Oppgave 13 Beregn S o for reaksjonene i oppgave 13.

Transkript

1 1 Noen oppgaver i fysikalsk kjemi Repetisjon til eksamen Oppgave 1 Vi har en reversibel kompresjon av 1 mol av en ideell gass fra 22,4 L til 10,0 L ved 0 o C. Beregn arbeidet som krevst i prosessen. Oppgave 2 Systemet i oppgave 1 ble videre komprimert til 1,00 L ved 0 o C. Beregn arbeidet for denne prosessen. Oppgave 3 Vi har 2,00 mol av en ideell gass som gjennomgår en reversibel isoterm ekspansjon ved 298 K fra 1,00 bar til 0,66 bar. Beregn q, w, U og H Oppgave 4 Vi har 1,00 mol av en ideell gass ved 0,00 o C, 0,525 bar. Ved en reversibel isoterm kompresjon blir det fjernet 975 J av varme. Hva er slutt trykket til gassen? Oppgave 5 Ved 90,0 o C er damptrykket for ren toluen 400,0 torr og for ren o-xylen er damptrykket 150 torr. a) Hva er blandingen av en væske som koker ved 90 o C når det ytre trykket er 0,50 atm? b) Hva er sammensetningen av gassen som blir dannet? Oppgave 6 Det ble funnet at en binær løsning av A og B med molbrøken til A lik 0,6589 koker (normalkokepunkt) ved en temperatur på 88 o C. Ved denne temperaturen er damptrykket til ren A lik 957 og til ren B lik 379,5 torr. a) Er dette en ideell blanding? b) Hva er sammensetningen til dampen over væsken? Oppgave 7 a) For en ukjent elektrolytisk løsning med konsentrasjon 0,32 M ble det målt et osmotisk trykk på 15,65 atm ved 25,0 o C. Man vet at elektrolytten er en av følgende: CH 3 COOH, Na 2 CO 3, NaCl, Cu(NO 3 ) 2. Hvilke stoff er det? b) Hva blir det osmotiske trykket dersom en tilsetter 4,30 g bensen til 1 liter vann? T = 25,0 o C Oppgave 8 Beregn frysepunktet til 250,0 cm 3 vann når 7,50 g sukrose er løst i vannet (molvekt sukrose er 342,3 g/mol). Trykket er 1,00 atm. Tettheten til vann er antatt å være 1,00 kg/l

2 2 Oppgave 9 Bensen og toluen danner en nesten ideell blanding. Ved 20,0 o C er damptrykket for ren bensen 74,0 torr og for ren toluen 22,0 torr. En blanding av 1,00 mol av hver koker ved 20,0 o C dersom det ytre trykket er lavt nok. a) Beregn hva det ytre trykket må være for at blandingen skal koke ved 20,0 o C b) Beregn sammensetningen av dampen over væsken Oppgave 10 Vi har 7,65 g av en ukjent gass (antar at den er ideell) ved en temperatur på 298,15 K, gassen ekspanderer ved konstant trykk til den har en temperatur på 398,15 K. C p,m = (5/2)R. Varme tatt opp i prosessen er 398,05 J a) Hvilke gass er det snakk om? b) w, U og H for prosessen. (Derom du ikke får til a) så anta at gassen er krypton. PS! Dette er ikke rett svar) Oppgave 11 Ved 25 o C K= 1,35*10 28 for α,β D-glucose(aq) 2-latick acid (aq) f H 298 = -108,66 kj Beregn likevektskonstanten (K c ) ved 37 o C (antar at f H er konstant i dette temp. området) Oppgave 12 Beregn H o for følgende reaksjoner ved 25 o C (i) 2NO (g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) (ii) CH 4 (g) + Cl 2 (g) CH 3 Cl(g) + HCl (g) (iii) NaOH (s) + HCl (g) NaCl (s) + H 2 O (l) Oppgave 13 Beregn S o for reaksjonene i oppgave 13. Oppgave 14 a) Vi har to lover som beskriver forholdet mellom partielltrykkene for gassen over en væske og sammensetningen av væsken. Hvilke to lover og når er det en god tilnærmelse og bruke dei? b) Hva er en tilstandsfunksjon? Gi eksempel på en størrelse som er en tilstandsfunskjon og en som ikke er det. c) Hvorfor er sub H o = fus H o + vap H o d) Hvilke antagelser gjør vi når vi sier at en gass er en ideell gass? e) Hvilke antagelser gjør vi når vi sier at en løsning er ideell? f) For hvilke faseoverganger kan en bruke Clausius-Clapeyron? (og hvorfor bare disse) Oppgave 15 Beregn emf for følgende celle ved 25 o C Pt Sn 2+ (0,10 m), Sn 4+ (0,010 m) Fe 2+ (0,50 m) Fe Oppgave 16 Reaksjonen A P er av andre orden med fartskonstant k = 3,50*10-4 L/mol s. Beregn tiden det tar for at konsentrasjonen av A skal bli endret fra 0,260 mol/l til 0,011 mol/l

3 3 Oppgave 17 Når 16,0 gram av metan forbrenner fullstendig i et bombekaliometer ved 23,0 o C, utvikles det 800,6 kj varme. Hva blir U og H for forbrenningen? Oppgave 18 I en gassfase reaksjon 2A+B 3C+2D ble det funnet at når 1,00 mol av A, 2,00 mol av B og 1,00 mol D ble blandet vil likevktsblandingen inneholde 0,90 mol C når total trykket er 1,00 bar. Beregn (i) Molfraksjonen av de ulike stoffene ved likevekt (ii) Kx (iii) Kp (iv) G o (standard tilstand 1,00 bar). Temperaturen er 25 o C. Oppgave 19 Hva er standard entalpi for en reaksjon der likevektskonstanten (K p ) blir (i) doblet (ii) halvert når temperaturen øker fra 10 til 298 K Oppgave 20 Likevektskonstanten (K c ) for reaksjonen: cis-2-buten (aq) trans-2-buten (aq) er 2,07 (Kc) ved 400 K. Beregn standard Gibbs energi for reaksjonen. Uten beregning: Hva vil Kp og Kx være for reaksjonen? Oppgave 21 Beregn likevektskonstanten for følgende reaksjoner ved 25 o C ut fra standard reduksjonspotensial data (i) Sn(s) + Sn 4+ (aq) 2Sn 2+ (aq) (ii) Sn(s) + 2Ag + (aq) Sn 2+ (aq) + 2Ag(aq) Oppgave 22 Følgende diagram representerer en reversibel Carnot syklus for en ideell gass: P A D 657 K Totalt arbeid utført = 832 J B a) Hva er den termodynamiske effektiviteten til maskinen? b) Hvor mye varme blir absorbert ved 657 K c) Hvor mye varme blir avgitt ved 234K d) Hva er entropi endringen for prosessen AÆB? e) Hva er entropi endringen til hele syklusen? f) Hva er endringen i Gibb s energi for prosessen AÆB? C 234 K V Oppgave 23 1,75 kg av aluminium blir nedkjølt ved konstant trykk fra 300 K til 265 K. Beregn mengde varme utvekslet og endring i entropi for prøven. C p,m (Al) =24,0 J/mol K.

4 4 Oppgave g prøve av metan gass ved 250,0 K (konstant) og 18,5 atm ekspanderer isotermt til trykket er 2,5 atm. Beregn entropi endringen for gassen Oppgave 25 Beregn H og S når to 10,0 kg kobber biter, en ved 100,0 o C og den andre ved 0,00 o C blir plassert i en isolert beholder. C p,m for kobber er 0,385 J/mol K. Oppgave 26 De følgende molare konduktivitetene Λ for en syre i vannløsning ved 25 o C og ulike konsentrasjoner c /(M) 4,395 1,833 0,762 0,681 0,265 0,168 0,139 Λ (Ω -1 cm 2 mol -1 ) 43,5 65,8 98,4 103,5 155,4 187,1 201,3 Plot Λ mot c. Dersom Λ o =532 Ω -1 cm 2 mol -1 er disse verdiene i samsvar med Ostwald fortynningslov? Hva er verdien for dissosiasjons kontanten? Oppgave 27 Beregn stander elektrode potensiale for halvreaksjonen: Sn e - Sn Vi har følgende standard elektrode potensiale for Fe 1. Sn e - Sn 2+ E o = 0,154 V 2. Sn e - Sn E o = -0,136 V Oppgave 28 Når trykket til en 35,0 g prøve av en gass ble reversibelt og isotermt (298 K) økt fra 1,00 atm til atm endrer Gibbs energi seg med 12,0 kj. Beregn molevekten til gassen. Oppgave 29 Når 2 mol av en gass ved 300 K og 3,50 atm komprimeres isotermt minker entropien med 25 J/K. Beregn det endelige trykket til gassen og G for kompresjonen. Oppgave 30 NAD + har en viktig biologisk rolle. Ved reaksjon med visse enzym kan den reagere med et reaksjonsmiddel og forme NADH. Vi har følgende reaksjon: NADH + pyruvate - + H + NAD + + lactate - Ved 25 o C og ph = 7 har vi følgende E o verdier pyruvate - + 2H + + 2e - lactate - NAD + + H + + 2e - NADH E o = -0,19 V E o = -0,34 V Bruk disse verdiene til å beregne G o for reaksjonen og likevekt sammenhengen:

5 5 - + lactate NAD - pyruvate a) Ved ph = 7 b) Ved ph = 9 [ NADH] Oppgave 31 Vi forbrenner 23,320 gram butanol i et bombekalorimeter ved 28 o C. Etter reaksjonen måles temperaturen i bombekalorimet til 31,32 o C. Varmekapasiteten til kaliometerert er J/K. Beregn U m og H m Oppgave 32 Vi har 1,00 mol vann med en temperatur på 13,0 o C (underkjølt vann). Vannet fryser brått. Beregn entropi endringen i systemet når vannet fryser. C p,m (vann) =75,3 J/mol K C p,m (is) =37,7 J/mol K f H(is vann) = 6,02 kj/mol ved 0 o C Oppgave 33 Vi har 1 mol vanndamp ved 500 o C og kjøler det ned til is ved 12,0 o C. a) Uten å gjøre beregninger prøv å forutsi om entropien vil øke eller minke? Begrunn svaret! b) Beregn endring i entropien. C p,m (is) =37,7 J/mol K, Τ fus = 0 o C, fus H = 6,02 kj/mol, C p,m (vann) =75,3 J/mol K, Τ vap = 100 o C, vap H = 26,02 kj/mol,c p,m (gass) =165,3 J/mol Oppgave 34 Dissosiasjonsgraden,α for dimeren Al 2 Br 6 (g) til monomeren AlBr 3 (g) er 0,205 ved P = 0,897 bar, T = 298 K a) Beregn K p og K c b) Vi har også gitt at α = 0,234 ved T = 400 K og P=0,897 Beregn H for reaksjonen (anta at H er konstant i temperatur intervallet) Oppgave 35 Ved 26,0 o C er likevekts konstanten for reaksjonen CO(g) + 1/2O 2 (g) CO 2 (g) er Kp = 1,23 * 10-4, og S o er 31,2 J /K mol.beregn G o og H o ved 26,0 o C Oppgave 36 Ved 25 o C har vi likevekten 2NH 3 (g) N 2 (g) + 3H 2 (g) Dersom vi plasserer 3,10 g NH 3 i en 1,00 dm 3 beholder blir total trykket ved likevekt 4,953 bar. a) Beregn likevekt konstantene K P, K C og K X a) Beregn G o (standard tilstand 1,00 bar) for reaksjonen?

6 6 Oppgave 37 På toppen av Mount Everest koker vann ved 346 K. Hva er lufttrykket? vap H m = 44 kj/mol. Oppgave 38 2-klorbutan og 2-brombutan er en ideell blanding. Ved 156 o C er damptrykket for ren 2-klorbutan 1,098 atm og for ren 2-brombutan 0,876 atm. a) Beregn sammensetningen av den væskefasen som koker (normalkokepunkt) ved 156 o C. b) Hva er sammensetningen av gassfasen som er i likevekt med væskefasen i a) c) Beregn total trykket og sammensetningen av gassfasen som er i likevekt med en væskefase som inneholder 5 mol 2-klorbutan og 10 mol 2-brombutan ved 156 o C. Oppgave 39 Vi antar at kommersiell kjølevæske (antifreeze) er ren etylen glykol. MW (etylen glykol) = 62,02 g/mol. (i) Vi har et blandingsforhold på 0,234 kg etylen glykol pr kg vann. Ved hvilke temperatur vil blandingen fryse? (Trykket er 1,00 atm) (ii) Hva vil kokepunktet for denne løsningen bli ved 1,00 atm trykk? Oppgave 40 For en forbindelse er trippel punktet ved P =0,00603 atm og T = 273,16 K. Beregn likevektstrykket til forbindelsen ved 373,15 K. Anta at entalpien er uavhengig av temperaturen (i intervallet vi studerer). vap H o = 40,656 kj/mol Oppgave 41 5,00 mol N 2 gass (som vi anser som en ideell gass) har en temperatur på 328 K og et volum på 9,26 dm 3. C p,m (N 2 ) er 29,0 J/mol K. a) Hva er trykket til gassen? b) Hva er PV? c) Hva er C v,m Anta at gassen blir varmet opp reversibelt til 428 K ved konstant volum d) Beregn w, U og q for prosessen e) Hva er slutt trykket? f) Hva er slutt PV? g) Hva er H? Anta at gassen som vi startet med blir varmet opp reversibelt til 428 ved konstant trykk h) Hva er slutt volumet i) Beregn w, q, H og U Oppgave 42 Anta at følgende reaksjon er 1. ordens: N 2 O 5 Æ 2NO 2 + 1/2O 2. Ved 64 o C er hastighetskonstanten lik 5,12*10-3 s -1. a) Hva er partielltrykket av N 2 O 5 etter 15 sekunder når start trykket var 2,00 bar? b) Hva er halveringstiden?

7 7 Oppgave 43 Hvilke av følgende reaksjoner vil være spontane ved kobling med reaksjonen for hydrolyse av ATP, G o verdiene for hver reaksjon i Kcal/mol er gitt i parantes). Hydrolyse av ATP: ATP + H 2 O ADP + P i (-7,3) (i) glukose-1-fosfat Æ glukose-6-fosfat (-1,7) (ii) glukose + P i Æ glukose-6-fosfat (+3,3) (iii) glukose + fruktose Æ sukrose (+7) (iv) acetic acid Æ acetic anhydrid (+23,8) Oppgave 44 Vi har reaksjonen Α Æ B. Følgende data er gitt: tid/s 0, [A]/M 5,87 3,33 2,47 1,87 1,57 1,22 1,15 0,83 0,62 a) Er dette en første ordens eller en andre ordens reaksjon? b) Beregn reaksjonens fartskonstant. c) Hva er halveringstiden for reaksjonen, og hvor lang tid tar det før det er blitt dannet 25,0% av B? Oppgave 45 Bruk følgende halvreaksjoner E o verdier (i volt) CH 3 CH 2 OH Æ CH 3 COH + 2H + + 2e - E o = 0,20 NADH Æ NAD + +H + +2e - E o = -0,32 Beregn standard Gibbs energi for reaksjonen CH 3 CH 2 OH + NAD + Æ CH 3 COH + NADH + H + Er reaksjonen eksergonisk eller endergonisk? Oppgave 46 1,000 gram av et ionisk uorganisk salt (lettløslig), XCl 2, ble løst i 100,0 gram vann ved 20,0 o C. Denne løsningen viste et osmotisk trykk på 7,57 atm. Hvilke metall skjuler seg bak X? Anta at tettheten til vann er 1,00 kg/l Oppgave 47 Vi har følgende reaksjon mellom etanol og etylacetat. CH 3 COOH(l) + C 2 H 5 OH(l) Æ H 2 O(l) +CH 3 COOC 2 H 5 (l) a) Beregn H o (298,15 K) b) Beregn H o (750,0 K). Anta at C p,m er uavhengig av temperaturen

8 8 Følgende er gitt: H o (l, 298,15K, CH 3 COOH) = 484,5 kj/mol H o (l, 298,15K, C 2 H 5 OH) = -277,69 kj/mol H o (l, 298,15K, H 2 O) = -285,83 kj/mol H o (l, 298,15K, CH 3 COOC 2 H 5 ) = -479,0 kj/mol C p,m (CH 3 COOH) = 124,3 J/mol*K C p,m (C 2 H 5 OH) = 111,46 J/mol*K C p,m (H 2 O) = 75,291 J/mol*K C p,m (CH 3 COOC 2 H 5 ) = 170,1 J/mol*K Oppgave 48 Slanke-diett : Spising av is Is kan bli brukt til å forbrenne fett ved at det kreves varme for å smelte is. Det gjennomsnittlige kaloriinntak for en voksen person er 2500 kcal/dag (1 kcal = 4,184 kj). Hvor mye is (ved 0 o C) må en spise for å forbrenne 2500 kcal. Anta at kroppstemeperaturen er 37 o C, fus H (is) =330 kj/kg og C p,m (vann) = 75,3 J/mol*K Oppgave 49 Vi blander 75 gram C 2 H 4 og 246 g O 2. En forbrenner C 2 H 4 fullstendig så lang som det er mulig. Hvor mye varme vil bli avgitt. Temperaturen ved forbrenningen er 298,15 K og trykket er 1,00 bar. Oppgave 50 Lille trille satt på en hylle Lille trille ramlet ned Ingen mann i dette land Lille trille redde kan Hvilke termodynamisk lov beskriver situasjonen i dette barneverset. PS! Lille trille er et egg! Oppgave 51 En svak syre, HX, har syrekonstant K a = Beregn frysepunktet til en 0,260 M vannoppløsning av HX. Beregn også ph-verdien i oppløsningen. Angi hvilke antakelser som er benyttet ved beregningene. Oppgave 52 En ideell gass oppbevares i en beholder ved 293 K. Trykket i beholderen er 1 atmosfære. Hva vil trykket bli hvis massen av gassen reduseres til det halve samtidig som temperaturen økes med 20 K?

9 9 Fasit med sterke forbehold. Etter raske beregninger er dette svarene jeg fikk. Her er sikkert noen feil, så stol ikke for mye på denne: Fullfasit skal finnes (i en rød perm) på enten 607 eller 610. Oppgave 1. w = 1832 J, Oppgave 2. w = 5229 J, Oppgave 3. q = 2060 J, w = J, Oppgave 4. P 2 = 0,807 bar Oppgave 5. a) x toluen = 0,92 x o-xylen =0,080 b) y toluen = 0,97 y o-xylen = 0.032, Oppgave 6. a) Løsningen er ideell b) y A = og y B = 0,171, Oppgave 7 a) NaCl, b) Π=1,35 atm, Oppgave 8. T=273,0 K, Oppgave 9. a) P tot = 48 torr b) y toluen =0,77 og y bensen =0,23 Oppgave 10. a) Argon, b) w = -159 J U = 239 J, H = 398 J, Oppgave 11. K c = 2,48*10 27, Oppgave 15. E celle = 0,58 V, Oppgave 16. t = 2,49*10 5 s, Oppgave 17. U m = - 802,8 kj, H m = -808 kj/mol, Oppgave 18. (i) x A = 0,087, x B = 0,370, x C = 0,196, x D = 0,348 (ii) Kx = 0,326 (iii) Kp = 0,326 (iv) G o = 2782 J/mol, Oppgave 19. (i) 59,6 J/mol (ii) 59,6 J/mol Oppgave 20. G o = -2,42 kj/mol, Oppgave 21. (i) E o rx = 0,29 V og K = 6,5*10 9, (ii) E o celle = 0,94 V og K = 6,30*10 31 Oppgave 22. a) eff = 0,64 b) q h = 1300 J c) q c = -468 J, d) S = 1,98 J/K e) S = 0 f) G = J Oppgave 23. q = -54,5 kj/mol S = -193 J/K Oppgave 24. S = 26 J/K Oppgave 25. S tot = 1.47 J/K Oppgave 26. Ja, K = 0,032, Oppgave 27. E o = 0,009, Oppgave 28. Molmasse = 57,89 g/mol, Oppgave 29. P 2 = 15,7 atm, G = 7,5 kj Oppgave 30. a) K = 1,18*10 12 ved ph = 7 og K = 1,18*10 13 ved ph = 8 Oppgave 31 U m = -172,6 kj/mol, H m = -177,6 kj/mol, Oppgave 32. S tot = -20,2 J/K Oppgave 34 a) Kp = 0,157 bar, Kc = 6,36*10-3 mol/dm 3, b) Kp(400 K) = 0,208 bar Oppgave 35. a) G o = 22,4 kj/mol H o = 31,7 kj/mol Oppgave 36 a) Kp = 3,94*10-3 b) G o = 13,7 kj/mol, Oppgave 37. P 2 = 0,33 atm, Oppgave 38. a) x B = 0,44 x K = 0,56 b) y B = 0,39 y K = 0,61 c) y K = 0,385 y B = 0,615 Oppgave 39 (i) T = 266,1 K (ii) T = 375,1 K Oppgave 40. P 2 = 0,730 atm Oppgave 41. a) P = 1,47*10 6 Pa b) PV = N*m c) C v,m = 20,7 J/mol K d) q = U = J e) P = 1,92*10 6 Pa f) PV = N*m, Oppgave 42. [A] = 1,85 bar b) t 1/2 = 135,4 s, Oppgave 43. i, ii, iii Oppgave 44. a) 2. ordens b) K = 2,61*10-4 s -1 M -1 c) t 1/2 = 654 s, t = 218 s, Oppgave 45. G o = J/mol Oppgave 46. molmasse = g/mol (Mg) Oppgave 47 a) H o m(rx, 25 o C) = 268 kj b) H o m(rx, 759 K) = 1671,8 J Oppgave kg Oppgave 49 H tot = kj Oppgave 51 T = 272,7 K Oppgave 52 P = 0,53 atm