Kemian ylioppilastehtävät, hapettuminen - pelkistyminen, sähkökemia

Selvitä, mistä seikoista johtuu, että a) kulta on tunnettu muinaisista ajoista saakka, rautaa käytettiin ainakin jo 2500 - 3000 vuotta eKr., mutta alumiinista tehtyjä esineitä on alettu valmistaa vasta 1800-luvun lopulta lähtien, b) nykyisin tunnetaan lähes 2000 erilaista atomia, mutta vain 109 alkuainetta.
Ratkaisu

Ilokaasuna tunnettua dityppimonoksidia voidaan valmistaa hajottamalla ammoniumnitraattia 250 °C:n lämpötilassa:

a) Ammoniumnitraatti on ionirakenteinen yhdiste, jossa typpi esiintyy kahdella eri hapetusasteella. Mitkä nämä hapetusasteet ovat? Mitkä atomit hapettuvat ja mitkä pelkistyvät reaktion aikana? b) Dityppimonoksidi on polaarinen ja lineaarinen molekyyli. Onko atomien järjestys molekyylissä NNO vai NON? Perustele vastauksesi. c) Laske kaasumaisen dityppimonoksidin tiheys normaaliolosuhteissa (NTP). Päättele, onko kaasu raskaampaa vai kevyempää kuin ilma.

Valitse kolme kohtaa seuraavasta luettelosta ja selvitä näiden kemiallinen perusta:
a) täysinäinen virvoitusjuomapullo halkeaa pakkasessa
b) muurilaasti kovettuu ilmassa
c) kasveja ei voida kastella merivedellä
d) tinaesineitä ei tule säilyttää pitkiä aikoja kylmässä
e) vanhojen rakennusten ikkunalasit ovat usein paksumpia alaosastaan kuin yläosastaan
f) pronssipatsaat saavat helposti vihertävän patinan.

a) Otsonin vähentyminen ylemmissä ilmakerroksissa on luonnon kannalta haitallinen ilmiö. Mitkä ovat tärkeimmät kemialliset tekijät, jotka johtavat otsonikatoon?
b) otsoni on voimakas hapetin ja hapettaa jodidin jodiksi:

Reaktioita voidaan käyttää otsonin määrän selville saamiseen. Menetelmässä vapautunut jodi titrataan natriumtiosulfaattiliuoksella:

Kuinka monta grammaa otsonia näyte sisälsi, kun titrauksessa käytettyä 0,15 M natriumtiosulfaattia kului 11,2 ml? Mitkä aineet hapettuvat ja mitkä pelkistyvät näissä reaktioissa?
Ratkaisu

Kun fosforia (P₄) kuumennetaan vedessä, se hajoaa fosfiiniksi (PH₃) ja fosforihapoksi (H₃PO₄). Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö. Miten fosforin hapetusluku muuttuu reaktion aikana? Kuinka monta grammaa fosforia kuluu, kun tuotteiden kokonaismäärä on 11,8 g?
Ratkaisu

Vertaa toisiinsa kahta metallista alkuainetta, natriumia ja kuparia. Tarkastele niiden esiintymistä luonnossa, fysikaalisia ominaisuuksia ja kemiallisia reaktioita. Miten näitä metalleja voidaan tuottaa teollisesti, ja mihin niitä voidaan käyttää?
Ohje (ei täydellistä vastausta), linkkejä

Valitse kolme seuraavista kohdista ja selvitä näiden kemiallinen perusta:
a) alumiiniset käyttöesineet yleistyivät vasta 1900-luvulla, vaikka alumiini on maankuoren yleisin metalli,
b) alumiinista valmistettua "mehumaijaa" ei suositella käytettäväksi viinimarjamehun valmistuksessa,
c) alumiinikattilaa ei voida puhdistaa natriumhydroksidia sisältävällä uuninpuhdistusaineella,
d) väkevää typpihappoa voidaan säilyttää alumiiniastiassa.

a) Esitä yhdisteiden A - G kaavat. b) osoita, mikä näistä yhdisteistä voi toimia vedessä amfolyyttinä. c) Kumpi yhdisteitä C ja D voi toimia sekä hapettimena että pelkistimenä? Perustele.
Ratkaisu

Selvitä esimerkin avulla, mitä eroa on seuraavilla käsitteillä:
a) puhdas aine ja seos,
b) vahva happo ja syövyttävä happo,
c) emäs ja emäksinen vesiliuos,
d) amorfinen aine ja kiteinen aine,
e) galvaaninen kenno ja elektrolyysikenno,
f) isomeeri ja isotooppi.
Ratkaisu

Aineet voidaan sähkönjohtokyvyn perusteella jakaa kolmeen luokkaan: sähköä johtavat aineet, eristeet ja puolijohteet. Miten kemiallisen sidoksen ja aineen rakenteen avulla voidaan selittää aineiden sähkönjohtokyvyn erot?

Kuparia valmistetaan kuparikiisusta, CuFeS₂, pasuttamalla malmi ensin oksidiksi ja pelkistämällä oksidi sitten metalliksi. Kokonaisreaktio on seuraava:

Prosessissa vapautuvaa rikkidioksidia ei voida sellaisenaan päästää ympäristöön.
a) Pohdi, miten rikkidioksidi voidaan saattaa vaarattomaan muotoon ja miten sitä käytetään hyväksi kemian teollisuudessa.
b) Saatu kupari puhdistetaan elektrolyyttisesti käyttämällä epäpuhtaasta kuparista tehtyä anodia ja puhtaasta kuparista tehtyä katodia. Elektrolyysin aikana anodi liukenee ja puhdas kupari saostuu katodille. Kirjoita elektrodeilla tapahtuvat reaktiot. Kuinka paljon kuparia saadaan, kun liuoksen läpi johdetaan 1 500 A:n tasavirta 1,0 tunnin ajan? Miten kuparisulfaattiliuoksen sininen väri muuttuu elektrolyysin aikana. Perustele.

Tarkastele oheiseen jaksolliseen järjestelmään kirjaimilla a - h merkittyjä alkuaineita. a) Mitkä näistä eivät muodosta kemiallisia yhdisteitä? b) Mitkä näistä esiintyvät yhdisteissään kationina, jonka varaus on 2+? c) Valitse jokin näistä alkuaineista, jonka oksidi on hapan. Laadi tämän oksidin ja veden välisen reaktion yhtälö. d) Valitse jokin näistä alkuaineista, jonka oksidi on emäksinen. Laadi tämän oksidin ja veden välisen reaktion yhtälö. e) Mikä alkuaineista on voimakkain hapetin? Perustele.

Metallien korroosio. Tarkastele korroosiota kemiallisena tapahtumana ja esitä keinoja, joilla korroosiota voidaan vähentää.

Osoita reaktioyhtälöä hyväksi käyttäen, että
a) kaliumnitraatin vesiliuos johtaa sähköä,
b) kloori on voimakkaampi hapetin kuin bromi,
c) amiini on emäs,
d) muurilaasti kovettuu ilmassa.
Ratkaisu

Käytettävissäsi on hopealankaa, kuparilankaa, sinkkilevy ja lyijylevy. Lisäksi saatavilla ovat seuraavien yhdisteiden 1,0 M vesiliuokset: Cu(NO₃)₂, Zn(NO₃)₂, AgNO₃ ja Pb(NO₃)₂. Mitä näistä aineista käytät, kun tarkoituksesi on rakentaa mahdollisimman tehokas (suurin jännite) galvaaninen sähkökenno? Perustele. Laadi tässä kennossa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden yhtälöt ja esitä piirroksen avulla kennon rakenne.

Selvitä, mitä tarkoitetaan seuraavilla käsitteillä: a) kylläinen liuos, b) elektrolyyttiliuos, c) liuoksen happamuus, d) pooliton liuotin, e) kova vesi, f) hydratoituminen.

Selvitä, mitä kemiallisia muutoksia tapahtuu, kun: a) vesi kiehuu, b) rauta ruostuu merivedessä, c) sokeri käytetään alkoholiksi.

Rikkihappo on maailmassa eniten valmistettu teollisuuskemikaali. Hapon valmistus perustuu reaktiosarjaan, jossa rikki hapetetaan ensin rikkidioksidiksi ja edelleen vanadiinioksidin (V₂O₅) läsnä ollessa rikkitrioksidiksi. Kun rikkitrioksidi reagoi veden kanssa, saadaan rikkihappoa.
a) Laadi prosessissa tapahtuvien reaktioiden yhtälöt.
b) Miten rikin hapetusaste muuttuu reaktioiden aikana, ja mikä merkitys vanadiinioksidin käytöllä on?
c) Kuinka monta tonnia rikkihappoa voidaan enintään valmistaa, kun lähtöaineena on 2,5 tonnia rikkiä? Kuinka paljon happea kuluu?
d) Suurin osa tuotetusta rikkihaposta käytetään fosforilannoitteiden valmistukseen. Tällöin niukkaliukoinen kalsiumfosfaatti muutetaan rikkihapon avulla paremmin liukenevaksi kalsiumdivetyfosfaatiksi. Esitä myös tämän reaktion yhtälö.

Selvitä esimerkin avulla tai muulla tavoin seuraavat käsitteet: a) kationi, b) kiteinen aine, c) hydratoitunut ioni, d) pintajännitys, e) ideaalikaasu, f) heikko elektrolyytti.

a)	ruokasuola liukenee veteen,
b)	pieni natriumpala pannaan veteen,
c)	sinkkijauhetta lisätään suolahappoliuokseen,
d)	hopeanitraattia lisätään rauta(II)nitraatin vesiliuokseen,
e)	hopealanka upotetaan kuparisulfaatin vesiliuokseen,
f)	natriumkloridia ja natriumjodidia sisältävään vesiliuokseen lisätään nestemäistä bromia.

a)	epäjalo metalli – jalo metalli
b)	vahva happo – heikko happo
c)	kiteinen aine – amorfinen aine
d)	emäksinen oksidi– hapan oksidi

a) Laadi rakennekaavat kaikille yhdisteen C₄H₁₀O isomeereille. b) Millä näistä isomeereistä esiintyy optista isomeriaa? c) Mitkä isomeereistä reagoivat, kun yhdistettä käsitellään miedolla hapettimella? Laadi hapetustuotteiden rakennekaavat.

a) etikkahappo on heikko happo,
b) rauta on epäjalo metalli,
c) kiinteä litiumkloridi on ioniyhdiste,
d) valkea jauhemainen aine on natriumkarbonaattia.

NaI(aq) + H₂SO₄(aq) + MnO₂(s) → Na₂SO₄(aq) + MnSO₄(aq) + I₂(s) + H₂O(l)

a) Määritä reaktioyhtälön kertoimet.
b) Käytössä on 159 ml 0;50 M natriumjodidiliuosta ja 2,9 g mangaanidioksidia. Kuinka paljon jodia voidaan enintään saada?
c) Mikä aine toimii reaktiossa hapettimena ja mikä pelkistimenä?

"Niin, rakas Watson", sanoi Sherlock Holmes, "osoitamme, että murha oli tehty juottamalla uhrille arsenikkia kahvin kanssa. Suoritamme huolellisesti Betterdorffin kokeen todetaksemme kahvijäännöksessä olevan arseenia. Sekoitamme kahvinäytteen väkevään suolahappoon liuotetun tina(II)kloridin kanssa, lämmitämme varovasti kaasuliekillä ja voimme todeta…. aha! …. aivan oikein, liuos värjäytyy ruskeaksi, muodostuu vapaata arseenia!" Reaktio on:

a)	Määritä reaktioyhtälön kertoimet. (2 p.)
b)	Mitkä aineet hapettuvat ja mitkä pelkistyvät reaktiossa? Esitä myös vastaavat hapetuslukujen muutokset. (2 p.)
c)	Laadi reaktioyhtälö, kun liuoksessa oleva arseeni esiintyy arseenitrioksidina (As₂O₃). Lisää tarvittaessa yhtälöön vetyioneja ja vettä. (2 p.)

Polttokennon periaate keksittiin jo vuonna 1938, mutta laajamittainen tutkimus- ja kehitystyö alkoi vasta 1980-luvulla. Kioton ilmastosopimus on omalta osaltaan lisännyt eri maiden tutkijoiden ja teollisuuden kiinnostusta polttokennojen kehittämistä kohtaan.

a)	Mitä polttokennolla tarkoitetaan, ja miksi sen avulla tuotettu sähkö- ja lämpöenergia on ympäristön kannalta parempi vaihtoehto kuin perinteisin menetelmin tuotettu? (4 p.)
b)	Oheisessa kaaviossa on esitetty erään polttokennon rakenne. Selosta, miten kuvan polttokenno toimii ja mitä reaktioita sen toiminnan aikana tapahtuu. (5 p.)

Hapettumiseen ja pelkistymiseen sekä sähkökemiaan liittyvät tehtävät