EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. Kl. 10:00

Transkript

1 Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: KJE-1001 Introduksjon til kjemi og kjemisk biologi Dato: Fredag 14.desember 2018 Klokkeslett: 09:00-15:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: Administrajonsbygget: Auditorium maximum B154 K1.04 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: Telefon/mobil: Rute 15 Bjørn Olav Brandsdal Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. Kl. 10:00 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 14.desember 2018 Klokkeslett: 09:00-15:00 Stad: Lovlege hjelpemiddel: Administrajonsbygget: Auditorium maximum B154 K1.04 Kalkulator «Huskelapp» - A4 ark med skrift på begge sider Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Rute 15 Kontaktperson under eksamen: Telefon/mobil: Bjørn Olav Brandsdal Skal det gåast trøysterunde i eksamenslokalet? Svar: JA / Nei Hvis JA: ca. kl. NB! Det er ikkje lov å levere inn kladd saman med svaret. Om den likevel leverast inn, vil kladden verte halden attende 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 Lewisstruktur for følgende forbindelser: H " O, H " CO, HCOOH, NO ( ', SF + b) Forklar kort hva som menes med resonansstruktur og resonanshybrid. For hvert av molekylene i a) avgjør om det fins resonansstrukturer, tegn disse og angi hvilken som er mest stabil. c) Fyll i det som mangler i tabellen for i)-v). Hybrid type Elektronparenes geometri i) lineær sp 3 ii) iii) trigonal bipyramidal iv) oktaedrisk sp 2 v) Oppgave 2 (Teller 10 av 100 poeng) a) Hvilket av disse settene med kvantetall er ikke mulig? Begrunn svaret. n l ml ms A) /2 B) /2 C) /2 D) /2 E) /2 b) Skriv elektronstruktur for grunnstoffet Na. Angi kvantetallene for valenselektronet til Na. 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 Lewisstruktur for følgjande molekyl/ion: H " O, H " CO, HCOOH, NO ( ', SF + b) Forklar kort kva som vert meint med resonansstruktur og resonanshybrid. For kvart av molekyla/ion i a) avgjer om det finst resonansstrukturar, teikn desse og angje kva for ein som er mest stabil. c) Fyll i det som manglar i tabellen for i)-v). Hybrid type Elektronparenes geometri i) lineær sp 3 ii) iii) trigonal bipyramidal iv) oktaedrisk sp 2 v) Oppgåve 2 (Tel 10 av 100 poeng) a) Kva for eit av desse setta med kvantetall er ikkje mogleg? Grunngje svaret. n l ml ms A) /2 B) /2 C) /2 D) /2 E) /2 b) Skriv elektronstruktur for grunnstoffet Na. Angje kvantetala for valenselektronet til Na. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 4

5 Oppgave 3 (Teller 15 av 100 poeng) Reaksjonsligning for dannelse av ammoniakk fra hydrogengass og nitrogengass er: 3 H " (g) + N " (g) 2 NH ' (g) Likevektskonstanten Kc for reaksjonen er 2,69 x 10 8 ved 300 K. På et bestemt tidspunkt har vi følgende partialtrykk: 0,15 atm for nitrogen, 0,02 atm for hydrogen og 0,73 atm for ammoniakk. a) Bestem om systemet er i likevekt. Begrunn svaret. b) Når vi øker temperatur til 400 K vil Kc for dannelse av ammoniakk synke til 3,94 x Er dannelse av ammoniakk en endoterm eller en eksoterm reaksjon? Forklar med hjelp av Le Châteliers prinsipp. c) Regn ut likevektskonstanten Kc for følgende reaksjon ved 300 K: NH ' (g) 3 2 H " (g) N " (g) Oppgave 4 (Teller 15 av 100 poeng) Ta utgangspunkt i reaksjonen: 2 NO (g) + Br2 (g) à 2 NOBr (g) For denne reaksjonen viser tabell 1 målte starthastigheter ved ulike startkonsentrasjoner ved 273 K. Tabell 1: Starthastighetene målt ved de ulike startkonsentrasjoner (273 K) Eksperiment [NO], M [Br2], M Starthastighet, M/s 1 4, , , , , ,07 3 8, , ,14 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 5

6 Oppgåve 3 (Tel 15 av 100 poeng) Reaksjonslikning for danning av ammoniakk frå hydrogengass og nitrogengass er: 3 H " (g) + N " (g) 2 NH ' (g) Jamvektskonstanten Kc for reaksjonen er 2,69 x 10 8 ved 300 K. På eit bestemt tidspunkt har vi følgjande partialtrykk: 0,15 atm for nitrogen, 0,02 atm for hydrogen og 0,73 atm for ammoniakk. a) Avgjer om systemet er i jamvekt. Grunngje svaret. b) Når vi aukar temperatur til 400 K vil Kc for danning av ammoniakk gå ned til 3,94 x Er danninga av ammoniakk ein endoterm eller ein eksoterm reaksjon? Forklar med hjelp av Le Châteliers prinsipp. c) Regn ut jamvektskonstanten Kc for følgjande reaksjon ved 300 K: NH ' (g) 3 2 H " (g) N " (g) Oppgåve 4 (Tel 15 av 100 poeng) Ta utgangspunkt i reaksjonen: 2 NO (g) + Br2 (g) à 2 NOBr (g) For denne reaksjonen viser tabell 1 målte starthastigheiter ved ulike startkonsentrasjonar ved 273 K. Tabell 1: Starthastigheitene målt ved dei ulike startkonsentrasjonar (273 K) Eksperiment [NO], M [Br2], M Starthastigheit, M/s 1 4, , , , , ,07 3 8, , ,14 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 6

7 a) Uttrykk hastigheten for reaksjonen ved endring i konsentrasjon for hver av reaktantene og produktene. b) Bestem reaksjonsorden for hver reaktant og total reaksjonsorden. Gi en kort forklaring. c) Regn ut hastighetskonstanten. Oppgave 5 (Teller 15 av 100 poeng) a) I en erlenmeyerkolbe er det 0,1 L 0,100 M HCl. Bromtymolblått er gult under ph 6 og blått over ph 7,6. Blir løsningen gul, grønn eller blå? Regn ut ph for å finne svaret. b) Med en byrette tilsettes 0,05 L 0,2 M NaOH til løsningen i a). Sett opp en reaksjonsligning og bestem den endelige ph-verdien. Hvilken farge får løsningen hvis indikatoren bromtymolblått er brukt? c) En alternativ måte å titrere på er det som kalles kronopotentiometri der de to halvcelle-reaksjonene for elektrolyse av vann brukes: 2H2O + 2e H2(g) + 2OH 2H + + 2e H2(g) En strøm (I) på 1 ampere (C/s) går igjennom kretsen. Hvor lenge (t) må strømmen stå på for å nøytralisere syreløsningen i a)? F=96500 C/mol. Z er antall elektroner for reaksjonen. n = 9 I t F z? UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 7

8 a) Uttrykk hastigheita for reaksjonen ved endring i konsentrasjon for kvar av reaktantane og produktane. b) Finn reaksjonsorden for kvar reaktant og total reaksjonsorden. Gje ei kort forklaring. c) Rekn ut hastigheitskonstanten. Oppgåve 5 (Tel 15 av 100 poeng) a) I ein erlenmeyerkolbe er det 0,1 L 0,100 M HCl. Bromtymolblått er gult under ph 6 og blått over ph 7,6. Vert løysinga gul, grøn eller blå? Rekn ut ph for å finne svaret. b) Med ein byrette vert 0,05 L 0,2 M NaOH tilsett løysinga i a). Set opp ei reaksjonslikning og finn den endelige ph-verdien. Kva for farge får løysinga dersom indikatoren bromtymolblått er brukt? c) Ein alternativ måte å titrera på er det som vert kalla kronopotentiometri der dei to halvcelle-reaksjonane for elektrolyse av vatn brukast: 2H2O + 2e H2(g) + 2OH 2H + + 2e H2(g) Ein straum (I) på 1 ampere (C/s) går igjennom kretsen. Kor lenge (t) må straumen stå på for å nøytralisera syreløysinga i a)? F=96500 C/mol. Z er talet på elektronar for reaksjonen. n = 9 I t F z? UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 8

9 Oppgave 6 (Teller 10 av 100 poeng) I kampen mot antibiotikaresistens gjorde forskere ved UiT Norges arktiske universitet et forsøk på å lage en inhibitor (et stoff som motvirker katalyse) mot et antibiotikaresistens-enzym. Inhibitoren er negativt ladet og interagerer med sidekjedene til aminosyrerne Arg250, Thr209, Ser118, Leu247 og Tyr211 gjennom ulike intermolekylære krefter. a) Angi intermolekylære krefter som virker mellom inhibitoren og sidekjedene? Inkluder navn på sidekjede og kraft, f.eks. Lys999 ionebinding. (Ikke alle er markert med stiplete linjer.) b) For bindingen av inhibitor kan man sette opp et likevektsuttrykk for assosieringen E + I EI der E er enzym og I er inhibitor: K= [AB] [A][B] K for dette systemet ble eksperimentelt bestemt til Regn ut fri energi ( G) ved romtemperatur og avgjør om assosieringen er spontan eller ikke. R=8.314 J/(molK) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 9

10 Oppgåve 6 (Tel 10 av 100 poeng) I kampen mot antibiotikaresistens gjorde forskarar ved UiT Norges arktiske universitet eit forsøk på å lage ein inhibitor (eit stoff som motverker katalyse) mot eit antibiotikaresistens-enzym. Inhibitoren er negativt ladt og interagerer med sidekjedene til aminosyrerne Arg250, Thr209, Ser118, Leu247 og Tyr211 gjennom ulike intermolekylære krefter. a) Angje intermolekylære krefter som verkar mellom inhibitoren og sidekjedene? Inkluder namn på sidekjede og kraft, t.d. Lys999 ionebinding. (Ikkje alle er markert med stipla linjer.) b) For bindingen av inhibitor kan man sette opp eit jamvektsuttrykk for assosieringa E + I EI der E er enzym og I er inhibitor: K= [AB] [A][B] K for dette systemet blei eksperimentelt bestemt til Rekn ut fri energi ( G) ved romtemperatur og avgjer om assosieringen er spontan eller ikkje. R=8.314 J/(molK) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 10

11 Oppgave 7 (Teller 20 av 100 poeng) Enkelte steder i Norge hvor man benytter seg av grunnvann som vannkilde så kan kalkholdig berggrunn gi høye konsentrasjoner av kalsium (Ca) i vannet. Konsentrasjonen av kalsium i vannet angir hva slags «hardhet» det har, der hardt vann inneholder store mengder kalsium. Dette vises som et hvitt belegg på glass, kjeler og oppvaskmaskiner og består av kalsiumkarbonat (kjelstein, CaCO 3 ) som kan føre til energitap og skade på elektrisk utstyr. Du har tatt en vannprøve på 200 ml fra vasken din hjemme. Prøven har du tatt med til laben for å gjennomføre en gravimetrisk analyse for å bestemme konsentrasjonen av kalsium i drikkevannet. Kalsium felles ut med oksalat (C 2 O 2-4 ) og antennes for å gi kalsiumoksid (CaO) etter følgende reaksjonslikninger Ca "H (aq) + C " O "( K (aq) CaC " O K (s) CaC " O K (s) CaO(s) + CO(g) + CO " (g) Presipitatet filtreres, vaskes og veies i en tom digel (26,6002 g) og massen til digel med CaO er målt til 26,6268 g. a) Gi en kort definisjon av kvantitativ og kvalitativ analyse. Hvilke egenskaper må et produkt ha for å kunne brukes i en gravimetrisk analyse? b) Bruk informasjonen oppgitt i teksten ovenfor og bestem massen med kalsium (Ca) i vannprøven. Beregn deretter konsentrasjonen i g/l og bestem ut fra tabellen nedenfor hardhetsklassen til springvannet. Hardhetsklasse Konsentrasjon Ca (g/l) Meget bløtt vann 0-0,015 Bløtt vann 0,015-0,035 Middels hardt vann 0,035-0,070 Hardt vann 0,070-0,150 Meget hardt vann > 0,150 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 11

12 Oppgåve 7 (Tel 20 av 100 poeng) Enkelte stadar i Noreg kor ein nyttar seg av grunnvatn som vasskjelde så kan kalkholdig berggrunn gje høge konsentrasjonar av kalsium (Ca) i vatnet. Konsentrasjonen av kalsium i vatnet angjev kva slags «hardleik» det har, der hardt vatn inneheld store mengder kalsium. Dette vert vist som eit kvitt belegg på glas, kjelar og oppvaskmaskiner og består av kalsiumkarbonat (kjelstein, CaCO 3 ) som kan føra til energitap og skada på elektrisk utstyr. Du har teke ei vassprøve på 200 ml frå vasken din heime. Prøva har du teke med til laben for å gjennomføra ein gravimetrisk analyse for å finne konsentrasjonen av kalsium i drikkevatnet. Kalsium vert felt ut med oksalat (C 2 O 2-4 og antennas for å gje kalsiumoksid (CaO) etter følgjande reaksjonslikningar Ca "H (aq) + C " O "( K (aq) CaC " O K (s) CaC " O K (s) CaO(s) + CO(g) + CO " (g) Presipitatet vert filtreret, vaska og vege i ein tom digel (26,6002 g) og massen til digel med CaO er målt til 26,6268 g. a) Gje ein kort definisjon av kvantitativ og kvalitativ analyse. Kva for eigenskapar må eit produkt ha for å kunna brukast i ein gravimetrisk analyse? b) Bruk informasjonen oppgjeve i teksta ovanfor og finn massen med kalsium (Ca) i vassprøva. Berekn deretter konsentrasjonen i g/l og avgjer ut frå tabellen nedanfor hardleiksklassa til springvatnet. Hardleiksklasse Konsentrasjon Ca (g/l) Meget bløtt vann 0-0,015 Bløtt vann 0,015-0,035 Middels hardt vann 0,035-0,070 Hardt vann 0,070-0,150 Meget hardt vann > 0,150 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 12

13 c) Kalsiumoksid (CaO) er også kjent som brent kalk og når det reagerer med vann så dannes det kalsiumhydroksid etter følgende reaksjonslikning. CaO(s) + H " O(l) Ca(OH) " På laben så ble det utført en titrering for å bestemme løselighetsproduktkonstanten (K sp ) for kalsiumhydroksid (Ca(OH) 2 ) for deretter å bestemme termodynamiske konstanter. ΔG ble på laben bestemt til ΔG = 31 kj/mol ved 25 C. Anta at vi løser massen med kalsiumoksid (CaO) ovenfor i 200 ml vann, med temperatur på 25 C, og at alt reagerer for å danne kalsiumhydroksid (Ca(OH) 2 ). Bruk likningen nedenfor for å bestemme om systemet er i likevekt hvis alt av kalsiumhydroksid (Ca(OH) 2 ) løses opp når vannet er tilsatt. Hvilken retning vil reaksjonen gå mot? G = G + RTlnQ d) Reaksjonen mellom kalsiumoksid (CaO) og vann er eksoterm og benyttes blant annet som en bærbar varmekilde for å varme mat eller koke vann uten en åpen flamme. Beregn mengden energi i kj som kreves for å koke opp 0,500 kg vann fra 25 C. Den spesifikke varmekapasiteten til vann er C = 4190 J/(kg* C). Bruk deretter oppgitt termodynamisk data til å beregne hvor mange gram kalsiumoksid som må reagere for å koke opp vannet. Vi antar konstant trykk. ΔH = mc T ΔH (kj/mol) CaO (s) -635 Ca(OH) 2 (s) -987 H 2 O (l) -286 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 13

14 c) Kalsiumoksid (CaO) er òg kjent som brunnen kalk og når det reagerer med vatn så dannast det kalsiumhydroksidet etter følgjande reaksjonslikning CaO(s) + H " O(l) Ca(OH) " På laben vart det utført ein titrering for å finne løyselegheitsproduktkonstanten (K sp ) for kalsiumhydroksid (Ca(OH) 2 ) for deretter å finne termodynamiske konstantar. ΔG vart på laben bestemt til ΔG = 31 kj/målte ved 25 C. Anta at vi løyser massen med kalsiumoksid (CaO) ovanfor i 200 ml vatn, med temperatur på 25 C, og at alt reagerer for å danna kalsiumhydroksid (Ca(OH) 2 ). Bruk likninga nedanfor for å avgjera om systemet er i likevekt viss alt av kalsiumhydroksid (Ca(OH) 2 ) løysast opp når vatnet er tilsett. Kva for ei retning vil reaksjonen gå mot? G = G + RTlnQ d) Reaksjonen mellom kalsiumoksid (CaO) og vann er eksoterm og vert nytta blant anna som ei berbar varmekjelde for å varma mat eller koka vatn utan ein open flamma. Rekn ut mengda energi i kj som går med for å koka opp 0,500 kg vatn frå 25 C. Den spesifikke varmekapasiteten til vatn er C = 4190 J/(kg C). Bruk deretter oppgitt termodynamisk data til å rekne ut kor mange gram kalsiumoksid som må reagera for å koka opp vatnet. Vi antek konstant trykk. ΔH = mc T ΔH (kj/mol) CaO (s) -635 Ca(OH) 2 (s) -987 H 2 O (l) -286 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 14

15 Det periodiske systemet UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / / postmottak@uit.no / uit.no 15