LØSNINGSFORSLAG. Faglig kontakt under eksamen: Førsteamanuensis Hilde Lea Lein Tlf.:

Transkript

1 Side 1 av 15 Institutt for materialteknologi Eksamensoppgave i TMT4110 Kjemi LØSNINGSFORSLAG Faglig kontakt under eksamen: Førsteamanuensis Hilde Lea Lein Tlf.: Eksamensdato: 7. juni 014 Eksamenstid (fra-til): 09:00-13:00 Hjelpemiddelkode/Tillatte hjelpemidler: C Bestemt, enkel kalkulator, med tomt minne. Aylward & Findlay: SI Chemical Data Annen informasjon: Nynorsk utgave side Målform/språk: Bokmål Antall sider: 5 inkludert forside og formelliste Antall sider vedlegg: - Kontrollert av: Dato Sign Merk! Studenter finner sensur i Studentweb. Har du spørsmål om din sensur må du kontakte instituttet ditt. Eksamenskontoret vil ikke kunne svare på slike spørsmål.

2 Side av 15 Oppgave 1 (14%) a) Metallisk titan blir framstilt ved Kroll-prosessen. Dette gjøres da i to trinn: Først blir titantetraklorid (TiCl 4 ) framstilt fra rutil (TiO ) eller ilmenitt (FeTiO 3 ) ved 900 C i følge reaksjonene: eller TiO (s) + Cl (g) + C(s) TiCl 4 (g) + CO(g) (1) FeTiO 3 (s) + 7 Cl (g) + 6 C(s) TiCl 4 (g) + FeCl 3 (g) + 6 CO(g) () og titantetrakloridet blir destillert ut fra de andre flyktige komponentene. Deretter blir metallisk titan fremstilt ved 800 C i følge reaksjonen Mg(l) + TiCl 4 (g) MgCl (l) + Ti(s) (3) Vi antar her at vi starter med rutil som utgangsstoff, og prosessen består da av reaksjon (1) og (3). Er disse reaksjonene eksoterme eller endoterme? Anta standardtilstand. Hvilken av disse reaksjonene krever/frigjør mest varme? Gitt følgende tilleggsdata: Forbindelse ΔH (kj/mol) S (J/Kmol) TiCl 4 (g) Mg (l) 9 43 MgCl (l) Rx 1): ΔH I = ΔH (TiCl 4 ) + ΔH (CO) - ΔH (TiO ) - ΔH (Cl ) - ΔH (C) = -763 kj 111kJ (-944kJ) 0 0 = -41kJ Rx 3): ΔH III = ΔH (MgCl ) + ΔH (Ti) - ΔH (Mg) - ΔH ( TiCl 4 ) = (-601)kJ + 0 9kJ (-763kJ) = -457 kj Begge reaksjonene er eksoterme og frigjør varme. Reaksjon 3 frigjør veldig mye mer varme (pr mengdeenhet TiCl 4 ); mer enn 10x så mye. b) Ta utgangspunkt i siste trinnet av prosessen; reaksjon (3). Beregn likevektskonstanten ved 800 C. Gjør rede for eventuelle tilnærminger og/eller antagelser. Rx 3): ΔS III = S (MgCl ) + S (Ti) - S (Mg) - S ( TiCl 4 ) = 34 J/K + 31 J/K 43 J/K 355 J/K = 58 J/K

3 Side 3 av 15 ΔG = ΔG + RT ln Q v/lv: ΔG = 0 og Q=K => ΔG = ΔG + RT ln K = 0 => ΔG = - RT ln K = ΔH - TΔS => ln K = -( ΔH - TΔS )/RT = -( J 1073K 58J/K)/(8,31451J/K 1073K) = 58, => K = 1, Antar at ΔH og ΔS er uavhengige av temp og konstant i hele temperaturintervallet. c) For å få størst utbytte av metallisk titan; hvilke prosessbetingelser ville du brukt under fremstillingen? Gassfase i reaktantene => høyt trykk vil gi LV Eksoterm rx => evt lavere temp vil gi LV (men LV er sterkt forskjøvet mot høyre allerede) => Høyt trykk og evt lavere temp (men i praksis vil man her også måtte tenke på kinetikk og reaksjonsmekanismer) Evt litt mer: Produksjon må skje i området hvor både Mg og MgCl er flytende så begrenset oppad av første til ca C og nedad av siste til ca. 770 C. I virkeligheten legger en seg så en har litt rom til begge ender. Batch prosess etc. d) Hvorfor er metallisk titan et viktig produkt? (Hvilke egenskaper for metallet er ettertraktet?) - høy styrke - høyt smeltepunkt - lav tetthet => ettertraktet hvor dette er viktig, feks i romfart - biologisk implantat pga ugiftig og utløser ikke frastøtningsrx i kroppen Evt litt mer: Type korrosjonsbestandig (tåler fortynnede syrer og baser).

4 Side 4 av 15 Oppgave (7%) a) Hvor mange gram sølvacetat (CH 3 COOAg) vil maksimalt kunne løses i.00 L rent vann? Se bort fra utfelling av AgOH eller andre bi-reaksjoner. K sp = 10-3 CH 3 COOAg(s) CH 3 COO - + Ag + før - - Δ + x + x LV x x K sp = [Ag + ][ CH 3 COO - ] = 10-3 x x = 10-3 => x = 0,0447 mol/l I L: L 0,0447 mol/l = 0,0894 mol => m = n Mm = 0,0894 mol 166,9 g/mol = 14,9 g b) Beregn ph i en slik mettet løsning av sølvacetat. Anta fortsatt ingen bi-reaksjoner. Rx: CH 3 COO - + H O CH 3 COOH + OH - evt Ac - + H O HAc + OH - pk a (HAc) = 4,76 pk b = 14 4,76 = 9,4 HAcOH 9,4 Ac 10 CH 3 COO - + H O CH 3 COOH + OH - før 0,0447 M - - Δ -x + x + x LV 0,0447-x x x HAc OH x x 10 Ac 0, 0447 x 0,0447-x 0,0447 x x 10 0, ,4 9,4

5 Side 5 av 15 x = 5, (tilnærming ok) [OH - ] = 5, poh = 5,9 ph = 14-5,9 = 8,71 c) Løsningen i b) tilsettes NaCl(s). Vil ph i løsningen øke, være uendret eller minke? Begrunn svaret uten å gjøre noen beregninger. NaCl(s) vil løses i løsningen: NaCl(s) Cl - + Na + Cl ionene vil så felle ut Ag + : Cl - + Ag + AgCl(s) da AgCl(s) er mer tungtløselig enn Ag-acetat. => [Ac - ] vil dermed øke for å opprettholde K sp. [Ag + ][ CH 3 COO - ] = konst = 10-3 => [Ac - ] er en base og dermed vil ph øke d) 300 ml av løsningen i b) tas ut, og det tilsettes 00 ml av 0,100 M eddiksyre (CH 3 COOH) før hele blandingen blir fortynnet til 800 ml. Det oppnås dermed en buffer. i) Hva kjennetegner en buffer? ii) Hva er ph i denne bufferen som her er laget? iii) Hvordan kunne du laget en buffer med større bufferkapasiet? i) svak syre (eller base) og korresponderende base (eller syre) - Kan motstå større ph-endringer ved tilsats av sterk syre eller base ved at LV forskyves og motvirker endring. ii) Kons av Ac - : 0,0447 M n Ac- = c V = 0,0447 M 300 ml = 0,0134 mol Kons av HAc: 0,100 M n Ac- = c V = 0,100 M 00 ml = 0,000 mol [HAc] og [Ac - ] i sluttvolum: [Ac - ] = n/v = 0,0134mol/800mL = 0,01675 M [HAc] = n/v = 0,000mol/800mL = 0,050 M LV: HAc H + + Ac -

6 Side 6 av 15 K a H Ac HAc H K ph = 4, 59 a HAc 10 Ac 4,76 0 0, 050 0,01675, iii) To muligheter: 1) Hatt jevnstore konentrasjonerr av syre og base ) Økt konsentrasjonn til syre og base => da ville mer sterk syre eller sterk base kunne tilsettes uten at ph endres nevneverdig. e) På lab en gjorde dere en titreranalysee av en svak syre for å bestemme mengden av syre utlevert. i) Skisser enkelt oppsette av titreranalysen. Noter hva du har i hhv byrette og erlenmeyerkolbe. ii) Før titrering av syra måtte basen standardiseres. Hvorfor? iii) Basen din har en konsentrasjon på 0,1034 M. Den svake syren er eddiksyre som du har pipetert ut 5 ml av, og du brukerr 8,54 ml av basen før du kommer til ekvivalenspunktet. Bestem konsentrasjonen av den opprinnelige syren. iv) Beregn ph i ekvivalenspunktet og angi en egnet indikator v) Hvorfor er det viktig å bruke CO -fritt vann i en slik analyse? i) ii) Vi må vite nøyaktig konsentrasjon. Lut (lutperler) kan ikke veies inn helt nøyaktig, men må standardiseres mot kjent mengdee av kjent syre. Pga NaOH(s) + CO(g) = Na CO 3 (s) + H O

7 Side 7 av 15 iii) n base = c V = 0,1034 M 8, ml =, mol n syre = n base =, mol c = n/v =, mol/5 ml = 0,1180 M iv) Ekv.pkt: All syre har reagert med tilsatt base HAc + OH - Ac - + H O n Ac- = n HAc = n OH- =, mol Ny kons av Ac - : c = n/v =, mol/(5 ml + 8,54mL) = 0,0551 M = [Ac - ] Ny LV: Ac - + H O HAc + OH - før ny LV 0,0551 M - - Δ -x + x + x ny LV 0,0551-x x x HAc OH x x 10 Ac 0, 0551 x 9,4 x 10-9,4 0,0551 x = 5, = [OH - ] poh = 5,5 ph = 14-5,5 = 8,75 avrunding ok. Egnet indikator: Fenolftalein (pka = 9,6) (pga titr m/sterk base) eller tymolblå (pka = 8,9) v) Dersom CO var tilstede ville dette påvirket syre-base-lv: CO (aq) + H O H CO 3 (aq) => trenger mer base ( ekstra titrervolum ) for å nøytralisere også denne mengden syre (i tillegg til den vi skal bestemme). Også: Omslaget vil bli mindre skarpt. Oppgave 3 (8%) a) Gitt følgende halvreaksjoner: Cr O 7 - Cr 3+ Zn Zn + Angi balansert totalreaksjon i sur løsning. Ta med endring i oksidasjonstall og vis balanseringen trinnvis.

8 Side 8 av 15 VI Cr O7 0 Zn II Zn 3 Cr III CrO 7 +6e 3 Cr Zn Zn +e Cr O + +3Zn + 14 H Cr Zn 7 Balanserer O, balanserer H 3 n = 6 7HO + 3 => Cr O 7 +3Zn + +14H Cr Zn 7H O b) Skisser en galvanisk celle hvor disse to halvreaksjonene i a) foregår i hvert sitt kammer. Angi hvilke reaksjoner som foregår på hhv anode og katode, angi elektrodematerialer og hvilke ioner som er i hvilke løsninger. c) Beregn standard cellepotensial for den galvaniske cella (T = 5 C), og forklar elektron- og ionebevegelse dersom alle konsentrasjoner er i standardtilstand.

9 Side 9 av Cr O +14H 6 e Cr 7H O E = 1,36 V 7 Zn +e Zn E = 0,76 V E celle = 1,36 V + 0,76 V =,1 V Positiv E celle => rx går den veien vil har satt (ved standardtilstand) Kammer 1: Cr O 7 - og H + går mot inert elektrode og Cr 3+ går ut i løsning Kammer : Zn «løses» ved at Zn + går ut i løsning. Saltbro: Anioner går mot Zn-kammer, kationer går mot Cr-kammer. Elektroner: Går fra Zn-elektrode, i ekstern krets og til Pt-elektrode. d) Beregn reelt cellepotensial dersom [Cr O 7 - ] = 0.6 M, [Cr 3+ ] = 0.6 M og [Zn + ] = 0.9 M. ph = i kammeret for første halvreaksjon i a) og T = 5 C. [H + ] = 10 -ph = 10 - M Nernst ligning: 3 3 o RT Cr Zn E E ln 14 nf CrO 7 H 3 8, , 6 0,9 E,1V V ln , 6 10 E,1V 0, 7V E 1, 85V e) Hva definerer likevekt for en galvanisk celle? Hva er likevektskonstanten for denne galvaniske cella som er skissert i oppgave b)? (Oppgi tallet på ln- eller log-form om nødvendig). Kommenter verdien. Hvordan er likevekten forskjøvet? LV: E celle = 0, ingen strøm av elektroner lenger => en «død» celle => fri energi lik i begge kammerne; ΔG = 0 => Q = K

10 Side 10 av 15 o o G nfe RTln K nf o C / mol ln K E,1V 495,33 RT 8,31451 J / Kmol 98K K e 495 K er et ekstremt stor og LV er sterkt forskjøvet mot høyre. => mer riktig å snakke om fullstendig rx enn LV f) Fra et HMS-ståsted: Hvorfor skal man være ekstra på vakt ved prosesser hvor krom er involvert? Kromforbindelser er generelt giftige. Cr 6+ er meget giftig og kraftig kreftfremkallende. Kromallergi/-eksem. Men: Viktig sporelement. g) Forklar kort forskjellen på et tørr-batteri og en brenselscelle. Batteri: Noe som lagrer kjemisk energi for seinere frigjøre dette som elektrisk energi. Tørr-batteri: Alle komponenter (kjemikalier, elektroder) er tilstede og innebygd, og i fast fase. Rx går når batteriet settes i en krets. Går til rx stopper => LV eller oppbrukte reaktanter. Brenselscelle: Reaktanter/produkter tilføres/fjernes kontinuerlig til definert celle (elektroder, elektrolytt), og kjemisk energi konverteres kontinuerlig til elektrisk energi/strøm. Går så lenge tilførsel opprettholdes. Kalles ofte «energikonverterer» i stedet for batteri. Oppgave 4 (31%) a) Tegn Lewis-strukturen og angi molekylstrukturen til anionet ICl 4 -. Begrunn svaret.

11 Side 11 av 15 b) Bruk formell ladning til å angi den mest stabile Lewis-strukturen til XeO 3. Angi alle resonans-formene i den stabile strukturen. Hvordan er bindingslengdene til de tre Xe-Obindingene relativt til hverandre og relativt til rene enkelt- og dobbeltbindinger? Angi molekylstrukturen til molekylet.

12 Side 1 av 15 Viktig: E-par fra O går inn i resonans (ikke ledig e-par på Xe). Flere dblt-bindinger vil ikke skje pga umulig å danne binding. Alle tre Xe-O-bindingene har lik bindingslengde, og disse er relativt en mellomting mellom enkelt- og dobbeltbindinger. Molekylet: => 4-koordinert (tetraedrisk) => ledig elektronparr i ene posisjonen => Trigonal pyramide! (Også gitt i SI) c) Likevekten mellom vann og is

13 Side 13 av 15 H O(l) = HO(s) er innstilt ved 0 0 C. Begrunn hva som skjer dersom vi øker trykket. Hva skyldes denne oppførselen hos vann? Vil du vente at tilsvarende skjer generelt for faste stoffer? Ved 0 0 C er tettheten av flytende vann: ρ[h O( (l)] = 1.00 g/cm 3, og for is: ρ[h O(s)] = 0.9 g/cm 3. ρ(l) > ρ(s)! ρ = m/v Antar en konstant mengde is/vann (m = konstant). Når trykket øker vil dette prøve å motvirkes. => gjøres ved at V reduseres => gjøres da ved at is smelter (mer vann dannes) pga tetthetsforskjellene => LV forskyves Skyldes hydrogenbindinger hos vann og lavere tetthet i fast fase enn i væskefase. Vil ikke forvente slik oppførsel da generelt fast fase normalt har høyere tetthet enn tilsvarende stoff i væskefase. d) Gi strukturformel og navnn for en syre og en ester som begge har formelen C 3 H 6 O. Tegn også en alkohol med samme formel. Flere svar er mulig. e) Gi ett eksempel på en kondensasjonsreaksjon som gir en polymer. Hvorfor må man ha to funksjonelle grupper på hver av monomerene? Hvordan vil du forventee at entropien endres ved en slik polymerisasjonsreaksjon? i) Feks dannelse av nylon, se fig s 1039

14 Side 14 av 15 ii) Må ha to funksjonelle grupper hver (feks diamin + syre med to syregrupper) slik at de har mulighet til å reagere videre etter dannelse av første dimer. Hvis ikke stopper rx her og man får ikke en polymer. iii) Mer orden i det polymeriserte stoffet, entropien avtar f) i) Angi elektronkonfigurasjonen til S og S -. Hvilken av disse vil du anta er mest stabil? ii) Hvordan er den periodiske trenden for ionestørrelser? iii) Hva er elektronegativitet og hvordan varierer denne i det periodiske system? iv) Utfra elekronegativitet; angi én forbindelse som er 100% kovalent, én som er polar kovalent og én som er ionisk. i) [S] = 1s s p 6 3s 3p 4 eller [Ne]3s 3p 4 [S - ] = 1s s p 6 3s 3p 6 eller [Ar] S - har fulle skall (orbitaler) og oppfylt oktettregelen. Derfor er dette mest sannsynlig mest stabilt. ii) Øker nedover, avtar mot høyre, men med skille hhv kationer og anioner iii) Elektronegativitet er et atom (i et molekyl eller struktur) sin evne til å tiltrekke (delte) elektroner. Øker oppover og mot høyre. iv) 100% kovalent: F (må være samme element) Polar kovalent: CO, ΔEN < 1,5 Ionisk: KCl, ΔEN > 1,5

15 Side 15 av 15 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 Konstant P. Bare volumarb. H = H ( produkter) - H (reaktanter) Husk støkiometriske koeffisienter f f o H T = H 98 + CP T C p konstant K H 1 1 H og S konstant ln = - K1 R T1 T dqrev Entropiendring ds = T T C o p konstant ST = S98 + CP ln 98,15 G = H - TS Gibbs energi. Fri energi. G = H - TS Endring i fri energi ved konstant T o G T = H 98 - TS 98 C p 0 o Reaksjonskvotient, Q G = G + RT ln Q G = G + RT ln a Aktivitet (relativ), a G o = - RT ln K Likevektskonstant, K G = - nfe Cellepotensial, E Q = It = nef Elektrisk ladning RT 0,059 Nernsts ligning E = E o - lnq= E o - log Q, 5o C nf n R = 8,31447 (15) J K -1 mol -1 Gasskonstanten R = 0, (15) L atm K -1 mol -1 R = 8,05746 (15) cm 3 atm K -1 mol -1