tentaplugg.nu av studenter för studenter

Transkript

1 tentaplugg.nu av studenter för studenter Kurskod Kursnamn K0016N Kemiska principer Datum LP Material Tentamen Kursexaminator Betygsgränser 3 50%; 4 70; 5 90 Tentamenspoäng Övrig kommentar

2 Institutionen för Samhällsbyggnad och naturresurser Tentamen: Kemiska principer (K0016K) Tentamensdatum: Skrivtid: 9:00 15:00 Jourhavande lärare: Lars Gunneriusson Telefon: Poäng och betygsberäkning: För dig som läst kursen under innevarande läsperiod: Vid detta tentamenstillfälle så finns det vid behov möjlighet att skriva om någon av de två första deltentamina. Du väljer i så fall själv vilken eller vilka delar som du ska skriva i den utdelade tentamen (som omfattar alla fyra delar) och behöver inte meddela ditt val. Observera att vid omskrivning av en del ersätter resultatet från denna det tidigare resultatet från den deltentamen! Resultatet från delen/delarna som skrivs nu kombineras sedan med resultatet från tidigare deltentamina. Därefter beräknas ett medelvärde för de procentuella resultaten från del 1 till 4 som grund för betygssättningen. Se betygsgränser nedan. Därutöver krävs att minst 25 % av poängsumman uppnåtts för varje enskild del. Denna möjlighet ges enbart vid detta skrivtillfälle. Om ytterligare omtentamen blir aktuell skrivs fortsättningsvis fullständig tentamen över hela kursens innehåll. Övriga studentgrupper skriver hela tentamen. Ett medelvärde för de procentuella resultaten från del 1 till 4 används som grund för betygssättningen. Betygsgränser: För betyg 3 på kursen krävs värdet 50 % För betyg 4 på kursen krävs värdet 70 % För betyg 5 på kursen krävs värdet 90 % Tillåtna hjälpmedel: Kemiska Data (senaste upplagan). Räknare Lös endast en uppgift per inlämnat blad och märk dem med namn och personnummer. Blad utan dessa personuppgifter kommer inte att rättas.

3 Utförliga och fullständiga lösningar/motiveringar krävs för full poäng. Anta standardtillstånd, ideal gas och temperaturen 25,00 C om inte annat anges. Del 1: Kemiska grundbegrepp 1 9p a) Koffein har molekylformel C 8 H 10 N 4 O 2. Vid förbränning (reaktion med syre) bildas koldioxid, vatten och kvävedioxid. Balansera reaktionen med inspektionsmetoden. Glöm inte aggregationsformerna. b) Vilken molekylformel har följande förening? (2p) (Paracetamol, den verksamma substansen i t ex Panodil) c) Olika oxidationstal hos övergångsmetalljoner ger ofta olika färg, till exempel är jonen VO + 2 gul medan VO 2+ är blå: Genom att tillsätta zink till en vattenlösning med VO + 2 kan man få lösningen att ändra färg och bli blå (bilda VO 2+ ). Använd delförloppsmetoden för att balansera redoxreaktionen i sur lösning. (Zink omvandlas till zink(ii)joner i reaktionen) d) Ange oxidationstalen för vanadin i de två jonerna i uppgift c). (1p) : a) 2C 8 H 10 N 4 O 2 (s) + 27O 2 (g) 16CO 2 (g) + 10H 2 O(g/l) + 8NO 2 (g) b) C 8 H 9 NO 2 c) Ox: Zn Zn e - Red: + VO 2 VO 2+ + H 2 O + 2H + + e - Ox + 2Red: Zn(s) + 2VO + 2 (aq) + 4H + (aq) 2VO 2+ (aq) + Zn 2+ (aq) + 2H 2 O(l) d) VO 2 + : O II, V +V VO 2+ : O -II, V +IV 2 8p Järn kan framställas genom att vätgas får reagera med magnetit enligt följande reaktion: Fe 3 O 4 (s) + 4H 2 (g) 3Fe(s) + 4H 2 O(g) a) Hur många gram järn kan framställas från 100. kg magnetit, Fe 3 O 4, och 2(4)

4 4000. gram vätgas? b) Vilken volym kommer den bildade vattenångan att ha vid normalt atmosfärstryck och temperaturen C? (2p) c) Med hjälp av allmänt kända data, uppskatta hur mycket mindre vattnets volym i uppgift b) blir efter att det kondenserats vid 25 C. (2p) : a) n = m/m M Fe3O4 = = g/mol n Fe3O4 = / = mol n H2 = 4000/( ) = mol n H2 /n Fe3O4 = 4/1 n H2 = 4n Fe3O4 = = mol Det finns tillräckligt med vätgas. Magnetit begränsar reaktionen. n Fe /n Fe3O4 = 3/1 n Fe = 3n Fe3O4 = = mol m Fe = nm = = 72.4 kg b) n H2O /n Fe3O4 = 4/1 n H2O = 4n Fe3O4 = = mol R = atm. dm 3 /mol. K p = 1 atm T = = K V = nrt/p = /1 = 209 m 3 c) Antag vattens densitet 1000 g/dm 3 M = = g/mol n = mol från uppgift b) V = m/ρ = nm /ρ = /1000 = dm 3 V/V gas = 100% dm 3 / dm 3 = Vätskevolymen blir 0,015% av gasvolymen. Del 2: Atomens uppbyggnad och kemisk bindning 3 3p a) Vilken elektronkonfiguration har bly (Pb)? (Förkorta gärna elektronkonfigurationen) (1p) b) Vilka två oxidationstal (förutom metallens) kan man förvänta sig att bly kan ha? Om dessa oxidationstal finns hos bly som enatomiga joner, vilka elektronkonfigurationer har då de två jonerna? (2p) a) Pb: [Xe]6s 2 4f 14 5d 10 6p 2 (i fyllnadsordning) Pb: [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 2 (ordnade efter ökande huvudkvanttal) 3(4)

5 b) Pb(II) och Pb(IV) Pb(II) [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 en d 10 s 2 - jon (18+2 skalsjon) Pb(IV) [Xe] 4f 14 5d 10 en d 10 - jon (18 skalsjon) 4 10p Sulfinylklorid (tionylklorid) har formeln SOCl 2 och används bland annat till en typ av effektiva litiumbatterier. a) Rita Lewisstrukturen för sulfinylklorid. S är centralatom (omges av övriga atomer). Ta också hänsyn till eventuella formella laddningar. b) Vilken geometri har molekylen (ungefärligt)? (2p) c) Vilken typ av bindningar bryts när tionylkloriden övergår i gasfas (kokar) och var återfinns dessa? a) Antal valenselektroner i molekylen: 6+6+2*7 e - = 26 e -. Det innebär 13 bindande eller fria elektronpar i molekylen. - O O Cl S Cl Cl S Cl. Formella laddningar: + Expanderad oktett hos svavelatomen eliminerar de formella laddningarna: Cl O S Cl b) Fyra elektrontäta områden runt S, varav ett fritt elektronpar. Detta ger idealt sett en trigonal pyramidal struktur (ungefär som en trebent pall ). Det fria elektronparet trycker dock ihop vinklarna mellan atomerna => < 109 vinkel. Inslaget av dubbelbindning (S-O) gör också att vinkeln Cl Cl (97 ) blir mindre än vinklarna O Cl (107 ). c) van der Waalsattraktioner: dipol-dipol- och dispersionkrafter. Mellan molekylerna. 5 7p a) En form (polymorf) av Bornitrid (BN), borazon, är ett mycket hårt ämne, som bland annat används som slipmedel. NO, med en något större formelmassa är däremot en gas vid rumstemperatur. Beskriv bindningsförhållandena i de två ämnena och koppla dessa till deras skillnad i egenskaper! (Inga strukturformler behövs) 4(4)

6 b) Vad visar figurerna till vänster respektive till höger här nedanför? Hur uppnås de tillstånd som illustreras i respektive figur? a) B och N är lätta ickemetalliska grundämnen. Hårdheten kan därför enbart förklaras genom att borazon bildar fackverksmolekyler, dvs. kovalenta kristaller. Så är också fallet. Föreningen kan inte vara en jonförening, då jonkristaller är sköra. Skillnaden i elektronegativitet är dessutom liten och båda grundämnena är icke-metaller. NO består av tvåatomiga molekyler sammanhållna av kovalenta bindningar. Mellan molekylerna kan då enbart verka mycket svaga van der Waalsinteraktioner, p.g.a. deras låga formelmassa. Detta förklarar varför NO är en gas. b) n-dopning respektive p-dopning. En mycket liten mängd av ett ämne ur grupp 15 resp. 13 tillförs kisel. (Dessa går in i Si:s kristallstruktur utan att märkbart ändra denna, s.k. substitution. Ett smalt band som är närliggande i energi till Si:s konduktions- respektive valensband bildas.) Del 3: Kemiska jämvikter och elektrokemi 6 10p a) Vätefluorid är en mycket giftig gas som bl a kan orsaka hjärtstillestånd. Skriv protolysreaktionen för vätefluorid i vattenlösning och identifiera och motivera syrabasparen enligt Brönstedt-Lowrys definition. b) Hur stor andel av vätefluoridmolekylerna har protolyserats i en vattenlösning med M vätefluorid? Vad blir ph i lösningen? c) Hur ändras ph i lösningen om natriumfluorid tillsätts? Förklara utan att göra några beräkningar. : a) HF(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + F - (aq) HF är en syra, den ger bort H +. Konjugerad bas blir F -. 5(4)

7 H 2 O är en bas, den tar upp H +. Konjugerad syra blir H 3 O +. b) HF(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + F - (aq) Start Ändr. -x +x +x Jämv x x x K a = [H 3 O + ][F - ]/[HF] = x 2 /(0.125-x) = av andragradsekvationen ger x = Andel av syran som protolyserats: 100%. x/[hf] start = /0.125 = 7.0% ph = -log{h 3 O + } = -log = 2.06 c) NaF tillför fluoridjoner till lösningen. Fluoridjonen är konjugerad bas till HF. Tillförsel av mer bas förskjuter jämvikten mot reaktanter enligt Le Chateliers princip. Mängden oxoniumjoner minskar och lösningen blir mindre sur. ph ökar. 7 10p Följande reaktion sker i en galvanisk cell: Fe(s) + 2Ag + (aq) Fe 2+( aq) + 2Ag(s) E = V a) Ställ upp jämviktsuttrycket för cellreaktionen och gör sedvanliga approximationer. (2p) b) Beräkna E för cellen när koncentrationen av silverjoner är M och koncentrationen av järn(ii)-joner är M. c) Vad kommer E för cellen att vara efter att silverjonernas koncentration har minskat till mm? : a) K = {Fe 2+ }{Ag(s)} 2 /{Fe(s)}{Ag + } 2 ([Fe 2+ ]/1 M). 1 2 /1. ([Ag + ]/1 M) 2 K = [Fe 2+ ]/[Ag + ] 2 b) E = E cell - (g/n)lgq Q = [Fe 2+ ]/[Ag + ] 2 = 0.100/(0.125) 2 = 6.4 E = ( /2)lg(6.4) = 1.22 V c) Fe(s) + 2Ag + (aq) Fe 2+( aq) + 2Ag(s) Start Ändr /2 Slut Q = [Fe 2+ ]/[Ag + ] 2 = /(10-4 ) 2 = E = ( /2)lg( ) = 1.03 V Del 4: Termodynamik 8 8p a) NO och NO 2 genomgår komplicerade reaktioner som påverkar ozonbildning/nedbrytning, både i stratosfären och vid havsnivå. Beräkna H 6(4)

8 för reaktionen NO(g) + O(g) NO 2 (g) med hjälp av följande data: (1) 2O 3 (g) 3O 2 (g) H = -427 kj/mol (2) O 2 (g) 2O(g) H = 495 kj/mol (3) NO(g) + O 3 (g) NO 2 (g) + O 2 (g) H = -199 kj/mol b) Polyeten framställs genom att monomerer (molekyler) av gasen eten slås samman och bildar långa kedjor. Processen utförs ofta vid förhöjd temperatur. Görs detta av termodynamiska eller reaktionskinetiska (reaktionshastighet) skäl? Förklara. a) (3) NO(g) + O 3 (g) NO 2 (g) + O 2 (g) H = -199 kj mol -1 -½ (2) O(g) ½ O 2 (g) H = -½ 495 kj mol -1 -½ (1) 3/2O 2 (g) O 3 (g) H = ½ 427 kj mol -1 NO(g) + O(g) NO 2 (g) H = -233 kjmol -1 b) Av reaktionskinetiska skäl. Eftersom antalet (gas-)molekyler minskar i reaktionen så är S < 0. Eftersom G = H - T S så är reaktionen termodynamiskt missgynnad av ökad temperatur. 9 10p Silver är en relativt ädel metall, men drabbas även det av korrosion (svartnar). I luft finns förutom 21 vol% O 2 även mycket låga halter av svavelväte (H 2 S). Består då den bildade korrosionprodukten av silveroxid, eller möjligen silversulfid? Anta en jämvikt mellan de två tänkbara korrosionsprodukterna i närvaro av vatten enligt: Ag 2 O(s) + H 2 S(g) Ag 2 S(s) + H 2 O(g) Partialtrycket av vatten antas till 0,0100 bar (motsvarar 33 % relativ luftfuktighet vid 25 C) a) Beräkna trycket av H 2 S vid jämvikt. (6p) b) Använd ditt svar i a) för att avgöra om korrosionsprodukten bör vara silveroxid eller silversulfid. a) Ag 2 O(s) + H 2 S(g) Ag 2 S(s) + H 2 O(g) G f -11,2-33, ,57 kj/mol 7(4)

9 G = , ,2 + 33,56 kj/mol = -224,81 kj/mol (Alternativt: H = H f (Ag 2 S,s) + H f (H 2 O,g) - H f (Ag 2 O,s) - H f (H 2 S,s) = (-241,82) - (-31,05) - (-20,63) kj/mol = -223,14 kj/mol S = S (Ag 2 S,s) + S (H 2 O,g) - S (Ag 2 O,s) - S (H 2 S,s) = ,83-121,3-205,79 JK -1 mol -1 = 5,74 JK -1 mol -1 G = H - T S = -223, ,15 5,74 J/mol = -224, 85 kj/mol ) lgk = G /(-RTln10) = 39,3848 { Ag2S( s)}{ H 2O( l)} K = { Ag O( s)}{ H S} p( H S) lgk = -2 -lgp(h 2 S) = 39,3848 lgp(h 2 S) = -2-39,3848 = -41,3848 p(h 2 S) bar ( Pa) vid jämvikt! b) bar: Det är helt omöjligt att uppnå ett sådant lågt tryck. Vid ett så lågt partialtryck kan inte heller vattnets ångtryck ha någon verklig inverkan på jämviktsläget. Eftersom det verkliga p(h 2 S) alltid är högre än jämviktstrycket för H 2 S, så är sönderfallet av ev. silveroxid till silversulfid alltid spontant. Dvs. reaktionsriktningen är alltid mot höger (Ag 2 S). (Detta inser man även genom att beräkna substansmängden H 2 S per 1 m 3 : n=pv/rt = (10-36,3848 1)/(8, ,15) mol lgn = -36,3848 lg8,3145-lg298,15-38 n mol! Då 1 mol = 6, molekyler så blir tätheten = 6, molekyler/m molekyler /m 3!!! ) Silversulfiden är alltså ojämförligt mycket mer stabil än silveroxiden. Den svarta produkten är därför silversulfid, då det alltid finns små mängder i luften av svavelinnehållande gaser (H 2 S,SO 2 ) som kan reagera med silver och bilda silversulfid. Ett resonemang kring det höga K-värdet är inte tillräckligt, då halterna av H 2 S i atmosfären är mycket låga. Det gör att rimligheten i att p(h 2 S) skulle kunna underskrida jämviktsvärdet måste analyseras. 8(4)