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: 12/01/2012 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: Skicka email till mig (kim.bolton@hb.se) fö att få ditt betyg och bestämma tid fö avhämtning. 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. 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. Vad ä kollisionsfekvensen nä A atomena ha den kvadatiska medelhastigheten 500 ms -1? Gastycket ä 1 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. What is the collision fequency when A atoms have a quadatic mean speed of 500 ms -1? The pessue of the gas is 1.0 ba. Assume that A is an ideal gas.) 2. Vilket (expansions) abete utfös nä 20.0 g fenol, C 6 H 5 OH(s), föbänns vid 3 atm och 37 o C? (7) (What is the wok of expansion when 20.0 g phenol, C 6 H 5 OH(s), combusts at 3 atm and 37 o C?) 3.a) Anta att fenol, C 6 H 5 OH(s), kan bildas fån gundämnena C(s), O 2 (g) och H 2 (g) vid 45 o C och 1 ba. Använd standadbildningsentalpie och standadentopie vid 25 o C fö att beäkna det maximala nyttiga (icke-expansions) abetet som kan utföas nä 1 mol C 6 H 5 OH(s) bildas vid 45 o C. (8) b) Ä bildningen av fenol spontan vid 45 o C och 1 ba? Motivea ditt sva!! (1) ( a) Assume that phenol, C 6 H 5 OH(s), can fom fom C(s), O 2 (g) och H 2 (g) at 45 o C and 1 ba. Use standad enthalpies of fomation and standad entopies at 25 o C to calculate the maximum useful (non-expansion) wok that can be done when 1 mol C 6 H 5 OH(s) is fomed at 45 o C. b) Is the fomation of phenol spontaneous at 45 o C and 1 ba? Motivate you answe.) 1
4. Nä 0.7 g av en potein (som innehålle C, O, N och S) löses i 10.0 g bensen vid 25 o C, sjunke bensens patialtyck fån 400 To till 375 To. a) Vad ä poteinets molmassa? (5) b) Bestäm den kemiska potentialändingen fö bensen. (4) (When 0.7 g of a molecule was dissolved in 10.0 g benzene at 25 o C, the benzene s patial pessue dopped fom 400 To to 375 To. a) What is the molecule s molecula weight? b) Calculate the change in chemical potential fo benzene.) 5 Använd elektokemiska data fö att beäkna det maximala nyttiga (icke-expansions) abete som kan ehållas u följande edox-eaktion vid 298 K. Ba(s) + Cu 2 SO 4 (aq) 2Cu(s) + BaSO 4 (aq) Koncentationena fö Cu 2 SO 4 (aq) och BaSO 4 (aq) ä 1,50 mm espektive 2,50 mm. (8) (Use electochemical data to calculate the maximum useful (non-expansion) wok that can be done fom the above edox eaction at 298 K. The concentations of Cu 2 SO 4 (aq) and BaSO 4 (aq) ae 1,50 mm and 2,50 mm, espectively.) 2
6). Isoleings- (isolation) och initialhastighets- (initial ate detemination) metodena kombineades fö att få en eaktionspseudo-odning och hastighetskonstant fö följande eaktion 2I(g) + A(g) I 2 (g) + A(g) I(g) atomena isoleades genom att använda en hög koncentation av A(g). Initiala hastighete fö olika I(g) koncentatione ä: [I(g)] 0 (10-5 mol dm -3 ): 1.0 2.0 4.0 6.0 0 (10-2 mol dm -3 s -1 ): 1,069 3,47 13,8 31,3 a) Vad ä eaktionspseudo-odningen fö denna eaktione med avseende på I(g)? Motivea ditt sva! (8) b) Vad ä pseudohastighetskonstanten vid denna A-koncentation? (3) (The isolation and initial ate detemination method wee combined to detemine the pseudo ode and ate constant fo the above eaction. The I(g) atoms wee isolated by using a high concentation of A(g). The initial eaction ates fo diffeent I(g) concentations ae given above. a) What is the pseudo-ode of this eaction with espect to I(g)? Motivate you answe. b) What is the pseudo ate constant at this A concentation?) 7) En viktig eaktion i statosfäiskt ozonnedbytning ä HCl + ClONO 2 Cl 2 + HNO 3 En expeimentell studie visade att bildningshastigheten fö Cl 2 ä av fösta odningen med avseende på HCl. Ä följande mekanism i öveensstämmelse (konsekvent) med denna studie? Motivea ditt sva! (7) HCl k 1 H + + Cl - Cl - + ClONO 2 H + + NO 3 - k 2 k 3 Cl 2 + NO 3 - HNO 3 (Expeimental studies of the above eaction showed that the ate of fomation of Cl 2 is of fist ode with espect to HCl. Is the above mechanism consistent 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 3RT M 2 f = 4π 2π M RT 3 / 2 s 2 exp(-ms 2 /2RT) Δ s λ = RT 2N Aσp σ = π d 2 c = λ z 16
Tillståndsekvatione pv m = 1 + RT B C + 2 V m V m +. nrt p = - a V nb Temokemi Δ U = q + w n V 2 w = -p ex Δ V w (max) = -p dv (evesibelt abete i slutet system) V f = -nrtln (ideala gas) V q = C Δ T Δ H = q (konstant p) Δ U = C v Δ T (konstant volym) Δ H = C p Δ T (konstant tyck) C p = C v + n R (ideala gas) i ds T dq (vid evesibla pocesso gälle likhetstecknet) V Δ S = nrln V Pi Δ S = nrln P f i f (evesibel pocess, ideala gas, konstant tempeatu) T f Δ S = C v ln (konstant volym) Ti Δ fus H Δ fus S = T Δ vap S = Δ f vap T H = U + pv G = H - TS b H vissa specialfall Δ H = Δ U + p Δ V (konstant tyck) 17
Δ G = Δ H - T Δ S (konstant tyck och tempeatu) Δ G = - T Δ S total (konstant tyck och tempeatu) Δ G = w (max) (konstant tyck och tempeatu) Δ G Θ Θ = n Δ f G pod) pod Δ H Θ Θ = n Δ f H pod) pod Δ S Θ = ns Θ pod) pod eak Θ ( - n Δ f G ( eak) eak Θ ( - n Δ f H ( eak) eak ( - ns Θ ( eak) dg = V dp S dt Δ G m = RT ln p f p i (ideala gas, konstant tempeatu) Clausius-Clapeyons ekvation ln p f p i ΔH vap 1 1 = R T i T f Δ G = Δ G Θ + RT lnq Δ G Θ = -RT lnk μ (g) = J μ J (l) = F=C-P+2 (g) + RT ln a J (ideala gas) Θ μ J * Θ p μ J (g) + RT ln J Θ p + RT ln χ J (ideal lösning) p j = χ j K j p j = χ j p* Δ T f = K f b j Δ T b = K b b j Π V n j R T h RT Bc = 1+ + L c ρgm M 18
n ( χ A χ A)= n ( χ A χ A ) Kichhoffs lag Δ H Θ (T 2 ) = Δ H Θ (T 1 ) + Δ C p Δ T van t Hoff ekvation ln K(T 2 ) = ln K(T 1 ) + Δ H Θ R 1 T1 1 T 2 Elektokemi Δ G = -ν FE (evesibel stöm) Nenst ekvation RT E = E Θ - ln Q νf RT E Θ = lnk νf E Δ S Θ = ν F Θ ( T ) E Θ ( T2 T1 Δ H Θ = Δ G Θ + T Δ S Θ 2 T1 ) 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) 19
Langmiu isotem p θ = A k p des A + kads Lindemann kakb AB M = ka'[ M] + kb [ ][ ] Michaelis-Menten d = [ P] k b [] S = dt [] S + K M [ E ] ν dä 0 K M k a' + k = k a b 20
21