EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: KJE-1005 Dato: Fredag 05. juni 2015 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 3 Tillatte hjelpemidler: Enkel lommeregner Oppgavesettet er på 8 sider inklusive forside Kontaktperson under eksamen: Prof. Richard Engh Telefon: 93667003 NB! Det er ikke tillatt å levere inn kladd sammen med besvarelsen
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 Molar volum V m =V/n Standard dannelsesentalpier (H; 25 C, 1 atm): CO 2 (gass) -394 kj/mol, H 2 O (væske) -286 kj/mol, CH 4 (gass) -74.9 kj/mol Standard Gibbs energier (G; 25 C, 1 atm): CO 2 (gass) -395 kj/mol, H 2 O (væske) -237 kj/mol, CH 4 (gass) -50.8kJ/mol Egenskaper av vann: Kokepunkt (1 atm trykk): 100 C Smeltevarmen (Δ fus H, 0 C): 6,01 kj mol -1 Fordampningsvarmen (Δ vap H, 100 C): 40,7 kj mol -1 Varmekapasitet væske C p (l) : 75 J K -1 mol -1 Varmekapasitet gass C p (g): 34 J K -1 mol -1 Kryoskopisk konstant K f : 1,86 K kg mol -1 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 bare én gang. TABELL 1 1. Reaksjon Gibbs energi 2. Gibbs faseregel 3. Michaelis Menten ligning 4. Likevektskonstant 5. Raoults lov 6. Henrys lov 7. Termodynamikkens første lov 8. Kjemisk potensial 9. Faseovergang entropi 10. Stokes-Einstein relasjon 11. Termodynamikkens andre lov 12. Arrhenius' ligning 13. Joule-Thomson inversjonstemperatur 14. Frysepunktnedsettelse 15. van der Waals gass TABELL B a. p b = x B K B b. du =T ds p dv c. D= k B T 6π ηa d. k = A e E A/ RT e. ( T / p) H =0 f. Δ S δ Q T g. F=2 P+C h. p= nrt n2 a( V nb V ) 2 i. v= k cat [ E] 0 1+K m /[S] 0 j. P i =(P i ) 100 % x i k. ν K=( a J) J J l. R T ln K m. K f m 2 =Δ fus T n. Δ trs H T trs 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 (16 poeng) Figuren viser strukturene av bensen, naftalen og antracen. bensen naftalen antracen 2a) Hvilket av molekylene i figuren har størst permanent dipolmoment? A. Bensen B. Naftalen C. Antracen D. Alle tre har likt permanent dipolmoment. 2b) Hvilket av molekylene i figuren har størst indusert dipolmoment i et elektrisk felt? A. Bensen B. Naftalen C. Antracen D. Alle tre har likt indusert dipolmoment i et elektrisk felt. 2c) Hva er partialtrykket av metan i luft ved atmosfærisk trykk hvis molbrøken av metan er 1,7 ppm? (ppm = parts per million) A. 1,3 mtorr B. 0,17 Torr C. 13 Torr D. 1,7 Torr 2d) Hva er entalpiendringen hvis en ideell gass (C p = 5R/3) ekspanderes isotermt? A. H > 0 B. H = 0 C. H < 0 D. En ideell gass kan ikke ekspanderes isotermt 2e) Ved 25 C og 1,00 atm er entropien for flytende vann S 298 = 69,95 J K -1 mol -1. Beregn entropien for vanndamp ved 125 C og 1,00 atm. Anta at vanndamp oppfører seg som en ideell gass. A. S 398 = 19,18 J K -1 mol -1 B. S 398 = 89,13 J K -1 mol -1 C. S 398 = 129,68 J K -1 mol -1 D. S 398 = 6556,31 J K -1 mol -1 UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 4
2f) Tabellen gir reaksjonshastigheten n 0 for en reaksjon ved ulike konsentrasjoner av stoff A. Bestem reaksjonsorden a for stoff A. [A] (mm) n 0 4,0 0,123 7,0 0,377 10,0 0,769 15,0 1,730 A. 0 B. 1 C. 2 D. 3 2g) Figuren viser tre fasediagrammer for rene stoffer. Hvilket kan ikke være korrekt? a b c A. a B. b C. c D. alle tre kan være reelle fasendiagrammer for rene stoffer 2h) Figuren til høyre viser Lennard- Jones potensial energifunksjonen for vekselvirkninger mellom molekyler. Hva er riktig? A. 1/r 12 tilsvarer akkurat frastøtningsenergien. B. -1/r 6 tilsvarer tiltrekning fra både dipol-dipol, dipol-indusert dipol, og indusert dipol-indusert dipol vekselvirkninger. C. Hydrogenbindingsenergien er gitt fra summen av tiltreknings- og frastøtningsenergiene i Lennard-Jones potensialet. D. A, B, og C er alle riktige UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 5
Oppgave 3 (20 poeng) a. Bruk uttrykket for Helmholtz energi (som en funsjon av T og V) for å utlede Maxwellrelasjonen (Husk Youngs setning: ( S V ) T = ( p T ) V. x ( f y ) = y ( f x ) og de termodynamiske lovene). b. Beregn entropiendringen hvis én mol metangass komprimeres reversibelt og isotermt fra 20 L til 12 L. Anta at gassen oppfører seg som en ideell gass. c. Beregn entropiendringen som i b, men ved å anta at gassen oppfører seg som en Van der Waals gass, (med a = 14.61 atm L² /mol² og b = 0.0431 L/mol. d. Hva er entropiendringen hvis en mol metangass komprimeres reversibelt og adiabatisk? Oppgave 4 (15 poeng) Det molare volumet V m for en Van der Waals gass ved lavet trykk kan skrives som: V m = RT p +b a RT a. Ved en bestemt temperatur oppfører en Van der Waals gass seg som en ideell gass. Finn denne temperaturen for oksygen (a = 1.364 atm L² /mol² og b = 0.0319 L/mol). Termisk utvidelseskoeffisient som beskriver hvordan volumen forandrer seg avhengig av temperaturen, kan beregnes ved α V m =( V m T )p b. Beregn for oksygen og butan ved 25 C og atmosfærisk trykk. Bruk uttrykk for V m gitt ovenfor (for butan, a = 14.66 atm L² /mol² og b = 0.1226 L/mol). c. Forklar forskjellene mellom oksygen og butan fra b). Bruk betydningen av van der Waals parametrene i forklaringen. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 6
Oppgave 5 (15 poeng) Glyfosat er et aminofosfonisk analog til den naturlig forekommende aminosyren glycin, og navnet er en sammentrekning av glycin + fosfo- + -at. I 1970 oppdaget John Franz at glyfosat kunne brukes som ugressmiddel, og er nå viktig i industrialiserte landbruk (solgt bl. a. under navnet 'Roundup'). a) I 1964 ble glyfosat patentert for sin egenskap å binde flere forskjellige metallioner (ved å danne et kelatkompleks), som også gjøres av f.eks. EDTA, ATP, sitronsyre, og andre stoffer. Metall + Kelator Kelatkompleks Det er blitt diskutert om glyfosat er giftig for pattedyr, og danning av kelatkomplekser granskes. Likevektskonstanter for bindingene av Mn 2+ kan sammenlignes: Glyfosat: 4.0x10 5, EDTA: 4.0x10 13, og sitronsyre: 1.5x10 3. [Madsen et al (1978) Acta Chemica Scandinavica A, 32, 79-83, et al.] Beregn Gibbs reaksjonsenergiene ved 37 C. b) glyfosat dreper planter ved å hemme enzymet 5-enolpyruvylshikimat-3-fosfat syntase (EPSPS). Enzymet knytter to substrater, S3P og PEP, for å danne EPSP. Muligens har reaksjonen denne mekanismen: Forklar kvalitativt hvordan EPSPS kan katalyserer reaktionen, og hvorfor dette kan forsterke bindingen av visse inhibitorer. c) reaksjonshastighet av EPSPS ble målt ved variererende konsentrasjonen of substratet PEP, og ved forskjellige konsentrasjoner av glyfosat (figuren til høyre). Er glyfosat en konkurrerende, blandet eller antikompetitiv inhibitor mot PEP? Hva betyr dette for bindingstedet av glyfosat i enzymet? Forklar svaret. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 7
Oppgave 6 (10 poeng) Global oppvarming fører blant annet til økt smelting av sommerisen i Arktis. Som flere fenomener tilknyttet til global oppvarming, kan økt smelting også øke hastighet av smeltingen. Slik positiv tilbakekobling kan danne "tipping points" som skifter et system ut fra en stabil tilstand i likevekt. a) Hva skjer med varmeopptak på nordpolen etter at isen er smeltet bort? Det er vanlig å lese at varmeopptak på nordpolen vil øke med smelting av isen, fordi snøen reflekterer mer lys enn vann (albedo effekten). Men det er også interessant å fokusere på temperatur effekter. Hvis en mengde vann (som væske) med en temperatur på 0ºC blir tilført like mye varme som det behøves for å smelte samme mengde is (ved 0ºC), hva blir temperaturen? b) Er "tipping points" eller positiv tilbakekoblinger i et system i tråd med Le Chatelier's prinsipp? Forklar prinsippet og analyser om positiv tilbakekobling og akselererende polar issmelting motbeviser termodynamiske lover. Bruk forskjellige termodynamiske begrep i svaret. Oppgave 7 (9 poeng) a) Bruk Henrys lov og beregn løsligheten av CO 2 i vann når partielltrykket av CO 2 er 4 atm (som i en colaflaske). Henrys konstant K er 3,01 x 10 3 kpa kg mol -1. b) Beregn frysepunkt til løsningen i a) c) forklar kvalitativt hvordan forandringer av kjemisk potensial av vann fører til forandringen av temperaturen. UiT / Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no 8