Reaktio 4 opettajan opas Tehtävien ratkaisut

Transkriptio

1 1. painos Tekijät ja Kustannusosakeyhtiö Tammi ISBN Painopaikka: Edita Prima y, Helsinki

2 pettajalle... 5 Tuntisuositus Työ Tenttisuunnitelma kurssin itsenäistä suorittamista varten... 7 Tarvittavat kemikaalit... 8 Luku h 1.2. Hapetusluvut h Työ sareaktiot ja reaktioyhtälön kertoimet h Luku Sähköä kemiallisesta energiasta h 2.2. Normaalipotentiaalit h 2.3 Korroosio h Akut, paristot ja polttokennot h 2.4. Elektrolyysi: sähkövirta pakottaa reagoimaan h Työ 2 Luku Sidostyyppejä ja reaktiotyyppejä, vety yhdisteet h 3.2 Happiyhdisteet h 3.3 Rikin kemiaa h 3.4 Typen ja fosforin kemiaa h 3.5 Halogeenien kemiaa h 3.6 Metallit h Työ 3 Luku Materiaalit ja aineiden ominaisuudet h 4.2 Polymeerit h Työ Luonnon polymeerit h Työ 4, Luonnon materiaaliratkaisuja Liimat ja kovettuvat hartsit Venyvät materiaalit Tekstiilit ja kuidut Pakkausmateriaalit Työ Rakennusmateriaalit Maalit ja pinnoitteet KE4 Kurssikoe K4 Kurssikokeen ratkaisut Tehtäväpankki

3 (tsikon jälkeen oleva merkintä "sivu x" viittaa kirjan sivuun) Kalvopohjat luvuittain Luku Myrkkyjä ja niiden vaikutuksia, sivu Myrkyllisiä eliöitä ja LD50-arvoja, sivu sareaktioiden kirjoittamisohjeet, sivut Reaktiotyyppejä, sivu Luku Kennoreaktioita, sivut 29, Sähkökemiallinen jännitesarja, sivu Raudan ruostuminen, sivu Galvaaninen ja elektrolyysikenno, sivu Elektrodireaktiot, sivu Vesiliuoksen elektrolyysi, sivu Anodi osana elektrolyysiä, sivu Luku Happiyhdisteitä, sivut 67 ja Typpeä sisältäviä molekyylejä, sivu Fosforia sisältäviä molekyylejä, sivu Malmin rikastus, sivu Masuuni, sivu Alumiinin hydrolyysi, sivu Luku Polyesteri, sivu Kolloidit, sivu Polykondensaatio ja polyesterin muodostuminen, sivut 113 ja Polyamidien muodostuminen, sivut 114 ja Proteiinit, sivu Peptidiketju, sivu Rakenteita, sivu Tärkkelys, sivu Tärkkelys, sivu Selluloosa, sivu Kitiini, sivu Epoksiliima ja pikaliima, sivu Koontitaulukko, sivu CD-RM pettajan oppaan mukana tulevalla cd-romilla on laajempi kokoelma kalvopohjia sekä esityskäyttöön tarkoitetussa powerpoint-muodossa että tulostettavaksi pdf-muodossa. 4

4 pettajalle Reaktioiden ja reaktiotyyppien opiskelun punainen lanka Reaktio-sarjassa: Hiiliyhdisteiden reaktiot on opiskeltu 1. ja 3. kurssissa. Pääosa epäorgaanisista reaktioista ja reaktiotyypeistä käsitellään tässä 4. kurssissa. Protoninsiirtoreaktiot ovat 5. kurssin keskeisiä sisältöjä. Johdannon tarkoituksena on opastaa oppilasta vastuulliseen ja itsenäiseen ajatteluun monisyisen aihekokonaisuuden parissa. Kemikaaleihin ja luonnonaineisiin liittyy ihmisten mielissä monia näkökulmia, intsessejä ja eettistä lähtökohtia. Ajan salliessa oppilailla voi teettää aiheesta katsauksia, esityksiä tai esseitä. Aihepiiri tarjoaa hienot mahdollisuudet oppiainerajat ylittäviin pohdintoihin ja monitieteisen kokonaiskuvan hahmottamiseen. Aloituskysymyksissä palautetaan mieleen muutamia asioita, joihin 4. kurssin sisällöt ankkuroituvat. Luvussa 1 opetetaan hapettumis-pelkistymisreaktion tasapainottaminen ja kerrataan stoikiometrisia laskuja. Menetelmä on luonteeltaan prosessuaalinen, joten sen harjoitteluun on varattava riittävästi aikaa. Esimerkeissä menetelmän logiikka on avattu yksityiskohtaisesti oppimisen tueksi. ppilaat voivat edelleenkin käyttää Reaktio 3-kirjassa esitettyä alkuaineatomien lukumäärien tasapainottamiseen perustuvaa menetelmää. Tässä kirjassa esitelty menetelmä on kuitenkin tarpeen varmuutensa takia vaativien hapetus-pelkistysreaktioiden tasapainottamissa. Harjoitteluun kuluva aika ei mene hukkaan, koska harjaantunut oppilas voi yhdistellä välivaiheita ja vähentää kirjoittamistyötään. Luvun 2 alkuosa antaa oppilaille työkalut ymmärtää ja kuvata erilaisia hapettumispelkistymisreaktioita ja kemiallisen energian muuttumista sähköenergiaksi.tehtävissä oppilas joutuu yhdistämään normaalipotentiaalitaulukon soveltamistaidon ja (osa)reaktioiden kirjoittamistaidon: tämä ei onnistu ilman (ohjattua) harjoittelua. Sähkökemian sovelluksina käsitellään korroosio, akut, paristot ja polttokenno. Nämä sisällöt voidaan antaa oppilaille kotitehtäväksi esimerkiksi niin, että oppilaat jaetaan ryhmiin, jotka esittelevät seuraavalla tunnilla tuotoksensa muille. Luvun 2 loppuosassa käsitellään elektrolyysiä ja sen sovelluksia. Sivulla 48 on selventävä yhteenveto galvaanisen kennon ja elektrolyysikennon rakenne- ja toimintaeroista, jotta asiat eivät menisi sekaisin oppijan mielessä. Elekrolyytin sähkönjohtokyky ja suljetun virtapiirin syntyminen saattaa jäädä oppilaille epäselväksi ellei asiaan oppituntipuheessa paneuduta. Luku 3 keskittyy alkuaineiden kemiaan ja kytkee asioita ympäristöön ja aikaisempiin tietoihin kemian tietopohjan ja yleissivistyksen vahvistamiseksi. Alussa kerrataan vahvat sidokset ja jatketaan epämetallien happi ja vety-yhdisteillä. ksidien ja hydridien opiskelu antaa pohjan niiden happo-emäs-ominaisuuksien käsittelyyn 5. kurssissa. Luvun lopussa perehdytään metallien jalostustukseen malmista metalliksi. Luvussa 3 on runsaasti erityyppisiä tehtäviä, jotka mittaavat sekä kemian ymmärtämistä että syventävät erityyppisten stoikimetristen tehtävien laskutaitoja. Näiden tehtävien reaktioyhtälöiden tasapainottamisessa kannattaa käyttää useimmissa tapauksissa Reaktio 3- kirjassa esitettyä yksinkertaisempaa menetelmää. 5

5 Luku 4 käsittelee erilaisia materiaaleja, niiden ominaisuuksia ja rakenteen ja ominaisuuksien välisiä yhteyksiä. Kurssin ydinsisällöt ovat aloitusluvuissa Luvun 4.2 jälkeen on syytä kerrata tai opiskella, jos ei ole aikaisemmin ehditty, 1. kurssin luku 6.3 (Elämän rakennusaineet) ennakkojäsentäjäksi ja tiedon ankkuriksi tämän kurssin syventäville sisällöille. Luvusta 4.4 lähtien oppilaille voidaan antaa ryhmätyöaiheita esitettäväksi Erilaisia materiaaleja -koontitunnille. Laboroinneista työt 1, 4 ja 5 ehditään tehdä yhden oppitunnin aikana, mutta työt 2, 3 ja 6 vaativat kaksoistunnin. Jakson tuntimäärästä riippuen ehdittäneen tehdä 1-3 oppilastyötä. pettajan oppaan cd-rom sisältää tehtävien ratkaisut sekä pdf- muodossa, että muokkauskelpoisessa word-muodossa hyödynnettäväksi opetuksen tukena. Cd-romilla on myös kurssikoe sekä tehtäväpankki muokattavassa muodossa ratkaisuineen. petuskalvoista on cd-romilla laajempi kokoelma sekä tulostettavina versioina että powerpoint-esityksinä. 6

6 Tenttisuunnitelma kurssin itsenäistä suorittamista varten Luku 1.2 Tehtävät: 1, 3, 4 Luku 1.3 Tehtävät: 5, 7, 8, 10, 11, 12 Luku 2.1 Tehtävät: 16 Luku 2.2 Tehtävät: 17, 18, 19, 21, 26 Luku 2.3 Tehtävät: 27, 28, 29, 30, 31 Luku 2.4 Tehtävät: 32, 33, 34, 36, 37, 39, 42, 43 Luku 3.1 Tehtävät: 46, 47, 48, 49, 50 Luku 3.2 Tehtävät: 52, 53, 54, 55, 57 Luku 3.3 Tehtävät: 59, 60, 61, 62, 64, 66 Luku 3.4 Tehtävät: 67, 68, 69, 71 Luku 3.5 Tehtävät: 72, 73, 75, 77, 78 Luku 3.6 Tehtävät: 79, 80, 81, 82, 83, 84 Luku 4.1 Tehtävät: 86, 87 Luku 4.2 Tehtävät: 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 96, 98, 99 Luku 4.3 Tehtävät: 100,101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 110, 112, 113,114, 115, 117 Luku 4.4 Tehtävä 118 Luku 4.5 Tehtävät: 119, 120, 121 Lisäkysymykset: 1) Mihin kahteen pääluokkaan liimat jaetaan? 2) Mitä kuivumalla tai kemiallisella reaktiolla kovettuvaa mono- tai polymeeriä sisältää a) puuliima b) epoksiliima c) pikaliima d) pellavaöljy? 3) Millaista materiaalia kutsutaan lujitemuoviksi tai komposiitiksi? Luku 4.6 Tehtävät 122, 123 Lisäkysymykset: 1) Mitä tarkoittaa kumin vulkanointi ja miksi sekä luonnonkumi että tekokumikumi pitää vulkanoida? 2) Kuvaile silikonikumien eli lyhyesti silikonien rakennetta. Miksi silikonit kestävät korkeitakin lämpötiloja? 3) Mitä tuotteita silikoneista valmistetaan ja miksi? Luku 4.7 Tehtävät 124, 125 Lisäkysymykset: 1) Miksi polyesteri- ja polyamidikuidut ovat painoonsa nähden erittäin lujia ja taipuisia? 2) Selitä, miksi kevlar on lujaa ja esimerkiksi luodinkestäviin liiveihin mukavampi materiaali kuin teräksestä valmistettu haarniska? 3) Tarkastele spandexin rakennekaavaa ja selitä, miksi spandex ja venyvää? Luku 4.8 Tehtävät: 126, 127, 128 Luku 4.9 Tehtävät: 130, 131 Luku 4.10 Tehtävät: 132, 133 Kokeelliset kotitehtävät ovat 23 ja 129, joista laaditaan kirjallinen raportti. 7

7 Tarvittavat kemikaalit bromitymolisininen (0,1 % 20 prosenttisessa etanolissa) disakkaridejä, esimerkiksi sakkaroosi ja laktoosi etanoli floroglusinoliliuos: Liuota 3,5 g floroglusinolia (1,3,5 trihydroksibentseeniä) 50 ml:aan vetykloridihapon vesiliuosta (väkevä HCl / vesi 1:1) 0,1 M hopeanitraattiliuos jodiliuos: (liuos ei saa olla muutamaa kuukautta vanhempaa) Liuota 0,88 g kaliumjodidia noin 3 ml:aan lämmintä tislattua vettä. Sekoita niin kauan, että kiteet liukenevat. Lisää 0,22 g jodikiteitä ja sekoita, kunnes jodi liukenee. Laimenna 100 ml:ksi tislatulla vedellä. (Tätä liuosta voi ostaa apteekista Jodopaxnimellä. Liuosta käytetään eläinten haavojen desinfiointiin.) 0,50 M kaliumjodidiliuos: kaliumjodidiliuos, KI(aq), johon lisätään muutama pisara 1,0 M rikkihappoliuosta, jotta liuos on hieman hapan 0,020 M kaliumpermanganaattiliuos, KMn4(aq) 1 M kuparisulfaattiliuos, CuS4 5 H2(aq) 0,10 M kuparisulfaattiliuos, CuS4 5 H2(aq) 10 % kuparisulfaattiliuos, CuS4 5 H2(aq) kuparia paloina, jauheena, rakeina tai lastuina tai kuparinauloja ligniinipitoista näytteitä, esimerkiksi sanomalehtipaperia, aikakauslehtipaperia, suodatinpaperia, perunankuoria, appelsiininkuoria, kaurahiutaleita ja leikeltyjä kasvinosia 2,0 M natriumhydroksidiliuos, NaH(aq) 5 % natriumkarbonaattiliuos, Na2C3(aq) 0,15 M natriumkloridiliuos, NaCl(aq) 2,0 M natriumkloridiliuos, NaCl(aq) väkevä natriumkloridiliuos, NaCl(aq) (neljä muovilusikallista 100 ml:aan vettä) magnesiumia paloina, jauheena, rakeina, lastuina tai nauhana metyylioranssi (0,1 % vedessä) monosakkaridejä, esimerkiksi glukoosia ja fruktoosia muovinäytteitä: polyeteeni (LDPE, HDPE), polypropeeni (PP), polystyreeni (PS), polyvinyylikloridi (PVC), polyeteenitereftalaatti (PET) partakoneen terän palanen (¼ normaalista tai ½ kertakäyttöterästä, noin 100 mg) polysakkaridia, esimerkiksi perunajauhoja 4 M rikkihappo, H2S4(aq) 1 M rauta(ii)sulfaattiliuos, FeS4(aq) rautaa paloina, jauheena, rakeina tai lastuina tai rautanauloja sinkkiä paloina, jauheena, rakeina tai lastuina tai kuumasinkittyjä nauloja 1 M sinkkisulfaattiliuos, ZnS4(aq) tislattua vettä tärkkelyspitoisia elintarvikkeita, kuten perunajauhoja, omenaviipaleita, lenkkimakkaraa, korppujauhoja, liivatejauhetta, juustoa, soijarouhetta 2,0 M vetykloridihappoliuos, HCl(aq) 8

8 Luku 1

9 1.2. Hapetusluvut 1. Kertaa Reaktio 2 kirjasta s hapetusluvun käsite ja laskusäännöt, joilla hapetusluku lasketaan. Päättele sitten seuraavien alkuaineiden hapetusluvut: a) Mg(s) b) Mg 2+ (aq) c) Mg(s) d) Cl2 e) 2 1. f) S2 g) H2S h) N2 i) N2 1. n) Pb(N3)2 o) K2Cr27 p) CaC3 q) Ca(HC3)2 1. j) H k) N3 l) N2 m) P4 3 a) Mg(s) 0, perustilainen alkuaine b) Mg 2+ (aq) +II, ionin hapetusluku = ionin varaus c) Mg(s) Mg: +II, : II d) Cl2 0, perustilainen alkuaine e) 2 0, perustilainen alkuaine f) S2 : II joten S: x + 2 ( II) = 0, josta x = +IV g) H2S H: +I, joten S: 2 (+I) +x = 0, josta x = II h) N2 : II, joten N: x + 2 ( II) = 0, josta x = +IV i) N2 : II, joten N: 2x + II = 0, josta x = +I j) H. II, H: +I k) N3 : II, joten N: x + 3 ( II) = 1, josta x = +V l) N2 : II, joten N: x + 2 ( II) = 1, josta x = +III m) P4 3 : II, joten P: x + 4 ( II) = 3, josta x = +V n) Pb(N3)2 koostuu Pb 2+ ionista ja kahdesta N3 ionista. Pb: +II, vrt. k kohta : II, N: +V o) K2Cr27 : II, K jaksollisen järjestelmän 1. ryhmässä(alkalimetalli), joten vain K + ioni mahdollinen; K: +I, joten Cr: 2 (+I) + 2x + 7 ( II) = 0, josta x = +VI 2. tapa: tunnista dikromaatti-ioni taulukkokirjan avulla ja laske hapetusluvut siitä. p) CaC3 : II, Ca jaksollisen järjestelmän 2. ryhmässä (maa alkalimetalli), joten vain Ca 2+ -ioni mahdollinen; Ca: +II, joten C: +II + x + 3 ( II) = 0, josta x = +IV 2. tapa: tunnista karbonaatti ioni taulukkokirjan avulla ja laske hapetusluvut siitä. q) Ca(HC3)2 Ca: +II, H: +I, : II, joten C: +II + 2 (+I) + 2x ( II) = 0, josta x = + IV 2. Hapetuslukujen kirjanpidollinen luonne havainnollistuu esimerkiksi seuraavissa yhdisteissä. Näissä tapauksissa hapetuslukujen muutokset voidaan tulkita vasta kun tarkasteltavien yhdisteiden rakenteet tunnetaan tarkemmin. Laske sääntöjen avulla a) natriumtiosulfaatin Na2S23 b) kaliumsuperoksidin K2 c) rautaoksidin Fe34 alkuaineiden hapetusluvut. 10

10 a) natriumtiosulfaatin Na2S23 Na: jaksollisen järjestelmän 1. ryhmässä (alkalimetalli), joten vain Na + -ioni mahdollinen; Na: +I, : II, joten S: 2 (+I) + 2x + 3 ( II) = 0, josta x = +II. Tiosulfaattiioni S23 2 on rakenteeltaan samanlainen kuin sulfaatti ioni S4 2. Happi ja rikki ovat molemmat 16. ryhmän alkuaineita ja tiosulfaatti ioni voidaan ajatella sulfaatti-ionina, jossa yksi happiatomi on korvautunut rikkiatomilla, joten tämän rikin hapetusluku on II, jolloin keskusrikin hapetusluku on x + 4 ( II) = 2, josta x = +VI. b) kaliumsuperoksidin K2: jos : II on K: x + 2 ( II) = 0, josta x = +IV. Kalium on jaksollisen järjestelmän 1. ryhmän alkuaine (19K: elektronikonfiguraatio: [Ar]4s 1 ), joten vain K + ioni on mahdollinen. Hapen hapetusluku ei siis voi olla II vaan +I + 2x = 0, josta x = ½. Raskaimmat alkalimetallit (K, Rb, Cs) muodostavat superoksideja, joissa on 2 -ioni. c) rautaoksidin Fe34 : II, joten Fe: 3x + 4 ( II) = 0, josta x = +8/3. Yhdiste muodostuu yhdestä Fe yksiköstä ja kahdesta Fe23 yksiköstä: Fe 2 Fe23 eli : II, jolloin Fe:ssa Fe: +II ja Fe23:ssa 2x + 3 ( II) = 0, josta x = +III. 3. Päättele kunkin alkuaineen hapetusluku sekä tunnista hapettuvat ja pelkistyvät alkuaineet. a) Sn(s) + 2(g) Sn2(s) b) 2 Na(s) + F2(g) 2 NaF(s) c) Mg(s) + Cu 2+ (aq) Mg 2+ (aq) + Cu(s) d) 2 Al(s) + 3 Cl2(g) 2 AlCl3(s) 3. e) C(g) + H2(g) C(s) + H2(g) f) 2 Al(s) + 6 H + (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 H2(g) g) 3 Fe(N3)2(aq) + 2 Al(s) 3 Fe(s) + 2 Al(N3)3(aq) a) Sn(s) + 2(g) Sn2(s) Sn: 0, : 0, Sn2: : II, joten Sn: x + 2 ( II) = 0, josta x = +IV hapetusluku alkuaine hapetusluvun elektroneja tapahtuu muutos siirtyy kpl/atomi kasvaa Sn 0 +IV luovuttaa 4 e hapettuminen pienenee 0 II vastaanottaa 2 e pelkistyminen b) 2 Na(s) + F2(g) 2 NaF(s) hapetusluvut: Na: 0, F: 0, NaF: Na: +I, joten F: +I + x = 0, josta x = I hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy tapahtuu kpl/atomi kasvaa Na 0 +I luovuttaa yhden e hapettuminen pienenee F 0 I vastaanottaa yhden pelkistyminen e 11

11 c) Mg(s) + Cu 2+ (aq) Mg 2+ (aq) + Cu(s) hapetusluvut: Mg: 0, Cu: +II, Mg 2+ : +II: Cu: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun elektroneja tapahtuu muutos siirtyy kpl/atomi kasvaa Mg 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen pienenee Cu +II 0 vastaanottaa 2 e pelkistyminen d) 2 Al(s) + 3 Cl2(g) 2 AlCl3(s) hapetusluvut: Al: 0, Cl: 0, Al: +III, Cl: I hapetusluku alkuaine hapetusluvun elektroneja tapahtuu muutos siirtyy kpl/atomi kasvaa Al 0 +III luovuttaa 3 e hapettuminen pienenee Cl 0 I vastaanottaa yhden e pelkistyminen 3. e) C(g) + H2(g) C(s) + H2(g) hapetusluvut: C: +II, : II, H: 0, C: 0, H: +I, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy tapahtuu kpl/atomi kasvaa H 0 +I luovuttaa yhden e hapettuminen pienenee C +II 0 vastaanottaa 2 e pelkistyminen f) 2 Al(s) + 6 H + (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 H2(g) hapetusluvut: Al: 0, H: +I, Al 3+ : III, H: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu kasvaa Al 0 +III luovuttaa 3 e hapettuminen pienenee H +I 0 vastaanottaa yhden e pelkistyminen g) 3 Fe(N3)2(aq) + 2 Al(s) 3 Fe(s) + 2 Al(N3)3(aq) hapetusluvut: Fe: +II, N: +V, : II, Al: 0, Fe: 0, Al: +III, N: +V, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun elektroneja tapahtuu muutos siirtyy kpl/atomi kasvaa Al 0 +III luovuttaa 3 e hapettuminen pienenee Fe +II 0 vastaanottaa 2 e pelkistyminen 12

12 4. Päättele kunkin alkuaineen hapetusluku sekä tunnista hapetin ja pelkistin. a) 2 N(g) + 5 H2(g) 2 NH3(g) + 2 H2(g) b) 3 Cu(s) + 8 H + (aq) + 2 N3 (aq) 3 Cu 2+ (aq) + 4 H2(l) + 2 N(g) c) 3 Cl2(g) + 6 H (aq) 5 Cl (aq) + Cl3 (aq) + 3 H2(l) a) 2 N(g) + 5 H2(g) 2 NH3(g) + 2 H2(g) hapetusluvut: N: +II, : II, H: 0, N: III, H: +I, H: +I, :, II hapetuslukaine alku- hapetusluvun elektroneja muutos siirtyy kpl/atomi kasvaa H 0 +I luovuttaa yhden e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pienenee N +II III vastaanottaa 5 e pelkistyminen hapettimena b) 3 Cu(s) + 8 H + (aq) + 2 N3 (aq) 3 Cu 2+ (aq) + 4 H2(l) + 2 N(g) hapetusluvut: Cu: 0, H: +I, N: +V, : II, Cu 2+ : +II, H: +I, :, II, N: +II, : II hapettuminen pelkistimenä hapetuslukaine alku- hapetusluvun elektroneja siirtyy tapahtuu toimii muutos kpl/atomi kasvaa Cu 0 +II luovuttaa 2 e pienenee N +V +II vastaanottaa 3 e pelkistyminen hapettimena c) 3 Cl2(g) + 6 H (aq) 5 Cl (aq) + Cl3 (aq) + 3 H2(l) hapetusluvut: Cl: 0, : II, H: +I, Cl: I, Cl: +V, : II, H: +I, :, II Reaktiota, jossa sama alkuaine sekä hapettuu että pelkistyy kutsutaan disproportionaatioreaktioksi. hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Cl 0 +V luovuttaa 5 e hapettuminen pelkistimenä pienenee Cl 0 I vastaanottaa yhden e pelkistyminen hapettimena 13

13 1.3. sareaktiot ja reaktioyhtälön kertoimet 5. Tasapainota seuraavat osareaktiot ja tunnista, ovatko ne hapettumis vai pelkistymisreaktioita: a) Pb 2+ Pb2 b) Mn4 Mn 2+ c) I3 I2 5. d) S2 S4 2 e) S8 H2S f) Cr27 2 Cr 3+ g) N N3 a) Pb 2+ Pb2 hapetusluvut: Pb: +II, Pb: +IV, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa Pb +II +IV luovuttaa 2 e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä Tasapainottaminen: 1. Pb: Pb 2+ Pb2 2. : Pb H2 Pb2 3. H: Pb H2 Pb2 + 4 H + 4. e : Pb H2 Pb2 + 4 H e b) Mn4 Mn 2+ hapetusluvut: Mn: +VII, : II, Mn +II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi pienenee Mn +VII +II vastaanottaa 5 e tapahtuu toimii pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: 1. Mn: Mn4 Mn : Mn4 Mn H2 3. H: Mn4 + 8 H + Mn H2 4. e : Mn4 + 8 H e Mn H2 14

14 c) I3 I2 hapetusluvut: I: +V, : II, I: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi pienenee I +V 0 vastaanottaa 5 e tapahtuu toimii pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: 1. I: 2 I3 I2 2. : 2 I3 I2 + 6 H2 3. H: 2 I H + I2 + 6 H2 4. e : 2 I H e I2 + 6 H2 5. d) S2 S4 2 hapetusluvut: S: +IV, : II, S: +VI, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa S +IV +VI luovuttaa 2 e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä Tasapainottaminen: 1. S: S2 S : S2 + 2 H2 S H: S2 + 2 H2 S H + 4. e : S2 + 2 H2 S H e e) S8 H2S hapetusluvut: S: 0, H: +I, S:, II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi pienenee S 0 II vastaanottaa 2 e tapahtuu toimii pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: 1. S: S8 8 H2S 2. : happea ei nyt ole reaktiossa 3. H: S H + 8 H2S 4. e : S H e 8 H2S 15

15 f) Cr27 2 Cr 3+ hapetusluvut: Cr: +VI, : II, Cr 3+ : +III hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi pienenee Cr +VI +III vastaanottaa 3 e tapahtuu toimii pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: 1. Cr: Cr Cr : Cr Cr H2 3. H: Cr H + 2 Cr H2 4. e : Cr H e 2 Cr H2 g) N N3 hapetusluvut: N: +II, : II, N: +V, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa N +II +V luovuttaa 3 e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä Tasapainottaminen: 1. N: N N3 2. : N + 2 H2 N3 3. H: N + 2 H2 N3 + 4 H + 4. e : N + 2 H2 N3 + 4 H e 6. Tasapainota osareaktioita käyttäen a) Mg(s) + Ag + (aq) Mg 2+ (aq) + Ag(s) b) Zn(s) + Sn 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Sn(s) a) Mg(s) + Ag + (aq) Mg 2+ (aq) + Ag(s) hapetusluvut: Mg: 0, Ag + : +I, Mg 2+ : +II, Ag: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Mg 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee Ag +I 0 vastaanottaa yhden e pelkistyminen hapettimena 16

16 Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Mg: Mg(s) Mg 2+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Mg(s) Mg 2+ (aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Ag: Ag + (aq) Ag(s) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Ag + (aq) + e Ag(s) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Pelkistymisreaktio on siis kerrottava 2:lla. hapettuminen: Mg(s) Mg 2+ (aq) + 2 e pelkistyminen x 2: 2 Ag + (aq) + 2 e 2 Ag(s) kokonaisreaktio: Mg(s) + 2 Ag + (aq) Mg 2+ (aq) + 2 Ag(s) b) Zn(s) + Sn 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Sn(s) hapetusluvut: Zn: 0, Sn 2+ : +II, Zn 2+ : +II, Sn: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Zn 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee Sn +II 0 vastaanottaa 2 e Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Zn: Zn(s) Zn 2+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Sn: Sn 2+ (aq) + Sn(s) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Sn 2+ (aq) + 2 e Sn(s) pelkistyminen hapettimena 17

17 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Elektronit ovat jo tasapainossa. hapettuminen: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e pelkistyminen: Sn 2+ (aq) + 2 e Sn(s) kokonaisreaktio: Zn(s) + Sn 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Sn(s) 7. Tasapainota osareaktioita käyttäen seuraavat happamissa olosuhteissa tapahtuvat reaktiot: a) I (aq) + N2 (aq) I2(s) + N(g) b) I3 (aq) + Fe 2+ (aq) I2(s) + Fe 3+ (aq) 7. c) Mn4 (aq) + S2(g) S4 2 (aq) + Mn 2+ (aq) d) CuS(s) + N3 (aq) Cu 2+ (aq) + N(g) + S8(s) a) I (aq) + N2 (aq) I2(s) + N(g) hapetusluvut: I : I, N: +III, : II, I: 0, N: +II, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa I I 0 luovuttaa yhden e pienenee N +III +II vastaanottaa yhden e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. I: 2 I (aq) I2(s) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : 2 I (aq) I2(s) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. N: N2 (aq) N(g) 2. : N2 (aq) N(g) + H2(l) 3. H: N2 (aq) + 2 H + (aq) N(g) + H2(l) 4. e : N2 (aq) + 2 H + (aq) + e N(g) + H2(l) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Pelkistymisreaktio on siis kerrottava 2:lla. hapettuminen: 2 I (aq) I2(s) + 2 e pelkistyminen x 2: 2 N2 (aq) + 4 H + (aq) + 2 e 2 N(g) + 2 H2(l) kokonaisreaktio: 2 I (aq) + 2 N2 (aq) + 4 H + (aq) I2(s) + 2 N(g) + 2 H2(l) 18

18 b) I3 (aq)+ Fe 2+ (aq) I2(s) + Fe 3+ (aq) hapetusluvut: I: +V, : II, Fe 2+ : +II, I: 0, Fe 3+ : +III hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa Fe +II +III luovuttaa yhden e pienenee I +V 0 vastaanottaa 5 e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Fe: Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + e Pelkistymisreaktio: 1. I: 2 I3 (aq) I2(s) 2. : 2 I3 (aq) I2(s) + 6 H2(l) 3. H: 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) I2(s) + 6 H2(l) 4. e : 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) e I2(s) + 6 H2(l) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 10:llä. hapettuminen x 10: 10 Fe 2+ (aq) 10 Fe 3+ (aq) + 10 e pelkistyminen: 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) e I2(s) + 6 H2(l) kokonaisreaktio: 2 I3 (aq) + 10 Fe 2+ (aq) + 12 H + (aq) I2(s) + 10 Fe 3+ (aq) + 6 H2(l) c) Mn4 (aq) + S2(g) S4 2 (aq) + Mn 2+ (aq) hapetusluvut: Mn: +VII, : II, S: +IV, : II, S: +VI, : II, Mn 2+ : +II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa S +IV +VI luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee Mn +VII +II vastaanottaa 5 e pelkistyminen hapettimena 19

19 Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. S: S2(g) S4 2 (aq) 2. : S2(g) + 2 H2(l) S4 2 (aq) 3. H: S2(g) + 2 H2(l) S4 2 (aq) + 4 H + (aq) 4. e : S2(g) + 2 H2(l) S4 2 (aq) + 4 H + (aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Mn: Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) 2. : Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 3. H: Mn4 (aq) + 8 H + (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 4. e : Mn4 (aq) + 8 H + (aq) + 5 e Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 5:llä ja pelkistymisreaktio 2:lla. hapettuminen x 5: 5 S2(g) + 10 H2(l) 5 S4 2 (aq) + 20 H + (aq) + 10 e pelkistyminen x 2: 2 Mn4 (aq) + 16 H + (aq) + 10 e 2 Mn 2+ (aq) + 8 H2(l)_ kokonaisreaktio: 2 Mn4 (aq) + 5 S2(g) + 2 H2(l) 5 S4 2 (aq) + 2 Mn 2+ (aq) + 4 H + (aq) d) CuS(s) + N3 (aq) Cu 2+ (aq) + N(g) + S8(s) hapetusluvut: Cu: +II, S: II, N: +V, : II, Cu 2+ : +II, N: +II, : II, S: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa S II 0 luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee N +V +II vastaanottaa 3 e pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Tässä välivaiheista on jätetty pois olomuotomerkinnät. Riittää, kun ne ovat tasapainotetussa reaktioyhtälössä. Hapettumisreaktio: 1. S: 8 S 2 S8 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : 8 S 2 S e Pelkistymisreaktio: 1. N: N3 N 2. : N3 N + 2 H2 3. H: N3 + 4 H + N + 2 H2 4. e : N3 + 4 H e N + 2 H2 20

20 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 3:lla ja pelkistymisreaktio 16:lla. hapettuminen x 3: 24 S 2 3 S8+ 48 e pelkistyminen x 16: 16 N H e 16 N + 32 H2 kokonaisreaktio: 24 S N H + 16 N + 3 S H2 Lisätään vielä Cu 2+ ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon: 24 CuS(s) + 16 N3 (aq) + 64 H + (aq) 24 Cu 2+ (aq) + 16 N(g) + 3 S8(s) + 32 H2(l) 8. Tasapainota osareaktioita käyttäen seuraavat emäksisissä olosuhteissa tapahtuvat reaktiot: a) Mn2(s) + Cl3 (aq) Mn4 (aq) + Cl (aq) b) Cl2(g) Cl3 (aq)+ Cl (aq) 8. c) Fe(H)2(s) + 2(g) Fe(H)3(s) d) H22(aq) + Cl2(aq) Cl2 (aq) + 2(g) Tässä välivaiheista on jätetty pois olomuotomerkinnät. Riittää, kun ne ovat tasapainotetussa reaktioyhtälössä. a) Mn2 + Cl3 Mn4 + Cl hapetusluvut: Mn: +IV, : II, Cl: +V, : II, Mn: +VII, : II, Cl: I hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Mn +IV +VII luovuttaa 3 e hapettuminen pelkistimenä pienenee Cl +V I vastaanottaa 6 e Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Mn: Mn2 Mn4 2. : Mn H Mn4 3. H: Mn2 + 4 H Mn4 + 2 H2 4. e : Mn2 + 4 H Mn4 + 2 H2 + 3 e Pelkistymisreaktio: 1. Cl: Cl3 Cl 2. : Cl3 + 3 H2 Cl + 3 H + 3 H 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : Cl3 + 3 H2 + 6 e Cl + 6 H pelkistyminen hapettimena 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 2:lla 21

21 hapettuminen x2: 2 Mn2 + 8 H 2 Mn4 + 4 H2 + 6 e pelkistyminen: Cl3 + 3 H2 + 6 e Cl + 6 H kokonaisreaktio: 2 Mn2(s) + Cl3 (aq) + 2 H (aq) 2 Mn4 (aq) + Cl (aq) + H2(l) b) Cl2 Cl3 + Cl Tässä välivaiheista on jätetty pois olomuotomerkinnät. Riittää, kun ne ovat tasapainotetussa reaktioyhtälössä. (Reaktiota, jossa sama alkuaine sekä hapettuu että pelkistyy, kutsutaan disproportionaatioreaktioksi. hapetusluvut: Cl: +IV, : II, Cl: +V, : II, Cl : I hapetusluku alkuaine hapetus luvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Cl +IV +V luovuttaa yhden e hapettuminen pelkistimenä pienenee Cl +IV I vastaanottaa 5 e pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Cl: Cl2 Cl3 2. : Cl2 + 2 H Cl3 + H2 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : Cl2 + 2 H Cl3 + H2 + e Pelkistymisreaktio: 1.Cl: Cl2 Cl 2. : Cl2 + 2 H2 Cl + 2 H + 2 H 3. H: Cl2 + 2 H2 Cl + 4 H 4. e : Cl2 + 2 H2 + 5 e Cl + 4 H 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 5:llä. hapettuminen x 5: 5 Cl H 5 Cl3 + 5 H2 + 5 e pelkistyminen: Cl2 + 2 H2 + 5 e Cl + 4 H kokonaisreaktio: 6 Cl2(g) + 6 H (aq) 5 Cl3 (aq) + Cl (aq) +3 H2(l) 8. c) Fe(H)2(s) + 2(g) Fe(H)3(s) hapetusluvut: Fe: +II, : II, H: +I, : 0, Fe: +III, : II, H: +I hapetusluku alkuaine hapetusluvun elektroneja tapahtuu toimii muutos siirtyy kpl/atomi kasvaa Fe +II +III luovuttaa yhden e hapettuminen pelkistimenä pienenee 0 II vastaanottaa pelkistyminen hapettimena 2 e 22

22 Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Fe: Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + e Tai 1. Fe: Fe(H)2(s) Fe(H)3(s) 2. : Fe(H)2(s) + H (aq) Fe(H)3(s) 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : Fe(H)2(s) + H (aq) Fe(H)3(s) + e Pelkistymisreaktio: 1. : 2(g) 2 H (aq) 2. : 2(g) + 2 H2(l) 2 H (aq) +2 H (aq) 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : 2(g) + 2 H2(l) e 4 H (aq) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 4:llä. hapettuminen x 4: 4 Fe 2+ (aq) 4 Fe 3+ (aq) + 4 e pelkistyminen: 2(g) + 2 H2(l) + 4 e 4 H (aq) kokonaisreaktio: 4 Fe 2+ (aq) + 2(g) + 2 H2(l) 4 Fe 3+ (aq) + 4 H (aq) Lisätään reaktioyhtälön molemmille puolille 8 H ionia, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon: 4 Fe(H)2(s) + 2(g) + 2 H2(l) 4 Fe(H)3(s) tai hapettuminen x 4: 4 Fe(H)2(s) + 4 H (aq) 4 Fe(H)3(s) + 4 e pelkistyminen: 2(g) + 2 H2(l) + 4 e 4 H (aq) kokonaisreaktio: 4 Fe(H)2(s) + 2(g) + 2 H2(l) 4 Fe(H)3(s) d) H22(aq) + Cl2(aq) Cl2 (aq) + 2(g) hapetusluvut: H: +I, : I(poikkeus), Cl: +IV, : II, Cl: +III, : II, : 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa I 0 luovuttaa yhden e pienenee Cl +IV +III vastaanottaa yhden e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena 23

23 Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. : H22(aq) 2(g) 2. : H22(aq) + 2 H (aq) 2(g) 3. H: H22(aq) + 2 H (aq) 2(g) + 2 H2(l) 4. e : H22(aq) + 2 H (aq) 2(g) + 2 H2(l)+ 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Cl: Cl2(aq) Cl2 (aq) 2. : happi on jo tasapainossa 3. H: vetyä ei ole reaktiossa 4. e : Cl2(aq) + e Cl2 (aq) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Pelkistymisreaktio on siis kerrottava 2:lla. hapettuminen: H22(aq) + 2 H (aq) 2(g) + 2 H2(l) + 2 e pelkistyminen x 2: 2 Cl2(aq) + 2 e 2 Cl2 (aq) kokonaisreaktio: H22(aq) + 2 Cl2(aq) + 2 H (aq) 2 Cl2 (aq) + 2(g) + 2 H2(l) 9. Emäksisessä liuoksessa kaliumnitraatti reagoi alumiinin kanssa, jolloin syntyy ammoniakkia ja aluminaatti ioneja, Al(H)4. a) Laske alkuaineiden hapetusluvut. b) Mikä alkuaine hapettuu ja mikä pelkistyy? c) Tasapainota reaktioyhtälö osareaktioiden avulla. Tasapainottamaton reaktioyhtälö: KN3(aq) + Al(s) NH3(aq) + Al(H)4 (aq) emäksinen liuos a) hapetusluvut: K: +I, N: +V, : II, Al: 0, N: III, H: +I, Al: +III, : II, H: +I b) hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Al 0 +III luovuttaa 3 e hapettuminen pelkistimenä pienenee N +V III vastaanottaa 8 e c) Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Al: Al(s) Al(H)4 (aq) 2. : Al(s) + 4 H (aq) Al(H)4 (aq) 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : Al(s) + 4 H (aq) Al(H)4 (aq) + 3 e Pelkistymisreaktio: pelkistyminen hapettimena 24

24 1. N: N3 (aq) NH3(aq) 2. : N3 (aq) + 3 H2(l) + 3 H2(l) NH3(aq) + 6 H (aq) + 3 H (aq) (Nitraatti ionin kolme happiatomia ottaa H:n kolmesta vesimolekyylistä, jolloin syntyy 6 H -ionia. Kolmesta muusta vesimolekyylistä otetaan H ammoniakkiin ja jäljelle jää 3 H -ionia. Jos tehtävä tuntuu hankalalta, piirrä rakenteiden atomit erivärisinä pampuloina ja muodosta niistä tuotteet.) 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : N3 (aq) + 6 H2(l) + 8 e NH3(aq) + 9 H (aq) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 8:lla ja pelkistymisreaktio 3:lla. hapettuminen x 8: 8 Al(s) + 32 H (aq) 8 Al(H)4 (aq) + 24 e pelkistyminen x 3: 3 N3 (aq) + 18 H2(l) + 24 e 3 NH3(aq) + 27 H (aq) kokonaisreaktio: 3 N 3 (aq) + 8 Al(s) + 18 H 2(l) + 5 H (aq) 8 Al(H) 4 (aq) + 3 NH 3(aq) Lisätään lopuksi vielä kalium ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon. 3 KN3(aq) + 8 Al(s) + 18 H2(l) + 5 H (aq) 8 Al(H)4 (aq) + 3 NH3(aq) + 3 K + (aq) ,6 grammaa kuparimetallia liuotettiin happoliuokseen, jossa oli 84,0 g HN3:n molekyylejä. a) Tasapainota osareaktioiden avulla Cu(s) + HN3(aq) Cu(N3)2(aq) + N(g) + H2(l) b) Kuinka monta grammaa kuparinitraattia muodostui? a) Cu(s) + HN3(aq) Cu(N3)2(aq) + N(g) + H2(l) hapetusluvut: Cu: 0, H: +I, N: +V, : II, Cu: +II, N: +V, : II, N: +II, : II, H: +I, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Cu 0 +II luovuttaa hapettuminen pelkistimenä 2 e pienenee N +V +II vastaanottaa pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1.Cu: Cu(s) Cu 2+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e 3 e Pelkistymisreaktio: 1. N: N3 (aq) N(g) 2. : N3 (aq) N(g) + 2 H2(l) 3. H: N3 (aq) + 4 H + (aq) N(g) + 2 H2(l) 4. e : N3 (aq) + 4 H + (aq) + 3 e N(g) + 2 H2(l) 25

25 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 3:lla ja pelkistymisreaktio 2:lla. hapettuminen x 3: 3 Cu(s) 3 Cu 2+ (aq) + 6 e pelkistyminen x 2: 2 N3 (aq) + 8 H + (aq) + 6 e 2 N(g) + 4 H2(l) kokonaisreaktio: 3 Cu(s) + 2 N3 (aq) + 8 H + (aq) 3 Cu 2+ (aq) + 2 N(g) + 4 H2(l) josta nitraatti ionit ja kaksi protonia voidaan kirjoittaa typpihapoksi: 3 Cu(s) + 2 HN3(aq) + 6 H + (aq) 3 Cu 2+ (aq) + 2 N(g) + 4 H2(l) Ts. kaksi typpihappomolekyyliä kuluu hapettumis pelkistymisreaktioissa. Koska reaktio tapahtuu typpihappoliuoksessa, Cu 2+ -ionit halutaan kirjoittaa nitraatteina. Reaktioyhtälön kummallekin puolelle on lisättävä 6 N3 -ionia. Ne eivät osallistu elektroninsiirtoon vaan siirtyvät typpihaposta kupariyhdisteeseen. 3 Cu(s) + 2 HN3(aq) + 6 H + (aq) + 6 N3 (aq) 3 Cu 2+ (aq) + 2 N(g) + 4 H2(l) + 6 N3 (aq) 3 Cu(s) + 2 HN3(aq) + 6 HN3(aq) 3 Cu(N3)2(aq) + 2 N(g) + 4 H2(l) ja edelleen yhdistäen: 3 Cu(s) + 8 HN3(aq) 3 Cu(N3)2(aq) + 2 N(g) + 4 H2(l) 2. tapa: Reaktio voidaan tasapainottaa myös lähtien muodoista: hapettumisreaktio: Cu(s) + HN3(aq) Cu(N3)2(aq) pelkistymisreaktio: HN3(aq) N(g) b) m(cu) = 42,6 g m(hn3) = 84,0 g lasketaan ainemäärät: m 42, 6 g n(cu) = = = 0, mol M g 63, 55 mol m 84,0 g n(hn 3) = = = 1, mol M g (1, , ,00) mol 26

26 Reaktioyhtälö: 3 Cu(s) + 8 HN3(aq) 3 Cu(N3)2(aq) + 2 N(g) + 4 H2(l) reaktio yhtälön kertoimet ainemäärät Cu:n perusteella ainemäärät HN 3:n perusteella 3 Cu(s) + 8 HN 3(aq) 3Cu(N 3) 2(aq) +2N(g) +4H 2(l) ,6703 mol (käytettävissä) (3/8) 1,3329 mol (8/3) 0,6703 mol = 1,787 mol Rajoittaa 1,3329 mol (käytettävissä) (3/8) 1,3329 mol m(cu(n ) 3 2 = n M 3 g = 1, mol (63, , ,00) 8 mol = 93, g = 93,8 g 11. Kun epäjaloa sinkkimetallia käsiteltiin ylimäärällä rikkihapon vesiliuosta, muodostui sinkkisulfaattia (ZnS4) ja vetykaasua. a) Laadi reaktioyhtälö. b) Mikä oli sinkin puhtausprosentti, kun 3,86 gramman näytteestä saatiin 0,109 g vetykaasua? c) Mitä oletuksia laskussa tulee tehdä? (yo s2004) a) Zn(s) + H2S4(aq) ZnS4(s) + H2(g) hapetusluvut: Zn: 0, H: +I, S: +VI, : II, Zn: +II, S: +VI, : II, H: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Zn 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee H +I 0 vastaanottaa yhden e Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Zn: Zn(s) Zn 2+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e pelkistyminen hapettimena 27

27 Pelkistymisreaktio: rikkihappo luovuttaa protoninsa ja syntyy 2 H + -ionia ja sulfaatti-ioni S H: 2 H + (aq) H2(g) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: tasapainotettu vaiheessa 1, koska pelkistyy 4. e : 2 H + (aq) e H2(g) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Elektronit ovat jo tasapainossa. hapettuminen: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e pelkistyminen: 2 H + (aq) + 2 e H2(g) kokonaisreaktio: Zn(s) + 2 H + (aq) Zn 2+ (s) + H2(g) Lisätään vielä sulfaatti ionit, jotka lähtöaineissa ovat sitoutuneet H + ioneihin. Reaktioyhtälöön nämä on merkitty rikkihappona. Reaktiotuotteissa sulfaatti-ionit sitoutuvat sinkki-ioneihin. Zn(s) + H2S4(aq) ZnS4(s) + H2(g) b) m(näyte) = 3,86 g m(h2) = 0,109 g m 0,109 g n(h 2 ) = = = 0, mol M g 2 1,008 mol Reaktioyhtälö: Zn(s) + H2S4(aq) ZnS4(s) + H2(g) Zn(s) + H2S4(aq) ZnS4(s) + H2(g) reaktio yhtälön kertoimet ainemäärät kun 0,05406 mol vetyä on syntynyt 0,05406 mol kulunut 0,05406 mol syntynyt Ainemäärät: n(zn) = n(h2) g m(zn) = n M = n(h2) M(Zn) = 0, mol 65,41 mol = 3, g = 3,54 g Sinkin puhtausprosentti: m(zn) 3,54 g puhtaus % = 100 % = 100 % = 91, % = 91,6 % m(näyte) 3,86 g c) letukset: 1. kaikki sinkkimetalli reagoi rikkihapon kanssa. 2. vain sinkkimetallin reaktio tuottaa vetykaasua 28

28 12. Kuinka suuri tilavuus 0,500 M kaliumpermanganaattiliuosta tarvitaan liuottamaan 2,85 g metallista sinkkiä? Tasapainottamaton reaktioyhtälö happamissa olosuhteissa on Mn4 (aq) + Zn(s) Mn 2+ (aq) + Zn 2+ (aq). Ratkaisu Tasapainotetaan ensin reaktioyhtälö: Mn4 (aq) + Zn(s) Mn 2+ (aq) + Zn 2+ (aq) hapetusluvut: Mn: +VII, : II, Zn: 0, Mn 2+ : +II, : Zn 2+ : +II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Zn 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee Mn +VII +II vastaanottaa 5 e Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Zn: Zn(s) Zn 2+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Mn: Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) 2. : Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 3. H: Mn4 (aq) + 8 H + (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 4. e : Mn4 (aq) + 8 H + (aq)+ 5 e Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) pelkistyminen hapettimena 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 5:llä ja pelkistymisreaktio 2:lla. hapettuminen x 5: 5 Zn(s) 5 Zn 2+ (aq) + 10 e pelkistyminen x 2: 2 Mn4 (aq) + 16H + (aq)+10 e 2 Mn 2+ (aq) + 8 H2_(l) kokonaisreaktio: Mn4 (aq)+ 5 Zn(s) +16 H + (aq) 2 Mn 2+ (aq) + 5 Zn 2+ (aq)+ 8 H2(l) V(KMn4) =? c(kmn4) = 0,500 M m(zn) = 2,85 g m 2,85 g n(zn) = = = 0, mol M g 65,41 mol 29

29 Reaktioyhtälö: 2 Mn4 (aq) + 5 Zn(s) + 16 H + (aq) 2 Mn 2+ (aq) + 5 Zn 2+ (aq) + 8 H2(l) reaktio yhtälön kertoimet ainemäärät kun 0,04357 mol sinkkiä reagoi 2 Mn4 (aq) +5 Zn(s) 16 H + (aq) 2 Mn 2+ (aq) +5 n 2+ (aq) +8 H2(l) ,04357 mol 0,04357 mol (käytettä vissä) n Kaavasta c = saadaan: V 2 0, mol n(kmn 4 ) V(KMn 4 ) = = 5 = 0, dm 34,9 cm c(kmn mol 4 ) 0,500 dm Metallista vanadiinia käytetään teräksen seosaineena silloin, kun valmistetaan suihkumoottoreita tai korkealaatuisia veitsiä ja työkaluja. Puhdasta vanadiinia saadaan pelkistämällä vanadiini(v)oksidia V25 kalsiummetallilla. Kalsiummetalli reagoi kalsiumoksidiksi. a) Kirjoita prosessin osareaktiot ja kokonaisreaktio. b) Laske tarvittavan kalsiummetallin teoreettinen massa, kun tuotantolaitoksessa valmistetaan 20,0 kg vanadiinimetallia. a) V25 + Ca V + Ca hapetusluvut: V: +V, : II, Ca: 0, V: 0, Ca: +II, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Ca 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee V +V 0 vastaanottaa 5 e Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1.Ca: Ca Ca 2. : Ca + H2 Ca 3. H: Ca + H2 Ca + 2 H + 4. e : Ca + H2 Ca + 2 H e pelkistyminen hapettimena 30

30 Pelkistymisreaktio: 1. V: V25 2 V 2. : V25 2 V + 5 H2 3. H: V H + 2 V + 5 H2 4. e : V H e 2 V + 5 H2 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 5:llä. hapettuminen x 5: 5 Ca + 5 H2 5 Ca + 10 H e pelkistyminen : V H e 2 V + 5 H2 kokonaisreaktio: V Ca 2 V +5 Ca b) m(v) = 20,0 kg m(ca) =? 3 m 20,0 10 g n(v) = = = 392,6... mol M g 50,94 mol Reaktioyhtälö: V Ca 2 V + 5 Ca reaktio yhtälön kertoimet ainemäärät kun 392,6 mol V on valmistettu V Ca 2 V + 5 Ca ,6 mol 392,6 mol (valmistettu) 5 m(ca) = n(ca) M(Ca) = n(v) M(Ca) 2 5 g = 392,6... mol 40,08 = 39340,4 g = 39,3 kg 2 mol 14. Vetyperoksidiliuoksen pitoisuus voidaan määrittää titraamalla se kaliumpermanganaattiliuoksella rikkihappoisessa liuoksessa. Tällöin tapahtuu seuraava reaktio: H22(aq) + KMn4(aq) + H2S4(aq) 2(g) + MnS4(aq) + K2S4(aq) + H2(l) a) Tasapainota reaktio osareaktioita käyttäen. b) Laske montako massaprosenttia vetyperoksidia tutkittava liuos sisälsi, kun 20,0 g liuosta kulutti 46,9 cm 3 0,145 M KMn4-liuosta. 31

31 a) H22(aq) + KMn4(aq) + H2S4(aq) 2(g) + MnS4(aq) + K2S4(aq) + H2(l) hapetusluvut: H: +I, : I(poikkeus), K: +I, Mn: +VII, : II, H: +I, S: +VI, : II, : 0, Mn: +II, S: +VI, : II, K: +I, S: +VI, : II, H: +I, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa I 0 luovuttaa yhden e pienenee Mn +VII +II vastaanottaa 5 e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. : H22(aq) 2(g) 2. : on jo tasapainossa 3. H: H22(aq) 2(g) + 2 H + (aq) 4. e : H22(aq) 2(g) + 2 H + (aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Mn: Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) 2. : Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 3. H: Mn4 (aq) + 8 H + (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 4. e : Mn4 (aq) + 8 H + (aq)+ 5 e Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 5:llä ja pelkistymisreaktio 2:lla. hapettuminen x 5: 5 H22(aq) 5 2(g) + 10 H + (aq) + 10 e pelkistyminen x2: 2 Mn4 (aq) + 16 H + (aq)+ 10 e 2 Mn 2+ (aq) + 8 H2(l) kokonaisreaktio: 5H22(aq) + 2Mn4 (aq) + 6H + (aq) 52(g) + 2Mn 2+ (aq) + 8H2(l) Lisätään vielä K + ja S4 2 ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon: 5 H22(aq) + 2 KMn4(aq) + 3 H2S4(aq) 5 2(g) + 2 MnS4(aq) + K2S4(aq) + 8 H2(l) b) m(liuos) = 20,0 g V(KMn4) = 46,9 cm 3 c(kmn4) = 0,145 M Lasketaan kaliumpermanganaatin ainemäärä: mol n(kmn 4 ) = c V = 0,145 46,9 10 dm = 6, mol 3 dm 32

32 Reaktioyhtälö: 5 H22(aq) + 2 KMn4(aq) + 3 H2S4(aq). 5 H22(aq) + 2 KMn4(aq) + 3 H2S4(aq). reaktio yhtälön kertoimet ainemäärät kun 0,04357 mol sinkkiä reagoi (5/2) 6, mol 6, mol (käytettävissä) g m(h2) = n(kmn 4 ) M(H2 2 ) = 6, mol (2 1, ,00) 2 2 mol = 0, g = 578 mg m(h2 2 ) 578 mg massa %(H2 2 ) = 100 % = 100 % = 2, % = 2,89 % m(liuos) 20,0 g 15. Jodia voidaan valmistaa rikkihappoliuoksessa seuraavan reaktion mukaisesti: NaI(aq) + H2S4(aq) + Mn2(s) Na2S4(aq) + MnS4(aq) + I2(s) + H2(l). a) Määritä reaktioyhtälön kertoimet. b) Käytössä on 150 ml 0,50 M natriumjodidiliuosta ja 2,9 g mangaanidioksidia. Kuinka paljon jodia voidaan enintään saada? c) Mikä aine toimii reaktiossa hapettimena ja mikä pelkistimenä? (yo k2005) a) NaI(aq) + H2S4(aq) + Mn2(s) Na2S4(aq) + MnS4(aq) + I2(s) + H2(l) hapetusluvut: Na +I, I: I, H: +I, S: +VI, : II, Mn: +IV, : II, Na: +I, S: +VI, : II, Mn: +II, S: +VI, : II, I: 0, H: +I, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa I I 0 luovuttaa yhden e pienenee Mn +IV +II vastaanottaa 2 e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. I: 2 I (aq) I2(s) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : 2 I (aq) I2(s) + 2 e 33

33 Pelkistymisreaktio: 1. Mn: Mn2(aq) Mn 2+ (aq) 2. : Mn2(aq) Mn 2+ (aq) + 2 H2(l) 3. H: Mn2(aq) + 4 H + (aq) Mn 2+ (aq) + 2 H2(l) 4. e : Mn2(aq) + 4 H + (aq) + 2 e Mn 2+ (aq) + 2 H2(l) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Elektronit ovat jo tasapainossa. hapettuminen: 2 I (aq) I2(s) + 2 e pelkistyminen: Mn2(aq) + 4 H + (aq) + 2 e Mn 2+ (aq) + 2 H2(l) kokonaisreaktio: 2 I (aq) + Mn2(aq) + 4 H + (aq) Mn 2+ (aq) + I2(s) + 2 H2(l) Lisätään Na + - ja S4 2 -ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon: 2 NaI(aq) + 2 H2S4(aq) + Mn2(s) Na2S4(aq) + MnS4(aq) + I2(s) + 2 H2(l) b) V(NaI) = 150 ml c(nai) = 0,50 M m(mn2) = 2,9 g m(i2) =? Lasketaan ensin lähtöaineiden ainemäärät: n(nai) = c(nai) V(NaI) = 0,50 mol/dm dm 3 = mol m 2,9 g 3 n(mn 2 ) = = = 33, mol M g (54, ,00) mol reaktio yhtälön kertoimet ainemäärät, kun 75 mmol NaI reagoi ainemäärät, kun 33,356 mol Mn 2 reagoi Reaktioyhtälö: 2 NaI(aq) + 2 H2S4(aq) + Mn2(s) Na2S4(aq) + MnS4(aq) + I2(s) + 2 H2(l) 2 NaI(aq) +2 H 2S 4(aq) +Mn 2(s) Na 2S 4(aq) +MnS 4(aq) + I 2(s) +2 H 2(l) mmol (käytet tävissä) 2 33,356 mmol (riittää) (1/2) 75 mmol Rajoittaa 33,356 mmol (käytettä vissä) 33,356 mmol (syntyy) m(i2) = n M = 33, mol 2 126,90 g/mol = 8,46583 g = 8,5 g c) katso a kohdan taulukko. 34

34 Luku 2 35

35 2.1. Sähköä kemiallisesta energiasta 16. Galvaaniset kennot ovat: a) Cd(s) Cd 2+ (aq) Ni 2+ (aq) Ni(s) b) Zn(s) Zn 2+ (aq) H + (aq) H2(g), Pt(s) c) Pt(s) H2(g) H + (aq) Fe 2+ (aq), Fe 3+ (aq) Pt(s). Piirrä kennojen kuvat, kirjoita osareaktiot ja kokonaisreaktio. a) Cd(s) Cd 2+ (aq) Ni 2+ (aq) Ni(s) anodi: hapettuminen: Cd(s) Cd 2+ (aq) + 2 e + katodi: pelkistyminen: Ni 2+ (aq) + 2 e Ni(s) kennoreaktio: Cd(s) + Ni 2+ (aq) Cd 2+ (aq) + Ni(s) b) Zn(s) Zn 2+ (aq) H + (aq) H2(g), Pt(s) anodi: hapettuminen: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e + katodi: pelkistyminen: H + (aq) H2(g) H: 2 H + (aq) H2(g) e : 2 H + (aq) + 2 e H2(g) kennoreaktio: Zn(s) + 2 H + (aq) Zn 2+ (aq) + H2(g) c) Pt(s) H2(g) H + (aq) Fe 2+ (aq), Fe 3+ (aq) Pt(s) anodi: hapettuminen: H2(g) 2 H + (aq) + 2 e + katodi: pelkistyminen: 2 Fe 3+ (aq) + 2 e 2 Fe 2+ (aq) kennoreaktio: H2(g) + 2 Fe 3+ (aq) 2 H + (aq) + 2 Fe 2+ (aq) 2.2. Normaalipotentiaalit 17. Kupari(II)suolaliuokseen lisätään a) elohopeaa b) rautaa c) sinkkiä d) rauta(ii)suolaliuosta e) kloorikaasua. Missä tapauksissa tapahtuu reaktio? Kirjoita reaktioyhtälö. kuparisuolaliuokselle: Cu e Cu E = +0,34 V a) Elohopealle löytyy taulukosta kaksi vaihtoehtoa: Hg e 2 Hg E = +0,80 V Hg e Hg E = +0,85 V Nyt kupari ionien liuokseen lisätään elohopeaa, joten reaktiot on käännettävä. Voit laskea kennoreaktiot molemmille pareille tai todeta, että jälkimmäisen reaktion E on positiivisempi, joten se pyrkii tapahtumaan kirjoitettuun suuntaan. Näin ensimmäinen reaktio sopii paremmin käännettäväksi hapettuvaan suuntaan. 36

36 hapettuminen: 2 Hg(l) Hg2 2+ (aq) + 2 e pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) kennoreaktio: Cu 2+ (aq) + 2 Hg(l) Cu(s) + Hg2 2+ (aq) ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti. (Toinen mahdollinen reaktio: hapettuminen: Hg(l) Hg 2+ (aq) + 2 e pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) kennoreaktio: Cu 2+ (aq) + Hg(l) Cu(s) + Hg 2+ (aq) E = 0,80 V E = +0,34 V E = 0,46 V E = 0,85 V E = +0,34 V E = 0,51 V ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti ja reaktio on vielä epäedullisempi kuin edellinen.) b) rauta: Fe e Fe E = 0,45 V hapettuminen: Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2 e E = +0,45 V pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: Cu 2+ (aq)+ Fe(s) Cu(s) + Fe 2+ (aq) E = +0,79 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti. c) sinkki: Zn e Zn E = 0,76 V hapettuminen: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e E = +0,76 V pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: Cu 2+ (aq)+ Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq) E = +1,10 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti. d) rauta(ii)suolaliuos: Fe e Fe E = 0,45 V Fe 3+ + e Fe 2+ E = +0,77 V pelkistyminen: Fe 2+ (aq) + 2 e Fe(s) E = 0,45 V pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V ts. molemmat liuoksessa olevat ionit voivat vain pelkistyä. Reaktio ei siis tapahdu. hapettuminen: 2 Fe 2+ (aq) 2 Fe 3+ (aq) + 2 e E = 0,77 V pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: Cu 2+ (aq) + 2 Fe 2+ (aq) Cu(s) + 2 Fe 3+ (aq) E = 0,43 V ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti. e) kloorikaasu: Cl2 + 2 e 2 Cl E = +1,36 V Cl2(g) + 2 e 2 Cl (aq) E = +1,36 V pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V ts. molemmat liuoksessa olevat muodot voivat vain pelkistyä. Reaktio ei siis tapahdu. 37

37 18. Laimeaan rikkihappoliuokseen asetetaan pala a) sinkkiä b) kuparia c) rautaa d) hopeaa. Missä tapauksessa vapautuu vetyä? Kirjoita reaktioyhtälö. Rikkihappoliuos: H2S4(aq) 2 H + (aq) + S4 2 (aq) 2 H e H2 E = 0,00 V a) sinkki: Zn e Zn E = 0,76 V hapettuminen: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e E = +0,76 V pelkistyminen: 2 H + (aq) + 2 e H2(g) E = 0,00 V kennoreaktio: Zn(s) + 2H + (aq) Zn 2+ (aq) + H2(g) E = + 0,76 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti ja vetykaasua vapautuu. b) kupari: Cu e Cu E = +0,34 V hapettuminen: Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e E = 0,34 V pelkistyminen: 2 H + (aq) + 2 e H2(g) E = 0,00 V kennoreaktio: Cu(s) + 2H + (aq) Cu 2+ (aq) + H2(g) E = 0,34 V ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti eikä vetykaasua vapaudu. c) rauta: Fe e Fe E = 0,45 V hapettuminen: Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2 e E = +0,45 V pelkistyminen: 2 H + (aq) + 2 e H2(g) E = 0,00 V kennoreaktio: Fe(s)+ 2H + (aq) Fe 2+ (aq) + H2(g) E = + 0,45 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti ja vetykaasua vapautuu. d) hopea: Ag + + e Ag E = +0,80 V hapettuminen: 2 Ag(s) 2 Ag + (aq) + 2 e E = 0,80 V pelkistyminen: 2 H + (aq) + 2 e H2(g) E = 0,00 V kennoreaktio: 2 Ag(s) + 2 H + (aq) 2 Ag + (aq) + H2(g) E = 0,80 V ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti eikä vetykaasua vapaudu. 19. vatko seuraavat reaktiot spontaaneja perustilassa: a) Cu(s) + 2 H + (aq) Cu 2+ (aq) + H2(g) b) Zn 2+ (aq) + Pb(s) Zn(s) + Pb 2+ (aq)? a) Cu(s) + 2 H + (aq) Cu 2+ (aq) + H2(g) normaalipotentiaalitaulukosta: 2 H e H2 E = 0,00 V Cu e Cu E = +0,34 V Haluttu reaktio saadaan, kun jälkimmäinen osareaktio käännetään: hapettuminen: Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e E = 0,34 V pelkistyminen: 2 H + (aq) + 2 e H2(g) E = 0,00 V kennoreaktio: Cu(s) + 2H + (aq) Cu 2+ (aq) + H2(g) E = 0,34 V ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti. 38

38 b) Zn 2+ (aq) + Pb(s) Zn(s) + Pb 2+ (aq)? normaalipotentiaalitaulukosta: Zn e Zn Pb e Pb E = 0,76 V E = 0,13 V Haluttu reaktio saadaan, kun jälkimmäinen osareaktio käännetään: hapettuminen: Pb(s) Pb 2+ (aq) + 2 e E = +0,13 V pelkistyminen: Zn 2+ (aq) + 2 e Zn(s) E = 0,76 V kennoreaktio: Zn 2+ (aq) + Pb(s) Zn(s) + Pb 2+ (aq) E = 0,63 V ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti. 20. Rautanaula upotetaan Ni 2+ -ioneja sisältävään vesiliuokseen. Perustele E -arvojen avulla tapahtuuko reaktio: Ratkaisu Fe(s) + Ni 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Ni(s)? normaalipotentiaalitaulukosta: Fe e Fe Ni e Ni E = 0,45 V E = 0,26 V Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään: hapettuminen: Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2 e E = +0,45 V pelkistyminen: Ni 2+ (aq) + 2 e Ni(s) E = 0,26 V kennoreaktio: Fe(s) + Ni 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Ni(s) E = +0,19 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti. 21. Galvaaninen kenno koostuu Co 2+ -liuoksessa olevasta Co-sauvasta ja Cu 2+ -liuoksessa olevasta Cu sauvasta. a) Laske kennon E. b) Kumman elektrodin varaus on positiivinen ja mikä reaktio siellä tapahtuu? a) normaalipotentiaalitaulukosta: Co e Co E = 0,28 V Cu e Cu E = +0,34 V Kuparin E on positiivisempi, joten reaktio pyrkii tapahtumaan kirjoitettuun suuntaan. Ensimmäinen osareaktio siis käännetään: hapettuminen: Co(s) Co 2+ (aq) + 2 e E = +0,28 V pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: Co(s) + Cu 2+ (aq) Co 2+ (aq) + Cu(s) E = +0,62 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti. b) Galvaanisessa kennossa positiivinen elektrodi on katodi. Katodilla tapahtuu pelkistyminen eli tässä kennossa kupari pelkistyy Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s). 22. a) soita normaalipotentiaalien avulla, että rauta(ii)ioneja sisältävät liuokset 39

39 hapettuvat hiljalleen ilman hapen vaikutuksesta rauta(iii)ionien liuoksiksi. Kirjoita ensin osareaktiot ja tasapainota reaktio: Fe 2+ (aq) + 2(g) + H + (aq) Fe 3+ (aq) + H2(l). Laske sitten reaktion E. b) Laske kennon 2 Fe 3+ (aq) + Fe(s) 3 Fe 2+ (aq) E -arvo ja perustele, miksi rauta(ii)liuokset saadaan säilymään lisäämällä niihin rautanaulan tai muu metallisesta raudasta valmistettu esine. a) Fe 2+ (aq) + 2(g) + H + (aq) Fe 3+ (aq) + H2(l) normaalipotentiaalitaulukosta: Fe 3+ + e Fe 2+ E = +0,77 V H e 2 H2 E = +1,23 V Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään ja kerrotaan 4:llä: hapettuminen 4 : 4 Fe 2+ (aq) 4 Fe 3+ (aq) + 4 e E = 0,77 V pelkistyminen: 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e 2 H2(l) E = +1,23 V kennoreaktio: 4 Fe 2+ (aq) + 2(g) + 4 H + (aq) 4 Fe 3+ (aq) + 2 H2(l) E = +0,46 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti. b) 2 Fe 3+ (aq) + Fe(s) 3 Fe 2+ (aq) normaalipotentiaalitaulukosta: Fe e Fe E = 0,45 V Fe 3+ + e Fe 2+ E = +0,77 V Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään ja jälkimmäinen kerrotaan 2:lla: hapettuminen : Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2 e E = +0,45 V pelkistyminen 2: 2 Fe 3+ (aq) + 2 e 2 Fe 2+ (aq) E = +0,77 V kennoreaktio: 2 Fe 3+ (aq) + Fe(s) 3 Fe 2+ (aq) E = +1,22 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti. a-kohta: rauta(ii)liuokset hapettuvat rauta(iii)liuoksiksi. b-kohta rauta(ii)liuokset säilyvät, koska a-kohdan liuoksessa syntyneet rauta(iii)ionit pelkistyvät metallisen raudan vaikutuksesta takaisin rauta(ii)ioneiksi. 40

40 23. Ilman rikkiyhdisteet reagoivat herkästi metallisen hopean kanssa. Tällöin hopean pinta peittyy tummalla hopeasulfidikerroksella Ag2S(s). a) TV-mainoksessa esitellään alumiinista ihmelevyä, jolla tummuneet hopeaesineet saadaan kiillotettua. Tasapainota osareaktioiden avulla reaktio: Ag + (aq) + Al(s) Ag(s) + Al 3+ (aq), laske kennon potentiaali ja perustele miksi ihmelevy toimii. b) Laita pieni tummunut hopeaesine muoviastiaan. Lisää n. 5 cm leveitä alumiinifolionpaloja, 1 2 tl ruokasuolaa tai ruokasoodaa ja vettä niin, että kiinteät aineet peittyvät. Anna seisoa yön yli ja kirjaa aamulla havainnot. c) Miksi liuokseen lisätään ruokasuolaa tai ruokasoodaa? d) Toimiiko romuliikkeestä ostettu alumiininpala ihmelevynä? a) Ag + (aq) + Al(s) Ag(s) + Al 3+ (aq), hapetusluvut: Ag: +I, Al: 0, Ag: 0, Al: +III hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa Al 0 +III luovuttaa 3 e pienenee Ag +I 0 vastaanottaa yhden e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Al: Al(s) Al 3+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Al(s) Al 3+ (aq) + 3 e Pelkistymisreaktio: 1. Ag: Ag + (aq) Ag(s) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Ag + (aq) + e Ag(s) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Pelkistymisreaktio on siis kerrottava 3:lla. hapettuminen: Al(s) Al 3+ (aq) + 3 e pelkistyminen x 3: 3 Ag + (aq) + 3 e 3 Ag(s) kennoreaktio: 3 Ag + (aq) + Al(s) 3 Ag(s) + Al 3+ (aq) tai puolireaktiot suoraan normaalipotentiaalitaulukosta, josta E -arvot: Al e Al E = 1,66 V Ag + + e Ag E = +0,80 V hapettuminen: Al(s) Al 3+ (aq) + 3 e E = +1,66 V 41

41 pelkistyminen x 3: 3 Ag + (aq) + 3 e 3 Ag(s) E = 0,80 V kennoreaktio: 3 Ag + (aq) + Al(s) 3 Ag(s) + Al 3+ (aq) E = +2,46 V ts. reaktio tapahtuu spontaanisti ja hopea pelkistyy takaisin metalliksi. c) Ruokasuola NaCl ja ruokasooda NaHC3 liukenevat veteen ioneina, jotka toimivat kennon liuoksessa sähkönkuljettajina. d) Romuliikkeen alumiinipala toimii myös ihmelevynä. Levyn pinnalta kannattaa poistaa rasva poolittomalla liuottimella tai pesuaineella. Passivoiva oksidikerros poistetaan etikalla tai sitruunamehulla. 24. Kaliumjodaattiliuoksen avulla voidaan määrittää toisissa liuoksissa olevien pelkistävien aineiden pitoisuuksia. Bromidi-ioneja sisältävässä liuoksessa tasapainottamaton reaktioyhtälö on Br (aq) + I3 (aq) + H + (aq) Br2(aq) + I2(aq) + H2(l). a) Tasapainota reaktioyhtälö osareaktioiden avulla. b) Laske reaktion E, kun jodaatti-ionin I3 pelkistymisreaktion E = +1,20 V. a) Br (aq) + I3 (aq) + H + (aq) Br2(aq) + I2(aq) + H2(l). hapetusluvut: Br: I, I: +V, : II, H: +I, Br: 0, I: 0, H: +I, : II hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa Br I 0 luovuttaa yhden e pienenee I +V 0 vastaanottaa 5 e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Br: 2 Br (aq) Br2(aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : 2 Br (aq) Br2(aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. I: 2 I3 (aq) I2(aq) 2. : 2 I3 (aq) I2(aq) + 6 H2(l) 3. H: 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) I2(aq) + 6 H2(l) 4. e : 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) e I2(aq) + 6 H2(l) 42

42 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 5:llä. hapettuminen x 5: 10 Br (aq) 5 Br2(aq) + 10 e pelkistyminen : 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) e I2(aq) + 6 H2(l) kennoreaktio: 10 Br (aq) + 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) 5 Br2(aq) + I2(aq) + 6 H2(l) b) normaalipotentiaalitaulukosta: Br2 + 2 e 2 Br E = +1,07 V 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) + 10 e I2(aq) + 6 H2(l) E = +1,20 V Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään ja kerrotaan 5:llä: hapettuminen x 5: 10 Br (aq) 5 Br2(aq) + 10 e E = 1,07 V pelkistyminen : 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) e I2(aq) + 6 H2(l) E = +1,20 V kennoreaktio: 10 Br (aq) + 2 I3 (aq) + 12 H + (aq) 5 Br2(aq) + I2(aq) + 6 H2(l) E = +0,13 V 25. Käytettävissäsi on hopealankaa, kuparilankaa, sinkkilevy ja lyijylevy. Lisäksi saatavilla ovat seuraavien yhdisteiden 1,0 M vesiliuokset: Cu(N3)2, Zn(N3)2, AgN3 ja Pb(N3)2. Mitä näistä aineista käytät, kun tarkoituksesi on rakentaa mahdollisimman tehokas(suurin jännite) galvaaninen sähkökenno? Perustele. Laadi tässä kennossa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden yhtälöt ja esitä piirrosten avulla kennon rakenne. (yo s2000) metallit 1,0 M vesiliuokset ionit liuoksissa Ag(s) AgN3 Ag +, N3 Cu(s) Cu(N3)2 Cu 2+, N3 Zn(s) Zn(N3)2 Zn 2+, N3 Pb(s) Pb(N3)2 Pb 2+, N3 Näistä muodostuvat parit ja niiden E -arvot taulukkokirjasta: reaktio E Zn e Zn E = 0,76 V Pb e Pb Cu e Cu Ag + + e Ag E = 0,13 V E = +0,34 V E = +0,80 V Hopean E on lukuarvoltaan positiivisin, joten se toimii galvaanisen kennon toisena puolikennona. Lisäksi lukuarvo on positiivinen, joten reaktio on spontaani kirjoitettuun suuntaan. Siten tämän kennon toisessa puolikennossa täytyy tapahtua hapettuminen, joten muut kolme reaktiota täytyy kääntää hapettuvaan suuntaan. Samalla E :n merkki muuttuu. reaktio E 43

43 Zn Zn e Pb Pb e Cu Cu e E = +0,76 V E = +0,13 V E = 0,34 V Mahdollisimman tehokas(suuri jännite) galvaaninen sähkökenno saadaan, kun toiseksi puolikennoksi valitaan sinkin reaktio. anodi: hapettuminen: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e E = +0,76 V + katodi: pelkistyminen x 2: 2 Ag + (aq) + 2 e 2 Ag(s) E = +0,80 V kennoreaktio: Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag(s) E = +1,56 V 26. Kennon Pt(s) Sn 4+ (aq), Sn 2+ (aq) Ag + (aq) Ag(s) potentiaali E = +0,646 V. Hopean pelkistymiselle: Ag + + e Ag(s) E = 0,800 V. Mikä on tinan pelkistymisen potentiaali reaktiossa: Sn e Sn 2+? Kennon lyhennetyssä esityksessä pelkistymisreaktio on kirjoitettava oikealle, joten tässä kennossa hopea pelkistyy ja tina hapettuu. anodi: hapettuminen: Sn 2+ (aq) Sn 4+ (aq) + 2 e E = x + katodi: pelkistyminen: 2 Ag + (aq) +2 e 2 Ag(s) E = 0,800 V kennoreaktio: 2 Ag + (aq) + Sn 2+ (aq) 2 Ag(s) + Sn 4+ (aq) E =+0,646 V joten potentiaalit ovat: x + 0,800 V = +0,646 V, josta x = +0,646 V 0,800 V = 0,154 V Tämä on hapettumisreaktion potentiaali, joten reaktio on käännettävä, jotta saadaan kysytty arvo: Sn e Sn 2+ E = +0,154 V. 2.3 Korroosio 27. Miksi auton maalipinnan on pohjoisissa oloissa oltava paremmassa kunnossa kuin leudompien talvien alueilla? Ratkaisu Mieti maanteiden suolauksen vaikutuksia. 44

44 28. Kolme rautapinta on päällystetty metallisella a) sinkillä, b) tinalla c) magnesiumilla. Mikä pinnoitteista antaa parhaan korroosiosuojan raudalle? Perustele. a) Fe e Fe E = 0,45 V Zn e Zn E = 0,76 V H e 2 H2 E = +1,23 V Katodilla tapahtuu happikaasun pelkistyminen, Anodina toimii se metalli, jonka pelkistymispotentiaali on negatiivisempi. Ts. se on helpompi hapetta. Tässä sinkin pelkistyspotentiaali on negatiivisempi, joten se toimii anodina ja syöpyy. anodi: hapettuminen 2: 2 Zn(s) 2 Zn 2+ (aq) + 4 e E = +0,76 V katodi: pelkistyminen: 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e 2 H2(l) E = +1,23 V kennoreaktio: 2(g) + 4 H + (aq) + 2 Zn(s) 2 H2(l) + 2 Zn 2+ (aq) E = +1,99 V b) Fe e Fe E = 0,45 V Sn e Sn E = 0,14 V H e 2 H2 E = +1,23 V Katodilla tapahtuu happikaasun pelkistyminen, Anodina toimii se metalli, jonka pelkistymispotentiaali on negatiivisempi. Ts. se on helpompi hapetta. Tässä raudan pelkistyspotentiaali on negatiivisempi, joten se toimii anodina ja syöpyy. anodi: hapettuminen 2: 2 Fe(s) 2 Fe 2+ (aq) + 4 e E = +0,45 V katodi: pelkistyminen: 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e 2 H2(l) E = +1,23 V kennoreaktio: 2(g) + 4 H + (aq) + 2 Fe(s) 2 H2(l) + 2 Fe 2+ (aq) E = +1,68 V c) Fe e Fe E = 0,45 V Mg e Mg E = 2,37 V H e 2 H2 E = +1,23 V Katodilla tapahtuu happikaasun pelkistyminen, anodina toimii se metalli, jonka pelkistymispotentiaali on negatiivisempi. Ts. se on helpompi hapettaa. Tässä magnesiumin pelkistyspotentiaali on negatiivisempi, joten se toimii anodina ja syöpyy. anodi: hapettuminen 2: 2 Mg(s) 2 Mg 2+ (aq) + 4 e E = +2,37 V katodi: pelkistyminen: 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e 2 H2(l) E = +1,23 V kennoreaktio: 2(g) + 2 H + (aq) + Mg(s) H2(l) + Mg 2+ (aq) E = +3,60 V Näistä magnesium antaa raudalle parhaan korroosiosuojan, koska c-kohdassa kennoreaktion E on positiivisin ja suurin. 45

45 Akut, paristot ja polttokennot 29. Mitä etuja alkaliparistolla on kuivapariin eli Leclanchén elementtiin verrattuna? Ratkaisu Tutustu kirjan tekstiin tai etsi tietoja esim. internetistä. 30. Mitä virtalähdettä käyttäisit ja miksi a) sähkökäyttöisessä skootterissa b) CD-soittimessa c) matkapuhelimessa d) palovaroittimessa? Tutustu tuotteiden tai niiden esitteiden tietoihin suositeltavista virtalähteistä. 31. Käytössäsi on sinkkianodi, jolla tapahtuu reaktio: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e. Mikä seuraavista katodireaktioista kannattaisi valita, jotta paristolle saataisiin mahdollisimman suuri jännite? a) Mg 2+ (aq) + 2 e Mg(s) b) Pb 2+ (aq) + 2 e Pb(s) c) Co 2+ (aq) + 3 e Co(s) d) Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) Anodi: E Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e E = +0,76 V Katodiksi? E a) Mg 2+ (aq) + 2 e Mg(s) 2,37 V b) Pb 2+ (aq) + 2 e Pb(s) 0,13 V c) Co 2+ (aq) + 2 e Co(s) 0,28 V d) Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) +0,34 V Mahdollisimman suuri jännite saadaan, kun toiseksi puolikennoksi valitaan d-kohdan kuparin reaktio. anodi: hapettuminen: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e E = +0,76 V + katodi: pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) E = +1,10 V 46

46 2.4. Elektrolyysi: sähkövirta pakottaa reagoimaan 32. Elektrolyysi on yksinkertaisin tapa tuottaa puhdasta metallia malmista. Etsi parien a) Na + (aq) / Na(s) b) Mg 2+ (aq) / Mg(s) ja c) Al 3+ (aq) / Al(s) normaalipotentiaalit ja perustele miksi näitä metalleja ei koskaan voida elektrolysoida suolojensa vesiliuoksista. reaktio E a) Na + + e Na 2,71 V b) Mg e Mg 2,37 V c) Al e Al 1,66 V Vesiliuoksessa vesi voi hapettua tai pelkistyä seuraavasti: pelkistyminen: 2 H2 + 2 e 2 H + H2 E = 0,83 V hapettuminen: 2 H H e E = 1,23 V. Tässä tarkasteltavien metalli ionien vesiliuoksissa vain vesi voi hapettua. Vesi tai metalli-ionit voivat pelkistyä. Tässä kaikki kombinaatiot antavat kennoreaktiolle negatiivisen E :n Ts. kennoreaktiot eivät ole spontaaneja, mutta pakotettuna ne tapahtuvat. Pelkistymisreaktiona toimii todennäköisimmin se, jonka E on vähiten negatiivinen. Tässä veden pelkistymisen E on vähiten negatiivinen, joten näiden metallien vesiliuoksia elektrolysoitaessa vesi hapettuu anodilla ja pelkistyy katodilla eikä metalleja saada pelkistettyä. 33. Päättele seuraavien yhdisteiden vesiliuosten elektrolyysissä syntyvät päätuotteet: a) natriumjodidiliuos NaI b) natriumsulfaattiliuos Na2S4 c) kuparisulfaattiliuos CuS4 d) natriumkloridiliuos NaCl e) vetykloridihappoliuos HCl f) alumiinikloridiliuos AlCl3 g) sinkkisulfaattiliuos ZnS4 h) lyijynitraattiliuos Pb(N3)2 Vesiliuokset: vesi tai liuenneet ionit voivat hapettua ja pelkistyä. HUM! Tässä tehtävät johtopäätökset perustuvat normaalipotentiaaleihin eli perustilaan. Heti kun yhdisteiden pitoisuus poikkeaa 1,0 M:sta, lämpötila 25 C:sta tai paine 101,325 kpa:sta tarvitaan yksityiskohtaisempaa mallia. Se ei kuitenkaan kuulu lukiokurssiin. a) liukeneminen: NaI(s) Na + (aq) + I (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 I (aq) I2(s) + 2 e E = 0,54 V Näistä jodin hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 47

47 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Na + (aq) + e Na(s) E = 2,71 V Näistä veden pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. anodi: hapettuminen: 2 I (aq) I2(s) + 2 e E = 0,54 V katodi: pelkistyminen: 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V kennoreaktio: 2 I (aq) + 2 H2(l) I2(s) + 2 H (aq) + H2(g) E = 1,37 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa jodia ja vetykaasua. b) liukeneminen: Na2S4(s) 2 Na + (aq) + S4 2 (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 S4 2 (aq) S28 2 (aq) + 2 e E = 2,01 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Na + (aq) + e Na(s) E = 2,71 V Näistä veden pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. anodi: hapettuminen: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V katodi: pelkistyminen x 2: 4 H2(l) + 4 e 4 H (aq) + 2 H2(g) E = 0,83 V kennoreaktio: 6 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 H (aq) + 2 H2(g) E = 2,06 V, jossa tuotteiden 4 H + (aq) + 4 H (aq) reagoivat edelleen neljäksi vesimolekyyliksi, joten jäljelle jää reaktio: 2 H2(l) 2(g) + 2 H2(g) E = 2,06 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa happi ja vetykaasuja. c) liukeneminen: CuS4(s) Cu 2+ (aq) + S4 2 (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 S4 2 (aq) S28 2 (aq) + 2 e E = 2,01 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V Näistä kuparin pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. anodi: hapettuminen: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V katodi: pelkistyminen x 2: 2 Cu 2+ (aq) + 4 e 2 Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: 2 Cu 2+ (aq) + 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 2 Cu(s) E = 0,89 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa kuparimetallia ja happikaasua. d) liukeneminen: NaCl(s) Na + (aq) + Cl (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 48

48 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 Cl (aq) Cl2(g) + 2 e E = 1,36 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Na + (aq) + e Na(s) E = 2,71 V Näistä veden pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. anodi: hapettuminen: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V katodi: pelkistyminen x 2: 4 H2(l) + 4 e 4 H (aq) + 2 H2(g) E = 0,83 V kennoreaktio: 6 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 H (aq) + 2 H2(g) E = 2,06 V, jossa tuotteiden 4 H + (aq) + 4 H (aq) reagoivat edelleen neljäksi vesimolekyyliksi, joten jäljelle jää reaktio: 2 H2(l) 2(g) + 2 H2(g) E = 2,06 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa happi- ja vetykaasuja. e) liukeneminen: HCl(g) H + (aq) + Cl (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 Cl (aq) Cl2(g) + 2 e E = 1,36 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai 2 H + (aq) + 2 e (aq) H2(g) E = 0,00 V Näistä jälkimmäisen pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. anodi: hapettuminen: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V katodi: pelkistyminen x 2: 4 H + (aq) + 4 e 2 H2(g) E = 0,00 V kennoreaktio: 2 H2(l) 2(g) + 2 H2(g) E = 1,23 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa happi- ja vetykaasuja. f) liukeneminen: AlCl3(s) Al 3+ (aq) + 3 Cl (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 Cl (aq) Cl2(g) + 2 e E = 1,36 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) +2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Al 3+ (aq) + 3 e Al(s) E = 1,66 V Näistä veden pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. anodi: hapettuminen: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V katodi: pelkistyminen x 2: 4 H2(l) + 4 e 4 H (aq) + 2 H2(g) E = 0,83 V kennoreaktio: 6 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 H (aq) + 2 H2(g) E = 2,06 V, 49

49 jossa tuotteiden 4 H + (aq) + 4 H (aq) reagoivat edelleen neljäksi vesimolekyyliksi, joten jäljelle jää reaktio: 2 H2(l) 2(g) + 2 H2(g) E = 2,06 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa happi- ja vetykaasuja. g) liukeneminen: ZnS4(s) Zn 2+ (aq) + S4 2 (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 S4 2 (aq) S28 2 (aq) + 2 e E = 2,01 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Zn 2+ (aq) + 2 e Zn(s) E = 0,76 V Näistä sinkin pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. anodi: hapettuminen: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V katodi: pelkistyminen x 2: 2 Zn 2+ (aq) + 4 e 2 Zn(s) E = 0,76 V kennoreaktio: 2 Zn 2+ (aq) + 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 2 Zn(s) E = 1,99 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa sinkkimetallia ja happikaasua. Yksityiskohtaisempi malli tukee veden pelkistymistä vedyksi! h) liukeneminen: Pb(N3)2(s) Pb 2+ (aq) + 2 N3 (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Nyt vain vesi voi hapettua. 2 H2(l) 2(g) +4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) +2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Pb 2+ (aq) + 2 e Pb(s) E = 0,13 V nitraatti voi pelkistyä kahdella eri tavalla: N3 (aq) + 2 H + (aq) + e N2(g) + H2(l) E = +0,80 V N3 (aq) + 4 H + (aq) + 3 e N(g) + 2 H2(l) E = +0,96 V Näistä viimeisen pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten nitraatti pelkistyy typpimonoksidiksi. anodi: hapettuminen x 3: 6 H2(l) 3 2(g) + 12 H + (aq) + 12 e E = 1,23 V katodi: pelkistyminen x 4: 4 N3 (aq) + 16 H + (aq) + 12 e 4 N(g) + 8 H2(l) E = +0,96 V kennoreaktio: 4 N3 (aq) + 4 H + (aq) 4 N(g) + 2 H2(l) + 3 2(g) E = +0,96 V eli yhdistäen: 4 HN3(aq) 4 N(g) + 2 H2(l) + 3 2(g) E = +0,96 V Reaktio on spontaani ja tuottaa typpimonoksidia ja happikaasua. Yksityiskohtaisempi malli tukee lyijyn pelkistymistä. Käytännössä laboratorioissa suositaan kuitenkin lyijyn saostamista(hapettumisreaktiota) lyijyoksidina anodille ja 50

50 muiden metallien saostamista katodille. Näin elektrolyysin avulla voidaan erottaa metalleja toisistaan. 34. Kuparia puhdistetaan elektrolyyttisesti. a) Kummalle elektrodille muodostuu puhdasta kuparia? b) Selitä, miksi raakakuparissa oleva kulta jää elektrolyyttiastian pohjalle. a) Anodi: hapettuminen: Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e Katodi: pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) Puhdas kupari saostuu siis katodille. b) Taulikkokirjasta: Cu e Cu E = +0,34 V Au + + e Au E = +1,69 V Joten hapettumiselle: Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e E = 0,34 V Au(s) Au + (aq) + e E = 1,69 V Kuparin hapettuessa ja liuetessa ioneina liuokseen ulkoinen jännite ei ole riittävä kullan hapettamiseen. Elektrolyysi irrottaa kuparin metallihilasta ja kulta varisee reaktioastian pohjalle metallina hapettumatta ioneiksi. 35. Puhtaita metalleja voidaan valmistaa suolasulatteistaan teollisesti elektrolyysin avulla. Kuinka monta grammaa kutakin metallia saadaan, kun elektrolyysiin kuluu 1 mooli elektroneja? Suolasulatteet ovat a) AlCl3 b) MgCl2 c) FeCl3. a) AlCl3(s) Al 3+ (l) + 3 Cl (l) Al 3+ (l) + 3 e Al(l) reaktioyhtälön kertoimet ainemäärä, kun elektroneja on kulunut 1 mol 1/3 1 mol 1 mol 1/3 1 mol n(al) = n(e ) = 1mol = mol g m(al) = n(al) M(Al) = mol 26,98 = 8, g = 9,0 g 3 mol 51

51 b) MgCl2(s) Mg 2+ (l) + 2 Cl (l) Mg 2+ (l) + 2 e Mg(l) reaktioyhtälön kertoimet ainemäärä, kun elektroneja on kulunut 1 mol ½ 1 mol 1 mol ½ 1 mol n(mg) = n(e ) = 1mol = mol g m(mg) = n(mg) M(Mg) = mol 24,31 = 12,155 g = 12 g 2 mol c) FeCl3(s) Fe 3+ (l) + 3 Cl (l) Fe 3+ (l) + 3 e Fe(l) reaktioyhtälön kertoimet ainemäärä, kun elektroneja on kulunut 1 mol 1/3 1 mol 1 mol 1/3 1 mol n(fe) = n(e ) = 1mol = mol g m(fe) = n(fe) M(Fe) = mol 55,85 = 18, g = 19 g 3 mol 36. Sama virta erottaa samassa ajassa 27,0 g hopeaa ja 4,33 g kromia. Mikä on kromi ionin varaus, kun hopea ionin varaus on +1? Ratkaisu sama virta: I(Ag) = I(Cr) sama aika: t(ag) = t(cr) m(ag) = 27,0 g m(cr) = 4,33 g Ag varaus +1 Cr varaus? Lasketaan ainemäärät: m n(ag) = = M 27,0 g g 107,87 mol m 4,33 g n(cr) = = M g 52,00 mol 52

52 Käytetään kaavaa I t = n z F ja todetaan, että tässä tapauksessa I(Ag) t(ag) = I(Cr) t(cr), joten myös n(ag) z(ag) F = n(cr) z(cr) F, josta F supistuu. n(ag) z(ag) n(ag) z(ag) M(Cr) n(cr) = = n(cr) M(Ag) m(cr) g 27,0 g ( + 1) 52,00 = mol = + 3, = + 3 g 107,87 4,33 g mol 37. Juomapurkissa on alumiinia noin 29 g. Kuinka kauan kuluu tämän alumiinimäärän valmistamiseen Hall-Herout prosessissa, kun käytetään 15 A:n virtaa? M(Al) = 29 g I = 15 A t =? Alumiinin ainemäärä: m 29,0 g n(al) = = M g 26,98 mol Al e Al Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan aika t: As 29,0 g n z F t = = mol = 20741,77... s = 5 h 46 min l g 26,98 15 A mol 38. Mikä on syntyvän kloorikaasun tilavuus(ntp), kun MgCl2-liuosta elektrolysoidaan 12,4 A:n virralla 1,0 tunnin ajan? Ratkaisu I = 12,4 A t = 1,0 h V(Cl2(g))(NTP) =? liukeneminen: MgCl2(s) Mg 2+ (aq) + 2 Cl (aq) Kloorin hapettuminen: 2 Cl (aq) 2 e + Cl2(g) Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan kloorin ainemäärä n: l t 12,4 A 1, s n(cl 2 ) = = = 0, mol z F As mol 53

53 Kloorikaasun tilavuus(ntp) saadaan ideaalikaasun tilan yhtälöstä: pv = nrt: J 0, mol 8, ,15 K nrt V(Cl mol K 2 ) = = p N = 0, m = 5,2 dm 3 101, m Kolme elektrolyysikennoa kytketään sarjaan. Tällöin sama sähkövirta kulkee kaikkien kennojen läpi. Ensimmäisessä kennossa on hopeanitraatin AgN3, toisessa kuparikloridin CuCl2 ja kolmannessa kromikloridin CrCl3 vesiliuosta. Mikä on muodostuneen a) hopean ja b) kromin ainemäärä silloin, kun elektrolyysi on tuottanut 1,00 moolia metallista kuparia? 1. kenno 2. kenno 3. kenno AgN3 CuCl2 CrCl3 Ag + + e Ag Cu e Cu Cr e Cr n(ag) =? n(cu) = 1,00 mol n(cr) =? Kuparia on tuotettu 1,00 mol: I t = n z F = 1,00 mol 2 F hopealle: I t = n z F = n(ag) 1 F kromille: I t = n z F = n(cr) 3 F Koska I t on kaikissa tapauksissa sama, voidaan kuparille ja hopealle kirjoittaa yhtälö: 1,00 mol 2 F = n(ag) 1 F, josta 1,00 mol 2 F n(ag) = = 2,00 mol 1 F ja kuparille ja kromille: 1,00 mol 2 F = n(cr) 3 F, josta 1,00 mol 2 F n( Cr ) = = 0, mol = 0,667 mol 3 F Vaihtoehtoinen ratkaisu: tutkitaan elektronien ainemääräsuhteet suoraan pelkistymisreaktioiden stoikiometriasta. 54

54 40. Erittäin puhdasta sinkkiä valmistetaan elektrolyyttisesti käyttäen sarjaan kytkettyjä elektrolyysikennoja. Eräässä tuotantolaitoksessa kennoja oli 27 kpl ja niissä jokaisen katodin tehollinen pinta-ala oli 1,10 dm 2 ja virrantiheys 3,0 A/dm 2. Elektrolyysin virtahyötysuhde oli 85 %. Laske tuotantolaitoksen vuorokaudessa tuottaman sinkin massa. kennoja sarjassa 27 kpl A = 1,10 dm 2 I/A = 3,00 A/dm 2 virtahyötysuhde = 85 % = 0,85 m(zn)/vrk =? Zn e Zn I = 27 A I/A virtahyötysuhde = 27 1,10 dm 2 3,00 A/dm 2 0,85 = 75,735 A Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan sinkkimetallin ainemäärä n: l t 75,735 A s n(zn) = = = 33, mol z F As mol g m(zn) = n(zn) M(Zn) = 33, mol 65, 41 = 2218,01... g = 2,22 kg mol 41. Rautaesine, jonka kokonaispinta ala oli 1,5 dm 2 peitetään elektrolyyttisesti 0,10 mm paksulla kromimetallikerroksella. Kuinka kauan elektrolyysi kestää, kun elektrolyyttinä on natriumdikromaattiliuos Na2Cr27, virrantiheys 20 A/dm 2 ja virtahyötysuhde 10 %? Metallisen kromin tiheys on 7,14 g/cm 3. Ratkaisu A = 1,5 dm 2 h(cr) = 0,10 mm I/A = 20 A/dm 2 virtahyötysuhde 10 % = 0.10 kromin tiheys on 7,14 g/cm 3 t =? Na2Cr27 2 Na + + Cr27 2 katodilla: pelkistyminen: Cr27 2 (aq) Cr(s) hapetusluvut: Cr: +VI, : II, Cr: 0 tasapainotetaan reaktio: Cr: Cr27 2 (aq) 2 Cr(s) : Cr Cr + 7 H2 H: Cr H + 2 Cr + 7 H2 e : Cr H e 2 Cr + 7 H2 eli yksi kromiatomi kuluttaa pelkistyessään 6 elektronia. 55

55 I = A I/A virtahyötysuhde = 1,5 dm 2 20 A/dm 2 0,10 = 3,0 A V(Cr) = A h = 1,5 dm 2 0,10 mm = 1,5 cm 3 m(cr) = V tiheys = 1,5 cm 3 7,14 g cm 3 = 10,71 g m 10,71g n(cr) = = = 0, mol M g 52,00 mol Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan aika t: t As 10,71g n z F = = mol = 39744,3... s = 11h l g 52,00 3 A mol 42. 1,5720 g kidevedellistä kuparisulfaattia, CuS4 5H2, liuotettiin veteen ja liuosta elektrolysoitiin platinaelektrodeilla, kunnes kaikki kupari oli saostunut. Virran voimakkuus oli koko ajan 1,2 A, ja oletetaan, että virtahyötysuhde on 100 %. a) Kirjoita anodilla ja katodilla tapahtuvat reaktiot. b) Kuinka paljon aikaa kuluu kuparin saostumiseen? c) Kuinka monta litraa happea vapautui elektrolyysin aikana? m(cus4. 5H2) = 1,5720 g liukeneminen veteen: CuS4 H 2 Cu 2+ (aq) + S4 2 (aq) a) vertaa tehtävä 33 c. Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V tai 2 S4 2 (aq) S28 2 (aq) + 2 e E = 2,01 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V tai Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V Näistä kuparin pelkistymisen E on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy. Anodi: hapettuminen: 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V Katodi: pelkistyminen x 2: 2 Cu 2+ (aq) + 4 e 2 Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: 2 Cu 2+ (aq) + 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 2 Cu(s) E = 0,89 V Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa kuparimetallia ja happikaasua. 56

56 b) I = 1,2 A virtahyötysuhde 100 % t =? m n(cu) = n(cus 4 5 H2) = M 1,5720 g = g (63, , , , ,00) mol Reaktio 4 opettajan opas = 1,5720 mol 249,7 3 = 6, mol Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan aika t: As 1,5720 g n z F t = = mol = 1012, s = 16min 54 s l g 249,7 1,2 A mol c) Kennoreaktioyhtälöstä 2 Cu 2+ (aq) + 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 2 Cu(s) päätellään, että n(2) = 1 2 n(cu) = 1 2 6, mol = 3, mol = 3, mol. 43. Kuparia valmistetaan kuparikiisusta, CuFeS2, pasuttamalla malmi ensin oksidiksi ja pelkistämällä oksidi sitten metalliksi. Kokonaisreaktio on seuraava: CuFeS2(s) + 2(g) Cu(s) + FeS(s) + S2(g). Prosessissa vapautuvaa rikkidioksidia ei voida sellaisenaan päästää ympäristöön. a) Pohdi, miten tämä rikkidioksidi voidaan saattaa vaarattomaan muotoon ja miten sitä käytetään hyväksi kemianteollisuudessa. b) Saatu kupari puhdistetaan elektrolyyttisesti käyttämällä epäpuhtaasta kuparista tehtyä anodia ja puhtaasta kuparista tehtyä katodia. Elektrolyysin aikana anodi liukenee ja puhdas kupari saostuu katodille. Kirjoita elektrodeilla tapahtuvat reaktiot. Kuinka paljon kuparia saadaan, kun liuoksen läpi johdetaan A:n tasavirta 1,0 tunnin ajan? Miten kuparisulfaattiliuoksen sininen väri muuttuu elektrolyysin aikana? Perustele. (yo k1999) a) Tutustu luvun 3 kappaleisiin: Rikin oksidit ja rikkihappo sekä Malmeista metalleiksi. b) Anodi: epäpuhdasta kuparia, joka liukenee Katodi: puhdasta kuparia ja lisää puhdasta kuparia saostuu. Anodi: hapettuminen: Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e Katodi: pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) I = 1500 A t = 1,0 h Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan kuparimetallin ainemäärä n: 57

57 l t 1500 A 1, s n(cu) = = = 27, mol z F As mol g m(cu) = n(cu) M(Cu) = 27, mol 63,55 = 1778,35... g = 1,8 kg mol Cu 2+ -ioneista aiheutuva liuoksen sininen väri vaalenee elektrolyysin aikana, koska Cu 2+ -ionit pelkistyvät punaruskeaksi metalliseksi kupariksi. Kun kaikki Cu 2+ -ionit on pelkistetty, liuos on täysin väritöntä. 44. Vetyperoksidia voidaan valmistaa kaksivaiheisella reaktiolla: 2 NH4HS4 H2(g) + (NH4)2S28 (NH4)2S28 + H2 NH4HS4 + H22 Ensimmäinen reaktio tapahtuu elektrolyysikennossa ja toinen reaktio kuvaa saadun tuotteen vesihöyrytislausta. Kuinka paljon virtaa kuluu ensimmäisessä reaktiossa, jotta välituotteesta voidaan valmistaa 100,0 g vetyperoksidia tunnissa? Elektrolyysin hyötysuhde anodilla on 50,0 %. m(h22) = 100,0 g / 1h m 100,0 g 100,0 g n(h2 2 ) = = = = 2, mol M g g (2 1, ,00) 34,016 mol mol Tunnissa: Elektrolyysi: 2 NH4HS4 H2(g) + (NH4)2S28 kertoimet reaktioyhtälössä 2,939 mol käytetty Vesihöyrytislaus: (tehtävässä reaktio ei tasapainossa) kertoimet (NH4)2S H2 2 NH4HS4 + H22 reaktioyhtälössä kertoimet reaktioyhtälössä Kun H22 valmistettu 2,939 mol (valmistettu) Anodi: hapettuminen: 2 S4 2 (aq) S28 2 (aq) + 2 e Katodi: pelkistyminen: 2 H + (aq) + 2 e H2(g) Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan elektrolyysiin kuluva virta: As 100,0 g n z F I = = mol = 315,16... A = 315 A t virtahyötysuhde g 34, s 0,500 mol 58

58 45. Kuparissa oli epäpuhtautena rautaa, hopeaa ja kultaa. Kupari puhdistettiin elektrolyyttisesti. Kun 140 A:n virta oli kulkenut elektrolyysikennon läpi 482,5 sekuntia, anodin massa oli pienentynyt 22,260 grammaa ja katodin massa kasvanut 22,011 grammaa. Montako massa-%:a rautaa ja kuparia raakakuparissa oli? (Vihje: tarkista metallien normaalipotentiaalit ja mieti mitä reaktioita tapahtuu.) Ratkaisu Cu + Fe + Ag + Au I = 140 A T = 482,5 s m(anodi) 22,260 g m(katodi) + 22,011 g m % Cu ja m % Fe? Taulukkokirjasta: Fe e Fe Cu e Cu Ag + + e Ag Au + + e Au E = 0,45 V E = +0,34 V E = +0,80 V E = +1,69 V Anodilla rauta ja kupari hapettuvat ja kulta ja hopea irtoavat anodin metallihilan hajotessa ja päätyvät anodiliejuun. Kaavasta: I t = n z F ratkaistaan kupari- ja rautametallin yhteinen ainemäärä n: l t 140 A 482,5 s n(cu+fe) = = = 0, mol z F As mol Katodin massaa kasvattaa vain saostuva puhdas kupari. m 22,011g n(cu) = = = 0, mol M g 63,55 mol Näiden erotuksena saadaan raudan ainemäärä: n(fe) = n(cu+fe) n(cu) = 0, mol 0, mol = 0, mol g n(fe) = n M = 0, mol 55,85 = 0, g mol Metalleja irtosi anodista 22,260 g. Siitä 22,011 g oli kuparia ja 0,206 g rautaa. Loput 0,043 g oli kultaa ja hopeaa. Joten raakakuparissa oli: m(cu) 22,011g m-%cu= 100 % = 100 % = 98, % = 98,88 % m(anodilta liuennut) 22,260 g m(fe) 0,206 g m-%fe = 100 % = 100 % = 0, % = 0,93 % m(anodilta liuennut) 22,260 g 59

59 Luku 3 60

60 3.1. Sidostyyppejä ja reaktiotyyppejä, vety yhdisteet 46. Millaisia vahvoja sidoksia seuraavissa yhdisteissä esiintyy? Mieti tarkkaan kaikkia sidoksia. a) Ba b) PBr3 c) ClF3 d) Na2S e) SiH4 f) NaH g) CaC3 a) ionisidoksia(metalli + epämetalli) b) kovalenttisia sidoksia(epämetalli + epämetalli) c) kovalenttisia sidoksia d) ionisidoksia e) kovalenttisia sidoksia f) ionisidoksia (Na + ja H -ionit) ja kovalenttisia sidoksia ( H-sidokset) g) ionisidoksia (Ca + ja C2 3 -ionit) ja kovalenttisia sidoksia (C -sidokset) 47. Millaisia vahvoja sidoksia seuraavissa yhdisteissä esiintyy? Mieti tarkkaan kaikkia sidoksia. a) ammoniumkloridi b) metyyliammoniumbromidi c) natriumasetaatti d) divetyoksidi e) hiilidioksidi a), b), c): sekä ionisidoksia että kovalenttisia sidoksia, d) ja e): vain kovalenttisia sidoksia 48. Natriumvetykarbonaattia käytetään leivonnassa nostatusaineena. Se hajoaa uunissa yli 100 C:ssa natriumkarbonaatiksi, vedeksi ja hiilidioksidiksi. Kirjoita reaktiolle tasapainotettu reaktioyhtälö. Ratkaisu 2 NaHC3(s) kuumennus Na2C3(s) + H2(l) + C2(g) 49. Luokittele seuraavat vety-yhdisteet ionisiin ja kovalenttisiin yhdisteisiin: a) NaH b) H2Se c) CaH2 d) HI e) SiH4 f) N2H4 a) ja c): ioniyhdisteitä, b), d), e) ja f) kovalenttisia 61

61 50. Kaliumhydridi on erittäin reaktiivinen yhdiste, joka veden kanssa kosketuksiin joutuessaan syttyy välittömästi tuleen. a) Kirjoita kaliumhydridin ja veden välisen reaktion reaktioyhtälö. Reaktiotuotteina syntyy vetyä ja kaliumhydroksidia. b) Reaktio on kiivas, koska hydridi-ionin ja veden välinen reaktio tuottaa paljon lämpöä. Kuvaa reaktiota kaarinuolilla eli piirrä reaktion mekanismi. a) KH(s) + H2(l) K + (aq) + H (aq) + H2(g) b) K H H H kaliumhydridi Hydridi-ionilla on kaksi elektronia. vesi K + H H + H 51. Selitä, miksi vety yhdisteiden sarjassa CH4 NH3 H2 HF kiehumispiste kasvaa järjestyksessä CH4 < NH3 < HF < H2. Ratkaisu Kiehumispiste on sitä korkeampi, mitä vahvempia ovat molekyylien väliset heikot sidokset. CH4 on pooliton, joten molekyylien välillä on ainoastaan dispersiovoimia. Muiden molekyylien välillä on dispersiovoimien lisäksi vetysidoksia. Vetysidos on sitä vahvempi, mitä elektronegatiivisempaan alkuaineeseen vety on liittynyt (eli mitä suurempi on χ). Vetysidoksen vahvuus kasvaa järjestyksessä NH3, H2, HF. Veden kiehumispiste on kuitenkin korkeampi kuin vetyfluoridin, koska vesi muodostaa neljä ja vetyfluoridi vain kaksi vetysidosta. Tämän takia kiehumis-pistejärjestyksestä tulee esitetyn kaltainen. 3.2 Happiyhdisteet 52. σ-sidoksen sidosenergia on 146 kj/mol, mutta H σ-sidoksen sidosenergia on 459 kj/mol. Miten tämä ero vaikuttaa vetyperoksidin ja veden reaktiivisuuteen? Ratkaisu Kun vetyperoksidi toimii hapettimena ja pelkistyy vedeksi, σ-sidokset katkeavat hyvin helposti, koska niiden sidosenergia on alhainen. H σ-sidoksen sidosenergia on yli kolminkertainen σ-sidokseen verrattuna. Niinpä vetyperoksidi toimii mielellään hapettimena, kun taas vesi toimii hapettimena vain erittäin tehokkaiden pelkistimien, kuten metallien kanssa. 53. vatko seuraavat oksidit happamia vai emäksisiä? Esitä myös näistä oksideista veden kanssa syntyvän reaktiotuotteen kaava. a) Ca b) N25 c) La23 d) S2 e) Se2 a) emäksinen oksidi, Ca(H)2 b) hapan oksidi, HN3 c) emäksinen oksidi, La(H)3 d) hapan oksidi, H2S3 e) hapan oksidi, H2Se3 62

62 54. Kromin tunnetuimmat oksidit ovat tummanvihreä kromi(iii)oksidi Cr23 ja ruskeanpunainen kromi(vi)oksidi Cr3. a) Kromi(III)oksidi liukenee sekä HCl- että NaH-liuokseen, kun taas kromi(vi)oksidi liukenee näistä vain NaH-liuokseen. Selitä ilmiö. b) Esitä tasapainotetut reaktioyhtälöt kromi(iii)oksidin liukenemiselle HCl-liuokseen ja kromi(vi)oksidin liukenemiselle NaH-liuokseen. Ensimmäisessä reaktiossa syntyy kromi(iii)kloridia ja jälkimmäisessä natriumkromaattia Na2Cr4. a) Kromi(III)oksidi Cr23 on amfoteerinen oksidi, joten se liukenee sekä happamaan että emäksiseen liuokseen. Kromi(VI)oksidi Cr3 on puolestaan hapan oksidi, joten se liukenee vain emäksiseen liuokseen. b) Cr23(s) + 6 HCl(aq) 2 Cr 3+ (aq) + 3 H2(l) + 6 Cl (aq) Cr3(s)+ 2 NaH(aq) 2 Na + (aq) + Cr4 2 (aq) + H2(l) Liuosta haihdutettaessa jää jäljelle keltaista natriumkromaattia Na2Cr Vertaa hapen, fluorin ja kloorin elektronegatiivisuuksia ja alkuainemolekyylien sidosenergioita. Selitä sidosenergioiden avulla, miksi happikaasu ei ole niin kiivaasti reagoiva hapetin kuin fluori tai kloori, vaikka alkuaineiden elektronegatiivisuudet ovat samaa suuruusluokkaa. Ratkaisu Jotta 2, F2 tai Cl2 voisivat toimia hapettimina, täytyy katkaista atomien välinen sidos. =-kaksoissidoksen sidosenergia on yli kaksinkertainen Cl Cl-sidoksen sidosenergiaan verrattuna ja yli kolminkertainen F F-sidoksen sidosenergiaan verrattuna. Niinpä 2:n reaktioihin tarvitaan huomattavasti enemmän aktivoitumisenergiaa F2:n tai Cl2:n reaktioihin verrattuna. 56. Selitä, miksi kovien ja lujien maasälpämineraalien rapautuessa syntyvä savi on pehmeää ja muovattavaa. Savi koostuu pääosin kaoliinista, joka on rakenteeltaan verkkosilikaattien kaltainen. Ratkaisu Maasälpämineraalit ovat hohkasilikaatteja, joissa on kovalenttinen kolmiulotteinen silikaattirakenne. Tämä tekee niistä erittäin kovia ja lujia. Saven kaoliini taas muodostaa verkkomaisia tasoja, jotka eivät ole kovalenttisesti kiinni toisissaan. Tasot pystyvät liukumaan toistensa ohi, joten savi on pehmeää ja sitä voi helposti muovailla. 57. Titaanidioksidia käytetään erittäin peittävänä valkoisena pigmenttinä maaleissa ja painoväreissä. Sitä voidaan käyttää myös aurinkovoiteissa UV-säteilyä heijastavana aineena. Titaanidioksidia valmistetaan Suomessa sulfaattimenetelmällä ilmeniittimineraalista FeTi3. a) Kuinka monta kiloa titaanidioksidia voitaisiin saada tonnista ilmeniittiä, jos prosessissa ei synny häviöitä? b) Prosessissa syntyy myös rauta(ii)sulfaattia FeS4 7H2. Kuinka paljon sitä voidaan saada tonnista ilmeniittiä? Tapa 1 a) Titaania on ilmeniitissä, FeTi3: 63

63 g 47,87 M(Ti) m(ti)% = 100 % = mol 100 % M (FeTi g 3 ) (55, , ,00) mol = 31, % Titaania on tonnissa ilmeniittiä 1000 kg 0, = 315,515 kg Titaanidioksidia saadaan 315,5151 kg:sta titaania: n(ti) = n(ti2) m(ti) ,1... g g M(Ti 2 ) = (47, ,00) M(Ti ) g 47,87 mol mol = , g 530 kg b) Rautaa on ilmeniitissä: M(Fe) m(fe)% = 100 % M(FeTi ) 3 g 55,85 = mol 100 % = 36,811...% g (55, , ,00) mol Rautaa on tonnissa ilmeniittiä 1000 kg 0,36811 = 368,1123 kg Rauta(II)sulfaattia saadaan 368,1123 kg:sta rautaa: n(fe) = n(fes4 7 H2) m(fe) M(Fe ) M(FeS 7 H ) ,3... g g = (55, , , (2 1, ,00)) g 55,85 mol mol = , g 1,8 tn Tapa 2 prosessi a) FeTi3 Ti2 Prosessissa ei synny häviöitä, joten jokainen ilmetiitin Ti-atomi on titaanidioksidissa eli n(ti2) = n(feti3) M((FeTi3) = 151,72 g/mol ja M(Ti2) = 79,87 g/mol 6 m 1,0 10 g n(feti 3) = = = 6591,08... mol = n(ti 2 ) M g 151,72 mol m((ti2) = n M = 6591,08 mol 79,87 g mol = ,2 g = 1,8 tn prosessi b) FeTi3 FeS4 7 H2 g M(FeS4 7 H2) = 278,032 mol 64

64 n(fes4 7 H2) = n(feti3) = 6591,08 mol m(fes4 7 H2) = n M = 6591,08 mol 278,032 = 1,8 tn g mol Reaktio 4 opettajan opas = ,6 g 58. Eräs alkuaine X muodostaa kaksi oksidia. ksidien moolimassat ovat 143,1 ja 79,5 g/mol ja hapen massaprosenttiset osuudet oksideissa ovat vastaavasti 11,2 ja 20,1 %. Mikä alkuaine on kyseessä? Ratkaisu Merkitään yhdisteitä Xab ja Xcd Lasketaan ensin kaavayksikön kertoimet hapen osalta: g 0, ,1 0,112 M(Xa b ) b = = mol = 1, M() g 16,00 mol g 0,201 79,5 d = = = M() g 16,00 mol 0,112 M(Xc d ) mol 0, ksideissa happi on hapetusluvulla II, joten jos kaavayksikössä on vain yksi happi, täytyy yhdisteiden olla muotoa X2 (X:n hapetusluku +I) ja X (X: +II). Muut vaihtoehdot (X3, X4 jne) vaatisivat hapetuslukua, joka olisi pienempi kuin +I. X:n suhteellinen atomimassa on tällöin 143,1 79,5 = 63,6 g/mol. Tämä vastaa kuparin atomimassaa. X on siis kupari. 65

65 3.3 Rikin kemiaa 59. Mikä on rikin hapetusluku seuraavissa yhdisteissä: a) H2S b) S2 c) H2S4 d) SF6 e) CuFeS2? Rikin hapetusluku: a) H2S: x = 0 x = 2 eli rikin hapetusluku on II b) S2: x + 2 ( 2) = 0 x = + 4 eli rikin hapetusluku on + IV c) H2S4: x + 4 ( 2) = 0 x = = 6 eli rikin hapetusluku on + VI d) SF6: x + 6 ( 1) = 0 x = 6 eli rikin hapetusluku on + VI e) ZnS: 2 + x = 0 x = 2 eli rikin hapetusluku on II. 60. S S σ-sidoksen sidosenergia on 268 kj/mol ja S=S-kaksoissidoksen sidosenergia on 425 kj/mol. Vertaa lukuja hapen vastaaviin arvoihin. Miten sidosenergioiden avulla selittyy, että rikki muodostaa S8-molekyylejä tai pitkiä ketjuja, mutta happi muodostaa 2-molekyylejä? =-sidoksen sidosenergia (496 kj/mol) on yli kolminkertainen -sidoksen sidosenergiaan (146 kj/mol) verrattuna. Jos happimolekyylit liittyisivät toisiinsa ketjuiksi tai renkaiksi, yhtä =-sidosta kohti tulisi kaksi σ-sidosta. Sidosenergioista näkee, että tällaisessa reaktiossa lähtöaineiden sidokset olisivat vahvempia. = -sidokset ovat siis lujempia kuin... ketjut tai renkaat. Rikillä käy päinvastoin: kaksi S S σ-sidosta (sidosenergiat kj/mol) ovat lujempia kuin yksi S=S -sidos (sidosenergia 425 kj/mol). Rikki siis muodostaa mieluummin ketjuja tai renkaita kuin S=S -molekyylejä. Vaihtoehtoinen tapa (sidosenergioiden erotuksen perusteella): = -sidoksen sidosenergia (496 kj/mol) on yli kolminkertainen -sidoksen sidosenergiaan (146 kj/mol) verrattuna. Jos happimolekyylit liittyisivät toisiinsa... ketjuksi tai renkaiksi, jokaista katkennutta =-sidosta kohti muodostuu kaksi -sidosta. Tähän reaktioon tarvittava energia voidaan arvioida sidosenergioista: H = (lähtöaineiden sidosenergia) (tuotteiden sidosenergia) = 496 (2 146) kj/mol = +204 kj/mol. Rikki taas muodostaa mieluummin ketjuja, minkä näkee sidosenergioistakin. Kun S=S molekyylit liittyvät toisiinsa S S S S S S...ketjuksi tai S8-renkaiksi, tarvitaan energiaa: H = 425 (2 268) kj/mol = 111 kj/mol. Eli energiaa vapautuisi tässä reaktiossa 111 kj/mol. 66

66 61. Polttoöljyn rikkipitoisuus voidaan määrittää hapettamalla rikkiyhdisteet sulfaattiioneiksi. Sulfaatti-ionit voidaan saostaa bariumsulfaattina. Eräästä 10,0 gramman öljynäytteestä saatiin 0,88 g kuivaa bariumsulfaattia. Mikä oli öljyn rikkipitoisuus? Tapa 1 Lasketaan bariumsulfaatin rikkipitoisuus M(S) m(s)% = 100 % M(BaS ) 4 g 32,07 = mol 100 % = 13, % g (137, , ,00) mol Öljynäytteessä on rikkiä 0,88 g 13, % /10 g =...% = 1, % 1,2%. Tapa 2 reaktio S-pitoinen näyte S4 2 saostus BaS4 n(näytteen S) = n(s4 2 ) = n(bas4) ja M(BaS4) = 233,40 g/mol n 0,88 g 3 (BaS 4 ) = = 3, mol = (näytteen S) g n 233,40 mol m(näytteen S) = n M = 3, mol 32,07 g/mol = 0,1209 g 0, g näytteen S-pitoisuus m-%:eina = 100% = 1,209...% = 1,2% 10,0 g 62. Yhden litran täyttä pullollista väkevää, 98-massaprosenttista rikkihappoa oli säilytetty talvella ulkovarastossa, jolloin rikkihappo oli jäätyessään särkenyt pullon. Kuinka paljon kalkkia (CaC3) tarvittiin pullon sisältämän rikkihapon neutralointiin? Rikkihapon tiheys on 1,84 kg/dm 3. Reaktio on seuraava: H2S4(l) + CaC3(s) CaS4(s) + H2(l) + C2(g). 98-massaprosenttinen rikkihappo sisältää rikkihappoa: m(h2s4) = 0,98 ρ V = 0,98 1,84 kg/dm 3 1,00 dm 3 = 1,8032 kg Neutraloitumisen reaktioyhtälö: H2S4(l) + CaC3(s) CaS4(s) + H2(l) + C2(g) n(cac3) = n(h2s4) = m(h2s4) / M(H2S4) = 1803,2 g /(2 1, , ,00) = 18,3238 mol m(cac3) = n(cac3) M(CaC3) = 18, mol ( 40, , ,00) = 1840,04127 g 1,84 kg 67

67 63. Natriumvetysulfaatin vesiliuos reagoi magnesiummetallin kanssa siten, että muodostuu vetykaasua. a) Esitä vetysulfaatti-ionien ja magnesiummetallin välisen reaktion yhtälö. b) Miksi samaa reaktiota ei voida tehdä natriumsulfaatilla? a) Mg(s) + 2 HS4 (aq) Mg 2+ (aq) + 2 S4 2 (aq) + H2(g) b) Sulfaatti-ionissa ei ole vetyatomia eikä se ole hapan kuten vetysulfaatti-ioni, joten se ei reagoi magnesiumin kanssa. 64. Laboratoriossa voidaan valmistaa vetykloridikaasua käyttämällä lähtöaineina natriumkloridia ja 100-prosenttista rikkihappoa. a) Kirjoita valmistusreaktion reaktioyhtälö. Reaktiossa syntyy myös natriumvetysulfaattia. b) Kuinka monta grammaa natriumkloridia ja rikkihappoa vähintään tarvitaan, kun halutaan valmistaa 500 ml HCl:n etyyliasetaattiliuosta, jossa HCl:n konsentraatio on 2,0 mol/dm 3? a) NaCl(s) + H2S4(l) HCl(g) + NaHS4(s) b) HCl:n ainemäärä valmistettavassa liuoksessa: n(hcl) = c V = 2,0 mol/dm 3 0,5 dm 3 = 1,0 mol n(hcl) = n(h2s4) = n(nacl) = 1,0 mol natriumkloridia tarvitaan: m(nacl) = n M(NaCl)= 1,0 mol (22, ,45) g/mol = 58,44 g 58 g m(h2s4) = n M(H2S4)= 1,0 mol (2 1, , ,00) g/mol = 98,086 g 98 g 65. Kuivassa turpeessa on 0,21 massaprosenttia rikkiä. Paljonko turvevoimalassa tarvitaan kalsiumkarbonaattia turvetonnia kohti, jotta poltossa muodostuva rikkidioksidi saataisiin neutraloitua? Turvetonnissa on rikkiä: 0,21% 1000 kg/100% = 2,1 kg Rikin ainemäärä: m 2100 g n = = = 65, mol M(S) g 32,07 mol Rikki palaa rikkidioksidiksi S(s) + 2(g) S2(g), joten n(s) = n(s2) Rikkidioksidin neutralointi kalsiumkarbonaatilla: 2 CaC3(s) + 2 S2(g) + 2(g) 2 CaS4(s) + 2 C2(g) Neutraloitumisreaktiosta ja rikin palamisreaktiosta nähdään, että kalsiumkarbonaattia tarvitaan: n(cac3)= n(s2) = n(s) = 65,4817 mol m(cac3) = n (CaC3) = 65,4817 mol (40, , ,00) g/mol = 6554, g 6,6 kg 68

68 Käytännössä rikkidioksidia ei saada tällä tavoin täydellisesti poistettua. Vaikka kalkkikiveä käytettäisiin kolminkertainen määrä, tyypillisessä voimalaitoskattilassa rikkidioksidipäästöistä jää tavallisesti neutraloimatta %. Kalkkikiven asemesta voidaan käyttää puun kuorta, jonka sisältämät mineraalit (K, Mg, Ca) neutraloivat savukaasuja hieman tehokkaammin kuin kalkki. 66. Vetyperoksidin konsentraatio voidaan määrittää lisäämällä vetyperoksidinäyte ylimäärään hapanta KI-liuosta ja titraamalla muodostunut jodi natriumtiosulfaatilla Na2S23, jonka jodi hapettaa natriumtetrationaatiksi Na2S46. Tällä menetelmällä titrattu 2,0 ml:n näyte vetyperoksidia kulutti titrauksessa 12,5 ml 0,1 mol/dm 3 natriumtiosulfaattiliuosta. Mikä oli vetyperoksidin konsentraatio näytteessä? Reaktioyhtälöt: H22(aq) + 2 KI(aq) + 2 H + (aq) I2(aq) + 2 K + (aq) + 2 H2(l) I2(aq) + 2 Na2S23(aq) 2 NaI(aq) + Na2S46(aq) Reaktioyhtälöistä nähdään, että n(h22) = n(i2) = ½ n(na2s23). Titrauksessa kului 12,5 ml(0,0125 dm 3 ) 0,1 M Na2S23-liuosta. n(na2s23) = 0,0125 dm 3 0,1 mol/dm 3 = 1, mol. n(h22) = ½ n(na2s23) = 0, mol. c(h22) = n(h22)/v(h22) = 0, mol / 2, dm 3 = 0,3125 mol/dm 3 0,31 mol/dm Typen ja fosforin kemiaa 67. Mikä on typen hapetusluku seuraavissa yhdisteissä? a) NH3 b) N c) NCl (mieti rakennetta!) d) Ca(N3)2 e) N24 Typen hapetusluku: a) NH3: x = 0 x = 3 eli typen hapetusluku on III b) N: x +( 2) = 0 x = 2 eli typen hapetusluku on +II c) NCl: x +( 2) +( 1) = 0 x = 3 eli typen hapetusluku on +III d) Ca(N3)2: 2 + 2x + 6 ( 2) = 0 2x = josta x = 5 eli typen hapetusluku on +V e) N24: 2x + 4 ( 2) = 0 2x = 8 josta x = 4 eli typen hapetusluku on +IV 68. Fosfori muodostaa vedyn kanssa yhdisteitä, joita kutsutaan fosfiineiksi. Yksinkertaisimman fosfiinin kaava on PH3. a) Millaisia sidoksia fosfiineissa esiintyy? b) Fosfiini syttyy ilmassa itsestään tuleen. Esitä tasapainotettu reaktioyhtälö, jossa PH3 reagoi ilman hapen kanssa siten, että palamistuotteina syntyy fosfori(v)oksidia P410 ja vettä. 69

69 a) Fosfiinien P H -sidokset ovat kovalenttisia sidoksia ( χ = 0). Fosfiinimolekyylien väliset sidokset ovat dispersiovoimia, koska molekyylit ovat poolittomia. Vetysidoksia tai dipoli-dipolisidoksia ei muodostu. b) 4 PH P H2 69. Hydratsiinia H2NNH2 käytetään teollisuudessa hapenpoistokemikaalina estämään korroosiota. a) Esitä hydratsiinin ja hapen välistä reaktiota kuvaava tasapainotettu reaktioyhtälö. Reaktiotuotteina syntyy typpeä ja vettä. b) Miksi hydratsiinin ja hapen välinen reaktio on eksoterminen? c) Kuinka paljon hydratsiinia vähintään tarvitaan poistamaan happi yhdestä kuutiometristä vettä, jossa on liuenneena 30 ppm happea? a) H2NNH2 + 2 N2 + 2 H2 b) Reaktiossa muodostuu hyvin luja N N -sidos (sidosenergia 944 kj/mol) ja neljä lujaa H sidosta (sidosenergia 463 kj/mol), joten energiaa vapautuu reaktioyhtälön ilmoittamia ainemääriä kohti 1 mol 944 kj/mol + 4 mol 463 kj/mol = 2796 kj. Sidosten katkaisemiseen kuluu 1 mol 163 kj/mol + 4 mol 388 kj/mol + 1 mol 496 kj/mol = 2211 kj. Sidosten muodostuessa vapautuva energia on suurempi kuin sidosten katkaisemiseen tarvittava energia, joten reaktio on eksoterminen. c) Hapen ainemäärä kuutiometrissä saadaan olettamalla, että veden tiheys on n. 1,00 kg/dm 3 : m(2) = dm 3 1,00 kg/dm 3 = kg = 30 g n(2) = m(2)/m(2) = 30 g /(2 16,00 g/mol) = 0,9375 mol Hydratsiinia tarvitaan n(h2nnh2) = n(2) = 0,9375 mol eli m(h2nnh2) = n(h2nnh2) M(H2NNH2) = 0,9375 mol (4 1, ,01) g/mol = 30, g 30 g. 70. Ammoniumnitraatti imee helposti kosteutta ja paakkuuntuu erittäin koviksi kokkareiksi luvun alussa ammoniumnitraatin varastoissa yritettiin toisinaan rikkoa paakkuja dynamiitin avulla. Tämä johti usein katastrofaalisiin räjähdyksiin. Miksi? Esitä reaktioyhtälö, jolla ammoniumnitraatti hajoaa typeksi, hapeksi ja vedeksi. Ammoniumnitraatti voi räjähtää aloiteräjähteen, kuten dynamiitin, vaikutuksesta. Reaktiossa vapautuu runsaasti kaasuja: 2 NH4N3(s) 2 N2(g) + 4 H2(g) + 2(g). 70

70 71. Ilokaasuna tunnettua dityppimonoksidia voidaan valmistaa hajottamalla ammoniumnitraattia 250 C lämpötilassa: NH4N3(s) N2(g) + 2H2(g) a) Ammoniumnitraatti on ionirakenteinen yhdiste, jossa typpi esiintyy kahdella eri hapetusasteella. Mitkä nämä hapetusasteet ovat? Mitkä atomit hapettuvat ja mitkä pelkistyvät reaktion aikana? b) Dityppimonoksidi on polaarinen ja lineaarinen molekyyli. nko atomien järjestys molekyylissä NN vai NN? Perustele vastauksesi. c) Laske kaasumaisen dityppimonoksidin tiheys normaaliolosuhteissa(ntp). Päättele onko kaasu raskaampaa vai kevyempää kuin ilma. (yo k1996) a) Hapetusaste tarkoittaa tässä hapetuslukua. Ammoniumnitraatti, NH4N3, koostuu NH4 + -ionista ja N3 -ionista. Hapetusluvut ovat NH4 + -ionissa: x = +1 josta x = 3 eli typen hapetusluku on III ja N3 -ionissa: x + 3 ( 2) = 1 josta x = 5 eli typen hapetuluku on V. Reaktiossa syntyneen N2:n hapetusluku on: 2x + ( 2) = 0 josta x = 1 eli typen hapetusluku on +I. Ammoniumionin typpi hapettuu ja nitraatti-ionin typpi pelkistyy. b) Koska lineaarinen molekyyli on poolinen (polaarinen), rakenteen pitää olla NN. NN olisi lineaarisena pooliton, sillä osittaisvarausten vaikutukset kumoaisivat toisensa. mrt c) Tiheys NTP:ssä pv = nrt =, josta MV pm(n2) ρ = RT 101,325 kpa (2 14,01+16,00) = J (8, ,15 K) mol K g g = 1, , dm dm Päättely, onko kaasu raskaampaa vai kevyempää kuin ilma voidaan tehdä moolimassoja vertaamalla. Ilma koostuu pääasiassa typestä ja hapesta. Sen keskimääräinen moolimassa on 29 g/mol. Dityppioksidin moolimassa on (2 14, ,00) g/mol = 44,02 g/mol. Typpidioksidi on selvästi raskaampaa eli sen tiheys on suurempi. 3.5 Halogeenien kemiaa 72. Mikä on halogeenin hapetusluku seuraavissa yhdisteissä: a) CaCl2 b) NaCl c) KCl3 d) Br2 e) ClF3? 71

71 Halogeenin hapetusluku on: a) CaCl2: x = 0, josta x = 1 eli kloorin hapetusluku on I b) NaCl: +1 +( 2) + x = 0, josta x = 1 eli kloorin hapetusluku on +I c) KCl3: +1 + x +3 ( 2) = 0, josta 1 + x 6 = 0 ja x = 5 eli kloorin hapetusluku on +V d) Br2: Bromi on alkuaineena, joten sen hapetusluku on 0. e) ClF3:(fluori on elektronegatiivisempi) x + 3 ( 1) = 0, joten x 3 = 0 eli kloorin hapetusluku on + III. 73. a) Mitä voidaan päätellä taulukkotiedosta, jonka mukaan halogeenien elektroniaffiniteetit ovat hyvin negatiivisia? b) Fluori ja kloori ovat huoneenlämpötilassa kaasuja, bromi neste ja jodi kiinteä. Miksi halogeenien kiehumispisteet kasvavat ryhmässä alaspäin siirryttäessä? c) Miksi halogeeniatomien välisten σ-sidosten pituus kasvaa ryhmässä alaspäin siirryttäessä? d) Vertaa halogeenien elektronegatiivisuus- ja normaalipotentiaaliarvoja toisiinsa. Mitä huomaat? e) Mikä halogeeneista on paras ja mikä huonoin hapetin? Perustele. a) Halogeenit ottavat helposti vastaan elektronin ja niistä muodostuu helposti negatiivinen ioni. b) Kaikki halogeenimolekyylit ovat kaksiatomisia ja poolittomia. Molekyylipainon kasvaessa molekyylien elektronien määrä kuitenkin kasvaa ja siten myös dispersiovoimat kasvavat. Siksi kiehumispisteet kasvavat. c) Sidospituudet kasvavat, koska halogeeniatomien elektronien lukumäärä kasvaa ryhmässä alaspäin. Lisäelektronit tarvitsevat lisää tilaa. d) Elektronegatiivisuus ja pelkistysreaktion X2 + 2 e 2X E kasvavat käsi kädessä. e) Paras hapetin on F2(suurin pelkistysreaktion E -arvo, suurin elektronegatiivisuus) ja huonoin I Natriumhypokloriittia NaCl sisältäviin valkaisuaineisiin ei saa sekoittaa happamia pesuaineita, koska tällöin vapautuu myrkyllistä kloorikaasua. Esitä reaktioyhtälö, jolla hypokloriitti-ioni ja kloridi-ioni tuottavat happamassa liuoksessa klooria. Ratkaisu Cl (aq) + Cl (aq) + 2 H + (aq) Cl2(g) + H2(l) 72

72 75. Perkloraatteja käytetään niiden runsaan happipitoisuuden takia rakettipolttoaineissa. Laske, kuinka monta massaprosenttia happea on a) kaliumperkloraatissa b) litiumperkloraatissa c) ammoniumperkloraatissa. a) M(4) m%()= M(KCl ) 4 g 4 16,00 = mol 100 % = 46,192...% 46 % g (39, , ,00) mol b) m%() = M(4) M(LiCl ) 4 g 4 16,00 = mol 100 % = 60,155...% 60 % g (6, , ,00) mol c) M(4) m%() = M(NH Cl ) 4 4 g 4 16,00 = mol 100 % = 54,476...% 54 %. g (14, , , ,00) mol 76. Kun natriumjodidin vesiliuokseen johdetaan klooria, syntyy ensin jodia, sitten jodimonokloridia ja lopuksi joditrikloridia. Kirjoita näitä peräkkäisiä reaktioita kuvaavat reaktioyhtälöt. i) Cl2(g) + 2 NaI(aq) I2(aq) + 2 NaCl(aq) ii) Cl2(g) + I2(aq) 2 ICl(aq) iii) ICl(aq) + Cl2(g) ICl3(aq) 77. Vetyfluoridi syövyttää lasia, joten HF-liuoksia on säilytettävä muoviastioissa. Reaktiossa lasin kanssa syntyy heksafluorisilikaatti-ioneja SiF6 2. Esitä reaktioyhtälö, jossa kalsiumsilikaatti (CaSi4) reagoi vetyfluoridin kanssa. Ca2Si4(s) + 8 HF(aq) 2 Ca 2+ (aq) + SiF6 2 (aq) + 4 H2(l) + 2 F (aq) 78. Laktoosin C12H2211 ja kaliumkloraatin seosta on käytetty polttoaineena savua muodostavissa pyroteknisissä seoksissa. Missä suhteissa laktoosia ja kaliumkloraattia täytyy sekoittaa, jotta seoksen hajotessa syntyisi hiilidioksidia, vettä ja kaliumkloridia? 73

73 Palamisreaktion tasapainotettu reaktioyhtälö: C12H KCl3 8 KCl + 12 C H2. Reaktioyhtälöstä nähdään, että laktoosin ja kaliumkloraattin ainemääräsuhde on 1:8. Massasuhteina tämä vastaa m(laktoosi): M(laktoosi) m(kcl 3 ) = 8 M(KCl ) 3 g = (12 12, , ,00) : 8 (39, , ,00) mol = 342,296 : 980,4 = 1 : 2, : 2,9. Käytännössä tämäntyyppisissä seoksissa käytetään ylimäärin polttoainetta, koska seokseen usein lisätään jopa 50 massaprosenttia sublimoitavaa orgaanista väriainetta, esimerkiksi indigoa. Väriaine hapettuisi pilalle, jos reaktioseoksessa on ylimäärin happea. g mol 3.6 Metallit 79. Raudan valmistuksessa masuunissa hiilimonoksidi pelkistää rauta(iii)oksidin raudaksi. Samalla syntyy hiilidioksidia. a) Esitä masuunireaktiota kuvaava reaktioyhtälö. b) Kuinka monta tonnia hiilidioksidia syntyy yhtä raakarautatonnia kohti? (leta, että raakarauta olisi puhdasta rautaa.) a) Fe23(s) + 3 C(g) 2 Fe(l) + 3 C2(g) b) Tonnin raakaraudan ainemäärä m(fe) g n(fe) = = = 17905, mol M(Fe) g 55,85 mol Hiilidioksidia syntyy reaktioyhtälön perusteella: 3 n(c 2 ) = n(fe) = 26857, mol 2 m(c ) = n(c ) M(C ) = 26857, mol (12, ,00) = 1, g 1,2 tonnia. 80. Alumiinia voidaan käyttää pelkistämään muita metallioksideja. Esimerkiksi rauta(iii)oksidin ja alumiinijauheen seosta kutsutaan termiitiksi, koska kerran alkuun päästyään reaktio tuottaa niin paljon lämpöä, että syntyy sulaa rautaa. Esitä reaktioyhtälöt, jolla alumiini pelkistää a) rauta(iii)oksidia b) vanadiini(v)oksidia c) mangaanidioksidia d) kromi(iii)oksidia. 74

74 a) 2 Al(s) + Fe23(s) Al23(s) + 2 Fe(s) b) 10 Al(s) + 3 V25(s) 5 Al23(s) + 6 V(s) c) 2 Al(s) + Cr23(s) Al23(s) + 2 Cr(s) d) 2 Al + Cr23 Al Cr Huom. Tällaisissa metallurgisissa reaktioissa reaktion lähtöaineiden ja tuotteiden olomuotojen tarkka ilmoittaminen on vaikeaa, jopa mahdotonta. ppilaat eivät mitenkään voi päätellä, kuinka kuumaksi reaktioseos kuumenee eli syntyykö jokaisessa reaktioseoksessa sulaa metallia. n myös kyseenalaista, tapahtuuko reaktio todella kahden kiinteän lähtöaineen välillä, kuten reaktioyhtälö esittää, vai sulaako alumiini ennen reaktion käynnistymistä (mikä on varsin todennäköistä). Siksi tulisi hyväksyä myös vastaukset, joissa metallien olomuodoiksi on annettu (l), nehän itse asiassa paljastavat, että oppilas on ajatellut myös reaktio-olosuhteita. 81. Titaani on erittäin kestävä, sitkeä ja luja metalli. Sen käyttöä rajoittaa metallin vaativa valmistusprosessi, jossa titaanitetrakloridia pelkistetään natrium- tai magnesiummetallilla. a) Titaanitetrakloridia valmistetaan titaanidioksidista kuumentamalla sitä hiilen kanssa kloorikaasussa. Reaktiossa syntyy myös hiilimonoksidia. Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö. b) Kuinka monta kiloa hiiltä, magnesiumia ja klooria kuluu yhden titaanitonnin valmistukseen? a) Ti2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) TiCl4(l) + 2 C(g) Huom. Jälleen reaktio-olosuhteita tarkemmin tuntematta oppilaiden voi olla vaikea päätellä reaktiotuotteiden olomuotoja. Kovalenttisten halogenidien, kuten TiCl4, SnCl4 jne. kemiaa ei lukiokursseissa käsitellä. Siksi oppilailta ei pidä edellyttää, että he tietäisivät titaanitetrakloridin olevan nestettä. b) Ti2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) TiCl4(l) + 2 C(g) TiCl4(l) + 2 Mg(s) Ti(s) + 2 MgCl2(s) Laskemalla yhteen puolittain yllä olevat reaktioyhtälöt saadaan: Ti2 + 2 C + 2 Cl2 + 2 Mg 2 C + Ti + 2 MgCl2 Yhden titaanitonnin ainemäärä: m g n(ti) = = = 20889,91... mol M(Ti) g 47,87 mol Reaktioyhtälöstä nähdään, että hiiltä tarvitaan: n(c) = 2 n(ti) = ,91 mol m(c) = n(c) M(C) = ,91 mol 12,01 g/mol = ,64 g 500 kg 75

75 Reaktioyhtälöstä nähdään, että magnesiumia tarvitaan: n(mg) = 2 n(ti) = ,91 mol = 41779,820 mol m(mg) = n M(Mg) = 41779,820 mol 24,31 g/mol = ,433 g 1016 kg 1,0 tn Reaktioyhtälösta nähdään, että klooria tarvitaan: n(cl2) = 2 n(ti) = ,91 mol = 41779,820 mol m(cl2) = n(cl2) M(Cl2) = 41779,820 mol 2 35,45 g/mol = ,263 g 2962 kg 3,0 tn. 82. Alumiini on kestävä metalli, mutta se syöpyy voimakkaasti emäksisissä liuoksissa. a) Kun natriumhydroksidin vesiliuos reagoi alumiinin kanssa, syntyy vetyä. Tasapainota tätä reaktiota kuvaava reaktioyhtälö Al(s) + H (aq) + H2(l) Al(H)4 (aq) + H2(g). b) Kun alumiinikattilaa oli pesty astianpesukoneessa emäksisellä pesuaineella, havaittiin, että sen massasta puuttuu 0,8 g. Mikä oli pesun aikana muodostuneen vetykaasun tilavuus, kun astianpesukoneen lämpötilaksi oli säädetty 65 C? c) Astianpesukoneen sisätilavuus on 50 litraa. Muodostuiko b-kohdassa esitetyssä pesussa räjähtävä kaasuseos, kun vety muodostaa ilman kanssa räjähtävän seoksen 4 72-tilavuusprosenttisina seoksina? a) 2 Al(s) + 2 H (aq) + 6 H2(l) 2(Al(H)4) (aq) + 3 H2(g). Reaktio on tasapainotettu luvun 1 esimerkissä 1. Sen voi tasapainottaa myös atomien ja elektronien häviämättömyyden perusteella, mutta tällöin on oltava tarkkana varausten kanssa! b) pesun aikana muodostuneen vetykaasun tilavuus lasketaan kaavasta pv = nrt m 0,8 g n(al) = (Al) = = 0, mol M g 26,98 mol Reaktioyhtälöstä nähdään, että n(h2) =(3/2) n(al) = 0,04447 mol nrt Nm (273, )K V(H 2 ) = = 0, mol 8,3145 p mol K N 101, m 2 = 1, m 1,2 dm c) Astianpesukoneen tilavuus on 50 dm 3. Tässä tilavuudessa vetykaasun ja ilman muodostama räjähtävän seoksen vetykaasun määrä alarajalla on 0,04 50 = 2 dm 3 ja ylärajalla 0,72 50 dm 3 = 36 dm 3. b-kohdassa ei muodostunut räjähtävää kaasuseosta, koska 1,2 dm 3 < 2 dm 3. Läheltä kuitenkin piti! 76

76 83. Kuparin valmistukseen on utokumpu Technology kehittänyt vaihtoehtoisen HydroCopper -menetelmän, jossa rikastetusta kuparimalmista CuFeS2 liuotetaan kupari kupari(ii)kloridin avulla. Reaktiossa syntyneestä kupari(i)kloridista saadaan kupari(i)oksidia NaH-käsittelyllä ja tästä edelleen kuparia pelkistämällä kupari(i)oksidia vedyllä. a) Esitä menetelmää kuvaavat reaktioyhtälöt. Voit olettaa, että liuotusreaktiossa syntyy alkuainerikkiä ja rauta(ii)kloridia. b) Kuinka monta kiloa vetyä kuluu kuparitonnin tuotantoon? a) CuFeS2(s) + 3 CuCl2(aq) 4 CuCl(aq) + 2 S(s) + FeCl2(aq) 2 CuCl(aq) + 2 NaH(aq) Cu2(s) + 2 NaCl(aq) + H2(l) Cu2(s) + H2(g) ) 2Cu(s) + H2(g) m g b) Kuparitonnin ainemäärä n(cu) = (Cu) = = 15735,64... mol M g 63,55 mol Reaktioyhtälöstä nähdään että n(h2) = ½n(Cu) =½ 15735,64... mol m(h 2) = ½ n M(H2) = ½ 15735,64... mol 2 1,008 g/mol= 15861,52 g 16 kg 84. Valitse seuraavista kohdista kolme ja selvitä niiden kemiallinen perusta: a) alumiiniset käyttöesineet yleistyivät vasta 1900-luvulla, vaikka alumiini on maankuoren yleisin metalli b) alumiinista valmistettua mehumaijaa ei suositella käytettäväksi viinimarjamehun valmistuksessa c) alumiinikattilaa ei voi puhdistaa natriumhydroksidia sisältävällä uuninpuhdistusaineella d) väkevää typpihappoa voidaan säilyttää alumiiniastiassa. (yo k1998) a) Alumiini on epäjalo metalli ja sen pelkistäminen vapaaksi metalliksi on vaikeaa. Alumiinin pelkistysreaktion Al e Al E = 1,66 V. Pelkistysreaktioon tarvitaan vahvaa pelkistintä, hiili ei riitä, vaan on käytettävä elektrolyysiä. Luonnossa alumiinia on runsaasti erilaisina mineraaleina, pääasiassa alumiinisilikaatteina. Metallista alumiinia valmistetaan pelkistämällä sulaan kryoliittiin (Na2AlF6) liuotettua alumiinioksidia elektrolyyttisesti. Menetelmä yleistyi vasta luvulla. b) Epäjalona metallina alumiini voi reagoida viinimarjoissa olevien happojen kanssa, jolloin alumiini liukenee Al 3+ -ioneina (ja erilaisina kompleksiyhdisteinä) liuokseen. Ihmiselle jo hyvin pienet alumiinimäärät ovat myrkyllisiä. Alumiinin pintaan helposti muodostuva Al23-kalvo kuitenkin vähentää metallin liukenemista. c) Alumiinioksidi on amfoteerinen oksidi, joten alumiinisuolat ovat liukoisia sekä happamassa että emäksisisessä liuoksessa. Alumiinimetalli voi siten reagoida sekä happojen että emästen kanssa. Emäsliuoksiin alumiini liukenee aluminaatti-ionina, Al(H)4. d) Typpihappo on voimakas hapettava happo. Vaikka alumiini liukenee happoihin, tapahtuu typpihapon kohdalla metallin passivoituminen: alumiinin pintaan muodostuva oksidi kerros estää metallin liukenemisen. 77

77 85. Kaliumin tiheys on vain 0,86 g/cm 3, kun taas kupari on yli kymmenen kertaa tiheämpää (ρ = 8,96 g/cm 3 ). Kuparin atomimassa ei kuitenkaan ole kuin noin puolitoistakertainen kaliumin atomimassaan verrattuna. Mitä kuparin suurempi tiheys kertoo kuparin elektronirakenteesta ja reaktiivisuudesta? Ratkaisu Metallisen alkuaineen tiheys kuvaa sitä, kuinka lähelle toisiaan atomit pääsevät metallihilassa eli mikä on atomin atomisäde. Atomisäteen suuruus kertoo siitä, kuinka tiukasti atomi kykenee pitämään ulkoelektroneistaan kiinni. Sekä kaliumilla että kuparilla on yksi ulkoelektroni 4s-orbitaalilla. Kuitenkin kupari on huomattavasti tiheämpää kuin kalium, mikä kielii siitä, että kuparin 4s-elektroni on lujemmin sidottu kuin kaliumin. Tästä johtuu myös se, että kalium on huomattavasti reaktiivisempaa kuin kupari (eli kupari on jalompi metalli). Kaliumin ulkoelektroni voidaan poistaa helposti eli kalium hapettuu helposti pelkistimenä, kun taas kupari hapettuu vain vaikeasti. Niinpä kalium syttyy heti tuleen vedessä, kun taas kuparista voidaan tehdä sateenkestäviä kattoja. 78

78 Luku 4 79

79 4.1 Materiaalit ja aineiden ominaisuudet 86. Mihin käyttötarkoitukseen seuraavat aineet soveltuisivat? Mieti vastausta aineiden hilatyyppien kannalta. a) Al b) Au c) C (grafiitti) d) CaC3 (kalkkikivi, marmori) e) H2 (jää) f) H 3 C(CH 2 ) 14 (CH 2) 29 CH 3(vaha) a) Metallihila määrää alumiinin ominaisuudet. Keveytensä vuoksi alumiini soveltuu tavaroiden ja ihmisten kuljetusvälineisiin ja -pakkauksiin, kuten tölkkeihin, matkalaukkujen, autojen, polkupyörien ja lentokoneiden rakenteisiin. Sitkeytensä, muokattavuutensa ja kemiallisen kestävyytensä takia alumiini soveltuu veneiden, liikennemerkkien, rakennusten ja laitteiden materiaaliksi. Alumiini heijastaa hyvin säteilyenergiaa, joten siitä valmistetaan valaisinten ja lämmönlähteiden heijastimia ja saunaneristeitä. Alumiinikaapelit ja -johtimet ovat keveitä ja niiden sähkönjohtokyky painoon verrattuna on hyvä. b) Metallihila määrää kullan ominaisuudet. Ne muistuttavat alumiinin ominaisuuksia paitsi että kullan tiheys on suurempi ja puhtaana kulta on pehmeää. Kullan korkea hinta rajoittaa sen käyttöä. c) Grafiitin atomihilan rakenne määrää grafiitin käyttökohteet. Se soveltuu sähkönjohtimeksi, jos johtimen pitää olla kemiallisesti kestävä ja se saa olla jäykkä. Grafiitin kerrokset voivat liukua erilleen toistaan, joten grafiitti soveltuu voiteluaineeksi ja lyijykynän materiaaliksi. d) Kalsiumkarbonaatilla on ionihila, joten se on kovaa ja sen puristuslujuus on hyvä. Marmori ja kalkkikivi soveltuvat patsaisiin, pilareihin ja rakennusten runko- ja pinnoitemateriaaliksi. e) Jäällä on molekyylihila, jota pitävät kasassa vetysidokset. Jos jään sulaminen ei ole rajoittava tekijä, se soveltuu rakennus- ja rakennemateriaaliksi, kuten iglut, jääveistokset, lumilinnat, jäätiet ja jäädytetyt luistinradat ja puunkorjuun vaatimat talvitiet. f) Vahat ovat amorfisia, poolittomia ja veteen liukenemattomia aineita. Ne soveltuvat hyvin vettä läpäisemättömien ja hylkivien pintojen materiaaleiksi. Vahat eivät ole juoksevia, joten niitä voidaan helposti levittää pinnoille kalvoiksi. 87. Kalium ja kalsium kuuluvat samaan jaksoon. Kaliumin sulamispiste on 64 C ja kalsiumin 840 C. a) Millä atomiorbitaalilla ovat kaliumin ja kalsiumin ulkoelektronit? b) Miksi kalium on pehmeämpää kuin kalsium ja sen sulamispiste on alhaisempi kuin kalsiumin? c) Selitä ionisoitumisenergian avulla, miksi kalium on reaktiivisempi kuin kalsium. d) Selitä normaalipotentiaalikäsitteen avulla, miksi kalium on reaktiivisempi kuin kalsium. 80

80 a) Kaliumin ainoa ulkoelektroni on 4s-atomiorbitaalilla. Kalsiumin kaksi ulkoelektronia ovat 4s-atomiorbitaalilla. b) Metalli on sitä pehmeämpää ja sen sulamispiste on sitä alhaisempi, mitä heikompia ovat metallisidokset. Metallisidoksen vahvuus kasvaa, kun metallin luovuttamien ulkoelektronien lukumäärä kasvaa. Kaliumissa metallisidokset ovat heikompia kuin kalsiumissa, koska kalium luovuttaa vain yhden, mutta kalsium kaksi ulkoelektroniaan elektronipilveen. Tämän takia kalium on pehmeämpää ja sen sulamispiste on alhaisempi kuin kalsiumin. c) Mitä pienempi ionisaatioenergia on, sitä löyhemmin atomi sitoo irtoavaa elektronia ja sitä reaktiivisempi alkuaine on. Kaliumin ensimmäinen ionisaatioenergia on 418 kj/mol. Kalsiumin ensimmäinen ionisaatioenergia on 590 kj/mol ja toinen 1150 kj/mol, joten kalium on reaktiivisempi kuin kalsium. d) Metalli on sitä reaktiivisempi, mitä suurempi on hapettumisreaktion M M n+ + n e normaalipotentiaali. Kaliumin E = +2,93 V ja kalsiumin +2,87 V, joten kalium on reaktiivisempi kuin kalsium. 4.2 Polymeerit 88. a) Miten käsitteet monomeeri ja polymeeri liittyvät toisiinsa? b) Miksi tietyn polymeerin ominaisuudet muuttuvat ketjun pituuden kasvaessa? c) Miten ja miksi polymeerin kiteisyys vaikuttaa sen ominaisuuksiin? d) Miksi teollisesti valmistetut polymeerit ovat perusluonteeltaan amorfisia? a) Kun suuri lukumäärä keskenään samanlaisia molekyylejä eli monomeerejä liittyy toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla, muodostuu suuria makromolekyylejä eli polymeerejä. b) Ketjun pidentyessä polymeerimolekyylien välisten siten lujuus kasvaa. Sidosten lujittuessa polymeerin ominaisuudet, kuten liukoisuus, kovuus ja taipuvuus muuttuvat. c) Kiteisissä alueissa polymeeriketjut ovat (suhteellisen hyvässä) järjestyksessä, jolloin molekyylien väliset sidokset pitävät molekyylejä tiukasti kiinni toisissaan. Mitä enemmän kiteisiä alueita polymeerissä on, sitä korkeammassa lämpötilassa se pehmenee ja sitä tiheämpää ja kovempaa se on. d) Jokainen teollisesti valmistettu polymeeri on eripituisten makromolekyylien seos. Eripituiset polymeeriketjut eivät voi asettua järjestykseen kidehilaksi, joten polymeerit ovat perusluonteeltaan amorfisia materiaaleja. Amorfisissa aineissa rakenneosat eivät ole järjestyksessä niin kuin kiteisissä aineissa. 81

81 89. Kirjoita a) 2-metyyli-1-propeenin CH2=C(CH3)2 b) 1,1-dikloorieteenin polymeroitumistuotteiden kaavat sekä ketjuna että toistuvana yksikkönä. a) n b) Cl Cl Cl Cl ketjuissa kaksi toistuvaa yksikköä Cl Cl n 90. Mistä monomeeristä seuraavat polymeerit valmistetaan? Kirjoita monomeerin rakenne- tai viivakaava. a) Kattiloiden ja paistinpannujen pinnoittamiseen käytettävä teflon. Teflon kestää suhteellisen korkeita lämpötiloja ja estää ruuan tarttumisen keittoastian pintaan. F F F F F F F F F F F F b) Vesiliukoisissa lateksimaaleissa ja liimoissa käytettävä polyvinyyliasetaatti. a) rakennekaava F F C C F F viivakaava F F F F b) H C H H C C CH 3 82

82 91. Kirjoita reaktioyhtälöt, kun a) metaanihappo (muurahaishappo) reagoi etanolin kanssa b) etaanihappo (etikkahappo) reagoi 2-propanolin kanssa c) propaanihappo reagoi metyyliamiinin kanssa d) butaanihappo reagoi dietyyliamiinin kanssa. a) H H + H H + H 2 b) H + H + H 2 c) d) H + H H H N CH 3 + H N CH N 3 H N + H 2 + H Seuraavassa on orgaanisia yhdisteitä: a) b) c) H NH 2 H 2 N H H H d) e) f) H g) H NH 2 a) Mistä yhdisteestä voi polyadditiolla syntyä polymeeri? b) Mikä yhdisteistä pystyy reagoimaan yhdisteen C kanssa muodostaen polyamidia? c) Mitkä yhdisteistä voivat reagoida keskenään muodostaen polyesteriä? a) Yhdisteestä g, koska siinä on hiili hiili-kaksoissidos. b) Yhdiste d, koska se on dikarboksyylihappo. Amidisidos muodostuu karboksyylihappo- ja aminoryhmistä. c) Yhdisteet d ja e, koska toinen on dikarboksyylihappo ja toinen kahdenarvoinen alkoholi (dioli). Esterisidos muodostuu karboksyylihappo- ja hydroksyyliryhmistä. 83

83 93. Polybutyleenitereftalaatti (PBT) on PET:n kaltainen polymeeri, jota valmistetaan 1,4-butaanidiolista ja 1,4-bentseenidikarboksyylihaposta (tereftaalihaposta). a) Kirjoita PBT:n toistuvan yksikön kaava. b) Laske toistuvan yksikön moolimassa. c) Laske polymeroitumisaste, kun polymeerin keskimääräiseksi moolimassaksi on mitattu 38 kg/mol. a) H H n b) Toistuvan yksikön alkuainekoostumus on C12H124. M(C12H124) = 220,216 g/mol. c) n M(C12H124) = M(polymeeri), josta g M(polymeeri) n = = mol = 172, M(C g 12H12 4 ) 220,216 mol 94. Kodel on polyesteri, jonka toistuva yksikkö on seuraava: n Kirjoita Kodelin valmistukseen käytettävien monomeerien rakennekaavat. H H H H 84

84 95. Nailon-4 ja nailon-6,10 ovat kuitujen valmistukseen käytettäviä nailontyyppejä. a) Kirjoita molempien nailontyyppien lähtöaineina käytettävien monomeerien viivakaavat. hje: nailon-4 valmistetaan syklisestä amidista, jonka renkaassa on neljä hiiliatomia. b) Kirjoita nailontyyppien toistuvien yksiköiden viivakaavat. a) b) H N nailon-4:n lähtöaine H nailon-4 NH H 2 N 2 H N H H n nailon-6,10:n lähtöaineet H H H N nailon-6,10 N H H n 96. Selitä esimerkin avulla tai muulla tavoin, mitä tarkoittavat seuraavat käsitteet: a) monomeeri b) kondensaatiopolymeeri c) additiopolymeeri d) toistuva yksikkö. a) Monomeeri on pieni molekyyli, josta valmistetaan ketjureaktion avulla makromolekyyli eli polymeeri. Esimerkiksi eteenistä valmistetaan polyadditioreaktiolla polyeteeniä. b) Kondensaatipolymeeri on polymeeri, joka valmistetaan kondensaatioreaktion avulla monomeereistä. Esimerkiksi polyesterit ja polyamidit ovat kondensaatiopolymeerejä. c) Additiopolymeeri on polymeeri, joka valmistetaan additioreaktion avulla. Esimerkiksi polypropeeni on additiopolymeeri. d) Toistuva yksikkö on atomiryhmä, joka toistuu aina uudelleen polymeerin rakenteessa ja muodostaa polymeeriketjun luvulta lähtien on tutkittu, miten biohajoavia polymeerejä voidaan valmistaa bakteerien avulla. Luonnosta on löydetty bakteeri, joka hajottaa glukoosia 3-hydroksibutaanihapoksi ja polymeroi sen edelleen energiavarastokseen. Polymeeri soveltuu hyvin mm. maatuvien pakkausten ja kertakäyttöastioiden valmistamiseen, mutta sen hinta ei ole vielä kilpailukykyinen perinteisiin pakkausmateriaaleihin verrattuna. a) Kirjoita 3-hydroksibutaanihapon viivakaava. b) nko 3-hydroksibutaanihapon polymeroituminen additio- vai kondensaatioreaktio? c) Kirjoita 3-hydroksibutaanihappopolymeerin toistuvan yksikön viivakaava. 85

85 H a) H b) 3-hydroksibutaanihapon polymeroituminen on kondensaatioreaktio, tarkemmin polyesteröityminen, koska monomeerissä on esterisidosten muodostumiseen tarvittavat funktionaaliset ryhmät. c) H H n 98. a) Mitä ovat muovit? b) vatko lujitemuovit kerta- vai kestomuoveja? c) Mitä materiaaleja käytetään lujitemuovien lujitteina? a) Muovit ovat polymeereistä ja lisäaineista valmistettuja seosmateriaaleja, jotka jossakin valmistusvaiheessa ovat muovattavissa haluttuun muotoon lämmön ja paineen avulla. b) Lujitemuovit ovat kertamuoveja, koska niitä valmistettaessa sideaineena käytettävä polymeeri verkottuu. Sideaineen verkottuessa kaikki polymeeriketjut liittyvät toisiinsa vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla. c) Tavallisia lujitemuovien lujitteita ovat muun muassa lasi-, hiili-, teräs- ja luonnonkuidut. 99. a) Mikä kemiallinen muutos tapahtuu, kun polymeeri verkottuu? b) Miten verkottuminen muuttaa polymeerin ominaisuuksia? a) Polymeerin verkottuessa kaikki polymeeriketjut liittyvät toisiinsa vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla. Tällöin materiaaliin syntyy koko kappaleen läpi ulottuva luja verkkorakenne. b) Verkottuminen lisää polymeerin lujuutta ja kovuutta, mutta vähentää taipuvuutta. Verkottuminen muuttaa polymeerin kertamuoviksi, jota ei voida kierrättää ja muovata uudelleen. 4.3 Luonnon polymeerit 100. a) Mistä monomeereistä rakentuvat 1) proteiinit 2) hiilihydraatit 3) nukleiinihapot? b) Mitkä kaksi funktionaalista ryhmää esiintyvät kaikissa luonnon aminohapoissa? c) Mikä on hiilihydraateissa eniten esiintyvä funktionaalinen ryhmä? a) Proteiinit rakentuvat aminohapoista, hiilihydraatit monosakkarideistä ja nukleiinihapot mononukleotideistä. b) Karboksyylihappo- ja aminoryhmä. c) Hydroksyyli- eli alkoholiryhmä Selitä lyhyesti, mitä tarkoitetaan seuraavilla käsitteillä: a) aminohapon 86

86 kahtaisionimuoto b) di-, tri- ja tetrapeptidi c) proteiinin primäärirakenne d) proteiinin karboksyylihappopää. a) Puhtaina ja neutraalissa liuoksessa aminohapot esiintyvät kahtaisionimuodossa. Se syntyy, kun emäsinen aminoryhmä vastaanottaa happaman karboksyylihapporyhmän luovuttaman protonin. Aminohappojen kahtaisionimuodon rakenne: R H 3 N b) Dipeptidissä kaksi, tripeptidissä kolme ja tetrapeptidissä neljä aminohappoa on liittynyt toisiinsa amidisidoksilla. c) Proteiinin primäärirakenne ilmoittaa aminohappojärjestyksen. (Aminohappojärjestyksen määrää geenin nukleotidijärjestys). d) Proteiinin karboksyylihappopää on proteiiniketjun numerojärjestyksessä viimeinen aminohappo, jonka karboksyylihapporyhmä on vapaa eikä muodosta enää amidisidosta a) Luonnon aminohappojen sivuketjut voivat olla joko poolittomia tai poolisia. Mainitse nimeltä kaksi aminohappoa, joiden sivuketjut ovat 1) poolittomia 2) poolisia. b) Mitä funktionaalisia ryhmiä treoniinissa on? c) nko treoniini kiraalinen? Perustele vastauksesi. d) Treoniini liukenee hyvin solun veteen (solunesteeseen). Mitä sidoksia se muodostaa veden kanssa? a) Vastaukseksi 1-kohtaan käy kaksi aminohappoa seuraavista: glysiini, alaniini, valiini, isoleusiini, leusiini, fenyylialaniini tai proliini. Vastaukseksi 2-kohtaan käy kaksi aminohappoa seuraavista: seriini, treoniini, kysteiini, asparagiini, glutamiini, tyrosiini, asparagiinihappo, glutamiinihappo, lysiini, histidiini, tryptofaani tai arginiini. (Tryptofaani ja tyrosiini ovat tosin aromaattisten renkaidensa takia sen verran poolittomia, että niitä löytyy useimmiten proteiinien sisäosista.) b) Treoniinissa on karboksyylihapporyhmä, primäärinen aminoryhmä ja sekundäärinen hydroksyyliryhmä. c) Treoniini on kiraalinen, koska siinä on kaksi asymmetristä hiiliatomia C(2) ja C(3) karboksyylihapporyhmän hiilestä lukien. d) Fysiologisessa ph:ssa treoniini on kahtaisionimuodossa. Ionimuodossa olevat funktionaaliset ryhmät muodostavat ioni-dipolisidoksia ja lisäksi sekundäärinen alkoholiryhmä vetysidoksia. 87

87 103. Piirrä di- ja tripeptidin viivakaavat, kun aminohappojärjestys on a) Ala Cys b) Val Thr Gly. H a) N H 2 N H H 2 N SH H N b) H N H H tai: H 2 N H N a) b) SH H H 2 N H N N H H H (Alemm at kaavat piirretty siten, että am inohappojen stereokem ia on otettu huom ioon. Tällaista esitystä ei kuitenkaan tarvitse oppilailta vaatia.) 104. Tarkastele oheista kaavaa. H 2 N H H N N H H a) Kuvaako kaava di-, tri- vai tetrapeptidin rakennetta? b) Minkä nimisellä aminohapolla on vapaa aminoryhmä ja minkä nimisellä vapaa karboksyylihapporyhmä? c) Mikä on peptidin primäärirakenne? a) Kaava kuvaa tripeptidin rakennetta, koska siinä on kaksi amidisidosta. b) Treoniinillä on vapaa aminoryhmä ja fenyylialaniinillä vapaa karboksyylihapporyhmä. c) Tripeptidin aminohappojärjestys on Thr Leu Phe a) Millä sidoksilla aminohapot liittyvät toisiinsa polypeptidiketjuksi? b) Mitkä sidokset pitävät α-kierteet ja β-laskokset niille ominaisessa muodossa? c) Mitä tarkoittavat käsitteet proteiinin sekundääri-, tertiääri- ja kvaternäärirakenne? d) Rautakaupasta voi ostaa denaturoitua alkoholia (etanolia). Mitä käsite denaturoitu tässä asiayhteydessä tarkoittaa? e) Mitä tarkoittaa käsite proteiinien denaturaatio? 88

88 a) Aminohapot liittyvät polypeptidiketjuksi amidi- eli peptidisidoksilla. b) α-kierteet ja β-laskokset pysyvät niille ominaisessa muodossa N H- ja C=ryhmien välisten vetysidosten avulla. c) Proteiinien sekundäärirakenne kertoo, millä tavalla aminohappoketju tai sen osa kiertyy tai laskostuu sille ominaiseen konformaatioon eli millainen on aminohappoketjun avaruusrakenne. Sekundäärirakenteita on kolmea tyyppiä, α-kierteitä, β-laskoksia ja edellä mainittujen rakenneosien välisiä käänteitä. Tertiäärirakenne kertoo, miten sekundäärirakenteet sijaitsevat toisiinsa nähden proteiinissa. Tertiäärirakenteen määräävät polypeptidiketjun aminohappojen sivuketjujen väliset heikot ja vahvat sidokset. Kvaternäärirakenne on vain sellaisilla proteiineilla, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta tertiäärirakenteesta eli alayksiköstä. Kvaternäärirakenne kertoo, miten alayksiköt sijaitsevat toisiinsa nähden proteiinissa. Kvaternäärirakennetta pitävät koossa aminohappojen sivuketjujen väliset sidokset. d) Etanoliin on lisätty denaturointiainetta, kuten asetonia, alkoholin nauttimisen estämiseksi. e) Denaturaatiossa proteiinien sekundääri-, tertiääri- ja kvaternäärirakenteissa tapahtuu palautumattomia konformaatiomuutoksia, koska rakenteita koossa pitäviä sidoksia aukeaa. Tällöin proteiini menettää biologisen toimintakykynsä. Esimerkiksi denaturoitunut entsyymiproteiini ei toimi katalyyttinä Sekä α-kierteet että β-laskokset pysyvät niille ominaisessa muodossa vetysidosten avulla. Miten nämä sekundäärirakenteet eroavat toisistaan? α-kierteen pitävät spiraalina proteiiniketjun kierteiden väliset vetysidokset. Vetysidokset muodostuvat edellissä kierteessä olevan peptidisidoksen C=-ryhmän ja jälkimmäisen kierteessä olevan peptidisidoksen N H-ryhmän välille aina neljän aminohapon välein. Esimerkiksi ketjun ensimmäisestä aminohaposta peräisin oleva C=-ryhmä muodostaa vetysidoksen ketjun viidennestä aminohaposta peräisin olevan N H-ryhmän kanssa, toisesta aminohaposta peräisin oleva C=-ryhmä ketjun kuudennesta aminohaposta peräisin olevan N H-ryhmän kanssa ja niin edelleen. β-laskoksessa proteiiniketju ei kierry, vaan kaksi tai useampia ketjuja asettuu vierekkäin pitkin pituuttaan. Vierekkäisiä ketjuja pitävät kiinni toisissaan ketjujen väliset vetysidokset: toisen ketjun peptidisidoksen C=-ryhmä muodostaa vetysidoksen naapuriketjun peptidisidoksen N H-ryhmän kanssa ja päinvastoin. 89

89 107. Proteiinin tertiäärirakenteen määräävät aminohappojen sivuketjujen väliset sidokset. Mikä sidos muodostuu seuraavien aminohappojen välille: a) kysteiini ja kysteiini b) glutamiinihappo ja lysiini c) fenyylialaniini ja isoleusiini d) seriini ja glutamiini? a) Kysteiinin sivuketjussa on SH-ryhmä (eli tioliryhmä). Kahden eri paikassa peptidiketjussa sijaitsevan SH-ryhmän välille muodostuu disulfidisilta. SH SH [] S S b) Koska glutamiinihapon sivuketjun karboksyylihapporyhmä ja lysiinin sivuketjun aminoryhmä ovat ionimuodossa fysiologisessa ph:ssa, sivuryhmien välille muodostuu ionisidos (ionipari). peptidiketju glutamiinihappo NH 3 lysiini peptidiketju Huom. Karboksyylihapon ja amiinin välinen happo-emästasapaino opetetaan 5. kurssissa. Tässä vaiheessa oppilaat voivat kuitenkin päätellä ionisidoksen (ioniparin) muodostumisen taulukkokirjassa esitettyjen aminohappojen kaavojen avulla. c) Koska fenyylialaniinin ja isoleusiin sivuryhmät ovat poolittomia, sivuryhmien välillä on dispersiovoimia. d) Seriinin sivuketjun hydroksyyliryhmän ja glutamiinin sivuketjun amidiryhmän välille muodostuu vetysidos. Vetysidos voisi muodostua vaikka näin tai näin: peptidiketju peptidiketju glutamiini glutamiini H 2 N H N H H seriini H seriini peptidiketju peptidiketju 90

90 108. a) Mitä tapahtuu, kun molekyylin konformaatio muuttuu? b) Mitkä seuraavista proteiinien rakennekäsitteistä kuvaavat proteiiniketjun konformaatiota: 1) primäärirakenne 2) sekundäärirakenne 3) tertiäärirakenne 4) kvaternäärirakenne? a) Peptidirungon (ja sivuketjujen) yksinkertaiset σ-sidokset kiertyvät, jolloin peptidiketjun konformaatio muuttuu. Aminohappoja toisiinsa kytkevän amidisidoksen kaikki atomit ovat samassa tasossa ja amidisidos on jäykkä (Reaktio 2, sivu 133), joten amidisidoksen karbonyyliryhmän hiilen ja aminoryhmän typen välinen sidos ei voi kiertyä. b) Sekundääri- ja tertiäärirakenne a) Miksi kutsutaan rakennetta, jossa proteiini koostuu useista alaykisköistä? b) Millaiset sidokset voivat pitää alayksiköitä kiinni toisissaan? a) Kvaternäärirakenteeksi. b) Kvaternäärirakenteen alayksiköt voivat kiinnittyä toisiinsa esimerkiksi disulfidisiltojen, vetysidosten, ionisidosten tai dispersiovoimien avulla a) Miten proteiinin hajoaminen (hydrolyysi) ruuansulatuksessa eroaa sen denaturaatiosta mahalaukussa vetykloridihapon vaikutuksesta? b) Miksi iskukuumennettu eli pastöroitu maito säilyy paremmin kuin pastöroimaton? Iskukuumennus tarkoittaa hyvin nopeaa kuumentamista, joka ei vaikuta sanottavasti maidon makuun. a) Mahalaukun happamissa olosuhteissa proteiini ensiksi denaturoituu, jolloin sen sekundääri-, tertiääri- ja kvaternäärirakenteet rikkoutuvat. Ruuansulatuksessa proteiinien amidisidokset hydrolysoituvat primäärirakenteen purkautuessa ja syntyy aminohappoja. Huom. Mahalaukun happamissa olosuhteissa aminohappojen aminoryhmät ovat ammoniumionimuodossa, mutta karboksyylihapporyhmät ovat ionisoitumattomassa muodossa (Reaktio 3, sivu 69). R H 3 N H b) Maidossa on luonnostaan sen aineosia hajottavia entsyymejä ja lypsyn ja kuljetuksen aikana siihen kulkeutuu ympäristöstä mikro-organismeja, jotka heikentävät maidon säilyvyyttä. Iskukuumennuksen aikana entsyymiproteiinit ja mikro-organismien proteiinit denaturoituvat ja menettävät biologisen toimintakykynsä, joten pastöroitu maito säilyy paremmin kuin pastöroimaton. 91

91 111. a) Kuinka monta erilaista primäärirakennetta voi muodostua, jos kolme eri aminohappoa liittyy yhteen amidi- eli peptidisidoksilla? b) Proteiinit rakentuvat 20 eri aminohaposta. Jos proteiiniketjussa on 100 aminohappoyksikköä, kuinka monta erilaista primäärirakennetta voi muodostua? a) Tripeptidin ensimmäinen aminohappo voidaan valita kolmesta aminohaposta, toinen kahdesta aminohaposta ja viimeinen yhdestä aminohaposta, joten erilaisia primäärirakenteita voi muodostua 3! = = 6. b) Erilaisia primäärirakenteita voi muodostua = (20 ) = (1, ) = 1, ,3 10. Luonnon monimuotoisuus on mahdollista! 112. Aspartaami on keinotekoinen makeutusaine, jota käytetään mm. virvoitusjuomissa. Se on rakenteeltaan erään dipeptidin metyyliesteri. NH 2 H N CH H 3 aspartaam i a) Mitä funktionaalisia ryhmiä aspartaamissa on? b) Amidisidos voidaan hydrolysoida keittämällä aspartaamia väkevähkössä HClliuoksessa. Tällöin hydrolysoituu myös esterisidos. Kirjoita hydrolyysituotteiden viivakaavat. c) Mitkä ovat hydrolyysissä muodostuvien aminohappojen nimet? a) Aspartaamissa on vasemmalta oikealle luettuna karboksyylihapporyhmä, primäärinen aminoryhmä, amidiryhmä ja esteriryhmä. b) H NH 3 Cl H H 3 N Cl H H CH 3 Hydrolyysituotteet ovat ammoniumionimuodossa (Reaktio 3, sivu 69). c) Happamassa liuoksessa aminohapot ovat ammoniumionimuodosssa. Vastaavien aminohappojen nimet ovat asparagiinihappo ja fenyylialaniini. 92

92 113. Eräs luonnon aminohappo sisältää 34,3 m-% hiiltä, 6,71 m-% vetyä,13,3 m-% typpeä ja loput happea. a) Määritä aminohapon empiirinen kaava. b) Massaspektrin perusteella tiedetään, että aminohapossa on yksi typpiatomi. Mikä on aminohapon molekyylikaava? c) Kirjoita aminohapon viivakaava sekä ilmoita sen nimi ja nimilyhenne. a)tarkastellaan 100 g aminohappoa. Happea on 100g 34,3g 6,71g 13,3 g = 45,69 g. 34,3 g n (C) = = 2,856 mol g 12,01 mol 6,71g n (H) = = 6,657 mol g 1,008 mol 13,3 g n (N) = = 0,949 mol g 14,01 mol 45,69 g n () = = 2,856 mol g 16,00 mol n(c) : n(h) : n(n) : n() = 2,856 mol : 6,657 mol : 0,949 mol : 2,856 mol = 3 : 7 : 1 : 3. Aminohapon empiirinen kaava on C3H7N3 b) Koska massaspektrin mukaan aminohapossa on yksi typpiatomi, sen molekyylikaava on sama kuin empiirinen kaava eli C3H7N3. c) Aminohapon karboksyylihapporyhmässä on molekyylikaavan kolmesta happiatomista kaksi, joten aminohapon sivuryhmään jää yksi happiatomi. Kun otetaan myös huomioon aminohapon hiiliatomien lukumäärä, niin aminohapon täytyy olla seriini. Seriinin nimilyhenne on Ser ja viivakaava: H H 3 N (aminohappo piirretty taulukkokirjan kahtaisionimuodossa) 93

93 114. a) Mihin kolmeen alaryhmään hiilihydraatit luokitellaan? b) Miten glukoosin rakenne eroaa galaktoosin rakenteesta? c) Syljessä on sakkaroosin (ruokosokerin) hydrolyysiä katalysoivaa entsyymiä. Mitkä ovat sakkaroosin hydrolyysituotteet? d) Laktoosin (maitosokerin) hydrolyysiä elimistössä katalysoi laktaasientsyymi, joka puuttuu laktoosi-intolerantikoilta. Mitkä ovat laktoosin hydrolyysituotteet? a) Hiilihydraattien kolme alaryhmää ovat monosakkaridit, disakkaridit ja polysakkaridit. b) Glukoosi ja galaktoosi ovat stereoisomeerejä. Glukoosin neljänteen hiiliatomiin liittynyt hydroksyyliryhmä suuntautuu renkaasta eri suuntaan kuin galaktoosin neljänteen hiiliatomiin liittynyt hydroksyyliryhmä. c) Sakkaroosin hydrolyysituotteina syntyy glukoosia ja fruktoosia. d) Laktoosin hydrolyysituotteet ovat glukoosi ja galaktoosi a) Tärkkelysjyväsissä on amyloosia ja amylopektiiniä. Miten polymeerien rakenteet eroavat toisistaan? b) Miksi kasvit varastoivat siemeniinsä tärkkelystä? c) Miksi selluloosa ei hydrolysoidu glukoosiksi ihmisen ruuansulatuksessa? a) Amyloosissa glukoosiyksiköt muodostavat haarautumattomia ketjuja, mutta amylopektiinin ketjut ovat haarautuneita. b) Kasvi tarvitsee varastoenergiaa kunnes sen oma energian tuotanto eli fotosynteesi käynnistyy. Kasvien varastoenergiana on usein tärkkelys, joka hydrolysoituu itämisen alkaessa glukoosiksi. c) Ihmisen suolistossa ei ole selluloosan hajottamiseen eli hydrolyysiin erikoistuneita bakteereja Sekä glukoosissa että heksaanissa on kuusi hiiliatomia. Miksi kuitenkin glukoosi on huoneen lämpötilassa kiinteää ainetta mutta heksaani on neste? Ratkaisu Poolittomien heksaanimolekyylien välillä on dispersiovoimia. Dispersiovoimat ovat sitä vahvempia, mitä suurempi on moolimassa. Suurehkosta moolimassasta (86 g/mol) johtuen heksaani on huoneenlämpötilassa neste. Glukoosimolekyylien (180 g/mol) välillä on dispersiovoimien lisäksi useita vetysidoksia, koska glukoosissa on viisi alkoholiryhmää. Sekä dispersiovoimat että niitä huomattavasti vahvemmat vetysidokset yhdessä tekevät glukoosista huoneenlämpötilassa kiinteän aineen. 94

94 117. Sokerijuurikas sisältää noin 20 % glukoosia (C6H126), ja satoa saadaan noin 35 tonnia/ha. Sokerista voidaan valmistaa etanolia, jota on ehdotettu bensiinin korvaajaksi liikennepolttoaineena. Sokerin käydessä syntyy ainoastaan etanolia ja hiilidioksidia. letetaan, että hyötysuhde poltettaessa etanolia tai bensiiniä on sama. Keskikokoinen henkilöauto kuluttaa bensiiniä 6,5 l/100 km. Laske, kuinka suuri massa juurikkaita tarvitaan 100 km:n matkaan. Bensiinin tiheys on 0,75 kg/l. Lämpöarvot: bensiini 43,5 MJ/kg ja etanoli 26,9 MJ/kg. (Lukion kemiakilpailutehtävä 2005) 100 km:n matkaan kuluvan bensiinin massa: m(bensiini) = ρ V = 0,75 kg/l 6,6 l = 4,875 kg Bensiinin palaessa vapautuva energiamäärä: Q(bensiini) = 43,5 MJ/kg 4,875 kg = 212,1 MJ. M(C6H126) = 180,156 g/mol, M(C2H5H) = 46,068 g/mol Käymisreaktioyhtälö: C6H126 2 C2H5H + 2 C2 1 kg:sta juurikkaita syntyvän etanolin ainemäärä: 0, g n(c2h5h) = 2 n(c6h126) = 2 = 2,220 mol g 180,156 mol m(c2h5h) = 2,220 mol 46,068 g/mol = 102,3 g 1 kg:sta juurikkaita vapautuva energiamäärä: Q(juurikkaat) = 0,1023 kg 26,9 MJ/kg = 2,752 MJ MJ 212,1 100 km kg kg Juurikkaiden tarve: = 77, MJ 2, km 100 km kg Juurikkaita tarvitaan 77 kg. 95

95 4.4 Luonnon materiaaliratkaisuja 118. Komposiitit ovat yhdistelmämateriaaleja. a) Mistä perusmateriaaleista luonnon komposiitit, luu, puu ja äyriäisten kuori rakentuvat? b) Miten kitiinin rakenne eroaa selluloosan rakenteesta? b) Mainitse esimerkkejä teollisesti valmistetuista komposiiteista. a) Luun perusmateriaaleja ovat hydroksiapatiitti (Ca5(P4)3(H) ja kollageeni, joka toimii lujitteena. Puun aineosia ovat selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini. Ayriäisten kuoren perusmateriaali on kitiini, jota lujittavat proteiinit. b) Selluloosa rakentuu glukoosista, mutta kitiini glukoosijohdannaisesta, jossa glukoosirenkaan C(1)-hiiliatomiin liittyneen alkoholiryhmän paikalla on etaaniamidiryhmä. c) Teollisesti valmistettuja komposiitteja ovat mm. lujitemuovit, teräsbetoni, laminaatit ja kumituotteet. 4.5 Liimat ja kovettuvat hartsit 119. a) Miten liimat kuivuvat(kovettuvat)? b) Miksi poolisten pintojen liimaaminen on helpompaa kuin poolittomien? c) Jos liimattava puu- tai paperipinta on rasvainen, miksi rasva kannattaa poistaa ennen liimausta? Millä keinolla poistat rasvan kätevästi? a) Liimat voivat kovettua polymeroitumalla tai siten, että liiman aineosana oleva liuotin haihtuu liimaussaumasta. Liuotin voi myös imeytyä liimattavaan materiaaliin ja haihtua ajan oloon liimattavasta materiaalista. b) Liimat ovat poolisia, joten ne tarttuvat hyvin poolisiin pintoihin vety- ja dipoli dipoli-sidoksilla. Poolittoman pinnan liimaaminen on työläämpää, koska ennen liimaamista pitää suorittaa pinnan hapettamiskäsittely sen poolisuuden lisäämiseksi. c) Rasva on poolitonta, johon poolinen puu- tai paperiliima (kuten polyvinyyliasetaatti) ei tartu. Pooliton rasva ja poolinen liima paremminkin hylkivät toisiaan, joten rasva on poistettava pitävän sauman aikaansaamiseksi. Rasva voidaan poistaa kätevästi pyyhkimällä poolittomalla liuottimella kostutetulla kankaalla tai talouspaperilla. Sopivia rautakauppaliuottimia ovat mm. lakkabensiini, ksyleeni ja asetoni. 96

96 120. a) Mistä pikaliimat ovat saaneet nimensä? b) Mitä tietoa nimi syanoakrylaatti välittää molekyylin rakenteesta? Vihje: propeenihapon triviaalinimi on akryylihappo. c) nko syanoakrylaatin kovettuminen polykondensaatio- vai polyadditioreaktio? d) Mainitse tekijöitä, jotka laukaisevat pikaliiman kovettumisen. a) Pika-etuliite ilmoittaa, että liimat kovettuvat nopeasti. b) Syano-etuliite ilmoittaa, että molekyylissä on syano- eli nitriiliryhmä. Akryylihapossa (propeenihapossa) on kolme hiiliatomia, hiili hiili-kaksoissidos ja karboksyylihapporyhmä. Akrylaatti-sanan -aatti -pääte (propenaatti) ilmoittaa, että yhdiste on akryylihapon johdannainen, joko esteri tai suola. Triviaalinimi ei kerro, kumpi johdannainen on kyseessä eikä myöskään sitä, mihin hiiliatomiin syano-ryhmä on liittynyt. c) Syanoakrylaattimolekyylissa on hiili hiili-kaksoissidos, joten kovettuminen on polyadditio. toistuva yksikkö H H vesimolekyyli CN CH 3 CN CN CH 3 CH 3 syanoakrylaattimolekyylejä CN CH 3... H CN CH 3 n CN CH 3 syanoakrylaattipolymeeri d) Kovettumisen laukaisevia tekijöitä ovat mm. ilmassa oleva vesihöyry ja liimattavan pinnan funktionaaliset ryhmät, kuten alkoholi- ja aminoryhmät. ppilaita saattaa myös kiinnostaa, että syanoakrylaatteja käytetään liimauksen lisäksi sormenjälkien paljastamiseen. Menetelmässä syanoakrylaattia höyrystetään tutkittavalle pinnalle. Sormista muovi- ja metallipinnoille jääneet hiilihydraatti- ja proteiinijäämät käynnistävät syanoakrylaatin polymeroitumisen sormenjälkien kohdalla, jolloin ne tulevat näkyviin a) Vastaa perustellen, ovatko kovettuvat hartsit kerta- vai kestomuoveja. b) Kun hartsit kovettuvat, lähtöaineista muodostuu kovalenttisilla sidoksilla koko rakenteen kattavia verkkorakenteita. Miten edellä sanotusta voidaan päätellä, että kovettuneet hartsit ovat lujia mutta helposti murtuvia? a) Hartsit ovat kertamuoveja, koska niiden kovettuessa lähtöaineista syntyy koko rakenteen kattavia verkkorakenteita. b) Vahvoista kovalenttisista sidoksista johtuen hartsien verkkorakenne on luja, mutta joustamaton ja murtuva. Murtuvuus johtuu siitä, että verkkorakenteet osat eivät voi liukua toistensa ohi. Jos hartsiin kohdistetaan riittävän suuri voima, niin kovalenttiset sidokset katkeavat ja hartsi ei taivu vaan murtuu. 97

97 4.6 Venyvät materiaalit 122. a) Mikä yhteinen ominaisuus on kaikilla elastomeereillä? b) Mistä monomeeristä luonnonkumi rakentuu? Kirjoita monomeerin viivakaava. nko luonnonkumi additio- vai kondensaatiopolymeeri? c) Mitä tarkoittaa luonnonkumin vulkanointi? a) Kaikki elastomeerit vetäytyvät alkuperäiseen muotoonsa venyttämisen jälkeen. b) Luonnonkumi on additiopolymeeri. Luonnonkumi rakentuu isopreenistä eli 2-metyyli-1,3-butadieenistä. Isopreenin funktionaalisina ryhminä ovat kaksi hiili hiili-kaksoissidosta, joten se voi vain additiopolymeroitua. c) Vulkanoinnissa luonnonkumia kuumennetaan rikin kanssa. Tällöin isopreeniketjujen välille muodostuu kovalenttisia rikkisiltoja, jotka kovettavat ja sitkeyttävät luonnonkumin käyttökelpoiseksi elastiseksi materiaaliksi Trans-polyisopreeni on suoraketjuista, kiteistä ja kovaa, ja cis-isopreeni on kiharaista, amorfista ja pehmeää. Trans-polyisopreenia kutsutaan guttaperkaksi. Kirjoita trans-isopreenin viivakaava, jossa on kolme toistuvaa yksikköä. Käytä mallina cis-isopreenin kaavaa. trans ketjua jatkavat osat ovat keskenään trans, vastakkaisilla puolilla kaksoissidosta 4.7 Tekstiilit ja kuidut 124. Polyesterit ja polyamidit ovat luonnonkuitujen ohella tavallisia tekstiilimateriaaleja. a) Miksi molemmat kuidut ovat lujia ja taipuisia? b) Miksi polyamidikuidut tuntuvat hikoiltaessa lämpimämmiltä kuin polyesterikuidut? c) Kevlar ja nailon-6,6 ovat molemmat polyamideja. Miksi kevlar on kiteisempää ja lujempaa kuin nailon-6,6? a) Molemmat kuidut valmistetaan puristamalla sulaa polymeeriä hyvin pienten reikien läpi, jolloin polymeeriketjut asettuvat rinnakkain pitkin pituuttaan. Suuresta kontaktipinnasta johtuen ketjujen väliset heikot sidokset ovat vahvimmillaan, joten kuidut ovat lujia. Kuidut ovat taipuisia, koska ketjujen väliset heikot sidokset voivat katkeilla ja muodostua uudelleen eli ketjut voivat liukua toistensa ohi. b) Kylmän tunnun aiheuttaa iholta haihtuva vesi, koska haihtumisessa sitoutuu energiaa. Jos kuitu pystyvät sitomaan itseensä veden, se tuntuu lämpimältä. Polyamidikuidut tuntuvat lämpimämmiltä, koska niiden vedensitomiskyky on parempi kuin polyesterikuitujen. Tämä johtuu siitä, että amidiryhmä sitoo vettä vetysidoksilla, mutta esteriryhmä vetysidoksia heikommilla dipoli dipoli-sidoksilla. c) 98

98 H H N NH kevlar n H H H N nailon-6,6 N H H n Kiteisyysero johtuu polymeeriketjujen erilaisesta rakenteesta. Kevlarketjun amidiryhmien ja bentseenin kaikki hiiliatomit ovat sp 2 -hybridisoituneita, joten ketjut ovat tasomaisia ja jäykkiä. Suuresta kontaktipinnasta johtuen ketjujen väliset heikot sidokset ovat erityisen vahvat, joten ne kykenevät sitomaan polymeeriketjut järjestyneiksi kiteisiksi alueiksi. Nailon-6,6-ketjussa on jäykkiä amisidisidoksia, mutta muut hiiliatomit ovat sp 3 - hybridisoituneita. Hiiliatomien väliset σ-sidokset voivat kiertyä, joten nailonketjut ovat eri konformaatioissa ja kauempana toisistaan kuin kevlarissa. Nailonketjut eivät voi pakkautua lähelle toisiaan kevlarketjujen tavoin, joten kevlar on kiteisempää kuin nailon PET on 1,2-etaanidiolin (glykolin) ja 1,4-bentseenidikarboksyylihapon (tereftaalihapon) kondensaatiopolymeeri. a) Kirjoita PET:n toistuvan yksikön kaava. b) PET-kuiduista valmistetulle ohuelle kankaalle räiskähti väkevää natriumhydroksidiliuosta. Seuraavana päivänä kankaassa oli räiskeiden osumiskohdissa pieniä reikiä. Mikä kemiallinen reaktio selittää reikien syntymisen? a) H H n b) PET:n esterisidokset hydrolysoituvat NaH-liuoksessa, jolloin syntyy tereftaalihapon (1,4 bentseenidikarboksyylihapon) natriumsuolaa ja glykolia (1,2-etaanidiolia). Reaktiotuotteet liukenevat NaH-liuoksen veteen, joten räiskeiden osumiskohtiin syntyy pieniä reikiä. 99

99 4.8 Pakkausmateriaalit 126. a) Mitä ovat laminaatit? b) Miksi erityisesti elintarvikepakkauksissa käytetään laminaattikalvoja, vaikka ne ovat perusmuoveja kalliimpia? a) Laminaatit ovat (usein läpinäkyviä) kalvoja, joissa on ohuina kerroksina kahta tai useampaa materiaalia. b) Hintaa tärkeämpiä ovat elintarvikkeen säilyvyyden, hygienian, kuluttajansuojelun ja jakelun vaatimat ominaisuudet. Nykyaikainen ratkaisu ovat laminaattikalvot, joiden ominaisuudet räätälöidään pakattavan elintarvikkeen vaatimusten mukaisiksi Puhtaan polymeerin taipuvuus riippuu polymeerimolekyylien rakenteesta: mitä joustavampi polymeerimolekyylien runko on (jolloin useat konformaatiot ovat mahdollisia) ja mitä heikommin polymeerimolekyylit sitoutuvat toisiinsa, sitä taipuvampaa polymeerimateriaali on. Selitä perustellen, kumpi vaihtoehdoista A ja B on taipuvampi. letetaan, että A:n ja B:n molekyylirakenteissa on vain alla mainittu ero. a) A:n polymeroitumisaste on suurempi kuin B:n. b) A:n rungossa on siellä täällä haaroina metyyliryhmiä, mutta B on haarautumaton. c) A on verkottuneempi kuin B. d) A:n rungossa on bentseenirenkaita, ja B:n rungossa on kuuden hiilen ketjuja. e) A on polyesteri, ja B on polyamidi. a) B on taipuvampaa, koska polymeerimolekyylien väliset sidokset heikentyvät moolimassan pienentyessä. Moolimassa pienenee polymeroitumisasteen pienentyessä.. b) A on taipuvampaa, koska haarautuneet polymeerimolekyylit ovat etäämmällä toisistaan ja etäisyyden kasvaessa polymeerimolekyylien väliset sidokset heikentyvät. c) B on taipuvampaa, koska vähemmän verkottuneen polymeerin runko on joustavampi. d) B on taipuvampaa, koska hiiliketjut ovat joustavampia kuin jäykkä, tasomainen bentseenirengas. e) A on taipuvampaa, koska esteriryhmien väliset dipoli dipoli-sidokset ovat heikompia kuin amidiryhmien väliset vetysidokset. 100

100 128. Selitä polymeeriketjujen rakenteen avulla, miksi LDPE on pehmeämpää ja amorfisempaa kuin HDPE. LDPE-ketjujen väliset dispersiovoimat ovat heikommat kuin HDPE-ketjujen väliset vetovoimat, koska LDPE-ketjut ovat lyhyempiä ja haaroista johtuen etäämmällä toisistaan. Heikommista dispersiovoimista johtuen LDPE-ketjut liukuvat helpommin toistensa ohi ja eivät muodosta järjestyneitä kiteisiä alueita, joten LDPE on pehmeämpää ja amorfisempaa kuin HDPE Kokeellinen kotitehtävä, jossa muovipurkista tehdään lautanen. Pese polystyreenistä (PS) valmistettu jogurtti- tai viilipurkki. Kuivaa purkki hyvin ja irrota kaikki alumiiniset osat. Aseta purkki puhtaalle alustalle uuniin 150 asteen lämpötilaan. ta purkki ulos uunista, kun mitään ei enää tapahdu. Anna purkin ja alustan jäähtyä. Irrota purkki alustastaan veitsellä. Voit myös käyttää mikroaaltouunia suurimmalla teholla. Mitä havaitsit? Mitä muodonmuutoksen aikana tapahtui? 4.9 Rakennusmateriaalit 130. a) Mitä raaka-aineita tarvitaan betonin valmistamiseen? b) Mitä materiaalia betonin sideaine on? c) Miksi savupiippu ja tulisijat muurataan savi- eikä kalkkihiekkatiilistä? a) Betonin valmistukseen tarvitaan kivimurskaa, hiekkaa, sementtiä ja vettä. b) Betonin sideaine on verkkoutunutta silikaattia. c) Savupiippu ja tulisijat muurataan poltetuista savitiilistä, koska ne kestävät korkeita lämpötiloja a) Mitä on laasti, ja mihin sitä käytetään? b) Miten laasti kovettuu? Miksi laastin kovettuminen tapahtuu hitaasti? a) Laasti on kalsiumhydroksidin, hiekan ja veden seos. Laastia käytetään muurauksessa ja sen tehtävänä on sitoa tiilet toisiinsa. b) Lastin kovettumista kuvaavat reaktioyhtälöt: C2(g) + H2(l) H2C3(aq) Ca(H)2(s) + H2C3(aq) CaC3(s) + 2 H2(l) Laasti kovettuu hitaasti, koska ilman hiilidioksidipitoisuus on pieni ja hiilidioksidin kulkeutuminen muuraussauman sisäosiin tapahtuu hitaasti. 101

101 4.10 Maalit ja pinnoitteet 132. a) Mistä kolmesta perusmateriaalista maalit valmistetaan? b) Minkä tyyppisiä polymeerejä ovat lateksimaalien sideaineet? c) Miten lateksimaalien ja liuotinohenteisten alkydimaalien kalvonmuodostus (kuivuminen) eroavat toisistaan? d) Miksi kaksikomponenttimaalia käyttävä maalari pohtii ennen työhön ryhtymistään maalausnopeuttaan? a) Maalien kolme perusmateriaalia ovat sideaine, pigmentti ja liuotin. b) Lateksimaalien sideaineet ovat additiopolymeerejä. Tavallisia sideaineita ovat polyvinyyliasetaatti ja polyakrylaatit, joiden sivuketjussa on esteriryhmä. c) Vesiohenteisilla lateksimaaleilla kalvo muodostuu liuotinveden haihtuessa ja liuotinohenteisilla alkydimaaleilla verkkoutumisreaktion seurauksena. d) Kaksikomponenttimaalin aineosat sekoitetaan juuri ennen maalin levittämistä. Maalari pohtii maalausnopeuttaan, jotta hän valmistaisi maalia määrän, jonka ehtii maalata ennen maalin kuivumista (verkottumista) Rauta- ja maalikaupasta voi ostaa poolittomia liuottimia hankalasti vesipesussa puhdistuvien materiaalien, kuten etiketti- ja tarraliimojen, poistoon. Samoja liuottimia käytetään myös liuotinohenteisissa maaleissa ja puhdistettaessa näiden maalien sotkemia maalausvälineitä ja maaliruiskuja. Kirjoita seuraavien liuotinseosten komponenttien viivakaavat. a) Tinneri, jonka pääkomponentti on tolueeni (metyylibentseeni). Tolueenin lisäksi tinnerissä on butyyliasetaattia (butyylietanaattia) sekä 1-butanolia ja/tai asetonia (propanonia). b) Ksyleeni (dimetyylibentseeni), joka tuoteselosteen mukaan on kolmen isomeerin seos. c) Mineraalitärpätti (lakkabensiini tai raskasbensiini), joka sisältää ketjurakenteisia tyydyttyneitä hiilivetyjä, joissa on yleensä 7 10 hiiliatomia. Ketjut voivat olla haarautuneita tai haarautumattomia. letetaan, että mineraalitärpätissä on 2-metyyliheksaania, 2,3-dimetyyliheptaania ja 2,2,4-trimetyylipentaania. a) CH 3 b) CH 3 1 CH 3 c) metyylibentseeni eli tolueeni 1-butanoli 1 H butyylietanaatti eli butyyliasetaatti propanoni eli asetoni CH metyyliheksaani 2,3-dimetyylipentaani 2,2,4-trimetyylipentaani CH 3 1 CH CH 3 2 1,2-dimetyylibentseeni 1,3-dimetyylibentseeni 1,4-dimetyylibentseeni 102

102 Tehtäväpankki piskelijan ratkaistaviksi vaadittavien tehtävien lukumäärä riippuu koeajasta. Jos tehtävissä on useita osioita, sopiva tehtävämäärä on 5 6. Kokeessa voi olla myös ylioppilaskokeen tapaan valinnaisia tehtäviä. KE4 Kurssikoe 1. a) Mitä tarkoittavat käsitteet hapettuminen ja hapetin? b) Mikä alkuaine hapettuu ja mikä alkuaine toimii hapettimena ammoniakin valmistusreaktiossa 2 N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g)? c) Mikä alkuaine pelkistyy ja mikä alkuaine toimii pelkistimenä nikkelijauheen ja nestemäisen bromin välisessä reaktiossa? Kirjoita myös reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen. d) Laita seuraavat kemian sovelluksissa tavalliset hapettimet vahvuusjärjestykseen siten, että paras hapetin on viimeisenä: permanganaatti-ioni happamassa liuoksessa, kloorikaasu ja veteen liuennut happi happamassa liuoksessa. (pisteytys: 1p+2p+2+1p) 2. Sulfiitteja käytetään mm. kuivattujen hedelmien säilöntäaineina. Sulfiitti-ionien pitoisuus voidaan määrittää uuttamalla ne veteen ja titraamalla uuttoliuos tunnetun väkevyisellä KMn4-liuoksella happamissa olosuhteissa: S3 2 (ag) + Mn4 (aq) S4 2 (aq) + Mn 2+ (aq) a) Tasapainota reaktioyhtälö osareaktioita käyttäen. b) Laske sulfiitti-ionien konsentraatio uuttoliuoksessa, kun se kulutti 34,5 ml 0,020 M KMn4-liuosta. Uuttoliuoksen tilavuus oli 25,0 ml. (pisteytys:4p+2p) 3. a) Käytössäsi on Fe 2+ -, Ni 2+ - ja Mg 2+ -ioneja sisältävät vesiliuokset. Kun sinkkisauva upotetaan kuhunkin liuokseen, niin missä liuoksessa tapahtuu reaktio? Jos reaktio tapahtuu, niin vastaa kirjoittamalla kokonaisreaktioyhtälö olomuotomerkintöineen. Perustelut on mietittävä, mutta ne saa jättää kirjaamatta ajan säästämiseksi. b) Kirjoita tasapainotetut reaktioyhtälöt osareaktioiden avulla tai muulla tavoin olomuotomerkintöineen, kun 1) pieni kaliumpala pannaan veteen 2) kalsiumpala lisätään vetykloridihappoliuokseen 3) hopealanka liukenee väkevään typpihappoliuokseen ja typpi(ii)oksidia vapautuu. (pisteytys: 3p+3p) 4. Metaania polttoaineena käyttävän polttokennon anodireaktio on seuraava: CH4(g) + 10 H (l) C3 2 (l) + 7 H2(l) + 8 e Kuinka suuren polttoainesäiliön vaatii sellainen sähköauto, jonka voimanlähteenä on tämä polttokenno, kun halutaan, että auto toimii 5,0 h yhdellä tankkauksella käyttäen virranvoimakkuutta 400 A? Metaani tankataan nesteeksi puristettuna, jolloin sen tiheys on 0,415 g/cm

103 Tehtäväpankki 5. a) Kirjoita 3. jakson alkuaineiden vety-yhdisteiden kaavat. b) Miten vetykloridi ja natriumhydridi eroavat toisistaan rakenteeltaan? Miksi vetykloridi on huoneenlämpötilassa kaasu, mutta natriumhydridi kiinteää? c) Mikä tapahtuu, kun vetykloridikaasua johdetaan veteen? d) Epämetalleille on tyypillistä, että ne muodostavat hapen kanssa moniatomisia anioneja, kuten N3 ja Cl3. Toisaalta tiedetään, että saman ryhmän alkuaineilla on samanlainen ulkoelektronirakenne. Päättele selenaatti- ja seleniitti-ionien kaavat. 6. a) Haavojen puhdistukseen käytetään laimeaa vetyperoksidiliuosta ja pyykinpesuaineissa valkaisuaineena perkarbonaatti-ioneja. Kirjoita vetyperoksidin ja perkarbonaatti-ionin rakennekaavat ja selitä sidosenergian käsitteeseen nojautuen, miksi ne ovat hyviä hapettimia. b) ksidit luokitellaan sen perusteella, miten ne reagoivat vai reagoivatko lainkaan veden kanssa. Minkä nimisiin luokkiin kuuluvat seuraavat oksidit: S2, C, Mg ja Al23? Jos oksidi reagoi veden kanssa, kirjoita reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen. c) Mitä ovat nitriitit? Kirjoita myös jonkin esimerkkiyhdisteen kaava ja nimi. (pisteytys: 2p+3p+1p) 7. Metallien valmistuksen ja puhdistuksen kemiaa (essee). 8. a) Polyakryylinitriili (rlon) on villan kaltainen tekstiilikuitujen raaka-aine, jota valmistetaan akryylinitriilistä, CH2=CH CN. Kirjoita polyakryylinitriilin toistuvan yksikön kaava. b) Polyeteenitereftalaatista (PET) valmistetaan mm. virvoitusjuomapulloja ja tekstiilikuituja. PET valmistetaan 1,4-bentseenidikarboksyylihaposta (tereftaalihaposta) ja 1,2-etaanidiolista (glykolista). Kirjoita PET:n toistuvan yksikön viivakaava. c) Kirjoita muodostuvan polymeerin toistuvan yksikön viivakaava, kun lähtö-aineena on tereftaalihappo kuten b-kohdassa, mutta toisena lähtöaineena on 1,2-etaanidiolin sijasta 1,2-diaminoetaani. d) Kumpi, PET:stä vai c-kohdan polyamidista valmistettu kuitu 1) on lujempaa 2) soveltuu paremmin suuremman hiensitomiskykynsä takia alusvaatemateriaaliksi? Perustele vastauksesi. 9. a) Piirrä tripeptidin, jonka aminohappojärjestys on Gly Ser Asp, viivakaava. b) Mitkä tekijät määräävät proteiiniketjun laskostumisen eli proteiinin tertiäärirakenteen? c) Miksi tärkkelys ei muodosta kuituja kuten selluloosa? 104

104 K4-Kurssikokeen ratkaisut Reaktio 4 opettajan opas Tehtäväpankki 1. a) Hapettuminen on elektronien luovuttamista toiselle aineelle. Hapetin ottaa vastaan elektroneja eli pelkistyy, jolloin se aiheuttaa toisen aineen hapettumisen. b) Hapetusluvut ovat: 0 0 III +I 2 N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Vedyn hapetusluku kasvaa, joten vety luovuttaa elektroneja eli hapettuu. Typen hapetusluku pienenee, joten typpi vastaanottaa elektroneja eli pelkistyy ja toimii hapettimena. c) Ni e Ni E = 0,26 V Br2 + 2 e 2 Br E = +1,07 V Bromin E on positiivisempi, joten bromi pelkistyy ja nikkeli hapettuu. Nikkelin reaktio on käännettävä, joten osareaktiot ovat: Ni Ni e Br2 + 2 e 2 Br Ni + Br2 Ni Br Reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen: Ni(s) + Br2(l) NiBr2(s) d) Mn4 + 8 H e Mn H2 E = +1,51 V Cl2 + 2 e 2 Cl E = +1,36 V H e 2 H2 E = +1,23 V Mitä positiivisempi on aineen pelkistysreaktion normaalipotentiaali, sitä voimakkaampi hapetin se on. Järjestys heikoimmasta vahvimpaan on siis: veteen liuennut happi happamassa liuoksessa, kloorikaasu, permanganaatti-ioni happamassa liuoksessa. 2. a) +IV +VII +VI +II Hapetusluvut: S3 2 (aq) + Mn4 (aq) S4 2 (aq) + Mn 2+ (aq) Hapetuslukujen muutokset: S: kasvaa +IV +VI, joten rikki luovuttaa 2 e Mn: pienenee +VII +II, joten mangaani vastaanottaa 5 e Hapettumisreaktio: 1. S: S3 2 (aq) S4 2 (aq) 2. : S3 2 (aq) + H2(l) S4 2 (aq) 3. H: S3 2 (aq) + H2(l) S4 2 (aq) + 2 H + (aq) 4. e : S3 2 (aq) + H2(l) S4 2 (aq) + 2 H + (aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Mn: Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) 2. : Mn4 (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 3. H: Mn4 (aq) + 8 H + (aq) Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 4. e : Mn4 (aq) + 8 H + (aq) + 5 e Mn 2+ (aq) + 4 H2(l) 105

105 Tehtäväpankki Hapettumisreaktio on kerrottava 5:llä ja pelkistymisreaktio 2:lla. sareaktiot lasketaan puolittain yhteen. 5 S3 2 (aq) + 5 H2(l) 5 S4 2 (aq) + 10 H + (aq) + 10 e 2 Mn4 (aq) + 16 H + (aq) + 10 e 2 Mn 2+ (aq) + 8 H2(l) 5 S3 2 (aq) + 2 Mn4 (aq) + 6 H + (aq) 5 S4 2 (aq) + 2 Mn 2+ (aq) + 3 H2(l) b) n(mn4 ) = c V = 0,020 mol/l 0,0345 l = 6, mol Reaktioyhtälöstä päätellään, että n(s3 2 ) = 5/2 n(mn4 ) = 5/2 6, mol = 1, mol 3 n 1, mol mol mol c(s3 2 ) = = = 0,0690 0,069 V 0,0250l l l 3. a) Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalien arvot ja kirjoitetaan ne järjestykseen pienimmästä suurempaan. Mg e Mg E = 2,37 V Zn e Zn E = 0,76 V Fe e Fe E = 0,45 V Ni e Ni E = 0,26 V Sinkki on metallina, joten se voi vain hapettua. Reaktioyhtälö on käännettävä hapettuvaan suuntaan. Rauta ja nikkeli ovat ionimuodossa ja molempien potentiaalit ovat suurempia kuin sinkin, joten molemmat voivat pelkistyä. Reaktioyhtälöt: Zn(s) + Fe 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Fe(s) Zn(s) + Ni 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Ni(s) b) 1. Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalin arvot ja osareaktioyhtälöt. K + + e K E = 2,93 V 2 H2 + 2 e 2 H + H2 E = 0,83 V Kalium on metallina ja potentiaali on pienempi, joten sen reaktio on käännettävä. Vesi pelkistyy, koska sen potentiaali on suurempi kuin kaliumin. Kaliumin hapettumisreaktio kerrotaan 2:lla. 2 K 2 K + + 2e 2 H2 + 2e 2 H + H2 2 K + 2 H2 2 K H + H2 Reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen 2 K(s) + 2 H2(l) 2 K + (aq) + 2 H (aq) + H2(g) 2) Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalin arvot ja osareaktioyhtälöt. Ca e Ca E = 2,87 V 2 H e H2 E = 0,00 V 106

106 Tehtäväpankki Kalsium on metallina ja sen potentiaali on pienempi, joten sen reaktio on käännettävä. Vety-ionit pelkistyvät, koska niiden potentiaali on suurempi kuin kalsiumin. Ca Ca e 2 H e H2 Ca + 2 H + Ca 2+ + H2 Kirjoitetaan olomuotomerkinnät ja otetaan huomioon, että toinen lähtöaine on HCl. Ca(s) + 2 HCl(aq) Ca 2+ (aq) + 2 Cl (aq) + H2(g) 3) Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalin arvot ja osareaktioyhtälöt. Ag + + e Ag E = +0,80 V N3 + 4 H e N + 2 H2 E = +0,96 V Hopea on metallina ja sen potentiaali on pienempi, joten sen reaktio on käännettävä. Nitraatti-ionit pelkistyvät, koska niiden potentiaali on suurempi kuin hopean. Hopean hapettumisreaktio kerrotaan 3:lla. 3 Ag 3 Ag e N3 + 4 H e N + 2 H2 3 Ag + N3 + 4 H + 3 Ag + + N + 2 H2 Reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen 3 Ag(s) + N3 (aq) + 4 H + (aq) 3 Ag + (aq) + N(g) + 2 H2(l) Jos lähtöaineeksi halutaan kirjoittaa typpihappo, niin vasemmalle puolelle lisätään kolme nitraatti-ionia ja neljä H + -ionia ja neljä N3 -ionia kirjoitetaan yhteen typpihapoksi. 4. t = 5,0 h = 5, s = s I = 400 A z = 8 ρ(ch4) = 0,415 g/cm 3 V(CH4) =? M(CH4) = 16,042 g/mol m I t M I t = n z F = z F, josta m = M z F g 400 A s 16,042 m(ch4) = mol = 149,6...g As mol ρ = m/v, josta V = m ρ m 149,6...g V(polttoainesäiliö) = V(CH4) = 360,5...cm 360 cm 0,36 dm ρ = g = = 0,415 cm

107 Tehtäväpankki 5. a) NaH, MgH2, AlH3, SiH4, PH3, H2S ja HCl b) Natriumhydridi on ioninen hydridi (ioniyhdiste), joka rakentuu natrium- ja hydridi-ioneista Na + ja H. Vetykloridi on kovalenttinen hydridi (molekyyliyhdiste). Vetykloridi on poolinen ( χ= 0,9) molekyyli, joten sen olomuodon määräävät molekyylien väliset sidokset, dispersiovoimat ja dipoli dipolisidokset. Vetykloridi on huoneenlämpötilassa neste, koska pienestä moolimassasta ja pienehköstä elektronegatiivisuuserosta johtuen molekyylien väliset sidosvoimat ovat huoneenlämpötilassa heikommat kuin lämpöliikkeestä aiheutuva molekyylejä erottava voima. Natriumhydridin olomuodon määrää ionisidos. Natriumhydridi on huoneenlämpötilassa kiinteää, koska sen ionihilassa ioneja pitävät paikoillaan vahvat ionisidokset. c) Vetykloridi on poolinen molekyyli, joten se ensin liukenee pooliseen veteen: H HCl(g) 2 HCl(aq). HCl on vahva happo, joten seuraavassa vaiheessa tapahtuu protoninsiirtoreaktio: HCl(aq) + H2(l) H3 + (aq) + Cl (aq) d) Selenaatti-ionin kaava on Se4 2 ja seleniitti-ionin kaava on Se3 2. (Vertaa sulfaatti- ja sulfiitti-ionit S4 2 ja S3 2 ) 6. a) Vetyperoksidin rakennekaava: H H Perkarbonaatti-ionin rakennekaava C Molemmissa on yksinkertainen happi happi-σ-sidos. Sidos katkeaa jo huoneenlämpötilassa helposti, koska sen sidosenergia on pieni (146 kj/mol). Molempien hajoamistuotteena syntyy happiatomeja, jotka pyrkivät kiivaasti vastaanottamaan elektroneja eli toimimaan hapettimina. b) χ(,s) = 1,0, joten rikkidioksidi on kovalenttinen oksidi. Rikkidioksidissa rikin hapetusluku +IV on korkeahko, joten rikkidioksidi on hapan oksidi. Se reagoi veden kanssa rikkihapoketta muodostaen seuraavasti: S2(g) + H2(l) H2S3(aq) χ(,c) = 1,0, joten hiilimonoksidi on kovalenttinen oksidi. Koska hiilimonoksidissa hiilen hapetusluku +II on pieni, hiilimonoksidi on neutraali oksidi eikä reagoi veden kanssa. χ(,mg) = 2,3, joten magnesiumoksidi on ioninen oksidi. ksidi-ioni on emäksinen, joten magnesiumoksidi reagoi veden kanssa seuraavasti: Mg(s) + H2(l) Mg(H)2(aq). (Magnesiumhydroksidin olomuotomerkintä voi olla myös s, koska Mg(H)2 on niukkaliukoinen veteen.) χ(,al) = 2,0, joten alumiinioksidi on ioninen oksidi. Al23:n ionisidokset ovat hyvin vahvat, joten se ei reagoi veden kanssa ja luokitellaan amfoteeriseksi oksidiksi. c) Nitriitit ovat typpihapokkeen suoloja eli niissä suolan anioniosa on nitriitti-ioni. Esimerkiksi NaN2, natriumnitriitti. 7. Vastaus oppikirjatekstin mukaan. 108

108 8. a) Reaktio 4 opettajan opas Tehtäväpankki b) C N n c) Cl Cl n H N N n H d) Polyesterikuiduissa vierekkäiset polymeeriketjut sitoutuvat toisiinsa esteriosien välisillä dipoli dipolisidoksilla ja dispersiovoimilla. Polyamidikuiduissa polymeeriketjujen amidiosien välillä on dispersiovoimien lisäksi dipoli-dipolisidoksia vahvempia vetysidoksia, joten polyamidikuidut ovat lujempia. Yhteisen karbonyyliryhmän lisäksi esterisidoksessa on happiatomi ja amidisidoksessa N H-ryhmä. N H-ryhmän typpi- ja vetyatomi muodostavat useampia vetysidoksia veden kanssa kuin esteriryhmän happi, joten polyamidin vedensitomiskyky ja soveltuvuus alusvaatemateriaaliksi on parempi. 9. a) H N H H H 2 N N H H b) Proteiiniketjun tertiäärirakenteen määräävät sivuketjujen väliset heikot ja vahvat sidokset: kovalenttinen disulfidisilta, ionisidos, vetysidokset ja dispersiovoimat. Poolittomat sivuketjut suuntautuvat proteiinin sisäosiin ja pooliset sivuketjut proteiinin ulkopinnalle. Laskoksessa proteiiniketjun sivuketjut kohdistuvat toisiinsa nähden siten, että niiden välille muodostuu mahdollisimman monta ionisidosta ja vetysidosta. c) Selluloosan rakenne on suora (lineaarinen), kun taas tärkkelys muodostaa kierteitä tai haaroittuneita kierteitä. Suorat selluloosaketjut kykenevät tarttumaan voimakkailla vetysidoksilla toisiinsa, jolloin syntyy kuituja. 109

109 Tehtäväpankki Tehtäväpankki 1. a) Kirjoita alkuaineesta syntyvän ionin kaava, kun 1) litium hapettuu 2) kalsium hapettuu 3) rauta hapettuu 4) bromi pelkistyy 5) rikki pelkistyy 6) typpi pelkistyy. b) Kirjoita reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen, kun natrium reagoi 1) hapen 2) jodin 3) typen kanssa. c) Moottoripolttoaineita valmistettaessa maaöljyn sisältämät rikkiyhdisteet muutetaan ensin vetysulfidiksi ja sitten Claus-prosessissa alkuainerikiksi: 2 H2S(g) + 3 2(g) 2 S2(g) + 2 H2(g) 2 H2S(g) + S2(g) 3 S(s) + 2 H2(l) Mikä toimii hapettimena ja mikä pelkistimenä Claus-prosessin reaktioissa? (pisteytys: 1½p+1½p+3p) Ratkaisu a) 1) Li + 2) Ca 2+ 3) Fe 2+ tai Fe 3+ 4) Br 5) S 2 6) N 3 b) 1) 4 Na(s) + 2(g) 2 Na2(s) 2) 2 Na(s) + I2(s) 2 NaI(s) 3) 6 Na(s) + N2(g) 2 Na3N(s) c) Ensimmäinen reaktio +I II 0 +IV II +I II 2 H2S(g) + 3 2(g) 2 S2(g) + 2 H2(g) Vetysulfidin rikki hapettuu, joten vetysulfidi toimii pelkistimenä. Happi pelkistyy, joten happi toimii hapettimena. Jälkimmäinen reaktio +I II +IV II 0 +I II 2 H2S(g) + S2(g) 3 S(s) + 2 H2(g) Vetysulfidin rikki hapettuu, joten vetysulfidi toimii pelkistimenä. Rikkidioksidin rikki pelkistyy, joten rikkidioksidi toimii hapettimena. 2. Selvitä reaktioyhtälöiden avulla tai sanallisesti, mitä tapahtuu, kun a) ruokasuola liukenee veteen, b) pieni natriumpala pannaan veteen, c) sinkkijauhetta lisätään suolahappoliuokseen, d) hopeanitraattia lisätään rauta(ii)nitraatin vesiliuokseen, e) hopealanka upotetaan kuparisulfaatin vesiliuokseen, f) natriumkloridia ja natriumjodidia sisältävään vesiliuokseen lisätään nestemäistä bromia. (yo k2003) 110

110 Tehtäväpankki Ratkaisu H a) NaCl(s) 2 Na + (aq) + Cl (aq) b) 2 Na(s) + 2 H2(l) 2 Na + (aq) + 2 H (aq) + H2(g) tai 2 Na(s) + 2 H2(l) 2 NaH(aq) + H2(g) c) Zn(s) + 2 HCl(aq) Zn 2+ (aq) + 2 Cl (aq) + H2(g) tai Zn(s) + 2 HCl(aq) ZnCl2(aq) + H2(g) d) AgN3(s) + Fe 2 (aq) + 2 N3 (aq) Ag(s) + Fe 3+ (aq) + 3 N3 (aq) tai AgN3(s) + Fe(N3)2(aq) Ag(s) + Fe(N3)3(aq) e) Ag(s) + Cu 2+ (aq) + S4 2+ (aq) Reaktio ei tapahdu, koska Cu 2+ -ioni ei voi hapettua ja metallinen hopea ei voi pelkistyä f) Br2(l) + 3 Na + (aq) + Cl (aq) + 2 I (aq) 2 Br (aq) + 3 Na + (aq) + Cl (aq) + I2(aq) tai Br2(l) + 2 NaI(aq) 2 Br (aq) + I2(aq) 3. Tasapainota seuraavat reaktiot: a) Br2(aq) + S2(g) S4 2 (aq) + Br (aq) happamassa liuoksessa b) S 2 (aq) + I2(aq) S4 2 (aq) + I (aq) emäksisessä liuoksessa Ratkaisu a) Br2(aq) + S2(g) S4 2 (aq) + Br (aq) happamassa liuoksessa hapetusluvut: Br: 0, S: +IV, : II, S: +VI, Br : I hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa S +IV +VI luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee Br 0 I vastaanottaa yhden e pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. S: S2(aq) S4 2 (aq) 2. : S2(aq) + 2 H2(l) S4 2 (aq) 3. H: S2(aq) + 2 H2(l) S4 2 (aq) + 4 H + (aq) 4. e : S2(aq) + 2 H2(l) S4 2 (aq) + 4 H + (aq) + 2 e Pelkistymisreaktio: 1. Br: Br2(aq) 2 Br (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Br2(aq) +2 e 2 Br (aq) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Elektronit ovat jo tasapainossa. hapettuminen: S2(aq) + 2 H2(l) S4 2 (aq) + 4 H + (aq) + 2 e pelkistyminen: _ Br2(aq) +2 e 2 Br (aq) kokonaisreaktio: Br2(aq) + S2(aq) + 2 H2(l) S4 2 (aq) + 2 Br (aq) + 4 H + (aq) 111

111 Tehtäväpankki b) S 2 (aq) + I2(aq) S4 2 (aq) + I (aq) emäksisessä liuoksessa hapetusluvut: S: II, I: 0, S: +VI, : II, I: I hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa S II +VI luovuttaa 8 e hapettuminen pelkistimenä pienenee I 0 I vastaanottaa yhden e pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. S: S 2 (aq) S4 2 (aq) 2. : S 2 (aq) + 8 H S4 2 (aq) + 4 H2(l) 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : S 2 (aq) + 8 H S4 2 (aq) + 4 H2(l) + 8 e Pelkistymisreaktio: 1. I: I2(aq) 2 I (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : I2(aq) + 2 e 2 I (aq) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Pelkistymisreaktio on siis kerrottava 4:llä. hapettuminen: S 2 (aq) + 8 H S4 2 (aq) + 4 H2(l) + 8 e pelkistyminen x 4: 4 I2(aq) + 8 e 8 I (aq) kokonaisreaktio: S 2 (aq) + 4 I2(aq) + 8 H S4 2 (aq) + 8 I (aq) + 4 H2(l) 4. Tasapainota seuraavat reaktiot: a) Zn(s) + N3 (aq) Zn 2+ (aq) + N2(g) happamassa liuoksessa b) Al(s) + N3 (aq) Al(H)4 (aq) + NH3(aq) emäksisessä liuoksessa Ratkaisu a) Zn(s) + N3 (aq) Zn 2+ (aq) + N2(g) happamassa liuoksessa hapetusluvut: Zn: 0, N: +V, : II, Zn: +II, N: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Zn 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen pelkistimenä pienenee N +V 0 vastaanottaa 5 e pelkistyminen hapettimena 112

112 Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Zn: Zn(s) Zn 2+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e Reaktio 4 opettajan opas Tehtäväpankki Pelkistymisreaktio: 1. N: 2 N3 (aq) N2(g) 2. : 2 N3 (aq) N2(g) + 6 H2(l) 3. H: 2 N3 (aq) + 12 H + N2(g) + 6 H2(l) 4. e : 2 N3 (aq) + 12 H e N2(g) + 6 H2(l) 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 5:llä. hapettuminen x 5: 5 Zn(s) 5 Zn 2+ (aq) + 10 e pelkistyminen: 2 N3 (aq) + 12 H e N2(g) + 6 H2(l) kokonaisreaktio: 5 Zn(s) + 2 N3 (aq) + 12 H + 5 Zn 2+ (aq) + N2(g) + 6 H2(l) b) Al(s) + N3 (aq) Al(H)4 (aq) + NH3(aq) emäksisessä liuoksessa hapetusluvut: Al: 0, N: +V, : II, Al: +III, : II, H: +I, N: III, H: +I hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi kasvaa Al 0 +III luovuttaa 3 pienenee N +V III vastaanottaa 8 e e tapahtuu toimii hapettuminen pelkistimenä pelkistyminen hapettimena Tasapainottaminen: Hapettumisreaktio: 1. Al: Al(s) Al 3+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Al(s) Al 3+ (aq) + 3 e Pelkistymisreaktio: 1. N: N3 (aq) NH3(aq) 2. : N3 (aq) + 6 H2(l) NH3(aq) + 9 H (aq) * 3. H: vety on jo tasapainossa 4. e : N3 (aq) + 6 H2(l) + 8 e NH3(aq) + 9 H (aq) * Kolmesta H2 molekyylistä otetaan yksi vety NH3:een, jolloin jää 3 H ionia. Kolmesta muusta H2 molekyylistä otetaan yksi H N3 :en happiatomeja varten, jolloin syntyy 3 H ionia ja vesistä jää 3 H ionia. Yhteensä siis 9 H. 113

113 Tehtäväpankki 5. sareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis kerrottava 8:lla ja pelkistymisreaktio 3:lla. hapettuminen x 8: 8 Al(s) 8 Al 3+ (aq) + 24 e pelkistyminen x 3: 3 N3 (aq) + 18 H2(l) + 24 e 3 NH3(aq) + 27 H (aq) kokonaisreaktio: 8 Al(s) + 3 N3 (aq) + 18 H2(l) 8 Al 3+ (aq) + 3 NH3(aq) + 27 H (aq) edelleen yhdistäen: 8 Al 3+ ionia muodostaa 8 Al(H)4 ionia, joihin kuluu yhteensä 32 H ionia. Elektroninsiirtoreaktioissa niitä syntyi 27, joten lisätään molemmille puolille vielä 5 elektroninsiirtoon osallistumatonta H ionia. 8 Al(s) + 3 N3 (aq) + 18 H2(l) + 5 H (aq) 8 Al 3+ (aq) + 3 NH3(aq) + 27 H (aq) + 5 H (aq) Kokonaisreaktio on siis: 8 Al(s) + 3 N3 (aq) + 18 H2(l) + 5 H (aq) 8 Al(H)4 (aq) + 3 NH3(aq) 5. Reaktio Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag(s) tapahtuu galvaanisessa kennossa. a) Kirjoita osareaktio hapettumiselle. b) Kirjoita osareaktio pelkistymiselle. c) Kumpi metalli toimii anodina? d) Kumpi metalli toimii katodina? e) Kirjoita kennon lyhennetty esitys. Ratkaisu Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag(s) hapetusluvut: Zn: 0, Ag: +I, Zn: +II, Ag: 0 hapetusluku alkuaine hapetusluvun muutos elektroneja siirtyy kpl/atomi tapahtuu toimii kasvaa Zn 0 +II luovuttaa 2 e hapettuminen anodina pienenee Ag +I 0 vastaanottaa yhden e pelkistyminen katodina a) osareaktio hapettumiselle: 1. Zn: Zn(s) Zn 2+ (aq) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e b) osareaktio pelkistymiselle: 1. Ag: Ag + (aq) Ag(s) 2. : ei nyt reaktiossa 3. H: ei nyt reaktiossa 4. e : Ag + (aq) + e Ag(s) c) Anodilla tapahtuu hapettuminen eli sinkkimetalli toimii anodina. 114

114 d) Katodilla tapahtuu pelkistyminen eli hopeametalli toimii katodina. e) Zn(s) Zn 2+ (aq) Ag + (aq) Ag(s) Reaktio 4 opettajan opas Tehtäväpankki 6. Perustilaisen kennon V(s) V 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) potentiaaliksi mitattiin 1,47 V. a) Kirjoita puolikennoissa tapahtuvat reaktiot. b) Kirjoita kennoreaktio. c) Laske E vanadiinin pelkistymisreaktiolle. d) Tapahtuuko kennoreaktio spontaanisti lyhennettyyn esitykseen kirjoitettuun suuntaan. e) Kirjoita kennon lyhennetty esitys uudelleen ellei reaktio ole spontaani. Ratkaisu V(s) V 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) Hapetusluvut: V: 0, V: +II, Cu: +II, Cu: 0 vanadiini hapettuu ja kupari pelkistyy a) puolikennoissa tapahtuvat reaktiot anodi: hapettuminen: V(s) V 2+ (aq) + 2 e katodi: pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) b) kennoreaktio anodi: hapettuminen: V(s) V 2+ (aq) + 2 e katodi: pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) kennoreaktio: V(s) + Cu 2+ (aq) V 2+ (aq) + Cu(s) c) anodi: hapettuminen: V(s) V 2+ (aq) + 2 e E =? katodi: pelkistyminen: Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) E = +0,34 V kennoreaktio: V(s) + Cu 2+ (aq) V 2+ (aq) + Cu(s) E = 1,47 V siten vanadiinin hapettumiselle E = +1,47 V 0,34 V = +1,13 V ja pelkistymiselle E = 1,13 V. d) Kennoreaktion E on positiivinen, joten reaktio on kirjoitettuun suuntaan spontaani. e) Lyhennetty esitys kuvaa spontaanin reaktion. 7. Galvaanisesta kennosta Zn(s) Zn 2+ (aq) Ag + (aq) Ag(s) otetaan sähkövirtaa niin kauan, että sinkkielektrodin massa muuttuu 0,14 g. Laadi kennossa tapahtuvan reaktion yhtälö. Kuinka paljon hopeaelektrodin massa tällöin muuttuu? Kumman elektrodin massa pienenee ja kumman suurenee? Perustele. (Valintakoetehtävä 2006) 115

115 Tehtäväpankki Ratkaisu Hopean E on positiivisempi, joten se pelkistyy ja sinkki hapettuu. anodi: hapettuminen Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e katodi: pelkistyminen 2 Ag + (aq) + 2e 2 Ag(s) kennoreaktio Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag(s) Sinkkielektrodin massa pienenee, koska sinkkiä liukenee elektrolyyttiliuokseen. Hopeaelektrodin massa kasvaa, koska hopeaelektrodin pinnalle saostuu hopeaa elektrolyyttiliuoksesta. m 0,14g Liukenevan sinkin ainemäärä n(zn) = 0, mol M = g = Saostuvan 65,41 mol hopean ainemäärä n(ag) = 2 n(zn) = 2 0, mol = 0, mol ja g massa m(ag) = n M = 0, mol 107,87 = 0, g 0, 46 g mol 8. Päättele normaalipotentiaalien avulla, mitä aineita syntyy, kun a) sinkkikloridisulatetta b) sinkkikloridin vesiliuosta elektrolysoidaan hiilielektrodeja käyttäen. Kirjoita anodija katodireaktiot sekä kennoreaktio olomuotomerkintöineen. Ratkaisu a) Sulaminen: ZnCl2(s) Zn 2+ (l) + 2 Cl (l) Anodilla voi hapettua vain kloridi ioni: 2 Cl (l) Cl2(g) + 2 e E = 1,36 V Katodilla voi pelkistyä vain Zn 2+ ioni: Zn 2+ (l) + 2 e Zn(l) E = 0,76 V Kennoreaktio: Zn 2+ (l) + 2 Cl (l) Cl2(g) + Zn(l) E = 2,12 V Elektrolyysissä syntyy sinkkimetallia ja kloorikaasua. b) Liukeneminen: ZnCl2(s) Zn 2+ (aq) + 2 Cl (aq) Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot: 2 Cl (aq) Cl2(g) + 2 e E = 1,36 V 2 H2(l) 2(g) +4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V Näistä veden hapettumisen E on vähemmän negatiivinen, joten vesi hapettuu. Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot: Zn 2+ (aq) + 2 e Zn(s) E = 0,76 V 2 H2(l) + 2 e 2 H (aq) + H2(g) E = 0,83 V Näistä sinkki ionin pelkistymisen E 0 on vähemmän negatiivinen, joten sinkki ioni pelkistyy. Sinkin pelkistymisreaktio kerrotaan kahdella: 2 Zn 2+ (aq) + 4 e 2 Zn(s) E = 0,76 V 2 H2(l) 2(g) + 4 H + (aq) + 4 e E = 1,23 V Kennoreaktio: 2 Zn 2+ (aq) + 2 H2(l) 2 Zn(s) + 2(g) + 4 H + (aq) E = 1,99 V 116

116 Tehtäväpankki 9. Hall prosessilla tuotetaan alumiinia elektrolysoimalla sulaa alumiinioksidia, Al23. Prosessiin liittyvät elektrodireaktiot ovat: Anodireaktio: C C2 + 4 e Katodireaktio: Al e Al a) Elektrolyysin tapahtuessa hiilianodi kuluu hitaasti anodireaktiossa. Mikä on anodista kuluneen hiilen massa, kun alumiinia on erottunut 1,00 kg. b) Kuinka pitkä aika kuluu, jotta Hall prosessilla saadaan valmistettua riittävä määrä alumiinia 24:ään alumiinitölkkiin, kun yhden tölkin massa on 5,00 g? Käytetty virranvoimakkuus on A ja virtahyötysuhde on 90,0 %. (Valintakoetehtävä 2004) Ratkaisu a) n(al) = m 1000g 37,06...mol m = g = 26,98 mol Sama sähkömäärä kulkee sekä anodin että katodin läpi, joten n(al) 3 F = n(c) 4 F, josta n(c) = 3 n(al) = 3 37,06...mol = 27,79...mol 4 4 g m(c) = n M = 27,79...mol 12,01 = 333,8...mol 334 g mol b) Alumiinitölkkien massa m(al) = 24 5,00 g = 120 g ja ainemäärä m 120 g n(al) = 4,447...mol M = g = 26,98 mol Kennoreaktioyhtälöstä nähdään, että Z = 3. Virtahyötysuhde on 90 %, joten kennon läpi kulkeva virta on 0, A. As s 3 4,447...mol z n F t = = mol = 28,60...s 28,6 s I A 0, Elektrolyysikennossa on 250,0 cm 3 0,433 M kuparikloridin CuCl2 vesiliuosta. a) Kuinka kauan elektrolyysiä on suoritettu 0,75 A:n virtaa käyttäen, kun analyysi osoittaa elektrolyysin loputtua liuoksen kupari(ii)ionien pitoisuudeksi 0,167 M? b) Kuinka monta grammaa metallista kuparia tällöin on syntynyt katodille? V(CuCl2-liuos) = 250,0 cm 3 alku: c(cucl2) = 0,433 M I = 0,75 A CuCl2 liukenee veteen Cu 2+ ja Cl ioneiksi. kupari pelkistyy: Cu e Cu 117

117 Tehtäväpankki a) t =? loppu: c(cucl2) = 0,167 M alku: n(cucl2) = c V = 0,433 M 250, dm 3 = 0,10825 mol loppu: n(cucl2) = c V = 0,167 M 250, dm 3 = 0,04175 mol n(cu) tuotettu = alku: n(cucl2) loppu: n(cucl2) =(0, ,04175) mol = 0,0665 mol Yhtälöstä I t = n z F As 0,0665mol n z F mol 4 t = = = 1, s = 4,75h I 0,75 A b) m(cu) = n M = 0,0665 mol 63,55 g/mol = 4,226 g 4,2 g 11. 1,25 A:n tasavirta johdetaan elektrolyysikennoon, jossa on 0,050 M CuS4-liuos, kuparianodi ja platinakatodi. Elektrolyysin loputtua katodille oli pelkistynyt 1,43 g kuparimetallia. a) Kuinka kauan elektrolyysi kesti? b) Kuinka paljon metallista hopeaa saatiin toisessa kokeessa samassa ajassa samaa 1,25 A:n virtaa käyttäen, kun elektrolyysiliuokseksi kennoon vaihdettiin 0,10 M Ag + -liuos? I = 1,25 A c(cus4) = 0,050 M m(cu) = 1,43 g n(cu) = m/m = 1,43 g / 63,55 g/mol a) t =? kupari pelkistyy: Cu e Cu I t = n z F 1,43g As g 63,55 mol n z F t = = mol = 3473,76...s = 57,9min I 1,25 A b) m(ag) =? t = 57,9 min(sama, kuin a kohdassa) I = 1,25 A c(ag + ) = 0,10 M hopea pelkistyy: Ag + + e Ag Yhtälöstä I t = n(ag) z(ag) F termi I t on sama kuin a kohdan kennossa, eli I t = n(cu) z(cu) F, joten: n(ag) z(ag) F = n(cu) z(cu) F ja edelleen: n(ag) z(ag) = n(cu) z(cu) 118

118 n(cu) z(cu) m(cu) z(cu) 1, 43g 2 n(ag) = = = = 0, mol z(ag) M(Cu) z(ag) g 63,55 1 mol g m(ag) = n M = 0, mol 107,87 = 4, g 4,85g mol Reaktio 4 opettajan opas Tehtäväpankki 12. Kirjoita tasapainotetut reaktioyhtälöt seuraavissa esimerkeissä tapahtuville reaktioille. Merkitse näkyviin myös yhdisteiden olomuodot. a) Alumiinijauheen ja nikkeli(ii)oksidin seosta kuumennetaan. b) Nestemäistä bromia lisätään natriumkloridia ja natriumjodidia sisältävään vesiliuokseen. c) Rautajauheen sekaan johdetaan jodihöyryä. Ratkaisu a) 2 Al(s) + 3 Ni(s) 2 Al23(s) + 3 Ni(s) b) Br2(l) + 2 I (aq) I2(s) + 2 Br (aq) c) Fe(s) + I2(g) FeI2(s) 13. Typen oksidien poistamiseksi palokaasuista voidaan käyttää esimerkiksi ammoniakkia tai ureaa. Tasapainota reaktioyhtälö, jonka mukaan ammoniakki reagoi typpimonoksidin ja typpidioksidin seoksen kanssa siten, että tuotteena syntyy typpikaasua ja vettä. Ratkaisu 2 NH3(g) + N(g) + N2(g) 2 N2(g)+ 3 H2(g) 14. Lannoitteiden valmistukseen voidaan käyttää seuraavia reaktioita. Kirjoita tasapainotetut reaktioyhtälöt olomuotomerkintöineen. Jokaisessa reaktioissa kehittyy niin paljon lämpöä, että vesi haihtuu ja suolat kiteytyvät. a) Ammoniakista ja väkevästä rikkihaposta tehdään ammoniumsulfaattia. b) Ammoniakin vesiliuoksesta ja väkevästä typpihaposta tehdään ammoniumnitraattia. c) Kalsiumkarbonaatista ja väkevästä fosforihaposta tehdään kalsiumvetyfosfaattia. (hje: reaktiossa muodostuva hiilihappo on pysymätön.) d) Kaliumkloridista ja 100 %:sta rikkihaposta tehdään kaliumvetysulfaattia. Ratkaisu a) 2 NH3(g) + H2S4(aq) (NH4)2S4(s) b) NH3(aq) + HN4(aq) NH4N3(s) c) H3P4(aq) + CaC3(s) CaHP4(s) + C2(g) + H2(g) d) KCl(s)+ H2S4(l) KHS4(s) + HCl(g) 119

119 Tehtäväpankki 15. Klooria käytetään mm. uima-altaiden veden ja juomaveden desinfiointiin. Kloorin liuetessa veteen tapahtuu seuraavat reaktiot: Cl2(g) + H2(l) HCl(aq) + HCl(aq) HCl(aq) + H2(l) Cl (aq) + H3 + (aq) HCl(aq) + H2(l) Cl (aq) + H3 + (aq) a) Millä hapetusluvuilla kloori esiintyy reaktioyhtälöiden aineissa? b) Mikä reaktioista ovat elektroninsiirto ja mitkä protoninsiirtoreaktioita? c) Mihin kloorin desinfioiva vaikutus perustuu? d) Selitä, miksi kloridi-ioni ei voi toimia hapettimena? Ratkaisu a) Cl2, hl=0; HCl ja Cl, hl = I; HCl ja Cl, hl = +I b) Ensimmäinen on elektroninsiirtoreaktio, koska lähtöaineen kloori Cl2 sekä hapettuu että pelkistyy. Jälkimmäiset ovat protoninsiirtoreaktioita, joissa hapon luovuttama protoni siirtyy vedelle. c) Sekä kloori Cl2 että hypokloorihappo HCl ja hypokloriitti-ioni Cl ovat voimakkaita hapettimia, jotka reagoivat mikro-organismien solukalvojen kanssa. Näissä hapettumisreaktioissa solukalvojen rakenne ja toimintakyky muuttuu ja mikroorganismi tuhoutuu. d) Kloridi-ionilla on oktetti uloimmalla kuorellaan eikä se vastaanottaa elektroneja eli toimia hapettimena. 16. Yhdistä alkuaine tai yhdiste ja sen käyttösovellus: Cr pigmentti [(Al(H)2]2Si25(kaoliini) S Si F2 CaC3 H22 S2, S3 posliini teflon valkaisu Ti2 happamoituminen puolijohteet ruostumaton teräs sementti kumin vulkanointi Ratkaisu Cr ruostumaton teräs, pigmentti Ti2, [(Al(H)2]2Si25(kaoliini) posliini, S kumin vulkanointi, F2 teflon, CaC3 sementti, H22 valkaisu, S2, S3 happamoituminen. 17. Selvitä, mitä tarkoitetaan seuraavilla käsitteillä, ja valaise kutakin esimerkillä: a) emäksinen oksidi, b) elektrolyytti(liuos), c) proteiiniketjun primäärirakenne ja proteiiniketjun aminopää (N terminaalinen pää), d) LD50 arvo. 120

120 Tehtäväpankki Ratkaisu a) Emäksinen oksidi reagoi veden kanssa siten, että syntyy emäksinen vesiliuos. Emäksiset oksidit ovat ioniyhdisteitä, kuten esimerkiksi Na2(s), joka reagoi veden kanssa seuraavasti: Na2(s) + H2(l) 2 Na + (aq) + 2 H (aq). Hydroksidi-ioni aiheuttaa vesiliuoksen emäksiset ominaisuudet. b) Elektrolyytti(liuos) johtaa sähköä ja siinä sähkövarauksen kuljettajina toimivat ionit (eivätkä elektronit). Esimerkiksi suolasulate, liukoisen ioniyhdisteen vesiliuos ja hapon tai emäksen vesiliuos ovat elektrolyyttejä. c) Proteiiniketjun primäärirakenne tarkoittaa sen aminohappojärjestystä. Aminopää tarkoittaa proteiiniketjun sitä päätä, jossa on vapaa eli peptidisidokseen osallistumaton aminoryhmä. Aminohappojärjestys ilmoitetaan aminopäästä liikkeelle lähtien. Esimerkiksi jonkin proteiinin primäärirakenne voi alkaa järjestyksellä Ala Val Ser.., jossa alaniini on ketjun aminopää. d) LD50 ilmoittaa annoksen, joka tappaa 50 % koe eläimistä. Se ilmoitetaan koeeläimen elopainokiloa kohti. Esimerkiksi jonkin aineen LD50 voi olla 5 mg/kg jollain koe-eläimellä suun kautta annosteltuna. 18. Selvitä, mitä eroa on seuraavilla käsitteillä: a) kiteinen aine amorfinen aine, b) emäksinen oksidi hapan oksidi, c) galvaaninen kenno elektrolyysikenno, d) kestomuovi kertamuovi. Ratkaisu a) Kiteisessä aineessa rakenneosat, atomit, ionit tai molekyylit, ovat tietyssä järjestyksessä, ja ne muodostavat kolmiulotteisen kidehilan. Kiteisellä aineella on tietty, tarkka sulamispiste. Esimerkiksi timantti, natriumkloridikide ja jää ovat kiteisiä aineita. Amorfinen aine on kiinteä aine, jossa rakenneosat ovat epäjärjestyksessä, eikä niillä ole tarkkaa sulamispistettä. Esimerkiksi lasi ja useat muovit ovat amorfisia. b) Emäksinen oksidi reagoi veden kanssa siten, että syntyy emäksinen vesiliuos. Vastaavasti hapan oksidi reagoi veden kanssa siten, että syntyy hapan vesiliuos. Emäksiset oksidit, kuten alkali- ja maa-alkalimetallioksidit, ovat ioniyhdisteitä ja happamat oksidit molekyyliyhdisteitä. Esimerkiksi K2 on emäksinen oksidi, joka reagoi veden kanssa emäksisiä hydroksidi ioneja tuottaen: K2(s) + H2(l) 2 K + (aq) + 2 H (aq). Hiilidioksidi on hapan oksidi, joka reagoi veden kanssa muodostaen pysymätöntä hiilihappoa: C2(g) + H2(l) H2C3(aq). c) Galvaanisessa kennossa hapetus pelkistysreaktiot tapahtuvat spontaanisti, ja siitä saadaan sähkövirtaa Elektrolyysikennossa hapetus pelkistysreaktiot pakotetaan tapahtumaan ulkoisen sähkövirran avulla. Galvaanisessa kennossa kemiallista energiaa muuttuu sähköenergiaksi ja elektrolyysikennossa sähköenergiaa muuttuu kemialliseksi energiaksi. d) Kestomuovi voidaan sulattaa ja muovata uudelleen, joten ne ovat kierrätettäviä. Kestomuovi verkottuu kovalenttisilla sidoksilla ensimmäisessä kuumennusmuovauksessa, joten sitä ei voi muovata uudelleen eikä kierrättää. 121

121 Tehtäväpankki 19. Tarkastellaan seuraavia materiaaleja: 1) ruostumaton teräs 2) timantti 3) lasi 4) kvartsi, jonka empiirinen kaava on Si2. a) Mikä on kunkin materiaalin hilatyyppi? b) Mikä materiaaleista johtaa sähkövirtaa ja miksi? c) Mitkä materiaaleista eivät kestä kovia vasaraniskuja? Ratkaisu a) Ruostumaton teräs on raudan, nikkelin ja kromin lejeerinki, joten sillä on metallihila. Timantilla on hiiliatomeista rakentuva atomihila. Lasi on amorfista, joten sillä ei ole hilaa. Kvartsilla on pii- ja happiatomeista rakentuva atomihila. b) Ruostumaton teräs johtaa sähköä, koska sen metallihilassa ulkoelektronit pääsevät vapaasti liikkumaan. c) Atomihilaiset timantti ja kvartsi eivät kestä vasaraniskuja. Molemmat ovat lujista kovalenttisista sidoksista johtuen kovia, mutta hauraita materiaaleja. Hauraus tarkoittaa, että iskun voimasta kovalenttisia sidoksia katkeaa ja materiaali murenee kappaleiksi. Siksi atomihilaiset materiaalit, kuten timantti, muotoillaan hiomalla. 20. Yhdistä käsitteet, aineet, menetelmät ja laitteet mielekkäästi: vaahdotus Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ lateksimaali syanoakrylaatti lambda arvo polyvinyyliasetaatti makrokivennäiset ajoneuvojen pakokaasujen puhdistus puolijohde kitiini masuuni malmin rikastusmenetelmä pikaliima Si, johon seostettu vähän fosforia äyriäisten kuori raudan valmistus Ratkaisu: vaahdotus malmin rikastusmenetelmä, lateksimaali polyvinyyliasetaatti, lambda-arvo ajoneuvojen pakokaasujen puhdistus, makrokivennäiset Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, puolijohde Si, johon seostettu vähän fosforia, masuuni raudan valmistus, pikaliima syanoakrylaatti, äyriäisten kuori kitiini 21. a) Miksi dekaania ei kutsuta polymeeriksi niin kuin polyeteeniä? b) Monet pienimolekyyliset esterit ovat hyväntuoksuisia hedelmien aromiaineita. Miksi polyesterit eivät tuoksu? 122

122 Ratkaisu a) Dekaanissa on neljä toistuvaa yksikköä: H 3 C H 2 C CH2 CH 3 Reaktio 4 opettajan opas Tehtäväpankki 4 Polyeteenissä samanlaisia toistuvia yksiköitä on kymmeniätuhansia. Dekaania ei kutsuta polymeeriksi, koska alhaisesta polymeroitumisasteesta johtuen se ei ole makromolekyyli eikä sillä ole makromolekyylien tyypillisiä ominaisuuksia. b) Polyesterimolekyylien väliset heikot sidokset (dispersiovoimat ja dipoli dipolisidokset) pitävät polymeeriketjut tiukasti kiinni toisissaan, joten polyesterit ovat haihtumattomia ja tuoksuttomia. Tuoksun aistiminen edellyttää, että nenään menee hengitysilman mukana kaasumaisessa olomuodossa olevia molekyylejä. 22. a) Miksi muoveja valmistettaessa joidenkin polymeerien joukkoon lisätään pehmittimiä? b) Lattiapinnoitteena käytetään muovia, joka valmistetaan sekoittamalla polyvinyylikloridin (PVC) joukkoon kivipölyä. Miten kivipöly muuttaa polymeerin ominaisuuksia? c) Miten kerta- ja kestomuovit eroavat toisistaan? Ratkaisu a) Pehmittimien tarkoituksena on vähentää polymeerin kovuutta ja murtuvuutta. Kääntäen: pehmittimen lisääminen polymeerin joukkoon lisää muovin taipuvuutta ja sitkeyttä. b) Kivi on kovaa ainetta, joten se lisää muovin kovuutta sekä kulutus- ja iskunkestävyyttä. Kivipölypitoiseen PVC-lattiaan ei tule painumia esimerkiksi korkokengistä ja piikkareista kuten puulattiaan. c) Kestomuoveissa polymeeriketjut liittyvät toisiinsa heikoilla sidoksilla. Niitä voidaan muovata haluttuun muotoon useita kertoja eli kierrättää. Kertamuoveilla on verkkomainen rakenne, joka syntyy ensimmäisessä kuumennusmuovauksessa polymeeriketjujen kytkeytyessä toisiinsa vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla. Verkkorakenteesta johtuen niitä ei voida muotoilla toista kertaa lämmön avulla. Jos uudelleen muovausta yritetään, niin kertamuovit eivät kunnolla pehmene, vaan muovi hajoaa kovalenttisten sidosten katkeillessa. Tämän takia kertamuoveja ei voi kierrättää. 23. Diabeetikot käyttävät lääkkeenä insuliinia, koska heidän oma insuliinin tuotantonsa on liian vähäistä. Miksi insuliini annostellaan ruiskeena lihakseen eikä suun kautta tabletteina? Ratkaisu Jos insuliini otetaan suun kautta, niin se proteiinina denaturoituu mahalaukun happamissa olosuhteissa ja menettää elimistön sokeritasapainoa säätelevän ominaisuutensa. Tämän takia insuliini on pistettävä lihakseen, jonka fysiologisessa ph:ssa sen tertiääri- ja kvaternäärirakenteissa ei tapahdu muutoksia ja insuliini säilyttää toimintakykynsä. 123

123 Tehtäväpankki 24. a) Mistä epoksiliimat ovat saaneet nimensä? b) Miksi epoksiliimapakkauksessa on kaksi liimatuubia? c) Kuivuvatko epoksiliimat liuottimen haihtumisen vai kemiallisen reaktion seurauksena? Ratkaisu a) Epoksi sana on lyhenne sanasta epoksidi. Epoksidi on kahdesta hiiliatomista ja yhdestä happiatomista rakentunut kolmirengas, joka on jännittynyt ja reaktiivinen. Epoksikomponentti saa aikaan liiman kovettumisen. H 2 N amiinikomponentti N H H jännittynyt kolmirengas (epoksidi) aukeaa epoksikomponentti H H HN N H NH kovettunut epoksihartsi b) Tarvitaan kaksi liimatuubia, koska epoksiliimojen kovettumisreaktiot alkavat heti, kun komponentit sekoitetaan. c) Epoksiliimat kuivuvat eli kovettuvat kahden aineen, epoksi- ja amiinikomponentin, välisen kemiallisen reaktion seurauksena. 25. Mitä ominaisuuksia vaaditaan laadukkaan a) keksipaketin b) tietokoneen kuljetuspakkauksen c) maitopurkin materiaaleilta? Ratkaisu a) Keksipakkauksen materiaalin tulee olla riittävän jäykkää, jotta keksit eivät murene. Materiaali ei saa olla liian kovaa, jotta siitä pystytään taivuttamaan sopivan muotoinen pakkaus. Materiaaliin pitää pystyä painamaan tuotetiedot. Materiaalin pitää olla riittävän tiivis, jotta keksit eivät kuivu tai kostu eivätkä aromit haihdu. Usein keksien pakkaamiseen käytetään useita materiaaleja, jotta kaikki laadukkaan pakkauksen kriteerit täyttyisivät. b) Tietokoneen kuljetuspakkauksen tulee olla riittävän jäykkä, pehmustettu ja koteloitu, jotta koneeseen ei tule mekaanisia vaurioita. Pakkauksen tulee olla riittävän tiivis, jotta (vesi ja) vesihöyry ei pääse vahingoittamaan tietokonetta. Materiaaliin pitää pystyä painamaan tuotetiedot. Käytännössä yhtä materiaalia käyttämällä laadukkaan pakkauksen kriteerit eivät täyty, vaan usein käytetään kolmea eri materiaalia, pahvia, solumuovia ja vettä/vesihöyryä läpäisemätöntä muovikalvoa. 124

124 Tehtäväpankki c) Maitopurkin materiaalin tulee olla riittävän jäykkää, jotta sitä voidaan pitää kädessä tukevasti. Materiaali ei saa olla liian kovaa, jotta siitä pystytään taivuttamaan sopivan muotoinen pakkaus. Materiaalin pitää olla ehdottoman tiivis ja sisäpinnan hygieeninen, koska maito on hyvä mikro-organismien kasvualusta. Sisäpinnan materiaalin ja liiman pitää olla haitatonta ja maitoon liukenematonta. Materiaaliin pitää pystyä painamaan tuotetiedot. Maitopurkkiin käytetään useita materiaaleja, jotta kaikki laadukkaan pakkauksen kriteerit täyttyisivät. 26. Selitä polymeeriketjujen rakenteen avulla, miksi LDPE on pehmeämpää ja amorfisempaa kuin HDPE. (hje: LDPE-ketjut ovat lyhyempiä ja haaroittuneempia kuin HDPE-ketjut). Ratkaisu LDPE-ketjujen väliset dispersiovoimat ovat heikommat kuin HDPE-ketjujen väliset vetovoimat, koska LDPE-ketjut ovat lyhyempiä ja haaroista johtuen etäämmällä toisistaan. Heikommista dispersiovoimista johtuen LDPE-ketjut liukuvat helpommin toistensa ohi ja eivät muodosta järjestyneitä kiteisiä alueita, joten LDPE on pehmeämpää ja amorfisempaa kuin HDPE. 27. Kirjoita seuraavista monomeereistä syntyvän polymeerin toistuvan yksikön rakenne. Mainitse lisäksi, onko kyseessä polyadditio vai polykondensaatioreaktio. a) b) H Cl Cl H + H 2 N NH 2 c) H H + H H Ratkaisu a) b) H N Cl Cl n H c) H H n H N H a): polyadditio b) ja c): polykondensaatioita n 28. Selitä, miksi ja miten a) tietyn polymeerimateriaalin lujuus riippuu polymeeriketjujen pituudesta, b) polymeerimateriaalin taipuisuus ja kovuus riippuvat kiteisyydestä, c) polymeerimateriaalin lujuus riippuu polymeeriketjujen funktionaalisten ryhmien poolisuudesta, d) polymeerimateriaalin lujuus riippuu polymeeriketjujen haarautumisesta, e) polymeerin verkottuminen vaikuttaa sen kierrätettävyyteen? 125

125 Tehtäväpankki Ratkaisu a) Polymeeriketjujen pidentyessä molekyylien välisten sidosten lujuus kasvaa. Mitä vahvempia ovat ketjujen väliset sidokset, sitä lujempaa polymeeri on. b) Polymeerimateriaali on sitä taipuisampaa, mitä heikompia ovat ketjujen väliset heikot sidokset. Amorfisissa alueissa ketjujen väliset sidokset ovat heikompia kuin kiteisissä, koska amorfisissa alueissa polymeeriketjut ovat kauempana toisistaan. Tämän takia polymeerimateriaalin taipuisuus vähenee kiteisyyden kasvaessa. Polymeerimateriaali on sitä kovempaa, mitä vahvempia ovat ketjujen väliset heikot sidokset. Kiteisissä alueissa ketjut ovat lähempänä toisiaan kuin amorfisissa, joten kiteisissä alueissa ketjujen väliset heikot sidokset ovat vahvemmat kuin amorfisissa alueissa. Toisin sanoen polymeerimateriaalin kovuus kasvaa kiteisyyden kasvaessa. c) Polymeerimateriaali on sitä lujempaa, mitä vahvempia ovat ketjujen väliset heikot sidokset. Polymeeriketjujen väliset dipoli dipoli- ja vetysidokset voimistuvat funktionaalisten ryhmien poolisuuden kasvaessa. Toisin sanoen polymeerimateriaalin lujuus kasvaa ketjujen funktionaalisten ryhmien poolisuuden kasvaessa. d) Polymeerimateriaali on sitä lujempaa, mitä vahvempia ovat ketjujen väliset heikot sidokset. Haarautumattomat ketjut asettuvat lähemmäksi toisiaan kuin haarautuneet, joten haarautumattomien ketjujen väliset heikot sidokset ovat vahvemmat. Siksi polymeerimateriaalin lujuus pienenee, kun haarautuminen lisääntyy. e) Mitä verkottuneempi polymeeri on, sitä enemmän ketjujen välillä on kovalenttisia sidoksia ja sitä vaikeammin ketjut pääsevät liikkumaan toistensa suhteen uusiomuokkauksen aikana. Kierrätettävyys edellyttää uusiomuokkausta, joten verkottumisen lisääntyminen vaikeuttaa kierrätettävyyttä. 29. Selitä seuraavat ilmiöt rakenteiden perusteella: a) valiini ja fenyylialaniini löytyvät harvoin laskostuneen proteiinin pinnalta, b) denaturoitunut proteiini saostuu usein vesiliuoksesta, c) proliini ei voi olla α-kierteen tai β-laskoksen rakenneosana, d) tärkkelys ei muodosta kuituja kuten selluloosa. Ratkaisu a) Proteiinin pinnalla eli vesiliuosta vasten asettuvat mieluiten aminohappojen pooliset sivuketjut. Fenyylialaniinin ja valiinin sivuketjut ovat poolittomia, joten ne hakeutuvat proteiinin sisäosiin. b) Denaturaatiossa proteiinin tertiäärirakenne hajoaa, jolloin proteiinin sisäosissa olevat poolittomat sivuketjut paljastuvat. Tällöin proteiinimolekyylit takertuvat dispersiovoimilla ja vetysidoksilla toisiinsa ja saostuvat liuoksesta. c) Kun proliinin aminoryhmä muodostaa amidin toisen aminohapon kanssa, muodostuvassa amidisidoksessa ei ole N H-sidosta, joten se ei voi muodostaa α-kierteeseen tai β-laskokseen tarvittavia kahta vetysidosta. tässä amidiryhmässä ei ole N H-sidosta, joten amidi ei voi muodostaa kahta vetysidosta! H N N HN proliini proteiinirakenteen osana d) Selluloosan rakenne on suora (lineaarinen), kun taas tärkkelys muodostaa kierteitä tai haaroittuneita kierteitä. Suorat selluloosaketjut kykenevät tarttumaan voimakkailla vetysidoksilla toisiinsa, jolloin syntyy kuituja. 126

126 Tehtäväpankki 30. Posliinista valmistettu kahvikuppi ja keskenään samankokoiset kumipallo sekä teräskuula pudotetaan kahden metrin korkeudesta betonilattialle. Vastaa perustellen, mitä iskeytymishetkellä tapahtuu? Ratkaisu Posliini on erittäin kovaa mutta haurasta ainetta. Sen rakenne muistuttaa kvartsin verkkoutunutta rakennetta. Hauraudesta johtuen posliinikuppi lohkeilee iskeytymishetkellä teräväsärmäisiksi kappaleiksi rakennetta koossa pitävien vahvoja sidoksien murtuessa. Kumipallo on elastista materiaalia, joten kumipallo pomppii kovalla betonipinnalla. Iskeytymishetkellä pallon muoto muuttuu, mutta palautuu nopeasti alkuperäiseksi. Palautuva muodon muutos on mahdollinen, koska rikkisilloilla harvakseltaan toisiinsa liittyneet ketjut voivat liukua toistensa ohi niiden konformaatioiden muuttuessa. Teräskuula on metallihilasta johtuen lujaa ja sitkeää materiaalia, joten se pystyy murentamaan särkymättä kovan mutta hauraan betonilattian pintaa. Teräskuulaan voi tulla painumia mutta se ei hajoa kappaleiksi. Tämä johtuu siitä, että metalliatomit voivat kidehilassa liikkua toistensa suhteen, koska metallisidos on suunnasta riippumaton. 31. vatko seuraavat väitteet oikein vai väärin? ikeasta vastauksesta saa 0,20 p ja väärästä vastauksesta tai vastaamattomasta kohdasta vähennetään 0,20 p. a) Glukoosia syntyy, kun hydrolysoidaan 1) tärkkelystä 2) hemiselluloosaa 3) selluloosaa. b) Laktoosi on 1) maidon hiilihydraatti 2) disakkaridi 3) polymeeri. c) Tärkkelys ja selluloosa ovat 1) polymeerejä 2) polysakkarideja 3) kasvien vararavintoaineita. d) Kitiini on 1) polysakkaridi 2) polyamidi 3) proteiini. e) Luu on rakenteeltaan 1) komposiitti 2) laminaatti 3) silikaatti. f) Polyeteeni (PE) on 1) biopolymeeri 2) additiopolymeeri 3) kondensaatiopolymeeri. g) Proteiinin sekundäärirakenteen pitävät koossa 1) disulfidisillat 2) vetysidokset 3) amidisidokset. h) Lujitemuovit ovat 1) kertamuoveja 2) kestomuoveja 3) komposiitteja. i) Mitä kiteisempää polymeerimateriaali on, sitä 1) pehmeämpää 2) kovempaa 3) taipuvampaa se on. j) Bakteerit kuolevat kuumennettaessa, koska niiden proteiinien 1) primäärirakenne 2) tertiäärirakenne 4) kvaternäärirakenne tuhoutuu. Ratkaisu a) 1) oikein 2) väärin 3) oikein b) 1) oikein 2) oikein 3) väärin c) 1) oikein 2) oikein 3) oikein d) 1) oikein 2) väärin 3) väärin e) 1) oikein 2) väärin 3) väärin f) 1) väärin 2) oikein 3) väärin g) 1) väärin 2) oikein 3) väärin h) 1) oikein 2) väärin 3) oikein i) 1) väärin 2) oikein 3) väärin j) 1) väärin 2) oikein 3) oikein. 127

127 Kalvopohjat Kalvopohjat luvuittain Luku 1 Myrkkyjä ja niiden vaikutuksia, sivu 7 128

128 Myrkyllisiä eliöitä ja LD50-arvoja, sivu 8 Reaktio 4 opettajan opas Kalvopohjat 129

129 Kalvopohjat sareaktioiden kirjoittamisohjeet, sivut

130 131 Reaktio 4 opettajan opas Kalvopohjat

131 Kalvopohjat Reaktiotyyppejä, sivu

132 Luku 2 Kennoreaktioita, sivut 29, 32 Reaktio 4 opettajan opas Kalvopohjat Daniellin kenno 133

133 Kalvopohjat 134

134 Sähkökemiallinen jännitesarja, sivu 34 Reaktio 4 opettajan opas Kalvopohjat 135

135 Kalvopohjat Raudan ruostuminen, sivu

136 Kalvopohjat Galvaaninen ja elektrolyysikenno, sivu

137 Kalvopohjat Elektrodireaktiot, sivu

138 Vesiliuoksen elektrolyysi, sivu 51 Reaktio 4 opettajan opas Kalvopohjat 139

139 Kalvopohjat Anodi osana elektrolyysiä, sivu

140 Kalvopohjat Luku 3 Happiyhdisteitä, sivut 67 ja

141 Kalvopohjat Typpeä sisältäviä molekyylejä, sivu

142 Kalvopohjat Fosforia sisältäviä molekyylejä, sivu

143 Kalvopohjat Malmin rikastus, sivu

144 Kalvopohjat Masuuni, sivu

145 Kalvopohjat Alumiinin hydrolyysi, sivu

146 Kalvopohjat Luku 4 Polyesteri, sivu

147 Kalvopohjat Kolloidit, sivu

148 Kalvopohjat Polykondensaatio ja polyesterin muodostuminen, sivut 113 ja

149 Kalvopohjat Polyamidien muodostuminen, sivut 114 ja

150 Kalvopohjat Proteiinit, sivu

151 Kalvopohjat Peptidiketju, sivu

152 Kalvopohjat Rakenteita, sivu

153 Kalvopohjat Tärkkelys, sivu

154 Kalvopohjat Tärkkelys, sivu

155 Kalvopohjat Selluloosa, sivu

156 Kalvopohjat Kitiini, sivu

157 Kalvopohjat Epoksiliima ja pikaliima, sivu

158 Kalvopohjat Koontitaulukko, sivu

159 CD-RM CD-RM Käyttö Aseta cd-rom tietokoneen asemaan, käyttöliittymä aukeaa automaattisesti. Jos tämä ominaisuus on otettu pois toiminnasta, voit käynnistää ohjelman resurssien hallinnan kautta tuplaklikkaamalla start.exe tiedostoa. Cd-romia voi myös selailla ja hyödyntää ilman käyttöliittymää Klikkaamalla * PPT-nappia aukeaa kalvojen powerpoint-esitys * DC-nappia aukeaa ratkaisujen Word-dokumentti * PDF-nappia aukeaa kalvojen tai ratkaisujen pdf-dokumentti * VIDE-nappia avautuu videotiedosto 5 Käyttöliittymä Navigaatiossa noudatetaan kirjan rakennetta. 1. Navigaatiossa näkyy punaisella valittuna oleva sivu. 2. Siirtyminen kirjan lukua vastaavaan kohtaan opasta tapahtuu klikkaamalla otsikkoa navigaatiossa. 3. Käyttöliittymän sulkeminen. 4. Yleisiä ohjeita tiedostomuodoista. 5. Klikkaamalla aukeavat Reaktion nettisivut selainikkunaan. Muokkausta varten tehdyt ratkaisujen, kurssikokeen sekä tehtäväpankin Word-tiedostot eivät välttämättä näy samannäköisinä kuin pdf-tiedostossa tai painetussa oppaassa, koska niiden esitystapa on riippuvainen käytetystä ohjelmasta ja koneen asetuksista. Esitettyjä rakenteita ja laskukaavoja voi myös kopioida toisiin dokumentteihin, niiden muokkaus vaatii omat ohjelmansa (ChemDraw ja MathType). Muokkausta varten tallenna tiedosto ensin omalle tietokoneellesi, cd-romilla tiedostot ovat vain luku tyyppiä. 160