Grundläggande kemi I 10 hp

Transkript

1 Grundläggande kemi I 10 hp Sid 1(5) Uppsala universitet Tentamenssdatum Kemi grundutbildning Provansvarig: Jan Davidsson Tentamen kl TILLÅTNA HJÄLPMEDEL Miniräknare, SI Chemical Data. ANVISNINGAR Skriv tentamenskod på alla papper som lämnas in. Besvara inte mer än en uppgift på samma blad. OBS! Skriv ingenting på bladets baksida. Fullständiga lösningar skall lämnas. Införda beteckningar skall förklaras. Enheter skall anges. I svar skall uträknade värden avrundas med hänsyn till de givna mätetalens noggrannhet. Svar skall motiveras. Då tabelluppgifter hämtas från SI Chem Data skall hänvisning göras till aktuell tabell. Varje fullständigt löst uppgift är värd 10 poäng. Tentamen är godkänd vid 40 p eller mer och uppfyllda mål. MÅLUPPFYLLELSE De mål som anges i kursplanen, se sid 5, måste uppfyllas vart och ett för att kursen ska bli godkänd. I denna tentamen examineras målen 1-5. Flera av målen förekommer i flera av uppgifterna och då görs en sammanvägd bedömning om respektive mål är uppfyllt eller inte. Kinetikmålet finns bara i en uppgift och för uppfyllt mål behövs 40 % av maxpoäng, dvs 4 poäng i detta fall. Om den sammanlagda tentamenspoängen är minst 40 poäng ges en möjlighet till komplettering av ej uppfyllt mål. UPPGIFTER 1. Skriv en kort förklarande text till följande observationer och illustrera med en reaktionsformel/struktur. a) Då kalciumoxid, CaO, löses i vatten blir lösningen basisk. b) Då kromtriklorid, CrCl 3, löses i vatten blir lösningen sur. c) En 0,5 M lösning av natriumklorid, NaCl, i vatten är praktiskt taget neutral medan en 0,5 M lösning av natriumfluorid, NaF, blir basisk. d) En 0,5 M lösning av vätejodid, HI, i vatten är betydligt surare än en 0,5 M lösning av fluorvätesyra, HF. e) Om man löser 60,1 g ättikssyra, CH 3 COOH, och 20,0 g natriumhydroxid, NaOH, i 500 ml vatten blir lösningens ph exakt 4,76.

2 Sid 2(5) 2. 15,0 ml av en lösning av den svaga basen anilin, C 6 H 5 NH 2 (jämför ammoniak), med okänd koncentration i vatten titreras med 0,200 M HCl och man får nedanstående titrerkurva. Ekvivalenspunkten nås efter 9,00 ml tillsatt HCl och ph vid ekvivalenspunkten är 3, punkt A 8 ph 6 punkt B 4 2 punkt C ml HCl a) Vilken var basens koncentration innan HCl tillsatts? b) i) Ange jämviktsreaktionen som råder i punkt A. ii) Ange titrerreaktionen som äger rum mellan punkt A och B. Ange om anilin är i sin syra- eller basform i punkt B. Med hjälp av detta, ange jämviksreaktionen som råder i punkt B. iii) I vilken syra- / basform föreligger anilin i punkt C? c) Vid vilket ph har anilinsystemet störst buffertkapacitet? Motivera.

3 Sid 3(5) 3. Följande galvaniska cell ställs upp: Anod: En vätgaselektrod bestående av en platinaelektrod och en vattenlösning av HCl med okänt ph. Vätgastrycket över elektroden är 1,0 bar. Katod: En kopparelektrod i en 1,0 M kopparsulfatlösning. a) Ställ upp cellschemat för den galvaniska cellen. b) Ange elektrodreaktionerna i de båda halvcellerna och den totala cellreaktionen. Beräkna även E 0 för cellen. c) Beräkna HCl-lösningens ph om E cell = 0,517 V. Alla uppgifter är vid 25 ºC. 4. Fenoler är redox-aktiva, bl.a. som antioxidanter i nedbrytning av lignin och i många radikalproteiner, t.ex., tyrosin. Fenoler, PhOH, kan oxideras till fenoxylradikaler, PhO, som i regel inte är stabila i lösning, då de bl.a. dimeriserar: 2 PhO à (PhO) 2 (i) Visa från följande data att reaktionen följer 2:a ordningens kinetik, och (ii) bestäm reaktionens hastighetskonstant. Tid / 10-3 s [PhO ] / 10-6 M 20 15,0 11,0 7,2 4,4 3,3 5. a) Huvudkvanttalet n för en elektron i en 5f-orbital är 5. Ange värdet på bikvanttalet l för denna elektron. b) Ange alla möjliga värden på kvanttalet ml för elektronen i en 5f-orbital. c) Hur många 5f-orbitaler finns det? Förklara hur detta är relaterat till något eller några av kvanttalen. d) Det finns ingen orbital 3f. Förklara varför. e) Förklara varför joniseringsenergin för kalium, K, är mindre än den för natrium, Na. Atomradien är 1,80 Å för Na och 2,20 Å för K.

4 Sid 4(5) 6. Beräkna jämviktskonstanten vid 100 ºC för reaktionen N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) vid standardtillstånd. 7. Betrakta molekylerna CO 2 respektive SO 2 där C respektive S är centralatomer. a) Beräkna, för varje molekyl, antalet valenselektroner, antalet delade elektroner och antalet odelade elektroner. b) Rita Lewisstrukturen för respektive molekyl. c) Beräkna den formella laddningen på varje atom, och ange resonansstrukturna om det finns mer än en entydig struktur, för respektive molekyl. d) En sp-hybridisering för centralatomen ger en linjär geometri för molekylen. d1) Bestäm vilken typ av hybridisering den centrala atomen har i CO 2 och i SO 2. Motivera. d2) Vilken av CO 2 och SO 2 är linjär och vilken är vinklad? Motivera. 8. Avgör hur entropin för systemet ändras (ökar, minskar eller förblir konstant) i nedanstående processer. Antag att T = 298 K och P = 1 bar, om inget annat anges. Du måste motivera ditt svar. a) Kvicksilver värms från 298 K till 352 K. b) H + flyttas från en lösning med ph = 8 till en med ph = 6. c) Is smälter vid 273,15 K. d) Na(s) + H 2 O à ½ H 2 (g) + Na + (aq) + OH - e) 1 mol CO 2 komprimeras från 25 dm 3 till 8 dm 3.

5 Sid 5(5) Mål Efter kursen skall den studerande kunna: 1. redogöra för elektronstrukturen hos atomer och den teoretiska bakgrunden till periodiska systemet 2. beskriva olika typer av kemisk bindning och relatera bindningstyrka till materiens fysikaliska egenskaper 3. redogöra för innebörden av vanliga storheter och begrepp inom reaktionskinetik och utföra beräkningar inom grundläggande kinetik 4. utföra beräkningar inom grundläggande termodynamik och jämviktslära 5. genomföra stökiometriska beräkningar 6. utföra enklare laboratoriearbete på ett korrekt och säkert sätt samt utföra enklare risk- och säkerhetsbedömningar 7. dokumentera laborativt arbete i laborationsjournal samt muntligt/skriftligt redogöra för laborationens resultat 8. ge exempel på hur kursmoment anknyter till verksamhet inom samhälle och näringsliv med relevans för utbildningen 9. beskriva hur kursinnehållet har betydelse för människan, miljön och samhället

6 Sid 6(5) SVAR 1. a) Metalloxider i grupp 1 och 2 ger i vattenlösning en basisk lösning. Hydroxidjoner bildas enligt nedan: CaO (s) + H 2 O (l) Ca 2+ (aq) 2 OH - (aq) + b) Små övergångsmetalljoner bildar i vattenlösning hydrat. Dessa övergår till hydroxidkomplex varvid protoner avges (SI-data sid ). CrCl 3 Cr 3+ (aq) + 3 Cl - (aq) Cr H (aq) + 6 H 2 O Cr(H 2 O) 2 O 2+ 6 Cr(OH)(H 2 O) 5 + H 3 O + c) Natriumjoner påverkar ej ph. Ej heller kloridjoner gör detta eftersom de är konjugerade baser till den starka syran HCl. Fluoridjoner däremot ger en basisk reaktion. De är ju konjugerade baser till den svaga syran HF. F - (aq) + H 2 O HF (aq) + OH - (aq) d) HI är till skillnad från HF en stark syra. Protolysjämvikten nedan är därför helt förskjuten åt höger. Detta därför att jodidjoner är mycket större än fluoridjoner. De kan bättre stabilisera en negativ laddning. HI (aq) + H 2 O I - (aq) H 3 O + + e) Hydroxidjonerna (0.5 mol stark bas) kommer att reagera fullständigt med ättiksyran (1.0 mol svag syra). Lösningen innehåller därefter 0.5 mol ättikssyra och 0.5 mol av dess konjugerade bas, acetatjon. ph blir exakt lika med ättikssyrans pka-värde=4.76 (Formel 53) CH 3 COOH (aq) + OH - (aq) CH 3 COO - (aq) + H 2 O 2. a) [HCl] = 0.2 M; V(HCl) vid ekvivalenspunkten är 9.0 ml n(hcl) = 0.2 M * l = 1.8*10-3 mol Det måste vara samma som n(anilin) man hade i början, dvs n(anilin) = 1.8*10-3 mol Man vet att V(anilin) var 15ml innan tritreringen började. [HA] början = 1.8*10-3 mol/0.015 l = 0.12 M b) anilin är C6H5NH2 i) punkt A: C6H5NH2 + H2O C6H5NH3 + + OH - Anilin är en svag bas. Jämvikten ligger på reaktantsidan, och därför övervägar C6H5NH2 ii) punkt B: titreringsreaktionen mellan punkt A och B: C6H5NH2 + H3O + C6H5NH3 + + H2O I punkt B har allt C6H5NH2 förbrukats, och följande jämvikt råder C6H5NH3 + + H2O C6H5NH2 + H3O + C6H5NH3 + är en svag syra. Jämvikten ligger på reaktantsidan, och därför överväger C6H5NH3 + iii) punkt C: jämvikten från punkt B skjuts ytterligare till reaktantsidan, och det finns bara C6H5NH3 + i lösningen. c) Buffertkapaciteten är störst när [C6H5NH2] är lika med [C6H5NH3 + ]. Efter 4.5 ml tillsatt HCl har hälften C6H5NH2 förbrukats, och bufferkapaciteten är störst.

7 Sid 7(5) 3. a) Pt (s) H 2 (g, 1.0 bar H + (aq, ph=3) Cu 2+ (aq, 1,0M) Cu (s) b) Anod: H 2(g) 2 H + (aq) + 2 e - Katod: Cu 2+ (aq) + 2 e - Cu (s) Totalt: H 2 (g) + Cu 2+ (aq) 2 H + (aq)+ Cu (s) E 0 cell = E 0 katod - E 0 anod = 0,34V - (0 V) = 0,34 V c) 0,517 = 0,34 RT/2F * ln [Cu (s) ][H + ] 2 /[H 2(g) ][Cu 2+ ] [H+] = 0,001M => ph=3 4. i) Andra ordningens reaktion, formel (48a), 1/[A] = kt + 1/[A] 0 ger en rät linje om 1/[A] plottas mot tiden. Tid/ s (1/[A])M [A] /M ,00E-05 4,00E ,50E-05 1,00E ,10E-05 2,00E ,20E-06 4,00E ,40E-06 6,00E ,30E-06 1/[A = f(t) rät linje. Vi har visat att det är en andra ordningens reaktion. Alternativa metoder som punktvis beräkning av flera k-värden med ekv (48a) och slutsatsen att k är konstant inom de experimentella felgränserna ger poäng. Jämförelse av halveringstider med ekv 48b blir oprecist men ger poäng för rätt resonemang. Beräkning av reaktionshastigheten R= [A]/ t och resonemang om R:s förhållande till koncentrationen blir mycket oprecist p.g.a. att det är för lång tid mellan punkterna och är knappast användbart här men ger ändå viss poäng för rätt resonemang. ii) Reaktionens hastighetskonstant = linjens lutning = 4, M -1 s -1. Alternativt beräkning ur ekv (48a).

8 Sid 8(5) 5. a) En elektron i en 5f-orbital: n=5. Bikvanttalet l är l=3 för en orbital av typ f. b) ml tar alla värdena mellan -l och +l. Här l=3 ger ml = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3. c) Det finns 7 orbitaler 5f. Detta därför antalet värden på ml (här 7 ) är lika med antalet orbitaler. Antalet orbitaler, eller antalet värden på ml, är alltid lika med 2l+1 (här l=3, 2*l+1=2*3+1=7). d) En orbital 3f skulle motsavar kvanttalen n=3, l=3, vilket är fel eftersom l = 0, 1, 2, 3...n-1, alltså maxvärdet för l är n-1. N=3 ger l= 0, 1, 2. Vilket motsvarar orbitaler 3s, 3p, respektiv 3d. En orbital 3f finns därför inte. e) r(k) > r(na), kalium är större än natrium <=> elektronerna är lösare bundna i K än de är i Na. <=> Coulomb kraften mellan kärnan och elektronerna är starkare i Na än i K, vilket gör att det är lättare ( = det kräver mindre energi) att ta bort en elektron från K än från Na, dvs joniseringsenergin för K är mindre än den för Na. 6. qq 7. CO 2 : a) C: 1s 2 2s 2 2p 2 => valens 2s 2 2p 2 ; O: 1s 2 2s 2 2p 4 => valens 2s 2 2p 4. i) antalet omgivande elektroner enligt oktettregeln: C: 8e; 2xO: 2x8e=16e; totalt 8+16=24e ii) antalet valenselektroner: C: 4e; 2xO: 2x6e=12e; totalt 4+12=16 valenselektroner iii) antalet delade elektroner (ges med i-ii): 24-16=8 delade elektroner, dvs, 4 bindningar => rita centralatomen, C, med 4 bindningar til syreatomerna: 2 bindningar med varje syreatom. iv) antalet odelade elektroner (ges med ii-iii): 16-8=8 odelade elektroner, dvs, 4 fria elektronpar => b) rita Lewisstrukturen c) F=V-(L+B/2), där F är den formella laddningen på atomen, V antalet valenselektroner på denna atom, L antalet odelade elektroner på atomen, B antalet delade elektroner på atomen (se kursboken). F C = 4-(0+8/2) = 0 F O = 6-(4+4/2) = 0 (dvs, ingen laddning på syreatomenerna) => ingen resonans, alltså bara en struktur för CO 2. SO 2 : a) S: 1s 2 2s 2 2p p 4 => valens 3s 2 3p 4 ; O: 1s 2 2s 2 2p 4 => valens 2s 2 2p 4. i) antalet omgivande elektroner enligt oktettregeln: S: 8e; 2xO: 2x8e=16e; totalt 8+16=24e ii) antalet valenselektroner: S: 6e; 2xO: 2x6e=12e; totalt 6+12=18 valenselektroner iii) antalet delade elektroner (ges med i-ii): 24-18=6 delade elektroner, dvs, 3 bindningar => rita centralatomen, C, med 3 bindningar til syreatomerna: 2 med den ena och 1 med den andra syreatom. iv) antalet odelade elektroner (ges med ii-iii): 18-6=12 odelade elektroner, dvs, 6 fria elektronpar => b) rita Lewisstrukturen c) F=V-(L+B/2), där F är den formella laddningen på atomen, V antalet valenselektroner på denna atom, L antalet odelade elektroner på atomen, B antalet delade elektroner på atomen (se kursboken).

9 F s = 6-(2+6/2) = +1 F O= = 6-(4+4/2) = 0 F O- = 6-(6+2/2) = -1 (dvs, laddning +1 på svavelatomen) (dvs, ingen laddning på syreatomen med dubbelbindningen) (dvs, laddning -1 på syreatomen med enkelbindningen) Sid 9(5) => Det finns totalt två resonansstrukturer för SO 2 (rita). d) kortfattat svar: hybridisering sp för C i CO2, molekylen är linjär hybridisering sp2 för S i SO2, molekylen är vinklad. 8. qq