Eksamen i fag SIK 0501, høsten 1997.

Med løsningsforslag.

Oppgave 1.

• Sett opp en balansert ligning for reaksjonen mellom natrium og vann under dannelse av hydrogengass og natronlut. (P(H₂) = 1 atm.)

  Svar: 2 Na (s) + 2 H₂O (l) -> 2 Na⁺ + 2 OH^- + H₂ (g)

• Hva er delta G(null med strek)for reaksjonen?

  Svar: 2 (- 262 kJ/mol) + 2 (-157 kJ/mol) + 0 - 2 (0) - 2 (-237 kJ/mol) = - 364 kJ/mol

• Hva er delta G° og likevektskonstanten hvis temperaturen er 50°C?

  Svar: delta H° = 2 (- 240 kJ/mol) + 2 (-230 kJ/mol) + 0 - 2 (0) - 2 (-286 kJ/mol) = - 364 kJ/mol
  delta S° = 2 58 J/K mol + 2 (-11 J/K mol) + 131 J/K mol - 2 51 J/K mol - 2 70 J/K mol = -17 J/K mol
  delta G° = delta H° - T delta S° = - 364 kJ/mol - 323 K (-17 J/K mol) = -359 kJ/mol

• Hva er delta G hvis utgangsstoffene var rene og lutkonsentrasjonen er 0,010 mol/L?

  Svar: delta G = delta G° + RT lnQ = -359 kJ/mol + 8,31 J/K mol 323K ln Q = -359 kJ/mol + 8,31 J/K mol 323K ln (10^-8) = - 408 kJ/mol
  (Q = [Na⁺]² [OH^-]² p(H₂) / [Na]² [H₂O]² = [Na⁺]² [OH^-]² p(H₂) = (0,01)² (0,01)² 1 =10^-8)

• Luften over en væsken A inneholder 0,00100 mol/L A ved 25°C.
• Beregn deltaG for likevekten A (l) <->A (g). NB! Pass på å bruke riktige verdier av R!

  Svar: PV = nRT
  P = n/V RT = 0,001 mol/L x 0.082 L atm/K mol 298
  P = 0.0244 atm
  K = 0.0244 / 1 = 0.0244
  delta G° = - RTlnK = 8,31 J/K mol x 323K ln (0,0244) = 9,2 kJ/mol.

Oppgave 2.

• Beregn forbrenningsvarme for fullstendig forbrenning av 1 kg propan.

  Svar: 1 kg propan = 1000 g / 44,1 g/mol = 22,7 mol
  rx: 2 C₃H₆ + 9 O₂ -> 6 CO₂ + 6 H₂O
  (evt. 22,7 C₃H₆ + 102,1 O₂ -> 68,1 CO₂ + 68,1 H₂O)
  delta H° = 6 (- 394 kJ/mol) + 6 (-242 kJ/mol) - 2 ( -104 kJ/mol) - 9 x 0 = - 3608 kJ/mol
  q = - delta H x mengde = - 3608 kJ/mol x 44,1 mol / 2 = 79,6 MJ
  

• Et rom har en indre overflate på 130 m². Det inneholder 250 kg tre, 50 kg tekstiler og 200 kg papir. Forbrenningsvarmer: tre: 17 MJ/kg; tekstil: 25 MJ/kg; papir: 17 MJ/kg.
  Beregn total og spesifikk brannbelastning for rommet.

  Svar: Total brannbelastning: 8900 MJ. Spesifikk brannbelastning: 68,5 MJ/m².

Oppgave 3.

• Finn likevektskonstanten for reaksjonen CO₂(g) -> CO₂ (aq) ved 25°C utfra data i tabell 27 i SI-CD (Tabell 26 i gammel utgave).

  Svar: K = [CO₂]/p(CO₂)
  Fra tabell [CO₂] = (1,45 g/L) / (44,0 g/mol) = 0,033 mol/L; p = 1 atm
  K = 0,033.

• Kombiner de fire følgende ligningene, og finn likevektsreaksjonen og likevektskonstanten for felling av MgCO₃ (s) ved tilsats av CO₂(g) til Mg²⁺-holdig vann.

CO2 (g) <-> CO2 (aq)
CO2 (aq) + H2O <-> H+ + HCO3-	K = Ka,1 for CO2(g)
HCO3- <-> H+ + CO32-	K = Ka,2 for CO2(g)
CO32- + Mg2+ <-> MgCO3 (s)

Svar:

CO2 (g) <-> CO2 (aq)	K = 0,033
CO2 (aq) + H2O <-> H+ + HCO3-	K = Ka,1 for CO2(g) = 10-6,35
HCO3- <-> H+ + CO32-	K = Ka,2 for CO2(g) = 10-10,33
CO32- + Mg2+ <-> MgCO3 (s)	K = 1/Ksp = 1/ 2 10-5 = 0,5 105
Totalreaksjon: CO2(g) + H2O + Mg2+ -> 2 H+ + MgCO3 (s) K = 0,033 x10-6,35 x 10-10,33 x 0,5 x 105 = 3,4 x10-14

Oppgave 4.

• Et galvanisk celle har følgende oppbygning: Fe (s) | Fe²⁺ (aq) || OH^- (aq) | O₂ (g) | Pt
• Tegn en figur som viser hvordan den galvaniske cellen kan se ut slik at den kan avgi strøm.

  Svar: Ang. tegningen: Pass på at det er to kamre, kontakt mellom kamrene (saltbro/porøs vegg) og elektrisk kontakt mellom elektrodene. Pt er inertelektrode.

• Angi halvreaksjonene og hva som er positiv og negativ elektrode.

  Svar:

Fe2+ + 2 e- -> Fe	Anode, negativ.
O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-	Katode, positiv.

• Regn ut E for cellen ved 25°C hvis pH = 5, [Fe²⁺] er 0,100 mol/L og oksygentrykket er 0,21 atm.
  Svar: For så få totalrx. må vi gange den første med (-2)

2 Fe -> Fe2+ + 2 e-	E° = 0,44 V
O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-	E° = 0,40 V
total: 2 Fe + O2 + 2 H2O ->2 Fe2+ + 4 OH-	E° = 0,44 V + 0,40 V = 0,84 V

E = E° - 0,0592/n log Q = 0.84V - (0,0592V/4) logQ = 0.84V - (0,0592V/4) log 0,5 10-36 = 1,38V
(Q = [Fe²⁺] [OH^-]⁴ / p(O₂) = 0,100 (10^-9)⁴ / 0,21 = 0,5 10^-36)

Oppgave 5.

• En stålkonstruksjon står i vann og ruster. Bruk E/I-diagrammet på side 14.
  I = 1 A/m² gir m = 1,16 mm/år for stål.

• Hva er korrosjonspotensialet og korrosjonshastigheten til stålet?

  Svar: E = -0,1 V, I_korr = 0,65 A/m² . Hastigheten = 0,75 mm/år.

• Hva er korrosjonspotensialet og korrosjonshastigheten hvis korrosjonen er grensestrømkontrollert med I_A = 0,4 A/m²?

  Svar: E = -0,3 V, I_korr = I_g = 0,40 A/m² . Hastigheten = 0,46 mm/år.
  

• Øvre del av stålkonstruksjonen befinner seg i oksygenrikt vann, den nedre delen er i vann som er oksygenfattig. Det er den nedre delen av stålkonstruksjonen som ruster.
• Hvorfor kan man redusere korrosjonen på den lave delen av stålkonstruksjonen ved å overflatebehandle øvre delen av stålkonstruksjonen?

  Svar: Katodereaksjonen skjer mest i oksygenrikt vann. Ved å stoppe denne med overflatebehandling vil det heller ikke kunne skje korrosjon (anodereaksjon) i den undre delen.

• Hvorfor kan man stoppe korrosjonen ved å feste sinkbiter på stålet?

  Svar: Sink vil virke som offeranode, og så lenge det er sink igjen vil det hindre stålet fra å korrodere. Det har ingen ting å si hvor vi fester sinkbiten, så lenge den er i elektrisk kontakt med det som korroderer.

Oppgave 6.

• Om passivitet.
• Forklar hvordan passivitet kan hindre stål i å korrodere.

  Svar: Passivitet betyr at stålet har en ugjennomtrengelig oksidfilm som hindrer katodereaksjonen.

• Hva er forskjellene mellom rustbelegg og passivfilm?

  Svar: Rustbelegget er porøst, mens passivfilmen er tett.

• Om ødeleggelse av passivitet.
• Hvordan påvirkes passivfilm av halogenioner som f.eks. Cl^-?

  Svar: Halogenioner kan kompleksere jernioner, og dermed øke løseligheten av oksidbelegget. Dermed ødelegger passivfilmen.

• Hvorfor er ikke aluminium passivt ved høye pH-verdier?

  Svar: Ved høye pH-verdier danner aluminiumionene hydroksykomplekser (Al(OH)₄^-) som medfører at oksidfilmen løser seg opp.

Oppgave 7.

• Hvorfor blir armeringsstål beskyttet mot korrosjon når det støpes inn i betong?

  Svar: Porevannet i betong har høy pH (> 12,6). Alkaliteten gir en beskyttende passivfilm.

• Hvilken rolle spiller betongkvaliteten og hvilken rolle spiller det ytre miljø for armeringskorrosjon?

  Svar: Passiviteten kan ødelegges av kloridioner og karbonatisering. Karbonatiseringen er avhengig av betongens porøsitet, fuktigheten i betongen og luftens innhold av kabondioksid. Kloridinntrengingen er avhengig av betongens porøsitet og kloridtilførselen fra miljøet.
  Etter at passiviteten er ødelagt vil korrosjonshastigheten være avhengig av fuktigheten og av betongens porøsitet.

Oppgave 8.

• Om elektronegativitet og bindinger.
• Hva er elektronegativitet?

  Svar: Evnen et atom har til å trekke på elektronene i en binding.

• Hva slags bindinger finnes i følgende: Zr (s), CsBr (s), SiC (s) og CCl₄ (s)?

  Svar: Metallbinding, ionebinding, kovalent krystall, kovalent molekyl med van der Waals bindinger mellom molekylene.

• Om løselighet
• Hvilke av disse stoffene ville du forvente ville løse seg i henholdsvis vann og olje?

  Svar: CsBr løses i vann (ioner i polart løsemiddel), CCl₄ løses i olje (upolart i upolart).

• Hvorfor har vann så høyt kokepunkt?

  Svar: Mellom vannmolekylene er det relativt sterke hydrogenbindinger.

Oppgave 9.

En stålsmelte med 0,4% C avkjøles sakte i luft ned til romtemperatur. Fasediagrammet for Fe-C er vedlagt bakerst i oppgavesettet

• Forklar hvilke faser og strukturer som oppstår under avkjølingen, og tegn et korntverrsnitt i det avkjølte stålet.

  Svar: Det dannes austenitt (gamma-jern). Ved knappe 800°C vil noe av austenitten omdannes til feritt, i hovedsak ved korngrensene. Restaustenitten vil gradvis få høyere karboninnhold inntil det når det eutektoide punktet ved 723 °C hvor restaustenitten har 0,8% karbon. Denne resten vil omdannes til perlitt, som vil utgjøre det indre av kornene. Perlitt er en karakteristisk kombinasjon av feritt og cementitt.

• Om blandkystaller
• Hva er forskjellene mellom en addisjonsblandkrystall og en substitusjonsblandkrystall?

  Svar: I en substitusjonsblandkrystall har de ulike komponentene de samme posisjonene i gitteret. Krever at atomene er omtrent like store. I en addisjonsblandkrystall inntar atomer av den ene komponenten posisjoner mellom de andre atomene. Krever at den ene typen atomer er mye mindre enn den andre.

• Hvorfor er det begrenset hvor mye karbon man kan få løst i en jern/karbon-blandkrystall?

  Svar: Jernet vil binde seg til karbonet i den støkiometiske forbindelsen Fe₃C (cementitt), som er mer stabil enn blandkrystaller.

Oppgave 10.

• To karbonatomer er bundet sammen med en dobbeltbinding. Det ene karbonatomet er også bundet til en benzenring, mens det andre er bundet til et karbonatom som er en del av en syregruppe. Tegn opp molekylet fullstendig, med alle hydrogenatomene inntegnet.

  Svar:

 
               H 
               |            H
      H        C            |
          C         C ----- C ===  C ------ C === O                
          |         |              |        |
          C         C              H        O --- H
      H        C       H              
               |
               H

Avstandene er ikke riktig på denne figuren. Noen av bindingene er antydet med dobbelt- eller enkelt-linjer (prikkede). I tillegg skal alle H skal ha en binding til et C (unntatt det som binder til O), og i benzenringen skal det være vekselvis enkelt- og dobbelt-bindinger, evt. bare enkeltbindinger og en ring innenfor.

• Anta at benzenringen er byttet ut med en alkoholgruppe. Dette molekylet vil da kunne polymerisere.
• Hva kaller du er slik polymer?

  Svar: Dette er en polyester.

• Angi hvordan molekylstrukturen for polymeren vil se ut.

  Svar:

            O--C=C--C=O     O--C=C--C=O
            |       |       |       |
          --C=O     O--C=C--C=O     O--