Bentseeni on vaikeasti reagoiva yhdiste. Bentseeni on avaruusrakenteeltaan tasomainen. Bentseenin

Transkriptio

1 Kemian kurssikoe, Ke2 Ihmisen ja elinympäristön kemiaa RATKAISUT Keskiviikko VASTAA TEHTÄVIIN 1 3 JA KAHTEEN TEHTÄVÄÄN TEHTÄVISTÄ 4 6! MAOL JA LASKINOHJELMISTOT OVAT SALLITTUJA! Sievin lukio 1. Monivalinta. Valitse oikea vastaus (vain yksi on oikea). 1.1 Montako elektronia voi enintään olla kolmannella eneriatasolla? Mikä bentseeniä koskeva väite on väärin? Bentseeni on vaikeasti reaoiva yhdiste. Bentseeni on avaruusrakenteeltaan tasomainen. Bentseenin kaikki hiiliatomit ovat sp 2 -hybridisoituneita. Bentseenissä on sp 2 - ja sp 3 -hybridisoituneita hiiliatomeja, koska se on delokalisoitunut. 1.3 Erään hiilivedyn yleinen kaava on muotoa C n H 2n-2. Se ei voi olla alkyyni. sykloalkeeni. sykloalkaani. konjuoitunut alkeeni. 1.4 Millä seuraavista yhdisteistä voi esiintyä optista isomeriaa? 2-hydroksipropaanihappo 2-metyyli-2-penteeni 2-buteeni 2,2-dimetyylibutaani 1.5 Millä seuraavista yhdisteistä voi esiintyä cis-trans-isomeriaa? 1-buteeni 2-buteeni 2-metyyli-2-pentanoli 2-metyyli-2-penteeni 1.6 Mikä seuraavista väittämistä on tosi? Yhdisteen CH 2 BrCH 2 CH 2 CH(OH)CH 3 (kuva alla) nimi on 1-bromi-4-butanoli tai 1-bromibutan-4-oli butan-1-bromi-4-oli 1-bromi-4-pentanoli tai 1- bromipentan-4-oli 5-bromi-2-pentanoli tai 5-bromipentan-2-oli Hyväksytään myös 1-bromi-4-pentanoli.

2 1.7 Mikä seuraavista väittämistä on väärin? Kun s-orbitaali ja kolme p-orbitaalia sekoittuvat keskenään muodostuu sp-hybridiorbitaali. p- orbitaalien yhteensulautuminen johtaa aina piisidoksen muodostumiseen hybridisaatiossa. Kovalenttisessa kaksoissidoksessa on piisidos ja simasidos. Piisidos on heikompi kuin simasidos. 1.8 Mitkä yhdisteparit ovat keskenään isomeerejä? propaani syklopropaani 2-butanoli metyylipropyylieetteri etanoli etanaali bentseeni sykloheksaani 1.9 Millä seuraavista yhdisteistä on todennäköisimmin korkein kiehumispiste? 1-propanoli propeeni etyylimetyylieetteri 2,2-dimetyylipropaani 1.10 Miten alleviivattu atomi on hybridisoitunut? H 2 C=CH 2 sp sp 2 sp 3 ei mikään mainituista 1.11 Klorofyllinäytteen ainemäärä on 2,0 moolia. Kuinka monta moolia näytteessä on vetyä, kun klorofyllin ekyylikaava on C 51 H 72 O 4 N 4 M? Kuvassa on eräs funktionaalinen ryhmä. Sen nimi on esteri amiini amidi aldehydi 1.13 Mikä seuraavista on stereoisomerian laji? paikkaisomeria kristalli-isomeria optinen isomeria funktioisomeria

3 1.14 Enalapriili (kuva alla) on kohonneen verenpaineen alentamiseen ja sydämen vajaatoiminnan hoitoon käytetty yhdiste. Kuinka monta asymmetristä hiiltä sillä on? Mikä seuraavista ei ole aineen rakenteen analyysimenetelmä? Röntenkristallorafia IR-spektroskopia Massaspektrometria Ohutlevykromatorafia 2. Ananaksesta eristetty yhdiste, m(yhdiste) = 0, 4536, tuotti polttoanalyysissä 1, 0312 hiilidioksidia ja 0, 4221 vettä. a) Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? (3,5p) b) Massaspektrometrin mukaan yhdisteen moolimassa on 116, 16 /. Määritä yhdisteen ekyylikaava (1p) c) IR-spektrin ja rakennemäärityksen nojalla tiedetään, että yhdiste on suoraketjuinen esteri, jossa on etyyliryhmä. Piirrä yhdisteen viivakaava ja nimeä yhdiste? (1,5p) MarwinSketchillä tehty ratkaisu +1p (Nimi kuitenkin on oltava suomeksi!) a) Kun hiiliyhdiste palaa täydellisesti (happea on riittävästi eli ylimäärin) muodostuu hiilidioksida ja vettä. Siis C X H Y O Z (s, l tai ) + O 2 () X CO 2 () + Y 2 H 2O ()

4 Tällöin stoikiometrisistä kertoimista saadaan ja n(c) = n(co 2 ) = m M = 1,031 2 = 0, ,01 / n(h) = 2 n(h 2 O) = 2 m M = 2 0, ,016 = 0, m(c) = n M = 0, ,01 = 0, m(h) = n M = 0, ,008 = 0, Tarkistetaan oliko yhdisteessä happea? On, koska m(o) = m(yhdiste) m(c) m(h) = 0, n(o) = m 0, = M = 0, ,00 Näin ollen yhdisteen alkuaineiden C, H ja O moolisuhteet n(c): n(h): n(o) Siis, yhdisteen suhde- eli empiirinen kaava on (C 3 H 6 O) n. jaetaan pie nimmälllä 3: 6: 1 b) Yhdisteen ekyylikaavaa varten tarvitaan tieto empiirisen kaavan n lukuarvosta. Se saadaan jakamalla saatu moolimassa yhden yksikön suhteellisella ekyylimassalla, eli n = M(yhdiste) M r (C 3 H 6 O) = 116,16 58,078 Näin ollen yhdisteen ekyylikaava on C 6 H 12 O 2. c) Koska yhdiste on suoraketjuinen, jolla etyyliryhmä, niin ainoa mahdollinen esteri on butaanihapon etyyliesteri eli etyylibutanaatti. 2.

5 3. Hyödynnä monistetta ja MAOL:ia! a) Tutki oheista rakennekaavaa ja selvitä i) kuinka monta peptidisidosta ekyylissä on ii) kuinka monta aminohappoa vapautuu, kun kaikki peptidisidokset hydrolysoidaan eli katkaistaan ja iii) mistä aminohapoista ekyyli on rakentunut. (2p) b) Kirjoita sellaisen tetrapeptidin rakenne, jossa lutamiini, kysteiini, proliini ja seriini liittyvät yhteen tässä järjestyksessä. VIHJE: MAOL aminohapot. (2p) c) Selitä lyhyesti, mutta riittävästi seuraavat käsitteet (selvitä ainakin rakenne ja kuuluuko yhdiste hiilihydraatteihin, rasvoihin tai proteiineihin): selluloosa, trilyseridi. (2p) a) i) Molekyylissä on kaksi peptidisidosta, ii) Aminohappoja vapautuu kolme ja iii) ne ovat vasemmalta oikealle Valiini Alaniini Treoniini. b) Kyseiset aminohapot ovat rakenteeltaan seuraavanlaisia: Glutamiini Kysteiini Proliini Seriini Ketjun aminohappojärjestys ilmoitetaan aina alkaen siitä päästä, jossa on vapaa aminoryhmä. Siis Valiini on vasemmanpuoleisin ja Seriini jää oikeaan reunaan. Kyseessähän on polykondensaatio, vesi lohkeaa pois. +3 H 2 O

6 c) Selluloosa on lukoosiyksiköistä koostuva hiilihydraattipolymeeri, joka on rakennusaineena useimpien kasvien soluseinissä. Selluloosa eroaa tärkkelyksestä siten, että lukoosit ovat sitoutuneet toisiinsa β-1,4- sidoksilla. Trilyseridit eli varsinaiset rasvat muodostuvat yhdestä lyseroliekyylistä sekä siihen esteröityneistä kolmesta rasvahappoketjusta. Trilyseridit ovat elimistön tärkein enerian varastomuoto ja ne varastoituvat rasvakudoksen rasvasolujen rasvapisaroihin. 4. a) Piirrä yhdisteelle (kuva alla) i) yksi paikkaisomeeri, ii) yksi ketjuisomeeri, iii) yksi funktioisomeeri. iv) Nimeä kaikki piirtämäsi yhdisteet. (3p)

7 b) Piirrä seuraavat yhdisteet ja vastaa kysymyksiin: i) 2-bromi-heksaani; Onko yhdisteessä sp 2 -hybridisoituneita hiiliatomeita? ii) 6-etyyli-5,3-dimetyyli-2-oktanoli; Onko alkoholi primäärinen, sekundäärinen vai tertiäärinen? iii) cis-4-amino-sykloheptanoli; Kuinka avaruudellinen sidosten suuntautuminen tulee piirtää tasokuviossa? iv) Määritä edellä annettujen yhdisteiden ekyylikaava ja laske niiden moolimassa. (3p) a) i) ii) iii) Muita paikka- tai ketjuisomeerejä ei ole, koska kolmiulotteinen tarkastelu. Koska yhdisteessä on vain yksi happi, niin kolmas funktioisomeeri voisi olla eetterit tai alkoholit, mutta tällöin olisi vetyjä liian vähän tai yksi hiili liikaa. b) i) ii) iii) Ei ole yhtään sp 2 -hybridisoituneita hiiliatomeita. C 6 H 13 Br M(C 6 H 13 Br) = 165,064 Alkoholi on sekundäärinen. C 12 H 26 O M(C 12 H 26 O) = 186,328 Tasossa olevat sidokset pelkillä viivoilla, tasosta katsojaan päin vahvennetulla viivalla ja tasosta poispäin katkoviivalla. C 7 H 15 ON M(C 7 H 15 ON) = 129,2

8 5. a) Aspartaami C 14 H 18 N 2 O 5 on paljon käytetty keinotekoinen makeutusaine. Kuinka monta moolia typpeä 50 ramman aspartaamipakkaus sisältää? (2p) b) Veriplasman maitohappokonsentraatio on 1, 2 m/l. Missä veriplasmamäärässä on 15 m maitohappoa? Maitohapon ekyylikaava on C 3 H 6 O 3. (2p) c) Kuinka ekyylin poolisuus määritellään? Anna esimerkkejä vastauksesi osana. Hyödynnä tarvittaessa videomateriaalia aineistot-osiosta. (2p) a) Koska m(c 14 H 18 N 2 O 5 ) = 50 ja M(C 14 H 18 N 2 O 5 ) = 14 12, , , ,00 niin 50 n(c 14 H 18 N 2 O 5 ) = = 0, ,304 Yhdessä aspartaami-ekyylissä on kaksi typpeä, joten = 294,304 n(n) = 2 n(c 14 H 18 N 2 O 5 ) = 2 0, = 0, ,34. b) Koska m = n M ja toisaalta n = c V, niin m = c V M V(veriplasma) = m c M = 0,001 2 l c) Molekyylin poolisuuteen/poolittomuuteen vaikuttaa poolisten/ poolittomien sidosten lisäksi ekyylin koko ja symmetria: - Jos ekyylissä on vain yksi sidos, niin ekyyli on poolinen/ pooliton sen mukaan onko sidos poolinen / pooliton. - Molekyyli on pooliton, jos siinä on vain poolittomia sidoksia. - Nettodipoli häviää täysin symmetrisissä ekyyleissä. Katso esimerkit!, 0,015 90,078 = 0,138 l 140 ml.

9 6. a) Laske ja selitä kuinka valmistat natriumfosfaatista Na 3 PO ml liuosta, jonka natriumfosfaatin konsentraatio on 0, 3 /l. (2p) b) Selitä poolisuuden ja ekyylien välisten sidosten avulla (piirrä kuvia vastauksesi tueksi), miksi i) butanaalin kiehumispiste on on alhaisempi (76 C) kuin 1-butanolin (118 C). ii) metaanihappo HCOOH liukenee hyvin veteen, mutta steariinihappo CH 3 (CH 2 ) 16 COOH ei. Hyödynnä tarvittaessa videomateriaalia aineistot-osiosta. (2p) c) Selitä i) kuinka pii-sidos syntyy. ii) mitä tarkoitetaan bentseenirenkaan renasmaisella elektronipilvellä. (2p) a) Ensin lasketaan kuinka paljon tarvitaan Na 3 PO 4. Koska haluttu konsentraatio 0,3 /l ja tilavuus 0,25 l on tiedossa, niin kaavalla n = c V saadaan tarvittava ainemäärä määritettyä. Siis Natriumfosfaatin moolimassa on ja näin ollen tarvittava massa VALMISTUS: n(na 3 PO 4 ) = c V = 0,3 l M(Na 3 PO 4 ) = 3 22, ,97 0,25 l = 0, ,00 m(na 3 PO 4 ) = n M = 0, ,94 = 163,94 = 12, Punnitsen vaa alla tarkasti noin 12,2955. (Tarkoittaa siis sitä, että noin 12,2955, mutta otan vaa an tarkan lukeman ylös.). Otan 250 ml mittapullon, jonne lisään hieman (pulloon noin 1/3-osa pohjalle) ionivaihdettua vettä (akkuvesi). Lisään punnitun natriumfosfaatin pulloon käyttäen suppiloa ja huljutan suppilon ionivaihdetulla vedellä. Liuotan kiinteän aineen, tarvittaessa lämmitys kevyesti (kädellä). Lopuksi täytän merkkiin asti ionivaihdetulla vedellä. b) i) Molemmat yhdisteet ovat neljän hiilen ekyylejä.

10 1-butanoli on primäärinen alkoholi, eli sillä on hydroksyyliryhmä, -OH, hiiliketjun päässä. Tämän ryhmän kautta 1-butanoli muodostaa vetysidoksia toisiin 1-butanoliekyyleihin. Eli 1-butanoliekyylien välille syntyy vahvoja ekyylien välisiä vetysidoksia. Butanaalissa on karbonyylinen hiili, eli kaksoissidos C=O, hiiliketjun päässä. Tämän aldehydiryhmän, -CHO, kautta butanaali on poolinen ekyyli. Syntyy siis dipoli. Huom. hiiliketjun pituus 4 kpl ei tuhoa poolisuutta. Butanaaliekyylien välille syntyy dipoli-dipolisidoksia, jotka ovat heikompia kuin vetysidokset. Näin ollen butanaali kiehuu alemmassa lämpötilassa kuin 1-butanoli. ii) Molemmat yhdisteet ovat karboksyylihappoja (sama funktionaalinen ryhmä -COOH), hiiliketjun pituus on eri. Metaanihappo, HCOOH, on koostunut pienistä, poolisista ekyyleistä. Happoryhmän kautta metaanihappo-ekyylit voivat vetysidoksin vuorovaikuttaa vesiekyylien kanssa, joten metaanihappo liukenee hyvin veteen. Itseasiassa metaanihappo reaoi osittain veden kanssa luovuttaen protonin eli vetyionin.

11 Reaktio veden kanssa: Steariinihapossa on pitkä pooliton hiiliketju, joka ns. tuhoaa happoryhmän poolisuuden. Steariinihappo on näin ollen pooliton (hyvin heikosti poolinen), vain dispersiovoimia. Näin ollen steariinihappoekyyli vuorovaikuttaa heikosti tai ei lainkaan poolisen veden kanssa. Vesiekyylit eivät pääse tunkeutumaan pitkien, poolittomien hiilivetyketjujen väliin. Steariinihappo ei näin ollen liukene veteen.

12 c) i) Pii-sidos syntyy kun hybridisoitumattomat 2p-atomiorbitaalit sulautuvat yhteen kaksiosaiseksi sidos-orbitaaliksi. Määritelmä, piisidos: Tason suhteen symmetristä sidosta, jossa atomiorbitaalit ovat sivuttain sulautuneet yhteen sidosorbitaaliksi, kutsutaan π-si-dokseksi.. Hybridisoitumaton atomiorbitaali sp 2 -hybridisaatiossa. Muista: Yhdellä orbitaalilla max kaksi elektronia.

13 ii) Bentseenirenkaan jokaisen sp 2 -hybridisoituneen hiiliatomin hybridisoitumattomat p-atomiorbitaalit sulautuvat yhteen muodostaen koko ekyylin yli menevän sidoksen, muodostuu delokalisoitunut kuuden elektronin pii-sidos. Katso kuvasarja alla.

14