source: http://www.chembio.ntnu.no/users/ystenes/50505/eks_v96.html

Eksamen i fag 50505/50508, 11. desember 1996, med løsningsforslag.

Dette løsningsforslaget er gjort meget raskt, og inneholder antakelig noen feil. Det vil bli forbedret etterhvert!

Oppgave 1.

  • Hva er den drivende kraft i enhver hendelse, inklusive enhver kjemisk reaksjon, i følge termo-dynamikkens 2. lov?

    Svar: Hendelsen må bidra til at entropien i universet øker.

  • Ved likevekt mellom gass og vann-løsning av en tenkt gass viste det seg at konsentrasjonen var 1 mol/L både i løsningen og i gassfasen. Temperaturen er 100°C.
    - Beregn likevektskonstanten og (delta)G°

    Svar: PA= (n/V) RT = 1 mol/L x 0.0821 (L atm/K mol) x 373 K = 30.2 atm
    K = P(A)/[A] = 24.5
    (delta)G° = - RT lnK = - 8.31 (J/K mol) x 373 K x ln(30,2) = -10,6 kJ/mol

    Oppgave 2.

  • Du bobler HCl-gass gjennom en løsning av Ag+-ioner, og får felling av sølvklorid.

    Den balanserte ligningen: HCl (g) + Ag+ (aq) -> H+ (aq) + AgCl (s)

    - Beregn (delta)G° og K ved 25°C.

    Svar: (delta)G° = 0 -110 - (-95) -77 = -92 kJ/mol
    (delta)G° = - RTlnK -> K = 1,3 x 10^(16)

    - Undersøk utfra G om du får felling hvis [Ag+] var 0,1M og du har tilsatt så mye HCl-gass at pH har sunket fra 7,0 til 3,0.

    Svar: Man må undersøke om (delta)G = (delta)G° + RTlnQ < 0. Det er den.

  • Sammenlign likevektskonstanten med spaltingsproduktet for sølvklorid.
    - Hva blir likevektskonstanten for reaksjonen HCl(g) -> H+ (aq) + Cl- (aq)?

    Svar: Legger man sammen ligningen i 2a med ligningen AgCl(s) -> Ag+(aq) + Cl-(aq) (som har K = Ksp) får man den søkte ligningen HCl (g) -> H+(aq) + Cl-(aq).
    K = (5 x 10^(16)) x (Ksp) = (1,3 x 10^(16)) x (1.8 x 10^(-10)) = 2,3 x 10^6

    Oppgave 3.

    "Termitt"-reaksjonen er et spektakulært demonstasjonsforsøk hvor man lager metallisk jern ved å la jernoksid reagere med aluminiumpulver. Temperaturen på reaksjonen blir meget høy.
    Reaksjonslikning: Al + 1/2 Fe2O3 -> 1/2 Al2O3 + Fe

  • Beregn total varmeutvikling når 1 mol aluminium reagerer med støkiometrisk mengde treverdig jernoksid. Anta at reaksjonen starter ved 25°C og at reaksjonsblandingen deretter kjøles ned til 25°C.

    Svar: (delta)H = (delta)H° = 1/2 (-1676 kJ/mol) - 1/2 (-824 kJ/mol) = -426 kJ/mol

  • Hvor høy kan temperaturen teoretisk sett bli hvis reaksjonen starter ved 25°C? Forutsett at all varme blir igjen i produktene og at varmekapasiteten for produktene er konstant (Se bort fra at jernet smelter).

    Svar: C for reaksjonsblandingen = Cp(Fe) + 1/2 Cp(Al2O3)
    delta(H) = C (delta)T -> delta T = (delta)H/C = (426000 J/mol) / (64.5 J/mol T) = 6605 K
    T = 298 K + 6605 K = 6900 K
    I praksis vil reaksjonen maksimalt kunne nå kokepunktet for jern.

    Oppgave 4.

    Du har et begerglass med rent vann, pH=7,0 og 25°C. Nedi vannet setter du to inerte elektroder (f.eks. platina) og setter på en likestrømspenning. Det utvikles gass ved begge elektrodene.
  • Skisser oppsettet, angi anode og katode, fortegn på elektrodene, strømretning og reaksjoner.

    Svar: Husk elektrisk kontakt og batteri mellom elektrodene. Elektrodene kan godt være i samme kammer.
    Anode, oksidasjon, positiv: 2 H2O -> O2 + 4H+ +4e- ; E° = 1.23V
    Katode, reduksjon, negativ: 2H+ + 2e- -> H2 ; E° = 0V (pr. def.)
    Elektronene går fra anoden til katoden

    - Hvorfor vil gassutviklingen gå meget tregt i den angitte situasjonen?

    Svar: Det er nesten ikke ioner i rent vann, slik at ioneledningen i væsken er meget dårlig.

  • Beregn spenning som må påsettes for å få reaksjonen til å gå.

    Svar: E° for cellen er 1.23V + 0V = 1.23 V
    Totalreaksjonen blir 2 H2O -> 2 H2 + O2, dvs. Q=1 og E = E°.

    - Beregn hvor mye gass som er utviklet når det er brukt 1 Ah (amperetime) strøm.
    Svar: 1 Ah = 3600 As = 3600C = 3600/96500 mol e- = 0.0047 mol e-
    -> 0.00118 mol O2 og 0.00236 mol H2

    Oppgave 5.

    Du har en galvanisk celle ved 25°C hvor du har inerte elektroder (eks. titan). I begge kamrene har du 1M NaCl og løst Cl2 i likevekt med klorgass.
  • Hva er spenningen over cellen hvis du har 1M klorgassløsning i det ene kammeret og 1 atm klorgass over løsningen det andre kammeret?

    Svar:
    1/2 Cl2(g) + e- -> Cl- ; E° = 1.40 V
    1/2 Cl2(aq) + e- -> Cl- ; E ° = 1.36 V
    Cellespenning = 1.40 V - 1.36 V = 0.04 V.

  • Hva er gasstrykket av Cl2 over 1M Cl2 (aq)?

    Svar:
    1/2 Cl2(g) + e- -> Cl- ; log K1 = 23.0 (1)
    1/2 Cl2(aq) + e- -> Cl- ; log K2 = 23.6 (2)
    Cl2 (aq) -> Cl2 (g) ; 2 x log K2 - 2 x log K1 = 1,2 ; K = 15,8
    P(Cl2) = K = 15,8 atm.

    Oppgave 6.

    Sink korroderer normalt ikke i rent vann fordi det har et beskyttende oksidbelegg. Anta at dette laget har formelen Zn(OH)2. Både i syrer og baser vil sink reagere med vann under utvikling av hydrogengass.
  • Beregn [Zn2+] i kontakt med fast Zn(OH)2 ved pH=2 og pH=7 og forklar hvorfor sink korroderer lettere i sur enn i nøytral løsning. Temperaturen er 25°C.

    Svar: Ksp = [Zn2+][OH-]² = 3.8 10^(-17)
    pH=2: [OH-] = 10^(-12) -> [Zn2+] >>1. Dvs. fullstendig løselig.
    pH=7: [OH-] = 10^(-7) -> [Zn2+] = 3.8 10^(-3) mol/L. Begrenset løselighet, beskyttende oksidhinne.

  • I basisk løsning dannes komplekset Zn(OH)4^2-. Bruk le Chateliers prinsipp til å forklare følgende:
    - Løseligheten av Zn(OH)2 øker i basiske løsninger.

    Svar: Zn(OH)2 + 2 OH- -> Zn(OH)4^2-. Reaksjonen forskyes mot høyre ved tilsats av OH-, dvs. ved økende pH.

    - Reduksjonspotensialet for Zn Zn2+ + 2e- er lavere ved pH=14 enn ved pH=0.

    Svar: Dannelse av Zn(OH)42- fjerner Zn2+, slik at halvcellereaksjonen Zn -> Zn2+ + 2e- forskyves mot høyre.

    Oppgave 7.

    Galvanisk korrosjon kan sammenlignes med en galvanisk celle hvor du har en anode og en katode, og hvor du har elektrisk og ionelederkontakt mellom elektrodene.
  • To jernplater holdes sammen av en sinkbolt.
    - Forklar hvorfor denne bolten normalt vil korrodere meget raskt.

    Svar: Sinkbolten vil virke som offeranode for jernet.

    - Angi to måter å hindre at sinkbolten ødelegges.

    Svar: Sinkbolten kan isoleres elektrisk fra jernplaten eller man kan overflatebehandle jernet for å hindre katodereaksjonen (det vil ikke hjelpe å overflatebehandle bare sinkskruen)

  • Hvorfor er galvanisering en spesielt effektiv form for overflatebehandling av jern?

    Svar: Galvanisering av jern er å dekke overflaten med sink. Hvis det går hull i sinkbelegget vil sinken virke som offeranode og beskytte jernet mot korrosjon.

    Oppgave 8.

  • Du har en galvanisk celle hvor du i begge kamre har en hydrogenelektrode. I det ene cellekammeret har du [HCl] = 1,0M, i det andre [HCl] = 0,10M.
    - Beregn cellespenning og (delta)G for cellereaksjonen ved 25°C.

    Svar: Dette er en konsentrasjonscelle. E° = 0, for det er samme reaksjon som skjer i begge cellekamrene.
    Det gir E = E° - 0,0592/n logQ.
    E = 0 - 0.0592 log (10) = 0.0592 V (Det er flere måter å finne dette svaret på. Du kan ikke vite hva som er høyre og venstre kammeret. Det er derfor ikke mulig å finne retningen på spenningen.)

  • Cellereaksjonen tilsvarer en fortynning fra HCl (1M) til HCl (0,1M). Det skjer ingen netto kjemisk reaksjon ved fortynningen, du vil ikke få noen målbar varmeutvikling.
    Beregn entropiendringen ved 25°C for fortynning av 1M HCl til 0,1M HCl.

    Svar: (delta)G = - nFE = -1 x 96500 x 0.0592 = -5.7 kJ/mol
    (delta)H = 0 ; (delta)G = - T (delta)S
    (delta)S = -(delta)G/T = -(- 5.7kJ/mol)/298K = 19.2 J/mol K
    Slik spørsmålet er definert må svaret ha dette fortegnet.

    Oppgave 9.

    Se på reaksjonen A + B -> C + D
  • Hvis du fordobler [A] øker hastigheten til det doble. Hvis du fordobler [B] øker hastigheten til det firedoble. Hvis [A] = [B] = 0,1 mol/L blir r = 3 10-6 mol/L s ved 27°C.

    Dette betyr at r = k [A][B]²

    - Hva blir verdien av k? Angi svaret med riktig enhet.
    Svar: k = 3 10^-3 L²/mol² s

  • Aktiveringsenergien er 100 kJ/mol. Hva blir hastigheten ved 54°C?

    Svar: ln(r2/r1) = Ea/R (1/T1 - 1/T2) = 100000/8.31 (1/300 - 1/327)
    r2/r1 = k2/k1 = 27,4
    k2 = 3 10^-3 x 27,4 = 8 10^-2
    Regner man r2 direkte f†r man 8,2 10-5 mol/Ls

    Oppgave 10.

  • Reaksjonen E + F -> G + H skjer i følgende to trinn: 1) 2E -> G + I. 2) I + F-> H + E.
    - Vis at dette er en mulig mekanisme for reaksjonen.

    Svar: Ved å legge sammen de to trinnene får man totalreaksjonen. Mekanismen er derfor mulig.

    - Hastigheten avhenger bare av [E] og ingen av de andre konsentrasjonene. Hvilket av trinnene er hastighetsbestemmende?

    Svar: 1. trinn. r = k[E]² hvis første trinn er hastighetsbestemmende.

  • Etanol kan omdannes til dietyl-eter med svovelsyre som katalysator. Reaksjonen er eksoterm.
    - Vis energi profilen for reaksjonen med og uten katalysator, og angi (delta)E og Ea for reaksjonen.

    Svar: (delta)E er forskjellen i energi mellom startpunktet og sluttpunktet. Ea er forskjellen i energi mellom startpunktet og topp-punktet. Kurven for den katalyserte reaksjonen skal ligge lavere enn den opprinnelige kurven, men falle sammen ved start og slutt-tidpunktet.

    - Vis utfra figuren hvorfor katalysatorene påvirker hastigheten, men ikke likevekten.

    Svar: Hastigheten avhenger av bl.a. Ea. Fra figuren ser man at Ea blir lavere hvis man bruker en katalysator. Likevekten er avhengig av forskjellen i energi mellom start- og slutt-punktet, og den er uforandret.

    Martin Ystenes home page
    ystenes@kjemi.unit.no