Toets02 Algemene en Anorganische Chemie 30 oktober 2015 13:00-15:30 uur Holiday Inn Hotel, Leiden Naam: Studentnummer Universiteit Leiden: Dit is de enige originele versie van jouw tentamen. Het bevat dit voorblad, enkele pagina s met informatie en vervolgens de opgaven. Gebruik kladpapier om je antwoord uit te werken. Neem daarna de berekening, tekening of ander antwoord over op dit origineel. Lever slechts dit origineel in. SUCCES! Resultaten: Opgave 1 Opgave 2 Opgave 3 Opgave 4 /25 /25 /25 /25 Totaal: /100 Cijfer:
Opgave 1 Fasediagrammen, inter-moleculaire krachten en chemische thermodynamica Voor aceton zijn de volgende gegevens bekend. Smeltpunt: T s = -94.8 o C Kookpunt: T k = 56 o C Tripelpunt: T t = 178 K bij 10 Pa Kritieke temperatuur: T kt = 508 K bij 48 bar Dampdruk: P 25 = 3,06 10 4 Pa (bij 25 o C) Bij het verhogen van de druk smelt vast aceton niet. Smeltwarmte H melt = 5,7 kj/mol Molaire Warmtecapaciteiten: C p,vaste stof = 96 J/molK C p,vloeistof = 125,5 J/molK C p,gas = 75 J/molK VanderWaalsconstanten: a = 14,1 L 2 bar/mol 2 ; b = 0,0994 L/mol Je mag bij de onderstaande vragen aannemen dat 1 bar = 1 atm. a) (2 punten) Teken de Lewisstructuur van aceton (CH 3 COCH 3 ) en geef voor de verschillende atomen aan wat hun hybridisatie is. b) (6 punten) Gebruik bovenstaande gegevens om hieronder het fasediagram van aceton te schetsen. Geef duidelijk het kookpunt bij standaardomstandigheden, het kritieke punt en tripelpunt aan. Zet op de juiste plaats in de schets ook gas, vloeistof, vaste stof en superkritische fase.
c) (2 punten) Hoe heten de twee verschillende soorten intermoleculaire krachten die de moleculen van aceton als vloeistof bij elkaar houden? d) (4 punten) Bereken op basis van het kookpunt en de gegeven dampdruk bij 25 C de verdampingsenthalpie, ΔH vap, van vloeibaar aceton. Geef de waarde weer in kj/mol. Laat duidelijk je berekening zien. e) (4 punten) Wanneer je 1,00 g vast aceton opwarmt van -100 C naar 100 C, wat is de minimaal benodigde energie daarvoor? Als je geen H vap bij vraag 1d hebt gevonden, neem dan aan dat deze 50 kj/mol is. f) (1 punt) Wat is volgens de ideale gaswet de druk van 1,000 mol aceton bij 500 K (dus net onder de kritieke druk) als het is samengeperst tot een volume van 1,000 L? g) (2 punten) Wat is de daadwerkelijke druk onder dezelfde omstandigheden en hoe groot is de procentuele afwijking ten opzichte van een ideaal gas?
We nemen een afgesloten volume met zuiver aceton en houden het op exact 25 o C. h) (1 punt) Wat gebeurt er wanneer we het volume twee maal zo klein maken? Licht je antwoord met één zin toe en geef het weer met een reactievergelijking. Verwaarloos het volume van het vloeibare aceton. i) (1 punt) Wat gebeurt er met de absolute entropie van het systeem bij deze volumeverandering? Licht je antwoord met één zin toe. j) (2 punten) Wanneer na de volumeverandering weer evenwicht is bereikt, wat is dan de druk in het vat? Licht je antwoord weer met één zin toe.
Opgave 2 Zuur-base chemie en oplosbaarheid Ca(CO 3 ) is een slecht oplosbaar zout. a) (1 punt) Geef de complete chemische evenwichtsreactie die het oplossen van deze stof weergeeft. b) (2 punten) Wanneer je alleen rekening houdt met het evenwicht tussen de vaste stof en de twee ionen, wat worden dan de [Ca 2+ ] en [CO 3 2- ] bij 25 C? Gebruik het tabellenboekje. c) (1 punt) Wat zou de oplosbaarheid van CaCO 3 in g/l van deze stof dus moeten zijn? Er blijkt echter ruim twee maal méér, namelijk 0.013 g/l, CaCO 3 op te lossen in 1.00 L water bij 25 C. d) (1 punt) Wat is het chemische reactievergelijking voor het zuur-base evenwicht waarin het opgeloste CO 3 2- betrokken raakt? e) (3 punten) Wat is evenwichtsvoorwaarde die voor dit evenwicht geldt? Reken de K b voor CO 3 2- uit en druk deze als een decimaal getal uit. f) (1 punt) Wat moeten gelden voor de concentraties van [CO 3 2- ] en [HCO 3 - ] ten opzichte van [Ca 2+ ] wanneer beide evenwichten ingesteld zijn? g) (2 punten) Als je verder aanneemt dat [HCO 3 - ] = [OH - ] kun je de concentraties exact oplossen middels een stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden. Schrijf de twee vergelijkingen uit met [CO 3 2- ] en [HCO 3 - ] als enige onbekenden. Je hoeft het niet op te lossen.
100 ml van een oplossing van 0.100 M Na 2 CO 3 wordt getitreerd met 0.100 M HCl. h) (6 2 + 2 punten) Voorspel het ph verloop. Bereken of schat op de ph bij start, de punten halverwege equivalentie, bij equivalentie en na toevoeging van een grote overmaat van de HCl oplossing. Bereken de ph bij START Bereken de ph halverwege eerste equivalentiepunt met de Henderson-Hasselbalch vergelijking. Bereken de ph halverwege tussen eerste en tweede equivalentiepunt met de Henderson- Hasselbalch vergelijking. Schat de ph bij het eerste equivalentiepunt op basis van de vorige ph waarden (HINT: HCO 3 - is amfiprotisch). Bereken de ph bij tweede equivalentiepunt. Bereken de ph ver voorbij tweede equivalentiepunt.
ph 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 100 200 ml HCl 300
Opgave 3 Redox chemie en naamgeving Er wordt een Galvanische cel gemaakt met twee compartimenten met metaalchlorides: één met een platinaplaat in contact met een waterige oplossing van Sn 2+ en Sn 4+ ionen en de andere met een platinaplaat in een waterige oplossing van Fe 3+ en Fe 2+ ionen. De compartimenten zijn zuurstofvrij en de Galvanische cel werkt bij 25 0 C. a) (3 punten) Geef de reductie-, oxidatie- en overallreactie van deze Galvanische cel. b) (6 punten) Teken de Galvanische cel en geef aan waar de oxidatie en reductie plaatsvindt wat de anode en kathode is wat de plus- en minpool is hoe de elektronen- en ionenstroom lopen en de aanwezige ionen per compartiment. c) (1 punt) Bereken de standaard celpotentiaal voor deze Galvanische cel bij 25 0 C. d) (1 punt) Bereken de standaard Gibbs vrije energie voor deze reactie bij 25 0 C uit de standaardpotentiaal.
Wanneer de concentraties van de ionen in de twee compartimenten afwijken van de standaardconcentraties, verschuift de celpotentiaal. De wet van Nernst voorspelt de nieuwe celpotentiaal. 0 RT E E ln( Q) nf e) (3 punten) Bereken de celpotentiaal bij 25 0 C wanneer het ene compartiment een waterige oplossing van 0,32M Sn 2+ en 1,0 10-6 M Sn 4+ ionen bevat en het andere 0,10M Fe 3+ en 1,0 10-6 M Fe 2+ ionen. f) (1 punt) Welke van de reactanten raakt als eerste (zo goed als) op wanneer deze cel een tijdje werkt? g) (4 punten) Bereken de evenwichtsconcentraties wanneer deze Galvanische cel bij 25 0 C niet meer werkt/leeg is. Hint: concentraties worden in een evenwicht nooit nul, maar voor benaderingen kun je wel aannemen dat reacties (dan) volledig zijn afgelopen zie ook 3f! Eigenlijk zullen de metaalionen complexeren met water en of Cl - ionen. Bij indampen van de oplossing kunnen coördinatieverbindingen ontstaan. h) (4 punten) Geef de naam van de volgende stoffen die bij indampen kunnen ontstaan. [Fe(H 2 O) 6 ]Cl 2 K 3 [Fe(H 2 O) 2 Cl 4 ] [Sn(H 2 O) 4 Cl 2 ] (NH 4 ) 2 [SnCl 6 ] : : : : i) (2 punten) Hoe zou het komen dat [Fe(H 2 O) 6 ]Cl 2 en K 3 [Fe(H 2 O) 2 Cl 4 ] dezelfde kleur hebben?
Opgave 4 Vaste stof chemie, kristalveldsplitsing en elektronconfiguratie Lithiummangaanoxide (LiMn 2 O 4 ) is een spinel. Een spinel (zie figuur) is een matrix van kubisch dichtstgestapelde zuurstofionen gestabiliseerd door positief geladen metaalionen. De mangaanionen zitten in de octaëders en de lithiumionen in de tetraëders. De roosterconstante van LiMn 2 O 4 is 8,238 Å (in de figuur aangegeven met de pijl). Als LiMn 2 O 4 met zoutzuur wordt behandeld lost een gedeelte van het LiMn 2 O 4 op onder vorming van een oplosbaar Mn 2+ zout volgens: 4LiMn 2 O 4 + 8H + 3Mn 2 O 4 + 2Mn 2+ + 4Li + + 4H 2 O De ionstralen van Mn 2+, Mn 3+ en Mn 4+ zijn respectievelijk 0,68 Å, 0,64 Å en 0,61 Å. ----------------------------- Voor de duidelijkheid zijn slechts de zuurstofionen van de voorste helft van de eenheidscel weergegeven. a) (1 punt) Omcirkel het enige juiste antwoord. LiMn 2 O 4 is een substitionele legering / interstitiële legering / intermetallische legering / ionogene verbinding b) (2 punten) Omcirkel twee juiste antwoorden. De reactie 4LiMn 2 O 4 + 8H + 3Mn 2 O 4 + 2Mn 2+ + 4Li + + 4H 2 O is een: Uitwisselingsreactie / zuur-basereactie / redoxreactie / gasvormingsreactie / precipitatiereactie c) (4 punten) Geef voor Mn, Mn 2+, Mn 3+ en Mn 4+ de elektronconfiguratie. Mn : Mn 2+ : Mn 3+ : Mn 4+ :
d) (4 punten) Teken hieronder de elektronconfiguraties voor hoog- en laagspinsituaties van zowel de Mn 3+ als Mn 4+ ionen in LiMn 2 O 4. Mn 3+ hoogspin Mn 3+ laagspin Mn 4+ hoogspin Mn 4+ laagspin e) (4 punten) Bereken de kristalveld-stabilisatie-energieën (CFSE) van de ionen in deze situaties in aantallen/fracties van de spinparingsenergie (P) en 0. CFSE : (Mn 3+ hoogspin) CFSE : (Mn 3+ laagspin) CFSE : (Mn 4+ hoogspin) CFSE : (Mn 4+ laagspin) f) (2 punten) Geef aan bij welke verhouding van P en 0 Mn 3+ en Mn 4+ hoog- of laagspin zijn. Licht je antwoord eventueel kort toe. g) (2 punten) Is LiMn 2 O 4 diamagnetisch of paramagnetisch? Licht je antwoord kort toe.
h) (1 punt) Wat is ruwweg de ionstraal van een O 2- ion in Å. i) (3 punten) Bereken nu de ionstraal van het O 2- -ion als aangenomen wordt dat de structuur een dichtste bolstapeling is van deze zuurstofionen. Gebruik voor de berekening de gegeven roosterconstante. j) (2 punten) Leg uit of de mangaanionen al dan niet in de octaëderposities kunnen zitten. Maak gebruik van jouw antwoord op vraag 4h en de gegevens over de kristalstructuur.