1 JOENSUUN YLIOPISTO Kemian valintakoe/30.5. 2007 Mallivastaukset 1. Kuinka monta grammaa lyijyjodidia liukenee 0,5 litraan vettä? K s (PbI 2 ) = 8,7 x 10 9 (/l) 3, M(PbI 2 ) = 461,01 g/. K s = [Pb 2+ ][I ] 2 merkitään x = [PbI 2 ] = [Pb 2+ ] ja 2x = [I ] Sijoitetaan liukoisuustulon lausekkeeseen, K s = [Pb 2+ ][I ] 2 = x * (2x) 2 = 4x 3 = 8,7 x 10 9 (/l) 3 x 3 = 2,175 x 10 9 (/l) 3 x = 0,001295646 /l Puoleen litraan liukenee siis n = cv = 0,001295646 /l * 0,5 l = 0,000647823 Edelleen m = nm = 0,000647823 * 461,01 g/ = 0,2986529 g Lyijyjodidia liukenee 0,3 g. 2. Analyysinäytteessä olevien jodidi-ionien määrä saadaan selville permanganometrisella jodidititrauksella, joka tapahtuu seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti: MnO 4 (aq) + I (aq) + H + (aq) øùõ Mn 2+ (aq) + I 2 (aq) + H 2 O (aq) a) Määritä reaktioyhtälön kertoimet ja esitä mitkä aineet hapettuvat ja mitkä pelkistyvät reaktiossa. Laita näkyviin myös hapetuslukujen muutokset. b) Kun analysoitava kaliumjodidia sisältävä näyte titrattiin kaliumpermanganaattiliuoksella, niin permanganaattiliuosta kului 8,25 ml. Kuinka monta milligrammaa näytteessä oli kaliumjodidia? c(kmno 4 ) = 0,005 /l, M(KI) = 166,00 g/ a) Reaktioyhtälö 2 MnO 4 (aq) + 10 I (aq) + 16 H + (aq) øùõ 2 Mn 2+ (aq) + 5 I 2 (aq) + 8 H 2 O (aq) I - hapettuu I 2 :ksi, hapetusluku muuttuu I 0. MnO 4 - :n Mn 7+ pelkistyy Mn 2+ :ksi, hapetusluku muuttuu +VII +II b) n(kmno 4 ) = cv = 0,005 /l * 0,00825 l = 0,00004125 Reaktioyhtälön mukaan n(ki) = (10/2) * n(kmno 4 ) = 5 * 0,00004125 = 0,00020625 m(ki) = nm = 0,00020625 * 166,00 g/ = 0,0342375 g Näytteessä oli kaliumjodidia 34,2 mg.
2 3. Etikkahaposta valmistettiin liuos, jossa on 2,0 moolia etikkahappoa liuotettuna veteen (V = 1,0 l). Mikä on liuoksen poh? Etikkahappo on heikko yksiarvoinen happo, jonka happovakio K a = 1,76 x 10 5 /l (t = 25 C). Etikkahapon protolyysireaktio, CH 3 COOH + H 2 O øùõ CH 3 COO + H 3 O + Reaktioyhtälön mukaan tasapainossa, [CH 3 COO ] = [H 3 O + ] ja [CH 3 COOH] = c alku [CH 3 COO ] Happovakion lauseke, K a = [CH 3 COO ][H 3 O + ]/[CH 3 COOH] Sijoitetaan [CH 3 COO ] ja [CH 3 COOH] happovakion lausekkeeseen K a = [H 3 O + ] 2 / (c alku [CH 3 COO ]) = [H 3 O + ] 2 / (2,0 /l [H 3 O + ]) [H 3 O + ] 2 = (K a @2,0) /l K a @[H 3 O + ] [H 3 O + ] 2 + K a @[H 3 O + ] (K a @2,0) /l = 0 2. asteen yhtälön ratkaisu: [H 3 O + ] = 5,9212 x 10 3 /l (ok!!) tai -5,9388 x 10 3 /l (ei käy!!) Eli [H 3 O + ] = 5,9212 x 10 3 /l ph = log[h 3 O + ] = 2,2276 Edelleen ph + poh = 14 poh = 14 ph = 14 2,2276 = 11,7724 Liuoksen poh = 11,8. 4. Suljetussa astiassa on 410 mg jalokaasua. Kaasun tilavuus on 250 ml, paine 1,0 bar ja lämpötila 20 C. Mitä kaasua astia sisältää? R = 0,08315 bar A dm 3 A -1 A K -1. Yhdistämällä kaavat, pv = nrt ja M = m/n saadaan, M = m R T pv Sijoitetaan lähtöarvot, 3 bar dm 0,410g 0,08315 293K M = K = 39, 96 g 3 1,0bar 0,250dm Kyseessä on argon.
3 5. Galvaaninen pari esitetään Zn(s) Zn 2+ (aq) Ag + (aq) Ag(s). Kirjoita puolireaktiot ja kokonaisreaktio. Nimeä hapettuminen ja pelkistyminen sekä anodi ja katodi. Vasemmalla anodi hapettumisreaktio: Zn(s) Zn 2+ (aq) +2e - Oikealla katodi pelkistyminen: Kokonaisreaktio summana 2 Ag + (aq) + 2e - 2Ag(s) Zn(s)+2Ag + (aq) Zn 2+ (aq)+2ag(s) 6. Vesilitran kuumentamiseen huoneen lämpötilasta kiehuvaksi tarvitaan 350 kj energiaa. Retkikeittimen kaasuna on propaania (C 3 H 8 ). Kuinka monta grammaa propaania täytyy polttaa, jotta vesi saadaan kuumennettua kiehumispisteeseen? Propaanin palamisentalpia on -2220 kj/. Moolimassoja, C 12,01 g/, H 1,01g/. Yhden propaanimoolin palaminen tuottaa energiaa 2220 kj, joten 350 kj suuruisen energian tuottamiseen tarvitaan propaania,. 350 2220 kj kj = 0,1577 m( propaani ) = n( propaani ) M ( propaani ) = 0,1577 44,11 = 6,95g 7g g 7. Selitä lyhyesti (korkeintaan 2 riviä), a) diffuusio b) elektronegatiivisuus c) emulsio d) sublimoituminen e) radikaali. a) Diffuusio on lämpöliikkeestä aiheutuvaa aineiden sekoittumista. b) Elektronegatiivisuus mittaa atomin kykyä vetää sidoselektroneja puoleensa kemiallisessa yhdisteessä. c) Emulsio on kahden toisiinsa liukenemattoman nesteen seos. d) Sublimoitumisessa aine muuttuu kiinteästä suoraan kaasumaiseksi. e) Radikaali on atomi tai atomiryhmä, jolla on pariton elektroni.
4 8. a) Mitä tarkoitetaan reaktion mekanismilla? (2 p) b) Kirjoita reaktioyhtälö ja mekanismi propaanin reagoidessa bromin kanssa UV-valon katalysoimana. (8 p) a) Reaktion mekanismi selittää yksityiskohtaisesti ne vaiheet, joiden kautta reaktio kulkee lähtöaineista tuotteeksi. Erityisesti orgaaniset reaktiot ovat monivaiheisia. b) Reaktioyhtälö CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 UV-valo CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr Reaktiomekanismi Kyseessä on radikaalisubstituutioreaktio, joka tapahtuu ketjureaktiona. a) Herätevaihe eli ketjun alkaminen Tehtävänä on tuottaa reaktioseokseen tarvittavat radikaalit. Br-Br UV-valo 2 Br b) Etenemisvaihe Etenemisvaihe tuottaa halutun tuotteen. Br CH 3 -CH 2 -CH 3 CH 3 -CH-CH 3 + HBr CH 3 -CH-CH 3 + Br-Br CH 3 -CHBr-CH 3 + Br c) Päättymisvaihe eli terminaatio Hävittää radikaalin. 2 Br Br 2 CH 3 -CH-CH 3 + Br CH 3 -CHBr-CH 3 CH 3 CH CH 3 2 CH 3 -CH-CH 3 CH 3 CH CH 3
5 9. Alkaanien avaruusrakenne ja sidokset. Miten avaruusrakenne määräytyy? Alkaaneilla on tetraedrinen avaruusrakenne, jossa hiili on keskellä ja siihen liittyvät atomit suuntautuvat tetraedrin kärkiin. Kaikki sidoskulmat jännityksettömässä rakenteessa ovat 109,5 o. Kaikki alkaanien sidokset ovat ns. F-sidoksia, jotka muodostuvat kahden atomiorbitaalin yhdistyessä ekyyliorbitaaliksi pitkin ytimiä yhdistävää akselia. F-sidos on symmetrinen ytimiä yhdistävän akselin suhteen, joten se ei aseta estettä sidokseen liittyvien ryhmien kiertymiselle sidoksen ympäri. Ominaisuus mahdollistaa alkaaneille joustavan rakenteen, joka pystyy ulkoisen paineen vaikutuksesta hakeutumaan energeettisesti edullisimpaan avaruusrakenteeseen eli konformaatioon. Alkaanien avaruusrakenteen määrää hiilen ns. sp 3 -hybridisaatio, joka määrää atomiorbitaalien keskinäisen avaruusrakenteen. sp 3 -hybridisaatiossa ajatellaan yhden hiilen 2s-elektronin hetkellisesti nousevan vapaalle 2p-orbitaalille. Hybridisaatioon osallisuu yksi 2s- ja kolme 2p-orbitaalia, jolloin muodostuu neljä identtistä sp 3 - hybridiorbitaalia. Hundin säännön mukaisesti elektronit asettuvat orbitaaleille yksi kullekin. Energiaminimissään hybridiorbitaalit asettuvat mahdollisimman kauaksi toisistaan, mistä muodostuu hiilen ympäristön tetraedrinen rakenne ja orbitaalien väliset kulmat 109 o. Maksimipeittymän periaatteen mukaisesti sidoksia muodostettaessa suurin elektronitiheys ja näin alin energia saavutetaan sidoksen muodostuessa ytimiä yhdistävän akselin suuntaan. Näin hiilen atomiorbitaalien suuntautuminen määrää myös avaruusrakeneen alkaaniekyylissä. 10. a) Selitä kiehumispisteiden järjestys seuraavilla yhdisteillä? MP KP 1-propanoli 62 g/ 97 o C MP = ekyylimassa n-pentaani 72 36 o C KP = kiehumispiste neopentaani 72 10 o C (2,2-dimetyylipropaani) b) Mitä arvelet kohdan a) yhdisteiden liukoisuudesta veteen?. Perustele vastauksesi. a) Kiehumispiste riippuu ekyylienvälisistä keskimääräisistä vuorovaikutuksista liuoksessa. Mitä lujemmin sekundaarisin sidoksin ekyyli on nesteessä sitoutunut ympäristöönsä, sitä enemmän energiaa tarvitaan sen siirtämiseen kaasufaasiin eli sitä korkeampi sen on kiehumispiste. Pentaanin vuorovaikutukset ovat heikkoja van der Waalsin dispersiovoimia, < 5 kj//kontakti. 1-Propanolin hiilivetyosan vuorovaikutukset ovat samanlaisia kuin pentaanissa, mutta funktionaalinen ryhmä muodostaa kertaluokkaa voimakkaampia vetysiltoja naapuriekyyleihin, 12-40 kj/. Vetysiltojen tuoman vuorovaikutusten lisäenergian vuoksi 1-propanolilla on korkeampi kiehumispiste kuin n-pentaanilla. n-pentaani on lineaarinen ekyyli ja neopentaani pallomainen ekyyli. Lineaariset ekyylit voivat järjestäytyä lioksessa toistensa suhteen niin, että niiden välillä on keskimäärin useampia kontaktipisteitä kuin pallomaisella ekyylillä. Vuorovaikutusten summa ratkaisee sitoutumisen kokonaisenergian ja kiehumispisteen. Näin lineaarisella ekyylillä on korkeampi kiehumispiste kuin pallomaisella ekyylillä. b) Veden alirakenne nestefaasissa muodostuu voimakkaiden vetysiltojen kautta. Propanoli pystyy osallistumaan funktionaalisen ryhmän vetysiltojen kautta veden alirakenteeseen ja liukenee kaikissa suhteissa veteen. Alkoholien liukoisuus veteen pienenee hiiliketjun kasvaessa. Alkaanien vuorovaikutukset naapuriekyyleihin ovat heikkoja van der Waalsin dispersiovoimia. Alkaanit eivät kykene tunkeutumaan veden alirakenteeseen, eivätkä näin liukene veteen.