(International Junior Science Olympiad (IJSO) 2025) - Frage Mittel von Chemie

In einem Labor führt ein Chemiestudent Experimente mit wässrigen Lösungen durch und möchte das Gleichgewicht der Ausfällung eines schwer löslichen Salzes, des Bariumsulfats (BaSO4), untersuchen. Der Student erhält die Information, dass das Kps (Löslichkeitsprodukt) von BaSO4 bei 25 °C 1,1 x 10⁻¹⁰ beträgt. Zu diesem Zweck beschließt er, eine Lösung von Bariumnitrat (Ba(NO₃)₂) mit einer Lösung von Natriumsulfat (Na₂SO₄) zu mischen. Da sein ursprüngliches Ziel darin besteht, eine Menge von 30g BaSO4 zu erzeugen, ist der Student unsicher, wie er vorgehen soll, um dieses Ziel zu erreichen. (a) Helfen Sie dem Studenten, die Konzentration in mol/L von Ba²⁺ und SO₄²⁻ zu berechnen, die erforderlich sind, um im Gleichgewicht 30g BaSO4 zu erreichen, wobei das angegebene Kps berücksichtigt wird. (b) Unabhängig von den im Punkt (a) angestellten Überlegungen macht sich der Student Sorgen über den Effekt des gemeinsamen Ions, nachdem er festgestellt hat, dass es einen Überschuss an Na₂SO₄ in seinem Lösungsglas gibt. Helfen Sie ihm, die maximale Konzentration von SO₄²⁻ in der Lösung zu bestimmen, die die Bildung von BaSO4 noch ermöglicht, wiederum unter Berücksichtigung des angegebenen Kps. (c) Diskutieren Sie basierend auf den erhaltenen Ergebnissen, welche die beste Strategie zur Mischung der Lösungen ist, um die benötigte Menge zu schätzen, um 30g BaSO4 zu erhalten.

In einem Forschungslabor wird eine Probe von 1,0 g Kohlenstoff-14, das eine Halbwertszeit von 5730 Jahren hat, verwendet, um das Alter eines Fossils zu bestimmen. Es ist bekannt, dass die Aktivität des Kohlenstoff-14 15,3 Zerfälle pro Minute für jedes Gramm reinem Kohlenstoff beträgt. Da der Kohlenstoff des Fossils in Form von CO2 vorliegt, das während der Fossilbildung zu Calciumcarbonat umgewandelt wird, und da Calciumcarbonat unlöslich ist und keinen chemischen Austausch unterliegt, bestimmen Sie die Anzahl der Kohlenstoff-14-Kerne, die pro Sekunde in einer Probe von Calciumcarbonat mit 0,25 g Kohlenstoff zerfallen. Vernachlässigen Sie einen möglichen Verlust von Kohlenstoff-14 während der Fossilbildung und nehmen Sie an, dass das System im Gleichgewicht ist.

Ein Chemiestudent analysiert die Eigenschaften einiger Substanzen und beobachtet Folgendes: Substanz A ist ein Feststoff, der Elektrizität leitet, wenn er in Lösung ist, jedoch nicht im festen Zustand. Substanz B hingegen ist eine farblose Flüssigkeit, die leicht verdampft und mit Alkoholen reagiert, um Ether zu bilden. Schließlich ist Substanz C ein weißer Feststoff, der in Wasser löslich ist und dabei eine beträchtliche Wärme abgibt, wodurch eine Lösung entsteht, die zur Kühlung von Lebensmitteln verwendet werden kann. Basierend auf diesen Beobachtungen klassifizieren Sie die Eigenschaften, die jede Substanz aufweist, in physikalische, chemische und organoleptische, und begründen Sie die Klassifizierung jeder von ihnen. Erklären Sie außerdem, warum Substanz A Elektrizität in wässriger Lösung leitet, aber nicht im festen Zustand, und setzen Sie dieses Verhalten mit den Strukturen der Teilchen in jedem physikalischen Zustand von Substanz A in Beziehung.