EKSAMENSOPPGAVE. Kalkulator «Huskelapp» - A4 ark med skrift på begge sider Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok

Transkript

1 Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: KJE-1001 Introduksjon til kjemi og kjemisk biologi Dato: Fredag 15. desember 2017 Klokkeslett: 09:00-15:00 Sted: Teorifagbygget hus 1, plan 2 og 3 samt Åsgårdveien 9 Tillatte hjelpemidler: Kalkulator «Huskelapp» - A4 ark med skrift på begge sider Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Kontaktperson under eksamen: Rute 11 Annfrid Sivertsen Telefon/mobil: 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 EKSAMENSOPPGÅVE Eksamen i: KJE-1001 Introduksjon til kjemi og kjemisk biologi Dato: Fredag 15. desember 2017 Klokkeslett: 09:00-15:00 Stad: Teorifagbygget hus 1, plan 2 og 3 samt Åsgårdveien 9 Lovlege hjelpemiddel: Kalkulator «Huskelapp» - A4 ark med skrift på begge sider Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Kontaktperson under eksamen: Rute 11 Annfrid Sivertsen Telefon/mobil: NB! Det er ikkje lov å levere inn kladd saman med svaret. Om det likevel leverast inn, vil kladden bli heldt tilbake og ikkje sendt til sensur. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 2

3 Alle oppgavene teller likt i oppgavesettet. Oppgave 1 (Teller 15 av 100 poeng) a) Tegn Lewisstrukturen(e) for hvert av følgende molekyl: CH 4 C 2 H 4 O C 2 H 2 CHCl 3 b) Hva er hybridiseringen for alle karbonatomene i molekylene gitt i a)? c) Hvilke intermolekylære krefter fins i de rene stoffene av hver av forbindelsene i a)? Ranger forbindelsene etter økende kokepunkt. Oppgave 2 (Teller 10 av 100 poeng) a) Atomorbitalene kan beskrives med kvantetall. Hvilke(t) av følgende utsagn er SANT? Begrunn svarene. i) Hovedkvantetallet (n) er et positivt heltall som beskriver formen på orbitalen. ii) Bikvantetallet (l) angir typen orbital. iii) Det magnetiske kvantetallet (ml) beskriver den romlige retningen på orbitalen. iv) Det magnetiske kvantetallet (ml) kan ha verdier fra 0,...,n-1. v) Orbitalen 3p kan beskrives med kvantetallene n=3, l=1 og ml=0. b) Atomene til et grunnstoff i nøytral tilstand har følgende elektronkonfigurasjon: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Hvor mange protoner og nøytroner inneholder atomkjernen til dette grunnstoffet? Hvilket grunnstoff er det, og hvor mange uparede elektroner har slike atom i sin grunntilstand? UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 3

4 Alle oppgåvene tel likt i oppgåvesettet. Oppgåve 1 (Tel 15 av 100 poeng) a) Teikn Lewisstrukturane for kvart av følgande molekyl: CH 4 C 2 H 4 O C 2 H 2 CHCl 3 b) Kva er hybridiseringa for alle karbonatoma i molekyla gjeve i a)? c) Kva slags intermolekylære krefter finst i dei reine stoffa av kvar av sambindingane i a)? Ranger sambindingane etter aukande kokepunkt. Oppgåve 2 (Tel 10 av 100 poeng) a) Atomorbitalane kan beskrivast med kvantetal. Kva av følgande utsegn er SANT? Grunngje svaret. i) Hovudkvantetalet (n) er eit positivt heiltal som beskriv forma på orbitalen. ii) Bikvantetalet (l) visar til typen av orbital. iii) Det magnetiske kvantetalet (ml) beskriv den romlege retninga på orbitalen. iv) Det magnetiske kvantetalet (ml) kan ha verdiar frå 0,...,n-1. v) Orbitalen 3p kan beskrivast med kvantetala n=3, l=1 og ml=0. b) Atoma til eit grunnstoff i nøytral tilstand har følgande elektronkonfigurasjon: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Kor mange proton og nøytron inneheld atomkjernen til dette grunnstoffet? Kva slags grunnstoff er det, og kor mange upara elektron har eit slikt atom i sin grunntilstand? UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 4

5 Oppgave 3 (Teller 25 av 100 poeng) Reaksjonsligningen for produksjon av maursyre fra metanol og oksygengass er gitt under. CH3OH (aq) + O2 (g) HCOOH (aq) + H2O (l) -1 R = J mol-1 K Tabell 1. Termodynamisk data. Hf (kj mol -1 ) Gf (kj mol -1 ) S (J mol -1 K -1 ) CH3OH (aq) HCOOH (aq) O2 (g) H2O (l) a) Er reaksjonen en redoksreaksjon? Begrunn svaret. b) Hva er reaksjonsvarmen H for den oppgitte ligninga, og hva betyr verdien for denne reaksjonen? c) Hva er endring i entropi S for reaksjonen? Gi en vurdering av beregnet verdi og sammenlign med hva du forventer uten utregning. d) Er reaksjonen spontan ved 25 C og ved 100 C? Anta at verdiene for H og S ikke endrer seg med temperaturen. Begrunn svaret. e) Hva er G for dissosieringen av maursyre? (Ka = ) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 5

6 Oppgåve 3 (Tel 25 av 100 poeng) Reaksjonslikninga for produksjon av maursyre frå metanol og oksygengass er gjeve under. CH3OH (aq) + O2 (g) HCOOH (aq) + H2O (l) -1 R = J mol-1 K Tabell 1. Termodynamisk data. Hf (kj mol -1 ) Gf (kj mol -1 ) S (J mol -1 K -1 ) CH3OH (aq) HCOOH (aq) O2 (g) H2O (l) a) Er reaksjonen ein redoksreaksjon? Grunngje svaret. b) Kva er reaksjonsvarmen H for den oppgjeve likninga, og kva tyder verdien for denne reaksjonen? c) Kva er endringa i entropi S for reaksjonen? Gje ei vurdering av utrekna verdi og samanlikn med kva du forventar utan å ha rekna ut verdien. d) Er reaksjonen spontan ved 25 C og ved 100 C? Anta at verdiane for H og S ikkje endrar seg med temperaturen. Grunngje svaret. e) Kva er G for dissosieringa av maursyre? (Ka = ) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 6

7 Oppgave 4 (Teller 10 av 100 poeng) Hydrolyse av (CH3)3CCl (tert-butylklorid) til (CH3)3COH (tert-butanol) er en reaksjon som er første-orden totalt og første-orden for tert-butylklorid. Ligningen for reaksjonen er: (CH 3 ) 3 CCl (aq) + 2 H 2 O(l) (CH 3 ) 3 COH (aq) + Cl (aq) + H 3 O + (aq) Tabell 2. Oppgitt eksperimentell data som viser hvordan konsentrasjonen av tertbutylklorid endres over tid i hydrolysereaksjonen. tid (s) [(CH 3 ) 3 CCl] (M) a) Skriv hastighetsloven for reaksjonen og forklar hva parameterne som inngår i hastighetsloven betyr. b) Beregn halveringstid av tert-butylklorid enten grafisk eller ved bruk av den integrerte hastighetsloven. Oppgave 5 (Teller 20 av 100 poeng) a) Ammoniakk (NH3) er en svak base Kb = Oppgi reaksjonsligningen og likevektsuttrykket for reaksjonen av ammoniakk med vann. Beregn ph for en 1.00 M løsning av ammoniakk. b) Vil ph gå opp eller ned når vi tilfører saltet NaNH4 til denne løsningen? Forklar ved bruk av Le Châteliers prinsipp. c) En løsning av ammoniakk og NaNH4 med omtrent like mye NH3 som NH4 + er en buffer. Forklar hvordan en buffer fungerer og bruk reaksjonsligninger i din forklaring. d) Ammoniakk er også en veldig svak syre med en tilsvarende sterk konjugert base. Syrestyrken av ammoniakk sammenlignes med syrestyrken av fosfin (PH3). i. Er ammoniakk eller fosfin en sterkere syre? Begrunn svaret ut fra trendene i periodesystemet. ii. Skriv ned de konjugerte basene til ammoniakk og fosfin. iii. Hvilken av de to konjugerte basene er sterkest? Begrunn svaret. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 7

8 Oppgåve 4 (Tel 10 av 100 poeng) Hydrolyse av (CH3)3CCl (tert-butylklorid) til (CH3)3COH (tert-butanol) er ein reaksjon som er fyrste-orden totalt og fyrste-orden for tert-butylklorid. Likninga for reaksjonen er: (CH 3 ) 3 CCl (aq) + 2 H 2 O(l) (CH 3 ) 3 COH(aq) + Cl (aq) + H 3 O + (aq) Tabell 2. Oppgjeve eksperimentell data som viser korleis konsentrasjonen av tertbutylklorid vert endra over tid i hydrolysereaksjonen. tid (s) [(CH 3 ) 3 CCl] (M) a) Skriv hastighetslova for reaksjonen og forklar kva parametrane som inngår i hastighetslova tyder. b) Rekn ut halveringstida av tert-butylklorid enten grafisk eller ved bruk av den integrerte hastighetslova. Oppgåve 5 (Tel 20 av 100 poeng) a) Ammoniakk (NH3) er ein svak base Kb = Oppgje reaksjonslikninga og likevektsuttrykket for reaksjonen av ammoniakk med vatn. Rekn ut ph for ei 1.00 M løysning av ammoniakk. b) Vil ph gå opp eller ned når me tilfører saltet NaNH4 til denne løysninga? Forklar ved å bruke Le Châteliers prinsipp. c) Ei løysning av ammoniakk og NaNH4 med om lag like mykje NH3 som NH4 + er ein buffer. Forklar korleis ein buffer fungerer og bruk reaksjonslikninger i forklaringa di. d) Ammoniakk er også ei veldig svak syre med ein tilsvarande sterk konjugert base. Syrestyrken av ammoniakk samanliknast med syrestyrken av fosfin (PH3). i. Er ammoniakk eller fosfin ei sterkare syre? Grunngje svaret ut frå trendane i periodesystemet. ii. Skriv ned dei konjugerte basane til ammoniakk og fosfin. iii. Kva for ein av dei to konjugerte basane er sterkast? Grunngje svaret. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 8

9 Oppgave 6 (Teller 20 av 100 poeng) Acetonitril (CH3CN) brukes blant annet til produksjon av syntetisk gummi. Acetonitril ble første gang syntetisert i 1847 av den franske kjemikeren Jean-Baptiste Dumas som er oppfinneren av Dumas metode. I tabellen under er det oppgitt noen utvalgte fysikalske data for acetonitril. Tabell 3. Fysikalske data for acetonitril. Kokepunkt T ( C) Molar varmekapasitet Cgass (J mol -1 K -1 ) Molar varmekapasitet Cvæske (J mol -1 K -1 ) Fordampningsvarme ΔH vap (kj mol -1 ) Smeltevarme ΔH fus (kj mol -1 )) a) Bruk den ideelle gassloven til å bestemme tettheten til CH3CN (g) ved 100 C og mmhg. Oppgi svaret i g/ml. R = atm L mol-1 K PPPP = nnnnnn b) I labkurset utføres et eksperiment hvor den molare massen til et ukjent stoff bestemmes ved hjelp av tettheten til stoffet i gassform. I dette eksperimentet bruker man to av fasene til det ukjente stoffet. Gi en oversikt over de tre fasene et stoff kan ha, og knytt disse opp mot egenskapene form, volum og kinetisk energi. c) Acetonitril kan metaboliseres til cyanid og er derfor giftig i store mengder. Ta utgangspunkt i hva du har lært i labkurset, og forklar hvordan du vil gjøre en kvantitativ analyse for å finne ut om en person er blitt utsatt for store mengder acetonitril. Oppgi bakgrunnen for forsøket og hvilken eksperimentell metode du velger. Gi også en oversikt over de eksperimentelle stegene i analysen din. d) I eksperimentet i oppgave b) varmes den ukjente prøven opp i et vannbad med kokende vann til alt stoff er i gassform, før prøven avkjøles og den molare massen til stoffet beregnes. Vi antar at vannet koker ved 100 C og at massen til prøven er g. Hvor mye varme blir avgitt i avkjølingsprosessen fra koketemperaturen til en romtemperatur på 22 C? Anta at vi vet den ukjente prøven er acetonitril. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 9

10 Oppgåve 6 (Tel 20 av 100 poeng) Acetonitril (CH3CN) brukast blant anna til produksjon av syntetisk gummi. Acetonitril blei fyrste gang syntetisert i 1847 av den franske kjemikaren Jean-Baptiste Dumas som er oppfinnar av Dumas metode. I tabellen under er det gjeve nokre fysikalske data for acetonitril. Tabell 3. Fysikalske data for acetonitril. Kokepunkt T ( C) Molar varmekapasitet Cgass (J mol -1 K -1 ) Molar varmekapasitet Cvæske (J mol -1 K -1 ) Fordampningsvarme ΔH vap (kj mol -1 ) Smeltevarme ΔH fus (kj mol -1 )) a) Bruk den ideelle gasslova til å finne tettheten til CH3CN (g) ved 100 C og mmhg. Gje svaret i g/ml. R = atm L mol-1 K PPPP = nnnnnn b) I labkurset utførast eit eksperiment kor den molare massen til eit ukjend stoff finnast ved hjelp av tettheten til stoffet i gassform. I dette eksperimentet brukar ein to av fasane til det ukjende stoffet. Gje ei oversikt over dei tre fasane eit stoff kan ha, og knytt desse opp mot eigenskapa form, volum og kinetisk energi. c) Acetonitril kan metaboliserast til cyanid og er difor giftig i store mengder. Ta utgangspunkt i det du har lært i labkurset, og forklar korleis du vil gjere ei kvantitativ analyse for å finne ut om ein person er blitt utsett for store mengder acetonitril. Oppgje bakgrunn for forsøket og kva slags eksperimentell metode du velger. Gje også ei oversikt over dei eksperimentelle stega i analysen din. d) I eksperimentet i oppgåve b) varmes den ukjende prøva opp i eit bad med kokande vatn til alt stoff er i gassform, før prøva kjølast ned og den molare massen til stoffet reknast ut. Me antar at vatnet kokar ved 100 C og massen til prøva er g. Kor mykje varme blir gjeve til omgivnaden i avkjølingsprosessen frå koketemperaturen til ein romtemperatur på 22 C? Anta me veit at den ukjende prøva er acetonitril. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 10

11 Det periodiske system UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 11