Fysikalisk Kemi Povmoment Ladokkod: Tentamen ges fö: TentamensKod: 7,5 högskolepoäng Tentamen TK051B Bt2 (Högskoleingenjö i Bioteknik, Åk 2) elle motsvaande Tentamensdatum: 24 oktobe 2016 Tid: 09:00 13:00 Hjälpmedel: Valfi miniäknae Fomelblad som delas ut vid tentamen Totalt antal poäng på tentamen: Tentamen omfatta sammanlagt 60 poäng. Fö att få espektive betyg kävs: Fö godkänt (betyg 3) kävs 24 poäng, fö betyget 4, 36 p och fö betyget 5, 48 p Allmänna anvisninga: Nästkommande tentamenstillfälle: Se Konox Rättningstiden ä i nomalfall 15 abetsdaga, till detta tillkomme upp till 5 abetsdaga fö administation. Viktigt! Glöm inte att skiva Tentamenskod på alla blad du lämna in. Lycka till! Ansvaig läae unde tentamen: Kim Bolton Telefonnumme: 0703-955806
Motivea alla sva!! (Note that English tanslation is given fo some wods. Howeve, the Swedish question is the official question that must be answeed.) 1. a) Skissa Maxwell-Boltzmann födelningen fö en ideal gas. Gafen ska visa antalet patikla på y-axeln och patikelhastighet på x-axeln. Skissa på samma gaf hu födelningen föändas p g a en tempeatuökning. (3) b) Vad menas med den kvadatiska medelhastigheten fö en gas? (1) c) Diameten av en A atom ä 0,39 nm (1 nm = 10-9 m). Vad ä kollisionsfekvensen nä A atomena ha den kvadatiska medelhastigheten 550 ms -1? Gastycket ä 0.5 ba. Antag att A ä en ideal gas. (5) ( a) Sketch the Maxwell-Boltzmann distibution fo an ideal gas. The gaph must show the numbe of paticles on the y-axis and the speed of the paticles on the x-axis. On the same gaph sketch how this distibution changes when tempeatue is inceased. b) What is meant by the quadatic mean speed of a gas? c) The diamete of an A atom is 0,39 nm (1 nm = 10-9 m). What is the collision fequency when A atoms have a quadatic mean speed of 550 ms -1? The pessue of the gas is 0.5 ba. Assume that A is an ideal gas.) 2 Man väme 50 g N 2 (g) fån 25 o C till 40 o C med 0,6 kw (1 W = 1 Js 1 ). Uppvämningen ske vid ett konstant tyck av 1 ba. Antag att N 2 (g) uppfö sig som en ideal gas vid dessa tillstånd. a) Hu lång tid ta det att väma gasen öve detta tempeatuinteval? (5) b) Vilket expansionsabete utfös? Utfö gasen abetet på omgivningen elle utfö omgivningen abetet på gasen? Motivea ditt sva! (4) c) Vad ä ändingen i gasens ine enegi unde expansionen? (1) (50 g of N 2 (g) is heated fom 25 o C to 40 o C using 0.6 kw (1 W = 1 Js -1 ). The heating occus at constant pessue. Assume that N 2 (g) behaves ideally unde these conditions. a) How long does it take to heat the gas fom 25 o C to 40 o C? b) What expansion wok is done? Does the gas do wok on the envionment o vice vesa? c) What is the change in the gas s intenal enegy due to the expansion?) 1
3. Använd standadbildningsentalpie och standadentopie fö att beäkna det maximala nyttiga (icke-expansions) abete som kan göas av följande eaktion vid 298 K. FeS 2 (s) + 2H 2 (g) Fe(s) + 2H 2 S(g). (7) (Use standad enthalpies of fomation and standad entopies to calculate the maximum useful (non-expansion) wok that can be done by the above eaction at 298 K.) 4. a) Ångtycket fö bensen, som ä 400 To vid 60,0 o C, sänktes till 380 To nä 0,3 g av ett oganiskt ämne upplöstes i 2 g av lösningsmedlet. Vad ä molmassan av det oganiska ämnet? (5) b) Beäkna molbåket kvävgas, N 2 (g), som ä upplöst i vatten vid havsytans nivå. Molbåket N 2 (g) i luft vid havsytans nivå ä 0,78. Antag att kvävgas uppfö sig som en ideal gas vid dessa föhållanden. (6) ( a) The vapou pessue fo benzene, which is 400 To at 60,0 o C, deceases to 380 To when 0,3 g of an oganic substance is dissolved in 2 g of benzene. What is the mola mass of the oganic substance? b) Calculate the mol faction of nitogen gas that is dissolved in wate at sea level. The mol faction of nitogen gas in ai at sea level is 0,78. Assume that nitogen behaves as an ideal gas unde these conditions.) 5. I en elektokemisk cell ske följande eaktion 2Al(s) + 3I 2 (s) 2Al + 3 (aq) + 6I (aq) a) Vad ä de två eduktions halvcell eaktionena? (2) b) Vad ä cellens potential nä koncentationen av Al 3 + (aq) ä 26,5 mol dm 3, och av I (aq) 19,5 mol dm 3? Tempeatuen ä 298 K. (4) (The above eaction takes place in an electochemical cell. a) What ae the two eduction half cell eactions? b) What is the cell potential when the concentation of Al 3 + (aq) and I (aq) ae 26,5 mol dm 3 and 19,5 mol dm 3, espectively? The tempeatue is 298 K.) 2
6a) Skiv ned definitionen fö eaktionshastigheten med avseende på en eaktant A. (1) b) Skiv också ned definitionen fö eaktionshastigheten fö en eaktion som ä av fösta odningen med avseende på en eaktant A. (1) c) Använd ekvationena i a) och b) fö att häleda hastighetsuttycket (integated ate law) fö en eaktion som ä av fösta odningen med avseende på en eaktant A. Visa alla steg! (2) d) Skiv definition av halveingstiden med avseende på en eaktant A och använda den fö att få en ekvation fö halveingstiden fö en eaktion som ä av fösta odningen. (2) e) Halveingstiden fö en fösta odningens eaktion A P ä 200 s vid 30 o C. Aktiveingsenegin fö eaktionen ä 50,0 kj mol -1. Vad ä halveingstiden vid 60 o C? (4) ( a) Wite down the definition of the eaction ate with espect to eactant A. b) Also wite down the definition of the eaction ate fo a eaction that is of fist ode with espect to eactant A. c) Use these equations to deive the integated ate law fo a eaction that is of fist ode with espect to eactant A. Show all steps. d) Wite down the definition of the half life fo eactant A and use this to get the equation fo the half life fo a eaction that is of fist ode with espect to eactant A. e) The half life fo a eaction A P that is of fist ode with espect to eactant A is 200 s at 30 o C. The activation enegy fo the eaction is 50,0 kj mol -1. What is the half life at 60 o C?) 7) Expeimentella studie av eaktionen H 2 + C 2 H 4 C 2 H 6 visade att bildningshastigheten fö C 2 H 6 ä av nollte odningen med avseende på C 2 H 4. Öveensstämme följande mekanism med dessa studie? Motivea ditt sva! (7) H 2 k a 2 H H + C 2 H 4 k b C 2 H 5 C 2 H 5 k c C 2 H 6 (Expeimental studies of the above eaction showed that the ate the ate fo poducing the poduct was of zeoth ode in C 2 H 4. Does the mechanism poposed above agee with these studies? Motivate you answe!!) 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Ingenjöshögskolan i Boås Fomelsamling i fysikalisk kemi p = ρ g h 1J = 1V x 1A x 1s E= λ hc Enhete: 1J = 1 kg m 2 s -2 1Pa = 1 kg m -1 s -2 101325 Pa = 1 atm 100000 Pa = 1 ba 760 To = 1 atm Kinetisk gasteoi p = c = nmc 3V 2 3RT M f = 4π 2π M RT 3 / 2 s 2 exp(-ms 2 /2RT) s λ = RT 2N Aσp σ = π d 2 c = λ z Tillståndsekvatione pv m B C = 1 + + 2 +. RT V m V m p = nrt V nb - a 2 n V 16
Temokemi U = q + w w = -p ex V w (max) = -p dv (evesibelt abete i slutet system) = -nrtln V f V i (ideala gas) q = C T H = q (konstant p) U = C v T (konstant volym) H = C p T (konstant tyck) C p = C v + n R (ideala gas) ds T dq (vid evesibla pocesso gälle likhetstecknet) S = nrln S = nrln S = C v ln fus S = vap S = V f Vi Pi Pf T f Ti fus H T f vap H T H = U + pv G = H - TS b (evesibel pocess, ideala gas, konstant tempeatu) (konstant volym) vissa specialfall H = U + p V (konstant tyck) G = H - T S (konstant tyck och tempeatu) G = - T S total (konstant tyck och tempeatu) G = w (max) (konstant tyck och tempeatu) 17
G Θ Θ = n f G pod) pod H Θ Θ = n f H pod) pod S Θ = ns Θ pod) pod eak dg = V dp S dt G m = RT ln p f p i ( - ( - ( - Θ Θ n f G ( eak) eak Θ f H ( eak eak n ) ns ( eak) Clausius-Clapeyons ekvation ln p f p i ΔH vap 1 1 = R T i T f (ideala gas, konstant tempeatu) G = G Θ + RT lnq G Θ = -RT lnk Θ µ (g) = µ (g) + RT ln a J (ideala gas) J J p J * Θ µ J (l) = µ J (g) + RT ln Θ F=C-P+2 p + RT ln χ J (ideal lösning) p j = χ j K j p j = χ j p* T f = K f b j T b = K b b j Π V n j R T h RT Bc = 1+ + c ρgm M )= n n ( χ A χ A c ( χ A χ A ) Kichhoffs lag H Θ (T 2 ) = H Θ (T 1 ) + C p T van t Hoff ekvation ln K(T 2 ) = ln K(T 1 ) + H Θ R 1 T1 1 T 2 18
Elektokemi G = -ν FE (evesibel stöm) Nenst ekvation E = E Θ - E Θ = RT νf RT νf S Θ = ν F lnk E ln Q Θ ( T ) E Θ ( T T2 T1 S Θ H Θ = G Θ + T 2 1) Reaktionkinetik = k [A] = k [A][B] = k [A] 2 = k [A][B][C] [ A ] 0 ln =kt [ A] 1 [ A ] = 1 [ A ] 0 + kt k = A exp(-e a /RT) Langmiu isotem p θ = A k p des A + k ads Lindemann kakb AB M = k M + k [ ][ ] a'[ ] b Michaelis-Menten d = [ P] k b [ S] = dt [ S] + K M [ E ] ν dä 0 K M k = a' + k k a b 19
20