(Kertas soalan ini mengandungi 6 soalan dalam 7 halaman yang bercetak) (This question paper consists of 6 questions on 7 printed pages)

(1)

PEPERIKSAAN IJAZAH SARJANA MUDA SAINS

EXAMINATION FOR THE DEGREE OF BACHELOR OF SCIENCE

SESI AKADEMIK 2019/2020 : SEMESTER I ACADEMIC SESSION 2019/2020 : SEMESTER I

SIC1004 : KIMIA FIZIK I

: PHYSICAL CHEMISTRY I

Dis 2019/Jan 2020 Masa: 3 jam

Dec 2019/Jan 2020 Time: 3 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 di dalam setiap bahagian. Question should be answered according to the instructions given in each section.

(Kertas soalan ini mengandungi 6 soalan dalam 7 halaman yang bercetak) (This question paper consists of 6 questions on 7 printed pages)

(2)

BAHAGIAN A (30 MARKAH)

SECTION A (30 MARKS)

Jawab SEMUA soalan. Answer ALL questions.

1. (a) Kelaskan setiap entiti berikut kepada sifat-sifat ekstensif atau intensif. Classify each of the following entities according to extensive or intensive properties. (i) Entropi Entropy (ii) Tekanan Pressure (iii) Suhu Temperature (iv) Jisim Mass (v) Ketumpatan Density (vi) Isipadu Volume (3 markah/marks)

(b) Lakar gambarajah P-V untuk proses sesuhu, adiabatik, setekanan, dan seisipadu pada satu graf.

Sketch the P-V diagrams for isothermal, adiabatic, isobaric, and isochoric processes into one single graph.

(4 markah/marks)

(c) Apabila 210 J tenaga dibekalkan sebagai haba pada tekanan malar kepada 3.2 mol sesuatu gas, suhu gas tersebut meningkat sebanyak 5.2 K. Kira kapasiti haba molar pada tekanan malar dan isipadu malar untuk gas tersebut.

(Nota: R = 8.314 J K-1_mol-1₎

When 210 J of energy is supplied as heat at a constant pressure to 3.2 moles of a gas, the temperature of the gas increases by 5.2 K. Calculate the molar

heat capacities at constant pressure and constant volume of the gas.

(Note: R = 8.314 J K-1_mol-1₎

(3)

(d) Terangkan mengapa kapasiti haba untuk gas pada tekanan tetap, Cp, adalah lebih besar daripada kapasiti haba pada isipadu malar,Cv. Explain why the heat capacity for a gas at constant pressure, Cp, is larger than the heat capacity at constant volume, Cv.

(4 markah/marks)

2. (a) Buktikan bahawa H = q pada tekanan malar. Prove that H = q at constant pressure.

(5 markah/marks)

(b) Dari data berikut, hitung entalpi pembentukan piawai, ∆𝑓𝐻°, untuk pembentukan diborana, B2H6 (g) pada suhu 298 K.

From the following data, calculate the standard enthalpy of formation, ∆𝑓𝐻°, for diborane, B2H6 (g) at 298 K.

(i) B2H6 (g) + 3O2 (g) → B2O3 (s) + 3H2O (g) ∆𝐻₁° _{= −1941 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙}

(ii) 2B (s) + 3/2 O2 (g) → B2O3 (s) ∆𝐻₂° _{= −2368 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙}

(iii) H2 (g) + 1/2 O2 (g) → H2O (g) ∆𝐻₃° = −241.8 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

(5 markah/marks)

(c) Kira perubahan dalam entropi, S, apabila 1 mol gas unggul menggandakan isipadunya pada sebarang suhu.

(Nota: R = 8.314 J K-1_mol-1₎

Calculate the change in entropy, S, when 1 mole of an ideal gas doubles its volume at any temperature.

(Note: R = 8.314 J K-1_mol-1₎

(3 markah/marks)

(d) Apakah maklumat yang dapat diperolehi dari nilai-nilai G and A? What information can be extracted from the values of G and A?

(4)

BAHAGIAN B (30 MARKAH)

SECTION B (30 MARKS)

3. (a) Imbangkan tindakbalas redoks berikut dan kenalpasti agen pengoksidaan dan penurunan.

Balance the following redox reactions and identify the oxidizing and reducing agents.

Cr2O72-_{(ak) + Zn (p)  Zn}2+_{(ak) + Cr}3+_(ak) Cr2O72- (aq) + Zn (s)  Zn2+ (aq) + Cr3+ (aq)

(4 markah/marks)

(b) Plumbum boleh menggantikan perak dalam suatu larutan. Tindakbalas redoks berikut berlaku di dalam sel voltan pada 25.0C:

Lead can displace silver in a solution. The following redox reaction occurs in a voltaic cell at 25.0C:

Pb(p) + 2Ag+_{(ak)  Pb}2+_{(ak) + 2Ag (p)} Pb(s) + 2Ag+_(aq)__Pb2+_{(aq) + 2Ag (s)}

Akibatnya, perak adalah produk sampingan yang berharga dalam pengeluaran perindustrian plumbum dari bijihnya. Hitung keupayaan sel piawai, 𝐸_{𝑐𝑒𝑙𝑙} dan tenaga bebas Gibbs piawai, G bagi tindakbalas tersebut. [Pemalar Faraday = 96500 C mol-1_]

As a consequence, silver is a valuable by-product in the industrial extraction of lead from its ore. Calculate the standard cell potential, 𝐸_{𝑐𝑒𝑙𝑙} and the standard

Gibbs free energy, G of the reaction.

[Faraday constant = 96500 C mol-1_]

Diberi/ Given: Ag+_{(aq) + e}−_{ Ag (s)} _𝐸 𝑟𝑒𝑑 = +0.80 V Pb2+_{(aq) + 2e}−_{ Pb (s)} _𝐸 𝑟𝑒𝑑 = -0.13 V (6 markah/marks)

(c) Berapa lama (dalam minit) yang diperlukan untuk mengenapkan 2.15 g logam kromium daripada larutan Cr3+_{menggunakan arus 35.5 A dalam} sel elektrolitik?

[Pemalar Faraday = 96500 C mol-1_{, Jisim molar Cr = 51.996 g mol}-1_] How long (in minute) would it take to deposit 2.15 g of chromium metal from a solution of Cr3+_{using a current of 35.5 A in an electrolytic cell?}

[Faraday constant = 96500 C mol-1_{, Molar mass: Cr = 51.996 g mol}-1_]

(5)

4. (a) Persamaan Arrhenius diungkapkan sebagai k = Ae-Ea /RT. Terangkan bagaimana kadar tindakbalas berubah apabila suhu meningkat.

Arrhenius equation is expressed as k = Ae-Ea /RT_{. Explain how the rate of a} reaction changes as the temperature increases.

(3 markah/marks)

(b) Separuh-hayat bagi tindakbalas tertib pertama ialah 2.50 min. Hitung masa yang diambil untuk jumlah itu berkurang kepada 10% daripada nilai asalnya.

The half-life of a first order reaction is 2.50 min. Calculate the time taken for the amount to decrease to 10% of its original value.

(4 markah/marks)

(c) Penguraian urea,

The decomposition of urea,

NH2CONH2 (s) + 2 H2O  2 NH4+_{+ CO3}2-

mempunyai pemalar kadar 0.713 x 10-5 _min-1_{pada 61.0}_{C dan 2.770 x} 10-5_min-1_{pada 71.2}_{C. Hitung tenaga pengaktifan, Ea (in kJ mol}-1_{) bagi} tindakbalas tersebut. [Pemalar gas, R = 8.314 J K-1 _mol-1_]

has rate constants of 0.713 x 10-5 _min-1_{at 61.0}_{C and 2.770 x 10}-5_min-1_at 71.2C. Calculate the activation energy, Ea (in kJmol-1) for the reaction. [Gas constant, R = 8.314 J K-1 _mol-1_]

(6 markah/marks)

(d) Mekanisma berikut telah dicadangkan untuk tindakbalas hidrogen dan iodin monobromida:

Langkah 1: H2 (g) + IBr (g)  HI (g) + HBr (g) langkah perlahan Langkah 2: HI (g) + IBr (g)  I2 (g) + HBr (g) langkah cepat The following mechanism has been proposed for the reaction of hydrogen and iodine monobromide:

Step 1 : H2 (g) + IBr (g)  HI (g) + HBr (g) slow step Step 2 : HI (g) + IBr (g)  I2 (g) + HBr (g) fast step (i) Kenal pasti perantara bagi tindakbalas tersebut.

Identify the intermediate for the reaction.

(ii) Tentukan molekulariti untuk setiap langkah. Determine the molecularity of each step.

(2 markah/marks)

(6)

BAHAGIAN C (40 MARKAH)

SECTION C (40 MARKS)

5. (a) Tulis nota ringkas mengenai kedualan gelombang dan zarah seperti yang diperhatikan dalam eksperimen dua liang.

Write a short note on the wave particle duality as observed in the double-slit experiment.

(b) Bincangkan tiga (3) fenomena yang tidak dapat dijelaskan oleh mekanik klasik dan merupakan titik tolak bermulanya bidang mekanik kuantum. Discuss three (3) phenomena that cannot be explained by classical mechanics which marks the beginning of quantum mechanics.

(15 markah/marks)

(c) Berikan dua (2) fungsi yang merupakan fungsi eigen bagi operator 𝑑 2 𝑑𝑥2

.

Give two (2) functions which are eigenfunctions of the operator 𝑑

2 𝑑𝑥2.

(2 markah/marks) (d) Diberikan suatu fungsi:

 = iNr2_φ4_{(cos θ)}1/2

Tentukan N jika fungsi tersebut dinormalisasikan pada selang 0  r  a, 0  θ 𝜋

2, dan 0  φ  π

Given the function:

 = iNr2_φ4_{(cos θ)} 1/2

Determine the constant N if the function is normalized in the interval 0  r  a, 0  θ 𝜋

2, and 0  φ  π.

(7)

6. (a) Tenaga serapan bagi molekul di bawah boleh dianggarkan dengan menggunakan model zarah di dalam kotak 1-dimensi.

The energy of the absorption of the molecule below can be approximated using the particle in a 1-dimensional box model.

(i) Berapakah jumlah elektron π yang boleh dimuatkan di dalam model kotak 1-dimensi bagi molekul ini?

How many π electrons can be fitted into the 1-dimensional box model for this molecule?

(1 markah/marks)

(ii) Di bahagian manakah di dalam spektrum elektromagnetik molekul ini akan menyerap radiasi?

In which part of the electromagnetic spectrum will this molecule absorb radiation?

(1 markah/marks)

(iii) Kira tenaga serapan yang paling rendah bagi molekul ini.

Diberikan pemalar Planck h = 6.626 x 10-34 _{J.s, me}_{= 9.110 x} 10-31_{kg, r(C-C) = 154 pm, r(C=C) = 134 pm, r(C-N) = 147 pm,} r(C=N) = 125 pm.

Calculate the lowest energy absorption for this molecule. Given the Planck’s constant h = 6.626 x 10-34_{J.s, m}

e = 9.110 x 10-31 kg, r(C-C) = 154 pm, r(C=C) = 134 pm, r(C-N) = 147 pm, r(C=N) = 125 pm.

(3 markah/marks)

(iv) Kira tenaga serapan yang kedua terendah dan ketiga terendah bagi molekul ini. Adakah serapan-serapan ini dibenarkan? Jelaskan secara kualitatif.

Calculate the second and third lowest energy absorption for this molecule. Are these absorptions allowed? Explain qualitatively.

(10 markah/marks)

TAMAT END