CHEMISTRY Candidate session number HIGHER LEVEL PAPER 2 PAST PAPERS - SUBJECT/Group 4 … · – 7 – Turn over M11/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ2/XX (Question 2 continued) (b) One method of

31 pages

M11/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ2/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 1 4

Candidate session number

0 0

22116114

0132

–2– M11/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ2/XX

SECTION A

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

1. If white anhydrous copper(II) sulfate powder is left in the atmosphere it slowly absorbswatervapourgivingthebluepentahydratedsolid.

4 2 4 2CuSO (s) 5H O(l) CuSO 5H O(s)+ → i(anhydrous) (pentahydrated)

Itisdifficulttomeasuretheenthalpychangeforthisreactiondirectly.However,itispossibletomeasuretheheatchangesdirectlywhenbothanhydrousandpentahydratedcopper(II)sulfateare separately dissolved in water, and then use an energy cycle to determine the requiredenthalpychangevalue, xH∆ ,indirectly.

xH∆4 2CuSO (s) 5H O(l)+ 4 2CuSO 5H O(s)i

1H∆ 2H∆

4CuSO (aq)

(a) To determine 1H∆ a student placed 50.0g of water in a cup made of expandedpolystyrene and used a data logger to measure the temperature. After two minutesshe dissolved 3.99g of anhydrous copper(II) sulfate in the water and continued torecordthetemperaturewhilecontinuouslystirring.Sheobtainedthefollowingresults.

Temperature/

C°

27

26

25

24

23

22

21

20

19

180 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Time/s

(This question continues on the following page)

0232

–3–

Turn over


(Question 1 continued)

(i) Calculate the amount, in mol, of anhydrous copper(II) sulfate dissolved in the50.0gofwater. [1]

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(ii) Determinewhatthetemperaturerisewouldhavebeen,in C° ,ifnoheathadbeenlosttothesurroundings. [2]

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(iii) Calculatetheheatchange,inkJ,when3.99gofanhydrouscopper(II)sulfateisdissolvedinthewater. [2]

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(iv) Determinethevalueof 1H∆ inkJmol–1. [1]

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0332



(b) Todetermine 2H∆ ,6.24gofpentahydratedcopper(II)sulfatewasdissolvedin47.75gofwater.Itwasobservedthatthetemperatureofthesolutiondecreasedby1.10 C° .

(i) Calculatetheamount,inmol,ofwaterin6.24gofpentahydratedcopper(II)sulfate. [2]

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(ii) Determinethevalueof 2H∆ inkJmol–1. [2]

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(iii) Usingthevaluesobtainedfor 1H∆ in(a)(iv)and 2H∆ in(b)(ii),determinethevaluefor xH∆ inkJmol–1. [1]

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0432

–5–

Turn over



(c) The magnitude (the value without the + or – sign) found in a data book for xH∆ is78.0kJmol–1.

(i) Calculatethepercentageerrorobtainedinthisexperiment.(Ifyoudidnotobtainan answer for the experimental value of xH∆ then use the value 70.0kJmol–1,butthisisnotthetruevalue.) [1]

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(ii) Thestudentrecordedinherqualitativedatathattheanhydrouscopper(II)sulfateshe usedwas pale blue rather than completelywhite. Suggest a reasonwhy itmighthavehadthispalebluecolouranddeducehowthiswouldhaveaffectedthevaluesheobtainedfor xH∆ . [2]

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0532


2. Theelementantimony,Sb,isusuallyfoundinnatureasitssulfideore,stibnite,Sb2S3.ThisorewasusedtwothousandyearsagobyancientEgyptianwomenasacosmetictodarkentheireyesandeyelashes.

(a) (i) Calculate the percentage by mass of antimony in a sample of pure stibnite.Stateyouranswertofoursignificantfigures. [2]

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(ii) Deducetheoxidationnumberofantimonyinstibnite. [1]

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(iii) Deduceoneothercommonoxidationnumberexhibitedbyantimony insomeofitscompounds. [1]

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0632

–7–

Turn over



(b) Onemethod of extracting antimony from its sulfide ore is to roast the stibnite in air.Thisformsantimonyoxideandsulfurdioxide.Theantimonyoxideisthenreducedbycarbontoformthefreeelement.

(i) Deducethechemicalequationsforthesetworeactions. [2]

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(ii) Identify two different environmental concerns associated with this methodofextraction. [2]

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0732



(c) Antimony contains two stable isotopes, 121Sb and 123Sb. The relative atomicmass ofantimonyisgiveninTable5oftheDataBooklet.

(i) Calculatethepercentageofeachisotopeinpureantimony.Stateyouranswerstothreesignificantfigures. [2]

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(ii) The percentage of each isotope can be checked experimentally using amass spectrometer. A vaporized sample of pure antimony is ionized and thenacceleratedinamassspectrometer.Outlinehowtheuseofamagneticfieldandadetectorinthemassspectrometerenablesthepercentagesofthetwoisotopestobedetermined. [3]

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(iii) Statethenumberofneutronspresentinanatomof121Sb. [1]

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0832

–9–

Turn over


3. (a) Theelectronconfigurationofchromiumcanbeexpressedas[Ar]4sx3dy.

(i) Explainwhatthesquarebracketsaroundargon,[Ar],represent. [1]

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(ii) Statethevaluesofxandy. [1]

x: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

y: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(iii) Annotatethediagrambelowshowingthe4sand3dorbitalsforachromiumatomusinganarrow, and ,torepresentaspinningelectron. [1]

4s 3d


0932



(b) Hydrogenandnitrogen(II)oxidereactaccordingtothefollowingequation.

2 2 22H (g) 2NO(g) N (g) 2H O(g)+ +�

Attime= tseconds,therateofthereactionis

22rate [H (g)][NO(g)]k=

(i) Explain preciselywhat the square brackets around nitrogen(II) oxide, [NO(g)],representinthiscontext. [1]

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(ii) Deducetheunitsfortherateconstantk. [1]

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1032

–11–

Turn over



(c) When concentrated hydrochloric acid is added to a solution containing hydratedcopper(II)ions,thecolourofthesolutionchangesfromlightbluetogreen.Theequationforthereactionis:

2 22 6 4 2[Cu (H O) ] (aq) 4Cl (aq) [CuCl ] (aq) 6H O(l)+ − −+ → +

(i) Explainwhatthesquarebracketsaroundthecoppercontainingspeciesrepresent. [1]

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(ii) Explainwhy the [Cu(H2O)6]2+ ion is coloured andwhy the [CuCl4]

2– ion has adifferentcolour. [2]

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(d) Somewordsusedinchemistrycanhaveaspecificmeaningwhichisdifferent to theirmeaningineverydayEnglish.

Statewhatthetermspontaneousmeanswhenusedinachemistrycontext. [1]

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1132


4. Methoxymethane,CH3OCH3,andethanol,C2H5OH,have thesamerelativemolecularmass.Explainwhymethoxymethanehasamuchlowerboilingpointthanethanol. [3]

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1232

–13–

Turn over


SECTION B

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

5. (a) Ammonia,NH3,isaweakbase.IthasapKbvalueof4.75.

(i) DrawtheLewisstructureofammoniaandstatetheshapeofthemoleculeanditsbondangles. [3]

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(ii) The conjugate acid of ammonia is the ammonium ion,NH4+. Draw the Lewis

structureoftheammoniumionanddeduceitsshapeandbondangles. [3]

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(iii) Anotherweakbaseisnitrogentrifluoride,NF3.ExplainhowNF3isabletofunctionasaLewisbase. [1]

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1332



(iv) CalculatethepHofa 2 31.00 10 moldm− −× aqueoussolutionofammoniaat298K. [4]

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(v) 25.0cm3 of 2 31.00 10 moldm− −× hydrochloric acid solution is added to 50.0cm3of 21.00 10−× moldm–3 aqueous ammonia solution. Calculate the concentrationsof both ammonia and ammonium ions in the resulting solution and hencedeterminethepHofthesolution. [5]

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(vi) State what is meant by a buffer solution and explain how the solution in (v),whichcontainsammoniumchloridedissolvedinaqueousammonia,canfunctionasabuffersolution. [3]

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(b) Saltsmayformneutral,acidicoralkalinesolutionswhendissolvedinwater.

(i) Explainwhyasolutionofsodiumchlorideisneutralbutsodiumcarbonateformsanalkalinesolutionwhenitdissolvesinwater. [2]

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(ii) Explainwhyiron(III)chloride,[Fe(H2O)6]Cl3,formsanacidicsolutioninwater. [2]

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(iii) State theequations for the reactionsofsodiumoxide,Na2O,andphosphorus(V)oxide,P4O10,withwater. [2]

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6. (a) An example of a homogeneous reversible reaction is the reaction between hydrogenandiodine.

2 2H (g) I (g) 2HI (g)+ �

(i) Outline the characteristics of a homogeneous chemical system that is in a stateofequilibrium. [2]

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(ii) Deducetheexpressionfortheequilibriumconstant,Kc. [1]

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(iii) Predict what would happen to the position of equilibrium if the pressure isincreasedfrom1atmto2atm. [1]

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(iv) ThevalueofKcat500Kis160andthevalueofKcat700Kis54.Deducewhatthisinformationtellsusabouttheenthalpychangeoftheforwardreaction. [1]

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(v) Atatemperaturejustabove700Kitisfoundthatwhen1.60molofhydrogenand1.00molofiodineareallowedtoreachequilibriumina4.00dm3flask,theamountofhydrogeniodideformedintheequilibriummixtureis1.80mol.Determinethevalueoftheequilibriumconstantatthistemperature. [4]

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(vi) Thereactioncanbecatalysedbyaddingplatinummetal.Stateandexplainwhateffecttheadditionofplatinumwouldhaveonthevalueoftheequilibriumconstant. [2]

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(b) Propene can be hydrogenated in the presence of a nickel catalyst to form propane.Usethedatabelowtoanswerthequestionsthatfollow.

Compound Formula fH Ö∆ / kJ mol–1 S Ö / J K–1 mol–1

hydrogen H2(g) 0 +131

propane C3H8(g) –104 +270

propene C3H6(g) +20.4 +267

(i) Outlinewhythevalueforthestandardenthalpychangeofformationofhydrogeniszero. [1]

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(ii) Calculatethestandardenthalpychangeforthehydrogenationofpropene. [2]

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(iii) Calculatethestandardentropychangeforthehydrogenationofpropene. [2]

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(iv) Determinethevalueof G∆ Öforthehydrogenationofpropeneat298K. [2]

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(v) At298Kthehydrogenationofpropeneisaspontaneousprocess.Determinethetemperature above which propane will spontaneously decompose into propeneandhydrogen. [2]

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(c) (i) Describe a chemical test that could be used to distinguish between propaneandpropene.Ineachcasestatetheresultofthetest. [2]

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(ii) Undercertainconditionspropenecanpolymerizetoformpoly(propene).Statethetypeofpolymerizationtakingplaceanddrawasectionofthepolymertorepresenttherepeatingunit. [2]

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(iii) Other than polymerization, state one reaction of alkenes which is of economicimportance. [1]

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7. (a) The standard electrode potential for a half-cell made from iron metal in a solutionofiron(II)ions,Fe2+(aq),hasthevalue–0.45V.

(i) Definestandard electrode potential. [2]

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(ii) Explainthesignificanceoftheminussignin–0.45V. [1]

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(b) Considerthefollowingtableofstandardelectrodepotentials.

E Ö / V2Fe (aq) 2e Fe(s)+ −+ � –0.452Sn (aq) 2e Sn (s)+ −+ � –0.14

122H (aq) e H (g)+ −+ � 0.00

4 2Sn (aq) 2e Sn (aq)+ − ++ � +0.153 2Fe (aq) e Fe (aq)+ − ++ � +0.77

Ag (aq) e Ag (s)+ −+ � +0.80

122 Br (l) e Br (aq)− −+ � +1.07

Fromthelistabove:

(i) Statethespecieswhichisthestrongestoxidizingagent. [1]

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(ii) DeducewhichspeciescanreduceSn4+(aq)toSn2+(aq)butwillnotreduceSn2+(aq)toSn(s)understandardconditions. [1]

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(iii) DeducewhichspeciescanreduceSn2+(aq)toSn(s)understandardconditions. [1]

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(c) (i) DrawalabelleddiagramofavoltaiccellmadefromanFe(s)/Fe2+(aq)half-cellconnected to anAg(s) /Ag+(aq) half-cell operating under standard conditions.Inyourdiagram identify thepositiveelectrode (cathode), thenegativeelectrode(anode)andthedirectionofelectronflowintheexternalcircuit. [5]

(ii) Deduce the equation for the chemical reaction occurring when the cell inpart (c)(i) is operating under standard conditions and calculate the voltageproducedbythecell. [2]

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(d) An acidified solution of potassium dichromate is often used as an oxidizing agent inorganicchemistry.Duringtheoxidationreactionofethanoltoethanalthedichromateionisreducedtochromium(III)ionsaccordingtothefollowingunbalancedhalf-equation.

2 32 7 2Cr O (aq) H (aq) e Cr (aq) H O(l)− + − ++ + → +

(i) Describethecolourchangethatwillbeobservedinthereaction. [1]

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(ii) DeducetheoxidationnumberofchromiuminCr2O72–. [1]

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(iii) State the balanced half-equation for the reduction of dichromate ions tochromium(III)ions. [1]

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(iv) Deducethehalf-equationfortheoxidationofethanoltoethanalandhencetheoverallredoxequationfortheoxidationofethanoltoethanalbyacidifieddichromateions. [3]

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(v) Explainwhyitisnecessarytocarryoutthereactionunderacidicconditions. [1]

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(vi) Identify theorganicproduct formed if excesspotassiumdichromate isusedandthereactioniscarriedoutunderreflux. [1]

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2632

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Turn over



(e) Sodiummetalcanbeobtainedbytheelectrolysisofmoltensodiumchloride.

(i) Explainwhy it is very difficult to obtain sodium from sodium chloride by anyothermethod. [2]

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(ii) Explain why an aqueous solution of sodium chloride cannot be used to obtainsodiummetalbyelectrolysis. [2]

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8. ThereareseveralstructuralisomerswiththemolecularformulaC5H11Br.

(a) Deduce the name of one of the isomers which can exist as enantiomers and drawthree-dimensionalrepresentationsofitstwoenantiomers. [3]

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(b) Alltheisomersreactwhenwarmedwithadiluteaqueoussolutionofsodiumhydroxideaccordingtotheequationbelow.

5 11 5 11C H Br NaOH C H OH NaBr+ → +

(i) Thereactionwith1-bromopentaneproceedsbyanSN2mechanism.Describethismechanismusingstructuralformulasandcurlyarrowstorepresentthemovementofelectronpairs. [3]


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Turn over



(ii) The reaction with 2-bromo-2-methylbutane proceeds by an SN1 mechanism.Describethismechanismusingstructuralformulasandcurlyarrowstorepresentthemovementofelectronpairs. [3]

(iii) Explainwhy 1-bromopentane reacts by an SN2mechanismwhereas 2-bromo-2-methylbutanereactsbyanSN1mechanism. [3]

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(iv) Explainwhethertheboilingpointof1-bromopentanewillbehigher,lowerorthesameasthatof2-bromo-2-methylbutane. [3]

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(v) TheproductC5H11OHformedfromthereactionwith1-bromopentaneiswarmedwith ethanoic acid in thepresenceof a fewdropsof concentrated sulfuric acid.Statethenameofthetypeofreactiontakingplaceandthestructuralformulaoftheorganicproduct. [2]

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(c) If the conditions of the reaction in (b) are changed so that a hot solution of sodiumhydroxide in ethanol is used then a different reaction occurs. The reaction with2-bromo-2-methylbutane gives two different organic products. State the type ofreactiontakingplaceandsuggesttheidentity(nameorstructure)ofthesetwoproducts.Explainwhetherornottheycanexistasgeometricalisomers. [4]

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(d) Dihalogenoalkanes can also react with warm dilute potassium hydroxide solution toformdiols.Thesediolscanreactwithdicarboxylicacids.

(i) Deduce the equation for the reaction of benzene-1,4-dicarboxylic acidwith thediolformedfrom1,5-dibromopentane. [3]

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(ii) Outlinetheeconomicimportanceofthereactionofdiolswithdicarboxylicacids. [1]

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