HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for lærer- og tolkeutdanning

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for lærer- og tolkeutdanning Emnekode(r): Emnenavn: LGU52005 Naturfag emne 2 Kjemi Studiepoeng: 7,5 Eksamensdato: 20. mai 2015 Varighet/Timer: Målform: 3 timer Bokmål Sensurveiledning Oppgavesettet består av: (antall oppgaver og antall sider inkl. forside) 3 oppgaver med løsningsforslag Vedlegg består av: (antall sider) Ingen vedlegg Hjelpemidler: Kunnskapsløftet (2013) - læreplanen i naturfag hentet fra nettsidene til Utdanningsdirektoratet eller fra emnets sider på It s learning Tabeller i kjemi Lommeregner med tomt minne

2 SENSURVEILEDNING EMNEKODE OG NAVN SEMESTER/ ÅR/ EKSAMENSTYPE LGU52005 Naturfag emne 2 Ordinær eksamen 20. mai timers individuell skriftlig eksamen i kjemi OPPGAVENS KARAKTER TOLKING AV OPPGAVETEKSTEN Sensurveiledningen er mer omfattende enn det som kan forventes på en 3 timers skriftlig eksamen, men besvarelsen bør likevel inneholde flest mulig av de momentene som er med i veiledningen. Det forventes ikke begrunnelser på flervalgsoppgavene. FAGLÆRER/ OPPGAVEGIVER Sted/ dato: Rotvoll/ Kari Feren Oppgave 1 Atomer, periodesystemet og bindinger (40 %) a) Flervalgsoppgaver svar på minst 4 av oppgavene under Utsagn bare ett er korrekt for hvert spørsmål i. Hvilket par med symboler representerer kjerner med samme antall nukleoner (kjernepartikler)? ii. A) 56 Co og 58 Co B) 57 Mn og 57 Fe C) 57 Fe og 58 Ni D) 57 Co og 58 Ni Hvilke(t) atom/ion har 2 elektroner i K-skallet og 8 elektroner i L-skallet (m.a.o. elektronkonfigurasjon 1s 2 2s 2 2p 6 )? A) F - B) Na + C) Ne D) Alle tre iii. Et ion som har 18 elektroner og ladning +2 A) har 16 protoner B) har symbol Ar 2+ C) har 18 nøytroner D) har samme elektronfordeling som Ar iv. Følgende tabell beskriver fire atomer eller ioner: Følgende tabell beskriver fire atomer A B C D eller ioner: Antall protoner Antall nøytroner Antall elektroner Riktig svar B) Fordi nukleontallet angis opp til venstre for symbolet, og er det samme bare i B) D) Alle 3, dvs. edelgass-struktur samme elektronfordeling som edelgassen neon D) Dette er et kalsium-ion, Ca 2+, med elektronfordeling som Ar A) A og D har like mange protoner (og elektroner), men ulikt antall nøytroner, og må da være isotoper av det samme grunnstoffet (Ne))

3 Hvilket av følgende utsagn er sant?: A) A og D er isotoper av samme grunnstoff B) A og B er grunnstoff, C og D er ioner C) Symbolet for B er 21 B D) Symbolet for D er 10 D v. De seks første ioniseringsenergiene (I) i kj/mol til et bestemt grunnstoff er gitt i tabellen under. Hvor mange elektroner har dette grunnstoffet i det ytterste elektronskallet? I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I A) 1 B) 2 C) 5 D) 6 vi. Hvilke faktorer fører til at et grunnstoff får lav 1. ioniseringsenergi? I. Stor atomradius II. Elektroner i mange energinivåer III. Høy kjerneladning A) I og II B) I og III C) II og III D) I, II og III B) 2, siden det er et stort sprang mellom 2. og 3. ioniseringsenergi D) Atomradien øker nedover Antall elektroner øker nedover Kjerneladningen øker nedover 1.Ioniseringsenergi avtar nedover b) Periodesystemet er viktig for en kjemiker, og sier mye om grunnstoffenes egenskaper for den som har forstått det og kan bruke det. i. Forklar kort periodesystemets oppbygning på det nivå du ville brukt for en ungdomsskoleklasse på 9. trinn. Periodesystemet er en tabell over grunnstoffene, satt opp etter økende atomnummer, dvs. økende antall protoner i kjernen. Det er delt inn i grupper, vertikalt/loddrett og perioder, horisontalt/vannrett. Grunnstoffene i samme periode har like mange elektronskall, men antall elektroner i ytterskallet øker fra venstre mot høyre fra 1 til 8, med unntak av første periode, som bare har plass til to elektroner. Derfor er det bare to grunnstoffer i første periode H og He. I andre periode kan det være totalt 8 elektroner, og det samme kan det også være i skallene i de andre periodene når det er ytterste skall. Dette kalles oktettregelen atomene ønsker seg åtte elektroner i sitt ytterste skall. Skallene i fra tredje periode og nedover kan fylle inn elektroner også i sitt nest ytterste skallet. På ungdomstrinnet tar vi bare opp de 20 første grunnstoffenene i PS, og ingen av dem fyller inn ekstra elektroner i sitt nest ytterste skall. Grunnstoffene i samme gruppe har like mange elektroner i sitt ytterste skall, og oppfører seg derfor ganske likt. Gruppe 1, 2 og har like mange elektroner i ytterskallet som gruppenummeret eller det siste tallet i gruppenummeret (hvis tallet er >10). Gruppe 1 har ett elektron, gruppe 2 har to osv. helt til gruppe 18 som har åtte elektroner i ytterste skall. De har oppfylt oktettreglene og kalles derfor edelgasser fordi de sjelden reagerer med andre grunnstoffer. PS deles ofte inn i metaller få elektroner i ytterste skall danner positive ioner og finnes til venstre og nederst i PS, ikke metaller 4 eller flere elektroner i ytterste skall danner enten negative ioner eller reagerer med andre stoffer med å danne elektronparbindinger

4 og halvmetaller både metall og ikke metallkarakter. Gruppe 1 og 2 avgir elektroner og danner positive ioner når de reagerer, mens stoffene i gruppe 16 og 17 oftest tar opp elektroner og danner negative ioner når de reagerer med andre stoffer. Noen av gruppene har egne navn: Gruppe 1 alkalimetaller Gruppe 2 jordalkalimetaller Gruppe 17 halogener Gruppe 18 edelgassene ii. Hvilke ekstra kunnskaper om periodesystemet mener du du bør ha som lærer for å kunne «beherske» periodesystemet? Som lærer i naturfag bør man i tillegg kunne noe om energi og innfylling i skall, dvs. at skallene er hovedenerginivåer og orbitalene undernivåer, at det blir flere energinivåer dess flere skall, kjente orbitaler er s (2), p (6), d (10) og f (14). At det er overlapp mellom d og s -, slik at 3d fylles inn etter 4s, at d orbitalene fylles inn i gruppe 3 12, at f orbitalene fylles inn i nest, mest ytterste skall og plasseres under periodesystemet, og at oktettregelen egentlig sier at fulle s og p orbitaler er gunstige, derav alltid 8 elektroner i ytterste skall. Bør derfor kjenne PS med blokksystemet og den betydning elektronfordelingen har for PS s «utseende». I tillegg til dette bør en lærer ha kunnskap om hvordan elektronegativitet og ioniseringsenergi påvirker grunnstoffenes evne til å reagere samt noe kunnskap om atomradius og ioneradius og at metallkarakteren øker nedover i gruppene og er sterkest nederst til venstre i PS. c) Svake bindinger er viktige i naturen. i. Hva er en svak binding, og hvilke svake bindinger finnes? Svake bindinger er svake elektriske krefter som virker mellom molekyler pga. skjev ladningsfordeling i slik at molekylene blir dipoler enten permanente eller temporære. De svake bindingene deles ofte i tre kategorier: 1. Dipol dipolbindinger som virker mellom molekyler med permanente dipoler. 2. Londonkrefter som virker mellom induserte dipoler, dvs. upolare molekyler der det oppstår en skjevfordeling av elektroner, temporær dipol, i ett eller få molekyler som så induserer tilsvarende dipoler hos nabomolekylene fordi like ladninger frastøter hverandre. 3. Hydrogenbindinger som opp mellom molekyler med molekyler der det er bindinger mellom hydrogen (H) og små sterkt elektronegative atomer som O, N og F. H bindingene er sterkere enn de andre svake bindingene pga. den sterke polariteten i bindingen mellom H og det andre atomet. Vann er et typisk eksempel på et stoff med hydrogenbindinger mellom molekylene. ii. Bruk figuren under som utgangspunkt for kort å forklare hvilke faktorer som påvirker svake bindinger.

5 Figuren viser hvordan kokepunktet til ugrenede alkaner øker, nesten jevnt, med økende molekylstørrelse, dvs. antall C atomer i kjeden. Det skyldes at dess større molekylene er dess lettere vil det oppstå temporære og induserte dipoler og dermed sterkere Londonkrefter mellom molekylene. Andre faktorer som påvirker svake bindinger er graden av grenethet (hos organiske molekyler), dess flere forgreninger de har dess vanskeligere blir det å pakke molekylene tett, og dess svakere blir bindingene mellom molekylene siden de elektriske kreftene avtar med avstanden mellom molekylene. Dessuten virker ladningsfordeling inn, derfor har små svært polare molekyler med hydrogenbindinger høyere koke og smeltepunkt enn molekyler av samme størrelse som er mindre polare både uorganiske og organiske forbindelser vann smelter f.eks. ved 0 C, mens metans smeltepunkt er omtrent 182 C, på samme nivå som oksygenets. Oppgave 2 Reaksjoner (40 %) a) Redoksreaksjoner er sentrale reaksjoner i naturen og brukes ofte i analyser i laboratoriet. i) Forklar kort hva som skjer i en redoksreaksjon. I en redoksreaksjon skjer det en overføring av elektroner fra et grunnstoff til et annet. Denne overføringen kan være fullstendig og føre til at det dannes ioner, eller ufullstendig, noe som fører til at det dannes molekyler med polare kovalente bindinger. Redoksreaksjoner deles gjerne opp i delreaksjonene/halvreaksjonene: Oksidasjon: Fjerning av elektron(er) fra et stoff atom, ion eller (ladd) atomgruppe Reduksjon: Tilføring av elektron(er) til et stoff Begge disse prosessene skjer samtidig fordi en liten partikkel med relativt høy ladning i forhold til størrelsen ikke kan eksistere alene. ii) Bestem oksidasjonstallet til svovel i stoffene under, og sett navn på stoffene: Oksidasjonstall bestemt etter OT - reglene i Tabeller i kjemi Navn 1. -II Jern(III)sulfid

6 Fe2S3 +VI K2 S O4 +VI S O3 - II NaH S +IV S O2 0 S8 Kaliumsulfat Svoveltrioksid Natriumhydrogensulfid Svoveldioksid Svovel iii) Vis at denne reaksjonen er balansert: 6 ClO S + 2 H2O 3 Cl2 + 5 SO H + 1. Setter på OT, og deler opp i delreaksjoner: +V 0 0 +VI ClO3 - + S + H2O Cl2 + S O H + Δ OT Balanse Oksidasjon: S SO Reduksjon: 2 ClO3 - Cl2 2 (-5) = Redoksbalanse: 6 ClO S + H2O 3Cl2 + 5SO H + 3. Sjekker oksygen, og ser at det er 20 O på høyre side og 18 på venstre side. Balanserer ved å legge til 2 H2O på venstre side. Sjekker hydrogen og ser de 4 H atomene i 2 H2O må balanseres med 4 H + på høyre side. 4. Får en balansert reaksjonsligning som stemmer med den oppgitte, som altså er balansert: 6 ClO S + 2 H2O 3Cl2 + 5 SO H + b) Kjemiske reaksjoner er tema i læreplanen med følgende mål etter 7. trinn gjennomføre forsøk med ulike kjemiske reaksjoner og beskrive hva som kjennetegner dem Etter 10. trinn er det ingen spesifikke mål som går på kjemiske reaksjoner, men de to læreplanmålene under viser at kjemiske reaksjoner er et tema også på ungdomstrinnet. vurdere egenskaper til grunnstoffer og forbindelser ved bruk av periodesystemet planlegge og gjennomføre forsøk med påvisningsreaksjoner, separasjon av stoffer i en blanding og analyse av ukjent stoff Velg mellomtrinnet eller ungdomstrinnet, og forklar hvordan du kan tenke deg å knytte to praktiske aktiviteter til det valgte trinnet knyttet til målene i læreplanen.

7 Denne oppgaven har ingen eksakt fasit, og det skal svares bare for ett av trinnene. Barnetrinnet Typiske kjennetegn på en kjemisk reaksjon er farveforandring, gassutvikling, varmeutvikling og utfelling av fast stoff (bunnfall). Ved å velge reaksjoner som gir en eller flere av disse endringene, gjerne knyttet til hverdagsaktiviteter eller aktuelle tema i undervisningen, kan vi aktivisere og motivere elevene og få dem til å forstå at kjemiske reaksjoner er viktige «drivkrefter» i naturen. En enkel fellingsreaksjon kan knyttes til hvorfor vi har fjell lite løselige kjemiske forbindelser En syre-basereaksjon, et ph forsøk med f.eks. tynne løsninger av syrer og baser sterke og svake som viser ulike farver med rødkålsaft som indikator kan koples sammen med å sjekke ph i hverdagsstoffer og eventuelt kople forsøket til at farvestoffer i planter kan være avhengig av forholdene i jorda plantene gror i. Gassutvikling ved å blande eddik og natron (natriumhydrogenkarbonat, NaHCO3) kan brukes til å lage «bomber», vise at karbondioksid slukker en flamme kveler en brann og til å diskutere hva som skjer når man baker med bakepulver. Et forsøk som kombinerer både farveforandring og temperaturøkning er å blande vannfritt kaliumklorid (CaCl2) med NaHCO3 i en lukket pose der man har et rør med vandig BTB løsning. Ved å åpne røret med BTB fås et vandig miljø der det skjer en reaksjon. Karbondioksid blir produsert, posen blåses opp, og noe av gassen løses i væsken og gir en sur reaksjon, løsningen blir gul-orange, og temperaturen øker merkbart en eksoterm reaksjon. Reaksjonen er: CaCl2 (s) + NaHCO3 (s) CO2 (g) + NaCl (aq) + Ca(OH)2 (s) + energi Ungdomstrinnet Her skal elevene planlegge og gjennomføre forsøk med påvisningsreaksjoner og analyse, så her er det naturlig å velge ut reaksjoner som passer det den delen av kompetansemålene. I tillegg dekker disse emnene også noe om egenskaper til grunnstoffer og forbindelser som har relasjon til PS. Påvisningsreaksjoner kan f.eks. være å bruke syre-basereaksjoner til å vise hvordan karbonater (CO3 2- ) lager CO2 gass ved å tilsette en syre, hvordan salter av eddiksyre etanater som natriumetanat (CH3COONa) påvises ved lukt av eddiksyre når det tilsettes en syre og tilsvarende hvordan ammoniumsalter (NH4 + ) påvises ved at det dannes ammoniakk (NH3) når de tilsettes en base. Deretter kan disse påvisningsreaksjonene brukes til å analyse en prøve med f.eks. K2CO3 eller NH4Cl eller CH3COONa eller finne ut hvilket salt som er i hvilken prøve hvis en vil bruke alle saltene. c) Figuren under er hentet fra Eureka! 9 og viser ulike modeller for hva som skjer i en kjemisk reaksjon. Diskuter kort fordeler og ulemper med å fremstille reaksjoner på disse måtene og hvilket nivå de ulike modellene representerer. Hvilke(n) ville du velge å bruke i egen undervisning for å forklare elever hva som skjer i en kjemisk reaksjon begrunn svaret kort.

8 Denne oppgaven har intet fasitsvar. Bildene av reaktantene og produktet og ordligningen viser en reaksjon på makronivå, mens tegningene av Na atomer i en krystall og klormolekyler er en modell av det som skjer på mikronivå. Ordligningen viser det som skjer i en kjemisk reaksjon på makronivå, forteller hvilke stoffer som reagerer og hva som dannes i reaksjonen, mens reaksjonsligningen med symboler og formler viser hvordan partiklene deltar i reaksjonen på mikronivå og er balansert den viser forholdet mellom partiklene som deltar i reaksjonen. Modellene på makronivå har den fordel at de representerer noe kjent for elevene, ordligningen bruker ord til å fortelle det som skjer, mens bildene av reaktanter og produkt visualiserer endringen av stoffene godt. Dette er en fordel for de elevene som ikke har så høyt abstraksjonsnivå. Modellen med krystaller viser ganske enkelt hva som skjer på partikkelnivå og kan hjelpe alle elever til å se sammenhenger på dette nivået og forstå hva som skjer, mens reaksjonsligningen med formler klart krever at abstraksjonsnivå som langt fra alle elever behersker på ungdomstrinnet. Den fører de interesserte elevene inn i kjemiens verden på et kjemikernivå. Den største ulempen ved modellene er etter min mening at ingen av figurene, selv ikke formelligningen, sier noe om det som egentlig skjer i reaksjonen at det dannes ioner der natrium overfører elektroner til klor, at bindingene i klormolekylet brytes og at produktet er et salt satt sammen av Na + - og Cl - - ioner. Siden mange bruker denne reaksjonen som eksempel på egenskaper hos grunnstoffene sammenheng mellom ionedannelse og plassering i PS, ville det være naturlig å rekke dette inn her. En annen ulempe, spesielt for de svakere elevene, kan være at det er mye informasjon som må sorteres ut, så jeg ville delt opp figuren i ulike modeller, brukt bildene og ordlikningen til å vise hva som skjer på stoffnivå først og så gått inn på mikronivå for å forklare hva som egentlig skjer at det er de enkelte partiklene som reagerer og så dratt inn det jeg har diskutert over om ioner osv. i alle fall for de sterke elevene. Hvis jeg skulle vise noe tilsvarende for elever på mellomtrinnet, ville jeg bare brukt de delene av figuren som viser hva som skjer på makronivå, og så knyttet krystallmodellen til undervisningen i kompetansemålet - forklare hvordan stoffer er bygd, og hvordan stoffer kan omdannes ved å bruke begrepene atomer og molekyler.

9 Oppgave 3 Organisk kjemi (20 %) a) Flervalgsoppgaver svar på alle oppgavene Utsagn Kun ett utsagn er rett for hvert delspørsmål i) Hvilken av disse forbindelsene er et alkyn? ii) iii) iv) A) C 2 H 2 B) C 2 H 4 C) C 3 H 8 D) C 4 H 10 Hva er molekylformelen til forbindelsen 2,2,4-trimetylpentan? A) C 7 H 14 B) C 8 H 14 C) C 8 H 16 D) C 8 H 18 - CH 3 C(CH 3 ) 2 CH 2 CH(CH 3 ) CH 3 Hva er navnet på denne forbindelsen? A) 2-isopropyl-1-buten B) 2,3-dimetyl-2-heksen C) 2-metyl-3-propyl-but-1-en D) 2,3,4-trimetyl-pent-1-en Hvilken av disse reaksjonene representerer en addisjonsreaksjon? A) C 3 H 5 Cl C 3 H 4 + HCl en eliminasjonsreaksjon B) C 4 H 7 Br + HCl C 4 H 8 BrCl - addisjonsreaksjon C) C 6 H 11 Cl C 6 H 11 OH en substitusjonsreaksjon D) C 6 H 6 + O 2 CO + H 2 O en ufullstendig forbrenning Svaralternativer A fordi alkyner med en har generell formel CnH2n-2 D ved å telle opp antall C atomer totalt finner vi at det er 8 av dem, og antall H i både C kjeden og substituentene blir 18 tilsammen D lengste sammenhengende kjede gir 5 C atomer, og i tillegg henger 3 metylgrupper ut. = er mellom C atom 1 og 2 B fordi molekylformelen på høyre side har ett H atom mer enn på venstre side i tillegg til ett bromatom. Flere atomer i molekyler tilsier en addisjon b) I en organisk reaksjon kan alkoholen butan-2-ol reagere med svovelsyre og danne butener etter reaksjonsligningen: CH3CHCH2CH3 CH3CHCHCH3 + CH2CHCH2CH3 + H2O OH Hva slags reaksjonstype er dette et eksempel på? Kan ett eller begge reaksjonsproduktene danne isomerer? I så fall hvilke tegn og sett navn på isomerene. Dette er et eksempel på en eliminasjonsreaksjon der det kan dannes to C4 produkter, enten but 2 en eller but 1 en. But 2 en kan danne cis og trans isomerer H3C CH3 H3C H H H \ / \ / \ / C = C C = C men det kan ikke C = C / \ / \ / \ H H H CH3 H CH2CH3 Cis - but 2- en Trans but 2- en But 1 en