Kemia yo s00 ratkaisut

Kuva esittää natriumkloridin NaCl kidehilan purkautumista vesimolekyylien vaikutuksesta eli NaCl:n liukenemista veteen.

NaCl:n kidehilaa pitävät koossa positiivisten Na⁺- ja negatiivisten Cl^– -ionien väliset sähköstaattiset vetovoimat. Hilassa ionit värähtelevät sidosten rikkoutumatta.

Vedessä vesimolekyylejä sitovat osittain toisiinsa vetysidokset happiatomien ja toisten vesimolekyylien vetyatomien välillä. Liuoksessa kuitenkin vesimolekyylit ovat liikkeessä koko ajan törmäillen toisiinsa ja kidehilaan, jolloin vetysidoksia sekä katkeilee että syntyy. Koska vesimolekyylit ovat dipoleja, suotuisissa törmäyksissä kidehilaan ne suuntautuvat kohti ioneja siten, että dipolin negatiivinen pää eli happiatomin puoli lähestyy Na⁺-ionia ja dipolin positiivien pää puolestaan suuntautuu Cl^–-ionia kohti. Vesimolekyylien jatkuvan pommituksen takia reunimmaiset ionit irtautuvat hilasta ja siirtyvät vesimolekyylien ympäröiminä liuokseen.

Vesimolekyylit peittävät ionien sähkövarauksen asettumalla ionien ympärille hydraattiverhoksi, jossa vesimolekyylin ja ionin välillä on ioni-dipolisidos. Hydraattiverho estää ionien välisten sähköstaattisten vetovoimien synnyn.

CO₂ ja N₂ ovat kaasuina NTP-olosuhteissa, joten reaktioyhtälön perusteella:
n(C₂H₄N₂O₆) : n(kaasut) = 1 : 3.
Lasketaan kaasujen ainemäärä ideaalikaasun moolitilavuutta käyttäen ja edelleen nitroglyserolin ainemäärä:
n(kaasut) = 27,5 l : 22,4 l/mol
n(C₂H₄N₂O₆) = 27,5 l : 22,4 l/mol : 3.
Nitroglyserolin massa:
m(C₂H₄N₂O₆) = n(C₂H₄N₂O₆) ·M(C₂H₄N₂O₆)
m(C₂H₄N₂O₆) = 27,5 l : 22,4 l/mol : 3 · 152,1 g/mol = 62,2 g.

Kivihiili voi sisältää rikkiä ja rikkiyhdisteitä vaihtelevia määriä. Rikin ja sen yhdisteiden palaessa syntyy rikkidioksidia SO₂.

Sekä rikkidioksidi että siitä ilmassa hapettunut SO₃ reagoivat veden kanssa. Näin syntyy rikkihapoketta H₂SO₃ sekä rikkihappoa H₂SO₄. Reaktio voi tapahtua veden kanssa ilmassa (pilvet, ilman kosteus), maassa, kasvustossa tai vesistöissä. Rikkiyhdisteistä aiheutuva hapan laskeuma voi siis sisältää em. happoja mutta myös reagoimattomia rikin oksideja, jotka ilman hiukkasepäpuhtauksiin takertuneina laskeutuvat maahan ja vesistöihin.

Rikin palaminen:	S + O₂ → SO₂
Rikkidioksidin hapettuminen:	2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃
Reaktiot veden kanssa:	SO₂ + H₂O → H₂SO₂ SO₃ + H₂O → H₂SO₄
Protolyysi: Molemmat hapot ovat kaksiarvoisia, joten toinenkin protolyysireaktio tapahtuu.	H₂SO₃ + H₂O → H₃O⁺ + HSO₃^– H₂SO₄ + H₂O → H₃O⁺ + HSO₄^–

Happamoitumista voidaan vähentää poistamalla kivihiilen palamiskaasuista rikin oksideja. Esimerkiksi polttomenetelmä, jossa kivihiili ensin kaasutetaan ja kaasut poltetaan kahdessa vaiheessa, antaa mahdollisuuden jonkin asteiseen puhdistukseen.

Jo tapahtuneen happamoitumisen vaikutuksia esim. maaperään ja vesistöihin voidaan vähentää kalkituksella, koska kalkki Ca(OH)₂ emäksisenä aineena neutraloi happamia liuoksia. Kalkin OH^– -ionit reagoivat oksoniumionien H₃O⁺ kanssa. Kalsiumionit sitovat sulfaatin suolaksi CaSO₄. Kalsiumsulfaatti on niukkaliukoinen yhdiste, mikä on jossakin määrin ongelmallista, sillä liuoksissa sulfaatti-ionit olisivat biologisesti käyttökelpoisia: maaperästä tai vedestä ne päätyisivät kasvien ja bakteerien käyttöön.

a) BrØnstedin mukaan happo luovuttaa protonin ja emäs vastaanottaa protonin protolyysireaktioissa.

Protolyysireaktiossa on aina kaksi happo-emäsparia:
Esimerkki

HCl	+	H₂O		Cl ^–	+	H₃O⁺
happo 1		emäs 2		emäs 1		happo 2

HCl on vahva happo, josta jää jäljelle hyvin heikko emäs, kloridianioni Cl^–. Vesi toimii vetykloridihapon luovuttaman protonin vastaanottajana, emäksenä, josta muodostuu happo H₃O⁺.

b) Kuta vahvempi happo on, sitä herkemmin se luovuttaa protonin, ja kuta vahvempi emäs on, sitä herkemmin se sitoo protonin.

Heikko happo ei protolysoidu täydellisesti protolyysireaktiossaan. Sen protolyysin seurauksena esim. vesiliuokseen jää aina runsaasti reagoimatonta happoa protolyysituotteiden ohella. Vastaavasti heikko emäs jää suurelta osin protonoitumatta. Esim. etikkahappo CH₃COOH on heikko happo, jonka vesiliuoksessa on aina läsnä oksoniumionien H₃O⁺ ja asetaatti-ionien CH₃COO^– lisäksi ja huomattavasti niitä enemmän kokonaisia etikkahappomolekyylejä CH₃COOH, kun taas vahvan vetykloridihapon vesiliuoksessa ei ole käytännöllisesti katsoen lainkaan ehjiä HCl-molekyylejä. Ammoniakki NH₃ on heikko emäs, jonka vesiliuoksessa on hydroksidi-ionien OH^– ja ammoniumionien NH₄⁺ lisäksi (enemmistönä) ammoniakkimolekyylejä.

Huom. Edellä oleva sanallinen selitys on kätevää korvata reaktioyhtälöillä ja maininnalla reaktion tasapainosta.

Vahva happo:	HCl + H₂O Cl^– + H₃O⁺	Tasapaino oikealla.
Heikko happo:	CH₃COOH + H₂O CH₃COO^– + H₃O⁺	Tasapaino vasemmalla.

c) Olkoon HA heikko yksiarvoinen happo ja NaA sen natriumsuola. Hapon protolyysireaktio on:

Reaktion mukaan happovakio K_a = [H₃O⁺] · [A^– ] : [HA]
Veden ionitulo on määritelmän mukaan K_w = [H₃O⁺ ] · [OH ^– ]

K_a : K_w = [H₃O⁺ ] · [OH ^– ] : [H₃O⁺] · [A^– ] ^–1· [HA] = [HA] : [A^–] · [ OH^– ] = [OH^– ]

sillä ehdolla, että [HA] = [A^– ] eli anionin konsentraatio on yhtä suuri kuin suolan konsentraatio. Oletuksen mukaan tämä ehto on voimassa. (Liuenneen suolan tuottamien anionien konsentraatio on sama kuin suolan konsentraatio: NaA → Na⁺+ A^– )

Aine	Alussa	Tasapainossa mmol/l	T.p. mol/l
N₂	25	25 – 12 = 13	0,013
H₂	99	99 – 3 · 12 = 63	0,063
NH₃	0	24	0,024

V = 1 l
K = (0,024 mol/l)² : [0,013 mol/l · (0,053 mol/l)³] = 177,197 l²/mol² = 177 l²/mol²

b) V = ?

Aine	Alussa	Tasapainossa mmol	T.p. mol
N₂	25	25 – 15 =10	0,010
H₂	99	99 – 3 · 15 = 54	0,054
NH₃	0	30	0,030

K = (0,030 mol/ V)² : [0,010 mol /V · (0,054 mol /V)³] = 177,197 l²/mol² eli V = 0,56 l

Taulukkokirjan normaalipotentiaalitaulukosta näkyy, että sinkin Zn /Zn²⁺ ja hopean Ag⁺/Ag välille saadaan tarjotuista aineista suurin jännite: sinkki on valikoiman, Zn, Pb, Cu, Ag, epäjaloin metalli ja hopea jaloin.

Rakennetaan kenno sijoittamalla sinkkilevy Zn(NO₃)₂-liuokseen ja hopealanka AgNO₃-liuokseen, kumpikin omaan astiaansa. Yhdistetään astiat suolasillalla (esim. KCl-liuoksella perusteellisesti kostutettua vanua tiiviisti lasiputkessa), jotta hapettumis-pelkistymisreaktio pääsee tapahtumaan.

Zn →Zn²⁺ + 2 e^–	+0,76 V
2 Ag⁺ + 2 e^– → Ag	+0,80 V
2 Ag⁺ + Zn→ 2 Ag + Zn	+1,56 V

Kennon laskennalliseksi jännitteeksi saadaan 1,56 V, mutta käytännössä ihan tähän arvoon ei päästä. Kennoa kuormitettaessa sinkkilevy syöpyy eli sinkkiä liukenee ja Zn(NO₃)₂-liuos väkevöityy. Hopealangan pintaan saostuu hopeaa ja AgNO₃-liuos laimenee. Nitraatti-ionikonsentraatio tasapainottuu ionien vaeltaessa suolasiltaa pitkin astiasta toiseen.

Isomeria on ilmiö, joka syntyy siitä, että yhdisteillä on sama molekyylikaava mutta erilainen rakenne. Kuta useampia atomeja molekyylikaavassa on, sitä useammat erilaiset rakenteet ovat mahdollisia. Konformaatioisomeerejä lukuun ottamatta isomeerit ovat eri yhdisteitä, joiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet saattavat poiketa toisistaan hyvinkin paljon. Orgaanisten yhdisteiden isomeriaa kuvattaessa tarvitaan seuraavien isomerian lajien käsittelyä.

Kaikista isomerian lajeista tulisi olla mukana selkeä rakennekaavoin piirretty esimerkki. Lisäksi tarvitaan esimerkkejä isomeerien erilaisista kemiallisista tai fysikaalisista ominaisuuksista. Optisen isomerian yhteydessä on hyvä muistaa luonnonaineille tyypillinen yhden optisen isomeerin esiintyminen (esim. proteiinien L-aminohapot ja sokerien vallitseva D-muotoisuus) ja sen vertailukohtana synteeseissä usein tuotteina saadut raseemiset seokset, joista eri isomeerien erottaminen on hyvin vaikeaa. Biotekniset menetelmät tosin nykyään tekevät mahdolliseksi puhtaidenkin optisten isomeerien tuottamisen.

Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, syksy 2000