Kemia yo k99 ratkaisut

a) Jalokaasuilla (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) on uloimmalla elektronikuorellaan hyvin pysyvä elektronimiehitys: heliumilla 2 elektronia, muilla 8 (oktetti). Heliumin ja neonin uloin elektronikuori on siis täysin miehitetty, joten ne eivät voi muodostaa kovalenttisia yhdisteitä. Näiden atomien ionisoitumisenergiat ovat lisäksi erittäin suuria. Vaikka argonin, kryptonin, ksenonin ja radonin uloimmalle kuorelle periaatteessa mahtuisi lisää elektroneja, oktetti on niin pysyvä, että vain kaikkein elektronegatiivisimpien atomien (F ja O) ja kookkaiden jalokaasuatomien (Kr, Xe) on todettu muodostavan keskenään yhdisteitä, esim. XeF₂, KrF₂, XeF₄, XeF₆, XeOF₄. Myös joitakin platinakompleksiyhdisteitä tunnetaan. Jalokaasun hapetusaste on aina positiivinen näissä yhdisteissä. Voidaan ajatella, että kookkaan jalokaasuatomin ytimen sähköinen vetovoima ulottuu heikompana kaikkein kauimpana sijaitseviin elektroneihin, joten positiivinen hapetusaste on siten ymmärrettävissä.
Huom! Oppikirjoissa ei ole mainittu, millaisia yhdisteitä jalokaasut muodostavat vaikka yhdisteiden olemassaoloon on viitattu, joten yhdisteiden kaavoja ei tarvinnut tietää, ei myöskään jalokaasujen hapetusasteita. (Vanha ops)

b) Metallit johtavat hyvin sähköä metallisidoksen takia. Metallisidoksen luonne: Kts. yo +8/s98.

c) Alkuaineen suhteellinen atomimassa on aina painotettu keskiarvo alkuaineen eri isotooppien massoista. Luonnon hiilessä on 98,89 % C-12-isotoopia ja 1,11 % C-13-isotooppia. Tiedot löytyvät taulukkokirjasta.

M(C) = 0,9889 · 12,00 g/mol + 0,0111 · 13, 00 g/mol = 12,01 g/mol

(Huomaa, että C-13 isotoopin massa ei ole kokonaisluku - mutta se onkin jo toinen juttu!)

a) Empiirinen kaava on ( C₃H₇O₂)_k. Myös vastaus C₃H₇O₂ hyväksyttiin
Ratkaisu
Hiilidioksidin ja veden mitattujen massojen pohjalta lasketaan ainemäärät n(C) ja n(H) ja edelleen näytteeseen sisältyvien C- ja H-atomien massa (60,01 mg ja 11,72 mg). Koko näytteen massasta (125,0 mg) vähennetään hiilen ja vedyn massa, jolloin saadaan hapen massa. Jaetaan hapen massa moolimassalla, ja muodostetaan ainemääräsuhteet.

n(C) = n(CO₂)
n(C) = 219,9 · 10 ^–3 g : 44,01 g/mol = 0,004997 mol
m(C) = 0,004997 mol · 12, 01 g/mol = 60,01 mg
M(H)= 1,008 g/mol ja M(H₂O = 18,02 g/mol
n(H) = 2 · n(H₂O) = 2 · 104,8 · 10 ^–3 g : 18,02 g/mol = 0,01163 mol
m(H) = 0,01163 mol · 1,008 g/mol = 11,72 mg
m(O) = näyte – m(C) – m(H) = 125,0 mg – 60,01 mg – 11,72 mg = 53,27 mg
Edellisen perusteella saadaan:

m (g)	C	H	O	A
m (g)	0,06001	0,01172	0,05327
M (g/mol)	12,01	1,008	16,00
n (mol)	0,004997	0,01163	0,003329
n(C) : n(H) : n(O)	1,5	3,5	1	B
n(C) : n(H) : n(O)	3	7	2	B

A. Jaetaan ainemäärät pienimmällä (0,003329).
B. Kerrotaan 2:lla, jotta suhteet saadaan kokonaislukujen suhteiksi.

A: P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄
B: NaOH + CO₂ → NaHCO₃
NaOH + NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O
tai lyhyemmin
B: 2 NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

a) Rikkidioksidi voidaan tehdä vaarattomaksi johtamalla se paikan päällä toiseen prosessiin. Tavallisesti rikkidioksidi käytetään rikkihapon valmistukseen, koska rikkihappo on eniten käytetty teollisuuskemikaali.

Rikkidioksidia voidaan myös imeyttää emäksiseen kalkkilietteeseen, jossa se muodostaa kalsiumsuoloja. Rikkidioksidi olisi periaatteessa mahdollista myös pelkistää alkuainerikiksi, mutta pelkistämistä käytetään yleensä vain silloin, kun saatavilla on divetysulfidia H₂S (maakaasun puhdistus).

n (Cu) = 1 500 A · 3 600 s : (2 · 96 500 As/mol) = 28 mol (27,98 mol)
m = 27,98 mol · 63,55 g/mol = 1780 g = 1,8 kg

Liuoksen väri pysyy tasaisen sinisenä niin kauan kuin anodilta liukenee kuparia (koska katodilla poistuu yhtä monta kupari-ionia kuin anodilta vapautuu).

Rengasyhdisteen puuttuminen verotti yhden pisteen. Asymmetriset hiiliatomit oli merkittävä kaavoihin.

YLE, Klaffi, Professori Saarisen vastaus (0:50 min)

Kemiallisen reaktion edellytyksenä on, että reagoivat aineet törmäävät toisiinsa riittävän kovasti ja oikeasta suunnasta. Kaasufaasissa molekyylit törmäilevät jatkuvasti toisiinsa, mutta törmäykset ovat pääosin kimmoisia. Reaktioseosta lämmitettäessä molekyylien liike nopeutuu, minkä seurauksena törmäykset lisääntyvät ja voimistuvat. Kun systeemi saavuttaa aktivoitumisenergian tason (c), reaktion kannalta suotuisia törmäyksiä tapahtuu runsaasti. Suotuisan törmäyksen seurauksena syntyy aktivoitunut kompleksi eli siirtymäkompleksi, joka hajoaa nopeasti joko tuotteiksi tai takaisin lähtöaineiksi.

Reaktion energiaprofiili kuvaa reagoivan systeemin energiaa reaktion eri vaiheissa. Kyseessä ovat reagoivan systeemin energiat (kJ/mol) eivät yksittäisten molekyylien energiat. Kuviosta näkyy, että reaktio on endoterminen eli reaktioentalpia ΔH > 0, koska tuotteiden energiasisältö (energia-akselin kohta b ) on suurempi kuin lähtöaineiden (energia-akselin kohta a). Energiaa siis sitoutuu. Reaktion aktivoitumisenergia on luettavissa energia-akselin kohtien c ja a erotuksena (kohta c kuvaa aktivoituneen kompleksin energiasisältöä).

Annetun kuvion perusteella ei voida suoranaisesti päätellä reaktion nopeutta, koska kemiallisen reaktion nopeus määritellään aikayksikössä tapahtuvaksi (lähtöaineiden tai tuotteiden) konsentraation muutokseksi ja kuvaajassa esitetään vain energia reaktion kulun funktiona. Koska kuviosta käy ilmi, että reaktio on endoterminen, voidaan kuitenkin päätellä, ettei reaktio ole räjähdysmäisen kiivas, kun myös aktivoitumisenergia näyttää olevan kohtuullisen suuri verrattuna reaktioentalpiaan.
Huomautus

a) 135 ml, b) 345 ml (Pyöristäen saatu tulos 344 ml → 340 ml hyväksyttiin myös.)

Ratkaisutapa 1
Molemmissa tapauksissa lasketaan aluksi hapon konsentraatio alkuperäisessä ja laimennetussa liuoksessa. Tästä päästään laimennetun liuoksen tilavuuteen seuraavasti:
c₁V₁ = c₂V₂
Vesilisäyksen määrä on laimennetun liuoksen tilavuus V₂ vähennettynä 15 ml:lla.

a) Koska happo HA on vahva, c₁ (HA) = [H₃O⁺] = 10^–2,24 mol/l
c₂(HA) = 10^–3,34mol/l
V₂ = 15 ml · 10^–2,24 mol/l : 10^–3,34mol/l = 150 ml
Vesilisäys on 150 ml – 15 ml = 135 ml

Ratkaisutapa 2
a) Vahva happo protolysoituu täydellisesti.
pH₂ – pH₁ = 3,34 – 2,34 = 1,00
Kun pH vähenee yhden yksikön, konsentraatio pienenee kymmenenteen osaan, joten liuostilavuus kasvaa tässä 10-kertaiseksi eli 15 ml:sta 150 ml:aan.
Vesilisäys on siis 150 ml –15 ml = 135 ml

b) Koska HA on heikko happo, lasketaan protolyysireaktion tasapainokonsentraatioiden avulla c₁(HA) ja c₂(HA).

HA + H₂O

A^– + H₃O⁺

Aine		c tasapainossa mol/l
HA	c₁ – 10^–2,34
A^–	10^–2,34
H₃O⁺	10^–2,34

K_a = (10^–2,34)² : (c₁ – 10^–2,34) mol/l = 2,5 · 10^–3 mol/l, mistä saadaan c₁ = 1,293 · 10^–2 mol/l.
Vastaavasti laskien saadaan c₂ = 5,407 · 10^–4 mol/l

Yhtälön c₁V₁ = c₂V₂ perusteella
V₂ = c₁V₁ : c₂
V₂ = 1,293 · 10^–2 mol/l · 15 ml : (5,407 · 10^–4 mol/l) =359 ml
Vesilisäys on 360 ml – 15 ml = 345 ml

a) n(AgCl) = n(Cl^–)
m(Cl^–) = n(AgCl) · M(Cl^–)
m(Cl^–) = 243 mg : 143,35 g/mol · 35,45 g/mol = 60,09 mg
Kloridi-ionipitoisuus on 60,09 mg : 5,0 l = 12 mg/l
Mahdollisia määrityksen luotettavuuteen vaikuttavia seikkoja ovat näytteen ottoon liittyvä tilavuuden määritys, koska on 5,0 l:n suuruisesta näytteestä kyse, ja näytteen käsittelyn puhtaus (myös haihdutusvaiheessa). Saostumainen saattaa myös olla epätäydellistä: osa AgCl-saostumasta voi jäädä kolloidiseksi tai näytteeseen voi sisältyä häiritseviä ioneja (OH^–, karbonaatit), jotka saostavat Ag⁺-ioneja ja lisäävät siten saostumaa. Valon vaikutuksesta osa AgCl-saostumaa voi hajota.

b) Pohjaveden kloridi-ionipitoisuus on yleensä hyvin pieni, joten saostamalla suoritettavaa määritystä varten tarvitaan suurehko näyte. Haihduttaminen oli tarpeen analyysiliuoksen väkevöimiseksi, jotta saostaminen onnistuisi (liukoisuustulo!). Analyysiliuoksen tarkalla konsentraatiolla ja siksi myöskään tilavuudella ei ole väliä, koska määrityksessä saostetaan kaikki Cl^–-ionit. Haihdutusvaiheessa Cl^–-ioneja ei liuoksesta poistu.

Ohessa jäsennysmalli (muunlainenkin lähestymistapa käy varmasti, mutta kemiaa on oltava mukana ainakin aminohappojen perusrakenteen osalta.)

Kemian ylioppilastehtävien ratkaisut, kevät 1999

Aminohappojen rakenne ja reaktiot

Esiintyminen luonnossa

Merkitys ihmiselle