ΤΕΛΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ (ΦΥΕ 12) ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ Ημερομηνία εξετάσεων: 10 Ιουνίου 2006

Transcript

1 ΤΕΛΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ (ΦΥΕ 12) Ονοματεπώνυμο Φοιτητή: Αριθμός Μητρώου: ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ Ημερομηνία εξετάσεων: 10 Ιουνίου 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 Αν αναμείξουμε αντιδρώντα και προϊόντα σε ίσες συγκεντρώσεις, ποιες αντιδράσεις θα έχουν σταθερά ισορροπίας Κ c > 1 και ποιες Κ c < 1; (α) Η 2 C 3 (aq) + HS 4 (aq) HC 3 (aq) + H 2 S 4 (aq) (β) ΗN 2 (aq) + N 3 (aq) N 2 (aq) + HN 3 (aq) (γ) Η 2 Ο(aq) + ΗP 2 4 (aq) H (aq) + H 2 P 4 (aq) (δ) NΗ + 4 (aq) + CN (aq) NH 3 (aq) + HCN(aq) [HC 3 ][H2S 4] Η Κ c, π.χ. για την ισορροπία (α), είναι Κ c = [H C ][HS ] Αν η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά, τότε έχουμε Κ c > 1, ενώ αν η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα αριστερά, τότε έχουμε Κ c < 1. Σε μια δεδομένη οξεοβασική αντίδραση, η θέση της ισορροπίας είναι μετατοπισμένη προς την πλευρά του ασθενέστερου οξέος (ή βάσεως). Θα πρέπει λοιπόν να καθορίσουμε τις συζυγίες οξέων βάσεων και να βρούμε σε κάθε ισορροπία ποιο είναι το ασθενέστερο οξύ (ή η ασθενέστερη βάση). Σύμφωνα με το Πρδ 7.1 (3/37) και Πρδ 7.2 (3/42), θα είναι: Οξύ 1 + Βάση 2 Βάση 1 + Οξύ 2 (α) Η 2 C 3 (aq) + HS 4 (aq) HC 3 (aq) + H 2 S 4 (aq) (β) ΗN 2 (aq) + N 3 (aq) N 2 (aq) + HN 3 (aq) (γ) Η 2 Ο(aq) + ΗP 2 4 (aq) H (aq) + H 2 P 4 (aq) (δ) NΗ + 4 (aq) + CN (aq) NH 3 (aq) + HCN(aq) Από τον Πιν 7.3 (3/40) (Σχετική ισχύς οξέων και βάσεων) προκύπτει: (α) Η 2 C 3 < H 2 S 4 ισορροπία προς τα αριστερά Κ c < 1 (β HN 2 < HN 3 ισορροπία προς τα αριστερά Κ c < 1 (γ) H 2 Ο < H 2 P 4 ισορροπία προς τα αριστερά Κ c < 1 (δ) NH + 4 > ΗCN ισορροπία προς τα δεξιά Κ c > 1 ΘΕΜΑ 2 Ο ψευδάργυρος έχει πέντε φυσικά ισότοπα με τις εξής εκατοστιαίες αναλογίες και ατομικές μάζες: 64 Zn, 48,63%, 63,929 u 68 Zn, 18,75%, 67,925 u 66 Zn, 27,90%, X u 67 Zn, 4,10%, 66,927 u 70 Zn, 0,62%, 69,925 u (α) Υπολογίστε την ισοτοπική μάζα Χ του νουκλιδίου 66 Zn. (β) Πόση είναι η μάζα αυτή σε γραμμάρια;

3 (α) Από τον Περιοδικό Πίνακα παίρνουμε το ατομικό βάρος του ψευδαργύρου που είναι 65,39. Η μέση ατομική μάζα του ψευδαργύρου είναι 65,39 u και εξ ορισμού (Ε 1.5, 1/49) ισχύει: 0,4863 (63,929 u) + 0,2790 (X u) + 0,0410 (66,927 u) + 0,1875 (67,925 u) + 0,0062 (69,925 u) = 65,39 u 0,2790 X + 47,00 = 65,39 0,2790 X = 18,39 X = 65,91 u (β) Γνωρίζουμε ότι Ν Α (= 6, ) άτομα 66 Zn ζυγίζουν 65,91 g 1 άτομο 66 Zn ζυγίζει 65,91 g / 6, = 1, g (AA 1.5, 1/50) ΘΕΜΑ 3 Το χλωρικό κάλιο χρησιμοποιείται σε πυροτεχνήματα και εκρηκτικά. Μπορεί να παρασκευασθεί διαβιβάζοντας αέριο χλώριο σε πυκνό και θερμό υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου. (α) Διατυπώστε την ισοσταθμισμένη χημική εξίσωση γι αυτή την αντίδραση. (β) Πόσα γραμμάρια χλωρικού καλίου μπορούν να ληφθούν από 150 L χλωρίου μετρημένα σε πρότυπες συνθήκες; Δίνεται ότι 1,00 mol αερίου χλωρίου, σε πρότυπες συνθήκες, καταλαμβάνει όγκο 22,4 L (γραμμομοριακός όγκος). (α) Η αντίδραση που λαμβάνει χώρα (4/259) είναι 6KH(aq) + 3Cl 2 (g) KCl 3 (aq) + 5KCl(aq) + 3H 2 ( ) (β) Σύμφωνα με τα δεδομένα, τα 150 L χλωρίου (Cl 2 ) είναι 150 L / (22,4 L /1,00 mol) = 6,70 mol Cl 2 Η γραμμομοριακή μάζα του KCl 3 είναι 122,5492 g. Σύμφωνα με τη χημική εξίσωση, τα moles του KCl 3 είναι το 1/3 των moles του Cl 2, οπότε η μάζα του KCl 3 είναι: 6,70 mol KCl3 122,5492 g KCl3 = 274 g KCl 3 1 mol KCl 3 3 ΘΕΜΑ 4 Τοποθετήστε όλα τα ιόντα που υπάρχουν στις ακόλουθες ενώσεις κατά σειρά αυξανόμενου μεγέθους: Na 3 N, MgF 2, Al 2 3, Al 4 C 3 Όλες οι ενώσεις είναι ιοντικές αποτελούμενες από τα ιόντα (σε παρένθεση):

4 Na 3 N (Na + N 3 ) MgF 2 (Mg 2+ F ) Al 2 3 (Al 3+ 2 ) Al 4 C 3 (Al 3+ C 4 ) Όλα τα ιόντα (Na +, N 3, Mg 2+, F, Al 3+, 2, C 4 ) είναι ισοηλεκτρονικά μεταξύ τους, έχοντα από 10 ηλεκτρόνια το καθένα. Στα ισοηλεκτρονικά χημικά είδη, το μέγεθος αυξάνεται καθώς μικραίνει το πυρηνικό φορτίο, δηλαδή ο ατομικός αριθμός του στοιχείου (1/166, Πρδ 3.6, 2/167). Έτσι, η ζητούμενη σειρά είναι η εξής: 13Al 3+ < 12 Mg 2+ < 11 Na + < 9 F < 8 2 < 7 N 3 < 6 C 4 ΘΕΜΑ 5 Βρείτε τη μία και μοναδική σωστή επιλογή σε καθεμία από τις ακόλουθες περιπτώσεις και αιτιολογήστε την απάντησή σας γι αυτή τη σωστή επιλογή: (Ι) Ποιο από τα ακόλουθα άτομα έχει το μικρότερο μέγεθος; (α) Na (β) Al (γ) P (δ) Cl (ε) Κ (ΙΙ) Ένα από τα ακόλουθα μεταλλικά ιόντα έχει 5 ηλεκτρόνια στον υποφλοιό 3d. Ποιο είναι αυτό; (α) V 3+ (β) Cr 3+ (γ) Ga 3+ (δ) Fe 3+ (ε) Mn 3+ (ΙΙI) Ποια από τις παρακάτω χημικές οντότητες μπορεί να δράσει ως βάση κατά Lewis; + (α) C (β) C 2 (γ) NH 4 (δ) Fe 2+ (ε) AlF 4 (ΙV) Ποιο από τα ακόλουθα οξείδια αντιδρά και με νιτρικό οξύ και με υδροξείδιο του νατρίου; (α) N 2 5 (β) Cr 3 (γ) Sr (δ) S 3 (ε) Zn (V) Σε ποιο από τα παρακάτω ουδέτερα μόρια ή ιόντα η γωνία δεσμών είναι μικρότερη από 109,5 ο ; 2 (α) AlH 4 (β) SiF 4 (γ) BrF 4 (δ) CI 4 (ε) BeF 4 (I) (δ) Το Cl, διότι είναι το τελευταίο από τα στοιχεία της ίδιας περιόδου (Na, Al, P, Cl) και μέσα σε μια περίοδο η ατομική ακτίνα, γενικά, ελαττώνεται από αριστερά προς τα δεξιά (Ε 3.3, 1/154). Το Κ είναι μεγαλύτερο από το Na (ίδια ομάδα, με το Κ κάτω από το Na). (ΙΙ) (δ) Το ιόν Fe 3+, διότι το άτομο Fe έχει ηλεκτρονική δομή [Ar]3d 6 4s 2 και άρα το ιόν Fe 3+, με τρία ηλεκτρόνια λιγότερα, έχει τη δομή [Ar]3d 5 (Ε 11.13, 5/25). (ΙΙΙ) (α) Το CΟ (με δομή Lewis :C Ο:), διότι δρα ως δότης ζεύγους ηλεκτρονίων από πλευράς ατόμου C π.χ. σε αντιδράσεις με άτομα στοιχείων μεταπτώσεως (Fe, Ni) (3.70). (ΙV) (ε) Το Zn, επειδή ανήκει στα επαμφοτερίζοντα οξείδια (3/64). (V) (γ) Το ιόν BrF 4, επειδή ως ιόν του γενικού τύπου ΑΒ 4 Ε 2 έχει επίπεδη τετραγωνική γεωμετρία με γωνίες δεσμών 90 ο (Πιν 5.1, 2/120).

5 ΘΕΜΑ 6 Ένα ρυθμιστικό διάλυμα παρασκευάζεται με προσθήκη 45,0 ml NaF 0,150 Μ σε 35,0 ml ΗF 0,100 Μ. Πόσο είναι το ph του τελικού διαλύματος; Το ph θα υπολογισθεί έμμεσα από την εξίσωση Henderson-Hasselbach (3/105) ph = pk a + log [άλας] (1) [οξύ] (45,0 ml)(0,150 mmol/ml) 6,75 mmol Έχουμε: [άλας] = [ΝaF] = = = 0,0844 Μ 80,0 ml 80,0 ml [οξύ] = [HF] = (35,0 ml)(0,100 mmol/ml) 3,50 mmol = = 0,0438 Μ 80,0 ml 80,0 ml K α (HF) = 6, pk a = 4,00 log6,8 = 4,00 0,83 = 3,17 (Πιν 8.1, 3/88) (1) ph = 3,17 + log 0,0844 = 3,17 + 0,285 = 3,46 0,0438 ΘΕΜΑ 7 Δίνεται η ακόλουθη δομή Lewis, όπου το Z είναι ένα άγνωστο στοιχείο κύριας ομάδας: Z (α) Αναφέρετε τρία στοιχεία που θα μπορούσαν να πάρουν τη θέση του Z. (β) Χαρακτηρίστε τη γεωμετρία αυτού του ιόντος και σχεδιάστε τη δομή του στον χώρο. (γ) Ποιο συμπέρασμα εξάγετε από τη δομή που σχεδιάσατε για το μέγεθος των γωνιών των δεσμών Ο Z Ο; (δ) Ποιος είναι ο τύπος υβριδισμού του κεντρικού ατόμου Z; (α) Για να βρούμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους και από εκεί τον αριθμό της ομάδας στην οποία ανήκει το Z, υπάρχουν δύο τρόποι: (i) Αν x είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους του Z, τότε θα ισχύει η εξίσωση: x + (3 6) (από τα 3 άτομα Ο) + 1 (από το φορτίο του ιόντος) = 26 x = 7. (ii) Το κάθε άτομο Ο έχει τυπικό φορτίο 1. Αν x είναι το τυπικό φορτίο του Z, θα ισχύει: x + 3( 1) = 1, οπότε x = +2. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια σθένους του Z είναι: 3 (από τους τρεις δεσμούς Z Ο) + 2 (από το μονήρες ζεύγος) + 2 (λόγω του τυπικού φορτίου +2) = 7.

6 Επομένως το στοιχείο Z ανήκει στην Ομάδα 7Α (αλογόνα). Το φθόριο αποκλείεται γιατί δεν σχηματίζει οξυγονούχα οξέα αυτού του γενικού τύπου. Κατά συνέπεια το Z μπορεί να είναι Cl, Br ή Ι. (β) Το ιόν είναι του γενικού τύπου ΑΒ 3 Ε και η γεωμετρία ηλεκτρονικών ζευγών θα είναι τετραεδρική, ενώ η μοριακή γεωμετρία θα είναι τριγωνική πυραμιδική: Z (γ) Λόγω του μονήρους ηλεκτρονικού ζεύγους στο Z, οι γωνίες δεσμών Ο Z Ο θα είναι μικρότερες από την τιμή των 109,5 ο που είναι η γωνία του κανονικού τετραέδρου. (δ) Επειδή γύρω από το Z έχουμε τέσσερα ηλεκτρονικά ζεύγη σθένους, ο υβριδισμός του κεντρικού ατόμου Z θα είναι του τύπου sp 3. ΘΕΜΑ 8 Δίνεται το διαμαγνητικό σύμπλοκο K 2 [PdCl 4 ]. (α) Δώστε το όνομα της ένωσης. (β) Εφαρμόστε τη θεωρία του δεσμού σθένους για να βρείτε τη δομή που έχει το σύμπλοκο ιόν. (α) Αν x ο αριθμός οξείδωσης του Pd, τότε, επειδή ο κάθε υποκαταστάτης χλωρο (Cl ) έχει φορτίο 1 και το κατιόν Κ έχει +1, θα ισχύει x + 4( 1) + 2(+1) = 0. Άρα x = +2, πρόκειται δηλαδή για σύμπλοκο του ιόντος Pd 2+. H ένωση αυτή ονομάζεται τετραχλωροπαλλαδικό(ιι) κάλιο. (β) Το ιόν Pd 2+ έχει ηλεκτρονική δομή [Kr]4d 8. Επειδή το Pd 2+ ενώνεται με 4 υποκαταστάτες θα πρέπει να διαθέτει 4 κενά υβριδικά τροχιακά στον φλοιό σθένους. Υπάρχουν δύο δυνατότητες υβριδισμού, προκειμένου να δημιουργηθούν τα 4 κενά τροχιακά: υβριδισμός του 5s με τα τρία 5p τροχιακά και υβριδισμός ενός 4d με το 5s και δύο 5p τροχιακά. Ο πρώτος υβριδισμός (sp 3 ) δίνει την εξής εικόνα: Ο δεύτερος υβριδισμός (dsp 2 ) δίνει την ακόλουθη εικόνα:

7 Επειδή δίνεται ότι το σύμπλοκο ιόν είναι διαμαγνητικό, δηλαδή δεν διαθέτει κανένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, από τους δύο τύπους υβριδισμού επιλέγουμε τον δεύτερο, δηλαδή τον dsp 2, στον οποίο δεν υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Ο υβριδισμός dsp 2 συνεπάγεται επίπεδη τετραγωνική δομή. ΘΕΜΑ 9 Γράψτε ισοσταθμισμένες χημικές εξισώσεις για τις ακόλουθες χημικές διεργασίες: (α) Θερμική διάσπαση στερεού νιτρικού αμμωνίου. (β) Προσθήκη υδατικού διαλύματος αμμωνίας σε υδατικό διάλυμα υποχλωριώδους νατρίου. (γ) Προσθήκη υδροχλωρικού οξέος σε στερεό σουλφίδιο του σιδήρου(ιι). (δ) Αναγωγή οξειδίου του βορίου με μεταλλικό μαγνήσιο. (ε) Επίδραση υδρατμών σε σουπεροξείδιο του καλίου. (α) NH 4 N 3 (s) 270o C N 2 (g) + 2 H 2 (g) (4/189) (β) 2 ΝΗ 3 (aq) + NaΟCl(aq) N 2 H 4 (aq) + NaCl(aq) + H 2 ( ) (4/187) (γ) 2 ΗCl(aq) + FeS(s) H 2 S(g) + FeCl 2 (aq) (4/243) (δ) B 2 3 (s) + 3 Mg(s) Θέρμανση 2 B(s) + 3 Mg(s) (4/94) (ε) 4 ΚΟ 2 (s) + 2 H 2 (g) 4 KH(s) (g) (4/43) ΘΕΜΑ 10 Ένας απλός δεσμός είναι σχεδόν πάντοτε ένας σ δεσμός, ενώ ένας διπλός δεσμός αποτελείται σχεδόν πάντοτε από ένα σ και έναν π δεσμό. Υπάρχουν ελάχιστες εξαιρέσεις από αυτόν τον κανόνα. Αποδείξτε ότι τα μόρια Β 2 και C 2 αποτελούν παραδείγματα αυτών των εξαιρέσεων. Η απάντηση δίνεται από τη θεωρία των μοριακών τροχιακών. Σύμφωνα με το Σχήμα 5.18 (2/138) που ισχύει για ομοπυρηνικά διατομικά μόρια, έχουμε τις ακόλουθες ηλεκτρονικές δομές: B 2 (6 e σθένους): (σ 2s ) 2 (σ 2s *) 2 (π 2p ) 2 τ.δ. = (4 2) / 2 = 1 Δηλαδή, στο μόριο Β 2, τα δύο άτομα βορίου συνδέονται με έναν απλό δεσμό (Β Β), ο οποίος όμως δεν είναι σ αλλά π, αφού τα δύο ηλεκτρόνια που κάνουν τη διαφορά

8 βρίσκονται σε π μοριακά τροχιακά. (Η δράση των δύο δεσμικών ηλεκτρονίων σ 2s αναιρείται από την ύπαρξη των δύο αντιδεσμικών ηλεκτρονίων σ 2s *) C 2 (8 e σθένους) : (σ 2s ) 2 (σ 2s *) 2 (π 2p ) 4 τ.δ. = (6 2) / 2 = 2 Δηλαδή, στο μόριο C 2, τα δύο άτομα άνθρακα συνδέονται με έναν διπλό δεσμό (C=C), ο οποίος όμως δεν είναι ένας σ και ένας π αλλά δύο π δεσμοί, αφού τα τέσσερα ηλεκτρόνια που κάνουν τη διαφορά βρίσκονται σε π μοριακά τροχιακά.