Svar till förståelsefrågorna


Skeppsvrak i fara: vetenskapen kommer till undsättning! Både för Vasa och Mary Rose har analyser visat att deras träskrov innehåller omkring 2 ton av grundämnet svavel, S, i olika föreningar. Om 1000 kg svavel i träet förekommer i form av pyrit, FeS2, hur mycket svavelsyra, H2SO4(aq),…

Skeppsvrak i fara: vetenskapen kommer till undsättning!

  1. Både för Vasa och Mary Rose har analyser visat att deras träskrov innehåller omkring 2 ton av grundämnet svavel, S, i olika föreningar. Om 1000 kg svavel i träet förekommer i form av pyrit, FeS2, hur mycket svavelsyra, H2SO4(aq), skulle ha bildats när all pyrit oxiderat?

    Två reaktionsvägar är vanliga: 1. till hydratiserat järn(II)sulfat:
         FeS2(s) + 7/2O2 + (n+1)H2O → FeSO4·n(H2O)(s) + H2SO4(aq)
    eller 2. till götit, a-FeOOH (rost):
         FeS2(s) + 15/4O2 + 5/2H2O → FeOOH(s) + 2H2SO4(aq)

    Svar: 1000 kg S motsvarar 15,6 kmol FeS2. Om hydratiserad järn(II)sulfat är slutprodukten, kommer ca 1,5 ton syra att bildas. Om götit, a-FeOOH, bildas blir slutmängden den dubbla: 3,1 ton svavelsyra.
     

  2. Natriumvätekarbonat (natriumbikarbonat, NaHCO3) sätts då och då till Mary Roses återcirkulerande spraykonserveringslösning när det sjunkande pH-värdet behöver återställas till omkring 7. Hur mycket natriumvätekarbonat skulle behövas för att neutralisera den syra som kan bildas från oxiderad pyrit innehållande 1000 kg svavel (se fråga 1)?

    Svar: För att neutralisera 1,5 ton svavelsyra behövs 2,6 ton natriumvätekarbonat; för 3,1 ton svavelsyra åtgår 5,2 ton natriumvätekarbonat enligt:

    H2SO4(aq) + 2NaHCO3(aq) → 2CO2 + Na2SO4(aq) + 2H2O
     

  3. Kristallin pyrit, som har volymen 40 Å3 per FeS2-enhet (1 Å = 10-10 m), expanderar dramatiskt vid oxidation. Volymen per formelenhet av två kristallina produkter: de hydratiserade järn(II)sulfaten melanterit, FeSO4·7(H2O)(s), och rozenit, FeSO4·4(H2O)(s), är 243.5 Å3 resp, 162.7 Å3. Även natrojarosit, NaFe3(SO4)2(OH)6, med en volym av 266.0 Å3 per formelenhet, är vanligt förekommande på Vasa’s trä.

    Uppskatta hur många gånger volymen kommer att öka när en pyritkristall oxiderar och de fasta föreningarna a) FeSO4·7(H2O)(s), b) FeSO4·4(H2O)(s) eller c) NaFe3(SO4)2(OH)6 kristalliserar som produkter. Vilka effekter skulle dessa processer kunna ha om de sker inuti trästrukturen? Vad är järnets oxidationstal i natrojarosit?

    Svar: När pyrit omvandlas och FeSO4·7(H2O)(s) faller ut ökar de fasta föreningarnas volym med en faktor 12,2; volymökningen är 8,1 gånger för bildning av FeSO4·4(H2O)(s); och 6,7 gånger för NaFe3(SO4)2(OH)6. Detta kan orsaka utbrott av saltutfällningar på träytans utsida eller få trästrukturen att spricka inifrån. Natrojarosit innehåller trevärt järn, FeIII.
     

  4. Sök i en kemisk lärobok upp ett schematiskt diagram som visar molekylära orbitalenerginivåer för syremolekylen O2 i grundtillståndet. Förklara hur absorption av ljusenergi kan leda till att det bildas singlettsyre, 1O2, där alla elektroner bildat par.

    Svar: O2-molekylen är i grundtillståndet paramagnetisk med de två yttersta elektronerna oparade; en e- i vardera av två degenererade (med samma energi) antibindande molekylära p-orbitaler, som bildats genom en kombination av O-atomernas p-orbitaler. Med ett energiupptag av ~92 kJ mol-1 från ljusfotoner kan de två yttersta valenselektronerna bilda ett par i samma p-orbital (en 400-nm UV-foton har en energi av 300 kJ mol-1). Energiupptagningen behöver ofta förmedlas av ett aktiverande ämne, t ex ljusabsorberande organiskt material (humus) i lösning. Det exciterade singlettsyret 1O2 (singlett = en enda rymdorientering för elektronparen) är en diamagnetisk men reaktiv och kortlivad förening, även om dess energi bara räcker för en mild oxidationsprocess (se t ex Stumm W, Morgan J (1996) Aquatic Chemistry (3rd ed), New York, NY, USA: Wiley-Interscience).

 

License

none