Norges Teknisk–Naturvitenskapelige Universitet
Institutt for materialteknologi
Faglig kontakt under eksamen:
Martin Ystenes, tlf. 73 5 (9 40 08), mobil 9511 2502

EKSAMEN I TMT4100

Kjemi (Bygg og geofag–linjer)

Fredag, 16. desember 2005

Tid: kl. 09.00 – 13.00 (4 timer)

Bokmål

Hjelpemidler: B2 – Typegodkjent kalkulator, med tomt minne, i henhold til liste utarbeidet av NTNU, tillatt.
– Aylward & Findlay, ”SI Chemical Data” (SI–CD)

Angi framgangsmåte og viktige mellomregninger ved løsing av regneoppgaver. Nødvendig informasjon tas fra SI–CD, vedlagte figurer og en formelsamling som finnes bakerst i oppgaven

I alle oppgaver er det antatt at temperaturen er 25EC, unntatt der annen informasjon er gitt.

Alle oppgaver skal besvares. Alle oppgaver teller like mye, men er ikke nødvendigvis like tidkrevende. Les derfor gjennom oppgavene før du begynner beregningene. (a– og b–spørsmålene teller likt.) Det er en fordel om du begynner hver oppgave med et nytt ark.

Når du ikke finner svar på en oppgave og trenger tallsvaret for å gå videre på neste oppgave, så må du anta et svar.

Oppgave 1–6 tilsvarer delex (deleksamen) 1–6. Inntil 5 resultater kan du ta med deg fra deleksamen, og du gjør det på denne måten:

– Har du bestått en delex (75–100 %) slipper du å gjøre hele oppgaven delex tilsvarer.
– Har du halvt bestått en delex (63–74 %) slipper du å gjøre a–oppgaven med samme nummer som delex.
– Har du ”litt bestått” på en delex (50–62 %) skal du gjøre heile oppgaven, men du er garantert 40% score på a–oppgaven med samme nummer som delex.

Spørsmålene i oppgavene 1–6 er på samme form som på delex, de skal gjøres fort og besvares kort. Sammenlignet med arbeidsmengden på delex er beregnet tid på oppgave 1–6 til sammen kun 60 – 90 min. Bli ikke hengende på enkeltoppgaver som bare teller 1 poeng!

Løsningsforslag vil bli lagt ut på Internett så snart som mulig etter at eksamen har startet, på http://ex.ystenes.com

Lykke til!

Oppgave 1. Tilsvarer delex I. Spørsmålene skal besvares så kort som mulig!

a) – Angi navn og formler for tre syrer som ved 1M konsentrasjon har en pH på eller meget nær 0.
– Angi navn og formel for en base som ved 1M konsentrasjon har en pH på eller meget nær 14.
– Angi navn og formel for de saltene som oppstår når hver av de tre syrene blandes med støkiometriske mengden av basen, dvs. i molforhold 1:1.
– Skriv løsningsreaksjonen for saltene og angi hvorvidt disse saltene er lett løselige, tungt løselige eller uløselige.

b) – Angi formel for ammoniumsulfat og magnesiumhydrogenfosfat.
– Nitrogendioksid vil i vann reagere og danne like store mengder av salpetersyre og salpetersyrling. Skriv den balanserte reaksjonsligningen.
– Hva kalles saltene av svovelsyre og svovelsyrling?
– Hvilke to allotroper av oksygen finnes, og hvilke oksidasjonstall har O i disse to?
– Hvilke to hydrogenforbindelser danner oksygen, og hvilke oksidasjonstall har O i disse to?

Oppgave 2. Tilsvarer delex II. Spørsmålene skal besvares så kort som mulig!

a) – 10^–3 mol fast NaOH løses i 0,1 L vann. Hva er pH, [OH^–], [Na⁺] og [NaOH] i løsningen?
– Skriv opp uttrykket for og verdien av likevektskonstanten for oppløsning av Al(OH)₃.
– Hva er løseligheten av Al(OH)₃ ved pH=8?
– En løsning av 0,03 M Al(NO₃)₃ tilsettes sterk base til pH = 8. Al(OH)₃ felles. Hva er [Al³⁺]?

b) Vedlagt oppgavene finner du et pH/log[X]–diagram for en ukjent syre, HA. Bufferkapasiteten er inntegnet.

– Hva er K_a for syren?
– Hva er [HA] + [A^–]?
– Hva er konsentrasjon av de ulike stoffene ved pH = 5?
– Hva er pH hvis man tilsetter 0,01 mol HA i 1L rent vann?
– Ved hvilken pH ville pH endre seg mest ved tilsats av en dråpe HCl, hvis [HA] + [A^–] = 0,01M?

Oppgave 3. Tilsvarer delex III. Spørsmålene skal besvares så kort som mulig!

Du har 1 L tørr luft ved 25 ºC ved 1 atm. Luften behandles som ideell gass bestående av 79 mol–% nitrogen og 21 mol–% oksygen. Dette er utgangspunktet for alle beregningene i oppgave 3.

a) – Hvor stort blir trykket hvis du komprimerer gassen til 1/3 L? T og n er konstant.
– Hvilken temperatur ville gitt fordoblet trykk? V og n er konstant.
– Hva er n? Hvor mange mol O₂ og hvor mange mol N₂ har du?
– Hvor mye varme må du tilføre for å varme opp luften fra 25 ºC til 50 ºC? P er konstant,
– Hva er dannelsesreaksjonen og dannelsesentalpien for oksygen og NO?

b) – Totaltrykket økes til 1,1 atm og T økes til 40 ºC. Hva er P(N₂)?
– Hva er løseligheten av N₂ i vann i kontakt med luft ved 1,1 atm totaltrykk og T = 40 ºC?
– Hva blir løseligheten hvis du komprimerer gassvolumet til det halve, og deretter pumper inn helium til trykket er 12 atm uten å endre volumet? T er konstant.
– Hvor mye varme frigjøres eller dannes hvis 1 mol NO omdannes til nitrogen og oksygen?
– Hvis NO ved 25 ºC spaltes i nitrogen og oksygen og all varme blir i produktene, hva blir temperaturen i produktene etter reaksjonen?

Oppgave 4. Tilsvarer delex IV.

a) Ta utgangspunkt i reaksjonen Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂. Partialtrykket av CO₂ er 10^–2 atm, mens partialtrykket av CO er 10^–5 atm. Totaltrykket er 1 atm og de faste stoffene er rene.

– Finn ΔGº for reaksjonen ved 25 ºC.
– Finn verdien av likevektskonstanten for reaksjonen ved 25 ºC.
– Finn verdien av Q.
– Beregn ΔG for reaksjonen ved 25 ºC.
– Hvilken vei går reaksjonen? Begrunn svaret ut fra ΔG.

b) Ta utgangspunkt i reaksjonen C + CO₂ → 2 CO.
– Finn ΔGº for reaksjonen ved 100 ºC.
– Finn verdien av likevektskonstanten for reaksjonen ved 100 ºC.
– Beregn partialtrykket av CO₂ ved likevekt når partialtrykket av CO er 10^–5 atm. T = 100 ºC.
– Ved hvilken temperatur er reaksjonen i likevekt hvis partialtrykket av CO er 10^–5 atm, og de øvrige er i standard tilstand?

Oppgave 5. Tilsvarer delex V.

a) Daniell–cellen kan skrives slik: Zn | Zn²⁺ (aq) || Cu²⁺ (aq) | Cu

– Finn halvreaksjonene og totalreaksjonen.
– Finn standard cellespenning for reaksjonen.
– Bestem hva som er anode og katode, og fortegnene på elektrodene. Begrunn valgene.
– Beregn E hvis metallene er rene og løsningene er 1 M ZnCl₂ og 0,01 M Cu(NO₃)₂.
– Forklar ut fra Nernsts ligning hvorfor spenningen synker etter hvert som reaksjonen går.

b) Ta utgangspunkt i følgende celle: Pt | O₂ | H⁺ (1M) || OH^– (1M) | O₂ | Pt

– Beregn E for cellen ved 25 ºC ut fra halvreaksjoner som gir E = Eº.
– Beregn E for cellen ved 25 ºC ut fra halvreaksjoner som gir Eº = 0.
– Ved 40ºC målte du E til 0,75 V. Hva er, ut fra dette måleresultatet, K_w ved 40ºC?

Oppgave 6. Tilsvarer delex VI.

a) Tegn opp følgende molekyler. Vis alle atomer og bindinger. Det kreves ingen forklaring.

– Metan, etan, eten, propyn og propadien.
– Tre mettede molekyler med 4 C–atomer, ett som er lineært, ett forgrenet og ett som er en ring.
– Tre forskjellige alkoholer med formelen C₃H₆O, men som ikke danner en ring.
– En eter, en ester og en syre, alle med to karbonatomer.
– 1,1–dimetylbutyl acetat.

b) Tegn opp følgende molekyler. Vis alle atomer og bindinger. Det kreves ingen forklaring.

– Vis sammenheng mellom strukturene for PVC (polyvinylklorid) og polypropen.
– Hvordan vil en kopolymer av like mye propen og etyn se ut, hvis annenhver monomer er propen og annenhver er etyn?
– Tegn en syre og en alkohol som sammen kan danne en polyester.
– Vis at en aminosyre (f. eks. 1–amin propansyre) kan danne et polyamid.
– En syre med fire syregrupper, C(COOH)₄ og en alkohol med 4 OH–grupper, C(CH₂OH)₄, reagerer og danner en polymer. Tegn resultatet. Her er det nok å skissere strukturen.

Oppgave 7.

a) Vedlagt oppgavene finner du Pourbaix–diagrammet for jern. Utgangspunktet for oppgaven er en situasjon hvor E = 0,9 V og pH=5. Det er ingen påtrykt spenning og ingen andre forbindelser til stede utover de som finnes i eller dannes fra vann, jern og luft.

– Hva er det som skaper spenningen? Hvilken praktiske situasjon kan gi E = 0,9 V ved pH=5?
– Forklar, ut kjemiske likevekter, hvorfor jern korroderer eller ikke korroderer hvis pH = 5 og E = 0,9 V.
– Forklar, ut fra kjemiske likevekter, hvordan pH påvirker hvorvidt jern vil korrodere eller ikke.
– Forklar, ut fra kjemiske reaksjoner, hvordan E påvirker hvorvidt jern vil korrodere eller ikke.
– Vil det kunne endre situasjonen at man tilsatte salt? Begrunn svaret med en kjemisk likevekt.

b) Et jernrør og et kobberrør er koblet sammen. Gjennom det sammenkoblede røret transporteres drikkevann til et hus og røret ligger nedgravd i tørre omgivelser.

– Vil det kunne oppstå galvanisk korrosjon? Forklar hvor eventuell korrosjon vil skje og angi forutsetningene for at galvanisk korrosjon skal kunne skje.
– Hvis du skal hindre korrosjon, hvilken del av røret vil du da male? Begrunn svaret.
– Gi en oversikt over hvilke faktorer som bestemmer korrosjonshastigheten i den aktuelle situasjonen.
– Angi hvilke informasjoner du måtte ha hvis du skulle beregne korrosjonshastigheten.

Oppgave 8

a) Klorgass løses i vann ved 25 ^oC, 1 atm totaltrykk, gassen inneholder 10 vol–% klor. Vannet er sjøvann med 0,1 M NaCl, og er gjort basisk til pH =13. I vannet reagerer klor etter følgende reaksjonsligning: Cl₂ (aq) + OH^– → Cl^– + HOCl. Merk forskjellen mellom Cl₂ (g) og Cl₂ (aq)!

– Beregn likevektskonstanten, K, for reaksjonen Cl₂(g) → Cl₂ (aq) ut fra løselighetsdata i tabell 27.
– Beregn ΔGº for løsningsreaksjonen ut fra den beregnede verdien av K.
– Beregn, ut fra verdier i tabell 5 i SI, ΔGº for reaksjonen Cl₂ (aq) + OH^– → Cl^– + HOCl.
– Finn verdien for K for reaksjonen Cl₂ (g) + OH^– → Cl^– + HOCl.
– Finn verdien av Q for reaksjonen hvis [HOCl] = 10^–3 mol/L.

(Det ble oppdaget at verdier for HOCl manglet i SI, og det ble da oppgitt at man i stedet kunne bruke verdier for OCl^– eller anta verdier.)

b) En elektrokjemisk celle kan skrives slik: Pt | Cl₂ (g) | Cl^– (0,1 M)|| Cl^– (0,1M)| Cl₂ (aq) | Pt. Begge løsningene er sure, så det skjer ingen reaksjon mellom klor og vann.

– Finn halvreaksjonene og totalreaksjonen.
– Finn n og Eº for totalreaksjonen.
– Finn likevektskonstanten for totalreaksjonen. Kommenter hvorvidt resultatet var som forventet eller ikke.
– Beregn E hvis den venstre cellen har 1 atm totaltrykk og gassen inneholder 10 mol–% klor. Alle andre komponenter er i standard tilstand.
– Hva er forutsetningen for at [Cl^–] skal kunne påvirke E for totalreaksjonen?

Oppgave 9.

a) Om vannets struktur og egenskaper. Alle disse spørsmålene kan besvares kort.

– Vannmolekylet har polare kovalente bindinger. Gjør rede for hva dette er, og forklar hvorfor vann har slike bindinger.
– Forklar hvorfor vannmolekylet er vinklet, og hvorfor bindingsvinkelen er mindre enn 109,5º.
– Fordi vannmolekylet er bøyd er det polart. Hva har dette å si for vannet kokepunkt og dets egenskaper som løsemiddel?
– Hvorfor har vann et mye høyere kokepunkt enn det langt tyngre og polare molekylet H₂S?
– Hvorfor har CO₂ en langt høyere løselighet enn O₂ i vann, selv om begge gassene er upolare?

b) Om bindinger i faste stoffer. Alle disse spørsmålene kan besvares kort.

– Forklar hvordan man kan forutsi hvilke bindinger et fast stoff har ut fra elektronegativitet.
– Forklar forskjellen mellom molekylstruktur og gitterstruktur når det gjelder kjemiske bindinger.
– Hvorfor har N₂ et veldig lavt kokepunkt, selv om N₂ har de sterkeste av alle kjemiske bindinger?
– Forklar hvorfor polyeten og polypropen har mye lavere smeltepunkt enn PVC (polyvinylklorid).
– Forklar hvorfor noen plaststoffer ikke kan smeltes om når de først er laget ferdig og har fått sin endelige form.

Oppgave 10.

a) Vedlagt oppgavene finnes fasediagram for Pb/Sn og vann/NaCl.

– Forklar hvorfor saltvann har høyere kokepunkt og lavere smeltepunkt enn ferskvann, og angi kort hvordan du vil beregne frysepunktet.
– 18 karat gull inneholder 58,5 % gull, resten sølv og/eller kobber. Hva har høyest smeltepunkt av rent gull og 18 karat gull? Begrunn svaret.

– Du har en blanding av 70 % bly og 30 % tinn og temperaturen er 200 ºC. Hvilke to faser har du, hvor mye har du av hver fase, og hva er sammensetningen av hver av de to fasene?

b) Vedlagt oppgavene finnes fasediagrammet for jern/sementitt.

– Jern kan maksimalt ha oppløst ca. 2 % karbon i sin struktur. Forklar ved hvilken temperatur det skjer, og hva som skjer hvis temperaturen øker eller minker.

– Hvilke egenskaper har sementitt (cementitt), sammenlignet med jern?
– Stål er mye sterkere enn vanlig jern. Dette kan forklares ut fra at stål har en struktur som kan sammenlignes med en kompositt. Jernet er armert av lameller av sementitt, og kombinasjonen gir både stor strekkstyrke og bruddstyrke. Forklar hvorfor det dannes en slik struktur. Forklar ut fra jernets ulike strukturer, fast løsning og fasediagrammet for jern/sementitt.

Vedlegg til oppgavene på de neste sidene.

FORMELSAMLING for TMT4100 og TMT4105/4106
Det er formler her som ikke er nødvendige i dette faget. _____________________________________________________________________________

Formel Kommentar

_____________________________________________________________________________

PV = nRT; n = PV/RT Den ideelle gasslov; Avogadros lov.

P_i = n_iRT/V; P_i = X_i ∙ P_tot; P_tot = Σ P_i Partialtrykk av i; X_i er molbrøk av i.

C = q / ΔT; ΔH =IC dt C = varmekapasitet.

ΔE = q + w Pass på definisjon av retningene for q og w.

H = E + PV H = Entalpi.

ΔH = q q er her tilført varme.

ΔHE = Σ Δ_fHº(produkter) – Σ Δ_fHº(reaktanter) Husk støkiometriske faktorer.

ΔHE_T ≈ ΔHº₂₉₈ + ΔCº_p ∙ ΔT Eksakt hvis ΔCº_p er konstant.

ln K₁/K₂ = – ΔH/(R (1/T₁ – 1/T₂)) van=t Hoff. ΔH og ΔS konstant.

ln P₁/P₂ = – Δ_vapH/(R (1/T₁ – 1/T₂)) Clausius–Clapeyron for væskers damptrykk.

dS = q_rev/T S = Entropi.

ΔSE_T ≈ ΔSE₂₉₈ + ΔC_pE∙ ΔlnT Eksakt hvis ΔCº_p er konstant.

G = H – TS; ΔG = ΔH – TΔS Gibbs energi = – T ∙ ΔS_univers.

ΔG_T ≈ ΔH₂₉₈ – TΔS₂₉₈ Eksakt hvis ΔH og ΔS er konstant.

ΔG = ΔGº + RTlnQ Q er reaksjonsbrøken.

ΔGº = –RTlnK Fordi ΔG = 0 ved likevekt.

ΔG = –nFE E = cellespenning.

q = It = F Strømmengde for 1 mol elektroner.

E = Eº – (RT/nF) lnQ; E = Eº – (0,0592/n) logQ Nernst ligning; ved 25 ºC.

[H⁺] ∙ [OH^–] = K_w = 10^–14 pH + pOH = 14.

e^(a+b) = e^a ∙ e^b; ln e^a = a; ln(a/b) = ln a – ln b Regneregler for logaritmer og eksponenter