Kemia yo s97 ratkaisut

a) Kun sekoitetaan 50 ml etanolia ja 50 ml vettä, saadaan 95 ml eikä 100 ml liuosta. Tilavuuden supistuminen johtuu siitä, että etanolimolekyylien ja vesimolekyylien välille muodostuu vetysidoksia, jotka vetävät molekyylit lähekkäin. Etanolimolekyylien ja vesimolekyylien muoto poikkeaa toisistaan, joten etanolin ja veden sitoutuessa vetysidoksin toisiinsa saavutetaan pienempi kokonaistilavuus kuin pelkkien vesi- tai etanolimolekyylien sitoutuessa toisiinsa.
Vrt. Yo 98 k tehtävä 1

b) Hiilidioksidi CO₂ on hapan oksidi. Osa veteen liuenneesta hiilidioksidista reagoi veden autoprotolyysissä syntyneiden hydroksidi-ionien kanssa muodostaen vetykarbonaatti-ioneja.

Veden autoprotolyysi:

Vetykarbonaatti-ionien muodostuminen:

Vetykarbonaatti-ioni HCO₃^– on hiilihapon H₂CO₃ konjugaattiemäs. Hiilihappo on heikko, pysymätön happo. Puhtaan veden ja CO₂:n reagoidessa syntyy siten vain hieman oksonium- ja vetykarbonaatti-ioneja, pH asettuu likimain arvoon 6. NaOH-liuos on vahvasti emäksinen. Liuoksessa on läsnä hydroksidi-ionien määrää vastaava määrä Na⁺-ioneja. Suola NaHCO₃ on erittäin vesiliukoinen, joten CO₂ liukenee sen mukaisesti.

(Vastaukseksi riittää yksinkertaisempikin selitys, jossa todetaan CO₂:n happamuus ja hiilihapon pysymättömyys sekä emäksisessä liuoksessa tapahtuva osittainen neutraloituminen.)

c) Rikkitrioksidimolekyylissä rikkiatomi on keskellä ja happiatomit sen ympärillä. Molekyylin rakenne on tasomainen, joten ulospäin molekyyli on pooliton.

Fosforin P₄ hapetusluku on 0. Fosfiinissa PH₃ P:n hapetusluku on –3. Fosforihapossa H₃PO₄ P:n hapetuslukuna on +5. Fosfori siis sekä hapettuu että pelkistyy reaktion kuluessa.
Fosforia tarvitaan 6,3 g.

Fosforin hapetusluvun laskeminen (vedyn hapetusluku on +1)

PH₃:	x + 3 · (+1) = 0 , joten x = –3
H₃PO₄:	3 · (+1) + y + 4 · (–2) = 0, tästä y = +5

M(PH₃) = 34,00 g/mol
M(H₃PO₄) = 98,00 g/mol
M(P₄) = 123,90 g/mol
m(tuotteet) =11,8 g
m = nM

Reaktiossa kuluneen forforin määrän laskeminen

Merkitään n(P₄) = k mol
n(PH₃) = 2,5 · k mol (Reaktioyhtälön mukaan)
n(H₃PO₄) = 1,5 · k mol
Tuotteiden massojen perusteella saadaan yhtälö:
2,5 · k · 34,00 g /mol + 1,5 · k · 98,00 g/mol = 11,8 g
85 k + 174 k = 11,8 eli 232 k = 11,8 ja ratkaisuksi saadaan k = 0,05086 (mol)
m(P₄)= 0,05086 mol · 123,90 g/mol = 6,3 g

a) Kaavan esittämä yhdiste on tyydyttymätön rengasrakenteinen hiilivety, jonka renkaassa on 6 hiiliatomia. Yhdiste on syklohekseeni, jossa on para-asemassa kaksi substituenttia, metyyliryhmä ja kaksoissidoksen sisältävä isopropenyyliryhmä.


	Kuvassa on yhdisteen lankamalli, josta renkaan vääntyminen näkyy. (Kuvaa ei toki vastaukseen tarvinnut piirtää.)

Molekyylimalli (Chime)

b) Rengasrakenne ei ole tasomainen, koska siihen sisältyy 5 yksinkertaista C-C-sidosta, joissa hiilellä (4 kpl) on sp³-hybridisaatio (tetraedrisesti suuntautuneet sidokset).

c) Sivuketjun kaksoissidoksen toiseen hiiliatomiin on liittynyt kaksi H-atomia. Sivuketjun osalta ei siis ole mahdollisuutta cis-trans -isomeriaan. Renkaan kaksoissidoksen hiiliatomeihin voivat renkaan hiiliatomit (tai metyyliryhmä ja vetyatomi) periaatteessa olla kiinnittyneet joko samalta tai eri puolelta. Kuuden hiiliatomin renkaassa trans-asemasta lähtevä rengasrakenne kuitenkin muodostuisi liian jännittyneeksi, joten se ei ole todennäköinen vaihtoehto. Cis-trans-isomeriaa ei siis esiinny.

d) Yhdisteessä on asymmetrinen hiiliatomi (kuvassa merkitty tähdellä ), joten yhdiste on optisesti aktiivinen.

Perustelut
Lasketaan vapautuvan energian määrä yhtä poltettavaa ainegrammaa kohti.

1. M(C) = 12,0 g/mol
n(C) = 1,0 g : 12,0 g/mol
ΔH= –394 kJ/mol
energiaa/g: (1,0 g : 12,0 g/mol) · ( –394 kJ/mol) = –33 kJ

2. M(H₂) = 2,02 g/mol
n(H₂) = 1,0 g : 2,02 g/mol
ΔH = –286 kJ/mol
energiaa/g: (1,0 g : 2,02 g/mol) · (–286 kJ/mol)= –140 kJ

3. M(C₄H₁₀) = 58,1 g/mol
n(C₄H₁₀) = 1,0 g : 58,1 g/mol
ΔH = – 2280 kJ/mol
energiaa/g: ( 1,0 g : 58,1 g/mol) · (– 2280 kJ/mol) = – 39 kJ

Reaktioyhtälöt
1. C + O₂ → CO₂
2. 2 H₂ + O₂ → H₂O — ei synny CO₂!
3. 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O
Vedyn palaessa ei synny hiilidioksidia, joten verrataan grafiitin ja butaanin palamista laskemalla CO₂-tuotto NTP-olosuhteissa.
1. V(CO₂) = n(C) · V_m = (1,0 g : 12 g/mol ) · 22,4 dm³ = 1,9 dm³

3. V(CO₂) = 4 · n( C₄H₁₀) · V_m = (4 · 1,0 g : 58,1 g/mol) · 22,4 dm³ = 1,5 dm³

c) Hiilidioksidi kuuluu luonnon normaaliin ja elämälle välttämättömään hiilikiertoon: se on veden ohella lähtöaineena fotosynteesissä. Siitä huolimatta CO₂:a voidaan pitää ilman saasteena, kun sen määrä ilmassa kasvaa normaalia pitoisuutta (n. 0,033 %) suuremmaksi. Hiilidioksidi ei toki suoranaisesti ole myrkyllistä suurinakaan pitoisuuksina, ellei se syrjäytä hengitysilmasta happea. Sen sijaan CO₂ absorboi tehokkaasti infrapunasäteilyä (lämpöä). CO₂ onkin vesihöyryn ohella tärkein ns. kasvihuonekaasuista, jotka päästävät auringon valon kulkeutumaan maan pinnalle, mutta hidastavat lämmön haihtumista pois. Tämäkin ominaisuus on tosin maapallon elämän kannalta välttämätön, koska se pitää ilmakehän lämpötilan siedettävissä rajoissa. Hiilidioksidin määrän kasvaessa on kuitenkin vaarana ilmakehän liiallinen lämpiäminen. Koska ihmisen toiminta vaikuttaa ilmakehän hiilidioksidimääriin (muttei vesihöyryn määrään), liika hiilidioksidi voidaan luokitella ilman saasteeksi. Tärkein hiilidioksidikuormituksen aiheuttaja on hiilipitoisten aineiden, kuten puun, kivihiilen, öljyn, bensiinin ja jätteen polttaminen.

K_L(Mg-hydroksidi) = [Mg²⁺] · [OH^– ]² = 1,1 · 10^–11 (mol/l)³
Sekoitetaan 1 ml 0,001 M NaOH-liuosta ja 99 ml 0,001 M Mg(NO₃)₂.
[Mg²⁺] = 99 ml · 0,001 M : 100 ml = 0,00099 M
[OH^– ] = 1 ml · 0,0001 M : 100 ml = 0,00001 M
Lasketaan ionitulo:
[Mg²⁺] · [OH^– ]² = 0,00099 M · 0,00001² M²]= 0,99 · 10 ^–13 (mol/l)³ < K_L
Saostumaa ei muodostu.

Laskut
Liukeneminen: Mg(OH)₂ → Mg²⁺ + 2 OH^–
[Mg²⁺] = 0,5 x ja [OH^– ] = x
K_L = 0,5x · x² = 1,1 · 10^–11 (mol/l)³
Ratkaisu x = 2,802 · 10 ^–4 mol/l, joten pOH = –log 2,802 · 10 ^–4 = 3,55
pH = 14,00 – 3,55 = 10,45, pyöristys pH = 10

a) Esterihydrolyysi

Huom. Aspartaamimolekyylissä on hapan karboksyyliryhmä, joka myös voi reagoida NaOH:n kanssa.
Vain esterihydrolyysireaktiota edellytettiin vastauksessa.
b) Aspartaami koostuu fenyylialaniinista ja asparagiinihaposta. (Nimiä ei vaadittu.)

aspartaamin ja sen aminohappojen rakennekaavat

Aluksi lasketaan, paljonko NaOH-rakeita on punnittava noin 0,1 M liuokseen, jota valmistetaan 250 ml.

c(NaOH) = 0,1 M
n(NaOH) = V(NaOH) · c(NaOH) = 0,250 l · 0,1 M
M(NaOH) = 40,00 g/mol
m(NaOH) = n(NaOH) · M(NaOH) = 0,250 l · 0,1 M · 40,00 g/mol = 1,0 g

Punnitaan NaOH-rakeita 1,0 g. Siirretään ne varovasti esim. taitetun paperin avulla 250 ml:n mittapulloon. Liuotetaan rakeet pullossa tislattuun veteen. Liuos lämpenee rakeiden liuetessa, joten jäähdytetään pullo nopeasti jäähauteessa noin 20 °C lämpötilaan. Lisätään tislattua vettä mittapullon kaulamerkkiin saakka. Sekoitetaan hyvin suljettua pulloa kallistellen.

Liuoksen konsentraatio tarkistetaan titraamalla 0,200 M HCl-liuoksella. HCl-liuosta pannaan byrettiin (esim.10 ml byretti). Tislatulla vedellä huuhdeltuun keitinlasiin tai -pulloon mitataan täyspipetillä tarkasti 5 ml (tai 10 ml) NaOH-liuosta ja lisätään hieman tislattua vettä. Byretistä tiputetaan varovasti HCl-liuosta ja samalla rekisteröidään pH-mittarilla titrauskäyrä ja luetaan siitä ekvivalenttikohtaa vastaava HCl-kulutus tai luetaan muuten pH-arvoa 7 vastaava kulutus. Määritys toistetaan tuloksen varmentamiseksi.

V(NaOH) · c(NaOH) = V(HCl) · c(HCl)
c(NaOH) = V(HCl) · c(HCl) : V(NaOH)
V(NaOH) = NaOH-näytteen tilavuus (ml)
V(HCl) = HCl:n kulutus (ml)
c(HCl) = 0,200 M

Vrt. Yo 96 k tehtävä 7

Ohje: Natriumin ja kuparin vertailussa on käsiteltävä kummankin metallin ominaisuuksia alkaen elektroniverhon rakenteesta ja tavallisimmista hapetusasteista. Molempien metallien valmistusta ja käyttöä on myös vertailtava, samoin tavallisimpia yhdisteitä.

Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, syksy 1997