source: http://www.chembio.ntnu.no/users/ystenes/50505/eks_h96.html

Eksamen i fag50505/50508 høsten 1996, med løsningsforslag.

Oppgave 1.

  • a) Forklar kort hva entropi er. (Det er flere ulike måter å svare på dette spørsmålet.)

    Svar:

    Entropi er den drivende kraft for alle hendelser. Alle hendelser går slik at de bidrar til en økning av universets entropi. Entropi er et mål på antall mikrotilstander en situasjon kan ha, og er dermed et mål for hvor sannsynlig situasjonen er. (å bare skrive at entropi er et mål for kaos eller grad av uorden er et ufullstendig svar.)

  • b) Se på en gitt reaksjon, f.eks.: Na (s) + 1/2 Cl2 (g) NaCl (aq). Hvordan kan man, i) utfra termodynamiske data, og ii) eksperimentelt, finne ut om universets entropi øker for denne reaksjonen (T og P konstant)?

    Svar:

    i) ved å beregne (delta)G. (delta)G = - T x (delta)S(univers).
    ii) Hvis reaksjonen går må (delta)S(univers) >0.

    Oppgave 2.

  • a) Hva er deltaG° for reaksjonen CO2 --> CO + ½ O2 ved 1000K? Hvilke antagelser må du gjøre for å kunne utføre beregingen?

    Svar:

    delta H° = (-111 kJ/mol) + ½ x 0 - (-394 kJ/mol) = 283 kJ/mol.
    delta S° = (198 J/K mol) + ½ (205 J/K mol) - (214 J /K mol) = 86 J/K mol
    delta G° = delta H°- T deltaS° = 283 kJ/mol - 1000K x 86,5 J/K mol = 197 KJ/mol

    Forutsetning: At delta H° og delta S° er uavhengig av temperaturen.


  • b) Jordens atmosfære inneholder ca. 20% O2 og 0,03% CO2 (begge er volumprosent). Hvor mye CO vil det være i atmosfæren ved likevekt ved 25°C?

    Svar:

    (delta)G° = (delta)H°- T (delta)S° = 283 kJ/mol - 298K x 86,5 J/K mol = 257 kJ/mol
    P(O2) = 0.2 atm
    P(CO2) = 3x10(-4) atm
    (delta)G° = -RtlnK --> K = 1 x 10 (-45)
    K = P(CO) x SQRT(P(O2))/P(CO2) = P(CO) x SQRT(0,2)/3x10(-4) = 1x10(-45)
    P(CO) = 6 x 10x(-49)

    Oppgave 3.

    Du har 1,00L 1,00 molar saltsyre hvor du har løst opp 1,00 mol kalsiumklorid. Du tilsetter 10,0 g fast kalsiumkarbonat. Det skjer en reaksjon som utvikler varme og gass. Temperaturen er 25°C.

  • a) Hva er (delta)G°og delta G for reaksjonen når den første gassboblen er dannet? (Du må først sette opp en balansert netto reaksjonsligning for reaksjonen.)

    Svar:

    HCl + CaCO3 --> CaCl2 + CO2(g)

    Balansert, netto ligning:
    2H+(aq) + CaCO3(s) --> Ca2+(aq) + H2O(l) + CO2(g)
    deltaG° = -553 kJ/mol + (-237 kJ/mol) + (-394 kJ/mol) - 2(0 kJ/mol) - (-1129 kJ/mol) = - 55kJ/mol
    Alle stoffer som ingår i den netto ligningen er i standard tilstand (1 mol/L for løsninger, rene stoffer for (s) og (l) og 1 atm for gassen) derfor er (delta)G = (delta)G°.

  • b) Hvor mye varme er utviklet når reaksjonen har løpt fullstendig?

    Svar:

    10.0g CaCO3/100,1 g/mol --> 0,100 mol CaCO3.
    (delta)H° = -543 kJ/mol + (-286 kJ/mol) + (-394 kJ/mol) - 2(0 kJ/mol) - (-1207 kJ/mol) = - 16kJ/mol q = -(delta)H = - (-16 kJ/mol x 0,100 mol) = 1,6 kJ/mol

    Oppgave 4.

    Du har 1L 1 molar svovelsyre hvor du har løst opp 1 mol vanlig bordsalt (dvs. natriumklorid). Du setter oppi to elektroder som du kobler til polene på et batteri. Det utvikles gass ved minst en av elektrodene.

  • a) Skisser oppsettet, og angi hvilken reaksjon som vil skje ved hver av polene. Angi også anode/katode, positiv og negativ pol, samt strømretning.

    Svar:

    Ang. Skisse: Det skal ikke være noen saltbro eller porøs skillevegg, dette er et åpent kar med to elektroner. Anoden er postiv. Katoden er negativ. Strømmen går fra anoden til katoden, da dette er en elektrolysecelle og ikke en galvanisk velle.
    Anoderx: 2Cl- --> Cl2(g) + 2e-
    Katoderx: 2H+ + 2e- --> H2

  • b) Vil et 1,5 V batteri være nok til at elektrolysen vil skje? Vis de beregninger som er
    nødvendige for å gi svaret.

    Svar:

    Anoderx: 2Cl- --> Cl2(g) + 2e- E° = -1.36V (SI, tabell 21)
    Katoderx: 2H+ + 2e- --> H2 E° = 0 (pr. def.)
    Totalrx: E° = -1.36V + 0 = -1.36V.
    Da alle stoffer er i standardtilstand er E = E°

    Oppgave 5.

    Rusting av jern skjer normalt i to trinn. Først oksideres metallisk jern til toverdige ioner. Deretter reagerer de toverdige jernionene med luft og det felles ut rust (jernoksid). I denne oppgaven ser vi bort fra den siste reaksjonen.

  • a) Angi anode- og katode-reaksjonene når jern korroderer i oksygenrikt vann. Hva er standard elektrodepotensial for reaksjonen?

    Svar:

    Anode: Fe --> Fe2+ + 2e- E° = 0.44V
    Katode: ½O2 + 2H+ + 2e- --> H20 E°= 1.23V
    Totalrx: E° = 0.44V + 1.23V = 1.67V

  • b) Reaksjonshastigheten vil være sterkt pH-avhengig, fordi reaksjonshastigheten er avhengig av E. Vis utfra Nernst-ligningen at reaksjonen vil gå fortere i surt vann.

    Svar:

    E = E° - 0.059/n logQ
    Q = [Fe2+] / P(O2) · [H+]²
    n=2
    --> E = konst + 0.059 log [H+] = konst - pH.
    Q.E.D.

    Oppgave 6.

    Du har 1L 1 molar saltsyre. Syren er fargeløs.

  • a) Du legger en jernbit oppi løsningen. Løsningen blir gulbrun og det utvikles en brennbar gass. Forklar hva som skjer. Vis at den antatte reaksjonen er termodynamisk mulig.

    Svar:

    Jern løses opp som Fe3+ (oksideres), og det utvikles hydrogengass. (Løsning til Fe2+ er OK svar.)
    Fe(s) + 3 H+(aq) -> Fe3+(aq) + 3/2 H2 (g)
    deltaG° = (-5 kJ/mol) + 0 - 0 - 0 = - 5kJ/mol, dvs. deltaG° < O
    Kan også finnes fra E°-verdier: E° for Fe --> Fe3+ + 3e- er 0.04V

  • b) Du legger en jernbit og en platinabit i kontakt med hverandre oppi løsningen. Løsningen blir gulbrun og det utvikles en brennbar gass ved platinabiten. Forklar hva som skjer.

    Svar:

    Det blir en galvanisk korrosjon, hvor jernet er anode og platina er en indert katode.

    Oppgave 7.

    I oppgaven over er det brukt saltsyre og ikke svovelsyre eller salpetersyre. Dette vil øke reaksjons-hastigheten fordi saltsyrens anioner vil danne komplekser med jernionene. Hvis du hadde brukt salpetersyre i stedet for saltsyre ville du ikke få noen synlig reaksjon med jernet.

  • a) Hva er et kompleks? Angi en mulig likevektsreaksjon for dannelse av komplekset.

    Svar:

    Et kompleks er når et metallion binder seg til negative ioner (eks: Cl-) eller nøytrale molekyler (eks: H2O) og danner et større ion. F.eks. Fe3+ + 2 Cl- --> FeCl2+, eller Fe3+ + 4 Cl- --> FeCl4/-, eller Fe3+ + 6 H20 --> Fe(H2O)6/3+.

  • b) Forklar hvorfor kompleksdannelsen vil øke reaksjonshastigheten.

    Svar:

    i) Kompleksdannelsen fjerner fri Fe3+ fra løsningen slik at E for reaksjone blir større.
    ii) Kompleksdannelsen løser opp et evt. beskyttende oksidlag slik at passiviseringen fjernes.

    Oppgave 8.

    I en 1 L reaktor har du 0,10 mol av gassen A og 0,10 mol av gassen B. Gassene vil reagere utfra følgende ligning: 2A --> B + C. Reaksjonen mot høyre (r1) er av 2. orden og bare avhengig av konsentrasjonen av A. Tilbakereaksjonen (r-1) er av 1. orden og bare avhenging av mengden av C. (Dette vil forandre seg når man nærmer seg likevekt.)

  • a) Hva vil den målbare reaksjonhastigheten være når 1% av den opprinnelige menden A er oppbrukt? Både k1 og k-1 er 1,00 10-4 (L/mol s).

    Svar:

    r1 = k1 [A]² = 1,00·10(-4) · (0.099)² = 0.98 · 10-6
    r-1 = k(-1) [C] = 1,00·10(-4) · (0,005) = 0,05 · 10-6
    (merk: Du bruker to A for å lage en C)
    r = r1 - r(-1) = (0.98 - 0.05)·10-6 = 0.93·10-6 (pluss enheter...)


  • b) Anta at du kunne måle kontinuerlig og nøyaktig mengden av de ulike gassene i blandingen. Forklar kort hvordan du ville gå fram for å bestemme verdien av k1. Har du noen id‚ om hvordan man kan bestemme verdien av k-1?

    Svar:

    Ved å plotte 1/[A] mot tiden vil man finne k som stigningstallet. (Eller helt korrekt: Den verdien k næremer seg når t -->0)
    r(-1) kan bare bestemmes ved å beregne r1 teoretisk og sammenlinge denne med den eksperimentelle verdien. Avviket vil være r(-1). Ved å plotte ln r(-1) mot t vil man finne k(-1).

    Oppgave 9.

    CO2 vil kunne reagere med fast karbon og danne CO.

  • a) Når temperaturen stiger øker reaksjonshastigheten. Forklar hvorfor.

    Svar:

    I følge Arrheniusligningen er k = Ae(-Ea/RT). Dermed øker k med økende temperatur (Ea og R er begge positive størrelser.) En anne måte å se det på er at molekylenes kinetiske energi øker, slik at det er større sannsynlighet for at molekylene i kollisjonsøyeblikket har en energi som er høyere enn aktiveringsenerien (energibarriæren).

  • b) Reaksjonen vil gå fortere hvis karbonet er forurenset med f. eks. jern. Gi en mulig forklaring på dette.

    Svar:

    Jern og andre forurensninger kan virke som katalysator.

    Oppgave 10.

    Spontan spalting av ozon (O3) er antatt å skje i følgende to trinn:

    1) O3 --> O2 + O

    2) O + O3 --> 2 O2

  • a) Hvis konsentrasjonen av O3 er høy vil første trinn være hastighetsbestemmende. Hva blir hastighets-uttrykket i dette tilfellet?

    Svar:

    r1 = k1 [O3]

  • b) Hvis konsentrasjonen av O3 er lav vil andre trinn være hastighetsbestemmende, og første trinn vil være i likevekt. Hva blir hastighetsutrykket i dette tilfellet?

    Svar:

    r2 = k2[O][O3]
    K1 ( =k1/k(-1)) = [O2][O]/[O3] --> [O] = K1[O3]/[O2]
    r2 = k2 (K1[O3]/[O2]) [O3] = k2K1[O3]²/[O2]

    To Martin Ystenes home page

    ystenes@kjemi.unit.no