ΤΕΛΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ (ΦΥΕ 12) Ονοματεπώνυμο Φοιτητή: Αριθμός Μητρώου: ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ 2006 2007 Ημερομηνία εξετάσεων: 17 Ιουνίου 2007 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
ΘΕΜΑ 1 Στην ένωση Χ 3 το κεντρικό άτομο Χ φέρει δύο μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων σθένους, ενώ στην ένωση Υ 2 το κεντρικό άτομο Υ φέρει τρία μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων σθένους. Γράψτε τους τύπους Lewis για τις ενώσεις X 3 και Y 2 και βρείτε ποια στοιχεία μπορεί να αντιπροσωπεύει το Χ και ποια το Υ. Σύμφωνα με τη θεωρία (2/55) και τα δεδομένα της άσκησης, οι τύποι Lewis των δύο ενώσεων είναι X Y Η ένωση Χ 3 έχει συνολικά 28 ηλεκτρόνια σθένους (14 ηλεκτρονικά ζεύγη). Επειδή τα 3 7 = 21 ηλεκτρόνια προέρχονται από τα 3 άτομα, το άτομο Χ διαθέτει 28 21 = 7 ηλεκτρόνια σθένους και άρα ανήκει στην Ομάδα 7Α Χ = Cl, Br, I ή At (To αποκλείεται για τέτοιου τύπου ενώσεις, λόγω του μικρού του μεγέθους και της μη δυνατότητάς του να δέχεται πέραν των 8 ηλεκτρονίων στον φλοιό σθένους.) Η ένωση Υ 2 έχει συνολικά 22 ηλεκτρόνια σθένους (11 ηλεκτρονικά ζεύγη). Επειδή τα 2 7 = 14 ηλεκτρόνια προέρχονται από τα 2 άτομα, το άτομο Y διαθέτει 22 14 = 8 ηλεκτρόνια σθένους και άρα ανήκει στην Ομάδα 8Α (ευγενή αέρια) Υ = Kr ή Xe (τα υπόλοιπα ευγενή αέρια δεν σχηματίζουν ενώσεις) (4/269). ΘΕΜΑ 2 Το ph διαλύματος υποβρωμιώδους οξέος 0,040 Μ είναι 5,05. Με βάση αυτά τα δεδομένα υπολογίστε την τιμή της Κ α του υποβρωμιώδους οξέος. Το υποβρωμιώδες οξύ είναι ένα ασθενές οξύ, ανάλογο του υποχλωριώδους οξέος (3/56), με χημικό τύπο HBr (4/257). Εργαζόμαστε όπως στο Παράδειγμα 8.1 (3/89), με τη μόνη διαφορά ότι εδώ το ζητούμενο δεν είναι η συγκέντρωση [H 3 + ] αλλά η σταθερά Κ α : Διάσταση υποβρωμιώδους οξέος: HBr(aq) + H 2 ( ) Br (aq) + H 3 + (aq) Αρχικές συγκεντρώσεις (Μ): 0,040 0 0 Μεταβολές: x +x +x Ισορροπία: 0,040 x x x x = [H 3 + ] = 10 ph = 10 5,05 = 8,9 10 6 M K a [H ][Br ] x (8,9 10 ) [HBr] 0,040 x 0,040 + 2 6 2 3 = = = = 2,0 10 9 (Επειδή το ΗBr είναι ένα πολύ ασθενές οξύ, υποθέσαμε ότι 0,040 8,9 10 6 0,040) Στον Πίνακα 8.1 (3/88), η τιμή της Κ α για το ΗBr δίνεται ίση με 2,5 10 9, πρακτικά ίδια με αυτή που υπολογίσαμε παραπάνω.
ΘΕΜΑ 3 Ο ανθρακικός άργυρος, Ag 2 C 3, είναι ένα δυσδιάλυτο άλας. Πώς εξηγούνται οι ακόλουθες μεταβολές στη διαλυτότητα του Ag 2 C 3 ; (α) Ελάττωση της διαλυτότητας με προσθήκη AgΝ 3 (β) Αύξηση της διαλυτότητας με προσθήκη ΗΝ 3 (γ) Ελάττωση της διαλυτότητας με προσθήκη Na 2 C 3 (δ) Αύξηση της διαλυτότητας με προσθήκη ΝH 3 Η εξίσωση ισορροπίας για τον ανθρακικό άργυρο είναι (3/131) Ag 2 C 3 (s) 2 Ag + (aq) + C 2 3 (aq) Βάσει της αρχής Le Chatelier έχουμε: (α) Ο νιτρικός άργυρος, AgN 3, ως ευδιάλυτο άλας, παρέχει ιόντα Ag + στο σύστημα και η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά (ελάττωση διαλυτότητας, λόγω επίδρασης κοινού ιόντος) (3/134). (β) Το ΗN 3, αντιδρά με τα ιόντα C 2 3 [2Η + (aq) + C 2 3 (aq) CΟ 2 (g) + Η 2 Ο( )], το σύστημα χάνει ιόντα C 2 3 και η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά (αύξηση διαλυτότητας). (γ) Το Na 2 C 3, ως ευδιάλυτο άλας, παρέχει ιόντα C 2 3 στο σύστημα και η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά (ελάττωση διαλυτότητας, λόγω επίδρασης κοινού ιόντος) (3/134). (δ) H NH 3, αντιδρά με τα ιόντα Ag + [Ag + (aq) + 2NH 3 (aq) Ag(NH 3 ) + 2 (aq)], το σύστημα χάνει ιόντα Ag + και η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά (αύξηση διαλυτότητας, λόγω σχηματισμού συμπλόκου) (3/141). ΘΕΜΑ 4 Εξηγήστε γιατί η τάξη δεσμού στο μοριακό άζωτο (Ν 2 ) είναι μεγαλύτερη απ ό,τι στο ιόν Ν + 2, ενώ η τάξη δεσμού στο μοριακό οξυγόνο (Ο 2 ) είναι μικρότερη απ ό,τι στο ιόν Ο + 2. Η απάντηση δίνεται από τη θεωρία των μοριακών τροχιακών (2/137-138): Το διάγραμμα μοριακών τροχιακών του Ν 2 (10 ηλεκτρόνια σθένους) είναι (Σχ 5.18, 2/138) (σ 2s ) 2 (σ * 2s) 2 (π 2p ) 4 (σ 2p ) 2 και η τάξη δεσμού = (8 2)/2 = 3 Το ιόν Ν + 2 έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο από το δεσμικό τροχιακό σ 2p και η τάξη του δεσμού Ν Ν ελαττώνεται: τ.δ. = (7 2)/2 = 2,5, δηλαδή γίνεται μικρότερη από αυτή του Ν 2 Το διάγραμμα μοριακών τροχιακών του Ο 2 (12 ηλεκτρόνια σθένους) είναι (σ 2s ) 2 (σ * 2s) 2 (σ 2p ) 2 (π 2p ) 4 (π * 2p) 2 και η τάξη δεσμού = (8 4)/2 = 2 Το ιόν Ο 2 + έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο από το αντιδεσμικό τροχιακό π * 2p και η τάξη του δεσμού Ο Ο αυξάνεται: τ.δ. = (8 3)/2 = 2,5, δηλαδή γίνεται μεγαλύτερη από αυτή του Ο 2 ΘΕΜΑ 5 (i) Ποια από τις ακόλουθες χημικές οντότητες δεν μπορεί να έχει κανονική τετραεδρική γεωμετρία; (α) Si 4, (β) N + 4, (γ) Be 2 4, (δ) B 4, (ε) S 4 (ii) Ποιος είναι ο τύπος υβριδισμού αυτής της χημικής οντότητας; (i) Γράφουμε τις δομές Lewis των χημικών οντοτήτων (2/55): + 2 Si N Be B S
Παρατηρούμε ότι στις ενώσεις (α), (β), (γ) και (δ) το κεντρικό άτομο έχει γύρω του 4 δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και κανένα μονήρες γεωμετρία κανονική τετραεδρική (Πιν 4.5, 2/85). Στην (ε), το κεντρικό άτομο (S) έχει γύρω του 4 δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και ένα μονήρες γεωμετρία παραμορφωμένη τετραεδρική (Πιν 4.6, 2/88). (ii) Το μόριο S 4 ανήκει στο γενικό τύπο ΑΒ 4 Ε και σύμφωνα με το μοντέλο VSEPR, τα πέντε ζεύγη ηλεκτρονίων γύρω από το S έχουν τριγωνικό διπυραμιδικό προσανατολισμό, ο οποίος αντιστοιχεί σε υβριδισμό sp 3 d του S. (Πρδ 5.1, 2/121) ΘΕΜΑ 6 (α) Ποιος είναι ο αριθμός ένταξης και ο αριθμός οξείδωσης του κεντρικού μεταλλικού ιόντος στο οξαλικό σύμπλοκο του σιδήρου [e(c 2 4 ) 3 ] 3 ; Ποιο είναι το συστηματικό όνομα του συμπλόκου; (β) Σχεδιάστε τη δομή του συμπλόκου ιόντος και περιγράψτε τη γεωμετρία του. (γ) Βρείτε τους χηλικούς δακτυλίους (αν υπάρχουν). (δ) Δεδομένου ότι το οξαλικό ιόν είναι υποκαταστάτης ασθενούς πεδίου, πόσα ασύζευκτα ηλεκτρόνια διαθέτει αυτό το σύμπλοκο ιόν; (α) Το οξαλικό ιόν, C 2 Ο 2 4, έχει φορτίο 2. Αν x ο αριθμός οξείδωσης του e, θα ισχύει x + 3( 2) = 3 x = +3. Ο υποκαταστάτης C 2 Ο 2 4 είναι διδοντικός (5/115) και έτσι το ιόν e 3+ σχηματίζει 6 δεσμούς με τα τρία ιόντα C 2 Ο 2 4 αριθμός ένταξης e 3+ 2 = 6. Ως υποκαταστάτης, το ανιόν C 2 Ο 4 λέγεται οξαλατο. Σύμφωνα λοιπόν με τους κανόνες ονοματολογίας (5/118), το σύμπλοκο ονομάζεται τριοξαλατοσιδηρικό(ιιι) ιόν. (β) Τα σύμπλοκα με αριθμό ένταξης 6 έχουν οκταεδρική γεωμετρία: C C 3 C C e C C (γ) Με διδοντικούς υποκαταστάτες σχηματίζονται χηλικοί δακτύλιοι (5/116). Εδώ υπάρχουν τρεις πενταμελείς χηλικοί δακτύλιοι. (δ) Η ηλεκτρονική δομή του e είναι [Ar]3d 6 4s 2 και του e 3+ είναι [Ar]3d 5. Επειδή το C 2 Ο 4 2 είναι υποκαταστάτης ασθενούς πεδίου, προκαλεί μικρό διαχωρισμό του κρυσταλλικού πεδίου και το σύμπλοκο θα είναι υψηλού spin. Από την κατανομή των d ηλεκτρονίων βλέπουμε ότι υπάρχουν πέντε ασύζευκτα ηλεκτρόνια. ΘΕΜΑ 7 Δο Ποσότητα 5,00 g λευκού φωσφόρου καίγεται σε περίσσεια οξυγόνου και το προϊόν διαλύεται σε επαρκή ποσότητα νερού.
(α) Γράψτε ισοσταθμισμένες εξισώσεις για τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά την παραπάνω διεργασία. (β) Όταν στο υδατικό διάλυμα προστέθηκε περίσσεια στερεού οξειδίου του ασβεστίου σχηματίσθηκε ένα λευκό ίζημα. Γράψτε μια ισοσταθμισμένη εξίσωση γι αυτή την αντίδραση και υπολογίστε τη μάζα του λευκού ιζήματος. (α) P 4 (s) + 5 2 (g) P 4 10 (s) (1) (4/195) P 4 10 (s) + 6 H 2 ( ) 4 H 3 P 4 (aq) (2) (4/196) (β) Το Ca είναι βασικό οξείδιο (Σχ 7.10, 3/63) ή ανυδρίτης της βάσεως Ca(H) 2 και συμπεριφέρεται όπως αυτή, δηλαδή με οξέα δίνει άλατα 2 H 3 P 4 (aq) + 3 Ca(s) Ca 3 (P 4 ) 2 (s) + 3 H 2 ( ) (3) Το λευκό ίζημα είναι το φωσφορικό ασβέστιο, Ca 3 (P 4 ) 2. (1), (2) και (3) 1 mol P 4 δίνει 4 mol H 3 P 4, τα οποία, στη συνέχεια, παρέχουν 2 mol Ca 3 (P 4 ) 2 Δηλαδή, από 1 mol Ρ 4 παράγονται 2 mol Ca 3 (P 4 ) 2 1 mol Ρ 4 = 123,8952 g Ρ 4 και 1 mol Ca 3 (P 4 ) 2 = 310,177 g Ca 3 (P 4 ) 2 Μάζα Ca (P ) 3 4 2 1 mol P 2 mol Ca (P ) 310,177 g Ca (P ) = = 4 3 4 2 3 4 2 5,00 g P4 25,035 g ή 25,0 g 123,8952 g P4 1 mol P4 1 mol Ca 3(P 4) 2 ΘΕΜΑ 8 Ποια είναι σωστή και ποια λάθος από τις παρακάτω προτάσεις; (α) Από τα ανιόντα Cl 2, Cl 3 και Cl 4, ισχυρότερη βάση είναι το Cl 2. (β) Υποθέτοντας πλήρη ιοντισμό, η συνολική συγκέντρωση των ιόντων διαλύματος φωσφορικού αμμωνίου 0,750 Μ είναι ίση με 3,00 Μ. (γ) Η ενέργεια πλέγματος του NaCl είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πλέγματος του CsI. (δ) Αν η ενέργεια ιοντισμού του ατόμου Χ(g) είναι 408 kj/mol, η ηλεκτρονική συγγένεια του Χ + (g) είναι 408 kj/mol. (ε) Στην αντίδραση BeCl 2 + 2 Cl BeCl 4 2 το ιόν χλωριδίου συμπεριφέρεται ως βάση κατά Lewis. (α) Σωστό: Τα ανιόντα Cl 2, Cl 3 και Cl 4 είναι οι συζυγείς βάσεις των οξέων ΗCl 2, ΗCl 3 και ΗCl 4, αντίστοιχα, από τα οποία ασθενέστερο είναι το ΗCl 2, επειδή διαθέτει τα λιγότερα άτομα Ο συνδεδεμένα με το κεντρικό άτομο Cl (3/55). Όμως, το ασθενέστερο οξύ έχει την ισχυρότερη συζυγή βάση (3/39). (β) Σωστό: Διάσταση του (ΝΗ 4 ) 3 ΡΟ 4 : (ΝΗ 4 ) 3 ΡΟ 4 (aq) 3ΝΗ 4 + (aq) + ΡΟ 4 3 (aq) 1 mol (ΝΗ 4 ) 3 ΡΟ 4 παράγει 4 mol ιόντων η συνολική συγκέντρωση των ιόντων διαλύματος φωσφορικού αμμωνίου 0,750 Μ είναι ίση με 4 0,750 Μ = 3,00 Μ. (γ) Σωστό: Βάσει του τύπου Ε = ΚQ 1 Q 2 /r (2/30). Τα ιόντα Na + και Cl είναι μικρότερα από τα ιόντα Cs + και Ι, αντίστοιχα [Na + και Cs + ίδια ομάδα (1Α), Cl και Ι ίδια ομάδα (7Α)]. Έτσι, έχουμε: r(nacl) < r(csl). Στον παραπάνω τύπο, μικρότερος παρονομαστής σημαίνει μεγαλύτερη ενέργεια Ε. (Ο αριθμητής είναι ο ίδιος).
(δ) Σωστό: Ενέργεια ιοντισμού του Χ: Χ(g) Χ + (g) + e I 1 = +408 kj/mol Ηλεκτρονική συγγένεια το Χ + : Χ + (g) + e Χ(g) ΗΣ = 408 kj/mol (επειδή προκύπτει με αντιστροφή πρώτης) (1/181). (ε) Σωστό: Στην αντίδραση BeCl 2 + 2 Cl BeCl 2 4, κάθε ιόν χλωριδίου (Cl ) περιβάλλεται από 4 μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων και εκχωρεί ένα ζεύγος στο BeCl 2 (3.69), το οποίο έχει ασυμπλήρωτη οκτάδα. Έτσι, το Cl συμπεριφέρεται ως βάση κατά Lewis και το BeCl 2 ως οξύ κατά Lewis (3/71). ΘΕΜΑ 9 Εξηγήστε γιατί οι ουσίες Br 2 και ΙCl, ενώ έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων, η πρώτη τήκεται στους 7,2 ο C και η δεύτερη στους 27,2 o C. Το βρώμιο (Br Br) είναι ένωση μη πολική (ίδια άτομα) και άρα οι μοναδικές διαμοριακές έλξεις είναι οι δυνάμεις London (2/165). Στο χλωρίδιο του ιωδίου (Ι Cl), οι δυνάμεις London είναι πρακτικά της ίδιας ισχύος με εκείνες του Br 2, επειδή οι δύο ενώσεις έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων (ή παρόμοια γραμμομοριακή μάζα). Όμως, το Ι Cl είναι ένωση πολική, επειδή το Cl είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το Ι ( δ+ Ι Cl δ ). Έτσι, οι επιπλέον δυνάμεις διπόλου διπόλου που ασκούνται μεταξύ των μορίων του Ι Cl φέρνουν τα μόρια πιο κοντά μεταξύ τους ανεβάζοντας έτσι το σημείο τήξεως της ένωσης (2/163 και Πρδ 6.3, 2/166). ΘΕΜΑ 10 Γράψτε ισοσταθμισμένες χημικές εξισώσεις για τις ακόλουθες διεργασίες: (α) Επίδραση υδροφθορικού οξέος πάνω σε χαλαζία. (β) Καύση καισίου στον αέρα και εν συνεχεία επίδραση υδρατμών πάνω στο λαμβανόμενο προϊόν. (γ) Θέρμανση οξειδίου του βαρίου με μεταλλικό αργίλιο. (δ) Αφυδάτωση θειικού οξέος από τον ανυδρίτη του φωσφορικού οξέος. (ε) Διαβίβαση χλωρίου σε πυκνό και θερμό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου. (α) Ο χαλαζίας είναι διοξείδιο του πυριτίου, Si 2, (4/140) και το υδροφθορικό οξύ έχει τον τύπο H(aq) Si 2 (s) + 6 H(aq) Si 2 6 (aq) + 2 H 3 + (aq) (4/142) (β) Cs(s) + 2 (g) Cs 2 (σουπεροξείδιο του καισίου) (4/41) 4 CsΟ 2 (s) + 2 H 2 ( ) 4 CsH(aq) + 3 2 (g) (4/42) (γ) 3 Ba(s) + 2 Al(s) Δ 3 Ba(s) + Al 2 3 (s) (4/70) (δ) Ο ανυδρίτης του φωσφορικού οξέος, H 3 P 4, είναι το δεκαοξείδιο του τετραφωσφόρου, P 4 10 (3/62 και 4/195-196) H 2 S 4 ( ) P 4 10 S 3 (g) + H 2 ( ) (4/196) (ε) 3 Cl 2 (g) + 6 KH(aq) πυκνό και θερμό KCl 3 (aq) + 5 KCl(aq) + 3 H 2 ( ) (4/259)