1. No category

KE2 Kemian mikromaailma
1. huhtikuuta 2015/S. H. – Tässä kokeessa ei ole aprillipiloja.
Vastaa viiteen tehtävään. Käytä tarvittaessa apuna taulukkokirjaa. Tehtävät arvostellaan asteikolla
0–6. Joissakin tehtävissä on kerrottu eri alakohtien (a-, b- jne.) pistearvot.
1.
Kirjoita kussakin kohdassa nimi ja kemiallinen merkki yhdelle vihjeeseen sopivalle
alkuaineelle.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
2.
Kolmannen jakson aine, joka on toisessa ryhmässä.
Metalli, joka värjää kaasupolttimen liekin vihreäksi.
Kevein halogeeni.
Aine, jonka atomia kuvaa merkintä 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2.
Alkalimetalli, jolla on suurin atomi.
Alkuaine, jonka atomissa on 82 protonia.
Nimeä yhdisteet a–c ja kirjoita kaavat yhdisteille d–f.
a) Ag3PO4
b) CH3COOLi
c) CuCl
3.
d) typpimonoksidi
e) natriumdikromaatti
f) ammoniakki
Selitä seuraavat havainnot aineen rakenteen tai kemiallisten sidosten avulla.
a)
Kullasta voidaan takoa ohuita levyjä mutta marmorista (CaCO3) ei.
b) Natriumfluoridin sulamispiste on noin 800 °C mutta kalsiumfluoridin jopa 1418 °C.
c)
Glyseroli on hyvin veteen liukenevaa mutta sykloheksaani ei juurikaan liukene.
glyseroli
sykloheksaani
OH
HO
OH
KÄÄNNÄ!
4. a) Kopioi molekyylien A–C rakennekaavat vastauspaperillesi, ja merkitse niihin hiiliatomien
hybridisaatiotyypit. (2 p.)
a) Mitä avaruusisomerian muotoja molekyyleillä A–C esiintyy? Perustele. (4 p.)
A
B
H3C
5.
a)
C
C
C
C
C
CH3
Määrittele, mitä tarkoitetaan ionisoitumisenergialla. (1 p.)
b) Piirrä taulukkokirjan tietojen avulla kuvaaja alkuaineiden 7–20 ensimmäisen
ionisoitumisenergian muuttumisesta alkuaineen järjestysluvun funktiona. Sitten piirrä
kuvaaja samojen aineiden toisen ionisoitumisenergian muuttumisesta. Valitse
pystyakselin mittakaava niin, että voit piirtää kuvaajat samaan koordinaatistoon. (1 p.)
c)
Miksi typen ensimmäinen ionisoitumisenergia on korkeampi kuin hiilen? (1 p.)
d) Miksi kuvaajien huippukohdat vastaavat eri järjestyslukuja? (2 p.)
e) Magnesiumin ensimmäinen ionisoitumisenergia on suurempi kuin alumiinin. Miksi tämä
on erikoista? Päättele tämän perusteella, millainen elektronirakenne on erittäin
pysyvä. (1 p.)
6.
Emma sai kesätöitä analyyttisen kemian laboratoriosta. Eräänä työtehtävänään hänen tuli
selvittää kideveden määrä natriumkarbonaattinäytteessä. Emma aloitti työn punnitsemalla
näytettä upokkaaseen ja ryhtyi kuumentamaan sitä kaasupolttimella. Oheisessa taulukossa
on Emman saamat punnitustulokset tutkimuksen eri vaiheissa.
upokas
upokas + näyte
upokas + näyte ensimmäisen kuumennuksen jälkeen
upokas + näyte toisen kuumennuksen jälkeen
upokas + näyte kolmannen kuumennuksen jälkeen
a)
massa (g)
21,608
22,913
22,275
22,204
22,204
Miksi näytettä piti kuumentaa? Miksi Emma kuumensi näytettä kolmesti? (1 p.)
b) Emma tietää, että kidevedellisen natriumkarbonaatin suhdekaava on Na2CO3 ∙ n H2O.
Selvitä kideveden määrää kuvaava kokonaisluku n. (4 p.)
c)
Miten vaikuttaa lopputulokseen, jos pieni määrä näytettä roiskahtaa pois upokkaasta
ensimmäisen kuumennuksen aikana? (1 p.)
Ratkaisut
1. a) magnesium, Mg, b) kupari, Cu (Muitakin sopivia on.) c) fluori, F, d) titaani, Ti, e) frankium, Fr, f) lyijy, Pb.
2. a) hopeafosfaatti, b) litiumasetaatti (tai litiumetanaatti), c) kupari(I)kloridi, d)NO, e) Na2Cr2O7, f) NH3.
3. a) Kulta on metalli. Sen rakenne koostuu kultakationeista ja vapaasti liikkuvista elektroneista.
Taottaessa kultaa elektronit liikkuvat kationien väliin estäen positiivisia kationeja asettumasta
vierekkäin. Näin rakennetta rikkovia sähköisiä poistovoimia ei pääse syntymään, ja rakenne
muovautuu uuteen muotoon.
Marmori on ioniyhdiste, jonka rakenne koostuu Ca2+ -kationeista ja CO32− -anioneista. Nämä ionit
ovat liian suuria liukuakseen toistensa ohitse marmoria taottaessa. Samanmerkkiset ionit joutuvat
kohdakkain ja rakenne murtuu sähköisen poistovoiman takia.
b) Sulamispiste on sitä korkeampi, mitä vahvempi sidosvoima aineen rakenneosien välillä vaikuttaa.
Natrium- ja kalsiumfluoridi ovat molemmat ioniyhdisteitä. Edellinen koostuu Na+- ja F−-ioneista,
jälkimmäinen taas Ca2+- ja F−-ioneista, jotka sitoutuvat toisiinsa vahvalla ionisidoksella. Na+- ja Ca2+ionien koot ovat suurin piirtein samat, mutta Ca2+-ionilla on suurempi varaus. Siksi Ca2+- ja F−-ionien
välinen ionisidos on vahvempi kuin Na+- ja F−-ionien välinen. Siksi kalsiumfluoridin sulamispiste on
korkeampi.
c) Vesi on poolinen liuotin. Pooliset yhdisteet liukenevat tyypillisesti poolisiin liuottimiin ja
poolittomat yhdisteet poolittomiin liuottimiin. Glyseroli on poolinen molekyyli sen
hydroksyyliryhmien elektronegatiivisten happiatomien takia. Siksi glyseroli liukenee runsaasti
veteen. Sykloheksaani taas on hiilivetynä pooliton molekyyli, joten se ei liukene pooliseen veteen.
4. a) A: vasemmalta oikealle lukien sp3, sp2, sp2, sp3, sp3. B: vasemmalta oikealle lukien sp3, sp, sp,
sp, sp, sp3. C: Kaksoissidokseen osallistuvat hiiliatomit ovat sp2-hiilia ja kaikki muut ovat sp3-hiiliä.
b) Jokaisella molekyylillä A–C esiintyy konformaatioisomeriaa, sillä vapaasti pyörivien
yksinkertaisten sidosten takia metyyliryhmät voivat olla lomittain- tai kohdakkainmuodoissa. B:llä ei
esiinny muita avaruusisomerian lajeja.
A:lla esiintyy lisäksi cis–trans-isomeriaa, sillä kaksoissidoshiiliin liittyneet vetyatomit voivat olla joka
samalla tai eri puolilla kaksoissidoksen akselia (ks. kuva).
H
H
H
trans
H
cis
**
*
C:llä esiintyy em. konformaatioisomerian ohella myös kuuden hiilen renkaan aikaansaamaa
konformaatioisomeriaa: rengas voi olla tuoli- tai venemuodoissa. Lisäksi C:llä on cis–transisomeriaa, sillä hiilirenkaaseen liittyneet metyyliryhmät ja alaosan pidempi hiiliketju voivat olla
samalla tai eri puolilla rengasta. C:llä on myös optista isomeriaa, sillä siinä on asymmetrisiä
hiiliatomeja, jotka on merkitty eo. kuvaan tähdellä.
5. a) Ionisoitumisenergia tarkoittaa sitä energiamäärää (kJ/mol), joka vaaditaan poistamaan
elektroni kaasumaisesta atomista tai ionista.
b)
ionisoitumisenergia (kJ/mol)
5000
4500
4000
3500
3000
2500
1. ionisoitumisenergia
2000
2. ionisoitumisenergia
1500
1000
500
0
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
järjestysluku
c) Hiili ja typpi ovat saman jakson alkuaineita, joten niiden uloimmat elektronit ovat samalla
elektronikuorella. Typen ytimessä on kuitenkin yksi protoni enemmän, joten sillä ydinvaraus on
suurempi. Typpiydin vetää ulkoelektroneja puoleensa suuremmalla voimalla kuin hiiliydin. Siksi
typellä on suurempi ionisoitumisenergia. (Samasta syystä typpiatomi on pienempi kuin hiiliatomi.)
d) Ionisoitumisenergia on suurimmillaan sellaisten aineiden kohdalla, joiden atomilla tai ionilla on
oktetti eli täydet kahdeksan elektronia korkeaenergisimmällä p-orbitaalilla. Jalokaasuilla on oktetti,
joten ensimmäisen ionisoitumisenergian huiput ovat jalokaasujen neon (Z = 11) ja argon (Z = 18)
kohdilla. Kun ensimmäinen elektroni poistetaan, menettävät jalokaasut oktetin ja sen saavat
alkalimetallit. Siksi toisen ionisoitumisenergian huiput eivät enää ole jalokaasujen vaan
alkalimetallien natrium (Z = 12) ja kalium (Z = 19) kohdilla.
e) Pääsääntöisesti ionisoitumisenergia kasvaa c-kohdassa esitetystä syystä siirryttäessä jaksossa
vasemmalta oikealle. Magnesiumilla pitäisi siis perusteella olla alhaisempi ionisoitumisenergia kuin
alumiinilla, mikä on ristiriitaista ionisoitumisenergioista tehdyn havainnon kanssa. Magnesiumin
elektronirakenne on [Ne] 3s2 ja alumiinin [Ne] 3s2 3p1. Siis magnesiumin uloimmat elektronit ovat
täydellä 3s-alakuorella ja alumiinilla vajaalla 3p-alakuorella. Koska magnesiumilla on alumiinia
korkeampi ionisoitumisenergia, voidaan päätellä, että täysi alakuori on energeettisesti pysyvämpi
tila kuin vajaa.
6. a) Näytettä kuumennettiin, jotta kidevesi haihtuisi. Ensimmäisen kuumennuksen jälkeen ei vielä
tiedä, onko kaikki vesi haihdutettu. Toisen kuumennuksen jälkeen nähtiin, että ensimmäisessä
kuumennuksessa vettä jäi haihtumatta. Kolmannen kuumennuksen jälkeen massa ei enää eronnut
toisen kuumennuksen jälkeisestä, joten kaikki vesi oli toisessa kuumennuksessa jo haihtunut.
b) m(kidevedellinen Na2CO3) = 22,913 g − 21,608 g = 1,305 g. m(H2O) = 22,913 g − 22,204 g
= 0,709 g. m(kuiva Na2CO3) = 1,305 g − 0,709 g = 0,596 g.
n(H2O) = m(H2O) / M(H2O) = 0,709 g / (18,016 g/mol) ≈ 0,039354 mol. n(kuiva Na2CO3)
= m(kuiva Na2CO3) / M(Na2CO3) = 0,596 g / (105,99 g/mol) ≈ 0,0056232 mol.
Ainemäärien suhde: n(H2O) : n(kuiva Na2CO3) ≈ 0,039354 mol : 0,0056232 mol ≈ 6,9985 : 1 ≈ 7 : 1.
Siis n = 7 eli kidevedellisen natriumkarbonaatin kaava on Na2CO3 ∙ 7 H2O.
c) Jos näytettä roiskahtaa pois, saadaan haihtuvalle vedelle todellista suurempi massa ja n:lle liian
suuri arvo.