Eksamen SIK3003 18. desember 2002 - med løsningsforslag

Oppgave 1.

Hva er konsentrasjonen av [H⁺] og [OH^-] ved pH=0?
Hva er pH hvis [NH₃] = [NH₄⁺]?
Hvor mye NaOH må man tilsette til 1L vann for å øke pH fra 8 til 10. (Det er ingen svake syrer eller svake baser i løsningen.)
Hva er løseligheten av Fe(OH)₂ ved pH=7?
Er Fe(OH)₃ løselig ved pH=7? (Anta at stoffet er løselig hvis [Fe³⁺] > 10^-5 mol/L)

Svar: [H⁺] = 1, [OH^-] = 10^-14; pH = pKa = 9,24; 0,99 x 10^-4 mol;
[H+] endres lite, men [OH-] endres fra 10^-6til 10^-4.Følgelig må man tilsette10^-4 mol NaOH per liter løsning..
Ksp = 4,1 x 10^-15 = [Fe²⁺][OH^-]². pH = 7 --> [OH-] = 10^-7. [Fe²⁺] = 4,1 x 10^-15 / (10^-7)² = 0,41 mol/L.
Ksp = [Fe³⁺][OH^-]³ = [Fe³⁺](10^-7)³ = 2 x 10^-39 --> [Fe³⁺] = 2 x 10^-18 --> Ikke løselig.

b) - Regn ut likevektskonstanten for følgende likevekt:

2 H₂PO₄^- ó H₃PO₄ + HPO₄^2-

Hva betyr det at fosforsyre er en buffer?
Ved hvilke pH-verdier vil fosforsyre ha særlig høy bufferkapasitet?

Svar:

I	H₂PO₄^- ó H^₊+ HPO₄^2-	K₁ = K_a,2 = 10^-7,20
II	H₂PO₄^- + H^₊ó H₃PO₄	K₂ = 1/K_a,1 = 10^2,15
I + II	2 H₂PO₄^- ó H₃PO₄+ HPO₄^2-	K = K₁ x K₂ = 10^-7,20 x 10^2,15 = 10^-5,05

En buffer vil motvirke pH-endring ved at den reagerer med H⁺ eller OH^-. Bufferkapasiteten er størst ved pKa-verdiene, dvs. 2,15, 7,20 og 12,38.

Oppgave 2.

Hvor mye varme utvikles i følgende reaksjon: HgI₂ (s) + O₂ (g) <-> 2 HgO (s) + I₂ (s)?
Hva er temperaturen etter endt reaksjon hvis all varme ble i produktene og hvis start-temperaturen er 25^oC?

svar: Merk at ligningen her ikke er balansert, det må gjøres først. Slik oppgaven var gitt (jeg hadde glemt å slette det ene 2-tallet) innser jeg at det var lett å bli lurt. Det blir et plusspoeng for de som klarte å se det, mens jeg er overbærende med de som ikke så det.

Balansert ligning: 2 HgI₂ (s) + O₂ (g) <-> 2 HgO (s) + 2 I₂ (s)
ΔH^o = (2x(-91) + 2x(0) - 2x (-105))kJ/mol - 0 = 28 kJ/mol
q = - ΔH^o = -28 kJ/mol. Merk: Her er det en negativ varmeutvikling!
ΔT = q/c c er her 2 x Cp (HgO) + 2 x Cp (I₂) = (2x44 + 2x54) J/Kmol
ΔT = (-28.000 J/mol)/(196J/K mol) = -143 K. Etter reaksjon er T = 298 K - 143 K = 155 K.

(De som har regnet med ubalansert ligning vil få: ΔH^o = (2x(-91) + (0) - (-105))kJ/mol - 0 = -77 kJ/mol. q = - ΔH^o = 77 kJ/mol
ΔT = (77.000 J/mol)/(142J/K mol) = 542 K. Etter reaksjon er T = 298K + 542K = 840K.)

b) 1 g O₂-gass pumpes inn i en 1L beholder med 1 atm nitrogengass ved 100^oC.

Hva blir partialtrykket av O₂ i beholderen?
Hvor mye O₂ løses i 1 L vann ved disse betingelsene?

Svar: 1g O₂-gass --> n= 1g/32 g/mol = 0,0312 mol PV = nRT --> P = 0,0312 x 0,082 x 373 / 1 = 0,95 atm. Nitrogengassen har ingen betydning.
0,0138 x 0,95 = 0,013 g/l (Obs: Det ble oppgitt at man må bruke løseligheten ved 80^oC, da løseligheten ved 100^oC ikke er oppgitt.)

Oppgave 3.

a) Ca + NO₂ + O₂ à Ca (NO₃)₂

Balansér ligningen og beregn ΔG^o ved 25^oC.

Hva er ΔG^o ved 125^oC?

Beregn likevektskonstanten ved 125^oC.

Svar: Ca + 2 NO₂ + O₂ à Ca (NO₃)₂ ; Hvilke tilstander?
Ca (s) + 2 NO₂ (g) + O₂ (g) à Ca (NO₃)₂ (s). Ca må nødvendigvis være fast ved 25^oC. Se også neste spørsmål.

25^oC: ΔG^o = (- 743 - 0 - 2x51 - 0) kJ/mol = 845 kJ/mol
125^oC: ΔG^o = ΔH^o - T ΔS^o = (-938 - 0 - 2x 33 - 0)kJ/mol - 398K (193 - 42 - 2x240 - 205)J/Kmol = - 1004 kJ/mol - 398K (-534 J/Kmol) = -791 kJ/mol
ln K = - (-791.000J/mol / (8,31J/molK x 398K)) = 240 --> K = e²³⁹.
Et mer leselig svar får man ved å skrive: log K = lnK/2,3 = 104 --> K = 10¹⁰⁴.

b) - Beregn Q for reaksjonen hvis metallet er rent, partialtrykkene for gassene er 0,1 atm og det er 0,1 M av saltet som er løst som ioner i vann.

Ved hvilket temperatur er reaksjonen i likevekt ved de angitt betingelsene?

Svar: Skal man løse alle oppgavene må man ha saltet løst i vann, og da blir ligningen: Ca (s) + 2 NO₂ (g) + O₂ (g) à Ca²⁺(aq) + 2 NO_{3 ^-} (aq)
dvs: Q = (0,1)(0,1)2/1(01)2 (0,1) = 1
Tar man utgangsspunkt i likevekten fra a) og ser bort fra at fasen er en annen, blir Q = 1/(0,1)2 0,1 = 10^-3
Dvs. det er to løsningsmåter:
1) ΔG = ΔG^o + RTlnQ = ΔH^o - T ΔS^o + RTlnQ = 0 =>
T = ΔH^o/(ΔS^o - RlnQ) = (-1006.000 J/mol)/( -793 kJ/mol - 8,31 ln (10^-3) =
(-1006.000 J/mol)/( -534 J/Kmol + 57 J/mol) = (-1006.000 J/mol)/( -477 J/Kmol) = 2100 K
2) Ca (s) + 2 NO₂ (g) + O₂ (g) à Ca²⁺(aq) + 2 NO_3
^- (aq). Q = 1 => T = ΔH^o/ΔS^o = (-1119.000 J/mol)/(-489 J/K mol) = 2290 K
ΔH^o = (-543 + 2(-207) - 0 - 2x 33 - 0)kJ/mol = -1119 kJ/mol
ΔS^o = (-56 + 2(147) - 42 - 2x240 - 205)J/Kmol = -489 J/K mol
Det blir ekstrapoeng for den som ser den fullstending løsningen.

Oppgave 4.

a) Ta utgangspunkt i denne cellen: Fe | Fe²⁺ || Sn²⁺| Sn

Finn totalreaksjonen.
Finn E^o for totalreaksjonen.
Finn E hvis jernionkonsentrasjonen er 1 mol/L og tinnionkonsentrasjonen er 10^-6 mol/L.
Angi hva som er anode og katode under de gitte betingelsene, og hvilke fortegn hver av de to elektrodene har.

Svar: Venstre: Fe²⁺ + 2e^- --> Fe E^o = -0,44 V
Høyre: Sn²⁺ - 2e^- --> Sn E^o = -0,14 V
Snur venstre: Fe + Sn²⁺ --> Sn + Fe²⁺ E^o = 0,30 V
E = E^o - 0,0592V/n logQ = 0,30 V - 0,0592V/2 log ([Fe²⁺]/[Sn²⁺]) = 0,30V - 0,03V x log (1/10^-6) = 0,30V - 0,03V x 6 = 0,30 V - 0,18 V = 0,12 V
"Oksen anton": Jern oksideres og er anoden. Ved oksidasjonen produseres elektroner, som gjør anoden negativ.

b) Høyre kammer erstattes av en oksygenelektrode, dvs. en platinatråd som det bobles oksygengass rundt.

Tegn opp cellen slik at man ser at den kan levere strøm.
Hvordan transporteres strømmen i ledningen og i løsningene?
Beregn E hvis jernionkonsentrasjonen er uendret, P(O₂) = 0,21 atm og pH = 8.

Svar: Tegning: Pass på saltbro og inert leder i oksygenelektroden; I ledningen som elektroner, i løsningen som ioner;
Venstre:     Fe²⁺ + 2e^- --> Fe                    E^o = -0,44 V
Høyre:        O₂ + 4H⁺ + 4e^- -> 2 H₂O    E^o = 1,23V
Snu venstre, og gang den med to:
O₂ + 4H⁺ + 2 Fe --> 2 Fe²⁺+ 2 H₂O   E^o = 1,67 V
Q = 1 x [Fe²⁺]²/ pO₂ x [H⁺]⁴ = 1/0,21 x (10^-8)4 x 1 = 1 / 0,21 x 10^-32. Q = 4,8 x 10³²
E = E^o - 0,0592V/n log Q = 1,67V - 0,0592V/4 log 4,8 x 10³² = 1,67 V - 0,015V x 32,7 = 1,67V - 0,49V = 1,18V

Oppgave 5.

Geofag:

Angi formel for svovelsyre, saltsyre og natronlut.
Angi formelen for saltene som oppstår når de to syrene reagerer med basen.
For den ene av syrene er det to mulige resultater av reaksjonen. Angi formel for begge.
Angi saltene som dannes hvis de samme to syrene nøytraliseres med kalsiumkarbonat.

Svar: H₂SO₄, HCl, NaOH; Na₂SO₄, NaCl; Na₂SO4, NaHSO₄; CaSO₄, CaCl₂.

Tegn opp molekylformel for de to viktigste oksidene av karbon.
Hvilket av disse to oksidene skal bilkatalysatorer fjerne, og hva omdannes dette oksidet til?
Hvilket miljøproblem er CO₂ særlig knyttet til?
Angi tre andre gasser som gir viktige bidrag til dette problemet.
Når kalk brennes, frigjøres CO₂ og det dannes brent kalk. Hva er formelen for denne?

Svar: O=C=O C=O; CO omdannes til CO₂; Drivhuseffekt; vanndamp, metangass, N₂O, KFK-gasser; CaO.

Bygg:

a) - Hva er det mineralske hovedråstoffet for produksjon av sement?

Korreksjonsmaterialene er i hovedsak oksider av tre grunnstoffer. Hvilke tre grunnstoffer?
For klar kort produksjonsprosessen.
Gi eksempler på de hovedforbindelsene som dannes under sementproduksjonsprosessen.
Hva skjer med disse stoffene når man tilsetter vann til sementen?

Svar: CaCO₃ (kalkstein); Al, Si og Fe; Kalstein, korreksjonsmaterialene og tilsatsstoffer knuses til mel, brennes i en rørovn ved ca. 1450^oC til klinker for dør det igjen males til mel.; trikalsiumsilikat, dikalsiumsilikat, trikalsiumaluminat, tetrakalsiumalumniumferitt ; oksidene hydratiseres (binder til seg vann) og det frigjøres Ca(OH)₂. Dette reagerer så med jernforbindelsene.

b) - Hva er pH i porevannet i norsk standard sement?

Hvilke stoffer i sementen er det som skaper denne pH-verdien.
Hvorfor er denne pH-verdien gunstig?
Hva er karbonatisering av betong, og hvorfor er det uønsket?
Hva betyr dekromatisering av sement eller betong, og hvordan gjøres det?

Svar: ca. 13,5; K₂O og Na₂O; Det sørger for stabil passivisering av armeringsstålet; At basen reagerer med CO₂ i lufta, gir lavere pH og ødelegger passivbeskyttelsen for armeringsjernet; Fjerning av kromat (CrO₄^2-) ved tilsats av FeSO₄.

Oppgave 6.

a) - Tegn opp en celle for elektrolyse av vann.

Hvor stor spenning må til for at elektrolysen skal skje hvis begge elektrodene står i samme vannløsning?
Hvor stor spenning må til hvis de to elektrodene står i hvert sitt kammer, og pH er 0 der det utvikles oksygen og 14 der det utvikles hydrogen.
Hvorfor må man regne med å bruke en spenning som er minst ca. 1 V høyere enn den beregnede for å få reaksjonen til å gå?
Hvorfor skjer elektrolysen raskere i saltvann, syre eller i lut enn i rent vann?

Svar: Tegning: Det er nok med ett kammer, men det må være elektisk ledning, to elektroder og strømkilde; 1,23V; 2,06V; På grunn av overspenning ved utvikling av gass; Elektrisiteten ledes av ioner, rent vann har få ioner.

b) Løsningen elektrolyseres med en strømstyrke på 1A i 1 time.

Hvor mange mol O₂ produseres under elektrolysen?
Hvor mange mol H₂ produseres under den samme elektrolysen?
Hvordan kan man finne ut hvordan E påvirkes av temperaturen?

Svar: 1A i 1 time = 3600 C (As) --> 3600 C / 96.500 C/mol = 0,0363 mol e^- ---> 4 e^- per mol O₂ --> 0,0093 mol O₂; Dobbelt så mye, det dannes 2 mol H₂ per mol O₂; Regne ut E utfra verdier for ΔG^o, som igjen regnes ut fra verdier for ΔS^o og ΔH^o. E = -ΔG^o/nF og ΔG^o = ΔH^o- TΔS^o

Oppgave 7.

a) - Forklar hvorfor det kan være farlig å feste to stålplater med en sinkbolt, mens det ikke er så farlig å feste to sinkplater med en stålbolt.

Forklar hvorfor dette ikke blir noe problem hvis man isolerer bolten fra platene med plast.
Ville det hjelpe å bytte ut stålplatene med platina? Begrunn svaret.
Ville det hjelpe å bytte ut sinkbolten med platina? Begrunn svaret.

Svar: Stålet vil fungere som katode, mens sinken vil fungere som anode. En stor katode og en liten anode betyr at all korrosjon bli konsentrert på et lite punkt. En sinkbolt vil derfor korrodere fort, for den er anode for hele stålplatene. Omvendt er det ufarlig fordi sinken utgjør en stor anode og stålbolten bidrar lite til størrelsen på katoden; Det må være elektrisk ledning mellom anode og katode; Nei. Katodereaksjonen er ikke en reaksjon hvor metallet inngår, altså er metallet uvesentlig; Ja. Metallet inngår i anodereaksjonen, og når anodemetallet ikke kan reagere, blir det heller ingen anodereaksjon.

b) Ofte ser man at korrosjon oppstår der det er oksygenfritt, ikke der metallet er i kontakt med oksygen.

Forklar hvorfor pH stiger der katodereaksjonen skjer.
Forklar hvorfor pH gjerne synker der anodereaksjonen skjer.
Forklar hvordan en påtrykt negativ spenning kan hindre at stål korroderer.
Forklar hvordan en påtrykt positiv spenning kan hindre at stål korroderer.
Forklar hvorfor korrosjonen oppstår der det er oksygenfritt, ikke der metallet er i kontakt med oksygen.

Svar: O₂ omdannes til OH^- (eller forbruker H⁺) i katodereaksjonen; Metallioner reagerer med vannet og gjør det surt; Den spenningen katoden føler blir så lav at det blir immunt; Spenningen blir så høy at jernet kommer inn i det passive området; Der det er oksygen gjør katodereaksjonen vannet basisk, der anodereaksjonen er blir det surt. Dermed blir katodeområdet passivt, mens anodeområdet blir aktivt.

Oppgave 8.

a) Ta utgangspunkt i Pourbaixdiagrammet for jern:

Hva betyr de to stiplede, parallelle skrålinjene i Pourbaix-diagrammene?
Hva avgjør om en praktisk situasjon befinner seg nær den ene eller den andre linjen?
Vil stål korrodere ved pH=7 i kontakt med vann mettet med oksygen? Begrunn svaret.
Forklar utfra Nernst ligning hvorfor grensen mellom immunitet og aktiv korrosjon for jern i sur løsning er avhengig av [Fe²⁺].
Hva er en passivfilm?

Svar: Spenningen som skapes av katodereaksjonene med O₂ og H⁺; Oksygenrikt vann tilsvarer den øvre linjen, oksygenfritt vann tilsvarer den nedre; Mei, da er det passivt; Grensen bestemmes utfra reaksjonen Fe -> Fe²⁺ + 2e^-. E = E^o - 0,0592/n log Q, hvor Q da er [Fe²⁺]; Et tynt oksid- eller hydroksidbelegg som beskytter mot korrosjon.

b) - Hvorfor er aluminium og sink aktive ved høye pH-verdier?

Hvorfor har stål et større aktivt område i saltvann enn i ferskvann?

Svar: Passivfilmen løses opp som hydroksykompleksen; Kloridioner ødelegger passivfilmen ved kompleksdannelse.

Bygg: - Hvorfor kan man ikke bruke aluminium til armering i betong?
Geofag: - Hvorfor vil sink korrodere i en konsentrert ammoniakkløsning, selv om pH ligger i det passive området.

Svar: Bygg: pH i betongens porevann er så høy at det gjør aluminium aktivt.
Geofag: Zn²⁺ + 4 NH₃ --> Zn(NH₃)₄^2-. Denne kompleksdannelsen gjør at passivfilmen ødelegges.

Oppgave 9.

Geofag:

a) Ammoniakkmolekylet er formet som en trekantet pyramide hvor nitrogenatomet står på toppen, og de tre hydrogenatomene står nede i hvert sitt hjørne.

Forklar hvorfor dette molekylet er polart.
Forklar hva dette har å si for kokepunktet for ammoniakk.
Ammoniakk løses meget godt i vann. Forklar hvorfor.
Vil du anta at løseligheten av metan i ammoniakk var god eller dårlig? Begrunn svaret.

Svar: N og H har ulik elektronegativitet, og molekylet er ikke symmetrisk; Molekylet er polart, og det dannes derfor sterkere bindinger enn melllom upolare molekyler. Ammoniakk og vann er begge poalre. I tillegg danner begge hydrogenbindinger; Metan er upolart og vil derfor ikke løses i ammoniakk.

a)- Forklar bindingene i et metall, og forklar de typiske metallegenskapene utfra dette.

Forklar bindingen i et salt.
Forklar hvorfor SiO₂ er et hardt stoff, mens CO₂ er en flyktig gass.
Forklar sammenhengen mellom de tre typene sterke bindinger og elektronegativitet.

Svar: Metallatomene gir fra seg elektroner slik at de blir positive ioner i en sky av elektroner. Dermed blir metallene gode ledere for elektrisitet, og de blir ugjennomsiktige og får metallglans; Positive og negative ioner holdes sammen av elektrostatiske krefter; SiO₂ danner et gitter hvor alle bindingene er sterke, kovalente, CO₂ er molekyler som holdes sammen av svake bindinger; Hvis alle atomene har høy elektronegativitet: Kovalent. Hvis alle har lav: Metallbindinger. Hvis noen har høy og noen har lav: Ionebindinger.

Bygg:

Hvorfor er bronse mye sterkere enn kobber? (Jeg vil ha den fysikalske forklaringen, ikke bare hva som er forskjellen i sammensetning for bronse og kobber.)
Hva har høyest smeltepunkt av kobber og bronse?
Hva er definisjonen på stål?
Hva skjer når stål med ca. 0,8% C kjøles ned fra 727^oC til 720^oC?
Ta utgangspunkt i fasediagrammet og forklar kort hvorfor dette skjer.

Svar: Atomene får forskjellig størrelse, slik at glideplanene blir brutt opp; Kobber. Alle metaller får lavere smeltepunkt når de blir legert (bronse er kobber legert med tonn); Jern med inntil 2% C (+ andre grunnstoffer); Gammajern omdannes til perlitt; Løseligheten for C i gammajern er større enn i alfajern. Når gammajern ikke lenger er stabilt og omdannes til alfajern vil derfor C-atomene komme ut av jernet og danne Fe₃C-lameller.

b) - Forklar hva som skjer med stål som blir smidd eller varmvalset, og hvilken betydning dette har for stålets kvalitet.

Forklar hvordan og hvorfor avkjølingshastigheten påvirker stålkvaliteten (hint: bainitt).
Prøv å gi en forklaring på hvorfor høykvalitets stål kan miste mye av sin styrke hvis temperaturen stiger til ca. 600^oC.

Svar: Kornene blir deformert, og det gjendannes nye kort i korngrensene. De nye kornene vil gjerne være mindre en de opprinnelige, noe som er gunstig for styrken. Blir det ingen gjendannelse vil stålet ha en tendens til å sprekke; Avkjølingshastigheten avgjør hva som skjer nå gammajern blir ustabilt. Dvs. hvorvidt karbonet kommer ut, hvor store og mange lamellene er og hvorvidt det finnes restaustenitt; Alle metaller vil bli svakere når temperaturen stiger. I tillegg kan strukturen begynne å endres fordi C-atomene begynner å flytte på seg.

Oppgave 10.

a) Tegn opp følgende molekyler:

Propan, 2-metyl propan, propen, polypropen, 1-propanol, 2-propanol, propansyre og propylpropionat.

Svar: CH₃CH₂CH₃; CH₃-CH(-CH₃)-CH₃; CH₃CH=CH₂; -(CH₂-CH(-CH₃))_n- ; CH₂(OH)-CH₂-CH₃; CH₃-CH(OH)-CH₃; CH₃-CH₂-C(=O)OH; CH₃-CH₂-C(=O)OCH₂-CH₂-CH₃.

b) - Tegn opp et molekyl med en bensenring, og hvor følgende fire grupper er bundet til benzenringen: En metylgruppe (som i toluen), en syregruppe (som i benzosyre), en hydroxygruppe (som i fenol) og en vinylgruppe (som i styren = vinylbensen).

Angi hvordan denne forbindelsen kan brukes til å lage en polymer.
Angi en mulighet for at denne polymeren kan vulkaniseres, dvs. omgjøres til en herdeplast.

Svar: Obs: Det står tegn opp et molekyl, ikke fire (figur kommer senere); Molekylet inneholder både en OH-gruppe og en syregruppe, og kan derfor sanne en polyester; vulkaniseringen kan skje på grunn av vinylgruppen. (vinyl = -CH=CH₂, jfr. vinylklorid).