34 e Nationale Scheikundeolympiade

Transcriptie

1 34 e Naionale Scheikundeolympiade SABIC Geleen THEORIETOETS correcievoorschrif maandag 1 juni 13 Deze heorieoes besaa ui 7 opgaven me in oaal 37 deelvragen. Gebruik voor elke opgave een apar anwoordblad, voorzien van naam. De maximumscore voor di werk bedraag 117 punen. De heorieoes duur maximaal 4 klokuren. Benodigde hulpmiddelen: rekenapparaa en BINAS 5 e druk. Bij elke opgave is he aanal punen vermeld da juise anwoorden op de vragen oplever. NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 1

2 Opgave 1 Broom me hiosulfaa (11 punen) Maximumscore 1 Voorbeelden van een juis anwoord zijn: - Broom saa in dezelfde groep van he periodiek syseem als jood. - Broom is ne als jood een halogeen. Een juis anwoord kan als volg zijn geformuleerd: Omda jood nie me hiosulfaa reageer volgens halfreacie, is (kennelijk) de reducorserke van he hiosulfaa in halfreacie (veel) kleiner dan de reducorserke voor de andere halfreacie. He meese hiosulfaa zal dan worden omgeze via halfreacie 1. uileg da hiosulfaa in de omzeing via halfreacie 1 een serkere reducor is dan in de omzeing via halfreacie 1 noie da de serkse reducor he mees reageer (en conclusie) 1 Maximumscore 8 Een voorbeeld van een juise berekening is:,188,458 =,96 mmol hiosulfaa heef me broom gereageerd. Als x mmol hiosulfaa reageer via halfreacie 1, dan reageer (,96 x) mmol hiosulfaa via halfreacie. De x mmol hiosulfaa die word omgeze via halfreacie 1 reageer me ½ x mmol broom. De (,96 x) mmol hiosulfaa die word omgeze via halfreacie reageer me 4 (,96 x) mmol broom. Toaal heef,1 mmol broom gereageerd, dus moe gelden ½ x + 4 (,96 x) =,1. Di lever x =,75. Dus heef,75 mmol hiosulfaa gereageerd via halfreacie 1 en,96,75 =,1 mmol via halfreacie. Di is in overeensemming me de hypohese. berekening van he aanal mmol hiosulfaa da in de iraie me jood heef gereageerd:,458 mmol vermenigvuldigen me 1 berekening van he aanal mmol hiosulfaa da me broom heef gereageerd: he aanal mmol hiosulfaa da in de iraie me jood heef gereageerd afrekken van,188 mmol 1 berekening van he aanal mmol hiosulfaa da reageer via halfreacie, als x mmol hiosulfaa reageer via halfreacie 1: he aanal mmol hiosulfaa da me broom heef gereageerd minus x 1 berekening van he aanal mmol broom da me hiosulfaa heef gereageerd via halfreacie 1: x vermenigvuldigen me ½ 1 berekening van he aanal mmol broom da me hiosulfaa heef gereageerd via halfreacie : he aanal mmol hiosulfaa da reageer via halfreacie vermenigvuldigen me 4 1 opsellen van de vergelijking die onsaa als de resulaen van de vorige wee bollejes bij elkaar worden opgeeld en gelijkgeseld aan he aanal mmol oegevoegd broom (,1 mmol) 1 oplossen van x ui de verkregen vergelijking 1 conclusie 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif

3 Opgave Piing (7 punen) Maximumscore 1 Voorbeelden van een juis anwoord zijn: - Er zien koolwaersoffen in he koelwaer. - Er zi waer in he mengsel van koolwaersoffen. Maximumscore 3 Een voorbeeld van een juis anwoord is: De elekrodepoeniaal van de halfreacie O + 4 H e H O bij ph = 7, is:, , V V + log[h ] +1,3 +,59 log1 +,8 V. 4 Di lig ruim boven de waarde voor he koppel Fe / Fe + (dus kan opgelos zuursof in waer me ph = 7, Fe omzeen o Fe +. juise uidrukking voor de we van Nerns 1 berekening van de elekrodepoeniaal van de halfreacie O + 4 H e H O bij ph = 7, 1 uileg waarom reacie kan opreden 1 4 Cr + 3 O + 1 H + 4 Cr H O alle formules juis voor de pijl en na de pijl 1 alle coëfficiënen juis 1 Maximumscore 5 Een voorbeeld van een juise berekening is: 3, 9 3, 9 3, 9 1 (1 ) 4(, 51 ) ph = log, 1. juise evenwichsvoorwaarde: + + [Cr(OH) ][H ] 3+ = K 1 h [Cr ] berekening K h : 1 3,9 1 noie da [Cr(OH) + ] = [H + ] en da [Cr 3+ ] =,5 [H + ] 1 3, 9 3, 9 3, 9 berekening [H + 1 (1 ) 4(, 51 ) ]: 1 berekening ph: de negaieve logarime van de berekende [H + ] 1 Indien slechs een berekening is gegeven als Opmerking 3, 9 ph= log, 5 1, 1 4 3,9 Wanneer een berekening is gegeven als ph log,5 1 =,1 en acheraf is gecheck da he aanal mol Cr 3+ da per lier word omgeze, mag worden verwaarloosd en opziche van,5 mol L 1, di goed rekenen. NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 3

4 Maximumscore 4 Een voorbeeld van een juis anwoord is: De vorming van de meaalionen vind in de pi plaas en de halfreacie O + 4 H + H O aan he meaaloppervlak buien de pi. De elekronen verplaasen zich door he meaal van de meaalaomen naar de zuursofmoleculen. Daardoor daal de [H + ] buien de pi en nie er in. Zie ondersaande ekening: de vorming van de meaalionen vind in de pi plaas en de halfreacie O + 4 H + H O aan he meaaloppervlak buien de pi 1 de elekronen verplaasen zich door he meaal van de meaalaomen naar de zuursofmoleculen 1 daardoor daal de [H + ] buien de pi en nie er in 1 duidelijke sches van he corrosieproces gegeven 1 Opmerking Wanneer in de beschrijving en de ekening de omzeing van Fe naar Fe + en/of Cr naar Cr 3+ en/of Ni naar Ni + is vermeld, di goed rekenen. Maximumscore 4 Een voorbeeld van een juis anwoord is: Voor de reacie Fe + + H O Fe(OH) + + H + geld: ΔG r (98 K) = (, , ) + (, ) = +, J mol 1. 5, 391 8, Dus K h = e 1, 5 1. En voor de reacie Ni + + H O Ni(OH) + + H + geld: ΔG r (98 K) = (, , ) + (,8 1 5 ) = +, J mol 1. 5, 551 8, Dus K h = e, 3 1. De hydrolyseconsane van Cr 3+ is K h = 1 3,9 = 1, Beide hydrolyseconsanes van Fe + en Ni + zijn dus veel kleiner dan de hydrolyseconsane van Cr 3+, zoda de hydrolyse-evenwichen van Fe + en Ni + veel meer links liggen dan da van Cr 3+ (en dus veel minder H + leveren dan he evenwich van Cr 3+ ). berekening van ΔG r (98 K) voor de hydrolyse-evenwichen van Fe + en Ni + 1 omrekening van de gevonden waarden voor ΔG r (98 K) naar K h 1 berekening van de K h van Cr 3+ 1 vergelijking van de berekende hydrolyseconsanes van Fe + en Ni + me die van Cr 3+ en conclusie 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 4

5 Maximumscore 8 Een voorbeeld van een juis anwoord is: Concenraie: de reaciesnelheid is afhankelijk van de concenraie van O en van H + in he koelwaer. Door de voordurende aanvoer van vers koelwaer, blijven deze concenraies consan. Daardoor zou de reaciesnelheid nie kunnen oenemen naarmae de reacie langer duur. Kaalysaor: om de oplossing in de pi neuraal e houden, zou migraie van chloride-ionen ui he koelwaer naar de oplossing in de pi kunnen plaasvinden. Daardoor kom er meer kaalysaor in de pioplossing, wa he oplosproces versnel. Temperauur: op de plaas van de pi blijf die consan / neem die nie oe. Daardoor word de reacie nie versneld. Verdelingsgraad: he meaaloppervlak word groer naarmae de pi groer word. Daardoor zou de reaciesnelheid ook groer kunnen worden. door de voordurende aanvoer van vers koelwaer blijven concenraies van O en H + consan 1 dus me de facor concenraie kan de oename van de snelheid van he oplossen van de mealen nie worden verklaard 1 uileg da de concenraie van Cl in de pioplossing kan oenemen 1 dus me de facor kaalysaor kan de oename van de snelheid van he oplossen van de mealen worden verklaard 1 de emperauur blijf er plaase van de pi consan / neem er plaase van de pi nie oe 1 dus me de facor emperauur kan de oename van de snelheid van he oplossen van de mealen nie worden verklaard 1 he meaaloppervlak in de pi word groer 1 dus me de facor verdelingsgraad zou de oename van de snelheid van he oplossen van de mealen kunnen worden verklaard 1 Opmerking Wanneer is geseld da me de facor concenraie kan worden verklaard da de snelheid van he oplossen van de mealen oeneem, omda door de oename van de concenraie H + in de pioplossing de reacie van de mealen me H + (onder vorming van onder andere waersof) sneller gaa, di goed rekenen. NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 5

6 Opgave 3 VCM (13 punen) Maximumscore 4, 1,-dichloorehaan juise srucuurformule 1 ehaan als samnaam 1 dichloor als voorvoegsel 1 juise plaasaanduiding 1 Indien een onjuise srucuurformule is gegeven me bijbehorende juise naam Maximumscore 3 Een juis anwoord kan er als volg uizien: sap 1 van he mechanisme juis sap juis 1 Indien in een overigens juis anwoord in sap 1 na de pijl geen cyclisch chloroniumion is geekend, maar een srucuurformule als: NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 6

7 Maximumscore 6 Een juis anwoord kan er als volg uizien: iniiaiesap juis 1 propagaiesappen juis erminaiesappen juis 3 Indien in de iniiaiesap een chloorradicaal is afgesplis en de res van he mechanisme consequen daaraan is weergegeven 4 Opmerking Wanneer he volgende reaciemechanisme is gegeven, di goed rekenen: NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 7

8 Opgave 4 Weekmakers (17 punen) H en CO H 1 CO 1 srucuurformule van de cis vorm 1 srucuurformule van de rans vorm 1 Opmerking Wanneer behalve de hierboven vermelde srucuurformules ook (één van) ondersaande formules zijn (is) gegeven, di goed rekenen. Maximumscore 1 Maximumscore 4 Een voorbeeld van een juis anwoord is: In een molecuul DOP komen wee asymmerische koolsofaomen voor. Maar he molecuul heef een inwendig spiegelvlak, dus zijn er drie sereo-isomeren: RR, SS en RS. juise srucuurformule van DOP 1 een molecuul DOP heef wee asymmerische koolsofaomen 1 een molecuul DOP heef een inwendig spiegelvlak 1 conclusie 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 8

9 Maximumscore 4 Wanneer E in een aldolcondensaie reageer me buanal, onsaa een produc, da me waersof word omgeze o -ehyl-4-mehylpenaan-1-ol. juise srucuurformule van E 1 juise srucuurformule van -ehyl-4-mehylpenaan-1-ol 1 er reed aldolcondensaie op ussen E en buanal 1 he produc van deze aldolcondensaie reageer me waersof onder vorming van -ehyl-4-mehylpenaan-1-ol 1 Een juis anwoord kan als volg zijn geformuleerd: Nee, wan alle soffen die in C voorkomen, geven bij reacie me waersof D. alle soffen die in C voorkomen, geven bij reacie me waersof D 1 conclusie 1 F juis 1 G juis 1 Opgave 5 Muaies (16 punen) srucuurformules van dimehylamine voor de pijl en N nirosodimehylamine na de pijl 1 NO + voor de pijl en H + na de pijl 1 Maximumscore 3 Een juis anwoord kan er als volg uizien: juise elekronenformule van NO + me de pluslading op N 1 juise elekronenformule van dimehylamine 1 aangegeven da he nie-bindende elekronenpaar van he dimehylaminemolecuul een bindend elekronenpaar vorm me he siksofaoom van he NO + ion 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 9

10 Maximumscore 3 Een juis anwoord kan als volg zijn geformuleerd: In de gemehyleerde guanine-eenheid kom geen dubbelgebonden zuursofaoom meer voor. Daardoor kan de gemehyleerde guanine-eenheid slechs wee in plaas van drie waersofbruggen vormen en kom bij de vernieuwing van he DNA egenover de gemehyleerde guanine-eenheid op de complemenaire sreng een hymine-eenheid (die ook wee waersofbruggen kan vormen). Bij de volgende vernieuwing van he DNA kom egenover die hymine-eenheid een adenine-eenheid e zien. uileg waarom de gemehyleerde guanine-eenheid wee in plaas van drie waersofbruggen kan vormen 1 dus kom bij de (eerse) vernieuwing van he DNA egenover de gemehyleerde guanine-eenheid een hymine-eenheid 1 bij de volgende vernieuwing van he DNA kom dan een adenine-eenheid egenover de hymine-eenheid 1 Maximumscore 4 Een juis anwoord kan als volg zijn geformuleerd: He riple CCG op de coderende sreng van he DNA lever ook he riple CCG in he RNA. Da is een code voor proline. Wanneer he riple CCG op de coderende sreng van he DNA is gewijzigd in CTG, word da CUG in he RNA. Da is een code voor leucine. Er word dus een leucine-eenheid in he eiwi ingebouwd op de plaas waar een proline-eenheid moes komen. Een proline-eenheid in een aminozuurkeen heef geen H aan he siksofaoom van de pepidebinding. Daar kan dus geen waersofbrug worden gevormd me een O aoom van de pepidebinding van een andere aminozuureenheid. Daar word de α-helix srucuur dus versoord. Een leucine-eenheid in een aminozuurkeen heef wel een H aan de N van de pepidebinding. Daar kan dus wel een α-helix srucuur onsaan. uileg da in he nie-gemueerde geval proline in he eiwi word ingebouwd 1 uileg da wanneer de muaie is opgereden leucine word ingebouwd 1 een proline-eenheid heef geen H aan de N van de pepidebinding en een leucine-eenheid wel 1 conclusie 1 Maximumscore 4 Gluamine of arginine Indien bij een anwoord me een uileg is gegeven, kan zo n anwoord er als volg uizien: De muaie heef kennelijk als gevolg da een sopcodon, UAA of UAG of UGA, in he RNA is onsaan. Dan zou er oorspronkelijk in he RNA de code CAA of CAG of CGA moeen voorkomen. Da is de code voor gluamine (in he geval van CAA en CAG) of arginine (in he geval van CGA). er is een sopcodon onsaan als gevolg van de muaie 1 juise noaie van een sopcodon 1 juise noaie van he codon da in he nie-gemueerde geval in he RNA voorkom 1 conclusie 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 1

11 Opgave 6 MRI (1 punen) In aanwezigheid van een magneisch veld kunnen de kernmagneejes wee oriënaies aannemen: me veld mee en egen he veld in. De oriënaie me he veld mee (is de mees sabiele siuaie) heef een lagere energie dan de oriënaie egen he veld in. (Vergelijk he bijvoorbeeld me egen elkaar houden van wee magneen.) in een magneisch veld kunnen de kernmagneejes oriënaies aannemen 1 de oriënaie me he veld mee heef een lagere energie dan de oriënaie egen he veld in 1 Maximumscore 1 5 E,5 1 (J) Bo = =45,1 T h 4, (s T ) 6, (Js) Opmerking Wanneer de uikoms van de berekening als 45 T is gegeven, di nie aanrekenen. E h = hc hc 6, (Js), (ms ) dus, m 5 E, 5 1 (J) E h = hc 1 res van de berekening 1 Maximumscore 1 N N 5 E, 51 (J) ( ) ( ) j 3 1 kt 1, (J K ) 98 (K) i e e, Een juis anwoord kan als volg zijn geformuleerd: Hoe serker de magnee, hoe groer ΔE, hoe minder kernen in de hoogse energieoesand zien. een serkere magnee beeken een groere ΔE 1 res van de verklaring 1 Een juis anwoord kan als volg zijn geformuleerd: Je kun de emperauur verlagen. Maar da zal voor de paiën nie zo preig zijn: hij/zij zou onderkoeld kunnen raken ijdens he onderzoek. emperauur verlagen 1 uileg wa de beperking daarvan is 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 11

12 Opgave 7 Producie van LDPE (15 punen) Maximumscore 3 Een voorbeeld van een juis anwoord is: De polymeermoleculen die in he begin van de buis onsaan, zijn korer dan die aan he eind van de buis onsaan. In he begin is er nog veel iniiaor aanwezig en worden er dus relaief veel (iniiaor)radicalen gevormd. Daardoor is de snelheid van de erminaiereacies ook (relaief) groo en blijven de keens (relaief) kor. Aan he eind van de buis is veel minder iniiaor aanwezig en worden dus veel minder radicalen gevormd. Omda de eheenconcenraie nauwelijks is afgenomen, is de snelheid van de erminaiereacies kleiner dan aan he begin en worden de keens dus langer. uileg da in he begin van de buis de hoeveelheid/concenraie radicalen groer is dan aan he eind van de buis 1 noie da de hoeveelheid/concenraie aanwezig eheen aan he begin en eind van de buis nie veel verschil 1 de snelheid van de erminaiereacies is dus aan he begin van de buis groer dan aan he eind van de buis en conclusie 1 Maximumscore 5 Een voorbeeld van een juise berekening is:, 1 π (m ) 9, 1 s m 3 1 5, 1 (kguur ) 3 1 4, 1 (kgm ) 36(suur ) 1 noie da voor de verblijfijd geld: 3 volume reacor (in m ) doorsnede (in m ) L (in m) volume eheensroom (in m per seconde) volume eheensroom (in m per seconde) berekening van de sraal van de reacor in m 3 :, (cm) vermenigvuldigen me 1 (m cm 1 ) en delen door 1 berekening van de doorsnede van de buisreacor: he kwadraa van de berekende sraal vermenigvuldigen me π 1 berekening van de volumesroom in kg s 1 : 5, 1 3 (on uur 1 ) delen door de dichheid van eheen (4, 1 kg m 3 ) en door 36 (s uur 1 ) 1 res van de berekening 1 Maximumscore 5 1. Maximumscore 4 Als 99,% van de iniiaor is omgeze is, geld: [I] [I] 1. Omda de iniiaiereacie (kennelijk) een, [I] ln,1 eerse orde reacie is, geld: ln k i. Dus ln,1 = k i, of = = 9, s. [I], 5 noie da de iniiaiereacie een eerse orde reacie is 1 [I] dus ln k i [I] 1 als 99,% is omgeze, geld [I] [I] 1 1, res van de berekening 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 1

13 . Maximumscore 1 he aanalsecondenda he duur o 99%vandeiniiaoris omgeze 9, (s) L = 1, 1 m 1 9, 1 (sm ) Maximumscore 5 Voor de oale reaciesnelheid geld: s = s p = k p [M][R ]. 1 d[r ] d[r ] De snelheid waarmee de radicalen worden gevormd is: si d d d[r ] De snelheid waarmee de radicalen worden weggenomen is s k[r ]. d Wanneer zich een seady sae heef ingeseld, geld s i = s, dus k[i] k[r ]. ki Hierui volg: [R ] [I] en k Dus de oale reaciesnelheidsconsane is: k k s kp[m] [I] k [M][I] k. 1 k i 3 1 1, 5(s ) p k, ki[i], dus ki 1 i i p k k k 3, 1 (Lmol s ), 95 L 1/ mol 1/ s (Lmol s ) i [I]. voor de oale reaciesnelheid geld: s = s p = k p [M][R ] 1 juise uidrukkingen voor de snelheden waarmee de radicalen worden gevormd en weggenomen: 1 d[r ] d[r ] bijvoorbeeld si ki[i] respecievelijk s k[r ] 1 d d 1 ki ki juise verwerking van de seady sae benadering leidend o [R ] [I] en s kp [M][I] 1 k k berekening van de oale reaciesnelheidsconsane 1 juise eenheid van de oale reaciesnelheidsconsane 1 Maximumscore 1 Voorbeelden van een juis anwoord zijn: Polyeheen besaa ui moleculen die nie allemaal even groo zijn. Poleheen is geen zuivere sof. NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 13

14 Maximumscore 4 De vormingsenhalpie van eheen in kj kg 1 is: 5 1, 511 (Jmol ) (gkg ) 1 (kjj ) 1, 8 1 kjkg. 1 8, 5(gmol ) Dus de reacie-enhalpie is 1, 1 3 (1,8 1 3 ) = 3,4 1 3 kj kg , 4 1 (kjkg ) Als een kg eheen reageer zou de emperauur dus sijgen me 1-1 3, (kjkg K ) Als de emperauur 5 ºC (is ook 5 K) mag sijgen, mag sijgen, mag slechs 5(K),5 kg eheen reageren. Da is 5,% , 11 (Kkg ) 3 1, 1 1 K. berekening van de vormingsenhalpie van eheen in kj kg 1 : de vormingsenhalpie van eheen (bijvoorbeeld via Binas-abel 57B: +, J mol 1 ) delen door de molaire massa van eheen (bijvoorbeeld via Binas-abel 99: 8,5 g mol 1 ) (en vermenigvuldigen me 1 3 g kg 1 en me 1 3 kj J 1 ) 1 berekening de reacie-enhalpie: de berekende vormingsenhalpie van eheen bij ºC afrekken van de berekende vormingsenhalpie van polyeheen bij ºC 1 berekening van de emperauursijging per kg gereageerd eheen: de (absolue waarde van de) berekende reacie-enhalpie delen door 3, (kj kg 1 K 1 ) 1 berekening van he percenage omzeing: 5 (K) delen door de berekende emperauursijging (in K kg 1 ) per kg en de uikoms delen door 1 (kg) en vermenigvuldigen me 1 1 NSO13 SABIC, Geleen - Theorieoes correcievoorschrif 14