Kemi 1 Uppdrag 3

chemistry_logo

Fråga:

1.) Vilken/vilka av följande reaktioner sker spontant? Motivera ditt svar.

a)   Mg2+(aq) + Cu(s)  —>      Mg(s) + Cu2+

 

b)   Cu(s) + 2 Ag+(aq)   —>   Cu2+(aq) + 2 Ag(s)

 

c)   2 Ag(s) + Zn2+(aq)    —>   2 Ag+(aq) + Zn(s)

 

d)   Fe(s) + Zn2+(aq) —>  Fe2+(aq) + Zn(s)

 

 

Svar från studerande:

Det finns ett ett antal olika vägar att gå för att avgöra ifall en reaktion är spontan eller inte. Man kan använda sig av Gibbs fria energilag, eller av olika tumregler som att exoterma reaktioner, alltså reaktioner som avger värme oftast är spontana. Det finns för övrigt fall där även endoterma reaktioner sker spontana men kräver att man tar lite fler faktorer i akt, exempelvis entropi, alltså hur de olika atomerna och molekylerna är ordnade. En perfekt kristall har exempelvis entropi S=0 och är absolut.

Exoterma reaktioner sker oftast spontant i och med att energiinehållet är lägre för produkterna än hos reaktanterna vilket gör att reaktionen avger energi vilket vi kan avgöra genom att räkna ut deltaH. DeltaH beräknas genom att ta differansen mellan produkterna och reaktanterna och blir resultatet negativt så innebär det att reaktionen avger energi vid reaktion och tvärtom så kräver reaktionen energi för att kunna reagera. Det är därför man bland annat kallar en reaktion för spontan eller ospontan. Ett exempel på en endoterm reaktion är fotosyntes där växter kräver energi i form av solljus för att kunna reagera.

Ser vi till uppgiften ovan så bör vi alltså kunna dra en slutsats genom att räkna fram deltaH, alltså differansen mellan produkterna och reaktanternas energiinnehåll, finner vi att det avges energi bör vi kunna anse att det är en exoterm samt spontan reaktion. Dock sp har vi inte den möjligheten här då vi saknar lite mer information.

Då kan man istället vända sig till en annan tumregel som säger oädla metaller oxideras enklare än ädla metaller. För att få en bättre översyn kring detta så har vi något som kallas för metallernas spänningsserie.

  1. A)   Mg2+(aq) + Cu(s)  —>  Mg(s) + Cu2+

Så ser vi till spänningsserien så vet vi nu att metaller till höger reagerar enklare med metaller till vänster om serien, detta för att de får ett lägre energiinnehåll vilket då måste betyda att den avger energi till omgivningen i någon form vilket också säger oss att reaktionen är exoterm och troligtvis då spontan då det inte kräver tillförsel av någon betydande energi. (Det krävs oftast en aktiveringsenergi för att oavsätt endo eller exoterm reaktion ska äga rum, men det är differansen mellan vad produkterna har och den energi som tillförs (aktiveringsenergin) och den energi som avges av reaktanterna som visar på vad för reaktion som skett)

Vi ser att Cu ligger till höger i spänningsserien och Mg till höger, alltså de reagerar relativt lätt med varandra vilket tyder på att reaktionen sker spontant. Dock så ser vi även att Mg redan är i jonform före reaktion och avgett sina valenseelektroner vilket gör att atomen direkt efter reaktionen ovan skulle bli instabil, därav är atomen mycket ovillig att reagera med andra. Ser vi till Cu så är den mer angelägen att lämna ifrån sig en elektron för att uppnå ädelgasstruktur än att ta till sig två. Därav så skulle en hel del energi krävas för att denna reaktion överhuvudtaget skulle kunna äga rum. Hade det varit tvärt om att vi hade en oädelmetall och en ädel metalljon så hade reaktionen varit spontan.

De som är oädla bildar gärna joner medan de som är ädla bildar ogärna joner. Om elektroner finns tillgängliga genom en reaktion så kommer den mest elektronegativa metallen att ta elektronerna.

  1. B) I och med att vi finner att Ag är den mest ädla samt är i jonform så kommer den spontant ta upp två elektroner ifrån kopparn för att bilda atom. Då kopparn är mindre ädel har den inte mycket av val än att ge efter och bilda joner samt oxideras med 2.

C) Här finner vi en två ädla metallatomer samt en oädelmetalljon. Här kommer inte en spontan reaktion ske då den följer samma möster som a-uppgiften. Hade silvret varit en jon så hade den gärna reagerat med Zinkmetallen.

D) Här sker heller ingen reaktion då en ädelmetall (lite osäkert i detta fall) inte vill reagera med en metalljon till vänster om serien, den följer samma mönster som a och c uppgiften.

Kommentar från lärare:
Du har förstått hur man kan använda spänningsserien för att avgöra om reaktion sker.

 

Fråga:

2.) Bindningsenergi och bildningsentalpi är begrepp som tas upp i boken, förklara utförligt skillnaderna mellan dessa!

 

Svar från studerande:

Ser vi till bindningsenergi så säger den en hel del om ämnet, bland annat hur stabilt det är. Den berättar för oss hur mycket energi vi måste tillföra ett viss ämne för att bryta upp dess bindningar. Krävs mycket energi så är ämnet reaktionströgt och stabilt samt vice versa ifall det krävs mindre energi. Man kan även räkna ut vilken energi som behövs för att bryta upp bindningar. Boken tar exempelvis upp hur vätegas och syrgas bildar vatten. Kortfattat för att detta ska ske så krävs att man bryter upp vätgasens och syrgasens bindningar för att få de i fria atomer, detta kräver en viss energi, bindingsenergi eller aktiveringsenergi. För att räkna på det så kan vi föreställa oss att vi har 2 mol vätgas med enkelbindingar mellan 2 väten samt en syrgas med en dubbelbindning.

2 x 426 kJ/mol (vätgas) + 498 kJ/mol (syre) = 1370 kJ. Det är denna energi som krävs för att bryta upp bindningarna för vätgas och syre för att sedan bilda vatten och kallas även för bindingsenergin.

Ser vi istället till bindningsentalpi så berättar den istället om vad reaktionen är endoterm eller exoterm reaktion. Alltså om den kräver energi för att reagera eller om den avger energi när den reagerat.

Exempel på detta är fotosyntesen. 6 H2O + 6 CO2 + ljusenergi → C6H12O6 (druvsocker) + 6 O2

Utan ljusenergi så är det inte möjligt för reaktionen att äga rum vilket berättar att det är en endoterm reaktion. Man kan även här räkna på hur förändringen av energi är, alltså deltaH som i själva verket är bindningsentalpin. Hur mycket energi innehåller molekylen? Om vi ser till en rektionen och kan konstatera vilken energi rektanterna hade före reaktionen och mäte hur mycket den har efter så kan vi konstatera en differans. Denna differans berättar för oss ifall energi tagits upp eller lämnats bort. I och med att energi bara kan omvandlas så är det ett av dessa som gäller. Så för att få få bindingsentalpin så subtraherar men energin för produkterna med reaktanterna vilket ger oss deltaH. Är den negativ så har energi avgetts till omgivningen, är den istället positiv så har den tagit energi ifrån omgivningen. Detta är mycket användbart när vi exempel tittar på förbränning av bränslen så som bensin osv där det är viktigt att vi får ut väsentligt mycket mer energi än vad vi tillför.

Vad bindningsentalpin egentligen mäter är bindningarna mellan de olika reaktanterna samt den energin som tas eller behövs för att bilda nya produktbindingarna.

Kommentar från lärare:

Den energi som krävs för att bryta en bindning kommer att frigöras då motsvarande bindning skapas.

Bildningsentalpi är energiförändringen då ett mol av ämnet bildas från grundämnen.

Fråga:

3.) Bestäm oxidationstalet för svavel i följande ämnen. Förklara hur du kommer fram till respektive oxidationstal.

  1. a) SO3
  2. b) H2SO4
  3. c) H2S
  4. d) S

 

Svar från studerande:

För att bestämma oxidationstalet så kan vi använda oss av de regler för beräkning av oxidationstal som nämns på sidan 250.

 

För en atom i ett fritt grundämne och i en legering är oxidationstalet = 0

För en molekyl är summan av de ingående atomernas oxidationstal = 0

För enatomiga joner är oxidationstalet=jonens laddning

För en sammansatt (fleratomig) jon är summan av de ingående atomernas oxidationstal = jonens laddning

Syreatomen har i föreningar oxidationstalet –II (utom hos peroxider, O 2-, där oxidationstalet är –I och hos OF2 där syres oxidationstal är II)

Väteatomen har i föreningar oxidationstalet I (utom hos hydrider, t ex LiH och MgH2, där oxidationstalet är –I)

Om vi använder oss av dessa så bör vi kunna komma fram till vilket oxidationstal svavlet har i föreningarna. Oxidationstalet förklarar för oss hur elektronstrukturen sätt ut samt hur den nu ser ut.

  1. A) SO– Ser vi till regel 3 så berättar den för oss att syre har oxidationstalet -II vilket säger oss att oxidationstalet för svavlet i den här föreningen måste vara +VI
  2. H2SO– Här kan vi använda regel 3 samt regel 2. Alltså att väte i kemiska föreningar har oxidationstalet +I samt att syre har oxidationstalet -II. Alltså har vi syre med totalt -8 samt väte som har totalt +2. Detta säger oss att svavlet i den här föreningen måste ha oxidationstalet +VI för att vara balanserad.
  3. C)  H2S – Regel 2 säger oss återigen att väte i föreningar har oxidationstalet +I, i och med att det är två vätemolekyler som ingår så är det totala oxidationstalet för väte i föreningen +II vilket berättar för oss att svavlet måste ha det negativa oxidationstalet II
  4. D) Alla atomer som är i fria grundämnen har oxidationstalet 0 då de inte reagerat eller ”joniserats”

Kommentar från lärare:

Rätt. Skriv alltid tecknet framför de romerska siffrorna, -II

Fråga:

4.) a) Förklara den galvaniska cellen för reaktionen:

Mg (s) +  Cu2+(aq)  —>  Mg2+ +  Cu(s)  +  energi

  1. b) Vilket ämne oxideras respektive reduceras?
  2. c) Beräkna den elektromotoriska spänningen, ems, för reaktionen.

Svar från studerande:

(-) | Mg(s) | Mg2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s) | (+)

En galvanisk cell kan användas för att frigöra elektrisk energi vilket exempelvis i batterier som innehåller flera galvaniska element. Övergripande så delar man upp två stycken redox par i två halvceller som skiljs av med två bägare. I och med att ena metallen är mer ädel än den andre så kommer den mer ädla metallen jonerna dra till sig elektroner för att bilda atomer. Det är precis det som sker i vår galvaniska cell ovan. I cellschemat jag ovan skrivit så förstår vi att redox paret mg och mgjonerna är mindre ändla än kopparjonerna och schemat förklarar att elektronerna från mgjonerna rör sig över till koppar jonerna som bildar kopparatomer. Men hur gör den det?

 

Man kopplar ihop de två bägarna med en saltbrygga som innehåller så kallade åskådarjoner (joner som inte aktivt deltar i reaktionen), samt en yttre ledning mellan de två olika bläcken som är nedsänkta i bägarna med jonlösningen.

Genom att göra så har vi byggt ett system där endast elektroner och joner kan röra sig emellan de olika bägarna och inte atomerna i sig. Bilden ovan är en illustration och använder Zn istället för Mg i vår cell. Det som sker är att elektroner rör sig från zinkbläcket via den yttre ledningen till kopparbläcket. Detta gör att zinbläcket oxideras till zinkjoner och kopparbläcket reduceras till kopparatomer. Vi har alltså fått en minus och pluspol där zink oxideras och därmed står för minuspolen samt att kopparn reduceras och därmed blir pluspol.

Men för att jämna ut det obalanserade laddningarna som uppstått via bland annat oxidation så använder man sig av saltbryggan för att skjuta till joner dit det behövs, som i vårt fall är mglösningen som gång på gång oxideras. Jonerna ifrån sulfatlösningen använder sig av saltbryggan för att ta sig till mglösningen.

Kommentar från lärare:

Tyvärr går det inte att se några bilder i novo ( det är bättre att skriva i en word-fil osm bifogas)

magnseium oxideras och koppar reduceras.

Du ahr glömt att beräkna ems den blir 0,34- (- 2,37) = 2,71V

Fråga:

5.) Vad innebär begreppet korrosion?

Svar från studerande:

Korrision är något vi vardagligen ser och kostar vårt samhälle mycket pengar i form av olika metaller som förlorar sin ursprungliga eller tilltänkta funktion. Korrision betyder frätning och beror på ett naturligt galvaniskt element när olika gaser som luft angriper metaller och förändrar deras karaktär via elektronutbyten.

Tidigare har vi gått igenom spontana reaktioner som sker via att ädla metaller reagerar med oädla metaller och det är precis det vi ser när exempelvis metaller rostar. Tar vi exempelvis järn som är en vanlig metall så har den väldigt enkelt för att reagera med koppar i naturen då koppar är den mer ädla av de två. Dock så behövs vatten också för att rektionen ska kunna utföras. Det vi ser då är ett elektronutbyte där järnet oxideras och kopparn reduceras vilket också betyder att järnet Fe bildar en minuspol samt kopparn Cu bildar en pluspol i vårt system. Dock så har inte Cu någon ytterligare möjlighet att ta upp flera elektroner då den redan är färdigreducerad och är i sin reducerade form. Därför tar elektronerna sig vidare till vattnet som istället bildar hydroxidjoner, det är bland annat därför metaller har mycket enklare för sig att rosta i fuktiga miljöer än i torra. Det som händer då är att järnet istället bildat järnjoner Fe2+ som reagerar vidare och oxideras till Fe3+ joner som är löst i vattnet. Rost skapar en beläggning på järnytan och det ser vi när järnjonerna och syret i vattnet reagerat med varandra och skapar järn(II)hydroxid.

Reaktionen för denna ser ut enligt följande:

4Fe(OH)(s) + O2(aq) —-> 4FeO(OH)(s) + H2O

Via reaktionen så kan vi följa järnhydroxid reagerar vidare med syret i vattnet för att bli järn(II)hydroxid vilket är den beläggning som läggs på järnets yta när den rostar. Denna har inte alls samma egenskaper som det ursprungliga ämnet och söderdelas enklare.

 

Kommentar från lärare:

Utförligt svar.

Korrosion är alltså redoxreaktioner.

 

Fråga:

6.) Bildningsentalpier vid 25 ºC och 101,3 kPa:

Ämne ΔH (kJ/mol)
CO (g) – 110
CO2 (g) – 394
H2O (l) – 286
H2O (g) – 242
NO (g) + 90
NO2 (g) + 34

 

  1. a) Skriv en balanserad reaktionsformel för bildningen av vattenånga ur vätgas och syrgas.
  2. b) Är reaktionen i fråga a) endoterm eller exoterm? Motivera ditt svar!
  3. c) Ange entalpiändringen (ΔH) för reaktionen då 6,0 g syrgas reagerar med ett överskott av vätgas till vattenånga. Redovisa dina beräkningar.

 

Svar från studerande:

  1. A) Vi inleder med att skriva reaktionsformeln i obalanserad form.

H+ O2 –/–> H2O

2H+ O2 —->2 H2O

För att avgöra ifall detta är endoterm eller exoterm reaktion måste vi tillbaks och räkna på bindningsentalpierna för att veta om det krävs energi eller avges energi före och efter reaktionen. Så vilka bindningar äre som bryts? Vi har 2 stycken vätebindningar som behöver brytas samt en dubbelbindningen till syremolekylen.

För att bryta upp vätemolekylerna krävs en energi på 436 kJ/mol samt för syre 498 kJ/mol. Ser vi till reaktionsformeln så förstår vi att vi att förhållandet mellan vätet och syret är 2:1, alltså det behövs dubbelt så mycket mol av väte sätt till syret. Så för att addera ihop dessa energivärden så blir det alltså:

2 x 436 + 498 = 1370 kJ energi för att bryta upp bindningarna. Detta säger oss inte så mycket dock om vi inte kan ta fram hur mycket energi som avges när de nya bindningarna i H2O-molekylen bildas.

För att räkna fram det så måste vi se över vilka bindningar som ingåt i molekylen. Vi finner att två väte är bunda till en en syreatom O-H bindning som bildas alltså. Vi har även tagit med att produkten blir 2H2O. Alltså 2 molekyler med två O-H bindningar. Bindningsenergin för OH bindningen är 464 kJ/mol.

Alltså blir vår beräkning enligt följande: 2 mol x 2 bindningar x 464 kJ/mol = 1856 kJ

I och med att vi nu vet vilken energi som tillförs samt vilken energi som avges så kan vi räkna ut delta H som är differansen mellan energin som tillförs och avges.

DeltaH= 1370 kJ – 1870 kJ = -486 kJ

Man kan även skriva 2H+ O2 —->2 H2O + 486 kJ

I och med att det avges värme så är reaktionen en exoterm reaktion. I och med att vi vet att assan syrgas är 6,0 g och för att få fram substansmängden så räknar vi n=m/M alltså 6/32 = 0,19 mol. Ser vi även till reaktionsfomeln så förstår vi att det går 2 vattenmolekyler på varje syremolekyl så vi multiplicerar 0,19 mol med 2 för att få den korrekta substansmängden 0,38 mol.

Tabellen du givit oss ovan berättar för oss att vatten i gasform har bindningsentalpin -242 kJ/mol i gasform. För att få deltaH bör vi därför multiplicera antalet mol med bindningsentalpin för att veta den energi eller ändring som kommer till för just vår molberäkning. Alltså 0,38 mol x -242 kJ/mol = 92 kJ

Kommentar från lärare:

Du kan se direkt i tabellen ocan om det är en exoterm reaktion eftersom entalpiändringen är -242 kJ/mol.

Fråga:

7.) I sur lösning kan Fe2+-joner oxideras till Fe3+-joner i närvaro av permanganatjoner (MnO4). Det bildas också manganjoner (Mn2+). Skriv en balanserad reaktionsformel. Redogör för samtliga steg i hur du kommer fram till formeln.

Svar från studerande:

Vi inleder med att skriva en obalanserad formeln för hela reaktionen för att i steg två ta fram de olika oxidationstalen för de olika ämnena som ingår.
Fe2+ + MnO4 + H –/–> Fe3+ + Mn2+ + H2O

Vänster led:

För att ta fram oxidationstalen så har vi vissa regler vi kan följa som kan hjälpa oss på vägen. 
Fe2+: Regel 5 säger oss att i en atomjon är oxidationstalet samma som jonladdningen, i detta fall +II.
MnO4– : Här blir det enklast att först räkna ut laddningarna för just syret. Vi kan använda oss av regel 3 som säger oss att syre alltid har oxidationstalet -II. I och med att vi har 4 stycken syremolekyler i föreningen så vet vi att det handlar om -VIII. Dock så säger regel 6 till oss att i sammansatta joner så är summan av de ingående atomernas oxtal samma som jonladdningen. Vi ser även att föreningen tillsammans med syrets -VIII ger en laddning på -I. Detta berättar för oss att Mn molekylen har laddningen +I.

Sammanfattat skulle de se ut enligt nedan:
Fe2+ = +II
Mn   = +VII
O4    = – VIII 

I och med att vi vet att det är järnet som oxiderats så förstår vi att det är Mn som reduceras. Ser vi till de olika laddningarna så bör vi kunna räkna fram hur mycket järn som behövs för att balansera formeln. Detta gör vi genom att skriva oxidations samt reduktionsformeln.

Oxidation: Fe2+ —–> Fe3+ + e–  alltså, för varje järnjon som reagerar så oxideras en elektron. 
Reduktion: MnO4– —-> Mn2+ alltså för varje permangnatjon som reagerar så reduceras X. I och med att vi vet att syre står för -8 samt att manganjonen står för +7 så bör alltså varje manganjon reduceras med 5 elektroner för varje atom.

Höger led:

Fe2+ + MnO4 + H–/–> Fe3+ + Mn2+ + H2O

Ser vi till det högra ledet så finner vi att Fe3+ har laddningen +III, samt att Mn2+ har laddningen +II och vattnet ingenting. Jämför vi höger leds nettoladdningar med vänster leds nettoladdningar så finner vi en differans.

Höger led nettoladdning: 2+
Vänster led nettoladdning: 5+

Vi kan nu inleda med att försöka balansera laddningarna: 
Fe2+ + MnO4 + H–/–> Fe3+ + Mn2+ + H2O

Jag inleder med att balansera järnjonern, i och med att vi vet att varje järnjon avger 1 elektron och varje manganjon tar emot 5 elektroner så behöver vi ha med fem järnjoner för att korrekt antal elektroner ska kunna oxideras. 5Fe2+ + MnO4 + H–/–> 5Fe3+ + Mn2+ + H2O

Vi nämnde tidigare att manganjonen har oxidationstalet +VII som då reduceras med -V från järnjonerna vilket ger den laddningen +2. Alltså så stämmer nu järnet mängd och laddningar med manganjonerna.

5Fe2+ + MnO4 + H–/–> 5Fe3+ + Mn2+ + H2O

Men vätet och syret ger forfarande fel utslag. I och med att vi på höger led har 4 syre men på vänster sida bara 1 samt att vätet inte stämmer då den är dubblerad på högre sida så kan vi balansera upp vätet med just 8, detta korrigerar även laddningarna då vätet är positivt laddat med 1 samt syret negativt laddat med 2. Alltså: 
5Fe2+ + MnO4 + 8H+ –/–> 5Fe3+ + Mn2+ + H2O

Svar: 5Fe2+ + MnO4 + 8H–/–> 5Fe3+ + Mn2+ + H2O

 

Kommentar från lärare:
Du har fått fram en korrekt reaktionsformel med hjälp av oxidationstalsmetoden.

 

Fråga:

8.) Beskriv en analysmetod och när du skulle kunna tillämpa den! Förklara även varför just den analysmetoden är mest lämplig!

Svar från studerande:

Spektroskopi – Joner och molekyler i olika lösningar absorberar olika våglängder, exempelvis färger osv. Ju fler av dessa joner eller molekyler som finns i en lösninging desto mer av den specifika våglängden absorberas. Man kan utnyttja detta vid kvantitativa analyser för att exempelvis söka efter koncentration av ett ämne i en lösning. Man söker sig till att förstå hur mycket elektromagnetisk strålning som sänds ut och tas upp ur lösningen vilket per definition betyder att färg spelar en stor roll. Det enklaste sättet att analysera via spektroskopi är att jämföra två lösningars färg färg för att avgöra vilken av dessa som innehåller flest joner och molekyler av ett visst ämne. Ett exempel på detta är  är utspätt koncetrerat saft i en vattenlösning, ju ljusare lösningen är desto svagare är saftkoncentrationen.

Dock så är tyvärr blåtta ögat inte tillräckligt känsligt för att behandla mer fin data och små färgförändringar. Därför har vi även olika instrument som hjälper oss och bygger på samma princip, alltså att mäta våglängderna. Detta kallas ör spektrafotometer är en ett instrument som bygger på optik. Instrumentet bygger på att man egentligen belyser ett visst ämne med en specifik våglängd (ljus) samt att instrumentet sedan mäter hur mycket av den våglängden som absorberats av lösningen.

Mätningar som använder sig av synbart ljus kallas för VIS-spektroskopi men det finns möjlighet att använda andra vågor för att bestämma substansen av ett ämne i en lösning eller blandning. Använder man sig av en IR spektroskopi så kan man exempelvis mäta alkoholhalten hos en förare då alkoholmolekylen absorberar en del av det IR ljus som skickas ut ifrån spektroskopet innan den når detektorn.

Spektroskopi används även för diabetespatienter som mäter sitt blodsocker, där bygger tekniken på samma princip.

 

Annonser