Lösning till tentamen 95 för Grundläggande kemi hp Sid (5). a) Perklorsyra är en stark syra varför pk a värde saknas i SI Chem Data. Behövs inte heller för phberäkning eftersom HClO 4 H O ClO 4 H 3 O går fullständigt åt höger. [H 3 O ] =,8 M ph =, b) Syran till N H 4 är hydraziniumjon, N H 5. pk a (N H 5 ) = 7,98 (tabell ). pk b (N H 4 ) = 4, 7,98 = 6,. N H 4 H O N H 5 OH Från början,9 M Ändring x M x M x M Vid jämvikt (,9x) M x M x M x x Jämviktsekv: = 6,, 9 x Försumma x jämfört med,9 i nämnaren. x =[OH ] =,93 4 M (försumning OK inom räknenoggrannheten). [H 3 O ] = 3,4 M ph =,5. Skriv reaktionsformler som beskriver vad som bör hända för följande blandningar: a) Till vatten sätts, mol ättikssyra och, mol natriumoxid. b) 5 ml,5 M HFlösning blandas med 5 ml,5 M NH 3 lösning. c) Till vatten sätts svaveltrioxid. d) 5 ml,5 M PO 4 3 lösning blandas med 5 ml,5 H 3 PO 4 lösning. a) Natruimoxid innehåller den starka basen O som reagerar fullständigt med syran ättiksyra: O CH 3 COOH OH CH 3 COO (acetatjon). b) pk a (HF) = 3,7 pk a (NH 4 ) = 9,4 Betyder att HF NH 3 F NH 4 går praktiskt taget fullständigt åt höger. c) SO 3 är en sur oxid. SO 3 H O H SO 4 H HSO 4. d) pk a (H 3 PO 4 ) =,5 pk a (HPO 4 ) =,38 Betyder att H 3 PO 4 PO 4 3 H PO 4 HPO 4 går praktiskt taget fullständigt åt höger.
3. Den elektrokemiska cellen Mg(s) H O(l) AgCl(s), Ag(s) lagras torr och aktiveras genom tillsats av vatten (H O(l) i cellschemat). Cellen förekommer i viss livräddningsutrustning till sjöss. Cellreaktionen är, Mg(s) AgCl(s) Mg (aq) Ag(s) Cl (aq). a) Beräkna E i volt för cellen vid 5 C. b) Beräkna E i volt vid 5 C om elektrolyten är havsvatten där [Cl ] =,5 M och [Mg ] =,5 M. Sid (5) a) Använd lämpligen formelsamlingens uppställning (44). E värden från tabell. Höger, katod, reduktion x AgCl(s) e Ag(s) Cl E =, V Vänster, anod, oxidation Mg(s) Mg e E = (,36) V Cellprocess: AgCl(s) Mg(s) Ag(s) Cl Mg E = E E =,58 V Anm: Katodprocessen har multiplicerats med så att elektronantalet kommer att stämma med anodprocessen. Detta påverkar inte E värdet eftersom detta inte beror av mängd. 8, 345 98 b) Nernsts ekv, formel 43. E =,58 ln 96485, 5, 5 =,64 V. 4. Temperaturberoendet av den syrakatalyserade hydrolysen av pencilin har undersökts och följande data över hur hastighetskonstantens värde varierar med temperaturen har erhållits: Temperatur / o C k /s. 7. x 4 7. 9.8 x 4 33.7.6 x 3 38.. x 3 a) Ge en kvalitativ förklaring till varför hastighetskonstanten påverkas av temperaturen. b) Beräkna aktiveringsenergin. c) Beräkna hastighetskonstanen vid 45 o C. a) Molekylernas kinetiska energi ökar med temperaturen vilket gör att fraktionen av molekyler med tillräckligt mycket energi för att komma över energibarriären (aktiveringsenergin) ökar vilket i sin tur ger en ökad reaktionshastighet och därmed en större hastighetskonstant.
Sid 3(5) b) Plott av ln k mot /T ger en lutning på 6.3 x 3 K. Ea = R x lutningen vilket ger en aktiveringsenergi på 5.8 kj/mol. /T x 3 K ln k 3.386 7.64 3.39 6.98 3.59 6.438 3.4 6.5 c) Formelsamlingens formel 5 ger k= 3,7 3 s 5. Svaren till nedanstående uppgifter skall motiveras med hjälp av någon modell, regel eller annat kemiskt resonemang. Svar utan motivering eller endast hänvisning till tabelldata (som går att hitta i flera fall) ger inga poäng. a) Vilken eller vilka av följande binära föreningar bör klassificeras som salt (jonförening)? BaO, MgF, NO, KCl, SiC b) Vilken av följande molekyler bör vara mest polär? CO, F, HF, HCl, N, NO c) I vilken av nedanstående molekyler bör man hitta den kortaste kovalenta bindningen? F, N, O d) Vilken av nedanstånde molekyler bör ha den starkaste bindningen (störst bindningsenergi) mellan kolatomerna? C H, C H 4, C H 6 e) I vilket salt finner man den största gitterentalpin (lattice enthalpy)? CsBr, LiCl, RbBr, RbCl a) BaO, MgF och KCl är salter. Tillräckligt stor elektronegativitetsskilllnad mellan atomslagen (> på Paulings skala, se tabell ) ger joner och jonbindning b) HF. Klart störst elektronegativitetsskilllnad mellan atomslagen (tabell, se även dipolmomentdata i tabell 5) c) N som har trippelbindning. O har dubbelbindning, F enkelbindning. Visserligen blir atomerna mindre åt höger i en period men bindningstalet är avgörande. d) C H har trippelbindning, C H 4 dubbelbindning och C H 6 enkelbindning mellan kolatomerna. Högre bindningstal ger starkare bindning. e) LiCl. Gitterentalpi (se tabell 7) beror av joners laddning och joners storlek. Här är alla laddningar och och alltså inte avgörande. Li är den minsta av katjonerna och Cl den minsta av anjonerna (jonstorlekar, se tabell 4). 6. a) Beräkna H och S vid 5 ºC för reaktionen
Sid 4(5) CO (g, p=3 mbar) H O(l) H (aq, ph=8) HCO 3 (aq, c=, mm) b) Beräkna jämviktskonstanten K för reaktionen vid 5 C. c) Är reaktionen termodynamiskt möjlig vid de koncentrationer som anges? a) Värden ur SIData tabell 5. ΔHº = ΔHº f H (aq) ΔHº f HCO 3 (aq) ΔHº f CO (g) ΔHº f H O(l) = = (69) (394) (86) = kj mol ΔSº = Sº f H (aq) Sº f HCO 3 (aq) Sº f CO (g) Sº f H O(l) = = 98 4 7 = 86 J K mol b) ΔGº = ΔHº T ΔSº = 3 (98 (86)) = 45,4 kj mol K = e ( ΔGº/RT) =, 8 c) ΔG < för spontan reaktion och ΔG = ΔGº RTlnQ (formel 35) Q = [H (aq)] [HCO 3 (aq)] / p(co (g)) ΔG = ΔGº RTln Q = 45.4 3 8,34 98 ln 8, 3 /3 3 = = 45.4 3 8,34 98 ln 3,33 = 45.4 3 8,34 98 (4,) =.44 4 J mol < Reaktionen termodynamiskt möjlig. 7. a) Använd Lewismodellen och VSEPR för att finna Lewisstruktur (elektronstrukturformel) och geometri för O 3 (ozon). Eventuella resonansstrukturer skall redovisas. Vilket är bindningstalet för de kovalenta bindningarna? b) Nedan visas tre resonansstrukturer för cyanatjon, NCO. Använd formell laddning för att avgöra vilket av de tre förslagen som bör vara stabilast. c) Vad avses med begreppet hybridisering inom teorin för kemisk bindning? Vilka slutsatser kan dras om elektronfördelning och molekylgeometri kring en kväveatom som anges vara sp 3 hybridiserad? a) Ozon, O 3 : Tre elektrontäthetsriktningar kring centrala O, vinklad molekylgeometri, två resonansformer ger bindningstal () / =,5.
Sid 5(5) b) Formella laddningar så nära noll som möjligt och negativ laddning på den mest elektronegativa atomen (O) gör att det högra förslaget skall väljas. c) Man blandar atomorbitaler (matematiskt) på lämpligt sätt för att åstadkomma nya atomorbitaler anpassade till aktuell geometri. T ex ger st sorbital och 3 st porbitaler kombinerade på lämpligt sätt 4 st likformade och energetiskt likvärda sp 3 orbitaler vars lober har tetraedervinklar (ca 9,5 ) mot varandra. För en sp 3 hybridiserad Natom beskrivs således de 4 elektrontäthetsriktningarna (elektronpar) av varsin sp 3 orbital med tetraedervinklar i förhållande till varandra. Elektronparen kan vara delade eller odelade; t ex NH 4 (alla par delade, tetraedrisk molekylgometri), NH 3 ( odelat par, trigonalt pyramidal molekylgeometri), NH ( odelade par, vinklad molekylgeometri) och NH (3 odelade par). 8. a) fenol; tertiär amin; 3 eter; 4 alken; 5 tertiär alkohol (hydroxigrupp) b) C 5 H 33 NO 4 c) (fenol) d) (tertiär amin) e) 4 (alken) f) 4 (alken)