ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΕΝΩΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΠΡΙΝ ΑΡΧΙΣΕΤΕ ΝΑ ΓΡΑΦΕΤΕ ΝΑ ΜΕΛΕΤΗΣΕΤΕ ΜΕ ΠΡΟΣΟΧΗ ΤΙΣ ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΟΥΝ:

Transcript

1 ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΕΝΩΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΕΝΩΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΠΑΓΚΥΠΡΙΑΣ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Β ΦΑΣΗ ΥΠΟ ΤΗΝ ΑΙΓΙΔΑ ΤΟΥ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟΥ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΠΡΙΝ ΑΡΧΙΣΕΤΕ ΝΑ ΓΡΑΦΕΤΕ ΝΑ ΜΕΛΕΤΗΣΕΤΕ ΜΕ ΠΡΟΣΟΧΗ ΤΙΣ ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΟΥΝ: 1. Η εξέταση έχει διάρκεια τρεις (3) ώρες. Δεν επιτρέπεται να εγκαταλείψετε την αίθουσα εξέτασης πριν περάσει μισή ώρα από την ώρα έναρξης. 2. Να απαντήσετε ΟΛΕΣ τις ερωτήσεις στο τετράδιο απαντήσεων που σας έχει δοθεί. Δεν υπάρχει επιλογή. 3. Για τις απαντήσεις σας να χρησιμοποιήσετε μόνο πέννα με μπλε ή μαύρο μελάνι. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μολύβι μόνο για τις πρόχειρες σημειώσεις σας, οι οποίες δε θα ληφθούν υπόψη. 4. Επιτρέπεται η χρήση μόνο μη προγραμματιζόμενων υπολογιστικών μηχανών. 5. Δεν επιτρέπεται η χρήση σημειώσεων σε οποιαδήποτε μορφή. 6. Μελετήστε προσεκτικά την εκφώνηση των ερωτήσεων και απαντήστε με σαφήνεια. Δε θα δοθούν συμπληρωματικές οδηγίες ή διασαφηνίσεις. 7. Γράφετε ΚΑΘΑΡΑ και ΕΥΑΝΑΓΝΩΣΤΑ. 8. Το εξεταστικό δοκίμιο αποτελείται από 11 (έντεκα) συνολικά σελίδες, συμπεριλαμβανομένων και των σελίδων με τις γενικές οδηγίες, και δεδομένα της ολυμπιάδας (σελίδες 2 και 3). 9. Να θυμάστε ότι «ο ΚΑΛΟΣ ΑΓΩΝΑΣ αξίζει περισσότερο από τη νίκη». ΚΑΛΗ ΕΠΙΤΥΧΙΑ

2 ΤΥΠΟΛΟΓΙΟ - ΦΥΣΙΚΕΣ ΣΤΑΘΕΡΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΜΟΝΑΔΩΝ Τύποι PV = n RT ΔG = ΔH TΔS ΔG = ΔG 0 + RT lnq ΔG = -nfe PV/ T =const. log (K 2 /K 1 ) = - ΔΗ ο /2,303R ( 1/Τ 2 1/T 1 ) Ε = Ε ο - RT ln Q nf Ε = Ε ο - 0,0592log Q n ln k = - + lna log k = - RT 2,303RT + loga Σταθερές R = 8,314 J.mol -1. K -1 ή R = 0,0821L. atm. mol -1.K -1 ή R = 0,08314 L.bar.mol -1.K -1 T =( θ ο C +273,15) K 1F = 96485C = J.V -1 1atm = 760mmHg, 1mmHg = 1Torr 1atm = 1,01325x10 5 Pa, 1bar = 10 5 Pa N= 6,022X10 23 Σχέση lnx = 2,303 logx 2

3 Ατομικός αριθμός ΠΕΡΙΟΔΟΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 3

4 ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΕΝΩΣΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΠΑΓΚΥΠΡΙΑΣ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Β ΦΑΣΗ ΥΠΟ ΤΗΝ ΑΙΓΙΔΑ ΤΟΥ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟΥ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΥ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: Κυριακή, 12 Φεβρουαρίου 2012 ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ: Τρεις (3) ώρες. Τυπολόγιο, τιμές φυσικών σταθερών, μετατροπές μονάδων και ατομικές μάζες δίνονται στις σελίδες 2 και 3. ΜΕΡΟΣ Α Το μέρος αυτό αποτελείται από 6 ερωτήσεις (1-6). ΝΑ ΑΠΑΝΤΗΣΕΤΕ ΣΕ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ. Κάθε ερώτηση βαθμολογείται με 5 μονάδες. Ερώτηση 1 Δίνεται ότι οι δύο κυβικές μοναδιαίες κυψελίδες μολύβδου έχουν μάζα 2,753x10-21 g και η πυκνότητα του μολύβδου είναι 11,384 g/cm 3. Ζητείται: (α) Να υπολογίσετε την ακμή της μοναδιαίας κυψελίδας του μολύβδου σε μονάδα cm. (β) Να βρείτε των αριθμό των ατόμων μολύβδου στη μοναδιαία κυψελίδα και να προσδιορίσετε τον τύπο της κυβικής κυψελίδας (ενδοκεντρωμένη, ολοεδρικά κεντρωμένη, απλή κυβική). (γ) Να υπολογίσετε τον όγκο του ατόμου του μολύβδου και την ατομική του ακτίνα (r) εάν είναι γνωστό ότι το 70% του χώρου των κυψελίδων καταλαμβάνεται από άτομα του μολύβδου και ο όγκος της σφαίρας είναι ίσος με 4/3 πr 3. 4

5 Ερώτηση 2 Σε ένα θερμιδόμετρο τύπου βόμβας, που περιέχει 1000 g Η 2 Ο, εισάγονται για καύση στον αντιδραστήρα 1,8 g ισομοριακού μίγματος Η 2 και ενός αέριου αλκανίου. Δίνονται οι Ενθαλπίες καύσης ΔΗ (Η2) = -286 kj/mol και ΔH( αλκανίου) = -890 kj/mol όπως και η θερμοχωρητικότητα του νερού C=4,2 J/g K. Η θερμοχωρητικότητα του θερμιδόμετρου θεωρείται μηδέν. Να υπολογιστεί ο μοριακός τύπος του αλκανίου εάν η θερμοκρασία του νερού αυξήθηκε κατά 28 C. Ερώτηση 3 Το καρβίδιο του βολφραμίου είναι ένα πολύ σκληρό υλικό και χρησιμοποιείται στην κατασκευή κοπτικών εργαλείων και τρυπανιών για βράχους. W (s) + C (γραφίτης) WC(s) Η μεταβολή της ενθαλπίας αυτής της αντίδρασης είναι δύσκολο να μετρηθεί απευθείας επειδή η αντίδραση γίνεται στους 1400 C. Όμως οι θερμότητες καύσης των στοιχείων, καθώς και του καρβιδίου του βολφραμίου μπορούν να μετρηθούν εύκολα. 2W(s) + 3O 2 (g) 2WO 3 (s) ΔΗ = -1680,6 kj (1) C(γραφίτης) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔΗ = -393,5 kj (2) 2WC(s) + 5O 2 (g) 2WO 3 (s) + 2CO 2 (g) ΔΗ = -2391,6 kj (3) Να υπολογίσετε την ενθαλπία της αντίδρασης σχηματισμού του καρβιδίου του βολφραμίου WC από τα στοιχεία του. Ερώτηση 4 Α. Δίνονται οι πιο κάτω χημικές εξισώσεις και οι σταθερές χημικής ισορροπίας τους Κ 1 και Κ 2. 1 Ν2 (g) + O 2 (g) NO 2 (g) K NO 2 (g) N 2 O 4 (g) K 2 Να υπολογίσετε τη σταθερά χημικής ισορροπίας, K 3 της πιο κάτω χημικής εξίσωσης σε συνάρτηση με τις Κ 1 και Κ 2. N 2 O 4 (g) N 2 (g) +2O 2 (g) Κ 3 5

6 Β. Ο βαθμός ιονισμού ή διάστασης (α) ενός ασθενούς ηλεκτρολύτη είναι ο λόγος της συγκέντρωσης των μορίων που έχουν διισταθεί σε κατάσταση ισορροπίας προς την ολική συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη. Συχνά εκφράζεται ως ποσοστό διάστασης επί τοις εκατόν (α%). (α) Να υπολογίσετε το βαθμό διάστασης και το pη του οξικού οξέος σε διάλυμα 0,1Μ στους 25 C. Η Κ a του οξικού οξέος σε αυτή τη θερμοκρασία είναι 1,7 x10-5. (β) Να προσδιορίσετε το pη του διαλύματος που θα προκύψει αν σε ένα λίτρο του πιο πάνω διαλύματος προσθέσουμε 4,1 g στερεού CH 3 COONa (μεταβολή όγκου αμελητέα). Ερώτηση 5 Α. Σε κλειστό δοχείο όγκου V=10 L εισάγονται n mol φωσγενίου (COCl 2 ) τα οποία θερμαίνονται στους 327 C οπότε και αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: COCl 2 (g) CO(g) + Cl 2 (g) Ο συνολικός αριθμός mole όλων των συστατικών στην κατάσταση ισορροπίας είναι 1,25n και η ολική πίεση του μίγματος είναι 24,6 atm. Να υπολογίσετε: (α) Το συνολικό αριθμό των mole των συστατικών του μίγματος. (β) Τον αρχικό αριθμό, n mol, του φωσγενίου. (γ) Την απόδοση της αντίδρασης. (δ) Τη σταθερά χημικής ισορροπίας, Κ c, της αντίδρασης. Β. Κατά την επίδραση νερού σε ανθρακασβέστιο παράγεται αέριο Χ που συλλέγεται σε αναστραμμένο σωλήνα γεμάτο με νερό. Το αέριο X εκτοπίζει το νερό από το σωλήνα. Στους 19 C και με ολική πίεση 769 mmhg, ο όγκος του αερίου Χ είναι 156 ml και η πίεση του 752 mmhg. (α) Να γράψετε τη χημική εξίσωση παρασκευής του Χ από το ανθρακασβέστιο. (β) Να υπολογίσετε τη μάζα του αερίου Χ. 6

7 Ερώτηση 6 A. Η παραγωγή οξειδίου του ασβεστίου από ανθρακικό ασβέστιο στηρίζεται στην αντίδραση: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) Η αντίδραση αυτή έχει ΔΗ ο = +178,3 kj και ΔS ο = +160,6 J K -1 (α) Να βρεθεί η τιμή ΔG ο της αντίδρασης στους 25 0 C. (β) Να βρεθεί η ελάχιστη θερμοκρασία που απαιτείται για να αρχίσει η διάσπαση του CaCO 3. B. Να συμπληρώσετε και να ισοσταθμίσετε την πιο κάτω χημική αντίδραση με τη μέθοδο των ημιαντιδράσεων σε βασικό διάλυμα. MnO 4 - (aq) + SO 3 2- (aq) MnO 2 (s) +SO 4 2- ΜΕΡΟΣ Β Το μέρος αυτό αποτελείται από 6 ερωτήσεις (7-12). ΝΑ ΑΠΑΝΤΗΣΕΤΕ ΣΕ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ. Ερώτηση 7 (14 μονάδες) A. Δίνονται τα πιο κάτω κανονικά δυναμικά αναγωγής: Fe 3+ (aq) + e - Fe 2+ (aq) E o = 0,77V Fe 2+ (aq) + 2e - Fe(s) E o = -0,41V Να υπολογίσετε το κανονικό δυναμικό αναγωγής της πιο κάτω ημιαντίδρασης: Fe 3+ (aq) + 3e - Fe(s) B. Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο έχει ράβδο αργύρου βυθισμένη σε 1 L διαλύματος νιτρικού αργύρου (AgNO 3 ) 1Μ, και ράβδο ψευδαργύρου βυθισμένη σε 1 L διαλύματος νιτρικού ψευδαργύρου (Zn(NO 3 ) 2 ) 1Μ. Και τα δύο διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία 25 C. Δίνονται τα κανονικά δυναμικά αναγωγής: Zn 2+ (aq) + 2e - Zn (s) E o = - 0,76 V Ag + (aq) + e - Ag(s) E o = 0,80 V 7

8 Ζητείται: (α) Να σχεδιάσετε το πιο πάνω ηλεκτροχημικό στοιχείο και να σημειώσετε σε αυτό: i. την κάθοδο, ii. την κατεύθυνση κίνησης των e- στο εξωτερικό κύκλωμα και iii. την κατεύθυνση κίνησης των NΟ 3 -. (β) Να γράψετε την ισοζυγισμένη αυθόρμητη χημική εξίσωση για το πιο πάνω ηλεκτροχημικό στοιχείο. (γ) Να υπολογίσετε το κανονικό δυναμικό του ηλεκτροχημικού στοιχείου. (δ) Να υπολογίσετε τη μεταβολή της κανονικής ελεύθερης ενέργειας, ΔG 0. (ε) Να υπολογίσετε τη σταθερά χημικής ισορροπίας, Κ eq, στους 25 ºC. (στ)δίνεται ότι το ηλεκτροχημικό στοιχείο λειτουργεί μέχρι που η [Ag + ]=0,2Μ. i. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του Zn 2+. ii. Να υπολογίσετε το δυναμικό του στοιχείου σε αυτές τις συγκεντρώσεις. Ερώτηση 8 (11 μονάδες) Δίνεται η χημική εξίσωση: 2NO 2 (g) + ½ O 2 (g) N 2 O 5 (g) Δίνεται επίσης ότι: ΔΗ ο αντίδρασης = 55,1 kj ΔS ο αντίδρασης = 227 J K -1 S o ( O 2(g) ) = 205,1 J/mol K ΔΗ ο f (NO 2(g) ) = 33,2 kj/mol S o ( NO 2(g) ) = 239,7 J/mol K (α) Να υπολογίσετε: i. την τιμή της ΔΗ ο f του N 2 O 5 (g), ii. την τιμή της S 0 του N 2 O 5, iii. την τιμή της ΔG o σε θερμοκρασία 25 ºC και iv. τη σταθερά χημικής ισορροπίας, Κ p στους 25 ºC. (β) Να δηλώσετε αν η αντίδραση στους 25 ºC είναι αυθόρμητη ή όχι δίνοντας σύντομη εξήγηση. (γ) Να εξηγήσετε: i. πώς θα επηρεαστεί η ποσότητα του N 2 O 5 που παράγεται με την αύξηση της πίεσης και ii. πώς θα επηρεαστεί η τιμή της σταθεράς Κ p με την αύξηση της θερμοκρασίας. 8

9 Ερώτηση 9 (10 μονάδες) Α. Δίνεται η ισορροπία: SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3 (g) + NO(g) Σε δοχείο όγκου 1 L που περιέχει σε ισορροπία 0,8 mol SO 2, 0,1 mol NO 2 0,6 mol SO 3 και 0,4 mol NO προσθέτουμε 0,3 mol NO 2. (α) Πώς επηρεάζει η προσθήκη του NO 2 τη χημική ισορροπία; (β) Ποια θα είναι η ποσότητα, σε mole, του ΝΟ 2 στην τελική ισορροπία; B. Να υπολογίσετε το γινόμενο διαλυτότητας, K sp, του Cd 3 (PO 4 ) 2 στους 20ºC αν σε αυτή τη θερμοκρασία η διαλυτότητα του στο νερό είναι 1,15x10-7 mol/l. Γ. Ένα διάλυμα περιέχει [Pb +2 ]=10-3 Μ και [Ca +2 ]=0,1M. Στο διάλυμα προστίθεται σιγά-σιγά στερεό Na 2 SO 4 χωρίς ουσιαστική μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Δίνονται για το PbSO 4 K SP = 10-8 νερό K w = , για το CaSO 4 K SP = 2Χ10-5 και για το (α) Ποια συγκέντρωση σε SO 4-2 πρέπει να αποκτήσει το διάλυμα ώστε να καταβυθιστεί ίζημα PbSO 4 χωρίς να καταβυθιστεί ίζημα CaSO 4 ; (β) Ποιο ποσοστό των ιόντων Pb +2 καταβύθιση των ιόντων Ca +2 ; θα έχει καταβυθιστεί όταν αρχίσει η Ερώτηση 10 (9 μονάδες) Α. Η πιο κάτω χημική εξίσωση μελετήθηκε κινητικά σε σταθερή θερμοκρασία. Εκτελέστηκαν τέσσερα πειράματα τα αποτελέσματα των οποίων φαίνονται στον πίνακα. 2NO (g) + 2H 2 (g) N 2 (g) + 2H 2 O (g) Αρχική συγκέντρωση Αρχική Πείραμα ταχύτητα [NO] mol/l [H 2 ] mol/l σχηματισμού του N 2 mol/l.s 1 0,0060 0, ,0060 0, ,0010 0, ,0020 0,

10 Ζητείται: (α) Να προσδιορίσετε την τάξη της αντίδρασης ως προς το ΝΟ και ως προς το Η 2 δίνοντας και τις κατάλληλες εξηγήσεις. (β) Να γράψετε την εξίσωση της ταχύτητας (το νόμο ταχύτητας ) της πιο πάνω αντίδρασης. (γ) Να υπολογίσετε τη σταθερά ταχύτητας της αντίδρασης, αναφέροντας και τις μονάδες μέτρησής της. Β. Οι σταθερές ταχύτητας μιας αντίδρασης προσδιορίστηκαν στους 298 K και 350 K και είναι (M s) -1 και (M s) -1 αντίστοιχα. (α) Να υπολογίσετε την ενέργεια ενεργοποίησης E a. (β) Να υπολογίσετε τη σταθερά ταχύτητας στους 308 K. Ερώτηση 11 (13 μονάδες) Για τον προσδιορισμό του χημικού τύπου ένυδρου διπλού άλατος Α δίνονται τα πιο κάτω δεδομένα: Το άλας Α έχει γενικό χημικό τύπο: Cu w (NH 4 ) x (SO 4 ) y.zh 2 O Όταν 2g του άλατος θερμανθούν με περίσσεια διαλύματος υδροξειδίου του νατρίου παράγεται αμμωνία. Η παραγόμενη αμμωνία (NH 3 ) διαβιβάζεται σε δοχείο που περιέχει 40 ml διαλύματος HCl 0,5M. Όταν σταματήσει η έκλυση NH 3, για την εξουδετέρωση της περίσσειας του υδροχλωρικού οξέος απαιτούνται 20 ml διαλύματος NaOH 0,5M. Δεύτερο δείγμα του άλατος Α, μάζας 2g διαλύεται σε νερό. Το διάλυμα που προκύπτει υποβάλλεται σε κατεργασία με περίσσεια διαλύματος BaCl 2. Καταβυθίζεται ίζημα που ξηρό ζυγίζει 2,33g. Δείγμα μάζας 10g του άλατος Α διαλύεται σε νερό έτσι που να προκύψει διάλυμα όγκου 250 ml. Όταν 25 ml από το διάλυμα αυτό αντιδράσουν με περίσσεια KI, το I 2 που παράγεται αντιδρά πλήρως με 25 ml διαλύματος Na 2 S 2 O 3 0.1M, σύμφωνα με τις ακόλουθες χημικές εξισώσεις: 2Cu 2+ +4I - 2CuI + I 2 I 2 + 2S 2 O 3 2-2I - +S 4 O 6 2- Ζητείται: + (α) Να υπολογίσετε τον αριθμό των mole και τη μάζα των ιόντων NH 4, Cu και SO 4 στα 2g του άλατος Α. 10

11 (β) Να υπολογίσετε τον αριθμό των mole και τη μάζα του κρυσταλλικού νερού στα 2g του άλατος Α. (γ) Να προσδιορίσετε το χημικό τύπο του άλατος Α (να βρείτε τα x,y,z,w). Ερώτηση 12 (13 μονάδες) Δίνεται το διάγραμμα: B KMnO 4 /H 2 SO 4 Δ + Ε (62,07% C) ( Κύριο προϊόν) ΝaHCO 3 NaHCO 3 (A) RCl + Χ1 Αφρισμός κανένα εμφανές αποτέλεσμα (δευτερεύον προϊόν) Γ Κ 2 Cr 2 O 7 /H 2 SO 4 Ζ + Μ (3 o ταγές C) X 2 Αλκάνιο Θ Μr(Θ) =100 Δίνονται επίσης οι πληροφορίες: Τα γράμματα Α, Β, Γ, Δ, Ε, Ζ, Μ και Θ αντιπροσωπεύουν διαφορετικές οργανικές ενώσεις. Τα 0,88g της ένωσης Μ αντιδρούν πλήρως με 50 ml NaOH 0,2 M. Οι ενώσεις Ζ και Μ ανήκουν στην ίδια ομόλογη σειρά. Το 80% της ένωσης Α μετατρέπεται στην ένωση Β και το υπόλοιπο στην ένωση Γ. Δύο από τις ενώσεις παρουσιάζουν είδος στερεοϊσομέρειας. (α) Να βρείτε τους συντακτικούς τύπους των ενώσεων Α, Β, Γ, Δ, Ε, Ζ, Μ και Θ καθώς και τα αντιδραστήρια/συνθήκες Χ 1 και Χ 2. (β) Να εντοπίσετε τις δύο ενώσεις που παρουσιάζουν στερεοϊσομέρεια και να ονομάσετε το είδος της στερεοϊσομέρειας που παρουσιάζει η κάθε μια καθώς και τους τύπους των στερεοϊσομερών μορφών για την κάθε περίπτωση. (γ) Να υπολογίσετε τα γραμμάρια της ένωσης Δ και τα γραμμάρια της ένωσης Ζ που θα παραχθούν αν χρησιμοποιηθούν 0,2 mol της ένωσης Α (θεωρείστε ότι τόσο η αντίδραση του Β προς Δ όσο και η αντίδραση του Γ προς Ζ έχουν απόδοση 100%). -ΤΕΛΟΣ- 11