Lunds Universitet, Kemiska Institutionen Tentamen för KEMA02 lördag 14 april 2012, 08-13 Tillåtna hjälpmedel är utdelat formelblad och miniräknare. Redovisa alla beräkningar. Besvara varje fråga på ett nytt ark. Skriv namn på varje ark. Svaren skall lämnas in sorterade i nummerordning och vara försedda med fullständigt ifyllt omslag. Varje fullständigt korrekt besvarad uppgift ger 10 tentapoäng. Gaser och lösningar betraktas som ideala, temperaturen är 25 C om inget annat anges och pk W = 14. 1 Kväve bildar många olika föreningar med syre som är av industriellt intresse. a) N 2 O 5 är anhydrid till salpetersyra. Vad menas med detta? Skriv reaktion! (3p) b) Salpetersyra framställs genom Ostwaldprocessen med bildning av NO som mellanprodukt. Beskriv processen med kemiska reaktioner och eventuellt med en kort kommentar. (4p) c) Reaktioner vid framställning av salpetersyra kan även ge en förklaring till bidragen i surt regn i starkt trafikerade områden. Förklara hur! (3p) 2 a) Ge exempel på 2 sura oxider och visa med en reaktionsformel oxidens reaktion med vatten. (4p) b) Ge exempel på 2 basiska oxider och visa med en reaktionsformel oxidens reaktion med vatten. (4p) c) Ge exempel på en amfoter oxid och beskriv vad som menas med en amfoter oxid. (2p) 3 I rena metaller i fast form är atomerna packade på identiskt vis genom hela metallkroppen men på olika sätt beroende på vilken metall det är. a) Ange namnen för tre packningsstrukturer som kan förekomma. (3) b) Ange antal atomer i enhetscellen i tre olika packningsstrukturer. (3) c) Guld föreligger i tätpackad struktur och har en enhetscell med kantlängden 4,079 Å. Vad är densiteten hos guld? (4) 1(2)
Lunds Universitet, Kemiska Institutionen 4 Digoxin, en naturprodukt isolerad från Digitalis lanata, används som hjärtmedicin men är giftigt i hög koncentration i kroppen. För att erhålla rätt koncentration måste man ta läkemedlet i låg dos under flera dagar. Digoxin bryts ner i kroppen i en process som är en 1:a ordningen process och endast beroende av koncentrationen av digoxin. Hastighetskonstanten för nedbrytning är k =2.9. 10-4 min - 1. a) Teckna uttrycket för nedbrytningshastigheten. (3) b) Beräkna halveringstiden för nedbrytning av digoxin i kroppen. (3) c) Beräkna hur stor del i procent som är kvar i kroppen 24 timmar efter intag av en tablett, (0,125mg). (4) 5 Oxalsyra, (CO 2 H) 2, omisskännlig i vårens rabarberpaj, är en diprotisk syra med pk a1 = 1,23 och pk a2 = 4,19. Den är alltså betydligt starkare syra än vanlig ättiksyran, CH 3 CO 2 H, som har pk a = 4.75. a) Beräkna ph i en lösning av 0,60 g ättiksyra i 200 ml vatten. Ange ph med en noggrannhet på ± 0,1 enhet. (5) b) Beräkna ph i en lösning av 10 mg oxalsyra i 200 ml vatten. Ange ph med en noggrannhet på ± 0,1 enhet. (5) 6 Vilket ph erhålls i en lösning efter blandning av 100 ml 0,40 M aq. Na 2 HPO 4 och 10,0 ml 3,0 M aq. HCl? (10) För fosforsyra gäller pk a1 = 2.12, pk a2 = 7.23, pk a3 = 12.68. 7 De flesta metallers nitratsalter är lättlösliga i vatten. Vi har en 0,052 M Mg(NO 3 ) 2 vattenlösning. Till denna lösning sätts en lika volym 0,080 M NaOH. För Mg(OH) 2 är K s = 1,1 10-11 M 3 och pk w är 14,00. a) Kommer Mg(OH) 2 att falla ut? Svaret skall motiveras med beräkningar. (5) b) Beräkna ph i den resulterande lösningen vid jämvikt. (5) 8 Kopparpulver reagerar med koppar(ii)joner under bildning av koppar(i)- joner. Hur stor är halten koppar(i)joner i en 0,10 M lösning av koppar(ii)sulfat i jämvikt med ett överskott av kopparmetall vid 25 C? (10) E 0 (Cu 2+ /Cu) = 0,34 V, E 0 (Cu + /Cu) = 0,52 V. 2(2)
Lösningar för tentamen i KEMA02 lördag 14 april 2012 1 a) Anhydriden av en syra bildar syran vid reaktion med vatten. N 2 O 5 (g) + H 2 O (L) 2 HNO 3 (aq) b) I 4HN 3 (g) + 5O 2 (g) Pt/Rh 4NO(g) + 6H 2 O(g) II 2NO(g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) III 3NO 2 (g) + H 2 O(L) 2HNO 3 (aq) + NO(g) c) N 2 (g) + O 2 (g) i förbränningsmotor NO(g) till atmosfären NO(g) oxideras och reagerar med vatten till HNO 3 (aq) surt regn. 2 a) Sura oxider tex. CO 2 och SO 3 eller andra oxider av ickemetallerna är typiska sura oxider som reagerar med vatten till sur lösning. CO 2 (g) + 2H 2 O <- > HCO 3 - (aq) + H 3 O + b) Basiska oxider tex. Na 2 O och CaO. Oxider som reagerar med vatten till basisk lösning. CaO(s) + H 2 O - > Ca 2+ (aq) + 2OH - c) Al 2 O 3 är en amfoter oxid och reagerar som bas i sur vattenlösning och som syra i basisk lösning. 3 a) hexagonal tätpackning hcp kubisk tätpackning ccp rymdcentrerad kubisk packning b) hcp 4 ccp 4 bcc 2 c) ρ = m / V = (4 M/N A ) / (4,079 10-8 ) 3 bcc ρ = 4 196,97 / 6,0221 10 23 (4,079 10-8 ) 3 = 19,3 g cm - 3 4 a) - d[digoxin]/dt = k [digoxin] b) t 1/2 = ln 2 /k = ln 2 / 2,9 10-4 = 2390 min = 39,8 tim c) A t (%) = 100 * e - 24 * 60 * 0,00029 = 66 % (alt.) A t (%) = 100 * (1/2) 24/39.8 = 66 % 1(3)
5 a) [HOAc] Init = 0,60/60 1/0,200 = 0,050 M HOAc(aq) + H 2 O(l) <- > H 3 O + (aq) + AcO - (aq) VJ 0,050- x x x [AcO - ][H 3 O + ] /[HOAc] = K a = 10-4,75 M x 2 /(0,050- x) = 10-4,75 antag x << 0,050 => x = (10-4,75 * 0,050) 1/2 [H 3 O + ] = x = 9,43 10-4 ph = 3,0 (antag x ok!) b) pk a2 >> pk a1 ( 3 enheter) => 2:a protolyssteget påverkar inte ph väsentligt [H 2 A] Init = 10 10-3 /90 1/0,200 = 5,56 10-4 M H 2 A(aq) + H 2 O(l) <- > H 3 O + (aq) + HA - (aq) VJ 5,56 10-4 - x x x [HA - ][H 3 O + ] /[H 2 A] = K a1 = 10-1,23 M x 2 /(5,56 10-4 - x) = 10-1,23 => x 2 + x 10-1,23-5,56 10-4 * 10-1,23 = 0 x = - 10-1,23 /2 + ((10-1,23 /2) 2 +5,56 10-4 * 10-1,23 ) 1/2 x = - 0,0294 + ((0,0294) 2 +3,27 10-5 ) 1/2 = 5,5 10-4 M [H 3 O + ] = x = 5,5 10-4 ph = 3,3 (Obs! K a1 = 5,9 10-2 vid 5,6 10-4 M ger nästan fullständigt protolyserad syra!) 6 n HPO4 = 100 *0,40 = 40 mmol n HCl = 10,0 * 3,0 = 30 mmol Neutralisering HPO 2-4 (aq) + HCl (aq) - > H 2 PO - 4 (aq) + Cl - (aq) Före (mmol) 40 30 0 Efter (mmol) 10 0 30 En blandning av H 2 PO 4 - och HPO 4 2- (syra/konjugatbas : 3/1) behandlas som buffert av 30 mmol syra och 10 mmol bas i volymen V ml. ph = pk a2 + log ([HPO 4 2- ]/[ H 2 PO 4 - ]) = 7,23 + log ( (10/V)/(30/V)) = 6,75 2(3)
7 a) [OH - ] = 0,040 M [Mg 2+ ] = 0,026 M K s = [Mg 2+ ] [OH - ] 2 = 1,1 10-11 M 3 Q = 0,026 (0,040) 2 = 4,2 10-5 M 3 Q > K s => utfällning sker b) All OH - till Mg(OH) 2 (s) => [Mg 2+ ] = 0,026-0,040/2 = 0,006 M Mg(OH) 2 (s) Mg 2+ (aq) + 2 OH - (aq) f. jämv. 0,006 0 v. jämv. 0,006+x 2x K s = (0,006+x) (2x) 2 antag x << 0,006 4x 2 = 1,1 10-11 / 6,0 10-3 x = 2,14 10-5 M (antagandet x ok!) [OH - ] = 4,28 10-5 poh = 4,37 ph = 9,63 8 ΔG = ΔG 0 + RT ln Q => ΔG 0 = - RT ln K ΔG = - nfe cell => E 0 cell = (RT/nF) ln K ln K = E 0 cell (nf/rt) oxidation (a) Cu(s) - - > Cu + + e - reduktion (k) Cu 2+ + 2 e - - - > Cu(s) redoxjämvikt Cu 2+ + Cu(s) <- - > 2 Cu + E 0 = E 0 k - E 0 a = 0,34-0,52 = - 0,18 V ln K = - 0,18 (2 * 96485/ (8,314 * 298)) = - 14,0 K = [Cu + ] 2 / [Cu 2+ ] => [Cu + ] = (8,32 10-7 * 0,10) 1/2 = 2,9 10-4 M K = e - 14,0 = 8,32 10-7 3(3)