Magnus Ehingers undervisning

— Allt du behöver för A i Biologi, Kemi, Bioteknik, Gymnasiearbete med mera.

Prov 2023-10-02 i Kemisk jämvikt och lite syrabas-jämvikter

Tid: 85 minuter

Tillåtna hjälpmedel: Formelsamling, miniräknare, Geogebra/Desmos.

Alla svar ska vara angivna med rätt enhet och avrundade till ett lämpligt antal gällande siffror.

Betygsmatris

Dina svar kommer att bedömas enligt nedanstående matris:

  E C A
Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder Eleven redogör översiktligt för innebörden av dem … utförligt … … utförligt och nyanserat …
Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp
 Med viss säkerhet, exemplifierar Med viss säkerhet, exemplifierar Med säkerhet, exemplifierar och generaliserar kring
Analysera och besvara frågor Enkla frågor i bekanta situationer med tillfredsställande resultat Komplexa … bekanta situationer … tillfredsställande … Komplexa … bekanta och nya situationer … gott …
Språk och kommunikation Eleven använder med viss säkerhet ett naturvetenskapligt språk och anpassar till viss del sin kommunikation till syfte och sammanhang. … med viss säkerhet … till stor del … … med säkerhet … till stor del …

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.

För A krävs att beräkningarna är tydligt redovisade med korrekta enheter i varje steg i beräkningen.

(Språk och kommunikation 1/1/1)

Hoppa direkt till …

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

Längre svar ger risk för avdrag.

  1. Vilket pH har en 2,5 · 10–3M HNO3-lösning vid 25 °C?

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

  2. Svaveltrioxid kan omvandlas till svaveldioxid och syrgas enligt nedanstående reaktionsformel.
    2SO3(g) ⇌ 2SO2(g) + O2(g)
    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/–)

    3. I ett försök tillsätter man mera svaveltrioxid till reaktionsblandningen. Hur kommer [SO2] att förändras efter att man tillsatt mera svaveltrioxid?

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

Del II. Ringa in de rätta svaren

  1. För fluorvätesyra, HF(aq), gäller att Ka = 6,6 · 10–4 Vad är sant om en 0,100 M lösning av fluorvätesyra vid jämvikt? Ringa in ett alternativ.

    Analysera och besvara frågor (–/1/–)

    1. [H3O+] = [HF]
    2. [H3O+] = 0,100M
    3. [HF] > [F–]
    4. [H3O+] > [HF]
  2. Reaktionen Br2(g) + Cl2(g) 2BrCl(g) har jämviktskonstanten K = 7,1. Vid ett visst tillfälle är ämnenas koncentrationer som följer: [Br2] = 0,695 M, [Cl2] = 0,872 M, [BrCl] = 0,410 M. Vilket av alternativen nedan är korrekt? Ringa in ett alternativ.

    Analysera och besvara frågor (–/1/–)

    1. Reaktionen är på väg åt vänster
    2. Systemet är i jämvikt
    3. Reaktionen är på väg åt höger.
    4. Det går inte att säga vart reaktionen är på väg eftersom man även måste veta systemets temperatur.
    5. Det går inte att säga vart reaktionen är på väg eftersom man även måste veta om reaktionen är endoterm eller exoterm.

Del III. Frågor som kräver ett utredande svar

Skriv svaren på de här frågorna på ett annat papper.

  1. Vid en viss temperatur innehåller ett kärl 3,00 mol SO2, 3,00 mol O2 och 2,50 mol SO3 vid jämvikt. Kärlets volym är 5,00 dm3. Beräkna jämviktskonstanten K för reaktionen

    2SO2 + O2 ⇌ 2SO3

    Analysera och besvara frågor (1/1/1)
    Språk och kommunikation (S1/S1/S1)

  2. I ett försök förde man dikvävetetraoxid, N2O4, i en lufttät behållare. Man hettade upp behållaren till 100 °C, så att följande jämvikt kunde ställa in sig:

    N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)

    Vid den här temperaturen är jämviktskonstanten K = 0,36M. I försöket fann man att vid 100 °C var [N2O4] = 0,040M. Vilken var koncentrationen kvävedioxid, NO2?

    Begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder (1/1/–)
    Språk och kommunikation (S1/S1/– )

  3. För ammoniak, NH3, gäller att pKb = 4,75. Metylamin, CH3NH2, är också en bas. Dess pKb = 10,66. Om man har en 0,1 M lösning av ammoniak och en 0,1 M lösning av metylamin, vilken lösning kommer då att ha högst pH? Förklara utförligt och nyanserat.

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

  4. Vid 425 °C är jämviktskonstanten K för nedanstående reaktion lika med 54.

    H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g)

    Vid ett tillfälle mätte man koncentrationerna [H2], [I2] och [HI] vid 425 °C, och fann att de var:

    [H2] = 0,187 mol/dm3
    [I2] = 0,187 mol/dm3
    [HI] = 0,572 mol/dm3

    1. Visa att systemet inte är i jämvikt, och ange vilket håll reaktionen kommer att gå åt.

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

    2. Beräkna [HI] när jämvikten ställt in sig.

      Svara på frågor om och beskriva kemiska företeelser och förlopp (–/1/1)
      Språk och kommunikation (S1/S1/S1)

Betygsgränser

Max: 21 (8/9/4)
Medel: 17,8 (7,6/7,8/2,3) – B

E: 6,0
D: 10,5 varav 4,5 A- eller C-poäng
C: 14,0 varav 7,0 A- eller C-poäng
B: 16,0 varav 2,0 A-poäng
A: 18,5 varav 3,0 A-poäng

Facit

  1. pH = 2,60
  2.  
    1.  \(K = \frac {\mathrm{[SO_2]^2[O_2]}}{\mathrm{[SO_3]^2}}\)
    2. M
    3. Den kommer att öka.
  3. c

    Lösning: Fluorvätesyra protolyseras i vatten enligt nedanstående jämviktsformel:

    HF(aq) + H2O ⇌ H3O+(aq) + F–(aq)

    Eftersom fluorvätesyra är en svag syra (dess Ka-värde är en bra bit under 1) kommer bara en liten del av HF-molekylerna att protolyseras. Därför är alternativ a) felaktigt. Eftersom bara en liten del av HF-molekylerna protolyseras, kommer det bara att bildas en liten mängd H3O+. Därför är även alternativ b) felaktigt.

    I och med att det bara är en liten del av HF-molekylerna som protolyseras kommer det bara att bildas en liten substansmängd F–-joner. Därför är alternativ c) korrekt.

    I och med att det bara är en liten del av HF-molekylerna som protolyseras kommer det också bara att bildas en liten substansmängd H3O+-joner. Därmed är alternativ d) felaktigt.

  4. c

    Lösning:

    \(Q = \frac {\mathrm{[BrCl]^2}}{\mathrm{[Br_2][Cl_2}} = \frac {0,410^2\mathrm{M^2}}{0,695\mathrm{M} \cdot 0,872\mathrm{M}} = 0,2773744 < K\)

    Eftersom \(Q < K\)  går reaktionen åt höger.

  5. Lösning:

    \(K = \frac {\mathrm{[SO_3]^2}}{\mathrm{ [SO_2]^2[O_2]}} = \frac {\left(\frac {2,50}{5,00} \right)^2}{\left(\frac {3,00}{5,00} \right)^2 \cdot \left( \frac {3,00}{5,00} \right)}\mathrm{M^{-1}} = 1,15740741\mathrm{M^{-1}} ≈ 1,16\mathrm{M^{-1}}\)

    Bedömning
    E – eleven gör en godtagbar ansats för att lösa uppgiften, t.ex. genom att ställa upp ett korrekt uttryck för K.
    C – eleven gör en beräkning av K, men glömmer att ta hänsyn till volymen.
    A – eleven gör en fullständigt korrekt beräkning.

  6. Lösning:

    \(K = \frac {\mathrm{[NO_2]^2}}{\mathrm{[N_2O_4]}} \Rightarrow \mathrm{[NO_2]} = \sqrt{K \cdot \mathrm{[N_2O_4]}} = \sqrt{0,36\mathrm{M} \cdot 0,040\mathrm{M}} = 0,120\mathrm{M}\)

    Bedömning
    E – Eleven ställer upp ett korrekt uttryck för jämviktskonstanten.
    C – Eleven gör en fullständigt korrekt beräkning, med korrekt enhet.

  7. När ammoniak, som är en bas, reagerar med vatten, så sker det enligt nedanstående reaktionsformel:

    NH3 + H2O ⇌ NH\(_4^+\) + OH–

    Vi kan teckna baskonstanten för reaktionen:

    \(K_\mathrm{b} = \frac {\mathrm{[NH_4^+][OH^-]}}{\mathrm{[NH_3]}}\) och \(\mathrm{p}K_\mathrm{b} = -\lg{K_\mathrm{b}}\)

    Ju lägre pKb-värde, desto högre Kb, och ju högre Kb-värde, desto längre åt höger är jämvikten förskjuten, och desto högre blir [OH–]. Eftersom  kommer [OH–] att bli högre i ammoniaklösningen, och därmed även dess pH.

    Bedömning
    E – Eleven ger ett korrekt svar (ammoniak) med en enkel motivering, till exempel att ju lägre pKb-värde, desto starkare bas.
    C – Eleven ger ett korrekt svar (ammoniak) med en utförlig motivering som utgår ifrån två av punkterna nedan.
    · Jämviktsreaktionen med vatten för någon eller båda av baserna.
    · De båda basernas Kb-värden
    · Sambandet mellan basernas Kb-värden och lösningarnas [OH–].
    A – Eleven ger ett korrekt svar (ammoniak) med en utförlig och nyanserad motivering som utgår ifrån alla tre av punkterna ovan.

    Alternativ lösning

    Ammoniak:
    \(K_\mathrm{b, NH_3} = 10^{-4,75}\mathrm{M}\)
    \(10^{-4,75} = \frac {x^2}{0,1-x} ≈ \frac {x^2}{0,1}\)
    \(x = \sqrt{10^{-4,75}\mathrm{M} \cdot 0,1\mathrm{M}} = 0,001333521432\mathrm{M} = \mathrm{[OH^-]}\)
    \(\mathrm{pOH} = -\lg\mathrm{[OH^-]} = -\lg 0,001333521432 = 2,875\)
    \(\mathrm{pH} = 14,00 - \mathrm{pOH} = 14,00 - 2,875 = 11,125\)

    Metylamin:
    \(K_\mathrm{b, CH_2NH_2} = 10^{-10,66}\mathrm{M}\)
    \(10^{-10,66} = \frac {x^2}{0,1-x} ≈ \frac {x^2}{0,1}\)
    \(x = \sqrt{10^{-10,66}\mathrm{M} \cdot 0,1\mathrm{M}} = 0,000001479108388\mathrm{M} = \mathrm{[OH^-]}\)
    \(\mathrm{pOH} = -\lg\mathrm{[OH^-]} = -\lg 0,000001479108388 = 5,83\)
    \(\mathrm{pH} = 14,00 - \mathrm{pOH} = 14,00 - 5,83 = 8,17\)

    Vi kan konstatera att pH är högre i ammoniaklösningen än i metylaminlösningen.

    1. Lösning
      \(Q = \frac {\mathrm{[HI]^2}}{\mathrm{[H_2][I_2]}} = \frac {(0,573\mathrm{M})^2}{(0,187\mathrm{M})(0,187\mathrm{M})} = 9,3564013841 < K = 54\)

      Eftersom \(Q < K\) kommer reaktionen att gå åt höger.

      Bedömning
      E – Eleven gör en godtagbar ansats till att lösa uppgiften, till exempel genom att teckna uttrycket för \(Q\).
      C – Eleven beräknar \(Q\) korrekt och konstaterar att reaktionen kommer att gå åt höger.

    2. Lösning

       

      [H2]

      [I2]

      [HI]

      		  

      f.r.

      \[0,187\]

      \[0,187\]

      \[0,572\]

      M

      ∆

      \[–x\]

      \[–x\]

      \[+2x\]

      M

      v.j.

      \[0,187 – x\]

      \[0,187 – x\]

      \[0,572 + 2x\]

      M

      \(K = \frac {\mathrm{[HI]^2}}{\mathrm{[H_2][I_2]}}\)
      \(54 = \frac {(0,572 + 2x)^2}{(0,187 – x)(0,187 – x)} = \frac {(0,572 + 2x)^2}{(0,187 – x)^2}\)
      \(\sqrt{54} = \sqrt{\frac {(0,572 + 2x)^2}{(0,187 – x)^2}} = \frac {0,572 + 2x}{0,187 – x}\)
      \(\sqrt{54}(0,187 – x) = 0,572 + 2x\)
      \(\sqrt{54} \cdot 0,187 - \sqrt{54} \cdot x =  0,572 + 2x\)
      \(\sqrt{54} \cdot 0,187 - 0,572 = \sqrt{54} \cdot x + 2x\)
      \(\sqrt{54} \cdot 0,187 - 0,572 = (\sqrt{54} + 2)x\)
      \(x = \frac {\sqrt{54} \cdot 0,187 - 0,572}{\sqrt{54} + 2} = 0,0858069622\)

      (Rotens andra lösning kommer att ge att \(x = 0,36387\). Detta värde är orimligt, eftersom det skulle medföra att [H2] och [I2] blir negativa efter att jämvikten ställt in sig, eftersom dess koncentrationer vid jämvikt är \(0,187 - x\).)

      \(\mathrm{[HI]} = (0,572 + 2x)\mathrm{M} = 0,572\mathrm{M} + 2 \cdot 0,0858069622\mathrm{M} = 0,7436139244\mathrm{M} ≈ 0,744\mathrm{M}\)

      Bedömning
      C – Eleven tecknar förändringen i koncentrationer vid jämvikt korrekt.
      A – Eleven beräknar [HI] korrekt.

      Kommentar: Om eleven svarat att reaktionen kommer att gå åt vänster i a-uppgiften kan eleven ändå få rätt på b-uppgiften så länge eleven utgår från sitt svar i a-uppgiften.