Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, kevät 2002

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | +8 | kysymykset (erilliseen selainikkunaan)

Selvennä etiketti!

a) Talousvedessä (vesijohto- ja kaivovedessä) on aina jonkin verran kalsium- eli Ca²⁺-ioneja. Ilmassa taas on hiilidioksidia CO₂. Vesijohtoveteen voidaan myös varta vasten lisätä hiilidioksidia. Näiden aineiden reagoidessa keskenään vedessä syntyy liukoista kalsiumvetykarbonaattia Ca(HCO₃)₂(aq), joka vähitellen hajoaa esimerkiksi vettä keitettäessä tai veden pH:n muuttuessa putkistossa tai käyttöastiassa. Hajoamistuotteena syntyy kiinteää kalsiumkarbonaattia CaCO₃(s), joka saostuu laitteiden pinnoille. Tällaista saostumaa sanotaan kattilakiveksi. Kattilakivi ei ole aivan pelkkää kalsiumkarbonaattia, vaan siihen on tavallisesti takertunut mukaan muita veteen joutuneita epäpuhtauksia (esim. ilmakostuttajissa ja kahvinkeittimissä pölyä).

b) Fosforihappo ja sitruunahappo liuottavat CaCO₃-saostuman: syntyy liukoisia suoloja mm. kalsiumdivetyfosfaattia Ca(H₂PO₄)₂ (kaavaa ei tarvinnut mainita) ja vapautuu hiilidioksidia. Sitruunahapon tehtävänä on osaltaan huolehtia riittävästä happamuudesta. Tensidit puolestaan irrottavat orgaanista likaa ja pitävät likahiukkaset (myös mahdolliset kattilakiven pikku muruset) liuoksessa eli emulgoivat likaa ja stabiloivat syntyvän emulsion. Tensidi on anioni tai molekyyli, jossa on poolinen ja pooliton osa. Pooliton osa tunkeutuu orgaanista likaa sisältävään hiukkaseen
(kts. tehtävä 6)

Huomautus

c) Polyeteeni [–CH₂–]_n koostuu hiilestä ja vedystä, joten polyeteeniastia voidaan hävittää polttamalla. Täydellisen palamisen tuotteina syntyy hiilidioksidia ja vettä.

Muoviastioiden (HD-polyeteenin) polttaminen kotioloissa ei kuitenkaan ole suositeltavaa, sillä palamista on tavallisessa tulisijassa vaikea saada tapahtumaan riittävän tehokkaasti. Muovi sulaa. Sulanut möykky palaa huonosti: syntyy savua ja nokea, koska lämpötila jää usein liian matalaksi eikä hapen saanti ole riittävää. Asiaa auttaa, jos tulisija on jo kuuma, muovia on vain vähän ja sen seurana on runsaasti hyvin palavaa puuta. Polyeteenin polttaminen sopivissa energiantuotantolaitoksissa on parempi vaihtoehto, mutta se edellyttää että muovinjätteen keräys on järjestetty.

Koska CO₂-päästöjä tulisi rajoittaa, myös tällaiset muovipullot olisi hyvä toimittaa uusiokäyttöön jos mahdollista. Uusiokäyttöä ovat esim. lannoitesäkkien, muovisten kukkaruukkujen yms. valmistus.

Huomautus

a) ja b) Hapetusaste lasketaan olettaen, että yhdisteissä hapen hapetusasteena on –2 ja vedyn +1. Alkuainerikin S hapetusaste on 0 (samoin alkuainehapen O₂).

c) Rikkihappoa voi syntyä korkeintaan yhtä suuri ainemäärä kuin rikkiä on käytettävissä. Reaktiossa 1 kuluu yhtä suuri ainemäärä happea ja rikkiä. Reaktiossa 2 hapen ainemäärä on puolet rikin ainemäärästä. Kaikkiaan happea tarvitaan siis 1,5 kertaa rikin ainemäärä.

n(H₂SO₄) = n(S) = 2,5 · 10⁶ g : 32,06 g/mol
m(H₂SO₄) = ( 2,5 · 10⁶ g : 32,06 g/mol) · 98,01 g/mol
m(H₂SO₄) = 7,64 · 10⁶ g = 7,6 tn

n(O₂) = 1,5 · n(S)
m(O₂) = 1,5 · ( 2,5 · 10⁶ g : 32,06 g/mol) · 32,00 g/mol
m(O₂)= 3,74 · 10⁶ g = 3,7 tn

d) Kalsiumfosfaatin ja rikkihapon välisessä reaktiossa syntyy kalsiumdivetyfosfaatin lisäksi kalsiumsulfaattia.

a) Reaktioyhtälö

b) Reaktioyhtälön mukaan hiilidioksidin ja bariumhydroksidin ainemäärä on sama.

V(CO + CO₂) = 193 ml
n(CO₂) = n(BaCO₃) = 1,04 g : 197,34 g/mol
V(CO₂) = (1,04 g : 197,34 g/mol) · 22,4 · 10³ ml = 118,1 ml
CO₂:n määrä tilavuusprosentteina: 100 % · 118,1 ml : 193 ml = 61,2 % (61 %)

c) Kaasun tiheys NTP-olosuhteissa ρ = M : V_m

CO 29 % , CO₂ 71 %

a) ja b) Hydrauksessa häviää C=C-kaksoissidos sekä aldehydin C=O-sidos, jolloin kummastakin krotonialdehydin isomeeristä syntyy sama alifaattinen alkoholi, 1-butanoli.

c) Kun hapetetaan aldehydiä, saadaan tulokseksi karboksyylihappo. Karboksyylihappo muodostaa esterin 1-butanolin kanssa.

a) Kun 0,10 moolia typpihapoketta liuotetaan veteen saadaan liuos, jonka c(HNO₂) = 0,10 mol/l.

HNO₂ + H₂O NO₂^– + H₃O⁺

K_a = [NO₂^– ] [H₃O⁺] : [HNO₂]
K = x · x : (0,10 – x) = 4,5 · 10 ^–4 (yksikkö mol/l)
Tästä saadaan toisen asteen yhtälö, josta ratkaistaan konsentraatio x.
x² + 4,5 · 10 ^–4 x – 4,5 · 10 ^–5 = 0
Yhtälön toinen juuri on negatiivinen, joten se ei kelpaa ratkaisuksi. Positiivinen juuri on x = 0,00649
[NO₂^– ] = 0,0065 mol/l
Prosenttisosuus: 100 % · 0,0065 mol/l : 0,10 mol/l = 6,5 %

b) Kun liuokseen lisätään natriumnitriittiä NaNO₂, liuoksen nitriitti-ionin konsentraatio kasvaa. Le Châtelier'n periaatteen mukaisesti typpihapokkeen protolyysitasapaino siirtyy vasemmalle ja oksoniumionin konsentraatio pienenee. Tästä seuraa, että pH-arvo kasvaa.

YLE, Klaffi, Professori Saarisen vastaus (1:08 min)

Samanlainen liuottaa samanlaista, "similia similibus solvuntur" oli jo alkemisteille tuttu kokemukseen perustuva sääntö, jota voidaan selittää yhdisteiden sidosrakenteen, poolisuuden ja poolittomuuden pohjalta.

Kuvassa NaCl liukenee veteen ja hydratoituminen alkaa. Pooliset vesimolekyylit pommittavat kidehilaa ja kerääntyvät ionien ympärille. Vesimolekyyli kääntää happipään kationia kohti ja vetyatomit anionia kohti.

Kevät 2001, tehtävä 1 f

Esimerkki 1
Vesi on pienimolekyylinen poolinen yhdiste, joka liuottaa hyvin monia ioniyhdisteitä, mm. ruokasuolaa NaCl, sekä poolisia molekyyliyhdisteitä, kuten pienimolekyylisiä alkoholeja, mm. metanolia ja etanolia. Myös sokerit, etenkin mono- ja disakkaridit liukenevat veteen useiden poolisuutta lisäävien OH-ryhmiensä ansiosta.

Vesimolekyylien ja liukenevan yhdisteen väliset hallitsevat vuorovaikutukset ovat tyypiltään samanlaisia ja siksi myös vahvuudeltaan samaa luokkaa: dipoli-dipoli-, ioni-dipoli-vuorovaikutuksia ja vetysidoksia. Myös dispersiovoimat (van der Waalsin voimat) ovat mukana, mutta dipoliset vuorovaikutukset ovat huomattavasti niitä voimakkaampia. Dipoliset vuorovaikutukset syntyvät pysyvien dipolien ja ionien välille.

Vesi- ja etanolimolekyylit muodostavat vetysidoksia myös keskenään.

Esimerkki 2
Poolittomat yhdisteet, kuten rasvat, liukenevat tuskin lainkaan veteen, mutta sen sijaan ne liukenevat hyvin poolittomiin liuottimiin, kuten bensiiniin (hiilivetyseos) tai eetteriin. Näihin liuottimiin taas esimerkissä 1 mainitut pooliset yhdisteet eivät liukene.

Esimerkki 3
Vesi ja eetteri eivät liukene toisiinsa juuri lainkaan, joten niiden seoksesta erottuu kaksi kerrosta. Tätä ilmiötä voidaan käyttää hyväksi uutettaessa erityyppisiä aineita.

Poolittomien molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat dispersiovoimia, jotka syntyvät elektronien liikkeestä ja ovat hetkellisiä. Ne riittävät keskenään samantyyppisten molekyylien sekoittumiseen, mutta eivät pysty kilpailemaan poolisten yhdisteiden välisten voimakkaiden vetovoimien kanssa. Tämän takia pooliset molekyylit liittyvät yhteen ja erottuvat omaksi kerroksekseen.

Esimerkki 4
Huonosti toisiinsa liukenevat aineet, kuten öljy ja vesi, voidaan saada kolloidiliuokseksi emulgaattorilla eli aineella, jonka molekyylissä tai ionissa on sekä poolinen pää ja riittävän suuri pooliton osuus. Pooliton osa kiinnittyy liuotettavaan poolittomaan molekyyliin. Tällainen kolloidi ei kuitenkaan ole varsinainen liuos eikä yleensä pysyvä. Esimerkiksi maito on kolloidi, jossa emulgaattoreina toimivat maidon valkuaisaineet.

	Likahiukkanen saippuan anionien ympäröimänä (vasemmalla). Saippuan anioni (oikealla). R on politon osa.
	Syksy 2001, tehtävä 6b Tämän kokeen tehtävä 1 b

Emulgointi on myös pesutapahtumassa oleellinen. Emulgaattoreina ovat saippuan anionit tai synteettisten pesuaineiden tensidit.

a) Rakennekaavat

Kaavoista voi saada yhteensä 1 pisteen.

b) Työturvallisuus

• Väkevä rikkihappo H₂SO₄ on erittäin syövyttävää, joten sitä käsiteltäessä on varottava räiskeitä ja erityisesti suojattava kädet ja silmät (hansikkaat, suojalasit). Samoin emäksistä natriumhydroksidia NaOH käsiteltäessä. Rikkihappo- ja natriumhydroksidiliuosta ei saa päästää kosketukseen toistensa kanssa, sillä neutraloitumisreaktiossa syntyy runsaasti lämpöä, joka saa reaktioseoksen räiskymään.
• Avotulta ei pidä käyttää kuumentamiseen, koska eteeni ja dietyylieetteri ovat herkästi syttyviä. Myös etanoli palaa hyvin.
• Työ on turvallisinta tehdä vetokaapissa, jotta pienetkin määrät mahdollisesti karkaavia kaasuja saadaan pois työalueelta.
• Kuvassa kaasunpesupullolla ei näytä olevan tukea. Kaatumisvaaran vuoksi se olisi kuitenkin hyvä tukea. Myös pullosta pneumattiseen ammeeseen lähtevä lasiputki vaikuttaa kovin helposti liikkuvalta. Jonkinlainen tukikiinnitys olisi siinäkin tarpeen.
• Kolvissa olevan ilman päästävä pois ennen eteenin talteenottoa.
• Entä eteenin keräykseen käytetty mittalasi? Onko se mahdollista sulkea? Miten eteeni otetaan talteen, kun valmistus lopetetaan ja laitteisto puretaan?
  Eteeni on hieman ilmaa kevyempää: ilman keskimääräinen moolimassa on 29 g/mol ja eteenin 28 g/mol.

kiehumakivet tuenta liitosten kiinnitys ilman poistuminen
Muihinkin kuin edellä mainittuihin seikkoihin voidaan kiinnittää huomiota. Pisteitä annettaessa b-kohdan osuus voi olla enintään 3 pistettä.
Laitteistokuva suurempana

c) Kolvista tuleva kaasuseos johdetaan NaOH-liuokseen. Kaasuista itse tuote eli eteeni ja orgaaninen epäpuhtaus eli dietyylieetteri eivät sanottavasti liukene emäksiseen vesiliuokseen. Sen sijaan rikkidioksidi SO₂ ja hiilidioksidi CO₂ reagoivat NaOH:n kanssa, koska ne ovat happamia oksideja. Tuotteena syntyy natriumsulfiittia ja -karbonaattia.

d) Natriumkloridi NaCl ei ota kidevettä, joten se ei sovi kuivausaineeksi. Kuparisulfaatti CuSO₄ · 5 H₂O sisältää jo maksimimäärän kidevettä, joten se ei pysty kuivaamaan eteeniä. Kidevedetön kalsiumkloridi CaCl₂ pystyy ottamaan kaavayksikköä kohti 2 – 6 kidevesimolekyyliä, joten se soveltuu kuivaukseen.

Sidosten muodostuminen tulisi kuvata lyhyesti. Muutamin sanoin voisi kertoa myös aluksi, mitä sidoksen vahvuudella tarkoitetaan.

Vahvat kemialliset sidokset

• Kovalenttinen sidos: yksi, kaksi tai kolme sitovaa elektroniparia atomien välillä
  Esimerkkejä: alkuainemolekyylit, H₂ ,O₂, N₂, timantti, SiO₂, orgaaniset molekyylit
• Ionisidos: sähköstaattinen vetovoima anionien ja kationien välillä
  Esimerkkejä. NaCl, vrt. moniatomisten ionien muodostamat yhdisteet, proteiineissa esiintyvät molekyylien sisäiset ionisidokset
• Metallisidos

Heikot kemialliset sidokset

• Ioni-dipoli-sidokset
  Esimerkkejä: ionit vesiliuoksessa, hydratoituminen
• Dipoli-dipoli-sidokset, vetysidos
  Esimerkkejä: veden rakenne, etikkahapon rakenne, proteiineissa esiintyvät vetysidokset, DNA
• Dispersiovoimat (van der Waalsin sidokset)
  molekyylien välillä ja sisällä, atomien välillä (jalokaasut)

Aineiden omaisuuksien selittämien sidostyypin perusteella: mm. metallien sähkönjohtavuus, timantin kovuus, veden korkea kiehumispiste, jään rakenne, typen "passiivisuus", proteiinien rakenne jne.

Huom! Tehtävän 6 liukenemisasia sivuaa jokerin aihepiiriä, joten sieltäkin voinee poimia esimerkkejä (dispersio- ja dipolivuorovaikutukset) viittauksina, jos on siihen vastannut.

Yo-sivujen alku