Onsdag den 2. juni 2021
kl. 09.00-14.30

Vejledning

Alle hjælpemidler er tilladt

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.

Bilagsmateriale

Titan

Titan er grundstof nummer 22 og er det niende mest almindelige grundstof i jordens skorpe. Grundstoffets egenskaber som fx modstandsdygtighed over for korrosion, en høj styrke i forhold til densiteten samt et højt smeltepunkt, gør titan interessant til en række forskellige formål. Titan anvendes især i legeringer med bl.a. jern og aluminium, hvor det danner stærke letvægtsmaterialer. Legeringerne af titan anvendes fx i rumfartsbranchen, i militæret og på sundhedsområdet til forskellige typer af proteser. Titan kan også indgå i mere almindelige produkter. Ure, briller og racercykler er eksempler herpå.

Titan er et overgangsmetal og danner kemiske forbindelser med forskellige oxidationstal: +II, +III og +IV. Titan findes ikke som rent metal i naturen, men som mineraler i form af bl.a. rutil og ilmenit. Rutil er et mineral, der primært består af titan(4+)oxid, TiO2. Ilmenit er et mineral med formlen FeTiO3.

På trods af den høje forekomst af titan og de mange anvendelsesmuligheder er brugen af titan fortsat forholdsvis begrænset. Det skyldes, at produktionen af rent titan ud fra mineralerne er en energikrævende og kostbar proces. Titan bliver i dag alt overvejende fremstillet ud fra den såkaldte Kroll-proces, der blev udviklet af Wilhelm Kroll fra Luxembourg tilbage i 1940. I denne proces omdannes titan(4+)oxid til det rene metal ved 1000 °C i to trin:

TiO2(s) + 2 C(s,grafit) + 2 Cl2(g) → TiCl4(g) + 2 CO(g)		reaktion 1
TiCl4(g) + 2 Mg(l) → Ti(s) + 2 MgCl2(l)		reaktion 2

Ændringen i standardentropi, ΔS°, for reaktion 1 er 241,9 J/(mol·K).

Standardenthalpien, H°, for TiCl4(g) er -763,2 kJ/mol.

Interessen for at gøre fremstillingen af titan mindre energikrævende er stor. Zhigang Zak Fang og hans forskerteam fra Utah i USA har fundet frem til en alternativ proces, der foregår ved en temperatur på kun 500 °C. Denne proces foregår i tre trin.


Første trin ses her:

TiO2(s) + 2 MgH2(s) → TiH2(l) + 2 MgO(s) + H2(g)

reaktion 3

Andet trin involverer fjernelse af fast magnesiumoxid, MgO, fra reaktionsblandingen:

MgO(s) + 2 NH4Cl(l) → MgCl2(l) + 2 NH3(l) + H2O(g)

reaktion 4

I det sidste trin reduceres det dannede titan(2+)hydrid, TiH2, til rent titan:

TiH2(l) → Ti(s) + H2(g)

reaktion 5

En virksomhed har fremstillet titan ved hjælp af Kroll-metoden i mange år og opnår en udbytteprocent på 68,4% rent titan ud fra titan(4+)oxid. Virksomheden ønsker at afprøve Zhigang Zak Fangs alternative metode for at teste renhed, udbytteprocent, energiforbrug og andre væsentlige faktorer for virksomhedens økonomi og produktion. De forsøger derfor at fremstille titan ud fra den alternative metode, hvorved de opnår et udbytte af rent titan på 60,35 kg ud fra 150,0 kg titan(4+)oxid.

Opgave 1 - Titan

	a)	Navngiv produkterne i reaktion 4.
	b)	Argumenter for, at reaktion 1 er en redoxreaktion.
	c)	Beregn udbyttet af titan i procent af det teoretisk mulige, når virksomheden benytter den alternative metode. Sammenlign resultatet med Kroll-processen.
	d)	Vis, at ΔH° for reaktion 1 er -40,26 kJ/mol.
	e)	Beregn S° for TiCl4(g). Sammenlign resultatet med S° for TiCl4(l).
	f)	Vurder, om reaktion 1 kan forløbe spontant ved standardbetingelser og 1000 °C.

Opgave 2 - Rod i kemikalierne

Der skal bruges en alkohol til at fremstille esteren pentyl(ethanoat). Da læreren ser i kemikalieskabet er der tre flasker uden etikette. De løse etiketter blev fundet på bunden af kemikalieskabet. Læreren ved derfor at de tre flasker indeholder følgende organiske forbindelser:

Hex-1-en, propanon, pentan-1-ol

a)

Opskriv strukturformler for de tre forbindelser.

Læreren udfører analyse med vandig opløsning af dibrom, Br₂, og 2,4-dinitrophenylhydrazin (2,4-DNPH) for at identificere kemikalierne. Analyserne vises i filmen.

	b)	Opskriv resultaterne fra analyserne i et skema, så det fremgår hvad resultaterne fra analysen viser.
	c)	Argumenter for indholdet i de tre flasker på baggrund af de kemiske analyser.
	d)	Opskriv et afstemt reaktionsskema for fremstilling af esteren pentyl(ethanoat).

Opgave 3 - Håndsprit

Håndsprit er desinficerende væsker, som indeholder alkoholer i form af ethanol eller propan-2-ol. For at virke effektivt skal indholdet af alkoholen være mindst 70 vol%. Fremstillingen af propan-2-ol i industrien foregår via en proces, hvor sidste trin er reduktion af acetone, CH₃COCH₃. Denne reaktion er en ligevægt:


CH₃COCH₃ (g) + H₂ (g) ⇌ CH₃CHOHCH₃ (g)

a)

Opskriv ligevægtsloven, Kp, for ligevægten. Vis, at enheden for ligevægtskonstanten er bar-1.

Ligevægtskonstanten for reaktionen er bestemt ved en række forskellige temperaturer. Samhørende værdier for ligevægtskonstant og temperatur findes her som excel-fil.

	b)	Vis, at reaktionen følger Van’t Hoff ligningen. Argumenter for, at reaktionen mod højre er exoterm.
	c)	Forklar, hvilken betydning tryk og temperatur har for ligevægtens forskydning.

Der lukkes 1,00 mol acetone, og 2,00 mol dihydrogen ind i en beholder på 100 L ved 100 °C, hvorefter ligevægten indstiller sig. Ligevægtskonstanten, K_p, for reaktionen ved 100 °C er 48,5 bar^-1.

d)

Beregn partialtrykket af de tre reaktionsdeltagere ved ligevægt.

Opgave 4 - Chlorsyrling

Chlorsyrling, HClO₂, eksisterer i vandig opløsning, hvor følgende ligevægt indstiller sig:

HClO2(aq) + H2O(aq) ⇌ ClO2-(aq) + H3O+(aq)

Bjerrumdiagrammet for chlorsyrling ses her:

a)

Vis, at chlorsyrling har en pKs-værdi på 2,0.

I en vandig opløsning af chlorsyrling er den formelle stofmængdekoncentration af chlorsyrling 0,050 M

b)

Beregn pH for opløsningen af chlorsyrling ved 25 °C.

Chlorsyrling kan anvendes til fremstilling af pufferopløsninger. I en vandig pufferopløsning har man følgende aktuelle stofmængdekoncentrationer:

[ HClO₂ ] = 0,051 M

[ ClO₂^- ] = 0,035 M.

c)

Beregn pH af pufferopløsningen ved 25 °C. Vurder pufferopløsningens kapacitet ved denne pH-værdi.

600 mL af denne opløsning tilsættes 0,10 M NaOH indtil opløsningens pH er 2,5.

d)

Beregn volumenet af NaOH, der skal tilsættes.

Filer til opgaverne

Filnavn	Opgave	Figur	Beskrivelse
193809_opg3_excel.xlsx	3	-	Excel fil

Klik her for at downloade alle filer.