KEEMIA ÜLESANNETE LAHENDAMINE II ÜLESANDED JA LAHENDUSED Ülesanne 1 Ülesanne Ülesanne Vana münt diameetria, cm ja paksusea,0 mm on tehtud puhtast kullast (ρ = 1900 k m ). Kulla hind on 410$ ühe untsi eest (1 unts = 1,10 ). Kui palju maksab kuld, millest münt on tehtud? Hind = ρπd h 4 Hind = π, 410$ 1,10 cm 0,01 m 1 cm 1 m,0 mm 1900 k 1000 mm m 1000 1 k 410 $ unts 1 unts 1,10 = 90 $ Noor keemiahuviline soovis teada saada veetila ruumala. Selus, et büretist,00 cm vee väljalaskmisel moodustus 110 tilka. Teatmiku järi on ühe veeekuli keskmiseks pikkuseks 1,50 Å (ontrömi). Arvutae ühe veetila ruumala, mass ja selles sisalduv vee hulk (moolide arv) nin vee ekulide arv.,00 cm V (tilk) = = 0,07 cm 110 m(h O) = 0,07 cm 1,00 cm = 0,07 n(h O) = 0,07 = 1,5 10 18,0 N (H O) = 1,5 10 6,0 10 1 = 9,15 10 0 ekuli Mitu km merevett on vaja kasutada 1,00 mln tonni väävelhappe saamiseks, kui sulfaatioonide sisaldus merevees on 650 m dm. V = 10 9 k,65 10 k dm 1 km 10 4 dm = 0,77 km 1
Ülesanne 4 Mikroosakeste loendusühikuks on mool, mis sisaldab 6,0 10 loenduselementi. Antud arvu suuruse mõistmiseks, ühikute teisendamiseks ja vastuses õiete tüvenumbrite kirjutamiseks püüame lahendada alljärnevad probleemid. Maa on 4,50 10 9 aastat vana. Oletame, et Maa tekkimise momendil oli Looja Panas täpselt üks mool USD ($). Maa eksisteerimise ial sekundil on panast välja jaatud 1 miljon dollarit. Aasta keskmiseks kestvuseks võtta 65,5 päeva... Arvutada, mitu dollarit on Maa eksisteerimise vältel Panast välja jaatud. Arvutada, mitu protsenti rahast on kulutamata. Mitu dollarit kouneks keskmiselt ühe aasta vältel, kui ias sekundis makstakseteile üks dollar? t = 4,5 10 9 a 600 4 65,5 s a = 1,4 1017 s p = (6,0 1,4) 10 6,0 10 100% = 76,4% Ülesanne 5 1,00 k trinitrotolueeni launemisel tekib [TNT 6 H (NO ) H ] (7 ) tahm, vesi, süsinikmonooksiid, lämmastikdioksiid ja lämmastik. Viimased kolm tekivad vahekorras : 6 :. Launemistemperatuur on 1500. Õhurõhk on 101, kpa (R = 8,14 J 1 K 1, Pa = N m, J = N m). Arvutae välja tekkinud aasi ruumala. Ülesande tekstist on teada, et 6 H (NO ) H launemisel tekivad, H O, O, NO, N (ülesande tekst on ümberkirjutatud keemia keeles), mis vastab võrrandile: 4 6 H (NO ) H = 6 + 10H O + O + 6NO + N Reaktsiooni kordajad saab leida kasutades suhet : 6 :. Kui seda suhet ei ole ette entud, siis oleks vaja alul tasakaalustada vesiniku (H O paremal), seejärel hapniku (O ja NO ) ja alles siis N ja. 4 moolist TNT tekib 1 mooli aase (10 + + 6 + ). n(aas) = 1 4 1000 =,1 7 m ol Ideaalaasi võrrand tuletatakse ülesande tekstis loetletud temperatuuri, rõhu, konstandi R, ruumala dimensiooni ühikute analüüsi põhjal. Selles võrrandis peab olema ka moolide hulk. Võrrand V jaoks võib olla tuletatud näiteks järmiselt
Ülesanne 6 {n}[] {R} J {V } m = {T }[K] K = {p}[pa] V =,1 8,14 J K 1 (1500 + 7) K 101, 10 Pa {nrt }[J] {p}[n m ] = nrt p,7 m m Metallilist detaili üldpindala on,0 cm. Detaili niklia katmiseks elektrolüüsia Ni SO 4 lahuses voolutuevusea 15,0 A kulus üks tund. Kou elektrihulast kulus 40,0% vee taandamiseks, millea kaasnes vesiniku eraldumine, mis kules samal ajal nikli sadenemisea. Nikli tihedus on 8,9, Faraday konstant on 96500 cm.. Arvutae välja sadenenud nikli mass. Kui paks on nikli kiht, mis on metallilise detaili pinnale sadenenud? 15,0 A 600 s m(ni) = 58,7 0,600 = 9,85 96500 15,0 A 600 s 8,14 J K 1 (0 + 7) K V (H ) = 0,400 =,6 dm 96500 780 mm H 101, kpa 760 mm H l(ni) = 9,85 1 = 0,05 cm 8,9,0 cm cm Ülesanne 7 Keskmise suuresea maja on varustatud vett soojendava süsteemia (boiler), mis produtseerib sooja vett külmal ajal. Boileri nominaalne kuumutamise võimsus on 116 kw. Hoonel on kütuse reservuall mis mahutab 4 m kuumutamise kütust. Peamiselt rasketest küllastunud vedelatest süsivesinikest koosneva kütuse põlemise entalpia on 4000 kj, nin tema tihedus on umbes 0,7. Kui kaua võib töötada boiler enne kui on vajalik reservuaari täiendada? cm k t = 4, 10 7 J k 4,00 m 0,7 cm 116 10 J s 1 k 1000 106 cm 1 m 1 t = 00 t 1 p 600 s Ülesanne 8 Autojuht viskas auto aknast teeäärele tühja alumiiniumipuri. Alumiiniumi töötlus vajab eneriat. Kujutae ette, et autojuht ei oleks puri ära visanud, vaid oleks viinud selle
Ülesanne 9 Ülesanne 10 jäätmekäitlusesse nin säästetud eneriat taastataks talle tasuta bensiini kujul. Kui pikka teed võib sõita tema auto selle bensiinia (saadud ühe puri eest), kui on teada, et puri mass on 15,0 ; alumiiniumoksiidi moodustamise temperatuur (maak) on 1676 kj ; elektrieneria kasutamise koefitsient alumiiniumi saamisel oksiidist, arvestades tooraine ettevalmistamist, on 45%; soojuselektrijaama kütuse kulutamise koefitsient elektrieneria saamiseks on 5%; 1 L bensiini põlemisel eraldub 4000 kj eneriat; auto bensiini kulutamine on 6 L 100 km kohta. n(al O ) = 1 15,0 = 0,78 7,0 E = 0,78 1676 kj = 466 kj V bensiin = 466 kj 0,45 0,5 4000 kj L 100 km s = 0,0870 L = 1,45 km 6 L = 0,0870 L Tüüpilisel pereautol on neli silindrit üldruumalaa 1600 cm ja kütusekulu 7,0 L 100 km kohta sõidukiirusel 90 km. Ühe sekundi jooksul läbib ia silinder 5 tsükli ja kulutab 0,4 kütust. tunnis Eeldake, et kütus koosneb,,4-trimetüülpentaanist, 8 H 18. Leidke õhu kasutamise kiirus mootoris ( m ). Kütus ja õhk pumpatakse silindrisse, kui silindri s ruumala on maksimaalne nin rõhk saavutab väärtuste 101,0 kpa. Silindrisse jõudva õhu ja kütuse temperatuur on 100. Õhk sisaldab 1,0% (ruumala järi) O ja 79,0% N. Eeldatakse, et 10,0% süsiniku moodustavad O ja lämmastik ei reaeeri. M( 8 H 18 ) = 114,0, silindri ruumal V 0 = 4,00 10 4 m, P 0 = 101000 N m, T 0 = 7 K. m f = 0,400 5 = 0,0160, n f = 1,40 10 4. n = n f + n A = P 0 V 0 RT 0 = 0,010, n aasi moolide hulk, n A õhu moolide hulk. n A = 0,019. 5. tsükli jooksul: V A = 5 na RT 0 P 0 = 9,90 10 m s. Üldruumal neljas silindris: V total = 4V A = 0,096 m s. Õhukeseid vaselehti võib saada pideva elektrokeemilisi protsessi käius. 4
Vastava elektrolüüsi seadme skeem on kujutatud joonisel. Katoodiks on siis pöörlev pliist trumm 1 pikkusea 1,50 m ja diameetria 1,00 m. Trummi sukeldumise nurk on a = 150. Anoodiks on reservuaari pliist põhi. Katoodil sadenenud vasest plekk võetakse küljest ära ja peale pesemist ja kuivatamist keritakse trummile. Elektrolüüsi asemel kasutatakse läbivoolavat lahust, mis sisaldab elektrolüüsi seadmesse sisenemisel 0,9 M u SO 4 ja 0,714 M H SO 4. Voolutihedus katoodil on 10,0 A dm on 8,9, elektrolüüsi seadme klemmi pine on 8,4 V. Saadus voolu järi on 100%. Vase tihedus k dm... Vajalik on saada metallplekk paksusea 0,01 mm. Leidke, millise kiirusea (pöörded/min) peab keerlema katoodi trumm. Vasksulfaadi sisaldus (ümberarvutusel u SO 4 5H O) elektrolüüsi seadme väljumisel peab olema mitte madalam, kui 10. Arvutae välja toitva elektrolüüdi juurdevoolu dm minimaalne kiirus ( dm ). Arvutae elektrolüüsi seadmest väljavoolava elektrolüüsi koostis ( tunnis ) (inoreerie lahuse ruumala muutust). dm Arvutae pideva elektrivoolu eneria kulu, mis on vajalik 1000 m ülaltoodud paksusea pleki saamiseks.. m = I t M zf t = = ρv 96485 zf ρv I M = s = 1 t = 1 650 s 60 s min c(u SO 4 ) = 10 890 10 10 dm m 1 10 5 m π 0,5 m 1,50 m dm A π 0,5 m 1,50 m 150 dm 60 6,5 = 0,09 pööred min = 10 dm 50 dm = 0,84 M = 650 s 5
Δc = 0, 9 M 0,84 M = 0,080 M c(h SO 4 ) = 0,714 M + 0,080 M = 0,794 M. t = ΔczF I = 10 0,080 dm 96485 A π 5 dm 15,0 dm 150 dm 60 s = 1 t = dm 7,86 s 600 s = 458 dm t t Q = I t = mzf M = 1000 m 1 10 5 m 890 6,5 = 7,86 s dm 1000 dm dm m 96485 E = QU =,71 10 8 8,4 V =, 10 9 J =, 109 J kw h = 6 kw h,6 10 6 J =,71 108 6