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 ln0,1/(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:
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.