Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko 25.10 klo 8-10 Jokaisesta oikein ratkaistusta tehtävästä voi saada yhden lisäpisteen. Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 1 pisteitä 35. Kuinka suuri on teoreettisten liekin maksimilämpötilojen ero, jos poltetaan hiiltä täydellisesti hiilidioksidiksi (CO 2 ) tai ali-ilmalla siten, että palamistuotteena syntyy hiilimonoksidia (CO)? Jälkimmäisessä tapauksessa siis oletetaan, että kaikki hiili hapettuu hiilimonoksidiksi, mutta hiilidioksidia ei synny lainkaan. Oletetaan, että polttoilmassa hapen (O 2 ) ja typen (N 2 ) suhde on ¼. C(s) + ½ O 2 (g) = CO(g) H R = -26 420 cal/mol (T = 25 C) C(s) + O 2 (g) = CO 2 (g) H R = -94 050 cal/mol (T = 25 C) C P (CO(g)) = 6,8 + 1,0 10-3 T - 0,11 10 5 T -2 cal/(k mol) C P (CO 2 (g)) = 10,55 + 2,16 10-3 T - 2,05 10 5 T -2 cal/(k mol) C P (N 2 (g)) = 6,5 + 1,0 10-3 T cal/(k mol) Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 2 pisteitä 36. Kaksi identtistä kuparista valukappaletta on sijoitettu eristävään koteloon. Aluksi toisen valukappaleen lämpötila on 500 C ja toisen 300 C. Kuumemmasta virtaa lämpöä kylmempään, kunnes molempien valukappaleiden lämpötilat ovat yhtä suuria. Lämmönsiirtoa kotelon seinämille ei huomioida. Onko tämä prosessi spontaani? Perustele vastauksesi laskemalla. C P (Cu) = 5,41 +1,50 10-3 T cal/(mol K)
Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 3 pisteitä 477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2017) 37. Toisessa mikroluokkaharjoituksessa tarkasteltiin lämpötilan ja paineen vaikutuksia rikkidioksidin (SO 2 ) ja rikkitrioksidin (SO 3 ) väliseen tasapainoon. SO 2 -SO 3 -O 2 -systeemin tasapainotarkastelu voidaan luonnollisesti tehdä myös käsinlaskien, vaikka se onkin huomattavasti hitaampaa kuin laskentaohjelmistoja hyödyntäen. Määritä tasapainossa vallitseva kaasukoostumus (esim. kaasukomponenttien osapaineiden avulla ilmaistuna), kun 1 mol SO 2 ja 0,5 mol O 2 reagoivat tasapainoon asti 750 C:een lämpötilassa ja 1 atm paineessa. Alkutilanteessa rikkitrioksidia ei esiinny lainkaan eli kaikki tasapainotilassa oleva rikkitrioksidi on peräisin rikkidioksidin ja hapen välisestä reaktiosta. SO 2 (g) + ½ O 2 (g) = SO 3 (g) G 0 R = -640 cal/mol (T = 750 C) Mikä on kaasun tasapainokoostumus, mikäli yhden rikkitrioksidimoolin annetaan asettua tasapainotilaansa samassa 750 C:een lämpötilassa? Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 4 pisteitä 38. Poltettu kalkki (CaO) on helposti hydratoituva aine. Toisin sanoen jo pienet määrät ilmassa olevaa kosteutta (= vesihöyryä, H 2 O(g)) riittävät aikaansaamaan reaktion, jossa poltettu kalkki reagoi kalsiumhydroksidiksi alla esitetyn reaktion mukaisesti. CaO(s) + H 2 O(g) = Ca(OH) 2 (s) G 0 R = -66 360 J/mol (T = 25 C) Laske, kuinka alhainen ilmankosteuden tulisi olla, jotta hydroksidin muodostumista ei tapahtuisi huoneenlämpötilassa ja normaalissa ilmanpaineessa. Voit ilmoittaa vastauksen esimerkiksi vesihöyryn osapaineena. Toisaalta kalkki reagoi varsin herkästi myös ilmassa olevan hiilidioksidin (CO 2 ) kanssa alla esitetyn reaktion mukaisesti. CaO(s) + CO 2 (g) = CaCO 3 (s) G 0 R = -130 423 J/mol (T = 25 C) Määritä, kuinka suuri saa ilman CO 2 -pitoisuus korkeintaan olla, jotta kalsiumkarbonaattia (CaCO 3 ) ei muodostuisi huoneenlämpötilassa ja normaalissa ilmanpaineessa. Nytkin vastauksen voi esittää osapaineena.
T(C) 477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2017) Poltettu kalkki reagoi siis varsin herkästi sekä hydroksidiksi että karbonaatiksi. Määritä esiintyykö kalsium hydroksidina vai karbonaattina, jos ilman vesihöyryn osapaineeksi on mitattu 10-3 atm ja hiilidioksidin osapaineeksi 10-6 atm. Ca(OH) 2 (s) + CO 2 (g) = CaCO 3 (s) + H 2 O(g) G 0 R = -64 063 J/mol (T = 25 C) Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 5 pisteitä 39. Vastaa ohessa esitetyn MgO-CaO-systeemin tasapainopiirroksen pohjalta seuraaviin kysymyksiin. Jos systeemin kokonaiskoostumus on 60 p-% CaO:a (ja loput MgO:a) ja lämpötila on 2000 C, niin: - montako faasia esiintyy tasapainotilassa? - mikä on faasin koostumus/faasien koostumukset? - Jos faaseja on useampia kuin yksi, niin missä suhteessa faaseja esiintyy? - Jos tämän koostumuksen omaavaa materiaalia kuumennettaisiin, niin missä lämpötilassa materiaali alkaisi sulaa? CaO - MgO 2900 Liquid 2700 2500 MgO (ss) 2300 CaO (ss) 2100 1900 1700 1500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Mass fraction of MgO
Tehtäviä, joilla voi korottaa teoriaosion pisteitä 40. Mitä taulukkoarvoja tarvitset, jos haluat määrittää maksimilämpötilan, joka voidaan saavuttaa polttamalla jotain tiettyä polttoainetta? Kuvaile lisäksi lyhyesti, miten maksimilämpötila voidaan laskennallisesti määrittää. 41. Kerro, miksi entropia kasvaa (a) lämpötilan noustessa, (b) paineen laskiessa ja (c) aineiden sekoittuessa. 42. Kerro, mitä vaiheita kaasutasapainon määrittäminen (tasapainovakiomenetelmällä) pitää sisällään. Mitä taulukkoarvoja laskennassa tarvitaan? Tehtäviä, joilla voi korottaa mikroluokkaharjoituksen pisteitä 43. Seuraavalla sivulla on esitetty kuvakaappaus HSC Chemistry -ohjelmiston tietokantamoduulista (DB - H, S and CP Database) siten, että näytölle on valittu yhden yhdisteen tiedot. Vastaa kuvakaappauksessa esitettyjen tietojen pohjalta seuraaviin kysymyksiin: - Mitä yhdistettä on tarkasteltu? Mikä on sen kemiallinen kaava ja nimi? - Mitkä ovat ko. yhdisteen sulamis- ja kiehumispisteet? - Mitkä ovat ko. yhdisteen stanardientalpian ja -entropian arvot? - Mikä on ko. yhdisteen moolimassa? - Löytyykö tietokannasta taulukkodataa ko. yhdisteen sulalle olomuodolle? - Millä lämpötilavälillä/-alueella ko. yhdisteen lämpökapasiteetin voidaan olettaa olevan vakio (ts. se ei muutu lämpötilan funktiona)? - Onko ko. yhdisteen muodostuminen huoneenlämpötilassa alkuaineistaan spontaani reaktio vai ei? Perustele vastauksesi. - Onko ko. yhdisteen muodostumisreaktio huoneenlämpötilassa lämpöä sitova vai vapauttava reaktio? Perustele vastauksesi.
44. Seuraavalla sivulla on muistin virkistykseksi esitetty kaksi kuvakaappausta HSC Chemistry -ohjelmiston tasapainonlaskentamoduulista (Gem - Equilibrium compositions). Kerro kuvissa esitettyjä käyttöliittymiä hyödyntäen, miten suorittaisit HSC-ohjelmistolla tasapainotarkastelun, jonka tavoitteena on määrittää kaasun tasapainokoostumus lämpötilan funktiona (välillä 25-2000 C) systeemille, jossa metaanikaasua poltetaan stökiömetrisellä määrällä ilmaa (21 % O 2 ja 79 % N 2 ) siten, että (mahdollisia) reaktiotuotteita ovat hiilen, vedyn ja typen muodostamat kaasumaiset oksidit.