Kemia s2011 ratkaisuja. Kemian koe s 2011 lyhennettyjä ratkaisuja

Transkriptio

1 Kemian koe s 2011 lyhennettyjä ratkaisuja 1. a) Veden autoprotolyysin 2H 2 O(l) H 3 O + (aq) + OH (aq) seurauksena vedessä on pieni määrä OH ja H 3 O + ioneja, jotka toimivat varauksen kuljettajina. Jos veteen on lisätty elektrolyyttiä, ionien määrä kasvaa ja sähkönjohtokyky kasvaa. b) Veden kovuus johtuu luonnonvesien sisältämistä kalsium ja magnesiumkarbonaateista. Mitä enemmän näitä suoloja on, sitä kovempaa vesi on. Veden kovuuden yksikkönä käytetään sekä mmol/l että dh, joka on saksalainen kovuusyksikkö. Veden kovuus on 1 dh, kun siinä olevien magnesium ja kalsiumionien yhteistä ainemäärää vastaava kalsiumoksidimäärä on 10 mg/l. c) Veden pintajännitys johtuu vesimolekyylien välisestä voimakkaasta vetysidoksesta, joka sitoo molekyylejä toisiinsa. Nesteen sisällä molekyylien välinen vetovoima (koheesiovoima) on suurempi kuin nesteen ja ilman rajapinnassa. Tällöin veden pinnalle muodostuu ohut ja joustava kalvo. KUVA 2. a) 6 NH 4 ClO 4 (s) + 10 Al(s) 5 Al 2 O 3 (s) +3 N 2 (g) + 6 HCl(g) + 9 H 2 O(g) b) N: 3 0 Cl: +7 1 Al: 0 3 c) n(al) =, NH 4 ClO 4 ) = = mol 2062, 891, / 3. a) a) n(c) : n(h): = 93,7 g : 6,3 g 12,01 g/mol 1,008 g/mol = 7,80 mol : 6,25 mol 5 : 4 Hiilivedyn empiirinen kaava on (C 5 H 4 ) n b) pv, josta M = M bar l 0,311g 0, mol K 373,16 K 0,301 bar 0,250 l = 128 g/mol n 64 g/ mol = 128 g/mol josta n = 2; yhdisteen molekyylikaava : C 10 H 8 c) Molekyylikaavaa vastaava tasomainen hiilivety on naftaleeni.

2 4. a) Molekyylihila esiintyy sekä poolittomilla että poolisilla molekyyleillä. Tällöin poolittomien molekyylien väliset voimat ovat luonteeltaan heikkoja dispersiovoimia ja pooliset molekyylien sitoutuvat toisiinsa dipoli dipolisidoksin. b) Etenkin poolittomat molekyyliyhdisteet hajoavat helposti, niiden sulamispisteet ovat matalia ja aineet ovat eristeitä. Myös pooliset molekyyliyhdisteet ovat eristeitä, niiden kovuudet ja sulamispisteet vaihtelevat. c) Esimerkiksi kiinteällä jodilla on molekyylihila. Kaksi jodiatomia on sitoutunut toisiinsa yksinkertaisella (poolittomalla) kovalenttisidoksella. Jodikiteessä I 2 molekyylit ovat järjestäytyneet kerroksiksi. Kerrokset sitoutuvat toisiinsa jodiatomeihin syntyvien hetkellisten dipolien vaikutuksesta (dispersiovoimat). 5. a) 2 C 2 F 2 H 4 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 4 HF (g) + 2 H 2 O(g) Palamisreaktion tuotteena syntyy vetyfluoridia, joka on voimakkaasti syövyttävä, reaktiivinen ja myrkyllinen aine. b) F H H C C H F H H H F C C F H H 1,1 -difluorietaani 1,2-difluorietaani c) Atomit voivat sidoksen katkeamatta kiertyä yksinkertaisen C C sidoksen ympäri ja katsottaessa molekyyliä C C sidoksen suunnassa ne voivat sijaita eri tavoin. Jotkut muodostuvista konformeereistä ovat kuitenkin energeettisesti suosituimpia kuin toiset ja siten todennäköisempiä. 6. a) Atomin ionisoitumisenergialla (I) tarkoitetaan energiaa, joka tarvitaan elektronin poistamiseksi ylimmältä miehitetyltä orbitaalilta kaasufaasissa olevasta perustilaisesta sähköisesti neutraalista aineesta. Atomissa olevat elektronit voidaan poistaa yksi kerrallaan, jolloin puhutaan atomin ensimmäisestä, toisesta, kolmannesta jne. ionisoitumisenergiasta. b) Jakson sisällä I 1 kasvaa järjestysluvun kasvaessa. Tämä johtuu siitä, että saman jakson elektronit sijaitsevat samalla elektronikuorella (sama pääkvanttiluku) ja kasvava ydinvaraus vetää elektroneja yhä tiukemmin puoleensa. Joko melkein täydet tai puoliksi täyttyneet alikuoret johtavat pieniin hyppäyksiin jakson sisällä. Kun ryhmässä siirrytään alaspäin, ionisoitumisenergia yleensä pienenee, koska elektroni poistetaan keskimäärin ytimestä kauempana olevalta elektronikuorelta. Tällöin elektronin poistamiseen tarvitaan vähemmän energiaa. c) Natriumin elektronirakenne on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1. Atomista poistuu ensin uloin (korkeimman energian omaava) 3s elektroni. Seuraava elektroni irtoaa keskimäärin ydintä lähempänä olevalta elektronikuorelta, johon tarvitaan runsaasti enemmän energiaa. Tärkeä syy on myös se, että 1. elektroni poistettiin neutraalista atomista, toinen positiivisesta ionista.

3 Kasvava positiivinen varaus sitoo elektroneja tiukemmin atomiin ja I:n arvo kasvaa. Tämä ilmenee suurena hyppäyksenä I:n arvossa. Koska seuraavat kahdeksan elektronia poistetaan samalta elektronikuorelta kasvaa I:n arvo suunnilleen säännöllisesti ionin positiivisen varauksen kasvaessa. Tämän jälkeen seuraa taas jyrkkä hyppäys, kun lähinnä ydintä olevat kaksi 1s elektronia poistetaan. Täten peräkkäisten ionisoitumisenergioiden arvoissa tavattavat hypähdykset kertovat epäsuorasti elektronikuorien olemassaolosta. 7. a) Vetyä, H 2,voidaan valmistaa liuottamalla epäjaloa metallia happoon. Esim. Zn(s) + 2HCl(aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) ; vetykaasu palaa poksahtaen vedeksi. b) Vetyperoksidin hajotessa syntyy vettä ja happea: 2 H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O(l) + O 2 (g), katalyyttinä käytetään esim. mangaanidioksidia MnO 2 ; happikaasu sytyttää hehkuvan puutikun palamaan. c) Ammoniumkloridin reagoidessa NaOH:n kanssa vapautuu ammoniakkia: NH 4 Cl(aq,s) + NaOH(aq,s) NH 3 (g) + NaCl(aq) + H 2 O(aq) ; emäksinen ammoniakki värjää lakmuspaperin siniseksi, karakteristinen haju. d) Na 2 CO 3 (aq) + 2HCl(aq) CO 2 (g) + 2NaCl(aq) + H 2 O(l) ; hiilidioksidi kuplii liuoksessa, kaasu sammuttaa palavan puutikun. 8. a) CH 4 (l) + 2 O 2 (l) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) ΔH = 890 kj/mol elektrodi : CH H 2 O CO H + + 8e ; hapettuminen elektrodi: O H e 2 H 2 O ; pelkistyminen b) n(ch4) = n(o 2 ) =,/,,,,,/ = 179,5 mol 129,4 mol Reaktioyhtä löstä: n(o 2 ) = 2 n(ch 4 ) eli happi loppuu ensin It = nzf; t =, / =, s = 1283 h 53 d 11 h 53 d c) Polttokenno on ympäristöystävällisempi. Sen hyötysuhde on huomattavasti parempi, koska vapautuva energia käytetään suoraan sähkövirran tuottamiseen. Bensiini tai dieselagregaatteja käytettäessä vapautuva energia saadaan pääasiassa lämpöenergiana. Palamisreaktiossa syntyy hiilidioksidia ja palamisen puhtaudesta riippuen myös typen oksideja ja hiilivetyjä. Agregaatit tuottavat myös melua polttokennoa enemmän. Metaanikäyttöisen polttokennon reaktiotuotteena on hiilidioksidia vettä, mutta muodostuvan hiilidioksidin määrä on vähäisempi, eikä muita haitallisia kaasuja muodostu. 9.a) Kestomuovi: molekyylit ovat pitkiä polymeeriketjuja. Kestomuovi pehmenee, kun sitä lämmitetään sopivaan lämpötilaan, jolloin sitä voidaan muovata. Se kovettuu jälleen jäähtyessään. Kestomuoveissa polymeeriketjujen välillä esiintyy dispersiovoimia, jotka

4 häviävät muovia kuumennettaessa. Kun muovi jäähdytetään, heikot sidokset muodostuvat ketjujen välille uudestaan. b) A = polypropeeni PP; B = polyvinyylikloridi PVC; C = polytetrafluorieteeni PTFE c) A propeeni B Cl vinyylikloridi F C F F F tetrafluorieteeni d) Polypropeeni: pakkauslaatikot, säiliöt, pullot, taloustavarat, kalvot, köydet Polyvinyylikloridi: lattialaatat, putket, kuidut Polytetrafluorieteeni: tunnetaan nimellä Teflon, astiat 10. a) 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) tasap. 2,00 x 0,20 x K = SO 3200 l/mol SO O K = = 3200,,,, 3200 Ottamalla neliöjuuri yhtälön molemmilta puolilta x = 1,924 Tasapainotilassa olevat ainemäärät ovat: n(so 3 ) = 1,924 mol n(o 2 ) = 0,20 mol n(so 2 ) = 0,076 mol Hapelle (O 2 ) lasketun kokonaisainemäärän täytyy olla sama alkutilassa ( x + 2,00) ja tasapainotilassa. n(o 2 ) = 1,5 1, ,20 + 0,076) mol = 3,162 mol 3,16 mol Koska tilavuus on 1,0 l, hapen lisäys on 1,162 mol 1,2 mol

5 b) Kun rikkidioksidi reagoi hapen kanssa rikkitrioksidiksi vapautuu energiaa, eli reaktio on eksoterminen. Taulukkokirjan mukaan voidaan laskea reaktiolle H = 2 ( 370,4 kj) 2 ( 296,9 kj) = 147 kj Eksotermisen reaktion tasapainotilaa siirtyy lämpötilan laskiessa tuotteiden puolelle, jolloin K:n arvo kasvaa. +11 a), b)ja c) vastaukset kuvassa

6 +12. a) Hopea ionia lisättäessä saostuu ensin niukkaliukoisempi hopeahalogenidi. Koska K s (AgI) < K s (AgCl), hopeajodidi saostuu ensin. b) Jodidin ainemäärä saadaan ensimmäisestä ekvivalenttikohdasta: n( I ) = 9,0 ml 0,085 mol/l = 0,765 mmol Molemmat hopeasuolat ovat saostuneet, kun hopeanitraattia on lisätty 18,5 ml. Täten suolojen kokonaisainemäärä on 18,5 ml 0,085 mol/l = 1,5725 mmol. Kloridi ionin ainemäärä saadaan ainemäärien erotuksena. Täten kloridi ja jodidi ionin konsentraatiot lähtöliuoksessa ovat: [I ] = 0,765 mmol/40,0 ml = 0,0191 mol/l 0,019 mol/l [Cl ] = (1,5725 0,765)mmol/40,0 ml = 0,0202 mol/l 0,020 mol/l c) Kun puolet hopeajodidista on titrattu, liuoksessa [I ] = 0,765 mmol/44,5 ml = 8, mol/l [Ag + ] = K sagi I = 8, (mol/l) 2 8, mol l = 9, mol/l 9, mol/l d) AgCl alkaa saostua, kun hopeakloridin liukoisuustulon arvo ylitetään, jolloin [Cl ] = n(agcl) V = 0,8075mmol l 49,0 ml = 0,01648 mol/l 0,016 mol/l [Ag + ] = K sagcl Cl 1, (mol/l) 2 0,01648 mol l = 1, mol/l 1, mol/l Tällöin [I ] = K sagi I = 8, (mol/l) 2 1, mol l = 7, , mol/l d) Kaikissa titrauksissa mahdollisuus lukemavirheisiin. Erityisesti heterogeenisissä titrauksissa tasapainot asettuvat hitaasti, eikä ole mahdollisuutta kontrolloida saostumien puhtautta. Jodidi ja kloridi ioneja titrattaessa hopeakloridi alkaa saostua, ennen kuin kaikki jodidi on saostunut. Tällöin titrauksen ensimmäisen ekvivalenttikohdan määritys voi olla vaikeaa. Hopeakloridin saostuessa mukana toiseen ekvivalenttikohtaan seuraa vakio osuus hopeajodidia. Tällöin jodidin määräksi saadaan helposti liian pieni tulos ja kloridin määräksi liian suuri tulos.

7