PEPERIKSAAN IJAZAH SARJANA MUDA SAINS
EXAMINATION FOR THE DEGREE OF BACHELOR OF SCIENCE SESI AKADEMIK 2017/2018 : SEMESTER II
ACADEMIC SESSION 2017/2018 : SEMESTER II SCES3130 : Kimia Fizik III
Physical Chemistry III
Mei/Jun 2018 Masa: 3 jam
May/June 2018 Time: 3 hours
ARAHAN KEPADA CALON:
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES:
Kertas soalan ini mengandungi Bahagian A, B, C dan D.
This paper consists of Section A, B, C and D.
Jawab soalan mengikut arahan yang diberikan di dalam setiap bahagian.
Question should be answered according to the instructions given in each section.
(Kertas soalan ini mengandungi 8 soalan dalam 11 halaman yang bercetak) (This question paper consists of 8 questions on 11 printed pages)
2/11 BAHAGIAN A (25 MARKAH)
SECTION A (25 MARKS) Jawab SEMUA soalan.
Answer ALL questions.
Some useful formulae:
3/11 1. Untuk satu atom hidrogen yang diusik oleh satu medan sekata elektrik dalam
arah 𝑧, Hamiltonian terusik adalah
For a hydrogen atom perturbed by a uniform applied electric field in the 𝑧 direction, the perturbation Hamiltonian is
𝐻̂′ = 𝑒𝜉𝑧 = 𝑒𝜉𝑟 cos 𝜃
dimana 𝜉 adalah magnitud medan elektrik. (i) Pertimbangkan kesan 𝐻̂′ ke atas paras tenaga n = 2, yang mana adalah berdegenerat empat lipatan. Oleh kerana 𝐻̂′ berulang-alik dengan operator momentum sudut 𝐿̂𝑧, ia membawa kita kepada pembinaan penentu sekular menggunakan orbital-orbital kompleks atom-hidrogen 2s, 2p1, 2p0, dan 2p-1, yang mana adalah fungsi- fungsi eigen 𝐿̂𝑧. (ii) Bina penentu sekular menggunakan fakta bahawa elemen-elemen matriks 𝐻̂′ antara nilai-nilai berlainan nombor kuantum m akan hilang. (iii) Guna pertimbangan pariti bagi menunjukkan sesetengah kamiran adalah sifar. Nilaikan kamiran-kamiran bukan sifar, dan dapatkan pembetulan-pembetulan tenaga peringkat pertama dan fungsi-fungsi gelombang yang benar. Petunjuk: Pilih susunan orbital-orbital agar menjadi penentu sekular pepenjuru blok.
where 𝜉 is the magnitude of the electric field. (i) Consider the effect of 𝐻̂′ on the n = 2 energy level, which is four-fold degenerate. Since 𝐻̂′ commutes with the angular- momentum operator 𝐿̂𝑧, it leads us to set up the secular determinant using the complex hydrogen-atom orbitals 2s, 2p1, 2p0, and 2p-1, which are eigenfunctions of 𝐿̂𝑧. (ii) Set up the secular determinant using the fact that matrix elements of 𝐻̂′ between states with different values of the quantum number m will vanish. (iii) Use parity considerations to show that certain other integrals are zero. Evaluate the non-
4/11 zero integrals, and find the first-order energy corrections and the correct zeroth-order wave functions. Hint: Choose the order of the orbitals so as to make the secular determinant block diagonal.
(9 markah/marks) 2. Untuk atom karbon, paras-paras yang timbul dari konfigurasi 1s22s22p2 adalah
For the carbon atom, the levels that arise from the 1s22s22p2 configuration are
Level 3P0 3P1 3P2 1D2 1S0
(E/hc) / cm-1 0 16.4 43.4 10192.6 21648.0
dan paras-paras tenaga bagi konfigurasi 1s22s2p3 adalah and the energy levels of the 1s22s2p3 configuration are
5S2 3D3 3D1 3D2 3P1 3P2 3P0
33735.2 64086.9 64089.8 64090.9 75254.0 75255.3 75256.1
1D2 3S1 1P1
97878 105798.7 119878
Dapatkan empat nombor gelombang daripada pemindahan-pemindahan satu elektron di antara pasangan dari 15 paras-paras tersebut.
Find four wavenumbers for the one-electron transitions that are allowed between pairs of these 15 levels.
(4 markah/marks)
5/11 3. Gambarajah 1 berikut menunjukkan pembentukan MO pengikatan dan antipengikatan dari AO dalam kes homonuklear, di mana N ialah pemalar normalisasi.
The following Figure 1 shows the formation of bonding and antibonding MOs from AOs in the homonuclear and heteronuclear cases, where N is the normalization constant.
Gambarajah 1 Figure 1
Guna pengortogonalan dalam menerbitkan ekspresi yang diberi dalam gambarajah 1 bagi antipengikatan heteronuklear OM. Sahkan antipengikatan dan pengikatan homonuklear OM dalam Gambarajah 1 adalah ortogonal.
Use orthogonality to derive the expression given in Figure 1 for the heteronuclear antibonding MO. Verify that the homonuclear antibonding and bonding MOs in Figure 1 are orthogonal.
(7 markah/marks) 4. Pertimbangkan molekul etilina dalam keadaan dasar pada geometri tenaga
minimum dengan diberi koordinat-koordinat Cartesian seperti berikut (x, y, z):
Consider the ethylene molecule in its ground state at its minimum geometry, given by the following Cartesian coordinates (x, y, z):
1 C 0.000000 0.000000 0.675000 2 C 0.000000 0.000000 -0.675000 3 H 0.000000 0.952628 1.225000 4 H 0.000000 -0.952628 1.225000 5 H 0.000000 -0.952628 -1.225000 6 H 0.000000 0.952628 -1.225000
6/11 Data output ab initio berikut memberikan pekali-pekali bagi orbital atomik C dan H bagi 2 daripada orbital-orbital molekul:
The following ab initio data output gives the coefficients of the C and H atomic orbitals in 2 of the molecular orbitals of the molecule:
MO number: 6 7 1 1 C 1S 0.01434 0.00000
2 2S -0.02436 0.00000 3 2PX 0.00000 0.00000 4 2PY 0.00000 0.38979 5 2PZ 0.50273 0.00000 6 2 C 1S 0.01434 0.00000 7 2S -0.02436 0.00000 8 2PX 0.00000 0.00000 9 2PY 0.00000 -0.38979 10 2PZ -0.50273 0.00000 11 3 H 1S 0.21904 0.34718 12 4 H 1S 0.21904 -0.34718 13 5 H 1S 0.21904 0.34718 14 6 H 1S 0.21904 -0.34718
Lakarkan orbital-orbital molekul (Petunjuk: Anda cuma perlu mempertimbangkan orbital-orbital atomik yang mempunyai pekali-pekali yang besar (> 0.2). Petunjuk 2: Ianya membantu jika pada permulaan, anda melakar struktur molekul, dan juga bentuk orbital-orbital s, px, py dan pz
berserta dengan tanda-tanda mereka.)
Sketch the molecular orbitals (Hint: You need only to consider the atomic orbitals which have a large (> 0.2) coefficient. Hint 2: It will help if you sketch the molecular structure first, as well as the shape of the s, px, py and pz orbitals, with their signs.)
(5 markah/marks)
7/11 BAHAGIAN B (25 MARKAH)
SECTION B (25 MARKS) Jawab SEMUA soalan.
Answer ALL questions.
5. (a) Tiga zarah boleh beza mengisi empat tahap tenaga (0, ε, 2ε, 3ε).
Jumlah tenaga, ialah 3ε.
Three distinguishable particles are distributed among four energy level (0, ε, 2ε, 3ε). The total energy is 3ε.
(i) Beri semua konfigurasi tenaga yang mungkin Give all the possible energy configurations
(ii) Kenalpasti konfigurasi yang mempunyai kebarangkalian tertinggi Identify the configuration with the highest probability
(iii) Kira entropi bagi konfigurasi di (ii) Calculate entropy for configuration in (ii)
(6 markah/marks) (b) Tanpa memberikan huraian, tulis taburan Boltzaman bagi satu sistem yang mempunyai N (jumlah zarah), V (isipadu) dan E (tenaga) yang tetap. Apakah nisbah zarah yang menduduki sistem dua paras tenaga?
Nyatakan semua simbol yang digunakan dalam jawapan anda.
Without any derivation, write the Boltzman distribution for a system of constant N (number of particles), V (volume), E (energy). What is the ration of particle occupying a two-energy level system? Define all the terms used in your answer.
(6 markah/marks) (c) Takrif fungsi sekatan molekul, q. Beri sifat penghadannya pada suhu rendah dan suhu tinggi. Hubung-kaitkan fungsi sekatan molekul kepada fungsi sekatan berkanun bagi sistem seperti berikut:
oksigen pada suhu 300K, pepejal karbon dioksida dan wap air .
Define the molecular partition function, 𝑞. Give its limiting properties at low and high temperatures. Relate molecular partition function to the canonical partition functions for the following systems:
oxygen at 300K, solid carbon dioxide and water vapour
(9 markah/marks)
8/11 (d) Frekuensi getaran, 𝑣̃ gas iodin ialah 208 cm-1. Hitung fungsi sekatan
getaran pada 298 K.
The vibrational frequency, 𝑣̃ of iodine gas is 208 cm-1. Calculate its vibrational partition function at 298 K.
(4 markah/marks)
BAHAGIAN C (25 MARKAH) SECTION C (25 MARKS) Jawab SEMUA soalan.
Answer ALL questions.
6. (a) Terangkan secara ringkas apakah yang dimaksudkan dengan istilah berikut:
Briefly explain what is meant by the following terms:
(i) Kesan sangkar Cage effect
(ii) Kesan garam kinetic Kinetic salt effect
(4 markah/marks) (b) Hitung magnitud pemalar kadar resapan terkawal pada 25.0C bagi penggabungan semula dua atom dalam benzena, di mana
= 0.601 cP. Dengan mengandaikan kepekatan spesies yang bertindakbalas pada mulanya adalah 1.85 mmol dm-3, berapa lamakah yang diperlukan untuk kepekatan atom-atom tersebut menjadi separuh nilai itu? Anggapkan tindakbalas adalah asas.
[Pemalar gas, R = 8.314 J K-1 mol-1]
Calculate the magnitude of the diffusion-controlled rate constant at 25.0C for the recombination of two atoms in benzene, for which = 0.601 cP.
Assuming the concentration of the reacting species is 1.85 mmol dm-3 initially, how long does it take for the concentration of the atoms to fall to half that value? Assume the reaction is elementary.
[Gas constant, R = 8.314 J K-1 mol-1]
(8 markah/marks)
9/11 (c) Tindakbalas penggabungan fasa gas adalah tertib pertama bagi setiap bahan tindakbalas, A dan B. Tenaga pengaktifan untuk tindakbalas tersebut ialah 49.6 kJ mol-1. Pada 55.0C pemalar kadar ialah 0.23 m3 mol-1 s-1. Tentukan entropi pengaktifan pada 55.0C.
[Pemalar gas, R = 8.314 J K-1 mol-1, Pemalar Boltzmann, k = 1.381 x 10-23 J K-1, Pemalar Planck, h = 6.626 x 10-34 J s, Tekanan piawai, P = 101325 Pa]
A gas phase recombination reaction is first order in each of the reactant, A and B. The activation energy for the reaction is 49.6 kJ mol-1. At 55.0C the rate constant is 0.23 m3 mol-1 s-1. Determine the entropy of activation at 55.0C.
[Gas constant, R = 8.314 J K-1 mol-1,Boltzmann constant, k = 1.381 x 10-23 J K-1, Planck constant, h = 6.626 x 10-34 J s, Standard pressure, P = 101325 Pa]
(10 markah/marks) (d) Terangkan bagaimana Resonant Multiphoton Ionization (REMPI)
digunakan dalam kajian dinamik kimia.
Describe how the Resonant Multiphoton Ionization (REMPI) is used in the study of chemical dynamics.
(3 markah/marks)
10/11 BAHAGIAN D (25 MARKAH)
SECTION D (25 MARKS) Jawab SEMUA soalan.
Answer ALL questions.
7. (a) Huraikan secara ringkas bagaimana polimer boleh dikelaskan mengikut mekanisma pempolimeran dan sertakan beberapa contoh yang sesuai.
Describe briefly how polymers can be classified according to their polymerisation mechanism and include some suitable examples.
(5 markah/marks) (b) Bincangkan DUA kaedah yang sesuai dilakukan bagi meningkatkan
kandungan getah kering (KGK) bagi susu getah asli.
Discuss TWO appropriate methods to improve the dry rubber content (KGK) for the natural latex.
(4 markah/marks) 8. (a) Terangkan SATU sebab mengapa berat molekul polimer dianggap sebagai berat molekul purata. Lakarkan satu spektra tipikal (dengan lengkung) taburan berat molekul dan tunjukkan perbezaan berat molekul purata bagi setiap lengkung.
Explain ONE reason why the molecular weight of the polymer is considered as the average molecular weight. Sketch a typical molecular weight distribution spectra (with curves) and shows the different of average molecular weights for each curve.
(4 markah/marks) (b) (i) Satu sampel poli(metil metakrilat), PMMA (rujuk Rajah 1) mempunyai berat molekul sebanyak 124,000 g mol-1. Lukiskan struktur monomer bagi penyediaan polimer tersebut dan tentukan darjah pempolimerannya.
A poly(methyl methacrylate), PMMA (refer Figure 1) sample has a molecular weight of 124,000 gmol-1. Draw a structure of monomer to prepare the polymer and determine its degree of polymerisation.
(3 markah/marks)
Rajah/ Figure: 1
11/11 (ii) Bincangkan mengapa kita perlu mempertimbangkan entalpi
pelarutan.
Discuss why we need to consider the enthalpy of dissolution.
(3 markah/marks) (iii) Pada suhu 25oC, parameter keterlarutan untuk toluena dan
PMMA masing-masing adalah 18.3 dan 19.0 J1/2cm-3/2. Tentukan entalpi pelarutan bagi 0.75 g PMMA dalam 30 cm3 toluena.
[Ketumpatan PMMA = 1.17 g cm-3]
At temperature 25oC, the solubility parameter for toluene and PMMA are 18.3 and 19.0 J1/2cm-3/2 respectively. Determine the enthalpy of dissolution for 0.75 g PMMA in 30 cm3 toluene.
[Density of PMMA = 1.17 g cm-3]
(6 markah/marks)
TAMAT END
![[Dinamika Pembelajaran Berbasis Teknologi Informasi pada Lembaga Pendidikan Tinggi]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)