Opgave 4 - Ionbytning

Ionbytning er en metode, der blandt andet kan bruges til at fjerne sundhedsskadelige ioner fra vandige opløsninger. Dette sker ved at sende den vandige opløsning gennem en søjle, hvor de uønskede ioner udskiftes med ioner, der ikke er sundhedskadelige.

Iodid må ikke være i drikkevand i høje koncentrationer, hvilket for eksempel var et problem i Japan efter Fukushima-ulykken i 2011. Man kan eksempelvis udskifte iodid i drikkevand med chlorid ved hjælp af ionbytning.

I et vandrensningsforsøg anvendes ionbytning til at udskifte iodid med chlorid, hvilket ses i nedenstående animation.  

Reaktionskema for ionbytningsligevægten, der indstiller sig i vandrensningsforsøget, ses på figur 4.1.

Figur 4.1 Reaktionsskema for ionbytningligevægten i vandrensningsforsøget. R angiver et positivt ladet søjlemateriale. 

a)	Opskriv ligevægtsloven, Kc , for reaktionen der ses i figur 4.1. Bestem ligevægtskonstantens enhed.

b)	Beregn koncentrationen af iodid i ligevægtsblandingen efter ionbytningen.

Temperaturafhængighed for ligevægtskonstanten K_c ses i tabel 4.1.

Temp (°C)	Kc
30,0	3,02
35,0	4,14
40,0	5,00
45,0	5,80

Tabel 4.1 Ligevægtskonstanter for ionbytningsligevægten ved forskellige temperaturer.

Forsøget gentages ved 45°C og med samme startkoncentration af iodid som i forsøget vist i animationen.

c)	Beregn koncentrationen af iodid i ligevægtsblandingen efter ionbytningen ved 45°C.

Opgave 3 - Pivalinsyre

Pivalinsyre er en monohydron svag syre. Pivalinsyre har flere forskellige anvendelser og bruges blandt andet til fremstilling af parfumer og lægemidler. Pivalinsyre har det systematiske navn
2,2-dimethylpropansyre. 

Fremstillingen af pivalinsyre sker ofte ved mild oxidation af forbindelse A i sur opløsning. Det ikke-afstemte reaktionsskema for oxidationen ses i figur 3.1.

Figur 3.1 Reaktionsskema for fremstilling af pivalinsyre ud fra forbindelse A (ikke afstemt). 

a)	Marker den funktionelle gruppe i forbindelse A og angiv stofklassen.

b)	Afstem reaktionen vist i figur 3.1.

En laborant på en lægemiddelvirksomhed ønsker at undersøge forskellige egenskaber ved pivalinsyre og gennemfører derfor en række forsøg. Første forsøg viser, at der kan opløses 2,46 g pivalinsyre i 100 mL vand.

c)	Beregn den formelle stofmængdekoncentration af pivalinsyre i en mættet vandig opløsning.

Til de efterfølgende forsøg fremstilles en ny vandig opløsning af pivalinsyre med en formel stofmængdekoncentration på 0,120 mol/L. Denne opløsning kaldes opløsning 2.  

d)	Beregn pH i opløsning 2.

Laboranten titrerer 25,0 mL af opløsning 2 med 0,150 mol/L KOH og tegner efterfølgende en titrerkurve.

e)	Angiv hvilken titrerkurve (A, B eller C) i figur 3.2 der viser laborantens titrering af opløsning 2. Argumentér for dit valg.

A
B
C

Figur 3.2 Tre mulige titrerkurver for titreringen af opløsning 2: A, B og C.

Opgave 2 - Brintbiler

Brintbilen kører egentlig ikke på brint (dihydrogen), men er en elbil, der får strøm fra en brændselscelle i stedet for et batteri. Princippet i en brintbil ses i figur 2.1.

Figur 2.1 En brintbil. Batteriet på tegningen er en brændselscelle.

I brændselscellen blandes dihydrogen fra hydrogentanken med dioxygen fra den omgivende luft, og de to grundstoffer danner en proces, der skaber elektrisk energi og vand. Reaktionsskemaet for processen ses i figur 2.2

Figur 2.2 Reaktionen der forløber i brændselscellen. 

En brintbil har en tank med et volumen på 100 L. Tanken indeholder en mængde dihydrogen, så trykket i tanken er 700 bar ved en temperatur på 25 C.

a)	Beregn massen af dihydrogen i tanken

b)	Beregn entropitilvæksten, ΔS°, for reaktionen vist i figur 2.2. Kommenter fortegnet for entropitilvæksten. Inddrag reaktionsskemaet i figur 2.2.

Figur 2.3 viser tilvæksten af Gibbs energi som funktion af den absolutte temperatur. 

Figur 2.3. Tilvæksten af Gibbs energi som funktion af den absolutte temperatur. 

c)	Vurder, med udgangspunkt i figur 2.3, om reaktionen mod højre er endoterm eller exoterm.

I brintbiler er temperaturen i brændselscellen relativt lav sammenlignet med temperaturen i brændselsceller, der bruges til andre formål. Typisk ligger temperaturen på 60-80 °C i brændselsceller i biler.

d)	Beregn ligevægtskonstanten, Kp, for reaktionen ved 75 C. Angiv enheden for Kp

Spørgsmålene i opgave 1 tager udgangspunkt i bilagsmaterialet.

Opgave 1 - sulfanilamid

a)	Angiv et systematisk navn for anilin.
b)	Argumenter for reaktionstypen i syntesetrin 1. Angiv formlen for forbindelse A.
c)	Beregn udbytteprocenten fra syntesen.
d)	Argumenter for at de spektrofotometriske målinger følger Lambert-Beers lov.
e)	Beregn renheden for elevens synteseprodukt i masseprocent.
f)	Bestem reaktionsordenen for nedbrydning af sulfanilamid i blodet hos gederne ved indtagelse intravenøst.

Bilagsmateriale - Sulfanilamid

Sulfanilamid anvendes som antibiotika mod en lang række infektionssygdomme. Det hæmmer folinsyresyntesen hos bakterier, så de ikke kan overleve. Det blev benyttet under anden verdenskrig til bekæmpelse af infektionssygdomme blandt soldater og anvendes fortsat i dag som et af mange antibiotika.

Sulfanilamid kan let fremstilles i laboratoriet. Figur 1.1. viser de fire trin i en syntese af sulfanilamid. 

Figur 1.1 De fire syntesetrin i syntesen af sulfanilamid.

Ved trin 1 i syntesen reagerer anilin med ethansyre. Koncentreret svovlsyre benyttes som katalysator for reaktionen. Syntesetrin 1 kan ses her som ChemSketch-fil og MarvinSketch-fil.

Figur 1.2 Reaktionsskema for syntesetrin 1.

En htx-elev vil fremstille sulfanilamid i laboratoriet ved hjælp af syntesen, vist i figur 1.1, hvor anilin er den begrænsende faktor for hele syntesen. Eleven anvender 10,0 mL anilin til syntesen. Densiteten af anilin er 1,02 g/mL. Efter oprensning er udbyttet af sulfanilamid bestemt til 11,7 g.

Eleven ønsker at bestemme renheden af synteseproduktet. Til dette benyttes en spektrofotometrisk metode. Eleven fremstiller en række vandige standardopløsninger af ren sulfanilamid med kendte koncentrationer. Disse opløsninger tilsættes et kemikalie, der danner en orange forbindelse med sulfanilamid.

Eleven måler herefter absorbansen af de fremstillede opløsninger ved 455 nm i et spektrofotometer med en kuvettebredde på 1,00 cm. Resultaterne fra absorbansmålingerne ses i figur 1.3.

Figur 1.3 Standardkurve for spektrofotometrisk analyse af sulfanilamid.

Eleven fremstiller en fortyndet opløsning af synteseproduktet. 

Dette gøres ved, at eleven afvejer 0,200 g synteseprodukt, som opløses i demineraliseret vand. Volumen af opløsningen er 100,0 mL. Eleven udtager et volumen på 1,00 mL af denne opløsning som overføres til en 100,0 mL målekolbe og eleven fylder op til mærket med demineraliseret vand.

En visualisering af metoden kan ses på figur 1.4

Figur 1.4 Visualisering af hvordan den fortyndede opløsning fremstilles. 

Den fortyndede opløsning behandles på samme måde som standardopløsningerne og absorbansen af opløsningen måles ved 455 nm i spektrofotometret. Absorbansen af den fortyndede opløsning med synteseprodukt blev målt til 0,825.

Når sulfanilamid anvendes til behandling af bakterielle infektioner kan det enten gives intravenøst (indsprøjtning direkte i blodet) eller oralt (en tablet der sluges). Ved oral optagelse går der noget tid inden sulfanilamid er optaget i blodet fra mave-tarmsystemet.

En forskningsgruppe ønsker at undersøge kinetikken for optagelse og nedbrydning af sulfanilamid i blodet. Til dette benyttes geder som forsøgsdyr. En ged får indsprøjtet sulfanilamid direkte i blodet og en anden får sulfanilamid som en tablet der indtages gennem munden. Der udtages blodprøver til forskellige tider og koncentrationen af sulfanilamid i blodet bestemmes. Data fra undersøgelsen findes her som Excelfil.

Vejledning

Følgende hjælpemidler forudsættes:
DATABOG fysik kemi (F&K Forlaget), 11. udgave (2007) eller senere udgave.

Opgavebesvarelsen
Din opgavebesvarelse skal afleveres i et samlet dokument gemt i pdf-format.

Bedømmelse
Ved den skriftlige prøve lægges der vægt på din evne til at:

	-	anvende fagets viden og metoder til behandling af kemiske problemstillinger
	-	inddrage det udleverede bilagsmateriale i besvarelsen
	-	gøre iagttagelser og analysere eksperimentelt arbejde, samt efterbehandle og vurdere resultater herfra
	-	gennemføre og præsentere relevante beregninger med korrekt brug af fagsprog
	-	benytte relevante matematiske modeller, metoder og repræsentationsformer
	-	benytte fagspecifikke digitale værktøjer hensigtsmæssigt
	-	dokumentere anvendte informationer fra forskellige kilder
	-	udtrykke sig skriftligt, således at tankegangen fremstår struktureret og tydelig.

Der gives en karakter på baggrund af en helhedsvurdering.