Jawab soalan mengikut arahan yang diberikan dalam setiap bahagian. Questions should be answered according to the instructions given in each section.

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 2016/2017 : SEMESTER II

ACADEMIC SESSION 2016/2017 : SEMESTER II SCES3130 : KIMIA FIZIK III

PHYSICAL CHEMISTRY III

Jun 2017 Masa: 3 jam

June 2017 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 dalam setiap bahagian.

Questions should be answered according to the instructions given in each section.

(Kertas soalan ini mengandungi 10 soalan dalam 10 halaman yang dicetak) (This question paper consists of 10 questions on 10 printed pages)

2/10 BAHAGIAN A (25 MARKAH)

SECTION A (25 MARKS) Jawab SEMUA soalan di Bahagian A.

Answer ALL questions in Section A.

1. (a) Bincangkan pengelasan polimer berdasarkan sifat terma dan beri DUA contoh bagi setiap satu jenis.

Discuss the classification of polymers based on the thermal behaviour and provide TWO examples of each type.

(4 markah/marks)

(b) Jika sarung tangan untuk gred perubatan ingin dihasilkan, tentukan teknik pemprosesan yang sesuai, juga nyatakan jenis lateks dan komposisi yang mungkin terlibat dalam pembuatan produk tersebut.

If the gloves for medical grade to be produced, specify an appropriate processing techniques, also state the type of latex and the possible composition involved in the manufacture of that product.

(4 markah/marks) 2. (a) Diberi satu sampel polimer terdiri daripada 6, 8 dan 4 rantaian berbeza yang masing-masing mempunyai berat molekul yang berlainan iaitu 1,500 gmol^-1, 2,100 gmol^-1 dan 2,400 gmol^-1. Tentukan:

Given a sample of polymer consisting of 6, 8 and 4 of different chains that have distinctive molecular weights; 1,500 gmol^-1, 2,100 gmol^-1 and 2,400 gmol^-1, respectively. Determine:

(i) berat molekul purata-nombor, the number-average molecular weight,

(ii) berat molekul purata-berat,

the weight-average molecular weight,

(iii) berat molekul purata-Z,

the Z-average molecular weight, (iv) kesebaran,

the dispersity,

3/10 (v) dan tentukan jenis pempolimeran yang telah berlaku berdasarkan

kesebaran yang diperolehi.

and specify the type of polymerization that has occurred based on the obtained dispersity.

(8 markah/marks) (b) Satu sampel polistirena, PS dengan jisim 3.12 g dilarutkan dalam 25 ml

kloroform. Tentukan:

A sample of polystyrene, PS with mass 3.12 g was dissolved in 25 ml of chloroform. Determine:

(i) parameter keterlarutan bagi kloroform dan polistirena.

the solubility parameters of chloroform and polystyrene.

(ii) pecahan isipadu kloroform dan polistirena.

volume fractions of chloroform and polystyrene.

(iii) entalpi pelarutan bagi larutan tersebut. the enthalpy of dissolution of the solution.

(iv) polistirena adalah lebih larut dalam kloroform atau metanol? Beri komen anda.

polystyrene is more dissolve in chloroform or methanol? Give your comment.

Diberi ketumpatan kloroform, metanol dan PS pada 25 ^oC masing-masing adalah 1.49 gcm^-³, 0.792 gcm^-³ dan 1.04 gcm^-³. Sebahagian daripada pemalar molar- tarikan, G pada 25 ^oC adalah seperti berikut:

Given the densities of chloroform, methanol and PS at 25 ^oC are 1.49 gcm^-³, 0.792 gcm^-³ and 1.04 gcm^-³, respectively. Some of the molar-attraction constants, G at 25 ^oC are listed below:

(9 markah/marks) Kumpulan

Group

G/

J^1/2cm^3/2mol^-1

Kumpulan Group

G/

J^1/2cm^3/2mol^-1

-C- 0 -OH 754

-CH- 140 -C=CH- 304

-CH2- 280 -CH=CH- 444

-CH3 420 1517

-Cl 471 1377

4/10 BAHAGIAN B (30 MARKAH)

SECTION B (30 MARKS) Jawab SEMUA soalan di Bahagian B.

Answer ALL questions in Section B.

3. Satu atom hidrogen telah dianggarkan oleh fungsi

Suppose a hydrogen atom state was approximated by the function

𝜙 = ( 1

√3) 1𝑠 + (1

√3) 2𝑠 + (1

√3) 3𝑠

dimana 1s, 2s and 3s adalah fungsi eigen ternormal bagi hamiltonian atom hidrogen. Kira tenaga penghampiran keadaan dasar yang berkaitan dengan fungsi ini dalam unit atomik.

where 1s, 2s and 3s are normalized eigen functions for the hydrogen atom hamiltonian.

Calculate the approximate ground-state energy associated with this function, in atomic

unit.

(4 markah/marks) [1 a.u. = 27.21161 eV = 4.359814×10⁻¹⁸ J, 𝐸_𝑛 = − ^𝑍2

2𝑛²] 4. Pertimbangkan atom litium.

Consider the lithium atom.

(a) Kira tenaga elektronik (dalam unit atomik) pada keadaan dasar tanpa interaksi-interaksi antara elektron.

Calculate the electronic energy (in atomic unit) in its ground state without inter-

electronic interactions.

(2 markah/marks) (b) Kira tenaga elektronik (dalam unit atomik) pada keadaan dasar menggunakan teori pengusikan peringkat pertama dengan pembetulan tenaga peringkat pertama diberi oleh 83.5 eV.

Calculate the electronic energy (in atomic unit) in its ground state using the first- order perturbation theory with the first-order energy correction given by 83.5 eV.

(2 markah/marks)

5/10 (c) Tulis dua kemungkinan fungsi gelombang yang benar dalam bentuk penentu Slater dengan menguja satu elektron dari orbital atom terisi yang tertinggi ke orbital tidak terisi 3px.

Write two possible correct zeroth-order wave functions in terms of a Slater determinant by promoting an electron from the highest occupied atomic orbital to the unoccupied 3px orbital.

(2 markah/marks) (d) Tulis dua kemungkinan pembetulan tenaga peringkat pertama dalam bentul kamiran Coulomb (J) dan pertukaran (K) bagi keadaan-keadaan yang disebut dalam bahagian 4(c).

Write two possible first-order energy corrections in terms of the Coulomb (J) and exchange (K) integrals for the corresponding states mentioned in part 4(c).

(2 markah/marks) (e) Tunjuk dan nyatakan samada salah satu daripada fungsi-fungsi gelombang dalam bahagian 4(c) simetrik atau antisimetrik terhadap pertukaran elektron-elektron.

Show and state that whether one of the wave functions given in part 4(c) is symmetric or antisymmetric with respect to the interchange of the electrons.

(3 markah/marks) (f) Tulis paras-paras atomik (dengan mengambilkira interaksi spin-orbit) dan lukis gambarajah vektor bagi orientasi jumlah momentum-momentum sudut elektronik (J) yang disebut dalam bahagian 4(c).

Write the atomic levels (by taking into account spin-orbit interaction) and draw the vector diagrams for the orientation of the total electronic angular momenta (J) for the corresponding states mentioned in part 4(c).

(5 markah/marks)

5. Satu orbital molekul simetri dihasilkan dengan mengambil 3dyz, a − 3dyz, b dimana a dan b adalah titik-titik di atas paksi z.

A symmetry molecular orbital is produced by taking 3dyz, a − 3dyz, b where a and b are points on the z axis.

(a) Lakar orbital molekul tersebut.

Sketch the molecular orbital.

(2 markah/marks)

6/10 (b) Adakah orbital molekul ini mengikat atau antimengikat? Apakah simbol

simetri bagi orbital molekul ini?

Is this molecular orbital bonding or antibonding? What is the symmetry symbol for this molecular orbital?

(2 markah/marks) (c) Nama dan terang secara ringkas penghampiran yang diguna sebelum

penentuan orbital molekul dijalankan.

Name and explain briefly the approximation used before the determination of the molecular orbital is performed.

(2 markah/marks) 6. Apakah simbol-simbol terma yang mewakili keadaan pengujaan N2 terhasil daripada pengujaan satu elektron dari orbital molekul terisi yang tertinggi kepada orbital molekul tidak terisi yang terendah? Nitrogen mempunyai 7 elektron.

What term symbols represent possible excited states of N2 produced by promoting an electron from the highest occupied molecular orbital to the lowest unoccupied molecular orbital? Nitrogen has 7 electrons.

(4 markah/marks)

7/10 BAHAGIAN C (25 MARKAH)

SECTION C (25 MARKS) Jawab SEMUA soalan di Bahagian C.

Answer ALL questions in Section C.

7. Tentukan fungsi sekatan 𝑄 untuk suatu sistem dan tulis kebarangkalian Boltzmann 𝑃_𝑗 untuk suatu sistem dengan keadaan tenaga j yang mengandungi fungsi sekatan. Mengapa fungsi sekatan adalah kepentingan utama dalam termodinamik?

Define the partition function 𝑄 for a system and write down the Boltzmann probability 𝑃_𝑗 for a system with energy state j featuring the partition function. Why is the partition function of central importance in thermodynamics?

(5 markah/marks) 8. (a) Terangkan secara ringkas fungsi sekatan putaran pada molekul yang

diberikan oleh ungkapan seperti:

Describe briefly the rotational partition function of molecules given by expressions such as:

𝑞 _𝑅 = ^𝑘𝑇

𝜎ℎ𝑐𝐵 , 𝑞_𝑅 =^√𝜋

𝜎 ( ¹

𝛽ℎ𝑐𝐵𝐴)^1/2 ( ¹

𝛽ℎ𝑐𝐵𝐵)^1/2 ( ¹

𝛽ℎ𝑐𝐵𝐶)^1/2

Jika faktor B adalah dalam unit cm^-1, tunjukkan c mestilah dalam unit c.g.s. dengan faktor-faktor lain dalam unit S.I. untuk mencapai dimensi yang konsisten.

If the 𝐵 factor is in cm^-1 units, show 𝑐 must be in c.g.s. units with the other factors in S.I. units to achieve dimensional consistency.

(4 markah/marks) (b) Hitungkan fungsi sekatan untuk molekul berikut pada 298 K.

Evaluate the partition function for the following molecules at 298 K.

(i) OCS (B=1.48 cm^-1, linear, taksimetri) OCS (B=1.48 cm^-1, linear, asymmetric)

(4 markah/marks)

8/10 (ii) ONCl (BA = 2.84 cm^-1, BB = 0.191 cm^-1, BC = 0.179 cm^-1, poliatom,

taksimetri)

ONCl (B A= 2.84 cm^-1, BB = 0.191 cm^-1, BC = 0.179 cm^-1, polyatomic, asymmetric)

(4 markah/marks)

(iii) CH2O (BA = 9.40 cm^-1, BB = 1.29 cm^-1, BC = 1.13 cm^-1, poliatom, 𝜎 = 2)

CH2O (BA = 9.40 cm^-1, BB = 1.29 cm^-1, BC = 1.13 cm^-1, polyatomic,𝜎 = 2)

(4 markah/marks) (c) Dari hukum ekuipartisi atau sebaliknya, tentukan purata suhu tinggi tenaga

putaran dalam unit kT untuk semua molekul di atas.

From the equipartition law or otherwise, determine the average high temperature rotational energy in 𝑘𝑇 units for all of the above molecules.

(4 markah/marks) (h = 6.626x10^-34 Js, k = 1.38x10^-23 JK^-1, c = 3.00x10¹⁰ cms^-1)

9/10 BAHAGIAN D (20 MARKAH)

SECTION D (20 MARKS) Jawab SEMUA soalan di Bahagian D.

Answer ALL questions in Section D.

9. Persamaan Eyring bagi teori keadaan peralihan mempunyai kadar k dalam bentuk yang berikut:

The Eyring equation of transition state theory has the rate constant 𝑘 in the following form:

𝑘 = 𝑘_𝐵𝑇

ℎ𝑐⁰ exp (−Δ𝐺^≠

𝑅𝑇 ) = 𝑘_𝐵𝑇

ℎ𝑐⁰ exp (+Δ𝑆^≠

𝑅𝑇 ) exp (−Δ𝐻^≠ 𝑅𝑇 )

Secara ringkas, komen tanpa terbitan bagaimana ungkapan ini telah dibina dan ulaskan kepentingan semua terma dalam persamaan di atas.

Briefly comment without derivation on how this expression was constructed and the significance of all the terms in the above form.

(6 markah/marks) 10. (a) Hurai prinsip dalam kinetik kimia teknik pengusikan (contoh, suhu dan

tekanan melompat) dan faedah kaedah-kaedah tersebut.

Describe the principles in chemical kinetics of perturbation techniques (e.g.

temperature and pressure jump) and the advantages of such methods.

(6 markah/marks) (b) Suatu ujikaji suhu melompat telah dilakukan pada 298K dan tekanan 1 atmosfera bagi tindak balas dalam fasa akueus berhampiran dengan keadaan keseimbangan seperti berikut:

A temperature jump experiment was performed at 298K and 1 atmosphere pressure for the reaction in an aqueous phase close to equilibrium conditions as follows:

H20 𝑘_𝑟

⇋ 𝑘_𝑓

H⁺ + OH^-

di mana 𝑘_𝑓, 𝑘_𝑟 adalah pemalar kadar hadapan dan belakang. Masa relaksasi 𝜏 adalah 37x10^-6 s di mana

where 𝑘_𝑓, 𝑘_𝑟 are the forward and reverse rate constants. The relaxation time 𝜏 was 37x10^-6 s and where

10/10

1

𝜏 = (𝑘_𝑓+ 𝑘_𝑟 ([H⁺] + [OH^-] ) ) …(e1) dengan

with ^𝑘𝑓

𝑘𝑟= 𝐾_𝑐 = ^[H

+][OH^-]

[ H2O] …(e2)

Berhampiran keadaan keseimbangan, [H⁺] = [OH^-] = 1.0x 10^-7 M dan [H20] = 55.5 M. Tentukan 𝑘_𝑓 dan 𝑘_𝑟 daripada data dan persamaan (e1, e2).

Near equilibrium conditions, [H⁺] = [OH] = 1.0x 10^-7 M and [H20] = 55.5 M. Determine 𝑘_𝑓 and 𝑘_𝑟 from the data and equations (e1, e2).

(8 markah/marks)

TAMAT END