Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
1
HTX A Kemi
12. december 2013
htx133-KEM/A-
Opgave 1
a.
CH
C
C
CH
C
CH
OH
C
O
H
O
CH
3
Molekylformlen for vanillin er C
8
H
8
O
3
.
Hvis du bruger ACD/ChemSketch, følg da disse trin:
1. Tegn og markér strukturen.
2. Gå til Tools\Structure Properties (Værktøjer/strukturegenskaber)
3. Under menuen Common (generel), vælg da All (alle) for at vise alle kulstofatomer i strukturen.
4. Tæl antallet af atomer af hvert grundstof i forbindelsen.
b.
1
4
2
3
O
OH
H
A
Aldehydet er den funktionelle gruppe, der har den højeste prioritet, og den bidrager derfor med suffikset -
al eller -aldehyd i forbindelsens navn og afgør derudover også, hvorfra nummereringen af kulstofatomer
begynder. Aldehydet sidder direkte på en benzenring, og er derfor en benzaldehyd-analog.
Benzenringen har en hydroxylgruppe på dens C
4
, da bindingen til aldehydet angiver, hvor C
1
er placeret.
Hydroxylgruppen navngives som en substituent og får navnet 4-hydroxy.
Derfor navngives stof A: 4-hydroxybenzaldehyd eller para-hydroxybenzaldehyd.
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
2
c.
OH
C
O
H
O
CH
3
OH
C
O
OH
O
CH
3
+1 +3
Det er en oxidationsreaktion, fordi aldehydet oxideres til en carboxylsyre, og derfor oxideres det
korresponderende kulstofatom fra +1 til +3.
d.
- Frigivelsen af vanillin i kroppen følger en førsteordens reaktion.
Reaktionen følger førsteordens kinetik, og derfor:
”V” refererer til vanillin.
e.
- Hvis man indtager 100 mg vanillin pr. kg, er der 6% tilbage er 48 timer.
Det er nødvendigt af beregne ”k”.
Derfor er k = 1,6281∙10
−5
s
−1
Nu kan reaktionens hastighedsudtryk færdiggøres, som blev delvist bestemt i forrige opgave omkring
frigivelse af vanillin i kroppen.
[V] og [V]
0
er udtrykt i mg vanillin pr. kg kropsvægt; t angives i sekunder.
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
3
f.
Vanillin syntetiseres via følgende to reaktioner.
O
H
OH
O
H
OH
Br
Br
2
HBr
+ +
O
H
OH
O
CH
3
O
H
OH
Br
NaOCH
3
NaBr
+ +
Hvis NaOCH
3
, der er en reaktant i anden reaktion, udbyttes med NaOCH
2
CH
3
, bliver der syntetiseret
ethylvanillin i stedet. Den nye reaktant er sandsynligvis dyrere end den anden, og dermed er det dyrere at
syntetisere ethylvanillin, som det nævnes i teksten.
O
H
OH
Br
O
H
OH
O CH
3
NaOCH
2
CH
3
NaBr
+ +
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
4
Opgave 2
a.
Ca(OH)
2
navngives calciumhydroxid.
b.
Før du læser løsningen, bør du prøve at løse opgaven alene med vores guide, som du kan hente her.
-
-værdierne er angivet.
kan beregnes vha. følgende ligning.
Reaktionen er exoterm, fordi
< 0, og derfor afgiver reaktionen varme og den kan således opvarme
indholdet af beholderen.
c.
Før du læser løsningen, bør du prøve at løse opgaven alene med vores guide, som du kan hente her.
-
-værdierne er angivet.
Værdien af Gibbs fri energi afgør spontaniteten af en reaktion. En reaktion er spontan, hvis
< 0; og hvis
> 0, er reaktionen ikke spontan.
Derfor er reaktionen spontan ved 25°C.
En anden måde, hvorpå opgaven kan løses, er ved brug af følgende ligninger:
𝜃
d.
Hotcan skal klargøres, således at en regelmæssig bruger kan håndtere den. Hvis alt forløber korrekt, er det
største problem, at Hotcan bliver varm, så det skal man være opmærksom på, når man håndterer den.
Hvis noget derimod slår fejl, bliver det farligt at håndtere Hotcan, pga. en af de forbindelse, der er inde i
Hotcan, den første reaktionen, der forløber, og produktet af denne reaktion. Hotcan indeholder CaO og
H
2
O ved start. CaO er lokalirriterende og kan give forbrænding ved kontakt med huden. Derfor skal der
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
5
bæres fuld beskyttelse i form af sikkerhedsbriller, handsker og korrekt påklædning for at håndtere denne
forbindelse. Det samme problem haves for reaktionens første produkt, Ca(OH)
2
. Dette produkt skal holdes
væk fra ansigtet. Endvidere kan man blive forbrændt eller skoldet fordi reaktionen er exoterm. Vand og
CaCO
3
er de eneste fuldstændig uskadelige forbindelser i denne Hotcan.
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
6
Opgave 3
a.
Før du læser løsningen, bør du prøve at løse opgaven alene med vores guide, som du kan hente her.
Den valgte bølgelængde er 558 nm, fordi det er her den blåviolet forbindelse har sin maksimale absorbans.
Ved denne bølgelængde er signal:støj ratioen højest. Endvidere minimeres usikkerheden af målingen ved at
vælge denne bølgelængde, netop fordi signal:støj rationen er høj.
b.
Før du læser løsningen, bør du prøve at løse opgaven alene med vores guide, som du kan hente her.
- Absorbansen for den blåviolet forbindelse ved 558 nm og ved forskellige koncentrationen af AsO
2
-
er angivet.
- Kuvettelængden er 1,0 cm.
[AsO
2
−
] / M
2,669∙10
-6
5,339∙10
-6
1,335∙10
-5
4,004∙10
-5
5,339∙10
-5
6,674∙10
-5
A
0,038
0,078
0,181
0,573
0,764
0,952
Lambert-Beers lov angiver, at der haves en lineær sammenhæng mellem koncentration og absorbans.
Sammenhængen mellem denne blåviolet forbindelse og koncentrationen af AsO
2
-
kan bestemmes:
Derfor anvendes der 5 mol AsO
2
-
til at danne ét mol blåviolet forbindelse.
Værdierne fra tabellen indtegnes i et koordinatsystem for at tjekke lineariteten af den blåviolet forbindelse.
Den molare absorptionskoefficient for den blåviolet forbindelse beregnes:
y = 14317x - 0,0021
R² = 0,9999
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,E+00 2,E-05 4,E-05 6,E-05 8,E-05
A
[AsO
2
−
] / M
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
7
Enheden for ε
λ
er typisk M
-1
cm
-1
.
Forskriften for tendenslinjen er:
De to udtryk kobles sammen for at beregne ε
558
.
En anden måde, hvorpå opgaven kan løses, er ved at bruge følgende formel:
Og anvende et tilfældigt sæt af værdier fra tabellen. Værdien af ε vil afhænge af det valgte sæt af data, og
derfor er tendenslinjen en bedre approksimation.
c.
Før du læser løsningen, bør du prøve at løse opgaven alene med vores guide, som du kan hente her.
- Opløsningens volumen er angivet til 1,0 mL og absorbansen er angivet til 0,382. Den forrige 100 mL
opløsning tages ikke i betragtning, fordi den er filtreret og dernæst koncentreret, således at
stofmængden af AsO
2
-
er den samme i begge opløsninger.
ε
558nm
er beregnet i forrige opgave, så derfor bruges Lambert-Beers lov til at beregne koncentrationen af
AsO
2
-
Koncentrationen af AsO
2
-
i opløsningen er 2,67·10
-5
M. Forskellen ude på andet decimal skyldes måden,
hvorpå ε
558nm
er beregnet.
d.
- Grænseværdien for AsO
2
-
i vand er 7,136 µg/L.
- Grundstoffernes molare masse bestemmes ved tabelopslag.
Det blev bestemt i forrige opgave, at koncentrationen af AsO
2
-
i opløsningen er 2,68·10
-5
M. Denne
opløsnings volumen var 1 mL, så stofmængden må være:
Massen af AsO
2
-
er:
Dette er massen af AsO
2
-
i en riskiks på 7,0 g.
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
8
Massen af AsO
2
-
, der er tilladt i drikkevand er:
Hvis vi sammenligner stofmængden af arsenit-ioner i riskiks og vand, så er riskiks uden tvivl mest usunde,
fordi de indeholder en højere procentdel af arsenit. Dog er det daglige indtag af vand og riskiks ikke
sammenligneligt. Vi drikker ca. 2 L vand hver dag, men vi spiser ikke 2 kg riskiks hver dag. Hvis du spiser to
riskiks på en dag, der vejer ca. 14,0 g, så indeholder de ca. 5,7 µg arsenit. Dine daglige 2 L vand indeholder
derimod omkring 14,3 µg arsenit. Jeg ville kigge efter et alternativ til riskiks som snacks, men hvis du kun
spiser dem engang i mellem, er det ikke noget problem.
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
9
Opgave 4
a.
- Bjerrumdiagrammet for azelainsyre er angivet.
Azelainsyre har to pK
s
-værdier, som det ses ud fra molekylformlen og bjerrumdiagrammet.
HOOC(CH
2
)
7
COOH
HOOC(CH
2
)
7
COO
-
H
2
O
H
3
O
+
+ +
pK
a1
HOOC(CH
2
)
7
COO
- -
OOC(CH
2
)
7
COO
-
H
2
O
H
3
O
+
+ +
pK
a2
Bjerrumdiagrammet kan bruges til at bestemme begge pK
s
-værdier.
Derfor passer pH-værdierne ved Y
s
= 0,5 med pK
s
-værdierne, som er:
b.
Azelainsyres tre former findes ved ligevægt ved pH = 5, som det ses ud fra bjerrumdiagrammet.
HOOC(CH
2
)
7
COOH HOOC(CH
2
)
7
COO
- -
OOC(CH
2
)
7
COO
-
Alle x-værdierne kan aflæses ved pH = 5 på bjerrumdiagrammet.
c.
De studerendes eksperiment har til formål at bestemme koncentrationen af azelainsyre i prøven ved at
tilsætte et kendt volumen af en 0,1 M NaOH-opløsning. De studerende skal bruge et pH-meter eller en
anden pH-indikator for at finde det første og det andet ækvivalenspunkt for azelainsyre. Disse
ækvivalenspunkter er karakteriseret ved et pludseligt skift i pH-værdi.
pK
s
-værdierne for denne syre er 4,6 og 5,5, hvilket er for tæt på hinanden, til at vi kan betragte de to
carboxylsyre hver for sig. Den korte afstand mellem de to pK
s
-værdier, gør at det første ækvivalenspunkt er
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
10
ringere defineret i forhold til det andet ækvivalenspunkt. Med andre ord, så er pH-skiftet ved det første
ækvivalenspunkt mindre end pH-skiftet ved det andet ækvivalenspunkt. Derfor er det lettere for de
studerende at identificere det andet ækvivalenspunkt i forhold til det første.
d.
- 19,1 mL af en 0,100 M NaOH opløsning er blevet anvendt til at titrere en prøve med 0,20 g i 100 mL
vand.
- Grundstoffernes molare masse bestemmes ved tabelopslag.
Alle de sure protoner er blevet titreret ved det andet ækvivalenspunkt.
Hvis vi kender stofmængden, så kan også massen af azelainsyre bestemmes:
Renhedsprocenten af prøven kan beregnes ud fra massen af titreret azelainsyre
De studerendes prøve er altså 90% ren i forhold til azelainsyre.
e.
Alt azelainsyre findes som (
−
OOC(CH
2
)
7
COO
−
) ved det andet ækvivalenspunkt, så den totale koncentration
(c
b
) svarer til koncentrationen af baseformen. Vi har beregnet stofmængden af syre i forrige opgave og vi
kender volumen af opløsningen (100 mL), så derfor kan koncentrationen af baseformen bestemmes.
Den første pK
b1
-værdi for baseformen kan beregnes ud fra den korresponderende pK
s2
.
Denne forbindelse er en svag base, så dens pOH kan beregnes således:
Endeligt kan pH-værdien ved andet ækvivalenspunkt beregnes ud fra pOH-værdien.
Kemi A HTX – Skriftlig eksamen – 12. december 2013
11
En opløsning af azelainsyre ved dens andet ækvivalenspunkt har en pH-værdi på 8,7. I forhold til denne
værdi vil thymolblåt være en god kemiske indikator, når syren titreres indtil andet ækvivalenspunkt.
Thymolblåt har sit farveskift i det smalle pH-interval mellem 8,0 og 9,6, så vores pH-værdi er næsten i
midten af dette. Derudover ønsker vi ingen ændring i vores indikator ved det første ækvivalenspunkt, så
det er godt, at startværdien i intervallet er tæt på vores pH-værdi. Phenolphthalein er en anden god
indikator for denne titrering. Dens farveskift ligger i pH-intervallet fra 8,2 til 10,0, så vores andet
ækvivalenspunkt ligger i intervallet.
Set fra et andet perspektiv, så ville phenolphthalein være et bedre valg end thymolblåt, fordi thymolblåt
skifter farve fra gul til blå, men phenolphthalein skifter farve fra ufarvet til rød. Vores øjne kan lettere
bemærke et skift fra farveløst til farve end et skift mellem to farver.