Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 1(5) CHALMERS TEKISKA HÖGSKLA ISTITUTIE FÖR KEMI- CH BITEKIK Tentamen i Kemi för K1 ch Bt1 (K041) samt Kf1 (K081), eventuellt med tillval bikemi (KKB045) 110815 08.30-13.30 (5 timmar) BS! Kf med tillval bikemi (ch Bt, K) måste välja bikemialternativet på fråga 7. Examinatr: Björn Åkerman tel. 5042 Hjälpmedel: Egna skrivdn ch kalkylatr, valfri upplaga av: Atkins & Jnes, Chemical Principles, Slmns & Fryhle, rganic Chemistry, Clayden et al., rganic Chemistry, Alberts et al., Mlecular Bilgy f the Cell 1, rdbk, lexikn (ej uppslagsbk) samt anteckningar ch bkmärken i dessa böcker. Rättningskriterier: Alla uppställda ekvatiner ch faktauppgifter från kursböckerna skall anges sm bk ch sida. Gör gärna apprximatiner, men glöm inte att beskriva dm. Saknad enhet i svaret drar autmatiskt 1 päng för varje deluppgift. tera att vissa tal är av öppen karaktär ch testar förmågan att föra kemiska resnemang. Lösningar sm avviker från den avsedda kan ändå ge upp till full päng. Skrivningen mfattar 96 päng med 12 päng per uppgift. 48 päng frdras för betyg 3, 63-84 betyg 4, över 84 för betyg 5. Bnuspäng för labbar, duggr m.m. under läsåret 2010-2011 adderas till resultatet. Får man 47 tentamenspäng eller färre får maximalt 15 bnuspäng användas. * * * Uppgifterna är inte rdnande i svårighetsrdning! * * * 1 Föregående kursböcker Mathews, Bichemistry, ch Dbsn, Fundatins f Chemical Bilgy, är ckså tillåtna.
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 2(5) 1. Svensk pappersindustri strävar efter att bli självförsörjande på energi, ch en möjlig energikälla är svartluten sm blir kvar när veden kkats ch cellulsan avskiljts. Svartluten innehåller i runda tal 50 vikts-% ligninrester (med den ungefärliga empiriska frmeln C 5 H 4 2 ) ch 50 vikts-% vatten. Utgå från ett testprv på 1 kg svartlut sm har temperaturen 25 C. (a) Hur många ml kl finns i testprvet? (3p) (b) Gör en överslagsberäkning av hur mycket värme sm utvecklas då testprvet förbränns till kldixid m klet i svartluten kan behandlas sm C(s). (3p) (c) Kmmer det utvecklade värmet räcka för att förånga vattnet i testprvet? (3p) (d) Kan förbränningen av svarluten ge ett nett-bidrag av energi? (3p) 2. Mjölk är ett kmplicerade system ur kemisk synpunkt, men i en grv förenkling kan vi betrakta mjölk sm en blandning av vatten ch fett sm ckså innehåller små mängder fettsyrr. (a) Är mjölk en lösning i kemisk mening? m inte, vad är det då? Gör en schematisk skiss över hur mlekylerna i mjölk är rganiserade ch den rll fettsyrrna spelar. (6p) (b) Ett kritiskt mment i beredningen av kaffe-latte ch cappucin är uppvärmningen av mjölken. Vid ca 80 ch däröver bildas en önskad slemmig hinna på mjölken, vilket visar att mjölk innehåller en fjärde kmpnent utöver vatten, fett ch fettsyrr. Vilken ytterligare beståndsdel är det sm ger hinnan vid uppvärmning, ch vad är det sm har hänt? (6p) 3. Bilmtrer bygger på att förbränning av bensin avger värme, ch att den utvecklade energin expanderar en gas sm får en klv att röra sig i en cylinder. (a) Skriv en balanserad reaktinsfrmel då ktan (en av kmpnenterna i bensin) förbränns fullständigt med syrgas. (3p) (b) Beräkna hur mycket värme sm utvecklas per ml ktan vid nrmalt atmsfärstryck (1 atm) ch 298K. (3p) Ett viktigt verktyg för att analysera mtrns effektivitet är pv-diagrammet i Figuren, där kurvan sm går mellan punkterna 1,2,3,4 visar hur tryck (P) ch vlym (V) hs gasen ändras under en cykel där klven går fram ch tillbaka i cylindern. P 2 3 Tryck = P 1 4 V Gas, vlym=v
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 3(5) (c) Vilken strhet kan utläsas från arean i rektangeln i PV-diagramet? Tips: använd enhetsanalys (3p) (d) Antag att gasen expanderar vid knstant temperatur i steget 2-3. Ökar eller sjunker dess entrpi? (3p) 4. Brmerade flamskyddsmedel från bland annat gamla bildskärmar är ett nyligen uppmärksammat miljöht. Ett exempel på en sådan grupp av föreningar är plybrmerade bifenyler (PBB), sm framställs genm elektrfil armatisk brmering av klvätet bifenyl Br 2 FeBr 3 PBB a) Med ett översktt av brm bildas en enda ismer av hexabrmbifenyl, C 12 H 4 Br 6. Rita en struktur för denna förening. En fenylgrupp är en aktiverande substituent även när den är brmerad. (4p) b) m undersktt av brm används kan man islera tre stycken ismera dibrmbifenyler C 12 H 8 Br 2 från reaktinsblandningen. Rita deras strukturer. (4p) c) Hur många dibrmfenylismerer finns det överhuvudtaget? (4p) 5. är ammniumcyanat (A = H 4 C) löses upp i vatten kan det mvandlas till urea (urinämne = H 2 CH 2 ). a) Skriv en balanserad reaktinsfrmel (2p) b) Rita Lewis-strukturen för urea ch för de två jnerna sm ingår i saltet A. Ange fmell laddning på alla atmer. (4p) Tips: C är centralatm i jnen C. Tabellen ger den mängd urea (gram) sm bildats efter lika tider t (vid 25 C), vid den startkncentratinen av A sm fås m 22.9 g H 4 C löses upp i 1 liter vatten. t/min 0 20 50 65 150 m(urea)/g 0 7.0 12.1 13.8 17.7 c) Beräkna den mlära kncentratinen av A sm finns kvar vid de lika tiderna. (3p) d) Utifrån data i c) avgör m reaktinen A urea är av 1:a eller 2:a rdningen. (3p) 6. Hydrazin H 2 -H 2 ch väteperxid H 2 2 är två vätskr sm kan reagera våldsamt med varandra ch därför används sm raketbränsle. a) Rita Lewisstrukturer för dessa båda föreningar. (2p)
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 4(5) b) Skissa en bild av mlekylernas tredimensinella struktur. (2p) c) Varför är hydrazin ch väteperxid vätskr vid rumstemperatur, när etan CH 3 CH 3 är en gas? (3p) d) Balansera reaktinen när flytande hydrazin ch väteperxid reagerar ch bildar vattenånga ch kvävgas sm enda prdukter. Hur mycket värme utvecklas per ml hydrazin? (5p) 7. MED Bikemi (K, Bt ch Kf med bikemi). Busulfan är ett cellgift sm används i behandlingen av vissa typer av leukemi. Figuren visar hur busulfan är en di-ester av 1,4- butandil med metansulfnsyra. CH 3 S Figur7.1: Busulfan Metansulfnat-anjnen CH 3 S 3 - är en mycket bra lämnande grupp, ch båda ändarna av busulfan kan genmgå nuklefil substitutin i med guansin (G) i cellens DA. SCH 3 H 2 R R H 2 Guansin G. R är dexyribs från ryggraden i DA Busulfan har visat sig kunna bilda en brygga mellan två G-baser, antingen mellan två G på lika DA-strängar, eller mellan två G i samma DA-sträng. a) m de två lika strängarna i DA-dubbelspiralen binds samman på detta sätt kan det förhindra flera prcesser sm är livsviktiga för cellen. Ge ett exempel! (2p) b) m två G på samma sträng bryggas samman så kan det leda till att -CC- i den kdande strängen istället kmmer tlkas sm -TT-. Ange två mutatinerna (dvs aminsyrabyten) sm kan uppstå av ett sådant misstag, ch hur det påverkar aminsyrrnas hydrfbicitet. (6p) c) Busulfan kan inaktiveras genm reaktin med andra nuklefiler, t.ex. i prteiner. amnge två aminsyrr vars sidkedjr skulle kunna fungera sm nuklefiler ch reagera med busulfan. Vilka är de nuklefila grupperna i dina aminsyrr? (4p)
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 5(5) 7 UTA bikemi (endast för Kf utan bikemi). Gasen klrdixid Cl 2 är ett starkt xidatinsmedel sm bland annat används för att bleka pappersmassa. I den här uppgiften ska du uppskatta den mlära entrpin S m för Cl 2 genm att jämföra med tre andra gasfrmiga dixider med kända entrpivärden: kldixid C 2, svaveldixid S 2 ch kvävedixid 2. a) Rita Lewisstrukturer ch använd VSEPR för att uppskatta bindningsvinkeln för dessa tre xider samt för klrdixid (en parad elektrn spelar samma rll i VSEPR sm ett ensamt elektrnpar). (4p) b) Ta fram värden för den mlära entrpi (S m ) för C 2, S 2 ch 2 ur tabell. Finns några samband mellan mlär entrpi ch gemetri? (4p) c) Uppskatta värdet på S m för Cl 2? Mtivera! (4p) 8. Karbnylföreningar är viktiga i rganisk syntes. a) Rita Lewis-strukturen för acylklriden R-C(=)-Cl ch ange dess tredimensinella struktur runt centralatmen (C). R är en akyl-substituent. (3p) I en substitinsreaktin ersätts den lämnande gruppen (L = Cl - ) med en ny substituent. b) Är substitutinen i karbnylföreningar nuklefil eller elektrfil? Mtivera utifrån ditt svar i a). Är L = HC - bättre eller sämre lämnande grupp än Cl -? Mtivera ditt svar. (3p) Acylklriden HC(=)Cl kan tillverkas genm substitutin i myrsyra HCH trts att H - är en sämre lämnande grupp än Cl -. Tricket är att använda tinylklrid ClS(=)Cl sm substitutinsreaktant i en reaktin där det ckså bildas HCl ch S 2.
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 6(5) c) Skriv en balanserad reaktinsfrmel. (3p) Enligt CCGW är drivkraften att prdukterna HCl ch S 2 är gaser. d) Testa detta påstående genm att beräkna reaktinsentalpin ch reaktinsentrpin vid 298 K. Data sm saknas finns i kurslitteraturen. Slutsats? (3p) Tips: Är det entalpin eller entrpin sm driver reaktinen? Termdynamiska data vid 298K HCH (l) ClS()Cl HC()Cl(l) HCl (g) S 2 (g) (l) ΔH f (kj/ml) -785-376.56 S m (J/K/ml) 220 246.52
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 7(5) Lösningsförslag 1. a) 1 kg svartlut innehåller 500 g C 5 H 4 2, dvs 500g/[96g/ml] = 5.2 ml C 5 H 4 2, dvs 5*5.2 = 26.0 ml C. b) Värmeutvecklingen (vid knstant tryck ) ges av reaktinsentalpin ΔH r vid fullständig förbränning av C(s) enligt reaktinen C(s) + 2 (g) C 2 Reaktinsentalpin är ΔH r = ΔH f (C 2 (g) - ΔH f (C(s) ΔH f ( 2 (g)) = -393.51 0 0 = - 393.51 kj/ml. Detta är per ml reaktin, dvs per ml C. Förbränningen av 26 ml C(s) utvecklar då 26 ml*393.51 kj/ml = 10231 kj värme eftersm reaktine är exterm (negativ reaktinsentalpi). c) Förångningsentalpin för vatten är 44 kj/ml vid 298K (AJ Tabell 7.3, s258). Testprvet innehåller 500 g vatten, dvs 500g/[18g/ml] = 28 ml vatten, så förångningen av vattnet kräver 28ml*44kJ/ml = 1222 kj. d) Ja. Det återstår 10231 1222 = 9000 kj värmenergi även m allt vatten förångas. 2. a) De hydrfba fett-mlekylerna i mjölken kmmer sky vattnet. Fettsyrrna kan hjälpa fetterna att bilda drppar i vattnet (en emulsin) genm att vända sina hydrfila delar mt vattnet medan deras hydrfba delar sitter i fett-drpparna. b) Hinnan bildas av prteiner i mjölken, den förhöjda temperaturen gör att prteinerna denaturerar ch blir amfifila. 3. a) 2C 8 H 18 (l) + 25 2 (g) 16C 2 (g) + 18H 2 (l) b) Vid knstant tryck 1 bar är q = ΔH r = ΔH f (prdukter) - ΔH f (reaktanter) = 16 ΔH f (C 2 (g)) + 18ΔH f (H 2 (l)) - 2ΔH f (C 8 H 18 (l)) - 25ΔH f ( 2 (g)) = (298K) = 16*(-393.51) + 18*(-285.83) 2*(-249.9) 25* (0) = -651.4 kj/ml. Detta är för två ml ktan, så per ml ktan blir det q = -326 kj. egativt q betyder att reaktinen äe exterm, dvs avger värme. c) Enheten för arean är p*v = /m 2 *m 3 = m = J, dvs energi. m cykeln sker rebersibelt mtvarar arean i PV-diagrammet det utförda arbetet w = kraft*väg (AJ s238). d) är vlymen för en gas ökar vid knstant temperatur så ökar gasens entrpi för att mlekylera kan röra sig på fler sätt. (AJ s301). 4. Svar saknas 5. a) H 4 C H 2 CH 2 b) c) Startkncentratinen av ammnium-cyanat A är c = [22.9g/60g/ml]/[1 liter] = 0.381 M. Den förbrukade massan av A är densamma sm den bildade massan m(t) av urea U, de är ismerer ch därför har samma mlekylvikt ch reagerar i ett 1:1-förhållande. Alltså är den mlära A-kncentratinen c(t) = c m(t)/60. d) En graf av 1/c(t) mt t är linjär, vilket tyder på en andra rdningens reaktin. 6. Svar saknas 7. MED Bikemi (K, Bt ch Kf med bikemi).
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 8(5) a) DA-replikatin bygger på att de två DA-strängarna bara hålls ihp av svaga vätebindningar. m strängarna är kvalent förenade kmmer DA-plymeras inte lyckas sära på dm ch cellen kmmer inte kunna dela sig. b) Tabellen på genetiska kden visar att CC ingår i kdnen UCC: Ser CCU: Pr CCC: Pr CCA: Pr CCG: Pr ACC: Thr Byter man CC mt TT (dvs mt UU eftersm tymin T byts mt uracil U i prtein-kdande mra) får man följande kdn, ch mtsvarande aminsyrr enligt samma tabell. UUU: Phe UUU: Phe UUU: Phe UUA: Leu UUG: Leu AUU: Ile Alla dessa mutatiner innebär att man byter en mer eller mindre hydrfil aminsyra (serin, prlin, trenin) mt en rent hydrfb (fenyalalanin, leucin eller isleucin). (AJ femte utgåvan, Tabell 19.4, s778) c) Alla aminsyrr vars sidkedjr innehåller fria elektrnpar. 7. UTA Bikemi. a) Lewis-strukturer C 2 är rak (16 valenselektrner (ve), inga fria elektrnpar (ep) på centralatmen C, linjär elektrn-fördelning), S 2 är böjd 120 (18ve, ett fritt ep på S, plantrignal e-fördelning), 2 är böjd 120 (17ve, en parad elektrn på, plantrignal e-fördelning), Cl 2 är böjd 109 (19ve, en parad e ch ett fritt ep på Cl, tetraedisk e-fördelning). b) Tabellen (AJ Appendix 2) visar att mlära entrpin för en böjd mlekyl (240-250 J/K/ml) än rejält högre än för en analg rak mlekyl (210 kj/k/ml). Anlednimgen är att en böjd mlekyl kan rtera på tre sätt, en rak bara på två. C 2 (g) 2 (g) S 2 (g) Cl 2 (g) S m (J/K/ml) 213.74 240.06 248.22? Struktur rak böjd böjd böjd M (g/ml) 44 46 64 67
Kemi med bikemi K041, ch K081 + KBB045 2011-08-15 9(5) c) Eftersm Cl 2 är böjd kmmer den ha en mlär entrpi runt 240-250 J/K/ml. Dessutm ökar S m med ökande massa (AJ s306, Figur 8.13) så ett trligare värde är 250 J/K/ml eftersm mlmassan för Cl 2 är nästa samma sm för S 2 ch betydligt högre än för 2. 8. a) Plan-trignal gemetri eftersm elektrnfördelningen runt central-atmen (C) är plantrignal ch den har tre substituenter. b) ukelfil substitutin eftersm centrala C-atmen blir psitivt laddad mha den elektrnegativa -substituenten. HC - (pk ah = 5) är sämre lämnande grupp eftersm Cl - (pk ah = -7) är en svagare bas (CGWW s283). c) Balanserad reaktinsfrmel HC()H (l) + ClS()Cl (l) HC()Cl (l) + HCl (g) + S 2 (g) d) Saknade termdynamiska data finns i AJ, Appendix 2. HC()H ClS()Cl HC()Cl(l) HCl (g) S 2 (g) (l) (g) ΔH f (kj/ml) -424.72-785 -376.56-92.31-296.83 S m (J/K/ml) 128.95 220 246.52 186.91 248.22 ΔH r = ΔH f (prdukter) - ΔH f (reaktanter) = ΔH f (HC()Cl (l)) + ΔH f (HCl (g)) + ΔH f (S 2 (g)) - ΔH f (HC()H (l)) - ΔH f (ClS()Cl (l)) = -376.56 + (-92.31) + (-296.83) (- 424.72) (-785) = +444.0 kj/ml ΔS r = S m (prdukter) S m (reaktanter) = S m (HC()Cl (l)) + S m (HCl (g)) + S m (S 2 (g)) S m (HC()H (l)) S m (ClS()Cl (l)) = 246.52 +186.91 + 248.22 128.95 220 = +332.7 J/K/ml Reaktinsentalpin är psitiv så den kan inte ge en spntan reaktin. Reaktinsentrpin är psitiv, vilket stämmer bra med att gaser bildas, så den kan ge negativt ΔG ch driva reaktinen. ΔG r = ΔH r - TΔS r = 444 000 J 298K * 332.7 J/K/ml = +344.9 kj/ml > 0, dvs ej spntan vid standardtillstånd. I labbet kmmer partialtrycken av både HCl ch S 2 vara mycket lägre än 1 bar, vilket kmmer att öka drivkraften för reaktin åt höger.