Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag EKSAMENSOPPGAVE Fag: IRK21014 Fysikalsk kjemi 10 studiepoeng Emneansvarlig: Ole Kr. Førrisdahl, mobil 974 873 78 Grupper: K2 Dato: 11.12.2014 Tid: 0900-1300 Antall oppgavesider: M. c Antall vedleggsider: 1 Sensurerin sfrist til studenter: 16.01.15 Hjelpemidler: Kalkulator, utlevert formelsamling "Formelsamling i fysikalsk kjemi", Nuffleld advanced science "Book of data". 1 personlig A4 side som utleveres på eksamen KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG Dersom du savner opplysninger som er nødvendige for at du skal kunne løse oppgavene, bruker du symboler eller rimelige verdier med begrunnelse. Oppgi alle svar i SI enheter hvis annet ikke er spesifisert. Oppgavesettet består av oppgaver som til sammen utgjør 136 %. Du trenger ikke å besvare flere oppgaver enn at summen av disse utgjør 100 %. Sagt på en annen måte: Du kan velge vekk en eller flere deloppgaver på til sammen 36 %. Du kan ikke velge vekk oppgaver som må besvares (oppgave la, lc, 3a og 5a), disse utgjør til sammen 32 %. Hvis du velger å besvare så mange oppgaver at summen utgjør mer enn 100 %, vil din karakter på denne eksamen bli satt i forhold til det antall oppgaver du har besvart (for eksempel er 81/103 = 0.79)
Oppgave 1. (26 %) a) (10 %) MÅ BESVARES En reaksjon med følgende støkiometriske ligning A (g) + B (g) => 2 C (g) + D (g) er studert i en serie eksperimenter ved 25 C: Startkonsentrasjon til Startkonsentrasjon til Startdannelseshastigh A [mol dm-3] B [mol dm-3] et til C [mol dm-3s-1] 5.0x10-5 1.0x10-5 0.022 5.0x10-5 2.0x10-5 0.044 2.5x10-5 2.0x10-5 0.011 Hva er reaksjonsorden med hensyn til hver av reaktantene? Skriv ned den fullstendige hastighetsloven og angi også reaksjonenes totale orden. Regn ut hastighetskonstanten k ved 25 C og angi dens dimensjon. 2
b) (6 %) Reaksjonen A + B => P er en første ordens reaksjon med hensyn på A og totalt. 18.8 minutter etter reaksjonenes start er 23.1 % av A brutt ned. Hvor lang tid tar det før 90.0 % av A er brutt ned? Skisser hvordan man grafisk kan bestemme om en reaksjon er av 1. orden. c) (10 %) MÅ BESVARES Gitt den kjemiske reaksjonen 2 N205 (g) => 4 NO2 (g) + 02 (g) Hastighetskonstanten for reaksjonen dobler seg fra 22.50 C til 27.47 C. Anta at frekvensfaktor og aktiveringsenergi er uavhengig av temperaturen. Finn aktiveringsenergien for reaksjonen. En mulig mekanisme for nedbrytningen av N205 (g) er N205 (g) => NO2 (g) + NO3 (g) NO2 (g) + NO3 (g) NO2 (g) + NO3 (g) NO3 (g) + NO (g) k2 =>(.2-).2_5 k3 => NO (g) + NO2 (g) + 02 (g) k4 => 2 NO2 (g) Forklar hva som menes med steady-state approksimasjonen, når man studerer reaksjonsmekanismer og gi et eksempel fra den gitte mekanismen. Er reaksjonen en kjedereaksjon? svaret skal begrunnes. 3
Oppgave 2. (25 %) (4 %) Et lukket system utsettes for en prosess mellom tilstand 1 og tilstand 2 der q = J og w = 100 J. Systemet utsettes deretter for en ny prosess som fører systemet tilbake til tilstand 1, arbeidsoverføring i denne prosessen mellom system og omgivelser er -80 J, beregn varmeoverføringen i denne prosessen. (12 %) Figuren viser et pv-diagram for en reversibel Carnot syklus. Prosessmediet er en gass som kan betraktes som ideell under de gitte driftsbetingelsene. Netto arbeid utført av systemet på omgivelsene er 60.0 J. Net work done 60.0 J 500 K C 200 i)hva er den termiske virkningsgraden til prosessen? Hvor mye varme tilføres ved 500 K, og hva blir entropiforandringene til systemet? Hvor mye varme avgis ved 200 K, og hva blir entropiforandringene til systemet? Hva blir forandringene i Gibbs energi for prosessen A =>B? Beregn entropiforandringene til hele syklusen. Arbeidet prosessen leverer brukes til å drive en maskin med en virkningsgrad på 40 %. Hvor mye varme må tilføres Carnot-prosessen, hvis maskinen har ytelse på 2.1 kw. 4
Oppgave 2. (25 %) fortsetter c) (9 %) I temperaturområdet fra 298 K til 1500 K er følgende varmekapasiteter gitt: Cp(H2)/J-K-1.mo1-1=29.07 - (0.837x10-3K-1)T+ (2.012x10-6 K-2)T2 Cp(N2)/J-K-1.mo1-1=26.98 + (5.912x10-3K-1)T - (0.3376x10-6 K-2)T2 Cp(NH3)/J-K-1.mol- 1 = 25.89 + (32.58x10-3K-1)T - (3.046x10-6K-2)T2 Beregn standard dannelsesentalpi til ammoniakk (NH3 (g)) ved 727 C. 5
Oppgave 3. (29 %) (6 %) MÅ BESVARES (6 %) Forklar hvilke antagelser som ligger til grunn for Clausius-Clapeyrons ligning for væske/gass likevekter, d ln p A vap H d(11t) Følgende damptrykk er eksperimentelt bestemt for komponent X i fast form og væskeform ved gitte temperaturer: 111, c) (8 %) d) (9 %) T/K R p/kpa Fast Væske stoff - 243 0.299 273 3.27 283-6.17 303-15.8 373-180.1 Bestem sublimasjonsvarme (dsubli), smeltevarme (41/) og fordampingsvarme (.4 ph) for komponent X. Anta at Asub-H,AfisHog AvapH er konstante i de gitte temperaturområdene. Finn volumet og aktivitetskoeffisienten til 1 mol ammoniakkgass ved 410 K og 115 bar. Løselighetsproduktet for blyjodid, Pb12er 1.4.10-8.Bruk Debye-Hiikels limiting law (DHLL) og estimer den molare løseligheten av Pb12i en 0.10 M Pb(NO 3)2-1øsning. 6
Oppgave 4. (22 %) a) (10 %) Den molare konduktiviteten til NaOH og CH3COOH ble målt ved forskjellige konsentrasjoner ved 25 C: NaOH A /(S cm2mo1-1) CH3COOH A /(S cm2mo1-1) 134.6 c/(mol dm- ) 0.0001 0.0010 244.5 49.2 0.0100 238.0 16.2 0.1000 221.2 5.2 0.2000 213.0 3.6 Utfør et grovestimat av den molare konduktiviteten ved uendelig fortynning for NaOH og CH3COOH fra de eksperimentelle data. Bruk Kohlrausch's lov på de individuelle molare ionekonduktivitetene og beregn den molare konduktiviteten ved uendelig fortynning for NaOH og CH3COOH. Kommenter dette resultatet med svaret fra spørsmål 3a i). (6 %) Den molar konduktiviteten er målt eksperimentelt ved 25 C, følgende verdier ble funnet: (6 %) A / (10-2Sm2mo1-1) HC1 4.3 KC1 1.5 K(CH2C1C00) 1.1 Bruk de eksperimentelle data til å finne den molare konduktiviteten ved uendelig fortynning for CH2C1COOHved 25 C. Oppgi svaret som [S cm2 moll 1 liter rent vann tilsettes 0.5 g K2SO4og 0.5 g CaSO4hva blir ionestyrken til løsningen? 7
Oppgave 5 (18 %) a) (6 %) MÅ BESVARES Beregn den elektromotoriske kraften ved 25 C til følgende elektrokjemiske celle Co (s) ICo2+(aq) IINi2+(aq) INi (s) når [Ni2] = 1.0 m og [Co2+]= 0.15 m. Hvor mye nyttig arbeid man trekke ut av cellen? s b) (6 %) Bruk: I) Fe3++ e- => Fe2+ E1 = 0.77 V og II) Fe2++ 2e- => Fe (s) E2= - 0.44 V Til å verifisere at III) Fe3++ 3e- => Fe (s) E3= - 0.04 V c) (6 %) ø Vis at du har lært noe i fysikalsk kjemi du ikke har fått vise på denne eksamen. 8
Oppgave 6 (16 %) Svar meget kort på 8 (åtte) av følgende 10 spørsmål, hvis flere enn 8 spørsmål besvares vil kun de 8 første besvarelsene bli vurdert. Skisser Debye-Hiikel Limiting Law (DHLL) i et diagram der man plotter logy+ mot 5. Sett opp en formel for hvordan man kan beregne ZimjxVi en væskeblanding. Et varmekraftverk operer mellom to temperaturer nivåer, den høyeste temperaturen er 800 K mens den laveste temperaturen er 283 K. Bestem den teoretiske termiske virkningsgraden til varmekraftverket. I en væske-væske ekstraksjonsprosess har man 3 komponenter tilstede. Bestem antall frihetsgrader til ekstraksjonsprosessen. Skisser en Carnot-prosess i et TS-diagram. Hvilke kriterier skal være oppfylt for faselikevekt mellom væske og gass. Er trykk en intensiv eller en ekstensiv størrelse? Den isoterme kompressibiliteten i er gitt av K= -1/V(dV/0719)T, hva blir K for en ideell gass? Gi en fysisk forklaring på konstantene a og b i van der Waals ligning. Kan et lukket system utveksle arbeid med omgivelsene? 9
1.60 1.40 1.20 1 I. 2:7 3,5 3.0 -, 2.4 r I r 2.0 2 2 -- \ Vedlegg 1,..-., 1,00 1.4 0.80 ' 0.60 1.3 1.2 (a) 0.40 0.20 02 1.1 1.0 4681012141618 20 RECUCED PRESSURE 3.0 1 2.8 2.6 16.0 2.4 2.2 1.0 2,0 8.0 5.0 16.0 1.8 1.6 1.4 TR- 10.0 12 ' 18,0 20.0 22.0 25 0 30.0 35.0 1.2 -t- 1.0---- 010 2030 40iGO708090100 (b) Figure 7-6. (fra Barrow, "Physical Chemistry% Sed.) The ratio f/p for gases as a function of the reduced pressure PR= P/Pc and the reduced temperature TR T/Tc (a) at pressures and temperatures near the critical point and (b) at higher pressures and temperatures. [From R. H. Nemon, Ind. Eng. Chem., 27: 302(1935).]