chemistry candidate session number higher level paper 2 - … past papers - subject... ·...

31 pages

N13/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ0/XX

Monday 18 November 2013 (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.• A calculator is required for this paper.• A clean copy of the Chemistry Data Booklet is required for this paper.• The maximum mark for this examination paper is [90 marks].

2 hours 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2013

Examination code

8 8 1 3 – 6 1 0 2

Candidate session number

0 0

32EP01

88136102

–2– N13/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ0/XX

32EP02

Section a

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

1. Reactionkineticscanbeinvestigatedusingtheiodineclockreaction.Theequationsfortworeactionsthatoccuraregivenbelow.

ReactionA: 2 2 2 2H O (aq) 2I (aq) 2H (aq) I (aq) 2H O(l)− ++ + → +

ReactionB: 2 22 2 3 4 6I (aq) 2S O (aq) 2I (aq) S O (aq)− − −+ → +

ReactionBismuchfasterthanreactionA,sotheiodine,I2,formedinreactionAimmediatelyreactswiththiosulfateions,S2O3

2–, inreactionB,beforeitcanreactwithstarchtoformthefamiliarblue-black,starch-iodinecomplex.

Inoneexperimentthereactionmixturecontained:

5.0±0.1cm3of2.00moldm–3hydrogenperoxide(H2O2)5.0±0.1cm3of1%aqueousstarch20.0±0.1cm3of1.00moldm–3sulfuricacid(H2SO4)20.0±0.1cm3of0.0100moldm–3sodiumthiosulfate(Na2S2O3)50.0±0.1cm3ofwaterwith0.0200±0.0001gofpotassiumiodide(KI)dissolvedinit.

After45secondsthismixturesuddenlychangedfromcolourlesstoblue-black.

(a) Theconcentrationof iodide ions, I–, isassumed tobeconstant. Outlinewhy this isavalidassumption. [1]

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(b) Forthismixturetheconcentrationofhydrogenperoxide,H2O2,canalsobeassumedtobeconstant.Explainwhythisisavalidassumption. [2]

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(This question continues on the following page)

–3–

turn over


32EP03

(Question 1 continued)

(c) Explainwhythesolutionsuddenlychangescolour. [2]

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(d) (i) Calculatethetotaluncertainty,incm3,ofthevolumeofthereactionmixture. [1]

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(ii) Calculate the percentage uncertainty of the concentration of potassium iodidesolutionaddedtotheoverallreactionmixture.

[1]

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(iii) Determinethepercentageuncertaintyintheconcentrationofpotassiumiodideinthefinalreactionsolution. [1]

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32EP04


(e) The colour change occurs when 1.00×10–4mol of iodine has been formed. Use thetotal volume of the solution and the time taken, to calculate the rate of the reaction,includingappropriateunits. [4]

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(f) TheactivationenergycanbedeterminedusingtheArrheniusequation,whichisgiveninTable1oftheDataBooklet.Theexperimentwascarriedoutatfivedifferenttemperatures.An incomplete graph to determine the activation energy of the reaction, based ontheseresults,isshownbelow.

2.8×10–3 2.9×10–3 3.0×10–3 3.1×10–3 3.2×10–3 3.3×10–3 3.4×10–3 3.5×10–30

–1

–2

–3

–4

–5


–5–

turn over


32EP05


(i) Statethelabelsforeachaxis. [2]

x-axis:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

y-axis:

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(ii) Use the graph to determine the activation energy of the reaction, in kJmol–1,correcttothreesignificantfigures. [3]

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(g) In another experiment, 0.100g of a black powder was also added while all otherconcentrations and volumes remained unchanged. The time taken for the solution tochangecolourwasnow20seconds.Outlinewhyyouthinkthecolourchangeoccurredmorerapidlyandhowyoucouldconfirmyourhypothesis. [2]

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32EP06

2. Considerthetwo-stagereactionpathwaybelow.

ClCH2 CH2Cl HOOC COOHXi ii

(a) DeducethestructuralformulaofcompoundX. [1]

(b) Statethereagentsandconditionsrequiredforstage iiofthepathway. [2]

Reagents:

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Conditions:

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–7–

turn over


32EP07


(c) Thefinalproductcanreactwithethane-1,2-diol,HOCH2–CH2OH,toproduceapolymer.

(i) Statethetypeofpolymerizationinvolved. [1]

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(ii) Drawthestructureofasectionofthepolymerproducedcontainingtwomoleculesofeachmonomer. [1]


32EP08

3. Calciumnitratecontainsbothcovalentandionicbonds.

(a) (i) State the formula of both ions present and the nature of the force betweentheseions. [2]

Ions:

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Natureofforce:

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(ii) Statewhichatomsarecovalentlybonded. [1]

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(b) Bonding in the nitrate ion involves electron delocalization. Explain the meaning ofelectrondelocalizationandhowitaffectstheion. [2]

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–9–

turn over


32EP09


(c) Nitrogenalsoformsoxides,whichareatmosphericpollutants.

(i) Outlinethesourceoftheseoxides. [1]

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(ii) Stateoneproductformedfromtheirreactionwithwater. [1]

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(iii) Stateoneenvironmentalproblemcausedbytheseatmosphericpollutants. [1]

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32EP10

4. EUK-134,thestructureofwhichisshownbelow,isacomplexionofmanganese(III)thatisusedinexpensivesun-protectionproductsbecauseofitspowerfulantioxidantproperties.

N

O

N

H3COOCH3

O

Mn

Cl

(a) StatetheelectronconfigurationofthemanganeseioninEUK-134. [1]

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(b) State thenamegiventospecies thatbondtoacentralmetal ion,andidentifythetypeofbondpresent. [2]

Namegiven:

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Typeofbond:

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(c) Transitionmetals have certain characteristic properties. State two properties that areinvolvedinEUK-134rapidlydecreasingtheconcentrationofoxidizingagents. [2]

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–11–

turn over


32EP11


(d) Substances like EUK-134 are often coloured. Explain why compounds of transitionmetalsabsorbvisibleradiation. [3]

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32EP12

Section b

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

5. InDecember2010,researchersinSwedenannouncedthesynthesisofN,N–dinitronitramide,N(NO2)3.Theyspeculatedthatthiscompound,morecommonlycalledtrinitramide,mayhavesignificantpotentialasanenvironmentallyfriendlyrocketfueloxidant.

(a) Methanolreactswithtrinitramidetoformnitrogen,carbondioxideandwater.Deducethecoefficientsrequiredtobalancetheequationforthisreaction. [1]

2 3 3 2 2 2___ N(NO ) (g) ___CH OH(l) ___ N (g) ___CO (g) ___ H O(l)+ → + +

(b) Suggestonereasonwhytrinitramidemightbemoreenvironmentallyfriendlythanotherrocketfueloxidantssuchasammoniumperchlorate(NH4ClO4). [1]

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–13–

turn over


32EP13


(c) Calculate the enthalpy change, in kJmol–1, when one mole of trinitramidedecomposestoitselements,usingbondenthalpydatafromTable10oftheDataBooklet.AssumethatalltheN–Obondsinthismoleculehaveabondenthalpyof305kJmol–1. [3]

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(d) The entropy change, S∆ , for the decompositionof trinitramidehas been estimated as1 1700JK mol− −+ .Commentonthesignof S∆ . [2]

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32EP14


(e) Using 1 1700JK mol− −+ asthevaluefortheentropychange,alongwithyouranswertopart(c),calculate∆G,inkJmol–1,forthisreactionat300K.(Ifyoudidnotobtainananswerforpart(c),thenusethevalue–1000kJmol–1,butthisisnotthecorrectvalue.) [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(f) Explainhowchangingthetemperaturewillaffectwhetherornotthedecompositionoftrinitramideisspontaneous. [2]

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(g) OutlinehowthelengthoftheN–NbondintrinitramidecompareswiththeN–Nbondinnitrogengas,N2. [2]

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–15–

turn over


32EP15


(h) DeducetheN–N–Nbondangleintrinitramideandexplainyourreasoning. [3]

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(i) Predict,withanexplanation,thepolarityofthetrinitramidemolecule. [2]

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(j) Thenormalboilingpointofaliquidisthetemperatureatwhichitsvapourpressureisequal to standard atmospheric pressure (101.3kPa). On the axes provided, sketch agraphshowinghowthevapourpressureofwatervarieswith temperatureandstate itsboilingpointat101.3kPa. [2]

Vapourpressure/kPa

101.3

Temperature/ C°



32EP16


(k) Outlinewhytheboilingpointofwaterislowerinplaceswellabovesealevel,wheretheatmosphericpressureisconsiderablybelow101.3kPa. [1]

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(l) Describetheequilibriumthatexistsbetweenaliquidanditsvapourandhow,intermsofkinetictheory,thisisaffectedbyanincreaseintemperature. [3]

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–17–

turn over


32EP17

6. Inacidicsolution,ionscontainingtitaniumcanreactaccordingtothehalf-equationbelow.

2 32TiO (aq) 2H (aq) e Ti (aq) H O(l) 0.06VE+ + − ++ + + = −

Ö

(a) Definethetermstandard electrode potential,EÖ . [1]

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(b) (i) State the initial and final oxidation numbers of titanium and hence deducewhetheritisoxidizedorreducedinthischange.

initial oxidation number

Final oxidation number oxidized / reduced

[2]

(ii) Considering the above equilibrium, predict, giving a reason, how adding moreacidwouldaffectthestrengthoftheTiO2+ionasanoxidizingagent. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



32EP18


(c) In the two experiments below, predict whether a reaction would occur and deducean equation for any reaction that takes place. Refer toTable 14of theDataBookletifnecessary. [3]

KI(aq)isaddedtoasolutioncontainingTi3+(aq)ions:

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Zn(s)isaddedtoasolutioncontainingTiO2+(aq)andH+(aq)ions:

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turn over


32EP19


(d) Inthediagrambelow,aandbareinertelectrodesand,intheaqueoussolutions,allionshaveaconcentrationof1moldm–3.

voltmeter

a

V

saltbridge

b

Fe3+andFe2+ TiO2+,H+andTi3+

(i) UsingTable14oftheDataBooklet,statethebalancedhalf-equationforthereactionthatoccursatelectrodeaandwhetheritinvolvesoxidationorreduction. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) CalculatethecellpotentialinV. [1]

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(iii) Onthediagramabovelabelwithanarrow

• thedirectionofelectronflowinthewire• thedirectioninwhichthepositiveionsflowinthesaltbridge. [1]



32EP20


(e) Sodium, silicon and sulfur are elements in period 3 of the periodic table that allformoxides.

(i) Comparethepropertiesofthethreeoxidesbycompletingthetablebelow. [3]

na2o Sio2 So2

bonding type

Standardstate

effect on pHof water

(ii) Sulfur dioxide is a significant contributor to acid deposition. Identify amajor,man-madesourceofthispollutant. [1]

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(iii) Aswellas theoxideabove,sodiumformsaperoxide thatcontains theperoxideion,O2

2–.DrawtheLewis(electrondot)structureoftheperoxideion. [2]


–21–

turn over


32EP21


(f) Althoughcarbonandsiliconbothbelongtogroup4oftheperiodictable,carbondioxideandsilicondioxidearedifferentinmanyways.

(i) Describe the differences in the hybridization of these group 4 elements and theprecisenatureofthebondsthattheyformwiththeoxygenatoms. [3]

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(ii) Xenon,althoughanoblegas, formsanoxide,XeO2, thathasastructure relatedto that of SiO2. Compare the geometry around the silicon atoms in SiO2with the geometry around the xenon atoms in XeO2, using the valence shellelectronpairrepulsion(VSEPR)theory. [3]

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(g) Silicon also forms a tetrachloride, SiCl4. State the equation for the reaction of SiCl4withwater. [1]

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32EP22

7. Antimony,Sb,formsafluoride,SbF5.

(a) State the element that youwould expect to have chemical propertiesmost similar tothoseofantimony. [1]

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The equilibrium that occurs when antimony(V) fluoride is dissolved in liquid hydrogenfluoridecanberepresentedbytheequationbelow.

5 6 2SbF (s) 2HF(l) SbF (sol) H F (sol)− ++ +

(b) (i) Describe the relationship betweenSbF5 andSbF6– in terms of theLewis theory

ofacids. [2]

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(ii) ExplainthebehaviourofHFintermsoftheBrønsted–Lowrytheoryofacids. [2]

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–23–

turn over


32EP23


(c) OutlinehowthefollowingfactorsaccountforthefactthatHClisastrongacidandHFisaweakacid.

(i) Thestrengthofthehydrogen–halogenbond. [1]

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(ii) The interactionbetweenanundissociatedhydrogenhalidemoleculeandawatermolecule. [1]

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(d) Somestudentswereprovidedwitha0.100moldm–3solutionofamonobasicacid,HQ,andgiventheproblemofdeterminingwhetherHQwasaweakacidorastrongacid.

(i) Neelu andCharles decided to solve the problem by determining the volume of0.100moldm–3sodiumhydroxidesolutionneededtoneutralize25.0cm3oftheacid.Outlinewhetherthiswasagoodchoice. [2]

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32EP24


(ii) Identifyoneindicatorthatcouldbeusedwhentitratingaqueoussodiumhydroxidewithbothastrongacidandaweakacid,andoutlinethereasonforyourchoice. [2]

Indicator:

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Reason:

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(iii) Neelu and Charles decided to compare the volume of sodium hydroxidesolution neededwith those required by known 0.100moldm–3 strong andweakacids.Unfortunatelytheychosesulfuricacidasthestrongacid.Outlinewhythiswasanunsuitablechoice. [1]

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(iv) FranciscoandShamisodecidedtomeasurethepHoftheinitialsolution,HQ,andthey found that itspHwas3.7. Deduce,givinga reason, the strength (weakorstrong)oftheacidHQ. [2]

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turn over


32EP25


(e) Thesecondproblemsetforthestudentswastodeterminetheaciddissociationconstant,Ka,oftheacidHQanditspKa.

(i) ExplainhowthepKacouldbedeterminedfromagraphofpHagainstthevolumeof0.100moldm–3sodiumhydroxideadded. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Francisco and Shamiso found that the pH of the initial 0.100moldm–3 solutionwas3.7. However, this readingwas inaccuratebecause they forgot towash thepHprobe.CalculatethepKaofHQusingthereadingtheyobtained. [4]

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32EP26


(f) Manu and Lisa decided to convert the acid into a buffer solution by partlyneutralizing it. They mixed 10.0cm3 of 0.100moldm–3 sodium hydroxidesolution with 40.0cm3 of the 0.100moldm–3 solution of HQ. Determine thepH of the resulting solution, showing your working, given that the Ka of HQ is1.80×10–5moldm–3. [5]

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turn over


32EP27

8. 2-methylbutan-2-ol, (CH3)2C(OH)CH2CH3, is a liquid with a smell of camphor that wasformerlyusedasasedative.Onewayofproducingitstartswith2-methylbut-2-ene.

(a) Statetheothersubstancesrequiredtoconvert2-methylbut-2-eneto2-methylbutan-2-ol. [2]

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(b) Explain whether you would expect 2-methylbutan-2-ol to react with acidifiedpotassiumdichromate(VI). [2]

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(c) As well as 2-methylbutan-2-ol, the reaction also produces a small quantity of anopticallyactiveisomer,X.

(i) Statewhatismeantbyoptical activity. [1]

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(ii) Statewhatopticalactivityindicatesaboutthestructureofthemolecule. [1]

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32EP28


(iii) Opticalactivitycanbedetectedusingapolarimeter.Explainhowthisworks. [3]

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(iv) DeducethestructuralformulaofX. [1]

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(d) Explainwhy2-methylbut-2-eneislesssolubleinwaterthan2-methylbutan-2-ol. [2]

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–29–

turn over


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(e) 2-methylbutan-2-olcanalsobeproducedbythehydrolysisof2-chloro-2-methylbutane,(CH3)2CClC2H5,withaqueoussodiumhydroxide.

(i) Explain the mechanism of this reaction using curly arrows to represent themovementofelectronpairs. [4]

(ii) Statetherateexpressionforthisreactionandtheunitsoftherateconstant. [2]

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– 30 – N13/4/CHEMI/HP2/ENG/TZ0/XX

32EP30


(iii) Suggest why, for some other halogenoalkanes, this hydrolysis is much more effective in alkaline rather than in neutral conditions. [1]

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(f) 2-chloro-2-methylbutane contains some molecules with a molar mass of approximately 106 g mol–1 and some with a molar mass of approximately 108 g mol–1.

(i) Outline why there are molecules with different molar masses. [1]

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(ii) Suggest, with a reason, whether the molecules with different molar masses will undergo hydrolysis at different rates. [1]

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(g) 2-chloro-2-methylbutanecanalsobeconvertedintocompoundZbyatwo-stagereactionviacompoundY:

ClC

H2C CH3

CH3

H2CC

CH2CH3

CH3

CH3 CH3

NH2Y

2-chloro-2-methylbutane Z

(i) DrawthestructureofY. [1]

(ii) State the reagent and any catalyst required for both the formationofY and theconversionofYintoZ. [3]

FormationofY:

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ConversionofYintoZ:

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