1 Helsingin, Jyväskylän ja Oulun yliopistojen kemian valintakoe Keskiviikkona 12.6. 2013 klo 10-13 Yleiset ohjeet 1. Tarkasta, että tehtäväpaperinipussa ovat kaikki sivut 1-13 2. Kirjoita nimesi ja syntymäaikasi kaikkiin sivuille 1 ja 3-13 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. Tarvittavat luonnonvakiot ovat koepaperin sivulla 1 ja jaksollinen järjestelmä on sivulla 2. 6. Kokeesta saa poistua aikaisintaan klo 11. 7. Kun lähdet, jätä kaikki tehtäväpaperisi valvojalle, joka tarkastaa samalla henkilöllisyytesi. 8. Mikäli tarvitset todistuksen kokeeseen osallistumisesta, pyydä sitä kokeen valvojalta. Avogadron vakio N A = 6,022 10 23 mol -1 Yleinen kaasuvakio R = 8,314 J mol -1 K -1 = 0,08314 bar dm -3 mol -1 K -1 Normaaliolosuhteet (NTP): Normaalilämpötila T 0 = 273,15 K = 0 ºC Normaalipaine p 0 = 101,3 kpa = 1,013 bar Tehtävä 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Pisteet yhteensä Pisteet
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 2 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) *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. (10 p) Ovatko väittämät oikein vai väärin? Väärin valitusta vaihtoehdosta vähennetään 1,0 p. Väittämä Oikein Väärin Kemiallinen reaktio on tasapainossa vain kun lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatiot ovat yhtä suuret. Alkuaineen eri isotoopeilla on eri järjestysluku Z. Rajoittava reagenssi on aina lähtöaine, jonka ainemäärä on pienin. Amfoteerinen oksidi voi reagoida sekä happona että emäksenä. O 2 - ja O 3 -molekyylit ovat hapen allotrooppisia muotoja. 2-hydroksipropaanihappomolekyyli on kiraalinen. Kuusiatominen aromaattinen rengas on vallitsevasti tuolikonformaatiossa. Proteiinien polypeptideissä rakenneyksiköt sitoutuvat toisiinsa peptidisidoksin, jotka ovat kemiallisesti samanlaisia kuin keinokuitujen raaka-aineena käytettyjen polyamidien rakenneyksikköjä sitovat amidiryhmät. Kun yhteen litraan puhdasta vettä liuotetaan yhtä suuret ainemäärät fenolia ja etanolia, etanoli vaikuttaa liuoksen happamuuteen enemmän kuin fenoli. Aminohapoissa on sekä emäksisiä että happamia funktionaalisia ryhmiä.
4 Tehtävä 2. (6 p.) Alkuaineen E perustilan elektronikonfiguraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4. Vastaa ja perustele: a) Kuinka monta ulkoelektronia (valenssielektronia) E:llä on? b) Kuuluuko E jaksollisen järjestelmän s-, p- vai d-lohkoon? c) Mihin ryhmään E kuuluu? d) Esiintykö E mieluummin yksiatomisena kationina vai anionina? Kirjoita sen kaava. e) Onko E metalli, puolimetalli vai epämetalli? f) Kirjoita perustilan elektronikonfiguraatio alkuaineelle, joka on jaksollisessa järjestelmässä E:n yläpuolella samassa ryhmässä.
5 Tehtävä 3. Lewis-rakenteet. (5 p) Lewis-rakenteen laadinta sujuu seuraavan kaavan mukaan: 1. Laadi runko (atomit järjestykseen). 2. Katso jaksollisesta järjestelmästä jokaisen atomin valenssielektronien lukumäärä (esim. hiilellä neljä, fosforilla viisi ja ksenonilla kahdeksan) ja laske koko rakenteen valenssielektronien kokonaismäärä n v. 3. Liitä atomit keskusatomiin yksinkertaisin sidoksin (pidä lukua valenssielektronien kokonaismäärästä). 4. Täytä oktetit reunoilta alkaen vapailla elektronipareilla. 5. Jos elektroneja riittää, täytä myös keskusatomin oktetti. Mikäli keskusatomi kuuluu vähintään kolmanteen jaksoon, oktetti ylitetään, jos muodolliset varaukset sitä edellyttävät. (Kohta 7.) 6. Jos oktetit eivät täyty, jaa elektroneja muodostaen kaksois- ja tarvittaessa kolmoissidoksia 7. Tarkasta jokaisen atomin muodollinen varaus seuraavasti: Katso jaksollisesta järjestelmästä tarkasteltavan atomin valenssielektronien lukumäärä (esim. hiilellä neljä, fosforilla viisi ja ksenonilla kahdeksan). Vähennä tästä luvusta piirtämäsi atomin vapaat elektronit ja puolet sidoksiin jaetuista elektroneista. Parhaalla Lewis-rakenteella muodolliset varaukset ovat usein nollia, tosin ensimmäisen ja toisen jakson alkuaineilla oktettissääntö rajoittaa usein muodollisten varausten minimoimista. Oheisessa kuvassa on eräitä ksenontetraoksidin Lewis-rakenteita muodollisine varauksineen. Paras Lewis-rakenne on kuvassa vasemmalla. n v = 8 + 4 x 6 = 32
6 Tehtävä 3 jatkuu Laadi muodollisia varauksia hyödyntäen parhaat Lewis-rakenteet seuraaville molekyyleille. Keskusatomi, johon kaikki muut atomit liittyvät, on merkitty lihavoidulla symbolilla. a. OF 2 b. PF 3 c. NOF 3 d. XeOF 2 e. N 2
7 Tehtävä 4. (5 p) Puskuriliuos voidaan valmistaa käyttäen sopivaa määrää heikkoa happoa ja hapon konjugaattiemästä. Konjugaattiemäs voidaan tehdä in situ (paikalla, reaktioastiassa) myös siten, että heikkoa happoa lisätään tarvittavan emäksen verran enemmän ja heikosta haposta tehdään konjugaattiemästä vahvalla emäksellä. Yhtälailla konjugaattihappo voidaan valmistaa siten, että heikkoa emästä lisätään tarvittavan hapon verran enemmän ja heikosta emäksestä tehdään konjugaattihappoa vahvalla hapolla. Pitäen nämä valmistustavat mielessä arvioi kussakin tapauksessa, missä tilavuussuhteessa seuraavia reagensseja on yhdistettävä, jotta saataisiin liuos, jolla on haluttu ph. Käytä oletusta, että etikkahapon pk a on tasan 4,74. Alakohdan oikea valinta tuottaa 1 p, väärä tai useita valintoja samassa alakohdassa on 0 p. a. 2,00 M etikkahappoa ja 1,00 M natriumasetaattia siten että ph on 4,74 1:1 10:11 9:10 1:2 1:3 1:5 1:9 1:10 1:11 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] b. 1,00 M natriumhydroksidia ja 1,00 M etikkahappoa siten että ph on 5,74 1:1 10:11 9:10 1:2 1:3 1:5 1:9 1:10 1:11 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] c. 1,00 M etikkahappoa ja 1,00 M natriumhydroksidia siten että ph on 3,74 1:1 10:11 9:10 1:2 1:3 1:5 1:9 1:10 1:11 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] d. 1,00 M vetykloridia ja 1,00 M natriumasetaattia siten että ph on 5,05 1:1 10:11 9:10 1:2 1:3 1:5 1:9 1:10 1:11 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] e. 1,00 M vetykloridia ja 1,00 M natriumasetaattia siten että ph on 3,74 1:1 10:11 9:10 1:2 1:3 1:5 1:9 1:10 1:11 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
8 Tehtävä 5. (7 p) Eräässä laboratoriossa on sovittu, että liuokset joiden ph on alle 0,5 tai yli 13,5 neutraloidaan ennen viemäriin kaatoa niin, että jäteliuoksen ph-arvo asettuu mainittujen arvojen väliin. Täydennä oheinen taulukko merkitsemällä 1) sarakkeeseen voi kaataa suoraan viemäriin rasti sellaisten liuosten kohdalle, joita ei yllä olevan ohjeen mukaan tarvitse neutraloida ennen viemäriin kaatoa tai 2) sarakkeeseen neutraloitava esim. xxx millilitralla 5 M HCl jokin sopiva tilavuus 5 M HCl millilitroina sellaisten liuosten kohdalle, joita yllä olevan ohjeen mukaan on neutraloitava hapolla ennen viemäriin kaatoa tai 3) sarakkeeseen neutraloitava esim. xxx millilitralla 5 M NaOH jokin sopiva tilavuus 5 M NaOH millilitroina sellaisten liuosten kohdalle, joita yllä olevan ohjeen mukaan on neutraloitava emäksellä ennen viemäriin kaatoa. Kukin tarkasteltava liuos on ymmärrettävä niin, että yhteen astiaan on laitettu sarakkeessa tarkasteltava liuos mainitut määrät mainittuja aineita ja seos saatettu liuokseksi. Mitään muita näkökohtia viemäriin kaadon sopivuuden tai sopimattomuuden osalta ei tarvitse ottaa huomioon. Mitään laskuja ei tarvitse esittää, eikä esitettyjä laskuja arvostella. Jokainen merkintä oikeassa solussa antaa yhden pisteen. Jokaisesta merkinnästä väärässä solussa vähennetään yksi piste. Jokaisesta sopimattomasta tilavuudesta vähennetään puoli pistettä. Jos johonkin soluun on merkitty useita tilavuuksia, vähennetään puoli pistettä, elleivät kaikki tilavuudet ole sopivia. Tarkasteltava liuos 50 ml 0,5 M NaOH 500 ml 10 M NaNO 3 500 ml 10 M NH 3 20 ml 5 M HNO 3 + 60 ml 2 M KOH 50 ml 4 M H 2 SO 4 + 50 ml 4 M NaOH 100 ml 1 M H 2 SO 4 + 5 g CaO 10 g H 2 C 2 O 4 2H 2 O + 500 ml 1 M NaOH Voi kaataa suoraan viemäriin Neutraloitava esim. xxx ml:lla 5 M HCl Neutraloitava esim. xxx ml:lla 5 M NaOH K b (NH 3 ) = 1,8 10-5 K a (H 2 C 2 O 4 ) = 5,9 10-2 K a (HC 2 O 4 - ) = 6,4 10-5
9 Tehtävä 6. (8 p) 4,00 g:n suuruinen näyte kalsiumoksidin CaO ja bariumoksidin BaO seosta tutkittiin sulkemalla näyte 1,00 dm 3 :n suuruiseen suljettuun reaktoriin, jossa oli hiilidioksidikaasua CO 2. Hiilidioksidikaasun paine reaktorissa oli alussa 97,3 kpa ja reaktorin lämpötila 25 C. Kun reaktiot 1) CaO(s) + CO 2 (g) CaCO 3 (s) ja 2) BaO(s) + CO 2 (g) BaCO 3 (s) olivat tapahtuneet täydellisesti mitattiin reaktorin hiilidioksidin paineeksi 20,0 kpa 25 C:n lämpötilassa. a) Laske reagoineen hiilidioksidikaasun ainemäärä. (3 p) b) Kuinka monta massaprosenttia kalsiumoksidia tutkitussa seoksessa oli? (5 p)
10 Tehtävä 7. (6 p) Nailon on polyamidityyppinen tekninen muovi. Nailonia käytetään mm. köysien ja kankaiden materiaalina. Yksi käytetyimmistä polyamideista on nailon-6,6. Sitä muodostuu, kun heksaani-1,6- dihappoa (Lähtöaine 1) kondensoidaan 1,6-diaminoheksaanin (Lähtöaine 2) kanssa. Sivutuotteena syntyy vettä. Esitä lähtöaineiden rakennekaavat sekä nailon-6,6:n toistuva yksikkö.
11 Tehtävä 8. (5 p) Vanilja on sahramin jälkeen toiseksi kallein yleisesti käytetyistä mausteista. Vaniljan luonteenomaisen maun ja tuoksun aiheuttaa pääasiassa vanilliini eli 4-hydroksi-3-metoksibentsaldehydi. Vanilliini hapettuu helposti ilmassa ja toisaalta muodostaa karboksyylihapon R-COOH kanssa esterin. Esitä näissä reaktioissa muodostuvien tuotteiden rakennekaavat.
12 Tehtävä 9. (8 p) Allaolevassa kuvassa on esitetty kokeelliset tulokset kalsiumhydroksidin liukoisuustulon K s lämpötilariippuvuudelle. a) Kirjoita reaktioyhtälö, joka kuvaa kalsiumhydroksidin liukenemista veteen. b) Määritä kuvan perusteella kalsiumhydroksidin liukoisuus (g/l) puhtaaseen veteen 60 C lämpötilassa.
13 Tehtävä 9 jatkuu c) Miten vesiliuoksen ph vaikuttaa kalsiumhydroksidin liukoisuuteen? Perustele. d) Mitä veden lämpötilalle tapahtuu, kun siihen liuotetaan kalsiumhydroksidia? Perustele.