2.9.2009 Kemia 3 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio
2 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Sisältö Yo-kemia K07 t 2... 3 a) Kirjoita palamisreaktion yhtälö. (1 p.)... 3 b) Kuinka monta grammaa hiilidioksidia syntyy, kun 1,55 litraa bensiiniä palaa täydellisesti? (2 p.)... 3 c) Mikä on näin muodostuneen hiilidioksidin tilavuus (NTP)?... 3 d) Kuinka paljon lämpöenergiaa 1,00 litrasta bensiiniä voidaan saada?... 3 Yo-kemia K07 t 5... 4 a) Missä lämpötilassa suolojen liukoisuus on yhtä suuri?... 4 b) Mikä on kaliumnitraatin liukoisuus (mol/l) lämpötilassa 40 C?... 4 c) Perustele, lämpeneekö vai jäähtyykö liuos suolojen liuetessa veteen?... 4 d) Mitä ioneja tai molekyylejä esiintyy ammoniumkloridin kylläisessä vesiliuoksessa?... 4 Yo-kemia S97 t 4... 5 Yo-kemia K99 t 5... 6 Yo-kemia S01 t 3... 7 Yo-kemia S95 t 2... 7 Yo-kemia K96 t 2... 8 Reaktioyhtälöiden tasapainottaminen... 8 Reaktion nopeus... 10 Reaktionopeuden säätely... 10 Katalyysi... 10 Reaktionopeuden merkitys... 11 Reaktionopeus ja reaktion tasapainotila... 11 Hetkelliset dipolit... 13 Pysyviä dipoleja... 13 Pysyvien dipolien väliset vuorovaikutukset... 13
3 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Yo-kemia K07 t 2 Bensiinin palaessa täydellisesti muodostuu hiilidioksidia ja vettä. a) Kirjoita palamisreaktion yhtälö. (1 p.) 2 C8H18 (l) + 25 O2(g) 16 CO2(g) + 18 H2O(g) MAOL: Kertoimet murtolukuna, -1/3 p. Olomuotosymbolit puuttuvat, -1/3 p. b) Kuinka monta grammaa hiilidioksidia syntyy, kun 1,55 litraa bensiiniä palaa täydellisesti? (2 p.) V(C8H18) = 1,55 l = 1550 ml ja ρ(c8h18) = 0,703 g/ml ja M(C8H18) = 114,224 g/mol Lasketaan bensiinin massa: m(c8h18) = ρv = 0,703 g/ml 1550 ml = 1089,65 g ja ainemäärä: n(c8h18) = m(c8h18) : M(C8H18) = 1089,65 g : 114,224 g/mol =9,5396 mol Reaktioyhtälön perusteella hiilidioksidin ainemäärä on: n(co2) = 8 n(c8h18) = 8 9,5396 mol = 76,317 mol M(CO2) = 44,01 g/mol m(co2) = nm = 76,317 mol 44,01 g/mol = 3359 g, pyöristettynä 3360 g c) Mikä on näin muodostuneen hiilidioksidin tilavuus (NTP)? (2 p.) V(CO2) = n(co2)vm = 76,317 mol 22,4 l/mol = 1709,5 l, pyöristettynä 1710 l = 1,71 m 3 d) Kuinka paljon lämpöenergiaa 1,00 litrasta bensiiniä voidaan saada? (2 p.) Lämpöenergiaa vapautuu H = 9,5396 mol 5470 kj mol 1,55 = 33666kJ 33,7 MJ Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = - 5470 kj/mol
4 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Yo-kemia K07 t 5 Oheisessa kuvassa on esitetty kaliumnitraatin ja ammoniumkloridin liukoisuus veteen eri lämpötiloissaolojen. a) Missä lämpötilassa suolojen liukoisuus on yhtä suuri? (1 p.) Lämpötilassa 24 C. b) Mikä on kaliumnitraatin liukoisuus (mol/l) lämpötilassa 40 C? (2 p.) KNO3 liukenee 40 C:ssa 100 grammaan vettä 64 g. M(KNO3) = 101,11 g/mol n(kno 3 ) = m M = 64g 101,11 g = 0,633 mol mol liukoisuus = n V = 0,633 mol 0,100l = 6,3 mol l c) Perustele, lämpeneekö vai jäähtyykö liuos suolojen liuetessa veteen? (1 p.) Liukoisuus kasvaa, kun lämpötila kohoaa, joten liukeneminen on endoterminen reaktio. Chatelierin periaatteen mukaan lämpötilan nousu suosii endotermistä reaktiota. Suolojen liuetessa liuos jäähtyy. d) Mitä ioneja tai molekyylejä esiintyy ammoniumkloridin kylläisessä vesiliuoksessa? (2 p.) Ammoniumkloridin liukenemisessa muodostuu ammonium-ioneja NH4 + ja kloridiioneja, Cl - NH4 + (aq) + H2O(l) NH3(aq) + H3O + (aq) Vesiliuoksessa on tietenkin vesimolekyylejä, H2O ja veden autoprotolyysireaktiossa muodostuneita oksoniumioneja, H3O + ja hydroksidi-ioneja, OH - H2O + H2O H3O + + OH - Liuoksessa on: NH4 +, Cl -, NH3, H3O +, OH - ja H2O.
5 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Yo-kemia S97 t 4 Polttoaineita voidaan verrata toisiinsa erilaisin perustein, esimerkiksi niiden palaessa saatavan energian tai vapautuvien ilmansaasteiden määrän mukaan. Osoita, mikä seuraavista polttoaineista C(grafiitti), H2(g) tai C4H10(g) tuottaa täydellisesti palaessaan polttoainegrammaa kohti a) eniten energiaa, b) eniten hiilidioksidia. c) Miksi hiilidioksidia voidaan pitää ilmansaasteena? Aineiden palamislämmöt ovat ΔH(C, graf.) = 394 kj/mol, ΔH(H2, g) = 286 kj/mol ja ΔH(C4H10, g) = 2 280 kj/mol. Ratkaisu a) Eniten energiaa (140 kj/g) tuottaa vety (H2) palaessaan. Lasketaan vapautuvan energian määrä yhtä poltettavaa ainegrammaa kohti. 1. M(C) = 12,0 g/mol n(c) = 1,0 g : 12,0 g/mol ΔH= 394 kj/mol energiaa/g: (1,0 g : 12,0 g/mol) ( 394 kj/mol) = 33 kj 2. M(H2) = 2,02 g/mol n(h2) = 1,0 g : 2,02 g/mol ΔH = 286 kj/mol energiaa/g: (1,0 g : 2,02 g/mol) ( 286 kj/mol)= 140 kj 3. M(C4H10) = 58,1 g/mol n(c4h10) = 1,0 g : 58,1 g/mol ΔH = 2280 kj/mol energiaa/g: ( 1,0 g : 58,1 g/mol) ( 2280 kj/mol) = 39 kj b) Eniten hiilidioksidia tuottaa grafiitin (C) polttaminen. Reaktioyhtälöt: C + O2 CO2 2 H2 + O2 H2O ei synny CO2! 2 C4H10 + 13 O2 8 CO2 + 10 H2O Vedyn palaessa ei synny hiilidioksidia, joten verrataan grafiitin ja butaanin palamista laskemalla CO2-tuotto NTP-olosuhteissa. V(CO2) = n(c) Vm = (1,0 g : 12 g/mol ) 22,4 dm 3 = 1,9 dm 3 V(CO2) = 4 n( C4H10) Vm = (4 1,0 g : 58,1 g/mol) 22,4 dm 3 = 1,5 dm 3 Eniten hiilidioksidia syntyy siis grafiitin palaessa. c) Hiilidioksidi kuuluu luonnon normaaliin ja elämälle välttämättömään hiilikiertoon: se on veden ohella lähtöaineena fotosynteesissä. Siitä huolimatta CO2:a voidaan pitää ilman saasteena, kun sen määrä ilmassa kasvaa normaalia pitoisuutta (n. 0,033 %) suuremmaksi. Hiilidioksidi ei toki suoranaisesti ole myrkyllistä suurinakaan pitoisuuksina, ellei se syrjäytä hengitysilmasta happea. Sen sijaan CO2 absorboi tehokkaasti infrapunasäteilyä (lämpöä). CO2 onkin vesihöyryn ohella tärkein ns. kasvihuonekaasuista, jotka päästävät auringon valon kulkeutumaan maan pinnalle, mutta hi-
6 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio dastavat lämmön haihtumista pois. Tämäkin ominaisuus on tosin maapallon elämän kannalta välttämätön, koska se pitää ilmakehän lämpötilan siedettävissä rajoissa. Hiilidioksidin määrän kasvaessa on kuitenkin vaarana ilmakehän liiallinen lämpiäminen. Koska ihmisen toiminta vaikuttaa ilmakehän hiilidioksidimääriin (muttei vesihöyryn määrään), liika hiilidioksidi voidaan luokitella ilman saasteeksi. Tärkein hiilidioksidikuormituksen aiheuttaja on hiilipitoisten aineiden, kuten puun, kivihiilen, öljyn, bensiinin ja jätteen polttaminen. Yo-kemia K99 t 5 Oheisessa kuviossa on esitetty kaasufaasissa tapahtuvalla kemialliselle reaktiolla tyypillinen energiaprofiili. Mitä voit sen perusteella kertoa reaktion kulusta? Voidaanko tällaisen kuvion avulla päätellä jotain reaktion nopeudesta? Vastaus Kemiallisen reaktion edellytyksenä on, että reagoivat aineet törmäävät toisiinsa riittävän kovasti ja oikeasta suunnasta. Kaasufaasissa molekyylit törmäilevät jatkuvasti toisiinsa, mutta törmäykset ovat pääosin kimmoisia. Reaktioseosta lämmitettäessä molekyylien liike nopeutuu, minkä seurauksena törmäykset lisääntyvät ja voimistuvat. Kun systeemi saavuttaa aktivoitumisenergian tason (c), reaktion kannalta suotuisia törmäyksiä tapahtuu runsaasti. Suotuisan törmäyksen seurauksena syntyy aktivoitunut kompleksi eli siirtymäkompleksi, joka hajoaa nopeasti joko tuotteiksi tai takaisin lähtöaineiksi. Reaktion energiaprofiili kuvaa reagoivan systeemin energiaa reaktion eri vaiheissa. Kyseessä ovat reagoivan systeemin energiat (kj/mol) eivät yksittäisten molekyylien energiat. Kuviosta näkyy, että reaktio on endoterminen eli reaktioentalpia ΔH > 0, koska tuotteiden energiasisältö (energia-akselin kohta b ) on suurempi kuin lähtöaineiden (energia-akselin kohta a). Energiaa siis sitoutuu. Reaktion aktivoitumisenergia on luettavissa energia-akselin kohtien c ja a erotuksena (kohta c kuvaa aktivoituneen kompleksin energiasisältöä). Annetun kuvion perusteella ei voida suoranaisesti päätellä reaktion nopeutta, koska kemiallisen reaktion nopeus määritellään aikayksikössä tapahtuvaksi (lähtöaineiden tai tuotteiden) konsentraation muutokseksi ja kuvaajassa esitetään vain energia reaktion kulun funktiona. Koska kuviosta käy ilmi, että reaktio on endoterminen, voidaan kuitenkin päätellä, ettei reaktio ole räjähdysmäisen kiivas, kun myös aktivoitumisenergia näyttää olevan kohtuullisen suuri verrattuna reaktioentalpiaan.
7 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Yo-kemia S01 t 3 Oheinen kaavio liittyy reaktioon, jossa eräs suola liukenee veteen. a) Vapautuuko vai sitoutuuko reaktiossa energiaa? b) Lämpeneekö vai jäähtyykö liuos reaktion aikana? c) Liukeneeko kyseinen suola runsaammin kuumaan vai kylmään veteen? d) Voidaanko reaktiolämpöjen avulla tehdä yleisiä päätelmiä reaktioiden nopeudesta. Perustele vastauksesi. Vastaus: Reaktion energiakaaviosta voidaan päätellä: a) Reaktiossa sitoutuu energiaa, koska tuotteiden entalpia H on suurempi kuin lähtöaineiden (eli ΔH > 0). b) Liuos jäähtyy reaktion aikana, koska reaktiossa sitoutuu lämpöä tuotteiden muodostuessa. c) Kyseinen suola liukenee runsaammin kuumaan veteen, koska lämpöä on silloin enemmän käytettävissä kuin kylmässä vedessä ja suolan liukeneminen on endoterminen tapahtuma (le Châtelier'n periaate). d) Reaktiolämpöjen avulla ei voida tehdä yleisiä päätelmiä reaktion nopeudesta, koska reaktiolämmöt kertovat reaktioon liittyvistä kvantitatiivista energian muutoksista mutta eivät ajasta, jossa muutokset tapahtuvat. (Koska kuitenkin kyseessä on endoterminen reaktio, on luultavaa,ettei se ole räjähdysmäisen nopea.) Yo-kemia S95 t 2 Vetyä ja happea sisältävän kaasuseoksen tilavuus on 47,2 ml (NTP). Seoksen läpi johdetaan sähkönpurkaus, jolloin kaikkia happi yhtyy vetyyn muodostaen vettä. Mikä oli alkuperäisen seoksen tilavuusprosenttinen koostumus, kun reagoimatta jääneen vedyn tilavuus oli 10,6 ml. (NTP)? Mikä oli reaktiossa muodostuneen veden tilavuus, kun veden tiheys on 1,00 g/ml? Vastaus: V(O 2 + H 2 ) = 47,2 ml V(H 2 ) = 10,6 ml jäi reagoimatta ja 36,6 ml osallistui reaktioon V(H 2 ) = 10,6 ml jäi reagoimatta ja 36,6 ml osallistui reaktioon Avogadron lain mukaan kaasureaktioissa ainemäärien suhde on sama kuin kaasujen tilavuuksien suhde. 2 H2 + O2 2 H2O V(O2) = x ja x + 2x = 36,6 ml V(H2) = 2x, josta x = 12,2 ml, prosentteina 100 12,2 : 47,2 % = 25,8 % Vetyä: 100 % 25,8 % = 74,2 %
8 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio M(H2O) = 18,01 g/mol Vm = 22,4 l/mol Reaktiossa syntyy vettä yhtä suuri ainemäärä kuin vetyä kuluu. n(h2) = 2 12,2 10 3 dm 3 : 22,4 dm 3 = 1,09 10 3 mol = n(h2o) m(h2o) = 1,09 10 3 mol 18,01 g/mol = 0,02 g V(H2O) = 0,02 ml (koska veden tiheys on 1,00 g/ml) Yo-kemia K96 t 2 Claus-prosessissa vetysulfidissa oleva rikki muutetaan alkuainerikiksi (S8) käyttäen hyväksi seuraavia reaktioita: H2S(g) + O2(g) SO2(g) + H2O(l) H2S(g) + SO2(g) S8(s) + H2O(l) Määritä reaktioyhtälöiden kertoimet. Kuinka suuri tilavuus (NTP) happea kuluu, kun rikkiä saadaan 3,87 g? Lyhyempi vastaus Reaktioyhtälöt 2 H 2 S(g) + 3 O 2 (g) 2 SO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 16 H 2 S(g) + 8 SO 2 (g) 3 S 8 (s) + 16 H 2 O(l) Lavennetaan ensimmäinen yhtälö neljällä, lasketaan yhtälöt yhteen ja jaetaan tulos vielä 3:lla, jolloin saadaan 8 H 2 S(g) + 4 O 2 (g) S 8 (s) + 8 H 2 O(l) Tämän perusteella n(o 2 ) = 4 n(s 8 ) = 4 m(s 8 ) : M(S 8 ). V(O 2 ) = n(o 2 ) V m = 4 3,87 g : (8 32,07g/mol) 22,4 dm 3 /mol = 1,35 dm 3 Pitkä vastaus (yllä oleva riittää yo-kirjoituksissa) Claus-prosessissa vapautuu alkuainerikkiä, joka esiintyy 8 atomin muodostamina renkaina. Prosessi on esitetty kahden reaktion A ja B avulla. Reaktioyhtälöiden tasapainottaminen Tasapainottamista ei tarvinnut sisällyttää vastaukseen, vain tuloksena saadut reaktioyhtälöt ja laskut. A H2 S(g) + O 2 (g) SO 2 (g) + H 2 O(l) Reaktioyhtälön A oikealla puolella on kolme O-atomia. Vasemmalla puolella tarvittaisiin
9 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio A 2 H2 S(g) + 3 O 2 (g) 2 SO 2 (g) + 2 H 2 O(l) siis 1,5 O 2 -molekyyliä. Koska reaktioyhtälön kertoimina käytetään kokonaislukuja, merkitään 3 O 2 -molekyyliä. Tällöin oikealle puolella tulee molempien yhdisteiden kertoimeksi 2. Jotta SO 2 -molekyylejä saataisiin 2, on vasemmalle merkittävä 2 H 2 :n kertoimeksi. B H2 S(g) + SO 2 (g) S 8 (s) + H 2 O(l) B 2 H2 S(g) + SO 2 (g) 3/8 S 8 (s) + 2 H 2 O(l) Reaktiossa B rikkiä vapautuu sekä H 2 S:stä että SO 2 :sta. Happea saadaan vain SO 2 :sta. Tasapainotetaan aluksi hapen ja vedyn määrä. Koska SO 2 :ssa on kaksi O-atomia, vesimolekyylejä syntyy vähintään 2, mihin kuluu 4 H- atomia. S 8 -molekyylejä on koossa tällöin vasta 3/8. Kerrotaan reaktioyhtälön molemmat puolet 8:lla ja saadaan tasapainotettu reaktioyhtälö B. B 16 H2 S(g) + 8 SO 2 (g) 3 S 8 (s) + 16 H 2 O(l) Kokonaisprosessia kuvaava reaktioyhtälö saadaan laskemalla reaktioyhtälöt A ja B yhteen siten, että SO 2 eliminoituu (yhdistettä sekä syntyy että häviää prosessissa). Yhtälö A kerrotaan 4:llä. Yhtälön A + B kertoimet ovat 3:lla jaollisia, joten jaetaan yhtälön molemmat puolet 3:lla. A 2 H 2 S(g) + 3 O 2 (g) 2 SO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 4 B 16 H 2 S(g) + 8 SO 2 (g) 3 S 8 (s) + 16 H 2 O(l) 4 A 8 H 2 S(g) + 12 O 2 (g) 8 SO 2 (g) + 8 H 2 O(l) B 16 H 2 S(g) + 8 SO 2 (g) 3 S 8 (s) + 16 H 2 O(l) A + B 24 H 2 S(g) + 12 O 2 (g) 3 S 8 (s) + 24 H 2 O(l) : 3 A + B 8 H2 S(g) + 4 O 2 (g) S 8 (s) + 8 H 2 O(l) Viimeisen reaktioyhtälön perusteella saadaan n(o 2 ) = 4 n(s 8 ) = 4 m(s 8 ) : M(S 8 ) = 4 3,87 g : (8 32 g/mol) V(O 2 ) = n(o 2 ) V m = [4 3,87 g : (8 32 g/mol)] 22,4 dm 3 /mol = 1,35 dm 3
10 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Yo-kemia K01 t +8 Kemiallisen reaktion nopeus. Tarkastele reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä ja reaktionopeuden merkitystä luonnon reaktioissa ja teollisuuden prosesseissa. Vastaus Reaktion nopeus voidaan määritellä lähtöaineen tai tuotteen konsentraatiossa tietyllä aikavälillä tapahtuvana muutoksena. Konsentraation sijasta on mahdollista käyttää ainemäärää tai mooliosuutta. Reaktion nopeus pienenee sitä mukaa kuin reaktio edistyy. Hetkellinen reaktionopeus määritellään derivaatan avulla. Kuvassa reaktiotuotteen konsentraatio on esitetty ajan funktiona. Asettamalla käyrälle tangentti T hetken t kohdalle, saadaan reaktion nopeus tällä hetkellä tangentin kulmakertoimesta. Reaktion nopeutta on ajateltava myös hiukkasten tasolla, koska kemiallinen reaktio tapahtuu hiukkasten välisten törmäysten seurauksena. Reaktion nopeus on sitä suurempi, mitä enemmän suotuisia törmäyksiä tapahtuu (suotuisa: suunta oikea ja törmäys riittävän voimakas). Reaktionopeuden säätely Katalyysi Törmäysten määrää ja reaktionopeutta on mahdollista säädellä: konsentraation, lämpötilan, paineen (kaasuilla), katalyytin, inhibiitin, liuottimen avulla. Tehokas sekoittaminen lisää hiukkasten törmäyksiä, samoin aineen hienojakoisuus, joka tekee aineen pinta-alan suureksi (huom. pölyräjähdykset). Kaasun paineen lisääminen on itse asiassa konsentraation kasvattamista, sillä paineen lisäämiseen tarvitaan vakiotilavuudessa ainemäärän kasvattamista tai ainemäärän pysyessä vakiona tilavuuden pienentämistä. Lämpötilan kohotessa reaktionopeus yleensä kasvaa nopeasti ja madaltuessa pienenee. Tällähän on mm. meille kaikille tuttu käytännön merkitys: pakastaminen saa elintarvikkeiden pilaantumisreaktiot hidastumaan mutta lämpimässä edistää pilaantumista. Katalyytti nopeuttaa reaktiota. Katalysoidussa reaktiossa syntyy aktivoitunut kompleksi katalyytin ja reagoivan yhdisteen välille. Katalyytti vaikuttaa reaktion mekanismiin ja aktivoitumisenergiaan. Jos kyseessä on tasapainoreaktio, katalyytti nopeuttaa sekä etenevää että palautuvaa reaktiota. Jos katalyytti on eri faasissa (kiinteä) kuin reagoivat aineet, kyseessä on heterogeeninen katalyysi, joka tapahtuu katalyytin pinnassa.
11 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Heterogeenisessä katalyysissä käytetään katalyytteinä hienojakoisia metalleja, metalliseoksia ja metalliyhdisteitä, mm. Ni, Cu, Co, Pt-Rh, Pd, V 2O 5, Fe 3O 4, Ziegler-Natta-katalyytti. Hienojakoisuus on tärkeä, jotta pinta-ala olisi mahdollisimman suuri ja katalyysi tehokasta. Jos katalyytti on samassa faasissa kuin reagoivat yhdisteet, kyseessä on homogeeninen katalyysi. Esimerkiksi esteröitymistä katalysoidaan H 3O + -ioneilla. Myös entsyymikatalyysi on tavallisesti homogeeninen. Monille katalyyteille, varsinkin entsyymeille, on ominaista selektiivisyys: ne katalysoivat vain yhtä reaktiotyyppiä (reaktio ja sen vastareaktio). Niinpä ammoniakin valmistuksessa tarvitaan erilaista katalyyttiä kuin vaikkapa rasvojen katalyyttisessä hydrauksessa. Polymeroitumisreaktiossa katalyytin valinnalla vaikutetaan ketjun pituuteen ja monomeerien liittymisasentoon. Entsyymit toimivat matalissa lämpötiloissa verrattuna kemian teollisuuden epäorgaanisiin katalyytteihin. Entsyymit menettävät aktiivisuutensa kuumennettaessa. Inhibiitit hidastavat reaktioita. Esimerkiksi hapettumisenestoaineet ja säilöntäaineet ovat inhibiittejä. Liuotin vaikuttaa varsinkin orgaanisissa synteeseissä reaktion edistymiseen ja voi suosia jotakin tiettyä reaktiomekanismia. Reaktionopeuden merkitys Eliöissä entsyymien selektiivisyys on keskeinen reaktioita ohjaava tekijä, mutta myös keskenään kilpailevien reaktioiden erilainen reaktionopeus kuuluu eliöiden tärkeisiin ohjausjärjestelmiin. Esimerkki Lämpötilan reaktioita nopeuttava ja hidastava vaikutus on johtanut eliökunnassa kylmäkauden aikaiseen horrostamiseen ja talviuneen. Vaihtolämpöisillä eläimillä vuorokauden lämpötilojen vaihtelut heijastuvat suoraan mm. liikkeiden sulavuuteen tai jäykkyyteen. Eliökunnan tärkein reaktiosarja, fotosynteesi, tarvitsee tapahtuakseen tietyn lämpötilavälin. Lämpötilan laskiessa fotosynteesi hidastuu ja kylmässä se lakkaa kokonaan, kuten myös lämpötilan noustessa liian korkealle. Esimerkki Myös ihmiselimistössä eri entsyymeillä on erilainen toimintanopeus. Veren ph:n on pysyttävä hyvin kapealla ph-alueella ( n. 7,3 7,4). Niinpä veressä on useita puskurisysteemejä. Tärkein näistä puskurisysteemeistä on veren CO 2/HCO 3 -pitoisuutta säätelevä systeemi, jonka toimintaa katalysoi elimistön nopein entsyymi (karbonianhydraasi). CO 2-pitoisuushan voi muuttua nopeasti hengityksen mukaan, joten nopeus on elintärkeää. Esimerkki Näköaistin toiminnassa on tärkeää, että solut reagoivat nopeasti valoärsytykseen. Valo aiheuttaa silmässä hyvin nopean fotokemiallisen reaktion, jossa cis-11-retinaali muuttuu trans- 11-retinaaliksi. Reaktion seurauksena hermoimpulssi siirtyy näköhermoon. Trans-11- retinaali palautuu huomattavasti hitaammin takaisin cis-11-retinaaliksi. Kiirettä ei ole, sillä normaalisti valon osuessa silmään cis-11-retinaalia jää runsaasti myös reagoimatta. Reaktionopeus ja reaktion tasapainotila Kemian teollisuudessa reaktionopeutta lisätään käyttämällä korkeaa lämpötilaa ja painetta sekä katalyyttejä. Useimmissa raskaan kemian teollisuuden prosesseissa käytetään hyväksi kaasufaasia. Paine voi olla näissä prosesseissa olla niin korkea, että saavutetaan ns. ylikriittinen tila, jossa nesteen ja kaasun ero häviää.
12 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Esimerkki Typen ja vedyn välinen reaktio, jossa syntyy ammoniakkia, on huoneen lämpötilassa erittäin hidas. Lämpötilaa kohottamalla saadaan reaktio kyllä tapahtumaan nopeammin, mutta silloin myös vastareaktio tapahtuu nopeasti ja ammoniakin saanto jää vähäiseksi. Näin tapahtuu, koska systeemi on homogeeninen (kaikki reagoivat aineet ovat samassa faasissa), joten seos asettuu tasapainotilaan. N2 + 3 H2 2 NH3 Teollinen Haber-Bosch-ammoniakkisynteesi on eksoterminen reaktio, joka tapahtuu korkeassa lämpötilassa (400 500 C) ja hyvin korkeassa paineessa (n. 100 300 bar) katalysoituna reaktiona. Prosessin olosuhteet ovat jatkuvasti tutkimuksen kohteina. Tuloksiakin on saatu: mm. Ru-C-katalyytin löytyminen (vuonna 1992) on jo johtanut useissa teollisuuslaitoksissa paineen alentamiseen. Myös koko prosessia korvaavia ammoniakin valmistusmenetelmiä etsitään. Koska ammoniakin muodostumisreaktio on eksoterminen, korkea lämpötila vähentää ammoniakin saantoa (Le Châtelier'n periaate). Saannon lisäämiseksi kohotetaan painetta. Katalyytti on hyvin tärkeä, vaikkei se vaikuta tasapainoseoksen koostumukseen. Nopeuttamalla reaktioita sekä alentamalla aktivoitumisenergiaa katalyytti pienentää prosessin kokonaisenergiankulutusta, millä on suuri taloudellinen merkitys. Teollisissa prosesseissa reaktion nopeuttaminen onkin useimmissa tapauksissa juuri taloudellinen tekijä. Reaktion hidastaminen jäähdyttämällä tai inhibiitin avulla on sekä taloudellinen että turvallisuustekijä (esim. räjähdysvaaran eliminointi, korroosion tai pilaantumisenesto). Esimerkkinä mainittu ammoniakkisynteesi kuluttaa runsaasti energiaa korkean lämpötilan ja paineen ylläpitämisen takia, joten se erittäin kallis. Se on myös vaarallinen prosessi (räjähdysvaara, ammoniakin myrkyllisyys). Myös typpihapon ja rikkihapon valmistuksesta osa tapahtuu kaasufaasissa ja normaalia korkeammassa paineessa katalysoituina reaktioina. Esimerkki Elottomassa luonnossa reaktioiden tasaisena pysyvä nopeus on maapallon kehityksen aikana osaltaan vakauttanut mm. ilmakehän koostumuksen. Esimerkiksi stratosfäärin otsonikerroksen tasapaino on riippuvainen siitä, että otsonia muodostuu ja hajoaa samalla nopeudella. Otsonikerroksen kannalta on kohtalokasta, että sinne on päässyt hajoamista katalysoivia yhdisteitä, kuten ClO-radikaaleja. Huomautus tehtävään +8 Tehtävään voidaan vastata monella tavalla (kuten aina jokereihin). Alussa on syytä selvittää lyhyesti, mitä kemiallisen reaktion nopeudella tarkoitetaan. Selityksen voisi hyvin aloittaa suoraan hiukkasten törmäyksistä. Esimerkeiksi teollisista prosesseista sopivat myös happojen valmistus tai jokin orgaanisen kemian prosessi, entsyymien teollisesta käytöstä mm. entsyymivalkaisu. Esimerkkien määrä ei ole ratkaiseva. Reaktionopeuden merkityksen selventäminen esimerkkien avulla on tärkeämpää.
13 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Yo-kemia K96 t 1 Molekyylin sisäisten sidosten ohella kemiallisilla yhdisteillä esiintyy molekyylien välisiä sidosvoimia. Mistä molekyylien väliset sidosvoimat johtuvat, mihin eri tyyppeihin ne voidaan jaotella, ja miten ne vaikuttavat aineiden fysikaalisiin ominaisuuksiin? Vastaus: Molekyyleillä on sekä hetkellisiä että pysyviä dipoliominaisuuksia. Hetkelliset dipoliominaisuudet johtuvat elektronien liikkeestä. Hetkelliset dipolit aiheuttavat muuten poolittomien molekyylien välille vetovoimia, jotka ovat sitä suurempia, mitä enemmän molekyylissä on elektroneja. Myös molekyylin pinnan laajuus vaikuttaa näiden voimien suuruuteen. Tällaisia voimia sanotaan dispersiovoimiksi (van der Waalsin sidoksiksi). Nämä vuorovaikutukset eivät ole kovin voimakkaista, mistä johtuu se, että poolittomien molekyyliyhdisteiden sulamis- ja kiehumispisteet ovat yleensä matalia. Alkaanisarjan fysikaalisten ominaisuuksien säännöllinen muuttuminen kuvastaa hyvin dispersiovoimien ja molekyylikoon välistä suhdetta: suuret suoraketjuiset molekyylit vaativat korkeamman lämpötilan sulaakseen ja kiehuakseen kuin pienimolekyyliset. Elektronimäärän vaikutus näkyy myös halogeenisarjassa. F2, Cl2 ovat kaasuja, Br2 on neste ja I2 on kiinteä aine huoneenlämpötilassa. Pysyviä dipoleja syntyy molekyyleihin, jotka ovat muodostuneet elektronegatiivisuudeltaan erilaisista atomeista eivätkä ole rakenteeltaan siten symmetrisiä, että varausjakauma kumoutuisi. Esimerkiksi H2O ja HCl ovat tällaisia molekyylejä, mutta CO2 ei ole. Rakennekaavoihin on merkitty vapaat elektroniparit pistepareilla. Elektronien runsaus johtaa negatiivisen osittaisvarauksen syntyyn. Vesimolekyylin (H 2O) ja hiilidioksidimolekyylin (CO 2) erilainen luonne johtuu sidosten suuntautumisesta ja molekyylin muodosta: hiilidioksidissa osittaisvarausten vaikutus kumoutuu niiden sijainnin takia. vesimolekyylissä taas ei sen v:tä muistuttavan rakenteen vuoksi. Vetykloridin (HCl) dipoliluonne selittyy molekyylin muodon ja elektronijakauman perusteella. Pysyvien dipolien väliset vuorovaikutukset ovat dispersiovoimia vahvempia ja sen seurauksena yhdisteiden sulamis- ja kiehumispisteet ovat korkeampia kuin poolittomilla vastaavankokoisista molekyyleistä muodostuneilla yhdisteillä. Mikäli molekyylissä on vetyä ja happea tai fluoria, voi muodostua myös ns. vetysidoksia. Juuri vetysidosten osuudella selitetään veden korkea sulamis- ja kiehumispiste, 0 C ja 100 C. Vertailukohtana mainittakoon, että esimerkiksi metaanin CH4 sulamispiste on 184 C ja kiehumispiste 161 C. Vetysidosten vaikutus näkyy selvästi myös vertailtaessa alkaanien ja alkoholien kiehumispisteitä.
14 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Yhdiste kp C Metanoli CH3OH 65 Etaani C2H6 89 Etanoli C2H5OH 79 Propaani C3H8 45 Dipoliominaisuudet ja vetysidokset vaikuttavat myös aineiden liukoisuuteen. Esimerkiksi vesi liuottaa hyvin toisia poolisia yhdisteitä kuten vetykloridia HCl ja alkoholeja, mutta huonosti mm. dietyylieetteriä C2H5OC2H5, joka kyllä liukenee heikommin pooliseen etanoliin. Hiilivedyt (kuten bensiini) puolestaan liuottavat hyvin toisia poolittomia yhdisteitä mm. rasvoja. Tässä mainituista yhdisteistä pooliton CO2 on erikoinen: se ei nesteydy ollenkaan normaalipaineessa, mutta muuttuu kiinteäksi 79 C:n lämpötilassa. Korkeassa paineessa se voidaan kuitenkin nesteyttää ja näin saatua nestettä käyttää alhaisessa lämpötilassa tapahtuvaan poolittomien aineiden (aromiaineet yms.) uuttamiseen.
15 Kemialliset reaktiot Yo-tehtäviä ratkaisuineen, Pietarsaaren lukio Havainnoi ja mittaa Painetta, lämpötilaa, tilavuutta ja molekyylien välistä vuorovaikutusta Katso yllä olevaa kuvaa. a) Miten potentiaalienergia-käyrän kuopan syvyys vaikuttaa kiehumis- ja höyrystymispisteisiin? b) Kokeile tätä klikkaamalla adjustable attraction - kohtaa. (suom. säädettävä vetovoima). c) Selvitä mitä kuvassa oleva Temperature-Pressure, P(T)- koordinaatisto kuvaa. Mitä tarkoittaa triple point (suom. kolmoispiste) d) Tee tarvittavat mittaukset ja laske kuvan säiliön todellinen tilavuus. Simulaatiolinkin löydät lukion kotisivuilta kohdasta opiskelu/fysiikka ja kemia. Voit säätää kaasun tilaa eli muuttujia P, V, T ja N, sekä lisäksi itse kaasua eli molekyylien välisen vetovoiman suuruutta, joka vaikuttaa potentiaalienergia- kuopan syvyyteen.