Tentamen i Kemisk termodynamik kl 8-13

Transkript

1 Institutionen för kemi entamen i Kemisk termodynamik kl 8-13 Hjälmedel: Räknedosa BE och Formelsamling för kurserna i kemi vid KH. Endast en ugift er blad! kriv namn och ersonnummer å varje blad! lla använda ekvationer som inte finns i formelsamlingen skall motiveras och alla gjorda antaganden skall redovisas. Maximum 1 oäng er ugift. Vid tentamen maximeras summan av antalet oäng från det senaste årets kontrollskrivningar och de två första ugifterna till 2 oäng. 25 inklusive kontrollskrivningsoäng krävs för godkänd tentamen. 1. Lagen om korresonderande tillstånd innebär att alla icke-ideala gaser aroximativt följer samma tillståndsekvation om man använder de reducerade variablerna r / c r / c och V mr V m /V mc där c betecknar värden vid den kritiska unkten. För H 2 O är c 221 bar och c 648 K. nvänd diagrammet som visar komressibilitetsfaktorn Z som funktion av det reducerade trycket r vid olika reducerade temeraturer r och beräkna densiteten för överhettad vattenånga vid 3 o C och trycket 8 bar. 2. För vattenlösningar av aminosyran glycin (α-aminoättiksyra) gäller följande data vid 25 o C:

2 K a H o /(kj/mol) + H 3 NCH 2 COOH! H H 3 NCH 2 COO H 3 NCH 2 COO -! H + + H 2 NCH 2 COO Beräkna K a för båda rotolysstegen vid 37 o C. 3. Figuren visar fasdiagrammet för systemet vatten-natriumsulfat vid trycket 1 atm. Beskriv vad som händer under nedkylning av Na 2 O 4 (aq)-lösningar som innehåller 4 res. 2 vikts- % natriumsulfat från +3 o C till 3 o C. 4. En lösning av metan i bensen kan betraktas som en ideal utsädd lösning där Henry s konstant för metan är K CH Pa. Beräkna molaliteten av metan (d.v.s. antal mol metan i 1 g bensen) i en bensenlösning vid 25 o C då det totala ångtrycket ovanför lösningen är 987 mbar. Ren bensens ångtryck vid 25 o C är 124 mbar. G 5. En vätskas ytsänning ges av γ dvs ytsänningen γ är ökningen i Gibbs fria energi er ytenhet då ytan förstoras vid konstant tryck och temeratur. För vatten är ytsänningen vid några olika temeraturer t / o C γ / (mn/m) Beräkna synunkt. och H vid 25 o C och kommentera resultatet från molekylär

3 entamen i Kemisk termodynamik 2119 ugift 3 Namn: Personnummer:

4 Lösningsförslag till tentamen i Kemisk termodynamik 2119: K; c 648 K r 573/ bar; c 221 bar r 8/ Diagrammet Z.75 Z V m /R; ρ M/V m ρ M/ZR /(.75 R 573) g/m kg/m 3 Kommentar: Det exerimentella värdet är ρ 41.1 kg/m 3 2. Jämviktskonstantens temeraturberoende ges av van t Hoffs ekvation: ( ) ln K H 2 som integreras mellan K och 2 31 K med antagandet att R H o är oberoende av temeraturen: ( 31) ( 298) ( 31) ( 298) K H 1 1 K ln ln1 log ln1 [K a (298) K a (31)] K R K K a (31) K a (298) H o Första rotolyssteget: K a (31) ndra rotolyssteget: K a (31) Intermediär förening belägen vid 8.92 mol % Na 2 O 4 nna O Na 2 O 4 (H 2 O) 1 n w Na 2 O 4.4 motsvarar x x Na 2O4 Na 2O4 3 w w M M Na 2O x.53 eller.53 mol %. Vid 3 C 1-fasområde med vattenlösning av Na 2 O 4 Na 2 O 4. Vid ca 3 C börjar H 2 O (s) falla ut. Mellan 3 och 15 C 2-fasområde med H 2 O (s) + lösning. Mängden is ökar och lösning minskar vid kylning enligt hävstångsregeln samtidigt som lösningens sammansättning ökar från.53 mol % Na 2 O 4 vid 3 C till 1 mol % vid 15 C (Eutektikum). Vid 15 C försvinner lösningen och Na 2 O 4 (H 2 O) 1 (s) börjar falla ut. Under 15 C tvåfasområde med H 2 O (s) + Na 2 O 4 (H 2 O) 1 (s). xna O w.2 motsvarar. 317 Na 2 O 4 x x.33 eller 3.3 mol % Na 2 O 4 Vid 3 C 1-fasområde med vattenlösning av Na 2 O 4. Vid ca 15 C börjar Na 2 O 4 (H 2 O) 1 (s) falla ut. Mellan 15 och 15 C 2-fasområde med Na 2 O 4 (H 2 O) 1 (s) + lösning. Mängden Na 2 O 4 (H 2 O) 1 (s) ökar och lösning minskar vid kylning enligt hävstångsregeln samtidigt som lösningens sammansättning minskar från 3.3 mol % Na 2 O 4 vid 15 C till 1 mol % vid 15 C (Eutektikum). Vid 15 C försvinner lösningen och H 2 O (s) börjar falla ut. Under 15 C tvåfasområde med H 2 O (s) + Na 2 O 4 (H 2 O) 1 (s).

5 4. För metan gäller Henry:s lag. CH4 K. x CH4 562x1 7 x CH4 Pa (1) Då måste för bensen Raoults lag gälla: bensen * x bensen * (1 x CH4 ) 124x1 4 (1 x CH4 ) Pa (2) tot 987x1-3 x1 5 Pa 987x1 4 Pa bensen + CH4 (3) (1) (2) o. (3) ger: tot *(1-x CH4 ) + Kx CH4 (4) x CH4 ( tot *)/(K *) (987x x1 4 )/(562x x1 4 ) 154x1-3 x CH4 n CH4 /(n CH4 + n bensen ) ~ n CH4 /n bensen m CH4 /(1/M bensen ) då x CH4 << 1 154x1-3 m CH4 /(1/78) 78 m CH4 (5) m CH4 154x1-3 /78 2 mol CH 4 /1 g bensen G G G 5. G G( ) dg d + d + d γd d + Vd Konstant : dg γd d dg exakt differential γ Lutning 1.57x1 4 Nm 1 K 1 Ytsänning / mnm emeratur / C

6 angentens lutning vid 25 C γ Nm 1 K Nm 1 K J/m 2 K G H H G γ H + γ J/m 2 En ökning av betyder att vattenmolekyler överförs från det inre av vätskan till ytan. > H betyder att entalin är högre för molekylerna vid ytan än i det inre av vätskan ga färre attraktiva krafter mellan grannmolekyler vid ytan än i det inre av vätskan (se fig 21.5 i Chang) > betyder att vattenmolekyler har mer rörelsefrihet (är mer oordnade) vid ytan än i det inre av vätskan ga av de lägre attraktiva intermolekylära krafterna.