2015 - Turun yliopisto

2
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
TEHTÄVÄ 1 (7 p.)
Lannoite sisältää sekä ammoniumsulfaattia että kaliumsulfaattia. Seoksen koostumus voidaan määrittää
sekoittamalla näyte natriumhydroksidin kanssa ja kuumentamalla. Tällöin vapautuu kaasumaista
ammoniakkia, jonka määrä voidaan analysoida.
a. Kirjoita reaktioyhtälö ammoniakin muodostumiselle
b. Lannoite-erästä otettu 0,228 g suuruinen näyte käsiteltiin edellä mainitulla tavalla ja siitä
muodostuva ammoniakki johdettiin veteen. Saatu liuos neutraloitiin 0,100 M vetykloridiliuoksella,
jota kului 16,1 ml. Kirjoita neutralointireaktion yhtälö.
c. Kuinka paljon (massaprosentteina) ammoniumsulfaattia lannoitteessa oli?
a.
(NH4)2SO4 + 2 NaOH -> 2 NH3 + Na2SO4 + 2 H2O
(2p)
tai
NH4+ + OH- -> NH3 + H2O
b.
NH3 + HCl -> NH4Cl
(2p)
c.
n(NH3) = n(HCl) = V(HCl)xc(HCl) = 16,1 ml x 0,100 mol/l = 1,61 mmol
n((NH4)2SO4) = ½ n(NH3) = 0,805 mmol
ð m((NH4)2SO4) = M((NH4)2SO4)xn((NH4)2SO4) = 132,154 g/mol x 0.805 mmol = 0,1064 g
ð m-%((NH4)2SO4) = m((NH4)2SO4)/m(seos) = 0,1064/0,228 = 46,7%
(3p)
3
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
TEHTÄVÄ 2 (8 p.)
Selitä, mitä eroa on seuraavilla käsitteillä:
a. jalo metalli ja epäjalo metalli
Epäjalo metalli lukenee happoihin tuottaen vetyä (protonin pelkistys), jalometallit eivät.
Jalometalleilla on positiivinen pelkistyspotentiaali. (2 p)
b. vahva happo ja heikko happo
Vahva happo dissosioituu täysin, heikko vain osittain.
c. kiteinen aine ja amorfinen aine
Kiteisellä aineella on säännöllinen rakenne (lähijärjestys ja kaukojärjestys), amorfisella aineella ei
(vain lähijärjestys).
d. hapan oksidi ja emäksinen oksidi
Veteen liuetessaan emäksinen oksidi tekee emäksisen liuoksen (esim. alkalimetallioksidi), hapan
oksidi (esim. epämetallioksidit) tekevät vesiliuokset happamiksi.
4
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
TEHTÄVÄ 3 (7 p.)
Rikkihappoa valmistetaan teollisesti polttamalla rikki rikkidioksidiksi. Tämä reagoi kiinteän katalyytin (yleensä
V2O5) läsnä ollessa siten, että muodostuu rikkitrioksidia. Rikkitrioksidi liuotetaan veteen, jolloin saadaan
tuotteeksi rikkihappoa.
a. Esitä prosessi tasapainotettujen reaktioyhtälöiden avulla.
b. Kuinka paljon rikkihappoa voidaan saada, kun poltetaan 1,00 kg alkuainerikkiä?
a.
S + O2 -> SO2
(3 p)
2 SO2 + O2 -> 2 SO3
SO3 + H2O -> H2SO4
b.
m(S) = 1,00 kg => n(S) = 1000 g / 32,066 g/mol = 31,19 mol
(4p)
n(H2SO4 ) = n(S) => m(H2SO4) = M(H2SO4) x n(H2SO4) = 98,07 g/mol x 31,19 mol = 3,06 kg
(8 p.)
6
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
Tehtävä 4 jatkuu
b. Selvitä miten reaktion nopeusvakio saadaan piirtämäsi suoran avulla ja laske nopeusvakio.
c. Mikä on lähtöaineen konsentraatio ajanhetkellä 1500 s?
Tehtävän johdannossa sanottiin, että nopeusyhtälö on suoran yhtälö. Suora yhtälö y =
kulmakerroin·x + vakio tarkoittaa käytännössä sitä että kun mitattava suure y esitetään
mitattavan suureen x funktiona, saadaan suora, jonka kulmakerroin kuvaa suureiden
välistä riippuvuutta. Nopeusyhtälön tapauksessa x = aika ja y= ln[N2O5]
Kun lähtöaineen konsentraation luonnollinen logaritmi ln([N2O5]) esitetään reaktioajan
funktiona, saadaan suora, jonka kulmakerroin on nopeusyhtälön ln[N2O5]t = -k·t + ln[N2O5]0
mukaisesti nopeusvakion vastaluku –k.
Kulmakerroin saadaan y:n ja x:n muutoksen suhteesta eli kulmakerroin = Δy/Δx. Laskuun
voidaan valita mitkä tahansa kaksi pistettä. Seuraavassa on käytetty pisteitä t=1000 s ja
3000 s. Näitä vastaavat y:n arvot ovat -2,99573 ja -4,38203
Kulmakerroin = (- 4,38203 - (-2,99573-))/(3000s- 1000s) = - 6,93·10-4 s-1. Nopeusvakio on
siten 6,93·10-4 s-1
Vastaus: Reaktion nopeusvakio on 6,9·10-4 s-1 ja se saadaan suoran ln[N2O5] vs. t
kulmakertoimesta, joka on kulmakertoimen vastaluku
Kommentti: Ylläolevassa tekstissä on pyritty selittämään perusteellisesti mistä nopeusvakio
saadaan. Yhtä perusteellista vastausta ei ole edellytetty, kunhan vastauksesta käy selville,
miten nopeusvakio on määritetty.
Vastauksessa annettujen desimaalien määrään ei ole arvostelussa kiinnitetty huomiota.
Periaatteessa korkeintaan yksi desimaali on oikein, kun lasku perustuu graafiseen
määritykseen melko epätarkkaa asteikkoa käyttäen.
Pistelasku: a-kohta 4 pistettä (taulukko 1 p. + kuva 3 p.), b- ja c-kohdat 2 pistettä kumpikin.
7
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
TEHTÄVÄ 5 (7 p.)
a. Esitä reaktioyhtälö reaktiolle, jossa etikkahappo reagoi 1-propanolissa rikkihapon katalysoidessa
reaktiota
b. Piirrä ja nimeä muodostuva yhdiste
c. Kuinka monta grammaa orgaanista tuotetta saadaan, jos etikkahappoa on 20 ml ja 1-propanolia 100
ml? Etikkahapon tiheys on 1,049 gcm-3 ja 1-propanolin tiheys 0,803 gcm-3. Reaktion tasapainovakio
K =5,0. Kerää välitulokset seuraavalla sivulla olevaan taulukkoon. Vastaustila jatkuu seuraavalla
sivulla
a. (1 p.)
Kyseessä on esterinmuodostusreaktio, jossa karboksyylihappo ja alkoholi muodostavat esterin.
Kondensaatioreaktiossa muodostuu myös vettä. Myös rakennekaavoin esitetty reaktiokaavio on hyväksytty.
b. (1 p.)
O
C
H3C
OCH2CH2CH3
Tuote on propyyliasetaatti eli etikkahapon propyyliesteri. Myös propyylietanoaatti ja propyylietanaatti on
hyväksytty.
c. saatavan tuotteen massa lasketaan tasapainovakion lausekkeen avulla. Sitä varten lasketaan aluksi
lähtöaineitten alkukonsentraatiot annettujen tietojen avulla:
m = d·V, n = m/M ja c = n/Vkok , jossa Vkok = reaktioliuoksen kokonaistilavuus 120 ml
→ c=( d·V/M)/Vtot
M(etikkahappo) = 60,05 gmol-1
V(etikkahappo) =20 cm3
d(etikkahappo) = 1,049 gcm-3
c(etikkahappo) = (1,049 gcm-3·20 cm3/60,05 gmol-1)/120 cm3 = 2,9115·10-3 molcm-3 = 2,9115 moldm-3
M(1-propanoli) = 60,10 gmol-1
V(1-propanoli) =100 cm3
d(1-propanoli) = 0,803 gcm-3
c(1-propanoli) = (0,803 gcm-3·100 cm3/60,10 gmol-1)/120 cm3 = 11,134·10-3 molcm-3 = 11,134 moldm-3
8
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
TEHTÄVÄ 5 (jatkuu)
K =[Esteri]e [Vesi]e/([Happo]e[alkoholi]e)
Tasapainovakion lausekkeeseen tarvitaan konsentraatiot tasapainotilassa. Niitä ei tunneta. Merkitään siksi
muodostuvan esterin konsentraatiota x:llä. Reaktioyhtälöstä nähdään, että vettä muodostuu yhtä paljon.
happoa ja alkholia reagoi yhtä paljon, kun esteriä muodostuu.
Konsentraatiot alussa:
Tasapainokonsenraatiot:
Happo
Alkoholi
Esteri
Vesi
2,9115
2,9115 – x
11,134
11,134 – x
0
x
0
x
Kun ylläolevat arvot sijoitetaan tasapainovakion lausekkeeseen, saadaan
5,0 = x2/((2,9115 – x)·( 11,134 – x)) ja tästä edelleen sieventämällä toisen asteen yhtälö:
(2 p.)
→5,0·(2,9115 – x)·( 11,134 – x) = x2
→4,0x2 – 5,0(2,9115 + 11,134)x + 5,0·2,9115·11,134 = 0
Soveltamalla toisen asteen yhtälön ratkaisukaavaa, saadaan x = 2,7336 tai x = 14,823, joista jälkimmäinen ei
ole mahdollinen, koska reaktioyhtälön mukaan tuotteen konsentraatio ei voi olla suurempi kuin
lähtöaineiden.
(2 p.)
Orgaanisen tuotteen eli propyyliasetaatin konsentraatio reaktioliuoksessa on 2,7336 moldm -3 ja liuoksen
tilavuus 0,12 dm3. Propyyliasetaatin moolimassa on 102,131 gmol-1. Muodostuneen propyyliasetaatin massa
on siten 2,7336 moldm-3·0,12 dm3·102,131 gmol-1 = 33,502 g ≈ 34 g
(1 p.)
Vastaus: Propyyliasetaattia muodostuu 34 g
Kommentti: Kaikkia ylläesitettyjä välivaiheita ei ole edellytetty vastauksessa, vaan riittää, kun vastauksesta
käy selville miten lasku on laskettu.
c-kohdan pisteet on laskettu niin, että tasapainovakion lauseke, jossa on oikeat konsentraatiot on 2 p., oikein
ratkaistu 2. asteen yhtälö 2 p. ja oikein laskettu tuotteen massa 1 p.
9
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
Taulukko 1. Tehtävässä 5 välituloksina saatuja suureiden arvoja. Alaindeksit 0 ja e viittaavat reaktion alku- ja
tasapainotilaan. Tuote 1 on reaktion orgaaninen tuote. Tummennetulla värillä merkittyjä ruutuja ei täytetä.
Etikkahappo
1-propanoli
Tuote 1
Tuote 2
V/ml
20
100
d/gcm-3
1,049
0,803
m/g
20,98*
80,3
M/gmol-1
60,05
60,10
n0/mol
0,349
1,336
0
0
c0/moldm-3
2,912
11,134
0
0
ce/moldm-3
0,178
8,400
2,734
2,734
* Punaisella kirjoitetut arvot ovat ne, joita kokelaitten odotettiin täyttävän taulukkoon
TEHTÄVÄ 6 (9 p.)
Ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin? Perustele vastauksesi lyhyesti. Käytä tarvittaessa piirrosta
apuna
a. Sykloheksaanin ja veden muodostamassa kaksifaasisysteemissä vesi on ylempi faasi, sillä sen
moolimassa on pienempi.
b. Pentanaali ja 3-pentanoni ovat karbonyyliyhdisteitä
c. Karboksyylihappomolekyylit sitoutuvat toisiinsa vetysidoksien välityksellä.
d. 2-metyyli-3-pentanoli on kiraalinen yhdiste
e. Polyestereitä muodostuu, kun esterimolekyylit liittyvät toisiinsa kondensaatioreaktiossa.
f. Kaikki aminohapot ovat negatiivisesti varautuneita neutraalissa pH:ssa
a. Väärin. Sykloheksaani on hiilivety, jonka tiheys on pienempi kuin veden, joten sykloheksaani on
kaksifaasisysteemissä ylempi faasi.
b. Oikein. Pentanaali on aldehydi ja 3-pentanoni ketoni. Aldehydit ja ketonit
ovat karbonyyliyhdisteitä.
c. Oikein.
Vetysidoksia
muodostuu,
kun
yhdisteessä
on
elektronegatiiviseen atomiin kiinnittynyt vety. Karboksyylihappojen
HO-ryhmä osallistuu siten vetysidoksiin. Lisäksi karboksyylihappojen
karbonyyliryhmä voi olla vetysidoksen vastaanottaja.
10
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
d. Oikein. 3-hiilessä on neljä erilaista ryhmää kiinni: HO-ryhmä, etyyliryhmä,
isopropyyliryhmä sekä vety.
e. Väärin. Polyesteri muodostuu silloin, kun dioli ja dihappo reagoivat keskenään.
f.
Väärin. Kokonaisvaraus riippuu siitä, onko aminohapon sivuketjussa ionisoituvia ryhmiä.
Esimerkiksi lysiini, jonka sivuketjussa on aminoryhmä, on positiivisesti varautunut neutraalissa
pH:ssa.
Kommentti: Jokainen kohta on 1,5 p. Perustelemattomia vastauksia ei ole hyväksytty laisinkaan. Ylläolevissa
vastauksissa vastausta on perusteltu kaavioiden avulaa, mutta ne eivät ole välttämättömiä, mikäli asia on
perusteltu sanallisesti.
11
Pääsykoe 2015– Kemian laitos, Turun yliopisto
Nimi:
Suhteelliset atomimassat, Ar(12C) = 12
Numero suluissa ilmoittaa viimeisen desimaalin luotettavuuden. * Radioaktiivisille alkuaineille: tärkeän isotoopin nuklidimassa.
Th, Pa ja U: luonnon isotooppikoostumus.
Pure Appl. Chem. 78, 2051-2066 (2006)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
Vety
Helium
Litium
Beryllium
Boori
Hiili
Typpi
Happi
Fluori
Neon
Natrium
Magnesium
Alumiini
Pii
Fosfori
Rikki
Kloori
Argon
Kalium
Kalsium
Skandium
Titaani
Vanadiini
Kromi
Mangaani
Rauta
Koboltti
Nikkeli
Kupari
Sinkki
Gallium
Germanium
Arseeni
Seleeni
Bromi
Krypton
Rubidium
Strontium
Yttrium
Zirkonium
Niobi, Niobium
Molybdeeni
Teknetium
Rutenium
Rodium
Palladium
Hopea
Kadmium
Indium
Tina
Antimoni
Telluuri
Jodi
Ksenon
Cesium
Barium
Lantaani
Cerium
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Cs
Ba
La
Ce
1,00794(7)
4,002602(2)
6,941(2)
9,012182(3)
10,811(7)
12,0107(8)
14,0067(2)
15,9994(3)
18,9984032(5)
20,1797(6)
22,98976928(2)
24,3050(6)
26,9815386(8)
28,0855(3)
30,973762(2)
32,065(5)
35,453(2)
39,948(1)
39,0983(1)
40,078(4)
44,955912(6)
47,867(1)
50,9415(1)
51,9961(6)
54,938045(5)
55,845(2)
58,933195(5)
58,6934(2)
63,546(3)
65,409(4)
69,723(1)
72,64(1)
74,92160(2)
78,96(3)
79,904(1)
83,798(2)
85,4678(3)
87,62(1)
88,90585(2)
91,224(2)
92,90638(2)
95,94(2)
98,9063*
101,07(2)
102,90550(2)
106,42(1)
107,8682(2)
112,411(8)
114,818(3)
118,710(7)
121,760(1)
127,60(3)
126,90447(3)
131,293(6)
132,9054519(2)
137,327(7)
138,90547(7)
140,116(1)
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
114
116
118
Praseodyymi
Neodyymi
Prometium
Samarium
Europium
Gadolinium
Terbium
Dysprosium
Holmium
Erbium
Tulium
Ytterbium
Lutetium
Hafnium
Tantaali
Volframi
Renium
Osmium
Iridium
Platina
Kulta
Elohopea
Tallium
Lyijy
Vismutti
Polonium
Astatiini
Radon
Frankium
Radium
Aktinium
Torium
Protaktinium
Uraani
Neptunium
Plutonium
Amerikium
Curium
Berkelium
Kalifornium
Einsteinium
Fermium
Mendelevium
Nobelium
Lawrencium
Rutherfordium
Dubnium
Seaborgium
Bohrium
Hassium
Meitnerium
Darmstadtium
Röntgenium
Ununbium
Ununquadium
Ununhexium
Ununoctium
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Fr
Ra
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
Ds
Rg
Uub
Uuq
Uuh
Uuo
140,90765(2)
144,242(3)
146,9151*
150,36(2)
151,964(1)
157,25(3)
158,92535(2)
162,500(1)
164,93032(2)
167,259(3)
168,93421(2)
173,04(3)
174,967(1)
178,49(2)
180,94788(2)
183,84(1)
186,207(1)
190,23(3)
192,217(3)
195,084(9)
196,966569(4)
200,59(2)
204,3833(2)
207,2(1)
208,98040(1)
208,9824*
209,9871*
222,0176*
223,0197*
226,0254*
227,0277*
232,03806(2)
231,03588(2)
238,02891(3)
237,0482*
244,0642*
243,0614*
247,0704*
247,0703*
251,0796*
252,0830*
257,0951*
258,0984*
259,1010*
260,1097*
261,1088*
262,1141*
263,1219*
264,12*
[277]
268,1388*
272,1535*
[272]
[285]
[289]
[289]
[293]