Eksamensoppgave i TMT4110 Kjemi

Transkript

1 Side 1 av 10 Institutt fr materialteknlgi Eksamensppgave i TMT4110 Kjemi Faglig kntakt under eksamen: Førsteamanuensis Hilde Lea Lein Tlf.: Eksamensdat: 7. juni 2014 Eksamenstid (fra-til): 09:00-13:00 Hjelpemiddelkde/Tillatte hjelpemidler: C Bestemt, enkel kalkulatr, med tmt minne. Aylward & Findlay: SI Chemical Data Annen infrmasjn: Nynrsk utgave side Målfrm/språk: Bkmål Antall sider: 5 inkludert frside g frmelliste Antall sider vedlegg: - Kntrllert av: Dat Sign Merk! Studenter finner sensur i Studentweb. Har du spørsmål m din sensur må du kntakte instituttet ditt. Eksamenskntret vil ikke kunne svare på slike spørsmål.

2 Side 2 av 10 Oppgave 1 (14%) a) Metallisk titan blir framstilt ved Krll-prsessen. Dette gjøres da i t trinn: Først blir titantetraklrid (TiCl 4 ) framstilt fra rutil (TiO 2 ) eller ilmenitt (FeTiO 3 ) ved 900 C i følge reaksjnene: eller TiO 2 (s) + 2 Cl 2 (g) + 2 C(s) TiCl 4 (g) + 2 CO(g) (1) 2 FeTiO 3 (s) + 7 Cl 2 (g) + 6 C(s) 2 TiCl 4 (g) + 2 FeCl 3 (g) + 6 CO(g) (2) g titantetraklridet blir destillert ut fra de andre flyktige kmpnentene. Deretter blir metallisk titan fremstilt ved 800 C i følge reaksjnen 2Mg(l) + TiCl 4 (g) 2MgCl 2 (l) + Ti(s) (3) Vi antar her at vi starter med rutil sm utgangsstff, g prsessen består da av reaksjn (1) g (3). Er disse reaksjnene eksterme eller endterme? Anta standardtilstand. Hvilken av disse reaksjnene krever/frigjør mest varme? Gitt følgende tilleggsdata: Frbindelse ΔH (kj/ml) S (J/Kml) TiCl 4 (g) Mg (l) 9 43 MgCl 2 (l) b) Ta utgangspunkt i siste trinnet av prsessen; reaksjn (3). Beregn likevektsknstanten ved 800 C. Gjør rede fr eventuelle tilnærminger g/eller antagelser. c) Fr å få størst utbytte av metallisk titan; hvilke prsessbetingelser ville du brukt under fremstillingen? d) Hvrfr er metallisk titan et viktig prdukt? (Hvilke egenskaper fr metallet er ettertraktet?) Oppgave 2 (27%) a) Hvr mange gram sølvacetat (CH 3 COOAg) vil maksimalt kunne løses i 2.00 L rent vann? Se brt fra utfelling av AgOH eller andre bi-reaksjner. b) Beregn ph i en slik mettet løsning av sølvacetat. Anta frtsatt ingen bi-reaksjner. c) Løsningen i b) tilsettes NaCl(s). Vil ph i løsningen øke, være uendret eller minke? Begrunn svaret uten å gjøre nen beregninger.

3 Side 3 av 10 d) 300 ml av løsningen i b) tas ut, g det tilsettes 200 ml av 0,100 M eddiksyre (CH 3 COOH) før hele blandingen blir frtynnet til 800 ml. Det ppnås dermed en buffer. i) Hva kjennetegner en buffer? ii) Hva er ph i denne bufferen sm her er laget? iii) Hvrdan kunne du laget en buffer med større bufferkapasiet? e) På lab en gjrde dere en titreranalyse av en svak syre fr å bestemme mengden av syre utlevert. i) Skisser enkelt ppsettet av titreranalysen. Nter hva du har i hhv byrette g erlenmeyerklbe. ii) Før titrering av syra måtte basen standardiseres. Hvrfr? iii) Basen din har en knsentrasjn på 0,1034 M. Den svake syren er eddiksyre sm du har pipetert ut 25 ml av, g du bruker 28,54 ml av basen før du kmmer til ekvivalenspunktet. Bestem knsentrasjnen av den pprinnelige syren. iv) Beregn ph i ekvivalenspunktet g angi en egnet indikatr v) Hvrfr er det viktig å bruke CO 2 -fritt vann i en slik analyse? Oppgave 3 (28%) a) Gitt følgende halvreaksjner: Cr 2 O 7 2- Cr 3+ Zn Zn 2+ Angi balansert ttalreaksjn i sur løsning. Ta med endring i ksidasjnstall g vis balanseringen trinnvis. b) Skisser en galvanisk celle hvr disse t halvreaksjnene i a) fregår i hvert sitt kammer. Angi hvilke reaksjner sm fregår på hhv ande g katde, angi elektrdematerialer g hvilke iner sm er i hvilke løsninger. c) Beregn standard celleptensial fr den galvaniske cella (T = 25 C), g frklar elektrn- g inebevegelse dersm alle knsentrasjner er i standardtilstand. d) Beregn reelt celleptensial dersm [Cr 2 O 7 2- ] = 0.6 M, [Cr 3+ ] = 0.6 M g [Zn 2+ ] = 0.9 M. ph = 2 i kammeret fr første halvreaksjn i a) g T = 25 C. e) Hva definerer likevekt fr en galvanisk celle? Hva er likevektsknstanten fr denne galvaniske cella sm er skissert i ppgave b)? (Oppgi tallet på ln- eller lg-frm m nødvendig). Kmmenter verdien. Hvrdan er likevekten frskjøvet? f) Fra et HMS-ståsted: Hvrfr skal man være ekstra på vakt ved prsesser hvr krm er invlvert? g) Frklar krt frskjellen på et tørr-batteri g en brenselscelle.

4 Side 4 av 10 Oppgave 4 (31%) a) Tegn Lewis-strukturen g angi mlekylstrukturen til aninet ICl 4 -. Begrunn svaret. b) Bruk frmell ladning til å angi den mest stabile Lewis-strukturen til XeO 3. Angi alle resnans-frmene i den stabile strukturen. Hvrdan er bindingslengdene til de tre Xe-Obindingene relativt til hverandre g relativt til rene enkelt- g dbbeltbindinger? Angi mlekylstrukturen til mlekylet. c) Likevekten mellm vann g is H 2 O(l) = H 2 O(s) er innstilt ved 0 0 C. Begrunn hva sm skjer dersm vi øker trykket. Hva skyldes denne ppførselen hs vann? Vil du vente at tilsvarende skjer generelt fr faste stffer? Ved 0 0 C er tettheten av flytende vann: ρ[h 2 O(l)] = 1.00 g/cm 3, g fr is: ρ[h 2 O(s)] = 0.92 g/cm 3. d) Gi strukturfrmel g navn fr en syre g en ester sm begge har frmelen C 3 H 6 O 2. Tegn gså en alkhl med samme frmel. e) Gi ett eksempel på en kndensasjnsreaksjn sm gir en plymer. Hvrfr må man ha t funksjnelle grupper på hver av mnmerene? Hvrdan vil du frvente at entrpien endres ved en slik plymerisasjnsreaksjn? f) i) Angi elektrnknfigurasjnen til S g S 2-. Hvilken av disse vil du anta er mest stabil? ii) Hvrdan er den peridiske trenden fr inestørrelser? iii) Hva er elektrnegativitet g hvrdan varierer denne i det peridiske system? iv) Utfra elekrnegativitet; angi én frbindelse sm er 100% kvalent, én sm er plar kvalent g én sm er inisk.

5 Side 5 av 10 FORMEL KOMMENTAR PV = nrt Ideell gass Pi = ni RT/V ( PT = Pi ) Partialtrykk av i i C = q / T Varmekapasitet E = q + w H = E + PV H = q p Endring i indre energi Entalpi Knstant P. Bare vlumarb. H = H ( prdukter) - H (reaktanter) Husk støkimetriske keffisienter f f H T = H CP T C p knstant K 2 H 1 1 H g S knstant ln = - K1 R T1 T2 dqrev Entrpiendring ds = T T C p knstant ST = S298 + CP ln 298,15 G = H - TS Gibbs energi. Fri energi. G = H - TS Endring i fri energi ved knstant T G T = H TS 298 C p 0 Reaksjnskvtient, Q G = G + RT ln Q G = G + RT ln a Aktivitet (relativ), a G = - RT ln K Likevektsknstant, K G = - nfe Celleptensial, E Q = It = nef Elektrisk ladning RT 0,0592 Nernsts ligning E = E - lnq= E - lg Q, 25 C nf n R = 8, (15) J K -1 ml -1 Gassknstanten R = 0, (15) L atm K -1 ml -1 R = 82,05746 (15) cm 3 atm K -1 ml -1

6 Side 6 av 10 Institutt fr materialteknlgi Eksamensppgåve i TMT4110 Kjemi Fagleg kntakt under eksamen: Førsteamanuensis Hilde Lea Lein Tlf.: Eksamensdat: 7. juni 2014 Eksamenstid (frå-til): 09:00-13:00 Hjelpemiddelkde/Tillatne hjelpemiddel: C Bestemt, enkel kalkulatr, med tmt minne. Aylward & Findlay: SI Chemical Data Annan infrmasjn: Bkmål utgåve side 1-5 Målfrm/språk: Nynrsk Sidetal: 5 (side 6-10) inkludert frside g frmelliste Sidetal vedlegg: - Kntrllert av: Dat Sign Merk! Studentane finn sensur i Studentweb. Har du spørsmål m sensuren må du kntakte instituttet ditt. Eksamenskntret vil ikkje kunne svare på slike spørsmål.

7 Side 7 av 10 Oppgåve 1 (14%) a) Metallisk titan blir framstilt ved å bruke Krll-prsessen. Dette gjerast i t trinn: Først blir titantetraklrid (TiCl 4 ) framstilt frå rutil (TiO 2 ) eller ilmenitt (FeTiO 3 ) ved 900 C i følgje reaksjnane: eller TiO 2 (s) + 2 Cl 2 (g) + 2 C(s) TiCl 4 (g) + 2 CO(g) (1) 2 FeTiO 3 (s) + 7 Cl 2 (g) + 6 C(s) 2 TiCl 4 (g) + 2 FeCl 3 (g) + 6 CO(g) (2) g titantetraklridet blir destillert ut frå dei andre flyktige kmpnentane. Deretter blir metallisk titan framstilt ved 800 C i følgje reaksjnen 2Mg(l) + TiCl 4 (g) 2MgCl 2 (l) + Ti(s) (3) Vi går ut ifrå at vi startar med rutil sm utgangsstff, g prsessen er då samansett av reaksjn (1) g (3). Er desse reaksjnane eksterme eller endterme? Gå ut ifrå standardtilstand. Kva fr ein av desse reaksjnane krev/frigjer mest varme? Gitt følgjande tilleggsdata: Sambinding ΔH (kj/ml) S (J/Kml) TiCl 4 (g) Mg (l) 9 43 MgCl 2 (l) b) Ta utgangspunkt i siste trinnet av prsessen; reaksjn (3). Rekn ut likevektsknstanten ved 800 C. Gjer reie fr eventuelle tilnærmingar g/eller føresetnader. c) Fr å få størst utbytte av metallisk titan; kva fr prsessvilkår ville du brukt under framstillinga? d) Kvifr er metallisk titan eit viktig prdukt? (Kva fr eigenskapar fr metallet er ettertrakta?) Oppgåve 2 (27%) a) Kr mange gram sølvacetat (CH 3 COOAg) vil maksimalt kunne løysast i 2.00 L reint vatn? Sjå brt frå utfelling av AgOH eller andre sidereaksjnar. b) Rekn ut ph i ei slik metta løysning av sølvacetat. Gå ut ifrå at det framleis ikkje er nkre sidereaksjnar. c) Løysninga i b) blir tilsett NaCl(s). Vil ph i løysninga auke, vere uendra eller minke? Grunngi svaret utan å gjere nkre utrekningar.

8 Side 8 av 10 d) 300 ml av løysninga i b) blir teke ut, g det blir tilsett 200 ml av 0,100 M eddiksyre (CH 3 COOH) før heile blandinga blir tynna ut til 800 ml. Det blir dermed ppnådd ein buffer. i) Kva kjenneteiknar ein buffer? ii) Kva er ph i denne bufferen sm er laga her? iii) Krleis kunne du laga ein buffer med større bufferkapasiet? e) På lab en gjrde dykk ein titreranalyse av ei svak syre fr å finne mengda av syre utlevert. i) Skisser enkelt ppsettet av titreranalysen. Nter kva du har i hhv byrette g erlenmeyerklbe. ii) Før titrering av syra måtte basen standardiserast. Kvifr? iii) Basen din har ein knsentrasjn på 0,1034 M. Den svake syra er eddiksyre sm du har pipetert ut 25 ml av, g du bruker 28,54 ml av basen før du kjem til likevektspunktet. Rekn ut knsentrasjnen av den pphavlege syra. iv) Rekn ut ph i likevektspunktet g gi ein egna indikatr v) Kvifr er det viktig å bruke CO 2 -fritt vatn i ei slik analyse? Oppgåve 3 (28%) a) Gjeve følgjande halvreaksjnar: Cr 2 O 7 2- Cr 3+ Zn Zn 2+ Gi ein balansert ttalreaksjn i sur løysning. Ta med endring i ksidasjnstal g vis balanseringa trinnvis. b) Skisser ei galvanisk celle kr desse t halvreaksjnane i a) skjer i kvart sitt kammer. Skriv kva fr reaksjnar sm skjer på hhv ande g katde, skriv kva elektrdemateriale er g kva fr inar sm er i dei ulike løysningane. c) Rekn ut standard celleptensial fr den galvaniske cella (T = 25 C), g frklar elektrn- g inerørsla dersm alle knsentrasjnar er i standardtilstand. d) Rekn ut reelt celleptensial dersm [Cr 2 O 7 2- ] = 0.6 M, [Cr 3+ ] = 0.6 M g [Zn 2+ ] = 0.9 M. ph = 2 i kammeret fr første halvreaksjn i a) g T = 25 C. e) Kva definerer likevekt fr ei galvanisk celle? Kva er likevektsknstanten fr denne galvaniske cella sm er skissert i ppgåve b)? (Gi talet på ln- eller lg-frm m nødvendig). Kmmenter verdien. Krleis er likevekta frskyvd? f) Frå eit HMS-utgangspunkt: Kvifr skal ein vere ekstra på vakt ved tilfelle kr krm er invlvert? g) Frklar krt skilnaden på eit tørr-batteri g ei brenselscelle.

9 Side 9 av 10 Oppgåve 4 (31%) a) Teikn Lewis-strukturen g gi mlekylstrukturen til aninet ICl 4 -. Grunngi svaret. b) Bruk frmell ladning til å gi den mest stabile Lewis-strukturen til XeO 3. Gi alle resnansfrmane i den stabile strukturen. Krleis er bindingslengda til dei tre Xe-O-bindingane relativt til kvarandre g relativt til reine enkelt- g dbbeltbindingar? Gi mlekylstrukturen til mlekylet. c) Likevekta mellm vatn g is H 2 O(l) = H 2 O(s) er innstilt ved 0 0 C. Grunngi kva sm skjer dersm vi aukar trykket. Kva er skuld i denne åtferda til vatn? Vil du vente at tilsvarande skjer generelt fr faste stff? Ved 0 0 C er tettleiken av flytande vatn: ρ[h 2 O(l)] = 1.00 g/cm 3, g fr is: ρ[h 2 O(s)] = 0.92 g/cm 3. d) Gi strukturfrmel g namn fr ei syre g ein ester sm begge har frmelen C 3 H 6 O 2. Teikn gså ein alkhl med same frmel. e) Gi eit døme på ein kndensasjnsreaksjn sm gir ein plymer. Kvifr må ein ha t funksjnelle grupper på kvar av mnmerane? Krleis vil du frvente at entrpien blir endra ved ein slik plymerisasjnsreaksjn? f) i) Gi elektrnknfigurasjnen til S g S 2-. Kva fr ein av desse vil du tru er mest stabil? ii) Krleis er den peridiske trenden fr inestrleikar? iii) Kva er elektrnegativitet g krleis varierer denne i det peridiske systemet? Ut ifrå elekrnegativitet; gi ei sambinding sm er 100% kvalent, ei sm er plar kvalent g ei sm er inisk.

10 Side 10 av 10 FORMEL KOMMENTAR PV = nrt Ideell gass Pi = ni RT/V ( PT = Pi ) Partialtrykk av i i C = q / T Varmekapasitet E = q + w H = E + PV H = q p Endring i indre energi Entalpi Knstant P. Bare vlumarb. H = H ( prdukter) - H (reaktanter) Husk støkimetriske keffisientar H T f f = H C T C p knstant K 2 H 1 1 ln = - K1 R T1 T2 dqrev ds = T T ST = S298 + CP ln 298,15 G = H - TS G = H - TS G T = H TS 298 G = G + RT ln Q G = G + RT ln a P H g S knstant Entrpiendring C p knstant Gibbs energi. Fri energi. Endring i fri energi ved knstant T C p 0 Reaksjnskvtient, Q Aktivitet (relativ), a G = - RT ln K Likevektsknstant, K G = - nfe Celleptensial, E Q = It = nef Elektrisk ladning RT 0,0592 Nernsts likning E = E - lnq= E - lg Q, 25 C nf n R = 8, (15) J K -1 ml -1 Gassknstanten R = 0, (15) L atm K -1 ml -1 R = 82,05746 (15) cm 3 atm K -1 ml -1