ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ E0 ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΥΛΗΣ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ 1. Να εξηγηθεί η ισχύς των προτάσεων που ακολουθούν. α) O (πρώτος) ιοντισμός του ατόμου του Κ(g) περιγράφεται από την εξίσωση, Κ(g) Κ + (g) + e, είναι ενδόθερμο φαινόμενο και το Κ οξειδώνεται. β) Τα μέταλλα (M) εμφανίζουν μόνο αναγωγικό χαρακτήρα. γ) Κατά τον σχηματισμό ιοντικών ενώσεων το άτομο του στοιχείου που αποβάλλει ηλεκτρόνια οξειδώνεται. δ) Όταν μια ουσία ανάγεται, είναι οξειδωτικό σώμα. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Ο πρώτος ιοντισμός ενός ατόμου περιγράφει την απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από ουδέτερο άτομο σε αέρια κατάσταση. Η διαδικασία αυτή απαιτεί ενέργεια για να πραγματοποιηθεί (E i > 0) και αντιστοιχεί σε οξείδωση, καθώς ο Α.Ο. του Κ αυξάνεται από 0 σε +1. β) Τα μέταλλα έχουν μόνο θετικούς Α.Ο. στις ενώσεις τους και επομένως μπορούν μόνο να οξειδωθούν, άρα στις οξειδοαναγωγικές εντίδρασεις στις οποίες συμμετέχουν εμφανίζουν μόνο αναγωγικό χαρακτήρα. γ) Σύμφωνα με το ο ορισμό της οξείδωσης, οξείδωση είναι η αποβολή ηλεκτρονίων. Mε την αποβολή ηλεκτρονίων το άτομο φορτίζεται θετικά και επομένως αυξάνεται ο Α.Ο. του (οξείδωση, σύμφωνα με τον 3ο ορισμό). δ) Η ουσία που λειτουργεί ως οξειδωτικό, οξειδώνει μία άλλη ουσία. Το ίδιο το οξειδωτικό σώμα περιέχει στοιχείο που ανάγεται.. Από τις οργανικές αντιδράσεις που ακολουθούν, 1. CHCl 3 + O COCl + HCl. CHCl 3 + 3 O COCl + Cl + H O 3. CHCl 3 + 4NaOH HCOONa + 3NaCl + H O ποιες είναι οξειδοαναγωγικές; ΑΠΑΝΤΗΣΗ Η αντίδραση 1 είναι οξειδοαναγωγική, καθώς το Ο ανάγεται από 0 σε και ο C οξειδώνεται από + στο CHCl 3 σε +4 στο COCl. Η αντίδραση 1 είναι επί-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ σης οξειδοαναγωγική, για τους ίδιους λόγους. Η αντίδραση 3 δεν είναι οξειδοαναγωγική, καθώς δεν υπάρχουν μεταβολές στους Α.Ο. Στην ένωση CHCl 3, o C έχει Α.Ο. +, όπως και στην ένωση HCOONa, το Na έχει σε όλες τις περιπτώσεις +1, το Η έχει επίσης +1 και το Ο έχει. 3. Γιατί ο ορισμός της οξείδωσης ως η αύξηση του αριθμού οξείδωσης ενός ατόμου ή ιόντος είναι γενικότερος από τον ορισμό της οξείδωσης ως αποβολή ηλεκτρονίων; ΑΠΑΝΤΗΣΗ Η εφαρμογή του ορισμού της οξείδωσης ως πραγματική αποβολή ηλεκτρονίων προϋποθέτει το σχηματισμό ιοντικών ενώσεων και δεν καλύπτει τις περιπτώσεις ομοιοπολικών ενώσεων. Π.χ. η αντίδραση, Η + Cl HCl, δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ως οξειδοαναγωγή καθώς η ένωση HCl είναι ομοιοπολική και όχι ιοντική ένωση και επομένως δεν υπάρχει αποβολή ή πρόσληψη η- λεκτρονίων. Αντίθετα, η αντίδραση αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί ως οξείδωση του Η, καθώς από Α.Ο. = 0 πηγαίνει σε Α.Ο. = +1 (και ως αναγωγή του Cl ). 4. Ο φωσφόρος οξειδώνεται από το πυκνό νιτρικό οξύ, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): P + HNO 3 H 3 PO 4 + NO + H O α) Να εξηγήσετε γιατί η αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική και να σημειώσετε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται, καθώς και ποιο είναι το οξειδωτικό και ποιο το αναγωγικό σώμα. β) Να γράψετε την αντίδραση συμπληρωμένη με τους κατάλληλους συντελεστές. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Οξειδώνεται ο Ρ από 0 σε +5 και ανάγεται το Ν από +5 στο ΗΝΟ 3 σε +4 στο ΝΟ. Οξειδωτικό σώμα είναι το ΗΝΟ 3 και αναγωγικό ο Ρ. β) P + 5HNO 3 H 3 PO 4 + 5NO + H O 5. Ποσότητα κράματος Αg και Fe έχει συνολική μάζα 6 g. H ποσότητα αυτή κατεργάζεται με περίσσεια αραιού διαλύματος Η SO 4, οπότε αντιδρά μόνο ο Fe, σύμφωνα με την εξίσωση: Fe(s) + H SO 4 (aq) FeSO 4 (aq) + H (g) Μέχρι την πλήρη αντίδραση του Fe παρατηρείται η έκλυση 67 ml αερίου σε STP. α) Ποιες είναι οι μάζες των δύο συστατικών του κράματος; β) Ποιος ο μέγιστος όγκος διαλύματος K Cr O 7 0, M, που μπορεί να α- ντιδράσει πλήρως με το διάλυμα που προκύπτει από την αντίδραση του κράματος με το Η SO 4, μετά την απομάκρυνση της ποσότητας του Ag που δεν αντέδρασε; -350-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ ΛΥΣΗ α) Έστω x mol και y mol οι ποσότητες του Αg και του Fe στο κράμα. Θα ι- σχύει: 108x + 56y = 6 (1). H ποσότητα του αερίου (Η ) που εκλύεται από την αντίδραση είναι: 0,67 n 0,03mol..4 Fe(s) + H SO 4 (aq) FeSO 4 (aq) + H (g) 0,03 mol 0,03 mol 0,03 mol H μάζα του Fe είναι 0,03 56 = 1,68 g και επομένως: 108x = 6 56y = 4,3 g. β) Η αντίδραση που πραγματοποιείται περιγράφεται από την εξίσωση: 6FeSO 4 + K Cr O 7 + 7H SO 4 Cr (SO 4 ) 3 + 3Fe (SO 4 ) 3 + K SO 4 + 7H O 0,03 mol 0,005 mol Για το διάλυμα του K Cr O 7 0, M: c n V, V n c 0,005 0,05L 0, 6. Με την επίδραση διαλύματος K Cr O 7 οξινισμένου με HCl, ένα μέταλλο Μ οξειδώνεται προς ένα χλωριούχο άλας του τύπου ΜCl x, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): Μ + K Cr O 7 + HCl ΜCl x + CrCl 3 + KCl + H O Βρέθηκε ότι,8 g του μετάλλου αντιδρούν πλήρως με 5 ml διαλύματος K Cr O 7 οξινισμένου με HCl. Βρέθηκε επίσης ότι 100 ml του ίδιου διαλύματος K Cr O 7 αντιδρούν πλήρως με 300 ml διαλύματος SnCl 1 M, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): SnCl + K Cr O 7 + HCl SnCl 4 + CrCl 3 + KCl + H O A r Nα υπολογιστεί η τιμή του λόγου λ, όπου Α r η σχετική ατομική μάζα του μετάλλου Μ και x ο αριθμός οξείδωσης του μετάλλου Μ στην ένω- x ση MCl x. ΛΥΣΗ 3SnCl + K Cr O 7 + 14HCl 3SnCl 4 + CrCl 3 + KCl + 7H O Η ποσότητα του SnCl είναι n = 1 0,3 = 0,3 mol και επομένως η ποσότητα του K Cr O 7 με την οποία αντιδρά είναι 0,1 mol. c n V 0,1 1M 0,1 6Μ + xk Cr O 7 + 14xHCl 6ΜCl x + xcrcl 3 + xkcl + 7xH O,8 H ποσότητα του Μ είναι: n mol (1) A r Στα 5 ml του διαλύματος του K Cr O 7 υπάρχουν 0,05 mol. Από τη στοιχει- -351-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ομετρία της παραπάνω αντίδρασης προκύπτει ότι τα n mol του Μ αντιδρούν με x n mol K Cr O 7 και επομένως: 6 x n x,8 0,05 6 6 A r, A r λ x,8 0,15 56 3 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ - ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 1. Για την αντίδραση, ΑΒ(g) Α (g) + Β (g) έχουν προσδιοριστεί οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης και της ενθαλπίας, E a = 183 kj mol 1 και ΔΗ = 9 kj mol 1. Να γραφούν οι τιμές των παραπάνω μεγεθών για την αντίστροφη αντίδραση: H (g) + I (g) HI(g) ΑΠΑΝΤΗΣΗ Με βάση τα δεδομένα της αντίδρασης διάσπασης του ΑΒ κατασκευάζουμε το παρακάτω ποιοτικό ενεργειακό διάγραμμα, στο οποίο εμφανίζονται και τα μεγέθη E a και ΔΗ: Ε ΑΒ Ε a ΔΗ Α + Β Από το διάγραμμα αυτό προκύπτει ότι για την αντίστροφη αντίδραση σχηματισμού του ΑΒ, θα ισχύει: E ' 1 a 183 9 174kJmol και ΔΗ = 9 kj mol 1.. Ένα από τα στάδια της βιομηχανικής παρασκευής του ΗΝΟ 3 περιλαμβάνει την εξώθερμη αντίδραση, που περιγράφεται με την εξίσωση: 4NH 3 (g) + 5O (g) 4NO(g) + 6H O(g) α) Ποιο είναι το πρόσημο της ενθαλπίας (ΔΗ) της αντίδρασης; Να συγκρίνετε την ενθαλπία των αντιδρώντων (Η α ) με την ενθαλπία των προϊόντων (Η π ). β) Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση ως οξειδοαναγωγική η όχι. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. γ) Αν κάποια χρονική στιγμή t, οι υδρατμοί σχηματίζονται με ρυθμό 0,04 mol min 1, με ποιο ρυθμό σχηματίζεται το ΝΟ(g) την ίδια χρονική στιγμή; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. ΑΠΑΝΤΗΣΗ πορεία της αντίδρασης -35-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ α) Καθώς η αντίδραση είναι εξώθερμη, το πρόσημο της ενθαλπίας της θα είναι αρνητικό (ΔΗ < 0) και θα ισχύει: Η π < Η α. β) Η αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική. Οξειδώνεται το άζωτο από 3 στην ΝΗ 3 σε + στο ΝΟ και ανάγεται το οξυγόνο από 0 στο Ο σε στο ΝΟ και στο Η Ο. γ) Παρατηρούμε ότι οι συντελεστές των σωμάτων NO και H O είναι, αντίστοιχα 4 και 6. Επομένως, ο ρυθμός με τον οποίο σχηματίζεται το ΝΟ τη χρονική στιγμή t, θα είναι 4 1 0,04 0,016M s. 6 3. Σε δοχείο σταθερού όγκου V = L εισάγουμε 0,04 mol Ν Ο 5, οπότε υπό σταθερή θερμοκρασία διεξάγεται η αντίδραση: Ν Ο 5 (g) 4ΝΟ (g) + Ο (g) Τη χρονική στιγμή t 1 = 400 s βρέθηκε ότι η συγκέντρωση του ΝΟ είναι διπλάσια από τη συγκέντρωση του Ν Ο 5. α) Να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων τη χρονική στιγμή t 1. β) Να υπολογιστεί η μέση ταχύτητα της αντίδρασης από 0-400 s, καθώς και οι μέσοι ρυθμοί μεταβολής των συγκεντρώσεων όλων των ενώσεων (αντιδρώντων και προϊόντων). γ) Να υπολογίσετε τις τελικές συγκεντρώσεις (για t = t v ) των προϊόντων της αντίδρασης. δ) Να εκτιμήσετε αν με την πάροδο του χρόνου η πίεση στο δοχείο αυξάνεται, μειώνεται ή μένει σταθερή. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. ΛΥΣΗ α) mol Ν Ο 5 (g) 4ΝΟ (g) + Ο (g) Αρχικά 0,04 Μεταβολές x 4x x t 1 = 400 s 0,04 x 4x x Ισχύει: 4x = (0,04 x), x = 0,01 mol. β) 0,0 0,04 0,01 NO 5 ] 0,01M, [NO ] 0,0 M, [O ] [ (0,005 0)M υ 1,5 10 400 s υ ΝΟ5 5 5 1 υ,510 Μs, Ms 1 0,005 M 5 1 υνο 4 υ 510 Μs, υο υ 1,5 10 5 Μs 1-353-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ γ) mol Ν Ο 5 (g) 4ΝΟ (g) + Ο (g) Αρχικά 0,04 Μεταβολές 0,04 0,08 0,0 t 1 = 400 s 0,08 0,0 0,08 0,0 [NO ] 0,04 M, [O ] 0,01M δ) Παρατηρούμε ότι ο συνολικός αριθμός moles αυξάνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης ( < 4 + 1). Καθώς ο όγκος του δοχείου και η θερμοκρασία δεν μεταβάλλονται, η πίεση στο δοχείο θα αυξάνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Από εκεί και πέρα η πίεση δεν θα μεταβάλλεται. ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ 1. Nα χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λανθασμένες. Να αιτιολογήσετε τις επιλογές σας. α) Με αύξηση της θερμοκρασίας σε διάλυμα που έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Fe 3+ (aq) + SCN (aq) Fe(SCN) (aq), ΔΗ < 0, (κίτρινο) (κόκκινο) το χρώμα του διαλύματος μετατρέπεται από κίτρινο σε κόκκινο. β) Αν σε μία Χ.Ι. διπλασιάσουμε όλους τους συντελεστές της, η τιμή της σταθεράς K c διπλασιάζεται. γ) Για την αντίδραση, CH 3 OH(g) + O (g) CH O(g) + H O(g), ΔΗ = 199 kj, η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί την ισορροπία προς τα αριστερά και συνεπάγεται μείωση της τιμής της σταθεράς ισορροπίας. δ) Με την προσθήκη επιπλέον ποσότητας Fe 3+ (aq), χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος, σε δοκιμαστικό σωλήνα που έχει αποκατασταθεί η ισορροπία, Fe 3+ (aq) + SCN (aq) [FeSCN] + (aq) η [Fe 3+ ] γίνεται μεγαλύτερη, η [SCN ] γίνεται μικρότερη και η [FeSCN] + γίνεται μεγαλύτερη. ε) Οι εξώθερμες αντιδράσεις έχουν μεγάλη απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ οι ενδόθερμες σε υψηλές θερμοκρασίες. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Λανθασμένη. Σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, με την αύξηση της θερμοκρασίας η Χ.Ι. κατευθύνεται προς τα αριστερά και επομένως το χρώμα του διαλύματος μετατρέπεται σε κίτρινο. β) Λανθασμένη. Π.χ. με το διπλασιασμό των συγκεντρώσεων, υπό σταθερή θερμοκρασία, η τιμή της K c δε μεταβάλλεται. Επίσης, με διπλασιασμό της πίεσης, υπό σταθερή θερμοκρασία, η τιμή της K c δε μεταβάλλεται. Με διπλασιασμό της -354-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ θερμοκρασίας η Κ c μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί, ανάλογα με το αν η ισορροπία είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη προς τα δεξιά. γ) Σωστή. Με την αύξηση της θερμοκρασίας και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η ισορροπία κατευθύνεται προς τα αριστερά (ενδόθερμη κατεύθυνση) και επομένως η τιμή της Κ c μειώνεται. δ) Σωστή. Σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, με την προσθήκη επιπλέον ποσότητας Fe 3+ (aq), η ισορροπία οδεύει προς τα δεξιά. Καθώς η μεταβολή δεν αναιρείται πλήρως, η [Fe 3+ ] γίνεται μεγαλύτερη, ενώ η [SCN ] γίνεται μικρότερη και η [FeSCN] + γίνεται μεγαλύτερη. ε) Σωστή. Σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, με μείωση της θερμοκρασίας, οι εξώθερμες αντιδράσεις κατευθύνονται προς τα δεξιά και επομένως η απόδοσή τους αυξάνεται. Επίσης, με αύξηση της θερμοκρασίας, οι ενδόθερμες αντιδράσεις κατευθύνονται προς τα δεξιά και επομένως η απόδοσή τους αυξάνεται.. Σε δοχείο σταθερού όγκου που βρίσκεται σε σταθερή θερμοκρασία εισάγουμε n mol ΝΗ 3 (g) και με την πάροδο του χρόνου αποκαθίσταται η ισορροπία, που περιγράφεται από την εξίσωση: ΝΗ 3 (g) 3Η (g) + Ν (g) Η πίεση στην ισορροπία είναι P 1. Στο δοχείο αυτό εισάγουμε επιπλέον ποσότητα NH 3 (g), οπότε μετά την αποκατάσταση της νέας ισορροπίας η πίεση γίνεται ίση με Ρ. Να συγκριθούν οι τιμές των πιέσεων Ρ 1 και Ρ. ΑΠΑΝΤΗΣΗ mol ΝΗ 3 (g) 3Η (g) + Ν (g) Αρχικά n Μεταβολές x 3x x Χ.Ι. n x 3x x P 1 V = (n + x) R T (1) Με την εισαγωγή επιπλέον ποσότητας ΝΗ3 και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η ισορροπία οδεύει προς τα δεξιά: mol ΝΗ 3 (g) 3Η (g) + Ν (g) Αρχ. XI n x 3x x Προσθήκη n' Μεταβολές y 3y y Ο συνολικός αριθμός moles στην τελική Χ.Ι. θα είναι: (n x + n y) + 3(x + y) + (x + y) = n + n + x + y > n + x (ο συνολικός αριθμός moles αυξάνεται). P V = (n + n + x + y) R T () Από τις (1) και (), προκύπτει: Ρ 1 < Ρ. -355-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ 3. Δίνονται οι ισορροπίες που ακολουθούν, μαζί με τις αντίστοιχες σταθερές ισορροπίας τους K c : N (g) + O (g) N O(g), K c = 10 35 N O 4 (g) NO (g), K c = 4 10 3 1 N (g) + O (g) NO (g), K c = 4 10 9 Να υπολογίσετε τη σταθερά K c της ισορροπίας που ακολουθεί. N O(g) + 3O (g) N O 4 (g) Οι τιμές των σταθερών ισορροπίας αντιστοιχούν στην ίδια θερμοκρασία. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Οι εκφράσεις των ισορροπιών στις οποίες δίνονται οι σταθερές K c ν είναι οι εξής: [N [ NO] 35 10 ] [O ] (1), [ NO ] 3 4 10 (), [N O ] 4 [N [ NO] 9 410 1/ ] [O] (3) Θέλουμε να υπολογίσουμε τη σταθερά K c της ισορροπίας: [NO 4 ] N O(g) + 3O (g) N O 4 (g), Kc (4) 3 [N O] [O ] [N ] [O ] (1): 10 [N O] 35 4 [NO 4] 1 6 NO] 4 (5), (): 10 (6), (3): 4 10 4 4 [NO ] 16 [N ] [O ] [ 36 (7) Με πολλαπλασιασμό κατά μέλη των εξισώσεων (5), (6) και (7) προκύπτει: [NO ] 35 1 6 4 36 Kc 10 10 4 10 1,6 10 [N O] 16 4 3 [O] 4. Oι τιμές της σταθεράς ισορροπίας, N (g) + 3H (g) NH 3 (g), σε μερικές θερμοκρασίες, δίνονται στον πίνακα που ακολουθεί: θερμοκρασία (Κ) 500 600 700 800 Κ c 90 3 0,3 0,04 Να εξηγήσετε αν ο σχηματισμός της ΝΗ 3 (g) είναι ενδόθερμο ή εξώθερμο φαινόμενο. ΑΠΑΝΤΗΣΗ [NH3 ] Η σταθερά K c έχει τη μορφή: Kc 3 [N ] [H ] Παρατηρούμε ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας η σταθερά K c μειώνεται και επομένως η ισορροπία οδεύει προς τα αριστερά. Όμως, με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία πηγαίνει προς την ενδόθερμη κατεύθυνση. Έτσι, η αντίδραση προς τα δεξιά θα είναι εξώθερμη. 6-356-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ 5. Το σχήμα που ακολουθεί αναφέρεται στην παρακάτω χημική ισορροπία που βρίσκεται σε σταθερή θερμοκρασία: SO (g) + O (g) SO 3 (g) Να σχολιάσετε τα δεδομένα του σχήματος. α) β) ΑΠΑΝΤΗΣΗ Το σχήμα (α) αναφέρεται στη Χ.Ι. που έχει αποκατασταθεί στο δοχείο όγκου 10 L. Με μείωση του όγκου υπό σταθερή θερμοκρασία, η πίεση αυξάνεται με αποτέλεσμα η ισορροπία να κατευθύνεται προς τα δεξιά. Επομένως, η ποσότητα του SO 3 αυξάνεται, ενώ οι ποσότητες του SO και του Ο μειώνονται. 6. Tη χρονική στιγμή t = 0 σε δοχείο σταθερού όγκου εισάγονται ποσότητες CCl 4 (l) και ΗF(g), οπότε τη χρονική στιγμή t 1 αποκαθίσταται η ισορροπία: CCl 4 (l) + ΗF(g) CCl F (g) + ΗCl(g) Tην ίδια χρονική στιγμή (t 1 ) μεταβάλλεται ένας από τους παράγοντες της χημικής ισορροπίας, οπότε τη χρονική στιγμή t αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία. Το σχήμα που ακολουθεί εμφανίζονται τα διαγράμματα των συγκεντρώσεων των τριων αερίων που συμμετέχουν στην αντίδραση, σε συνάρτηση με το χρόνο από τη χρονική στιγμή t = 0 μέχρι τη χρονική στιγμή t : c(μ) α) Nα γράψετε το είδος της μεταβολής που έγινε τη χρονική στιγμή t 1 και να αιτιολογήσετε πλήρως την απάντησή σας. β) Να εξηγήσετε γιατί ισχύει η εξίσωση που ακολουθεί: t1 [HF] t1 t1 [ CCl F ] [HCl] [CCl F ] [HCl] t [HF] t t 1 t t t -357-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Παρατηρώντας τις καμπύλες της χημικής ισορροπίας από t = 0 μέχρι t = t 1, παρατηρούμε ότι η επάνω καμπύλη αντιστοιχεί στο HF, η ενδιάμεση καμπύλη στο HCl και η κάτω καμπύλη στο CCl F. Επομένως, τη χρονική στιγμή t 1 έγινε μείωση της συγκέντρωσης του HCl. β) Ισχύει γιατί τα δύο μέλη της ισότητας αντιστοιχούν στις εκφράσεις της σταθεράς ισορροπίας που είναι σταθερή, καθώς δεν μεταβάλλεται η θερμοκρασία. 7. Σε δοχείο σταθερού όγκου V εισάγουμε 1 mol HI(g), που διασπάται στα συστατικά του στοιχεία, σύμφωνα με τη χημική ισορροπία: ΗΙ(g) Η (g) + Ι (g) Το διάγραμμα που ακολουθεί δίνει τη μεταβολή στον αριθμό mol του ΗΙ ως συνάρτηση του χρόνου, σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες, Τ 1 και Τ (Τ > Τ 1 ). 1 n(ηι) 0,5 T 1 0, T α) i. Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση διάσπασης του ΗΙ ως ενδόθερμη ή εξώθερμη και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. ii. Να υπολογίσετε τις τιμές της σταθεράς ισορροπίας στις δύο θερμοκρασίες Τ 1 και Τ. β) Τη χρονική στιγμή t 1 στη θερμοκρασία Τ 1 διπλασιάζουμε την πίεση στο δοχείο με μεταβολή του όγκου υπό σταθερή θερμοκρασία. Ποιες θα είναι οι ποσότητες στο δοχείο (σε mol) των τριών συστατικών στην ισορροπία; Ποιες οι τιμές των συγκεντρώσεων των τριών συστατικών; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. γ) Τη χρονική στιγμή t και στη θερμοκρασία Τ προσθέτουμε 1 mol HI, επιπλέον. Ποιες θα είναι οι ποσότητες (σε mol) του Η, του Ι και του ΗΙ στη νέα χημική ισορροπία; t ΛΥΣΗ α) i. Ενδόθερμη (αρχή Le Châtelier). ii. [H ] [I ] (0,4 / V) [HI] (0, / V) K c 4 [H ] [I ] (0,5 / V) [HI] (0,5 / V) K c1 1 4-358-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ β) Ο όγκος μειώνεται στο μισό (V/). Η θέση της ισορροπίας δε μεταβάλλεται, καθώς Δn = 0, αλλά οι συγκεντρώσεις θα διπλασιαστούν: [ΗΙ] = 1 Μ, [Η ] = [Ι ] = 0,5 Μ. γ) mol ΗΙ(g) Η (g) + Ι (g) Αρχ. Χ.Ι. 0, 0,4 0,4 Προσθήκη 1 Μεταβολές x x x Χ.Ι. 1, x 0,4 + x 0,4 + x 0,4 x 0,4 x [H ] [I ] V V 0,4 x Kc 4,, x 0,1mol [HI] 1, x 1, x V Επομένως στη νέα Χ.Ι. θα συνυπάρχουν 1 mol HI, 0,5 mol H και 0,5 mol I. 8. Σε δοχείο όγκου V και σε θερμοκρασία Τ 1 εισάγουμε mol SO και 1 mol Ο και αποκαθίσταται η ισορροπία που ακολουθεί: SO (g) + O (g) SO 3 (g) Στη χημική ισορροπία βρέθηκε 1 mol SO 3. Η σταθερά K c της παραπάνω ισορροπίας έχει τιμή ίση με 00 στη θερμοκρασία Τ 1. α) Να προσδιορίσετε την απόδοση της αντίδρασης και τον όγκο του δοχείου. β) Η τιμή της σταθεράς K c της παραπάνω ισορροπίας, σε θερμοκρασία Τ > Τ 1, έχει τιμή ίση με 44. Να προσδιορίσετε αν η αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη. ΛΥΣΗ α) mol SO (g) + O (g) SO 3 (g) Αρχικά 1 Μεταβολές x x x Χ.Ι. x 1 x x Ισχύει: x = 1, x = 0,5 mol. Επομένως, στη Χ.Ι. συνυπάρχουν 1 mol SO, 0,5 mol O και 1 mol SO 3. 1 x [SO3] V V α 0,5(50%) Kc 00, V 100L. 1 [SO ] [O ] 1 0,5 0,5 V V β) Παρατηρούμε ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας η τιμή της K c μειώνεται επίσης, που σημαίνει ότι η ισορροπία πηγαίνει προς τα αριστερά. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, όμως, η ισορροπία πηγαίνει προς την ενδόθερμη αντίδραση και επομένως προς τα δεξιά η αντίδραση είναι εξώθερμη. -359-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ 9. Δίνεται η ισορροπία: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g). Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου V, που βρίσκεται σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας Τ, εισάγουμε 5,6 g CaO(s) και στη συνέχεια ποσότητα CO (g), μάζας m. Η γραφική παράσταση της πίεσης στο δοχείο, ως συνάρτηση της μάζας (m) του εισαγομένου CO (g) δίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. 1, P (atm) P 0 m 1 m (CO ) Nα εξηγήσετε τη μορφή του διαγράμματος και πιο συγκεκριμένα: α) Γιατί μέχρι μία τιμή της μάζας (m = m 1 ) η πίεση αυξάνεται γραμμικά; β) Γιατί όταν m 1 < m < m, η πίεση μένει σταθερή; γ) Γιατί όταν m > m, η πίεση αυξάνει πάλι γραμμικά; Η ποσότητα των στερεών δεν επηρεάζει τον όγκο του δοχείου. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Η ποσότητα του CO αυξάνεται μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας (m = m 1 ), μέχρι ότου η συγκέντρωσή του να γίνει ίση με την τιμή της K c. Η πίεση αυξάνεται γραμμικά, καθώς Ρ = (m/v) R T. β) Για m 1 < m < m, η επιπλέον ποσότητα του CO αντιδρά με το CaO, ώστε η πίεση να διατηρείται σταθερή και ίση με P 0 και η συγκέντρωση του CO να είναι επίσης σταθερή και ίση με K c. Όταν m = m έχει αντιδράσει όλη η ποσότητα του CaO. γ) Για m 1 < m < m, έχει αντιδράσει όλη η ποσότητα του CaO και δεν είναι δυνατή η αποκατάσταση χημικής ισορροπίας, με αποτέλεσμα η ποσότητα του CO να αυξάνεται και η πίεση αυξάνεται επίσης. 10. Σε διαφορετικά κλειστά δοχεία Α, Β, Γ και Δ όγκου 1 L, που βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία Τ, εισάγονται ποσότητες από τις εξής ουσίες: α) Δοχείο Α: 5 10 3 mol CaCO 3 (s). β) Δοχείο Β: 5 10 3 mol CaO(s) και 5 10 3 mol CO (g). γ) Δοχείο Γ: 5 10 3 mol CaCO 3 (s) και 5 10 3 mol CO (g). δ) Δοχείο Δ: 5 10 3 mol CaCO 3 (s) και 5 10 3 mol CaO(s). Nα εξετάσετε αν σε κάθε περίπτωση μπορεί ή όχι να αποκατασταθεί χημική ισορροπία, σύμφωνα με την εξίσωση: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g), Κ c = 10 3 Ποιες οι τελικές ποσότητες στα δοχεία, σε κάθε περίπτωση; m ΑΠΑΝΤΗΣΗ -360-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ Για την ισορροπία, CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g), Κ c = [CO ] και επομένως για να αποκατασταθεί χημική ισορροπία θα πρέπει να συνυπάρχουν τα τρία συστατικά, από τα oποία το CO σε ποσότητα n = 10 3 mol. Δοχείο Α: Η ισορροπία μπορεί να επιτευχθεί με τη διάσπαση 10 3 mol CaCO 3 και το σχηματισμό 10 3 mol CaΟ και 10 3 mol CO, οπότε στο δοχείο θα απομείνουν χωρίς να διασπαστούν 3 10 3 mol CaCO 3. Δοχείο Β: Η ισορροπία μπορεί να επιτευχθεί με την αντίδραση 3 10 3 mol CaΟ με 3 10 3 mol CO και το σχηματισμό 3 10 3 mol CaCΟ 3. Δοχείο Γ: Για να αποκατασταθεί ισορροπία θα πρέπει να αντιδράσουν 3 10 3 mol CO, ώστε να απομείνουν 10 3 mol CO. Καθώς, όμως, δεν υπάρχει στο δοχείο CaO, αυτό δεν μπορεί να γίνει και άρα δεν μπορεί να αποκατασταθεί ι- σορροπία. Στο δοχείο θα περιέχονται 5 10 3 mol CaCO 3 και 5 10 3 mol CO. Δοχείο Δ: Η ισορροπία μπορεί να επιτευχθεί με τη διάσπαση 10 3 mol CaCO 3 και το σχηματισμό 10 3 mol CaΟ και 10 3 mol CO, οπότε στο δοχείο περιέχονται 3 10 3 mol CaCO 3, 10 3 mol CO και 7 10 3 mol CaΟ. 11. Στους θ ο C, αέριο του τύπου ΑΒ x διασπάται στα στοιχεία του Α και Β, σύμφωνα με την εξίσωση: ΑΒ x (g) Α (g) + xβ (g) H σταθερά K c της ισορροπίας έχει τιμή ίση με 16 στους θ ο C. α) Σε δοχείο (Δ 1 ) έχει αποκατασταθεί η παραπάνω ισορροπία στην οποία συνυπάρχουν τα τρία αέρια σε συγκεντρώσεις: [ΑΒ x ] = 1 M, [A ] = M και [Β ] = Μ. Να δείξετε ότι x = 3. β) Σε άλλο δοχείο (Δ ) όγκου V = L εισάγονται ποσότητες από τα αέρια Α και Β και αποκαθίσταται η παραπάνω χημική ισορροπία στην οποία συνυπάρχουν ισομοριακές ποσότητες από τα τρία αέρια στους θ ο C. Να υπολογιστούν, i. οι αρχικές ποσότητες από τα αέρια Α και Β και ii. οι ποσότητες των τριών αερίων στη χημική ισορροπία. γ) Σε τρίτο δοχείο (Δ 3 ) βρίσκονται σε ισορροπία α mol ΑΒ x, β mol Α και γ mol Β στους θ ο C και ισχύει: α + β + γ < 6. Μεταβάλλουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία και παρατηρούμε ότι στη νέα χημική ι- σορροπία συνυπάρχουν mol ΑΒ x (g), mol Α (g) και mol Β (g). i. Nα εξηγήσετε αν ο όγκος του δοχείου αυξήθηκε ή μειώθηκε. ii. Nα υπολογίσετε τον τελικό όγκο του δοχείου. δ) Στο δοχείο (Δ 3 ) στο οποίο συνυπάρχουν σε ισορροπία mol ΑΒ x (g), mol Α (g) και mol Β (g), αυξάνουμε τη θερμοκρασία και παρατηρούμε ότι στη νέα χημική ισορροπία ισχύει: n ολ = 6,5 mol. Nα εξηγήσετε αν η διάσπαση του ΑΒ x (g) είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. ΛΥΣΗ α) K c [A] [B ] [AB ] 3 x 1 x, x1 16, x 3. -361-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ β) mol ΑΒ 3 (g) Α (g) + 3Β (g) Αρχικά α β Μεταβολές x x 3x Χ.Ι. x α x β 3x Ισχύει: x = α x = β 3x και επομένως α = 3x και β = 5x. Άρα, στη Χ.Ι. θα συνυπάρχουν x mol AB 3, x mol A και x mol B. K c [A] [B ] [AB ] 3 x x x x 3, x 16, x 4 mol. Επομένως, α = 1 mol και β = 0 mol. Στη Χ.Ι. συνυπάρχουν από x = 4 mol από καθένα από τα τρία συστατικά. γ) Εφόσον στην τελική Χ.Ι. ισχύει n ολ = + + = 6 και αρχικά έχουμε n ολ = α + β + γ < 6, η αντίδραση εξελίσσεται προς τα περισσότερα mol, δηλαδή προς τα δεξιά: Mol ΑΒ 3 (g) Α (g) + 3Β (g) Αρχ. Χ.Ι. α β Γ Μεταβολές x x 3x Τελική Χ.Ι. α x = β + x = γ + 3x = Επομένως, σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, μειώσαμε την πίεση με αύξηση του όγκου του δοχείου. Για τον τελικό όγκο του δοχείου (V): x [A] [B ] V V 16, V 0,5L. [AB3] V V 3 δ) Εφόσον ο συνολικός αριθμός mol των αερίων αυξήθηκε εξελίχθηκε αντίδραση προς τα περισσότερα mol, δηλαδή προς τα δεξιά. Καθώς με την αύξηση της θερμοκρασίας και σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier, η ισορροπία οδεύει προς την ενδόθερμη κατεύθυνση, η αντίδραση προς τα δεξιά θα είναι ενδόθερμη. 1. Σε κλειστό δοχείο εισάγουμε CO (g) και Η (g) με αναλογία mol 1:5, α- ντίστοιχα και αποκαθίσταται η ισορροπία: CO (g) + Η (g) CO(g) + Η Ο(g), Κ c = 1 (στους θ ο C) α) Να υπολογιστεί το ποσοστό (%) του CO που μετασχηματίζεται σε CO. β) Την αναλογία όγκων CO (g) και Η (g) που πρέπει να αναμείξουμε αρχικά, ώστε να αντιδράσει το 90% της αρχικής ποσότητας του Η. Η θερμοκρασία είναι σταθερή και ίση με θ ο C. -36-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ ΛΥΣΗ α) Mol CO (g) + Η (g) CO(g) + Η Ο(g) Αρχικά x 5x Μεταβολές y y y y Χ.Ι. x y 5x y y y y Θέτουμε: π (όπου π το κλάσμα το CO που μετασχηματίζεται σε CO). x Επομένως: y = πx. K c y π 1 (οι όγκοι απλοποιούνται) (x y) (5x y) (1 π) (5 π) Από την προηγούμενη σχέση, προκύπτει π 0,833 και επομένως το ποσοστό (%) του CO που μετασχηματίζεται σε CO είναι 83,3%. β) Έστω ότι η αναλογία moles CO (g) και Η (g) είναι λ (στα αέρια, η αναλογία moles είναι και αναλογία όγκων). mol CO (g) + Η (g) CO(g) + Η Ο(g) Αρχικά λx x Μεταβολές y y y y Χ.Ι. λx y x y y y y Θα ισχύει: 0,9, y 0,9x και επομένως: x K c (0,9x) 0,9 1 (λx y) (x y) (λ 0,9) 0,1 Από την προηγούμενη σχέση, προκύπτει: λ = 9. 13. Σε δοχείο (Δ1) εισάγουμε αρχικά α mol Ν και β mol H στους θ ο 1 C και αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g), ΔΗ = 9 kj, Κ c = 1 (θ ο 1 C), στην οποία συνυπάρχουν mol N, 4 mol H και 6 mol NH 3. α) Να υπολογιστούν οι αρχικές ποσότητες α και β καθώς και η απόδοση της αντίδρασης. β) Μεταβάλλουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία και στη νέα χημική ισορροπία η ποσότητα του N είναι ίση με 1 mol. Ποιος ο νέος όγκος του δοχείου; γ) Σε άλλο δοχείο (Δ) όγκου 1 L στους θ ο C, συνυπάρχουν σε χημική ισορροπία 4 mol N, 1 mol H και mol NH 3. Να συγκρίνετε τις θερμοκρασίες θ 1 και θ. -363-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΛΥΣΗ α) mol Ν (g) + 3Η ΝΗ 3 (g) Αρχικά α β Μεταβολές x 3x x Χ.Ι. α x β 3x x Ισχύει: α x = mol, β 3x = 4 mol και x = 6 mol. και επομένως: α = 5 mol και β = 13 mol. To συστατικό Η είναι σε έλλειμμα, επομένως: 3x 9 α β 13 β) Με την μεταβολή του όγκου προφανώς εκδηλώθηκε αντίδραση προς τα δεξιά, καθώς η ποσότητα του Ν μειώθηκε. γ) mol Ν (g) + 3Η ΝΗ 3 (g) Αρχ. Χ.Ι. 4 6 Μεταβολές 1 3 Τελική Χ.Ι. 1 1 8 [NH3 ] 1 [N ] [H ] 8 V 1 1 V V K c 3 3 1, V 8 [NH3 ] 1 Kc (θ ) 1 Kc(θ1) 3 3 [N ] [H ] 4 1 1 1 Καθώς οι τιμές των σταθερών ισορροπίας είναι ίσες, θα ισχύει: θ 1 = θ. 14. 18 g CH 3 COOH και 13,8 g CH 3 CH OH φέρονται προς αντίδραση, σύμφωνα με την εξίσωση: CH 3 COOH(l) + CH 3 CH OH(l) CH 3 COΟCH CH 3 (l) + H O(l), Κ c = 4 α) Να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης. β) Πόσα g CH 3 COOH πρέπει να προστεθούν επιπλέον στην φιάλη της παραπάνω ισορροπίας, ώστε να σχηματιστούν συνολικά 0,5 mol εστέρα; γ) 0, mol CH 3 COOH και x mol CH 3 CH OH φέρονται προς αντίδραση σε άλλη φιάλη και αποκαθίσταται η παραπάνω χημική ισορροπία στην οποία σχηματίζεται εστέρας με απόδοση 80%. Ποια η τιμή του x; Σχετικές ατομικές μάζες, C:1, H:1, O:16. ΛΥΣΗ α) Μ r (CH 3 COOH) = 60, M r (CH 3 CH OH) = 46. 18 13,8 n 0,3 mol CH 3 COOH, n 0, 3 mol CH 3 CH OH 60 46 L -364-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ mol CH 3 COOH + CH 3 CH OH CH 3 COΟCH CH 3 + H O Αρχικά 0,3 0,3 Μεταβολές x x x x Χ.Ι. 0,3 x 0,3 x x x K c x x [CH3COOCH CH3] [HO] V V x [CH 0,3 x 0,3 x 3COOH] [CH3CHOH] 0,3 x V V x, x = 0, mol. Επομένως: α 0,3 x β) Έστω ότι πρέπει να προσθέσουμε λ mol επιπλέον CH 3 COOH, ώστε να σχηματιστούν συνολικά 0,5 mol εστέρα. mol CH 3 COOH + CH 3 CH OH CH 3 COCH CH 3 + H O Αρχ. Χ.Ι. 0,1 0,1 0, 0, Προσθήκη λ Μεταβολές y y y y Χ.Ι. 0,1 + λ y 0,1 y 0, + y 0, + y Ισχύει: 0, + y = 0,5, y = 0,05 mol. 0,5 0,5 K V V c 4, λ = 0,65 mol. 0,05 λ 0,05 V V H παραπάνω ποσότητα CH 3 COOH αντιστοιχεί σε n = 0,65 60 = 15,75 g. x 0,3 3 γ) mol CH 3 COOH + CH 3 CH OH CH 3 COOCH CH 3 + H O Αρχικά 0, x Μεταβολές y y y y Χ.Ι. 0, y x y y y Επειδή δεν ξέρουμε ποια ένωση είναι σε περίσσεια διακρίνουμε δύο περιπτώσεις: Περίπτωση 1: 0, x (CH 3 COOH σε περίσσεια). y 0,8, y = 0,8x x Στη Χ.Ι. θα υπάρχουν: (0, 0,8x) mol CH 3 COOH, 0,x mol CH 3 CH OH, 0,8x mol CH 3 COOCH CH 3 και 0,8x mol H O. 4 0,8x 0,8x V V, x = 0,15 mol. 0, 0,8x 0,x V V Περίπτωση : 0, < x (CH 3 CH OH σε περίσσεια). -365-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ y 0,8, y = 0,16 mol. 0, Στη Χ.Ι. θα υπάρχουν: 0,04 mol CH 3 COOH, (x 0,16) mol CH 3 CH OH, 0,16 mol CH 3 COOCH CH 3 και 0,16 mol H O. 4 0,16 0,16 V V, x = 0,3 mol. 0,04 x 0,16 V V Σημείωση: Και οι δύο παραπάνω λύσεις είναι δεκτές, σύμφωνα με τους περιορισμούς των αντίστοιχων περιπτώσεων. 15. ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ 0,6 mol SO και 0,4 mol O διαβιβάζονται σε δοχείο όγκου 1 L, στους θ ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g) (1) Όλη η ποσότητα του SO 3 στη χημική ισορροπία διαλύεται πλήρως σε νερό και λαμβάνει χώρα η αντίδραση: SO 3 + Η Ο Η SO 4 () Προκύπτει τελικά διάλυμα (Δ1) Η SO 4 όγκου 400 ml. 15 ml από το διάλυμα Δ1 αραιώνεται με νερό και προκύπτει διάλυμα (Δ) όγκου 1 L για το οποίο ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 10 Μ, στους 5 o C. Ποσότητα από το διάλυμα Δ, όγκου 50 ml, απαιτεί για πλήρη εξουδετέρωση 15 ml διαλύματος NaOH 0,1 M. α) Να εξηγήσετε αν οι αντιδράσεις (1) και () είναι οξειδοαναγωγικές ή όχι. β) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος Δ. γ) Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντισμού (Κ a ) του ιόντος ΗSO 4, στους 5 ο C. δ) Να υπολογίσετε τη σταθερά της ισορροπίας (1), στους θ ο C. ΛΥΣΗ α) Η αντίδραση (1) είναι οξειδοαναγωγική. Το S οξειδώνεται από +4 σε +6 και το O ανάγεται από 0 σε. H αντίδραση () δεν είναι οξειδοαναγωγική, καθώς σε αυτή δεν υπάρχουν μεταβολές στους Α.Ο. β) H ποσότητα του NaOH είναι: n = 0,1 0,015 = 1,5 10 3 mol. Η SO 4 + NaOH Na SO 4 + H O 7,5 10 4 1,5 10 3 c 4 7,510 0,05 0,015M γ) Το H SO 4 είναι ισχυρό στον 1ο ιοντισμό και ασθενές στο ο: -366-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ 1oς ιοντισμός H SO 4 + H O H 3 O + + HSO 4 0,015 0,015 0,015 oς ιοντισμός HSO 4 + H O H 3 O + + SO 4 0,015 x x x [H 3 O + ] = 0,015 + x = 0,0, x = 0,005 M K a (HSO 4 [H3O ] [SO ) [HSO ] 4 4 ] 0,0 0,005 0,01 0,01 δ) Η συγκέντρωση του διαλύματος Δ1 υπολογίζεται με βάση την αραίωση: c 1 0,015 = 0,015 1, c 1 = 1 M. Επομένως: n 1 = 0,4 mol. Από την εξίσωση () βρίσκουμε ότι η ποσότητα του SO 3 είναι επίσης 0,4 mol. mol SO (g) + O (g) SO 3 (g) Αρχικά 0,6 0,4 Μεταβολές x x x Χ.Ι. 0,6 x 0,4 x x Ισχύει: x = 0,4, x = 0, mol και επομένως στη Χ.Ι. συνυπάρχουν 0, mol SO, 0, mol O και 0,4 mol SO 3. [SO3] [O ] [SO ] 0,4 1 0, 0, 1 1 K c 0 16. ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ Θέλουμε να μελετήσουμε την ταχύτητα διάσπασης του H O (υπεροξείδιο του υδρογόνου) σε υδατικό του διάλυμα (Δ) θερμοκρασίας Τ, παρουσία καταλύτη, σύμφωνα με την εξίσωση: H O (aq) H Ol) + 1 O (g), ΔΗ = 196 (1) Για το σκοπό αυτό, ογκομετρούμε ανά τακτά χρονικά διαστήματα 10 ml από το διάλυμα της αντίδρασης με πρότυπο διάλυμα KMnO 4 συγκέντρωσης c 1 οξινισμένου με Η SO 4, μέχρι να εμφανιστεί ρόδινο χρώμα από την ελάχιστη περίσσεια KMnO 4. Kατά τη διαδικασία αυτή λαμβάνει χώρα η αντίδραση της ποσότητας του H O που δεν έχει διασπαστεί με το KMnO 4, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): ΚMnO 4 + H O + H SO 4 O + MnSO 4 + Κ SΟ 4 + H O () α) Να εξηγήσετε γιατί και οι δύο παραπάνω αντιδράσεις (1) και () είναι οξειδοαναγωγικές, σημειώνοντας ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται καθώς και τις σχετικές μεταβολές στους αριθμούς οξείδωσης. Να αντιγράψετε την αντίδραση (), συμπληρώνοντας και τους σχετικούς συντελεστές. -367-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ β) Aν c η συγκέντρωση του Η Ο μία χρονική στιγμή t, να δείξετε ότι η συγκέντρωση αυτή είναι ανάλογη με τον όγκο (V) του KMnO 4 για την ογκομέτρηση της ποσότητας του H O. γ) Τη χρονική στιγμή t = 0 λαμβάνουμε 10 ml από το διάλυμα της αντίδρασης και το ογκομετρούμε με το διάλυμα KMnO 4 συγκέντρωσης c 1 οξινισμένου με Η SO 4. Παρατηρήθηκε η κατανάλωση όγκου V = 1 ml από το διάλυμα του KMnO 4. Επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία με ένα άλλο δείγμα 10 ml που λαμβάνουμε από το διάλυμα της αντίδρασης τη χρονική στιγμή t 1 = 00 s, οπότε απαιτείται για την ογκομέτρηση όγκος V = 9 ml του πρότυπου διαλύματος. Αν c 1 = 0,1 M: i. Nα υπολογίσετε τη θερμότητα που εκλύεται από την αντίδραση (1) το χρονικό διάστημα 0 00 s σαν συνάρτηση του όγκου (V o ) του διαλύματος Δ. ii. Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης διάσπασης του H O, για το χρονικό διάστημα 0 00 s. ΛΥΣΗ α) Αντίδραση 1: Το Ο οξειδώνεται από 1 σε 0 και ταυτόχρονα ανάγεται από 1 σε. Αντίδραση : Το Mn ανάγεται από +7 σε + και το Ο οξειδώνεται από 1 σε 0. ΚMnO 4 + 5H O + 3H SO 4 5O + MnSO 4 + Κ SΟ 4 + 8H O β) n(κmno 4 ) = c 1 V, n(h O ) = (5/) c 1 V = c 0,01 και επομένως: 5 c1 c1 V k V 0,0 γ) Εφαρμόζουμε την παραπάνω σχέση για τη χρονική στιγμή t = 0 και t = 00 s: 5 0,1 c 1 10 3 0,03M 0,0 50,1 c' 910 0,0 3 0,05M H ποσότητα του Η Ο που αντέδρασε στο χρονικό διάστημα 0 έως 00 s είναι: n = (c c ) V 0 = 0,0075 V 0 και επομένως το ποσό θερμότητας που ελευθερώθηκε στο χρονικό αυτό διάστημα είναι: q = 0,0075 V 0 196 = (1,47 V 0 ) kj ii. υ Δc Δt (0,05 0,03)M 3,7510 00 s 5 Μs 1-368-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΕΛΟΝ ΥΛΗΣ Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ Ε0.1. Σύμφωνα με το ο ορισμό περί οξείδωσης και αναγωγής: Α) το οξειδωτικό σώμα είναι αυτό που έχει την ικανότητα να αποβάλλει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια Β) το οξειδωτικό σώμα είναι αυτό που έχει την ικανότητα να αποβάλλει ένα ή περισσότερα πρωτόνια Γ) το οξειδωτικό σώμα είναι αυτό που έχει την ικανότητα να προσλαμβάνει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια Δ) το αναγωγικό σώμα είναι αυτό που έχει την ικανότητα να προσλαμβάνει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια Ε0.. Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι η σωστή; Α) Ένα σώμα μπορεί να είναι είτε οξειδωτικό είτε αναγωγικό, αλλά ποτέ και τα δύο Β) Ένα σώμα μπορεί να παίξει το ρόλο οξειδωτικού, παρουσία αναγωγικού ή και το ρόλο αναγωγικού, παρουσία οξειδωτικού Γ) Ένα αναγωγικό σώμα δεν μπορεί ποτέ να παίξει το ρόλο οξέος κατά Brönsted - Lowry Δ) Ένα αναγωγικό σώμα δεν μπορεί ποτέ να παίξει το ρόλο βάσης κατά Brönsted - Lowry Ε0.3. Ο αριθμός οξείδωσης του Cl στην ένωση Ca(ClO 3 ) είναι: Α) +5 Β) +10 Γ) 0 Δ) 1 Ε0.4. Ποια από τις αντιδράσεις που ακολουθούν είναι οξειδοαναγωγική; Α) Na(s) + H O(l) NaOH(aq) + H (g) Β) NaCl(aq) + AgNO 3 (aq) AgCl(s) + NaNO 3 (aq) Γ) Ca(OH) (aq) + HCl(aq) CaCl (aq) + H O(l) Δ) Al S 3 (s) + 6H O(l) 3H S(g) + Al(OH) 3 (s) Ε0.5. Ποια από τις επόμενες θερμικές διασπάσεις δεν είναι οξειδοαναγωγή; Α) ΗgO Hg + O Β) KClO 3 KCl + 3O Γ) ΜgCO 3 MgO + CO Δ) CH 4 C + H Ε0.6. Οι αριθμοί οξείδωσης του αζώτου στις ενώσεις ΝΗ ΟΗ (υδροξυλαμίνη) και ΝΗ ΝΗ (υδραζίνη) είναι, αντίστοιχα: Α) +1 και Β) 1 και Γ) και 3 Δ) 1 και + -369-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Ε0.7. Για την αντίδραση που ακολουθεί ποια από τις προτάσεις είναι λανθασμένη; 3Cu(s) + 8HNO 3 (aq) 3Cu(NO 3 ) (aq) + NO(g) + 4H O(l) Α) Ο Cu(s) έχει ΑΟ = 0 Β) Ο ΑΟ του Cu στην ένωση Cu(NO 3 ) είναι + Γ) Στην αντίδραση εμφανίζεται τόσο το φαινόμενο της αναγωγής όσο και της οξείδωσης Δ) Το άζωτο ούτε οξειδώνεται ούτε ανάγεται Ε) Το υδρογόνο δεν μεταβάλλει τον αριθμό του οξείδωσης. Ε0.8. Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή για την αντίδραση που ακολουθεί; ΑgNO 3 (aq) + Fe(s) Fe(NO 3 ) (aq) + Ag(s) Α) O ΑgNO 3 λειτουργεί ως αναγωγικό σώμα Β) Το ανιόν ΝΟ 3 λειτουργεί ως οξειδωτικό σώμα Γ) Ο Fe(s) λειτουργεί ως οξειδωτικό Δ) Ο Fe(s) οξειδώθηκε σε Fe + Ε0.9. Σε ποια από τις επόμενες αντιδράσεις το SO δρα ως οξειδωτικό; Α) SO + HNO 3 H SO 4 + NO Β) SO + Cl + H O HCl + H SO 4 Γ) SO + Mg MgO + S Δ) SO + O SO 3 Ε0.10. Για την αντίδραση, Mg + Cl MgCl, ποια από τις ακόλουθες προτάσεις που ακολουθούν είναι η σωστή; Α) To Μg ανάγεται Β) To Cl οξειδώνεται Γ) To Mg δρα ως αναγωγικό Δ) To Cl δρα ως αναγωγικό Ε0.11. Σε ποια από τις επόμενες αντιδράσεις το H S δρα ως οξειδωτικό; Α) H S + NaOH Na S + H Ο Β) H S + Cl HCl + S Γ) 3H S + HNO 3 3S + NO + 4H O Δ) H S + Mg MgS + H Ε0.1. Σχετικά με τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι η σωστή; Α) Το αντιδρών που ανάγεται λέγεται αναγωγικό σώμα Β) Το αντιδρών που οξειδώνεται είναι το αναγωγικό σώμα Γ) Το αντιδρών που προσλαμβάνει ηλεκτρόνια είναι το αναγωγικό σώμα Δ) Το αντιδρών που αποβάλλει ηλεκτρόνια είναι το οξειδωτικό σώμα Ε0.13. Να χαρακτηριστούν οι προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λανθασμένες. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας μόνο στην περίπτωση λανθασμένων προτάσεων. α) Ως αναγωγικό το Η S οξειδώνεται σε (στοιχειακό) S. H συμπεριφορά αυτή του Η S μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση: H S S + e + H +. β) Η μετατροπή, CH 3 CH=O CH 3 COOH, χαρακτηρίζεται ως οξείδωση, τόσο με βάση τον 1ο ορισμό όσο και με βάση τον 3ο ορισμό της οξείδωσης. γ) Οι αντιδράσεις διακρίνονται σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγικές και μη οξειδοαναγωγικές ή μεταθετικές. -370-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΡΟΣΘΕΤΗΣ ΥΛΗΣ δ) Κάθε αποβολή ηλεκτρονίων είναι οξείδωση. ε) Σε κάθε οξείδωση παρατηρείται πραγματική αποβολή ηλεκτρονίων. στ) Κάθε πρόσληψη ηλεκτρονίων είναι αναγωγή. ζ) Σε κάθε αναγωγή παρατηρείται πραγματική πρόσληψη ηλεκτρονίων. η) Οξειδωτικό σώμα είναι αυτό που οξειδώνεται. θ) Αναγωγικό σώμα είναι αυτό που ανάγεται. ι) Η αντίδραση που περιγράφεται από την εξίσωση, CHCl 3 + 4NaOH HCOONa + 3NaCl + H O χαρακτηρίζεται ως οξειδοαναγωγική. κ) Όλες οι οξειδωτικές ουσίες περιέχουν οξυγόνο. λ) Στην αντίδραση: Η + Cl HCl, τα άτομα χλωρίου προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια σχηματίζοντας ανιόντα χλωρίου και επομένως ανάγονται. Ε0.14. Να συμπληρώσετε τις χημικές εξισώσεις που ακολουθούν με τους κατάλληλους συντελεστές. P + HNO 3 H 3 PO 4 + NO + H O CO + FeO Fe + CO MnO + HCl MnCl + Cl + H O Ag + HNO 3 AgNO 3 + NO + H O SO + H S S + H O SO + HNO 3 H SO 4 + NO H O + HI I + H O H O + KMnO 4 + H SO 4 O + MnSO 4 + K SO 4 + H O AsH 3 + KClO 3 H 3 AsO 4 + KCl Ε0.15. Να συμπληρώσετε με τους κατάλληλους συντελεστές τις χημικές αντιδράσεις που ακολουθούν. Ι + HNO 3 HΙO 3 + NO + Η Ο Al + HNO 3 Al(NO 3 ) 3 + NO + H O FeO + HNO 3 Fe(NO 3 ) 3 + NO + H O K Cr O 7 + H S + H SO 4 Cr (SO 4 ) 3 + K SO 4 + S + H O KMnO 4 + HCl MnCl + Cl + KCl + H O Ε0.16. Στις αντιδράσεις που ακολουθούν κάποια προϊόντα έχουν αντικατασταθεί με αριθμούς σε κύκλο. Να αντικαταστήσετε τους αριθμούς με τις κατάλληλες χημικές ενώσεις και να συμπληρώσετε τις αντιδράσεις με τους κατάλληλους συντελεστές. α) C + H SO 4 CO + SO + 1 β) KMnO 4 + H S + ΜnSΟ 4 + 3 + S + H O γ) NaBrO + NH 3 N + ΝaBr + 4 δ) KClO 3 + FeSO 4 + H SO 4 KCl + Fe (SO 4 ) 3 + 5 ε) CaOCl + SnSO 4 + H SO 4 CaCl + Sn(SO 4 ) + 6 στ) Η Ο + ΗΙ Ι + 7 ζ) SO + HNO 3 NO + H SO 4 η) SO + K Cr O 7 + H SO 4 H SO 4 + Cr (SO 4 ) 3 + 8 + H O θ) Cl + KOH KCl + KClO 3 + 9 ι) SnCl + KMnO 4 + HCl SnCl 4 + 10 + KCl + H O -371-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Ε0.17. Nα συμπληρώσετε τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που ακολουθούν με τους κατάλληλους συντελεστές με τη μέθοδο των μεταβολών του Α.Ο. α) KMnO 4 + SnSO 4 + H SO 4 Sn(SO 4 ) + MnSO 4 + K SO 4 + H O β) SnCl (aq) + FeCl 3 (aq) SnCl 4 (aq) + FeCl (aq) γ) K Cr O 7 + SnCl + HCl CrCl 3 + SnCl 4 + KCl + H O δ) Cu + (aq) + Al(s) Cu(s) + Al 3+ (aq) Ε0.18. Δίνονται οι χημικές ενώσεις: H SO 4, H S, SO, ΗΝO 3, NO, ΝΗ 3. Να εξετάσετε ποιες από τις ενώσεις αυτές συμπεριφέρονται ως οξειδωτικά, ποιες ως αναγωγικά και ποιες ως οξειδωτικά ή και αναγωγικά, δικαιολογώντας την απάντησή σας. Οι συνηθισμένοι αριθμοί οξείδωσης του S είναι: +6, +4, 0 και. Οι συνηθισμένοι αριθμοί οξείδωσης του S είναι: +6, +4, 0 και. Οι συνηθισμένοι αριθμοί οξείδωσης του Ν είναι: +5, +4, +3, +, +1, 0 και 3. Ε0.19. Δίνεται η παρακάτω χημική εξίσωση (χωρίς συντελεστές): NH 3 (g) + NO (g) N (g) + H O(l) Να εξηγήσετε γιατί η αντίδραση αυτή είναι οξειδοαναγωγική αναφέροντας ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται. Να συμπληρώσετε την εξίσωση αυτή με τους κατάλληλους συντελεστές (τους μικρότερους δυνατούς ακέραιους). Ε0.0. Nα συμπληρωθούν οι παρακάτω οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις με τους κατάλληλους συντελεστές (οι μικρότεροι δυνατοί ακέραιοι αριθμοί). Σε κάθε περίπτωση να σημειώσετε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο στοιχείο ανάγεται. Sn + HNO 3 SnO + NO + H O HNO 3 + H S NO + H SO 4 + H O Sb + HNO 3 Sb O 5 + NO + H O Ε0.1. Δίνεται η οξειδοαναγωγική αντίδραση που ακολουθεί (χωρίς συντελεστές): H O (l) + ClO (aq) HClO (aq) + O (g) Για την αντίδραση αυτή να εξηγήσετε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο στοιχείο ανάγεται και να τη συμπληρώσετε με τους κατάλληλους συντελεστές. Ε0.. Nα συμπληρώσετε τις χημικές εξισώσεις που ακολουθούν με τους απαραίτητους συντελεστές (μικρότεροι δυνατοί ακέραιοι αριθμοί). Nα σημειώσετε επίσης ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται. α) ΝΗ 3 + Cl NH 4 Cl + N β) Cl + KOH KCl + KClO 3 + H O γ) K Cr O 7 + H O + H SO 4 O + A + B + H O δ) Cu O + Cu S A + SO Ε0.3. Ο θειούχος χαλκός (ΙΙ) αντιδρά με διάλυμα ΗΝΟ 3, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): CuS + ΗNO 3 S + Cu(ΝΟ 3 ) + NO + H O Να εξηγήσετε γιατί η παραπάνω αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική και να τη συμπληρώσετε με τους κατάλληλους συντελεστές. Ε0.4. Το μαγγανικό κάλιο (Κ ΜnO 4 ) είναι ένα πράσινο στερεό, που χρησιμοποιείται στη βιομηχανική παρασκευή του υπερμαγγανικού καλίου. Παρασκευάζεται από το διοξείδιο του μαγγανίου, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): -37-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΡΟΣΘΕΤΗΣ ΥΛΗΣ MnO + KOH + O K MnO 4 + H O (1) Το υπερμαγγανικό κάλιο μπορεί να παρασκευαστεί από το μαγγανικό κάλιο, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): K MnO 4 + HCl KMnO 4 + MnO + KCl + H O () α) Να προσδιορίσετε τον αριθμό οξείδωσης του Mn στις ενώσεις K MnO 4, KMnO 4 και MnO. β) Να εξετάσετε αν οι εξισώσεις (1) και () είναι οξειδοαναγωγικές ή όχι και να τις συμπληρώσετε με τους κατάλληλους συντελεστές. Ε0.5. Κατά τη διαδικασία ανάλυσης του νερού σε διαλυμένο οξυγόνο, κάθε 1 mol διαλυμένου O σχηματίζει mol I μέσω διαφόρων οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων. Στη συνέχεια, η ποσότητα του Ι που σχηματίστηκε προσδιορίζεται μέσω της οξειδοαναγωγικής αντίδρασης: Na S O 3 + I NaI + Na S 4 O 6 Ένα δείγμα νερού όγκου 5 ml υφίσταται την παραπάνω διαδικασία, οπότε το σχηματιζόμενο Ι αντέδρασε πλήρως με 0 ml διαλύματος Na S O 3 συγκέντρωσης c = 10 3 Μ. Ποια είναι η τιμή της συγκέντρωσης του δείγματος νερού σε Ο (σε mg O ανά 1 L νερού); Ε0.6. Η οξειδοαναγωγική αντίδραση μεταξύ του FeCl 3 (aq) και του Cu(s) περιγράφεται από την εξίσωση: FeCl 3 (aq) + Cu(s) FeCl (aq) + CuCl (aq) α) Να συμπληρώσετε την αντίδραση με τους κατάλληλους συντελεστές και να σημειώσετε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται. β) Να υπολογίσετε τη μάζα του Cu(s) που απαιτείται για την πλήρη οξείδωση διαλύματος FeCl 3 (aq), όγκου 100 ml και συγκέντρωσης 3 Μ. Ε0.7. Αν γνωρίζουμε ότι 11,9 g κασσιτέρου (Sn) απαιτούν για να οξειδωθούν πλήρως σε μια και μόνη χλωριούχο ένωση SnCl x, 400 ml διαλύματος KMnO 4 0,1 M παρουσία HCl, ποια είναι η τιμή του x; Ε0.8. 11,9 g κασσιτέρου (Sn) προστίθενται σε περίσσεια διαλύματος HCl, οπότε αντιδρά σύμφωνα με την εξίσωση: Sn(s) + HCl (aq) SnCl (aq) + H (g) α) Αν από την αντίδραση ελευθερώνονται,4 L H σε STP, ποια είναι η σχετική ατομική μάζα του κασσιτέρου; β) Όλη η ποσότητα του σχηματιζομένου SnCl οξειδώνεται από διάλυμα ΚΜnO 4, οξινισμένου με HCl, προς χλωριούχο ένωση του Sn του τύπου SnCl x, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): ΚΜnO 4 + SnCl + ΗCl MnCl + SnCl x + KCl + H O i. Nα γράψετε την παραπάνω αντίδραση σωστά συμπληρωμένη με τους κατάλληλους συντελεστές (συναρτήσει του x). ii. Αν η ποσότητα του παραγόμενου SnCl από την πρώτη αντίδραση αποχρωματίζει ακριβώς 40 ml διαλύματος ΚΜnO 4 1 Μ, να υπολογιστεί η τιμή του x. Ε0.9. 50 ml διαλύματος Η Ο (υπεροξείδιο του υδρογόνου) άγνωστης συγκέντρωσης ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα ΚΜnO 4 0,1 Μ παρουσία Η SO 4, οπότε λαμβάνει χώρα η αντίδραση (χωρίς συντελεστές): ΚΜnO 4 + H O + Η SO 4 MnSO 4 + O + K SO 4 + H O Όταν με την προσθήκη 1 σταγόνας του πρότυπου διαλύματος το ογκομετρούμενο διάλυμα εμφάνισε χρώμα που παραμένει, ο συνολικός όγκος του πρότυπου διαλύματος που χρησιμοποιήθηκε είναι ίσος με 10 ml. Ποια η άγνωστη συγκέντρωση του διαλύματος του H O ; -373-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Ε0.30. 0 g κράματος Cu-Zn προστίθενται σε περίσσεια διαλύματος HCl, οπότε αντιδρά μόνο ο Zn, σύμφωνα με την εξίσωση: Ζn + HCl ZnCl + H α) Να χαρακτηρίσετε την παραπάνω αντίδραση ως οξειδοαναγωγική ή όχι. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Αν από την αντίδραση ελευθερώθηκαν 4,48 L H σε STP συνθήκες, ποια η % w/w περιεκτικότητα του κράματος σε Cu; Ε0.31. Ποσότητα ΝΗ 3 χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη. Το 1ο μέρος αντιδρά πλήρως με 00 ml διαλύματος H SO 4 0, Μ. Το ο μέρος αντιδρά πλήρως με CuO σε κατάλληλες συνθήκες. Πόσα L αερίου σε STP και πόσα g μεταλλικού Cu θα παραχθούν από τη η αντίδραση; Ε0.3. Μέταλλο Μ έχει δύο αριθμούς οξείδωσης, + και x >. Ποσότητα του μετάλλου Μ μάζας 5,6 g αντιδρούν με περίσσεια αραιού διαλύματος Η SO 4, σύμφωνα με την εξίσωση: Μ + Η SO 4 MSO 4 + H Από την αντίδραση αυτή ελευθερώθηκαν,4 L αερίου σε STP. Παρατηρήθηκε επίσης ότι η ποσότητα του διαλύματος που παρέμεινε μετά την απελευθέρωση του αερίου αποχρωμάτισε το πολύ 00 ml διαλύματος KMnO 4 συγκέντρωσης 0,1 M. Να υπολογίσετε: α) Τη σχετική ατομική μάζα (Α r ) του μετάλλου Μ. β) Τον αριθμό οξείδωσης x του μετάλλου Μ. Ε0.33. 4,48 L SO (g) μετρημένα σε STP αντιδρούν πλήρως με υδατικό διάλυμα Cl, σύμφωνα με την αντίδραση (χωρίς συντελεστές): SO + Cl + Η O H SO 4 + HCl α) Να εξηγήσετε γιατί η παραπάνω αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική και να τη συμπληρώσετε με τους κατάλληλους συντελεστές. β) Να υπολογίσετε τον όγκο διαλύματος KOH Μ που απαιτείται για την εξουδετέρωση του μείγματος των δύο οξέων που παράχθηκε από την παραπάνω αντίδραση. Ε0.34. Η αντίδραση (1) που ακολουθεί έχει χρησιμοποιηθεί για τη δέσμευση του δηλητηριώδους Η S(g), με την απορρόφησή του από διάλυμα FeCl 3 (χωρίς συντελεστές). FeCl 3 (aq) + H S(g) FeCl (aq) + HCl(aq) + S(s) (1) α) Να εξηγήσετε γιατί η αντίδραση (1) είναι οξειδοαναγωγική και να γράψετε την αντίδραση σωστά συμπληρωμένη με τους κατάλληλους συντελεστές. β) Να υπολογίσετε το μέγιστο όγκο του Η S(g) σε STP που μπορεί να δεσμευτεί από διάλυμα FeCl 3 όγκου L, συγκέντρωσης Μ. γ) Το παραγόμενο FeCl από την παραπάνω αντίδραση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον επανασχηματισμό του FeCl 3 και την παραγωγή Η, σύμφωνα με την αντίδραση () που ακολουθεί (χωρίς συντελεστές). FeCl + HCl H (g) + FeCl 3 () i. Να εξηγήσετε γιατί και η αντίδραση αυτή είναι οξειδοαναγωγική και να τη συμπληρώσετε σωστά με τους κατάλληλους συντελεστές. ii. Να υπολογίσετε τον όγκου του Η (g), σε STP, που παράγεται με βάση την ποσότητα του FeCl, που παράγεται από την αντίδραση (1). Και οι δύο αντιδράσεις να θεωρηθούν μονόδρομες και ποσοτικές. -374-
ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΕΠΙΠΡΟΣΘΕΤΗΣ ΥΛΗΣ Ε0.35. H χλωρίωση στις πισίνες επιτυγχάνεται με τη χρήση υποχλωριώδους νατρίου (NaClO). H τυχόν περίσσεια χλωρίου μπορεί να καταστραφεί με τη χρήση θειώδους νατρίου (Na SO 3 ), σύμφωνα με την αντίδραση: Na SO 3 + NaClO Na SO 4 + NaCl α) Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση ως οξειδοαναγωγική ή μη. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Ποιο σώμα παίζει το ρόλο του αναγωγικού στην περίπτωση αυτή; β) Να υπολογίσετε την απαιτούμενη μάζα Na SO 3 για την καταστροφή 98 g NaClO. Σχετικές ατομικές μάζες, Na:3, S:3, O:16, Cl:35,5. γ) Το NaClO αντιδρά με το HCl, παράγοντας Cl, H O και NaCl. Να γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης συμπληρωμένη με τους κατάλληλους συντελεστές. Ε0.36. Η χλωρίνη (κοινό απολυμαντικό διάλυμα) περιέχει NaClO και μπορεί να προκύψει με τη διάλυση Cl (g) σε διάλυμα ΝaOH(aq), σύμφωνα με την εξίσωση (1), χωρίς συντελεστές: Cl (g) + ΝaOH(aq) NaClO(aq) + NaCl(aq) + H O(l) (1) Στην ετικέτα του προϊόντος αυτού επισημαίνεται ότι σε επαφή με ένα οξύ, π.χ. το HCl, εκλύεται τοξικό αέριο (Cl ). Το φαινόμενο αυτό περιγράφεται από την εξίσωση (), χωρίς συντελεστές: ΝaClO(aq) + HCl(aq) Cl (g) + NaCl(aq) + H O(l) () α) Να εξηγήσετε γιατί οι αντιδράσεις (1) και () είναι οξειδοαναγωγικές και να τις συμπληρώσετε την εξίσωση με τους κατάλληλους συντελεστές. β) Η συγκέντρωση της χλωρίνης καθορίζεται από τους χλωρομετρικούς βαθμούς ( ο ), που αντιστοιχούν στον όγκο του Cl (g) (σε L, σε STP), που απαιτείται για την παρασκευή 1 L χλωρίνης, σύμφωνα με την εξίσωση (1). i. Ποιος όγκος χλωρίου (σε STP) απαιτείται για την παρασκευή L χλωρίνης 48 ο ; ii. Ποια η συγκέντρωση σε NaClO μιας τέτοιας χλωρίνης; γ) Με τη χρήση κατάλληλων χημικών εξισώσεων, να εξηγήσετε γιατί η χλωρίνη είναι βασικό διάλυμα. Ε0.37. Ένα σιδερένιο καρφί έχει μάζα 1,1 g. Το καρφί διαλύεται πλήρως σε περίσσεια διαλύματος H SO 4, σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: Fe + H SO 4 FeSO 4 + H (1) Στο διάλυμα που προκύπτει (Δ) προστίθεται σιγά-σιγά διάλυμα KMnO 4 0, M. α) Να εξηγήσετε αν η αντίδραση (1) είναι οξειδοαναγωγική ή όχι. β) Να γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης που συμβαίνει κατά την επίδραση KMnO 4 στο διάλυμα Δ. Πως μπορεί να προσδιοριστεί οπτικά το τέλος της αντίδρασης; γ) Να υπολογίσετε τον όγκο του διαλύματος KMnO 4 0, M που απαιτείται για την πλήρη αντίδραση με το διάλυμα Δ. Να θεωρήσετε ότι το καρφί αποτελείται αποκλειστικά από Fe. Ε0.38. Όταν διάλυμα θειικού σιδήρου, FeSO 4, εκτεθεί στον ατμοσφαιρικό αέρα, τα ιόντα σιδήρου Fe + οξειδώνονται προς Fe 3+, σύμφωνα με την αντίδραση: 4Fe + (aq) + O (g) + 4H + (aq) 4Fe 3+ (aq) + H O(l) Ένα λίτρο διαλύματος FeSO 4 0, M παρασκευάστηκε πριν 4 μήνες. Για τον προσδιορισμό της ακριβούς συγκέντρωσης των ιόντων Fe + στο διάλυμα, χρησιμοποιήθηκε όξινο διάλυμα ΚΜnO 4. Η χημική εξίσωση που πραγματοποιείται είναι η ακόλουθη: ΚΜnO 4 + 10FeSO 4 + 8H SO 4 5Fe (SO 4 ) 3 + MnSO 4 + K SO 4 + 8H O Για την οξείδωση των ιόντων Fe + που βρίσκονται σε 5 ml διαλύματος FeSO 4 μετά τους 4 μήνες, απαιτή- -375-
ΧΗΜΕΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ θηκαν 45 ml όξινου διαλύματος ΚMnO 4 0,0 M. α) Να υπολογίσετε τη μοριακότητα του διαλύματος FeSO 4 μετά τους 4 μήνες. β) Να υπολογίσετε τον όγκο οξυγόνου σε STP με τον οποίο αντέδρασαν τα ιόντα Fe + στο διάλυμα, κατά τη διάρκεια των 4 μηνών. γ) Να υπολογίσετε τον όγκο διαλύματος NaOH Μ που θα χρειαστεί για να αντιδράσει πλήρως με τα ιόντα Fe + και Fe 3+ που βρίσκονται σε 100 ml του διαλύματος, μετά την πάροδο των τεσσάρων μηνών, σχηματίζοντας ίζημα Fe(OH) και Fe(OH) 3, αντίστοιχα. ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑ ΧΗΜΕΙΑΣ 011 Ε0.39. Ο τελλουρίτης είναι ένα ορυκτό που περιέχει διοξείδιο του τελλουρίου, TeO. Δείγμα του ορυκτού αυτού διαλύεται σε θειικό οξύ και το διάλυμα που προκύπτει αντιδρά με διάλυμα K Cr O 7 προς σχηματισμό μετατελλουρικού οξέος, H TeO 4. Η αντίδραση περιγράφεται από την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): TeO + K Cr O 7 + H SΟ 4 H TeO 4 + Cr (SO 4 ) 3 + K SO 4 + H O α) Να αναγνωρίσετε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο στοιχείο ανάγεται και να ξαναγράψετε την αντίδραση συμπληρωμένη με τους κατάλληλους συντελεστές. Mετά τη διάλυση του ορυκτού στο θειικό οξύ, προστίθενται στο διάλυμα που σχηματίζεται 60 ml διαλύματος K Cr O 7 0,0 M και η περίσσεια του K Cr O 7 αντιδρά πλήρως με 1 ml διαλύματος FeSΟ 4 0,1 M. β) i. Να γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης της περίσσειας του K Cr O 7 με το FeSO 4 και να υπολογίσετε τα moles της περίσσειας του K Cr O 7. ii. Να υπολογίσετε τα moles του K Cr O 7 που αντέδρασαν με τον τελλουρίτη, καθώς και τη μάζα του τελλουρίτη στο δείγμα του ορυκτού. Για το TeO, M r = 160. Ε0.40. Tα διαλύματα των ιόντων κυανίου (CN ) είναι πολύ τοξικά και τα απόβλητα των βιομηχανιών που τα περιέχουν υφίστανται κατεργασία με υποχλωριώδες νάτριο (NaClO) με σκοπό την καταστροφή τους. α) Να γράψετε τους αριθμούς οξείδωσης όλων των στοιχείων στις ενώσεις ΝaClO και ΚCN. β) Για την περίπτωση διαλυμάτων KCN, η αντίδραση με το NaClO περιγράφεται από την εξίσωση: KCN + 5NaClO + HCl CO + N + 5NaCl + KCl + H O Η αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική και περιλαμβάνει δύο στοιχεία που οξειδώνονται και ένα που ανάγεται. Ποια είναι τα στοιχεία αυτά; γ) Να υπολογίσετε τον όγκο διαλύματος NaClO συγκέντρωσης Μ που απαιτείται για την καταστροφή των κυανιούχων που υπάρχουν σε 000 L διαλύματος KCN περιεκτικότητας 1,3 g/l. ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Ε0.41. Σε μια εξώθερμη αντίδραση: Α) Μειώνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και μειώνεται η ενέργεια στο περιβάλλον Β) Μειώνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και αυξάνεται η ενέργεια στο περιβάλλον Γ) Αυξάνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και μειώνεται η ενέργεια στο περιβάλλον Δ) Αυξάνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και αυξάνεται η ενέργεια στο περιβάλλον Ε0.4. Με την καύση,6 g αιθινίου (C H, Μ r = 6) παράγεται ποσό θερμότητας ίσο με 15 kj. Επομένως, η ενθαλπία (ΔΗ) της αντίδρασης, C H (g) + 5O (g) 4CO (g) + H O(g), έχει τιμή: Α) ΔΗ = 500 kj B) ΔΗ = 150 kj Γ) ΔΗ = 15 kj Δ) ΔΗ = 150 kj -376-