DWMED

Pomimo obecności tego samego związku chemicznego, dany minerał może przyjmować różne zabarwienie. Przyczyną tego może być obecność innych substancji budujących daną skałę. Bardzo często zdarza się, że różne minerały, zbudowane z odmiennych związków chemicznych mogą mieć podobną budowę morfologiczną oraz zabarwienie. W celu ich odróżnienia, niewielkie próbki badanych substancji poddaje się działaniu specjalnie w tym celu dobranego odczynnika chemicznego. Przykładem pary minerałów, które mogą przyjmować identyczne (czerwone) zabarwienie są – Sfaleryt zbudowany z siarczku cynku oraz Rodochrozyt, czyli węglan manganu(II).

Na podstawie: J. Żaba, I. V. Żaba, Atlas naturalnych kamieni szlachetnych i ozdobnych, Warszawa 2016.

Przeprowadzono doświadczenie chemiczne, którego celem było odróżnienie rozdrobnionych próbek Sfalerytu i Rodochrozytu. W tym celu wybrano roztwór pewnej substancji chemicznej, która po wprowadzeniu do każdej z próbek doprowadziła do ich roztworzenia. Zaobserwowano również, że z każdego naczynia reakcyjnego wydzieliła się substancja gazowa, a uzyskane roztwory przyjęły podobne zabarwienie.

Napisz równania reakcji chemicznych stanowiących podstawę odróżnienia Sfalerytu od Rodochrozytu podczas opisanego doświadczenia chemicznego.

Jedną z przemysłowych metod wytwarzania cynku jest redukcja jego tlenku:

ZnO + C → Zn + CO

W trakcie prowadzonego procesu przebiegają również dwie wpływające na jego całkowitą wydajność reakcje chemiczne:

Reakcja A: ZnO_(s) + CO_(g) ⇄ Zn_(g) + CO_2(g)

Reakcja B: CO_2(g) + C_(s) ⇄ 2CO_(g)

Rysunek poniżej ilustruje charakterystyki zmian równowagowego składu fazy gazowej złożonej z CO oraz CO₂ pod ciśnieniem 0,1 MPa dla reakcji A oraz B. Zakreskowane pole nad krzywą A obrazuje obszar trwałości cynku, natomiast pole pod tą krzywą jest obszarem trwałości ZnO.

Z zamieszczonych charakterystyk wynika, że w temperaturze powyżej 930 ^oC stężenie równowagowe CO jest dostatecznie wysokie, aby mogła przebiegać reakcja A.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Stałe równowag reakcji biegnących z udziałem reagentów gazowych często przedstawia się przy użyciu równowagowych ciśnień cząstkowych takich substancji (ciśnień w stanie równowagi). Ciśnienie cząstkowe (p_i) gazowego składnika w mieszaninie gazów opisuje równanie:

p_i = x_i ∙ p

W wyrażeniu tym wielkość p jest ciśnieniem całkowitym mieszaniny gazów, natomiast x_i jest ułamkiem molowym jej składnika, który definiuje się jako stosunek liczby moli tego składnika do sumarycznej liczby moli wszystkich składników mieszaniny.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.  Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013 oraz D. Mickiewicz, Podstawy obliczeń chemicznych. Część I, Łódź 2019.

Ciśnieniowe stałe równowag – reakcji A (K_A) oraz reakcji B (K_B) w temperaturze T opisują wyrażenia:

Z równań przedstawiających stałe równowag reakcji A oraz B można wyznaczyć równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku znajdujących się w układzie podczas prowadzonego procesu.

Wyprowadź wyrażenie ilustrujące równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku w funkcji równowagowego ciśnienia cząstkowego tlenku węgla(IV) w temperaturze T.

Jedną z przemysłowych metod wytwarzania cynku jest redukcja jego tlenku:

ZnO + C → Zn + CO

W trakcie prowadzonego procesu przebiegają również dwie wpływające na jego całkowitą wydajność reakcje chemiczne:

Reakcja A: ZnO_(s) + CO_(g) ⇄ Zn_(g) + CO_2(g)

Reakcja B: CO_2(g) + C_(s) ⇄ 2CO_(g)

Rysunek poniżej ilustruje charakterystyki zmian równowagowego składu fazy gazowej złożonej z CO oraz CO₂ pod ciśnieniem 0,1 MPa dla reakcji A oraz B. Zakreskowane pole nad krzywą A obrazuje obszar trwałości cynku, natomiast pole pod tą krzywą jest obszarem trwałości ZnO.

Z zamieszczonych charakterystyk wynika, że w temperaturze powyżej 930 ^oC stężenie równowagowe CO jest dostatecznie wysokie, aby mogła przebiegać reakcja A.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Stałe równowag reakcji biegnących z udziałem reagentów gazowych często przedstawia się przy użyciu równowagowych ciśnień cząstkowych takich substancji (ciśnień w stanie równowagi). Ciśnienie cząstkowe (p_i) gazowego składnika w mieszaninie gazów opisuje równanie:

p_i = x_i ∙ p

W wyrażeniu tym wielkość p jest ciśnieniem całkowitym mieszaniny gazów, natomiast x_i jest ułamkiem molowym jej składnika, który definiuje się jako stosunek liczby moli tego składnika do sumarycznej liczby moli wszystkich składników mieszaniny.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.  Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013 oraz D. Mickiewicz, Podstawy obliczeń chemicznych. Część I, Łódź 2019.

Ciśnieniowe stałe równowag – reakcji A (K_A) oraz reakcji B (K_B) w temperaturze T opisują wyrażenia:

Z równań przedstawiających stałe równowag reakcji A oraz B można wyznaczyć równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku znajdujących się w układzie podczas prowadzonego procesu.

Na podstawie wyprowadzonego wyrażenia oraz niezbędnych obliczeń ustal, jak zmieni się równowagowe ciśnienie cząstkowe par cynku, gdy równowagowe ciśnienie cząstkowe CO₂ w temperaturze T wzrośnie czterokrotnie?

Jedną z przemysłowych metod wytwarzania cynku jest redukcja jego tlenku:

ZnO + C → Zn + CO

W trakcie prowadzonego procesu przebiegają również dwie wpływające na jego całkowitą wydajność reakcje chemiczne:

Reakcja A: ZnO_(s) + CO_(g) ⇄ Zn_(g) + CO_2(g)

Reakcja B: CO_2(g) + C_(s) ⇄ 2CO_(g)

Rysunek poniżej ilustruje charakterystyki zmian równowagowego składu fazy gazowej złożonej z CO oraz CO₂ pod ciśnieniem 0,1 MPa dla reakcji A oraz B. Zakreskowane pole nad krzywą A obrazuje obszar trwałości cynku, natomiast pole pod tą krzywą jest obszarem trwałości ZnO.

Z zamieszczonych charakterystyk wynika, że w temperaturze powyżej 930 ^oC stężenie równowagowe CO jest dostatecznie wysokie, aby mogła przebiegać reakcja A.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna.Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Oceń, czy wydajność tworzenia się par cynku w reakcji A rośnie ze wzrostem temperatury? Uzasadnij odpowiedź.

Elektrolizę tlenku glinu prowadzi się w temperaturze około 950 ^oC, po jego rozpuszczeniu w kriolicie (Na₃AlF₆), który powstaje w wyniku stapiania mieszaniny fluorków – sodu oraz glinu, zmieszanych w stosunku molowym 3:1. W praktyce jednak elektrolizę prowadzi się w elektrolicie, w którym stosunek molowy wymienionych fluorków wynosi 2,7:1. Dzięki takiemu zabiegowi temperatura topnienia elektrolitu jest niższa niż czystego kriolitu. Podczas procesu elektrolizy w zastosowanym elektrolicie tlenek glinu ulega dysocjacji:

Na katodzie redukcji ulegają jony Al³⁺, natomiast na węglowej anodzie przebiega proces:

Glin praktycznie nie rozpuszcza się w zastosowanym elektrolicie, dlatego w warunkach prowadzonego procesu powstały w wyniku elektrolizy ciekły metal samorzutnie spływa na dno elektrolizera, a następnie jest z niego usuwany.

Techniczny tlenek glinu przed wprowadzeniem do elektrolizera zawiera znaczne ilości wilgoci. W celu jej usunięcia, próbka zostaje poddana prażeniu. Pomimo takiego zabiegu zdarza się, że śladowe ilości wody pozostają w jego strukturze krystalicznej lub dostają się do elektrolizera razem z niedostatecznie wysuszonym powietrzem. Dochodzi wtedy do reakcji wody z kriolitem, co jest niepożądane z uwagi na uwalnianie się toksycznego dla środowiska fluorowodoru oraz powstawanie fluorku sodu, którego zwiększona ilość znacząco wpływa na temperaturę topnienia elektrolitu. Trzecim produktem opisanej reakcji kriolitu z wodą jest tlenek glinu.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Napisz równanie procesu katodowego oraz sumaryczne równanie procesu elektrolizy tlenku glinu. W równaniu sumarycznym zapisz niezdysocjowaną postać tego związku chemicznego.

Elektrolizę tlenku glinu prowadzi się w temperaturze około 950 ^oC, po jego rozpuszczeniu w kriolicie (Na₃AlF₆), który powstaje w wyniku stapiania mieszaniny fluorków – sodu oraz glinu, zmieszanych w stosunku molowym 3:1. W praktyce jednak elektrolizę prowadzi się w elektrolicie, w którym stosunek molowy wymienionych fluorków wynosi 2,7:1. Dzięki takiemu zabiegowi temperatura topnienia elektrolitu jest niższa niż czystego kriolitu. Podczas procesu elektrolizy w zastosowanym elektrolicie tlenek glinu ulega dysocjacji:

Na katodzie redukcji ulegają jony Al³⁺, natomiast na węglowej anodzie przebiega proces:

Glin praktycznie nie rozpuszcza się w zastosowanym elektrolicie, dlatego w warunkach prowadzonego procesu powstały w wyniku elektrolizy ciekły metal samorzutnie spływa na dno elektrolizera, a następnie jest z niego usuwany.

Techniczny tlenek glinu przed wprowadzeniem do elektrolizera zawiera znaczne ilości wilgoci. W celu jej usunięcia, próbka zostaje poddana prażeniu. Pomimo takiego zabiegu zdarza się, że śladowe ilości wody pozostają w jego strukturze krystalicznej lub dostają się do elektrolizera razem z niedostatecznie wysuszonym powietrzem. Dochodzi wtedy do reakcji wody z kriolitem, co jest niepożądane z uwagi na uwalnianie się toksycznego dla środowiska fluorowodoru oraz powstawanie fluorku sodu, którego zwiększona ilość znacząco wpływa na temperaturę topnienia elektrolitu. Trzecim produktem opisanej reakcji kriolitu z wodą jest tlenek glinu.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Wraz ze zmianą stanu skupienia substancji chemicznych zmienia się ich gęstość. W temperaturze 25 ^oC pod ciśnieniem normalnym glin oraz kriolit są ciałami stałymi, a ich gęstości wynoszą (odpowiednio) 2,7 g∙cm^–3 i  2,9 g∙cm^–3.

Oceń, czy w warunkach prowadzonego procesu elektrolitycznego gęstość glinu jest większa, czy mniejsza od gęstości elektrolitu? Uzasadnij odpowiedź.

Elektrolizę tlenku glinu prowadzi się w temperaturze około 950 ^oC, po jego rozpuszczeniu w kriolicie (Na₃AlF₆), który powstaje w wyniku stapiania mieszaniny fluorków – sodu oraz glinu, zmieszanych w stosunku molowym 3:1. W praktyce jednak elektrolizę prowadzi się w elektrolicie, w którym stosunek molowy wymienionych fluorków wynosi 2,7:1. Dzięki takiemu zabiegowi temperatura topnienia elektrolitu jest niższa niż czystego kriolitu. Podczas procesu elektrolizy w zastosowanym elektrolicie tlenek glinu ulega dysocjacji:

Na katodzie redukcji ulegają jony Al³⁺, natomiast na węglowej anodzie przebiega proces:

Glin praktycznie nie rozpuszcza się w zastosowanym elektrolicie, dlatego w warunkach prowadzonego procesu powstały w wyniku elektrolizy ciekły metal samorzutnie spływa na dno elektrolizera, a następnie jest z niego usuwany.

Techniczny tlenek glinu przed wprowadzeniem do elektrolizera zawiera znaczne ilości wilgoci. W celu jej usunięcia, próbka zostaje poddana prażeniu. Pomimo takiego zabiegu zdarza się, że śladowe ilości wody pozostają w jego strukturze krystalicznej lub dostają się do elektrolizera razem z niedostatecznie wysuszonym powietrzem. Dochodzi wtedy do reakcji wody z kriolitem, co jest niepożądane z uwagi na uwalnianie się toksycznego dla środowiska fluorowodoru oraz powstawanie fluorku sodu, którego zwiększona ilość znacząco wpływa na temperaturę topnienia elektrolitu. Trzecim produktem opisanej reakcji kriolitu z wodą jest tlenek glinu.

Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.

Napisz równanie reakcji chemicznej kriolitu z zawartą w tlenku glinu wilgocią.

Sumaryczna stała trwałości kompleksu charakteryzuje sumaryczną reakcję przyłączania ligandów do wolnego kationu metalu. Na przykład sumaryczna stała trwałości (β₆) jonu kompleksowego [Fe(CN)₆]^3– w temperaturze 25 ^oC ma wartość 10³¹, a opisujące ją wyrażenie przyjmuje postać:

Różnice w wartościach kolejnych stałych trwałości w wieloetapowym procesie tworzenia docelowego jonu kompleksowego są stosunkowo niewielkie, dlatego w obliczeniach często zaniedbuje się tworzenie pośrednich jonów kompleksowych. Zakłada się wtedy, że stężenie jonu Fe³⁺ w wodnym roztworze heksacyjanożelazianu(III) potasu ma wartość sześciokrotnie mniejszą od stężenia jonów cyjankowych (CN^–).

Na podstawie: Z. Galus (red.), Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, Warszawa 2013.

Przygotowano wodny roztwór soli – heksacyjanożelazianu(III) potasu o stężeniu 0,02 mol·dm^–3.  W roztworze tym dysocjacja trwałego jonu [Fe(CN)₆]^3– zachodzi w tak niewielkim stopniu, że przyjmuje się wówczas stężenie molowe jonu kompleksowego równe stężeniu soli.

Zapisz w formie jonowej skróconej sumaryczne równanie procesu tworzenia jonu [Fe(CN)₆]^3–.

Sumaryczna stała trwałości kompleksu charakteryzuje sumaryczną reakcję przyłączania ligandów do wolnego kationu metalu. Na przykład sumaryczna stała trwałości (β₆) jonu kompleksowego [Fe(CN)₆]^3– w temperaturze 25 ^oC ma wartość 10³¹, a opisujące ją wyrażenie przyjmuje postać:

Różnice w wartościach kolejnych stałych trwałości w wieloetapowym procesie tworzenia docelowego jonu kompleksowego są stosunkowo niewielkie, dlatego w obliczeniach często zaniedbuje się tworzenie pośrednich jonów kompleksowych. Zakłada się wtedy, że stężenie jonu Fe³⁺ w wodnym roztworze heksacyjanożelazianu(III) potasu ma wartość sześciokrotnie mniejszą od stężenia jonów cyjankowych (CN^–).

Na podstawie: Z. Galus (red.), Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, Warszawa 2013.

Przygotowano wodny roztwór soli – heksacyjanożelazianu(III) potasu o stężeniu 0,02 mol·dm^–3.  W roztworze tym dysocjacja trwałego jonu [Fe(CN)₆]^3– zachodzi w tak niewielkim stopniu, że przyjmuje się wówczas stężenie molowe jonu kompleksowego równe stężeniu soli.

Oblicz stężenie jonów Fe³⁺ w wodnym roztworze heksacyjanożelazianu(III) potasu o podanym stężeniu. Wynik podaj w µmol·dm^–3 z dokładnością do dwóch cyfr znaczących.

Faza wodna zawiesiny węglanu wapnia stanowi jego roztwór nasycony, a równowagę, jaka ustala się między tym roztworem oraz nierozpuszczoną częścią węglanu wapnia przedstawia równanie:

Równowagę tę opisuje wielkość zwana iloczynem rozpuszczalności (K_so), który przedstawić można wyrażeniem w postaci:

W temperaturze 25 ^oC przygotowano wodną zawiesinę węglanu wapnia. Do opisanej zawiesiny wprowadzono kilka kropli alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. Faza wodna przyjęła wówczas różowe zabarwienie.

Napisz w formie jonowej skróconej równanie chemiczne pierwszego etapu tego procesu, którego przebieg przyczynił się do pojawienia różowego zabarwienia.

Faza wodna zawiesiny węglanu wapnia stanowi jego roztwór nasycony, a równowagę, jaka ustala się między tym roztworem oraz nierozpuszczoną częścią węglanu wapnia przedstawia równanie:

Równowagę tę opisuje wielkość zwana iloczynem rozpuszczalności (K_so), który przedstawić można wyrażeniem w postaci:

W temperaturze 25 ^oC przygotowano wodną zawiesinę węglanu wapnia. Po pewnym czasie, gdy osad opadł na dno naczynia pobrano próbkę znajdującego się nad nim roztworu o objętości 2 cm³ i umieszczono w probówce.

Na podstawie niezbędnych obliczeń udowodnij, że wprowadzenie do opisanej mieszaniny 5 cm³ roztworu bromku wapnia, w którym stężenie jonów bromkowych wynosi 0,002 mol∙dm^–3 spowoduje strącenie się osadu węglanu wapnia.

Poniższy wykres ilustruje zmiany rozpuszczalności (g/100 g wody) hydratu o wzorze MgCl₂∙6H₂O w zależności od temperatury.

Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.

W temperaturze 54 ^oC, w zlewce przygotowano 250 g nasyconego roztworu chlorku magnezu. Uzyskaną mieszaninę ochłodzono do temperatury 17 ^oC, co poskutkowało krystalizacją hydratu, który opadł na dno naczynia.

Podkreśl wyrażenia w nawiasach tak, aby powstały zdania prawdziwe.

Jednym ze źródeł energii elektrycznej jest tzw. ogniwo stężeniowe bez przenoszenia, którego schemat można przedstawić w sposób następujący:

A (–) M_(s)|M^x+_(aq) II M^x+_(aq)|M_(s) (+) K

Jedno z budujących je półogniw stanowi wówczas metal (M) zanurzony w wodnym roztworze zawierającym kationy tego metalu (M^x+). Drugie półogniwo złożone jest z takiej samej elektrody, zanurzonej w roztworze tej samej substancji chemicznej co pierwsze półogniwo, ale o innym stężeniu jonów M^X+. Potencjał redoks półogniwa w opisanym ogniwie stężeniowym w temperaturze 298 K opisuje równanie Nernsta:

W wyrażeniu tym wielkość C jest stężeniem molowym kationu M^x+.

Zbudowano ogniwo stężeniowe z dwóch półogniw Cu|Cu²⁺. W jednym z nich stężenie jonów Cu²⁺ wynosiło 1 mol∙dm^–3, w drugim natomiast było takie samo jak stężenie jonów wodorowych w roztworze kwasu solnego o pH = 2.

Oceń poprawność poniższych zdań dotyczących opisanego ogniwa stężeniowego. Wpisz literę „P” (prawda) lub literę „F” (fałsz).

Atom węgla w cząsteczce alkenu oraz cykloalkenu połączony bezpośrednio z atomem węgla o hybrydyzacji sp² orbitali walencyjnych nazywa się atomem węgla allilowym. Połączony z nim atom wodoru może zostać stosunkowo łatwo podstawiony bromem w obecności światła w wyniku reakcji z N-bromoimidem kwasu bursztynowego (NBS) według schematu:

Przebieg podstawienia atomu wodoru według opisanego schematu związany jest z wyrażoną w kJ∙mol^–1 stosunkowo niewielką energią dysocjacji wiązania allilowego atomu węgla z atomem wodoru. Jest to energia, jaką trzeba dostarczyć, aby przekształcić 1 mol alkenu (lub cykloalkenu) w 1 mol atomów wodoru i 1 mol odpowiedniego rodnika organicznego. Produkty bromowania allilowego są szczególnie użyteczne do przekształcania w dieny sprzężone w reakcji dehydrohalogenowania – reakcji przebiegającej analogicznie jak proces przekształcania chloropochodnej alkanu lub cykloalkanu odpowiednio w alken lub cykloalken.

Na podstawie: J. McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2012.

Rysunek poniżej ilustruje schemat budowy cząsteczki cykloheksenu z zaznaczonymi wybranymi atomami wodoru, które oznaczono (umownie) literami a, b oraz c.

Spośród podanych wartości energii wiązań węgiel – wodór podkreśl tę, która odpowiada dysocjacji wiązania utworzonego między atomem wodoru b a allilowym atomem węgla w cząsteczce cykloheksenu.

Atom węgla w cząsteczce alkenu oraz cykloalkenu połączony bezpośrednio z atomem węgla o hybrydyzacji sp² orbitali walencyjnych nazywa się atomem węgla allilowym. Połączony z nim atom wodoru może zostać stosunkowo łatwo podstawiony bromem w obecności światła w wyniku reakcji z N-bromoimidem kwasu bursztynowego (NBS) według schematu:

Przebieg podstawienia atomu wodoru według opisanego schematu związany jest z wyrażoną w kJ∙mol^–1 stosunkowo niewielką energią dysocjacji wiązania allilowego atomu węgla z atomem wodoru. Jest to energia, jaką trzeba dostarczyć, aby przekształcić 1 mol alkenu (lub cykloalkenu) w 1 mol atomów wodoru i 1 mol odpowiedniego rodnika organicznego. Produkty bromowania allilowego są szczególnie użyteczne do przekształcania w dieny sprzężone w reakcji dehydrohalogenowania – reakcji przebiegającej analogicznie jak proces przekształcania chloropochodnej alkanu lub cykloalkanu odpowiednio w alken lub cykloalken.

Na podstawie: J. McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2012.

Poniższy schemat ilustruje ciąg przemian (1.–4.) prowadzących do powstania sprzężonego dienu:

Przemiany 1. oraz 3. prowadzono w obecności światła, natomiast reakcje 2. oraz 4. to procesy dehydrohalogenowania biegnące w środowisku alkoholowym.

Określ typ (substytucja, addycja, eliminacja) oraz mechanizm (elektrofilowy, nukleofilowy, rodnikowy) zgodnie z którym przebiega reakcja 1.