UNIVERSITI MALAYA UNIVERSITY OF MALAYA PEPERIKSAAN IJAZAH SARJANA MUDA SAINS EXAMINATION FOR THE DEGREE OF BACHELOR OF SCIENCE PEPERIKSAAN IJAZAH SARJANA MUDA SAINS DENGAN PENDIDIKAN EXAMINATION FOR THE DEGREE OF BACHELOR OF SCIENCE WITH EDUCATION SESI AKADEMIK 2013/2014 : SEMESTER 1 ACADEMIC SESSION 2013/2014 : SEMESTER 1 SCES2230 : KIMIA FIZIK II PHYSICAL CHEMISTRY II Disember 2013/Januari 2014 December 2013/January 2014 MASA : 2 jam TIME : 2 hours ARAHAN KEPADA CALON : INSTRUCTIONS TO CANDIDATES : Kertas soalan ini mengandungi Bahagian A, B dan C. This paper consists of Section A, B and C. Jawab soalan mengikut arahan yang diberikan dalam setiap bahagian. Questions should be answered according to the instructions given in each section. (Kertas soalan ini mengandungi 6 soalan dalam 10 halaman yang dicetak) (This question paper consists of 6 questions on 10 printed pages)
BAHAGIAN A (25 MARKAH) SECTION A (25 MARKS) Jawab soalan (a), soalan (b) dan mana-mana dua soalan yang lain. Answer question (a), question (b) and any others two questions. 1. (a) Terangkan apa itu fungsi keadaan. Hitung G untuk kemampatan isoterma 50.0 g raksa dari 1.0 atm kepada 100.0 atm pada 25 o C dengan mengandaikan isipadu raksa tidak berubah dengan tekanan. Explain what is a state function. Calculate G for the isothermal compression of 50.0 g of mercury from 1.0 atm to 100.0 atm at 25 o C assuming the volume of mercury does not vary with pressure. ( = 13.6 g ml -1 ). (b) Bermula dengan takrifan untuk dan terbitkan ungkapan Starting from the definition for and derive the expression (6 markah/marks) ( ) = T α2 κ T di mana α adalah pekali pengembangan where α is the coefficient of thermal terma dan T ialah kemampatan isoterma. Cari nilai untuk cecair air pada 25.00 o C dan 1.00 atm diberi α bersamaan dengan 2.5721 x 10-4 K -1, isipadu molar bersamaan dengan 18.0687 cm 3 mol -1, T bersamaan dengan 45.24 x 10-6 bar -1 dan bersamaan dengan 75.297 J K -1 mol -1. Apakah beza dan bila air menunjukkan ketumpatan maksimum pada 3.98 o C dan berikan alasan untuk jawapan anda. (1 Pa = 1 x 10-5 bar). expansion and T is the isothermal compressibility. Find the value of for liquid water at 25.00 o C dan 1.00 atm, given α equals 2.5721 x 10-4 K -1, molar volume equals 18.0687 cm 3 mol -1, T equals 45.24 x 10-6 bar -1 and equals 75.297 J K -1 mol -1. What is the difference between and when liquid water has a maximum density at 3.98 o C and give reason for your answer. (1 Pa = 1 x 10-5 bar). (7 markah/marks) 2/10
(c) Tunjukkan bahawa pekali Joule-Thomson boleh ditulis sebagai Show that the Joule-Thomson coefficient can be written as = ( ) T Kemudian, untuk gas van der Waals yang mana boleh ditulis sebagai Then, for a van der Waals gas for which can be written as = T hitung H untuk kemampatan isoterma 1.00mol gas pada 300K dari 1 bar kepada 100 bar. calculate H for the isothermal compression of 1.00 mol of the gas at 300K from 1 bar to 100 bar. (6 markah/marks) (d) Terangkan mengapa air menunjukkan cerun negatif berhubung dengan garis keseimbangan pepejal-cecair. Beberapa tekanan wap cecair raksa diberi seperti berikut: Explain why water shows a negative slope with respect to solid-liquid equilibrium line. Some vapor pressures of liquid Hg are given as follow: t/ o C 80.0 100.0 120.0 140.0 P/torr 0.08880 0.2729 0.7457 1.845 (i) (iii) Cari H m pengwapan purata bagi julat suhu ini dari plot lnp lawan 1/T. Find the average H m of vaporization over this temperature range from a plot of lnp versus 1/T. Tentukan tekanan wap pada 160 o C Determine the vapor pressure at 160 o C Anggarkan takat didih biasa Hg Estimate the normal boiling point of Hg (6 markah/marks) 3/10
(e) Diberi data ketumpatan larutan etanol-air pada 20 o C. Hitung isipadu larutan yang mengandungi 0.700 mol air dan amaun etanol yang bersesuaian untuk setiap titik data kecuali titik data yang awal dan yang akhir. Given the data on the density of ethanol-water solutions at 20 o C. Calculate the volume of a solution containing 0.700 mole of water and the appropriate amount of ethanol for each of the data points except for the first and last data points. % etanol secara jisim % ethanol by mass ketumpatan/g ml -1 density/ g ml -1 0 0.99823 46.00 0.9224 48.00 0.9177 50.00 0.9131 52.00 0.9084 54.00 0.9039 56.00 0.8995 58.00 0.8956 (6 markah/marks) 4/10
BAHAGIAN B (25 MARKAH) SECTION B (25 MARKS) Jawab SEMUA soalan. Answer ALL questions. 2. Fotokimia: Photochemistry: Jelaskan undang Stark-Einstein dalam bidang fotokimia dan takrifkan hasil kuantum. Describe the Stark-Einstein law in photochemistry and define the quantum yield. Tindakbalas fotolisis The photolysis reaction HN 3 + H 2 O + hv N 2 + NH 2 OH - - adalah saperti (resapan foton )= pada 214 nm dan hasil C bagi N 2, C(N 2 )= C(NH 2 OH) = selepas masa 39.98 min pancaran cahaya. Dengan anggapan kadar wujudnya hasil sentiasa tetap, hitungkan. Komen tentang pentingnya nilai. is such that (absorbance of photons)= mol m - s - at 214 nm and the yield C of N 2, C(N 2 )= C(NH 2 OH) = after a period of 39.98 min of irradiation. Assuming a constant rate of product formation, calculate. Comment on the significance of the value of. 3. Sifat angkutan: Transport properties: - nm ] (5 markah/marks) (i) Jelaskan secara ringkas fenomena pengaliran haba terma dan tulis ungkapan (tertib pertama) persamaan pengaliran haba terma Fourier. Describe very briefly the phenomenon of thermal heat conduction and write down the expression for the (first order) Fourier heat conduction equation. (3 markah/marks) 5/10
Pekali kekonduksian terma untuk Ar pada 300 K dan tekanan I atm ialah 0.0177 J K -1 m -1 s -1. Hitungkan perlanggaran keratan bagi Ar dengan anggapan perlakuan gas unggul pada keadaan yang dinyatakan. The thermal conductivity coefficient for Ar at 300 K and I atm pressure is 0.0177 J K -1 m -1 s -1. Calculate the collisional cross-section for Ar assuming ideal gas behavior at the indicated conditions. [Formula berguna/useful formulas]: T, ketumpatan nombor/number density, (molekul/molecules m -3 ), R=8.31447 JK -1 mol -1, N A = 6.02214129 m -2, 4. Kinetik: Kinetics: - ] ; ( T ),M Ar =39.95 kg; 10 23 mol -1, 1atm=101325 Pa=101325N (7 markah/marks) (i) Takrifkan pemalar kadar tindakbalas untuk tindakbalas kimia dan komen tentang pembolehubah dan (jangka pra-eksponen dan tenaga pengaktifan masing-masing) dalam rupabentuk persamaan Arrhenius dan menunjukkan bahawa bentuk Arrhenius membawa implikasi ( ) dan 2 ( 2 ). Define the rate constant for a chemical reaction and comment on the variables and (the pre-exponential term and activation energy respectively) of the Arrhenius form and show that the Arrhenius form implies ( T ) and 2 (T2 T ) (3 markah/marks) Untuk tindak balas For the reaction 2I(g) + H 2 (g) 2HI (s) (10 5 M -2 s -1 )=1.12 pada 417.9K dan 18.54 pada 737.9 K. Terbitkan dan tentukan pada 633.2 K. (10 5 M -2 s -1 )=1.12 at 417.9K and 18.54 at 737.9 K. Derive and determine at 633.2 K. [R=8.31447 JK -1 mol -1 ] (7 markah/marks) 6/10
BAHAGIAN C : KIMIA KUANTUM (50 MARKAH) SECTION C : QUANTUM CHEMISTRY (50 MARKS) Jawab DUA (2) soalan dalam Bahagian ini. Answer TWO (2) questions in this section. 5. (a) Tuliskan dua nota pendek daripada yang berikut: Write two short notes on the following: (i) Persamaan eigenilai Eigenvalues equation (iii) Prinsip ketidakpastian Heisenberg Heisenburg uncertainty principle Operator Hamiltonan Hamiltonian operator (10 markah/marks) (b) Berikan dua kesimpulan mekanik klasik yang gagal diaplikasikan kepada jasad mikroskopik. Give two conclusions of classical mechanics which fail to apply to microscopic particles. (4 markah/marks) (c) Fungsi gelombang bagi sesuatu zarah dihadkan bergerak dalam satu peti berdimensi-satu dan berkepanjangan L, ialah The wavefunction for a particle confined to move in a one-dimensional box of length L is Ψ n = sin, n (i) Tunjukkan fungsi gelombang diatas adalah fungsi gelombang yang telah dinormalkan, diberi: Show that the above wavefunction is a normalized wavefunction, given that sin 2 x dx = ¼ (2x sin 2x) 7/10
Lukiskan satu gambarajah untuk menunjukkan taburan zarah ini dalam peti pada keadaan kuantum n = 1, 2, dan 3. Terangkan bagaimana keputusan ini boleh digunakan untuk mengilustrat Prinsip Kesepadanan. Draw a diagram to show the distribution of the particle in the box at quantum states n = 1, 2, and 3. Explain how these results can be used to illustrate the Correspondence Principle. (11 markah/marks) 6. (a) Apakah magnitud momentum sudut orbital bagi sesuatu elektron dalam orbital-d? What is the magnitude of the orbital angular momentum of an electron in d-orbital? Lakarkan model vektor untuk menunjukkan semua orientasi yang dibenarkan bagi vektor momentum sudut orbital ini. Draw the vector model to show all the allowed orientations for this orbital angular momentum. (5 markah/marks) (b) Berikan dua kesamaan dan dua perbezaan antara Give two similarities and two differences between (i) orbital 1s dan orbital 2s dalam atom hidrogen. 1s orbital and 2s orbital in hydrogen atom. orbital 1s dalam atom hidrogen dan orbital 1s dalam atom helium. 1s orbital in hydrogen atom and 1s orbital in helium atom. (6 markah/marks) (c) Yang mana fungsi gelombang berikut mematuhi prinsip Pauli? Terangkan jawapan anda. Which of the following wavefunctions satisfy the Pauli principle? Explain your answer. (i) (iii) (iv) 1s (1) 1s (2) (1) (2) ½ 1s (1) 2s (2) + 2s (1) 1s (2) (1) (2) + (1) (2) ½ 1s (1) 2s (2) + 2s (1) 1s (2) (1) (2) - (1) (2) ½ 1s (1) 2s (2) - 2s (1) 1s (2) (1) (2) + (1) (2) (5 markah/marks) 8/10
Jawab soalan (d) Atau (e) Answer question (d) Or (e) (d) (i) Funsi gelombang orbital atom 1s bagi atom hidrogenik ialah The wavefunction for the 1s atomic orbital of hydrogenic atom is 1s = Z 3/2 ( a 0 3 ) -1/2 exp ( -Zr/a 0 ), di mana Z adalah nombor atom, r adalah jarak antara elektron dan nukleus, dan a 0 ialah jejari Bohr. where Z is the atomic number, r is the distance of the electron from the nucleus, and a 0 is the Bohr radius. Bermula daripada fungsi taburan jejarian, tunjukkan jejari yang mana kebarangkalian mencari elektron adalah maksima berlaku pada a o /Z. Starting from the radial distribution function, show that the radius with the maximum probability of finding the electron occurs at a o /Z. Tenaga dasar bagi atom hidrogen ialah -13.6 ev. Apakah tenaga bagi atom hidrogen apabila elektronya telah diuja ke orbital-2p? The ground state energy of hydrogen atom is -13.6 ev. What is the energy of hydrogen atom when its electron is excited to the 2p-orbital? (9 markah/marks) (e) (i) Diberi fungsi gelombang yang menghuraikan sesuatu zarah yang melakukan gerakan putaran ialah = exp(+i ), apakah komponenz momentum sudutnya, L Z? Given the wavefunction describing a particle undergoing rotational motion is = exp(+i ), what is the z-component of its angular momentum, L z? Andaikan getaran bagi molekul oksigen adalah sepadan dengen suatu pengayun harmonik dengan pemalar daya k=1177 Nm -1. Assuming the vibrations of an oxygen molecule are equivalent to those of a harmonic oscillator with a force constant k=1177 Nm -1. 9/10
Hitungkan tenaga titik-sifar getaran bagi molekul oksigen, diberi frekuensi getarannya ialah Calculate the zero-point energy of vibration of oxygen molecule, given its frequency of vibration is =, di mana adalah jisim satuan, dan jisim bagi atom oksigen ialah 2.6565x10-16 kg. where is the reduced mass, and the mass of oxygen atom is 2.6568x10-16 kg. (9 markah/marks) TAMAT END 10/10