Kemia yo s06 ratkaisut

Yhdiste	C₂H₂	C₃H₈	CH₃OH	HCOOH	CH₃OCH₃
Hiilivety	kyllä	kyllä	ei	ei	ei	kyllä
Tyydyttymätön yhdiste	kyllä	ei	ei	ei	ei	kyllä*
Poolinen molekyyli	ei	ei	kyllä	kyllä	ei	ei
Vetysidoksia molekyylien välillä	ei	ei	kyllä	kyllä	ei	ei
Hapan vesiliuos	ei	ei	ei	kyllä	ei	ei

* Yhdiste on bentseeni, joka on aromaattinen yhdiste. Aromaattiset yhdisteet luokitellaan tyydyttymättömiksi molekyylin vetyatomien ja hiiliatomien määrien suhteiden perusteella. Reaktioiden perusteella aromaattiset yhdisteet voisivat kuulua tyydyttyneisiin yhdisteisiin.

m (g)	NH₃	CO₂
m (g)	637	1140
M (g/mol)	17,03	44,01
n = m : M (mol)	37,405	25,903

Ammoniakin kerroin reaktioyhtälössä on 2, joten ammoniakkia kuluu
37,405 mol : 2 = 18,7025 mol
Ammoniakin määrä on siten rajoittava tekijä.

Ureaa saadaan korkeintaan
m(urea) = 18,7025 mol · 60,06 g/mol = 1123 g , tarkkuus huomioiden 1120 g.

C₂H₆(g) + 3,5 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(g)
C_nH_2n(g) + 1,5 n O₂(g) → n CO₂(g) + n H₂O/g)

Lasketaan kuinka paljon (tilavuudet) happea etaani ja alkeeni kuluttavat. Voidaan käyttää tilavuuksia, koska reaktiot tapahtuvat kaasufaasissa (ja suljetussa astiassa).

C₂H₆:	3,5 · 50 ml = 175 ml
C_nH_2n:	1,5 n · 70 ml = 105 n ml

Hapen määristä saadaan yhtälö:
(105 n + 175 + 30 ) ml = 520 ml eli 105 n ml = 315 ml, josta n:n arvoksi tulee 3. Alkeenin molekyylikaava on siis C₃H₆.

b) Reaktiossa syntyy neljää dipeptidiä:
alaniini - alaniini, alaniini - isoleusiini, isoleusiini - alaniini ja isoleusiini - isoleusiini


alaniini-alaniini	alaniini-isoleusiini

isoleusiini-alaniini	isoleusiini-isoleusiini

Kaavat voidaan piirtää usealla tyylillä. Tässä hiiliketjut on piirretty polveileviksi ChemSketchin tyyliin.

a) Liuoksen pH
Lasketaan [H₃O⁺], joka on sama kuin c (HCl).
[H₃O⁺] =1,0 · 10^–3 mol : 0,50 l = 2,0 · 10^–3 mol/l
pH = – log 2,0 · 10^–3 = 2,7

b) Kun pH = 3,00, [H₃O⁺] = 10^–3 mol/l
Merkitään laimennetun liuoksen tilavuutta V:llä. Ainemäärien (n = cV) perusteella saadaan yhtälö:
V· 10^–3 mol/l = 1,0 · 10^–3 mol, josta saadaan V = 1 litra.

c) Merkitään lisättävää NaOH-liuoksen määrää x:llä.
Liuoksen lopputilavuus on x + 0,50 litraa.
Koska liuoksen pH:n tulee olla 12,00, sen pOH on silloin 14,00 – 12,00 = 2,00, josta saadaan
[OH^–] = 10^–2.

Ainemäärä (mol)	Lisätty OH^–	Neutralointiin kului	Liuokseen jää
Ainemäärä (mol)	0,10 · x	1,0 · 10^–3	10^–2(x + 0,50)

Laaditaan yhtälö OH^–-ionien ainemäärien perusteella
0,10 x = 0,001 + 0,01(x + 0,50), josta ratkaisuna
x = 0,006 : 0,09 = 0,06666
NaOH-liuosta on lisättävä 0,067 l = 67 ml

a) Yhdisteen A rakennekaava, johon asymmetrinen (kiraalinen) hiiliatomi on merkitty tähdellä.:

b) Valmistettaessa yhdistettä A synteettisesti saadaan molempia optisia isomeerejä. Tuotteeksi syntyy raseeminen seos, joka ei ole optisesti aktiivinen.

c) Yhdisteestä A ei ole olemassa cis-trans-isomeerejä, sillä kaksoissidoksen toiseen hiiliatomiin on liittynyt kaksi vetyatomia. Kuvassa atomit on merkitty sinisellä.

a) Metallit johtavat sähköä, koska metallisidoksessa sidoselektronit pääsevät liikkumaan atomien välisessä tilassa. Metalliatomeissa on uloimmalla kuorella vajaa elektronimiehitys (vain 1 — 4 elektronia).

Metalliatomien sitoutuessa toisiinsa uloimmat kuoret eivät silloinkaan täyty tai saavuta oktettia. Atomien uloimmat elektronit muodostavat "elektronimeren", jonka negatiivinen varaus sitoo metalliatomit hilaan mutta jossa elektronit eivät ole lokalisoituneet vaan pystyvät siirtymään vajaamiehitettyihin orbitaaleihin.

b) Jalokaasuilla on alhainen kiehumispiste, koska ne koostuvat lähes irrallisista atomeista. Niiden atomien väliset sidosvuorovaikutukset ovat heikkoja dispersiovoimia (van der Waalsin sidoksia). Jalokaasuilla on uloimmalla elektronikuorella oktetti lukuun ottamatta heliumia, jolla on täydellä uloimmalla kuorellaan kaksi elektronia. Elektronirakenteensa takia jalokaasut eivät muodosta alkuaineina esiintyessään molekyylejä. Niinpä dispersiovoimat jäävät atomien välisiiksi ja siitä syystä heikoiksi. Dispersiovoimien suuruushan riippuu sitoutuvien hiukkasten koosta ja elektronien määrästä.

c) Suolat liukenevat veteen, koska niillä on ionihila. Pooliset vesimolekyylit pääsevät liittymään hilan ioneihin, siten purkamaan sen ja hydratoimaan irronneet ionit, jotta ne pysyvät vesiliuoksessa. Kuvassa esimerkkinä NaCl-hilan purkautuminen ja ionien hydratoituminen.

a) Pulloa avattaessa olueen liuenneet kaasut (pääasiassa hiilidioksidi) pääsevät poistumaan ja poistuessaan aiheuttavat kuohunnan. (Olut sisältää sokereita, pieniä määriä valkuaisaineita ym. yhdisteitä, jotka vaikuttavat kuohun muodostukseen.) Kaasut poistuvat, koska pullon avaaminen rikkoo sen sisällä (suljetussa systeemissä) vallitsevan liukoisuustasapainon. Le Châtelier'n periaatteen mukaisesti pyrkii muodostuman uusi tasapainotila, mutta koska uusi systeemi on avoin, kaasun virtaus jatkuu.

b) Viini happanee helposti avoimessa pullossa, sillä siinä oleva etanoli hapettuu ilman hapen (ja viinissä olevien entsyymien) vaikutuksesta etikkahapoksi (tapahtuu etikkahappokäymistä).

c) Kananmunan valkuainen hyytyy keitettäessä, koska sen sisältämien liuenneiden (kolloidisten) valkuaisaineiden tertiaari- ja sekundaarirakenne purkautuu kuumennuksessa ja purkautuneet aminohappoketjut liittyvät toisiinsa sikin sokin suuriksi kokkareiksi, ts. valkuaisaineet koaguloituvat. Kuorineen keitetyssä kananmunassa valkuainen jää yhtenäiseksi kiinteäksi kerrokseksi kuoren takia. Keitettäessä rikkoutuneesta munasta valkuainen valuu keitinveteen ja muodostaa selvemmin kokkareisen rakenteen.

Atomien kokoon vaikuttavat elektroniverho ja ytimen varaus. Elektroniverhon osalta oleellisia tekijöitä ovat elektronikuorten määrä ja miehitys.

Vety (H) on atomikooltaan pienin, koska sillä on vain yksi protoni ytimessään ja yksi elektroni K-kuorella. H⁺-ioni on H-atomia pienempi, koska elektroni on poistunut kokonaan.

Alkalimetallien ryhmässä (Li — Cs) atomien koko kasvaa järjestysluvun, siis myös ytimen varauksen, kasvaessa, koska elektronikuorten määrä kasvaa. Uloimmalla kuorella on yksi lelektroni, joka irtoaa positiivisen alkalimetalli-ionin syntyessä. Ionin koko on näin ollen pienempi kuin vastaavan atomin koko. Vastaava kokomuutos esiintyy selvästi myös ryhmässä maa-alkalimetalleilla (Be — Ba). Booriryhmässä ja sitä seuraavissa ryhmissä atomien koon kasvu järjestysluvun kasvaessa ei ole yhtä selvä, mikä johtuu lähinnä uloimman elektronikuoren runsaammasta elektronimäärästä, johon ytimen varaus ulottaa hyvin vaikutuksensa.

Jaksossa alkalimetalleista halogeeneihin atomien koko pienenee järjestysluvun kasvaessa — tosin monet jakson loppupään atomeista ovat liki samankokoisia. Elektronikuorten lukumäärä ei kasva samassa jaksossa vasemmalta oikealla siirryttäessä vaikka elektronin määrä lisääntyykin. Jotkin raskaat alkuaineet poikkeavat hieman säännöstä (Te ja Po) runsaan elektronimääränsä ja ytimen varauksen vaikutusta hajottavan neutronimäärän takia.

Elektronin menettäminen pienentää kokoa ja elektronien vastaanottaminen taas suurentaa: metalliatomien muodostamat positiiviset ionit ovat varauksetonta atomia pienempiä, kun taas epämetallien negatiiviset ionit (esim. halogeenien ionit) ovat alkuperäistä atomia suurempia. Metalli-ionien koko pienenee jaksossa siten, että alkalimetallien ionit ovat suurimpia (Na⁺-ionista alkaen). Ilmiö osoittaa, että elektroni — vaikka onkin massaltaan pieni hiukkanen — vaatii tilaa varauksensa vuoksi ja hylkiessään toisia elektroneja. Lisäksi ilmiö osoittaa, että sähköisen vuorovaikutuksen ollessa riittävän voimakas (protoneja runsaasti) ytimen ja elektroniverhon välillä, elektronit pakkautuvat lähemmäs toisiaan ja ydintä.

Valkoinen jauhe on joko kaliumkloridia KCl, kaliumfluoridia KF tai kaliumkarbonaattia K₂CO₃. Lakmuspaperin värinmuutos viittaa emäksiseen aineeseen , mutta koska HCl(aq) ei aiheuta näkyvää reaktiota, kyseessä ei voi olla K₂CO₃. KCl on vahvan hapon (HCl) ja vahvan emäksen (KOH) suola, joten sen vesiliuoksessa ei tapahdu hydrolyysiä, joka tuottaisi lakmuksella nähtävän emäksisen reaktion. KF on vahvan emäksen (KOH) ja suhteellisen heikon hapon, vetyfluoridin H₂F₂ (tai HF) suola. Vetyfluoridin happovakion arvo on 6,8 · 10^–4mol/l. KF:n liuoksessa tapahtuu siten hydrolyysi, joka tuottaa liuokseen OH^–-ioneja. Nämä värjäävät lakmuspaperin siniseksi. Valkoinen jauhe on siis kaliumfluoridia KF.

a) Hiilimonoksidi (CO) on hengitettynä myrkyllistä, koska se estää hapen sitoutumisen hemoglobiinin. Hiilivedyt saattavat aiheuttaa hengitystieärsytystä ja jopa altistaa syövälle. Ko. yhdisteet ja erityisesti typpimonoksidi edistävät alailmakehän otsonin muodostusta. Otsoni puolestaan on vahvasti hapettavaa, korroosiota aiheuttavaa ja hengitettynä myrkyllistä.

Alailmakehän kohonneet otsonipitoisuudet ovatkin aurinkoisen vuodenajan paha ilmanlaatuongelma joka puolella Eurooppaa. Alailmakehän otsonipitoisuuden kasvun merkittävin aiheuttaja on liikenne. Suomen pahimmat otsonipiikit esiintyvät kesäisin korkeapaineen vallitessa. Tällöin myös muualta Euroopasta kulkeutuu Suomeen otsonia ja muita ilmansaasteita sisältävää ilmaa. Lisäksi omien hiilivety- ja typenoksidipäästöjemme aiheuttama otsoninmuodostus on helteellä runsasta. Otsonin määrä riippuu vuorokauden ajasta: otsonin määrä on suurimmillaan iltapäivällä ja alkuillasta. Yöllä pitoisuudet alenevat. Taajamissa otsoni reagoi herkästi muiden ilmansaasteiden kanssa ja otsonipitoisuudet laskevat näin ollen usein alemmas kuin lähimaaseudulla. Maaseudun puhtaammassa ilmassa otsonin kehittyminen on vallitseva prosessi. Korkeimmat otsonipitoisuudet voivatkin hieman yllättäen esiintyä alueilla, joilla päästöjä on hyvin vähän tai ei juuri lainkaan.

Vaikka katalysaattorit muuntavat hiilimonoksidia, hiilivetyjä ja typpimonoksidia vähemmän haitallisiksi yhdisteiksi, ilmanlaatu kaipaa silti kohentamista, sillä katalysaattorit eivät pysty kokonaan estämään mainittujen haitallisten aineiden syntyä liikenteessä. Ko. aineiden lähteitä on toki muuallakin, mutta liikenteen päästöt ovat edelleen suurin ongelma.

b) Katalysaattorin toiminta perustuu katalyysiin eli kemiallisten reaktioiden nopeuttamiseen. Kolmitoimikatalysaattoreissa hiilimonoksidi eli häkä (CO) hapettuu hiilidioksidiksi (CO₂), palamattomat hiilivedyt hapettuvat hiilidioksidiksi ja vedeksi. Typpimonoksidit (NO puolestaan pelkistyy typeksi (N₂).

Yhdiste	Reaktio	Tuote
CO	hapetus	CO₂
Hiilivedyt	hapetus	CO₂ + H₂O
NO	pelkistys	N₂

Katalysaattori voi hapettaa myös rikkidioksidin (SO₂) rikkitrioksidiksi (SO₃), joka muodostaa veden kanssa rikkihappoa (H₂SO₄).

Katalysaattorissa on keraaminen tai metallinen kennosto, joka on pinnoitettu katalyyteillä. Katalyytteinä käytetään jalometalleja ja niiden seoksia, platinaa (Pt) ja rodiumia (Rh). Jalometalleja tarvitaan vain pari grammaa, vaikka kennoston pinta-ala on suuri. Suuri pinta-ala on tärkeä, jotta kaasumolekyylit kulkeutuisivat mahdollisimman tarkkaan katalyyttipinnalle ja reagoisivat. Reaktiot vaativat korkean lämpötilan (n. 300 °C). Katalysaattori ei siis pysty toiminaan heti auton käynnistämisen jälkeen vaan vasta pakokaasujen lämmitettyä katalysaattoria rittävästi.

Katalysaattoriautoissa on käytettävä lyijytöntä polttoainetta, koska lyijy tuhoaa katalysaattorin.

I₂(s) + 2 Na₂S₂O₃(aq) → Na₂S₄O₅(aq) + 2 NaI(aq)

Reaktioastian numero	HI(g):n alkuperäinen määrä grammoina	Astian avaamisaika reaktion alusta lukien tunteina	Titrauksessa kuluneen tiosulfaatin tilavuus millilitroina
1	0,300	2	20,96
2	0,320	4	27,90
3	0,315	12	32,31
4	0,406	20	41,50
5	0,280	40	28,68
Merkintöjä	m_a(HI) = m_a		V

Tasapainoseoksen koostumus 2 HI(g) H₂(g) + I₂(g)
Jodin määrä mmol: c(Na₂S₂O₃) = c = 0,0150 M n(I₂) = ½ · c · V	Vedyn määrä mmol: n(H₂) = n(I₂)
HI:n alkumäärä mmol: n_a(HI) = 1000 · m_a : M(HI) M(HI) = 127,91 g/mol	Vetyjodidin määrä mmol: n_a — c · V

Reaktioastian numero	n_a(HI)	n(I₂)	n(H₂)	n(HI)	K
1	2,34540	0,15720	0,15720	2,03100	0,00599
2	2,50176	0,20925	0,20925	2,08326	0,01009
3	2,46267	0,24233	0,24233	1,97802	0,01501
4	3,17411	0,31125	0,31125	2,55161	0,01488
5	2,18904	0,21510	0,21510	1,75884	0,01496

K = [H₂] · [I₂] : [HI]²
Laskettaessa konsentraatioiden lausekkeessa esiintyvä tilavuus supistuu pois. Moolien asemesta laskuissa käytettiin millimooleja, koska titraustulosta oli näin helppo käsitellä (eikä virhettä aiheudu K:n lausekkeen muodon takia). HI:n alkuperäinen määrä laskettiin siitä syystä millimooleiksi.

Reaktioastioissa 1 ja 2 tasapaino ei ehkä ole ehtinyt asettua, koska ajat olivat 2 h ja 4 h, joten jätetään niistä saatu tasapainovakion arvo pois keskiarvoa laskettaessa.
K = (0,01501 + 0,01488 + 0,01496 ) : 3 = 0,01495, K = 0,0150

Tuloksen luotettavuuteen vaikuttaa, että
– reaktion tasapaino on varmasti ehtinyt asettua
– jodia estetään haihtumasta titraukseen ryhdyttäessä (faasinmuutos g —> s!)
– mittaukset ovat täsmällisiä (titrauksen onnistuminen, HI:n alkuperäisen määrän tarkkuus)
– lämpötila pysyy vakiona reaktion kestäessä
– astiat ovat puhtaita (ettei pääse tapahtumaan sivureaktioita) ja niitä käsitellään siististi.

Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, syksy 2006