2 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: TEHTÄVÄ 1 (7 p.) Lannoite sisältää sekä ammoniumsulfaattia että kaliumsulfaattia. Seoksen koostumus voidaan määrittää sekoittamalla näyte natriumhydroksidin kanssa ja kuumentamalla. Tällöin vapautuu kaasumaista ammoniakkia, jonka määrä voidaan analysoida. a. Kirjoita reaktioyhtälö ammoniakin muodostumiselle b. Lannoite-erästä otettu 0,228 g suuruinen näyte käsiteltiin edellä mainitulla tavalla ja siitä muodostuva ammoniakki johdettiin veteen. Saatu liuos neutraloitiin 0,100 M vetykloridiliuoksella, jota kului 16,1 ml. Kirjoita neutralointireaktion yhtälö. c. Kuinka paljon (massaprosentteina) ammoniumsulfaattia lannoitteessa oli? a. (NH 4 ) 2 SO 4 + 2 NaOH -> 2 NH 3 + Na 2 SO 4 + 2 H 2 O (2p) tai NH 4 + + OH - -> NH 3 + H 2 O b. NH 3 + HCl -> NH 4 Cl (2p) c. n(nh 3 ) = n(hcl) = V(HCl)xc(HCl) = 16,1 ml x 0,100 mol/l = 1,61 mmol n((nh 4 ) 2 SO 4 ) = ½ n(nh 3 ) = 0,805 mmol ð m((nh 4 ) 2 SO 4 ) = M((NH 4 ) 2 SO 4 )xn((nh 4 ) 2 SO 4 ) = 132,154 g/mol x 0.805 mmol = 0,1064 g ð m-%((nh 4 ) 2 SO 4 ) = m((nh 4 ) 2 SO 4 )/m(seos) = 0,1064/0,228 = 46,7% (3p)
3 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: Selitä, mitä eroa on seuraavilla käsitteillä: TEHTÄVÄ 2 (8 p.) a. jalo metalli ja epäjalo metalli Epäjalo metalli lukenee happoihin tuottaen vetyä (protonin pelkistys), jalometallit eivät. Jalometalleilla on positiivinen pelkistyspotentiaali. (2 p) b. vahva happo ja heikko happo Vahva happo dissosioituu täysin, heikko vain osittain. c. kiteinen aine ja amorfinen aine Kiteisellä aineella on säännöllinen rakenne (lähijärjestys ja kaukojärjestys), amorfisella aineella ei (vain lähijärjestys). d. hapan oksidi ja emäksinen oksidi Veteen liuetessaan emäksinen oksidi tekee emäksisen liuoksen (esim. alkalimetallioksidi), hapan oksidi (esim. epämetallioksidit) tekevät vesiliuokset happamiksi.
4 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: TEHTÄVÄ 3 (7 p.) Rikkihappoa valmistetaan teollisesti polttamalla rikki rikkidioksidiksi. Tämä reagoi kiinteän katalyytin (yleensä V 2 O 5 ) läsnä ollessa siten, että muodostuu rikkitrioksidia. Rikkitrioksidi liuotetaan veteen, jolloin saadaan tuotteeksi rikkihappoa. a. Esitä prosessi tasapainotettujen reaktioyhtälöiden avulla. b. Kuinka paljon rikkihappoa voidaan saada, kun poltetaan 1,00 kg alkuainerikkiä? a. S + O 2 -> SO 2 (3 p) 2 SO 2 + O 2 -> 2 SO 3 SO 3 + H 2 O -> H 2 SO 4 b. m(s) = 1,00 kg => n(s) = 1000 g / 32,066 g/mol = 31,19 mol (4p) n(h 2 SO 4 ) = n(s) => m(h 2 SO 4 ) = M(H 2 SO 4 ) x n(h 2 SO 4 ) = 98,07 g/mol x 31,19 mol = 3,06 kg
6 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: Tehtävä 4 jatkuu b. Selvitä miten reaktion nopeusvakio saadaan piirtämäsi suoran avulla ja laske nopeusvakio. c. Mikä on lähtöaineen konsentraatio ajanhetkellä 1500 s? Tehtävän johdannossa sanottiin, että nopeusyhtälö on suoran yhtälö. Suora yhtälö y = kulmakerroin x + vakio tarkoittaa käytännössä sitä että kun mitattava suure y esitetään mitattavan suureen x funktiona, saadaan suora, jonka kulmakerroin kuvaa suureiden välistä riippuvuutta. Nopeusyhtälön tapauksessa x = aika ja y= ln[n 2 O 5 ] Kun lähtöaineen konsentraation luonnollinen logaritmi ln([n 2 O 5 ]) esitetään reaktioajan funktiona, saadaan suora, jonka kulmakerroin on nopeusyhtälön ln[n 2 O 5 ] t = -k t + ln[n 2 O 5 ] 0 mukaisesti nopeusvakion vastaluku k. Kulmakerroin saadaan y:n ja x:n muutoksen suhteesta eli kulmakerroin = Δy/Δx. Laskuun voidaan valita mitkä tahansa kaksi pistettä. Seuraavassa on käytetty pisteitä t=1000 s ja 3000 s. Näitä vastaavat y:n arvot ovat -2,99573 ja -4,38203 Kulmakerroin = (- 4,38203 - (-2,99573-))/(3000s- 1000s) = - 6,93 10-4 s -1. Nopeusvakio on siten 6,93 10-4 s -1 Vastaus: Reaktion nopeusvakio on 6,9 10-4 s -1 ja se saadaan suoran ln[n 2 O 5 ] vs. t kulmakertoimesta, joka on kulmakertoimen vastaluku Kommentti: Ylläolevassa tekstissä on pyritty selittämään perusteellisesti mistä nopeusvakio saadaan. Yhtä perusteellista vastausta ei ole edellytetty, kunhan vastauksesta käy selville, miten nopeusvakio on määritetty. Vastauksessa annettujen desimaalien määrään ei ole arvostelussa kiinnitetty huomiota. Periaatteessa korkeintaan yksi desimaali on oikein, kun lasku perustuu graafiseen määritykseen melko epätarkkaa asteikkoa käyttäen. Pistelasku: a-kohta 4 pistettä (taulukko 1 p. + kuva 3 p.), b- ja c-kohdat 2 pistettä kumpikin.
7 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: TEHTÄVÄ 5 (7 p.) a. Esitä reaktioyhtälö reaktiolle, jossa etikkahappo reagoi 1-propanolissa rikkihapon katalysoidessa reaktiota b. Piirrä ja nimeä muodostuva yhdiste c. Kuinka monta grammaa orgaanista tuotetta saadaan, jos etikkahappoa on 20 ml ja 1-propanolia 100 ml? Etikkahapon tiheys on 1,049 gcm -3 ja 1-propanolin tiheys 0,803 gcm -3. Reaktion tasapainovakio K =5,0. Kerää välitulokset seuraavalla sivulla olevaan taulukkoon. Vastaustila jatkuu seuraavalla sivulla a. (1 p.) Kyseessä on esterinmuodostusreaktio, jossa karboksyylihappo ja alkoholi muodostavat esterin. Kondensaatioreaktiossa muodostuu myös vettä. Myös rakennekaavoin esitetty reaktiokaavio on hyväksytty. b. (1 p.) O C H 3 C OCH 2 CH 2 CH 3 Tuote on propyyliasetaatti eli etikkahapon propyyliesteri. Myös propyylietanoaatti ja propyylietanaatti on hyväksytty. c. saatavan tuotteen massa lasketaan tasapainovakion lausekkeen avulla. Sitä varten lasketaan aluksi lähtöaineitten alkukonsentraatiot annettujen tietojen avulla: m = d V, n = m/m ja c = n/v kok, jossa V kok = reaktioliuoksen kokonaistilavuus 120 ml c=( d V/M)/V tot M(etikkahappo) = 60,05 gmol -1 V(etikkahappo) =20 cm 3 d(etikkahappo) = 1,049 gcm -3 c(etikkahappo) = (1,049 gcm -3 20 cm 3 /60,05 gmol -1 )/120 cm 3 = 2,9115 10-3 molcm -3 = 2,9115 moldm -3 M(1-propanoli) = 60,10 gmol -1 V(1-propanoli) =100 cm 3 d(1-propanoli) = 0,803 gcm -3 c(1-propanoli) = (0,803 gcm -3 100 cm 3 /60,10 gmol -1 )/120 cm 3 = 11,134 10-3 molcm -3 = 11,134 moldm -3
8 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: TEHTÄVÄ 5 (jatkuu) K =[Esteri] e [Vesi] e /([Happo] e [alkoholi] e ) Tasapainovakion lausekkeeseen tarvitaan konsentraatiot tasapainotilassa. Niitä ei tunneta. Merkitään siksi muodostuvan esterin konsentraatiota x:llä. Reaktioyhtälöstä nähdään, että vettä muodostuu yhtä paljon. happoa ja alkholia reagoi yhtä paljon, kun esteriä muodostuu. Happo Alkoholi Esteri Vesi Konsentraatiot alussa: 2,9115 11,134 0 0 Tasapainokonsenraatiot: 2,9115 x 11,134 x x x Kun ylläolevat arvot sijoitetaan tasapainovakion lausekkeeseen, saadaan 5,0 = x 2 /((2,9115 x) ( 11,134 x)) ja tästä edelleen sieventämällä toisen asteen yhtälö: (2 p.) 5,0 (2,9115 x) ( 11,134 x) = x 2 4,0x 2 5,0(2,9115 + 11,134)x + 5,0 2,9115 11,134 = 0 Soveltamalla toisen asteen yhtälön ratkaisukaavaa, saadaan x = 2,7336 tai x = 14,823, joista jälkimmäinen ei ole mahdollinen, koska reaktioyhtälön mukaan tuotteen konsentraatio ei voi olla suurempi kuin lähtöaineiden. (2 p.) Orgaanisen tuotteen eli propyyliasetaatin konsentraatio reaktioliuoksessa on 2,7336 moldm -3 ja liuoksen tilavuus 0,12 dm 3. Propyyliasetaatin moolimassa on 102,131 gmol -1. Muodostuneen propyyliasetaatin massa on siten 2,7336 moldm -3 0,12 dm 3 102,131 gmol -1 = 33,502 g 34 g (1 p.) Vastaus: Propyyliasetaattia muodostuu 34 g Kommentti: Kaikkia ylläesitettyjä välivaiheita ei ole edellytetty vastauksessa, vaan riittää, kun vastauksesta käy selville miten lasku on laskettu. c-kohdan pisteet on laskettu niin, että tasapainovakion lauseke, jossa on oikeat konsentraatiot on 2 p., oikein ratkaistu 2. asteen yhtälö 2 p. ja oikein laskettu tuotteen massa 1 p.
9 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: Taulukko 1. Tehtävässä 5 välituloksina saatuja suureiden arvoja. Alaindeksit 0 ja e viittaavat reaktion alku- ja tasapainotilaan. Tuote 1 on reaktion orgaaninen tuote. Tummennetulla värillä merkittyjä ruutuja ei täytetä. Etikkahappo 1-propanoli Tuote 1 Tuote 2 V/ml 20 100 d/gcm -3 1,049 0,803 m/g 20,98* 80,3 M/gmol -1 60,05 60,10 n 0 /mol 0,349 1,336 0 0 c 0 /moldm -3 2,912 11,134 0 0 c e /moldm -3 0,178 8,400 2,734 2,734 * Punaisella kirjoitetut arvot ovat ne, joita kokelaitten odotettiin täyttävän taulukkoon TEHTÄVÄ 6 (9 p.) Ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin? Perustele vastauksesi lyhyesti. Käytä tarvittaessa piirrosta apuna a. Sykloheksaanin ja veden muodostamassa kaksifaasisysteemissä vesi on ylempi faasi, sillä sen moolimassa on pienempi. b. Pentanaali ja 3-pentanoni ovat karbonyyliyhdisteitä c. Karboksyylihappomolekyylit sitoutuvat toisiinsa vetysidoksien välityksellä. d. 2-metyyli-3-pentanoli on kiraalinen yhdiste e. Polyestereitä muodostuu, kun esterimolekyylit liittyvät toisiinsa kondensaatioreaktiossa. f. Kaikki aminohapot ovat negatiivisesti varautuneita neutraalissa ph:ssa a. Väärin. Sykloheksaani on hiilivety, jonka tiheys on pienempi kuin veden, joten sykloheksaani on kaksifaasisysteemissä ylempi faasi. b. Oikein. Pentanaali on aldehydi ja 3-pentanoni ketoni. Aldehydit ja ketonit ovat karbonyyliyhdisteitä. c. Oikein. Vetysidoksia muodostuu, kun yhdisteessä on elektronegatiiviseen atomiin kiinnittynyt vety. Karboksyylihappojen HO-ryhmä osallistuu siten vetysidoksiin. Lisäksi karboksyylihappojen karbonyyliryhmä voi olla vetysidoksen vastaanottaja.
10 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: d. Oikein. 3-hiilessä on neljä erilaista ryhmää kiinni: HO-ryhmä, etyyliryhmä, isopropyyliryhmä sekä vety. e. Väärin. Polyesteri muodostuu silloin, kun dioli ja dihappo reagoivat keskenään. f. Väärin. Kokonaisvaraus riippuu siitä, onko aminohapon sivuketjussa ionisoituvia ryhmiä. Esimerkiksi lysiini, jonka sivuketjussa on aminoryhmä, on positiivisesti varautunut neutraalissa ph:ssa. Kommentti: Jokainen kohta on 1,5 p. Perustelemattomia vastauksia ei ole hyväksytty laisinkaan. Ylläolevissa vastauksissa vastausta on perusteltu kaavioiden avulaa, mutta ne eivät ole välttämättömiä, mikäli asia on perusteltu sanallisesti.
11 Pääsykoe 2015 Kemian laitos, Turun yliopisto Nimi: Suhteelliset atomimassat, A r ( 12 C) = 12 Numero suluissa ilmoittaa viimeisen desimaalin luotettavuuden. * Radioaktiivisille alkuaineille: tärkeän isotoopin nuklidimassa. Th, Pa ja U: luonnon isotooppikoostumus. Pure Appl. Chem. 78, 2051-2066 (2006) 1 Vety H 1,00794(7) 2 Helium He 4,002602(2) 3 Litium Li 6,941(2) 4 Beryllium Be 9,012182(3) 5 Boori B 10,811(7) 6 Hiili C 12,0107(8) 7 Typpi N 14,0067(2) 8 Happi O 15,9994(3) 9 Fluori F 18,9984032(5) 10 Neon Ne 20,1797(6) 11 Natrium Na 22,98976928(2) 12 Magnesium Mg 24,3050(6) 13 Alumiini Al 26,9815386(8) 14 Pii Si 28,0855(3) 15 Fosfori P 30,973762(2) 16 Rikki S 32,065(5) 17 Kloori Cl 35,453(2) 18 Argon Ar 39,948(1) 19 Kalium K 39,0983(1) 20 Kalsium Ca 40,078(4) 21 Skandium Sc 44,955912(6) 22 Titaani Ti 47,867(1) 23 Vanadiini V 50,9415(1) 24 Kromi Cr 51,9961(6) 25 Mangaani Mn 54,938045(5) 26 Rauta Fe 55,845(2) 27 Koboltti Co 58,933195(5) 28 Nikkeli Ni 58,6934(2) 29 Kupari Cu 63,546(3) 30 Sinkki Zn 65,409(4) 31 Gallium Ga 69,723(1) 32 Germanium Ge 72,64(1) 33 Arseeni As 74,92160(2) 34 Seleeni Se 78,96(3) 35 Bromi Br 79,904(1) 36 Krypton Kr 83,798(2) 37 Rubidium Rb 85,4678(3) 38 Strontium Sr 87,62(1) 39 Yttrium Y 88,90585(2) 40 Zirkonium Zr 91,224(2) 41 Niobi, Niobium Nb 92,90638(2) 42 Molybdeeni Mo 95,94(2) 43 Teknetium Tc 98,9063* 44 Rutenium Ru 101,07(2) 45 Rodium Rh 102,90550(2) 46 Palladium Pd 106,42(1) 47 Hopea Ag 107,8682(2) 48 Kadmium Cd 112,411(8) 49 Indium In 114,818(3) 50 Tina Sn 118,710(7) 51 Antimoni Sb 121,760(1) 52 Telluuri Te 127,60(3) 53 Jodi I 126,90447(3) 54 Ksenon Xe 131,293(6) 55 Cesium Cs 132,9054519(2) 56 Barium Ba 137,327(7) 57 Lantaani La 138,90547(7) 58 Cerium Ce 140,116(1) 59 Praseodyymi Pr 140,90765(2) 60 Neodyymi Nd 144,242(3) 61 Prometium Pm 146,9151* 62 Samarium Sm 150,36(2) 63 Europium Eu 151,964(1) 64 Gadolinium Gd 157,25(3) 65 Terbium Tb 158,92535(2) 66 Dysprosium Dy 162,500(1) 67 Holmium Ho 164,93032(2) 68 Erbium Er 167,259(3) 69 Tulium Tm 168,93421(2) 70 Ytterbium Yb 173,04(3) 71 Lutetium Lu 174,967(1) 72 Hafnium Hf 178,49(2) 73 Tantaali Ta 180,94788(2) 74 Volframi W 183,84(1) 75 Renium Re 186,207(1) 76 Osmium Os 190,23(3) 77 Iridium Ir 192,217(3) 78 Platina Pt 195,084(9) 79 Kulta Au 196,966569(4) 80 Elohopea Hg 200,59(2) 81 Tallium Tl 204,3833(2) 82 Lyijy Pb 207,2(1) 83 Vismutti Bi 208,98040(1) 84 Polonium Po 208,9824* 85 Astatiini At 209,9871* 86 Radon Rn 222,0176* 87 Frankium Fr 223,0197* 88 Radium Ra 226,0254* 89 Aktinium Ac 227,0277* 90 Torium Th 232,03806(2) 91 Protaktinium Pa 231,03588(2) 92 Uraani U 238,02891(3) 93 Neptunium Np 237,0482* 94 Plutonium Pu 244,0642* 95 Amerikium Am 243,0614* 96 Curium Cm 247,0704* 97 Berkelium Bk 247,0703* 98 Kalifornium Cf 251,0796* 99 Einsteinium Es 252,0830* 100 Fermium Fm 257,0951* 101 Mendelevium Md 258,0984* 102 Nobelium No 259,1010* 103 Lawrencium Lr 260,1097* 104 Rutherfordium Rf 261,1088* 105 Dubnium Db 262,1141* 106 Seaborgium Sg 263,1219* 107 Bohrium Bh 264,12* 108 Hassium Hs [277] 109 Meitnerium Mt 268,1388* 110 Darmstadtium Ds 272,1535* 111 Röntgenium Rg [272] 112 Ununbium Uub [285] 114 Ununquadium Uuq [289] 116 Ununhexium Uuh [289] 118 Ununoctium Uuo [293]