DWMED

O atomie pierwiastka X wiadomo, że:

– 20 spośród wszystkich elektronów w atomie opisanych jest liczbą kwantową 𝑙 = 2,

– elektrony walencyjne atomu X w stanie podstawowym opisane są dwiema różnymi wartościami pobocznej liczby kwantowej (𝑙 = 0 i 𝑙 = 1), przy czym liczba elektronów walencyjnych opisanych poboczną liczbą kwantową 𝑙 = 1 jest większa, niż liczba elektronów walencyjnych opisanych poboczną liczbą kwantową 𝑙 = 0,

– tylko jeden z elektronów walencyjnych jest niesparowany.

Pierwiastek X reaguje z chlorem, w wyniku czego powstaje związek, w którym procentowa masowa zawartość chloru wynosi 45,6 %.

Wykonaj odpowiednie obliczenia i wskaż model, który przedstawia budowę przestrzenną cząsteczki związku pierwiastka X z chlorem.

Rentgenografia strukturalna jest jedyną techniką badawczą, która pozwala, z niemal absolutną pewnością, określać struktury przestrzenne związków chemicznych (np. dokładną strukturę skomplikowanych cząsteczek związków organicznych). Ta technika polega na naświetlaniu kryształu badanego związku promieniami rentgenowskimi. Uzyskany obraz, nazywany obrazem dyfrakcyjnym, poddaje się zaawansowanej obróbce matematycznej, dzięki czemu można wygenerować mapę rozkładu gęstości chmury elektronowej w cząsteczce, która mówi o wzajemnym ułożeniu w przestrzeni atomów tworzących cząsteczkę. Do uzyskanego obrazu można następnie dopasować najbardziej prawdopodobny model cząsteczki.

Na podstawie: J.M. Robertson, I. Woodward, J. Chem. Soc. 1937, 219–230.

Poniżej przedstawiono mapę gęstości elektronowej uzyskaną metodą rentgenografii strukturalnej dla pewnej halogenopochodnej fenolu (hydroksobenzenu) zawierającej masowo 15,3 % węgla.

Wykonaj odpowiednie obliczenia i narysuj wzór strukturalny cząsteczki badanego związku oraz podaj jego nazwę systematyczną.

W trakcie mieszania dwóch cieczy sumaryczna masa roztworu jest równa sumie mas mieszanych składników, jednak końcowa objętość mieszaniny jest najczęściej różna od sumy objętości mieszanych składników. Zjawisko zmniejszenia lub zwiększenia objętości cieczy podczas mieszania nazywamy odpowiednio kontrakcją lub dylatacją objętości. W tabeli poniżej przedstawiono wartości gęstości wodnego roztworu kwasu siarkowego(VI) w zależności od jego stężenia w temperaturze 20 °C.

Na podstawie: https://pl.wikibooks.org.

Gęstość wody w temperaturze 20 °C wynosi 0,998 g∙cm^–3

Wykonaj odpowiednie obliczenia i na ich podstawie uzupełnij poniższy tekst.

Wpływ temperatury na szybkość reakcji tłumaczy się wykładniczym wzrostem wartości stałej szybkości reakcji 𝑘. Tę zależność opisuje równanie Arrheniusa:

gdzie 𝐸a oznacza energię aktywacji, 𝑅 – uniwersalną stałą gazową, a 𝑇 – temperaturę bezwzględną wyrażoną w kelwinach. Czynnik:

informuje o tym, jaka część zderzających się molekuł ma energię większą lub równą energii aktywacji, natomiast czynnik 𝐴, nazywany czynnikiem przedwykładniczym, określa częstotliwości zderzeń efektywnych. Wartość czynnika 𝐴 jest w praktyce niezależna od temperatury. Równanie Arrheniusa może być przekształcone do postaci logarytmicznej:

będącej równaniem liniowym (𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏), opisującym zależność logarytmu naturalnego ze stałej szybkości reakcji ln(𝑘) od odwrotności temperatury (1/𝑇). Wartość

jest współczynnikiem kierunkowym tej prostej.

Badano przebieg reakcji chemicznej, zachodzącej między wodorem i chlorkiem bromu, przebiegającej według następującego równania reakcji:

H_2(g) + 2BrCl_(g) → Br_2(g) + 2HCl_(g)

Po ustaleniu mechanizmu opisanej reakcji określono jej równanie kinetyczne jako:

Tę reakcję przeprowadzano w różnych temperaturach należących do przedziału od 310 K do 380 K i za każdym razem wyznaczono wartość jej stałej szybkości. Otrzymane dane zestawiono w tabeli.

UWAGA: logarytm (ln) o podstawie równej liczbie Eulera, wynoszącej e ≈ 2,7183, podlega takim samym regułom działań jak pozostałe logarytmy o innych podstawach należących do zbioru liczb rzeczywistych.

Uzupełnij tabelę brakującymi wartościami ln(𝒌) (z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku) oraz narysuj wykres zależności logarytmu naturalnego ze stałej szybkości reakcji pomiędzy wodorem a chlorkiem bromu ln(𝒌) od odwrotności temperatury (1/T). Następnie oblicz wartość energii aktywacji tej reakcji.

W zamkniętym reaktorze w stałej objętości (V = 1,00 dm³ ) znajduje się początkowa ilość gazowego substratu A równa 𝑛^o_A = 1,100 mol. Układ ogrzano do temperatury 550 °C, co zapoczątkowało reakcję rozkładu substratu A do gazowego produktu B. Układ termostatowano przez pewien czas, do ustalenia się równowagi dynamicznej pomiędzy reagentami A i B.

Na wykresie przedstawiono wyniki pomiaru stężeń reagentów A i B w trakcie trwania reakcji do momentu ustalenia się stanu równowagi dynamicznej w podanej temperaturze. Po trzydziestu minutach od momentu osiągnięcia stanu równowagi do reaktora wprowadzono dodatkowo 0,800 mol reagenta A.

Uzupełnij wykres tak, aby przedstawiał zmiany stężeń reagentów A i B w czasie trwania reakcji, od momentu wprowadzenia do układu dodatkowej ilości reagenta A (𝒕 = 𝟑𝟎 𝐦𝐢𝐧) do momentu zakończenia eksperymentu (𝒕 = 𝟔𝟎 𝐦𝐢𝐧).

Cząsteczki kwasu etanowego mogą łączyć się wiązaniami wodorowymi i tworzyć dimer:

Ten dimer występuje w stanie gazowym oraz w roztworach kwasu etanowego w rozpuszczalnikach nietworzących z nim wiązań wodorowych. Roztwór 60,0 g kwasu octowego (1,00 mol) w 100,0 g benzenu wykazuje temperaturę wrzenia wyższą o 20,1 °C względem wrzenia czystego benzenu. Podwyższenie temperatury wrzenia rozpuszczalnika jest proporcjonalne do łącznej liczby drobin substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku. Tę zależność opisuje poniższy wzór:

gdzie ∆𝑡 to różnica temperatury wrzenia roztworu i czystego rozpuszczalnika (wyrażona w °C), 𝑛 – sumaryczna liczba drobin w roztworze (wyrażona w molach), 𝑚_r – masa rozpuszczalnika (wyrażona w kilogramach), a 𝐾_b – stała ebulioskopowa, której wartość dla benzenu wynosi 2,51 °C∙kg∙mol^–1 .

Oblicz stężeniową stałą równowagi reakcji:

W roztworze zawierającym jony Cu²⁺ oraz jony Cl^– ustala się równowaga przedstawiona poniższym równaniem:

Cu²⁺_(aq) + 4Cl^–_(aq) ⇄ CuCl₄^2–_(aq)      Δ𝐻>0

Przygotowano roztwór zawierający jony Cl^–_(aq), Cu²⁺_(aq) i CuCl₄^2–_(aq), przy czym stężenia dwóch ostatnich były sobie równe. Temperatura roztworu wynosiła 25 °C. Następnie roztwór ogrzano do temperatury 80 °C. Na zdjęciach poniżej przedstawiono wygląd roztworu w temperaturze 25 °C i w temperaturze 80 °C.

Uzupełnij poniższą Tabelę 1. Następnie w Tabeli 2. wpisz numer zdjęcia przedstawiającego wygląd probówki z roztworem jonów Cu²⁺ i CuCl₄^2–  o temperaturze 25 °C po dodaniu kilku cm³ cieczy wymienionych w tej tabeli.

Cynk jest metalem, który ulega reakcji zarówno z kwasami słabo utleniającymi, jak i silnie utleniającymi. W reakcjach z roztworami kwasu azotowego(V) cynk się utlenia, w wyniku czego tworzą się sole, w których występuje on na II stopniu utlenienia, natomiast – formalnie – atomy azotu z kwasu azotowego obniżają swój stopień utlenienia zależnie od stężenia użytego kwasu. Zależność stopnia utlenienia atomu azotu w dominującym produkcie gazowym reakcji cynku z kwasem azotowym(V) oraz dodatkowe informacje dotyczące
powstającego produktu przedstawiono w poniższej tabeli.

Na podstawie: S. Hussaini, S. Kursunoglu, S. Top, Z. Ichlas, M. Kaya, Testing of 17-different leaching agents for the recovery of zinc from a carbonate-type Pb-Zn ore flotation tailing, 2021.

Przeprowadzono następujące doświadczenie: do kolby miarowej o pojemności 500,00 cm³ wprowadzono 175,00 cm³ kwasu azotowego(V) o stężeniu 11,90 mol∙dm^–3, a następnie kolbę dopełniono wodą destylowaną do kreski, w wyniku czego otrzymano roztwór o gęstości 1,05 g∙cm^–3. Następnie do zlewki wprowadzono 400,00 cm³ otrzymanego roztworu i wrzucono ostrożnie granulki cynku.

Napisz w formie jonowej, z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy), równania reakcji redukcji i utleniania zachodzących podczas opisanego procesu roztwarzania cynku w przygotowanym roztworze kwasu azotowego(V) oraz sumaryczne równanie tej reakcji (w formie cząsteczkowej) prowadzącej do otrzymania produktu dominującego.

Cer może tworzyć związki chemiczne wyłącznie na +III (bezbarwne sole) albo na +IV stopniu utlenienia (związki czerwono-pomarańczowe). Roztwory soli ceru(IV) można stosować do miareczkowania wszystkich substancji organicznych i nieorganicznych o właściwościach redukujących. Roztwory zawierające kation Ce⁴⁺ otrzymuje się poprzez rozpuszczenie w wodzie lub rozcieńczonym kwasie siarkowym(VI) dwuwodnego siarczanu(VI) amonu ceru(IV) (NH₄) ₄Ce(SO₄) ₄ ∙ 2H₂O, który dysocjuje całkowicie na jony amonowe, ceru(IV) i siarczanowe(VI). Substancją zalecaną do ustalenia dokładnej wartości stężenia molowego kationów Ce⁴⁺ (nastawienia miana roztworu) jest tlenek arsenu(III) As₂O₃. Reakcja pomiędzy jonami ceru(IV) a tlenkiem arsenu(III) prowadzi do powstania kwasu arsenowego(V) H₃AsO₄ i odbarwienia roztworu.

W celu ustalenia stężenia molowego pewnej substancji organicznej przygotowano roztwór mianowany jonów ceru Ce⁴⁺ poprzez rozpuszczenie 𝑚𝑥 gramów dwuwodnego siarczanu(VI) amonu ceru(IV) w wodzie destylowanej i dopełnienie roztworu wodą do całkowitej objętości równej 1,000 dm³ . Podczas nastawiania miana roztworu jonów ceru Ce⁴⁺, 200,0 cm³ tego roztworu przereagowało dokładnie z 1,790 g tlenku arsenu(III).

Oblicz, ile gramów dwuwodnego siarczanu(VI) amonu ceru(IV) zużyto do przygotowania roztworu mianowanego kationów ceru(IV).

Większość soli potasu jest dobrze lub bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie. Jedną z nielicznych soli potasu słabo rozpuszczalnych w wodzie jest chloran(VII) potasu. Iloczyn rozpuszczalności tej soli, w temperaturze 20 °C, wynosi 𝐾_S(KClO₄) = 1,05 · 10^–2. Z tego powodu aniony chloranowe(VII) są odczynnikiem stosowanym w jakościowej analizie chemicznej do wykrywania obecności kationów potasu. Pojawienie się białego osadu, po dodaniu do badanego roztworu kilku cm³ nasyconego roztworu chloranu(VII) sodu, świadczy o obecności kationów potasu w tym roztworze:

K⁺ + ClO₄^– ⟶ KClO₄ ↓

Rozpuszczalności chloranu(VII) sodu w wodzie, w temperaturze 20 °C, wynosi R_NaClO4 = 205 g/100 g wody, a gęstość nasyconego roztworu tej soli w temperaturze 20 °C wynosi 𝑑r.nas. NaClO₄ = 1,58 g∙cm^–3.

Na podstawie: CRC Handbook of Chemistry and Physics 90 th Edition, CRC Press 2009.

Rozstrzygnij, czy dodanie 2,00 cm³ nasyconego (w temperaturze 20 °C) roztworu chloranu(VII) sodu do 15,00 cm³ roztworu chlorku potasu o stężeniu molowym równym 0,020 mol ∙ dm^–3 spowoduje, że wytrąci się osad chloranu(VII) potasu. Załóż, że objętość otrzymanej mieszaniny jest sumą objętości roztworów przed zmieszaniem. Odpowiedź uzasadnij odpowiednimi obliczeniami.

Wskaźniki kwasowo-zasadowe są słabymi kwasami lub słabymi zasadami. Przykładowy wskaźnik o wzorze ogólnym HIn ulega dysocjacji kwasowej i w roztworze wodnym ustala się równowaga:

HIn_(aq) + H₂O ⇄ H₃O⁺_(aq) + In^–_(aq)

Obie formy wskaźnika stanowiące sprzężoną parę kwas–zasada Brønsteda: kwasowa – HIn_(aq) i zasadowa – In^–_(aq), nadają roztworom wskaźnika dwie wyraźnie różne barwy. Załóżmy, że forma cząsteczkowa HIn_(aq) zabarwia roztwór wodny wskaźnika na kolor różowy, a forma jonowa In^–_(aq) – na kolor błękitny. Jeśli do roztworu wskaźnika HIn wprowadzimy kwas lub zasadę, to położenie stanu równowagi – zgodnie z regułą przekory Le Chateliera–Brauna – ulegnie zmianie, co poskutkuje zmianą barwy mieszaniny. W roztworze kwasowym obserwujemy kolor różowy wywołany obecnością drobin HIn, a w roztworze zasadowym – wskutek obecności jonów In^– – kolor błękitny. Jeżeli stężenia obu form są porównywalne, wskaźnik przyjmuje kolor pośredni.

Wyrażenie na stałą dysocjacji jonowej wskaźnika jako słabego kwasu ma postać:

Gdy stężenia form In^–_(aq) i HIn_(aq) będą równe, to:

Obliczenie ujemnego logarytmu dziesiętnego z obu stron równania prowadzi do wyrażenia:

pK_in = pH

Wartość pK_in ± 1 umownie przyjmuje się jako zakres działania wskaźnika kwasowo- -zasadowego. Jeżeli do kolby zawierającej analit (roztwór kwasu o nieznanym stężeniu) dodajemy kroplami, z biurety, roztwór titranta (roztwór o odczynie zasadowym, którego stężenie ma znaną wartość), to mówimy o miareczkowaniu kwasowo-zasadowym. Pomiar pH roztworu analitu w funkcji objętości dodawanego titranta pozwala sporządzić krzywą miareczkowania. Na krzywej wyróżnia się fragment niemalże prostopadły do osi zmiennej niezależnej, który pozwala na odczytanie tzw. punktu równoważnikowego, czyli wartości pH, dla której do roztworu wprowadzono tę samą liczbę moli zarówno kwasu, jak i zasady. W przypadku wskaźnika poprawnie dobranego do takiego miareczkowania oczekuje się, że w zakresie działania tego wskaźnika mieści się punkt równoważnikowy.

Do kolby zawierającej 25,00 cm³ kwasu solnego o stężeniu 0,010 mol∙dm^–3 wprowadzano kroplami, z biurety napełnionej do objętości 50,0 cm³, wodny roztwór amoniaku o stężeniu 0,020 mol∙dm^–3. Przygotowano zestaw wskaźników kwasowo-zasadowych wraz z dotyczącymi ich dodatkowymi informacjami zestawionymi w tabeli:

Podaj nazwę wskaźnika, który powinien zostać użyty do wyznaczenia punktu końcowego podczas opisanego miareczkowania kwasowo-zasadowego. Załóż, że końcowa objętość roztworu (w punkcie końcowym miareczkowania) jest równa sumie objętości analitu i titranta.

Zalkalizowana zawiesina świeżo wytrąconego wodorotlenku miedzi(II) jest ważnym odczynnikiem stosowanym w organicznej analizie chemicznej. Wodorotlenek miedzi(II) reaguje z rozmaitymi związkami organicznymi, w wyniku czego daje różne objawy reakcji.
Te efekty mogą być różne w zależności od tego, czy reakcję przeprowadzono w temperaturze pokojowej, czy – po podgrzaniu. Poniżej przedstawiono zdjęcia zawartości probówek po reakcji wodorotlenku miedzi(II), zalkalizowanego roztworem wodorotlenku
sodu, ze związkami należącymi do różnych grup związków organicznych, zarówno w temperaturze pokojowej, jak i po podgrzaniu.

O cząsteczce pewnego związku organicznego X wiadomo, że:

– jest chiralna,

– ma budowę łańcuchową,

– jej masa cząsteczkowa nie przekracza 100 u,

– atomy węgla stanowią 40,0 % masy tej cząsteczki,

– atomy tlenu stanowią 53,3 % masy tej cząsteczki,

– orbitalom walencyjnym tylko jednego atomu węgla można przypisać hybrydyzację typu sp²,

– każdy atom węgla jest połączony z jednym atomem tlenu.

Wodny roztwór związku X poddano próbie ze świeżo strąconą, zalkalizowaną wodorotlenkiem sodu, zawiesiną wodorotlenku miedzi(II). Doświadczenia przeprowadzono w temperaturze pokojowej (𝑡 = 25 °C) oraz w podwyższonej temperaturze (𝑡 = 90 °C).

Wskaż, jakie będą objawy opisanych doświadczeń – wybierz odpowiedni numer zdjęcia (spośród przedstawionych powyżej). Zapisz równania reakcji przebiegających podczas obu doświadczeń lub zaznacz, że żadna reakcja wtedy nie zachodzi. Uzupełnij poniższą tabelę. Zastosuj wzory półstrukturalne (grupowe) lub uproszczone (szkieletowe) związków organicznych, nie uwzględniaj stereoizomerii.