Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta 2016

Transkriptio

1 Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta 2016 Insinöörivalinnan kemian koe Malliratkaisut 1. Eräs orgaaninen yhdiste sisältää 66,7 m-% C, 11,2 m-% H ja 22,1 m-% O. Yhdisteen kiehumispiste on 79,6 C. 100 C lämpötilassa ja 98,3 kpa paineessa yhdisteen höyryn tiheys on 2,28 g/dm 3. a) Mikä on yhdisteen molekyylikaava? b) Yhdisteessä on karbonyyliryhmä ja se ei hapetu karboksyylihapoksi. Mikä yhdiste on kyseessä? Perustele vastauksesi. c) Onko kyseinen yhdiste pooliton vai poolinen? Perustele vastauksesi. d) Anna yhdisteelle kaksi vaihtoehtoista nimeä. a) Selvitetään ensin kaasujen yleisen tilanyhtälön avulla yhdisteen moolimassa ja kun tiedetään moolimassa voidaan selvittää yhdisteen molekyylikaava. = = = =, /,,, = 71,96 / (1p) Otetaan yksi mooli yhdistettä, jolloin m-% avulla saadaan selvitettyä paljonko yhdisteessä on kutakin alkuainetta mc = 0,667 71,96 g = 48,0 g => nc =, = 4,0, /, mh = 0,112 71,96 g = 8,06 g => nh = = 8,0, / mo = 0,221 71,96 g = 15,9 g => no =,, / = 1,0 Yhdisteen molekyylikaava on C4H8O b) Yhdistettä ei voi hapettaa karboksyylihapoksi, joten kyseessä ei ole aldehydi. (1p) Yhdisteessä on karbonyyliryhmä, joten kyseessä on oltava ketoni eli yhdisteellä on kaksi mahdollista rakennetta CH3(C=O)CH2CH3 tai CH3CH2(C=O)CH3 c) Yhdiste on poolinen johtuen karbonyyliryhmän poolisuudesta. Happi elektronegatiivisempana vetää elektroneja puoleensa saaden negatiivisen osittaisvarauksen ja hiilelle jää positiivinen osittaisvaraus. (1p) d) Yhdisteen nimi on 2-butanoni, metyylietyyliketoni (1p)

2 2. Alla on esitetty kolme erilaista orgaanista reaktiota. Mistä orgaanisista reaktiotyypeistä on kyse. Perustele vastauksesi. a) CH3Br + KOH CH3OH + KBr b) CH3CH2OH H2C=CH2 + H2O c) H2C=CH2 + H2 CH3CH3 a) Nukleofiilinen substituutio Substituutio- eli korvautumisreaktiossa molekyylin atomi tai atomiryhmä korvautuu atomilla tai atomiryhmällä. Samalla muodostuu jotakin pienimolekyylistä yhdistettä. Tässä tapauksessa nukleofiili (OH - ) hyökkää elektrofiiliin (metyylibromiidi). Substituutioreaktio on tyypillinen tyydyttyneille ja aromaattisille hiilivedyille. (2p) b) Eliminaatio Eliminaatio- eli lohkaisureaktiota voidaan pitää additioreaktion vastakohtana. Eliminaatiossa molekyylistä lohkeaa osia pois ilman että uusia atomeja tai atomiryhmiä tulee tilalle. Samalla lähtöaineen tyydyttyneisyysaste vähenee. (2p) c) Elektrofiilinen additio Additio- eli liittymisreaktiossa molekyyliin liittyy atomi tai atomiryhmä. Tässä tapauksessa vetyä. Additioreaktio on tyypillinen tyydyttymättömille yhdisteille eli yhdisteille, jotka sisältävät kaksois- tai kolmoissidoksia ja joissa on siten tarjolla runsaasti elektroneja. (2p) 3. Kerro lyhyesti mikä ero on kovalenttisella sidoksella ja ionisidoksella? Vastaus : Hiiliatomit muodostavat kestäviä kovalenttisia sidoksia epämetallien kanssa (H, O, Cl, N). Pii ja germanium kuuluvat jaksollisessa järjestelmässä samaan pääryhmään kuin hiili, mutta niiden väliset sidokset ovat heikkoja. Kovalenttisen sidoksen muodostumisen edellytyksenä on, että kummallakin atomilla on vähintään yksi pariton elektroni orbitaaleissaan (=1.5p). Hiiliatomilla on uloimmalla kuorella neljä elektronia. Se ei helposti luovuta eikä vastaanota elektroneja vaan pyrkii jakamaan niitä muiden alkuaineiden kanssa, jolloin muodostuu kovalenttisia sidoksia (=1.5p)

3 Ionisidos = sidos, joka perustuu erimerkkisten ionien väliseen elektrostaattiseen vetovoimaan ja voi tapahtua vain elektropositiivisen ja elektronegatiivisen alkuaineen välillä (=1.5p). Kemiallinen sidos on harvoin täysin kovalenttinen tai ioninen vaan se on usein näiden välimuoto (=1.5p). Suurimmassa osassa kemiallisia sidoksia sidoselektronit ovat siirtyneet enemmän toisen atomin puolelle, jolloin on kysymyksessä polaarinen kovalenttinen sidos. 4. Laboratoriossa on seuraavat liuokset: 0,250 mol/dm 3 etikkahappoa (CH3COOH, lyhyesti HAc), 0,100 mol/dm 3 natriumhydroksidia ja 0,100 mol/dm 3 natriumkloridia. Mikä on sellaisen liuoksen ph, joka saadaan sekoittamalla yhteen yhtä suuret tilavuudet kaikkia näitä liuoksia? Ka(HCl)= mol/dm 3 ja Ka(CH3COOH=1, mol/dm 3 Otetaan kutakin liuosta 1,00 dm 3, jolloin kokonaistilavuus on Vkok = 3,00 dm 3 Liuoksessa oleva natriumkloridi ei vaikuta liuoksen ph:n, koska natriumionit ja kloridi-ionit eivät protolysoidu. Kun liuokset yhdistetään tapahtuu neutraloitumista eli etikkahappo ja OH reagoivat keskenään. Selvitetään kummankin lähtöainemäärät ja tarkastellaan kumpaa jää neutraloitumisreaktion jälkeen jäljelle: n0(hac)= c V = 0,250mol/dm 3 1,00 dm 3 = 0,250 mol n0 (NaOH)=n0(OH )= c V = 0,100mol/dm 3 1,00 dm 3 = 0,100 mol [mol] HAc (aq) + OH (aq) Ac (aq) + H2O alku 0,250 0,100 0 (1p) reaktion jälkeen 0,250-0, ,100 =0,150 => etikkahappoa jää jäljelle. Etikkahapon ja asetaatti-ionin konsentraatiot neutraloitumisen jälkeen: =,, = 5,00 10 / (1p) = 0,100 3,00 = 3,33 10 / Etikkahappo protolysoituu ja asettuu tasapaino [mol/dm 3 ] HAc (aq) + H2O (aq) Ac (aq) + H3O + alku 5, , (1p) tasap. 5, x 3, x x

4 = [ ][ ] =, = 1,8 [ ] (, 10 ) x 2 + 0, x = 0 x1= 2, (x2= -0,33345 negatiivinen juuri ei kelpaa) (1p) [H3O + ] = 2, mol/dm 3 => ph = -log 2, = 4, ,87 g lyijynitraattia Pb(NO3)2 (M=331,20 g/mol) liuotettiin veteen ja tilavuus täytettiin 250,0 millilitraksi. Kun liuokseen lisättiin vetykloridihappoa HCl, alkoi saostua niukkaliukoista yhdistettä. a) Kirjoita saostusreaktiota kuvaava reaktioyhtälö. b) Kuinka monta ml HCl, jonka pitoisuus on 1,00 mol/dm 3, on lyijynitraattiliuokseen sekoitettava, jotta saataisiin tasan 0,500 g kyseistä niukkaliukoista yhdistettä? (Voit olettaa, että saostumisen aikana liuoksen tilavuus on 250 ml) a) Pb(NO3)2 (aq) + 2 HCl (aq) PbCl2(s) + 2 HNO3 (aq) (1p) b) Paljonko HCl on lisättävä, jotta saostuminen alkaa? Ksp = [Pb 2+ ][Cl - ] 2 Saostuminen alkaa, kun Q=Ksp (1p) [Pb 2+ ]=[ Pb(NO3)2]=,,, = 0,2883 / lähtötilanteessa Mikä tulee olla [Cl - ], jotta lyijykloridi alkaisi saostua: [ ] = [ ] =,, = 0,00768 / nhcl = 0,00768 mol/dm 3 0,250 dm 3 = 0,00192 mol = 1,92 mmol jotta saostuminen alkaisi, tarvitaan 1M HCl-liuosta V1=1,92 ml Paljonko HCl tarvitaan sakan muodostumiseen? =,, / = 0,00180 nhcl= 2 n (PbCl2)= 0,0036 mol HCl tarvitaan V2=3,60 ml

5 Kokonaistilavuus: V=V1+V2=1,92 ml + 3,60 ml = 5,5 ml (1p) 6. Metalleille X ja Y on annettu seuraavat normaalipotenttiaalien itseisarvot X e - X Y e - Y E = 0,25 V E = 0,34 V Kun elktrodit X ja Y yhdistetään, niin elektronit kulkevat X:ltä Y:lle. Kun X yhdistetään puolestaan vetyelktrodiin, niin elektronit kulkevat X:ltä vetyelektrodille. a) Ovatko X:n ja Y:n normaalipotentiaalit positiivisia vai negatiivisia? Perustele vastauksesi! b) Mikä on X:n ja Y:n muodostaman kennon normaalipotentiaali? c) Hydratsiini (N2H4) on jonkin verran myrkyllinen neste, jota on käytetty muun muassa rakettimoottorien polttoaineena. Sitä voi mahdollisesti muodostua, kun hypokloriittia (ClO - ) sisältävää valkaisuainetta ja ammoniakkia (NH3) sisältävää ikkunanpesuainetta sekoitetaan keskenään. Päättele alla olevia puolireaktioita hyväksi käyttäen voiko näitä kahta liuosta yhdistää. Lämpötilassa 25 o C: ClO - + H2O + 2 e - 2 OH - + Cl - E o = 0,90V ja N2H4 + 2 H2O + 2 e - 2 NH3 + 2 OH - E o = -0,10V Ratkaisu: a) 1. X ja Y yhdistetään, elektronit kulkevat X:ltä Y:lle => X:llä tapahtuu hapettuminen ja Y:llä pelkistyminen (1p) eli Y toimii katodina, X anodina => E (Y) > E (X) b) 2. Kun X yhdistetään vetyelektrodiin (E (vety)=0,00, niin elektronit kulkevat X:ltä (1p) vetyelektrodille eli vety pelkistyy => E (vety) > E (X) => E (X) <0 1 ja 2 yhdessä: E (Y) >0 (koska E = 0,34 V) (1p) X X e - E = + 0,25 V (reaktio on käännetty, jolloin etumerkki muuttuu +:ksi) Y e - Y E = + 0,34 V kennoreaktio: X + Y 2+ X 2+ + Y E kenno = (+0,25+0,34)V = 0,59 V (1p) c) Jos kyseisistä puolireaktioista muodostuvan kokonaisreaktion E -arvo on positiivinen on reaktio mahdollinen. Jälkimmäinen puolireaktio täytyy kääntää. (idea ½ p) ClO - + H2O + 2 e - 2 OH - + Cl - E o = 0,90V 2 NH3 + 2 OH - N2H4 + 2 H2O + 2 e - E o = 0,10V ClO NH3 Cl - + N2H4 + H2O E o = 1,00V

6 Koska kokonaisreaktion potentiaali > 0 V, voi reaktio tapahtua spontaanisti eli on mahdollista, että hydratsiinia muodostuu.