Prov 2006-11-28 på Lösningar och Termokemi

Samtliga svar skall skrivas på annat papper. Detta papper kan du behålla om du vill.

  • I alla strukturformler ska samtliga bindningar och atomer sättas ut, även väteatomer.
  • Alla reaktionsformler ska vara balanserade med minsta möjliga heltalskoefficient.
  • Molvolymen, Vm, är 24,5dm3/mol om inget annat anges.

Glöm inte enhet! Tid: 20 minuter

Del I. Endast svar krävs

  1. Vilka tre av följande ämnen kan väntas vara lättlösliga i vatten?
    1. kaliumsulfat
    2. bensen
    3. natriumbromid
    4. glycerol
    5. 1,1,1-triklormetan
    6. naftalen
  2. Vätgas och syrgas reagerar med varandra enligt formeln

    2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 572kJ

    Vad är ΔH för bildning av en mol vatten ur grundämnena?

  3. Vad gäller för ΔS i reaktionen i fråga 2?
    1. ΔS < 0
    2. ΔS = 0
    3. ΔS > 0
  4. Gibbs fria energi ges av formeln ΔG = ΔH - TΔS. Är reaktionen i fråga 2 spontan? (Använd formeln för Gibbs fria energi för att besvara frågan!)
    1. Ja, vid alla temperaturer.
    2. Ja, om temperaturen inte är alltför hög
    3. Ja, om temperaturen är tillräckligt hög
    4. Nej
  5. För en viss galvanisk cell är cellreaktionen

    Zn(s) + 2Ag+(aq) → Zn2+(aq) + 2Ag(s)

    Skriv cellschemat, samt reaktionerna vid plus- och minuspolen!

Del II. Fullständig lösning krävs.

 
  1. Kristalliserat järnsulfat har formeln FeSO4·7H2O. Hur stor massa vattenfritt järnsulfat ska man teoretiskt få kvar om man ångar bort allt kristallvatten i 1,257g kristalliserat järnsulfat?
  2. I ett försök löste man en viss mängd natriumhydroxid i vatten. Lösningens totala vikt blev 1,00kg. Då steg temperaturen från 20,2°C till 25,2°C. ΔH för reaktionen NaOH(s) → NaOH(aq) är -42kJ/mol. Hur stor massa natriumhydroxid var det man löste? Lösningens specifika värmekapacitet är \(4,1 \frac{\text{J}}{\text{g} \cdot \text{K}}\).
  3. Heptan kan man ganska lätt lösa i 1-pentanol, men inte i metanol. Förklara varför, genom att belysa vilka intermolekylära bindningar det finns i de olika ämnena, och hur de tre ämnenas struktur påverkar lösligheten! (6p)

Formelsamling, kemi

Substansmängd

\(M = \frac {m}{n}\)

n är substansmängden i mol

m är massan i g

M är molmassan i g/mol

Koncentration

\(c = \frac {n}{V}\)

c är koncentrationen i mol/dm3 = M

n är substansmängden i mol

V är volymen i dm3

Termokemi

Värmekapacitet, c

\(c = \frac {q}{m \Delta T}\)

q är värmemängden i J som upptas/avges

m är lösningens totala massa i g

ΔT är temperaturförändringen i K

Entalpiförändring, ΔH

\(\Delta H = \frac {q}{n}\)

q är värmemängden i J som upptas/avges

n är substansmängden ämne som reagerar


Facit

Betygsgränser

Max: 17,5
Medel:  
G: 5,5
VG: 10,0
MVG: 14,0

Del I. Endast svar krävs!

  1. a, c, d
  2. Eftersom det bildas 2 vatten i reaktionen blir \(\Delta H = -\frac {572\text{kJ}}{2\text{mol}} = -286\text{kJ/mol}\).

    Svarat i enheten kJ ... Inget avdrag

  3. Eftersom det går från oordnat (3 gaspartiklar till vänster om reaktionspilen) till mindre oordnat (2 flytande partiklar till höger om reaktionspilen) är ΔS < 0, d.v.s. svar a).
  4. Eftersom ΔS < 0, blir uttrycket TΔS också negativt, vilket får till följd att ΔG blir positivt för stora T. Rätt svar är alltså svar b).

    För den som svarat att Δ?S > 0 i fråga 3 gäller däremot att ΔG < 0 för alla T, d.v.s. har man svarat c) i fråga 3, får man 1 poäng på denna fråga, om och endast om man svarar alternativ a).

  5. - Zn(s) | Zn2+(aq) || Ag+(aq) | Ag(s) +

    minuspol: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e

    pluspol: Ag+(aq) + e → Ag(s)

Del II. Fullständig lösning krävs.

  1. \(n_{\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}} = \frac {m_{\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}}}{M_{\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}}} =\)

    \(= \frac {1,257\text{g}}{(55,8+32,1+16 \cdot 4 + 7(1,008 \cdot 2 + 16))\text{g/mol}} =\)

    \(= \frac {1,257\text{g}}{278,012\text{g/mol}} = 0,00452138\text{mol}\)

    \(n_{\text{FeSO}_4} = n_{\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}}\)

    \(m_{\text{FeSO}_4} = n_{\text{FeSO}_4} \cdot M_{\text{FeSO}_4} =\)

    \(= 0,00452138\text{mol} \cdot (55,8 + 32,1 + 16 \cdot 4)\text{g/mol} =\)

    \(= 0,6867987\text{g} \approx 0,687\text{g}\)

    Rätt beräkning av \(M_{\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}}\) – 1p; rätt beräkning av \(n_{\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}}\) – 1p; rätt beräkning av \(n_{\text{FeSO}_4}\) – 0,5p; rätt beräkning av \(m_{\text{FeSO}_4}\) - 0,5p.

    Alternativ lösning:

    Andel järnsulfat i kristalliserat järnsulfat:

    \(\frac {M_{\text{FeSO}_4}}{M_{\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}}} =\)

    \(= \frac {(55,8 + 32,1 + 16,0 \cdot 4)\text{g/mol}}{(55,8 + 32,1 + 16,0 \cdot 4 + 7 \cdot (1,008 \cdot 2 + 16))\text{g/mol})} =\)

    \(= 0,54637924\)

    Massa järnsulfat i 1,257g kristalliserat järnsulfat:

    \(0,54637924 \cdot 1,257\text{g} = 0,6867987\text{g} \approx 0,687\text{g}\)
  2. Om man löser uppgiften som det står, blir det egentligen lite för svårt. Men det går att göra!

    \(q = cm \Delta T \Leftrightarrow m = \frac {q}{c \Delta T}\)

    och

    \(\Delta H = \frac{q}{n} \Leftrightarrow q = n \Delta H\)

    Insatt i den första formeln får vi att

    \(m_{\text{tot}} = m_{\text{H}_2\text{O}} + m_{\text{NaOH}} = \frac {n_{\text{NaOH}} \Delta H}{c \Delta T} = \frac {\frac {m_{\text{NaOH}}}{M_{\text{NaOH}}} \cdot \Delta H}{c \Delta T} =\)

    \(= \frac {m_{\text{NaOH}} \cdot \Delta H}{M_{\text{NaOH}} \cdot c \Delta T}\)

    \(\frac {m_{\text{H}_2\text{O}}}{m_{\text{NaOH}}} + \frac {m_{\text{NaOH}}}{m_{\text{NaOH}}} = \frac {\Delta H}{M_{\text{NaOH}} \cdot c \Delta T}\)

    \(\frac {m_{\text{H}_2\text{O}}}{m_{\text{NaOH}}} + 1 = \frac {\Delta H}{M_{\text{NaOH}} \cdot c \Delta T}\)

    \(\frac {m_{\text{H}_2\text{O}}}{m_{\text{NaOH}}}= \frac {\Delta H}{M_{\text{NaOH}} \cdot c \Delta T} - 1\)

    \(\frac {m_{\text{H}_2\text{O}}}{\frac {\Delta H}{M_{\text{NaOH}} \cdot c \Delta T} - 1} = m_{\text{NaOH}}\)

    Sätter vi in värdena från uppgiften får vi följande:

    \(\frac {1000\text{g}}{\frac {42000\text{J/mol}}{(23,0 + 16,0 + 1,008)\text{g/mol} \cdot 4,1\frac{\text{J}}{\text{gK}} \cdot (25,2 - 20,2)\text{K}} - 1} = 19,916641\text{g} \approx\)

    \(\approx 19,9\text{g}\)

    För att göra det lite enklare under skrivningen sade jag istället att den totala massan av NaOH-lösning vägde 1,00kg, d.v.s. \(m_{\text{tot}} = m_{\text{H}_2\text{O}} + m_{\text{NaOH}} = 1000\text{g}\). Det gör beräkningen betydligt lättare:

    \(m_{\text{tot}} = \frac {n_{\text{NaOH}} \Delta H}{c \Delta T} = \frac {\frac{m_{\text{NaOH}}}{M_{\text{NaOH}}} \cdot \Delta H}{c \Delta T} = \frac {m_{\text{NaOH}} \cdot \Delta H}{M_{\text{NaOH}} \cdot c \Delta T}\)
    \(m_{\text{tot}} \cdot \frac {M_{\text{NaOH}} \cdot c \Delta T}{\Delta H} = m_{\text{NaOH}}\)

    Med de givna värdena får vi:

    \(\frac {1000\text{g} \cdot (23,0 + 16,0 + 1,008)\text{g/mol} \cdot 4,1\frac{\text{J}}{\text{gK}} \cdot (25,2-20,2)\text{K}}{42000\text{J/mol}} =\)

    \(= 19,527714\text{g} \approx 19,5\text{g}\)

    Rätt uppställning av värmekapaciteten - 1p; rätt uppställning av entalpin - 1p; rätt kombinerat entalpin och värmekapaciteten - 1p; rätt beräkning - 1p.

  3. Heptan är ett kolväte med helt opolära molekyler. Mellan heptanmolekylerna finns endast van der Waals-bindningar. (0,5p)

    Metanolmolekylen är polär, och mellan dessa molekyler finns vätebindningar (0,5p). Eftersom det inte kan uppstå några vätebindningar eller dipol-bindningar och endast få van der Waals-bindningar till heptan, är heptan svårlösligt i metanol. (0,5p)

    1-pentanol är till största delen opolär, så mellan pentanolmolekylerna finns till största delen van der Waals-bindningar. (0,5p) Eftersom det kan bildas van der Waals-bindningar mellan heptan och 1-pentanol, är heptan lösligt i 1-pentanol (0,5p).

    Endast svarat att "lika löser lika" ... -1,5p