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

Transkriptio

1 Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta 2012 FI Insinöörivalinnan kemian koe a) Kun alkeeniin X lisätään vettä, saadaan alkoholi Y. Alkoholin Y hapetustuotteena saadaan,-dimetyyli-2-heksanonia. Kirjoita näiden kahden reaktion reaktioyhtälöt täydellisillä rakennekaavoilla ja nimeä yhdisteet X ja Y. b) HBr voi reagoida kolmen eri alkeenin kanssa, jolloin tuotteena saadaan 2-bromibutaania. Kirjoita näiden kolmen alkeenin täydelliset rakennekaavat ja kirjoita reaktioyhtälö, kun HBr reagoi näistä yhden alkeenin kanssa. 2. Muurahaishappo (metaanihappo) muodostaa erään tyydyttyneen yhdenarvoisen alkoholin kanssa esterin, joka sisältää 1, massa- % happea. Reaktioyhtälöä voidaan kuvata seuraavasti: HCOOH + HOR HCOOR + H 2 O a) Kirjoita esterin ja alkoholin molekyylikaavat. b) Piirrä kyseisen alkoholin kaikki mahdolliset täydelliset rakennekaavat.. Palmitiinihappo C 16 H 2 O 2 on tyydyttynyt rasvahappo, jota on esimerkiksi lihassa ja maitorasvassa. Se on sakkaroosin eli ruokosokerin C 12 H 22 O 11 ohella hyvä energianlähde. a) Kirjoita tasapainotetut reaktioyhtälöt näiden yhdisteiden täydelliselle palamiselle ja laske reaktioiden reaktiolämmöt (H). Vesi esiintyy reaktioyhtälöissä nestemäisenä johtuen siitä, että näiden yhdisteiden metabolia tuottaa nestemäistä vettä. b) Laske kumpi yhdisteistä tuottaa palaessaan enemmän lämpöenergiaa 1,00 g palavaa ainetta kohden. Perusmuodostumislämmöt (H f ): C 16 H 2 O 2 (s) 208,0 kj/mol, C 12 H 22 O 11 (s) 2226,1 kj/mol, H 2 O(l) 285,8 kj/mol, CO 2 (g) 9,5 kj/mol, O 2 (g) 0 kj/mol 4. Teräksen mangaanipitoisuus määritetään spektrofotometrisesti. Määritystä varten teräsnäyte liuotetaan typpihappoon, jolloin mangaani hapettuu Mn 2+ -ioneiksi. Kun liuokseen lisätään kiinteää kaliumperjodaattia (KIO 4 ), Mn 2+ -ionit hapettuvat värillisiksi permanganaatti-ioneiksi seuraavan tasapainottamattoman hapettumis-pelkistymisreaktion mukaisesti: Mn 2+ + IO 4 + H 2 O MnO 4 + H + + IO a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Spektrofotometrinen määritys tehtiin niin kutsuttua vertailusuoramenetelmää käyttäen. Vertailueli standardiliuokset valmistettiin kantaliuoksesta A, joka sisälsi 5,00 mg/ml mangaanisuolaa, Mn(NO ) 2 4 H 2 O. Mikä on kantaliuoksen A konsentraatio (mol/dm )? c) Määrityksen mukaan 0,20 gramman teräsnäyte sisälsi yhtä paljon mangaania kuin 2,21 ml kantaliuosta A. Kuinka monta massa-%:a mangaania teräksessä oli? d) Kuinka monta grammaa kiinteää kaliumperjodaattia vähintään tarvitsee lisätä liuokseen, että kaikki teräsnäytteen Mn 2+ -ionit hapettuvat permanganaatti-ioneiksi? 5. Kaasumaisen, yksiarvoisen hapon tiheys on 1,05 g/dm 40 C lämpötilassa ja 101,25 kpa paineessa. Kun 1,85 g tätä happoa liuotettiin veteen ja laimennettiin 450 ml:ksi, saatiin liuoksen ph:ksi 5,01. a) Määritä kyseisen hapon happovakion K a arvo. b) Kuinka monta prosenttia haposta on protolysoitunut (ionisoitunut)? 6. Lyijysulfaatin niukkaliukoisuutta käytetään hyväksi lyijyn kvantitatiivisessa määrityksessä. Määrityksessä lyijyionit saostetaan täydellisesti lyijysulfaattina lisäämällä liuokseen esimerkiksi ylimäärin laimeaa rikkihappoa. Saostuma pestään mahdollisten epäpuhtauksien poistamiseksi, jolloin myös osa lyijysulfaatista liukenee pesuliuokseen. Eräässä määrityksessä saatiin 0,0 g lyijysulfaattia. a) Kuinka monta prosenttia lyijysulfaatista liukenee, jos saostuma pestään 200 ml:lla vettä? b) Kuinka monta prosenttia lyijysulfaatista liukenee, jos saostuma pestään veden asemasta 200 ml:lla (NH 4 ) 2 SO 4 -liuosta, jonka konsentraatio on 0,100 mol/dm? K s (PbSO 4 ) = 1, 10 8 mol 2 /dm 6 Alkuaineiden moolimassoja: Alkuaine: H C N O S K Mn I Pb M / g mol 1 1,008 12,01 14,01 16,00 2,07 9,10 54,94 126,9 207,2 Vakio: R = 8,1451 J mol 1 K 1 = 0, bar dm mol 1 K 1 0 o C = 27,15 K 1 bar = 10 5 Pa DIA-valinta - c/o Aalto-yliopisto, opintotoimisto

2 Diplomingenjörs- och arkitekturbildningens gemensamma antagning dia-antagning 2012 SV Ingenjörsantagningens prov i kemi a) Då vatten sätts till alken X bildas alkohol Y. Då alkohol Y oxideras bildas,-dimetyl-2- hexanon. Skriv reaktionsformler för dessa två reaktioner med fullständiga strukturformler och namnge föreningarna X och Y. b) HBr kan reagera med tre olika alkener så att 2-brombutan bildas. Skriv fullständiga strukturformler för dessa tre alkener och skriv reaktionsformel för reaktionen mellan HBr och en av dessa alkener. 2. Myrsyra (metansyra) bildar med en mättad envärd alkohol en ester, som innehåller 1, mass-% syre. Reaktionsformeln kan skrivas på följande sätt: HCOOH + HOR HCOOR + H 2 O a) Skriv molekylformeln för estern och för alkoholen. b) Rita också alla möjliga fullständiga strukturformler för ifrågavarande alkohol.. Palmitinsyra C 16 H 2 O 2 är en mättad fettsyra, som finns i bland annat kött och mjölkfett. Den är, liksom sackaros eller rörsocker C 12 H 22 O 11, en bra energikälla. a) Skriv balanserade reaktionsformler för fullständig förbränning av dessa föreningar och beräkna reaktionernas reaktionsvärmen (H). Vattnet i reaktionsformlerna är i flytande form på grund av att föreningarnas metabolism producerar flytande vatten. b) Beräkna vilkendera föreningen som ger mera värmeenergi vid förbränning uträknat per 1,00 g bränsle. Bildningsvärmen vid standardförhållanden (H f ): C 16 H 2 O 2 (s) 208,0 kj/mol, C 12 H 22 O 11 (s) 2226,1 kj/mol, H 2 O(l) 285,8 kj/mol, CO 2 (g) 9,5 kj/mol, O 2 (g) 0 kj/mol 5. Densiteten för en envärd syra i gasform är 1,05 g/dm vid temperaturen 40 C och trycket 101,25 kpa. Då 1,85 g av denna syra löstes i vatten och utspäddes till 450 ml, erhölls en lösning med ph 5,01. a) Bestäm syrakonstanten K a för ifrågavarande syra. b) Hur många procent av syran är protolyserad (joniserad)? 6. Blysulfat är svårlösligt och detta utnyttjas vid kvantitativ bestämning av bly. Vid bestämningen utfälls blyjonerna fullständigt som blysulfat genom att sätta ett överskott av till exempel utspädd svavelsyra till lösningen. Fällningen tvättas för att avlägsna eventuella orenheter, varvid också en del av blysulfatet löser sig i tvättlösningen. Vid en bestämning erhölls 0,0 g blysulfat. a) Hur många procent av blysulfatet löser sig om fällningen tvättas med 200 ml vatten? b) Hur många procent av blysulfatet löser sig om fällningen tvättas med 200 ml (NH 4 ) 2 SO 4 - lösning, vars koncentration är 0,100 mol/dm, i stället för vatten? K s (PbSO 4 ) = 1, 10 8 mol 2 /dm 6 Grundämnenas molmassor: Grunämne: H C N O S K Mn I Pb M / g mol 1 1,008 12,01 14,01 16,00 2,07 9,10 54,94 126,9 207,2 4. Manganhalten i stål kan bestämmas spektrofotometriskt. För bestämningen löses ett stålprov i salpetersyra, varvid mangan oxideras till Mn 2+ -joner. Då fast kaliumperjodat (KIO 4 ) sätts till lösningen oxideras Mn 2+ -jonerna till färgade permanganatjoner enligt följande obalanserade oxidations-reduktionsreaktion: Mn 2+ + IO 4 + H 2 O MnO 4 + H + + IO Konstant: R = 8,1451 J mol 1 K 1 = 0, bar dm mol 1 K 1 0 o C = 27,15 K 1 bar = 10 5 Pa a) Balansera reaktionsformeln. b) Den spektrofotometriska bestämningen gjordes med en metod som bygger på användningen av så kallade standardkurvor. Standardlösningarna bereddes från stamlösning A, som innehöll 5,00 mg/ml mangansalt, Mn(NO ) 2 4 H 2 O. Vilken koncentration (mol/dm ) har stamlösning A? c) Enligt bestämningen innehöll 0,20 gram av stålprovet lika mycket mangan som 2,21 ml av stamlösning A. Hur många mass-% mangan innehöll stålet? d) Hur många gram fast kaliumperjodat måste man minst sätta till lösningen för att alla Mn 2+ -joner i stålprovet skall oxideras till permanganatjoner? DIA-antagningen - c/o Aalto-universitetet, studiebyrån

3 Entrance Examination at the Universities of Technology in Finland EN Engineering programs, Chemistry 0 May a) Addition of water to alkene X gives an alcohol Y. Oxidation of Y produces,-dimethyl-2- hexanone. Write reaction equations for these two reactions using structural formulas, and name compounds X and Y. b) HBr can react with three different alkenes to form 2-bromobutane. Write the structural formulas of these three alkenes and write a reaction equation when HBr reacts with one of these alkenes. 2. Formic acid (methanoic acid) forms with a saturated monoprotic alcohol an ester which contains 1. mass-% oxygen. The reaction equation can be described as follows: HCOOH + HOR HCOOR + H 2 O a) Write the molecular formulas for the ester and for the alcohol. b) Draw all the possible structural formulas of the alcohol in question.. Palmitic acid C 16 H 2 O 2 is a saturated fatty acid found for instance in beef and milk fat. It is, along with sucrose (table sugar C 12 H 22 O 11 ), a good source of energy. a) Write balanced reaction equations for the complete combustion of these compounds and calculate the heat of reaction (H) for these reactions. Water is in liquid form in the reaction equations because the metabolism of these compounds produces liquid water. b) Calculate which one of the compounds produces more heat per 1.00 g of combustible matter. Standard enthalpies of formation (H f ): C 16 H 2 O 2 (s) kj/mol, C 12 H 22 O 11 (s) kj/mol, H 2 O(l) kj/mol, CO 2 (g) 9.5 kj/mol, O 2 (g) 0 kj/mol 4. The manganese content of steel can be determined by spectrophotometry. For the determination the steel sample is dissolved in nitric acid in which case manganese oxidizes to Mn 2+ -ions. When solid potassium periodate (KIO 4 ) is added to the solution, Mn 2+ -ions oxidize to colored permanganate ions according to the following unbalanced oxidation - reduction reaction: Mn 2+ + IO 4 + H 2 O MnO 4 + H + + IO a) Balance the reaction equation. b) The spectrophotometric determination was carried out using a so called standard curve method. Standard solutions were prepared from a stock solution A which contained 5.00 mg/ml manganese salt, Mn(NO ) 2 4 H 2 O. What is the concentration (mol/dm ) of the stock solution A? c) According to the determination a 0.20 gram sample of steel contained as much manganese as 2.21 ml of the stock solution A. How many mass -% of manganese did the steel contain? d) How many grams of solid potassium periodate at least has to be added to the solution so that all the Mn 2+ -ions of the steel sample will oxidize to permanganate ions? 5. At the temperature of 40 C and the pressure of kpa, a gaseous monoprotic acid has a density of 1.05 g/dm. After 1.85 g of this gas was dissolved in water and diluted to 450 ml, the ph of the solution was measured to be a) Determine the acid ionization constant K a of this acid. b) Determine the percent ionization of the acid. 6. The low solubility of lead sulphate is utilized in quantitative determination of lead. In the determination lead ions are precipitated completely as lead sulphate by adding for instance an excess of diluted sulphuric acid to the solution. The precipitation is washed to remove possible impurities in which case also part of the lead sulphate is dissolved in washing solution. In one determination 0.0 g of lead sulphate was obtained. a) How many percent of the lead sulphate is dissolved if the precipitation is washed with 200 ml of water? b) How many percent of the lead sulphate is dissolved if the precipitation is washed with 200 ml of mol/dm (NH 4 ) 2 SO 4 solution, instead of water? K s (PbSO 4 ) = mol 2 /dm 6 Molar masses of the elements: Element: H C N O S K Mn I Pb M / g mol Constant: R = J mol 1 K 1 = bar dm mol 1 K 1 0 o C = K 1 bar = 10 5 Pa DIA-admission - c/o Aalto University, student affairs

4 Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT 1. a) Tuote,-dimetyyli-2-heksanoni saadaan sekundaarisen alkoholin hapetustuotteena,-dimetyyli-2-heksanoli = Y,-dimetyyliheksan-2-oli,-dimetyyli-2-heksanoni,-dimetyyliheksan-2-oni Alkoholi saadaan puolestaan, kun alkeeni reagoi veden kanssa,-dimetyyli-1-hekseeni = X,-dimetyyliheks-1-eeni b) Kun vetybromidi reagoi 1-buteenin kanssa, saadaan 2-bromibutaania. Huom! Markovnikovin sääntö. Kaksi muuta mahdollista alkeenia ovat cis-2-buteeni ja trans-2-buteeni:

5 2. HCOOH + HOR HCOOR + H 2 O a) Hapen osuus esterin moolimassasta M on 1, m- %: 100 % M(O) 2 M(esteri) 1, % 100 2,0 M 102,2 g/mol 1, R:n moolimassa M R = 102,2 2,0 12,01 1,008 = 57,182 g/mol R:n kaava C n H 2n+1 12,01 g/mol n + 1,008 g/mol (2 n + 1) = 57,182 g/mol n = 4 R on C 4 H 9 Esterin molekyylikaava: C 5 H 10 O 2 (HCOOC 4 H 9 ) Alkoholin molekyylikaava: C 4 H 10 O (C 4 H 9 OH) b)

6 . a) C 16 H 2 O 2 (s) + 2 O 2 (g) 16 CO 2 (g) + 16 H 2 O(l) C 12 H 22 O 11 (s) + 12 O 2 (g) 12 CO 2 (g) + 11 H 2 O(l) Reaktiolämpö: H = nh f (reaktiotuotteet) nh f (lähtöaineet) Palmitiinihappo: H = [16 mol (9,5 kj/mol) + 16 mol (285,8 kj/mol)] [1 mol (208,0 kj/mol) + 2 mol 0 kj/mol] = 10868,8 kj + 208,0 kj = 10660,8 kj = kj Ruokosokeri: H = [12 mol (9,5 kj/mol) + 11 mol (285,8 kj/mol)] [(1 mol (2226,1 kj/mol) + 12 mol 0 kj/mol] = 7865,8 kj ,1 kj = 569,7 kj = 5640 kj b) m ph = 1,00 g M ph= 256,416 g/mol energiaa vapautuu: 10660,8 kj / mol 256,416 g / mol = 41,6 kj/g m sokeri = 1,00 g M sokeri = 42,296 g/mol energiaa vapautuu: 569,7 kj / mol 42,296 g / mol = 16,5 kj/g Palmitiinihapon palaminen tuottaa enemmän energiaa grammaa kohden: 41,6 kj/g > 16,5 kj/g 4. a) +II +VII II +I II +VII II +I +VII 2 Mn IO 4 + H 2 O 2 MnO H IO Hapettuu: luovuttaa 5e - 2 Hapetusluku kasvaa +II +VII Pelkistyy: vast.ottaa 2e - 5 Hapetusluku pienenee +VII +V elektronien siirrot yhtä suuriksi

7 b) M (Mn(NO ) 2 4 H 2 O) = 251,024 g/mol Litrassa liuosta m (Mn(NO ) 2 4 H 2 O) = 5,00 g n(mn(no) 2 4 H2O) m (Mn(NO) 2 4 H2O) M(Mn(NO) 2 4 H2O) 5,00 g 251,024 g/mol 0,0199 mol c n V 0,0199 mol 1,00 dm 0,0199 mol/dm c) Lasketaan ensin kuinka monta prosenttia mangaanisuolassa on mangaania Mn - % 54,94 100% 21,89 % 251,024 Paljonko mangaanisuolaa on 2,21 ml:ssa => m (Mn(NO ) 2 4 H 2 O) = 2,21 ml 5,00 mg/ml = 11,05 mg m (Mn) = 0, ,05 mg = 2,419 mg 2, g Mangaania teräsnäytteessä: Mn - % 100 % 1,19 % 0,20 g d) m (Mn 2+ ) = 2,419 mg - n(mn - 2 m ) M 2, g 54,94 g/mol 0, mol Reaktioyhtälöstä nähdään, että n (KIO 4 ) = n (IO 4 ) = 5/2 n(mn 2+ ) = 5/2 0, mol = 0, mol M (KIO 4 ) = 20,0 g/mol m (KIO 4 ) = n M = 25, 10 g = 25, mg

8 5. a) Selvitetään ensin hapon moolimassa kaasujen yleisen tilanyhtälön ja tiheyden avulla: pv = nrt ja n = m/m pv m R T M M R T p ,05 10 g/m 8,1451J K mol 1,15 K Pa 26,98 g/mol Liuotetun hapon ainemäärä: n m M Konsentraatio: c n V 1,85 g 26,98 g/mol 0,0686 mol 0,0686 mol 0,152 mol/dm 0,450 dm Happovakion määritys: Tasapainon asetuttua ph oli 5,01 ph = - log [H O + ] = 5,01 [H O + ] = 10 5,01 HA + H 2 O A + H O + Alussa (mol/dm ) 0, Tasap. (mol/dm ) 0, , , ,01 - [A ][HO ] Ka [HA] 5, mol / dm 5,01 (0, ) 6, 10 mol / dm b) Haposta on protolysoitunut (ionisoitunut): 10-5, % 0,0064 % 0,152

9 6. a) Merkitään, että PbSO 4 :a liukenee x mol/dm PbSO 4 (s) Pb 2+ (aq) + SO 2 4 (aq) Alussa (mol/dm ) kiinteä 0 0 Tasap. (mol/dm ) liukenee x x x K s = [Pb 2+ ] [SO 4 2 ] = x 2 = 1, 10 8 mol 2 /dm 6 x = 1, mol/dm Liukoisuus 200 cm :iin: 0,200 dm 1, mol/dm = 2, mol M(PbSO 4 )= 0,27 g/mol m(pbso 4 ) = n M = 0,00691g 0,00691g Sakan lyijysulfaatista liukeni: 100 % 2, % 0,0 g b) (NH 4 ) 2 SO 4 on runsasliukoinen suola: (NH 4 ) 2 SO 4 2 NH SO 4 2-0,100 mol/dm (NH 4 ) 2 SO 4 -liuos [SO 4 2 ]= 0,100 mol/dm PbSO 4 (s) Pb 2+ (aq) + SO 2 4 (aq) Alussa (mol/dm ) kiinteä 0 0,100 Tasap. (mol/dm ) liukenee x x x + 0,100 K s = [Pb 2+ ] [SO 4 2 ] = x (x + 0,100) = 1, 10 8 mol 2 /dm 6 Oletus: x << 0,100 x = 1, 10 7 mol/dm (oletus ok.) Liukoisuus 200 cm :iin: 0,200 dm 1, 10 7 mol/dm = 2, mol M(PbSO 4 )= 0,27 g/mol m(pbso 4 ) = n M = 7, g 0, g Sakan lyijysulfaatista liukenee: 100 % 0,00 % 0,0 g