EKSAMENSOPPGAVE. - Ett A4 ark med selvskrevne notater (begge sider) - Kalkulator. - Molekylbyggesett. Rute

Transkript

1 Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: KJE-6004 Fysikalsk og uorganisk kjemi for lærere Dato: Fredag Klokkeslett: 09:00 til 13:00 Sted: TEO-1. Plan 3 Tillatte hjelpemidler: - Ett A4 ark med selvskrevne notater (begge sider) - Kalkulator - Molekylbyggesett Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Kontaktperson under eksamen: Telefon/mobil: Rute 8 Kathrin. opmann (Oppgave 1,2,3), Tlf: / Tor Olav Berg (Oppgave 4,5,6), Tlf: Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA ca. kl 9:45 (Kathrin. opmann) og ca. kl 10:45 (Tor Olav Berg) Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no

2 OPPGAVE 1 (16%) Det periodiske system er lagt ved som hjelpemiddel (se side 8). 1a. (6p) Forklar følgende begreper: I) kovalent binding II) metallisk binding III) ionebinding 1b. (6p) Angi hvilken type binding (kovalent, metallisk eller ionebinding) du forventer for følgende 3 stoffer. Begrunn svaret. I) CO II) F III) NaCl 1c. (2p) Forklar hva ioniseringsenergi betyr. 1d. (2p) vem har lavest første ioniseringsenergi i grunntilstanden, et nøytralt neonatom (Ne) eller et nøytralt oksygenatom (O)? Begrunn svaret. OPPGAVE 2 (14%) 2a. (3p) Elektronkonfigurasjonen for et nøytralt C atom i grunntilstanden er 1s 2 2s 2 2p 2. vor mange valenselektroner har et C atom? 2b. (6p) Din kollega har karakterisert et molekyl som hun tror består av to nøytrale karbonatomer som har gått sammen til å danne et nøytralt C2 molekyl. un ber deg om å bruke molekylorbitalteori for å vurdere om det er sannsynlig at et slikt molekyl eksisterer. Bruk informasjon gitt i oppgave 2a og MO diagrammet i Figur 2.1 for å finne bindingsorden ( bond order på engelsk) for C2 og vurder om C2 kan forventes å danne en stabil binding. Tegn MO diagrammet med alle elektroner i din besvarelse. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 2

3 Figur 2.1 Molekylorbital (MO) diagram for C2 2c. (5p) I Figur 2.1 er molekylorbitalene MO2 og MO8 begge oppgitt til å være σ* orbitaler. I) Forklar hva σ og * står for. II) Bruk informasjonen gitt i Figur 2.1 til å tegne molekylorbitalene MO2 og MO8 og de atomorbitaler du forventer de er generert fra. OPPGAVE 3 (20%) 3a. (8p) Et nøytralt N atom har 5 valenselektroner og et nøytralt O atom har 6 valenselektroner. Bruk denne informasjon til å tegne Lewis-strukturen, inklusive relevante resonansstrukturer, for følgende to molekyler: I) NO2 + II) NO2 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 3

4 3b. (4p) NO2 + er et lineært molekyl, mens NO2 er bøyd (Figur 3.1). Begrunn hvorfor NO2 foretrekker å ha en bøyd geometri. (a) Figur 3.1 Geometrier av (a) NO2 + og (b) NO2. Bindingslengder er i Ångstrøm og vinkler i grader ( ). 3c. (8p) Geometrien til NO2 sees i Figur 3.1(b). Oppgi minimum 3 symmetrielementer (utover identitetselementet E) for NO2. Du kan tegne elementene eller beskrive dem med ord. (b) Oppgave 4 (20%) Glukose (C612O6) er en av de viktigste energikildene for levende organismer og hos mennesker brukes det blant annet til å genere energi gjennom celleånding. Den generelle likningen for celleånding kan uttrykkes som følgende: C 6 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) O(l) + varme LIKNING 4.1 jernen får nesten alt av energi fra glukose og er dermed viktig for kognitive funksjoner. Lave nivåer av glukose kan føre til en redusering av psykologiske prosesser som konsentrasjon, selvkontroll og beslutningstaking. jernen forbruker ca. 5,6 mg glukose pr 100 g hjernevev pr minutt, dermed vil en eksamenskandidat med en gjennomsnittlig hjernemasse på 1300 g forbruke ca. 21,84 gram glukose i løpet av en 5 timers eksamen. 4a. (7p) Bruk Likning 4.1 for å beregne hvor mange gram oksygen (O2) som forbrukes i omdannelsen av 21,84 g glukose. Anta ideell gass og bruk den ideelle gassloven (Likning 4.2) for å beregne hvor stort volum oksygen (O2) dette tilsvarer. Anta trykk på 1 atm og 20 C (R = 0,08206 atm L K -1 mol -1 ). PV = nrt LIKNING 4.2 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 4

5 4b. (7p) På laboratoriet ble det utført et bombekalorimetrieksperiment der Δ for forbrenningen av glukose ble bestemt til 2808 kj/mol, gjennom blant annet å måle temperaturendringen. Beregn den totale entalpien, i joule, som frigjøres når 21,84 g glukose forbrennes. Bruk verdien til å bestemme temperaturendringen til en 1300 g hjerne, når det forbrennes 21,84 g glukose. Bruk Likning 4.3 og den spesifikke varmekapasiteten til hjernen, Chjerne = 3630 J/kg* C. Vi antar konstant trykk. = C P T LIKNING 4.3 4c. (6p) Forbrenningen av glukose for energi krever oksygen som blir pustet inn gjennom lungene og transportert rundt i kroppen. For en voksen kvinne er den totale lungekapasiteten ca. 4,2 L. Ved hvile så brukes ikke den totale kapasiteten til lungene og ca. 0,5 L luft pustes inn og ut. 1 L luft består av ca. 0,0498 mol molekyler. Vi tenker oss at innpusten ved hvile (0,5 L) skjer i varmere omgivelser på ca. 37 C og at trykket i lungene går fra 1,44 atm til 1,27 atm. Beregn arbeidet som utføres. Likning kan finnes i Tabell 4.1. TABELL 4.1: TERMODYNAMISKE STØRRELSER I ULIKE REVERSIBLE PROSESSER FOR IDEELLE GASSER w q ΔU Δ Konstant V 0 ncv(t2-t1) ncv(t2-t1) ncp(t2-t1) Konstant P nr(t2-t1) ncp(t2-t1) ncv(t2-t1) ncp(t2-t1) Konstant T -nrtln(v2/v1) nrtln(v2/v1) 0 0 Adiabatisk ncv(t2-t1) 0 ncv(t2-t1) ncp(t2-t1) C V = 3 2 R C P = C V + R (R = 8,314 J K -1 mol -1 ) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 5

6 Oppgave 5 (15%) Når glukose forbrennes så dannes det CO2, se Likning 4.1. os dyr omdannes CO2 i kroppen til bikarbonat (2CO3) som kan brukes til å opprettholde syrebasebalansen i kroppen og gjør det lettere å transportere karbondioksid ut av vevet. Reaksjonslikningen for dette kan skrives som: CO 2 (g) + 2 O(l) 2 CO 3 (aq) Likning 5.1 Reaksjonen er en førsteordens reaksjon med en hastighetskonstant 0,03 s -1. Regulering av CO2 er viktig, og store endringer i konsentrasjon kan påvirke organismen på flere måter. Til enhver tid er det ca. 1,2 mm med CO2 i blodomløpet. 5a. (8p) vis 21,84 gram glukose forbrennes ifølge Likning 4.1, hvor lang tid tar det før 1,2 mm av produsert CO2 er igjen hvis det omdannes til bikarbonat? Skriv opp hastighetsloven for reaksjonen vist i Likning 5.1 og bruk passende likning fra Tabell 5.1. Anta at all gassen løses i 750 ml vann etter at det er produsert. TABELL 5.1 Integrert hastighetslov 0. ordens [A] = [A] 0 kt 1. ordens ln[a] = ln[a] 0 kt 2. ordens [A] 0 [A] = 1 + kt[a] 0 5b. (7p) Kinetikken til enzymer kan beskrives ved hjelp av Lineweaver-Burk ligningen, gitt nedenfor i Likning 5.2. Tegn et generelt Lineweaver-Burk plott og angi hvordan Vmax og KM kan finnes ut fra plottet. Forklar hva anti-konkurrerende, konkurrerende og blandet inhibering er med utgangspunkt i binding til enzymet. 1 v = 1 + K m 1 V max V max [S] 0 Likning 5.2 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 6

7 Oppgave 6 (15%) Glukose kan finnes på to former, α og β, som vist i Likning 6.1. Forskjellen er posisjonen til hydroksylgruppen i karbon 1 posisjonen (til høyre i strukturen). Glukose kan gå mellom disse to formene ved å utføre en ringåpning og en rotasjon som gir den andre formen, denne prosessen kalles mutarotasjon. Mange enzymer er svært spesifikke i hvilket substrat de bruker og kan i noen tilfeller eksklusivt bruke den ene formen. Når glukose løses i vann vil det skje en mutarotasjon fra den ene til den andre formen til de er i likevekt. C 2 O C 2 O O O O O O O O O O O -Glukose -Glukose Likning 6.1 6a. (8p) Ved likevekt så har man at ΔG = 1,339 kj/mol for Likning 6.1. Bestem likevektskonstanten til glukose mutarotasjonen ved å bruke Likning 6.2. Anta at reaksjonen skjer ved 20 C. (R = 8,314 J K -1 mol -1 ) G = G + RTlnK Likning 6.2 6b. (7p) Når man endrer temperaturen for mutarotasjonen så endres likevektskonstanten. Når temperaturen går fra 20 C til 37 C så dobles likevektskonstanten. Bruk van`t offs ligning (Likning 6.3) og bestem Δr for reaksjonen. (R = 8,314 J K -1 mol -1 ) ln K 2 ln K 1 = r R ( 1 1 ) T 2 T 1 Likning 6.3 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 7

8 Vedlegg 1: Det periodiske system UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 8