Prov 2020-03-05 i Kemisk jämvikt

Tid: 90 minuter

Tillåtna hjälpmedel är papper, penna, suddgummi och linjal samt miniräknare

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.

Språklig bedömning

På hela provet gör jag också en samlad bedömning av hur du använder det vetenskapliga språket (se betygsmatrisen ovan). För A krävs att beräkningarna är tydligt redovisade med korrekta enheter i varje steg i beräkningen.

(Språk och kommunikation 1E/1C/1A)

Hoppa direkt till …

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

1. Svaveltrioxid kan omvandlas till svaveldioxid och syrgas enligt nedanstående reaktionsformel.
   2SO₃(g) ⇌ 2SO₂ + O₂
   1. Teckna jämviktskonstanten (skriv jämviktsekvationen) för reaktionen.

      Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder (1/–/–)

   2. Vilken enhet får jämviktskonstanten K i det här fallet?
      

      Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder (–/1/–)
      

2. Blysulfat, PbSO₄, är en mycket svårlöslig jonförening med \(K_\mathrm{s} = 2,13 \cdot10^{-8}\mathrm{M^2}\). Hur stor blir [Pb²⁺] om man blandar 1,00 g fast blysulfat i 1,00 dm³ avjonat vatten?

   Analysera och besvara frågor (–/1/–)

Del II. Ringa in de rätta alternativen!

3. I ett försök löste man upp en liten bit tavelkrita i 50 ml 2 M saltsyra för att beräkna halten kalciumkarbonat i tavelkritan. Vilket av påståendena a–d nedan är felaktigt?
   
   För att få reaktionen att gå fortare kan man
   
   1. finfördela kritan
   2. använda 4M saltsyra istället för 2M saltsyra
   3. höja temperaturen
   4. tillsätta någon form av katalysator
   5. Inget av påståendena ovan är felaktigt.

      Analysera och besvara frågor (1/–/–)

4. En gas A ombildas till gasen B enligt följande formel: A ⇌ B. Jämviktskonstanten \(K\) är mindre än 1. Bilden här nedan visar koncentrationen av A och B som funktion av tiden. Vilket av diagrammen beskriver vad som händer när jämvikten mellan gasen A och B får ställa in sig (i ett slutet kärl)?
   
   

   Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder (–/1/–)

Del III. Frågor som kräver ett utredande svar

5. Vid 2000 K är jämviktskonstanten \(K = 4,40\) för nedanstående reaktion:

   H₂(g) + CO₂(g) ⇌ H₂O(g) + CO(g)

   I ett experiment mätte man vid ett tillfälle upp följande koncentrationer:

   [H₂] = 0,314 M

   [CO₂] = 0,285 M

   [H₂O] = 0,714 M

   [CO] = 0,293 M

   1. Visa att systemet inte är i jämvikt.
      

      Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder (1/–/–)

   2. Vilket håller kommer reaktionen att gå åt? Motivera ditt svar.
      

      Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp (1/1/–)

6. Om man löser kobolt(II)joner, Co²⁺, i vatten bildas röda hexaakvakobolt(II)joner, CO(H₂O)\({\sf _6^{2+}}\). Om man tillsätter tiocyanatjoner, SCN^–, till lösningen ställer följande jämvikt in sig då blåa diakva-tetratiocyanato-kobolt(II)joner, Co(H₂O)₂(SCN)\({\sf _4^{2-}}\), bildas:

   CO(H₂O)\({\sf {\color{Red} {_6^{2+}}}}\) + 4SCN^– ⇌ Co(H₂O)₂(SCN)\({\sf {\color{Blue} {_4^{2-}}}}\) + 4H₂O

   Silverjoner, Ag⁺, bildar ett svårlösligt komplex med tiocyanatjoner, AgSCN(s). Vad händer med färgen i kobolt-/tiocyanatjonlösningen om man tillsätter lite silvernitratlösning, AgNO₃(aq)? Motivera så utförligt och nyanserat som möjligt.

   Tolka resultat, utvärdera metoder och dra slutsatser av experiment (–/1/1)

7. I ett försök upphettade man kolmonoxid och vatten så att följande jämvikt ställde in sig:

   CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)

   Man mätte jämviktskoncentrationerna vid 250 °C och vid 800 °C och beräknade jämviktskonstanten. Vid 250 °C var jämviktskonstanten \(K = 89,1\) och vid 800 °C var jämviktskonstanten \(K = 1,06\).

   Är reaktionen exoterm eller endoterm? Motivera med hjälp av jämviktsekvationen för reaktionen och med hjälp av Le Chateliers princip.

   Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp (–/1/1)

8. I ett experiment hade man låtit följande jämvikt ställa in sig i ett kärl på 1,00 dm³ vid 100 °C:

   N₂O₄(g) ⇌ 2NO₂(g)

   Då uppmätte man följande jämviktskoncentrationer:

   [N₂O₄] = 0,0185 M

   [NO₂] = 0,0815 M

   1. Beräkna jämviktskonstanten \(K\) för reaktionen.

      Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp (1/–/–)

   2. Man förde in ytterligare 0,0100 mol NO₂ i reaktionskärlet. Beräkna [N₂O₄] när den nya jämvikten fått ställa in sig.

      Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp (–/1/1)

      Språk och kommunikation (1/1/1)

Facit

Betygsgränser

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

1. 1. \[K = \frac {[\mathrm{SO_2}]^2[\mathrm{O_2}]}{[\mathrm{SO_3}]^2}\hspace{100cm}\]
   2. M (mol/dm³)
2. Svar: 1,46 · 10^–4M
   Lösning:

   \[K_\mathrm{s} = [\mathrm{Pb^{2+}}][\mathrm{SO_4^{2-}}] = [\mathrm{Pb^{2+}}]^2 \hspace{100cm}\]

   \[[\mathrm{Pb^{2+}}] = \sqrt{K_\mathrm{s}} = \sqrt{2,13 \cdot 10^{-8}\mathrm{M^2}} = 1,45945195 \cdot 10^{-4}\mathrm{M} \approx 1,46 \cdot 10^{-4}\mathrm{M}\hspace{100cm}\]

Del II. Ringa in de rätta alternativen!

3. e
4. d (Eftersom \(K < 1\), måste [B] vara mindre än [A]. Enda diagrammet där [B] < [A] är diagram d.)

Del III. Frågor som kräver ett utredande svar

5. 1. \[Q = \frac {[\mathrm{H_2O}][\mathrm{CO}]}{[\mathrm{H_2}][\mathrm{CO_2}]} = \frac {0,714 \cdot 0,293}{0,314 \cdot 0,285} = 2,337713711 < K = 4,40 \hspace{100cm}\] Eftersom \(Q \neq K\) är systemet inte i jämvikt.

   2. Svar: Reaktionen kommer att gå åt höger. För att Q ska närma sig K måste Q bli större, och det blir det om [H₂O] och [CO] ökar, samtidigt som [H₂] och [CO₂] minskar. Därför måste reaktionen gå åt höger.

      Bedömning

      E – Eleven ger rätt svar med en enkel motivering.

      C – Eleven ger rätt svar och motiverar utifrån hur förhållandet mellan produkter och reaktanter måste förändras för att jämvikt ska uppnås.

6. Vid tillsatsen av silvernitratlösningen sker följande reaktion:

   Ag⁺(aq) + SCN^–(aq) → AgSCN(s)

   Det betyder att [SCN^–] kommer att sjunka. Enligt Le Chateliers princip sker det då en reaktion som motverkar koncentrationsminskningen, det vill säga reaktionen kommer att gå åt vänster. Det innebär i sin tur att [Co(H₂O)₂(SCN)\({\sf _4^{2-}}\)] minskar, och därmed lösningens färg blir mindre blå (mer röd).

   Bedömning

   C – Eleven förklarar varför färgen blir mer röd utifrån två av punkterna nedan.

   • [SCN^–] minskar när silverjonerna tillsätts.
   • Reaktionen går åt vänster för att motverka minskningen av [SCN^–] (enligt Le Chateliers princip).
   • [Co(H₂O)₂(SCN)\({\sf _4^{2-}}\)] minskar, vilket leder till att den blåa färgen minskar eller [CO(H₂O)\({\sf _6^{2+}}\)] ökar, vilket leder till att den röda färgen ökar.

   A – Eleven förklarar varför färgen blir mer röd utifrån alla tre av punkterna ovan.

7. \[K = \frac {[\mathrm{CO_2}][\mathrm{H_2}]}{[\mathrm{CO}][\mathrm{H_2O}]} \hspace{100cm}\]

   Ju högre temperatur, desto lägre värde på \(K\). Det betyder att allt eftersom temperaturen höjs, ökar koncentrationen av reaktanterna, medan koncentrationen av produkterna minskar. Det betyder att energin i reaktionen måste föras in på höger sida av reaktionen, för när den ökar förskjuts reaktionen enligt Le Chateliers princip åt vänster:

   CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) + energi

   Det betyder att reaktionen är exoterm.

   Bedömning

   C – Eleven ger rätt svar (exoterm) och motiverar utifrån en av punkterna nedan.

   • Jämviktsekvationen
   • Le Chateliers princip

   A – Eleven ger rätt svar (exoterm) och motiverar utifrån båda punkterna ovan.

8. 1. \[K = \frac {[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]} = \frac {(0,0815\mathrm{M})^2}{0,0185\mathrm{M}} = 0,3590405405\mathrm{M} \approx 0,359\mathrm{M} \hspace{100cm}\]
   2. Lösning
      

      	[N2O4]	[NO2]
      f.r.	\[0,185\]	\[0,0915\]	M
      ∆	\[+x\]	\[-2x\]	M
      v.j.	\[0,0185 + x\]	\[0,0915- 2x\]	M

      \[K = \frac {[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]} \hspace{100cm}\]

      \[0,3590405405 = \frac {(0,0915 - 2x)^2}{0,0185+x} \hspace{100cm}\]

      \(pq\)-formeln ger:

      \(x_1 = 0,00241834\)

      \(x_2 = 0,178842\); orimligt

      [N₂O₄] = (0,0185 + 0,00241834)M = 0,02091834M ≈ 0,0209M

      
      Bedömning

      C – Eleven gör en tillfredsställande ansats att lösa uppgiften, t.ex. genom att ange uttrycket för jämviktkoncentrationen av N₂O₄ eller NO₂.

      A – Eleven beräknar [N₂O₄] helt korrekt.

      Språklig bedömning

      För A krävs

      • En tydlig uppställning av jämviktsekvationen
      • En tydlig uppställning som visar förändringen av koncentrationerna
      • Enhet i varje steg i beräkningen