4.4: Підсумковий іспит

Завдання 1 (21 БАЛ)

а) i Заповніть атомні та молекулярні орбіталі для$\mathrm{MO}$ діаграми окису вуглецю ($\mathrm{CO}$) нижче (3 pts):

II. Позначте молекулярні орбіталі як сигма або пі (2 бали)

ііі. Позначте молекулярні орбіталі як склеювання або антизв'язування (2 пункти)

IV. Що таке порядок облігацій$\mathrm{CO}$? (2 бали)

б) Метиламін$\left(\mathrm{H}_3 \mathrm{C}-\mathrm{NH}_2\right)$ - це органічна сполука, яка використовується для синтезу великої кількості хімічних речовин, починаючи від фотографічних розробників і закінчуючи холодною медициною.

i. намалюйте молекулу метиламіну, показуючи її 3D геометрію VSEPR. Включіть будь-які одинокі пари. (3 очок)

II. Яка форма передбачена VSEPR атомів навколо (2 pts)...

$\mathrm{C}$:_____________________:____________________$\mathrm{N}$

ііі. Розглянемо два кута зв'язку в метиламіні нижче. Що більше? (1 пт)

1)$\mathrm{H}-\mathrm{C}-\mathrm{N}$
2)$\mathrm{C}-\mathrm{N}-\mathrm{H}$

$\overline{\text { Smaller }} \quad \quad \quad \overline{\text { Larger }}$

в) Якщо додати$\mathrm{H}^{+}$ іон до метиламіну, ми отримаємо метиламмоній$\left(\mathrm{CH}_3 \mathrm{NH}_3^{+}\right)$, органічний іон, який часто використовується в перовскітних сонячних елементах.

i. Намалюйте іон метиламмонію, використовуючи його геометрію VSEPR. Включіть будь-які одинокі пари. (2 pt)

II. Позначте формальні заряди на кожному атомі на вашому малюнку вище (2 бали)

ііі. Чи має метиламмоній стабільні резонансні структури? Якщо так, намалюйте один. Якщо ні, то чому б і ні? (2 бали)

Завдання 2 (17 БАЛІВ)

Ви новий вчений в фантазії скафандрі компанії. Щоб перевірити свої знання з полімеру, ваш бос попросив вас розробити матеріал для їх новітнього скафандра. На жаль, незважаючи на критичний характер скафандра, хімічна лабораторія, здається, жахливо недофінансується, і у вас є лише два полімери на вибір.

а) Полімер 1 виготовляється з мономера тетрафторетилену$\left(\mathrm{C}_2 \mathrm{~F}_4\right)$. Намалюйте структуру Льюїса для однієї молекули тетрафторетилену. Що таке гібридизація одного з атомів вуглецю? (4 бали)

б) Намалюйте блок повторення для полімеру, виготовленого з полімеризації цього мономера. Яку методику полімеризації слід використовувати? (3 бали)

в) Полімер 2 - це полімер, виготовлений з наступних мономерів. Намалюйте відповідний полімер. Яку методику полімеризації слід використовувати? (5 балів)

г) Космічні костюми повинні відхиляти воду, тобто полімер не повинен взаємодіяти з$\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$. Який полімер вибрати? (Полімер 1 або 2) Дайте пояснення в одному реченні, переконавшись, що включають міжмолекулярні сили.$3 \mathrm{pts})$

д) Ваш начальник переживає, що ваш космічний костюм порветься занадто легко. Як ви могли змінити свій полімер, щоб поліпшити його довговічність? (2 бали)

Завдання 3 (21 БАЛ)

3. Залізо ($\mathrm{Fe}$), яке є важливим компонентом багатьох деталей на Apollo 3.091, утворює структуру ОЦК при кімнатній температурі.

а) Намалюйте (110) площину$\mathrm{Fe}$ на графіку, наданому нижче. (3 бали)

Модифікований образ роботи космонавта. Оригінальне зображення знаходиться у відкритому доступі (джерело: NASA).

б) Що таке тісно упакований напрямок$\mathrm{Fe}$? Вкажіть, де це відносно площини (110), намальованої вище, намалювавши її на графіку, наданому в частині (а), і ПОЗНАЧТЕ напрямок правильною кристалографічною номенклатурою,$<h k l>$. (5 балів)

в) Важко отримати 100% чисте залізо, оскільки в матеріалі часто є деякі домішкові елементи. Одним із загальних домішкових елементів є водень, який присутній у вигляді інтерстиціального елемента в залізі.

ОБВЕДІТЬ зображення нижче, яке точно показує інтерстиціальний атом водню в (110) площині заліза. (3 pots)

г) Залізо має радіус дії$1.24 \AA$. Розрахувати щільність$\mathrm{Fe}$ в$\mathrm{g} / \mathrm{cm}^3$? (1 атомна маса одиниці$= 1.66 \times 10^{-24}$ грам,$\left.1 \AA=10^{-8} \mathrm{~cm}\right)(6 \mathrm{pts})$

 

Ви вирішили провести випробування на розтяг на$\mathrm{Fe}$ дроті. Після експерименту ви дивитеся на деформовану частину зразка і бачите наступне:

д) В ОДНОМУ реченні поясніть, що особливого стосується затінених площин на діаграмі вище. (4 пункти)

Завдання 4 (20 БАЛІВ)

Ми багато говорили про напівпровідники, але не згадали про один цікавий клас напівпровідників - органічні напівпровідники. Професор Гроссман буде використовувати органічні світлодіоди для садівничого освітлення на космічному кораблі, тому важливо розуміти їх!

Світлодіоди можна використовувати для вирощування рослин у космосі!

а) Одним із прикладів органічного напівпровідника є поліетин ($\mathrm{PE}$). Частина його структури показана нижче. Обведіть повторювану одиницю. (2 очок)

б) Поліетин є напівпровідником, оскільки його резонансні структури дозволяють електронам рухатися. Одна - структура, показана вище; намалюйте одну повторювану одиницю іншої поліетиленової резонансної структури. (3pts)

в) Для підвищення провідності до корисних рівнів поліетилен потрібно легувати - але легуючі речовини поводяться інакше, ніж неорганічні напівпровідники. При легуванні бромом з полімеру на молекулу брому видаляють два електрони:

$$\mathrm{PE}+\mathrm{Br}_2 \rightarrow(\mathrm{PE})^{2+}+2 \mathrm{Br}^{-} \nonumber$$

У цьому випадку, чи діє бром як$\mathrm{p}$ домішка типу -типу або$\mathrm{n}$ -типу? Коротко поясніть свою відповідь. (Провідність відбувається через полімерні ланцюги; іони брому суттєво не сприяють, і для цього питання можна припустити, що вони присутні тільки для того, щоб зберегти загальний заряд нейтральним)$(3 \mathrm{pts})$

 

г) Діаграма діапазонів для нейтрального поліетилену показана нижче. Намалюйте діаграму смуги для$\mathrm{Br}_2-$ легованого поліетилену на однакових осях. (4 п.)

д) Деякі органічні напівпровідники дотримуються тієї ж тенденції температури проти провідності, що і неорганічні напівпровідники. Схема показана нижче.

i. що обумовлює близьконульовий нахил температурної залежності в проміжному температурному режимі? (4 бали)

II. Теоретичні дослідження показали, що поліетин може проявляти близьку$\mathrm{K}$ до нульової температурної залежності від 100 до приблизно 450$\mathrm{K}$; однак температура склопереходу вашого ПЕ становить близько 400$\mathrm{K}$. Що ви могли б зробити, щоб збільшити температуру скляного переходу вашого ПЕ напівпровідника, щоб його можна було використовувати в більш широкому діапазоні температур? (4 бали)

Завдання 5 (21 БАЛ)

Чужий меч чистого металу впав з космосу на кампус Массачусетського технологічного інституту! Як експерт матеріалознавця, ви покликані досліджувати його властивості.

Інопланетний меч! Хто знає, з чого він зроблений... о, почекайте, ми можемо дізнатися за допомогою рентгенівських променів.:)

а) Насамперед - давайте розберемося, яку кристалічну структуру має матеріал в цьому мечі! Ви встромляєте меч у рентгенівську дифракційну машину (XRD) і чекаєте деяких результатів.

(Примітка: Це трохи інакше в реальному житті.)

На жаль, інопланетний меч випускає вибух ~ чужорідної енергії ~ під час експерименту! Це не тільки пошкоджує вашу машину XRD, але ваші результати отримують всі розірвані. Вам вдається врятувати деякі ШМАТКИ графіка XRD, показаного нижче:

На основі врятованого графіка XRD, які всі можливі кубічні кристалічні структури меч міг мати? (4 бали)

б) Ви все ще не знаєте, з чого зроблений меч! На щастя, частина рентгенівського генератора вашої машини XRD на мільйон доларів не була пошкоджена. Не стримуючи, ви вирішили зробити меч джерелом рентгенівських променів, прискорюючи електрони на ньому, щоб генерувати рентгенівський спектр.

Намалюйте рентгенівський спектр. Позначте горизонтальні та вертикальні осі, випромінювання Brehmsstrahlung$\mathrm{K}_\alpha, \mathrm{K}_\beta, \mathrm{L}_\alpha$, і$\mathrm{L}_\beta$. (6 балів)

 

в) Ви можете з'ясувати, який матеріал ваш меч, проаналізувавши його рентгенівський спектр!

У результуючому спектрі випромінювання$\mathrm{x}$ -ray ви спостерігаєте$\mathrm{L}_\alpha$ пік на довжині хвилі$\lambda=2.383 \times 10^{-9}$ метрів. З якого металу виготовлений меч? Припустимо фактор скринінгу, сигма$(\sigma)$, для$\mathrm{L} \alpha$ випромінювання є$7.4$.

Використовуйте рівняння$E=13.6 *(Z-\sigma)^2\left(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\right)$, де$\sigma$ коефіцієнт екранування. (3 бали)

 

г) На жаль, ви настільки поглинулися своєю роботою, що не помічаєте, що стрілянина прискореною електронами на меч розігріла його! Меч був на 600$\mathrm{K}$ протягом 3 годин, які ви провели, аналізуючи свої дані. Іншими словами, меч був відпалений.

В ОДНОМУ реченні поясніть, як це може змінити принаймні дві механічні властивості меча. (4 бали)

 

д) Графік нижче має криву напруження-деформації для меча ПЕРЕД вашими експериментами.

я Намалюйте криву напруження-деформації для меча ПІСЛЯ ваших експериментів, тобто після того, як він був відпалений і був повернутий до кімнатної температури. (4 бали)

Завдання 6 (19 БАЛІВ)

Ви працюєте в лабораторії професора Гроссмана і отримали наступні рішення:

Розчин 1:$0.0334$ грам$\mathrm{CaF}_2$ у$2 \mathrm{~L}$ воді
Розчин 2:$0.0334$ грам$\mathrm{CaF}_2$ у$3 \mathrm{~L}$ воді
Розчин 3: Розчин$2+1 \mathrm{~L}$$5^* 10^{-5} \mathrm{M} \mathrm{PbF}_2$

а) Припускаючи, що іонна тверда речовина повністю розчиняється, щоб створити насичений водний розчин, що таке$\mathrm{CaF}_2$ в Розчині 1?$\mathrm{K}_{\mathrm{sp}}$ (3 бали)

б) Концентрація Розчин 2 є$1.43^* 10^{-4} \mathrm{M}$, а$\mathrm{K}_{\mathrm{sp}}$ of$\mathrm{PbF}_2$ є$3.7^* 10^{-8}$.

i. які концентрації кожного іона в Розчині 3? (4 бали)

II. Випишіть$\mathrm{K}_{\mathrm{sp}}$ вирази для обох$\mathrm{CaF}_2$ і$\mathrm{PbF}_2$. (2 п.)

ііі. Використовуйте вирази з b) ii. щоб показати, чому не було б ніяких опадів. (4 бали)

в) Тепер розглянемо Рішення 2 поодинці. Ви хочете осаджувати$\mathrm{CaF}_2$ вихід з розчину, використовуючи одну з наступних хімічних речовин у вашій лабораторії:$\mathrm{PbI}_2, \mathrm{CaS}$, і$\mathrm{MgF}_2$.

я Назвіть одну хімічну речовину, яку ви могли б використовувати для осаду$\mathrm{CaF}_2$. (Може бути кілька правильних відповідей) (2 бали)

II. Скільки родимок хімічної речовини, яку ви вибрали для частини в) i. необхідно для випадання вихідних$4.28 * 10^{-4}$$\mathrm{CaF}_2$ родимок з розчину? (4 бали)

ПРОБЛЕМА 7 (25 БАЛІВ)

Вище наведені ескізи (з трьох різних підручників) трьох зразків діоксиду кремнію. Один із зразків містить$\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}$ як модифікатор мережі.

а) Який зразок містить$\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}$? (2 бали)

б) Який зразок є кристалічним кварцом? (2 бали)

в) Покладіть молярний об'єм проти температурних кривих трьох матеріалів на одному і тому ж ділянці. Обов'язково позначте свої сокири. (6 очок)

г)$\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}$ і$\mathrm{CaO}$ обидва модифікатори мережі. Мережеві модифікатори додаються, коли скло знаходиться в рідкому стані. Ви знаєте, що нормою закону для розчинення$\mathrm{CaO}$ в рідкому кремнеземі є швидкість$_{\mathrm{CaO}}=4[\mathrm{CaO}]$.

Напишіть аналогічний закон норми для розчинення$\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}$ в рідкому кремнеземі і використовуйте його для заповнення в наступній таблиці. $\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}$Реакція другого порядку з точки зору$\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}$ і не залежить від концентрації кремнезему. Будь ласка, визначте значення постійної швидкості та запишіть одиниці для$\left[\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}\right]$ та ставки.

Заповніть рядок одиниць і знайдіть швидкість випробування 2$(8 \mathrm{pts})$:

	$\left[\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}\right]$	норма
Одиниця	\ (\ left [\ mathrm {Na} _2\ mathrm {O}\ праворуч]\) ">
Пробна версія 1	\ (\ left [\ mathrm {Na} _2\ mathrm {O}\ праворуч]\) ">$2 \times 10^{-5}$	$1.2 \times 10^{-9}$
Пробна версія 2	\ (\ left [\ mathrm {Na} _2\ mathrm {O}\ праворуч]\) ">$4 \times 10^{-5}$

 

$\text{Rate law:}$$\text{rate}_{\mathrm{Na}2\mathrm{O}}$= ________________________

 

д) Які одиниці постійної швидкості в:

i. закон про$\mathrm{CaO}$ ставку ($\left.2 \mathrm{pts}\right)$

ii. закон про$\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}$ ставку ($\left.2 \mathrm{pts}\right)$

 

е) Думаючи про розмір$\mathrm{Na}$ проти$\mathrm{Ca}$ іонів, поясніть в ОДНОМУ реченні, чому має сенс, що реакція оксиду натрію відбувається швидше, ніж реакція оксиду кальцію. (3 бали)

Завдання 8 (24 БАЛИ)

Ви зацікавлені в розумінні дифузії газу водню через паладій ($\mathrm{Pd}$) фільтр, щоб переконатися, що концентрація$\mathrm{H}$ не стає занадто високою в житлових приміщеннях ракети.

Модифікований космонавт сплячий. Оригінальне зображення знаходиться у відкритому доступі (джерело: NASA).

а) Обчислити початкове число$\mathrm{Pd}$ вакансій у$1 \mathrm{~mol}$ вибірці$\mathrm{Pd}$, припускаючи енергію активації вакансії$=0.7 \mathrm{eV}, \mathrm{T}=300 \mathrm{~K}$, і ентропну постійну$\mathrm{A}=1(5 \mathrm{pts})$

 

б) Чи дифузується водень через паладієву решітку через інтерстиціальні ділянки або через місця заміщення? Використовуйте правила Hume-Rothery, щоб виправдати свою відповідь одним реченням. (3 бали)

 

в) Коефіцієнт дифузії водню через паладій при$300 \mathrm{~K}$ дорівнює$3.2 \times 10^{-10} \mathrm{~m}^2 / \mathrm{s}$. Ви піддаєте одну сторону пластини водневій$0.0446 \mathrm{M}$ атмосфері з концентрацією, а іншу - повітрю з концентрацією водню$2.23 \times 10^{-8} \mathrm{M}$. Який потік атомів водню через цей кристал Pd при$300 \mathrm{~K}$? Вафля Pd$2.7 \mathrm{~mm}$ товста. Підказка: 1 літр - це$0.001 \mathrm{~m}^3$. (5 очок)

 

г) Намалюйте профіль концентрації атомів водню через цей кристал на 300$\mathrm{K}$. (3 бали)

д) При$400 \mathrm{~K}$, коефіцієнт дифузії дорівнює$\mathrm{D}(400 \mathrm{~K})=3.51 \times 10^{-5} \mathrm{~m}^2 / \mathrm{s}$.

я Припустимо, що дифузія слідує закону Арренія:$\mathrm{D}=\mathrm{D}_0 * \exp \left(-\mathrm{E}_{\mathrm{a}} /\left(\mathrm{k}_{\mathrm{B}} \mathrm{T}\right)\right)$. Що таке енергія$\mathrm{E}_{\mathrm{a}}$ активації дифузії$\mathrm{H}$ наскрізного$\mathrm{Pd}$? (4 бали)

II. При якій температурі ми повинні тримати Pd таким, щоб потік атомів водню через фільтр Pd був$1.38 \times 10^{-4} \mathrm{~mol} / \mathrm{m}^2 \mathrm{~s}$? Підказка: використовуйте інформацію з частини c. або частини e. для визначення$\mathrm{D}_0$. (4 бали)

Завдання 9 (19 БАЛІВ)

На наступній схемі показаний рН деяких поширених речовин:

а) З наведеної вище шкали назву:

i. найсильніша кислота (1 пт)

II. Найслабша база (1 пт)

ііі. Нейтральна речовина (1 pt)

Кислий інгредієнт оцту - оцтова кислота$\left(\mathrm{CH}_3 \mathrm{COOH}\right)$. Ви купили пляшку оцту і виміряли ваш розчин навколо$2.4$, і молярна концентрація оцтової кислоти в оцті навколо$0.85 \mathrm{M}$.$\mathrm{pH}$

 

б) Напишіть кислу реакцію оцтової кислоти з водою. Позначте сполучені пари кислоти та основи. (4 пункти)

 

в) Яка$\left(\mathrm{H}_3 \mathrm{O}^{+}\right)$ концентрація іонів гідронію нашого$0.85 \mathrm{M}$ розчину оцтової кислоти? (3 бали)

 

г) Виходячи з наданої інформації та вашої відповіді на частини б) і в), визначте значення постійної іонізації кислоти$\mathrm{K}_{\mathrm{a}}$, для оцтової кислоти. (3 бали)

 

д) Яка$\left(\mathrm{H}_3 \mathrm{O}^{+}\right)$ концентрація іонів гідронію$0.010 \mathrm{M}$ розчину оцтової кислоти? (3 бали)

 

е) Що таке$0.010 \mathrm{M}$ розчин оцтової кислоти?$\mathrm{pH}$ (3 бали)

 

Завдання 10 (13 БАЛІВ)

Коли Всесвіт охолоджувався після великого вибуху, іонізований водень$(\mathrm{H}+)$ поєднується з вільними електронами ($\mathrm{e}-$), утворюючи водневий газ.

а) Напишіть збалансоване рівняння для цієї реакції. (2 бали)

 

б) Коли$\mathrm{H}+$ і$\mathrm{e}-$ комбінуються, фотон випромінюється в міру розслаблення електрона до основного стану, по суті повертаючи процес іонізації від основного стану.

i. яка енергія цього електронного переходу? (2 бали)

II. Яка довжина хвилі фотона, який випромінюється? (3 бали)

 

в) Ми можемо дізнатися про елементний склад зірок, спостерігаючи, які довжини хвиль поглинаються зіркою.

i. Поясніть в ОДНОМУ реченні, чому спектри поглинання мають темні лінії (як показано на малюнку вище). [Примітка - щоб заощадити гроші на CopyTech, ми надрукували це у відтінках сірого, але спочатку це був спектр, що переходить від синього до червоного.] (3pts)

II. Поясніть в ОДНОМУ реченні, чому темні лінії з коротшою довжиною хвилі ближче один до одного, ніж темні лінії довшої хвилі (3pts)

Модифіковане зображення астронавта махає © першоджерело невідомо. Всі права захищені. Цей вміст виключається з нашої ліцензії Creative Commons. Для отримання інформації див. https://ocw.mit.edu/fairuse.