STX Kemi A 12. december 2012 - Vejledende besvarelse

Side 1

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

1

Kemi A STX

12. december 2012

stx123-KEM/A-

Opgave 1: Benzylacetone a)

Dobbeltbinding i B leder til geometrisk isomeri, altså at der kan findes både en cis- og en trans-form. Begge er tegnet nedenfor:

O

H

H

O

H

H

Trans

Cis b)

Den funktionelle gruppe er en keton.

En carbonyl gruppe (keton eller aldehyd) vil kunne detekteres, ved at reagere denne med 2,4- dinitrophenylhydrazinopløsning. Det vil give et gult bundfald, hvis der er en carbonyl tilstede. Herefter vil man, for at kunne skelne mellem aldehyder og ketoner, kunne bruge enten Fehlings væske eller Tollens reagens. Disse vil kun give bundfald ved aldehyder og ikke ketoner.

c)

Først undersøges NMR spektret:

Antal H’er er bestemt ud fra integralkurven, som er vist i NMR-Spektret.

Kemisk skift Koblingsmønster Antal H Forslag til gruppe

7,3 Dublet 5 Ar-H

2,8 Triplet 2 CH_{2} -(CH_{2})
2,6 Triplet 2 CH_{2} -(CH_{2})
2 Singlet 3 CH_{3} -(C)

Bortset fra koblingsmønstret for Ar-H stemmer NMR-spektret fuldstændig overens med hvad man ville forvente for Benzyl-acetone.

Side 2

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

2

I IR spektret ses en høj peak omkring cm^{-1}, hvilket svarer til en alifiatisk keton (tabel værdi 1720
cm^{-1}). Der ses 3 peaks i området 1450 cm^{-1} til 1600 cm^{-1}. Dette er C=C stræk fra aromaten. Der ses også
signaler både lige før og lige efter 3000 cm^{-1}, svarende til C-H stræk fra både sp^{2} og sp^{3} hybridiserede

carbon.

Det analyserede produkt må forventes at være benzylacetone, da både IR og NMR-spektret stemmer overens med dette.

Side 3

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

3

Opgave 2: Glucose a)

Der sker en oxidation, da vi går fra en alkohol til en keton.

b)

For en førsteordensreaktion gælder:

𝑣=− =𝑘∙ [𝐴]

𝑑 [ 𝐴] 𝑑𝑡

Altså at reaktionshastigheden er ligefrem proportional med koncentrationen af reaktanten. Da det svarer overens med den viste graf, er reaktionen af første orden.

c)

Først skal hastighedskonstanten k bestemmes ved de forskellige temperaturer. Hastighedskonstanten bestemmes som:

𝑣=𝑘∙ [ 𝐴]

𝑘=

𝑣

[ 𝐴]

Hvor:

- v er begyndelseshastigheden ved de forskellige koncentrationer

- [A] er opgivet til 5,6 ∙ 10^{−4} 𝑀

𝑘_{26} 0_{𝐶} = =2,14 · 10^{−4} 𝑠^{−1}

1,2 ∙ 10^{−7}

𝑀 𝑠

5,6 ∙ 10^{−4} 𝑀

𝑘_{30} 0_{𝐶} = =3,04 · 10^{−4} 𝑠^{−1}

1,7 ∙ 10^{−7}

𝑀 𝑠

5,6 ∙ 10^{−4} 𝑀

𝑘_{33} 0_{𝐶} = =4,46 · 10^{−4} · 𝑠^{−1}

2,5 ∙ 10^{−7}

𝑀 𝑠

5,6 ∙ 10^{−4} 𝑀

For at finde aktiveringsenergien plottes ln(k) mod 1/T (i kelvin) i et Arrhenius plot:

Side 4

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

4

Vi laver en linear regression på data ud fra modellen:

ln ( 𝑘) =− ∙ + ln (𝑘_{0})

𝐸_{𝑎} 1

𝑅 𝑇

Som det kan ses svarer hældningen af linjen til:

𝛼=−

𝐸_{𝑎}

𝑅

−𝛼∙ 𝑅=𝐸_{𝑎}

Hvor:

- 𝛼 fra regressionen er -9502,5 K

- R er gaskonstanten som er 8,314_{𝑚𝑜𝑙∙𝐾}^{𝐽}

𝐸_{𝑎} =9502,5𝐾 ∙ 8,314

𝐽 𝑚𝑜𝑙∙ 𝐾

𝐸_{𝑎} =7,900 · 10^{4}

𝐽 𝑚𝑜𝑙

Aktiveringsenergien for reaktionen er altså 79,00 kJ/mol.

y = -9502,5x + 23,296
R² = 0,9861

-8,5

-8,4

-8,3

-8,2

-8,1

-8

-7,9

-7,8

-7,7

0,00326 0,00328 0,0033 0,00332 0,00334 ln(k)

1/T

Side 5

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

5

Opgave 3: Eksploderende vandmeloner a)

Molekyleformel og molekylevægt for forchlorfenuron er vist i nedenstående tegning fremstillet i chemsketch:

CH NH NH CH Cl

CH C C C C

CH CH CH N

CH CH

O

Molecular Formula = C_{12} H_{10} ClN_{3} O
Formula Weight = 247.6803

b)

Da anilin er den begrænsende faktor gælder:

𝑛_{𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛} =𝑛_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛}
𝑚_{𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛} 𝑚_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛}
𝑀_{𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛} 𝑀_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛}

=

𝑚_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛} = ∙ 𝑀_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛}

𝑚_{𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛}
𝑀_{𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛}

Hvor:

- 𝑚_{𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛} er opgivet til 100 g
- 𝑀_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛} er opgivet til 93,14 g/mol
- 𝑀_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛} er udregnet i forrige opgave til 247,6803 g/mol

𝑚_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛} = ∙ 247,6803

100𝑔 𝑔

93,14 𝑔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝑚_{𝑓𝑜𝑟𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑓𝑒𝑛𝑢𝑟𝑜𝑛} =266 𝑔

Udbytte udregnes som forholdet mellem det teoretisk mulige og det faktiske udbytte:

𝑢𝑑𝑏𝑦𝑡𝑡𝑒= =0,553

147𝑔

266𝑔

Altså var udbyttet 55,3 % af det teoretisk mulige udbytte.

Side 6

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

6 c)

Først udregnes stofmængdekoncentrationen i stamopløsningen:

𝐶∙ 𝑉=𝑛=

𝑚

𝑀

⇕

𝐶=

𝑚

𝑀∙ 𝑉

Hvor:

- m er opgivet til 10 g

- M er fundet i opgave a) til 247,6803 g/mol

- V er opgivet til 1,0 L

𝐶=

10𝑔

247,6803 ∙ 1,0𝐿 𝑔 𝑚𝑜𝑙

𝐶=0,040 𝑀

Herefter udregnes stofmængdekoncentrationen i selve sprøjteblandingen:

𝐶_{2} ∙ 𝑉_{2} =𝐶_{1} ∙ 𝑉_{1}

𝐶_{2} =𝐶_{1} ∙

𝑉_{1}
𝑉_{2}

Hvor:

- 𝑉_{1} er opgivet til 75 mL = 0,075 L
- 𝑉_{2} er opgivet til 100 L
- 𝐶_{1} er udregnet til 0,040 M

𝐶_{2} =0,040𝑀 ∙

0,075

100

𝐶_{2} =3,0 · 10^{−5} 𝑀=30 ⋅ 10^{−6} 𝑀

Altså er stofmængdekoncentrationen i sprøjteblandingen 30 µM.

Side 7

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

7

Opgave 4: Rhodamin B – et farvestof a)

Her er tale om faktor 100 fortynding. Altså skal 1 mL af de 100 mL være fra den koncentrerede rhodamin B opløsning, og de sidste 99 mL skal være af opløsningsmidlet butan-1-ol.

Først pipetteres 1 mL med en finpipette (p1000) og overføres til en 100 mL målekolbe. Der fyldes til stregen med butan-1-ol.

b)

Først opstilles ligevægtskonstanten:

𝐾=

[ 𝑌]

[ 𝑋]

Herefter indsættes de givne værdier hvor:

- Y=54,1
- X=100-54,1

𝐾=

54,1

100 − 54,1

𝐾=1,18

                                 o
Ligevægtskonstanten er altså 1,18 ved 25 C.

c)

Før du læser løsningen, bør du prøve at løse opgaven alene med vores guide, som du kan hente her.

Sammenhængen vist i grafen er:

ln ( 𝐾) =− ∙ +

Δ𝐻^{θ} 1 Δ𝑆^{θ}

𝑅 𝑇 𝑅

Δ𝐻^{θ} kan bestemmes ud fra hældningen:

𝛼=−

Δ𝐻^{θ}

𝑅

⇕

Δ𝐻^{θ} =−𝛼 ∙ 𝑅

Hvor:

Side 8

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

8

- Gaskonstanten R er 8,314_{𝑚𝑜𝑙∙𝐾}^{𝐽}

- Hældningen ud fra regressionen aflæses til 3063,9 K

Δ𝐻^{θ} =−3063,9𝐾 ∙ 8,314

𝐽 𝑚𝑜𝑙∙ 𝐾

Δ𝐻^{θ} =−25,47

𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙

Δ𝑆^{θ} kan bestemmes ud fra udtrykket:

𝛽=

Δ𝑆^{θ}

𝑅

⇕

𝛽 ∙ 𝑅=Δ𝑆^{θ}

Hvor:

- 𝛽 ud fra regressionen aflæses til -10,1

- Gaskonstanten R er 8,314_{𝑚𝑜𝑙∙𝐾}^{𝐽}

Δ𝑆^{θ} =−10,1 ∙ 8,314

𝐽 𝑚𝑜𝑙∙ 𝐾

Δ𝑆^{θ} =−83,9714

𝐽 𝑚𝑜𝑙∙ 𝐾

For at vurdere hvordna opløsningen udvikler sig med temperaturen kigger vi på udtrykket for Δ𝐺. Når ΔG er negativ går reaktionen mod det røde stof Y. Udtrykket er som følgende:

Δ𝐺=Δ𝐻− 𝑇⋅ Δ𝑆

Kun leddet −𝑇 ⋅ Δ𝑆 er temperaturafhængigt. Når vi har en negativ entropi vil det led altid være positivt, og derved drive reaktionen mod venstre. Når dette led får større indflydelse (altså når temperaturen stiger) vil reaktionen gå i mod X som er farveløs, så derfor vil opløsningen blive mindre rød under opvarmning.

d)

For at udregne dette bruges den opgivne regression:

ln ( 𝐾) =3063,9𝐾 ∙ − 10,1

1

𝑇

Hvor:

- T er opgivet som 42^{o} C = 42K+273K

ln ( 𝐾) = − 10,1

3063,9 𝐾

( 42 + 273) 𝐾

Side 9

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

9

ln (𝐾)=−0,3733333

𝐾=𝑒^{−0,3733333} =0,688

Herefter udregnes den procentvise andel af X og Y:

% ( 𝑌) = =40,8%

0,688

0,688 + 1

% ( 𝑋) = =59,2%

1

1 + 0,688

Herefter ganges det på den formelle stofmængdekoncentration:

[ 𝑌] =40,8% ∙ 8,00∙ 10^{−6} 𝑀=3,26 · 10^{−6} 𝑀

[ 𝑋] =59,2% ∙ 8,00∙ 10^{−6} 𝑀=4,74 · 10^{−6} 𝑀

Den aktuelle koncentration af X og Y er altså henholdsvis 3,26 mM og 4,74 mM.

Side 10

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

10

Opgave 5: Barbitursyre og barbiturater a)

En svag syre har pKa>4 og en middelstærk syre har pKa<4. Barbitursyre har en pKa lige mellem de to. I sådanne tilfælde foretrækkes det at bruge formlen for en middelstærk syre:

𝑝𝐻=−log()

−𝐾_{𝑠} + √ 𝐾_{𝑠}^{2} + 4 ∙ 𝐾_{𝑠} ∙ 𝐶_{𝑠}

2

Hvor

- pKs er opgivet til 4,00 hvilket giver at 𝐾_{𝑠} =10^{−𝑝𝐾_{𝑠}} =10^{−4,00}
- 𝐶_{𝑠} er opgivet til 0,0892 M

𝑝𝐻=−log()

−10^{−4,00} + √ ( 10^{−4,00})^{2} + 4 ∙ 10^{−4,00} ∙ 0,0892

2

𝑝𝐻=2,53

b)

Ved pH 7,2 (over 2 pH enheder over pKs) findes barbitursyre udelukkende på sin baseform barbiturat.

c)

Absorbansen for pH 7,2 ved 258 nm aflæses, som set på nedenstående figur.

Side 11

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

11

Absorbansen er aflæst til 1,15 ved pH 7,2. Ved pH 7,2 er alt på baseform og altså kan ekstinktionskoefficienten for barbiturat udregnes direkte:

𝐴=𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡) ∙ 𝑙∙ 𝐶

𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡) =

𝐴 𝑙∙ 𝐶

Hvor:

- l er opgivet til 1,00 cm

- C er opgivet til 5,0∙ 10^{−5} 𝑀

𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡) =

1,15

1,00 ∙ 5,0 ∙ 10^{−5} 𝑀 ∙ 𝑐𝑚

𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡) =23000 𝑀^{−1} 𝑐𝑚^{−1}

                                                           -1
Ekstinktionskoefficienten for barbiturat ved 258 nm er altså 23000 M cm .

d)

Absorbansen for pH 3,6 ved 258 nm aflæses, som set på nedenstående figur.

Absorbancen er aflæst til 0,40 ved pH 3,6. For at udregne andelen af barbitursyre ved pH 3,6 bruges Henderson-Hasselbalch ligningen:

𝑝𝐻=𝑝𝐾_{𝑠} + log ()

[ 𝐵]

[ 𝑆]

Side 12

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

12

𝑝𝐻=𝑝𝐾 + log()

𝑠

1 − 𝑥_{𝑠}
𝑥_{𝑠}

10^{𝑝𝐻−𝑝𝐾_{𝑠}} =

1 − 𝑥_{𝑠}
𝑥_{𝑠}

𝑥_{𝑠} =

1

1 + 10^{𝑝𝐻−𝑝𝐾_{𝑠}}

Hvor:

- pH er opgivet til 3,6

- 𝑝𝐾_{𝑠} er opgivet til 4,00

𝑥_{𝑠} =

1

1 + 10^{3,6−4,00}
𝑥_{𝑠} =0,715

Baseandelen udregnes:

1=𝑥_{𝑏} + 𝑥_{𝑠}

𝑥_{𝑏} =1 − 𝑥_{𝑠}

𝑥_{𝑏} =1 − 0,715

𝑥_{𝑏} =0,285

Altså er 28,5 % af barbitursyre blevet omdannet til barbiturat ved pH 3,6.

Lambert-Beers lov bruges til at udregne ekstinktionskoefficienten:

𝐴= ( 𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡) ∙ 𝐶_{𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡} + 𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑠𝑦𝑟𝑒) ∙ 𝐶_{𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑠𝑦𝑟𝑒}) ∙ 𝑙

𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑠𝑦𝑟𝑒) =

𝐴 𝑙

− 𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡) ∙ 𝐶_{𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡}
𝐶_{𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑠𝑦𝑟𝑒}

Hvor:

- A er aflæst til 0,40

- Den formelle koncentration er opgivet til 5,0 ∙ 10^{−5} 𝑀
o 𝐶_{𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡} =5,0 ∙ 10^{−5} 𝑀 ∙ 0,285
o 𝐶_{𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑠𝑦𝑟𝑒} =5,0 ∙ 10^{−5} 𝑀 ∙ 0,715
- 𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡) er udregnet i forrige opgave til 23000 M^{-1} cm^{-1}

- l er opgivet til 1 cm

𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑠𝑦𝑟𝑒) =

0,40

1 𝑐𝑚

− 23000 M^{−1} cm^{−1} ∙ 5,0 ∙ 10^{−5} 𝑀 ∙ 0,285
5,0 ∙ 10^{−5} 𝑀 ∙ 0,715

Side 13

Kemi A STX – Skriftlig eksamen – 12. december 2012

13

𝜀_{258𝑛𝑚} ( 𝑏𝑎𝑟𝑏𝑖𝑡𝑢𝑟𝑠𝑦𝑟𝑒) =2020 𝑀^{−1} 𝑐𝑚^{−1}

                                           -1 -1
Ekstinktionskoefficienten for barbitursyre er 2020 M cm .