MAOL:n pistesuositus kemian reaalikokeen tehtäviin keväällä 2010.

Transkriptio

1 MAL:n pistesuositus kemian reaalikokeen tehtäviin keväällä Tehtävän eri osat arvostellaan 1/3 pisteen tarkkuudella ja loppusumma pyöristetään kokonaisiksi pisteiksi. Tehtävän sisällä pieniä puutteita voi korvata jonkin muun kohdan tavallista syvällisemmällä käsittelyllä. Kemian kannalta epätäsmällisestä kielenkäytöstä, huolimattomasti piirretyistä orgaanisten yhdisteiden rakennekaavoista tai huolimattomasta kaavojen kirjoittamisesta sekä virheellisistä nimistä vähennetään 0 1 p. - Pieni laskuvirhe tai likiarvojen huolimaton käyttö aiheuttaa 1/3 1 pisteen vähennyksen. - Selventävien kuvien ja kaavioiden käyttö on suositeltavaa. Sanallisissa vastauksissa tulee käyttää myös kemiallisia kaavoja. Yleensä vastaukset tulee perustella. - Jos vastauksena pyydetään reaktioyhtälöä, sen tulee olla esitettynä ilman hapetuslukuja pienimmin mahdollisin kokonaislukukertoimin ja olomuodoilla varustettuna. rgaanisissa reaktioyhtälöissä käytetään rakennekaavoja, mutta ei vaadita olomuotoja. 1. a) helium (e), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe), radon (Rn) vety (), typpi (N), happi (), fluori (F), kloori (l) c) rikki (S) tai seleeni (Se) d) elohopea (g) e) teknetium (Tc) f) gadolinium (Gd) - jos a) kohdassa vain sana jalokaasut, 0p - jos yksi alkuaine puuttuu a)- tai - kohdassa, 1/3p - jos yksikin väärä alkuaine a)- tai - kohdassa, 0p 2. a) 2 a(s) (s) 2 a 2 (s) 2 (g) a 2 (s) 2 2 (l) a() 2 (aq) 2 2 (g) - jos olomuodot puuttuvat,-1/3p. - jos reaktioyhtälöissä yksikin kerroin väärin, 0p. m( a),78g n (a) = = = 0,103 mol. M ( a) (40,08 16,00) g mol kokonaisreaktio: 2 a(s) (s) 4 2 (l) 2 a() 2 (aq) (g) 2 (g) n( 2 2 ) = n(a) V( 2 2 ) = n( 2 2 ) V m = 0,103 mol 22,41l mol = 2,3097 l 2,31 l 6x1 - jos vastaus on annettu 2 tai 4 numeron tarkkuudella, -1/3p - jos vastaus grammoina, - -Kokonaisreaktiota ei vaadita, jos ainemäärien välinen yhtälö perusteltu jollakin muulla tavalla. MAL Ry kevät 2010 sivu 1

2 3. a) A - vapaat elektronit, 1/3p/yhdiste - pieniä epätäsmällisyyksiä, -1/3p - - sp 3 -hiili B - jos yksikin väärä hiili merkitty sp 3 -hybridisoituneeksi tai merkintä puuttuu, 0p c) Yhdisteessä B on 1 kpl ja yhdisteessä 2 kpl π-sidoksia. Perustelu hiilen hybridisaatiolla tai kaksois- ja kolmoissidoksen rakenteella. 1/3p d) A: 2-metyylipropan-2-oli (2-metyyli-2-propanoli, tert-butanoli) B: propanaali : 4-metyylipent-2-yyni (4-metyyli-2-pentyyni) - jos nimi muuten oikein, mutta väärä numerointi, -1/3p/yhdiste 4.a) c) d) e) Zn(s) us 4 (aq) ZnS 4 (aq) u(s) 2 Mg(s) 2 (g) 2 Mg(s) Na 2 S 4 (aq) Bal 2 (aq) BaS 4 (s) 2 Nal(aq) Ainoastaan Br - - ioni reagoi: 2 KBr(aq) l 2 (g) 2 Kl(aq) Br 2 (l tai aq) 2 a 3 (s) 2 l(aq) a( 3 ) 2 (aq) al 2 (aq) a( 3 ) 2 (aq) 2 l(aq) (aq) al 2 (aq) - jos vain kokonaisreaktioyhtälö a 3 (s) 2 l(aq) 2 2 (l) 2 (aq) al 2 (aq), 1 1/3p - yksikin kerroin väärin, 0p - olomuotomerkintä väärin, -1/3p - jos BaS 4 (aq), - - yhtälöt a ja c - e voidaan kirjoittaa myös ionimuodossa. iilihappo voidaan esittää myös 2 (l) 2 (g). a) Polypropeenin (PP) palamisessa muodostuu hiilidioksidia ja vettä, jotka eivät ole myrkyllisiä kaasuja. Polyvinyylikloridissa olevan kloorin palaessa muodostuu haitallisia yhdisteitä (), esim. vetykloridia ja orgaanisia klooriyhdisteitä (dioksiineja, furaaneja) (mainittu yksi näistä 1/3p.) Talouspaperi koostuu selluloosasta. Pooliset vesimolekyylit muodostavat vetysidoksia selluloosamolekyylien poolisten -ryhmien kanssa. Näin vesi imeytyy talouspaperiin hyvin. Rasvamolekyylit ovat poolittomia ja sitoutuvat huomattavasti heikommin selluloosan kanssa (dispersiovoimat) ja siksi ruokaöljy ei imeydy hyvin talouspaperiin. c) Rauta hapettuu (ruostuu) helpommin suolavedessä. Perusteltu vastaus sähkökemiallisena ilmiönä. MAL Ry kevät 2010 sivu 2

3 6. Liittyminen eli additio: rikkihappo tai fosforihappo katalyyttinä (Esteri)hydrolyysi: Na Na hyväksytään hydrolyysi veden kanssa, jolloin toiseksi tuotteksi saadaan karboksyylihappoa Pelkistys (vedytys, hydraus): katalyyttinä metalli yväksytään myös [] tai muu pelkistin Korvautuminen eli substituutio: 3 2 l Na 3 2 Reaktiotyypit, reaktiot 4 x Mainintaa katalyyteistä ei vaadita Nal 6 p 7. a) Puhdas vesi johtaa sähköä huonosti, koska siinä on ioneja erittäin vähän. Kun elektrolyyttiliuokseen lisätään rikkihappoa tai natriumsulfaattia, muodostuu veteen ioneja. Näin elektrolyyttiliuoksen johtokyky kasvaa, mikä mahdollistaa veden hajoamisen. Anodilla: 2 2 (l) 2 (g) 4 (aq) 4 e - (hapettuminen) Katodilla: 2 2 (l) 2 e - 2 (g) 2 - (aq) (pelkistyminen) - jos elektrodit väärin päin, - - jos anodin ja katodin sijasta vain merkit ja -, vähennetään 1/3p c) Vetykaasu: Kerätään vetyä (ilmaa kevyempää) talteen esim. koeputkeen. Kun vetykaasun sytyttää palamaan, kuuluu vingahdus (pamahdus). appikaasu: Kerätään happea (ilmaa raskaampaa) talteen esim. koeputkeen. appikaasu sytyttää hehkuvan puutikun palamaan. d) Elektrolyysissä hapettuminen tapahtuu anodilla. Reaktiossa, jossa vedestä muodostuu vetyperoksidia, happi hapettuu hapetusluvulta II hapetusluvulle I. - Jos poimittu taulukkokirjasta reaktio 2 (g) 2 (aq) 2 e (aq) perustelematta, mistä happea tulee katodille, 1/3p. MAL Ry kevät 2010 sivu 3

4 8. a) 68,8g 4,9g 26,2g n( ) : n( ) : n( ) = : : =,729mol : 4,911mol :1,641mol g g g 12,01 1,008 16,00 mol mol mol n( ) : n( ) : n( ) = 3,49 : 2,99 :1,00 3, : 3 :1 Empiirinen kaava on ( ) n tai Värinmuutoskohdalla n(happo) = n(na) = c(na) V(Na) = 0,100M 0,006l = 0,0006mol m( happo) 0,0794g g M ( happo) = = 122, 14 n( happo) 0,0006mol mol g M ( 7 62) = 122,118 n = 1 mol apon molekyylikaava on c) Kyseessä on yksiarvoinen happo, joka ei sisällä kaksois- tai kolmoissidoksia, koska se ei reagoi kaliumpermanganaatin kanssa. Yhdisteen on oltava aromaattinen karboksyylihappo 6 eli 9. MAL Ry kevät 2010 sivu 4

5 10. a) c) A: Ennen pistettä A vesi on kokonaan kiinteässä olomuodossa jäänä (vaihe 1). Vesimolekyylit ovat sitoutuneet toisiinsa vetysidosten avulla säännölliseksi kidehilaksi(molekyylihila). Lämpötila pisteessä A on 0 o normaalipaineessa. A-B: Lisätty lämpöenergia kuluu vesimolekyylien välisten sidosten rikkomiseen. Pisteessä A jää alkaa sulaa (vaihe 2). Lämpötila pysyy muuttumattoma, kunnes pisteessä B kaikki jää on sulanut nestemäiseksi vedeksi. Nestemäisessä vedessä on edelleen molekyylien välillä vetysidoksia, vaikka molekyylien lisääntyneen lämpöliikkeen johdosta säännöllistä kidehilaa ei enää esiinnykään. B-: Vetysidoksia purkautuu yhä enemmän. Välillä B- vesi on nesteenä (vaihe 3), jonka lämpötila ja samalla veden höyrynpaine vähitellen kasvaa. Pisteessä lämpötila on 100 o ja vesi alkaa kiehua höyrynpaineen saavuttaessa ulkoisen paineen. - D: Kiehumista jatkuu niin kauan kuin nestemäistä vettä on jäljellä (vaihe 4). Pisteessä D kaikki vesi on vesihöyrynä. Kaasutilassa vesimolekyylien väliset vetysidokset ovat purkautuneet ja vuorovaikutukset molekyylien välillä oletetaan ideaalikaasutilassa olevan lähes olemattomia. Pisteen D jälkeen lämpötilan noustessa (energiaa lisättäessä) molekyylien lämpöliike edelleen voimistuu. Pl (g) Pl 3 (g) l 2 (g) alussa (mol/l) 0, ,020 tasap.(mol/l) 0,030 - x x 0,020 x K = [ Pl ][ l ] 3 2 = ( 0,020 x) x = 4, mol/l, josta x 2 0,060x 0,0012 = 0 [ Pl ] 0,030 x x 1 = 0,0182 0,016 mol/l x 2 = -0,078 ei kelpaa (kloorin tasapainokonsentraatio < 0) [Pl ] = 0,014 mol/l [Pl 3 ] = 0,016 mol/l [l 2 ] = 0,036 mol/l = (Pl 3 ) (l 2 ) - (Pl ) = -287kJ 0 kj - (-37 kj) = 88 kj reaktio on endoterminen. Koska reaktio on endoterminen, tasapainotila siirtyy lämpötilan noustessa tuotteiden suuntaan (Le hatelier-periaate). K = [ Pl ][ l ] 3 2 = n( Pl ) / V n( l ) / V n( Pl ) n( l ) =. [ Pl ] n( Pl ) / V n( Pl ) V Jotta lausekkeen arvo säilyisi vakiona tilavuuden kasvaessa (1/V pienenee), on konsentraatioiden lausekkeen arvon kasvettava (osoittaja kasvaa ja nimittäjä pienenee). Reaktio etenee siis tuotteiden suuntaan, kunnes tasapainovakion arvo saavutetaan. Numeerinen esimerkki ilman yleistystä,. MAL Ry kevät 2010 sivu

6 11. a) 2 S 4 (aq) 2 (l) S 4 - (aq) 3 (aq) c) d) S 4 - (aq) 2 (l) S 4 2- (aq) 3 (aq) Natriumvetysulfaatin vesiliuos on hapan, koska natriumvetysulfaatin vesiliuoksen sisältämät vetysulfaatti-ionit (S 4 - ) toimivat liuoksessa happoina, mutta liuoksen natriumionit Na säilyvät liuoksessa protolysoitumattomina. S 4 - (aq) 2 (l) S 4 2- (aq) 3 (aq) p = 2,00 => liuoksen oksonium-ionikonsentraatio [ 3 ] = 0,0100 mol/dm 3 Ensimmäinen protolyysivaihe tapahtuu täydellisesti ja voidaan merkitä: - 2 S 4 (aq) 2 (l) S 4 (aq) 3 (aq) x mol/l 0 mol/l 0 mol/l 0 mol/l x mol/l x mol/l toinen protolyysivaihe tapahtuu vain osittain ja voidaan merkitä: S (aq) 2 (l) S 4 (aq) 3 (aq) x mol/l 0 mol/l x mol/l (x- y )mol/l y mol/l ( x y) mol/l Saadaan kaksi yhtälöä 1. x y = 0, [y (x y) ]/ ( x-y) = 0,010 Sijoitetaan y = 0,0100 x yhtälöön kaksi => [(0,0100 x) (x 0,0100 x)]/ (x 0,0100 x) = 0,0100 [(0,0100 x) 0,0100]/ (2x 0,0100) = 0,0100 [(0,0100 x) 0,0100] = 0,0200 x 0, , ,0100 x = 0,0200x- 0, ,0300x = 0, x = 0, ,0067 eli rikkihapon alkukonsentraatio c( 2 S 4 ) = 0,0067 mol/l => n( 2 S 4 ) = 0,0067 mol 2 S 4 (aq) 2 (l) S 4 - (aq) 3 (aq) 1, mol/l 0 mol/l 0 mol/l 0 mol/l 1, mol/l 1, mol/l S (aq) 2 (l) S 4 (aq) 3 (aq) 1, mol/l 0 mol/l 1, mol/l (1, y )mol/l y mol/l ( 1, y ) mol/l [(0,00100 y) y]/ (1, y ) = 0,0100 y 2 0,011 y 0, = 0 y 1 = 0, y 2 = negatiivinen luku [ 3 ] = 1, y = 0, mol/l => p = 2,73 9p MAL Ry kevät 2010 sivu 6

7 11.c) d) VAITETINEN RATKAISUTAPA S4 - (aq) 2 (aq) S4 2- (aq) 3 (aq) kun p = 2,00, [3 ] = 1, mol/l Koska 1. protolyysivaihe tapahtuu täydellisesti, voi rikkihappo esiintyä liuoksessa pelkästään vetysulfaatti- tai sulfaatti-ioneina, [S4 2- ] [S4 - ] = x. Sijoittamalla edellä saatu vetyionikonsentraation arvo happovakion lausekkeeseen 2 [ 3 ][ S4 ] = 1,0 [ S ] l 2 mol K a ( S4 ) = 10 saadaan [S4 2- ] = [S4 - ] = ½ x. 4 Liuoksen protonit tulevat kahdesta eri reaktiosta. 1. protolyysivaiheesta tulevien protonien määrä on x ja toisen vaiheen perusteella sama kuin [S4 2- ] = ½ x. Yhtälöstä x ½ x = 1, mol/l saadaan x = 6, mol/l. Kun liuoksen tilavuus oli 1,00 l saadaan veteen liuotetun rikkihapon ainemääräksi 6, mol. [3 ] =1, mol/l [S4 2- ] eli [S4 2- ] = [3 ] - 1, mol/l Koska [S4 - ] [S4 2- ] = 1, mol/l saadaan edelleen: [S4 - ] = 2 1, mol/l - [3 ] Sijoittamalla näin saadut [S4 - ] ja [S4 2- ] happovakion lausekkeeseen saadaan yhtälö 3 ([ 3 ],0 10 ) [ 3 ] 3 2,0 10 [ ] = 1,0 10 [3 ] = 1, mol/l ja p = 2,73 12 Muodostuminen ja merkitys luonnossa: - yhteyttäminen ja siihen vaikuttavat tekijät (vesi, hiilidioksidi, ravinteet, lämpötila, valo) - di- ja polysakkaridien muodostumisreaktiot rakennekaavoin tai sanallisesti selitettynä - merkitys luonnossa: energian lähteitä, tukirakenteita, sokerit tärkeitä DNA:n ja RNA:n rakenneosia iilihydraattien rakenne - monosakkaridien avoketjuiset ja rengasmuodot - glukoosin ja fruktoosin erot rakennekaavoin - selluloosan ja tärkkelyksen rakenteet (amyloosi, amylopektiini) Kemiallinen luonne - sokerien liukoisuus, suurimolekyylisten hygroskooppisuus - reaktiot funktionaalisten ryhmien mukaisesti: hydroksyyliryhmät voivat muodostaa esim. estereitä, karbonyyliryhmä pelkistyä avoketjuisessa muodossaan (aldehydit myös hapettua) - tärkkelyksen ja selluloosan pilkkoutuminen Teollinen käyttö: tarkastellaan joitakin hiilihydraattien käyttöalueita, esimerkiksi - selluloosateollisuus ja paperin valmistus - hiilihydraatit elintarviketeollisuudessa - puuvilla ja muut kasvikuidut - muunnetut hiilihydraatit, esim. selluloosaesterit, selluloosanitraatit, biohajoavat muovit ym. ja niiden käyttö 2-3 p 2-3 p 2-3p 2-3p 9p MAL Ry kevät 2010 sivu 7