Kjemi SENSURVEILEDNING. Fysikk er 50 %, Kjemi 50 %

Transkript

1 EMNEKODE OG NAVN Naturfag 2, Na230-E SENSURVELEDNNG SEMESTER/ ÅR/ EKSAMENSTYPE 6 timers skriftlig eksamen Fysikk er 50 %, Kjemi 50 % Kjemi Oppgave 1 Organisk kjemi (20 %) En student hadde regnet seg frem til at den empiriske/støkiometriske formelen i en oppgave var C 2 O/(C 2 O) x. a) vilken prosentfordeling av grunnstoffene karbon, hydrogen og oksygen var gitt i oppgaven som studenten regnet? b) De neste spørsmålene i studentens oppgave (og i denne) dreide seg om mulige stoffgrupper: i) Først ble det bedt om en forklaring på hvorfor det bare var en mulig isomer for x = 1, og strukturformel og navn på denne forbindelsen. ii) Videre ble det bedt om navn og strukturformel for 2 mulige isomere med x = 2, den ene en syre og den andre et hydroksyaldehyd. iii) Videre i oppgaven ble det bedt om en forklaring på hvorfor det også kan være et keton blant isomerene for x = 3, hvorfor dette må være et dihydroksyketon, det mulige aldehydet et dihydoksyaldehyd og mulige syrer hydroksysyrer. Oppgaven ba også om mulige strukturformler, og en forklaring på at det er to mulige strukturformler for syren. iv) Til sist ble det spurt om hvilken gruppe av stoff(er) det var mest sannsynlig at isomere med x = 6 hører hjemme. Finn forklaringer, isomere, navn og strukturformler slik oppgaven ba om. Oppgave 2 Uorganisk kjemi (30 %) a) Avgjør, ved hjelp av spenningsrekka, hvilke(n) av de følgende reaksjoner som kan brukes til å lage et galvanisk element som leverer strøm: 1. Al 3+ (aq) + Cr (s) Al (s) + Cr 3+ (aq) 2. Zn (s) + Fe 2+ (aq) Fe (s) + Zn 2+ (aq) 3. Au 3+ (aq) + 3 Ag (s) 3 Ag + (aq) + Au (s) vis du skulle velge blant den/de reaksjonene over som kan brukes, hvilken ville du brukt som utgangspunkt for å lage et galvanisk element for å vise dine elever hvordan et batteri fungerer? vis du fikk velge fritt blant mulige reaksjoner ut fra spenningsrekka, hvilket redokspar ville du da valgt til ditt galvaniske element. Grunngi svaret (-ene) kort. Du har bestemt deg for å gjøre et forsøk med elevene dine der det skal brukes eddik (eddiksyre). Det presiseres at eddikløsningen må være så nær 1 % som mulig for at forsøket skal bli vellykket. Du finner en eddikflaske (ser av flasketypen at det sannsynligvis er eddik på den og lukter på den), men lappen på flasken har dessverre blitt borte. Du vet at eddik selges i slike flasker i konsentrasjoner på 5 % eller 7 %. For å finne konsentrasjonen av eddiken i flasken, bestemmer du deg for å gjøre en titreranalyse. b) Tidligere har du laget en løsning på ca. 0.1M NaO som du bestemmer deg for å bruke som standardløsning. Du innstiller natriumhydroksidløsningen med kaliumhydrogenftalat, og finner at den har en eksakt konsentrasjon på 0.104M.

2 Til selve analysen pipetterer du ut 10 ml eddik fra flaska uten lapp i en målekolbe og fortynner til 100 ml. Fra denne tar du ut to paralleller på 25 ml som du titrerer. Forbruket av NaO var på henholdsvis 29.4 ml og 29.6 ml. i) Finn eddikløsningens konsentrasjon i %. ii) vor mange ganger må du fortynne den opprinnelige eddikløsningen for å få en 1 % - løsning? iii) vilken indikator brukte du i titreringen, og hvorfor? c) Kunne du brukt en annen metode til å finne konsentrasjonen av eddikløsningen på flaska med manglende lapp? Gi en kort forklaring. RELEVANT PENSUMLTTERATUR * Kjemi: Jan Sire (1998): Chemica, Fagbokforlaget eller James E. Brady (2004): Generell kjemi 2.. utgave Tapir Akademisk forlag V. Ringnes og M. annisdal (2000): Kjemi fagdidaktikk Kjemi i skolen, øyskoleforlaget Campbell and Reece (2008): Biology, 8 th edition Pearson nternational eller Campbell, Reece and Simon (2007): Essential biology with phys. 2 th ed. Kompendium: Kari Feren (2009): Naturfag 2 Na230 Laboratorieøvelser i kjemi.

3 Vedlegg 2 Standard reduksjonspotensialer ved 25 C

4 EKSAMENSKRAV: nnhold kjemi Oppgave 1 organisk kjemi (20 %) a) Vi finner samlet masse i u for grunnstoffene i formelen C 2 O, som blir: m C + 2 m + m O = ( )u = 30.0 u Deretter finner vi hvor stor andel av denne massen, massen av de enkelte grunnstoffene utgjør av 100 %: Karbon: % C = 100 % = ydrogen: % = Oksygen: % O = (40,0 + 6,7) % = 53,3 % b) Forklaringer til spørsmålene i iv: i) Siden det er bare ett C atom i formelen, må dette atomet delta i 4 bindinger. Det er 2 atomer som kan bindes til C atomet, og dermed må oksygenatomet, som må delta i to bindinger, bindes til C atomet med en dobbeltbinding. Formelen blir dermed: O C eller CO, og er aldehydet metanal, siden karbonylgruppen er bundet til minst ett atom. ii) For X = 2 får vi molekylformelen C 2 4 O 2. Det passer med formelen for eddiksyre: C 3 COO og hydroksyaldehydet C 2 CO eller C 2 O CO, hydroksyetanal. O iii) Siden x = 3 har vi tre C atomer i kjeden, det gir mulighet til å plassere ei karbonylgruppe inne i molekylet, altså danne et keton. Siden det er 3 O atomer i formelen, må ketonet være et dihydroksyketon, C 2 O CO C 2 O. Aldehydet må være et dihydroksyaldehyd av samme grunn, det er tre O atomer i forbindelsen. karboksylsyregruppen i en syre er det 2 oksygenatomer, det tredje må derfor finnes i en hydroksylgruppe, som kan befinne seg i posisjon 2, 2 hydroksypropansyre, eller posisjon 3, 3 hydroksypropansyre.

5 (2-) hydroksyetanal O C (1,3 -) dihydroksypropanon C = O Dihydroksypropanal O C 2 hydroksypropansyre O C O C O C (melkesyre) 3 - hydroksypropansyre O C O C iv) For x=6 blir molekylformelen (C 2 O) 6 eller C 6 12 O 6 som er summeformelen for fruktose og glukose, altså et monosakkarid, som hører til blant karbohydratene. Oppgave 2 Uorganisk kjemi (30 %) a) Ved å se på spenningsrekka/standard reduksjonspotensial kan følgende sluttes: 1. Al 3+ (aq) + Cr (s) Al (s) + Cr 3+ (aq) Redoksparet Cr 3+ /Cr står over redoksparet Al 3+ /Al, og dermed vil ikke atomært krom kunne redusere Al 3+ - ioner til uladde Al atomer. 2. Zn (s) + Fe 2+ (aq) Fe (s) + Zn 2+ (aq) Redoksparet Zn 2+ /Zn står under redoksparet Fe 2+ /Fe, og dermed vil Zn atomer redusere Fe 2+ - ioner til Fe atomer. Denne reaksjonen kan altså brukes som utgangspunkt for et galvanisk element som leverer strøm. 3. Au 3+ (aq) + 3 Ag (s) 3 Ag + (aq) + Au (s) Redoksparet Ag + /Ag står under redoksparet Au 3+ /Au, og dermed vil Ag atomer redusere Au 3+ - ioner til Au atomer. Denne reaksjonen kan altså brukes som utgangspunkt for et galvanisk element som leverer strøm. Siden det er lite sannsynlig at skolen har rent gull eller gullsalter, vil det være naturlig å velge Zn i en Zn 2+ - løsning som den ene halvcellen, og Fe i en løsning av Fe 2+ - ioner i den andre halvcellen for å lage et galvanisk element som eksempel på hvordan et batteri fungerer for elever. alvcellene må selvfølgelig koples sammen med en ytre krets med ledninger, gjerne med en lyspære koplet inn i kretsen, og en saltbro for å forbinde de to cellene og sørge for ionebalanse i de to halvcellene. vis jeg kunne velge fritt, ville jeg valgt en celle med en Zn/Zn 2+ - halvcelle og en Cu 2+ /Cu halvcelle, dvs. et Daniells element siden det er et klassisk element, som elevene ville finne noe om i litteraturen hvis de ønsket å slå opp selv. b) Med en løsning av NaO med konsentrasjonen: [NaO] = 0.104M og et forbruk på V 1 =29.4 ml og V 2 =29.6 ml finner vi følgende: i) Finner konsentrasjonen av den fortynnede løsningen ut fra konsentrasjon og forbruk av NaO i de to parallellene. NaO og C 3 COO reagerer i forholdet 1:1, dvs. n syre =n NaO = c NaO V NaO, der V NaO = = = 29.5 ml. Dette gir = c syre V syre, som gir: c syre = c NaO V NaO \V syre = 0,104 M = M. Denne eddiksyreløsningen var i følge oppgaven fortynnet 10 x (10 ml 100ml), dvs.

6 at konsentrasjonen av den opprinnelige løsningen c eddik = 1.23 M. For å finne ut % - innholdet av eddiksyre i den opprinnelige løsningen, må vi først finne hvor mange gram/l [Eddik]= 1.23M utgjør, dvs. vi multiplisere med den oppgitte molare massen for eddiksyre (M eddik = 60.0 g/mol), og får: c eddik (g/l) = c eddik (mol/l) M eddik = 1.23 mol/l 60.0g/mol = 73,80 g/l. Siden % - løsninger i gram er gram pr. 100g, må vi gå ut fra at tettheten er lik 1, dvs. at % - innholdet av eddiksyre i den opprinnelige løsningen på flaska blir: 100 % = 7.38 %. Det vi si at flaska uten lapp inneholdt en eddiksyreløsning på ca. 7 %. ii) For å fortynne denne løsningen til ca. 1 %, må vi fortynne 7 ganger. Da får vi en løsning på ca. 1.05%, som må sies å tilfredsstille kravet om en løsning så nær 1 % som mulig. vis vi fortynner i en målesylinder har ikke den større nøyaktighet enn at det kan sies at løsningen er tilnærmet 1 %. iii) denne titreringen passer det godt å bruke fenolfthaleïn som indikator siden det er enkelt å se omslaget som dermed blir mer presist enn ved bruk at for eksempel BTB. Fenolfthaleïn slår om ved p ca. 8. Svake syer har kort omslagsområde og løsningen ved ekvivalenspunktet vil være svakt basisk, siden etanationet (anionet til eddiksyre) er en svak base som protolyserer til en viss grad i vannløsninger. c) For å finne løsningen konsentrasjon kunne vi også målt p i den opprinnelige løsningen, og deretter regnet oss frem til konsentrasjonen av denne løsningen ved å bruke K a. (K a = = som gir [C 3 COO] = ). kke forventet at dette settes opp, siden studentene ikke kan finne p ut fra oppgaveteksten. FAGLÆRER/ OPPGAVEGVER Sted/ dato: Navn: Kari Feren (kjemi)

7 SENSURVELEDNNG EMNEKODE OG NAVN Naturfag 2, Na230-E SEMESTER/ ÅR/ EKSAMENSTYPE 6 timers skriftlig eksamen Fysikk er 50 %, Kjemi 50 % FYSKK OPPGAVETEKSTEN: Oppgave 3 - Atom- og kjernefysikk (30%) a) Når vi lyser gjennom hydrogengass med hvitt lys, kan vi se et absorpsjonsspekter dersom vi studerer lyset i et spektroskop. va kjennetegner et absorpsjonsspekter, og hvordan oppstår det? b) ydrogengass har også et emisjonsspekter. Under hvilke omstendigheter observerer vi henholdsvis absorpsjonsspekter og emisjonsspekter fra en gass? c) Emisjonsspektrum kalles ofte for fingeravtrykket til et grunnstoff. i. vorfor er alle emisjonsspektre unike for grunnstoffet de stammer fra? ii. vorfor observerer vi kontinuerlige spektre fra faste stoffer? d) Bruk formelen for energinivåene i hydrogenatomet til å finne energien til det emitterte fotonet, i de to følgende situasjonene: i. Et elektron hopper direkte fra energinivå 5 til energinivå 2. ii. Et elektron hopper fra energinivå 2 til energinivå 1. iii. vilken type elektromagnetisk stråling får vi i de to tilfellene (synlig lys, infrarødt, osv). e) de følgende reaksjonsligningene er ett av elementene maskert som A Z X. Finn ut hva A Z X er. Bruk periodetabell for å finne X. Bestem hvilken type reaksjon hver ligning beskriver: A 1 i. 0n+ 92U 56Ba+ Z X + 30 n ii. iii Th Ra Ac AX + Z A + Z 0 e 1 X + ν

8 4. Elektrisitet og elektrostatikk (20%) a) En spenningskilde på 230V driver to 60W lyspærer som er parallellkoblet med hverandre. Lyspærene er merket 1 og 2. Et amperemeter måler strømmen ut fra spenningskilden. va er strømmen gjennom hver enkelt lyspære i kretsen? b) kretsen fra oppgave 4a) setter vi nå inn en motstand R=0,4kΩ som er seriekoblet med lyspære 1. Anta at motstanden i lyspærene ikke har endret seg, og vis ved regning at total motstand i kretsen er R 520Ω. va viser amperemeteret i kretsen? va er strømmen gjennom lyspære 2? va er total effekt i kretsen? vor lenge må kretsen stå på før vi har brukt 200kWh? c) Vi har to elektrisk ladde horisontale plater med et homogent elektrisk felt mellom. Elektrisk ladde oljedråper svever i ro i det elektriske feltet. Ladningen på dråpene er - 3e, og den elektriske feltstyrken er E = 6, V/M. va er retningen på det elektriske feltet? va er massen til oljedråpene? (tips: kraftanalyse) RELEVANT PENSUMLTTERATUR * Fysikk: Ekern, Trond, snes, Anders og Nilsen, Odd Terje (2000). Univers : Grunnbok 2 FY. Bokmål, 2. utg. Bekkestua, NK-forlaget. (Kap. 7,10 og 11) Finnes også som: Ekern, Trond, snes, Anders og Nilsen, Odd Terje (2000). Univers : Grunnbok 2 FY. Nynorsk, 2. utg. Bekkestua, NK-forlaget. Eller: Ekern, Trond, snes, Anders og Nilsen, Odd Terje (1998). Univers : Grunnbok 3 FY. Bokmål. Bekkestua, NK-forlaget. (Kap. 4, 5, 7, 8, ,10 og11) Finnes også som: Ekern, Trond, snes, Anders og Nilsen, Odd Terje (1998). Univers : Grunnbok 3 FY. Nynorsk. Bekkestua, NK-forlaget.

9 EKSAMENSKRAV: nnhold Fysikk: Oppgave 3 - Atom- og kjernefysikk (30%) a) (6 poeng) Viktige ting å nevne: Et absorpsjonsspekter er et spekter hvor enkelte bølgelengder av strålingen fra den opprinnelige kilden er borte, og vises som sorte linjer i spekteret. Bortsett fra disse sorte linjene ser det ut som et kontinuerlig spekter. Det oppstår ved at bølgelengdene som mangler er blitt absorbert av gassatomer i gasser lyset går gjennom og sendt ut i andre retninger. Frekvensene som blir absorbert har fotoner med energi tilsvarende hopp mellom energinivå hos atomet som absorberer det. b) (5 poeng) Absorpsjonsspekter får vi når vi sender lyset gjennom en gass og observerer det på den andre siden av gassen. Gassen vil da ha fjernet noen bølgelengder av lyset. Emisjonsspekter observerer vi for eksempel når gass gløder. Da eksiterer gassen fotoner med energi lik energisprangene i atomene. Dette blir altså spekter med bare enkelte linjer til stede. Resten av spekteret er svart. c) (4 poeng) Punkt i) Antall elektroner, forskjeller i elektronegativitet og bindingsenergier gjør til at sprangene i energi mellom to energinivå blir annerledes fra grunnstoff til grunnstoff. Økende mengde elektroner og ulik ladning i kjernen gjør også energisprang ulike og flere hos tyngre og tyngre grunnstoff. Dette betyr at hvert grunnstoff har et unikt sett med mulige energisprang for elektronene i stoffet. Punkt ii) faste stoffer er antall mulige energisprang mye større, fordi her er det bindinger mellom atomer og molekyler som også kan absorbere fotoner. Det er så små forskjeller i energi mellom alle disse sprangene, at spekteret blir tilnærmet helt kontinuerlig. d) (9 poeng) B i) er må vi regne ut E 5 -E 2, og formelen for energien i nivå n er: E n = 2, hvor n B er Bohr s konstant B. Dette gir E i =2, (1/2 2-1/5 2 )=4, J. ii) På tilsvarende måte som i forrige tilfelle får vi: E ii =2, (1/1 2-1/2 2 )=1, Vi kan legge merke til at denne siste energien er større enn den første. iii) Det enkleste for å finne ut dette er å finne bølgelengden. Da starter vi med formelen: E=hf, hvor h er plancks konstant, og f er frekvensen. Vi har også sammenhengen v=fλ, hvor v er lysfarten og λ er bølgelengden. Tilfelle i: f i =E i /h=6, z. λ i =v/f i =3, m/s / 6, z = 434,3 nm. Dette ligger i grenseområdet mellom synlig lys og ultrafiolett, men det er nok fiolett/blått lys vi ser. På samme måte får vi i tilfelle ii: λ ii =121,3 nm. Dette er en mindre bølgelengde, og hører til det ultrafiolette området. e) (6 poeng) disse oppgavene må vi bruke bevaringslovene som gjelder for kjernereaksjoner. Nukleontall bevart og ladning bevart. tillegg er også energi bevart, men dette trenger ikke kandidaten bruke i oppgaven. i) Dette er en fissjonsreaksjon.. Uran går til Barium, Krypton og tre nøytroner. ii) Alfastråling. Thorium sender ut alfakjerne og blir til radium. iii) Betastråling.. Actinium går over til Thorium, et elektron og et antinøytrino.

10 4. Elektrisitet og elektrostatikk (20%) a) Strømmen finner vi fra formelen P=U. =P/U=60 W / 230 V = 0,26 A. b) Motstanden i lyspærene finnes ved R=U/. Dette gir R=881,67 Ohm for hver lyspære. Den ene lyspæra er nå seriekoblet med den nye motstanden, og resistansen i den delen av parallellkoblinga blir R1=881,67+400=1281,67 Ohm. Vi kaller resistansen for den andre greina i parallellkoblinga for R2. Da får vi ny totalresistans. Amperemeteret viser = U/R = 230/522=0,44 A. Strømmen gjennom lyspære 2 er fremdeles = U/R=230/881,67=0,26 A. Bare strømmen gjennom pære 1 er endret. Total effekt blir P=U=230 V * 0,44 A =101,3W. 200kWh/0,1013kW=2270,5 h. Altså må kretsen stå på i 2270,5 timer. c) Siden dråpene er negativt ladd, og de må motvirke tyngdekraften, virker altså den elektriske kraften oppover. Dette betyr igjen at den positive plata er på toppen, og feltet har retning nedover, da elektriske felt alltid har retning fra positivt til negativt. Dråpene er påvirket av to krefter. Den elektriske krafta F=Eq, og tyngdekrafta G=mg. Siden dråpene svever, må de to kreftene være like store og motsatt rettet. Dette gir mg=eq m=eq/g. Både E, q og g er kjente, og vi kan regne ut massene. kg. FAGLÆRER/ OPPGAVEGVER Sted/ dato: Navn: Aleksander Aksnes (Fysikk)