Tentamen i Allmän Kemi, del 2

Transkript

1 Linköpings Universitet Institutinen ör Fysik, Kemi ch Bilgi (IFM) Tentmen i llmän Kemi, del (NKE04 m.l.) Måndg den 4 kter 0, kl Hjälpmedel: miniräknre, rdk, peridiskt system, rmelsmling (de två senre igs även till tentn) nsvrig lärre: Helen Herertssn Per-Olv Käll Lrs Ojmäe Tentn mttr 6 uppgiter m 0 päng 60 p Säkert gdkänt 0 p OBS : Fullständig lösningr skll lltid ges! OBS : Om ej nnt nges är temperturen 5 C ch trycket.00 tm. Uppgit ) Ett steg vid industriell rmställning v svvelsyr är xidtin v svveldixid till svveltrixid: SO (g) O (g) SO (g) H 96 kj (i) (ii) Vd är K vid 000 K m K p vid smm tempertur är.0? (nvänd R 8.5 J/K ml) ( p) Hur kmmer jämvikten örskjuts m vlymen på det slutn kärlet där jämvikten ställt in sig minskr? Mtiver. ( p) (iii) Hur påverks K m temperturen höjs? Mtiver. ( p) ) Mjölksyr (C H 6 O ) är en enprtnig syr, sm örekmmer i livsmedel sm ilmjölk ch surkål. ph i en 0. M lösning v mjölksyr är.4. Beräkn syrknstnten (disscitinsknstnten), K, ör mjölksyr. ( p) c) Välj v nednstående slter ut ett sm är mer lösligt i sur lösning än i rent vtten ch mtiver vrör lösligheten är större vid lågt ph. MgCO NCl (NH 4 ) SO 4 KNO ( p) d) Beräkn ph i 500 ml v en uert, sm estår v 0.00 M NH 4 Cl ch 0.00 M NH. Beräkn vidre vd ph lir eter tillsts v ml NOH. För mmniumjnen (NH 4 ) är pk 9.4. Brtse rån eventuell vlymsörändring. (4 p)

2 Uppgit ) Studentern på en kurs i llmän kemi genmörde syr-stitrering med ph-meter v öljnde svg, enprtnig syrr: Nmn Frmel Mlmss Vätehydrxymmniumklrid NH OHCl Prpinsyr C H 5 COOH Pyridiniumklrid C 6 H 5 NHCl 5.56 Ntriumxlt NC O 4 H.0 En v studentern löste g v sin syr i vjnt vtten, så tt lösningens ttlvlym lev 50 ml. Prvlösningen titrerdes med 0.0 M NOH, vrvid öljnde titrerkurv erhölls: ph ml (i) vgör genm lämplig eräkning vilken v syrrn vn vår student titrerde. (4 p) (ii) nge ett ungeärligt pk -värde ör syrn. ( p) ) minsyrr, sm ygger upp prteiner, hr två unktinell grupper, en mingrupp ch en krxylgrupp. mingruppen kn ntingen öreligg lddd ( NH ) eller prtniserd (NH ) erende på ph (pk 9.6). Krxylgruppen kn på mtsvrnde sätt öreligg lddd ( COOH) eller lddd ( COO ) erende på ph (pk.). Vis hur lddningen är ör den enkl minsyrn glycin (H N CH COOH) vid ph 7. ( p) c) Vilket slt är mest lösligt, riumsult (BSO 4 K sp. 0 0 ) eller silverkrmt (g Cr O 4 K sp. 0 )? Redvis hur du km rm till ditt svr. ( p) d) Bilds en ällning v BSO 4 m 00 ml M BCl lnds med 600 ml M K SO 4 (K sp (BSO 4 ). 0 0 )? Redvis hur du km rm till ditt svr.. ( p)

3 Uppgit Kppr öreligger mestdels i nturen sm sulid, CuS. Vid rmställning v kppr örjr mn med tt xider kpprsuliden till kppr(ii)xid, en prcess sm klls rstning : CuS(s).5O (g) CuO(s) SO (g) Termdynmisk dt ör de ktuell ämnen är: Ämne H (kj ml ) (kj ml ) S (J K ml ) CuS(s) CuO(s) O (g) SO (g) ) vgör åt vilket håll rektinen vn är örskjuten vid 5 C. ( p) ) Är rektinen ex- eller endterm? ( p) c) Ökr eller minskr entrpin ör rektinen sm den är skriven? Diskuter m entrpiörändringen är örväntd eller inte. ( p) d) Beräkn den termdynmisk jämviktsknstnten, K, ör rektinen vid 5 C. ( p) e) Rektinskvten (rectin qutient), Q, är sm du vet det termdynmisk jämviktsuttrycket ör en rektin innn jämvikt uppnåtts. (i) Teckn rektinskvten, Q, ör rektinen vn. ( p) (ii) ntg tt rektinen vn sker i ett slutet kärl med knstnt vlym vid 5 C. ntg vidre tt CuS(s) öreligger i översktt ch tt P O 5.0 ch P SO.0 tm. Beräkn ändringen i den ri energin () ör systemet. ( p) Uppgit 4 ) Betrkt de st ämnen: Br HF H S NCl MgO (i) Vilken typ v intermlekylär (eller inter-jnisk) krter dminerr i respektive vnstående ämne i st tillstånd? (4 p) (ii) Vilket v vnstående ämnen hr högst smältpunkt? ( p) ) Nednstående vttenlösningr hr öljnde kncentrtiner givn i mll (m): 0.04 m NI 0.0 m MgCl 0.0 m K PO m C (PO 4 ) ntg tt sltern löser sig ullständigt. Vilken v lösningrn ör h högst kkpunkt? Mtiver ditt svr. ( p) c) Järn kristlliserr i en struktur sm hr en rymdcentrerd kuisk (dy centered cuic eller cc) enhets. Densiteten ör järn är g cm. Beräkn järntmens rdie. ( p)

4 Uppgit 5 ) De två hlvsrektinern (här etecknde H ch H) i litiumjdidtteriet, ett mycket dritsäkert tteri med lång livslängd, är: H: Li(s) Li e H: I (s) e I (i) Vilken rektin är ndrektin i tteriet? ( p) (ii) Vilken är tteriets -pl? ( p) (iii) Teckn ens ttlrektin. ( p) (iv) Rit ett schem ör en. (Med schem vses den typ v digrm, sm nvänds i näst uppgit (uppg. 5 ). ( p) ) För tt estämm löslighetsprdukten (K sp ) ör kpprsulid, CuS, tillverkde mn öljnde : Cu(s) CuS(s), N S(q, 0.00 M) CuSO 4 (q, 0.00 M) Cu(s) Den vänstr hlven estår lltså v en kpprelektrd, sm är nedstucken i en elektrlyt estående v i vtten löst ntriumsulid, N S, med kncentrtinen 0.00 M. På tten i den vänstr hlven kmmer svårlöslig, svrt CuS(s) tt ll ut. Den högr hlven estår v lättlöslig kppr(ii)sult (0.00 M) ch en kpprelektrd. Cellen är med ndr rd en kncentrtins, etersm rektinen ör åd hlvern är: Cu (q) e Cu(s) E V (i) Vd är E 0? ( p) (ii) Uppmätt EMK (E ) lev 008 mv. Beräkn K sp ör CuS(s). (4 p) Uppgit 6 Sönderllet v di-tert-utylperxid till cetn ch etn sker med en : rdningens rektin enligt (CH ) COOC(CH ) (g) (CH ) CO (g) CH CH (g) Vid ett experiment utört vid 47 C mättes kncentrtinen v di-tert-utylperxid, [(CH ) 6 C O ], sm en unktin v tiden, t, ch öljnde tell erhölls: t / min [(CH ) 6 C O ]/ ml dm ) Vis tt rektinen är v örst rdningen genm tt på lämpligt sätt vsätt dt ör kncentrtinen mt tiden. nvänd igt millimeterppper! ( p) 4

5 ) Beräkn hstighetsknstnten, k, ör rektinen ch nge krrekt enhet. ( p) c) Vd är hlveringstiden, t ½, ör rektinen? ( p) d) ntg tt experimentet utörs i ett slutet kärl med knstnt vlym. ntg dessutm tt vid tiden t 0 min kärlet endst innehåller di-tert-utylperxid. Beräkn ttltrycket i kärlet (välj själv tryckenhet) vid (i) t 0 min, respektive t min ( p) (ii) t 5 min ( p) När kemin tg det histrisk steget rån örvetenskp till exkt nturvetenskp, någt sm inträde i slutet v 700-tlet (årtlet ör den rnsk revlutinens utrtt, 789, är en rätt gd tidsngivelse ör dett prdigmskite ), rttdes kemistern lltjämt med två grundläggnde prlem. Det örst prlemet rörde rågn m mteriens ntur. Existerde det någt sådnt sm tmer? Eller vr mterien tt nse sm en kntinuerlig sustns, vilken kunde inördels i det ändlig? tt mterien vr uppyggd v tmer hde öreslgits redn i det ntik Greklnd v ilsen Demkrits, sm trligen ått idén rån sin lärre Leukipps (mkr Kr). tmterin hde ördelen tt den pssde det kemisk tänkndet mycket ättre än vd terin m den kntinuerligt uppyggd mterien gjrde. Likväl dröjde det slutgiltig eviset ör tmterin änd till 900-tlets örjn, då kvntysiken upptäcktes. Frm till dess vr tmterin endst en hyptes, låt vr en välgrundd sådn sm mång vetenskpsmän trdde på. Det ndr grundläggnde prlemet rörde värmets ntur. Vd vr egentligen värme? Vr det, sm gnsk mång nsåg, ett slgs ämne, vnligen enämnt clric, sm överördes rån till exempel den het elden till vttnet sm enn sig i kkkärlet vnör elden? Ju mer värmeämne sm överördes rån elden till vttnet, dest vrmre lev vttnet. Det öreöll inte rimligt tt tänk så. En knkurrernde mdell hävdde istället tt värme vr rörelse hs mterien. Den senre terin hde öreslgits v nturrskre sm Rert Byle (67-69) ch Isc Newtn (64-77). Och ännu tidigre hde ilsen Frncis Bcn (56-66) skrivit: het is mtin nd nthing else perpetully quivering, striving, nd struggling De örst sm med gd nggrnnhet kunde mät värmet sm vgvs i en kemisk örränningsrektin, vr den rnske kemisten ntine Lvisier (74-794) i smrete med mtemtikern ch strnmen Pierre-Simn Lplce (749-87). Den tidens vetenskplig ch plitisk elit inte så sälln vr mn verksm på åd mråden vr strkt egränsd. Det vr till exempel Lplce, sm hde tentert den unge kdetten Nplen Bnprte i mtemtik under hns icersutildning, vilket denne ör övrigt klrde med sådn rvur tt hn kunde örkrt sin militärutildning med ett helt år. Lvisier ch Lplce knstruerde en klrimeter med vilken mn kunde estämm värmet (dvs. entlpin), sm vgvs när ett ämne örrändes i närvr v syrgs, (se igur nedn). Lvisier ch Lplce genmörde lång mätserier v örränningsvärmet ör lik rgnisk ämnen såsm ljr ch liknnde. De mätte ckså syrgsörrukningen under ndning. Ders resultt ledde så småningm rm till den överrsknde 5

6 slutstsen tt den mänsklig ndningen egentligen vr en örränningsrektin, st en sm skedde vid låg tempertur. Det vr ett vetenskpligt revlutinernde resultt, sm en gång ör ll evisde styrkn i den ny kemisk vetenskpen ch dess metder. Fig. Den klrimeter ör värmemätning vid knstnt tryck, sm knstruerdes v Lvisier ch Lplce. Förränningen skedde inuti metllnätet () i mitten v klrimetern. Den värme sm utveckldes under rektinen smälte ett mgivnde lger v is (), vrvid smältvttnet sm tppdes v genm en krn under klrimetern gv ett direkt mått på mängden utveckld värme. För tt termiskt isler systemet mgvs isen i () v ett yttre islger (). ntine Lvisier (74-794), den mdern kemins der, öddes i Pris sm sn till en örmögen hög jurist. Vr örutm sm vetenskpsmn även verksm inm dministrtin ch plitik. Dömdes under den s.k. Terrrn till döden ch giljtinerdes på Plce de l Revlutin (numer Plce de l Cncrde) i Pris den 5 mj 794. nklgelsern mt hnm vr dck tveksmm ch den rnsk stten örklrde senre tt dmen mt Lvisier vr elktig. Pierre-Simn Lplce (749-87) öddes i Beumnt-en-uge i Nrmndie. Hn vr sn till en ttig lntretre men hde turen tt upptäcks v rik grnnr, sm ekstde hns utildning. Bnrytnde strnm ch mtemtiker. Begrepp sm Lplces ekvtin ch Lplcetrnsrmtin är viktig inm teretisk ysik. Nplen Bnprte (769-8) öddes i jcci på Krsik i en lågdlig milj. En lysnde militär strteg ch slug plitiker grep hn mkten i Frnkrike år 799 genm en sttskupp. Krönte sig på eget evåg till kejsre 805 men vsttes eter nederlget i Wterl år 85 ch dg i lndsörvisning i rittisk ångenskp på ön Snkt Helen i södr tlnten. Räkns numer sm en v Frnkrikes viktigste histrisk gestlter. 6

7 Peridisk systemet** I II III IV V VI VII VIII s-lck d-lck p-lck H.008 Li 6.94 N.99 9 K R Cs.9 87 Fr * () 4 Be 9.0 Mg 4. 0 C Sr B R * (6) Sc Y L c * (7) Ti Zr 9. 7 H R * (6) V N T D * (6) 4 Cr M W Sg * (6) 5 Mn Tc * (98) 75 Re Bh * (64) 6 Fe Ru Os Hs * (65) 7 C Rh Ir Mt * (68) 8 Ni Pd Pt Ds * (7) 9 Cu g u 97.0 Rg * (7) 0 Zn Cd.4 80 Hg 00.6 Uu 5 B 0.8 l 6.98 G In Tl 04.4 Uut 6 C.0 4 Si 8.09 Ge Sn P Uuq 7 N P 0.97 s S.8 8 Bi Uup 8 O S.07 4 Se Te P * (09) 9 F Cl Br I t * (0) He Ne r Kr Xe. 86 Rn * () 58 Ce Th.0 59 Pr P.0 60 Nd U Pm * (45) 9 Np * (7) 6 Sm Pu * (44) 6 Eu m * (4) 64 Gd Cm * (47) -lck 65 T Bk * (47) 66 Dy C * (5) 67 H Es * (5) 68 Er Fm * (57) 69 Tm Md * (58) 70 Y N * (59) 7 Lu Lr * (6) vgdrs knstnt N ml Elektrnens lddning e C Frdys knstnt F C ml ( N e) Ljushstigheten i vkuum c m s Plncks knstnt h J s Bltzmnns knstnt k J K Gsknstnten R J K ml ( N k) r dm K ml tm dm K ml Trr dm K ml cl 4.84 J Å 0 0 m u /N g kg r 0 5 P tm tm P Trr /760 tm r ev J ( V e) 0 C 7.5 K *Rdiktivt grundämne med krt hlveringstid **Interntinl Unin Pure nd pplied Chemistry (IUPC), June 007 7

8 Linköpings universitet ht 0 Institutinen ör Fysik, Kemi ch Bilgi (IFM) Termdynmik H U PV H U RT H S n gs n H (prdukt) ns (prdukt) G H TS G H T S Frmelsmling ör llmän Kemi, del deinitin v entlpi n (prdukt) ms m H deinitin H (rektnt) m (rektnt) v Gis T S (rektnt) ri energi e { E} { F} { } { B}... För rektinen B... ee F... är rektinskvten Q... G Kemisk jämvikt RT ln K RT ln Q K termdynmisk jämviktsknstnt e { E} { F} { } { B} { } ktivitet... För jämviktsrektinen B... ee F... är K Mssverkns lg... Vid utspädd lösning resp. vid måttlig gstryck kn mn nsätt {(q)} [(q)] (M) ch {(g)} P (tm). För rent ämne gäller tt {}. Oserver tt ktiviteten, { }, liksm den termdynmisk jämviktsknstnten, K, sknr enhet. K p n ( RT ) gs K c Syrjämvikt H H K w O H O - syrknstnt K - 4 [ H O ][ OH ].0 0 (5 C) vttnets jnprdukt pk w ph poh 4.0 (5 Bsjämvikt B H O OH HB sknstnt K w w C) K K K pk pk pk - [ ] - [ H O ] [ ] [ H] - [ OH ] [ HB ] [ B] ph pk lg uertekvtinen H H O HO [ H] m n Löslighetsjämvikt pbq (s) p qb löslighetsprdukt Ksp [ ML n ] [ M] [ L] Kmplexjämvikt M nl ML n stilitetsknstnt K β n - m p n [ ] [ B ] q 8

9 Elektrkemi E E E E E E - E, E är nrmlptentiler (stndrd reductin ptentils) ör respektive hlv EMK (elektrmtrisk krt) E E nfe nfe Kinetik [ ] [ ] RT ln Q nf RT ln K 0 : e rdningens hstighetsekvtin kt ln[ ] ln[ ] [ ] [ ] e ln k (integrerd rm) : rdningens hstighetsekvtin t [ ] [ ] [ ] Nernsts ekvtin ör rektinen (ttlrektin) (expnentiell rm) K termdynmisk jämviktsknstnt [ ] d dt [ ] d dt kt (integrerd rm) kt k k [ ] hlveringstid : rdningens hstighetsekvtin : rdningens hstighetsekvtin t k k e E RT kt E ln k ln R T (integrerd rm) [ ] d dt k [ ] hlveringstid : rdningens hstighetsekvtin rrheniusekvtinen Klligtiv egenskper P P X Rults lg ör idel lösning i i [ ] k H P Henryslg Ptt P P prtiell ångtrycket ör T K cm kkpunktsörhöjning T K cm Π V nrt smtiskt tryck i ryspunktssänkning 9