REAKTI 3 PETTAJAN PAS Sisällys pettajalle 3 Kurssisuunnitelma (ehdotus) 5 Kurssin itsenäinen opiskelu (ehdotus) 6 Kemikaalit 6 Tehtävien ratkaisut 7 1 Kemialliset reaktiot 7 2 Reaktioyhtälö 8 Reaktioyhtälön kirjoittaminen 8 2.1 Reaktion symbolinen ilmaisu 8 2.2 Reaktioyhtälö reseptinä 10 Kun lähtöaine loppuu kesken 23 2.3 Reaktion saanto 28 2.4 Rinnakkaiset reaktiot 31 Reaktiosarjat 34 3 Reaktiotyyppejä ja mekanismeja 38 3.2 Missä reaktio tapahtuu? 38 3.3 Protoninsiirtoreaktiot 39 3.4 Substituutio- eli korvautumisreaktiot 41 3.5 Hiili hiili-kaksoissidosten reaktiot 44 3.6 Kondensaatio- ja hydrolyysireaktiot 48 3.7 Hiiliyhdisteiden hapetus-pelkistysreaktiot 53 3.8 Yhteenveto 58 4 Kaasut 62 Kaasulait 62 Kaasun moolimassa 68 Kaasun tiheys 69 Kaasut ja stoikiometria 71 Palaminen 77 5 Enerian muutokset kemiallisessa reaktiossa 81 5.1 Reaktiot ja eneria 81 5.2 Enerialajit kemiallisissa reaktioissa 82 5.3 Aineen rakenneosien eneriat 83 5.4 Entalpian muutos ilmoittaa vapautuvan tai sitoutuvan lämpömäärän 84 5.5 Muodostumisentalpia 92 5.6 Sidoseneria 96 1
6 Reaktionopeus 97 6.1 Reaktionopeus 97 6.2. 6.4 Törmäysteoria. Siirtymätila. Aktivoitumiseneria. 104 ppilastöiden ja demojen kommentteja ja selityksiä 108 Luvun 3 demot 108 DEM 1 108 DEM 2 108 DEM 3 109 Luvun 6 demot (s. 143) 110 DEMT 1 4 110 hjeistus työhön 4 (Veden eliminaatio omenahaposta) 111 hjeistus työhön 7 (Reaktionopeus) 111 Mittaustarkkuus ja likiarvolaskennan säännöt 113 Mittaustulokset ovat aina likiarvoja, joilla on tietty tarkkuus 113 Miten mittaustarkkuus ilmoitetaan? 113 Likiarvolaskennan säännöt 113 Kymmenpotenssimerkintä 115 Yksikönmuunnokset 115 Tehtäviä 118 Vastaukset 119 Kertausta 120 Kemiallinen kaava 120 Reaktio 120 Reaktioyhtälön kirjoittaminen 121 Saanto 125 2
pettajalle Reaktio 3 -kirja jatkaa Reaktio-sarjan aloittamaa konstruktivistista lähestymistapaa, jossa oppiminen nähdään tiedon vaiheittaisena rakentumisena ja ankkuroitumisena oppijan mieleen. Kertauskysymysten avulla palautetaan mieliin joitakin aikaisempien kurssien asioita, jotka muodostavat keskeisen uuden tiedon rakentumisalustan 3. kurssilla. Kurssin aihepiirinä on kemiallinen reaktio. Sitä lähestytään eri näkökulmista, mitä voidaan ilmentää seuraavalla kaaviolla. Reaktioyhtälö reseptinä Molekyyliyhdisteiden reaktiotyyppejä Enerian muutokset kemiallisessa reaktiossa Reaktion symbolinen ilmaisu KEMIALLINEN REAKTI Reaktion nopeus Luvussa 1 luodaan yleiskatsaus kemiallisen reaktion kulkuun, merkitykseen ja hyödyntämiseen teollisuuden eri aloilla. Luvun 2 keskeinen tavoite on oppia reaktion symbolisen ilmaisun taitoja. Merkkikielen avaamisen jälkeen siirrytään tarkastelemaan reaktioyhtälöä reseptinä eli stoikiometrisiä laskuja. Ne on jaettu selkeisiin alaluokkiin oppimisen helpottamiseksi. Tehtäviä on paljon, joten niitä voidaan laskea koko kurssin ajan ja tulevillakin kursseilla. Tehtävät on laadittu siten, että ne valaisisivat kemian merkitystä arkielämässä ja vaihtelevissa sovelluskohteissa sekä olisivat lisäksi ratkaisijastakin mielenkiintoisia. Luvussa 3 keskitytään pääasiassa oraanisten yhdisteiden reaktioihin. Epäoraanisten yhdisteiden reaktioihin palataan tarkemmin Reaktio 4 -kirjassa. Luku sisältää uuden opetussuunnitelman mukaisesti keskeisiä reaktioita, reaktiotyyppejä ja mekanismeja. Luvun rakennetta on tässä laitoksessa selkeytetty ja ylikurssiasiaa on karsittu. Jokaisesta reaktiotyypistä esitellään aluksi taulukkomuodossa esimerkkireaktiot, tyypilliset reaoivat funktionaaliset ryhmät ja tavallisimmat reaenssit tai olosuhteet. Näitä ennakkojäsentäjiä kannattaa hyödyntää myös kertauksen välineinä. Luvun alussa kerrataan kovalenttinen sidos ja hybrisaatiotyypit sekä esitellään kolme uutta funktionaalista ryhmää. Reaktiomekanismien opiskeleminen aloitetaan 1. kurssissa käsitellyistä protoninsiirtoreaktioista. Mekanismien piirtäminen on selitetty mahdollisimman yksityiskohtaisesti ja oppijaa piirtämisprosessiin ohjaten. Tarkempi mekanismi käydään läpi ainoastaan protoninsiirtoreaktioista ja yksinkertaisista substituutioreaktioista. Luvussa on runsaasti havainnollistavia raafisia esimerkkejä eri yhdistetyyppien reaktioista ja niiden esitystavoista. Sisältöä täydentävät monipuoliset tietolaatikot mm. haloeeniyhdisteistä ja oranometalliyhdisteistä. 3
Luvun lopussa on yhteenveto reaktiotyypeistä. Tämä auttaa opiskelijoita hahmottamaan kokonaiskäsityksen koko luvusta ja helpottaa tehtävien ratkaisemista. Kaasut käsitellään luvussa 4. Luku voidaan myös opiskella stoikiometrian jatkona 2. luvun jälkeen. Kaasulaskut lasketaan yleistä tilanyhtälöä käyttäen, kuten uuteen opetussuunnitelmaan on kirjattu. Tämä johtuu siitä, että kaasut ovat hyvin harvoin luonnossa tai teollisuusprosesseissa NTP-olosuhteissa. Tehtävät on laadittu niin, että muuntokerrointa, V m = 22,4 l, ei käytetä. Tehtäviä on paljon, joten opiskelijat voivat käyttää niitä esimerkiksi valmistautuessaan kurssikokeeseen. Luvun 5 aiheena ovat enerianmuutokset ja 6. luvussa reaktionopeus. Enerianmuutoksiin liittyen esitellään aluksi keskeiset enerialajit, sitten aineen rakenneosien eneriat ja jatketaan lopuksi reaktioentalpian käsittelyllä. Muodostumisentalpia, sidoseneria ja polttoaineet käsitellään omina alalukuinaan. Syventäviä sisältöjä ovat poltto- ja räjähdysaineiden eneriat ja elävien oranismien eneriantuotto. ppaassa on esimerkki tuntisuunnitelmasta. Jos kurssi suoritetaan tenttimällä, kokeellisuus voidaan toteuttaa kokeellisilla kotitehtävillä. Niistä kirjoitetaan työselostus tai essee. Kemikaaliluettelo helpottaa opettajaa kurssin esivalmistelussa. ppilastöitä on runsaasti, ja niistä opettaja voi valita sopiviksi katsomansa. Työt voidaan tehdä pareittain tai pienissä ryhmissä. Jotta työn 7 (reaktionopeus) ehtii tehdä kahdessa tunnissa, on syytä jakaa oppilaat ryhmiin tekemään eri osioita. Tällöin mittaustulokset kootaan taulukkoon, jotta ne ovat kaikkien oppilaiden käytettävissä. Tässä oppaassa on ohjeistus ja koontipohjat työn nopeuttamiseksi ja laskujen opastukseksi. Kurssissa 3 on paljon stoikiometrisiä laskutehtäviä. Tässä oppaassa on mittaustarkkuuteen, likiarvolaskennan sääntöihin ja lopputuloksen pyöristämiseen liittyvä yhteenveto. Sen voi tarpeen vaatiessa monistaa oppilaille ja/tai ottaa esille muulla tavoin esimerkiksi opetuksen yhteydessä tai kokeen valmistelutunnilla. Tehtäväpankin tehtävistä voi koota kurssikokeen tai käyttää niitä kertausmateriaalina. Kurssikokeeseen voi käyttää myös niitä kirjan tehtäviä, joita oppitunneilla ei ole ennätetty käsitellä. 4
Kurssisuunnitelma (ehdotus) Luku Ajankäyttö ja työt 1 2 h Työ 1 2.1 1 h 2.2 1 h 2.3 2 h 3.1, 3.2 1 h 3.3 1 h 3.4 1 h 3.5 2 h 3.6 2 h Työ 4 3.7 1 h 3.8 1 h 4.1, 4.2 2 h 5.1 2 h Työ 5 5.2, 5.3 1 h 5.4 1 h 5.5 2 h 5.6, 5.7 1 h 6 2 h Työ 7 2 h 5
Kurssin itsenäinen opiskelu (ehdotus) Teoria Luetaan luvut 1 6. Tehtävät Luvut 1 2: 1, 3 9, 11 14, 16 18, 26, 27, 29, 31 32, 34, 35, 37 Luku 3: 39, 41, 46 48, 51, 53, 56, 57 60, 63 64, 68 71, 75, 77, 79 81, 84, 85 87 Luku 4: 93 94, 96 97, 101 102, 105, 107, 109 110, 112 113 Luku 5: 116 118, 120, 122 123, 125, 127 128, 130 133, 137 139, 141 143, 145 147 Luku 6: 151 153, 155, 157, 160 162, 165 166 Kokeellinen kotitehtävä: Tehtävä 66 tehdään kotona ja työstä laaditaan essee. Esseen kirjoitusohjeet Reaktio 1 -kirjassa. ppilastyöt: 1, 5 ja 7 tehdään koulussa omalla ajalla tai muun ryhmän mukana. Kemikaalit bromivesi Br 2 (aq) etanolia etikkahappoanhydridi fenoliftaleeniliuos kaliumferrisyanidi eli kaliumheksasyanoferraatti(iii), K 3 Fe(CN) 6, 0,005 M KMn 4 -liuos (0,79 KMn 4 /1 dm 3 H 2 ) tippapulloissa kuivattuja kananmunankuoria manesiummetallinauha maissinjyviä manaanisulfaattia MnS 4 H 2 tunnetunväkevyinen natriumhydroksidiliuos NaH(aq), jonka konsentraatio on suuruusluokkaa 1 M 0,1 M natriumhydroksidiliuos NaH(aq) oksaalihappoa 0,7 M oksaalihappoliuos tippapulloissa (88 C 2 H 2 4 2 H 2 /1 dm 3 H 2 ) omenahappoa parafiiniöljyä rauta(iii)nitraatti Fe(N 3 ) 3 9H 2 rauta(iii)kloridi-liuos FeCl 3 (aq) väkevä rikkihappo H 2 S 4 ruokaöljyä salisyylihappoa 1 M vetykloridihappoliuos HCl(aq) 2,0 M vetykloridihappoliuos HCl(aq) tislattua vettä 6
Tehtävien ratkaisut 1 Kemialliset reaktiot 1. Mieti, miksi kaikki kemialliset reaktiot tarvitsevat tapahtuakseen a) lämpöä b) aikaa c) kosketuksen reaoivien aineiden välillä. 2. Millä eri tavoin kemiallinen reaktio voidaan havaita? Tarkastele Reaktio 1-kirjan työtä 2 (s. 144). 3. Mistä havaitset kemiallisen reaktion tapahtuvan, kun a) bensiini palaa auton polttomoottorissa b) kakku kypsyy c) komposti maatuu? a) Bensiinin palamisreaktiossa syntyvät pakokaasut (C 2 ja H 2 ) oavt eri aineita kuin lähtöaineet (bensiini ja happi). Kemiallinen eneria muuttuu lämpöeneriaksi. b) Taikinan koostumus muuttuu koko ajan kakun kypsyessä kemiallisten reaktioiden seurauksena. c) Kompostin maatuessa sen koostumus koko ajan muuttuu. Koostumus ei voi muuttua itsestään, vaan se on seurausta aineiden muuttumisista toisiksi aineiksi. Komposti lämpenee, koska hajoamisreaktioissa kemiallista eneriaa muuttuu lämpöeneriaksi. 4. Etsi kynttilän palamiseen liittyvää tietoa internetistä. Mitä kemiallisia muutoksia ja mitä fysikaalisia ilmiöitä palamiseen liittyy? 7
2 Reaktioyhtälö Reaktioyhtälön kirjoittaminen 5. Kirjoita reaktioyhtälöt reaktioille, joissa a) ammoniakkikaasu NH 3 reaoi vetykloridikaasun kanssa muodostaen kiinteää ammoniumkloridia b) fosfori P reaoi happikaasun kanssa muodostaen kiinteää difosforipentoksidia c) litium reaoi veden kanssa muodostaen litiumhydroksidia ja vetykaasua d) manesium reaoi metanolin kanssa muodostaen manesiummetoksidia M(CH 3 ) 2 ja vetykaasua. a) NH 3 () + HCl() NH 4 Cl(s) b) P(s) + 2 () P 2 5 (s) c) 2 Li(s) + 2 H 2 (l) 2LiH(aq) + H 2 () d) M(s) + 2 CH 3 H(l) M(CH 3 ) 2 + H 2 () 6. Kirjoita reaktioyhtälöt seuraaville reaktioille. Lähtöaineiden ja tuotteiden olomuotoja ei tarvitse merkitä näkyviin. a) metyyliamiinin ja veden välinen protoninsiirtoreaktio b) butaanihapon (voihapon) ja dietyyliamiinin välinen protoninsiirtoreaktio a) CH 3 NH 2 + H 2 CH 3 NH 3 + H b) CH 3 CH + (CH 3 ) 2 NH 2 CH 3 C NH 3 ( CH 3 ) 2 2.1 Reaktion symbolinen ilmaisu 7. Tasapainota reaktioyhtälöt. a) S 2 () + 2 () S 3 () b) Al(s) + F 2 () AlF 3 (s) c) HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) d) HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) a) 2 S 2 () + 2 () 2 S 3 () b) 2 Al(s) + 3 F 2 () 2 AlF 3 (s) c) 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + 2H 2 (l) d) 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) vaiheittain a) Jokaista alkuainetta on reaktioyhtälön kummallakin puolella yhtä paljon. Tasapainotus voidaan suorittaa vaiheittain yksi alkuaine kerrallaan. Samalla 8
huolehditaan, että jo tasapainotettuja alkuaineita ei enää tule lisää. Yleensä on paras aloittaa niistä alkuaineista, joita on vain yhdessä lähtöaineessa/reaktiotuotteessa. Tässä rikki on sellainen alkuaine. Tasapainotetaan S 2 () + 2 () S 3 () S, kpl 1 1, kpl 2? 3 kerroin ½ happikaasulle, jotta happiatomien määrä on sama S 2 () + ½ 2 () S 3 (), kpl 2 1 3 kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet pienimpiä positiivisia kokonaislukuja c) HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) 2 S 2 () + 2 () 2 S 3 () Tasapainotetaan HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) N 1 2 kerroin 2 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + H 2 (l) HN 3 :lle Ba 1 1 2 3 + 2 = 6 2 3 + 1 kerroin 2 H 2 :lle 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + 2 H 2 (l) H 2 + 2 = 4 2 2 =4 Tasapainotettu reaktioyhtälö on 2 HN 3 (aq) + Ba(H) 2 (aq) Ba(N 3 ) 2 (aq) + 2 H 2 (l) d) HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) Tasapainotetaan HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) I 1 2 kerroin 2 HI:lle 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + H 2 (l) Ba 1 1 2 1 kerroin 2 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) H 2 :lle H 2 + 2 = 4 2 2 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on 2 HI(aq) + Ba(H) 2 (aq) BaI 2 (aq) + 2 H 2 (l) 8. Tasapainota reaktioyhtälöt. a) Fe 2 3 (s) + C() Fe(s) + C 2 () b) N 2 () + H 2 () NH 3 () 9
a) Fe 2 3 (s) + 3 C() 2 Fe(s) + 3 C 2 () b) N 2 () + 3 H 2 () 2 NH 3 () 9. Tasapainota täydellisen palamisen reaktioyhtälöt. a) CH 3 CH 3 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) b) CH 3 H(l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) c) C 6 H 6 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) a) CH 3 CH 3 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) C: 5 1 5 C 2 () + H 2 (l) CH 3 CH 3 (l) + 2 () 5 C 2 () + H 2 (l) H: 12 2 5 C 2 () + 6 H 2 (l) CH 3 CH 3 (l) + 2 () 5 C 2 () + 6 H 2 (l) :? 5 2 6 CH 3 CH 3 (l) + 8 2 () 5 C 2 () + 6 H 2 (l) b) CH 3 H(l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) C: 2 1 2 C 2 () + H 2 (l) CH 3 H(l) + 2 () 2 C 2 () + H 2 (l) H: 6 2 2 C 2 () + 3 H 2 (l) CH 3 H(l) + 2 () 2 C 2 () + 3 H 2 (l) : 1? 2 2 3 CH 3 H(l) + 3 2 () 2 C 2 () + 3 H 2 (l) c) C 6 H 6 (l) + 2 () C 2 () + H 2 (l) C: 6 1 C 6 H 6 (l) + 2 () 6 C 2 () + H 2 (l) H: 6 2 C 6 H 6 (l) + 2 () 6 C 2 () + 3 H 2 (l) :? 6 2 3 C 6 H 6 (l) + (15/2) 2 () 6 C 2 () + 3 H 2 (l) 2 2 C 6 H 6 (l) + 15 2 () 12 C 2 () + 6 H 2 (l) 2.2 Reaktioyhtälö reseptinä 10. Yhteyttävä kasvi muodostaa vedestä ja hiilidioksidista fotosynteesireaktion avulla lukoosia ja happikaasua. a) Kirjoita reaktioyhtälö. b) Laske syntyvän lukoosin ainemäärä, kun hiilidioksidia kuluu yksi mooli. c) Kuinka monta rammaa lukoosia syntyy 100,0 :sta hiilidioksidia? 10
a) Tasapainotetaan C 2 () + H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 2 () C 1 6 kerroin 6 C 2 :lle 6 C 2 () + H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 2 () H 2 12 kerroin 6 H 2 :lle 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 2 () 6 2 + 6 = 18 6? Kerroin 6 2 :lle 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 6 2 () Tasapainotettu reaktioyhtälö on 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 6 2 () b) Ainemäärien suhde on n(c 6 H 12 6 )/n(c 2 ) = 1/6, joten n(c 6 H 12 6 ) = (1/6) n(c 2 ) Ts. yhdestä moolista hiilidioksidia syntyy 1/6 moolia lukoosia. c) n(c 2 ) = 100,0 /(12,01 + 2 16,00) / = 2,2722 Reaktioyhtälön kertoimet Ainemäärät, kun 1 C 2 reaoi Ainemäärät, kun 2,2722 C 2 reaoi 6 C 2 () + 6 H 2 (l) C 6 H 12 6 (aq) + 6 2 () 6 6 1 6 6/6 =1 6/6 = 1 1/6 6/6 = 1 2,2722 (käytettävissä) 1/6 2,2722 (lasketaan) n(c 6 H 12 6 ) = 1/6 n(c 2 ) = 1/6 2,2722 = 0,37870 M(C 6 H 12 6 ) = n M = 0,37870 (6 12,01 + 12 1,008 + 6 16,00) / = 68,23 11. Kolmessa peräkkäisessä kokeessa etanolia CH 3 H, propaania C 3 H 8 ja 2-butanoni CH 3 CCH 3 poltettiin täydellisesti. Reaktiotuotteina poltoissa syntyi hiilidioksidia ja vettä. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö kunkin polttoaineen palamiselle. b) Mikä polttoaineista tuottaa suurimman ainemäärän vettä, kun polttoainetta käytetään 1,5 moolia? a) 1) CH 3 H + 2 C 2 + H 2 Tasapainotetaan CH 3 H + 2 C 2 + H 2 C, kpl 1 + 1 1 kerroin 2 C 2 :lle CH 3 H + 2 2 C 2 + H 2 H, kpl 3 + 2 + 1 2 kerroin 3 H 2 :lle CH 3 H + 2 2 C 2 + 3 H 2, kpl 1? 2 2 + 3 kerroin 3 2 :lle CH 3 H + 3 2 2 C 2 + 3 H 2 11
Tasapainotettu reaktioyhtälö on CH 3 H + 3 2 2 C 2 + 3 H 2 Vaihtoehtoinen tapa: Kirjoitetaan reaktioyhtälön kertoimien paikalle pienet kirjaimet kertoimiksi. a CH 3 H + b 2 c C 2 + d H 2 Yhtälön kummallakin puolella on jokaista alkuainetta oltava yhtä paljon. Lasketaan atomit ja muodostetaan kullekin alkuaineelle oma yhtälö. Muodostuneesta yhtälöryhmästä ratkaistaan kertoimet a, b, c ja d. Yhtälöryhmä: hiili: a 2 = c 1 vety: a (3 + 2 + 1) = d 2 happi: a 1 + b 2 = c 2 + d 1 joka sievenee muotoon hiili: 2a = c vety: 6a = 2d, josta d = (6/2) a = 3a happi: a + 2b = 2c + d Sijoitetaan kaksi ensimmäistä kolmanteen, jolloin a + 2b = 2c + d = 2 2a + 3a 2b = 4a + 3a a = 6a b = 3a Eli b = 3a, c = 2a ja d = 3a. Kun a = 1, ovat muutkin kertoimet kokonaislukuja ja kertoimet ovat: a = 1, b = 3, c = 2 ja d = 3. Tasapainotettu reaktioyhtälö on: CH 3 H + 3 2 2 C 2 + 3 H 2 2) C 3 H 8 + 2 C 2 + H 2 Tasapainotetaan C 3 H 8 + 2 C 2 + H 2 C, kpl 3 1 kerroin 3 C 2 :lle C 3 H 8 + 2 3 C 2 + H 2 H, kpl 8 2 kerroin 4 H 2 :lle C 3 H 8 + 2 3 C 2 + 4 H 2, kpl? 3 2 + 4 kerroin 5 2 :lle C 3 H 8 + 5 2 3 C 2 + 4 H 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö on: C 3 H 8 + 5 2 3 C 2 + 4 H 2 12
3) CH 3 CCH 3 + 2 C 2 + H 2 Tasapainotetaan CH 3 CCH 3 + 2 C 2 + H 2 C, kpl 1 + 1 + 1 + 1 1 kerroin 4 C 2 :lle CH 3 CCH 3 + 2 4 C 2 + H 2 H, kpl 3 + 2 + 3 2 kerroin 4 H 2 :lle CH 3 CCH 3 + 2 4 C 2 + 4 H 2, kpl 1? 4 2 + 4 kerroin 5½ 2 :lle CH 3 CCH 3 + 5½ 2 4 C 2 + 4 H 2 kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet pienimpiä kokonaislukuja 2 CH 3 CCH 3 + 11 2 8 C 2 + 8 H 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 CH 3 CCH 3 + 11 2 8 C 2 + 8 H 2 b) Kun polttoainetta käytetään 1,5, syntyy vettä: 1) CH 3 H + 3 2 2 C 2 + 3 H 2 1 mooli polttoainetta tuottaa 3 moolia vettä, joten 1,5 moolia polttoainetta tuottaa 1,5 3 moolia = 4,5 moolia vettä. 2) C 3 H 8 + 5 2 3 C 2 + 4 H 2 1 mooli polttoainetta tuottaa 4 moolia vettä, joten 1,5 moolia polttoainetta tuottaa 1,5 4 moolia = 6,0 moolia vettä. 3) Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 2-butanonia palaa Kertoimet, kun 1,5 2-butanonia palaa 2 CH 3 CCH 3 + 11 2 8 C 2 + 8 H 2 2 11 8 8 2/2 = 1 8/2 1,5 (käytettävissä) 8/2 1,5 (lasketaan) 1,5 moolia polttoainetta tuottaa 1,5 (8/2) moolia = 6,0 moolia vettä. Suurimman veden ainemäärän tuottavat propanoni ja 2-butanoni eli polttoaineet 2 ja 3. 12. Kuinka monta rammaa rauta(iii)oksidia muodostuu, kun 10,0 metallista rautaa reaoi täydellisesti happikaasun kanssa? Tasapainottamaton reaktioyhtälö on Fe(s) + 2 () Fe 2 3 (s). a) Tasapainotettu reaktioyhtälö 4 Fe(s) + 3 2 () 2 Fe 2 3 (s) n(fe) = m/m = 10,0 /55,85 / = 0,17905 13
Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 Fe reaoi Ainemäärät, kun 0,17905 Fe reaoi 4 Fe(s) + 3 2 () 2 Fe 2 3 (s) 4 3 2 4/4 = 1 ¾ 2/4 0,17905 (käytettävissä) 2/4 0,17905 (lasketaan) Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että n(fe 2 3 ) = ½ 0,17905 = 0,089525 ja M(Fe 2 3 ) = n M = 0,089525 (2 55,85 + 2 16,00) / = 14,3 13. Kamelin kyttyrään varastoitunut rasva on sekä enerian että veden lähde. Rasvan reaktio hapen kanssa on hidasta palamista, joka tuottaa hiilidioksidia ja vettä. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö, kun kamelin kyttyrässä oleva rasva on tristeariinia C 57 H 110 6. b) Laske kamelin metabolian tuottaman veden massa, kun kameli kuluttaa 1,0 k:n tristeariinia C 57 H 110 6. a) C 57 H 110 6 + 2 C 2 + H 2 Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan C 57 H 110 6 + 2 C 2 + H 2 C, kpl 57 1 kerroin 57 C 2 :lle C 57 H 110 6 + 2 57 C 2 + H 2 H, kpl 110 2 kerroin 55 H 2 :lle C 57 H 110 6 + 2 57 C 2 + 55 H 2, kpl 6? 57 2 + 55 = 169 kerroin 81½ # 2 :lle C 57 H 110 6 + 81½ 2 57 C 2 + 55 H 2 kerrotaan 2:lla, jotta kertoimet pienimpiä 2 C 57 H 110 6 + 163 2 114 C 2 + 110 H 2 kokonaislukuja # (169 6)/2 = 81½ Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 C 57 H 110 6 + 163 2 114 C 2 + 110 H 2 b) M(C 57 H 110 6 ) = 1,0 k ja ainemäärä n(c 57 H 110 6 ) = m(c 57 H 110 6 )/M(C 57 H 110 6 ) = 1000 /[(57 12,01 + 110 1,008 + 6 16,00) 1 ] = 1,1217 14
Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 C 57 H 110 6 reaoi Ainemäärät, kun 1,1217 C 57 H 110 6 reaoi 2 C 57 H 110 6 + 163 2 114 C 2 + 110 H 2 2 163 114 110 2/2 = 1 110/2 1,1217 (käytettävissä) (110/2) 1,1217 (lasketaan) Veden ainemäärä on: n(h 2 )/n(c 57 H 110 6 ) = 110/2, josta n(h 2 ) = (110/2) n(c 57 H 110 6 ) = 61,6972 Veden massa M(H 2 ) = n(h 2 ) M(H 2 ) = 61,6972 (2 1,008 + 16,00) /= 1,1 k 15. Jodia I 2 (s) voidaan valmistaa manaanidioksidista ja kaliumjodidista rikkihappopitoisessa liuoksessa: Mn 2 (s) + 2 KI(s) + 2 H 2 S 4 (aq) MnS 4 (aq) + K 2 S 4 (aq) + 2 H 2 (l) + I 2 (s) Kuinka monta rammaa jodia voidaan valmistaa, kun reaktioon käytetään: a) 250 cm 3 1,75 /dm 3 rikkihappoliuosta b) 75,0 kaliumjodidia? a) Lasketaan rikkihapon ainemäärä: n = c V. 3 n (H2S 4) = 0,250 dm 1,75 = 0,4375 3 dm Reaktioyhtälö: Mn 2 (s) + 2 KI(s) + 2 H 2 S 4 (aq) MnS 4 (aq) + K 2 S 4 (aq) + 2 H 2 (l) + I 2 (s) 2 1 0,4375 laske käytettävissä keskirivi: reaktioyhtälön kertoimet alarivi: ainemäärät Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että syntyvän jodin ainemäärä on puolet käytettävissä olevan rikkihapon ainemäärästä. n( I 2) = 1 n( H2S 4) = 1 0,4375 = 0,21875 2 2 m( I2 ) = n M = 0,21875 ( 2 126,90) = 55,518 55,5 Vastaus: Jodia voidaan valmistaa 55,5. 15
b) Lasketaan kaliumjodidin ainemäärä. m 75,0 n = = = 0,45180 M (39,10 + 126,90) Reaktioyhtälö: Mn 2 (s) + 2 KI(s) + 2 H 2 S 4 (aq) MnS 4 (aq) + K 2 S 4 (aq) + 2 H 2 (l) + I 2 (s) 2 1 0,45180 laske käytettävissä keskirivi: reaktioyhtälön kertoimet alarivi: ainemäärät Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että syntyvän jodin ainemäärä on puolet käytettävissä olevan kaliumjodidin ainemäärästä. 1 1 n( I 2 ) = n( KI ) = 0,45180 = 0,22590 2 2 m( I2 ) = n M = 0,222590 ( 2 126,90) = 57,3343 57,3 Vastaus: Jodia voidaan valmistaa 57,3. 15. a) Kalsiumkarbidia CaC 2 voidaan valmistaa poltetusta kalkista Ca ja hiilestä. Samalla muodostuu myös hiilimonoksidia. Kirjoita reaktioyhtälö. b) Kalsiumkarbidi CaC 2 reaoi veden kanssa, jolloin muodostuu etyyniä ja kalsiumhydroksidia. Kuinka monta rammaa etyyniä syntyy, kun lähtöaineena on 2,4 kalsiumkarbidia? a) Tasapainotetaan Ca(s) + C(s) CaC 2 (s) + C() Ca 1 1 1 1 C? 2 + 1 = 3 kerroin 3 C:lle Ca(s) + 3 C(s) CaC 2 (s) + C() Tasapainotettu reaktioyhtälö on: Ca(s) + 3 C(s) CaC 2 (s) + C() b) Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan CaC 2 (s) + H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) Ca 1 1 C 2 2 H 2 2 + 2 = 4 kerroin 2 vedelle CaC 2 (s) + 2 H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) 2 1 2 CaC 2 (s) + 2 H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) 16
Tasapainotettu reaktioyhtälö on: CaC 2 (s) + 2 H 2 (l) C 2 H 2 () + Ca(H) 2 (aq) n(cac 2 ) = m/m = 2,4 /[(40,08 + 2 12,01) /] = 0,0374 n(c 2 H 2 ) = n(cac 2 ) M(C 2 H 2 ) = n(c 2 H 2 ) M(C 2 H 2 ) = n(cac 2 ) M(C 2 H 2 ) = 0,0374 (2 12,01 + 2 1,008) / = 0,9748 = 0,97 16. Kaupasta voi ostaa tuotteita liikahappoisuuteen eli kansankielellä närästykseen. Joissakin tuotteissa on vatsahappoa neutraloivana aineena alumiinihydroksidia Al(H) 3. Al(H) 3 (s) + HCl(aq) AlCl 3 (aq) + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Kuinka monta rammaa vatsan vetykloridihappoa voidaan neutraloida 0,500 rammalla alumiinihydroksidia? c) Montako rammaa alumiinikloridia ja vettä muodostuu, kun 0,500 Al(H) 3 reaoi? a) Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan Al(H) 3 (s) + HCl(aq) AlCl 3 (aq) + H 2 (l) Al 1 1 3 1 kerroin 3 vedelle Al(H) 3 (s) + HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) H 3 +? 1 3 2 = 6 kerroin 3 HCl:lle Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) Cl 3 3 Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) b) n(al(h) 3 ) = m/m = 0,500 /[(26,98 + 3 16,00 + 3 1,008) /] = 0,00640 Kertoimet reaktioyhtälössä Ainemäärät, kun 0,00640 Al(H) 3 reaoi Al(H) 3 (s) + 3 HCl(aq) AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (l) 1 3 1 3 0,00640 (käytettävissä) 3 0,00640 (lasketaan) 1 0,00640 (lasketaan) 3 0,00640 (lasketaan) n(hcl) = 3 n(al(h) 3 ) m(hcl) = n(hcl) M(HCl) = 3 n(al(h) 3 ) M(HCl) = 3 0,00640 (1,008 + 35,45) / = 0,701 c) n(alcl 3 ) = n(al(h) 3 ) m(alcl 3 ) = n(alcl 3 ) M(AlCl 3 ) = n(al(h) 3 ) M(AlCl 3 ) = 0,00640 (26,98 + 3 35,45) / = 0,855 17
n(h 2 ) = 3 n(al(h) 3 ) m(h 2 ) = n(h 2 ) M(H 2 ) = 3 n(al(h) 3 ) M(H 2 ) = 3 0,00640 (2 1,008 + 16,00) / = 0,346 17. Hiilidioksidin poistamiseksi avaruusaluksesta voidaan käyttää menetelmää, jossa C 2 - kaasun annetaan reaoida kiinteän natriumhydroksidin kanssa, jolloin muodostuu natriumkarbonaattia ja vettä. a) Kirjoita reaktioyhtälö. b) Kuinka monta rammaa hiilidioksidia voidaan poistaa 1,0 k:lla natriumhydroksidia? a) 2 NaH(s) + C 2 () Na 2 C 3 (s) + H 2 (l) b) n(nah) = 1000 /(22,99 + 16,00 + 1,008) / = 25,0012 Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 NaH reaoi Ainemäärät, kun 25,0012 NaH reaoi 2 NaH(s) + C 2 () Na 2 C 3 (s) + H 2 (l) 2 1 1 1 2/2 = 1 ½ ½ ½ 25,0012 (käytettävissä) ½ 25,0012 (lasketaan) Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että n(c 2 ) = ½ n(nah) = 12,5006 ja m(c 2 ) = n(c 2 ) M(C 2 ) = 12,5006 (12,01 + 2 16,00) / = 550. 18. Lämpökynttilän eli tuikun tilavuus on 14 ml. Tuikku palaa täydellisesti muodostaen reaktiotuotteina vettä ja hiilidioksidia. Kuinka monta rammaa vettä muodostuu, kun tuikku on valmistettu puhtaasta steariinihaposta C 17 H 35 CH? Steariinihapon tiheys on 0,94 k/dm 3. Tasapainotetaan C 17 H 35 CH + 2 C 2 + H 2 C 18 1 kerroin 18 C 2 :lle C 17 H 35 CH + 2 18 C 2 + H 2 H 36 2 kerroin 18 H 2 :lle C 17 H 35 CH + 2 18 C 2 + 18 H 2 2? 18 2 + 18 = 54 kerroin 26 2 :lle C 17 H 35 CH + 26 2 18 C 2 + 18 H 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö: C 17 H 35 CH + 26 2 18 C 2 + 18 H 2 m(c 17 H 35 CH) = ρ V = 0,94 k/dm 3 0,014 dm 3 = 0,01316 k = 13,16 M(C 17 H 35 CH ) = (18 12,01 + 36 1,008 + 2 16,00) / = 284,468 / n(c 17 H 35 CH ) = m/m = 13,16 /(284,468/) = 0,0462 18
Kertoimet reaktioyhtälössä Ainemäärät, kun 0,0462 C 17 H 35 CH reaoi C 17 H 35 CH + 26 2 18 C 2 + 18 H 2 1 26 18 18 0,0462 (käytettävissä) 18 0,0462 (lasketaan) Reaktioyhtälön mukaan n(h 2 ) = 18 0,0462 = 0,832 m(h 2 ) = n M = 0,832 (2 1,008 + 16,00) / = 15. 19. Asetaldehydi eli etanaali CH 3 CH (tiheys = 0,788 /cm 3 ) on neste, jota käytetään esimerkiksi hajuvesien, hajusteiden, väriaineiden ja muovien tuotannossa. Sitä voidaan valmistaa etanolin ja hapen välisellä reaktiolla: CH 3 H(l) + 2 () CH 3 CH(l) + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Mikä on tarvittavan etanolin tilavuus (tiheys = 0,789 /cm 3 ), kun asetaldehydiä tuotetaan 25,0 litraa? a) Tasapainotetaan CH 3 H(l) + 2 () CH 3 CH(l) + H 2 (l) C 2 2 H 6 4 + 2 = 6 1? 1 + 1 = 2 kerroin ½ 2 :lle CH 3 H(l) + ½ 2 () CH 3 CH(l) + H 2 (l) kerrotaan koko reaktioyhtälö 2:lla 2 CH 3 H(l) + 2 () 2 CH 3 CH(l) + 2 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 CH 3 H(l) + 2 () 2 CH 3 CH(l) + 2 H 2 (l) b) V(CH 3 H) =? ρ(ch 3 H) = 0,789 /cm 3 V(CH 3 CH) = 25,0 l ρ(ch 3 CH) = 0,788 /cm 3 m(ch 3 CH) = ρ V n(ch 3 CH) = m/m = (ρ V)/M = (0,788 cm 3 25,0 10 3 cm 3 )/ [(2 12,01 + 4 1,008 + 16,00) /] = 447,198 n(ch 3 H) = n(ch 3 CH) V(CH 3 H) = m/ρ = n(ch 3 H) M(CH 3 H)/ρ(CH 3 H) = n(ch 3 CH) M(CH 3 H)/ρ(CH 3 H) = 447,198 (2 12,01 + 6 1,008 + 16,00) //(0,789 /cm 3 ) = 26,1 cm 3 19
20. Taululiitu on kalkkikiven CaC 3 ja kipsin CaS 4 seos. Kalkkikivi liukenee laimeaan vetykloridihappoon, mutta kipsi ei. CaC 3 (s) + HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Kuinka monta rammaa hiilidioksidia muodostuu, kun 12,3 :n liidunpala liuotetaan ylimäärään vetykloridihappoa? Liuenneessa liidussa on 69,7 m-% kalkkikiveä. c) Kuinka monta massa-% toisessa liituerässä on kalkkikiveä, kun 4,38 ramman liidunpala tuotti liuetessaan 1,31 rammaa hiilidioksidia? Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan CaC 3 (s) + HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) Ca 1 1 C 1 1 3 2 + 1 = 3 H 1 2 kerroin 2 HCl:lle CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) Cl 2 1 2 CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: CaC 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + C 2 () + H 2 (l) b) m(liitu) = 12,3, josta 69,7 m-% on CaC 3 :a. m(cac 3 ) = (69,7 %/100 %) 12,3 = 8,573... n(cac 3 ) = m/m = 8,573 /[(40,08 + 12,01 + 3 16,00) -1 ] = 0,08565 n(c 2 ) = n(cac 3 ) m(c 2 ) = n(c 2 ) M(C 2 ) = n(cac 3 ) M(C 2 ) = 0,08565 (12,01 + 2 16,00) / = 3,77 c) m(liitu) = 4,38 m-% CaC 3 =? m(c 2 ) = 1,31 n(c 2 ) = m/m = 1,31 /[(12,01 + 2 16,00) /] = 0,02976 n(cac 3 ) = n(c 2 ) m(cac 3 ) = n(cac 3 ) M(CaC 3 ) = n(c 2 ) M(CaC 3 ) = 0,02976 (40,08 + 12,01 + 3 16,00) / = 2,979 m-%(cac 3 ) = [M(CaC 3 )/M(liitu)] 100 % = (2,979 /4,38 ) 100 % = 68,0 % 20
21. Kun epäpuhdasta sinkkimetallia käsiteltiin ylimäärällä rikkihapon vesiliuosta, muodostui sinkkisulfaattia (ZnS 4 ) ja vetykaasua. a) Laadi reaktioyhtälö. b) Mikä on sinkkimetallin puhtausprosentti, kun 3,86 ramman näytteestä saatiin 0,109 vetykaasua? c) Mitä oletuksia laskussa tulee tehdä? (yo s2004) a) Zn(s) + H 2 S 4 (aq) ZnS 4 (aq) + H 2 () b) Reaktioyhtälön perusteella n(h 2 ) = n(zn). Vetykaasun ainemäärä on n(h 2 ) = 0,109 /(2 1,008 /) = 0,05406. Sinkkiä tarvitaan m(zn) = 0,05406 65,41 / = 3,536. Puhtausprosentti on tällöin (3,536 /3,86 ) 100 % 91,6 %. c) Laskuissa edellytetään, että sinkki ei sisällä sellaisia epäpuhtauksia, kuten epäjaloja metalleja, jotka rikkihapon kanssa reaoidessaan muodostavat vetykaasua. Myös muut stoikiometrian oletukset ovat voimassa. 22. Veden bioloinen hapenkulutus BHK ilmoitetaan hapen kulutuksena (m) tietyn vesinäytteen tilavuutta (dm 3 ) kohden eli BHK = M( 2 )/V(näyte). Tutkittavan vesinäytteen ureapitoisuus oli 1,08 /100 dm 3. Laske veden BHK, kun urean ja hapen välinen reaktio on (NH 2 ) 2 C + 4 2 + H 2 C 2 + 2 N 3 - + 2 H 3 + n((nh 2 ) 2 C) = 1,08 /(2 14,01 + 4 1,008 + 12,01 + 16,00) / = 0,0179 Kertoimet reaktioyhtälössä Kertoimet, kun 1 ureaa reaoi Ainemäärät, kun 0,0179 ureaa reaoi (NH 2 ) 2 C + 4 2 + H 2 C 2 + 2 N 3 + 2 H 3 + 1 4 1 1 2 2 1 4 1 1 2 2 0,0179 (käytettävissä) 4 0,0179 (lasketaan) Reaktioyhtälön perusteella n( 2 ) = 4 n((nh 2 ) 2 C) = 4 0,0179 = 0,07192 m( 2 ) = n( 2 ) M( 2 ) = 0,07192 2 16,00 / = 2,3016 Vesinäyte kuluttaa happea 2,30 10 3 m/100 dm 3 BHK = 2,30 10 3 m/100 dm 3 = 23 m /dm 3 21
23. Eräs vatsan happovaivoihin myytävä lääke sisältää vaikuttavana aineena natriumvetykarbonaattia NaHC 3 sekä joukon täyteaineita. 0,500 :n suuruinen tabletti jauhettiin ja liuotettiin 50,0 cm 3 :iin 0,190 /dm 3 vetykloridihappoon: NaHC 3 (s) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) + C 2 (). Reaoimatta jäänyt vetykloridihappo titrattiin 0,128 /dm 3 väkevyisellä natriumhydroksidilla NaH. Sitä kului neutralointiin 47,1 cm 3. a) Laadi vetykloridihapon ja natriumhydroksidin välisen neutralointireaktion yhtälö. b) Kuinka monta massaprosenttia natriumvetykarbonaattia NaHC 3 tabletti sisälsi? a) HCl + NaH? HCl(aq) + NaH(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) b) Lasketaan tabletin liuotukseen käytetyn HCl:n ainemäärä: 3 3 3 n( HCl) = cv = 0,190 50 10 dm = 9,50 10 3 dm Lasketaan takaisintitrauksesta reaoimatta jääneen vetykloridin ainemäärä a-kohdan neutraloitumista kuvaavan reaktioyhtälön perusteella: 3 3 3 n(hcl) reaoimaton = n( NaH) = cv = 0,128 47,1 10 dm = 6,0288 10 3 dm Lasketaan natriumkarbonaatin kanssa reaoineen HCl:n ainemäärä: HCl HCl HCl 9,50 6,0288 10 n n n 3,4712 10 = = = ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 reaoinut reaoimaton Tehtävän reaktioyhtälöstä päätellään, että n NaHC = n(hcl) = 3,4712 10 ja m ( ) 3 3 reaoinut 3 ( ) = n M = ( + + + ) NaHC 3 3,4712 10 22,99 1,008 12,01 3 16,00 = 0,291608 Tabletissa on natriumvetykarbonaattia: m(nahc 3 ) 0,291608 100 m-% = 100 % = 58,32171 m-% 58,3 m-% m tabletti 0,500 ( ) Vastaus: Tabletissa on 58,3 m-% natriumvetykarbonaattia. 22
Kun lähtöaine loppuu kesken 24. Virvoitusjuomatehtaalla on 121 515 kappaletta 3,55 dl:n vetoisia pulloja, 122 500 pullonkorkkia ja 40 875 litraa appelsiinilimsaa. a) Kuinka monta virvoitusjuomapulloa näistä tarpeista voidaan valmistaa? b) Mitä tarpeita jää vielä varastoon ja kuinka paljon? c) Rajoittaako tuotantoa pullojen, korkkien vai juoman määrä? n(pullo) = 121 515 kpl V(pullo) = 3,55 dl n(korkki) = 122 500 kpl V(limsa) = 40 875 l a) Limsaa riittää 408 750 dl/3,55 dl = 115 140,8 pullolliseen. Pulloja Korkkeja Limsaa n käytössä 121 515 kpl 122 500 kpl 40 875 l Jos kaikki pullot kuluvat, tarvitaan 121 515 kpl korkkeja 121 515 3,55 dl = 43 138 l limsaa; Jos kaikki limsa pullotetaan, tarvitaan 115 140 kpl pulloja b) Varastoon jää: pulloja: (121 515 115 140) kpl = 6375 kpl korkkeja: (122 500 115 140) kpl = 7360 kpl limsaa: (40 875 40 874,7) l = 0,3 l c) Tuotantoa rajoittaa juoman määrä. 115 140 kpl korkkeja loppuu kesken 115 140 3,55 dl = 40 874,7 l limsaa 25. Titaani(IV)oksidin Ti 2 puhdistus on tärkeä osa puhtaan titaanimetallin valmistusta. Puhdistuksessa titaani(iv)oksidi reaoi hiilen ja kloorikaasun kanssa tuottaen titaanitetrakloridia TiCl 4 ja hiilimonoksidia. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö. b) Päättele reaktioyhtälön avulla, mikä seuraavista alkutilanteista tuottaa eniten titaanitetrakloridia TiCl 4. Mieti, toimiiko jokin lähtöaine reaktiota rajoittavana reaenssina. Perustele vastauksesi ainemäärien avulla. 1) 1,5 Ti 2 + 2,1 C + 4,4 Cl 2 2) 1,6 Ti 2 + 2,5 C + 3,6 Cl 2 3) 2,0 Ti 2 + 2,0 C + 2,0 Cl 2 4) 3,0 Ti 2 + 3,0 C + 3,0 Cl 2 23
a) Reaktioyhtälö: Ti 2 + C + Cl 2 TiCl 4 + C Tasapainotetaan Ti 2 + C + Cl 2 TiCl 4 + C Ti 1 1 2 1 kerroin 2 C:lle Ti 2 + C + Cl 2 TiCl 4 + 2 C C 1 2 1 = 2 kerroin 2 C:lle Ti 2 + 2 C + Cl 2 TiCl 4 + 2 C Cl 2 4 kerroin 2 Cl 2 :lle Ti 2 + 2 C + 2 Cl 2 TiCl 4 + 2 C Tasapainotettu reaktioyhtälö on: Ti 2 + 2 C + 2 Cl 2 TiCl 4 + 2 C b) 1) 1,5 Ti 2 + 2,1 C + 4,4 Cl 2 Ti 2 + 2 C + 2 Cl 2 TiCl 4 + 2 C käytössä on, 1,5 2,1 4,4 1,5 Ti 2 tarvitsee 3,0 raj. 3,0 2,1 C tarvitsee 1,05 2,1 1,05 4,4 Cl 2 tarvitsee 2,2 raj. 4,4 raj. 2) 1,6 Ti 2 + 2,5 C + 3,6 Cl 2 Ti 2 + 2 C + 2 Cl 2 TiCl 4 + 2 C käytössä on, 1,6 2,5 3,6 1,6 Ti 2 tarvitsee 3,2 raj. 3,2 2,5 C tarvitsee 1,25 2,5 1,25 3,6 Cl 2 tarvitsee 1,8 raj. 3,6 raj. 3) 2,0 Ti 2 + 2,0 C + 2,0 Cl 2 Ti 2 + 2 C + 2 Cl 2 TiCl 4 + 2 C käytössä on, 2,0 2,0 2,0 2,0 Ti 2 tarvitsee 4,0 raj. 4,0 raj. 2,0 C tarvitsee 1,0 2,0 1,0 2,0 Cl 2 tarvitsee 1,0 2,0 1,0 4) 3,0 Ti 2 + 3,0 C + 3,0 Cl 2 Ti 2 + 2 C + 2 Cl 2 TiCl 4 + 2 C käytössä on, 3,0 3,0 3,0 3,0 Ti 2 tarvitsee 6,0 raj. 6,0 raj. 3,0 C tarvitsee 1,5 3,0 1,5 3,0 Cl 2 tarvitsee 1,5 3,0 1,5 Eniten titaanitetrakloridia tuottaa tapaus 4) 3,0 Ti 2 + 3,0 C + 3,0 Cl 2 24
26. Bariumkloridin ja rauta(iii)sulfaatin Fe 2 (S 4 ) 3 reaktiossa syntyy veteen liukenematonta valkoista sakkaa, joka on bariumsulfaattia. 3 BaCl 2 (aq) + Fe 2 (S 4 ) 3 (aq) 3 BaS 4 (s) + 2 FeCl 3 (aq) Laske syntyvän bariumsulfaatin massa, kun reaktioon käytetään 100,0 bariumkloridia ja 50,0 rautasulfaattia? 3 BaCl 2 (aq) + Fe 2 (S 4 ) 3 (aq) 3 BaS 4 (s) + 2 FeCl 3 (aq) Lasketaan lähtöaineiden ainemäärät. n(bacl 2 ) = m/m(bacl 2 ) = 100,0 /(137,33 + 2 35,45) / = 0,4802 n(fe 2 (S 4 ) 3 ) = m/m(fe 2 (S 4 ) 3 ) = 50,0 /(2 55,85 + 3 32,07 + 12 16,00) / = 0,1250 Verrantona: n(bacl 2 )/n(fe 2 (S 4 ) 3 ) = 3/1, joten n(bacl 2 ) = 3 n(fe 2 (S 4 ) 3 ). Ts. yksi mooli rauta(iii)sulfaattia kuluttaa kolme moolia bariumkloridia, joten 0,1250 rauta(iii)sulfaattia kuluttaa 3 0,1250 = 0,3750 bariumkloridia eli se riittää. Vastaavasti yksi mooli bariumkloridia kuluttaa 1/3 moolia rauta(iii)sulfaattia, joten 0,4802 bariumkloridia kuluttaa 1/3 0,4802 = 0,1600 rauta(iii)sulfaattia eli se ei riitä. Rauta(III)sulfaatti on siis reaktiota rajoittava tekijä ja bariumkloridia on ylimäärin. Tai: kertoimet reaktioyhtälössä kertoimet, kun 1 Fe 2 (S 4 ) 3 reaoi ainemäärät, kun 0,1250 Fe 2 (S 4 ) 3 reaoi ainemäärät, kun 1 BaCl 2 reaoi ainemäärät kun 0,4802 BaCl 2 reaoi 3 BaCl 2 (aq) + Fe 2 (S 4 ) 3 (aq) 3 BaS 4 (s) + 2 FeCl 3 (aq) 3 1 3 2 3 1 3 2 3 0,1250 = 0,3750 ; riittää 0,1250 (käytettävissä) 3 0,1250 = 0,3750 ; lasketaan 3/3 = 1 1/3 3/3 = 1 2/3 0,4802 (käytettävissä) 1/3 0,4802 = 0,1600 ; rajoittaa Bariumsulfaattia syntyy: n(bas 4 ) = 3 0,1250 m(bas 4 ) = n(bas 4 ) M(BaS 4 ) = 3 0,1250 (137,33 + 32,07 + 4 16,0) / = 87,5 25
27. Kalsiumhydroksidi eli sammutettu kalkki Ca(H) 2 on halvin kaupallisesti käytetty emäs. Sitä käytetään teollisuudessa, maataloudessa ja ympäristön happamoitumista torjuttaessa. Tankkiauto joutui onnettomuuteen ja 1000 litraa 6 M vetykloridihappoa HCl valui maahan. Palokunta levitti valuma-alueelle 200 k kalsiumhydroksidia. Neutraloituiko kaikki happo? V(HCl) = 1000 l = 1000 dm 3 c(hcl) = 6 M m(ca(h) 2 ) = 200 k Käytetään konsentraation lauseketta: c = n/v ja ainemäärän lauseketta n = m/m. n(hcl) = c V = 6 dm -3 1000 dm 3 = 6000 n(ca(h) 2 ) = m/m = 200 103 /[(40,08 + 2 16,00 + 2 1,008) /] = 2699,2 n(h ) = 2 n(ca(h) 2 ) = 5398,4 Neutraloituminen: H 3 + + H 2 H 2 ts. yksi mooli oksoniumioneja neutraloi yhden moolin hydroksidi-ioneja. Tässä n(hcl) on suurempi kuin n(h-) eli kaikki happo ei neutraloitunut. Tai: Neutraloituminen: HCl + Ca(H) 2 H 2 + CaCl 2 Tasapainotetaan HCl + Ca(H) 2 H 2 + CaCl 2 Cl 1 2 kerroin 2 HCl:lle 2 HCl + Ca(H) 2 H 2 + CaCl 2 2 1 kerroin 2 H 2 :lle 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 H 2 + 2 = 4 2 2 = 4 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 Hapon täydelliseen neutraloitumiseen kuluisi: 2 HCl + Ca(H) 2 2 H 2 + CaCl 2 kertoimet reaktioyhtälössä 2 1 2 1 ainemäärät, kun 1 HCl reaoi 2/2 = 1 ½ 2/2 1/2 ainemäärät, kun 6000 HCl reaoi 6000 käytettävissä ½ 6000 (lasketaan) (tai verrantona: n(ca(h) 2 /n(hcl) = 1/2) Siis n(ca(h) 2 ) = ½ n(hcl) = ½ 6000 = 3000. Palokunta käytti vain 2699,2 Ca(H) 2 :a eli kaikki happo ei neutraloitunut. Lisää olisi tarvittu 3000 2699 = 301 eli 22,2 k. 26
28. Kaliumnitraattia käytetään puutarhassa ja pelloilla lannoitteena, koska se sisältää kaksi kasveille tärkeää ravinnetta: kaliumin ja typen. Kaliumnitraattia valmistetaan sekoittamalla kaliumkloridia, typpihappoa ja happikaasua: KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Kuinka monta kilorammaa kaliumnitraattia voidaan valmistaa, kun kaliumkloridia on 50,0 k ja 65 m-%:sta typpihappoa 50,0 k? c) Kuinka monta kilorammaa sivutuotteena syntyvää kloorikaasua b-kohdan reaktiosta saadaan? a) KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) Tasapainotetaan KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) Cl 1 2 kerroin 2 KCl:lle 2 KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) K 2 1 kerroin 2 KN 3 :lle 2 KCl(aq) + HN 3 (aq) + 2 () 2 KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) H 1 2 kerroin 2 HN 3 :lle 2 KCl(aq) +2 HN 3 (aq) + 2 () 2 KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) N 2 2 2 3? 2 2 3 + 1 = 7 kerroin ½ 2 :lle 2 KCl(aq) +2 HN 3 (aq) + ½ 2 () 2 KN 3 (aq) + Cl 2 () + H 2 (l) kerrotaan koko yhtälö 2:lla 4 KCl(aq) +4 HN 3 (aq) + 2 () 4 KN 3 (aq) + 2 Cl 2 () + 2 H 2 (l) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 4 KCl(aq) + 4 HN 3 (aq) + 2 () 4 KN 3 (aq) + 2 Cl 2 () + 2 H 2 (l) b) m(kcl) = 50,0 k n(kcl) = m/m = 50,0 10 3 /[(39,10 + 35,45) /] = 670,69 m(hn 3 ) = (65 %/100 %) 50,0 k = 32,5 k n(hn 3 ) = m/m = 32,5 103 /[(1,008 + 14,01 + 3 16,00) /] = 515,72 kertoimet reaktioyhtälössä ainemäärät kun 1 KCl reaoi ainemäärät, kun 670,69 KCl reaoi ainemäärät, kun 515,72 HN 3 reaoi 4 KCl(aq) + 4 HN 3 (aq) + 2 () 4 KN 3 (aq) + 2 Cl 2 () + 2 H 2 (l) 4 4 1 4 2 2 4/4 = 1 4/4 = 1 1/4 4/4 = 1 2/4 2/4 670,69 (käytettävissä) 515,72 670,693 rajoittaa 515,72 515,72 (lasketaan b) 2/4 515,72 (lasketaan c) (käytettävissä) (Tai verrantona reaktioyhtälöstä n(kcl)/n(hn 3 ) = 4/4, eli nyt typpihapon ainemäärä rajoittaa reaktion.) 27
Reaktioyhtälöstä n(kn 3 )/n(hn 3 ) = 4/4 eli n(kn 3 ) = n(hn 3 ) ja KN 3 :a voi nyt muodostua 515,72. m(kn 3 ) = n(kn 3 ) M(KN 3 ) = n(hn 3 ) M(KN 3 ) = 515,72 [(39,10 + 14,01 + 3 16,00) /] = 52,1 k c) Kloorikaasua syntyy: n(cl 2 )/n(kn 3 ) = 2/4, joten n(cl 2 ) = (2/4) n(kn 3 ) = (1/2) n(kn 3 ) m (Cl 2 ) = n(cl 2 ) M(Cl 2 ) = (1/2) n(kn 3 ) M(Cl 2 ) = ½ 515,72 [2 35,45 /] = 18,3 k 2.3 Reaktion saanto 29. Reaktioseoksessa on 20,0 natriumvetykarbonaattia NaHC 3 ja 50,0 cm 3 6 M vetykloridihappoa HCl. Ne reaoivat keskenään. NaHC 3 (s) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) + C 2 () a) Laske natriumkloridin teoreettinen saanto. b) Mikä on reaktion saantoprosentti, kun natriumkloridin todellinen saanto oli 12,3? a) Lasketaan lähtöaineiden ainemäärät. n(nahc 3 ) = m/m = 20,0 /[(22,99 + 1,008 + 12,01 + 3 16,00) /] = 0,2380... Vetykloridihapon ainemäärä lasketaan kaavasta c = n/v. n(hcl) = c(hcl) V(HCl) = 6 /dm 3 50,0 10 3 dm 3 = 0,30 Reaktioyhtälön kertoimien perusteella: reaktioyhtälön kertoimet käytössä, NaCl voidaan valmistaa, NaHC 3 (s) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 (l) + 2 () 1 1 1 0,2380 rajoittaa 0,2380 0,30 0,2380 Natriumkloridia voidaan siis tuottaa enintään 0,2380, joten teoreettinen saanto on: m(nacl, teor) = n M = 0,2380 (22,99 + 35,45) / = 13,91 b) Reaktion saantoprosentti on: todellinen saanto 12,3 saantoprosentti = 100 % = 100 % = 88,48... % = 88,5 % teoreettinen saanto 13,9 28
30. Zn Cr 2 3 -katalyytin ollessa mukana hiilimonoksidista ja vedystä voidaan 400 C:n lämpötilassa ja 15 MPa:n paineessa valmistaa metanolia. C() + 2 H 2 () CH 3 H(l) a) Reaktorissa oli 72,0 k hiilimonoksidia ja 5,50 k vetykaasua. Mikä on reaktion teoreettinen saanto? b) Reaktion saantoprosentti oli 90,4 %. Mikä oli reaktion todellinen saanto? a) Lasketaan lähtöaineiden ainemäärät: n(c) = m/m = 72,0 10 3 /[(12.01 + 16,00) /] = 2,570 10 3 n(h 2 ) = m/m = 5,50 10 3 /[(2 1,008) /] = 2,728 10 3 Reaktioyhtälön kertoimien perusteella: C() + 2 H 2 () CH 3 H(l) reaktioyhtälön 1 kertoimet 2 1 käytössä, 2,570 10 3 2,728 10 3 2,570 10 3 C tarvitsee H 2, 2,570 10 3 2 2,570 10 3 = 5,14 10 3 ei riitä 2,728 10 3 H 2 tarvitsee C, ½ 2,728 10 3 = 1,36 10 3 riittää 2,728 10 3 1 H 2 tuottaa ½ 2/2 = 1 ½ 2,728 10 3 H 2 tuottaa 2,728 10 3 ½ 2,728 10 3 Metanolia voidaan siis tuottaa ½ 2,728 10 3, joten m(ch 3 H) = n M = ½ 2,728 10 3 (12,01 + 4 1,008 + 16,00) / = 4,3708 10 4 = 43,7 k b) Reaktion todellinen saanto todellinen saanto saantoprosentti = 100% teoreettinen saanto saantoprosentti teoreettinen saanto 90,4 % 43,7 k todellinen saanto = = = 39,5 k 100 % 100 % 31. Suihkumoottorin turbiinin lavat voidaan jäykistää piinitridillä Si 3 N 4. Sitä voidaan valmistaa seuraavalla reaktiolla: Si(s) + N 2 () Si 3 N 4 (s) a) Tasapainota reaktioyhtälö. b) Laske synteesin teoreettinen saanto, kun 4,00 piitä ja 3,00 typpikaasua reaoi. c) Mikä on synteesin saantoprosentti, kun tuotetta saatiin 4,92? 29
a) Tasapainotetaan reaktioyhtälö: Tasapainotetaan Si(s) + N 2 () Si 3 N 4 (s) Si 1 3 kerroin 3 Si:lle 3 Si(s) + N 2 () Si 3 N 4 (s) N 2 4 kerroin 2 N 2 :lle 3 Si(s) + 2 N 2 () Si 3 N 4 (s) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 3 Si(s) + 2 N 2 () Si 3 N 4 (s) b) m(si) = 4,00 n(si) = m/m = 4,00 /(28,09 /) = 0,1423 m(n 2 ) = 3,00 n(n 2 ) = m/m = 3,00 /(2 14,01 /) = 0,1070 kertoimet reaktioyhtälössä ainemäärät kun 1 Si reaoi ainemäärät, kun 0,1423 Si reaoi ainemäärät, kun 1 N 2 reaoi ainemäärät, kun 0,1070 N 2 reaoi 3 Si(s) + 2 N 2 () Si 3 N 4 (s) 3 2 1 3/3 = 1 2/3 1/3 0,1423 (käytettävissä) 2/3 0,1423 = 0,0949 1/3 0,1423 (lasketaan) 3/2 2/2 =1 ½ 3/2 0,1070 = 0,1605 (rajoittaa) 0,1070 (käytettävissä) Synteesin teoreettisen saannon rajoittaa Si. n(si 3 N 4 ) = (1/3) 0,1423 = 0,0474 m(si 3 N 4 ) = n M = 0,0474 (3 28,09 + 4 14,01) / = 6,660 6,66 c) M(todellinen saanto) = 4,92 todellinen saanto saantoprosentti = 100 % teoreettinen saanto 4,92 % = 100 % = 73,873... % = 73,9 % 6,66 30
2.4 Rinnakkaiset reaktiot 32. Puutarhan kalkitukseen voidaan käyttää dolomiittikalkkia, joka on kalsiumkarbonaa tin ja manesiumkarbonaatin seos. Kuumennuksessa kumpikin karbonaatti hajoaa vastaavaksi oksidiksi. a) Laadi reaktioyhtälöt. b) Kun 0,876 dolomiittikalkkia kuu mennettiin, saatiin jäännös, jonka massa oli 0,477. Kuinka monta massaprosenttia manesiumkarbonaattia dolomiittikalkki sisälsi? (yo k2003) a) CaC 3 (s) Ca(s) + C 2 () MC 3 (s) M(s) + C 2 () b) m(cac 3 ) + m(mc 3 ) = 0,876 m(ca) + m(m) = 0,477 Reaktioyhtälöiden perusteella: n(ca) = n(cac 3 ) ja n(m) = n(mc 3 ) m = n M n 1 100,09 / + n 2 84,42 / = 0,876 n 1 56,08 / + n 2 40,31 / = 0,477 Yhtälöparista saadaan ratkaistua n 2 = n(mc 3 ) = 0,00199. Manesiumkarbonaatin massa on m(mc 3 ) = 0,00199 (24,31 + 12,01 + 3 16,00) / = 0,16779 Dolomiitin manesiumpitoisuus on 100 0,16779 /0,876 19,2 % tai toinen ratkaisutapa: M(CaC 3 ) = (40,08 + 12,01 + 3 16,00) / = 100,09 / M(MC 3 ) = (24,31 + 12,01 + 3 16,00) / = 84,32 / M(Ca) = (40,08 + 16,00) / = 56,08 / M(M) = (24,31 + 16,00) / = 40,31 / massa, ainemäärät, kun 1 CaC 3 hajoaa ainemäärä (n = m/m), kun CaC 3 on x CaC 3 (s) Ca(s) + C 2 () x 1 1 1 x/100,09 x/100,09 MC 3 (s) M(s) + C 2 () massa, (0,876 x) ainemäärät, kun 1 MC 3 hajoaa ainemäärä (n = m/m), kun MC 3 on x 1 1 1 (0,876 x)/84,32 (0,876 x)/84,32 31
Reaktioyhtälöistä: n(ca) = n(cac 3 ) ja n(m) = n(mc 3 ) m(jäännös) = m(ca) + m(m) = n(ca) M(Ca) + n(m) M(M) 0,477 = (x/100,09) 56,08 / + [(0,876 x)/84,32] 40,31 / 0,477 100,09 84,32 = 84,32 x 56,08 + 100,09 (0,876 x) 40,31 josta x = 0,7079 = M(CaC 3 ) ja m(mc 3 ) = 0,876 x = 0,876 0,708 = 0,168 Dolomiittikalkki sisältää manesiumkarbonaattia: (0,168 /0,876 ) 100 % = 19,178 % = 19,2 % 33. Natriumkloridin NaCl ja kaliumkloridin KCl seosta punnittiin 1,0000. Näyte liuotettiin veteen ja liuokseen lisättiin ylimäärin hopeanitraattia AN 3. Tällöin kaikki kloridi-ionit saostuivat hopeakloridina ACl. Saostumaa syntyi 2,1476. a) Laadi reaktioyhtälöt. b) Laske alkuperäisen näytteen massaprosenttinen koostumus. Piirrä kuva tilanteesta. Malli: Reaktio 3, s. 26, esimerkki 6. m(seos) = 1,0000 jossa m(nacl) = x m(kcl) = (1,0000 x) ja m(acl) = 2,1476 + H 2 + AN 3 ACl(s) a) Laaditaan saostumisen reaktioyhtälöt: 1) NaCl(aq) + AN 3 (aq) ACl(s) + NaN 3 (aq) 2) KCl(aq) + AN 3 (aq) ACl(s) + KN 3 (aq) b) NaCl:n ainemäärä on: m(nacl) x x n ( NaCl ) = = = M(NaCl) 58,44 ( 22,99 + 35,45) joten reaktiosta 1 tulevan kloridin ainemäärä on n(cl ) 1 = n(nacl) ja edelleen tästä syntyvän hopeakloridin ainemäärä on n(cl ) 1 = n(nacl) = n(acl) 1 KCl:n ainemäärä on: m(kcl) (1,0000 x) 1,0000 x n ( KCl ) = = = M(KCl) 74,55 ( 39,10 + 35,45) joten reaktiosta 2 tulevan kloridin ainemäärä on n(cl ) 2 = n(kcl) ja edelleen tästä syntyvän hopeakloridin ainemäärä on n(cl ) 2 = n(kcl) = n(acl) 2 Tunnetaan syntyvän ACl saostuman massa, joten: m(acl) = 2,1476 = m(acl) 1 + m(acl) 2 = [n(nacl) + n(kcl)] M(ACl) x 1,0000 x 2,1476 = + ( 107,87 + 35,45) 58,44 74,55 32
Ratkaistaan yhtälöstä x: 2,1476 x 1,0000 x = + 143,32 58,44 74,55 65,283653 58,44 = 16,11 x x = 0,424807 0,4248 Seoksessa on natriumkloridia x = 0,4248 ja kaliumkloridia (1,0000 x) = (1,0000 0,4348) = 0,575192 0,5752 Seoksen massaprosenttinen koostumus: 0,424807 m-% NaCl = 100 % = 42,4807 42,48 m-%. 1,0000 0,575192 m-% KCl = 100 % = 57,5192 57,52 m-% 1,0000 Vastaus: Seoksessa on natriumkloridia 42,48 m-% ja kaliumkloridia 57,52 m-%. 34. Kun 25,0 metaanin ja etaanin seosta paloi täydellisesti, syntyi 71,3 hiilidioksidia. Kuinka monta a) rammaa b) m-% seos sisälsi metaania? a) Reaktioyhtälöt: 1. CH 4 () + 2 2 () C 2 () + 2 H 2 (l) 2. C 2 H 6 () + 7 2 () 4 C 2 () + 6 H 2 (l) Merkitään: m(ch 4 ) = x, jolloin m(c 2 H 6 ) = 25,0 x. Moolimassat: M(CH 4 ) = 16,042, M(C H ) = 30,068 2 6 ja M(C 2 ) = 44,01 m 71,3 Hiilidioksidin ainemäärä: n(c 2) = = = 1,62009 M 44,01 n(c 2 ) = 1,62009 on peräisin reaktioista 1 ja 2, joten n(c 2 ) 1 + n(c 2 ) 2 = n(c 2 ) Reaktioyhtälöistä päätellään, että 1 CH 4 tuottaa 1 C 2 ja 1 C 2 H 6 tuottaa 4 = 2 C 2 2 Kirjoitetaan yhtälö: x 25,0 x 1 + 2 = 1,62009 16,042 30,068 0,0623364x + 1,66290 0,0665159x = 1,62009 3 4,1795 10 x = 0,04281 x = 10,242 10,2 b) m-%(ch 4 ) = 10,242 100 % 40,069 % 40,1% 25,0 = 33
Reaktiosarjat 35. Erästä freonia, difluorodiklorometaania, voidaan valmistaa seuraavasti: CH 4 + Cl 2 CCl 4 + HCl CCl 4 + HF CCl 2 F 2 + HCl. Määritä reaktioyhtälöiden kertoimet ja laske tarvittavan kloorikaasun massa, kun valmistetaan 0,156 difluorodiklorometaania. Tasapainotetaan reaktioyhtälöt: Tasapainotetaan CH 4 + Cl 2 CCl 4 + HCl C 1 1 H 4 1 kerroin 4 HCl:lle CH 4 + Cl 2 CCl 4 + 4 HCl Cl 2 4 + 4 = 8 kerroin 4 Cl 2 :lle CH 4 + 4 Cl 2 CCl 4 + 4 HCl Tasapainotetaan CCl 4 + HF CCl 2 F 2 + HCl C 1 1 Cl 4 2 + 1 = 3 kerroin 2 HCl:lle CCl 4 + HF CCl 2 F 2 + 2 HCl F 1 2 Kerroin 2 HF:lle CCl 4 + 2 HF CCl 2 F 2 + 2 HCl H 2 2 CCl 4 + 2 HF CCl 2 F 2 + 2 HCl Lasketaan reaktioyhtälöt puolittain yhteen: CH 4 + 4 Cl 2 CCl 4 + 4 HCl CCl 4 + 2 HF CCl 2 F 2 + 2 HCl ----------------------------------------------------------------------------- CH 4 + 4 Cl 2 + 2 HF CCl 2 F 2 + 6 HCl m(cl 2 ) =? m(ccl 2 F 2 ) = 0,156 n(ccl 2 F 2 ) = m/m = 0,156 /[(12,01 + 2 35,45 + 2 19,00) /] = 0,001290 kertoimet reaktioyhtälössä ainemäärät, kun tuotetaan 0,001290 CCl 2 F 2 CH 4 + 4 Cl 2 + 2 HF CCl 2 F 2 + 6 HCl 1 4 2 1 6 4 0,001290 (lasketaan) 0,001290 (käytettävissä) m(cl 2 ) = n(cl 2 ) M(Cl 2 ) = 4 0,001290 (2 35,45 /) = 0,36590 0,366 34
36. Rikkihappo on maailman eniten valmistettu teollisuuskemikaali. Hapon valmistus perustuu reaktiosarjaan, jossa rikki hapetetaan ensin rikkidioksidiksi ja edelleen vanadiinioksidin (V 2 5 ) läsnä ollessa rikkitrioksidiksi. Kun rikkitrioksidi reaoi veden kanssa, saadaan rikkihappoa. a) Laadi prosessissa tapahtuvien reaktioiden yhtälöt. b) Miten rikin hapetusaste muuttuu reaktioiden aikana ja mikä merkitys vanadiinioksidin käytöllä on? c) Kuinka monta tonnia rikkihappoa voidaan enintään valmistaa, kun lähtöaineena on 2,5 tonnia rikkiä? Kuinka paljon happea tällöin kuluu? d) Suurin osa tuotetusta rikkihaposta kuluu fosforilannotteiden valmistamiseen. Tällöin niukkaliukoinen kalsiumfosfaatti muutetaan rikkihapon avulla paremmin liukenevaksi kalsiumvetysulfaatiksi. Esitä myös tämä reaktioyhtälö. (yo k2002) a) S(s) + 2 () S 2 () 2 S 2 () + 2 () V 2 5 2 S 3 () S 3 () + H 2 (l) H 2 S 4 (aq) b) Rikin hapetusluku muuttuu seuraavasti: 0 +IV +VI S S 2 S 3 Kiinteä vanadiinioksidi toimii katalyyttinä ja nopeuttaa rikkidioksidin hapettumista rikkidioksidiksi. c) Tasapainotetaan reaktioyhtälöt. 2 S(s) + 2 2 () 2 S 2 () V 2 S 2 () + 2 () 2 5 2 S 3 () 2 S 3 () + 2 H 2 (l) 2 H 2 S 4 (aq) Reaktioyhtälöistä nähdään, että n(h 2 S 4 ) = n(s). Rikkihapon massa on m(h 2 S 4 ) = (2,5 10 3 k 98,1 /)/32,1 / = 7,640 10 3 k = 7,6 10 3 k Reaktioyhtälöiden perusteella n( 2 )/n(s) = 3/2, josta n( 2 ) = (3/2) n(s) n( 2 ) = 1½ n(s) m( 2 ) = n( 2 ) M( 2 ) = (3/2) [M(S)/M(S)] M( 2 ) m( 2 ) = 3/2 [2,5 10 3 k/32,07 / ] (2 16,00 /) = 3,7 10 3 k. d) Ca 3 (P 4 ) 2 + 2 H 2 S 4 Ca(H 2 P 4 ) 2 + 2 CaS 4 35
37. Rakenteeltaan metaania vastaavaa piiyhdistettä, silaania, SiH 4, valmistetaan teollisesti seuraavasti: Si(s) + HCl() HSiCl 3 (l) + H 2 () HSiCl 3 (l) SiH 4 () + SiCl 4 (l) a) Tasapainota reaktioyhtälöt. (2 p) b) Kuinka monta kilorammaa silaania voidaan enintään saada, kun lähtöaineena on 1,5 k piitä? Vetykloridia on käytössä ylimäärin. (Y syksy 2007) a) Si(s) + 3 HCl() HSiCl 3 (l) + H 2 () 4 4 HSiCl 3 (l) SiH 4 () + 3 SiCl 4 (l) Lasketaan reaktiot puolittain yhteen. Kokonaisreaktio on 4 Si(s) + 12 HCl() SiH 4 () + 3 SiCl 4 (l) + 4 H 2 () b) Lasketaan piin ainemäärä. m 1500 n(si) = = = 53,39... M 28,09 Reaktioyhtälön kertoimista päätellään, että 1 1 n(sih 4) = n(si) = 53,39... = 13,34... 4 4 m(sih 4 ) = n M = 13,34 (28,09 + 4 16,00) = 428,8 0,43 k 38. Tekstiilien valkaisuun myytävä valmiste sisältää tehoaineena vetyperoksidia H 2 2. Valmisteen vetyperoksidipitoisuus määritettiin epäsuoralla jodometrisellä menetelmällä. Happamaan vetyperoksidivalmisteeseen lisätään aluksi kaliumjodidia KI, josta vapautuva jodidi-ioni I reaoi jodiksi I 2 : H 2 2 (aq) + 2 H + (aq) + 2 I (aq) I 2 (aq) + 2 H 2 (l) Syntynyt jodi I 2 reaoi edelleen ylimääräisen jodidi-ionin I kanssa: I 2 (aq) + I (aq) I 3 (aq) Syntynyt trijodidi-ioni I 3 titrataan natriumtiosulfaattiliuoksella Na 2 S 2 3 : I 3 (aq) + 2 S 2 3 2 (aq) 3 I (aq) + S 4 6 2 (aq). 10 cm 3 valmistetta laimennettiin määritystä varten mittapullossa vedellä 1 dm 3 :ksi. 25 cm 3 tätä laimennosta kulutti titrauksessa 35,6 cm 3 0,15 /dm 3 natriumtiosulfaattiliuosta Na 2 S 2 3. Kuinka monta massaprosenttia vetyperoksidia oli alkuperäisessä valmisteessa? Valmisteen tiheydeksi myyjä ilmoittaa 1130 /dm 3. Tulos lasketaan määrityksestä eli laskussa edetään titraustuloksesta alkuperäistä näytettä kohti. Lasketaan aluksi 25 cm 3 :n osanäytteen titraukseen kuluneen tiosulfaatin ainemäärä. 2 2 2 3 3 n( S2 3 ) = c( S23 ) V ( S23 ) = 0,15 35,6 10 dm = 0,00534 3 dm Reaktioyhtälöistä 1-3 päätellään, että: 1) H 2 2 (aq) + 2 H + (aq) + 2 I (aq) I 2 (aq) + 2 H 2 (l) 2) I 2 (aq) + I (aq) I 3 (aq) 3) I 3 (aq) + 2 S 2 2 3 (aq) 3 I (aq) + S 4 2 6 (aq) 36