KEMIAN SIVUT

Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, kevät 1998

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

Veden (H₂O) tärkeimmät ominaisuudet ovat

korkea kiehumis- ja sulamispiste molekyylin kokoon nähden, kp 100 °C ja sp 0°C, ja muihin binaarisiin vety-yhdisteisiin verrattuna
suuri lämpökapasiteetti
suuri pintajännitys
liuottaa sekä poolisia molekyyliyhdisteitä että suoloja.

Molekyylirakenne
Vesimolekyyli on V-muotoinen. Hapen ja vedyn suuren elektronegatiivisuuseron (1,4 ) takia sidoselektronit ovat lähempänä happiatomia kuin vetyatomeja, lisäksi happiatomilla on vapaita elektroneja (4 kpl). Niinpä elektronitiheys on suurempi vesimolekyylin happipäässä kuin vetypäässä, joten molekyyli on dipoli.

		Molekyylimalleja ei tietenkään tarvinnut piirtää (vaikkei se vaikeaa olisikaan). Tiedot rakenteesta ja elektronegatiivisuudesta löytyvät taulukkokirjasta.
H₂O	H₂S
Elektronegatiivisuusero 3,5 – 2,1 = 1,4 happi – vety	Elektronegatiivisuusero 2,5 – 2,1 = 0,4 rikki – vety

Vertailukohtana mainittakoon hapen kanssa samaan jaksollisen järjestelmän ryhmään kuuluvan rikin vastaava vety-yhdiste H₂S, jonka molekyyli on myös V-muotoinen (kulma 92°). Rikin ja vedyn välinen elektronegatiivisuusero on 0,4. Divetysulfidi on kaasu huoneenlämpötilassa. Myös rikillä on vapaita elektroneja divetysulfidimolekyylissä.

Vetysidokset
Veden divetysulfidia ja muitakin vastaavia vety-yhdisteitä korkeamman kiehumis- ja sulamispisteen selittävät vesimolekyyleille tyypilliset vuorovaikutukset, vetysidokset. Vesimolekyylien väliset vetysidokset ovat suhteellisen voimakkaita (huomattavasti van der Waalsin sidoksia vahvempia), koska happi on erittäin elektronegatiivinen. Sidoksen voimakkuuteen vaikuttaa myös se, että vetyatomi on kooltaan pieni ja vesimolekyylit pääsevät sen takia lähelle toisiaan.
Vrt. Yo k 96 tehtävä 1

Vetysidoksista johtuu myös veden suuri pintajännitys.
Vrt. Yo s 96 tehtävä 1 a

Veden jäätyessä muodostuu vetysidoksin säännöllinen molekyylihila, josta aiheutuvat lumikiteiden tähti- ja monikulmiorakenteet. Vesi laajenee jäätyessään, joten jää on nestemäistä vettä kevyempää ja kelluu pinnalla. Syynä on se, että jään säännöllinen kidehila vie suuremman tilan kuin nestemäisen veden epäsäännöllisempi rakenne. Esimerkiksi kiinteä bentseeni uppoaa nestemäisessä bentseenissä.
Vrt. Yo 97 k tehtävä 1a

Ominaislämpökapasiteetti

Eräiden aineiden ominaislämpökapasiteetti
Aine		c J/ °Cg
vesi (jää)		2,03
vesihöyry		2,01
bentseeni		1,07
etanoli		2,43
ilma		1,01
kupari		0,39

Veden suurella ominaislämpökapasiteetilla on tärkeä merkitys ilmastotekijänä (vesistöt, kasvihuoneilmiö ym.) ja yleensäkin luonnon lämmönsäätelyssä (ihmiselimistössäkin). Siitä on hyötyä myös teknologiassa (esim. lämmitys). Lämpökapasiteettiin vaikuttavat sekä molekyylin sisäisten sidosten että molekyylien välisten sidosten laatu. Erityisesti nestemäisen veden poikkeuksellisen korkeaan arvoon vaikuttaa molekyylien välisten sidosten "joustavuus": lisääntynyt lämpöliike saattaa katkoa hetkellisesti vetysidoksia, mutta vesimolekyylien törmäillessä syntyy taas helposti uusia sidoksia, mikä jälleen johtuu osaltaan vesimolekyylien pienestä koosta.

Liuotinominaisuudet
"Samanlainen liuottaa samanlaista." Niinpä vesi liuottaa dipoliominaisuuksiensa takia poolisia ja ionisidoksellisia yhdisteitä mutta ei poolittomia yhdisteitä, varsinkaan kookasmolekyylisiä, mikä on biologisissa systeemeissä oleellinen toiminnan ehto. Vesiliuoksissa ionit ja molekyylit saavat hydraattiverhon, josta osa saattaa seurata mukana kidehilaan yhdisteen kiteytyessä.
Esim. CuSO₄ · 5 H₂O, (COOH)₂ · 2 H₂O
Vrt Yo s 97 tehtävä 1 a | Huomautus
Vrt. Water Module,http://cwis.nyu.edu/pages/mathmol/modules/water/water.html

a) Alumiiniset käyttöesineet yleistyivät vasta 1900-luvulla, kun alumiinin hinta halpeni ja sen tarjonta kasvoi. Alumiinia valmistetaan elektrolyyttisesti bauksiitin ja kryoliitin sulatteesta, joten laajamittainen sähköenergian tuotannon kehittyminen 1900-luvulla oli edellytyksenä alumiinin massatuotannolle.
Vrt. Yo s 95 tehtävä 1 a

b) Viinimarjamehu sisältää orgaanisia happoja, jotka liuottavat alumiinia ja muodostavat alumiinin kanssa kompleksiyhdisteitä, joten "mehumaijasta" liukenee alumiinia. Alumiiniyhdisteiden on epäilty altistavan dementiaa aiheuttavalle Alzheimerin taudille. Kiistatonta näyttöä ei asiasta ole. "Mehumaija" ainakin syöpyy ja mehuun saattaa tulla hienoisia maku- tai värivirheitä.

c) Vahvasti emäksinen uuninpuhdistusaine syövyttää alumiinia, joka muodostaa emäksisessä vesiliuoksessa Al(OH)₄^– -kompleksi-ioneja. d) Väkevä typpihappo on voimakas hapetin. Alumiinin pintaan muodostuva tiivis oksidikerros suojaa alumiinia syöpymiseltä (liukenemiselta).

m( NaN₃) = 65,02 g/mol
m = nM
pV = nRT
V = 35 dm³
p = 1,4 bar
T = (273 + 25) K

Natriumatsidin hajoamista kuvaava reaktioyhtälö:

2 NaN₃→ 2 Na + 3 N₂

n = pV : RT
n(N₂) =1,4 bar · 35 dm³ : (0,0831 bar dm³mol^–1 · 298 K)
n( NaN₃) : n(N₂) = 2 : 3
Tästä: n(NaN₃) = 2 · 1,4 · 35 · 65,02 : (3 · 0,0831 · 298) g = 86 g

Natriumin reaktio rauta(III)oksidin kanssa:

Fe₂O₃ + 6 Na → 3 Na₂O + 2 Fe

YLE, Klaffi, Professori Saarisen vastaus (0:59 min)

a) Rikkiyhdisteiden kaavat

b) Natriumvetysulfiitti NaHSO₃ (oikeastaan vetysulfiitti-ioni) toimii amfolyyttinä vesiliuoksessa.

NaHSO₃ liukenee:	NaHSO₃ → Na⁺ + HSO₃^–
HSO₃^– happona:	HSO₃^– + H₂O → H₃O⁺+ SO₃^2–
HSO₃^– emäksenä:	HSO₃^– + H₂O → OH^– + H₂SO₃

Vastaavasti rikkihapokkeen H₂SO₃ vesiliuokseen muodostuva vetysulfiitti-ioni voi toimia amfolyyttinä. Lisäksi rikkihaposta muodostuva vetysulfaatti-ioni HSO₄^– pystyy toimimaan amfolyyttinä. Oleellista on, että amfolyytti voi sekä luovuttaa että vastaanottaa vety-ionin (protonin).
Huom. Vastaukseksi riittää pelkästään ionin HSO₃^– toteaminen amfolyytiksi ja reaktioyhtälöiden esittäminen perusteluksi.

c) Rikkihapossa H₂SO₄ rikillä on korkein mahdollinen hapettumisasteensa +6, joten se ei voi toimia pelkistimenä. Rikkihapokkeessa H₂SO₃ rikin hapettumisaste on +4, joten sekä hapettuminen (pelkistimenä toimiminen) että pelkistyminen (hapettimena toimiminen) ovat mahdollisia.

Huomautus

Yhdisteiden reagoivat ryhmät : 1 amiini, 2 alkoholi, 3 kaksoissidos ja 4 aminohappo.

Yhdisteet	Reaktiot
	a) additio kloorin kanssa 3 b) suola HCl:n kanssa 1 ja 4 c) polymeroituminen 3 ja 4 d) hapettuminen aldehydiksi 2 e) veden eliminaatio 2

Tuotteet

M(HA) = 95 g/mol

Molekyylipainon ja moolimassan lukuarvo on sama. Molekyylipaino ilmoitetaan yleensä paljaana lukuarvona. Tehtävän oikeaksi ratkaisuksi riittää moolimassan laskeminen.

Olkoon kyseinen heikko happo HA. Sen protolyysireaktio vedessä on:

HA + H₂O → A^–+ H₃O⁺

	c alussa	c tasapainossa	yksikkö
HA	x	x – 10^–2,78	mol/l
A^—	0	10^–2,78	mol/l
H₃O⁺	0	10^–2,78	mol/l

pH = 2,78
m(HA) = 82,9 mg = 82,9 · 10^–3 g
V(liuos) = 250 ml = 250 · 10^–3 l
K_a = 1,5 · 10^–3 M
n = cV

K_a = 10^–2,78 · 10^–2,78 : ( x – 10^–2,78 mol/l) = 1,5 · 10^–3 M
Ratkaistaan yhtälö ja saadaan :
x = (10 ^–5,56 + 1,5 · 10^–3) : 1,5 · 10^–3 mol/l
x = 3,496 · 10^–3 M
n(HA) = 82,9 · 10^–3g : M(HA)
n(HA) = 3,496 · 10^–3 M · 250 · 10^–3 l
Ainemäärän perusteella: 82,9 · 10^–3 g : M(HA) = 3,496 · 10^–3 mol/l · 250 · 10^–3 l
Ratkaistaan yhtälö ja saadaan: M(HA) = 94,9 g/mol = 95 g/mol

Yhtälöiden ratkaiseminen kuvana

Etyyliasetaatin valmistus
Reaktioyhtälö

CH₃COOH + CH₃CH₂OH

CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Aine	kp °C	M g/mol	Vesiliuk.
etikkahappo	118	91	++
etanoli	79	46	++
etyyliasetaatti	77	119	vähän
vesi	100

Pesuun kylläistä NaCl-liuosta ja väkevää Na₂CO₃-liuosta.

Kuivaukseen CaCl₂-rakeita tai MgSO₄-kiteitä.

Kolvi ja palautusjäähdytin
erotussuppilo

Erotusuppilo (3) ja tulppa (4).

Reaktio
Likimain yhtä suuri ainemäärä (*) etikkahappoa ja etanolia (esim. n. 50 g etikkahappoa ja 25 g etanolia) pannaan kolviin (1). Seokseen lisätään katalyytiksi muutama millilitra väkevää rikki- tai fosforihappoa (H₂SO₄ tai H₃PO₄).

Kolviin lisätään myös joitakin kiehumakiviä räiskymisen välttämiseksi. Kolvi varustetaan palautusjäähdyttimellä (2) ja asetetaan sähköhauteeseen. Seoksen annetaan kiehua ainakin tunnin ajan, jotta tasapaino ehtii asettua.

Tuotteen erottaminen
Koska tuotteen ja toisen lähtöaineen kiehumispisteet ovat hyvin lähellä toisiaan, tuotetta ei voida erottaa reaktioseoksesta tislaamalla eikä siten myöskään saantoa pystytä kasvattamaan poistamalla tuotetta jatkuvasti.

Erottaminen tapahtuu uuttamalla, mikä perustuu liukoisuuseroon: etyyliasetaatti liukenee hyvin niukasti veteen kun taas etanoli ja etikkahappo liukenevat runsaasti. Tasapainon asetuttua reaktioastiassa annetaan seoksen jäähtyä. Jäähtynyt seos kaadetaan erotussuppiloon, jossa sitä ravistellaan kylläisen NaCl:n kanssa hapon, alkoholin ja katalyytin poistamiseksi. NaCl-liuosta käytetään kolme - neljä erää. Ylempi kerros (B) sisältää etyyliasetaatin. Alempi kerros (A) lasketaan jäteastiaan. Esteri voidaan pestä vielä Na₂CO₃-liuoksella etikkahappojäämien poistamiseksi. Näin saatu tuote ei vieläkään ole puhdasta (se sisältää hieman alkoholia ja vettä), joten se on lisäksi kuivattava CaCl₂:lla tai MgSO₄:lla.

(*) Esterin saantoon voidaan vaikuttaa le Châtelier'n periaatteen mukaan käyttämällä ylimäärin toista lähtöainetta, etyyliasetaatin tapauksessa happoa. Synteesin suorituksessa voidaan käyttää myös menetelmää, jossa reaktioseokseen lisätään vähitellen alkoholi ja samalla tislataan tuotetta pois. Etyyliasetaatin valmistuksessa ongelmana on silloinkin esterin ja alkoholin kiehumispisteiden läheisyys. Tiputuksessa on huolehdittava siitä, että alkoholi ehtii reagoida. Tiputussuppilon kärjen on silloin ulotuttava reaktioseokseen ja tislauksen tapahduttava hitaasti.

Tunnistaminen
Etyyliasetaatilla on luonteenomainen voimakas, pistävä haju, joka on tuttu kynsilakanpoistoaineista. Haisteltava varovasti!

Huomautus

Lisää aiheesta:
Etälukio, Laboratorio http://www.oph.fi/etalukio/opiskelumodulit/kemia/labra/index.html
Erotusmenetelmiä, Uuttaminen (mukana myös video, QuickTime)

Etyyliasetaatin valmistus (Mukana kysysmyksiä ja vastauksia)

+8.

Ohessa luetteloa mahdollisesti käsiteltävistä asioista.

Liikenne

polttoaineista suoranaisesti syntyvät pakokaasupäästöt: CO₂, CO, SO₂, NO_x, haihtuvat orgaaniset yhdisteet, noki, lyijy-yhdisteet
päästöjen aiheuttamien reaktioiden tuotteet, alailmakehän O₃, fotokemiallinen sumu
moottorin huollosta aiheutuvat päästöt, esim. vanhat moottoriöljyt, jäähdytysnesteet
jäänestosta aiheutuvat päästöt maaperään ja veteen: maanteiden suolaus, lentokoneiden rungon ja siipien jäänesto glykolilla

Energian tuotanto

suoranaiset palamistuotteet ja niiden aiheuttamat reaktiot (vrt. liikenne)
ydinvoimalapolttoaineen louhinnasta ja käsittelystä aiheutuvat radioisotooppipäästöt ja niiden kulkeutuminen, lauhdevesien sisältämät radioisotoopit

Teollisuus

jätevedet, erityisesti sellu- ja paperiteollisuuden jätevedet ja sellun valmistuksen hajuhaitat
öljynjalostuksen haihtuvat orgaaniset yhdisteet
liuotinpäästöt (esim. muovien ja tekokuitujen valmistus, lääketeollisuus, maalit ja liimat, elektroniikkateollisuus), käytettyjen kemiakaalien päästöt
sahojen lahonestoaineiden päästöt maaperään
dioksiinit
kaivosteollisuuden raskasmetallipäästöt, SO₂, syanidit (kullan erotus)
teräksen valmistuksen CO₂-päästöt
klooriteollisuuden elohopeapäästöt

Kemiallisia keinoja päästöjen rajaamiseksi

maaöljypohjaisten polttoaineiden koostumuksen kemiallinen säätely moottorityypille sopivaksi (rikin ja raskasmetallien poisto ja rikin kerääminen talteen esim. vulkanoinnissa käytettäväksi, tislaus, krakkaus, reformointi, lisäaineet)
autojen katalysaattorit
sähköautot, kemiallisen energian käyttö sähkön varastoinnissa
glykolin talteenotto lentokentillä ja puhdistustislaus, korvaavien aineiden kehittely
käytetyn moottoriöljyn ja muiden jäteöljyjen tehokas polttaminen jätteenkäsittelylaitoksissa
teollisessa energiantuotannossa savukaasujen puhdistus, polttoaineen vaihtaminen esim. hiilestä runsaasti vetyä sisältäviin hiiliyhdisteisiin (esim. maakaasuun), vety polttoaineeksi, energian tuottamien aurinkopaneeleilla ja sen kemiallinen talteenotto
lauhdevesien puhdistus, suljettu vesikierto
CO₂-päästöjä vähentää myös prosessilämmön hyödyntäminen teollisuudessa

Teollisuus

savukaasujen ja poistoilman puhdistus
jätevesien kemiallinen puhdistus ja suljettu vesikierto, jossa hyödynnetään kemiallisia puhdistusmenetelmiä
kemikaalien kierrätys, liuotinten talteenotto ja tislaus, korvaavien aineiden kehittely (esim. freonien korvaaminen elektroniikkateollisuudessa puhdistusaineina sekä jäähdytysnesteenä jäähdytinlaitteiden valmistuksessa, uusien lahonestomenetelmien kehittely jne.)
valmistusmenetelmien kehittäminen, esim. katalyyttien käyttö sivutuotteiden vähentämiseksi, prosessin nopeuttamiseksi ja energian säästämiseksi
sivutuotteiden hyödyntäminen toisissa prosesseissa (esim. sulfidimalmien jalostuksen yhteydessä valmistetaan rikkihappoa)

Muutaman esimerkkitapauksen lähempi käsittely reaktioyhtälöineen on tarpeen (vaikkapa moottoripolttoaineen valmistuksesta ja katalysaattoreista, sellun valmistuksesta ja sivutuotteiden talteenotosta tms.)

Syytä on myös mainita kemiallisen analytiikan keskeinen rooli päästöjen rajoittamisessa, ympäristön puhtauden seurannassa ja ympäristövaikutusten ymmärtämisessä sekä teollisten kemiallisten prosessien säätelyssä.

Huomautus

Yo-sivujen alku