KE2 Kemian mikromaailma

Transkriptio

1 KE2 Kemian mikromaailma 1. huhtikuuta 2015/S.. Tässä kokeessa ei ole aprillipiloja. Vastaa viiteen tehtävään. Käytä tarvittaessa apuna taulukkokirjaa. Tehtävät arvostellaan asteikolla 0 6. Joissakin tehtävissä on kerrottu eri alakohtien (a-, b- jne.) pistearvot. 1. Kirjoita kussakin kohdassa nimi ja kemiallinen merkki yhdelle vihjeeseen sopivalle alkuaineelle. a) Kolmannen jakson aine, joka on toisessa ryhmässä. b) Metalli, joka värjää kaasupolttimen liekin vihreäksi. c) Kevein halogeeni. d) Aine, jonka atomia kuvaa merkintä 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2. e) Alkalimetalli, jolla on suurin atomi. f) Alkuaine, jonka atomissa on 82 protonia. 2. Nimeä yhdisteet a c ja kirjoita kaavat yhdisteille d f. a) Ag 3 PO 4 d) typpimonoksidi b) C 3 COOLi e) natriumdikromaatti c) CuCl f) ammoniakki 3. Selitä seuraavat havainnot aineen rakenteen tai kemiallisten sidosten avulla. a) Kullasta voidaan takoa ohuita levyjä mutta marmorista (CaCO 3 ) ei. b) Natriumfluoridin sulamispiste on noin 800 C mutta kalsiumfluoridin jopa 1418 C. c) Glyseroli on hyvin veteen liukenevaa mutta sykloheksaani ei juurikaan liukene. glyseroli O O O sykloheksaani KÄÄNNÄ!

2 4. a) Kopioi molekyylien A C rakennekaavat vastauspaperillesi, ja merkitse niihin hiiliatomien hybridisaatiotyypit. (2 p.) a) Mitä avaruusisomerian muotoja molekyyleillä A C esiintyy? Perustele. (4 p.) A B C 3 C C C C C C 3 5. a) Määrittele, mitä tarkoitetaan ionisoitumisenergialla. (1 p.) b) Piirrä taulukkokirjan tietojen avulla kuvaaja alkuaineiden 7 20 ensimmäisen ionisoitumisenergian muuttumisesta alkuaineen järjestysluvun funktiona. Sitten piirrä kuvaaja samojen aineiden toisen ionisoitumisenergian muuttumisesta. Valitse pystyakselin mittakaava niin, että voit piirtää kuvaajat samaan koordinaatistoon. (1 p.) c) Miksi typen ensimmäinen ionisoitumisenergia on korkeampi kuin hiilen? (1 p.) d) Miksi kuvaajien huippukohdat vastaavat eri järjestyslukuja? (2 p.) e) Magnesiumin ensimmäinen ionisoitumisenergia on suurempi kuin alumiinin. Miksi tämä on erikoista? Päättele tämän perusteella, millainen elektronirakenne on erittäin pysyvä. (1 p.) 6. Emma sai kesätöitä analyyttisen kemian laboratoriosta. Eräänä työtehtävänään hänen tuli selvittää kideveden määrä natriumkarbonaattinäytteessä. Emma aloitti työn punnitsemalla näytettä upokkaaseen ja ryhtyi kuumentamaan sitä kaasupolttimella. Oheisessa taulukossa on Emman saamat punnitustulokset tutkimuksen eri vaiheissa. massa (g) upokas 21,608 upokas + näyte 22,913 upokas + näyte ensimmäisen kuumennuksen jälkeen 22,275 upokas + näyte toisen kuumennuksen jälkeen 22,204 upokas + näyte kolmannen kuumennuksen jälkeen 22,204 a) Miksi näytettä piti kuumentaa? Miksi Emma kuumensi näytettä kolmesti? (1 p.) b) Emma tietää, että kidevedellisen natriumkarbonaatin suhdekaava on Na 2 CO 3 n 2 O. Selvitä kideveden määrää kuvaava kokonaisluku n. (4 p.) c) Miten vaikuttaa lopputulokseen, jos pieni määrä näytettä roiskahtaa pois upokkaasta ensimmäisen kuumennuksen aikana? (1 p.)

3 Ratkaisut 1. a) magnesium, Mg, b) kupari, Cu (Muitakin sopivia on.) c) fluori, F, d) titaani, Ti, e) frankium, Fr, f) lyijy, Pb. 2. a) hopeafosfaatti, b) litiumasetaatti (tai litiumetanaatti), c) kupari(i)kloridi, d)no, e) Na 2 Cr 2 O 7, f) N a) Kulta on metalli. Sen rakenne koostuu kultakationeista ja vapaasti liikkuvista elektroneista. Taottaessa kultaa elektronit liikkuvat kationien väliin estäen positiivisia kationeja asettumasta vierekkäin. Näin rakennetta rikkovia sähköisiä poistovoimia ei pääse syntymään, ja rakenne muovautuu uuteen muotoon. Marmori on ioniyhdiste, jonka rakenne koostuu Ca 2+ -kationeista ja CO 3 2 -anioneista. Nämä ionit ovat liian suuria liukuakseen toistensa ohitse marmoria taottaessa. Samanmerkkiset ionit joutuvat kohdakkain ja rakenne murtuu sähköisen poistovoiman takia. b) Sulamispiste on sitä korkeampi, mitä vahvempi sidosvoima aineen rakenneosien välillä vaikuttaa. Natrium- ja kalsiumfluoridi ovat molemmat ioniyhdisteitä. Edellinen koostuu Na + - ja F -ioneista, jälkimmäinen taas Ca 2+ - ja F -ioneista, jotka sitoutuvat toisiinsa vahvalla ionisidoksella. Na + - ja Ca 2+ - ionien koot ovat suurin piirtein samat, mutta Ca 2+ -ionilla on suurempi varaus. Siksi Ca 2+ - ja F -ionien välinen ionisidos on vahvempi kuin Na + - ja F -ionien välinen. Siksi kalsiumfluoridin sulamispiste on korkeampi. c) Vesi on poolinen liuotin. Pooliset yhdisteet liukenevat tyypillisesti poolisiin liuottimiin ja poolittomat yhdisteet poolittomiin liuottimiin. Glyseroli on poolinen molekyyli sen hydroksyyliryhmien elektronegatiivisten happiatomien takia. Siksi glyseroli liukenee runsaasti veteen. Sykloheksaani taas on hiilivetynä pooliton molekyyli, joten se ei liukene pooliseen veteen. 4. a) A: vasemmalta oikealle lukien sp 3, sp 2, sp 2, sp 3, sp 3. B: vasemmalta oikealle lukien sp 3, sp, sp, sp, sp, sp 3. C: Kaksoissidokseen osallistuvat hiiliatomit ovat sp 2 -hiilia ja kaikki muut ovat sp 3 -hiiliä. b) Jokaisella molekyylillä A C esiintyy konformaatioisomeriaa, sillä vapaasti pyörivien yksinkertaisten sidosten takia metyyliryhmät voivat olla lomittain- tai kohdakkainmuodoissa. B:llä ei esiinny muita avaruusisomerian lajeja. A:lla esiintyy lisäksi cis trans-isomeriaa, sillä kaksoissidoshiiliin liittyneet vetyatomit voivat olla joka samalla tai eri puolilla kaksoissidoksen akselia (ks. kuva). trans cis * * *

4 ionisoitumisenergia (kj/mol) C:llä esiintyy em. konformaatioisomerian ohella myös kuuden hiilen renkaan aikaansaamaa konformaatioisomeriaa: rengas voi olla tuoli- tai venemuodoissa. Lisäksi C:llä on cis transisomeriaa, sillä hiilirenkaaseen liittyneet metyyliryhmät ja alaosan pidempi hiiliketju voivat olla samalla tai eri puolilla rengasta. C:llä on myös optista isomeriaa, sillä siinä on asymmetrisiä hiiliatomeja, jotka on merkitty eo. kuvaan tähdellä. 5. a) Ionisoitumisenergia tarkoittaa sitä energiamäärää (kj/mol), joka vaaditaan poistamaan elektroni kaasumaisesta atomista tai ionista. b) järjestysluku 1. ionisoitumisenergia 2. ionisoitumisenergia c) iili ja typpi ovat saman jakson alkuaineita, joten niiden uloimmat elektronit ovat samalla elektronikuorella. Typen ytimessä on kuitenkin yksi protoni enemmän, joten sillä ydinvaraus on suurempi. Typpiydin vetää ulkoelektroneja puoleensa suuremmalla voimalla kuin hiiliydin. Siksi typellä on suurempi ionisoitumisenergia. (Samasta syystä typpiatomi on pienempi kuin hiiliatomi.) d) Ionisoitumisenergia on suurimmillaan sellaisten aineiden kohdalla, joiden atomilla tai ionilla on oktetti eli täydet kahdeksan elektronia korkeaenergisimmällä p-orbitaalilla. Jalokaasuilla on oktetti, joten ensimmäisen ionisoitumisenergian huiput ovat jalokaasujen neon (Z = 11) ja argon (Z = 18) kohdilla. Kun ensimmäinen elektroni poistetaan, menettävät jalokaasut oktetin ja sen saavat alkalimetallit. Siksi toisen ionisoitumisenergian huiput eivät enää ole jalokaasujen vaan alkalimetallien natrium (Z = 12) ja kalium (Z = 19) kohdilla. e) Pääsääntöisesti ionisoitumisenergia kasvaa c-kohdassa esitetystä syystä siirryttäessä jaksossa vasemmalta oikealle. Magnesiumilla pitäisi siis perusteella olla alhaisempi ionisoitumisenergia kuin alumiinilla, mikä on ristiriitaista ionisoitumisenergioista tehdyn havainnon kanssa. Magnesiumin elektronirakenne on [Ne] 3s 2 ja alumiinin [Ne] 3s 2 3p 1. Siis magnesiumin uloimmat elektronit ovat täydellä 3s-alakuorella ja alumiinilla vajaalla 3p-alakuorella. Koska magnesiumilla on alumiinia korkeampi ionisoitumisenergia, voidaan päätellä, että täysi alakuori on energeettisesti pysyvämpi tila kuin vajaa.

5 6. a) Näytettä kuumennettiin, jotta kidevesi haihtuisi. Ensimmäisen kuumennuksen jälkeen ei vielä tiedä, onko kaikki vesi haihdutettu. Toisen kuumennuksen jälkeen nähtiin, että ensimmäisessä kuumennuksessa vettä jäi haihtumatta. Kolmannen kuumennuksen jälkeen massa ei enää eronnut toisen kuumennuksen jälkeisestä, joten kaikki vesi oli toisessa kuumennuksessa jo haihtunut. b) m(kidevedellinen Na 2 CO 3 ) = 22,913 g 21,608 g = 1,305 g. m( 2 O) = 22,913 g 22,204 g = 0,709 g. m(kuiva Na 2 CO 3 ) = 1,305 g 0,709 g = 0,596 g. n( 2 O) = m( 2 O) / M( 2 O) = 0,709 g / (18,016 g/mol) 0, mol. n(kuiva Na 2 CO 3 ) = m(kuiva Na 2 CO 3 ) / M(Na 2 CO 3 ) = 0,596 g / (105,99 g/mol) 0, mol. Ainemäärien suhde: n( 2 O) : n(kuiva Na 2 CO 3 ) 0, mol : 0, mol 6,9985 : 1 7 : 1. Siis n = 7 eli kidevedellisen natriumkarbonaatin kaava on Na 2 CO O. c) Jos näytettä roiskahtaa pois, saadaan haihtuvalle vedelle todellista suurempi massa ja n:lle liian suuri arvo.