KE2 Kemian mikromaailma

Transkriptio

1 KE2 Kemian mikromaailma 30. maaliskuuta 2017/S.H. Vastaa viiteen tehtävään. Käytä tarvittaessa apuna taulukkokirjaa. Kopioi vastauspaperisi ensimmäisen sivun ylälaitaan seuraava taulukko. Kokeen pisteet Kokeen arvosana (60 %) Viikkotehtävien arvosana (20 %) Töiden arvosana (20 %) Keskiarvo 1. a) Luettele kemiallisten sidosten tyypit. Sidoksia ei tarvitse kuvailla tai perustella mitenkään, vaan pelkkä luettelo riittää. (2 p.) b) Keksi jokaiselle a-kohdassa mainitsemallesi sidokselle esimerkkiaine, jossa kyseistä sidosta esiintyy. Minkä asioiden (esim. jonkinlaisten hiukkasten) välillä sidos vaikuttaa? (4 p.) 2. Selitä seuraavat havainnot aineen rakenteen tai sitoutumisen avulla. a) Happiatomi on pienempi kuin typpiatomi. b) Kiinteä natriumkloridi ei johda sähköä mutta merivesi johtaa. c) Raudasta voi takoa keihäänkärjen mutta kipsistä (CaSO 4 ) ei. 3. a) Miten voidaan selvittää kideveden määrä kiinteässä kuparisulfaatissa? Vastauksen ei tarvitse olla pitkä, mutta kuvaile työn vaiheet niin, että kemian pakollisen kurssin käynyt opiskelija osaisi selvittää asian kuvauksesi perusteella. (4 p.) b) Opiskelija määrittää kuparisulfaatin kidevesipitoisuutta. Anna realistinen esimerkki ilmiöstä tai tapahtumasta, jonka johdosta opiskelija saa todellista suuremman kidevesipitoisuuden. Anna sitten esimerkki ilmiöstä tai tapahtumasta, joka johtaa todellista pienempään kidevesipitoisuuteen. (2 p.) Käännä!

2 4. a) Laadi kaikki kaavaa C 4 H 8 vastaavat isomeerit. Merkitse, mitkä ovat cis- tai transmuotoja, jos sellaisia on. b) Kuvan yhdisteellä esiintyy konformaatioisomeriaa. Mitä tämä tarkoittaa? Esiintyykö yhdisteellä myös optista isomeriaa? Perustele. 5. Erään karboksyylihapon moolimassa on alle 100 g/mol. Kun 4,17 g ainetta poltettiin, saatiin tuotteina 8,33 g hiilidioksidia ja 3,41 g vettä. a) Selvitä yhdisteen suhde- ja molekyylikaavat. (5 p.) b) Laadi yhdisteelle kaksi mahdollista rakennekaavaa viivakaavoin esitettyinä. (1 p.) 6. Syklopropaani on hyvin reaktiivinen yhdiste, joka voi nestemäisessä muodossaan räjähtää spontaanisti. a) Piirrä syklopropaanin rakennekaava. Kuvaile molekyylin avaruudellista rakennetta sanallisesti tai piirrä selkeä perspektiivikuva, josta sidosten avaruudellinen suuntautuminen selviää. b) Mitkä ovat syklopropaanin hiiliatomien hybridisaatiotyypit? Kuinka suuria sidoskulmia molekyylissä on? c) Esitä todennäköinen syy syklopropaanin reaktiivisuudelle.

3 Ratkaisut 1. a) Kovalenttinen sidos, ionisidos, metallisidos, dispersiovoimat, dipoli-dipolisidos, vetysidos, ioni-dipolisidos. b) Kovalenttisia sidoksia on vesimolekyylissä vety ja happiatomin välissä. Ionisidoksia esiintyy kiinteässä ruokasuolassa natrium- ja kloridi-ionien välillä. Metallisidos esiintyy kiinteässä kuparissa kupari-ionien ja vapaiden elektronien välillä. Dispersiovoimia esiintyy metaanimolekyylien välillä. Dipoli-dipolisidoksia esiintyy vetykloridimolekyylien välillä. Vetysidoksia esiintyy vesimolekyylien välillä. Ionidipolisidoksia esiintyy ruokasuolan vesiliuoksessa natriumionien ja vesimolekyylien ja toisaalta kloridi-ionien ja vesimolekyylien välillä. 2. a) Happi ja typpi ovat molemmat toisen jakson alkuaineita, joten niiden uloimmat elektronit ovat toisella kuorella. Happiatomilla on ytimessään yksi protoni enemmän kuin typellä. Siksi hapen ydin vetää elektroneja vahvemmin puolellensa kuin typen ydin. Siksi hapen elektronit myös sijaitsevat lähempänä ydintä, ja happiatomi on typpiatomia pienempi. b) Meriveteen on liuennut erilaisia suoloja, joiden ionit pääsevät liikkumaan vapaasti ja näin kuljettavat sähkövarausta liuoksessa. Kiinteän natriumkloridin ionit ovat paikoillaan kidehilassa, eivätkä ne pääse liikkumaan eikä sähkövaraus siksi etene. c) Kun kipsiä yritetään takoa, isku pakottaa sen samanmerkkiset ionit kohdakkain. Sähköinen hylkimisvoima murtaa kiteen. Raudan tapauksessa metallihilan vapaat elektronit estävät rautakationeja joutumasta kohdakkain eikä sähköisiä hylkimisvoimia näin synny. Rakenne ei siis hajoa, vaan rauta on muovailtavaa. 3. a) Varustaudutaan työtakilla ja suojalaseilla. Punnitaan tietty tarkka massa kidevedellistä kuparisulfaattia punnittuun haihdutusmaljaan. Haihdutetaan kidevesi pois kuumentamalla haihdutusmaljaa alapuolelta kaasupolttimella. Kun kuparisulfaatin sininen väri on hävinnyt, on vesi poistunut. Liian pitkään ei pidä kuumentaa, jottei aine reagoi ilman kanssa. Punnitaan haihdutusmalja kuparisulfaatteineen, ja vähennetään massasta haihdutusmaljan massa. Näin saadaan kideveden massa, josta voidaan edelleen laskea massaprosenttinen osuus tai kideveden kerroin kaavassa. (Tehtävässä ei vaadita jatkolaskujen kuvailua.)

4 b) Todellista suurempaan kidevesipitoisuuteen johtaa se, että jostain syystä saadaan todellista pienempi haihdutusjäännöksen massa. Tähän johtavia tekijöitä: Kun kuparisulfaattia sekoitetaan kuumennuksen aikana lasisauvalla, sitä tarttuu lasisauvaan. Kuparisulfaattia kuumennetaan liian pitkään. Tällöin kaasumaista reaktiotuotetta poistuu astiasta. (Tapahtuvasta reaktiosta riippuen voi tietenkin käydä myös niin, että haihdutusjäännöksen massa kasvaa.) Todellista pienempään kidevesipitoisuuteen johtaa se, että jostain syystä saadaan todellista suurempi haihdutusjäännöksen massa. Tähän johtavia tekijöitä: Kuumennetaan liian vähän aikaa, jolloin osa kidevedestä jää haihtumatta. Kaasupoltin ei saa tarpeeksi happea, jolloin liekki nokeaa haihdutusmaljan pohjan. Haihdutuksen jälkeen kuparisulfaatti imee kosteutta ilmasta. 4. a) trans cis b) Konformaatioisomeria tarkoittaa sitä, että yhdisteen atomiryhmät voivat pyöriä yksinkertaisten kovalenttisten sidosten ympäri. Näin esimerkiksi molekyylin oikean yläkulman metyyliryhmien avaruudellinen sijainti muuttuu ja näin saadaan erilaisia konformaatioita. Yhdisteellä esiintyy myös optista isomeriaa, sillä siinä on neljään erilaiseen atomiryhmään liittynyt eli asymmetrinen hiiliatomi. Asymmetrinen hiiliatomi on merkitty kuvaan tähdellä. * 5. a) Karboksyylihapossa on hiiltä, vetyä ja happea. Hiilen ainemäärä on sama kuin hiilidioksidin ja vedyn ainemäärä on kaksinkertainen veden ainemäärään nähden: n(c) 0,18928 mol ja n(h) = 2n(H 2 O) 0,37855 mol. Ainemääristä saadaan hiilelle ja vedylle massoiksi m(c) 2,2732 g ja m(h) 0,38158 g. Hapen massa on tällöin m(o) = m(yhdiste) m(c) m(h) 1,5152 g ja hapen ainemääräksi saadaan n(o) 0, mol. Ainemäärien suhde on n(c) : n(h) : n(o) 2 : 4 : 1, jolloin yhdisteen suhdekaava on

5 (C 2 H 4 O)x. Koska moolimassa on alle 100 g/mol, saadaan suhdekaavaa vastaavan moolimassan 44,052x g/mol perusteella pääteltyä, että x = 1 tai x = 2. Kuitenkin karboksyylihapossa on karboksyyliryhmän -COOH takia välttämättä vähintään kaksi happiatomia, joten x = 1 on mahdoton. Siis molekyylikaava on C 4 H 8 O 2. (Ratkaisu on tiivistelmä. Koevastauksessa on esitettävä täydellinen lasku kaavoineen ja kaavaansijoituksineen.) b) O O OH OH 6. a) Hiiliatomit ovat samassa tasossa. Kuhunkin hiiliatomiin on liittynyt kaksi vetyatomia, joista toinen on hiiliatomien tason yläpuolella ja toinen alapuolella. b) Hiiliatomit ovat kaikki sp 3 -hybridisoituneita. Hiiliatomien välisten sidosten välinen kulma on 60. Hiili- ja vetyatomien välisten sidosten välinen kulma on noin 109. (Hiili-hiili-sidoksen ja hiili-vety-sidoksen välistä kulmaa ei tarvitse määrittää.) c) Kolmen hiilen rengas on epäsuotuisa rakenne, sillä geometria pakottaa sidoskulmaksi 60 vaikka sp 3 -hybridisoituneen hiiliatomin optimaalinen sidoskulma on noin 109. Nyt hiiliatomien sp 3 -hybridiorbitaalit eivät pääse peittämään toisiaan kovin hyvin, joten muodostuva sidos on heikko.