dia-valinta 2015 Insinöörivalinnan kemian koe 27.5.2015

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta – dia-valinta 2015
Insinöörivalinnan kemian koe 27.5.2015
MALLIRATKAISUT
1 a) Vaihtoehto B on oikein.
Elektronit sijoittuvat atomiorbitaaleille kasvavan energian mukaisessa järjestyksessä (”Aufbau”periaate).
Elektronit täyttävät saman energian omaavat orbitaalit siten, että ne asettuvat omille orbitaaleilleen
(samansuuntaisin spinein) niin kauan kuin mahdollista, ts. ”parittomien” elektronien lukumäärä on
maksimissaan (Hundin sääntö).
b)
c) 2 kpl sp-hybridisoitunutta hiiliatomia
7 kpl sp2-hybridisoitunutta hiiliatomia
d) O
C
O
Sidoskulma on 180 astetta.
Hiiliatomi on sp- hybridisoitunut (lineaarinen rakenne).
e) Timantissa jokainen hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisella sidoksella neljään muuhun hiiliatomiin
ja syntyy kolmiulotteinen verkkomainen rakenne. Hiiliatomit ovat sp3- hybridisoituneita.
Grafiitissa jokainen hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisella sidoksella kolmeen muuhun hiiliatomiin
ja syntyy kuusiatomisista hiilirenkaista muodostunut kerrosmainen rakenne. Jokaisen hiiliatomin
neljäs elektroni on delokalisoitunut hiilikerrosten väliin. Hiiliatomit ovat sp2- hybridisoituneita.
2 a)
i) 6 CO2(g) + 6 H2O(l)
C6H12O6(s) + 6 O2(g)
ii) Reaktiolämpö H on positiivinen, joten reaktio sitoo energiaa ja on endoterminen.
iii) M(CO2)= 44,01 g/mol ja m(CO2) = 1,00 g
n(CO 2 )
m(CO2 )
M (CO2 )
1,00 g
44,01 g/mol
0,02272 mol
6 moolia CO2:a kohtaan reaktiolämpö H = +403 kJ.
0,02272 moolia CO2:ta kohtaan reaktiolämpö
b) C12H22O11(s) + 12 O2(g)
H
0,02272 mol
403 kJ = +1,53 kJ
6 mol
12 CO2(g) + 11 H2O(l)
Sakkaroosin palamisreaktion reaktiolämpö:
H0 =
n Hf0 (reaktiotuotteet) -
n Hf0(lähtöaineet)
H0 = 12 Hf0 (CO2(g)) + 11 Hf0 (H2O(l)) -
Hf0(C12H22O11(s)) - 12 Hf0 (O2(g))
H0 = 12 · (-393,5) kJ + 11 · (-285,8) kJ – 1 · (-2222) kJ = -5643,8 kJ (/ mooli sakkaroosia)
Energiatarve on 10 000 kJ/päivä
Tarvittava sakkaroosimäärä:
n(sakkaroosi)
10000 kJ
5643,8 kJ / mol
1,7719 mol
M(sakkaroosi) = 342,3 g/mol;
m(sakkaroosi) = 1,7719 mol · 342,3 g/mol = 606,5 g
600 g
3. a) Kaasujen ainemäärät alussa: CO 1,00 mol, H2O 2,00 mol, CO2 1,00 mol, H2 1,00 mol
Astian tilavuus: 2,00 dm3
Alkukonsentraatiot: [CO] = 0,500 mol/dm3, [H2O] = 1,00 mol/dm3, [CO2] = 0,500 mol/dm3,
[H2]= 0,500 mol/dm3
CO(g) + H2O(g)
Q=
[
[
][
][
]
CO2(g) + H2(g)
=
]
,
/
( ,
/
,
/
)( ,
/
)
= 0,500
Koska Q < 5,10 (= K), systeemi ei ole tasapainossa ja reaktio etenee oikealle, tuotteisiin päin.
Q:n voi ratkaista myös ainemäärillä, kun perustelee, että tilavuudet supistuvat Q:n
lausekkeessa pois.
b)
CO(g) +
Alussa
0,500
(mol/dm3)
Tasapainossa 0,500-x
(mol/dm3)
K
0,500 x 0,500 x
0,500 x 1,00 x
H2(g)
1,00
CO2(g) +
0,500
0,500
1,00-x
0,500+x
0,500+x
H2O(g)
5,10
4,10 x2 – 8,65x + 2,30 = 0
(x1 = 1,798)
x2 = 0,312
V = 2,00 dm3
[CO2] = (0,500 + x) mol/dm3 = (0,500 + 0,312) mol/dm3 = 0,812 mol/dm3
n(CO2) = c · V = 0,812 mol/dm3 · 2,00 dm3 = 1,624 mol
1,62 mol
Tehtävän voi ratkaista myös sijoittamalla K:n lausekkeeseen ainemäärät, kun perustelee, että
tilavuudet supistuvat pois.
c) Kun reaktioastian tilavuus pienenee, paine kasvaa ja tasapainotila siirtyy suuntaan, jossa paine
pienenee, eli suuntaan, jossa reaktioyhtälössä on vähemmän kaasumolekyylejä (Le Chatelierin
periaate).
Koska reaktioyhtälössä on kummallakin puolella yhtä monta kaasumolekyyliä, ei tilavuuden
ja paineen muutos siirrä tasapainotilaa mihinkään suuntaan.
d) Lämpötilan nosto siirtää reaktion tasapainotilaa endotermiseen eli lämpöä kuluttavaan suuntaan (Le
Chatelier).
Koska reaktio on eksoterminen ( H < 0) eli reaktiossa vapautuu lämpöä, tasapainotila siirtyy
vasemmalle, lähtöaineisiin päin, kun lämpötilaa nostetaan.
4. a) Hapettumisreaktio:
Pelkistymisreaktio:
Zn2+(aq) + 2 e–
Zn(s)
Br2(l) + 2 e–
x
2 Br–(aq)
+1,07
b) Kennon lähdejännite perustilassa on 1,83 V
Sinkin hapettumispotentiaali:
x + 1,07 V = 1,83 V
x = 1,83 V – 1,07 V = 0,76 V
Sinkin pelkistymispotentiaali = -0,76 V
Tai:
Lähdejännite: Zn(s) + Br2(l) Zn2+(aq) + 2 Br–(aq) E0 = 1,83 V
Br2(l) + 2 e– 2 Br–(aq)
E0 = 1,07 V
Zn(s) + Br2(l) Zn2+(aq) + 2 Br–(aq)
2 Br–(aq)
Br2(l) + 2 e–
Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e–
Zn2+(aq) + 2 e– Zn(s)
E0 = 1,83 V
E0 = -1,07 V
E0 = 1,83 V -1,07 V = 0,76 V
E0 = - 0,76 V
c) Q = I t = n z F
n Br2
It
zF
1,50 A 3600 s
2 96485 A s mol
M(Br2) = 159,8 g/mol
1
0,027984 mol
m(Br2) = n · M = 0,027984 mol · 159,8 g/mol = 4,4718 g
Kun paristosta otetaan virtaa, bromin massa pienenee.
Kun paristosta on otettu virtaa 1,5 A tunnin ajan, on bromin massa pienentynyt arvoon:
365 g – 4,4718 g = 360,5282 g
361 mg
d) Normaalipotentiaali mitataan siten, että vertailuelektrodina käytetään normaalivetyelektrodia, jonka
jännitteeksi on sovittu 0,00 V. Tällöin mittauksessa saatava jännite on mitattavan puolikennon
(reaktion) normaalipotentiaali.
Mittauksessa tulee vakioida lämpötila (yleensä 298,15 K), kennoliuosten konsentraatio (1,0 M) ja
reaktioon osallistuvien kaasujen paine (101,3 kPa).
5. a)
H
O
H3 N
O
b)
H
O
H2 N
O
c)
O
H2N
N
H
H
HO
H
O
O
O
d) m(sakkaroosi) = 106 g, M(sakkaroosi) = 342,3 g/mol
n(sakkaroosi)
m
M
106 g
342,3 g / mol
n(aspartaami)
n(sakkaroosi)
200
0,30967 mol
0,30967 mol
200
0,00154835 mol
M(aspartaami) = 294,3 g/mol
m(aspartaami) = n · M = 0,00154835 mol · 294,3 g/mol = 0,455679 g
456 mg
e) muurahaishappo (CH2O2)
M(muurahaishappo) = 46,026 g mol–1
n(muurahaishappo) = 0,00154835 mol
m(muurahaishappo) = 0,00154835 mol · 46,026 g mol–1 = 0,0712644 g = 71,3 mg
HCO3 (aq) + H3O+(aq)
6. a) CO2(aq) + 2 H2O(l)
(0 °C) = 7,93 · 10 7 mol/dm3
(30 °C) = 9,82 · 10 6 mol/dm3
CO32 (aq) + H3O+(aq)
HCO3 (aq) + H2O(l)
=
[
[
][
]
]
[
=
]
[CO ] =
pH = 7,80
[HCO ] =
[CO
[
[
]
,
30 °C: [CO ] =
(
,
,
)
,
(
,
,
7,78 · 10 4 mol/dm3
(
]
]
]
6,59 · 10 5 mol/dm3
(
[
[
]
]
[H3O+] = 10–7,80
0 °C: [CO ] =
b) CaCO3(s)
[
[
]=
(0 °C) = 4,21 · 10 10 mol/dm3
(30 °C) = 1,00 · 10 9 mol/dm3
)
Ca2+(aq) + CO32 (aq)
,
mol/dm3 = 6,5923· 10 5 mol/dm3
,
mol/dm3 = 7,7797 · 10 4 mol/dm3
Ks(0 °C) = 7,73 · 10 7 mol2/dm6
Ks(30 °C) = 7,25 · 10 7 mol2/dm6
) = [Ca ][CO ] = (0,010 6,59 10
= ,
/
<
(
) = [Ca ][CO ] = (0,010 7,78 10
= ,
/
>
(
) mol /dm
)
) mol /dm
)
Lämpötilassa 0 C ionitulo < liukoisuustulo, joten kalsiumkarbonaattia liukenee.
Lämpötilassa 30 C ionitulo > liukoisuustulo, joten kalsiumkarbonaattia ei liukene.