by Άσκηση από διάφορα κεφάλαια χημείας σε συνδυασμό με βιολογία και φυσική
Άτομο βρίσκεται κλεισμενο σε ένα ψυχρό δωμάτιο καθαρού όγκου
10.25 m³ θερμοκρασίας 10 βαθμών κελσίου.
Για να μην παγώσει κάνει επιτόπην τρέξιμο για λίγα λεπτά, οπότε ιδρώνει και σταματαει. Αν με το τρέξιμο καταναλώνει ενέργεια 100cal και εξατμιστηκαν 1.8g νερού από τον ιδρώτα που εκκριθηκε να υπολογιστούν
Α) Η Πίεση στο δωμάτιο αν θεωρήσουμε ότι ο όγκος και η θερμοκρασία του παραμένουν σταθερά.Δινεται R=0.082atm*L/mol*K και Ar H=1, O=16, Pατμ=1atm 1torr=0.013atm περίπου ,
1 cal=4.18J
Β)Αν η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού στον ιδρώτα είναι 1cal/grad*kg, και κατά την εξάτμιση χάθηκαν από τον ιδρώτα 0.0018 cal πόσο είχε ανέβει η θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος;
γ) Γιατί κατά την εφίδρωση κοκκινιζουμε;
Δ) Αν η κινητική ενέργεια που καταναλώθηκε είναι 95cal, ποιο ποσό ενέργειας χρειάστηκε για να διατηρηθεί η θερμοκρασία του σώματος σταθερή 36.6 βαθμούς κελσίου και που βρέθηκε αυτή η ενέργεια;
Ε) Το άτομο έχει μαζί του ένα δοχείο με φέτα σε 900mL νερό με πυκνότητα νερού ρ=1kg/L για να αναπληρώνει την ενέργεια που καταναλώνει. Αν στη συνέχεια ανοίξει το δοχείο και αν η τάση ατμών του νερού που περιέχεται στη φέτα είναι 9 torr σε αυτή την θερμοκρασία θα ξεραθεί το τυρί ;Ποια η συνολική πίεση στο δωμάτιο;
Ζ) Αν το άτομο διαθέτει την ίδια ποσότητα
C γραφ και C διαμ που η καύση ενός από τα δύο του εξασφαλίζει την διατήρηση της θερμοκρασίας του σταθερή ενώ η καύση του άλλου δίνει μη επαρκή θερμοτητα. Ποιο από τα δύο είναι που πρέπει να κάψει;
Η) Αν διαθέτει μίγμα CH4 και C4H10 με αναλογία μολ 3:1 πόσα γραμμάρια πρέπει να κάψει από το μίγμα για να διατηρησει σταθερή την θερμοκρασία του σώματος του;
Δίνεται
CH4+2O2>CO2+2H2O
ΔΗ=-213 kcal
C4H10+13/2O2>4CO2
+5H20 ΔΗ=-683kcal
Ar C=12, H=1
Θ) Το άτομο έχει στη διάθεσή του αέριο υδρογόνο που με τάση διεγειρει ώστε στη συνέχεια του παρέχεται με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας η θερμότητα που χρειάζεται για να μην παγώσει. Αν η συχνότητα αποδιεγερσης από μια στιβάδα στην 4η διεγερμενη είναι 4*10¹³Hz σε ποια στάθμη βρέθηκε το ηλεκτρόνιο του υδρογονου; Πόσα g αερίων ατόμων υδρογόνου πρέπει να διεγείρουμε σε αυτή την στάθμη ώστε με την αποδιεγερση στη συνέχεια να πάρουμε την επιθυμητή θερμότητα με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας; Δίνεται h=6.63*10-³⁴J*s και c=3*10^8m/s.
Η)Κατά την αποδιεγερση των αεριων ατόμων υδρογονου από τη στάθμη με n=6 στη n=1 ποια η συχνότητα της ακτινοβολίας και από τι κινδυνεύει η υγεία του;
Θ) Αν διαθέτει ένα σακουλάκι με 11.7 g NaCl πως μπορεί να το χρησιμοποιήσει για την αποφυγή λοιμώδους νοσήματος αν έμενε για λίγες μέρες στο δωμάτιο μόνο με το δοχείο με το τυρί;
Ποια η ωσμωτική πίεση του διαλύματος που θα προκύψει αν προσθέσει το ΝaCl στο νερό στο δοχείο χωρίς μεταβολή του όγκου ;
Δίνεται Ar Na=23, Cl=35.5
και ότι ο φυσιολογικός ορός έχει περιεκτικότητα 0.9%w/v σε NaCl.
Ι) Για να αποφύγει ο άτυχος όλους αυτούς τους υπολογισμούς αρκεί να διεγείρει με την κατάλληλη τάση τα ηλεκτρόνια του αερίου υδρογόνου που θα να βρίσκονται στην 1η διεγερμενη κατασταση με κάποια συχνότητα, που θα του επιτρέψει να δει την μικρή κλειδαρότρυπα και το κλειδί που δεν φαίνονται στο σκοτάδι. Σε ποια ή ποιες συχνότητες πρέπει να ρυθμίσει την τάση για την διέγερση των ατόμων του υδρογονου που βρίσκονται στην 1η διεγερμενη (δοκιμάστε μέχρι και για n=6), ώστε να γλιτώσει από τα προβλήματα που του τέθηκαν; Πόσες γραμμές διαφορετικού χρώματος θα έχει στα φάσματα εκπομπής από τις αντίστοιχες αποδιεγερσεις μέχρι τη στάθμη με n=2
Λύσεις
α)Pολ=Ρατμ+Ρατμων
Ρόλ=1+(1.8/18)*0.082*283/
10250
Ρολ=1.00023atm.
β) ΙσχύειQ=m*c*Δθ
0.0018=0.0018*1*Δθ
Δθ=1 grad
Άρα θ=36.6+1=37.7⁰ C
γ) Το κοκκίνισμα οφείλεται στη διαστολή των αιμοφόρων αγγείων που περνούν κοντά στην επιφάνεια του δέρματος ώστε φέρουν μεγαλύτερο όγκο αίματος που ψύχεται με την εξάτμιση του ιδρώτα που συντελείται στο δέρμα ώστε γυρίζει στο εσωτερικό του σώματος με χαμηλότερη θερμοκρασία.
δ) Αφού η θερμότητα που πήρε ήταν παραπάνω από ότι χρειαζόταν με την εφίδρωση αποβλήθηκαν 0,0018 cal θερμότητας έχουμε ότι η θερμότητα που θα χρειαζόταν είναι Q= 100 – 95 – 0,0018=4,9982 cal για να διατηρήσει τη θερμοκρασία του σταθερή.
Tο άτομο πήρε αυτή τη θερμότητα αφού τρέχοντας μετέτρεψε τη χημική του ενέργεια σε κινητική και όπως ξέρουμε σε κάθε μετατροπή ενέργειας από τη μία μορφή στην άλλη παράγεται και θερμότητα.
E) Έστω ότι εξατμίζεται όλη η ποσότητα του νερού. Eχουμε ρ=1 kg/L=1g/mL Άρα η μάζα του νερού που αντιστοιχεί στα 900 mL είναι 900 g.
H πίεση που θα ασκούσαν αυτοί οι ατμοί είναι Ρ=(900/18)*0.082*283/
10250
Ρ=0.1132 atm
H τάση ατμών σε αυτή τη θερμοκρασία για το νερό είναι P⁰=9torr=0.117atm που είναι μεγαλύτερη από την πίεση που ασκούν όλοι οι ατμοι αν εξατμιστούν. Άρα θα εξατμιστεί όλο το νερό και το τυρί θα ξεραθεί.
Ρολ’=Ρολ+Ρ=1.00023+
0.1132
Ρολ’=1.11343atm.
ζ) Το διαμάντι έχει πιο πολύπλοκη δομή από το γραφίτη Άρα είναι πιο ασταθές δηλαδή έχει μεγαλύτερη ενέργεια. Οι αντιδράσεις καύσης είναι εξώθερμες, επομένως το ενεργειακό διάγραμμα θα έχει
____Cδιαμ+Ο2
_____Cγραφ+Ο2
_____CO2
Παρατηρούμε ότι|ΔΗ1|Q2 οπότε θα χρειαστεί το διαμάντι Αφού έχει ακριβώς την ίδια ποσότητα και από τα δύο και μόνο το ένα θα διατηρεί σταθερή τη θερμοκρασία του εκλύοντας περισσότερο ποσό θερμότητας ενώ το άλλο δεν επαρκεί.
ι) Με προσθήκη 11,7g NaCl στα 900 ml νερό που περιέχονται στο δοχείο παρασκευάζουμε διάλυμα. Eχουμε
στα 900 ml διαλύματος περιέχονται
11,7g NaCl
στα 100 ml x
Άρα Χ =1.23g NaCl ή 1.23%w/v. Παρατηρούμε ότι το διάλυμα έχει μεγαλύτερη περιεκτικότητα από το φυσιολογικό ορό που έχει περιεκτικότητα 0.9%w/v σε NaCl. Οπότε στην ίδια θερμοκρασία είναι υπέρτονο. Γνωρίζουμε ακόμα ότι ο φυσιολογικός ορός είναι ισότόνος με το διάλυμα στο κυτταρόπλασμα μας ώστε να μην γίνεται ωσμωση. Έτσι μπορούμε να εμποδίσουμε την ανάπτυξη μικροβίων αφού είναι και αυτά κύτταρα με παρόμοια συγκέντρωση στο κυτταρόπλασμα. Οπότε αν προσπαθήσουν να αναπτυχθούν στο διάλυμα με το NaCl σύμφωνα με το φαινόμενο της ώσμωσης θα εισέλθει διαλύτης (νερό) από το πιο αραίο (κυτταρόπλασμα μικροβίων) στο πιο πυκνό (διάλυμα χλωριούχου νατρίου) Οπότε τα μικρόβια θα χάσουν μέρος του κυτταρικού τους υγρού, θα συρρικνωθούν και θα καταστραφούν. Επιπλέον η τάση ατμών του διαλύματος σε σχέση με το καθαρό νερό μειώνεται, αφού δεν θα συγκρούονται μόνο μόρια νερου μεταξύ τους, αρα με μεγαλύτερη πιθανότητα να εξατμιστούν αλλά και με τα μόρια της διαλυμένης ουσίας οπότε η εξάτμιση θα δυσχεραίνει και μάλιστα όλο και περισσότερο καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση του διαλύματος με τη μερική εξάτμιση μορίων νερού και πιθανόν η φέτα να μην ξεραθεί.
Tο NaCl είναι ετεροπολικη ένωση και διισταται πλήρως στο νερό
NaCl>Na+ + Cl-, οπότε ο συντελεστής van’t hoff ι=2 και η ωσμωτική πίεση του διαλύματος θα είναι
Π=ι*n*R*T/V
Π=2*(11.7/58.5)*0.082*
283/0.9
Π=10.314atm.
λύσεις συνεχεια
