Prøveeksamen i Fysikk/kjemi Løsningsforslag Prøve 4

Transkript

1 Program for lektro og Datateknikk/ AFT Prøveeksamen i Fysikk/kjemi Løsningsforslag Prøve 4 Oppgave 1 a) Det skal settes navn på 10 ioner : i) SO4 2 : sulfation ii) S 2 : sulfidion iii) Cl : kloridion iv) NO3 : nitration v) CO3 2 : karbonation vi) O 2 : oksidion vii) NH4 : ammoniumion viii) CN : cyanidion ix) OCl : hypoklorittion x) ClO4 : perkloration b) Når jern ruster, dannes jernoksid. Jernoksid kan foreligge på mange forskjellige former som f.eks FeO, Fe2O3 og Fe3O4. Du ønsker å finne ut hvilket oksid som du har på overflaten av et korrodert rør ved hjelp av røntgenanalyse. Analysen viser at overflaten inneholder 69,94 vekt% Fe, mens resten er oksygen. Vekt% O (100%) (69,94%) 30,06% Tar basis i 100 gram slik at prosentverdiene og antall gram blir det samme. Beregner antall mol av de to elementene ved å dele på de respektive molvektene. Antall mol Fe (69,94 gram)/(55,85 g/mol) mol Antall mol O (30,06 gram)/(16,00 g/mol) mol Beregner molforholdet. Når man beregner et molforhold, er det lurt å ha det laveste tallet under brøkstreken. h (1,879 ) (1,252 ) 1, Det er lurt å angi molforholdet på brøkform slik at formelen kommer direkte ut : Fe2O3-1 -

2 c) Reaksjonen skal balanseres ved hjelp av forskjeller i oksidasjonstall. S2O3 2 (aq) Cl2(g) SO4 2 (aq) Cl (aq) (surt miljø) 1) Ser først på forskjeller i oksidasjonstall : S oksideres fra II til VI oks 4 Cl reduseres fra 0 til I red 1 2) Skriver ligningen pr. atom av det som oksideres/reduseres. 1/2S2O3 2 (aq) 1/2Cl2(g) SO4 2 (aq) Cl (aq) 3) Kryssmultipliserer med differanse i oksidasjonstall. 1/2S2O3 2 (aq) 2Cl2(g) SO4 2 (aq) 4Cl (aq) 4) Multipliserer med 2 for å skrive ligningen med lavest mulig heltall. S2O3 2 (aq) 4Cl2(g) 2SO4 2 (aq) 8Cl (aq) 5) Massebalansen for både C log S er oppfylt. Vi har to svovel på begge sider, mens vi har 8 Cl på begge sider. 6) Balanserer elektronøytralitet med H (surt miljø) S2O3 2 (aq) 4Cl2(g) 2SO4 2 (aq) 8Cl (aq) 10H (aq) 7) Balanserer massebalanse for H og O ved hjelp av H2O. S2O3 2 (aq) 4Cl2(g) 5H2O(l) 2SO4 2 (aq) 8Cl (aq) 10H (aq) Oppgave 2 ph i tre ulike løsninger skal beregnes : a) 0,0400 M HCl HCl er en sterk syre som er fullstendig dissosiert i ioner. [H ] 0,0400 M ph log[h ] log(0,0400) 1,40 b) 0,0400 M NH3 NH3 er en svak base, der den konjugerende syren er NH

3 pkb 14 pka 14 9,24 4,76 Kb 10 4,76 NH3(aq) H2O(l) NH4 (aq) OH (aq) Start 0, Likevekt (0,0400 x) x x [ OH ] [NH ] 4,76 [NH 3 ] x 0,0400 x 10 4,76 Antar x << 0,0400 x 2 (0,0400) (10 4,76 ) 6, x (6, ) 1/2 8, Må sjekke antakelse : 8, ,04 4 (100%) 2,1% Siden forholdet er mindre enn 5%, er antakelsen OK. poh log(8, ) 3,08 ph 14,00 3,08 10,92 c) 0,0400 M Na2SO4 Na2SO4 er en svært svak base fordi andre syretrinn for svovelsyre er relativt sterk. pkb1 14,00 pka2 14,00 1,99 12,01 Fra pkb verdien ser vi at denne basen er så svak at vi må ta hensyn til [OH ] på 10 7 mol/l som vi har i rent vann. SO4 2 (aq) H2O(l) HSO4 (aq) OH (aq) Start 0, Likevekt (0,0400 x) x (10 7 x) [ OH ] [HSO4 ] 12, [SO4 ] - 3 -

4 7 x (x 10 ) 10 0,0400 x 12,01 Siden høyresiden er liten, kan vi anta at x << 0,0400 Ligningen forenkles til : x (x 10 7 ) 0,0400 (10 12,01 ) x 2 (10 7 ) x 3, Løsning av 2. gradsligningen på kalkulator gir : x 1, mol/l [OH ] x 1, mol/l poh log(1, ) 6,81 ph 14,00 6,81 7,19 Oppgave 3 a) 200 ml av 0,00100 M Pb(NO3)2 blandes med 300 ml av 0,00200 M Na2CO3. Det skal undersøkes om det felles ut noen tungtløselige salt. Beregner konsentrasjoner før eventuelle fellinger. [Pb 2 ] o (0,00100 M) (200 ml) ( ) ml 4, M [NO3 ] o 2 [Pb 2 ] o 8, M [CO3 2- ] o (0,00200 M) (300 ml) ( ) ml 1, M [Na ] o 2 [CO3 2- ] o 2 (1, M) 2, M Det eneste tungtløselige saltet som eventuelt kan utfelles er PbCO3(s) Ser på løselighetslikevekten : PbCO3(s) Pb 2 (aq) CO3 2 (aq) Vi vil få felling dersom Q > Ksp. Ksp finnes fra tabell 19 i SI : Ksp 7, Q [Pb 2 ] [CO3 2 ] (4, ) (1, ) 4, Siden Q > Ksp, får vi felling

5 b) i) Det mest edle metallet (Cu) er katode, mens det uedleste metallet (Zn) er anode. I en spontan celle (batteri) er alltid katoden positiv og anoden negativ. ii) Det mest uedle materialet (Zn) vil korrodere (oksidasjon). På det edle materialet (Cu) skjer det hydrogenutvikling (reduksjon). Det mest uedle materialet er anode. Sink er anode : Zn(s) Zn 2 (aq) 2e På en anode skjer det alltid en oksidasjon. I et batteri er anoden den negative pol. Det mest edle materialet er katode. Kobber er katode : 2H (aq) 2e H 2 (g) På en katode skjer det alltid en reduksjon. I et batteri er katoden den positive pol. Reaksjonen : Cu 2 (aq) 2e Cu(s) vil ikke skje siden vi ikke har kobberioner tilstede i sitronen. iii) På katoden (kobber) skjer følgende reaksjon: 2H (aq) 2e H2(g) k RT 1 ln nf [H ] o 2 Bruker ln-sammenhengene : ln(x) ln(10) log(x) ln(1/x) ln(x) ln(x 2 ) 2 ln(x) - 5 -

6 k o 2 RT ln(10) log([h nf 2 (8.314) (298) ln(10) k (0) log([h 2 (96485) k log([h ph er definert som : ph log([h ph i en sitron ligger rundt 2.1. k ph (2.1) V På anoden (sink) skjer følgende reaksjon : Zn 2 aq) 2e Zn(s) Regneteknisk er det vanlig å behandle begge elektrodereaksjonene som reduksjonsreaksjoner. Vi snur derfor anodereaksjonen slik at elektronene er på venstre side. Når sink akkurat har begynt å korrodere, er [Zn 2 ] typisk lik 10 9 mol/l. o RT 1 ln nf [Zn ] a 2 a o RT ln(10) log([zn nf 2 (-0.76) (8.314) (298) ln(10) log([zn 2 (96485) 2 a (-0.76) log([zn 2 a ( 0.76) log(10 9 ) 1.03 V Cellespenningen (celle) er det samme som mange kaller for MS (elektromotorisk spenning). rev rev celle k a ( 0,124) (1,03) 0,91V celle for et batteri er alltid positiv. c) I et Varta Zn/Ag2O batteri av type V357 skjer følgende totalreaksjon : Zn(s) Ag2O(s) ZnO(s) 2Ag(s) Batteriet har en cellespenning på 1.55 V, som holder seg konstant gjennom hele batteriets levetid. Batteriet er et sylinderformet knappebatteri med diameter 11.6 mm og høyde 5.4 mm. Batterikapasiteten er oppgitt til 180 mah, mens totalvekten er 2.33 g. Forutsetter at reaktantene brukes helt opp (100 % utbytte). Ser fra totalreaksjonen at sink oksideres fra 0 til II. Dette betyr at det overføres to elektroner pr. mol Zn

7 Omregner batterikapasiteten til A s : Bkap (180 mah) (10 3 A/mA) (3600 s/h) 648 As De to reaktantene forbrukes i molforholdet 1:1. Beregner nødvendig antall mol av reaktantene fra Faradays lov : N I t Bkap n F n F (2 (648 As) ekv/mol) (96485 As/ekv) mol Nødvendig antall gram av reaktantene finnes ved å multiplisere med de respektive molvektene. Vekt Zn(s) : ( mol) (65.39 g/mol) g Vekt Ag2O(s) : ( mol) (231.7 g/mol) g nergiinnholdet i kwh/kg blir : Bkap U w total (0.180Ah) (1.55V) ( kg ) 120 Wh/kg kwh/kg Man kan se ut fra benevnelsen hvordan formelen blir. Husk at Watt Volt Ampere I formelen står wtotal for totalvekten til batteriet. Batteriet er sylinderformet. Volumet av en sylinder er gitt ved : V π r 2 h Setter inn verdiene basert på dm for å få volumet i liter. Merk at det er diameter og ikke radius som er oppgitt. Radiusen er lik halvparten av diameteren. V π (0.058 dm) 2 (0.054 dm) liter nergiinnholdet i kwh/liter blir : Bkap U Vtotal (0.180Ah) (1.55V) ( liter ) 489 Wh/liter kwh/liter - 7 -

8 Oppgave 4-8 -

9 Oppgave 5 Oppgave 6-9 -

10 - 10 -