Galenisk och Fysikalisk kemi för Receptarieprogrammet Övningsexempel i Fysikalisk kemi 2017 1
Materians tillstånd 1. Bestäm från egenskaperna i nedanstående tabell vilken typ av kristall (kovalent, jonisk, metallisk eller molekylär kristall) respektive grundämne bor, fosfor och bly bildar i sin fasta form. T m/k T b/k Leder elektrisk ström Bor 2348 4270 Nej Fosfor (vit) 317 554 Nej Bly 601 2022 Ja 2. Luften vi andas in består av ca 21 volym % syre medan utandningsluften består av 14 % syre. Syret absorberas i lungorna i små sfäriska blåsor som kallas alveoler eller lungblåsor. Alveolerna har en radie som är 0.1 mm. Uppskatta hur många syrgasmolekyler som absorberas från varje alveol vid ett andetag. Temperaturen i lungorna är 37 C. Anta att trycket inuti alveolen är 1 atm. Fasjämvikter 3. Figuren visar gasdiagrammet för ett rent ämne a) Vilka faser existerar vid W, X, Y och Z? b) Vad betecknar punkterna X, Y, T och C? c) Vilken fasomvandling skulle äga rum om du startade i punkt U och: i) ökade temperaturen och höll trycket konstant? ii) ökade trycket och höll temperaturen konstant? 2
4. Figuren visar fasdiagrammet för ett rent ämne a) Vilket av områdena (A, B eller C) representerar en vätskefas? b) Vilken eller vilka faser existerar vid 25 C och trycket 1 bar? c) Vilka fasomvandlingar sker i ett prov av ämnet som kyls från 250 till 50 K vid ett konstant tryck 20 bar? d) Vad kallas fasomvandlingen från fas A till fas C? e) Vilket tecken har värdena för entalpi- respektive entropiändringarna för en fasomvandling från fas B till fas A? f) Markera ämnets trippelpunkt i diagrammet g) Bestäm ämnets smältpunkt och kokpunkt vid trycket 25 bar. h) Vilken eller vilka faser existerar vid 300 K och 40 bar? i) Vilken av den fasta fasen eller vätskefasen har den högsta densiteten? j) Vilken är den lägsta temperaturen där vätskefasen kan existera? k) Rangordna entalpiändringarna för följande fasövergångar efter ökande energi: A B, A C, B C. l) Beskriv vad som sker då trycket ändras från 35 till 5 bar vid konstant temperatur 135 K. 3
5. Ångtrycket för koltetraklorid (CCl 4) är 44.0 mbar vid 0 C och 422.0 mbar vid 50 C. Bestäm förångningsentalpin H vap för koltetraklorid och dess normala kokpunkt. 6. För att sterilisera medicinska instrument kokas de i vatten i en tryckautoklav vid 120 C, vilket är en tillräckligt hög temperatur för att döda de sporer som vissa bakterier bildar. Vilket tryck måste man minst ha i autoklaven? H vap = 40.6 kj mol 1 för vatten. 7. Mount Everest är världens högsta berg med en höjd av 8850 m över havet. Vid denna höjd är luftrycket ungefär en tredjedel av det normala luftrycket vid havsytan. Bestäm vattnets kokpunkt på toppen av Mont Everest. Molekylär växelverkan 8. Ange vilka olika typer av intermolekylär växelverkan som verkar mellan molekyler i kristaller av följande föreningar a) C 6H 6 b) CHCl 3 c) PF 3 d) NaCl e) CS 2 9. I vilket eller vilka av följande ämnen kan molekyler vätebinda till varandra? a) C 2H 6 b) HI c) KF d) BeH 2 e) CH 3COOH 10. Avgör vilket av följande par av ämnen som har den högsta kokpunkten. Motivera dina svar. a) Ne eller Xe b) CO 2 eller CS 2 c) CH 4 eller Cl 2 d) F 2 eller LiF e) NH 3 eller PH 3 11. Vilken eller vilka typer av attraktiva krafter måste övervinnas för att a) smälta is? b) förånga molekylärt brom? c) smälta fast jod? d) dissociera F 2 molekyler till F atomer? 4
12. Jämför följande par av ämnen och bestäm vilket av dem som har den högsta förångningsentalpin. Motivera dina svar. i) CH 3CH 2OH och CH 3OCH 3 ii) CH 3CH 2CH 3 och CH 3OCH 3 iii) CH 3CH 2CH 2CH 3 och CH 3COCH 3 iv) Lösningars egenskaper 13. Beräkna hur många gram vatten som måste tillsättas till a) 5.00 g urea (NH 2) 2CO för att bereda en 16.2 vikts % lösning b) 26.2 g MgCl 2 för att bereda en 1.5 vikts % lösning 14. Beräkna molaliteten för följande vattenlösningar a) 2.50 M NaCl lösning. Lösningens densitet är ρ = 1.08 g cm 3. b) 48.2 vikts % KBr lösning 15. Koncentrad svavelsyra har koncentrationen 98.0 vikts % H 2SO 4. Beräkna lösningens molalitet och molaritet. 98 % svavelsyra har densiteten 1.83 g cm 3. 16. Beräkna partialtrycket för kloroform (CHCl 3) vid 318 K ovanför en vätskeblandning bestående av 1 mol CHCl 3 och 1 mol etanol genom att anta att det två ämnena bildar en ideal lösning. Ångtrycket för ren CHCl 3 är 58 kpa vid 318 K. Det uppmätta värdet är 42 kpa. Varför skiljer sig det beräknade från det experimentella värdet? 17. Ångtrycket över ren kloroform och ren koltetraklorid är 199.1 respektive 114.5 mmhg vid 25 C. Beräkna ångtrycket över en ekvimolär blandning av kloroform och koltetraklorid. Vilken sammansättning har de först övergående dropparna vid en vakuumdestillation av denna blandning vid 25 C? 18. Beräkna partialtrycken av etanol och metanol, samt det totala ångtrycket, ovanför en ideal lösning som bildats genom att blanda 50 gram av vardera komponent vid 20 C. Ångtrycket för ren etanol är 5.93 kpa och för ren metanol 11.83 kpa vid 20 C. 5
19. En spray består av, förutom själva produkten, ett så kallat drivmedel (propellant), dvs en gasblandning som kondenserats till flytande form av övertrycket i sprayflaskan. Trycket i ångfasen som står i jämvikt med vätskeblandningen bidrar till att driva ut de partiklar som utgör sprayens produkt. I en spray använder man som drivemedel en blandning av 15 gram tetrafluoretan (C 2H 2F 4) och 35 gram heptafluorpropan (C 3HF 7) som bildar en ideal lösning vid 20 C och rådande tryck i flaskan. Beräkna det minsta tryck i sprayflaskan som krävs för att drivmedlet ska vara i vätskeform. Beräkna också molbråken av de båda komponenterna i ångfasen vid detta tryck. Ångtrycket för (ren) tetrafluoretan är 5.73 bar och heptafluorpropan 4.87 bar vid 20 C. 20. En dykare befinner sig på ett vattendjup där trycket är 5 atm. Dykarens kropp innehåller ca 5 dm 3 blod. Beräkna hur många gram kvävgas som kan lösa sig i dykarens blod vid 1 atm respektive 5 atm. Luften består av 79 mol % kvävgas. Henrys konstant för N 2 i vatten är k = 5.2 10 4 M atm 1 vid 310 K. 21. 200 mg av ett protein löses i 10 ml vatten vid 25 C. Lösningens osmotiska tryck bestämdes till Π = 40 mbar. Beräkna proteinets molekylvikt. Lösningen kan betraktas som en idealt utspädd lösning. 22. Ett protein har molmassan 69 000 g mol 1. Beräkna osmotiska trycket för en idealt utspädd lösning med masskoncentrationen 20 g dm 3 av proteinet. 23. En patient lider av dehydrering. Varför ska man vid behandling ge patienten koksaltlösning och inte rent vatten? Ytkemi 24. Ytspänningen för Hg(l) är γ = 0.48 N m 1. Beräkna det arbete som krävs för att förstora ytan då 1 kg kvicksilver (ρ = 13.6 g cm 3 ) delas upp i små sfäriska droppar med radien 1 µm respektive 100 Å. 25. Beräkna trycket p i inuti en luftbubbla i vatten med radien 0.1 mm. Ytspänningen för vatten är 72 mn m 1. Yttre atmosfärstryck är p e = 1 bar. 6
26. Lungan består av ett stort antal små lungblåsor eller alveoler där utbytet av syrgas och koldioxid mellan lunga och blodkärl äger rum. Alveolernas har en genomsnittlig diameter 100 µm och en gränsskiktsspänning γ = 50 mn m 1. a) Beräkna tryckskillnaden p innanför och utanför en alveol. b) Vid inandning sväller alveolerna och det arbete som krävs för att åstadkomma detta beror på p (ungefär som när man blåser upp en ballong). För att minska p, och det motsvarande arbetet vid andning, adsorberas ytaktiva fosfolipider på alveolernas yta och sänker ytspänningen. Beräkna vilken gränsskiktsspänning som krävs för att åstadkomma en tryckskillnad p = 1 mmhg och samtidigt svälla en alveol till sin dubbla diameter. 27. a) En ren glasyta väts fullständigt av vatten, dvs kontaktvinkeln θ = 0. Beräkna kapillärstigningen vid 25 C i en kapillär med radien 0.20 mm. Ytspänningen för vatten är 72 m N m 1 vid 25 C. b) Kvicksilver väter inte alls glas, dvs kontaktvinkeln θ = 180. Beräkna kapillärstigningen vid 25 C i en kapillär med radien 0.20 mm. Vid 25 C är ytspänningen för kvicksilver är 480 mn m 1 och densiteten är 13.6 g cm 3. 28. a) Ett kapillärrör med diametern 1 mm placeras i en vattenlösning av den anjoniska tensiden natriumdodecylsulfat (SDS) och man mäter kapillärstigningen för att bestämma lösningens ytspänning. För en lösning uppmättes h = 16.1 mm. Bestäm tensidlösningens ytspänning. Lösningens densitet är 1.0 g cm 3 och kontaktvinkeln θ = 0. b) Beräkna det arbete som minst krävs för att finfördela 1 dm 3 av tensidlösningen till små sfäriska droppar med radien 1 µm. 7
Svar 1. Bor Kovalent kristall Fosfor Molekylär kristall Bly Metallisk kristall 2. 6.9 10 12 molekyler 3. a) W = fast fas, X = fast fas och vätska, Y = vätska och ånga, Z = ånga b) X = normal smältpunkt, Y = normal kokpunkt, T = trippelpunkt, C = kritisk punkt c) i) vätska ånga, ii) vätska fas fas 4. a) B b) Gas c) Gas vätska fast fas d) Sublimering e) H < 0, S < 0 f) Trippelpunkt vid 12 bar och 120 K g) Smältpunkt 135 K, kokpunkt 230 K h) Superkritiskt fluidum i) Fast fas har högre densitet j) Vid trippel punkten 120 K k) HH AA BB < HH BB CC < HH AA CC l) Smältning vid ca 30 bar, kokning vid ca 15 bar 5. H vap = 33.1 kj mol 1, T b = 347.2 K 6. 1.95 atm 7. T b = 71.2 C 8. a) dispersionskrafter b) dispersions- och dipol-dipolkrafter c) dispersions- och dipol-dipolkrafter d) elektrostatiska jon-jon krafter (och dispersionskrafter) e) dispersionskrafter 9. Endast CH 3COOH 10. a) Xe b) CS 2 c) Cl 2 d) LiF e) NH 3 11. a) vätebindningar, dispersionskrafter och dipol-dipolkrafter b) dispersionskrafter c) dispersionskrafter d) kovalenta bindningar 12. a) etanol, b) dimetyleter, c) propanon, d) cis-dikloreten 13. a) 25.9 g b) 1720 g 14. a) 2.68 mol kg 1 b) 7.82 mol kg 1 15. 500 mol kg 1 och 18.3 M 16. 29 kpa gg gg 17. p tot = 156.8 mm Hg, xx CHCl3 = 0.635, xx CCl4 = 0.365 18. p etanol = 2431 Pa, p metanol = 6980 Pa, p tot = 9411 Pa 19. ptot = 5.23 bar, xx gg AA = 0.46, xx gg BB = 0.54 20. 57.6 mg (1 atm) och 288 mg (5 atm) 21. M B = 12 420 g mol 1 22. π = 718.1 Pa 24. 106 J och 10.6 kj 8
25. 1.0144 bar 26. a) 15 mmhg b) 6.7 mn m 1 27. a) 73.4 mm b) 3.6 cm 28. a) γ = 39.5 mn m 1 b) 120 J 9