Eksamen i fag SIK3003

19. desember 2001.

Oppgave 1.

a) - Hva er konsentrasjonen av [H+] og [OH-] ved pH=11?
- Hva er [NH4+] i en 1M løsning av ammoniakk (NH3) ved pH=11?
- Hva er løseligheten av Cu(OH)2 ved pH=11?

Svar: - 10-11 og 10-3
- Ka = [NH3][H+]/[NH4+] = 10-9,24 => [NH3]= 1, [H+] = 10-11 => [NH4+] = [NH3][H+]/10-9,24 =
1 x 10-11 / 10-9,24 = 10-1,76 = 0,0147 M
- Ksp = [Cu2+][OH-]2 = 1 x 10-20 => [Cu2+] = 1 x 10-20/[OH-]2 = 1 x 10-20/(10-3)2 = 10-14.

b) - Hvis man tilsetter saltsyre til en løsning av sølvioner, felles det ut et hvitt sølvklorid. Skriv opp den balanserte likevektsreaksjonen og finn verdien av likevektskonstanten.
- Hvis man i stedet tilsetter ammoniakk, vil sølvionene danne et kompleks med ammoniakk. Skriv opp den balanserte likevektsreaksjonen og finn verdien av likevektskonstanten.
- Kombinér de to reaksjonene og finn likevektskonstanten hvis sølvklorid løses med ammoniakk.

Svar: 1)         Ag+ + Cl- = AgCl                                                        K1 = 1/Ksp = 1/(2 x 10-10)
2)                 Ag+ + 2 NH3 = Ag(NH3)2+                                         K2 = K = 107
2) - 1)          AgCl + 2 NH3 = Ag(NH3)2+ + Cl-                                     K = K2/K1 = 107 x 2 x 10-10 = 2 x 10-3

Oppgave 2.

a) - Hvor mye varme utvikles i følgende reaksjon: 2 H2S + O2 (g) <=> 2 H2O (g) + 2 S (s)?
- Hva er temperaturen etter endt reaksjon hvis all varme ble værende i produktene og hvis start-temperaturen er 25oC?

Svar: (delta)H o= (delta)fHo (produkt) - (delta)fH o(reaktant) = 2 (-242 kJ/mol) + 0 -2 (-21 kJ/mol) -0 = -442 kJ/mol.
cp (produkter) = 2 x Cp(H2O (g)) + Cp(S (s)) = 2 x 34 J/Kmol + 2 x 23 J/Kmol = 114 J/Kmol.
T = q/Cp = - H /Cp = (442 kJ/mol)/(114 J/Kmol) = 3877 K. Dvs. temperaturen blir ca. 3900 oC.

b) Ett mol H2S er fordelt i en beholder på 1000L ved 80oC. Totaltrykket er 1 atm.
- Hva er partialtrykket av H2S i beholderen?
- Hvor mye H2S løses i 0,1 L vann ved disse betingelsene?

Svar: PV = nRT n=1; V=1000L; T = 353K; R = 0,0821 Latm/Kmol
=> P = 1 x 0,0821 x 353 /1000 = 0,029 atm (Partialtrykket er het uavhengig av totaltrykket)
Løselighet = 0,77g/Latm x 0,1 L x 0,029 atm = 2,2 x 10-3 g.

Oppgave 3.

a) - Hva kan man finne ut hvis man kjenner (Delta)G for en reaksjon?
- Hva kan man finne ut hvis man kjenner (delta)Go for en reaksjon?
- Hvilke formler må man bruke for å finne (delta)G for en reaksjon ved 100oC?

Svar: - Om reaksjonen er i likevekt og hvilken vei den evt. vil gå.
- Likevektskonstanten
- (delta)Go = (delta)Ho - T (delta)So og (delta)G = (delta)Go + RTlnQ

b) NO + O3 -> NO2
- Balansér ligningen og finn verdien av likevektskonstanten ved 80o C.
- Ved hvilken temperatur er reaksjonen i likevekt hvis totaltrykket er 1 atmosfære, hvis det er like mye NO og NO2, og hvis ozontrykket er 10-12 atmosfærer?

Svar:  NO + O3 -> NO => 3 NO + O3 -> 3 NO2
(delta)Ho = 3 x 33 - 143 - 3 x 90 = - 314 kJ/mol
(delta)So = 3 x 240 - 239 - 3 x 211 = - 152 J/Kmol
(delta)Go = (delta)H o- T (delta)So = - 314 kJ/mol - 353 K x (- 152 J/Kmol)
= - 314 kJ/mol + 54 kJ/mol = -260 kJ/mol
(delta)Go = -RTlnK => ln K = - (delta)Go /RT = (260.000 J/mol)/(8,31 J/Kmol x 353K) = 88,7
=> K = 3x1038
(delta)G = (delta)Go + RTlnQ = H - T S + RTlnQ = 0
=> (delta)Ho = T (delta)So - RTlnQ => T = Ho /( So - RlnQ)
Q = P(NO2)3/P(NO)3P(O3) = 1/P(O3) = 1012 => RlnQ = 8,31 J/Kmol x 27,6 = 230 J/Kmol
T = (delta)H o/((delta) So - RlnQ) = - 314 kJ/mol/(- 152 J/Kmol - 230 J/Kmol) =
-314 kJ/mol /(-382 J/Kmol) = 822K = 550 C.

Oppgave 4.

a) - Tegn opp en elektrokjemisk celle som leverer strøm. I det ene kammeret er det sink metall i kontakt med en løsning av sinkioner, i den andre er det kopper metall i kontakt med kopperioner.
- Forklar hvor og hvordan strømmen beveger seg i cellen.
- Angi anode og katode, samt elektrodenes fortegn. Begrunn kort valgene.

Svar: Se figur
- Pass på saltbro.
- Strømmen ledes av elektroner i ledningen og av ioner i løsningen.
- Anoden er sink og den er negativ. Sink går i oppløsning, den oksideres, og når det produseres positive ioner må det samtidig produseres fri elektroner.

b) - Finn totalreaksjon og standard cellespenning.
- Hva blir cellespenningen hvis konsentrasjonen av sinkionene er 0,01M og konsentrasjonen av kobberionene er 1M?
- Denne totalreaksjonen kan brukes som et batteri. Hvor stor strømstyrke vil batteriet gi hvis det forbrukes 1,0 g Zn pr. time?

Svar: - Zn + Cu2+ -> Cu + Zn2+             Eo = 1,10V (Daniel-celle)
- Q = [Zn2+]/[Cu2+ ] = 0,01/1 = 0,01
E = Eo - 0,0592/2 x log 0,01 = 1,10V + 0,059V = 1,16V
1,0g/65,39 g/mol = 0,01529 Zn = 0,0306 mol e- => ladning = 0,0306 mol x 96500 C/mol = 2952 C Strøm = 2952 As/3600s = 0,82 A

Oppgave 5.

a) - Tegn opp vannmolekylet slik at man kjenner igjen molekylets form.
- Hva er formelen for saltsyre?
- Er saltsyre en sterk eller en svak syre? Begrunn svaret kort.
- Hva kalles saltene av saltsyre?
- Hva slags faremomenter må man, ifølge faremerkingen, ta hensyn til hvis man skal arbeide med saltsyre?

Svar: H2O, O i midten, bøyd (ca. 105o ); HCl; En sterk syre, spaltes nesten fullstendig (kan sees fra Ka); Klorider; Saltsyre er etsende.

b) - Angi to oksider som kan dannes når svovel brenner i luft.
- Angi navn og formel for de to syrene som dannes når disse to oksidene løses i vann.
- Hvilket alvorlig og omfattende miljøproblem er disse oksidene hovedopphav til?

Svar: SO2 og SO3, H2SO3 = svovelsyrling; H2SO4 = svovelsyre; Sur nedbør (eneste svar som aksepteres).

Oppgave 6.

a) - Skriv opp en halvreaksjon for reduksjon av oksygengass til OH--ioner eller vann.
- Ved hvilken pH er E = Eo , forutsatt at alle andre stoffer er i standard tilstand?
- Hvor mye spenning må påtrykkes for å spalte vann i oksygengass og hydrogengass?

Svar: O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O, eller O2 + 2 H2O + 4e- => 4 OH-
I den første er pH=0, i den andre er pH=14.
Man må bruke to halvreaksjoner som har E ved samme pH for å få svar direkte fra Eo => 1,23V

b) I en celle har man i begge kamrene klorgass i likevekt med en 1M løsning av kloridioner. I det venstre kammeret er løst klorgass i standard tilstand, i det høyre er klorgassen i standard tilstand.
- Hva er spenningen over cellen?
- Hva er klorgasstrykket i hvert av de to kamrene?

Svar: Cl- =>1/2 Cl2 (g) + e-                 Eo = -1,36V log K = -23,0
1/2 Cl2 (aq) + e- => Cl-                       Eo = 1,40V log K = 23,6
1/2 Cl2 (aq) = 1/2 Cl2 (g)                     Eo = 0.04V log K = 0,6
Cl2 (aq) = Cl2 (g)                                 Eo = 0.04V log K = 1,2 K = 15,8 = P(Cl2)/[Cl2]
Høyre: P(Cl2) = 1 atm.
Venstre: K = 15,8 = P(Cl2)/[Cl2]; [Cl2] = 1 => P(Cl2) = 15,8 atm.

Oppgave 7.

a) Anodereaksjon og katodereaksjon ved korrosjon behøver ikke skje på samme sted.
- Hva er forutsetningene for at korrosjon skal kunne skje på denne måten?
- Tegn opp et eksempel hvor korrosjon skjer på denne måten.
- Hva kalles slik korrosjon?

Svar: At det er både en metallisk og en ioneleder mellom elektrodene, at det kan dannes en sluttet krets.
(dråpen, viren, spaltkorrosjon er eksempler som er gjennomgått); Galvanisk korrosjon.

b) - Forklar hvorfor pH kan stige der katodereaksjonen skjer, mens pH gjerne synker der anodereaksjonen skjer.
Svar: Katodereaksjonen forbruker H+ eller produserer OH-. Metallionene reagerer med vann slik at vannet blir surt.

Oppgave 8.

Pourbaixdiagram for diverse metaller er gitt som vedlegg.
a) - Hvordan kan man lese av diagrammene om et metall er edelt eller reaktivt?
- Hva betyr de to stiplede, parallelle skrålinjene som går igjen i alle diagrammene?
- Ved pH=7 vil stål, utfra Pourbaixdiagrammet, korrodere i oksygenfritt vann, men ikke i oksygenrikt. Hvordan ser man det utfra Pourbaixdiagrammet?

Svar: Man ser hvor høyt grensen for immunt går. Jo høyere, jo edlere.
De angir de to katodereaksjonene, og angir katodespenning i oksygenrikt og iksygenfritt vann.
ved pH = 7 er det passivt nær øvre linje, men aktivt nær nedre.

b) Besvar disse spørsmålene utfra kjemiske reaksjoner og sammenhenger.
- Hvorfor er aluminium og sink aktive i sterkt basisk miljø?
- Hvorfor har stål et større aktivt område i saltvann enn i ferskvann?

Svar: De danner komplekser med hydroksidionet som løser opp passivskiktet.
Jern danner komplekser med klorid slik at passivskiktet løses opp.

Oppgave 9.

a) Tegn opp strukturene for etan, propen, 1,3-butadien, syklopentan og bensen. Tegn inn alle atomene og pass på at alle atomer har riktig antall bindinger.
Svar: Se figur.

b) Metan kan oksideres i følgende trinn: Metan, metanol, formaldehyd, maursyre og til slutt karbondioksid. Angi struktur for alle disse molekylene. Tegn inn alle atomene og pass på at alle atomer har riktig antall bindinger.
Svar: Se figur.

Oppgave 10.

a) - Hva er forskjell mellom addisjonspolymerisasjon og kondensasjonspolymerisasjon?
- Vis hva som skjer når eten polymeriseres, og vis hvilke bindinger som brytes og hvilke som dannes ved reaksjonen.
- Vis strukturen for polypropen. (Du får plusspoeng hvis du kan forklare forskjellen på isotaktisk og ataktisk polypropen.)
- Tegn opp strukturen på polymeren som dannes når etylenglykol og ftalsyre polymeriserer. Struktur av etylenglykol og ftalsyre er oppgitt i vedlegg.

Svar: Ved kondensasjonspolymerisasjon dannes det også vann eller et annet lite molekyl i tillegg. En addisjonspolymer inneholder alle atomene som fantes i monomerene. En kondensasjonspolymer er nesten alltid polar, en addisjonspolymer er ofte upolar.
- Se figur.

b) Isopren er det samme som 2-metyl 1,3-butadien.
- Tegn opp molekylet.
- Isopren polymeriserer ved at begge dobbeltbindingene brytes og det dannes en ny dobbeltbinding i tillegg til at det dannes bindinger mellom monomerene. Vis hvordan dette skjer.
- Naturgummi er en naturlig polyisopren. Hva betyr det at gummi vulkaniseres, og hvorfor må gummien vulkaniseres før man får en gummi som holder formen - også når den blir varm?

Svar: Se figur.
- Vulkanisering betyr at det dannes kryssbindinger mellom kjedene slik at det blir en herdeplast.