chemistry203 finalexam -...
TRANSCRIPT
Chemistry 203 – Final Exam 1
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
Questions? Suggestions? Email me and I will try to find time to reply. [email protected]
All the best!
Lecture Slides Booklet Solutions Test Solutions Extra notes and advice Advice on which exams and questions to write Corrections
Available Saturday, December 15th at: http://learnfaster.ca/blog/chem203final/
Thursday
4:00 PM to 5:30 Equilibrium through Acids and Bases
5:30 to 6:00 Break
6:00 to 7:30 Acids and Bases and Ksp
7:30 to 7:40 Break
7:40 to 9:00 PM Equilibrium and Thermodynamics
Saturday
4:00 PM to 5:30 Electrochemistry
5:30 to 6:00 Break
6:00 to 7:30 Kinetics
7:30 to 7:40 Break
7:40 to 9:00 PM Review
The larger goal of this course is to teach you that Equilibrium IS Electrochemistry 2
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
A reaction is spontaneous in the forward direction if K is bigger than Q, right?
ΔG0 = −RT ln K = −nFE0
Well that means the reaction shifts to the right, so the Δ𝐺 is negative (Spontaneous)!
This also means that the voltage is Positive (also Spontaneous)
The Climax of this course is in understanding that all 3 (Gibbs Free Energy, K and Voltage) are the same.
Acid and Bases
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
3
Water ionizes itself (autoionization)
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
4
2 H2O l ⇌ H3O aq+ + OH aq
−
Kwater = Kw = H3O aq+ OH aq
− = 1.00 × 10−14 (𝑎𝑡 298 𝐾)
In neutral water, H3O aq+ = OH aq
−
Where does Neutral pH come from?
1.00 × 10−14 = H3O aq+ OH aq
− = x2
x =
pH of neutral Water
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
5
At 90 ℃, the Kw of water is 9.00 × 10−12, what is the pH of neutral water at that temperature?
If the pH of neutral water at 2 ℃ is 8.255, what is Kw?
Is the dissociation of water endothermic or exothermic?
pH (potential of hydrogen) and other “p” Scales
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
6
pH is a measure of acidity. The lower the pH the more acidic the solution.
The letter “p” is a mathematical symbol like ×,÷,− or +.
p means log(x), for instance pH = −log[H3O+], pOH = −log[OH−], pKa = − log Ka
H3O aq+ pH = −log(H3O aq
+ )
10−14 M 14
10−10 M 10
10−7 = 0.0000001 M 7
10−4 = 0.0001 M 4
100 = 1 M 0
10+1 = 10 M 1
Commercial HClis 13.6 M, so its pH is even lower!
Question – what is p90?
H3O aq+ OH aq
−
14 = pH + pOHpH pOH
Kw = H3O aq+ OH aq
−
−log H3O aq+
− log OH aq−
10−pOH10−pH
Strong Acids –ON FORMULA SHEET!
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
7
Covalent compounds that ionize 100%,
No K value because they ionize 100%
HCl, HBr, HI, H2SO4, HClO4, HNO3
What is the pOH of an aqueous solution of HI aq with an initial concentration of 1.0 × 10−3 M?
What is the pH of 6.0 × 10−9 M HBr aq ?
a) 7.00
b) 8.22
c) 6.98
d) 6.20
Acid = H3O+
if HClO4 = 1 mol/L, H3O+ = 1 mol/L
hydrochloric acid, hydrobromic acid, hydroiodic acid, sulfuric acid, perchloric acid, nitric acid
Strong Bases –ON FORMULA SHEET!
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
8
Ionic compounds, Dissociate ~100% to give OH− in solution.
1st column metal hydroxide: NaOH → Na+ + OH−
NaOH = OH−
If NaOH = 1 mol/L, then OH− = 1 mol/L
What is the pH of an aqueous solution of LiOH(aq) with an initial concentration of 130.0 × 10−7 M?
2nd column metal hydroxide: Mg OH 2 Mg2+ + 2 OH−
2 × Mg OH 2 = OH−
If Mg OH 2 = 0.0001 mol/L, then OH− = 0.0002 mol/L (times 2!)
With 2+ metals, you may have to perform a Ksp (value of Ksp is provided) calculation to determine acidity/basicity as they are
not very soluble.
Acidity and Basicity
© Pavel SedachLearnfaster.ca
9
The Conjugate of Strong Acid is a Neutral Salt (exception is H2SO4)
Strong AcidsIonize 100%
Strong Bases are Metal Hydroxides – their conjugate acid is water
Weak Acids Ionize Partially Because they Produce Weak Base
The Conjugate of a Weak Acid is a Weak Base
The conjugate of a strong acid is a
______________
⇌⇌⇌⇌⇌⇌
Relationship Between Acidity and Basicity(C) Pavel Sedach Learnfaster.ca 10
CH3COOH aq + H2O l ⇄ H3O aq+ + CH3COO aq
− , Ka = 1.8 × 10−5
CH3COO aq− + H2O l ⇄ OH aq
− + CH3COOH aq , Kb = 5.5 × 10−10
Net Reaction 2 H2O l ⇌ H3O aq+ + OH aq
− , Kw = 1.0 × 10−14
∴ Ka × Kb = Kw
Conjugate Acid Strength
Ka
Conjugate Base Strength
Kb
Acid/Base Strength
+ ×
Strong Acids ionize 100% their conjugate is neutral! Example: I−, Br−, ClO4−, NO3
−
HCl + H2O → H3O+ + Cl−
Weak acids/bases do not ionize 100% because on the other side there is a weak conjugate A/B
CH3COOH aq + H2O l ⇄ H3O aq+ + CH3COO aq
−
Calculating the pH of aWeak Acid Solution
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
11
What is the pH of a solution of 0.0017 moles of H2S aq (hydrosulfuric acid) added to 10 mL water? (Ka = 8.9 × 108)
H2S aq + H2O l⇄ H3O aq
+ + HS aq−
Initial
Change
Equilibrium
Ka =HS aq
− H3O aq+
H2S aq= 8.9 × 108
_________ ________________
= 8.9 × 108
_________ ________________
= 8.9 × 108 pH = −log H3O aq+
Calculating the pH of aWeak Base Solution
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
12
What is the pH of 0.1 mol/L CH3COO aq− ? (acetate ion) (Ka CH3COOH aq
= 1.8 × 10−5)
CH3COO aq−
+ H2O l⇄ OH aq
− + CH3COOH aq
Initial
Change
Equilibrium
Kb =Kw
Ka=
10−14
1.8 × 10−5= ______________ =
CH3COOH aq OH aq−
CH3COO aq−
_________ ________________
= ______________
_________ ________________
= ______________
pOH = − log OH aq−
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
13
What is the pH of 0.25 M NaHCO3 aq (sodium hydrogen carbonate)? (KaH2CO3 aq= 4.5 × 107) (KaHCO3 aq
− = 4.7 × 1011)
+ H2O l⇄ aq +
Initial
Change
Equilibrium
Amphiprotic species act as an Acid or a Base
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
14
Will H2PO4− behave as an acid or base in neutral water?
Species Ka Value Kb Value
H3PO4 aq 7.1 × 10−3
H2PO4 aq− 6.3 × 10−8
HPO4 aq2− 4.2 × 10−13
PO4 aq3− Not an Acid
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
15
Can we find the pH of a potassium citrate (KC3H5O COOH 2COO aq ) solution given the following information?
Species Ka Kb =10−14
Ka
HC3H5O COOH 3+
C3H5O COOH 3 7.4 × 10−4
C3H5O COOH 2COO aq− 1.35 × 10−11
C3H5OCOOH COO 2 aq2− 4.0 × 10−7
C3H5O COO 3 aq3− 2.5 × 10−8
Neutral, Acidic or Basic?
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
16
Neutral Compounds
The conjugate of most strong acids is NEUTRAL
Exception = ?
HCl – Cl−
HBr – Br−
HI – I−
HClO4 – ClO4−
HNO3 – NO3−
Alkali and Alkali Earth Metals are neutral: Na+? Cs+? Sr2+? Fe3+? Be2+?
Acidic Compounds (usually POSITIVE CHARGE)
Transition Metals (Fe3+, V3+, Cr3+ and others with unfilled valencies)and Al3+,
Biggest giveaway? A 𝐊𝐚 is provided for a metal!
These metals undergo a “Lewis Acid” = Electron Acceptor reaction in water: Al aq3+ + 3H2O l ⇌ Al OH 3(aq) + 3 H aq
+
If it contains a −COOH or − OH or − SH or − NH+ (the PLUS is a big give away!), they’re usually acidic.
Especially if there is a POSITIVE NITROGEN.
Basic Compounds (usually NEGATIVE CHARGE)
−COO− or − O− or − S− or − N (bases have a negative charge OR a neutral or negative NITROGEN)
Weak A/B + Strong A/B Reactions
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
17
The reaction of weak acids/bases with strong bases/acids forms the conjugate species:
NaOH(aq) + CH3COOH aq → CH3COONa aq + H2O l
Result: __________ solution
HCl(aq) + KCN(aq) → HCN(aq) + KCl(aq)Result: __________ solution
HCl(aq) + NH3(aq) → NH4Cl aqResult: __________ solution
Is a Salt Basic or Acidic?
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
18
Split the salt into its cation and anion
Ka H2CO3= 4.5 × 10−7
Ka HCO3− = 4.7 × 10−11
If a salt contains a cation that contributes to H3O aq+ production, as well as an anion that contributes to OH aq
− production, the
influence of that salt on pH is dependent on the relative values of Ka for the cation and Kb for the anion.
(Kb CN− = 1.6 × 10−5, Ka(NH4+) = 5.6 × 10−10)
Ka > Kb, the solution is acidic
Ka < Kb, the solution is basic
Ka = Kb, the solution is neutral
LiHCO3(aq)
NH4CN aq
Strong Acid/Base Titration:
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
19
HCl(aq) + NaOH aq ⇄ H2O l + NaCl aq
Equivalence point: whenmoles acid equal moles base
To visualize the equivalence point, a chemical indicatoris used. An indicator is a weak acid or base, whoseconjugate is a different color.
Indicators are added in small amount and will change color over a specific pH range – this pH range must overlap the equivalence point.
The end point is when the indicator changes color
∴ choosing the correct indicator is important
pH 7
0
14
mL of base added
pH = 7mol HCl = mol NaOH at the equivalence point
HCl is the only species present
NaOH is present in excess
pH usu. 0 to 2the indicator chosenMUST overlap the equivalence point
Titration of aWeak Acid with a Strong Base
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
20
CH3COOH aq + NaOH aq → H2O l + NaCH3COO aq
Volume (mL) of Strong Base
pH 7
0
14
CH3COOH aq
CH3COOH aq /CH3COO aq−
CH3COO aq−
NaOH aq
If we are titrating a weak acid with a strong base, the pH at equivalence will be greater than 7 because the conjugate base is produced.
If we are titrating a weak base with a strong acid, the pH at equivalence will be less than 7 because theconjugate acid is produced.
Polyprotic Species
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
21
1 molar phosphoric acid is triprotic because it has three ionizable hydrogen atoms (protons).
H3PO4 aq + H2O l ⇄ H3O aq+ + H2PO4 aq
− , Ka1 =H2PO4 aq
− H3O aq+
H3PO4 aq= 7.1 × 10−3
H2PO4 aq− + H2O l ⇄ H3O aq
+ + HPO4 aq2− , Ka2 =
HPO4 aq2− H3O aq
+
H2PO4 aq− = 6.3 × 10−8
HPO4 aq2− + H2O l ⇄ H3O aq
+ + PO4 aq3− , Ka3 =
PO4 aq3− H3O aq
+
HPO4 aq2− = 4.2 × 10−13
For all polyprotic acids Ka1 > Ka2 > Ka3
Acid dissociation decreases when acid concentration increases in solution.
For a polyprotic acid, the pH of the solution is ~ equal to the [𝐇𝟑𝐎 𝐚𝐪+ ] produced from only the first ionization step.
Ideal Polyprotic Titration
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
22
triprotic acid
H3PO4 aq + H2O l ⇄ H3O aq+ + H2PO4 aq
−
diprotic acid
H2PO4 aq− + H2O l ⇄ H3O aq
+ + HPO4 aq2−
also amphoteric
monoprotic acid
HPO4 aq2− + H2O l ⇄ H3O aq
+ + PO4 aq3−
also amphoteric base only
Buffer – amixture of a weak acid and it’s conjugate base
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
23
Buffer solutions resist changes to pH from the addition of acid, base, or water.
Let’s look at how a CH3COOH aq /CH3COO aq− buffer does this:
CH3COO aq− + HCl(aq)CH3COOH aq + Cl(aq)
−
CH3COOH aq + NaOH aq NaCH3COO aq + H2O l
The pH of a buffer solution is given by the HendersonHasselbalch Equation:
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
24
pH = pKa + logA−
HA to get a specific pH, use the buffer whose pKa is closest to pH!
Are the following solutions buffers? What pKa do we use to calculate pH?
HCN/NaCN? HPO42− / H2PO4
−
HNO3/KNO3? H2PO4− / PO4
3−
The addition of which of the following two components could make a buffer solution?
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
25
*There are two answers
a) 0.1 mol HCl and 0.1 mol KOH
b) 0.1 mol CH3COONa and 0.1 mol KCN
c) 0.1 mol HCN and 0.5 mol NaCN
d) 0.1 mol HNO3 and 0.5 mol CH3COOH
e) 0.05 mol HNO3 and 0.1 mol CH3COO−
Titration – Initial pH
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
261.00 L of 0.10 mol/L HOCl aq (Ka HOCl aq = 4.0 × 10−8) is titrated with 0.10 M NaOH aq What is the pH before any NaOH aq is added?
Step 1. Stoichiometry.
HOCl aq + NaOH aq NaOCl aq + H2O l
Initial
Change
Final
Step 2. Identify the system and do an appropriate calculation
3 options –Weak Acid/Base Strong Acid/Base Buffer
0
14
pH 7
mL of NaOH aq
1.0 L of 0.10 mol/L HOCl aq (Ka HOCl aq = 4.0 × 10−8) is titrated with 0.10 M NaOH aq What is the pH when 0.25 L of NaOH aq is added?
Step 1. Stoichiometry.
HOCl aq + NaOH aq NaOCl aq + H2O l
Initial
Change
Final
Step 2. Identify the system and do an appropriate calculation
3 options –Weak Acid/Base Strong Acid/Base Buffer
pH before Equivalence Point
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
27
0
14
pH 7
mL of NaOH aq
pH at ½ Equivalence Point
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
281.0 L of 0.10 mol/L HOCl aq (Ka HOCl aq = 4.0 × 10−8) is titrated with 0.10 M NaOH aq What is the pH when 0.50 L of NaOH aq is added?
Step 1. Stoichiometry.
HOCl aq + NaOH aq NaOCl aq + H2O l
Initial
Change
Final
Step 2. Identify the system and do an appropriate calculation
3 options –Weak Acid/Base Strong Acid/Base Buffer
0
14
pH 7
mL of NaOH aq
pH at Equivalence Point
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
291.0 L of 0.10 mol/L HOCl aq (Ka HOCl aq = 4.0 × 10−8) is titrated with 0.10 M NaOH aq What is the pH when 1.0 L of NaOH aq is added?
Step 1. Stoichiometry.
HOCl aq + NaOH aq NaOCl aq + H2O l
Initial
Change
Final
Step 2. Identify the system and do an appropriate calculation
3 options –Weak Acid/Base Strong Acid/Base Buffer
0
14
pH 7
mL of NaOH aq
pH after Equivalence Point
(C) Pavel Sedach Learnfaster.ca
301.0 L of 0.10 mol/L HOCl aq (Ka HOCl aq = 4.0 × 10−8) is titrated with 0.10 M NaOH aq What is the pH when 1.5 L of NaOH aq is added?
Step 1. Stoichiometry.
HOCl aq + NaOH aq NaOCl aq + H2O l
Initial
Change
Final
Step 2. Identify the system and do an appropriate calculation
3 options –Weak Acid/Base Strong Acid/Base Buffer
0
14
pH 7
mL of NaOH aq
0 0.25 L 0.5 L 1.0 L 1.5 LVolume (mL) of Strong Base
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
31
The pH of the solution at the midpoint is equal to the pKa of the weak acid because A− = HA and log Base
Acid= log(1) = 0
This means if you have a titration curve (created with a pH meter), you can find the half equivalence point and therefore the pKa,Ka and finally the identity of an unknown acid.
pH 7
0
14NaOH aq
4.2
6.92 7.40
10.05
12.3
Indicators
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
What is the best indicator for a titration with an equivalence point at pH=7.5?
Indicator pH RangeColor Change aspH Increases
Ka
cresol red0.0 − 1.07.0 − 8.8
red to yellowyellow to red
~3 × 10−1
3.5 × 10−9
thymol blue1.2 − 2.88.0 − 9.6
red to yellowyellow to blue
2.2 × 10−2
6.3 × 10−10
bromocresol green 3.8 − 5.4 yellow to blue 1.3 × 10−5
chlorophenol red 5.2 − 6.8 yellow to red 5.6 × 10−7
phenolphthalein 8.2 − 10.0 colorless to pink 3.2 × 10−10
alizarin yellow R 10.1 − 12.0 yellow to red 6.9 × 10−12
32
Choosing the best buffer
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
If we want a buffer of pH = 8.00, what should we add to a solution of NaHSO3?
pH = pKa + logA−
HAAcid Conjugate Base Ka pKa
H2SO3 HSO3− 1.4 × 10−2
HSO3− SO3
2− 6.3 × 10−8
33
Does the above buffer have a larger acid (ability to resist acid) or base (ability to resist base) capacity?
Can we use the base table to create buffers?
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
34
Acid Ka Base Kb pKb pKa
Bicarbonate HCO3− 4.8 × 10−11 Acetate CH3COO− 5.6 × 10−10
Carbonic acid H2CO3 4.2 × 10−7 Aniline C6H5NH2 3.8 × 10−10
Hydrazoic acid HN3 1.9 × 10−5 Hydrazine N2H4 8.5 × 10−7
What is the pH of a 1:1 H2N3+/HN3 mixture?
What is the pH of a 1:1 N2H4/N2H5+ solution?
*For the base table, you can only make a buffer with the conjugate acid.
Solution Equilibrium
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
35
Solubility Product When a solid dissolves in a liquid, equilibrium is reached betweendissolved ions and the solid
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
36
This is a normal equilibrium, K still equals Products
Reactants
Ca3(PO4)2 sH2O l
3 Ca aq2+ + 2 PO4 aq
3− , Ksp = Ca aq2+ 3
PO4 aq3− 2
= 2.07 × 10−33
Initial
Change
Equilibrium
The larger the value of Ksp, the greater the concentration of ions at equilibrium HOWEVER solubility is generally compared in
terms of molar solubility (moles of solute dissolved in liters of solvent) (i.e., the x value of the table above)
When setting up any equilibrium expression remember that solids and liquids are not included.
If Ksp < Qsp, SUPERSATURATED precipitation occurs
If Ksp > Qsp, UNSATURATED species remain in ionic dissolved form
If Ksp = Qsp, SATURATED dissolution and precipitation occur at the same rate and the solution is saturated
Molar Solubility
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
37
If the Ksp of calcium phosphate is 2.07 × 10−33 and its molar solubility is 1.14 × 10−7mol
L,
How many grams of the above salt can dissolve in 3.00 liters of water?
The Common Ion Effect
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
38
What is the molar solubility of calcium phosphate if it is added to a solution containing 0.01 M Li3PO4 aq ?
*Ksp lithium phosphate = 3.45 × 10−11, Ksp calcium phosphate = 2.07 × 10−33
Ca3(PO4)2 s ⇄ 3 Ca aq2+ 2 PO4 aq
3−
Initial
Change
Equilibrium
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
39
What is the relative solubility of silver chloride AgCl, Ksp = 1.77 × 10−10 in
0.1 M NaOH 0.01 M HCl water 0.1 M Na2S 0.1 M KI
Additional data:
2 Ag aq+ + S aq
2− ⇌ Ag2S s , K = 1.23 × 1050
Ag aq+ + I aq
− ⇌ AgI s , K = 1.17 × 1016
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
40
If a 2.50 × 10−2 M cadmium fluoride solution is mixed with 3.50 × 10−2 M barium nitrate will a precipitate occur? If so, what will it be?
compound Ksp
cadmium fluoride 6.44 × 10−3
barium nitrate 4.64 × 10−3
barium fluoride 1.84 × 10−7
calcium nitrate N/A (very soluble)
Relevant Ksps
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
41
If 1.30 grams of lithium fluoride are dissolved in 1.00 liter of solution, how would you describe the solution? (Ksp = 1.85 ×10−3)
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
42
Which of the following compounds is more soluble in pure water?
Yttrium fluoride (YF3, Ksp = 8.62 × 10−21) or silver bromide (AgBr, Ksp = 5.35 × 10−13)
Thermochemistry
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
43
Assuming the following reaction goes to completion in a closed vessel,
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
44
C5H12(l) + 8 O2(g) ⇌ 5 CO2 g + 6 H2O g
If we started with 15 atm of oxygen and excess C5H12(l), How will the pressure at the beginning of reaction compare to the total
pressure at the end of reaction?
If you then cool the container, what will happen to the pressure and why?
If the container is actually an adjustable piston, will it expand or compress and why? At the molecular level, what happens to the number of molecular collisions with the container?
Work and Isobaric, Closed Systems
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
45
Given the following:
C3H8 g + 5 O2 g → 3 CO2 g + 4 H2O l , ΔHrxn = −1.911 × 103 kJ
An unknown quantity of propene (C3H8 g ) is burned with excess oxygen (O2 g ) at 298K. When this experiment takes place,
there is an internal energy change of 800 kJ and + 60.2 kJ of work is involved. How many moles of propene were present in thisexperiment?
∆U = q + w
∆U = ∆H + −P∆V
6 CO2 g + 6 H2O g
C6H12O6 g + 6 O2 g
Reaction Coordinate Diagrams
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
46
6 CO2 g + 6 H2O g
Energy
Reaction Coordinate
∆H = +2800 kJ
Endothermic (energy is taken in) Exothermic (energy is released)
Energy
Reaction Coordinate
C6H12O6 g + 6 O2 g
∆H∆H = −2800 kJ
A → B ∆H = +100 kJB → C ∆H = −50kJA → C ∆H = +50kJ
Energy
Reaction Coordinate
∆H = +100 kJ𝐀
B
𝐂∆H = −50 kJ
∆H = +50 kJ
Enthalpy, Entropy and Free Energy
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
47
1 A + 2 B ⇌ 3 C
∆Hrxn° = 3 × ∆Hf C
° − 2 × ∆Hf 𝐵° + 1 × ∆Hf A
°
∆Hrxn° = 𝑛∆Hf(Products)
° −𝑛∆Hf Reactants°
∆Srxn° = 𝑛Sf(Products)° −𝑛Sf Reactants
°
∆Grxn° = 𝑛∆Gf(Products)° −𝑛∆Gf Reactants
°
∆Grxn = ∆Hrxn − T∆Srxn
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
48
Under SATP, 2 moles of CaCO3 s decomposed completely into CaO(s) and CO2 g , given the following information, what was the
change in internal energy of the system?
CaCO3 s → CaO(s) + CO2 g
∆𝐻 = 𝑃 − 𝑅
∆U = q + w
∆Hf° kJmol
CaCO3 s 1207.6
CaO(s) 634.9
CO2 g 393.5
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
49
The given chemical equations represent the combustion of ammonia and hydrogen.
4 NH3(g) + 3 O2 g → 6 H2O g + 2 N2 g , ∆H = −1516 kJ
2 H2(g) + O2 g → 2 H2O g , ∆H = −572 kJ
What is the enthalpy of the formation of ammonia?
Could we have predicted the sign (negative or positive) of the enthalpy of formation of ammonia?
ΔS (Entropy) – AMeasure of Change in Disorder
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
50
When predicting entropy:
1. gases > liquids > solids.
2. A substance is more disordered at a higher temperature.
3. Gas in a large volume is more disordered than in a small volume.
4. A larger/more complex molecule has greater entropy than a smaller molecule.
5. An increase in the number of moles of products compared to reactants means an increase in entropy.
Statements about entropy to memorize/understand for Multiple Choice Theory Questions:
At 0 K, particles in a system have no thermal energy, no motion, and no disorder.
The entropy of any system at 0 K is zero.
The entropy of a perfect crystal at absolute zero (zero Kelvin) is zero.
Entropy decreases when the system becomes more ordered.
Predict the entropy change or sign of ΔS for the following reactions
CaO s + CO2 g ⇌ CaCO3 s
2 NH3 g ⇌ N2 g + 3 H2 g
ΔS (Entropy) – AMeasure of Change in Disorder
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
51
Which of the following is more disordered?
*The enthalpy of formation of elements (ΔHf0) is zero HOWEVER, the entropy (𝐒𝟎) of an element is never zero!!!!
What is the predicted sign of ΔS for the following reactions:
H2O l or H2O g
H3O aq+ or H2O l
FeCl3(s) or Fe CH3COO 3 s
NaCl l or NaCl s
CaCO3 s or CaO(s) + CO2 g
H2O g at 110 °C or H2O g at 210 °C
ΔS
H2O g ⇌ H2O l + or
4 NH3(g) + 3 O2 g → 6 H2O g + 2 N2 g + or
Introduction to Gibbs Free Energy
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
52
The entropy of the universe increases in any spontaneous reaction;
ΔSuniverse = −ΔGreaction
A negative Gibb’s free energy of reaction indicates the entropy of the Universe increases! This means the reaction is favorable!
Therefore a spontaneous reaction has a negative ΔG
When the change in free energy (ΔG) is negative, the reaction is spontaneous in the direction written.
When the change in free energy (ΔG) is positive, the reaction is nonspontaneous in the direction written BUT it is
spontaneous in the opposite direction (backward reaction is favored).
When ΔG = 0, the reaction is ________________
Spontaneity
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
53
In some cases, nonspontaneous reactions can be made spontaneous by changing the temperature. For example, water will not boil at room temperature, but it will above 100 ℃.
Depending on the sign of ΔS and ΔH, reactions may be spontaneous at all temperatures, no temperature, high temperatures, or low temperatures:
∆Grxn = ∆Hrxn − T∆Srxn
( ) = ( ) – ( )
( ) = ( ) – ( )
( ) = ( ) – ( )
( ) = ( ) – ( )
Use the following thermochemical data to calculate ∆S, ∆H and ∆G at 298K for:
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
54
C s,graphite + H2O g → CO g + H2 g ∆H𝑓° 𝑘J
molS°
JKmol
C s,graphite 0 6
H2O g 241 188
CO g 111 164
H2 g 0 130
Notice these numbers are NEVER zero! Evenfor elements.
Could we have used common sense to deduce this ∆G value (through deducing∆S and ∆H)?
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
55
C s,graphite + H2O g → CO g + H2 g
∆S = +100 J/K
∆H = +130kJ
∆G =+100kJ
At what temperature does the above reaction become spontaneous?
2
1
Path A (4 meters)
Path B (6 meters)State
State
State Functions (typically has a Delta, ∆ or Change) Path Functions
Internal energy (∆E or ∆U) Heat(q)
Enthalpy (∆H) Work (w)
Entropy (∆S) Distance (d)
Gibbs free energy (∆G) Frequency (f)
Pressure (P)
Temperature (T)
Volume (V)
State and Path Functions
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
56
State functions – where you are (a property of the system)
Example: Temperature
Path functions – how did you get there (did we add heat or work?)
Example: Heat or work
Everyone in the class is sitting in the same room (state function) even though everyone travelled different paths (path function) to get here.
Equilibrium and Thermochemistry
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
57
The change in Gibb’s free energy of a reaction ΔGrxn under nonstandard conditions depends
on the position of the reaction in its current state Q relative to the position of equilibrium Keq :
𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧 = 𝐑𝐓𝐥𝐧𝐐
𝑲 𝒆𝒒
If Q = Keq, then ΔGrxn will be zero and the system is at equilibrium
𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧 = 𝐑𝐓𝐥𝐧
If Q < Keq, then ΔGrxn will be negative – the forward reaction is favored until equilibrium is reached
𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧 = 𝐑𝐓𝐥𝐧
If Q > Keq, then ΔGrxn will be positive – the reverse reaction is favored until equilibrium is reached
𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧 = 𝐑𝐓𝐥𝐧
Read this over BUT don’t struggle – we’ll make sense of it through questions!
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
58
Q = 1 under standard conditions because all the concentrations are 1 mol/L and all pressures are 1 atm!
We can then relate the change in standard Gibb’s free energy of a reaction to the equilibrium constant::
𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧 = 𝐑𝐓𝐥𝐧𝐐
𝐊 𝐞𝐪
ΔGrxn0 = RTln1
K eq= ΔGrxn0 = RTln K eq
−1
This becomes 𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧𝟎 = −𝐑𝐓𝐥𝐧 𝑲 𝒆𝒒
If ΔGrxn0 < 0 then Keq > 1
If ΔGrxn0 = 0 then Keq = 1
If ΔGrxn0 > 0 then Keq < 1
ΔGrxn0 can be used to determine the spontaneity of a reaction under any set of conditions via:
𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧 = 𝚫𝐆𝐫𝐱𝐧𝟎 + 𝐑𝐓𝐥𝐧 𝐐
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
59
The normal boiling point is the temperature at which a substance will change from liquid to gas phase at 1 atm of pressure.During any phase change, a dynamic equilibrium is established. Calculate the normal boiling point of mercury, Hg l , using the
following data:
∆Hf° for Hg g 50 kJ/mol
S° of Hg l 74 J/(K mol)
S° of Hg g 174 J/(K mol)
a) 300K
b) 400K
c) 500K
d) 600K
Review Manipulating Equilibrium Constants
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
60
12N2 g + O2 g → NO2 g , K1 = 1.2 × 10−4
2 NO2 g → N2O4 g , K2 = 52
What is the equilibrium constant for:
N2O4 g → N2 g + 2O2 g
Direction of Reversible or Equilibrium Reactions (F2015 Q16) (C) Pavel Sedach Learnfaster.ca
61
Δ𝐺 𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 Q Direction of Reaction
< 0(−)
> 0(+)
> 1 spontaneous in forward direction
> 0(+)
< 0(−)
< 1 spontaneous in reverse direction
0 0 1 no net reaction: system at equilibrium
Negative ΔG0 = spontaneous in forward direction
Positive ΔG0 = spontaneous in reverse direction
(equilibrium shifts depending on excess of reactants or products)
ΔG0 = −RT ln K = −nFE0
ΔGabsolute value ofGibbs Free Energy
If we plot the absolute value of ΔG0 vs. the amount of reactants/products we get the following:
0Reactants Only
0Products Only
At the bottom of the curve, ΔG = 0, rxn. is at equilibrium.
Where the bottom is relative to a 50:50 ratio defines
whether the reaction prefers products or reactants at K.
In this case, the reaction prefers _____________
and so ΔG0 is ________ and K is ___________ than 1.
ΔG is a large negative number ΔG is a large
positive number
Electrochemistry
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
62
Oxidation Numbers
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
63
Oxidation Numbers are based on the number of electrons elements exchange to reach a stable configuration – this is dependent on their existing configuration and their electronegativity
OxidizingAgents
ReducingAgents
+1
+2
+3
123
NaCl HCl HH
Oxidation Numbers (ONs)
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
64General Rules
1. The ON of any pure element is zero.
Ex: N2, P4, S8, He
2. The oxidation number of a monatomic ion equals its charge.
Ex: N3−, Cl−, Fe3+, Cu2+ and Na+
Main rules:1. The most electronegative element in a compound keeps it’s charge according to the periodic table, any other elements vary2. All the ONs on individual elements add to the net charge of the compound.
HCl Cl2 ClO− ClO4−
What do electrons have to do with chemistry?
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
65
Electrons are exchanged because the products are _______________________under the given conditions.
What key thermodynamic quality is this linked to? ________________
ΔG0 = −RT ln K = −nFE0
In an electrical circuit, electricity is the movement of _______________.
Reactants
Na(g) +12Cl2(g)
Voltage
Reaction Coordinate/Reaction Progress
V ProductsNaCl(s)
Cl2 g + 2 e− ⇌ 2 Cl aq− +1.36
Na aq+ + e− ⇌ Na s −2.71
Standard Electrode Potentials – Essentially a Reactivity Series!
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
66
Reduction HalfReaction Electrical Potential 𝐸° (𝑉)
F2 g + 2 e− ⇌ 2 F aq− +2.87
MnO4(aq)− + 8 H aq
+ + 5 e− ⇌ Mn(aq)2+ + 4 H2O l +1.51
Au aq3+ + 3 e− ⇌ Au s +1.50
Cl2 g + 2 e− ⇌ 2 Cl aq− +1.36
2 NO3 aq− + 4 H aq
+ + 2 e− ⇌ N2O4 g + 2 H2O l +0.80
Ag aq+ + e− ⇌ Ag s +0.80
Fe aq3+ + e− ⇌ Fe aq
2+ +0.77
Cu aq2+ + 2 e− ⇌ Cu s +0.34
2 H aq+ + 2 e− ⇌ H2 g 0.00
Fe aq2+ + 2 e− ⇌ Fe s −0.45
Zn aq2+ + 2 e− ⇌ Zn s −0.76
Al aq3+ + 3 e− ⇌ Al s −1.66
Na aq+ + e− ⇌ Na s −2.71
Li aq+ + e− ⇌ Li s −3.04
Assign oxidation number and point out the Oxidizing and Reducing agents:
SnCl2 + PbCl4 ⇌ PbCl2 + SnCl4
Zn s + 2 HCl aq ⇌ ZnCl2(aq) + H2(g)
Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
67
What is the most spontaneous reaction on this redox table?What is its voltage?
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
68
What is the least spontaneous reduction reaction and what is its voltage?
Under what conditions are these voltages calculated?
Reduction HalfReaction Electrical Potential 𝐸° (𝑉)
Cl2 g + 2 e− ⇌ 2 Cl aq− +1.36
2 NO3 aq− + 4 H aq
+ + 2 e− ⇌ N2O4 g + 2 H2O l +0.80
Ag aq+ + e− ⇌ Ag s +0.80
2 H aq+ + 2 e− ⇌ H2 g 0.00
Zn aq2+ + 2 e− ⇌ Zn s −0.76
Al aq3+ + 3 e− ⇌ Al s −1.66
Li aq+ + e− ⇌ Li s −3.04
What is the strongest reducing agent? (*Table is randomized!)
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
69
What is the second strongest reducing agent?
What is the strongest oxidizing agent?
Give the equation of the most spontaneous reaction:
HalfReaction Electrical Potential 𝐸° (𝑉)
Cl2 g + 2 e− ⇌ 2 Cl aq− +1.36
I2 g + 2 e− ⇌ 2 I aq− +0.535
Ag aq+ + e− ⇌ Ag s +0.80
Mg s ⇌ Mg aq2+ + 2 e− +2.37
Sn aq3+ + 2 e− ⇌ Sn aq
2+ +0.15
pH and pOH of Standard Cells
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
MnO4−
aq + 8 H aq+ + 5e− ⇌ Mn aq
2+ + 4 H2O l , 𝐸° = +1.51
I2 s + 2 e− ⇌ 2 I aq− , 𝐸° = +0.54
What is the spontaneous net reaction?
What is the voltage under standard conditions?
What is the concentration of H aq+ under standard conditions?
What is the pH under standard conditions?
70
pH and pOH of Standard Cells
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
2 MnO4−
aq + 16 H aq+ + 10 I aq
− ⇌ 2 Mn aq2+ + 8 H2O l + 5 I2 aq , 𝐸° = +0.97
If we increase [H+] to 10 mol/L, will E increase or decrease?
If the pH is raised to 4.0, what will be the new voltage of the cell?
a) +1.1 V
b) +1.3 V
c) +0.97 V
d) +0.59 V
What is the voltage of the cell at equilibrium?
As time passes, does the pH of the solution change?
What happens to the concentration of MnO4−
aq with time?
71
Consider the following reaction:
Cu aq2+ + 2 e− ⇌ Cu s , 𝐸° = +0.34
2 H2O l ⇌ O2 g + 4 H aq+ + 4 e−, 𝐸° = −1.23
What is the 𝐸°𝑐𝑒𝑙𝑙 for 2 Cu aq2+ + 2 H2O l ⇌ 2 Cu s + O2 g + 4 H aq
+ ?
a) +0.89 V
b) 0.89 V
c) +1.57 V
d) 1.57 V
Is the reaction spontaneous?
What is the oxidizing agent in the above reaction?
That is the reducing agent in the above reaction?
Review 72
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
8H+ + Cr2O7(aq)2− + 3 Cl aq
− ⇌ 2 Cr aq3+ + 3 Cl2 g + 4H2O(l)
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
73
ΔG0 = −RT ln K = −nFE0
What would happen to Q? To ΔG?
What would happen to 𝐸 if the pH is increased to 6?
What would happen to 𝐸 if the pH is lowered to 1?
What would happen to 𝐸 if the [Cr aq3+ ] is increased?
What would happen to 𝐸 if the PCl2 gwas changed to 2 atm?
Redox Reactions
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
74
MnO4− + I− ⇌ I2 + Mn2+Smart Split the reaction into two
African Balance All except H and O
Orangutans Balance O using H2O
Have Balance H using H+
Enormous Add electrons to balance charge
Brain If basic, add OH− forevery H+
Cells Combine the reactions to cancel electrons
MnO4− + I− ⇌ I2 + Mn2+
Your goal is to make sure of 3 things:
1. electrons lost = electrons gained2. Atoms balance3. Charges Balance
I consider this a good method because it is almost fool proof, gives you balanced half reactions before you get a net reaction and does not involve using oxidation numbers at all unless you want/need to
Redox Reactions
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
75
MnO4− + CH4 ⇌ HCOOH +Mn2+Smart Split the reaction into two
African Balance All except H and O
Orangutans Balance O using H2O
Have Balance H using H+
Enormous Add electrons to balance charge
Brain If basic, add OH− forevery H+
Cells Combine the reactions to cancel electrons
Redox Reactions – SELF STUDY SLIDE
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
76
Cr2O7(aq)2− + Br aq
− ⇌ Cr aq3+ + BrO aq
− , (acid solution)
Solution: 8 H+ + Cr2O7(aq)2− + 3 Br aq
− ⇌ 2 Cr aq3+ + 3 BrO aq
− + 4 H2O(l)
Smart Split the reaction into two
African Balance All except H and O
Orangutans Balance O using H2O
Have Balance H using H+
Enormous Add electrons to balance charge
Brain If basic, add OH− forevery H+
Cells Combine the reactions to cancel electrons
Kinetics Review
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
77
The following general factors affect reaction rates:
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
• Reactant concentrations collision frequency increases as concentration increases.
• Temperature speed of the molecules, thus collision frequency increases as temperature increases.
• Physical state of the reactants – influences collision frequency.
• Mechanism – reactions can occur at different rates for different pathways.
• Catalysts raises the reaction rate without being permanently consumed.
Temperature Catalysts
78
Kinetic Energy
Number of Molecules
Activation energy
low temperature
high temperature
Low concentration = Few collisions High concentration = more collisions
Kinetic EnergyNumber of Molecules
CatalyzedActivation energy
UnCatalyzedActivation energy
Rate = −Δ AaΔt
= −Δ BbΔt
= +Δ CcΔt
= +Δ DdΔt
If Δ SO4(aq)
2−
Δtis 2.40
mol
L s:
S2O8(aq)2− + 3 I aq
− → I3 aq + 2 SO4(aq)2−
What is Δ I3 aq
Δt?
a) 2.40 mol
L s
b) 1.20 mol
L s
c) +1.20 mol
L s
d) +2.40 mol
L s
What is the overall rate of reaction?
Reaction Rates aA + bB → cC + dD
© Pavel SedachLearnfaster.ca
79
Measuring Reaction Rates
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
80
As [reactant] decreases, rate also decreases. With fewer reactants, there is less opportunity for collisions.
H2O2 aq → H2O l +½ O2 g
H2O2 aq
time (minutes)
Instantaneous Rate
Initial Rate
Average Rate
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
What was the average rate of rxn. from 0 to 5 seconds? Provide units.
What was the instantaneous rate of formation of oxygen at 1.5 seconds?
Slope = 2.30
Slope = 2.10
Rates, Orders andMechanisms
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
81
NO2 g + NO2 g →𝑘1NO3 g + NO g , Slow
NO3 g + CO g →𝑘2NO2 g + CO2 g , Fast
Net: NO2 g + CO g → CO2 g + NO g , Rate = k
If the concentration of NO2 g is doubled, how would the rate change?
If the concentration of CO g is tripled, how would the rate change?
rate law
Method of Initial Rates
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
82
For the reaction: 2 l aq− + S2O8
2−aq → I2 aq + 2 SO4(aq)
2− the initial rates of reaction were determined as follows:
Calculate the rate law and the rate constant of the reaction.
l aq−
0(mol/L) S2O8
2−aq 0
(mol/L) Initial Rate (mol/L s)
0.60 0.10 500 × 10−5
0.30 0.10 250 × 10−5
0.60 0.05 250 × 10−5
Transition State Theory
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
83
CH3Cl + I− → CH3I + Cl−
This reaction proceeds through an activated complex. If you look below, this complex is a carbon with what looks to be five bonds – this is an extremely unstable species and requires lots of energy to occur “activation energy” (Ea).
A catalyst can lower this activation energy.
Raising the temperature can speed this reaction up by making sure more molecules have reached the critical energy needed for the reaction to proceed.
The Arrhenius Equation k = Ae−EaRT
© Pavel SedachLearnfaster.ca
Rate constant (k) is proportional to 𝒑 × 𝒛 × 𝒇
p – the fraction of collisions with proper alignment for breaking and forming new bonds.
z – the collision frequency, or the number of molecular collisions per unit time.
f – the fraction of collisions with sufficient kinetic energy to overcome the activation energy of the reaction (EK must be > Ea)
Explanation of p:
lnk2k1
=EaR
1T1
−1T2
84
k is the rate constant, A is the Arrhenius constant, Ea is the activation energy, R is the gas constant (8.314 J/molK) and T is the temperature in Kelvin.
Reaction Rates and Temperature
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
85
The rate constant of a first order reaction is 2.34 × 10−5𝑠−1 at 100 °C. If the activation energy is 20.6 kJ, what is the rate constant at a temperature of 500 °C?
0
5
10
15
20
0 25 50 75 100
0 Order Kinetics 1st Order Kinetics 2nd Order Kinetics
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
86
A t = −kt + A 0
[A]
ln[A]
1A
ln A t = −kt + ln A 0
1A t
= kt +1A 0time (s)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 25 50 75 100
2.5
1.5
0.5 0 25 50 75 100
time (s)
time (s)
time (s)
time (s)
time (s)
[A]
ln[A]
1A
0
0.5
1
1.5
0 50 100 150 200
3
2
1
0
0 50 100 150 200
0
5
10
15
20
0 50 100 150 200
0
0.5
1
1.5
0 150 300 450 600 750
2.8
2.1
1.4
0.7
0
0 150 300 450 600 750
0
5
10
15
20
0 150 300 450 600 750time (s)
time (s)
time (s)
[A]
ln[A]
1A
Different Temperatures and Different Initial Concentrations
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
87
1A
timeWhich experiments were performed at the same temperature?What’s the difference?
Performed at different temperatures?
The graphs below describe the same reaction under different conditions.
The graphs below show ln[A] vs. time.
ln[A]
timeWhat is the relationship between the 3 lines?
Can you tell the order of reaction?
What extra information would be helpful?
B
A
C
Y
X
Z
What is a catalyst, an intermediate and a reactant/product?
© Pavel SedachLearnfaster.ca
A + C → D + E ∆H = +100 kJ
D + A → F + C ∆H = −50kJ
2A → E + F ∆H = +50kJ
Energy
Reaction Coordinate Diagram
Reaction Coordinate
∆H = +100 kJA + C
D + E + A
E + F + C∆H = −50 kJ
∆H = +50 kJ
88
Catalysts are used and regenerated
Intermediates are created and destroyed
Which of the two elementary steps is the rate determining step (RDS)?
1. Label any intermediates and any transition states on the diagram below:
(C) Pavel SedachLearnfaster.ca
89
H2SO4 + C5H11OH
HSO4− + C5H11
+ + H2O
H2SO4 + C5H10 + H2O
50 kJ 15 kJ10 kJ
30 kJ
2. Write the equation for the 1st step, 2nd step and the net reaction:
3. What is ΔH for the entire process?
4. What is the rate determining step?
5. What is the forward activation energy? The reverse activation energy?
Energy
Reaction Coordinate Diagram
Reaction Coordinate
6. Is there a catalyst?
7. Draw a dotted curve to show theuncatalyzed reaction if there is one.
8. Give the rate law for the reaction
�������������� �� �������
������� ����������
������������������� �����
����� ����
����� ��� �� ����� �� ���� ������������� ���� ���������� ��� ���
������� � ���� �������
������ ����� ���� ��� ���� ��� ������
�������������������������
�������������������������������� ����������������������
�������������������������������������������������������������������������������
����������������❏ ��� ��� �������� �����������������������❏ ��� ��� ����� �� �����������������������❏ ��� ���� ������� �����������������
��� �������������������� ���������������������������
����� ��� �� ������������ ������������� ���� ���� ��� ���������� ���������� ��������� ������ �������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������ ������������������������������������������������������������ �������������� �����������������������������������������
���������������������� �� ��������������� ��������� ���������������������������� ������� ������������������������������������������������������ ������
��� � �������������� ������������������� ����������������������� ��������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������
���� ����� ������ ���� ���� ����� �������� ���� ��������������� ��� ����� ��� ���� �������� ���� �������������������������������������������������������� �����������
����������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
3
3
������������������ ���������� ������ �����
���������������������������������������������������������
��� ��� ��� ��� ��� ����������
�������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������� �� ��
����������� �����������������������(36 marks)���������������������������������������������������������������
�� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ ��� ������ �� ���������������������������������������������������������������������������������������
�� ���� ������������������ ����������� ���� ������������������ ���������������� ���� ����������������������� ����������� ���� ����������������������� ��������������
�� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������
����
������� ����
������� ����
������� ����
�������
�� ����������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������
�� ����������������������� ������������������������������������������������������������������ ������������������������������������� ��� ������������
4
4
������������������ ���������� ������ �����
�� ����������������������������������������������������� �������������� ������������������������������������� ����������������������������������������������� �����������������������������������
� ������������������� ���������������������������������������� ��������� ������������� ��������������������������������������������� �������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������� �������������������
��������������������������������������������������������������� �������������
�� Δ� ��������� Δ� ������������������� Δ� ��− ����� Δ� ���������������������
�� �������������������������������������������������������������������� ����→����
������������������������������������������������������������������������������� ������������ �����������
���������������������������������
���������������������������������������
�� ������� �����������������������������������������������
�� ������� �����������������������������������������������
�� ������� ��������
�� ������� ��������
�� ������������������������������������������������������������������������������������� �������
����������� ������ ����⇌ � ������������ ��� ��
����������� �� ������½ �� ����⇌ ������� ��
����������� �� �������� ����⇌ ���� ��� ��
����������������������� �������������� �������
�� ��� × �−����� ��� × ��
�� ��� × ��
−�
�� ��� × ��
−�
5
5
������������������ ���������� ������ �����
�� ������������������������������������������������������������������������������
�����ℓ ⇌ �ℓ� ����� �� �����
��� ���
��� ���
�� ������� ��������������������������� ������ ×���−����������×���−� �������������������������������� �� �������×���−� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� �������������������������������������������������×���−� ���������� ����������� ����������������������������������������������×���−� ���������� ����������� ����������������� ������������������������������ ×���−�� ������� ����������� ��������������������������������������������� ×���−�� ������� ����������
�� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������� �����������������������������������������������������
�� ��� ������
�� ������������−
�� ����� ������−
�� ���� �������
��� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������
�� ����������������������������������������� ������������������������� �������������������������������������������� ��������������������������� ����������������������������������������� ������������������������������������������� �������������������������������������������� �����������������������������������������
6
6
������������������ ���������� ������ �����
��� ����������������������� ��������������������������������������������������������� �������� ���������������������
�� ��ℓ�� ������
�� �������
�� ������ �����������
��� �������������������������������������������������������������������� �����������������������������������������������������������������������
�� ����������������������������������������
�� �������������������������������������
�� ����������������������������������������
�� �������������������������������������
��� ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ℓ������������������������ ���������� ��������������
�� ������� ������������������������������ℓ������������������������ ������������������������������������������ �������������������������������� ��������������������������� �����������������������������
��� ������ �������������������������� �����������������������∆��� ����������
�� ∆��� ����� ∆��� � ��� ∆��� � ��� ���������������������������������������������������������������
��� ������ �������������������������� ������������������������������������
�� �� ����� �� � ��� �� � ��� ���������������������������������������������������������������
� ������� ���������� ����� �� �� ���� � ����������� �������� �������������� ���� ����� ���� ��ℓ ��� ������������������� ����������� ������ ��� ���� ��������������� ��� ���� �������������� ����������������
7
7
CHEM 203 Fall 2016 Final exam Page 6 of 15
16. For the reaction depicted above, which of the following statements is true?
a. ΔrG° < 0 and K > 1
b. ΔrG° < 0 and K < 1
c. ΔrG° > 0 and K > 1
d. ΔrG° > 0 and K < 1
17. You prepare an aqueous electrochemical cell with the following ion concentrations in solution:
[Sn4+] = 0.5 M [Pb2+] = 0.5 M [Sn2+] = 0.005 M [Pb4+] = 0.005 M
At these concentrations, which statement about the equilibrium reaction is true?
a. The forward reaction is spontaneous and the cell voltage (Ecell) is positive.
b. The forward reaction is spontaneous and the cell voltage (Ecell) is negative.
c. The reverse reaction is spontaneous and the cell voltage (Ecell) is positive.
d. The reverse reaction is spontaneous and the cell voltage (Ecell) is negative.
18. If this reaction is allowed to proceed in the spontaneous direction, what will we observe?
a. The magnitude of Ecell will decrease until it reaches E°cell
b. The magnitude of Ecell will increase until it reaches E°cell
c. The magnitude of Ecell will decrease until it reaches zero
d. The magnitude of Ecell will increase until it reaches zero
******************END OF MULITIPLE CHOICE QUESTIONS SECTION**************
The graph at the left describes the following equilibrium redox reaction:
Sn4+ (aq) + Pb2+ (aq) ⇌ Sn2+ (aq) + Pb4+ (aq)
Use the information in this equation and graph
to answer all of the next three questions
(Q16, Q17, Q18).
8
8
������������������ ���������� ������ �����
�����������������������������������������������������������(15 marks)�����������������������������������������
��� �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������� ����� ���� �������������
����������������������������������������������������������������������� �������������������������������������� ���������������� ������������������������������������������������������� ������������������������������ �������������� �����������������������������
���������������������������� ������������������������������������������� �������� ��������������������������������������������������������������������������� ��������������
���������
���������
��� ������������������������� �������� ����� ×���−������������������������������������ ����������������������������������������������������������������������� ��������������
������� ������� �������
���������������− �������������������������������� ������×���−�������������������������������� ���
������������������������������������������������� ��� ����������������������������������� ������������������������� ��������������������������� �������� ������
�����
������ ����� ����������� ������������� ����������
Marks2
������������
��� ���ℓ
��������ℓ�
Marks4
9
9
������������������ ���������� ������ �����
��� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������
��� ����������������� ����������� �������������������� ��������������������������� �������������������������������������������� ������������������������������������������������������������� ������������
��� ������������������������������� �������������� ������������������������ ���������������
��� ������������������������������ ��������������� ����������������������������������������
� �� ���
���������������������������������� �����
���������������������������������� �����
������������������������������� ����������
�������������
���������� ����
����ℓ���� ����
Marks5
10
10
������������������ ���������� ������ �����
��� �������������������������������→�����������������������������������������
������ ����������
������������������������ ���� ������ ��������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������� ����������
����������������������������������
����������������� �������������
���������������
����������������������
���������������������������������������������������������������������
�� ������������������ ����������������������������������������������������������������·����
���������������������������������������������������������������������
Marks4
11
11
������������������ ���������� ������� �����
������������������������������(23 marks+1marksigfigs)�������������������������������������� ������ ���������������
�������� ��������������������������������������������������������������������
��� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������
������������� � �� ��� → ������������ � �������ℓ� Δ����� ������ ������·���
������������
������ � �� ������
�� ����������������������������������� ����� �������������������������������
�� ������ ������������������������������������������������������������������
�� ��� ����������������Δ���������������������������������������·��������������������������������������� ����������������������
������������ ��������� �������������
��� ��
�������� ��
THIS PAGE
5Marks
12
12
������������������ ���������� ������� �����
������������ ��������� ���� �������� �����
�� ����������∆��� ���������������������������
�� ����������∆�� �������������������������� ����������������������������������������������������������� ��������������� ���������������
�� ������� �������������� �������� ������������������������������ ������������ ����������� ������������������������������������������� ���������������������������������� �������������������������������� ��������������� ��������������������������������������������
�� ��������� ����������������������������������������������������������������� ��������������������������� �������∆��� ����∆��� �����������������������������������������������
∆ ��� ��
∆�� ��
THIS PAGE
7Marks
13
13
�������������� �� �������
������� ����������
��������������������� �����
����� ����
����� ��� �� ����� �� ���� ������������� ���� ���������� ��� ���
������� � ���� �������
������ ����� ���� ��� ���� ��� ������
��������������������������
��������� �����������������������
��������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������� ������������������
�����������������❏ ���� ��� �������� ������������������������❏ ���� ��� �������� ������������������������❏ ���� ���� �������� �����������������
����� ��� �� ������������ ������������� ���� ���� ��� ���������� ���������� ��������� ������ �������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������ ������������� �����������������������������������������
����������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���� �����������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������
���� ����� ������ ���� ���� ����� �������� ���� ��������������� ��� ����� ��� ���� �������� ���� ���������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������
���� ���� ���� ���� ���� ���� ������������
�������������
16
16
��������������������� ����������� �������������
��������������������������������������
�����������������������������������(38marks)����������������������������������������������������������������
�� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������®�����������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ��������������������� ��������������������� �����������������
�� ���������������������������������
�� �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� �������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������
�� ��������������������������������������������
�� �������������������������������������������� ������������������������ ����������������������������������� ��������������� ����������������������������������������� ������������������� �����������������������������������������������������
�� ����������������� ⇌ �������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������
����������������
18
18
��������������������� ����������� �������������
�� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ��������������������� ��������������������� ��������������������� ������������������
�� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ������������������ ������������������ ������������������ �����������������������������������������������
�� ����������������������������������������������������
�� ������������������ ������������������ ������������������ ������������������������������������������������������������
� ������� ����������� ���������������������� �� ���������� �� ��� ��� ������������ ���������������� �������������� ����������������� ���� ���� ���� ����� ������������ ���� �� ������������
������� ���� ����� ��������� ���������� ��� ��� ��������� ��→ ��������
��� ��� ��������������������� ��� ���� �� ��� ���� ������������� ��� ��� ���
19
19
��������������������� ����������� �������������
�� ����������� ��������������������→�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ���
�� �·���
�� ���·���
�� ���·���
�� ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�−����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ���������
�� ����������
�� �����������
�� ����������
��� ������������������������×���−�����������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� �������������������������������������������������×���−� ����������������������� ����������������������������������������������×���−� ����������������������� �������������������������������������������������×���−� ����������������������� ����������������������������������������������×���−� ����������������������
��� �������������������������������������������������������������������������
�� ������� ������� ������� �����
��� �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ��������������������� ��������������
�� ���������������
�� ����������������
��� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ���������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������
20
20
��������������������� ����������� �������������
��� ���������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ��ℓ�� �������
�� ���������� ������� ������������
��� �����������������������������������������
�� ������� ������� ������� �����
��� �����������������������������������������������������������������������������
�� ��� ���������� ����→���� ������������������ �������������������→���� ���������� ������ ��������������� ����→�������� ������ �������������ℓ�����→ ���ℓ� �������� ����
��� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�� ���������� �−�������� �����ℓ���� ��−������
� ������� ����������������� �� ������ ������ ������� ���������� �������ℓ ��� ��������������� ����� �� �� ��ℓ ��� ������������������� ����������� ������ ��� ���� ����������� ��� ���������������� ��������� �������� �����
21
21
��������������������� ����������� �������������
��� ����������������������������������������������������������������
�� ����������� ����������� ������ −��������
��� �������������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������
�� ������������������ ���������������� ���������������� �����������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������
�������� ��� ��������� ����������������������� ��� ���� ��� ��������� �������� ����
����ℓ� ���� � ���� ���� � ����� ���� ⇌ �ℓ� ��� ����� �ℓ��� �������ℓ� ������ ��������
22
22
��������������������� ����������� �������������
�����������������������������������������������������������(18marks)������������������������������������������
��� ���������������������������������������������������������������������������������⇌��
��������������������������������������������������������������→�������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������
��� ����������������������������������������×���−�������������������������������������
�������� �������� �������� ��������
�������������������������������������������������������������������������������������
����������������� ��������������ℓ−������⇌ �����ℓ��−������ ��������×����
���������������−������⇌ �����������−������ ��������×����
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����
��������������������������� ���������������������������
�
Energy
Reactioncoordinate
�
�����������
�����������
����������������������
����������
��� �����ℓ
��� ����
����������
Marks6
Marks2
23
23
��������������������� ����������� ��������������
��� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����ℓ�������������→������������������−���������
�� ������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������
�� ��������������������������������������������
�� ������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������
��� �
�������� � ������
����� �
Marks5
28
28