1 Jyväskylän yliopiston kemian valintakoe Keskiviikkona 7.6.2017 klo 10-13 Yleiset ohjeet 1. Tarkasta, että tehtäväpaperinipussa ovat 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 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) 2 *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. Mikä seuraavista alkuaineista muodostaa todennäköisimmin ionin, jonka varaus on +2? a. Na b. Ne c. Cl d. O e. Sr B. Mikä alkuaine pelkistyy seuraavassa reaktiossa: Zn(s) + 2 AgNO3(aq) Zn(NO3)2(aq) + 2 Ag(s)? a. Zn b. Ag c. N d. O e. Mikään aine ei pelkisty tässä reaktiossa C. Missä seuraavista alkuainenäytteistä on eniten atomeja? a. 10 g heliumia b. 10 g neonia c. 10 g argonia d. 10 g kryptonia e. 10 g ksenonia D. Missä seuraavista yhdisteistä typen hapetusaste ei ole -3? a. NH3 b. Li3N c. (NH4)2HPO4 d. NO3 E. Tarkastellaan seuraavaa reaktiota Zn (s) + 2HCl (aq) ZnCl2 (aq) + H2 (g) Mikä väittämä on oikein? a. Reaktio on neutralointireaktio. b. Sinkki toimii reaktiossa pelkistimenä. c. Sinkki pelkistyy reaktiossa. d. HCl neutraloituu reaktiossa.
4 Tehtävä 1 jatkuu F. 3-Pentanolin hapetustuote reagoi edelleen hapen kanssa a. aldehydiksi b. ketoniksi c. karboksyylihapoksi d. ei reagoi lainkaan G. Hieman kostea huokoinen tiskirätti kuivaa paremmin kuin täysin kuiva. Tämä johtuu a. osmoosista b. kapillaari-ilmiöstä c. viskositeetistä d. kolligatiivisista ominaisuuksista H. Mikä väittämistä ei pidä paikkaansa? a. Kun jää sulaa, kyseessä on endoterminen reaktio. b. Aineen molekyylien välisten sidosten muodostuminen vaatii energiaa. c. Kun aine härmistyy, kyseessä on eksoterminen reaktio. d. Kun kaasu nesteytyy, vapautuu lämpöä. e. CO2 on esimerkki aineesta, joka sublimoituu. f. Kun vesi jäätyy, d(ek) < 0. I. Mikä seuraavista ei ole elämälle välttämätön alkuaine? a. Ca b. H c. N d. F e. C f. P J. Kasvihuonekaasut kiihdyttävät ilmaston lämpenemistä. Mikä seuraavista ei ole kasvihuonekaasu? a. H2O b. CO2 c. CH4 d. O3 e. N2O f. SO2
5 Tehtävä 2. (10 p) a) Ympyröi ja nimeä yhdisteiden toiminnalliset (funktionaaliset) ryhmät. b) Piirrä seuraavien reaktioiden tuotteet.
6 Tehtävä 2 jatkuu c) Ympyröi yhdisteet, joilla voi esiintyä cis-trans -isomeriaa. d) Merkitse seuraavaan rakennekaavaan nuolella sp 2 - ja sp-hybridisoituneet hiiliatomit ja tähdellä mahdolliset kiraaliset hiiliatomit.
7 Tehtävä 3. (10 p) Kuvissa on esitetty eräs laitteisto, joka on rakennettu kotona olevilla välineillä. a) Mikä laitteisto on kyseessä? Kuvaile laitteisto, sen osat ja niiden toiminnot lyhyesti.
8 Tehtävä 3 jatkuu b) Laitteiston sisälle on laitettu vettä, johon on juuri lisätty kiinteää kaliumkloridia. Liuoksen lämpötila alussa on 20 C ja reaktion lopussa 17 C. Mitä kaliumkloridille tapahtuu? Sitoutuuko vai vapautuuko reaktiossa lämpöä? Miten voit seurata reaktiota laitteistolla? Mitä voit määrittää kaliumkloridille mittaustulosten avulla? Selitä sanallisesti, perustele ja käytä reaktioyhtälöitä apuna. c) Puhtaaseen laitteistoon lisätään natriumhydroksidia ja rikkihappoa ekvivalenttimäärä. Liuoksen lämpötila reaktion alussa on 20 C ja reaktion lopussa 23 C. Mikä reaktio on kyseessä ja mitä siinä tapahtuu? Sitoutuuko vai vapautuuko reaktiossa lämpöä? Mitä voit määrittää mittaustulosten avulla? Selitä sanallisesti, perustele ja käytä reaktioyhtälöitä apuna.
9 Tehtävä 3c) jatkuu d) Miten arkielämässä hyödynnetään reaktioissa vapautuvaa/sitoutuvaa lämpöä? Kerro yksi esimerkki molemmista tapauksista.
10 Tehtävä 4. (10 p) Suomessa vesi on useimmiten pehmeää. Vain muutamilla paikkakunnilla on keskikovaa tai kovaa vettä. Sen sijaan Keski-Euroopassa on tavallisesti kovaa vettä sisältäen huomattavan määrän kalsium- ja magnesiumsuoloja. Veden kovuudella siis tarkoitetaan lähinnä sen sisältämien kalsium- ja magnesiumsuolojen määrää. Kova vesi aiheuttaa ongelmia esimerkiksi kalkkisaostumien kertymisenä putkistoihin ja lämminvesilaitteisiin sekä vaatii runsasta pesuaineiden käyttöä pesutilanteessa. Toisaalta pehmeällä vedellä on omat ongelmansa. Liian pehmeä ja hapan vesi aiheuttaa korroosiota putkistoissa, mikä tarkoittaa sitä, että putkistoista irtoaa vettä värjääviä ja makuhaittoja aiheuttavia Ca- ja Fe-yhdisteitä, jolloin veden laatu ei ole enää hyväksyttävää. Veden kovuudella ja ph-arvolla on yhteys veden syövyttäviin ominaisuuksiin. Jos vesi on pehmeää ja sen ph-arvo on liian alhainen, vesi syövyttää putkistoja ja liuottaa putkistoista metalleja, kuten rautaa. Putken ohentumisesta seuraa ennen pitkää sen rikkoontuminen. (lähde: http://www.kemianluokka.fi/files/uudet/puskurikapasiteetti%20oppilas_aga.pdf) KS (MgCO3) = 6,82 x 10-6 KS (CaCO3) = 4,96 x 10-9 NA = 6,022 x 10 23 l/mol a) Kirjoita kalsiumkarbonaatin ja magnesiumkarbonaatin saostumista kuvaavat reaktioyhtälöt.
11 Tehtävä 4 jatkuu b) Laske kalsiumkarbonaatin liukoisuus puhtaaseen veteen. Anna vastauksesi yksikössä mg/l. c) Kuinka monta magnesium-ionia on viidessä litrassa kylläistä magnesiumkarbonaattiliuosta?
12 Tehtävä 5. (10 p) Askorbiinihappo (C-vitamiini) reagoi trijodidi-ionin (I3 - ) kanssa seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti: HO OH HO O OH Askorbiinihappo O + I 3 - OH + H 2 O C 6 H 8 O 6 O HO HO O + 3I - + 2H + O OH Dehydroaskorbiinihappo C 6 H 8 O 7 Reaktiota voidaan käyttää askorbiinihapon pitoisuuden määrittämiseen titraamalla. Titrauksessa tärkkelystä käytetään indikaattorina. Titrauksen päätepiste havaitaan liuoksen värin muuttumisesta syvänsiniseksi tärkkelys-jodidi kompleksin muodostuttua. a) Osoita, että kummankin molekyylin (askorbiinihapon ja dehydroaskorbiinihapon) molekyylikaavat ja rakennekaavat vastaavat toisiaan merkitsemällä kaikki hapet, hiilet ja vedyt rakennekaavoihin. Laske askorbiinihapon molekyylipaino.
13 Tehtävä 5 jatkuu b) 0,1970 g puhdasta askorbiinihappoa titrattiin trijodidi-ioni liuoksella (I3 - ), jota kului titrauksessa 29,41 ml. Laske I3 - -liuoksen molaarisuus. c) C-vitamiinitabletti sisältää askorbiinihappoa ja sidosaineita. Tabletit jauhettiin ja siitä punnittiin 0,4242 g näyte, joka liuotettiin veteen. Saatu näyteliuos titrattiin edellä lasketun vahvuisella I3 - -liuoksella ja sitä kului titrauksessa 31,63 ml. Laske askorbiinihapon pitoisuus C-vitamiinitabletissa. Ilmoita tulos painoprosenttina.
14 Tehtävä 6. (10 p) Houston, we ve had a problem. Vuonna 1970 avaruuslento Apollo 13 oli matkalla kuuhun, kun toisena matkapäivänä nestemäistä happea sisältävässä säiliössä räjähti. Happea tarvittiin reaktiossa vedyn kanssa tuottamaan aluksen polttokennoissa sähköä ja syntynyttä vettä voitiin käyttää avaruusaluksessa. Kaksi aluksen kolmesta polttokennosta lakkasi toimimasta. Kolmen astronautin miehistö pelastautui kuumoduuliin, jonka avulla oli tarkoitus alun perin vierailla kuun pinnalla. He viettivät neljä päivää käyttäen hyvin säästeliäästi vettä, sähköä ja happea kiertäen kuun ja laskeutuivat Tyyneenmereen. Avaruusaluksessakin käytetyn polttokennon sähkökemiaa voidaan kuvata seuraavasti: a) Kirjoita yllä olevien puolireaktioiden vasemmalle puolelle onko kyseessä hapettumisvai pelkistymisreaktio. b) Kirjoita vastaavasti oikealle puolelle, onko kyseessä anodi vai katodi. c) Kirjoita alas tasapainotettu kennoreaktio.
15 Tehtävä 6 jatkuu d) Polttokennon maksimijännitteen eli kennopotentiaalin arvioiminen edellyttää, että voidaan määrittää energiaero alkutilan ja lopullisen tilan eli lähtöaineiden tilan ja tuotteen välillä perustuen Gibbsin vapaaseen energiaan G. Gibbsin energian muutos voidaan tulkita suurimpana ei-tilavuudenmuutostyönä spontaanissa reaktiossa, joka tapahtuu vakiopaineessa ja -lämpötilassa. Kennopotentiaali kuvaa kykyä tehdä sähköistä työtä kyseiseen spontaaniin reaktioon perustuen. Kemiallinen energia muuttuu siis sähköenergiaksi potentiaalin siirtäessä elektroneja ulkoiseen virtapiiriin. Maksimikennojännite E voidaan laskea yhtälöllä = missä n on siirtyneiden elektronien lukumäärä yhtä moolia vetyä kohden ja F on Faradayn vakio (F=96 487 C = 96 487 C J/V). Yhtälössä tarvittava Gibbsin vapaa energia yhtä vetymoolia kohden voidaan laskea seuraavasti = missä H on reaktioentalpian muutos ja S on entropia. Laske, mikä on maksimikennojännite vakiopaineessa (1 atm) ja huoneenlämpötilassa (T=298 K), kun tiedetään, että näissä olosuhteissa reaktioentalpian muutos yhtä vetymoolia kohden tälle polttokennolle on 285 800 J ja entropia on -163,2 J/K.
16 Tehtävä 6 jatkuu e) Miten polttokennon jännitteelle käy, jos lämpötila kasvaa? Perustele vastauksesi. f) Polttokennossa käytettävää vetyä ei esiinny maapallolla vapaana, vaan sitä pitää valmistaa jostain raaka-aineesta. Ympyröi se vaihtoehto, jossa on suhteessa eniten vetyä? i. puu ii. kivihiili iii. öljy iv. maakaasu v. vesi