Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Transkriptio

1 Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Kannaksen lukio Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN 1. A. Selitä käsitteet ja määritelmät (lyhyesti), lisää tarvittaessa kemiallinen merkintätapa: a) Entalpia b) Siirtymätila c) Hydraus d) Endoterminen reaktio e) Reaktion rajoittava tekijä f) Reaktiomekanismi a) Entalpia, suuresymboli, eli lämpösisältö kuvaa aineen sisäenergiaa vakiopaineessa. Sisäenergia, suuresymboli, on aineen mikrotason energiaa. Siis molekyylin liikettä: etenevä, pyöriminen, keinuminen, sidosten taipuminen ja värähtely sekä sidoksissa (vahvat kovalenttiset ja heikot sidokset) oleva potentiaalinen eli kemiallinen energia. b) Siirtymätila on suurienerginen, pysymätön ja lyhytikäinen tila, jossa vanhat sidokset ovat juuri katkeamaisillaan ja uudet sidokset ovat alkamassa muodostua. Siirtymätila voi hajota reaktiotuotteiksi tai takaisin lähtöaineiksi. c) Hydraus eli vedytys on vedyn liittymistä kaksois- tai kolmoissidokseen (orgaaninen reaktio). d) Endoterminen reaktio on kemiallinen reaktio, joka sitoo lämpöä ympäristöstä. Tällaisen reaktion entalpiamuutoksen arvo merkitään positiivisena lukuna, eli. e) Reaktion rajoittava tekijä on se (lähtö)aine kemiallisessa reaktiossa, joka loppuu ensin ja jonka ainemäärä määrää syntyvien reaktiotuotteiden ainemäärät. f) Reaktiomekanismi on reaktion kulun yksityiskohtainen selvitys. Kuvaus atomien ja molekyylien välisistä prosesseista, joilla lähtöaineista muodostuu reaktiotuotteita. Eli yksityiskohtainen malli, jolla kuvataan, mitkä lähtöaineiden sidokset aukeavat ja millaisia uusia sidoksia muodostuu reaktion eri vaiheissa. Vielä tarkemmin: reaktiomekanismi kuvaa kuinka elektronit ja atomit liikkuvat kemiallisen reaktion edetessä. B. Sekä tarkastele seuraavaa reaktioyhtälöä ja valitse väittämistä oikeat vaihtoehdot (vastauksena riittää merkitä esim. x)-kohta oikein, y)-kohta väärin jne.). a) Yksi mooli kupari(ii)oksidia tuottaa yhden moolin kuparimetallia. b) Ammoniakin ja typpikaasun ainemäärät ovat yhtä suuret. c) Kuparia ja vettä syntyy aina yhtä monta hiukkasta. d) Jos kupari(ii)oksidia on käytössä kuusi moolia, tarvitaan kolme moolia ammoniakkia. e) Jos typpikaasua halutaan tuottaa moolia, tarvitaan moolia kupari(ii)oksidia ja moolia ammoniakkia.

2 a) OIKEIN; Ainemäärien suhteet ovat 3 : 3 eli 1 : 1. b) VÄÄRIN; Ammoniakin ainemäärä on kaksinkertainen typpikaasun ainemäärään verrattuna. Esimerkiksi, kun typpikaasua syntyy yksi mooli, niin ammoniakkia kuluu 2 moolia. c) OIKEIN; Ainemäärien suhteet ovat 3 : 3 eli 1 : 1. d) VÄÄRIN; Kolme moolia on liian vähän, tarvitaan neljä moolia, sillä kupari(ii)oksidin ja ammoniakin ainemäärien suhteet ovat 3 : 2 jos nyt kupari(ii)oksidia on 6 moolia, niin ammoniakkia tarvitaan 4 moolia, jotta suhde 3 : 2 säilyisi. e) OIKEIN; Ainemäärien suhteet ovat n(kupari(ii)oksidi) : n(typpikaasu) 3 : 1 eli 9 : 3. Vastaavasti n(ammoniakki) : n(typpikaasu) 2 : 1 eli 6 : a) Laske bentseenin muodostumisentalpia vertailuolosuhteissa, kun tiedetään seuraava: b) Urea on typpilannoite, jota valmistetaan ammoniakista ja hiilidioksidista: Mikä on tarvittavan ammoniakkikaasun tilavuus ( ja kpa), jotta ureaa voidaan valmistaa grammaa? a) Reaktioyhtälö on tasapainossa ja taulukkokirjasta saadaan muodostumisentalpiat: Hyödynnetään laskukaavaa Siis [ ] [ ] [ ]

3 b) Reaktioyhtälö on tasapainossa. Oletetaan, että hiilidioksidia on ylimäärin, joten Laskut antavat: josta ammoniakin ainemäärä ja tilavuus 3. Vetyä ja happea sisältävän kaasuseoksen tilavuus on ml (NTP). Seoksen läpi johdetaan sähkönpurkaus, jolloin kaikki happi yhtyy vetyyn muodostaen vettä. Mikä oli alkuperäisen seoksen tilavuusprosenttinen koostumus, kun reagoimatta jääneen vedyn tilavuus oli ml (NTP)? Mikä oli reaktiossa muodostuneen veden tilavuus, kun veden tiheys on g/ml? [YO, syksy 1995] Tasapainotettu reaktioyhtälö on Tehtävänannosta saadaan, että happi loppuu ensin, jolloin kaikki happi yhtyy vetyyn. Kaasujen tilavuudet alussa ja lopussa: ALUSSA: LOPUSSA: Koska NTP-olosuhteet, niin Toisaalta, tasapainotetun reaktioyhtälön nojalla Näin ollen

4 ja Hapen tilavuudeksi alussa on siis Hapen tilavuusprosenttiosuudeksi sekä kaasun koostumukseksi (tilavuusprosentteina) saadaan Veden tilavuus lopussa: Tasapainotetusta reaktioyhtälöstä saadaan { 4. Kirjoita reaktioyhtälö ja nimeä reaktiotuote tai -tuotteet. Mainitse mahdollinen katalyytti tai kirjoita se reaktionuolen päälle. a) 1-buteeni + bromi d) 3-klooripentaani + b) propaanihappo ja etanoli e) 1,3-butadieeni + c) tolueeni + typpihappo f) 1-penteeni + vetykloridi a) 1-buteeni + bromi: b) propaanihappo ja etanoli:

5 c) tolueeni + typpihappo: Kun reaktio toistetaan kolme kertaa. d) 3-klooripentaani + : e) 1,3-butadieeni + : f) 1-penteeni + vetykloridi: 5. a) Vety- ja happikaasu reagoivat seuraavasti: Laske entalpiamuutos, kun ml vetykaasua ja ml happikaasua saatetaan reagoimaan keskenään (NTP) olosuhteissa. b) Astiassa olevan kaasun massa oli grammaa. Samankokoisessa astiassa olevan hapen massa oli grammaa. Laske tuntemattoman kaasun moolimassa, kun molemmat kaasut olivat normaalitilassa. Mikä kaasu voisi olla kyseessä?

6 a) Entalpiamuutos on annettu kyseiselle reaktiolle, jossa siis muodostuu 2 moolia vettä. Annetuista lähtöaineiden määristä ratkaistaan ensin rajoittava tekijä ja sen jälkeen muodostuva veden ainemäärä. Lopuksi määritetään entalpiamuutos saadulle veden ainemäärälle. Ainemäärät (NTP-olosuheet): Reaktioyhtälön perusteella mutta laskettujen ainemäärien perusteella Näin ollen vety on reaktion rajoittava tekijä ja loppuu ensin. Muodostuvan veden ainemäärä määritetään vedyn ainemäärän kautta: Entalpiamuutokseksi saadaan b) Koska kaasujen tilavuudet ja ulkoiset olot (NTP) ovat samat, ovat myös kaasujen ainemäärät samat, eli Toisin sanoen, koska, niin Mahdollinen kaasu voisi olla joko typpikaasu ( ) tai häkä eli hiilimonoksidi.

7 6. Tarkastele additioreaktiota. Tunnetaan seuraavat sidosenergiat:,, ja. [YO-s2014/5] a) Kuinka paljon energiaa tarvitaan hajottamaan 1 mooli vetyä vetyatomeiksi? Entä eteenin -sidoksen katkaisemiseen? b) Laske reaktion entalpianmuutos sidosenergioiden avulla sekä käyttämällä muodostumislämpöjä. a) Sidosenergia on eli yhden vetymoolin dissosioitumiseen tarvitaan kj (dissosioituminen on molekyylin hajottamista kahdeksi molekyyliksi tai atomiksi. Koska kaksoissidos on sigmasidos ja piisidos, niin kaksoissidos -sidos -sidos. Sijoitetaan lukuarvot, jolloin saadaan b) Lasketaan reaktioentalpia ensin sidosenergioiden avulla. Saadaan On syytä huomata, että reaktioyhtälön nojalla jokaista ainetta (eteeni, vetykaasu ja etaani) on yksi mooli, joten ei tarvitse kertoa stoikiometrisilla kertoimilla. Näin ollen [ ] [ ] Lasketaan sitten reaktioentalpia muodostumislämpöjen avulla. Saadaan [ ] [ ]

8 7. Opiskelijat halusivat tutkia tarkemmin vetyperoksidin hajoamisreaktion nopeutta. Tätä varten he mittasivat vetyperoksidikonsentraation kuusi kertaa kolmen tunnin aikana. Näin saadut tulokset on esitetty oheisessa taulukossa. aika (min) (mol/l) 0,0 30,0 60,0 90, ,80 1,40 1,05 0,800 0,700 0,600 a) Miten reaktionopeus määritellään? Anna matemaattinen lauseke ja selitä käyttämäsi suureet. b) Piirrä kuvaaja, josta näkyy vetyperoksidin konsentraatio ajan funktiona. c) Mikä on reaktion alkunopeus? d) Mikä on reaktion keskimääräinen nopeus tutkitulla aikavälillä? e) Määritä reaktionopeus ajanhetkellä 90 minuuttia. a) MÄÄRITELMÄ: Kemiallinen reaktionopeus kuvaa reaktioon osallistuvien aineiden määrien (usein konsentraatio) muutosta aikayksikköä kohden: Reaktionopeutta, merkitään [nyy], kuvataan suureyhtälöllä b) c) Reaktion alkunopeus ajanhetkellä min saadaan piirtämällä tangentti käyrän pisteeseen ja määrittämällä tangentin kulmakerroin (matemaattinen operointi on derivaatan arvo muuttujan arvolla ).

9 Kuvaajaan hahmotetun tangentin (ja apukolmion) avulla d) Keskimääräinen nopeus saadaan seuraavasti: e) Reaktionopeus ajanhetkellä min saadaan, kuten c)-kohdassa. Piirretään tangentti ja lasketaan tangentin kulmakerroin:

10 8. grammaa metanolia ja grammaa butaanihappoa sekoitettiin astiassa ja mukaan lisättiin hiukan väkevää rikkihappoa. Kun reaktiotuote oli eristetty ja puhdistettu, sen massaksi mitattiin grammaa. a) Kirjoita lähtöaineiden välillä tapahtuvan reaktion yhtälö. (2p) b) Mitä reaktiotuote oli? (1p) c) Määritä saanto (eli saantoprosentti). (3p) a) b) Reaktiotuote oli esteriä, metyylibutanaattia, eli butaanihapon metyyliesteriä ja vettä. c) Saantoa varten määritetään ensin reaktion rajoittava tekijä. Lähtöaineiden ainemäärät: Reaktioyhtälön perusteella mutta laskettujen ainemäärien perusteella Näin ollen butaanihappo on reaktion rajoittava tekijä ja loppuu ensin. Tai metanoli on ylimäärin. Muodostuvan esterin ainemäärä määritetään butaanihapon ainemäärän kautta: Ja esterin teoreettiseksi massaksi saadaan Saannoksi tulee, kun tuotetta punnittiin 3,1 grammaa:

11 9. Kemira valmistaa rikkihappoa hapettamalla pyriittiä seuraavien reaktioyhtälöiden mukaisesti: Laske, kuinka monta litraa väkevää kg/dm 3 ) voidaan valmistaa kg:sta pyriittiä. -massaprosenttista rikkihappoliuosta (tiheys Määritetään ensin kokonaisreaktio. Kahdesta ylimmäisestä saadaan, kun keskimmäinen kerrotaan neljällä { { Yhdistetään näin saatu reaktio viimeisen vaiheen kanssa (kerrotaan jälkimmäinen reaktio kahdeksalla) ja saadaan kokonaisreaktio: { { Tämän kokonaisreaktion kertoimista saadaan ainemääräsuhteet. Määritetään pyriitin ainemäärän kautta muodostuvan rikkihapon ainemäärä: Näin ollen puhtaan eli pelkän rikkihapon massaksi saadaan ja tilavuudeksi Mutta koska kysyttiin 96,0-massaprosenttisen rikkihapon tilavuutta, täytyy vielä saatu tilavuus kertoa kertoimella, siis