LØSNINGSFORSLAG FOR EKSAMEN I EMNE TMT4110 KJEMI

Transkript

1 Side 1 av 11 NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI Faglig kntakt under eksamen: Institutt fr materialteknlgi, Gløshaugen Førsteamanuensis Hilde Lea Lein, tlf LØSNINGSFORSLAG FOR EKSAMEN I EMNE TMT4110 KJEMI Oppgave 1. Det er kun ett riktig svar fr hver delppgave. Sett derfr kun ett kryss. Dersm t eller flere svar avgis, bedømmes denne delppgaven med null peng. i) Hva er elektrnknfigurasjnen til Mg +? a) [Ar] b) [Ar] 3s c) [Ne] x d) [Ne] 3s ii) Fra hvilken reaksjn beskrives gitterentalpien (ΔH L ) fr et krystallsystem? a) A + (s) + B - (s) AB(s). b) A(s) + B(s) AB(s)... c) A(g) + B(g) AB(s)... d) A + (g) + B - (g) AB(s) x iii) Hva sier Hess lv? a) Summen av ΔH fr et sett delreaksjner = ΔH fr ttalreaksjnen.. x b) Summen av partialtrykk til gassene i en gassblanding = ttaltrykket c) Partialtrykket er lik mlbrøk ganger ttaltrykket. d) Aktiviteten er lik partialtrykket delt på et referansetrykk....

2 Side av 11 iv) Et hypervalent atm er: a) et atm sm ppfyller ktettregelen eksakt. b) et atm sm kan ha flere valenselektrner enn 8 x c) en edelgass d) et atm sm må bindes til et annet ved minst en dbbeltbinding v) En Brønsted Lwry base er: a) et stff sm kan ta pp prtner (prtn akseptr). x b) et stff sm kan gi fra seg prtner (prtn dnr) c) et stff sm kan ta pp elektrner (elektrn akseptr) d) et stff sm kan gi fra seg elektrner (elektrn dnr) vi) Hvilken reaksjn beskriver Haber-Bsch-prsessen? a) H (g) + ½ O (g) H O(g).. b) CH 4 (g) + O (g) CO (g) + H O(g)... c) N (g) + O (g) NO(g).. d) N (g) + 3 H (g) NH 3 (g) x vii) Saltet NaF(s) tilsettes i en vandig løsning av KF. Hvrdan vil løseligheten til saltet være sammenlignet med å løse det i rent vann? a) Løseligheten vil være større. b) Løseligheten vil være mindre.. x c) Løseligheten er upåvirket d) Ingenting av saltet kan løses uansett løsemiddel. viii) Hvrdan kan Ni + bestemmes ved kvalitativ analyse? a) Ved utfelling med klrid (gruppe 1). b) Ved utfelling med sulfid g lav ph (gruppe ) c) Ved utfelling med sulfid g høy ph (gruppe 3) x d) Ved utfelling med karbnat (gruppe 4) ix) Hva sier termdynamikkens første lv? a) Energien i universet er knstant... x b) Entrpien til en perfekt krystall er null ved 0 K.. c) Entrpien i universet er knstant. d) Entrpien i universet øker x) Ved knstant vlum; hvilket uttrykk er riktig? a) ΔE = q PΔV... b) ΔE = q.. x c) ΔH = q.. d) Ingen av disse... xi) Hvilken er ikke en tilstandsfunksjn? a) Gibbs fri energi. b) Entrpi.. c) Entalpi.. d) Arbeid.. x

3 Side 3 av 11 xii) Hvilken av følgende reaksjner beskriver en elektrlysecelle? a) Fe + CuSO 4 Cu + FeSO 4. b) Pb + + MgCO 3 Mg + + PbCO 3 c) Mg + O MgO d) Al O 3 + 3C 4 Al + 3 CO.. x xiii) Grunnstffet X danner eksplsive blandinger med halgengass g ksygengass. Det er i seg selv ikke giftig, men inngår i svært mange giftige frbindelser. Finnes i tre naturlige istper hvrav den ene er radiaktiv g en annen er brukt i atmkraftverk. Kan danne inene X + g X -. Oksidet har et mye høyere kkepunkt enn sulfidet, ne sm frklares med spesielle bindinger mellm mlekylene. Hvilket grunnstff er X? a) Cl.. b) H... x c) C d) Na. xiv) Den viktigste bruken av grunnstffet X er i stållegeringer da det gir stålet en helt spesiell egenskap. Frbindelsene med dette grunnstffet er ftest fargede, blant annet gir det pphav til fargen i Nrges nasjnalstein. Det rene grunnstffet fås fra reduksjn med C. XO 4 - er et kraftig ksidasjnsmiddel. Hvilket grunnstff er X? a) Cr... b) Fe... c) Mn. x d) C.. xv) Kke- g smeltepunktet til dette ikke-metalliske grunnstffet X er ekstremt høyt. Grunnstffet er lett g hardt, g danner den svake syren H 3 XO 3. Viktigste bruk er i varmebestandig glass, fr eksempel PYREX-glass. Grunnstffet danner særegne frbindelser med hydrgen, bl.a. X H 6. Hvilket grunnstff er X? a) C b) Li... c) F. d) B x

4 Side 4 av 11 Oppgave a) i) ii) iii) Cu + e - Cu + ¾¾ ksidasjn + - Ag + e ¾¾ Ag reduksjn + + Ttalrx: Ag + Cu¾¾ Ag+ Cu E = 0,80 V 0,34 V = 0,46 V 0,059 é + Cu ù ê ú E = E - lg Q hvr Q = ë û n é + Ag ù êë úû 0, 059 0,5 E= 0, 46V- lg = 0, 41V 0,1 iv) D G =- nfe = C / ml 0, 46V =- 88,8 kj / ml D G =- nfe = C / ml 0, 41V =- 79,1 kj / ml b) 0,059 E= E - lg Q n Ved likevekt: E = 0 g Q = K 0, 059 => 0= E - lgk n

5 Side 5 av 11 E n 0, 46 lg K = = = 15,54 0,059 0,059 K = 3, c) Celle med ksidasjn: Cu + /Cu Denne byttes ut med Ag + /Ag (0,5 M) + - I: Ag + e ¾¾ Ag 0,5 M + - II: Ag ¾¾ Ag + e 0,1 M (prøver å utligne knsentrasjnsfrskjellen) Ttalrx: é + Ag ù é + Ag ù êë úû ¾¾ I êë úûii Standard celleptensial: 0 V (sm alltid i en knsentrasjnscelle) 0,059 0,059 é + Ag ù ê ú II Celleptensial: E= E - lg Q= 0- lg ë û + n 1 éag ù êë úû I 0, 059 0,1 E=- lg = 0, 04V 1 0,5 d) Ineselektiv elektrde: Glasselektrde sm endrer ptensial avhengig av knsentrasjnen av iner i løsningen den dyppes i. Har en referanseelektrde g det måles spenningsfrskjellen mellm referanseløsning g løsningen den dyppes i. Spenningen sm måles er prprsjnal med knsentrasjnen i løsningen. Oppgave 3 a) 3 8 ¾¾ D H /kj CH( g) CH ( g) H ( g) D G /kj S /J i) ii) iii) D H = = 15 kj/ml D S = = 18 J/ml D G = = 86 kj/ml D H > 0 => endterm rx. LV frskyves mt høyre v/økende T => K blir større (dannes flere prdukter D S psitiv da det blir dannet flere gassmlekyler enn det frbrukes => større urden. b) D G =- RTln K 3 DG J / ml ln K =- =- =-34, 7 RT 8,31451 J / Kml 98K K = 8,

6 Side 6 av 11 c) DH -TD S =D G =- RTln K 3 DH -TDS J / ml-1073k 18 J / K ln K =- =- = 1,38 RT 3,31451 J / Kml 1073K K = 3,99 d) Fra ideell gasslv: P CH 3 8,1073K T P 1073K 3, 00atm 1073K 98K = = = T98K 98K Dette er da ved 800 C, men før reaksjnen starter. CH 3 8( g) ¾¾ CH 3 6( g) + H( g) før 10,8 - - D -x +x +x LV 10,8 - x x x 10,8atm K P PCH P 3 6 H x = = = 3,99 P 10,8- x x = 4,87 CH 3 8 => P = P = 4,87atm CH 3 6 H P CH 3 8 = 10,8-4,87 = 5,93atm Alternativt ved å bruke K p = 1,5: PCH P 3 6 H x KP = = = 1, 5 P 10,8- x x = 3,34 CH 3 8 => P = P = 3,34atm CH 3 6 H P CH 3 8 = 10,8-3,34 = 7, 46atm e) Fr å få best mulig utbytte (mest mulig prdukter) bør reaksjnen kjøres ved lavt trykk g høy temperatur, i henhld til Le Chateliers prinsipp. Oppgave 4 a) Den integrerte hastighetsligning (. rdens rx): = k t NO NO [ ] [ ] b) Siden k er ppgitt i L ml -1 s -1 må trykket av NO regnes m til knsentrasjn (via ideell

7 Side 7 av 11 gasslv): n P [ NO ] = = V RT [ NO ] [ NO ] 1 1, 00atm = = 0,013M 8,31451 J / Kml ) K ( ) 0,50atm = = 0,0106M 8,31451 J / Kml ) K = k t [ NO ] [ NO ] 1 1 ( ) = 0,468 0, 0106M 0, 017M t1 = 100,5s -1-1 Kml s t 1 c) E a k A e - RT = Ea - RT1 kt1 e = Ea k - T RT e æk ö T1 E æ a 1 1 ö ln =- - çk T R T1 T è ø çè ø æk ö T1 R æ0,468ö 8,31451 J / Kml Ea =- ln ln =- çk è æ T ø 1 1 ö ç 3,975 æ 1 1 ö è ø - T1 T - è ç ø ç è( ) K ( ) K ø E = J / ml= 41,8 kj / ml a d) 1) Energien til klliderende mlekyler er større enn aktiveringsenergien fr reaksjnen (må vervinne aktiveringsbarrieren) ) Mlekylgemetrien til de t mlekylene sm klliderer må være slik at en reaksjn kan skje e) i) Vil mtvirke tilsatsen av NO g derfr frskyve rx mt venstre ii) Trykket vil øke g rx vil frskyves slik at trykket reduseres, dvs mt venstre iii) Ingen innvirkning. f) Katalysatr: Deltar i rx ved at ttalrx kan deles pp i andre reaksjnstrinn enn vanlig (andre delreaksjner) => nye reaksjnsmekanismer sm har lavere aktiveringsenergi enn pprinnelig rx. rx vil gå frtere, evt v/ lavere T frbrukes ikke selv

8 Side 8 av 11 Oppgave 5 a) A: Ren syre, ingen base tilsatt ennå g dermed ingen rx. Syra bestemmer ph. B: En del base er tilsatt g denne har reagert med den svake syra g dannet en krrespnderende base. Bufferen HA/A - bestemmer ph. C: Ekvivalenspunkt. All syra har reagert med tilsatt base. Saltet NaA (A - ) bestemmer ph D: Titrering ver ekvivalenspkt. Tilsatt base blir liggende i løsning. Tilsatt base bestemmer ph - + b) i) HCOOH ¾¾ HCOO + H pk a = 3, HCOOH ¾¾ HCOO + H Før: 0,1 M - - Δ -x +x +x LV: 0,1-x x x é + H ùé - HCOO ù ê úê ú x x Ka = ë ûë û = = 10 [ HCOOH ] 0,1- x 3,74-5 x» 10 0,1= 1,8 10 x = 4, (5% regel k; 4,3%) ph =-lg[4, ] =,37-3, ii) HCOOH + OH ¾¾ HCOO + H O -3-3 nsyre = c V = 0,1M 5 10 L=,5 10 ml -3 nbase nsyre,5 10 ml V base = = ved ekvivalenspunkt -3 nbase,5 10 ml = = = 16,67 10 C 0,15M base -3 L V = V + V = 5ml+ 16, 67ml= 41, 67ml tt syre base C - HCOO -3 n,5 10 ml = = = 0, 0600M -3 V 41,67 10 L HCOO + H O ¾¾ HCOOH + OH - - Før: 0,0600 M - - Δ -x +x +x LV: 0,0600-x x x é - OH ù[ HCOOH ] -14 ê ú x x Kw 10 Kb = ë û = = = = 5, ,74 éhcoo ù ê ú 0, x Ka 10 ë û x» 5, ,0600 = 3,

9 Side 9 av 11 x = 1, (5% regel k) poh =-lg[1, ] = 5,74 ph = = 8,6 iii) Cresl-rød, mr: 7,-8,8, pk a = 8,3 iv) CO tilstede: CO( aq) + HO¾¾ HCO( aq) HCO 3+ OH ¾¾ HCO3 + HO Hvis basisk mslagspunkt: HCO3 + OH ¾¾ CO3 + H O trenger ekstra titrervlum av OH - frdi det gså må reagere med karbnsyre gså mindre skarpt mslagspunkt c) Buffer er en løsning av en syre g en krrespnderende base sm mtvirker stre phendringer ved tilsats av sterke syrer eller baser. Best bufferkapasitet: Halvveis til ekvivalenspunkt frdi her er det like mye syre g krr. base, dvs pkt B. Oppgave 6 a) i) Kvalente bindinger: T atmer deler elektrner g bindes sammen ved dette elektrnparet sm dannes. Inebindinger: Iner er dannet ved fullstendig elektrnverføring (valenselektrner fra ett element til et annet. De inene sm dannes (katiner g aniner) bindes sammen med elektrstatiske tiltrekningskrefter. ii) Elektrnegativitet er evnen til å trekke på et elektrnpar. Nen elementer trekker mer på elektrner enn andre. iii) Hvis man ser på tallverdiene fr elektrnegativiteten til grunnstffene sm inngår i frbindelsen, vil stre frskjeller i elektrnegativitet (> 1,5) kunne frutsi inebinding, men små frskjeller i elektrnegativitet vil gi kvalent binding. b) i) I et mlekyl vil elektrnparene rundt sentralatmet være anrdnet i rmmet slik at vi minimaliserer frastøtningen mellm dem. Antallet elektrnpar rundt sentralatmet vil da bestemme hva slags gemetrisk anrdning de vil få. Ledige elektrnpar g dbbelt- (trippelt-) bindinger vil kreve større plass på sentralatmet g perturbere mlekylstrukturen slik at bindingsvinkler mellm bindende elektrnpar blir mindre enn frventet.

10 Side 10 av 11 ii) iii) HOCl 3 iv) ICl - : Trignal bipyramidalt utgangspunkt. Tre lnepairs i de ekvatrielle psisjnene => lineært mlekyl, 180º bindingsvinkel HClO 3 : Tetraedrisk utgangspunkt. Ett lnepair gir trignal pyramide-frmet mlekyl. Vinkel O-Cl-O < 109 pga dbbeltbinding krever mer plass. SO 3 : Trignalt plant mlekyl. 10. c) Ustøkimetrisk frbindelse: En frbindelse hvr elementene ikke inngår i knstante frhld. Vanlig blant ksider g sulfider av vergangsmetall. Eks: Cu x S hvr x altså ikke er et heltall, men fr eksempel 0,85. d) i) Alkhler: R-OH. aldehyder: R-C(=O)-H med O dbbeltbinding til C g H enkeltbinding til C. Ketner: R-C(=O)-R. Etere: R-O-R. ii) Sykliske hydrkarbner har en (eller flere) ringer av C hvr det er enkeltbindinger mellm hvert av C-atmene. Armatiske hydrkarbner har en 6-ring av C med vekselvis enkelt- g dbbeltbindinger i ringen, eller mer krrekt resnans-struktur mellm C-atmene.

11 Side 11 av 11 iii) e) Klrimetri: En del av spektrftmetri hvr man bruker stråling fra den synlige delen av spekteret til å måle mengden stråling sm absrberes av at stff ved frskjellige bølgelengder. Knsentrasjn til et in i en løsning kan bestemmes ved at man måler hvr mye hver av (de fargede) løsningene absrberer av en gitt bølgelengde. Ved å gså måle et par løsninger med kjent knsentrasjn, kan knsentrasjn av en gitt ukjent bestemmes.