Meerkeuze deel

Vraag 1

Bereken de evenwichtsconstante $K$ bij 75 °C voor de oxidatie van methanol tot het giftige formaldehyde (methanal) in de gasfase. Voor methanolgas geldt:

$$\Delta_fH^\circ = -201,3 \text{ kJ mo}l^{-1} \text{ en } S^\circ = 239,9 \text{ J mol}^{-1} K^{-1}$$ $$CH_3OH(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CH_2O(g) + H_2O(g)$$

Maak 1 keuze

• a. $6 \cdot 10^{25}$
• b. $3 \cdot 10^3$
• c. $5 \cdot 10^{42}$
• d. $6 \cdot 10^8$

Vraag 2

Bereken de evenwichtsconcentratie aan $Ni^{2+}$-ionen wanneer 50,0 mL van een $3,75 \cdot 10^{-4}$ mol L$^{-1}$ oplossing van $Ni^{2+}(aq)$ gemengd wordt met 15,0 mL van een waterige oplossing die 2,80 g bipyridyl (bipy) per liter bevat.

Maak 1 keuze

• a. $2,8 \cdot 10^{-17}$ M
• b. $2,6 \cdot 10^{-19}$ M
• c. $2,5 \cdot 10^{-20}$ M
• d. $2,9 \cdot 10^{-22}$ M

Vraag 3

Door een 0,020 mol L$^{-1}$ oplossing van $Zn(NO_3)_2(aq)$ die gebufferd is bij een pH 4,5 borrelt $H_2S$-gas, zodat de oplossing hieraan verzadigd is ($[H_2S] = 0,10$ mol L$^{-1}$). Bereken welke fractie van het zink niet is neergeslagen op het einde van de reactie.

Maak 1 keuze

• a. $1,1 \cdot 10^{-8}$ %
• b. $2,2 \cdot 10^{-12}$ %
• c. $3,6 \cdot 10^{-4}$ %
• d. $8,9 \cdot 10^{-14}$ %

Vraag 4

De evenwichtsconstante $K_c$ van de reactie $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2 NO_2(g)$ bedraagt $6,91 \cdot 10^{-3}$ bij 27 °C. De begindruk van het reactiemengsel, dat op dat moment enkel distikstoftetraoxide bevat, bedraagt 0,683 bar. Bereken de totaaldruk bij 27 °C na instellen van het evenwicht bij constant volume.

Maak 1 keuze

• a. 0,835 bar
• b. 0,716 bar
• c. 0,690 bar
• d. 1,28 bar

Vraag 5

Welk van de volgende zouten zal de hoogste $[Ag^+]$ opleveren wanneer zuiver water aan het zout verzadigd wordt?

Maak 1 keuze

• a. zilveroxalaat
• b. zilverbromide
• c. zilversulfiet
• d. zilverchromaat

Vraag 6

Voor een bepaalde chemische reactie bij een constante temperatuur van 300 K en een constante omgevingsdruk van 1 atm is het onderstaande verloop gegeven van de entropie van de omgeving en van het universum, in functie van de vorderingsgraad $\xi$.

Bij standaardomstandigheden verloopt deze reactie spontaan...

Maak 1 keuze

• a. bij lage temperaturen, maar niet bij hoge.
• b. bij hoge temperaturen, maar niet bij lage.
• c. bij elke temperatuur
• d. bij geen enkele temperatuur.

Open vragen deel

Vraag 1

Ethyleendiamine-N,N′-diazijnzuur kan gebruikt worden als additief in waspoeders. In de meest zure vorm kan het product beschouwd worden als een zwak triprotisch zuur (H$_3$X). In de handel is het product verkrijgbaar in de amfolytvorm Na$_2$HX.

25,00 mL van een stockoplossing van Na$_2$HX wordt getitreerd met 0,400 mol L$^{-1}$ HCl (aq). Bij het beginpunt van de titratie bedraagt de pH van de oplossing 8,20. Het SP1 wordt bereikt na toevoegen van 6,00 mL HCl; het SP2 wordt bereikt bij 12,00 mL.

Na 4,00 mL HCl te hebben toegevoegd, bedraagt de pH 6,42 en na 8,00 mL HCl bedraagt de pH 3,40.

• i. Bereken de concentratie aan Na2HX in de stockoplossing. (1,5 pt.)
• ii. Bereken pKa1, pKa2 en pKa3 van H3X. (3,5 pt.)
• iii. Bereken de pH bij SP2. (2,5 pt.)
• iv. Hoeveel bedraagt de pH van een 0,10 mol L-1 Na3X-oplossing? (2 pt.)
• v. Schets de titratiecurve met aanduiding van de gegeven en berekende waarden. (1 pt.)

Vraag 2

Een galvanische cel is opgebouwd uit een halfcel waarin een Ag-elektrode zit, gedompeld in 50,0 mL van een verzadigde Ag$_3$PO$_4$-oplossing, en een Cu-elektrode in 50,0 mL van een Cu$^{2+}$-oplossing met een concentratie van 0,15 mol L$^{-1}$. De celspanning in die toestand bedraagt 0,283 V.

• i. Bereken de Ag$^+$-concentratie. (1,5 pt.)
• ii. Bereken de fosfaat- en waterstoffosfaatconcentratie en de pH. (3,5 pt.)
• iii. Bereken K$_s$ van Ag$_3$PO$_4$. (1,5 pt.)

In de landbouw gebruikt men ‘triple superfosfaat’ als een belangrijke bron van fosfor.

• iv. Geef de formule van ‘triple superfosfaat’. Wat is het verschil met ‘superfosfaat’? (1 pt.)

Vervolgens wordt aan de Cu-halfcel 10,0 mL van een 3,0 mol L$^{-1}$ Na$_4$(edta) (aq) oplossing toegevoegd. De celspanning stijgt hierdoor naar 0,826 V.

• v. Bereken de stabiliteitsconstante $ eta_1$ voor het gevormde [Cu(edta)]$^{2-}$ (aq) complex. (3 pt.)

Oplossingen

Meerkeuze deel: Korte Oplossingen

Vraag 1: Antwoord a ($6 \cdot 10^{25}$)

Bereken de reactie-enthalpie:

$\Delta H^\circ = \Sigma \Delta H^\circ(prod) - \Sigma \Delta H^\circ(reag) = -149,1 \cdot 10^3$ J/mol.

Bereken de reactie-entropie:

$\Delta S^\circ = \Sigma S^\circ(prod) - \Sigma S^\circ(reag) = +65,1$ J/(mol K).

Bereken de Gibbs vrije energie bij 75 °C (348,15 K):

$\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T \cdot \Delta S^\circ = -171,8 \cdot 10^3$ J/mol.

Bereken de evenwichtsconstante via

$\ln K = -\frac{\Delta G^\circ}{RT} \Rightarrow K = 6,16 \cdot 10^{25}$.

Vraag 2: Antwoord a ($2,8 \cdot 10^{-17}$ M)

Bereken de startconcentraties in het nieuwe totale volume (65 mL):

$[Ni^{2+}]_0 = 2,88 \cdot 10^{-4}$ M en $[bipy]_0 = 4,14 \cdot 10^{-3}$ M.

Laat de reactie aflopen (tot al het $Ni^{2+}$ op is): Overmaat bipy wordt $3,27 \cdot 10^{-3}$ M en het gevormde complex wordt $2,88 \cdot 10^{-4}$ M.

Stel de evenwichtsvergelijking op voor de terugreactie:

$\beta_3 = 3,0 \cdot 10^{20} = \frac{[complex]}{[Ni^{2+}][bipy]^3}$.

Vul in en los op voor x ($[Ni^{2+}]$):

$3,0 \cdot 10^{20} = \frac{2,88 \cdot 10^{-4}}{x \cdot (3,27 \cdot 10^{-3})^3} \Rightarrow x = 2,75 \cdot 10^{-17}$ M.

Vraag 3: Antwoord a ($1,1 \cdot 10^{-8}$ %)

Bereken de sulfiedconcentratie bij een vaste pH van 4,5:

$[S^{2-}] = \frac{K_{a1} \cdot K_{a2} \cdot [H_2S]}{[H^+]^2} = 8,9 \cdot 10^{-14}$ M.

Bereken de evenwichtsconcentratie van $Zn^{2+}$ boven het $ZnS$-neerslag: $[Zn^{2+}]_{eq} = \frac{K_s}{[S^{2-}]} = 2,2 \cdot 10^{-12}$ M.

Bepaal de niet-neergeslagen fractie ten opzichte van de startconcentratie (0,020 M): $\frac{2,2 \cdot 10^{-12}}{0,020} \cdot 100% = 1,1 \cdot 10^{-8}$ %.

Vraag 4: Antwoord a (0,835 bar)

Bereken de beginconcentratie via de ideale gaswet:

$[N_2O_4]_0 = \frac{P}{RT} = 0,0274$ M.

Stel de evenwichtsvoorwaarde op met omzetting $x$:

$K_c = \frac{(2x)^2}{0,0274 - x} = 6,91 \cdot 10^{-3}$.

Los de kwadratische vergelijking op: $x = 0,006064$ M.

Bepaal de evenwichtsconcentraties:

$ [N_2O_4]{ev} = 0,0213$ M en $[NO_2]_{ev} = 0,0121$ M.

Bereken de totaaldruk met de som van deze concentraties: $P_{tot} = (0,0213 + 0,0121) \cdot RT = 0,833$ bar.

Vraag 5: Antwoord a (zilveroxalaat)

Druk voor elk zout $[Ag^+]$ uit in functie van de oplosbaarheid (S) en $K_s$:

• $AgBr$: $[Ag^+] = \sqrt{K_s} = 7,3 \cdot 10^{-7}$ M.
• $Ag_2SO_3$: $[Ag^+] = 2 \cdot \sqrt[3]{K_s/4} = 3,2 \cdot 10^{-5}$ M.
• $Ag_3PO_4$: $[Ag^+] = 3 \cdot \sqrt[4]{K_s/27} = 1,3 \cdot 10^{-4}$ M.
• $Ag_2C_2O_4$: $[Ag^+] = 2 \cdot \sqrt[3]{K_s/4} = 2,2 \cdot 10^{-4}$ M (hoogste).

Vraag 6: Antwoord a (bij lage temperaturen, maar niet bij hoge)

De entropie van de omgeving ($S_{omg}$) stijgt: Dit betekent dat het systeem warmte afgeeft aan de omgeving, dus $\Delta H^\circ < 0$ (exotherm).

De totale entropie ($S_{univ}$) daalt op termijn. Omdat $S_{univ} = S_{syst} + S_{omg}$ en $S_{omg}$ stijgt, móét de entropie van het systeem ($S_{syst}$) wel dalen: $\Delta S^\circ < 0$.

Een reactie is spontaan als $\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ < 0$. Als zowel $\Delta H^\circ$ als $\Delta S^\circ$ negatief zijn, is de reactie enkel spontaan bij voldoende lage temperaturen.

Open vragen deel:

Vraag 1

• i. Concentratie $Na_2HX$ in stock:

  • Bij SP1 (6,00 mL) is het toegevoegd aantal mol HCl: $6,00 \cdot 10^{-3} \text{ L} \cdot 0,400 \text{ mol L}^{-1} = 2,4 \cdot 10^{-3}$ mol.

  • Dit is gelijk aan de initiële hoeveelheid $HX^{2-}$ aanwezig in de 25,00 mL stock.

  • $[Na_2HX]_0 = \frac{2,4 \cdot 10^{-3} \text{ mol}}{25,00 \cdot 10^{-3} \text{ L}} = 0,096$ mol L$^{-1}$.

• ii. Berekening pKa1, pKa2 en pKa3:

  • Na 4,00 mL HCl vormt zich een buffer van $HX^{2-}$ (restant 0,8 mmol) en $H_2X^-$ (gevormd 1,6 mmol).

  • $pH = pK_{a2} + \log\frac{[HX^{2-}]}{[H_2X^-]} \Rightarrow 6,42 = pK_{a2} + \log\frac{0,8}{1,6} \Rightarrow pK_{a2} = 6,72$.

  • Via het beginpunt (amfolyt): $pH = \frac{pK_{a2} + pK_{a3}}{2} \Rightarrow 8,20 = \frac{6,72 + pK_{a3}}{2} \Rightarrow pK_{a3} = 9,68$.

  • Na 8,00 mL HCl is men 2,00 mL voorbij SP1, dit geeft een buffer van $H_2X^-$ (restant 1,6 mmol) en $H_3X$ (gevormd 0,8 mmol).

  • $pH = pK_{a1} + \log\frac{[H_2X^-]}{[H_3X]} \Rightarrow 3,40 = pK_{a1} + \log\frac{1,6}{0,8} \Rightarrow pK_{a1} = 3,10$.

• iii. pH bij SP2:

  • Bij SP2 is alles omgezet naar het zwakke zuur $H_3X$.

  • Totaal volume is 37,00 mL; de concentratie $[H_3X]_0 = \frac{2,4 \cdot 10^{-3} \text{ mol}}{37,00 \cdot 10^{-3} \text{ L}} = 0,0649$ mol L$^{-1}$.

  • $K_{a1} = \frac{[H^+]^2}{C_z - [H^+]} \Rightarrow 10^{-3,10} = \frac{x^2}{0,0649 - x} \Rightarrow x = [H^+] = 6,8 \cdot 10^{-3}$ mol L$^{-1}$.

  • De pH bedraagt $-\log(6,8 \cdot 10^{-3}) = 2,17$.

• iv. pH van een 0,10 mol L$^{-1}$ $Na_3X$-oplossing:

  • Het ion $X^{3-}$ is een zwakke base met reactieconstante $K_{b1} = \frac{K_w}{K_{a3}} = \frac{10^{-14}}{10^{-9,68}} = 4,79 \cdot 10^{-5}$.

  • $[OH^-] = \sqrt{K_{b1} \cdot C_b} = \sqrt{4,79 \cdot 10^{-5} \cdot 0,10} = 2,2 \cdot 10^{-3}$ mol L$^{-1}$.

  • $pOH = 2,66$ en de $pH = 14 - 2,66 = 11,34$.

• v. Schets van de titratiecurve:

Vraag 2

• i. Ag$^+$-concentratie:

  • Bereken de potentiaal van de Cu-halfcel: $E_{Cu} = E^\circ_{Cu} - \frac{0,05916}{2} \log\frac{1}{[Cu^{2+}]} = 0,3419 - \frac{0,05916}{2} \log\frac{1}{0,15} = 0,3175$ V.

  • Bepaal $E_{Ag}$ via de celspanning: $E_{cel} = E_{Ag} - E_{Cu} \Rightarrow E_{Ag} = 0,283 + 0,3175 = 0,6005$ V.

  • Bereken $[Ag^+]$: $0,6005 = 0,7996 - 0,05916 \log\frac{1}{[Ag^+]} \Rightarrow [Ag^+] = 4,31 \cdot 10^{-4}$ mol L$^{-1}$.

• ii. Fosfaat- en waterstoffosfaatconcentratie en pH:

  • De totaal opgeloste fosfaatfractie bedraagt $\frac{[Ag^+]}{3} = 1,44 \cdot 10^{-4}$ mol L$^{-1}$.

  • Basereactie: $PO_4^{3-} + H_2O \rightleftharpoons HPO_4^{2-} + OH^-$ met $K_b = \frac{K_w}{K_{a3}} = 0,0208$.

  • Stel $x = [OH^-] = [HPO_4^{2-}]$ en los de vergelijking op: $0,0208 = \frac{x^2}{1,44 \cdot 10^{-4} - x} \Rightarrow x = 1,427 \cdot 10^{-4}$ mol L$^{-1}$.

  • Hieruit volgt $[HPO_4^{2-}] = 1,43 \cdot 10^{-4}$ mol L$^{-1}$, $pOH = 3,85$ en $pH = 10,15$.

  • De evenwichtsconcentratie $[PO_4^{3-}] = (1,44 \cdot 10^{-4}) - (1,427 \cdot 10^{-4}) = 9,71 \cdot 10^{-7}$ mol L$^{-1}$.

• iii. $K_s$ van $Ag_3PO_4$:

  • Pas de oplosbaarheidsproduct-formule toe: $K_s = [Ag^+]^3 \cdot [PO_4^{3-}]$.

  • $K_s = (4,31 \cdot 10^{-4})^3 \cdot (9,71 \cdot 10^{-7}) = 7,8 \cdot 10^{-17}$.

• iv. Formule 'triple superfosfaat' en verschil met 'superfosfaat':

  • De formule van triple superfosfaat is $Ca(H_2PO_4)_2(s)$.

  • Het verschil is dat gewoon superfosfaat daarnaast ook onzuiverheden zoals gips ($CaSO_4(s)$) bevat.

• v. Stabiliteitsconstante $\beta_1$ voor $[Cu(edta)]^{2-}$:

  • Bepaal de concentraties na complexatie in het nieuwe volume van 60,0 mL: het gevormde complex $[Cu(edta)^{2-}] = \frac{7,5 \cdot 10^{-3} \text{ mol}}{0,060 \text{ L}} = 0,125$ mol L$^{-1}$ en de overmaat toegevoegd edta is $[edta^{4-}] = \frac{22,5 \cdot 10^{-3} \text{ mol}}{0,060 \text{ L}} = 0,375$ mol L$^{-1}$.

  • Bereken de nieuwe potentiaal van de Cu-halfcel: $E_{Cu} = E_{Ag} - E_{cel} = 0,6005 - 0,826 = -0,2255$ V.

  • Bepaal hieruit de concentratie vrij $Cu^{2+}$: $-0,2255 = 0,3419 - \frac{0,05916}{2} \log\frac{1}{[Cu^{2+}]} \Rightarrow [Cu^{2+}] = 6,6 \cdot 10^{-20}$ mol L$^{-1}$.

  • Bereken $\beta_1 = \frac{[Cu(edta)^{2-}]}{[Cu^{2+}][edta^{4-}]} = \frac{0,125}{(6,6 \cdot 10^{-20}) \cdot (0,375)} = 5,1 \cdot 10^{18}$.

Vraag 1

Welke twee types detectoren worden gebruikt in UV-VIS absorptiometrie? Leg het verschil tussen beide uit.

Vraag 2

2.1. Een titratie werd fotometrisch uitgevoerd.

Het gaat hier om (schrappen wat niet past):

• titratie waarbij het gevormde reactieproduct bij de gekozen golflengte absorbeert, maar het uitgangsproduct (analiet) en het toegevoegde titratiereagens niet
• titratie waarbij het toegevoegde titratiereagens bij de gekozen golflengte absorbeert, maar het uitgangsproduct (analiet) en het gevormde reactieproduct niet
• titratie waarbij uitgangsproduct (analiet) bij de gekozen golflengte absorbeert, maar het gevormde reactieproduct en het toegevoegde titratiereagens niet
• titratie waarbij de toegevoegde indicator bij de gekozen golflengte absorbeert, maar het uitgangsproduct (analiet), het gevormde reactieproduct en het toegevoegde titratiereagens niet
• titratie waarbij zowel het toegevoegde titratiereagens als het gevormde reactieproduct bij de gekozen golflengte absorbeert, maar het uitgangsproduct (analiet) niet

2.2. Schets het verloop van een titratiecurve van een conductometrische titratie van een sterk zuur met een sterke base

(inclusief een passende parameter én eenheid op beide assen - enkel schets, geen bijkomende uitleg nodig).

Vraag 3

Hoe kun je systematische fouten in het chemisch-analytisch proces vermijden?

Vraag 4

Een poedervormig vast materiaal dat zowel chloride-ionen (Cl⁻) als carbonaationen (CO₃²⁻) bevat, wordt geanalyseerd door 1,200 g van het monster op te lossen in water en aan te lengen tot 100,0 mL in een maatkolf.

Een hoeveelheid van 25,0 mL wordt behandeld met een overmaat AgNO₃, waardoor AgCl neerslaat. Dit neerslag wordt gefiltreerd, gedroogd en gewogen, met een eindmassa van 0,523 g. Ondertussen wordt een andere hoeveelheid van 25,0 mL van dezelfde oplossing getitreerd met 0,120 M HCl, waarvoor 18,6 mL zuur nodig is om het eindpunt te bereiken (reactie: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂).

Bereken:

• (a) het massapercentage chloride (Cl⁻) in de oorspronkelijke vaste stof
• (b) het massapercentage carbonaat (CO₃²⁻) in de oorspronkelijke vaste stof

Vraag 5

Ammoniak in zeewater werd gemeten met behulp van een ammoniak-selectieve elektrode. 25,0 mL zeewater werd behandeld met 1,00 mL NaOH om NH₄⁺ om te zetten in NH₃ en vervolgens verdund tot een eindvolume van 50,0 mL in een maatkolf. Een monster van deze oplossing werd geanalyseerd met de elektrode, wat een meting van -31,2 mV opleverde. Een reeks standaarden met de volgende concentraties van NH₃: 0,100, 0,150, 0,250, 0,300, 0,350 en 0,400 mg/L produceerden elektrodepotentialen van respectievelijk -73,2; -60,2; -44,5; -38,1; -33,5 en -29,8 mV. Wat is de concentratie ammoniak in zeewater? (mg/L)

Antwoorden

Antwoord 1 Fotomultiplier en fotodiode.

• Fotodiode:

  • gedraagt zich bij impact van foton als geleider (fotokathode)
  • ontlading van een condensator door vrijstellen elektronen bij lichtinval
  • residuele lading gemeten na bepaald tijdsinterval
  • vervolgens wordt condensator herladen
  • meting van energie over bepaald tijdsinterval $\rightarrow$ Joule $\Rightarrow$ niet-continue meting

• Fotomultiplier:

  • licht valt op fotokathode en stelt elektron vrij
  • elektronen naar dynodeketen gestuurd
  • dynodeketen multipliceert elektron
  • aan anode worden finaal de elektronen gecollecteerd
  • elektrische stroom evenredig met hoeveelheid licht die invalt op fotokathode
  • directe meting in Watt (Joule/s) $\Rightarrow$ continue meting

Antwoord 2

• 2.1: Het enige juiste antwoord is: "titratie waarbij het toegevoegde titratiereagens bij de gekozen golflengte absorbeert, maar het uitgangsproduct (analiet) en het gevormde reactieproduct niet".
• 2.2:

Antwoord 3 Minstens enkele van deze mogelijkheden te voorzien in het antwoord:

• Nauwkeurig werken
• Werken met goede gecontroleerde apparatuur
• Werken onder gecontroleerde omstandigheden
• Blanco analyse
• Vergelijken met andere methode
• Vergelijken met andere laboratoria
• Analyse van gecertificeerde standaardmaterialen

Antwoord 4

• (a) 43,1 % Cl⁻
• (b) 22,3 % CO₃²⁻
• Hoe op te lossen? (Toelichting in rode tekst): Het chloridegehalte leid je af uit de hoeveelheid AgCl neerslag: reken om gebruik makend van de molecuulmassa van AgCl en de atoommassa van Cl naar de hoeveelheid Cl. Vermenigvuldig deze dan met 4 want de oorspronkelijke aangemaakte oplossing had een volume van 100 mL, terwijl daarvan maar 25,0 mL... (tekst stopt hier op de foto).

Antwoord 5 Het uiteindelijke antwoord is 0,757. De berekening uit de correctiesleutel verloopt als volgt:

• Uit de grafiek volgt de ijklijn met vergelijking: $y = 72,477x - 0,6149$ (met $R^2 = 0,9997$) waarbij $x = \log C$.
• Berekening: $\frac{-31,2 + 0,6149}{72,477} = \log x$ $\log x = -0,422$ $x = 10^{-0,422} = 0,378445$ mg/L
• Rekening houdend met de verdunning (50 mL eindvolume t.o.v. 25 mL startvolume): $0,378445 \text{ mg/L} \cdot \left(\frac{50 \text{ mL}}{25 \text{ mL}}\right) = 0,757 \text{ mg/L}$
• Extra opmerking (in groene tekst): Ter informatie: Antwoorden verkregen door interpolatie of extrapolatie met behulp van de onderstaande vergelijking worden ook als correct beschouwd. Ook kleine afwijkingen in decimalen worden geaccepteerd. $y = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}(x - x_1) + y_1$.