EKSAMEN I SIK 0503 KJEMI
Kjemi for Maskinteknikk, Materialteknologi linje metallurgi og Energi og miljø
Lørdag, 29. mai 1999
Oppgavesett med løsning

 
 

Oppgave 1.

a) Gitt likevekten : 2CO(g) + 2NO(g) = 2CO2(g) + N2(g)
        -  Beregn D Ho, D So og D Go for reaksjonen ved 25 oC.

D HoR = 2D Ho,(CO2 ) + D Ho,(N2) -2D Ho,(CO) - 2D Ho,(NO)
            = 2×(-394) + (0) 2×(-111) 2×(90) = - 746 kJ

D SoR = 2So,(CO2 ) + So,(N2) -2So,(CO) - 2So,(NO)
           = 2×(214) + (192) 2×(198) 2×(211) = - 198 J/K

D GoR = D HoR - T × D SoR = (- 746) 298× (- 0.198) = - 687 kJ
 

          b) Beregn likevektskonstanten for reaksjonen i a) ved 25 oC og ved 300 oC. Ved likevekt er D G = O slik at D Go = - RTln(K). Både D Go og likevektskonstanten (K) er temperaturavhengige størrelser.

ln(K25) = -D Go/(RT)
            = - (- 687000)/(8.314 × 298) = 277 Þ K25 = 10(277/ln(10)) = 10120

D Ho og D So kan regnes som tilnærmet uavhengig av temperaturen.
ln(K300) = - (D Ho - TD So )/(RT) 
              = - (- 746000 573 × (-198))/(8.314 × 573) = 133 Þ K300 = 1058

Oppgave 2

a) I en airbag skjer følgende reaksjon : NaN3(s) ® Na(s) + N2(g)
          -  Balanser ligningen.
          -  Airbagen inneholder 160 gram NaN3(s). Reaksjonen går fullstendig
              til høyre ved utløsning.  Hvor stort blir airbag volumet ved STP ?

Balansert ligning : 2NaN3(s) ® 2Na(s) + 3N2(g)
Antall mol NaN3 = (160 gram) / (65.0 g/mol) = 2.46 mol
Det er N2(g) som gir opphav til volumet i airbagen.
Antall mol N2(g) som dannes : (3/2)(2.46 mol) = 3.69 mol
Gassvolumet er gitt ut fra ideell gasslov Þ PV = nRT
STP tilsvarer standard temperatur og trykk (pressure) : 0oC og 1 atm
V = (nRT)/P = (3.69 × 0.082 × 273)/1 = 82.6 liter

b)  Sett opp likevektsuttrykket og finn likevektskonstanten for følgende
     reaksjoner ved 25 oC :
         i)   Fe2+(aq)  +  6CN-(aq)  =  Fe(CN)64-(aq)
        ii)   Zn2+(aq) + 4CN- (aq)   =  Zn(CN)42-(aq)
        iii)  2Fe2+(aq) + 3Zn(CN)42-(aq) = 2Fe(CN)64-(aq) + 3Zn2+(aq)

Likevektskonstanten for reaksjon i) og ii) er direkte gitt i tabell 20A i SI (komplekslikevekter).

     Ki = ([Fe(CN)64-]) /(( [Fe2+])× ([CN- ])6) = 1035.4
     Kii = ([Zn(CN)42-]) /(([Zn2+])× ([CN- ])4) = 1019.62

Ligning iii) framkommer ved kombinasjon av i) og ii) Þ (iii) = 2(i) 3(ii)

Kiii = (([Fe(CN)64-])2 ×([Zn2+])3)/(( [Fe2+])2 ×([Zn(CN)42-])3) = (Ki)2 × (Kii)-3 = 1011.94
 

Oppgave 3.

a)  -   Hva er konsentrasjonen ( i mol/l) av Br2(l) i ren flytende Br2(l) ?
     -   Hva er aktiviteten av Br2(l) i ren flytende Br2(l) ?
     -   Hvorfor er likevektskonstanten alltid ubenevnt ?

Konsentrasjon = tetthet/molvekt Både tetthet og molvekt finnes på side 24 i SI (tabell 5).
Konsentrasjon av Br2 = (3100 g/l)/(159.8 g/mol) = 19.4 mol/l

Aktivitet = (virkelig tilstand)/(standard tilstand)
Standardtilstand for ren væske er 100% ren væske.
Aktivitet av ren Br2(l) = (100% ren væske)/(100% ren væske) = 1.0 (ubenevnt)

I et likevektsuttrykk er det aktiviteter som inngår. Hvis virkelig tilstand settes inn med samme benevnelse som standardtilstand, blir aktiviteten ubenevnt og derav blir også
likevektskonstanten ubenevnt.

b)   - Hva er partialtrykket av Br2(g) over ren Br2(l) ved 25oC ?
      - Finn kokepunktet til Br2(l) ved hjelp av termodynamiske data
        ( DHo, D So og D Go).

       Br2(l) = Br2(g)                                K = PBr2(g)/aBr2(l) = PBr2(g)
Likevektskonstanten kan beregnes fra D Go
D Go = D Go,Br2(g) - D Go,Br2(l) = 3 (0) = 3 kJ/mol
ln(K) = -D Go/(R× T) = (- 3000)/(8.314× 298) = - 1.21 Þ K = 0.30 Þ PBr2 = 0.30 atm

Ved kokepunktet er D G = 0 og PBr2 = 1.00 atm Þ K = 1
Ved likevekt : D G = D Go + RTln(K) = 0
Når K = 1 (ved kokepunkt), blir D Go = 0
D GoD Ho - Tkoke× D So  =  0
D HD Ho,Br2(g) - D Ho,Br2(l)  =  31 (0)  =  31 kJ/mol
D So =   So,Br2(g)  So,Br2(l)  =  245    (152)  =   93 J/(K× mol)
Tkoke = D Ho/D S=  31000/93  =  333 Kelvin  =  60 oC
Dette stemmer godt overens med det oppgitte kokepunkt i SI som er 59 oC.
 

Oppgave 4.

a)      Hva er pH i 0.3 M HI ?
     - Hva er pH i 0.5 M HF ?

HI er en sterk syre som er fullstendig dissosiert :    HI   ®  H+  +   I-
[H+] = 0.3 mol/l Þ pH = - log([H+]) = - log(0.3) = 0.52

HF er en svak syre.  Ka finnes fra tabell 22 i SI :   Ka = 10-3.17
                     HF    =    H+    +    F-
   Før :           0.5          0            0
   Etter :     (0.5 x)      x             x
                          x2/(0.5- x) = Ka   Þ    x = [H+] = 0.018
                          pH = - log(0.018) = 1.74
 

b) Du løser 250 g av KNO2(s) i 5 liter vann. Hva blir pH ?

KNO2 løser seg fullstendig i K+ og NO2-
NO2- er en base med HNO2 som konjugerende syre.
Beregner utgangskonsentrasjon av NO2: (250 g)/((5 liter)(85.1 g/mol)) = 0.59 mol/l
                     NO2-     +    H2O    =    HNO2     +    OH-
        Før :      0.59                                 0                 0
        Etter : (0.59 x)                            x                  x
For en baseligning må vi bruke Kb Þ Kb = (Kw)/(Ka) = 10-10.85
Kb = x2/(0.59 - x) Þ x = [OH- ] = 2.9 × 10-6 mol/l
pOH = - log(OH-) = 5.54      Þ        pH = 14.0    pOH = 8.46
 

Oppgave 5.

a) Gitt følgende cellerekke : Fe(s)½ Fe2+ (0.1 M) ½½ Ag+ (0.01 M) ½ Ag(s)
     -   Sett opp uttrykk for anode-, katode- og total-reaksjonen.
     -  Beregn standard cellepotensial (Eo).
     -  Beregn cellepotensialet (E).
     -  Vil denne cellen kunne fungere som en spontan celle ?

En cellerekke er definert slik at anoden alltid er til venstre.
Anode (oksidasjon) : Fe(s)  ®  Fe2+ + 2e-        EoAnode- (- 0.44 V) = 0.44 V
Katode (reduksjon) : Ag+ + e-  ® Ag(s)           EoKatode =  0.80 V
Total :  2Ag+  Fe(s)  ®  2Ag(s)  +  Fe2+
EoCelle =  EoKatode +  EoKatode  =  1.24 V
ECelle kan beregnes fra Nernst ligning.
ECelle = EoCelle - (RT/nF) × ln(([Fe2+])/([Ag+])2)
ECelle = 1.24 (0.0592/2) × log((0.1])/([0.01])2) = 1.15 V
Da ECelle > 0, vil cellen kunne fungere som en spontan celle.
 

b) Tegn cellen i a).
     -  Merk av anode og katode med polaritet (+ og -).
     -  Tegn inn hvordan elektronene beveger seg.
     -  Hva betyr dobbelstreken (½½ ) i cellerekken ?

Oppgave 6

a) På neste side (figur 1) er det vist Pourbaix-diagrammet for nikkel.
    -  Hvilke reaksjoner representerer de merkede linjene a) og b) i diagrammet
       (skriv reaksjonsligninger).
    -  Anta at konsentrasjonen av oppløste metallioner er 10-4 mol/l.
       Merk av i diagrammet hvor metallet henholdsvis vil vise aktiv,
       passiv og immun oppførsel.

De merkede linjene tilsvarer reduksjonslinjene.
Linje a) er hydrogenutvikling :     2H+(aq)  +  2e-  ®  H2(g)
Linje b) tilsvarer reduksjon av oppløst oksygen : O2(g,løst)  +  4H+(aq)  +  4e-  ®  2H2O

Metallet er aktivt der en har ioner tilstede, passivt der en har oksid eller hydroksid tilstede og immunt der en har rent nikkel tilstede. De aktive områdene er avgrenset av 4 linjene siden konsentrasjonen av oppløste metallioner er 10-4 mol/l (se figur).

 
 
 
 
 
 

b)  -  Anta fortsatt at konsentrasjonen av oppløste metallioner er 10-4 mol/l.
         I hvilke pH-områder kan en få aktiv korrosjon hvis ikke oppløst oksygen
         er tilstede i løsningen.
      -  Hvordan endres området hvis en har oppløst oksygen tilstede ?
      -  Bruk diagrammet til å bestemme DGfo for Ni2+(aq)

Når oppløst oksygen ikke er tilstede, er hydrogenutvikling den eneste mulige katodereaksjonen. En kan få aktiv korrosjon i de pH-områder der en aktiv sone ligger under hydrogenlinja. Aktiv korrosjon er mulig for pH < 6.2.

Når oppløst oksygen er tilstede, må en se på de aktive sonene som ligger under oksygenlinjen. Aktiv korrosjon er mulig for pH < 8.0 og pH > 14.0

D Gfo(Ni2+) skal finnes fra Pourbaix-diagrammet.
Ser på linje 9) som tilsvarer :  Ni2+  +  2e-  ®  Ni(s)
DGR DGfo(Ni)  DGfo(Ni2+) = - DGfo(Ni2+)
DGRo = - n × F× Eo
E  =  Eo (0.0592/2)× log(1/[Ni2+])
Merk at det er E og ikke Eo som leses av fra diagrammet.
E varierer med [Ni2+]. Det er enklest å velge 0-linjen for da er [Ni2+] = 100 = 1,
slik at E = Eo
På 0-linjen leses E = Eo av til 0.24 V.
DGRo = - 2 × 96485 × (- 0.24) = 46 kJ/mol
DGfo(Ni2+) = -DGRo = - n× F× Eo = - 46 kJ/mol
Dette stemmer godt med den tabellerte verdien i SI som er 54 kJ/mol
 

Oppgave 7.

a) Det finnes to ulike metoder for katodisk beskyttelse : Bruk av offeranoder
    og bruk av påtrykt strøm fra en ekstern strømkilde (likeretter).

-  Hvilke tre metaller er de vanligste offeranode materialene for beskyttelse
    av jern og stål.
-  Ved påtrykt strøm brukes det inerte anoder. Hva betyr det at anodene er inerte ?
- Hvilke to reaksjoner vil skje på en inert anode i sjøvann (sett opp ligninger) ?

Som offeranoder brukes det uedle materialer. De tre vanligste offeranodematerialene er sink
(Zn), aluminium (Al) og magnesium (Mg). (Siden aluminium er passivt ved den aktuelle pH, må aluminium tilsettes en aktivator for at aluminiumanoden skal kunne korrodere uniformt. Som aktivator brukes ofte tilsats av 0.01 vekt% indium.)

En inert anode løses ikke opp slik som en offeranode gjør. Som materiale for inerte anoder kan det brukes det titan, grafitt (ikke 100% inert pga dannelse av CO2), DSA, Fe-Si, magnetitt eller platinert titan.

På en anode vil det alltid skje oksydasjonsreaksjoner tilsvarende strømmengden i Faradays lov.  I sjøvann vil det være to konkurrerende anodereaksjoner på en inert anode :
           Oksygenutvikling :   2H2O   ®  O2(g)  +  4H+  +  4e-
           Klorutvikling :   2Cl- ® Cl2(g)  +  2e-
          (Klorutvikling blir favorisert ved høye anodiske strømtettheter.)

b)  -  Hva menes med en inhibitor i korrosjonssammenheng ?
     -  Hvilke to stoffer er de viktigste legeringselementene i rustfritt stål ?
     -  Hvilket legeringselement tilsetter man i tillegg for å få syrefasthet ?

En inhibitor er et stoff som tilsettes for å redusere korrosjonshastigheten (brukes i lukkede systemer). Den mest vanlige formen for inhibitorer er adsorbsjonsinhibitorer som adsorberes til metalloverflaten og hindrer reduksjonsreaksjonen og/eller oksydasjonsreaksjonen å skje. Adsorbsjonsinhibitorer er ofte store organiske molekyler med innhold av enten svovel eller nitrogen.

De to vanligste legeringselementene i rustfritt stål er krom (Cr) og nikkel (Ni).
Molybden (Mo) tilsettes i tillegg for å få syrefasthet.
(Legeringselementene gjør at stålet får et tett og stabilt oksidskikt som beskytter mot videre
korrosjon.)
 

Oppgave 8.

a) - Tegn strukturformelen for benzen
    -  Hvilke faremomenter er knyttet til bruk av benzen som løsemiddel ?
    -  Hvilke sikkerhetsregler bør en følge ved bruk av benzen ?

Faremomenter og sikkerhetsregler kan finnes direkte fra SI.
Slå først opp komprimerte farekoder i tabell 6A, side 86 : 3b6.01/02
Slå deretter opp utvidede fare- og sikkerhets-koder på side 167.

Farekoder : 45, 11, 23/24/25, 48
Sikkerhetskoder : 53, 16, 29, 44
Betydning av farekoder finnes på side 172-173 mens betydning av sikkerhetskoder finnes på side 174-175.

Farekoder : 45 : Kreftfremkallende
                     11 : Svært brannfarlig
                     23/24/25 : Giftig ved inhalering, ved hudkontakt og ved svelging.
                     48 : Fare for alvorlige helseskader ved langvarig eksponering.

Sikkerhetskoder :
                     53 : Unngå eksponering. Ta spesielle sikkerhetshensyn før bruk.
                     16 : Hold stoffet unna tennkilder. Ikke røyk i nærheten.
                      29 : Tøm ikke stoffet i avløpsrøret (sluket).
                      44 : Hvis en føler seg uvel, bør en søke medisinsk ekspertise.
 

b)   - Tegn strukturformel for monomeren som polypropylen er bygd opp av.
      - Tegn strukturformel for det repeterende leddet i polypropylen.
      - Er polypropylen en herdeplast eller en termoplast (gi begrunnelse) ?

 

Oppgave 9.

-  Hvilken beskyttende effekt har ozonlaget
-  Hvilke gasser regnes som de farligste for ozonlaget ?
-  Hvilke menneskelige skader kan svekket ozonlag føre til ?

Ozonlaget beskytter jorda mot UV-stråler.
De mest kjente ozonødeleggende gassene er NOx, KFK-gasser (Klor-Fluor-Karbon) og Haloner.

Økt UV-stråling gir økt forekomst av solbrenthet, snøblindhet og andre øyeskader, tidlig aldring på huden og hudkreft.

b)  -  Forklar begrepet drivhuseffekt.
     -  Hvilke gasser regnes som de viktigste menneskeskapte drivhusgassene ?

Solstråler absorberes av jordoverflaten som varmes opp og tilbakestråler infrarøde stråler. En del av disse infrarøde strålene blir absorbert av drivhusgasser slik at varmen forblir i atmosfæren. Drivhusgassene virker som et enveis filter der solstrålene slipper gjennom mens de infrarøde strålene fra jorden ikke slipper ut.

De viktigste menneskeskapte drivhusgassene er CO2, CH4 (metan), KFK, NOx, (Fluorider og Ozon). Vanndamp er også en viktig drivhusgass, men vanndampinnholdet i atmosfæren er lite påvirket av menneskelig aktivitet.
 

Oppgave 10.

a) Starthastigheten for reaksjonen 2A + B ® C + D, er eksperimentelt målt ved fire forskjellige betingelser (se tabell 1).
   -  Bestem hastighetsloven.
   -  Hva blir verdien for hastighetskonstanten, k (husk benevnelse) ?

Tabell 1 : Eksperimentelle kinetikkdata ved 25oC

Eksperiment nummer
Utgangskons. [A]
mol/l
Utgangskons. [B]
mol/l
Utgangshastighet, r
mol/(l×s)
1
0.38
0.24
2.8× 10-3
2
0.45
0.12
7.0× 10-4
3
0.19
0.48
1.1× 10-2
4
0.76
0.24
2.8× 10-3

Den generelle hastighetsloven er gitt på formen : r = k × [A]x ×[B]y
Ordenskoeffisientene (x og y) kan bestemmes ut fra de eksperimentelle målingene.
Måling 1 og 4 har samme [B] og samme hastighet, r. Dette betyr at r er uavhengig av [A], som igjen betyr nullte orden med hensyn på A (x = 0).
Orden med hensyn på [B] kan en finne ved å dele forsøk 1 på forsøk 2.
  (0.24/0.12)y = (2.8×10-3)/(7.0×10-4)
  (2)y = 4 Þ y = 2 Þ r = k × [B]2

Verdien på k kan bestemmes ved at en velger en av målingene. (Uansett hvilken måling en velger skal en få samme k-verdi). Velger måling 1
            k = r/[B]2 = (2.8×10-3 mol/(l s))/(0.24 mol/l)2 = 0.049 liter/(mol s)

b)  Eksperiment 1 utføres ved 75 oC i stedet for ved 25 oC men med de samme utgangs-
konsentrasjoner av A og B (henholdsvis 0.38 mol/l og 0.24 mol/l). Den nye utgangshastigheten måles til 0.34 mol/(l s).
                  -  Hva blir aktiveringsenergien ?
                  -  Forklar hva som menes med aktiveringsenergi.

Arrhenius ligningen : k = A× e-Ea/(RT)
(k2/k1) = (r2/r1) = e-(Ea/R)(1/T2- 1/T1)
Den temperaturuavhengige konstanten A forkortes bort når man deler to målesett på hverandre.
           - (Ea/R)(1/T2-1/T1)  =  ln(r2/r1)
           (Ea/R)(1/T1-1/T2)  =  ln(r2/r1)
            Ea  =  R×(ln(r2/r1))/(1/T1-1/T2)
            Ea = 8.314× (ln(0.34)/(2.8× 10-3))/(1/298- 1/348) = 82759 J/mol = 82.8 kJ/mol