1. No category

tentaplugg.nu
av studenter för studenter
Kurskod
K0016N
Kursnamn
Kemiska principer
Datum
LP1 15-16
Material
Tentamen
Kursexaminator
Betygsgränser
Tentamenspoäng
Övrig kommentar
3≥50%; 4≥70; 5≥90
Institutionen för Samhällsbyggnad och naturresurser
Tentamen: Kemiska principer (K0016K)
Tentamensdatum:
2015-10-26
Skrivtid:
9:00 – 15:00
Jourhavande lärare:
Lars Gunneriusson
Telefon:
0920-491832
Poäng och betygsberäkning:
För dig som läst kursen under innevarande läsperiod: Vid detta tentamenstillfälle så finns det
vid behov möjlighet att skriva om någon av de två första deltentamina. Du väljer i så fall själv
vilken eller vilka delar som du ska skriva i den utdelade tentamen (som omfattar alla fyra delar)
och behöver inte meddela ditt val. Observera att vid omskrivning av en del ersätter resultatet från
denna det tidigare resultatet från den deltentamen!
Resultatet från delen/delarna som skrivs nu kombineras sedan med resultatet från tidigare
deltentamina. Därefter beräknas ett medelvärde för de procentuella resultaten från del 1 till 4
som grund för betygssättningen. Se betygsgränser nedan.
Därutöver krävs att minst 25 % av poängsumman uppnåtts för varje enskild del.
Denna möjlighet ges enbart vid detta skrivtillfälle. Om ytterligare omtentamen blir aktuell skrivs
fortsättningsvis fullständig tentamen över hela kursens innehåll.
Övriga studentgrupper skriver hela tentamen. Ett medelvärde för de procentuella resultaten
från del 1 till 4 används som grund för betygssättningen.
Betygsgränser:
För betyg 3 på kursen krävs värdet 50 %
För betyg 4 på kursen krävs värdet 70 %
För betyg 5 på kursen krävs värdet 90 %
Tillåtna hjälpmedel: Kemiska Data (senaste upplagan). Räknare
Lös endast en uppgift per inlämnat blad och märk dem med namn och personnummer. Blad
utan dessa personuppgifter kommer inte att rättas.
Utförliga och fullständiga lösningar/motiveringar krävs för full poäng.
Anta standardtillstånd, ideal gas och temperaturen 25,00 °C om inte annat anges.
Del 1: Kemiska grundbegrepp
1
9p
a) Koffein har molekylformel C8H10N4O2. Vid förbränning (reaktion med
syre) bildas koldioxid, vatten och kvävedioxid. Balansera reaktionen med
inspektionsmetoden. Glöm inte aggregationsformerna.
(3p)
b) Vilken molekylformel har följande förening?
(2p)
(Paracetamol, den verksamma
substansen i t ex Panodil)
c) Olika oxidationstal hos övergångsmetalljoner ger ofta olika färg, till
exempel är jonen VO2+ gul medan VO2+ är blå:
Genom att tillsätta zink till en vattenlösning med VO2+ kan man få lösningen
att ändra färg och bli blå (bilda VO2+). Använd delförloppsmetoden för att
balansera redoxreaktionen i sur lösning.
(Zink omvandlas till zink(II)joner i reaktionen)
(3p)
d) Ange oxidationstalen för vanadin i de två jonerna i uppgift c).
Lösning:
(1p)
a) 2C8H10N4O2(s) + 27O2(g) → 16CO2(g) + 10H2O(g/l) + 8NO2(g)
b) C8H9NO2
c) Ox:
Red:
→ Zn2+ + 2e→ VO2+
Zn
VO2+
+
+ H2O
-
+ 2H + e
Ox + 2Red: Zn(s) + 2VO2+(aq) + 4H+(aq) → 2VO2+(aq) + Zn2+(aq) + 2H2O(l)
d) VO2+: O –II, V +V
2
8p
VO2+: O -II, V +IV
Järn kan framställas genom att vätgas får reagera med magnetit enligt
följande reaktion:
Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(s) + 4H2O(g)
a) Hur många gram järn kan framställas från 100. kg magnetit, Fe3O4, och
2(4)
4000. gram vätgas?
(4p)
b) Vilken volym kommer den bildade vattenångan att ha vid normalt
atmosfärstryck och temperaturen 1200.°C?
(2p)
c) Med hjälp av allmänt kända data, uppskatta hur mycket mindre vattnets
volym i uppgift b) blir efter att det kondenserats vid 25°C.
(2p)
Lösning:
a) n = m/M
M Fe3O4 = 3.55.845 + 4.15.9994 = 231.5326 g/mol
nFe3O4 = 100000/231.5326 = 431.9046216 mol
nH2 = 4000/(2.1.00794) = 1984.245094 mol
nH2/nFe3O4 = 4/1
nH2 = 4nFe3O4 = 4.431.9046216 = 1727.618487 mol
Det finns tillräckligt med vätgas. Magnetit begränsar reaktionen.
nFe/nFe3O4 = 3/1
nFe = 3nFe3O4 = 3.431.9046216 = 1295.713865 mol
mFe = nM = 1295.713865.55.845 = 72.4 kg
b) nH2O/nFe3O4 = 4/1
nH2O = 4nFe3O4 = 4.431.9046216 = 1727.618487 mol
R = 0.0820575 atm.dm3/mol.K
p = 1 atm
T = 273.15+1200 = 1473.15 K
V = nRT/p = 1727.618487.0.0820575.1473.15/1 = 209 m3
c) Antag vattens densitet 1000 g/dm3
M = 2.1.00794 + 15.9994 = 18.015 g/mol
n = 1727.618487 mol från uppgift b)
V = m/ρ = nM /ρ = 1727.618487.18.015/1000 = 31.123 dm3
V/Vgas = 100%.31.123 dm3/209000 dm3 = 0.01489...
Vätskevolymen blir 0,015% av gasvolymen.
Del 2: Atomens uppbyggnad och kemisk bindning
3
3p
a) Vilken elektronkonfiguration har bly (Pb)?
(Förkorta gärna elektronkonfigurationen)
(1p)
b) Vilka två oxidationstal (förutom metallens) kan man förvänta sig att bly kan
ha? Om dessa oxidationstal finns hos bly som enatomiga joner, vilka
elektronkonfigurationer har då de två jonerna?
(2p)
Lösning
a) Pb: [Xe]6s24f145d106p2
Pb: [Xe]4f145d106s26p2
(i fyllnadsordning)
(ordnade efter ökande huvudkvanttal)
3(4)
b) Pb(II) och Pb(IV)
[Xe]4f145d106s2
[Xe] 4f145d10
Pb(II)
Pb(IV)
4
10p
en d10s2 - jon
en d10 - jon
(18+2 skalsjon)
(18 skalsjon)
Sulfinylklorid (tionylklorid) har formeln SOCl2 och används bland annat till
en typ av effektiva litiumbatterier.
a) Rita Lewisstrukturen för sulfinylklorid. S är centralatom (omges av övriga
atomer). Ta också hänsyn till eventuella formella laddningar.
(4p)
b) Vilken geometri har molekylen (ungefärligt)?
(2p)
c) Vilken typ av bindningar bryts när tionylkloriden övergår i gasfas (kokar)
och var återfinns dessa?
(4p)
Lösning
a) Antal valenselektroner i molekylen: 6+6+2*7 e- = 26 e-. Det innebär 13 bindande eller fria
elektronpar i molekylen.
O
O
Cl S Cl
Cl
S Cl
+
. Formella laddningar:
Expanderad oktett hos svavelatomen eliminerar de formella laddningarna:
O
Cl
S Cl
b) Fyra elektrontäta områden runt S, varav ett fritt elektronpar. Detta ger idealt sett en trigonal
pyramidal struktur (ungefär som en ”trebent pall”). Det fria elektronparet trycker dock ihop
vinklarna mellan atomerna =>
< 109 ° vinkel. Inslaget av dubbelbindning (S-O) gör också att vinkeln Cl – Cl (97 °) blir
mindre än vinklarna O – Cl (107 °).
c) van der Waalsattraktioner: dipol-dipol- och dispersionkrafter. Mellan molekylerna.
5
7p
a) En form (polymorf) av Bornitrid (BN), borazon, är ett mycket hårt ämne,
som bland annat används som slipmedel. NO, med en något större formelmassa
är däremot en gas vid rumstemperatur.
Beskriv bindningsförhållandena i de två ämnena och koppla dessa till deras
skillnad i egenskaper! (Inga strukturformler behövs)
(4p)
4(4)
b) Vad visar figurerna till vänster respektive till höger här nedanför?
Hur uppnås de tillstånd som illustreras i respektive figur?
(3p)
Lösning
a) B och N är lätta ickemetalliska grundämnen. Hårdheten kan därför enbart förklaras genom
att borazon bildar fackverksmolekyler, dvs. kovalenta kristaller. Så är också fallet. Föreningen
kan inte vara en jonförening, då jonkristaller är sköra. Skillnaden i elektronegativitet är
dessutom liten och båda grundämnena är icke-metaller.
NO består av tvåatomiga molekyler sammanhållna av kovalenta bindningar. Mellan
molekylerna kan då enbart verka mycket svaga van der Waalsinteraktioner, p.g.a. deras låga
formelmassa. Detta förklarar varför NO är en gas.
b) n-dopning respektive p-dopning. En mycket liten mängd av ett ämne ur grupp 15 resp. 13
tillförs kisel. (Dessa går in i Si:s kristallstruktur utan att märkbart ändra denna, s.k. substitution. Ett smalt band
som är närliggande i energi till Si:s konduktions- respektive valensband bildas.)
Del 3: Kemiska jämvikter och elektrokemi
6
10p
a) Vätefluorid är en mycket giftig gas som bl a kan orsaka
hjärtstillestånd. Skriv protolysreaktionen för vätefluorid i vattenlösning
och identifiera och motivera syrabasparen enligt Brönstedt-Lowrys definition.
(3p)
b) Hur stor andel av vätefluoridmolekylerna har protolyserats i en
vattenlösning med 0.125 M vätefluorid? Vad blir pH i lösningen? (4p)
c) Hur ändras pH i lösningen om natriumfluorid tillsätts? Förklara utan att göra
några beräkningar.
(3p)
Lösning:
a)
HF(aq) + H2O(l) ⇔ H3O+(aq) + F-(aq)
HF är en syra, den ger bort H+. Konjugerad bas blir F-.
5(4)
H2O är en bas, den tar upp H+. Konjugerad syra blir H3O+.
b)
HF(aq) + H2O(l) ⇔ H3O+(aq) + F-(aq)
Start 0.125
0
0
Ändr. -x
+x
+x
Jämv. 0.125-x
x
x
+
2
. -4
Ka = [H3O ][F ]/[HF] = x /(0.125-x) = 6.6 10
Lösning av andragradsekvationen ger x = 8.7589....10-3
Andel av syran som protolyserats: 100%.x/[HF]start = 100.8.7589....10-3/0.125 = 7.0%
pH = -log{H3O+} = -log 8.7589....10-3 = 2.06
c)
NaF tillför fluoridjoner till lösningen. Fluoridjonen är konjugerad bas till HF.
Tillförsel av mer bas förskjuter jämvikten mot reaktanter enligt Le Chateliers princip.
Mängden oxoniumjoner minskar och lösningen blir mindre sur. pH ökar.
7
10p
Följande reaktion sker i en galvanisk cell:
Fe(s) + 2Ag+(aq) ⇔ Fe2+(aq) + 2Ag(s)
E° = 1.240 V
a) Ställ upp jämviktsuttrycket för cellreaktionen och gör sedvanliga
approximationer.
(2p)
b) Beräkna E för cellen när koncentrationen av silverjoner är 0.125 M och
koncentrationen av järn(II)-joner är 0.100 M.
(4p)
c) Vad kommer E för cellen att vara efter att silverjonernas koncentration
har minskat till 0.100 mM?
(4p)
Lösning:
a) K = {Fe2+}{Ag(s)}2/{Fe(s)}{Ag+}2 ≈ ([Fe2+]/1 M).12/1.([Ag+]/1 M)2
K = [Fe2+]/[Ag+]2
b) E = E°cell - (g/n)lgQ
Q = [Fe2+]/[Ag+]2 = 0.100/(0.125)2 = 6.4
E = 1.240 - (0.05916/2)lg(6.4) = 1.22 V
c)
Fe(s) + 2Ag+(aq) ⇔ Fe2+(aq) + 2Ag(s)
Start
0.125
0.100
Ändr
-0.1249
+0.1249/2
Slut
10-4
0.16245
2+
+ 2
Q = [Fe ]/[Ag ] = 0.16245/(10-4)2 = 16245000
E = 1.240 - (0.05916/2)lg(16245000) = 1.03 V
Del 4: Termodynamik
8
8p
a) NO och NO2 genomgår komplicerade reaktioner som påverkar
ozonbildning/nedbrytning, både i stratosfären och vid havsnivå. Beräkna ∆H
6(4)
för reaktionen
NO(g) + O(g) → NO2(g)
med hjälp av följande data:
(1)
(2)
(3)
2O3(g) → 3O2(g)
O2(g) → 2O(g)
NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g)
∆H = -427 kJ/mol
∆H = 495 kJ/mol
∆H = -199 kJ/mol
(4p)
b) Polyeten framställs genom att monomerer (molekyler)
av gasen eten slås samman och bildar långa kedjor. Processen utförs ofta vid
förhöjd temperatur. Görs detta av termodynamiska eller reaktionskinetiska
(reaktionshastighet) skäl? Förklara.
(4p)
Lösning
a)
(3)
-½∙(2)
-½∙(1)
NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g)
O(g) → ½ O2(g)
3/2O2(g) → O3(g)
NO(g) + O(g) → NO2(g)
∆H = -199 kJ mol-1
∆H = -½∙495 kJ mol-1
∆H = ½∙427 kJ mol-1
∆H = -233 kJmol-1
b) Av reaktionskinetiska skäl. Eftersom antalet (gas-)molekyler minskar i reaktionen så är
∆S < 0.
Eftersom ∆G = ∆H - T∆S så är reaktionen termodynamiskt missgynnad av ökad temperatur.
9
10p
Silver är en relativt ädel metall, men drabbas även det av korrosion (svartnar).
I luft finns förutom 21 vol% O2 även mycket låga halter av svavelväte (H2S).
Består då den bildade korrosionprodukten av silveroxid, eller möjligen
silversulfid? Anta en jämvikt mellan de två tänkbara korrosionsprodukterna i
närvaro av vatten enligt:
Ag2O(s) + H2S(g) ↔ Ag2S(s) + H2O(g)
Partialtrycket av vatten antas till 0,0100 bar (motsvarar ≈ 33 % relativ
luftfuktighet vid 25 °C)
a) Beräkna trycket av H2S vid jämvikt.
(6p)
b) Använd ditt svar i a) för att avgöra om korrosionsprodukten bör vara
silveroxid eller silversulfid.
(4p)
Lösning
a)
∆Gf°
Ag2O(s) + H2S(g) ↔ Ag2S(s) + H2O(g)
-11,2
-33,56
-41
-228,57
7(4)
kJ/mol
∆G° = -41 -228,57 + 11,2 + 33,56 kJ/mol = -224,81 kJ/mol
(Alternativt:
∆H° = ∆Hf°(Ag2S,s) + ∆Hf°(H2O,g) - ∆Hf°(Ag2O,s) - ∆Hf°(H2S,s)
= -33 + (-241,82) - (-31,05) - (-20,63) kJ/mol = -223,14 kJ/mol
∆S° = S°(Ag2S,s) + S°(H2O,g) - S°(Ag2O,s) - S°(H2S,s)
= 144 + 188,83 - 121,3 - 205,79 JK-1mol-1 = 5,74 JK-1mol-1
∆G° = ∆H° - T∆S° = -223,14⋅103 – 298,15⋅5,74 J/mol = -224, 85 kJ/mol )
lgK = ∆G°/(-RTln10) = 39,3848
K=
{ Ag 2 S ( s )}{H 2O (l )} 0.0100
≈
{ Ag 2O ( s )}{H 2 S }
p( H 2 S )
lgK = -2 -lgp(H2S) = 39,3848
lgp(H2S) = -2 - 39,3848 = -41,3848
p(H2S) ≈ 4∙10-42 bar (4∙10-37 Pa) vid jämvikt!
b) 4∙10-42 bar: Det är helt omöjligt att uppnå ett sådant lågt tryck. Vid ett så lågt partialtryck
kan inte heller vattnets ångtryck ha någon verklig inverkan på jämviktsläget. Eftersom det
verkliga p(H2S) alltid är högre än jämviktstrycket för H2S, så är sönderfallet av ev. silveroxid
till silversulfid alltid spontant. Dvs. reaktionsriktningen är alltid mot höger (Ag2S).
(Detta inser man även genom att beräkna substansmängden H2S per 1 m3:
n=pV/RT = (10-36,3848∙1)/(8,3145∙298,15) mol
lgn = -36,3848 –lg8,3145-lg298,15 ≈ -38
n ≈ 10-38 mol ! Då 1 mol = 6,022∙12023 molekyler så blir tätheten = 6,022∙1023∙10-38 molekyler/m3 ≈ 6∙10-15
molekyler /m3 !!! )
Silversulfiden är alltså ojämförligt mycket mer stabil än silveroxiden. Den svarta produkten är
därför silversulfid, då det alltid finns små mängder i luften av svavelinnehållande gaser
(H2S,SO2) som kan reagera med silver och bilda silversulfid.
Ett resonemang kring det höga K-värdet är inte tillräckligt, då halterna av H2S i atmosfären är
mycket låga. Det gör att rimligheten i att p(H2S) skulle kunna underskrida jämviktsvärdet
måste analyseras.
8(4)