Prov 2012-11-09 i Kemisk jämvikt och Syror och baser

Tid: 75 minuter

Tillåtna hjälpmedel: Penna, suddgummi, linjal.

Betygsmatris

Dina svar kommer att bedömas enligt nedanstående matris:

Vid varje fråga står det vad som bedöms och på vilken nivå du kan besvara frågan.

Hoppa direkt till …

Del I. Frågor som bara kräver ett kort svar (ett ord eller 1-2 meningar)

1. Vilket pH har en lösning
   1. som består av 0,00125 mol/dm³ salpetersyra, HNO₃?

      Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder

      E

      C

      A

   2. där man löst 1,25 g natriumhydroxid, NaOH, i 0,200 dm³ vatten?
      

      Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder

      E

      C

      A

2. Vid ett försök för man in kvävgas och vätgas i ett lufttätt kärl och upphettar blandningen till 400 °C. Då sker följande reaktion:
   
   N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
   
   Man fann att vid jämvikt innehöl kärlet 0,30 mol kvävgas, 0,20 mol vätgas och 0,070 mol ammoniak per dm³. Beräkna reaktionens jämviktskonstant.

1.  I bland annat havsvatten finns det vätekarbonatjoner. Dessa protolyseras enligt följande formel:
   
   HCO\({\sf _3^-}\) + H₂O ⇌ CO\({\sf _3^{2-}}\) + H₃O⁺
   
   Vilka syrabaspar finns det i den reaktionen?
   

   Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder

   E

   C

   A

2. I en jämviktsreaktion A + B ⇌ C + D har man nedanstående energiförhållanden.
   
   1. Hur stor är aktiveringsenergin för reaktionen A + B → C + D?
   2. Hur stor är aktiveringsenergin för reaktionen C + D → A + B?
   3. Hur stor är entalpiförändringen för reaktionen A + B → C + D?
   4. Är reaktionen A + B → C + D endoterm eller exoterm?

   Analysera och besvara frågor

   E

   C

   A

3. Man kan framställa väteklorid genom att låta vätgas reagera med klorgas enligt följande reaktion:

   H₂(g) + Cl₂(g) ⇌ 2HCl(g)

   \(\Delta H = -184k\mathrm{J}\) för reaktionen åt höger

   
   Hur ska man göra för att förskjuta reaktionen åt höger? Ett eller flera alternativ kan vara korrekta.
   1. Man minskar koncentrationen HCl
   2. Man minskar koncentrationen H₂
   3. Man ökar koncentrationen Cl₂
   4. Man höjer temperaturen
   5. Man ökar trycket genom att minska volymen

   Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp

   E

   C

   A

Del II. Frågor som kräver ett utredande svar (fullständiga beräkningar krävs)

6. I ett försök ville man bestämma koncentrationen myrsyra, HCOOH, i en lösning. Man titrerade 15,0 ml av myrsyran med 0,100 mol/dm³ natriumhydroxid, samtidigt som man mätte lösningens pH. Då fick man följande diagram:
   
   1. Vilket pH (ungefär) hade lösningen vid ekvivalenspunkten?
      

      Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp

      E

      C

      A

   2. Beräkna myrsyrans koncentration.
      

      Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp

      E

      C

      A

7. Man tillreder en buffert genom att blanda 20 ml 0,20 mol/dm³ HAc med 20 ml 0,80 mol/dm³ NaAc. Beräkna lösningens pH.

   Analysera och besvara frågor

   E

   C

   A

8. I bilmotorer bildas bland annat kvävemonoxid genom att luftens kväve reagerar med syrgas vid hög temperatur. Vid 2500 K är jämviktskonstanten \(K = 4,3 \cdot 10^{-2}\) för följande reaktion:
   
   N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g)
   
   I ett försök blandade man 1,00 mol kvävgas, 1,00 mol syrgas och 1,00 mol kvävemonoxid i ett lufttätt kärl med volymen 1,00 dm³ och upphettade till 2500 K. Vilken var koncentrationen kvävemonoxid när systemet nådde jämvikt?

   Analysera och besvara frågor

   E

   C

   A

Facit

Betygsgränser

Det här provets omfattning är egentligen för liten för att kunna sätta B- eller A-betyg. Men den som har 13,0 poäng eller mer, oavsett fördelning på C- eller A-poäng, har rätt så goda chanser att nå något av de högre betygen.

Del I. Frågor som bara kräver ett kort svar (ett ord eller 1-2 meningar)

1. 1. pH = 2,903
   2. pH = 13,193
2. K = 2,04M^-2
3. HCO\({\sf _3^-}\)/CO\({\sf _3^{2-}}\) och H₃O⁺/H₂O
4. 1. ∆H₂
   2. ∆H₃
   3. ∆H₁
   4. exoterm
5. a, c

Del II. Frågor som kräver ett utredande svar (fullständiga beräkningar krävs)

6. 1. pH ≈ 8
   2. HCOOH + OH^– ⇌ HCOO^– + H₂O 

      Vid ekvivalenspunkten är \(n_\mathrm{HCOOH} = n_\mathrm{NaOH}\).

      \[\begin{align}n_{\text{NaOH}} &= c_{\text{NaOH}} \cdot V_{\text{NaOH}} = 0,100 \text{mol/dm}^3 \cdot 0,025\text{dm}^3 = \hspace{100cm} \\ &= 0,0025\text{mol}=n_{\text{HCOOH}}\end{align}\]

      \[c_{\text{HCOOH}}=\frac {n_{\text{HCOOH}}}{V_{\text{HCOOH}}} = \frac {0,0025\text{mol}}{(0,015\text{dm}^3 )} = 0,16666667\text{mol/dm}^3 \approx 0,167\text{M} \hspace{100cm}\]

7. Eftersom lösningarna späds till dubbla volymen, blir koncentrationerna halverade.

   \(c_{\text{HAc}} = 0,10\text{M}\); \(c_{\text{Ac}^-} = 0,40\text{M} \hspace{100cm}\)

   \(\mathrm{p}K_\mathrm{a} = 4,74\) (ur formelsamlingen)

   Buffertformeln ger:

   \[\text{pH} = \text{p}K_{\text{a}}-\log\left(\frac {c_{\text{syra}}}{c_{\text{bas}}}\right) = 4,74 - \log\left(\frac {0,10}{0,40}\right)=5,31205999 \approx 5,31 \hspace{100cm}\]

   
   E – Eleven beräknar pH utan att ta hänsyn till halveringen av koncentrationerna (frågan blir då bara enkel).
   
   C – Eleven beräknar pH fullständigt korrekt (frågan blir då mera komplex). Även om resultatet i det här specifika fallet blir exakt detsamma som om man inte tar hänsyn till spädningarna, är eleven inte uppe på C-nivå förrän man antingen tagit hänsyn till spädningarna eller visat att de (i det här fallet) inte spelar någon roll.

8. \[Q = \frac{\text{[NO]}^2}{\text{[N}_2\text{][O}_2\text{]}} =\frac {1,00^2\text{M}^2}{1,00\text{M} \cdot 1,00\text{M}} = 1 > 4,3 \cdot 10^{-2} = K \hspace{100cm}\]

   Eftersom \(Q > K\) går reaktionen åt vänster
   
   

   	N2 +	O2 ⇌	2NO
   f.r.	\[1,00\]	\[1,00\]	\[1,00\]	M
   Δ	\[+ x\]	\[+ x\]	\[- 2x\]	M
   v.j.	\[1,00 + x\]	\[1,00 + x\]	\[1,00 – 2x\]	M

   
   

   \[K = \frac{\text{[NO]}^2}{\text{[N}_2\text{][O}_2\text{]}} \hspace{100cm}\]

   \[4,3 \cdot 10^{-2}= \frac {(1,00-2x)^2}{(1,00+x)(1,00+x)} = \frac {(1,00-2x)^2}{(1,00+x)^2} \hspace{100cm}\]

   \[\sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}}= \sqrt{\frac {(1,00-2x)^2}{(1,00+x)^2}} = \frac {1,00-2x}{1,00+x} \hspace{100cm}\]

   \[(1,00+x) \cdot \sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}}= 1,00-2x \hspace{100cm}\]

   \[\sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}} + x \cdot \sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}}= 1,00-2x \hspace{100cm}\]

   \[x \cdot \sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}} + 2x= 1,00 - \sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}} \hspace{100cm}\]

   \[x \cdot (\sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}} + 2) = 1,00 - \sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}} \hspace{100cm}\]

   \[x = \frac {1,00 - \sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}}}{\sqrt{4,3 \cdot 10^{-2}} + 2} = 0,35908687 \hspace{100cm}\]

   \[\begin{align}\text{[NO]} &= (1,00 - 2x)\text{M} = (1,00 - 2\cdot 0,35908687)\text{M} =\hspace{100cm}\\ &= 0,2812625\text{M} \approx 0,28\text{M}\end{align}\]

   
   

   E – eleven kan beräkna \(Q\) och konstatera att reaktionen går åt vänster.
   C – Eleven ställer upp ett korrekt uttryck för att beräkna \(x\).
   A – Eleven beräknar koncentrationen NO korrekt.