Eksamen mena 1000

UNIVERSITETET I OSLO
Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet
Eksamen i MENA1000 – Materialer, energi og nanoteknologi
Dato: 3. desember, 2009
Varighet: 3 timer
Oppgavesettet er på: 6 sider (12 oppgaver)
Vedlegg: Ingen. (Formelsett og periodesystem bakerst i oppgavesettet.)
Tillatte hjelpemidler: Kalkulator uten kommunikasjon eller lagret informasjon.
Målform: Norsk bokmål
FASIT, forslag til besvarelse
(ting i parentes angir ofte noe som kan trekke opp, men ikke er påkrevet for full uttelling)
Merk: Kontrollér at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Hver oppgave 1, 2, 3 osv. teller like mye i bedømmelsen.
Kjemiske reaksjonsligninger skal være korrekt balansert om ikke annet er angitt.
Standard-betingelser skal antas dersom ikke annet er angitt.
Oppgave 1
a) Beskriv kort sammensetning og oppbygning, samt egenskaper og bruk for et metallisk materiale med en egenskap som er sentral i en energikonverteringsprosess.
Mange muligheter. Eksempler:
Ni (elektronleder) eller Pt (katalytisk) i elektroder i brenselceller.
Cu (elektronleder) i spoler for elektromotorer og generatorer.
Superlegeringer; Fe Cr,Al,Si (sterkt, korrosjonsbestandig) i blader i jetmotorer, turbiner.
Lettmetall (lette): aluminium, magnesium (lette) i motorblokker.
b) Beskriv kort sammensetning og oppbygning, samt egenskaper og bruk for et keramisk materiale med en egenskap som kan utnyttes i en energikonverteringsprosess.
Mange muligheter. Eksempler innen funksjonelle keramiske materialer: Brenselcellematerialer, batterimaterialer, superleder, dielektrikum. (For virkemåter, se læreboka, kap. 9 og 11).
Oppgave 2
a) Beregn frekvensen og energien til lys med bølgelengde på 500 nm. Beregn energien både i joule og i elektronvolt.
Frekvensen gis av lyshastigheten og bølgelengden: f = c/λ = 2,99792*108 m/s / 500*10-9 m = 6*1014 /s (=Hz). Energien gis av planck-konstanten og frekvensen: E = hf = 6*1014 /s * 6,626*10-34 Js = 4*10-19 J = 4*10-19 J / 1,602*10-19 J/eV = 2,5 eV. (Omregningen til eV gjorde vi ved å bruke 1 eV = 1,602*10-19 J fra tabellen.)
b) Hva er det omtrentlige bølgelengdeområdet for synlig lys?
Rundt 1 μm (eller noen hundre nm, eller enda mer presis i området 0,4-0,7 μm (400-700 nm)).
c) Hva er grunnen til at vi ikke kan bruke synlig lys til å studere krystallstrukturen til materialer?
Synlig lys har bølgelengder (rundt 1 μm) veldig forskjellig fra gitterplan-avstandene (eller – tilnærmet - atomavstandene) i materialer (rundt 1 nm) og vi får derfor ingen diffraksjon som kan gi informasjon om gitteret.
d) Hva slags stråling (eller partikler) bruker vi for å studere krystallstrukturen til materialer?
Nevn to typer.
2 av røntgenstråling, nøytronstråling, elektronstråling.
Oppgave 3
a) En kobber-sylinder med masse mCu = 0,5 kg og temperatur TCu = 20 °C fylles opp med 6 dl vann med Tvann = 98 °C før den forsegles og isoleres (ingen varme tapes til omgivelsene). Den spesifikke varmekapasiteten (Cp) til henholdsvis Cu og vann er 0,39 J/gK og 4,2 J/gK og kan regnes som konstante i temperaturintervallet vi ser på. Hva er spesifikk varmekapasitet et mål for? (Hva sier den oss)? Hva blir likevektstemperaturen TL til systemet Cu-vann?
Spesifikk varmekapasitet angir hvor mye varmeenergi (J) som trengs for å øke temperaturen én grad kelvin (eller celsius) per massenhet (her gram, g) (eller per mol).
Det er mange måter å sette opp løsningen for TL på. Her velger vi å løse problemet ved å identifisere to uavhengige ligninger/opplysninger for å finne de to likevektstemperaturene for hhv Cu og vann:
I) Ved likevekt er temperaturene i Cu og vann utjevnet (like):
TL = TL,Cu= TL,vann,
Cu har endret temperatur: TL= T0,Cu ΔTCu = T0,vann ΔTvann
eller ΔTCu = T0,vann - T0,Cu ΔTvann = 78 K ΔTvann (1)
II) Varmenenergien som Cu får er lik tapet i varmeenergi i vannet (energikonservering i isolert system): mCu * Cp,Cu * ΔTCu = - mvann * Cp,vann *ΔTvann
Vi setter inn:
500 g * 0,39 J/gK * ΔTCu = -600 g * 4,2 J/gK * ΔTvann (2)
og setter inn for ΔTCu fra (1):
500 g * 0,39 J/gK * (78 K ΔTvann ) = -600 g * 4,2 J/gK * ΔTvann
78 K ΔTvann = -12,9 * ΔTvann
ΔTvann = -78 K / 13,9 = - 5,6 K = -5,6 °C.
TL = T0,vann ΔTvann = 98 °C (-5,6 °C) = 92,4 °C ( ≈ 92 °C) (eller 365,5 K ≈ 366 K).
b) Standard dannelsesentalpi er for CO2(g) ΔfH0 = 393,5 kJ/mol og for CO(g) ΔfH0 = -110,5 kJ/mol. Vis ved beregning om reaksjonen
CO2(g) = CO(g) ½ O2(g)
er eksoterm eller endoterm. Gi også et begrunnet kvalitativt svar på om entropiforandringen for reaksjonen vil være positiv eller negativ.
ΔrH0 = ½ * 0 (-110,5) – (-393,5) = 283 kJ/mol. Endoterm.
(Standard) entropiendring er positiv; økning i antall gassmolekyler.
Oppgave 4
a) i) Rangér følgende atomer etter størrelse: Ge, Sn, Pb
Etter økende størrelse: Ge < Sn < Pb (størst)
ii) Rangér følgende atomer etter størrelse: Al, Si, P
Etter økende størrelse: P < Si < Al
iii) Rangér følgende atomer og ioner etter størrelse: P3-, P , P3 , P5
Etter økende størrelse: P5 < P3 < P < P3-
b) Hva er elektronaffinitet for et grunnstoff definert som? Beskriv grovt sett hvordan elektronaffiniteten varierer gjennom periodesystemet.
Elektronaffinitet er entalpien for å ta opp ett elektron for et atom i gassfase:
A(g) e-(g)= A-(g)
Den øker grovt sett mot høyre og oppover; m.a.o. størst øverst til høyre, minst nederst til venstre. (Læreboka kap. 4)
Oppgave 5
a) Ammoniakk er et mulig brensel, bl.a. fordi det relativt lett lar seg kondensere til flytende form. Skriv den kjemiske formelen samt en Lewis-struktur for ammoniakk. Hva er geometrien for ammoniakk-molekylet?
Lewis-struktur og geometri: side 5.2-5.4.
Geometri :NH3 (med fritt elektronpar) har tetraedrisk symmetri, og derfor er geometrien for NH3 trigonalt pyramidal.
b) Hvilke bindinger har vi i flytende ammoniakk?
(Polart) kovalente bindinger N-H, samt van der Waalske bindinger og hydrogenbindinger mellom NH3-molekylene.
c) Ammoniakk inngår ofte som ligand i komplekser. Gi et eksempel på et slikt kompleks, med kjemisk formel og navn.
Eksempel; [Cu(NH3)4]2 tetraamminkobber(II)ion
Oppgave 6
a) HCl løst i vann er en sterk syre. Skriv reaksjonslikningen som beskriver hvordan HCl fungerer som en syre. Hva er pH i en 0,030 M løsning av HCl i vann?
HCl(aq) H2O(aq) = H3O (aq) Cl-(aq)
Siden HCl er en sterk syre dissosierer HCl fullstendig og konsentrasjonen av H3O vil være lik utgangskonsentrasjonen av HCl.
pH = -(log[H3O ]) = -log 0,030 = 1,52
b) Kobberoksalat, Cu(COO)2, er tungtløselig i vann, og vi kan felle kobberioner ved å tilsette oksalationer, (COO)22-. Løselighetsproduktet til kobberoksalat er 4,43∙10-10 M2. Skriv fellingsreaksjonen for kobberoksalat. I en løsning hvor [Cu2 ] = 0,01 M, hva er den laveste konsentrasjonen vi kan ha av oksalationer for at vi skal felle kobberoksalat?
Cu2 (aq) (COO)22-(aq) = Cu(COO)2(s)
Kobberoksalat vil felles når [Cu2 ] [(COO)22-] = Ksp. Siden [Cu2 ] = 0,01 M, kan vi beregne [(COO)22-] på denne måten: [(COO)22-] = Ksp / [Cu2 ] = 4,43 ∙ 10-10 M2 / 0,01 M = 4,43 ∙10 8 M. Den laveste konsentrasjonen vi kan ha oksalationer er altså 4,43 ∙ 10-8 M.
c) I et forsøk velger vi å bruke den svake syren oksalsyre som kilde for oksalationene. Skriv en eller flere reaksjonslikninger som viser hvordan denne fungerer som syre, og forklar hvordan pH påvirker mengden utfelt kobberoksalat.
(COOH)2(s) 2H2O(l) = (COO)22-(aq) 2H3O (aq) (evt. i to trinn)
Siden oksalsyre er en svak syre vil konsentrasjonen av oksalationer øke med økende pH (syrelikevekten drives mot høyre når vi fjerner H3O -ioner ved å øke pH). Desto flere oksalationer, desto mindre kobber kreves for å felle kobberoksalat (gitt av Ksp). Dermed vil mengden utfelt kobberoksalat øke med økende pH.
Oppgave 7
a) Nikkel reagerer med oksygen til et oksid der nikkel har formelt oksidasjonstall 2. Skriv formelen til oksidet og angi sannsynlige elektronkonfigurasjoner i grunntilstanden for nikkel- og oksygenionene i dette oksidet.
NiO. Elektronkonfigurasjoner: Ni2 : [Ar]3d8. O2-: [He]2s22p8 evt. [Ne]
b) Nikkeloksid har NaCl-struktur. Tegn enhetscella. Hvor mange Ni- og O-ioner er det i enhetscella? Hva er koordinasjonstallet for Ni-ioner (dvs. hvor mange nærmeste naboer av oksygenioner har Ni)?
Figur: se læreboka figur 7-8. Både Ni2 eller O2- kan plasseres i origo. I denne enhetscella får vi dermed 4 Ni2 og O2--ioner. Ni2 er sekskoordinert til O2- (oktaedrisk koordinasjon). (Det kan også tegnes mindre enhetsceller, og antallet ioner reduseres da tilsvarende.)
c) Nikkeloksid er farget (grønt). Basert på koordinasjonstall og elektronkonfigurasjon, forklar hvorfor NiO er farget.
Ni2 omgis av seks oksygenioner som er oktaedrisk koordinert til Ni2 . To av de fem d-orbitalene til Ni2 peker derfor mot oksygenionene, disse får høyere energi enn de tre andre pga elektronfrastøtningen. Dette kalles for krystallfeltoppsplitting. Det betyr at d-elektroner kan eksiteres fra det nederste til det øverste energinivået. (I NiO tilsvarer dette energispranget bølgelengden til rødt lys. Det betyr at NiO absorberer rødt lys og vi oppfatter komplementærfargen til dette som er grønt.)
d) Nikkeloksid inneholder ofte underskudd av kationer i form av nikkelvakanser. Hva er den reelle og den effektive ladningen for slike defekter? Skriv Kröger-Vink symbolet for denne defekten.
Reell ladning: Siden en vakans er ”ingenting” eller ”vakuum” så er den reelle ladningen 0.
Effektiv ladning: 0 – ( 2) = -2. Vi mangler to plussladninger i forhold til det vi har i den perfekte krystallen, altså er den effektive ladningen -2.
Kröger-Vink:
Oppgave 8
a) Hydrokarboner er hovedbestanddeler i naturgass og olje. Skriv den generelle formelen for enkle mettede hydrokarboner som metan, etan, propan, butan, osv.Butan podsholigi (Pendal Druk Shung) - Janubiy Osiyodagi, Himolay tog‘larining sharqiy qismidagi davlat. Maydoni 47 ming km2. Aholisi 742 737 kishi (20012). Poytaxti - Thimphu shahri. Maʼmuriy jihatdan 8 dzong (viloyat)ga bo‘lingan. , når du kaller antall karbon-atomer for n.
CnH2n 2
b) Skriv et kort, men forståelig dataprogram som
-
definerer en funksjon som regner ut og returnerer molekyl-massen til hydrokarbonet som funksjon av n.
-
har en løkke der programmet spør om og leser inn n og varmeverdien (entalpien for fullstendig forbrenning) for et mettet hydrokarbon, og så regner ut og skriver ut
-
varmeverdien per CO2-ekvivalent (dvs. per CO2 som dannes under forbrenning) og
-
varmeverdien per vektenhet. Bruk funksjonen fra i).
-
avslutter løkken for eksempel ved at brukeren gir n = 0.
# Vi kan skrive programmet del for del, eller i sin helhet til slutt, som her.
# funksjonen for i) trenger normalt minimum tre linjer: Definisjon, utregning, og retur.
def molmasse(n):
m=n*12.01 (2*n 2)*1.008
return m
# Programmet har hovedelementer loekke, input, beregning (dele paa hhv n og molmasse), print og utgang
n=1 # Definere n som heltall. Startverdi >0 for aa komme inn i loekka.
Q=0.0 # Definisjon av Q som float.
while n>0:
n = input ("Angi n, eller 0 for aa avslutte: ")
if n>0:
Q = input("Angi varmeverdien i kJ/mol: ")
Q_per_eq = Q/n
Q_per_gram = Q/molmasse(n)
print "Spesifikk Q for mettet hydrokarbon med ", n," karbonatomer er ",Q_per_eq,"kJ/mol C-ekvivalent"
print "Spesifikk Q for mettet hydrokarbon med ", n," karbonatomer er ",Q_per_gram,"kJ/mol g"
Oppgave 9
a) I 2009 ble vanlige glødelyspærer på for eksempel 60 W forbudt å selge i Norge. Hva er prinsippet for lysutsendelsen fra disse? Hvor blir energien av, som ikke blir til lys?
I en glødelampe varmes tråden opp på grunn av ohmsk motstand ved strømgjennomgang, og det avgis lys fra energetiske elektroner (som fra alle andre legemer ”sorte legemer”avhengig av temperatur). Energien som ikke blir til lys blir varme.
b) Mer effektive lyskilder tas i bruk som erstatning for glødelyspærene. Et eksempel er lysstoffrør der gass ioniseres og det dannes UV-stråling inne i røret. Hvordan får vi hvitt lys fra slike rør, og hva slags funksjonelle materialer bruker vi i prosessen?
Gass ioniseres i et høyspenningsfelt i røret og avgir UV-lys ved de-ionisasjon. Dette treffer fluoriserende luminescente materialer på veggene der elektronene eksiteres og de-eksiteres og ved det avgir synlig lys. Hvitt lys fremkommer til dels ved at materialene brukes i blanding og til dels at hvert stoff har mange energinivåer slik at lys med mange farger blandes.
c) En alternativ og enda mer effektiv lyskilde er LED-lamper. Hva står LED for? Hva slags funksjonelle materialer brukes her og hvordan virker slike lamper?
Lys-Emitterende Diode (Light Emitting Diode). Lys avgis når elektroner faller fra ledningsbånd til valensbånd idet strøm sendes fra p- til n-lederen i en p-n-overgang. (Lyset er farget, men ved å kombinere flere LEDs eller benytte fluoriserende materialer kan lyset bli hvitt.)
Oppgave 10
a) Kull er verdens største energireserve. Kom med to argumenterer hvorfor kull, fra et miljømessig synspunkt, er en mer ugunstig energikilde enn naturgass.
1. Mer CO2 per energienhet. 2. Inneholder mer S, som fører til dannelse av SO2/SO3 ved forbrenning, som igjen fører til sur nedbør. 3. Kull inneholder tungmetaller. 4. Dannelse av sot ved forbrenning.
b) Biomasse kan foredles ved forskjellige termokjemiske prosesser. Nevn en slik prosess og et eksempel på et brennbart produkt vi kan få fra den prosessen.
1. Pyrolyse til koks, kull, bio-oljer. 2. Gassifisering til brenselsgasser som f.eks. CH4, C3H8, CO, H2 (Her vil man kanskje også kunne foreslå for eksempel gjæring til alkoholer eller bakteriell omdanning til hydrogen eller annet. Disse er ikke direkte termokjemiske (termo = varme), men kan også delvis aksepteres som svar.)
Oppgave 11
a) Hvordan framstilles hydrogen industrielt (det vil si billig og i store volum)? Reaksjonsligninger må være med.
Muligheter er
Reformering av naturgass CH4 H2O = CO 3H2
Elektrolyse av vann: 2H2O = 2H2 O2
(Flere andre reaksjoner gir også hydrogen som produkt. I pensum f.eks. shift-reakjonen, partiell oksidasjon, dimerisering av metan, og alle disse aksepteres også som industriell hydrogenfremstilling.)
b) Hydrogenet kan brukes i en brenselcelle. Velg en type brenselcelle og tegn denne, der du inkluderer de viktigste komponentene og angir hva slags ion som er ladningsbærer i elektrolytten, samt brensel, oksidant, produkt og fortegn på elektrodene.
Figurer i Kap. 11 eller lab 4.
c) Hva er den elektrostatiske kraften på det ladningsbærende ionet ved åpen celle hvis vi antar at cellespenningen er 1,23 V og at avstanden mellom elektrodene er 200 μm. Siden det ikke er noen netto transport av ladningsbærere ved åpen celle, så må denne elektrostatiske kraften motvirkes av en annen kraft. Hva slags kraft er det?
Kraften i et elektrostatisk felt er produktet av feltstyrke og ladning: F = E*q = (1,23 V/ 200*10-6 m) * 1,602*10-19 = 9,85*10-16 N for ioner med én ladning (H , OH-, H3O ) og det dobbelte, 1,97*10-15 N, for ioner med 2 ladninger (O2- og CO32-). Ved åpen celle vil denne kraften motvirke den kjemiske kraften (gradienten i kjemisk potensial).
Oppgave 12
a) Grafen (grafén) er et nanomateriale som ble oppdaget alt på 1800-tallet, men fremstilt i ren form først i vårt århundre. Det antas å kunne brukes til bl.a. nanoelektronikk.
Beskriv sammensetning og struktur for grafen. Hva er omtrentlig tykkelse på et grafenark?
Grafen er enkeltark av grafitt - C-heksagoner i 2 dimensjoner. Det består av karbon, C, men i tillegg kommer terminering av kantene med andre atomslag (O, H). Tykkelsen blir som diameteren på atomer, her C, i størrelsesorden 1 Å (0.1 nm, 100 pm). (Hvis en tar med ujevnhetene (bølgene) i ark-flatene blir tykkelsen litt større.
b) Fra grafen kan vi lage karbon nanorør – énveggede og flerveggede. Hva er det som gjør de enveggede så spesielle og interessante?
De énveggede kan være metalliske eller halvledende (og kan derved dopes) avhengig av hvilken retning gitteret løper i. De har også stort styrke/vekt-forhold.
c) Nye teknologier, som bruk av karbon nanorør, medfører utfordringer innen HMS og ELSA. Hva står disse begrepene for? Gi ett eksempel på en HMS-problemstilling og tre eksempler på mulige problemområder innen ELSA knyttet til bruk av nanopartikler.
HMS (Helse, Miljø, Sikkerhet): Eks: Spredning og ukjent fysiologisk virkning av nanopartikler.
ELSA (Ethical, Legal, Societal Aspects (Etiske, Juridiske, Samfunnsmessige Aspekter)): Eks: våpenkappløp, prediktiv medisin, bioelektronikk, selvreproduksjon m.fl., se for eksempel Figur 12.20 i læreboka.
Formler og tabeller
Konstanter
Tyngdeakselerasjonen g 9,80665 m/s2
Atomær masseenhet u 1,6605*10-27 kg
Elektronets masse me 9,110*10-31 kg
Elementærladningen e 1,602*10-19 C
Elektronvolt eV 1,602*10-19 J
Protonets masse mp 1,673*10-27 kg
Nøytronets masse mn 1,675*10-27 kg
Lyshastigheten i vakuum c 2,99792*108 m/s
Boltzmanns konstant k 1,381*10-23 J/K
8,6174*10-5 eV/K
Plancks konstant h 6,626*10-34 Js
Rydberg-konstanten 1,097*107 m-1
Bohrs konstant B 2,18*10-18 J
Avogadros tall NA 6,022*1023 mol-1
Gasskonstanten R 8,31451 J/molK
0,0820578 Latm/molK
Faradaykonstanten F 96485 C/mol
Gravitasjonskonstanten γ 6,672*10-11 Nm2/kg2
Permeabiliteten for vakuum μ0 1,257*10-12 H/m
Permittiviteten for vakuum ε0 8,854*10-12 F/m
Elektrisk konstant =(4πε0)-1 ke 9,0*109 Nm2/C2
Magnetisk konstant km 2*10-7 N/A2
Stefan-Boltzmannkonstanten σ 5,67*10-8 W/m2K4
Wiens konstant a 2,90*10-3 mK
Volum av 1 mol ideell gass Vm,298K 24,4651 L
.
Lukket system: Bare volumarbeid, konstant trykk: . Entalpiendring
PV = nRT
Gibbs energi: Frivillig prosess:
Nernst:
Likevekt:
pH = -log[H ] pKa=-logKa Buffer:
Gitterenergi Hydratisering:
Vektarmregelen: Gibbs faseregel: F P = C 2
Bragg: nλ = 2d sinθ
Selvdiffusjon: , , ,
, , ,
Netto fluks: Kraft i elektrokjemisk felt:
Elektriske egenskaper: Effekt:
Virkningsgrad:
Mekanisk: Polymer: Lyd:
Snell: Magnetisk:
|