Tentamen i Kemisk termodynamik kl 8-13

Transkript

1 entamen i emisk termdynamik kl 8- Hjälmedel: Räknedsa, BE ch Frmeamling för kurserna i kemi vid H. Endast en ugift er blad! Skriv namn ch ersnnummer å varje blad! lla använda ekvatiner sm inte finns i frmeamlingen skall mtiveras ch alla gjrda antaganden skall redvisas. Maximum 0 äng er ugift. id tentamen maximeras summan av antalet äng från det senaste årets kntrlkrivningar ch de två första ugifterna till 0 äng. 5 inklusive kntrlkrivningsäng krävs för gdkänd tentamen..(a)beräkna ändringen i entri () då temeraturen av ättiksyra höjs från 5 till 50 C vid knstant tryck ( bar). Ättiksyra kkar vid 7.9 C ch dess ångbildningsvärme är.7 kj ml -. Ättiksyrans värmekaacitet vid knstant tryck mellan 5 ch 7.9 C är i medeltal. J ml - -. Ångans värmekaacitet är 6.4 J ml - - (antas vara knstant i det aktuella temeraturintervallet). (6) (b)hur högt skulle trycket minst behöva vara för att undvika kkning i det aktuella temeraturintervallet? Ångan uför sig sm en ideal gas ch ångbildningsvärmet kan anses vara berende av temeraturen. (4). En ml av en ideal gas (C v 0.7 J - ) får exandera från vlymen dm till 5 dm i följande två system: (a) En behållare med vlymen liter laceras inuti en evakuerad ch fultändigt islerad behållare med vlymen 5 liter varefter den mindre behållaren önas (vlymen av den lilla behållarens väggar kan försummas). (b) Gasen får exandera mt ett knstant yttre tryck i en behållare där temeraturen hål knstant (5 C). Beräkna ch entrirduktinen för de två fallen ch ange m rcesseserna är reversibla eller irreversibla.. För en vattenlösning mättad med en svårlöslig rganisk substans vid 5 C är vattenångtrycket 99 % av ångtrycket över rent vatten. (a)uskatta substansens löslighet (i ml dm - ) utifrån antagande att lösningen kan ses sm ideal. (4) (b) isa med utgångsunkt från den kemiska tentialen att det smtiska trycket Π för en lösning av B i lösningsmedlet ges av R ln a Π (4) (c) Bestäm det smtiska trycket för vanstående lösning. ()

2 4. Nedanstående tabell ger ångtrycken för ch B över lika binära blandningar av ch B vid en given temeratur (5 C). Beräkna aktivitet ch aktivitetsfaktr för ch B då x x B. nge valet av standardtiltånd för varje kmnent. x /mm Hg B /mm Hg Bindningsentalin i gasfas används fta för att förutsäga lika substansers reaktivitet med fria radikaler. Det är dck relativt svårt att bestämma bindningsentalier i gasfas exerimentellt ch därför måste man fta använda data från lösningar. Detta sker fta med utgångsunkt från följande exerimentella data i vattenlösning (i detta fall för fenl, C 6 H 5 O- H): Standardreduktinstentialen för fenxylradikalen: E (C 6 H 5 O ( / C 6 H 5 O - () ch a för fenl (C 6 H 5 O-H ( C 6 H 5 O - ( + H + () Båda dessa strheter kan bestämmas exerimentellt med gd nggrannhet. Beskriv vilka ytterligare termdynamiska data du skulle behöva för att bestämma bindningsentalin för O-H bindningen i fenl i gasfas (5 ) samt förklara hur du skulle gå tillväga för att beräkna denna (5). Bindningsentalin för O-H bindningen definieras sm reaktinsentalin för reaktinen C 6 H 5 O-H(g) C 6 H 5 O (g) + H (g) Ledning: änk å sambandet mellan standardreduktinstential ch reduktinsknstant där den sistnämnda är definierad sm jämviktsknstanten för den generella reaktinen: Ox ( + n/ H (g) Red ( + n H + ( Lycka till!

3 Lösningsförslag till tentamen i emisk termdynamik 04086:.a) (I) Ändring i entri vid uvärmning av vätska från 5 C till 7.9 C (98-9 ): 9C 9 I d C ln. ln Jml 98.5 J ml (II)Fasmvandling (förångning): II H v Jml 60.6 J ml (III) Ändring i entri vid uvärmning av ånga från 7.9 C till 50 C (9-4 ): 4C III d ln J ml J ml tal entriändring: I + II + III ( ) J ml 99. J ml b)ryck sm krävs för att höja kkunkten från 7.9 C till 50 C ges av Clausius- Claeyrns ekvatin: d ln H d R H ber. av ger: d ln H d R ln H R e.7 bar. a) Fri adiabatisk exansin av ideal gas (irreversibel): δ q 0 ; δ w d 0 du 0 ex { π 0 för ideal gas} C d 0 0 dvs. knst du π d + C d d Exansinen är isterm δqrev ( δ qrev kan beräknas för reversibel isterm exansin) För reversibel isterm exansin gäller: R du δqrev d 0 δqrev d d

4 δqrev qrev Rln 8.4 ln J 6.8J ges av entriändringen för reversibel ex. δq Entrirduktinen ges av i S 6.8 J b) Isterm exansin av ideal gas mt ett knstant yttre tryck (irreversibel): nr Beräkning av det knstanta yttre trycket:, nr kpa 5 0 q ( ) 99.(5 ) 0 ex kj.8 kj 6.8J ges av entriändringen för reversibel ex. δq 80 Entrirduktinen ges av i S J 98. a) Mlbråket för den lösta substansen kan räknas ut m.h.a. Raults lag: x ( x ) ( x ) x För att uskatta lösligheten (i ml dm - ) måste vi räkna ut vlymen för ml vatten (vi försummar den lösta substansens vlym). M HO 8 - H ml ml O, ncentratinen av den lösta substansen är ρ c x ml dm 0.56 ml dm 8 0 b) Uttrycket för smtiskt tryck kan härledas genm att ansätta att en lösning av B i vid trycket +Π står i jämvikt med rent (lösningsmedel) vid trycket : - µ ( ) µ ( x, + Π) µ ( + Π) + R ln a G G µ i n ch i,, n i ger +Π dµ +Π d µ ( + Π) µ ( ) + +Π d

5 antas berende av : µ R ln a ( + Π) µ ( ) + Π R ln a Π Π c) Beräkning av det smtiska trycket: R ln a Π R ln ln 0.99 Pa.4 MPa Utifrån givna data får vi betrakta B sm lösningsmedel ch sm ulöst ämne. Ångtrycket av bör då beskrivas av Henrys lag ch ångtrycket av B av Raults lag. För icke-ideal lösning gäller: B ab B BxB B γ (Raults lag) ch a γ x (Henrys lag) För B kan vi direkt beräkna aktivitet ch aktivitetsfaktr för x x B 0.5: B 70 ab ab 0.64 γ B 65 xb B För att bestämma a måste vi känna till i Henrys lag. Denna kan bestämmas grafiskt sm den initiala lutningen m vi lttar mt x : /mm Hg mm Hg 0 0, 0,4 0,6 x

6 ktivitet ch aktivitetsfaktr kan nu beräknas:.5 a 0.77 γ 84 a x Standardtiltåndet är rent ämne (x) för båda kmnenterna. (Se ug. 78 i exemeamlingen) 5. Standardreduktinstentialen (E ) ch a ger G för reaktin ch + 6H5O( + / H( g ) + H( C () G nfe + 6H5O H( + H ( C () G R ln 0 a Genm att kmbinera reaktin ch får vi reaktin 6H5O H( / H ( g ) C + () G G G R ln 0 a + nfe För att kunna beräkna H för reaktin 4 6H5O H( g) g) + H( g ) C (4) behöver vi G för följande reaktiner / ( g ) H ( g ) H (5) C H O H C H O H (6) 6 5 ( 6 5 ( g ) 6H 5O( g) C (7) samt för reaktin 4. Bindningsentalin kan då beräknas enligt följande: H 4 G + G5 G6 + G7 + 4