Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, kevät 1996

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

Molekyyleillä on sekä hetkellisiä että pysyviä dipoliominaisuuksia. Hetkelliset dipoliominaisuudet johtuvat elektronien liikkeestä.

Hetkelliset dipolit aiheuttavat muuten poolittomien molekyylien välille vetovoimia, jotka ovat sitä suurempia, mitä enemmän molekyylissä on elektroneja. Myös molekyylin pinnan laajuus vaikuttaa näiden voimien suuruuteen. Tällaisia voimia sanotaan dispersiovoimiksi (van der Waalsin sidoksiksi). Nämä vuorovaikutukset eivät ole kovin voimakkaista, mistä johtuu se, että poolittomien molekyyliyhdisteiden sulamis- ja kiehumispisteet ovat yleensä matalia. Alkaanisarjan fysikaalisten ominaisuuksien säännöllinen muuttuminen kuvastaa hyvin dispersiovoimien ja molekyylikoon välistä suhdetta: suuret suoraketjuiset molekyylit vaativat korkeamman lämpötilan sulaakseen ja kiehuakseen kuin pienimolekyyliset. Elektronimäärän vaikutus näkyy myös halogeenisarjassa. F₂, Cl₂ ovat kaasuja, Br₂ on neste ja I₂ on kiinteä aine huoneenlämpötilassa.

Pysyviä dipoleja syntyy molekyyleihin, jotka ovat muodostuneet elektronegatiivisuudeltaan erilaisista atomeista eivätkä ole rakenteeltaan siten symmetrisiä, että varausjakauma kumoutuisi. Esimerkiksi H₂O ja HCl ovat tällaisia molekyylejä, mutta CO₂ ei ole.

Rakennekaavoihin on merkitty vapaat elektroniparit pistepareilla. Elektronien runsaus johtaa negatiivisen osittaisvarauksen syntyyn. Vesimolekyylin (H₂O) ja hiilidioksidimolekyylin (CO₂) erilainen luonne johtuu sidosten suuntautumisesta ja molekyylin muodosta: hiilidioksidissa osittaisvarausten vaikutus kumoutuu niiden sijainnin takia. vesimolekyylissä taas ei sen v:tä muistuttavan rakenteen vuoksi. Vetykloridin (HCl) dipoliluonne selittyy molekyylin muodon ja elektronijakauman perusteella.

Pysyvien dipolien väliset vuorovaikutukset ovat dispersiovoimia vahvempia ja sen seurauksena yhdisteiden sulamis- ja kiehumispisteet ovat korkeampia kuin poolittomilla vastaavankokoisista molekyyleistä muodostuneilla yhdisteillä. Mikäli molekyylissä on vetyä ja happea tai fluoria, voi muodostua myös ns. vetysidoksia. Juuri vetysidosten osuudella selitetään veden korkea sulamis- ja kiehumispiste, 0 °C ja 100 °C. Vertailukohtana mainittakoon, että esimerkiksi metaanin CH₄ sulamispiste on –184 °C ja kiehumispiste –161 °C. Vetysidosten vaikutus näkyy selvästi myös vertailtaessa alkaanien ja alkoholien kiehumispisteitä.

Dipoliominaisuudet ja vetysidokset vaikuttavat myös aineiden liukoisuuteen. Esimerkiksi vesi liuottaa hyvin toisia poolisia yhdisteitä kuten vetykloridia HCl ja alkoholeja, mutta huonosti mm. dietyylieetteriä C₂H₅OC₂H₅, joka kyllä liukenee heikommin pooliseen etanoliin. Hiilivedyt (kuten bensiini) puolestaan liuottavat hyvin toisia poolittomia yhdisteitä mm. rasvoja.
Vrt. Yo 98 k tehtävä 1

Tässä mainituista yhdisteistä pooliton CO₂ on erikoinen: se ei nesteydy ollenkaan normaalipaineessa, mutta muuttuu kiinteäksi –79 °C:n lämpötilassa. Korkeassa paineessa se voidaan kuitenkin nesteyttää ja näin saatua nestettä käyttää alhaisessa lämpötilassa tapahtuvaan poolittomien aineiden (aromiaineet yms.) uuttamiseen.

Reaktioyhtälöt

Lavennetaan ensimmäinen yhtälö neljällä, lasketaan yhtälöt yhteen ja jaetaan tulos vielä 3:lla, jolloin saadaan

Tämän perusteella n(O₂) = 4 n(S₈) = 4 · m(S₈) : M(S₈).
V(O₂) = n(O₂) · V_m = 4 · 3,87 g : (8 · 32,07g/mol) · 22,4 dm³/mol = 1,35 dm³

Reaktioyhtälön kerrointen määritys yksityiskohtaisemmin (omaan ikkunaansa)

a) NH₄⁺-ionissa N:n hapettumisluvuksi x saadaan:

x + 4 · (+1) = +1 eli x = –3
NO₃^–-ionissa N:n hapettumisluvuksi y saadaan: y + 3 · (–2) = –1 eli y = +5
N₂O:ssa N:n hapettumisluku z on: 2z + (–2) = 0 eli z = +1

Hapen ja vedyn hapettumisluku pysyy ennallaan reaktiossa, mutta molempien N-atomien hapettumisluku muuttuu +1:ksi. Niinpä ammoniumionin typpi hapettuu (–3 → +1, luku kasvaa) ja nitraatti-ionin typpi pelkistyy (+5 → +1, luku pienenee).

b) Koska N₂O-molekyyli on lineaarinen ja poolinen, sen rakenteen täytyy olla NNO. Rakenne NON olisi symmetrisenä ja lineaarisena pooliton.

c) Kaasun tiheys lasketaan moolimassan perusteella: moolimassa jaetaan ideaalikaasun moolitilavuudella. Niinpä dityppimonoksidi on ilmaa raskaampaa, koska ilman keskimääräinen moolimassa on pienempi kuin dityppioksidin moolimassa:
M(ilma) = 0,21 · 32 g/mol + 0,78 · 28 g/mol = 29 g/mol
M(N₂O) = 2 · 14,01 g/mol + 16,00 g/mol = 44 g/mol.
tiheys: ρ(N₂O) = 44,02 g/mol : 22,4 dm³ = 1,96 g/dm³

YLE, Klaffi, Professori Saarisen vastaus (1:29 min)

a) Kylläisessä liuoksessa on aina sekä kiinteä faasi että liuosfaasi. Dynaamisella tasapainolla tarkoitetaan tässä tapauksessa sitä, että ainetta siirtyy koko ajan ja yhtä suuri määrä kiinteästä faasista liuokseen ja takaisin.

b) Kaaviosta nähdään, että jodia liukenee samassa lämpötilassa veteen vähemmän kuin lyijy(II)kloridia. Jodi on pooliton molekyyliyhdiste, lyijy(II)kloridi puolestaan on poolinen (suola). Tämä selittää liukoisuuseron, sillä vesi on poolinen yhdiste. Vesimolekyylit ovat dipoleja, jotka pystyvät irrottamaan lyijy(II)kloridin kidehilasta ioneja, hydratoimaan ne ja pitämään siten liuoksessa. Lievästi negatiivinen vesimolekyylin happipää (osittaisvaraus) suuntautuu positiivisia Pb²⁺-ioneja kohti ja positiivinen vetypää suuntautuu negatiivisia Cl^–-ioneja kohti. (Kuva selventäisi asiaa.) Jodimolekyylissä ei ole vastaavaa varausjakaumaa, joten jodin kidehilaa pitävät koossa dispersiovoimat, eivätkä vesidipolit voi häiritä rakennelmaa yhtä helposti kuin poolisessa yhdisteessä.

Lyijy(II)kloridin liukoisuus kasvaa lämpötilan kohotessa selvemmin kuin jodin.

c) Ei liukene. Lyijy(II)kloridia liukenee 20 °C:ssa 0,3 g/100 g vettä, 50 ml:aan vettä liukenee siten vain 0,15 g lyijy(II)kloridia.

d) Koska jodin liukoisuus kasvaa hieman lämpötilan kohotessa, liukeneminen sitoo lämpöä. Liuos siis periaatteessa jäähtyy, mutta erittäin vähän, tuskin havaittavasti.

e) Lyijykloridin liukoisuus veteen 50 °C:n lämpötilassa on 0,7 g / 100 g .

Liuokoisuustulo on
[Pb²⁺][Cl^– ]² = 2,517 · 10^–2 M · (2,517 · 10^–2 M)² = 6,4 · 10^–5 mol³ l ^–3
(tai 6,4 · 10^–5 mol³dm^–9)

a) Lasketaan aluksi yhdisteen alkuaineiden ainemääräsuhteet prosenttisen koostumuksen perusteella. Ajatellaan, että prosenttiosuudet vastaavat alkuaineen massaa 100 g:n näytteessä.

Alkuaineiden ainemäärien suhde C : H : N : O = 3,0 : 5,3 : 0,75 : 3,0
Sievennetään jakamalla 0,75 :llä: 4 : 7 : 1 : 4
Empiirinen kaava (C₄H₇NO₄)_k
Arvolla k = 1, M(C₄H₇NO₄) = 133 g/mol, mittaustulos on 129 –135 g/mol
Molekyylikaava C₄H₇NO₄

b) Aminohapon mahdolliset rakennekaavat

c) Vasemmanpuoleinen kaava esittää optisesti aktiivista yhdistettä. Asymmetrinen hiiliatomi on merkitty tähdellä kaavaan.

a) Pyridiini on heikko emäs, jonka protolyysireaktio vedessä on seuraava:

Merkitään valmistettavan liuoksen pyridiinin konsentraatiota x:llä.

Emäsvakion lausekkeesta saadaan:
K_b = [OH^– ] · [pyH⁺] : [ py]
K_b = (10^–5,30  mol/l) ² : ( x – 10^–5,30 mol/l) = 1,5 · 10^–9 mol/l
Ratkaisuksi saadaan x = 1,674 · 10^–2 mol/l
Yhtälö ja ratkaiseminen kuvana
n(py) = 0,10 l · 1,674 · 10^–2 mol/l = 1,674 · 10^–3 mol
m(py) = n(py) · M(py) = 0,13 g

b) Kun pyridiini reagoi typpihapon kanssa syntyy pyridiniumnitraattia pyH⁺ NO₃^–. Pyridiniumnitraatin vesiliuos on hapan, koska pyridimiumnitraatti on vahvan hapon (typpihappo) ja heikon emäksen (pyridiini) suola. Vesiliuoksessa tapahtuvat reaktiot:

liukeneminen:	pyH+ NO3– pyH+ + NO3–
hydrolyysi:	pyH + H2O py + H 3O+

Vetykloridi on vahva happo, joten sen konsentraatio voidaan määrittää tarkasti titraamalla vahvalla emäksellä, ts. tunnetun väkevyisellä NaOH-liuoksella.

Aluksi kannattaa mitata liuoksen happamuus vaikkapa pH-paperilla. Sen perusteella arvioidaan, kuinka suuri näyte titrataan ja minkä väkevyistä NaOH-liuosta käytetään. Esimerkiksi jos pH on noin 1, c(HCl) on likimain 10^-1 mol/l eli 0,1 mol/l. Näytteen suuruus voi olla 15 - 25 ml, jos käytetään 50 ml:n byrettiä. NaOH-kulutuksen tulisi tällöin olla vähintään 10 ml, jotta määrityksen tarkkuus olisi hyvä.

Titrauksen suoritus
Byretti (A) täytetään NaOH-liuoksella. Näyte mitataan tarkasti täyspipetillä (B) pulloon (C), johon lisätään myös muutama pisara indikaattoria (fenoliftaleiini, titrataan aavistuksen verran punertavaksi).Titrauksen kuluessa pulloa sekoitetaan koko ajan ja tarvittaessa huuhdotaan pullon seinämät tislatulla vedellä (pienellä määrällä). Titraus kannattaa toistaa pari kolme kertaa ja laskea saaduista NaOH-kulutuksista keskiarvo. Titrauksen tarkkuus riippuu HCl-liuoksen väkevyydestä. Väkevämmästä liuoksesta saadaan parempi titrauskäyrä. Ekvivalenttikohdan määritykseen voidaan käyttää indikaattorin asemesta pH-mittaria. Titrauskäyrä on tällöin mahdollista tallentaa.

Titrauskäyrä

Huomaa, että vahva happoa vahvalla emäksellä (tai päinvastoin) titrattaessa loppukohdan pH = 7,00.

Vrt. Yo 97 k Tehtävä +8 ja yo 97 s tehtävä 7

Vetykloridin konsentraatio on mahdollista määrittää myös saostamalla kloridi-ionit hopeanitraatilla AgNO₃.

Huomautus terminologiasta

Seuraavia asioita olisi tarpeen sisällyttää vastaukseen hiilihydraateista:

1. Muodostuminen, fotosynteesi (reaktioyhtälö bruttoreaktiosta) monivaiheisena prosessina klorofylli katalyyttinä

2. Sokerien luokittelu, rakenteet ja, nimistö
monosakkaridit ja disakkaridit, funktionaaliset ryhmät ja niiden mukaan aldoosit ja ketoosit, hiiliatomien lukumäärän mukaan pentoosit ja heksoosit (esimerkkejä mukaan)

3. Tärkkelys ja selluloosa
polysakkarideja, yhteistä (koostuvat glukoosiyksiköistä) ja erilaista (yksikköjen sitoutumistapa, tärkkelys α, selluloosa β, ja sen seurauksena ketjun kierteisyys tai haaroittuminen), liukoisuuserot

4. Reaktiot
glukoosin hapettumien (soluhengityksessä), funktionaalisten ryhmien reaktiot mm. Fehlingin-liuoksessa, käyminen (fruktoosi ja glukoosi), disakkaridien ja tärkkelyksen hydrolyysi, tärkkelyksen joditunnistus, esterien ja eetterien muodostuminen

5. Merkitys luonnossa
selluloosa - kasvien tukirakenne ja märehtijöiden ravinto
sokerit, tärkkelys - eliöiden ravinto ja vararavinto (kasvitärkkelys, eläintärkkelys)

6. Teollinen käyttö
sokeri- ja panimoteollisuus, elintarviketeollisuus
selluloosateollisuus, erityyppiset prosessit, tuotteet, kansantaloudellinen merkitys

YLE, Klaffi, Professori Saarisen vastaus (2:42 min)

Yo-sivujen alku