1. No category

Kemia s2011 ratkaisuja Kemian koe s 2011 lyhennettyjä ratkaisuja 1. a) Veden autoprotolyysin 2H2O(l) ⇌H3O+(aq) + OH‐ (aq) seurauksena vedessä on pieni määrä OH‐ ‐ ja H3O+‐ioneja, jotka toimivat varauksen kuljettajina. Jos veteen on lisätty elektrolyyttiä, ionien määrä kasvaa ja sähkönjohtokyky kasvaa. b) Veden kovuus johtuu luonnonvesien sisältämistä kalsium‐ ja magnesiumkarbonaateista. Mitä enemmän näitä suoloja on, sitä kovempaa vesi on. Veden kovuuden yksikkönä käytetään sekä mmol/l että °dH, joka on saksalainen kovuusyksikkö. Veden kovuus on 1 °dH, kun siinä olevien magnesium‐ ja kalsiumionien yhteistä ainemäärää vastaava kalsiumoksidimäärä on 10 mg/l. c) Veden pintajännitys johtuu vesimolekyylien välisestä voimakkaasta vetysidoksesta, joka sitoo molekyylejä toisiinsa. Nesteen sisällä molekyylien välinen vetovoima (koheesiovoima) on suurempi kuin nesteen ja ilman rajapinnassa. Tällöin veden pinnalle muodostuu ohut ja joustava kalvo. KUVA 2. a) 6 NH4ClO4(s) + 10 Al(s) → 5 Al2O3(s) +3 N2(g) + 6 HCl(g) + 9 H2O(g) b) N: ‐3 → 0 Cl: +7 → ‐1 Al: 0 → ‐3 , ·
= 76460 mol 2062, 891
c) n(Al) = · NH4ClO4) = ,
/
3. a) a) n(C) : n(H): = 93,7 g
6,3 g
:
12,01 g/mol 1,008 g/mol
= 7,80 mol : 6,25 mol ≈ 5 : 4 Hiilivedyn empiirinen kaava on (C5H4)n b) pV , josta M = M=
bar⋅l
0,311 g ⋅ 0,0831451 mol
⋅K ⋅ 373,16 K
≈ 128 g/mol 0,301 bar ⋅ 0,250 l
n ∙64 g/ mol = 128 g/mol josta n = 2; yhdisteen molekyylikaava : C10H8 c) Molekyylikaavaa vastaava tasomainen hiilivety on naftaleeni. Kemia s2011 ratkaisuja 4. a) Molekyylihila esiintyy sekä poolittomilla että poolisilla molekyyleillä. Tällöin poolittomien molekyylien väliset voimat ovat luonteeltaan heikkoja dispersiovoimia ja pooliset molekyylien sitoutuvat toisiinsa dipoli‐dipolisidoksin. b) Etenkin poolittomat molekyyliyhdisteet hajoavat helposti, niiden sulamispisteet ovat matalia ja aineet ovat eristeitä. Myös pooliset molekyyliyhdisteet ovat eristeitä, niiden kovuudet ja sulamispisteet vaihtelevat. c) Esimerkiksi kiinteällä jodilla on molekyylihila. Kaksi jodiatomia on sitoutunut toisiinsa yksinkertaisella (poolittomalla) kovalenttisidoksella. Jodikiteessä I2‐ molekyylit ovat järjestäytyneet kerroksiksi. Kerrokset sitoutuvat toisiinsa jodiatomeihin syntyvien hetkellisten dipolien vaikutuksesta (dispersiovoimat). 5. a) 2 C2F2H4 (g) + 5 O2 (g)→ 4 CO2 (g) + 4 HF (g) + 2 H2O(g) Palamisreaktion tuotteena syntyy vetyfluoridia, joka on voimakkaasti syövyttävä, reaktiivinen ja myrkyllinen aine. b) F
H
C
H
H
F
H
C
C
H
1,1 -difluorietaani
H
F
F
C
H
H
1,2-difluorietaani
c) Atomit voivat sidoksen katkeamatta kiertyä yksinkertaisen C‐C sidoksen ympäri ja katsottaessa molekyyliä C‐C sidoksen suunnassa ne voivat sijaita eri tavoin. Jotkut muodostuvista konformeereistä ovat kuitenkin energeettisesti suosituimpia kuin toiset ja siten todennäköisempiä. 6. a) Atomin ionisoitumisenergialla (I) tarkoitetaan energiaa, joka tarvitaan elektronin poistamiseksi ylimmältä miehitetyltä orbitaalilta kaasufaasissa olevasta perustilaisesta sähköisesti neutraalista aineesta. Atomissa olevat elektronit voidaan poistaa yksi kerrallaan, jolloin puhutaan atomin ensimmäisestä, toisesta, kolmannesta jne. ionisoitumisenergiasta. b) Jakson sisällä I1 kasvaa järjestysluvun kasvaessa. Tämä johtuu siitä, että saman jakson elektronit sijaitsevat samalla elektronikuorella (sama pääkvanttiluku) ja kasvava ydinvaraus vetää elektroneja yhä tiukemmin puoleensa. Joko melkein täydet tai puoliksi täyttyneet alikuoret johtavat pieniin hyppäyksiin jakson sisällä. Kun ryhmässä siirrytään alaspäin, ionisoitumisenergia yleensä pienenee, koska elektroni poistetaan keskimäärin ytimestä kauempana olevalta elektronikuorelta. Tällöin elektronin poistamiseen tarvitaan vähemmän energiaa. c) Natriumin elektronirakenne on 1s22s22p63s1. Atomista poistuu ensin uloin (korkeimman energian omaava) 3s elektroni. Seuraava elektroni irtoaa keskimäärin ydintä lähempänä olevalta elektronikuorelta, johon tarvitaan runsaasti enemmän energiaa. Tärkeä syy on myös se, että 1. elektroni poistettiin neutraalista atomista, toinen positiivisesta ionista. Kemia s2011 ratkaisuja Kasvava positiivinen varaus sitoo elektroneja tiukemmin atomiin ja I:n arvo kasvaa. Tämä ilmenee suurena hyppäyksenä I:n arvossa. Koska seuraavat kahdeksan elektronia poistetaan samalta elektronikuorelta kasvaa I:n arvo suunnilleen säännöllisesti ionin positiivisen varauksen kasvaessa. Tämän jälkeen seuraa taas jyrkkä hyppäys, kun lähinnä ydintä olevat kaksi 1s‐elektronia poistetaan. Täten peräkkäisten ionisoitumisenergioiden arvoissa tavattavat hypähdykset kertovat epäsuorasti elektronikuorien olemassaolosta. 7. a) Vetyä, H2,voidaan valmistaa liuottamalla epäjaloa metallia happoon. Esim. Zn(s) + 2HCl(aq) →ZnCl2(aq) + H2(g) ; vetykaasu palaa “poksahtaen” vedeksi. b) Vetyperoksidin hajotessa syntyy vettä ja happea: 2 H2O2(aq)→ 2 H2O(l) + O2(g), katalyyttinä käytetään esim. mangaanidioksidia MnO2 ; happikaasu sytyttää hehkuvan puutikun palamaan. c) Ammoniumkloridin reagoidessa NaOH:n kanssa vapautuu ammoniakkia: NH4Cl(aq,s) + NaOH(aq,s) → NH3(g) + NaCl(aq) + H2O(aq) ; emäksinen ammoniakki värjää lakmuspaperin siniseksi, karakteristinen haju. d) Na2CO3(aq) + 2HCl(aq) → CO2(g) + 2NaCl(aq) + H2O(l) ; hiilidioksidi kuplii liuoksessa, kaasu sammuttaa palavan puutikun. 8. a) CH4 (l) + 2 O2(l) → CO2(g) + 2 H2O(g) ΔH = ‐ 890 kJ/mol ⊝ elektrodi : CH4 + 2 H2O → CO2 + 8 H+ + 8e‐ ; hapettuminen ⊕ elektrodi: O2 + 4 H+ + 4 e‐ → 2 H2O ; pelkistyminen ,
/ · ,
b) n(CH4) = 129,4 mol ,
,
n(O2) = · ,
,
/
= 179,5 mol Reaktioyhtälöstä: n(O2) = 2∙ n(CH4) eli happi loppuu ensin It = nzF; t = · ·
= ,
·
·
,
/
≈ 4618415 s = 1283 h ≈ 53 d 11 h ≈ 53 d c) Polttokenno on ympäristöystävällisempi. Sen hyötysuhde on huomattavasti parempi, koska vapautuva energia käytetään suoraan sähkövirran tuottamiseen. Bensiini‐ tai dieselagregaatteja käytettäessä vapautuva energia saadaan pääasiassa lämpöenergiana. Palamisreaktiossa syntyy hiilidioksidia ja palamisen puhtaudesta riippuen myös typen oksideja ja hiilivetyjä. Agregaatit tuottavat myös melua polttokennoa enemmän. Metaanikäyttöisen polttokennon reaktiotuotteena on hiilidioksidia vettä, mutta muodostuvan hiilidioksidin määrä on vähäisempi, eikä muita haitallisia kaasuja muodostu. 9.a) Kestomuovi: molekyylit ovat pitkiä polymeeriketjuja. Kestomuovi pehmenee, kun sitä lämmitetään sopivaan lämpötilaan, jolloin sitä voidaan muovata. Se kovettuu jälleen jäähtyessään. Kestomuoveissa polymeeriketjujen välillä esiintyy dispersiovoimia, jotka Kemia s2011 ratkaisuja häviävät muovia kuumennettaessa. Kun muovi jäähdytetään, heikot sidokset muodostuvat ketjujen välille uudestaan. b) A = polypropeeni PP; B = polyvinyylikloridi PVC; C = polytetrafluorieteeni PTFE c) A
propeeni
Cl vinyylikloridi
B
F
F
tetrafluorieteeni
C
F
F
d) Polypropeeni: pakkauslaatikot, säiliöt, pullot, taloustavarat, kalvot, köydet Polyvinyylikloridi: lattialaatat, putket, kuidut Polytetrafluorieteeni: tunnetaan nimellä Teflon, astiat 10. a) tasap. K=
K = 2SO2(g) + 2,00 ‐ x SO
SO
2SO3(g) x 3200 l/mol
O
,
O2(g) ⇄ 0,20 ,
= 3200 ,
· ,
3200 Ottamalla neliöjuuri yhtälön molemmilta puolilta x = 1,924 Tasapainotilassa olevat ainemäärät ovat: n(SO3) = 1,924 mol n(O2) = 0,20 mol n(SO2) = 0,076 mol Hapelle (O2) lasketun kokonaisainemäärän täytyy olla sama alkutilassa ( x + 2,00) ja tasapainotilassa. n(O2) = 1,5∙1,924 + 0,20 + 0,076) mol = 3,162 mol ∼ 3,16 mol Koska tilavuus on 1,0 l, hapen lisäys on 1,162 mol ≈1,2 mol Kemia s2011 ratkaisuja b) Kun rikkidioksidi reagoi hapen kanssa rikkitrioksidiksi vapautuu energiaa, eli reaktio on eksoterminen. Taulukkokirjan mukaan voidaan laskea reaktiolle ∆H = 2∙(‐370,4 kJ) ‐ 2∙(‐296,9 kJ) = ‐147 kJ Eksotermisen reaktion tasapainotilaa siirtyy lämpötilan laskiessa tuotteiden puolelle, jolloin K:n arvo kasvaa. +11 a) , b)ja c) vastaukset kuvassa Kemia s2011 ratkaisuja +12. a) Hopea‐ionia lisättäessä saostuu ensin niukkaliukoisempi hopeahalogenidi. Koska Ks(AgI) < Ks(AgCl), hopeajodidi saostuu ensin. b) Jodidin ainemäärä saadaan ensimmäisestä ekvivalenttikohdasta: n( I‐) = 9,0 ml ∙ 0,085 mol/l = 0,765 mmol Molemmat hopeasuolat ovat saostuneet, kun hopeanitraattia on lisätty 18,5 ml. Täten suolojen kokonaisainemäärä on 18,5 ml ∙ 0,085 mol/l = 1,5725 mmol. Kloridi‐ionin ainemäärä saadaan ainemäärien erotuksena. Täten kloridi‐ ja jodidi‐ionin konsentraatiot lähtöliuoksessa ovat: [I‐] = 0,765 mmol/40,0 ml = 0,0191 mol/l ≈ 0,019 mol/l [Cl‐] = (1,5725‐0,765)mmol/40,0 ml = 0,0202 mol/l ≈ 0,020 mol/l c) Kun puolet hopeajodidista on titrattu, liuoksessa [I‐] = ∙ 0,765 mmol/44,5 ml = 8,596∙10‐3 mol/l [Ag+] = Ks AgI
I‐
8,5∙10‐17 (mol/l)2
= mol
8,596∙10‐3 l
= 9,888 ∙10‐15 mol/l ≈ 9,9 10‐15 mol/l d) AgCl alkaa saostua, kun hopeakloridin liukoisuustulon arvo ylitetään, jolloin mmol
0,8075 l
49,0 ml
n(AgCl)
[Cl‐] = = V
= 0,01648 mol/l ≈ 0,016 mol/l [Ag+] = 1,8 ·10‐10 (mol/l)2
Ks AgCl
Cl‐
0,01648 mol
l
= 1,092 ∙10‐8 mol/l ≈ 1,1 ∙10‐8 mol/l Tällöin [I‐] = Ks AgI
I‐
8,5∙10‐17 (mol/l)2
= 1,092∙10‐8
mol
l
= 7,78 ·10‐9 ≈ 7,8∙10‐9 mol/l d) Kaikissa titrauksissa mahdollisuus lukemavirheisiin. Erityisesti heterogeenisissä titrauksissa tasapainot asettuvat hitaasti, eikä ole mahdollisuutta kontrolloida saostumien puhtautta. Jodidi‐ ja kloridi ioneja titrattaessa hopeakloridi alkaa saostua, ennen kuin kaikki jodidi on saostunut. Tällöin titrauksen ensimmäisen ekvivalenttikohdan määritys voi olla vaikeaa. Hopeakloridin saostuessa mukana toiseen ekvivalenttikohtaan seuraa vakio‐osuus hopeajodidia. Tällöin jodidin määräksi saadaan helposti liian pieni tulos ja kloridin määräksi liian suuri tulos. Kemia s2011 ratkaisuja