TALM1008 Fysikk og Kjemi Løsning kjemidel eksamen mai 2013

Transkript

1 Program for Elektro og Datateknikk/ AFT TALM1008 Fysikk og jemi Løsning kjemidel eksamen mai 013 Oppgave 1 a) Det skal skrives navn på fem forbindelser : NO4 : dinitrogentetraoksid. Dette er en forbindelse mellom to ikke-metaller. Ca(NO3) : kalsiumnitrat. alsium er et jordalkaliemetall som alltid har okstall +II NH4Cl : ammoniumklorid. Ammonium foreligger alltid som NH4 + CdS : kadmiumsulfid. admium kan bare ha oksidasjonstall +II. Sulfid er S Cr(OH)3 : krom(iii)hydroksid. rom kan både ha okstall +II, +III og +VI, slik at okstallet må angis. Hydroksid er OH. Det skal skrives kjemiske formler for fem ulike forbindelser : aliumnitrat : NO3 alium er et alkaliemetall som alltid har okstall +I Fosfortriklorid : PCl3 Både fosfor og klor er ikke-metaller. Salpetersyre : HNO3 En oversikt over syrer er gitt på side 47 i formelsamlingen. Ammoniumklorid : NH4Cl Ammonium behandles på samme måte som et metall ved navnsetting. Aluminiumsulfid : AlS3 Aluminium er alltid Al 3+, mens sulfid er S. b) I en av Conan Doyles romaner ble mesterdetektiven Sherlock Holmes tilkalt. Han fant at offerets tekopp var tilsatt et hvitt, krystallinsk pulver som ved analyse ble funnet å inneholde 75,74 masseprosent arsen. Resten var oksygen. Stoffets enkleste formel skal beregnes. Stoffets enkleste formel er det samme som empirisk formel. Tar basis i 100 gram prøve som inneholder : 75,74 gram As 1 75,74 = 4,6 gram O Molforhold (O/As) = Den empiriske formelen blir : AsO3 (4,6 )/(16,0 g/mol) 3 = 1.50 = (75,74)/(74,9 g/mol) Arsen er et halvmetall. Halvmetaller skal navngis som om det var et ikke-metall. Navnet blir : diarsentrioksid Dette stoffet går ofte under navnet arsenikk. Hvis du skal forgifte svigermor, så er arsenikk et godt alternativ. 1

2 c) I landbruket benyttes det viktige stoffet urea, NHCONH, som gjødsel. Stoffet lages fra karbondioksid og ammoniakk. Prosessens totalforløp er som følger: CO + NH3 = NHCONH + HO Det skal finnes hvor mange tonn ammoniakk og hvor mange tonn karbondioksid som behøves for fremstilling av 150 tonn urea. Finner følgende molvekter : CO : 44,0 g/mol = 0,0440 kg/mol NH3 : 17,0 g/mol = 0,0170 kg/mol NHCONH : 60,1 g/mol = 0,0601 kg/mol Vekt av urea gitt i kg blir : m urea = (150 tonn) (10 3 kg/tonn) = 1, kg Beregner antall mol urea : n urea = 5 (1,50 10 kg) (0,0601 kg/mol) 6 =, mol nco og nnh3 kan beregnes fra de støkiometriske verdiene i reaksjonsligningen. nco = nurea =, mol nnh3 = nurea = (, mol) = 4, mol Finner massen av reaktantene ved å multiplisere med de respektive molvektene. Masse av CO = (, mol) (0,0440 kg/mol) = kg = 110 tonn Masse av NH3 = (4, mol) ( 0,0170 kg/mol) = kg = 85 tonn Oppgave a) Normal, uforurenset luft inneholder litt CO som vil reagere med regnvann og danne kullsyre. NB! Det norske navnet på HCO3 er kullsyre og ikke karbonsyre slik som angitt i oppgaven. ullsyre vil protolysere i (første trinn) etter ligningen: HCO3 + HO = H3O + + HCO3 - Det er mest vanlig å skrive syrelikevekten som: HCO3 = H + + HCO3 -

3 Dette forklarer at regnvann er svakt surt. ph-verdien for regnvann hvor konsentrasjonen av kullsyre er 3, mol/l. Syrekonstanten for kullsyre (i første trinn, vi regner ikke med videre protolyse) er: a = 4, HCO3 = H + + HCO3 Start 3, Likevekt (3, x) x x Setter opp likevektsuttrykk : + [HCO3 ] [H ] 7 a1 = = 4,4 10 [HCO3] Setter inn uttrykkene for likevektskonsentrasjonene: ( x) ( x) a1 = = 4, (3,0 10 x) 7 Dette uttrykket gir en. gradsligning. x = (4, ) (3, x) x + (4, ) x 1, = 0 Løsning av. gradsligningen på kalkulator gir en positiv løsning. x = [H + ] = 3, mol/l ph = log[h + ] = log(3, ) = 5,47 Siden HCO3 er en svak syre, så blir ph svakt sur. b) Nitroglyserol (tidligere kalt nitroglycerin), C3H5(NO3)3, er et sprengstoff. Det er hovedkomponenten i blant annet dynamitt. Ved detonasjonen skjer følgende reaksjon: 4 C3H5(NO3)3 (l) = 1 CO (g) + 10 HO (g) + 6 N (g) + O (g) Vi forutsetter at 1,00 kg nitroglyserol detonerer. Molvekt nitroglyserol = 7,1 g/mol Antall mol nitroglyserol = (1000 g) (7,1 g/mol) = 4, 40 mol Det dannes fire gasser, der alle gassene bidrar til gassvolumet. Antall mol gass som dannes fra 4 mol nitroglyserol blir : = 9 mol 3

4 Antall mol gass som dannes : 9 (4,40 mol) = 31,9 mol 4 Gassvolumet ved 1 atm og 100 o C kan beregnes fra ideell gasslov. Hvis vi bruker R = 0,08057 (liter atm)/( mol), så får vi ut volumet i liter. Temperaturen (T) må alltid settes inn i elvin. Ideell gasslov : PV = nrt nrt (31,9 mol) (0,08057 L atm/ mol) (373,15 ) V = = P (1 atm) = 977 liter c) Fosfor reagerer med salpetersyre til fosforsyre og nitrogenmonoksid: P + HNO3 + HO H3PO4 + NO Nedenfor er det vist trinnvis framgangsmåte for balanseringen. 1) P oksideres fra 0 til +V oks = 5 N reduseres fra V til II red = 3 ) Ligningen er skrevet pr. atom av det som oksideres/reduseres. 3) ryssmultipliserer med differanse i okstall. Vi kan fjerne HO fra ligningen, siden HO skal balanseres i trinn 7. 3P + 5HNO3 3H3PO4 + 5NO 4) Ligningen er skrevet med lavest mulig heltall. 5) P og N ble balansert i pkt. 3, mans H og O skal balanseres i pkt. 7. Vi har ingen andre elementer å balansere. 6) Vi har ingen ioner i ligningen. Derfor har vi ikke noen ladning å balansere. 7) Balanserer massebalanse for H og O vha HO. 3P + 5HNO3 + HO 3H3PO4 + 5NO 8) Det er lurt å ta en kontrollsjekk til slutt for å se om massebalansene stemmer. Element Venstre side Høyre side P 3 3 N 5 5 O 5x3 + = 17 3x4 + 5 = 17 H 5 + x = 9 3x3 = 9 Alt stemmer : Balansering er O. 4

5 Oppgave 3 a) Humphry Davy oppdaget reaksjonen mellom karbonmonoksid og klor, hvor produktet var fosgen. Reaksjonen er som følger, og den er en likevektreaksjon: CO (g) + Cl (g) = COCl (g) Reaksjonens likevektkonstant (ved 100 o C ) er: c = 4, Det fylles 0,0 mol COCl i en (tom) reaktor med volum 10,0 L. De molare konsentrasjonene av de tre komponentene ved likevekt skal beregnes. aller startkonsentrasjonen til COCl for [COCl ] o. [COCl ] o = (0,0 mol) (10,0 L) = 0,00 mol/l Alle støkiometriske faktorer i reaksjonsligningen er 1. Vi har 1:1 forhold mellom hver av reaktantene og produktet. Likevekten over vil forskyves mot venstre i forhold til utgangskonsentrasjonen. Antar at x mol/l forskyves fra høyre mot venstre. CO (g) + Cl (g) = COCl (g) Start 0 0 0,0 Likevekt x x (0,0 x) Setter opp likevektsuttrykk : [COCl ] = [CO] 9 c 4,6 10 [ Cl ] = Setter inn verdier fra likevektskjemaet i likevektsuttrykket. (0,0 x) c = = 4,6 10 (x) (x) (4, ) x + x 0,0 = 0 9 Løsning av. gradsligningen på kalkulator gir en positiv løsning. x =, mol/l [CO] = x =, mol/l [Cl ] = x =, mol/l [COCl ] = 0,0 x = 0,0 (, ) = 0,0 mol/l Det er lurt å kontrollere svaret ved å sette verdiene inn i likevektsuttrykket for å se om de stemmer med likevektkonstanten. [COCl ] (0,0) = = = 4, ΟΚ [CO] c 6 6 [ Cl ] (,1 10 ) (,1 10 ) 5

6 b) Professor Daniell arbeidet i London i 1840-årene med et galvanisk element på sink/kopperbasis: «Daniell s element». Cellediagrammet er: Zn(s) Zn + (aq) 1,0 mol/l Cu + (aq) 1,0 mol/l Cu (s) I en galvanisk celle skjer anodereaksjonen og katodereaksjonen på to forskjellige steder. obber er edlere enn sink og blir katode. Det mest uedle metallet, som er sink, blir anode. Anode : Zn(s) Zn + (aq) + e - atode : Cu + (aq) + e - Cu(s) For at en galvanisk celle skal kunne fungere som et batteri, må anoderommet og katoderommet adskilles. Dette kan gjøres enten ved hjelp av diafragma, membran eller en saltbro. Dobbelstreken i cellerekken angir dette skillet. En enkeltstrek i cellerekken tilsvarer et faseskille, som f.eks mellom fast elektrode og flytende elektrolytt. Hvis en ikke adskiller anoderom og katoderom, vil kobberutfellingen skje på sinkelektroden samtidig som sink korroderer. Anode- og katodereaksjonen må skje på to forskjellige steder hvis en skal få strøm til å gå i den ytre krets. Elektronene vil gå i den ytre kretsen (gjennom ledningen) fra anoden til katoden. Dette er logisk siden elektroner forbrukes på katoden (reduksjon). I elektrolytten er det ioner som transporterer strømmen. Elektroner vil aldri gå gjennom løsningen. Ioner transporterer strøm gjennom saltbroen. Den drivende kraft for ionevandring er opprettholdelse av elektronøytralitet i begge cellekamrene. Negative ioner (f.eks Cl og NO3 ) transporteres mot anoderommet, mens positive ioner (f.eks Zn + og + ) transporteres mot katoderommet. Huskeregel : Anioner mot anoden og kationer mot katoden. 6

7 Elektrodereaksjonene blir : Anode : Zn(s) Zn + (aq) + e atode : Cu + (aq) + e Cu(s) E o A = 0,76 V E o = 0,34 V Totalreaksjon : Zn(s) + Cu + (aq) Cu(s) + Zn + (aq) Merk at det aldri inngår elektroner i totalreaksjonen. Når alle konsentrasjoner er 1,00 mol/l, er cellepotensialet (E) lik standard cellepotensial (E o ). E = E o = E o E o A = (0,34) (0,76) = 1,10 V c) obber kan bli utskilt elektrolytisk fra en løsning av koppersulfat, CuSO4. Det skal finnes hvor mye kobber som skilles ut på katoden i løpet av 30 minutter når strømstyrken er,50 A. Faradays tall er: F = 6,8 Ah/mol elektroner. Det mest vanlige er å oppgi F som As/mol. F = (96485 As/mol) (3600 s/h) = 6,8 Ah/mol F er ikke gitt i formelboken. F kan finnes som produktet mellom elementærladningen (e) og Avogadros tall (NA). Både e og NA er gitt på side 9 i formelboken. F = e NA = (1, C) (6, mol -1 ) = C/mol = As/mol obbersulfat løser seg i Cu + og SO4 ioner. CuSO4(s) Cu + (aq) + SO4 (aq) Ved elektrolyse, så vil Cu felles ut på katoden. Det skjer alltid en reduksjon på katoden. atodereaksjon : Cu + (aq) + e Cu(s) n = fordi vi har mol elektroner pr. mol Cu. Faradays lov knytter sammen molmasse med strøm. Beregner antall mol kobber (N) som felles ut i løpet av 30 minutters (0,5 times) elektrolyse. I t (,50 A) (0,5 h) N Cu = = = 0,033 mol n F (6,8 Ah/mol) Massen til utfelt kobber finnes ved å multiplisere med molvekten. mcu = (0,033 mol) (63,55 g/mol) = 1,48 gram 7