Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: KJE-1005 Grunnleggende Fysikalsk Kjemi Dato: Fredag 03. juni 2016 Klokkeslett: 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 3 Tillatte hjelpemidler: Enkel lommeregner Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Kontaktperson under eksamen: Rute 10 Prof. Richard Engh Telefon/mobil: 77644073/93667003 NB! Det er ikke tillatt å levere inn kladd sammen med besvarelsen Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no
Nyttig informasjon: 1 Pa = 1 N m -2 = 1 J m -3 = 1 kg m -1 s -2 1 J = 1 kg m 2 s -2 760 Torr = 101325 Pa = 1,00000 atm = 1,01325 bar 1 L = 1 dm 3 = 1000 cm 3 = 10-3 m 3 R = 8,31451 J K -1 mol -1 = 0,0831451 dm 3 bar K -1 mol -1 = 0,0820578 dm 3 atm K -1 mol -1 k B = k = R/N A = 1.38 x 10-23 J K -1 0 C = 273.15K UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 2
Oppgave 1 (15 poeng) Finn den passende ligningen eller definisjonen fra tabell B for hvert begrep og hver beskrivelse fra tabell 1! (Skriv tallet og bokstaven sammen for hvert par.) Hvert element fra tabellene skal brukes kun én gang. TABELL B TABELL 1 1. Maxwellrelasjon 2. Arrhenius ligning 3. Energinivåene av en harmonisk oscillator 4. Michaelis Menten ligning 5. Joule-Thomson inversjonstemperatur 6. normeringsbetingelsen 7. Henrys Lov 8. Schrödingers ligning 9. van der Waals ligning 10. Energinivåene av en partikkel i en boks 11. kjemisk potensial 12. Termodynamikkens første lov 13. Ionestyrke 14. Clausius+Clapeyrons ligning 15. sannsynlighet for å finne en partikkel i en interval a. p b = x B K B b. du =T ds p dv c. E ν =(ν+1/2)ħ ω,ν=0,1,2,... d. k= A e E A/ RT e. ( T / p) H =0 x 2 f. Ψ (x) 2 dx x 1 g. ħ 2 2m 2 Ψ +V Ψ=E Ψ 2 x h. p= nrt n2 a( V nb V ) 2 i. v= k cat[ E] 0 1+K m /[S] 0 j. ln( P 2 P 1 )= Δ H R ( 1 T 2 1 T 1 ) k. f.eks.( T / V ) S = ( P / S) V l. I= 1 2 i c i z i 2 m. Ψ * Ψ d τ=1 n. E n =n 2 h 2 /8mL 2 o. ( G / n i ) T,P,n' UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 3
Oppgave 2 (18 poeng) 2a) Beregn arbeid utført på et system av 0,30 mol av en ideell gass som ekspanderes isotermt og reversibelt fra 10 L til 20 L ved romtemperatur. A. 0,0 kj B. -0,5 kj C. -1,5 kj D. -7,4 kj 2b) Beregn ionestyrke av en 0,30 M løsning av MgCl 2. A. 0,30 M B. 0,60 M C. 0,90 M D. 1,80 M 2c) Hvis reaksjon 1 har høyere aktiveringsenergi enn reaksjon 2, hva er riktig: A. Reaksjon 1 har høyere reaksjonshastighet B. Reaksjon 1 har lavere reaksjonshastighet C. Reaksjon 1 kan ha høyere eller lavere reaksjonshastighet, avhengig av temperatur D. Reaksjon 1 kan ha høyere eller lavere reaksjonshastighet, avhengig av frekvensfaktoren 2d) Sulfanilamide er et antibiotikum som hemmer et bakterielt enzym som har paraaminobenzosyre som substrat. Sulfanilamid og para-aminobenzosyre er to molekyler med nesten samme struktur. Vi antar at enzymfunksjon følger Michaelis-Menten kinetikk. Maksimumhastighet av enzymet endres ikke når sulfanilamid er tilstede. Hva slags hemmer er sulfanilamid? A. Konkurrerende hemmer. B. Ikke-konkurrerende hemmer. C. Hybrid hemmer. D. Vi trenger mer informsjon om mekanisme for å svare på spørsmålet. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 4
2e) Frysepunktnedsettelsen av vann er 0,80 K når vi løser 1,00 M av stoff A, og er 1,60 K når vi løser 1,00 M av stoff B. Hvordan kan dette forklares? A. Stoff B oppløses eksotermt B. Stoff B dissosierer dobbelt så mye som stoff A C. Stoff B er dobbelt så tung som stoff A D. Stoff B binder halvparten så mange vannmolekyler som stoff A. 2f) Van der Waals parametrene «a» og «b» for CH 4, CClH 3, CCl 2 H 2, og CCl 4 er gitt i tabellen (fra UCDavis ChemWiki). Hva forklarer økningen av «a» med antall Cl best? a (bar L 2 /mol 2 ) b (L/mol) CH 4 2.300 0.04301 CH 3 Cl 7.566 0.06477 CH 2 Cl 2 12.44 0.08689 CCl 4 20.01 0.1281 A. økningen av tiltrekning gjennom permanente dipolmomenter B. økningen av tiltrekning gjennom induserte dipolmomenter C. økningen av molekylvekt D. økningen av frastøtning pga molekylstørrelsen 2g) En ideell Carnotmaskin opereres mellom to temperaturer: varme konverteres til arbeid ved en varm temperatur T V, og maskinen føres tilbake i syklus ved en lav temperatur T L. Ved hvilke temperaturer er virkningsgraden av prosessen høyest (virkningsgrad: andel overført varme som konverteres til arbeid)? A. T V =173ºC, T L =0ºC B. T V =0ºC, T L =-173ºC C. T V =-100ºC, T L =-273ºC D. Virkningsgrad av en Carnotmaskin er uavhengig av temperatur. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 5
2h) Energinivåene for tre forskellige systemer vises i diagrammene. Hva er riktig? I II III A. Diagramm I viser energinivåene for en partikkel i en boks B. En harmonisk oscillator beveger seg også ved en temperatur av 0 K C. Energiene av et elektron er kvantiserte når elektronet er bundet i en atom. D. Alle tre (A, B, og C) er riktige. 2i) Figuren viser et fasediagram for smeltingen av en blanding av stoffene A og B som ikke er blandbare som væsker. Pilen viser en avkjølingsprosess fra tilstand 1 til tilstand 2 og videre. Hva er riktig om tilstand 2? A. Tilstand 2 har en fase: en væske som blanding av a og b. B. Tilstand 2 har to faser: to ublandbare væsker av a og b C. Tilstand 2 har to faser: en gass og en væske, hver med like andeler av A og B. D. Tilstand 2 har to faser: en gass og en væske, hver med ulike andeler av A og B. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 6
Oppgave 3 (7 poeng) Fyll inn de manglende feltene i følgende tabell. Ta utgangspunkt i en ideell gass. Uttrykk svaret så enkelt som mulig ved bruk av C V, C P, R, T 1, T 2, p 1, p 2, V 1, og/eller V 2. isokorisk (V konstant) w rev,m q rev,m ΔU m ΔH m isobarisk (p konstant) C P (T 2 -T 1 ) isotermisk (T konstant) 0 adiabatisk (isokalorisk) Oppgave 4 (20 poeng) Ved 1,00 atm smelter is ved 0 o C og koker vann ved 100 o C. Smeltevarmen og fordampningsvarmen er henholdsvis 6,0095 kj/mol og 40,6563 kj/mol. a) Forklar hvorfor fordampningsvarmen er større enn smeltevarmen. Det koster 417,9 kj å varme opp 1,00 L vann fra 0 o C til 100 o C ved 1,00 atm. b) Beregn varmekapasiteten av vann. Anta at C p (l) er stabil i dette temperaturområdet. c) Beregn entropiendringen for prosessen. Anta at fordampningsvarmen av vann skyldes kun brytelsen av hydrogenbindinger. Energien av en H-binding er 21 kj/mol. d) Beregn gjennomsnitt antall hydrogenbindinger per vannmolekyl ved 100 o C. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 7
Oppgave 5 (15 poeng) Internt trykk av en gass kan skrives som: π T = ( U V ) T =T ( p T ) V p a. Beregn internt trykk for en ideell gass. b. Beregn internt trykk for en van der Waals gass. c. Beregn endring i den interne energien for isoterm ekspansjon av 1,00 mol nitrogengass fra 10 L til 20 L. Anta at nitrogen oppfører seg som en van der Waals gass med a = 0,12 Pa m 6 mol -2 og b = 42 m 3 mol -1. Oppgave 6 (20 poeng) Adenosin-5'-trifosfat (ATP) er et molekyl som har flere sentrale funksjoner i biologi, f. eks. intracellulær energioverføring, eller transfer av fosfatgrupper. Energi brukes for å produsere ATP fra ADP og uorganisk fosfat, og i motsatt retning frigjør reaksjonen energi. Kroppen bryter ned energirike molekyler, som f.eks. sukker, og bruker energien derfra for å syntetisere ATP som en energikilde. a) Ved ph 7, ATP 4 3 2 + H 2 O ADP + HPO 4 + H + ----a1) Hvor mye varme blir frigjørt, hvis dannelsesentalpiene er: ATP 4 : -2982 kj/mol; H 2 O: -287 kj/mol; ADP 3- : -2000 kj/mol; HPO 4 2- : -1299 kj/mol, H + : 0 kj/mol? Sammenlign nedbrytingen av et sukkermolekyl, med ΔH m = 2808 kj mol 1. C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) ---a2) Hvor mange ATP molekyler (maksimalt) kan dannes (fra ADP) fra nedbrytingsenergien? UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 8
b) Pga ionebinding og ph avhengige likevekter, finnes det flere forskjellige defosforyleringsreaksjoner av ATP. Bruk resultatet ovenfra og informasjonen i tabellen (reaksjonene 0, 2, og 6) for å beregne entalpien av følgende reaksjonen: atpmg 2- + H 2 O adpmg 1- + HPO 4 2- + H + Reaksjon G 0 (kcal/mol) H 0 (kcal/mol) S 0 (cal/k/mol) 0 atp 4 3 2 + H 2 O adp + HPO 4 + H + Fra 6a 1 atph 3- atp 4- + H + 10,48 ± 0,02-1,68 ± 0,30-40,7 ± 1.0 2 atp 4- + Mg 2+ atpmg 2- -7,95 ± 0,10 5,1 ± 0,3 43,7 ± 1,5 3 atpmgh 1- atpmg 2- + H + 7,42 ± 0,07 1,22 ± 0,55-20,8 ± 2,0 4 atph 3- + Mg 2+ atpmgh 1- -4,89 ± 0,16 2,2 ± 1,25 23,8 ± 4,0 5 adph 2- adp 3- + H + 9,83 ± 0,02-1,37 ± 0,30-37,5 ± 1,0 6 adp 3- + Mg 2+ adpmg 1- -5,83 ± 0,14 4,3 ± 0,3 33,9 ± 1,5 7 adpmgh adpmg 1- + H + 7,35 ± 0,14 2,02 ± 0,81-17,9 ± 3,0 8 adph 2- + Mg 2+ adpmgh -3,35 ± 0,27 0,9 ± 1,4 14,3 ± 5,0 9 H 2 PO 4 1- HPO 4 2- + H + 9,80 ± 0,02 0,76 ± 0,30-30,3 ± 1,0 10 HPO 4 2- + Mg 2+ MgHPO 4-3,74 ± 0,02 2,12 ± 0,30 19,7 ± 1,0 c) ATP er stabil ved ph 7 i omtrent ei uke, men enzymer som bruker ATP kan akselerere defosforyleringsreaskjonen så at ATP defosforyleres f. eks. innen noen få minutter. Forklar enzymkatalyse ved bruk av et energidiagramm. d) skriv en enkel hastighetslov for d[atpmg 2- ]/dt fra reaksjonenskjemaet: k 1 atph 3- + Mg 2+ atp 4- + H + + Mg 2+ k -1 k -2 k 2 k -4 k 4 k 3 atphmg 1- atpmg 2- + H + k -3 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 9
Oppgave 7 (5 poeng) Karbondioksid er et symmetrisk molekyl, ulik karbonmonoksid. Atkins og de Paula skriver "Et polart molekyl er et molekyl med permanent dipolmoment". Skriv kort om karbondioksid: Er karbondioksid et polart molekyl? Hvorfor kan karbondioksid være mer løslig i vann enn karbonmonoksid? Har dette noe med polaritet å gjøre? Hva med vannstruktur? Bruk begrep fra termodynamikk i forklaringer. Løslighet av CO 2 og CO i vann ladningsfordeling av CO og CO 2 Modell av CO 2 oppløst i vann (hydrogenatomer vises ikke) UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 10