Eksamen i fag SIK3005 /SIK0503, 27. mai 2000

Oppgave 1.

Svar: pH = -log [H⁺]; pH + pOH = 14; 1, 12, 7. Kommentar til det siste: pH kan ikke bli større enn 7 for en syre, uansett hvor mye man fortynner. Vannets egne H⁺-ioner vil sørge for det.

b) Hva er pH når:
- 50% av syremolekylene i eddiksyre (acetic acid) er spaltet i ioner.
- 10% av ammoniakk (ammonia) er omdannet til ammonium.
- 5% av 0,010 mol Zn(OH)₂ er løst i 1L av en vannløsning av ellers ukjent sammensetning.

Svar: [HA] = [A^-] ; K_a = [H⁺][A^-]/[HA] => [H⁺] = K_a x [HA]/[A^-] = K_a x 1 = K_a => pH = pK_a = 4,76.
[NH₃] = 9 [NH₄⁺] ; K_a = [H⁺][NH₃]/[NH₄⁺] => [H⁺] = K_a x [NH₄⁺]/[NH₃] = K_a/9 => pH = pK_a - log9 = 10,2
[Zn²⁺] = 0,0005 M ; K_sp = [Zn²⁺][OH^-]₂ = 3.9x10^-17 => [OH^-]² = K_sp/[Zn²⁺] = 3.9x10^-17/  0,0005 = 7,8 x 10^-14 => [OH^-] = 2,8 x 10^-7 => pOH = 6,55 => pH = 7,45. (Forutsetning: At ingen stoffer danner komplekser med Zn²⁺)
 

Oppgave 2.

Svar: Reaksjon: HCl (g)  =>  HCl (aq)
G^o = -131 kJ/mol - ( - 95 kJ/mol) = - 36 kJ/mol
G =  G^o + RTlnQ = - 36 kJ/mol + RT ln ([HCl(aq)]/P(HCl(g)) = - 36 kJ/mol + 8,31 J/Kmol x 298K x ln (10^-3/10^-3) = - 36 kJ/mol + 8,31 J/Kmol x 298K x ln (1) = - 36 kJ/mol.
H^o = -167 kJ/mol - (-92 kJ/mol) = - 75 kJ/mol
S^o = 56 J/Kmol - (187 J/Kmol) = - 131 J/Kmol
G^o =  H^o - T  S^o = - 75 kJ/mol - 323 K x (- 131 J/Kmol ) = -33 KJ/mol
G^o = -RTlnK => ln K = - G^o/RT = -(-33 000 J/mol)/(8,31 J/Kmol x 323K) = 12,2 => K = 200000

Alternativt (faktisk enda riktigere) kan man regne ut fra HCl (g)  =>  H⁺ (aq) + Cl^- (aq) . Da vil ikke Q bli lik 0, og  G^o og  G blir ulike.

b) Hvor mye stiger temperaturen i løsningen hvis 1 mol HCl løses i 1L vann v/25^oC? Anta at  C_p=0.

Svar: T = Q / C_p
Q = -  H = - ( H^o(HCl(aq)) - H^o(HCl(g))) = 167 kJ/mol - 92 kJ/mol) = 75 kJ/mol.
Det er ett mol som reagerer, Q = 76 kJ/mol x 1 mol = 75 kJ
C_p = C_p(reaktanter(fordi  C_p=0)) = C_p(H₂O) x n(H₂O) + n(HCl(g)) x C_p(HCl(g)) = (1000g/18,9g/mol) x 75 J/Kmol + 1mol x 29 J/Kmol = 4200 J/K
=>  T = Q/C_p = 75 000 kJ/4200 J/K = 17,9 K.
 

Oppgave 3.

Svar:
PbCl₂  => Pb²⁺ + 2 Cl ^-                         K₁ = K_sp = 1,7 x 10^-5
Pb²⁺ + 2 I^- => PbI₂                         K₂ = 1/K_sp = 1/ (8 x 10^-9) = 1,25 x 10⁸
PbCl₂ + 2 I^- => PbI₂ + 2 Cl^-                K = K₁ x K₂  = 1,7 x 10^-5 x 1,25 x 10⁸ = 2 x 10³

b) - Hva er løseligheten av CaSO₄ i en 1 M H₂SO₄-løsning når pH = 0?
(Hint: Løsningen finnes ved å kombinere likevekten for spalting av saltet med andre protolysetrinn for svovelsyre.)

Svar:
CaSO₄  - > Ca²⁺ - SO₄^2-                        K₁  = K_sp = 2,4 x 10^-5
SO₄^2- + H⁺ - > HSO₄^-                           K₂  = 1/K_a2 = 10²
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
 H⁺ + CaSO₄  - > Ca²⁺ + HSO₄^-            K =K₁ x K₂ = K_sp/K_a2 = 2,4 x 10^-5/10²  = 2,4 x10^-3
K = [Ca²⁺] x [HSO₄^- ] / [H⁺] x [CaSO₄]  = Ca²⁺ x 1 /1 x 1
        (informasjonen som er gitt forteller at [HSO₄^-] og [H⁺] er 1 mol/L, mens CaSO₄ er fast stoff.)
=> Løselighet = [Ca²⁺] =  K = 2,4 x10^-3 mol/L.
Det finens andre veier til målet, blan annet kan man regne ut [SO₄^2-] utfra syrekonstanten først.
 

Oppgave 4.

Svar:
Venstre:  Cu²⁺ + 2e^- -> Cu                                       E^o =  0,34 V
Høyre:    Zn  -> Zn²⁺ + 2e^-                                       E^o = - (-0,76V)
Totalreaksjon:  Cu²⁺ +  Zn  -> Zn²⁺ +  Cu                E^o =  0,34 V + 0,76 V = 1,10 V

b) - Hva er E når cellen har levert 1 A i ett minutt?
(Hint: Hvorfor kan man ikke beregne E før reaksjonen har startet?)

Svar: 1 A i 1 min = 60 C => antall mol e^- = 60 C / (96500 C/mol) = 6,2 x 10^-4 mol =>
Det produseres 3,1 x 10^-4 mol Zn²⁺ => Zn²⁺ = 3,1 x 10^-4 mol / 0,1L = 3,1 x 10^-3 mol/L
E = Eo - 0,0592/n log Q = 1,10V - 0,0296 log ([Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 1,10V - 0,0296 log (3,1 x 10^-3/ 0,1) = 1,14 V
(Det er ikke tatt hensyn til endring i [Cu²⁺], men det er mulig å regne ut denne hvis man gjør en antakelse om volum av Cu²⁺-løsningen.)
 

Oppgave 5.

Svar: - Vi får en galvanisk korrosjon, hvor katodereaksjonen (H⁺ + e^-  -> 1/2H2) skjer ved sølv og anodereaksjonen ved jern.
- Eo blir 0,44 V
- Ved å bryte den elektriske kontakte mellom sølv om jernbiten, dvs. fjerne dem fra hverandre.

b) Hydrogengass ved 1 atm og 100K varmes opp til 80^oC ved konstant volum. Videre pumpes N₂-gass inn så totaltrykket blir 10 atm. Hvor mye H₂-gass vil løses i 1 mL vann ved disse betingelsene?

Svar: P = 1 atm x (353K/100K) = 3,53 atm.
Fordi det er partialtrykket av hydrogen som bestemmer løseligheten, har det ingen ting å si at man pumper inn nitrogengass.
Løselighet = 0,00079 g/Latm x 3,53 atm x 1 mL/L = 2,8 x 10^-6 g (2,8 mikrogram)
 

Oppgave 6.

Svar: Her må man gjøre vurderinger. Det er mange måter å tenke seg hva som skjer på og som vil være helt eller delvis riktig. Dette er hva jeg mener er den beste tolkningen:
Sink er mest uedelt av de tre, og vil gå i oppløsning. Deretter vil jernet forsvinne. Til slutt vil bare kobberet være igjen i høyre kammer. Cellen vil da være
1/2 H₂ -> H⁺ + e^-                                           E^o = 0
Cu²⁺ + 2e^-  -> Cu                                          E^o = 0,34 V
Totalreaksjon:   H₂ + Cu²⁺ -> Cu  + 2H⁺         E^o = 0,34V

En annen tolkning er at sink er mest uedelt, og at dette vil bli oksydert av hydrogenelektroden. Det vil ikke bli noe trekk for denne tolkningen, selv om den er noe mer problematisk.

E = E^o - 0,0592/n logQ = 0 - 0,0592 log (H+) = 0 - 0,0592(-pH) = 0,0592 pH
 

b) - Forklar kjemisk hvorfor en sinkbit som overhodet ikke korroderer ved pH=7 kan begynne å korrodere ved pH=14.
- Hvor mye endrer E seg for en Zn/Zn²⁺-elektrode når pH øker fra 7 til 14?

Svar: Dannelse av komplekset Zn(OH)₄^2-gjør at den beskyttende oksidfilmen løser seg opp.
Halvreaksjonen Zn -> Zn²⁺ + 2e^-  (E^o = 0,76V) kan erstattet av halvreaksjonen Zn + 4 OH^-  ->  Zn(OH)₄^2- + 2e^-    (E^o = 1,20V). Dermed øker potensialet med 0,44 V (fordi pH = 14, vil 4 OH^-  = 1 M. Det er heller ingen grunn til å forvente at [Zn²⁺] i første tilfellet skal være annerledes enn [Zn(OH)₄^2-] i andre tilfellet.)
 

Oppgave 7.

Svar: Fordi løseligheten av Fe(OH)₃  øker med økende surhetsgrad.
Fordi løseligheten av Fe(OH)2er mye større enn for Fe(OH)₃ .

b) - Hva er katodereaksjon hvis jern korroderer i oksygenrikt miljø?
- Forklar hvorfor jern gjerne blir passivt der katodereaksjonen skjer, særlig hvis anodereaksjonen skjer et annet sted.

Svar: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^-  -> 2 H₂O  (Evt. O₂ + 2 H₂O + 4 e^-  -> 4 OH^- )
Fordi reaksjonen gjør vannet basisk. Fordi løseligheten Fe(OH)₃ er lavere ved høy pH, blir også jern lettere paasivt. Dannelsen av OH^- -ioner vil motvirkes av dannelsen av sure jernioner, derfor blir effekten størst hvis anode-  og katodereaksjonene er på klart adskilte områder.
 

Oppgave 8.

Svar: HCl og NH₃ diffunderer inn langs røret og der gassene møtes dannes skyen. Tiden bestemmes av diffusjonshastigheten. Fordi diffusjon bare kan skje fra områder med høyere konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon, betyr det at konsentrasjonene av begge gassene synker gradvis fra bommulsdotten til skyen.

b) Forklar hvordan og hvorfor tiden før skyen dannes påvirkes av følgende forhold:
- Temperaturen økes.
- Lufttrykket senkes.
- HCl erstattes av HF.
- Vil noen av disse endringene påvirke hvor skyen dannes?

Svar: - Diffusjonshastigheten øker med økende temperatur.
- Mindre luft gir færre kollisjoner og derfor større diffusjonshastighet.
- Lavere masse gir større hastighet.
- Det siste vil endre stedet skyen dannes, for det vil endre hastigheten av den ene gassen i forhold til den andre.
 

Oppgave 9.

Svar: Merk: Det er likevektskonstanten som er oppgitt, ikke hastighetskonstanten!
Når reaksjonshastigheten oppgis som halveringstid, betyr det at det må være en 1. ordens reaksjon. For alle andre reaksjonsordner er halveringstiden avhengig av konsentrasjonen. Da kan k beregnes utfra formelen t= ln2/k.
k(298K) = 0,00231    r = 0,00231 x 0,0010 = 0,0000231 mol/Ls = 2,31 x 10^-5 mol/Ls
k(303K) = 0,00346
 ln(k1/k2) = - E_a/R (1/T1 - 1/T2)
=> ln (0,00231/0,00346) = -0,404 = -E_a/R (1/298K - 1/303K) = -E_a/R x 5,5x10^-5 K^-1
E_a = Rx 0,404 / 5,5x10^-5 K^-1 = 7345 K^-1x 8,31J/Kmol = 61040 J/mol => E_a = 61 kJ/mol.

b) Det tilsettes en katalysator som tidobler reaksjonshastigheten ved 25^oC.
- Hva er aktiveringsenergi og likevektskonstant for den katalyserte reaksjonen?
Anta at den preeksponentielle faktoren A i Arrheniuslikningen ikke påvirkes av katalysatoren.

Svar: Regn ut A fra formelen k = A e-Ea/RT. Sett in den nye k regn ut hva den nye Ea må være.
Direkte utledet: lnk = A - Ea/RT => A = lnk + Ea/RT => lnk1 + Ea1/RT = lnk2 + Ea2/RT
ln(k1/k2) = (Ea2 - Ea1)/RT  => RTln(k1/k2) = (Ea2 - Ea1)
=> 8,31J/Kmol x 298K x ln 10 =  Ea = 5,70 kJ/mol
=> Ny Ea = 61 kJ/mol - 5,7 kJ/mol = 55 kJ/mol
Likevektskonstanten må være den uendret, dvs 10⁴³. Likevekten påvirkes ikke av at man bruker en katalysator.
 

Oppgave 10.

Svar: CH₂=CH-C(CH₃)=CH₂
Det er mange muligheter. Eks -[-CH₂-C(C₃H₅)-]- eller -[-CH₂-CH=C(CH₃)-CH₂-]-

b) - Hva er viktigste forskjell i egenskap mellom herdeplast og termoplast?
- Hvordan forklarer du denne forskjellen utfra plastenes struktur?
- Er gummien i bildekk en herdeplast eller en termoplast?

Svar: - En herdeplast kan ikke formes etter at den er dannet, den smelter derfor ikke. En termoplast smelter og kan følgelig formes i ettertid.
- I en herdeplast er det kryssbindinger mellom kjedene, det er de som fikserer formen.
- Gummidekk er herdeplaster, det dannes kryssbindinger ved vulkanisering av naturgummien.