Hydrazin i kolorimetri, massespekter og brenselcelle

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Forbindelsen hydrazin, $N_{2} H_{4}$ , er en uorganisk forbindelse og blir brukt til ulike formål i kjemisk industri.

For hånd

Hydrazin blir framstilt i reaksjon med hydrogenperoksid, $H_{2} O_{2}$ , slik den balanserte reaksjonsligning viser.

2 N H_{3} + H_{2} O_{2} \to N_{2} H_{4} + 2 H_{2} O

Hva blir oksidert i denne reaksjonen?
Hva er oksidasjonsmiddelet?

Tabell 1:

Konsentrasjon mg per mL	Absorbans
$0,4$	$0,0706$
$0,8$	$0,135$
$1,2$	$0,200$
$2,0$	$0,329$
$2,8$	$0,458$
$3,6$	$0,587$
Ukjent	$0,406$

Krever PC

Vi kan finne innholdet av hydrazin i vannløsninger ved bruk av kolorimetrisk analyse. Bruk informasjonen i tabell 1 og finn innholdet i den ukjente prøven i mmol/L.

Figur 1: Hydrazin reagerer med to molekyler para-dimetylaminobenzaldehyd og gir et azin og 2 H2O

For hånd

Ved denne analysen reagerer hydrazin med det organiske stoffet para-dimetylaminobenzaldehyd, slik figur 1 viser. Produktet er sterkt gulfarget og kan derfor brukes ved kolorimetrisk analyse. Forklar hvorfor denne reaksjonen er en kondensasjonsreaksjon.

For hånd

Figur 2 viser massespekteret til hydrazin.

Skriv strukturen til fragmentet som gir toppen ved m/z = 32.
Tegn en figur som viser fragmentering som gir fragmentet med m/z = 31.
Tegn en figur som viser fragmentering som gir fragmentet med m/z = 16.

Figur 2: Massespekter av hydrazin med topper ved m/z 14–17 og 28–32, høyeste topp ved m/z 32

For hånd

Hydrazin oppløst i vann kan brukes i brenselceller. Figur 3 viser en slik brenselcelle.

Halvreaksjonene kan skrives slik:

Oksidasjon: N_{2} H_{4} + 4 O H^{-} ⇌ N_{2} + 4 H_{2} O + 4 e^{-} E_{oksidasjon}^{0} = + 1,16 V

Reduksjon: O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-} ⇌ 4 O H^{-} E_{reduksjon}^{0} = + 0,40 V

Totalreaksjonen blir

N_{2} H_{4} + O_{2} ⇌ N_{2} + 2 H_{2} O

Elektronene går gjennom den ytre lederen markert med D på figur 3.

Gjennom membranen passerer vann og hydroksidioner, hver sin vei.

Stoffene ved B på figuren er en blanding av nitrogen, $N_{2}$ , og vann.

Figur 3: Brenselcelle med innløp A og utløp B til venstre, innløp C til høyre, elektrodene E og F, ytre leder D med lyspære og membran med transportpilene G og H

Hva er A, C, G og H? Du trenger ikke å begrunne svaret.
Hva er anode i cellen: E eller F? Begrunn svaret.
Beregn cellepotensialet i denne cellen.

Fasit

Nitrogen i $N H_{3}$ blir oksidert (fra $- 3$ til $- 2$ ). Oksidasjonsmiddelet er $H_{2} O_{2}$ .

$c (N_{2} H_{4}) = 77 m m o l / L$ ( $2,48 m g / m L$ )

To molekyler bindes sammen, og et lite molekyl ( $H_{2} O$ ) spaltes av.

m/z = 32: ${[H_{2} N – N H_{2}]}^{+ ∙}$ (molekylionet). m/z = 31: tap av $H^{∙}$ gir ${[H_{2} N – N H]}^{+}$ . m/z = 16: N–N-bindingen brytes og gir $N H_{2}^{+}$ og $^{∙} N H_{2}$ .

i) A: $N_{2} H_{4}$ løst i vann, C: $O_{2}$ (luft), G: $H_{2} O$ , H: $O H^{-}$

ii) E er anode, fordi hydrazin oksideres der.

iii) $E^{\circ} (celle) = 1,56 V$

LøsningsforslagKI-generert

Vi finner oksidasjonstallene. H har $+ 1$ og O har $- 2$ i $H_{2} O$ .

N i $N H_{3}$ : $- 3$ . N i $N_{2} H_{4}$ : $- 2$ .
O i $H_{2} O_{2}$ : $- 1$ . O i $H_{2} O$ : $- 2$ .

Oksidasjonstallet til nitrogen øker. Nitrogen i $N H_{3}$ blir altså oksidert.

Oksidasjonstallet til oksygen synker, så $H_{2} O_{2}$ blir redusert. $H_{2} O_{2}$ er oksidasjonsmiddelet.

Vi plotter absorbans mot konsentrasjon og lager en lineær regresjonslinje:

A = 0,1614 \cdot c + 0,0061

Standardkurve for hydrazin med regresjonslinje og den ukjente prøven avlest ved absorbans 0,406

Punktene ligger svært nær linja. Vi setter inn $A = 0,406$ :

c = \frac{0,406 - 0,0061}{0,1614} m g / m L = 2,48 m g / m L

Det er $2,48 g / L$ . Molar masse: $M (N_{2} H_{4}) = 2 \cdot 14,01 + 4 \cdot 1,008 = 32,05 g / m o l$ .

c (N_{2} H_{4}) = \frac{2,48 g / L}{32,05 g / m o l} = 0,0773 m o l / L

c (N_{2} H_{4}) = 77 m m o l / L

I en kondensasjonsreaksjon bindes to molekyler sammen, og et lite molekyl spaltes av.

Her reagerer hver $– N H_{2}$ -gruppe i hydrazin med aldehydgruppen i et para-dimetylaminobenzaldehyd-molekyl. O-atomet fra aldehydgruppen og to H-atomer fra $– N H_{2}$ går ut som $H_{2} O$ . Det dannes en dobbeltbinding $C ＝ N$ mellom karbonatomet og nitrogenatomet.

Dette skjer i begge ender av hydrazin. Tre molekyler blir til ett stort produkt, og det spaltes av to vannmolekyler.

Hydrazin har molar masse $32 g / m o l$ . Toppen ved m/z = 32 er derfor molekylionet. Det dannes når molekylet mister ett elektron:

H_{2} N – N H_{2} + e^{-} \to {[H_{2} N – N H_{2}]}^{+ ∙} + 2 e^{-}

Fragmentet ved m/z = 32 er ${[H_{2} N – N H_{2}]}^{+ ∙}$ , et radikalkation.

Toppen ved m/z = 31 kommer når molekylionet mister et hydrogenatom ( $32 - 1 = 31$ ). Toppen ved m/z = 16 kommer når N–N-bindingen brytes ( $32 : 2 = 16$ ). Ett av fragmentene beholder ladningen, det andre blir et nøytralt radikal. Bare de ladde fragmentene gir topp i spekteret.

Fragmentering av molekylionet til hydrazin: tap av H-radikal gir m/z 31, og brudd av N–N-bindingen gir NH2+ med m/z 16

{[H_{2} N – N H_{2}]}^{+ ∙} \to {[H_{2} N – N H]}^{+} + H^{∙}

{[H_{2} N – N H_{2}]}^{+ ∙} \to N H_{2}^{+} +^{∙} N H_{2}

A, C, G og H

A: hydrazin løst i vann ( $N_{2} H_{4} (a q)$ )
C: oksygen, $O_{2}$ (luft)
G: vann, $H_{2} O$
H: hydroksidioner, $O H^{-}$

Anode

Anoden er elektroden der oksidasjonen skjer. Utløpet B inneholder $N_{2}$ og vann, som er produktene når hydrazin oksideres. Hydrazin kommer altså inn ved A og oksideres ved E. Derfor er E anode.

Dette stemmer med transporten gjennom membranen. Ved E forbrukes $O H^{-}$ og dannes $H_{2} O$ . Ved F forbrukes $H_{2} O$ og dannes $O H^{-}$ . Vann går derfor fra E til F (G), og hydroksidioner fra F til E (H).

Cellepotensial

Oksidasjonspotensialet er allerede oppgitt med fortegn for oksidasjon. Vi legger sammen:

E^{\circ} (celle) = E_{oksidasjon}^{0} + E_{reduksjon}^{0} = 1,16 V + 0,40 V

E^{\circ} (celle) = 1,56 V

Reduksjonspotensialet $0,40 V$ for $O_{2} / O H^{-}$ stemmer med vedlegget.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 H2022. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi

Oppgavedata

Hentet fra: Kjemi 2 H2022, del 2, oppgave 5
Del: Del 2, alle hjelpemidler — les om hjelpemidler
Hjelpemidler: Kalkulator
CAS
Graftegner og regneark
Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kategori: 2
Vanskegrad: 2
Temaer: Redoksreaksjoner, Galvaniske celler, Organisk analyse, Organisk kjemi, Støkiometri

Hydrazin i kolorimetri, massespekter og brenselcelle

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Hydrazin i kolorimetri, massespekter og brenselcelle

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Hydrazin i kolorimetri, massespekter og brenselcelle

Hydrazin i kolorimetri, massespekter og brenselcelle

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer