OPETTAJAN OPAS. Sisällys Opettajalle 3 Kurssisuunnitelma 5 Tenttisuunnitelma 6 Kemikaaliluettelo 7

Transkriptio

1 PETTAJAN PAS Sisällys pettajalle 3 Kurssisuunnitelma 5 Tenttisuunnitelma 6 Kemikaaliluettelo 7 1. Atomin rakenne Atomin rakenne 1.2 Elektronin eneria Työ 5 Mistä elektroni todennäköisesti löytyy? Erilaiset elektronit Elektronit asettuvat orbitaaleille Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä 1.3 Jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna Työ 3 Atomien ja ionien koot Työkalut, joilla ennustetaan alkuaineiden muodostamia sidoksia 1.4 Yhdisteen kaava kertoo koostumuksen Empiirinen kaava massatiedoista Yhdisteen empiirisen kaavan laskeminen Yhdisteen massaprosenttisen alkuainekoostumuksen laskeminen Polttoanalyysi Empiirisen kaavan ja ekyylikaavaan yhteys 2. Vahvat sidokset 40 Mitä sidokset ovat ja miten ne luokitellaan? 2.1. Vahvat sidokset Kovalenttinen sidos sp 3 -hybridisaatio sp 2 -hybridisaatio Aromaattiset yhdisteet sp-hybridisaatio Atomihilat 2.2. Ionisidos Ionisidoksen muodostuminen Ioniyhdisteen rakenne Työ 4 Nimeäminen 2.3. Metallisidos Työ Vahvat sidokset ja aineen ominaisuudet Kiteiset ja amorfiset aineet Sulamispiste Mekaaniset ominaisuudet Sähkönjohtokyky 1

2 3. eikot sidokset eikkojen sidosten luokittelu Molekyyliyhdisteiden ominaisuuksien selittämiseen tarvittavia käsitteitä Sidokset poolisia ekyyli pooliton 3.2 Ioni dipoli-sidos Työ Liukeneminen ja liukoisuus Työt 3, 6 Mistä tekijöistä liukoisuus riippuu? 3.4 Veden ominaisuudet ja merkitys luonnossa Työt 7, 6 4. raanisten yhdisteiden rakenne Isomeria 4.2 Rakenneisomeria Runkoisomeria Paikkaisomeria 4.3 Stereoisomeria Työ 8 cis-trans isomeria Rasvahappojen rakenne ja rasvat ravinnossa Peilikuvaisomeria eli enantiomeria Rasemoituminen: optisen aktiivisuuden rappio Muut stereoisomeerit 4.4 Molekyylien eri asennot: konformaatiot Työ 8 Demojen selityksiä 90 ppilastöiden selityksiä 91 2

3 PETTAJALLE Reaktio 1 -kirjassa aloitettu konstruktivistiseen oppimiskäsitykseen pohjautuva oppiminen jatkuu Reaktio 2 -kirjassa tiedon rakentamista ja havainnollisuutta painottaen. Kirjan alussa palautetaan mieliin kertauskysymysten avulla kemian ensimmäisen kurssin keskeisiä sisältöjä, joiden varaan uutta tietoa ankkuroidaan ja lavennetaan. Loojen avulla annetaan toiminnallisia ohjeita sekä opettajalle että oppilaille. Lukujen lopussa olevat palauta mieleesi -kysymykset ja yhteenvetokaaviot ovat tukena kertauksessa, tietokokonaisuuksien rakentamisessa ja oppimisprosessien ohjaamisessa. Kirjan alussa muistutetaan Reaktio 1:n alussa esitetyistä kemian opiskeluun liittyvistä ohjeista. Tarkoituksenmukaisten ja tehokkaiden kemian tiedon rakentamis- ja työtapojen oppiminen helpottaa sisältöjen ymmärtämistä, mieleen painumista ja parantaa oppimisen laatua. Demonstraatiot ja oppilastyöt selventävät kemian mikromaailmaa kuvaavan teorian ja käytännön välistä yhteyttä. Laboratoriokäytänteiden sekä havainnoinnin ja niiden selittämisen taitojen oppiminen on oleellinen osa kemian opiskelua. Kirjassa on runsaasti erilaisia harjoitustehtäviä, joiden vaikeustaso vaihtelee. Tehtävät on laadittu aloittaen helpoimmista tehtävistä ja edeten vaikeampiin. Tehtäviä laadittaessa on otettu huomioon, että opiskelija voi hakea vastauksia kysymyksiin kirjan tekstin perusteella. pettaja voi valita käyttöön kulloisenkin opetusryhmän perusteella vaikeustasoltaan sopivia tehtäviä. Asioissa edetään rakentaen uutta tietoa aiemmin opitun pohjalta. Kirja soveltuu myös itsenäiseen opiskeluun. Luvussa 1 opiskellaan alkuaineen ja ionien elektronikonfiuraatiot kvanttimekaanisen atomimallin pohjalta ja tutustutaan jaksolliseen järjestelmään kemistien työkaluna. Yhdisteen kaavan määrittäminen massaprosenttisesta alkuainekoostumuksesta ja polttoanalyysitiedoista lopettavat ensimmäisen luvun. Luvussa 2 täydennetään 1. kurssissa aloitettua vahvojen sidosten käsittelyä. Kovalenttisten - ja -sidosten eron ja ekyylien muodon ennustamisen mallina on hybridisaatio. Aromaattisista yhdisteistä on lisätietopaketti sp 2 -hybridisaation yhteydessä. Ionisidoksen jälkeen perehdytään yhdisteiden nimeämissääntöihin ja hapetusluvun laskemiseen. Mukana on myös lisätietopaketti moniatomisten ionien rakenteista. Metallisidos esitellään uutena vahvana sidoksena. Luvun lopussa tarkastellaan, miten vahvat sidokset vaikuttavat aineen ominaisuuksiin. Luvussa 3 teemana ovat ekyylien poolisuus/poolittomuus ja heikot sidokset sekä kyseisten käsitteiden avulla selitettävät aineen ominaisuudet. Kokoavasti opiskellaan liukoisuus ja siihen vaikuttavat tekijät. Tästä jatketaan veden ominaisuuksiin ja merkitykseen luonnossa. Pesuaineiden eli tensidien rakenteiden ja toiminnan esittely päättävät luvun. Luvussa 4 perehdytään eri isomerian lajeihin ja ekyylin eri asentoihin eli konformaatioihin kurssin alkuosan tietoja soveltaen. Luvussa on myös lisätietopaketit NMR-spektrometriasta, tuoksujen kemiasta ja optisen aktiivisuuden kokeellisesta mittaamisesta. Vaikka optisen aktiivisuuden mittaaminen ja NMR-spektrometria onkin merkitty lisätietoaineistoksi, näissä tietolaatikoissa on kuitenkin esitetty perinteisesti tärkeitä käsitteitä NMR:sta, optisesta 3

4 aktiivisuudesta ja kiertokulmasta ja ne voidaan myös perustellusti käydä läpi varsinaisen tekstin ohella. Luvun läpikäyntiin sopivat hyvin vaihtelua tuovat työmenetelmät, kuten ekyylimallitusharjoitukset, ryhmätyöt tai esitelmät. Luvussa 5 ovat oppilastöiden työohjeet. Kooste työturvallisuusohjeista löytyy Reaktio 1 -kirjasta. hjeet kannattaa palauttaa mieleen ennen töiden aloittamista. Töissä opiskelijoiden tulee käyttää työtakkia, suojalaseja ja suojakäsineitä. Jokaisessa työohjeessa on selvitys jätteiden hävittämisestä. Tässä oppaassa on töihin liitetty lisämateriaalia, jota voi hyödyntää esim. kertauksen ja mieliin palautuksen apuna. Kertaustehtävät on tarkoitettu kokeeseen valmistautumista varten. Kaikkiin kertaustehtäviin on ratkaisut kirjan lopussa. saan harjoitustehtävistä ei ole vastausta eikä ratkaisua, jotta oppimisprosessi ei muuttuisi jäljentämiseksi. Toisaalta osaan harjoitustehtävistä löytyy täydelliset malliratkaisut ja laskutehtäviin vastaukset kirjan lopusta päättelyn ja tiedon ankkuroinnin tueksi. Tuntisuunnittelu Kurssin aikana opettaja voi tehdä painotuksia oppilasryhmän taidot huomioon ottaen. Alla on esitelty yksi vaihtoehto kurssin läpikäymiseksi. ppilastöitä voi käyttää myös demonstraatioluontoisesti havainnollistamaan ja selventämään opittavaa asiaa. Arviointi Kurssiarvosanan perustana voi käyttää esimerkiksi seuraavia seikkoja: koearvosana kurssikoe työ- ja opiskelutaitojen kehittyminen työselostukset, raportit, selostukset tuntiaktiivisuus leellista on, että arviointi on monipuolista ja tukee laadukasta oppimista. Tekijät 4

5 KURSSISUUNNITELMA (ehdotus) 1. Atomin rakenne 1.1 Atomin rakenne 1 h 1.2 Elektronin eneria Työ 5 2 h 1.3 Jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna Työ 3 3 h 1.4 Yhdisteen kaava kertoo koostumuksen 3 h 2. Vahvat sidokset 2.1. Vahvat sidokset 6 h 2.2. Ionisidos Työ 4 1 h 2.3. Metallisidos Työ 2 1 h 2.4. Vahvat sidokset ja aineen ominaisuudet 1 h 3. eikot sidokset 3.1 eikkojen sidosten luokittelu 1 h 3.2 Ioni dipoli-sidos Työ 1 1 h 3.3 Liukeneminen ja liukoisuus Työt 3, 6 1 h 3.4 Veden ominaisuudet ja merkitys luonnossa Työt 7, 6 1 h 4. raanisten yhdisteiden rakenne 4.1 Isomeria 1 h 4.2 Rakenneisomeria 1 h 4.3 Stereoisomeria Työ 8 1 h 4.4 Molekyylien eri asennot: konformaatiot Työ 8 1 h yht. 26 h 5

6 Tenttisuunnitelma kemian 2. kurssille. Luku 1 Tehtävät Alkuaineiden elektronirakenne ja jaksollinen järjestelmä 1 3, 5, 6, 9 11 Atomisäde ja ionisäde Ionisaatioeneria 17 22, 24 Elektroniaffiniteetti Elektroneatiivisuus 30, 31 Empiirinen kaava massatiedoista 33, 34 Empiirinen kaava massaprosenttisesta koostumuksesta Yhdisteen massaprosenttisen koostumuksen laskeminen Polttoanalyysi Molekyylikaava empiirinen kaava moolimassa Yhdistelmiä Luku 2 Kemialliset sidokset 58, 59 Kovalenttinen sidos 61, 63 65, 67 71, Atomihilat 83, 84 Ionisidos 88 90, 92 94, apetusluvut Metallisidos Vahvat sidokset ja aineen ominaisuudet 111, 112, Luku 3 eikot sidokset 118, 119, , 126 Ioni-dipolisidos 129, 130, 133 Liukeneminen ja liukoisuus , Kiteytyminen 149 Veden ominaisuudet ja merkitys luonnossa 152, 153 Pesuaineet ja tensidit 155, 157 Luku 4 Rakenneisomeria Stereoisomeria Konformaatiot Koko lukua koskevat tehtävät 179, Kokeelliset kotitehtävät 109 ja 127 tehdään kotona ja töistä laaditaan essee Reaktio 1:n sivulla 153 olevan ohjeen mukaan. 6

7 KEMIKAALILUETTEL 10 % ammoniakkiliuos N 3 (aq) ammoniumkloridi asetoni askorbiinihappo bariumkloridi BaCl 2 0,5 M bariumkloridiliuos BaCl 2 (aq) 1 % dimetyylilyoksiimin isopropanoliliuos etanoli 0,1 M hopeanitraattiliuos AN 3 (aq) jäämurskaa tai lunta (mieluiten kovaa, vanhaa lunta) kaliumjodidi 1,0 M kaliumkarbonaattiliuos K 2 C 3 (aq) 0,1 M kaliumkloridiliuos KCl(aq) 10 % kaliumkromaattiliuos K 2 Cr 4 (aq) kaliumnitraatti KN 3 0,1 M kaliumnitraattiliuos KN 3 (aq) kaliumsulfaatti K 2 S 4 kalsiumkloridi CaCl 2 kidevedellinen kuparisulfaatti CuS ,1 M kuparisulfaattiliuos CuS 4 (aq) 0,1 M litiumkloridiliuos LiCl (aq) lyijy(ii)nitraatti Pb(N 3 ) 2 0,1 M manesiumkloridiliuos MCl 2 (aq) 0,1 M manesiumnitraattiliuos M(N 3 ) 2 (aq) maleiinihappo natriumkloridi, NaCl 0,1 M natriumkloridiliuos NaCl(aq) kylläinen natriumsulfaattiliuos Na 2 S 4 (aq) nikkeliä sisältäviä esineitä sokeri 0,1 M strontiumkloridiliuos SrCl 2 (aq) urea väkevä vetykloridihappo vichyvesi kloridi-ioneja sisältävä liuos (Voi olla myös elintarvikkeesta tehty suolauuteliuos.) 7

8 Tehtävien ratkaisut LUKU 1 Alkuaineiden elektronirakenne ja jaksollinen järjestelmä 1. a) Miksi yhdelle orbitaalille voi sijoittaa vain kaksi elektronia? b) Mikä on Paulin kieltosääntö? c) Mikä on undin sääntö? d) Mitä tarkoittaa merkintä [Ne]? e) Miksi atomin ulkoelektronit ovat kemistille tärkeämpiä kuin sisemmät elektronit? a) Kukin orbitaali kuvataan kolmen kvanttiluvun avulla, mutta elektronin kuvaamiseen tarvitaan vielä neljäs kvanttiluku, spinkvanttiluku. Spinkvanttiluvulla on vain kaksi mahdollista arvoa, ½ ja ½, joten yhdelle orbitaalille voi sijoittaa vain kaksi elektronia eli elektroneilla pitää olla vastakkaissuuntaiset spinit. b) Paulin kieltosääntö: samassa atomissa jokaisella elektronilla on oma neljästä kvanttiluvusta muodostuva kuvaus. Ts. samassa atomissa jokaisella elektronilla on oma henkilötunnus. c) undin sääntö: Elektronit täyttävät samaeneriset orbitaalit siten, että parittomien elektronien lukumäärä on mahdollisimman suuri. Tällöin elektroneilla on myös samansuuntaiset spinit. Vertaa: ululainen onnikka linja-auto: paripenkit täyttyvät siten, että jokainen matkustaja istuu nenä menosuuntaan omaan penkkiinsä kunnes on aivan pakko mennä kaverin viereen. d) Merkintä on lyhennys alkuaine neonin elektronikonfiuraatiosta eli 1s 2 2s 2 2p 6. Jalokaasun elektronirakenne eli oktetti. e) Ulkoelektronit ovat kauempana ytimestä, joten ne osallistuvat kemiallisten sidosten muodostumiseen ja kemiallisiin reaktioihin. Sisemmät elektronit ovat lähempänä ydintä ja suojassa näiltä ilmiöiltä. Katso kuva sivulta Millä kolmannen jakson alkuaineella on a) kolme ulkoelektronia b) yhteensä yhdeksän p-elektronia c) neljä 3p-elektronia d) kaksi 3s-elektronia, mutta ei yhtään 3p-elektronia? Kolmannen jakson alkuaineilla on jo täysi neonin elektronikonfiuraatio [Ne] ja lisäksi niillä täyttyvät 3s- ja 3p-orbitaalit. a) kolme ulkoelektronia on 13 Al:lla; 3s 2 3p 1 b) yhteensä yhdeksän p-elektronia on 15 P:lla ; 2p 6 3p 3 c) neljä 3p-elektronia on 16 S:llä; [Ne]3s 2 3p 4 d) kaksi 3s-elektronia, mutta ei yhtään 3p-elektronia on 12 M:lla; [Ne]3s 2. 8

9 3. Kirjoita seuraavien alkuaineiden elektronikonfiuraatiot. a) litium b) alumiini c) fosfori d) happi e) bromi f) tantaali a) 3 Li: 1s 2 2s 1 tai [e] 2s 1 b) 13 Al: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 tai [Ne] 3s 2 3p 1 Tarkistus: Z elektronien lukumäärä yläindeksien summa: c) 15 P: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 tai [Ne] 3s 2 3p 3 d) 8 : 1s 2 2s 2 2p 4 tai [e] 2s 2 2p 4 e) 35 Br: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5 tai [Ar] 4s 2 3d 10 4p 5 f) 73 Ta: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 3 tai [Xe] 6s 2 4f 14 5d 3 4. Kirjoita seuraavien alkuaineiden elektronikonfiuraatiot. a) I b) Fe c) Ne d) Si e) a) 53 I: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 5 tai [Kr] 5s 2 4d 10 5p 5 b) 26 Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 tai [Ar] 4s 2 3d 6 c) 10 Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 d) 14 Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 tai [Ne] 3s 2 3p 2 e) 80 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 tai [Xe] 6s 2 4f 14 5d Tunnista alkuaine, jonka elektronikonfiuraatio on a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 b) 1s 2 2s 2 2p 5 c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 2. Tunnista jaksollisesta järjestelmästä elektronikonfiuraation avulla ja tarkista: Z yläindeksien summa a) Z 13 eli alkuaine on alumiini, Al b) Z 9 eli alkuaine on fluori, F c) Z 50 eli alkuaine on tina, Sn. 6. Tunnista alkuaine, jonka elektronikonfiuraatio on a) [Ar] 4s 2 3d 3 b) [Ar] 4s 2 3d 10 4p 5 c) [Ne] 3s 2 3p 4. Tunnista jaksollisesta järjestelmästä elektronikonfiuraation avulla ja tarkista: Z yläindeksien summa a) [Ar] 4s 2 3d 3 ; Z , joten alkuaine on 23 V, vanadiini b) [Ar] 4s 2 3d 10 4p 5 ; Z , joten alkuaine on 35 Br, bromi c) [Ne] 3s 2 3p 4 ; Z , joten alkuaine on 16 S, rikki 9

10 7. Montako paritonta elektronia on seuraavissa alkuaineatomeissa? a) Ba b) Bi c) Ne d) S e) Co a) 56 Ba: [Xe] 6s 2 ; 6s, ei parittomia elektroneja b) 83 Bi: [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 3 ; 6p, 3 paritonta elektronia c) 10 Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 ; 2p ei parittomia elektroneja d) 16 S: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 ; 3p, 2 paritonta elektronia e) 27 Co: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7 ; 3d, 3 paritonta elektronia 8. Mikä yhteinen piirre on seuraavilla alkuaineilla? a) Li, Na, K, Rb, Cs ja Fr b) F, Cl, Br, I ja At a) Alkuaineet kuuluvat samaan ryhmään, alkalimetalleihin, ja niiden uloin elektronikonfiuraatio on ns 1. Eli kaikilla on yksi ulkoelektroni. b) Alkuaineet kuuluvat samaan ryhmään, haloeeneihin, ja niiden uloin elektronikonfiuraatio on ns 2 np 5. Eli kaikilla on seitsemän ulkoelektronia. 9. Mihin jaksollisessa järjestelmässä sijoittuvat alkuaineet, a) joiden suurin elektroneilla miehitetty pääkvanttiluku on neljä b) joiden ulkoelektronikonfiuraatio on ns 2 np 3 c) joilla on yksi pariton p-elektroni d) joilla täyttyy d-orbitaali e) joilla täyttyy 5p-orbitaali? a) 4. jaksoon b) 15. ryhmään eli typpiryhmään c) 13. tai 17. pääryhmään d) d-lohkoon eli siirtymäalkuaineisiin e) 5. jakson p-lohkoon 10. Kirjoita seuraavien ionien elektronikonfiuraatiot. a) I b) S 2 c) 2 a) 53 I : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 [Xe] b) 16 S 2 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 [Ar] c) 8 2 : 1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] 10

11 11. Kirjoita seuraavien ionien elektronikonfiuraatiot. a) M 2 b) Zn 2 c) Al 3 a) 12 M 2 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0 tai 1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] b) 30 Zn 2 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 3d 10 tai 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 c) 13 Al 3 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0 3p 0 tai 1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] 12. a) Kirjoita talliumin elektronikonfiuraatio. b) Yhdisteissään tallium esiintyy Tl -ionina ja Tl 3 -ionina. Päättele elektronikonfiuraation perusteella, miksi tallium suosii näitä ionimuotoja. a) 81 Tl:n elektronikonfiuraatio on [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 1 b) Tl:n uloimmat elektronit ovat 6s- ja 6p-orbitaaleilla. Tl -ioni syntyy, kun Tl luovuttaa 6pulkoelektroninsa. Tl 3 -ioni syntyy, kun Tl luovuttaa vielä kaksi 6s-ulkoelektroniaan. Tallium suosii kyseisiä ionimuotoja, koska pysyvämpiä ja enerialtaan edullisempia ovat elektronikonfiuraatiot, joissa uloimmat orbitaalit ovat tyhjiä. 13. ppilasryhmä yritti selvittää, minkä atomin tai ionin elektronikonfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 3d 7. Ryhmän jäsenet antoivat eri vastauksia: Mikko vastasi Mn-atomin, Sari Co 2 -ionin, Antti Ni 2 -ionin ja Ulla Cu 2 -ionin. liko joku oikeassa? Mikko vastasi Mn-atomi: 25 Mn:lla elektroneja on 25 ja konfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5. Eli Mikko vastasi väärin. Sari vastasi Co 2 -ioni: 27 Co 2 :lla elektroneja on 25 ja konfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 3d 7.Eli Sari vastasi oikein. Antti vastasi Ni 2 -ioni: 28 Ni 2 :llä elektroneja on 26 ja konfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 3d 8. Eli Antti vastasi väärin. Ulla vastasi Cu 2 -ioni: 29 Cu 2 :lla elektroneja on 27 ja konfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 3d 9. Eli Ulla vastasi väärin. Atomisäde ja ionisäde 14. Miksi jaksollisessa järjestelmässä havaitaan atomisäteen kasvavan, kun a) kuljetaan ryhmässä alaspäin b) kuljetaan jaksossa oikealta vasemmalle? a) Ryhmässä alaspäin kuljettaessa alkuaineiden ulkoelektronit sijoittuvat aina yhtä suuremman pääkvanttiluvun omaavalle orbitaalille kauemmas ytimestä, joten atomisäde kasvaa. b) Jaksossa oikealta vasemmalle kuljettaessa protonien ja elektronien määrä pienenee, joten samalla protonien ja elektronien välinen sähköinen vetovoima pienenee ja atomisäde kasvaa. 11

12 15. Tarkastellaan kaliumatomia ja kaliumionia. a) Miten niiden rakenteet eroavat toisistaan? b) Kumpi on suurempi? a) Kaliumatomin 19 K elektronikonfiuraatio on [Ar]4s 1 ja kaliumionin K [Ar]4s 0 eli [Ar]. Atomilla on yksi elektroni enemmän kuin ionilla. Atomi on sähkövaraukseton, ionin varaus on 1. b) Kaliumatomissa on 19 protonia ja 19 elektronia, kaliumionissa 19 protonia ja 18 elektronia. Sähköinen vetovoima protonien ja elektronien välillä on ionissa suurempi, joten ioni on pienempi. Kaliumatomi on siis suurempi. 16. Tarkastellaan klooriatomia ja kloridi-ionia. a) Miten niiden rakenteet eroavat toisistaan? b) Kumpi on suurempi? a) Klooriatomin 17 Cl elektronikonfiuraatio on [Ne]3s 2 3p 5 ja kloridi-ionin 17 Cl [Ne]3s 2 3p 6 [Ar] Kloridi-ionissa on yksi elektroni enemmän. Atomi on sähkövaraukseton, ionin varaus on 1. b) Klooriatomissa on 17 protonia ja 17 elektronia, kloridi-ionissa 17 protonia ja 18 elektronia. Sähköinen vetovoima protonien ja elektronien välillä on atomissa suurempi, joten atomi on pienempi. Kloridi-ioni on siis suurempi. 17. nko sulfidi-ioni S 2 suurempi kuin kloridi-ioni? Sulfidi-ionin 16 S 2 elektronikonfiuraatio on [Ne]3s 2 3p 6 [Ar] ja kloridi-ionin 17 Cl [Ne]3s 2 3p 6 [Ar] Sulfidi-ionissa on 16 protonia ja 18 elektronia, kloridi-ionissa on 17 protonia ja 18 elektronia. Sähköinen vetovoima on protonien ja elektronien välillä suuremmasta protonien lukumäärästä johtuen suurempi kloridi-ionissa, joten se on pienempi. Eli sulfidi-ioni on kloridi-ionia suurempi. Ionisaatioeneria 18. Mitä tarkoittaa atomin ensimmäinen ionisaatioeneria? Ionisaatioeneria on pienin eneria, joka tarvitaan irrottamaan uloin elektroni kaasumaisesta atomista. Esimerkiksi Na() Na () e IE kj/ 12

13 19. Minkä ryhmän alkuaineilla on alhaisin ensimmäinen ionisaatioeneria? Pienin ionisaatioeneria on 1. ryhmän alkuaineilla eli alkalimetalleilla. Niillä on vain yksi ulkoelektroni ja sen luovuttamalla ne pääsevät edeltävän jalokaasun elektronirakenteeseen. 20. Kummalla seuraavien parien alkuaineista on alhaisempi ensimmäinen ionisaatioeneria? a) M vai S b) F vai Li c) Ba vai M Li Na K Rb Cs Fr (223) 4 Be M Ca Sr Ba Ra Sc Y La Ac Ti Zr L 72 f A 104 Ku 23 V Nb Ta a 24 Cr Mo W Mn Tc (97) 75 Re Fe Ru s Co Rh Ir 28 Ni Pd Pt Cu A Au Zn Cd B Al Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi F S Se Te 17 Cl Br I Po (209) 85 At (210) 2 e Ne Ar Kr Xe Rn (222) a) 12 M ja 16 S ovat samassa jaksossa. Ionisaatioeneria kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle, joten 12 M:n ensimmäinen ionisaatioeneria on alhaisempi. b) 9 F ja 3 Li ovat samassa jaksossa. Ionisaatioeneria kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle, joten 3 Li:n ensimmäinen ionisaatioeneria on alhaisempi. c) 56 Ba ja 12 M ovat samassa ryhmässä. Ionisaatioeneria kasvaa ryhmässä alhaalta ylöspäin, joten 56 Ba:n ensimmäinen ionisaatioeneria on alhaisempi. 21. Kumpi alkuaineista muodostaa positiivisen 1-arvoisen ionin helpommin? a) Na vai Cs b) Na vai Si c) Si vai Cl 13

14 a) 11 Na ja 55 Cs kuuluvat samaan pääryhmään. Ionisaatioeneria kasvaa ryhmässä alhaalta ylöspäin, joten Cs:n ionisaatioeneria on pienempi ja se luovuttaa helpommin yhden elektronin. b) 11 Na ja 14 Si kuuluvat samaan 3. jaksoon. Ionisaatioeneria kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle, joten Na:n ionisaatioeneria on pienempi ja se luovuttaa helpommin yhden elektronin. c) 14 Si ja 17 Cl ja kuuluvat samaan 3. jaksoon. Ionisaatioeneria kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle, joten Si:n ionisaatioeneria on pienempi ja se luovuttaa helpommin yhden elektronin. 22. Järjestä seuraavat alkuaineet kasvavan ionisaatioenerian mukaiseen järjestykseen: Te, Pb, Cl, S ja Sn Li Na K Rb Cs Fr (223) 4 Be M Ca Sr Ba Ra Sc Y La Ac Ti Zr L 72 f A 104 Ku 23 V Nb Ta a 24 Cr Mo W Mn Tc (97) 75 Re Fe Ru s Co Rh Ir 28 Ni Pd Pt Cu A Au Zn Cd B Al Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi F S Se Te 17 Cl Br I Po (209) 85 At (210) 2 e Ne Ar Kr Xe Rn (222) Ionisaatioeneria kasvaa ryhmässä alhaalta ylöspäin ja jaksossa vasemmalta oikealle, joten kasvavan ionisaatioenerian mukainen järjestys on Pb Sn Te S Cl. 23. Natriumin ja manesiumin kaksi ensimmäistä ionisaatioeneriaa ovat: Alkuaine IE 1 kj/ IE 2 kj/ Na M a) Miksi natriumin IE 2 on paljon suurempi kuin IE 1? b) Miksi manesiumin kahden ensimmäisen ionisaatioenerian erotus on paljon pienempi kuin natriumin kahden ensimmäisen ionisaatioenerian erotus? 14

15 Katso Esimerkki 2 sivu 22. a) 11 Na: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Na() Na () e IE kj/ Poistuva elektroni on uloin eli 3s 1 -elektroni. Koska se on ensimmäinen elektroni orbitaaleilla, joiden n 3, se poistuu helposti. Syntyvän Na -ionin elekktronikonfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6, eli sama kuin jalokaasu neonin. Na () Na 2 () e IE kj/ IE 2 IE 1, koska nyt poistetaan elektroni hyvin pysyvältä elektronirakenteelta. (Kaikki orbitaalit, joiden n 2 ovat täynnä oktetti.) Syntyvän Na 2 -ionin elektronikonfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 5. b) 12 M: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 M() M () e IE kj/ Poistuva elektroni on uloin eli toinen 3s 2 -elektroneista. Syntyvän M -ionin elekktronikonfiuraatio on: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1. M () M 2 () e IE kj/ Syntyvän M 2 -ionin elektronikonfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6. IE 1 ja IE 2 eivät eroa paljon toisistaan, koska toinen elektroni poistetaan samalta 3sorbitaalilta ja tuloksena on pysyvä elektronirakenne eli oktetti. 24. a) Minkä perustilaisen alkuaineen elektronikonfiuraatio on [Ar]4s 2 3d 10 4p 2? (1 p.) b) Kuinka monella alkuaineella on perustilassa elektronikonfiuraatio, jossa 1. kuori on täysi, mutta 3. kuorella ei ole yhtään elektronia? (1 p.) c) Anna f 4 -ionin koko elektronikonfiuraatio. (2 p.) d) Millaisia orbitaaleja pääkvanttiluvulla (pääeneriatasolla) n 2 voi esiintyä? (1 p.) e) Paulin kieltosääntö. (2 p.) f) Miksi ensimmäinen ionisaatioeneria on aina pienempi kuin toinen? (1 p.) (LuTK valintakoetehtävä 2009) a) Järjestysluku Z , joten alkuaine on ermanium, Ge. b) Alkuaineita on yhdeksän, neonista aroniin. c) 72 f:n elektronikonfiuraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 2. Uloimmat elektronit ovat 6s-, 4f- ja 5d-orbitaaleilla. yväksyttäviä f 4 -ionin elektronikonfiuraatioita ovat seuraavat: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 4f 14, jolloin 2 elektronia poistuu sekä 6s- että 5d-orbitaaleilta tai 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 12, jolloin kaksi elektronia poistuu sekä 5d- että 4f-orbitaaleilta. d) Pääkvanttiluvulla n 2 voi esiintyä s- ja p-orbitaaleja. e) Saman atomin jokaisella elektronilla on oma neljästä kvanttiluvusta muodostuva kuvaus. ( Jokaisella orbitaalilla voi olla korkeintaan kaksi elektronia, joilla on vastakkaissuuntaiset spinit.) f) Elektroni on helpompi irrottaa neutraalilta atomilta kuin kationilta. Positiivinen varaus sitoo elektronin tiukemmin, jolloin ionisaatioeneria kasvaa. 15

16 25. Alla olevassa taulukossa on esitetty viiden alkuaineen A E (huomaa, että kirjaimet eivät ole alkuainesymboleja) 1., 2., 3. ja 4. ionisaatioeneria: Alkuaine Ionisaatioeneria (kj/) Ensimmäinen Toinen Kolmas Neljäs A B C D E a) Mikä alkuaineista A E muodostaa ionisidoksellisen kloridin XCl? b) Mikä alkuaineista A E on maa-alkalimetalli? c) Mikä alkuaineista A E muodostaa kovalenttisen kloridin XCl 3? Vastaukset perusteltava. (LuTK valintakoetehtävä 2002) a auttaa, jos piirtää x-akselille IE:n järjestysluvun ja y-akselille IE:n arvon (kj/). INISAATIENERGIAT ionisaatioeneria kj/ Sarja1 Sarja2 Sarja3 Sarja4 Sarja monesko ionisaatioeneria Kuvaajassa: sarja1 on alkuaine A, sarja2 alkuaine B jne. Ionisaatioeneria: minimieneria, joka tarvitaan, kun atomista tai ionista poistetaan yksi elektroni kaasufaasissa. Elektronin poistaminen jalokaasun elektronirakenteesta vaatii paljon eneriaa, joten helpommin poistuvat elektronit ja niiden lukumäärä on havaittavissa kuvaajasta. a) Ionisidoksellinen XCl: Cl haloeeni jaksollisen järjestelmän oikeassa laidassa. Se muodostaa ionisidoksen jaksollisen järjestelmän vasemmassa laidassa olevan, heikosti elektroneatiivisen metallin kanssa. X:n täytyy olla alkalimetalli (kaava XCl) eli luovuttaa helposti 1 ulkoelektroni. Listassa C täyttää ehdon. 16

17 b) Maa-alkalimetalli luovuttaa helposti kaksi uloimman s-orbitaalin elektronia. Listassa B täyttää ehdon. c) Kovalenttinen XCl 3 : Kloori sitoutuu kovalenttisesti jaksollisen järjestelmän oikeassa laidassa olevien epämetallien kanssa. Nyt X jakaa kolme elektroniparia kolmen klooriatomin kanssa. Kuvaajasta voi päätellä, että A täyttää ehdon. Elektroniaffiniteetti 26. Vastaa oppikirjan taulukon avulla, kumpi muodostaa 1-arvoisen ionin helpommin. a) kloori vai jodi b) vety vai happi a) Kloori, koska sen elektroniaffiniteetti on neatiivisempi. b) appi, koska sen elektroniaffiniteetti on neatiivisempi. 27. Selitä elektronikonfiuraation avulla, miksi a) fluorin elektroniaffiniteetti on neatiivinen ja suuri, 328 kj/ b) neonin elektroniaffiniteetti on positiivinen c) litiumin elektroniaffiniteetti on neatiivinen, mutta sitä seuraavan alkuaineen berylliumin positiivinen. a) F: 9 1s2 2s 2 2p 5 Elektroniaffiniteetti on eneria, joka vapautuu tai sitoutuu, kun kaasumaiseen atomiin lisätään yksi elektroni. F() e F () EA 328 kj/ Syntyvän fluoridi-ionin elektronikonfiuraatio on: 1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] eli oktetti, joten fluoriatomilla on voimakas halu ottaa vastaan yksi elektroni. b) 10 Ne atomin elektronikonfiuraatio on: 1s 2 2s 2 2p 6 eli oktetti, joten neonatomilla ei ole tarvetta ottaa vastaan elektronia. Elektronin liittäminen vaatii paljon eneriaa eli elektroniaffiniteetti on positiivinen. c) 3 Li: 1s 2 2s 1 ja 4 Be: 1s 2 2s 2 Litiumatomiin elektroni liittyy helposti vajaalle 2s-orbitaalille, mutta vaikeasti berylliumatomin korkeammalla enerialla olevaan 2p-orbitaaliin. Elektroneatiivisuus 28. Mikä alkuaineista on elektroneatiivisin? a) S, Cl, Se vai Br b) Li, Be, B vai Al c) Ga, Ge, As vai Si d) Na, M, K vai Ca a) S, Cl, Se, Br: Cl on elektroneatiivisin b) Li, Be, B, Al: B on elektroneatiivisin c) Ga, Ge, As, Si: As on elektroneatiivisin d) Na, M, K, Ca: M on elektroneatiivisin 17

18 29. Järjestä alkuaineet kasvavan elektroneatiivisuuden mukaan. a), F, S b) C, Al, Si c) Br, Sn, Te d) Be, C, Ca a) S F b) Al Si C c) Sn Te Br d) Ca Be C 30. Mikä seuraavista sidoksista on poolinen? a) B Cl b) Cl Cl c) P F d) Sb e) Br a) B Cl; elektroneatiivisuusero 2,0 3,0 1,0, joten sidos on poolinen b) Cl Cl; elektroneatiivisuusero 3,0 3,0 0,0, joten sidos on pooliton c) P F; elektroneatiivisuusero 2,1 4,0 1,9, joten sidos on poolinen d) Sb; elektroneatiivisuusero 1,9 1,9 0,0, joten sidos on pooliton e) Br; elektroneatiivisuusero 3,5 2,8 0,7, joten sidos on poolinen Poolisia sidoksia ovat a, c ja e. 31. Järjestä sidokset kasvavan poolisuuden mukaan. a) F, F, Be F b) C S, B F, N c) Cl, S Br, C P a) F; elektroneatiivisuusero 2,1 4,0 1,9 F; elektroneatiivisuusero 3,5 4,0 0,5 Be F; elektroneatiivisuusero 1,5 4,0 2,5 Kasvava poolisuus: F F Be F b) C S; elektroneatiivisuusero 2,5 2,5 0,0 B F; elektroneatiivisuusero 2,0 4,0 2,0 N ; elektroneatiivisuusero 3,0 3,5 0,5 Kasvava poolisuus: C S N B F c) Cl; elektroneatiivisuusero 3,5 3,0 0,5 S Br; elektroneatiivisuusero 2,5 2,8 0,3 C P; elektroneatiivisuusero 2,5 2,1 0,4 Kasvava poolisuus: S Br C P Cl Empiirinen kaava massatiedoista 32. Alkuaineanalyysin tuloksena saatiin, että 5,000 ramman suuruinen näyte sisälsi 1,278 hiiltä, 0,318 vetyä ja 3,404 rikkiä. Mikä on tutkitun yhdisteen empiirinen kaava? 18

19 Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet. m(c) 1,278 n(c) 0,10641 M(C) 12,01 m() 0,318 n() 0,31548 M() 1,008 m(s) 3,404 n(s) 0,10614 M(S) 32,07 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(s) 0,10614:llä, tällöin: n(c) 0, ,003 n(s) 0,10614 n() 0, ,972 n(s) 0,10614 n(s) 0, n(s) 0,10614 Suhteet pyöristyvät kokonaisluvuiksi 1:3:1 eli yhdisteen empiirinen kaava on C 3 S. 33. Makeutusaineena käytettävä natriumsyklamaatti sisältää 6,625 C, 1,112, 1,2876 N, 2,949 S, 4,412 ja 2,114 Na. Laske yhdisteen empiirinen kaava. Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet. m(c) 6,625 n(c) 0,55162 M(C) 12,01 m() 1,112 n() 1,10317 M() 1,008 m(n) 1,2876 n(n) 0, M(N) 14,01 m(s) 2,949 n(s) 0, M(S) 32,07 m() 4,412 n() 0,27575 M() 16,00 m(na) 2,114 n(na) 0, M(Na) 22,99 19

20 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(n):llä, tällöin: n(c) 0, ,002 n(n) 0, n() 1, ,00 n(n) 0, n(n) 0, n(n) 0, n(s) 0, ,001 n(n) 0, n() 0, ,000 n(n) 0, n(na) 0, ,001 n(n) 0, Suhteet pyöristyvät kokonaisluvuiksi 6:12:1:1:3:1, eli yhdisteen empiirinen kaava on C 6 12 NS 3 Na. 34. Chilipippurin tulisuuden aiheuttava yhdiste sisältää 70,78 C, 4,59 N, 8,91 ja 15,72. Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet. m(c) 70,78 n(c) 5,8934 M(C) 12,01 m(n) 4,59 n(n) 0,32762 M(N) 14,01 m() 8,91 n() 8,8393 M() 1,008 m() 15,72 n() 0,9825 M() 16,00 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(n):llä, tällöin: n(c) 5, ,989 n(n) 0,32762 n(n) 0, n(n) 0,32762 n() 8, ,980 n(n) 0,32762 n() 0,9825 2,999 n(n) 0,32762 Suhteet pyöristyvät kokonaisluvuiksi 18:1:27:3, eli yhdisteen empiirinen kaava on C N 3. 20

21 35. Yhdiste sisältää 4,38 M, 5,56 P ja 10,06. Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? t Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet: m(m) 4,38 n(m) 0,18017 M(M) 24,31 m(p) 5,56 n(p) 0,17953 M(P) 30,97 m() 10,06 n() 0,62875 M() 16,00 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(p):llä, tällöin: n(m) 0, ,004 n(p) 0,17953 n(p) 0, n(p) 0,17953 n() 0, ,502 n(p) 0,17953 Luku 3,502 poikkeaa kokonaisluvusta enemmän kuin järkevän koevirheen verran, joten suhteet pyöristyvät kokonaisluvuiksi vasta, kun ne kerrotaan kahdella. Tällöin suhteet ovat 2:2:7, eli yhdisteen empiirinen kaava on M 2 P 2 7. Empiirinen kaava massaprosenttisesta koostumuksesta 36. Vaniljan aromiaine vanilliini sisältää 63,15 m-% C, 5,30 m-% ja 31,55 m-%. Mikä on vanilliinin empiirinen kaava? Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] C 63,15 63,15 5,30 5,30 31,55 31,55 Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet: m(c) 63,15 n(c) 5,25812 M(C) 12,01 m() 5,30 n() 5,25794 M() 1,008 m() 31,55 n() 1,97188 M() 16,00 21

22 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n():lla, tällöin: n(c) 5, ,667 n() 1,97188 n() 5, ,666 n() 1,97188 n() 1, n() 1,97188 iilen ja vedyn ainemäärät eivät ole kokonaislukuja eivätkä järkevien koevirheiden suuruisia, joten kerrotaan ainemäärät 2:lla, 3:lla, 4:llä, että löydetään lähes kokonaisluvut: n(c) 2,667; 5,334; 8,001; 10,668 n() n() 2,666; 5,332; 7,998; 10,664 n() n() 1; 2; 3; 4 n() Empiirinen kaava on C Mätänevien eläinten haju aiheutuu ekyylistä, jossa on 54,50 m-% C, 13,73 m-% ja 31,77 m-% N. Mikä on ekyylin empiirinen kaava? Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] C 54,50 54,50 13,73 13,73 N 31,77 31,77 Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet: m(c) 54,50 n(c) 4,5379 M(C) 12,01 m() 13,73 n() 13,621 M() 1,008 m(n) 31,77 n(n) 2,2677 M(N) 14,01 22

23 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(n):llä, tällöin: n(c) 4,5379 2,001 n(n) 2,2677 n() 13,621 6,007 n(n) 2,2677 n(n) 2, n(n) 2,2677 Saadut suhdeluvut poikkeavat kokonaisluvuista vain koevirheiden verran, joten yhdisteen empiirinen kaava on C 2 6 N. 38. Eräs kipulääke sisältää 72,22 m-% C, 7,07 m-%, 4,68 m-% N ja 16,03 m-%. Laske kipulääkkeen empiirinen kaava. Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] C 72,22 72,22 7,07 7,07 N 4,68 4,68 16,03 16,03 Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet: m(c) 72,22 n(c) 6,0133 M(C) 12,01 m() 7,07 n() 7,0139 M() 1,008 m(n) 4,68 n(n) 0,33405 M(N) 14,01 m() 16,03 n() 1,00188 M() 16,00 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(n):llä, tällöin: n(c) 6, ,001 n(n) 0,33405 n() 7, ,997 n(n) 0,33405 n(n) 0, n(n) 0,33405 n() 1, ,999 n(n) 0,33405 Saadut suhdeluvut poikkeavat kokonaisluvuista vain koevirheiden verran, joten yhdisteen empiirinen kaava on C N 3. 23

24 39. a) Eräs teollisuudessa liuottimena paljon käytetty aine sisältää 15,8 m-% hiiltä 84,2 m-% rikkiä. Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? b) Eräät kasvit eivät siedä kloridi-ioneja, joten niiden lannoittamiseen käytetään kaliumkloridia kalliimpaa kaliumlannoitetta, joka sisältää 44,9 m-% kaliumia, 18,4 m-% rikkiä ja loput happea. Mikä on ioniyhdisteen empiirinen kaava? t a) Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] C 15,8 15,8 S 84,2 84,2 Empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet: m(c) 15,8 n(c) 1,3156 M(C) 12,01 m(s) 84,2 n(s) 2,6255 M(S) 32,07 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(c):llä, tällöin: n(c) 1, n(c) 1,3156 n(s) 2,6255 1, 996 n(c) 1,3156 Saadut suhdeluvut poikkeavat kokonaisluvuista vain koevirheiden verran, joten yhdisteen empiirinen kaava on CS 2. b) Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] K 44,9 44,9 S 18,4 18,4 36,7 36,7 Ioniyhdisteen suhdekaavaan eli empiiriseen kaavaan tarvitaan alkuaineiden ainemäärien suhteet: m(k) 44,9 n(k) 1,1483 M(K) 39,10 m(s) 18,4 n(s) 0,5737 M(S) 32,07 m() 36,7 n() 2,2938 M() 16,00 24

25 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n(s):llä, tällöin: n(k) 1,1483 2,001 n(s) 0,5737 n(s) 0, n(s) 0,5737 n() 2,2938 3,998 n(s) 0,5737 Saadut suhdeluvut poikkeavat kokonaisluvuista vain koevirheiden verran, joten ioniyhdisteen empiirinen kaava on K 2 S 4. Yhdisteen massaprosenttisen koostumuksen laskeminen 40. Rauta on maankuoren toiseksi yleisin metalli. Tärkeimmät teollisuuden käyttämät mineraalit ovat manetiitti, Fe 3 4, ja hematiitti, Fe 2 3. Kumman mineraalin rautapitoisuus on korkeampi? 3 55,85 Fe 3 4 : m-%(fe) 100 % 72,36... % 72,4 % (355, ,00) 2 55,85 Fe 2 3 : m-%(fe) 100 % 69,94... % 69,9 % (2 55,85 316,00) Manetiitin Fe 3 4 rautapitoisuus on suurempi. 41. Elektroniikkajätteen jälleenkäsittelyssä saatiin erotetuksi 15,0 kidevedellistä kultakloridia, AuCl Siitä voidaan valmistaa puhdasta kultaa elektrolyyttisesti sähkövirran avulla. Kuinka monta rammaa puhdasta kultaa siitä on mahdollista saada? t Tapa 1. Massaprosenttisen koostumuksen avulla: Kultapitoisuus on 196,97 m-%(au) 100 % 58, % 58,04 % (196,97 335,45 41, ,00) 58,04... m (Au) 15,0 8, , Tapa 2. Ainemäärän avulla: M(AuCl ) (196, ,45 4 1, ,00) / 339,352 / Kaavasta AuCl päätellään, että n(aucl ) n(au) m 15,0 n(aucl ) 0, n(au) M 339,352 m(au) n M 0, ,97 / 8,7064 8,71 25

26 42. Kuinka paljon kaliumlannoitteena käytettyä kaliumkloridia, KCl, on hehtaarille levitettävä, jotta viljelykasvin kaliumin tarve, 70 k/ha, tulisi tyydytetyksi? Laske ensin kaliumkloridin kaliumpitoisuus massaprosentteina. 39,10 m-%(k) 100 % 52,44... % (39,10 35,45) 52,44... x lannoitteen määrä: x 70k, josta x = 133,4...k 130 k Kloorisulfuroni (kaupallinen nimi Glean) on niin sanottu ramma-aine, jota käytetään kevätviljojen rikkakasvien torjuntaan. Gramma-aine nimitys johtuu siitä, että ainetta levitetään vain 4,0 hehtaarille. Kuinka monta massaprosenttia typpeä kloorisulfuronissa on? Kloorisulfuronin ekyylikaava on C N 5 S 4 Cl. 514,01 m-%(n) 100% 12 12,01121, ,0132,07 416,00 35,45 19,578...% 19,58% Polttoanalyysi 44. 1,000 :n suuruinen näyte erästä oraanista yhdistettä tuotti polttoanalyysissä 0,692 vettä ja 3,381 hiilidioksidia. a) Laske hiilen ja vedyn massa näytteessä. b) nko yhdisteessä muita alkuaineita? c) Montako massaprosenttia hiiltä näytteessä on? d) Laske yhdisteen empiirinen kaava. Massat: m(näyte) m(hiilivety) 1,000, m( 2 ) 0,692 ja m(c 2 ) 3,381 Lasketaan hiilen ja vedyn ainemäärät. Kaikki hiili palaa hiilidioksidiksi, joten n(c) n(c 2 ) ja kaikki vety palaa vedeksi, joten n() 2 n( 2 ) m(c 2) 3,381 n(c) n(c 2 ) 0,07682 M(C ) 12,01216,00 2 m(2) 2 0,692 n() 2 n( 2 ) 2 0,07682 M(2) (21,008 16,00) a) iilen ja vedyn massat näytteessä: m(c) n(c) M(C) 0, ,01 / 0,9226 0,923 m() n() M() 0, ,008 / 0, ,

27 b) m(muut alkuaineet) m(näyte) m(c) m() 1,000 0,9226 0, Yhdisteessä ei ole muita alkuaineita. m(c) 0,9226 c) m-%(c) 100% 100% 92,26% 92,3% m(näyte) 1,000 d) Lasketaan alkuaineiden ainemäärien suhde jakamalla pienimmällä ainemärällä eli n(c) 0, n():lla:. n() 0, Yhdisteen empiirinen kaava on C ,1153 puhdasta hiilivetyä tuotti polttoanalyysissä 0,3986 hiilidioksidia ja 0,0578 vettä. a) Laske hiilen ja vedyn massa näytteessä. b) Laske hiilivedyn empiirinen kaava. c) Mikä on hiilivedyn massaprosenttinen koostumus? Massat: m(hiilivety) 0,1153, m( 2 ) 0,0578 ja m(c 2 ) 0,3986 a) Lasketaan ensin hiilen ja vedyn ainemäärät: Näytteen kaikki hiili palaa hiilidioksidiksi, joten n(c) n(c 2 ), ja kaikki vety palaa vedeksi, joten n() 2 n( 2 ) m(c 2) 0,3986 n(c) n(c 2 ) 0, M(C ) (12,012 16,00) 2 m(2) 2 0,0578 n() 2 n( 2 ) 2 0, M(2) 2 1,008 16,00 iilen ja vedyn massat näytteessä ovat: m(c) n(c) M(C) 0, ,01 / 0, ,109 m() n() M() 0, ,008 / 0, ,00647 b) apen määrää ei tarvitse laskea, koska hiilivety sisältää vain hiiltä ja vetyä. Lasketaan alkuaineiden ainemäärien suhteet jakamalla kaikki pienimmällä ainemäärällä eli n():lla. Tällöin n(c) 0, ,4115 n() 0, n() 0, n() 0, iilen ainemäärä ei ole kokonaisluku eikä järkevien koevirheiden suuruinen, joten kerrotaan ainemäärät siten, että saadaan lähes kokonaisluvut: Kerrotaan 2:lla, 3:lla, 4:llä, 5:llä. 27

28 n(c) 1,411; 2,823; 4,235; 5,646; 7,058 n() n() 1; 2; 3; 4; 5 n() Taulukon perusteella empiirinen kaava on C 7 5. c) Tapa 1. m(c) 0,10877 m-%(c) 100% 100 % 94,3 % m(näyte) 0,1153 m() 0, m-%() 100 % 100 % 5,61% m(näyte) 0,1153 Tapa 2. iilivedyn massaprosenttinen koostumus voidaan laskea myös empiirisestä kaavasta C ,01 m-%(c) 100 % 94,3 % (7 12,015 1,008) 51,008 m-%() 100 % 5,66 % (7 12,015 1,008) 46. 1,000 tuntematonta yhdistettä, joka sisälsi hiiltä, vetyä ja rautaa analysoitiin polttamalla. Poltto tuotti rautametallia, 2,367 hiilidioksidia ja 0,4835 vettä. Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? Fe v C x y 2 (ylimäärä) x C 2 y/2 2 v Fe Massat: m(näyte) 1,000, m( 2 ) 0,4835 ja m(c 2 ) 2,367 1) Lasketaan hiilen ja vedyn ainemäärät: Koska näytteen kaikki hiili palaa hiilidioksidiksi on n(c) n(c 2 ) ja kaikki vety palaa vedeksi on n() 2 n( 2 ) m(c 2) 2,367 n(c) n(c 2 ) 0, M(C ) (12,012 16,00) n() 2 n( 2 ) 2 m(2) 2 0, , M( ) (21,008 16,00) 2 2) Lasketaan hiilen ja vedyn massat näytteessä: m(c) n(c) M(C) 0, ,01 / 0,646 m() n() M() 0, ,008 / 0,054 Lasketaan raudan massa vähentämällä nämä näytteen massasta: m(fe) m(näyte) m(c) m() 1,000 0,646 0,054 0,300 Lasketaan raudan ainemäärä: m(fe) 0,300 n(fe) 0, M(Fe) 55,85 28

29 3) Lasketaan alkuaineiden ainemäärien suhde jakamalla pienimmällä ainemärällä eli n(fe):llä: n(c) 0, ,01 n(fe) 0,05372 n() 0, ,992 n(fe) 0,05372 n(fe) 0, n(fe) 0,05372 Yhdisteen empiirinen kaava on FeC E-vitamiini toimii antioksidanttina ja suojaa solurakenteita keuhkoissa. 0,497 näyte E- vitamiinia analysoitiin polttamalla. Polttoanalyysi tuotti 1,473 hiilidioksidia ja 0,520 vettä. Mikä on E-vitamiinin empiirinen kaava? Polttoanalyysi: E-vitamiini 2 (ylimäärä) C 2 2 Massat: m(näyte) 0,497, m( 2 ) 0,520 ja m(c 2 ) 1,473 1) Lasketaan hiilen ja vedyn ainemäärät. E-vitamiinin kaikki hiili palaa hiilidioksidiksi, joten n(c) n(c 2 ), ja kaikki vety palaa vedeksi, joten n() 2 n( 2 ) m(c 2) 1,473 n(c) n(c 2 ) 0, M(C ) 12,01216,00 n() 2 n( 2 ) 2 m(2) 2 0, , M( ) 2 1,008 16,00 2 2) Tarkistetaan onko näytteessä happea. Lasketaan hiilen ja vedyn massat E- vitamiininäytteessä: m(c) n(c) M(C) 0, ,01 / 0, ,402 m() n() M() 0,0557 1,008 / 0, ,058 m() m(näyte) m(c) m() 0,497 0,402 0,058 0,037 Näytteessä on 0,037 happea. Lasketaan hapen ainemäärä: m() 0,037 n() 0, M() 16,00 3) Lasketaan alkuaineiden ainemäärien suhteet jakamalla kaikki pienimmällä ainemäärällä: n(c) 14,474 n() n() 24,963 n() n() 1 n() 29

30 iilen ainemäärä ei ole kokonaisluku eikä järkevän koevirheen suuruinen, joten kerrotaan ainemäärät siten, että saadaan lähes kokonaisluvut. Kerrotaan 2:lla: n(c) 14,474; 28,948 n() n() 24,963; 49,926 n() n() 1; 2 n() E-vitamiinin empiirinen kaava on C Alkuaineanalyysin perusteella oraaninen yhdiste sisälsi hiiltä, vetyä, typpeä ja happea. Polttoanalyysissä 1,279 :n suuruinen näyte tätä yhdistettä tuotti 1,60 hiilidioksidia ja 0,77 vettä. Typpianalyysissä 1,625 :n näyte yhdistettä tuotti 0,216 typpeä. Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? Massat: m(näyte 1) 1,279, m( 2 ) 0,77, m(c 2 ) 1,60 ja m(n) 0,216 1) Lasketaan hiilen ja vedyn ainemäärät. Koska näytteen kaikki hiili palaa hiilidioksidiksi on n(c) n(c 2 ) ja kaikki vety palaa vedeksi on n() 2 n( 2 ). m(c 2) 1,60 n(c) n(c 2 ) 0,03636 M(C ) 12,01216,00 n() 2 n( 2 ) 2 m(2) 2 0,77 2 0,08548 M( ) 2 1,008 16,00 2 2) Lasketaan hiilen ja vedyn massat näytteessä: m(c) n(c) M(C) 0, ,01 / 0,437 m() n() M() 0, ,008 / 0,086 Lasketaan typpianalyysistä typen m-% -osuus näytteessä 2: 0,216 m-%(n) 100 % 13,29 % 1,625 Näytteet 1 ja 2 ovat samaa ainetta, joten näytteessä 1 on typpeä myös 13,29 m-%, eli 13,29 m(n) 1,279 0, m 0,170 n(n) 0,01213 M 14,01 30

31 3) Lasketaan hapen massa ja ainemäärä näytteessä 1: m() m(näyte 1) m(c) m() m(n) 1,279 0,437 0,086 0,170 0,586 Lasketaan hapen ainemäärä: m() 0,586 n() 0, M() 16,00 4) Lasketaan alkuaineiden ainemäärien suhde jakamalla pienimmällä ainemärällä eli n(n):llä: n(c) 0, ,00 3 n(n) 0,01213 n() 0, ,05 7 n(n) 0,01213 n(n) 0, n(n) 0,01213 n() 0, ,02 3 n(n) 0,01213 Yhdisteen empiirinen kaava on C 3 7 N 3. Molekyylikaava empiirinen kaava moolimassa 49. Mikä ero on empiirisellä kaavalla ja ekyylikaavalla? Empiirinen kaava kertoo yhdisteessä olevien alkuaineiden ainemäärien suhteen (moolisuhteen) yksinkertaisimpia kokonaislukuja käyttäen. Se ei kerro alkuaineiden todellista lukumäärää yhdisteessä. Kun yhdisteen empiirisen kaavan lisäksi saadaan kokeellisesti määritettyä myös yhdisteen moolimassa, saadaan yhdisteelle ekyylikaava. Se kertoo alkuaineiden todelliset lukumäärät yhdisteessä. Esimerkiksi empiirinen kaava ja ekyylikaava Eteenin (M 28,0 /), sykloheksaanin (M 84,0 /) ja 1-penteenin (M 70,0 /) empiirinen kaava on C 2. a) Mikä on kunkin yhdisteen ekyylikaava? b) Mitä funktionaalisia ryhmiä tunnistat yhdisteistä nimen perusteella? c) Piirrä yhdisteiden viivakaavat. 31

32 a) Empiirinen kaava on C 2. Molekyylikaava on empiirinen kaava tai sen monikerta. M(C 2 ) M(C) 2 M() (12,01 2 1,008) / 14,026 / M(eteeni) n M(C 2 ) 28,0 / n 14,026 /, josta n 1,996 2 Eteenin ekyylikaava on (C 2 ) 2 C 2 4. M(sykloheksaani) n M(C 2 ), 84,0 / n 14,026 /, josta n 5,988 6 Sykloheksaanin ekyylikaava on (C 2 ) 6 C 6 12 M(1-penteeni) n M(C 2 ) 70,0 / n 14,026 /, josta n 4, penteenin ekyylikaava on (C 2 ) 5 C b) Funktionaaliset ryhmät: eteeni: pääte -eeni ilmoittaa hiili hiili-kaksoissidoksen sykloheksaani: pääte -aani ilmoittaa, että sykloheksaanissa ei ole funktionalista ryhmää 1-penteeni: pääte -eeni ilmoittaa hiili hiili-kaksoissidoksen c) viivakaavat: eteeni sykloheksaani 1-penteeni 51. Lysiini on yksi elämälle välttämätön aminohappo. Alkuaineanalyysin perusteella se sisältää 19,2 m-% N, 9,64 m-%, 49,3 m-% C ja 21,9 m-%. a) Mikä on lysiinin empiirinen kaava? b) Massaspektrin perusteella yksi lysiiniekyyli sisältää kaksi typpiatomia. Mikä on lysiinin ekyylikaava ja moolimassa? Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] N 19,2 19,2 9,64 9,64 C 49,3 49,3 21,9 21,9 32

33 Lasketaan alkuaineiden ainemäärät: m(n) 19,2 n(n) 1,3704 M(N) 14,01 m() 9,64 n() 9,5635 M() 1, 008 m(c) 49,3 n(c) 4,1049 M(C) 12,01 m() 21,9 n() 1,36875 M() 16,00 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n():lla: n(n) 1,3704 1, 001 n() 1,36875 n() 9,5635 6,987 n() 1,36875 n(c) 4,1049 2,999 n() 1,36875 n() 1, n() 1,36875 Ainemääräsuhteet ovat koevirhe huomioiden kokonaislukuja ja lysiinin empiirinen kaava on: N 7 C 3 tai C 3 7 N. (Eri kaavankirjoitusjärjestelmät eivät kuulu lukiokurssiin.) b) Massaspektrin perusteella yksi lysiiniekyyli sisältää kaksi typpiatomia eli empiirisen kaavan n 2 ja ekyylikaava (N 7 C 3 ) 2 eli N 2 14 C 6 2. Moolimassa: M(N 2 14 C 6 2 ) 2 M(N) 14 M() 6 M(C) 2 M() 2 14,01 / 14 1,008 / 6 12,01 / 2 16,00 / 146,192 / 52. Eräs sukupuolihormoni, sisältää 79,12 m-% hiiltä, 9,79 m-% vetyä ja loput happea. a) Laske hormonin empiirinen kaava. b) Laske hormonin ekyylikaava, kun jokaisessa hormoniekyylissä on massaspektrin perusteella kaksi happiatomia. a) Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] C 79,12 79,12 9,79 9,79 11,09 11,09 33

34 Lasketaan alkuaineiden ainemäärät: m(c) 79,12 n(c) 6,5878 M(C) 12,01 m() 9,79 n() 9,7123 M() 1, 008 m() 11,09 n() 0,69313 M() 16,00 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n():lla, tällöin n(c) 6,5878 9,504 n() 0,69313 n() 9, ,012 n() 0,69313 n() 0, n() 0,69313 Ainemääräsuhteet eivät ole kokonaislukuja eivätkä järkevien koevirheiden suuruisia, joten kerrotaan ainemäärät siten, että saadaan lähes kokonaisluvut: Kerrotaan 2:lla: n(c) 9,504; 19,008 n() n(c) 14,012; 28,024 n() n(c) 1; 2 n() ormonin empiirinen kaava on C b) Massaspektrin perusteella yksi hormoniekyyli sisältää kaksi happiatomia eli empiirinen kaava ekyylikaava C (Rakennekaava: viite Reaktio 1 s. 101, testosteroni.) 53. Eräs makea yhdiste sisältää 39,47 m-% C, 7,95 m-% ja 52,58 m-%. a) Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? b) Yhdisteen moolimassaksi mitattiin 152,15 /. Mikä on yhdisteen ekyylikaava? c) Rakennemäärityksen perusteella yhdiste on suoraketjuinen ja jokaiseen hiiliatomiin on liittynyt -ryhmä. Piirrä yhdisteen rakennekaava ja viivakaava ja tunnista yhdisteryhmä, johon makea yhdiste kuuluu. Tarkastellaan 100 yhdistettä, jotta prosenttilasku helpottuu: Alkuaine m-% m [] C 39,47 39,47 7,95 7,95 52,58 52,58 34

35 Lasketaan alkuaineiden ainemäärät: m(c) 39,47 n(c) 3,2864 M(C) 12,01 m() 7,95 n() 7,8869 M() 1, 008 m() 52,58 n() 3,2863 M() 16,00 Jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä eli n():lla, tällöin n(c) 3,2864 1, 000 n() 3,2863 n() 7,8869 2,400 n() 3,2863 n() 3, n() 3,2863 Ainemääräsuhteet eivät ole kokonaislukuja eivätkä järkevien koevirheiden suuruisia, joten kerrotaan ainemäärät siten, että saadaan lähes kokonaisluvut: Kerrotaan 5:lla: n(c) 5,000; 5,000 n() n(c) 2,400; 12,000 n() n(c) 1; 5 n() Yhdisteen empiirinen kaava on C b) Yhdisteen moolimassa on 152,15 / M(yhdiste) n M(C ) n [5 M(C) 12 M() 5 M()] 152,15 / n [(5 12, , ,00) /] n 152,146 / n 1 Molekyylikaava empiirinen kaava C c) Rakennemäärityksen perusteella yhdiste on suoraketjuinen ja jokaiseen hiiliatomiin on liittynyt -ryhmä. Yhdisteen suorassa hiiliketjussa on viisi hiiliatomia, joihin jokaiseen on liittynyt -ryhmä eli yhdiste on 5-arvoinen alkoholi, jonka triviaalinimi on ksylitoli. ksylitoli 35

36 Yhdistelmiä 54. Tarkastellaan homeiden ja hiivojen kasvua estävää sorbiinihappoa, C Mitkä seuraavista väittämistä ovat totta? a) Molekyylin m(c) : m() : m() 3:4:1 b) Sillä on sama massaprosenttinen koostumus kuin vedessä kasvimyrkkynä käytettävällä akroleiinilla, C 3 4. c) Sillä on sama empiirinen kaava kuin matolääkkeenä käytettävällä aspidinolilla, C a) Massasuhdetta ei saada suoraan ekyylikaavasta, koska ekyylikaavan alaindeksit ilmoittavat ainemääräsuhteen n(c) : n() : n() (eikä massasuhdetta m(c) : m() : m()). Vastaus: Esitetty väite on väärä. Perustellaan väite laskemalla alkuaineiden massasuhteet sorbiinihapossa, C : Lasketaan alkuaineiden massat yhdessä moolissa sorbiinihappoa C : m(c) 6 12,01 / 1 72,06 m() 8 1,008 / 1 8,064 m() 2 16,00 / 1 32,00 m(c) 72,06 8,936 m() 8,084 m() 8,084 1 m() 8,084 m() 32,00 3,968 m() 8,084 Massasuhteet m(c) : m() : m() = 9 : 1 : 4. Vastaus: Esitetty väite on väärä. b) Molempien yhdisteiden empiirinen kaava on (C 3 4 ) n, akroleiinilla n 1 ja sorbiinihapolla n 2, joten emmilla on sama massa-%:nen koostumus. Vastaus: Esitetty väite on oikea. c) Molempien yhdisteiden empiirinen kaava on (C 3 4 ) n, sorbiinihapolla n 2 ja aspidinolilla n 4, joten emmilla on sama massa-%:nen koostumus. Vastaus: Esitetty väite on oikea. 55. Eräs alkoholi sisältää 64,81 m-% C, 13,60 m-% ja 21,59 m-%. a) Laske alkoholin empiirinen kaava. b) Alkoholin moolimassaksi saatiin 74,0 /. Mikä on alkoholin ekyylikaava? c) Piirrä jonkin tähän ekyylikaavaan sopivan alkoholin rakennekaava ja viivakaava. 36