες ενώσεις, τη μεγαλύτερη μοριακή μάζα έχει το CΗCl 3 (107,36 amu), άρα αυτό εμφανίζει τις ισχυρότερες δυνάμεις διασποράς. (β) Δεσμούς υδρογόνου έχουμε όταν το Η συνδέεται άμεσα με ένα πολύ ηλεκτραρνητικό και μικρό σε μέγεθος στοιχείο με ένα τουλάχιστο μονήρες ηλεκτρονικό ζεύγος στο φλοιό σθένους, όπως είναι τα F, O ή Ν. Στο HBr έχουμε δεσμούς υδρογόνου, αλλά όχι ιδιαίτερα ισχυρούς. Στις ενώσεις Η 2 C=CΗ 2 και CHCl 3, τα άτομα Η συνδέονται με άτομα C και έτσι δεν έχουμε δεσμούς Η. Όμως, μεταξύ των μορίων ΝΗ 3 σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου, ισχυρότεροι από αυτούς που έχουμε στο HBr, επειδή το Ν είναι πιο ηλεκτραρνητικό και πιο μικρό σε μέγεθος από το Br. (γ) Οι δυνάμεις διπόλου διπόλου είναι μηδενικές, όταν, λόγω συμμετρίας, οι επιμέρους διπολικές ροπές αλληλοεξουδετερώνονται και δίνουν μ oλ = 0. Με τις δεδομένες ενώσεις, αυτό ισχύει μόνο στο αιθυλένιο, Η 2 C=CΗ Αν υποθέσουμε ότι η εκατοστιαία φυσική αναλογία του ισοτόπου Sb είναι x, η εκατοστιαία φυσική αναλογία του Sb θα είναι 1,319x. Επίσης, θα ισχύει ότι x + 1,319x = 1 2,319x = 1 και x = 0,2700 Δηλαδή, η εκατοστιαία φυσική αναλογία του ισοτόπου Sb είναι 2,700%. Για το ισότοπο Sb, 51 η εκατοστιαία φυσική αναλογία είναι: 100% 2,700% = 57,300%. Το ατομικό βάρος του αντιμονίου 121,75, δηλαδή η μέση ατομική μάζα του είναι 121,75 amu. Αν y η ατομική μάζα του ισοτόπου Sb, τότε θα ισχύει η εξίσωση 0,57300y + (0, ,90) amu = 121,75 amu y = 121,75 amu (0, ,900 amu) = 120,9 amu 0,57300 Ατομική μάζα του ισοτόπου Sb = 120,9 amu 3. Για να έχουμε διεγερμένη κατάσταση θα πρέπει κάποιο ηλεκτρόνιο να έχει μεταπηδήσει από τροχιακό χαμηλότερης ενέργειας σε τροχιακό υψηλότερης ενέργειας. Αυτό διαπιστώνεται από μια απλή σύγκριση της δεδομένης κατάστασης με τη θεμελιώδη κατάσταση. (α) Το άτομο διαθέτει 5 ηλεκτρόνια (e), τα οποία στη θεμελιώδη κατάσταση δίνουν τη δομή 1s 2 2s 2 2p 1 διεγερμένη κατάσταση, αφού το 5ο ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε υψηλότερης ενέργειας τροχιακό, το 3p. 5 e Ζ = 5 (βόριο, B). Υπάρχει 1 ασύζευκτο e σε 2p τροχιακό. (β) Το άτομο διαθέτει 16 e, τα οποία στη θεμελιώδη κατάσταση συμφωνούν με τη δεδομένη δομή 16 e Ζ = 16 (θείο, S). Υπάρχουν 2 ασύζευκτα e σε δύο 3p τροχιακά. 3

4 (γ) Το άτομο διαθέτει 9 e, τα οποία στη θεμελιώδη κατάσταση δίνουν τη δομή 1s 2 2s 2 2p 5 διεγερμένη κατάσταση, αφού ένα 2p ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε υψηλότερης ενέργειας τροχιακό, το 3s. 9 e Ζ = 9 (φθόριο, F). Υπάρχει 1 ασύζευκτο e σε 2p τροχιακό. (δ) Το άτομο διαθέτει 26 e, τα οποία στη θεμελιώδη κατάσταση δίνουν τη δομή [Ar]3d 6 s 2 διεγερμένη κατάσταση, αφού ένα 3d ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε υψηλότερης ενέργειας τροχιακό, το p. 26 e Ζ = 26 (σίδηρος, Fe). Υπάρχουν ασύζευκτα e στα 3d τροχιακά.. Θα πρέπει να κατασκευάσουμε το διάγραμμα ΜΟ ή να γράψουμε την ηλεκτρονική δομή σθένους του μορίου BΝ και να υπολογίσουμε την τάξη δεσμού του μορίου. Το Β ανήκει στην Ομάδα ΙΙΙΑ και έχει 3 ηλεκτρόνια σθένους, ενώ το Ν που ανήκει στην Ομάδα VA έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους. Δηλαδή, συνολικά το μόριο ΒΝ έχει 8 ηλεκτρόνια σθένους που κατανέμονται ως εξής (σ 2s ) 2 (σ * 2s) 2 (π 2p ) (σ 2p ) 0. Η τάξη δεσμού στο ΒΝ είναι (6 2)/2 = 2. Επειδή τα αμέσως υψηλότερης ενέργειας ΜΟ, δηλαδή τα (σ 2p ) είναι δεσμικά, η προσθήκη ενός ηλεκτρονίου σε αυτά, θα μεγαλώσει την τάξη δεσμού σε (7 2)/2 = 2,5 και κατά συνέπεια θα κάνει τον δεσμό ισχυρότερο στο ιόν ΒΝ. Αντίθετα, η αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου (από τα δεσμικά π 2p ) θα ελαττώσει την τάξη δεσμού σε (5 2)/2 = 1,5. 5. Απεντοπισμένα ΜΟ χρησιμοποιούμε, όταν η θεωρία του Lewis απαιτεί τη διατύπωση δύο ή περισσότερων δομών συντονισμού, για την καλλίτερη περιγραφή της δεσμικής κατάστασης ενός μορίου. Οι δομές Lewis των δεδομένων μορίων ή ιόντων είναι: Από τα δεδομένα μόρια, το ακετυλένιο (α) και το φωσγένιο (δ), έχουν εντοπισμένους διπλούς δεσμούς και η περιγραφή τους γίνεται με έναν τύπο. Αντίθετα, το διοξείδιο του θείου (β), το νιτρώδες ιόν (γ) και το μυρμηκικό ιόν (ε) έχουν π δεσμούς, οι οποίοι μπορούν να «αλλάζουν» θέση και στη θεωρία VB περιγράφονται με τη βοήθεια δομών συντονισμού. Επομένως γι αυτά τα δύο μόρια (SO 2 και ΝO 2 ), η θεωρία ΜΟ χρησιμοποιεί απεντοπισμένα μοριακά τροχιακά. 6. (Ι) Ένα άλας προκύπτει τυπικά από μία αντίδραση εξουδετέρωσης οξέος βάσεως: οξύ + βάση άλας (ουδέτερο) + Η 2 Ο Το κατιόν του άλατος προέρχεται από τη βάση και το ανιόν από το οξύ. Έτσι έχουμε: (α) Ba(NO 2 ) 2 : Προέρχεται από Ba(OH) 2 (ισχυρή βάση) και ΗΝΟ 2 (ασθενές οξύ) (Σελ. 65) (β) CaS : Προέρχεται από Ca(OH) 2 (ισχυρή βάση) και Η 2 S (ασθενές οξύ) (γ) NaF: Προέρχεται από NaOH (ισχυρή βάση) και ΗF (ασθενές οξύ) (δ) SrBr 2 : Προέρχεται από Sr(OH) 2 (ισχυρή βάση) και ΗBr (ισχυρό οξύ) (ε) NH I: Προέρχεται από NH 3 (ασθενής βάση) και ΗI (ισχυρό οξύ) Σωστό είναι το (δ).

5 (ΙΙ) Τα οξέα ΗΝΟ 2, Η 2 S και HF είναι ασθενή (Σελ. 65). Από τα οξέα υδρίδια HBr και ΗΙ, ισχυρότερο είναι το ΗΙ, επειδή το Ι έχει το μεγαλύτερο ατομικό μέγεθος σε σχέση με το Br (Σελ. 663). 7. (α) Κατά τη θεωρία VSEPR, το μόριο SnCl 2 (g) ανήκει στον γενικό ΑΒ 2 Ε και η πραγματική γεωμετρία του είναι κεκαμμένη (γωνιακή), ενώ το μόριο SCl 2 (g) που ανήκει στο γενικό τύπο ΑΒ 2 Ε 2 έχει μοριακή γεωμετρία (επίσης) κεκαμμένη (γωνιακή) (β) Το ph διαλύματος ΗClO (aq) 0,010 Μ είναι ίσον με 2,00. Αν ένα τέτοιο διάλυμα αραιωθεί με νερό, ώστε ο όγκος του να διπλασιασθεί, το ph του νέου διαλύματος θα είναι ίσο με 2,30. Το ΗClO είναι ισχυρό οξύ (πλήρης διάσταση) και συνεπώς το ph διαλύματος ΗClO 0,010 Μ (=1, ) είναι ίσο με 2,00. Με τον διπλασιασμό του όγκου του διαλύματος, η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο + υποδιπλασιάζεται, δηλαδή γίνεται ίση με 0,0050 Μ. Άρα, το ph του νέου διαλύματος θα είναι: ph = log(5, ) = 3,00 log5,0 = 3,00 0,70 = 2,30 (γ) Ο τύπος του μονοατομικού ιόντος που έχει 16 πρωτόνια και 18 ηλεκτρόνια είναι S 2. Το ιόν αυτό ενώνεται με ιόντα Mg 2+ και δίνει το άλας (όνομα και τύπος) MgS (σουλφίδιο του μαγνησίου) (δ) Τα υβριδικά τροχιακά που χρησιμοποιεί ο άνθρακας στο κυανίδιο του υδρογόνου, ΗCΝ, είναι του τύπου sp, ενώ αυτά που χρησιμοποιεί στη φορμαλδεΰδη, ΗCΗΟ, είναι του τύπου sp 2. Σύμφωνα με τη θεωρία VSEPR, το μόριο Η C Ν:, με γενικό τύπος ΑΒ 2, είναι γραμμικό, ενώ το μόριο ΗCΗΟ, με γενικό τύπος ΑΒ 3, είναι επίπεδο τριγωνικό. Για τη γραμμική γεωμετρία προβλέπεται υβριδισμός sp, ενώ για την επίπεδη τριγωνική sp 2 (Πίν. 10.2, Σελ. 11). 8. Το πρόβλημα είναι καθαρά στοιχειομετρικό. Η χημική εξίσωση και οι αναλογίες moles και γραμμαρίων για τις ενώσεις που μας ενδιαφέρουν είναι: Mg 3 Ν 2 (s) + 6H 2 O() 3Mg(OH) 2 (s) + 2NH 3 (g) 1 mol 3 mol 2 mol 100,915 g 2 17,0307 g = 3,061 g Έστω x η ζητούμενη ποσότητα του Mg 3 Ν 2 (s) σε γραμμάρια. Με απλή μέθοδο των τριών, βάσει της αναλογίας γραμμαρίων, βρίσκουμε: (3,061 g NH )(15,0 g Mg N ) 100,915 g Mg N x = 5,06 g ΝΗ (β) Επειδή 1 mol Mg 3 Ν 2 έχει μάζα 100,915 g, τα 15,0 g Mg 3 Ν 2 θα αντιστοιχούν σε 15,0 g / 100,915 g mol 1 : 15,0 g Mg3N2 100,915 g Mg N / mol Mg N = 0,19 mol Mg 3Ν Επειδή 1 mol Mg 3 Ν 2 δίνει 3 mol Mg(OH) 2, τα 0,19 mol Mg 3 Ν 2 θα δώσουν 3 0,19 mol = 0,7 mol Mg(OH) 2 5

6 9. Επειδή πρόκειται για ρυθμιστικό σύστημα, θα χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση Henderson- Hasselbach (Σελ. 710), αφού σε αυτήν εμφανίζεται ο λόγος [Η 2 ΡΟ ]/[ΗΡΟ 2 ]. ph = pk a + log [άλας ] 2 [οξύ] = pk [ ] a + log [ ] 2 (1) Δηλαδή, στη δεδομένη ισορροπία, ως οξύ δρα το αμφιπρωτικό ιόν Η 2 ΡΟ και ως άλας η συζυγής του βάση ΗΡΟ 2. (Στην πράξη, ένα τέτοιο διάλυμα φτιάχνεται από διαλύματα των αλάτων NaH 2 PO και Na 2 HPO ). Για το οξύ Η 2 ΡΟ, pk a = 8,00 log6,2 = 7,21, οπότε από την (1) προκύπτει 7,0 = 7,21 + [ ] log [ ] 2 2 [ ] log [ = 0,19 ] 2 2 [ ] [ 2 ] log = 0,19 και = 0,65 [ ] 2 [ ] (α) (i) Επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους στο Χ 2 είναι 10, το άτομο Χ έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους και άρα ανήκει την Ομάδα 5Α Χ 2 = Ν 2 (άζωτο). (ii) Το ιόν Y 2 + έχει 11 ηλεκτρόνια σθένους και συνεπώς το ουδέτερο μόριο Υ 2 έχει 12 ηλεκτρόνια σθένους και το άτομο Υ έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους το Υ ανήκει στην Ομάδα 6Α και είναι το οξυγόνο (Υ 2 = Ο 2 και Y 2 + = Ο 2 + ). (iii) Το ιόν Ζ 2 έχει 9 ηλεκτρόνια σθένους και συνεπώς το ουδέτερο μόριο Ζ 2 έχει 8 ηλεκτρόνια σθένους και το άτομο Ζ έχει ηλεκτρόνια σθένους το Ζ ανήκει στην Ομάδα Α και είναι ο άνθρακας (Ζ 2 = C 2 και Ζ 2 = C 2 ). (β) Η τάξη δεσμού (τ.δ.) δίνεται από τη σχέση τ.δ. = (δεσμικά e αντιδεσμικά e) / 2 = (8 3) / 2 = 2,5 6