chemistry candidate session number standard level paper 3€¦ · hence deduce which electrode is...

30 pages

M12/4/CHEMI/SP3/ENG/TZ1/XX

Wednesday 9 May 2012 (morning)

CHEMISTRY

STANDARD LEVEL

PAPER 3

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.

• Do not open this examination paper until instructed to do so.

• Answer all of the questions from two of the Options.

• 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 [40 marks].

1 hour

© International Baccalaureate Organization 2012

Examination code

2 2 1 2 – 6 1 1 2

Candidate session number

0 0

22126112

0132

–2– M12/4/CHEMI/SP3/ENG/TZ1/XX

Option A — Modern analytical chemistry

A1. Analytical techniquesareveryuseful indeterminingmolecularstructures. Acompound,X,hastheempiricalformulaC2H4O.

(a) Identify the analytical technique that would most readily provide the additional datarequiredtocalculatethemolecularformulaofX. [1]

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

(b) ThemolecularformulaofXisC4H8O2.TheinformationintheIRspectrumbelowcanbe

usedtohelpdeterminethestructureofX.

%Transmittance

100

50

0

4000 3000 2000 1500 1000 500

Wavenumber/cm–1

(i) StatewhatinformationaboutamoleculecanbeobtainedfromitsIRspectrum. [1]

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

(This question continues on the following page)

B

A

0232

–3–

Turn over


(Question A1 continued)

(ii) DeducetheinformationobtainedfromabsorptionsAandB. [2]

A: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(iii) Commentontheabsenceofanymajorabsorptionintheregion1700–1750cm–1. [1]

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

(c) The1HNMRspectrumofXshowsthreepeakswithrelativeareasof2:1:1.

(i) Deducewhatinformationcanbeobtainedfromthesedata. [2]

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

(ii) DeducethestructureofX. [2]

0332


A2. Atomicabsorptionspectroscopyisfrequentlyusedtodeterminetheconcentrationofmetalionsinaqueoussolution.

(a) Atomicabsorptionspectroscopywasusedtodeterminetheconcentrationofmagnesiumincastiron.Solutionsofknownconcentrationwereusedforcalibration.

Concentration of Mg2+ / μg cm–3 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00

Absorbance 0.085 0.169 0.242 0.316 0.393

Constructacalibrationgraphusingtheaxesbelow. [2]

Absorbance

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0

0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0ConcentrationofMg2+/μgcm–3

(b) Whena0.200gsampleofcastironwasdissolvedinacidtoproduce100cm3ofsolution,theabsorbanceoftheresultingsolutionwas0.131.Calculatethepercentagebymassofmagnesiuminthesample. [3]

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0432

–5–

Turn over


(Question A2 continued)

(c) Thesamesampleisalsoanalysedforcalcium.Identifythechangetotheinstrumentthatisrequired. [1]

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A3. Chromatographyisatechniquefrequentlyusedtoseparatemixturesofsubstances.

(a) Describehowyouwouldshow thata sugar solutionwasamixtureof twosubstancesusingthetechniqueofthin-layerchromatography(TLC). [3]

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(b) Givensolutionsofglucoseandfructose,explainhowyouwouldshowthatthesewerethetwosugarspresentinthemixture. [2]

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0532


Option B — Human biochemistry

B1. Apotatochip(crisp)wasignitedandtheflamewasusedtoheatatesttubecontainingwater.

Massofpotatochip/g 0.421Massofwater/g 20.0Initialtemperatureofwater/ C° 17.8

Finaltemperatureofwater/ C° 51.3 (a) (i) Calculatetheheatrequired,inkJ,toraisethetemperatureofthewater,usingdata

inthetableaboveandfromTable2oftheDataBooklet. [2]

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(ii) Determinetheenthalpyofcombustionofthepotatochip,inkJg–1. [1]

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0632

–7–

Turn over


(Question B1 continued)

(b) Thisenergycomesmainlyfromthecombustionoftriglycerides.Statethenameofoneothertypeoflipidfoundinthebodyandonerole,otherthanenergystorage,ofthistypeoflipid. [2]

Name:

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

Role:

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(c) Explainwhylipidshaveahigherenergycontentthancarbohydrates. [1]

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0732


B2. Thestraightchainformofglucoseisrepresentedbelow.

H C

O

CH

OH

CH

OH

CH

OH

CH

OH

CH2 OH

(a) Glucose is mainly present in one of two cyclic forms: α-glucose and b-glucose.Distinguishbetweenthetwocyclicformsbycompletingthediagramsbelow. [2]

α-glucose b-glucose

CH2OH

O

H OH

H

OH H

CH2OH

O

H OH

H

OH H

(b) Fructoseisanisomerofglucose,buttheydifferwithregardtoonefunctionalgroupandhenceintheirredoxproperties.

(i) Identifythefunctionalgrouppresentinglucose,butnotfructose. [1]

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(ii) Identifythefunctionalgrouppresentinfructose,butnotglucose. [1]

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.......

.......

.......

.......

.......

.......

.......

.......

0832

–9–

Turn over


(Question B2 continued)

(iii) Identifythesugarthatactsasareducingagent. [1]

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

(c) Outlinehowthestructureofcelluloseisrelatedtothatofglucose. [2]

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(d) Cellulosecannotbedigestedbyhumans.

(i) Explainwhythisisthecase. [1]

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(ii) Thispropertymakescelluloseamajorpartofanessentialdietarycomponent.Statethenameofthiscomponentandoneconditionthatcanresultfromitsdeficiency. [2]

Name:

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

Condition:

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

0932


B3. Macronutrientsandmicronutrientsareessentialcomponentsofabalanceddiet.

(a) Statethedifferencebetweenmacronutrientsandmicronutrients. [1]

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(b) Stateoneconsequenceofadeficiencyofthiamin(vitaminB1). [1]

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(c) Suggesttwowaysinwhichvitamindeficienciescanbeavoided. [2]

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1032

–11–

Turn over


Option C — Chemistry in industry and technology

C1. Aluminiumandironarebothwidelyusedinmodernsociety.

(a) Statetwomajorusesofaluminium. [1]

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(b) Iron ismuch cheaper and stronger than aluminium, but in spite of this, aluminium ispreferredtoiron-basedalloysforuseswhereitisexposedtotheatmosphere.Statethemajordisadvantageofusingironcomparedtoaluminium. [1]

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(c) Almostallironisusedintheformofanalloy.Statethenameofthemostcommontypeofironalloyandtheotherelementthatisanessentialcomponentofthesealloys. [1]

Name:

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

Otherelement:

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1132


(Question C1 continued)

(d) AnearlyalloyofaluminiumwasDuraluminwhichcontainedsmallquantitiesofcopperandmagnesium.Thisisstrongerandmorerigidthanpurealuminium.Explainonanatomiclevelwhytheadditionofotherelementshasthiseffect. [2]

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1232

–13–

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C2. Fuel cells and rechargeable batteries are both convenient ways of providing portableelectricpower.

(a) Comparefuelcellsandrechargeablebatteriesgivingonesimilarityandonedifference. [2]

Similarity:

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

Difference:

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(b) Onecommontypeofrechargeablecellisthenickel–cadmium(NiCad)battery.Foreachterminalofthisbatterystatetheinitialandfinaloxidationnumberoftheelementwhenthecellisdeliveringacurrent.Hencededucewhichelectrodeisactingastheanodeandwhichthecathode.

Positive terminal

(when delivering a current)

Negative terminal

(when delivering a current)

Initial oxidation number

Final oxidation number

Anode / cathode

[3]

(c) A common type of fuel cell uses hydrogen and oxygen with an acidic electrolyte.Statethehalf-equationsforthereactionsatthetwoelectrodes. [2]

Positiveelectrode:

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

Negativeelectrode:

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1332


(Question C2 continued)

(d) Theelectrodesof fuelcellsandrechargeablebatterieshaveafeature incommonwithheterogeneouscatalysts.Identifythisfeatureandstatewhyitisimportantforthemtoworkefficiently. [2]

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1432

–15–

Turn over


C3. Petroleum(mineraloil)canbeusedeitherasafuelorachemicalfeedstock.

(a) Nametwofuelsthatareobtainedfrompetroleum. [1]

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(b) Describeoneenvironmentalproblemthatcanresultfromthecombustionofthesefuelsintheinternalcombustionengineandidentifythespecificcombustionproductresponsible. [2]

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(c) Plastic litter is an environmental problem that results from the use of petroleum as achemicalfeedstock.Identifythepropertyofplasticsthatisresponsibleforthis. [1]

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(d) Oneproductthatismadefromcrudeoil is thechemicalfeedstockthatcanbeusedtosynthesizecommercial liquid-crystaldisplays. Discuss theproperties thatasubstancemusthavetomakeitsuitableforuseasaliquid-crystaldisplay. [2]

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1532


Option D — Medicines and drugs

D1. Drugsaremostcommonlytakenorally.

(a) Stateoneadvantageandonedisadvantageofthis. [2]

Advantage:

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

Disadvantage:

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(b) Listthreemethods,otherthanorally,thatcanbeusedfortheadministrationofadrug. [2]

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1632

–17–

Turn over


D2. Ethanolisadepressantthatcanbeconsumedintheformofalcoholicdrinks.Thedangeristhatthereislittlecontrolovertheamountused.

(a) Discuss the long-term consequences of ethanol abuse, both for the individual andforsociety. [3]

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(b) AnumberofotherdepressantsthatarefrequentlyprescribedforstressreliefareshowninTable20oftheDataBooklet.Statethenamesoftwodrugsofthistypethathaveverysimilarstructures. [1]

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(c) Thereisathirdtypeofdepressant,alsoshowninTable20oftheDataBooklet,whichismuchmorewater-soluble than the twodepressants in (b). Explain, in termsof itsstructure,whythisis. [2]

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

1732


D3. Manydiseasesaretheresultofinfectionofthebodybyeitherbacteriaorviruses.

(a) (i) Statethenameofonediseasecausedbyeach. [2]

Bacteria:

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Viruses:

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(ii) Discussthedifferencesbetweenbacteriaandviruses. [3]

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(b) PenicillinGwasoneofthefirstantibioticstobediscovered.StatethemaincontributionofChainandFloreytoitsdevelopment. [1]

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1832

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Turn over


(Question D3 continued)

(c) Describetwomisusesofantibioticsthathaveledtosomebacteriabecomingresistant. [2]

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(d) Itismuchmoredifficulttoproduceeffectiveantiviraldrugsthandrugsthatkillbacteria.Describetwowaysinwhichantiviraldrugswork. [2]

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1932


Option E — Environmental chemistry

E1. ThetemperatureoftheEarth’ssurfaceiscurrentlyincreasing.Manyscientistsattributethistoanincreaseinthelevelsofgreenhousegasesintheatmosphereasaresultofhumanactivity.

(a) ExplainhowtheinteractionofgreenhousegasesintheatmospherewithradiationcouldleadtoanincreaseinthetemperatureoftheEarth’ssurface. [3]

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(b) Suggestwhycarbondioxideisthegreenhousegasmostfrequentlyconnectedwiththeeffectofhumanactivity. [1]

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(c) Otherthancarbondioxideandwater,identifyoneothergreenhousegasandstateitssource. [2]

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2032

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Turn over


E2. Onemajorenvironmentalproblemthataffectsmanycountriesisacidrain.

(a) Explain, writing an appropriate equation, why, even in an unpolluted environment,rainwaterisstillslightlyacidic. [2]

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(b) Nitrogenmonoxidepollutionisamajorcontributorofacidrain.

(i) Outlinethemajorsourceofthisgas,includinganequation. [2]

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(ii) Describe,includinganequation,achemicalmethodusedtocontroltheemissionofthispollutant. [2]

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(iii) Identifyacompound,towhichnitrogenmonoxideiseventuallyconverted,thatisresponsibleforacidityinlakesandrivers. [1]

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

2132


E3. Manycurrentenvironmentalproblemsresultfromtheintensiveproductionofcerealcrops.

(a) Intensivemethodsdepletesoilorganicmatter(SOM).StatetwoimportantcomponentsofSOManddescribeonefunctionofthismaterial. [3]

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

(b) Explainwhatnaturalnutrientcyclesare,whyintensivecropproductioninterfereswiththeseandhowfarmerscompensateforthis. [3]

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(c) Statethenameofaclassofcompounds,otherthanthatreferredtoin(b),thatisfrequentlyusedinintensiveagriculture. [1]

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Turn over


Option F — Food chemistry

F1. Mostfoodsarecomplexmixturesandmanycomponentsofthemarenutrients.

(a) Stateanexampleofa food that isnotanutrientandusethis toexplainthedifferencebetweenthesetwoterms. [3]

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2332


(Question F1 continued)

(b) IdentifythetypesofnutrientsA,BandC. [3]

A

H2N CH C NH CH C NH CH C

R R R

OH

O O O

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

B

H C

O

CH

OH

CH

OH

CH

OH

CH

OH

CH2 OH

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

C

H2C

HC

O

H2C

O

O C

OC

R

OC R

O

R

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

(c) Statethenamesoftwotypesofnutrientotherthanthoseshowninpart(b). [2]

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

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F2. Ranciditylimitstheshelflifeoffoodscontainingoilsandfats.

(a) Rancidity can occur as a result of two separate processes. State these processes andexplainthedifferencebetweenthem. [3]

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(b) Substances such as THBP (2,4,5-trihydroxybutyrophenone) and TBHQ(tert-butylhydroquinone)areoftenaddedtoslowdownrancidity.

(i) Statethenamegiventoadditivesofthisnature. [1]

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(ii) Statethenameofonenaturallyoccurringsubstancewhichhasasimilareffectinslowingdownrancidity.Identifyafoodthatisrichinthisandstateanadditionalhealthbenefitthoughttoarisefromitsregularconsumption. [3]

Compound:

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Food:

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Benefit:

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F3. Textureisanimportantfeatureoffood.Variousdispersedsystemshavedistinctivetextures.

(a) Describewhatismeantbythetermdispersed system. [1]

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(b) Identifythephasesofthetwocomponentsofanemulsion. [1]

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(c) Emulsifierssuchaslecithinarefrequentlyusedtopreventtheseparationofemulsions.Onecomponentoflecithinhasthestructureshownbelow.

CH3—(CH2)16—C—O—CH2

CH3—(CH2)16—C—O—CH —O—P—O—CH2—CH2—N—CH3

O

O

O–

CH3

CH3

+

—

— —— —

— —

—

O

— —

—CH2

Explainhowemulsifiers,suchasthis,stabilizeemulsions. [3]

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Option G — Further organic chemistry

G1. ThestructureofbenzeneoriginallydescribedbyAugustKekuléisshownbelow.

C

CC

C

CC

H

H

H

H

H

H

Explain,givingtwodifferentpiecesofevidence,whythisisnotavalidstructureforthebondinginbenzene. [2]

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

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G2. Considerthetwo-stagereactionpathwaysbelow.

3 2 3 2CH CH I CH CH COOH→ →I II

Y

3 3 3CH CHO CH CH(OH)CN CH CH(OH)COOH→ →III IV

(a) Otherthanalteringthefunctionalgroups,identifythefundamentalstructuralchangethatthesetwopathwaysachieve. [1]

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(b) GiventhatYdoesnotcontainnitrogen,deduceitsstructuralformula. [1]

(c) Statethereagent(s)requiredforreactionIandforreactionII. [3]

ReactionI:

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ReactionII:

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(Question G2 continued)

(d) ExplainthemechanismofreactionIII,usingcurlyarrowstorepresentthemovementofelectronpairs. [4]

(e) Statewhatwouldbeobservedif2,4-dinitrophenylhydrazinewasreactedwiththestartingmaterialforreactionIII. [1]

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

(f) The products of both reaction pathways are carboxylic acids. Suggest which is thestrongeracidandexplainyouranswer. [3]

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G3. Thebasestrengthofaminesdependsontheirstructure.

(a) Draw the structure of a primary amine, a secondary amine and a tertiary amine ofmolecularformulaC3H9N. [3]

Primary Secondary Tertiary

(b) Explainwhythesecondaryamineisastrongerbasethantheprimaryamine. [2]

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chemistry candidate session number standard level paper 3€¦ · hence deduce which electrode is...

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