YLIOPPILASTUTKINTO KEMIAN KOE

LAUTAKUNTA 15.9.2008

Enintään 8 tehtävään saa vastata. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6, paitsi muita
vaativammat, +:lla merkityt jokeritehtävät, jotka arvostellaan pistein 0-9. Moniosaisissa,
esimerkiksi a-, b- ja c-kohdan sisältävissä tehtävissä voidaan erikseen ilmoittaa eri
alakohtien enimmäispistemäärät.

MAOL:n pistesuositus
-	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. 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.
-	Selventävien kuvien ja kaavioiden käyttö on suositeltavaa. Sanallisissa vastauksissa tulee käyttää myös kemiallisia kaavoja. Yleensä vastaukset tulee perustella.
-	Jos vastauksena pyydetään reaktioyhtälöä, sen tulee olla esitettynä ilman hapetuslukuja pienimmin mahdollisin kokonaislukukertoimin ja olomuodoilla varustettuna. Orgaanisissa reaktioyhtälöissä ei vaadita olomuotoja.

1.	Tunnista seuraavat alkuaineet A-F:
	-	A muodostaa emäksisen oksidin A₂0. Se on ryhmänsä elektronegatiivisin metalli.
	-	B on jaksollisen järjestelmän neljänteen jaksoon kuuluva alkuaine. Se on neste huoneen lämpötilassa.
	-	C:n uloimmat elektronit ovat O-energiatasolla. Sillä ei ole pysyviä isotooppeja.
	-	D on yleinen pelkistin. Sen alapuolella samassa ryhmässä olevaa alkuainetta käytetään puolijohteissa.
	-	E:n tavallinen allotrooppinen muoto on E₄. Se muodostaa hapon H₃EO₄.
	-	F on tavallinen käyttämetalli. Sen käyttö yleistyi vasta 1900-luvulla, kun keksittiin elektrolyyttinen menetelmä metallin teolliseksi valmistamiseksi.
Ratkaisu: Tehtävänanto edellytti vastaukseksi vain yhtä alkuainetta. Jos on esitetty useampia vaihtoehtoja, 0 p/ kohta. Tehtävässä ei edellytetty perusteluja. Täysin vääristä perusteluista -1/3 p − -2/3 p.
	-	Emäksisiä oksideja ovat alkali- ja maa-alkalimetallien oksidit. Oksidi on A₂O, joten A muodostaa ionin A⁺. eli se kuuluu 1. pääryhmään. Taulukkokirjan elektronegatiivisuusarvojen perusteella Li on ryhmänsä elektronegatiivisin metalli. Alkuaine A on litium, Li.
	-	Vain kaksi alkuainetta (bromi ja elohopea) on nestettä huoneen lämpötilassa. Bromi kuuluu 4. jaksoon. Alkuaine B on bromi, Br tai Br₂.
	-	Uloimmat elektronit kuuluvat O-energiatasolle, joten alkuaine kuuluu 5. jaksoon (Z 37-54). Taulukkokirjassa on merkitty tähdellä (*) sellaiset alkuaineet, joilla ei ole pysyviä isotooppeja. 5. jakson alkuaineista sellainen on teknetium. Alkuaine C on teknetium, Tc.
	-	Yleinen pelkistin voi viitata useisiin alkuaineisiin, joilla on pyrkimys hapettua. Vihje: "Sen alapuolella samassa ryhmässä olevaa alkuainetta käytetään puolijohteissa." Tärkeimmät puolijohteet ovat pii ja germanium. Ne ovat 4. ryhmässä hiilen alapuolella ja hiili on yleinen pelkistin Alkuaine D on hiili, C.
	-	Se muodostaa hapon H₃EO₄, joten E on epämetalli, jolla on hapetusluku +V. E:n tavallinen allotrooppinen muoto on E₄. Lukion kursseista tuttuja epämetalleja, joilla on allotropiaa ovat hiili, happi, fosfori ja rikki. Niistä vain fosfori esiintyy hapetusluvulla +V. Fosforilla on allotrooppisia muotoja: valkoinen (neliatominen P₄), punainen fosfori ja musta fosfori. Fosforihappo on H₃PO₄. Alkuaine E on fosfori, P.
	-	Käyttömetalli, jota valmistetaan teollisesti elektrolyyttisesti on alumiini, Al. Alkuaine F on alumiini, Al.

2.	Syanidin haitallisista ympäristövaikutuksista huolimatta suurin osa maailmalla tuotetusta kullasta saadaan yhä menetelmällä, jossa malmissa oleva metallinen kulta liuotetaan ensin syanidiliuokseen:
		Au(s) + CN^-(aq) + 0₂(g) + H₂0(1) -> Au(CN)₄^-(aq) + OH^-(aq)
		Tämän jälkeen kulta pelkistetään vapaaksi metalliksi sinkillä:
		Au(CN)₄^-(aq) + Zn(s) + CN^-(aq) -> Au(s) + Zn(CN)₄^2-(aq)
	a)	Tasapainota edellä esitetyt reaktioyhtälät. (4 p.)
	b)	Kuinka monta grammaa sinkkiä tarvitaan, kun tuotteena halutaan saada 31,3 g kultaa? (2 p.)
Ratkaisu
	a)	1. reaktio: Au(s) + CN^-(aq) + 0₂(g) + H₂0(1) -> Au(CN)₄^-(aq) + OH^-(aq) Hapetuslukujen muutokset: Au: 0 -> +3, luovuttaa 3 elektronia =>2 Au (O₂) O: 0 -> -2, vastaanottaa 2 elektronia => 3 O
		Tasapainotetaan Au ja O₂ 2 Au(s) + CN^-(aq) + 3/2 0₂(g) + H₂0(1) -> 2 Au(CN)₄^-(aq) + OH^-(aq)
		Tasapainotetaan C ja N 2 Au(s) + 8 CN^-(aq) + 3/2 0₂(g) + H₂0(1) -> 2 Au(CN)₄^-(aq) + OH^-(aq)
		Tasapainotetaan varaukset: Vasen puoli: varausten summa = -8 Oikea puoli: varausten summa on -8, jos 6 OH^-. 2 Au(s) + 8 CN^-(aq) + 3/2 0₂(g) + H₂0(1) -> 2 Au(CN)₄^-(aq) + 6 OH^-(aq)
		Tasapainotetaan H 2 Au(s) + 8 CN^-(aq) + 3/2 0₂(g) + 3 H₂0(1) -> 2 Au(CN)₄^-(aq) + 6 OH^-(aq)
		Kerrotaan reaktioyhtälö puolittain 2:lla, että saadaan kokonaislukukertoimet: 4 Au(s) + 16 CN^-(aq) + 3 0₂(g) + 6 H₂0(1) -> 4 Au(CN)₄^-(aq) + 12 OH^-(aq)
		Vastaus: 4 Au(s) +16 CN^-(aq) + 3 O₂(g) + 6 H₂O(l) -> 4 Au(CN)₄^-(aq) + 12 OH^-(aq)
	a)	2. reaktio: Au(CN)₄^-(aq) + Zn(s) + CN^-(aq) -> Au(s) + Zn(CN)₄^2-(aq) Hapetuslukujen muutokset: Au: +3 -> 0, vastaanottaa 3 elektronia =>2 Au Zn: 0 -> +2, luovuttaa 2 elektronia => 3 Zn
		Tasapainotetaan Au ja Zn 2 Au(CN)₄^-(aq) + 3 Zn(s) + CN^-(aq) -> 2 Au(s) + 3 Zn(CN)₄^2-(aq)
		Tasapainotetaan varaukset: Oikea puoli: varausten summa = -6 Vasen puoli: varausten summa on -6, jos 4 CN^- on. 2 Au(CN)₄^-(aq) + 3 Zn(s) + 4 CN^-(aq) -> 2 Au(s) + 3 Zn(CN)₄^2-(aq)
		Vastaus: 2 Au(CN)₄^-(aq) + 3 Zn(s) + 4 CN^-(aq) -> 3 Zn(CN)₄^2-(aq)+ 2 Au(s)
		Jos varaukset eivät ole tasapainossa, mutta reaktio muuten tasapainossa -1p/ reaktio.
	b)	m(Au) = 31,3 g M(Au) = 196,97 g/mol n(Au) = n/M = 31,3 g/196,97 g/mol = 0,1589 mol
		Reaktioyhtälön kertoimien perusteella n(Zn) = 3/2n(Au) = 3/2*0,1589 mol = 0,2384 mol
		m(Zn) = nM = 0,2384 mol*65,39 g/mol = 15,58 g ≈ 15,6 g

3.	Tarkastele yhdistettä, jonka molekyylikaava on C₂H₂C1₂.
	a)	Piirrä yhdisteen eri isomeerien rakennekaavat ja nimeä yhdisteet.
	b)	Mitkä niistä ovat keskenään rakenneisomeerejä ja mikä stereoisomeerejä?
	c)	Mitkä näistä yhdisteistä ovat poolisia?
Ratkaisu
	a)
		A 1,1-dikloorieteeni	B trans-1,2-dikloorieteeni	C cis-1,2-dikloorieteeni
	b)	B ja C ovat keskenään avaruus- eli stereoisomeerejä. A on sekä B:n että C:n rakenneisomeeri.
	c)	Yhdisteistä ovat poolisia ne, joissa klooriatomit ovat sijoittuneet selvästi toiselle laidalle molekyyliä. Kloori on vahvasti elektronegatiivinen ja vetää sidoselektroneja puoleensa. Sen ympärillä on myös vapaita elektronipareja, joten elektronitiheys on suuri sen ympärillä ja klooriatomit muodostavat dipolin negatiiviseen pään. A ja C ovat poolisia.

4.	Työskentelet kemian alan asiantuntijana kuluttajavirastossa. Mitä vastaat, kun isyyslomalla oleva nuori mies, entinen luokkatoverisi, soittaa ja esittää seuraavat kysymykset:
	a)	Mihin tiskaamisessa käytettävä astianpesuaineen vaikutus oikein perustuu?
	b)	Miten kahvinkeittimeen kertynyt kalkki voidaan poistaa?
	c)	Keittokirjan ohjeen mukaan kakkutaikinaan lisätään ruokasoodaa. Mihin sen vaikutus perustuu?
Ratkaisut
	a)	Vesimolekyylien välillä on suhteellisen vahva vetysidos. Veden pinnalla olevat vesimolekyylit ovat sitoutuneina viereisiin ja pinnan alla oleviin vesimolekyyleihin erityisen tiukasti vetysidoksin pyrkien näin mahdollisimman pieneen tilaan. Tästä vesimolekyylien vahvasta sitoutumisesta toisiinsa johtuu veden pintajännitys eli veden pinta muistuttaa ohutta kalvoa. Tehokkaimmat pesuaineet ovat tensidejä eli pinta-aktiivisia aineita. Ne alentavat veden pintäjännitystä ja irrottavat likaa ja rasvaa ja sitovat ne pesuliuokseen. Pesuaineissa on pooliton hydrofobinen (vesipakoinen) hiilivetyketju ja poolinen hydrofiilinen (vesihakuinen) pää. Hydrofobinen pää sitoutuu rasvaan ja hydrofiilinen pää tunkeutuu vesifaasiin ja rikkoo näin pinnan rakenteen. Astianpesuaineet ovat tensidejä ja ne tarttuvat rasvapalleroihin ja kuljettavat lian vesifaasiin.
	b)	Saostuma on suurimmaksi osaksi kalsiumkarbonaattia (CaCO₃), joka liukenee happoihin. Marttaliiton ohje: "Kahvinkeittimeen kertyy pikkuhiljaa kalkkisaostumaa. Tällöin vedenkulku nousuputkissa hidastuu ja sähkönkulutus nousee. Kokeile ensin puhdistusta vedellä laimennetulla väkiviinaetikalla (5 dl etikkaa ja 5 dl vettä). Tarpeen mukaan voit käyttää kaupasta ostettavia kalkinpoistoaineita noudattaen huolellisesti käyttöohjeita." Tefalin asiakaspalvelu jatkaa: "Kaada kylmä seos kahvinkeittimeen, pane kannu paikoilleen ja käynnistä kahvinkeitin. Kun puolet liuoksesta on valunut keittimen läpi, kytke keittimestä virta pois ja anna liuoksen vaikuttaa tunnin ajan. Käynnistä kahvinkeitin uudelleen ja anna lopun liuoksen valua keittimen läpi. Huuhtele keitin tämän jälkeen keittämällä sen läpi vettä 2–3 kertaa."
	c)	Taikinan nouseminen johtuu hiilidioksidin muodostumisesta. Ruokasooda on natriumvetykarbonaattia (NaHCO₃), joka on heikosti emäksinen aine. Ruokasooda liukenee veteen, mutta ilman happoa siitä ei huoneenlämmössä muodostu hiilidioksidia eikä kuplia eikä se nostata taikinaa. Leivinjauheessa on natriumvetykarbonaatin lisäksi jotain heikosti hapanta ainetta, jotta hiilidioksidia muodostuu. Eli jos taikinan kohottamiseen käytetään ruokasoodaa, siinä täytyy olla mukana jotain hapanta ainetta, esim. piimää, maitoa tai voita. Natriumvetykarbonaatista vapautuu hiilidoksidia myös lämmitettäessä eli uunissa kakku nousee.

Typpilannoitteena käytettävä ammoniumnitraatti on vesiliukoinen suola.

Mitä eri reaktioita tapahtuu, kun kiinteä ammoniumnitraatti liukenee veteen? Laadi reaktioyhtälöt.

Laske 0,20 M ammoniumnitraattiliuoksen pH. K_b(NH₃) = 1,8 ^.10^-5 mol/l.

Kohdan b liuoksesta otettuun 15 millilitran näytteeseen lisätään 30 millilitraa 0,10 M natriumhydroksidiliuosta. Onko näin muodostunut liuos hapan, neutraali vai emäksinen? Perustele.

Liukeneminen
NH₄NO₃(s) -> NH₄⁺(aq) + NO₃^-(aq)
Ammoniumioni, NH₄⁺ on hapan, joten sen ja veden välillä tapahtuu protolyysireaktio:
NH₄⁺(aq) + H₂O(l) tpnuoli

NH₃(aq) + H₃O⁺(aq).
Nitraatti-ioni, + NO₃^- ei ole protolyytti, koska sen on hyvin heikko emäs.
Veden autoprotolyysireaktio (ei vaadittu)
2 H₂O(l) tpnuoli

H₃O⁺(aq) + OH^-(aq)

K_aK_b = K_wK_b = K_w/K_a = 1,0^.10^-14 (mol/l)²/1,8^.10^-5(mol/l) = 5,6^.10^-10 mol/l

	NH₄⁺(aq)	+	H₂O(l)	NH₃(aq)	+	H₃O⁺(aq)
alku (mol/l)	0,20		-	0		0
tasapaino (mol/l)	0,20 - x		-	x		x
pyöristys	≈ 0,20		-	x		x

Saiko pyöristää?
0,20 - 1,058^.10^-5= 1,99989 ≈ 0,20 SAI
[H₃O⁺] = 1,058^.10^-5 mol/l

pH = -log [H₃O⁺] = -log 1,058^.10^-5= 4,975 ≈ 4,98

MAOL:n pisteytysohje:
Jos happovakio katsottu vain taulukkokirjasta, -1/3 p. Kommentti: Ohje tuntuu kummalliselta. Taulukkokirja on sallittu apuväline ja siitä ei saisi katsoa happovakioita tähän tarkoitukseen!
Jos pyöristys arvoon 0,20 mol/l perustelematta, -1 p.

Alkuperäisessä liuoksessa n(NH₄⁺) = 0,015 l · 0,20 mol/l = 0,0030 mol
Lisätyssä NaOH-liuoksessa n(OH^-) = 0,030 l · 0,10 mol/l = 0,0030 mol

Ammonium-ioni on täysin neutraloitunut ammoniakiksi:
NH₄⁺(aq) + OH^-(aq) tpnuoli

NH₃(aq)+ H₂O(l) (1 p)
Ammoniakki on heikko emäs ja protolysoituu:

NH₃(aq) + H₂O(l) tpnuoli

NH₄⁺(aq) + OH^-(aq) (reaktioyhtälöä ei vaadita)
Liuos on emäksinen. (1 p)

Syklopropaani on pysymätön yhdiste, joka muuttuu hitaasti propeeniksi. Seurattaessa syklopropaanin konsentraation muutosta reaktion edistyessä saatiin seuraavat tulokset:

	Aika t (min)	0	5	10	15	20	25	30	40	60
	c(Syklopropaani) (10^-3 mol/l)	1,5	1,24	1,00	0,83	0,68	0,56	0,46	0,31	0,14

	a)	Laadi kuvaaja, joka osoittaa, miten syklopropaanin konsentraatio muuttuu reaktion edistyessä. Piirrä samaan kuvaan reaktiotuotteen, propeenin, konsentraation muuttumista osoittava kuvaaja. (2 p.)
	b)	Mikä on reaktion keskinopeus viiden ensimmäisen minuutin aikana? Miksi nopeus muuttuu reaktion edetessä? (1 p.)
		Arvioi kuvaajasta reaktion nopeus hetkellä t = 25 min. (2 p.)
		Reaktion puoliintumisajalla t, tarkoitetaan aikaa, joka kuluu lähtöaineen konsentraation puolittumiseen. Mikä on tämän reaktion puoliintumisaika? (1 p.)
Ratkaisu
	a)	Kuvaajat 1 p + 1 p. Huolimattomasti piirretyt kuvaajat - 1/3 p - 2/3 p
	b)	Keskinopeus = konsentraation muutos / aika konsentraation muutos = 1,24 mmol/l - 1,5 mmol/l = -0,26 mmol/l Miinusmerkki tarkoittaa nopeuden pienenemistä. Sen voi jättää merkitsemättä. Nopeus muuttuu, koska reaktion alussa syklopropaanin konsentraatio on suurimmillaan. Mitä suurempi määrä reagoivia molekyylejä, sitä enemmän reaktioita tapahtuu ja konsentraation muutos (reaktionopeus) on suurimmillaan. Yksikkö puuttuu tai väärin -1/3 p.
	c)
		Nopeus hetkellä t = 25 min, saadaan siihen kohtaan piirretyn tangentin kulmakertoimesta. Miinusmerkki tarkoittaa nopeuden pienenemistä. Sen voi jättää merkitsemättä. Periaate oikein, mutta kuvaajan tulkinnassa tai laskussa epätarkkuuksia -1/3p – -2/3p
	d)	Puoliintumisaika on 17,5 min.

7.	Eetteriliuos sisältää bentsoehappoa, butyylibentseeniä ja trietyyliamiinia. Aluksi eetteriliuosta uutettiin erotussuppilossa suolahappoliuoksella. Tällöin yksi edellä mainituista yhdisteistä siirtyi happoliuokseen, joka otettiin talteen astiaan A. Seuraavaksi eetteriliuosta uutettiin NaOH:n vesiliuoksella, jolloin toinen jäljellä olevista yhdisteistä siirtyi vesiliuokseen. Tämä otettiin talteen astiaan B. Jäljelle jäänyt eetteriliuos siirrettiin astiaan C.
	a) Perustele kemiallisesti, mitä orgaanista yhdistettä oli astioissa A, B ja C. (4 p.)
	b) Miten puhdistat astiassa C olevan aineen? (2 p)

Ratkaisut
	a)	Bentsoehappo on happo, trietyyliamiini emäs ja butyylibentseeni ei ole kumpaakaan. Siksi A on trietyyliamiini, koska se erotetaan liuoksesta uuttamalla sitä suolahappoliuoksessa. B on bentsoehappo, koska se taas liukenee NaOH-liuokseen. Butyylibentseeni jää eetteriliuokseen C. Nämä erotetaan toisistaan esimerkiksi tislauksella - syyt eri kiehumispisteisiin (molekyylin koko, muoto jne) lienee hyvä mainita. Astia A: Happoliuos reagoi eetteriliuoksen emäksisen trietyyliamiinin kanssa, jolloin muodostuu vesiliukoinen trietyyliamiinin kloridisuola. Eri faasit, vesi poolisena (alempi) ja eetteri poolittomana (ylempi) erottuvat, ja ne voidaan erottaa toisistaan hanasta valuttamalla. N(CH₂CH₃)₃ + HCl -> NH⁺(CH₂CH₃)₃+ Cl^-
		Astia B: NaOH-liuos reagoi bentsoehapon C₆H₅COOH kanssa, jolloin muodostuu vesiliukoinen bentsoehapon natriumsuola C₆H₅COONa, natriumbentsoaatti. Samoin kuin edellä: eri faasit, vesi poolisena (alempi) ja eetteri poolittomana (ylempi) erottuvat, ja ne voidaan erottaa toisistaan hanasta valuttamalla. C₆H₅COOH + NaOH -> C₆H₅COO^- + Na⁺
		Astia C: Eetteriliuokseen jäänyt butyylibentseeni valutetaan astiaan C. Butyylibentseeni on pooliton ja liukenee siksi poolittomaan eetteriin.
		Suolojen muodostus sanallisesti tai reaktioyhtälöllä, 1 + 1 p. Suolojen vesiliukoisuus selitetty, 1 p. Jäljelle jäävän butyylibentseenin poolittomuus selitetty, 1 p.
	b)	Tislaus perustuu aineiden erottamiseen toisistaan erilaisten kiehumispisteiden perusteella. Tislauksella voidaan erottaa nesteet toisistaan, jos niiden kiehumispisteet eroavat riittävästi toisistaan (normaalipaineessa eron on oltava vähintään 50 ºC ja jakotislauksessa 10-50 ºC). Eetteri ja butyylibentseeni voidaan tislata erilleen, sillä eetterillä on alhainen kiehumispiste (35°C). Butyylibentseenin kiehumispistettä ei ole taulukkokirjassa, mutta se on korkeampi, koska molekyyli on paljon suurempi. Jos seoksen eri komponenttien kiehumispisteet eroavat toisistaan alle 50 °C käytetään fraktiointikolonneja. Butyylibentseeni voidaan puhdistaa tislaamalla ja keräämällä talteen varsinainen tisle. Todettu ja perusteltu tislauksen käyttö eetterin poistamiseen, 1 1/3 p. Selitetty butyylibentseenin puhdistus tislaamalla tai jollakin muulla menetelmällä 2/3 p

8.	Esitä rakennekaavat orgaanisille yhdisteille A-F, jotka syntyvät, kun 2-fenyylietanoli reagoi reaktiokaaviossa esitetyissä olosuhteissa.

Ratkaisu

	Nimiä ei vaadita; vääristä nimistä -1/3 p – 2/3 p. Kukin rakennekaava 1 p

9.	a)	Tehtävänä on valmistaa mahdollisimman tehokas galvaaninen kenno. Mitkä oheisessa taulukossa olevat hapettumis-pelkistymisparit valitset tähän tarkoitukseen? Laadi kennon rakennetta esittava piirros. (3 p.)
	b)	Mikä on näin muodostetun kennon lähdejannite? (1 p.)
	c)	Miten negatiivisena kohtiona olevan metallin massa muuttuu, kun a)-kohdassa valmistettu kenno tuottaa keskimäärin 1,2 ampeerin virtaa 250 sekunnin ajan? (2 p.)

Ratkaisu
	a)	Sinkin Zn /Zn²⁺ ja hopean Ag⁺/Ag välille saadaan tarjotuista aineista suurin jännite: sinkki on valikoiman, Zn, Ni, Cu, Ag, epäjaloin metalli ja hopea jaloin.
	b)	Kennokaavio: (-)Zn(s)│Zn²⁺(aq)║ Ag⁺(aq)│Ag(s)(+) Jos annettu vain kennokaavio (-) Zn(s) │ Zn2+ (aq) ║Ag+(aq) │Ag(s) (+), 1 p.
	b)	Lähdejännite E⁰ = E⁰(Cu) - E⁰(Zn) = 0,80 V - (-0,76 V) = 1,56 V
	c)	Epäjalompi sinkki hapettuu, metalli liukenee ja massa vähenee. Faradayn laki: It = nzF m(Zn) = nM = 1,55.10-3 mol.65,41 g/mol = 0,1017 g ≈ 0,10 g Jos tehtävä on käsitelty oikein, mutta valittu metallipari on väärä, korkeintaan 3 p.

10.	Proteiinit ovat polymeereja, joiden rakenneyksikkoina ovat aminohapot.
	a)	Luonnon aminohapot ovat 2-aminohappoja eli (alfa-aminohappoja. Mitä tällä tarkoitetaan? (1 p.)
	b)	Useimmat 2-aminohapot ovat optisesti aktiivisia. Selita lyhyesti, miten optinen aktiivisuus voidaan kokeellisesti todeta. (2 p.)
	c)	Esitä rakennekaavalla, miten kaksi aminohappomolekyyliä sitoutuu toisiinsa proteiiniketjussa. Miksi tätä sidosta nimitetään? (1 p.)
	d)	Oheinen kuvio esittaa proteiinin kierteistä sekundaarirakennetta. Miten tällainen rakenne muodostuu?
Ratkaisut
	a)	Aminoryhmä on liittynyt samaan hiiliatomiin (alfa-hiili) kuin karboksyyliryhmä.
	b)	Kun tasopolaroitu valo kulkee optisesti aktiivisen näytteen läpi, valon värähtelytaso kiertyy alkuperäisestä polarisaatiotasostaan. Kulman suuruus on suoraan verrannollinen tutkittavan aineen konsentraatioon. Tarvitaan välineet: * kaksi kulma-asteikolla varustettua polarisaatiolevyä * laservalolähde * polarimetrikyvetti Laitteisto kootaan järjestyksessä: laser, 1. polarisaatiolevy, kyvetti, 2. polarisaatiolevy, varjostin. Ensin valon annetaan kulkea vedellä täytetyn kyvetin läpi. Valo ei saa silloin päästä 2. polarisaatiolevyn läpi. Valon läpipääsy estetään polarisaatiolevyä kiertämällä. Asteikon lukema kirjataan muistiin. Sitten kyvetti täytetään tutkittavan aineen liuoksella. Taas 2. polarisaatiolevyä kierretään niin, ettei valo sitä läpäise. Jos kulma poikkeaa veden läpi kulkeneen valon kiertokulmasta, niin aine on optisesti aktiivinen. Yksittäisellä mittauksella ei voida määrittää, onko kiertokulma (+) vai (-). Etumerkki voidaan määrittää käyttämällä erilaisia konsentraatioita.
	c)	Aminohappojen välillä tapahtuu kondensaatioreaktio, jossa toisen aminohappomolekyylin aminoryhmästä lohkeaa vety ja toisen karboksyyliryhmästä -OH. Molekyylien välille muodostuu ns. peptidisidos:
	d)	Proteiinin primäärirakenteen muodostuttua polypeptidiketju kiertyy ja taipuu solun sisällä, koska aimonhapoissa on sivuryhmiä, joiden tilantarve ja vuorovaikutukset pakottavat yksinkertaiset C-C - ja C-N -sidokset kiertymään. Jokaisella proteiinimolekyylillä on yksi energeettisesti ja avaruudellisesti kestävin taipunut muoto, jota vetysidokset pitävät koossa. Sekundaarirakenne on tämä polypeptidiketjun kolmiulotteinen rakenne, jossa ketju on joko kiertynyt serpentiinimäiseksi kierteeksi (-heliksiksi) tai poimuttunut (ß-säie). -heliksiä koossapitävät vetysidokset syntyvät karboksyyliryhmän O-atomin ja aminoryhmän H-atomin välille. Vetysidos syntyy aina neljän aminohapon välein. Toinen proteiineissa esiintyvä sekundäärirakenne syntyy, kun polypeptidiketju taipuu ß-laskosrakenteeksi. Laskosrakenteessa polypeptidiketjut venyvät pituussuunnassa ja niitä kiinnittyy useita vierekkäin vetysidoksilla. Sekundaarirakennetta pitävät koossa vetysidokset.

+11.

Ammoniakki kuuluu kemian teollisuuden tärkeimpiin yhdisteisiin. Suurin osa tuotetusta ammoniakista käytetään lannoitteiden valmistukseen. Miten ammoniakkia valmistetaan teollisuuden tarpeisiin ja miten sitä voidaan tehdä laboratorio-oloissa? Tarkastele myös ammoniakkimolekyylin rakennetta ja ammoniakin kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia.

Ratkaisu

Ammoniakkia valmistetaan teollisesti typestä N₂ ja vedystä H₂ seuraavan reaktion mukaan Haber-Bosch-prosessilla:
2 N₂(g) + 3 H₂(g) tpnuoli

2 NH₃(g)
Reaktio-olosuhteet, paine ja lämpötila on säädettävä, jotta saalis olisi mahdollisimman suuri. Reaktio on eksoterminen reaktio, joten korkea paine ja matala lämpötila suosivat ammoniakin muodostumista. Valmistaminen ei kuitenkaan ole taloudellista hyvin korkeissa paineissa, ja reaktio on erittäin hidas matalassa lämpötilassa. Reaktio tapahtuu melko korkeassa lämpötilassa (400 – 500°C) ja korkeintaan 80 – 350 bar (8-35 MPa) paineessa.
Reaktiossa käytetään kiinteää katalyyttiä, hienojakoista rautaa tai metallikarbideja (heterogeeninen katalyysi). Typpi saadaan ilmasta jakotislauksen avulla. Katalyytin käyttö on mahdollistanut paineen alentamisen. Katalyytti paitsi nopeuttaa reaktiota myös pienentää prosessin kokonaisenergiankulutusta.
Vetyä tuotetaan öljynjalostuksen sivutuotteena tai kivihiilestä (myös turvetta on käytetty). Suomessa ammoniakin valmistus on lopetettu kannattamattomana vuonna 1992, joten ammoniakki on meillä tuontitavaraa.
Ammoniakkia käytetään typpihapon, urean ja ammoniumnitraatin valmistukseen, sitä tarvitaan myös mm. polyamidien lähtöaineiden tuottamiseen. Alla olevaan taulukkoon on koottu muutamia tärkeimpiä ammoniakista valmistettavia yhdisteitä ja niiden käyttökohteita.

HNO₃	typpihappo	räjähteet, väriaineet ym.
NH₄NO₃	ammoniumnitraatti	räjähteet, lannoitteet
H₂N–(CO)–NH₂	urea	lannoitteet, muovit
H₂N–(CH₂)₆–NH₂	heksametyleenidiamiini	polymamidit

Laboratoriomittakaavassa ammoniakkia voidaan valmistaa väkevän emäksen ja ammoniumsuolan välisellä reaktiolla esim. NaOH(s) + NH₄Cl(aq) ->NH₃(g) + H₂O (l) + NaCl(aq)

Ammoniakkimolekyylin rakenne:
Ammoniakkimolekyylin typpiatomilla on yksi vapaa elektronipari. Typpiatomiin on sitoutunut kolme vetyatomia. Typpi muodostaa neljä sp³-hybridiorbitaalia, joista yksi muodostuu vapaasta elektroniparista. Vapaa elektronipari tekee vetysidosten muodostumisen ja protonin sitomisen mahdolliseksi.
t11

Kolmiopohjaisen pyramidin muotoisen ammoniakkimolekyylin NH₃–sidokset suuntautuvat tetraedrisesti, joissa sidosten väliset kulmat ovat 107°. (MAOL sivu 138)

Fysikaaliset ominaisuudet
Puhtaana ammoniakki on kaasu, jonka kiehumispiste on –34,4 °C. Kiehumispiste on suhteellisen korkea verrattuna muihin liki samankokoisista molekyyleistä koostuviin aineisiin, esimerkiksi kokonaan vetysidoksettomaan metaanin CH₄, jonka kp on –161 °C.
Veteen verrattuna nestemäinen ammoniakki sisältää kuitenkin vähemmän vetysidoksia, koska typpiatomilla on vain yksi vapaa elektronipari kun taas happiatomilla niitä on kaksi.

Kemialliset ominaisuudet
Typpiatomi vetää sidoseletroneja puoleensa ja ammoniakki on molekyylirakenteensa takia poolinen ja liukenee siksi helposti veteen: sen liukoisuus on 1300 l/1 l H₂O (0 °C). Ammoniakin liuetessa tapahtuu osalle molekyyleistä protolyysireaktio:

NH₃ + H₂O

NH₄⁺ + OH^–

Ammoniakki on heikko emäs (pK_b = 1,8 · 10^–5 mol/l), ja vastaavasti syntyvä ammoniumioni NH₄⁺ on happo (pK_a = 5,6 · 10^–10mol/l, hyvin heikko happo).

+12.

Strontiumhydroksidin liukoisuus veteen määritettiin kokeellisesti seuraavalla tavalla: Kiinteää strontiumhydroksidia liuotettiin pienissä erissä veteen, kunnes liuos jäi pysyvästi hieman sameaksi. Saadusta kylläisestä liuoksesta otettiin täyspipetillä 10,00 ml:n kirkas näyte, joka titrattiin 0,200 M vetykloridiliuoksella.

Mikä oli strontiumhydroksidin liukoisuus veteen (g/1), kun vetykloridin kulutus oli 11,6 ml? (2 p.)

Laske tulosten perusteella strontiumhydroksidin liukoisuustulon arvo. (3 p.)
Käytä b)-kohdassa saatua liukoisuustulon arvoa ja laske

strontiumnitraatin liukoisuus 0,50 M natriumhydroksidiliuokseen, (2 p.)

strontiumhydroksidin liukoisuus 1,0 M strontiumnitraattiliuokseen. (2 p.)

Ratkaisu

Strontiumhydroksidin liukeneminen:
Sr(OH)₂(s) tpnuoli

Sr²⁺(aq) + 2 OH^-(aq)
Moolimassat:
M(Sr(OH)₂) = 121,636 g/mol

Sr(OH)₂(aq) + 2 HCl(aq) -> SrCl₂(aq) + 2 H₂O(l)

V(HCl) = 11,6 ml
c(HCl) = 0,200 M
n(HCl) = nV = 0,200 (mol/l)^.0,0116 l = 2,32^.10^-3 mol

n(Sr(OH)₂) = n(HCl)/2 = 2,32^.10^-3 mol/2 = 1,16^.10^-3 mol
10,00 ml:aan oli liuennut 1,16^.10^-3 mol Sr(OH)₂
joten 1000 ml:aan liukenee 0,116 mol
Kylläisen Sr(OH)₂-liuoksen konsentraatio on 0,116 mol/l

m(Sr(OH)₂) = nM = 0,116 mol^.121,636 g/mol = 14,1 g

Liukoisuus 14, 1 g/l
Vastaus pyydettiin yksikkössä g/l.

Suolojen liukoisuus voidaan ilmoittaa yksiköissä mol/dm³ tai g/dm³

K_L(Sr(OH)₂) = [Sr²⁺][OH^-]²= 0,116^.0,232² (mol/l)³ = 6,24^.10^-3 (mol/l)³

[Sr²⁺] = 0,116 mol/l
[OH^-] = 2^.0,116 mol/l = 0,232 mol/l

Strontiumnitraatti Sr(NO₃)₂ on runsasliukoinen ja strontiumhydroksidi Sr(OH)₂ niukkaliukoinen suola. Tässä esimerkissä Sr(NO₃) liuotetaan sellaiseen liuokseen, jossa on hydroksidi-ioneja. Sr(OH)₂ alkaa saostua liukoisuustulonsa mukaisesti eikä strontiumnitraattia voi enää liueta.

	Sr(OH)₂(s)	Sr²⁺(aq)	+	2 OH^-(aq)
alku (mol/l)	a	0		0,50
tasapaino (mol/l)	a	x		0,50

Kiinteän aineen konsentraatio ei muutu eli [Sr(OH)₂(s)] pysyy samana.

K_L(Sr(OH)₂) = [Sr²⁺][OH^-]²= x^.0,50² (mol/l)² = 6,24^.10^-3 (mol/l)³[Sr²⁺] = x = 6,24^.10^-3/ 0,50²mol/l = 0,02497 mol/l

Strontiumnitraattia Sr(NO₃)₂ liukenee 0,02497 mol/l
M(Sr(NO₃)₂) = 211,64 g/mol

liukoisuus(Sr(NO₃)₂) = cM = 0,02497 mol/l^.211,64 g/mol = 5,29 g/l ≈ 5,3 g/l

Liuoksessa on jo strontium-ioneja

	Sr(OH)₂(s)	Sr²⁺(aq)	+	2 OH^-(aq)
alku (mol/l)	a	1,0		0
tasapaino (mol/l)	a	1,0 + x		2x
pyöristys		1,0		2x

K_L(Sr(OH)₂) = [Sr²⁺][OH^-]²= 1,0^.(2x)² (mol/l) = 6,24^.10^-3 (mol/l)³4x² = 6,24^.10^-3 (mol/l)²x² = 1,56^.10^-3 (mol/l)²

x ≈ 0,0395 mol/l

Saiko pyöristää?
[Sr²⁺] = 1,0 + x = 1,0 + 0,0395 = 1,0395 ≈ 1,0
Sai pyöristää.

Sr(OH)₂liukenee 0,0395 mol/l strontiumnitraattiliuokseen
liukoisuus(Sr(OH)₂) = cM = 0,0395 mol/l^.121,636 g/mol = 4,8 g/l