Jakso 0 Kertaa oppimaasi! vastaukset

Transkriptio

1 Jakso 0 Kertaa oppimaasi! vastaukset 1. 1 H F D 4 C 5 E 6 I 7 A 8 J 9 B 10 G. 1 I H B 4 F 5 A 6 C 7 D 8 G 9 E 10 J

2 . Tapahtuma Entalpiamuutos Endoterminen Eksoterminen N O 4(g) NO (g) ΔH = +58 kj X HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H O(l) ΔH < 0 X NH 4NO (s) NH (aq) + NO (aq) ΔH > 0 X 4 SO (g) + O (g) SO (g) ΔH = 19 kj X Ag + (aq) + Cl (aq) AgCl(s) ΔH = +65,5 kj X a) Kuvaaja esittää neljän eri suolan liukoisuuden lämpötilariippuvuuden. b) Ioniyhdiste D. c) Ioniyhdisteen D. d) Noin +91 C:ssa. e) Noin 14 g (46 g g).

3 6. a) Natriumkloridin moolimassaa, joka on 58,44 g/mol. b) Natriumkloridiliuoksen konsentraatiota, joka on 0,15 mol/l. c) Kloridi-ionien konsentraatiota, joka on 0,5 mol/l. d) Klooriatomin suhteellista atomimassaa, joka on 5,45. e) Kaasun moolitilavuutta, kun lämpötila on 0 C ja paine 1,01 5 bar. 7. a) Väärin Yhdessä moolissa typpikaasua (N) on 6,0 10 typpiatomia. b) Oikein c) Väärin Kaksi moolia vetykaasua (H) sisältää 6,0 10 vetymolekyyliä. d) Väärin M(I) = 5,80 g/mol. e) Väärin n(o) = 0,50 mol ja n(ne) = 1,0 mol. f) Oikein 8. A. c) B. b) C. c) D. b) E. a) F. a)

4 9. a) 4 Al(s) + O(g) AlO(s) b) MgCO(s) + HCl(aq) MgCl(aq) + CO(g) + HO(l) c) NaPO4(aq) + Fe(SO4)(aq) NaSO4(aq) + FePO4(s) d) Br(aq) + NaI(aq) NaBr(aq) + I(aq) e) Cu(s) + NO (aq) + 8 H + (aq) Cu + (aq) + NO(g) + 4 HO(l) tai Cu(s) + NO (aq) + 4 H + (aq) Cu + (aq) + NO(g) + HO(l)

5 Jakso 1 Kemiallisen reaktion nopeus vastaukset ja ratkaisut 1.1 Reaktionopeus ja siihen vaikuttavat tekijät 1.1 A a, c B d C b D c E a, c 1. a) Väärin reaktion edetessä reaktiotuotteiden konsentraatio kasvaa. b) Väärin reaktionopeus voidaan laskea lausekkeesta c) Oikein d) Oikein v Δm. t e) Väärin kun lämpötilaa kohotetaan, kemiallinen reaktio nopeutuu, sillä nopeiden hiukkasten määrä lisääntyy ja suotuisia törmäyksiä tapahtuu enemmän aikayksikkö kohden. f) Oikein. 1. Ratkaisu: a) Δc = 0,5 mol/dm Δt = 0 min v c t 0,5 mol dm 0 min 0,0150 mol/dm min 0,01 mol/dm min.

6 b) Δc = 1,4 mmol/dm = 1,4 10 mol/dm Δt = 0 s = 0, min v c t 1,4 10 mol dm 0, min 4, 4 10 mol/dm min 4, 10 mol/dm min. c) Δn =, mol V(reaktioseos) = 5,0 ml = 0,0050 dm Δt = 15 min = 900 s c n V 4,0 10 mol 0,0050 dm 0,06000 mol/dm v c t 0,06000 mol dm 900 s 5 5 6, mol/dm s 6, 7 10 mol/dm s. Reaktionopeuksien vertailua varten ratkaistaan tämän reaktion nopeus myös yksikössä mol/dm min: v c t 0,06000 mol dm 15 min 4, mol/dm min 4,0 10 mol/dm min. Vastaus a) v = 0,01 mol/dm min. b) v = 4, 10 mol/dm min. c) v = 6, mol/dm s. Reaktion A nopeus on suurin.

7 1.4 A. 5. AlO(s), heterogeeninen B.. MnO(s), heterogeeninen C. 6. HSO4(l), heterogeeninen D.. VO5(s), heterogeeninen E. 1. ZnO(s)+ CrO(s), heterogeeninen F. 4. Cu(s), heterogeeninen 1.5 a) b) v c(b) t c) Ajanhetkellä 0 aineita B ja C ei ole lainkaan, sillä ne ovat reaktiotuotteita. Reaktion käynnistyttyä aineiden B ja C konsentraatiot kasvavat yhtä nopeasti, sillä reaktioyhtälössä niiden kertoimet ovat yhtä suuret. d) Aineiden B ja C konsentraatioiden muutos aikayksikköä kohti on puolet aineen A konsentraation muutoksesta. Tasapainotetun reaktioyhtälön perusteella sekä aineen B että aineen C kerroin on yksi, kun se aineelle A on kaksi.

8 a) Molempien reaktioiden nopeudet kasvavat, kun lämpötila nousee. b) Räjähdysreaktiot ovat eksotermisiä, joten ne vapauttavat lämpöenergiaa. Tällöin törmäilevien hiukkasten kineettinen energia lisääntyy ja reaktionopeus kasvaa voimakkaasti. c) Reaktion C. d) Entsyymit ovat proteiineja, joiden kolmiulotteinen, aktiivinen rakenne tuhoutuu (denaturoituu) korkeissa lämpötiloissa. Entsyymi ei tällöin enää sido substraattia tehokkaasti, joten reaktiotuotteiden määrä aikayksikköä kohden on pienempi.

9 Perustelut: Reaktioissa ja on yhtä suuri ainemäärä suolahappoa (rajoittava tekijä), joten näistä reaktioista muodostuvan vetykaasun tilavuus on yhtä suuri. Reaktion alkunopeus on suurempi, sillä suolahappo on väkevämpää. Reaktiossa 1 muodostuvan vetykaasun tilavuus on puolet reaktioissa ja muodostuvan vetykaasun tilavuudesta. Alkunopeus on sama kuin reaktiossa, sillä suolahapon konsentraatio on sama.

10 1.10 a) Sinkkijauheessa reaktiopinta-ala on suurempi, joten sinkkiatomien ja suolahapon välisiä suotuisia törmäyksiä tapahtuu enemmän aikayksikköä kohti. b) Kun kaasuja puristetaan kokoon, tilavuus pienenee, jolloin kaasuhiukkaset törmäilevät useammin. Bensiinin reaktio hapen kanssa (palamisreaktio) nopeutuu. c) Sämpylätaikinaan lisättävä hiiva sisältää entsyymejä, jotka katalysoivat hiilidioksidin muodostumista hiilihydraateista. Kun taikinaa pidetään huoneenlämmössä, entsyymin katalysoimana hiilidioksidia muodostuu nopeammin kuin jääkaapissa. d) Jauhelihassa reagoiva pinta-ala on suurempi (rasvaa ja proteiinia on suuremmalla alalla), jolloin pilaantumisreaktiot (hapettumisreaktiot ilman hapen kanssa) tapahtuvat nopeammin. e) Sadevesi on happamampaa kuin aiemmin, koska ilmakehään on joutunut happamia oksideita (typen ja rikin oksidit). Marmorin kalsiumkarbonaatti hajoaa tällaisen sadeveden vaikutuksesta nopeammin. Lisäksi ilmaston lämpeneminen nopeuttaa hajoamisreaktiota. f) Veri sisältää entsyymiä, joka nopeuttaa vetyperoksidin hajoamista vedeksi ja hapeksi. Reaktio tapahtuu niin nopeasti, että hapen muodostuminen nähdään kuplimisena.

11 1. Reaktionopeuden mittaaminen ja graafinen esittäminen 1.11 Ratkaisu: a) Δt1 = 10,0 s 0,0 s = 10,0 s ΔV1(O) = 8,0 cm 0,0 cm = 8,0 cm. v 1 V (O ) 8,0 cm 1 0,8000 cm /s 0,80 cm /s t 1 10,0 s. Δt = 0,0 s 5,0 s = 15,0 s ΔV(O) = 1,0 cm 4,0 cm = 8,0 cm v V (O ) 8,0 cm t 15,0 s 0,5 cm /s 0,5 cm /s. b) Hapen muodostumisnopeus pienenee, kun reaktio etenee, sillä vetyperoksidin konsentraatio pienenee, jolloin suotuisia törmäyksiä tapahtuu vähemmän aikayksikköä kohden. a) v1 = 0,80 cm /s v = 0,5 cm /s b) Hapen muodostumisnopeus pienenee, kun reaktio etenee, sillä vetyperoksidin konsentraatio pienenee, jolloin suotuisia törmäyksiä tapahtuu vähemmän aikayksikköä kohden.

12 1.1 A. 6. B. 1., 5. C.., 4. D.. E. 4. F Ratkaisu: a) Mg(s) + HCl(aq) MgCl(aq) + H(g) b) t = 1,0 0,0 min = 1,0 min V = 16,0 ml 0,0 ml = 16,0 ml

13 16,0 ml v 16, 00 ml/min 16 ml/min. 1,0 min c) Joko magnesium tai suolahappo (tai molemmat) ovat kuluneet loppuun, joten reaktiotuotetta ei muodostu enää lisää. d) t = 5,0,1 min = 1,9 min V = 41,5 ml 5,0 ml = 6,5 ml 6,5 ml v, 41 ml/min,4 ml/min. 1,9 min

14 e) V(H) = 40,0 ml = 0,0400 dm Vm =,41 dm /mol M(Mg) = 4,1 g/mol m(mg) =? n V (H ) 0,0400 dm V,41 dm / mol (H ) 1, mol m n(mg) = n (H ) 1, mol. m(mg) = n(mg) M(Mg) = 1, mol 4,1 g/mol = 0,0491 g 0,044 g. f)

15 a) Mg(s) + HCl(aq) MgCl(aq) + H(g) b) v = 16 ml/min c) Joko magnesium tai suolahappo (tai molemmat) ovat kuluneet loppuun, joten reaktiotuotetta ei muodostu enää lisää. d) v =,4 ml/min e) m(mg) = 0,044 g f)

16 1.14 Ratkaisu: MnO (s) a) HO(aq) HO(l) + O(g) b) c) Aikavälillä 0,0,0 minuuttia happea syntyy runsaasti aikayksikköä kohden, eli reaktionopeus on suuri. Tämän jälkeen reaktionopeus hidastuu. 10,0 minuutin jälkeen happea ei enää muodostu lisää (hapen tilavuus pysyy vakiona). d) Reaktio on aluksi nopea eli vetyperoksidin konsentraation muutos on suurimmillaan. Jotta kuvaajalle saadaan riittävästi havaintoarvoja (kuvaajasta tulee tarkempi), on mittauksia syytä tehdä pienillä aikaväleillä.

17 e) V1(O) = 0 ml V(O) = 86 ml t1 = 0,0 min t = 10,0 min 86 ml 0 ml v 8, 600 ml/min 8,6 ml/min. 10,0min 0,0min f) V1(O) = 0 ml V(O) = 1 ml t1 = 0,0 min t = 1,0 min

18 1 ml 0 ml v 1, 00 ml/min 1 ml/min. 1,0min 0,0min g) V1(O) = 45 ml V(O) = 65 ml t1 =,5 min t = 4,5 min 65 ml 45 ml v 10, 000 ml/min 10,0 ml/min. 4,5min,5min h) Määrittämällä vetyperoksidin konsentraatio tai reaktioseoksen massa eri aikoina.

19 MnO (s) a) HO(aq) HO(l) + O(g) b) c) Aikavälillä 0,0,0 minuuttia happea syntyy runsaasti aikayksikköä kohden, eli reaktionopeus on suuri. Tämän jälkeen reaktionopeus hidastuu. 10,0 minuutin jälkeen happea ei enää muodostu lisää (hapen tilavuus pysyy vakiona). d) Reaktio on aluksi nopea eli vetyperoksidin konsentraation muutos on suurimmillaan. Jotta kuvaajalle saadaan riittävästi havaintoarvoja (kuvaajasta tulee tarkempi), on mittauksia syytä tehdä pienillä aikaväleillä. e) v = 8,6 ml/min. f) v = 1 ml/min. g) v = 10,0 ml/min. h) Määrittämällä vetyperoksidin konsentraatio tai punnisemalla reaktioseoksen massa eri ajanhetkillä.

20 1.15 Ratkaisu: a) b)

21 c) Kulmakerroin ajanhetkellä,0 min: y1 = 5,0 (ml) y = 5,0 (ml) x1 = 1,0 (min) x =,5 (min) k y y x x 1 1 5,0 5,0,5 1,0 4,0.

22 Kulmakerroin ajanhetkellä 10,0 min: x1 = 8,0 (min) x = 1,4 (min) y1 = 14,0 (ml) y = 7,0 (ml) k y x y x 1 1 7,0 14,0 1,4 8,0,0. Koska mittausmenetelmä perustui reaktioseoksen massan vähenemiseen, molemmat kulmakertoimet ovat negatiivisia lukuja. Ajanhetkelle 10,0 min piirretyn suoran kulmakertoimen lukuarvo on pienempi, mikä tarkoittaa, että reaktioseoksen massan muutos aikayksikköä kohti on pienempi. Tämän perusteella reaktionopeus on hitaampi ajanhetkellä 10,0 min kuin ajanhetkellä,0 min. d) Kulmakertoimien lukuarvot kasvaisivat, sillä reaktioseoksen massan muutos (y y1) kasvaisi tietyllä aikavälillä. Korkeammassa lämpötilassa hiilidioksidia muodostuisi nopeammin / reaktionopeus (massan muutos aikayksikköä kohden) olisi suurempi.

23 a) b)

24 c) k(,0 min) = 4,0 k(10,0 min) =,0 d) Kulmakertoimien lukuarvot kasvaisivat, sillä reaktioseoksen massan muutos (y y1) kasvaisi tietyllä aikavälillä. Korkeammassa lämpötilassa hiilidioksidia muodostuisi nopeammin / reaktionopeus (massan muutos aikayksikköä kohden) olisi suurempi a) Katalyytti tulee lisätä mahdollisimman nopeasti ja siten, että kiinteä jauhe menee pullon pohjalle, jotta vetyperoksidin hajoamisreaktio käynnistyy. Erlenmeyerpullo tulee sulkea mahdollisimman nopeasti, ettei muodostuvaa happikaasua pääse karkaamaan avonaisesta pullosta. b) Täyspipetillä (tai byretillä). c) Mangaanidioksidi ei ole lähtöaine, joten sen tarkalla määrällä ei ole merkitystä reaktionopeuden kannalta. d) Jos käytetään isoa erlenmeyerpulloa, reaktiossa vapautuva kaasu (O) nostaa pullon painetta hitaammin, jolloin mäntä liikkuu vähemmän ja kaasun tilavuuteen tulee suurempi mittausvirhe. e) Kirkas vetyperoksidiliuos muuttuu tummaksi/värjäytyy, kun mangaanidioksidia liukenee. Liuoksessa havaitaan kaasun muodostumista/kuplimista. Kaasuruiskun mäntä liikkuu eteenpäin, kun reaktiossa vapautuvaa kaasua kerääntyy ruiskuun. Pullo lämpenee, sillä reaktio on eksoterminen.

25 1.17 Ratkaisu: a) Kokeiden ja perusteella (otsonin konsentraatio on vakio) typpimonoksidin konsentraation lisääntyminen nopeuttaa reaktiota. Kun typpimonoksidin konsentraatio kolminkertaistuu, myös reaktionopeus kolminkertaistuu. b) k =, mol 1 dm s 1 c(no) = 4, mol/dm c(o) = 7, mol/dm v =? v = k c(no) c(o) =, mol 1 dm s 1 4, mol/dm 7, mol/dm = 7, mol/dm s 7, mol/dm s. c) v = 5,15 10 mol/dm s k = 1, mol 1 dm s 1 c(o) =, mol/dm c(no) =?

26 v = k c(no) c(o) 1 v 5,15 10 (mol dm s ) (O ) 1,15 10 (mol dm s ),50 10 (mol dm ) c(no) kc = 1, mol dm 1, mol/dm. a) Kokeiden ja perusteella (otsonin konsentraatio on vakio) typpimonoksidin konsentraation lisääntyminen nopeuttaa reaktiota. Kun typpimonoksidin konsentraatio kolminkertaistuu, myös reaktionopeus kolminkertaistuu. b) v = 7, mol/dm s c) c(no) = 1, mol/dm 1.18 Reaktionopeus on suoraan verrannollinen bromin konsentraatioon. Kun bromia (lähtöaine) kuluu, reaktionopeus hidastuu. Kun bromin konsentraatio puolittuu, myös reaktionopeus puolittuu. Reaktionopeus on noin, mol/l s (merkitty kuvaajaan katkoviivalla).

27 lnk 1.19 Ratkaisu: Kirjoittamalla lauseke lnk = E a RT 1 Ea ln A muotoon lnk = T R ln A, nähdään, että kyseessä on suoran yhtälö. Kun piirretään kuvaaja, jossa pystyakselilla on lnk ja vaaka-akselilla 1 T, on tämän suoran kulmakerroin E R a. Kuvaajalle tarvittavat arvot ovat (lämpötilojen muunnoksissa on käytetty arvoa 7 K): T (K) 1/T (10 ) lnk 46,16 10,6 47,11 9, ,99 7,7 5 1,91 5,76 0,00 1,85 1,9 1,95,05,1,15, -,00-4,00-6,00-8,00-10,00-1,00 1/T 10

28 Ea 10,0 ( 6,6) Suoran kulmakerroin R,1 10 1, Ea = R = 8, = , Yksiköksi tulee J/mol sillä R:n yksikkö on J/K mol ja lämpötilan K. Ea = 166 kj/mol. Ea = 166 kj/mol.

29 Harjoittele lisää! Testaa oppimasi! 1. b, c. c. a, d 4. a, b, c, d 5. b, c, d 6. d 7. d 8. b 9. c 10. b, c, d Käsitetesti Alkunopeus kuvaa kemiallisen reaktion nopeutta reaktion alussa, kun lähtöaineiden konsentraatiot ovat suurimmillaan. Hetkellinen nopeus kuvaa kemiallisen reaktion nopeutta tietyllä ajanhetkellä. Inhibiittori on aine, joka hidastaa tai kokonaan estää kemiallista reaktiota tapahtumasta. Katalyytti on aine, joka alentaa reaktion aktivoitumisenergiaa. Reaktionopeus tarkoittaa reaktioon osallistuvien aineiden määrien muutosta aikayksikköä kohti. Aktivoitumisenergia kuvaa siirtymäkompleksin muodostumiseen tarvittavaa energiamäärää. Siirtymäkompleksi on runsasenerginen, lyhytikäinen reaktion välituote, joka voi hajota takaisin lähtöaineiksi tai siitä voi muodostua reaktiotuotteita. Heterogeeninen katalyytti on reaktiota nopeuttava aine, joka on eri olomuodossa kuin lähtöaineet.

30 Ylioppilastehtäviä 1. a) Reaktiossa vapautuu hiilidioksidia, joka poistuu avoimesta astiasta. b) Hiilidioksidia ei enää muodostu eli reaktiota ei enää tapahdu. Suolahappo (rajoittava tekijä) on kulunut loppuun. c) Yhtäläisyyksiä: Molemmissa kuvaajissa on sama alkupiste. Molemmissa kuvaajissa massa pienenee ajan funktiona. Molemmissa kuvaajissa massa saavuttaa vakioarvon tietyllä ajanhetkellä. Eroja: Kuvaaja on jyrkempi. Kuvaajan päätepiste on alempana ja se on myöhemmin (ajanhetkellä s, kun kuvaajassa 1 päätepiste on ajanhetkellä 000 s). Johtopäätöksiä: Kokeessa hiilidioksidia muodostuu nopeammin. Molemmissa kokeissa reaktionopeus on aluksi suuri. Kokeessa 1 muodostuneen hiilidioksidin määrä on pienempi, kuin kokeessa. Kokeessa 1 suolahappo (rajoittava tekijä) loppuu aiemmin kuin kokeessa. Kuvaajien erot voivat johtua suolahapon konsentraatiosta. Suolahapon konsentraatio vaikuttaa reaktionopeuteen ja koska se on rajoittava tekijä, myös muodostuneen hiilidioksidin määrään. Tämän perusteella kokeessa 1 on käytetty laimeampaa suolahappoa. Erot kuvaajissa eivät voi johtua lämpötilasta, sillä tällöin vain reaktionopeus olisi muuttunut, mutta massan muutos (hiilidioksidin määrä) olisi sama.

31 . Ratkaisu: a) b) Reaktionopeus on suurin reaktion alussa. Piirretään kuvaajaan tangentti (punainen viiva) ajanhetkelle 0 ja määritetään tangentin kulmakerroin (punaiset katkoviivat).

32 Δc = 1,00 mol/l,0 mol/l = 1,1 mol/l Δt = 770 s 0 s = 770 s c 1,1 mol/l v t 770 s 1, mol/l s 1,70 10 mol/l s. c) Piirretään kuvaajaan tangentti ajanhetkelle t = 700 s (punainen viiva) ja määritetään tangentin kulmakerroin (punaiset katkoviivat): Δc = 0,70 mol/l 1,6 mol/l = 1,00 mol/l Δt = s 400 s = s. c 1,00 mol/l 4 4 v 9, mol/l s 9,09 10 mol/l s. t s

33 d) Hapen muodostumisnopeus saadaan, kun piirretään kuvaajalle tangentti ajanhetkelle s ja määritetään tangentin kulmakerroin. Tasapainotetun reaktioyhtälön perusteella hapen muodostumisnopeus on puolet vetyperoksidin hajoamisnopeudesta. Vetyperoksidin hajoamisnopeus on: c (0,50 1, 40) mol/l 4 4 v 7, mol/l s 7,50 10 mol/l s. t ( )s Hapen muodostumisnopeus on mol 4 7,5010 ls 4,75 10 mol/l s

34 a) b) v = 1,70 10 mol/l s c) v = 9, mol/l s d) v =, mol/l s

35 Jakso Tasapainotila ja sen säätely vastaukset ja ratkaisut.1 Homogeeninen ja heterogeeninen tasapainotila.1 A. c) B. a), d) C. a), c), d) D. b) E. c), d) F. a), b). b: homogeeninen d: heterogeeninen e: homogeeninen f: heterogeeninen. Kuvassa A reaktio tapahtuu täydellisesti, sillä hiilidioksidi vapautuu avonaisesta astiasta. Kuvassa B olevaan astiaan muodostuu tasapainotila, sillä astia on suljettu. Hiilidioksidia muodostuu vain tietty määrä, ja se reagoi takaisin vetykarbonaatiksi samalla nopeudella kuin sitä muodostuu. Muodostunutta tasapainotilaa kuvaava reaktioyhtälö on: HCO (aq) + H + (aq) CO(g) + HO(l).

36 .4 a) Lähtöaineet: jodikloridi ja kloori. Reaktiotuote: joditrikloridi. b) ICl(g) + Cl(g) ICl(g). c) d) Tasapainotetun reaktioyhtälön perusteella aineet reagoivat ainemäärien suhteessa 1:1, joten niiden konsentraatiot muuttuvat yhtä paljon reaktion edetessä..5 a) NH(g) H(g) + N(g). b) Vedyn konsentraatio muuttuu nopeammin, sillä tasapainotetun reaktioyhtälön mukaan vetyä muodostuu kolminkertainen ainemäärä typpeen verrattuna aikayksikköä kohden. c) Etenevän ja palautuvan reaktion nopeus on yhtä suuri..6 a) A., C. b) A., B., C., E., F. c) B., D., E., F. d) D.

37 .7 a) SO(g) + O(g) SO(g) b) NO(g) + O(g) NO(g) c) CH4(g) + HO(g) H(g) + CO(g) d) HCOOCH(l) + HO(l) HCOOH(l) + CHOH(l).8 strontiumkarbonaatti: SrCO(s) Sr + (aq) + kalsiumfosfaatti: Ca(PO4)(s) Ca + (aq) + hopeaoksalaatti: AgCO4(s) Ag + (aq) + CO (aq) PO (aq) 4 CO (aq) 4.9 Pb + (aq) + CrO (aq) 4 Cu + (aq) + OH (aq) PbCrO4(s) Cu(OH)(s) Ag + (aq) + Cl (aq) AgCl(s)

38 .10 Ratkaisu: a) AgPO4 b) AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) AgPO4(s) Ag + (aq) + c) PO 4 (aq) Hopeafosfaatin liukoisuus on 0,04 10 mol/dm V(liuos) = 100 ml = 0,100 dm M(Ag + ) = 107,87 g/mol m(ag + ) =? Kun yksi mooli hopeafosfaattia liukenee, liuokseen muodostuu kolme moolia hopeaioneja oheisen liukenemisyhtälön perusteella: AgPO4(s) Ag + (aq) + PO 4 (aq). Kylläisessä hopeafosfaattiliuoksessa c(ag + ) = c(agpo4) = 0,04 10 mol/dm = 1, mol/dm. Kun liuostilavuus on 100 ml, hopeaionien ainemäärä on n(ag + ) = c(ag + ) V(liuos) = 1, mol/dm 0,100 dm = 1, mol. m(ag + ) = n(ag + ) M(Ag + ) = 1, mol 107,87 g/mol = 1,9 10 g 1,4 mg a) AgPO4 b) AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) AgPO4(s) Ag + (aq) + c) m(ag + ) = 1,4 mg PO (aq) 4

39 .11 Ratkaisu: a) m(makkara) =,9856 g V(AgNO) = 11 ml = 0,011 dm c(agno) = 0,10 mol/dm M(NaCl) = 58,44 g/mol m-%(nacl) =? Titrauksessa kuluneen hopeanitraatin ainemäärä on n(agno) = c(agno) V(AgNO) = 0,10 mol/dm 0,011 dm = 0, mol. Kloridi-ionien saostumisreaktion perusteella n(cl ) = n(ag + ) = n(agno) = 0,01100 mol. Natriumkloridin kaavan perusteella n(nacl) = n(cl ) = 0,01100 mol. Makkaranäytteen sisältämän natriumkloridin massa on: m(nacl) = n(nacl) M(NaCl) = 0, mol 58,44 g/mol= 0,0648g. Natriumkloridin osuus massaprosentteina on: 0,0648 g m %(NaCl) 100% 1,61% 1,6%.,9856 g b) Vesijohtovedessä on muun muassa kloridi-ioneja, jotka saostuvat näytettä titrattaessa. Makkaran suolapitoisuudeksi saataisiin tällöin liian suuri tulos. Lisäksi muut vesijohtoveden ionit voisivat saostua hopeaionien tai indikaattoriliuoksen kromaatti-ionien kanssa.

40 c) Tuoteselosteen mukaan makkarassa oli natriumkloridia 1,8 massaprosenttia. Saatu tulos on siten hieman pienempi. Saatuun tulokseen ovat voineet vaikuttaa seuraavat tekijät: makkarasta otettu näyte ei ole edustava suola ei ole makkaranäytteessä tasaisesti kaikkea natriumkloridia ei saatu uutettua veteen näytteen suolaa on jäänyt makkarapalasiin suodatinpaperille titrausliuoksen konsentraatio ei ollut aivan tarkka titrauksen päätepiste (oranssin värin muodostuminen) on vaikea havaita tutkimusta ei toistettu riittävän usein. a) m-%(nacl) = 1,6 % b) Vesijohtovedessä on muun muassa kloridi-ioneja, jotka saostuvat näytettä titrattaessa. Makkaran suolapitoisuudeksi saataisiin tällöin liian suuri tulos. Lisäksi muut vesijohtoveden ionit voisivat saostua hopeaionien tai indikaattoriliuoksen kromaatti-ionien kanssa. c) Tuoteselosteen mukaan makkarassa oli natriumkloridia 1,8 massaprosenttia. Saatu tulos on siten hieman pienempi. Saatuun tulokseen ovat voineet vaikuttaa seuraavat tekijät: makkarasta otettu näyte ei ole edustava suola ei ole makkaranäytteessä tasaisesti kaikkea natriumkloridia ei saatu uutettua veteen näytteen suolaa on jäänyt makkarapalasiin suodatinpaperille titrausliuoksen konsentraatio ei ollut aivan tarkka titrauksen päätepiste (oranssin värin muodostuminen) on vaikea havaita tutkimusta ei toistettu riittävän usein.

41 . Tasapainovakion lauseke, lukuarvo ja yksikkö.1 A. d) B. a) C. c) D. d).1 [SO ] a) K. Yksikkö on (mol/dm ) 1. [SO ] [O ] c b) [H ] [CO] K. Yksikkö on (mol/dm ). c [CH ][H O] 4 [HCOOH][CH OH] c) K. Ei yksikköä. c [HCOOCH ][H O] d) [H O] [Cl ] K. Yksikkö on (mol/dm ) 1. c 4 [HCl] [O ].14 [N ] [H ] a) K. Yksikkö on (bar). p [N H ] 4 b) c) [NH ] K. Yksikkö on (kpa). [H ] [N ] K p [NO] [H O] 4 6 p 4 5 [NH ] [O ]. Yksikkö on Pa.

42 .15 Ratkaisu: a) Koska K >> 1, tasapainoseoksessa on enemmän reaktiotuotteita, sillä tasapainovakiota laskettaessa reaktiotuotteiden tasapainokonsentraatiot sijoitetaan osoittajaan. b) Koska kyseessä on palautuva (käänteisreaktio), saadaan tasapainovakio ratkaistua tehtävässä annetun tasapainovakion avulla seuraavasti: 1, K = = 4, , 10. a) Koska K >> 1, tasapainoseoksessa on enemmän reaktiotuotteita, sillä tasapainovakiota laskettaessa reaktiotuotteiden tasapainokonsentraatiot sijoitetaan osoittajaan. b) K = 4, Ratkaisu: a) [SO ] K. [SO ][O ] Tehtävässä annetun reaktion tasapainovakion lauseke on: ½ Reaktion SO(g) reaktio). SO(g) + ½ O(g) tasapainovakion lauseke on [SO ] [O ] [SO ] ½ K (käänteinen Kysytty tasapainovakio on tällöin vakion 0,4 (mol/l) ½ käänteisluku: K = 1 1 ½ 0,04900 (mol/l) ½ 0, 0490 (mol/l). 0,4 (mol/l) b) Reaktiolle SO(g) + O(g) SO(g) tasapainovakion lauseke on annetun reaktion tasapainovakion lauseke korotettuna toiseen potenssiin, sillä reaktioyhtälön kertoimet ovat kaksinkertaiset. Kysytty tasapainovakio saadaan korottamalla tehtävässä annettu tasapainovakio toiseen potenssiin: ½ K = (0,4 (mol/l) ) = 416,16 mol/l 416 mol/l.

43 a) K = 0,0490 (mol/l) ½. b) K = 416 mol/l..17 a) Oikein. b) Väärin, K:n arvosta ei voida päätellä reaktionopeutta, sillä K:n lukuarvo kuvaa reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden konsentraatioiden suhdetta tasapainotilassa. c) Oikein. d) Väärin, K = 4, e) Oikein..18 a) A ja B b) C

44 . Tasapainotilan säätely ja tasapainovakion muutokset.19 a) Saanto on suurin, kun lämpötila on +400 C ja paine 500 bar. Saanto on pienin, kun lämpötila on +600 C ja paine 00 bar. b)

45 c) Noin 17 % (kohta merkitty kuvaajalle)..0 Reaktio Muutos Tasapainotilan siirtyminen SO(g) + O(g) SO(g) ΔH = 197 kj SO(g) + O(g) SO(g) ΔH = 197 kj SO(g) SO(g) + O(g) ΔH = +197 kj CH4(g) + HO(g) ΔH = < 0 CH4(g) + HO(g) ΔH = < 0 H(g) + CO(g) ΔH = +41 kj H(g) + CO(g) ΔH = +41 kj CHCHOH(g) CHCHOH(g) HO(g) + CO(g) HO(g) + CO(g) poistetaan rikkitrioksidia nostetaan lämpötilaa nostetaan lämpötilaa lasketaan lämpötilaa nostetaan painetta lisätään vetyä pienennetään painetta ei vaikutusta Kc:n lukuarvon muutos ei muutosta pienenee kasvaa kasvaa ei muutosta ei muutosta ei muutosta

46 .1 a) Etenevän reaktion suuntaan. Lähtöaineen konsentraation lisääntyminen siirtää tasapainotilaa reaktiotuotteiden suuntaan, jolloin lisätyn lähtöaineen konsentraatio pienenee. b) Palautuvan reaktion suuntaan. Lähtöaineen konsentraation pieneneminen siirtää tasapainotilaa lähtöaineiden suuntaan, jolloin lähtöainetta muodostuu lisää. c) Etenevän reaktion suuntaan. Reaktiotuotteen konsentraation pieneneminen siirtää tasapainotilaa etenevän reaktion suuntaan, jolloin reaktiotuotetta muodostuu lisää. d) Palautuvan reaktion suuntaan. Lähtöainepuolella on 4 moolia kaasumaisia tuotteita, reaktiotuotepuolella vain moolia. Paineen pienentäminen siirtää tasapainotilaa siihen suuntaan, jossa kaasumaisten aineiden kokonaisainemäärä (ja tilavuus) on suurempi. e) Etenevän reaktion suuntaan. Ammoniakin valmistusreaktio on eksoterminen. Kun reaktioseosta jäähdytetään, tasapainotila siirtyy eksotermisen (lämpöä vapauttavan) reaktion suuntaan. f) Vain lämpötilan muutos (kohta e) muuttaa Kc:n arvoa. Kun lämpötilaa lasketaan, tasapainotila siirtyy pysyvästi reaktiotuotteiden puolelle, sillä etenevä reaktio on eksoterminen. Tällöin Kc:n arvo kasvaa.. a) paine: korkea, lämpötila: alhainen b) paine: ei merkitystä, lämpötila: korkea c) paine: korkea, lämpötila: alhainen d) paine: alhainen, lämpötila: korkea. Kuvaajasta nähdään, että ensimmäisellä katkoviivalla merkittyyn ajanhetkeen asti kyseessä on tasapainotila, jossa vedyn, ammoniakin ja typen konsentraatiot pysyvät vakioina. Kun reaktioseokseen lisätään vetyä, sen konsentraatio kasvaa hetkellisesti. Samalla typen konsentraatio pienenee, koska se reagoi vedyn kanssa ja tuottaa lisää ammoniakkia. Tämän reaktion seurauksena ammoniakin konsentraatio kasvaa. Toisella katkoviivalla merkittynä ajankohtana reaktioseos on saavuttanut uuden tasapainotilan. Tällöin kaikkien reaktioseoksessa olleiden aineiden konsentraatiot vakioituvat uudelleen. Uudessa tasapainotilassa kaikkien aineiden konsentraatiot ovat muuttuneet.

47 .4 Kun tasapainovakion lauseke tilavuuden (V) avulla, saadaan [SO ] K esitetään kaasujen ainemäärien (n) ja [SO ] [O ] c K [ n(so ) / V]. [ n(so ) / V ] [ n(o ) / V ] c Lauseketta sieventämällä saadaan: K [ n(so )] V. [ (SO )] [ (O )] c n n Paineen kasvattaminen pienentää tilavuutta V. Jotta vakion Kc arvo pysyisi muuttumattomana, tulee osoittajassa olevan rikkitrioksidin ainemäärän n(so) kasvaa ja nimittäjissä olevien rikkidioksidin ainemäärän n(so) ja hapen ainemäärän n(o) pienentyä. Tasapainotilan on siis siirryttävä reaktiotuotteen suuntaan..5 a) Liuenneen hiilidioksidin määrä pienenee. b) Kasvihuoneilmiön vaikutuksesta ilman CO(g)-pitoisuus kasvaa. Tämän seurauksena tasapainotila siirtyy liuenneen hiilidioksidin suuntaan eli sen määrä lisääntyy. c) Hiilidioksidin liukoisuuden perusteella lämpimässä virvoitusjuomapullossa tasapainotila on enemmän kaasumaisen hiilidioksidin puolella (kaasua liukenee vähemmän, kun lämpötila nousee, joten paine pullossa on suurempi kuin kylmässä säilytetyssä pullossa). Kun pullo avataan, kaasua vapautuu nopeasti, mikä saa juoman kuohumaan.

48 .6 a) Timantin muodostuminen on endoterminen tapahtuma. Korkeassa lämpötilassa tasapainotila siirtyy reaktiotuotteen (timantin) suuntaan. b) Typpimonoksidin muodostuminen on endoterminen reaktio. Kun reaktioseosta jäähdytetään, tasapainotila siirtyy eksotermiseen eli lähtöaineiden suuntaan. Näin typpimonoksidi hajoaisi takaisin typeksi ja hapeksi. c) Koska muodostuva hiilidioksidi on kaasu, se siirtää kalsiumkarbonaatin ja rikkihapon välisen reaktion tasapainotilaa reaktiotuotteiden suuntaan. Marmoria, joka on kalsiumkarbonaattia, kuluu tällöin lisää ja patsaat ja rakennukset syöpyvät. d) Kun vesi kuumenee kahvinkeittimessä tai lämminvesivaraajassa, kohonnut lämpötila siirtää veteen liuenneen hiilidioksidin tasapainotilaa kaasumaisen hiilidioksidin suuntaan (endoterminen tapahtuma). Tämän seurauksena vesijohtoveden kalsium- ja vetykarbonaattiionit reagoivat ja muodostavat lisää veteen liuennutta hiilidioksidia oheisen reaktion mukaisesti: Ca + (aq) + HCO (aq) Ca + (aq) + CO (aq) + CO(aq) + HO(l). Samalla veden karbonaatti-ionien pitoisuus kasvaa. Kun karbonaatti-ionipitoisuus kasvaa, tasapainotila CaCO(s) Ca + (aq) + CO (aq) siirtyy kiinteän kalsiumkarbonaatin suuntaan, jolloin sitä saostuu. Lisäksi kalsiumkarbonaatin liukeneminen on eksoterminen tapahtuma, joten korkeammassa lämpötilassa tasapainotila siirtyy lähtöaineen eli kiinteän kalsiumkarbonaatin suuntaan..7 Vatsan happamissa olosuhteissa magnesiumhydroksidia liukenee enemmän kuin veteen. Tämä voidaan päätellä kuvasta B, jossa havaitaan kylläisen liuoksen osittainen kirkastuminen. Liukenemisen lisääntyminen selittyy sillä, että vatsan suolahappo neutraloi liuoksen hydroksidi-ioneja, jolloin niiden konsentraatio pienenee. Tasapainotila siirtyy Le Châtelier'n periaatteen mukaan enemmän reaktiotuotteiden suuntaan ja magnesiumhydroksidia liukenee enemmän.

49 .8 Ca10(OH)(PO4)6(s) 10 Ca + (aq) + OH (aq) + 6 PO (aq). 4 Happohyökkäyksen aikana sylkeen vapautuu happojen tuottamia H + -ioneja, jotka reagoivat hydroksiapatiitin kylläisessä vesiliuoksessa olevien hydroksidi-ionien (OH ) kanssa. Tämän seurauksena hydroksidi-ionien pitoisuus laskee. Le Châtelier n periaatteen mukaan tasapainotila siirtyy etenevän reaktion eli liuenneiden ionien suuntaan, jolloin kiinteää hydroksiapatiittia liukenee lisää ja kiille vaurioituu..9 a) Suolahapon lisäyksen seurauksena seoksen H + -konsentraatio (reaktiotuote) kasvaa. Tasapainotila siirtyy tämän vuoksi lähtöaineiden suuntaan, jolloin muodostuu enemmän dikromaatti-ioneja, jotka ovat oransseja. b) Natriumhydroksidiliuoksessa on OH -ioneja, jotka reagoivat tasapainoseoksessa olevien H + -ionien kanssa ja muodostavat vettä. Kun H + -ionien konsentraatio pienenee, tasapainotila siirtyy reaktiotuotteiden suuntaan, jolloin muodostuu enemmän kromaatti-ioneja. c) Kun natriumkromaatti liukenee, tasapainoseoksen kromaatti-ionien määrä kasvaa. Tämän seurauksena tasapainotila siirtyy lähtöaineiden suuntaan ja liuoksen oranssi väri voimistuu..0 a) dietyylieetteri: CHCHOCHCH(l) CHCHOCHCH(g) etanoli: CHCHOH(l) CHCHOH(g) vesi: HO(l) HO(g) b) Höyrynpaine kasvaa, kun lämpötila kasvaa. c) Dietyylieetterin höyrynpaine on suurin ja veden pienin. d) Dietyylieetteri noin +5 C, etanoli noin +78 C, vesi noin +100 C. e) Ensin tiivistyy dietyylieetteri, sitten etanoli. Perustelu: Eetterin kiehumispiste on alhaisempi kuin etanolin. Dietyylieetterin höyrynpaine saavuttaa aiemmin ulkoisen paineen eli neste alkaa kiehua ensin.

50 .1 Laitetekniikka: Reaktioastia ja siihen liittyvät osat tulee valmistaa materiaalista, joka kestää hyvin korkeaa painetta ja lämpötilaa. Lisäksi astian tulee pysyä toimintakuntoisena pitkiä aikoja. Taloudellinen kannattavuus: Korkean paineen ja lämpötilan ylläpitäminen on kallista. Erityisesti korkeiden lämpötilojen jatkuva ylläpitäminen suurissa reaktioastioissa kuluttaa runsaasti energiaa. Korkean lämpötilan käyttö: Reaktio nopeutuu, kun lämpötilaa nostetaan, jolloin tasapainotila saavutetaan nopeammin ja reaktiotuotetta saadaan nopeammin. Näkökulma: reaktiolle tulee löytää sopiva katalyytti, jolla reaktiota voidaan nopeuttaa.

51 Harjoittele lisää! Testaa oppimasi! 1. c). b), d). d) 4. a) 5. b), d) 6. a), c), d) 7. c), d) 8. b), c) 9. a), b), 10. b), d) Käsitetesti Tasapainovakio kuvaa reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden tasapainokonsentraatioiden välistä riippuvuutta tietyssä lämpötilassa. Faasi on yhtenäinen olomuotoalue. Niukkaliukoinen suola on ioniyhdiste, jonka kylläiseen vesiliuokseen muodostuu heterogeeninen tasapainotila. Dynaaminen tasapainotila kuvaa tilaa, jossa etenevä muutos ja palautuva muutos tapahtuvat koko ajan yhtä suurella nopeudella. Kylläinen liuos on liuos, joka sisältää tietyssä lämpötilassa suurimman mahdollisen määrän liuennutta ainetta tietyssä määrässä liuotinta. Heterogeeninen tasapainotila on tasapainotila, jossa kaikki aineet eivät ole samassa olomuodossa. Tasapainoreaktio on reaktio, jossa lähtöaineita muuttuu reaktiotuotteiksi samalla nopeudella kuin reaktiotuotteista muodostuu lähtöaineita. Etenevä reaktio on reaktio, joka etenee lähtöaineista reaktiotuotteiden suuntaan.

52 Ylioppilastehtäviä 1. a) Tosi. b) Epätosi. Konsentraation muuttaminen ei muuta tasapainovakion arvoa. c) Epätosi. Dynaamisessa tasapainotilassa maltoosin ja glukoosin konsentraatiot eivät muutu, sillä reaktiot I ja II tapahtuvat samalla nopeudella. d) Epätosi. Reaktio I hidastuu, sillä maltoosin konsentraatio pienenee ja suotuisia törmäyksiä tapahtuu / entsyymin ja substraatin muodostamia komplekseja muodostuu vähemmän aikayksikköä kohti. Reaktio II nopeutuu, sillä glukoosikonsentraation kasvaessa käänteinen reaktio nopeutuu. Glukoosimolekyylien välisiä suotuisia törmäyksiä aikayksikköä kohden tapahtuu enemmän. e) Epätosi. Lämpötilan laskeminen aina hidastaa reaktioita, sillä sellaisten hiukkasten määrä, jotka ylittävät aktivoitumisenergiakynnyksen pienenee. Lämpötilan laskeminen sen sijaan siirtää tasapainotilaa oikealle (reaktiotuotteiden suuntaan), sillä reaktio I on eksoterminen. f) Epätosi. Lämpötilan laskeminen siirtää tasapainotilan reaktiotuotteiden puolelle, jolloin glukoosin konsentraatio kasvaa. Koska tasapainovakion lausekkeessa reaktiotuotteiden tasapainokonsentraatiot ovat osoittajassa, reaktion I K:n arvo kasvaa.. a) Jos ilma on kylläinen vesihöyrystä, iholta haihtuu/höyrystyy hikeä (vettä) yhtä nopeasti kuin höyry tiivistyy takaisin vedeksi. Kyseessä on dynaaminen heterogeeninen tasapainotila HO(l) HO(g). b) Uloshengitysilman hiilidioksidi reagoi kalsiumhydroksidin kanssa, jolloin muodostuu veteen niukkaliukoista kalsiumkarbonaattia. Kalsiumkarbonaatti samentaa liuoksen. Reaktioyhtälö on: Ca(OH)(aq) + CO(g) CaCO(s) + HO(l). Kun puhaltamista jatketaan, veteen muodostuu hiilihappoa seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti: CO(g) + HO(l) HCO(aq).

53 Happamassa vesiliuoksessa karbonaatti-ionit muuttuvat vetykarbonaatti-ioneiksi, ja muodostuu veteen liukenevaa kalsiumvetykarbonaattia. Osa karbonaatti-ioneista hajoaa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Näiden reaktioiden seurauksena liuos jälleen kirkastuu. Reaktioyhtälöt ovat: CO (aq) + H + (aq) HCO (aq) CO (aq) + H + (aq) CO(g) + HO(l). c) Le Châtelier n periaatteen mukaan olosuhteilla voidaan vaikuttaa kemiallisen reaktion tasapainotilaan. Korkea paine siirtää ammoniakin tasapainoreaktiota reaktiotuotteiden puolelle, sillä lähtöainepuolella on enemmän kaasumolekyylejä (4 moolia) kuin reaktiotuotepuolella ( moolia). Korkeassa paineessa ammoniakin saanto paranee. Korkean lämpötilan käyttö ei ole suotuisaa ammoniakin saantoa ajatellen, sillä etenevä reaktio on eksoterminen. Tasapainotila siirtyy korkeassa lämpötilassa lähtöaineiden puolelle. Korkean lämpötilan käyttö on kuitenkin perusteltua, sillä se nopeuttaa kemiallista reaktiota. Tällöin useampi törmäys ylittää aktivoitumisenergiakynnyksen (törmäävillä hiukkasilla on riittävästi kineettistä energiaa) ja ammoniakkia muodostuu nopeammin. Ammoniakin talteenotto siirtää tasapainotilaa uudelleen reaktiotuotteiden suuntaan, jolloin kierrätetyistä lähtöaineista saadaan tuotettua lisää ammoniakkia ja lähtöaineet tulee hyödynnettyä tehokkaasti.

54 Jakso Tasapainotilan laskennallinen käsittely vastaukset ja ratkaisut.1 Tasapainovakion ratkaiseminen ja reaktion suunnan ennustaminen.1 Ratkaisu: a) HI(g) H(g) + I(g) b) [HI] =,5 10 mol/l [H] = 4, mol/l [I] = 4, mol/l Kc =? K 4 4 [H ][I ] 4,79 10 mol/l 4,79 10 mol/l c [HI],5 10 mol/l 0, ,0184. a) HI(g) H(g) + I(g) b) Kc = 0,0184

55 . Ratkaisu: n(n) =,80 10 mol n(o) =, mol n(no) =,00 10 mol V =,00 l Kc =? Kaasujen tasapainokonsentraatiot ovat:,80 10 mol [N ] 1, mol/l,00 l 5,50 10 mol 5 [O ] 1, mol/l,00 l,00 10 mol [N O] 1, mol/l,00 l. K [N O] 1, (mol/l) c 5 [N ] [O ] 1, (mol/l) (1, )(mol/l) 1 mol/l ,08 10 (mol/l). Kc = 4, (mol/l) 1

56 . Ratkaisu: a) n(no) = 0,100 mol n(h) = 0,050 mol n(n) = 0 mol n(ho) = 0,100 mol V = 1,00 l [NO] = 0,06 mol/l [N] =? [H] =? [HO] =? Koska tilavuus on 1,00 litraa, eri aineiden alkukonsentraatiot ovat: calku(no) = 0,100 mol/l calku(h) = 0,0500 mol/l calku(n) = 0,100 mol/l. Typen alkukonsentraatioksi merkitään 0, sillä sitä ei ole alkutilanteessa lainkaan. Merkitään taulukkoon alkukonsentraatiot, typpimonoksidin tasapainokonsentraatio ja konsentraatioiden muutokset (typpimonoksidin konsentraation muutoksen avulla) ja lasketaan tasapainokonsentraatiot. Huomaa, että vedyn ja veden konsentraation muutos on lukuarvoltaan yhtä suuri kuin typpimonoksidin konsentraation muutos reaktioyhtälön kertoimien perusteella. Typen konsentraation muutos puolestaan on lukuarvoltaan puolet typpimonoksidin konsentraation muutoksesta. NO(g) + H(g) N(g) + HO(g) calku (mol/l) 0,100 0, ,100 muutos (mol/l) 0,08 0,08 +0,019 +0,08 ctasap. (mol/l) 0,06 0,01 0,019 0,18

57 Taulukon perusteella [N] = 0,019 mol/l [H] = 0,01 mol/l [HO] = 0,14 mol/l. b) [NO] = 0,06 mol/l [N] = 0,019 mol/l [H] = 0,01 mol/l [HO] = 0,18 mol/l Kc =? [N ][H O] (0, 019 mol/l) (0,18 mol/l) 1 c K = 65, (mol/l) [NO] [H ] (0, 06 mol/l) (0, 01 mol/l) mol/l 1. a) [N] = 0,019 mol/l [H] = 0,01 mol/l [HO] = 0,14 mol/l b) Kc = 650 (mol/l) 1

58 .4 Ratkaisu: a) Tasapainovakion lauseke on [NO ] K. = c [N O 4 ] Sijoitetaan taulukosta eri kokeiden tasapainokonsentraatiot Kc:n lausekkeeseen, ja ratkaistaan vakion arvo ja yksikkö: (0,017 mol/dm ) 0,0014 mol/dm K = = 0,064 mol/dm 0,1 mol/dm. c1 K K (0,04 mol/dm ) = = 0,057 mol/dm 0,1 mol/dm 0,008 mol/dm c c (0,01 mol/dm ) = = 0,16 mol/dm 0,1 mol/dm 0,0045 mol/dm (0,01 mol/dm ) 0,0045 mol/dm K = = 0,16 mol/dm 0,1 mol/dm. c4 Tasapainovakioksi tulee kaikissa neljässä kokeessa sama arvo (0,1 mol/dm ), joten sen arvo on riippumaton aineiden alkukonsentraatioista. b) Kokeet 1. c) Reaktio NO(g) NO4(g) on annetun reaktion (NO4(g) NO(g)) käänteisreaktio. Reaktion NO4(g) NO(g) Kc on ratkaistu kohdassa a), joten kysytyn reaktion 1 tasapainovakio on sen käänteisluku eli K. c Kysytty Kc = 1 0,1 (mol/dm ) 4, 76 (mol/dm ) 4,8 (mol/dm ) 1 1.

59 Koska reaktion NO4(g) 4 NO(g) kertoimet ovat kaksinkertaiset verrattuna reaktioon NO4(g) NO(g), saadaan kysytyn reaktion tasapainovakio korottamalla a-kohdassa laskettu tasapainovakio toiseen potenssiin. Kysytty Kc = (0,1 mol/dm ) = 0,04410 (mol/dm ) 0,044 (mol/dm ). a) Eri kokeiden tuloksista laskettu tasapainovakio on sama (0,1 mol/dm ), joten sen arvo on riippumaton aineiden alkukonsentraatioista. b) Kokeet 1. c) Kc = 4,8 (mol/dm ) 1 Kc = 0,044 (mol/dm )..5 Ratkaisu: a) n(so)alku = 1,0 mol n(so)tasap. =,0 mol V =,0 l Kc =? Lasketaan rikkitrioksidin alkukonsentraatio ja rikkidioksidin tasapainokonsentraatio: c (SO ) = alku 1,0 mol,0 l = 4,0 mol/l,0 mol c (SO ) = = 1,0 mol/l. tasap.,0 l Merkitään taulukkoon alkukonsentraatiot, rikkidioksidin tasapainokonsentraatio ja konsentraatioiden muutokset (reaktioyhtälön kertoimien suhteella huomioituna) ja lasketaan muiden aineiden tasapainokonsentraatiot.

60 SO(g) SO(g) + O(g) calku (mol/l) 4,0 0 0 muutos (mol/l) 1,0 +1, ,0 ctasap. (mol/l),0 1,0 0,50 K [SO ] [O ] c [SO ],0 mol/l 1,0 mol/l 0,50 mol/l = = = 0,05556 mol/l 0,056 mol/l. b) Tasapainovakion arvo ei muuttuisi mitenkään, sillä K:n arvo on riippumaton paineesta tai tilavuudesta. K:n arvo muuttuu vain, kun lämpötila muuttuu. a) Kc = 0,056 mol/l. b) Tasapainovakion arvo ei muuttuisi mitenkään, sillä K:n arvo on riippumaton paineesta tai tilavuudesta. K:n arvo muuttuu vain, kun lämpötila muuttuu.

61 .6 Ratkaisu: m(h)alku = 1,76 g m(br)alku = 70,1 g M(H) =,016 g/mol M(Br) = 159,80 g/mol V = 1,000 dm m(h)tasap. = 0,5560 g Kc =? Lasketaan vedyn ja bromin alkukonsentraatiot sekä vedyn tasapainokonsentraatio: m(h ) 1,76 g c(h ) = = = 0,68540 mol/dm alku M(H ) V,016 g/mol 1,000 dm m(br ) 70,1 g c(br ) = = = 0,49987 mol/dm alku M(Br ) V 159,80 g/mol 1,000 dm m(h ) 0,5560 g c(h ) = = = 0,75794 mol/dm tasap. M(H ) V,016 g/mol 1,000 dm Merkitään taulukkoon alkukonsentraatiot, vedyn tasapainokonsentraatio ja konsentraatioiden muutokset (reaktioyhtälön kertoimien suhteella huomioituna) ja lasketaan muiden aineiden tasapainokonsentraatiot. H(g) + Br(g) HBr(g) calku (mol/dm ) 0, , muutos (mol/dm ) 0, , , ctasap. (mol/dm 0, ,041 0,8149 K [HBr] 0,8149 mol/dm = = = 7,1851 7,19. [H ][Br ] 0,75794 mol/dm 0,041 mol/dm c Kc = 7,19

62 .7 Ratkaisu: n(no4)alku = 4,4 mmol = 4,4 10 mol V = 0,7 l t = 5,0 C T = (5 + 7,15) K = 98,15 K p = 0,400 bar R = 0, bar dm mol K K =? Dityppitetraoksidin alkukonsentraatio on: 4,4 10 mol c (N O ) = = 0, mol/l. alku 4 0,7 l Ratkaistaan typpidioksidin ainemäärä tasapainotilassa ideaalikaasun tilanyhtälöstä: n NO pv 0,400 bar 0,7 dm 0, mol. RT bar dm 0, ,15 K molk Typpidioksidin tasapainokonsentraatio on 0, mol c (NO ) = = 0,01616 mol/l. alku 0,7 l Taulukoidaan konsentraatiot ja konsentraatioiden muutokset ja lasketaan tasapainokonsentraatiot: NO4(g) NO(g) calku (mol/l) 0, muutos (mol/l) 1 0, ,01616 ctasap. (mol/l) 0,0575 0,01616

63 K NO 0,01616 mol/l 4, mol/l 4,5 10 mol/l. N O 4 0,0575 mol/l K = 4,5 10 mol/l..8 Ratkaisu: a) c(cocl) = 5,00 10 mol/l c(co) =, mol/l c(cl) =, mol/l Kc =, mol/l Kirjoitetaan Kc:n lauseke, sijoitetaan siihen annetut konsentraatiot ja ratkaistaan Kc: K 6 6 c(co) c(cl),110 mol/l,110 mol/l c(cocl) 5,00 10 mol/l c 10 10, mol/l,19 10 mol/l. Koska laskettu Kc on sama kuin annettu Kc, reaktio on saavuttanut tasapainotilan. b) c(co) = 8,78 10 mol/dm c(br) = 8,78 10 mol/dm c(cobr) =,40 10 mol/dm Kc = 79,0 mol 1 dm

64 Kirjoitetaan Kc:n lauseke, sijoitetaan siihen annetut konsentraatiot ja ratkaistaan Kc: K c(cobr) (,40 10 mol/dm ) c(co) c(br ) (8,78 10 mol/dm ) (8,78 10 mol/dm ) c = 17,079 (mol/dm ) 1 17,1 mol 1 dm. Koska laskettu Kc on pienempi kuin annettu Kc, reaktio ei ole saavuttanut tasapainotilaa. Reaktion on edettävä reaktiotuotteiden suuntaan. c) c(hs) = 4,84 10 mol/dm c(h) = 1,50 10 mol/dm c(s) =, 10 mol/dm Kc =, mmol/dm Kirjoitetaan Kc:n lauseke, sijoitetaan siihen annetut konsentraatiot ja ratkaistaan Kc. K c(h ) c( S ) (1,50 10 mol/dm ) (,10 mol/dm ),79 10 mol / dm c c(h S) (4,84 10 mol/dm ), mol/dm = 0,4 mmol/dm. 4 Koska laskettu Kc on pienempi kuin annettu Kc, reaktio ei ole saavuttanut tasapainotilaa. Reaktion on edettävä reaktiotuotteiden suuntaan. a) Reaktio on saavuttanut tasapainotilan. b) Reaktion on edettävä reaktiotuotteiden suuntaan. c) Reaktion on edettävä reaktiotuotteiden suuntaan.

65 .9 Ratkaisu: a) n(h) =,00 mol n(n) = 1,00 mol n(nh) =,00 mol V = 1,00 dm Kc = 0,104 (mol/l) Reaktioyhtälö on: H(g) + N(g) NH(g). Lasketaan eri aineiden konsentraatiot:,00 mol 1,00 dm c (H ), 0000 mol/dm. c 1,00 mol (N ) = 1, 0000 mol/dm 1,00 dm,00 mol 1,00 dm c(nh )=, 0000 mol/dm. Lasketaan Kc:n arvo näillä konsentraatioilla: K,0000 mol/dm c(nh ) c(h ) c(n ) (,0000 mol/dm ) 1,0000 mol/dm c = 0,50000 (mol/dm ) 0,500 (mol/dm ). Koska 0,500 > 0,104 reaktion tulee edetä lähtöaineiden suuntaan, jotta tasapainotila muodostuu. b) Palautuvan reaktion nopeus on suurempi, sillä ammoniakin konsentraation tulee pienentyä, jotta tasapainotila muodostuisi.

66 a) Reaktion on edettävä lähtöaineiden suuntaan. b) Palautuvan reaktion nopeus on suurempi, sillä ammoniakin konsentraation tulee pienentyä, jotta tasapainotila muodostuisi..10 Ratkaisu: Koska kaikkien aineiden ainemäärä on sama ja tilavuus on vakio, eri aineiden konsentraatiot n ovat: c. V Lasketaan tasapainovakio sijoittamalla Kc:n lausekkeeseen nämä konsentraatiot: K c n n ( ) ( ) c(etyyliasetaatti) c(vesi) V V 1,0. c(etanoli) c(etikkahappo) n n ( ) ( ) V V Koska 1,0 < 4,0, tulee reaktion edetä reaktiotuotteiden suuntaan. Etyyliasetaatin ja veden konsentraatiot kasvavat. Etanolin ja etikkahapon konsentraatiot pienenevät. Reaktio etenee reaktiotuotteiden suuntaan. Etyyliasetaatin ja veden konsentraatiot kasvavat. Etanolin ja etikkahapon konsentraatiot pienenevät.

67 .11 Ratkaisu: a) pi(hi) = 40,5 kpa pi(h) = 5, kpa pi(i) = 16, kpa Kp =? K ( p (HI)) (40,5 kpa) ( p(h ) p(i ) (5, kpa) (16, kpa) i = = 4, 000 4,00 p i i. b) pi(so) =, bar pi(o) = 4,5 bar pi(so) =, bar Kp =? ( p (SO )) (, bar) K = = 0, bar 0, bar ( (SO ) (O ) (, ) (4,5 bar) i p p p bar i i 1 1. c) Kp pysyy muuttumattomana. Kaasujen osapaineet muuttuvat, mutta uudessa tasapainotilassa niiden avulla laskettu tasapainovakion arvo pysyy vakiona. Vain lämpötila vaikuttaa tasapainovakion arvoon. a) Kp = 4,00. b) Kp = 0, bar 1. c) Kp pysyy muuttumattomana, sillä vain lämpötila vaikuttaa tasapainovakion arvoon.

68 .1 Ratkaisu: n(pcl5) = 0, mol n(pcl) = 0,67 mol n(cl) = 0,67 mol p = 10,0 bar Kp =? Lasketaan kunkin kaasun mooliosuus ja sen avulla kunkin kaasun osapaine. Kaasujen kokonaisainemäärä nkok = (0, + 0,67 + 0,67) mol = 1,67 mol. Kaasun mooliosuus (y)saadaan jakamalla kaasun ainemäärä kaasujen kokonaisainemäärällä. 0, mol y (PCl ) 5 1,67 mol 0,1976 0,67 mol y (PCl ) 1,67 mol 0, 401 0,67 mol y (Cl ) 1,67 mol 0,401. Kaasun osapaine saadaan kertomalla kokonaispaine kaasun mooliosuudella: pi(pcl5) = 0, ,0 bar = 1,976 bar pi(pcl) = 0,401 10,0 bar = 4,01 bar pi(cl) = 0,401 10,0 bar = 4,01 bar. K p(pcl ) p(cl ) (4,01 bar) p (PCl ) 1,976 bar i i = = 8,146 bar 8,1 bar p i 5. Kp = 8,1 bar.

69 .1 Ratkaisu: pi = 40 kpa = Pa T = (7, ) K =,15 K Pa m R 8,1451 mol K ci(x) =? Konsentraatio saadaan ratkaistua suureyhtälöstä p c RT i i : p Pa i c 14, 44 mol/m = 0,01444 mol/dm 0,014 mol/dm i. RT Pa m 8,1451,15 K mol K ci(x) = 0,014 mol/dm..14 Ratkaisu: a) Kirjoitetaan kummankin tasapainovakion lauseke: K p p (HI) i p (H ) p ( I ) i i [HI] K c. [H ] [I ] Hyödyntämällä ideaalikaasun tilanyhtälöä pv = nrt tasapainotilaan saadaan: pi = [kaasu] R T. Sijoittamalla tämä Kp:n lausekkeeseen, saadaan: K p [HI] ( RT). [H ] RT [I ] RT

70 Tekijä (RT) supistuu pois sekä osoittajasta että nimittäjästä, jolloin saadaan: [HI] K K K p p c. [H ][I ] b) Kirjoitetaan kummankin tasapainovakion lauseke: K p p (NO ) i p (N O ) i 4 [NO ] [N O ] K c. 4 Hyödyntämällä tasapainotilaan suureyhtälöä pi = [kaasu] R T ja sijoittamalla tämä Kp:n lausekkeeseen, saadaan: K p [NO ] ( RT) [N O ] RT. 4 Tekijä (RT) supistuu pois osoittajasta ja nimittäjästä, jolloin saadaan: [NO ] RT K K K RT p p c. [N O ] 4 c) Kirjoitetaan kummankin tasapainovakion lauseke: K K p(ch ) p(h O) i 4 i p p(co) p(o ) i i [CH ] [H O]. 4 c [CO] [O ] Hyödyntämällä tasapainotilaan suureyhtälöä pi = [kaasu] R T ja sijoittamalla tämä Kp:n lausekkeeseen, saadaan: K [CH ] RT [H O] RT 4 p [CO] RT [O ] ( RT ).

71 Kun osoittajasta ja nimittäjästä supistetaan pois (RT), saadaan [CH ][H O] K K K ( RT ) 4 p p c [CO][O ] RT. a) Kp = Kc b) Kp = Kc RT c) Kp = Kc (RT)..15 Ratkaisu: a) K p = p(pcl ) p(cl ) i i p (PCl ) i 5 [PCl ][Cl ] [PCl ] K c. 5 Hyödyntämällä tasapainotilaan ideaalikaasun tilanyhtälöä, saadaan lauseke pi = [kaasu] R T. Sijoittamalla tämä Kp:n lausekkeeseen, saadaan: K p [PCl ] ( ) [Cl ] ( ) [PCl ] [Cl ] ( ) RT RT K RT p [PCl ] ( RT) [PCl ] 5 5 Kp = Kc RT. Kp = 0,811 bar R = 0, T = 5 K Kc =? bar dm mol K

72 Kp = Kc RT K c K p RT. K 0,811 bar bar dm 0, K mol K c 0, mol/dm 0,0187 mol/dm. b) K p(nh ) p p(n ) p(h ) [NH ] c [N ] [H ] K Hyödyntämällä tasapainotilaan ideaalikaasun tilanyhtälöä saadaan pi = [kaasu] R T. Sijoittamalla tämä Kp:n lausekkeeseen, saadaan: K p [NH ] ( RT) [NH ] [N ] (RT) [H ] ( ) [N ][H ] ( ) K p RT RT Kp = Kc (RT) Kc =,0 (mol/dm ) R = 0, bar dm mol K T = (7, ) K = 60,15 K Kp = Kc (RT) K p bar dm =,0 (mol/dm ) (0, ,15 K) mol K = 7, bar 7, bar.

73 a) Kp = Kc RT, Kc = 0,0187 mol/dm b) Kp = Kc (RT), Kp = 7, bar.16 Ratkaisu: a) t = 107 C T = ( ,15) K = 80,15 K V(astia) = 1,04 dm = 1,04 10 m p = 1,59 MPa = 1, Pa n(co)tasap. = 0,1 mol n(h)tasap. = 0,98 mol R = 8,1451 Pa m mol K n(choh)tasap. =? Ideaalikaasun tilanyhtälöstä pv = nrt saadaan ratkaistua kaasujen kokonaisainemäärä tasapainotilassa, kun lämpötila, paine ja tilavuus tiedetään: n(kaasut) 6 pv 1,59 10 Pa 1,0410 m 0,517 mol RT Pa m 8, ,15 K mol K tasap. n(choh)tasap. = n(kaasut)tasap. n(co)tasap. n(h)tasap. = (0,517 0,1 0,98) mol = 0,1017 mol 0,10 mol b) n(co)tasap. = 0,1 mol n(h)tasap. = 0,98 mol n(choh)tasap. = 0,10 mol V = 1,04 dm Kc =?

74 Lasketaan tasapainokonsentraatiot: 0,1 mol [CO] 0,1171 mol/dm 1,04 dm 0,98 mol [H ] 0, 8654 mol/dm 1,04 dm 0,10 mol [CH OH] 0,09908 mol/dm 1,04 dm [CH OH] 0,09908 mol/dm K [CO] [H ] (0,1171 mol/dm ) (0, 8654 mol/dm ) c = 10,8 (mol/dm ) 10, (mol/dm ). c) calku(co) = 0,16 mol/dm [CO] = 0,117 mol/dm (kohdasta b / merkitsevää numeroa) [H] = 0,87 mol/dm (kohdasta b / merkitsevää numeroa) [CHOH] = 0,0990 mol/dm (kohdasta b / merkitsevää numeroa) calku(h) =? Taulukoidaan alku- ja tasapainokonsentraatiot. Merkitään kysyttyä vedyn alkukonsentraatiota x:llä. Merkitään taulukkoon konsentraatioiden muutokset tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimien suhteessa. CO(g) + H(g) CHOH(g) calku (mol/dm ) 0,16 x 0 muutos (mol/dm ) 0,0990 0, ,0990 ctasap. (mol/dm ) 0,117 0,87 0,0990 Vedyn sarakkeesta saadaan lauseke x 0,0990 = 0,87. Tästä ratkaistuna x = 0,485. Vedyn alkukonsentraatio oli 0,485 mol/dm.

75 d) calku(co) = 0,16 mol/l calku(h) = 0,485 mol/l [CHOH] = 0,0990 mol/dm (kohdasta b / merkitsevää numeroa) saanto-%(choh) =? Jos reaktio etenisi täydellisesti, reaktiotuotteiden puolelle muodostuvan metanolin teoreettinen saanto olisi reaktioyhtälön CO(g) + H(g) CHOH(g) perusteella yhtä suuri kuin hiilimonoksidin alkukonsentraatio, sillä hiilimonoksidi on reaktion rajoittava tekijä. c(choh) = 0,16 mol/l. 0,0990 mol/l saanto %(CH OH) 100 % = 45,8 % 45,8 %. 0,16 mol/l e) [CO]= 0,117 mol/dm (kohdasta b / merkitsevää numeroa) [H] = 0,87 mol/dm (kohdasta b / merkitsevää numeroa) [CHOH] = 0,0990 mol/dm (kohdasta b / merkitsevää numeroa) Kp =? Kirjoitetaan Kp:n lauseke: K p (CH OH) i p p(co) p(h ) i i. Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan pi = [kaasu] RT. Sijoittamalla tämä lauseke Kp:n lausekkeeseen kunkin kaasun osapaineen kohdalle, saadaan: K p [CH OH] RT [CH OH] K [CO] RT [H ] ( RT) [CO] [H ] ( RT) p. T = 80,15 K R = 0, bar dm mol K

76 K [CH OH] p [CO] [H ] ( RT) (0,0990 mol/dm ) bar dm (0,117 mol/dm ) (0, 87 mol/dm ) (0, ) (80,15 K) mol K 0,0108 bar 0,010 bar. a) ntasap.(choh) = 0,10 mol b) Kc = 10, (mol/dm ) c) c(h) = 0,485 mol/l d) saanto-%(choh) = 45,8 % e) Kp = 0,010 bar

77 . Tasapainoseoksen koostumuksen ratkaiseminen.17 Ratkaisu: N(HO)alku = 8 N(CO)alku = 6 N(H)alku = 0 N(CO)alku = 0 K =,0 N(HO)tasap. =? N(CO)tasap. =? N(H)tasap. =? N(CO)tasap. =? HO(g) + CO(g) H(g) + CO(g) alkutilanne (kpl/v) 8/V 6/V 0/V 0/V muutos (kpl/v) x x +x +x tasapainotila (kpl/v) 8 x 6 x V V x V x V K c x x H CO ( ) ( ),0 V V. H O CO 8x 6x ( ) ( ) V V Ratkaisuiksi saadaan: x1 = 4 x = 4, joista vain jälkimmäinen on järkevä, sillä lähtöainemolekyylejä on enimmillään 8 kappaletta.

78 Lasketaan molekyylien kappalemäärät tasapainotilassa: N(HO)tasap. = 8 4 = 4 N(CO)tasap. = 6 4 = N(H)tasap. = = 4 N(CO)tasap. = = 4. N(HO) = 4 N(CO) = N(H) = 4 N(CO) = 4.18 Ratkaisu: calku([fe(scn)] + ) =,00 mol/l Kc = 9, mol/l [[Fe(SCN)] + ] =? [Fe + ] =? [SCN ] =? [Fe(SCN)] + (aq) Fe + (aq) + SCN (aq) calku (mol/l), muutos (mol/l) x +x +x ctasap. (mol/l),00 x x x K [Fe ][SCN ] + 4 9, [Fe(SCN)] ],00 x x.

79 Yhtälön ratkaisuina x1 = 0,04119 x = 0,0409, joista vain positiivinen luku kelpaa, sillä lähtöaineen konsentraation tulee vähentyä ja reaktiotuotteiden konsentraatioiden kasvaa. x = 0,0409 mol/l. Lasketaan kysytyt tasapainokonsentraatiot: [Fe + ] = [SCN ] = 0,0409 mol/l 0,04 mol/l [[Fe(SCN)] + ] = (,00 0,0409) mol/l = 1,9578 mol/l 1,96 mol/l. [[Fe(SCN)] + ] = 1,96 mol/l [Fe + ] = 0,04 mol/l [SCN ] = 0,04 mol/l.19 Ratkaisu: a) m(ho) = 1,0 g m(clo) =,0 g V = 1,0 l K = 0,090 M(HO) = 18,016 g/mol M(ClO) = 89,90 g/mol [HO] =? [ClO] =? [HOCl] =?

80 Veden ja dikloorioksidin alkukonsentraatiot ovat: c (H O) 0, mol/l c(cl O) m(h O) 1,0 g M(H O) V 18, 016 g/mol 1,0 l m(cl O) M (Cl O),0 g 86,90 g/mol 1,0 l 0, 001 mol/l. HO(g) + ClO(g) HOCl(g) calku (mol/l) 0, ,001 0 muutos (mol/l) x x +x ctasap. (mol/l) 0,05551 x 0,001 x x K HOCl ( x) 0,090 H OCl O 0,05551 x0,001 x. Ratkaisuiksi saadaan: x1 = 0,00699 x = 0, Näistä vain positiivinen juuri kelpaa, sillä lähtöaineiden konsentraatioiden tulee pienentyä ja reaktiotuotteen konsentraation kasvaa. x = 0,00459 mol/l. Kaasujen tasapainokonsentraatiot ovat: [HO] = (0, ,00459) mol/l = 0,0509 mol/l 0,051 mol/l [ClO] = (0,001 0,00459) mol/l = 0,0184 mol/l 0,018 mol/l [HOCl] = 0,00459 mol/l = 0, mol/l 0,009 mol/l

81 b) m(hocl) = 100 g V =,0 l K = 0,090 M(HOCl) = 5,458 g/mol [HO] =? [ClO] =? [HOCl] =? Lasketaan HOCl:n alkukonsentraatio: 100 g c(hocl) 0,951 mol/l. 5,458 g/mol,0 l Koska reaktiossa on alkutilanteessa vain reaktiotuotetta, sen konsentraatio pienenee ja lähtöaineiden konsentraatiot kasvavat. Merkitään konsentraatioiden muutokset reaktioyhtälön kertoimien suhteessa: HO(g) + ClO(g) HOCl(g) calku (mol/l) 0 0 0,951 muutos (mol/l) + 1 x + 1 x x ctasap. (mol/l) 0,50x 0,50x 0,951 x K HOCl (0,951 x) 0,090. H O Cl O (0,50 x)(0,50 x) Ratkaisuiksi saadaan: x1 = 1,11 x = 0,888. Näistä vain lukuarvo 0,888 kelpaa, sillä HOCl:n alkukonsentraatio on 0,951 mol/l x = 0,888 mol/l.

82 Kaasujen tasapainokonsentraatiot ovat: [HO] = [ClO] = 1 0,888 mol/l = 0,4144 mol/l 0,41 mol/l [HOCl]= 0,951 mol/l 0,888 mol/l = 0,14 mol/l 0,1 mol/l. a) [HO] = 0,051 mol/l [ClO] = 0,018 mol/l [HOCl] = 0,009 mol/l b) [HO] = 0,41 mol/l [ClO] = 0,41 mol/l [HOCl]= 0,1 mol/l..0 Ratkaisu: a) CHCOOH + CHOH HSO 4, CHCOOCH + HO b) n(chcooh)alku = 1,0 mol n(choh)alku = 1,0 mol Kc = 4,0 Koska reaktioseoksen tilavuutta ei tiedetä, merkitään sitä V:llä. Hapon ja alkoholinalkukonsentraatio ovat: c c 1,0 mol (CH COOH) V alku 1,0 mol (CH OH) V alku

83 CHCOOH + CHOH CHCOOCH + HO calku 1, 0 mol 1,0 mol 0 0 V V muutos x x +x +x ctasap. 1, 0 mol V x 1,0 mol V x x mol V x mol V K c [CH COOCH ] [H O] [CH COOH] [CH OH] 4,0 x x V V. 1,0 1,0 ( x) ( x) V V Lausekkeesta supistuu tilavuus V pois, jolloin saadaan: x 4,0. (1,0 x) (1,0 x) Ratkaisuina x1 =,0 x = 0,6667. Näistä vain luku 0,6667 on järkevä, sillä lähtöaineita oli 1,0 mooli x = 0,67 mol. c) Se parantaa esterin saantoa, sillä veden poistuminen siirtää tasapainotilaa reaktiotuotteiden suuntaan. d) Metyylietanaatti (metyyliasetaatti). a) CHCOOH + CHOH b) n(esteri) = 0,67 mol HSO 4, CHCOOCH + HO c) Se parantaa esterin saantoa, sillä veden poistuminen siirtää tasapainotilaa reaktiotuotteiden suuntaan. d) Metyylietanaatti (metyyliasetaatti)

84 .1 Ratkaisu: a) nalku(chchoh) = 0,50 mol nalku(chcooh) = 0,60 mol nalku(chcoochch) = 0,60 mol nalku(ho) = 0,40 mol ntasap(chcooh) = 0,40 mol V = 10 ml = 0,10 dm Kc =? Eri aineiden alkukonsentraatiot ovat: 0,50 mol c(ch CH OH) = 0,10 dm 0,60 mol c(ch COOH) = 0,10 dm,846 mol/dm 4,615 mol/dm 0,60 mol c(ch COOCH CH ) = 0,10 dm 4,615 mol/dm 0,40 mol 0,10 dm c(h O) =,077 mol/dm. Etaanihapon tasapainokonsentraatio on: 0,40 mol [CH COOH] =,077 mol/dm 0,10 dm. CHCOOH + CHCHOH CHCOOCHCH + HO calku (mol/dm ) 4,615,846 4,615,077 muutos (mol/dm ) 1,58 1,58 +1,58 +1,58 ctasap. (mol/dm ),077,08 6,15 4,615 K [CH COOCH CH ] [H O] 6,15 mol/dm 4,615 mol/dm c,998 4,0 [CH COOH] [CH CH OH],077 mol/dm,08 mol/dm.

85 b) nalku(chcooh) = 1,0 mol nalku(chchoh) = 1,0 mol nalku(chcoochch) =,0 mol nalku(ho) =,0 mol Kc = 4,0 ntasap.(chcooh) =? ntasap.(chchoh) =? ntasap.(chcoochch) =? ntasap.(ho) =? Koska reaktioseoksen tilavuutta ei tiedetä, merkitään sitä V:llä. Lasketaan tasapainovakion arvo annetuilla ainemäärillä tilavuudessa V: K [CH COOCH CH ] [H O],0/ V,0/ V [CH COOH] [CH CH OH] 1,0/ V1,0/ V c 9,0. Koska laskettu tasapainovakio on suurempi kuin kohdassa a) ratkaistu tasapainovakio (9,0 > 4,0), reaktion tulee edetä lähtöaineiden suuntaan. Näin ollen etaanihapon ja etanolin ainemäärien tulee kasvaa ja etyyliasetaatin ja veden ainemäärien pienentyä. CHCOOH + CHCHOH CHCOOCHCH + HO nalku (mol/l) 1,0 1,0,0,0 muutos (mol/l) +x +x x x ntasap. (mol/l) 1,0 + x 1,0 + x,0 x,0 x Lasketaan x lausekkeesta (,0 x) (,0 x) 4,0 (1,0 x) (1,0 x).

86 Ratkaisuiksi saadaan: x1 = 5,000 x = 0,. Vain positiivinen luku kelpaa, sillä lähtöaineiden ainemäärien tulee kasvaa ja reaktiotuotteiden ainemäärien pienentyä. x = 0, mol. Ainemäärät tasapainotilassa ovat: ntasap.(chcooh) = (1,0 + 0,) mol = 1, mol 1, mol ntasap.(chchoh) = (1,0 + 0,) mol = 1, mol 1, mol ntasap.(chcoochch) = (,0 0,) mol =,667 mol,7 mol ntasap.(ho) = (,0 0,) mol =,667 mol,7 mol. c) nalku(chchoh) = 4,0 mol ntasap (CHCOOCHCH) =,0 Kc = 4,0 nalku(chcooh) =? CHCOOH + CHCHOH CHCOOCHCH + HO nalku(mol/l) x 4,0 0 0 muutos (mol/l),0,0 +,0 +,0 ntasap.(mol/l) x,0,0,0,0 K c [CH COOCH CH ] [H O],0,0. [CH COOH] [CH CH OH] ( x,0),0 4,0 Ratkaisuksi saadaan: x =,5. Lisättävä etaanihapon ainemäärä on,5 mol.

87 a) Kc = 4,0 b) Reaktio etenee lähtöaineiden suuntaan. ntasap(chcooh) = 1, mol ntasap(chchoh) = 1, mol ntasap(chcoochch) =,7 mol ntasap(ho) =,7 mol c) nalku(chcooh) =,5 mol. Ratkaisu: n(co)alku = 0,50 mol n(h)alku = 0,50 mol V =,0 l [CO] =? 0,50 mol c (CO ) 0, 500 mol/l alku,0 l 0,50 mol c (H ) 0, 500 mol/l alku,0 l K p p(h O) p(co) i i. p(h ) p(co ) i i Ideaalikaasun tilanyhtälöä soveltaen tasapainotilassa kunkin kaasun osapaineen ja kaasun konsentraation välillä on seuraava riippuvuus pi = cirt. Kun Kp kirjoitetaan tämän lausekkeen avulla, saadaan: K p [H O] RT [CO] RT [H ] RT [CO ] RT. Lausekkeesta supistuu pois RT, joten K p [H O] [CO]. [H ] [CO ]

88 Tehdään taulukko alku- ja tasapainokonsentraatioista: H(g) + CO(g) HO(g) + CO(g) calku (mol/l) 0,500 0, muutos (mol/l) x x +x +x ctasap. (mol/l) 0,500 x 0,500 x +x +x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot Kp:n lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K p [H O] [CO] x x. [H ] [CO ] (0,500 x) (0,500 x) 0,7 Ratkaisuksi saadaan: x1 = 0,1148 x = 1,400. Näistä vain x1 on järkevä, sillä lähtöaineiden konsentraatiot ovat 0,500 mol/l ja niiden tulee pienentyä. x = 0,1148 mol/l = [CO]. Kysytty hiilimonoksidin ainemäärä tasapainotilassa on: n(co)tasap. = [CO] V = = 0,1148 mol/l,0 l =0,96 mol 0, mol. n(co)tasap. = 0, mol.

89 . Ratkaisu: nalku(so) =,0 mol nalku(o) =,0 mol saanto-%(so) = 90 % Kp = 1 kpa 1 ptot =? Halutun saannon perusteella rikkitrioksidia tulisi muodostu 0,90,0 mol = 1,8 mol. Merkitään kaasujen alkuainemäärät, ainemäärien muutokset ja ainemäärät tasapainotilassa. SO(g) + O(g) SO(g) nalku(mol),0,0 0 muutos 1,8 1 1,8 = 0,90 +1,8 ntasap.(mol) 0,0 1,1 1,8 Tasapainovakion Kp lauseke on: Kp = ( p (SO )) ( p(so )) (O ) i p i i Kaasun osapaine (pi) on kokonaispaine (ptot) kerrottuna kaasun mooliosuudella (y): pi(so) = y(so) ptot pi(so) = y(so) ptot pi(o) = y(o) ptot

90 Kaasujen mooliosuudet tasapainotilassa ovat: y 1,8 mol (SO ) 0,5806 (0, 0 1,1 1,8) mol y 0,0 mol (SO ) 0,0645 (0, 0 1,1 1,8) mol y 1,1 mol (O ) 0,548 (0, 0 1,1 1,8) mol. Tasapainovakion lausekkeeksi saadaan: K (0,5806 p ) tot 1 0,71 1 (kpa) p (0,0645 p ) 0,548 p 1, p tot tot tot. Ratkaisuksi saadaan: ptot = 17,56 kpa 18 kpa. ptot = 18 kpa.

91 .4 Ratkaisu: [CH(CH)OH] =,50 mol/l [CH(CH)COOH] = 0,00 mol/l [CH(CH)OOC(CH)CH] = 1,50 mol/l c(ho) = 1,00 mol/l Kc = 9,00 [CH(CH)OOC(CH)CH]uusi =? Merkitään uudeksi alkutilanteeksi hapon, alkoholin ja esterin tasapainokonsentraatiot. Veden uusi alkukonsentraatio on 1,00 mol/l. Koska vettä on poistettu, reaktion tulee siirtyä reaktiotuotteiden suuntaan, kunnes saavutetaan uusi tasapainotila. Lähtöaineiden konsentraatioiden tulee siten pienentyä ( x) ja reaktiotuotteiden konsentraation kasvaa (+x). Saadaan seuraava taulukko: CH(CH)OH(l ) + CH(CH)COOH(l) CH(CH)OOC(CH)CH(l) + HO(l) calku (mol/l),50 0,00 1,50 1,00 muutos x x +x +x (mol/l) ctasap (mol/l),50 x 0,00 x 1,50 + x 1,00 + x K c [CH (CH ) OOC(CH ) CH ] [H O] (1,50 x) (1,00 x) 9,00 [CH (CH ) OH] [CH (CH ) COOH] (,50 x) (0,00 x ). Ratkaisuksi saadaan: x1 =,40 x = 0, Näistä vain jälkimmäinen on järkevä, sillä lähtöaineita on enimmillään,50 mol/l. x = 0,11595 mol/l. [CH(CH)OOC(CH)CH]uusi = (1,50+0,11595) mol/l = 1,6160 mol/l 1,6 mol/l.

92 [CH(CH)OOC(CH)CH] = 1,6 mol/l.5 Ratkaisu: [N] = 0,10 mol/dm [O] = 0,080 mol/dm [NO]1 = 0,00 mol/dm [NO] = 0,010 mol/dm K = 0,050 Δc(O) =? Merkitään uudeksi alkutilanteeksi annetut typen ja typpimonoksidin tasapainokonsentraatiot ja hapelle sen tasapainokonsentraatio x (vähentyvä määrä). Koska happea poistetaan, siirtyy tasapainotila lähtöaineiden suuntaan, jolloin typen ja hapen konsentraatioiden tulee kasvaa 1 (+ 0,010 mol/dm = 0,0050 mol/dm ). Näistä päätelmistä saadaan oheinen taulukko: N(g) + O(g) NO(g) calku (mol/dm ) 0,10 0,080 x 0,00 muutos (mol/dm ) 0,10 + 0,0050 (0,080 x) 0, ,0050 ctasap (mol/dm ) 0,1050 0,0850 x 0,010 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot Kc:n lausekkeeseen ja ratkaistaan x. Lasku on suoritettu ilman yksiköitä, mutta ratkaisuun tulee merkitä x:n yksiköksi konsentraation yksikkö (mol/dm ). K c NO (0,010) 0,050 N O 0,1050 0,0850 x. Ratkaisuksi saadaan: x = 0,06596 mol/dm. Eli happea on poistettava 0,06596 mol/dm 0,066 mol/dm.

93 Hapen uusi tasapainokonsentraatio on: [O] = (0,0850 0,06596) mol/dm = 0,01904 mol/dm 0,019 mol/dm. Vastaus> Happea on poistettava 0,066 mol/dm. [O] = 0,019 mol/dm.6 Ratkaisu: a) pi(so) =, bar pi(o) = 4,5 bar pi(so)1 =, bar pi(so) =,5 bar Kp = 0, bar 1 pi(o) =? Merkitään rikkidioksidin ja rikkitrioksidin osapaineet uudeksi alkutilanteeksi. Merkitään hapen osapaineeksi 4,5 bar + x, jossa x on paineen lisääntyminen. Koska painetta kasvatetaan ja lähtöainepuolella on moolia kaasumolekyylejä ja reaktiotuotepuolella moolia, siirtyy tasapainotila reaktiotuotteiden suuntaan. Merkitään taulukkoon osapaineiden muutokset (reaktioyhtälön kertoimien suhteessa) ja uuden tasapainotilan osapaineet. Taulukoksi saadaan: SO(g) + O(g) SO(g) pi(alku) (bar), 4,5 + x, muutos (bar) 0, (4,5 + x) 0,1 +0, pi(tasap.) (bar),1 4,4 + x,5 K ( p (SO )),5 ( p (SO ) p (O ),1 (4,4+ x ). i = 0,= p i i

94 Ratkaisuksi saadaan: x =,04 Hapen osapaineen tulee kasvaa,04 bar. Kysytty hapen osapaine on: pi(o) = (4,5 +,04) bar = 6,54 bar 6,5 bar. b) Taulukkokirjassa ilmoitettujen muodostumislämpöjen (ΔHf) perusteella muodostumisreaktio on eksoterminen. Lasku: ΔHreaktio = ΔHf(reaktiotuotteet) ΔHf(lähtöaineet) = [ mol ( 95, kj/mol)] [ mol ( 96,9 kj/mol) + (0 kj/mol)] = 196,6 kj. Tämän perusteella rikkitrioksidin osapainetta voisi kasvattaa alentamalla lämpötilaa, jolloin reaktion tasapainotila siirtyy rikkitrioksidin suuntaan. Myös rikkidioksidin osapaineen kasvattaminen (= rikkidioksidin lisääminen) siirtää myös reaktion tasapainotilaa rikkitrioksidin suuntaan. Kaasujen puristaminen kokoon (= reaktioseoksen tilavuuden pienentäminen) siirtää myös tasapainotilaa reaktiotuotteen suuntaan (lähtöainepuolella moolia kaasuja, reaktiotuotepuolella moolia kaasuja), jolloin rikkitrioksidin osapaine kasvaa. c) Reaktiota voi nopeuttaa nostamalla lämpötilaa tai käyttämällä katalyyttiä. Lämpötilan nostaminen pienentää rikkitrioksidin saantoa. Katalyytin käyttö ei vaikuta rikkitrioksidin saantoon. a) pi(o) = 6,5 bar. b) Rikkitrioksidin osapainetta voi kasvattaa alentamalla lämpötilaa, kasvattamalla rikkidioksidin osapainetta tai pienentämällä reaktioseoksen tilavuutta. c) Nostamalla lämpötilaa tai käyttämällä katalyyttiä. Lämpötilan nostaminen pienentää rikkitrioksidin saantoa. Katalyytin käyttö ei vaikuta rikkitrioksidin saantoon.

95 Harjoittele lisää! Ylioppilastehtäviä 1. Ratkaisu: a) Le Châtelier n periaatteen mukaan tilavuuden kasvattaminen siirtää tasapainotilaa siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä (moolimäärä) on suurempi. Koska lähtöainepuolella on moolia kaasumaisia aineita ja reaktiotuotepuolella 4 moolia, siirtyy tasapainotila reaktiotuotteiden suuntaan. Tilavuuden kasvattaminen ei muuta tasapainovakion arvoa, sillä vakion arvo muuttuu vain lämpötilan muuttuessa. b) Kuvan perusteella vedyn osuus kasvaa, kun lämpötila kasvaa eli tasapainoasema siirtyy reaktiotuotteiden suuntaan. Etenevä reaktio on siten endoterminen eli lämpöä sitova. c) n(ch4) = 0,016 mol n(ho) = 0,016 mol n(h) = 0,0 mol n(co) = 0,0 mol V =,0 l K = 5,9 (mol/l) Eri aineiden konsentraatiot ovat: c (CH ) 4 0,016 mol,0 l 8, mol/l c 0,016 mol,0 l (H O) 8, mol/l 0,0 mol c (H ) 0,1500 mol/l,0 l c (CO) 0,0 mol,0 l 0,1500 mol/l [H ] [CO] K. [CH ] [H O] 4

96 Sijoitetaan lasketut konsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan K:n arvo: K (0,1500 mol/l) 0,1500 mol/l 8, mol/l 8, mol/l 7,910 (mol/l) 7,9 (mol/l). 7,9 (mol/l) > 5,9 (mol/l). Koska laskettu K on suurempi kuin reaktion K, reaktio ei ole tasapainossa. Palautuvan reaktion nopeus on suurempi kuin etenevän reaktion nopeus, sillä reaktiotuotteiden konsentraatio on liian suuri. Reaktiotuotteiden konsentraatioiden tulee pienentyä, jotta tasapainotila saavutetaan. a) Le Châtelier n periaatteen mukaisesti tilavuuden kasvattaminen siirtää tasapainotilaa siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä (moolimäärä) on suurempi. Koska lähtöainepuolella on moolia kaasumaisia aineita ja reaktiotuotepuolella 4 moolia, siirtyy tasapainotila reaktiotuotteiden suuntaan. Tilavuuden kasvattaminen ei muuta tasapainovakion arvoa, sillä vakion arvo muuttuu vain lämpötilan muuttuessa. b) Kuvan perusteella vedyn osuus kasvaa, kun lämpötila kasvaa eli tasapainoasema siirtyy reaktiotuotteiden suuntaan. Etenevä reaktio on siten endoterminen eli lämpöä sitova. c) 7,9 (mol/l) > 5,9 (mol/l) Palautuvan reaktion nopeus on suurempi kuin etenevän reaktion nopeus, sillä reaktiotuotteiden konsentraatio on liian suuri. Reaktiotuotteiden konsentraatioiden tulee pienentyä, jotta tasapainotila saavutetaan.

97 . Ratkaisu: a) n(so) = 1,00 mol n(o) = 5,00 mol V = 5,00 l rikkidioksidia reagoi 61, % K =? calku(so) = 1,00 mol 0,0000 5,00 l mol/l calku(o) = 5,00 mol 1,0000 5,00 l mol/l. Tasapainotilan synnyttyä 61, % eli 0,61 0,0000 mol/l rikkidioksidista oli reagoinut rikkitrioksidiksi. Rikkidioksidin konsentraatio oli siten vähentynyt 0,160 mol/l. Taulukoidaan alkukonsentraatiot, konsentraatioiden muutokset (tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimien avulla) ja merkitään taulukkoon tasapainokonsentraatiot: SO(g) + O(g) SO(g) calku (mol/l) 0,0000 1, muutos (mmol/l) 0,160 0, ,160 ctasap. (mol/l) 0, ,987 0,160 K [SO ] (0,160 mol/l) [SO ] [O ] (0, mol/l) (0,987 mol/l), 678 (mol/l),67 (mol/l) 1 1. b) Lasketaan reaktion entalpiamuutos taulukkokirjassa ilmoitettujen muodostumislämpöjen (ΔHf) avulla: ΔHreaktio = ΔHf(reaktiotuotteet) ΔHf(lähtöaineet) = [ mol ( 95, kj/mol)] [ mol ( 96,9 kj/mol) + (0 kj/mol)] = 196,6 kj.

98 Entalpiamuutoksen etumerkin perusteella etenevä reaktio on eksoterminen. Kun lämpötilaa lasketaan, tasapainotila siirtyy Le Châtelier n periaatteen mukaan eksotermisen reaktion suuntaan eli tässä tapauksessa reaktiotuotteen suuntaan. Kun lämpötila laskee sekä etenevä, että palautuva reaktio hidastuvat. Lämpötilan laskeminen vaikuttaa enemmän endotermisen eli palautuvan reaktion nopeuteen. a) K =,67 (mol/l) 1. b) Tasapainotila siirtyy reaktiotuotteen suuntaan. Kun lämpötila laskee, sekä etenevä että palautuva reaktio hidastuvat. Lämpötilan laskeminen vaikuttaa enemmän endotermisen eli palautuvan reaktion nopeuteen.

99 4 Happo-emästasapaino ja puskuriliuokset vastaukset ja ratkaisut 4.1 Protolyysireaktiot ja homogeeninen tasapainotila 4.1 Aineen kaava Aineen nimi Happo Emäs Heikko Vahva Yksiarvoinen C6H5COOH bentsoehappo x x x CN syanidi-ioni x x x HClO4 perkloorihappo x x x CHNH metyyliamiini x x x C6H5OH fenoli x x x S sulfidi-ioni x x x HSO rikkihapoke x x x Moniarvoinen 4. Ominaisuus Vahva happo Heikko happo Protolysoituu täysin. x c(ho + ) < c(ha)alku. x Protolyysireaktion reaktioyhtälössä käytetään x merkintää. c(ho + ) c(ha)alku. x Ka:n lukuarvo on pieni. x Liuoksen sähkönjohtokyky on suurempi, kun x c(ha)alku =,0 mol/dm. 4. a) Vahva happo tarkoittaa happoa, joka protolysoituu täydellisesti. Väkevä happo kuvaa liuosta, jossa hapon pitoisuus (konsentraatio) on suuri. Väkevä liuos voi sisältää joko heikkoa tai vahvaa happoa. b) Protolyysireaktiossa happo tai emäs reagoi veden kanssa. Vesiliuokseen muodostuu oksonium- tai hydroksidi-ioneja. Neutraloitumisreaktiossa vesiliuoksen oksoniumionit ja hydroksidi-ionit reagoivat keskenään ja muodostavat vettä.

100 4.4 Aineen nimi sulfaatti-ioni HSO 4 Vastinhapon kaava Vastinhapon nimi vetysulfaatti-ioni hiilihappo HCO Vastinemäksen kaava Vastinemäksen nimi vetykarbonaattiioni oksoniumioni HO vesi metyyliamiini CH NH metyyliammoniumioni fenolaatti-ioni C6H5OH fenoli rikkihapoke HSO vetysulfiitti-ioni 4.5 a) HNO toimii happona. Vastinemäs on nitraatti-ioni. b) HO toimii emäksenä. Vastinhappo on oksoniumioni. c) HO toimii happona. Vastinemäs on hydroksidi-ioni. d) NH toimii emäksenä. Vastinhappo on ammoniumioni. H PO 4 on vetyfosfaatti-ioni. toimii happona. Vastinemäs 4.6 Aine Happo Emäs Amfoteerinen Ka pka Kb pkb (mol/dm ) (mol/dm ) aniliini x 7, ,1 vetysulfidi x 1, ,00 fenoli x 1, ,00 nitriitti-ioni x 1, ,85 divetyfosfaattiioni x 6, ,0 1, ,85 trimetyyliamiini x 6, ,0 ammoniumioni x 5, ,5 fosfaatti-ioni x,4 10 1,6 vetykarbonaattiioni x 4, ,, ,64

101 a) Vahvin happo on vetysulfidi. Vahvin emäs on fosfaatti-ioni. b) Divetyfosfaatti-ioni on vahvempi happona kuin emäksenä. Vetykarbonaatti-ioni on vahvempi emäksenä kuin happona. 4.7 Happo Ka (mol/dm ) pka Vahvuusjärjestyksen mukainen numero Oksaalihappo 5,4 10 1,7 4 Fenoli 1, ,00 1 Dikloorietikkahappo 5,5 10 1,6 5 Vetysulfaatti-ioni 1,1 10 1,96 Ammoniumioni 5, ,5 4.8 [CH COO ][H O ] a) K a [CH COOH] [NH ][OH ] 4 b) K b [NH ] K [NH ][H O ] c) a [NH ] 4 K 5 5 d) b [C H NH ][OH ] [C H N] Koska suolahappo on vahva happo, sen vesiliuos sisältää enemmän oksoniumioneja, joten se reagoi nopeammin magnesiumin kanssa ja vapauttaa vetyä. Pullon suulle asetettu ilmapallo täyttyy vetykaasulla nopeammin.

102 4.10 a) Molemmat ovat happoja, sillä protolyysireaktiossa syntyy oksoniumioneja. b) HB, sillä sen protolyysireaktiossa syntyy vain vähän oksoniumioneja ja protolyysin jälkeen happomuodon HB konsentraatio on vielä suuri. HB ei siis protolysoidu täydellisesti. c) B on hapon HB vastinemäs. d) HA(aq) + HO(l) HO + (aq) + A (aq) HB(aq) + HO(l) HO + (aq) + B (aq) 4.11 a) HI(aq) + HO(l) I (aq) + HO + (aq) b) (CH)NH(aq) + HO(l) (CH ) NH (aq) + OH (aq) K b [(CH ) NH ][OH ] [(CH ) NH] c) HNO(aq) + HO(l) NO (aq) + HO + (aq) K a [NO ][H O ] [HNO ] d) Karbonaatti-ioni voi ottaa vastaan kaksi protonia. Reaktioyhtälöt ovat: CO (aq) + HO(l) HCO (aq) + OH (aq) HCO (aq) + HO(l) HCO(aq) + OH (aq). Emäsvakioiden lausekkeet ovat: K [HCO ][OH ] [CO ] b K b [H CO ][OH ] [HCO ] Vetykarbonaatti-ioni on amfoteerinen aine, joten se voi toimia myös happona. Tämän reaktion reaktioyhtälö ja happovakion lauseke ovat:

103 HCO (aq) + HO(l) CO (aq) + HO + (aq) K a [CO ][H O ] [HCO ] 4.1 Ka1 on valtavan suuri, joten kyseessä on vahva protolyytti, ja protolyysireaktio etenee lähes täydellisesti reaktiotuotteiden puolelle. Happovakion arvosta voidaan tulkita, että kaikki rikkihappomolekyylit luovuttavat protonin. Ka on pieni, joten kyseessä on heikko protolyytti. Vakion perusteella vain osa vetysulfaattiioneista luovuttaa protonin, jolloin vesiliuokseen muodostuu tasapainotila. Protolyysireaktiot ovat: HSO4(aq) + HO(l) HSO (aq) + HO + (aq) 4 HSO (aq) + HO(l) 4 SO (aq) + HO + (aq) Ratkaisu: a) n(hcl) = 1,0 mol V =,0 l [HO + ] =? Suolahapon alkukonsentraatio on 1,0 mol c(hcl) 0,5000 mol/l.,0 l Suolahappo on vahva happo, joka protolysoituu täydellisesti. Reaktioyhtälö on HCl(aq) + HO(l) Cl (aq) + HO + (aq). Reaktioyhtälöstä nähdään, että oksoniumionikonsentraatio on yhtä suuri kuin hapon alkukonsentraatio, joten [HO + ] = 0,5000 mol/l 0,50 mol/l.

104 b) n(chcooh) = 1,0 mol V =,0 l Ka = 1, mol/dm (taulukkokirjasta) [HO + ] =? 1,0 mol Etikkahapon alkukonsentraatio on c(ch COOH) 0,5000 mol/l.,0 l Koska etikkahappo protolysoituu vain osittain, vesiliuokseen muodostuu tasapainotila. Laaditaan taulukko eri aineiden alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista, kuten tasapainolaskujen kohdalla on aiemmin opittu. Huomaa, että veden konsentraatio jätetään huomioimatta, sillä sen lukuarvo sisältyy happovakion Ka arvoon. CHCOOH(aq) + HO(l) CHCOO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap (mol/dm ) 0,5000 x - x x K a + [CH COO ][H O ] 5 1,810 x x CH COOH 0,5000 x Ratkaisuksi saadaan: x1=, x =, Näistä vain positiivinen juuri kelpaa, sillä etikkahapon konsentraation tulee pienentyä ja reaktiotuotteiden konsentraatioiden kasvaa. x =, mol/dm [HO + ] =, mol/dm,0 10 mol/dm.

105 c) calku(chcooh) = 0,5000 mol/l (kohdasta b) cmuutos (= protolysoituneiden molekyylien määrä) =, mol/dm. Lasketaan protolysoituneiden molekyylien osuus etikkahappomolekyylien kokonaismäärästä prosentteina:, , % = 0,598 % 0,60 %. a) [HO + ] = 0,50 mol/l. b) [HO + ] =,0 10 mol/dm. c) 0,60 % 4.14 Ratkaisu: [HO + ] = 1,0 mmol/l = 1,0 10 mol/l V(liuos) = 100 ml = 0,100 l Kb(NH) = 1, mol/dm M(NH) =17,04 g/mol m(nh) =? Ammoniakin protolyysireaktio on: NH(aq) + HO(l) NH (aq) + OH (aq). 4 Laaditaan taulukko eri aineiden alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista, kuten tasapainolaskujen kohdalla on aiemmin opittu. Merkitään ammoniakin alkukonsentraatiota x:llä. Vedelle ei merkitä konsentraatiota, sillä sen lukuarvo sisältyy ammoniakin emäsvakion arvoon.

106 NH(aq) + HO(l) NH4 + (aq) + OH (aq) calku (mol/l) x muutos 1, , ,0 10 ctasap. (mol/l) x 1,0 10-1,0 10 1,0 10 K [NH ][OH ] 4 5 (1,0 10 )(1,0 10 ) 1,8 10 b [NH ] x 1,0 10 Ratkaisuksi saadaan: x = 0, Ammoniakin alkukonsentraation tulee siis olla 0,05656 mol/l. Lasketaan ammoniakin ainemäärä 100 ml:ssa liuosta: n(nh) = 0,05656 mol/l 0,100 l = 5, mol. Kysytty ammoniakin massa on: m(nh) = 5, mol 17,04 g/mol = 0,0964 g 0,096 g. m(nh) = 0,096 g.

107 4.15 Ratkaisu: m(naco 10 HO) = 100 g V = 00 ml = 0,00 dm M(NaCO 10 HO) = 86,150 g/mol Kb( CO ) =, mol/dm (taulukkokirjasta) [OH ] =? Kidesoodaliuoksen konsentraatio on: m 100 g c(na CO 10 H O) 1,1649 mol/dm MV 86,150 g/mol 0,00 dm. Kidesoodan kaavan perusteella c( CO ) = c(naco 10 HO) = 1,1649 mol/dm. Karbonaatti-ioni on heikko emäs, jonka protolyysireaktio on: CO (aq) + HO(l) HCO (aq) + OH (aq). Laaditaan taulukko alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista. Huomaa, että veden konsentraatio jätetään merkitsemättä, sillä sen arvo sisältyy emäsvakion Kb arvoon. CO (aq) + HO(l) HCO (aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) 1, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 1,1649 x - x x K [HCO ][OH ] x x [CO ] 1,1649 x 4,110 b Ratkaisuksi saadaan: x1 = 0,01554 x = 0,01574.

108 Näistä vain positiivinen juuri kelpaa, sillä karbonaatti-ionin konsentraation tulee pienentyä ja reaktiotuotteiden konsentraatioiden kasvaa. x = 0,01554 mol/dm. [OH ] = 0,01554 mol/dm 0,016 mol/dm [OH ] = 0,016 mol/dm 4.16 a) Indikaattoriliuoksen värin perusteella näyte A voi sisältää joko happoa tai emästä. Näytteen B tulee sisältää happoa. Molemmat näytteet sisältävät happoa, sillä vain hapot reagoivat natriumvetykarbonaatin kanssa. Lisäksi vain hapot neutraloituvat emäksellä (titraus). Näytteen A tulee olla heikompi happo, sillä se reagoi natriumvetykarbonaatin kanssa hitaammin. Näyte A sisältää siten vähemmän oksoniumioneja. Lisäksi näytteen A sähkönjohtokyky on pienempi, eli liuoksen ionipitoisuus on pienempi kuin näytteen B ionipitoisuus. Listassa happoja ovat typpihappo ja muurahaishappo. Näistä typpihappo on vahva happo, joten sitä tulee olla näytteessä B. Tätä päätelmää tukee myös havainto, että indikaattoriliuosta lisättäessä liuos värjäytyy punaiseksi, mikä osoittaa, että näytteen B ph-arvo on alhaisempi kuin näytteen A (saman väkevyinen heikko happo). Näyte A sisältää siten muurahaishappoa. b) Koska näytteiden tilavuus ja konsentraatio ovat samat ja molemmat ovat yksiarvoisia happoja, kuluu näytteiden neutraloimiseen yhtä suuri tilavuus käytettyä natriumhydroksidia.

109 4. Neutraloitumisreaktiot ja titrauskäyrä 4.17 a) NH(aq) + CHCOOH(aq) NH4CHCOO(aq) tai NH4OH(aq) + CHCOOH(aq) NH4CHCOO(aq) + HO(l) Muodostuva suola on ammoniumasetaatti eli ammoniumetanaatti. b) Al(OH)(aq) + HSO4(aq) Al(SO4)(aq) + 6 HO(l) Muodostuva suola on alumiinisulfaatti. c) HPO4(aq) + Ca(OH)(aq) Ca(PO4)(aq) + 6 HO(l) Muodostuva suola on kalsiumfosfaatti Ratkaisu: a) c(naoh) = 0,50 mol/dm V(HCl)näyte = 40,0 ml = 0,0400 dm m(hcl) = 1,65 g V(HCl) = 1,00 l M(HCl) = 6,458 g/mol V(NaOH) =? Lasketaan suolahappoliuoksen konsentraatio: n m 1,65 g c(hcl) 0,04558 mol/l V M V 6, 458 g/mol 1,00 l. Lasketaan, mikä ainemäärä suolahappoa oli titratussa tilavuudessa: n(hcl) cv 0,04558 mol/l 0,0400 l = 1, mol.

110 Neutraloitumisreaktio on: HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + HO(l). Tämän perusteella n(naoh) = n(hcl) = 1, mol. Ratkaistaan kysytty natriumhydroksidiliuoksen tilavuus: V n 1, mol (NaOH) 5,17 10 l 5,17 10 l = 5,17 ml. c 0,50 mol/l b) c(naoh) = 0,50 mol/l V(HSO4)titrattu = 5,0 ml = 0,050 l c1(hso4) = 1,5 mol/l V(HSO4)pipetoitu = 10,0 ml = 0,0100 l V(HSO4)laimennos = 100 ml = 0,100 l V(NaOH) =? Lasketaan laimennokseen otetun rikkihapon ainemäärä: n( H SO ) c V(pipetoitu) 1, 5 mol/l 0,0100 l = 0,01500 mol. 4 1 Lasketaan laimennetun rikkihapon konsentraatio: 0,01500 mol c(h SO ) 0,1500 mol/l 4. 0,100 l Lasketaan, mikä ainemäärä rikkihappoa oli titratussa tilavuudessa: n HSO ol ( ) cv 0,1500 mol/l 0,050 l =, m 4 n(naoh) = n(hso4) =, mol = 6, mol. Ratkaistaan kysytty natriumhydroksidiliuoksen tilavuus: 6, mol V (NaOH) 0, l 0,0179 l = 17,9 ml. 0,50 mol/l

111 a) V(NaOH) = 5,17ml b) V(NaOH) = 17,9 ml 4.19 Ratkaisu: a) m(ca(oh)) = 0 mg = 0 10 g c(hno) = 0,00 mol/dm M(Ca(OH)) = 74,096 g/mol V(HNO) =? Lasketaan kalsiumhydroksidin ainemäärä: n(ca(oh ) 010 g 4, mol. 74,096 g/mol Reaktioyhtälön Ca(OH)(aq) + HNO(aq) Ca(NO)(aq) + HO(l) perusteella n(hno) = n(ca(oh)) =, mol =5, mol. Lasketaan tarvittava typpihapon tilavuus: 4 n 5,98 10 mol V (HNO ) 0, 0699 l 7 ml. c 0,00 mol/l b) n(ca(oh)) =, mol (kohdasta a) c(hso4) = 0,015 mol/dm V(HSO4) =? Reaktioyhtälön Ca(OH)(aq) + HSO4 (aq) CaSO4(aq) + HO(l) perusteella n(hso4) = n(ca(oh)) =, mol.

112 Lasketaan tarvittava rikkihapon tilavuus: 4 n, mol V (H SO ) 0,01799 l 18 ml 4. c 0,015 mol/l Rikkihappoa tarvitaan pienempi tilavuus. 4.0 Ratkaisu: a) (i) mittalasi (ii) mittapullo (iii) täyspipetti (ja pumpetti) (iv) byretti b) Sitruunahapon rakennekaava on: = COOH-CH-C(OH)(COOH)-CH-COOH Reaktioyhtälö on: COOH-CH-C(OH)(COOH)-CH-COOH(aq) + NaOH(aq) NaCOO-CH-C(OH)(NaCOO)-CH-(NaCOO)(aq) + HO(l)

113 c) c(naoh) = 0,50 mol/dm V(NaOH) = 18,8 ml = 0,0188 dm V(sitruunamehu) =,5 ml = 0,05 dm V(mehunäyte) = 100 ml V(titrattu mehunäyte) = 10,0 ml = 0,0100 dm c(sitruunahappo) =? Lasketaan titrauksessa kuluneen natriumhydroksidin ainemäärä: n(naoh) = 0,50 mol/dm 0,0188 dm = 4, mol. Kohdassa b) esitetyn neutraloitumisreaktion reaktioyhtälön perusteella titratun näytteen n(sitruunahappo) = 1 n(naoh)= 1 4, mol = 1, mol. Sitruunahapon kokonaisainemäärä 100 ml:ksi laimennetussa näytteessä on: 10 1, mol = 1, mol. Lasketaan kysytty sitruunahapon konsentraatio sitruunamehussa: 1, mol. c(sitruunahappo) 0, 6961 mol/dm 0, 696 mol/dm 0,05 dm d) n(sitruunahappo) = 1, mol (kohdasta c) m(sitruuna) = 58,0 g M(sitruunahappo) = 19,14 g/mol m(sitruunahappo) / 100 g =? Sitruunahapon massa tutkitussa sitruunassa on: m(sitruunahappo) = 1, mol 19,14 g/mol =,0100 g.

114 Kysytty sitruunahapon määrä / 100 g sitruunaa on:,0100 g 100 g = 5,1897 g 5,19 g. 58,0 g e) Sitruunassa voi olla muitakin happamia aineita, jotka neutraloituvat natriumhydroksidilla. Natriumhydroksidin konsentraatio ei ollut aivan tarkka eli liuos on voinut olla laimeampaa, jolloin sitä on kulunut enemmän sitruunahapon neutraloitumiseen. Titrauksen päätepiste on havaittu liian myöhään, jolloin laskuissa käytetty natriumhydroksidiliuoksen tilavuus on liian suuri. a) (i) mittalasi (ii) mittapullo (iii) täyspipetti (ja pumpetti) (iv) byretti b) COOH-CH-C(OH)(COOH)-CH-COOH(aq) + NaOH(aq) NaCOO-CH-C(OH)(NaCOO)-CH-(NaCOO)(aq) + HO(l) c) c(sitruunahappo) = 0,696 mol/dm d) 5,19 g / 100 g e) Sitruunassa voi olla muitakin happamia aineita, jotka neutraloituvat natriumhydroksidilla. Natriumhydroksidin konsentraatio ei ollut aivan tarkka eli liuos on voinut olla laimeampaa, joten sitä on kulunut enemmän näytteen neutraloimiseen. Titrauksen päätepiste on havaittu liian myöhään, joten laskuissa käytetty natriumhydroksidiliuoksen tilavuus on liian suuri.

115 4.1 Ratkaisu: a) V(indikaattoriliuos) = 50 ml = 0,050 l til-%(etanoli) = 9 % m-%(tymolisinen) = 0,10 m-% (70 til-% etanoli) = 0,80 g/ml Jotta 50 millilitrassa liuotinta olisi 70 til-% etanolia, tulee sen sisältää etanolia 50 ml 0,70 = 5 ml. Jotta saadaan 5 millilitraa etanolia, tarvitaan 9 til-% etanolia: 5 ml V (9 til-% etanoli) = 7,6 ml 8 ml. 0,9 Toinen ratkaisumalli edelliseen laskuun: 9 til-% 50 ml V(9 til-% etanoli) = x= 7,6 ml 8 ml. 70 til-% x Liuotinta varten laimennetaan 8 millilitraa 9 til-% etanolia 50 ml:ksi vedellä. Lasketaan tarvittava indikaattorin massa: 50 millilitraa 70 til-% etanoliliuosta painaa annetun tiheyden perusteella m(70 til-% etanoli) = (70 til-% etanoli) V(liuos) = 0,80 g/ml 50 ml = 40 g. Jotta saadaan 0,10 m-% indikaattoriliuos, on indikaattoria punnittava: m(indikaattori) = 0, g = 0,040 g = 40 mg. Punnitaan 40 mg tymolisinistä. Laimennetaan 8 ml 9 til-% etanolia vedellä 50 ml:ksi ja liuotetaan tymolisininen näin saatuun liuokseen.

116 b) Tymolisinisen huono vesiliukoisuus selittyy sillä, että se on suuri orgaaninen molekyyli, jossa on vain vähän poolisia osia. Etanoli sisältää poolittoman hiilivetyosan ja poolisen hydroksyyliryhmän. Etanolimolekyylin pooliton osa sitoutuu tymolisinisen poolittomiin osiin ja hydroksyyliryhmä muodostaa vetysidoksia vesimolekyylien kanssa, jolloin indikaattori liukenee. Myös vesimolekyylit osaltaan irrottavat indikaattorimolekyylejä toisistaan sitoutumalla sen poolisiin osiin. a) Laimennetaan 8 ml 9 til-% etanolia vedellä 50 ml:ksi ja liuotetaan siihen 40 mg tymolisinistä. b) Tymolisinisen huono vesiliukoisuus selittyy sillä, että se on suuri orgaaninen molekyyli, jossa on vain vähän poolisia osia. Etanoli sisältää poolittoman hiilivetyosan ja poolisen hydroksyyliryhmän. Etanolimolekyylin pooliton osa sitoutuu tymolisinisen poolittomiin osiin ja hydroksyyliryhmä muodostaa vetysidoksia vesimolekyylien kanssa, jolloin indikaattori liukenee. Myös vesimolekyylit osaltaan irrottavat indikaattorimolekyylejä toisistaan sitoutumalla sen poolisiin osiin. 4. Ratkaisu: a) b) Ekvivalenttipiste on merkitty a-kohdan kuvaajaan.

117 c) Luetaan ekvivalenttipisteen kohdalta V(KOH) = 4,5 ml (merkitty a-kohdan kuvaajaan) V(KOH) = 4,5 ml = 0,045 dm c(koh) = 0,10 mol/dm V(näyte) = 0,0 cm = 0,000 dm c(maitohappo) =? Lasketaan kaliumhydroksidin ainemäärä ekvivalenttipisteessä: n(koh) = 0,10 mol/dm 0,045 dm = 4,50 10 mol. Reaktioyhtälön KOH(aq) + CHCH(OH)COOH(aq) KCHCH(OH)COO(aq) + HO(l) perusteella n(chch(oh)cooh) = n(koh)= 4,50 10 mol. Lasketaan kysytty maitohapon konsentraatio 4,50 10 mol. c(maitohappo) 0, 15 mol/dm 0, 1 mol/dm 0,000 dm d) -Hydroksipropaanihappo. e) Maitohappo on orgaaninen happo (karboksyylihappo), jotka yleensä ovat heikkoja happoja. f) Kaliumlaktaatti. g) Fenoliftaleiini tai tymolisininen. Ekvivalenttipisteessä liuoksen ph on noin 8,5. Fenoliftaleiinin värinvaihtumisalue on ph-alueella 8, 10,0 ja tymolisinisellä ph-alueella 8, 9,8.

118 a) b) Ekvivalenttipiste on merkitty kohdan a) kuvaajaan. c) c(maitohappo) = 0,1 mol/dm. d) -Hydroksipropaanihappo. e) Maitohappo on orgaaninen happo (karboksyylihappo), jotka yleensä ovat heikkoja happoja. f) Kaliumlaktaatti. g) Fenoliftaleiini tai tymolisininen. Ekvivalenttipisteessä liuoksen ph on noin 8,5. Fenoliftaleiinin värinvaihtumisalue on ph-alueella 8, 10,0 ja tymolisinisellä ph-alueella 8, 9,8.

119 4. Ratkaisu: a) b) Ekvivalenttipiste merkitty kohdan a) kuvaajaan. Ekvivalenttipisteessä V(HNO) = 18,0 ml (merkitty kuvaajaan). V(HNO) = 18,0 ml = 0,0180 dm c(hno) = 0,0 mol/dm V(näyte) = 5,0 ml = 0,050 dm c(nh) =? Lasketaan typpihapon ainemäärä ekvivalenttipisteessä: n(hno ) = 0,0 mol/dm 0,0180 dm =, mol. Reaktioyhtälön HNO(aq) + NH(aq) NH4NO(aq) perusteella n(nh) = n(hno) =, mol.

120 Lasketaan kysytty ammoniakin konsentraatio, mol. c(nh ) 0,1440 mol/dm 0,14 mol/dm 0,050 dm c) Kun ammoniakkiliuos on neutraloitunut, liuoksessa on ammoniumioneja NH. 4 Ammoniumioni on heikko happo, joka protolysoituu vesiliuoksessa: NH (aq) + HO(l) 4 NH(aq) + HO + (aq). Oksoniumionit tekevät liuoksesta happaman. d) Ekvivalenttipisteessä liuoksen ph-arvo on noin 5,. Indikaattori, jonka värinvaihtumisalue osuu tälle ph-alueelle, on metyylipunainen (4,4 6,0). e) c(nh) = c( 4 NH ), kun puolet ammoniakkiliuoksesta on neutraloitunut. V(HNO) on tällöin 9,0 ml. Luetaan pystyakselilta ph-arvo, kun V(HNO) = 9,0 ml (merkitty kuvaajaan). ph 8,80.

121 a) b) c(nh) = 0,14 mol/dm c) Liuoksessa on ammoniumioneja NH (aq). Ammoniumioni on heikko happo, joka 4 protolysoituu vesiliuoksessa seuraavasti: NH (aq) + HO(l) 4 Oksoniumionit tekevät liuoksesta happaman NH(aq) + HO + (aq). d) Ekvivalenttipisteessä liuoksen ph-arvo on noin 5, 6,0. Indikaattori, jonka värinvaihtumisalue osuu tälle ph-alueelle, on metyylipunainen (4,4 6,0). e) ph 8,80.

122 4.4 a) Byretti ja ph-mittari. b) Kuvaaja B. Vain kuvaajassa B alku-ph on happamalla puolella eli titrattava näyte on sisältänyt happoa. Esimerkiksi etikkahappo ja natriumhydroksidi. c) Kuvaaja A. Tässä kuvaajassa ekvivalenttipisteen ph on happamalla puolella (noin 5,0). Kun ammoniakki neutraloidaan, vesiliuokseen muodostuu ammoniumioneja NH. Ammoniumioni 4 on heikko happo, joten sen vesiliuoksen ph on alle 7. d) Kuvaajan B ekvivalenttipiste on hieman yli 8,0 (emäksisellä puolella). Sopiva indikaattori olisi fenoliftaleiini (tymolisininen, tymoliftaleiini). e) Kyseessä on titrauskäyrä, joka on saatu, kun vahvaa emästä on titrattu vahvalla hapolla. Tällöin alku-ph on korkea ja ph-muutos ekvivalenttipisteen kohdalla on jyrkempi kuin kuvaajassa A (heikon emäksen titrauskäyrä). 4.5 Ratkaisu: Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on Ba(OH)(aq) + HCl(aq) BaCl(aq) + HO(l). Titrauskäyrän perusteella ekvivalenttipisteessä V(HCl) = 7,5 ml. Titrauksessa kuluneen suolahapon ainemäärä ekvivalenttipisteessä on: n(hcl) = c(hcl) V(HCl) = 0,10 mol/l 0,0075 l = 7, mol. Reaktioyhtälön perusteella n(ba(oh) = 1 n(hcl) = 1 7, mol =, mol. Titratussa näytteessä olleen bariumhydroksidin massa on: m(ba(oh) =, mol 171,46 g/mol = 0,0645 g. Näytteessä olleen kideveden massa on: m(ho) = 118, mg 64,5 mg = 54,05 mg. Kideveden ainemäärä on n 0,05405 g. 18,016 g/mol (H O) =, mol

123 Kideveden ja bariumhydroksidin ainemäärien suhde on: n n(ba(oh) (H O), mol 4, mol 8, x = 8 ja kaava on Ba(OH) 8 HO. x = 8. Kaava on Ba(OH) 8 HO. 4.6 Ratkaisu: a) n(hpo4) = n( H PO ) ekvivalenttipisteessä A, sillä tuossa pisteessä yksi fosforihapon 4 protoneista on neutraloitunut. b) Monovetyfosfaatti-ionin ( HPO ) pitoisuus on suurin ekvivalenttipisteessä B, sillä tuossa pisteessä kaksi fosforihapon protoneista on neutraloitunut. 4 c) Divetyfosfaatti-ionin happovakion lauseke on: + [HPO ][H O ] 4 K =. a [H PO ] 4 Kun [ H PO ] = [ HPO ] lauseke sievenee muotoon 4 Ka = [HO + ]. 4 Koska pka = lgka ja ph = lg[ho + ], saadaan: pka = ph. Kun luetaan titrauskäyrältä ph, kun natriumhydroksidia on lisätty puolet ekvivalenttipisteen B tilavuudesta (V(NaOH) 60 ml) ph = pka. Lausekkeesta Ka = 10 pka saadaan lopulta ratkaistua divetyfosfaatti-ionin happovakio. d) Kaikki fosforihappo on neutraloitunut ekvivalenttipisteessä C.

124 e) c(naoh) = 0,500 mol/l V(näyte) = 100 ml = 0,100 l. n(fosforihappo) =? Kaikki näytteen fosforihappo on neutraloitunut ekvivalenttipisteessä C. V(NaOH) on tällöin 105 ml. Lasketaan fosforihapon neutraloitumiseen tarvittu natriumhydroksidin ainemäärä: n(naoh) = 0,500 mol/l 0,105 l = 0,05500 mol. Reaktioyhtälön: HPO4(aq) + NaOH(aq) NaPO4(aq) + HO(l) perusteella: n(hpo4) = 1 n(naoh) = 1 0,05500 mol = 0, mol = 17,5 mmol. Näyte sisälsi enemmän fosforihappoa (17,5 mmol/100 ml) kuin kolajuoma (0,75 mmol/100ml). f) Happamat juomat usein nautittuna syövyttävät hampaan kiillettä. a) Ekvivalenttipisteessä A, sillä tuossa pisteessä yksi fosforihapon protoneista on neutraloitunut. b) Ekvivalenttipisteessä B, sillä tuossa pisteessä kaksi fosforihapon protoneista on neutraloitunut. c) Kun (V(NaOH) 60 ml) ph = pka. Ka saadaan tällöin laskettua lausekkeesta Ka = 10 pka. d) Kaikki fosforihappo on neutraloitunut ekvivalenttipisteessä C. e) Näyte sisälsi enemmän fosforihappoa. f) Happamat juomat usein nautittuna syövyttävät hampaan kiillettä.

125 4. Puskuriliuokset ja niiden toimintaperiaate 4.7 Aine 1 Aine HCOOH HCOO HPO H PO (tai PO ) NH 4 NH (CH)NH (CH ) NH CHCHCOO CHCHCOOH 4.8 Liuokset b, c, d. Liuoksessa b) on sama ainemäärä heikkoa emästä (NH) ja sen vastinhappoa ( NH ). 4 Liuokseen c) muodostuu yhtä suuri ainemäärä heikkoa happoa (CHCOOH) ja sen vastinemästä (CHCOO ), kun lisätty natriumhydroksidiliuos neutraloi puolet etikkahaposta. Liuoksessa d) on yhtä suuri ainemäärä heikkoa emästä (CHNH) ja sen vastinhappoa ( CH NH ). 4.9 Liuoksessa vallitsee tasapainotila NH(aq) + HO(l) NH (aq) + OH (aq). Kun liuokseen 4 lisätään happoa eli liuokseen tulee oksoniumioneja, hydroksidi-ionit neutraloivat nämä vedeksi. Reaktioyhtälö on: OH (aq) + HO + (aq) HO(l). Kun liuokseen lisätään emästä eli liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio kasvaa, ammoniumionit reagoivat näiden ionien kanssa. Reaktioyhtälö on: NH 4 (aq) + OH (aq) NH(aq) + HO(l).

126 4.0 Seriinin kahtaisionin rakenne on: Kun liuokseen lisätään happoa (oksoniumioneja), negatiivinen karboksylaatti-ioni toimii emäksenä eli ottaa vastaan protonin. Seriinin rakennekaava on tämän jälkeen: Kun liuokseen lisätään emästä (hydroksidi-ioneja), positiivinen NH -ryhmä toimii happona eli luovuttaa protonin. Seriinin rakennekaava on tämän jälkeen:

127 4.1 Ratkaisu: c( H PO ) = 0,01 mol/dm 4 V(liuos) = 500 ml = 0,500 dm M(NaHPO4) = 141,958 g/mol m(nahpo4) =? Haluttu vetyfosfaatti-ionikonsentraatio on 1,6 c( H PO ) = 1,6 0,01 mol/dm = 0,0190 mol/dm. 4 Tarvittava vetyfosfaatti-ionin ainemäärä 500 ml:ssa liuosta on: n( HPO 4 ) = 0,0190 mol/dm 0,500 dm = 9, mol. Natriumvetyfosfaatin kaavan perusteella n( HPO 4 ) = n(nahpo4) n(nahpo4) = 9, mol. Tarvittava natriumvetyfosfaatin massa on: m(nahpo4) = 9, mol 141,958 g/mol = 1,6 g 1,4 g. m(nahpo4) = 1,4 g 4. a) Alaniini voi toimia joko happona, jolloin se luovuttaa protonin HN + -ryhmästä, tai emäksenä, jolloin karboksylaattiryhmä COO vastaanottaa protonin. b) Pisteessä A rakennekaava on HN + CH(CH) COOH. Kun lisätään happoa, alaniinin kahtaisionimuoto HN + CH(CH) COO toimii emäksenä, jolloin COO ottaa vastaan protonin. Pisteessä B rakennekaava on HN CH(CH) COO. Kun lisätään emästä alaniinin kahtaisionimuoto HN + CH(CH) COO toimii happona, jolloin HN + luovuttaa protonin.

128 Harjoittele lisää! Testaa oppimasi! 1. a), c), d), e). b), c), d). c), d), e) 4. b), c), d) 5. a), b), c) 6. a), d) 7. a) 8. c), d) 9. a), b), c) 10. c), d). Hallitsetko käsitteet? Täydennä virkkeet. Brønsted-Lowryn teorian mukaan happo on aine, joka kykenee luovuttamaan protonin. Amiinit ovat orgaanisia emäksiä, joiden vesiliuokseen muodostuu hydroksidi-ioneja. Monet orgaaniset hapot ovat heikkoja happoja, sillä ne eivät protolysoidu täysin. Heikkojen protolyyttien vesiliuokseen muodostuu homogeeninen tasapainotila. Emäsvakion kirjaintunnus on Kb ja yksikkö mol/dm. Mitä pienempi emäsvakio on, sitä heikompi emäs on. Suolahappo ja rikkihappo ovat molemmat vahvoja happoja, mutta suolahappo on yksiarvoinen ja rikkihappo moniarvoinen. Neutraloitumisreaktiossa vesiliuoksen hydroksidi-ionit reagoivat oksoniumionien kanssa ja muodostuu vettä. Titrauskäyrää varten y-akselille merkitään ph-arvo ja x-akselille titrausliuoksen tilavuus. Sitä kohtaa happo-emästitrauskäyrällä, jossa neutraloituminen on tapahtunut täydellisesti, kutsutaan ekvivalenttipisteeksi. Happo-emästitraukseen sopiva indikaattori valitaan titrauksen ekvivalenttipisteen pharvon perusteella.

129 Ainetta, joka voi toimia joko happona tai emäksenä, kutsutaan amfoteeriseksi. Puskuriliuos koostuu joko heikosta haposta ja sen vastinemäksestä tai heikosta emäksestä ja sen vastinhaposta. Reaktioyhtälö HCOOH(aq) + HO(l) protolyysireaktiota. HCOO (aq) + HO + (aq) kuvaa muurahaishapon Reaktioyhtälö HCOOH(aq) + NaOH(l) NaHCOO(aq) + HO(l) kuvaa muurahaishapon neutraloitumisreaktiota. Kun vesiliuoksessa c(hcooh) c(hcoo ), kyseessä on puskuriliuos. Ylioppilastehtäviä 1. a) Happo-emästitrauksen ekvivalenttipisteessä V(NaOH) on 14 ml. Johtokykytitrauksen ekvivalenttipisteessä V(NaOH) on 14 ml. b) Liuoksen alku-ph on aluksi noin 1, sillä kyseessä on vahva happo. Kun natriumhydroksidiliuosta lisätään, happoa alkaa neutraloitua ja ph nousee. Aluksi ph nousee hitaasti, sillä liuoksessa on runsaasti oksoniumioneja. Ekvivalenttikohdassa ph nousee jyrkästi, sillä pieni määrä emästä riittää neutraloimaan jäljellä olevat oksoniumionit, jonka jälkeen liuoksessa on ylimäärä hydroksidi-ioneja. Hydroksidi-ioni on vahva emäs, joten ph nousee jyrkästi. Kun kaikki happo on neutraloitunut, ph-arvoon vaikuttaa vain hydroksidiionit ja niiden konsentraation laimeneminen. c) Titrauksen ekvivalenttipisteessä liuoksessa on natrium-, kloridi-, hydroksidi- ja oksoniumioneja. Natrium- ja kloridi-ionien konsentraatiot ovat yhtä suuret. Samoin hydroksidi- ja oksoniumionikonsentraatiot ovat yhtä suuret. d) Ekvivalenttipisteen jälkeen liuoksen johtokyky kasvaa, sillä lisätty natriumhydroksidi ei enää neutraloi oksoniumioneja, vaan jää liuokseen vapaina ioneina. Liuoksen ionipitoisuus kasvaa (elektrolyytteinä toimivien ionien pitoisuus kasvaa), minkä seurauksena sähkönjohtokykykin kasvaa.

130 . Ratkaisu: V(NaOH) ekvivalenttipisteessä = 0 ml = 0,00 dm c(naoh) = 0,11 ml/dm m(saostuma) = 5 mg = 0,5 g M(HCl) = 6,458 g/mol M(HNO) = 6,018 g/mol m(hcl) =? m(hno) =? Ekvivalenttipisteessä natriumhydroksidin ainemäärä on: n(naoh) = 0,11 ml/dm 0,00 dm =,40 10 mol. Seoksessa olleiden happojen kokonaisainemäärä n(hapot) = n(naoh) =,40 10 mol. Suolahapon kloridi-ionit saostuvat (muodostuu niukkaliukoista suolaa), kun liuokseen lisätään hopeanitraattia. Reaktioyhtälö on: HCl(aq) + AgNO(aq) AgCl(s) + HNO(aq). Reaktioyhtälön perusteella n(hcl) = n(agcl). Lasketaan saostuneen hopeakloridin ainemäärä: n(agcl) = 0,5 g 14, g/mol 1, mol m(hcl) = 1, mol 6,458 g/mol = 0,0575 g 57 mg. n(hno) = n(hapot) n(hcl) =,40 10 mol 1, mol =8, mol m(hno) = 8, mol 6,018 g/mol = 0,0557 g 54 mg. m(hcl) = 57 mg m(hno) = 54 mg

131 Jakso 5 Vesiliuoksen ph-arvon laskeminen vastaukset ja ratkaisut 5.1 Veden autoprotolyysireaktio ja ph-asteikko 5.1 Ratkaisu: a) b) Reaktio on endoterminen, sillä veden ionitulon arvo kasvaa, kun lämpötila kasvaa. Tasapainotila siirtyy lämpötilan kohotessa reaktiotuotteiden suuntaan. c) Kw = 1, (mol/dm ) (merkitty kohdan a) kuvaajaan).

132 d) Kw (50 C) = 5, (mol/dm ) (annettu tehtävässä) [HO + ] =? [OH ] =? ph =? Autoprotolyysireaktion perusteella puhtaassa vedessä oksonium- ja hydroksidiionikonsentraatiot ovat yhtä suuret. Merkitään konsentraatioita x:llä. Lausekkeesta Kw = [HO + ][OH ] saadaan: Kw = x x 5, = x. Tästä ratkaistuna x =, [HO + ] = [OH ] =, mol/dm, 10 7 mol/dm. ph = lg[ho + ] = lg, = 6,608 6,6. e) Puhdas vesi on neutraalia eri lämpötiloissa, sillä autoprotolyysireaktio tuottaa aina yhtä suuren ainemäärän oksonium- ja hydroksidi-ioneja.

133 a) b) Reaktio on endoterminen, sillä veden ionitulon arvo kasvaa, kun lämpötila kasvaa. Tasapainotila siirtyy lämpötilan kohotessa reaktiotuotteiden suuntaan. c) Kw 1, (mol/dm ) (merkitty kohdan a) kuvaajaan). d) [HO + ] = [OH ] =, 10 7 mol/dm. ph = 6,6. e) Puhdas vesi on neutraalia eri lämpötiloissa, sillä autoprotolyysireaktio tuottaa aina yhtä suuren ainemäärän oksonium- ja hydroksidi-ioneja.

134 5. Ratkaisu: a) [HO + ] = 1, mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) [OH ] =? Kw = [HO + ][OH ] 14 K 1, mol/dm w 7 7 [OH ] 1, mol/dm 1, 010 mol/dm. + 7 [H O ] 1,0 10 mol/dm Liuos on neutraali. b) [HO + ] = 1, mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) [OH ] =? Kw = [HO + ][OH ] 14 K 1, mol/dm w 4 4 [OH ] 5,05 10 mol/dm 5,10 mol/dm [H O ] 1,9 10 mol/dm Liuos on emäksinen.

135 c) [HO + ] = 6, mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) [OH ] =? Kw = [HO + ][OH ] 14 K 1, mol/dm w [OH ] 1, mol/dm 1,5 10 mol/dm. + 4 [H O ] 6,710 mol/dm Liuos on hapan. d) [HO + ] =, mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) [OH ] =? Kw = [HO + ][OH ] 14 K 1, mol/dm w [OH ] 4,810 mol/dm 4, 4 10 mol/dm. + [H O ], mol/dm Liuos on hapan. a) [OH ] = 1, mol/dm. Liuos on neutraali. b) [OH ] = 5, 10 4 mol/dm. Liuos on emäksinen. c) [OH ] = 1, mol/dm. Liuos on hapan. d) [OH ] = 4, mol/dm. Liuos on hapan.

136 5. Ratkaisu: a) Ka( HCO ) = 4, mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) Kb( CO ) =? Lausekkeesta Kw = Ka(HA) Kb(A ) saadaan: K K 1, (mol/dm ) 14 w 4 4 (CO ),14510 mol/dm,110 mol/dm b 11 K (HCO ) 4,710 mol/dm a. b) Kb(HS ) = 1, mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) Ka(HS) =? Lausekkeesta Kw = Ka(HA) Kb(A ) saadaan: K 1, (mol/dm ) 7 7 K (H S) 1, mol/dm 1,0 10 mol/dm. 14 w a 7 K (HS ) 1,0 10 mol/dm b c) Ka(CHClCOOH) = 5,5 10 mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) Kb(CHClCOO ) =? Lausekkeesta Kw = Ka(HA) Kb(A ) saadaan: K K 1, (mol/dm ) 14 w (CHCl COO ) b K (CHCl COOH) 5,5 10 mol/dm a = 1, mol/dm 1, mol/dm.

137 a) Kb( CO ) =, mol/dm b) Ka(HS) = 1, mol/dm c) Kb(CHClCOO ) = 1, mol/dm. 5.4 [HO + ] [OH ] ph poh Hapan vai emäksinen? 6, mol/l 1, mol/l 5,19 8,80 hapan 1, mol/l 8, mol/l 9,96 4,06 emäksinen, 10 8 mol/l, 10 7 mol/l 7,50 6,49 emäksinen 7,8 10 mol/l 1, 10 1 mol/l 1,14 1,90 hapan 5.5 Ratkaisu: ph = 6,77 V(maitonäyte) = 100 ml = 0,100 dm n(oh ) =? Lasketaan maidon oksoniumionikonsentraatio ph-arvon avulla: [HO + ] = 10 ph [HO + ] = 10 6,77 = 1, mol/dm. 100 millilitran maitonäytteessä oksoniumionien ainemäärä on: n(ho + ) = 1, mol/dm 0,100 dm = 1, mol. Neutraalissa liuoksessa n(ho + ) = n(oh ) n(oh ) = 1, mol 1, mol. n(oh ) = 1, mol.

138 5. Vahvan hapon tai emäksen vesiliuoksen ph 5.6 Ratkaisu: Kaikki hapot ovat yksiarvoisia vahvoja happoja, eli ne protolysoituvat täydellisesti. Vesiliuoksessa [HO + ] = c(happo). a) c(hcl) = 0,0 mol/dm ph =? ph = lg[ho + ] = lg0,0 = 0,6990 0,70. b) c(hclo4) = 5,6 10 mol/dm ph =? ph = lg[ho + ] = lg5,6 10 =,518,5. c) c(hno) = 0,05 mol/dm ph =? ph = lg[ho + ] = lg0,05 = 1,601 1,60. a) ph = 0,70 b) ph =,5 c) ph = 1,60

139 5.7 Ratkaisu: a) ph =,50 c(hno) =? Typpihappo on yksiarvoinen vahva happo, joten c(hno) = [HO + ] = 10,50 mol/dm =,16 10 mol/dm, 10 mol/dm. b) ph = 5,0 c(hno) =? c(hno) = [HO + ] = 10 5,0 mol/dm = 6, mol/dm 6, 10 6 mol/dm. a) c(hno) =, 10 mol/dm b) c(hno) = 6, 10 6 mol/dm 5.8 Ratkaisu: m-%(hcl) = 6 % ρ(hcl) = 1,18 g/ml ph =,10 V(liuos) = 1,5 l M(HCl) = 6,458 g/mol V(HCl) =?

140 Valmistettavan suolahappoliuoksen oksoniumionikonsentraatio on: [HO + ] = 10,10 mol/l = 7,94 10 mol/l. Oksoniumionien kokonaisainemäärä liuoksessa on: n(ho + ) = [HO + ] V = 7,94 10 mol/l 1,5 l = 0,0999 mol. Koska vetykloridi on yksiarvoinen vahva happo, on tarvittavan suolahapon ainemäärä sama kuin oksoniumionien ainemäärä eli n(hcl) = n(ho + ) = 0,0999 mol. Tiheyden perusteella g 6 m-% suolahappoa vastaa tilavuutta: m g V 847,5 ml 0,8475 l. 1,18 g/ml grammaa 6-massaprosenttista suolahappoa sisältää vetykloridia 60 g. Tämän massan ja edellä lasketun tilavuuden avulla saadaan ratkaistua 6 m-%:n suolahapon konsentraatio: n(hcl) m(hcl) 60 g c(hcl) 11,65 mol/l V M (HCl) V 6,458 g/mol 0,8475 l. Tarvittava suolahapon tilavuus on: V n(hcl) 0,0999 mol. c(hcl) 11,65mol/l (HCl) 8,5 10 l 8,5 ml V(HCl) = 8,5 ml

141 5.9 Ratkaisu: V(HCl) = 05 ml = 0,05 dm t = (,0 + 7,15) K = 96,15 K p = 0,987 bar R 0, bar dm mol K V(liuos) = 4,5 dm ph =? Lasketaan liuenneen vetykloridin ainemäärä ideaalikaasun tilanyhtälöstä pv = nrt, josta n pv RT 0,987 bar 0,05 dm bar dm 0, ,15 K molk (HCl) 8, 1710 mol. Vetykloridin konsentraatio valmistettavassa liuoksessa on: c n(hcl) 8, mol (HCl) 1,95 10 mol/l. V (liuos) 4,5 l Vetykloridi on yksiarvoinen vahva happo, joten liuoksessa [HO + ] = c(hcl) = 1,95 10 mol/l. Kysytty ph on: ph = lg[ho + ] = lg1,95 10,714. ph =,714

142 5.10 Ratkaisu: c(koh) =,0 mol/l pkw = 1,9965 ph =? Yksi mooli kaliumhydroksidia tuottaa liuokseen yhden moolin hydroksidi-ioneja, joten liuoksessa: [OH ] = c(koh) =,0 mol/l. Liuoksen poh-arvo on: poh = lg[oh ] = lg,0 = 0,4771. Liuoksen ph on: ph = pkw poh = 1,9965 ( 0,4771) = 14,476 14,47. Rasvojen emäshydrolyysissä triglyseridien esterisidokset katkeavat, jolloin vapautuu glyserolia ja rasvahappoja. Rasvahapot neutraloituvat käytetyllä emäksellä. ph = 14,47. Rasvojen emäshydrolyysissä triglyseridien esterisidokset katkeavat jolloin vapautuu glyserolia ja rasvahappoja. Rasvahapot neutraloituvat käytetyllä emäksellä.

143 5.11 Ratkaisu: V(NaOH) = 15 ml = 0,15 dm c(naoh) = 0,60 mol/dm V(liuos) = 15 l pkw = 1,9965 ph =? Yksi mooli natriumhydroksidia tuottaa liuokseen yhden moolin hydroksidi-ioneja, joten laimennokseen tulevien hydroksidi-ionien ainemäärä on: n(oh ) = c(naoh) V(NaOH) = 0,60 mol/dm 0,15 dm = 0,07500 mol. Laimennoksen hydroksidi-ionikonsentraatio on: n(oh ) 0,07500 mol. V (liuos) 15 l [OH ] 5, mol/l Liuoksen poh-arvo on: poh = lg[oh ] = lg5, =,010. Liuoksen ph on: ph = pkw poh = 1,9965,010 = 11, ,70. ph = 11,70.

144 5.1 Ratkaisu: a) m(ba(oh) 8 HO) = 9 mg = 0,09 g V(liuos) = 100 ml M(Ba(OH) 8 HO) = 15,474 g/mol pkw = 1,9965 ph =? Lasketaan bariumhydroksidin ainemäärä: n m 0,09 g. M 15, 474 g/mol 4 (Ba(OH) 8 H O) 1, 6 10 mol Kun yksi mooli bariumhydroksidia liukenee, liuokseen muodostuu kaksi moolia hydroksidiioneja: Ba(OH) 8 HO(s) Ba + (aq) + OH (aq) + 8 HO(l). Liuoksen hydroksidi-ionien ainemäärä on: n(oh ) = 1, mol =, mol. Liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio on: 4 n(oh ),47 10 mol [OH ], mol/l. V (liuos) 0,100 l Liuoksen poh-arvo on: poh = lg[oh ] = lg,47 10 =,6070. Liuoksen ph on: ph = pkw poh = 1,9965,6070 = 11,895 11,9.

145 b) [OH ] =,47 10 mol/l (kohdasta a) ph = 10,0 pkw = 1,9965 V(liuos) = 100 ml = 0,100 l V(OH ) =? Lasketaan laimennoksen hydroksidi-ionikonsentraatio ph-arvon avulla: poh = pkw ph = 1, ,0 =,6965 [OH ] = 10 poh = 10,6965 =, mol/l. 100 ml:ssa laimennosta oleva hydroksidi-ionien ainemäärä on: n(oh ) = 0,100 l, mol/l =, mol. Lasketaan, mikä tilavuus alkuperäistä liuosta tarvitaan, jotta saadaan tämä ainemäärä hydroksidi-ioneja: V 5,01110 mol (OH ) 8,1510 l 8,1 ml, 4710 mol/l. a) ph = 11,9. b) V = 8,1 ml.

146 5.1 Ratkaisu: m-%(koh) = 15 % ρ(15 m-% KOH) = 1,14 g/ml V(liuos) = 5,0 l ph = 11,55 pkw = 1,9965 M(KOH) = 56,108 g/mol V(KOH) =? Lasketaan liuoksen ph-arvon avulla valmistettavan liuoksen poh-arvo: poh = pkw ph = 1, ,55 =,4465. Valmistettavan liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio on siten: [OH ] = 10,4465 mol/l =, mol/l. Yksi mooli kaliumhydroksidia tuottaa veteen liuetessaan yhden moolin hydroksidi-ioneja, joten n(koh) = n(oh ) = [OH ] V(liuos) =, mol/l 5,0 l = 0,0894 mol. Kaliumhydroksidin massa valmistettavassa liuoksessa on: m(koh) = n(koh) M(KOH) = 0,0894 mol 56,108 g/mol = 5,018 g. Lasketaan, mikä massa käytössä olevaa 15 m-% KOH-liuosta tarvitaan: 5,018 g m(15 m-% KOH) =, 45 g. 0,15

147 Ratkaistaan kysytty tilavuus tämän massan ja 15 m-%:n kaliumhydroksidiliuoksen tiheyden avulla: m,45 g V (15 m-% KOH) 9,4 ml 9 ml. 1,14 g/ml V(15 m-% KOH) = 9 ml.

148 5. Heikon hapon tai emäksen vesiliuoksen ph 5.14 Ratkaisu: c(hno) = 0,50 mol/dm Ka(HNO) = 7, 10 4 mol/dm ph =? Merkitään liuokseen muodostuvaa oksoniumionikonsentraatiota kirjaintunnuksella x ja tehdään taulukko alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista. Muista, että veden konsentraatiota ei merkitä, sillä se sisältyy happovakion arvoon. HNO(aq) + HO(l) NO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,50 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot typpihapokkeen happovakion lausekkeeseen: + [NO ][H O ] 4 x x K 7,10 = a [HNO ] 0,50 x Toisen asteen yhtälön ratkaisuksi saadaan: x1 = 0,0106 ja x = 0,0178. Vain positiivinen juuri kelpaa, sillä oksoniumionikonsentraation tulee kasvaa ja typpihapokkeen konsentraation pienentyä. [HO + ] = 0,0106 mol/dm. Liuoksen ph on: ph = lg0,0106 = 1,8841 1,88.

149 ph = 1, Ratkaisu: a) c(hf) = 0,00 mol/dm Ka(HF) = 6, mol/dm ph =? Protolysoitumisaste =? Merkitään liuokseen muodostuvaa oksoniumionikonsentraatiota kirjaintunnuksella x ja tehdään taulukko alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista. Muista, että veden konsentraatiota ei merkitä, sillä se sisältyy happovakion arvoon. HF(aq) + HO(l) F (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,00 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot vetyfluoridin happovakion lausekkeeseen. K [F ][H O ] x [HF] 0,00 x ,610 a Toisen asteen yhtälön ratkaisuksi saadaan: x1 = 0,0018 ja x = 0, Näistä vain positiivinen juuri kelpaa, sillä oksoniumionikonsentraation tulee kasvaa ja vetyfluoridin konsentraation pienentyä. [HO + ] = 0,0018 mol/dm

150 Liuoksen ph on: ph = lg0,0018 =,4791,48. b) [HO + ] = 0,0018 mol/dm (kohdasta a) c(hf)alku = 0,00 mol/dm Protolysoitumisaste =? Protolysoitumisaste = [H O ] 0,0018 mol/dm 100 % = 16,59 % 17 %. alku c(hf) 0,00 mol/dm c) c(hf)alku = 0,00 mol/dm c(muutos) = 0,0018 mol/dm [HF] =? Vetyfluoridin tasapainokonsentraatio on: [HF] = (0,00 0,0018) mol/dm = 0,01668 mol/dm 0,017 mol/dm. a) ph =,48 b) Protolysoitumisaste on 17 %. c) [HF]= 0,017 mol/dm.

151 5.16 Ratkaisu: m(c5h11cooh) = 11,0 g V(liuos) = 1,00 dm ph =,94 M(C5H11COOH) = 116,156 g/mol Ka(C5H11COOH) =? Lasketaan kapronihapon konsentraatio liukoisuuden perusteella: m 11,0 g c(c H COOH) 0, mol/dm 5 11 MV 116,156 g/mol 1,0 dm. Lasketaan liuoksen oksoniumionikonsentraatio annetun ph-arvon perusteella: [HO + ] = 10 ph mol/dm = 10,94 mol/dm = 1, mol/dm. Kapronihappo on orgaaninen, heikko happo, jonka protolyysireaktio on: C5H11COOH(aq) + HO(l) C5H11COO (aq) + HO + (aq). Tasapainotilassa konsentraatiot ovat: [C5H11COO ] = [HO + ] = 1, mol/dm [C5H11COOH] = (0, , ) mol/dm = 0,0955 mol/dm. Sijoitetaan tasapaikonsentraatiot kapronihapon happovakion lausekkeeseen ja lasketaan Ka: + [C H COO ][H O ] 5 11 (1, mol/dm ) K a [C H COOH] 0, 0955 mol/dm , mol/dm 1, 4 10 mol/dm. Ka = 1, mol/dm.

152 5.17 Ratkaisu: c([al(ho)6] + ) = 0,10 mol/dm ph =,00 pka =? Protolysoitumisaste =? ph-arvon perusteella tasapainotilassa liuoksen [HO + ] = 10,00 = 1, mol/dm. Protolyysireaktion reaktioyhtälön perusteella myös [[Al(HO)5OHˉ] + ] = 1, mol/dm. Lähtöaineen [Al(HO)6] + tasapainokonsentraatio on: (0,10 1, ) mol/dm = 0,09900 mol/dm. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot happovakion lausekkeeseen ja lasketaan Ka: K (1, mol/dm ) 0,09900 mol/dm 5 1, mol/dm a. pka = lgka = lg1, = 4,9957 5,00. Protolysoitumisaste = [H O ] 1, mol/dm 100 % = 1,000 % 1,0 % 6 c([al(h O) ] ) 0,10 mol/dm. pka = 5,00 Protolysoitumisaste on 1,0 %.

153 5.18 Ratkaisu: c(ha) = 0,010 mol/dm Protolysoitumisaste = 1,0 % Ka =? pka =? Protolyysireaktion HA(aq) + HO(l) perusteella tasapainotilassa A (aq) + HO + (aq) ja protolysoitumisasteen [A ] = [HO + ] = 0,001 0,010 mol/dm = 1, mol/dm [HA] = 0,010 mol/dm (0,001 0,010 mol/dm ) = 9, mol/dm. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot happovakion lausekkeeseen ja lasketaan Ka: + 4 [A ][H O ] (1, mol/dm ) 6 6 K 1, mol/dm 1, 010 mol/dm. a [HA] 9, mol/dm pka = lg1, = 5,9957 6,00. HA sijoittuisi hiilihapon yläpuolelle. Ka = 1, mol/dm. pka = 6,00. HA sijoittuisi hiilihapon yläpuolelle.

154 5.19 Ratkaisu: c((ch)n) = 0,050 mol/dm Kb((CH)N) = 6, 10 5 mol/dm pkw = 1,9965 [OH ] =? ph =? Merkitään liuokseen muodostuvaa hydroksidi-ionikonsentraatiota kirjaintunnuksella x ja tehdään taulukko alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista. Muista, että veden konsentraatiota ei merkitä, sillä se sisältyy emäsvakion arvoon. (CH)N(aq) + HO(l) (CH)NH + (aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,050 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot trimetyyliamiinin emäsvakion lausekkeeseen: K [(CH ) NH ][OH ] x [(CH ) N] 0,050 x ,10 b Toisen asteen yhtälön ratkaisuksi saadaan: x1 = 1, ja x = 1, Näistä vain positiivinen juuri kelpaa, sillä hydroksidi-ionikonsentraation tulee kasvaa ja trimetyyliamiinin konsentraation pienentyä. [OH ] = 1, mol/dm 1,7 10 mol/dm. poh = lg1, =,7585. Liuoksen ph on: ph = pkw poh = 1,9965,7585 = 11,80 11,4.

155 [OH ] =1,7 10 mol/dm ph = 11, Ratkaisu: ph = 10,97 Kb(CHNH) = 4, 10 4 mol/dm pkw = 1,9965 c(chnh) =? Metyyliamiinin protolyysireaktio on: CHNH(aq) + HO(l) CH NH (aq) + OH (aq). 4 Lasketaan mitatun ph-arvon avulla metyyliamiiniliuoksen poh-arvo: poh = pkw ph = 1, ,97 =,07. Liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio on: [OH ] = 10 poh = 10,07 = 9, mol/dm. Protolyysireaktion reaktioyhtälön perusteella myös [ CH NH ] = 9, mol/dm. 4 Merkitään metyyliamiinin alkukonsentraatiota kirjaintunnuksella x ja merkitään taulukkoon alku- ja tasapainokonsentraatiot ja konsentraatioiden muutokset: CHNH(aq) + HO(l) HNH + (aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) x muutos (mol/dm ) 9, , , ctasap. (mol/dm ) x 9, , ,

156 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot metyyliamiinin emäsvakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K b [CH NH ][OH ] [CH NH ] 4 4 (9,97 10 mol/dm ) 4, 10 mol/dm, mol/dm, 010 mol/dm. 4 ( x 9,97 10 ) mol/dm c(chnh) =,0 10 mol/dm. 5.1 Ratkaisu: m(nac6h5o) = 5 mg = 0,05 g V(liuos) = 50 ml = 0,050 dm M(NaC6H5O) = 116,090 g/mol Ka(C6H5OH) = 1, mol/dm (taulukkokirjasta) Kw = 1, (mol/dm ) pkw = 1,9965 ph =? Fenolaatti-ionin protolyysireaktio on: C6H5O (aq) + HO(l) C6H5OH(aq) + OH (aq). Lasketaan fenolaatti-ionin emäsvakio lausekkeesta Ka Kb = Kw K K 1, (mol/dm ) 4 1, mol/dm. 14 w b 10 K 1, 010 mol/dm a Lasketaan natriumfenolaatin alkukonsentraatio: m 0,05 g c(nac H O) 4,07 10 mol/dm. 6 5 MV 116, 090 g/mol 0,050 dm

157 Natriumfenolaatin kaavan perusteella c(c6h5o ) = 4,07 10 mol/dm. Merkitään liuokseen muodostuvaa hydroksidi-ionikonsentraatiota kirjaintunnuksella x ja tehdään taulukko alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista. Muista, että veden konsentraatiota ei merkitä, sillä se sisältyy emäsvakion arvoon. C6H5O (aq) + HO(l) C6H5OH(aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) 4, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 4,07 10 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot fenolaatti-ionin emäsvakion lausekkeeseen: K [C H OH][OH ] , b [C H O ] 4, x x. Toisen asteen yhtälön ratkaisuksi saadaan: x1 = 6, ja x = 7, Näistä vain positiivinen juuri kelpaa, sillä hydroksidi-ionikonsentraation tulee kasvaa ja fenolaatti-ionin konsentraation pienentyä. [OH ] = 6, mol/dm poh = lg6, =,144. Liuoksen ph on: ph = pkw poh = 1,9965,144 = 10,781 10,78. ph = 10,78.

158 5. Ratkaisu: a) ph = 11,70 V(liuos) = 500 ml = 0,500 dm pkw = 1,9965 n(emäs) =? Lasketaan liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio ph-arvon perusteella: ph + poh = pkw poh = pkw ph = 1, ,70 =,965 [OH ] = 10 poh = 10,965 = 5,05 10 mol/dm. Koska kyseessä on vahva, yksiarvoinen emäs, on emäksen konsentraatio sama kuin hydroksidi-ionikonsentraatio. Lasketaan kysytty emäksen ainemäärä: n(emäs) = [OH ] V = 5,05 10 mol/dm 0,500 dm =,56 10 mol,5 10 mol. b) ph = 11,70 V(liuos) = 500 ml = 0,500 dm pkw = 1,9965 Kb = 1,0 10 mol/dm n(emäs) =? Heikon emäksen (B) protolyysireaktio on: B(aq) + HO(l) BH + (aq) + OH (aq). Kohdasta a) [OH ] = 5,05 10 mol/dm, kun ph on 11,70. Protolyysireaktion reaktioyhtälön perusteella myös [BH + ] = 5,05 10 mol/dm. Merkitään emäksen B alkukonsentraatiota kirjaintunnuksella x. Tehdään taulukko alku- ja tasapainokonsentraatioista ja konsentraatioiden muutoksista:

159 B(aq) + HO(l) BH + (aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) x muutos (mol/dm ) 5, , ,05 10 ctasap. (mol/dm ) x 5, , ,05 10 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot emäksen emäsvakion lausekkeeseen ja lasketaan x: K [BH ][OH ] (5, mol/dm ) [B] ( x 5, ) mol/dm 1, 010 mol/dm b. Ratkaisuksi saadaan: x = 0,0057 eli c(emäs)alku = 0,0057 mol/dm. Tarvittava heikon emäksen ainemäärä 500 millilitran tilavuudessa on: n(emäs) = 0,0057 mol/dm 0,500 dm = 0,0159 mol mol. a) n(emäs) =,5 10 mol b) n(emäs) = mol.

160 5.4 Puskuriliuosten ph-arvon laskeminen 5. Ratkaisu: a) c(chcooh) = 0,10 mol/l c(chcoo ) = 0,10 mol/l Ka(CHCOOH) = 1, mol/dm ph =? Tehdään taulukko puskuriliuoksessa olevien aineiden alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista. CHCOOH(aq) + HO(l) CHCOO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0,10-0,10 0 muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,10 x - 0,10 + x x Lasketaan x:n arvo etikkahapon happovakion lausekkeesta K a [CH COO ][H O ] 5 (0,10 x) x 1,8 10. [CH COOH] 0,10 x Yhtälön ratkaisuna saadaan kaksi juurta: x1 = 1, ja x = 0,100. Näistä vain x1 on järkevä, sillä oksoniumionikonsentraation (ja asetaatti-ionikonsentraation) tulee kasvaa. Puskuriliuoksessa [HO + ] = 1, mol/dm. Liuoksen ph on: ph = lg1, = 4,7454 4,75.

161 b) Henderson-Hasselbalchin yhtälöä käytettäessä oletetaan heikon hapon ja sen vastinemäksen (tai heikon emäksen ja sen vastinhapon) alkukonsentraation muutoksen olevan niin vähäinen, että puskuriliuoksen ph-arvo voidaan riittävällä tarkkuudella laskea alkukonsentraatioita käyttämällä. Tämä olettamus on syytä mainita, kun käytetään Henderson-Hasselbalchin yhtälöä. c(chcooh) = [CHCOOH] = 0,10 mol/l c(chcoo ) = [CHCOO ] = 0,10 mol/l Ka(CHCOOH) = 1, mol/dm pka = 4,74 ph =? Henderson-Hasselbalchin yhtälö on: [A ]. ph pka lg [HA] Sijoitetaan tähän yhtälöön etikkahapon ja asetaatti-ionin alkukonsentraatiot ja etikkahapon pka: 0,10 ph 4, 74 lg 4, , 74 4, 74. 0,10 c) ph-arvot poikkeavat 0,01 ph-yksikköä. a) ph = 4,75 b) ph = 4,75 c) ph-arvot poikkeavat 0,01 ph-yksikköä.

162 5.4 Ratkaisu: a) Puskuriliuoksessa vallitsee seuraava tasapainotila: HCOOH(aq) + HO(l) HCOO (aq) + HO + (aq). Emästä lisättäessä metaanihappo reagoi hydroksidi-ionien kanssa seuraavasti: HCOOH(aq) + OH (aq) HCOO (aq) + HO(l). Happoa lisättäessä metanaatti-ionit reagoivat oksoniumionien kanssa seuraavasti: HCOO (aq) + HO + (aq) HCOOH(aq) + HO(l). b) n(hcooh) = 15 mmol = mol n(hcoo ) = 8,5 mmol = 8,5 10 mol V(liuos) = 75 ml = 0,075 dm Ka(HCOOH) = 1, mol/dm ph =? Malliratkaisu on tehty happovakion lauseketta hyödyntämällä. Lasketaan muurahaishapon ja metanaatti-ionien alkukonsentraatiot: 1510 mol c(hcooh) 0,000 mol/dm 0,075 dm c(hcooh) 8,510 mol 0,11 mol/dm. 0,075 dm Tehdään taulukko alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista:

163 HCOOH(aq) + HO(l) HCOO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0,000-0,11 0 muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap (mol/dm ) 0,000 x - 0,11 + x x Lasketaan x:n arvo metaanihapon happovakion lausekkeesta K a [HCOO ][H O ] (0,11 ) x. [HCOOH] 0, 000 x 4 x 1,8 10 Yhtälön ratkaisuna saadaan kaksi juurta: x1 =, ja x = 0,115. Näistä vain x1 on järkevä, sillä oksoniumionikonsentraation (ja metanaattiionikonsentraation) tulee kasvaa. Puskuriliuoksessa [HO + ] =, mol/dm. Liuoksen ph on: ph = lg, =,4988,50. (Henderson-Hasselbalchin yhtälöllä päädytään samaan lopputulokseen: 0,11 ph, 7447 lg, , 468, 4979,50.) 0, 000 ph =,50

164 5.5 Ratkaisu: [ CO ] =, mol/l ph = 7,0 Kb( CO ) =, mol/dm pkw = 1,9965 [ HCO ] =? Karbonaatti- ja vetykarbonaatti-ioni muodostavat akvaariovedessä seuraavan puskurisysteemin: CO (aq) + HO(l) HCO (aq) + OH (aq). ph-arvon perusteella liuoksen poh = pkw ph = 1,9965 7,0 = 6,6965. Puskuliuoksen [OH ] = 10 poh = 10 6,6965 =, mol/dm. Karbonaatti-ionin emäsvakion lauseke on: K [HCO ][OH ]. [CO ] b Lasketaan tästä lausekkeesta [ HCO ]:, [HCO ], [HCO ], mol/dm,110 mol/dm. 7,010 HCO ] =, mol/dm. [

165 5.6 Ratkaisu: a) m(c6h5cooh) =,00 g m(nac6h5coo) =,00 g M(C6H5COOH) = 1,118 g/mol M(NaC6H5COO) = 144,100 g/mol V(liuos) = 750 ml = 0,750 dm Ka(C6H5COOH) = 6, 10 5 mol/dm ph =? Puskuriliuoksessa vallitsee seuraava tasapainotila: C6H5COOH(aq) + HO(l) C6H5COO (aq) + HO + (aq). Lasketaan bentsoehapon ja bentsoaatti-ionien alkukonsentraatiot: m,00 g c(c H COOH) 0,0187 mol/dm 6 5 MV 1,118 g/mol 0,750 dm m,00 g c(c H COO ) c(nac H COO) 0, mol/dm MV 144,100 g/mol 0,750 dm Tehdään taulukko alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista: C6H5COOH (aq) + HO(l) C6H5COO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0,0187-0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap (mol/dm ) 0,0187 x - 0, x x

166 Lasketaan x:n arvo bentsoehapon happovakion lausekkeesta [C H COO ][H O ] 0, x x K 6,10. a [C H COOH] 0, 0187 x 6 5 Yhtälön ratkaisuna saadaan kaksi juurta: x1 = 7, ja x = 0, Näistä vain x1 on järkevä, sillä oksoniumionikonsentraation (ja bentsoaattiionikonsentraation) tulee kasvaa. Puskuriliuoksessa [HO + ] = 7, mol/dm. Liuoksen ph on: ph = lg 7, = 4,119 4,1. (Henderson-Hasselbalchin yhtälöllä päädytään samaan lopputulokseen: 0, ph 4, 007 lg 4, 007 0, ,188 4,1.) 0, 0187 b) c1(c6h5cooh) = 0,0187 mol/dm (kohdasta a) c1(c6h5coo ) = 0, mol/dm (kohdasta a) V1 = 750 ml = 0,0750 dm V = 10 dm Ka(C6H5COOH) = 6, 10 5 mol/dm ph=? Lasketaan bentsoehappo- ja bentsoaatti-ionikonsentraatiot laimennoksessa: c V 0,0187 mol/dm 0,750 dm 1 1 c ( C H COOH) = 1,68 10 mol/dm 6 5 V 10 dm c c V 0, mol/dm 0,750 dm V 10 dm 1 1 ( C H COO ) = 1,88 10 mol/dm 6 5.

167 C6H5COOH (aq) + HO(l) C6H5COO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 1, , muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap (mol/dm ) 1,68 10 x - 1, x x Lasketaan x:n arvo bentsoehapon happovakion lausekkeesta K [C H COO ][H O ] [C H COOH] ,10 a 6 5 1, 8810 x x. 1,68 10 x Yhtälön ratkaisuna saadaan kaksi juurta: x1 = 6, ja x = 1,519. Näistä vain x1 on järkevä, sillä oksoniumionikonsentraation (ja bentsoaattiionikonsentraation) tulee kasvaa. [HO + ] = 6, mol/dm. Laimennetun puskuriliuoksen ph on: ph = lg6, = 4,1679 4,17. a) ph = 4,1 b) ph = 4,17.

168 5.7 Ratkaisu: a) Puskuriliuos voidaan valmistaa neutraloimalla etikkahappoa natriumhydroksidilla siten, että puolet etikkahappomolekyyleistä neutraloituu. Liuoksessa on tämän jälkeen yhtä suuret konsentraatiot etikkahappoa ja sen vastinemästä (asetaatti-ioneja). Liuoksen puskurikapasiteetti on tällöin mahdollisimman hyvä. ph:n laskeminen: V(CHCOOH) = 500 ml = 0,500 dm c(chcooh) = 0,10 mol/dm c(naoh) = 0,50 mol/dm Ka(CHCOOH) = 1, mol/dm ph =? Lasketaan, mikä ainemäärä etikkahappoa on 500 ml:ssa: n(chcooh) = 0,10 mol/dm 0,500 dm = 0,05000 mol. Kun puolet etikkahaposta neutraloidaan, neutraloitava n(chcooh) = 0,0500 mol. Neutraloitumisreaktion perusteella n(naoh) = n(chcooh) = 0,0500 mol. Tarvittava natriumhydroksidiliuoksen tilavuus on: 0,0500 mol 0,50 mol/dm V (NaOH) 0,05000 dm. NaOH-lisäyksen jälkeen n(chcooh) = n(chcoo ) ja puskuriliuoksen tilavuus on: 0,500 dm + 0,0500 dm = 0,5500 dm.

169 Lasketaan etikkahappo- ja asetaatti-ionien alkukonsentraatiot: 0,0500 mol c(ch COOH) = 0, mol/dm 0,5500 dm 0,0500 mol c(ch COO ) = 0,5500 dm 0, mol/dm. Tehdään taulukko puskuriliuoksessa olevien aineiden alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista. CHCOOH(aq) + HO(l) CHCOO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0, , muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,04545 x - 0, x x Lasketaan x:n arvo etikkahapon happovakion lausekkeesta: K a [CH COO ][H O ] 5 (0,04545 x) x 1,8 10. [CH COOH] 0, x Yhtälön ratkaisuna saadaan kaksi juurta: x1 = 1, ja x = 0, Näistä vain x1 on järkevä, sillä oksoniumionikonsentraation (ja asetaatti-ionikonsentraation) tulee kasvaa. Puskuriliuoksessa [HO + ] = 1, mol/dm. Liuoksen ph on: ph = lg 1, = 4,7450 4,75.

170 b) calku(chcooh) = 0,04545 mol/dm (kohdasta a) calku(chcoo ) = 0,04545 mol/dm (kohdasta a) V(liuos) = 100 ml = 0,100 dm V(HCl) =,0 ml = 0,000 dm c(hcl) = 0,50 mol/dm Ka(CHCOOH) = 1, mol/dm ph =? Ennustus: Koska puskuriliuokseen lisätään happoa, liuoksen ph-arvo hieman laskee. Lasku: Lasketaan etikkahapon ja asetaatti-ionien ainemäärät 100 ml:ssa puskuriliuosta: n(chcooh) = 0,100 dm 0,04545 mol/dm = 4, mol n(chcoo ) = 0,100 dm 0,04545 mol/dm = 4, mol. Lasketaan lisätyn suolahapon ainemäärä: n(hcl) = 0,50 mol/dm 0,000 dm = 1, mol. Suolahappolisäyksen seurauksena tapahtuu seuraava reaktio: CHCOO (aq) + HCl(aq) CHCOOH(aq). Tämän reaktion seurauksena asetaatti-ionien ainemäärä pienenee 1, mol ja etikkahapon ainemäärä kasvaa 1, mol. Puskuriliuoksen uusi tilavuus on 10 ml. Lasketaan etikkahapon ja asetaatti-ionien uudet alkukonsentraatiot: c(ch COOH) = (4, , ) mol 0,10 dm 0, 0546 mol/dm c(ch COO ) = (4, , ) mol 0,10 dm 0, 0475 mol/dm.

171 Tehdään taulukko puskuriliuoksessa olevien aineiden alkukonsentraatioista, konsentraatioiden muutoksista ja tasapainokonsentraatioista: CHCOOH(aq) + HO(l) CHCOO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0,0546-0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,0546 x - 0, x x Lasketaan x:n arvo etikkahapon happovakion lausekkeesta: K a [CH COO ][H O ] ( 0, 0475 x) x 1,8 [CH COOH] 0,0546 x Yhtälön ratkaisuna saadaan kaksi juurta: x1 =, ja x = 0,0480. Näistä vain x1 on järkevä, sillä oksoniumionikonsentraation (ja asetaatti-ionikonsentraation) tulee kasvaa. Puskuriliuoksessa [HO + ] =, mol/dm. Liuoksen ph on: ph = lg, = 4,5496 4,55. a) Puskuriliuos voidaan valmistaa neutraloimalla etikkahappoa natriumhydroksidilla siten, että puolet etikkahappomolekyyleistä neutraloituu. ph = 4,75. b) Puskuriliuoksen ph-arvo hieman laskee. ph = 4,55.

172 5.8 Ratkaisu: c(nh) = 1,0 mol/dm V(puskuriliuos) = 10 dm ph = 9,00 M(NH4Cl) = 5,49 g/mol pkw = 1,9965 Kb(NH) = 1, mol/dm m(nh4cl) =? Puskuriliuoksessa vallitsee seuraava tasapainotila: NH(aq) + HO(l) NH4 + (aq) + OH (aq). Lasketaan liuoksen poh ja siitä edelleen hydroksidi-ionikonsentraatio ph-arvon avulla: poh = pkw ph = 1,9965 9,00 = 4,9965 [OH ] = 10 poh = 10 4,9965 = 1, mol/dm. Merkitään puskuriliuoksen ammoniumionien alkukonsentraatiota x:llä ja tehdään taulukko alku- ja tasapainokonsentraatioista sekä konsentraatioiden muutoksista. NH(aq) + HO(l) NH4 + (aq) + OH (aq) calku(mol/dm ) 1,0 - x 0 cmuutos (mol/dm ) 1, , , ctasap(mol/dm ) 1,0 1, x + 1, , Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot ammoniakin emäsvakion lausekkeeseen ja lasketaan x:n arvo: K 5 5 [NH ][OH ] 4 5 ( x 1, ) 1, ,8 10 b 5 [ NH ] (1,0 1, ).

173 Yhtälön ratkaisuna x = 1,786 calku( NH ) = 1,786 mol/dm. 4 Ratkaistaan kysytty ammoniumkloridin massa, kun puskuriliuosta on 10 litraa: n(nh4cl) = n( NH ) c( NH ) V(puskuriliuos) = 1,786 mol/dm 10 dm = 17,86 mol 4 4 m(nh4cl) = 17,86 mol 5,49 g/mol = 955,4 g 960 g. ph-arvo tarkistetaan kalibroimalla ph-mittari kaupallisella puskuriliuoksella ja mittaamalla valmistetun liuoksen ph. m(nh4cl) = 960 g. ph-arvo tarkistetaan kalibroimalla ph-mittari kaupallisella puskuriliuoksella ja mittaamalla valmistetun liuoksen ph. 5.9 Ratkaisu: a) Henderson-Hasselbalchin yhtälöä käytettäessä oletetaan heikon hapon ja sen vastinemäksen (tai heikon emäksen ja sen vastinhapon) alkukonsentraation muutoksen olevan niin vähäinen, että puskuriliuoksen ph-arvo voidaan riittävällä tarkkuudella laskea alkukonsentraatioita käyttämällä. Tämä olettamus on syytä mainita, kun käytetään Henderson-Hasselbalchin yhtälöä. c( HCO ) = [ HCO ] = 0,07 mol/dm c(hco) = [HCO] = 0,0014 mol/dm pka(hco) = 6,10 ph =? Veteen liuenneen hiilihapon ja sen vastinemäksen eli vetykarbonaatti-ionin välillä vallitsee seuraava tasapainotila: HCO(aq) + HO(l) HCO (aq) + HO + (aq).

174 Henderson-Hasselbalchin yhtälön perusteella: [A ] 0,07 ph pk lg ph = 6,10 + lg 6,10 1, 85 7,85 7,9. a [HA] 0, 0014 b) Henderson-Hasselbalchin yhtälöä käytettäessä oletetaan heikon hapon ja sen vastinemäksen (tai heikon emäksen ja sen vastinhapon) alkukonsentraation muutoksen olevan niin vähäinen, että puskuriliuoksen ph-arvo voidaan riittävällä tarkkuudella laskea alkukonsentraatioita käyttämällä. Tämä olettamus on syytä mainita, kun käytetään Henderson-Hasselbalchin yhtälöä. c( HCO ) = 0,07 mol/dm c(hco) = 0,0014 mol/dm pka(hco) = 6,10 n(maitohappo) = 8, moolia pka(maitohappo) =,86. ph =? Maitohappo (-hydroksidipropaanihappoa) on yksiarvoinen happo heikko happo, joka protolysoituu seuraavasti: CHCH(OH)COOH(aq) + HO(l) CHCH(OH)COO (aq) + HO + (aq). Lasketaan, kuinka paljon oksoniumioneja vereen joutunut maitohappo tuottaa: CHCH(OH)COOH(aq) + HO(l) CHCH(OH)COO (aq) + HO + (aq) calku(mol/dm ) 8, muutos(mol/dm ) x - +x +x ctasap.(mol/dm ) 8, x - x x

175 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot maitohapon happovakion lausekkeeseen ja lasketaan x:n arvo: K [CH CH(OH)COO ][H O ] x x. 4 1,4 10 a 4 [CH CH(OH) COOH] 8,0 10 Yhtälön ratkaisuna saadaan kaksi juurta: x1 =, ja x = 4, Näistä vain x1 on järkevä, sillä oksoniumionikonsentraation (ja laktaatti-ionikonsentraation) tulee kasvaa. [HO + ] =, mol/dm. Hiilihappo-vetykarbonaattipuskurin emäksinen aine (vetykarbonaatti-ioni) reagoi maitohapon tuottamien oksoniumionien kanssa, jolloin vetykarbonaatti-ionikonsentraatio pienenee ja vastaavasti hiilihapon konsentraatio kasvaa. Puskurisysteemissä uudet konsentraatiot ovat: c( HCO ) = [ HCO ] = 0,07 mol/dm, mol/dm = 0,067 mol/dm c(hco) = [HCO]= 0,0014 mol/dm +, mol/dm = 0,00167 mol/dm. Sijoitetaan uudet konsentraatiot Henderson-Hasselbalchin yhtälöön ja lasketaan ph: [A ] 0,067 ph pk lg ph = 6,10 + lg 6,10 1, 04 7,04 7,0. a [HA] 0, a) ph = 7,9 b) ph = 7,0.

176 5.0 Ratkaisu: a) pka(hhb) = 8,18 pka(hhbo) = 6,6. Määritelmän mukaan pka = lgka. Koska oksihemoglobiinin (HHbO) pka-arvo on pienempi, tulee sen Ka-arvon olla suurempi eli se on vahvempi happo. Tämä voidaan tarkistaa laskemalla Ka-arvot: Ka(HHb) = 10 8,18 = 6, mol/dm. Ka(HHbO) = 10 6,6 =, mol/dm. b) pka(hhb) = 8,18 pka(hhbo) = 6,6 ph = 7,4 %(HHb) =? %(HHbO) =? Hyödyntämällä Henderson-Hasselbalchin yhtälöä, saadaan kysyttyjen happomuotojen osuus ratkaistua seuraavasti: HHb-muoto: [Hb ] [Hb ] [Hb ] 7, 40 8,18 lg lg 0, 78 0,1660. [HHb] [HHb] [HHb] Konsentraatioiden suhteen perusteella HHb-muotoa on noin 85,76 % 86 %.

177 HHbO-muoto: [HbO ] [HbO ] [HbO ] [HHbO ] [HHbO ] [HHbO ] 7, 40 6, 6 lg lg 0, 78 6, 06 Konsentraatioiden suhteen perusteella HHbO-muotoa on noin 14, % 14 %.. a) Oksihemoglobiini on vahvempi happo. Sen pka-arvo on pienempi (Ka-arvo suurempi). b) HHb-muodon osuus on 86 %. HHbO-muodon osuus on 14 %.

178 5.5 Moniarvoisten protolyyttien ja suolaliuosten ph 5.1 Ratkaisu: c(naco) = 0,0 mol/dm pkb( CO ) =,68 pkb( HCO ) = 7,6 ph =? Lasketaan hydroksidi-ionikonsentraatio ensimmäisen protolyysireaktion jälkeen: CO (aq) + HO(l) HCO (aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) 0,0-0 0 muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,0 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot karbonaatti-ionin emäsvakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: Kb( CO ) = 10,68 =, mol/dm. K [HCO ][OH ] 4 x,1 10 [CO ] 0, 0 b x. Yhtälön ratkaisuna saadaan: x1 = 6,77 10 ja x = 6, Näistä vain x1 positiivisena lukuna kelpaa, sillä hydroksidi-ionikonsentraation tulee kasvaa (ja karbonaatti-ionikonsentraation pienentyä). [OH ] = 6,77 10 mol/dm.

179 Lasketaan, kuinka paljon hydroksidi-ioneja muodostuu toisessa protolyysireaktiossa: HCO (aq) + HO(l) HCO(aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) 6, ,77 10 muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 6,77 10 x - x 6, x Kb( HCO ) = 10 7,6 =, 10 8 mol/dm. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot vetykarbonaatti-ionin emäsvakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K b [H CO ][OH ] 8 x (, 10 [ HC O ] 6, ,77 10 ) x x. Yhtälön ratkaisuna saadaan: x1 =, ja x = 6, Näistä vain x1 positiivisena lukuna kelpaa, sillä hydroksidi-ionikonsentraation tulee kasvaa (ja karbonaatti-ionikonsentraation pienentyä). [OH ] =, mol/dm. Hydroksidi-ionien kokonaiskonsentraatio on: [OH ] = 6,77 10 mol/dm +, mol/dm = 6,77 10 mol/dm. Huomataan, että vetykarbonaatti-ioni on huomattavasti heikompi emäs kuin karbonaatti-ioni, joten vain karbonaatti-ionin tuottama hydroksidi-ionikonsentraatio vaikuttaa liuoksen pharvoon. poh =,1954. Liuoksen ph-arvo on: ph = pkw poh = 1,9965,1954 = 11, ,80. ph = 11,80.

180 5. Ratkaisu: m((cooh)) = 500 mg = 0,500 g V(liuos) = 100 ml = 0,100 dm M((COOH)) = 90,06 g/mol Ka1 = 5,4 10 mol/dm Ka = 5, mol/dm ph =? Lasketaan oksaalihappokonsentraatio: c((cooh) ) m MV 0,500 g 90,06 g/mol 0,100 dm 0,0555 mol/dm. Oksaalihapon ensimmäinen protolyysireaktio on: (COOH)(aq) + HO(l) COOH COO (aq) + HO + (aq). Lasketaan oksoniumionikonsentraatio ensimmäisen protolyysireaktion jälkeen: (COOH)(aq) + HO(l) COOH COO (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,0555 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot oksaalihapon happovakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K a [COOH COO ][H O ] x 5,4 10 [(COOH) ] 0, 0555 x. Yhtälön ratkaisuna saadaan: x1 = 0,0406 ja x = 0,08806.

181 Näistä vain x1 positiivisena lukuna kelpaa, sillä oksoniumionikonsentraation tulee kasvaa (ja oksaalihapon konsentraation pienentyä). [HO + ] = 0,0406 mol/dm. Lasketaan, kuinka paljon oksoniumioneja muodostuu toisessa protolyysireaktiossa: COOH COO (aq) + HO(l) (COO) (aq) + HO + (aq) calku (mol/dm ) 0, ,0406 muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,0406 x - x 0, x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot vetyoksalaatti-ionin happovakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K a [(COO) ][H O ] 5 x (0,0406 x) 5,4 10 [COOH COO ] 0, 0406 x. Yhtälön ratkaisuna saadaan: x1 = 5, ja x = 0,0406, joista vain x1 positiivisena lukuna kelpaa, sillä oksoniumionikonsentraation tulee kasvaa (ja oksaalihapon konsentraation pienentyä). [HO + ] = 5, mol/dm. Lasketaan oksoniumionien kokonaiskonsentraatio: [HO + ] = (0, , )mol/dm = 0,0411 mol/dm. ph = lg0,0411 = 1,4671 1,47. ph = 1,47.

182 5. Suolan nimi Hapan Emäksinen Neutraali ammoniumkloridi x natriumasetaatti x kaliumkarbonaatti x ammoniumsulfidi x natriumkloridi x kalsiumvetysulfaatti x natriumnitraatti x 5.4 Ratkaisu: a) Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on: HCl(aq) + NH(aq) NH4Cl(aq). Ammoniumioni on vahvempi happo kuin vesi, joten ekvivalenttikohdassa muodostuva suolaliuos on hapan. b) Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on: KOH(aq) + HI(aq) KI(aq) + HO(l). Jodidi-ioni on heikompi emäs kuin vesi, joten ekvivalenttikohdassa muodostuva suolaliuos on neutraali. c) Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on NaHCO(aq) + NaOH(aq) NaCO(aq) + HO(l). Karbonaatti-ioni on vahvempi emäs kuin vesi, joten ekvivalenttikohdassa muodostuva suolaliuos on emäksinen. a) Liuos on hapan. b) Liuos on neutraali. c) Liuos on emäksinen. 5.5 Koska jauhe ei reagoinut suolahapon kanssa, näyte ei voi sisältää kaliumkarbonaattia. Kaliumkloridin vesiliuos on neutraali, mutta kaliumfluoridin vesiliuos on emäksinen, sillä fluoridi-ioni on vahvempi emäs kuin vesi. Yleisindikaattoripaperi värjäytyy siniseksi emäksisellä aineella.

183 5.6 Ratkaisu: m(nac6h5coo) =,818 g M(NaC6H5COO) = 144,100 g/mol V(liuos) = 500 ml pkw = 1,9965 Ka(C6H5COOH) = 6, 10 5 mol/dm ph =? Natriumbentsoaatti liukenee veteen seuraavasti: NaC6H5COO(s) Na + (aq) + C6H5COO (aq). Lasketaan natriumbentsoaattiliuoksen konsentraatio: c(nac H COO) m MV,818 g 144,100g/mol 0,500 dm 6 5 0, mol/dm. Suolan ioneista vain bentsoaatti-ioni on protolyytti (heikko emäs), jonka protolyysireaktio on: C6H5COO (aq) + HO(l) C6H5COOH (aq) + OH (aq). Bentsoaatti-ioni on bentsoehapon vastinemäs, jonka emäsvakio saadaan laskettua lausekkeesta Ka(C6H5COOH) Kb(C6H5COO ) = Kw K K 1, (mol/dm ) 10 (C H COO ) 1,6 10 mol/dm. K (C H COOH) 6, 10 mol/dm 14 w b a 6 5

184 Tehdään taulukko bentsoaatti-ionin protolyysireaktiosta: C6H5COO (aq) + HO(l) C6H5COOH(aq) + OH (aq) calku (mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap. (mol/dm ) 0,05991 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot bentsoaatti-ionin emäsvakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K b [C H COOH][OH ] x 1,6 10 [C H COO ] 0, x. Yhtälön ratkaisuna saadaan: x1 =, ja x =, , joista vain x1 positiivisena lukuna kelpaa, sillä hydroksidi-ionikonsentraation tulee kasvaa (ja bentsoaatti-ionikonsentraation pienentyä). [OH ] =, mol/dm poh = 5,558. Liuoksen ph-arvo on: ph = pkw poh = 1,9965 5,558 = 8,4607 8,46. ph = 8,46

185 5.7 Ratkaisu: a) V(liuos) = 1,0 l ph =,50 Ka( HSO ) = 1, mol/dm 4 M(NaHSO4) = 10,068 g/mol m(nahso4) =? Lasketaan liuoksen oksoniumionikonsentraatio ph-arvon perusteella: [HO + ] = 10,50 =,16 10 mol/l. Natriumvetysulfaatti liukenee veteen seuraavasti: NaHSO4(s) Na + (aq) + HSO (aq). 4 Vetysulfaatti-ioni protolysoituu seuraavasti: HSO (aq) + HO(l) 4 SO 4 (aq) + HO + (aq). Tehdään taulukko vetysulfaatti-ionin protolyysireaktiosta. Merkitään vetysulfaatti-ionin alkukonsentraatiota kirjaintunnuksella x: HSO (aq) + HO(l) 4 SO (aq) + HO + (aq) 4 calku(mol/dm ) x muutos (mol/dm ), ,16 10,16 10 ctasap.(mol/dm ) x, ,16 10,16 10 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot vetysulfaatti-ionin happovakion lausekkeeseen ja lasketaan x: K [SO ][H O ] 4 (,16 10 ) (,16 10 ) (HSO ) 1,1 10 a 4 [ HSO ] x,

186 Yhtälön ratkaisuna saadaan: x = 4, c( HSO 4 )alku = 4, mol/l. Liukenemisyhtälön mukaan myös c(nahso4) = c( HSO ) = 4, mol/l. 4 Tarvittava natriumvetysulfaatin ainemäärä on: n(nahso4) = 4, mol/l 1,0 l = 4, mol. Tarvittava natriumvetysulfaatin massa on: m(nahso4) = 4, mol 10,068 g/mol = 0,4888 g 0,49 g. b) n(nahso4) = 4, mol (kohdasta a) M(Ca(OH)) = 74,096 g/mol m(ca(oh)) =? Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on: NaHSO4(aq) + Ca(OH)(s) CaSO4(aq) + HO(l) + NaSO4(aq). Reaktioyhtälön perusteella n(ca(oh) ) n(ca(oh) ) n(nahso ) 4, mol, mol. 4 n(nahso ) 4 Tarvittava kalsiumhydroksidin massa on: m(ca(oh)) =,06 10 mol 74,096 g/mol = 0,1509 g 0,15 g. a) m(nahso4) = 0,49 g b) m(ca(oh)) = 0,15 g

187 5.8 Ratkaisu: V(HNO) = 15 ml = 0,015 dm c(naoh) = 0,10 mol/dm M(HNO) = 6,018 g/mol m(hno) =? ph(a) =? ph(b) =? Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on: HNO(aq) + NaOH(aq) NaNO(aq) + HO(l). Titrauskäyrän perusteella ekvivalenttikohdassa V(NaOH) = 6,0 ml. Lasketaan natriumhydroksidin ainemäärä: n(naoh) = 0,10 mol/l 0,0060 l = 6, mol. Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälön perusteella n(hno) = n(naoh) = 6, mol. Kysytty typpihapon massa on: m(hno) = 6, mol 6,018 g/mol = 0,0781 g 8 mg. ph pisteessä A: V(NaOH) = 4,0 ml = 0,0040 l c(naoh) = 0,10 mol/dm n(naoh) = n(naoh) = 0,10 mol/l 0,0040 l = 4, mol. n(hno) = 6, mol (edellisestä laskusta). Pisteessä A neutraloitumattomien typpihappomolekyylien ainemäärä on: n(hno) = (6, , ) mol =, mol.

188 V(liuos) = 15 ml + 4,0 ml = 19,0 ml = 0,019 dm. Typpihapon konsentraatio on: c(hno ) 4 n(hno ), mol V (liuos) 0,019 dm 0,0105 mol / dm. Typpihappo on yksiarvoinen, vahva happo, joten [HO + ] = c(hno) = 0,0105 mol/dm. ph = lg[ho + ] = lg0,0105 1,9776 1,98. ph pisteessä B: V(NaOH) = 7,0 ml = 0,0070 l c(naoh) = 0,10 mol/dm n(naoh) = n(naoh) = 0,10 mol/l 0,0070 l = 7, mol. n(hno) = 6, mol (edellisestä laskusta) Typpihapon joukkoon on lisätty 7,0 ml natriumhydroksidiliuosta. Happo on kokonaan neutraloitunut ja emästä on ylimäärin. Lasketaan ylimäärin lisättyjen hydroksidi-ionien ainemäärä: n(oh ) = (7, , ) mol = 1, mol. Liuoksen hydroksidi-ioni konsentraatio pisteessä B on: 4 1, mol [OH ] 4, mol/ dm. (0,015 0,0070)dm poh =,45 ph = pkw poh = 1,9965,45 = 11, ,65.

189 Ekvivalenttipisteessä kaikki happo on neutraloitunut ja liuoksen ph määräytyy syntyneen suolan perusteella. Kun typpihappo reagoi natriumhydroksidin kanssa, muodostuu natriumnitraattia. Natriumionilla ei ole happo-emäsluonnetta. Nitraatti-ioni on heikompi emäs kuin vesi, joten liuos on neutraali. m(hno) = 8 mg Pisteessä A ph = 1,98. Pisteessä B ph = 11,65 Neutraloitumisreaktiossa muodostuneen suolan (NaNO) vesiliuos on neutraali. 5.9 Ratkaisu: V(HCl) = 50,0 ml = 0,0500 dm c(hcl) = 0,17 mol/dm V(Ba(OH)) = 10,0 ml = 0,0100 dm c(ba(oh)) = 0,015 mol/dm ph =? Koska suolahappo on vahva happo, suolahappoliuoksessa olevien oksoniumionien ainemäärä on: n(ho + ) = n(hcl) = 0,17 mol/dm 0,0500 dm = 6, mol. Bariumhydroksidiliuoksessa hydroksidi-ionien ainemäärä on: n(oh ) = n(ba(oh)) = 0,015 mol/dm 0,0100 dm =, mol. Koska n(ho + ) > n(oh ) jää oksoniumioneja neutraloimatta. Oksoniumionien ainemäärä bariumhydroksiliuoksen lisäyksen jälkeen on: n(ho + ) = 6, mol, mol = 6, mol.

190 Yhdistetyn liuoksen oksoniumionikonsentraatio on: n(h O ) 6, mol [H O ] 0,10167 mol / dm. V (liuos) (0,0500 0,0100) dm Liuoksen ph on: ph = lg0, ,9981 0,99. ph = 0, Ratkaisu: a) c(naoh) = 0,080 mol/dm c(hbr) = 0,10 mol/dm ph =? Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on: HBr(aq) + NaOH(aq) NaBr(aq) + HO(l). Natriumionilla ei ole happo-emäsluonnetta. Bromidi-ioni on heikompi emäs kuin vesi, joten liuoksen ph-arvo määräytyy veden autoprotolyysireaktion perusteella. Kw = [HO + ][OH ] 1, (mol/dm ) = x x = 1, mol/dm = [HO + ] ph = lg1, = 6,998 7,00.

191 b) c(naoh) = 0,080 mol/dm c(chch(oh)cooh) = 0,10 mol/dm Ka(CHCH(OH)COOH) = 1, mol/dm ph =? Neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö on: CHCH(OH)COOH(aq) + NaOH(aq) NaCHCH(OH)COO(aq) + HO(l). Reaktiossa muodostuva suola on natriumlaktaatti NaCHCH(OH)COO, jonka laktaatti-ioni CHCH(OH)COO on maitohapon vastinemäs. Lasketaan laktaatti-ionin emäsvakio: Kw 1, (mol/dm ) K (CH CH(OH)COO ) b 4 K (CH CH(OH)COOH) 1, 4 10 mol/dm = 7, mol/dm. a 14 Laktaatti-ioni on vahvempi happo kuin vesi, joten suolan liukeneminen vaikuttaa liuoksen pharvoon. Ratkaistaan natriumlaktaatin konsentraatio seuraavasti: Merkitään titratun maitohappoliuoksen tilavuutta merkinnällä V1 dm. Maitohapon ainemäärä tässä tilavuudessa on: n(chch(oh)cooh) = c(chch(oh)cooh) V1 dm = 0,10 mol/dm V1 dm = 0,10 V1 mol. Merkitään neutralointiin tarvittavan natriumhydroksidin tilavuutta merkinnällä V dm. Neutraloitumiseen tarvittava natriumhydroksidin ainemäärä on: n(naoh) = c(naoh) V = 0,080 V mol. Ekvivalenttikohdassa n(naoh) = n(chch(oh)cooh) 0,080 V mol = 0,10 V1 mol. Kun tästä ratkaistaan V, saadaan: V = 1,5 V1.

192 Koska n(chch(oh)coo ) = n(chch(oh)cooh), laktaatti-ioninkonsentraation lausekkeeksi saadaan: c(ch CH(OH)COO ) n(ch CH(OH)COO ) 0,10 V mol 0,10 V mol 1 1 V (liuos) ( V V ) dm ( V 1,5 V ) dm Tästä ratkaistuna c(chch(oh)coo ) = 0,04444 mol/dm. Tehdään taulukko laktaatti-ionin protolyysireaktiosta: CHCH(OH)COO + HO(l) CHCH(OH)COOH + OH (aq) calku(mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap.(mol/dm ) 0,04444 x - x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot laktaatti-ionin emäsvakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K [CH CH(OH)COOH][OH ] 11 x [CH CH(OH)COO ] 0, (CH CH(OH)COO ) 7, 10 b x. Yhtälön ratkaisuna saadaan: x1 = 1, ja x = 1, , joista vain positiivinen juuri on järkevä, sillä hydroksidi-ionikonsentraation tulee kasvaa ja laktaatti-ionikonsentraation pienentyä. [OH ] = 1, mol/dm. poh = 5,750 Liuoksen ph-arvo on: ph = pkw poh = 1,9965 5,750 = 8,45 8,4. a) ph = 7,00 b) ph = 8,4

193 Harjoittele lisää! Ylioppilastehtäviä 1. Ratkaisu: a) Polyakryylihapon natriumsuola liukenee veteen Na + - ja polyakrylaatti-ioneina, joilla on negatiivinen varaus. Vesimolekyylit imeytyvät polymeeriin, sillä ne muodostavat useita vetysidoksia polyakrylaatti-ionien negatiivisten karboksylaattiosien (n COO ) kanssa. Koska polymeerin rakenne on verkkomainen, vesimolekyylit jäävät loukkuun verkkorakenteen sisään. b) c(akryylihappo) = 0,500 mol/dm V(akryylihappo) = 10,0 ml = 0,0100 dm c(naoh) = 0,00 mol/dm Ka(akryylihappo) = 5, mol/dm Kw = 1, (mol/dm ) ph =? Neutraloitumisreaktio on: CH=CHCOOH(aq) + NaOH(aq) CH=CHCOONa(aq) + HO(l). n(akryylihappo) = 0,500 mol/dm 0,0100 dm = 5, mol. Ekvivalenttikohdassa n(naoh) = n(ch=chcooh) = 5, mol.

194 Lasketaan, mikä tilavuus natriumhydroksidiliuosta on kulunut akryylihapon neutraloitumiseen: V (NaOH) 5, mol 0,05000 dm. 0,00 mol/dm Liuoksen kokonaistilavuus on 0,0100 dm + 0,050 dm = 0,050 dm. Ekvivalenttikohdassa liuoksen ph määräytyy syntyneen suolan perusteella. Natriumionilla ei ole happo-emäsluonnetta, mutta akrylaatti-ioni on akryylihapon vastinemäs. Lasketaan akrylaatti-ionin emäsvakio: Kw K (CH =CHCOO ) b K (CH =CHCOOH) a 1, (mol/dm ) K 5, 610 mol/dm (CH =CHCOO ) 1,8 10 mol/dm. b 5 Akrylaatti-ioni on vahvempi emäs kuin vesi, joka tuottaa vesiliuokseen hydroksidi-ioneja seuraavasti: CH=CHCOO (aq) + HO(l) CH=CHCOOH(aq) + OH (aq). Lasketaan c(ch=chcoo ) ekvivalenttipisteessä: 5, mol 0,1486 mol/dm. c(ch =CHCOO ) 0,050 dm Tehdään taulukko akrylaatti-ionin protolyysireaktiosta: CH=CHCOO + HO(l) CH=CHCOOH + OH (aq) calku(mol/dm ) 0, muutos (mol/dm ) x - +x +x ctasap.(mol/dm ) 0,1486 x - x x

195 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot akrylaatti-ionin emäsvakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x: K [CH =CHCOOH][OH ] x [CH =CHCOO ] 0, (CH =CHCOO ) 1,8 10 b x. Yhtälön ratkaisuna saadaan: x1 = 5, ja x = 5, , joista vain positiivinen juuri on järkevä, sillä hydroksidi-ionikonsentraation tulee kasvaa ja akrylaatti-ionikonsentraation pienentyä. [OH ]= 5, mol/dm. poh = 5,950 Liuoksen ph-arvo on: ph = pkw poh = 1,9965 5,950 = 8,7015 8,70. a) Polyakryylihapon natriumsuola liukenee veteen Na + - ja polyakrylaatti-ioneina, joilla on negatiivinen varaus. Vesimolekyylit imeytyvät polymeeriin, sillä ne muodostavat useita vetysidoksia polyakrylaatti-ionien negatiivisten karboksylaatti-osien (n COO ) kanssa. Koska polymeerin rakenne on verkkomainen, vesimolekyylit jäävät loukkuun verkkorakenteen sisään. b) ph = 8,70.