Finalerunde Kjemilympiaden 2005 Blindern 18. mars 2005 Kl. 09.15-12.15 Oppgavesettet består av 13 sider inkludert frmel- g tabellark. Ttal pengsum er 100 peng. Tillatte hjelpemidler: Tabeller i kjemi g kalkulatr. Oppgave 1 (16 peng) I denne flervalgsppgaven er det kun ett svaralternativ sm er krrekt. Angi bkstaven A D fr det svaralternativ du mener er det krrekte. Ingen utregninger behøver å følge besvarelsen, de vurderes ikke i denne ppgaven. 1. T ulike atmer har følgende kmbinasjn av antall prtner, nøytrner g elektrner: atm A = 10 prtner, 11 nøytrner, 11 elektrner g atm B = 11 prtner, 11 nøytrner, 11 elektrner. Hvilken av følgende påstander er krrekt? A. De t atmene er ulike istper av samme grunnstff B. Atmvekten til atm A g B er henhldsvis 32 g 33 g/ml C. Atmene har samme nettladning D. Atm A er et anin 2. Hvilket grunnstff g hvr mange valenselektrner har atmet med elektrnknfigurasjn 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3? A. Kblt med 9 valenselektrner B. Mangan med 5 valenselektrner C. Scandium med 3 valenselektrner D. Vanadium med 5 valenselektrner 3. Hvilken hybridisering finner vi på henhldsvis metyl- g karbnyl-karbnatmet i eddiksyre? A. sp 3 g sp 2 B. sp 2 g sp 3 C. Begge er sp 2 D. Begge er sp 3 1
4. Standard cellespenning fr reaksjnen Cu 2+ (aq) + Cd (s) Cu (s) +Cd 2+ (aq) er A. + 0,92 V B. + 0,74 V C. + 0,56 V D. + 0,34 V 5. En 0,25M eddiksyreløsning titreres mt 0,10M NaOH-løsning. Titrerkurven er vist. Hvr strt vlum har eddiksyren? A. 50 ml B. 25 ml C. 10 ml D. 5 ml 6. Titrering av 10 ml 0,10M H 3 PO 4 med 0,10M NaOH gir titrerkurven sm vist. Hvilken påstand er krrekt? A. I mrådet D har vi en buffer hvr H 2 PO 4 - g HPO 4 2- dminerer i løsningen B. Punktene D, F g H på kurven representerer henhldsvis 1., 2. g 3. ekvivalenspunkt C. Knsentrasjnen av fsfrsyren er 0,25M D. Punktene E g G på kurven representerer henhldsvis 1. g 2. ekvivalenspunkt 7. Hvilket av følgende par av frbindelser vil ikke danne et buffersystem: A. HCN g NaCN B. HNO 2 g NaNO 2 C. HCl g NaCl D. HF g LiF 8. Mlar løselighet av Cr(OH) 2 er 3,7 ٠ 10-6 M. Løselighetsprduktet, K sp, fr Cr(OH) 2 er da: A. 2,0 ٠ 10-16 M 3 B. 3,7 ٠ 10-6 M 3 C. 1,37 ٠ 10-11 M 3 D. 1,23 ٠ 10-6 M 3 2
9. Hvilket utsagn er ikke krrekt: A. Energi uttrykker kapasitet til å utføre arbeid eller verføre varme B. I følge termdynamikkens 1. lv er energien i universet knstant C. Endterme prsesser krever energi fr å bli utført, g entalpiendringen fr endterme reaksjner er psitiv D. Endring i fri energi ( G) fr en reaksjn er alltid psitiv fr spntane prsesser 10. Om en reaksjn vet vi følgende: H r = -57.2 kj/ml, S r = -175,8 J / (ml K), g disse data gjelder ved 50 grader C. Hvilket utsagn er krrekt: A. Reaksjnen er ikke spntan ved 50 C, men blir det ved høyere temperaturer B. Reaksjnen er ikke spntan ved 50 C, men blir det ved lavere temperaturer C. Reaksjnen er spntan ved 50 C, men blir ikke-spntan ved høy temperatur D. Reaksjnen er spntan ved 50 C, men blir ikke-spntan ved lav temperatur 11. Naturlig frekmmende antimn innehlder følgende 2 stabile istper: 121 Sb g 123 Sb. Naturlig frekmmende klr innehlder følgende 2 stabile istper: 35 Cl g 37 Cl. Naturlig frekmmende hydrgen innehlder følgende 2 stabile istper: 1 H g 2 H. Hvr mange tpper vil man finne i et MS-spektrum fr et inisk fragment med frmel SbClH +? A. 3 B. 6 C. 7 D. 8 12. Hvilket grunnstff i andre peride (andre rad) har følgende verdier fr de seks første iniseringsenergier (ppgitt i elektrnvlt)? Iniseringstrinn 1 2 3 4 5 6 Iniseringsenergi (ev) 11 24 48 64 392 490 A. Li B. Be C. B D. C 13. Hvilken gemetri har mlekylet PCl 3? A. Trignal pyramidal B. Plan trignal C. T-frmet D. Tetragnal 3
14. Diagrammet under viser G sm funksjn av reaksjnsfrløpet fr en gitt reaksjn. Hvilken påstand er krrekt? A. Den øvre kurven viser en katalysert reaksjnsvei, mens den nedre viser den ikke-katalyserte reaksjnsveien. B. Det er bare tilfeldig at den katalyserte g den ikke-katalyserte reaksjnen har samme endring i fri energi ( G) C. Dette er en termdynamisk spntan reaksjn D. Mellmprduktene i reaksjnen finner vi ved punktene A, B g C 15. Hvilke(n) type bindinger har vi i NH 4 CH 3 COO(s) A. Kun elektrnparbindinger (kvalente bindinger). B. Kun iniske bindinger. C. Ingen av dem. D. Både iniske- g elektrnparbindinger. 16. Hvilken elektrnpargemetri g struktur (mlekylgemetri) er det rundt sentralatmet i frbindelsen BrF 5 i følge VSEPR-terien? A. Plankvadratisk pyramidal elektrnpar- g mlekylgemetri B. Kvadratisk bipyramidal (ktaedrisk) elektrnpargemtri g plankvadratisk pyramidal mlekyl-gemetri C. Plankvadratisk pyramidal elektrnpargemtri g kvadratisk bipyramidal mlekylgemetri D. Ingen av de ver 4
Oppgave 2 (16 peng) A. Sølvtøy sm kmmer i kntakt med egg blir raskt misfarget av sølvsulfid, Ag 2 S(s). Sølv ksideres langsmt av ksygen i luft g vann. Sølvsulfidbelegget dannes i neste runde ved at hydrgensulfid (dannet ved nedbryting av prteiner i egg) reagerer med Ag + (aq) g felles sm Ag 2 S(s). 1. Skriv balansert reaksjnslikning fr ksidasjn av sølv ved reaksjn med ksygengass ppløst i vann (ksygenet reduseres til vann). 2. Beregn standard cellespenning fr reaksjnen i punkt 1. 3. Skriv balansert reaksjnslikning fr ksidasjn av sølv ved reaksjn med hydrgensulfid g ksygen under dannelse av sølvsulfid. Siden Ag 2 S er en tungtløselig frbindelse, har likningen i punkt 3 en annen cellespenning enn likningen i punkt 1 (til trss fr at selve redks-delen av likningen er svært lik) Reduksjnsptensialet til Ag/Ag + når sølv inngår i frbindelsen Ag 2 S er minus 0,56 vlt. 4. Beregn standard cellespenning, E 0 celle, fr reaksjnen i punkt 3. 5. Hvrdan frhlder resultatene i punkt 2 g 4 seg i frhld til det du vet m frskyving av likevekter i følge Le Chateliers prinsipp? Fr å fjerne sølvsulfidbelegg på gamle mynter kan man feste mynten i en klemme g senkes den ned i en NaOH-løsning. Mynten kples til en strømkilde. Den andre elektrden, en karbnstav sm bare leder strøm g ikke reagerer med andre frbindelser, senkes ned i samme behlder g strømmen slås på. 6. Hvilken vei må elektrnene vandre fr at denne elektrlysen skal kunne fjerne sulfidbelegget på sølvmynten; mt grafittstaven eller mt mynten? B. Når plitiet mistenker en bilfører fr prmillekjøring, må vedkmmende ta en såkalt alk-test, sm innebærer at alkhl i pusten vil føre til en fargereaksjn i alkmeteret. Metden er basert på at etanl ksideres til eddiksyre når luften ledes 2- gjennm en sur løsning av dikrmat, g Cr 2 O 7 (aq) [range farge] reduseres til Cr 3+ (aq) [grønn farge]. Likningen fr denne reaksjnen er 3 C 2 H 5 OH(aq) + 2 Cr 2 O 7 2- (aq) + 16 H + (aq) 3 C 2 H 5 COOH (aq) + 4 Cr 3+ (aq) + 11 H 2 O Standard reduksjnsptensial fr eddiksyre/etanl er pluss 0,06 vlt. 1. Hva er ksidasjnstallet til krm-atmene i dikrmat (Cr 2 O 7 2- )? 2. Inet dikrmat (Cr 2 O 7 2- ) dminerer dersm løsningen er sur. I basisk miljø vil dikrmat mdannes til krmat CrO 4 2- (aq). Skriv en balansert reaksjnslikning fr 5
mdannelse av dikrmat til krmat (det er ellers bare H +, OH - g/eller H 2 O sm trenger å inngå i likningen) 3. Beregn standard E 0 celle fr reaksjnen i alkmeteret. 4. Hva er verdien av E celle dersm knsentrasjnen av etanl, eddiksyre, dikrmat g krmat alle er 1,0M g ph = 4 ved en temperatur på 298K? 6
Oppgave 3 (13 peng) A. Framstilling av ammniakk 1. Hva er likevektsknstanten ved 25ºC fr den industrielt viktige reaksjnen 2. Hva er trykket i bar (1 bar = 100 000 Pa) av henhldsvis nitrgen, hydrgen g ammnniakk ved 25ºC dersm deres mlare knsentrasjner er: Du kan anta at alle gassene ppfører seg tilnærmet ideelt. [Tips: Fr å få ut trykkene i Pa må du bruke SI-enheter hele veien.] 3. Er reaksjnen ver mellm nitrgen g hydrgen spntan ved 25 C dersm trykkene av de tre gassene er de samme sm i punkt 2? Dersm du ikke fikk til punkt 2 kan du finne på dine egne verdier fr trykkene! Når trykkene brukes i ppgaven skal enheten være bar. B. Vann S S S N2 H2 NH3 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) J = 191,61 Kml J = 130,68 Kml J = 192,45 Kml ml L ml L [ ] = 1,500 [ H ] = 0,5000 [ NH ] N2 2 3 = ml 0,5000 L 1. Hva er kkepunktet til vann i C ved et atmsfæretrykk på 0,3346 bar (svarer til trykket på Munt Everest)? Bruk at: H H H f,n2 f,h2 f,nh3 kj = 0 ml kj = 0 ml = 46,11 kj ml S S H2O(l) H2O(g) J = 69,91 Kml J = 188,83 Kml H H f,h O(l) 2 f,h O(g) 2 kj = 285,83 ml kj = 241,82 ml [Tips: En væske kker når trykket av dampen i likevekt med væsken er like strt sm atmsfæretrykket.] 7
Oppgave 4 (10 peng) A. Ved høy temperatur vil dinitrgenksid brytes ned til nitrgen g ksygen i henhld til reaksjnslikningen 2 N 2 O (g) 2 N 2 (g) + O 2 (g) Målinger av knsentrasjnen av N 2 O sm funksjn av tiden gir følgende data: Tid (sekunder) [N 2 O] (Mlar) 0 0,250 90 0,201 180 0,167 270 0,143 360 0,126 450 0,112 1. Plt data i et krdinatsystem med passende parametre langs aksene fr å avgjøre m reaksjnen er 1. eller 2. rden med hensyn på reaktanten N 2 O. 2. Skriv ned uttrykket fr hastighetslven fr reaksjnen. 3. Finn hastighetsknstanten k fr reaksjnen. B. Gitt følgende mekanisme fr reaksjn mellm nitrgenksid g hydrgen 2 NO (g) N 2 O 2 (g) Rask likevekt N 2 O 2 (g) + H 2 (g) N 2 O (g) + H 2 O (g) Langsm, hastighetsbestemmende N 2 O (g) + H 2 (g) N 2 (g) + H 2 O (g) Rask reaksjn 1. Skriv balansert reaksjnslikning fr ttalreaksjnen. 2. Hvilke(n) frbindelse(r) er mellmprdukter? 3. Skriv ned hastighetslven fr det hastighetsbestemmende trinnet 8
Oppgave 5 (15 peng) A. Klramfenikl er et antibitikum sm har gd aktivitet mt et bredt spektrum av bakterieinfeksjner NO 2 1. Tegn av strukturfrmelen til klramfenikl, sett ring rundt de funksjnelle gruppene g angi hva de kalles. 2. Sett kryss ved de kirale karbnatmene g angi m de har R- eller S-knfigurasjn. HO H 3. Klramfenikl spaltes i en basisk vannløsning. Skriv reaksjnsligningen fr spaltingen. H NHCOCHCl 2 4. Det første trinnet i en industriell prduksjn av klramfenikl er en H addisjn av underbrmsyrling (B) til kanelalkhl (A). Skriv Klramfenikl reaksjnsligning fr denne reaksjnen. Gi en frklaring på hvrfr brm adderes spesifikt til ett av de t aktuelle karbnatmene i sidekjeden. H OH H C A H C CH 2 OH + δ δ+ HO Br B? B. Følgende t frbindelser reagerer ulikt med brm. 1. Hva kalles de t reaksjnstypene g hva er grunnen til at frbindelsene reagerer så frskjellig? Tegn frmeler fr prduktene sm viser sterekjemien hvr det er relevant. 2. Hvilken av følgende t frbindelser er mest stabil? Frklar krtfattet. Hva skjer med den minst stabile? 3. Hvilken av følgende iner er mest stabil? Frklar krtfattet. S 9
Oppgave 6 (10 peng) En frbindelse A er funnet å ha en mlekylvekt på 130 g innehlder 55.4% C, 36,7% O g 7,7% H. Frbindelsen gir et rødbrunt bunnfall med 2,4-dinitrfenylhydrazin (2,4-D) men reagerer ikke med ammniakalsk sølvnitrat. Ved ppvarming i surt miljø spaltes A g danner t frbindelser. Den ene av dem er etanl. Frbindelse A har t kraftige absrpsjnstpper i IR-spekteret rundt 1725 cm -1 men har ingen bred tpp ver 3100 cm -1. 1 H NMR-spekteret av frbindelse A er vist under. 1. Hva er mlekylfrmelen til A fra elementanalysen? 2. Bruk ppgitte spektrskpidata til å utlede strukturfrmelen fr frbindelsen A. 3. Frklar hvilke grupper av tpper i 1 H NMR-spekteret sm tilhører de ulike atmene i frbindelse A. 2,22 1,20 1,23 1,26 4,11 4,14 4,17 4,20 3,40 ppm 10
Oppgave 7 (10 peng) Nibiumksid krystalliserer med følgende kubiske enhetscelle i krystallen: 1. Hvr mange nibiumatmer g ksygenatmer er det per enhetscelle? 2. Hva er frmelenheten til nibiumksid (Nibium har symbl Nb)? 3. Hva er ksidasjnstallet/ladningen til nibium? Et røntgendiffraktgram (kbberstråling, bølgelengde λ = 1,5418Å ) har sin første tpp ved vinkel 2θ = 21,10 (altså at θ = 10,55 ) 4. Hvilken lengde på kantene i enhetscellen tilsvarer dette (målt i ångstrøm, Å)? Antatt at de 4 nibium-inene sm ligger i samme plan (fr eksempel det hrisntale planet i midten på figuren ver) akkurat berører hverandre langs linjen mellm sentrum fr de ulike nibium-inene. Anta videre at nibium-inene g ksygeninene gså ligger helt inntil hverandre. [Hvis du ikke klarte å finne cellekantene i ppgavens punkt 4 kan du i det videre anta at de er 4,5Å lange] 5. Beregn ineradien til nibium-inet 6. Beregn ineradien til ksygen-aninet O 2- Lengdeenheten 1Å = 10-10 meter. 11
Oppgave 8 (10 peng) Oksalsyre er en tprtisk syre med følgende syreknstanter: H 2 C 2 O 4 (aq) H + (aq) + HC 2 O - 4 (aq) K a = 5,6 10-2 g pk a = 1,25 HC 2 O - 4 (aq) H + (aq) + C 2 O 2-4 (aq) K a = 5,4 10-5 g pk a = 4,27 Innhldet av Ca 2+ i en vannløsning ble analysert etter følgende skjema (punktene I V) (I) Det tilsettes litt syre (ikke ksalsyre!) slik at løsningen blir sur med ph rundt 1,25. 1. Hva er det sm kan felle ut dersm løsningen blir fr basisk? (II) Det tilsettes et par dråper med indikatren metylrødt 2. Hvilken farge har løsningen nå? (III) Det tilsettes natriumksalat (Na 2 C 2 O 4 ) i verskudd. Videre tilsettes det litt fast urea [base med mlekylfrmel (NH 2 ) 2 CO ]. Løsningen varmes til kkepunktet. Urea reagerer med vann g danner CO 2 g ammniakk. Løsningen skifter farge til gul samtidig med at det felles ut relativt tungtløselig kalsiumksalat i løpet av 10-15 minutter. 3. På hvilke(n) frm(er) freligger det meste av ksalsyre/ksalat før urea tilsettes (altså før punkt III)? 4. Skriv reaksjnslikning fr reaksjn mellm urea g vann. 5. Hvrfr skifter løsningen farge? 6. Hva betyr det sm skjer i punkt (III) fr ksalsyre/ksalat-likevekten? 7. Skriv frmelen til kalsiumksalat (IV) Den varme løsningen filtreres g det ppsamlede kalsiumksalatet vaskes grundig 2- med kaldt vann fr å fjerne verskudd av C 2 O 4 iner. Det filtrerte vannuløselige kalsiumksalatet løses deretter i varm 0,1M svvelsyre. 8. Skriv balansert reaksjnslikning fr ppløsing av kalsiumksalat med svvelsyre. (V) Mengden av ksalsyre/ksalat bestemmes ved en såkalt reks-titrering hvr KMnO 4 brukes sm ksidasjnsmiddel. Kaliumpermanganat reduseres fra den sterkt lillafargede MnO 4 - (aq) til fargeløs/lys rsa Mn 2+ (aq), samtidig med at ksalsyre ksideres til CO 2 : 5 H 2 C 2 O 4 (aq) + 2 MnO 4 - (aq) + 6 H + (aq) 10 CO 2 (g/aq) + 2 Mn 2+ (aq) + 8 H 2 O En 25,00 ml prøve av vannløsningen krevde 27,41 ml med 0,0025M KMnO 4 løsning fr å kmme til mslagspunktet. 9. Hvilken knsentrasjn av Ca 2+ (aq) har vannprøven? 12
Tabellverdier g frmler Knstanter Faradays knstant : F = 96485 C ml -1 Gassknstanten : R = 8,315 J K -1 ml -1 Nernst likning Ε = Ε 0 RT ln Q nf Braggs lv 2 d sinθ = n λ 1 Å = 10-10 m Termdynamiske sammenhenger H = U + (pv) G = H - T S G = -n F E G = - R T ln K Integrerte hastighetslver : 1. rdens reaksjn ln [A] (t) = ln [A] 0 - k t 2. rdens reaksjn 1 / [A] (t) = 1 / [A] 0 + k t Antall dbbeltbindingsekvivalenter: C a H b O c N d (2a + 2) (b d) DBE = 2 Utvalgte mtrentlige 1 H-frekvensmråder i NMR : Metylgrupper -R-CH 3 0,8 1,2 ppm Metylengrupper -R-CH 2 -R- 1,0 1,5 ppm Methingrupper -R-C(R)H-R- 1,2 1,8 ppm -R-CH 2 -O- (eter) 2,5 3,5 ppm -R-CXH 2 hvr X=halgen 2 4 ppm -R-CH 2 -CO-C/O (ketn, ester) 3 5 ppm Armatiske prtner 6 9 ppm Utvalgte mtrentlige IR-frekvenser: O H : 3500 3000 cm -1 N H : 3300 3500 cm -1 samt ved ~1650 cm -1 C H : 3000 2900 cm -1 C C : ~2250 cm -1 C=C : ~1650 cm -1 C=O : 1600-1800 cm -1 13