Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, kevät 2007

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | kysymykset (erilliseen selainikkunaan)

1. a) Amfolyytti

Amfolyytti on aine, joka voi toimia sekä happona että emäksenä. Vesi H2O on amfolyytti. Autoprotolyysireaktiossa vesi toimii sekä happona että emäksenä:

H2O + H2O → H3O+ + OH–

Muita amfolyyttejä ovat esimerkiksi aminohapot.

b) Tyydyttymätön hiilivety

Tyydyttymättömässä hiilivedyssä on ainakin yksi kaksois- tai kolmoissidos hiiliatomien välillä. Esimerkiksi alkeenit ja alkyynit ovat tyydyttymättömiä hiilivetyjä.

c) Heterosyklinen yhdiste
Heterosyklinen (kreik. hetero = muu, sykli = rengas) yhdiste on rengasrakenteinen orgaaninen yhdiste, jonka renkaassa on jokin muu kuin hiiliatomi. Heteroatomi on tavallisesti happi, typpi tai rikki.
Esimerkkejä: furaani ja pyrroli

ja   

d) Rasva
Rasvat ovat 1,2,3-propaanitriolin (glyseroli) ja rasvahappojen estereitä.

MAOL: Jos ei mainita esteriä tai lähtöaineita, niin vähennetään 1/3 p.

e) Polymeroituminen
Polymeroituminen on reaktio, jossa useat pienet molekyylit eli monomeerit liittyvät yhteen isoksi polymeeriksi.
Esimerkiksi eteenin polymeroituminen polyeteeniksi

n CH2 = CH2 →  [CH2 - CH2] n

f) Diffuusio
Diffuusio on lämpöliikkeestä johtuva kaasujen ja nesteiden sekoittuminen.

2. Bensiinin palaessa täydellisesti muodostuu hiilidioksidia ja vettä.

a) Kirjoita palamisreaktion yhtälö. (1 p.)

2 C8H18 (l) + 25 O2(g) → 16 CO2(g) + 18 H2O(g)

MAOL: Kertoimet murtolukuna, -1/3 p. Olomuotosymbolit puuttuvat, -1/3 p.

b) Kuinka monta grammaa hiilidioksidia syntyy, kun 1,55 litraa bensiiniä palaa täydellisesti? (2 p.)
Huom! 1,55 litraa bensiiniä tarkoittaa nestemäistä bensiiniä.

V(C8H18) = 1,55 l = 1550 ml ja ρ(C8H18) = 0,703 g/ml ja M(C8H18) = 114,224 g/mol
Lasketaan bensiinin massa:
m(C8H18) = ρV = 0,703 g/ml · 1550 ml = 1089,65 g
ja ainemäärä:
n(C8H18) = m(C8H18) : M(C8H18) = 1089,65 g : 114,224 g/mol =9,5396 mol
Reaktioyhtälön perusteella hiilidioksidin ainemäärä on:
n(CO2) = 8 n(C8H18) = 8 · 9,5396 mol = 76,317 mol
M(CO2) = 44,01 g/mol
m(CO2) = nM = 76,317 mol · 44,01 g/mol = 3359 g, pyöristettynä 3360 g

c) Mikä on näin muodostuneen hiilidoksidin tilavuus (NTP)? (2 p.)
V(CO2) = n(CO2)Vm = 76,317 mol · 22,4 l/mol = 1709,5 l, pyöristettynä 1710 l = 1,71 m3

d) Kuinka paljon lämpöenergiaa 1,00 litrasta bensiiniä voidaan saada? (2 p.)
Lämpöenergiaa vapautuu 

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö   ∆H = - 5470 kJ/mol

3. a) Selitä, mitä molekyylien tai ionien välisiä sidosvoimia esiintyy seuraavilla yhdisteillä: NH3(l), HI(l), LiF(s), I2(s). (3 p.)

NH3(l)
Nestemäisessä ammoniakissa molekyylien välillä on dipolidipolisidoksia (vetysidoksia), koska NH3 on poolinen molekyyli.
HI(l)
Nestemäisessä vetyjodidissa esiintyy dipoli-dipolisidoksia, koska HI-molekyyli on poolinen.
LiF(s)
Kiinteä litiumfluoridi koostuu Li+ ja F- -ioneista ja niiden välillä on ionisidokset.
I2(s)
Kiinteä jodi koostuu poolittomista molekyyleistä ja niiden välillä on dispersiovoimia eli van der Waalsin voimia.

b) Valitse jokin näistä yhdisteistä ja selitä, miten siinä esiintyvät sidokset vaikuttavat sen kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin. (3 p.)
Esimerkiksi nestemäisessä ammoniakissa molekyylien väliset vetysidokset selittävät ammoniakin hyvän vesiliukoisuuden ja korkean kiehumispisteen.
Pooliset NH3-molekyylit liukenevat hyvin veteen. NH3- ja H2O-molekyylien välille muodostuu vetysidoksia, joista osa johtaa ammoniakin ja veden väliseen reaktioon:

NH3 + H2O → NH4+ + OH-

Molekyylin massan perusteella voisi odottaa ammoniakin kiehumispisteen olevan huomattavasti alhaisemman.

4. Esitä kemiallinen perusta seuraaville havainnoille:
a) jää on kevyempää kuin vesi,
Jäässä jokainen vesimolekyyli on sitoutunut vetysidoksilla neljään muuhun vesimolekyyliin. Vetysidoksista johtuen jään rakenne on melko harva. Kun jää sulaa, niin osa vetysidoksista katkeaa ja kiinteä rakenne menee kasaan ja tiheys kasvaa.

b) suolahappo johtaa paremmin sähköä kuin samanväkevyinen etikkahappoliuos,
Suolahappo on vahva happo ja protolysoituu täydellisesti. Etikkahappo on heikko happo ja protolysoituu vain osittain. Protolyysin seurauksena sähköä kuljettavia ioneja on enemmän suolahappoliuoksessa kuin etikkahappoliuoksessa.

c) terässäiliöön kiinnitetty magnesiumpala suojaa säiliötä ruostumiselta
Magnesium on epäjalompi metalli kuin rauta, joten se syöpyy ja rauta säilyy sen ansiosta. Magnesiumia sanotaan uhrianodiksi.

5. Oheisessa kuvassa on esitetty kaliumnitraatin ja ammoniumkloridin liukoisuus veteen eri lämpötiloissaolojen.

a) Missä lämpötilassa suolojen liukoisuus on yhtä suuri? (1 p.)
 Lämpötilassa 24°C

b) Mikä on kaliumnitraatin liukoisuus (mol/l) lämpötilassa 40°C? (2 p.)
KNO3 liukenee 40°C:ssa 100 grammaan vettä 64 g.
M(KNO3) = 101,11 g/mol

c) Perustele, lämpeneekö vai jäähtyykö liuos suolojen liuetessa veteen? (1 p.)
Liukoisuus kasvaa, kun lämpötila kohoaa, joten liukeneminen on endoterminen reaktio. Chatelierin periaatteen mukaan lämpötilan nousu suosii endotermistä reaktiota. Suolojen liuetessa liuos jäähtyy.

d) Mitä ioneja tai molekyylejä esiintyy ammoniumkloridin kylläisessä vesiliuoksessa? (2 p.)
Ammoniumkloridin liukenemisessa muodostuu ammonium-ioneja NH4+ ja kloridi-ioneja, Cl-

NH4+(aq) + H2O(l) →  NH3(aq) + H3O+(aq)

Vesiliuoksessa on tietenkin vesimolekyylejä, H2O ja veden autoprotolyysireaktiossa muodostuneita oksoniumioneja, H3O+  ja hydroksidi-ioneja, OH-

H2O + H2O →  H3O+ + OH-

Liuoksessa on: NH4+, Cl-, NH3, H3O+, OH- ja H2O.

6. a) Tehtävänäsi on valmistaa 1,0 litraa kalsiumhydroksidiliuosta, jonka pH = 12,15. Käytössäsi on kiinteää kalsiumhydroksidia, vaaka, tarpeellinen mittapullo ja vettä. Miten menettelet? (3 p.)

Ca(OH)2(s) → Ca2+(aq) + 2 OH-(aq)

pH = 12,15
pOH = 14 –12,15 = 1,85
[OH-] = 10-1,85 mol/l
[Ca(OH)2] = ½. 10-1,85 mol/l = 0,007063 mol/l
n(Ca(OH)2) = cV = 0,007063 mol/l. 1,0 l = 0,007063 mol
M(Ca(OH)2) = 74,096 g/mol
m(Ca(OH)2) = nM = 0,007063 mol. 74,096 g/mol = 0,523 g
Punnitsen mahdollisimman tarkasti 0,523 g kiinteää Ca(OH)2 ja panen sen yhden litran mittapulloon. Lisään pulloon hiukan vettä ja liuotan kalsiumhydroksidin siihen. Täytän mittapullon merkkiin asti ja liimaan päälle nimilapun.

b) 15,0 ml edellä valmistettua liuosta laimennettiin 0,500 litraksi liuosta. Mikä on näin saadun liuoksen pH? (3 p.)
n(Ca(OH)2) = cV =  0,007063 mol/l . 0,015 l = 1,05945.10-4  mol
Liuos laimennetaan 0,500 litraksi.

[OH-] = 2.[Ca(OH)2] = 2.2,1189.10-4 mol/l = 4,2378.10-4 mol/l
pOH = - lg 4,2378.10-4 = 3,37
pH = 14 – 3,37 = 10,63

7. Alla on esitetty yhdisteiden A, B, C ja D rakennekaavat:

A B C D

a) Mihin yhdistetyyppeihin A, B, C ja D kuuluvat? (2 p.)
A on aromaattinen aldehydi.
B on aromaattinen eetteri.
C on fenoli.
D on aromaattinen amiini.
b) Mikä näistä yhdisteistä hapettuu helposti? Laadi hapettumistuotteen rakennekaava. (2 p.)

Aldehydi hapettuu karboksyylihapoksi.
c) Mikä näistä yhdisteistä liukenee helposti happoihin? Perustele. (1 p.)
 D on amiinina emäs, joten se reagoi happojen kanssa ja samalla muodostuu vesiliuokoista suolaa.

d) Mikä näistä yhdisteistä liukenee helposti emäksiin? Perustele. (1 p.)
C on fenolina heikosti hapan ja kun se reagoi emäksen kanssa syntyy vesiliuokoista suolaa.

8. Kun 174,1 mg pelkästään hiiltä, vetyä ja happea sisältävää dikarboksyylihappoa neutraloitiin täydellisesti, kului 30,0 ml 0,100 M NaOH-liuosta.
a) Mikä on hapon molekyylikaava? (3 p.)
Merkitään dikarboksyylihappoa H2A.
Neutraloitumisreaktio:

H2A + 2 NaOH →  Na2A + 2 H2O

n(NaOH) = cV = 0,100 M . 0,0300 l = 0,00300 mol
n(H2A) = ½. n(NaOH) = ½. 0,00300 mol = 0,00150 mol
m(H2A) = 174,1 mg

Dikarboksyylihappo sisältää kaksi –COOH –ryhmää (C2O4H2)
=>  2.(12,01 + 2.16,00 + 1,008) = 90,036 g/mol
Molekyylin hiilivetyosan moolimassa on 116,1 - 90,036 = 26,06 (g/mol)  => C2H2
Molekyylikaava  on C4H4O4

b) Laadi hapon kaikki mahdolliset rakennekaavat. (3p)

       
 

9. Metanolia valmistetaan teollisesti hiilimonoksidin ja vedyn välisellä katalysoidulla reaktiolla:

CO(g) + 2 H2(g)  → CH3OH(g)

Kun 2,00 litran astiaan suljettiin 0,211 mol hiilimonoksidia ja 0,382 mol vetyä, muodostui astiaan tasapainotilan asettuessa 0,041 mol metanolia.
a) Laske reaktion  tasapainovakion arvo ko. lämpötilassa. (4 p.)
    konsentraatio        CO(g) +         2 H2(g) ↔     CH3OH(g)
    alussa                     0,1055            0,191                0
    mol/l
    muutos                   - 0,0205        -2.0,0205        +0,0205
    tasapainotilassa      0,0850            0,150            0,0205
    mol/l

    MAOL: Yksikkö puuttuu, -2/3 p

b) Saadaanko metanolia enemmän vai vähemmän, kun reaktioastian tilavuus muutetaan 1,00 litraksi? Perustele. (1 p.)
Lähtöaineiden puolella on 3 moolia kaasumaisia aineita ja tuotteiden puolella yksi mooli. Tilavuuden pienentäminen nostaa painetta ja reaktio etenee siihen suuntaan, jossa kaasumaisia aineita on vähemmän eli tuotteiden suuntaan. Metanolia saadaan enemmän.

c)    Miten katalyytin käyttö vaikuttaa muodostuvan metanolin määrään? (1 p.)
Katalysaattori nopeuttaa reaktiota kumpaankin suuntaan ja tasapainoasema saavutetaan nopeammin. Metanolin määrään katalyytti ei vaikuta.

10. a)  Mitä tarkoitetaan kemiallisen reaktion nopeudella, ja mitkä tekijät vaikuttavat reaktionopeuteen? (3 p.)
Kinetiikka (kreik. kinema = liike) tarkastelee kemiallisen reaktion nopeutta ja mittaa reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä. Yleisesti kemiallisen reaktion nopeudella tarkoitetaan sitä, kuinka paljon jonkin reaktioon osallistuvan aineen määrä muuttuu aikayksikössä. Reaktionopeus on siis joko lähtöaineen kulumista tai reaktiotuotteen muodostumista aikayksikössä.
Reaktion (keskimääräinen) nopeus kuvataan yhtälöllä:

missä  ∆c = reaktioon osallistuvan aineen konsentraation muutos ja ∆t = aikaväli
Reaktionopeuteen vaikuttavat reagoivien aineiden kemiallinen  luonne, lämpötila, konsentraatio, paine kaasureaktioissa, hienojakoisuus kiinteillä aineilla, mekaaninen sekoitus ja katalysaaattori tai inhibiittori.

b) Esitä jokin tapa, jolla voit kokeellisesti määrittää sinkkimetallin ja suolahapon välisen reaktion nopeuden. (3 p.)
Mahdollisia menetelmiä:

+11. Kaliumkloraattia (KClO3) käytetään mm. räjähteiden, ilotulitteiden ja tulitikkujen valmistuksessa. Kaliumkloraatin valmistus perustuu vesiliuoksen elektrolyysiin.
a) Laadi anodilla ja katodilla tapahtuvien reaktioiden yhtälöt, kun tiedetään, että anodilla vapautuu kloorikaasua ja katodilla muodostuu hydroksidi-ioneja. (2 p.)
Anodilla tapahtuu hapettuminen:

2 Cl-(aq) → Cl2(g) + 2 e-

Katodilla tapahtuu pelkistyminen:

2 H2O + 2 e- → H2(g) + 2 OH-(aq)

b) Kun kloorikaasu reagoi hydroksidi-ionien kanssa, osa kloorikaasusta hapettuu kloraatti-ioneiksi ja osa pelkistyy kloridi-ioneiksi. Samalla muodostuu vettä. Laadi reaktion yhtälö. (2 p.)
Tasapainottamaton reaktioyhtälö:

Cl2(g) + OH-(aq) → ClO3-(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)

ClO3-        Cl:n hapetusluku    0 → + 5, hap. 5
Cl-            Cl:n hapetusluku    0 → -1, pelk. 1

ð  Cl- -ioneja on 5-kertaisesti ClO3--ioneihin verrattuna
 ð  Kertoimet vaiheittain:

Cl2(g) + OH-(aq) → 1 ClO3-(aq) + 5 Cl-(aq) + H2O(l)
3 Cl2(g) + 6 OH-(aq) → 1 ClO3-(aq) + 5 Cl-(aq) + H2O(l)
 3 Cl2(g) + 6 OH-(aq) → 1 ClO3-(aq) + 5 Cl-(aq) + 3 H2O(l)

Reaktion yhtälö:

3 Cl2(g) + 6 OH-(aq) → 1 ClO3-(aq) + 5 Cl-(aq) + 3 H2O(l)

c) Elektrolyyttiliuos sisältää 75 grammaa kaliumkloridia. Kuinka monta grammaa kaliumkloraattia voidaan saada, elektrolyysissä käytetään 5,0 A tasavirtaa 15 minuutin ajan. (3 p.)
m(KCl) = 75 g ja M(KCl) = 74,55 g/mol 

n(Cl-) = 1,006 mol        n(Cl2) = 1,006 mol/2 = 0,503 mol

It = nzF
 I = 5,0 A,    t = 15 min = 15.60 s = 900 s,    z = 2  ja    F = 96500 As/mol

n(Cl2) = 0,0233 mol
 Sähkömäärä on rajoittava tekijä, kloraattia saadaan
n(ClO3-) = n(Cl2) / 3 = 0,0233 mol / 3 = 0,00778 mol
 m(KClO3) = nM = 0,00778 mol.122,55 g/mol = 0,953 g ≈ 0,95 g

d) Lämmitettäessä kiinteä kaliumkloraatti hajoaa kaliumperkloraatiksi (KClO4) ja kaliumkloridiksi. Esitä tämän reaktion yhtälö. Miten eri alkuaineiden hapetusluvut muuttuvat reaktiossa? (2 p.)
4 KClO3(s) → 3 KClO4(s) + KCl(s)

Osa Cl-atomeista hapettuu             +5 → +7
Osa Cl-atomeista pelkistyy             +5 →  -1

+12. Noin sata vuotta sitten venäläinen tutkija Tswett erotti kasveista uutettuja väriaineita kromatografisesti. Nykyisin aineiden erottamiseen ja tunnistamiseen on käytössä useita erilaisia kromatografian muotoja.
a) Mihin kromatografiset menetelmät perustuvat? (3 p.)
 Kromatografisissa menetelmissä aineet jakaantuvat kahden eri faasin välille. Aineiden erottuminen perustuu aineiden erilaiseen virtausnopeuteen kromatografiapylväässä.  Erilainen virtausnopeus johtuu erilaisesta hiukkaskoosta tai erilaisista kemiallisista ominaisuuksista (poolisuus, liukoisuus).
 Toinen faasi on liikkuva ja toinen paikallaan pysyvä. Seoksen komponentit erottuvat näiden kahden faasin kesken.

b) Kuvaile, miten vasemmanpuoleisessa kuvassa esitettyä laitteistoa voidaan käyttää seoksen eri komponenttien erottamiseen? (3 p.)
Vasemman puoleisessa kuvassa on kyseessä  pylväskromatografia (nestekromatografia). Pylväs on täytetty kiinteällä adsorbentilla (adsorbentti on kiinteä aine, jonka pintaan aineet voivat adsorboitua). Tutkittavat aineet sisältävä liuos lasketaan valumaan pylvään läpi. Sellaiset yhdisteet, joilla on taipumus adsorptoitua kiinteään faasiin, rikastuvat siihen. Erilaiset aineet kulkevat pylvään läpi eri nopeuksilla, ja eri aikaan ulos tulleet jakeet kerätään talteen.  Liuotin tislataan pois ja jakeet analyoidaan.

c) Miten oikealla olevassa kuvassa esitettyä laitteistoa voidaan käyttää hyväksi kemiallisessa analyysissä? (3 p.)
Oikean puoleisessa kuvassa on kysessä paperikromatografia (nestekromatografia). Paperi asetetaan liuottimella kyllästettyyn kannelliseen astiaan. Paperin alalaitaan on sitä ennen pipetoitu kolme eri seosta. Pipetoidut täplät eivät saa koskettaa liuotinta. Liikkuva faasi nousee pitkin paperia ja kuljettaa erottuvia aineita mukanaan. Liuotinrintaman annetaan nousta paperin yläreunaan, jolloin nähdään, että seosten komponentit ovat eronneet toisistaan. Vertailemalla komponenttien kulkemia matkoja voidaan päätellä tutkittavien seosten koostumus.