EKSAMEN I
SIK 3003 og SIK 0501

Oppgaver med løsningsforslag.

Oppgave 1.

a) - Angi pH for 0,1 M HCl, 1 mol NaOH løst i 100 L vann og for 1 mL 10^-8 M HCl fortynnet til 1000 L med vann.
- Forklar hvordan pH påvirker løseligheten til hydroksider.

Svar:
- pH = 1; pOH = 2 -> pH = 14 – 2 = 12 ; pH = 7 (konsentrasjonen av HCl = 10^-14 M, men man får ikke en sterk base ved å bruke fortynnet syre. Vannets egen pH blir bestemmende.)
- Konsentrasjonen av [OH^-] inngår i Ksp. Når pH øker, øker [OH^-] og den maksimale konsentrasjonen av metallionet minker. Dermed minker løseligheten av hydroksidet.

b) Vedlagt oppgavene (side 14) finner du et pH/log[X]-diagram for 0,1M fosforsyre. Bufferkapasiteten er inntegnet. Fosforsyre er et vanlig syreregulerende middel (dvs. en buffer) i mange matvarer.
- Ved hvilke pH-verdier vil pH påvirkes minst ved tilsats av små mengder sterk syre eller base?
(se bort fra områdene med meget høy eller meget lav pH)
- Hvor mye større er bufferkapasiteten i 0,1M fosforsyre ved pH=7 sammenlignet med rent vann?

Svar:
- Bufferkapasiteten er størst der hvor de øverste skrålinjene er, og det vil være i områdene nær pH = pKa. Dvs. ca. 2, 7 og 11,5.
- I vann finnes bare [OH^-] og [H⁺]. Bufferkapasiteten/2,3 vil derfor være i nærheten av 10^-7. Dette er 10^-5 – 10^-6 mindre enn for 0,1 M forsforsyre ved pH = 7.
 

Oppgave 2.

a) - Forklar kort termodynamikkens 2. lov.
- Hvordan vil du i prinsippet regne ut hvor varmt et reaksjonsprodukt maksimalt kan bli etter en reaksjon?

Svar:
- Termodynamikkens 2. lov sier at enhver hendelse bidrar til at UNIVESETS entropi øker. Merk: Det er direkte feil å påstå at systemts entropi alltid må øke.
- Temperaturstigningen beregnes ved å finne reaksjonsvarmen (-deltaH) og dividere den med varmekapasiteten for de stoffene som skal varmes opp.

b) - Hva er delta^oG og K for oppløsning av fast NaCl ved 60^oC?

Svar:
                    NaCl (s)   ->   Na⁺ (aq)   +   Cl^- (aq)                reaksjon
delta H^o        - 411              - 240              - 167                    + 4 kJ/mol
S^o                   72                   58                   57                     + 43 J/K mol

delta G^o = delta H^o - T deltaSo = 4.000 - 333K x 43 J/K mol = -10,3 kJ/mol  (avrundes til -10 kJ/mol)
lnK = - delta G^o/RT = (10,300kJ/mol) / (8,31 J/K mol x 298 K) = 3,7
K = 41  (avrundet K = 40)

- Beregn deltaG for opplåsningen av NaCl i vann når [Cl^-] = 0,2 M, [Na⁺] = 0,5 M og T = 0EC.

delta G = deltaG^o + RTlnQ = - 7,7 kJ/mol + 8,31 J/K mol x 273 K x ln (1/0,2 x 0,3) =
-7,7 kJ/mol - 8,31 J/K mol x 273 K x ln 10 = -7,7 kJ/mol - 5,2 kJ/mol = -12,9 kJ/mol (avrundet til 13 kJ/mol)

Ja. Hvis - og bare hvis! - delta G for en reaksjon er mindre enn null vil den kunne skje.
Reaksjonen her er reaksjonen for oppløsning av fast NaCl i vann, så når delta G for reaksjonen er negativ, så vil (mer) fast NaCl kunne løses i vann ved de betingelsene
 

Oppgave 3.

a) De viktigste nitrogenioner i forurenset vann er nitrittioner, nitrationer og ammoniumioner (NH₄⁺).
- Hva er det viktigste problemet med for mye nitrogenioner i avløpsvann?
- Hvordan kan nitrogenoksider i luften skape sur nedbør?
- Hva kan årsaken være til at man behandler ammoniumforurenset vann med Ca(OH)₂ (en base) og deretter blåser luft gjennom? (Hint: Metoden kan kalles NH₃-stripping.)

Svar:
- Nitrogenioner i avløpsvann fører til overgjødsling. (Nitrat medfører også skader på avløpsrør av betong.)
- De reagerer til salpetersyre eller salpetersyrlig (HNO₃ eller HNO₂).
- Ammoniumionet blir overført til ammoniakk, som er en gass. Ved å blande inn luft, blir gassen trukket ut av væsken.

b) Ammoniakk (NH₃) og eddiksyre (CH₃COOH) reagerer og danner en saltløsning
(NH₄CH₃COO (aq)). Finn likevektskonstanten ut fra syrekonstantene for ammoniakk og eddiksyre.

Svar:
NH₃ + H⁺ -> NH₄⁺                                               pK₁ = -pKa = -9,24
CH₃COOH -> CH₃COO^- + H⁺                             pK₂ = pKa = 4,76
NH₃ + CH₃COOH -> CH₃COO^- + NH₄⁺             pK = pK₁+ pK₂ = -4,48.
K = 10^4,48
 
 

Oppgave 4.

En galvanisk celle består av to kamre. Det ene kammeret har en kobber-elektrode i kontakt med 0,1 M kobbersulfat, det andre en sink-elektrode i kontakt med 0,1 M sinksulfat.

a) - Tegn opp cellen slik at den kan levere strøm. Angi anode og katode.
- Angi hvor det går strøm, og hva som er ladningsbærer.
- Hva er cellespenningen?
- Finn totalreaksjon, samt deltaG^o og K for totalreaksjonen.

Svar:
Tegningen: Pass på at elektronene går i ledningen, fra anoden til katoden, og at det går ioner gjennom saltbroen.
E = E^o = 1,10V, for Q =1.
Totalreaksjon: Cu²⁺ + Zn = Zn²⁺ + Cu.
deltaG^o = - nFE = - 2 x 96500 x 1,10 = - 212 J/mol.
K = e^(212000/8,31x298) = 1,6 x 10³⁸

b) - Hva er den høyeste cellespenning du får til ved å kombinere to halvreaksjoner fra tabellen over halvreaksjoner i SI?
- Hva er den høyeste likevektskonstanten du finner for en totalreaksjon utviklet av halvreaksjoner i tabellen? Du må forkorte totalreaksjonen så langt som mulig uten å få brøker i de støkiometriske faktorene. (Det kan lages totalreaksjoner med likevektskonstant over 10¹⁰⁰⁰).

Svar:

- Største E^o
3/2 N₂ + H⁺ + e^- -> HN₃                                 E^o = -3,33

Snu: HN₃ -> 3/2 N₂ + H⁺ +  e^-                        E^o = 3,33
½ F₂ +  e^- -> F ^-                                               E^o = 2,89V
HN₃  + ½ F₂ -> 3/2 N₂ + H⁺ + F ^-                  E^o = 3,33V + 2,89V = 6,22V

lnK = -delta G^o/RT = - nFE/RT.  En størst mulig K betinger størst mulig E^o og n. De virkelig høye K oppnår man med en høy "n". Største K jeg har funnet (finner noen en større?):
NO₃^- + 10 H⁺ + 8 e^- -> NH₄⁺ + 3H₂O                             log K = 119,2 (x3)
La -> La³⁺ + 3  e^-                                                            log K = 120,6 (x8)
3 NO₃^- + 30 H⁺ + 8 La -> 3 NH₄⁺ + 3 H₂O + 8 La³⁺     log K = 1322,4
 

Oppgave 5.

En elektrokjemisk celle består av to kamre, ett med en oksygenelektrode, og ett med en hydrogenelektrode. Cellen kan skrives slik:
Pt | H₂ (g, 1 atm) | H₂O || H₂O | O₂ (g, 1 atm) | Pt

a) Beregn cellespenningen hvis:
- pH i begge kamrene er 0.
- pH i venstre kammer er 0, mens pH er 14 i høyre kammer.
- pH i venstre kammer er 0, mens pH i høyre kammer er 5.

Svar:
1,23V, 0,40V, 0,94V

b) En annen celle er slik: Pt | O₂ (g, 1 atm) | H₂O (pH=0) || H₂O (pH=14) | O₂ (g, 1 atm) | Pt
- Hvordan kan du bruke denne cellen til å tallfeste verdien av K_w = [H⁺] x [OH^-]?

Svar:
Det er flere måter å gjøre det på, f. eks. denne:
Høyre: O₂ + 2 H₂O + 4 e^- -> 4 OH ^-         E = E^o = 0,40V
Venstre: O₂ + 4H⁺ + 4  e^- -> 2 H₂O         E = E^o = 1,23V
Høyre kammer tilsvarer 1M OH^-, venstre 1M H+

Snu den høyre:
O₂ + 4H⁺ + 4 OH ^-  -> 4 H₂O                  E^o = 0,83V
4H⁺ + 4 OH^- -> 4 H₂O                             E^o = 0,83V
Dette er identisk med den målte cellespenningen.

Finn delta G^o = - nFE (n=4)
Beregn lnK fra deltaG^o = -RtlnK
K = (Kw)⁴
 

Oppgave 6.

a) I et eldre hus ble hovedvannledningene byttet ut med kobberrør, mens vannrøret i stål til baderommet ble beholdt. Dette medførte en meget rask korrosjon av stålrøret.
- Hvorfor ble korrosjonen mye raskere etter at hovedvannledningen ble byttet ut med rør av kobber?
- Hvorfor ville ikke dette ha skjedd hvis koblingen mellom jernrøret og kobberrøret hadde vært laget av plast?

Svar:
- Når hovedvannrøret er av kobber, kan det ikke skje noen anodereaksjon der, men katodereaksjonen er den samme som før. Derfor vil all anodereaksjon skje i jernrøret.
Man kan ogå si at stålrøret blir offeranode for kobberrøret.
- Galvanisk korrosjon forutsetter elektrisk kontakt mellom anode og katode. Dette hindres av et isolerende plastbelegg.

b) Den nye hovedvannledningen hadde en indre overflate på 10 m², og omsetningen av oksygen på overflaten er 0,1g/m² per år. (Fordi vannet i stålrøret stort sett var stillestående, var omsetningen av oksygen her liten). Hvor mye jern vil ruste vekk fra stålrøret per år?

Svar:
Det forbrukes 1 g O₂ per år.
Katoderx: O₂ + 4H⁺ + 4 e^- -> 2H₂O
Anoderx: Fe  -> Fe²⁺ + 2 e^- (Må gange med 2)
Totalrx: O₂ + 2Fe + 4H⁺ -> 2 H₂O + 2 Fe²⁺
Dvs. For hvert mol O₂ som forbrukes, omdannes 2 mol Fe.
1g O₂ tilsv. 1 g x (2x55,9/32,0) = 3,49g.
(Om man regner at jern omdannes til Fe³⁺, så godtas det svaret fullt ut.)
 

Oppgave 7.

a) Forklar hvorfor korrosjon gjerne skjer i sprekker og i spalter.

Svar:
Luftingscellekorrosjon: Ved anoden dannes det metallioner som gjør vannet surt. Dette motvirkes av katodereaksjonen som gjør vannet basisk. Men hvis anodereaksjonen og katodereaksjonen skjer på forskjellige steder, vil vannet bli surere nær anoden. Dette kan skje i sprekker, hvor det kan skje en anodereaksjon, men hvor oksygen ikke kommer til. I det sure området inne i sprekken vil derfor metallet bli aktivt, og korrosjonen skjer raskt her.

b) Ved luftingscellekorrosjon: Hvorfor korroderer ikke jernet der det er mye oksygen? (Hint: Hva er reaksjonslikningen for katodereaksjonen? Pourbaixdiagram er vedlagt oppgavene, side 14.)

Svar:
Katodereaksjoen gjør vannet basisk, og i basisk miljø er jern passivt - særlig når også vannet er oksygenrikt.
 

Oppgave 8.

Fasediagrammet for jern-karbon er gitt bak oppgavene. (side 13)
a) - Hvis jernet har 2% karbon, hvilke to faser finnes ved 1300^oC?
-Bruk vektstangprinsippet til å finne ut omtrent hvor stor andel det er av hver av de to fasene.

Svar:
- Smelte og gammajern med ca. 2% karbon.
- Forholder melloom gammajern og smelte vil være ca. 2,6/1,8 eller ca. 60% og ca. 40%
 

b) Ved 1147^oC har du bare en fase, ?-jern med 2% karbon.
- Hva skjer når temperaturen senkes gradvis til 723^oC?
- Hva skjer videre når temperaturen faller under 723^oC?
- Hva vil skje hvis jernet bråkjøles fra 1147^oC til under 100^oC?

Svar:
- Det skilles ut jernkarbid, og mengden C i jernet synker til ca. 0,8%.
- Gammajern omdannes til perlitt.
- Man vil få et jern med jerkarbid fordelt i jernet. En sprått jern, Martensitt.
 

Oppgave 9.

Betong lages blant annet av sement. I a-oppgaven er spørsmålet knyttet til sementen.
a) - Forklar kort framstillingen av vanlig standard-sement.
- Hva er de viktigste råstoffene for sement?

Svar:
- Hovedingrediensene knuses og brennes ved ca. 1300 ^oC for å fjerne CO₂. Klinkeren som lages blir så finmalt og tilsatt eller malt sammen med tilsetningsstoffer og oppvarmet igjen.
- Kalkstein er viktigst, deretter korreksjonsstoffer: bauxitt, kvarts, kisavbrand, ulike silikater. Så kommer tilsatsstoffer som gips, jernsulfat og mikrosilika.
 

b) - C-S-H-fasen gir betongen styrke. Hva er C-S-H-fasen?
- Hvorfor er det ugunstig med for mye C₃A i sementen?
- Hva er normal pH i porevannet i betong laget med norsk standardsement.

Svar:
- CaO - SiO₂ - H₂O.
- Det medfører sterk varmeutvikling under herdingen, og gjør at sementen heder for raskt.
- 13,5
 

Oppgave 10.

a) - Vis struktur av eten og forklar hvordan den kan omdannes til polyeten ved addisjonspolymerisasjon.
- Hvordan blir polymeren hvis vi polymeriserer propen i stedet for eten?
- Hvilken plast får vi hvis ett hydrogenatom i hvert etenmolekyl byttes ut med et kloratom?

Svar:
- CH₂=CH₂ -> -CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂- Dobbeltbindingen brytes og det dannes enkeltbindinger mellom etenmolekylene.
- Ett av hydrgenatomene på annethvert karbon erstattes av en CH3-gruppe. Eller er molekylet likt.
- PVC
 

b) En ester dannes når en alkohol (f. eks. etanol) reagerer med en organisk syre (f. eks. eddiksyre = acetic acid)
- Hvordan kan man lage en polyester som er en termoplast?
- Hvordan kan en polyester bli en herdeplast?

Svar:
- Enten bruker man en blanding av syremolekyler med to syregrupper og alkoholer med to OH-grupper.
Eller man bruker molekyler med en syregruppe og en alkoholgruppe.
- En herdeplast må ha kryssbindinger. Man må derfor inkludere en del molekyler med tre funksjonelle grupper, f. eks. tre syregrupper eller 3 alkohol-OH.