Hydrogen fra magnesium, benzen, elektrolyse og syntesegass

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

Hydrogen er det vanligste grunnstoffet i universet og utgjør mer enn 90 % av alle atomer som finnes.

For hånd

Hydrogen ble oppdaget i 1766 i reaksjonen mellom et metall og vann. Forklar at magnesiummetall vil reagere med vann og gi hydrogen, mens kobber ikke vil ha samme reaksjon.

For hånd

Hydrogen kan addere til benzen slik figur 1 viser. $^{1} H$ -NMR-spekteret til benzen har bare ett signal. Kjemisk skift er $7,4 p p m$ . • $^{1} H$ -NMR-spekteret til sykloheksan har også bare ett signal. Foreslå omtrent ved hvilken ppm dette signalet kommer. • Forklar kort at reaksjonen fra benzen til sykloheksan er en redoksreaksjon.

Figur 1: Benzen pluss 3 H2 gir sykloheksan, vist med skjelettformler

Kalkulator

Hydrogen kan framstilles ved elektrolyse slik figur 2 viser. Hydrogen dannes ved elektrode A. Halvreaksjonen skrives slik:

2 H^{+} (a q) + 2 e^{-} \to H_{2} (g)

Beregn hvor mange gram hydrogen som maksimalt kan dannes når strømmen er $8 A$ og står på i et døgn.

For hånd

Begge elektrodene i denne elektrolysen er laget av platina og vil ikke reagere. Elektrodene står nede i en løsning av et oppløst salt. Hva dannes ved elektrode B dersom det oppløste saltet er • natriumjodid, $NaI$ • kaliumklorid, $KCl$ • natriumsulfat, $N a_{2} S O_{4}$

Figur 2: Elektrolysekar med strømkilde og to elektroder A og B, der pilene viser elektronstrømmen fra kilden inn mot elektrode A

For hånd

Syntesegass er en blanding av karbonmonoksid, $C O (g)$ , og hydrogen, $H_{2} (g)$ , og danner utgangspunkt for syntese av organiske stoffer. I en ny prosess omdannes plastsøppel til syntesegass. • Forklar kort hva plast er. • Hvorfor er det miljømessig gunstig å resirkulere plast på denne måten framfor å forbrenne den?

Fasit

$E^{\circ} (M g^{2 +} / M g) = - 2,37 V$ er lavere enn $- 0,83 V$ for vann, så $E^{\circ} (celle) = 1,54 V$ . For kobber ( $0,34 V$ ) blir $E^{\circ} (celle) = - 1,17 V$ .

i) Ca. $1,4 p p m$ ii) Karbon reduseres fra $- 1$ til $- 2$ , og hydrogen oksideres fra $0$ til $+ 1$ .

$m (H_{2}) = 7,2 g$

$NaI$ : $I_{2}$ ; $KCl$ : $C l_{2}$ (stor overspenning for $O_{2}$ ); $N a_{2} S O_{4}$ : $O_{2}$

Plast er polymerer av mange monomerer. Omdanning til syntesegass holder karbonet i kretsløpet i stedet for å slippe det ut som $C O_{2}$ , og erstatter fossilt råstoff.

LøsningsforslagKI-generert

Et metall gir hydrogen med vann hvis vann kan oksidere metallet. Da må reduksjonspotensialet for vann være høyere enn for metallet. For vann bruker vi halvreaksjonen fra vedlegget:

2 H_{2} O (l) + 2 e^{-} \to H_{2} (g) + 2 O H^{-} (a q) E^{\circ} = - 0,83 V

Magnesium har $E^{\circ} (M g^{2 +} / M g) = - 2,37 V$ . Det er mye lavere enn for vann:

\begin{matrix} E^{\circ} (celle) & = E^{\circ} (katode) - E^{\circ} (anode) \\ = - 0,83 V - (- 2,37 V) = 1,54 V \end{matrix}

Cellepotensialet er positivt, så reaksjonen er spontan:

M g (s) + 2 H_{2} O (l) \to M g {(O H)}_{2} (s) + H_{2} (g)

I kaldt vann går reaksjonen likevel langsomt, fordi det dannes et belegg av uløselig $M g {(O H)}_{2}$ på metallet.

Kobber har $E^{\circ} (C u^{2 +} / C u) = 0,34 V$ . Det er høyere enn for vann:

E^{\circ} (celle) = - 0,83 V - 0,34 V = - 1,17 V

Cellepotensialet er negativt, så kobber reagerer ikke med vann. Kobber står også over $H^{+} / H_{2}$ ( $0,00 V$ ) i spenningsrekka, og gir ikke hydrogen selv med en sur løsning.

Kjemisk skift: Alle de tolv hydrogenatomene i sykloheksan er likeverdige. Hvert karbonatom er en $C H_{2}$ -gruppe bundet til to andre karbonatomer. Ifølge NMR-tabellen i vedlegget har $– C H_{2} – R$ kjemisk skift $1,3$ – $1,4 p p m$ . Sykloheksan har ingen aromatisk ring, så signalet ligger mye lavere enn for benzen. Signalet kommer ved omtrent $1,4 p p m$ .

Redoksreaksjon: Vi finner oksidasjonstallene. Hydrogen bundet til karbon har $+ 1$ , og bindinger mellom to karbonatomer teller ikke.

C_{6} H_{6} + 3 H_{2} \to C_{6} H_{12}

I benzen er hvert karbonatom bundet til ett H: oksidasjonstall $- 1$ .
I sykloheksan er hvert karbonatom bundet til to H: oksidasjonstall $- 2$ .
I $H_{2}$ har hydrogen oksidasjonstall $0$ . I sykloheksan har det $+ 1$ .

Karbon blir redusert fra $- 1$ til $- 2$ , og hydrogen blir oksidert fra $0$ til $+ 1$ . Oksidasjonstallene endres, så reaksjonen er en redoksreaksjon.

Ladningen som går gjennom kretsen på ett døgn:

t = 24 h \cdot 3600 s / h = 86 400 s

Q = I \cdot t = 8 A \cdot 86 400 s = 691 200 C

Stoffmengden elektroner finner vi med Faradays konstant fra vedlegget:

n (e^{-}) = \frac{Q}{F} = \frac{691 200 C}{96 485 C / m o l} = 7,164 m o l

Halvreaksjonen viser at det trengs 2 mol elektroner per mol $H_{2}$ :

n (H_{2}) = \frac{7,164 m o l}{2} = 3,582 m o l

m (H_{2}) = n \cdot M = 3,582 m o l \cdot 2,016 g / m o l = 7,2 g

Dette er maksimal masse, fordi vi antar at alle elektronene går til å danne hydrogen.

Elektronene går fra spenningskilden inn i elektrode A, der $H^{+}$ blir redusert. Elektronene forlater elektrode B. Elektrode B er derfor anoden, og der skjer en oksidasjon. Stoffet med lavest reduksjonspotensial oksideres lettest. $N a^{+}$ og $K^{+}$ kan ikke oksideres. Vann kan alltid oksideres:

2 H_{2} O (l) \to O_{2} (g) + 4 H^{+} (a q) + 4 e^{-} E^{\circ} = 1,23 V

Natriumjodid: $E^{\circ} (I_{2} / I^{-}) = 0,54 V$ er lavere enn $1,23 V$ . Jodidionene oksideres lettere enn vann, og det dannes jod. Løsningen ved elektrode B blir gulbrun.

2 I^{-} (a q) \to I_{2} (a q) + 2 e^{-}

Kaliumklorid: $E^{\circ} (C l_{2} / C l^{-}) = 1,36 V$ er litt høyere enn $1,23 V$ . Ut fra tabellen alene skulle vann oksideres til oksygen. Men dannelsen av $O_{2}$ har stor overspenning, mens overspenningen for $C l_{2}$ er liten. Derfor dannes klorgass. I en svært fortynnet løsning kan det også dannes litt oksygen.

2 C l^{-} (a q) \to C l_{2} (g) + 2 e^{-}

Natriumsulfat: Sulfationet oksideres svært vanskelig, $E^{\circ} (S_{2} O_{8}^{2 -} / S O_{4}^{2 -}) = 2,01 V$ . Vann oksideres i stedet etter halvreaksjonen over. Det dannes oksygengass, og løsningen rundt elektroden blir sur.

Hva plast er: Plast er polymerer. Det er svært lange molekyler bygd opp av mange små enheter (monomerer) som er bundet sammen ved polymerisasjon. De fleste plasttyper lages av råolje eller naturgass, for eksempel polyeten av eten.

Miljøgevinst: Når plast forbrennes, blir karbonet til $C O_{2}$ . Karbonet kommer fra fossile råstoffer, så forbrenningen øker mengden $C O_{2}$ i atmosfæren og forsterker drivhuseffekten. Forbrenning kan også gi giftige gasser.

Ved omdanning til syntesegass blir karbon- og hydrogenatomene brukt i nye molekyler, for eksempel metanol:

C O (g) + 2 H_{2} (g) \to C H_{3} O H (l)

Av syntesegass kan man lage drivstoff, kjemikalier og ny plast. Da trengs mindre ny olje og gass, og mindre $C O_{2}$ slippes ut. Plasten blir en ressurs i et kretsløp i stedet for avfall.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 H2023. 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 H2023, del 2, oppgave 4
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: Spenningsrekka, Redoksreaksjoner, Elektrolyse, Organisk analyse, Miljøkjemi

Hydrogen fra magnesium, benzen, elektrolyse og syntesegass

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Hydrogen fra magnesium, benzen, elektrolyse og syntesegass

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Hydrogen fra magnesium, benzen, elektrolyse og syntesegass

Hydrogen fra magnesium, benzen, elektrolyse og syntesegass

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer