Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

Transkriptio

1 Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta 2015 Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT 1 a) Vaihtoehto B on oikein. Elektronit sijoittuvat atomiorbitaaleille kasvavan energian mukaisessa järjestyksessä ( Aufbau - periaate). Elektronit täyttävät saman energian omaavat orbitaalit siten, että ne asettuvat omille orbitaaleilleen (samansuuntaisin spinein) niin kauan kuin mahdollista, ts. parittomien elektronien lukumäärä on maksimissaan (undin sääntö). b) c) 2 kpl sp-hybridisoitunutta hiiliatomia 7 kpl sp 2 -hybridisoitunutta hiiliatomia d) Sidoskulma on 180 astetta. C iiliatomi on sp- hybridisoitunut (lineaarinen rakenne). e) Timantissa jokainen hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisella sidoksella neljään muuhun hiiliatomiin ja syntyy kolmiulotteinen verkkomainen rakenne. iiliatomit ovat sp 3 - hybridisoituneita. Grafiitissa jokainen hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisella sidoksella kolmeen muuhun hiiliatomiin ja syntyy kuusiatomisista hiilirenkaista muodostunut kerrosmainen rakenne. Jokaisen hiiliatomin neljäs elektroni on delokalisoitunut hiilikerrosten väliin. iiliatomit ovat sp 2 - hybridisoituneita.

2 2 a) i) 6 C2(g) + 6 2(l) C6126(s) + 6 2(g) ii) Reaktiolämpö on positiivinen, joten reaktio sitoo energiaa ja on endoterminen. iii) M(C2)= 44,01 g/mol ja m(c2) = 1,00 g m(c ) 1,00g n( C2) 2 0,02272 mol M (C ) 44,01g/mol 2 6 moolia C2:a kohtaan reaktiolämpö = +403 kj. 0,02272 mol 0,02272 moolia C2:ta kohtaan reaktiolämpö 403 kj = +1,53 kj 6mol b) C122211(s) (g) 12 C2(g) (l) Sakkaroosin palamisreaktion reaktiolämpö: 0 = n f 0 (reaktiotuotteet) - n f 0 (lähtöaineet) 0 = 12 f 0 (C2(g)) + 11 f 0 (2(l)) - f 0 (C122211(s)) - 12 f 0 (2(g)) 0 = 12 (-393,5) kj + 11 (-285,8) kj 1 (-2222) kj = -5643,8 kj (/ mooli sakkaroosia) Energiatarve on kj/päivä Tarvittava sakkaroosimäärä: kj n( sakkaroosi) 1,7719 mol 5643,8 kj / mol M(sakkaroosi) = 342,3 g/mol; m(sakkaroosi) = 1,7719 mol 342,3 g/mol = 606,5 g 600 g

3 3. a) Kaasujen ainemäärät alussa: C 1,00 mol, 2 2,00 mol, C2 1,00 mol, 2 1,00 mol Astian tilavuus: 2,00 dm 3 Alkukonsentraatiot: [C] = 0,500 mol/dm 3, [2] = 1,00 mol/dm 3, [C2] = 0,500 mol/dm 3, [2]= 0,500 mol/dm 3 C(g) + 2(g) C2(g) + 2(g) Q = [ ][ ] [][ ] =,/,/ (,/ )(,/ ) = 0,500 Koska Q < 5,10 (= K), systeemi ei ole tasapainossa ja reaktio etenee oikealle, tuotteisiin päin. Q:n voi ratkaista myös ainemäärillä, kun perustelee, että tilavuudet supistuvat Q:n lausekkeessa pois. b) C(g) + 2(g) C2(g) + 2(g) Alussa 0,500 1,00 0,500 0,500 (mol/dm 3 ) Tasapainossa 0,500-x 1,00-x 0,500+x 0,500+x (mol/dm 3 ) K 0,500 x0,500 x 0,500 x1,00 x 4,10 x 2 8,65x + 2,30 = 0 (x1 = 1,798) 5,10 x2 = 0,312 [C2] = (0,500 + x) mol/dm 3 = (0, ,312) mol/dm 3 = 0,812 mol/dm 3 V = 2,00 dm 3 n(c2) = c V = 0,812 mol/dm 3 2,00 dm 3 = 1,624 mol 1,62 mol Tehtävän voi ratkaista myös sijoittamalla K:n lausekkeeseen ainemäärät, kun perustelee, että tilavuudet supistuvat pois. c) Kun reaktioastian tilavuus pienenee, paine kasvaa ja tasapainotila siirtyy suuntaan, jossa paine pienenee, eli suuntaan, jossa reaktioyhtälössä on vähemmän kaasumolekyylejä (Le Chatelierin periaate). Koska reaktioyhtälössä on kummallakin puolella yhtä monta kaasumolekyyliä, ei tilavuuden ja paineen muutos siirrä tasapainotilaa mihinkään suuntaan. d) Lämpötilan nosto siirtää reaktion tasapainotilaa endotermiseen eli lämpöä kuluttavaan suuntaan (Le Chatelier). Koska reaktio on eksoterminen ( < 0) eli reaktiossa vapautuu lämpöä, tasapainotila siirtyy vasemmalle, lähtöaineisiin päin, kun lämpötilaa nostetaan.

4 4. a) apettumisreaktio: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e x Pelkistymisreaktio: Br2(l) + 2 e 2 Br (aq) +1,07 b) Kennon lähdejännite perustilassa on 1,83 V Sinkin hapettumispotentiaali: x + 1,07 V = 1,83 V x = 1,83 V 1,07 V = 0,76 V Sinkin pelkistymispotentiaali = -0,76 V Tai: Lähdejännite: Zn(s) + Br2(l) Zn 2+ (aq) + 2 Br (aq) E 0 = 1,83 V Br2(l) + 2 e 2 Br (aq) E 0 = 1,07 V Zn(s) + Br2(l) Zn 2+ (aq) + 2 Br (aq) E 0 = 1,83 V 2 Br (aq) Br2(l) + 2 e E 0 = -1,07 V Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e E 0 = 1,83 V -1,07 V = 0,76 V Zn 2+ (aq) + 2 e Zn(s) E 0 = - 0,76 V c) Q = I t = n z F n I t z F 1,50A 3600s Br 0,027984mol As mol M(Br2) = 159,8 g/mol m(br2) = n M = 0, mol 159,8 g/mol = 4,4718 g Kun paristosta otetaan virtaa, bromin massa pienenee. Kun paristosta on otettu virtaa 1,5 A tunnin ajan, on bromin massa pienentynyt arvoon: 365 g 4,4718 g = 360,5282 g 361 mg d) Normaalipotentiaali mitataan siten, että vertailuelektrodina käytetään normaalivetyelektrodia, jonka jännitteeksi on sovittu 0,00 V. Tällöin mittauksessa saatava jännite on mitattavan puolikennon (reaktion) normaalipotentiaali. Mittauksessa tulee vakioida lämpötila (yleensä 298,15 K), kennoliuosten konsentraatio (1,0 M) ja reaktioon osallistuvien kaasujen paine (101,3 kpa).

5 5. a) 3 N b) 2 N c) 2 N N d) m(sakkaroosi) = 106 g, M(sakkaroosi) = 342,3 g/mol m 106g n( sakkaroosi) 0,30967 mol M 342,3g / mol (sakkaroosi) 0,30967 mol n( aspartaami) n 0, mol M(aspartaami) = 294,3 g/mol m(aspartaami) = n M = 0, mol 294,3 g/mol = 0, g 456 mg e) muurahaishappo (C22) M(muurahaishappo) = 46,026 g mol 1 n(muurahaishappo) = 0, mol m(muurahaishappo) = 0, mol 46,026 g mol 1 = 0, g = 71,3 mg

6 6. a) C2(aq) + 2 2(l) C3 (aq) (aq) (0 C) = 7, mol/dm 3 (30 C) = 9, mol/dm 3 C3 (aq) + 2(l) C3 2 (aq) (aq) (0 C) = 4, mol/dm 3 (30 C) = 1, mol/dm 3 = [ ][ ] [ ] [C ] = [ ] [ ] = [ ] [C ] = [ ] [ ] [C ] = [ ] [ ] p = 7,80 [3 + ] = 10 7,80 0 C: [C ] =,,, (, ) mol/dm 3 = 6, mol/dm 3 6, mol/dm 3 30 C: [C ] =,,, (, ) mol/dm 3 = 7, mol/dm 3 7, mol/dm 3 b) CaC3(s) Ca 2+ (aq) + C3 2 (aq) Ks(0 C) = 7, mol 2 /dm 6 Ks(30 C) = 7, mol 2 /dm 6 () = [Ca ][C ] = (0,010 6,59 10 )mol /dm =, / < () () = [Ca ][C ] = (0,010 7,78 10 )mol /dm =, / > () Lämpötilassa 0 C ionitulo < liukoisuustulo, joten kalsiumkarbonaattia liukenee. Lämpötilassa 30 C ionitulo > liukoisuustulo, joten kalsiumkarbonaattia ei liukene.