Fysikalisk Kemi 7,5 högskolepoäng Ladokkod: Tentamen ges fö: TK051B Bt2 (Högskoleingenjö i Bioteknik, Åk 2) elle motsvaande Namn: (Ifylles av student) Pesonnumme: (Ifylles av student) Tentamensdatum: 03/06/2015 Tid: 14:00 18:00 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: Rättningstiden ä som längst te vecko Viktigt! Glöm inte att skiva namn på alla blad du lämna in. Lycka till! Ansvaig läae unde tentamen: Kim Bolton Telefonnumme: 076-8357983
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 En manomete (tyckmätae) användes fö att bestämma om 5,10 g popangas (C 3 H 8 ) vid 30,0 o C i en 150 cm 3 behållae uppfö sig som en ideal gas. Gastycket osakade att skillnaden i vätskenivåena i manometen ändades med 60 cm. Vätskan i manometen ha densiteten 0,85 kg cm -3. a) Beäkna popangastycket i enheten atmosfäe. (3) b) Använd allmänna (ideala) gaslagen fo att beäkna det ideala tycket, i atmosfäe, av denna gas. (3) c) Uppfö sig popan som en ideal gas unde dessa föhållanden? Motivea ditt sva! (1) (A manomete was used to detemine if 5,10 g of popane gas at 30,0 o C and that is in a 150 cm 3 containe behaves as an ideal gas. The gas pessue caused the diffeence in the liquid levels in the manomete to incease by 60 cm. The liquid in the manomete has a density of 0,85 kg cm -3. a) Calculate the popane gas pessue in atmosphees. b) Use the ideal gas law to calculate the pessue, in atmosphees, of the popane gas. c) Does popane behave as an ideal gas unde these conditions? Motivate you answe.) 2 Ammoniaks smält- och kokpunkt ä 195,3 K espektive 239,7 K. Densiteten av ammoniak i vätskefas ä 0.9 kg dm -3 och dess moläa vämekapacitet ä 88 J K -1 mol -1. Smältentalpin vid 195,3 K ä 5.65 kj mol -1. a) Vilken vämemängd (i kj) behövs fö att föånga fast NH 3 vid 195,3 K till gasfas vid 239,7 K? Volymen NH 3 i vätskefasen ä 75 cm 3. (7) b) Vad måste man antaga med avseende på vämekapacitet fö att lösa detta poblem? (1) (Ammonia s melting and boiling points ae 195,3 K and 239,7 K. The density of liquid phase ammonia is 0.9 kg dm -3 and its mola heat capacity is 88 J K -1 mol -1. The enthalpy of fusion of ammonia at 195,3 K is 5.65 kj mol -1. a) What heat (in kj) is equied to vapouise solid phase NH 3 at 195,3 K to gas phase at 239,7 K? The volume of NH 3 in the liquid phase is 75 cm 3. b) What does one need to assume about the heat capacity to solve this poblem?) 1
3 a) Vissa eaktione, som ä icke-spontana vid låga tempeatue, ä spontana vid höge tempeatue. Föklaa, med avseende på ändinga i Gibbs enegi, entopi och entalpi, vafö dessa eaktione bete sig på detta sätt. (3) b) Löses KI(s) spontant i vatten vid standadtillstånd? Om detta ä fallet, vid vilka tempeatue? Motivea ditt sva med hjälp av temodynamiska data! Reaktionen ä KI(s) KI(aq) (9) ( a) Some eactions, which ae not spontaneous at low tempeatues, ae spontaneous at highe tempeatues. Explain, with espect to changes in Gibbs fee enegy, enthalpy and entopy, why these eactions behave in this way. b) Does KI(s) dissolve spontaneously in wate unde standad conditions? If this is the case, at what tempeatues? Motivate you answe using themodynamical data.) 4. Vid ett expeiment med en gas (som bland annat innehöll vätgas) och vatten va gasens totaltyck öve en bägae 1,0 atm. Bägaen innehöll 2,5 kg vatten, och molbåket vätgas i gasen va 0.01. Vilken massa vätgas va upplöst i vattnet? Antag att gasen uppföde sig som en ideal gas. (8) (In an expeiment the total pessue of a gas above a beake was 1.0 atm. The beake contained 2,5 kg of wate, and the mol faction of hydogen in the gas was 0.01. What was the mass of the hydogen that was dissolved in the wate? Assume that the gas behaved ideally.) 5. I en elektokemisk cell ske följande eaktion 2Al(s) + 3I 2 (s) 2Al 3 (aq) + 6I (aq) 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. 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) Häled ekvationen fö halveingstiden fö en eaktion som ä av fösta odningen med avseende på en eaktant A. Visa alla steg! (2) e) Halveingstiden fö en fösta odningens eaktion A P ä 650 s vid 30 o C. Aktiveingsenegin fö eaktionen ä 35,0 kj mol -1. Vad ä halveingstiden vid 50 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) Deive an equation fo the half life fo a eaction that is of fist ode with espect to eactant A. Show all steps. e) The half life fo a eaction A P that is of fist ode with espect to eactant A is 650 s at 30 o C. The activation enegy fo the eaction is 35,0 kj mol -1. What is the half life at 50 o C?) 7a) Använd ett kinetiskt esonemang baseat på adsoptions- och desoptionshastighete fö gase på en yta fö att häleda Langmui isotemen: p A θ pa K Visa alla steg! (8) b) Beskiv i od vad som menas med, p A och K i Langmui-isotemen. (3) ( a) Use kinetic aguments based on adsoption and desoption of gases on a suface to deive the Langmui isothem. Show all steps! b) Descibe, in wods, what is meant with, p A and K in the Langmui isothem.) 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Ingenjöshögskolan i Boås Fomelsamling i fysikalisk kemi p = g h 1J = 1V x 1A x 1s E= 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 = 4 2 M RT 3 / 2 s 2 exp(-ms 2 /2RT) s = RT 2N Ap = d 2 c = z Tillståndsekvatione pv m B C = 1 + + 2 +. RT V m V m p = nrt V nb - a n V 2 17
Temokemi U = q + w w = -p ex V w (max) = -p dv (evesibelt abete i slutet system) V f = -nrtln (ideala gas) V 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) i ds T dq (vid evesibla pocesso gälle likhetstecknet) V S = nrln V Pi S = nrln P T f S = C v ln T fus S = vap S = fus T f vap T H = U + pv G = H - TS b f i i f H H (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) 18
G = n f G pod) pod H = n f H pod) pod S = ns pod) pod eak ( - n f G ( eak) eak ( - n f H ( eak) eak ( - ns ( eak) dg = V dp S dt p G m = RT ln (ideala gas, konstant tempeatu) f p i Clausius-Clapeyons ekvation p ln f ΔH vap 1 1 = p i R T i T f G = G + RT lnq G = -RT lnk (g) = J J (l) = F=C-P+2 (g) + RT ln a J (ideala gas) J * p J (g) + RT ln J p + RT ln J (ideal lösning) p j = j K j p j = j p* T f = K f b j T b = K b b j V n j R T h RT Bc 1 c c gm M n ( A )= n ( A A ) A Kichhoffs lag H (T 2 ) = H (T 1 ) + C p T van t Hoff ekvation ln K(T 2 ) = ln K(T 1 ) + H R 1 T1 1 T 2 19
Elektokemi G = - FE (evesibel stöm) Nenst ekvation RT E = E - ln Q F RT E = lnk F E S = F ( T ) E ( T T2 T1 H = G + T S 2 1) Reaktionkinetik = k [A] = k [A][B] = k [A] 2 = k [A][B][C] [ A ] 0 ln =kt [ A] 1 [ A ] = 1 [ A ] + kt 0 k = A exp(-e a /RT) Langmiu isotem p θ A k p des A kads Lindemann kakb AB M ka'm kb Michaelis-Menten d P k S b E 0 dä dt S K M K M k a' k k a b 20
21