Απαντήσεις στα θέματα Χημείας Κατεύθυνσης Γ Λυκείου ΘΕΜΑ Α Α1 γ, Α2 β, Α3 δ, Α4 β Α5. α. Σύμφωνα με την θεωρία του Αrrhenius οξέα ονομάζονται οι

Transcript

1 Απαντήσεις στα θέματα Χημείας Κατεύθυνσης Γ Λυκείου ΘΕΜΑ Α Α1 γ, Α2 β, Α3 δ, Α4 β Α5. α. Σύμφωνα με την θεωρία του Αrrhenius οξέα ονομάζονται οι υδρογονούχες ενώσεις που όταν διαλυθούν στο νερό, δίνουν Η + και βάσεις οι ενώσεις που όταν διαλυθούν στο νερό δίνουν ΟΗ -. Σύμφωνα με τους Βrönsted owry οξέα ονομάζονται οι ουσίες που μπορούν να δώσουν ένα ή περισσότερα πρωτόνια και βάσεις οι ουσίες που μπορούν να δεχτούν ένα ή περισσότερα πρωτόνια. Η θεωρία του Αrrhenius έβαζε ως περιορισμό ο διαλύτης να είναι πάντα το νερό, ενώ στη θεωρία των Βrönsted owry δεν υπάρχει ο περιορισμός αυτός. Ακόμα σύμφωνα με τη θεωρία των Βrönsted owry όχι μόνο μόρια αλλά και ιόντα μπορούν να συμπεριφερθούν ως οξέα ή ως βάσεις, γεγονός που δεν μπορούσε να εξηγηθεί με τη θεωρία του Αrrhenius. Βεβαίως μπορούμε να παρατηρήσουμε κι άλλες διαφορές στις δύο θεωρίες όπως: Με τη θεωρία του Αrrhenius, αντίθετα από τη θεωρία των Βrönsted owry, δεν μπορεί να εξηγηθεί η βασική συμπεριφορά στο νερό μερικών ενώσεων, όπως για παράδειγμα η ΝΗ 3. Οι Βrönsted owry ορίζουν τις αμφιπρωτικές ουσίες ή αμφολύτες (ουσίες που άλλοτε δρουν ως οξέα και άλλοτε ως βάσεις ανάλογα με την ουσία με την οποία αντιδρούν). Η θεωρία του Αrrhenius δεν περιλαμβάνει καθόλου τους αμφολύτες. Tέλος σύμφωνα με τη θεωρία των Βrönsted owry δεν μπορεί να εκδηλωθεί ο όξινος χαρακτήρας μιας ουσίας χωρίς την παρουσία βάσης, και αντίστοιχα, δεν μπορεί να εκδηλωθεί ο βασικός χαρακτήρας χωρίς την παρουσία οξέος. β. Δύο διαφορές του ιοντισμού των ηλεκτρολυτών και της ηλεκτρολυτικής διάστασης είναι: Ιοντίζονται οι ομοιοπολικές ενώσεις, ενώ διίστανται οι ιοντικές ενώσεις. Ιοντισμός είναι αντίδραση ανάμεσα στα μόρια της ομοιοπολικής ένωσης και στα μόρια του διαλύτη προς σχηματισμό ιόντων. Η ηλεκτρολυτική διάσταση είναι η απομάκρυνση των ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος που οφείλεται στο ότι το νερό, λόγω της μεγάλης πολικότητάς του, προσανατολίζεται μεταξύ των ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος της ένωσης. Τότε οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των ιόντων εξασθενίζουν, τα ιόντα απομακρύνονται και επέρχεται ρήξη του κρυστάλλου.

2 Μία άλλη διαφορά που θα μπορούσε να αναφερθεί είναι ότι η διάσταση είναι πάντα πλήρης ενώ ο ιοντισμός μπορεί να είναι πλήρης ή μερικός. ΘΕΜΑ Β Β1. α Λάθος Το καθαρό νερό ιοντίζεται σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: Η 2 Ο + Η 2 Ο Η 3 Ο + + ΟΗ - (αυτοϊοντισμός του νερού) Όπως προκύπτει, σε κάθε θερμοκρασία στο καθαρό νερό ισχύει [Η 3 Ο + ]=[ΟΗ - ], άρα το καθαρό νερό έχει ουδέτερο ph. β Σωστό Το HS - μπορεί να αντιδράσει με το νερό είτε ως βάση, είτε ως οξύ, όπως φαίνεται από τις παρακάτω χημικές εξισώσεις: HS - + Η 2 Ο H 2 S + ΟΗ - (το HS - συμπεριφέρεται ως βάση) HS - + Η 2 Ο S 2- + Η 3 Ο + (το HS - συμπεριφέρεται ως οξύ) Άρα το HS - συμπεριφέρεται ως αμφιπρωτική ουσία. γ Λάθος Το συζυγές οξύ της ΝΗ 3 είναι το ΝΗ + 4. Για κάθε συζυγές ζεύγος οξέος βάσης ισχύει ότι: Κ a.k b =K w => K K w 9 a NH Kb NH 3 10 Eπειδή η K a αποτελεί μέτρο ισχύος των οξέων και για το K a NH 4 ένα ασθενές οξύ. δ Σωστό =10-9, το ΝΗ 4 + είναι Κάθε υποστιβάδα p συμπληρώνεται με 6 ηλεκτρόνια, επομένως η ημισυμπληρωμένη p υποστιβάδα θα έχει 3 ηλεκτρόνια. Τo ζητούμενο στοιχείο θα έχει στη θεμελιώδη κατάσταση ηλεκτρονιακή δομή: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 Τα στοιχεία με δομή εξωτερικής στιβάδας 4s 2 4p 3 (με 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στιβάδα) ανήκουν στην p 3 ομάδα ή VA ή 15 η ομάδα του περιοδικού πίνακα. ε Λάθος Ο αριθμός οξείδωσης του 1 C μειώνεται από -2 σε -3, άρα το άτομο 1 C ανάγεται. Ο αριθμός οξείδωσης του 2 C αυξάνεται από -1 σε 0, άρα το άτομο 2 C οξειδώνεται. Β2. Κατά μήκος της δεύτερης περιόδου συμπληρώνονται οι υποστιβάδες 2s και 2p. Επειδή κάθε υποστιβάδα s συμπληρώνεται με δύο ηλεκτρόνια, το τμήμα του τομέα s

3 της δεύτερης περιόδου περιλαμβάνει 2 στοιχεία και επειδή κάθε υποστιβάδα p συμπληρώνεται με έξι ηλεκτρόνια, το τμήμα του τομέα p της δεύτερης περιόδου περιλαμβάνει 6 στοιχεία. Άρα συνολικά η δεύτερη περίοδος έχει 8 στοιχεία. Β3. Η ηλεκτρονιακή δομή του στοιχείου με Ζ=27 είναι (στη θεμελιώση κατάσταση): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2. Το τελευταίο ηλεκτρόνιο του στοιχείου τοποθετήθηκε σε υποστιβάδα d, άρα το στοιχείο ανήκει στον τομέα d. Για την ηλεκτρονιακή δομή του στοιχείου χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις στιβάδες, άρα το στοιχείο ανήκει στην 4 η περίοδο. Όπως προκύπτει από την ηλεκτρονιακή δομή του στοιχείου, αυτό ανήκει στην ομάδα d 7 ή 9 η ομάδα ή στην VIIIB ομάδα. ΘΕΜΑ Γ Γ1. Αφού η Α διασπά το Na 2 CO 3 θα είναι οργανικό οξύ και αφού αποχρωματίζει διάλυμα KMnO 4 /H 2 SO 4 θα είναι το HCOOH αφού είναι το μοναδικό κορεσμένο μονοκαρβοξυλικό οξύ που οξειδώνεται. Άρα η ένωση Α είναι το HCOOH. H B είναι αλδεΰδη, αφού μόνο οι αλδεΰδες αντιδρούν με αντιδραστήριο Fehling, άρα είναι της μορφής C ν Η 2ν+1 CH=O και αντιδρά με το αντιδραστήριο Fehling σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: C ν Η 2ν+1 CH=O + 2CuSO 4 + 5NaOH C ν Η 2ν+1 COONa + Cu 2 O+2Νa 2 SO 4 +3H 2 O Aφού το οργανικό προϊόν C ν Η 2ν+1 COONa οξειδώνεται θα είναι το HCOONa, αφού μόνο το HCOOH και τα άλατά του οξειδώνονται (από τα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα). Άρα ν=0 και η Β θα είναι η HCH=O. H E αφού ανάγει το αντιδραστήριο Τοllens θα είναι η άλλη αλδεΰδη (RCH=O) και αφού δίνει την αλογονοφορμική θα είναι η CH 3 CH=O (μοναδική αλδεΰδη που δίνει την αλογονοφορμική). Άρα η Ε θα είναι η CH 3 CH=O. ΟΗ Αφού η Γ δίνει την αλογονοφορμική θα είναι αλκοόλη της μορφής CH 3 CHC μ Η 2μ+1 με με μ0. Με οξείδωση δίνει τη Δ που είναι οξύ, άρα η Γ πρέπει να είναι πρωτοταγής αλκοόλη και άρα μ=0. Επομένως η Γ είναι η CH 3 CH 2 OH και η Δ είναι το CH 3 COOH. Γ2. i. ΗCH=O + 2CuSO 4 + 5NaOH ΗCOONa + Cu 2 O+2Νa 2 SO 4 +3H 2 O ii. Συν. CH 3 CH 2 OH + I 2 CH 3 CH=O + 2HI CH 3 CH=O + 3I 2 CI 3 CH=O + 3HI CI 3 CH=O + NaOH HCOONa + CHI 3 5HI + 5NaOH 5HI + 5H 2 O CH 3 CH 2 OH+4I 2 +6NaOH HCOONa + CHI 3 + 5NaI + 5H 2 O

4 iii. CH 3 CH=O+2AgNO 3 +3NH 3 +H 2 OCH 3 COONH 4 +2Ag+2NH 4 NO 3 iv. 3CH 3 CH 2 OH+2K 2 Cr 2 O 7 +8H 2 SO 4 3CH 3 COOH+2Cr 2 (SO 4 ) 3 +K 2 SO 4 +11H 2 O OH Γ2. Η ένωση CH 3 CH 2 -C-COOH είναι ένα 2-υδροξυοξύ και προέρχεται από την υδρο CH 3 υδρόλυση της κυανιδρίνης CH 3 CH 2 -C-CN (Φ) CH 3 Oι κυανιδρίνες παράγονται με προσθήκη HCN σε καρβονυλικές ενώσεις OH R 1 -C=O + HCN R 1 -C-CN R 2 R 2 Άρα η (Ψ) είναι CH 3 CH 2 C=O (Ψ) CH 3 ΟΗ Aυτή προέρχεται με οξείδωση της δευτεροταγούς αλκοόλης CH 3 CH 2 CHCH 3 (X) OH Στη συνέχεια: (Λ) CH 3 CH 2 CHCH 3 + SOCl 2 CH 3 CH 2 CHCH 3 + SO 2 + HCl OH Cl (M) CH 3 CH 2 CHCH 3 + Μg CH 3 CH 2 CHCH 3 Cl MgCl (Θ) CH 3 CH 3 CH 2 CHCH 3 + CH 3 CH 2 COCH 3 CH 3 CH 2 CH-C-CH 2 CH 3 H 2 O MgCl CH 3 OMgCl (Σ) CH 3 CH 3 CH 2 CH-C-CH 2 CH 3 + Mg(OH)Cl CH 3 OH

5 Γ3. Έστω ότι το αρχικό μίγμα περιέχει x (COOK) 2 και ψ CH 3 COOH. Σε κάθε μέρος του μίγματος θα υπάρχουν x/2 (COOK) 2 και ψ/2 CH 3 COOH. 1 ο μέρος Αντιδρά μόνο το CH 3 COOH. Yπολογίζουμε τα του ΚΟΗ που απαιτούνται για πλήρη εξουδετέρωση: n=0,2.0,1=0,02 KOH H χημική εξίσωση της εξουδετέρωσης είναι: CH 3 COOH + KOH CH 3 COOK + H 2 O 2 ; 2 Άρα 2 =0,02=>ψ=0,04 CH3 COOH 2 ο μέρος Οξειδώνεται μόνο το (COOK) 2. Yπολογίζουμε τα του KMnO 4 που απαιτούνται για πλήρη οξείδωση: n=0,2.0,2=0,04 KMnO4 H χημική εξίσωσης της οξείδωσης του (COOK) 2 είναι: 5KOOC-COOK+2KMnO 4 +8H 2 SO 4 10CO 2 +2MnSO 4 +6K 2 SO 4 +8H 2 O x 2 ; x Άρα x =0,04=>x=0,2 (COOK)2 Άρα το αρχικό μίγμα περιείχε 0,04 CH 3 COOH και 0,2 (COOK) 2 ΘΕΜΑ Δ Δ1. Υπολογίζω τα του CH 3 COOH και του NaOH που περιέχονται αρχικά στα διαλύματα: n =0,2.0,05=0,01 CH3 COOH n NaOH =0,2.0,05=0,01 NaOH Mετά την ανάμιξη των διαλυμάτων οι δύο παραπάνω ουσίες αντιδρούν: CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O και αντιδρούν πλήρως:

6 0,01 CH 3 COOH αντιδρούν με 0,01 NaOH και παράγονται 0,01 CH 3 COONa. Το διάλυμα που προκύπτει περιέχει μόνο 0,01 CH 3 COONa και έχει όγκο 50+50=100m=0,1. Άρα η συγκέντρωση του CH 3 COONa είναι: Αυτό διίσταται: CH 3 COONa CH 3 COO - + Na + To ανιόν CH 3 COO - 0,1M 0,1M 0,1M 0,01 0,1M 0,1 συμπεριφέρεται ως ασθενής βάση αφού προέρχεται από το ασθενές οξύ CH 3 COOH. Το Na + δεν αντιδρά με το νερό, αφού προέρχεται από την ισχυρή βάση NaOH. Άρα: CH 3 COO - + H 2 O CH 3 COOH + OH - Αντ. Παρ. xm xm xm [CH 3COOH].[OH ] Όπου Κ b = [CH COO ] 3 14 K w 10 (1) με K b = = K 10 a Kαι [CH 3 COO - ]=0,1-x0,1M, [OH - ]=xm, [CH 3 COOH]=xM Aπό (1) έχουμε: 10-9 x = 2 => x=10-5 M => [OH - ]=10-5 M => poh=5=>ph=9 0, 1 Δ2. Υπολογίζω τα του CH 3 COOH και του NaOH που περιέχονται αρχικά στα διαλύματα: n =0,2.0,05=0,01 CH3 COOH n NaOH =0,2.0,1=0,02 NaOH Mετά την ανάμιξη των διαλυμάτων οι δύο παραπάνω ουσίες αντιδρούν: CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O και αντιδρά όλο το CH 3 COOH, δηλαδή: 0,01 CH 3 COOH αντιδρούν με 0,01 NaOH και παράγονται 0,01 CH 3 COONa. Έτσι το τελικό διάλυμα περιέχει 0,01 CH 3 COONa και 0,02-0,01=0,01 NaOH. Aυτά τα θα περιέχονται και στο αραιωμένο διάλυμα του 1. Έτσι οι συγκεντρώσεις θα είναι: Για το CH 3 COONa: 0,01/1 = 0,01M Για το NaOH: 0,01/1=0,01M

7 To NaOH διίσταται ως ισχυρή ιοντική βάση. Το CH 3 COONa διίσταται ως ιοντική ένωση και το CH 3 COO - αντιδρά με το νερό: ΝaOH Na + + OH - 0,01M 0,01M CH 3 COONa CH 3 COO - + Na + 0,01M 0,01M CH 3 COO - + H 2 O CH 3 COOH + OH - ym ym ym Στο τελικό διάλυμα θα έχουμε: [CH 3 COOH]=yM, [CH 3 COO - ]=0,01-y0,01M και [ΟΗ - ]=0,01+y0,01M Oι προσεγγίσεις έγιναν με την υπόθεση ότι y<<0,01, πράγμα που θα το επιβεβαιώσουμε. Πράγματι από (1) έχουμε: 10-9 = Και επομένως [ΟΗ - ]=0,01Μ=>pOH=2=>pH=12 Δ3. Στο διάλυμα (Α) περιέχονται: n 0,01.y =>y=10-9 M, άρα y<<0,01. 0,01 =0,2.0,5=0,1 CH3 COOH Στο διάλυμα (Γ) περιέχονται: n HCl =0,2.0,5=0,1 HCl Eπειδή κάθε μονοπρωτικό οξύ HX αντιδρά με ΝaOH: HX + NaOH NaX+H 2 O με αναλογία 1:1 και n NaOH < n COOH CH3 + n HCl, θα αντιδράσει όλο το ΝaOH. To ΗCl θα αντιδράσει όλο, διότι αν υποθέσω ότι περισσεύει HCl η ποσότητα του HCl που θα περισσέψει, θα αντιδράσει πάλι με το άλας CH 3 COONa (CH 3 COO - βάση) που προέρχεται από την εξουδετέρωση: CH 3 COOH+NaOH CH 3 COONa+H 2 O. Tην παραπάνω πρόταση θα εξηγήσουμε αναλυτικά στη σημείωση 1. Έτσι μετά την ανάμιξη πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις: ΗCl + NaOH NaCl + H 2 O Αντ.-Παρ. 0,1 0,1 0,1 CH 3 COOH+NaOH CH 3 COONa + H 2 O Αντ.-Παρ. α α α όπου 0,1+α=0,15=>α=0,05

8 Έτσι το τελικό διάλυμα θα περιέχει: 0,1-0,05=0,05 CH 3 COOH, 0,05 CH 3 COONa, 0,1 NaCl που δεν επηρεάζει το ph του διαλύματος και ο όγκος του θα είναι 1. Οι συγκεντρώσεις τους θα είναι: Για το CH 3 COOH 0,05/1=0,05M και για το CH 3 COONa 0,05/1=0,05M To CH 3 COOH ιοντίζεται και το CH 3 COONa διίσταται: CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + CH 3 COONa CH 3 COO - + Na + To διάλυμα είναι ρυθμιστικό άρα θα ισχύει: c ph=pk a +log (2) ή ph=-log10-5 0, 05 +log =5 0, 05 c o Δ4. α. Και στις δύο καμπύλες ογκομέτρησης χρησιμοποίησα 20m διαλύματος ΝaOH 0,2Μ για την πλήρη εξουδετέρωση του καθενός οξέος. Θα βρω τον όγκο του διαλύματος του CH 3 COOH που έχω χρησιμοποιήσει. Το CH 3 COOH εξουδετερώνεται από το NaOH του πρότυπου διαλύματος: CH 3 COOH+NaOH CH 3 COONa + H 2 O Στο ισοδύναμο σημείο ισχύει: n =n NaOH (3) Aλλά: n NaOH =0,2.0,02= NaOH n =0,2V Άρα: 0,2V= =>V= ή 20m Θα υπολογίσω το ph του διαλύματος που προκύπτει όταν στα 20m διαλύματος CH 3 COOH 0,2M προσθέσω 10m διαλύματος ΝaΟΗ 0,2Μ. Τα αρχικά είναι: n =0,2.0,02= CH 3 COOH n NaOH =0,2.0,01= NaOH Γίνεται η αντίδραση: CH 3 COOH+NaOH CH 3 COONa + H 2 O Αντ.-Παρ

9 Το τελικό διάλυμα περιέχει CH 3 COONa και = CH 3 COOH και ο όγκος του είναι 30m ή 0,03. Το τελικό διάλυμα είναι ρυθμιστικό, ,03 άρα από τη σχέση (2) έχουμε: ph=5+log ,03 Στην καμπύλη (2) φαίνεται ότι όταν προσθέσαμε 10m διαλύματος NaOH το ph έγινε ίσο με 5. Άρα η καμπύλη (2) αντιστοιχεί στο CH 3 COOH και η καμπύλη (1) στο ΗΒ. β. Επειδή για την εξουδετέρωση 20m διαλύματος CH 3 COOH 0,2M αλλά και για την εξουδετέρωση 20m διαλύματος ΗΒ συγκέντρωσης cm χρησιμοποιώ 20m διαλύματος NaOH 0,2Μ θα ισχύει ότι: c HB = c 3 3 =5. COOH CH3 =c=0,2m Γνωρίζω ότι σε 20m διαλύματος ΗΒ 0,2Μ προσθέσαμε 10m διαλύματος NaOH 0,2Μ και προέκυψε διάλυμα με ph=4. Υπολογίζω τα αρχικά n HB =0,2.0,02= HB n NaOH =0,2.0,01= NaOH Γίνεται η αντίδραση: ΗΒ + ΝaOH NaB + H 2 O Aντ-Παρ Το τελικό διάλυμα περιέχει ΝaB και = ΗΒ και έχει όγκο 30m. To τελικό διάλυμα είναι ρυθμιστικό, άρα από τη σχέση (2) θα έχουμε: ,03 4=pK a HB+log ,03 Άρα για το ΗΒ Κ a = => pk a HB =4 γ. Αρχικά είχαμε 20m διαλύματος ΗΒ 0,2Μ. Mέχρι το ισοδύναμο σημείο έχουμε προσθέσει 20m διαλύματος ΝaOH 0,2Μ. Υπολογίζουμε τα κάθε ουσίας: n HB =0,2.0,02= HB n NaOH =0,2.0,02= NaOH

10 Γίνεται η αντίδραση: : ΗΒ + ΝaOH NaB + H 2 O Aντ-Παρ Τελικά το διάλυμα περιέχει ΝaB και ο όγκος του είναι 40m. H συγκέντρωσή του ΝaB θα είναι / =0,1M To ΝaB διίσταται και το B - αντιδρά με το νερό, ως η συζυγής βάση του ασθενούς οξέος ΗΒ. ΝaB Na + + B - 0,1M 0,1M B - + H 2 O HB+OH - ωμ ωμ ωμ [HB].[OH ] Όπου K b = [B ] ή K K w a HA [HB].[OH ] => [B ] =>ω=10-5,5 0,1 Άρα [ΟΗ - ]=10-5,5 =>poh=5,5=>ph=8,5 Σημείωση 1 Έστω τα 0,15 NaOH εξουδετέρωναν x HCl και y CH 3 COOH. Τότε: ΗCl + NaOH NaCl + H 2 O Αντ.-Παρ. x x x CH 3 COOH+NaOH CH 3 COONa + H 2 O Αντ.-Παρ. y y y Θα ισχύει x+y=0,15=>x=0,15-y Aμέσως μετά το διάλυμα θα περιείχε: 0,1-x=0,1-0,15+y=(y-0,05) HCl, x NaCl, (0,1-y) CH 3 COOH και y CH 3 COONa. Στη συνέχεια το CH 3 COONa αντιδρά με το HCl και το HCl αντιδρά πλήρως, αφού y-0,05<y CH 3 COONa + HCl CH 3 COOH + NaCl Αντ.-Παρ. y-0,05 y-0,05 y-0,05 Έτσι τελικά το διάλυμα περιέχει 0,1-y+y-0,05=0,05 CH 3 COOH και y-y+0,05=0,05 CH 3 COONa. Σημείωση 2 Τα ερωτήματα α και β του Δ4 θα μπορούσαν να απαντηθούν αν πρώτα κανείς αποδείκνυε ότι: αν μέχρι το ισοδύναμο σημείο μιας εξουδετέρωσης έχω προσθέσει

11 V πρότυπου διαλύματος, τότε όταν έχω προσθέσει V/2 για το ph του διαλύματος ισχύει: ph διαλύματος =pk a (όταν ισχύουν οι προσεγγίσεις). Σημείωση 3 Θεωρούμε ότι τα θέματα ήταν σαφή, διαβαθμισμένα, μεγάλα σε όγκο και απαιτούσαν σε βάθος γνώση της Χημείας.