REAKTIO 3 OPETTAJAN OPAS Sisällys

Transkriptio

1 REAKTI 3 PETTAJAN PAS Sisällys pettajalle 3 Kurssisuunnitelma (ehdotus) 5 Kurssin itsenäinen opiskelu (ehdotus) 6 Kemikaalit 6 Tehtävien ratkaisut 7 1 Kemialliset reaktiot 7 2 Reaktioyhtälö 8 Reaktioyhtälön kirjoittaminen Reaktion symbolinen ilmaisu Reaktioyhtälö reseptinä 10 Kun lähtöaine loppuu kesken Reaktion saanto Rinnakkaiset reaktiot 31 Reaktiosarjat 34 3 Reaktiotyyppejä ja mekanismeja Missä reaktio tapahtuu? Protoninsiirtoreaktiot Substituutio- eli korvautumisreaktiot Hiili hiili-kaksoissidosten reaktiot Kondensaatio- ja hydrolyysireaktiot Hiiliyhdisteiden hapetus-pelkistysreaktiot Yhteenveto 58 4 Kaasut 62 Kaasulait 62 Kaasun moolimassa 68 Kaasun tiheys 69 Kaasut ja stoikiometria 71 Palaminen 77 5 Enerian muutokset kemiallisessa reaktiossa Reaktiot ja eneria Enerialajit kemiallisissa reaktioissa Aineen rakenneosien eneriat Entalpian muutos ilmoittaa vapautuvan tai sitoutuvan lämpömäärän Muodostumisentalpia Sidoseneria 96 1

2 6 Reaktionopeus Reaktionopeus Törmäysteoria. Siirtymätila. Aktivoitumiseneria. 104 ppilastöiden ja demojen kommentteja ja selityksiä 108 Luvun 3 demot 108 DEM DEM DEM Luvun 6 demot (s. 143) 110 DEMT hjeistus työhön 4 (Veden eliminaatio omenahaposta) 111 hjeistus työhön 7 (Reaktionopeus) 111 Mittaustarkkuus ja likiarvolaskennan säännöt 113 Mittaustulokset ovat aina likiarvoja, joilla on tietty tarkkuus 113 Miten mittaustarkkuus ilmoitetaan? 113 Likiarvolaskennan säännöt 113 Kymmenpotenssimerkintä 115 Yksikönmuunnokset 115 Tehtäviä 118 Vastaukset 119 Kertausta 120 Kemiallinen kaava 120 Reaktio 120 Reaktioyhtälön kirjoittaminen 121 Saanto 125 2

3 pettajalle Reaktio 3 -kirja jatkaa Reaktio-sarjan aloittamaa konstruktivistista lähestymistapaa, jossa oppiminen nähdään tiedon vaiheittaisena rakentumisena ja ankkuroitumisena oppijan mieleen. Kertauskysymysten avulla palautetaan mieliin joitakin aikaisempien kurssien asioita, jotka muodostavat keskeisen uuden tiedon rakentumisalustan 3. kurssilla. Kurssin aihepiirinä on kemiallinen reaktio. Sitä lähestytään eri näkökulmista, mitä voidaan ilmentää seuraavalla kaaviolla. Reaktioyhtälö reseptinä Molekyyliyhdisteiden reaktiotyyppejä Enerian muutokset kemiallisessa reaktiossa Reaktion symbolinen ilmaisu KEMIALLINEN REAKTI Reaktion nopeus Luvussa 1 luodaan yleiskatsaus kemiallisen reaktion kulkuun, merkitykseen ja hyödyntämiseen teollisuuden eri aloilla. Luvun 2 keskeinen tavoite on oppia reaktion symbolisen ilmaisun taitoja. Merkkikielen avaamisen jälkeen siirrytään tarkastelemaan reaktioyhtälöä reseptinä eli stoikiometrisiä laskuja. Ne on jaettu selkeisiin alaluokkiin oppimisen helpottamiseksi. Tehtäviä on paljon, joten niitä voidaan laskea koko kurssin ajan ja tulevillakin kursseilla. Tehtävät on laadittu siten, että ne valaisisivat kemian merkitystä arkielämässä ja vaihtelevissa sovelluskohteissa sekä olisivat lisäksi ratkaisijastakin mielenkiintoisia. Luvussa 3 keskitytään pääasiassa oraanisten yhdisteiden reaktioihin. Epäoraanisten yhdisteiden reaktioihin palataan tarkemmin Reaktio 4 -kirjassa. Luku sisältää uuden opetussuunnitelman mukaisesti keskeisiä reaktioita, reaktiotyyppejä ja mekanismeja. Luvun rakennetta on tässä laitoksessa selkeytetty ja ylikurssiasiaa on karsittu. Jokaisesta reaktiotyypistä esitellään aluksi taulukkomuodossa esimerkkireaktiot, tyypilliset reaoivat funktionaaliset ryhmät ja tavallisimmat reaenssit tai olosuhteet. Näitä ennakkojäsentäjiä kannattaa hyödyntää myös kertauksen välineinä. Luvun alussa kerrataan kovalenttinen sidos ja hybrisaatiotyypit sekä esitellään kolme uutta funktionaalista ryhmää. Reaktiomekanismien opiskeleminen aloitetaan 1. kurssissa käsitellyistä protoninsiirtoreaktioista. Mekanismien piirtäminen on selitetty mahdollisimman yksityiskohtaisesti ja oppijaa piirtämisprosessiin ohjaten. Tarkempi mekanismi käydään läpi ainoastaan protoninsiirtoreaktioista ja yksinkertaisista substituutioreaktioista. Luvussa on runsaasti havainnollistavia raafisia esimerkkejä eri yhdistetyyppien reaktioista ja niiden esitystavoista. Sisältöä täydentävät monipuoliset tietolaatikot mm. haloeeniyhdisteistä ja oranometalliyhdisteistä. 3

4 Luvun lopussa on yhteenveto reaktiotyypeistä. Tämä auttaa opiskelijoita hahmottamaan kokonaiskäsityksen koko luvusta ja helpottaa tehtävien ratkaisemista. Kaasut käsitellään luvussa 4. Luku voidaan myös opiskella stoikiometrian jatkona 2. luvun jälkeen. Kaasulaskut lasketaan yleistä tilanyhtälöä käyttäen, kuten uuteen opetussuunnitelmaan on kirjattu. Tämä johtuu siitä, että kaasut ovat hyvin harvoin luonnossa tai teollisuusprosesseissa NTP-olosuhteissa. Tehtävät on laadittu niin, että muuntokerrointa, V m = 22,4 l, ei käytetä. Tehtäviä on paljon, joten opiskelijat voivat käyttää niitä esimerkiksi valmistautuessaan kurssikokeeseen. Luvun 5 aiheena ovat enerianmuutokset ja 6. luvussa reaktionopeus. Enerianmuutoksiin liittyen esitellään aluksi keskeiset enerialajit, sitten aineen rakenneosien eneriat ja jatketaan lopuksi reaktioentalpian käsittelyllä. Muodostumisentalpia, sidoseneria ja polttoaineet käsitellään omina alalukuinaan. Syventäviä sisältöjä ovat poltto- ja räjähdysaineiden eneriat ja elävien oranismien eneriantuotto. ppaassa on esimerkki tuntisuunnitelmasta. Jos kurssi suoritetaan tenttimällä, kokeellisuus voidaan toteuttaa kokeellisilla kotitehtävillä. Niistä kirjoitetaan työselostus tai essee. Kemikaaliluettelo helpottaa opettajaa kurssin esivalmistelussa. ppilastöitä on runsaasti, ja niistä opettaja voi valita sopiviksi katsomansa. Työt voidaan tehdä pareittain tai pienissä ryhmissä. Jotta työn 7 (reaktionopeus) ehtii tehdä kahdessa tunnissa, on syytä jakaa oppilaat ryhmiin tekemään eri osioita. Tällöin mittaustulokset kootaan taulukkoon, jotta ne ovat kaikkien oppilaiden käytettävissä. Tässä oppaassa on ohjeistus ja koontipohjat työn nopeuttamiseksi ja laskujen opastukseksi. Kurssissa 3 on paljon stoikiometrisiä laskutehtäviä. Tässä oppaassa on mittaustarkkuuteen, likiarvolaskennan sääntöihin ja lopputuloksen pyöristämiseen liittyvä yhteenveto. Sen voi tarpeen vaatiessa monistaa oppilaille ja/tai ottaa esille muulla tavoin esimerkiksi opetuksen yhteydessä tai kokeen valmistelutunnilla. Tehtäväpankin tehtävistä voi koota kurssikokeen tai käyttää niitä kertausmateriaalina. Kurssikokeeseen voi käyttää myös niitä kirjan tehtäviä, joita oppitunneilla ei ole ennätetty käsitellä. 4

5 Kurssisuunnitelma (ehdotus) Luku Ajankäyttö ja työt 1 2 h Työ h h h 3.1, h h h h h Työ h h 4.1, h h Työ 5 5.2, h h h 5.6, h 6 2 h Työ 7 2 h 5

6 Kurssin itsenäinen opiskelu (ehdotus) Teoria Luetaan luvut 1 6. Tehtävät Luvut 1 2: 1, 3 9, 11 14, 16 18, 26, 27, 29, 31 32, 34, 35, 37 Luku 3: 39, 41, 46 48, 51, 53, 56, 57 60, 63 64, 68 71, 75, 77, 79 81, 84, Luku 4: 93 94, 96 97, , 105, 107, , Luku 5: , 120, , 125, , , , , Luku 6: , 155, 157, , Kokeellinen kotitehtävä: Tehtävä 66 tehdään kotona ja työstä laaditaan essee. Esseen kirjoitusohjeet Reaktio 1 -kirjassa. ppilastyöt: 1, 5 ja 7 tehdään koulussa omalla ajalla tai muun ryhmän mukana. Kemikaalit bromivesi Br 2 (aq) etanolia etikkahappoanhydridi fenoliftaleeniliuos kaliumferrisyanidi eli kaliumheksasyanoferraatti(iii), K 3 Fe(CN) 6, 0,005 M KMn 4 -liuos (0,79 KMn 4 /1 dm 3 H 2 ) tippapulloissa kuivattuja kananmunankuoria manesiummetallinauha maissinjyviä manaanisulfaattia MnS 4 H 2 tunnetunväkevyinen natriumhydroksidiliuos NaH(aq), jonka konsentraatio on suuruusluokkaa 1 M 0,1 M natriumhydroksidiliuos NaH(aq) oksaalihappoa 0,7 M oksaalihappoliuos tippapulloissa (88 C 2 H H 2 /1 dm 3 H 2 ) omenahappoa parafiiniöljyä rauta(iii)nitraatti Fe(N 3 ) 3 9H 2 rauta(iii)kloridi-liuos FeCl 3 (aq) väkevä rikkihappo H 2 S 4 ruokaöljyä salisyylihappoa 1 M vetykloridihappoliuos HCl(aq) 2,0 M vetykloridihappoliuos HCl(aq) tislattua vettä 6

7 Tehtävien ratkaisut 1 Kemialliset reaktiot 1. Mieti, miksi kaikki kemialliset reaktiot tarvitsevat tapahtuakseen a) lämpöä b) aikaa c) kosketuksen reaoivien aineiden välillä. 2. Millä eri tavoin kemiallinen reaktio voidaan havaita? Tarkastele Reaktio 1-kirjan työtä 2 (s. 144). 3. Mistä havaitset kemiallisen reaktion tapahtuvan, kun a) bensiini palaa auton polttomoottorissa b) kakku kypsyy c) komposti maatuu? a) Bensiinin palamisreaktiossa syntyvät pakokaasut (C 2 ja H 2 ) oavt eri aineita kuin lähtöaineet (bensiini ja happi). Kemiallinen eneria muuttuu lämpöeneriaksi. b) Taikinan koostumus muuttuu koko ajan kakun kypsyessä kemiallisten reaktioiden seurauksena. c) Kompostin maatuessa sen koostumus koko ajan muuttuu. Koostumus ei voi muuttua itsestään, vaan se on seurausta aineiden muuttumisista toisiksi aineiksi. Komposti lämpenee, koska hajoamisreaktioissa kemiallista eneriaa muuttuu lämpöeneriaksi. 4. Etsi kynttilän palamiseen liittyvää tietoa internetistä. Mitä kemiallisia muutoksia ja mitä fysikaalisia ilmiöitä palamiseen liittyy? 7

8 2 Reaktioyhtälö Reaktioyhtälön kirjoittaminen 5. Kirjoita reaktioyhtälöt reaktioille, joissa a) ammoniakkikaasu NH 3 reaoi vetykloridikaasun kanssa muodostaen kiinteää ammoniumkloridia b) fosfori P reaoi happikaasun kanssa muodostaen kiinteää difosforipentoksidia c) litium reaoi veden kanssa muodostaen litiumhydroksidia ja vetykaasua d) manesium reaoi metanolin kanssa muodostaen manesiummetoksidia M(CH 3 ) 2 ja vetykaasua. a) NH 3 () + HCl() NH 4 Cl(s) b) P(s) + 2 () P 2 5 (s) c) 2 Li(s) + 2 H 2 (l) 2LiH(aq) + H 2 () d) M(s) + 2 CH 3 H(l) M(CH 3 ) 2 + H 2 () 6. Kirjoita reaktioyhtälöt seuraaville reaktioille. Lähtöaineiden ja tuotteiden olomuotoja ei tarvitse merkitä näkyviin. a) metyyliamiinin ja veden välinen protoninsiirtoreaktio b) butaanihapon (voihapon) ja dietyyliamiinin välinen protoninsiirtoreaktio a) CH 3 NH 2 + H 2 CH 3 NH 3 + H b) CH 3 CH + (CH 3 ) 2 NH 2 CH 3 C NH 3 ( CH 3 ) Reaktion symbolinen ilmaisu 7. Tasapainota reaktioyhtälöt. a) S 2 () + 2 () S 3 () b) Al(s) + F 2 () AlF 3 (s) c) HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) d) HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) a) 2 S 2 () + 2 () 2 S 3 () b) 2 Al(s) + 3 F 2 () 2 AlF 3 (s) c) 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + 2H 2 (l) d) 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) vaiheittain a) Jokaista alkuainetta on reaktioyhtälön kummallakin puolella yhtä paljon. Tasapainotus voidaan suorittaa vaiheittain yksi alkuaine kerrallaan. Samalla 8

9 huolehditaan, että jo tasapainotettuja alkuaineita ei enää tule lisää. Yleensä on paras aloittaa niistä alkuaineista, joita on vain yhdessä lähtöaineessa/reaktiotuotteessa. Tässä rikki on sellainen alkuaine. Tasapainotetaan S 2 () + 2 () S 3 () S, kpl 1 1, kpl 2? 3 kerroin ½ happikaasulle, jotta happiatomien määrä on sama S 2 () + ½ 2 () S 3 (), kpl kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet pienimpiä positiivisia kokonaislukuja c) HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) 2 S 2 () + 2 () 2 S 3 () Tasapainotetaan HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) N 1 2 kerroin 2 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) HN 3 :lle Ba = kerroin 2 H 2 :lle 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + 2 H 2 (l) H = =4 Tasapainotettu reaktioyhtälö on 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + 2 H 2 (l) d) HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) Tasapainotetaan HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) I 1 2 kerroin 2 HI:lle 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) Ba kerroin 2 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) H 2 :lle H = HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) 8. Tasapainota reaktioyhtälöt. a) Fe 2 3 (s) + C() Fe(s) + C 2 () b) N 2 () + H 2 () NH 3 () 9

10 a) Fe 2 3 (s) + 3 C() 2 Fe(s) + 3 C 2 () b) N 2 () + 3 H 2 () 2 NH 3 () 9. Tasapainota täydellisen palamisen reaktioyhtälöt. a) CH 3 CH 3 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) b) CH 3 H(l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) c) C 6 H 6 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) a) CH 3 CH 3 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) C: C 2 () + H 2 (l) CH 3 CH 3 (l) + 2 () 5 C 2 () + H 2 (l) H: C 2 () + 6 H 2 (l) CH 3 CH 3 (l) + 2 () 5 C 2 () + 6 H 2 (l) :? CH 3 CH 3 (l) () 5 C 2 () + 6 H 2 (l) b) CH 3 H(l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) C: C 2 () + H 2 (l) CH 3 H(l) + 2 () 2 C 2 () + H 2 (l) H: C 2 () + 3 H 2 (l) CH 3 H(l) + 2 () 2 C 2 () + 3 H 2 (l) : 1? CH 3 H(l) () 2 C 2 () + 3 H 2 (l) c) C 6 H 6 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) C: 6 1 C 6 H 6 (l) + 2 () 6 C 2 () + H 2 (l) H: 6 2 C 6 H 6 (l) + 2 () 6 C 2 () + 3 H 2 (l) :? C 6 H 6 (l) + (15/2) 2 () 6 C 2 () + 3 H 2 (l) 2 2 C 6 H 6 (l) () 12 C 2 () + 6 H 2 (l) 2.2 Reaktioyhtälö reseptinä 10. Yhteyttävä kasvi muodostaa vedestä ja hiilidioksidista fotosynteesireaktion avulla lukoosia ja happikaasua. a) Kirjoita reaktioyhtälö. b) Laske syntyvän lukoosin ainemäärä, kun hiilidioksidia kuluu yksi mooli. c) Kuinka monta rammaa lukoosia syntyy 100,0 :sta hiilidioksidia? 10

11 a) Tasapainotetaan C 2 () + H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 2 () C 1 6 kerroin 6 C 2 :lle 6 C 2 () + H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 2 () H 2 12 kerroin 6 H 2 :lle 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 2 () = 18 6? Kerroin 6 2 :lle 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) () Tasapainotettu reaktioyhtälö on 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) () b) Ainemäärien suhde on n(c 6 H 12 6 )/n(c 2 ) = 1/6, joten n(c 6 H 12 6 ) = (1/6) n(c 2 ) Ts. yhdestä moolista hiilidioksidia syntyy 1/6 moolia lukoosia. c) n(c 2 ) = 100,0 /(12, ,00) / = 2,2722 Reaktioyhtälön kertoimet Ainemäärät, kun 1 C 2 reaoi Ainemäärät, kun 2,2722 C 2 reaoi 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) () /6 =1 6/6 = 1 1/6 6/6 = 1 2,2722 (käytettävissä) 1/6 2,2722 (lasketaan) n(c 6 H 12 6 ) = 1/6 n(c 2 ) = 1/6 2,2722 = 0,37870 M(C 6 H 12 6 ) = n M = 0,37870 (6 12, , ,00) / = 68, Kolmessa peräkkäisessä kokeessa etanolia CH 3 H, propaania C 3 H 8 ja 2-butanoni CH 3 CCH 3 poltettiin täydellisesti. Reaktiotuotteina poltoissa syntyi hiilidioksidia ja vettä. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö kunkin polttoaineen palamiselle. b) Mikä polttoaineista tuottaa suurimman ainemäärän vettä, kun polttoainetta käytetään 1,5 moolia? a) 1) CH 3 H + 2 C 2 + H 2 Tasapainotetaan CH 3 H + 2 C 2 + H 2 C, kpl kerroin 2 C 2 :lle CH 3 H C 2 + H 2 H, kpl kerroin 3 H 2 :lle CH 3 H C H 2, kpl 1? kerroin 3 2 :lle CH 3 H C H 2 11

12 Tasapainotettu reaktioyhtälö on CH 3 H C H 2 Vaihtoehtoinen tapa: Kirjoitetaan reaktioyhtälön kertoimien paikalle pienet kirjaimet kertoimiksi. a CH 3 H + b 2 c C 2 + d H 2 Yhtälön kummallakin puolella on jokaista alkuainetta oltava yhtä paljon. Lasketaan atomit ja muodostetaan kullekin alkuaineelle oma yhtälö. Muodostuneesta yhtälöryhmästä ratkaistaan kertoimet a, b, c ja d. Yhtälöryhmä: hiili: a 2 = c 1 vety: a ( ) = d 2 happi: a 1 + b 2 = c 2 + d 1 joka sievenee muotoon hiili: 2a = c vety: 6a = 2d, josta d = (6/2) a = 3a happi: a + 2b = 2c + d Sijoitetaan kaksi ensimmäistä kolmanteen, jolloin a + 2b = 2c + d = 2 2a + 3a 2b = 4a + 3a a = 6a b = 3a Eli b = 3a, c = 2a ja d = 3a. Kun a = 1, ovat muutkin kertoimet kokonaislukuja ja kertoimet ovat: a = 1, b = 3, c = 2 ja d = 3. Tasapainotettu reaktioyhtälö on: CH 3 H C H 2 2) C 3 H C 2 + H 2 Tasapainotetaan C 3 H C 2 + H 2 C, kpl 3 1 kerroin 3 C 2 :lle C 3 H C 2 + H 2 H, kpl 8 2 kerroin 4 H 2 :lle C 3 H C H 2, kpl? kerroin 5 2 :lle C 3 H C H 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö on: C 3 H C H 2 12

13 3) CH 3 CCH C 2 + H 2 Tasapainotetaan CH 3 CCH C 2 + H 2 C, kpl kerroin 4 C 2 :lle CH 3 CCH C 2 + H 2 H, kpl kerroin 4 H 2 :lle CH 3 CCH C H 2, kpl 1? kerroin 5½ 2 :lle CH 3 CCH 3 + 5½ 2 4 C H 2 kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet pienimpiä kokonaislukuja 2 CH 3 CCH C H 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 CH 3 CCH C H 2 b) Kun polttoainetta käytetään 1,5, syntyy vettä: 1) CH 3 H C H 2 1 mooli polttoainetta tuottaa 3 moolia vettä, joten 1,5 moolia polttoainetta tuottaa 1,5 3 moolia = 4,5 moolia vettä. 2) C 3 H C H 2 1 mooli polttoainetta tuottaa 4 moolia vettä, joten 1,5 moolia polttoainetta tuottaa 1,5 4 moolia = 6,0 moolia vettä. 3) Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 2-butanonia palaa Kertoimet, kun 1,5 2-butanonia palaa 2 CH 3 CCH C H /2 = 1 8/2 1,5 (käytettävissä) 8/2 1,5 (lasketaan) 1,5 moolia polttoainetta tuottaa 1,5 (8/2) moolia = 6,0 moolia vettä. Suurimman veden ainemäärän tuottavat propanoni ja 2-butanoni eli polttoaineet 2 ja Kuinka monta rammaa rauta(iii)oksidia muodostuu, kun 10,0 metallista rautaa reaoi täydellisesti happikaasun kanssa? Tasapainottamaton reaktioyhtälö on Fe(s) + 2 () Fe 2 3 (s). a) Tasapainotettu reaktioyhtälö 4 Fe(s) () 2 Fe 2 3 (s) n(fe) = m/m = 10,0 /55,85 / = 0,

14 Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 Fe reaoi Ainemäärät, kun 0,17905 Fe reaoi 4 Fe(s) () 2 Fe 2 3 (s) /4 = 1 ¾ 2/4 0,17905 (käytettävissä) 2/4 0,17905 (lasketaan) Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että n(fe 2 3 ) = ½ 0,17905 = 0, ja M(Fe 2 3 ) = n M = 0, (2 55, ,00) / = 14,3 13. Kamelin kyttyrään varastoitunut rasva on sekä enerian että veden lähde. Rasvan reaktio hapen kanssa on hidasta palamista, joka tuottaa hiilidioksidia ja vettä. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö, kun kamelin kyttyrässä oleva rasva on tristeariinia C 57 H b) Laske kamelin metabolian tuottaman veden massa, kun kameli kuluttaa 1,0 k:n tristeariinia C 57 H a) C 57 H C 2 + H 2 Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan C 57 H C 2 + H 2 C, kpl 57 1 kerroin 57 C 2 :lle C 57 H C 2 + H 2 H, kpl kerroin 55 H 2 :lle C 57 H C H 2, kpl 6? = 169 kerroin 81½ # 2 :lle C 57 H ½ 2 57 C H 2 kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet pienimpiä 2 C 57 H C H 2 kokonaislukuja # (169 6)/2 = 81½ Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 C 57 H C H 2 b) M(C 57 H ) = 1,0 k ja ainemäärä n(c 57 H ) = m(c 57 H )/M(C 57 H ) = 1000 /[(57 12, , ,00) 1 ] = 1,

15 Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 C 57 H reaoi Ainemäärät, kun 1,1217 C 57 H reaoi 2 C 57 H C H /2 = 1 110/2 1,1217 (käytettävissä) (110/2) 1,1217 (lasketaan) Veden ainemäärä on: n(h 2 )/n(c 57 H ) = 110/2, josta n(h 2 ) = (110/2) n(c 57 H ) = 61,6972 Veden massa M(H 2 ) = n(h 2 ) M(H 2 ) = 61,6972 (2 1, ,00) /= 1,1 k 15. Jodia I 2 (s) voidaan valmistaa manaanidioksidista ja kaliumjodidista rikkihappopitoisessa liuoksessa: Mn 2 (s) + 2 KI(s) + 2 H 2 S 4 (aq) MnS 4 (aq) + K 2 S 4 (aq) + 2 H 2 (l) + I 2 (s) Kuinka monta rammaa jodia voidaan valmistaa, kun reaktioon käytetään: a) 250 cm 3 1,75 /dm 3 rikkihappoliuosta b) 75,0 kaliumjodidia? a) Lasketaan rikkihapon ainemäärä: n = c V. 3 n (H2S 4) = 0,250 dm 1,75 = 0, dm Reaktioyhtälö: Mn 2 (s) + 2 KI(s) + 2 H 2 S 4 (aq) MnS 4 (aq) + K 2 S 4 (aq) + 2 H 2 (l) + I 2 (s) 2 1 0,4375 laske käytettävissä keskirivi: reaktioyhtälön kertoimet alarivi: ainemäärät Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että syntyvän jodin ainemäärä on puolet käytettävissä olevan rikkihapon ainemäärästä. n( I 2) = 1 n( H2S 4) = 1 0,4375 = 0, m( I2 ) = n M = 0,21875 ( 2 126,90) = 55,518 55,5 Vastaus: Jodia voidaan valmistaa 55,5. 15

16 b) Lasketaan kaliumjodidin ainemäärä. m 75,0 n = = = 0,45180 M (39, ,90) Reaktioyhtälö: Mn 2 (s) + 2 KI(s) + 2 H 2 S 4 (aq) MnS 4 (aq) + K 2 S 4 (aq) + 2 H 2 (l) + I 2 (s) 2 1 0,45180 laske käytettävissä keskirivi: reaktioyhtälön kertoimet alarivi: ainemäärät Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että syntyvän jodin ainemäärä on puolet käytettävissä olevan kaliumjodidin ainemäärästä. 1 1 n( I 2 ) = n( KI ) = 0,45180 = 0, m( I2 ) = n M = 0, ( 2 126,90) = 57, ,3 Vastaus: Jodia voidaan valmistaa 57, a) Kalsiumkarbidia CaC 2 voidaan valmistaa poltetusta kalkista Ca ja hiilestä. Samalla muodostuu myös hiilimonoksidia. Kirjoita reaktioyhtälö. b) Kalsiumkarbidi CaC 2 reaoi veden kanssa, jolloin muodostuu etyyniä ja kalsiumhydroksidia. Kuinka monta rammaa etyyniä syntyy, kun lähtöaineena on 2,4 kalsiumkarbidia? a) Tasapainotetaan Ca(s) + C(s) CaC 2 (s) + C() Ca C? = 3 kerroin 3 C:lle Ca(s) + 3 C(s) CaC 2 (s) + C() Tasapainotettu reaktioyhtälö on: Ca(s) + 3 C(s) CaC 2 (s) + C() b) Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan CaC 2 (s) + H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) Ca 1 1 C 2 2 H = 4 kerroin 2 vedelle CaC 2 (s) + 2 H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) CaC 2 (s) + 2 H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) 16

17 Tasapainotettu reaktioyhtälö on: CaC 2 (s) + 2 H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) n(cac 2 ) = m/m = 2,4 /[(40, ,01) /] = 0,0374 n(c 2 H 2 ) = n(cac 2 ) M(C 2 H 2 ) = n(c 2 H 2 ) M(C 2 H 2 ) = n(cac 2 ) M(C 2 H 2 ) = 0,0374 (2 12, ,008) / = 0,9748 = 0, Kaupasta voi ostaa tuotteita liikahappoisuuteen eli kansankielellä närästykseen. Joissakin tuotteissa on vatsahappoa neutraloivana aineena alumiinihydroksidia Al(H) 3. Al(H) 3 (s) + HCl(aq) AlCl 3 (aq) + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Kuinka monta rammaa vatsan vetykloridihappoa voidaan neutraloida 0,500 rammalla alumiinihydroksidia? c) Montako rammaa alumiinikloridia ja vettä muodostuu, kun 0,500 Al(H) 3 reaoi? a) Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan Al(H) 3 (s) + HCl(aq) AlCl 3 (aq) + H 2 (l) Al kerroin 3 vedelle Al(H) 3 (s) + HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) H 3 +? = 6 kerroin 3 HCl:lle Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) Cl 3 3 Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) b) n(al(h) 3 ) = m/m = 0,500 /[(26, , ,008) /] = 0,00640 Kertoimet reaktioyhtälössä Ainemäärät, kun 0,00640 Al(H) 3 reaoi Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) ,00640 (käytettävissä) 3 0,00640 (lasketaan) 1 0,00640 (lasketaan) 3 0,00640 (lasketaan) n(hcl) = 3 n(al(h) 3 ) m(hcl) = n(hcl) M(HCl) = 3 n(al(h) 3 ) M(HCl) = 3 0,00640 (1, ,45) / = 0,701 c) n(alcl 3 ) = n(al(h) 3 ) m(alcl 3 ) = n(alcl 3 ) M(AlCl 3 ) = n(al(h) 3 ) M(AlCl 3 ) = 0,00640 (26, ,45) / = 0,855 17

18 n(h 2 ) = 3 n(al(h) 3 ) m(h 2 ) = n(h 2 ) M(H 2 ) = 3 n(al(h) 3 ) M(H 2 ) = 3 0,00640 (2 1, ,00) / = 0, Hiilidioksidin poistamiseksi avaruusaluksesta voidaan käyttää menetelmää, jossa C 2 - kaasun annetaan reaoida kiinteän natriumhydroksidin kanssa, jolloin muodostuu natriumkarbonaattia ja vettä. a) Kirjoita reaktioyhtälö. b) Kuinka monta rammaa hiilidioksidia voidaan poistaa 1,0 k:lla natriumhydroksidia? a) 2 NaH(s) + C 2 () Na 2 C 3 (s) + H 2 (l) b) n(nah) = 1000 /(22, ,00 + 1,008) / = 25,0012 Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 NaH reaoi Ainemäärät, kun 25,0012 NaH reaoi 2 NaH(s) + C 2 () Na 2 C 3 (s) + H 2 (l) /2 = 1 ½ ½ ½ 25,0012 (käytettävissä) ½ 25,0012 (lasketaan) Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että n(c 2 ) = ½ n(nah) = 12,5006 ja m(c 2 ) = n(c 2 ) M(C 2 ) = 12,5006 (12, ,00) / = Lämpökynttilän eli tuikun tilavuus on 14 ml. Tuikku palaa täydellisesti muodostaen reaktiotuotteina vettä ja hiilidioksidia. Kuinka monta rammaa vettä muodostuu, kun tuikku on valmistettu puhtaasta steariinihaposta C 17 H 35 CH? Steariinihapon tiheys on 0,94 k/dm 3. Tasapainotetaan C 17 H 35 CH + 2 C 2 + H 2 C 18 1 kerroin 18 C 2 :lle C 17 H 35 CH C 2 + H 2 H 36 2 kerroin 18 H 2 :lle C 17 H 35 CH C H 2 2? = 54 kerroin 26 2 :lle C 17 H 35 CH C H 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö: C 17 H 35 CH C H 2 m(c 17 H 35 CH) = ρ V = 0,94 k/dm 3 0,014 dm 3 = 0,01316 k = 13,16 M(C 17 H 35 CH ) = (18 12, , ,00) / = 284,468 / n(c 17 H 35 CH ) = m/m = 13,16 /(284,468/) = 0,

19 Kertoimet reaktioyhtälössä Ainemäärät, kun 0,0462 C 17 H 35 CH reaoi C 17 H 35 CH C H ,0462 (käytettävissä) 18 0,0462 (lasketaan) Reaktioyhtälön mukaan n(h 2 ) = 18 0,0462 = 0,832 m(h 2 ) = n M = 0,832 (2 1, ,00) / = Asetaldehydi eli etanaali CH 3 CH (tiheys = 0,788 /cm 3 ) on neste, jota käytetään esimerkiksi hajuvesien, hajusteiden, väriaineiden ja muovien tuotannossa. Sitä voidaan valmistaa etanolin ja hapen välisellä reaktiolla: CH 3 H(l) + 2 () CH 3 CH(l) + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Mikä on tarvittavan etanolin tilavuus (tiheys = 0,789 /cm 3 ), kun asetaldehydiä tuotetaan 25,0 litraa? a) Tasapainotetaan CH 3 H(l) + 2 () CH 3 CH(l) + H 2 (l) C 2 2 H = 6 1? = 2 kerroin ½ 2 :lle CH 3 H(l) + ½ 2 () CH 3 CH(l) + H 2 (l) kerrotaan koko reaktioyhtälö 2:lla 2 CH 3 H(l) + 2 () 2 CH 3 CH(l) + 2 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 CH 3 H(l) + 2 () 2 CH 3 CH(l) + 2 H 2 (l) b) V(CH 3 H) =? ρ(ch 3 H) = 0,789 /cm 3 V(CH 3 CH) = 25,0 l ρ(ch 3 CH) = 0,788 /cm 3 m(ch 3 CH) = ρ V n(ch 3 CH) = m/m = (ρ V)/M = (0,788 cm 3 25, cm 3 )/ [(2 12, , ,00) /] = 447,198 n(ch 3 H) = n(ch 3 CH) V(CH 3 H) = m/ρ = n(ch 3 H) M(CH 3 H)/ρ(CH 3 H) = n(ch 3 CH) M(CH 3 H)/ρ(CH 3 H) = 447,198 (2 12, , ,00) //(0,789 /cm 3 ) = 26,1 cm 3 19

20 20. Taululiitu on kalkkikiven CaC 3 ja kipsin CaS 4 seos. Kalkkikivi liukenee laimeaan vetykloridihappoon, mutta kipsi ei. CaC 3 (s) + HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Kuinka monta rammaa hiilidioksidia muodostuu, kun 12,3 :n liidunpala liuotetaan ylimäärään vetykloridihappoa? Liuenneessa liidussa on 69,7 m-% kalkkikiveä. c) Kuinka monta massa-% toisessa liituerässä on kalkkikiveä, kun 4,38 ramman liidunpala tuotti liuetessaan 1,31 rammaa hiilidioksidia? Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan CaC 3 (s) + HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) Ca 1 1 C = 3 H 1 2 kerroin 2 HCl:lle CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) Cl CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) b) m(liitu) = 12,3, josta 69,7 m-% on CaC 3 :a. m(cac 3 ) = (69,7 %/100 %) 12,3 = 8, n(cac 3 ) = m/m = 8,573 /[(40, , ,00) -1 ] = 0,08565 n(c 2 ) = n(cac 3 ) m(c 2 ) = n(c 2 ) M(C 2 ) = n(cac 3 ) M(C 2 ) = 0,08565 (12, ,00) / = 3,77 c) m(liitu) = 4,38 m-% CaC 3 =? m(c 2 ) = 1,31 n(c 2 ) = m/m = 1,31 /[(12, ,00) /] = 0,02976 n(cac 3 ) = n(c 2 ) m(cac 3 ) = n(cac 3 ) M(CaC 3 ) = n(c 2 ) M(CaC 3 ) = 0,02976 (40, , ,00) / = 2,979 m-%(cac 3 ) = [M(CaC 3 )/M(liitu)] 100 % = (2,979 /4,38 ) 100 % = 68,0 % 20

21 21. Kun epäpuhdasta sinkkimetallia käsiteltiin ylimäärällä rikkihapon vesiliuosta, muodostui sinkkisulfaattia (ZnS 4 ) ja vetykaasua. a) Laadi reaktioyhtälö. b) Mikä on sinkkimetallin puhtausprosentti, kun 3,86 ramman näytteestä saatiin 0,109 vetykaasua? c) Mitä oletuksia laskussa tulee tehdä? (yo s2004) a) Zn(s) + H 2 S 4 (aq) ZnS 4 (aq) + H 2 () b) Reaktioyhtälön perusteella n(h 2 ) = n(zn). Vetykaasun ainemäärä on n(h 2 ) = 0,109 /(2 1,008 /) = 0, Sinkkiä tarvitaan m(zn) = 0, ,41 / = 3,536. Puhtausprosentti on tällöin (3,536 /3,86 ) 100 % 91,6 %. c) Laskuissa edellytetään, että sinkki ei sisällä sellaisia epäpuhtauksia, kuten epäjaloja metalleja, jotka rikkihapon kanssa reaoidessaan muodostavat vetykaasua. Myös muut stoikiometrian oletukset ovat voimassa. 22. Veden bioloinen hapenkulutus BHK ilmoitetaan hapen kulutuksena (m) tietyn vesinäytteen tilavuutta (dm 3 ) kohden eli BHK = M( 2 )/V(näyte). Tutkittavan vesinäytteen ureapitoisuus oli 1,08 /100 dm 3. Laske veden BHK, kun urean ja hapen välinen reaktio on (NH 2 ) 2 C H 2 C N H 3 + n((nh 2 ) 2 C) = 1,08 /(2 14, , , ,00) / = 0,0179 Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 ureaa reaoi Ainemäärät, kun 0,0179 ureaa reaoi (NH 2 ) 2 C H 2 C N H ,0179 (käytettävissä) 4 0,0179 (lasketaan) Reaktioyhtälön perusteella n( 2 ) = 4 n((nh 2 ) 2 C) = 4 0,0179 = 0,07192 m( 2 ) = n( 2 ) M( 2 ) = 0, ,00 / = 2,3016 Vesinäyte kuluttaa happea 2, m/100 dm 3 BHK = 2, m/100 dm 3 = 23 m /dm 3 21

22 23. Eräs vatsan happovaivoihin myytävä lääke sisältää vaikuttavana aineena natriumvetykarbonaattia NaHC 3 sekä joukon täyteaineita. 0,500 :n suuruinen tabletti jauhettiin ja liuotettiin 50,0 cm 3 :iin 0,190 /dm 3 vetykloridihappoon: NaHC 3 (s) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) + C 2 (). Reaoimatta jäänyt vetykloridihappo titrattiin 0,128 /dm 3 väkevyisellä natriumhydroksidilla NaH. Sitä kului neutralointiin 47,1 cm 3. a) Laadi vetykloridihapon ja natriumhydroksidin välisen neutralointireaktion yhtälö. b) Kuinka monta massaprosenttia natriumvetykarbonaattia NaHC 3 tabletti sisälsi? a) HCl + NaH? HCl(aq) + NaH(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) b) Lasketaan tabletin liuotukseen käytetyn HCl:n ainemäärä: n( HCl) = cv = 0, dm = 9, dm Lasketaan takaisintitrauksesta reaoimatta jääneen vetykloridin ainemäärä a-kohdan neutraloitumista kuvaavan reaktioyhtälön perusteella: n(hcl) reaoimaton = n( NaH) = cv = 0,128 47,1 10 dm = 6, dm Lasketaan natriumkarbonaatin kanssa reaoineen HCl:n ainemäärä: HCl HCl HCl 9,50 6, n n n 3, = = = ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 reaoinut reaoimaton Tehtävän reaktioyhtälöstä päätellään, että n NaHC = n(hcl) = 3, ja m ( ) 3 3 reaoinut 3 ( ) = n M = ( ) NaHC 3 3, ,99 1,008 12, ,00 = 0, Tabletissa on natriumvetykarbonaattia: m(nahc 3 ) 0, m-% = 100 % = 58,32171 m-% 58,3 m-% m tabletti 0,500 ( ) Vastaus: Tabletissa on 58,3 m-% natriumvetykarbonaattia. 22

23 Kun lähtöaine loppuu kesken 24. Virvoitusjuomatehtaalla on kappaletta 3,55 dl:n vetoisia pulloja, pullonkorkkia ja litraa appelsiinilimsaa. a) Kuinka monta virvoitusjuomapulloa näistä tarpeista voidaan valmistaa? b) Mitä tarpeita jää vielä varastoon ja kuinka paljon? c) Rajoittaako tuotantoa pullojen, korkkien vai juoman määrä? n(pullo) = kpl V(pullo) = 3,55 dl n(korkki) = kpl V(limsa) = l a) Limsaa riittää dl/3,55 dl = ,8 pullolliseen. Pulloja Korkkeja Limsaa n käytössä kpl kpl l Jos kaikki pullot kuluvat, tarvitaan kpl korkkeja ,55 dl = l limsaa; Jos kaikki limsa pullotetaan, tarvitaan kpl pulloja b) Varastoon jää: pulloja: ( ) kpl = 6375 kpl korkkeja: ( ) kpl = 7360 kpl limsaa: ( ,7) l = 0,3 l c) Tuotantoa rajoittaa juoman määrä kpl korkkeja loppuu kesken ,55 dl = ,7 l limsaa 25. Titaani(IV)oksidin Ti 2 puhdistus on tärkeä osa puhtaan titaanimetallin valmistusta. Puhdistuksessa titaani(iv)oksidi reaoi hiilen ja kloorikaasun kanssa tuottaen titaanitetrakloridia TiCl 4 ja hiilimonoksidia. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö. b) Päättele reaktioyhtälön avulla, mikä seuraavista alkutilanteista tuottaa eniten titaanitetrakloridia TiCl 4. Mieti, toimiiko jokin lähtöaine reaktiota rajoittavana reaenssina. Perustele vastauksesi ainemäärien avulla. 1) 1,5 Ti 2 + 2,1 C + 4,4 Cl 2 2) 1,6 Ti 2 + 2,5 C + 3,6 Cl 2 3) 2,0 Ti 2 + 2,0 C + 2,0 Cl 2 4) 3,0 Ti 2 + 3,0 C + 3,0 Cl 2 23

24 a) Reaktioyhtälö: Ti 2 + C + Cl 2 TiCl 4 + C Tasapainotetaan Ti 2 + C + Cl 2 TiCl 4 + C Ti kerroin 2 C:lle Ti 2 + C + Cl 2 TiCl C C = 2 kerroin 2 C:lle Ti C + Cl 2 TiCl C Cl 2 4 kerroin 2 Cl 2 :lle Ti C + 2 Cl 2 TiCl C Tasapainotettu reaktioyhtälö on: Ti C + 2 Cl 2 TiCl C b) 1) 1,5 Ti 2 + 2,1 C + 4,4 Cl 2 Ti C + 2 Cl 2 TiCl C käytössä on, 1,5 2,1 4,4 1,5 Ti 2 tarvitsee 3,0 raj. 3,0 2,1 C tarvitsee 1,05 2,1 1,05 4,4 Cl 2 tarvitsee 2,2 raj. 4,4 raj. 2) 1,6 Ti 2 + 2,5 C + 3,6 Cl 2 Ti C + 2 Cl 2 TiCl C käytössä on, 1,6 2,5 3,6 1,6 Ti 2 tarvitsee 3,2 raj. 3,2 2,5 C tarvitsee 1,25 2,5 1,25 3,6 Cl 2 tarvitsee 1,8 raj. 3,6 raj. 3) 2,0 Ti 2 + 2,0 C + 2,0 Cl 2 Ti C + 2 Cl 2 TiCl C käytössä on, 2,0 2,0 2,0 2,0 Ti 2 tarvitsee 4,0 raj. 4,0 raj. 2,0 C tarvitsee 1,0 2,0 1,0 2,0 Cl 2 tarvitsee 1,0 2,0 1,0 4) 3,0 Ti 2 + 3,0 C + 3,0 Cl 2 Ti C + 2 Cl 2 TiCl C käytössä on, 3,0 3,0 3,0 3,0 Ti 2 tarvitsee 6,0 raj. 6,0 raj. 3,0 C tarvitsee 1,5 3,0 1,5 3,0 Cl 2 tarvitsee 1,5 3,0 1,5 Eniten titaanitetrakloridia tuottaa tapaus 4) 3,0 Ti 2 + 3,0 C + 3,0 Cl 2 24

25 26. Bariumkloridin ja rauta(iii)sulfaatin Fe 2 (S 4 ) 3 reaktiossa syntyy veteen liukenematonta valkoista sakkaa, joka on bariumsulfaattia. 3 BaCl 2 (aq) + Fe 2 (S 4 ) 3 (aq) 3 BaS 4 (s) + 2 FeCl 3 (aq) Laske syntyvän bariumsulfaatin massa, kun reaktioon käytetään 100,0 bariumkloridia ja 50,0 rautasulfaattia? 3 BaCl 2 (aq) + Fe 2 (S 4 ) 3 (aq) 3 BaS 4 (s) + 2 FeCl 3 (aq) Lasketaan lähtöaineiden ainemäärät. n(bacl 2 ) = m/m(bacl 2 ) = 100,0 /(137, ,45) / = 0,4802 n(fe 2 (S 4 ) 3 ) = m/m(fe 2 (S 4 ) 3 ) = 50,0 /(2 55, , ,00) / = 0,1250 Verrantona: n(bacl 2 )/n(fe 2 (S 4 ) 3 ) = 3/1, joten n(bacl 2 ) = 3 n(fe 2 (S 4 ) 3 ). Ts. yksi mooli rauta(iii)sulfaattia kuluttaa kolme moolia bariumkloridia, joten 0,1250 rauta(iii)sulfaattia kuluttaa 3 0,1250 = 0,3750 bariumkloridia eli se riittää. Vastaavasti yksi mooli bariumkloridia kuluttaa 1/3 moolia rauta(iii)sulfaattia, joten 0,4802 bariumkloridia kuluttaa 1/3 0,4802 = 0,1600 rauta(iii)sulfaattia eli se ei riitä. Rauta(III)sulfaatti on siis reaktiota rajoittava tekijä ja bariumkloridia on ylimäärin. Tai: kertoimet reaktioyhtälössä kertoimet, kun 1 Fe 2 (S 4 ) 3 reaoi ainemäärät, kun 0,1250 Fe 2 (S 4 ) 3 reaoi ainemäärät, kun 1 BaCl 2 reaoi ainemäärät kun 0,4802 BaCl 2 reaoi 3 BaCl 2 (aq) + Fe 2 (S 4 ) 3 (aq) 3 BaS 4 (s) + 2 FeCl 3 (aq) ,1250 = 0,3750 ; riittää 0,1250 (käytettävissä) 3 0,1250 = 0,3750 ; lasketaan 3/3 = 1 1/3 3/3 = 1 2/3 0,4802 (käytettävissä) 1/3 0,4802 = 0,1600 ; rajoittaa Bariumsulfaattia syntyy: n(bas 4 ) = 3 0,1250 m(bas 4 ) = n(bas 4 ) M(BaS 4 ) = 3 0,1250 (137, , ,0) / = 87,5 25

26 27. Kalsiumhydroksidi eli sammutettu kalkki Ca(H) 2 on halvin kaupallisesti käytetty emäs. Sitä käytetään teollisuudessa, maataloudessa ja ympäristön happamoitumista torjuttaessa. Tankkiauto joutui onnettomuuteen ja 1000 litraa 6 M vetykloridihappoa HCl valui maahan. Palokunta levitti valuma-alueelle 200 k kalsiumhydroksidia. Neutraloituiko kaikki happo? V(HCl) = 1000 l = 1000 dm 3 c(hcl) = 6 M m(ca(h) 2 ) = 200 k Käytetään konsentraation lauseketta: c = n/v ja ainemäärän lauseketta n = m/m. n(hcl) = c V = 6 dm dm 3 = 6000 n(ca(h) 2 ) = m/m = /[(40, , ,008) /] = 2699,2 n(h ) = 2 n(ca(h) 2 ) = 5398,4 Neutraloituminen: H H 2 H 2 ts. yksi mooli oksoniumioneja neutraloi yhden moolin hydroksidi-ioneja. Tässä n(hcl) on suurempi kuin n(h-) eli kaikki happo ei neutraloitunut. Tai: Neutraloituminen: HCl + Ca(H) 2 H 2 + CaCl 2 Tasapainotetaan HCl + Ca(H) 2 H 2 + CaCl 2 Cl 1 2 kerroin 2 HCl:lle 2 HCl + Ca(H) 2 H 2 + CaCl kerroin 2 H 2 :lle 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 H = = 4 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 Hapon täydelliseen neutraloitumiseen kuluisi: 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 kertoimet reaktioyhtälössä ainemäärät, kun 1 HCl reaoi 2/2 = 1 ½ 2/2 1/2 ainemäärät, kun 6000 HCl reaoi 6000 käytettävissä ½ 6000 (lasketaan) (tai verrantona: n(ca(h) 2 /n(hcl) = 1/2) Siis n(ca(h) 2 ) = ½ n(hcl) = ½ 6000 = Palokunta käytti vain 2699,2 Ca(H) 2 :a eli kaikki happo ei neutraloitunut. Lisää olisi tarvittu = 301 eli 22,2 k. 26

27 28. Kaliumnitraattia käytetään puutarhassa ja pelloilla lannoitteena, koska se sisältää kaksi kasveille tärkeää ravinnetta: kaliumin ja typen. Kaliumnitraattia valmistetaan sekoittamalla kaliumkloridia, typpihappoa ja happikaasua: KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Kuinka monta kilorammaa kaliumnitraattia voidaan valmistaa, kun kaliumkloridia on 50,0 k ja 65 m-%:sta typpihappoa 50,0 k? c) Kuinka monta kilorammaa sivutuotteena syntyvää kloorikaasua b-kohdan reaktiosta saadaan? a) KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) Tasapainotetaan KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) Cl 1 2 kerroin 2 KCl:lle 2 KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) K 2 1 kerroin 2 KN 3 :lle 2 KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () 2 KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) H 1 2 kerroin 2 HN 3 :lle 2 KCl(aq) +2 HN 3 (aq) + 2 () 2 KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) N ? = 7 kerroin ½ 2 :lle 2 KCl(aq) +2 HN 3 (aq) + ½ 2 () 2 KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) kerrotaan koko yhtälö 2:lla 4 KCl(aq) +4 HN 3 (aq) + 2 () 4 KN 3 (aq) + 2 Cl 2 () + 2 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 4 KCl(aq) + 4 HN 3 (aq) + 2 () 4 KN 3 (aq) + 2 Cl 2 () + 2 H 2 (l) b) m(kcl) = 50,0 k n(kcl) = m/m = 50, /[(39, ,45) /] = 670,69 m(hn 3 ) = (65 %/100 %) 50,0 k = 32,5 k n(hn 3 ) = m/m = 32,5 103 /[(1, , ,00) /] = 515,72 kertoimet reaktioyhtälössä ainemäärät kun 1 KCl reaoi ainemäärät, kun 670,69 KCl reaoi ainemäärät, kun 515,72 HN 3 reaoi 4 KCl(aq) + 4 HN 3 (aq) + 2 () 4 KN 3 (aq) + 2 Cl 2 () + 2 H 2 (l) /4 = 1 4/4 = 1 1/4 4/4 = 1 2/4 2/4 670,69 (käytettävissä) 515,72 670,693 rajoittaa 515,72 515,72 (lasketaan b) 2/4 515,72 (lasketaan c) (käytettävissä) (Tai verrantona reaktioyhtälöstä n(kcl)/n(hn 3 ) = 4/4, eli nyt typpihapon ainemäärä rajoittaa reaktion.) 27

28 Reaktioyhtälöstä n(kn 3 )/n(hn 3 ) = 4/4 eli n(kn 3 ) = n(hn 3 ) ja KN 3 :a voi nyt muodostua 515,72. m(kn 3 ) = n(kn 3 ) M(KN 3 ) = n(hn 3 ) M(KN 3 ) = 515,72 [(39, , ,00) /] = 52,1 k c) Kloorikaasua syntyy: n(cl 2 )/n(kn 3 ) = 2/4, joten n(cl 2 ) = (2/4) n(kn 3 ) = (1/2) n(kn 3 ) m (Cl 2 ) = n(cl 2 ) M(Cl 2 ) = (1/2) n(kn 3 ) M(Cl 2 ) = ½ 515,72 [2 35,45 /] = 18,3 k 2.3 Reaktion saanto 29. Reaktioseoksessa on 20,0 natriumvetykarbonaattia NaHC 3 ja 50,0 cm 3 6 M vetykloridihappoa HCl. Ne reaoivat keskenään. NaHC 3 (s) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) + C 2 () a) Laske natriumkloridin teoreettinen saanto. b) Mikä on reaktion saantoprosentti, kun natriumkloridin todellinen saanto oli 12,3? a) Lasketaan lähtöaineiden ainemäärät. n(nahc 3 ) = m/m = 20,0 /[(22,99 + 1, , ,00) /] = 0, Vetykloridihapon ainemäärä lasketaan kaavasta c = n/v. n(hcl) = c(hcl) V(HCl) = 6 /dm 3 50, dm 3 = 0,30 Reaktioyhtälön kertoimien perusteella: reaktioyhtälön kertoimet käytössä, NaCl voidaan valmistaa, NaHC 3 (s) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) + 2 () ,2380 rajoittaa 0,2380 0,30 0,2380 Natriumkloridia voidaan siis tuottaa enintään 0,2380, joten teoreettinen saanto on: m(nacl, teor) = n M = 0,2380 (22, ,45) / = 13,91 b) Reaktion saantoprosentti on: todellinen saanto 12,3 saantoprosentti = 100 % = 100 % = 88,48... % = 88,5 % teoreettinen saanto 13,9 28

29 30. Zn Cr 2 3 -katalyytin ollessa mukana hiilimonoksidista ja vedystä voidaan 400 C:n lämpötilassa ja 15 MPa:n paineessa valmistaa metanolia. C() + 2 H 2 () CH 3 H(l) a) Reaktorissa oli 72,0 k hiilimonoksidia ja 5,50 k vetykaasua. Mikä on reaktion teoreettinen saanto? b) Reaktion saantoprosentti oli 90,4 %. Mikä oli reaktion todellinen saanto? a) Lasketaan lähtöaineiden ainemäärät: n(c) = m/m = 72, /[( ,00) /] = 2, n(h 2 ) = m/m = 5, /[(2 1,008) /] = 2, Reaktioyhtälön kertoimien perusteella: C() + 2 H 2 () CH 3 H(l) reaktioyhtälön 1 kertoimet 2 1 käytössä, 2, , , C tarvitsee H 2, 2, , = 5, ei riitä 2, H 2 tarvitsee C, ½ 2, = 1, riittää 2, H 2 tuottaa ½ 2/2 = 1 ½ 2, H 2 tuottaa 2, ½ 2, Metanolia voidaan siis tuottaa ½ 2, , joten m(ch 3 H) = n M = ½ 2, (12, , ,00) / = 4, = 43,7 k b) Reaktion todellinen saanto todellinen saanto saantoprosentti = 100% teoreettinen saanto saantoprosentti teoreettinen saanto 90,4 % 43,7 k todellinen saanto = = = 39,5 k 100 % 100 % 31. Suihkumoottorin turbiinin lavat voidaan jäykistää piinitridillä Si 3 N 4. Sitä voidaan valmistaa seuraavalla reaktiolla: Si(s) + N 2 () Si 3 N 4 (s) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Laske synteesin teoreettinen saanto, kun 4,00 piitä ja 3,00 typpikaasua reaoi. c) Mikä on synteesin saantoprosentti, kun tuotetta saatiin 4,92? 29

30 a) Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan Si(s) + N 2 () Si 3 N 4 (s) Si 1 3 kerroin 3 Si:lle 3 Si(s) + N 2 () Si 3 N 4 (s) N 2 4 kerroin 2 N 2 :lle 3 Si(s) + 2 N 2 () Si 3 N 4 (s) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 3 Si(s) + 2 N 2 () Si 3 N 4 (s) b) m(si) = 4,00 n(si) = m/m = 4,00 /(28,09 /) = 0,1423 m(n 2 ) = 3,00 n(n 2 ) = m/m = 3,00 /(2 14,01 /) = 0,1070 kertoimet reaktioyhtälössä ainemäärät kun 1 Si reaoi ainemäärät, kun 0,1423 Si reaoi ainemäärät, kun 1 N 2 reaoi ainemäärät, kun 0,1070 N 2 reaoi 3 Si(s) + 2 N 2 () Si 3 N 4 (s) /3 = 1 2/3 1/3 0,1423 (käytettävissä) 2/3 0,1423 = 0,0949 1/3 0,1423 (lasketaan) 3/2 2/2 =1 ½ 3/2 0,1070 = 0,1605 (rajoittaa) 0,1070 (käytettävissä) Synteesin teoreettisen saannon rajoittaa Si. n(si 3 N 4 ) = (1/3) 0,1423 = 0,0474 m(si 3 N 4 ) = n M = 0,0474 (3 28, ,01) / = 6,660 6,66 c) M(todellinen saanto) = 4,92 todellinen saanto saantoprosentti = 100 % teoreettinen saanto 4,92 % = 100 % = 73, % = 73,9 % 6,66 30

31 2.4 Rinnakkaiset reaktiot 32. Puutarhan kalkitukseen voidaan käyttää dolomiittikalkkia, joka on kalsiumkarbonaa tin ja manesiumkarbonaatin seos. Kuumennuksessa kumpikin karbonaatti hajoaa vastaavaksi oksidiksi. a) Laadi reaktioyhtälöt. b) Kun 0,876 dolomiittikalkkia kuu mennettiin, saatiin jäännös, jonka massa oli 0,477. Kuinka monta massaprosenttia manesiumkarbonaattia dolomiittikalkki sisälsi? (yo k2003) a) CaC 3 (s) Ca(s) + C 2 () MC 3 (s) M(s) + C 2 () b) m(cac 3 ) + m(mc 3 ) = 0,876 m(ca) + m(m) = 0,477 Reaktioyhtälöiden perusteella: n(ca) = n(cac 3 ) ja n(m) = n(mc 3 ) m = n M n 1 100,09 / + n 2 84,42 / = 0,876 n 1 56,08 / + n 2 40,31 / = 0,477 Yhtälöparista saadaan ratkaistua n 2 = n(mc 3 ) = 0, Manesiumkarbonaatin massa on m(mc 3 ) = 0,00199 (24, , ,00) / = 0,16779 Dolomiitin manesiumpitoisuus on 100 0,16779 /0,876 19,2 % tai toinen ratkaisutapa: M(CaC 3 ) = (40, , ,00) / = 100,09 / M(MC 3 ) = (24, , ,00) / = 84,32 / M(Ca) = (40, ,00) / = 56,08 / M(M) = (24, ,00) / = 40,31 / massa, ainemäärät, kun 1 CaC 3 hajoaa ainemäärä (n = m/m), kun CaC 3 on x CaC 3 (s) Ca(s) + C 2 () x x/100,09 x/100,09 MC 3 (s) M(s) + C 2 () massa, (0,876 x) ainemäärät, kun 1 MC 3 hajoaa ainemäärä (n = m/m), kun MC 3 on x (0,876 x)/84,32 (0,876 x)/84,32 31

32 Reaktioyhtälöistä: n(ca) = n(cac 3 ) ja n(m) = n(mc 3 ) m(jäännös) = m(ca) + m(m) = n(ca) M(Ca) + n(m) M(M) 0,477 = (x/100,09) 56,08 / + [(0,876 x)/84,32] 40,31 / 0, ,09 84,32 = 84,32 x 56, ,09 (0,876 x) 40,31 josta x = 0,7079 = M(CaC 3 ) ja m(mc 3 ) = 0,876 x = 0,876 0,708 = 0,168 Dolomiittikalkki sisältää manesiumkarbonaattia: (0,168 /0,876 ) 100 % = 19,178 % = 19,2 % 33. Natriumkloridin NaCl ja kaliumkloridin KCl seosta punnittiin 1,0000. Näyte liuotettiin veteen ja liuokseen lisättiin ylimäärin hopeanitraattia AN 3. Tällöin kaikki kloridi-ionit saostuivat hopeakloridina ACl. Saostumaa syntyi 2,1476. a) Laadi reaktioyhtälöt. b) Laske alkuperäisen näytteen massaprosenttinen koostumus. Piirrä kuva tilanteesta. Malli: Reaktio 3, s. 26, esimerkki 6. m(seos) = 1,0000 jossa m(nacl) = x m(kcl) = (1,0000 x) ja m(acl) = 2, H 2 + AN 3 ACl(s) a) Laaditaan saostumisen reaktioyhtälöt: 1) NaCl(aq) + AN 3 (aq) ACl(s) + NaN 3 (aq) 2) KCl(aq) + AN 3 (aq) ACl(s) + KN 3 (aq) b) NaCl:n ainemäärä on: m(nacl) x x n ( NaCl ) = = = M(NaCl) 58,44 ( 22, ,45) joten reaktiosta 1 tulevan kloridin ainemäärä on n(cl ) 1 = n(nacl) ja edelleen tästä syntyvän hopeakloridin ainemäärä on n(cl ) 1 = n(nacl) = n(acl) 1 KCl:n ainemäärä on: m(kcl) (1,0000 x) 1,0000 x n ( KCl ) = = = M(KCl) 74,55 ( 39, ,45) joten reaktiosta 2 tulevan kloridin ainemäärä on n(cl ) 2 = n(kcl) ja edelleen tästä syntyvän hopeakloridin ainemäärä on n(cl ) 2 = n(kcl) = n(acl) 2 Tunnetaan syntyvän ACl saostuman massa, joten: m(acl) = 2,1476 = m(acl) 1 + m(acl) 2 = [n(nacl) + n(kcl)] M(ACl) x 1,0000 x 2,1476 = + ( 107, ,45) 58,44 74,55 32

33 Ratkaistaan yhtälöstä x: 2,1476 x 1,0000 x = + 143,32 58,44 74,55 65, ,44 = 16,11 x x = 0, ,4248 Seoksessa on natriumkloridia x = 0,4248 ja kaliumkloridia (1,0000 x) = (1,0000 0,4348) = 0, ,5752 Seoksen massaprosenttinen koostumus: 0, m-% NaCl = 100 % = 42, ,48 m-%. 1,0000 0, m-% KCl = 100 % = 57, ,52 m-% 1,0000 Vastaus: Seoksessa on natriumkloridia 42,48 m-% ja kaliumkloridia 57,52 m-%. 34. Kun 25,0 metaanin ja etaanin seosta paloi täydellisesti, syntyi 71,3 hiilidioksidia. Kuinka monta a) rammaa b) m-% seos sisälsi metaania? a) Reaktioyhtälöt: 1. CH 4 () () C 2 () + 2 H 2 (l) 2. C 2 H 6 () () 4 C 2 () + 6 H 2 (l) Merkitään: m(ch 4 ) = x, jolloin m(c 2 H 6 ) = 25,0 x. Moolimassat: M(CH 4 ) = 16,042, M(C H ) = 30, ja M(C 2 ) = 44,01 m 71,3 Hiilidioksidin ainemäärä: n(c 2) = = = 1,62009 M 44,01 n(c 2 ) = 1,62009 on peräisin reaktioista 1 ja 2, joten n(c 2 ) 1 + n(c 2 ) 2 = n(c 2 ) Reaktioyhtälöistä päätellään, että 1 CH 4 tuottaa 1 C 2 ja 1 C 2 H 6 tuottaa 4 = 2 C 2 2 Kirjoitetaan yhtälö: x 25,0 x = 1, ,042 30,068 0, x + 1, , x = 1, , x = 0,04281 x = 10,242 10,2 b) m-%(ch 4 ) = 10, % 40,069 % 40,1% 25,0 = 33

34 Reaktiosarjat 35. Erästä freonia, difluorodiklorometaania, voidaan valmistaa seuraavasti: CH 4 + Cl 2 CCl 4 + HCl CCl 4 + HF CCl 2 F 2 + HCl. Määritä reaktioyhtälöiden kertoimet ja laske tarvittavan kloorikaasun massa, kun valmistetaan 0,156 difluorodiklorometaania. Tasapainotetaan reaktioyhtälöt: Tasapainotetaan CH 4 + Cl 2 CCl 4 + HCl C 1 1 H 4 1 kerroin 4 HCl:lle CH 4 + Cl 2 CCl HCl Cl = 8 kerroin 4 Cl 2 :lle CH Cl 2 CCl HCl Tasapainotetaan CCl 4 + HF CCl 2 F 2 + HCl C 1 1 Cl = 3 kerroin 2 HCl:lle CCl 4 + HF CCl 2 F HCl F 1 2 Kerroin 2 HF:lle CCl HF CCl 2 F HCl H 2 2 CCl HF CCl 2 F HCl Lasketaan reaktioyhtälöt puolittain yhteen: CH Cl 2 CCl HCl CCl HF CCl 2 F HCl CH Cl HF CCl 2 F HCl m(cl 2 ) =? m(ccl 2 F 2 ) = 0,156 n(ccl 2 F 2 ) = m/m = 0,156 /[(12, , ,00) /] = 0, kertoimet reaktioyhtälössä ainemäärät, kun tuotetaan 0, CCl 2 F 2 CH Cl HF CCl 2 F HCl , (lasketaan) 0, (käytettävissä) m(cl 2 ) = n(cl 2 ) M(Cl 2 ) = 4 0, (2 35,45 /) = 0, ,366 34

35 36. Rikkihappo on maailman eniten valmistettu teollisuuskemikaali. Hapon valmistus perustuu reaktiosarjaan, jossa rikki hapetetaan ensin rikkidioksidiksi ja edelleen vanadiinioksidin (V 2 5 ) läsnä ollessa rikkitrioksidiksi. Kun rikkitrioksidi reaoi veden kanssa, saadaan rikkihappoa. a) Laadi prosessissa tapahtuvien reaktioiden yhtälöt. b) Miten rikin hapetusaste muuttuu reaktioiden aikana ja mikä merkitys vanadiinioksidin käytöllä on? c) Kuinka monta tonnia rikkihappoa voidaan enintään valmistaa, kun lähtöaineena on 2,5 tonnia rikkiä? Kuinka paljon happea tällöin kuluu? d) Suurin osa tuotetusta rikkihaposta kuluu fosforilannotteiden valmistamiseen. Tällöin niukkaliukoinen kalsiumfosfaatti muutetaan rikkihapon avulla paremmin liukenevaksi kalsiumvetysulfaatiksi. Esitä myös tämä reaktioyhtälö. (yo k2002) a) S(s) + 2 () S 2 () 2 S 2 () + 2 () V S 3 () S 3 () + H 2 (l) H 2 S 4 (aq) b) Rikin hapetusluku muuttuu seuraavasti: 0 +IV +VI S S 2 S 3 Kiinteä vanadiinioksidi toimii katalyyttinä ja nopeuttaa rikkidioksidin hapettumista rikkidioksidiksi. c) Tasapainotetaan reaktioyhtälöt. 2 S(s) () 2 S 2 () V 2 S 2 () + 2 () S 3 () 2 S 3 () + 2 H 2 (l) 2 H 2 S 4 (aq) Reaktioyhtälöistä nähdään, että n(h 2 S 4 ) = n(s). Rikkihapon massa on m(h 2 S 4 ) = (2, k 98,1 /)/32,1 / = 7, k = 7, k Reaktioyhtälöiden perusteella n( 2 )/n(s) = 3/2, josta n( 2 ) = (3/2) n(s) n( 2 ) = 1½ n(s) m( 2 ) = n( 2 ) M( 2 ) = (3/2) [M(S)/M(S)] M( 2 ) m( 2 ) = 3/2 [2, k/32,07 / ] (2 16,00 /) = 3, k. d) Ca 3 (P 4 ) H 2 S 4 Ca(H 2 P 4 ) CaS 4 35

36 37. Rakenteeltaan metaania vastaavaa piiyhdistettä, silaania, SiH 4, valmistetaan teollisesti seuraavasti: Si(s) + HCl() HSiCl 3 (l) + H 2 () HSiCl 3 (l) SiH 4 () + SiCl 4 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälöt. (2 p) b) Kuinka monta kilorammaa silaania voidaan enintään saada, kun lähtöaineena on 1,5 k piitä? Vetykloridia on käytössä ylimäärin. (Y syksy 2007) a) Si(s) + 3 HCl() HSiCl 3 (l) + H 2 () 4 4 HSiCl 3 (l) SiH 4 () + 3 SiCl 4 (l) Lasketaan reaktiot puolittain yhteen. Kokonaisreaktio on 4 Si(s) + 12 HCl() SiH 4 () + 3 SiCl 4 (l) + 4 H 2 () b) Lasketaan piin ainemäärä. m 1500 n(si) = = = 53,39... M 28,09 Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että 1 1 n(sih 4) = n(si) = 53,39... = 13, m(sih 4 ) = n M = 13,34 (28, ,00) = 428,8 0,43 k 38. Tekstiilien valkaisuun myytävä valmiste sisältää tehoaineena vetyperoksidia H 2 2. Valmisteen vetyperoksidipitoisuus määritettiin epäsuoralla jodometrisellä menetelmällä. Happamaan vetyperoksidivalmisteeseen lisätään aluksi kaliumjodidia KI, josta vapautuva jodidi-ioni I reaoi jodiksi I 2 : H 2 2 (aq) + 2 H + (aq) + 2 I (aq) I 2 (aq) + 2 H 2 (l) Syntynyt jodi I 2 reaoi edelleen ylimääräisen jodidi-ionin I kanssa: I 2 (aq) + I (aq) I 3 (aq) Syntynyt trijodidi-ioni I 3 titrataan natriumtiosulfaattiliuoksella Na 2 S 2 3 : I 3 (aq) + 2 S (aq) 3 I (aq) + S (aq). 10 cm 3 valmistetta laimennettiin määritystä varten mittapullossa vedellä 1 dm 3 :ksi. 25 cm 3 tätä laimennosta kulutti titrauksessa 35,6 cm 3 0,15 /dm 3 natriumtiosulfaattiliuosta Na 2 S 2 3. Kuinka monta massaprosenttia vetyperoksidia oli alkuperäisessä valmisteessa? Valmisteen tiheydeksi myyjä ilmoittaa 1130 /dm 3. Tulos lasketaan määrityksestä eli laskussa edetään titraustuloksesta alkuperäistä näytettä kohti. Lasketaan aluksi 25 cm 3 :n osanäytteen titraukseen kuluneen tiosulfaatin ainemäärä n( S2 3 ) = c( S23 ) V ( S23 ) = 0,15 35,6 10 dm = 0, dm Reaktioyhtälöistä 1-3 päätellään, että: 1) H 2 2 (aq) + 2 H + (aq) + 2 I (aq) I 2 (aq) + 2 H 2 (l) 2) I 2 (aq) + I (aq) I 3 (aq) 3) I 3 (aq) + 2 S (aq) 3 I (aq) + S (aq) 36

37 2 S kuluttaa 1 moolin I 3, joka on syntynyt reaktiossa 2. Se puolestaan on syntynyt reaktiossa 1. syntyneestä I 2 :sta, jonka ainemäärä on sama kuin vetyperoksidin ainemäärä: n(s ) = 2 n(i 3 ) = 2 n(i 2 ) = 2 n(h 2 2 ) TAI: voit myös laskea reaktioyhtälöt 1-3 puolittain yhteen, jolloin summa on: H 2 2 (aq) + 2 H + (aq) + 2 S (aq) 2 H 2 (l) + S (aq). Titratun vetyperoksidin ainemäärä on siis: 2 ( 2 2) 1 1 n H = n(s2 3 ) = 0,00534 = 0, Tämä vetyperoksidiainemäärä oli 25,0 cm 3 :n suuruisessa osanäytteessä, joten 1 dm 3 :iin laimennetussa näytteessä: 3 1 dm n ( H2 2) = 0,00267 = 0, ,0 10 dm ja sen massa: m( H22) = n M = 0,1068 ( 2 1, ,00) = 3, Tämä vetyperoksidimäärä on 10,0 cm 3 :ssä tutkittua valmistetta. Seuraavaksi tarvitaan tutkitun valmisteen massa: 3 3 m( valmiste ) = V ρ = 10,0 10 dm 1130 = 11,30. 3 dm Vetyprosentin massaprosenttinen osuus valmisteessa: 3, m-% H2 2 = 100 % = 32, m-% 32 m-%. 11,30 Vastaus: Valmisteessa on 32 m-% vetyperoksidia. 37

38 3 Reaktiotyyppejä ja mekanismeja Huomaa! Tämän luvun ratkaisuissa on selvyyden vuoksi käytetty pääsääntöisesti viivakaavoja, vaikka sitä ei erikseen joka tehtävän kohdalla ole pyydettykään. Mekanismitehtävissä on kuitenkin käytetty selkeitä rakennekaavoja. 3.2 Missä reaktio tapahtuu? 39. Tunnista ja anna nimi seuraavien ekyylien funktionaalisille ryhmille. a) N b) c) C C C CH N 3 H HN H 3 C N,N-dietyyli-m-toluamidi, hyttyskarkotteen tehoaine metyylisyanoakrylaatti, pikaliiman ainesosa propranololi, verenpainelääke d) N H kapsaisiini, jalapeño- ja chilipippurien polttavan tunteen aiheuttava aine CH3 H amidiryhmä C=C-kaksoissidos a) N b) c) C C C CH N 3 syanoryhmä esteriryhmä H 3 C d) aromaattinen renas C=C-kaksoissidos N H amidiryhmä CH3 H eetteriryhmä H HN (sekundäärinen) alkoholiryhmä aromaattinen renas aromaattinen renas eetteriryhmä fenolinen hydroksyyliryhmä (sekundäärinen) aminoryhmä issa on esitetty myös, onko ekyylissä aromaattinen renas, vaikka sitä ei pidetäkään funktionaalisena ryhmänä. 40. Alkoholit reaoivat natriumin Na kanssa siten, että syntyy vetyä, alkoksidi-ioneja R ja natriumioneja Na +. a) Esitä etanolin ja natriumin välisen reaktion reaktioyhtälö. b) Mihin reaktiotyyppiin reaktio voidaan luokitella (protoninsiirto, hapetus-pelkistys, additio, eliminaatio, kondensaatio)? 38

39 2 H + 2 Na 2 Na + H 2 a) b) Reaktiota voidaan pitää natriumin ja vedyn kannalta hapetus-pelkistysreaktiona, koska noiden alkuaineiden hapetusluvut muuttuvat. Kyseessä ei ole protoninsiirtoreaktio, koska protoni ei siirry sellaisenaan vaan pelkistyy. Natrium hapettuu. 3.3 Protoninsiirtoreaktiot 41. Kirjoita reaktioyhtälöt, jotka kuvaavat seuraavien yhdisteiden reaktioita veden kanssa: a) vetyjodidi, b) etyyliamiini, c) metaanihappo (muurahaishappo), d) typpihappo HN 3. a) b) c) d) HI + H 2 I + H 3 N H H HCH + H2 N H + H H H + H 2 HC + H 3 + H 2 HN 3 N 3 + H Jos lisäät salmiakkijauheeseen emäksistä yleispesuainetta, seos alkaa haista voimakkaasti ammoniakille. Selitä ilmiö ja esitä tapahtumaa kuvaava reaktioyhtälö. (Salmiakkijauhe sisältää ammoniumkloridia.) Ammoniumkloridi liukenee pesuaineeseen (vesiliuosta!) ammoniumioniksi ja kloridiioniksi. Yleispesuaine on emäksistä, joten siinä on emäksisiä H -ioneja. H -ioni vastaanottaa ammoniumionilta protonin, jolloin syntyy ammoniakkia ja vettä. Ammoniakki liukenee pesuaineen veteen, mutta sitä myös haihtuu ympäristöön, joten seos haisee ammoniakille. H 2 NH 4 Cl(s) NH 4 (aq) + Cl (aq) NH 4 (aq) + H(aq) NH 3 (aq) + H 2 (l) 43. Esitä seuraavia neutraloitumisreaktioita kuvaavat reaktioyhtälöt: a) Propaanihappo reaoi natriumhydroksidin vesiliuoksen kanssa. b) Trietyyliamiini reaoi vetybromidin vesiliuoksen kanssa. a ) CH 3 CH ( aq) + Na H ( aq) CH 3 CNa ( aq) + H 2 ( l) b) (CH 3 )3 N ( a q) + HBr ( a q) (CH 3 )3 NH+ Br - ( aq) 39

40 44. Klopidroeeli on lääkeaine, jota käytetään erityisesti sydäninfarktin jälkihoidossa. Lääkeaineena sitä myydään yleensä suolana (esim. rikkihapon suolana, vetysulfaattina). a) Tunnista klopirdoeelistä funktionaaliset ryhmät. (Rikkiä sisältävää renasta ei tarvitse tunnistaa). b) Mikä ryhmä klopidroeeliekyylistä on emäksinen? Esitä klopirdoeelistä ja HCl:sta muodostuneen suolan rakenne. CH 3 N Cl S klopidroeeli a ) b) CH 3 Cl tertiäärinen aminoryhmä S (tiofeenirenas, ei vaadita tunnistettavaksi) esteriryhmä N klopidroeeli haloeeniryhmä Emäksinen ryhmä on tertiäärinen aminoryhmä. S CH 3 H N Cl Cl 45. Kertaa Reaktio 1, luku 7.3. Missä muodossa seuraavat yhdisteet ovat vesiliuoksessa? a) lysiini (yksi aminohapoista), b) NH 4 Cl, c) HCNa a) kahtaisionina ja hydraattina H H N (aq) H H b) Ammoniumkloridi liukenee ja ionit ovat hydraatteina. H 2 NH 4 Cl(s) NH 3 (aq) + Cl (aq) c) Natriumformaatti liukenee ja ionit ovat hydraatteina. HCNa(s) H 2 HC (aq) + Na (aq) 46. Esitä seuraavien protoninsiirtoreaktioiden mekanismi: a) HBr + H 2 Br + H 3 + b) NH 3 + HCl NH Cl 40

41 a ) H H H b) H N H H H Br Cl H H H H H N H H + + Br Cl 3.4 Substituutio- eli korvautumisreaktiot 47. Mitkä seuraavista reaktioista ovat substituutioreaktioita? Mikä ryhmä korvautuu ja mikä tulee tilalle? valo Br a) + Br 2 + HBr + Br 2 b) Br Br H [] c) H entsyymi H maitohappo palorypälehappo d) CH 3 H + HN 3 CH 3 H N 2 + H 2 CCH 3 CCH 3 Reaktioista ovat substituutioreaktioita a ja d. Kohdassa a korvautuu vety bromilla ja kohdassa d vety korvautuu nitroryhmällä. 48. Esitä tuotteen rakenne, kun yksi mooli ammoniakkia NH 3 reaoi a) yhden moolin kanssa bromimetaania b) yhden moolin kanssa 1-bromipropaania siten, että reaktioseokseen lisätään lopuksi emästä. c) Esitä tuotteen rakenne, kun 1-bromipropaani reaoi ammoniakin asemesta natriumhydroksidin kanssa. 41

42 a) H b) H N Br N H H 3 C H H CH H 3 C 2 c) H 3 C CH2 H Huom. Reaktiossa voi tapahtua myös eliminaatio (tuotteena propeeni); sitä ei kuitenkaan oppilailta tässä vaadita. 49. a) Kun dietyyliamiinia käsiteltiin bromietaanilla natriumhydroksidin vesiliuoksessa, tapahtui reaktio, jossa syntyi trietyyliamiinia. Esitä tapahtumaa kuvaava reaktioyhtälö. b) Kun bromietaania käytettiin ylimäärä, havaittiin, että trietyyliamiinin saanto pieneni. Selitä, mikä reaktio saattoi pienentää saantoa. a) N H + Br + NaH N + NaBr + H 2 dietyyliamiini bromietaani trietyyliamiini b) Ylimäärä bromietaania reaoi trietyyliamiinin kanssa, jolloin syntyy kvaternääristä ammoniumsuolaa. Trietyyliamiinin saanto pieneni, koska sitä kului jatkoreaktiossa. N + Br H 2 N Br (aq) trietyyliamiini bromietaani tetraetyyliammoniumbromidi 50. Bentsalkoniumkloridi on ulkoisesti käytettävä antiseptinen eli bakteerien kasvua estävä aine. Esitä reaktioyhtälö, jonka avulla valmistaisit bentsalkoniumkloridia 1-kloorioktaanista ja sopivasta tertiäärisestä amiinista. N H 3 C CH 3 bentsalkoniumkloridi Cl Cl Cl + N CH 3 CH 3 N H 3 C CH 3 42

43 51. Esitä seuraavien substituutioreaktioiden mekanismi ja tuotteet: a) trimetyyliamiinin ja 1-bromibutaanin välinen reaktio b) hydroksidi-ionin ja 1-bromibutaanin välinen reaktio c) metoksidi-ionin (H 3 C ) ja bromibutaanin välinen reaktio. H 3 C a) H 3 C N H 3 C Br H H Br 2 H 2 3 C C CH C CH C 3 H C 3 CH2 CH2 3 C N H2 H H 2 3 C b) H 3 C c) H 3 C C H 2 C H 2 H 2 C CH2 Br H 2 C CH2 Br H 2 + H H 3 C C + Br C CH2 H H 2 H H 2 + C H H 3 C C + C CH2 CH H 3 H 2 Br 52. Kun heksaaniin lisätään bromia, aluksi bromi liukenee eikä sen punaruskea väri katoa liuoksesta. Kun reaktioseos kuitenkin jätettiin vetokaappiin puoleksi tunniksi, bromin väri oli kadonnut. Samaan aikaan tehtiin toinen vertailukoe siten, että bromin ja heksaanin seosta pidettiin koko ajan valolta suojattuna. Tällöin bromin väri ei kadonnut. Selitä havainnot. Alkaanit, kuten heksaani, eivät reaoi haloeenien (kuten bromi) kanssa kuin valon aktivoimina. Valossa tapahtuu substituutioreaktio, jossa syntyy bromiheksaanin eri isomeerejä ja HBr:a. Reaktiossa kuluu bromia ja sen väri katoaa. 53. Fenolit reaoivat erittäin nopeasti bromin kanssa. Kirjoita reaktioyhtälö, jossa 4-metyylifenoli reaoi bromin kanssa muodostaen 2-bromi-4-metyylifenolia. Mitä muuta reaktiossa syntyy? H 3 C H + Br 2 H 3 C H + HBr Br Reaktiossa syntyy myös vetybromidia. 54. Viineissä joskus esiintyvä korkkivika eli korkista aiheutuva paha maku johtuu useimmiten 2,4,6-trikloorianisoli nimisestä yhdisteestä. Trikloorianisolia syntyy mikrobitoiminnan tuloksena esimerkiksi vastaavasta 2,4,6-trikloorifenolista, jota voi syntyä fenolista kloorilla desinfioiduissa korkeissa. Esitä reaktioyhtälö, jolla korkin sisältämä fenoli reaoi kloorin kanssa niin, että muodostuu 2,4,6-trikloorifenolia. Cl 6 H 2 Cl korkin mikrobit Cl 6 CH 3 2 Cl 4 Cl 2,4,6-trikloorifenoli 4 Cl 2,4,6-trikloorianisoli (TCA), erittäin tunkevan makuinen, korkkivikaa aiheuttava yhdiste 43

44 H H Cl Cl + 3 Cl HCl Cl 55. Kun 1,4-dimetyylibentseeniä alkyloitiin eteenillä happokatalyytin läsnä ollessa, saatiin tuotetta, jonka ekyylikaava oli C 10 H 14. Esitä tuotteen rakenne. + H 2 C happokatalyytti 56. Laske kuinka monta moolia bentsyylikloridia saadaan, kun bentsyylialkoholia käytetään lähtöaineena 5,4 rammaa. Vetykloridia on reaktiossa ylimäärin. H Cl + HCl + H 2 bentsyylialkoholi bentsyylikloridi Reaktioyhtälön mukaan n(bentsyylikloridi) = n(bentsyylialkoholi), jolloin m(bentsyylialkoholi) n(bentsyylikloridi) = n(bentsyylialkoholi) = M(bentsyylialkoholi) 5,4 5,4 = = (7 12, , ,00) 108,134 = 0, = 0, Hiili hiili-kaksoissidosten reaktiot 57. Mitä lopputuotteita saadaan seuraavien aineiden reaoidessa? a) b) c) Pd katalyytti + H 2 + Cl 2 + HBr CH 3 d) + HBr 44

45 a) b) c) Pd katalyytti + H 2 Cl + Cl 2 Cl Br + HBr d) CH 3 H 3 C Br + HBr 58. Tehtävänäsi on valmistaa syklopenteeniä. Mitä seuraavista lähtöaineista voisit käyttää? Esitä myös olosuhteet, jotka tarvitaan syklopenteenin muodostumiseen. a) sykloheksanoli b) syklopentanoli c) kloorisyklopentaani d) bentseeni e) 1,3-syklopentadieeni H ei onnistu (yksi hiili liikaa) sykloheksanoli H esim. H 2 S 4 tai H 3 P 4, kuumennus syklopentanoli syklopenteeni Cl esim. NaH, kuumennus kloorisyklopentaani syklopenteeni ei onnistu (yksi hiili liikaa) bentseeni 1,3-syklopentadieeni H 2, katalyytti (esim. Pd tai Pt) syklopenteeni Reaktiota voi olla vaikea pysäyttää tähän vaiheeseen, koska syklopenteeni voi vedyttyä (hydrautua) edelleen syklopentaaniksi. 45

46 59. Selitä, miksi syklohekseeni reaoi bromin kanssa additioreaktiolla, mutta bentseenin kanssa bromi reaoi substituutioreaktiolla. Esitä empien reaktioiden reaktiotuotteiden viivakaavat. Bentseenirenas on niin pysyvä, että se ei reaoi additioreaktiolla. Sen sijaan syklohekseenin C=C-sidos reaoi bromin kanssa. Syklohekseeni + Br 2 : Bentseeni + Br 2 : Br Br + HBr Br 60. Esitä seuraavien reaktioiden tuotteet: a) H 2 Pd-katalyytti b) HBr c) HBr d) H H 2 S 4 kuumennus a) b) c) d) Br Br vedyn additio HBr:n additioreaktioita Muista Markovnikov'in sääntö c):ssa! veden eliminaatio 61. Bensiinin ainesosana käytetään nykyään myös ns. tert-amyylimetyylieetteriä (TAME). Sitä voidaan valmistaa antamalla 2-metyyli-2-buteenin reaoida metanolin kanssa happokatalyytin läsnä ollessa. Esitä tälle reaktiolle reaktioyhtälö, josta ilmenevät lähtöaineiden ja tuotteiden rakenteet. + CH 3 H happokatalyytti CH 3 2-metyyli-2- buteeni 62. Syklohekseenin annetaan reaoida ensin bromin kanssa. Näin muodostunutta tuotetta A lämmitetään emäksisissä olosuhteissa, jolloin syntyy yhdistettä B, C 6 H 8, jossa on kaksi kaksoissidosta. Esitä A:n ja B:n rakenteet. Mihin reaktiotyyppeihin reaktiot voidaan luokitella? 46

47 + Br 2 Br A Br lämmitys emäksiset olosuhteet B + 2 HBr 1,2-dibromisykloheksaanin (A) muodostuminen on additioreaktio ja 1,3-sykloheksadieenin (B) muodostuminen on eliminaatioreaktio. 63. Esitä seuraavan reaktiosarjan tuotteiden A ja B rakenteet: H H 2 S 4 kuumennus A Br 2 B C 8 H 8 Br 2 H H 2 S 4 kuumennus A Br 2 B Br Br 64. Laske kuinka monta rammaa fenyylietanolia on käytetty lähtöaineena, kun styreeniä on saatu 0,072 moolia. letetaan, että reaktio on tapahtunut täydellisesti. H H H 2 S 4 + H 2 kuumennus fenyylietanoli styreeni Reaktioyhtälön mukaan n(fenyylietanoli) = n(styreeni) = 0,072, jolloin m(fenyylietanoli) = n(fenyylietanoli) M(fenyylietanoli) = 0,072 (8 12,01+ 16, ,008) = 0, ,16 = 8,79552 = 8, Laske 2-bromo-4-metyylipentaanin saantoprosentti, kun tuotetta saatiin 2,6 rammaa ja 4-metyylipenteeniä käytettiin lähtöaineena 3,9 rammaa. Vetybromidia oli reaktioseoksessa ylimäärin. + HBr H Br 4-metyylipenteeni 2-bromi-4-metyylipentaani 47

48 Reaktioyhtälön mukaan n(4-metyylipenteeni) = n(2-bromo-4-metyylipentaani). m(4-metyypenteeni) n(2-bromo-4-metyylipentaani) = n(4-metyypenteeni) = M(4-metyypenteeni) 3,9 = (6 12, ,008) 3,9 = = 0, ,156 Teoreettinen saanto: m(2-bromo-4-metyylipentaani) = n(2-bromo-4-metyylipentaani) M(2-bromo-4-metyylipentaani) = 0, (6 12, , ,90) = 0, ,064 = 7, Saantoprosentti: m(saatu) 2,6 100 % = 100 % = 33, % = 34 % m(teoreettinen) 7, Suunnittele koejärjestely, jossa keräät talteen sitruunamehun tai ruokaetikan ja ruokasoodan välisestä reaktiosta muodostuvan kaasun ilmapalloon. Nouseeko ilmapallo lentoon vai putoaako maahan? Miksi? Selvitä, mikä kemiallinen reaktio tapahtuu. Koejärjestely voi olla esimerkiksi seuraava: tetaan pienisuinen astia, jonka suulle saadaan asetettua ilmapallo. Sitruunamehu tai ruokaetikka laitetaan astiaan ja ruokasooda eli natriumvetykarbonaatti lusikoidaan ilmapalloon. Ilmapallo asetetaan astian suulle siten, että ruokasooda ei pääse valumaan astiaan. Kun ilmapallo on saatu paikoilleen, valutetaan ilmapallosta ruokasoodaa reaktioastiaan. Etikkahapon (tai sitruunahapon) ja natriumvetykarbonaatin välisessä neutraloitumisreaktiossa syntyy ensin hiilihappoa H 2 C 3, joka hajoaa nopeasti vedeksi ja hiilidioksidikaasuksi. Muodostuva kaasu täyttää pallon. Kun kaasua on kehittynyt tarpeeksi, sidotaan pallon suu. Kokeen perusteella C 2 :n tiheyden havaitaan olevan vähintään yhtä suuri kuin ilman tiheyden, koska pallo ei nouse lentoon. 3.6 Kondensaatio- ja hydrolyysireaktiot 67. Selitä, miksi emäksiset aineet, kuten natriumhydroksidi, tuntuvat liukkailta sormissa. Mikä kemiallinen reaktio voi tapahtua natriumhydroksidin ja solujen pinnan rasvojen välillä? 48

49 Hydroksidi-ionit pienentävät veden pintajännitystä. Tästä syystä kaikki emäksiset aineet tuntuvat käsissä liukkailta. Rasvat ovat lyserolin (1,2,3-propaanitriolin) ja pitkäketjuisten karboksyylihappojen muodostamia estereitä. Rasvat hydrolysoituvat lyseroliksi ja rasvahappojen natriumsuoloiksi NaH:n vesiliuoksessa, eli tapahtuu esterihydrolyysi. 68. Tehtävänäsi on valmistaa oktaanihaposta vastaavaa etyyliesteriä. Mitä lähtöaineita tarvitset reaktioon? Lähtöaineeksi tarvitsen oktaanihappoa ja etanolia sekä katalyytiksi happoa. oktaanihappo H ja H etanoli 69. Parfyymeissä muoti muuttuu jatkuvasti luvun taitteessa hedelmäiset vivahteet olivat suurta huutoa. Luonnossa ja hajusteissa hedelmäiset tuoksut ovat usein peräisin estereistä. Esimerkkejä näistä on esitetty alla. Esitä näiden esterien lähtöaineina käytettävien alkoholien ja karboksyylihappojen rakenteet. a) b) heksyyliasetaatti, päärynäinen tuoksu "Tempore Donna" Laura Biaiotti, 1999 c) CH 3 d) CH 3 H H CH 3 Evernyl metsäinen tuoksu "Eoïste Platinum" Chanel, 1993 Anapear päärynäinen tuoksu "Emporio Armani Elle" Georio Armani, 1998 Cycloalbanate ananasmainen tuoksu "Elements Aqua" Huo Boss, 1997 CH 3 a) Heksyyliasetaatin lähtöaineet ovat heksanoli H ja H etaanihappo b) Anapearin lähtöaineet ovat H 4,7-oktadieenihappo ja CH 3 H metanoli 49

50 c) Evernylin lähtöaineet ovat CH 3 H H H ja CH 3 H metanoli CH 3 d) Cycloalbanaten lähtöaineet ovat H ja H 70. Piperiini on musta- ja valkopippurin voimakasarominen, aivastuksia aiheuttava ainesosa. Sitä voidaan valmistaa laboratoriossa käyttämällä lähtöaineina sopivaa karboksyylihappoa ja amiinia. Esitä lähtöaineiden rakenteet ja reaktioyhtälö, jolla näistä muodostuu piperiiniä. piperiini N H + HN kuumennus N piperiini + H Esitä seuraavien reaktioiden tuotteet. 1) CH CH 3 H 3 NH 2 a) H H 2 S H 2) kuumennus b) 4 (katalyytti) c) NaH, H 2 d) CH 3 NaH (ylimäärä), H 2 CH 3 50

51 a) b) CH 3 + H 2 CH N 3 + H 2 H c) H + Na d) Na + 2 CH 3 H Na 72. Rypsin siemenistä saatava ruokaöljy sisältää eri rasvahappojen johdannaisia. heisessa kuvassa on esitetty, mitä eri tuotteita öljystä voidaan valmistaa. a) Esitä reaktiossa 1 muodostuvan tuotteen X rakenne ja nimi. b) Esitä rakennekaavoin reaktioiden 2 ja 3 yhtälöt, kun rasvahappona on palmitiinihappo (C 15 H 31 CH). c) Saippuaa lisättiin astiaan, jossa oli kovaa kaivovettä. Mitä havaitset? Perustele reaktioyhtälön avulla. (yo s2009) 51

52 a) H H H b) Reaktio 2 lyseroli (1,2,3-propaanitrioli) palmitiinihappo H + NaH Reaktio 3 palmitiinihapon natriumsuola saippuan ainesosa palmitiinihappo happokatalyytti esim. H 2 S 4 palmitiinihapon metyyliesteri H Na CH 3 + H 2 + CH 3 H + H 2 c) Kova kaivovesi sisältää kalsiumioneja. Kalsiumionien ja saippuan välisessä reaktiossa syntyy niukkaliukoista kalkkisaippuaa, rasvahappojen kalsiumsuolaa: 2 C 15 H 31 CNa (aq) + Ca 2+ (aq) (C 15 H 31 C) 2 Ca (s) + 2 Na + (aq). 73. Laske metyylisalisylaatin saantoprosentti, kun tuotetta saatiin 0,9 rammaa ja salisyylihappoa punnittiin alussa 2,5 rammaa. Metanolia oli reaktioseoksessa ylimäärin. H H + H CH 3 H 2 S 4 (katalyytti) salisyylihappo metanoli metyylisalisylaatti talvikkiöljyn aromiaine H + H H vesi Reaktioyhtälön mukaan n(salisyylihappo) = n(metyylisalisylaatti). m(salisyylihappo) n(metyylisalisylaatti) = n(salisyylihappo) = M(salisyylihappo) 2,5 = = 0, (7 12, , ,008) 52

53 Teoreettinen saanto: m(metyylisalisylaatti) = n(metyylisalisylaatti) M(metyylisalisylaatti) = 0, (8 12, , ,008) = 2, Saantoprosentti: m(saatu) 0,9 100 % = 100 % = 36, % = 37 % m(teoreettinen) 2, a) Mikä on dietyylieetterin teoreettinen saanto mooleina, jos etanolia käytetään lähtöaineena 3,2 rammaa? b) Mikä on dietyylieetterin saantoprosentti, jos tuotetta saadaan 1,3 rammaa? H H H 2 S 4 + H C etanoli etanoli dietyylieetteri vesi 1 a) Reaktioyhtälön mukaan n(dietyylieetteri) = n(etanoli), jolloin m(etanoli) n(dietyylieetteri) = n(etanoli) = 2 2 M(etanoli) 1 3,2 1 3,2 = = 2 2 (2 12, , ,00) 46,068 = 0, = 0,035. b)teoreettinen saanto: m (dietyylieetteri) = n(dietyylieetteri) M(dietyylieetteri) = 0, (4 12, , ,008) = 2, Saantoprosentti: m(saatu) 0,9 100 % = 100 % = 50, % = 50 % m(teoreettinen) 2, Hiiliyhdisteiden hapetus-pelkistysreaktiot 75. Mitkä seuraavista yhdisteistä voivat pelkistyä? Jos pelkistyminen on mahdollista, esitä pelkistystuotteen viivakaavat. leta, että pelkistyminen etenee niin pitkälle kuin mahdollista. 53

54 a ) [H] H H syklopentanoni syklopentanoli b) H [H] ei voi pelkistyä pidemmälle c ) 2-butanoli butanaali H [H] 1-butanoli H H H d) H [H] H 2-metyylipropaanihappo 2-metyyli-1-propanoli e ) [H] 2 esim. LiAlH 4 H Esteriryhmä pelkistyy kahdeksi alkoholiryhmäksi. Tässä tapauksessa muodostuvat alkoholit ovat samo j a. 2-metyylipropaanihappo 1-propanoli 76. a) Kun aldehydiryhmä RCH pelkistetään natriumboorihydridillä vastaavaksi alkoholiksi R H, miten funktionaalisen ryhmän hiili- ja happiatomien hybridisaatio muuttuu? b) Selitä, miksi boorihydridi-ioni BH 4 hyökkää aldehydiryhmän hiileen eikä happeen. a) Aldehydiryhmän hiili- ja happiatomit ovat sp 2 -hybridisoituneita. Reaktiotuotteessa, alkoholissa, emmat atomit ovat sp 3 -hybridisoituneita. b) Aldehydiryhmän hiilellä on positiivinen ja hapella neatiivinen osittaisvaraus. Neatiivisesti varautunut boorihydridi-ioni hyökkää mieluummin vastakkaismerkkiseen hiileen. 77. Kanelialdehydi on pistäväntuoksuinen aromiaine, jota on erityisesti tuoreessa kanelissa. Esitä reaktiotuotteet, joita syntyy, kun kanelialdehydiä a) pelkistetään natriumboorihydridillä b) hapetetaan esim. kaliumpermananaatilla. c) Kun kanelialdehydin annettiin reaoida vetykaasun kanssa platinakatalyytin läsnäollessa, muodostui alkoholia C 9 H 12. Esitä tuotteen rakenne. Mitä reaktiossa oli tapahtunut? H kanelialdehydi 54

55 a) H NaBH 4 H kanelialdehydi b) H KMn 4 H Huom! Myös kaksoissidos hapettuu helposti, jos hapettimena käytetään kaliumpermananaattia. kanelialdehydi c) H H 2 Pt-katalyytti H Sekä C=C- että C=-ryhmät pelkistyvät. kanelialdehydi C 9 H Aromaattista ketonia A pelkistettiin natriumboorihydridillä. Tuotteen B ekyylikaavaksi saatiin massaspektrometrillä C 8 H 10. Esitä A:n ja B:n rakenteet. H NaBH 4 A B 79. Seuraavia yhdisteitä voidaan valmistaa pelkistämällä vastaavia aldehydejä tai ketoneja. Esitä lähtöaineiden rakenteet. H a) b) c) d) H H a) b) c) d) H H H H H 55

56 80. Tunnista reaktion lähtöaineet, kun niitä on hapetettu ja tuotteeksi on saatu a) Mn 2 A b) B c) C Mn 2 KMn 4 H H a) H Mn 2 b) Mn 2 H c) H KMn 4 H 81. Piirrä tuotteet, joita syntyy, kun a) 2-butanoli b) 1-butanoli c) 1,4-butaanidioli d) 2-metyyli-1,2-propaanidioli hapettuvat niin pitkälle kuin mahdollista rikkomatta hiilirunkoa. a) b) c) d) H H H H H 82. Esitä reaenssit seuraavien reaktiosarjojen vaiheille a d: a) b) H H H H H c) d) H 56

57 a) LiAlH 4 b) Mn 2 c) H 2 ja Pd- tai Ni-katalyytti d) NaBH 4 ja alkoholi (esim. etanoli) tai H 2 + katalyytti 83. Esitä reaenssit, joilla seuraavat reaktiot saadaan aikaan. Piirrä myös lähtöaineiden ja tuotteiden rakenteet. a) bentsaldehydin pelkistys bentsyylialkoholiksi b) oktaanihapon pelkistys 1-oktanoliksi c) 2-propen-1-olin (allyylialkoholin) =CH H hapetus vastaavaksi aldehydiksi d) etyylibentsoaatin (bentsoehapon etyyliesterin) pelkistys bentsyylialkoholiksi H C NaBH 4 tai H a) H 2 +katalyytti bentsaldehydi bentsyylialkoholi b) H LiAlH 4 H oktaanihappo 1-oktanoli H c) H Mn 2 2-propen-1-oli (allyylialkoholi) 2-propenaali (akroleiini) d) C LiAlH 4 H + H etyylibentsoaatti bentsyylialkoholi etanoli 84. Kuinka monta moolia bentsyylialkoholia käytettiin lähtöaineena, kun bentsaldehydiä saatiin 6,3 rammaa. letetaan, että reaktio tapahtui täydellisesti. H Mn 2 H bentsyylialkoholi bentsaldehydi 57

58 Reaktioyhtälön mukaan n(bentsaldehydi) = n(bentsyylialkoholi), jolloin m(bentsaldehydi) n(bentsyylialkoholi) = n(bentsaldehydi) = M(bentsaldehydi) 6,3 = (7 12, , ,00) 6,3 = = 0, = 0, , Yhteenveto 85. Tunnista eri reaktiotyypit a) S 3 H + H 2 S 4 + H 2 b) H H 2 S 4 + H 2 c) d) H + H H 2 + katalyytti H 2 S 4 + H 2 H a) substituutio b) eliminaatio c) kondensaatio d) pelkistyminen 86. Mitä syntyy, kun NaH reaoi seuraavien yhdisteiden kanssa? Esitä tuotteiden rakenteet. a) fenoli b) maitohappo c) bromimetaani d) etyyliasetaatti (etyylietanaatti) e) 2-kloori-2-metyylipropaani 58

59 a) b) Na (+ H 2 ) H Na (+ H 2 ) c) d) CH 3 H (+NaBr) e) Na + H + H (+ NaCl, H 2 ) (+ NaCl) kuumennettaessa substituutio eliminaatio kilpailee eliminaation kanssa Huom. ppilailta ei voi lukiotasolla vaatia, että he osaisivat eritellä tekijöitä, jotka suosivat eliminaatiota tai substituutiota. Kumpikin reaktio on vastauksena hyväksyttävä. 87. Pentaanihapon etyyliesteri voidaan valmistaa pentanaalista kahdessa vaiheessa. Esitä, mihin reaktiotyyppeihin eri vaiheet kuuluvat. Esitä myös sopivat reaenssit ja mahdollisesti puuttuvat lähtöaineet. pentanaali H [] H pentaanihappo pentaanihapon etyyliesteri + H 2 Ratkaist Ensimmäinen vaihe: reaktiotyyppi on hapettuminen. Sopiva reaenssi on jokin vahva hapetin, kuten K 2 Cr 2 7 tai KMn 4. Toinen vaihe: reaktiotyyppi on esterikondensaatio. Toinen reaenssi on etanoli, ja sen lisäksi tarvitaan happoa, kuten H 2 S 4, katalyytiksi. 88. Isomeerien A ja B ekyylikaava on C 4 H 8. A ei reaoi bromin eikä natriumboorihydridin kanssa eikä siitä lohkea vettä vahvassa hapossa. B reaoi kiivaasti natriumboorihydridin kanssa, jolloin syntyy tuote, joka tarkemmin analysoituna paljastuu kahden peilikuvaisomeerin seokseksi. Esitä A:n ja B:n rakennekaavat. A ei reaoi bromin eikä NaBH 4 :n kanssa, joten A:ssa ei ole C=C-kaksoissidosta eikä ketoni- tai aldehydiryhmää. A:sta ei lohkea vettä, joten A ei voi olla alkoholi. A:ssa on yksi happiatomi, joten sen täytyy olla eetteri. Vedyn määrästä voidaan päätellä, että A ei voi olla ketjurakenteinen vaan renasrakenteinen. A on siten todennäköisesti tetrahydrofuraani. 59

60 B reaoi NaBH 4 :n kanssa, joten B:ssä on ketoni- tai aldehydiryhmä. B:stä syntyy tuote, joka on peilikuvaisomeerien seos, joten B:n täytyy olla ketoni. (Aldehydiryhmästä ei synny pelkistämällä asymmetristä hiiliatomia.) Ainoa vaihtoehto nelihiiliselle ketonille on 2-butanoni, jonka pelkistyessä ketoniryhmän hiilestä tulee asymmetrinen hiiliatomi. tetrahydrofuraani 2-butanoni NaBH 4 H * asymmetrinen hiiliatomi 89. Kun kurkkua leikataan, syntyy pieniä määriä 2,6-nonadienaalia. Tämä yhdiste vastaa osaltaan leikatun kurkun ominaisesta tuoksusta. Esitä tuotteiden rakenteet, jotka syntyvät a) antamalla 2,6-nonadienaalin reaoida natriumboorihydridin kanssa b) vedytettäessä (hydrattaessa) 2,6-nonadienaalia palladiumkatalyytin läsnä ollessa. H ,6-nonadienaali (E,Z- eli trans,cisisomeeri) a) H b) H Reaktiossa voi pelkistyä myös aldehydiryhmä, jos käytetään esim. Ni-katalyyttiä. 90. Setiritsiini on ns. antihistamiinina toimiva lääkeaine, joka lievittää alleriaoireita ja hyttysen pistojen aiheuttamaa kutinaa. Setiritsiinin valmistusprosessin kaksi viimeistä vaihetta on esitetty alla. a) Mihin reaktiotyyppiin vaiheen a. reaktio voidaan luokitella? b) Mikä reaktio tapahtuu vaiheessa b? Mitä muuta reaktiossa syntyy? c) Mikä on tuotteen rakenne vaiheen b jälkeen ennen HCl:n lisäystä? H N N a. Cl CH 3 N N CH 3 b. KH, H 2 c. HCl H H N N Cl Na 2 C 3 Cl Cl Cl setiritsiinihydrokloridi, allerialääke 60

61 a) Substituutioreaktio b) Esterihydrolyysi. Lisäksi syntyy metanolia H. c) K N N Cl 91. Heptaminoli on verenpainetta nostava lääke, jota on myös käytetty kiellettynä piristeenä. Sen valmistuksen viimeisessä vaiheessa tehdään reaktio HCl:n vesiliuoksessa. Tässä reaktiossa tapahtuu amidin hydrolyysi ja veden additio kaksoissidokseen. Tuote on hydrokloridisuola. Esitä tuotteen rakenne. H NH HCl, H 2 Heptaminolin hydrokloridi C 8 H 20 NCl + HCH H NH tämä amidisidos hydrolysoituu tähän kaksoissidokseen liittyy vettä HCl, H 2 NH 3 Cl H heptaminolin hydrokloridi C 8 H 20 NCl + HCH 61

62 4 Kaasut Kaasulait 92. Miten kaasun a) tiheys b) kokoonpuristuvuus c) kyky muodostaa homoeenisia seoksia toisen samassa faasissa olevan aineen kanssa eroaa nesteen vastaavista ominai-suuksista? Palauta mieleen Reaktio 1 s. 17 olomuodoista ja niiden eroista. a) Kaasussa rakenneosat ovat kaukana toisistaan, joten kaasu on paljon harvempaa kuin neste. Ts. kaasun tiheys on pienempi kuin nesteen tiheys. b) Kaasu on paljon kokoonpuristuvampaa kuin neste, koska kaasussa rakenneosat esim. ekyylit ovat kaukana toisistaan. c) Kaikki kaasuseokset ovat homoeenisiä. Kun nesteen kaikki komponentit ovat poolisuudeltaan samanlaisia (=kaikki poolittomia tai kaikki poolisia) muodostuu homoeeninen seos. Jos seos koostuu sekä poolisista että poolittomista komponenteista, syntyy heteroeeninen seos. Vihje: Tässä voi miettiä: Kaasu on harvaa ainetta ja sen rakenneosat ovat kaukana toisistaan. Mutta onko kaasuekyylien välissä a) ilmaa b) vettä c) tyhjiö? Vastaus: c 93. Kuinka monta ekyyliä sisäänhenität, kun keuhkoihin tulee ilmaa 2,55 dm 3 :ä, lämpötila keuhkoissa on 37 C ja paine 98,7 kpa? Kaasun ainemäärä saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. 3 N 3 3 pv 98,7 10 2,55 10 m 2 n = = m = 0, RT Nm 8,3145 (273, ) K K 1 mooli kaasua sisältää Avoadron vakion ilmoittaman kappalemäärän ekyylejä, joten 0,0976 moolissa on N = n N A = 0,0976 6, kpl -1 = 5, kpl kaasuekyylejä. 94. a) Kuinka suuri paine on 27 C:een varastoidussa 10 litran vetoisessa astiassa, johon on suljettu 2,0 moolia heliumkaasua? b) Kuinka suuren tilavuuden vaatii 5,0 moolia metaanikaasua CH 4, jonka lämpötila on 0 C ja paine 202 kpa? c) Mikä on kryptonkaasun ainemäärä 1,250 dm 3 :n vetoisessa säiliössä, kun säiliön lämpötila on 35 C ja kaasun paine 63,3 kpa? d) 44,0 dm 3 :n suuruisessa säiliössä on 64,0 happikaasua, jonka paine on 113 kpa. Mikä on happikaasun lämpötila? 62

63 a) p =? t = 27 C V = 10 l = m 3 n = 2,0 Heliumkaasun paine saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. J 2,0 8,3145 (273, ) K nrt = = 5 N p K = = 500 kpa V m m b) n = 5,0 t = 0 C p = 202 kpa V =? Metaanikaasun tilavuus saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. J 5,0 8,3145 (273,15 + 0) K nrt V = = K = 0, m = 56 dm p 3 N m c) n =? V = 1,250 dm 3 = 1, m 3 t = 35 C p = 63,3 kpa Kryptonkaasun ainemäärä saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. 3 N ,3 10 1, m pv 2 n = = m = 0, = 0,031 RT J 8,3145 (273, ) K K d) V = 44,0 dm 3 = 44, m 3 m( 2 ) = 64,0 p = 113 kpa t =? Happikaasun lämpötila saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ja yhtälöön tarvittava happikaasun ainemäärä lausekkeesta n = n/m. m( 2) 64,0 n ( 2) = = = 2,00 M ( 2) (2 16,00) T 3 N ,0 10 m pv 2 = = m = 298,99... K = 25,8 C nr 2,00 J 8,3145 K 63

64 95. Punainen mainosvalo loistaa putkessa, jonka sisähalkaisija on 2,0 cm ja pituus 4,0 m. Valo on peräisin neonkaasusta Ne, jonka paine putkessa on 0,2 kpa ja lämpötila 35 C. Kuinka monta millirammaa neonkaasua putkessa on? Vihje: putken tilavuus V = π r 2 h. Kaasujen tilan yhtälöön pv = nrt sijoitetaan ainemäärän lauseke n = m/m ja tilavuus V = π r 2 h. m pv = nrt = RT, josta M 2 d p hm pvm π 2 m = = RT RT 3 N 2 0,2 10 π (0,01 m) 4,0 m 20,18 2 m(ne) = m = 0, m Nm 8,4145 (273, ) K K 96 Potilaalle on laitettu happiviikset. Happi tulee kaasupullosta, jonka tilavuus on 60,0 dm 3, paine 15,2 MPa ja lämpötila 20 C. a) Kuinka suuri happipullo tarvittaisiin, jos em. kaasumäärä säilöttäisiin samassa lämpötilassa, mutta kaasun paine olisi 100 kpa? b) Kuinka kauan 60,0 dm 3 :n pullossa oleva happikaasu riittää, jos potilaan nenään tulevan happikaasun lämpötila on 20 C, paine 100 kpa ja kaasuvirtaus 8,00 dm 3 /min? a) Tehtävässä tarkastellaan samaa kaasumäärää eri olosuhteissa, joten n 1 = n 2. Molemmille tiloille voidaan kirjoittaa kaasujen tilan yhtälö pv = nrt, josta emmille tiloille n = pv/(rt). n 1 = n 2 pv 1 1 p2v2 = RT1 RT, josta R supistuu ja lämpötilat T ja T 1 2 ovat samat, joten nekin supistuvat. 2 Siten pv 1 1= p2v 2, josta 6 3 pv ,2 10 Pa 60,0 dm 3 3 V2 = = = = dm 9,1 m p Pa 2 b) a-kohdan perusteella 20 C:n lämpötilassa ja 100 kpa:n paineessa happikaasun tilavuus on 9120 dm 3 :ä. Kaasupullo kestää siis 9120 dm 3 /8,00 dm 3 min 1 = 1140 min 19 tuntia. 64

65 97. Laboratoriokaasuja myydään pulloissa, joiden tilavuus on 43,8 dm 3. Kuinka monta kilorammaa aronkaasua on pullossa, jonka paine on 1,7 MPa ja lämpötila 20 C? V = 43,8 dm 3 = 43, m 3 p = 1,7 MPa = 1, N m -2 t = 20 C, joten T = (273, ) K Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ja ainemäärän lausekkeesta n = m/m saadaan: m pv = nrt = RT, josta M 6 N , ,8 10 m 39,95 pvm 2 3 m( Ar ) = = m = 1, = 1,2 k RT J 8,3145 (273, ) K K 98. Kuinka monta kilorammaa happikaasua on huoneessa, joka on 4,0 m leveä, 5,0 m pitkä ja 2,5 m korkea? Huoneen lämpötila on 22 C ja paine 101,325 kpa. Ilmassa on happikaasua 21,0 tilavuusprosenttia. Huoneen tilavuus = leveys pituus korkeus V(huone) = 4,0 m 5,0 m 2,5 m = 50,0 m 3 Tästä tilavuudesta 21,0 til-% on happikaasua 21,0 % 3 3 V ( 2) = 50,0 m = 10,5 m 100 % Happikaasun massa ratkaistaan kaasujen tilan yhtälön pv = nrt ja ainemäärän lausekkeen n = m/m avulla: m pv = nrt = RT, josta M 3 N 3 101, ,5 m (2 16,00) pvm 2 3 m ( 2) = = m = 13, = 14 k RT J 8,3145 (273, ) K K 99. Kummassa seuraavista on enemmän ekyylejä a) 15,0 dm 3 :ssä vesihöyryä H 2 (), jonka lämpötila on 123,0 C ja paine 94,2 kpa, vai b) 10,5 rammaa painavassa jääkuutiossa, jonka lämpötila on 5 C? 65

66 a) 15,0 dm 3 vesihöyryä H 2 (), jonka lämpötila on 123,0 C ja paine 94,2 kpa Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ratkaistaan veden ainemäärä n: 3 N 3 3 pv 94, ,0 10 m 2 n(h m 2) = = = 0, RT J 8,3145 (273, ,0) K K Molekyylien lukumäärä lasketaan Avoadron vakion avulla (Reaktio 1, s. 63). N = n N A N(H 2 ()) = 0,4289 6, kpl / = 2, kpl b) 10,5 rammaa painava jääkuutio, jonka lämpötila on 5 C Veden ainemäärä jääkuutiossa: m 10,5 n(h2) = = = 0, M (2 1, ,00) Molekyylien lukumäärä lasketaan Avoadron vakion avulla (Reaktio 1, s. 63) N = n N A N(H 2 ()) = 0,5828 6, kpl / = 3, kpl Vastaus: 10,5 painavassa jääkuutiossa on enemmän ekyylejä kuin 15,0 litrassa a-kohdan olosuhteissa olevaa vesihöyryä Suomeen tuodaan maakaasua Länsi-Siperiasta 3500 km pitkää kaasuputkea pitkin. Siirron aikana kaasun painetta putkistossa ylläpidetään ja muutetaan kompressoriasemilla. Siperiasta tuotava maakaasu on 98-prosenttisesti metaania, ja 1,0 m 3 maakaasua (NTP) vastaa eneriasisällöltään noin 1,0 dm 3 kevyttä polttoöljyä. a) Mikä on kuluttajalle tulevan NTP-olosuhteissa 1,0 m 3 :n suuruisen maakaasuerän tilavuus siirtoputken alussa, kun paine putkessa on 70 bar ja lämpötila mittaushetkellä 15 C? b) Mikä on tarkasteltavan kaasuerän tilavuus sen saavuttua Suomeen, jossa siirtoputken paine on 54 bar ja lämpötila mittaushetkellä 18 C? c) Paljonko kaasuerä vie tilaa jakeluputkistossa, kun paine on siellä 4,0 bar ja lämpötila mittaushetkellä 18 C? a) Siirtoputken alussa: V(maakaasu)(NTP) = 1,0 m 3 p = 70 bar = Pa t = 15 C Tarkastellaan samaa kaasumäärää eri olosuhteissa eli n(maakaasu)(ntp) = n(maakaasu)(putki) 66

67 Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ratkaistaan n emmille olosuhteille: p(ntp) V(NTP) p(putki) V(putki) =, josta T(NTP) T(putki) p(ntp) V(NTP) T(putki) V (putki) = T ( NTP) p(putki) 3 N 3 101, ,0 m (273, ) K 2 = m N 5 273,15 K m 2 = 1, m = 15 dm b) Suomeen tultaessa: V(maakaasu)(NTP) = 1,0 m 3 p = 54 bar = Pa t = 18 C Tarkastellaan samaa kaasumäärää eri olosuhteissa eli n(maakaasu)(ntp) = n(maakaasu)(putki) Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ratkaistaan n emmille olosuhteille: p(ntp) V(NTP) p(putki) V(putki) =, josta T(NTP) T(putki) p(ntp) V(NTP) T(putki) V (putki) = T(NTP) p(putki) 3 N 3 101, ,0 m (273, ) K 2 = m 5 N 273,15 K m = 2, m = 20 dm c) Jakeluputkistossa: V(maakaasu)(NTP) = 1,0 m 3 p = 4,0 bar = 4, Pa t = 18 C Tarkastellaan samaa kaasumäärää eri olosuhteissa eli n(maakaasu)(ntp) = n(maakaasu)(putki) Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ratkaistaan n emmille olosuhteille: p(ntp) V(NTP) p(putki) V(putki) =, josta T(NTP) T(putki) p(ntp) V(NTP) T(putki) V (putki) = T(NTP) p(putki) 3 N 3 101, ,0 m (273, ) K 2 = m 5 N 273,15 K 4,0 10 m = 0, m = 270 dm 67

68 Kaasun moolimassa 101. Kuivan ilman tiheys NTP-olosuhteissa on 1,2929 /dm 3. Mikä on ilman keskimääräinen moolimassa? Kaasujen tilanyhtälöön pv = nrt sijoitetaan ainemäärän lauseke n = m/m ja tiheyden lauseke ρ = m/v. m ρv pv = nrt = RT = RT, josta ilman keskimääräinen moolimassa M M M ρ ρ J 1,2929 8, ,15 K VRT RT 3 M = = = dm K pv p 3 N 101, m 2 Nm 1292,9 8, ,15 K 3 = m K 3 N 101, m 2 = 28, Helposti haihtuvan yhdisteen alkuaineanalyysi antoi koostumukseksi 37,23 m-% C, 7,81 m-% H ja 54,96 m-% Cl. Kun 0,928 tutkittavaa yhdistettä höyrystettiin 500 cm 3 :n suuruisessa suljetussa astiassa, mitattiin kaasun lämpötilaksi 150 C ja paineeksi 101,325 kpa. a) Laske yhdisteen moolimassa. b) Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? c) Mikä on yhdisteen ekyylikaava? a) Yhdisteen moolimassa lasketaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ja ainemäärän lausekkeesta n = m/m: m pv = nrt = RT, josta M J 0,928 8,3145 (273, ) K mrt = = M K = 64, pv 3 N , m 2 m b) Yhdisteen empiirinen kaava (Reaktio 2, s. 25), kun tarkastellaan 100 yhdistettä. alkuaine m-% m, M, / n, ainemääräsuhde C 37,23 37,23 12,01 3,0999 1,999 2 H 7,81 7,81 1,008 7,7480 4,997 5 Cl 54,96 54,96 35,45 1, Yhdisteen empiirinen kaava on C 2 H 5 Cl. 68

69 c) Yhdisteen ekyylikaava on empiirinen kaava tai sen monikerta: M = n(2 M(C) + 5 M(H) + M(Cl)) 64,445 / = n(2 12, , ,45) / 64,445 = 64,51 n n = 0,998 1 Yhdisteen ekyylikaava = empiirinen kaava = C 2 H 5 Cl. Huomaa! Alkuaineanalyysi on kokeellinen menetelmä, joten tulos sisältää myös koevirheen. Myös koetuloksesta laskettu moolimassa sisältää tämän virheen. Siksi viimeinen jakolasku ei mene aivan tasan. Kaasun tiheys 103. Laske asetyleenin C 2 H 2, typpikaasun, ilman (keskimääräinen moolimassa tehtävästä 101 tai esimerkistä 4), happikaasun, hiilidioksidin ja nestekaasun (propaanin) tiheys huoneessa, jonka lämpötila on 20 C ja paine 101,325 kpa. a) Tee tuloksista piirros, jonka avulla tutkit kaasun tiheyden riippuvuutta sen moolimassasta. b) Hitsarilta pääsee vahinossa vuotamaan asetyleenikaasua autotalliin. Ennen liekin sytyttämistä talli on tuuletettava. Tuulettuuko autotalli paremmin avaamalla ikkuna vai ovi? c) Kesämökillä kaasulieden kaasuletkut ovat yli 5 vuotta vanhoja ja ne vuotavat. Tuulettuuko huoneeseen vuotanut nestekaasu (propaani) paremmin avaamalla ikkuna vai ovi? Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ainemäärän lausekkeesta n = m/m ja tiheyden lausekkeesta ρ = m/v saadaan: m ρv pv = nrt = RT = RT, josta ρ = pm RT M M Asetyleenin C 2 H 4 tiheys: 3 N 101, (2 12, ,008) pm 2 ρ(c 2H2) = = m RT J 8,3145 (273, ) K K 3 = 1, , m dm Typpikaasun N 2 tiheys: 3 N 101, (2 14,01) pm 2 3 ρ(n ) = = m = 1, = 1,16 RT J 8,3145 (273, ) K m dm K

70 Ilman tiheys, M = 29,97 29,98 3 N 101, ,97 pm 2 3 ρ(ilma) = = m = 1, = 1,25 RT J 8,3145 (273, )K m dm K 3 3 Happikaasun 2 tiheys: 3 N 101, (2 16,00) pm 2 3 ρ( ) = = m = 1, = 1,33 RT J 8,3145 (273, )K m dm K Hiilidioksidikaasun C 2 tiheys: 3 N 101, (12, ,00) pm 2 3 ρ(c ) = = m = 1, = 1,83 RT J 8,3145 (273, )K m dm K Nestekaasun eli propaanikaasun C 3 H 8 tiheys: 3 N 101, (3 12, ,008) pm 2 ρ(c 3H8) = = m RT J 8,3145 (273, ) K K 3 = 1, m 3 = 1,83 dm 3 a) Kaasu Moolimassa / Tiheys /dm 3 C 2 H 4 28,052 1,08 N 2 28,02 1,16 ilma 29,97 1, ,00 1,33 C 2 44,01 1,83 C 3 H 8 44,094 1,83 70

71 kaasun tiheyden riippuvuus moolimassasta tiheys, /cm3 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 moolimassa, / Sarja1 Moolimassan kasvaessa kaasun tiheyskin kasvaa. b) Asetyleenin tiheys on 1,08 /dm 3 ja ilman 1,25 /dm 3, joten asetyleeni on ilmaa kevyempää ja karannut kaasu asettuu katonrajaan. Talli siis tuulettuu paremmin lähimmäksi kattoa ulottuvan aukon avaamalla. c) Nestekaasun eli propaanin tiheys on 1,83 /dm 3 ja ilman 1,25 /dm 3, joten nestekaasu on ilmaa raskaampaa ja karannut kaasu asettuu lattianrajaan. Kesämökki tuulettuu siis tehokkaammin avaamalla mökin oven, jolloin nestekaasu virtaa ulos. Kaasut ja stoikiometria 104. Manesiummetalli reaoi vetykloridihapon kanssa tuottaen vetykaasua: M(s) + HCl(aq) MCl 2 (aq) + H 2 () Mikä on reaktion tuottaman vetykaasun tilavuus (t = 28 C ja p = 88,7 kpa), kun 0,0840 moolia manesiummetallia reaoi vetykloridihappoylimäärän kanssa? M(s) + HCl(aq) MCl 2 (aq) + H 2 () 0,0840 ylimäärin V =? t = 28 C p = 88,7 kpa Reaktioyhtälön mukaan 1 M tuottaa 1 H 2 (). n(h 2 ) = n(m) = 0,

72 Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt J 0,0840 8,3145 (273, )K nrt V (H K 2) = = p N 3 88,7 10 m 2 = 2, m = 2,37 dm Urea NH 2 CNH 2 on typpilannoite, jota valmistetaan ammoniakista ja hiilidioksidista: 2 NH 3 () + C 2 () NH 2 CNH 2 (aq) + H 2 (l) Mikä on tarvittavan ammoniakkikaasun tilavuus (t = 25 C ja p = 152,0 kpa), jotta ureaa voidaan valmistaa 908? 2 NH 3 () + C 2 () NH 2 CNH 2 (aq) + H 2 (l) V =? 908 t = 25 C p = 152,0 kpa Lasketaan urean ainemäärä: m 908 n(nh2cnh 2) = = M (2 14, , ,01+ 16,00) 908 = = 15, ,062 Reaktioyhtälö Kertoimet reaktioyhtälössä 15, ureaa valmistuu 2 NH 3 () + C 2 () NH 2 CNH 2 (aq) + H 2 (l) , ,1177 Reaktioyhtälön mukaan 1 mooli ureaa valmistuu 2 moolista ammoniakkia. n(nh 3 ) = 2 n (NH 2 CNH 2 ) Ammoniakkikaasun tilavuus saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. n(nh 3) RT 2 n(nh2cnh 2) RT V (NH 3) = = p p J 2 15, ,3145 (273, )K = K 3 N 152,0 10 m 2 = 0, m = 493 dm

73 106. Etanolista C 2 H 5 H voidaan valmistaa eteeniä C 2 H 4 käsittelemällä sitä jollain sopivalla vettä sitovalla reaenssilla, kuten rikkihapolla. Kuinka suuri tilavuus eteeniä (p = 110 kpa ja t = +25 o C) voi teoriassa muodostua 1,00 rammasta 95 m-% etanolia? H 2 S 4 CH 3 H C 2 H 4 + H 2 m(95 m-% etanoli) = 1,00 m(ch 3 H) = (95 %/100 %) 1,00 = 0,95 n(ch 3 H) = M(CH 3 H)/M(CH 3 H) = 0,95 /[(2 12, , ,00) /] = 0,02062 Yhdestä moolista etanolia muodostuu yksi mooli eteeniä: n( ) = n(ch 3 H) = 0,02062 Eteenikaasun tilavuus saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt: J 0, ,3145 (273, ) K nrt V (CH K 2) = = p 3 N m = 4, m 0,465 dm 107. Auto-onnettomuudessa turvatyyny laukeaa ja täyttyy natriumatsidin räjähdysmäisesti hajotessa typpikaasulla: 2 NaN 3 (s) 2 Na(s) + 3 N 2 () Kuinka paljon natriumatsidia tarvitaan 30,0 litran turvatyynyn täyttämiseen, kun typpikaasun paine tyynyssä on 142 kpa ja lämpötila 25 C? m(nan 3 ) =? V(tyyny) = 30,0 l = 30,0 dm 3 = 30, m 3 p(n 2 ) = 142 kpa t(n 2 ) = 25 C Typpikaasun ainemäärä saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt: 3 N 3 3 pv ,0 10 m 2 nn ( m 2) = = = 1, RT J 8,3145 (273, ) K K Reaktioyhtälöstä saadaan tarvittava natriumatsidin ainemäärä ja massa: Reaktioyhtälö ainemäärät reaktioyhtälössä 1 N 2 () tuottamiseen kuluu 1,718 N 2 () tuottamiseen kuluu 2 NaN 3 (s) 2 Na(s) + 3 N 2 () 2 3 2/3 1 (2/3) 1,718 1,718 73

74 n(nan 3 ) = (2/3) n(n 2 ) = (2/3) 1,718 m(nan 3 ) = n(nan 3 ) M(NaN 3 ) = (2/3) n(n 2 ) M(NaN 3 ) = (2/3) 1,718 (22, ,01) / = 74,489 = 74, Lyijynitraatti Pb(N 3 ) 2 (s) hajoaa täysin kuumennettaessa, jolloin syntyy Pb(s), N 2 () ja 2 (). Tyhjiöityyn astiaan (V = 1,18 dm 3 ) pantiin 2,16 lyijynitraattia, jota kuumennettiin, kunnes sen hajoaminen em. reaktiotuotteiksi oli täydellinen. Kirjoita reaktioyhtälö ja laske astiaan syntyvä paine reaktion lopussa, kun lämpötila on säädetty 30 ºC:seen. Pb(s):n höyrynpaine voidaan jättää huomioonottamatta. (Yliopistojen kemian valintakoe 2003) Pb(N 3 ) 2 (s) Pb(s) + N 2 () + 2 () Tasapainotetaan reaktioyhtälö: 1) lyijyatomeja on reaktioyhtälön eri puolilla jo sama määrä. Typpiatomeja on lähtöaineessa 2 kpl, tuotteissa 1 kpl. Lisätään siis N 2 ():n kertoimeksi 2. Pb(N 3 ) 2 (s) Pb(s) + 2 N 2 () + 2 () Happiatomeja on lähtöaineessa 2 3 = 6 kpl ja Pb:ssa 1 kpl ja kahdessa N 2 :ssa 2 2 kpl = 4 kpl eli 2 :een jää 1 happiatomi ja sen kerroin on ½. Pb(N 3 ) 2 (s) Pb(s) + 2 N 2 () + ½ 2 () Pienimmät kokonaisluvut ovat: 2 Pb(N 3 ) 2 (s) 2 Pb(s) + 4 N 2 () + 2 () Hajoavan lyijynitraatin ainemäärä on: M(Pb(N 3 ) 2 ) = 331,2 / n(pb(n 3 ) 2 ) = m(pb(n 3 ) 2 )/M(Pb(N 3 ) 2 ) = 2,16 /331,2 1 = 6, Reaktioyhtälö 2 Pb(N 3 ) 2 (s) 2 Pb(s) + 4 N 2 () + 2 () Kertoimet reaktioyhtälössä lyijynitraattia tuottaa kaasuja 1 4/2 = 2 ½ Tällöin n(n 2 ()) = 2 n(pb(n 3 ) 2 ) = 2 6, = 1, ja n( 2 ()) = ½ n(pb(n 3 ) 2 ) = ½ 6, = 3, Kaasumaisia tuotteita on siis yhteensä: 1, , = 1, Niiden aiheuttama paine 30 C:ssa saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. p = nrt/v = 1, ,3145 J K 1 1 (273, ) K/1, m 3 = 34,8 kpa ,85 kalsiumkarbonaatin ja manesiumkarbonaatin seosta reaoi vetykloridihapon kanssa: CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + H 2 (l) + C 2 () MC 3 (s) + 2 HCl(aq) MCl 2 (aq) + H 2 (l) + C 2 () Kun koko seos oli reaoinut, oli hiilidioksidikaasua muodostunut 1,94 dm 3 (t = 25 C ja p = 104,7 kpa). Montako massaprosenttia alkuperäisessä seoksessa oli kalsiumkarbonaattia? 74

75 Alussa seosta on 7,85. Siitä x rammaa on kalsiumkarbonaattia ja siis (7,85 x) rammaa manesiumkarbonaattia. 1) CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + H 2 (l) + C 2 () alussa: x 2) MC 3 (s) + 2 HCl(aq) MCl 2 (aq) + H 2 (l) + C 2 () alussa: (7,85 x) V(C 2 ) = 1,94 dm 3 t(c 2 ) = 25 C p(c 2 ) = 104,7 kpa Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt saadaan muodostuneen hiilidioksidikaasun ainemäärä. 3 N 3 3 pv 104,7 10 1,94 10 m 2 n(c m 2) = = = 0, RT J 8,3145 (273, ) K K Hiilidioksidia syntyy kahdessa rinnakkaisessa reaktiossa: n(c 2 ) 1 = n(cac 3 ) = m(cac 3 )/M(CaC 3 ) ja n(c 2 ) 2 = n(mc 3 ) = m(mc 3 )/M(MC 3 ), joten m(cac 3) m(mc 3) n(c 2 ) = n(c 2 ) 1 + n(c 2 ) 2 = + M(CaC 3) M(MC 3) x (7,85 x) 0, = + (40, , ,00) (24,31+ 12, ,00) 100,09 84,32 0,08193 = 84,32 x + 100,09 7,85 100,09x 691,5104 = 785, ,77x 94,1960 = 15,77x x = 5,973 5,97 Eli seoksessa on CaC 3 (s) = x = 5,97. CaC 3 (s):n massa-% osuus seoksessa on: m(cac 3) 5,97 100% = 100% = 76,05 % 76 % m(seos) 7,85 75

76 110. Natriumperoksidin (Na 2 2 ) ja hiilidioksidin välistä reaktiota käytetään avaruusaluksissa astronauttien henityksen tuottaman hiilidioksidin poistoon, jolloin samalla vapautuu happea: 2 Na 2 2 (s) + 2 C 2 () 2 Na 2 C 3 (s) + 2 () a) Astronautti henittää ilmaa keskimäärin 4,5 dm 3 /min (ilman lämpötila on 25 C ja paine 98 kpa). Uloshenitetyssä ilmassa on 3,4 tilavuus-% hiilidioksidia. Kuinka monta rammaa hiilidioksidia astronautti tuottaa 24 tunnissa? b) Kuinka monta vuorokautta astronautti voi enintään viettää avaruudessa, jos hänellä on käytössään 3,65 k:n natriumperoksidivarasto? (Yliopistojen kemian valintakoe 2002) a) henitysnopeus = 4,5 dm 3 min 1 t(ilma) = 25 C = 298 K p(ilma) = 98 kpa = Nm 2 hiilidioksidia 3,4 tilavuus-% aika = 24 h V(ilma, 24h) = 4,5 dm 3 min 1 24 h 60 min = 6480 dm 3 n(ilma) = [p(ilma) V(ilma)]/RT = [ Nm m 3 ]/[8,314 Nm K K] = 256,3 Avoadron laki: [V(ilma)/n(ilma)] = [V(C 2 )/n(c 2 )] n(c 2 ) = [V(C 2 ) n(ilma) ]/V(ilma) = [(3,4 %/100 %) 6480 dm 3 256,3 ]/6480 dm 3 = 8,71 m(c 2 ) = n(c 2 ) M(C 2 ) = 8,71 44,0 1 = b) m(na 2 2 ) = 3,65 k n(na 2 2 ) = m/m = 3, / 77,98 1 = 46,8 2 Na 2 2 (s) + 2 C 2 () 2 Na 2 C 3 (s) + 2 () 2 Na 2 2 poistaa 2 C 2, joten 46,8 Na 2 2 poistaa 46,8 C 2 a-kohdan perusteella hiilidioksidia tuotetaan 8,71 24 tunnissa, joten 46,8 tuotetaan: (46,8 1 vrk) / 8,71 = 5,4 vrk 111. Luolissa ja kaivoksissa käytetään joskus kaasunaamaria, joka sisältää kaliumsuperoksidia, K 2. Kaasunaamari käyttää uloshenitysilman vettä hapentuotantoon ja sitoo uloshenitettävän hiilidioksidin kaliumvetykarbonaatiksi. 4 K 2 (s) + 2 H 2 (l) 4 KH(s) () C 2 () + KH(s) KHC 3 (s) a) Kuinka suuri tilavuus (NTP) happikaasua saadaan, kun 1,25 kaliumsuperoksidia reaoi täydellisesti veden kanssa? b) Mikä on edellä syntyneen happikaasun tilavuus 37 C:n lämpötilassa ja 101,3 kpa:n paineessa? c) Mikä on a-kohdassa muodostuvan kaliumhydroksidin massa? d) Kuinka suuri tilavuus (NTP) hiilidioksidia tähän määrään kaliumhydroksidia voidaan sitoa? (Yliopistojen kemian valintakoe 2004) 76

77 m(k 2 ) = 1,25, M(K 2 ) = (39, ,99) / = 71,096 / m(k 2) 1,25 a) n(k 2) = = = 0,0176 M( K 2) 71,096 4 K 2 (s) tuottaa 3 2 (), joten n( 2 ()) = (3/4) n(k 2 ) Syntyvän happikaasun tilavuus kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt: 2 J 0,0176 8, ,15 K n( 2) RT = = 3 V ( 3 K 2) = 0,295 dm p 3 N 101, m 2 b) 37 C:n lämpötilassa 2 J 0,0176 8,3145 (273, )K n( 2) RT V ( = = 3 K 2) = 0,335 dm p 3 N 101,3 10 m 2 3 c) a-kohdassa muodostuvan kaliumhydroksidin massa: 4 K 2 (s) tuottaa 4 KH(s), joten n(kh) = n(k 2 ) M(KH) = M(K) + M() + M(H) = (39, , ,008) / = 56,105 / m(kh) = n(kh) M(KH) = n(k ) M(KH) = 0, ,105 / = 0,986 2 d) (NTP) hiilidioksidia voidaan sitoa tähän määrään kaliumhydroksidia seuraavasti: Reaktioyhtälöistä:n(C 2 ) = n(kh) ja tilavuus saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. J 0,0176 8, ,15 K n(c 2) RT = = 3 V (C K 2) = 0,394 dm p 3 N 101, m 2 Palaminen 112. Glukoosi C 6 H 12 6 palaa elimistössämme tuottaen hiilidioksidia, vettä ja eneriaa. C 6 H 12 6 (aq) () 6 C 2 () + 6 H 2 (l) Kuinka suuri tilavuus kuivaa hiilidioksidikaasua (p = 99,8 kpa ja t = 37 C) poistuu uloshenitettäessä, kun 4,00 lukoosia palaa? Lasketaan lukoosin ainemäärä: m 4,00 n(c6h12 6 ) = = = 0, M (6 12, , ,00) 1 mooli lukoosia tuottaa 6 moolia hiilidioksidia eli n(c 2) = 6 n (C6H12 6 ), ja hiilidioksidikaasun tilavuus saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. 77

78 J 6 0, ,3145 (273, )K n(c 2) RT 6 n(c6h12 6 ) RT V (C = = = K 2) p p 3 N 99,8 10 m 2 = 0, m = 3,44 dm Auton bensiininkulutus on 7,9 l/100 km. Kuinka suuri tilavuus hiilidioksidia (lämpötila 25 o C ja paine 101 kpa) muodostuu ajettaessa Helsinistä Lahteen (110 km), kun oletetaan, että polttoaine palaa täydellisesti? Bensiini voidaan katsoa oktaaniksi C 8 H 18, jonka tiheys on 0,71 k/l. (k97 t2) Matkaan kuluu bensiiniä = oktaania = 7,9 l/100 km 110 km = 8,69 l m(ktaani) = V ρ = 8,69 l 0,71 k/l = 6,1699 k n(oktaani) = m/m = 6,1699 k/ [(8 12, ,008) /] = 54,015 ktaanin täydellinen palaminen: C 8 H () C 2 + H 2 tasapainotetaan hiili- ja vetyatomit C 8 H () 8 C H 2 tasapainotetaan happiatomit C 8 H ½ 2 () 8 C H 2 kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet ovat pienimmät mahdolliset kokonaisluvut: 2 C 8 H () 16 C H 2 Reaktioyhtälö ainemäärät reaktioyhtälössä 1 oktaania tuottaa 54,015 oktaania tuottaa 2 C 8 H () 16 C H /2 = 8 54, ,015 Hiilidioksidikaasun tilavuus saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt J 8 54, ,3145 (273, )K n (C 2) RT V (C = = K 2) p 3 N m 2 = 10, m = 10,6 dm Koulussa käytettävä kaasupoltin sisältää 190 butaanikaasua. a) Butaanin kiehumispiste on 0,5 ºC, joten se nesteytyy helposti jo vähäisen paineen nousun seurauksena. Nesteyttämällä butaani saadaan kaasupolttimen säiliön koko käyttäjäystävällisemmäksi. Laske, kuinka suuri säiliö tarvittaisiin 190 butaanikaasua sisältävään polttimeen, jos kaasun lämpötila on 20 ºC ja paine 101,3 kpa. b) Kuinka monta rammaa hiilidioksidia ja vettä syntyy, kun poltin palaa tyhjäksi? c) Mikä on luokkaan vapautuvan hiilidioksidikaasun tilavuus (lämpötila 20 ºC ja paine 101,3 kpa), kun poltin palaa tyhjäksi? 78

79 m(c 4 H 10 ) = 190 a) Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt ja ainemäärän lausekkeesta n = m/m: m pv = nrt = RT, josta M J 190 8,3145 (273, ) K mrt V (C = = 4H 10 ) K = 0, m = 78,7 dm Mp 3 N (4 12, ,008) 101, m b) Hiilidioksidia ja vettä syntyy, kun poltin palaa tyhjäksi: Täydellinen palaminen: C 4 H () C 2 + H 2 Tasapainotetaan hiili- ja vetyatomit: C 4 H () 4 C H 2 Tasapainotetaan happiatomit: C 4 H ½ 2 () 4 C H 2 Kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet pienimmät mahdolliset kokonaisluvut: 2 C 4 H () 8 C H 2 n(c 4 H 10 ) = m/m = 190 /[(4 12, ,008) /] = 3, Reaktioyhtälö 2 C 4 H () 8 C H 2 ainemäärät reaktioyhtälössä 1 oktaania 1 8/2 10/2 tuottaa = 4 = 5 54,015 3, , ,269 oktaania tuottaa m(c 2 ) = n(c 2 ) M(C 2 ) = 4 n(c 4 H 10 ) M(C 2 ) = 4 3,269 (12, ,00) / = 575,492 = 575 m(h 2 ) = n(h 2 ) M(H 2 ) = 5 n(c 4 H 10 ) M(H 2 ) = 5 3,269 (2 1, ,00) / = 294,480 = 294 c) luokkaan vapautuvan hiilidioksidikaasun tilavuus: Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt J 4 3, ,3145 (273, ) K n (C 2) RT V (C = = 2) K p 3 N 101,3 10 m = 0, m = 315 dm 79

80 115. Öljynporauslautoilla joudutaan usein polttamaan porauksessa vapautuvaa kaasua (pääasiassa metaania), koska sen talteenotto olisi hankalaa. Lisäksi valvottu poltto pienentää räjähdysonnettomuuden riskiä. a) Kirjoita reaktioyhtälö, kun metaani palaa täydellisesti. b) Arvioi polttamisen vaikutusta ympäristöön. c) Laske muodostuvan hiilidioksidin ainemäärä, kun metaania poltetaan 288 k. Laske myös muodostuneen hiilidioksidin tilavuus NTP-olosuhteissa. d) Kuinka monta kuutiometriä ilmaa (NTP) 288 k:n suuruisen metaanimäärän palamiseen tarvitaan, kun ilmassa on happea 21 til-%? a) Metaanin täydellinen palaminen (s. 114) CH 4 () () C 2 () + 2 H 2 () b) Polttaminen tuottaa hiilidioksidia. Sekä metaani että hiilidioksidi ovat ns. kasvihuonekaasuja. Yleisesti metaanin pidetään ympäristön kannalta haitallisempana. c) m(ch 4 ) = 288 k n(c 2 ) =? V(C 2 ) =? NTP n(ch 4 ) = m(ch 4 )/M(CH 4 ) = ( )/[(12, ,008) /] = ( )/(16,042 /) = 1, metaania tuottaa 1 hiilidioksidia eli n(c 2 ) = n(ch 4 ) Kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt 4 J 1, , ,15 K n(c 2) RT V (C = = K 2) p 3 N 101, m 2 = 402, m = 400 m 3 3 d) Ilmaa kuluu: Palaminen kuluttaa happikaasua: CH 4 () () C 2 () + 2 H 2 () 1 metaania kuluttaa palaessaan 2 happikaasua, joten 1, metaania kuluttaa 2 1, happikaasua, jonka tilavuus on: 4 J 2 1, , ,15 K n( 2) RT V ( = = 2) K p 3 N 101, m 2 3 = 804, m Tämä on 21 til-% kuluvan ilman tilavuudesta, joten V(ilma) = (100 til-%/21 til-%) 804,793 m 3 = 3832,35 m 3 = 3830 m 3 80

81 5 Enerian muutokset kemiallisessa reaktiossa 5.1 Reaktiot ja eneria 116. Mitkä seuraavista tapahtumista ovat eksotermisiä ja mitkä endotermisiä? a) fotosynteesi b) sidoksen muodostuminen c) jään sulaminen d) veden jäätyminen a) Fotosynteesissä sitoutuu Aurinon säteilyeneriaa kemialliseksi eneriaksi, joten tapahtuma on endoterminen. b) Sidoksen muodostuessa vapautuu aina eneriaa, joten tapahtuma on eksoterminen. c) Jään sulaessa vetysidoksia katkeaa. Sidosten katkaisemiseen tarvitaan aina eneriaa, joten tapahtuma on endoterminen. d) Veden jäätyessä muodostuu vetysidoksia. Sidosten muodostuessa vapautuu aina eneriaa, joten tapahtuma on eksoterminen vatko seuraavat ilmiöt eksotermisia vai endotermisia? a) Tavallisen sokerin (sakkaroosin) liukeneminen veteen C 12 H (s) C 12 H (aq), jolloin seos jäähtyy. b) Kalsiumhydroksidin liukeneminen veteen Ca(H) 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 H(aq), jolloin seos lämpenee. c) Bensiinin palaminen auton moottorissa. d) Kylmähaudepussin jäähtyminen. e) lomuodon muutos H 2 () H 2 (s). a) Seos jäähtyy, joten liukeneminen sitoo lämpöeneriaa ympäristöstä. Ilmiö on endoterminen. b) Seos lämpenee, joten liukenemisessa vapautuu lämpöeneriaa ympäristöön. Ilmiö on eksoterminen. c) Bensiinin palaessa vapautuu lämpöeneriaa. Ilmiö on eksoterminen. d) Kylmähaudepussi jäähtyy, joten se sitoo lämpöeneriaa ympäristöstä. Ilmiö on endoterminen. e) Ilmiö on vesihöyryn härmistyminen, jolloin vesiekyylien välille muodostuu vetysidoksia. Sidosten muodostuessa vapautuu lämpöeneriaa, joten ilmiö on eksoterminen. 81

82 5.2 Enerialajit kemiallisissa reaktioissa 118. Mitä enerian muutoksia tapahtuu, kun a) kynttilä palaa b) kännykän akkua ladataan c) väkevää rikkihappoa laimennetaan vedellä d) vesi hajotetaan sähkövirran avulla vedyksi ja hapeksi? a) Kemiallista eneriaa muuttuu lämpöeneriaksi ja lämpöeneriaa säteilyeneriaksi. b) Sähköeneriaa muuttuu kemialliseksi eneriaksi. c) Kemiallista eneriaa muuttuu lämpöeneriaksi. d) Sähköeneriaa muuttuu kemialliseksi eneriaksi Kaliumnitraatin liukeneminen veteen on endoterminen tapahtuma. a) Kirjota liukenemisreaktioyhtälö olomuotomerkintöineen. b) Mitä sidoksia katkeaa ja mitä sidoksia muodostuu kaliumnitraatin liuetessa? c) Lämpeneekö vai jäähtyykö seos liukenemisen aikana? d) Voidaanko kaliumnitraattia ja vettä käyttäen valmistaa kylmä- vai lämpöhaude? a) KN 3 (s) K + (aq) + N 3 (aq) b) Kalium- ja nitraatti-ionien välisiä ionisidoksia (ja vesiekyylien välisiä vetysidoksia) katkeaa. Kalium- ja nitraatti-ionit muodostavat liuotinveden kanssa ionidipoli-sidoksia. c) Kaliumnitraatin liukeneminen on endoterminen tapahtuma, joten seos jäähtyy liukenemisen aikana. d) Seos jäähtyy kaliumnitraatin liuetessa, joten aineista voidaan valmistaa kylmähaude Retkikeittimien polttoaineena käytetään butaania. a) Kirjoita butaanin palamisreaktioyhtälö olomuotomerkintöineen. b) Mitä sidoksia katkeaa ja mitä sidoksia muodostuu butaanin palaessa? c) nko butaanin palaminen ekso- vai endoterminen reaktio? a) 2 C 4 H 10 () () 8 C 2 () + 10 H 2 () b) Butaaniekyylien kaikki hiili-hiili- ja hiili-vety-sidokset sekä happiekyylien happi-happi-kaksoissidos katkeavat. Hiilidioksidiekyyleihin muodostuu kaksi hiilihappi-kaksoissidosta ja vesiekyyleihin kaksi happi-vety-sidosta. Kaikki katkeavat ja muodostuvat sidokset ovat kovalenttisia sidoksia, koska kaikki reaktioon osallistuvat aineet ovat kaasuja. c) Butaani on polttoaine, joten reaktio on eksoterminen. 82

83 5.3 Aineen rakenneosien eneriat 121. Selitä esimerkin avulla tai muulla tavoin, mitä tarkoittavat seuraavat käsitteet: a) kemiallinen eneria b) aineen rakenneosien eneria c) lämpöliike. a) Kemiallinen eneria on aineen rakenneosien heikkoihin ja vahvoihin sidoksiin varastoitunutta potentiaalieneriaa. (Esimerkiksi vedyn ja hapen kovalenttisiin sidoksiin varastoitunutta kemiallisista eneriaa muuttuu palamisessa lämpöeneriaksi.) b) Aineen rakenneosilla on sekä vahvoista että heikoista sidoksista aiheutuvaa potentiaalieneriaa ja lämpöliikkeestä aiheutuvaa liike-eneriaa. (Esimerkiksi jäässä vesiekyyleillä on veden kovalenttisista sidoksista ja vesiekyylien välisistä vetysidoksista johtuvaa potentiaalieneriaa ja vesiekyylien värähdysliikkeestä johtuvaa liike-eneriaa.) c) Lämpöliike tarkoittaa aineen rakenneosien satunnaista liikettä. Ainetta lämmitettäessä lämpöliike voimistuu ja rakenneosien liike-eneria kasvaa. (Esimerkiksi vettä lämmitettäessä vesiekyylien lämpöliike voimistuu ja vesiekyylien liikeeneria kasvaa.) 122. Funktionaalista ryhmää, joissa on kahden hiiliatomin ja yhden happiatomin muodostama kolmirenas, kutsutaan epoksidirenkaaksi. Epoksidit ovat tärkeitä teollisuuden raaka-aineita. Epoksideja esiintyy myös luonnossa. a) Etyylioksiraani (eräs epoksidi) ja tetrahydrofuraani ovat keskenään isomeerejä. Päättele, kumman palaessa vapautuu enemmän lämpöeneriaa. etyylioksiraani tetrahydrofuraani b) Epoksidit reaoivat helposti mm. amiinien kanssa, jolloin renas aukeaa. Miksi eetterit, joiden renkaissa on useampia hiiliatomeja, eivät reaoi samalla tavalla? a) Molemmissa yhdisteissä sekä hiili- että happiatomit ovat sp 3 -hybridisoituneita, joten ihanteelliset sidoskulmat olisivat 109. Etyylioksiraanissa on kolmirenas, jossa sidoskulmat ovat vain 60. Viisirenkaassa sidoskulmat poikkeavat vain vähän ihanteellisesta, mutta etyylioksiraanissa paljon. Siksi etyylioksiraani on jännittyneempi, sen sidokset ovat heikompia ja sen palaessa vapautuu enemmän lämpöeneriaa. b) Epoksidirenkaassa on jännityksestä johtuvaa ylimääräistä eneriaa, joka tekee siitä hyvin reaktiivisen. Suuremmissa renkaissa jännitys on pienempi, jolloin renas ei aukea ja reaktio käynnisty. 83

84 123. Järjestä seuraavat pentaanin konformaatiot kasvavan enerian mukaiseen järjestykseen. a) b) c) Järjestys on a, b ja c. Mitä lähempänä atomit ovat toisiaan, sitä suurempi on konformaation eneria. Kohdan c tapauksessa hiiliketjun päissä olevat vetyatomit tulevat erittäin lähelle toisiaan, joten kyseisen konformaation eneria on suurin a) Millaista on aineen rakenneosien, esimerkiksi vesiekyylien, lämpöliike eri olomuodoissa? b) Mitä erilaisia liiketyyppejä yhdessä vesiekyylissä esiintyy? a) Kiinteässä olomuodossa rakenneosat (jäässä vesiekyylit) värähtelevät tasapainoasemansa ympärillä. Nestemäisessä olomuodossa rakenneosat (vedessä vesiekyylit) liukuvat toistensa ohi, mutta pysyvät sidosvoimien (vedessä vetysidosten) avulla kiinni toisissaan. Kaasussa (vesihöyryssä) rakenneosat (vesiekyylit) liikkuvat vapaasti ja rakenneosien radat ovat murtoviivoja. b) Vesiekyyli voi olla pyörimisliikkeessä ja veden kovalenttiset sidokset voivat kiertyä. Vesiekyylin sidoskulmat ja sidospituudet vaihtelevat vähän alinomaa eli vesiekyylin atomit ovat värähdysliikkeessä. 5.4 Entalpian muutos ilmoittaa vapautuvan tai sitoutuvan lämpömäärän 125. Ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on teollisesti tärkeä reaktio: N 2 () + 3 H 2 () 2 NH 3 (); ΔH o = 92 kj. a) Mitä reaktioentalpian edessä oleva miinusmerkki ilmoittaa? b) nko lähtöaineiden entalpia suurempi vai pienempi kuin reaktiotuotteiden entalpia? c) Kuluuko lähtöaineiden sidosten katkaisemiseen enemmän vai vähemmän eneriaa kuin reaktiotuotteiden sidosten muodostuessa vapautuu? d) nko reaktio endo- vai eksoterminen? e) Piirrä reaktion eneriakaavio. a) Miinusmerkki ilmoittaa, että reaktio on eksoterminen. b) Reaktio on eksoterminen, joten lähtöaineiden entalpia on suurempi kuin reaktiotuotteiden entalpia. 84

85 c) Reaktio on eksoterminen, joten lähtöaineiden sidosten katkaisemiseen kuluu vähemmän eneriaa kuin reaktiotuotteiden sidosten muodostuessa vapautuu. d) ΔH o < 0, joten reaktio on eksoterminen. e) Entalpiia H//kJ NN 2 (() NN 2 () -92 kj 22 N 2 2 () 126. a) Piirrä tapahtumien CH 3 CCH 3 (l) CH 3 CCH 3 (); ΔH o = + 30,1 kj/ CH 3 CCH 3 () CH 3 CCH 3 (l); ΔH o = 30,1 kj/ entalpiakaaviot. b) Mitä tapahtumia yhtälöt kuvaavat? c) Miksi entalpian muutokset ovat toistensa vastalukuja? d) Mitä sidoksia tapahtumissa muodostuu tai katkeaa? e) Mitä ΔH:n yläindeksiksi merkitty ympyrä tarkoittaa? a) Entalpia H/kJ () +30,1 kj/ Entalpia H/kJ () -30,1 kj/ (l) (l) b) Ylempi reaktioyhtälö kuvaa nestemäisen propanonin (asetonin) höyrystymistä kaasuksi ja alempi kaasumaisen propanonin tiivistymistä nesteeksi. c) Höyrystyminen ja tiivistyminen ovat käänteisiä prosesseja. Käänteisten prosessien entalpian muutokset ovat toistensa vastalukuja. d) Propanoniekyylien välillä on dipoli-dipoli-sidoksia (ja dispersiovoimia), joita höyrystymisessä katkeaa ja tiivistymisessä muodostuu. d) Ympyrä tarkoittaa, että asetonin höyrystymis- ja tiivistymisentalpia on ilmoitettu vertailuolosuhteissa (298,15 K, 101,325 kpa). 85

86 127. Etanolin, metanolin, bentseenin ja propanonin (asetonin) höyrystymisentalpiat (kiehumispisteessä ja 101,325 kpa:n paineessa mitattuna) ovat vastaavassa järjestyksessä 43,5 kj/, 35,3 kj/, 30,8 kj/ ja 29,1 kj/. a) Mitkä ovat aineiden tiivistymisentalpiat? b) Jos 1 mooli kutakin ainetta höyrystyy, minkä aineen höyrystyessä eneriaa sitoutuu vähiten? c) Mitä sidoksia purkautuu aineiden höyrystyessä? d) Miksi etanolin höyrystymisentalpia on suurempi kuin metanolin? a) 43,5 kj/, 35,3 kj/, 30,8 kj/ ja 29,1 kj/ b) Propanonin, koska sen höyrystymisentalpia on pienin. c) Etanolin höyrystyessä purkautuu vetysidoksia ja dispersiovoimia, metanolilla vetysidoksia ja dispersiovoimia, bentseenillä dispersiovoimia ja propanonilla dipolidipoli-sidoksia ja dispersiovoimia. d) Etanolin höyrystymisentalpia on suurempi kuin metanolin, koska etanoliekyylien väliset heikot sidokset ovat vahvempia kuin metanoliekyylien väliset heikot sidokset. (Miksi etanoliekyylien väliset sidokset ovat vahvempia kuin etanoliekyylien väliset sidokset? Vetysidokset ovat yhtä vahvoja, koska emmissa on sama funktionaalinen ryhmä. Sitä vastoin etanoliekyylien välillä dispersiovoimat ovat suuremmasta moolimassasta johtuen vahvempia kuin metanoliekyylien välillä, joten kaikkiaan heikot sidokset etanoliekyylien välillä ovat vahvemmat.) 128. Kuvaajassa on esitetty, miten veden lämpötila riippuu siihen siirtyneestä lämpöeneriasta, kun 1 (18,0 ) jäätä lämmitetään 40 C:sta +120 C:seen. Eneriaa siirtyy välillä A B 1,46 kj, välillä B C 6,01 kj, välillä C D 7,54 kj, välillä D E 40,7 kj ja välillä E F 0,73 kj. a) Mitä makrotason ilmiöitä tapahtuu kuvaajan eri osissa? b) Miksi veden lämpötila ei nouse kuvaajan vaakasuorissa osissa, vaikka siihen siirtyy lämpöeneriaa? Anna mikrotason selitys. c) Miksi veden sulamisentalpia 6,01 kj/ on paljon pienempi kuin sen höyrystymisentalpia 40,7 kj/? d) Mihin muutokseen kuluu veteen siirtynyt lämpöeneria kuvaajan nousevissa osissa? Anna mikrotason selitys. 86

87 a) Välillä A B jää lämpenee -40 C:sta 0 C:seen. Välillä B C 0-asteinen jää sulaa 0-asteiseksi vedeksi. Välillä C D vesi lämpenee 0 C:sta 100 C:seen. Välillä D E 100- asteinen vesi höyrystyy 100-asteiseksi vesihöyryksi. Välillä E F vesihöyry lämpenee 100 C:sta 120 C:seen. b) Vaakasuorissa osissa tapahtuvat olomuodon muutokset sulaminen ja höyrystyminen. Lämpötila ei nouse, koska vesiekyylien lämpöliike ei voimistu. lomuodon muutoksissa koko siirtynyt eneriamäärä kuluu vesiekyylien välisten vetysidosten katkaisemiseen. c) Veden sulaessa vain pieni osa vesiekyylien välisistä vetysidoksista katkeaa. Suurin osa katkeaa vasta veden höyrystyessä, joten veden sulamisentalpia on paljon pienempi kuin höyrystymisentalpia. d) Kuvaajan nousevissa osissa jää, vesi ja vesihöyry lämpenevät. Koko siirtynyt eneriamäärä muuttuu vesiekyylien kineettiseksi eneriaksi eli lämpöliike voimistuu Kokeessa oli tehtävä, johon liittyi oheinen eneriakaavio ja sanallinen selitys siitä, että eneriakaavio liittyy natriumin ja kloorin väliseen reaktioon. Tehtävässä piti pohtia, mistä tekijöistä kyseisen reaktion reaktioentalpia riippuu. ppilaan vastaus oli, että natriumin ja kloorin välisen reaktion reaktioentalpia on 411 kj, ja reaktio on eksoterminen. Miksi opettaja antoi vastauksesta vähän pisteitä? Entalpia H/kJ -411 kj pettaja antoi vähän pisteitä, koska vastauksesta puuttuivat seuraavat pohdinnat: a) Reaktioentalpia riippuu lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden määristä. Yleensä reaktioentalpia ilmoitetaan reaktioyhtälön ilmoittamia moolimääriä kohti. b) Reaktioentalpia riippuu lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden olomuodoista. Yleensä olomuodot merkitään lämpökemialliseen reaktioyhtälöön. c) Reaktioentalpia riippuu mittauslämpötilasta ja paineesta. Yleensä reaktioentalpia ilmoitetaan vertailuolosuhteissa. 87

88 130. Typpihappoa HN 3 käytetään suuria määriä typpilannoitteiden ja räjähdysaineiden valmistukseen. Typpihappoa valmistetaan kolmivaiheisella stwaldin menetelmällä, jonka ensimmäinen vaihe on ammoniakkikaasun reaktio happikaasun kanssa Pt/Rhkatalyytin läsnä ollessa: 4 NH 3 () () 4 N() + 6 H 2 (l); H = 1160 kj a) Mikä on reaktion 4 N() + 6 H 2 (l) 4 NH 3 () () reaktioentalpia? b) Mikä on reaktion NH 3 () () N() H 2(l) reaktioentalpia? c) Kuinka paljon eneriaa vapautuu, kun 1) 2,0 2) 2,0 k ammoniakkia reaoi? a) a-kohdan reaktio ja tehtävänannon reaktio ovat toistensa käänteisreaktioita, joten H = kj b) Reaktioentalpia ilmoitetaan reaktioyhtälön ilmoittamia ainemääria kohti. Tehtävänannon reaktiossa 4 NH 3 ja b-kohdan reaktiossa 1 NH 3 reaoi, joten H = 1160 kj = 290 kj (eli eneriaa vapautuu -290 kj/(nh 3 )) 4 c) 1) Eneriaa vapautuu 2,0 ( 290 kj/) = 580 kj 2) Lasketaan ammoniakin ainemmärä. M(NH 3 ) = 17,034 n(nh 3 ) = m M 2000 = = 117, ,034 Eneriaa vapautuu 117,4 ( 290 kj/) = kj 34 MJ (Toinen tapa on kirjoittaa verranto ja ratkaista se.) 131. Manaanimetallia voidaan valmistaa alumiinin avulla manaanidioksidista: 4 Al(s) + 3 Mn 2 2 Al 2 3 (s) + 3 Mn(s); ΔH o = 1794 kj Kuinka paljon eneriaa vapautuu, kun valmistetaan 1,1 manaania? m 1,1 Lasketaan manaanin ainemäärä: n(mn) = 0, M = 54,94 = Vapautuvan enerian määrä Q on suoraan verrannollinen manaanin ainemäärään. 3 0, Kirjoitetaan verranto =, josta 1794 kj Q 0, ( 1794 kj) Q = = 11,97 kj 12 kj 3 Reaktioseoksessa kehittyy niin paljon lämpöä, että se syttyy palamaan. 88

89 132. Metanolia käytetään mm. kiihdytysautojen ja lennokkien polttoaineena. Se palaa seuraavasti: 2 CH 3 H(l) () 2 C 2 () + 4 H 2 (l); ΔH o = 726 kj a) Kuinka paljon eneriaa vapautuu, kun poltetaan 150 metanolia? b) Kuinka paljon (rammoina) metanolia pitää polttaa, jotta eneriaa vapautuisi 7500 kj? c) Kuinka paljon (rammoina) kasvihuoneilmiötä aiheuttavaa hiilidioksidia syntyy, kun metanolia poltettaessa vapautuu eneriaa 7500 kj. a) M(CH 3 H) = M(CH 4 ) = 32,042 m 150 ja n(metanoli) = 4, M = 32,042 = Vapautuvan enerian määrä Q on suoraan verrannollinen metanolin ainemäärään kj Kirjoitetan verranto = 4, Q, josta -726kJ 4, Q = = -1699,3 kj 1700 kj kj b) Kirjoitetaan verranto =, josta n(ch3h) kj n(ch 3 H) = kj 2 = 20, kj m(ch 3 H) = n M = 20,66 32,042 = 662,0 660 c) Reaktioyhtälön kertoimista ja b-kohdan tuloksesta päätellään, että n(c 2 ) = n(ch 3 H) = 20,66 m(c 2 ) = 20,66 (12, ,00) = 909, Sakkaroosin C 12 H lämpöarvo on vertailuolosuhteissa 5640 kj/. a) Kirjoita sakkaroosin palamisreaktioyhtälö olomuotomerkintöineen. b) Laske sakkaroosin lämpöarvo yksikössä MJ/k. c) Kuinka paljon eneriaa vapautuu, kun 135 sakkaroosia palaa täydellisesti puhtaassa hapessa? d) Montako rammaa sakkaroosia tarvitaan, jotta eneriaa vapautuisi 10,0 MJ? a) C 12 H (s) () 12 C 2 () + 11 H 2 (l) b) M(C 12 H ) = 342,296, joten yksi mooli sakkaroosia on 342,296 eli 0, k. 89

90 5640 kj 5,64 MJ MJ Tehdään yksikönmuunnos: = =16, ,5 MJ/k. 1 0, k k c) Tässä vapautuva eneriamäärä lasketaan lämpöarvon avulla. m 135 Sakkaroosin ainemäärä n(c 12 H ) = = 0, M = 342,296 kj Vapautuva lämpömäärä Q = 0, = 2224,3 kj 2220 kj. d) Tässä sakkaroosin massa lasketaan lämpöarvon avulla. 10,0 MJ m(c 12 H ) = = 0,6069 k 607. MJ 16, k 134. Metaanin, etaanin, propaanin ja butaanin palamisentalpiat moolia kohti ovat vertailuolosuhteissa vastaavassa järjestyksessä 890 kj/, 1560 kj/, 2220 kj/ ja 2877 kj/. a) Kirjoita palamisreaktioyhtälöt. b) Esitä kuvaajan avulla, miten kunkin hiilivedyn palamisentalpia riippuu alkaanin hiiliatomien lukumäärästä. Piirtämisen nopeuttamiseksi voit käyttää palamisentalpioiden itseisarvoja. c) Arvioi kuvaajasta pentaanin palamisentalpia. a) CH 4 () () C 2 () + 2 H 2 (l) 2 C 2 H 6 () () 4 C 2 () + 6 H 2 (l) C 3 H 8 () () 3 C 2 () + 4 H 2 (l) 2 C 4 H 10 () () 8 C 2 () + 10 H 2 (l) b) c) Pentaanin palamisentalpia on noin 3600 kj. 90

91 135. Kuinka paljon vetyä (kilorammoina) tarvitaan tuottamaan sama määrä lämpöeneriaa kuin saadaan 10 litrasta bensiiniä? letetaan bensiinin olevan oktaania C 8 H 18, jonka tiheys on 0,71 k/l. C 8 H 18 (l) + 12½ 2 () 8 C 2 () + 9 H 2 (l); ΔH o = 5450 kj 2 H 2 () + 2 () 2 H 2 (l); ΔH o = 572 kj Lasketaan 10 oktaanilitran masa ja ainemäärä. M(C 8 H 18 ) = 114,224 / m(c 8 H 18 ) = ρ V = 0,71 k/l 10 l = 7,1 k = 7100 m 7100 n(c 8 H 18 ) = =62,15... M = 114,224 ktaanista vapautuva lämpömäärä on 5450 kj/, joten 10 l:n oktaanierästä kj vapautuva lämpömäärä on 62, = ,1 kj 572 kj kj 1 vetymoolista vapautuva lämpömäärä on =286 2 Merkitään vedyn ainemäärää n(h 2 ). kj Saadaan yhtälö n(h 2 ) 286 = ,1 kj, ,1... josta n(h 2 ) = kj =1184,4... ja 286 m(h 2 ) = n M = 1184,4 2 1,008 =2387,9 2,4 k 136. Polttoaineita voidaan verrata toisiinsa erilaisin perustein, esimerkiksi niiden palaessa saatavan enerian tai vapautuvien ilmansaasteiden määrän mukaan. soita, mikä seuraavista polttoaineista C(rafiitti), H 2 () tai C 4 H 10 () tuottaa täydellisesti palaessaan polttoainerammaa kohti a) eniten eneriaa, b) eniten hiilidioksidia. c) Miksi hiilidioksidia voidaan pitää ilmansaasteena? Aineiden palamislämmöt ovat ΔH(C,raf) = 394 kj/, ΔH(H 2,) = 286 kj/, ΔH(C 4 H 10,) = 2280 kj/. (Yo syksy 1997) a) Lasketaan yhtä polttoainerammaa kohti vapautuvat lämpömäärät: 1 kj Q(rafiitti) = ,8 kj 12,01 1 kj Q(H 2 ) = kj 2 1,008 1 Q(C 4 10 ) = ,2 kj (4 12, ,008) Eniten eneriaa vapautuu vedyn palaessa. 91

92 b) Kirjoitetaan palamisreaktioyhtälöt 1 polttoainemoolia kohti: C(s) + 2 () C 2 () C 4 H 10 () + 13/2 2 () 4 C 2 () + 5 H 2 (l) Vedyn palaessa ei muodostu hiilidioksidia. Lasketaan yhtä polttoainerammaa kohti syntyvät hiilidioksidin ainemäärät: 1 rafiitin palaminen: n(c 2 ) = n(rafiitti) = 0, ,01 1 butaanin palaminen: n(c 2 ) = 4 n(c 4 H 10 ) = 4 0, ,12 Eniten hiilidioksidia syntyy rafiitin palaessa. c) Hiilidioksidi on yksi kasvihuonekaasuista. 5.5 Muodostumisentalpia 137. Kirjoita seuraaviin reaktioyhtälöihin lähtöaineet olomuotomerkintöineen: a) NH 4 Cl(s); H o f = 314 kj/ b) CH 3 H(l); H o f = 278 kj/ c) HCH(l); H o f = 402 kj/. a) 1 2 N 2 () + 2 H 2 () Cl 2 () b) 2 C(rafiitti,s) + 3 H 2 () () c) C(rafiitti,s) H 2 () + 2 () C(rafiitti,s):n paikalla voi olla myös C(s) Ammoniakin muodostumisentalpia H o f = 46,1 kj/. a) Kirjoita ammoniakin muodostumisntalpian reaktioyhtälö. b) Mitkä ovat seuraavien reaktioiden reaktioentalpiat H? 1) NH 3 () 1 2 N 2 ()+ 3 2 H 2 () 2) 2 NH 3 () N 2 ()+3 H 2 () 3) 2 3 NH 3 () 1 3 N 2 ()+H 2 () a) 1 2 N 2 ()+ 3 2 H 2 () NH 3 () b) 1) Reaktio on ammoniakin muodostumisentalpian käänteisreaktio, joten H o = +46,1 kj. 92

93 2) Reaktiossa 2 ammoniakkia hajoaa alkuaineikseen, joten H o = +2 46,1 kj = +96,4 kj. 3) Reaktiossa 2 3 ammoniakkia hajoaa alkuaineikseen, joten H o = ,1 kj +30,7 kj a) Kalsiumkloridi liukenee veteen. Kirjoita liukenemisen reaktioyhtälö. b) Laske kalsiumkloridin liukenemisentalpia ΔH o, kun tiedetään seuraavat muodostumisentalpiat: ΔH f o (CaCl 2 (s)) = 795,0 kj/, ΔH f o (Ca 2+ (aq)) = 543,0 kj/ ja ΔH f o (Cl (aq)) = 167,4 kj/. c) nko kalsiumkloridin liukeneminen ekso- vai endoterminen tapahtuma? a) CaCl 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 Cl (aq) b) ΔH o = ΣnΔH f o (reaktiotuotteet) ΣnΔH f o (lähtöaineet) = 1 ( 543,0 kj/) + 2 ( 167,4 kj/) 1 ( 795,0 kj/) = 82,9 kj c) Kalsiumkloridin liukeneminen on eksoterminen tapahtuma, koska sen liukenemisentalpia on neatiivinen a) Kirjoita hitsauskaasuna käytettävän etyynin (asetyleenin) palamisreaktioyhtälö siten, että yhtälön kertoimet ovat pienimpiä mahdollisia kokonaislukuja. b) Laske muodostumislämpöjen avulla etyynin palamisentalpia vertailuolosuhteissa. c) Esitä jokin syy, miksi kaasuhitsauksessa käytetään puhdasta happea eikä ilmaa. a) 2 C 2 H 2 () () 4 C 2 () + 2 H 2 (l) b) ΔH o = ΣnΔH f o (reaktiotuotteet) ΣnΔH f o (lähtöaineet) = 4 ( 393,5 kj/) + 2 ( 285,8 kj/) 2 226,7 kj/ = 2599,0 kj c) Puhdasta happea käytettäessä liekki on kuumempi, koska suuremmasta reaktionopeudesta johtuen myös lämmön vapautuminen on nopeampaa. Ilman typpi lämmetessään alentaa liekin lämpötilaa. Ilman typpi reaoisi kovassa kuumuudessa hapen kanssa, jolloin syntyy typen oksideja. Tämän takia kaasuhitsauksessa käytetään usein suojakaasua Hiilimonoksidin muodostumisentalpiaa ei voida määrittää kokeellisesti, koska rafiittia poltettaessa syntyy hiilimonoksidin lisäksi aina myös hiilidioksidia. Hiilimonoksidia poltettaessa syntyy aina kuitenkin vain hiilidioksidia: 2 C() + 2 () 2 C 2 ; ΔH o = 566,0 kj. Laske hiilimonoksidin muodostumisentalpia vertailuolosuhteissa. 93

94 Sijoitetaan reaktioentalpia ja hiilidioksidin muodostumisentalpia kaavaan ΔH o = ΣnΔH f o (reaktiotuotteet) ΣnΔH f o (lähtöaineet). 566,0 kj = 2 ( 393,5 kj/) 2 ΔH f o (C), josta ΔH f o (C) = 110,5 kj/ 142. Laske bentseenin C 6 H 6 muodostumisentalpia vertailuolosuhteissa, kun tiedetään seuraavaa: 2 C 6 H 6 (l) () 12 C 2 () + 6 H 2 (l); ΔH o = 6535 kj. Sijoitetaan palamisentalpia ja hiilidioksidin ja veden muodostumisentalpiat kaavaan ΔH o = ΣnΔH f o (reaktiotuotteet) ΣnΔH f o (lähtöaineet) kj = 12 ( 393,5 kj/) + 6 ( 285,8 kj/) 2 ΔH f o (C 6 H 6 ), josta ΔH f o (C 6 H 6 ) = +49,1 kj/ 143. Kalsiumoksidia valmistetaan teollisesti kalkinpolttouunissa, jossa kalsiumkarbonaatti (kalkkikivi) hajoaa yli 800 C:ssa seuraavasti: CaC 3 (s) Ca(s) + C 2 (). Kuinka paljon lämpöeneriaa tarvitaan, jotta 1,35 tonnia kalkkikiveä hajoaisi? (hje: Laske ensin hajoamisentalpia muodostumisentalpioidn avulla. letetaan, että hajoamisentalpia on polttouunin olosuhteissa sama kuin vertailuolosuhteissa.) ΔH o o o = ΣnΔH f (reaktiotuotteet) ΣnΔH f (lähtöaineet) ΔH o = 1 ( 635,5 kj/) +1 ( 393,5 kj/) 1 ( 1206,9 kj/) ΔH o = +177,9 kj 6 n 1,35 10 n(cac 3 ) = = = 13487,8... m 100,09 Lämpöeneriaa tarvitaan 13487,8 177,9 kj/ = kj 2, kj = 2400 MJ Avaruussukkulan laukaisussa polttoaineena on käytetty ammoniumperkloraatin ja alumiinin seosta. Aineet reaoivat keskenään seuraavan yhtälön mukaisesti: 6 NH 4 Cl 4 (s) + 10 Al(s) 3 N 2 () + 9 H 2 (l) + 6 HCl() + 5 Al 2 3 (s). a) Laske reaktioentalpia vertailuolosuhteissa. Muodostumisentalpiat: ΔH f o (NH 4 Cl 4 (s)) = 295,3 kj/, ΔH f o (H 2 (l)) = 285,8 kj/, ΔH f o (HCl()) = 92,3 kj/ ja ΔH f o (Al 2 3 (s)) = 1675,7 kj/. b) Millaisia ominaisuuksia reaktiolla tulee olla, jotta se soveltuu esitettyyn tarkoitukseen? a) ΔH o = ΣnΔH f o (reaktiotuotteet) ΣnΔH f o (lähtöaineet) ΔH o = 9 ( 285,8 kj/) + 6 ( 92,3 kj/) + 5 ( 1675,7 kj/) 6 ( 295,3 kj/) = 9732,7 kj ΔH o = 9732,7 kj 94

95 b) Nopea eksoterminen reaktio, jossa syntyy paljon kaasuja. Tilavuuden muutoksen pitää olla suuri Apollo-kuulentojen avaruussukkulasta kuuhun laskeutuneen aluksen polttoaineena käytettiin hydratsiinin N 2 H 4 ja dityppitetraoksidin N 2 4 seosta. 2 N 2 H 4 (l) + N 2 4 (l) 3 N 2 () + 4 H 2 (l) a) Hydratsiinia kului laskeutumisessa 320 k. Kuinka monta kilorammaa dityppitetraoksidia kului laskeutumisen aikana? b) Kuinka paljon eneriaa (GJ) vapautui laskeutumisen aikana? Hydratsiinin muodostumisentalpia vertailuolosuhteissa on +50,6 kj/, dityppitetraoksidin 19,5 kj/ ja veden 285,8 kj/. a) Lasketaan hydratsiinin ainemäärä. M(N 2 H 4 ) = 32,052 ja M(N 2 4 ) = 92,02 m n(n2h 4) = = = 9983,7... M 32,052 Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että n(n 2 4 ) = 1 2 n(n H ) = ,7 = 4991,8 2 m(n 2 4 ) = n M = 4991,8 92,02 = k b) Lasketaan reaktioentalpia. o 0 0 H =Σn Hf (reaktiotuotteet) Σn H f (lähtöaineet) kj = 3 (0 ) + 4 ( 285,8 kj ) kj [2 50,6 + 1 ( 19,5 kj )] = 1224,9 kj (reaktioyhtälön ilmoittamia ainemääriä kohti) Reaktioentalpia yhtä hydratsiinimoolia kohti 1224,9 kj kj = 612,45 2 Laskeutumisessa vapautui eneriaa kj 9983,7 612, kj = 6,1 GJ 95

96 5.6 Sidoseneria 146. Kumpi seuraavien parien sidoksista on vahvempi? a) H Cl ja H Br b) CH 3 H ja CH 3 NH 2 c) (CH 3 ) 2 C= ja CH 3 CH 3 a) vety-kloori-sidos b) hiili-happi-sidos c) hiili-happi-kaksoissidos 147. Järjestä punaisella merkityt sidokset vahvuusjärjestykseen heikoimmasta vahvimpaan. a) HN=NH, N N, H 2 N NH 2 b) HC N, H 2 C=, H 2 C= a) H 2 N NH 2, HN=NH ja N N b) H 2 C=, H 2 C=, HC N 148. Tarkastellaan seuraavia yhdisteitä: H 3 C F, H 3 C Cl, H 3 C Br, H 3 C I. a) Järjestä punaisella merkityt sidokset vahvuusjärjestykseen heikoimmasta vahvimpaan. b) Järjestä samat sidokset sidospituuden mukaiseen järjestykseen pisimmästä lyhyimpään. c) Miten sidosten pituudet ja vahvuudet riippuvat toisistaan? d) Miksi sidoksen pituus kasvaa fluorista jodiin siirryttäessä? a) H 3 C I, H 3 C Br, H 3 C Cl, H 3 C F b) H 3 C I, H 3 C Br, H 3 C Cl, H 3 C F c) Mitä lyhyempi hiili-haloeeni-sidos on, sitä vahvempi on sidos. d) Haloeeniatomien koko kasvaa ryhmässä alaspäin siirryttäessä. Mitä suurempi on haloeeniatomi, sitä kauempana ytimestä on sen sidoselektroni ja sitä pidempi on sidos. 96

97 6 Reaktionopeus 6.1 Reaktionopeus 149. Anna esimerkki hitaasta ja nopeasta reaktiosta. Hitaita reaktioita ovat esimerkiksi raudan ruostuminen, kompostin maatuminen, alkoholikäyminen, maidon happaneminen ja säilöttyjen elintarvikkeiden pilaantuminen. Nopeita reaktioita ovat esimerkiksi räjähdys, saostusreaktiot, protoninsiirtoreaktiot ja polttoaineen palaminen polttomoottoreissa Mistä makrotason tekijöistä reaktionopeus riippuu ja miten? Kemiallisen reaktion nopeus riippuu lähtöaineiden konsentraatioista siten, että väkevämmässä liuoksessa reaktionopeus on suurempi reaktioseoksen lämpötilasta siten, että korkeammassa lämpötilassa reaktionopeus on suurempi kiinteillä aineilla pinta-alasta siten, että hienojakoisemmalla aineella reaktionopeus on suurempi katalyytistä, jonka läsnä ollessa reaktionopeus on suurempi. sekoittamisesta, jos lähtöaineet ovat eri faaseissa. Sekoittaminen lisää reaktionopeutta Kun sinkki reaoi vetykloridihapon kanssa, syntyy sinkkikloridia ja vetykaasua. Zn(s) + 2 HCl(aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 () Miten reaktionopeus muuttuu, jos a) sinkkirakeiden sijasta käytetään sinkkijauhetta b) laimean vetykloridihappoliuoksen sijasta käytetään väkevää vetykloridihappoa c) reaktioseokseen lisätään vettä d) reaktioseokseen lisätään jäähilettä e) reaktioseokseen lisätään natriumhydroksidin vesiliuosta? a) Reaktionopeus kasvaa, koska tietyn sinkkimäärän pinta-ala on suurempi jauheena kuin rakeina. b) Reaktionopeus kasvaa, koska lähtöaineen konsentraatio kasvaa. c) Reaktionopeus pienenee, koska lähtöaineen konsentraatio vettä lisättäessä pienenee. d) Reaktionopeus pienenee, koska lähtöaineen konsentraatio pienenee ja lämpötila jään sulaessa laskee. 97

98 e) Natriumhydroksidi neutraloi vetykloridihappoa: NaH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 (l). Neutralointireaktiossa kuluu vetykloridihappoa, joten lähtöaineen konsentraatio pienenee ja reaktionopeus pienenee Selitä, miksi a) kaasuilla paineen lisääminen nopeuttaa reaktiota b) ruoka säilyy pidempään pakastettuna kuin jääkaapissa. a) Paineen kasvaessa kaasujen konsentraatio kasvaa, joten reaktionopeus kasvaa. b) Ruoka säilyy paremmin pakastettuna kuin jääkaapissa, koska alhaisemmassa lämpötilassa pilaantumisreaktiot ovat hitaampia tsonia käytetään muun muassa vesilaitoksissa juomaveden desinfiointiin. tsonisaattorissa hapesta syntyy otsonia reaktioyhtälön 3 2 () 2 3 () mukaisesti. Jos otsonisaattorissa otsonin muodostumisnopeus on 1,50 /min, niin mikä on silloin hapen kulumisnopeus? Kun reaktioyhtälön 3 2 () 2 3 () kertoimet jaetaan 2:lla, saadaan yhtälö 3 2 () 2 3 (). Hapen kertoimesta päätellään, että happikaasu hajoaa 1,5- kertaisella nopeudella otsonin muodostumisnopeuteen verrattuna. Hapen kulumisnopeus on 1,5 1,50 /min = 2,25 /min Manesiumlastujen annettiin reaoida laimean vetykloridihapon kanssa huoneenlämpötilassa. Vetykloridihappoa oli ylimäärä ja reaktiossa syntyvä vety otettiin talteen. Vedyn tilavuus mitattiin 20 sekunnin välein. Tulokset on esitetty käyrällä C oheisessa kuviossa. a) Mikä käyristä A, B, D tai E esittäisi tilannetta, jossa 1) kaasua olisi vuotanut kokeen aikana 2) vain puolet manesiumlastuista olisi käytetty verrattuna kokeessa C käytettyyn määrään 3) olisi käytetty vähän lämpimämpää vetykloridihappoa 4) olisi käytetty suurempaa manesiummäärää ja manesium oli ollut jauheena? b) Kuinka paljon (millilitroina) kokeessa C kehittyi vetykaasua? c) Kirjoita reaktioyhtälö olomuotomerkinnöin. Reaktiossa syntyy vedyn lisäksi vesiliukoista manesiumkloridia. 98

99 a) 1) käyrä E 2) käyrä D 3) käyrä B 4) käyrä A b) 60 ml c) M(s) + 2 HCl(aq) MCl 2 (aq) + H 2 () 155. Ylimäärä marmoripaloja CaC 3 lisättiin 10 ml:aan 1,0 M vetykloridihappoa. Marmori reaoi seuraavasti: CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) Reaktiossa syntyvän hiilidioksidin tilavuus mitattiin (20 C:ssa ja 100,0 kpa:n paineessa) puolen minuutin välein. Aika/s C 2 :n tilavuus/ml a) Mitattiinko lähtöaineen hajoamisnopeutta vai reaktiotuotteen syntymisnopeutta? b) Piirrä kuvaaja, jossa hiilidioksidin tilavuus on esitetty ajan funktiona. c) Mikä mittaustuloksista näyttää olevan virheellinen? d) Miten kuvaajasta näkyy, että reaktionopeus pienenee reaktion edistyessä? e) Milloin hiilidioksidin muodostuminen loppuu? f) Miksi hiilidioksidin muodostuminen loppuu? ) Miten reaktiota voisi nopeuttaa? a) C 2 on reaktiotuote, joten kokeessa mitattiin reaktiotuotteen syntymisnopeutta. b) c) Ajanhetkellä 90 s mitattu tilavuus 60 ml. Joko ajanotossa tai tilavuuden määrityksessä on tehty virhe. d) Kuvaaja loivenee, eli hiilidioksidia syntyy esimerkiksi 30 sekunnin aikajaksossa aina vähemmän reaktion edistyessä. (Kuvaajan tanentin kulmakerroin ilmoittaa reaktionopeuden. Tanentin kulmakerroin pienenee reaktion edistyessä.) e) Noin 210 s:n kuluttua reaktion alkamisesta. f) Marmoripaloja on ylimäärä. Hiilidioksidin muodostuminen loppuu, kun kaikki vetykloridihappo on reaoinut. Toisin sanottuna vetykloridihappo on rajoittava tekijä. ) Käyttämällä väkevämpää vetykloridihappoliuosta, jauhamalla marmoripalat pienemmiksi paloiksi tai jauheeksi, lämmittämällä ja sekoittamalla reaktioseosta. 99

100 156. Ylimäärä sinkkirakeita lisättiin 25 ml:aan 0,20 M rikkihappoa. Sinkki reaoi rikkihapon kanssa seuraavasti: Zn(s) + H 2 S 4 (aq) ZnS 4 (aq) + H 2 () Reaktiossa syntyvän vedyn tilavuus mitattiin 25 C:n lämpötilassa ja 101 kpa:n paineessa minuutin välein. Vedyn ainemäärät laskettiin kaasujen tilanyhtälöä käyttäen. Aika/min n(h 2 )/m 0 2,4 3,6 4,2 4,5 4,7 4,8 4,9 5,0 5,0 a) Piirrä kuvaaja, jossa vedyn ainemäärä on esitetty ajan funktiona. b) Miksi vedyn muodostuminen loppuu? c) Laske vetykaasun keskimääräinen muodostumisnopeus aikavälillä 0-4 min yksikössä m/min. d) Laske vetykaasun muodostumisnopeus ajanhetkellä 2 min reaktion alkamisesta yksikössä m/min. a ja d) b) Sinkkiä on ylimäärä. Vedyn kehittyminen loppuu, kun kaikki rikkihappo on reaoinut. c) Vedyn keskimääräinen muodostumisnopeus aikavälillä 0 4 min on n = 4,5 m 0 m = 1,125 m 1,1 m t 4 min 0 min min min d) Piirretään ensin kuvaajalle tanentti kohtaan t = 2 min ja sitten apukolmio tanentin kulmakertoimen määrittämistä varten. Vedyn hetkellinen muodostumisnopeus ajanhetkellä 2 min on n 3,2 m m = 0,80 (tai 0,8 m t 4,0 min min min ) 100

101 157. Syklopropaani on pysymätön yhdiste, joka muuttuu hitaasti propeeniksi. Seurattaessa syklopropaanin konsentraation muutosta reaktion edistyessä saatiin seuraavat tulokset: Aika t (min) c(syklopropaani) 1,5 1,24 1,00 0,83 0,68 0,56 0,46 0,31 0,14 (10 3 /l) a) Laadi kuvaaja, joka osoittaa, miten syklopropaanin konsentraatio muuttuu reaktion edistyessä. Piirrä samaan kuvaan reaktiotuotteen, propeenin, konsentraation muuttumista osoittava kuvaaja. (2 p.) b) Mikä on reaktion keskinopeus viiden ensimmäisen minuutin aikana? Miksi nopeus muuttuu reaktion edetessä? (1 p.) c) Arvioi kuvaajasta reaktion nopeus hetkellä t = 25 min. (2 p.) d) Reaktion puoliintumisajalla t ½ tarkoitetaan aikaa, joka kuluu lähtöaineen konsentraation puolittumiseen. Mikä on tämän reaktion puoliintumisaika? (1 p.) (Y syksy 2008) a, c) c(propeeni) = 1,5 m/l c(syklopropaani) hetkellä t Aika t (min) c(syklopropaani) 1,5 1,24 1,00 0,83 0,68 0,56 0,46 0,31 0,14 (m/l) c(syklopropeeni) 0 0,26 0,50 0,67 0,82 0,94 1,04 1,19 1,35 (m/l) 101

102 b) hajoamisen keskinopeus c(syklopropaani) = = t ( ) 1,24 1,5 10 5,0 min 3 l 5 7 5,2 10 tai 8,7 10 l min l s Reaktion nopeus pienenee, koska lähtöaineen konsentraatio pienenee reaktion edetessä. c) Piirretään syklopropaanin kuvaajalle tanentti kohtaan t = 25 min ja lasketaan tanentin kulmakerroin. hajoamisnopeus hetkellä 25 min 3 l c(syklopropaani) 0, = = 2,3 10 t 35 min l min 5 5 Vastaukset välillä (2,3 10 ± 0,2 10 ) hyväksyttiin, l min 7 7 samoin(3,9 10 ± 0,3 10 ). l s d) t ½ = (17,5 ± 0,5) min 158. Typen oksideja joutuu ilmakehään palamisprosesseissa etenkin eneriantuotannossa ja liikenteessä. Typpidioksidi on näistä haitallisin. Tutkittaessa laboratorio-olosuhteissa typpidioksidin hajoamista typpioksidiksi ja hapeksi saatiin seuraavat tulokset. [N 2 ] (/l) Aika t (s) 0,0100 0,0079 0,0065 0,0055 0,0048 0,0043 0,0038 0,0034 0, a) Laadi sopivaan koordinaatistoon kuvaaja, joka osoittaa, miten typpidioksidin konsentraatio muuttuu ajan funktiona. (1 p.) b) Piirrä samaan koordinaatistoon typpioksidin ja hapen konsentraatioiden muutokset reaktion edetessä. (2 p.) c) Mikä on reaktion puoliintumisaika, t ½ (ajankohta, jolloin typpidioksidin alkukonsentraatio on puolittunut)? (1 p.) d) Mikä on typpioksidin muodostumisnopeus pisteessä t ½? (2 p.) (Y syksy 2010) 102

103 t a ja b) b) 2 N 2 () 2 N() + 2 () Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että c(n) = c(n 2 ) alussa c(n 2 ) hetkellä t = 0,0100 /l c(n 2 ) hetkellä t ja c( 2 ) = 1 (N) 2 c c(n 2 ) (/l) Aika t (s) c(n) (/l) c( 2 ) (/l) 0,0100 0,0079 0,0065 0,0055 0,0048 0,0043 0,0038 0,0034 0, ,0021 0,0035 0,0045 0,0052 0,0057 0,0062 0,0066 0, , , , ,0026 0, ,0031 0,0033 0,00345 c) Kuvaajalta luettu puoliintumisaika t ½ = (185 ± 5) s. 103

104 d) Piirretään N-kuvaajalle kohtaan t ½ tanentti, sitten apukolmio ja lasketaan tanentin kulmakerroin. l c(n) 0, N:n muodosumisnopeus = = = 1,3 10 t 200 s l s 5 5 (vastaukset välillä (1,3 10 ± 0,3 10 ) hyväksytään) l s Törmäysteoria. Siirtymätila. Aktivoitumiseneria Selitä nopeusjakauman avulla, miksi reaktionopeus kasvaa lämpötilan kohotessa. Kuvaajassa on esitetty kaasun nopeusjakauma kahdessa eri lämpötilassa T 1 ja T 2. Jotta törmäys johtaisi reaktioon (aktivoitumiseneria ylittyisi), hiukkasten nopeuden tulee olla tiettyä minimiarvoa v min suurempi. Kuvaajan ja nopeusakselin väliin jäävä varjostettu pinta-ala kuvaa niiden rakenneosien lukumäärää, joiden törmäykset johtavat reaktioon. Lämpötilan kohotessa tämä pinta-ala ts. reaktioon johtavien törmäysten lukumäärä aikayksikköä kohti kasvaa ja samalla reaktionopeus kasvaa Miksi kaikki törmäykset eivät johda reaktioon? Reaktioon johtavan törmäyksen on tapahduttava oikeasta suunnasta (törmäyksen on osuttava oikeaan kohtaan) ja törmäävien hiukkasten liike-enerian on oltava vähintään aktivoitumisenerian suuruinen. Nämä ehdot eivät täyty kaikissa törmäyksissä, joten vain pieni osa törmäyksistä johtaa reaktioon. 104

105 161. Mitä tarkoittavat käsitteet a) reaktionopeus b) siirtymätila c) aktivoitumiseneria? a) Keskimääräinen reaktionopeus ilmoittaa, kuinka paljon jonkin lähtöaineen tai reaktiotuotteen ainemäärä tai konsentraatio muuttuu tietyssä ajassa eli kaavoilla n c ilmaistuna tai t t. b) Siirtymätila on suurienerinen, pysymätön ja lyhytikäinen tila, jossa vanhat sidokset ovat juuri katkeamaisillaan ja uudet sidokset ovat alkamassa muodostua. Siirtymätila voi hajota reaktiotuotteiksi tai takaisin lähtöaineiksi. c) Aktivoitumiseneria on pienin eneria, joka reaktion lähtöaineilla on oltava, jotta kemiallinen reaktio voi tapahtua. Aktivoitumiseneria on siirtymätilan ja lähtöaineiden enerioiden erotus a) Reaktion A aktivoitumiseneria on 24 kj ja reaktion B 53 kj. Kumman reaktion nopeus on suurempi, jos emmissa lämpötilat ovat samat? b) Erään reaktion reaktioentalpia ΔH o = 21 kj ja aktivoitumiseneria E a = +37 kj. Piirrä eneriakaavio ja laske käänteisreaktion aktivoitumiseneria. a) Jos lämpötila on vakio, niin reaktionopeus on sitä suurempi, mitä pienempi on reaktion aktivoitumiseneria. Reaktion A nopeus on suurempi, koska sen aktivoitumiseneria on pienempi. b) E a (käänteisreaktio) = H o + E a = ( 21 kj) + 37 kj = +58 kj 163. Miksi joidenkin voimakkaasti eksotermisten reaktioiden reaktionopeus kasvaa reaktion alkamisen jälkeen, vaikka lähtöaineiden konsentraatio pienenee? Voimakkaasti eksotermisessa reaktiossa vapautuu runsaasti lämpöeneriaa, jolloin reaktioseoksen lämpötila nousee paljon ja nopeasti. Tällöin lämpötilan noususta johtuva reaktionopeuden voimakas kasvaminen kumoaa lähtöaineiden konsentraatioiden pienenemisestä johtuvan reaktionopeuden pienenemisen. 105

106 164. Mikä seuraavista katalyyttiä koskevista väittämistä on virheellinen? a) Katalyyttiä ei kulu reaktiossa. b) Katalyytti ei osallistu reaktioon. c) Katalyytti pienentää aktivoitumiseneriaa. d) Katalyytti nopeuttaa reaktiota empiin suuntiin. Virheellinen väittämä on b. Katalyytti osallistuu reaktioon, koska se on mukana siirtymätilassa heisessa kuviossa on kuvattu erään reaktion aikana tapahtuvia enerianmuutoksia. a) nko reaktio endo- vai eksoterminen ja mikä on sen reaktioentalpia? b) Mikä on kuvaajan korkeimmassa kohdassa esiintyvän välivaiheen nimi? c) Kuinka suuri on reaktion aktivoitumiseneria? d) Kuinka suuri on käänteisreaktion aktivoitumiseneria? e) Piirrä kuvaaja vihkoosi ja osoita piirroksen avulla, miten kuvaaja muuttuu, kun reaktioseokseen lisätään katalyyttiä. a) Reaktio on endoterminen ja sen reaktioentalpia H = 20 kj 0 kj = 20 kj b) Siirtymätila. c) E a = 30 kj 0 kj = +30 kj d) Käänteisreaktion E a = 30 kj ( 20 kj) = +50 kj e) 106

107 166. Vastaa lyhyesti seuraaviin kysymyksiin. a) Miksi katalyytiä tarvitaan vain pieni määrä? b) Mihin katalyytin toiminta perustuu? c) Mainitse erilaisia katalyyttejä. d) Mitä tarkoittaa inhibiittori? a) Katalyytti ei kulu reaktiossa, joten pienikin määrä voi riittää. b) Katalyytti alentaa aktivoitumiseneriaa. c) Metallit esim. palladium hapetusreaktioissa ja rauta ammoniakkisynteesissä, metallioksidit, hapot esim. rikkihappo eliminaatiorektiossa sekä entsyymit elollisen luonnon reaktioissa. d) Inhibiittori on reaktiota hidastava aine. Esimerkiksi elintarvikkeissa happoja käytetään inhibiittoreina, jotta entsyymien toiminta ja mikrobien kasvu hidastuisivat. Näin ollen elintarvikkeet säilyvät käyttökelpoisina pidempään Mikä kemiallinen reaktio tapahtuu, kun a) pesuaineen entsyymit nopeuttavat rasvahran liukenemista b) proteiinit pilkkoutuvat peptidaasien vaikutuksessa ruoansulatuksessa c) etanoli muuttuu elimistössä alkoholidehydroenaasi-nimisen entsyymin vaikutuksesta asetaldehydiksi (etanaaliksi)? a) Rasvan hydrolyysi lyseroliksi ja rasvahapoiksi. b) Proteiinien hyrolyysi aminohapoiksi. c) Etanolin hapettuminen asetaldehydiksi. 107

108 ppilastöiden ja demojen kommentteja ja selityksiä Luvun 3 demot DEM 1 Ammoniakin tai haihtuvan amiinin reaktio vetykloridihapon kanssa Demossa tarvitaan kaksi pehmeähköstä muovista valmistettua tippapulloa, joista toisessa on väkevää ammoniakkiliuosta NH 3 (aq) tai haihtuvaa amiinia, kuten dietyyliamiinia tai trietyyliamiinia ja toisessa väkevää vetykloridihappoliuosta HCl(aq). ta toinen tippapulloista vasempaan käteen ja toinen oikeaan käteen noin cm:n päähän toisistaan. Puristele tippapulloja siten, että pulloista ulos virtaavat kaasut kohtaavat toisensa. Mitä reaktiotyyppiä demonstraatio havainnollistaa? Mikä on savumaisen aineen kaava ja olomuoto? Miksi reaktiotuote ei haise, vaikka ammoniakki ja pieniekyyliset amiinit ovat pahanhajuisia? Kalan haju aiheutuu pääasiassa di- ja trimetyyliamiinista. Miten sen saa kätevästi poistettua käsistä? Vihjeitä: Demossa kannattaa käyttää suhteellisen vajaita astioita, jotta kaasua voi suihkuttaa paljonkin. Taikatemppuna demon voi tehdä siten, että laittaa astioihin vain muutaman tipan ammoniakkia ja HCl-liuosta, jolloin astiat näyttävät (lähes) tyhjiltä. ppilaitten kanssa on syytä käydä läpi neutraloitumisreaktion reaktioyhtälö NH 3 () + HCl () NH 4 Cl (s) DEM 2 Bentsoehapon saostuminen happamassa liuoksessa ta koeputkeen noin 2 ml tislattua vettä. Lisää koeputkeen lusikankärjellinen natriumbentsoaattia ja sekoita, kunnes kaikki natriumbentsoaatti liukenee. Lisää seokseen muutama tippa 1 M vetykloridihappoa. Mitä havaitaan? Kirjoita natriumbentsoaatin liukenemisreaktio. Mitä tapahtuu kun liuokseen lisätään vetykloridihappoa? Kirjoita reaktioyhtälö. Vihjeitä: Demon voi helposti tehdä myös isommassa astiassa, jolloin siitä saa näyttävämmän. 108

109 Reaktioyhtälöt: Natriumbentsoaatin liukeneminen: Na (s) H 2 + (aq) Na (aq) natriumbentsoaatti (suola) natriumbentsoaatti vesiliuoksessa Bentsoehapon saostuminen: (aq) + natriumbentsoaatti vesiliuoksessa Na (aq) HCl (aq) esiintyy vesiliuoksessa ioneina: H + H (aq) Cl (aq) (s) + H H vetykloridi (happo) bentsoehappo NaCl ( aq) Miksi bentsoehappo saostuu liuoksesta? Natriumbentsoaatti on ioniyhdiste, joka koostuu natirum- ja bentsoaatti-ioneista. Nämä ionit vuorovaikuttavat vesiekyylien kanssa vahvoilla ioni-dipoli-sidoksilla. Sen sijaan bentsoehappo on sähköisesti neutraali yhdiste, joka kykenee muodostamaan vesiekyylien kanssa ainoastaan vetysidoksia. Bentsohapossa on suhteellisen suuri ja pooliton aromaattinen renas, joka ei kykene juuri vuorovaikuttamaan vesiekyylien kanssa. Niinpä bentsoehappo liukenee veteen vain niukasti. Hieman samalla tavalla käyttäytyvät myös rasvahapot, kuten palmitiinihappo ja steariinihappo. DEM 3 Bentsyylialkoholin hapettaminen bentsaldehydiksi ta koeputkeen noin 1 cm bentsyylialkoholia. Lisää lusikankärjellinen (noin 200 m) manaanidioksidia Mn 2 ja sekoita heiluttelemalla koeputkea. Lämmitä seosta (70 90 C) esimerkiksi lämpöpuhaltimella välillä ravistellen noin kahden minuutin ajan. Kaada seos laakeaan upokkaaseen. Upokkaan voi panna kiertämään luokassa. nko bentsaldehydin tuoksu tuttu? Jos on, niin mistä? Mikä on leivonnaisissa ja makeisissa käytettävän bentsaldehydiä sisältävän mausteseoksen nimi? Vihjeitä: Manaanidioksidia voi hankkia myös tavallisista kuivaparistoista (ei alkaliparistoista). Kuivaparistojen täyte sisältää hapetukseen sopivaa manaanidioksidia. Reaktiossa muodostuu bentsaldehydiä. Manaanidioksidia ei ole tarpeeksi kaiken bentsyylialkoholin hapettamiseen, mutta bentsaldehydin tuoksu on niin voimakas, ettei bentsyylialkoholin tuoksu peitä sitä. Tuoksu on tuttu esimerkiksi karvasmanteliöljystä. Demon voi tehdä esimerkiksi alkutalvesta, jolloin voi verrata tuoksua Runeberin torttuihin niissä käytettävä mausteseos sisältää bentsaldehydiä. 109

110 H C H H bentsyylialkoholi Mn 2 [hapetus]] C H bentsaldehydi Luvun 6 demot (s. 143) DEMT 1 4 Nämä demot kannattaa testata etukäteen ennen oppilaille näyttämistä. Demojen reaktonopeuksien erot ovat selvät, mutta manesiumnauhan ja manesiumjauheen tulee olla suhteellisen tuoretta ja kiiltävää. Mustunut manesium ei toimi. Manesiumjauhe pitää säilyttää suljetussa astiassa ja hapelta suojattuna. Vetyperoksidin hajotuskatalyytiksi sopii myös paristoista saatu manaanidioksidi (ks. luvun demon 3 selitystä). 110

111 hjeistus työhön 4 (Veden eliminaatio omenahaposta) menahappo on kallista. Työn voi onneksi tehdä aika pienessä mittakaavassa, jopa n. 300 m omenahappoa riittää. Fumaarihappo on niin niukkaliukoista, että kiteytyksen voi tehdä pienessäkin mittakaavassa. Fumaarihapon tunnusomainen piirre on myös hapon subllimoituminen kuunennettaessa (ks. Reaktio 2, työ 7). hjeistus työhön 7 (Reaktionopeus) Reaktionopeus-työssä on kolme osiota, joista A ja B ovat aika työläitä. ppilaat kannattaa jakaa ryhmiin tekemään eri työosioita, jotta kaikki osiot ehditään tehdä kaksoistunnilla. Esimerkiksi 2/5 oppilaista tekee osion A, 2/5 osion B ja 1/5 osin C. Koontitaulukot: sa A. Lämpötilan vaikutus reaktionopeuteen hjeellinen alkulämpötila Todellinen alkulämpötila Reaktioaika (s) 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C Mn 4 - -ionien hajoamisnopeus (m/s) Jokaisessa mittauksessa hajonneiden Mn 4 -ionien ainemäärä n(mn 4 ) = c(mn 4 ) V(Mn 4 ) = 0,005 /l 0,005 l = 2, = 0,025 m 111

112 sa B. Konsentraation vaikutus reaktion nopeuteen Laimennussuhteet: oksaalihapon tilavuus reaktioseoksessa 1 ml 2 ml ksaalihapon konsentraatio reaktioseoksessa (/l) 1ml 0,7 n c = = l = 0,07 V 10ml l 2 ml 0,7 c = l = 0,14 10 ml l Reaktioaika (s) Reaktionopeus (m/s) 3 ml 4 ml 5 ml sa C. Katalyytin vaikutus reaktionopeuteen Reaktio ilman katalyyttiä Havainnot Reaktio katalyytin kanssa 112

113 Mittaustarkkuus ja likiarvolaskennan säännöt Mittaustulokset ovat aina likiarvoja, joilla on tietty tarkkuus Kokeellisissa luonnontieteissä käsitellään usein mittaustuloksia. Mittaustulokset ovat aina likiarvoja, joilla on tietty mittausmenetelmästä tai mittausvälineestä riippuva tarkkuus. Tästä syystä mittausvälineet valitaan kuhunkin mittaukseen mittaukselta vaadittavan tarkkuuden mukaan. Mittavälineiden tarkkuuden lisääntyessä niiden hinta yleensä kasvaa, mittaukseen kuluu enemmän aikaa ja välineiden käyttö vaatii harjoittelua. Siksi mittauksia ei yleensä suoriteta tarkemmin kuin lopputuloksen kannalta on mielekästä. Keittiövaa alla voidaan mitata noin 10 :n tarkkuudella, mutta laboratoriotyöskentelyssä mitataan yleisesti milliramman tarkkuudella. Tavallisimpia mitattavia suureita lukion kemian oppilastöissä ovat massa, tilavuus, lämpötila ja aika. Vaakatyypin mukaan massa mitataan yleensä 10 m:n, 1 m:n tai 0,1 m:n tarkkuudella. Jos mitattava tilavuus on suurempi kuin 100 ml, tarkkaan tilavuuden mittaukseen käytettävien mittapullojen, täyspipettien ja byrettien tarkkuus on suuruusluokkaa 0,1 0,4 ml. Pienten tilavuuksien ( 100 ml) mittaamiseen käytettävien mittapullojen, pipettien sekä mikro- ja mäntäpipettien tarkkuus on koon ja mallin mukaan 0,1 0,001 ml. Yleistyksenä voidaan sanoa, että tilavuus voidaan mitata 3 4:n merkitsevän numeron tarkkuudella. Lämpötila mitataan tavallisesti 1 o C: n tai 0,1 o C: n tarkkuudella lämpömittarin asteikon mukaisesti. Aika saadaan mitattua käsiajanotolla sekundaattoria käyttäen korkeintaan 0,2 s:n tarkkuudella. Tarkkoihin mittauksiin tarkoitetuissa välineissä on usein ilmoitettu niiden mittaustarkkuus. Esimerkiksi 20 ml:n mittapullossa on merkintä 20 o C, ±0,04 ml. Miten mittaustarkkuus ilmoitetaan? Mittaustarkkuus ilmoitetaan tilanteesta riippuen yksikön avulla merkitsevien numeroiden lukumäärän avulla desimaalien lukumäärän avulla. Likiarvolaskennan säännöt Laskutoimitusten lähtöarvot ovat usein tietyllä tarkkuudella mitattuja mittaustuloksia. Lähtöarvojen laskutoimituksista saadaan lukuja, jotka sisältävät yleensä enemmän numeroita kuin lähtöarvot. Mittaustarkkuus ei voi kuitenkaan laskutoimituksissa muuttua, joten lopputulos on pyöristettävä epätarkimman lähtöarvon (mittauksen) määräämällä tavalla. 113

114 1) Kerto- ja jakolaskuissa pyöristyksen määrää merkitsevien numeroiden lukumäärä (lyhennettynä mn). Tällöin epätarkin lähtöarvo on se, jossa merkitseviä numeroita on vähiten. Mittaustulos Merkitsevien numeroiden lukumäärä (mn) 30,1 ml 3 mn, koska luvussa on kolme numeroa 3, 0 ja 1. 51,00 4 mn: desimaalipilkun jälkeiset kaksi nollaa ovat merkitseviä numeroita eli ne ilmoittavat, että mittaus on tehty vaa alla, jolla voidaan mitata 0,01 :n eli 10 m:n tarkkuudella. Jos punnitaan esimerkiksi suodatinpaperi vaa alla, jonka tarkkuus on 1 m, ja vaaka antaa lukeman 1,200, niin mittaustulokseen merkitään myös kaksi viimeistä nollaa, koska ne ilmoittavat punnituksen tarkkuudeksi 4 mn. 0, mn: desimaalimerkinnän edessä olevia nollia ei lueta merkitseviksi numeroiksi, koska ne aiheutuvat yksikön valinnasta. Jos 0,0254 muutetaan millirammoiksi, tulee 25,4 m, jossa on 3 mn. 340 ml Merkintä on epäselvä, jollei asiayhteydestä selviä, onko viimeinen nolla merkitsevä numero vai ei (eli onko tilavuus mitattu 10 ml:n vai 1 ml:n tarkkuudella). Epäselvyydeltä vältytään, jos tilavuus esitetään kymmenpotenssimerkintänä, jonka alkuosa ilmoittaa tarkkuuden. Yksiselitteiset esittämistavat ovat 3, ml (jos 3 mn) tai 3, ml (jos 2 mn). 3, Alkuosasta 3,7000 (10 2 on nimeltään potenssiosa) nähdään, että suure on ilmoitettu 5 mn:n tarkkuudella. Numeromerkintänä 3, = 3, = 370,00, jolloin desimaalipilkun jälkeiset kaksi nollaa ilmoittavat, että massa on mitattu 10 :n tarkkuudella k Selvemmät ilmaisut: 5, k, jos 2 mn:n eli 100 k:n tarkkuus 5, k, jos 3 mn:n eli 10 k:n tarkkuus 5, k, jos 4 mn:n eli 1 k:n tarkkuus 2) Yhteen- ja vähennyslaskuissa pyöristyksen määrää desimaalien lukumäärä. Tällöin epätarkin lähtöarvo on se, jossa desimaaleja on vähiten. Yhteen- ja vähennyslaskuissa suureilla täytyy olla sama yksikkö. 114

115 Esimerkkejä 11,12 cm 3 + 1,2 cm 3 + 3,107 cm 3 = 15,427 cm 3 15,4 cm 3, koska epätarkimmassa lähtöarvossa 1,2 cm 3 on yksi desimaali (11,12 cm 3 :ssa on kaksi ja 3,107 cm 3 :ssa kolme desimaalia). 2,67 k ,6 = 2,67 k + 0,396 k - 0,1996 k = 2,8664 k 2,87 k, koska epätarkimmassa lähtöarvossa 2,67 k on kaksi desimaalia. Tilavuus 270 ml on mitattu 500 ml:n mittalasilla (tarkkuus enintään 10 ml) ja tilavuus 65 ml 100 ml:n mittalasilla (tarkkuus enintään 1 ml): 270 ml + 65 ml = 335 ml 340 ml = 3, ml, koska epätarkin mittaus on tehty 10 ml:n tarkkuudella. Kymmenpotenssimerkintä Jos luku tai suure on hyvin suuri tai pieni tai jos mittaustarkkuus halutaan ilmaista täsmällisesti, käytetään kymmenpotenssimerkintää, esimerkiksi N A = 6, /, 1u = 1, k ja 8, Kymmenpotenssimerkinnässä luku esitetään tulon muodossa a 10 n, jossa alkuosa a on kokonais- tai desimaaliluku yleensä väliltä Alkuosan avulla ilmoitetaan merkitsevien numeroiden lukumäärä. potenssiosa 10 n, jonka eksponentti n on positiivinen (jos suure 10) tai neatiivinen (jos suure 1) kokonaisluku. Esimerkkejä Eräässä bakteeriviljelmässä tiedetään olevan noin bakteeria. Alkuosa on 1,5 (2 mn) ja potenssiosa on 10 8, joten kpl = 1, kpl. Punaisten verisolujen läpimitta on noin 0, m. Alkuosa on 7,5 ja potenssiosa on 10-6, joten 0, m = 7, m m = 4, m (jos 3 mn) tai 4, m (jos 4 mn) Yksikönmuunnokset Etuliitteettömät yksiköt (esimerkiksi mooli, ramma, metri, kuutiometri ja joule) ovat usein epäkäytännöllisen suuria tai pieniä mittaustulosten ilmoittamiseen. Tällöin käytetään etuliitteitä, jotka ilmoittavat, kuinka monikertainen tai kuinka mones osa kerrannaisyksikkö on etuliitteettömään yksikköön verrattuna. Seuraavaan taulukkoon on kirjattu eniten käytettyjä etuliitteitä (taulukkokirja): 115

116 Nimi Tunnus Kerroin Nimi Tunnus Kerroin ia G 10 9 = sentti c = 100 mea M 10 6 = milli m = 1000 kilo k 10 3 = 1000 mikro µ = deka da 10 1 = 10 nano n = desi d 10 1 = 1/10 = 0,1 piko p = Yksikönmuunnoksia voidaan tehdä mm. seuraavilla tavoilla: 1) Suurempi yksikkö muutetaan pienemmäksi joko kertomalla suhdeluvulla tai kirjoittamalla etuliitteen paikalle kerroin. 2) Pienempi yksikkö muutetaan suuremmaksi joko jakamalla suhdeluvulla tai kirjoittamalla etuliitteen paikalle kerroin. Suhdeluku ilmoittaa, kuinka monikertainen suurempi yksikkö on pienempään verrattuna. Esimerkkejä 0,6776 k = 0, = 677,6, koska 1k = ,0059 = 0, m = 5,9 m, koska 1 = 1000 m 5, = 5, µ = 54,4 µ, koska 1 = µ = 10 6 µ 0,062 ml = 0, µl = 62 µl, koska 1 ml = 1000 µl m = = 46,8, koska 1 m = n = = 7,3 10 8, koska 1 n = 10 9 Tilavuuden yksiköissä 1 mm 3, 1 cm 3, 1 dm 3 ja 1 m 3 jälkimmäinen on aina 1000-kertainen edelliseen verrattuna. Ruokaohjeissa ja kuluttajapakkauksissa käytettävät vetomitat cl ja dl jakavat välin millilitrasta litraan niin, että jälkimmäinen on aina 10-kertainen edelliseen verrattuna. SI-yksikkö cm 3 dm 3 Vetomitat 1 ml 1 cl = 10 ml 1 dl = 100 ml 1 l = 1 dm 3 = 1000 ml 116

117 Esimerkkejä 2, m 3 = 2, cm 3 = 25,8 cm 3 = 25,8 ml, koska 1 m 3 = cm 3 = 10 6 cm 3 48 µl = 48/1000 ml = 0,048 ml = 0, l 4,5 dl = 4,5 10 cl = 45 cl = ml = 450 ml 8760k 8760 k/m 3 = dm = 8,760 k/dm3 ; k/dm 3 voidaan myös kirjoittaa muotoon k dm 3, koska 1/dm 3 = dm 3 ( 1 n a = a n ). Vastaavasti moolimassan yksikkö 1 / voi esiintyä muodossa

118 Tehtäviä 1. Kuinka monen merkitsevän numeron tarkkuudella seuraavat mittaustulokset on ilmoitettu? a) 12,107 b) 34,1 ml c) 0,0234 k d) 13,500 dm 3 e) 0, µl f) 0,0008 k/m 3 ) 174 m h) 3, m 3 i) 2, m/s 2. Kuinka monen desimaalin tarkkuudella seuraavat mittaustulokset on ilmoitettu? a) 123,56 b) 500 ml c) 250,006 dm 3 d) 16,2 n 3. Ilmoita yksikön avulla, millä tarkkuudella seuraavat mittaustulokset on ilmoitettu: a) 45,21 s b) 23,58 c) 50,0 ml d) 59,3422 e) 8, k f) (250,00 ± 0,02) dm 3 4. Muuta kymmenpotenssimerkinnäksi: a) ihmisen perimän (DNA:n) emäsparien lukumäärä b) kulta-atomin säde 0, m c) ihmisen arvioitu seleenin tarve vuorokaudessa 0, d) Suomen väkiluku noin 5 miljoonaa. 5. Muuta seuraavat massat laskinta käyttäen rammoiksi. Ilmoita vastaus kymmenpotenssimerkintänä. a) 3,456 k b) 6,2 m c) 6444 μ d) 26,7 tn 6. Muuta seuraavat tilavuudet laskinta käyttäen dm 3 :eiksi. Ilmoita vastaus desimaalilukuna. a) 56,7 ml b) 225 µl c) 2,4 dl d) 0,055 m 3 e) 293,5 mm 3 7. Laske laskimella ja pyöristä lopputulos oikeaan tarkkuuteen: 34,567k a) 2 23,42m 2,46m 23 kpl 54 b) 6, , m c) 0,245 dm ,6 cm 3 + 0,039 dm 3 d) 23 kpl 6, (2,6543 1,673) 55,85 118

119 Vastaukset 1. a) 5 b) 3 c) 3 d) 5 e) 3 f) 1 ) 3 h) 3 i) 9 2. a) 2 b) 0 c) 3 d) 1 3. a) sadasosasekunnin (0,01 s:n) tarkkuudella b) sadasosaramman (0,01 :n) tai 10 m:n tarkkuudella c) kymmenesosamillilitran (0,1 ml:n) tarkkuudella d) kymmenestuhannesosaramman (0,0001 :n) tai kymmenesosamilliramman (0,1 m:n) tarkkuudella e) kymmenesosatonnin (0,1 tn:n) eli 100 k:n tarkkuudella f) kahden sadasosakuutiodesimetrin (0,02 dm 3 :n) eli 20 cm 3 :n (20 ml:n) tarkkuudella. 4. a) 3, b) 1, m c) d) a) 3, b) 6, c) 6, d) 2, a) 0,0567 dm 3 b) 0,24 dm 3 c) 55 dm 3 d) 0, dm 3 7. a) 0,59998 k/m 3 0,600 k/m 3 b) 3, kpl/m 3 4, kpl/m 3 c) 0,3096 dm 3 0,310 dm 3 tai 310 cm 3 d) 1, kpl 1, kpl 119

120 Kertausta Kertaa: Reaktio 1 sivut 50, 52 Reaktio 2 sivut Kemiallinen kaava Reaktio Tunnista seuraavista kemiallisista kaavoista alkuaineet ja laske kunkin alkuaineen lukumäärä yhdisteessä: Esimerkki 1 H 2 Mn 2 M(H) 2 [Zn(H 2 ) 3 (NH 3 ) 3 ] 2+ Alaindeksi 2 kertoo, että rakenne koostuu kahdesta vetyatomista Ilman alaindeksiä kirjoitettu Mn tarkoittaa, että rakenteessa on yksi manaaniatomi ja :n alaindeksi 2 tarkoittaa, että rakenteessa on myös kaksi happiatomia. Ilman alaindeksiä kirjoitettu M tarkoittaa, että rakenteessa on yksi manesiumatomi ja sulkuihin kirjoitetun H:n alaindeksi 2 tarkoittaa, että rakenteessa on myös kaksi H -ryhmää. Eli yhdisteessä on yksi manesiumatomi, kaksi happiatomia ja kaksi vetyatomia. Ilman alaindeksiä kirjoitettu Zn tarkoittaa, että rakenteessa on yksi sinkkiatomi, ja sulkuihin kirjoitetun H 2 :n alaindeksi 3 tarkoittaa, että rakenteessa on lisäksi kolme vesiekyyliä, ja sulkuihin kirjoitetun NH 3 :n alaindeksi 3 tarkoittaa, että rakenteessa on myös kolme ammoniakkiekyyliä. Eli yhdisteessä on yksi sinkkiatomi, (3 1) = 3 happiatomia, (3 1) = 3 typpiatomia ja ( ) = 15 vetyatomia. [] 2+ merkintä tarkoittaa, että koko rakenteen sähkövaraus on +2. Jos kemialliset merkit tuntuvat hankalilta, korvaa kukin kemiallinen merkki erivärisillä Leopalikoilla tai erivärisillä paperilapuilla. ta kutakin palikkaa/lappua kaavan osoittama määrä ja laske niitä apuna käyttäen kunkin alkuaineen atomien lukumäärä rakenteessa. 120

121 Harjoituksia: C N HF HI BN HCl NaCl Ca FeS Pb 2 Cl 2 N 2 P 4 C 60 C 2 S 3 PCl 5 Pb 2 2- P 4 H 2 H 3 + N 2 H 2 S A 2 H 2 2 Fe 2 3 N 2 4 C 2 H 2 S 2 Cl 2 HN 3 H 2 S 4 H 3 P 4 - H 2 P 4 K 2 Mn 4 C 2 H 6 CH 3 CH BrCl C(NH 2 ) 2 CH 3 NH 2 M(H) 2 M 3 (H) 2 Si 4 10 (CH 3 ) 2 C (NH 4 ) 2 Cr 2 7 (C 6 H 5 N) 2 Ca 5 (P 4 ) 3 F Na 12 (Al 2 ) 12 (Si 2 ) 12 CaS 4 2H 2 Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 [Cu(NH 3 ) 2 (H 2 ) 4 ] 2 Reaktioyhtälön kirjoittaminen piskele: Reaktio 3 sivut Tarkastelemme aluksi vain tasapainotetun reaktioyhtälön vasenta puolta eli lähtöaineita. Laske kunkin alkuaineen atomien lukumäärä seuraavien reaktioyhtälöiden lähtöaineissa: Esimerkki 2 lähtöaineet atomilaskenta 2 NH 3 () Kerroin 2 tarkoittaa, että lähtöaineena on kaksi NH 3 ekyyliä. Eli lähtöaineissa on (2 1) = 2 N-atomia ja (2 3) = 6 H-atomia. ()-merkintä kertoo, että ammoniakin olomuoto on kaasu. C () + 2 H 2 () Ilman kerrointa kirjoitettu C tarkoittaa, että lähtöaineissa on yksi C, ja kerroin 2 H 2 :n edessä tarkoittaa, että näitä on kaksi kappaletta. Eli lähtöaineissa on yksi C- atomi, yksi -atomi ja (2 2) = 4 H-atomia. H 2 2 (aq) + 2 Fe 2+ (aq) + 2 H + (aq) Ilman kerrointa kirjoitettu H 2 2 tarkoittaa, että lähtöaineissa on yksi H 2 2, kerroin 2 Fe 2+ :n edessä tarkoittaa, että näitä on kaksi kappaletta, samoin kerroin 2 H + :n edessä. Eli lähtöaineissa on ( ) = 4 H-atomia, (1 2) = 2 -atomia ja (2 1) = 2 Fe-atomia. Jos kemialliset merkit tuntuvat hankalilta, korvaa kukin kemiallinen merkki erivärisillä Leopalikoilla tai erivärisillä paperilapuilla. ta palikoita/lappuja kaavan osoittama määrä ja laske niitä apuna käyttäen kunkin alkuaineen atomien kokonaislukumäärä lähtöaineissa. 121

122 Harjoituksia: 2 NaCl (s) CH 3 H (l) 2 H 2 2 (aq) C 11 H 24 3 H 2 () + N 2 () 2 Na (s) + Cl 2 () 2 K (s) + 2 H 2 (l) Ca (s) + 3 C (s) 2 N () + 2 () C 2 H 2 () + 2 H 2 () CH 3 Br (aq) + H - (aq) CH 3 H (l) + 2 () Ca (s) + H 2 (l) Fe 2 3 (s) + 3 C () Mn 2 (s) + 2 Cl - (aq) + 4 H + (qa) Lisäämme reaktioyhtälöihin tuotteet. Laske kuinka paljon kutakin tuotetta annetuista lähtöaineista voi muodostua. Esimerkki 3 Reaktioyhtälö Atomilaskenta Tasapainotettu reaktioyhtälö 2 NH 3 () H 2 () + N 2 () Lähtöaineissa on (2 1) = 2 N-atomia ja (2 3) = 6 H-atomia. Eli N 2 :ta voi syntyä yksi kappale 2 NH 3 () 3 H 2 () + N 2 () C () + 2 H 2 () CH 3 H (l) H 2 2 (aq) + 2 Fe 2+ (aq) + 2 H + (aq) H 2 (l) + Fe 3+ (aq) ja H 2 :ta voi syntyä 3 kappaletta. Lähtöaineissa on yksi C-atomi, yksi -atomi ja (2 2) = 4 H-atomia. Tuotteessa on yksi C-atomi, yksi -atomi ja (3 + 1) = 4 H-atomia eli sitä voi syntyä yksi kappale. Lähtöaineissa on ( ) = 4 H-atomia, (1 2) = 2 -atomia ja (2 1) = 2 Fe-atomia. Tuotteissa on (1 2) = 2 H-atomia, yksi -atomi ja yksi Fe-atomi eli vettä voi syntyä 2 kappaletta ja Fe 3+ :a 2 kappaletta. C () + 2 H 2 () CH 3 H (l) H 2 2 (aq) + 2 Fe 2+ (aq) + 2 H + (aq) 2 H 2 (l) + 2 Fe 3+ (aq) Jos kemialliset merkit tuntuvat hankalilta, korvaa kukin kemiallinen merkki erivärisillä Leopalikoilla tai erivärisillä paperilapuilla. ta palikoita/lappuja kaavan osoittama määrä ja laske niitä apuna käyttäen kunkin alkuaineen atomien kokonaislukumäärä lähtöaineissa. 122

123 Sijoita palikat ensin lähtöaineiden puolelle ja siirtele ne sitten tuotteiden puolelle tuotteiden kaavan mukaisesti. Eli kemiallisen reaktion aikana atomien välisiä vanhoja sidoksia katkeaa ja reaktion tuloksena atomien välille syntyy uusia sidoksia, jolloin muodostuu reaktiotuotteina uusia, lähtöaineista poikkeavia yhdisteitä. Reaktioyhtälö Atomilaskenta Tasapainotettu reaktioyhtälö 2 NH 3 () H 2 () + N 2 () Lähtöaineissa on (2 1) = 2 N-atomia ja (2 3) = 6 H-atomia. Eli N 2 :ta voi syntyä yksi kappale ja H 2 :ta voi syntyä 3 kappaletta. 2 NH 3 () 3 H 2 () + N 2 () Harjoituksia: Lähtöaineet on tasapainotettu valmiiksi. Laske, kuinka paljon annettuja tuotteita voi syntyä. Lähtöaineet (kertoimet oikein), tuotteet (ei tasapainossa) Lisää kerroin, kun tuotteet tasapainossa. 2 NaCl (s) Na (s) + Cl 2 () Na (s) + Cl 2 () 2 CH 3 H (l) CH 4 () + 2 () CH 4 () + 2 () 2 H 2 2 (aq) H 2 (l) + 2 () H 2 (l) + 2 () C 11 H 24 C 4 H 10 + C 4 H 8 + C 3 H 6 C 4 H 10 + C 4 H 8 + C 3 H 6 3 H 2 () + N 2 () NH 3 () NH 3 () 2 Na (s) + Cl 2 () NaCl (s) NaCl (s) 2 K (s) + 2 H 2 (l) K + (aq) + H (aq) + H 2 () K + (aq) + H (aq) + H 2 () Ca (s) + 3 C (s) CaC 2 (s) + C () CaC 2 (s) + C () 2 N () + 2 () N 2 4 () N 2 4 () C 2 H 2 () + 2 H 2 () CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 Br (aq) + H (aq) CH 3 H (aq) + Br (aq) CH 3 H (aq) + Br (aq) CH 3 H (l) + 2 () CH 3 CH (l) + H 2 (l) CH 3 CH (l) + H 2 (l) Ca (s) + H 2 (l) Ca(H) 2 (aq) Ca(H) 2 (aq) Fe 2 3 (s) + 3 C () Fe (s) + C 2 () Mn 2 (s) + 2 Cl (aq) + 4 H + (qa) Mn 2+ (aq) + H 2 (l) + Cl 2 () Fe (s) + C 2 () Mn 2+ (aq) + H 2 (l) + Cl 2 () 123

124 Seuraavaksi harjoittelemme kokonaisen reaktioyhtälön tasapainottamista Reaktio 3:n harjoitustehtävien avulla. Kertaa Reaktio 3:n sivut hessa on myös lisäharjoituksia reaktioyhtälön tasapainottamiseen. Huomaa, että tehtävien vaikeus vaihtelee satunnaisesti. a) NH 3 + Cu N 2 + Cu + H 2 b) NH 3 + Br 2 N 2 + NH 4 Br c) Al C + N 2 AlN + C d) NH N + H 2 e) NH 2 H N 2 + NH 3 + H 2 f) NH 3 + F 2 NF 3 + NH 4 F ) HN 3 + H 2 + As 2 3 N H 3 As 4 h) NH N 2 + H 2 i) Ca 3 (P 4 ) 2 + C Ca 3 P 2 + C j) P 4 + KH + H 2 PH 3 + KH 2 P 2 k) PBr 3 + M P + MBr 2 l) Ca 3 (P 4 ) 2 + Si 2 + C CaSi 3 + C + P 4 m) H 3 P 4 + Pb 2 PbP H 2 n) P 4 + H 2 + e - PH 3 + H - o) NH 3 + P 4 PN 2 H + H 2 p) Ca 5 (P 4 ) 3 F + H 2 S 4 + H 2 H 3 P 4 + CaS 4 2H 2 + HF 124

125 Saanto Kertaa käsite prosentti: tarkoittaa sadasosaa. Esimerkki 1 Pohdi, mitä tarkoittaa nuorisovaatekaupan ikkunassa oleva mainos: tänään 20 % kaikista t-paidoista. 100 maksavasta t-paidasta saat alennusta 20 % 100 = % Esimerkki 2 t-paita maksaa 55, tänään 10. Kuinka monta prosenttia saat alennusta? alennus-% = % 18 % 55 = Kemiassa pätevät samat prosenttilaskusäännöt kuin matematiikassa tai nuorisovaatekaupassa. Harjoitus 1 Ureasynteesin 2 NH 3 () + C 2 () C(NH 2 ) 2 (s) + H 2 (l) teoreettinen saanto oli 601 k. Puhdistettua reaktiotuotetta saatiin kuitenkin 477 k. Mikä oli synteesireaktion saantoprosentti? Harjoitus 2 Reaktiossa 2 CH 4 () + S 8 () 2 CS 2 () + 4 H 2 S () oli CS 2 :n teoreettinen saanto 82,5 ja saantoprosentti 92 %. Kuinka paljon oli todellinen saanto? 125