Receptarieprogrammet Allmän och organisk farmaceutisk kemi 11,5 hp
Seminarieuppgifter
i allmän och organisk kemi
Namn:
INNEHÅLL
Seminarium 1: Atomernas egenskaper och kemisk bindning ... 3
Självstudieuppgifter - Atomernas egenskaper ... 4
Seminarium 2: Intra- och intermolekylära krafter ... 7
Självstudieuppgifter - Intra- och intermolekylära krafter ... 10
Seminarium 3: Räknestuga i termodynamik I ... 12
Seminarium 4: Räknestuga i termodynamik II ... 14
Självstudieuppgifter i termodynamik ... 16
Svar till räknestugor i termodynamik ... 17
Seminarium 5: Räknestuga i kinetik ... 18
Seminarium 6: Reaktionslära och aromaticitet ... 21
Seminarium 7: Nomenklatur och stereokemi... 24
Självstudieuppgifter i nomenklatur och stereokemi ... 26
Seminarium 8: Haloalkaner, alkener och alkyner ... 28
Självstudieuppgifter om haloalkaner, alkener och alkyner ... 31
Seminarium 9: Alkoholer, fenoler och aromater ... 32
Självstudieuppgifter om alkoholer, fenoler och aromater ... 35
Seminarium 10: IR-spektroskopi ... 36
Seminarium 11: Karbonylföreningar och karboxylsyraderivat ... 40
Självstudieuppgifter om karbonylföreningar och karboxylsyraderivat ... 43
Seminarium 12: Aminer ... 44
Självstudieuppgifter om aminer ... 45
Förberedelser:
o Förbered uppgifterna med hjälp av kursbökerna och föreläsningsanteckningar inför varje seminarietillfälle/räknestuga.
o Om ni inte kan lösa en uppgift, skriv då ner vad som gjorde att du fastnade på uppgiften. På seminariet kommer det finnas möjlighet att diskutera detta.
o Förutom seminarieuppgifterna finns det i detta häfte ett antal
självstudiefrågor till de olika avsnitten som behandlas under kursen.
3
Seminarium 1:
Atomernas egenskaper och kemisk bindning
Läsanvisningar
Chang 13:e upplagan, kapitel 7, 8.3-8.5, 9.4-9.5, 10.2, 11.1-11.3, 12.8
(Chang 11:e och 12:e upplagan, kapitel 7, 8.3-8.5, 9.4-9.5, 10.2, 11.1-11.3, 12.8)
Föreläsningsanteckningar från föreläsningen i Atomteori, Intra- och intermolekylära krafter. Bokkapitlet som rör respektive fråga finns angivet i parenteser efter varje fråga.
Frågor i fetstil kommer att diskuteras gruppvis i breakout rooms i Zoom under andra halvan av seminarium 1 och 2.
1. Vad är en atomorbital? Hur skiljer sig en atomorbital från klassiska omloppsbanor? (kap. 7.7)
2. Beskriv formerna hos s-, p- och d-orbitalerna (ett exempel). Hur relaterar dessa orbitaler till kvanttalen n, l, ml och ms? (kap. 7.6 och 7.7)
3. Ange det totala antalet av: (kap. 7.7) a. p-elektroner i N (Z = 7)
b. s-elektroner i Si (Z = 14) c. 3d-elektroner i S (Z = 16)
4. Vilket är det maximala antalet elektroner i en atom som kan ha följande kvanttal?
Specificera i vilka orbitaler elektronerna finns. (kap. 7.7) a. n = 2, ms = + ½
b. n = 3, l = 2
c. n = 2, l = 0, ms = – ½ 5.
a. Vad är elektronkonfiguration? Beskriv vilka roller Paulis uteslutningsprincip och Hunds regel har när man skriver elektrokonfigurationen för grundämnena.
b. Hur kan man använda ädelgaserna när man skriver elektronkonfigurationen för andra grundämnen?
c. Skriv elektronkonfigurationen för grundämnena Ar och Se.
d. Hur lyder Aufbaus princip och förklara rollen den har i klassificeringen av grundämnena i periodiska systemet. (kap. 7.8 och 7.9)
6. Förklara betydelsen av diamagnetisk och paramagnetisk. Ge ett exempel på ett grundämne som är diamagnetiskt och ett som är paramagnetiskt. Vad betyder det när vi säger att elektroner är ”parade”? (kap. 7.8)
7. Hur förändras atomradien… (kap. 8.3)
a. …från vänster till höger inom en period i periodiska systemet? Använd period 2 i periodiska systemet som ett exempel och förklara denna trend.
b. …uppifrån och ner inom en grupp i periodiska systemet? Använd grupp 2 i periodiska systemet som ett exempel och förklara denna trend.
4 8. Hur ändras storleken på en atom om den omvandlas till… (kap. 8.3)
a. …en anjon?
b. …en katjon?
c. Vilken är störst av en katjon och en anjon med samma antal elektroner?
Motivera varför. (kap. 8.3)
9. Definiera joniseringsenergi. Varför är andra joniseringsenergin alltid större än första joniseringsenergin för ett grundämne? (kap. 8.4)
10. Vilka är grupp- respektive periodtrenderna i periodiska systemet för första joniseringsenergin för grundämnena? Vilken typ av grundämnen har högst joniseringsenergi och vilka ämnen har lägst joniseringsenergi? (kap. 8.4)
11. Definiera elektronaffinitet. Joniseringsenergi är alltid en positivt mängd, medan elektronaffinitet kan vara positiv eller negativ. Förklara varför. (kap. 8.5)
12. Förklara trenderna för elektronaffiniteten från aluminium till klor (Tabell 8.3 alt.
SI-data). (kap. 8.5)
Självstudieuppgifter - Atomernas egenskaper
13. Vilket av de fyra kvanttalen (n, l, ml och ms) bestämmer… (kap. 7.7) a. …energin hos en elektron i väteatomen och i en fler-elektron atom?
b. …storleken på en orbital?
c. …formen på en orbital?
d. …orbitalens riktning i rymden?
14. Ange värdena på kvanttalen som är kopplade till följande orbitaler: (kap. 7.7) a. 2p
b. 3s c. 5d
15. Beräkna totala antalet elektroner som kan befinna sig i: (kap. 7.7) a. en s-orbital
b. tre stycken p-orbitaler c. fem stycken d-orbitaler
16. Grundtillstånds elektronkonfigurationerna som är listade nedan är felaktiga.
Förklara vilket misstag som har gjorts i respektive konfiguration och skriv den korrekta elektronkonfigurationen. (kap. 7.8)
a. Al: 1s22s22p43s23p3 b. B: 1s22s22p5 c. F: 1s22s22p6
17. Elektronkonfigurationen för en neutral atom är 1s22s22p63s2. Skriv de kompletta kvanttalen som beskriver var och en av elektronerna. Vilket är grundämnet? (kap.
7.9)
5 18. Nedan visas delar av atomorbitaldiagram som representerar elektron-
konfigurationen för några grundämnen i deras grundtillstånd. Vilka av dem bryter mot Paulis uteslutningsprincip? Vilka av dem bryter mot Hunds regel? Förklara varför. (kap. 7.8)
a.
2px 2py 2pz
b.
2px 2py 2pz
c.
2px 2py 2pz
d.
3dx2
-y2 3dz23dxy 3dxz 3dyz
e.
3dx2
-y2 3dz23dxy 3dxz 3dyz
f.
3dx2
-y2 3dz23dxy 3dxz 3dyz
19. Vilket av följande ämnen har flest oparade elektroner? S+, S eller S–. Förklara hur du kom fram till ditt svar. (kap. 7.9)
20. Skriv elektronkonfigurationen för nedanstående atomer/joner: (kap. 7.8) a. K+
b. B c. N3- d. Mn
21. Hur många oparade elektroner har atomerna/jonerna i uppgift 22 ovan? Rita atomorbitaldiagram och motivera om atomerna/jonerna är para- eller diamagnetiska. (kap. 7.8 och 7.9)
22.
a. Förklara vilken av följande katjoner som är störst och varför: Cu+ eller Cu2+. (kap. 8.3)
b. Förklara vilken av följande anjoner som är störst och varför: Se2– eller Te2–. (kap. 8.3)
c. Både H– och He innehåller två 1s elektroner. Vilket ämne är störst? Förklara varför. (kap. 8.3)
23. I våra kroppar finns olika typer av jonkanaler som släpper igenom joner av en viss laddning och storlek. Ordna listan av joner nedan efter deras storlek, från minsta till största. (kap. 8.3)
Ca2+, Cl–, H+, K+, Na+
24. Jämför radien för följande atom-/jonpar och ange vilken som är minst i respektive par. (kap. 8.3)
a. Rb+ och Cs+
6 b. Na+ och Mg2+
c. N3– och Cr d. S2– eller S6+
e. Na+ ellerF– f. Sieller Al
25. Nedan finns en tabell med joniseringsenergier för grundämnena A, B, C och D.
(kap. 8.4)
a. Vad beskriver energierna I1,I2, I3 respektive I4?
b. Avgör utifrån tabellen vilket grundämne som är en ädelgas och vilket grundämne som troligtvis bildar en tre-värd positiv jon. Förklara.
Grundämne I1 (kJ/mol) I2 (kJ/mol) I3 (kJ/mol) I4 (kJ/mol)
A 465 2987 4312 5677
B 1998 3942 6001 9287
C 614 1817 2811 11600
D 738 1415 7373 10504
26. Förklara varför första joniseringsenergin för Al är lägre än den första joniseringsenergin för såväl Mg som Si och att andra joniseringsenergin hos Al är högre än andra joniseringsengergin för såväl Mg som Si. (kap. 8.4)
27. Två atomer har elektronkonfigurationerna 1s22s22p6 och 1s22s22p63s1. Första joniseringsenergin för en av dem är 2080 kJ7mol och för den andra 496 kJ/mol.
Para ihop rätt första joniseringsenergi med rätt elektronkonfiguration. Förklara ditt val. (kap. 8.4)
28. Förklara varför alkalimetaller har större affinitet för elektroner jämfört med alkaliska jordartsmetaller. (kap. 8.5)
29. Vilket av följande grundämnen förväntar du dig ha störst elektronaffinitet och vilket ha lägst: He, K, Co, S, Cl. Motivera sina val. (kap. 8.5)
30. Skriv grundtillstånds elektronkonfigurationerna för: (kap. 7.9, ex 7.12) a. Svavel (S)
b. Palladium (Pd), som är ett diamagnetiskt grundämne.
31. Elektronkonfigurationerna som hittills tagits upp refererar till atomer i gasfas i deras grundtillstånd. En atom kan absorbera ett energikvantum och lyfta en av sina elektroner till en högenergiorbital. När det sker säger vi att atomen är i ett exciterat tillstånd. Elektronkonfigurationen för några exciterade atomer är given nedan.
Identifiera dessa atomer och skriv elektronkonfigurationerna för deras grundtillstånd: (kap. 7.8)
a. 1s12s1 b. 1s22s22p23d1 c. 1s22s22p64s1 d. [Ne]3s23p43d1
7
Seminarium 2:
Intra- och intermolekylära krafter
Läsanvisningar
Chang 13:e upplagan, kapitel 7, 8.3-8.5, 9.4-9.5, 10.2, 11.1-11.3, 12.8
(Chang 11:e och 12:e upplagan, kapitel 7, 8.3-8.5, 9.4-9.5, 10.2, 11.1-11.3, 12.8)
Föreläsningsanteckningar från föreläsningen i Atomteori, Intra- och intermolekylära krafter. Bokkapitlet som rör respektive fråga finns angivet i parenteser efter varje fråga.
Frågor i fetstil kommer att diskuteras gruppvis i breakout rooms i Zoom under andra halvan av seminarium 1 och 2.
1. Definiera elektronegativitet och förklara skillnaden mellan elektronegativitet och elektron affinitet. Beskriv trenderna för hur elektronegativiteterna för grundämnena ändras beroende på position i periodiska systemet. (kap. 9.5)
2. Klassificera följande bindningar som jon, polär kovalent eller opolär kovalent och motivera hur du kommit fram till dina svar: (kap. 9.5)
a. Na–Cl bindningen i NaCl b. C–C bindningen i H3CCH3
c. C–F bindningen i CF4
d. N–B bindningen i H3NBCl3
3. Dipolmoment är summan av laddningsförskjutningarna inom en molekyl. Hur är det möjligt för en molekyl att ha laddningsförskjutningar i bindningarna men ändå sakna dipolmoment? Rita ut laddningsförskjutningarna i bindningarna i CCl4 och H2O och ange om molekylerna har ett dipolmoment och i så fall vilken riktning dipolmomentet har. (kap. 10.2)
4. Ordna följande föreningar efter ökande dipolmoment: (kap. 10.2)
5. Förklara termen ”polariserbarhet”. Vilken typ av molekyler tenderar att ha hög polariserbarhet? Vilket är förhållandet mellan polariserbarhet och intermolekylära krafter. (kap. 11.2)
6. Beskriv schematiskt hur följande intermolekylära krafter är uppbyggda: (kap.
11.2)
a. dipol-dipol interaktion
b. dipol-inducerad dipol interaktion c. jon-dipol interaktion
d. dispersionskrafter e. van der Waalskrafter
8 7.
a. Vilka ämnen kan delta i vätebindningar? Varför är väte unikt i denna typ av interaktion? (kap. 11.2)
b. Vätebindningar ger vatten speciella egenskaper, tex att is har lägre densitet än vatten. Förklara denna effekt. (kap. 11.3)
8. Förklara skillnaden i smältpunkt mellan nedanstående par: (kap. 11.2) a) NaBr och Br2
b) CH4 och CCl4
c) NaBr och NaI d) NH3 och NO
9. Paracetamol är den verksamma substansen i bland annat Alvedon och är febernedsättande samt smärtstillande.
Vilka olika typer av intermolekylära interaktioner skulle denna molekyl kunna tänkas ha med andra molekyler och receptorer? Har molekylen ett dipolmoment?
(kap. 11.2)
10. När löslighet diskuteras brukar man säga att ”lika löser lika”, vad menas med detta?
Redogör för löslighetsförhållandena i följande exempel: (kap. 11.2)
9 11. Birger, 63 år, har ledgångsreumatism och går därför regelbundet till sin läkare för kontroll. Läkaren har skrivit ut ett läkemedel (Confortid®) med substansen indometacin, se strukturformeln nedan. Indometacin är ett smärtstillande och antiinflammatoriskt läkemedel av typen NSAID (Non Steroidal Anti- Inflammatory Drugs). När Birger tar sitt läkemedel frisätts indometacin i kroppen. Den inflammatoriska processen i hans leder minskar pga att indometacin hämmar prostaglandinsyntesen genom att blockera de två enzymen
COX-1 och COX-2.
Det är genom intermolekylära krafter som läkemedel kan interagera med sina målstrukturer i kroppen så som enzymer och receptorer. I strukturen för indometacin nedan är tre viktiga strukturelement markerade (A-C).
Ange minst två olika intermolekylära bindningar per strukturelement A-C i indometacin som respektive strukturelement kan delta i? (kap. 11.2)
12. Beskriv hur hydrofila kolloider (tex proteiner) och hydrofoba kolloider (tex olja) stabiliseras i vatten. (kap. 12.8)
10
Självstudieuppgifter - Intra- och intermolekylära krafter
13. Förklara skillnaden mellan ett temporärt dipolmoment och ett permanent dipolmoment. (kap. 11.2)
14. När ett av vätena i propan (CH3CH2CH3) byts ut mot en annan atom eller grupp av atomer ändras kokpunkten. Kombinera rätt ämne med rätt kokpunkt och förklara varför kokpunkten ändrar sig som den gör. (kap. 11.2)
Ämnena är: Kokpunkterna är:
CH3CH2CH3 46,6 °C CH3CH2CH2Br -42,1 °C CH3CH2CH2Cl 71,0 °C CH3CH2CH2OH 97,2 °C.
15. Vilka attraherande krafter måste övervinnas för att (kap. 11.2):
a. smälta is?
b. koka H2S(l)?
c. smälta fast jod (I2 (s))?
d. dissociera F2 till F-atomer?
16. Ordna följande bindningar efter ökande jonbindningskaraktär: (kap. 9.5) C–H, Na–Cl, H–Br, H–F, K–F, Li–Cl
17. Fyra atomer, slumpmässigt kallade D, E, F och G, har följande elektronegativiteter:
D = 3,8, E = 3,3, F = 2,8 och G = 1,3. Om atomerna från dessa ämnen bildar molekylerna DE, DG, EG och DF, hur skulle du ordna dessa molekyler efter ökande kovalent bindningskaraktär? (kap. 9.5)
18. Räkna upp de intermolekylära krafter som finns mellan molekyler (eller basenheter) i varje av följande ämnen: (kap. 11.2)
a. bensen (C6H6) b. CH3Cl
c. PF3
d. NaCl e. CS2
19. Vilket ämne i vart och ett av följande par skulle du förvänta dig ha högst kokpunkt?
Förklara varför. (kap. 11.2) a. Ne eller Xe
b. CO2 eller CS2
c. CH4 eller Cl2
d. F2 eller LiF e. NH3 eller PH3
11 20. Jämför nedanstående substanspar och förklara skillnaden i smältpunkt.
Tips: fundera över vilka bindningar som håller kristallen samman.
21. Dietyleter har en kokpunkt på 34,5 °C och 1-butanol har en kokpunkt på 117 °C.
a. De två föreningarna består av samma antal och typ av atomer. Förklara skillnaden i kokpunkt. Motivera genom att rita ut de intermolekylära krafterna mellan tre molekyler av varje sort! (Chang kap. 11.2)
b. Vilka delar av värmekurvan i fråga 1 är det som återspeglar kokpunkten?
22. Förklara skillnaden i smältpunkt för följande föreningar: (kap. 11.2)
(Ledtråd: Bara en av dem kan bilda intramolekylära vätebindningar.)
12
Seminarium 3:
Räknestuga i termodynamik I
Läsanvisningar
Chang 13:e upplagan, kapitel 6, 9.10, 11.8, 14.1, 17 (ej “Microstates and Entropy”) Chang 11:e upplagan, kapitel 6, 9.10, 11.8, 14.1, 17 (ej “Microstates and Entropy”) (Chang 10e upplagan, samma men kapitel 18 istället för 17)
Föreläsningsanteckningar från föreläsningarna Termodynamik. Bokkapitlet som rör respektive fråga finns angivet i parenteser efter varje fråga.
Svar till uppgifterna finns på sida 17.
1. Beräkna med hjälp av tabelldata Hrxn för följande reaktioner (kap. 6.4):
a) C(grafit) + O2(g) CO2(g)
b) CuO (s) + H2(g) H2O(l) + Cu(s) c) Al2O3 (s) + 2H2 (g) 3H2O(l) + 2Al (s)
2. Beräkna H för förbränning av 1 mol etanol
g O g CO g H O l OH
H
C
2 5 3
2 2
2 3
23. a) Beräkna S för följande process vid 25 C och konstant tryck (1 atm)
g H g NH g N
2 3
2 2
3b) H är –92 kJmol-1 för reaktionen. Beräkna den totala entropiförändringen för systemet och dess omgivning.
Ledning:
S
tot
S
syst
S
omg4. Beräkna entropiändringen vid:
a) Smältning av 1 mol kvicksilver vid smältpunkten -39 C.
Smältentalpin = 2,3 kJmol-1
b) Förångning av 2 mol flytande kväve vid kokpunkten, -196 C.
Förångningsentalpin = 0,72 kJmol-1
5. Bör S för respektive reaktion nedan vara positiv eller negativ? Verifiera dina förutsägelser genom att beräkna S för de båda reaktionerna med hjälp av tabelldata a. Ca(s) + ½ O2(g) CaO(s)
b. CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
13 6. Beräkna med hjälp av SI-Chemical Data
a) H° b) S° c) G° vid 25 °C för reaktionen:
Är reaktionen spontan?
7. Tenn förekommer i två olika s.k. allotropa modifikationer, ”grått” och ”vitt” tenn. För omvandlingen
är H = 2.09 kJmol-1 och S = 7.30 JK-1mol-1 vid 25 C.
a) Beräkna G för denna omvandling.
b) Vilken modifikation är stabil vid 25 C?
c) Vid vilken temperatur bör de båda formerna stå i jämvikt med varandra? Vid denna beräkning bortses från att H och S är temperaturberoende.
8. Smältpunkten för aluminium är vid atmosfärstryck 660 °C.
a) Bestäm entalpin för processen vid 660 °C.
b) Beräkna den molara entropiändringen för stelningsprocessen.
c) Kommentera utifrån beräkningarna om entropin ökar eller minskar av stelningsprocessen.
9. Katalytisk hydrogenering av eten till etan sker enligt:
C2H4 (g) + H2 (g) C2H6 (g)
Beräkna reaktionsentalpin Ho med hjälp av standardbildningsentalpierna H°f i SI- Data.
14
Seminarium 4:
Räknestuga i termodynamik II
Läsanvisningar
Chang 13:e upplagan, kapitel 6, 9.10, 11.8, 14.1, 17 (ej “Microstates and Entropy”) Chang 11:e upplagan, kapitel 6, 9.10, 11.8, 14.1, 17 (ej “Microstates and Entropy”) (Chang 10:e upplagan, samma men kapitel 18 istället för 17)
Föreläsningsanteckningar från föreläsningarna Termodynamik. Bokkapitlet som rör respektive fråga finns angivet i parenteser efter varje fråga.
10. Beräkna jämviktskonstanten vid 25 °C för reaktionen:
s H g Ca s H O g
CaO
2
211. Beräkna jämviktskonstanten för jämvikten mellan etyn och bensen vid 25 °C:
12. Ett badkar innehållande 500 kg vatten har temperaturen 55 °C. Vatten avger
värmemängden 85 J till omgivningen som har temperaturen 25 °C. Varken vattnets eller omgivningens temperatur ändras märkbart.
a) Vilken är entropiändringen hos vattnet?
b) Vilken är entropiändringen hos omgivningen?
c) Vilken är entropiändringen hos ”universum” ?
13. För reaktionen
är H° = -112.5 kJ och S° = -132 J / K vid 25 °C och 1 atm för reaktionen åt höger.
a) Beräkna G° ur de angivna uppgifterna. Är reaktionen åt höger eller vänster spontan vid standardbetingelser?
b) Vilken termodynamisk faktor (strävan mot lägre energi eller strävan mot större molekylär oordning) dominerar när det gäller att bestämma reaktionsriktningen för detta system?
c) Vid vilken temperatur är reaktionen vid jämvikt? (antag att temperaturoberoende för entalpin och entropin gäller!)
14. Den specifika värmekapaciteten, s, för vatten är 4,18 J/(g·K).
a) Hur mycket energi krävs det för att värma 8 g vatten från 32 °C till 68 °C?
b) Du har 6 g, 100 °C vatten, hur mycket energi krävs det för att omvandla allt vatten till vattenånga?
c) 10.0 g is av 0 °C sätts till 100g vatten av 100 °C (antag isolerat system). Beräkna blandningens sluttemperatur.
15 15. Beräkna temperaturen för fasövergången nedan med hjälp av SI-Data
H
2O (l) H
2O (g)
(Antag att standardtillstånd gäller. Obs! Osäkerheter i data kan leda till att det beräknade värdet avviker lite från det vedertagna!)
16. I grafen nedan visas data från en uppvärmning av H2O. Man värmde 36 g H2O genom att kontinuerligt tillföra 500 J/s. (kap.11.8)
A. Hur kan man använda grafen för att bestämma kokpunkten?
B. Avgör med hjälp av grafen nedan vilken aggregationsform som har den högsta värmekapaciteten. (Inga beräkningar nödvändiga)
C. Beräkna med hjälp av grafen och nedanstående tabell förångningsentalpin.
D. Beräkna förångningsentropin för vatten. Antag att kokpunkten är 100 °C.
Position I II III IV V VI
Tid (s) 0 7,8 31,8 61,8 237,8 248
17. Vilka tre av de följande tolv påståendena är sanna. Förklara det felaktiga i övriga påståenden.
a) I en jämviktsprocess bildas reaktanter och produkter med samma hastighet och därför är H°lika med noll.
b) Enligt termodynamikens första lag kan den inre energin i ett slutet system inte förändras.
c) Absolutbeloppet av entalpiförändringen vid en smältning är alltid mindre än vid motsvarande sublimering
d) Endoterma reaktioner leder till en sänkning av entropin i universum och är därför aldrig spontana
e) Vid den absoluta nollpunkten är entalpin för ett rent grundämne i perfekt kristallin form lika med noll
f) Vid bildning av vatten ur vätgas och syrgas konsumeras gas och därför kommer S° vara mindre än noll
g) Den stabilaste allotropa formen av ett grundämne(förutom fosfor) har vid standardtillstånd tilldelats värdet noll för entropi.
h) När K=0 har vi jämvikt.
i) En exoterm reaktion som leder till ökad oordning är alltid spontan.
j) Om K är mycket större än 1 favoriseras produkter och G°RXN > 0.
l) En låg värmekapacitet innebär att mycket energi måste tillföras för att värma upp materialet.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
Temperature K
Heating Time s Heating curve for water
16
Självstudieuppgifter i termodynamik
18. Rita upp en schematisk värmekurva för ett ämne. En vanlig analys av ett ämne är att mäta dess smältpunkt.
a. Vad skulle man kunna utläsa från dessa delar av kurvan om man har en korrekt kurva för ett ämne?
b. Vilken del av kurvan är det som studeras vid smältpunktsbestämning?
c. Vilken typ av information kan fås utifrån ett ämnes smältpunkt?
19. Beräkna med hjälp av tabelldata Hrxn för följande förbräningsreaktioner (kap.
6.4):
a. C2H4(g) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 2 H2O(l) b. 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)
20.
a. Beräkna H för förbränning av 1 mol etanol C2H5OH(l) + 3O2(g) 2CO2(g) + H2O(l)
∆H°f (C2H5OH(l)) = -277 kJmol-1 b. Beräkna E för samma process.
Ledning: Utnyttja sambandet ΔH°= ΔE° + ΔnRT 21. Beräkna entropiändringen vid:
a. Smältning av 1 mol aluminium vid smältpunkten 660 C. Smältentalpin = 7.99 kJmol-1
b. Förångning av 2 mol flytande syre vid kokpunkten, -182.97 C.
Förångningsentalpin = 6.82 kJmol-1 22. Beräkna H för reaktionen
CS2(l) + 3Cl2(g) CCl4(l) + S2Cl2(l)
med hjälp av de molära bildningsentalpierna för CS2 (l), CCl4 (l) och S2Cl2 (l) C(s) + 2S(s) CS2(l) ΔH°f = 89 kJ/mol C(s) + 2Cl2(g) CCl4(l) ΔH°f = -139 kJ/mol 2S(s) + Cl2(g) S2Cl2(l) ΔH°f = -60 kJ/mol
23. Vid 25 C och 1 atm är Hf = -30.57 kJmol-1 för bildning av Ag2O(s) ur Ag(s) och O2(g). Beräkna H, S och G för reaktionen
4Ag(s) + O2(g) 2Ag2O(s)
24. För C2H2 (g) och C6H6 (g) är Gf 209,2 respektive 129,7 kJmol-1 vid 25 C. Beräkna jämviktskonstanten för jämvikten:
25. Beräkna jämviktskonstanten för reaktionen:
17
Svar till räknestugor i termodynamik
1a. H0rxn = -394 kJ mol-1 b. H0rxn = -129 kJ mol-1 c. H0rxn = 818 kJ mol-1 2a. H = -1411 kJ/mol 3a. S0 = -199 J K-1mol-1 b. S0omg = 309 J K-1mol-1
S0tot = 110 J K-1 mol-1 4a. 9,8 J K-1
b. 18.7 J K-1
5a. S0 = -107 J K-1mol-1 b. S0 =159 J K-1mol-1 6. H0 = -114 kJ mol-1
S0 = -147 J K-1 mol-1
G0 = -70 kJ mol-1/ -72 kJmol-1 7a. G0 = -86.5 Jmol-1
b. Vitt tenn c. T=13C
8a. Hrxn = -11 kJmol-1 b. S = -12 JK-1mol-1 9. -136 kJmol-1 10. K = 3.0×10-66 11. K = 1.34×1088 12a. S0H2O = -0,26 JK-1 b. S0omg = 0,29 JK-1 c. S0uni = 0,03 JK-1
13a. G0 = -73,1*103 Jmol-1 b. Lägre energi
c. T=852 K
14a. 1204 J b.
≈
14,7 kJ c. 84 °C 15. 97 °C16a. Där grafen planar ut = fasövergång b. Flytande
c. Hvap = 44 kJmol-1 d. S = 118 JK-1mol-1 17a. falskt
b. falskt c. sant d. falskt e. falskt f. sant g. falskt h. falskt i. sant j. falskt k. falskt l. falskt
18
Seminarium 5:
Räknestuga i kinetik
Läsanvisningar
Chang 13:e upplagan, kapitel 13
Chang 11:e och 12:e upplagan, kapitel 13.
Föreläsningsanteckningar från föreläsningen i Kinetik.
1. Beräkna reaktionsordningen för de ingående komponenterna samt den totala reaktionsordningen för reaktionen nedan.
NH4+ (aq) + NO2- (aq) N2 (g) + 2H2O (l) Experiment Initial
koncentration av NH4+ (M)
Initial
koncentration av NO2- (M)
Initial hastighet (mol L-1s-1)
1 0,100 0,0050 1,35*10-7
2 0,100 0,010 2,70*10-7
3 0,200 0,010 5,40*10-7
2. Beräkna reaktionsordningen för de ingående komponenterna samt den totala reaktionsordningen för reaktionen nedan. Beräkna även värdet av hastighetskonstanten k.
BrO3- (aq) + 5Br- (aq) + 6H+ (aq) 4Br2 (l) + 3H2O (l) Experiment Initial
koncentration av BrO3- (M)
Initial
koncentration av Br- (M)
Initial
koncentration av H+ (M)
Initial hastighet (mol L-1s-1)
1 0,10 0,10 0,10 8,0*10-4
2 0,20 0,10 0,10 1,6*10-3
3 0,20 0,20 0,10 3,2*10-3
4 0,10 0,10 0,20 3,2*10-3
3. Reaktionen 2A B, är en 1:a ordningens reaktion, med hastighetskonstanten 2,9*10-2s-1 vid 80 oC. Hur lång tid (i sekunder) tar det för A att minska från 0,88M till 0,14M?
4. Den experimentellt bestämda hastighetslagen (rate law) för reaktionen 2 NO(g) + 2 H2(g) N2(g) + 2 H2O(g) är; hastighet = k[NO]2[H2].
a. Vilken är den totala reaktionsordningen för reaktionen? Motivera ditt svar.
b. Får en dubblering av koncentrationen NO samma effekt på hastigheten som en dubblering av koncentrationen H2? Motivera ditt svar.
19 5. Verifiera (bekräfta) med hjälp av data i tabellen nedan att sönderdelningen av N2O5
är en 1:a ordningens reaktion. Beräkna hastighetskonstanten för reaktionen.
2 N2O5 (g) 4NO2 (g) + O2 (g)
6. För en första ordningens reaktion är halveringstiden 15 minuter. Beräkna hastighetskonstanten för reaktionen.
7. Kvävepentoxid (N2O5) sönderfaller i lösning till N2O4 och O2, via en första ordningens reaktion. Hastighets lagen (Rate law) kan skrivas som:
Hastigheten = k[N2O5]
Vid 45 grader är hastighetskonstanten 6,22*10-4 s-1. Om den
ursprungskoncentrationen av [N2O5] i lösning är 0,100M, hur lång tid tar det innan koncentrationen är 0,0100M?
8. Butadien reagerar och bildar en dimer enligt följande reaktion:
2C4H6 (g) C8H12 (g) Följande data har samlats in:
[C4H6] (mol/L) Tid (s)
0,01000 0
0,00625 1000
0,00476 1800
0,00370 2800
0,00313 3600
0,00270 4400
0,00241 5200
0,00208 6200
a. Är reaktionen av 1:a eller 2:a ordningen?
b. Vad är värdet av hastighetskonstanten för reaktionen?
c. Vad är halveringstiden för reaktionen, under de förhållanden som råder vid detta experiment?
9. Vad har hastighetskonstanten i ekvationen nedan för enhet?
a. Hastigheten = k[A]2[B]1 b. Hastigheten = k[A]1/2[B]1 [N2O5] (mol/L) Tid (s)
0,1000 0
0,0707 50
0,0500 100
0,0250 200
0,0125 300
0,00625 400
20 10.
a. Ett visst antibiotikum som lösts i vatten bryts ner till icke verksam substans med 1:a ordningens kinetik. Beräkna halveringstiden för nedbrytningen av läkemedlet om lösningen förvaras i rumstemperatur (25 oC).
Hastighetskonstanten k = 0,0056 h-1 vid 25 oC.
b. Beräkna halveringstiden för nedbrytningen av läkemedlet om lösningen istället förvaras i kylskåp (4 oC). Aktiveringsenergin för nedbrytningen: Ea
= 60 kJ mol-1
11. Vid solvolys av en alkylhalid i vatten bildas en alkohol enligt reaktionsschmat nedan.
Ange läget av A-D i energidiagrammet. Vilket steg är hastighetsbestämmande?
12. Utifrån reaktionsdiagrammet för reaktionen A till D (se nedan) svara på följande frågor:
a. Hur många intermediat är det i reaktionen?
b. Hur många övergångstillstånd är det i reaktionen?
c. Vilket steg är det hastighetsbestämmande?
d. Är reaktionen som helhet (A till D) endoterm eller exoterm?
21
Seminarium 6:
Reaktionslära och aromaticitet
Läsanvisningar
Chang 13:e upplagan, kapitel 2.5, 2.6, 2.8, 4.3, 15.1-15.12, 24.1-24.4.
Vollhardt 7:e upplagan, kap. 1.1-1.6, 1.8-1.9, 2.1-2.9, 3.1-3.2, 4.1-4.7.
Föreläsningsanteckningar från föreläsningen i Reaktionslära.
1. Avser följande parvis ordnade strukturformler samma eller olika substanser inom respektive par?
a.
b.
c.
d.
e.
2. Betyder strukturerna nedan samma eller olika saker?
3. Vad är resonans? Ge ett exempel (annat än bensen) och förklara.
22 4. Bensen är extra stabil på grund av resonans.
a. Rita de två resonansformerna (Lewisstrukturerna) av bensen och hur elektronerna flyttar med krökta elektronpilar (mekanismpilar).
b. Bensen är även aromatisk. Vad är kraven för att en molekyl ska vara aromatisk?
c. Vilka av de nedanstående molekylerna är aromatiska?
5. Nedan finns strukturen för fyra läkemedelssubstanser.
a. Ange de funktionella grupper som finns i läkemedelssubstanserna.
b. Markera de aromatiska delarna i niklosamid, trihexyfenidyl och furosamid.
Förklara!
c. Finns det några sura eller basiska grupper i någon av molekylerna?
6. Redogör för löslighetsförhållandena i följande exempel:
a. Naftalen i bensen b. Natriumklorid i bensen c. Natriumklorid i vatten
d. Bensoesyra i 1,0 M natriumhydroxidlösning i vatten e. Bensoesyra i 1,0 M saltsyralösning i vatten
f. Trietylamin i 1,0 M natriumhydroxidlösning i vatten g. Trietylamin i 1,0 M saltsyralösning i vatten
h. 1-Butanol i vatten
23 7. Birger, 63 år, har ledgångsreumatism och går därför regelbundet till sin läkare för kontroll. Läkaren har skrivit ut ett läkemedel (Confortid®) med substansen indometacin, se strukturformeln nedan. Indometacin är ett smärtstillande och antiinflammatoriskt läkemedel av typen NSAID (Non Steroidal AntiInflammatory Drugs). När Birger tar sitt läkemedel frisätts indometacin i kroppen. Den inflammatoriska processen i hans leder minskar p.g.a. att indometacin hämmar prostaglandinsyntesen genom att blockera de två enzymen COX-1 och COX-2.
Det är genom intermolekylära krafter som läkemedel kan interagera med sina målstrukturer i kroppen så som enzymer och receptorer. I strukturen för indometacin nedan är tre viktiga strukturelement markerade (A-C).
a. Ange hybridiseringen för de sju utmärkta atomerna.
b. Ge exempel på en sigma bindning och en pi-bindning i Indometacin.
c. Ange minst två olika intermolekylära bindningar per strukturelement A-C i indometacin som respektive strukturelement kan delta vid interaction med målproteinet?
d. Rita orbitalöverlappen för bindningen mellan kol och klor i B.
24
Seminarium 7:
Nomenklatur och stereokemi
Läsanvisningar
Organisk kemi, kapitel 5.2, 22.4, 6.1-6.2, 22.2-22.3 Organisk-kemisk nomenklatur
Föreläsningsanteckningar från föreläsningarna om nomenklatur och stereokemi.
1. Analysera följande rationella namn (använd begreppen huvudord, lokant, prefix och suffix) och översätt namnen till strukturformler:
a) 4-Etyl-3,5-dimetyl-3,5-oktadien b) 2-Hydroxi-4-nitro-3-pentanon
2. Det är viktigt att rationella namn på kemiska föreningar är entydiga. Vad kännetecknar ett entydigt namn? Ange huvudfunktion och ett entydigt rationellt namn för nedanstående föreningar.
3. Översätt de rationella namnen i a-d nedan till motsvarande strukturformler a) 2,2-Dimetyl-5-nitro-1-pentanol
b) 2-(4-Isobutylfenyl)propansyra
c) (E)-4-Bromo-5-hydroxi-3-hexen-2-on d) Bicyclo[3.2.0]hept-2-en
4. Ge ett entydigt namn åt var och en av de substanser vars strukturformler finns återgivna nedan.
25 5. Nedan finns strukturen för läkemedelssubstansen enalaprilat, gemeprost, fenytoin och pivampicillin (A-D).
a) Vilka typer av stereoisomeri återfinns i strukturerna A-D? Beräkna det totala antalet stereoisomerer.
b) Är A-D kirala?
6. Ta ut absolutkonfiguration (R/S) eller bestäm om dubelbindningarna är E eller Z för föreningarna nedan. Förklara om medlemmarna i följande molekylpar är enantiomerer, diastereomerer eller identiska.
a)
b)
c)
d)
26 7. Vilken absolutkonfiguration (R/S) har de asymmetriska atomerna i följande molekyler?
Förklara hur du kom fram till svaret.
a)
b)
Självstudieuppgifter i nomenklatur och stereokemi
8. Översätt de rationella namnen a-d till motsvarande strukturformler!
a) (R)-2-bromopentan
b) N,N-Bis(4-klorofenyl)etylamin
c) 3-(Dimetylamino)-1-fenylpropylbensoat d) (1R,2S)-1-bromo-2-fluorocyklohexan
9. Vilka typer av stereoisomeri återfinns i läkemedelsstrukturerna nedan? Beräkna det totala antalet stereoisomerer.
27 10. Ta ut absolutkonfiguration (R/S) eller bestäm om dubelbindningarna är E eller Z för föreningarna nedan. Förklara om medlemmarna i följande molekylpar är enantiomerer, diastereomerer eller identiska.
a)
b)
c)
d)
11. Vilken absolutkonfiguration (R/S) har de asymmetriska atomerna i följande molekyler?
Förklara hur du kom fram till svaret.
a)
b)
28
Seminarium 8:
Haloalkaner, alkener och alkyner
Läsanvisningar
Organisk kemi, kapitel 5.9, 8, 9.1-9.2, 14.3.1 (ej SNAr och framåt), 22.7-22.8, 22.13, 9.3, 10-10.2.1, 10.2.3, 10.2.6, 22.9-22.10
Föreläsningsanteckningar från föreläsningarna om haloalkaner samt alkener och alkyner.
1. Vilken sorts substitutionsreaktion kan följande föreningar undergå?
Om haloalkanen kan genomgå både SN1 och SN2 diskutera vilka betingelser som bör användas för att gynna SN1 respektive SN2.
2. Kommer reaktionerna nedan ske via en SN1, SN2, E1 eller E2 mekanism? Rita ut produkten/produkterna och förklara utifrån haloalkanens struktur samt den lämnande gruppens, lösningsmedlets och nukleofilens/basens egenskaper.
a)
b)
c)
d)
e)
29 3. Vilken(a) produkt(er) bildas i följande reaktioner? Förklara!
a)
b)
c)
d)
4. Diskutera mekanismerna för bildandet av A-C. Ta särskild hänsyn till stereo-/regio-kemi. Tänk på att flera stereoisomerer kan vara möjliga.
CH3 H H
A B C
HCl H+, H2O Br2
30 5. Nedan visas syntesen av reproterol som används som bronkdilaterare. Ange strukturen för utgångsmaterialet A samt reagensen R1 och R2.
31
Självstudieuppgifter om haloalkaner, alkener och alkyner
6. Är följande föreningar benägna att undergå substitutionsreaktioner? Vilka betingelser bör användas för att få övervägande SN1 eller SN2?
7. Hur skiljer sig bindningslängd, bindningsstyrka, hybridisering och syrabasegenskaper mellan föreningarna 1-buten och 1-butyn?
8. Vilken(a) produkt(er) bildas i följande reaktioner? Förklara!
a)
b)
c)
32
Seminarium 9:
Alkoholer, fenoler och aromater
Läsanvisningar
Organisk kemi, kapitel 5.5, 5.6, 8.5.2, 14.1, 22.11, 13, 22.18.
Föreläsningsanteckningar från föreläsningarna om alkoholer och fenoler samt aromater.
1. a) Diskutera vad som påverkar syrastyrkan hos alkoholer och fenoler!
b) Sortera nedanstående föreningar efter ökad syrastyrka med hjälp av 1a och uppskatta föreningarnas ungefärliga pKa-värden.
2. Molekyler som är aromatiska är stabilare och reagerar på annat sätt än icke aromatiska.
a) Vilka av följande substanser är aromatiska? Motivera dina svar!
b) pKa värdet för vanliga alifatiska väten som det i etan är 50, för 1,4-pentadien är pKa värdet 40 medan pKa värdet för vätena i den CH2 grupp som finns i molekyl H ovan är 16. Ge en förklaring till att skillnaden i pKa.
3. Vilken(a) produkt(er) bildas i nedanstående reaktioner? Förklara!
a)
b)
33 c)
d)
4.
a) Vilka produkter bildas av nedanstående startmaterial vid elektrofil bromering av toluen och bensonitril? Förklara produktmönstret med hjälp av resonans-formler.
b) Diskutera metyl- och nitrilgruppernas påverkan på reaktionshastigheten vid elektrofil aromatisk substitution. Använd bensen som referensmolekyl.
c) Komplettera i energidiagrammet nedan för reaktionerna i b. Vilken struktur har I – K?
34 5. Vilken(a) produkt(er) bildas i reaktion a och b nedan? Förklara!
Vilka reagens behövs för att göra reaktion c? Valfria organiska och oorganiska reagens får användas. Observera att det kan krävas mer än ett steg.
a)
b)
c)
35
Självstudieuppgifter om alkoholer, fenoler och aromater
6. Vilken(a) produkt(er) bildas i nedanstående reaktioner? Förklara!
a)
b)
7. Ange produkten i följande reaktion.
8. Fullborda följande reaktioner. Valfria organiska och oorganiska reagens får användas.
Observera att det i vissa reaktioner krävs mer än ett steg.
a)
b)
36
Seminarium 10:
IR-spektroskopi
Läsanvisningar
Organisk kemi, kapitel 5.5, 5.6, 8.5.2, 14.1, 22.11, 13, 22.18.
Föreläsningsanteckningar från föreläsningarna om alkoholer och fenoler samt aromater.
Försök att para ihop spektrumen A-H med rätt förening i Tabell 1 på sista sidan (föreningarna är sorterade efter funktionell grupp).
A
B
37
C
D
E
38
F
G
H
39 Tabell 1. Försök att para ihop respektive IR-spektrum med rätt förening i tabellen (föreningarna är sorterade efter funktionell grupp).
40
Seminarium 11:
Karbonylföreningar och karboxylsyraderivat
Läsanvisningar
Organisk kemi, kapitel 15.1-15.2.1, 15.2.3-15.2.5, 22.14, 5.10, 7.3.4-7.3.5, 16-16.2.1, 16.3-16.7, 17-17.1.2, 22.15.
Föreläsningsanteckningar från föreläsningarna om karbonyler och karboxylsyraderivat.
1. Karaktärisera karbonylgruppen. Diskutera:
a) hybridisering b) syra-basegenskaper c) keto-enol-tautomeri
d) reaktioner som aldehyder och ketoner kan genomgå
2. Diskutera vad som påverkar syrastyrkan hos olika karboxylsyror. Utgå från nedanstående syrapar och försök att bedöma syrornas ungefärliga pKa-värden.
a)
HCOOH CH3COOH b)
3. Jämför reaktiviteten för de nedanstående substansparen vid basisk ester-hydrolys. I samtliga reaktioner används ett överskott NaOH(aq). Resonera utifrån mekanismen.
a)
b)
41 4. Ange vad A ska vara för att produkten L ska bildas och vad A ska vara om istället M ska bildas. Ange reagens och eventuella katalysatorer för att reaktionerna ska ske.
5. Läkemedelssubstansen talidomid (se strukturfomeln nedan) användes under slutet av 1950-talet och i början av 1960-talet som lugnande och sömngivande medel. Talidomid är beryktat för sin fosterskadande (teratogena) verkan, vilken ledde till många fall av svåra missbildningar. Talidomidmolekylen är kiral, och resultaten från en del farmakologiska studier kan tolkas som att endast den ena enantiomeren har fosterskadande effekt. Det har därför hävdats att den icke-teratogena enantiomeren skulle kunna användas som läkemedel. Man kan emellertid resa en på kemisk grund baserad invändning mot detta resonemang.
a) Vid vilken atom finns talidomidmolekylens stereocentrum?
b) Vilken skulle den ovannämnda invändningen kunna vara? Förklara med hjälp av formler.
6. Vilken(a) produkt(er) bildas i följande reaktioner? Förklara!
a)
b)
42 7. Vilka reagens N – Q behövs för att göra följande reaktioner? Valfria organiska och oorganiska reagens får användas. Observera att det i vissa reaktioner kan krävas mer än ett steg (reagens).
a)
b)
43
Självstudieuppgifter om karbonylföreningar och karboxylsyraderivat
8. Diskutera vad som påverkar syrastyrkan hos olika karboxylsyror. Utgå från nedanstående syrapar och försök att bedöma syrornas ungefärliga pKa-värden.
a)
b)
9. Jämför reaktiviteten för de nedanstående substansparen vid basisk ester-hydrolys. I samtliga reaktioner används ett överskott NaOH(aq). Resonera utifrån mekanismen.
a)
b)
10. Vilken(a) produkt(er) bildas i följande reaktion? Förklara!
44
Seminarium 12:
Aminer
Läsanvisningar
Organisk kemi, kapitel 5.7, 5.8, 14.2.1, 22.12.
Föreläsningsanteckningar från föreläsningen om aminer.
1. Vilken av aminerna i vart och ett av aminparen nedan är starkast bas i en vattenlösning?
Förklara, och ange ungefärligt pKa för den korresponderande syran.
a)
ammoniak och etylamin
b)
metylamin och dimetylamin
c)
anilin och 3-trifluorometylanilin d)
3-nitroanilin och 4-nitroanilin
2. Man kan syntetisera primära aminer på flera sätt.
a) Diskutera för- och nackdelar med nedanstående syntesväg. Redogör för reaktionsmekanismen.
b) Kan man bilda produkten utifrån samma halogenförening som ovan på ett annat sätt?
Hur?
3. Fullborda följande reaktioner. Valfria organiska och oorganiska reagens får användas.
Observera att det kan krävas mer än ett reaktionssteg.
a)
b)
45 4. Genom att utnyttja olika funktionella gruppers syra/bas-egenskaper kan man vid rening genom extraktion mellan en polär vattenfas och en opolär organisk fas separera det vattenlösliga saltet resp. den oladdade formen av olika läkemedelssubstanser.
Är de funktionella grupperna i nedanstående läkemedelssubstanser laddade eller oladdade vid pH = 7?
5. Paracetamol är den aktiva substansen i bl. a. Alvedon och Panodil. Nedan visas en syntesmetod för paracetamol. Ange reagens R – T för omvand-lingarna.
Självstudieuppgifter om aminer
6. Vilken av aminerna i vart och ett av aminparen nedan är starkast bas i en vattenlösning?
Förklara, och ange ungefärligt pKa för den korresponderande syran.
a)
b)
c)
