Tentamen Algemene en Anorganische Chemie - Chemisch Dispuut ...
Tentamen Algemene en Anorganische Chemie - Chemisch Dispuut ...
Tentamen Algemene en Anorganische Chemie - Chemisch Dispuut ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>T<strong>en</strong>tam<strong>en</strong></strong> <strong>Algem<strong>en</strong>e</strong> <strong>en</strong> <strong>Anorganische</strong><br />
<strong>Chemie</strong><br />
19 januari 2007<br />
Naam:……………………………………………………<br />
Stud<strong>en</strong>tnummer Universiteit Leid<strong>en</strong>: ……………………<br />
Dit is de <strong>en</strong>ige originele versie van jouw t<strong>en</strong>tam<strong>en</strong>. Het bevat<br />
dit voorblad, één pagina met e<strong>en</strong> ‘spiekbriefje’ <strong>en</strong> vervolg<strong>en</strong>s<br />
de opgav<strong>en</strong>.<br />
Gebruik eerst kladpapier om je antwoord uit te werk<strong>en</strong>. Neem<br />
daarna de berek<strong>en</strong>ing <strong>en</strong> het antwoord over op dit origineel.<br />
Lever slechts dit origineel in.<br />
Resultat<strong>en</strong>:<br />
Totaal:<br />
Opgave 1 Opgave 2 Opgave 3 Opgave 4<br />
Perc<strong>en</strong>tage:<br />
/20 /20 /20 /20<br />
/80<br />
%<br />
SUCCES!
• Vul het voorblad in<br />
• Leg Uw id<strong>en</strong>titeitsbewijs klaar op Uw tafel.<br />
• Op ieder ingeleverd vel DUIDELIJK uw naam <strong>en</strong> studi<strong>en</strong>ummer rechts bov<strong>en</strong> vermeld<strong>en</strong>.<br />
• Antwoord<strong>en</strong> op iedere vraag (vier totaal) op de daarvoor bestemde vell<strong>en</strong> invull<strong>en</strong>.<br />
• Ook vell<strong>en</strong> met niet beantwoorde vrag<strong>en</strong> inlever<strong>en</strong>! “Zoekgeraakte” vell<strong>en</strong> word<strong>en</strong> met e<strong>en</strong> nul<br />
gehonoreerd!<br />
• Hieronder wordt ev<strong>en</strong>tueel relevante informatie gegev<strong>en</strong> voor de beantwoording van de vrag<strong>en</strong>.<br />
• Succes!<br />
Gegev<strong>en</strong>s:<br />
Elem<strong>en</strong>t Atoom- atoommassa<br />
nummer g/mol<br />
H 1 1,00794<br />
Li 3 6,941<br />
C 6 12,0107<br />
N 7 14,0067<br />
O 8 15,9994<br />
Na 11 22,98977<br />
Co 27 58,9332<br />
Elem<strong>en</strong>taire lading: e = 1,602176462 × 10 -19 C<br />
Atomaire massa-e<strong>en</strong>heid: 1 amu = 1,66053873 × 10 -24 g<br />
Getal van Avogadro: N = 6,02214199 × 10 23 mol -1<br />
Gasconstante: R = 8,314 J/mol-K R = 0,082058205 L-atm/mol-K<br />
Constante van Boltzmann: k = 1,3806503 × 10 -23 J/K<br />
Constante van Faraday: F = 9,64853415 × 10 4 C/mol<br />
Lichtsnelheid: c = 2,99792458 × 10 8 m/s<br />
Constante van Planck: h = 6,62606876 × 10 -34 4 3<br />
Inhoud bol = π<br />
J-s<br />
3 r<br />
Kritische straalverhouding voor e<strong>en</strong> 3-, 4-, 6- , 8-omringing = resp. 0,155; 0,255; 0,414; 0,732<br />
Formule van Allred <strong>en</strong> Rochow: χ = 0,359 Z * /r 2 + 0,744 (met r in Angström, Å)<br />
Spectrochemische reeks: CN - > NO2 > <strong>en</strong> > NH3 > H2O > OH - > F - > Cl - > Br - > I -<br />
Sterk ← | → Zwak<br />
1
Opgave 1 (16 punt<strong>en</strong> totaal)<br />
Het blijkt dat smog veelal bestaat uit stikstofoxides (NOx), waarvan NO e<strong>en</strong> belangrijk bestanddeel is.<br />
De aanwezigheid van NO in de lucht is mede verantwoordelijk de vorming van ozon (O3) in de laagste<br />
luchtlag<strong>en</strong>. De vorming van NO, zo wordt verondersteld, komt van verbrandingsmotor<strong>en</strong> in auto’s<br />
maar ook uit elektriciteitsc<strong>en</strong>trales. De reactie die daaraan t<strong>en</strong> grondslag ligt is:<br />
N2 (g) + O2 (g) 2NO (g) reactie (1)<br />
Thermodynamische gegev<strong>en</strong>s<br />
T=298K ∆H o (kJ/mol) S o (J/molK)<br />
Ν 472,7 153,3<br />
Ο 247,5 161,0<br />
N2 0 191,5<br />
O2 0 205,0<br />
ΝΟ 90,37 210,6<br />
a) (1+1 punt<strong>en</strong>) Wat zegt de regel van Hund <strong>en</strong> wat houdt het Pauliprincipe in?<br />
Regel van Hund :<br />
Pauliprincipe:<br />
b) (½+½ punt) Geef de elektron<strong>en</strong>configuraties van het stikstofatoom <strong>en</strong> het zuurstofatoom.<br />
N:<br />
O:<br />
c) (5 punt<strong>en</strong>) Tek<strong>en</strong> de <strong>en</strong>ergiediagramm<strong>en</strong> van de molecuulorbital<strong>en</strong> van N2, O2 <strong>en</strong> NO<br />
sam<strong>en</strong>gesteld uit de atoomorbital<strong>en</strong>, waarbij de z-orbital<strong>en</strong> de σ-binding vorm<strong>en</strong> (Geef alle<br />
nodige indices!).<br />
N2 O2 NO<br />
2
d) (½+½+½ punt<strong>en</strong>) Berek<strong>en</strong> de bond order van de N2, O2 <strong>en</strong> NO.<br />
BO(N2) =<br />
BO(O2) =<br />
BO(NO) =<br />
e) (½+½+½ punt<strong>en</strong>) Welke van stoff<strong>en</strong> N2, O2 <strong>en</strong> NO zijn paramagnetisch <strong>en</strong> welke zijn<br />
diamagnetisch? Verklaar uw antwoord.<br />
N2<br />
O2<br />
NO<br />
Paramagnetisch/<br />
diamagnetisch<br />
Verklaring<br />
f) (4 punt<strong>en</strong>) Berek<strong>en</strong> ∆Hr o , ∆Sr o , ∆Gr o <strong>en</strong> de ev<strong>en</strong>wichtsconstante Keq voor reactie (1) bij 298 ºC.<br />
Is de reactie(1) spontaan of niet? Verklaar uw antwoord.<br />
g) (1 punt) De ev<strong>en</strong>wichtsconstante bij 2400 ºC is Keq = 0,05. Berek<strong>en</strong> hiermee ∆Gr o bij 2400 ºC.<br />
3
Opgave 2 (20 punt<strong>en</strong> totaal)<br />
De bimoleculaire gasfase-reactie C2H4 (g) + H2 (g) → C2H6 (g) verloopt in één elem<strong>en</strong>taire reactiestap<br />
met als reactiesnelheidsconstante k. De reactiesnelheid verdubbelt wanneer de conc<strong>en</strong>tratie van ethe<strong>en</strong><br />
verdubbelt. De reactiesnelheid verdubbelt ook wanneer de contractie van waterstof verdubbelt. De<br />
reactie is erg traag vanwege e<strong>en</strong> hoge activeringsbarrière <strong>en</strong> e<strong>en</strong> relatief erg lage pre-expon<strong>en</strong>tiële<br />
factor.<br />
a) (1 punt) Is deze reactie e<strong>en</strong> eerste of tweede orde reactie?<br />
b) (2 punt<strong>en</strong>) Geef de reactiesnelheidsvergelijking voor de vorming van C2H6 als functie van de<br />
conc<strong>en</strong>traties van de reactant<strong>en</strong>.<br />
c) (3 + 2 punt<strong>en</strong>) De reactiesnelheidsconstante k voor deze reactie is gemet<strong>en</strong> als functie van de<br />
temperatuur. De gegev<strong>en</strong>s staan in de tabel hieronder. Maak de juiste grafiek op de volg<strong>en</strong>de<br />
bladzijde <strong>en</strong> bepaal de waard<strong>en</strong> van de pre-expon<strong>en</strong>tiële factor, A, <strong>en</strong> de activerings<strong>en</strong>ergie, Ea,<br />
uit de Arrh<strong>en</strong>ius-vergelijking: ln k = -Ea/ R×T + ln A<br />
T (K) k (L mol -1 s -1 )<br />
500 1,94 × 10 -13<br />
1000 4,91 × 10 -4<br />
2000 24,7<br />
d) (3 punt<strong>en</strong>) Hoeveel mol C2H6 wordt er aan het begin per seconde gevormd wanneer 5× 10 3 mol<br />
H2 <strong>en</strong> 5 × 10 3 mol C2H4 in e<strong>en</strong> vat van 1000 L word<strong>en</strong> gepompt bij 1000 K?<br />
e) (3 punt<strong>en</strong>) Zal de reactiesnelheid na e<strong>en</strong> uur veel lager zijn geword<strong>en</strong>? Licht je antwoord kort<br />
toe.<br />
f) (3 punt<strong>en</strong>) Wat is volg<strong>en</strong>s de ideale gaswet de partiële druk van H2 in het vat voordat de reactie<br />
begint?<br />
g) (3 punt<strong>en</strong>) Is de daadwerkelijke partiële druk van H2 hoger of lager dan deze waarde? Licht je<br />
antwoord toe met behulp van de vanderWaals-vergelijking, (P + n 2 a/V 2 ) × (V-nb) = nRT.<br />
Gebruik de waard<strong>en</strong> a=0,244 L 2 atm/mol 2 <strong>en</strong> b=0,0266 L/mol.<br />
4
10<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
ln k<br />
0,000<br />
0,001 0,002<br />
1/T (K -1 )<br />
5
Opgave 3 (20 punt<strong>en</strong> totaal)<br />
De structuur van prope<strong>en</strong>zuur, ook wel acrylzuur g<strong>en</strong>oemd, kan word<strong>en</strong> aangeduid met<br />
CH2CHCOOH. Prope<strong>en</strong>zuur heeft e<strong>en</strong> molaire massa van 72,06 g/mol, is volledig oplosbaar in water<br />
<strong>en</strong> heeft e<strong>en</strong> Ka van 5,50 × 10 -5 bij 25ºC.<br />
a) (1 punt) Tek<strong>en</strong> hiernaast de Lewis-structuur van acrylzuur.<br />
b) (2 punt<strong>en</strong>) Geef hierbov<strong>en</strong> in jouw Lewis-structuur voor alle koolstof- <strong>en</strong> zuurstofatom<strong>en</strong> de<br />
hybridisatie aan.<br />
c) (2 punt<strong>en</strong>) Wat zijn de elektrondomein- <strong>en</strong> moleculaire geometrieën rond het c<strong>en</strong>trale<br />
koolstofatoom?<br />
d) (4 punt<strong>en</strong>) Maak e<strong>en</strong> 3-dim<strong>en</strong>sionale schets van acrylzuur, waaruit duidelijk blijkt hoe alle<br />
gehydridiseerde <strong>en</strong> niet-gehybridiseerde orbital<strong>en</strong> rond de koolstof- <strong>en</strong> zuurstofatom<strong>en</strong><br />
overlapp<strong>en</strong>.<br />
e) (2 punt<strong>en</strong>) Geef e<strong>en</strong> volledige reactievergelijking (incl. toestandsaanduiding<strong>en</strong>) voor het<br />
ev<strong>en</strong>wicht dat zich instelt wanneer acrylzuur wordt opgelost in water.<br />
6
f) (2 punt<strong>en</strong>) Wat is de pH van e<strong>en</strong> oplossing van 10,0 g acrylzuur in 0,500 L water?<br />
De structuur van 2-methylprope<strong>en</strong>zuur, ook wel methacrylzuur g<strong>en</strong>oemd, kan word<strong>en</strong> aangeduid als<br />
CH2C(CH3)COOH. Het is, net als acrylzuur, e<strong>en</strong> zwak zuur.<br />
g) (4 punt<strong>en</strong>) Wanneer bij 25ºC 100 mL van e<strong>en</strong> 0,100 M methacrylzuuroplossing wordt<br />
getitreerd met 0,100 M NaOH blijkt de pH bij het equival<strong>en</strong>tiepunt 8,68. Laat met e<strong>en</strong><br />
berek<strong>en</strong>ing zi<strong>en</strong> dat de Kb voor het geconjugeerde base van methacrylzuur 4,57 × 10 -10 is.<br />
h) (3 punt<strong>en</strong>) Wat is de pH van de oplossing die wordt verkreg<strong>en</strong> als 0,500 L van e<strong>en</strong> 0,100 M<br />
acrylzuuroplossing wordt toegevoegd aan 0,500 L van e<strong>en</strong> 0,100 M methacrylzuuroplossing?<br />
7
Opgave 4 (24 punt<strong>en</strong> totaal)<br />
E<strong>en</strong> spinel (zie figuur) is e<strong>en</strong> matrix van kubisch-dichtstgestapelde zuurstofion<strong>en</strong> gestabiliseerd door<br />
twee- <strong>en</strong> driewaardige metaalion<strong>en</strong>: M 2+ M2 3+ O4. In e<strong>en</strong> (normaal)spinel bezett<strong>en</strong> de tweewaardige<br />
metaalion<strong>en</strong> 1/8 van de tetraëderholtes <strong>en</strong> de driewaardige metaalion<strong>en</strong> de helft van de octaëderholtes.<br />
D.w.z. dat er nog 7/8 van de tetraëderholtes <strong>en</strong> de helft van de octaëderholtes onbezet blijv<strong>en</strong>.<br />
LiCo2O4 met de spinelstructuur, zou e<strong>en</strong> mogelijk elektrodemateriaal voor Li-ionbatterij<strong>en</strong> kunn<strong>en</strong><br />
zijn, maar de ion<strong>en</strong>waardighed<strong>en</strong> wijk<strong>en</strong> af van het bov<strong>en</strong> beschrev<strong>en</strong> model.<br />
Gegev<strong>en</strong>s:<br />
• Er blijkt nu dat de Li-ion<strong>en</strong> zich in tetraëderholtes bevind<strong>en</strong><br />
<strong>en</strong> de Co-ion<strong>en</strong> in de octaëderholtes.<br />
• E<strong>en</strong> lithiumion is 1+ (Li + ) <strong>en</strong> heeft e<strong>en</strong> ionstraal van 0,59 Å.<br />
• Kobaltion<strong>en</strong> zijn hier 3+ <strong>en</strong> 4+ <strong>en</strong> hebb<strong>en</strong> e<strong>en</strong> ionstraal van<br />
respectievelijk 0,69 Å <strong>en</strong> 0,67 Å.<br />
• In LiCo2O4 is gemiddeld 50% van de Co-ion<strong>en</strong> 3+ <strong>en</strong><br />
de andere 50% is 4+.<br />
• Van LiCo2O4 wordt de volg<strong>en</strong>de batterij gemaakt:<br />
Li // LiCo2O4<br />
In deze herlaadbare batterij vind<strong>en</strong> de onderstaande<br />
redoxreacties plaats, met daarachter gegev<strong>en</strong> de standaard<br />
reductiepot<strong>en</strong>tiaal:<br />
Co 4+ (LiCo2O4) + e - Co 3+ (LiCo2O4) 0,90 V<br />
Li + (aq) + e - Li(s) -3,04 V<br />
---------------------------<br />
8,26Å<br />
Voor de duidelijkheid zijn slechts<br />
de zuurstofion<strong>en</strong> van de voorste<br />
helft van de e<strong>en</strong>heidscel<br />
weergegev<strong>en</strong>.<br />
• De kristalveldstabilisatie-<strong>en</strong>ergie (∆0) <strong>en</strong> de spinparings<strong>en</strong>ergie (P) zijn voor Co 3+ <strong>en</strong> Co 4+ :<br />
ligand O 2-<br />
∆0 , cm -1 P, cm -1<br />
Co 3+ 21.000 22.000<br />
Co 4+ 28.000 22.000<br />
a) (1 punt) Hoe wordt e<strong>en</strong> kubisch dichtste bolstapeling (CCP) nog meer aangegev<strong>en</strong>?<br />
b) (1 punt) Er zijn nog veel tetraëderholtes <strong>en</strong> octaëderholtes onbezet. Waarom word<strong>en</strong> deze niet<br />
opgevuld met lithiumion<strong>en</strong> <strong>en</strong>/of mangaanion<strong>en</strong>?<br />
c) (½+½+½ punt<strong>en</strong>) Geef voor elk van de volg<strong>en</strong>de oxidatietoestand<strong>en</strong> van kobalt de<br />
elektron<strong>en</strong>configuratie: Co, Co 3+ , Co 4+ .<br />
Co :<br />
Co 3+ :<br />
Co 4+ :<br />
8
d) (½+½+1 punt<strong>en</strong>) Wat is de coördinatie van Li + ? (geef het aantal buuratom<strong>en</strong>, het type<br />
buuratoom <strong>en</strong> berek<strong>en</strong> de afstand tot die buuratom<strong>en</strong>)?<br />
aantal buuratom<strong>en</strong> :<br />
type buuratoom :<br />
afstand tot die buuratom<strong>en</strong> :<br />
e) (2 punt<strong>en</strong>) Berek<strong>en</strong> de dichtheid van deze spinel.<br />
f) (2 punt<strong>en</strong>) Laat door berek<strong>en</strong>ing zi<strong>en</strong> dat de coördinatie al dan niet klopt met de regels voor de<br />
kritische ionstraalverhouding.<br />
g) (3 punt<strong>en</strong>) Geef in de onderstaande figuur aan welke kant van de cel de anode <strong>en</strong> kathode zijn,<br />
welke de pluspool <strong>en</strong> minpool, waar de oxidatie <strong>en</strong> reductie plaatsvind<strong>en</strong> <strong>en</strong> hoe de<br />
elektron<strong>en</strong>stroom is. Let op, de cel werkt spontaan.<br />
h) (1 punt) Waarom kan water niet gebruikt word<strong>en</strong> als medium voor de elektrolyt?<br />
i) (2½ punt<strong>en</strong>) Schets de vijf d-ban<strong>en</strong> elk in e<strong>en</strong> afzonderlijk figuur.<br />
9
j) (2 punt<strong>en</strong>) Geef de elektron<strong>en</strong>bezetting van de d-ban<strong>en</strong> weer voor Co 3+ <strong>en</strong> Co 4+ voor zowel e<strong>en</strong><br />
hoog- als e<strong>en</strong> laagspintoestand.<br />
Co 3+ hoogspin Co 3+ laagspin Co 4+ hoogspin Co 4+ laagspin<br />
k) (2 punt<strong>en</strong>) Laat door e<strong>en</strong> berek<strong>en</strong>ing zi<strong>en</strong> dat Co 3+ <strong>en</strong> Co 4+ met O 2- als ligand ofwel hoogspin<br />
dan wel laagspin is (gebruik de bov<strong>en</strong>staande gegev<strong>en</strong>s!).<br />
Co 3+ hoogspin:<br />
Co 3+ laagspin:<br />
Co 4+ hoogspin:<br />
Co 4+ laaggspin:<br />
Einde<br />
l) (1 punt) Hoe verklaar je het verschil tuss<strong>en</strong> ∆0(Co 3+ ) <strong>en</strong> ∆0(Co 4+ )?<br />
m) (1 punt) Het blijkt Co 3+ e<strong>en</strong> belangrijk elem<strong>en</strong>t is voor Vitamine B12. De kleur van deze<br />
vitamine in e<strong>en</strong> waterige oplossing is rood. Welke golfl<strong>en</strong>gte zal Vitamine B12 absorber<strong>en</strong>?<br />
n) (2 punt<strong>en</strong>) In onderstaande figuur staat<br />
Vitamine B12 getek<strong>en</strong>d. Geef hierbij aan<br />
wat de coördinatie is van het kobaltion <strong>en</strong><br />
door hoeveel ligand<strong>en</strong> het omringd wordt.<br />
Hoe word<strong>en</strong> deze ligand<strong>en</strong> in het algeme<strong>en</strong><br />
g<strong>en</strong>oemd.<br />
10