EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

Transkript

1 Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: KJE-1005 Grunnleggende Fysikalsk Kjemi Dato: Fredag 01. juni 2018 Klokkeslett: 09:00-14:00 Sted: KRAFT I og II Hall del 3 Kraft sportssenter Tillatte Lommeregner hjelpemidler: Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Kontaktperson under eksamen: Telefon/ mobil: Rute 9 Prof. Richard A. Engh Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30 NB! Det er ikke tillatt å levere inn kladdepapir som del av eksamensbesvarelsen. Hvis det likevel leveres inn, vil kladdepapiret bli holdt tilbake og ikke bli sendt til sensur. Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no

2 Nyttig informasjon: 1 Pa = 1 N m -2 = 1 J m -3 = 1 Kg m -1 s -2 1 J = 1 kg m 2 s -2 = cal 760 Torr = Pa = 1,00000 atm = 1,01325 bar 1 L = 1 dm 3 = 1000 cm 3 = 10-3 m 3 R = 8,31451 J K -1 mol -1 = 0, dm 3 bar K -1 mol -1 = 0, dm 3 atm K -1 mol -1 k B = k = R/N A = 1,38 x J K -1 0 C = 273,15K Molarvolum V m = V/n UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 2

3 Oppgave 1 (15 poeng) Finn den passende ligningen eller definisjonen fra tabell B for hvert begrep og hver beskrivelse fra tabell 1! (Skriv tallet og bokstaven sammen for hvert par.) Hvert element fra tabellene skal kun brukes én gang. TABELL 1 1. Schrödingers ligning 2. Sanynlighetstetthet 3. Omsetningstall (turnover number) 4. Michaelis Menten ligning 5. Stokes-Einstein relasjon 6. Arrhenius ligning 7. Energinivåene til en partikkel bundet av et kvadratisk potensial 8. Energien til en Partikkel i boks 9. Kjemisk potensial 10. van der Waals ligning 11. Loven om uavhengige migrasjon av ioner 12. Joule-Thomson inversjonstemperatur 13. Gibbs Energi 14. Carnot maskinens virkningsgrad 15. Entropi TABELL B a. k cat = v max [ E] 0 b. ħ 2 2m 2 Ψ x 2 +V Ψ=E Ψ c. v = k cat [ E] 0 1+K m /[S ] 0 d. P=RT /(V m b) a/ V m 2 x 2 e. Ψ (x) 2 dx x 1 f. k= A e E A / RT g. Λ m 0 =ν + λ + +ν - λ - h. Q rev / T i. E n =n 2 h 2 /8 ml 2 j. E ν =(ν+1/2)ħ ω k. 1 T C T H l. H TS m. D= k BT 6 π ηa n. ( T / P) H =0 o. μ i =( G/ n i ) P,T, n ' UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 3

4 Oppgave 2 (30 poeng) 2a) Hva må være sant for at en van der Waals gass skal oppføre seg som en ideell gass? a) a=b=1 b) a=1,b=0 c) a=0, b=1 d) a=b=0 2b) Hva er riktig for en ideell gass? a) C p > C V b) C p = C V c) C p < C V d) Svaret er avhengig av antall og geometri av atomene i gassmolekylene. 2c) Hvilke av molekylene under har permanent dipolmoment? a) CH 4 b) CO c) CCl 4 d) CO 2 2d) Hvilke av molekylene under oppnår størst indusert dipolmoment gitt at de alle er eksponert for det samme ytre feltet? a) CHCl 3 b) CH 2 Cl 2 c) CH 3 Cl d) CH 4 2e) Loven av uavhengige migrasjon av ioner er Λ 0 0 M =ν + λ + +ν - λ -. Fra Λ M 0 tabellen, avled Λ M for CH 3 COOH. verdiene i a) 426 S cm 2 mol -1 b) 391 S cm 2 mol -1 c) 643 S cm 2 mol -1 d) 209 S cm 2 mol -1 Stoff Λ M 0 HCl 426 NaCl 126 CH3COO - Na + 91 (S cm 2 mol -1 ) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 4

5 2f) Hvilket uttryk eller hvilken ligning er termodynamikkens andre lov? 1. energi kan ikke gå tapt 2. δ q T omgivelse 0 3. entropien til en Carnot maskin øker med hver syklus 4. entropi er alltid null ved 0K a) #1 b) #2 c) alle d) ingen 2g) Figurene til høyre viser fire bølgefunksjoner for en partikkel i en 2D boks. Ranger funksjonene fra lavest til høyest energi. (Boksen er høyere enn den er bred). a) a, b, c, d b) a, c, b, d c) d, c, b, a d) d, b, c, a 2h) For en partikkel i boks med lengde 1.5Å, hva er sansynligheten for å finne partikkelen innenfor en avstand på 0.25Å fra midten av boksen? Gå utifra at laveste energinivå dominerer overveldende. Husk cos2θ=1 2sin 2 θ a) 0.23 b) 0.52 c) 0.61 d) i) Skjemaet til høyre viser: a) to s-orbitaler som kombineres til å lage en bindende molekylar orbital b) to p-orbitaler som kombineres til å lage en bindende molekylar orbital c) to s-orbitaler som kombineres til å lage en antibindende molekylar orbital d) to p-orbitaler som kombineres til å lage en antibindende molekylar orbital UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 5

6 2j) Hvis to enkle ettrinns reaksjoner foregår ved samme temperatur og trykk, og reaksjon 1 har høyere aktiveringsenergi enn reaksjon 2, hva er da riktig: a) Reaksjon 1 har høyere reaksjonshastighet b) Reaksjon 1 har lavere reaksjonshastighet c) Produktene av reaksjon 1 har høyere dannelsesentalpi enn produktene av reaksjon 2 d) Om Reaksjon 1 har høyere eller lavere reaksjonshastighet, avhenger av frekvensfaktoren 2k) Tabellen gir initiell reaksjonshastighet ν 0 for en reaksjon ved ulike konsentrasjoner av stoff A. Hva er reaksjonsorden for stoff A i reaksjonen? [A] (mm) ν 0 1,0 0,12 4,0 0,12 6,2 0,12 10,2 0,12 a) 0 b) 0,12 c) 1 d) 2 2l) Figuren til høyre er et plott av Lennard- Jones (LJ) potensialet, som er en energifunksjon for å beskrive vekselvirkninger mellom molekyler. Hva er riktig? a) LJ er godt egnet til å beskrive interaksjon mellom ideelle gassmolekyler. b) LJ er godt egnet til å beskrive interaksjon mellom ioner. c) Joule-Thomson koeffisienten for en slik gass er positiv ved høye temperaturer og negativ ved lave temperaturer. d) Ingen av A, B, eller C. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 6

7 2m) Figuren til høyre viser frysepunktnedsettelsen for urea i vann, både eksperimentelt (stiplet linje) og ideell (heltrukken linje). Urea kan danne dimerer: urea + urea (urea) 2 Hvorfor er frysepunktnedsettelsen svakere ved høyere konsentrasjoner enn for ideell blanding (i forhold til mengde urea)? a) Dimerer er større enn monomerer b) Dannelse av dimerer minsker antall molekyler løst stoff c) Dannelse av dimerer er eksoterm d) Dimerer har flere frihetsgrader 2n) Carnot-maskin #1 opererer mellom 100ºC og 10ºC, og Carnot-maskin #2 opererer mellom 100K og 10K. Hva kan vi si om virkningsgradene η 1 og η 2 for maskinene? a) η 1 < η 2 b) η 1 = η 2 c) η 1 > η 2 d) Ingenting, det er avhengig av hva slags Carnot-maskine de er. 2o) Fasediagrammet til høyre er for blandingen kalium-natrium. Ved punktet b 1 er blandingen en væske. Når blandingen avkjøles fra punktet b 1, skjer det noe når blandingen når punktet b 2. Det er: a) en fast fase av rent kalium dannes b) en fast fase av rent natrium dannes c) en fast fase av natrium med litt oppløst kalium dannes d) væskefasen deles i to væskefaser UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 7

8 Oppgave 3 (20 poeng) a) Hva er en tilstandsfunksjon ( state function på engelsk)? b) Bruk termodynamikkens første lov, definisjonen av entalpi, og definisjonene C V = dq v dt og C p= dq p dt til å vise at C p=c V + nr for en ideell gass. c) 1.00 mol av en ideell gass utvider seg isotermt fra 10L til 20 L ved 25 o C. Finn w, q, Δ U og Δ H for prosessen. d) Gassen komprimeres så adiabatisk til en temperatur på 320 K. Finn w, q, Δ U og Δ H for denne prosessen. Oppgave 4 (20 poeng) a) Standard dannelsesentalpi for vann i væskeform og gassform er henholdsvis kJ/mol og kJ/mol. Hva er fordampingsvarmen for vann ved 25 o C? b) Gitt konstant trykk, hva er fordampingsentropien til vann ved 25 o C? c) C p for vann i væskeform og gassform er henholdsvis J K 1 mol 1 og J K 1 mol 1. Hva er fordampingsvarmen til vann ved 100 o C? d) Smeltevarmen til vann ved 0 o C er kj mol 1 og C p for vann i fast form er J K 1 mol 1. Finn endringen i entropi for prosessen H 2 O(s, 10 o C) H 2 O(g,130 o C) gitt konstant trykk gjennom hele prosessen. e) Kommenter hvilke deler av prosessen i e) som bidrar mest til Δ S, og om dette gir mening. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 8

9 Oppgave 5 (15 poeng) En enzymreaksjon som følger Michaelis-Menton kinetikk kan inhiberes med en inhibitor I slik at reaksjonsskjemaet blir: E + S + I k 1 E S + I k cat E + P + I k -1 k i1 k -i1 E I + S a) Hva slags inhibering er vist her: kompetitiv (konkurrerende, på engelsk: "competitive"), blandet (engelsk: "noncompetitive") eller antikonkurrerende (engelsk: "uncompetitive")? Skisser et Lineweaver-Burk plott for en slik inhibitor. b) Skriv uttrykket for raten av dannelse av enzym-substratkomplekset, uttrykt ved d[es]/dt. c) Bruk den stasjonær tilstand tilnærmering for d[es]/dt til å skrive et uttrykk for [ES]. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 9