Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
1
Kemi A HTX 14/12/2015
Htx153-KEM/A-
Opgave 1:
a.
- Reaktionsligningen er givet I bilag 1
Vi kan læse at der indgår 3 reagenser, KNO
3
, KNO
2
og O
2
.
KNO
3
er kaliumnitrat.
KNO
2
er kaliumnitrit.
O
2
er ilt.
b.
- Satsen indeholder kaliumchlorat, bariumnitrat og lactose
Fra opgaveteksten kan vi regne ud at kaliumchlorat, KClO
3
, og bariumnitrat, Ba(NO
3
)
2
er oxidationsmidler
og lactose er reduktionsmiddel. Vi kan også se på figuren på side 2 i bilag 1 at Ba afgiver farve i det grønne
område. Eftersom der er barium i satsen må farven derfor blive grøn.
c.
- Reaktionsligningen er givet i bilag 1
Der indgår rigtig mange forbindelser i reaktion IV, men for at vise at den er en redoxligning skal vi bare vise
at nogle af forbindelsernes oxidationstal ændres. På reaktantsiden af ligningen kan vi se at der indgår C (s),
der må være i oxidationstrinnet C
0
. På produktsiden kan vi se både CO
2
(g), CO (g) og K
2
CO
3
(s). Der er
oxidationstallene C
IV
for CO
2
(g) og K
2
CO
3
(s) (O er -2 og K er +1) og C
II
for CO (g). På samme tid går KNO
3
(s)
fra N
V
til N
0
i N
2
(g) og S (s) går fra S
0
til S
I
i K
2
S
2
(s). Altså bliver nitrogen reduceret imens carbon og svovl
bliver oxideret.
d.
- m
KNO3 (s)
= 3,8 g
- m
C (s)
= 0,90 g
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
2
Fra reaktionsligningen kan vi se at 4 KNO
3
(s) reagerer med 7 C (s). Først skal vi finde den begrænsende
reaktant og beregne deres stofmængder. For at kunne beregne stofmængderne af molekylerne skal vi
bruge deres molekylemasser:
Og med det kan vi regne stofmængden af KNO
3
(s) og C (s):
Hvis 4 KNO
3
(s) reagerer med 7 C (s),
Der er kun 3,8 · 10
-2
mol af KNO
3
. Derfor er KNO
3
vores begrænsende reaktant.
Fra reaktionsligningen kan vi se at der indgår 4 KNO
3
(s) for hver 2 S (s).
Vi kan omdanne til en stofmængde af S (s):
Som vi til sidst bruger til at udregne massen af S (s):
e.
Vi kender til 2 tommelfingerregler for entropi i reaktioner:
Hvis reaktionen omdanner stoffer fra en mindre kaotisk fase til en mere kaotisk fase, f.eks. fra fast
stof til væske eller fra væske til gas, stiger entropien. Og også omvendt, hvis reaktionen omdanner
stoffer fra en mere kaotisk fase til en mindre kaotisk fase, f.eks. fra væske til fast stof eller fra gas til
væske, falder entropien.
Hvis reaktionen omdanner få molekyler til mange molekyler stiger entropien. Og også omvendt,
hvis reaktionen omdanner mange molekyler til få molekyler falder entropien.
I vores reaktion omdanner vi 13 faste stoffer til 8 gasser og 2 faste stoffer. Vi sænker altså antallet af
molekyler, hvilket vil sænke entropien. Vi omdanner dog faste stoffer til gas hvilket vil øge entropien.
Eftersom at springet fra et fast stof til en gas er meget stort, altså ikke bare fra fast stof til væske eller
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
3
væske til gas, vil dette bidrag nok være størst, og den samlede entropi vil stige. Det betyder at
vil have
et positivt fortegn.
f.
- Termodynamiske data er givet i bilag 1
For at beregne ændringen i standardentalpien
for reaktionen skal vi bruge standardentalpien før
reaktionen og efter reaktionen:
Alle disse mange værdier kan vi finde fra tabellen:
Og vi kan så sætte tallene ind i formlen:
Vi kan se at standardentalpien
er negativ. Det betyder at reaktionen er eksoterm og udvikler varme.
Havde entalpien været positiv ville reaktionen være endoterm og blive kold. Det giver god mening at en
eksplosion i en nytårsraket udvikler varme, især da det er varmen som giver farven i satsen.
g.
Vi kender for Ba
2+
at dens kompleks med sulfat, BaSO
4
, er uopløselig i vand. Vi kan derfor opløse
restproduktet i vand og måle mængden af BaSO
4
der udfælder:
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
4
Opgave 2:
a.
- Strukturen af methyldihydrojasmonat er givet i opgaven
Molekylestrukturen kan vi finde ved at tælle antallet af atomer i molekylet. Det giver en samlet
molekyleformel på C
13
H
22
O
3
.
Husk at hydrogenatomer ikke er tegnet på, men skal fyldes på sådan at alle carbon har 4 bindinger.
b.
- Strukturen af 7,8-dihydrovomifoliol er givet i opgaven
Vi kan på molekylets struktur se at den indeholder en keton (blå), 2 alkoholer (lilla) og en dobbeltbinding
(rød).
O
OH
OH
c.
Spejlbilledeisomere sker når et kulstof har bindinger til 4 forskellige atomer. Sådan et kulstof kaldes et kiralt
punkt, og 7,8-dihydrovomifoliol har 2 kirale punkter, et punkt ved hver alkohol:
O
OH
OH
*
*
Ved hvert kiralt punkt er der 2 muligheder, hvilket giver 2·2 = 4 isomere:
O
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
5
d.
Vi kan se at methyldihydrojasmonat er en ester, og vi ved at ved hydrolyse af en ester får vi skilt esteren ad
til en syre og en alkohol under forbrug af vand. Det bliver til reaktionen:
O
O
O
+
OH
2
O
O
OH
+
CH
3
OH
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
6
Opgave 3:
a.
- Reaktionsligningen er givet i opgaven
For at skrive ligevægtsloven skal faste stoffer indgå som 1 og gasser skal indgå med deres partialtryk. For
reaktionen bliver ligevægtsloven derfor:
b.
- K
P
= 6,8 ·10
-17
bar
2
Fra ligevægtsudtrykket i opgaven kan vi se at for hver molekyle NH
3
der dannes vil der også dannes et
molekyle HCl. Det betyder at deres stofmængder og derfor også deres partialtryk vil være identiske, altså:
Det kan vi bruge til at forenkle ligevægtsloven:
c.
-
Ud fra ændringen i
, altså at den er positiv, kan vi se at reaktionen er endoterm, dvs. at den bliver kold.
Ifølge Le Châtelier's vil en opvarmning derfor skubbe reaktionen til højre, og danne NH
3
og HCl. Omvendt vil
en nedkøling skubbe reaktionen mod venstre og dannelse af NH
4
Cl.
Trykket vil påvirke gasserne i reaktionen, dvs. NH
3
og HCl. Hvis vi øger trykket vil vi øge mængden af
gasserne, og derfor skubbe reaktionen mod venstre. Hvis vi sænker trykket vil vi modsat skubbe reaktionen
til højre.
d.
-
-
-
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
7
I starten af reaktionen vil der være de 10 mg NH
4
Cl vi puttede ind i beholderen. Det kan vi først og
fremmest omregne til en stofmængde ud fra molekylemassen:
Når ligevægten har indstillet sig vil der være (
– x) mol NH
4
Cl tilbage, hvor x er en eller anden
mængde som er forsvundet. Vi kan ud fra reaktionsligningen se at mængden af NH
4
Cl der er blevet væk er
lig med mængden af NH
3
.
NH
4
Cl (s)
NH
3
(g)
+
HCl (g)
Start
-
-
Ligevægt
– x
x
x
Vi har allerede beregnet partialtrykket i en tidligere delopgave, og vi kan derfor bruge idealgasloven til at
beregne stofmængden af NH
3
:
Husk at temperaturen skal være i kelvin, og at bruge en gaskonstant med de rette enheder.
Denne stofmængde er altså stofmængden af NH
4
Cl der mangler fra de
mol i beholderen. Vi kan
regne tilbage for at finde massen af NH
4
Cl der er blevet til gas:
Vi kan så til sidst beregne mængden af NH
4
Cl tilbage i bunken ved ligevægt:
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
8
Opgave 4:
a.
- Et bjerrumdiagram er givet i opgaven
På bjerrumdiagrammet er pH vist hen af x-aksen og Y
S
, dvs.
, brøkdelen af syren der er på syreform
ved en givet pH, er op af y-aksen.
Vi kan se 3 S-formede streger, som repræsenterer de 3 syre/base-overgange arsensyre laver når pH
ændres.
For at bestemme pK
S3
skal vi kigge på den tredje S-formede kurve. pK
S
er pH værdien når koncentrationen
af syren og basen af et syrebasepar er ens. Dvs. pK
S
er pH når Y
S
= 0,5. For at finde pK
S3
skal vi derfor kigge
på den tredje S formede streg og finde hvor den skærer Y
S
= 0,5. Det gør den ca. ved pH = 11,5, og derfor er
pK
S3
= 11,5.
b.
- pH = 8,0
På bjerrumdiagrammet repræsenterer pladsen imellem de S formede streger en bestemt syre/baseform. Så
til venstre for den første S formede streg findes H
3
AsO
4
. Til højre for den første S formede streg findes
H
2
AsO
4
-
til højre for den midterste streg findes HAsO
4
2-
og til højre for den sidste S formede streg findes
AsO
4
3-
.
pH 8,0 skærer den midterse streg ved ca. Y
S
= 0,08. Det betyder at ca. 8% af syren findes på H
2
AsO
4
-
og
resten, 92%, findes på HAsO
4
2-
.
c.
-
-
Med en pK
S
på 2,19 er H
3
AsO
4
en mellemstærk syre. Det betyder desværre at der ikke er nogle forenklinger
i udregningen af dens pH.
Vi skal først udregne koncentrationen af syren i opløsningen. Til det skal vi bruge dens stofmængde, og til
det skal vi bruge dens molekylemasse:
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
9
Med koncentrationen kan vi nu begynde at udregne pH. Vi ved fra dens K
S
at for ligevægten:
Gælder udtrykket:
For hver A
-
vil én H
+
dannes, derfor er
:
I starten af forsøget vil
og
. Når systemet har opnået ligevægt vil
koncentrationerne ændre sig sådan at
og
. Vores ligevægtsudtryk vil
derfor blive:
For en middelstærk syre er ingen forenklinger vi kan gøre for at løse denne ligning. Enten kan vi løse efter x
på en graflommeregner, eller også kan vi løse den som et andengradspolynomium:
Løsningen for et andengradspolynomium er
. I vores løsning vil de forskellige dele være:
Det giver en endelig formel på:
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
10
Der er også en negative løsning, men den giver ikke nogen mening, så vi forkaster den. Det giver en endelig
pH på:
Hvis du løste opgaven med en graflommeregner, eller bare brugte den endelige formel fra din
formelsamling, vil det give 100% point. Du behøves ikke at udlede formlen som her.
d.
-
Idet vi skal lave en puffer kan vi bruge pufferligningen til at finde forholdet imellem H
3
AsO
4
og H
2
AsO
4
-
ved
en pH 3,0 opløsning:
Vi kender fra syre- og baseligevægten at:
Vi kender mængden af H
3
AsO
4
tilsat i opløsningen fra sidste opgave, det er
. Vi kan også se
på ligevægten at for hvert H
3
AsO
4
der omdannes til H
2
AsO
4
-
forbruges én OH
-
. Det kan vi repræsenterer i
tabelform som:
H
3
AsO
4
+
OH
-
H
2
AsO
4
-
+
H
2
O
Start
-
-
Ligevægt
0
-
Vigtigt kan vi se at
. Vi kan indsætte udtrykkene for H
3
AsO
4
og H
2
AsO
4
-
ved ligevægt i
pufferligningen til at finde x:
Kemi A HTX– Skriftlig eksamen – 14/12/2015
11
Pufferligningen bruger strengt taget koncentrationer, og ikke stofmængder som vi regner med her. Men
idet de to stoffer er opløst i det samme volumen vil forholdet i deres koncentrationer være det samme som
forholdet i deres stofmængder, altså vi regner med den lidt ændrede variant
.
Ved at beregne molekylevægten af NaOH kan vi så udregne massen der skal tilsættes:
Derfor skal 1,24 g af natriumhydroxid tilsættes i pufferopløsningen.
Der er anden måde vi kan løse denne opgave, fordi vi har bjerrumdiagrammet. Hvis vi skal have en pH
buffer på 3,0 kan vi aflæse en Y
S
på ca. 0,125, dvs. ca. 12,5 % skal være på H
3
AsO
4
form, og ca. 87,5% skal
være på H
2
AsO
4
-
form. Med stofmængden af H
3
AsO
4
vi udregnede i sidste opgave vil det give en
stofmængde af NaOH på:
Ved at beregne molekylevægten af NaOH kan vi så udregne massen der skal tilsættes: