Συνδυαστική άσκηση

Άσκηση γ λυκείου συνδυαστική ( Π.Π, Χ .Ι, Ι.Ι. Διαμοριακες δυνάμεις, ώσμωση, οξειδιαναγωγή)

Κράμα Fe και μετάλλου Μ που ανήκει στην προηγούμενη περίοδο από τον Fe συνολικής μάζας
10.4 g κατεργάζεται με περίσσεια διαλύματος HCl.
α) Σε ποια ομάδα και περίοδο ανήκει ο Fe(z=26) Συγκρίνετε ως προς την ατομική ακτίνα το Fe, Fe+², Fe+³ και αιτιολόγησε. Ποιο από τα 2 ιόντα Fe είναι σταθερότερο και γιατί;
β) Μετά την διάλυση στο HCl εκλύονται 6.72 L αερίου σε stp και τα στερεά που απομονώνονται μπορούν να αποχρωματισμούν 200mL διαλύματος 0.1M KMnO4/ HCl.
Ποια η σύσταση του αρχικού μίγματος σε mol και σε ποια ομάδα ανήκει το στοιχείο Μ;
( Δίνεται Ar Fe: 56, M:24)
γ) Στη συνέχεια απομονώνεται το προϊόν της 1ης αντίδρασης ΜCl2 διαλύεται σε νερό και αντιδρά με ισομοριακη ποσότητα HI σύμφωνα με την αντίδραση
ΜCl2 +2HI MI2+2HCl
Προς τα πού είναι μετατοπισμενη η αντίδραση και γιατί;
Αν η απόδοση της αντίδρασης είναι 80% υπολογίσετε την Κc. Αν ο όγκος του διαλύματος που προκύπτει ( Υ1) είναι 4L υπολογίσατε το pH σε θερμοκρασία
25 °C καθώς και την ωσμωτική πίεση της διαλύματος. Υπολογίστε και την ιοντική σύσταση. ( Γίνονται όλες οι γνωστές προσεγγίσεις και δίνεται Cl 17η ομάδα , 4η περίοδο και I 17η ομάδα 6η περίοδος, R=0.082atm*L / mol*K, log5=0.7)
δ) Στη συνέχεια προστίθενται στο διάλυμα Υ4 0.02 mol Ca(OH)2 και κάποια ποσότητα αμμωνίας και το διάλυμα έχει τελικό όγκο 4L ώστε το pH του (Υ3) να γινει 2 στους 25 ° C.
Πόσα mol NH3 προσθέσαμε;
Ποια η ιοντική σύσταση του διαλύματος Υ3;
ε)Αν έκανα τιτλοδοτηση του διαλύματος με προσθήκη διαλύματος Υ3 0.1Μ CaOH2 χωρίς την προσθήκη στερεού Ca(OH)2 και ΝΗ3 ποιο το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης και ποιο το ρΗ σε αυτό το σημείο θ= 25⁰C. Αν διαθετω δείκτη ΗΔ1 με Κα*(ΗΔ1)=10^-6.5 ή ΗΔ2 με Κα(ΗΔ2)= 10^-4 ή ΗΔ3 με Κα(ΗΔ3)= 10^-9 ποιος είναι ο καταλληλότερος; Ποιος ο λόγος [ΗΔ]/[Δ-]. στο ισοδύναμο σημείο; και όταν το ρΗ του διαλύματος γίνει 6;( Δίνεται και έστω ότι αντιδρά πρώτο το HI Κb NH3 = 10^-9 και log2=0.5).
στ)Στη συνέχεια το διάλυμα θερμαίνεται στους 100 °C οπότε έχουμε εξάτμιση και στο δοχείο απομένουν δυο στερεα τα οποία διαλύονται εκ νέου σε 400mL νερού και η θερμοκρασία του διαλύματος σταθεροποιείται στους 80°C. Πώς δικαιολογείται η πτώση της θερμοκρασίας; Αν το pH του διαλύματος Υ4 που προκύπτει είναι 4.5 ποια η Κα’ του ΝΗ4+ σε αυτή την θερμοκρασία; Δικαιολόγησε ποιο έχει μεγαλύτερο σημείο ζέσεως ΝΗ3, ΗCl, HBr, και ΝΗ4Cl (Δινεται Ar N= 14, H=1 Cl= 35.5, Br=80 και για το HCl και ΗΒr μεγαλύτερο μέρος για την διπολική ροπή παίζει η απόσταση παρά η πολικότητα)
ζ)Αν στους
80 ° C Kb’ NH3 είναι 3*10-5 ποια η Kw’ του νερού;
Προς τα πού θα μετατοπιστεί η αντίδραση, τι θα πάθει ο βαθμός ιοντισμού του ΝΗ4+ και το ρΗ του διαλύματος Υ4
ι) με μείωση της θερμοκρασίας;
ιι) με προσθήκη Στερεάς NH3 και σταθερό όγκο.
iii) με αραίωση του διαλύματος
ιv) με προσθήκη διαλύματος NH4Cl 0.2M
v) με προσθήκη διαλύματος ΗCl;
vi) με προσθήκη διαλύματος ΚΟΗ ;

Λύση
α) Fe : 1s²2s²2p63s²3d64s²
Άρα ανήκει στην 4η περίοδο , 6η ομάδα d τομέα.
Fe+²: 1s²2s²2p63s²3d6
Fe+³: 1s²2s²2p63s²3d5
Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει ο Fe αφού έχει και στιβάδα περισσότερο, και στη συνέχεια ο Fe+² αφού τα ίδια p+ έλκουν λιγότερο 24 ηλεκτρόνια, σε σχέση με το Fe+³ που έλκονται περισσότερο τα 23 ηλεκτρόνια , άρα η ατομική ακτίνα μειώνεται. Πιο σταθερό ανάμεσα στα 2 ιόντα είναι ο Fe+3 αφού εκτός από 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική s ,p υποστιβαδα , έχει ημισυμπληρωμενη την 3d που όπως γνωρίζουμε δημιουργεί ενεργειακή σταθερότητα.
β) Έστω Χ mol Fe , y mol M
Έχουμε Χ*56+y*24=10.4(1)
Fe + 2HCl> FeCl2 +H2
x. x. x (mol)
M+ω HCl> MClω +ω/2Η2
y. y. y*ω/2 (mol)
Στη συνέχεια αφού το Μ ανήκει στην 3η περίοδο δεν μπορεί να είναι στοιχείο μετάπτωσης αφού αυτά υπάρχουν από την 4η περίοδο και μετά άρα για να είναι μέταλλο θα ανήκει ή στην 1η ή στην 2η ομάδα, και επιπλέον θα έχει μόνο ένα θετικό αριθμό οξείδωσης οπότε δεν θα οξειδώνεται περαιτέρω με διάλυμα KMnO4/HCl
Οπότε
5FeCl2 + KMnO4 + 8HCl>
x. x/5. mol
5FeCl3 + MnCl2+ KCl + 4H2O
Άρα Χ/5=C*V= 0.1*0.2, άρα Χ= 0.1.αρα (1) y= 0.02mol
Επίσης
[Χ+ y*(ω/2)]*22.4= 6.72, άρα ω=2 οπότε το στοιχείο Μ ανήκει στη 2 ομάδα του Π.Π αφού δεν μπορεί να είναι στοιχείο μετάπτωσης στην 3η περίοδο και δίνει 2 ηλεκτρόνια για να γίνει Μ+².
γ) Λόγω επαγωγικού φαινομένου το HI είναι πιο ισχυρό από το HCl αφού το I εχει μεγαλυτερη ατομική ακτινα από το Cl και ελκει
λιγότερο το Η+ , οπότε μπορεί να το δώσει πιο εύκολα. Γνωρίζουμε ότι οι πρωτολυτικες αντιδράσεις είναι μετατοπισμενες προς το ασθενέστερο οξύ (ή βάση) άρα εν προκειμένω θα είναι μετατοπισμενες αριστερά προς το πιο ασθενές HCl.
MCl2(aq)+ 2HI(aq)
MI2(aq)+2HCl(aq)
0.2. 0.2
-x. -2x. x .2x(mol)
0.2-x. 0.2-2x. x. 2x
α=2χ/0.2=0.8, άρα
Χ= 0.08mol
Οπότε
Κc =[x*(2x)²/V³]/[(0.2-x)*(0.2-2x)²/V³]=0.08*0.16²/1.2*0.04²=3.2/3
Αφού ΜCl2> M+²+2Cl-
ι1=3, ομοίως και για ΜI2 i2=3 και
ΗCl.+H2O>H3O+ + Cl-., i3=2 όπως και για. ΗΙ i4=2
Άρα Π=(ι1*n1+ i2*n2+i3n3+i4*n4)*R*T/V=
(3*1.2+2*0.04+3*0.08+2*
0.16)*0.082*298/4 =25.8atm
Το ρΗ υπολογίζεται μόνο από τα ισχυρά οξέα αφού τα ιόντα από την διάσταση των αλάτων προέρχονται από ισχυρά οξέα και βάσεις και δεν αντιδρούν με νερό .Έχουμε [HCl]=0.16/4=0.04M και [ HI]=0.04/4=0.01M αφου οι ιοντισμού είναι μονόδρομοι όπως δείξαμε παραπάνω [Η3Ο+]=0.04+0.01=0.05Μ.
αρα ρΗ=-log[H3O+]=2-log 5=1.7

δ) Οποίο οξύ και να αντιδράσει με το Ca(OH)2 πρώτο αφού είναι και τα 2 ισχυρά δεν επηρεάζεται το ρΗ. Έστω όπως αναφέρει και η εκφώνηση
2ΗI+Ca(OH)2>CaBr2+2 Η2Ο
0.04 0.02 mol
-. –
Στη συνέχεια
HCl+ NH3 >NH4Cl
0.16-φ.-. φ (mol)
Αφού για να έχουμε όξινο ρΗ πρέπει να περισσεύει ΗCl ή να αντιδρούν πλήρως και τα δύο, όμως το ρΗ είναι αρκετά μικρό και με Κα (ΝΗ4+) =10-¹⁴/10-⁵=10-⁹ είναι μάλλον απίθανο.
Έχουμε ένα ισχυρό οξύ και ένα όξινο άλας, άρα εφόσον ισχύουν και οι προσεγγίσεις το ρΗ θα καθορίζεται από το ισχ οξύ
HCl+H2O> Cl- + H3O+
0.16-φ/4.

– 0.16-φ/4. (Μ)
ρΗ=2, άρα
0.16-φ/4=0.01οποτε φ=0.12mol
Επίσης
NH4Cl>Cl-. + NH4+
-. 0.12/4. 0.12/4 M Το
NH4+ +H2ONH3 + H3O+
0.03- b. b. b+0.01M
Άρα Κα= b*(b+0.01)/0.03-b,
10-9= b*0.01/0.03,. b=3*10-9Μ=[NH3]. [NH4+]=0.03M, [ H3O+]= 0.01M, άρα [ΟΗ-]=10^-12Μ,[ Cl-]= 0.03+0.01=0.04M
Ακόμα απο την πρώτη αντίδραση
CaI2>Ca+²+. 2 I-
– 0.02/4. 0.04/4. M
[Ca+]=0.005M [I-]=0.01M
ε)
Ca(OH)2+2HCl>CaCl2+2H20
0.08 0.16. 0.08 mol
Ca(OH)2+2HI> CaI2+2 H20
0.02. 0.04.0.02 mol
Άρα nολ(Ca(OH)2= 0.02+0.08=0.1mol=C*V=
0.1*V, V=1L. στο Ι.Σ .
Στο Ι.Σ έχουμε 2 άλατα των οποίων τα ιόντα προέρχονται από ισχυρά οξέα και βάσεις άρα δεν αντιδρούν με νερό οπότε ρΗ=7.
Ξέρουμε ότι ο προτιμότερος δείκτης είναι αυτός που περιλαμβάνει το ρΗ του ΙΣ στην περιοχή αλλαγής χρώματος η οποία κυμαίνεται από Κα(ΗΔ)+1 ως Κα(ΗΔ)-1 οπότε ο ΗΔ1 που άλλαζε χρώμα από ρΗ 5.5ως ρΗ 7.5 περιλαμβάνει το ρΗ του ΙΣ και είναι ο κατάλληλος. Επίσης γνωρίζουμε ότι [Η3Ο+]= Κα(ΗΔ)*[ΗΔ]/[Δ-] άρα για ρΗ= 7 στο ΙΣ έχουμε 10^-7=10^-6.5[ΗΔ]/[Δ-], άρα [ΗΔ]/[Δ-]=10^-0.5, log [Δ-]/[ΗΔ]=0.5=log2, άρα [Δ-]/[ΗΔ]= 2 ή [ΗΔ]/[Δ-]= 0.5 ενώ για ρΗ=6 [Η3Ο+]=10^-6=Κα(ΗΔ)*[ΗΔ]/[Δ-], 10^-6=10^-6.5[ΗΔ]/[Δ-], [ΗΔ]/[Δ-]=10^0.5, log[ΗΔ]/[Δ-]=0.5=log2, [ ΗΔ]/[Δ-]=2
στ) Με εξατμιση απομένουν μόνο τα στέρεα άλατα, και η πτώση της θερμοκρασίας στη συνέχεια αιτιολογείται καθως η διάλυση και η διάσταση των άλατων CaI2, NH4Cl είναι ενδοθερμη αντίδραση άρα απορροφάται θερμότητα και έχουμε μείωση της θερμοκρασίας. Στη συνέχεια με προσθήκη νερού έχουμε
NH4Cl> Cl- + NH4+
-. 0.12/0.4 0.12/0.4 M
NH4+ + H2O> NH3+ H3O+
0.3- k. k. k. M
pH= 4.5, [ H3O+[=10^-4.5=k
Ka’=(10^-4.5)²/0.3-k= 10-9/0.3
Ka’=10^-8*1/3 αφού η αντίδραση ιοντισμού είναι ενδοθερμη και ευνοειται με αύξηση της θερμοκρασίας λογικό Κα’>Κα.
Μεγαλύτερο σημείο ζέσεως έχει το NH4Cl αφού είναι ιοντική ένωση και έχουμε δυνάμεις ιόντος, ιόντος να συγκρατούν τα σωματίδια που είναι οι πιο ισχυρές, ακολουθεί η NH3 που
εχουμε δ.Η μεταξύ των μορίων αφού το πολύ ηλεκτραρνητικο άζωτο ενώνεται με Η , ακολουθεί το ΗBr, λόγω μεγαλύτερου Mr από το ΗCl και στις δύο περιπτώσεις έχουμε δύναμη διπολου- διπόλου αλλά παρότι το Cl είναι πιο ηλεκτραρνητικο από το Br λόγω Μr η διπολική ροπή είναι μεγαλύτερη στο HBr. Σε όλες τις περιπτώσεις υπάρχουν και δυνάμεις London από τυχαία διασπορά του ηλ. φορτίου
ζ) Κα’*Κb’= Kw’
10^-8*1/3*3*10^-5=10-¹³
ι)Αφού η αντίδραση είναι ενδοθερμη θα μετατοπιστεί αριστερα με μείωση της θ, άρα α μειώνεται και ρΗ αυξάνεται
ιι) Με προσθήκη ΝΗ3 έχουμε Ε.Κ.Ι οπότε η αντίδραση μετατοπίζεται αριστερα, οπότε μειωνεται η απόδοση και αυξανετα το ρΗ
ιιι) Qc= [H30+]’*[NH3]’/[NH4+]’ και αφού όλες οι C μειώνονται λόγω αυξησης του όγκου λόγω Qc<Kc, άρα η αντίδραση μετατοπίζεται δεξιά ακόμα α=✓(Κα/C’) οπότε η α αυξάνεται και [H3O+]=✓(Ka*C’) μειώνεται, άρα ρΗ αυξάνεται.
iv) [NH4Cl] ‘ αυξάνεται άρα η αντίδραση μετατοπίζεται προς τα δεξιά όμως η μεταβολή δεν αναιρείται πλήρως, οπότε η απόδοση μειώνεται όπως φαίνεται και από α= ✓(Κα/C’), ενώ η [Η3Ο+]=√{Κα*C’)αυξάνεται, άρα ρΗ μειώνεται.
ν) Με προσθήκη διαλύματος ΗCl έχουμε αραίωση του Υ4 οπότε ομοίως με (ιιι) η αντίδραση μετατοπίζεται δεξιά λόγω αραίωσης όμως εχουμε ΕΚΙ στα Η3Ο+ που μετατοπίζει την αντίδραση αριστερά οπότε χωρίς αριθμητικά δεδομένα δεν μπορώ να προβλέψω την κατεύθυνση της αντίδρασης ούτε και την απόδοση . Τα οξωνια θα αυξηθούν με την προσθήκη οξεος αν όμως η αντίδραση μετατοπιστεί αριστερά και η αύξηση είναι μικρή μπορεί αυτά τελικά να μειωθούν, άρα ομοίως δεν μπορώ να αποφανθω και για το ρΗ .
vι) Έχουμε αντίδραση του ΚΟΗ με ΝΗ4Cl οπότε τα μολ NH4Cl μειώνονται ή και τελειώνουν, αν όμως περισσεύουν επειδή έχουμε και αραίωση η συγκέντρωση του σιγουρα μειωνεται, άρα η αντίδραση μετατοπίζεται προς τα αριστερά όμως επειδή η μεταβολή δεν αναιρείται πλήρως α αυξάνεται όπως φαίνεται και από α= ✓(Kα/C’), ενώ η [Η3Ο+]’. μειώνεται, άρα το ΡΗ αυξάνεται.