Program for Elektro og Datateknikk/ AFT TALM1008 Fysikk og jemi Løsning kjemidel eksamen 19/5-14 Oppgave 1 a) Det skal skrives navn på fem forbindelser : LiCl : Litiumklorid H 3PO 4 : Fosforsyre FeI 3 : Jern(III)jodid N O 4 : Dinitrogentetraoksid NH 3 : Ammoniakk Litium er et alkalimetall som alltid har okstall +I i forbindelser. For syrer benyttes trivialnavn. Må angi okstall fordi Fe både kan være +II og +III. Forbindelsen består av to ikke-metaller. Ammoniakk er basen til ammoniumionet. Det skal skrives kjemiske formler for fem ulike forbindelser : Ammoniumnitrat : NH 4NO 3 Dette er et lettløselig salt, der begge ionene er enverdig. Fosforsyrling : H 3PO 3 Syre med et oksygen mindre enn i fosforsyre H 3PO 4. Fosforsyrling ble brukt som navn inntil i 1980 årene. I dag benyttes fosfonsyre som navn på H 3PO 3. Jern(III)bromid : FeBr 3 Bromid (Br ) er et enverdig ion. Salpetersyre : HNO 3 Det brukes trivialnavn på syrer, Salpetersyre er en sterk syre. Ammoniakk : NH 3 Ammoniakk er en base. b) Normal, uforurenset luft inneholder litt karbondioksid, som vil reagere med regnvann og danne karbonsyre (H CO 3). På norsk er det vanlig å kalle denne syren for kullsyre i stedet for karbonsyre. Siden det er mer enn 3 tierpotenser i forskjell mellom a 1 og a, trenger man bare om å ta hensyn til første protolysetrinn ved beregning av ph. ullsyre vil protolysere i (første trinn) etter ligningen: H CO 3 + H O = H 3O + + HCO 3 - Det er mest vanlig å skrive syrelikevekten som: H CO 3 = H + + HCO 3 - Denne likevekten forklarer at regnvann er svakt surt. ph-verdien i regnvann skal beregnes når konsentrasjonen av kullsyren er 4,5 10-5 mol/l. Syrekonstanten for førte trinn (a 1) er gitt ved : a 1 = 4,4 10 7. H CO 3 = H + + - HCO 3 Start 4,5 10-5 0 0 Likevekt (4,5 10-5 x) x x
Setter opp likevektsuttrykk : + [HCO3 ] [H ] 7 a1 = = 4,4 10 [HCO3] Setter inn uttrykkene for likevektskonsentrasjonene: (x) (x) (4,5 10 x) 7 a1 = = 4,4 10 5 Dette uttrykket gir en. gradsligning. x = (4,4 10 7 ) (4,5 10 5 x) x + (4,4 10 7 ) x 1,98 10 11 = 0 Løsning av ligningen på kalkulator gir en positiv løsning. x = [H + ] = 4,4 10 6 mol/l ph = log[h + ] = log(4,4 10 6 ) = 5,37 Siden H CO 3 er en svak syre, så blir ph svakt sur. c) 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 = 4,6 10 9. Det fylles 0,0 mol COCl i en (tom) reaktor med volum 10,0 L ved 100 o C. 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) 9 (4,6 10 9 ) x + x 0,0 = 0 Løsning av. gradsligningen på kalkulator gir en positiv løsning. x =,1 10 6 mol/l [CO] = x =,1 10 6 mol/l [Cl ] = x =,1 10 6 mol/l [COCl ] = 0,0 x = 0,0 (,1 10 6 ) = 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) = = = 4,5 10 9 ΟΚ [CO] c 6 6 [ Cl ] (,1 10 ) (,1 10 ) Oppgave a) Ved de ulike produksjonsmåter av gjødningsmidler, brukte man tidligere en prosess som verden over var kjent som Odda-prosessen. Da kunne man fremstille ammoniumnitrat fra kalsiumnitrat ved behandling med ammoniakk og karbondioksid, hvorved kalsiumkarbonat ble utfelt og frafiltrert, hvoretter ammoniumnitrat kunne utvinnes ved inndampning av resten av reaksjonsblandingen. Prosessen var : Ca(NO 3) + NH 3 + CO + H O = NH 4NO 3(aq) + CaCO 3(s) Molvekter for stoffene : Ca(NO 3) : 164,1 g/mol = 0,1641 kg/mol NH 4NO 3 : 80,0 g/mol = 0,0800 kg/mol CaCO 3 : 100,1 g/mol = 0,1001 kg/mol Det skal finnes mye ammoniumnitrat som kan produseres fra 100,0 tonn kalsiumnitrat. 100,0 tonn = (100,0 tonn) (10 3 kg/tonn) = 1,0 10 5 kg
Beregner antall mol kalsiumnitrat = (1,00 10 5 kg)/( 0,1641 kg/mol) = 609385 mol Fra reaksjonsligningen ser man at det dannes mol NH 4NO 3 pr mol Ca(NO 3) som forbrukes. Antall mol ammoniumnitrat : (609385 mol) = 118769 mol Vekt av ammoniumnitrat : (118769 mol) (0,0800 kg/mol) = 97501 kg = 97,5 tonn Det dannes et mol av biproduktet kalsiumkarbonat for hvert mol av kalsiumnitrat som forbrukes. Antall mol kalsiumkarbonat = Antall mol kalsiumnitrat = 609385 mol Vekt av kalsiumkarbonat : (609385 mol) (0,1001 kg/mol) = 60999 kg = 61,0 tonn b) ph i en 0,05 mol/l salpetersyreløsning (HNO 3) skal beregnes. HNO 3 er en sterk syre som er fullstendig dissosiert i ioner. HNO 3 H + + NO 3 Start 0,05 0 0 Slutt 0 0,05 0,05 [H + ] = 0,05 mol/l ph = log[h + ] = log(0,05) = 1,60 Siden HNO 3 er en sterk syre, blir ph svært lav. Desto lavere ph, desto surere er det. c) Arsen reagerer med natriumhypokloritt (NaClO) og gir arsensyre og natriumklorid ifølge ligningen: As + NaClO + H O H 3AsO 4 + NaCl Summen av oksidasjonstallene i en uladet forbindelse er null. H har oksidasjonstall +I, mens O har oksidasjonstall II. Na er et alkaliemetall med oksidasjonstall +I. As har oksidasjonstall 0 i As og oksidasjonstall +V i H 3AsO 4 oks = 5 Cl har oksidasjonstall +I i NaClO og oksidasjonstall I i NaCl red = Antall elektroner i halvreaksjonen tilsvarer forskjell i oksidasjonstall. Oksidasjon As H 3AsO 4 + 5e Balanserer ladning med H + As H 3AsO 4 + 5H + + 5e Balanserer massebalanser med H O. As + 4H O H 3AsO 4 + 5H + + 5e
Reduksjon NaClO + e NaCl Balanserer ladning med H +. NaClO + H + + e NaCl Balanserer massebalanser med H O. NaClO + H + + e NaCl + H O Totalreaksjon I totalreaksjonen skal det ikke inngå elektroner. Minste felles multiplum mellom og 5 er 10. Derfor må oksidasjonen multipliseres med og reduksjonen multipliseres med 5. Oksidasjon : As + 8H O H 3AsO 4 + 10H + + 10e Reduksjon : 5NaClO + 10H + + 10e 5NaCl + 5H O Totalreaksjonen finnes ved å legge sammen anodereaksjonen og katodereaksjonen. Total : As + 5NaClO + 3H O H 3AsO 4 + 5NaCl Det er lurt å kontrollere at massebalansene i totalreaksjonen stemmer. Element Venstre side Høyre side As Cl 5 5 Na 5 5 O 5 + 3 = 8 x 4 = 8 H 3 x = 6 x 3 = 6 Alle massebalanser stemmer Balanseringen er O.
Oppgave 3 a) 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 NO 3 ) transporteres mot anoderommet, mens positive ioner (f.eks Zn + og + ) transporteres mot katoderommet. Huskeregel : Anioner mot anoden og kationer mot katoden. 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 b) Vi forandrer elektrolyttkonsentrasjonene i Daniell s element slik som vist under: Zn (s) Zn + (aq) 1,5 10 4 mol/l Cu + (aq) 1,5 mol/l Cu (s) Det nye cellepotensialet skal beregnes ved hjelp av Nernst s ligning. Fra totalreaksjonen ser vi at Zn + er produkt, mens Cu + er reaktant. Produkter kommer over brøkstreken i log-uttrykket, mens reaktanter kommer under. Faste stoffer har aktivitet lik 1 og inngår ikke i log-uttrykket. Faste stoffer har ikke noen konsentrasjon. = 0,0591 =(1,10) 0,0591 = (1,10), log ( [ ] [ ] ) log (1,5 10 ) (1,5) ( 4) = 1, V c) For at natrium skal kunne reagere spontant med vann, må E o for katoderaksjonen være større enn E o for anodereaksjonen. Anode : Na(s) Na + (aq) + e atode : HO + e OH (aq) + H(g) Ε ο Α =,71 V Ε ο Κ = 0,83 V Ε ο Κ > Ε ο Α Reaksjonen er spontan I totalreaksjonen skal det ikke inngå elektroner. Derfor må anodereaksjonen multipliseres med før vi legger sammen halvreaksjonene. Balansert totalreaksjon : Na(s) + HO NaOH(aq) + H(g) Reaksjonen kan også skrives som : Na(s) + HO Na + (aq) + OH (aq) + H(g) Det er ikke mulig å beregne cellepotensialet fordi vi ikke vet konsentrasjonene. Det eneste, som vi kan beregne, er standard cellepotensial (E o ). E o forutsetter at alle konsentrasjoner er 1 mol/l. E o = E o E o A = ( 0,83) (,71) = 1,88 V En spontan reaksjon har positivt cellepotensial.