54i.pdf
(
432 KB
)
Pobierz
Microsoft Word - 54i
E
TAP
I
17.11.2007
Z a d a n i a t e o r e t y c z n e
Z
ADANIE
1
Rozpuszczalność wodorotlenków
A.
Wodorotlenek wapnia jest związkiem o umiarkowanej rozpuszczalności w wodzie. Dlatego
wartość jego iloczynu rozpuszczalności można dość łatwo wyznaczyć mieszając ze sobą
roztwory soli wapnia i mocnej zasady o znanych stężeniach i obserwując, czy wytrąca się osad.
Do trzech naczyń wprowadzono roztwór NaOH o stężeniu 0,15 mol/dm
3
i objętości
V
.
Następnie do każdego z tych naczyń dodano porcje roztworu CaCl
2
o tej samej objętości
V
,
ale o różnych stężeniach. Do pierwszego naczynia wprowadzono roztwór CaCl
2
o stężeniu
0,0010, do drugiego: 0,0020, a do trzeciego: 0,020 mol/dm
3
. W dwóch roztworach (powstałych
po zmieszaniu roztworów CaCl
2
i NaOH) wytrącił się osad. Wszystkie eksperymenty
przeprowadzono w temperaturze 25
o
C.
Polecenia:
a1.
Określ, w jakich granicach zawiera się wartość iloczynu rozpuszczalności wodorotlenku
wapnia, w temperaturze 25
o
C.
a2.
Oblicz, w jakim zakresie mieści się stężenie oraz wartość pH nasyconego roztworu tego
wodorotlenku.
a3.
Opisz i wyjaśnij (bez prowadzenia obliczeń), jak zmieni się wartość pH nasyconego
roztworu wodorotlenku wapnia w wyniku:
(
I
) rozcieńczenia,
(
II
) dodatku roztworu mocnego kwasu,
(
III
) dodatku roztworu mocnej zasady.
Załóż, że w każdym przypadku, przed dodaniem wody lub odpowiedniego roztworu oraz
po ich dodaniu, istnieje równowaga między osadem i roztworem.
B.
Niektóre wodorotlenki są znacznie trudniej rozpuszczalne niż wodorotlenek wapnia i
wytracają się już w środowisku kwaśnym.
Polecenia:
b1.
Oblicz, przy jakiej wartości pH może wytrącić się osad z roztworu zawierającego
Fe(NO
3
)
3
o stężeniu 0,10 mol/dm
3
, jeżeli iloczyn rozpuszczalności Fe(OH)
3
można przyjąć
za równy 2
.
10
-39
.
b2.
W kolbie przygotowano roztwór zawierający Fe(NO
3
)
3
w stężeniu 0,010 mol/dm
3
i kwas
azotowy(V). Wartość pH tego roztworu wynosiła 1,5. Czy w wyniku 10-krotnego
rozcieńczenia takiego roztworu (czystą wodą) może wytrącić się osad?
Odpowiedź uzasadnij przeprowadzając odpowiednie obliczenia.
1
Z
ADANIE
2
Klatrat chloru
Chlor jest gazem dość dobrze rozpuszczalnym w wodzie.
W roztworze nazywanym wodą chlorową, jest on
rozpuszczony głównie fizycznie, a tylko w niewielkim
stopniu ulega reakcji z wodą. W temperaturach niższych
niż 8°C z wody chlorowej można wydzielić krystaliczny
hydrat chloru, przy czym w zależności od warunków
prowadzenia krystalizacji otrzymuje się związki o różnym
składzie. Ze względu na swoją budowę związki takie
nazywane są klatratami (od łacińskiego słowa clathratus –
zamknięty w klatce).
Na rysunku przedstawiono fragment struktury klatratu chloru – „klatkę” utworzoną z 24
połączonych ze sobą cząsteczek wody (w węzłach przedstawionej sieci znajdują się atomy
tlenu cząsteczek wody), we wnętrzu której może znaleźć się cząsteczka Cl
2
lub inna
cząsteczka o zbliżonych rozmiarach, np. CH
4
.
Z roztworu wody chlorowej wykrystalizowano jasnożółty klatrat chloru, którego gęstość
wynosiła 1,310 g/cm
3
. W celu wyznaczenia jego składu chemicznego wykonano
jodometryczne oznaczanie chloru zgodnie z poniższym opisem. Do kolby stożkowej
zawierającej 50 cm
3
wody pozbawionej chlorków dodano około 2 g jodku potasu (KI) i
25 cm
3
roztworu H
2
SO
4
o stężeniu 2 mol/dm
3
, a następnie wprowadzono próbkę hydratu
chloru o masie 0,1649 g. Otrzymany roztwór miareczkowano roztworem Na
2
S
2
O
3
o stężeniu
0,100 mol/dm
3
, w obecności wskaźnika skrobiowego i zużyto 18,90 cm
3
titranta.
Polecenia:
a.
Podaj równanie reakcji ilustrujące równowagę, jaka ustala się w roztworze wody
chlorowej.
b.
Napisz w formie jonowej równania reakcji zachodzących podczas jodometrycznego
oznaczania chloru.
c.
Określ, jakie oddziaływania międzycząsteczkowe są głównie odpowiedzialne za tworzenie
się „klatki” z cząsteczek wody?
d.
Podaj skład stechiometryczny otrzymanego hydratu w przeliczeniu na 46 cząsteczek wody
(taka liczba cząsteczek wody jest równa liczbie cząsteczek wody w komórce elementarnej
kryształu hydratu).
e.
Oblicz gęstość klatratu metanu analogicznego do opisanego klatratu chloru, zakładając, że
w obu hydratach wszystkie klatki są zajęte przez pojedyncze cząsteczki gazów.
W obliczeniach przyjmij następujące wartości mas molowych:
Cl – 35,45 g/mol; H – 1,01 g/mol; O – 16,00 g/mol, C – 12,01 g/mol
Z
ADANIE
3
Struktura a trwałość izomerów
A.
Propanon (aceton) i 1,2-epoksypropan, izomery o wzorze sumarycznym C
3
H
6
O, są
substancjami o dużym znaczeniu technologicznym. Dogodnym substratem do syntezy obu
związków (przy użyciu odpowiednich katalizatorów!) jest nie zawierająca tlenu substancja
A
.
2
Propanon otrzymuje się w procesie jednoetapowym natomiast synteza 1,2-epoksypropanu
przebiega dwuetapowo. Przemiany te są przedstawione na poniższym schemacie:
O
CH
3
H
2
O
H
2
O
2
H
H
3
C
C
A
B
CCH
2
Δ
r
H
°
1
Δ
r
H
°
2
Δ
r
H
°
3
H
3
C
O
Polecenia:
a1.
Uzupełnij schemat wpisując w miejsce symboli A i B wzory strukturalne odpowiednich
substancji i dobierz współczynniki stechiometryczne reagentów. Podaj nazwy
systematyczne związków
A
i
B
.
a2.
Korzystając z danych zamieszczonych w Tabeli 1 oblicz wartości standardowych entalpii
poszczególnych reakcji oraz sumaryczną wartość standardowej entalpii syntezy 1,2-epoksy-
propanu z substratu
A.
a3.
Oblicz wartość standardowej entalpii hipotetycznej reakcji izomeryzacji acetonu z
utworzeniem 1,2-epoksypropanu.
Tabela 1
Związek
Standardowa
entalpia tworzenia
(T = 298 K)
Δ
tw
H
°, kJ mol
−1
A (g)
184,9
B (g)
20,0
propanon (c)
−248,4
1,2-epoksypropan (c)
−123,0
H
2
O (c)
−285,8
B.
Projektując syntezę chemiczną należy rozważyć, czy planowana reakcja w danych
warunkach rzeczywiście zachodzi lub czy oczekiwany produkt jest wystarczająco trwały.
Pewna funkcja termodynamiczna
X
jest znanym kryterium samorzutności przemian. Znając
wartość zmiany funkcji
X
podczas jakiegoś procesu możemy stwierdzić, czy jest on
termodynamicznie korzystny.
Polecenia:
b1.
Podaj symbol i nazwę funkcji
X
oraz przedstaw jej zależność od innych funkcji
termodynamicznych. Wyjaśnij, w jaki sposób wartość zmiany tej funkcji wskazuje czy
dany proces przebiega samorzutnie. Biorąc pod uwagę efekt entalpowy izomeryzacji
acetonu
oceń, czy przemiana ta jest termodynamicznie korzystna.
b2
. Podaj ogólną zależność łączącą zmianę funkcji
X
podczas reakcji, z jej stałą równowagi
oraz wynikający z tej zależności wzór na stałą równowagi izomeryzacji acetonu. Wiedząc,
że standardowe entropie molowe izomerów zwykle mało się różnią, zaproponuj takie
uproszczenie tej zależności, które pozwoli Ci oszacować wartość stałej równowagi
izomeryzacji acetonu na podstawie danych z Tabeli 1. Podaj odpowiedni uproszczony
wzór i oblicz przybliżoną wartość tej stałej równowagi w temperaturze 298 K.
b3
. Wyjaśnij krótko przyczynę różnicy trwałości propanonu i 1,2-epoksypropanu.
3
Z
ADANIE
4
Alkohole
Trzy monohydroksylowe alkohole
A
,
B
i
C,
będące izomerami, poddano reakcji utleniania
w takich samych warunkach. Produktem utleniania alkoholu
A
jest związek
D,
który zawiera:
C 66,61%, H 11,20%, a produktem utleniania alkoholu
B
- związek
E
zawierający: C 54,52%,
H 9,17% (resztę w obu przypadkach stanowi tlen). Alkohol
C
nie ulega utlenianiu. W wyniku
reakcji eliminacji cząsteczki wody z alkoholi
B
i
C
tworzy się taki sam produkt.
Polecenia:
a.
Podaj (wraz z obliczeniami i uzasadnieniem) wzór sumaryczny związku
D
.
b.
Podobnie wyprowadź wzór sumaryczny związku
E
.
c.
Podaj wzory strukturalne związków
A
–
E.
d.
Podaj wzór strukturalny produktu eliminacji alkoholi
B
i
C
.
e.
Podaj wzory strukturalne trzech teoretycznie możliwych produktów eliminacji (cząsteczki
wody) z alkoholu
A
i wskaż
,
który z nich powstaje w przeważającej ilości (główny produkt).
W obliczeniach przyjmij następujące wartości mas molowych:
H – 1,01 g/mol; O – 16,00 g/mol, C – 12,01 g/mol
Z
ADANIE
5
Analiza tłuszczu
Pewien naturalny tłuszcz
A
poddano reakcji z wodorem w obecności niklu. Okazało się, że
z optycznie czynnego substratu
A
powstał nieczynny optycznie produkt
B
.
Ten sam tłuszcz
A
poddano hydrolizie i z mieszaniny poreakcyjnej wyizolowano 2 kwasy
karboksylowe
C
i
D
w stosunku molowym 1 : 2. Natomiast po zredukowaniu otrzymanego
hydrolizatu wodorem (w obecności katalizatora Ni), wyizolowano tylko jeden kwas
D
.
Kwas
C
poddany reakcji z KMnO
4
w środowisku kwasowym na gorąco, daje mieszaninę
związków
E
i
F
, posiadających nierozgałęziony łańcuch węglowy o tej samej liczbie atomów
węgla. Próbka związku
E
o masie 0,395 g ulega zobojętnieniu roztworem NaOH o objętości
12,5 cm
3
i stężeniu 0,20 mol/dm
3
, podczas gdy do zobojętnienia 0,470 g związku
F
zużywa
się dwukrotnie większą objętość roztworu zasady o tym samym stężeniu.
Polecenia:
a.
Podaj wzory strukturalne związków
C
,
D
,
E
,
F
wraz z uzasadnieniem. Dla związku
C
podaj również wzór jego izomeru geometrycznego nie występującego w tłuszczach naturalnych.
b.
Przedstaw schemat reakcji kwasu
C
z KMnO
4.
c.
Podaj wzory tłuszczów
A
i
B
. Czy istnieje taki izomer związku
A
, który nie wykazuje
czynności optycznej? Odpowiedź uzasadnij.
d.
Napisz równanie reakcji hydrolizy tłuszczu
A.
P
UNKTACJA
:
wszystkie zadania po
20 pkt
., łącznie
100 pkt.
C
ZAS TRWANIA ZAWODÓW
:
240 minut
4
E
TAP
I
17.11.2007
Rozwiązania zadań teoretycznych
R
OZWIĄZANIE ZADANIA
1
a1.
Iloczyn rozpuszczalności wodorotlenku wapnia jest opisany równaniem:
K
B
s0
B
= [Ca
P
2+
P
][OH
P
-
P
]
P
2
P
.
Osad nie wytrącił się po dodaniu najbardziej rozcieńczonego roztworu CaCl
B
2
B
, czyli
iloczyn rozpuszczalności wodorotlenku wapnia jest większy niż iloczyn stężeń jonów
[Ca
P
2+
P
][OH
P
-
P
]
P
2
P
w pierwszym naczyniu (I), a mniejszy niż analogiczny iloczyn stężeń jonów
w drugim naczyniu (II). Uwzględniając zmiany stężeń jonów Ca
P
2+
P
i OH
P
-
P
po zmieszaniu
roztworów CaCl
B
2
B
i NaOH (objętość wzrosła dwukrotnie) obliczamy iloczyny stężeń w
tych dwóch naczyniach:
I: [Ca
P
2+
P
][OH
P
-
P
]
P
2
P
= 0,0005
P
.
P
(0,075)
P
2
P
= 2,8
P
.
P
10
P
-6
P
II: [Ca
P
2+
P
][OH
P
-
P
]
P
2
P
= 0,001
P
.
P
(0,075)
P
2
P
= 5,6
P
.
P
10
P
-6
P
Iloczyn rozpuszczalności Ca(OH)
B
2
B
mieści się więc w przedziale od 2,8
P
.
P
10
P
-6
P
do 5,6
P
.
P
10
P
-6
P
.
a2.
Przyjmując, że w nasyconym roztworze Ca(OH)
B
2
B
stężenie jonów Ca
P
2+
P
wynosi
S
(gdzie
S
jest stężeniem molowym nasyconego roztworu wodorotlenku wapnia), a stężenie jonów
OH
P
-
P
= 2
S
, wyrażenie na iloczyn rozpuszczalności można zapisać w postaci:
K
B
s0
B
=
S
P
.
P
(2
S
)
P
2
P
= 4
S
P
3
P
. Stąd
S
= (
K
B
s0
B
/4)
P
1/3
P
. Po podstawieniu obliczonych wartości
K
B
s0
B
uzyskujemy wartość
S
w zakresie od 0,0089 do 0,011 mol/dm
P
3
P
. Ponieważ [OH
P
-
P
] = 2
S
, a pH = 14 – pOH, dla
nasyconego roztworu pH może zawierać się w granicach od 12,25 do 12,34 (czyli
wyniesie około 12,3).
a3.
(
I
) W wyniku rozcieńczenia wartość pH nie zmieni się, ponieważ w obecności stałego
Ca(OH)
B
2
B
, w stanie równowagi roztwór wodorotlenku wapnia będzie stale nasycony i w
rezultacie stężenie jonów pochodzących z dysocjacji Ca(OH)
B
2
B
będzie stałe.
(
II
) Dodawanie roztworu mocnego kwasu spowoduje zobojętnianie Ca(OH)
B
2
B
połączone z
rozpuszczaniem osadu. W wyniku tego będzie wzrastało stężenie jonów Ca
P
2+
P
w
roztworze. Ponieważ w stanie równowagi między osadem a roztworem iloczyn stężeń
[Ca
P
2+
P
][OH
P
-
P
]
P
2
P
jest stały i równy iloczynowi rozpuszczalności, stężenie jonów OH
P
-
P
będzie
się zmniejszać, czyli nastąpi obniżenie pH.
(
III
) Podczas dodawania roztworu mocnej zasady zostaną wprowadzone dodatkowe jony
OH
P
-
P
(obniżające rozpuszczalność Ca(OH)
B
2
B
), co doprowadzi do wzrostu pH.
b1.
Iloczyn rozpuszczalności Fe(OH)
B
3
B
opisany jest równaniem:
K
B
s0
B
= [Fe
P
3+
P
][OH
P
-
P
]
P
3
P
. Ponieważ
[Fe
P
3+
P
] = 0,10 mol/dm
P
3
P
, to stężenie jonów OH
P
-
P
, przy którym wytrąci się osad Fe(OH)
B
3
B
wyniesie (
K
B
s0
B
/[Fe
P
3+
P
])
P
1/3
P
. Po podstawieniu uzyskamy [OH
P
-
P
] = 2,7
P
.
P
10
P
-13
P
mol/dm
P
3
P
. Odpowiada
to stężeniu jonów wodorowych [H
P
+
P
] = 10
P
-14
P
/[OH
P
-
P
] = 10
P
-14
P
/2,7
P
.
P
10
P
-13
P
= 0,037 mol/dm
P
3
P
. Stąd
pH = -log[H
P
+
P
] = 1,4.
b2.
Przed rozcieńczeniem stężenie jonów H
P
+
P
jest równe 10
P
-1,5
P
mol/dm
P
3
P
, a stężenie jonów OH
P
-
P
wynosi wtedy 10
P
-14
P
/10
P
-1,5
P
= 10
P
-12,5
P
mol/dm
P
3
P
. Wówczas iloczyn [Fe
P
3+
P
][OH
P
-
P
]
P
3
P
wyniesie
0,010(10
P
-12,5
P
)
P
3
P
= 3
P
.
P
10
P
-40
P
. Jest to wartość mniejsza od iloczynu rozpuszczalności, czyli
roztwór będzie klarowny. W wyniku 10-krotnego rozcieńczenia stężenie jonów Fe
P
3+
P
obniży się do 0,0010 mol/dm
P
3
P
, ale jednocześnie stężenie jonów OH
P
-
P
wzrośnie do 10
P
-11,5
P
mol/dm
P
3
P
.
5
Plik z chomika:
teacher20
Inne pliki z tego folderu:
fu56.pdf
(390 KB)
55wst.pdf
(546 KB)
55i(1).pdf
(330 KB)
54i.pdf
(432 KB)
53i.pdf
(388 KB)
Inne foldery tego chomika:
etap 2
etap 3
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin