ΤΕΛΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ (ΦΥΕ 12) ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ Ημερομηνία εξετάσεων: 12 Ιουνίου 2005

Transcript

1 ΤΕΛΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ (ΦΥΕ 12) Ονοματεπώνυμο Φοιτητή: Αριθμός Μητρώου: ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ Ημερομηνία εξετάσεων: 12 Ιουνίου 2005 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 Ένας συμπληρωμένος με ηλεκτρόνια υποφλοιός ατόμου χαρακτηρίζεται από αυξημένη σταθερότητα. (α) Με πόσα ηλεκτρόνια θεωρούνται συμπληρωμένοι οι υποφλοιοί 7s, 6p, 5d, 4f και 5g; (β) Πόσους υποφλοιούς διαθέτει ο φλοιός ενός ατόμου με n = 4; Πώς χαρακτηρίζεται ο καθένας από αυτούς; (α) Ο αριθμός των τροχιακών ενός υποφλοιού δεδομένου συμπίπτει με το σύνολο των τιμών που λαμβάνει ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός m, δηλαδή Εξάλλου, κάθε τροχιακό μπορεί να δεχθεί το πολύ 2 ηλεκτρόνια. Επίσης, για τους υποφλοιούς s, p, d, f και g οι τιμές του είναι κατά σειρά 0, 1, 2, 3, 4. Έτσι έχουμε: Υποφλοιός s p d f g τιμή του Μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων (β) Ο αριθμός των υποφλοιών ενός φλοιού με κύριο κβαντικό αριθμό n ισούται με n, δηλαδή όσος και ο αριθμός των τιμών του, που είναι 0, 1, 2, 3, n 1. Άρα, ο φλοιός ενός ατόμου με n = 4 διαθέτει τέσσερις υποφλοιούς, αφού οι τιμές του είναι τέσσερις (0, 1, 2 και 3). Οι χαρακτηρισμοί των υποφλοιών προκύπτουν ως εξής: Για n = 4 και = 0 έχουμε τον υποφλοιό 4s. Για n = 4 και = 1 έχουμε τον υποφλοιό 4p. Για n = 4 και = 2 έχουμε τον υποφλοιό 4d. Για n = 4 και = 3 έχουμε τον υποφλοιό 4f. ΘΕΜΑ 2 Το βόριο απαντάται στη φύση υπό μορφή δύο ισοτόπων. Το πρώτο έχει ατομική μάζα 10,01294 u και το δεύτερο 11,00931 u. (α) Υπολογίστε την εκατοστιαία φυσική αναλογία των δύο ισοτόπων του βορίου. (β) Γράψτε το σύμβολο για καθένα ισότοπο του βορίου και βρείτε τον αριθμό των πρωτονίων και νετρονίων του πυρήνα καθενός ισοτόπου.

3 (α) Από τον Π.Π. βρίσκουμε ότι το ατομικό βάρος του βορίου είναι 10,811, δηλαδή η μέση ατομική μάζα του βορίου είναι 10,811u. Αν x η ζητούμενη φυσική αναλογία του πρώτου ισοτόπου, η φυσική αναλογία του δευτέρου ισοτόπου θα είναι (1 x) και θα ισχύει η εξίσωση (10,01294x)u + 11,00931(1 x)u = 10,811u Λύνοντας ως προς x βρίσκουμε: x = 0,19903 και (1 x) = 0, Άρα, η εκατοστιαία φυσική αναλογία του ισοτόπου του βορίου με ατομική μάζα 10,01294 u είναι 19,903% και του ισοτόπου με ατομική μάζα 11,00931 u είναι 80,097%. (β) Από τον Π.Π. βρίσκουμε επίσης ότι ο ατομικός αριθμός του Β είναι 5. Εξάλλου, επειδή ο μαζικός αριθμός ενός νουκλιδίου αποτελεί μια ακέραιη προσέγγιση της ατομικής μάζας, ο μαζικός αριθμός Α του πρώτου ισοτόπου είναι 10 και του δευτέρου 11. Έτσι, τα δύο ισότοπα είναι το 10 5 Β και 11 5 Β. Ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον ατομικό αριθμό Ζ, ενώ ο αριθμός των νετρονίων Ν υπολογίζεται από τη σχέση Ν = Α Ζ. Άρα, στον πυρήνα του πρώτου ισοτόπου υπάρχουν 5 πρωτόνια και 5 νετρόνια, και στον πυρήνα του δευτέρου ισοτόπου υπάρχουν 5 πρωτόνια και 6 νετρόνια. ΘΕΜΑ 3 Δίνονται οι ενώσεις: PH 3 (g), S 2 (g), CF 4 (g) και AlBr 3 (g). Κατατάξτε τους δεσμούς που εμφανίζονται σε αυτές κατά σειρά αυξανόμενης πολικότητας. Βρείτε, κατά προσέγγιση, το ποσοστό του ιοντικού χαρακτήρα του πιο πολωμένου δεσμού. Η πολικότητα ενός δεσμού Α Β είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας Δχ = χ Α χ Β. Είναι: χ P = 2,1, χ H = 2,1, χ S = 2,5, χ = 3,0, χ C = 2,5, χ F = 4,0, χ Al = 1,5 και χ Br = 2,8 (Σχ 4.7, 2/50). Για το δεσμό P H, είναι Δχ = 2,1 2,1 = 0 Για το δεσμό S, είναι Δχ = 2,5 3,0 = 0,5 Για το δεσμό C F, είναι Δχ = 2,5 4,0 = 1,5 Για το δεσμό Al Br, είναι Δχ = 1,5 2,8 = 1,3 Άρα, περισσότερο πολωμένος είναι ο δεσμός C F και λιγότερο πολωμένος (πρακτικά μη πολωμένος) ο δεσμός P H. Η ζητούμενη σειρά είναι P H < S < Al Br < C F. Σύμφωνα με το Σχήμα 4.8 (2/52), ο πιο πολωμένος δεσμός C F (Δχ = 1,5) θα έχει ποσοστό ιοντικού χαρακτήρα περίπου 43%. ΘΕΜΑ 4 Κατατάξτε τις χημικές οντότητες Se, Mn 2+, P 3 και κατά σειρά αυξανόμενου παραμαγνητισμού. Ποιες από αυτές δεν έλκονται (ή και απωθούνται ελαφρά) από ένα μαγνητικό πεδίο;

4 Ο παραμαγνητισμός αυξάνεται κατά την ίδια σειρά που αυξάνεται και ο αριθμός των ασύζευκτων ηλεκτρονίων των χημικών οντοτήτων. Για να βρούμε τον αριθμό των ασύζευκτων ηλεκτρονίων μιας χημικής οντότητας, κατασκευάζουμε, με βάση την ηλεκτρονική της δομή, το αντίστοιχο διάγραμμα ατομικών τροχιακών του φλοιού σθένους. Θα είναι 34Se: [Ar]3d 10 4s 2 4p 4 4s 4p 2 ασύζευκτα ηλεκτρόνια 25Mn: [Ar]3d 5 4s 2 Mn 2+ : [Ar]3d 5 4s 0 3d 4s 5 ασύζευκτα ηλεκτρόνια 15P: [Ne]3s 2 3p 3 P 3 : [Ne]3s 2 3p 6 3s 3p 0 ασύζευκτα ηλεκτρόνια 17: [Ne]3s 2 3p 5 3s 3p 1 ασύζευκτο ηλεκτρόνιο Η ζητούμενη κατάταξη είναι P 3 < < Se < Mn 2+. Από το μαγνητικό πεδίο δεν έλκονται (ή και απωθούνται ελαφρά) οι διαμαγνητικές χημικές οντότητες, δηλαδή αυτές που δεν διαθέτουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Εν προκειμένω, το ιόν P 3. ΘΕΜΑ 5 Βρείτε ποιο είναι το ισχυρότερο οξύ σε καθένα από τα παρακάτω ζεύγη: (α) H 2 S PH 3, (β) H 2 Se HI, (γ) H 3 AsO 4 H 3 AsO 3, (δ) H 3 AsO 3 H 3 SbO 3 (α) Πρόκειται για οξέα που ανήκουν στην κατηγορία των ομοιοπολικών δυαδικών υδριδίων. Η ισχύς αυτών των οξέων αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά μέσα σε μια περίοδο, καθώς αυξάνεται η ηλεκτραρνητικότητα (χ) των ατόμων που συνδέονται με το Η. Επίσης, αυξάνεται από πάνω προς τα κάτω μέσα σε μια ομάδα του Π.Π., παράλληλα με το μέγεθος των ατόμων.

5 Το S και ο Ρ ανήκουν στην ίδια περίοδο. Επειδή χ S > χ Ρ, θα είναι H 2 S > PH 3. (β) Όπως στο (α) (δυαδικά υδρίδια): Το Se και το Ι ανήκουν σε διαφορετική ομάδα και διαφορετική περίοδο. Έτσι η σύγκριση των υδριδίων τους ως οξέων γίνεται έμμεσα. Δηλαδή, αφού HBr > H 2 Se (ίδια περίοδος) και HΙ > HBr (ίδια ομάδα), κατά μείζονα λόγο θα είναι HΙ > H 2 Se. (γ) Εδώ έχουμε οξοοξέα του ίδιου κεντρικού στοιχείου (As), για τα οποία γνωρίζουμε ότι η όξινη ισχύς αυξάνεται παράλληλα με τον αριθμό των ατόμων οξυγόνου που συνδέονται με το κεντρικό στοιχείο. Άρα, H 3 AsO 4 > H 3 AsO 3. (δ) Πρόκειται για οξοοξέα διαφορετικών στοιχείων αλλά της ίδιας δομής, οπότε η όξινη ισχύς αυξάνεται παράλληλα με την ηλεκτραρνητικότητα (χ) του κεντρικού στοιχείου. Επειδή χ As > χ Sb (ίδια ομάδα), θα είναι Η 3 AsO 3 > H 3 SbO 3. ΘΕΜΑ 6 (α) Ποια από τα παρακάτω μόρια, σε αέρια κατάσταση, αναμένεται να έχουν διπολική ροπή ίση με μηδέν; Sb 3, BBr 3, KrF 2, H 2 Te, Sn 2 (β) Σχεδιάστε για το μόριο KrF 2 τις επιμέρους διπολικές ροπές των δεσμών, χρησιμοποιώντας τα σχετικά βέλη, και δικαιολογήστε τη συνολική διπολική ροπή που βρήκατε για το συγκεκριμένο μόριο. (α) Γνωρίζουμε ότι τα μόρια του γενικού τύπου AB n (n = 2 6) είναι τελείως συμμετρικά και οι επιμέρους διπολικές ροπές των δεσμών αλληλοαναιρούνται, οπότε μ ολ = 0. Αντίθετα, μόρια του γενικού τύπου AB n E m (με εξαίρεση τα ΑΒ 2 Ε 3, και ΑΒ 4 Ε 2 ) έχουν μ ολ 0. (Ε = μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων). Κατά τα γνωστά [Πρδ 6.2 (2/161)], θα έχουμε: Br Sb Br B Br F Kr F H Te H Sn ΑΒ 3 Ε μ ολ 0 ΑΒ 3 μ ολ = 0 ΑΒ 2 Ε 3 μ ολ = 0 ΑΒ 2 Ε 2 μ ολ 0 ΑΒ 2 Ε μ ολ 0 (β) Το KrF 2, ως μόριο του γενικού τύπου ΑΒ 2 Ε 3, είναι γραμμικό. Επίσης, το F είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το Kr F Kr F Επειδή οι επιμέρους διπολικές ροπές είναι ίσες και αντίθετες, δίνουν μ ολ = 0.

6 ΘΕΜΑ 7 Το αντιμόνιο καίγεται στον αέρα προς οξείδιο του αντιμονίου(ιιι). Το οξείδιο αυτό, ως επαμφοτερίζον, διαλύεται τόσο σε ισχυρά οξέα, όσο και σε ισχυρές βάσεις. (α) Διατυπώστε τις χημικές εξισώσεις για τις αντιδράσεις πλήρους εξουδετέρωσης του οξειδίου του αντιμονίου(ιιι) σε υδροχλωρικό οξύ και σε υδροξείδιο του νατρίου. (β) Πόσα γραμμάρια αντιμονίου απαιτούνται για την παραγωγή 10,0 g οξειδίου του αντιμονίου(ιιι); Σημείωση: Το οξείδιο του αντιμονίου(ιιι) σχηματίζεται και συμπεριφέρεται ανάλογα προς το οξείδιο του αργιλίου. Ανάλογα προς το σχηματισμό του Al 2 O 3 [E 9.6 (4/99)], έχουμε: 4 Sb(s) + 3 O 2 (g) 2Sb 2 O 3 (s) Ανάλογα προς τη χημική συμπεριφορά του Al 2 O 3 [E 7.5 (3/64)], μπορούμε να γράψουμε τις χημικές εξισώσεις: Sb 2 O 3 (s) + 6 H(aq) 2 Sb 3 (aq) + 3 H 2 O( ) Sb 2 O 3 (s) + 2 NaOH(aq) + 3 H 2 O( ) 2 NaSb(OH) 4 (aq) (β) Τα ατομικά βάρη των Sb και Ο είναι 121,75 και 15,9994, αντίστοιχα. Άρα, 1 mol Sb = 121,75 g και 1 mol Sb 2 O 3 = [(2 121,75) + (3 15,9994)] g = 291,50 g 4 Sb(s) + 3 O 2 (g) 2Sb 2 O 3 (s) 4 mol Sb δίνουν 2 mol Sb 2 O 3 ή 4 121,75 g = 487,00 g Sb δίνουν 2 291,50 g = 583,00 g Sb 2 O 3 x g Sb δίνουν 10,0 g Sb 2 O 3 Άρα, x = [(487,00 g Sb) 10,0 g Sb 2 O 3 ] / 583,00 g Sb 2 O 3 = 8,35 g Sb ΘΕΜΑ 8 Συμπληρώστε τον ακόλουθο πίνακα για τα διαλύματα (α), (β) και (γ) στους 25 ο C: [Η 3 Ο + ] ph [ΟΗ ] poh (α) 3, Μ (β) 4,90 (γ) 7, Μ Ποιο διάλυμα είναι περισσότερο όξινο; Οι σχέσεις που θα χρειασθούμε είναι: ph = log[h 3 O + ] [H 3 O + ] = 10 ph pοh = log[οη ] [ΟΗ ] = 10 pοh ph + poh = 14,00 και [H 3 O + ][ΟΗ ] = 1,

7 (α) ph = log[3, ] = 5 log3,6 = 4,44 [ΟΗ ] = (1, ) / (3, ) = 2, Μ poh = 14,00 ph = 14,00 4,44 = 9,56 (β) [H 3 O + ] = 10 4,90 = 1, Μ [ΟΗ ] = (1, ) / (1, ) = 7, Μ poh = 14,00 ph = 14,00 4,90 = 9,10 (γ) poh = log[7, ] = 9 log7,2 = 8,14 [Η 3 Ο + ] = (1, ) / (7, ) = 1, Μ ph = 14,00 poh = 14,00 8,14 = 5,86 [Η 3 Ο + ] ph [ΟΗ ] poh (α) 3, Μ 4,44 2, Μ 9,56 (β) 1, Μ 4,90 7, Μ 9,10 (γ) 1, Μ 5,86 7, Μ 8,14 Πιο όξινο είναι το διάλυμα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση ιόντων Η 3 Ο + χαμηλότερο ph, δηλαδή το διάλυμα (α). ή το ΘΕΜΑ 9 Βρείτε ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή και ποια λάθος: (α) Στα υδρίδια του αζώτου ΝΗ 3, Ν 2 Η 4 και ΗΝ 3, ο αριθμός οξειδώσεως του αζώτου είναι ο ίδιος. (β) Από τα στοιχεία Na, K, Mg, Fe και S, μόνο το θείο (ως αμέταλλο) δεν αντιδρά απευθείας με στοιχειακό φθόριο. (γ) Τα οξείδια Mn 2 O 3, Fe 2 O 3 είναι έγχρωμα, σε αντίθεση με το οξείδιο Sc 2 O 3 που είναι άχρωμο. (δ) Η αιθυλική αλκοόλη, CΗ 3 CΗ 2 ΟΗ, ζέει σε υψηλότερη θερμοκρασία από τη μεθυλική αλκοόλη, CΗ 3 ΟΗ. (ε) Από τα στοιχεία της Ομάδας 4Α, το πιο όξινο οξείδιο σχηματίζει ο άνθρακας. (α) Λάθος. Το άζωτο είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το Η και άρα ο αριθμός οξείδωσης (α.ο.) του Η είναι +1. Ο α.ο. του Ν στην ΝΗ 3 υπολογίζεται από τη σχέση x + 3(+1) = 0 x = 3 Ο α.ο. του Ν στην Ν 2 Η 4 υπολογίζεται από τη σχέση 2x + 4(+1) = 0 x = 2 Ο α.ο. του Ν στην ΗN 3 υπολογίζεται από τη σχέση 1 + 3x = 0 x = 1/3 (β) Λάθος. Το φθόριο (F 2 ) είναι το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο και με πολύ υψηλό δυναμικό αναγωγής με αποτέλεσμα να αντιδρά απευθείας με όλα τα στοιχεία (εκτός από τα ελαφρά ευγενή αέρια, He, Ne και Ar). [Ε 10.5 (4/ )]. Άρα, αντιδρά και με το θείο. (γ) Σωστή. Το Sc 2 O 3 είναι ένωση του Sc 3+, ενώ το Mn 2 O 3 και το Fe 2 O 3 είναι ενώσεις των Mn 3+ και Fe 3+, αντίστοιχα. Το Sc 3+ δεν διαθέτει καθόλου d ηλεκτρόνια. Το Mn 3+

8 έχει τέσσερα d ηλεκτρόνια και ο Fe 3+ πέντε d ηλεκτρόνια. Το χρώμα των συμπλόκων των μεταβατικών μετάλλων οφείλεται κατά βάση στη μεταπήδηση ηλεκτρονίων μεταξύ d τροχιακών διαφορετικής ενέργειας. Αν δεν υπάρχουν d ηλεκτρόνια, αυτό δεν μπορεί να συμβεί και οι ενώσεις εμφανίζονται άχρωμες. (δ) Σωστή. Τόσο η CΗ 3 CΗ 2 ΟΗ όσο και η CΗ 3 ΟΗ, λόγω της ομάδας ΟΗ, μπορούν να σχηματίσουν 2 δεσμούς υδρογόνου με δύο γειτονικά τους μόρια. Όμως στην αιθυλική αλκοόλη, εξαιτίας της μεγαλύτερης μοριακής της μάζας, οι δυνάμεις London είναι ισχυρότερες από ό,τι στη μεθυλική αλκοόλη. Ισχυρότερες διαμοριακές δυνάμεις σημαίνει και υψηλότερο σημείο ζέσεως. (ε) Σωστή. Το διοξείδιο του άνθρακα, CΟ 2, είναι το πλέον όξινο οξείδιο από όλα τα οξείδια των στοιχείων της Ομάδας 4Α, επειδή ο άνθρακας είναι το κυρίως αμέταλλο στοιχείο αυτής της ομάδας [Ε 9.8 (4/117] και ο αριθμός οξείδωσης του άνθρακα στο CΟ 2 είναι ο μέγιστος δυνατός (+4). [Ε 7.5 (3/62)]. ΘΕΜΑ 10 Η ένωση εντάξεως εξακυανοσιδηρικό(ιι) κάλιο χρησιμοποιείται στην παρασκευή του κυανού του Βερολίνου. Σχεδιάστε την κατανομή των d ηλεκτρονίων στο σύμπλοκο εξακυανοσιδηρικό(ιι) ιόν χρησιμοποιώντας τη θεωρία του κρυσταλλικού πεδίου. Είναι το ιόν διαμαγνητικό ή παραμαγνητικό; To εξακυανοσιδηρικό(ιι) ιόν έχει τον τύπο [Fe(CN) 6 ] 4 (βλ. τύπο για εξακυανοσιδηρικό(ιιι) κάλιο, 5/122). Κεντρικό μεταλλικό ιόν είναι το Fe 2+ με ηλεκτρονική δομή [Ar]3d 6, δεδομένου ότι η ηλεκτρονική δομή του Fe είναι [Ar]3d 6 4s 2. Το σύμπλοκο είναι οκταεδρικό, αφού ο αριθμός εντάξεως του Fe 2+ είναι 6. Το ιόν CΝ, ως υποκαταστάτης ισχυρού πεδίου, προκαλεί μεγάλο διαχωρισμό των d ενεργειακών επιπέδων (Δ ο > Ρ). Συνεπώς, η κατανομή των έξι d ηλεκτρονίων θα έχει ως εξής: e g Δο Ε t 2g Παρατηρούμε ότι το σύμπλοκο [Fe(CN) 6 ] 4 δεν διαθέτει ασύζευκτα ηλεκτρόνια και άρα είναι διαμαγνητικό.