NATIONALE SCHEIKUNDEOLYMPIADE EINDTOETS THEORIE

Transcriptie

1 NATINALE SHEIKUNDELYMPIADE EINDTETS THERIE Universiteit Twente Enschede maandag 2 juni 26, antwoordmodel Deze voorronde bestaat uit 28 deelvragen verdeeld over 6 opgaven De maximumscore voor dit werk bedraagt 2 punten (geen bonuspunten) Bij elke opgave is het aantal punten vermeld dat juiste antwoorden op de vragen oplevert Bij de correctie van het werk moet bijgaand antwoordmodel worden gebruikt. Daarnaast gelden de algemene regels, zoals die bij de correctievoorschriften voor het E worden verstrekt. onsequente toepassing van een fout antwoord op een vorige vraag wordt, mits beantwoording niet aanzienlijk eenvoudiger wordt, goed gerekend.

2 Puur goud (9 punten) maximaal 2 punten kubus met op elk hoekpunt Au Au in midden van elk vlak 2 maximaal 2 punten 6 ½ = 4 een atoom in vlak hort bij twee kubussen, een atoom op het hoekpunt bij acht er zijn 6 atomen in vlakken en 8 op de hoekpunten plus de berekening maximaal punten atomen raken elkaar (via de ()-vector, de diagonaal): 4 r in de diagonaal van een vlak diagonaal van zijvlak = a 2 conclusie: 4 r = a 2 ofwel a = 2r 2 4 maximaal 5 punten De dichtheid van goud is 9, g cm. De atoommassa van Au is 96,97 g mol cm dichtheid is 96,97 / 9, =,2 =,69 29 m mol atoom Au Er zitten 4 atomen in een eenheidscel volume eenheidscel = 6,77 29 m ribbe a =,677 nm =,47 nm atoomstraal van Au is dan 4 a 2 =,44 nm 5 maximaal 7 punten In een B-structuur is de relatie tussen atoomstraal en ribbe a = 4 r of r = 4 a Het volume van een atoom is 4 π r er zitten 2 atomen in een eenheidcel met ribbe a In een F-structuur is de relatie tussen atoomstraal en ribbe a 2 = 4 r, dus r = a 2. Het volume van een atoom is 4 r π, en er zitten 4 atomen in een eenheidcel met ribbe a. Het percentage gevulde ruimte in een B-structuur is 2 4 ( ) 4 in een F-structuur is dit 4 4 ( 2 ) 4 π = 68,% π 4 = 74,% De volumeverandering is 74/68 =,88. Dus 8,8% volumevergroting 8, 8 = 2,% in één lengterichting NS26 eindtoets theorie antwoordmodel maandag 2 juni Universiteit Twente 2

3 6 2 Pure explosieve kracht (29 punten) maximaal 6 punten. HN + H 2 S 4 N H 2 + HS 4 juiste formules links van de pijl juiste formules rechts + juiste coëfficiënten 2. (HN (het zwakste zuur) wordt geprotoneerd en valt uiteen in N + 2 en H 2 ) hiervoor is sterk zuur nodig (zwavelzuur) dat heel goed water bindt.. (N + 2 reageert met de (π-wolk van de) benzeenring:) elektrofiele aromatische substitutie (S E Ar) 7 maximaal 5 punten. H is een (licht activerende,) ortho/para richtende substituent er onstaat een mengsel van 2 (ortho) en 4 (para) nitrotolueen N 2 is een (sterk desactiverende,) meta-richtende substituent er ontstaat een mengsel van 2,4 (ortho, para) dinitrotolueen en 2,6 (ortho, ortho) dinitrotolueen. 2. (uit het mengsel van 2,4 en 2, 6 dinitrotolueen ontstaat alleen 2,4,6 trinitrotolueen): het is het enige product. 8 maximaal 2 punten de N 2 groep is sterk deactiverend daarom verloopt de eerste nitrering het snelst, de tweede langzamer en de derde het langzaamst. 9 maximaal 4 punten. Spectra en D. MS geeft een oneven waarde voor de molecuulionpiek conclusie: er is een oneven aantal stikstofatomen in het molecuul (stikstofregel): en D zijn de mononitrotolueen verbindingen. of D geeft een dubbel doublet in aromaatgebied conclusie dat dit alleen voor de (tweevoudige symmetrie in) 4-nitrotolueen mogelijk is. Methylgroep bij hoog veld, lage ppm, bij eerste benadering niet karakteristiek voor toekenning 2. Spectra en D spectrum D laat 2 aromaatsignalen zien die beide een doublet zijn conclusie: op basis van symmetrie is dit het spectrum van 4-nitrotolueen spectrum laat 4 aromaatsignalen zien met een patroon van doublet-triplet-triplet-doublet, waarvan de laatste twee elkaar onderling overlappen conclusie dat dit wijst op vier naast elkaar gelegen protonen. (formeel zijn de tripletten dubbele doubletten): het spectrum van 2-nitrotolueen. het spectrum van de derde mononitrotolueen dit is -nitrotolueen met vier aromaatsignalen: singlet en multipletten (twee doubletten en een triplet) en singlet in alifaatgebied NS26 eindtoets theorie antwoordmodel maandag 2 juni Universiteit Twente

4 4. spectra A en B: dinitrotolueenverbindingen. (MS geeft een even waarde voor de molecuulionpiek, dus een even aantal stikstofatomen in molecuul (stikstofregel) of omdat D een dubbel doubletpatroon in aromaatgebied geeft dat alleen voor 4-nitrotolueen mogelijk is. En dus zijn A en B de dinitroverbindingen of omdat A s aromaatpatroon van een singlet met doublet-doublet alleen voor een dinitroverbinding kan kloppen en niet voor een mono.) Methylgroep bij hoog veld, lage ppm,bij eerste benadering niet karakteristiek voor toekenning Spectrum A laat 2 aromaatsignalen zien in een doublet-triplet patroon, waarvan de doublet een twee keer zo hoge intensiteit heeft. conclusie dat dit wijst op drie naast elkaar gelegen protonen met een tweevoudige symmetrie die de doubletprotonen identiek maakt: A is de 2,6-nitrotolueen er zijn zes dinitrotolueenisomeren waarvan er drie een singlet in het aromaatgebied kunnen geven: de 2,4-, de,4-, en de,5-. Deze laatste geeft echter twee singletten. Dus blijven de 2,4-, de,4- over. De 2,4 is op synthesegronden de meest waarschijnlijke en blijft na toekenning van de 2,6 isomeer als enige over: conclusie dat spectrum B van 2,4-dinitrotolueen is. 5.,5-dinitrotolueen geeft: twee singletten in het aromaatgebied plus een singlet in alifaatgebied maximaal 2 punten singlet in alifaatgebied en singlet in aromaatgebied met verhouding : 2 Enzym, puur voor de snelheid (8 punten) maximaal 4 punten H H H 2 H H structuurformule van barnsteenzuur juist plus 2 juiste formule hydroxybutaandizuur H H H H 2 H H onttrekking water juiste structuurformule fumaarzuur (trans) NS26 eindtoets theorie antwoordmodel maandag 2 juni Universiteit Twente 4

5 2 maximaal 8 punten Vmax[S] K M Michaelis-Menten vergelijking: V = en dus = [S] + K M + [S] V Vmax Vmax Uitzetten van /V tegen /[S] (evt op grafische rekenmachine). bij 2 geeft dit: Hetzelfde uitvoeren voor 4 geeft: /rmol -.L.s y = 89,42x /[S] mol -.L y = 8,94x notie dat helling = en asafsnede = K M Vmax Vmax 2. Bij 2 V max = /82 =,25 µmol L s K M = 89,42,25-6 =,4679 mmol L Bij 4 V max = /7226 = 5,8 µmol L s K M = 8,94 5,8 6 =,4695 mmol L maximaal punten V max = k kat [E] o k kat,2 =,25 s k kat,4 =,58 s 4 maximaal punten Ea De Arrheniusvergelijking is: = Ae RT ; invullen van twee k-waarden bij twee temperaturen k T Ea (uitgedrukt in Kelvin) in: ln k 2 ln k = R T2 T E ln,58 ln,25 = a 8,4 29 E a = 6, kj mol of rechtstreeks met de formule in Binas 7A: T T k 2 T Ea = R ln T T2 kt 29,25 E a = 8,4 ln 29,58 E a = 6, kj mol NS26 eindtoets theorie antwoordmodel maandag 2 juni Universiteit Twente 5

6 4 andstofcel laat milieu puur (7 punten) 5 maximaal punten r H = 2 ( 285,8) + ( 9,5) ( 74,8) = 89,6 kj mol juiste tekens juiste coëfficiënten juiste berekening 6 maximaal 5 punten. r S = 2 69,9 + 2,74 86, ,4 = 242,98 J mol K juiste tekens juiste coëfficiënten juiste berekening 2. Bij de reactie wordt netto 2 mol gas omgezet in vloeistof. De multipliciteit / het aantal vrijheidsgraden / de wanorde van vloeistof is veel kleiner dan die van gas waardoor de entropie dus afneemt. 7 maximaal punten W max = rg = r H T r S = 89, ( 242,98 ) = 87,92 kj mol (Negatief dus de cel levert arbeid.) notie dat gibbs vrije energie = werkzame energie juiste formule plus invullen berekening 8 maximaal 2 punten Q = T r S = 298,5 ( 242,98) = 72,44 kj mol of: Q = r H W = 89,6 ( 87,92) = 72,44 kj mol (Negatief dus er komt warmte vrij.) notie dat de entropieterm staat voor het warmteverlies juiste formule plus berekening 9 maximaal 4 punten. De halfreactie aan de minpool is: H 4 (g) + 2 H 2 (l) 2 (g) + 8 H e 2 (pluspool: 2 2 (g) + 8 H e 4 H 2 (l)) Het aantal elektronen in de reactie is dus 8. rg 87,92 E = = =,596 V nf notie dat elektrische arbeid = nfe (is gibbs vrije energie) invullen en berekening NS26 eindtoets theorie antwoordmodel maandag 2 juni Universiteit Twente 6

7 5 Alles uit puur pentyn (8 punten) 2 maximaal 2 punten H H 2 H H H H 2 / Pd a, hydrochinon H H 2 H syn-additie additie van één H 2 per molecuul synadditie 2 maximaal 6 punten H H H 2 H H H 2 H + H H H 2 H H hoofdproduct H H H 2 H per juist reactieproduct juiste motivatie hoofdproduct 2 22 maximaal 5 punten H H 2 H H H H 2 H + 2 H H 2 H 2 H 2 H H 2 H2 H 2 H H H H H 2H per juist reactieproduct redelijke motivatie hoofdproduct 2 2 maximaal 2 punten KMn H H 2 H 4 H H 2 H 24 maximaal punten H H 2 H 2 H H 2 S 4 /HgS 4 H H 2 H H 2 H H 2 H 2 H één keton juist 2 beide juist indien bij foute antwoorden er een notie is dat eerst water wordt geaddeerd, waarna de gevormde alcohol wordt omgezet in keton: maximaal punt NS26 eindtoets theorie antwoordmodel maandag 2 juni Universiteit Twente 7

8 6 Puur gereken (9 punten) 25 maximaal 9 punten MgF 2 (s) Mg 2+ (aq) + 2 F (aq) K s = [Mg 2+ ][F ] 2 Mg 2+ + F MgF + + [MgF ] K = = 6 ) 2+ [Mg ][F ] Stel de oplosbaarheid in mol L gelijk aan s, dan geldt [Mg 2+ ] + [MgF + ] = s en [F ] + [MgF + ] = 2s [F ] [Mg 2+ ] = s; dus [MgF + ] = s [Mg 2+ ] en [F ] = s + [Mg 2+ ]; 2+ s [Mg ] substitueren in ) levert: = [Mg ](s + [Mg ]) g, s = l = 2,9 mol L g 62, mol 2,9 x =,2x + 6x 2 ; 6x 2 +,2x 2,9 = x =, 2 +, 28 +, 527 =,7 mol L = [Mg 2+ ] 26 [MgF + ] = 2,9,7 =,9 4 mol L [F ] = 2,9 +,7 =,79 mol L K s =,7 (,79 ) 2 = 2, maximaal 2 punten K b (F ) =,4 zeer zwakke base, reageert dus nauwelijks met H 2 27 maximaal 4 punten 2,4 8 = [Mg 2+ ] (,) 2 [Mg 2+ ] = 2,4 6 mol L + [MgF ] = 6 [MgF + ] =,5 5 mol L 6 2,4, s = 2,4 6 +,5 5 =,8 5 mol L,8 2 mmol g mg 62, =, L mol L 28 maximaal 4 punten mg 6 L 4 mol = 2,5 g L 78,8 mol af 2 a F ; K s (af 2 ) = 2,5 4 (2 2,5 4 ) 2 =,45,45 = [a 2+ ], 2 [a 2+ ] =,45 9 mol L,45 9 mol g mg 78,8 = 2,7 4 L mol L NS26 eindtoets theorie antwoordmodel maandag 2 juni Universiteit Twente 8