Zadania z działu: Chemia fizyczna

Termograwimetria jest metodą analizy termicznej próbek. Wykorzystuje ona bardzo często reakcje rozkładu termicznego z wydzieleniem gazowych produktów, a podstawą analizy jest zmiana (ubytek lub rzadziej przyrost) masy próbki i temperatura, w której dochodzi do zmiany masy próbki.
Magnezyt (minerał o wzorze MgCO₃) ulega termicznemu rozkładowi. Po sproszkowaniu, ogrzewany w atmosferze azotu ze stopniowym podnoszeniem temperatury o 10 K/min zaczyna rozkładać się w temperaturze ok. 500 °C z ubytkiem masy. Ubytek masy kończy się po osiągnięciu temperatury 650 °C i rozkład uznaje się za zakończony. Największą szybkość rozkładu obserwuje się w temperaturze ok. 617 °C. Na poniższym rysunku przedstawiono przybliżoną krzywą termograwimetryczną magnezytu (w przeliczeniu na 1 mol próbki).
 

Kalcyt (minerał o wzorze CaCO₃) także ulega termicznemu rozkładowi. Ogrzewany w identycznych warunkach zaczyna się rozkładać po osiągnięciu temperatury 660 °C. Koniec rozkładu obserwuje się ok. 810 °C, a największą szybkość rozkładu obserwuje się ok. 780 °C. Na poniższym rysunku przedstawiono przybliżoną krzywą termograwimetryczną kalcytu (w przeliczeniu na 1 mol próbki).

Zadanie 4.1
Narysuj przybliżoną krzywą termograwimetryczną ogrzewania równomolowej mieszaniny sproszkowanego MgCO₃ ze sproszkowanym CaCO₃ w podanych warunkach. Przyjmij, że próbka zawiera 1 mol CaCO₃.

Zadanie 4.2
Dolomit to minerał węglanowy, którego wzór to MgCa(CO₃)₂ (lub w postaci adduktywnej to MgCO₃·CaCO₃).  Jest niemal wyłącznym składnikiem skały o tej samej nazwie. Jako skała dolomit występuje w wielu miejscach na całym świecie, są z niego zbudowane niektóre masywy górskie. Ogrzewanie dolomitu do wysokich temperatur prowadzi do jego rozkładu, który składa się z dwóch etapów. W obu etapach powstaje ten sam gaz, a w każdym etapie powstaje połowa gazu. Poddając dolomit analizie termograwimetrycznej w opisanych uprzednio warunkach obserwuje się początek rozkładu po osiągnięciu ok. 600 °C. Największą szybkość rozkładu w pierwszym etapie obserwuje się w temperaturze ok. 745 °C. Początek rozkładu dolomitu następuje w temperaturze o ok. 100 °C wyższej niż obserwuje się w przypadku magnezytu (MgCO₃). Drugi etap rozkładu zachodzi najszybciej ok. 780 °C i kończy się w temperaturze ok. 810 °C.

a) Oceń poprawność zdań. Zaznacz P, jeśli informacja jest prawdziwa albo F, jeśli informacja jest nieprawdziwa.

b) Napisz równania reakcji, które zachodzą podczas ogrzewania dolomitu. 
Etap I: ………………
Etap II: ………………
c) Wyjaśnij, skąd przekraczająca 100 °C różnica w pomiędzy początkiem rozkładu magnezytu (MgCO₃) a początkiem pierwszego etapu rozkładu dolomitu. 
Wyjaśnienie: ………
Zadanie 4.3
Neyreryt jest bardzo rzadkim minerałem o wzorze Na₂Ca(CO₃)₂ (Na₂CO₃·CaCO₃). W warunkach pokojowych jest nietrwały i wrażliwy na wilgoć, więc musi być przechowywany w atmosferze ochronnej w hermetycznych pojemnikach. Neyreryt powstaje m.i. w wyniku ogrzewania sproszkowanej mieszaniny dolomitu z węglanem sodu w temperaturach nie przekraczających 500 °C.
a) Napisz równanie reakcji dolomitu z węglanem sodu, w której powstaje neyreryt.
……………………
b) Napisz w formie jonowej równanie reakcji, która zachodzi po wprowadzeniu stałego neyrerytu do wody.
……………………
c) Wyjaśnij, dlaczego podczas ogrzewania do wysokich temperatur mieszaniny dolomitu z węglanem sodu obserwuje się początek uwalniania gazu po osiągnięciu ok. 500 °C, a przy ogrzewaniu czystego dolomitu dopiero po przekroczeniu temperatury 600 °C.
Wyjaśnienie: ..........
 

Zadanie R12
Nadtlenodisiarczan potasu jest związkiem o silnych właściwościach utleniających. W ciemności i w stanie suchym jest trwały, jednak podczas przechowywania w ciemności w nieszczelnie zamkniętych pojemnikach ulega powolnej reakcji z wilgocią powietrza, której schemat przedstawiono poniżej: 
K₂S₂O₈ + H₂O → KHSO₄ + O₂
Reakcja ta zachodzi powoli także w zimnych roztworach wodnych, jednak ulega znacznemu przyspieszeniu po ogrzaniu roztworu.
Oprócz powyższej reakcji, podczas przechowywania przy dostępie światła słonecznego dochodzi dodatkowa reakcja, w której anion nadtlenodisiarczanowy traci jeden atom tlenu, zaś sama liczba anionów pozostaje taka sama. Produktami tej reakcji są gazowy tlen i pewna sól potasu. Sól ta wprowadzona do wody przechodzi w ten sam związek potasu, który powstaje w reakcji z udziałem wilgoci.

Zadanie R12.1
3,00 g preparatu z opakowania przechowywanego w ciemności, ale otwieranego wcześniej, rozpuszczono w wodzie demineralizowanej, otrzymując 100,00 cm3 roztworu. Pomiar pH, przeprowadzony w 25 °C, dał wynik 2,83.

Oblicz procentową zawartość (procent masowy) K₂S₂O₈ w użytym preparacie. Wynik podaj z dokładnością do jedności.

Zadanie R12.2
Napisz równanie reakcji redukcji i równanie reakcji utleniania zachodzącej w wodnym roztworze K₂S₂O₈. Zastosuj bilans jonowo-elektronowy.
Równanie redukcji: ………
Równanie utleniania: ……

Zadanie R12.3
Uzupełnij schemat. Dobierz odpowiednie współczynniki i indeksy stechiometryczne.
___ K₂S₂O₈ → ___ K__S__O__ + ___O₂

Zadanie R12.4
Napisz równanie reakcji anionu powstałej soli z cząsteczką wody.
.................................

W tabeli podano temperatury wrzenia trzech substancji chemicznych pod ciśnieniem otoczenia równym 1013 hPa.

Z podanych substancji wybierz tę, która nie może istnieć w ciekłym stanie skupienia pod ciśnieniem 1013 hPa w temperaturze 0 °C. Oblicz gęstość pary tej substancji pod ciśnieniem normalnym w temperaturze 0 °C oraz w jej temperaturze wrzenia pod tym samym ciśnieniem. Wynik podaj w g/dm³. Przyjmij, że para zachowuje się jak gaz doskonały. 

Gęstość pary w 0 °C: ………………………….
Gęstość pary w temperaturze wrzenia: ……………………….. 
 

W dwóch zlewkach (oznaczonych numerami I i II) znajdowały się roztwory różnych kwasów jednoprotonowych. W każdej zlewce pH roztworu wynosiło 3. Próbkę roztworu ze zlewki I rozcieńczono dziesięciokrotnie wodą i otrzymano roztwór o pH = 4. Próbkę roztworu ze zlewki II rozcieńczono dziesięciokrotnie wodą i otrzymano roztwór o pH = 3,5. Pomiarów pH dokonano w 25 °C. 

Uzupełnij zdania. Uzupełnij zdania. Wybierz i podkreśl odpowiednie określenie z nawiasu oraz uzasadnij wybór.

Zlewka I zawiera roztwór kwasu (mocnego / słabego). Zlewka II zawiera roztwór kwasu (mocnego / słabego). Roztwory w zlewkach I i II mają ( identyczne / różne) stężenie.

Roztwory zawierające porównywalne stężenia kwasu Brønsteda i zasady z nim sprzężonej są nazywane roztworami buforowymi. Wartość pH buforu nieznacznie się zmienia podczas dodawania niewielkich ilości mocnych kwasów lub mocnych zasad. Działanie buforu pH polega na tym, że po dodaniu niewielkich ilości mocnego kwasu składnik buforu będący zasadą Brønsteda reaguje z jonami H₃O⁺, a po dodaniu mocnej zasady kwas Brønsteda reaguje z jonami OH^–. Stężenie jonów H₃O⁺ w roztworze buforowym zmienia się zgodnie z równaniem:

gdzie: c_k – stężenie kwasu Brønsteda w roztworze buforowym, c_z – stężenie zasady Brønsteda w roztworze buforowym.  Bufor mrówczanowy jest wodnym roztworem zawierającym kwas mrówkowy (metanowy) i sól tego kwasu i mocnej zasady. 
Cechą charakterystyczną buforów pH jest utrzymywanie praktycznie stałego pH podczas zmiany objętości roztworu (rozcieńczania lub zatężania). 

Zadanie 1
Do 1000 cm³ roztworu HCOOH o stężeniu 0,20 mol · dm^–3 dodano próbkę wapnia. Po zakończeniu reakcji chemicznej i doprowadzeniu temperatury do 25 °C uzyskano roztwór o pH = 3,75.
Oblicz masę próbki wapnia wprowadzoną do roztworu.
 

Zadanie 2
W sześciu zlewkach przygotowano wodne roztwory, do których dodano następujące substancje. 

Wskaż numery wszystkich doświadczeń, w których po dodaniu substancji (w odpowiedniej ilości) otrzymano roztwór buforowy.

Numery zlewek: ………………

Zadanie 3
Przygotowano bufor octanowy o pH = 4,76 (25 °C) w taki sposób, że w kolbie miarowej rozpuszczono 0,100 mol CH₃COONa·3H₂O i 0,100 mol CH₃COOH i doprowadzono do objętości 1,000 dm³ uzupełniając wodę do tzw. kreski. Następnie roztwór podzielono na 2 równe części. Do pierwszej dodano po 0,100 mol CH₃COONa·3H₂O i CH₃COOH i otrzymano roztwór I,  a drugą rozcieńczono wodą do objętości 2,000 dm³ i otrzymano roztwór II.
Uzupełnij zdania. Wybierz i podkreśl odpowiednie określenie z nawiasu oraz uzasadnij wybór.

pH roztworu I jest (wyższe niż / niższe niż / praktycznie równe) 4,76, ponieważ ……………………………..

pH roztworu II jest (wyższe niż / niższe niż / praktycznie równe) 4,76, ponieważ ……………………………..

Badano kinetykę reakcji utleniania jonów bromkowych jonami bromianowymi(V) w środowisku kwasowym, która przebiega zgodnie z równaniem:

Zależność szybkości tej reakcji opisuje równanie kinetyczne: 

W poniższej tabeli zebrano wyniki doświadczeń:

Na podstawie analizy danych z tabeli ustal wartość wykładników a, b i c. Następnie oblicz względną początkową szybkość reakcji w doświadczeniu 5 (y). 

y = .................
 

Zadanie R8
W kontrolowanych warunkach utlenienie butan-1-olu prowadzi do otrzymania zadowalającą wydajnością maślanu n-butylu (butanianu n-butylu). Schemat reakcji przedstawiono poniżej.
C₄H₉OH + Cr₂O₇^2- + H⁺  →  C₃H₇COOC₄H₉ + Cr³⁺ + H2O

Zadanie R8.1
Napisz w formie jonowej skróconej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równanie reakcji utleniania zachodzącej podczas opisanej przemiany. 

Równanie utleniania: …………………………………

Zadanie R8.2
Uzupełnij współczynniki stechiometryczne w podanym schemacie tak, aby otrzymać sumaryczne równanie reakcji redoks.
....C₄H₉OH + ....Cr₂O₇^2- + ....H⁺  → .... C₃H₇COOC₄H₉ + ....Cr³⁺ + ....H₂O
 

W celu określenia czy rozpuszczanie substancji X w wodzie jest procesem egzo- czy endotermicznym wykonano następujące doświadczenie. Do 100 cm³ wody demineralizowanej o temperaturze 20 °C wprowadzono 25 g substancji X i zamieszano. Otrzymano klarowny roztwór o temperaturze 14 °C. Na tej podstawie stwierdzono, że rozpuszczanie substancji X w wodzie jest procesem endotermicznym.

Wiadomo także, że substancję X przechowywano w zamrażarce (w -18 °C) i przed wykonaniem doświadczenia wyjęto z niej. Substancji X użyto natychmiast po wyjęciu z niskiej temperatury. 
Rozstrzygnij, czy wykonane doświadczenie pozwala jednoznacznie ustalić znak entalpii procesu rozpuszczania substancji X w wodzie. Uzasadnij swoją opinię.

Rozstrzygnięcie: ………………………………..
Uzasadnienie: ………………………………..
 

Zadanie R9
W wyniku katalizowanej przez oksydazę glukozową reakcji powstaje glukonolakton (C₆H₁₀O₆). Schemat reakcji przedstawiono poniżej.
 

W kolejnym etapie nadtlenek wodoru jest rozkładany na wodę i tlen.
Zadanie R9.1
a) Napisz w formie jonowej, z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równanie reakcji redukcji i równanie reakcji utleniania, które zaszły podczas opisanej przemiany. Zastosuj wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych.

Równanie redukcji: ………………………………………………………………………………………..

Równanie utleniania:

b) Uzupełnij schemat reakcji tak, aby otrzymać sumaryczne równanie dwuetapowego procesu, w którym powstaje glukonolakton.

……C₆H₁₂O₆ + …….O₂ →  ……C₆H₁₀O₆ + …….H₂O

Zadanie R9.2
Atom węgla związany bezpośrednio z atomem, którego orbitalom walencyjnym przypisujemy hybrydyzację sp², nazywamy atomem 𝛂, kolejny atomem β, a następne γ, δ, ε itd. 
Uzupełnij zdania. Wpisz symbol atomu węgla i wybierz po jednym określeniu z nawiasu.
W wyniku reakcji glukoza zostaje przekształcona w glukono-…..-lakton. Otrzymanie tego związku możliwe jest (wyłącznie z formy 𝛂 / wyłącznie z formy β /  z dowolnego anomeru) glukozy. Glukono-…..-lakton  należy do (ketonów / kwasów karboksylowych / estrów).