8 april :00 17:00 uur

Transcriptie

1 TENTAMEN CTD voor MST (4051CHTHEY) 8 april :00 17:00 uur Docenten: B. Dam, L. de Smet, W. Smith, A. Brinkman Naam:... Studentnummer Leiden:... Studentnummer Delft:... Dit tentamen bestaat uit vier vragen Maak elke opgave op een apart blad De puntenverdeling is per onderdeel aangegeven Er zijn in totaal 100 punten te behalen Het cijfer wordt als volgt berekend: o cijfer = (totaal behaalde punten)/10 Het cijfer van dit tentamen telt voor 50% mee in de eindbeoordeling Dit is een gesloten boek- tentamen Beantwoord de vragen zoveel mogelijk met de methode/uitwerking/beschouwing- structuur Studiemateriaal mag niet worden geraadpleegd, behalve het bijgevoegde formuleblad Een simpele (of scientific calculator) is toegestaan; een grafische (programmeerbare) rekenmachine is niet toegestaan Vermeld op ieder blad uw naam en nummer de pagina s Geef duidelijk het nummer en onderdeel van elke vraag aan Maak dit tentamen in blauwe of zwarte inkt. Geen potlood! Voeg dit blad bij de ingeleverde opgaves

2 Opgave 1: Meerkeuze vragen Puntenverdeling: totaal 20 punten, voor elke fout worden 2 punten afgetrokken. Maak een lijst met antwoorden. Vraag 1 Bij een reversibele adiabatische expansie van een ideaal gas A. is q ongelijk nul. B. is w gelijk nul. C. neemt de temperatuur af. D. is H = 0. Vraag 2 De Wet van de Corresponderende Toestanden zegt dat: A. een systeem zich overal in de wereld op dezelfde manier gedraagt. B. alle vloeistof- dampsystemen zich hetzelfde gedragen. C. de fasendiagrammen van vloeistof- dampsystemen identiek zijn, mits zij worden geschaald met de kritische temperatuur, druk en molair volume. D. de fasendiagrammen van vloeistof- dampsystemen op elkaar afgebeeld kunnen worden als de kookpunten gelijk worden gelegd. Vraag 3 De entropie van een gesloten en geïsoleerd systeem A. streeft naar een minimum. B. neemt toe. C. neemt af. D. streeft naar een maximum. Vraag 4 De formule voor de molaire Gibbs reactie- energie is G! =! ν! μ! waarin: A. ν! het aantal mol en μ! de chemische potentiaal van component i. B. ν! de molfractie en μ! de standaard chemische potentiaal van component i. C. ν! de stoichiometrische coëfficiënt en μ! de standaard chemische potentiaal van component i. D. ν! de stoichiometrische coëfficiënt en μ! de chemische potentiaal van component i. Vraag 5 De hefboomregel toegepast in een gas- vloeistof tweefasengebied geeft: A. de stabiliteit van het evenwicht. B. de verhouding van het aantal mol vloeistof en het aantal mol gas. C. de molfractie van de componenten in de gas- en de vloeistoffase. D. de druk die de ene fase uitoefent op de andere fase. Vraag 6: Warmte stroomt nooit spontaan van lage naar hoge temperatuur omdat: A. dan de entropie toeneemt. B. dan de entropie afneemt. C. warmte geen toestandsfunctie is. D. de Gibbs- energie daarmee wordt verhoogd.

3 Vraag 7: Uit de grafiek van de molaire entropie van zuurstof als functie van temperatuur kan men: A. C!,! direct aflezen. B. H!"#$%&'()* direct aflezen. C. H!"#$%&'()* /T!""!#$%& direct aflezen. D. U!"#$%&'()* /T!""!#$%& direct aflezen. Vraag 8: Voor een gesloten en geïsoleerd systeem is de inwendige energie A. constant. B. minimaal. C. maximaal. D. een toenemende functie. Vraag 9: In de uitdrukking dh = (1 bt) Vdp + c! dt is b = (1/V) (dv/dt) de thermische uitzettingscoëfficiënt. Voor vloeistoffen en vaste stoffen is daardoor de drukafhankelijkheid van de enthalpie: A. 0. B. temperatuur- onafhankelijk. C. afhankelijk van het molair volume. D. onafhankelijk van het molair volume. Vraag 10: Alle gassen gedragen zich als een ideaal gas in de limiet van A. groot molair volume. B. grote druk. C. grote dichtheid. D. grote temperatuur. Vraag 11: Een proces kan spontaan verlopen van een toestand A naar een toestand B als voor de Gibbs energie geldt A. G! < G! B. G! = G! C. G! G! D. G! > G! Vraag 12: De Gibbs energie is een toestandsfunctie die niet van waarde verandert bij constante A. druk, volume en dichtheid. B. druk, temperatuur en molair volume. C. druk, temperatuur en samenstelling. D. druk, entropie en samenstelling. Vraag 13: Twee gassen A en B mengen spontaan en de molaire Gibbs reduceert met: G! = RT(x! lnx! + x! lnx! ), waarbij x! en x! de fracties van A en B in het mengsel zijn. A. Dit moet een ideaal gas zijn, want de mengentropie is nul. B. Dit kan geen ideaal gas zijn, want de mengenthalpie is ongelijk aan nul. C. Dit kan geen ideaal gas zijn, want de mengentropie is ongelijk aan nul. D. Ik heb onvoldoende informatie om te beslissen of dit een ideaal gas is.

4 Vraag 14: De Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica houdt in dat wanneer zowel niet- expansie- arbeid als warmte met een systeem wordt uitgewisseld de enthalpie van het systeem niet verandert zolang A. zowel de warmte als de arbeid aan het systeem worden toegevoegd. B. de aan het systeem toegevoegde arbeid volledig wordt omgezet in warmte. C. de aan het systeem toegevoegde arbeid volledig wordt omgezet in expansie- arbeid. D. zowel de warmte als de arbeid aan het systeem worden onttrokken. Vraag 15: Bij de Boyle- temperatuur A. domineren de aantrekkende moleculaire krachten. B. domineren de afstotende moleculaire krachten. C. gedraagt een gas zich als een ideaal gas. D. gedraagt een gas zich als een boiling fluid. Vraag 16: In evenwicht is de molaire reactie Gibbs energie ΔG R gelijk aan: A. 0 J/mol. B. 1 J/mol. C. 1 J/(K mol). D J/(K mol). Vraag 17: Als ik een gas laat expanderen in vacuüm A. dan zal een ideaal gas opwarmen of afkoelen B. dan zal een ideaal gas afkoelen C. dan zal een niet- ideaal gas afkoelen of opwarmen D. dan zal een niet- ideaal gas altijd afkoelen Vraag 18: Bij een reversibele adiabatische expansie van een ideaal gas is A. U = 0 B. H = 0 C. q = 0 D. S = 0 Vraag 19: Bij een reversibele isotherme expansie van een ideaal gas is: A. w = 0 B. q = 0 C. S = 0 D. ΔH = 0 Vraag 20: De dissociatiegraad van H 2 O(g) neemt toe met de temperatuur. Dat komt doordat: A. de bindingsenergie afneemt met de temperatuur. B. de bindingsenthalpie afneemt met de temperatuur. C. de entropie verandering van de dissociatiereactie positief is. D. de entropie verandering van de dissociatiereactie negatief is.

5 Opgave 2: Fermentation of sugar Puntenverdeling: totaal 20 punten, voor de subvragen 5/5/10 respectievelijk. For the production of wine, yeast is added to a mixture of sugar (C 6 H 12 O 6 ), water, and grapes or other fruits. If there is enough oxygen available for the yeast they will multiply in numbers. On the other hand, in the absence of an adequate supply of oxygen, yeasts obtain metabolic energy by the so- called fermentation of glucose to produce ethanol (CH 3 CH 2 OH), according to the following reaction: C 6 H 12 O 6 s 2CH 3 CH 2 OH l + 2CO 2 g Unless stated otherwise, assume standard conditions. The following thermodynamic quantities are given: C!,! M! (kj/mol) (kj/mol) (J/mol K) (J/mol K) (g/mol) C 6 H 12 O 6 s CH 3 CH 2 OH l CO 2 g H! G! S! a) Show quantitatively whether this reaction is exothermic or endothermic. b) Show quantitatively whether this reaction is spontaneous or not. c) The yeast is dried and stored at 20. Show using a calculation whether the above reaction is spontaneous or not at that temperature. For this question use the relationship: [G/T] = H T! T!

6 Opgave 3: Ideal and Real Solutions Puntenverdeling: totaal 30 punten, voor de subvragen 4/3/4/4/4/3/3/5 respectievelijk. This question consists of 4 different cases, each with 2 sub questions. Case 1: Antibody A technician from a biochemical laboratory isolated a new, single- domain antibody (hereafter: antibody). The molar mass of this antibody was determined by osmotic pressure (π) measurements. To this end, a 100 ml solution was prepared by dissolving 450 mg of antibody in water. The solution was found to have an osmotic pressure of 6.20 mmhg at a) What is the molar mass (in g/mol) of the new antibody? Later it was discovered that the protein was not 100% pure. A chromatography technique was used to show that the antibody contained one type of contaminant having a lower molar mass than the one of the antibody. b) Based on this information, motivate in a qualitative way whether the mass of the new antibody as calculated in the previous question is overestimated or underestimated (use less than 100 words). Case 2: Liquid Mixtures Water (MW w g/mol, ρ w = 997 g/l, P* w = mmhg) and 1,4- dioxane (MW d g/mol, ρ d = 1033 g/l, P* d = 40.0 mmhg) can be mixed in all ratios. Consider an experiment during which 5.99 ml of water is mixed (ideally) with 3.16 ml of 1,4- dioxane in a piston and cylinder assembly. c) Calculate the ΔG mixing and ΔS mixing at K and 1 bar pressure. d) Calculate the vapour pressure (in mmhg) above this mixture. Case 3: Boiling Point Elevation NOTE: Different expressions exist to calculate boiling point elevations. Question e) focuses on an expression that makes use of the mole fraction of the solute (x solute ), while question f) is related to an expression that makes use of the molality of the solute (m solute ; not to be confused with the mass of the solute). The following information is given: MW NaCl = g/mol; MW H2O = g/mol; Δ vap H(water) = kj/mol, ρ H20 = 997 g/l and the standard boiling point of water is 100. e) Calculate the boiling point elevation of water that contains 30.0 gram of NaCl per liter solution. Use the information given above and first calculate the mole fraction of the solute (x solute ). Assume that the density of water does not change when salt is added.

7 The boiling point elevation can also be calculated via the molality of the solute (m solute ; not to be confused with the mass of the solute) according to: provided that K! is known. T! = K! m!"#$%& f) Explain in less than 50 words why in this approach the molality is preferred over the molarity. Case 4: Gas in Water The solubility of an unknown gas in water is 0.17 g/l at 114 kpa. g) What is the solubility (in g/l) when the pressure of the unknown gas is increased to 275 kpa? Assume the temperature and volume remain constant. Consider now the following dissolution equilibrium: O! (g) O! (aq) The K! value of this equilibrium is atm at K. The concentration of O! (MW O2 = g/mol) in the atmosphere is 21%. See question e) for some properties of water. h) Calculate the concentration of O! in water (in M, i.e. mol/l) that is in equilibrium with the atmosphere at Assume the volume remains constant.

8 Opgave 4: Electrochemistry Puntenverdeling: totaal 30 punten, 5 punten voor elke subvraag. The reaction between solid copper and nitric acid to form copper(ii)- ion, nitrogen monoxide gas, and water is represented by the following equation: 3Cu s + 2NO!! aq + 8H! aq 3Cu!! aq + 2NO g + 4H! O(l) Cu!! aq + 2e! Cu(s) E = +0.62V E = +0.34V NO!! aq + 4H! aq + 3e! NO g + 2H! O(l) E =??? a) Calculate the standard reduction potential, E, for the reduction of NO!! in acidic solution. b) Calculate the value of the standard free energy change, G, for the overall reaction between solid copper and nitric acid. c) Determine the equilibrium constant, K, for the overall reaction at K. Experimentally, it is found that the cell potential varies with temperature according to the following equation: E = !! T !! T!, wherein the unit of temperature is in kelvin. d) Calculate the change in the cell potential as the temperature is increased from RT to 72. e) Calculate the reaction entropy, S!, for this cell at 72. f) Calculate the reaction enthalpy, H!, for this cell at 72.