YLIOPPILASTUTKINTO-

YLIOPPILASTUTKINTO-		KEMIAN KOE
LAUTAKUNTA	Ratkaisut	17.3.2008

MAOL:n yleisiä ohjeita

Kemian kannalta epätäsmällisestä kielenkäytöstä, huolimattomasti piirretyistä orgaanisten yhdisteiden rakennekaavoista tai huolimattomasta kaavojen kirjoittamisesta sekä virheellisistä nimistä vähennetään 0 – 1 p.
Pieni laskuvirhe tai likiarvojen huolimaton käyttö aiheuttaa 1/3 – 1 pisteen vähennyksen. Tehtävän eri osat arvostellaan 1/3 pisteen tarkkuudella ja loppusumma pyöristetään kokonaisiksi pisteiksi. Tehtävän sisällä pieniä puutteita voi korvata jonkin muun kohdan tavallista syvällisemmällä käsittelyllä.
Selventävien kuvien ja kaavioiden käyttö on suositeltavaa. Sanallisissa vastauksissa tulee käyttää myös kemiallisia kaavoja.
Jos vastauksena pyydetään reaktioyhtälöä, sen tulee olla esitettynä ilman hapetuslukuja pienimmin mahdollisin kokonaislukukertoimin ja olomuodoilla varustettuna. Orgaanisissa reaktioyhtälöissä ei vaadita olomuotoja.

Tarkastele oheista jaksollista järjestelmää ja valitse siitä

jokin puolijohde

Puolijohteita ovat alkuaineet, joiden sidoselektronit eivät ole täysin vapaasti liikkuvia kuten metalleissa. Puolijohteiden sidoselektronit vapautuvat hyvin pienellä energialisällä.
Puolijohteissa varauksenkuljettajina toimivat elektronit (n-tyypin puolijohde) tai positiiviset aukot (p-tyypin puolijohde). Puolijohteen sähkönjohtavuus paranee lämmitettäessä.


Positiiviset aukot p-tyypin puolijohde	Negatiiset elektronit n-tyypin puolijohde

Tyypillinen puolijohde on esimerkiksi pienillä määrillä booria (B) tai fosforia (P) doupattu pii (Si). Si-atomilla on uloimmalla kuorellaan neljä elektronia. Niinpä piiatomit muodostavat keskenään hilan tetraedrisesti suuntautunein kovalenttisin sidoksin. Hilaan syntyy häiriö, kun mukaan liitetään fosforiatomi, jolla 5 elektronia uloimmalla kuorellaan, tai booriatomi, jolla on vastaavasti kolme elektronia. P:n tapauksessa ylimääräinen elektroni siirtyy hilassa atomilta toiselle. B:n tapauksessa syntyy yhden elektronin vajauksesta aukko, joka siirtyy hilassa eteenpäin (itse asiassa elektroni siirtyy ja jälkeen jää uusi aukko). Lämmittäminen auttaa kummassakin tapauksessa elektronia saamaan riittävästi energiaa siirtyäkseen. Sekä epäorgaanisissa että orgaanisissa puolijohteissa virran kulkusuuntaa rajoittaa sidosten suuntautuminen toisin kuin metallijohteessa ja grafiitissa.

Tärkeitä puolijohteita ovat pii ja germanium.
vrt. syksy 1998 tehtävä +8.

Si, Ge

jokin alkuaine, jolla esiintyy allotropiaa

Allotropia (kreik. allo- = muu, tropos = tapa)
Allotropia tarkoittaa ilmiötä, jossa alkuaine voi esiintyä samassa paineessa ja lämpötilassa erilaisissa kemiallisissa muodoissa.
Allotroopit koostuvat saman alkuaineen atomeista, mutta atomien järjestys ja atomien väliset sidokset poikkeavat toisistaan. Seurauksena ovat suuret erot allotrooppisten aineiden fysikaalisissa ja mekaanisissa ominaisuuksissa, esimerkiksi värissä, lujuudessa tai lämmön- ja sähkönjohtokyvyssä.
Hiilen allotrooppeja ovat timantti, grafiitti ja fullereenit.
Hiilen allotroopit

C, P, S, O, Sn, Se, …

jokin alkuaine, jonka oksidi on emäksinen

Emäksinen oksidi tuottaa veteen liuetessaan emäksisen liuoksen ja hapan oksidi vastaavasti happaman liuoksen. Emäksisiä oksideja ovat alkali- ja maa-alkalimetallien oksidit (mm. Na₂O, CaO), happamia oksideja taas ovat epämetallien oksidit (mm. CO₂, SO₃)
Na₂O(s) + H₂O(l) → 2 NaOH(aq)
CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)

alkali- tai maa-alkalimetallit (ei beryllium)

ensimmäinen siirtymäalkuaine

Siirtymäalkuaine määritellään aineeksi, jonka atomeilla on epätäydellinen d-orbitaali tai joka voi muodostaa yhden tai useampia kationeja joilla on epätäydellien d-orbitaali.
Siirtymäalkuaineet kuuluvat jaksollisessa järjestelmässä d- ja f-lohkoon. Siirtymäalkuaineet ovat kaikki metalleja.

Skandium vai titaani on oikea vastaus. Molemmat hyväksyttiin.
Siirtymäalkuaine käsitteenä määritellään eri tavoin eri lähteissä. Osa lukion kemian kirjoista ei mainitse sitä käsitteenä lainkaan. Mooli-sarjassa on määritelmään, jonka mukaan siirtymäalkuaineella tulee olla ainakin yksi IONI, jolla on vajaasti miehitetty d-orbitaali. Skandiumilla ei näin ole, joten se ei tämän määritelmän perusteella olisi siirtymäalkuaine, koska Sc³⁺-ionissa d-orbitaalit ovat kokonaan tyhjät. Tämän määritelmän ensimmäinen siirtymäalkuaine olisi Ti
Toisen määritelmän mukaan ATOMILLA tai IONILLA täytyy olla osittain täyttyneet d-orbitaalit, jotta alkuaine olisi siirtymäalkuaine. Tämän määritelmän ensimmäinen siirtymäalkuaine olisi Sc. Esim. Katalyytti-sarjassa sanotaan: Skandium on ensimmäinen siirtymäalkuaine.

Sc (Ti)

voimakkain hapetin

Voimakkaimalla hapettimella on vahvin pyrkimys pelkistyä eli vastaanottaa elektroneita. Fluori on elektronegatiivisin alkuaine, joten se on voimakkain hapetin.

alkuaineet, joiden tiheys on pienempi kuin ilman tiheys (NTP).

Vain kaasumaiset alkuaineet ovat ilmaa kevyempiä. Mikään kiinteä tai nestemäinen alkuaine ei leiju ilmassa.
taulukkokirjasta: ilman tiheys (NTP): ρ = 1,293 g/dm³,
laskennallinen M(ilma) = ρV_m = 1,293 g/dm^3. 22,4 dm³/mol = 28,96 g/mol

M(H₂) = 2,0 g/mol < M(ilma)
M(He) = 4,
M(N₂) = 28,0 g/mol < M(ilma)
M(Ne) = < M(ilma)
M(O₂) = 32,0 g/mol > M(ilma)

He, Ne, N, H.

2.	Bariumhydroksidia ja bariumkloridia sisältävä näyte, jonka massa oli 1,6524 g, liuotettiin 100,0 millilitraan 0,200 M suolahappoa. Kun ylimäärä happoa titrattiin NaOH-liuoksella, kulutus oli 10,9 ml. NaOH-liuoksen konsentraation määrittämiseksi 25,0 ml NaOH-liuosta titrattiin samalla suolahappoliuoksella, jolloin sitä kului 28,5 ml. Laske bariumhydroksidin massaprosenttisuus näytteessä.
V:	Suolahappoa lisättiin: n(HCl) = 100,0 ml · 0,200 mol/l = 20,0 mmol
	HCl (aq)+ NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l)
	NaOH-liuos:
	Ylimäärin happoa: n(HCl) = V(NaOH)·c(NaOH) = 10,9 ml·0,228 mol/l ≈ 2,485 mmol
	Ba(OH)₂(aq)+ 2HCl(aq) → BaCl₂(aq)+ 2H₂O(l)
	Neutralointiin kulunut n(HCl) = (20,0 – 2,485) mmol ≈ 17,515 mmol
	n(Ba(OH)₂) = n(HCl)/2 = 17,515 mmol/2 ≈ 8,7574 mmol
	m(Ba(OH)₂ ) = nM = 8,7574 mmol·171,346 g/mol ≈ 1,5005 g
	Näytteen pitoisuus: 1,5005 g/1,6524 g = 0,9081 = 90,8 %

3.	Laadi reaktioyhtälö kullekin seuraavassa kaaviossa nuolella merkitylle reaktiolle ja selitä, millaisissa olosuhteissa reaktio tapahtuu.

V:	Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) → CaCO₃(s) + H₂O(l)
	Ca(OH)₂(aq, s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + 2H₂O(l)
	Ca(OH)₂(aq, s) + H₃PO₄(aq) → CaHPO₄(aq) + 2H₂O(l)
	Ca(OH)₂(aq, s) + H₂SO₄(aq) → CaSO₄(s, aq) + 2H₂O(l) tai vaihtoehtoisesti reaktioyhtälö, jossa rikkihappoliuos korvattu liukoisella sulfaattisuolaliuoksella, kuten Na₂SO₄-/K₂SO₄-liuoksella: Ca(OH)₂(aq) + Na₂SO₄(aq) → CaSO₄(s) + 2 NaOH(aq)
	CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) (kuumennus)
	CaCl₂(sulate) → Ca(s) + Cl₂(g) (elektrolyysi) tai vaihtoehtoisesti hapetuspelkistysreaktio kuten CaCl₂(l) + 2 Li(l) → Ca(l) + 2 LiCl(l)

4.	Agatha Cristien teoksessa "Totuus hallavan hevosen majatalosta" mystisten kuolemien syyksi selviää talliummyrkytys. Talliumyhdisteet ovat ihmiselle myrkyllisiä, koska Tl⁺-ioni muistuttaa kemiallisesti ja biologisesti K⁺-ionia. Vuonna 1976 pikkutyttö otettiin Lontoon Hammersmithin sairaalaan omituisten myrkytysoireiden takia. Christien kirjan lukenut sairaanhoitaja tunnisti talliummyrkytyksen oiret. Tyttö oli nauttinut tallium(I)sulfaattia, jota käytettiin siihen aikaan rotanmyrkkynä. Tallium(I)ioni voidaan vesiliuoksesta todeta erittäin herkällä osoitusreaktiolla:
		Tl⁺(aq) + I^-(aq) → TlI(s)
	a)	Kirkkaankeltaista tallium(I)jodidia saadaan myös Tl³⁺-ionin reagoidessa vesiliuoksessa kaliumjodidin kanssa. Samalla muodostuu kiinteää jodia. Laadi reaktiohtälö. (2 p)
	R	Tl³⁺(aq) + 3KI(aq) → TlI(s) + I₂(s) + 3K⁺(aq) tai Tl³⁺(aq) + 3I^-(aq) → TlI(s) + I₂(s)
	b)	Talliummyrkytyspotilaalle annetaan vasta-aineena kaliumrauta(III)heksasyanoferraatti(II)-kompleksia, KFe[Fe(CN)₆]. Tällöin Tl⁺-ioni vaihtaa paikkaa K⁺-ionin kanssa ja poistuu kehosta vesiliukoisena suolana. Kuinka monta grammaa vasta-ainetta tarvitaan vähintään, jos pikkutyttö on syönyt 0,4 grammaa tallium(I)sulfaattia? (2 p)
	R	Tl⁺(aq) + KFe[Fe(CN)₆] → TlFe[Fe(CN)₆](aq) + K⁺(aq)
		tallium(I)sulfaatti Tl₂SO₄ M(Tl₂SO₄) = 504,83 g/mol M(KFe[Fe(CN)₆] = 306,92 g/mol
		n(KFe[Fe(CN)₆]) = n(Tl⁺) = 2n(Tl₂SO₄)

	c)	Yhdisteissään tallium voi esiintyä Tl⁺-ionina ja Tl³⁺-ionina. Päättele talliumin elektronirakenteen perusteella, miksi tallium suosii juuri näitä ionimuotoja. (2 p)
	R	Talliumatomin (Z = 81) elektronirakenne on [Xe]5d¹⁰6s²6p¹. Pysyvät rakenteet: - …5d¹⁰6s² (tallium luovuttaa ulkokuoren p-elektroninsa ja muodostuu Tl⁺-ioni) - …5d¹⁰ (tallium luovuttaa vielä molemmat ulkokuoren s-elektroninsa ja muodostuu Tl³⁺-ioni.)

5.	Esitä reaktioissa a - d muodostuvien yhdisteiden rakennekaavat. Nimeä reaktiotuotteet.

R	a) Kondensaatioreaktio, jossa etanolimolekyyli ja metaanihappomolekyyli liittyvät yhteen ja samalla lohkeaa vesimolekyyli. Tuote on esteri ja sen nimetä eri tavoin: * metaanihapon etyyliesteri * muurahaishapon etyyliesteri * etyylimetanaatti * etyyliformiaatti
	b) Liittymisreaktio l. additioreaktio, jossa 1-buteenin kaksoissidos katkeaa ja siihen liittyy vetybromidi. Muista Markovnikovin sääntö: Additioreaktiossa vetyhalogenidin vety liittyy ensisijaisesti siihen hiileen, jossa on enemmän vetyatomeja. Tuote on 2-bromibutaani.
	c) Liittymisreaktio l. additioreaktio (hydraus = vedyn liittäminen), jossa 2-pentyyniin liitetään vetyä Tuote on pentaani.
	d) Eliminaatioreaktio, jossa molekyylistä lohkeaa pois vesimolekyyli Lähtöaine on 4-metyylisykloheksanoli. Tuote on 4-metyylisyklohekseeni.

6.	Tutkittaessa neljää eri metallia M₁, M₂, M₃ ja M₄voitiin tehdä seuraavat havainnot:
	a)	Luettele metallit pelkistämiskyvyn mukaisessa järjestyksessä siten, että vahvin pelkistin on ensin. Perustele antamasi järjestys. (2 p.)
	R	Ainoastaan M₁ ja M₃ reagoivat suolahapon kanssa vapauttaen vetykaasu. => M1 ja M₃ ovat epäjaloja metalleja, koska ne vapauttavat suolahaposta vetyä. M₂ ja M₄ jaloja metalleja. Kun metallia M₃ lisätään M₁-ioneja, M₂-ioneja ja M₄-ioneja sisältävään liuokseen, saostuvat M₁, M₂ ja M₄alkuaineina. => M₃ epäjalompi kuin M₁, M_² ja M₄ , koska M₃ pelkistää muut metalli-ionit, ja on epäjaloista metalleista epäjalompi kuin M₁Kun M₄ reagoi M₂-ionien kanssa, saadaan alkuainetta M₂ sekä M₄-ioneja. => M₄ pelkistää M₂-ionit, joten pelkistämiskyky M₄ > M₂
		Pelkistämiskyvyn mukainen järjestys: M₃, M₁, M₄, M₂
	b)	Mitä alkuainetta kukin metalleista M₁, M₂, M₃ ja M₄ voi olla, kun tiedetään, että yhtä niistä käytetään kuivapareissa, yksi on maankuoren yleisin metallinen alkuaine ja, yksi pronssin ainesosa ja yhdestä voidaan valmistaa hyvin ohuita levyjä? (2 p.)
	R	c)-kohta M₃:n oksidi on amfoteerinen + maankuoren yleisin metallinen alkuaine => M₃ on alumiini, Al Kuivapareissa käytetään sinkkiä ja hiiltä, joten toinen epäjalo metalli on sinkki. M₁ on sinkki, Zn. M₄ ja M₂ ovat jaloja metalleja. Pronssin aineosat ovat ... ja kupari. Kupari on jaloista metalleista epäjaloin, joten M₄ on kupari, Cu. jalosta metallista M₂ voidaan valmistaa ohuita levyjä
		M₂on Au, Ag, Pt
	c)	Metallin M₃ oksidi on luonteeltaan amfoteerinen. Laadi reaktioyhtälö, jossa tämä oksidi liukenee natriumhydroksidin vesiliuokseen. (2 p.)
	R	Alumiinioksidi on amfoteerinen Al₂O₃(s) + 2NaOH(aq) + 3H₂O(l) → 2Al(OH)₄⁻(aq) + 2Na⁺(aq)

7.	a)	Miten valmistat 500 ml KMnO₄-liuosta, jonka konsentraatio on noin 0,050 M, kun käytettävissäsi on 0,333 M varastoliuos kaliumpermanganaattia? Laboratoriossa olevien mittapullojen tilavuudet ovat 100,0 ml, 250,0 ml ja 500,0 ml (2 p.)
	R	Laimennettaessa liuoksen ainemäärä ei muutu. n(KMnO₄) = 0,500 l · 0,050 mol/l = 0,025 mol

		500 ml:n mittapulloon otetaan täyspipeteillä yhteensä 75,00 ml varastoliuosta, esim. 50,00 ml + 25,00 ml ja täytetään pullo tislatulla vedellä merkkiin saakka ja sekoitetaan. Huomioidaan työturvallisuus; kaliumpermanganaattiliuos on voimakkaasti hapettava liuos.
	b)	Saadun liuoksen konsentraatio tarkistettiin punnitsemalla 0,2585 g oksaalihappoa, liuottamalla se rikkihappoon ja titraamalla muodostuva liuos kaliumpermanganaatilla. Reaktiossa oksaalihappo hapettuu hiilidioksidiksi ja permanganaatti-ioni pelkistyy Mn²⁺-ioniksi: H₂C₂O₄(s) + MnO₄^-(aq) + H⁺(aq) → CO₂(g) + Mn²⁺(aq) + H₂O(l) Määritä reaktioyhtälön kertoimet. (2 p.)
	R	H₂C₂O₄(s) + MnO₄^-(aq) + H⁺(aq) → CO₂(g) + Mn²⁺(aq) + H₂O(l) Kertoimet voidaan määrittää esimerkiksi hapetuslukujen avulla: permanganaatti- ioni pelkistyy (+VII:stä +II:een) ja oksaalihapon molemmat hiilet hapettuvat (+III:sta + IV:ään). Mn: +VII → + II, pelkistyy 5 C: +III → + IV, hapettuu 1 C-atomeita 5-kertainen määrä Mn-atomeihin verrattuna. C-atomeita oltava parillinen määrä => 10 C-atomia ja 2 Mn-atomia
		5H₂C₂O₄(s) + 2MnO₄^-(aq) + H⁺(aq) → 10CO₂(g) + 2Mn²⁺(aq) + H₂O(l)
		Tasapainotetaan O-atomit 5H₂C₂O₄(s) + 2MnO₄^-(aq) + H⁺(aq) → 10CO₂(g) + 2Mn²⁺(aq) + 8H₂O(l)
		Tasapainotetaan H-atomit 5H₂C₂O₄(s) + 2MnO₄^-(aq) + 6H⁺(aq) → 10CO₂(g) + 2Mn²⁺(aq) + 8H₂O(l)
	c)	Mikä oli KMnO₄-liuoksen tarkka konsentraatio, kun sitä kului titrauksessa 23,15 ml? (2 p.)
	R	5H₂C₂O₄(s) + 2MnO₄^-(aq) + 6H⁺(aq) → 10CO₂(g) + 2Mn²⁺(aq) + 8H₂O(l) m(H₂C₂O₄) = 0,2585 g ja M(H₂C₂O₄) = 90,036 g/mol n(H₂C₂O₄) m/M = 0,2585 g / 90,036 g/mol = 0,002871 mol ≈ 2,871 mmol

		korjaa c(Mn...

Millä edellytyksillä orgaanisilla yhdisteillä voi esiintyä cis-trans-isomeriaa ja millä edellytyksillä optista isomeriaa? (3 p.)

Cis-trans-isomeria

Alifaattisilla yhdisteillä cis-trans-isomerian edellytyksenä on hiili-hiili-kaksoissidos, jonka eri
puolille on liittynyt vähintään kaksi erilaista atomia tai atomiryhmää.
Esimerkiksi


cis-1,2-dikloorieteeni	trans-1,2-dikloorieteeni

Alifaattisilla rengasrakenteisilla yhdisteillä eri hiiliatomeihin liittyneet erilaiset substituentit voivat olla renkaan eri tai samalla puolella.
Esimerkiksi


cis-1,3-dimetyylisykloheksaani	trans-1,3-dimetyylisykloheksaani

Cis- ja transisomeriaa voi esiintyä myös keskusatomin ympärillä.
Esimerkiksi


cisplatin	transplatin

Cisplatin on laajasti käytetty syöpälääke. Se sitoutuu DNA-molekyyliin ja estää sen kopioitumisen.

Optinen isomeria
Optinen isomeria on mahdollinen, jos molekyylissä on ainakin yksi asymmetrinen (epäsymmetrinen) hiiliatomi, ns kiraliakeskus. Tällainen hiili sitoo neljää erilaista atomia tai atomiryhmää. Optiset isomeerit ovat toistensa peilikuvia. Peilikuvaisomeereja kutsutaan myös enantiomeereiksi.

Peilikuvaisomeerien kemialliset ominaisuudet ovat samat, paitsi että ne reagoivat eri tavoin sellaisten molekyylien kanssa, jotka myös ovat epäsymmetrisiä. Peilikuvaisomeerien fysiologiset ominaisuudet ovat usein erilaisia.

Esim. maitohappo eli 2-hydroksipropaanihappo
iso29

On siis olemassa kaksi erilaista maitohappomolekyyliä, polarisoitua valoa oikealle kääntävä ja vasemmalle kääntävä. Väsyneessä lihaksessa muodostuva maitohappo kääntää valon polarisaatiotasoa oikealle eli myötäpäivään. Maidon hapantuessa syntyvä maitohappo kääntää polarisaatiotasoa vasemmalle eli vastapäivään.

Ohessa on esitetty neljän yhdisteen A - D rakennekaavat. Vastaa perustellen, millä yhdisteistä esiintyy cis-trans-isomeriaa tai optista isomeriaa. (2 p.)

Cis-trans-isomeriaa on molekyylissä A (kaksoissidos).

trans-2-hekseeni ja cis-2-hekseeni

Cis-trans-isomeriaa on molekyylissä D (rengas)

trans-muoto ja cis-muoto

Optista isomeriaa molekyyleissä C ja D (asymmetrinen hiiliatomi merkitty *:llä ja kirjoitettu punaisella)
8opt

Mikä tai mitkä yhdisteistä A - D ovat n-heksaanin isomeerejä? (1 p.)

Molekyylit ovat toistensa isomeerejä, jos niillä on erilainen rakennekaava, mutta sama molekyylikaava.
n-heksaanin ("normaali" heksaani) molekyylikaava C₆H₁₄
A molekyylikaava on C₆H₁₂, ei se ole n-heksaanin isomeeri.
B:n molekyylikaava C₆H₁₄, joten B on n-heksaanin isomeeri.
C molekyylikaava on C₆H₁₃Br, joten se ei ole n-heksaanin isomeeri.
D molekyylikaava on C₁₁H₂₀, joten se ei ole n-heksaanin isomeeri.

9.	Marraskuussa 2004 hyväksyttiin virallisesti joitain vuosia aiemmin löydetyn uuden alkuaineen Z = 111 nimeksi röntgensäteiden löytäjän Wilhelm Conrad Röntgenin kunniaksi röntgenium ja kemialliseksi merkiksi Rg.
	a)	Käytä hyväksi alkuaineiden jaksollista järjestelmää ja kuvaa röntgeniumin keskeisiä fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia. (4 p.)
	R	- Kemiallinen merkki Rg. - ytimessä 111 protonia. - ryhmän 11. (kupariryhmän) ja 7. jakson alkuaine. - suhteellinen atomimassa noin 272. - ulkokuoren elektronirakenne 6d¹⁰7s¹ (tai 6d⁹7s²). Uloin elektronikuori määrää aineen kemialliset ominaisuudet. - metallisuus - kiinteä aine - kemialliset ominaisuudet muistuttavat saman ryhmän alkuaineiden (Au ja Ag) ominaisuuksia - todennäköiset hapetusluvut +I ja +III. - jalous - radioaktiivisuus, ei pysyviä isotooppeja - ei tavata luonnossa
	b)	Miten superraskaita alkuaineita voidaan valmistaa? (2 p.)
	R	Raskaille atomeille annetaan hiukkaskiihdyttimessä riittävän suuri liike-energia, jonka jälkeen ne törmäytetään. Tällöin useiden ydinreaktioiden jälkeen syntyy radioaktiivinen alkuaine.	Lähde: Chemistry International Vol 27 No. 1

10.

Daltonin osapainelain mukaan kaasuseoksen kokonaispaine p_kok on sen komponenttien osapaineiden summa, esimerkiksi kaasujen A ja B seoksessa on p_kok = p_A + p_B.. Osapaineella tarkoitetaan painetta, joka kaasulla on, jos se esiintyisi astiassa yksinään.
Kun tyhjiöityyn 1,00 litran astiaan suljettiin 0,050 mol typpidioksidia ja 0,050 mol dityppitetraoksidia,

todettiin jonkin ajan kuluttua kokonaispaineen olevann 2,22 bar (222 kPa) lämpötilassa 307 K.

Mitkä olivat tällöin eri kaasujen osapaineet?

Dityppitetraoksidi ja typpidioksidi reagoivat keskenään seuraavasti:

N₂O₄(g) <=> 2 NO₂(g)

Kaasujen tilanyhtälö: pV = nRT
n = pV / RT

R = 0,0831451 bar dm³/mol K
p = 2,22 bar
T = 370 K
V = 1,00 l

	N₂O₄(g)	<=>	2 NO₂(g)
Alussa	0,050 mol		0,050 mol
Tp	0,050+x		0,050-2x

0,050 + x + 0,050 - 2x = 0,08697
x = 0,01303 (mol)

Tasapainotilassa N₂O₄ ja 2 NO₂yhteenlaskettu ainemäärä
t10

Alussa yhteenlaskettu ainemäärä oli
0,050 mol + 0,050 mol = 0,10 mol eli reaktio on edennyt sellaiseen suuntaan, että ainemäärä pienenee eli oikealta vasemmalle

n(N₂O₄) = 0,050 + 0,01303 = 0,06303 (mol)

n(NO₂) = 0,050 -2^. 0,01303 = 0,02394 (mol)

Tehtävät 11A ja 11B ovat keskenään vaihtoehtoisia. Tehtävä 11A on laadittu vanhojen vuoden 1994 lukion opetussuunnitelman perusteiden mukaan, tehtävä 11B uusien, vuonna 2005 käyttöön otettujen lukion opetussuunnitelman perusteiden mukaan. Kumpaan tahansa tehtävään saa vastata.

+11A.

Ensimmäiset maininnat ruudista ovat Kiinasta 900-luvulta, jolloin sitä käytettiin ilotulitteena. Ruutia tiedetään käytetyn sodankäynnissä Euroopassa jo 1200-luvulla, mutta vasta 1800-luvun loppupuolella keksitty savuton ruuti mahdollisti konetuliaseiden käytön. Merkittävää edistymistä merkitsi Alfred Noblin 1867 keksimä turvallinen tapa käsitellä nitroglyserolia. Uutta räjähdysainetta Nobel kutsui dynamiitiksi, ja tämän keksinnön avulla luotu omaisuus on perustana Nobelin palkinnoille. Nykyisin erilaisia räjähteitä valnmistetaan muun muassa louhintaan, sotilaskäyttöön ja ilotulitteisiin. Mihin räjähdysvaikutus perustuu? Tarkastele joitakin tavallisia räjähdysaineita, niiden koostumusta ja reaktioita sekä typpillistä käyttötarkoitusta.

Selitetty räjähdysvaikutus:
- voimakkaasti eksoterminen reaktio
- reaktiotuotteina paljon kaasuja
- nopea reaktio
- paineaalto 3 p
Räjähdeseokselta tai räjähdysaineelta vaadittavat ominaisuudet perusteltuna molekyylin
rakenteen ja reaktion avulla, esim.:
- räjähde pysymätön, tuotteet hyvin pysyviä (N₂, H₂O, CO₂)
- jos tapahtuu palamisreaktio, siihen tarvittavan hapen on oltava reaktioseoksessa 3 – 4 p
Esimerkkejä erilaisista räjähteistä: dynamiitit, nitroyhdisteet, heräteräjähteet ym.

+11B.	a)	Mitä tarkoitetaan käsitteellä puskuriliuos, ja mihin puskurivaikutus perustuu? (2 p.)
	R	Puskuriliuos on liuos, jonka pH säilyy lähes muuttumattomana, vaikka liuokseen lisätään pieni määrä happoa tai emästä tai liuosta laimennetaan. Jos puskuri toimii happoa tai emästä lisättäessä esimerkiksi HA/A^- -puskuriliuoksessa: HA(aq) + OH^-(aq) → A^-(aq) + H₂O(l) ja A^-(aq) + H₃O⁺(aq) → HA(aq) + H₂O(l).
	b)	Puskuriliuoksilla on tärkeä merkitys luonnossa. Kuvaile jotain luonnossa tavattavaa puskurisysteemiä. (2 p.)
	R	Esimerkiksi veren tärkein pH:ta säätelevä systeemi on hiilihappo- ja vetykarbonaattipuskuri. Kun veren happamuus kasvaa, muuttuu vetykarbonaatti-ioni hiilihapon kautta hiilidioksidiksi, joka poistuu hengitysilmaan: HCO₃^-(aq) + H₃O⁺(aq) → H₂CO₃(aq) + H₂O(l) → CO₂(g) + 2 H₂O(l). Kun veren emäksisyys lisääntyy, muuttuu hiilihappo vetykarbonaatti-ioniksi: H₂CO₃(aq) + OH^- (aq) → HCO₃^-(aq) + H₂O(l).
	c)	Kuinka suuri tilavuus 0,10 M natriumasetaattia tulee lisätä 100,0 ml:aan 0,10 M etikkahappoliuosta, jotta muodostuvan puskuriliuoksen pH = 4,35? (2 p.)
	R	Heikon hapon puskuriliuoksessa on voimassa heikon hapon tasapainovakion lauseke
		,
		joka perustuu heikon hapon protolyysireaktioon. Voidaan osoittaa, että puskuriliuoksessa happokonsentraatio on riittävän tarkasti sama kuin hapon alkuperäinen konsentraatio ja samoin suolan alkukonsentraatio on sama kuin puskuriliuoksen suolan konsentraatio. Tasapainovakion lauseke saadaan siis muutettua puskuriliuosta varten muotoon
		, josta


		n(suola)= 0,40 · 0,10 mol/l· 0,100 l = 0,0040 mol

	d)	Missä tilavuussuhteissa tulee 0,10 M etikkahappoa ja 0,20 M NaOH sekoittta keskenään, jotta saataisiin puskuriliuos, jonka pH = 4,75? (3 p.)

		Koska puskuriliuoksen pH on sama kuin pKa, on liuoksessa c(suola) = c(happo) ja myös n(suola) = n(happo). Kun puskuriliuos tehdään neutraloimalla heikkoa happoa emäksellä, on vain puolet haposta neutraloitava. Oletetaan esimerkiksi, että happoliuosta on 100 ml. n(happo)alussa = c·V = 0,10 M· 0,100 l = 0,010 mol → neutraloitava 0,0050 mol n(NaOH)= 0,0050 mol →

		eli 100 ml : 25 ml = 4:1
	Etikkahapon pK_a=4,75.

+12.	Ohessa on erään kasvirasvalevitteen tuoteseloste.
	a)	Selitä rasvojen yleinen kemiallinen rakenne. Levitteen rasvat on luokiteltu tyydyttyneisiin, kertatyydyttymättömiin ja monityydyttymättömiin. Miten ne eroavat ominaisuuksiltaan? (3 p.)
	R	Rasvojen rakennekaava: glyserolimolekyyli ja kolme rasvahappomolekyyliä muodostavat triesterin - Tyydyttynyt rasva: rasvahappomolekyyleissä ei ole kaksoissidoksia. - Kertatyydyttymätön rasva: rasvahappomolekyylissä yksi kaksoissidos. - Monityydyttymätön rasva: rasvahappomolekyylissä enemmän kuin yksi kaksoissidos. Ominaisuuksien vertailu, esimerkiksi: - kovuus/pehmeys - eläin-/kasvirasvat - terveysvaikutukset
	b)	Kasvirasvalevite sisältää E-vitamiinia (a-tokoferoli). E-vitamiini kuuluu rasvaliukoisiin vitamiineihin. Miten tämä on pääteltävissä sen molekyylirakenteesta? (2 p.)

	R	Rakenteessa on pitkä hiilivetyketju, joka ei ole vesiliukoinen. Rakenteessa on poolisia ryhmiä (vesihakuisia), mutta niiden vaikutus on vähäinen.
	c)	Tuoteselosteen mukaan levite on vähälaktoosinen. Mitä sillä tarkoitetaan, ja mistä syystä tällaisia tuotteita tarvitaan? (2 p.)
	R	Vähälaktoosinen tuote sisältää tavanomaista vähemmän laktoosia eli maitosokeria. - laktoosi-intoleranssi: laktoosi ei pilkkoudu, koska laktaasientsyymiä on liian vähän -> ruoansulatushäiriöt
	d)	Rasia on polypropeenia (PP). Esitä propeenin polymeroitumisreaktio. Laadi reaktioyhtälö, joka kuvaa rasian poltossa tapahtuvaa reaktiota. (2 p.)
	R	Polymeroitumisreaktio n · CH₂=CH(CH₃) → [ CH₂─CH(CH₃) ] _n Palamisreaktio: 2n C₃H₆(g) + 9n O₂(g) → 6n CO₂(g) + 6n H₂O(g, l)