Kjemi L Fasit til norsk finale for uttak til den 41. internasjonale kjemiolympiaden i Cambridge, England, 18.-27. juli 2009 1
ppgave 1 (14 poeng) 1) B 2) C 3) C 4) D 5) C 6) C 7) D ppgave 2 (12 poeng) a) H = 11 + 0 (2x33 + 143) = 198 kj/mol b) G = H - T S = -198000 J/mol 298K x -168 J/(K mol) = - 148 kj/mol K = e (- G /RT) = 8,5 10 25 c) Reaksjonen er eksoterm, så den går mot venstre ved økt temperatur d) 1. orden mhp 2 og 1. orden mhp 3 e) r = k [ 2 ] [ 3 ], benevning er 1 / (Ms) evt L / (mol s) evt L mol -1 s -1 f) Begge mekanismer gir riktig totalformel, men ingen av mekanismene gir en hastighetslov som er på form r = k [ 2 ] [ 3 ]. Mekanisme 1 har hastighetsloven r = [ 2 ] 2 mens mekanisme 2 har uttrykket r = k [ 2 ] 2 [ 3 ] / [ 2 ]. ppgave 3 (10 poeng) a) b) Størst bufferkapasitet for tilsetning av syre. Bufferkapasitet er ca pk a ±1, for benzosyre K a (C 6 H 5 CH) = 6,5 10-5, og pk a =4,19 som gir bufferområde 3,19-5,19. Vi ser da at ved ph 5 så er det ikke så mye mer base vi kan tilsette før vi sprenger bufferkapasiteten sammenlignet med tilsetning av syre. c) ph vil synke. Dette fordi sølvbenzoat vil begynne å felle ut når sølvioner tilsettes, og dette vil drive syrelikevekten mot høyre med økning av H + - konsentrasjonen. C 6 H 5 CH(aq) H + (aq) + C 6 H 5 C - (aq) Ag + (aq) + C 6 H 5 C - (aq) AgC 6 H 5 C - (s) 2
d) Fe 3+ (aq) + SC - (aq) FeSC 2+ (aq), K=150 så likevekten er forskjøvet mot høyre, så for å regne ut konsentrasjonene ved likevekt sier vi først at alt foreligger som jerntiocyanat, og så ser vi hvor mye som løser seg opp: K=[FeSC 2+ ]/[Fe 3+ ][SC - ] 150=(0,1-x)/x 2, løsning av 2.gradsligningen eksakt gir x=0,0227 (her er ikke x << 0,1 så denne tilnærmingen brukes ikke, gir x=0,0258). Dette gir [FeSC 2+ ]=0,0773 M, [Fe 3+ ]=[SC - ]=0,0227 M e) Vi har: Fe 3+ (aq) + SC - (aq) FeSC 2+ (aq) K form = 150 AgSC(s) Ag + (aq) + SC - (aq) K sp = 1,0 10-12 Siden fellingen av sølvtiocyanat er sterkere enn dannelsen av jerntiocyanatkomplekset så vil jerntiocyantkomplekset løse seg opp og sølvtiocyanat felles. For å få den endelige reaksjonen må vi snu reaksjonene og legge de sammen, likevektskonstanten for totalreaksjonen fåes ved å multiplisere likevektskonstantene for hver reaksjon: FeSC 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + SC - (aq) 1/K form Ag + (aq) + SC - (aq) AgSC(s) 1/K sp FeSC 2+ (aq) + Ag + (aq) Fe 3+ (aq) + AgSC(s) 1/(K form K sp ) Vi antar at vi får fullstendig felling av sølvtiocyanat, og så ser vi hvor mye som løser seg opp igjen: K=1/(K form K sp )=1/(150 1,0 10-12 )=6,67 10 9 K=[Fe 3+ ]/ [FeSC 2+ ][Ag + ] =(0,050-x)/x 2, x<<0,050 gir x=2,74 10-6. Dette gir [FeSC 2+ ]=2,74 10-6 M og [Fe 3+ ]=0,050 M 3
ppgave 4 (12 poeng) a) Entalpiforandringen er gitt ved b) Vi må gå veien om forandringen i standard Gibbs fri energi: c) Alternativ 3. Begrunnelse: Uttrykket representerer entropien e@c 60 ville hatt dersom neonatomet var kovalent bundet til C 60 -molekylet. eonatomet er imidlertid ikke bundet til C 60, men kan bevege seg fritt inni kula dette molekylet utgjør. Disse ekstra posisjons- og bevegelsesfrihetsgradene gjør at entropien til e@c 60 er større enn uttrykket over. d) Vi vet at Dermed blir Dersom er negativ er reaksjonen spontan i denne retningen, m.a.o. er reaksjonen spontan fra venstre mot høyre. e) Selv om reaksjonen er termodynamisk spontan under disse betingelsene, er aktiveringsenergien for at et neonatom skal penetrere inn i et C 60 -molekyl enormt mye større enn den gjennomsnittlige kinetiske energien til et neonatom ved romtemperatur. Reaksjonshastigheten er derfor tilnærmet lik null. 4
ppgave 5 (12 poeng) a) D er dietylamin: CH 3 -CH 2 -H-CH 2 -CH 3 b) Biproduktet er HCl c) 5
ppgave 6 (16 poeng) H CH 3 I 1. ah/h 2 2. H + A B C H H 3 /H 2 S 4 H 2 H 3 Cl SCl 2 H 2 H 2 2 2 F E D H 2 Pd/C H 2 H 2 Et Cl H 2 H Ringslutning Reagenser utelatt H G H H 1. ClS 3 H S 2. H Sildenafil Viagra 6
ppgave 7 (12 poeng) a) 4.398Å og 2,873Å b) Mn = 2, = 4 c) Mn 2 4 d.v.s. Mn 2 Mn har oksidasjonstall +4 [Mn(IV)oksid] d) 6 - oktaedrisk e) D = 5,198 g/cm 3 f) Bruker det at pakkekulene berører hverandre langs flatediagonalen i fccstrukturen. Den består da av 4-radier. Med en cellekant på 4,444Å blir da radien til = ¼ (4.444 2 + 4,444 2 ) = 1,571 Å ppgave 8 (12 poeng) En elektrokjemisk celle lages ved å sette en sølvstav ned i 100 ml med 0,200M Ag 3 -løsning sammen med en nikkelstav som står i en 100mL 0,090M i( 3 ) 2 -løsning og kople de to halvcellene sammen. Temperaturen er 25 C under hele eksperimentet. a) 2 Ag + (aq) + i (s) 2 Ag(s) + i 2+ (aq) b) E 0 celle = 0,80 ( 0,25) = 1.05V c) Konsentrasjoner av ionene er [Ag + ] = 0,200M og [i 2+ ] = 0,090M, dvs at reaksjonskvotienten Q = [i 2+ ] / [Ag + ] 2 = 2,25 så satt inn i ernst likning gir dette E celle = E 0 celle 0,0592 / 2 log (2,25) = 1,04V [merk at n = 2] d) På samme måte blir nå E celle = E 0 celle 0,0592 / 2 log (0,045 / (0.100) 2 ) = 1,03V når begge konsentrasjoner halveres. e) Ved likevekt er E celle = 0V, så dette settes inn i uttrykket E celle = 0 = E 0 celle 0,0592 / 2 log K = 1,05-0,0592 / 2 log K. Dette løses mht på K og man får da at K = 2,97 10 35. f) Likevektskonstanten er meget stor, vi kan derfor regne med at alt Ag 2+ omsettes til Ag(s). Fra likningen ser vi at siden vi starter med 20 mmol Ag + dannes det nye 10 mmol i 2+. Fra før hadde vi 9 mmol i 2+. Den endelige konsentrasjonen blir derfor [i 2+ ] = (0,010 + 0,009) mol / 0,200L = 0,095 M. 7