Przeprowadzono doświadczenie, którego celem była obserwacja zmian energii wewnętrznej badanego układu w wyniku przemiany chemicznej. W procesie przeprowadzonym w warunkach izotermiczno-izobarycznych wprowadzono do cylindra gazowy tlen oraz sproszkowane żelazo i zamknięto ten cylinder ruchomym tłokiem. Schemat doświadczenia przedstawiono na poniższym rysunku.

W warunkach doświadczenia reakcja zachodziła z niewielką szybkością. Ścianki cylindra umożliwiały wymianę ciepła z otoczeniem.

 

Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.

W wyniku przebiegu opisanego procesu tlen się zużywa, a tłok przesuwa się (w dół / w górę), wykonując pracę nad układem. Przemianie żelaza w tlenek żelaza(III) towarzyszyło odprowadzenie ciepła do otoczenia, co oznacza, że ta reakcja jest procesem (endoenergetycznym / egzoenergetycznym).

Reakcja rozkładu azotanu(V) ołowiu(II) jest procesem endoenergetycznym i przebiega zgodnie z równaniem:

2Pb(NO 3) 2 → 2PbO + 4NO 2↑ + O 2↑

Wartości standardowych entalpii tworzenia związków biorących udział w opisanej reakcji podano w poniższej tabeli.

Oblicz, ile energii na sposób ciepła należy dostarczyć, aby całkowicie rozłożyć 3,31 g Pb(NO 3)2.

Do reaktora o stałej pojemności, z którego usunięto powietrze, wprowadzono próbkę gazowego związku A i zainicjowano reakcję. W zamkniętym reaktorze ustaliła się równowaga opisana równaniem:

A (g) ⇄ 2B (g)

Mierzono stężenie związku A w czasie trwania reakcji. Tę zależność przedstawiono na poniższym wykresie:

Z poniższych wykresów wybierz ten, który jest ilustracją zależność stężenia związku B od czasu trwania reakcji. Zaznacz wykres A, B, C albo D i uzasadnij swój wybór.

 

Uzasadnienie:

Skład mieszaniny można wyrazić za pomocą ułamków molowych. Ułamek molowy składnika A, 𝑥𝑥𝑛𝑛(A), to iloraz liczby moli tego składnika, 𝑛𝑛A, i sumy liczb moli wszystkich składników mieszaniny. Np. dla mieszaniny trójskładnikowej A, B, C:

W pewnych warunkach ciśnienia i temperatury sporządzono mieszaninę dwóch gazowych substancji: wodoru i jodu, w zamkniętym reaktorze o objętości V = 20,0 dm 3.

Po zainicjowaniu procesu opisanego równaniem:

uzyskano w stanie równowagi mieszaninę o składzie: 𝑚𝑚(I 2 ) = 381 g, 𝑛𝑛(HI) = 1,50 mol oraz pewną ilość wodoru. Sumaryczna liczba moli wszystkich składników uzyskanej mieszaniny równowagowej wynosiła 6,00 moli.

 

1. Oblicz wartość stężeniowej stałej równowagi reakcji syntezy jodowodoru w warunkach temperatury i ciśnienia, w których wykonano pomiar, oraz oblicz skład początkowej mieszaniny substratów reakcji w ułamkach molowych.

 

2. Narysuj wykres przedstawiający zmiany liczby moli wszystkich reagentów w czasie trwania reakcji: od momentu rozpoczęcia eksperymentu – P, przez moment, w którym układ osiągnął stan równowagi – R, do momentu zakończenia eksperymentu – Z. W tym celu narysuj trzy krzywe obrazujące zmiany liczb moli reagentów i wprowadź oznaczenia tych krzywych: n(H2), n(I 2) oraz n(HI).

3. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.

Termograwimetria to technika badania związków chemicznych pozwalająca m.in. na rejestrację zmian masy próbki w trakcie jej rozkładu termicznego. Wynikiem takiego badania jest krzywa zwana termogramem, ilustrująca zmianę masy próbki w funkcji wzrastającej ze stałą szybkością temperatury.
Próbkę zawierającą 3∙10–4 mola uwodnionego węglanu kobaltu(II), CoCO3∙xH2O, ogrzewano w atmosferze argonu. Rejestrowano zmiany masy próbki wraz z rosnącą temperaturą w przedziale od 0 °C do 550 °C. Badanie prowadzono do chwili, w której masa próbki nie ulegała już dalszym zmianom. Stwierdzono, że rozkład termiczny zachodzi w dwóch etapach. Analiza gazowych produktów rozkładu powstających w trakcie eksperymentu w obu etapach wykazała, że w każdym z nich wydziela się tylko jeden rodzaj gazu, w każdym z etapów – inny. Uzyskany termogram przedstawiono na schemacie.

Na podstawie obliczeń ustal przebieg rozkładu hydratu węglanu kobaltu(II) – napisz równania reakcji przebiegających w I i II etapie rozkładu.

Obliczenia:

Równanie reakcji rozkładu w I etapie:

Równanie reakcji rozkładu w II etapie:

Azotki to grupa związków chemicznych o zróżnicowanej budowie i właściwościach, w której atomom azotu przypisuje się stopień utlenienia równy –III. Niżej opisano wybrane właściwości
dwóch azotków.

1) Azotek litu, Li3N, w temperaturze T = 298 K i pod ciśnieniem p = 1000 hPa jest krystalicznym ciałem stałym, o wysokiej temperaturze topnienia. Po stopieniu azotek litu przewodzi prąd elektryczny. Azotek litu otrzymuje się w reakcji syntezy z pierwiastków. Jest substancją higroskopijną, a w kontakcie z wodą rozkłada się z wydzieleniem amoniaku. Roztwór po reakcji azotku litu z wodą i usunięciu amoniaku z roztworu ma pH > 7. Li3N reaguje też z wodnymi roztworami kwasów.

2) Azotek boru, BN, to w temperaturze T = 298 K i pod ciśnieniem p = 1000 hPa krystaliczne, bezbarwne ciało stałe, o bardzo wysokiej temperaturze topnienia, występujące w kilku odmianach polimorficznych. Stopiony azotek boru nie przewodzi prądu elektrycznego. Zależnie od rodzaju odmiany polimorficznej wykazuje zróżnicowaną twardość od twardości zbliżonej do twardości grafitu aż do twardości diamentu. Otrzymuje się go wieloma metodami, a jedną z nich jest reakcja mocznika, CO(NH2)2, z tlenkiem boru, B2O3, w temperaturze 1000 °C, przy czym produktami ubocznymi są para wodna i tlenek węgla(IV).

 

1. Uzupełnij poniższe zdanie. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.

Azotek litu tworzy kryształy (jonowe / kowalencyjne / metaliczne), a azotek boru tworzy kryształy (jonowe / kowalencyjne / metaliczne).

 

2. Napisz równanie syntezy azotku litu z pierwiastków i równanie reakcji otrzymywania azotku boru z mocznika i tlenku boru.

Równanie syntezy azotku litu:
Równanie reakcji otrzymywania azotku boru:

 

3. Po wprowadzeniu do wody próbki Li3N o masie 43,75 mg zaszła reakcja dana równaniem:

Li3N (s) + 3H2O (c)  → 3LiOH (aq) + NH3 (g)

Powstały roztwór ogrzewano aż do całkowitego usunięcia wydzielającego się w reakcji gazu. Po wystudzeniu do temperatury 25 °C mieszaninę uzupełniono wodą do końcowej objętości
750 cm3 i uzyskano bezbarwny, klarowny roztwór o gęstości 1,002 g∙cm–3 , który oznaczono symbolem S. Ustalono, że wartość pH roztworu S wynosi 11,7.

a) Na podstawie obliczeń wykaż, że pH otrzymanego roztworu S było równe 11,7.

 

b) Metoda kolorymetryczna to jedna z szybszych doświadczalnych metod oznaczania orientacyjnej wartości pH roztworu. Polega na użyciu kilku wskaźników do wyznaczenia przedziału, w którym zawiera się wartość pH badanego roztworu. Pobrano trzy jednakowe próbki roztworu S do trzech probówek i wprowadzono do każdej z nich z osobna po kilka kropli roztworów wskaźników I, II i III.

Napisz, w jakim przedziale mieści się wartość pH roztworu S wyznaczona metodą kolorymetryczną.

 

 

Wartość pH badanego roztworu wyznaczona na podstawie barw wybranych wskaźników jest większa niż     i mniejsza niż   .

Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.

W półogniwach A i B zachodzą reakcje opisane równaniami:

Zbudowano ogniwo z półogniw A i B.

 

1. Oblicz siłę elektromotoryczną (SEM) ogniwa zbudowanego z półogniwa A i półogniwa B w warunkach standardowych.

 

2. Napisz w formie jonowej skróconej sumaryczne równanie reakcji zachodzącej w ogniwie zbudowanym z półogniw A i B.

 

3. Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedno określenie spośród podanych w nawiasie.

W procesie elektrolizy, podczas przepływu prądu przez wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) elektrony (są pobierane z katody / są przekazywane na katodę) przez kationy Cu2+. Obecne w roztworze jony miedzi(II) ulegają procesowi (redukcji / utleniania), a efektem tego jest (zwiększenie / zmniejszenie) masy katody.

Przeprowadzono oddzielnie elektrolizę wodnego roztworu chlorku sodu i wodnego roztworu wodorotlenku sodu z użyciem elektrod grafitowych. W wyniku doświadczenia na elektrodach ujemnych w obu elektrolizerach otrzymano ten sam gazowy produkt. Na elektrodach dodatnich wydzielił się jeden produkt gazowy – w każdym elektrolizerze inny. Po zakończeniu elektrolizy stwierdzono, że w elektrolizerze, w którym znajdował się roztwór chlorku sodu, nastąpiła zmiana odczynu roztworu.

 

1. Napisz równania reakcji prowadzących do wydzielenia gazowego produktu na elektrodzie dodatniej podczas elektrolizy wodnego roztworu chlorku sodu (równanie 1.) i podczas elektrolizy wodnego roztworu wodorotlenku sodu (równanie 2.).

1:

2:

 

2. Napisz, jaki był odczyn roztworu w elektrolizerze, w którym znajdował się wodny roztwór chlorku sodu, po zakończeniu elektrolizy. Odpowiedź uzasadnij – odwołaj się do procesu zachodzącego podczas elektrolizy na elektrodzie ujemnej.

Odczyn roztworu był:

Uzasadnienie:

W czasie elektrolizy stopionego tlenku glinu prowadzonej w temperaturze 2050°C i pod ciśnieniem 1013 hPa zachodzą procesy elektrodowe zilustrowane równaniami:

Al3+ + 3e− → Al
2O2− → O2 + 4e−

Podczas tego procesu wydzielił się tlen. Objętość tlenu zmierzona w warunkach prowadzenia elektrolizy była równa 43,85 dm3.

 

Oblicz, ile gramów glinu otrzymano w czasie elektrolizy stopionego tlenku glinu. Przyjmij, że oba procesy elektrodowe przebiegły z wydajnością równą 100%.

Uniwersalna stała gazowa R = 83,1 dm3 · hPa · mol–1 ⋅ K–1.

W analizie potencjometrycznej wykorzystuje się zależność potencjału odpowiednich elektrod od stężenia jonów oznaczanych. Pomiary potencjometryczne polegają na mierzeniu SEM ogniwa zestawionego z dwóch półogniw: tzw. elektrody wskaźnikowej, zanurzonej w badanym roztworze, oraz tzw. elektrody odniesienia, zanurzonej w roztworze o niezmiennym składzie, której potencjał w warunkach pomiaru pozostaje stały.
Rozróżnia się dwa główne typy elektrod. Elektrody pierwszego rodzaju to elektrody odwracalne względem kationu: są zbudowane z metalu i są w równowadze z roztworem zawierającym jony tego metalu (M oznacza symbol metalu):

M(s) + ⇄ Mⁿ⁺(aq) + 𝑛e⁻

Elektrody drugiego rodzaju są odwracalne względem anionu, tworzącego z metalem elektrody trudno rozpuszczalny związek. Elektrodą drugiego rodzaju jest elektroda halogenosrebrowa. Działanie tej elektrody opisuje równanie (X oznacza symbol halogenu):

AgX(s) + e– ⇄ Ag(s) + X⁻(aq)

 

1. Jedną z metod potencjometrycznych jest miareczkowanie potencjometryczne. Przeprowadzono miareczkowanie potencjometryczne w celu oznaczenia stężenia anionów chlorkowych i jodkowych w badanym roztworze. Próbkę roztworu o objętości V0 = 10,00 cm³ rozcieńczono wodą do objętości 50,00 cm³ . Ten rozcieńczony roztwór stanowił analit. Z elektrody srebrowej jako elektrody wskaźnikowej oraz elektrody halogenosrebrowej jako elektrody odniesienia zbudowano ogniwo, po czym zmierzono jego SEM. Następnie do analitu stopniowo wkraplano roztwór azotanu(V) srebra o stężeniu  c AgNO₃ =  0,05 mol dm⁻³ . Po dodaniu każdej porcji titranta mierzono SEM ogniwa. W czasie miareczkowania wytrącały się kolejno osady halogenków srebra, czemu towarzyszyły dwie duże zmiany mierzonej siły elektromotorycznej odpowiadające dwóm
punktom równoważnikowym miareczkowania. Punkt równoważnikowy I odpowiadał momentowi, w którym liczba dodanych moli jonów Ag⁺ była równa liczbie moli jonów halogenkowych wytrącających się jako pierwsze. Analogicznie przebiegało oznaczenie drugiego rodzaju jonów halogenkowych i momentowi, w którym zaszła równość liczb moli, odpowiadał punkt równoważnikowy II.

Aby wyznaczyć objętość titranta w I i II punkcie równoważnikowym miareczkowania, dla każdej dodanej porcji titranta ΔVtitranta obliczono zmianę siły elektromotorycznej ogniwa ΔSEM, a następnie sporządzono wykres
V jako funkcji Vtitranta.

jako funkcji Vtitranta

W temperaturze 298 K iloczyn rozpuszczalności chlorku srebra
Kso[AgCl] 1,6 ⋅ 10⁻¹⁰ , a jodku srebra Kso[AgI] 1,5 ⋅ 10 ⁻¹⁶.

1. Oblicz stężenie molowe jonów chlorkowych w roztworze, którego próbkę o objętości V0 = 10,00 cm³ pobrano do miareczkowania.

 

 

2. Przykładem elektrody halogenosrebrowej jest elektroda chlorosrebrowa:

Działanie elektrody chlorosrebrowej opisuje równanie:

AgCl(s) + e⁻  ⇄  Ag(s) + Cl⁻ (aq)

Potencjał tej elektrody zależy od stężenia jonów chlorkowych w roztworze, który stanowi jej element, i wyraża się równaniem: o E Ag/AgCl = E° Ag/AgCl -0,059log Cl- (w temperaturze 298 K).

Przygotowano dwie elektrody chlorosrebrowe: elektroda I zawierała wodny roztwór chlorku potasu o stężeniu równym 0,10 mol ∙dm⁻³, a elektroda II – wodny roztwór tej samej soli o stężeniu równym 0,01 mol ∙dm⁻³

Rozstrzygnij, która elektroda chlorosrebrowa (I czy II) ma – w tej samej temperaturze – wyższy potencjał. Odpowiedź uzasadnij.

Rozstrzygnięcie:

Uzasadnienie:

 

3. Jako elektroda odniesienia w opisanym miareczkowaniu potencjometrycznym może być zastosowana tzw. nasycona elektroda kalomelowa.

Schemat tej elektrody przedstawiono poniżej:
Hg │ Hg₂Cl₂ (s), KCl (roztwór nasycony)

Zasada działania tej elektrody jest taka sama jak elektrody chlorosrebrowej.

Napisz równanie reakcji elektrodowej zachodzącej w elektrodzie kalomelowej

Heksacyjanożelazian(II) potasu to sól zawierająca kompleksowy jon o wzorze [Fe(CN)₆]⁴⁻.
Zawartość tego związku w badanej próbce można określić na podstawie jego reakcji ze znaną ilością bromu.
Przeprowadzono doświadczenie, którego celem było określenie liczby moli heksacyjanożelazianu(II) potasu w roztworze. Aby przygotować roztwór bromu o znanym stężeniu, zastosowano metodę elektrolitycznego wytwarzania bromu w układzie dwóch elektrod platynowych. W tym celu w zlewce umieszczono roztwór bromku potasu i kwasu siarkowego(VI) o znanym stężeniu. Następnie do tego roztworu dodano próbkę K₄Fe(CN)₆ o nieznanym stężeniu. W tak sporządzonym roztworze zanurzono dwie platynowe elektrody oznaczone symbolami E1 oraz E2 i przeprowadzono elektrolizę prądem o natężeniu 0,005 A. W jej wyniku wydzielił się brom, który przereagował z K₄Fe(CN)₆. Wydajność obu reakcji wynosiła 100%.

 

1. Napisz równania reakcji przebiegających na anodzie i na katodzie podczas opisanego procesu wytwarzania bromu.

Anoda:

Katoda:

 

2. Jon heksacyjanożelazianu(II) reaguje z bromem zgodnie ze schematem:

Napisz w formie jonowej skróconej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równania procesów redukcji i utleniania zachodzących podczas opisanej przemiany.

Równanie reakcji redukcji:

 

3. Czas trwania elektrolizy prowadzącej do otrzymania stechiometrycznej ilości bromu w stosunku do K₄Fe(CN)₆ określa się w równoległym eksperymencie – w układzie dwóch elektrod platynowych E3 oraz E4. Umieszcza się je w badanym roztworze i przykłada do nich niewielką różnicę potencjałów. Podczas eksperymentu rejestruje się natężenie prądu przepływającego w układzie pomiarowym. Na początku elektrolizy natężenie prądu wzrasta proporcjonalnie do ilości powstających jonów Fe(CN)³⁻₆. Maksymalna wartość natężenia prądu obserwowana jest w chwili, gdy liczba moli jonów Fe(CN)³⁻₆ jest równa liczbie moli jonów Fe(CN)⁴⁻₆. Następnie natężenie prądu spada prawie do zera i osiąga minimum w momenciecałkowitego przereagowania jonów Fe(CN)⁴⁻₆. W dalszym etapie elektrolizy natężenie prądu przepływającego między elektrodami E3 i E4 wzrasta.

Przeanalizuj poniższe wykresy i zaznacz ten, który odpowiada opisanym zmianom natężenia prądu przepływającego w układzie elektrod oznaczonych symbolami E3 oraz E4.

4. Liczba moli elektronów wymienionych podczas elektrolizy jest określona następującym wzorem:

gdzie:
i – natężenie prądu, A
t – czas trwania elektrolizy, s
F – stała Faradaya, 96500 C · mol ⁻ ¹.

 

Oblicz liczbę moli jonów [Fe(CN)₆]⁴⁻ w badanym roztworze. Czas potrzebny do otrzymania stechiometrycznej ilości bromu odczytaj z wykresu wybranego w zadaniu 3.

Poniżej przedstawiono wybrane piktogramy stosowane do oznaczania niebezpiecznych substancji i mieszanin.

Spośród przedstawionych piktogramów wybierz dwa stosowane do opisu zagrożeń wynikających ze stosowania w laboratorium kwasu azotowego(V). Uzupełnij tabelę –
wpisz oznaczenia cyfrowe wybranych piktogramów i zaznacz literę wskazującą znaczenie danego piktogramu.

W pracującym ogniwie paliwowym zasilanym bezpośrednio metanolem na elektrodach biegną reakcje chemiczne:

reakcja 1: O2 (g) + 4H⁺ (aq) + 4e⁻ → 2H2O (c)

reakcja 2: CH3OH (g) + H2O (c) → CO2 (g) + 6H⁺ (aq) + 6e⁻

 

1. Napisz sumaryczne równanie reakcji biegnącej w opisanym ogniwie paliwowym.

 

2. Uzupełnij poniższe zdanie. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.

W opisanym ogniwie paliwowym na katodzie biegnie reakcja (1 / 2), a na anodzie biegnie reakcja (1 / 2). W sumarycznym procesie bierze udział (4 / 6 / 12) moli elektronów w przeliczeniu na 1 mol reduktora.

3. Oblicz efekt cieplny sumarycznego procesu przebiegającego w opisanym ogniwie paliwowym w przeliczeniu na 1 mol metanolu. Przyjmij, że w warunkach pracy ogniwa:

ΔHtw.(CH3OH (g)) = – 201,0 kJ∙mol⁻¹,
ΔHtw.(H2O (c)) = – 285,8 kJ∙mol⁻¹,
ΔHtw.(CO2 (g)) = – 393,5 kJ∙mol⁻¹.

Do reaktora, w którym znajdowała się stała substancja X, wprowadzono pod ciśnieniem atmosferycznym gazową substancję Y i zapoczątkowano reakcję chemiczną, w wyniku której powstawał gaz Z. Po 10 minutach, w temperaturze T1, ustaliła się równowaga opisana równaniem:

X (s) + Y (g) ⇄ Z (g)

Na wykresie przedstawiono wyniki pomiaru liczby moli gazowych reagentów w trakcie trwania procesu oraz po ustaleniu się stanu równowagi w temperaturze T1. W piętnastej minucie
eksperymentu zmieniono w układzie temperaturę na T2 wyższą od T1, czego konsekwencją było ustalenie się nowego stanu równowagi po dwudziestu minutach eksperymentu, co także
zilustrowano na poniższym wykresie.

1. Rozstrzygnij, czy w temperaturze T2 – w porównaniu z przemianą zachodzącą w temperaturze T1 – następuje:

• wzrost szybkości reakcji tworzenia substancji Z;

• spadek szybkości reakcji rozkładu substancji Z.

Odpowiedzi uzasadnij.

 

2. Rozstrzygnij, czy reakcja tworzenia związku Z jest procesem endoenergetycznym. Odpowiedź uzasadnij.

Rozstrzygnięcie:

Uzasadnienie:

 

3. Napisz wyrażenie na stężeniową stałą równowagi reakcji tworzenia związku Z i oszacuj jej wartość w temperaturze T1. Uwzględnij fakt, że w wyrażeniu na stałą równowagi tej reakcji pomija się stężenie substancji stałej.

Wyrażenie na stałą równowagi:

Oszacowana wartość stałej równowagi:

4. Uzupełnij poniższe zdanie. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w nawiasie.

Wraz ze zmniejszeniem ciśnienia w układzie w warunkach izotermicznych wydajność reakcji otrzymywania substancji Z (wzrośnie / zmaleje / się nie zmieni).