Nova Scheikunde MAX 2019 - Hoofdstuk 1 - Chemisch rekenen oefentoetsen & antwoorden

a) Uranium behoort tot de actiniden (atoomnummer 89 tot en met 103). De IUPAC duidt deze groep van elementen tegenwoordig bij voorkeur aan met actinoïden. b) Protonen hebben een lading van +1, neutronen zijn elektrisch neutraal, dus een α-deeltje (in feite een helium-4 kern) heeft een lading van +2. c)  1,0 gram uranium-235 staat gelijk aan $\frac{1,0}{235}$ mol uranium-235.  Aantal deeltjes n = N$_A$ x aantal mol $\Rightarrow 6,022 \cdot 10^{23} \times \frac{1,0}{235} = 2,563 \cdot 10^{21}$ uranium-235 kernen. Dat levert dan $\rm 2,563\cdot 10^{21} \times 2,96 \cdot 10^{-11} J = 7,59 \cdot 10^{10} J $ aan energie op. a) Het atoomnummer van einsteinium is 99, dat betekent dat een einsteiniumatoom 99 protonen en 99 elektronen heeft. Het atoomnummer van uranium is 92, dus einsteinium heeft 7 protonen meer dan uranium. Er zal dan ook 7 keer $\beta^-$-verval moeten optreden om einsteinium te vormen. b) Einsteinium-253 (atoomnummer 99!) heeft 99 protonen én dus ook 99 elektronen. De atoommassa wordt bepaald door de gezamenlijke massa van protonen en neutronen, de massa van elektronen wordt verwaarloosd. c)  De einsteinium-253 kern fuseert met één α-deeltje (nieuwe massa 257 u) en verliest vervolgens één neutron. De massa van het gevormde medeleviumatoom is 253 + 4 -1 = 256 u. d)  Er is 2,7 fg mendelevium-256 ontstaan = $2,7 \cdot 10^{-15}$ g.  Aantal deeltjes n = N$_A$x aantal mol $\Rightarrow 6,022\cdot 10^{23} \times \frac{2,7\cdot 10^{-15}}{256}=6,4\cdot 10^6$ medeleviumatomen.  e) Het nieuwe element heeft 99 (Es) + 20 (Ca) = 119 protonen. Het atoomnummer is dan ook 119. f) Element 119 zal onder francium in groep 1 komen te staan. Groep 1 zijn de alkalimetalen. De molaire massa van de onbekende stof: M = m/aantal mol $\Rightarrow \frac{7.0482}{0.034} = 207.3$ g/mol.  Hier kun je dan steeds de atoommassa 19,00 g/mol van fluor vanaf halen totdat je bij de exacte atoommassa van element X uitkomt. Toelichting: omdat je niet weet hoeveel fluor-atomen er in het molecuul zitten, is dit een kwestie van uitproberen. De twee belangrijkste kandidaten zijn dan SmF$_3$ en XeF$_4$. Xenon past het beste en is het bedoelde antwoord, Sm wijkt net iets meer af, maar beide verbindingen bestaan.   De dichtheid van het bladgoud is 19,3 ·10$^3$ kg m$^{-3}$. Het volume is lengte x breedte x hoogte = 0,05 x 0,05 x 2,0 ·10$^{-7}$ = 5,0 ·10$^{-10}$ m$^3$ bladgoud.  m = ρ · V = 19,3 ·10$^3$ kg m$^{-3}$ x  5,0 ·10$^{-10}$ m$^3$ = 9,65 ·10$^{-6}$ kg bladgoud.  Dit moet nog worden omgezet in g, dus $9,65\cdot 10^{-3}$ gram bladgoud. Aantal mol = aantal gram/atoommassa $\Rightarrow \frac{9,65\cdot 10^{-3}}{197} = 4,898\cdot 10^{-5}$ mol bladgoud.Aantal goudatomen n = N$_A$ x aantal mol $\rightarrow 6,022 \cdot 10^{23} \times 4,898 \cdot 10^{-5} = 2,95 \cdot 10^{19}$ goudatomen.  a) m% = m$_{zuurstof}$/M$_{saffier}$ (alles in u) x 100% = (316)/101,96 = 47%. b) ρ = m/V = (aantal molM)/V = 2,754101,96 / 70,00 = 4,01 g cm$^{-3}$. a) Voor beide reactievergelijkingen moet de wet van behoud van massa worden gebruikt, Begin met de stikstofatomen in balans te brengen, daarna waterstof en sluit af met koolstof en/of zuurstof. Reactie met zuurstof: $\rm 2 \, C_7 H_5 N_3 O_6 + ... O_2  \rightarrow    … CO_2 + ... H_2O + 3 \, N_2$ (stikstofbalans) $\rm 2 \, C_7 H_5 N_3 O_6 + ... O_2  \rightarrow    … CO_2 + 5 \, H_2O + 3 \, N_2$ (waterstofbalans) $\rm 2 \, C_7 H_5 N_3 O_6 + ... O_2  \rightarrow   14\,  CO_2 + 5 \, H_2O + 3 \, N_2$ (koolstofbalans) $\rm 4 \, C_7 H_5 N_3 O_6 + 21\, O_2  \rightarrow   28\,  CO_2 + 10 \, H_2O + 6 \, N_2$ (zuurstofbalans) Explosie zonder zuurstof: $\rm 2\,  C_7 H_5 N_3 O_6 \rightarrow … CO_2 + … H_2 + 3\, N_2 + … C$ (stikstofbalans) $\rm 2\,  C_7 H_5 N_3 O_6 \rightarrow … CO_2 + 5\, H_2 + 3\, N_2 + … C$ (waterstofbalans) $\rm 2\,  C_7 H_5 N_3 O_6 \rightarrow 12\, CO_2 + 5\, H_2 + 3\, N_2 + … C$ (zuurstofbalans) $\rm 2\,  C_7 H_5 N_3 O_6 \rightarrow 12\, CO_2 + 5\, H_2 + 3\, N_2 + 2\, C$ (koolstofbalans) b)  We hebben allereerst de molaire massa van TNT nodig: M = (712,01 + 51,008 + 314,01 + 616,00 = 227,14 g/mol.  De molverhouding die volgt uit de opgestelde reactievergelijking met zuurstof is 4 mol TNT waaruit 28 + 10 + 6 = 44 mol reactieproducten ontstaan. Dit geeft de molverhouding 1:11. Dus er ontstaat bij verbranding van 1 mol TNT in totaal 11 mol gemengd gas (alle producten zijn gasvormig bij de verbrandingstemperatuur).  Er ontstaat dus 11100/227,14 = 4,84 mol gemengd gas. Dit is 4,841,04 ·10$^2$ = 503,36 L gemengd gas. c)  De molverhouding die volgt uit de opgestelde reactievergelijking van de explosie is 2 mol TNT waaruit 12 + 5 + 3 + 2 = 22 mol reactieproducten ontstaan. Dit geeft de molverhouding 1:11. Aangezien C niet gasvormig is, neem je dit niet mee. Dus er ontstaan bij de explosie van 1 mol TNT 10 mol gemengd gas. Er ontstaat dus 10100/227,14 = 4,40 mol gemengd gas. Dit is 4,401,04 ·10$^2$ = 457,60 L gemengd gas. d)  Bij de explosie is de volumetoename gelijk aan het volume van het gevormde gemengde gas: 457,60 L. Bij de verbranding ontstaat er weliswaar per mol TNT 11 mol gemengd gas maar er is voor die verbranding ook 5,25 mol zuurstof nodig. Netto ontstaat er dus 5,75 mol extra gemengd gas dus de toename in volume = 5,75100/227,14 1,04 ·1$^2$ = 263,27 L.  Toelichting: De reden dat er geen explosie optreedt bij de verbranding is overigens dat het TNT niet is ingesloten zodat het vrij kan expanderen, er moet immers zuurstof bij kunnen komen. Ingesloten TNT waar geen zuurstof bij kan geeft een grotere volumetoename met explosieve kracht.