Tentamensskrivning i FYSIKALISK KEMI Bt (Kurskod: KFK 162) den 19/ kl

Relevanta dokument
Tentamen i Materia, 7,5 hp, CBGAM0

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

jämvikt (där båda faserna samexisterar)? Härled Clapeyrons ekvation utgående från sambandet

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

TENTAMEN I FYSIKALISK KEMI KURS: KEM040 Institutionen för kemi Göteborgs Universitet Datum: LÄS DETTA FÖRST!

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Godkänt-del A (uppgift 1 10) Endast svar krävs, svara direkt på provbladet.

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Övningstentamen i KFK080 för B

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 22 december 2006 kl 8:30-12:30 i V. Man får svara på svenska eller engelska!

ɛ r m n/m e 0,43 0,60 0,065 m p/m e 0,54 0,28 0,5 µ n (m 2 /Vs) 0,13 0,38 0,85 µ p (m 2 /Vs) 0,05 0,18 0,04

Kinetik, Föreläsning 2. Patrik Lundström

Tentamen i allmän och biofysikalisk kemi

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Lösningsförslag. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Meddelande. Föreläsning 2.5. Repetition Lv 1-4. Kemiska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt 2012

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Tentamen i Mekanik för D, TFYY68

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen eem076 Elektriska Kretsar och Fält, D1

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Tentamen KFKF01,

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Hjälpmedel: Typgodkänd räknare, Physics Handbook, Mathematics Handbook.

TENTAMEN KEM 011, DEL A och B

Tentamen i Kemi med Biokemi för K1 och Bt1 (KOO041) måndag (5 timmar)

s 1 och s 2 är icke kvantmekaniska partiklar? e. (1p) Vad blir sannolikheterna i uppgifterna b, c och d om vinkeln = /2?

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Tentamen KFKA05 och nya KFK080,

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

Tentamen i TMA 982 Linjära System och Transformer VV-salar, 27 aug 2013, kl

Kapitel 12. Kemisk kinetik

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Skriv reaktionsformler som beskriver vad som bör hända för följande blandningar: lösning blandas med 50 ml 0,05 H 3 PO 4 lösning.

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i Kemi för miljö- och hälsoskyddsområdet: Allmän kemi och jämviktslära

EXPERIMENTELLT PROV ONSDAG Provet omfattar en uppgift som redovisas enligt anvisningarna. Provtid: 180 minuter. Hjälpmedel: Miniräknare.

Skrivning i termodynamik och jämvikt, KOO081, KOO041,

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Kinetik. Föreläsning 2

Vibrationspektrometri. Matti Hotokka Fysikalisk kemi

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Avsnitt 12.1 Reaktionshastigheter Kemisk kinetik Kapitel 12 Kapitel 12 Avsnitt 12.1 Innehåll Reaktionshastigheter Reaktionshastighet = Rate

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 16 december 2015, kl 17:00-22:00

TENTAMEN. Institution: Fysik och Elektroteknik. Examinator: Pieter Kuiper. Datum: 7maj2016. Tid: 5timmar Plats: Kurskod: 1FY803

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 31 augusti 2007 kl 8:30-12:30 i M. Man får svara på svenska eller engelska!

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Lördagen den 20 december 2008 kl 8:30-13:30 i V. Examinator: Docent Louise Olsson

Tentamen i KEMI del A för basåret GU (NBAK10) kl Institutionen för kemi, Göteborgs universitet

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Tentamen i Matematik 1 HF1901 (6H2901) 22 aug 2011 Tid: :15 Lärare:Armin Halilovic

Rättningstiden är i normalfall tre veckor, annars är det detta datum som gäller: Efter överenskommelse med studenterna är rättningstiden fem veckor.

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Repetition. Termodynamik handlar om energiomvandlingar

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p)

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 21 december 2016, kl 17:00-22:00

Försättsblad Tentamen (Används även till tentamenslådan.) Måste alltid lämnas in. OBS! Eventuella lösblad måste alltid fästas ihop med tentamen.

Experiment Swedish (Sweden) Studsande kulor - En modell för fasövergångar och instabiliteter

Tentamen KFKF01,

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Tentamen i Mekanik för D, TFYA93/TFYY68

Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Dugga i elektromagnetism, sommarkurs (TFYA61)

Intermolekylära krafter

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP100, Fysikprogrammet termin 2

Louise Olsson ( ) kommer att besöka tentamenslokalen på förmiddagen.

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Lördagen den 19 december 2009 kl 8:30-13:30 i Hörsalar på hörsalsvägen

Repetition F10. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Louise Olsson ( ) kommer att besöka tentamenslokalen på förmiddagen.

Tentamen i Matematisk analys MVE045, Lösningsförslag

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Tentamen i Fotonik , kl

BFL 111/ BFL 120 Fysik del B2 för Tekniskt Basår/ Bastermin

(2xy + 1) dx + (3x 2 + 2x y ) dy = 0.

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kurs: Kemi/Fysik 2 Fysikdelen Kurskod LUI103. Examinator: Anna-Carin Larsson Tentamens datum

Intermolekylära krafter

Tentamen i Fotonik , kl

Louise Olsson ( ) kommer att besöka tentamenslokalen på förmiddagen.

Tentamen Fysikaliska principer

Systemkonstruktion Z3 (Kurs nr: SSY-046)

FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Viktigt! Glöm inte att skriva Tentamenskod på alla blad du lämnar in.

Transkript:

Tentamensskrivning i FYSIKALISK KEMI Bt (Kurskod: KFK 162) den 19/10 2010 kl 08.30-12.30 Observera! Börja på nytt ark för varje ny deluppgift. Tillåtna hjälpmedel 1. Miniräknare av valfri typ. 2. Utdelad Formelsamling och Föreläsningsanteckningar. Dessa utskrivna sidor får kompletteras med egna handskrivna anteckningar. 3. Elfyma, Tefyma och andra gymnasietabeller, Physics Handbook, MAOL taulukot, Standard Mathematical Tables, Beta, Mathematics Handbook 4. Millimeterpapper (utdelas av skrivningsvakten vid behov). Bedömningsgrunder Varje tentamensuppgift ger maximalt 10p, totalt 40p. Eventuella bonuspoäng från inlämningsuppgifter adderas till poängen du fått på tentamen. För godkänt krävs sammanlagt 23 poäng (av 46 möjliga). För betygen 4 och 5 krävs 32 respektive 38 poäng. För eventuella förfrågningar hänvisas till Björn Åkerman, mobil 0737342751 Lösningsförslag till tentamen anslås på Bt:s anslagstavla den 19/10 em. Betygslistan anslås på Bt:s anslagstavla senast den 26/10 Granskning av rättningen får ske den 27/10 14-15 i rum 5014 på Fysikalisk kemi. Tentamensresultatet inrapporteras till LADOK den 30/10

Den här tentan handlar om 4'-aminobifenyl-4-karboxyl syra (ABK). 1. (10p) Grundstrukturen i ABK är bifenyl (Figur 1). Tabell 1 ger termodynamiska data för bifenyl. Tabell 1a. Termodynamiska fasövergångs-data vid standardtillstånd H o fus (kjmol -1 ) S o fus (JK -1 mol -1 ) H o vap (kjmol -1 ) S o vap (JK -1 mol -1 ) Bifenyl 18.8 54.6 48.0 91.0 Tabell 1b. Termodynamiska reaktions-data vid standardtillstånd och 298 K H o f (kjmol -1 ) S o m (JK -1 mol -1 ) Bifenyl (s) 98 209 Bifenyl (l) 116 263 Bensen(l) 49 173.3 H 2 (g) 0 130.7 a) Är bifenyl fast eller flytande vid rumstemperatur (25 o C)? (3p) b) Skissa ett p/t-fasdiagram för bifenyl, utifrån trippelpunkten (93 Pa, 342K), kritiska punkten (35 bar, 780K) och normal smält- och kokpunkt. Tryck-axeln behöver inte vara skalenlig. (2p) c) Bifenyl kan fås ur bensen enligt 2C 6 H 6 C 12 H 10 + H 2. Är reaktionen spontan vid 298K? (5p) 2. (10p) När reaktionen 2C 6 H 6 C 12 H 10 + H 2 studerades vid ett antal temperaturer erhölls hastighetskonstanterna i Tabell 2a. Tabell 2b ger några egenskaper hos reaktanten bensen. Tabell 2a. Hastighetskonstanten k för 2C 6 H 6 C 12 H 10 + H 2 vid olika temperaturer T (K) 1170 1250 1350 1425 1480 k (M -1 s -1 ) 3461 10415 34194 74648 126420 Tabell 2b. Egenskaper hos bensen T m (K) T b (K) (nm 2 ) D (cm 2 /s) # 278.6 353.3 0.9 1.8 10-5 # I flytande bensen a) Är reaktionen av första eller andra ordningen? Motivera ditt svar. (2p) b) Bestäm aktiveringsenergin för reaktionen. (5p) c) Beräkna k max för reaktionen vid 1170K från data i Tabell 2b. Motivera ditt val av kollisionsmodell! (2p) d) Är ditt k max - värde vid 1170K föreligt med att reaktionen är aktiverad? (1p) 3. (10p) a) Uppskatta dipolmomentet för ABK vid ph 7. Då har amin-gruppen laddningen +1 och karboxyl-gruppen laddningen -1. Anta att laddningarna sitter på kväve-atomen respektive karboxyl-kolet och beräkna dipolmomentet utifrån avståndet mellan dessa atomer. (4p)

Figur 3a visar hur två ABK-molekyler adsorberat till varsin sida av ett lipid-membran. Figur 3a Figur 3b. b) Beräkna energin för växelverkan mellan de två ABK-molekylerna genom membranet. Växelverkansenergin mellan två parallella dipoler ges i formelsamlingen, där är vinkeln som definieras i figur 3b. (4p) c) Är växelverkan i 3b) repulsiv eller attraktiv? Är växelverkansenergin stor eller liten jämfört med den typiska energin för värmerörelsen vid 37 o C? (2p) 4. (10p) Anta att ABK kan betraktas som en hantelmolekyl (Figur 4), där de två massorna m 1 och m 2 motsvarar de två bensenringarna med sin respektive substituenter, och R är längden på CC-bindningen mellan de två bensenringarna. Fjäderkonstanten för sträckning av en enkel-bindning mellan två kolatomer är ungefär 1000 N/m. Figur 4. Hantel-modell av ABK. a) Utifrån modellen i Figur 4, kommer ABK absorbera IR-strålning? Vid vilken våglängd bör vibrationen i bindningen mellan de två fenyl-delarna i såfall absorbera? (5p) b) Vilken våglängd skulle du använda för att excitera ABK-molekylens rotation från den lägsta rotationsnivån till nästa högre om den roterar när den är (svagt) adsorberad till en yta. (5p)

ln k Lösningsförslag. 1. a) T m = H fus o / S fus o = 18.8 kjmol -1 /54.6 JK -1 mol -1 = 344K, så bifenyl är i fast form vid 298K. b) I bar så är trippelpunkten (93 Pa, 342K) = (9.3 10-4 bar,342 K). Normala smältpunkten är (1bar, 344K) enligt uppgift a). Normala kokpunkten är (1 bar, 527K) ty T b = H vap o / S vap o = 48.0 kjmol -1 /91JK -1 mol -1 = 527 K. Nedan ges ett ungefärligt fasdiagram där tryck-axeln inte är skalenlig. c) Bifenyl är i fast form vid 298K (T m >298K), så relevanta reaktionen är 2C 6 H 6 (l) C 12 H 10 (s) + H 2 (g). H r o = H f o (C 12 H 10 (s)) + H f o (H 2 (g)) -2 H f o (C 6 H 6 (l)) = 98 + 0-2 49 kjmol -1 = 0 kjmol -1 S r o = S m o (C 12 H 10 (s)) + S m o (H 2 (g)) -2S m o (C 6 H 6 (l)) = 209 + 130.7-2 173.3 Jmol -1 K -1 = -6.9 Jmol -1 K -1 G r o = H r o -T S r o = 0 Jmol -1 298K (-6.9 Jmol -1 K -1 ) = 2.06 kjmol -1 > 0, så ej spontan. 2. a) Att hastighetskonstanten k har enheten M -1 s -1 visar att reaktionen är av andra ordningen. b) Om en plot av lnk mot 1/T ger ett linjärt förhållande mellan datapunkterna kan aktiveringsenergin fås som E a = -R riktningskoefficienten. Plotten är linjär med riko = -20086K, så E a = -8.314 J/K/mol (-20086 K) = 167 kj/mol 12 11 riktningskoefficient = -20086K 10 9 8 0,00068 0,00072 0,00076 0,00080 0,00084 1/T (K -1 ) c) Kokpunkten för bensen är 353 K (Tabell 2b). Alla data i uppgift 2a) har mätts vid högre temperaturer än så, dvs reaktanten var en gas i dessa experiment. Avståndet mellan kollisionerna är då mycket större än molekyl-storleken, så kollisionstvärnittet = 0.9 nm 2 är den relevanta parametern för beräkning av k max (snarare än D som är relevant i flytande fas). Enligt Fö13 är då k max = c rel N A. Enligt texten: = 0.9 10-18 m 2. Enligt Fö 13: c rel = (8kT/ ) 1/2. I reaktionen 2C 6 H 6 C 12 H 10 + H 2 har båda bensen-reaktanterna samma massa m, så = m 1 m 2 /(m 1 +m 2 ) =m 2 /2m = m/2, och då blir c rel = (16kT/ m) 1/2. För bensen är m = (6x12.01+6x1.0079)u = 78.1074 1.66054 10-27 = 1,2971 10-25 kg Då blir k max = c rel N A = 0.9 10-18 m 2 (16 1.38 10-23 J/K 1170K/ 1,2971 10-25 kg) 1/2 6.022 10 23 mol -1 = 4.3 10 8 m 3 /(s mol ) = 4.3 10 11 liter/(s mol ) = 4.3 10 11 M -1 s -1

d) Beräknade k max = 4.3 10 11 M -1 s -1 är (betydligt) högre än uppmätta k= 3461 M -1 s -1, vilket förväntas om reaktionen bromsas av en aktiverings-barriär. 3. a) Från Fö 4 är dipolmomentet för en diatomär molekyl = R där är (den partiella) laddningen på vardera atomen och R avståndet mellan atomerna. Dipolmomentet för ABK kan då uppskattas som =e L, ty vid ph7 har amingruppen den fulla laddningen = +1e och karboxyl-gruppen har också den fulla (negativa) laddningen - -1e. Avståndet L mellan kväve-atomen och karboxyl-kolet fås genom att lägga ihop bindningslängderna x längs långaxeln för ABK. Enligt Tabellen fås (från vänster till höger ) 1. N-C: x 1 = 151pm 2. Bensen (där C-C = 139pm): Första CC-bindningen lutar med 60 grader och bidrar med 139cos60 o = 69.5pm längs långaxeln, den andra bindningen bidrar med hela sin längd 139pm, och den tredje med 69.5pm igen, så totalt sett är längden av en bensenring längs långaxeln x 2 =278 pm. 3. C-C enkelbindning: x 3 = 154 pm 4. Andra bensenringen: x 4 = x 2 = 278pm 5. C-C enkelbindning: x 5 = 154pm Tillsammans ger det L = 151 + 278 + 154 + 278 + 154 = 1015pm Då blir dipolmomentet = L = e 1015pm = 1.602 10-19 C 1015 10-12 m = 162 10-30 Cm, [eller =162 10-30 /3.336 10-30 = 48.7D, vilket är en stark dipol även jämfört med vatten =1.85D] b) Formelsamlingen ger att växelverkans-energin för dipol-dipol är 1 2 2 V ( r) (1 3cos ) 3 4 r I det aktuella fallet (Figur 3a, 3b) är = 90 o (så 1-3cos 2 = 1), = 162 10-30 Cm, r = 7nm och = r o där r = 2 för lipidmembranen enligt problemtexten. Då blir V = (162 10-30 Cm) 2 /[(4 2 8.854 10-12 J -1 C 2 m -1 ) (7 10-9 m) 3 ] = +3,44 10-22 J c) Eftersom den beräknade energin V har positivt tecken så är växelverkan repulsiv, vilket stämmer med att de två ABK-dipolern är orienterade så att minus-ändarna ligger mitt emot varandra, och plus-ändarna också. Den typiska värme-energin vid 37 o C är kt = 1.38 10-23 310K = 4.3 10-21 J, vilket är ungefär 10 gånger större än den beräknade växelverkansenergin. 4. a) En molekyl är IR-aktiv om någon av dess normal-moder leder till en ändring i molekylens dipol-moment. I modellen i Figur 4 har ABK bara en vibrationsmod, nämligen sträckningen av CC-bindningen mellan de två fenyl-grupperna (Det finns också en mod där fenyl-ringarna roterar relativt varandra men den bortser vi från). Sträcknings-vibration i C-C-bindningen kommer att vara IR-aktiv eftersom dipolmomentet ändras när avståndet mellan laddningarna på substituenterna (NH 2 + och COO - ) ändras. (dvs när L ändras i 3)) I modellen i Figur 4 är vibrationsenergin kvantiserad som för en diatomär molekyl (FS) E v = (v+½) ħ(k/m eff ) 1/2 (v = 0,1, 2,...) där m eff = m 1 m 2 /(m 1 +m 2 ) med m 1 = m(nh 2 C 6 H 4 ) = (14.01+ 6x12.01+6x1.0079)u = 92.12 1.66054 10-27 = 1.5296 10-25 kg, och m 2 = m(c 6 H 4 COOH) = (7x12.01+5x1.0079+2x16.00)u = 121.11 1.66054 10-27 = 2.011 10-25 kg. Då blir m eff = m 1 m 2 /(m 1 +m 2 ) = 1.5296 10-25 2.011 10-25 )/( 1.5296 10-25 +2.011 10-25 ) = 0.869 10-25 kg Fjäderkonstanten är k = 1000 N/m enligt problemtexten. Enligt Bohrs frekvensvillkor sker absorption då hc/ = E = E(v=1) E(v = 0) = ħ(k/m eff ) 1/2 dvs = hc/ ħ(k/m eff ) 1/2 ] = 2πc/(k/m eff ) 1/2 = 17.6 m b) I modellen i Figur 4 är energin för 2D-rotation kvantiserad som för en diatomär molekyl (Fö 2) som rotations vibrationsenergin kvantiserad (FS)

E = m j 2 ħ 2 /2I med I = m eff R 2 I vårt fall med ABK är m eff = 0.869 10-25 kg enligt ovan och R = CC-bindning = 154 pm. Enligt Bohrs frekvensvillkor sker absorption då hc/ = E = E(m J =1) - E(m J = 0) = ħ 2 /2m eff R 2, dvs = hc/[ħ 2 /2m eff R 2 ] = 8c 2 m eff R 2 /h = 7.4 cm.