EKSAMEN 4. juni 2005, med løsningsforslag


Oppgave 1. Tilsvarer deleksamen 1.

a) - Finn løseligheten av Pb(OH)2 i vannløsning med pH 7. Anta at oppløsningen av saltet ikke påvirker pH.
- Forklar hvordan dannelse av hydroksykomplekser kan påvirke løseligheten av Pb(OH)2, og i hvilken del av pH-skalaen dette har størst betydning.

Løsning: -Ksp = [Pb2+][OH -]2 = 8 x 10-17. [Pb2+] = Ksp/[OH-]2 = 8 x 10-17/(10-7)2 = 8 x 10-3
- Pb(OH)2 + 2 OH- -->
Pb(OH)42-, dvs. det uløselige hydroksidet omdannes til et løselig ion ved hjelp av OH-, ved høy pH.

b) - Beregn løseligheten av CO2 i rent vann ved 20oC, når totaltrykket av gassen over vannet er 0,5 atmosfærer, og gassen inneholder 2 mol-% CO2?
- Beregn konsentrasjonen av løst SO2 ved pH 3 når [HSO3-] er 10-7 mol/L.

Løsning: - Fra SI, tabell 27: Løselighet ved 1 atm, 20oC: 1,69 g/L. Løselighet = 1,69 g/Latm X p(CO2) = 1,69 x 0,5 atm x 0,02 = 0,0169 g/L
- Fra SI, tabell 22: pKa1 (SO2) = 1.86: Ka = [H+][HSO3-]/[SO2][H2O] = 10-1,86.
-->
[SO2] = [H+][HSO3-] /Ka [H2O] = 10-3 x 10-7 /10-1,86 x 1 = 10-8,14.


Oppgave 2. Tilsvarer deleksamen 2.

Ta utgangspunkt i reaksjonen  2 CO (g) + S --> SO2 (g) + 2 C Grunnstoffene er i sin mest stabile form ved 25oC. (Temperaturene du skal beregne er rent teoretisk temperaturer ut fra de angitte forutsetningene, det er ikke sikkert det er mulig å oppnå temperaturene i praksis.)

a) - Beregn hvor mye varme som frigjøres eller forbrukes når 1 mol CO omdannes etter denne reaksjonen.
- Hvor mye varme må du tilføre hvis du skal varme opp produktene i reaksjonsligningen med 1 K?
- Hvor mye stiger temperaturen hvis all reaksjonsvarmen blir i produktene?  

Løsning: - ΔHo = -297 + 0 - 2 (-111) + 0 = -75 kJ/mol. Q = - ΔHo =  75 kJ/mol. Fordi reaksjonsligningen forbruker 2 mol CO, betyr det at svaret er 75 kJ/2 = 37,5 kJ.
- Cp (
SO2)+ Cp (C) = 40 + 2x9 = 58 J/Kmol.
- 75 kJ/mol/ 82 J/Kmol = 1293 K

b) - Beregn standard entropi- og entalpiendring for reaksjonen i oppgave 2.
- Beregn ΔG for reaksjonen ved 100oC, hvis de faste stoffene er rene og alle gassene har et partialtrykk på 0,1 atm.
- Ved hvilken temperatur er reaksjonen i likevekt hvis de faste stoffene er rene og alle gassene har et partialtrykk på 0,1 atm?

Løsning: ΔHo = -75 kJ/mol.
 ΔSo + 248 + 2 x 6 -
32 - 2x198 = 168 J/Kmol
ΔGo= ΔHo -T ΔSo=   -75 kJ/mol – 373K x (-168 J/Kmol) = -75 kJ/mol – -63 kJ/mol = -12 kJ/mol
ΔG  = ΔGo + RTlnQ =12 kJ/mol + 8,32 x 373K x ln
0,1/(0,1)2= -12 kJ/mol + 7 kJ/mol = -5 kJ/mol

T = ΔH /ΔSo- RTlnQ = -75000 / -168 -7 = -75000/-175 = 428 K, dvs. 153oC. (over smeltepunktet for svovel.)


Oppgave 3. Tilsvarer deleksamen 3.

Ta utgangspunkt i reaksjonen 3 H2 + 2 Fe3+ --> 6 H+ + 2 Fe

a) - Finn halvreaksjonene og bestem standard cellepotensial for totalreaksjonen.
- Ved likevekt er E=0. Finn konsentrasjonen av [Fe3+] ved likevekt hvis alle andre forbindelser er i standard tilstand. 

Svar:    2 H+ + 2 e- --> H2         x (-3)                                       Eo = 0 V
Fe3+ + 3 e- --> Fe          x 2                                           Eo = - 0,04V
3 H2 + 2 Fe3+ --> 6 H+ + 2 Fe                                      Eo = -0,04 V
Motsatt reaksjon: 6 H+ + 2 Fe  --> 3 H2 + 2 Fe3+        Eo = 0,04 V

E = Eo – 0,0592/n logQ --> Eo = 0,0582/n log K --> log K = nEo/0,0592 = 6x(0,04)/(0,05982) = 4,05 --> K = 104,05 = 11220 = [Fe3+]2 x P2(H2)/ [H+]6 x XFe2--> [Fe3+] =(11200)½ =106 mol/L
(Slik  oppgaven står vil det være naturlig å ta utgangspunkt i reaksjonen med positiv
Eo. På den annen side, det er E som avgjør retningen, og når verdien av Eo er så nært null skal det lite til for å snu reaksjonen. Det er nok at pH er 1 i stedet 0, så skifter E fortegn. Jeg ser at noen har tenkt slik, derfor har jeg godtatt begge retninger i svarene.) 

b) - Tegn opp en elektrokjemisk celle som tilsvarer et batteri som utnytter den angitte reaksjonen og som kan lever strøm hvis den konstrueres etter din tegning.
- Angi anode og katode og fortegn på elektrodene når batteriet leverer strøm.
- Angi anode og katode og fortegn på elektrodene når batteriet lades opp.

Svar: - Pass på at cellen må ha to kamre, en inertelektrode med hydrogengass rundt, jern i kontakt med en jernløsning, elektrisk leder mellom elektrodene og saltbro mellom halvcellene. Ingen batteri, men evt. en måler eller lyspære.
- Totalreaksjonen går motsatt vei av det som er satt opp. Dvs: Jern-elektroden er anode, og negativt ladd, mens hydrogenelektroden er katode og positivt ladd. Ved oppladning er hydrogenelektroden en positiv anode og jernelektroden en negativ katode. (Jeg vil også - jfr. ovenfor - godta svar hvor dere har byttet om hva some er spontan retning og hva som er elektrolyse.)


Oppgave 4. Tilsvarer deleksamen 4.

Reaksjonen A --> 2B ble bestemt til å være av 2. orden der hastigheten bestemmes av bare en komponent. Med [A] = 0,001 mol/L og [B] = 0,01 mol/L, ble hastigheten målt til 10-3 mol/Ls.

a) - Angi den differensiale og den integrerte hastighetsligningen.
- Bestem k – pass på enhetene.
- Bestem halveringstiden.

Svar: Det er reaktanten som bestemmer hastigheten, så hastighetsloven blir:
Differensiert: -d[A]/dt = k[A]2.        
Integrert: 1/[A] = 1/[A]o – kt.
r = k[A]2
-->  k = r/[A]2 = 10-3 mol/Ls / (0,001 mol/L)2 = 103 L/mols
t½ = 1/k[A]o = 1/ (103 L/mols x 0,001 mol/L) = 1/1 s-1 = 1 s

b) Nedenfor er gitt måledata for reaksjonen A + B + 2C --> D + E.

Nr

[A] i mol/L

[B] i mol/L

[C] i mol/L

[D] i mol/L

[E] i mol/L

r i mol/L/s

1

0,002

0,001

0,001

0,004

0,002

0,08

2

0,001

0,001

0,001

0,004

0,002

0,02

3

0,001

0,001

0,002

0,004

0,002

0,04

4

0,001

0,004

0,001

0,004

0,002

0,02

5

0,001

0,002

0,002

0,001

0,001

0,04

6

0,001

0,001

0,01

0,004

0,002

?

- Bestem hastighetslov.
- Bestem hastighetskonstanten.
- Hva forteller resultatet av eksperiment 5?
- Bestem hastigheten i eksperiment 6.

Svar: - Hastighetslov: r = k [A]2[C].
- Hastighetskonstant: k = r / [A]2[C] = (0,02 mol/Ls)/(0,001 mol/L)2 x (0,001 mol/Ls) = 2 102/1x10-9 L2/mol2s = 2 107 L2/mol2s
- At reaksjonen er uavhengig av konsentrasjonen av produktene, dvs. ingen tilbakereaksjon, ikke nær likevekt.
- r = k [A]2[C] = 2 107 L2/mol2s x (10-3 mol/L)2 x (10-2 mol/L) = 0,2 mol/Ls
 

Oppgave 5.

En galvanisk celle består av to kamre. I det ene kammeret er det en oksygenelektrode, i det andre en hydrogenelektrode.  

a) - Cellen kan beskrives med dette skjemaet: Pt | O2 (g) | OH- (aq) || H+ (aq) | H2 (g) | Pt. Forklar hva dette betyr. Forklar hele skjemaet, dvs. alle symboler og kjemiske tegn; både egenskaper og funksjon skal komme fram.
- Angi de halvreaksjonene som best samsvarer med dette skjemaet.
- Finn totalreaksjonen, reaksjonens retning og standard cellespenning.  

Svar: - Fast platina er inertelektrode og omspyles med oksygengass og er i likevekt med en basisk vannløsning. I det andre kammeret, knyttet sammen med en saltbro eller porøs vegg, er det det en platinaelektrode med hydrogengass i likevekt med en sur vannløsning.
- O2(g) + 2 H2O + 4 e-
--> 4 OH-; 2 H+ + 2 e- --> H2 (g)
- Totalreaksjon: O2(g) + 2 H2 (g) + 2 H2O
--> 4 OH- + 4 H+. Eo = 0,40 V. (Halvreaksjonene kan velges noe annerledes, slik at det blir andre Eo-verdier, men det er viktig at Eo-vedien og totalreaksjonen passer sammen.) Positiv Eo viser at reaksjonen går i angitt retning.

b) - Finn Eo og E for begge halvreaksjonene hvis pH er 7 i begge kamrene.
- Denne reaksjonen kan reverseres ved elektrolyse. Forklar hvorfor det er mulig både å utføre elektrolyse og å la cellen fungere som en spontan celle uten å dele den opp i to atskilte kamre.
- Vis at cellespenningen er uavhengig av pH hvis de to kamrene ikke er atskilt, men avhengig av pH hvis cellen er laget som beskrevet ved skjemaet i oppgave 5a.

Svar: - Eo påvirkes ikke av pH, bare av hvordan reaksjonsligningen er formulert. E vil alltid bli 1,23 V. Dette kan man få ved å velge to halvreaksjoner som begge har OH- eller som begge har H+, eller ved hjelp av Nernst likning. I det siste tilfellet vil Q inneholde leddet [H+][OH-], som er en konstant.
- De reaktive komponentene i ligningen er O2 og H2. Disse er ikke i kontakt med hverandre, og vil heller ikke reagere med hverandre (uten på bli antent) om de kom i kontakt.
- pH kan kun påvirke E gjennom Nernst ligning: E = Eo + 0,0592/n log Q. Q = [OH-]4[H+]4/P(O2) P2(H2) X(H2O = ([OH-][H+])4. Hvis begge elektrodene er i samme løsning, er pH den samme for begge halvreaksjoner, og ([OH-][H+])4 = Kw4, som er uavhengig av pH. Hvis de to halvreaksjonene er i ulike kamre kan de ha ulik pH, dermed gjelder ikke ([OH-][H+])4 = Kw4, og pH vil påvirke Q og dermed E. 


Oppgave 6.

Vedlagt oppgavene er Pourbaix-diagrammet for jern, samt flere forenklede Pourbaix-diagram.

a) - Forklar hva de to skrå, prikkete, parallelle linjene som finnes i alle diagrammene betyr.
- Forklar hva det betyr at metaller er immune, aktive eller passive.
- Grensen mellom aktive og passive områder bestemmes av tre forskjellige likevekter, to ved lav pH, og en ved høy pH. Hvilke tre likevekter er dette?
- Forklar hvorfor jern er passivt ned til pH 2 ved høy E, men bare ned til pH 7-8 ved lav E.

Svar: - De to skrålinjene er potensialene for de to viktigste katodereaksjonene, reduksjon av luftens oksygen, og reduksjon av H+ med frigjøring av hydrogengass.
- Immune: Katodepotensialet er ikke nok til at metallet kan korrodere. Passive: Katodepotensialet er stort nok, men korrosjonen hindres av en passivfilm. Aktiv: Korrosjon skjer.
- Fe(OH)2
--> Fe2+ + 2 OH-; Fe(OH)3 --> Fe3+ + 3 OH-, Fe(OH)2 + 2 OH- --> Fe(OH)42-.
- Ved høy E dannes Fe3+ i stedet for Fe2+, og Fe(OH)3 er langt mindre løselig enn Fe(OH)2
.

b) En jernstang står ned i en leirbunn i en grunn innsjø. Leiren er våt, men det er ingen bevegelse i leiren og diffusjon i leirens porevann er langsom. Etter en tid viser det seg at jernstangen har rustet kraftig, men bare der den er dekket av leire. Det eneste oksidasjonsmiddelet som kan ha skapt denne korrosjonen er luftoksygen løst i vann.
- Forklar hvordan jern kan korrodere der det ikke er tilgang på oksygen.
- Forklar hvorfor det ikke har skjedd korrosjon der stangen står fritt i vannet.
- Forklar hvorfor du ville fått korrosjon over hele stangen hvis sjøen hadde vært saltvann.
Anta at innsjøen var et lite basseng, og at hele bunnen var dekket med en gummimembran. Jernstangen er stukket gjennom membranen, som slutter tett inntil stangen.
- Ville du nå forvente korrosjon? Begrunn svaret.

Svar: - Anoden og katoden trenger ikke være på samme sted, bare de er i elektrokjemisk og metallisk kontakt med hverandre.
- E er så høy at jern blir passivt der det er oksygen til stede.
- Kloridioner danner komplekser med jernionene, og det ødelegger passivfilmen.
- Nei, da det ikke lenger vil være kontakt mellom løsningen over og under membranen, dermed kan man ikke få anoden under og katoden over membranen.


Oppgave 7.

a) En av de viktigste kildene til sur nedbør var og er utslipp av SO2 fra kullkraftverk og annen industri. SO2 omdannes til svovelsyre i kontakt med vann og luftens oksygen. Detter er en redoksreaksjon hvor svovel oksideres og oksygen reduseres. Totalreaksjonen kan skrives slik:
SO2 (aq) + ½ O2 + H2O (l) -->
SO42- + 2 H+.
- Finn de to halvreaksjonene, og finn Eo ved å kombinere halvcellepotensialene.
- Finn ΔGo og K utfra Eo.
- Vil reaksjonen fortsatt skje hvis [SO2] = 10-6 mol/L, [SO42-] = 10-3 mol/L, atmosfæretrykket er ½ atm., luften inneholder 20 mol-% O2, og pH = 3? Begrunn svaret med en beregning.

Svar: - SO2 (aq) + 2 H2O --> SO42- + 4 H+ + 2 e-        Eo = -0,16 V               log K = -5,3
½ O2 + 2 H+ + 2 e-
--> H2O                                         Eo = 1,23 V                log K = 41,6
Total: SO2 (aq) + ½ O2 + H2O (l)
--> SO42- + 2 H+     Eo = 1,07 V                log K = 36,4
- K kan finnes ut fra log K i tabell 21 (se ovenfor) eller ved Eo = 0,0592/n log K
--> log K = nEo/0,0592 = 2 x 1,07/0,0592 = 36,1.
ΔGo = -nFEo = -2 x 96500 C/mol x 1,07 J/C = -206,5 kJ/mol
ΔG = ΔGo + RT lnQ, = -206,5 kJ/mol + 8,31 J/Kmol ∙ 298K ∙ ln [SO42]∙[H+]2/[SO2]∙ p(O2)½
X(H2O) = -206,5 kJ/mol + 2,476 kJ/mol ∙ ln 10-3∙ (10-3)2/10-6 ∙ 0,1 = -206,5 kJ/mol + 2,476 kJ/mol ∙ ln 10-2 = -206,5 kJ/mol – 11,4 kJ/mol = - 218 kJ/mol. Dvs. ΔG < 0 og reaksjonen går.
Det er også mulig å vise dette ved å sammenligne K og Q, og ved å beregne E ved Nernst ligning.


b) En likeverdig måte å skrive totalreaksjonen er SO2 (g) + ½ O2 + H2O (l)
--> HSO4- + H+. Likevektskonstanten for denne totalreaksjonen kan utledes ved å kombinere K fra oppgave 7a med to andre likevektskonstanter. Den ene av disse likevektskonstantene kan du finne direkte i SI, den andre må du selv regne ut fra gassens løselighet.
- Beregn K for den nye totalreaksjonen.

Svar: De enkelte trinn i reaksjonen er:
1)                      SO2 (g)
--> SO2 (aq)                                                   
2)                     SO2 (aq) + ½ O2 + H2O (l)
--> SO42- + 2 H+.
3)                     SO42- + H+
--> HSO4-.
1) + 2) + 3)     SO2 (g) + ½ O2 + H2O (l)
--> HSO4- + H+.
K1 beregnes fra løseligheten av SO2 i vann, tabell 27: 94,1 g/L tilsv: (94,1 g/L)/(64,1g/mol) =1,47 mol/L. K = [SO2 (aq)]/P(SO2 (g)) = 1,47/1 = 1,47 = 100,17
K2 kommer fra oppgave a), mens K3 = 1/Ka,2 for H2SO4 = 1/10-1,99 = 101,99
K = K1 ∙ K2 ∙ K3 = 100,17 ∙ 1036,1 ∙ 101,99 = 1038,26 = 1,8 ∙1038


Oppgave 8.

a) - Angi for hver av disse forbindelsene og grunnstoffene om de har ionebindinger, kovalente bindinger eller metallbindinger mellom atomene: Na2O, SiO2, CH4, C, Si, Na, Be og NiTi.
- Hvordan kan du finne ut bindingsforholdene for disse stoffene selv om du ikke kjenner til grunnstoffet eller forbindelsen fra før?
- Et av stoffene er et typisk halvmetall. Hvilket stoff er det, og angi egenskaper som viser at dette stoffet verken er typisk metall eller et typisk ikke-metall.
- Forklar kort metallbindinger, og hvilke egenskaper dette fører til i metaller.

Svar: - Ionebinding, kovalent (polar kovalent), kovalent, kovalent, kovalent/metallisk, metallbinding, metallbinding, metallbinding.
- Høy elektronegativitet: Kovalent. Lav elektronegativitet: Metallbinding. Stor forskjell: Ionebinding.
- Si. Metallisk: Metallglans. Ikke-metallisk: Hardt og sprøtt.
- I metaller avgir atomene ett eller to elektroner hver til en elektronsky som omgir positive metallioner. Elektronskyen gjør at termisk og elektrisk ledningsevne blir stor, og at metallene blir ugjennomsiktige og får metallglans. Metallene blir også formbare og kan lett avgi elektroner, dvs. oksidere.


b) - Noen forbindelser som har kovalente bindinger er svært harde og løses ikke i noe løsemiddel, mens andre er myke, flytende eller gasser og løses lett i det riktige løsemiddelet. Hva er hovedårsaken til den store forskjellen?
- Forklar hvorfor plast er en mellomting mellom de to typene forbindelser.
- Hvorfor har polyeten et lavt smeltepunkt, og er myk og svak hvis polymeren ikke krystalliserer? Til sammenligning kan polyestere, polykarbonat og flere andre oksygenholdige polymere danner harde og faste plaststoffer selv om de ikke har krystallisert.
I vedlegget til oppgavene finner du en figur som viser strukturen til Kevlar®, en plasttype med stor mekanisk styrke og som blant annet brukes i skuddsikre vester.
- Kan du gi en forklaring ut fra figuren hvorfor Kevlar® er så sterkt?

Svar: - De harde har en kovalent gitterstruktur. De andre har molekylstruktur og svake bindinger mellom molekylene.
- Plast består av svært store molekyler, men det er fremdeles svake bindinger mellom kjedene.
- Polyeten er upolart, mens polyester er polart, dermed er bindingene mellom polyetenmolekylene svakere enn mellom polyestermolekylene.
- Kevlar har hydrogenbindinger mellom kjedene, og det er de sterkeste av alle intermolekylære bindingene.

Oppgave 9.

a) Forklar hvorfor te med sukker i har et høyere kokepunkt enn te uten sukker. Utled hvordan du ut fra termokjemien kan regne ut hvor mye kokepunktet endres når du har sukker i teen, og angi hvordan du kan finne de tallverdiene du trenger for å gjøre beregningen.

Svar: - Kokepunkt betyr at væske er i likevekt med damp ved 1 atm: H2O (l) --> H2O (g). Q = P(H2O) / X(H2O) = 1/ X(H2O) = ntot/n(H2O) der ntot er antall molekyler i teen (vann + sukker) og n(H2O) er antall vannmolekyler i teen. Jo mer sukker, jo større er Q ved gitt trykk.
ΔG  = ΔGo + RTlnQ
--> ΔG  = ΔHo -T ΔSo  + RTlnQ à T = ΔHo/ ΔSo  - RlnQ.

b) Du har en kopp te uten sukker, og slipper oppi en sukkerbit som legger seg på bunnen. Du glemmer teen en tid, og sukkeret løser seg langsomt opp, og begynner å diffundere. Diffusjonshastigheten er proporsjonal med konsentrasjonen, og kan ses på som en 1. ordens reaksjon. Diffusjonen følger Arrhenius-ligningen, med en aktiveringsenergi på ca. 40 kJ/mol.
- Forklar hva som menes med diffusjon.
- Vis at diffusjon øker universets entropi, ved å vise at ΔG for diffusjonen er negativ.
- Hvor mye raskere er diffusjonen ved 100oC enn ved 20oC?

Svar: - Diffusjon betyr utjevning av konsentrasjoner ved at enkeltmolekyler beveger seg i forhold til hverandre, altså ikke ved blanding, røring eller strømming.
- A (kons a) + A (kons b)
--> A (kons a+b/2). Q = ((a+b)/2)/ab. Enkleste tilfelle: Hvis b=0 blir Q = (a/2)/a = ½. ΔG  = ΔGo + RTlnQ = 0 + RTlnQ, --> ΔG < 0.

ln (r1/r2) = -( 40000 J/mol / 8,31 J/Kmol) (1/293K – 1/373K) = 4813 K∙ 0,000752K-1 = 3,62 --> r1/r2 = e3,62 = 37. Diffusjonen går altså 37 ganger så fort.


Oppgave 10.

a) En ester er et produkt av en syre og en alkohol. Et amid er et produkt av en syre og et amin.
- Tegn opp en syre med tre karbonatomer og en alkohol med to karbonatomer, og esteren som dannes av de to.
- Tegn opp en syre som har 6 karbonatomer hvorav 5 danner en ring, et amin med to metylgrupper, og amidet som dannes av disse to.
- Hva skal til for at man skal få dannet en polyester og et polyamid?

Svar: - Esteren: CH3-CH2-C(=O)-CH2CH3.
Amidet: (C5H9)- C(=O)-N(CH3)2
- Syren og alkoholen eller aminet, må alle ha (minst) to reaktive punkter. Eks: Oksalsyre, etylenglykol, etylendiammin (NH2-CH2-CH2-NH2) og 1-hydroxy propensyre (HO-CH2-CH2-C(=O)-OH

b) Eten, propen, vinylklorid og etyn (acetylen) og en rekke andre forbindelser med minst én C=C dobbeltbinding, polymeriserer ved addisjonspolymerisasjon.
- Beskriv forskjellen i struktur mellom polyeten og polypropen.
- Hvordan vil strukturen for en addisjonspolymer laget av etyn se ut?
Isopren (CH2=CH-C(-CH3)=CH2) er en monomer som har to konjugerte dobbeltbindinger, dvs. dobbeltbindingene er atskilt av en enkeltbinding. I polyisopren får man derfor dobbeltbindinger i kjeden. En form for polyisopren er naturgummi. Når den vulkaniseres tilsettes svovel som kan reagere med og binde seg til to dobbeltbindinger samtidig.
- Forklar hvordan vulkaniseringen endrer naturgummiens struktur og egenskaper.

Svar: - Polypropen ser ut som polyeten, men annethvert karbon i kjeden har en sidegruppe av CH3.
- Polyetyn vil ha annenhver enkel- og dobbeltbinding.
- Svovelet aktiverer dobbeltbindingene og danner en forbindelse mellom to dobbeltbindinger på to kjeder. Dette gjør at kjedene bindes sterkere sammen, plasten kan ikke smelte og den blir hardere.