Magnus Ehingers under­visning

— Allt du behöver för A i Biologi, Kemi, Bioteknik, Gymnasiearbete m.m.

Prov 2002-10-07 i Termokemi

Tillåtna hjälpmedel är penna, suddgummi, linjal, miniräknare och formelsamling. Samtliga svar ska skrivas på detta pappret.

Till vissa frågor behöver du Tabell 1 eller den elektrokemiska spänningsserien längst bak i skrivningen. Till andra frågor finner du de uppgifter du behöver i tabellsamlingen.

Del I. Endast lösning (svar) krävs. Glöm inte enhet!

  1. Ange om följande påståenden är sanna (S) eller falska (F)! (4x0,5p)
    1. I en endoterm reaktion har produkterna större energiinnehåll än reaktanterna
    2. I en endoterm reaktion är \(\Delta H < 0\)
    3. En endoterm reaktion är aldrig spontan
    4. Vid en endoterm reaktion upptas värme
  2. Ett experiment med ett galvaniskt element arrangeras på följande sätt:

    Koppar-zink-elementet

    Vilka två av följande påståenden är sanna? (2p)

    1. Kopparblecket blir pluspol i elementet.
    2. Vid minuspolen sker det en reduktion.
    3. Formeln för den strömdrivande processen blir

      Cu(s) + Zn2+ → Cu2+ + Zn(s)

    4. I ytterliedningen rör sig elektroner från koppar mot zink.
    5. Saltbron kan innehålla kaliumkloridlösning.
       
  3. Klorgas kan reagera med syrgas och bilda kloroxid enligt formeln

    Cl2 + O2 + 276 kJ → 2ClO

    1. Vad blir \(\Delta H\) för reaktionen ovan? (1p)
    2. Vad blir bildningsentalpin för ClO? (1p)
    3. Kloroxid kan reagera vidare med syrgas enligt reaktionen

      2ClO + O2 → 2ClO2 + 70 kJ

      Vad blir \(\Delta H\) för den totala reaktionen Cl2 + 2O2 → 2ClO2? (1p)
  4. Beräkna den energimängd som omsätts om man låter 1 mol kvävgas och 3 mol vätgas reagera med varandra enligt nedanstående formel.

    N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

    Ange också om reaktionen är exo- eller endoterm! (2p)

  5. Natrium kan framställas genom elektrolys av smält natriumklorid. Elektrolyscellen kan beskrivas med följande figur:
    elektrolys-av-natriumklorid
    Vilka två av nedanstående påståenden är korrekta? (2p)
    1. Elektronerna i ytterledningen rör sig mot den högra elektroden.
    2. Vid den högra elektroden sker det en oxidation.
    3. Vid den vänstra elektroden bildas klorgas.
    4. Totalreaktionen är exoterm.

Del II. Fullständig lösning och (i förekommande fall) balanserade reaktionsformler krävs. Glöm inte enhet!

  1. Ett galvaniskt element tecknas schematiskt

    (–) Al(s) | Al3+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s) (+)

    Skriv reaktionsformlerna vid plus- resp. minuspolen, samt reaktionsformeln för den strömdrivande processen (totalreaktionen)! (3p)

  1. Det brännbara materialet i s.k. tomtebloss består till största delen av järnfilspån, Fe(s). Vid förbränning av tomtebloss, bildas huvudsakligen dijärntrioxid, Fe2O3. Skriv reaktionsformel för förbränningen, och beräkna hur stor värmemängd som utvecklas då man bränner ett tomtebloss som innehåller 5,00 g Fe(s)? (3p)
  1. Hur stor volym syrgas, O2(g), kan man teoretiskt framställa ur H2O(l) vid standardtillståndet genom att tillsätta 32,1 kJ energi? Gasmolvolymen kan antas vara 24,0 dm3/mol. (4p)
  1. Föreställ dig att du jobbar som produktutvecklare på ett företag som tillverkar smörjolja till formel 1-bilar. Ni har tagit fram en ny smörjolja, som du nu skall testa. Du värmer 1,00 kg av er nya smörjolja genom att förbränna 10,0 g butan. Då stiger temperaturen från 23,6°C till 186°C. Förbränningsentalpin för butan är -2877 kJ/(mol·K). Från tidigare experiment vet du att 63% av värmet från butanet överförs till smörjoljan. Kärlets värmekapacitet kan således försummas.
    1. Vilken blir värmekapaciteten för er nya smörjolja? (3p)
    2. "Vanlig" smörjolja har en specifik värmekapacitet på c:a 1,87 J/(g·K). Är ditt företags olja bättre eller sämre än vanlig smörjolja, om man bara jämför värmekapaciteten? Varför/varför inte? (2p)

Tabell 1. Bildningsentalpier vid standardtillståndet, 25°C och 1,013·105 Pa

Ämne

ΔH (kJ/mol)

CaO(s)

-635

MgO(s)

-601

Fe2O3(s)

-822

Al2O3(s)

-1670

CuO(s)

-155

HgO(s)

-91

Ag2O(s)

-30

Au2O3(s)

-3,3

CO(g)

-110

CO2(g)

-394

N2O(g)

+82

NO(g)

+90

NO2(g)

+34

H2O(l)

-286

H2O(g)

-242

H2S(g)

-20

NH3(g)

-46

CH4(g)

-75

C3H8(g)

-104

HCl(g)

-92

HBr(g)

-36

HI(g)

+26

Den elektrokemiska spänningsserien

Den elektrokemiska spänningsserien

Facit

Del I. Endast lösning (svar) krävs. Glöm inte enhet!

    1. S
    2. F
    3. F
    4. S
    1. S
    2. F
    3. F
    4. F
    5. S
  3. a, c
    1. +276 kJ
    2. +138 kJ/mol
    3. +206 kJ
  5. Enligt tabellen är \(\Delta H_{\text{f, NH}_3} = -46\text{kJ}/\text{mol}\). I reaktionen bildas 2 mol NH3. Därför blir avges 2·(-46)kJ = -92kJ. Reaktionen är exoterm, eftersom \(\Delta H < 0\).

Del II. Fullständig lösning och (i förekommande fall) balanserade reaktionsformler krävs. Glöm inte enhet!

  1. (–)-pol: Al(s) → Al3+ + 3e–

    (+)-pol: Cu2+ + 2e– → Cu(s)

    Totalreaktion: 2Al(s) + 3Cu2+ → 2Al3+ + 3Cu(s)

  2. 2Fe(s) + 1,5O2(g) → Fe2O3(s) + 822kJ (värmemängden ej nödvändig för fullst. korrekt formel)

    nFe2O3 = ½nFe = ½·mFe/MFe = ½·5,00 g/55,845 g/mol = 0,044476676515355 mol

    q = nFe2O3·ΔH = 0,044766... mol·822 kJ/mol = 36,798280956218 kJ ≈ 36,8 kJ

    Korrekt reaktionsformel – 1p; korrekt mängd järn som reagerar – 0,5p; korrekt mängd Fe2O3 som bildas – 0,5p; korrekt värmemängd som utvecklas – 1p.

  3. Ur tabell 1 läser vi att bildningsentalpin för 1 mol vatten är -286kJ. Det ger oss följande reaktionsformel

    H2O(l) +286 kJ → ½O2(g) + H2(g)

    Förhållandet energi:O2 blir 572:1. Det innebär att om vi tillsätter 32,1 kJ får vi 32,1/572 mol O2 = 0,05611888111 mol O2.

    Volymen syrgas blir då

    V = nVm = 0,05611888111 mol·24 dm3/mol = 1,3468531 dm3 ≈1,35 dm3.

    Rätt reaktionsformel (rätt förhållande O2 till övriga) – 1p; rätt bildningsentalpi för 1 mol O2 – 1p; rätt mängd bildad O2 – 1p; rätt volym bildad O2 – 1p.

    1. \[q = c_{\text{olja}}m_{\text{olja}} \Delta T \Leftrightarrow c_{\text{olja}} = \frac {q}{m_{\text{olja}} \Delta T} \hspace{100cm}\]

      \[q = 0,63n_{\text{C}_4\text{H}_{10}} \cdot \Delta H_{\text{C}_4\text{H}_{10}} \Rightarrow c= \frac { 0,63n_{\text{C}_4\text{H}_{10}} \cdot \Delta H_{\text{C}_4\text{H}_{10}}}{m_{\text{olja}} \Delta T} \hspace{100cm}\]

      \[\begin{align}n_{\text{C}_4\text{H}_{10}} &= \frac {m_{\text{C}_4\text{H}_{10}}}{M_{\text{C}_4\text{H}_{10}}} \Rightarrow c = \frac {0,63\frac {m_{\text{C}_4\text{H}_{10}}}{M_{\text{C}_4\text{H}_{10}}} \Delta H_{\text{C}_4\text{H}_{10}}}{m_{\text{olja}} \Delta T} = \hspace{100cm} \\ &= \frac {0,63 \cdot \frac {10,0\text{g}}{58,1237\text{g/mol}} \cdot 2877000 \frac {\text{J}}{\text{mol}}}{1000\text{g} \cdot (186-23,6)\text{K}} = \\ &= 1,9201764275\frac{\text{J}}{\text{gK}} \approx 1,92\frac{\text{J}}{\text{gK}}\end{align}\]

      Korrekt mängd butan – 1p; korrekt värmemängd från butanet – 1p; korrekt beräkning av värmekapaciteten – 1p.

    2. Ja, den är bättre (1p) därför att man vill ha en olja som kan jobba vid så hög temperatur som möjligt. Om värmekapaciteten är högre, krävs det mera energi för att höja temperaturen hos oljan, och därmed kan oljan jobba vid högre temperaturer. Oljan s.a.s. "suger åt sig" mer värme, ju högre värmekapaciteten är (1p). (Sedan finns det förstås andra faktorer som påverkar om oljan faktiskt är bättre än "vanlig" smörjolja, såsom viskositet, blandbarhet i bensin, framställningskostnad etc.)