Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, kevät 2005

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

Tehtävän käsitteet on helppo tarkistaa oppikirjoista, mutta ohessa ehdotuksia vastaukseksi.

a) Alkuaine on täsmällisimmin määriteltävissä atomin rakenteen perusteella: alkuaineen kaikilla atomeilla on sama järjestysluku Z ts. niiden ytimessä on sama määrä protoneja. (Joskus alkuainetta on ollut tapana kuvata myös siten, että se on aine, jota ei kemiallisin keinoin pystytä jakamaan pienempiin osiin.)

Esimerkki

Kuvassa on kahden hiilen isotoopin C-12 ja C-14 merkintä, josta käy ilmi niiden ero. Molemmilla isotoopeilla on ytimessään 6 protonia, mutta niiden massaluku on erilainen, koska ytimissä on eri määrä neutroneja. C-12 -isotoopilla on 12 – 6 = 6 neutronia, kun taas C-14-isotoopilla on 14 – 6 =8 neutronia.

b) Isotoopit ovat saman alkuaineen erimassaisia atomeja. Useimmilla alkuaineilla on erilaisia isotooppeja. Luonnosta eristetyt alkuaineet ovat yleensä isotooppiensa seoksia.

c) Ioni on yhdestä tai useammasta atomista muodostunut hiukkanen, jolla on sähkövaraus. Sähkövaraus on negatiivinen, jos ioni on muodostuessaan saanut yhden tai useamman elektronin. Ionin varaus on positiivinen, mikäli ioni on syntyessään menettänyt elektroneja. Metallit muodostavat helposti positiivisia ioneja, koska niiden uloimmalla elektronikuorella on vähän elektroneja, jotka irtoavat helposti. Ioniin jää tällöin uloimmaksi elektronikuoreksi edellinen täysi (oktetti!) kuori. Epämetalleille tyypillisiä ovat puolestaan negatiiviset ionit, koska epämetallien uloimmalla kuorella on runsaasti elektroneja: täydestä miehityksestä (tai oktetista) puuttuu vain 1 – 3 elektronia. Ionin varaus määräytyy yhtä ionia kohti saatujen tai luovutettujen elektronien lukumäärän mukaan.

Esimerkki
Natriumatomista tulee Na⁺-ioni, kun atomin uloimmalta kuorelta irtoaa yksi elektroni. Kalsium atomista irtoaa helposti kaksi elektronia uloimmalta kuorelta, joten tuloksena on Ca²⁺-ioni. Oksoniumioni H₃O⁺ on kompleksi-ioni, joka syntyy vesimolekyylin poimiessa mukaansa yhden protonin H⁺.

Kloridi-ioni Cl^— muodostuu klooriatomin saadessa uloimmalle kuorelleen yhden elektronin lisää entisten seitsemän lisäksi. Sulfaatti-ioni SO₄^2– on koostunut rikkiatomista ja neljästä happiatomista, mutta kooste potee kahden elektronin vajausta.

d) Elektrolyytti on ioneista koostuva aine, joka johtaa sähköä joko sulatteena tai vesiliuoksena. Sähkönjohtavuus perustuu siihen, että sulatteessa ja liuoksessa ionit pääsevät liikkumaan melko vapaasti. Tyypillisiä elektrolyyttejä ovat suolat, sekä hapot ja emäkset. Happojen ja emästen vesiliuoksissa on ioneja protolyysireaktion seurauksena.

Esimerkki
NaCl on suola, joka koostuu Na⁺- ja Cl^–-ioneista. Suolahappo eli HCl(aq) on elektrolyytti, jonka vesiliuoksessa tapahtuu protolyysi:

HCl + H₂O H₃O⁺ + Cl^–

e) Liuos on homogeeninen seos (yleensä nestemäinen). Aidossa liuoksessa hiukkaset ovat niin pieniä, ettei niitä pysty näkemään edes mikroskoopilla, joten liuos (neste) näyttää läpikuultavalta ja kirkkaalta. Liuoksiksi sanotaan myös kolloidikokoisia hiukkasia sisältäviä nestemäisiä seoksia, jotka voivat näyttää paljaalle silmälle kirkkailta (kahvi) tai hieman valoa hajottavilta (saippualiuokset).

Esimerkki
NaCl on kiteinen suola, joka liukenee melko suurina määrinä veteen. Tuloksena on kirkas neste, jossa on ioneja. NaCl on liuennut aine ja vesi liuotin. Sokeri on molekyyliyhdiste, joka liukenee myös hyvin veteen. Sokerin kidehila purkautuu molekyyleiksi vedessä. Sokerin vesiliuos sisältää siten sokeri- ja vesimolekyylejä. Sokeri on liuennut aine ja vesi liuotin.

Myös nesteet voivat liueta toisiinsa: vesi ja etanoli muodostavat liuoksia, joissa kumpi tahansa aineista voi olla liuotin. Liuotin on kulloinkin se aine, jota liuoksessa on enemmän.

Kaasutkin muodostavat nesteiden kanssa liuoksia.

Hyvin suurimolekyyliset yhdisteet, kuten proteiinit, muodostavat useimmiten kolloidisia liuoksia.

f) Liuotin on aine, joka muodostaa edellisessä kohdassa mainittuja liuoksia siten, että on niissä pääkomponenttina. Ylivoimaisesti yleisin liuotin on vesi, joka liuottaa sekä suoloja että molekyyliyhdisteitä. Tavallisia orgaanisia liuottimia ovat dietyylieetteri H₃CH₂–O–CH₂CH₃, etanoli H₃CH₂OH ja dikloorieteeni CH₂Cl₂. Myös bensiiniä nimitetään joskus liuottimeksi, vaikka se itse asiassa on jo itse liuos: se sisältää useita erilaisia C₈-sarjan hiilivetyjä ja joitakin aromaattisia hiilivetyjä.

a) Tasapainotettu reaktioyhtälö:

b) Lasketaan aluksi NaI:n ja MnO₂:n ainemäärät, jotta saadaan selville kumman aineen määrä rajoittaa tuotteen muodostumista.
n(NaI) = 0,50 M · 150 ml =75,0 mmol
n(MnO₂) = 2,9 g : 86,94 g/mol = 0,033356 mol = 33,356 mmol
Reaktioyhtälön mukaan n(NaI) = 2 · n(MnO₂)
2 · 33,356 mmol = 66,712 mmol < 75,0 mmol

Tuotteena syntyvän jodin määrä lasketaan siten mangaanidioksidin ainemäärän perusteella:
n(I₂) = n(MnO₂)
m(I₂) = 0,033356 mol · 253,81 g/mol = 8,5 g

c) Reaktiossa käytetään hapettavana reagenssina mangaanidioksidia MnO₂, johon hapetusasteella +4 sisältyvä mangaani-ioni toimii varsinaisena hapettimena pelkistyen +2:n arvoiseksi (vastaanottaa 2 elektronia/ ioni). NaI:n -1:n arvoinen jodidi-ioni toimii pelkistimenä (luovuttaa elektronin/ioni) jodidin hapettuessa alkuainejodiksi I₂, jonka hapetusaste on 0.

Yhdisteryhmät ovat:

1 primaarinen amiini 2 aromaattinen yhdiste 3 esteri 4 tertiaarinen amiini

Prokaiinia hydrolysoitaessa esteri purkautuu ja syntyvät tuotteet A ja B.

a) Oikein
b) Oikein
c) Väärin
Liuoksen pH on yli 7. Jos titrauksesta on tallennettu titrauskäyrä, käyrältä voidaan saada yksiarvoisen hapon pK_a-arvo pisteestä, jossa puolet haposta on neutraloitu, koska liuoksen pH = pK_a + lg([suola]/[happo] ja tällöin konsentraatiot [suola] ja [happo] ovat yhtä suuret.
d) Väärin
Liuoksen pH on jonkin verran emäksisellä puolelle, koska titrataan heikkoa happoa vahvalla emäksellä.
e) Väärin.
Liuos ei ole puskuriliuos, koska happo on neutraloitu (liuos on tällöin vain lievästi emäksinen suolaliuos). Ekvivalenttikohdassa pH-muutos on jyrkkä pienenkin emäs- ja happolisäyksen vaikutuksesta. Huom. titrauskäyrässä ekvivalenttikohdalla on hyppäys.
f) Väärin
Natrium- ja hydroksidi-ionin konsentraatiot poikkeavat toisistaan, koska hydroksidi-ionien valtaosa on reagoinut oksoniumionien kanssa tuottaen vettä, mutta liuokseen tulleet natriumionit ovat reagoimattomina tallella liuoksessa.
Neutraloituminen kuluttaa hydroksidi-ioneja:

OH^– + H₃O⁺ 2 H₂O

a) Puhtaassa vedessä tapahtuu molekyylien törmäysten seurauksena hyvin vähäisessä määrin vesimolekyylien hajoamista ioneiksi eli veden autoprotolyysiä

2 H₂O OH^– + H₃O⁺

Hydroksidi- ja oksoniumionien konsentraatioiden tuloa
K_w = [OH^– ][H₃O⁺] nimitetään veden ionituloksi. Se voidaan tulkita edellä esitetyn reaktion tasapainovakion lausekkeeksi, josta hajoamatta jääneen veden konsentraatio on jätetty pois.

b) 40 °C:ssa K_w = 2,9 · 10^–14(mol/l)²
[H₃O⁺] = [OH^– ] = (2,9 · 10^–14mol²/l²)^0,5 = 1,702 · 10^–7 mol/l
log 1,702 · 10^–7 = – 6,77
pH = 6,8.

c) pH + pOH = pK_w
30 °C:ssa K_w = 1,45 · 10^–14(mol/l)²
pK_w = –log 1,45 · 10^–14 = 13,84
pOH = 13,84 – 4,52 = 9,32
c(OH^–) = 10^–9,32 mol/l = 4,79 · 10^–10 mol/l eli 4,8 · 10^–10 mol/l
Jos käyrältä luetaan arvoksi: K_w = 1,5 · 10^–14(mol/l)², c(OH^–) :ksi saadaan 5,0 · 10^–10 mol/l

d) Autoprotolyysi on endoterminen reaktio, koska lämpötilan kohotessa vesimolekyylejä hajoaa enemmän (ionitulon arvo kasvaa lämpötilan noustessa).

a) Oletetaan 100 g:n näyte ja lsketaan alkuaineiden ainemäärät.

Koska ainemäärien suhde: n(C) : n (H) = 1 : 1, yhdisteen suhdekaava on k(CH).

Mahdollisia ehdokkaita ovat
bentseeni:M(C₆H₆) = 78 g/mol << 110 g/mol
styreeni: M(C₈H₈) = 104 g/mol < 110 g/mol

Näistä styreenin moolimassa on lähempänä annettua moolimassaa 110 g/mol, mutta betseeniäkään ei voida sulkea pois.

Styreenin muita vastauksessa hyväksyttäviä nimiä:
vinyylibentseeni, etenyylibentseeni, fenyylieteeni.

YLE, Klaffi, Professori Saarisen vastaus (1:06 min)

Reaktioyhtälö

2 H₂O₂(aq) O₂(g) + 2 H₂O(l)

Vetyperoksidi hajoaa reaktiossa hapeksi ja vedeksi. Kaasu voidaan johtaa reaktioastiasta esim. letkua pitkin kaasunmittausylinteriin tai vesimaljaan alassuin asetettuun koeputkeen (tai mitta-asteikolla varustettuun lasisylinteriin tai pulloon) tai tyhjään ilmapallon kuoreen. Ilmapallon kuorta käytettäessä kaasun tilavuuden mittaus voi olla hankalaa, mutta kaasunmittaussylinteriin on kyllä mahdollista ottaa näyte pallosta.

Muitakin ratkaisuja hyväksyttiin.
Kaasun keräysastiaksi vältetään yleensä käyttämästä tasapohjaista lasiastiaa, mutta vastauksessa tasapohjainen pullo kuitenkin hyväksyttiin.

Kutakin kuvaa näpäyttämällä saat suuremman piirroksen näkyviin.

Kaasu voidaan todeta hapeksi viemällä hehkuva puutikku keräysastian suulle. Koska astian suulla hapen määrä on suurempi kuin huoneilmassa, tikku leimahtaa liekkiin.

Kaasun massan selvittämiseksi kerätään määrätilavuus kaasua.

m(O₂) = 32,00 g/mol · V : V _m

Mikäli kaasun tilavuus halutaan määrittää tarkasti, on otettava huomioon huoneen lämpötila ja vallitseva ilmanpaine. Tällöin laskelmissa turvaudutaan ideaalikaasun tilanyhtälöön
pV = nRT.

Työturvallisuus
Liekkiä käsiteltäessä on varottava sytyttämästä muuta kuin testitikku. Riski riippuu tietysti hapen määrästä. Työ on paras tehdä vetokaapissa. Silmät on syytä suojata. Vetyperoksidi (jos käytetään väkeviä liuoksia) on syövyttävää. Myös kädet siis suojataan.

Sitaatti MAOL ry:n pistesuosituksesta kemian reaalikokeen tehtäviin keväällä 2005:

Vertaa yo96k.html tehtävä 1.

Yo-sivujen alku