Kemia yo s03 ratkaisut

a) Fossiiliset polttoaineet on peräisin hiilikerrostumista, maaöljystä ja maakaasusta, jotka ovat syntyneet syvälle maakerrosten väliin muinoin kuolleiden kasvien ja eläinten jäännöksistä Fossiiliset polttoaineet sisältävät hiiltä ja sen yhdisteitä, pääosin hiilivetyjä , joiden palaessa syntyy hiilidioksidia CO₂. Poltettaessa hiili vapautuu siis pitkäaikaisvarastoistaan kiertoon ja ilmakehän CO₂-pitoisuus kasvaa, ellei hiilidioksidia sitoudu riittävässä määrin vesistöihin (lähinnä meriin sekä sadeveteen) ja vihreisiin kasveihin. CO₂ ei nesteydy normaalipaineessa eikä voi siis poistua ilmakehästä muuten kuin liukenemalla veteen (tapahtuu myös protolyysireaktio, c-kohta!) tai osallistumalla yhteyttämisreaktioihin.

Esimerkki palamisreaktiosta

Oktaanin palaminen (oktaania on bensiinissä)
2 C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O

b) Sadeveden happamuus johtuu osittain hiilidioksidista, mutta sadevettä happamoittavat lisäksi rikin ja typen oksidit, joista pääsee ilmakehään mm. vulkaanisen toiminnan seurauksena sekä fossiilisia polttoaineita poltettaessa ja teollisista prosesseista. Sadeveden luonnollinen pH on noin 6, mutta asutuilla seuduilla pH voi laskea jopa arvoihin 4 – 5. Usein hiilidioksidista johtuvaa sadeveden happamuutta nimitetään " luonnolliseksi happamuudeksi" ja muiden happamoittavien aineiden yhteydessä puhutaan "happamasta laskeumasta".

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (hiilihappo)
H₂CO₃ + H₂O → HCO₃^– + H₃O⁺

c) Vihreät kasvit käyttävät hiilidioksidia yhteyttämisreaktioon, joten ne kuluttavat ilmasta hiilidioksidia, mutta hiilen kiertokulusta johtuen ilmakehän CO₂-pitoisuus ei varsinaisesti vähene vaan pysyy jokseenkin vakiona. Tosin viime vuosisadan aikana ilman CO₂-pitoisuus on kohonnut, minkä arvellaan johtuvan ihmisten toiminnasta, mm. teollisuuden ja liikenteen kasvusta. Toisaalta metsäalueet ja muut hiilidioksidia tehokkaasti kuluttavat alueet ovat pienentyneet, nekin pääosin ihmisen toimesta.

Yhteyttämisreaktiossa CO₂ sitoutuu:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
(yksinkertainen hiilihydraatti glukoosi ja happi)

d) Normaaliolosuhteet (NTP): T = 273 K (0 °C), p = 1,013 bar
CO₂ muuttuu normaalipaineessa kiinteäksi lämpötilassa 194,5 K (–78,5 °C) ja nesteytyy vasta, kun painetta kasvatetaan huomattavasti yli normaalipaineen.

Hiilidioksidin molekyylirakenne on sauvamainen ja symmetrinen, joten molekyyli on pooliton. Heikohkot dispersiovoimat (Londonin voimat, van der Waalsin voimat) ovat siten hallitsevia molekyylien välisessä vuorovaikutuksessa. Tämä ei kuitenkaan riitä täysin selittämään hiilidioksidin ominaisuuksia — vaikkakin auttaa ymmärtämään yhdisteen olomuodon normaaliolosuhteiden lähellä.

M(NaOH) = 40,00 g/mol
m(NaOH) = 2,40 g
V = 150 ml = 0,150 l
n = m : M
c = n : V
M(H₂SO₄) = 98,07 g/mol

NaOH-liuoksen konsentraatio:
n(NaOH) = 2,40 g : 40,00 g/mol (mittapullossa)
c(NaOH) = 2,40 g : 40,00 g/mol : 0,150 l = 0,40 mol/l
Rikkihapon ainemäärä on puolet titrauksessa kuluneen NaOH:n ainemäärästä (reaktioyhtälö!).
NaOH:n kulutus 12,3 ml = 0,0123 l
n(H₂SO₄) = 0,5 · 0,0123 l · 0,40 mol/l
m(H₂SO₄) = 0,5 · 0,0123 l · 0,40 mol/l · 98,07 g/mol = 0,24 g

Hiilen, vedyn, typen ja hapen prosenttiosuuksien summa (34,3 + 6,7 + 13,3 + 45,7) % = 100 %, joten yhdisteessä ei ole muita alkuaineita.

Aine	C	H	N	O
%	34,3	6,7	13,3	45,7
m (g)	34,3	6,7	13,3	45,7
M (g/mol)	12,01	1,01	14,01	16,00
n (mol)	2,86	6,63	0,95	2,86
n(C) : n(H) : n(N) : n(O) = 2,86 : 6,63 : 0,95 : 2,86 = 3 : 7 : 1 : 3

b) Yhdisteen suhteellinen molekyylimassa on 105.
Kaavasta laskemalla saadaan suhteelliseksi molekyylimassaksi
3 · 12,0 + 7 · 1 + 3 · 16,0 + 14,0 = 105
kun kerroin k on 1.
Yhdisteen molekyylikaava on siis C₃H₇O₃N

c) Koska yhdiste on luonnossa yleisesti esiintyvä aminohappo, se ilmeisesti sisältää karboksyyliryhmän ja aminoryhmän, jotka kiinnittyvät samaan hiiliatomiin. Sivuketjuun jää täten yksi hiiliatomi ja hydroksyyliryhmä.

a) Paulin periaate (kieltosääntö)
Jokaisella saman atomin elektronilla on erilainen kvanttilukuyhdistelmä: ainakin yksi kvanttiluku on siis poikkeava.

b) Hundin sääntö
Jokaisen elektronikuoren samannimisiin orbitaaleihin asettuvat ensin parittomat elektronit. Kuhunkin orbitaaliin voi kuulua korkeintaan kaksi elektronia, joiden spinkvanttiluvut ovat vastakkaiset. Spinkvanttiluku kuvaa elektronin oman akselinsa ympäri tapahtuvan pyörimisen suuntaa. Spinkvanttiluvut ovat +1/2 (nuoli ylös) ja –1/2 (nuoli alas).

c) Elektronikuori
Elektronit muodostavat atomiytimen ympärille elektronipilven, jossa elektronit esiintyvät energialtaan erilaisilla energiatasoilla, jotka ryhmitellään karkeasti elektronikuoriksi. Ensimmäinen elektronikuori on lähinnä ydintä ja energialtaan pienin. Elektronikuoret on nimetty isoilla kirjaimilla K, L, M, ... Erilaisten hyppäyksittäin muuttuvien energiatasojen esiintyminen on osoitus energian kvantittumisesta. Kirjaimiin liitetään pääkvanttiluku seuraavasti K 1, L 2, M 3 jne. Kullekin kuorelle mahtuu vain tietty määrä elektroneja, K-kuorelle 2 , L-kuorelle 8, M-kuorelle 18 eli 2n² elektronia. Kaavassa n tarkoittaa pääkvanttilukua. Elektronikuoren käsite syntyi Bohrin atomimallin myötä.

d) s-orbitaali
Orbitaali on atomiin tai molekyyliin sisältyvä alue, jolla elektroni todennäköisimmin liikkuu. Todennäköisyyttä käytetään, koska elektronin täsmällistä sijaintia on mahdoton määrittää. Yhdelle orbitaalille voi sijoittua korkeintaan kaksi elektronia eli elektronipari, jonka elektroneilla on vastakkainen spin. Samalla elektronikuorella voi olla elektroneja, joiden energiataso on hieman erilainen. Elektronien sanotaan silloin sijoittuvan ei orbitaaleille. Esim. K-kuorella on vain s-orbitaali, L-kuorella s- ja p-orbitaaleja.

Orbitaalin muoto ja koko lasketaan Schrödingerin aaltoyhtälön pohjalta. Kaikki s-orbitaalit ovat kuoren matalaenergiasimpia ja muodoltaan pallomaisia. 1s-orbitaalissa ei ole solmupintaa, mutta 2s-orbitaalissa ja sitä korkeammissa on solmupinta pallon sisällä. Orbitaalin koko kasvaa päävanttiluvun mukaan.

Orbitaalia ei voida kokeellisesti havaita. Elektronitiheys sen sijaan voidaan mitata. Suuri elektronitiheys jossakin atomin tai molekyylin osassa merkitsee suurta elektronin esiintymistodennäköisyyttä.

e) Siirtymäalkuaine
on alkuaine, jonka uloimmalle kuorelle on sijoittunut elektroneja vaikka sisempi kuori ei ole vielä kokonaan täynnä. Siirtymäalkuaineet kuuluvat jaksollisessa järjestelmässä d- ja f-lohkoon. Siirtymäalkuaineet ovat kaikki metalleja.

f) Kvanttiluku
kuvaa atomin elektroniverhon rakennetta: pääkvanttiluku kertoo elektronin energian suuruusluokan (vrt. elektronikuori), sivukvanttiluku ilmaisee orbitaalityypin (s, p, d, f ), magneettinen kvanttiluku ilmoittaa magneettikentässä olevan elektronin energiatason ja spinkvanttiluku elektronin pyörimissuunnan (oman akselinsa ympäri)


a) 2-pentanoni	d) 1,3-butadieeni

b) etyylimetyyliamiini	e) 1,4- dihydroksibentseeni

c) sykloheksanoli	f) trans-2,3-dikloori-2-buteeni

Hapon konsentraatio:
c(HA) = 2,50 mmol : 0,250 l = 0,0100 mol/l
Haposta 7,64 % on protolysoitunut, joten protolysoitumatonta happoa on 100 % – 7,64 % = 92,36 %
Tasapainokonsentraatiot :
[HA] = 0,9236 · 0,0100 mol/l = 0,009236 mol/l
[A^–] = [ H₃O⁺] = 0,0764 · 0,01 mol/l = 0,000764 mol/l
Happovakio K_a = [ H₃O⁺] · [A^–] : [HA]
K_a = (0,000764 mol/l)² : 0,009236 mol/l = 6,32 · 10^–5 mol/l

Huomautus vastauksen tarkkuudesta: pH-arvo 3,117 tai 3,12 hyväksyttiin, pyöristyksestä arvoon 3,1 rangaistiin 1/3 pisteen menetyksellä.

Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, syksy 2003