Eksamensoppgave i TMT4110 Kjemi

Transkript

1 Side 1 av 1 Institutt for materialteknologi Eksamensoppgave i TMT110 Kjemi LØSNINGSFORSLAG Faglig kontakt under eksamen: Førsteamanuensis Hilde Lea Lein Tlf.: Eksamensdato: 8. mai 013 Eksamenstid (fra-til): 09:00-13:00 Hjelpemiddelkode/Tillatte hjelpemidler: C Bestemt, enkel kalkulator, med tomt minne. Aylward & Findlay: SI Chemical Data Annen informasjon: 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 1 Oppgave 1. En galvanisk celle er gitt av totalreaksjonen: 3Sn Cr 3Sn Cr 3 a) Tegn den galvaniske cellen, og angi spesielt elektrodematerialer og retning for elektron- og ionebevegelse (også i saltbroa). b) Angi delreaksjonene i cella, beregn E o, ΔG o og K for totalreaksjonenn ved 5 C. Delreaksjoner (og totalreaksjon er gitt ved): Sn e Sn 3 3 Cr Cr 3 e Sn Cr 3Sn 3 Cr E o = 0,15 V E o = -(-0,7 V) E o celle= 0,89 V G o = -nfe o = C/mol 0,89V = -515kJ Ved likevekt er: G o = -RT ln K G => ln K RT K =, o J 8,3151 J / K98K 07,9 Et annet batteri er gitt ved: Cu Cu 100,0 g og volumet til hver halvcelle er 1,0 L. 0,50M Ag,1M Ag. Massen av hver elektrode er c) Angi delreaksjoner og totalreaksjonen.

3 Side 3 av 1 Ag e Ag E o = 0,80 V Cu Cu e E o = -0,3 V Ag CuAg Cu d) Beregn reelt cellepotensial ved de gitte betingelsene. E o celle= 0,80 V - 0,3 V = 0,6 V og Q = [Cu + ]/[Ag + ] o 0, 059 0, 059 0,5 Ecelle E celle log Q0, 6V log 0, 9V n,1 e) Beregn cellepotensialet etter at en strøm på 5,0 A har gått gjennom cellen i en time. # mol e - gått i løpet av en time: Q = I t = n e F Q = I t = 5,0 A 1 h 3600 s/h = C n e = Q/F = C / 9685 C/mol = 0,187 mol Konsentrasjonene endres dermed: Cu + : Før: n = c V = 0,50 M 1,0 L = 0,50 mol : n Cu+ = 0,187 mol / = 0,093 mol Etter: 0,50 mol + 0,093 mol = 0,593 mol => [Cu + ] = n/v = 0,593 M Ag + : Før: n = c V =,1 M 1,0 L =,1 mol : n Cu+ = - 0,187 mol Etter:,1 mol 0,187 mol = 1,91 mol => [Ag + ] = n/v = 1,91 M o 0, 059 0, 059 0,593 Ecelle E celle logq0, 6V log 0, 8V n 1,91 f) Hva blir massen til hver av elektrodene etter den timen hvor strømmen på 5,0 A har gått? n Cu+ = n Cu = 0,093 mol m Cu = n M = 0,093 mol 63,55 g/mol = 5,93 g Ny masse: 100,0 g - 5,9 g = 9,1 g n Ag+ = n Ag = - 0,187 mol M Ag = n M = 0,187 mol 107,9 g/mol = 0,1 g Ny masse: 100,0 g + 0,1 g = 10,1 g g) Hva hadde skjedd dersom løsningene i cellekammerne ikke hadde vært adskilt av en saltbro? Forklar kvalitativt.

4 Side av 1 Da ville løsningene blitt blandet (fri flyt av ioner). Kobberelektroden ville blitt mer og mer dekket av Ag(s) pga oksidasjonen/reduksjonen skjer her. Vi ville ikke fått noe strøm ut og det ville ikke vært noe fungerende batteri. Oppgave. Ammoniumklorid i fast form føres inn i en lukket beholder på 1,0 L. Deretter evakueres beholderen. Ved oppvarming vil ammoniumkloridet kunne spaltes, og ammoniakk og hydrogenklorid (begge i gassfase) vil kunne dannes. a) Skriv reaksjonsligning. NH Cl(s) NH 3 (g) + HCl (g) b) Beregn ΔH o og ΔS o for denne reaksjonen. Kommenter verdien for ΔS o. ΔH o = -6 kj 9 kj (-31 kj) = 176 kj ΔS o = 193 J/K J/K 95 J/K = 85 J/K ΔS o er stor og positiv, som forventet da man går fra et stoff i fast fase (med stor orden) til to molekyler i gassfase (stor uorden). c) Beregn likevektstrykkene ved 5 C. G o = ΔH o - T ΔS o = -RT ln K o o 3 H TS J 98K85 J / K => ln K 36, 76 RT 8,3151 J / K 98K K = 1, K = P NH3 P HCl = 1, P NH3 = P HCl = , ,0 10 atm d) Ved hvilken temperatur vil systemet være i likevekt med et totaltrykk på,0 atm? P tot = P HCl + P NH3 = atm => P NH3 = P HCl = 1 atm G o = ΔH o - T ΔS o = -RT ln K G o = ΔH o - T ΔS o = -RT ln 1 = 0 pga K = P NH3 P HCl = 1 => ln 1 = 0 ΔH o - T ΔS o = 0 T = ΔH o / ΔS o = J / 85J/K = 617,5K = 30ºC

5 Side 5 av 1 e) Hvor mange mol gass er da dannet? Tenk at samme reaksjon skjer i et åpent kammer og at samme antall mol gass dannes. Hvor stort arbeid er gjort på omgivelsene under denne reaksjonen? Anta ideell oppførsel. PV = nrt n tot PV tot,0atm1,0 L 0, 0395mol RT LatmK mol K 1 1 0, ,5 w = -P V = - n RT = -0,0395 mol 8,3151 J/Kmol 617,5 K = -0,6 J (= -0,03 kj) f) Ved hvilke betingelser (trykk og temperatur) bør prosessen kjøres ved for å få størst mulig utbytte? Endoterm rx => høy temp forskyver LV Dannes masse gass => lavt P forskyver LV => høy T og lavt P Oppgave 3. a) KMnO er et kraftig oksidasjonsmiddel. Skriv balansert nettoligning når denne reagerer med H C O og danner CO i tillegg til toverdig Mn. VII MnO II Mn III VI C O C O MnO e Mn 5 CO CO e MnO 5C O Mn 10CO + O og H: MnO 5C O 16H Mn 10CO 8H O b) Mn sammen med blant annet Cu, Co og Ni kan danne ikke-støkiometriske oksider og sulfider. Hva kjennetegner en ikke-støkiometrisk forbindelse? Hvorfor er det oftest overgangsmetaller som danner slike forbindelser? Ikke-støkiometrisk forbindelse: Ikke heltallsforhold mellom atomene i forbindelsen. Oppstår oftest hos overgangsmetallene da disse kan ha varierende oksidasjonstall, noe som er grunnlaget for at ikke-støkiometriske forbindelser oppstår c) Hvis en lyseblå løsning av Cu + tilsettes en dråpe NH 3, felles det ut et lyseblått bunnfall. Dersom man tilsetter mer NH 3 løses bunnfallet og løsningen blir knallblå. Dersom man

6 Side 6 av 1 deretter tilsetter nok HCl vil løsningen bli lyseblå igjen. Hvordan kan disse tre trinnene forklares? Skriv reaksjonsligninger. Cu OH Cu OH () s => lyseblått bunnfall (fellingsreaksjon) Cu OH () s NH3 Cu NH 3 OH => knallblåttt kompleks dannet (fargen er et hint om at det er en kompkelsreaksjon da mange komplekser er fargede). Cu NH 3 d) Forklar kort bakgrunnen for VSEPR-modellen. Elektronpar frastøter hverandre => plasseres lengst mulig fra hverandre i rommet. VSEPR-modellen = valensskall-elektronpar-frastøtnings-modellen. => gir molekylgeometrier på en enkel måte e) Bruk VSEPR-modellen til å gi molekylstrukturene for følgende molekyler: SF, H 3 O + -, IF Har noen av molekylene et dipolmoment? Tegn i tilfelle innn dipolmomentene. SF : 6 e - + *7e - => 3 H Cu e - 5-koordinert => trigonalt bipyramidalt utgangspunkt Ledig elektronpar i ekvatoriell posisjon som tar mer plass en atomer => bøyer molekylet => sagkrakk/ vippehuske m/vinkler noe mindre enn i ideell struktur NH => komplekset brytes (Cu + er lyseblått) H 3 O + : 6 e - + 3*1e - - 1e - => 8 e - -koordinert => tetraedrisk utgangspunktt Ledig elektronopar i ene posisjonen => Trigonal pyramidal m/ vinkler noe mindre enn 109 IF - : 7 e - + *7e e - => 36 e - 6-koordinert => oktaedrisk utgangspunkt. Ledig elektronpar i aksielle posisjoner => Plankvadratisk m/vinkler = 90

7 Side 7 av 1 Dipolmoment: H 3 O + og SF f) Angi hvordan ioniseringsenergier og elektronaffiniteter defineres (ved reaksjonsligning), og angi generelt hvordan disse varierer i det periodiske system. Ionisering: X(g) X + (g) + e - Ioniseringsenergier øker mot høyre og avtar nedover Elektronaffinitet: X(g) + e - X - (g) Generelt høyest lengst til høyre (Svaret finnes også i SI) g) Hva mener vi med et primært, sekundært og tertiært amin? Tegn generelle eller konkrete eksempler. Avhengig av hvor mange C er som er bundet til N et i den funksjonelle NH -gruppa. h) Angi de to generelle typene mekanismer for en polymerisasjonsreaksjon.

8 Side 8 av 1 Addisjonspolymerisasjon og kondensasjonspolymerisasjon. Oppgave. a) Beregn løseligheten av sølvacetat, Ag 0,15 M NaAc (se her bort fra Ac -`s gch 3 COO( (s) eller forkortet AgAc(s), i rent vann og i videre reaksjon med vann). Kommenter og begrunn denne forskjellen. I rent vann: Før LV AgAc(s) = Ag + + Ac x +x x x K sp = 10-3 => K sp = [Ag + ][Ac - ] = x = 10-3 x = løselighet = 0,05 mol/l I 0,15 M NaAc: Før LV AgAc(s) = Ag + + Ac - - 0,15 +x +x x 0,15+ +x K sp = 10-3 => K sp = [Ag + ][Ac - ] = x (0,15+x) = 10 Løser.gradsligninga og får: x = løselighet = 0,01 mol/l 0-3

9 Side 9 av 1 Lavere løselighet av AgAc i 0,15 M NaAc enn i vann. Ac - er fellesion => fellesioneffekten. Løser mindre når ett av ionene allerede er tilstede. b) Bestem ph i 0,15M NaAc. 0,15 M NaAc: Ac - + H O Før 0,15 -x LV 0,15-x HAc + OH x +x x x pk a (HAc) =,76 K b (Ac - ) = K w /K a = 10-1 /10 -,76 = 5,75 10 K b HAc OH Ac 0-10 x 5, ,15 x 10 0,15 x 0,15 x = 5, ,1 5 => x = 9, = [OH - ] [H + ] = K w /[OH - ] = 1, ph = - log 1, = 8,97 c) 5 ml av basen i b) titreres med 0,15M HCl. Skisser titrerkurven, og angi hvor på kurven bufferkapasiteten er størstt og hvor ekvivalenspunktet er. Beregn ph i ekvivalenspu unktet og foreslå en egnet indikator. Ekvivalenspunkt: Ac - + H + HAc Fullst rx, n syre tilsatt = nbase i kolben Beregner ny «startkonsentrasjon» av HAc: [HAc] = n base /V tot = 0,15 M L/ L = 0,075 M

10 Side 10 av 1 ph: H Ac x Ka 10 HAc 0,075 x,76 0,075 x 0,075 x = 1, ph = -log 1, =,9 Indikator: Metylgul, pka = 3,1 d) i) På lab en gjorde dere en papirkromatografisk separasjon og påvisning av fire kationer av overgangsmetaller. Beskriv kort bakgrunnen for metoden og hvordan de ulike ionene ble separert. Metoden baserer seg på selektive fellingsreaksjoner. Et papir er bærer for den stasjonære væskefasen. De ulike ionene/komponentene bringes oppover på papiret når elueringsvæska stiger, med en hastighet som er like stor eller mindre enn væska (avh av løselighet i væska). Papiret behandles så med ulike reagenser for å fremkalle kromatogrammet. Fargede komplekser eller utfellinger gjør at vi kan gjenkjenne de ulike kationene. ii) Skriv nettoligninger når Fe 3+, Co +, Ni +, Cu + -ioner i forsøket fuktes med Na S. 3 Fe 3 S FeS3( s) Co S CoS() s () Ni S NiS s () Cu S CuS s e) Koke- og smeltepunktet til dette ikke-metalliske grunnstoffet er ekstremt høyt. Grunnstoffet er lett og hardt, og danner den svake syren H 3 XO 3. Viktigste bruk er i varmebestandig glass, for eksempel PYREX-glass. Grunnstoffet danner særegne forbindelser med hydrogen, bl.a. X H 6. i) Hvilket grunnstoff er dette? ii) Elementet kan danne det stabile XCl 3. Hva er det som er særegent med forbindelsen og hvorfor oppstår dette? i) Elementet er B. ii) Elektronunderskuddsforbindelse. Ikke full oktett, men kun 6 e - rundt sentralatom. Oppstår av geometriske grunner => ikke plass til flere atomer rundt et så lite sentralatom. f) Den viktigste bruken av grunnstoffet er i stållegeringer da det gir stålet en helt spesiell egenskap. Forbindelsene med dette grunnstoffet er oftest fargede. Det rene grunnstoffet fås fra reduksjon med C. XO - er et kraftig oksidasjonsmiddel. i) Hvilket grunnstoff er dette? ii) Hvilken egenskap i stålet er det snakk om?

11 i) Elementet er Mn. ii) Gir hardt og seigt stål. Side 11 av 1

12 Side 1 av 1 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 H T f f o = H 98 + C T C p konstant K H 1 1 ln = - K1 R T1 T dqrev ds = T T ST = S98 + CP ln 98,15 G = H TS G = H - TS G T = H 98 - TS 98 o G = G + RT ln Q G = G + RT ln a P H og S konstant Entropiendring C o p konstant Gibbs energi. Fri energi. Endring i fri energi ved konstant T o C p 0 Reaksjonskvotient, Q 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 1 d[a] 1 d[c] l m n p Reaksjonshastighet for r = - = = k[a ] [B ] [C ] [D ] aa + bb cc + dd a dt c dt Total orden = l + m + n + p E k = A - a Hastighetskonstant, k e RT Aktiveringsenergi, E a