Danmarks Tekniske Universitet

Transkript

1 Danmarks Tekniske Universitet Side 1 af 18 sider Skriftlig prøve, tirsdag den 18. december 2012 Kursus navn: Uorganisk Kemi Kursus nr Varighed: Hjælpemidler: 4 timer Opgave 1, 2, 3, 4 og 5: Ingen hjælpemidler tilladt Opgave 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: Opgaverne 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. Opgaverne, 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.

2 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 2 af 18 Danmarks Tekniske Universitet Skriftlig prøve, tirsdag den 18. december 2012 Kursus navn Uorganisk Kemi Kursus nr Opgave 1, 2, 3, 4 og 5 Ingen hjælpemidler tilladt Navn Studienummer

3 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 3 af 18 Opgave Angiv elektronkonfigurationer for N, Al 3+, Mn og Zn 2+. N: [He]2s 2 2p 3 Al 3+ : [Ne] = [He]2s 2 2p 6 Mn: [Ar]4s 2 3d 5 Zn 2+ : [Ar]3d Molekylorbitalteori. a) Skitser molekylorbitaldiagrammet for Ne 2. 2% 4% σ 2Pz* π 2Px,y * π 2Px,y σ 2Pz σ 2s * σ 2s σ 1s * σ 1s b) Angiv bindingsorden for Ne 2. Bindingsorden = ½(10-10) = 0 c) Er molekylet Ne 2 stabilt? Ne 2 er ustabilt.

4 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 4 af Ved oxidation af Ne 2 kan ionen Ne 2 4+ tænkes dannet. a) Skitser molekylorbitaldiagrammet for Ne or Ne % σ 2Pz * π 2Px,y * π 2Px,y σ 2Pz σ 2s * σ 2s σ 1s * σ 1s b) Angiv bindingsorden for Ne Bindingsorden = ½(10-6) = 2. c) Er ionen Ne 2 4+ stabil? Ne 2 4+ er stabilt og isoelektronisk med O 2

5 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 5 af 18 Opgave Navngivning. Navngiv følgende forbindelser: 5% LiBr Lithiumbromid KCN Kaliumcyanid (NH 4 ) 2 CO 3 Ammoniumcarbonat [Cr(NH 3 ) 5 Cl]Cl 2 Pentaamminchlorochrom(III)chlorid [Cu(CN) 4 ] 3 Tetracyanocuprat(I)-ion 2.2 ærdiggør og afstem følgende reaktionsskemaer: 5% Al(s) + O 2 (g) 4 Al(s) + 3 O 2 (g) 2 Al 2 O 3 (s) Sr 2+ (aq) + HSO 4 (aq) Sr 2+ (aq) + HSO 4 (aq) SrSO 4 (s) + H + (aq) BaCO 3 (s) + H 2 SO 4 (aq) BaSO 4 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) AgNO 3 (aq) + NaI(aq) AgNO 3 (aq) + NaI(aq) AgI(s) + NO 3 (aq) + Na + (aq) Zn(s) + H + (aq) Zn(s) + 2 H + (aq) + 6 H 2 O(l) [Zn(H 2 O) 6 ] 2+ (aq) + H 2 (g) Opgave 3. Kompleksforbindelser 3.1 Betragt de ioniske kompleksforbindelser [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ og [Co(CN) 6 ] 3. or begge forbindelser: 4% a) Angiv centralatomet: Cr og Co b) Angiv centralatomets oxidationstrin: +3 og +3 c) Angiv liganderne: H 2 O og CN d) Angiv koordinationstallet for centralatomet: 6 og 6

6 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 6 af Ionerne [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ og [Co(CN) 6 ] 3 har forskellige magnetiske egenskaber. 4% a) Tegn et d-orbitaldiagram med tilhørende elektronfordeling for [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ : [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ d, d 2 2 y 2 z x d xy, d xz, d yz b) Tegn et d-orbitaldiagram med tilhørende elektronfordeling for [Co(CN) 6 ] 3 : [Co(CN) 6 ] 3 d, d 2 2 y 2 z x d xy, d xz, d yz 3.3 Angiv de magnetiske egenskaber for henholdsvis [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ og [Co(CN) 6 ] 3. 2% [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ : paramagnetisk [Co(CN) 6 ] 3 : diamagnetisk

7 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 7 af 18 Opgave 4. Lewisstrukturer og VSEPR 4.1 Angiv Lewisstrukturer og eventuelle resonansstrukturer (med formelle ladninger) for H 2 S, PCl 3, S 6, CO 3 2 og B 4 : 3% H S O H 2- Cl P Cl Cl O 2- S O B 2- - O C O O C O O C O 4.2 Tegn en tydelig tredimensionel struktur og angiv omtrentlige bindingsvinkler for H 2 S, PCl 3, S 6, CO 3 2 og B 4. 4% H 2 S: Vinklet (ca. 109,5 ) PCl 3 :Trigonal pyramidal (ca. 109,5 ) S 6 : Oktaedrisk (90 ) CO 2 3 : Trigonal plan (120 ) B 4 :Tetraedrisk (109,5 ) 4.3 Angiv for hvert af følgende molekyler/ioner, om de har et dipolmoment, der er forskelligt fra 0: H 2 S, PCl 3, S 6, CO 3 2 og B 4. 3% H 2 S: dipolmoment 0 PCl 3 : dipolmoment 0 S 6 : dipolmoment = 0 CO 3 2 : dipolmoment = 0 B 4 : dipolmoment = 0

8 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 8 af 18 Opgave ærdiggør og afstem følgende reaktionsskemaer for følgende stoffers reaktion med rigeligt vand: 5% P 4 O 6 (s) + H 2 O(l) P 4 O 6 (s) + 6 H 2 O(l) 4 H 3 PO 3 (aq) (evt 4 H + (aq) + 4 H 2 PO 3 (aq)) B(OH) 3 (aq) + H 2 O(l) B(OH) 3 (aq)+ H 2 O(l) B(OH) 4 (aq) + H + (aq) Na(s) + H 2 O(l) 2 Na(s) + 2 H 2 O(l) 2 NaOH(aq) + H 2 (g) Na 2 O 2 (s) + H 2 O(l) Na 2 O 2 (s) + 2 H 2 O(l) 2 NaOH(aq) + H 2 O 2 (aq) Ca(s) + H 2 O(l) Ca(s) + 2 H 2 O(l) Ca(OH) 2 (aq) + H 2 (g) Phosphorsyre kan fremstilles industrielt ud fra calciumphosphat ved at tilsætte koncentreret svovlsyre. 5.2 Opskriv og afstem reaktionen for den industrielle produktion af phosphorsyre, H 3 PO 4 (l), ud fra calciumphosphat, Ca 3 (PO 4 ) 2 (s). 3% Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + 3 H 2 SO 4 (l) 2 H 3 PO 4 (l) + 3 CaSO 4 (s) 5.3 Opskriv en afstemt reaktionsligning for fremstilling af Si(s) ud fra SiO 2 (s). 2% SiO 2 (s) + C(s) Si(s) + CO 2 (g)

9 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 9 af 18 Bilag 1. Periodisk system med atommasser og elektronegativiteter 1 1, ,0026 H He 2,1 3 6, , , , , , , ,180 Li Be B C N O 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 e 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 Os 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) r 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 m Md No Lr

10 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 10 af 18 Danmarks Tekniske Universitet Skriftlig prøve, tirsdag den 18. december 2012 Kursus navn Uorganisk Kemi Kursus nr Opgave 6, 7, 8, 9 og 10 Alle hjælpemidler tilladt Navn Studienummer

11 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 11 af 18 Opgave 6. Koordinationsforbindelser og elektrokemi Jern danner koordinationsforbindelser i både oxidationstrin +2 og Opskriv en afstemt reaktionsligning for oxidation af [e(h 2 O) 6 ] 2+ med ilt i sur opløsning. 2% 4 [e(h 2 O) 6 ] 2+ + O 2 (g) + 4 H + (aq) 4 [e(h 2 O) 6 ] H 2 O(l) 6.2 Opskriv en afstemt reaktionsligning for oxidation af [e(h 2 O) 6 ] 2+ med sølvioner. 2% [e(h 2 O) 6 ] 2+ + Ag + (aq) [e(h 2 O) 6 ] 3+ + Ag(s) 6.3 Argumenter for om reaktionerne i 6.2 og 6.3 er spontane som opskrevet ovenfor eller om de er spontane i den modsatte retning ved standardbetingelserne. 2% or reaktionen i 6.2: E emf = E (O 2 (g)+4h + (aq)/h 2 O(l)) E (e 3+ (aq)/e 2+ (aq)) = 1,23 V 0,77 V = 0,46 V > 0. Dermed er reaktionen spontan som opskrevet. or reaktionen i 6.3: E emf = E (Ag + (aq)/ag(s)) E (e 3+ (aq)/e 2+ (aq)) = 0,80 V 0,77 V = 0,03 V > 0. Dermed er reaktionen spontan som opskrevet. Betragt [e(h 2 O) 6 ] 2+ og [e(h 2 O) 6 ] 3+. Ligandfeltopsplitningen,, stiger med oxidationstrinet. Energien af de to opsplitninger er henholdsvis 9400 cm -1 for [e(h 2 O) 6 ] 2+ og cm -1 for [e(h 2 O) 6 ] Vis at elektromagnetisk stråling med disse energier ligger udenfor det synlige område. (Det synlige område har bølgelængder imellem ca. 390 og 740 nm) 2 % λ = 1/9400 cm -1 = 0, cm = 1064 nm λ = 1/13300 cm -1 = 0, cm = 752 nm 1064 nm og 752 nm er begge i det infrarøde område og dermed uden for det synlige område.

12 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 12 af Omregn energierne af ligandfeltopsplitningerne fra enheden cm -1 til enheden kj mol -1 for begge forbindelser. E = hcλ -1 = 6, J s 2, m s -1 / m mol -1 = 112 kj mol -1 2 % E = hcλ -1 = 6, J s 2, m s -1 / m mol -1 = 159 kj mol -1 Opgave 7. Bindingsenergi. Siliciumtetrachlorid, SiCl 4, er en farveløs væske, der reagerer spontant med vand: SiCl 4 (l) + 2 H 2 O(g) SiO 2 (s) + 4 HCl(g) 7.1 Anvend tabelværdier for gennemsnitlige bindingsenergier til at give et estimat for reaktionsenthalpien, r H, for reaktionen skrevet ovenfor. (Kvarts, SiO 2, er et uendeligt gitter, hvor hvert silicium atom danner fire Si-O enkeltbindinger) 3 % r H = 4 b H(Si-Cl) + 4 b H(H-O) 4 b H(Si-O) b H(H-Cl) = 4 ( ) kj mol -1 = 112 kj mol Beregn reaktionsenthalpien, r H, for reaktionen ovenfor ved hjælp af tabelværdier for dannelsesenthalpier. 3 % r H = f H(SiO 2 (s)) + 4 f H(HCl(g)) f H(SiCl 4 (l)) 2 f H(H 2 O(g)) = ( ( 92) kj mol -1 ( 687) 2 ( 242))= 108 kj mol Angiv om reaktionen er exotherm eller endotherm. 2 % Exotherm da r H < Angiv hvilke årsager der kan ligge grund til forskellen mellem enthalpierne beregnet i 7.1 og i 7.2. Der beregnes med gennemsnitlige bindingsenthalpier for den type bindinger og dette er forbundet med en vis usikkerhed. Desuden kan der være forskelle hvis nogle af forbindelserne ikke er i deres standardtilstand i reaktionsskemaet. 2 %

13 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 13 af 18 Opgave 8. Born-Haber cyklus. 8.1 Opstil en Born-Haber cyklus for reaktionsskemaet: 4 % 2 Sc(s) (g) 2 Sc 3 (s) 2 Sc(s) (g) 2 subl H (Sc, s) + 3 b H ( 2, g) 2 Sc(g) + 6 (g) 2 f H (Sc 3, s) 2 IE 1 (Sc, g) 6 EA 1 (, g) 2 IE 2 (Sc, g) 2 IE 3 (Sc, g) 2 gitter H (Sc 3,s) 2 Sc 3 (s) 2 Sc 3+ (g) + 6 (g) 8.2 Beregn gitterenthalpien, gitter H, for Sc 3 (s) ud fra Born-Haber cyklussen i % 2 gitter H (Sc 3 ) = 2 IE 1 (Sc, g) 2 IE 2 (Sc, g) 2 IE 3 (Sc, g) + 6 EA 1 (, g) 2 subl H (Sc, s) 3 b H ( 2, g) + 2 f H (Sc 3, s) = kj mol kj mol kj mol kj mol kj mol kj mol ( 1247 kj mol -1 ) = kj mol -1 gitter H (Sc 3 (s)) = 5135 kj mol Navngiv forbindelserne: 3 % Sc 3 Scandiumfluorid N 3 Nitrogentrifluorid Na 3 [Co 6 ] Natriumhexafluorocobaltat(III)

14 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 14 af 18 Opgave 9. Krystalgitre Jern krystalliserer i både i en fladecentreret kubisk enhedscelle (fcc) og i en rumcentreret kubisk enhedscelle (bcc). Atomradius for jern er 126 pm. 9.1 Beregn densiteten af jern i en fladecentreret kubisk enhedscelle (fcc). 3 % or sidelængden, a i en fladecentreret kubisk enhedscelle gælder der: 4 r = 2 a dvs. a = 2 2 r En fcc enhedscelle indeholder 4 jernatomer. Densiteten er d = m/v = 4 55,845 g mol -1 / 6, mol -1 /( cm) 3 = 8,20 g cm Beregn densiteten af jern i en rumcentreret kubisk enhedscelle (bcc). 3 % or sidelængden, a i en rumcentreret kubisk enhedscelle gælder der: 4 r = 3 a dv.s a = 4/ 3 r En bcc enhedscelle indeholder 2 jernatomer. Densiteten er d = m/v = 2 55,845 g mol -1 / 6, mol -1 /(4/ cm) 3 = 7,53 g cm Hvilken af de to krystalformer har den mest effektive pakning af jernatomer? 2 % cc er tætteste kuglepakning og derfor mere effektivt. Det ses også ovenfor, at densiteten er højere for fcc jern. 9.4 Hvilken type bindinger er til stede i jern? 2 % Metalbindinger

15 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 15 af 18 Opgave 10. Kvalitativ analyse Et hvidt salt er blevet analyseret ved øvelserne i kvalitativ analyse. Det er blevet observeret at: a. Saltet er letopløseligt i vand. b. Hvis en opløsning af saltet i vand tilsættes salpetersyre og derefter en bariumnitrat opløsning dannes et hvidt bundfald. c. Hvis en opløsning af saltet i vand tilsættes en natriumhydroxid opløsning dannes et hvidt bundfald, som ikke går i opløsning igen i overskud af natriumhydroxid. d. Der dannes ikke bundfald når en opløsning af saltet i vand tilsættes saltsyre Opskriv en afstemt reaktionsligning for reaktionen der sker ved punkt b). Hvad kan man slutte om forbindelsen ud fra denne oplysning? 2% (sur) HSO 4 (aq) + Ba 2+ (aq) BaSO 4 (s) + H + (aq) orbindelsen må indeholde sulfat, siden der kommer et bundfald med bariumchlorid i sur væske Angiv mindst en kation, der udelukkes ved punkt d) og begrund dit svar. 2% Der er ikke en kation til stede, der fælder med chlorid. Ag + kan udelukkes idet AgCl(s) er tungtopløseligt. (Pb 2+ og Tl + kunne også fælde her og kan udelukkes) Ved hjælp af oplysningerne ovenfor kan man entydigt bestemme, hvilket af de følgende 6 salte, der er det korrekte: Na 2 SO 4 MgSO 4 BaCl 2 Al(NO 3 ) 3 AgNO 3 Al 2 (SO 4 ) 3

16 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 16 af a) Angiv hvilket af saltene, der er det ukendte stof. MgSO 4 4 % b) Begrund dit svar Vi ved fra 10.1 at stoffet indeholder sulfat, dermed må det være enten Na 2 SO 4, MgSO 4 eller Al 2 (SO 4 ) 3. (Med 10.2 har vi dermed faktisk udelukket AgNO 3 to gange.) Oplysning c) fortæller os at det må være MgSO 4 idet Mg 2+ giver et hvidt bundfald med NaOH, som ikke går i opløsning i overskud: Mg 2+ (aq) + 2 OH (aq) Mg(OH) 2 (s) hvidt Na + fælder ikke med OH Al(OH) 3 vil fælde ud, men vil gå i opløsning i overskud af base: Al 3+ (aq) + 4 OH (aq) Al(OH) 4 (aq) c) Navngiv det ukendte stof. Magnesiumsulfat Angiv hvorledes man entydigt kan påvise den kation, som du har angivet i dit svar til (Hvis du ikke har svaret på 10.3 så angiv hvorledes man entydigt kan påvise Zn 2+ ioner i et salt.) 2 % Magnesium kan påvises ved at fælde Mg(OH) 2 (s) ved tilstedeværelsen af farvestoffet chinalizarin. Mg(OH) 2 (s) farves herved kornblomstblå. Zink holdes i opløsning i base som Zn(OH) 4 2 (aq), men fælder som ZnS(s) ved tilsætning af sulfid.

17 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 17 af 18 Bilag 2. Data til brug i beregninger ysiske konstanter: Avogadros konstant: L = 6, mol 1 Plancks konstant: h = 6, J s Lysets hastighed: c = 2, m s 1 Standard reduktionspotentialer: E (e 3+ (aq)/e 2+ (aq)) = 0,77 V E (Ag + (aq)/ag(s)) = 0,80 V E (O 2 (g)+4h + (aq)/2h 2 O(l)) = 1,23 V Alle E er ved 25 C, tryk 1 bar og koncentrationer 1 M. Gennemsnitlige bindingsenergier: b H(Si Cl) = 406 kj mol 1 b H(H Cl) = 432 kj mol 1 b H(H O) = 464 kj mol 1 b H(Si O) = 466 kj mol 1 b H( ) = 158 kj mol 1 Dannelsesenthalpier f H(SiCl 4 (l)) = 687 kj mol 1 f H(SiO 2 (s)) = 911 kj mol 1 f H(H 2 O(l)) = 242 kj mol 1 f H(HCl(g)) = 92 kj mol 1 f H(Sc 3 (s)) = 1247 kj mol 1 ørste ioniseringsenergi for Sc(g) = 633 kj mol 1 Anden ioniseringsenergi for Sc(g) = 1235 kj mol 1 Tredje ioniseringsenergi for Sc(g) = 2389 kj mol 1 ørste elektronaffinitet for (g) = 328 kj mol 1 Sublimationsenthalpi for Sc(s) = 378 kj mol 1

18 Skriftlig prøve i kursus 26173/E12 Side 18 af 18 Periodisk system med atommasser og elektronegativiteter 1 1, ,0026 H He 2,1 3 6, , , , , , , ,180 Li Be B C N O 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 e 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 Os 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) r 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 m Md No Lr