1 Jyväskylän yliopiston kemian valintakoe Keskiviikkona 6.6.2018 klo 10-13 Yleiset ohjeet 1. Tarkasta, että tehtäväpaperinipussa on kaikki sivut 1-16. 2. Kirjoita nimesi ja syntymäaikasi kaikkiin sivuille 1 ja 3-16 merkittyihin kohtiin. 3. Kirjoita vastaukset tehtäväpaperille. Voit tarvittaessa jatkaa sivun toiselle puolelle. 4. Kirjoita selvästi selkeitä merkintöjä käyttäen. Epäselvät vastaukset tulkitaan vääriksi. 5. Kokeessa saa käyttää yo-kokeissa hyväksyttyä laskinta. Taulukkokirjan käyttö on kielletty. Jaksollinen järjestelmä on sivulla 2. Muut tarvittavat tiedot annetaan tehtävien yhteydessä. 6. Kokeesta saa poistua aikaisintaan klo 10:30. 7. Kun lähdet, jätä kaikki tehtäväpaperisi valvojalle, joka tarkastaa samalla henkilöllisyytesi. 8. Mikäli tarvitset todistuksen kokeeseen osallistumisesta, pyydä sitä kokeen valvojalta. Tehtävä 1 2 3 4 5 6 Pisteet yhteensä / 60 p Pisteet Kokeen arvostelua koskevat kysymykset ja pyynnöt valintakoevastausten kopioinnista voi osoittaa kirjallisesti Matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan toimistoon valintakokeen tulosten julkaisemisen jälkeen (study-sci@jyu.fi).
IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIII IB IIB IIIB IVB VB VIB VIIB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2 1 2 H He 1,0079 4,0026 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 6,941 9,0122 10,811 12,011 14,007 15,999 18,998 20,180 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg Al Si P S Cl Ar 22,990 24,305 26,982 28,086 30,974 32,065 35,453 39,948 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 39,098 40,078 44,956 47,867 50,942 51,996 54,938 55,845 58,993 58,693 63,546 65,409 69,723 72,64 74,922 78,96 79,904 83,798 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 85,468 86,72 88,906 91,224 92,906 95,94 (98) 101,07 102,91 106,42 107,87 112,41 114,82 118,71 121,76 127,60 126,90 131,29 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 132,91 137,33 1138,91 178,49 180,95 183,84 186,21 190,23 192,22 195,08 196,97 200,59 204,38 207,2 208,98 (209) (210) (222) 87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 Fr Ra Ac** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup (223) (226) (227) (261) (262) (266) (264) (277) (268) (281) (272) (285) (284) (289) (288) *Lantanidit *Aktinidit 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 140,12 140,91 144,24 (145) 150,36 151,96 157,25 158,93 162,50 164,93 167,26 168,93 173,04 174,97 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lf 242,04 231,03 238,03 (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (262)
3 Tehtävä 1. Valitse seuraavista vaihtoehdoista oikea ja merkitse sen kirjain kysymyksen viereiseen ruutuun. Vain yksi vaihtoehto per kohta, tyhjä 0 p, väärä vastaus -0,5 p. (10 p) A. Kun hiilivety palaa täydellisesti, vettä syntyy mooleina: a. yhtä paljon kuin happea on yhdisteessä. b. puolet vähemmän kuin happea on yhdisteessä. c. yhtä paljon kuin vetyä on yhdisteessä. d. puolet vähemmän kuin vetyä on yhdisteessä. B. Ilmakehään päätynyt bromi aiheuttaa otsonikatoa, jolloin enemmän ultraviolettisäteilyä pääsee maan pinnalle. Mitä tapahtuu reaktioyhtälössä Br + O 3 BrO + O 2? a. Bromimolekyyli hajoaa hapen vaikutuksesta. b. Bromi hapettuu reaktiossa. c. Bromi muodostaa happimolekyylin kanssa sidoksen. d. Bromi pelkistyy reaktiossa. e. Reaktiossa syntyy yksi mooli otsonia. C. Mikä seuraavista väittämistä pitää paikkansa elektrolyysivirtapiirissä? a. Kationit liikkuvat anodille. b. Kationit liikkuvat katodille. c. Anionit pelkistyvät. d. Kationit hapettuvat. D. Säilöntäaineena käytetään usein natriumbentsoaattia (E211) jonka kemiallinen kaava on C 6H 5COONa. Mikä natriumbentsoaattiin liittyvistä väittämistä ei pidä paikkaansa? a. Aine on bentsyylihapon natriumsuola. b. Aine on vesiliukoinen. c. Aineessa on funktionaalinen ryhmä. d. Aine on huoneenlämpötilassa kiinteää. e. Aine on emäksinen. E. Järjestä seuraavat alkuaineet kasvavan atomisäteen mukaisesti (pienin vasemmalla): P, Ba, Cl. a. Ba < Cl < P b. Cl < Ba < P c. P < Cl < Ba d. Ba < P < Cl e. Cl < P < Ba f. P < Ba < Cl
4 F. Mikä seuraavista väittämistä on totta tasapainossa olevalle eksotermiselle reaktiolle N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g)? a. Lämpötilan nostaminen siirtää reaktion tasapainoa tuotteita kohti. b. Paineen pienentäminen (kaasun tilavuuden kasvattaminen) siirtää reaktion tasapainoa tuotteita kohti. c. Lämpötilan laskeminen siirtää reaktion tasapainoa tuotteita kohti. d. Reagoimattoman (inertin) kaasun lisääminen reaktioastiaan siirtää reaktion tasapainoa tuotteita kohti. e. Mikään näistä toimenpiteistä ei vaikuta reaktion tasapainoon. G. Vesimittari on hyönteinen, joka pystyy liikkumaan veden pinnalla, koska vedellä on korkea pintajännitys johtuen vesimolekyylien välisistä vuorovaikutuksista. Mikä väittämistä ei uhkaa vesimittarin pinnalla pysymistä, kun asiaa pohditaan pintajännityksen kannalta: a. Veden lämpötilaa nostetaan. b. Veteen lisätään saippuaa. c. Veteen lisätään ruokasuolaa. d. Veteen lisätään etanolia. e. Veteen lisätään asetonia. H. Alkalimetallit (merkitään alla reaktioyhtälössä X) reagoivat kloorikaasun kanssa muodostaen alkalimetalliklorideja seuraavasti: 2 X(s) + Cl 2(g) 2 XCl(s). Kun alla olevat määrät reagoivat ylimäärässä kloorikaasua, mistä syntyy suurin massa tuotetta? a. 5 g Li b. 5 g Na c. 5 g K d. 5 g Rb e. Kaikista syntyy yhtä suuri massa tuotetta. I. Ruokasooda on puhdasta natriumvetykarbonaattia NaHCO 3. Mitä tapahtuu, kun ruokasooda reagoi etikan kanssa? a. Muodostuu etikkahappoa. b. Vapautuu vetyä. c. Vapautuu happea. d. Vapautuu hiilidioksidia. e. Muodostuu hiilivetyjä.
5 J. Veden (H 2O) kiehumispiste on paljon korkeampi kuin divetysulfidin (H 2S), koska a. veden moolimassa on pienempi kuin divetysulfidin. b. vesimolekyylien välille muodostuu vetysidoksia, mutta divetysulfidimolekyylien välille ei. c. vesimolekyyli on rakenteeltaan taipunut, mutta divetysulfidimolekyyli on lineaarinen. d. dispersiovoimat ovat vahvempia vesimolekyylien välillä kuin divetysulfidimolekyylien välillä.
6 Tehtävä 2. (10 p) a) Ympyröi ja nimeä yhdisteen toiminnalliset (funktionaaliset) ryhmät. Mihin yhdisteryhmiin yhdiste kuuluu toiminnallisten ryhmiensä perusteella? b) Sinun tulee valmistaa butyylimetanaattia. Mitä lähtöaineita tarvitset? Minkälaisen reaktiolaitteiston rakennat reaktion suorittamista varten (nimeä reaktiolaitteisto ja luettele sen osat)? Minkälaiset reaktio-olosuhteet varmistavat reaktion onnistumisen?
7 Tehtävä 3. (10 p) Taulukossa 3.1 on eräiden yhdisteiden ominaisuuksia. Taulukko 3.1 Yhdisteiden ominaisuuksia. Sulamispiste [ C] Liukoisuus veteen [g/100ml (20 C)] Liukenemisentalpia [kj/mol (25 C)] CaCl2 772 74,5 81,3 NH 4NO 3 170 190 25,69 a) Miksi kyseisillä yhdisteillä on korkeat sulamispisteet? Perustele vastauksesi. b) Mitkä sidokset muodostuvat ja mitkä katkeavat tai heikkenevät, kun kyseiset yhdisteet liukenevat veteen?
8 c) Ohessa on kalsiumkloridin ja ammoniumnitraatin veteen liukenemista esittävät Kuvaajat 3.2 ja 3.3 Perustele kumpi kuvaajista esittää kalsiumkloridin ja kumpi ammoniumnitraatin liukenemista. Kuvaaja 3.2 Aineen liukeneminen. Kuvaaja 3.3 Aineen liukeneminen. d) Kun ammoniumnitraattia liuotetaan veteen, lämpeneekö vai jäähtyykö vesi? Perustele vastauksesi.
9 Tehtävä 4. (10 p) Tutkijat halusivat selvittää, mikä on raudan pitoisuus (Fe 2+ ) metallilevyssä. He päättivät määrittää raudan pitoisuuden titraamalla. He leikkaisivat palan metallilevyä. Sitten he punnitsivat sen ja liuottivat sen laimeaan rikkihappoon. Tämän jälkeen he titrasivat alun perin kirkkaan liuoksen violetilla kaliumpermanganaatilla (KMnO4). a) Kirjoita titraukselle tasapainotettu reaktioyhtälö. Mikä aine hapettuu ja mikä pelkistyy reaktiossa? Reaktio koostuu seuraavista puolireaktiosta: Fe 3+ + e Fe 2+ +0,771 V MnO 4 + 8H + + 5e Mn 2+ + 4H 2O +1,51 V b) Tutkijoiden titratessa rautanäytettä permanganaattiliuoksella, liuoksen väri vaihtuu kirkkaasta (alku) violettiin (loppu) ekvivalenttikohdassa. Miksi näin tapahtuu?
10 c) Mikä laitteisto on esitetty Kuvassa 4.1? Kerro menetelmän periaate. Nimeä laitteisto, sen osat ja kerro niiden tehtävästä ja toiminnoista lyhyesti. Kuva 4.1 Tutkijoiden laitteisto reaktion a) alussa ja b) lopussa
11 Tehtävä 5. (10 p) Ruokanäytteen typpipitoisuus voidaan määrittää potentiometrisesti käyttämällä ammoniakin tunnistavaa elektrodia. Ruokanäyte liuotetaan ja sen sisältämä typpi muutetaan ammoniakiksi. Liuoksen potentiaali muuttuu, kun siinä olevan ammoniakin pitoisuuden logaritmi muuttuu yhtälön (5.1) mukaisesti: = lg + vakio (5.1) Ruokanäytteen typpipitoisuuden määrittämiseksi valmistettiin kuusi tunnetun ammoniakkipitoisuuden omaavaa standardiliuosta ja mitattiin niiden potentiaalit. Pitoisuudet ja vastaavat potentiaalit on esitetty Taulukossa 5.1. Kuivattua ruokanäytettä punnittiin 312,4 mg. Lopuksi näyte liuotettiin kiehuvaan rikkihappoon. Saatu liuos laimennettiin vedellä yhdeksi litraksi. Tästä liuoksesta otettiin 20 ml näyte, johon lisättiin 10 ml 10 M natriumhydroksidia, joka muuttaa näytteen sisältämän typen ammoniakiksi kuumennettaessa ja lopuksi näyte laimennettiin 100 ml:ksi ja mitattiin sen potentiaali. Ruokanäytteelle mitattu potentiaali on myös esitetty Taulukossa 5.1. Taulukko 5.1 Näytteiden mitatut potentiaalit liuos [M] [mv] standardi 1 1,00 10-5 268,0 standardi 2 5,00 10-5 310,0 standardi 3 1,00 10-4 326,8 standardi 4 5,00 10-4 368,0 standardi 5 1,00 10-3 386,4 standardi 6 5,00 10-3 427,6 ruokanäyte X 339,3 Tunnettujen standardiliuosten pitoisuuksien ja mitattujen potentiaalien avulla piirrettiin vertailukäyrä siten että y-akselille tulee mitattu potentiaali ja x-akselille pitoisuuden logaritmi. Kuvassa 5.1 on esitetty vertailukäyrä ja käyrälle tehdyn lineaarisen sovituksen yhtälö.
12 450 430 410 390 370 y = 59,037x + 563,28 350 330 310 290 270 250-5,5-5 -4,5-4 -3,5-3 -2,5-2 lgc E [mv] Kuva 5.1 Tunnettujen näytteiden potentiaali pitoisuuden logaritmin funktiona sekä siihen sovitettu suora. Laske ruokanäytteen sisältämän typen määrä ja ilmoita tulos painoprosentteina.
13 Tehtävä 6. (10 p) Kemiallisissa reaktioissa atomien välille muodostetaan sidoksia sekä rikotaan niitä. Reagenssien eli reaktion lähtöaineiden ja tuotteiden kemiallisiin sidoksiin on varastoitunut energiaa. Kemiallinen reaktio voi vapauttaa tai sitoa energiaa. Reaktiosysteemistä ympäristöön tai ympäristöstä systeemiin siirtyvä energia voi olla paitsi lämpöenergiaa myös mekaanisen, sähköisen tai (bio)kemiallisen prosessin ajamiseen käytettävissä olevaa työtä. Palamisreaktioiden yhteydessä puhutaan usein aineen lämpöarvosta, joka on palamisentalpian itseisarvo. Hessin lain mukaan reaktion palamisentalpia rh saadaan vähentämällä tuotteiden muodostumisentalpioista fh lähtöaineiden muodostumisentalpiat tasapainotetun reaktioyhtälön mukaisesti eli Δ r = Δ f Δ f, (6.1) missä i ovat tuotteiden ja j lähtöaineiden stoikiometriset kertoimet. Reaktion Gibbsin energia rg lasketaan reagenssien muodostumisen Gibbsin energioista fg samalla tavalla kuin entalpia. Gibbsin energian avulla voidaan laskea reaktion tasapainovakio K yhtälöstä ln = Δ r, (6.2) missä kaasuvakio R = 8,31446 J mol 1 K 1 ja T on lämpötila. Tarkastellaan nyt hiilivetyjen palamiseen liittyvää energetiikkaa Taulukon 6.1 avulla. Taulukko 6.1 Palamisentalpioita ja muodostumisentalpioita lämpötilassa 298 K Yhdiste fh [kj/mol] fg [kj/mol] CH 4(g) 74,8 50,7 C 8H 18(l) 249,9 6,4 O 2(g) 0 0 C(g) 716,7 671,3 C 2(g) 831,9 775,9 CO(g) 110,5 137,2 CO2(g) 393,5 394,4 CO2(aq) 413,8 386,0 H2O(l) 285,8 237,1 H2O(g) 241,8 228,6 H 2O 2(l) 187,8 120,4
14 a) Kirjoita tasapainotetut reaktioyhtälöt sekä metaani- että oktaanimoolin palamiselle. Valitse se reagenssin olomuoto, joka on stabiilein lämpötilassa 298 K. b) Laske reaktioentalpian rh (kj/mol) arvot kummassakin palamisreaktiossa.
15 c) Anna hiilivetyjen lämpöarvot polttoainegrammaa kohti kilojouleina (kj/g) sekä kilowattitunteina (kwh/g, 1 Wh = 3600 J). d) Nesteytetyn maakaasun (voidaan olettaa metaaniksi) tiheys on 421 kg/m 3 ja oktaanin tiheys on 703 kg/m 3. Arvioi edellä lasketun perusteella lämpöarvot (MWh) kuutiolle nestemäistä polttoainetta. Kumpi on parempi polttoaine?
16 e) Laske tasapainovakion arvo metaanin eksotermiselle palamisreaktiolle lämpötilassa 298 K. Mitä voit päätellä reaktion etenemisestä K:n suuruuden perusteella?