Eksamen i fag SIK0501, vinteren 1998.
Løsningsforslaget er foreløpig og det er sannsynligvis
noen
feil her, spesielt i tallsvarene.
Oppgave 1.
-
a) - Hva forteller hhv (delta)H, (delta) S og (delta) G for en reaksjon?
Svar: Varmeutvikling, endring i systemets orden, og hvilken vei
en reaksjon går.
- Hva er forskjellen mellom (delta)G, (delta)G° og
(delta)G°(strek)?
Svar: (delta)G er aktuell endring i Gibbs fri energi,
(delta)G°
er ved standard tilstand, (delta)G°(strek) er ved standard tilstand
og 25°C.
- b) - Hvilken enkel, praktisk test ville kunne fortelle om
(delta)G for
en reaksjon er negativ?
Svar: Undersøk om reaksjonen går.
- Ville denne testen alltid gi riktig svar? Begrunn svaret.
Svar: Nei. Hvis reaksjonen ikke går er ikke det sikkert at
(delta)G
> 0. Reaksjonen kan være termodynamisk gunstig, men
reaksjonshastigheten
kan være uendelig langsom.
Oppgave 2.
-
a) - Finn K for reaksjonen H2O (l) + Cl2 (g)
=> HCl
(aq) + O2 (g) ved 75°C.
(NB! Sjekk reaksjonsligningen først.) : Riktig ligning: 2
H2O (l) + 2 Cl2 (g) => 4 HCl (aq) + O2
(g)
Svar: (delta) G° = (delta)H° - 348K × (delta)S°
= (4 × (- 167) + 0 - 2 × (-286) - 2 × 0) kJ/mol - 348
K × (4 × 56 + 205 - 2 × 70 - 2 × 223)
J/K×mol
= - 96 kJ/mol - 348 K × (-157 J/K×mol) = - 41,4 kJ/mol
=> lnK = - (delta)G°/RT = 14 => K = 1,65 × 106
- Ved hvilken temperatur ville reaksjonen være i likevekt
hvis
alle stoffene var i standard tilstand?
Svar: (delta)G = (delta)H - T(delta)S = 0 ved likevekt => T
(delta)S
= (delta)H => T = (delta)H/(delta)S
Når alle er i standard tilstand er (delta)S = (delta)S°
og (delta)H = (delta)H° : =>
T = - (delta)H°/(delta)S° = (4 × (- 167) + 0 - 2
×
(-286) - 2 × 0) × 1000/ (4 × 56 + 205 - 2 × 70
- 2 × 223) = -96 000/-157 = 611 K (= 212øC).
(Kommentar: Her vil selvfølgelig alt ha blitt
overført
til gassfase, slik at temperaturen i virkeligheten ville blitt en
annen.)
- b) - Beregn (delta)G for reaksjonen når HCl (aq) er i
standard tilstand,
og O2 og Cl2 er i likevekt med luft med 20% O2
og 1% Cl2 .
Svar: Q = P(O2 ) × [HCl]4 /
P(Cl2)2
× [H2 O]
= P(O2 )/ P(Cl2)2 =
0,20/(0,01)2
= 2 × 103
(delta)G = (delta)G° + RTlnQ = -41,4 kJ/mol + 8,31 J/K ×
mol × 298 K × 7,6 = -22,5 kJ/mol
- Hvilken ligning ville du brukt for å finne ut ved hvilken
temperatur
det var likevekt ved disse betingelsene?
Svar: (delta)G = 0 => (delta)G° + RTlnQ = 0
=> (delta)H° - T(delta)S° + RTlnQ = 0
Oppgave 3.
-
a) - Angi reaksjonsligning for en ufullstendig forbrenning av butan
(C4H10).
Anta at det dannes like store mengder (mol) av CO og CO2.
Svar: C4H10 + 5,5 O2 => 2 CO +
2 CO2 + 5 H2O
- Beregn varmemengden som frigjøres når 1 kg
butan
forbrenner etter denne ligningen.
Svar: (delta) H = 2 (-111) + 2 (-394) + 5 (-293) - (-126) = - 2349
kJ/mol
1 kg tilsv 1000g /58.1 g/mol = 17,2 mol
Varme avgitt = n × (-(delta)H) = 17,2 mol × 1439
kJ/mol
= 40,4 MJ
- b) - Forklar begrepet adiabatisk flammetemperatur.
Svar: Temperatur som flammen ville ha hatt hvis ikke noe varme
forsvant
til omgivelsene.
- Angi årsaken til at temperaturen i flammer ved brann
er
vesentlig lavere enn den adiabatiske flammetemperaturen.
Svar: Strålevarme fra flammen, endoterm dissosiasjon av
molekyler
ved høye temperaturer.
Oppgave 4.
I en galvanisk celle er det i venstre kammer Pb i likevekt med
Pb(NO3)2.
I høyre kammer er det sink i likevekt med sinknitrat.
-
a) - Angi halvreaksjonene og totalreaksjonen.
Svar: Pb2+ + 2e- => Pb ; E° = -0,13 V
Zn2+ + 2e- => Zn ; E° = -0.76 V
- Hva er E° for totalreaksjonen?
Svar: Den siste av reaksjonene må snus: E° = -0,13V -
(-0,76V) = 0,63 V
- Hva er edlest, bly eller sink?
Svar: Bly er edlest, for sink går i oppløsning her.
- b) - Tegn opp cellen slik at den kan levere strøm.
Svar: Pass på å få med saltbro mellom kamrene,
og ledning mellom elektrodene.
- Angi anode og katode
Svar: Zinkelektroden er anode, blyelektroden er katode.
- Angi fortegn på elektrodene.
Svar: Anoden er negativ, katoden er positiv.
- Angi hvor og i hvilken retning elektronene beveger seg.
Svar: Fra anode til katode.
Oppgave 5.
I en løsning av toverdig kobber(II)klorid plasseres to
elektroder
forbundet med en spenningskilde. Ved den ene elektroden utvikles
klorgass,
ved den andre utvikles metallisk kobber.
-
a) - Angi anode- og katode-reaksjoner.
Svar: Anode: 1/2 Cl2 (g) => Cl- ; E° = 1,36 V
Katode: Cu2+ + 2e- => Cu (s) ; E° =
0,34
V
- Beregn spenningen som må settes på for å
få
elektrolysen til å skje hvis alle stoffene er i standard
tilstand.
Svar: Anodereasjonen må snues: E° = 0,34 V + (- 1,34 V)
= - 1,00 V
- Bruk potensialet til å beregne likevektskonstanten for
totalreaksjonen.
Svar: (delta G) = - RTlnK = -nFE => lnK = nFE/RT = - 78 => K
= 1,4
× 10-34
- b) Det helles lut i kobbernitratløsningen slik at pH blir
14 og
kobberionene felles som hydroksid.
- Beregn likevektskonstanten og E° for halvreaksjonen Cu(OH)2+
2 e- => Cu + 2 OH-
Svar: Cu2+ + 2 e- => Cu (s) ; E° =
0,34
V ; K = 3 × 1011
+ Cu(OH)2 => Cu2+ + 2 OH- ;
E°
= X ; K = Ksp = 4,5 × 10-31
Cu(OH)2+ 2 e- => Cu + 2 OH- ;
E°
= ; K = 3 × 1011 × 4,5 × 10-31
= 1,35 × 10-19
E = - RTln K/nF = 0,56 V.
Oppgave 6.
-
a) - Hvilke to katodereaksjoner er mest vanlig ved korrosjon av
stål
i vann?
Svar: Hydrogenreduksjon: I syre: H+ + e-
->
1/2 H2 ; I base: H2 O + e- -> 1/2 H2
+ OH-
Oksygenreduksjon: I syre: O2 + 4 + + 4
e-->
1 H2 O ; I base: O2 + 2 H2 O + 4
e-->
4 OH-
- Angi E° for hver av disse, både ved pH=0 og ved pH=14.
Svar: Hydrogenreduksjon: pH = 0: E° = 0,00V : pH = 14: E°
= - 0,83V
Oksygenreduksjon: pH = 0: E° = 1,23V ; pH = 14: E° = 0,40
V
- b) - Vis ved bruk av Nernsts ligning at cellepotensialet for
korrosjonsprosessen
er avhengig av pH i vannet uansett katodereaksjon.
Svar: Hydrogenreduksjon: H + + e - ->
1/2
H2 => Q = p(H2)(1/2)/ [H+]
Oksygenreduksjon: O2 + 4H + + 4e -
-> 1 H2 O => Q = 1/p(O2) × [H
+]4
I begge tilfeller er Q avhengig av [H +] og
følgelig
av pH => E = E° - 0,0592/n log Q blir også avhengig av pH.
Oppgave 7.
-
a) - Hvorfor vil avgasser som inneholder svoveloksider bidra til at
mange
bygningsmaterialer nedbrytes raskere?
Svar: Gassene omdannes til svovelsyre, og gir sur nedbør
- Hvilke prosesser er særlig ansvarlig for dannelse
av nitrogenoksider,
og hvilke problemer skaper disse gassene for miljøet?
Svar: Disse gassene dannes der luft er utsatt for høye
temperaturer/gnister,
og bilmotorer er viktigste enkeltkilde. Gassene gir sur nedbør
og
overgjødsling (algevekst).
- b) Karbon og silisium er i samme gruppe i det periodiske system,
likevel
har oksidene de danner helt ulike egenskaper, særlig når
det
gjelder bindingsforhold.
- Forklar hvordan ulike bindingstyper gir svært
forskjellige
egenskaper for SiO2 og CO2?
Svar: SiO2 er et kovalent gitter hvor alle bindingene
er sterke. Det skal mye til å bryte disse bidningene, derfor er
SiO2
et hardt, fast stoff (kvarts). CO2 består av molekyler
med kovalente bindinger innen molekylene og svake bindinger mellom. Dte
skal lite til å bryte de svake bindingene, defor er CO2
en gass ved romtemperatur.
Oppgave 8.
-
a) - Et metall med polyedrisk kornstruktur blir varmvalset. Forklar og
vis med enkle skisser hvordan kornformen endres under valsingen, og
hvordan
rekrystallisasjon foregår.
Svar: Kornene blir flattrykte, og nye korn dannes i grenseflatene
mellom de deformerte kornene. Utfra disse nydannede kornene skjer
rekrystalliseringen.
b) - En stålsmelte med 1,2% C blir avkjølt sakte i
luft.
Tegn en skisse av korntverrsnitt ved 1000°C , 800°C og ved
romtemperatur,
og angi hvilke strukturer det er.
Svar: 1000 °C : gamma-jern (austenitt); 800°C : gamma-jern
med cementitt ytterst; 25°C : Mer cementitt dannes, gamma-jernet
omdannes
til perlitt. Metallet vil ha perlittstruktur med et tynt lag av
cemetitt
ved korngrensene. (cementitten vil utgjøre 7% av stålet)
Oppgave 9.
-
a) - Hva er de viktigste utgangsmaterialene for sement?
Svar: Kalkstein + korreksjonsmaterialer: Kvarts, bauxitt, gips,
kisavbrand. Etter brenning tilsettes flyveaske, slagg, gips, jernsulfat.
- Beskriv kort hovedtrekkene (prosessene) ved fremstilling
av
sement.
Svar: Materialene finmales, brennes i roterovn (1450 °C) til
klinker og males.
- b) Aluminium korroderer i betong. Hvorfor?
Svar: Betongen er svært basisk, og i basisk miljø
mister
Al passiviteten på grunn av dannelse av
Al(OH)4--komplekser.
Oppgave 10.
-
a) - Angi minst en prinsipiell forskjell mellom termoplaster og
herdeplaster.
Svar: Termoplaster kan smeltes om, mens herdeplaster ikke kan
smeltes
og omformes ved varme. Herdeplaster har kryssbindinger mellom kjedene,
noe termoplastene mangler.
- Nevn minst to termoplaster og minst to herdeplaster som brukes i
bygg,
og angi i hvilke produkter de brukes.
Svar: Termoplast. PVC, polyet(yl)en, polyprop(yl)en, polystyren.
Herdeplast: Polyester, polyuretan, epoksy-plast. (etc.)
- b) - Forklar hva som er betingelser for at det dannes henholdsvis
hydrogencyanid
(HCN) og hydrogenklorid (HCl) ved forbrenning av plastmaterialer.
Svar: Plastene må inneholde henholdsvis nitrogen og klor.
- Gi eksempel på plaster som kan gi disse gassene ved brann.
Svar: HCN: Polyuretan, ureaformaldehyd, melaminformaldehyd. HCl:
PVC