Universitetet i Oslo Det matematisk -naturvitenskapelige fakultet

Transkript

1 Universitetet i Oslo Det matematisk -naturvitenskapelige fakultet Løsningsforslag Eksamen i KJM1101 Generell kjemi Fredag 8. desember 2017 kl (4 timer) Alle 17 oppgaver skal besvares. Hver oppgave tillegges ulik vekt. Poengsum er oppgitt for hver oppgave. Maksimal poengsum for hele oppgavesettet er 100 poeng. Tillatte hjelpemidler: Kalkulator Periodesystem ligger som informasjonsdokument i slutten av oppgavesettet. Konstanter du kan få bruk for: R = 8, kj/(k.mol) = 0,0821 L atm/(k mol), F = J/(V mol) Nernst ligning er: E = E - (RT/nF) ln Q = E - (0,0257 V/n) ln Q To regneregler for logaritmer: log (1/a) = log a, log a n = n log a Oppgave 1 (7 poeng) Hver 1,75 poeng a) Hvilket grunnstoff har elektronkonfigurasjonen 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6? Angi kjemisk symbol her: Ar b) Hvilket ion har den største ioneradien? Mg 2+ Br Be 2+ Na + F - c) Hvilket av disse grunnstoffene har lavest elektronegativitet? Cl Si Sn K O d) I hvilken av forbindelsene er sentralatomet sp 3 d hybdridisert? NH 3 PCl 5 SF 6 CCl 4 NO 2

2 Oppgave 2 (3 poeng) Velg riktig Lewisstruktur for CF 4, PH 3 og H 2 S fra figuren over. Hver 1 poeng Stoff CF 4 PH 3 H 2 S Oppgave 3 (3 poeng) Forklar elektronkonfigurasjonen til molekylet C 2 ved henvisning til én eller flere av figurene A - H vist over (orbitalenes navn er gitt inne i boksen, merk at orbitalene σ1s og σ1s* ikke er vist). Hva er bindingsorden i C 2? Er dette molekylet paramagnetisk?

3 Hvert C-atom har fire valenselektroner, C 2 har dermed 8 (fire kjerneelektroner går inn i σ1s og σ1s*). Vi fyller disse i molekylorbitalene fra laveste energi ( 2s) og oppover og ender på figur A. 1 poeng Vi har her: - 6 elektroner i bindende orbitaler ( 2s og 2p) - 2 elektroner i antibindende orbital ( 2s*) Bindingsorden = ½(6 2) = 2 (alternativt ½(4 0) = 2 eller ½(8 4) = 2) 1 poeng Det er ingen uparrede elektroner, følgelig er C 2 diamagnetisk (ikke paramagnetisk). 1 poeng Oppgave 4 (4 poeng) Figuren viser en mulig resonansform for ozonmolekylet, O 3. Velg riktig alternativ for de ulike påstandene under. Hver 1 poeng A) Hvor mange flere (i tillegg til den som er vist) resonansformer er det rimelig å tegne for ozon? Denne (som ikke var vist i oppgavesettet) 1 Ingen 2 En 3 To B) Hva er formell ladning på de tre oksygenatomene fra venstre mot høyre på figuren over? C) Hvilken geometri har ozon? 1 Vinklet 2 Lineær 3 Plan trigonal D) Hva slags dipolmoment har ozon? 1 Ikke noe (upolart) 2 Svak dipol 3 Sterk dipol Oppgave 5 (7 poeng) Når en luftpute (airbag) utløses i forbindelse med at en bil kolliderer, skjer det tre ulike kjemiske reaksjoner: Trinn 1: 2 NaN 3 (s) 2 Na (s) + 3 N 2 (g) Trinn 2: 10 Na (s) + 2 KNO 3 (s) K 2 O (s) + 5 Na 2 O (s) + N 2 (g) Trinn 3: K 2 O (s) + Na 2 O (s) + SiO 2 (s) Na 2 K 2 SiO 4 (s) Vi skal ikke se på trinn 3, men summen av trinn 1 og 2: 1 + 2: 10 NaN 3 (s) + 2 KNO 3 (s) 16 N 2 (g) + K 2 O (s) + 5 Na 2 O (s) Hvor mange liter nitrogengass får du fra 60,0 g natriumazid, NaN 3, når trykket er 1,000 atm. og temperaturen er 22,0 C? Vi antar at kaliumnitrat er til stede i overskudd.

4 Utregning: M(NaN 3 ) = 22,99 + 3x14,01 = 65,02 g n(nan 3 ) = m/m = 60,0 g/65,02 g/mol = 0,923 mol 2 poeng Fra reaksjonsligningen ser vi at 10 mol NaN 3 (s) gir 16 mol N 2 (g), molforholdet er 1:1,6 n(n 2 ) = 1,6 n(nan 3 ) = 1,6 0,923 mol = 1,476 mol 2 poeng Finner gassvolumet fra den ideelle gassligning PV = nrt V = nrt/p der T = 22, ,15 = 295,15 K V(N 2 )= 1,476 mol 0,0821 L atm/(k. mol) 295,15 K / 1,000 = 35,8 L 3 poeng Oppgave 6 (7,5 poeng) Hver 1,5 poeng Følgende system er i likevekt ved 600 K: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H = -46 kj/mol Bruk Le Chateliers prinsipp til å avgjøre hvordan det går med mengden H 2 i gassblandingen hvis vi setter til mer N 2 minsker trykket ved å øke volumet endrer temperaturen til 700 K tilsetter en katalysator øker trykket ved å tilsette litt argon øker avtar uendret Oppgave 7 (4 poeng) Gitt likevekten CuO (s) + H 2 (g) Cu (s) + H 2 O (l) Skriv opp uttrykket for likevektskonstanten under. Svar: K = 1/p H2 eller K c = 1/[H 2 ] Oppgave 8 (7 poeng) En prøve av ren NO 2 (g) dekomponerer ved 1000 K: 2 NO 2 (g) 2 NO (g) + O 2 (g) Likevektskonstanten K p er 158. En analyse viser at partialtrykket til O 2, P(O 2 ), er 0,25 atm. ved likevekt. Fullfør tabellen under og beregn partialtrykkene til NO og NO 2. Bruk i alle tilfeller to desimaler etter komma. NB: I kolonnen "endring" må du velge + for å markere en økning og - for å markere en reduksjon.

5 Forklaring: Vi starter med bare NO 2 («en prøve av ren NO 2 (g)»), så P(NO) og P(O 2 ) = 0,00 ved start. Det dannes 2 NO-molekyler for hvert O 2 -molekyl, følgelig må P(NO) bli dobbelt så stort som P(O 2 ) P(NO) = 2 P(O 2 ) = 2 0,25 atm = 0,50 atm Økningene (fortegn +) for P(NO) og P(O 2 ) følger direkte. Av ligningen ser vi at reduksjonen for P(NO 2 )er like stor som økningen for P(NO), men med motsatt fortegn (-). Finner P(NO 2 ) fra likevektskonstanten K p = (P NO ) 2 P O2 / (P NO2 ) 2 = 158 (P NO2 ) 2 = (P NO ) 2 P O2 / K p = (0,50) 2 0,25 / 158 = 3, P(NO 2 ) = 3, = 0,02 atm P(NO 2 ) ved start = 0,02 + 0,50 = 0,52. Oppgave 9 (3 poeng)

6 Vi titrerer 25,00 ml av en ukjent, énprotisk organisk syre HA med 0,2000 M NaOH mens vi fortløpende måler ph. Dette gir titrerkurven vist over der punktene viser faktiske ph-målinger. Hva er konsentrasjonen til syren? Bruk fire desimaler i svaret. Utregning (ikke spurt om): Anslår titrervolumet av lut til 22,00 ml, kan regne ut antall mol tilsatt: n NAOH = c NAOH V NAOH = 0,2000 mol/l 0,02200 L = 4, mol (det er mulig å regne direkte uten å gå om antall mol) Antall mol syre og antall mol lut forholder seg 1:1, dvs n HA = 4, mol Kjenner volumet, kan finne konsentrasjoen fra n HA = c HA V HA c HA = n HA /V HA c HA = 4, mol / 25,00 = 0,1760 mol/l Svar i intervallet 0,1742 0,1778 er automatisk godkjent, andre svar kan gi noe uttelling etter manuell retting. Oppgave 10 (10 poeng) a) Bruk titrérkurven (den samme som i Oppgave 9) til å anslå en verdi for syrens syrekonstant, K a. b) Beregn ph i ekvivalenspunktet ved hjelp av K a -verdien du fant i a). Dersom du ikke fant et svar i a), kan du bruke verdien K a = 2, NB: Dette er ikke riktig svar på a). Dersom du ikke klarer å regne ut ph-verdien, kan du bruke titrérkurven til å gjøre et anslag. Utregning: a) Titrérvolumet er forsatt 22,00 ml, før vi kommer til ekvivalenspunktet har vi en buffer der man finner ph med bufferligningen: ph = pk a + log(c A -/c HA ) Ved halvtitérpunktet, dvs. 11,00 ml er c A - = c HA og ph = pk a Har ph-avlesninger ved 10,00 ml = 4,84 og ved 12,00 ml = 5,00. Vi er midt mellom disse. pk a = 4,92 K a = 1, poeng K a = 1, og K a = 1, , som man får ved å bruke 4,84 og 5,00 som ph ved halvtitrérpunktet, gir b) Fra Oppgave 9 fant vi at n HA = 4, mol, ved ekvivalenspunktet er alt dette overført til den korresponderende basen A og vi har n A - = 4, mol. Vi skal beregne ph i en svak base, trenger konsentrasjonen og dessuten basekonstanten K b. c A - = n A -/V total = n A -/(V syre + V base ) = 4, mol / (0, ,02200) L = 0,0936 mol/l K a K b = K w K b = K w / K a = 1, / 1, = 8, Protolyse: A (aq) + H 2 O HA (aq) + OH (aq) K b = [HA][OH ]/[A ] 2,5 poeng 1,5 poeng 1,5 poeng konsentrasjoner [A ] [HA] [OH ] start 0, endring -x +x x slutt 0,0936-x x x Innsetting i uttrykket for K b gir: K b = x x /(0,0936-x) = x 2 /(0,0936-x) = 8, Antar x << 0,0936 0,936 x x 2 /0,0936 = 8, x 2 = 7, [OH ] = x = 8, poh = 5,05 ph = 14,00 poh = 14,00 5,05 = 8,95 3 poeng Antagelsen gjort over er god. Dersom man benytter den alternative K a -verdien på 2, blir svaret i b) ph = 8,84. Dette gir også 6 poeng totalt. Dersom man ikke regner ut, men korrekt anslår ph til i underkant av 9 fra titrérkurven, gir dette 2 poeng i b).

7 Oppgave 11 (6 poeng) Balanser de to ligningene vist over. a) MnO 4 (aq) + 5Fe 2+ (aq) + 8H + (aq) Mn 2+ (aq) + 5Fe 3+ (aq) + 4H 2 O b) NO 2 (aq) + Br 2 (l) + 2OH NO 3 (aq) + 2Br (aq) + H 2 O Det er ikke nødvendig å ta med tilstander gitt i parenteser. Oppgave 12 (8 poeng) a) Hva er løseligheten av sølvacetat i rent vann? b) Hva er løseligheten av sølvacetat i en buffer med ph = 4,00? Hvis du ikke klarer å regne ut: gjør en kvalitativ vurdering av størrelsen på svaret i b) sammenlignet med svaret i a). K sp (AgCH 3 COO) = 1, , K a (eddiksyre) = 1, Utregning: a) Sølvacetat løser seg slik: AgCH 3 COO(s) Ag + (aq) + CH 3 COO (aq) Lager tabell: Konsentrasjon (M) [Ag + ] [CH 3 COO ] start 0 0 endring +s +s likevekt s s K sp (AgCH 3 COO) = [Ag + ][CH 3 COO ] = s s = s 2 = 1, s = 1, = 0,0440 mol/l 2,5 poeng b) Det er to simultane likevekter, men vi deler det praktisk opp i to trinn. Trinn 1: Oppløsningen av saltet: AgCH 3 COO(s) Ag + (aq) + CH 3 COO (aq) Trinn 2: Acetat kan deretter reagere videre til eddiksyre: CH 3 COO (aq) + H 3 O + (aq) CH 3 COOH(aq) + H 2 O Dette gir følgende tabell: Konsentrasjon (M) [Ag + ] [CH 3 COO ] [CH 3 COOH] start endring 1 +x +x 0 etter trinn 1 x x 0 endring 2 0 -y +y etter trinn 2 x x-y y

8 Setter opp bufferligningen for eddiksyre/acetat-systemet (her kalt HA/A ) og setter inn tall: ph = pk a + log [A ] 4,00 = 4,74 + log [A ] 0,74 = log [A ] 0,74 = log [HA] [HA] [HA] [HA] [A ] [HA] [A ] 100,74 = 5,50 [HA] = 5,50[A ] (eller den inverse verdien [A-]/[HA] = 0,18 1,5 poeng Innsetting fra tabellen gir: y = 5,50(x-y) 6,50y = 5,50x y = 0,846x x-y = x - 0,846x = 0,154x Nå kan vi sette inn i uttrykket for K sp : K sp (AgCH 3 COO) = [Ag + ][CH 3 COO ] 1, = x 0,154x = 0,154x 2 x 2 = 0,0126 x = 0,112 mol/l 4 poeng Mye høyere enn i rent vann. Se Oppg. 5 b), Gruppeoppgaver uke 48 og video. God kvalitativ begrunnelse gir 2 poeng Oppgave 13 (8 poeng) Nær vulkaner finnes det noen ganger elementært svovel, S (s), som man antar er dannet ved følgende reaksjon: 2 H 2 S (g) + SO 2 (g) 3 S (s) + 2 H 2 O (g) Reaksjonen kan også brukes til å fjerne svoveldioksid fra avgassene til olje- og gasskraftverk. a) Bruk tabellverdier fra figuren over til å beregne G o ved 25,0 o C. b) Finn likevektskonstanten K for reaksjonen. Dersom du ikke har funnet et svar i a), kan du bruke at G o = -100,0 kj/mol. NB: Dette er ikke riktig svar på a). Utregning: a) Beregner først H og S, deretter G. H = H f (produkter) - H f (reaktanter) = 2 H f (H 2 O) [2 H f (H 2 S) + H f (SO 2 )] H f = 2(-241,8) [2(-20,2) + (-296,4)] = -146,8 kj/mol S = S (produkter) - S (reaktanter) = 3S (S) + 2S (H 2 O) [2S (H 2 S) + S (SO 2 )] S = 3(31,9) + 2(188,7) [2(205,6) + 248,5] = -186,6 J/(mol K) G = H - T S T må oppgis i K, S omgjøres til kj/(mol K) G = -146,8 kj/mol 298,15 K [-0,1866 kj/(mol K)] = -91,2 kj/mol 1,5 poeng 1,5 poeng 2 poeng b) Bruker G = -RT ln K K = e - G /RT K = e 91,2/(8, ,15) = 9, Svaret kan variere noe avhengig av hvor mange siffer man har tatt med i mellomregninger Benyttes G = -100,0 kj/mol blir svaret K = e 100,0/(8, ,15) = 3, Dette gir også 3 poeng 3 poeng

9 Oppgave 14 (4 poeng) a) Bruk de oppgitte reaksjonsentalpiene, ΔH r, til å beregne dannelsesentalpien til CO, ΔH f (CO). b) Hva kan grunnen være til at vi ikke bare bruker reaksjonen C (grafitt) + ½O 2 (g) CO (g) og måler H f direkte for denne? a) Bruker den første av de to oppgitte reaksjonene som den er, mens den andre snus bak frem (fortegnet for H r blir da også snudd): Trinn 1: C (grafitt) + O 2 (g) CO 2 (g) H 1 = 393,5 kj/mol Trinn 2: CO 2 (g) CO (g) + ½O 2 (g) H 2 = 283,5 kj/mol Legger sammen de to trinnene og får en totalreaksjon Total: C (grafitt) + O 2 (g) + CO 2 (g) CO 2 (g) + CO (g) + ½O 2 (g) CO 2 (g) og ½O 2 (g) forkortes bort, finner H som summen av de to trinnene: Total: C (grafitt) + ½O 2 (g) CO (g) H = H 1 + H 2 = 393,5 kj/mol + 283,5 kj/mol = 110,5 kj/mol = H f (CO) 3,5 poeng b) Vi kan ikke få dannet CO(g) alene, det vil alltid dannes noe CO 2 (g) også. Vi kan derfor ikke måle H f for CO(g) direkte på denne måten. 0,5 poeng Se Oppgave 5 Aktive grupper uke 42. Oppgave 15 (8 poeng) I en elektrokjemisk celle foregår reaksjonen Cr 2 O 7 2- (aq) + 2 NO (g) + 6 H + (aq) 2 Cr 3+ (aq) + 2 NO 3 - (aq) + 3 H 2 O Standard cellepotensial (emf) er E o cell = 0,37 V. a) Regn ut G o for denne cellen. G o = -214 kj/mol 4 poeng Utregning (ikke spurt om): G = -nfe = ,37 = -2, J/mol = -214,2 kj/mol. Svar i intervallet -214,0 til -215,0 er automatisk godkjent, andre svar kan gi noe uttelling etter manuell retting. b) Regn ut den elektromotoriske spenningen E cell når ph er endret til 3,00 (alle andre betingelser like) E cell = 0,19 V 4 poeng Utregning (ikke spurt om): Bruker Nernst ligning E = E o - (RT/nF) ln Q med n = 6 E = E o - (0,0257 V/6) ln ([Cr 3+ ][NO - 3 ] 2 /[ Cr 2 O 2-7 ]P 2 NO [H + ] 6 ) ph = 3,00 gir [H + ] = 1, , alle andre konsentrasjoner og trykk er 1,00, E = 0,37 V E = 0,37 - (0,0257 V/6) ln 1/(1, ) 6 eller fra regneregelen ln (1/a) = -n a E = 0,37 + (0,0257 V/6) ln (1, ) 6 eller fra regneregelen ln a n = n ln a E = 0,37 + 0,0257 V ln (1, ) = 0,192 V Svar i intervallet 0,19 til 0,20 V er automatisk godkjent, andre svar kan gi noe uttelling etter manuell retting.

10 Oppgave 16 (5,5 poeng) N 2 O 5 som er oppløst i karbontetraklorid, CCl 4, dekomponerer (spaltes) etter følgende ligning: 2 N 2 O 5 4 NO 2 + O 2 Tabellen over viser målt N 2 O 5 konsentrasjon som funksjon av tid. Bestem om dette er en 0.-, 1.- eller 2.-ordens reaksjon og finn hastighetskonstanten k. I din begrunnelse skal du henvise til én eller flere av de seks grafene over og angi hva som måles langs y-aksen. I en 0. ordens reaksjon vil et plott av [A] mot tid gi en rett linje I en 1. ordens reaksjon vil et plott av ln[a] mot tid gi en rett linje I en 2. ordens reaksjon vil et plott av 1/[A] mot tid gi en rett linje I dette tilfellet vil ln[a] mot tid gi en rett linje, kurve A, reaksjonen er altså av 1. orden. 3 poeng [A] mot tid gir en kurve av type C, 1/[A] mot tid gir en kurve av type D. Det holder å begrunne med den første av de to linjene over. Bruker data fra 0 s og 3000 s til å bestemme k (hvilke som helst to punkter kan benyttes) Kurvens helning, k, = y/ x = [ln(0,16) ln(0,91)]/(3000 0) s = [ 1,8326 ( 0,0943)]/3000 s] = 1,7383/3000 s = 5, s -1 k = 5, s -1 2,5 poeng Se Oppgave 1, Gruppeoppgaver uke 40.

11 Oppgave 17 (5 poeng) Vurder for hvert av stoffene A G om a) molekylene vil danne hydrogenbindinger med hverandre når stoffet er i væskeform. b) molekylene vil danne hydrogenbindinger med vann vår stoffet er løst i vann (om det løses). c) det løses godt eller dårlig i vann. Trekk bokstavene og plasser dem i riktig boks for hvert spørsmål (hele bokstavboksen innenfor den ytre rammen!). NB: Ikke trekk linjer på tvers over de heltrukne linjene. Svar: