CHEMISTRY Candidate session number HIGHER lEvEl PaPER 2 · (d) (i) 2-chloro-3-methylbutane reacts...

31 pages

M11/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ1/XX

Monday 9 May 2011 (afternoon)

CHEMISTRYHIGHER lEvElPaPER 2

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Section A: answer all questions.• Section B: answer two questions.• Write your answers in the boxes provided.

2 hours 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2011

Examination code

2 2 1 1 – 6 1 0 8

Candidate session number

0 0

0 1 3 2

22116108

–2– M11/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ1/XX

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0 2 3 2

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SecTion a

Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.

1. Methanolismadeinlargequantitiesasitisusedintheproductionofpolymersandinfuels.Theenthalpyofcombustionofmethanolcanbedeterminedtheoreticallyorexperimentally.

13 2 2 22CH OH(l) 1 O (g) CO (g) 2H O(g)+ → +

CH3OH(l) O2(g) CO2(g) H2O(g)

Standardenthalpyofformation, fH Öë /kJmol–1 –239 0 –394 –242

Entropy, S Ö /JK–1mol–1 240 205 214 189

(a) Using the information from the table above, determine the theoretical enthalpy ofcombustionofmethanol. [2]

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(This question continues on the following page)

0 3 3 2


(Question 1 continued)

(b) The enthalpy of combustion ofmethanol can also be determined experimentally in aschoollaboratory.Aburnercontainingmethanolwasweighedandusedtoheatwaterinatesttubeasillustratedbelow.

stand

burner

thermometer

testtubewithwater

shield

Thefollowingdatawerecollected.

Initialmassofburnerandmethanol/g 80.557Finalmassofburnerandmethanol/g 80.034Massofwaterintesttube/g 20.000Initialtemperatureofwater/ C° 21.5

Finaltemperatureofwater/ C° 26.4

(i) Calculatetheamount,inmol,ofmethanolburned. [2]

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(ii) Calculatetheheatabsorbed,inkJ,bythewater. [3]

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(iii) Determinetheenthalpychange,inkJmol–1,forthecombustionofmethanol. [2]

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(c) TheDataBookletvaluefor theenthalpyofcombustionofmethanol is–726kJmol–1.Suggestwhythisvaluediffersfromthevaluescalculatedinparts(a)and(b).

(i) Part(a) [1]

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(ii) Part(b) [1]

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(d) Determinethe S Öë forthecombustionofmethanol.

13 2 2 22CH OH(l) 1 O (g) CO (g) 2H O(g)+ → +

[2]

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0 6 3 2

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(e) UsingtheenthalpyofcombustionformethanolfromTable12oftheDataBookletandthe S Öë determined in part (d), calculate the standard free energy change for thecombustionofmethanol. [3]

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(f) Explainwhetherchangingthetemperaturewillalterthespontaneityofthereaction. [1]

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0 7 3 2


2. Considerthefollowinggraphoflnkagainst 1T(temperatureinKelvin)forthesecondorder

decompositionofN2OintoN2andO.

2 2N O N O→ +

lnk

0

–1

–2

–3

–4

–5

–6

–7 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 1.06 1.08 1.10 1.12 1.14 1.16

3 11 / 10 KT

− −

(a) Statehowtherateconstant,kvarieswithtemperature,T. [1]

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(b) Determinetheactivationenergy,Ea,forthisreaction. [3]

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0 8 3 2

–9–

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(c) The rate expression for this reaction is rate=k[N2O]2 and the rate constant is0.244dm3mol–1s–1at750 C° .

AsampleofN2Oofconcentration0.200moldm–3isallowedtodecompose.Calculatethe

ratewhen10%oftheN2Ohasreacted. [2]

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3. (a) Explainwhytherelativeatomicmassofcobaltisgreaterthantherelativeatomicmassofnickel,even thoughtheatomicnumberofnickel isgreater than theatomicnumberofcobalt. [1]

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(b) DeducethenumbersofprotonsandelectronsintheionCo2+. [1]

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(c) DeducetheelectronconfigurationfortheionCo2+. [1]

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(d) Identifyaradioactiveisotopeofcobaltandstateoneofitsuses. [1]

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–11–

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4. Methanol may be produced by the exothermic reaction of carbon monoxide gas andhydrogengas.

2 3CO(g) 2H (g) CH OH(g) 103 kJ+ −

Öë =H

(a) Statetheequilibriumconstantexpression,Kc,fortheproductionofmethanol. [1]

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(b) State and explain the effect of changing the following conditions on the amount ofmethanolpresentatequilibrium:

(i) increasingthetemperatureofthereactionatconstantpressure. [2]

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(ii) increasingthepressureofthereactionatconstanttemperature. [2]

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(c) Theconditionsusedinindustryduringtheproductionofmethanolareatemperatureof450 C° andpressureofupto220atm.Explainwhytheseconditionsareusedratherthanthosethatcouldgiveanevengreateramountofmethanol. [2]

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(d) A catalyst of coppermixed with zinc oxide and alumina is used in industry for thisproductionofmethanol.Explainthefunctionofthecatalyst. [1]

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–13–

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5. The graph below illustrates how the vapour pressures of ethoxyethane, CH3CH2OCH2CH3,benzene,C6H6,andwater,H2O,changewithtemperature.

Vapourpressure/103Pa

140

120

100

80

60

40

20

ethoxyethane benzene water

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Temperature/ C°

(a) Usingdata fromthegraph,explain thedifference invapourpressureofethoxyethane,benzeneandwaterat30 C° . [4]

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(b) Usethegraphtodeterminetheboilingpointofbenzeneatstandardpressure. [1]

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1 3 3 2


SecTion b

Answer two questions. Write your answers in the boxes provided.

6. Carbonandsiliconbelongtothesamegroupoftheperiodictable.

(a) Describeandcomparethreefeaturesofthestructureandbondinginthethreeallotropesofcarbon:diamond,graphiteandC60fullerene. [6]

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(b) Bothsiliconandcarbonformoxides.

(i) DescribethestructureandbondinginSiO2. [2]

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Turn over



(ii) Explainwhysilicondioxideisasolidandcarbondioxideisagasatroomtemperature. [2]

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(c) Describethebondingwithinthecarbonmonoxidemolecule. [2]

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(d) Describethedelocalizationofpi(p)electronsandexplainhowthiscanaccountforthestructureandstabilityofthecarbonateion,CO3

2–. [3]

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(e) Explainthemeaningofthetermhybridization.Statethetypeofhybridizationshownbythecarbonatomsincarbondioxide,diamond,graphiteandthecarbonateion. [5]

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(f) (i) Explaintheelectricalconductivityofmoltensodiumoxideandliquidsulfurtrioxide. [2]

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(ii) Samplesofsodiumoxideandsolidsulfurtrioxideareaddedtoseparatebeakersofwater.Deducetheequationforeachreactionandpredicttheelectricalconductivityofeachofthesolutionsformed. [3]

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7. (a) Twocompounds,aandD,eachhavetheformulaC4H9Cl.

Compounda is reactedwith dilute aqueous sodiumhydroxide to produce compoundbwitha formulaofC4H10O. Compoundb is thenoxidizedwithacidifiedpotassiummanganate(VII)toproducecompoundcwithaformulaofC4H8O.Compoundcresistsfurtheroxidationbyacidifiedpotassiummanganate(VII).

CompoundD is reactedwith dilute aqueous sodiumhydroxide to produce compounde with a formula of C4H10O. Compounde does not react with acidified potassiummanganate(VII).

Deducethestructuralformulasforcompoundsa,b,c,Dande. [5]

a:

b:

c:

D:

e:


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(b) Deduceanequationforthereactionbetweenpropanoicacidandmethanol.Identifythecatalystandstatethenameoftheorganiccompound,X,formed. [4]

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(c) Inanexperimentconductedat25.0 C° , the initialconcentrationofpropanoicacidandmethanol were 1.6moldm–3 and 2.0moldm–3 respectively. Once equilibrium wasestablished,asampleofthemixturewasremovedandanalysed.Itwasfoundtocontain0.80moldm–3ofcompoundX.

(i) Calculatetheconcentrationsoftheotherthreespeciespresentatequilibrium. [3]

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Turn over



(ii) Statetheequilibriumconstantexpression,Kc,andcalculatetheequilibriumconstantforthisreactionat25.0 C° . [2]

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(d) (i) 2-chloro-3-methylbutane reacts with sodium hydroxide via an SN2 mechanism.Explain the mechanism by using curly arrows to represent the movement ofelectronpairs. [4]

(ii) Explainwhythehydroxideionisabetternucleophilethanwater. [2]

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(iii) 1-chlorobutane can be converted to a pentylamine via a two stage process.Deduceequationsforeachstepofthisconversionincludinganycatalystrequiredandnametheorganicproductproducedateachstage. [5]

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8. (a) (i) DefinethetermsacidandbaseaccordingtotheBrønsted-Lowrytheory.Distinguishbetweenaweakbaseandastrongbase.Stateoneexampleofaweakbase. [3]

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(ii) Weakacids in theenvironmentmaycausedamage. Identifyaweakacid in theenvironmentandoutlineoneofitseffects. [2]

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2 3 3 2



(iii) The graph below indicates the pH change during the titration of 20.0cm3 of0.100moldm–3ofCH3COOH(aq)with0.100moldm

–3KOH(aq).Fromthegraph,identifythevolumeofKOH(aq)andthepHattheequivalencepoint.

pH

14131211109876543210 0 10 20 30 40 50

VolumeofKOH(aq)added/cm3

[2]

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(iv) ExplainhowthegraphcouldbeusedtodeterminethepKaofethanoicacidanddeterminethepKavalueforthesedata. [2]

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(v) Sketchagraph,similartothegraphonthepreviouspage,toindicatethechangeinpHduringatitrationof25.0cm3of0.100moldm–3HNO3(aq)with0.100moldm

–3KOH(aq).Onyourgraph,clearlyindicatethestartingpHvalue,theequivalencepoint,thepHattheequivalencepointandthefinalpHreached. [4]

(b) (i) Describehowanindicatorworks. [3]

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(ii) UsingTable16oftheDataBooklet,identifythemostappropriateindicatorforthetitrationofethanoicacidwithpotassiumhydroxide.Explainyourchoice. [2]

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(c) Explain, using an equation, whether a solution of 0.10moldm–3 FeCl3(aq) would beacidic,alkalineorneutral. [2]

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(d) DeterminethepHofthesolutionresultingwhen100cm3of0.50moldm–3HCl(aq)ismixedwith200cm3of0.10moldm–3NaOH(aq). [5]

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9. (a) Theconditionsusedinanelectrolyticcellcandeterminetheproductsformed.

(i) Drawanelectrolyticcellillustratingtheelectrolysisofmoltennickel(II)bromide,NiBr2. Include in thediagram thedirectionof theelectronflow, thepolarityofelectrodesandstatethehalf-equationsfortheproductformedateachelectrode. [5]

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(ii) Deducetheequationsfortheformationofthemajorproductatthepositiveelectrode(anode)whenthefollowingaqueoussolutionsareelectrolysed.

• dilutesodiumchloride • concentratedsodiumchloride [2]

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(b) Avoltaiccellisconstructedfromtwohalf-cellsasillustratedbelow.

voltmeter

tinelectrode

saltbridge

V

copperelectrode

Sn2+(aq) Cu2+(aq)

(i) Use Table 14 of the Data Booklet to deduce the equation for the spontaneousreactionoccurringinthiscell. [1]

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(ii) Calculatethestandardpotentialforthiscell. [1]

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(iii) Statetheconditionsnecessaryforthepotentialofthecelltoequalthatcalculatedinpart(b)(ii)usingthedatafromTable14. [1]

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Turn over



(c) UsingthedatabelowanddatafromTable14oftheDataBooklet,predictandexplainwhichmetal,cadmiumorchromium,maybeobtainedbyelectrolysisofseparateaqueoussolutionsofCd2+(aq)ionsandCr2+(aq)ions.

/ VEÖ

2Cd (aq) 2e Cd (s)+ −+ → –0.40

2Cr (aq) 2e Cr (s)+ −+ → –0.91

[2]

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(d) (i) Electrolysis isusedintheelectroplatingofmetals. ThesameamountofcurrentispassedthroughseparateaqueoussolutionsofNiSO4,Sn(SO4)2andCr2(SO4)3inseparateelectrolyticcellsforthesameamountoftime.Stateandexplainwhichcellwoulddepositthegreatestamount(inmol)ofmetal.Identifytheelectrodeatwhichthemetalisdeposited. [3]

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(ii) FortheSn(SO4)2cell,suggesttwofactors,otherthantimeandcurrent,thatwouldaffecttheamountofmetaldepositedduringelectroplating. [2]

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(e) Nitrogen monoxide may be removed from industrial emissions via a reaction withammoniaasshownbytheequationbelow.

3 2 24NH (g) 6NO(g) 5N (g) 6H O(l)+ → +

(i) Deducetheoxidationnumberofthenitrogeninthereactantsandproduct. [3]

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(ii) Deducetheoxidationandreductionhalf-equationsandidentifytheoxidizingagentforthereaction. [3]

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(iii) 30.0dm3 of ammonia reacts with 30.0dm3 of nitrogen monoxide at 100 C° .Identifywhich gas is in excess and by howmuch and calculate the volume ofnitrogenproduced. [2]

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