Kemia yo s95 ratkaisut

a) Kulta on jalometalli, se ei siis hapetu helposti, joten sitä esiintyy luonnossa sellaisenaan. Sen keltainen väri ja suuri tiheys herättävät huomiota ja helpottavat sen erottamista muusta materiasta.

Rauta on epäjalo metalli. Se hapettuu helposti mutta on myös melko yksinkertaisella teknologialla pelkistettävissä metalliseksi. Raudan lähteinä käytetyt malmit ovat oksidimalmeja. Niistä happi saadaan erotetuksi kuumentamalla malmia hiilen kanssa riittävän korkeassa lämpötilassa.

Alumiini on rautaa epäjalompi metalli. Sen pelkistäminen vaatii runsaasti energiaa (alumiini pelkistetään bauksiitin ja kryoliitin sulatteesta). Ennen sähköenergian laajamittaista tuottamista alumiinin valmistus oli hankalaa ja alumiini oli kallista. Sähkövoimaloita alettiin rakentaa 1800-luvun lopussa.
Vrt. Yo 98 k tehtävä 2 a

b) Samalla alkuaineella voi olla useita isotooppeja, erimassaisia ytimiä. Alkuaine määritellään atomiytimen protonien lukumäärän (järjestysluvun) perusteella. Suurin järjestysluku ilmoittaa samalla alkuaineiden lukumäärän. Saman alkuaineen neutronien määrä saattaa vaihdella.

Yksityiskohtainen ratkaisu
V(O₂ + H₂) = 47,2 ml
V(H₂) = 10,6 ml jäi reagoimatta ja 36,6 ml osallistui reaktioon
V(H₂) = 10,6 ml jäi reagoimatta ja 36,6 ml osallistui reaktioon
Avogadron lain mukaan kaasureaktioissa ainemäärien suhde on sama kuin kaasujen tilavuuksien suhde.

V(O₂) = x ja x + 2x = 36,6 ml
V(H₂) = 2x, josta x = 12,2 ml, prosentteina 100 · 12,2 : 47,2 % = 25,8 %
Vetyä: 100 % – 25,8 % = 74,2 %

Reaktiossa syntyy vettä yhtä suuri ainemäärä kuin vetyä kuluu.
n(H₂) = 2 · 12,2 · 10^–3dm³ : 22,4 dm³ = 1,09 · 10^–3 mol = n(H₂O)
m(H₂O) = 1,09 · 10^–3 mol · 18,01 g/mol = 0,02 g
V(H₂O) = 0,02 ml (koska veden tiheys on 1,00 g/ml)

Suolat ovat kiteisiä yhdisteitä, joilla on ionihila. Hila rakentuu positiivisista kationeista ja negatiivisista anioneista. Vesimolekyylit ovat dipoleja: hapen puolella on pieni negatiivinen osittaisvaraus ja vetyjen puolella vastaavasti positiivinen. Niinpä vesimolekyylit voivat irrottaa kidehilaan törmäillessään ioneja ja kertyä niiden ympärille hydraattivaipaksi, joka pitää ionit erillään vesimolekyylien joukossa. Ionien ja vesimolekyylien välille muodostuu ioni-dipolisidoksia. Jos kidehilan sidokset ovat lujempia kuin vesimolekyylien ja ionien mahdolliset sidokset, liukenemista ei tapahdu. Monet orgaaniset liuottimet ovat poolittomia yhdisteitä. Niiden molekyylit eivät pysty muodostamaan tästä syystä sidoksia ionien kanssa eivätkä siten purkamaan ionihilaa.

Kaava esittää tereftaalihapon ja glykolin muodostamaa polyesteriä. Emäksinen liuos (NaOH-liuos) hydrolysoi esterin lähtöaineikseen.

Polyesteri (1) on polyeteenitereftalaatti, jonka monomeerit ovat glykoli (2) ja tereftaalihappo (3).

Esimerkkeinä a) 1-pentanoli ja 2-pentanoli b) cis-2-buteeni ja trans-2-buteeni c) D- ja L-alaniini d) sykloheksaanin tuoli- ja venemuoto e) metaani (symmetrinen tetraedri, C:n ja H:n elektronegatiivisuusero pieni) f) bentseeni. Monet muutkin yhdisteet kävisivät.

Sakkariinin C₇H₅NO₃S typpiatomiin kiinnittynyt vety voi irrota protonina (sakkariini on erittäin heikko happo). Sakkariinin natriumsuolan C₇H₄NO₃S¯ Na⁺ liuetessa veteen anioni toimii emäksenä (hydrolyysi), jolloin liuokseen syntyy OH¯-ioneja ja liuoksesta tulee emäksinen. Kun Na-suolan konsentraatio on c, myös anionin konsentraatio on c.

Aine	Alussa	Tasapainossa
C₇H₄NO₃S¯	c	c – x
C₇H₅NO₃S	0	x
OH¯	0	x

M(C₇H₄NO₃S¯ Na⁺) = 205,18 g/mol
m(C₇H₄NO₃S¯ Na⁺) = 29 mg
c(C₇H₄NO₃S¯ Na⁺) = 0,1413 mmol/l (eli mM)
K_a = 2,0 · 10^–12 mol/l, joten
K_b= 10^–14 mol^–2l^–2 : K_a = 5,0 · 10^–3 mol/l

Tästä saadaan emäsvakion lausekkeeksi:
K _b = x² : (c – x).
Sievennettynä:
x² + K_b x – c K_b = 0
Ratkaistaan x = 0,5 · { –K_b ± ( K_b² + 4cK_b)^0,5}
Sijoitetaan c:n ja K_b: n arvo x:n lausekkeeseen (vain positiivinen juuri hyväksytään). Saadaan:

Lauseke kuvana

x = 1,375 · 10^–4 mol/l
pOH = 3,86 eli n. 4
pH = 14 – 4 = 10

Allotropialla tarkoitetaan sitä, että alkuaine esiintyy useammassa kuin yhdessä rakennemuodossa samoissa olosuhteissa. Ero voi olla sidoksissa, kuten grafiitilla ja timantilla, tai kiderakenteessa, kuten tinan ja raudan allotroopeilla, tai atomien lukumäärässä, kuten hapella O₂ ja otsonilla O₃.

Hiilen allotrooppisiin muotoihin kuuluvat grafiitin ja timantin lisäksi fullereenit.

Tehtävän kuvassa vasemmanpuoleinen rakenne kuuluu grafiitille, jossa hiiliatomit ryhmittyvät fuusioituneiksi kuusirenkaiksi siten, että kukin hiiliatomi sitoutuu samassa tasossa kolmeen naapuriinsa. Renkaissa hiilten välillä on yhden elektroniparin muodostamia kovalenttisia sidoksia. Tasojen välillä puolestaan on heikkoja van der Waalsin sidoksia. Vain puolet tasojen hiiliatomeista osuu kohdakkain. Tasojen välimatka on huomattavasti pitempi kuin renkaan C-C-sidos. Kunkin hiiliatomin ulkokuoren elektroneista yksi jää kovalenttisiin sidoksiin käyttämättä. Näistä elektroneista syntyy hiiliatomeille yhteinen elektronipilvi, joka sijoittuu rengastasojen väliin ja jossa elektronit pääsevät liikkumaan suhteellisen vapaasti. Niinpä kerrokset eivät olekaan lujasti kiinni toisissaan vaan pystyvät liukumaan. Grafiitti onkin siksi hieman "rasvamaista" ja soveltuu voiteluaineeksi. Helposti liikkuvien elektronien ansiosta se myös johtaa sähköä. Väriltään grafiitti on läpinäkymätöntä, tummaa ja hieman kiiltävää. Läpinäkymättömyys ja tumma väri kertovat siitä, että grafiitti pystyy absorboimaan valoa laajalla aallonpituusalueella, ts. elektroneille ovat useat energiatilat mahdollisia. Kiilto puolestaan osoittaa, että osa valosta heijastuu. Syynä on grafiitin suhteellisen tiivis rakenne.
Vrt. Syksy +8/s98

Oikeanpuoleinen kuva esittää timantin kiderakennetta. Kaikki hiiliatomit ovat sitoutuneet tosiinsa kovalenttisin sidoksin, ja sidokset suuntautuvat tetraedrisesti jokaisesta hiiliatomista. Elektronit liikkuvat suhteellisen rajatulla alueella, minkä takia rakennelma on jäykkä. Kun sidokset lisäksi ovat lujia, on ymmärrettävää, että timantti on kovimpia tunnettuja aineita. Sen sulamispiste on korkea, ja se on kemiallisesti kestävää. Elektronien rajatun liikkumatilan vuoksi timantti ei myöskään johda sähköä. Timantti on läpinäkyvää ja sitä käytetään valontaitto-ominaisuuksiensa takia korukivenä.

Timantteja voidaan valmistaa keinotekoisesti, faasinmuutos grafiitista vaatii korkean paineen ja lämpötilan. Timanttirakenteisia ohuita kalvoja valmistetaan kiteyttämällä kaasufaasista sopiville pinnoille. Timanttikalvoja käytetään esim. kirurgissa instrumenteissa, laakereissa ja partakoneen terissä.

Tehtävän annossa mainittujen kahden allotroopin lisäksi hiilelle on joitakin vuosia sitten löydetty pallohiileksi tai fullereeniksi nimetty allotroopinen muoto. Fullereenin käsittely vastauksessa ei ole välttämätöntä, mutta lyhyenä mainintana (ei välttämättä niin laajasti kuin tässä esitetään) se täydentää vastausta (ja pistesaalista).

Fullereenit muodostuvat ontoista hiiliatomipalloista, suurista molekyyleistä, joissa hiiliatomit ovat sitoutuneet kovalenttisin sidoksin fuusioituneiksi viisi- ja kuusirenkaiksi. Esim. ensimmäisenä fullereenina tunnetussa C60-molekyylissä on 12 viisirengasta ja 20 kuusirengasta. Rakenneperiaate on siinä sama kuin jalkapallossa. Fullereeneja esiintyy luonnostaan mm. noessa ja joissakin kivilajeissa (shungiitti). Grafiitti ja timantti eivät liukene mihinkään tunnettuihin liuottimiin, mutta fullereenit liukenevat mm. tolueeniin ja bentseeniin, joten ne voi uuttaa erilleen noesta (noessa on pääasiassa C60, C70, noin 2 % – 10 % noen lähteestä riippuen). Fullereenikiteessä molekyylipallojen väliin jää tilaa, johon voi absorboitua kaasuja, esim. vety ja helium absorboituvat nopeasti, happi hitaammin. Kiteessä molekyylipallot pyörivät noin 20 miljardia kierrosta sekunnissa. Niinpä fullereeneista saadaan sopivilla lisäaineilla käsittelemällä magneettista orgaanista materiaalia.

Muodoltaan putkimaisia fullereenimolekyylejä on myös onnistuttu valmistamaan. Ne ovat ikään kuin grafiitista lohkaistuja kerroksia, jotka on kierretty rullaksi. Tällaisilla molekyyleillä on mahdollista käyttöä sähkönjohteina.
Huomautus (hiilen allotropia)

Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, syksy 1995