4.3: Examen 3

Problema 1 (23 PUNTOS)

a) En los 2 sólidos cristalinos que se muestran a continuación, hay un círculo SEIS defectos puntuales diferentes TOTAL. Etiquetar cada defecto con su nombre. (6 puntos)

Decides comprar un anillo en una joyería abajo en Mass Ave. Aprovechando tu profundo conocimiento de la ciencia de los materiales desde el 3.091, decides que un anillo de platino es definitivamente el camino a seguir. Desafortunadamente, el joyero se graduó de That School Down the Street; estás molesto por su afirmación de que el anillo es “platino cristalino libre de defectos”. ¡Demostremos que están equivocados!

b) Primero, se pesa el anillo: son exactamente 2 gramos. ¿Cuántos átomos de platino hay en el anillo? (2 puntos)

c) ¿Cuántos sitios atómicos hay en el ring,\(\mathrm{N}_{\mathrm{Pt}}\)? (2 puntos)

d) Hace un poco de frío en la tienda:\(11^{\circ} \mathrm{C}(284 \mathrm{~K})\). Suponiendo que el anillo está en equilibrio térmico, calcule el número total de vacantes\(\mathrm{N}_{\mathrm{v}}\),, que se esperaría a la temperatura actual. La constante,\(A\), tiene un valor de 1.11. Asumir la energía de formación de vacantes para\(\mathrm{Pt}\) is\(0.96 \mathrm{eV}\). (4 puntos)

e) El joyero está estresado por tus cálculos frenéticos y ansioso por demostrar que no te están engañando; señalan apresuradamente que los átomos que vinieron de esas vacantes probablemente estén sentados en sitios intersticiales en la celosía. Rápidamente se levanta un papel que ha medido la concentración intersticial en\(\mathrm{Pt}\).

Nota: las unidades de concentración de defecto intersticial son mol/L.

i) Estimar la energía de formación (en J) de un defecto intersticial de la parcela. ¿Cómo se compara esto con la energía de formación de vacantes en\(\mathrm{Pt}\), que se dio anteriormente como\(0.96 \mathrm{eV}\)? Pista: supongamos que la concentración de defectos intersticiales sigue una relación de Arrhenius. (5 puntos)

ii) ¿Podría tener razón el joyero, basado en las energías de activación para la formación intersticial y la formación de vacantes? En otras palabras, ¿podrían los átomos de los sitios vacantes haberse convertido en defectos intersticiales? Explica tu razonamiento en una frase. (4 puntos)

Problema 2 (20 PUNTOS)

a) Esbozar lo siguiente en los ejes previstos:

i) Una curva de enfriamiento (volumen molar frente a temperatura) para amorfo\(\mathrm{SiO}_2\) (3 puntos)

ii) Una curva de enfriamiento (volumen molar frente a temperatura) para cristalino\(\mathrm{SiO}_2\) (3 puntos)

Por favor, etiquete las curvas\(\mathrm{i}\) y\(\mathrm{ii}\).

b) En tu parcela de arriba, etiqueta:

i) el punto (s) de fusión (2 puntos)

ii) la (s) temperatura (s) de transición vítrea (2 puntos)

c) Enumere DOS formas en las que podría cambiar la temperatura de transición vítrea. (4 puntos)

d) El vidrio templado presenta mayor resistencia en comparación con el vidrio normal. Considere una rebanada tomada a través de una lámina de vidrio templado:

Con referencia a su parcela en a), explique cómo cambia el volumen molar a lo largo de la rebanada. (4 puntos)

e) ¿Cuál de las siguientes curvas de tensión-deformación podría corresponder al vidrio templado anterior? Encierra en un círculo la letra correspondiente a la curva elegida. (2 puntos)

Problema 3 (20 PUNTOS)

En GB8, exploramos el impacto de la acidificación del océano en los pterópodos considerando la disolución\(\mathrm{CaCO}_3\) en una solución de ácido cítrico. Ahora, consideraremos un proceso similar, pero usando ácido fluorhídrico en su lugar. El ácido fluorhídrico,\(\mathrm{HF}\), tiene una constante de disociación ácida mayor que el ácido cítrico.

a) Escribir la reacción de disociación ácida para el ácido fluorhídrico. Marcar los pares de ácido/base conjugados. (5 puntos)

b) ¿Cuál es la concentración (M) de una solución que contiene\(0.05 \mathrm{~g}\)\(\mathrm{HF}\) en\(0.1 \mathrm{~L} \mathrm{H}_2 \mathrm{O}\)? (3 puntos)

c) Si la constante de disociación ácida para el ácido fluorhídrico es\(\mathrm{K}_{\mathrm{a}}=7.2 \times 10^{-4}\), ¿cuál es la\(\mathrm{pH}\) de la solución de la parte b)? (4 puntos)

e) Si te hubiéramos dado ácido fluorhídrico en\(\left(\mathrm{K}_{\mathrm{a}}=7.2 \times 10^{-4}\right)\) lugar de ácido cítrico\(\left(\mathrm{K}_{\mathrm{a}}=1.8 \times 10^{-5}\right)\) en la bolsa de golosinas, ¿esperarías que las conchas se hubieran disuelto más rápido o más lento? Explique brevemente por qué. (4 puntos)

f) Explicar qué pasaría con la\(\mathrm{pH}\) de la solución de ácido fluorhídrico si se quedara en un\(\mathrm{CO}_2\) ambiente por unas horas, y por qué. (4 puntos)

Problema 4 (21 PUNTOS)

Para compensar parte del oxígeno consumido al quemar la vela en una de tus muchas citas de los viernes por la noche, decides ejecutar una reacción que produzca\(\mathrm{O}_2\) gas lo más rápido posible. Recuerda dos opciones:

\((p) 2 \mathrm{NO}_2 \rightarrow 2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \quad \mathrm{OR} \quad (q) \mathrm{O}_3+\mathrm{Cl} \rightarrow \mathrm{ClO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})\)

Puedes encontrar alguna información sobre la reacción\((p)\): su ley de tarifas es

\(\text { rate }=\mathrm{k}\left[\mathrm{NO}_2\right]\)

(Nota: reacciones\(p\) y\(q\) tienen el mismo valor numérico para sus constantes de reacción)

Juicio #	[\(\mathrm{O}_3\)] \(\mathrm{M}\)	[\(\mathrm{Cl}\)] \(\mathrm{M}\)	tasa \(\mathrm{M}/\mathrm{s}\)
1	\ (\ mathrm {O} _3\)]\(\mathrm{M}\) “>0.07	\ (\ mathrm {Cl}\)]\(\mathrm{M}\) “>0.25	\ (\ mathrm {M}/\ mathrm {s}\) ">10
2	\ (\ mathrm {O} _3\)]\(\mathrm{M}\) “>0.14	\ (\ mathrm {Cl}\)]\(\mathrm{M}\) “>0.25	\ (\ mathrm {M}/\ mathrm {s}\) ">20
3	\ (\ mathrm {O} _3\)]\(\mathrm{M}\) “>0.07	\ (\ mathrm {Cl}\)]\(\mathrm{M}\) “>0.5	\ (\ mathrm {M}/\ mathrm {s}\) ">20

a) Utilizar los datos experimentales de la tabla anterior sobre reaction (\(q\)) para determinar su:

i. Ley de tarifas (5 puntos)

ii. Orden general (2 puntos)

iii. Valor de\(\mathrm{k}\), la constante de reacción (5 puntos)

b) Trazar la versión lineal de la ley de tasa integrada que describe\(2 \mathrm{NO}_2 \rightarrow 2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})\). Etiquetar los ejes,\(y\) -interceptar y talud. (5 puntos)

c) Si tienes 2 moles de\(\mathrm{NO}_2, 1 \mathrm{~mol} \mathrm{of} \mathrm{Cl}\), y\(1 \mathrm{~mol}\) de\(\mathrm{O}_3\) disponible (pero solo puedes ejecutar una reacción), ¿qué reacción elegirías para producir oxígeno más rápido? Justifica tu respuesta con UNA frase. (4 puntos)

Problema 5 (16 PUNTOS)

Su supervisor de investigación quiere que caracterice dos polvos elementales puros que encontró en la parte trasera del laboratorio. Desafortunadamente, el tiempo en la máquina XRD es muy limitado; para ahorrar tiempo, mezcla AMBOS POLVOS y realiza XRD en la mezcla.

Obtienes la siguiente gráfica de intensidad (recuentos) vs.\(2 \theta\) (grados):

De la parcela, se tienen los siguientes datos para ayudar a identificar las muestras. Puede resultarle útil agregar columnas para ayudar a su pensamiento (sin clasificar).

\(2 \theta\)(grados)	\((\sin \theta)^2\)
\ (2\ theta\) (grados) ">25.6	\ ((\ sin\ theta) ^2\) ">0.049
\ (2\ theta\) (grados) ">29.6	\ ((\ sin\ theta) ^2\) ">0.065
\ (2\ theta\) (grados) ">30.7	\ ((\ sin\ theta) ^2\) ">0.070
\ (2\ theta\) (grados) ">35.6	\ ((\ sin\ theta) ^2\) ">0.093
\ (2\ theta\) (grados) ">42.4	\ ((\ sin\ theta) ^2\) ">0.131
\ (2\ theta\) (grados) ">51.3	\ ((\ sin\ theta) ^2\) ">0.187

a) Utilizar reglas de selección para determinar las estructuras cristalinas de las muestras (8 puntos) Nota: Supongamos que la muestra 1 corresponde al elemento con el pico 2-theta más bajo.

 

Muestra 1: ___________________________ Muestra 2: ___________________________

b) ¿Cuáles son las constantes de celosía de las muestras? Se utilizó radiación k-alfa de cobre (longitud de onda = 1.54 Angstroms). ¡Muestra tu pensamiento! (8 puntos)

Muestra 1: ___________________________ Muestra 2: ___________________________