Πανελλαδικές Εξετάσεις 2023 — chemistry, Θέμα C (9 μονάδες)

α. Η ουρία ($H_2NCONH_2$) αντιδρά με νερό σε κατάλληλες συνθήκες σύμφωνα με τη θερμοχημική εξίσωση (1):
$$H_2NCONH_2(aq) + H_2O(l) \to 2NH_3(g) + CO_2(g), \quad \Delta H^0 \ (1)$$
Να υπολογίσετε το ποσό της θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται από την αντίδραση 6 g ουρίας σύμφωνα με την (1). (μονάδες 5)
Δίνονται οι πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού: $\Delta H_f^0(NH_3(g)) = -46$ kJ/mol, $\Delta H_f^0(CO_2(g)) = -394$ kJ/mol, $\Delta H_f^0(H_2NCONH_2(aq)) = -320$ kJ/mol, $\Delta H_f^0(H_2O(l)) = -286$ kJ/mol, και οι σχετικές ατομικές μάζες: Ar(H)=1, Ar(C)=12, Ar(N)=14, Ar(O)=16.
β. Η αμμωνία που παράγεται διαβιβάζεται σε δοχείο όγκου 0,5 L και αντιδρά με περίσσεια CuO κατά την εξίσωση (2):
$$2NH_3(g) + 3CuO(s) \to N_2(g) + 3Cu(s) + 3H_2O(l) \ (2)$$
Σε χρόνο t = 10 s έχει διασπαστεί το 20% της ποσότητας της $NH_3$. Να προσδιορίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης και τη μέση ταχύτητα κατανάλωσης της $NH_3$ στο χρονικό διάστημα των 10 s. (μονάδες 4)

Απάντηση:
α. $\Delta H^0 = [2\Delta H_f^0(NH_3) + \Delta H_f^0(CO_2)] - [\Delta H_f^0(ουρίας) + \Delta H_f^0(H_2O)] = [2(-46) + (-394)] - [(-320) + (-286)] = -486 + 606 = +120$ kJ. Η αντίδραση είναι ενδόθερμη. $M_r$(ουρίας) = 60, άρα $n = 6/60 = 0{,}1$ mol. Απορροφάται θερμότητα $q = 0{,}1 \cdot 120 = 12$ kJ.
β. Παράγονται $2 \cdot 0{,}1 = 0{,}2$ mol $NH_3$. Διασπάται το 20%: $\Delta n(NH_3) = 0{,}04$ mol, άρα $\Delta[NH_3] = 0{,}04/0{,}5 = 0{,}08$ Μ. Μέση ταχύτητα κατανάλωσης $NH_3$: $\bar{v}_{NH_3} = 0{,}08/10 = 8\cdot 10^{-3}$ M/s. Μέση ταχύτητα αντίδρασης: $\bar{v} = \bar{v}_{NH_3}/2 = 4\cdot 10^{-3}$ M/s.

ΚΛΕΙΔΙ ΒΑΘΜΟΛΟΓΗΣΗΣ (9 μ.). α (5 μ.): ορθή εφαρμογή νόμου Hess με ενθαλπίες σχηματισμού: 2 μ.· $\Delta H^0 = +120$ kJ/mol (ενδόθερμη): 1 μ.· $n$(ουρίας) = 0,1 mol: 1 μ.· απορροφώνται 12 kJ (με ορθό χαρακτηρισμό εκλύεται/απορροφάται): 1 μ. β (4 μ.): mol $NH_3$ = 0,2 και ποσότητα που διασπάται 0,04 mol: 1 μ.· μετατροπή σε συγκέντρωση με V = 0,5 L: 1 μ.· $\bar{v}_{NH_3} = 8\cdot 10^{-3}$ M/s: 1 μ.· $\bar{v} = 4\cdot 10^{-3}$ M/s (διαίρεση με τον συντελεστή 2): 1 μ. Μερική πίστωση: λάθος πρόσημο/χαρακτηρισμός στο α: -1 μ.· παράλειψη διαίρεσης με τον συντελεστή: -1 μ.· μεταφερόμενο αριθμητικό λάθος δεν ξαναχρεώνεται.

Πανελλαδικές Εξετάσεις 2023 — chemistry, Θέμα C (6 μονάδες)

Σε δοχείο όγκου V και σε θερμοκρασία θ °C πραγματοποιείται η αντίδραση:
$$FeO(s) + CO(g) \rightleftharpoons Fe(s) + CO_2(g) \ (3)$$
Στη θέση της χημικής ισορροπίας υπάρχουν 0,25 mol CO, 1,25 mol $CO_2$, 0,25 mol FeO και 1,25 mol Fe. Να υπολογίσετε την ποσότητα του $CO_2$ σε mol, που πρέπει να απομακρυνθεί από το δοχείο στην ίδια θερμοκρασία, ώστε η ποσότητα του CO στη νέα θέση ισορροπίας να είναι το 1/5 της ποσότητας του CO στην αρχική θέση ισορροπίας.

Απάντηση:
Στην αρχική ισορροπία (τα στερεά δεν μετέχουν στην $K_c$): $K_c = \dfrac{[CO_2]}{[CO]} = \dfrac{1{,}25/V}{0{,}25/V} = 5$. Απομακρύνουμε n mol $CO_2$· η ισορροπία μετατοπίζεται δεξιά. Στη νέα ισορροπία το CO πρέπει να είναι $0{,}25/5 = 0{,}05$ mol, άρα αντέδρασαν $y = 0{,}25 - 0{,}05 = 0{,}2$ mol CO (υπάρχει επαρκές FeO: 0,25 mol ≥ 0,2 mol) παράγοντας 0,2 mol $CO_2$. Νέα ποσότητα $CO_2$: $1{,}25 - n + 0{,}2 = 1{,}45 - n$. Από $K_c$: $\dfrac{1{,}45 - n}{0{,}05} = 5 \Rightarrow 1{,}45 - n = 0{,}25 \Rightarrow n = 1{,}2$ mol $CO_2$.

ΚΛΕΙΔΙ ΒΑΘΜΟΛΟΓΗΣΗΣ (6 μ.). Υπολογισμός $K_c = 5$ (χωρίς τα στερεά): 2 μ.· νέα ποσότητα CO = 0,05 mol και στοιχειομετρικός πίνακας μετά την απομάκρυνση (y = 0,2 mol): 2 μ.· εξίσωση $K_c$ στη νέα ισορροπία και n = 1,2 mol: 2 μ. Μερική πίστωση: συμπερίληψη στερεών στην $K_c$: -2 μ.· ορθή μεθοδολογία με αριθμητικό λάθος: -1 μ.

Πανελλαδικές Εξετάσεις 2023 — chemistry, Θέμα C (10 μονάδες)

Σε τρία δοχεία περιέχονται τα παρακάτω μίγματα (ένα σε κάθε δοχείο, διαφορετικό το καθένα· τα συστατικά κάθε μίγματος δεν αντιδρούν μεταξύ τους):
1) Αιθανικό οξύ ($CH_3COOH$) και μεθανάλη (HCHO)
2) Μεθανικό οξύ (HCOOH) και προπανόνη ($CH_3COCH_3$)
3) Αιθανόλη ($CH_3CH_2OH$) και προπανάλη ($CH_3CH_2CHO$)
Να προσδιορίσετε τη διαδικασία με την οποία θα ταυτοποιήσετε το περιεχόμενο του κάθε δοχείου, όταν έχετε στη διάθεσή σας:
- Υδατικό διάλυμα όξινου ανθρακικού νατρίου ($NaHCO_3$) — Διάλυμα ΔΑ
- Υδατικό διάλυμα ιωδίου ($I_2$) σε υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) — Διάλυμα ΔΒ
(μονάδες 6)
Να γράψετε τις αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στο μίγμα (2), όταν προστεθεί διάλυμα ΔΑ και όταν προστεθεί διάλυμα ΔΒ. (μονάδες 4)

Απάντηση:
Σε δείγμα από κάθε δοχείο προσθέτουμε διάλυμα ΔΑ ($NaHCO_3$): φυσαλίδες $CO_2$ εμφανίζονται μόνο στα δοχεία που περιέχουν καρβοξυλικό οξύ, δηλαδή στα μίγματα (1) και (2)· το δοχείο χωρίς φυσαλίδες περιέχει το μίγμα (3). Σε νέο δείγμα από κάθε δοχείο προσθέτουμε διάλυμα ΔΒ ($I_2$/NaOH — αλογονοφορμική αντίδραση): κίτρινο ίζημα ιωδοφορμίου ($CHI_3$) δίνουν η προπανόνη (μίγμα 2, ομάδα $CH_3CO-$) και η αιθανόλη (μίγμα 3, ομάδα $CH_3CH(OH)-$), όχι όμως το μίγμα (1) (το $CH_3COOH$ και η HCHO δεν δίνουν ιωδοφορμική). Συμπέρασμα: μόνο φυσαλίδες → μίγμα (1)· φυσαλίδες και κίτρινο ίζημα → μίγμα (2)· μόνο κίτρινο ίζημα → μίγμα (3).
Αντιδράσεις στο μίγμα (2):
Με ΔΑ: $HCOOH + NaHCO_3 \to HCOONa + CO_2\uparrow + H_2O$
Με ΔΒ: $CH_3COCH_3 + 3I_2 + 4NaOH \to CHI_3\downarrow + CH_3COONa + 3NaI + 3H_2O$

ΚΛΕΙΔΙ ΒΑΘΜΟΛΟΓΗΣΗΣ (10 μ.). Διαδικασία ταυτοποίησης (6 μ.): χρήση ΔΑ με ορθή πρόβλεψη φυσαλίδων στα (1) και (2) και όχι στο (3): 2 μ.· χρήση ΔΒ με ορθή πρόβλεψη κίτρινου ιζήματος $CHI_3$ στα (2) και (3) και όχι στο (1): 2 μ.· ορθό συνδυαστικό συμπέρασμα ταυτοποίησης και των τριών δοχείων: 2 μ. Αντιδράσεις μίγματος (2) (4 μ.): ισοσταθμισμένη $HCOOH + NaHCO_3$: 2 μ.· ισοσταθμισμένη ιωδοφορμική της προπανόνης με $I_2$/NaOH: 2 μ. Μερική πίστωση: σωστή εξίσωση χωρίς συντελεστές (μη ισοσταθμισμένη): το μισό των μονάδων της· εσφαλμένη απόδοση ιωδοφορμικής στη μεθανάλη ή στο $CH_3COOH$: -1 μ.