Kemian koe, KE3 Reaktiot ja eneria RATKAISUT Sievin ukio Maanantai 9.1.2017 VASTAA YHTEENSÄ VIITEEN TEHTÄVÄÄN 1. A. Seitä käsitteet ja määritemät (yhyesti), isää tarvittaessa kemiainen merkintätapa: a) Substituutioreaktio b) Hydraus c) Aktivoitumiseneria d) Sidoseneria a) Substituutioreaktio: Kun ekyyin yksittäinen atomi tai atomiryhmä korvautuu toisea atomia tai atomiryhmää, puhutaan substituutio-, ei korvautumisreaktiosta. Substituutioreaktiossa atomi tai funktionaainen ryhmä vaihtuu. b) Hydraus ei vedytys on vedyn iittymistä kaksois- tai komoissidokseen (oraaninen reaktio). c) Aktivoitumiseneria E A on pienin eneria, joka reaktion ähtöaineia on otava, jotta reaktio voi tapahtua. Eneriakaaviossa E A on siirtymätian enerian ja ähtöaineiden enerian erotus (ei siirtymätian muodostumiseen tarvittavaa eneriaa kutsutaan aktivoitumiseneriaksi). Aktivoitumisenerian suuruus on kuekin reaktioe tyypiinen ja aina positiivinen. d) Sidoseneria on sidoksen ujuuden mitta. Mitä suurempi sidoseneria on, sitä vahvempi sidos on. Sidoseneria imoittaa, kuinka pajon eneriaa tarvitaan katkaisemaan yksi mooi sidoksia. Yksikkö on siis kj/. B. Trinitrotoueeni (TNT) on eräs tavaisimpia räjähdysaineita. Räjähtäessään se hajoaa hiiimonoksidiksi, vedyksi, typeksi ja hiieksi: a) Määritä reaktioyhtäön kertoimet. C 7 H 5 N 3 O 6 (s) CO() + H 2 () + N 2 () + C(s) b) Kuinka monta rammaa TNT:tä räjähti, kun kaasumaisia tuotteita muodostui 3, 76 itraa (NTP)? a) Huomaa, että hiitä on kahdessa eri tuotteessa. Aoitetaan hapesta (ei väiä mistä aoittaa) C 7 H 5 N 3 O 6 (s) 6 CO() + H 2 () + N 2 () + C(s), C 7 H 5 N 3 O 6 (s) 6 CO() + H 2 () + N 2 () + 1 C(s), C 7 H 5 N 3 O 6 (s) 6 CO() + 2,5 H 2 () + 1,5 N 2 () + 1 C(s), Ei puoikkaita, joten kerrotaan kahdea O on OK O, C on OK O, C, N, H on OK 2 C 7 H 5 N 3 O 6 (s) 12 CO() + 5 H 2 () + 3 N 2 () + 2 C(s), O, C, N, H on OK b) Jos kahdesta mooista TNT:tä syntyy kaasuja yhteensä 20 mooia, niin täöin yhdestä mooista tuee 10 mooia kaasuja. Siis n(tnt) n(kaasut) = 1 10. Koska NTP-oosuhteet, niin kaasujen yhteinen ainemäärä on
Näin oen n(kaasut) = V 3,76 dm3 = V m 22,41 = 0,167 78. dm 3 n(tnt) = 1 0,167 78 = 0,016 778 10 m(tnt) = n M = 0,016 778 227,15 = 3,811 3,81. 2. Kirjoita yhdisteiden A-F rakennekaavat. additioreaktiot happo-emäsreaktio Markovnikov Esterikondensaatio, katayyttinä väkevä rikkihappo Amidikondensaatio. Hyväksytään myös ns. tupa-amidi, ei muodostuva renasrakenne
3. Hekseenin paamisreaktio (tasapainottamaton) on C 6 H 12 () + O 2 () CO 2 () + H 2 O() a) Tasapainota reaktioyhtäö ja aske kuinka suuri ainemäärä happea kuuu, kun 1, 45 hekseeniä paaa? b) Tiiviiseen astiaan sujettiin 7, 81 mooia happea ja 1, 56 mooia hekseeniä. Seos sytytettiin. Mitä aineita ja kuinka monta mooia seoksessa oi reaktion jäkeen? c) Kun 100 rammaa hekseeniä potettiin (happea yimäärin), syntyneen hiiidioksidin massaksi mitattiin 296 rammaa. Kuinka monta prosenttia tämä oi teoreettisesta arvosta? a) Ensin hiiet sitten vedyt ja happi opuksi (oraaninen hiiivety-yhdiste paaa) C 6 H 12 () + O 2 () 6 CO 2 () + H 2 O(), C 6 H 12 () + O 2 () 6 CO 2 () + 6 H 2 O(), C 6 H 12 () + 9 O 2 () 6 CO 2 () + 6 H 2 O(), C OK C, H OK C, H, O OK Siis Tasapainotetusta reaktioyhtäöstä saadaan C 6 H 12 () + 9 O 2 () 6 CO 2 () + 6 H 2 O(). n(o 2 ) n(c 6 H 12 ) = 9 1 n(o 2 ) = 9 n(c 6 H 12 ) = 9 1,45 = 13,05. b) Lasketaan kumpi oppuu ensin ei rajoittava tekijä. reaktioyhtäöstä käytössä oeva n(o 2 ) n(c 6 H 12 ) = 9 1 = 9 n(o 2 ) n(c 6 H 12 ) = 7,81 1,56 < 9 Joten happi oppuu ensin ja rajoittava tekijä. Reaktioastiassa on siis oppu hekseenistä ja hiiidioksidia sekä happea. Ainemäärät n(c 6 H 12, jäjeä) = 1,56 1 7,81 = 0,692, 9 c) Lasketaan teoreettinen saanto. n(co 2 ) = n(h 2 O) = 6 7,81 = 5,206. 9 n(c 6 H 12 ) = m M = 100 84,516 = 1,188, Näin oen n(co 2 ) = 6 1,188 = 7,129 m(co 2 ) = 7,129 44,01 = 313,774. m(co 2, punn. ) m(co 2, teor. ) = 296 313,774 = 0,943. Saantoprosentti on siis noin 94 %.
4. Linoihappo (C 18 H 32 O 2 ) on omea-6-rasvahappo ja ihmisee vättämätön monityydyttymätön rasvahappo. Se on hyvä enerianähde. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtäö inoihapon paamisee. Vesi esiintyy reaktioyhtäössä nestemäisenä. b) Laske reaktioentapia, kun H f (C 18 H 32 O 2 ) = 674, 0 c) Laske ämpöeneria, kun 1, 00 inoihappoa paaa. a) Saadaan kj. C 18 H 32 O 2 () + O 2 () 18 CO 2 () + H 2 O(), C 18 H 32 O 2 () + O 2 () 18 CO 2 () + 16 H 2 O(), C 18 H 32 O 2 () + 25 O 2 () 18 CO 2 () + 16 H 2 O(), C OK C, H OK C, H, O OK Siis b) Hyödynnetään askukaavaa C 18 H 32 O 2 () + 25 O 2 () 18 CO 2 () + 16 H 2 O(). o H reaktio = n H f o (reaktiotuotteet, oomuoto) n H f o (ähtöaineet, oomuoto) Siis o H reaktio = [18 ( 393,5 [1 ( 674,0 kj ) + 16 ( 285,8 kj )] kj ) + 25 0 kj ] o H reaktio = [ 7 083kJ 4 572,8 kj] [ 674 kj] = 10 981,8 kj 11 MJ. c) Edeisessä kohdassa on määritetty yhden mooin ämpöeneria, joten asketaan ensin kuinka monta mooia on yksi ramma inoihappoa. m(c 18 H 32 O 2 ) = 1,00 n(c 18 H 32 O 2 ) = 1,00 280,436 = 0,003 565 E(1,00 inoihappo) = 0,003 565 10 981,8 kj = 39,159 kj 39 000 J. 5. a) Vety- ja happikaasu reaoivat seuraavasti: 2 H 2 () + O 2 () 2 H 2 O(), H = 572 kj Laske entapiamuutos, kun 120 m vetykaasua ja 150 m happikaasua saatetaan reaoimaan keskenään (NTP) oosuhteissa. b) Astiassa oevan kaasun massa oi 0, 467 rammaa. Samankokoisessa astiassa oevan hapen massa oi 0, 533 rammaa. Laske tuntemattoman kaasun mooimassa, kun emmat kaasut oivat normaaitiassa. Mikä kaasu voisi oa kyseessä?
a) Entapiamuutos H = 572 kj on annettu kyseisee reaktioe, jossa siis muodostuu 2 mooia vettä. Annetuista ähtöaineiden määristä ratkaistaan ensin rajoittava tekijä ja sen jäkeen muodostuva veden ainemäärä. Lopuksi määritetään entapiamuutos saadue veden ainemääräe. Ainemäärät (NTP-oosuheet): Reaktioyhtäön perusteea mutta askettujen ainemäärien perusteea n(h 2 ) = V(H 2 ) = 0,12 V m 22,41 n(o 2 ) = V(O 2 ) = 0,15 V m 22,41 n(h 2 ) n(o 2 ) = n(h 2 ) n(o 2 ) = 2 1 = 2, 0,12 22,41 0,15 22,41 = 0,00535475 = 0,00669344 = 0,12 0,15 = 0,80. Näin oen vety on reaktion rajoittava tekijä ja oppuu ensin. Muodostuvan veden ainemäärä määritetään vedyn ainemäärän kautta: Entapiamuutokseksi saadaan n(h 2 O) n(h 2 ) = 1 1 = 1 H = 0,00535475 n(h 2O) = n(h 2 ) = 0,00535475. 572 kj 2,0 = 1,531459 1,53 kj. b) Koska kaasujen tiavuudet ja ukoiset oot (NTP) ovat samat, ovat myös kaasujen ainemäärät samat, ei n(o 2 ) = n(x). Toisin sanoen, koska n = m M, niin m(o 2 ) M(O 2 ) = m(x) M(X) M(X) = m(x) M(O 2 ) m(o 2 ) 28,0. Mahdoinen kaasu voisi oa joko typpikaasu (2 14,01 = 28,02 (16,00 12,01 = 28,01 ). = 0,467 32,00 = 28,037 0,533 ) tai häkä ei hiiimonoksidi 6. a) Minkäaisia enerianmuutoksia tapahtuu, kun kemiainen sidos muodostuu ja hajoaa? b) Monokoorimetaania CH 3 C käytetään siikonien vamistuksessa. Monokoorimetaania vamistetaan metaanin ja koorin väiseä substituutioreaktioa CH 4 () + C 2 () CH 3 C() + HC().
Laske sidosenerioiden avua kyseisen reaktion reaktioentapia. Onko reaktio ekso- vai endoterminen? a) Kun kemiainen sidos katkeaa, eneriaa sitoutuu. Vastaavasti sama eneriamäärä vapautuu sidoksen muodostuessa. b) Katkeavat sidokset: nejä C H -sidosta ja yksi C C -sidos. Muodostuvat sidokset: yksi C C -sidos ja yksi H C -sidos ja kome C H -sidosta. Eneriaa sitoutuu: 4 412 kj/ + 242 kj/ = 1 890 kj/ Eneriaa vapautuu: 338 kj/ + 431 kj/ + 3 412 kj/mo = 2 005 kj/ Näiden erotus on 115 kj/ (vapautuu), joten reaktio on eksoterminen. Reaktiossa muodostuu yksi mooi koorimetaania, joten reaktioentapia H = 115 kj/. 7. Kaasupottimessa on propaanin ja butaanin seosta 250. Kun säiiö potettiin tyhjäksi, vapautui 755 hiiidioksidia. Laske propaani- ja butaanikaasujen massaprosenttinen osuus nestekaasussa. Kyseessä on rinnakkaisreaktiotapahtuma. Tasapainotetut reaktioyhtäöt ovat C 3 H 8 () + 5 O 2 () 3 CO 2 () + 4 H 2 O() 2 C 4 H 10 () + 13 O 2 () 8 CO 2 () + 10 H 2 O() Määritetään hiiidioksidin ainemäärä kahdea eri tavaa ja ratkaistaan massaprosentit. Sitä varten merkitään propaanin massaa x:ä ja butaanin y:ä. Koska yhteismassa on 250, niin Vastaavasti ainemäärät: m(c 3 H 8 ) = x ja m(c 4 H 10 ) = y = 250 x. x n(c 3 H 8 ) = 44,094, n(c 4 H 10 ) = y = 250 x Reaktioyhtäöistä havaitaan, että yhtä propaanimooia kohti syntyy 3 mooia hiiidioksidia ja yhtä butaanimooia kohti 8 mooia hiiidioksidia, ei Yhteensä: n(co 2, yempi yhtäö) = 3 n(c 3 H 8 ) n(co 2, aempi yhtäö) = 4 n(c 4 H 10 ) n(co 2 ) = 3 n(c 3 H 8 ) + 4 n(c 4 H 10 ) x = 3 44,094 + 4 250 x Toisaata hiiidioksidin ainemäärä voidaan määrittää suoraan massan ja mooimassan avua, siis Yhdistetään tiedot, saadaan yhtäö n(co 2 ) = m M = 755 = 17,155. 44,01 n(co 2 ) = n(co 2 ).
x 3 44,094 + 4 Näin oen massaprosenttiset osuudet ovat: m %(C 3 H 8 ) = askin 250 x = 755 44,01 x = 64,309 017 64,309 017 100 % = 0,257 236 % 26 %, 250 m %(C 4 H 10 ) = 1 m %(C 3 H 8 ) 1 0,257 % = 0,742 763 % 74 %.