Danmarks Tekniske Universitet

Transkript

1 Danmarks Tekniske Universitet Skriftlig prøve, tirsdag den 17. december 2013 Side 1 af 17 sider Kursus navn: Uorganisk Kemi Kursus nr Varighed: Hjælpemidler: 4 timer pgave 1, 2, 3, 4 og 5: Ingen hjælpemidler tilladt pgave 6, 7, 8, 9 og 10: Alle hjælpemidler tilladt Vægtning : De 10 opgaver vægtes ens. Ved hvert spørgsmål er der angivet et antal procent, der angiver hvilken vægt spørgsmålet tillægges i den samlede bedømmelse. Supplerende oplysninger: pgaverne skal løses ud fra de i denne tekst givne data, hvoraf ikke alle nødvendigvis skal benyttes. Svarene skal skrives i forbindelse med spørgsmålene på den dertil afsatte plads. pgaverne, der skal løses uden hjælpemidler, skal afleveres inden hjælpemidler må anvendes. Bilag 1: Det periodiske system med atommasser og elektronegativiteter. Bilag 2: Data til brug i beregninger samt det periodiske system med atommasser og elektronegativiteter. Bilag 2 udleveres kun til opgaverne med hjælpemidler.

2 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 2 af 17 Danmarks Tekniske Universitet Skriftlig prøve, tirsdag den 17. december 2013 Kursus navn Uorganisk Kemi Kursus nr pgave 1, 2, 3, 4 og 5 Ingen hjælpemidler tilladt Navn Studienummer

3 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 3 af 17 pgave Angiv elektronkonfigurationer for, S 2, Ni og V 3+. : [He]2s 2 2p 4 S 2- : [Ar] = [Ne]2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Ni: [Ar]4s 2 3d 8 V 3+ : [Ar]3d Molekylorbitalteori. a) Skitser molekylorbitaldiagrammet for N 2. 4% σ 2Pz* π 2Px,y * σ 2Pz π 2Px,y σ 2s * σ 2s σ 1s * σ 1s b) Angiv bindingsorden for N 2. Bindingsorden = ½(10-4) = 3 c) Er molekylet N 2 stabilt? N 2 er stabilt.

4 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 4 af Ved oxidation af N 2 kan ionen N 2 + tænkes dannet. a) Skitser molekylorbitaldiagrammet for N 2 +. For N 2 + 4% σ 2Pz* π 2Px,y * σ 2Pz π 2Px,y σ 2s * σ 2s σ 1s * σ 1s b) Angiv bindingsorden for N 2 +. Bindingsorden = ½(10-5) = 2,5. c) Er ionen N 2 + stabil? N 2 + er stabil

5 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 5 af 17 pgave Navngivning. Navngiv følgende forbindelser: 5% KI Kaliumiodid HN 3 Salpetersyre NaH 2 P 4 Natriumdihydrogenphosphat BaCr 4 Bariumchromat [Co(NH 3 ) 6 ](N 3 ) 3 Hexaammincobalt(III)nitrat 2.2 Færdiggør og afstem følgende reaktionsskemaer: 5% K(s) + H 2 (l) 2 K(s) + 2 H 2 (l) 2 KH(aq) + H 2 (g) Co(s) + H + (aq) Co(s) + 2 H + (aq) + 6 H 2 (l) [Co(H 2 ) 6 ] 2+ (aq) + H 2 (g) Al 3+ (aq) + H (aq) verskud af base Al 3+ (aq) + 4H (aq) Al(H) 4 - (aq) ZnH 2 (s) + H 2 (l) ZnH 2 (s) + 2 H 2 (l) Zn(H) 2 (s) + 2 H 2 (g) Al(s) + Fe 2 3 (s) Fe 2 3 (s) + 2 Al(s) Al 2 3 (s) + 2 Fe(s) pgave 3. Kompleksforbindelser 3.1 Betragt de ioniske kompleksforbindelser [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ og [Fe(CN) 6 ] 3. For begge forbindelser: 4% a) Angiv centralatomet: Cu og Fe b) Angiv centralatomets oxidationstrin: +2 og +3 c) Angiv liganderne: NH 3 og CN d) Angiv koordinationstallet for centralatomet: 4 og 6

6 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 6 af Jern komplekser har interessante magnetiske egenskaber. a) Tegn et d-orbitaldiagram med tilhørende elektronfordeling for [Fe(CN) 6 ] 3 : [Fe(CN) 6 ] 3 d, d 2 2 y 2 z x d xy, d xz, d yz paramagnetisk b) Angiv de magnetiske egenskaber for [Fe(CN) 6 ] Ved en simpel 1-elektron reduktion af [Fe(CN) 6 ] 3 dannes et nyt kompleks med andre magnetiske egenskaber. a) Tegn et d-orbitaldiagram med tilhørende elektronfordeling for det dannede kompleks ved 1-elektron reduktionen: [Fe(CN) 6 ] 4 d, d 2 2 y 2 z x d xy, d xz, d yz b) Angiv de magnetiske egenskaber for det dannede kompleks i 3.3a samt formelen for komplekset: Diamagnetisk - [Fe(CN) 6 ] 4

7 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 7 af 17 pgave 4. Lewisstrukturer og VSEPR 4.1 Angiv Lewisstrukturer og eventuelle resonansstrukturer (med formelle ladninger) for NH 4 +, F 2, PCl 5, C 2, og C 3 2 : H + H N H H 2- F F Cl Cl Cl 2- P Cl Cl Cl 2- C C C C 4.2 Tegn en tydelig tredimensionel struktur og angiv omtrentlige bindingsvinkler for NH 4 +, F 2, PCl 5, C 2, og C 3 2 : 4% NH + 4 :Tetraedrisk (109,5 ) F 2 : Vinklet (ca. 109,5 ) PCl 5 :Trigonal bipyramidal (ca. 90, 120, 180 ) C 2 : lineær (180 ) C 2 3 : Trigonal plan (120 ) 4.3 Angiv for hvert af følgende molekyler/ioner, om de har et dipolmoment, der er forskelligt fra 0: NH 4 +, F 2, PCl 5, C 2, og C 3 2. NH 4 + : dipolmoment = 0 F 2 : dipolmoment 0 PCl 5 : dipolmoment = 0

8 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 8 af 17 C 2 : dipolmoment = 0 C 3 2 : dipolmoment = 0 pgave Færdiggør og afstem følgende reaktionsskemaer for følgende stoffers reaktion med rigeligt ilt: 5% Al(s) + 2 (g) 4 Al(s) (g) 2 Al 2 3 (s) ZnS(s) + 2 (g) 2 ZnS(s) (g) 2 Zn(s) + 2 S 2 (g) Li(s) + 2 (g) 4 Li(s) + 2 (g) 2 Li 2 (s) Na(s) + 2 (g) 2 Na(s) + 2 (g) Na 2 2 K(s) + 2 (g) K(s) + 2 (g) K 2 (s) Nikkel metal fremstilles ud fra nikkelsulfid. Først omdannes nikkelsulfid til nikkeloxid ved opvarmning i luft (ristning). Derefter reduceres nikkeloxid for at fremstille metallet. 5.2 pskriv en afstemt reaktionsligning for fremstilling af Ni(s) ud fra Ni(s) 2 Ni(s) + C(s) 2 Ni(s) + C 2 (g) I fremstilling af rent nikkel (Mond proces) udnyttes at nikkel metal reagerer med carbonmonoxid. 5.3 pskriv og afstem reaktionen for reaktion mellem nikkel metal og carbonmonoxid. Ni(s) + 4 C(g) Ni(C) 4 (g) Evt. Ni(C) 4 (g) Ni(s) + 4 C(g) (opvarmning)

9 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 9 af 17 Bilag 1. Periodisk system med atommasser og elektronegativiteter 1 1, ,0026 H He 2,1 3 6, , , , , , , ,180 Li Be B C N F Ne 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4, , , , , , , , ,948 Na Mg Al Si P S Cl Ar 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,80 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 0,8 1,0 1,3 1,5 1,6 1,6 1,5 1,8 1,9 1,9 1,9 1,6 1,6 1,8 2,0 2,4 2, , , , , , ,94 43 (97,907) , , , , , , , , , , ,29 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 1,9 2,2 2,2 2,2 1,9 1,7 1,7 1,8 1,9 2,1 2, , , , , , , , , , , , , , , ,98 84 (209) 85 (210) 86 (222) Cs Ba La Hf Ta W Re s Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 0,7 0,9 1,0 1,3 1,5 1,7 1,9 2,2 2,2 2,2 2,4 1,9 1,8 1,9 1,9 2,0 2,2 87 (223) 88 (226) 89 (227) 104 (261) 105 (262) 106 (263) 107 (262) 108 (265) 109 (266) Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt 0,7 0, , , ,24 61 (144,91) , , , , , , , , , ,97 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu , , ,03 93 (237,05) 94 (244,06) 95 (243,06) 96 (247) 97 (247,07) 98 (251,08) 99 (252,08) 100 (257,1) 101 (258,1) 102 (259,1) 103 (262,1) Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

10 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 10 af 17 Danmarks Tekniske Universitet Skriftlig prøve, tirsdag den 17. december 2013 Kursus navn Uorganisk Kemi Kursus nr pgave 6, 7, 8, 9 og 10 Alle hjælpemidler tilladt Navn Studienummer

11 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 11 af 17 pgave Anvend standardreduktionspotentialer til at forudsige om følgende reaktion er spontan: 2 Na + + Ca 2 Na + Ca 2+ E = E(Na + /Na) E(Ca 2+ /Ca) = 2,71 V 2,87 V = 0,16 V > 0 Processen er spontan. Arsentrichlorid, AsCl 3 er en kovalent forbindelse. Ved standardbetingelserne er det en væske. 6.2 Estimer den gennemsnitlige As Cl bindingsenergi, b H(As Cl) ud fra følgende oplysninger: 6% Dannelsesenthalpi for AsCl 3 (l): As(s) + 3/2 Cl 2 (g) AsCl 3 (l) f H(AsCl 3 ) = 305 kj mol -1 Fordampningsvarme for AsCl 3 (l): AsCl 3 (l) AsCl 3 (g) vap H(AsCl 3 ) = 35 kj mol -1 Bindingsenthalpi for Cl 2 (g): Cl 2 (g) 2 Cl(g) b H(Cl Cl) = 242 kj mol -1 Atomiseringsenthalpi for As(s): As(s) As(g) a H(As) = 302 kj mol -1 AsCl 3 (g) As(g) + 3 Cl(g) 3 b H(As-Cl) fås i en Hess cyklus som summen af: AsCl 3 (g) AsCl 3 (l) 35 kj mol -1 AsCl 3 (l) As(s) + 3/2 Cl 2 (g) ( 305 kj mol -1 ) 3/2 Cl 2 (g) 3 Cl(g) 3/2 (242 kj mol -1 ) As(s) As(g) 302 kj mol -1 b H(As Cl) = ( 35 kj mol -1 ( 305 kj mol -1 )+ 3/2(242 kj mol -1 )+ 302 kj mol -1 )/3 = 312 kj mol Angiv om dannelsen af AsCl 3 ud fra grundstofferne er en exotherm eller en endotherm proces. 1% Dannelsesenthalpien er negativ og dermed er det en exotherm proces. pgave 7.

12 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 12 af Navngiv følgende koordinationsforbindelser: Na 3 [Co(CN) 6 ] Natriumhexacyanocobaltat(III) [Cr(H 2 ) 3 Cl 3 ] Triaquatrichlorochrom(III) Ligandfeltopsplitningerne,, for de to forbindelser ovenfor er cm 1 og cm Hvilken af de to forbindelser har ligandfeltopsplitningen på cm 1? Na 3 [Co(CN) 6 ] fordi cyanid giver de største ligandfeltopsplitninger 7.3 Angiv bølgelængderne (i nm) af lys med energierne cm 1 og cm 1. 1/15000 cm -1 = 667 nm 1/39000 cm -1 = 256 nm Antag at forbindelserne har et absorptionsmaksimum ved disse energier. 7.4 Hvilken en af de to forbindelser er farvet og hvilken farve har den? 256 nm er udenfor det synlige område så Na 3 [Co(CN) 6 ] er farveløs. 667 nm er rødt, så ved brug af farvehjulet: [Cr(H 2 ) 3 Cl 3 ] er grøn. pgave 8. Ca(s) også kaldet brændt kalk er meget brugt som base i industrien. 8.1 pskriv et afstemt reaktionsskema for reaktionen, der sker, når Ca(s) tilsættes til NH 4 Cl(aq). Ca(s) + 2 NH 4 Cl(aq) CaCl 2 (aq) + 2 NH 3 (g) + H 2 (l)

13 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 13 af 17 eller Ca(s) + 2 NH 4 Cl(aq) CaCl 2 (aq) + 2 NH 3 (aq) + H 2 (l) Ca(s) kan bruges til at fjerne C 2 (g) fra atmosfærisk luft. 8.2 pskriv et afstemt reaktionsskema for denne reaktion. Ca(s) + C 2 (g) CaC 3 (s) Strukturen for calciumoxid, Ca er den samme som for NaCl og indeholder en kubisk enhedscelle, se figuren. Ionradius for Ca 2+ er 100 ppm og ionradius for 2 er 140 ppm. 8.3 Beregn volumen af enhedscellen. a = 2(100 ppm) + 2 (140ppm) = 480 ppm V = a 3 = ( m) 3 = ( cm) 3 =1, cm Beregn densiteten af Ca i enheden g cm 3. ρ = m/v = 4 (40, ,00)g mol -1 /( mol -1 ( cm) 3 ) = 3,37 g cm 3 pgave pstil en Born-Haber cyklus for reaktionsskemaet: 4% Ca(s) + ½ 2 (g) Ca(s) Ca(s) + 1/2 2 (g) subl H (Ca, s) + ½ b H ( 2, g) Ca(g) + (g) f H (Ca, s) IE 1 (Ca, g) EA 1 (, g) IE 2 (Ca, g) EA 2 (, g) gitter H (Ca,s)

14 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 14 af 17 Ca (s) Ca 2+ (g) + 2 (g) 9.2 Beregn gitterenthalpien, gitter H, for Ca(s) ved beregning ud fra Born-Haber cyklussen ovenfor. gitter H (Ca,s) = IE 1 (Ca, g) IE 2 (Ca, g) + EA 1 (, g) + EA 1 (, g) subl H (Ca, s) ½ b H ( 2, g) + f H (Ca, s) = 590 kj mol kj mol kj mol kj mol kj mol 1 ½ 498 kj mol kj mol 1 = 3454 kj mol Estimer gitterenthalpien, gitter H, for Ca(s) ved beregning ud fra Born-Landé ligningen. Ionradier for Ca 2+ og 2 er givet i opgave 8. L A z+ z e U = π ε r n = 6, mol -1 1, (1, C) 2 / 4 / π / (8, F m -1 ) / (( ) m) (1 1/8) = 3578 kj mol -1 pgave 10. En opløsning af en ren ionisk forbindelse er blevet undersøgt og observationerne er blevet noteret: 1. Indikatorpapir viser, at opløsningen er neutral. 2. pløsningen er farveløs. 3. Hvis opløsningen først tilsættes lidt HN 3 (aq) og derefter AgN 3 (aq) kommer der straks et hvidt bundfald. 4. Hvis opløsningen først tilsættes lidt HN 3 (aq) og derefter H 2 S 4 (aq) sker der ingen udfældning. 5. Hvis opløsningen først tilsættes lidt HN 3 (aq) og derefter BaCl 2 (aq) sker der ingen udfældning. 6. Hvis opløsningen først tilsættes lidt HN 3 (aq) og derefter gradvist NaH(aq) sker der en udfældning af et hvidt stof, der går i opløsning igen med overskud af NaH(aq). 7. Hvis opløsningen tilsættes Na 2 S(aq) sker der udfældning af et farveløst

15 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 15 af 17 stof Foreslå mindst 3 forskellige anioner, der vil give bundfald ved behandlingen ved punkt 3. Cl, Br, I 10.2 Hvilken analyse kunne man udføre for at skelne disse anioner fra hinanden, hvis farven af bundfaldet ikke er karakteristisk nok? xidation med Mn 4 - vil oxidere Br til Br 2 og I til I 2. Disse vil give henholdsvis en brun eller violet farve på en ikke-polær fase som fx n- octan. Cl vil ikke reagere Giv et forslag til den ioniske forbindelse, der er i den ukendte opløsning. ZnCl pskriv afstemte reaktionsskemaer for reaktionerne, der foregår ved punkt 6. Zn H Zn(H) 2 (s) Zn(H) 2 (s) + 2 H Zn(H) 4 2 (aq) 10.5 Navngiv den ukendte ioniske forbindelse. 1% Zinkchlorid

16 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 16 af 17 Bilag 2. Data til brug i beregninger Fysiske konstanter: Avogadros konstant: L = 6, mol 1 Plancks konstant: h = 6, J s Lysets hastighed: c = 2, m s 1 Madelung konstant A = 1,7476 Vakuumpermittivitet ε 0 = 8, F m -1 Elementarladning e = 1, C Born exponent for Ca n = 8 Pi π = 3,142 Standard reduktionspotentialer: E (Ca 2+ (aq)/ca(s)) = 2,87 V E (Na + (aq)/na(s)) = 2,71 V Alle E er ved 25 C, tryk 1 bar og koncentrationer 1 M. Termodynamiske data: Bindingsenergi for 2 (g) = 498 kj mol 1 f H(Ca(s)) = 635 kj mol 1 Første ioniseringsenergi for Ca(g) = 590 kj mol 1 Anden ioniseringsenergi for Ca(g) = 1145 kj mol 1 Første elektronaffinitet for (g) = 141 kj mol 1 Anden elektronaffinitet for (g) = 798 kj mol 1 Sublimationsenthalpi for Ca(s) = 178 kj mol 1 Born-Lande ligningen: L A z+ z e U = π ε r n Farvehjulet: range Rød Gu l Violet Grøn Blå

17 Skriftlig prøve i kursus 26173/E13 Side 17 af 17 Periodisk system med atommasser og elektronegativiteter 1 1, ,0026 H He 2,1 3 6, , , , , , , ,180 Li Be B C N F Ne 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4, , , , , , , , ,948 Na Mg Al Si P S Cl Ar 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,80 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 0,8 1,0 1,3 1,5 1,6 1,6 1,5 1,8 1,9 1,9 1,9 1,6 1,6 1,8 2,0 2,4 2, , , , , , ,94 43 (97,907) , , , , , , , , , , ,29 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 1,9 2,2 2,2 2,2 1,9 1,7 1,7 1,8 1,9 2,1 2, , , , , , , , , , , , , , , ,98 84 (209) 85 (210) 86 (222) Cs Ba La Hf Ta W Re s Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 0,7 0,9 1,0 1,3 1,5 1,7 1,9 2,2 2,2 2,2 2,4 1,9 1,8 1,9 1,9 2,0 2,2 87 (223) 88 (226) 89 (227) 104 (261) 105 (262) 106 (263) 107 (262) 108 (265) 109 (266) Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt 0,7 0, , , ,24 61 (144,91) , , , , , , , , , ,97 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu , , ,03 93 (237,05) 94 (244,06) 95 (243,06) 96 (247) 97 (247,07) 98 (251,08) 99 (252,08) 100 (257,1) 101 (258,1) 102 (259,1) 103 (262,1) Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr