Ozon i vannrensing med kolorimetri, elektrolyse og ozonolyse av alken

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

Ozon har kjemisk formel $O_{3}$ , er et kraftig oksidasjonsmiddel og brukes blant annet til å rense drikkevann.

For hånd

Reaksjonslikningen viser reaksjonen mellom ammoniakk og ozon. Skriv oksidasjonstall på alle atomene.

N H_{3} + 2 O_{3} \to H N O_{3} + O_{2} + H_{2} O

Kalkulator

Ozon kan brukes til å fjerne manganioner, $M n^{2 +}$ , i drikkevann slik reaksjonslikningen viser:

M n^{2 +} (a q) + O_{3} (a q) + H_{2} O (l) \to M n O_{2} (s) + O_{2} (g) + 2 H^{+} (a q)

Hvor mange gram $M n^{2 +}$ kan $1,00 g$ ozon maksimalt oksidere?

Konsentrasjonen av ozon i vann kan enkelt estimeres ved visuell kolorimetri. Analysen som er beskrevet her, kan måle innhold av ozon opp til 3 mg per liter.

Analysen gjennomføres slik, se figur &fig:kjemi2-v23-lk06-2-4-1:

Et begerglass tilsettes $25 m L$ prøveløsning.
Det tilsettes 5 dråper kaliumjodid, KI.
Dersom det er ozon i prøveløsningen, vil det dannes jod, $I_{2}$ , og løsningen blir svakt gulbrun.
En ampulle som inneholder en reagens som reagerer med jod, senkes ned i prøveløsningen, tuppen brekkes av, og prøveløsningen trekkes opp i ampullen.
Det dannes et rødfarget stoff i ampullen, og fargen kan sammenlignes med en standard.

Figur 1: Fire trinn i visuell kolorimetri: kaliumjodid dryppes i begerglass med prøveløsning, løsningen blir gulbrun, ampulle med reagens senkes ned og fylles, og den rosa ampullen sammenlignes med en fargeskala for ozon fra 0,6 til 3,0 mg/L

For hånd

Den balanserte reaksjonslikningen viser hva som skjer når ozon reagerer med kaliumjodid i vandig løsning.

O_{3} (a q) + 2 I^{-} (a q) + H_{2} O (l) \to 2 O H^{-} (a q) + I_{2} (a q) + O_{2} (a q)

Vis at oksygen blir redusert i denne reaksjonen.

Forklar hvordan man skal gå fram dersom konsentrasjonen av ozon i en vannløsning er antatt å være mellom 10 og 20 mg per liter.

Ozon brukes til å drepe mikroorganismer i vann, og det kan enkelt produseres direkte i vann ved elektrolyse, se figur 2.

Figur 2: Elektrolysecelle der vann strømmer inn ved elektrode A og ut som vann, oksygen og ozon, mens H+-ioner vandrer gjennom en membran til elektrode B, med elektronstrøm i ytre krets

Den balanserte reaksjonslikningen skrives slik (skrevet uten tilstandssymboler):

11 H_{2} O \to 4 O_{2} + O_{3} + gass som dannes ved elektrode B

Kalkulator

Føy til det som mangler i reaksjonslikningen.
Beregn hvor mange gram vann som maksimalt kan reagere når strømmen er $1 A$ og tiden er 24 timer.

Ozon reagerer med alkener som vist i figur 3. Reaksjonslikningen er ikke balansert.

Figur 3: Generell reaksjon der et alken med substituentene R1, R2 og R3 reagerer med ozon og gir et keton med R1 og R2 og et aldehyd med R3

Et alken reagerer med ozon og gir et keton og et aldehyd som produkt.

Figur 4: ^1H-NMR-spekteret til aldehydet

For hånd

Bruk figurene 3, 4 og 5 til å bestemme strukturen til alkenet som reagerte med ozon.

Fasit

N: $- 3$ i $N H_{3}$ og $+ 5$ i $H N O_{3}$ . H: $+ 1$ overalt. O: $0$ i $O_{3}$ og $O_{2}$ , $- 2$ i $H N O_{3}$ og $H_{2} O$ .

$m (M n^{2 +}) = 1,14 g$

i) Ett O-atom går fra oksidasjonstall $0$ i $O_{3}$ til $- 2$ i $O H^{-}$ . ii) Fortynn prøven 10 ganger før analysen og gang svaret med 10.

i) $11 H_{2} O \to 4 O_{2} + O_{3} + 11 H_{2}$ ii) $m (H_{2} O) = 8,07 g$

3-etylheks-3-en, ${(C H_{3} C H_{2})}_{2} C ＝ C H – C H_{2} C H_{3}$

LøsningsforslagKI-generert

Atom	$N H_{3}$	$O_{3}$	$H N O_{3}$	$O_{2}$	$H_{2} O$
N	$- 3$		$+ 5$
H	$+ 1$		$+ 1$		$+ 1$
O		$0$	$- 2$	$0$	$- 2$

Grunnstoffer har oksidasjonstall 0, derfor har O i $O_{3}$ og $O_{2}$ oksidasjonstall 0. N blir oksidert fra $- 3$ til $+ 5$ , og O blir redusert.

Etter likningen oksiderer 1 mol $O_{3}$ 1 mol $M n^{2 +}$ .

\begin{matrix} n (O_{3}) & = \frac{1,00 g}{48,00 g / m o l} = 0,02083 m o l \\ n (M n^{2 +}) & = n (O_{3}) = 0,02083 m o l \\ m (M n^{2 +}) & = 0,02083 m o l \cdot 54,94 g / m o l = 1,14 g \end{matrix}

Ozon kan maksimalt oksidere $1,14 g M n^{2 +}$ .

Reduksjon av oksygen

O-atomene i $O_{3}$ har oksidasjonstall 0. Ett av dem havner i $O H^{-}$ med oksidasjonstall $- 2$ . De to andre havner i $O_{2}$ og beholder oksidasjonstall 0. Oksidasjonstallet til oksygen synker, så oksygen blir redusert. Samtidig blir jod oksidert fra $- 1$ i $I^{-}$ til 0 i $I_{2}$ .

Konsentrasjon over måleområdet

Analysen måler bare opp til 3 mg/L, så prøven må fortynnes først. Fortynner vi 10 ganger, blir konsentrasjonen 1–2 mg/L, som ligger innenfor fargeskalaen. En fortynning på 5 ganger er ikke nok, for 20 mg/L gir da 4 mg/L.

Pipetter $10,00 m L$ prøve over i en $100 m L$ målekolbe. Fyll opp til merket med destillert vann og bland. Analyser $25 m L$ av den fortynnede løsningen som beskrevet. Gang den avleste konsentrasjonen med 10. Ozon brytes lett ned, så dette bør gjøres raskt.

Reaksjonslikningen

Ved elektrode A blir vann oksidert til $O_{2}$ og $O_{3}$ . Da dannes $H^{+}$ og elektroner. $H^{+}$ vandrer gjennom membranen til elektrode B. Elektronene går gjennom den ytre kretsen til B, der $H^{+}$ blir redusert:

2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2}

Gassen ved elektrode B er hydrogen. Av 11 $H_{2} O$ får vi 22 H-atomer, altså 11 $H_{2}$ :

11 H_{2} O \to 4 O_{2} + O_{3} + 11 H_{2}

Kontroll av elektroner: $4 \cdot 4 + 1 \cdot 6 = 22$ elektroner avgis ved A, og $11 \cdot 2 = 22$ elektroner tas opp ved B.

Masse vann

Det overføres 22 mol elektroner per 11 mol vann, altså 2 mol elektroner per mol vann. Vi regner med at all strømmen går med til reaksjonen.

\begin{matrix} Q & = I \cdot t = 1 A \cdot 24 \cdot 3600 s = 86 400 C \\ n (e^{-}) & = \frac{Q}{F} = \frac{86 400 C}{96 485 C / m o l} = 0,8955 m o l \\ n (H_{2} O) & = \frac{n (e^{-})}{2} = 0,4477 m o l \\ m (H_{2} O) & = 0,4477 m o l \cdot 18,02 g / m o l = 8,07 g \end{matrix}

Maksimalt $8,07 g$ vann kan reagere.

Aldehydet

Skarpt signal ved ca. 9,5 ppm: aldehyd-H, $R – C (＝ O) – 𝐇$ (9,4–10 ppm i vedlegget).
Kvartett ved ca. 2,2–2,5 ppm: $C H_{2}$ ved siden av $C ＝ O$ (2,2–2,7 ppm) med 3 H-naboer, altså en $C H_{3}$ -gruppe.
Triplett ved ca. 1,1–1,4 ppm: $C H_{3}$ med 2 H-naboer.

Toppene har arealforhold omtrent 1 : 2 : 3. Aldehydet er propanal, $C H_{3} C H_{2} C H O$ . Da er $R^{3} = C H_{2} C H_{3}$ .

Ketonet

Spekteret har bare to signaler: en kvartett ved ca. 2,4 ppm og en triplett ved ca. 1,2 ppm, med arealforhold omtrent 2 : 3. Det passer med to like etylgrupper bundet til $C ＝ O$ . Butanon ville også gitt en singlett fra $C H_{3}$ . Ketonet er pentan-3-on, $C H_{3} C H_{2} C O C H_{2} C H_{3}$ , så $R^{1} = R^{2} = C H_{2} C H_{3}$ .

Alkenet

Vi setter de to karbonylkarbonene sammen med en dobbeltbinding. Alkenet er 3-etylheks-3-en, ${(C H_{3} C H_{2})}_{2} C ＝ C H – C H_{2} C H_{3}$ . Det har ingen cis/trans-isomeri, fordi $R^{1}$ og $R^{2}$ er like.

Strukturformel for 3-etylheks-3-en

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 V2023. 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 V2023, 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: Redoksreaksjoner, Oksidasjonstall, Elektrolyse, Støkiometri, Organisk analyse

Ozon i vannrensing med kolorimetri, elektrolyse og ozonolyse av alken

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Ozon i vannrensing med kolorimetri, elektrolyse og ozonolyse av alken

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Ozon i vannrensing med kolorimetri, elektrolyse og ozonolyse av alken

Ozon i vannrensing med kolorimetri, elektrolyse og ozonolyse av alken

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer