Lösning. ph = -lg 3,99*10-3 = 2,4

Transkript

1 till tentamen för Grundläggande kemi 10 hp Sid 1(8) 1. a) Beräkna ph i en 0.20 M lösning av vitamin C (askorbinsyra, pka = 4.10). b) Man vill göra en buffertlösning med ph = 3,3. Följande kemikalier finns tillgängliga: Ammoniumjodid, ammoniak, kaliumfluorid, kaliumvätekarbonat, natriumklorid, natriumbromid, saltsyra, fluorvätesyra och vätebromid (aq). Vilka kemikalier bör användas och vilka ungefärliga proportioner (inga beräkningar behövs) vad avser substansmängd skall tas av dessa? Det förutsätts att vatten finns tillgängligt vid eventuellt behov. a) AscOH (aq) + H 2 O (l) à AscO - ( (aq) + H3O + (aq) Konc, i början 0,20M 0 0 Ändring -x +x +x Konc, i jämvikt 0,20-x +x +x [AscO - ] * [H 3 O + ] K K a = x 2 /(0,2-x) a = [AscOH] AscOH är en svag syra, dvs, x<< 0,2 K a = x 2 /(0,2) och x = (K a *0,2) 0,5 Med K a = 7,94*10-5 får man då: x = (7,94*10-5 *0,2) 0,5 = 3,99*10-3 Test: 3,99*10-3 är verkligen << 0,2, approximationen var ok, ph = -lg 3,99*10-3 = 2,4 b) Ett syra-baspar med pka värdet nära 3,3 bör användas Enda möjligheten är HF/F - systemet med pka = 3,17 där buffertkapaciteten har ett maximum och [HF] = [F - ]. För att komma till ph = 3,3 behöver man mer HF än F - (KF), enligt [F - ] 0 ph = pk a + lg [HF]0 2. a) Reaktionen H 2 (g) + Br 2 (g) 2 HBr (g) har jämviktskonstanten K 1 = 4,0 x Den omvända reaktionen 2 HBr (g) H 2 (g) + Br 2 (g) har jämviktskonstanten K 2, som är okänd. i) Ställ upp massverkans lag för K 1 och K 2. ii) Vad är det matematiska sambandet mellan K 1 och K 2? iii) Beräkna K 2 b) Vi återgår till reaktionen H 2 (g) + Br 2 (g) 2 HBr (g) med H r 0 = -72 kj/mol och jämviktskonstanten K 1 = 4,0 x 10-2 vid 25 o C. Som ni vet är jämviktskonstanter temperaturberoende. Vid temperaturen T x är jämviktstrycken; p(h 2 ) = 1,10 bar, p(br 2 ) = 1,40 bar, p(hbr) = 0,12 bar.

2 i) Bestäm först K x vid den nya temperaturen T x. ii) Beräkna sedan temperaturen T x. Sid 2(8) a) K 1 = (p HBr ) 2 (p H2 ) * (p Br2 ) (p H2 ) * (p Br2 ) K 2 = (p HBr ) 2 K 2 = 1/ K 1 K 2 = 25 b) K 1 = 4.0 * 10-2 vid T 1 = 298 K i) (p HBr ) 2 K x = = 9.35*10-3 (p H2 ) * (p Br2 ) ii) K ln x 1 1 = R T 1 K 1 H 0 r Med R = J/K*mol 9.35*10-3 ln = -72*103 J/mol 1 4.0* J/K*mol 298 K = K * (3.356 * /T x ); T x = 314 K T x 1 T x 3. För en galvanisk cell vid 25 o C gäller följande cellschema: Fe (s) Fe 2+ (aq, 1,0M) H + (aq, ph=2,5) H 2 (g, 1,0 bar) Pt (s) a) Ange anod- och katodreaktionerna och cellreaktionen. Beräkna E 0 i volt för cellen. b) Beräkna därefter cellens spänning (cellpotentialen). a) Anod: Fe (s) à Fe 2+ (aq) + 2 e- Katod: 2 H + (aq) + 2 e- à H2 (g) Totalt: 2 H + (aq) + Fe (s) à H2 (g) + Fe 2+ (aq) E 0 cell = E 0 katod - E 0 anod = 0 V - (-0.44 V) = 0.44 V (Tabell 21) b) Nernst ekvation: E cell = E 0 RT cell - ln Q nf

3 Q = [Fe 2+ ]/[H + ] 2 = 1/[H + ] 2 [H + ] = = 3.16 * 10-3 M Q = 1 * 10 5 E cell = 0.44 V = 0.29 V Sid 3(8) 4. a) Vilken av figurerna beskriver reaktionshastighetens beroende av temperaturen? b) Vilket av påståendena är rätt? Aktiveringsenergin kan beskrivas som; A. kinetisk energi B. energin hos det aktiverade komplexet C. energiskillnaden mellan produkter och reaktanter D. energiskillnaden mellan det aktiverade komplexet och reaktanterna c) CH 3 COCH 3 (aq) + Br 2 (aq) CH 3 COCH 2 Br (aq) + Br (aq) + H + (aq) Man undersökte den syrakatalyserade reaktionen genom att mäta initialhastigheten för olika koncentrationer, se tabellen med experimentella värden nedan. Bestäm reaktionsordningen med avseende på reaktanterna och H + och ange uttrycket för R, den totala reaktionshastigheten. Man kan anse att raktionsordningarna är heltal. Initialkoncentration / mol dm 3 Initialhastighet Experiment [CH 3 COCH 3 (aq)] 0 [Br 2 (aq)] 0 [H + (aq)] 0 R 0 / 10 6 mol dm 3 s 1 1 0,30 0,05 0,05 5,60 2 0,30 0,10 0,05 5,60 3 0,30 0,05 0,10 11,1 4 0,40 0,05 0,20 30,5 5 0,40 0,05 0,05 7,55 a) Figur D. Reaktionshastigheten ökar med temperaturen. b) D. Se aktiveringsenergikurvan i figur B ovan. Det aktiverade komplexet finns i kurvans maximum. c) Reaktionshastigheten kan skrivas R= k[ch 3 COCH 3 ] m [Br 2 ] n [H + ] p

4 Sid 4(8) Inspektera data och undersök hur initialhastigheten varierar då koncentrationen hos var och en av reaktanterna ändras. För att bestämma exponenterna jämförs experiment där koncentrationen för det aktuella ämnet ändras medan övriga ämnens koncentrationer är konstanta. Reaktionsordning m.a.p. Br 2 : Jämför försök 1 och 2, [Br 2 ] fördubblas men R ändras inte, n=0. Reaktionen är av nollte ordningen m.a.p. Br 2. Reaktionsordning m.a.p. H + : Jämför försök 1 och 3. Då [H + ] fördubblas ökar R till det dubbla, p=1. Reaktionen är av första ordningen m.a.p. H +. Reaktionsordning m.a.p. CH 3 COCH 3 : Jämför försök 1 och 5. Då [CH 3 COCH 3 ] ökar tre gånger ökar R tre ganger, m=1. Reaktionen är av första ordningen m.a.p. CH 3 COCH 3. Totala reaktionshastigheten R= k[ch 3 COCH 3 ] [H + ] 5. a) Betrakta en elektron i en 5d-orbital. -- Ange kvanttalet n och l för denna elektron. -- Ange alla möjliga värden på kvanttalet m l för denna elektron. -- Ange alla möjliga värden på kvanttalet m s för denna elektron. -- Hur många 5d-orbitaler finns det? Ange hur detta antal är relaterat till något eller några av kvanttalen. b) Atomernas storlek ges av kovalenta atomradier medan jonernas storlek ges av jonradier. Förklara varför storleken på den neutrala natriumatomen 11 Na (r=1,54å) är storre an storleken på motsvarande positiva jon 11 Na + (r=1,02å). Förklara hur du resonerar. a) En elektron i en 5d-orbital 5d n=5 och l=2 n=5 för det står siffran 5 framför d, l=2 för en d-orbital har l=2 (medan en s-orbital har l=0, en p- orbital har l=1,...etc...) Definitionen -l m l +l ger här när l=2 att: -2 m l +2 m l =-2,-1,0,1,2. - för elektronen kan m s bara vara m s = -½, +½. - det finns fem stycken 5d-orbitaler. Detta eftersom antalet orbitaler i ett underskal är lika med antalet värden på m l, vilket är fem stycken här: m l =-2,-1,0,1,2. Antalet värden på m l är givet av 2l+1. b) Den neutrala natriumatomen 11 Na har elva elektroner som rör sig runt en kärna med elva protoner. Den positiva jonen 11 Na + har bara tio elektroner som rör sig runt en kärna med elva protoner. Kärnan med sina 11 protoner har lättare att attrahera 10 elektroner än 11 elektroner. Så Coulombkraften blir starkare mellan kärnan och 10 elektroner än mellan kärnan och 11 elektroner. De 10 elektronerna är tätare bundna till kärnan i 11 Na + än de 11 elektronerna är bundna till kärnan i 11 Na. Detta gör att 11 Na + är mindre (r=1,02å) än 11 Na (r=1,54å). 6. a) Beräkna H och S vid 25 ºC och trycket 1 bar för nedanstående reaktion. Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) > 3 Ca 2+ (aq) + 2 PO 4 3- (aq) b) Beräkna jämviktskonstanten för reaktionen (löslighetsprodukten) vid 5 C. Jämför ditt värde med värdet i SI-Data vid 25 C. Ökar eller minskar lösligheten med temperaturen?

5 Sid 5(8) a) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) > 3 Ca 2+ (aq) + 2 PO 4 3- (aq) Värden ur SI-Data tabell 5. ΔHº =3ΔHº f Ca 2+ (aq) + 2ΔHº f PO 4 3- (aq) - ΔHº f Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) = =3 (-543) + 2 (-1277) - (-4121) = -62 kj mol -1 ΔSº =2 Sº HBr(g) - Sº H 2 (g) - Sº Br 2 (l) = = 3 (-56) + 2 (-220) = -844 J mol -1 K -1 b) Antag att ΔHº och ΔSº för reaktionen inte beror på temperaturen. ΔGº = ΔHº - T ΔSº = ,2 (-844) = 1, J mol -1 ΔGº = - RT lnk K = e - ( ΔGº/RT) = 3, SI-Data ger vid 25 C K sp = 1, => lösligheten minskar när T minskar. c) ΔGº = ΔHº - T ΔSº = ,2 115 = -1, J mol -1 ΔG = ΔGº < 0 visar att reaktionen är spontan 7. a) Bindningsavståndet mellan kväveatomen och syreatomen i NO 3 molekylen är 1,24 Å vilket är längre än en standard N=O bindning (1,14 Å) och kortare än en standard N O bindning (1,36 Å). Förklara varför genom att bestämma Lewisstrukturen for NO Beräkna antalet valenselektroner, antalet delade elektroner och antalet odelade elektroner. -- Rita Lewisstrukturen. -- Beräkna den formella laddningen för varje atom i molekylen. -- Ange resonansstrukturer i molekylen om det finns fler än en entydig struktur. -- Kommentera ditt resultat och relatera det till bindningslängden for NO i molekylen jamfört med bindningslängderna för N=O och N O. b) Vinkeln H C H i metan (CH 4 ) är 109,5 medan vinklarna H C H i eten (H 2 C=CH 2 ) är ca Skillnaden beror på olika typ av hybridisering för kolatomen i dessa två molekyler. -- Bestäm vilken typ av hybridisering kolatomerna har i metan och i eten. Förklara och kommentera ditt svar. -- Vilken av dessa två molekyler är plan? Motivera. -- Vad heter geometrin för den andra molekylen? 7a)- NO-bindningen i NO 3 : Antalet valenselektroner V = 5+18=23 (5 för N, 3x6=18 för de 3 syreatomerna). Antalet elektroner för att uppfylla oktettregeln är totalt O = 4 x 8 = 32 elektroner för de 4 atomerna i molekylen. Antalet delade elektroner är B = O V = = 9 delade elektroner, dvs 4,5 bindningar. Antalet odelade elektroner är L = V B = 23 9 =14 odelade elektroner, dvs 7 fria elektronpar. -- Rita Lewisstrukturen

6 Sid 6(8) -- Formella laddningen F A för atom A i molekylen ges av F A =V A -[L A +½B A ]. (Formeln finns i Atkins&Jones, 5 th, sida 70). N : F N = 5 - [0 + ½9] = +½ O= : F O= = 6 - [6 + ½4] = 0 O : F O = 6 - [6 + ½2] = -1 O : F O = 6 - [4 + ½3] = +½ -- det finns 6 resonansstrukturer för molekylen: -- Om bara en av de 6 strukturerna är rätt så skulle NO 3 ha en kort N=O bindning, en lång N O bindning, och en tredje NO-bindning med bindningslängden intermediat mellan N=O och N O. I verkligheten är alla tre NO bindningarna i molekylen identiska och lika långa och detta därför att det finns fler än en resonansstruktur för NO 3 och den verkliga molekylen är en blandning av dessa 6 resonansstrukturer. b) hybridisering av kolatomen i metan och eten: -- (*) i metan bidrar kolatomen till fyra CH bindningar av sigma-typ. Man behöver ha fyra orbitaler på kolatomen, därför betraktar man en sp 3 -hybridisering för kolatomen: i en sp 3 -hybridisering kombinerar man 2s-orbitalen med de tre 2p-orbitaler i kol för att få fyra nya atomorbitaler som kallas för hybrid atomorbitaler eftersom de är en blandning av rena atomorbitaler. (**) i eten bidrar varje kolatom till tre sigma bindningar. Man behöver ha tre orbitaler på kolatomen, därför betraktar man en sp 2 -hybridisering för kolatomen: i en sp 2 -hybridisering kombinerar man 2s-orbitalen med de två 2p-orbitaler i kol för att få tre nya hybrid sp 2 -atomorbitaler, den tredje 2p-orbitalen på kol förblir en ren atomorbital. -- En sp 2 -hybridisering ger en plan geometri med en vinkel på 120 mellan två sp 2 - hybridorbitaler.

7 Alltså eten (H 2 C=CH 2 ), där kolatomerna har sp 2 -hybridisering, är en plan molekyl. Atomorbitalen som förblir en ren 2p-orbital är vinkelrätt mot planen och bidrar till en pibindning mellan de två kolatomerna i eten. -- Den andra molekylen i uppgiften är metan (CH 4 ) där kolatomen har sp 3 -hybridisering. En sp 3 -hybridisering ger en tetraedrisk geometri, med en vinkel på 109,5 mellan två sp 3 -hybridorbitaler. Alltså metan är tetraedrisk. Sid 7(8) 8. Ange med motivering om H, S och G är större än noll, mindre än noll eller lika med noll för processerna i a) och b). Beräkning behöver ej utföras. a) 2 C 8 H 18 (l) + 25 O 2 (g) > 16 CO 2 (g) + 18 H 2 O(l), fullständig förbränning av oktan. b ) En våt badhandduk som torkar i solen på en badstrand i Thailand, (vattnet = systemet). c) Beräkna med data i tabell 5 i SI Chemical Data, hur stor entalpi som krävs per kg vatten för processen i uppgift b). d) Gör en riskbedömning av aluminiumfosfid, AlP(s). Ange den kondenserade riskkoden och förklara betydelsen av denna betecknings olika delar (risk- och säkerhetsfraser skall inte anges). a) Värme avges i processen, H< 0. Δn gas = 16-25= -9mol < 0 ger S<0. G <0, förbränningsreaktioner är spontana. b) Värme tillförs i processen, H> 0. För processen (l) >(g) är Δn gas >0 vilket ger S> 0. Reaktion är spontan dvs G<0. c) I SI Data tabell 5 ges värden på ΔH sub och ΔH fus. Hess lag (se även formel (16) i formelsamlingen), ger ΔH vap = ΔH sub - ΔH fus = 50-6 = 44 kj mol -1. Entalpiändringen= tillförda entalpin= (m/m)44= (1000/18,0) 44 kj =2,44 MJ d) Den kondenserade riskkoden för aluminiumfosfid, AlP(s) är 4,3+6,9.07 i SI Chemical Data 6:e upplagan. ändrad riskkod jämfört med föregående upplaga av SI-Chemical Data 4.3 fast ämne som är farligt då det är vått + = mycket, 6 = giftigt ämne 9 miljöfarligt ämne 07 är en kondenserad riskfrasreferens som kan expanderas till risk- och säkerhetsfraser på sidorna huvudrisk placeras först, sekundär risk, placeras efter huvudrisken