Lataa: Kertaustehtäviä_ratkaisut
Transcription
Lataa: Kertaustehtäviä_ratkaisut
KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.1/14 1. VI – II I – II I VI – II SO 3 (g ) H 2 O(l) H 2 SO 4 (aq) 0 I – II II 0 I – II Mg (s) 2 H 3 O (aq) Mg 2 (aq) H 2 (g ) 2 H 2 O(l) IV – II 0 VI – II 2 SO 2 (g ) O 2 (g ) 2 SO 3 (g ) Ensimmäinen reaktioista ei ole hapetus-pelkistysreaktio. KE 4. Metallit ja materiaalit s.2/14 Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 KE 4. Metallit ja materiaalit s.3/14 Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 KE 4. Metallit ja materiaalit s.4/14 Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.5/14 3. a) Tina syöpyy rikkihappoliuokseen, koska tina hapettuu samalla, kun rikkihaposta pelkistyy vetykaasua. Tämän kokonaisreaktion potentiaali on positiivinen Sn(s) Sn2+(aq) + 2 e 2 H+(aq) + 2 e H2(g) Sn(s) + 2 H+(aq) Sn2+(aq) + H2(g) Eh = +0,14 V Ep = 0,00 V E = +0,14 V > 0 (Huomaa, että rikkihapon sulfaatti-ionien hapettumispotentiaalin arvo on vain 2,01 V, joten sulfaatti-ionit eivät osallistu reaktioon.) Platina sen sijaan ei liukene rikkihappoon eli platina ei hapetu, sillä kokonaisreaktion potentiaali on negatiivinen. Pt(s) Pt2+(aq) + 2 e Eh = 1,19 V + 2 H (aq) + 2 e H2(g) Ep = 0,00 V Ei reaktiota E = 1,19 V b) Reaktiossa sinkki epäjalompana metallina hapettuu ja liuoksen kupari(II)-ionit pelkistyvät. Kokonaisreaktion potentiaali on positiivinen. Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e Cu2+(aq) + 2 e Cu(s) Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) c) Eh = +0,76 V Ep = +0,34 V E = +1,10 V > 0 Hopea ei liukene suolahappoon eli se ei vapauta vetykaasua suolahaposta, sillä tämän kokonaisreaktion potentiaali on negatiivinen. Ag(s) Ag+(aq) + e 2 H+(aq) + 2 e H2(g) Ei reaktiota Eh = 0,80 V Ep = 0,00 V E = 0,80 V < 0 Typpihapon kanssa hopea sen sijaan reagoi seuraavien reaktioyhtälöiden mukaisesti (sen perusteella, onko typpihappo väkevä vai laimea): 4. a) Ag(s) Ag+(aq) + e NO3(aq) + 2 H+(aq) + e NO2(g) + H2O(l) Ag(s) + NO3(aq) + 2 H+(aq) Ag+(aq) + NO2(g) + H2O(l) Eh = 0,80 V Ep = +0,80 V E = +0,00 V 3 Ag(s) 3 Ag+(aq) + 3 e NO3(aq) + 4 H+(aq) + 3 e NO(g) + 2 H2O(l) 3 Ag(s) + NO3(aq) + 4 H+(aq) 3 Ag+(aq) + NO(g) + 2 H2O(l) Eh = 0,80 V Ep = +0,96 V E = +0,16 V Eri alkuaineiden hapetusluvut ovat +I I +IV II +II I +I II 0 HCl(aq) + MnO2(s) MnCl2(aq) + H2O(l) + Cl2(aq) KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.6/14 hapetusluku lähtöaineessa Mn Cl +IV I -I II +I O H hapetusluku lopputuotteessa tapahtuva muutos määrä +II 0 I II +I pelkistyy hapettuu ei muutosta ei muutosta ei muutosta siirtyvien elektronien atomia kohti 2 1 0 0 0 Reaktiossa mangaani(IV)-ioni pelkistyy mangaani(II)-ioniksi vastaanottamalla kaksi elektronia. Reaktiossa kaksi kloridi-ionia hapettuu muodostaen kloorikaasua. Elektronien tasapainotusta varten laitetaan vetykloridin eteen kerroin 2. Reaktioyhtälön kertoimet ovat tässä vaiheessa: 2 HCl(aq) + MnO2(s) MnCl2(aq) + H2O(l) + Cl2(aq) Tasapainotetaan vielä muut atomit (kloori, vety ja happi). Huom! Kaikki Cl - ei siis hapetu. ( 4 Cl - → Cl 2 + 2 e- + 2 Cl - ) 4 HCl(aq) + MnO2(s) MnCl2(aq) + 2 H2O(l) + Cl2(aq) b) Hapetusluvut ovat +I II 0 I 0 +I H2S(g) + I2(aq) S(s) + I (aq) + H+(aq) hapetusluku lähtöaineessa hapetusluku lopputuotteessa tapahtuva muutos siirtyvien elektronien määrä atomia kohti S II 0 hapettuu 2 I 0 I pelkistyy 1 H +I +I ei muutosta 0 Luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien lukumäärä saadaan samaksi, kun laitetaan jodidi-ionien eteen kerroin kaksi. Tällöin jodimolekyylin molemmat atomit ovat pelkistyneet eli vastaanottaneet yhteensä kaksi elektronia, jotka ovat vapautuneet rikkiatomin hapettuessa. H2S(g) + I2(aq) S(s) + 2 I(aq) + H+(aq) Tasapainotetaan vielä vetyatomit: H2S(g) + I2(aq) S(s) + 2 I(aq) + 2 H+(aq) Lasketaan lopuksi varaukset: Lähtöaineet: 0 Reaktiotuotteet: 2 (1) + 2 1 = 0 KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.7/14 5. a) Positiivinen elektrodi on jalompi metalli eli hopea. b) Elektronit liikkuvat negatiiviselta elektrodilta positiiviselle eli kuparielektrodilta hopeaelektrodille. c) Kennon lähdejännite lasketaan normaalipotentiaalien avulla (hapettuminen) + (pelkistyminen) Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e 2 Ag+(aq) + 2 e 2 Ag(s) Cu(s) + 2 Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2 Ag(s) Eh = 0,34 V Ep = +0,80 V E = +0,46 V d) 6. a) Elektrolyysi on sähkövirran aikaansaama aineen hajoaminen hapetus-pelkistysreaktion kautta. Reaktio tapahtuu elektrolyysiliuoksessa, jossa sähköä kuljettavat ionit. Negatiivisesti varatut ionit, anionit, vaeltavat positiivisesti varatulle elektrodille, anodille, luovuttavat siellä elektroninsa ja hapettuvat. Positiivisesti varatut ionit, kationit, vaeltavat negatiivisesti varatulle elektrodille, katodille, jolta ne saavat elektroneja ja pelkistyvät. Suolojen sulatteita elektrolysoitaessa suolan negatiiviset ionit siis hapettuvat ja positiiviset ionit pelkistyvät alkuaineiksi. Laimeissa suolojen vesiliuoksissa tapahtuu tavallisesti veden elektrolyyttinen hajoaminen hapeksi ja vedyksi, jos liuoksessa on muuten vaikeasti pelkistyvä tai hapettuvia ioneja: 2 H2O(l) 2 H2(g) + O2(g) Joskus suolaliuoksen ionien konsentraatio (lähinnä väkevässä kloridi-ioniliuoksessa) voi vaikuttaa siihen, mitä aineita muodostuu. Esimerkiksi väkevän natriumkloridiliuoksen elektrolyysissä anodilla muodostuu hapen ohella klooria. Elektrodimateriaali valitaan yleensä siten, että se ei osallistu hapettumispelkistymistapahtumaan (passiiviset elekrodit). Ainoastaan metallien puhdistuksessa ja pinnoituksessa elektrodimateriaali myös hapettuu (aktiiviset elektrodit). KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.8/14 b) Elektrodireaktiot ovat anodi: 2 Cl(l) Cl2(g) + 2 e katodi: Mg2+(l) + 2 e Mg(l) Elektrodit on valmistettava passiivisesta materiaalista, joka kestää kuumuutta, eikä se itse osallistu hapettumis-pelkistymistapahtumaan. Esimerkiksi grafiitti tai platina ovat tällaisia materiaaleja. KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.9/14 8. • Orgaaninen kemia on kokonaisuudessaan hiilen ja sen kemiallisten yhdisteiden kemiaa. Tärkein ominaisuus: hiiliatomit liittyvät ketjuiksi ja ketjut voivat haarautua, verkottua ja muodostaa rengasrakenteita. • Hiilellä on kolme allotrooppista muotoa: grafiitti, timantti ja fullereeni. • Tavallisimmat oksidit: hiilimonoksidi eli häkä CO ja hiilidioksidi CO2. • Hiilen tunnetuin happo on hiilihappo H2CO3. • Hiilen tunnetuin karbonaatti on kalsiumkarbonaatti CaCO3. Se on pääaineena koulussa käytetyssä taululiidussa ja rakentamisessa käytetyssä marmorissa. ◦ Muita tuotteita, jotka voidaan hyväksyä esimerkkeinä kalsiumkarbonaatin käytöstä: mm. kananmunan ja simpukan kuoret, veistokset, patsaat, pylväät ja muut vastaavat kalkkikiven käyttökohteet. KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.10/14 9. m(Na) = 0,26 g M(Na) = 22,99 g/mol V(H2O) = 1,0 l m(H2O) = 1 000 g M(H2O) = 18,016 g/mol c(NaOH) = ? Reaktioyhtälö on 2 Na(s) + 2 H2O(l) 2 NaOH(aq) + H2(g) Natriumin ainemäärä on m(Na) M (Na) 0,26 g 22,99 g/mol n(Na) 0,01131 mol Reagoivan veden ainemäärä on n (H 2 O) m(H 2O) M (H 2 O) 1 000 g 18,016 g/mol 55,51 mol Reaktioyhtälön kertoimien mukaan n( Na ) 1 . n ( H 2 O) 1 Käytettävissä olevien ainemäärien suhde on n( Na ) 0,01131 mol = n( H 2 O ) 55,51 mol Koska reaktioyhtälössä kummatkin aineet "kuluvat" samassa suhteessa ja natriumia on vähemmän, niin nähdään suoraan että natrium loppuu ensin, joten vettä on reaktiossa ylimäärin, ja natrium on reaktion rajoittava tekijä. n(NaOH) = n(Na) = 0,01131 mol Natriumhydroksidiliuoksen konsentraatio on KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.11/14 n(NaOH) V 0,01131 mol 1,0 l c (NaOH) 0,01131 mol/l 0,011 mol/l 10. a) Fosfaattiosa, sokeriosa ja emäs. b) Dipeptidisidos muodostuu esimerkiksi kahden alaniinin reagoidessa. Tuotteena muodostuu 2-[(2-aminopropanoyyli)amino]propanonihappoa ja vettä. Dipeptidi on siis kahde rakenneosan liitos. Tripeptidi kolmen, jne. H O H3C CH CH3 N C OH + C H H C H3C O 11. a) PE eli polyeteeni muodostuu additioreaktiolla eteeniyksiköistä: H H H C H C + H H H C C H Oppikirjan mukainen rakennekaavio H C N NH2 HO NH2 CH O H H H H C C C C H H H H CH3 C H C HO O + H2O KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.12/14 b) PVC eli polyvinyylikloridi muodostuu additioreaktiolla kloorieteeniyksiköistä: H Cl H C H C + Cl C C H H H H Cl H Cl C C C C H H H H Oppikirjan mukainen rakennekaavio c) teryleeni muodostuu glykolin eli (1,2) –etaanidiolin ja tereftaalihapon kondensaatioreaktiolla: OH OH H C H C H H + O O C HO C O OH H H C C H H O O C O C + H2O Oppikirjan mukainen rakennekaavio Huom! Teryleeni on kaupallinen nimitys polyetyleenitereftalaatista (kuten myös dacron ja mylar) 12. - Synteettisellä muovilla tarkoitetaan tavallisesti valmista tuotetta, joka rakentuu polymeeristä, lisä- ja apuaineista. - Muovit nimetään sen mukaan, mikä tai mitkä polymeerit ovat sen rakennusaineena. Muovien nimestä käytetään yleensä lyhennettä. - Muovit jaotellaan kesto- ja kertamuoveihin. Kestomuoveja voidaan muovata lämmön avulla useita kertoja, kertomuoveja ei. - Muovien perusaineena oleva polymeeri valmistetaan monomeereistä polymeraatioreaktiolla, joka tapahtuu tavallisesti joko liittymis- tai kondensaatioreaktiona - Liittymisreaktion edellytyksenä monomeerin kaksoissidokset. - Liittymisreaktioiden mekanismi on tavallisesti radikaalimekanismi tai katalysoitu koordinaatiomekanismi. - Kondensaatioreaktion edellytyksenä on kaksi erilaista monomeeriä, joilla on eri toiminnallinen ryhmä tai kaksi samaan monomeeriä, joissa on vähintään kaksi toiminnallista ryhmää. KE 4. Metallit ja materiaalit Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015 s.13/14 13. a) b) kondensaatioreaktio – molekyylit liittyvät ja vesi lohkeaa välistä. c) hydrolyysireaktio - Hydrolyysi on kemiallinen reaktio, jossa yhdiste hajoaa vettä lisättäessä takaisin lähtöaineikseen. (Tämä on aiemmin opittua) 14. a) Kondensaatioreaktion edellytyksenä on kaksi erilaista monomeeriä, joilla on eri toiminnallinen ryhmä tai kaksi samaan monomeeriä, joissa on vähintään kaksi toiminnallista ryhmää. Esimerkiksi polyesterien muodostumisreaktioon sopivia lähtöaineita ovat dikarboksyylihappo ja kaksiarvoinen alkoholi. Polyamidien muodostumisreaktioon puolestaan tarvitaan dikarboksyylihappo ja diamiini. Joissain tapauksissa kondensoituvat funktionaaliset ryhmät voivat olla myös samassa molekyylissä. Tällaisia aineita ovat esimerkiksi aminohapot ja hydroksihapot. b) polyesteri KE 4. Metallit ja materiaalit s.14/14 15. 16. Kertaustehtävien ratkaisut 30.9.2015