Eksamen i fag 50505/50508, vinteren 1998.

Med løsningsforslag.

Oppgave 1.

• Forklar kort begrepene entropi og entalpi.

 

 

Svar: Entalpi er følbar varme, enten varme i et legeme eller varme som frigjøres ved en kjemisk reaksjon. Entropi er mål for grad av uorden i en struktur. Enhver hendelse vil gå i en retning som bidrar til økende entropi for universet som helhet.
 
 

• Se på reaksjonen: Na (s) + 1/2 Cl₂ (g) -> NaCl (aq).

Endringene i omgivelsenes entropi som følge av reaksjonen er gitt ved (delta)S_omgivelser = - (delta)H/T.
Hva er endringen i universets entropi som følge at 1 mol Na (s) reagerer etter denne reaksjonen?

Svar: (delta)G = (delta)H - T (delta S)
=> -(delta)G/T = - (delta)H/T + (delta)S_system
=> -(delta)G/T = (delta)S_omgivelser + (delta)S_system = (delta)S_univers.
=> 1318 J/K mol
 
 

Oppgave 2.

• Beregn (delta)G° for reaksjonen H₂ + CO₂ -> CO + H₂O ved 1000K.

Hva er uttrykket for og verdien av likevektskonstanten for reaksjonen?

 Svar: (delta)G°(1000K) = (delta)H°(298K) - T(delta)S°(298 K) = -RTlnK.
Husk at vann er i gassform.
(delta)H° = 41 kJ/mol, (delta)S° = 42 J/J mol. (delta)G° = 41 kJ/mol - 1000K x 42 J/K mol = -1 kJ/mol
K = 1,13 = P(CO) x P(H₂O) / P(H₂) x P(CO₂).
 
 

• I en 1 liters beholder ved 1000K er det ved likevekt 1g H₂, 1g CO og 1g H₂O.

Hvor mye CO₂ er det i beholderen?

Svar: Regn om grammengden/l til mol/l og deretter til trykk. P(CO₂) kan deretter beregnes fra likevektskonstanten. (Regn eventuelt om til gram.)
 
 

Oppgave 3.

• Du heller 1,00 L av 3,00 molar saltsyre i et kar hvor du har 1,00 mol fast kalsiumkarbonat og 1 M CaCl. Temperaturen er 25°C før reaksjonen, og reaksjonsblandingen avkjøles til 25°C etter reaksjonen.

Hvor mye varme avgis ved reaksjonen?

Svar: Regn ut (delta)H° for reaksjonen 2H⁺ + CaCO₃(s) -> CO₂ + Ca²⁺ + H₂O.
Denne ligningen gir riktigere svar enn 2HCl + CaCO₃(s) -> CO₂ + CaCl₂ + H₂O.
Pr. 2 mol HCl utvikles -(delta)H°/2. Selv om det er 3 mol HCl, så skal det ikke multiplisseres med 3, for CaCO₃ er begrensende faktor, og det er bare 1 mol av den.
Frigitt varme = -(delta)H°, ikke (delta)H°.

• Likevekten er avhengig av trykket.

Hvor stort må trykket være for at reaksjonen skal stoppe opp?

 Svar: Regn ut (delta)G° for reaksjonen, og bruk ligningen (delta)G = (delta)G° - RT lnQ.
Q = P(CO₂)[Ca²⁺]/[H⁺]²
Den verdien av av P(CO₂) som gjør (delta)G = 0 er svaret.
En annen framgansmåte er å regne ut K, og fikke ut hvilket trykk som gir Q = K.
 
 

Oppgave 4.

• Tegn en skisse som viser hvordan en galvanisk celle fungerer. Ta utgangspunktet i cellen
Ag (s) | Ag⁺ (aq) || Cu²⁺ (aq) | Cu (s) og angi anode/katode, positiv/negativ elektrode, strømretning og reduksjonsreaksjon/oksidasjons-reaksjon, samt standard halvcellepotensialer.

Svar: Anode, negativ: Cu -> Cu²⁺ + 2 e^-. E° = 0,34 V
Katode, positiv: Ag⁺ + e^- -> Ag. E° = 0,80 V

• Tegn en skisse som viser elektrolyse av vann og angi anode/katode, positiv/negativ elektrode, strømretning og reduksjonsreaksjon/oksidasjonsreaksjon.

Svar: Katode, negativ: 2H⁺ + 2 e^- -> H₂(g)
Anode, positiv: 4OH^- -> O₂ + 2 H₂O + 4 e^-
 

Oppgave 5.

• En 1L 0,5 molar saltsyreløsning i vann elektrolyseres ved hjelp av to Pt inertelektroder. Ved elektrodene kommer det ut henholdsvis hydrogengass og klorgass.

Hvilken spenning må du minst ha for å få elektrolysen til å gå?

 Svar: Anode: 2H⁺ + 2 e^- -> H₂(g)
Katode: 2Cl^- -> Cl₂(g) + 2e^-
Totalligning: 2H⁺ + 2Cl^- => H₂(g) + Cl₂(g)
Finn E° og deretter E fra Nernst ligning. [H+] = [Cl-] = 0,5 M, alle andre er i standardtilstand.
E = E° - (0,0592/n)log Q = -1.36V - (0,0592/2) log (P(H₂) x P(Cl₂) / [H⁺]² x [Cl^-]²)
 
 

• Strømstyrken under elektrolysen er konstant 1 A.

Hvor mange timer tar det før pH i saltsyreløsningen har sunket til pH = 1?

 Svar: pH=1 => [H⁺] = 0,1 M. I løpet av reaksjonen har da [H⁺] sunket fra 0,5 M til 0,1 M. Når løsningen er 1L, betyr det at det er brukt opp 0,4 mol [H⁺]. Dette tilsvarer at 0,4 mol e^- er overført. Strømmengden er da 0,4 mol x 96500 C/mol = 38594 As. Med 1 A strøm vil det da ta 10,7 timer.
 
 

Oppgave 6.

• Første trinn i vanlig korrosjon (luftoksidasjon) av jern er at jern omdannes til det løselige ionet Fe²⁺.

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

Svar: Anode: Fe -> Fe² + 2e^-
Katode: O₂ + 2H₂0 + 4 e^- -> 4 OH^-

• Jernbiten ligger på bunnen av en fjord hvor det er oksygenfritt vann, men biten er i kontakt med en kobberledning som når helt opp til vannflaten.

Hva vil skje?

 Svar: Jernbiten vil korrodere, for katodereakjsonen og anodereaksjonen kan skje på ulike steder bare de er elektriskkontakt mellom elektrodene. I dette tilfellet vil katodereaksjonen skje på kobberledningen, og den vil være i elektrisk kontakt med jernbiten hvor anodereaksjonen skjer.
 
 

Oppgave 7.

• Korrosjon av jern vil ofte gå mye raskere hvis det finnes stoffer i vannet som danner komplekser sammen med jern. Et eksempel på dette er Cl^-.
• Hva er et kompleks?

 

 

Svar: Et kompleks er en sammenesetning av et metallion og negative ioner eller molekyler som danner et nytt og større ion hvor metallionet er omsluttet av de andre ionene/molekylene.
 
 

• Angi en mulig likevektsreaksjon for dannelse av et kompleks mellom et jernion og Cl^-.

 

 

 Svar: SI angir som eksempel (tabell 20A): Fe³⁺ + 2 Cl^- -> FeCl₂⁺
 
 

• Forklar hvordan kompleksdannelsen kan øke reaksjonshastigheten. (Det er to ulike effekter som kan spille inn, det er nok å nevne en av dem.)

 

 

 Svar: Kompleksdannelse kan øke potensialet ved å binde opp metallioner pg demed redusere konsentrasjonen av metallioner. Kompleksdannelse kan også bidra til å ødelegge et beskyttende oksidbelegg som ellers ville hindret korrosjon.
 
 

Oppgave 8.

• I en 1 L reaktor har du 0,10 mol av gassen A og 0,10 mol av gassen B. I en 1/2 L reaktor har du også 0,10 mol A og 0,10 mol B. Følgende reaksjonen skjer: A + 2B -> AB₂. Mengden av A i den største reaktoren synker med 1% etter 1 sekund. I den minste reaktoren går reaksjonen dobbelt så fort som i den største.

Gi to mulige forslag til en hastighetslov for reaksjonen som forklarer observasjonene, og beregn k i hvert av tilfellene.

 Svar: Opplysningene viser at total hastighetsordene er 1. Det betyr at mulig hastighetslover kan være:
r = k [A] eller r = k [B]
 
 

• Hvis du tilsetter 0,1 mol av et stoff C i begge reaktorene vil hastigheten fordobles i den ene og firedobles i den andre.
• Angi en mulig hastighetslov i dette tilfellet.

 

 

 Svar: r = k[A][C] eller r = k[B][C]
 
 

• Hva kaller man C i dette tilfellet?

 

 

 Svar: Katalysator:
 
 

Oppgave 9.

• Når temperaturen stiger øker reaksjonshastigheten for reaksjonen 2 O₃ -> 3 O₂.

Forklar hvorfor.

Svar: På grunn av Arrheniusligningen: k = A e^-Ea/RT
Det er feil å henvise til (delta)H, for det er ikke snakk om en likevekt.
 
 

• Hvordan vil reaksjonshastigheten endre seg hvis man klemmer sammen reaktoren slik at trykket øker.

Reaksjonen er den samme som i oppgave a).

 Svar: Når man klemmer samme reaktoren øker trykket (konsentrasjonen) for de aktuelle gassene, og reaksjonen går dermed raskere. Igjen: Det er feil å henvise til likevektsendringer, evt. Le Chatelier.
 
 

Oppgave 10.

• Spontan spalting av ozon i ytre atmosfærelag er antatt å skje bl.a. i følgende to trinn:

1) ClO + O₃ -> ClO₂ + O₂
2) ClO₂ + O₃ -> ClO + 2 O₂
ClO kommer i hovedsak fra KFK-gasser. Vis at ozonnedbrytningen vil øke med økende KFK-utslipp uansett hvilket av de to trinnene som er hastighetsbestemmende.

 Svar: Hvis første trin er bestemmende: r = r₁ = k₁ [ClO][O₃].
Hvis andre trinn er bestemmende r = r₂ = k₂ [ClO₂][O₃]
K₁ = [ClO₂][O₂]/[ClO][O₃] => [ClO₂] = K₁ [ClO][O₃]/[O₂]
r = k₂ [ClO₂][O₃] = k₂ K₁ ([ClO][O₃]/[O₂])[O₃] = konst [ClO][O₃]²/[O₂]
I begge tilfellene blir dermed hastigheten avhengig av [ClO], og dermed også av mengden klorholdige gasser i atmosfæren.
 
 

• Nedbrytningen av ozonlaget vil også kunne skje uten klorholdige gasser til stede, men det vil gå langsommere. Dessuten vil aktiveringsenergien for nedbrytningen være høyere.

Hva betyr det at aktiveringsenergien er høyere?

 Svar: Det betyr at hastigheten er mer avhengig av temperaturen, jo mer temperaturen øker jo mer vil hastigheten stige.