Reaktio 4 opettajan opas Tehtävien ratkaisut 2 1. painos

Transcription

Reaktio 4 opettajan opas
Tehtävien ratkaisut
1. painos
© Tekijät ja Kustannusosakeyhtiö Tammi
ISBN 978-951-26-5610-3
Painopaikka: Edita Prima Oy, Helsinki 2007
2
Tuntisuositus Työ
Opettajalle ........................................................................................................................ 5
Tenttisuunnitelma kurssin itsenäistä suorittamista varten ........................ 7
Tarvittavat kemikaalit ................................................................................................. 8
Luku 1 ............................................................................................................. 9
1.2. Hapetusluvut........................................................................................................... 10
1.3. Osareaktiot ja reaktioyhtälön kertoimet..................................................... 14
2h
1h
3h
Työ 1
Luku 2 ............................................................................................................. 35
2.1. Sähköä kemiallisesta energiasta ..................................................................... 36
2.2. Normaalipotentiaalit ........................................................................................... 36
2.3 Korroosio................................................................................................................... 44
Akut, paristot ja polttokennot .............................................................................................46
2.4. Elektrolyysi: sähkövirta pakottaa reagoimaan......................................... 47
1h
2h
1h
1h
3h
Työ 2
1h
1h
1h
1h
1h
2h
Työ 3
Luku 3 ............................................................................................................. 60
3.1. Sidostyyppejä ja reaktiotyyppejä, vety–yhdisteet................................... 61
3.2 Happiyhdisteet ........................................................................................................ 62
3.3 Rikin kemiaa ............................................................................................................ 66
3.4 Typen ja fosforin kemiaa .................................................................................... 69
3.5 Halogeenien kemiaa.............................................................................................. 71
3.6 Metallit ....................................................................................................................... 74
Luku 4 ............................................................................................................. 79
4.1 Materiaalit ja aineiden ominaisuudet............................................................ 80 1 h
4.2 Polymeerit................................................................................................................. 81 1 h
Työ 6
4.3 Luonnon polymeerit ............................................................................................. 86 4.3-4.10 3 h Työ 4, 5
4.4 Luonnon materiaaliratkaisuja .......................................................................... 96
4.5 Liimat ja kovettuvat hartsit ............................................................................... 96
4.6 Venyvät materiaalit ............................................................................................... 98
4.7 Tekstiilit ja kuidut.................................................................................................. 98
4.8 Pakkausmateriaalit ............................................................................................... 100
Työ 6
4.9 Rakennusmateriaalit ............................................................................................ 101
4.10 Maalit ja pinnoitteet ........................................................................................... 102
KE4–Kurssikoe ............................................................................................................... 103
K4–Kurssikokeen ratkaisut ....................................................................................... 105
Tehtäväpankki ................................................................................................................ 110
3
(Otsikon jälkeen oleva merkintä "sivu x" viittaa kirjan sivuun)
Kalvopohjat luvuittain ............................................................................. 128
Luku 1................................................................................................................................. 128
Myrkkyjä ja niiden vaikutuksia, sivu 7............................................................................128
Myrkyllisiä eliöitä ja LD50-arvoja, sivu 8 ......................................................................129
Osareaktioiden kirjoittamisohjeet, sivut 15-17 ..........................................................130
Reaktiotyyppejä, sivu 23 .......................................................................................................132
Luku 2................................................................................................................................. 133
Kennoreaktioita, sivut 29, 32 .................................................................................................132
Sähkökemiallinen jännitesarja, sivu 34 ..........................................................................135
Raudan ruostuminen, sivu 40 .............................................................................................136
Galvaaninen ja elektrolyysikenno, sivu 48 ....................................................................137
Elektrodireaktiot, sivu 49 .....................................................................................................138
Vesiliuoksen elektrolyysi, sivu 51 .....................................................................................139
Anodi osana elektrolyysiä, sivu 52 ...................................................................................140
Luku 3................................................................................................................................. 141
Happiyhdisteitä, sivut 67 ja 69 ...........................................................................................141
Typpeä sisältäviä molekyylejä, sivu 82...........................................................................142
Fosforia sisältäviä molekyylejä, sivu 85 .........................................................................143
Malmin rikastus, sivu 90 .......................................................................................................144
Masuuni, sivu 92 .......................................................................................................................145
Alumiinin hydrolyysi, sivu 94 .............................................................................................146
Luku 4................................................................................................................................. 147
Polyesteri, sivu 110 .................................................................................................................147
Kolloidit, sivu 111 ....................................................................................................................148
Polykondensaatio ja polyesterin muodostuminen, sivut 113 ja 114 ................149
Polyamidien muodostuminen, sivut 114 ja 115 .........................................................150
Proteiinit, sivu 118...................................................................................................................151
Peptidiketju, sivu 119 .............................................................................................................152
Rakenteita, sivu 120 ................................................................................................................153
Tärkkelys, sivu 123 ..................................................................................................................154
Tärkkelys, sivu 124 ..................................................................................................................155
Selluloosa, sivu 125 .................................................................................................................156
Kitiini, sivu 127..........................................................................................................................157
Epoksiliima ja pikaliima, sivu 130 ....................................................................................158
Koontitaulukko, sivu 157 ......................................................................................................159
CD-ROM .......................................................................................................... 160
Opettajan oppaan mukana tulevalla cd-romilla on laajempi kokoelma kalvopohjia sekä
esityskäyttöön tarkoitetussa powerpoint-muodossa että tulostettavaksi pdf-muodossa.
4
Opettajalle
Reaktioiden ja reaktiotyyppien opiskelun punainen lanka Reaktio-sarjassa:
Hiiliyhdisteiden reaktiot on opiskeltu 1. ja 3. kurssissa. Pääosa epäorgaanisista reaktioista ja
reaktiotyypeistä käsitellään tässä 4. kurssissa. Protoninsiirtoreaktiot ovat 5. kurssin keskeisiä
sisältöjä.
Johdannon tarkoituksena on opastaa oppilasta vastuulliseen ja itsenäiseen ajatteluun
monisyisen aihekokonaisuuden parissa. Kemikaaleihin ja luonnonaineisiin liittyy ihmisten
mielissä monia näkökulmia, intsessejä ja eettistä lähtökohtia. Ajan salliessa oppilailla voi teettää aiheesta katsauksia, esityksiä tai esseitä. Aihepiiri tarjoaa hienot mahdollisuudet
oppiainerajat ylittäviin pohdintoihin ja monitieteisen kokonaiskuvan hahmottamiseen.
Aloituskysymyksissä palautetaan mieleen muutamia asioita, joihin 4. kurssin sisällöt
ankkuroituvat.
Luvussa 1 opetetaan hapettumis-pelkistymisreaktion tasapainottaminen ja kerrataan
stoikiometrisia laskuja. Menetelmä on luonteeltaan prosessuaalinen, joten sen harjoitteluun on
varattava riittävästi aikaa. Esimerkeissä menetelmän logiikka on avattu yksityiskohtaisesti
oppimisen tueksi. Oppilaat voivat edelleenkin käyttää Reaktio 3-kirjassa esitettyä alkuaineatomien lukumäärien tasapainottamiseen perustuvaa menetelmää. Tässä kirjassa esitelty
menetelmä on kuitenkin tarpeen varmuutensa takia vaativien hapetus-pelkistysreaktioiden
tasapainottamissa. Harjoitteluun kuluva aika ei mene hukkaan, koska harjaantunut oppilas voi
yhdistellä välivaiheita ja vähentää kirjoittamistyötään.
Luvun 2 alkuosa antaa oppilaille työkalut ymmärtää ja kuvata erilaisia hapettumispelkistymisreaktioita ja kemiallisen energian muuttumista sähköenergiaksi.Tehtävissä oppilas
joutuu yhdistämään normaalipotentiaalitaulukon soveltamistaidon ja (osa)reaktioiden
kirjoittamistaidon: tämä ei onnistu ilman (ohjattua) harjoittelua. Sähkökemian sovelluksina
käsitellään korroosio, akut, paristot ja polttokenno. Nämä sisällöt voidaan antaa oppilaille
kotitehtäväksi esimerkiksi niin, että oppilaat jaetaan ryhmiin, jotka esittelevät seuraavalla
tunnilla tuotoksensa muille.
Luvun 2 loppuosassa käsitellään elektrolyysiä ja sen sovelluksia. Sivulla 48 on selventävä
yhteenveto galvaanisen kennon ja elektrolyysikennon rakenne- ja toimintaeroista, jotta asiat
eivät menisi sekaisin oppijan mielessä. Elekrolyytin sähkönjohtokyky ja suljetun virtapiirin
syntyminen saattaa jäädä oppilaille epäselväksi ellei asiaan oppituntipuheessa paneuduta.
Luku 3 keskittyy alkuaineiden kemiaan ja kytkee asioita ympäristöön ja aikaisempiin tietoihin
kemian tietopohjan ja yleissivistyksen vahvistamiseksi. Alussa kerrataan vahvat sidokset ja
jatketaan epämetallien happi ja vety-yhdisteillä. Oksidien ja hydridien opiskelu antaa pohjan
niiden happo-emäs-ominaisuuksien käsittelyyn 5. kurssissa. Luvun lopussa perehdytään
metallien jalostustukseen malmista metalliksi.
Luvussa 3 on runsaasti erityyppisiä tehtäviä, jotka mittaavat sekä kemian ymmärtämistä että
syventävät erityyppisten stoikimetristen tehtävien laskutaitoja. Näiden tehtävien
reaktioyhtälöiden tasapainottamisessa kannattaa käyttää useimmissa tapauksissa Reaktio 3kirjassa esitettyä yksinkertaisempaa menetelmää.
5
Luku 4 käsittelee erilaisia materiaaleja, niiden ominaisuuksia ja rakenteen ja ominaisuuksien
välisiä yhteyksiä. Kurssin ydinsisällöt ovat aloitusluvuissa 4.1 – 4.3. Luvun 4.2 jälkeen on syytä
kerrata tai opiskella, jos ei ole aikaisemmin ehditty, 1. kurssin luku 6.3 (Elämän
rakennusaineet) ennakkojäsentäjäksi ja tiedon ankkuriksi tämän kurssin syventäville
sisällöille. Luvusta 4.4 lähtien oppilaille voidaan antaa ryhmätyöaiheita esitettäväksi ”Erilaisia
materiaaleja” -koontitunnille.
Laboroinneista työt 1, 4 ja 5 ehditään tehdä yhden oppitunnin aikana, mutta työt 2, 3 ja 6
vaativat kaksoistunnin. Jakson tuntimäärästä riippuen ehdittäneen tehdä 1-3 oppilastyötä.
Opettajan oppaan cd-rom sisältää tehtävien ratkaisut sekä pdf- muodossa, että
muokkauskelpoisessa word-muodossa hyödynnettäväksi opetuksen tukena. Cd-romilla on
myös kurssikoe sekä tehtäväpankki muokattavassa muodossa ratkaisuineen.
Opetuskalvoista on cd-romilla laajempi kokoelma sekä tulostettavina versioina että
powerpoint-esityksinä.
6
Tenttisuunnitelma kurssin itsenäistä suorittamista varten
Luku 1.2
Luku 1.3
Luku 2.1
Luku 2.2
Luku 2.3
Luku 2.4
Luku 3.1
Luku 3.2
Luku 3.3
Luku 3.4
Luku 3.5
Luku 3.6
Luku 4.1
Luku 4.2
Luku 4.3
Tehtävät: 1, 3, 4
Tehtävät: 5, 7, 8, 10, 11, 12
Tehtävät: 16
Tehtävät: 17, 18, 19, 21, 26
Tehtävät: 27, 28, 29, 30, 31
Tehtävät: 32, 33, 34, 36, 37, 39, 42, 43
Tehtävät: 46, 47, 48, 49, 50
Tehtävät: 52, 53, 54, 55, 57
Tehtävät: 59, 60, 61, 62, 64, 66
Tehtävät: 67, 68, 69, 71
Tehtävät: 72, 73, 75, 77, 78
Tehtävät: 79, 80, 81, 82, 83, 84
Tehtävät: 86, 87
Tehtävät: 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 96, 98, 99
Tehtävät: 100,101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 110, 112, 113,114,
115, 117
Luku 4.4 Tehtävä 118
Luku 4.5 Tehtävät: 119, 120, 121
Lisäkysymykset:
1) Mihin kahteen pääluokkaan liimat jaetaan?
2) Mitä kuivumalla tai kemiallisella reaktiolla kovettuvaa mono- tai
polymeeriä sisältää a) puuliima b) epoksiliima c) pikaliima d) pellavaöljy?
3) Millaista materiaalia kutsutaan lujitemuoviksi tai komposiitiksi?
Luku 4.6 Tehtävät 122, 123
Lisäkysymykset:
1) Mitä tarkoittaa kumin vulkanointi ja miksi sekä luonnonkumi että
tekokumikumi pitää vulkanoida?
2) Kuvaile silikonikumien eli lyhyesti silikonien rakennetta. Miksi silikonit
kestävät korkeitakin lämpötiloja?
3) Mitä tuotteita silikoneista valmistetaan ja miksi?
Luku 4.7 Tehtävät 124, 125
Lisäkysymykset:
1) Miksi polyesteri- ja polyamidikuidut ovat painoonsa nähden erittäin lujia
ja taipuisia?
2) Selitä, miksi kevlar on lujaa ja esimerkiksi luodinkestäviin liiveihin
mukavampi materiaali kuin teräksestä valmistettu haarniska?
3) Tarkastele spandexin rakennekaavaa ja selitä, miksi spandex ja venyvää?
Luku 4.8 Tehtävät: 126, 127, 128
Luku 4.9 Tehtävät: 130, 131
Luku 4.10 Tehtävät: 132, 133
Kokeelliset kotitehtävät ovat 23 ja 129, joista laaditaan kirjallinen raportti.
7
Tarvittavat kemikaalit
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
bromitymolisininen (0,1 % 20–prosenttisessa etanolissa)
disakkaridejä, esimerkiksi sakkaroosi ja laktoosi
etanoli
floroglusinoliliuos: Liuota 3,5 g floroglusinolia (1,3,5–trihydroksibentseeniä)
50 ml:aan vetykloridihapon vesiliuosta (väkevä HCl / vesi 1:1)
0,1 M hopeanitraattiliuos
jodiliuos: (liuos ei saa olla muutamaa kuukautta vanhempaa)
Liuota 0,88 g kaliumjodidia noin 3 ml:aan lämmintä tislattua vettä. Sekoita niin
kauan, että kiteet liukenevat. Lisää 0,22 g jodikiteitä ja sekoita, kunnes jodi liukenee.
Laimenna 100 ml:ksi tislatulla vedellä. (Tätä liuosta voi ostaa apteekista Jodopaxnimellä. Liuosta käytetään eläinten haavojen desinfiointiin.)
0,50 M kaliumjodidiliuos: kaliumjodidiliuos, KI(aq), johon lisätään muutama pisara
1,0 M rikkihappoliuosta, jotta liuos on hieman hapan
0,020 M kaliumpermanganaattiliuos, KMnO4(aq)
1 M kuparisulfaattiliuos, CuSO4 ⋅ 5 H2O(aq)
0,10 M kuparisulfaattiliuos, CuSO4 ⋅ 5 H2O(aq)
10 % kuparisulfaattiliuos, CuSO4 ⋅ 5 H2O(aq)
kuparia paloina, jauheena, rakeina tai lastuina tai kuparinauloja
ligniinipitoista näytteitä, esimerkiksi sanomalehtipaperia, aikakauslehtipaperia,
suodatinpaperia, perunankuoria, appelsiininkuoria, kaurahiutaleita ja leikeltyjä
kasvinosia
2,0 M natriumhydroksidiliuos, NaOH(aq)
5 % natriumkarbonaattiliuos, Na2CO3(aq)
0,15 M natriumkloridiliuos, NaCl(aq)
2,0 M natriumkloridiliuos, NaCl(aq)
väkevä natriumkloridiliuos, NaCl(aq) (neljä muovilusikallista 100 ml:aan vettä)
magnesiumia paloina, jauheena, rakeina, lastuina tai nauhana
metyylioranssi (0,1 % vedessä)
monosakkaridejä, esimerkiksi glukoosia ja fruktoosia
muovinäytteitä: polyeteeni (LDPE, HDPE), polypropeeni (PP), polystyreeni (PS),
polyvinyylikloridi (PVC), polyeteenitereftalaatti (PET)
partakoneen terän palanen (¼ normaalista tai ½ kertakäyttöterästä, noin
100 mg)
polysakkaridia, esimerkiksi perunajauhoja
4 M rikkihappo, H2SO4(aq)
1 M rauta(II)sulfaattiliuos, FeSO4(aq)
rautaa paloina, jauheena, rakeina tai lastuina tai rautanauloja
sinkkiä paloina, jauheena, rakeina tai lastuina tai kuumasinkittyjä nauloja
1 M sinkkisulfaattiliuos, ZnSO4(aq)
tislattua vettä
tärkkelyspitoisia elintarvikkeita, kuten perunajauhoja, omenaviipaleita,
lenkkimakkaraa, korppujauhoja, liivatejauhetta, juustoa, soijarouhetta
2,0 M vetykloridihappoliuos, HCl(aq)
8
Luku 1
1.2. Hapetusluvut
1.
Kertaa Reaktio 2 kirjasta s. 72–74 hapetusluvun käsite ja laskusäännöt, joilla
hapetusluku lasketaan. Päättele sitten seuraavien alkuaineiden hapetusluvut:
a) Mg(s) b) Mg2+(aq) c) MgO(s) d) Cl2
e) O2
1.
1.
1.
f) SO2 g) H2S h) NO2 i) N2O
n) Pb(NO3)2 o) K2Cr2O7 p) CaCO3 q) Ca(HCO3)2
j) OH–
k) NO3–
l) NO2– m) PO43–
Ratkaisut
a) Mg(s) 0, perustilainen alkuaine
b) Mg2+(aq) +II, ionin hapetusluku = ionin varaus
c) MgO(s) Mg: +II, O: –II
d) Cl2 0, perustilainen alkuaine
e) O2 0, perustilainen alkuaine
f) SO2 O: –II joten S: x + 2 · (–II) = 0, josta x = +IV
g) H2S H: +I, joten S: 2 · (+I) +x = 0, josta x = –II
h) NO2 O: –II, joten N: x + 2 · (–II) = 0, josta x = +IV
i) N2O O: –II, joten N: 2x + –II = 0, josta x = +I
j) OH– O. –II, H: +I
k) NO3– O: –II, joten N: x + 3 · (–II) = –1, josta x = +V
l) NO2– O: –II, joten N: x + 2 · (–II) = –1, josta x = +III
m) PO43– O: –II, joten P: x + 4 · (–II) = –3, josta x = +V
n) Pb(NO3)2 koostuu Pb2+–ionista ja kahdesta NO3– –ionista. Pb: +II, vrt.
k–kohta O: –II, N: +V
o) K2Cr2O7 O: –II, K jaksollisen järjestelmän 1. ryhmässä(alkalimetalli), joten vain
K+–ioni mahdollinen; K: +I, joten Cr: 2 · (+I) + 2x + 7 ·(–II) = 0, josta x = +VI
2. tapa: tunnista dikromaatti-ioni taulukkokirjan avulla ja laske hapetusluvut siitä.
p) CaCO3 O: –II, Ca jaksollisen järjestelmän 2. ryhmässä (maa–alkalimetalli), joten
vain Ca2+-ioni mahdollinen; Ca: +II, joten C: +II + x + 3 · (–II) = 0, josta x = +IV
2. tapa: tunnista karbonaatti–ioni taulukkokirjan avulla ja laske hapetusluvut siitä.
q) Ca(HCO3)2 Ca: +II, H: +I, O: –II, joten C: +II + 2 · (+I) + 2x + 2 · 3 · (–II) = 0, josta x =
+ IV
2.
Hapetuslukujen ”kirjanpidollinen”luonne havainnollistuu esimerkiksi seuraavissa
yhdisteissä. Näissä tapauksissa hapetuslukujen muutokset voidaan tulkita vasta kun
tarkasteltavien yhdisteiden rakenteet tunnetaan tarkemmin. Laske sääntöjen avulla
a) natriumtiosulfaatin Na2S2O3
b) kaliumsuperoksidin KO2
c) rautaoksidin Fe3O4
alkuaineiden hapetusluvut.
10
Ratkaisut
a) natriumtiosulfaatin Na2S2O3
Na: jaksollisen järjestelmän 1. ryhmässä (alkalimetalli), joten vain Na+-ioni
mahdollinen; Na: +I, O: –II, joten S: 2 · (+I) + 2x + 3 · (–II) = 0, josta x = +II. Tiosulfaattiioni S2O32– on rakenteeltaan samanlainen kuin sulfaatti–ioni SO42–. Happi ja rikki ovat
molemmat 16. ryhmän alkuaineita ja tiosulfaatti–ioni voidaan ajatella sulfaatti-ionina,
jossa yksi happiatomi on korvautunut rikkiatomilla, joten tämän rikin hapetusluku on
–II, jolloin keskusrikin hapetusluku on x + 4 · (–II) = –2, josta x = +VI.
b) kaliumsuperoksidin KO2: jos O: –II on K: x + 2 · (–II) = 0, josta x = +IV.
Kalium on jaksollisen järjestelmän 1. ryhmän alkuaine (19K: elektronikonfiguraatio:
[Ar]4s1) , joten vain K+–ioni on mahdollinen. Hapen hapetusluku ei siis voi olla –II
vaan +I + 2x = 0, josta x = ½ . Raskaimmat alkalimetallit (K, Rb, Cs) muodostavat
superoksideja, joissa on O2–-ioni.
c) rautaoksidin Fe3O4 O: –II, joten Fe: 3x + 4 · (–II) = 0, josta x = +8/3. Yhdiste
muodostuu yhdestä FeO yksiköstä ja kahdesta Fe2O3 yksiköstä: FeO · 2 Fe2O3 eli
O:–II, jolloin FeO:ssa Fe: +II ja Fe2O3:ssa 2x + 3 · (–II) = 0, josta x = +III.
3.
Päättele kunkin alkuaineen hapetusluku sekä tunnista hapettuvat ja pelkistyvät
alkuaineet.
a) Sn(s) + O2(g) → SnO2(s)
b) 2 Na(s) + F2(g) → 2 NaF(s)
c) Mg(s) + Cu2+(aq) → Mg2+(aq) + Cu(s)
d) 2 Al(s) + 3 Cl2(g) → 2 AlCl3(s)
3.
e) CO(g) + H2(g) → C(s) + H2O(g)
f) 2 Al(s) + 6 H+(aq) → 2 Al3+(aq) + 3 H2(g)
g) 3 Fe(NO3)2(aq) + 2 Al(s) → 3 Fe(s) + 2 Al(NO3)3(aq)
Ratkaisut
a) Sn(s) + O2(g) → SnO2(s)
Sn: 0, O: 0, SnO2: O: –II, joten Sn: x + 2 ·(–II) = 0, josta x = +IV
hapetusluku alkuaine hapetusluvun elektroneja
muutos
siirtyy kpl/atomi
0 → +IV
kasvaa
Sn
luovuttaa 4 e–
0 → –II
pienenee
O
vastaanottaa
2 e–
tapahtuu
hapettuminen
pelkistyminen
b) 2 Na(s) + F2(g) → 2 NaF(s)
hapetusluvut: Na: 0, F: 0, NaF: Na: +I, joten F: +I + x = 0, josta x = –I
hapetusluku alkuaine hapetusluvun
muutos
0 → +I
kasvaa
Na
0 → –I
pienenee
F
11
elektroneja siirtyy tapahtuu
kpl/atomi
luovuttaa yhden e– hapettuminen
vastaanottaa yhden pelkistyminen
e–
c) Mg(s) + Cu2+(aq) → Mg2+(aq) + Cu(s)
hapetusluvut: Mg: 0, Cu: +II, Mg2+: +II: Cu: 0
muutos
0 → +II
kasvaa
Mg
+II → 0
pienenee
Cu
elektroneja
siirtyy kpl/atomi
luovuttaa 2 e–
vastaanottaa
2 e–
tapahtuu
elektroneja
siirtyy kpl/atomi
luovuttaa 3 e–
vastaanottaa
yhden e–
tapahtuu
hapettuminen
pelkistyminen
d) 2 Al(s) + 3 Cl2(g) → 2 AlCl3(s)
hapetusluvut: Al: 0, Cl: 0, Al: +III, Cl: –I
muutos
0 → +III
kasvaa
Al
0 → –I
pienenee
Cl
hapettuminen
pelkistyminen
3. e) CO(g) + H2(g) → C(s) + H2O(g)
hapetusluvut: C: +II, O: –II, H: 0, C: 0, H: +I, O: –II
muutos
0 → +I
kasvaa
H
+II → 0
pienenee
C
kpl/atomi
luovuttaa yhden e– hapettuminen
vastaanottaa
pelkistyminen
2 e–
f) 2 Al(s) + 6 H+(aq) → 2 Al3+(aq) + 3 H2(g)
hapetusluvut: Al: 0, H: +I, Al3+: –III, H: 0
muutos
0 → +III
kasvaa
Al
+I → 0
pienenee
H
elektroneja
siirtyy kpl/atomi
luovuttaa 3 e–
vastaanottaa
yhden e–
tapahtuu
hapettuminen
pelkistyminen
g) 3 Fe(NO3)2(aq) + 2 Al(s) → 3 Fe(s) + 2 Al(NO3)3(aq)
hapetusluvut: Fe: +II, N: +V, O: –II, Al: 0, Fe: 0, Al: +III, N: +V, O: –II
muutos
0 → +III
kasvaa
Al
+II → 0
pienenee
Fe
12
elektroneja
siirtyy kpl/atomi
luovuttaa 3 e–
vastaanottaa
2 e–
tapahtuu
hapettuminen
pelkistyminen
4.
Päättele kunkin alkuaineen hapetusluku sekä tunnista hapetin ja pelkistin.
a) 2 NO(g) + 5 H2(g) → 2 NH3(g) + 2 H2O(g)
b) 3 Cu(s) + 8 H+(aq) + 2 NO3–(aq) → 3 Cu2+(aq) + 4 H2O(l) + 2 NO(g)
c) 3 Cl2(g) + 6 OH–(aq) → 5 Cl–(aq) + ClO3–(aq) + 3 H2O(l)
Ratkaisut
a) 2 NO(g) + 5 H2(g) → 2 NH3(g) + 2 H2O(g)
hapetusluvut: N: +II, O: –II, H: 0, N: –III, H: +I, H: +I, O:, –II
hapetusluku
kasvaa
alkuaine
H
hapetusluvun
muutos
0 → +I
pienenee
N
+II → –III
elektroneja
tapahtuu
siirtyy kpl/atomi
luovuttaa yhden hapettuminen
e–
vastaanottaa 5 e–
pelkistyminen
toimii
pelkistimenä
hapettimena
b) 3 Cu(s) + 8 H+(aq) + 2 NO3–(aq) → 3 Cu2+(aq) + 4 H2O(l) + 2 NO(g)
hapetusluvut: Cu: 0, H: +I, N: +V, O: –II, Cu2+: +II, H: +I, O:, –II, N: +II, O: –II
hapetusluku
kasvaa
alkuaine
Cu
hapetusluvun
muutos
0 → +II
pienenee
N
+V → +II
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
2e
vastaanottaa 3 e–
pelkistyminen
toimii
pelkistimenä
hapettimena
c) 3 Cl2(g) + 6 OH–(aq) → 5 Cl–(aq) + ClO3–(aq) + 3 H2O(l)
hapetusluvut: Cl: 0, O: –II, H: +I, Cl: –I, Cl: +V, O: –II, H: +I, O:, –II
Reaktiota, jossa sama alkuaine
disproportionaatioreaktioksi.
hapetusluku
alkuaine
hapetusluvun
muutos
kasvaa
pienenee
Cl
Cl
0 → +V
0 → –I
sekä
hapettuu
elektroneja
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa 5 e–
vastaanottaa
yhden e–
13
että
pelkistyy
kutsutaan
tapahtuu
toimii
hapettuminen
pelkistyminen
pelkistimenä
hapettimena
1.3. Osareaktiot ja reaktioyhtälön kertoimet
5.
Tasapainota seuraavat osareaktiot ja tunnista, ovatko ne hapettumis– vai
pelkistymisreaktioita:
a) Pb2+ → PbO2
b) MnO4– → Mn2+
c) IO3– → I2
5.
d) SO2 → SO42–
e) S8 → H2S
f) Cr2O72– → Cr3+
g) NO → NO3–
Ratkaisut
a) Pb2+ → PbO2
hapetusluvut: Pb: +II, Pb: +IV, O:–II
muutos
kasvaa
Pb
+II → +IV
elektroneja tapahtuu
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa 2 hapettuminen
e–
toimii
siirtyy
kpl/atomi
vastaanottaa pelkistyminen
5 e–
toimii
pelkistimenä
Tasapainottaminen:
1. Pb: Pb2+ → PbO2
2. O: Pb2+ + 2 H2O → PbO2
3. H: Pb2+ + 2 H2O → PbO2 + 4 H+
4. e–: Pb2+ + 2 H2O → PbO2 + 4 H+ + 2 e–
b) MnO4– → Mn2+
hapetusluvut: Mn: +VII, O: –II, Mn +II
muutos
pienenee
Mn
+VII → +II
Tasapainottaminen:
1. Mn: MnO4– → Mn2+
2. O: MnO4– → Mn2+ + 4 H2O
3. H: MnO4– + 8 H+ → Mn2+ + 4 H2O
4. e–: MnO4– + 8 H+ + 5 e– → Mn2+ + 4 H2O
14
hapettimena
c) IO3– → I2
hapetusluvut: I: +V, O: –II, I: 0
muutos
pienenee
I
+V → 0
siirtyy
kpl/atomi
5 e–
toimii
hapettimena
Tasapainottaminen:
1. I: 2 IO3– → I2
2. O: 2 IO3– → I2 + 6 H2O
3. H: 2 IO3– + 12 H+ → I2 + 6 H2O
4. e–: 2 IO3– + 12 H+ + 2 · 5 e– → I2 + 6 H2O
5. d) SO2 → SO42–
hapetusluvut: S: +IV, O: –II, S: +VI, O: –II
muutos
kasvaa
S
+IV → +VI
siirtyy
kpl/atomi
e–
toimii
siirtyy
kpl/atomi
2 e–
toimii
pelkistimenä
Tasapainottaminen:
1. S: SO2 → SO42–
2. O: SO2 + 2 H2O → SO42–
3. H: SO2 + 2 H2O → SO42– + 4 H+
4. e–: SO2 + 2 H2O → SO42– + 4 H+ + 2 e–
e) S8 → H2S
hapetusluvut: S: 0, H: +I, S:, –II
muutos
pienenee
S
0 → –II
Tasapainottaminen:
1. S: S8 → 8 H2S
2. O: happea ei nyt ole reaktiossa
3. H: S8 + 16 H+ → 8 H2S
4. e–: S8 + 16 H+ + 8 · 2 e– → 8 H2S
15
hapettimena
f) Cr2O72– → Cr3+
hapetusluvut: Cr: +VI, O: –II, Cr3+: +III
muutos
pienenee
Cr
+VI → +III
siirtyy
kpl/atomi
3 e–
toimii
hapettimena
Tasapainottaminen:
1. Cr: Cr2O72– → 2 Cr3+
2. O: Cr2O72– → 2 Cr3+ + 7 H2O
3. H: Cr2O72– + 14 H+ → 2 Cr3+ + 7 H2O
4. e–: Cr2O72– + 14 H+ + 2 · 3 e– → 2 Cr3+ + 7 H2O
g) NO → NO3–
hapetusluvut: N: +II, O: –II, N: +V, O: –II
muutos
kasvaa
N
+II → +V
siirtyy
kpl/atomi
e–
toimii
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
2 e–
yhden e–
toimii
pelkistimenä
Tasapainottaminen:
1. N: NO → NO3–
2. O: NO + 2 H2O → NO3–
3. H: NO + 2 H2O → NO3– + 4 H+
4. e–: NO + 2 H2O → NO3– + 4 H+ + 3 e–
6.
Tasapainota osareaktioita käyttäen
a) Mg(s) + Ag+(aq) → Mg2+(aq) + Ag(s)
b) Zn(s) + Sn2+(aq) → Zn2+(aq) + Sn(s)
Ratkaisut
a) Mg(s) + Ag+(aq) → Mg2+(aq) + Ag(s)
hapetusluvut: Mg: 0, Ag+: +I, Mg2+: +II, Ag: 0
muutos
kasvaa
Mg
0 → +II
pienenee
Ag
+I → 0
16
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Mg: Mg(s) → Mg2+(aq)
2. O: ei nyt reaktiossa
3. H: ei nyt reaktiossa
4. e–: Mg(s) → Mg2+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
1. Ag: Ag+(aq) → Ag(s)
4. e–: Ag+(aq) + e– → Ag(s)
5. Osareaktiot kerrotaan sellaisilla kokonaisluvuilla, että kaikki hapettumisreaktion
tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Pelkistymisreaktio on siis
kerrottava 2:lla.
hapettuminen:
Mg(s) → Mg2+(aq) + 2 e–
pelkistyminen x 2: 2 Ag+(aq) + 2 e– → 2 Ag(s)__________
kokonaisreaktio: Mg(s) + 2 Ag+(aq) → Mg2+(aq) + 2 Ag(s)
b) Zn(s) + Sn2+(aq) → Zn2+(aq) + Sn(s)
hapetusluvut: Zn: 0, Sn2+: +II, Zn2+: +II, Sn: 0
muutos
kasvaa
Zn
0 → +II
pienenee
Sn
+II → 0
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Zn: Zn(s) → Zn2+(aq)
4. e–: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
1. Sn: Sn2+(aq) → + Sn(s)
4. e–: Sn2+(aq) + 2 e– → Sn(s)
17
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
2e
2 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Elektronit ovat jo tasapainossa.
hapettuminen: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–
pelkistyminen: Sn2+(aq) + 2 e– → Sn(s)____________
kokonaisreaktio: Zn(s) + Sn2+(aq) → Zn2+(aq) + Sn(s)
7.
Tasapainota osareaktioita käyttäen seuraavat happamissa olosuhteissa tapahtuvat
reaktiot:
a) I– (aq) + NO2– (aq) → I2(s) + NO(g)
b) IO3–(aq) + Fe2+(aq) → I2(s) + Fe3+(aq)
7.
c) MnO4–(aq) + SO2(g) → SO42–(aq) + Mn2+(aq)
d) CuS(s) + NO3–(aq) → Cu2+(aq) + NO(g) + S8(s)
Ratkaisut
a) I– (aq) + NO2– (aq) → I2(s) + NO(g)
hapetusluvut: I–: –I, N: +III, O: –II, I: 0, N: +II, O: –II
muutos
kasvaa
I
–I → 0
pienenee
N
+III → +II
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
yhden e
yhden e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. I: 2 I– (aq) → I2(s)
4. e–: 2 I– (aq) → I2(s) + 2 · e–
Pelkistymisreaktio:
1. N: NO2– (aq) → NO(g)
2. O: NO2– (aq) → NO(g) + H2O(l)
3. H: NO2– (aq) + 2 H+(aq) → NO(g) + H2O(l)
4. e–: NO2– (aq) + 2 H+(aq) + e– → NO(g) + H2O(l)
kerrottava 2:lla.
hapettuminen: 2 I– (aq) → I2(s) + 2 e–
pelkistyminen x 2: 2 NO2– (aq) + 4 H+(aq) + 2 e– → 2 NO(g) + 2 H2O(l)
kokonaisreaktio: 2 I–(aq) + 2 NO2–(aq) + 4 H+(aq) → I2(s) + 2 NO(g) + 2 H2O(l)
18
b) IO3–(aq)+ Fe2+(aq) → I2(s) + Fe3+(aq)
hapetusluvut: I: +V, O: –II, Fe2+: +II, I: 0, Fe3+: +III
muutos
kasvaa
Fe
+II → +III
pienenee
I
+V → 0
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
yhden e
5 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Fe: Fe2+(aq) → Fe3+(aq)
4. e–: Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + e–
Pelkistymisreaktio:
1. I: 2 IO3–(aq) → I2(s)
2. O: 2 IO3–(aq) → I2(s) + 6 H2O(l)
3. H: 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) → I2(s) + 6 H2O(l)
4. e–: 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) + 2 · 5 e– → I2(s) + 6 H2O(l)
tuottamat elektronit kuluvat pelkistymisreaktiossa. Hapettumisreaktio on siis
kerrottava 10:llä.
hapettuminen x 10: 10 Fe2+(aq) → 10 Fe3+(aq) + 10 e–
pelkistyminen: 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) + 2 · 5 e– → I2(s) + 6 H2O(l)
kokonaisreaktio: 2 IO3–(aq) + 10 Fe2+(aq) + 12 H+(aq) → I2(s) + 10 Fe3+(aq) + 6 H2O(l)
c) MnO4–(aq) + SO2(g) → SO42–(aq) + Mn2+(aq)
hapetusluvut: Mn: +VII, O: –II, S: +IV, O: –II, S: +VI, O: –II, Mn2+: +II
muutos
kasvaa
S
+IV → +VI
pienenee
Mn
+VII → +II
19
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
2e
5 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. S: SO2(g) → SO42–(aq)
2. O: SO2(g) + 2 H2O(l) → SO42–(aq)
3. H: SO2(g) + 2 H2O(l) → SO42–(aq) + 4 H+(aq)
4. e–: SO2(g) + 2 H2O(l) → SO42–(aq) + 4 H+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
1. Mn: MnO4–(aq) → Mn2+(aq)
2. O: MnO4–(aq) → Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
3. H: MnO4–(aq) + 8 H+(aq) → Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
4. e–: MnO4–(aq) + 8 H+(aq) + 5 e– → Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
kerrottava 5:llä ja pelkistymisreaktio 2:lla.
hapettuminen x 5: 5 SO2(g) + 10 H2O(l) → 5 SO42–(aq) + 20 H+(aq) + 10 e–
pelkistyminen x 2: 2 MnO4–(aq) + 16 H+(aq) + 10 e– → 2 Mn2+(aq) + 8 H2O(l)_
kokonaisreaktio: 2 MnO4–(aq) + 5 SO2(g) + 2 H2O(l) → 5 SO42–(aq) + 2 Mn2+(aq) +
4 H+(aq)
d) CuS(s) + NO3–(aq) → Cu2+(aq) + NO(g) + S8(s)
hapetusluvut: Cu: +II, S: –II, N: +V, O: –II, Cu2+: +II, N: +II, O: –II, S: 0
muutos
kasvaa
S
–II → 0
pienenee
N
+V → +II
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
2 e–
3 e–
Tasapainottaminen:
Tässä välivaiheista on jätetty pois olomuotomerkinnät. Riittää, kun ne ovat
tasapainotetussa reaktioyhtälössä.
Hapettumisreaktio:
1. S: 8 S2– → S8
4. e–: 8 S2– → S8 + 8 · 2 e–
Pelkistymisreaktio:
1. N: NO3– → NO
2. O: NO3– → NO + 2 H2O
3. H: NO3– + 4 H+ → NO + 2 H2O
4. e–: NO3– + 4 H+ + 3 e– → NO + 2 H2O
20
toimii
pelkistimenä
hapettimena
kerrottava 3:lla ja pelkistymisreaktio 16:lla.
hapettuminen x 3: 24 S2– → 3 S8+ 48 e–
pelkistyminen x 16: 16 NO3– + 64 H+ + 48 e– → 16 NO + 32 H2O
kokonaisreaktio: 24 S2– + 16 NO3– + 64 H+ → 16 NO + 3 S8 + 32 H2O
Lisätään vielä Cu2+–ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon:
24 CuS(s) + 16 NO3–(aq) + 64 H+(aq) → 24 Cu2+(aq) + 16 NO(g) + 3 S8(s) + 32 H2O(l)
8.
Tasapainota osareaktioita käyttäen seuraavat emäksisissä olosuhteissa tapahtuvat
reaktiot:
a) MnO2(s) + ClO3–(aq) → MnO4–(aq) + Cl–(aq)
b) ClO2(g) → ClO3–(aq)+ Cl–(aq)
8.
c) Fe(OH)2(s) + O2(g) → Fe(OH)3(s)
d) H2O2(aq) + ClO2(aq) → ClO2–(aq) + O2(g)
Ratkaisut
a) MnO2 + ClO3– → MnO4– + Cl–
hapetusluvut: Mn: +IV, O: –II, Cl: +V, O: –II, Mn: +VII, O: –II, Cl: –I
muutos
kasvaa
Mn
+IV → +VII
pienenee
Cl
+V → –I
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
3e
6 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Mn: MnO2 → MnO4–
2. O: MnO2 + 2 · 2 OH– → MnO4–
3. H: MnO2 + 4 OH– → MnO4– + 2 H2O
4. e–: MnO2 + 4 OH– → MnO4– + 2 H2O + 3 e–
Pelkistymisreaktio:
1. Cl: ClO3– → Cl–
2. O: ClO3– + 3 H2O → Cl– + 3 OH– + 3 OH–
3. H: vety on jo tasapainossa
4. e–: ClO3– + 3 H2O + 6 e– → Cl– + 6 OH–
kerrottava 2:lla
21
hapettuminen x2: 2 MnO2 + 8 OH– → 2 MnO4– + 4 H2O + 6 e–
pelkistyminen: ClO3– + 3 H2O + 6 e– → Cl– + 6 OH–
kokonaisreaktio: 2 MnO2(s) + ClO3–(aq) + 2 OH–(aq) → 2 MnO4–(aq) + Cl–(aq) +
H2O(l)
–
–
b) ClO2 → ClO3 + Cl
(Reaktiota, jossa sama alkuaine sekä hapettuu että pelkistyy, kutsutaan
disproportionaatioreaktioksi.
hapetusluvut: Cl: +IV, O: –II, Cl: +V, O: –II, Cl–: –I
elektroneja
tapahtuu
toimii
hapetusluku alkuaine hapetus–
luvun
siirtyy kpl/atomi
muutos
+IV → +V luovuttaa
kasvaa
Cl
hapettuminen pelkistimenä
–
yhden e
+IV → –I vastaanottaa 5 e–
pienenee
Cl
pelkistyminen hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Cl: ClO2 → ClO3–
2. O: ClO2 + 2 OH– → ClO3– + H2O
4. e–: ClO2 + 2 OH– → ClO3– + H2O + e–
Pelkistymisreaktio:
1.Cl: ClO2 → Cl–
2. O: ClO2 + 2 H2O → Cl– + 2 OH– + 2 OH–
3. H: ClO2 + 2 H2O → Cl– + 4 OH–
4. e–: ClO2 + 2 H2O + 5 e– → Cl– + 4 OH–
kerrottava 5:llä.
hapettuminen x 5: 5 ClO2 + 10 OH– → 5 ClO3– + 5 H2O + 5 e–
pelkistyminen:
ClO2 + 2 H2O + 5 e– → Cl– + 4 OH– ___________________
kokonaisreaktio: 6 ClO2(g) + 6 OH–(aq) → 5 ClO3–(aq) + Cl–(aq) +3 H2O(l)
8. c) Fe(OH)2(s) + O2(g) → Fe(OH)3(s)
hapetusluvut: Fe: +II, O: –II, H: +I, O: 0, Fe: +III, O: –II, H: +I
hapetusluku alkuaine hapetusluvun elektroneja tapahtuu
muutos
siirtyy
kpl/atomi
+II → +III
kasvaa
Fe
luovuttaa
hapettuminen
yhden e–
0 → –II
pienenee
O
2 e–
22
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Fe: Fe2+(aq) → Fe3+(aq)
4. e–: Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + e–
Tai
1. Fe: Fe(OH)2(s) → Fe(OH)3(s)
2. O: Fe(OH)2(s) + OH–(aq) → Fe(OH)3(s)
4. e–: Fe(OH)2(s) + OH–(aq) → Fe(OH)3(s) + e–
Pelkistymisreaktio:
1. O: O2(g) → 2 OH–(aq)
2. O: O2(g) + 2 H2O(l) → 2 OH–(aq) +2 OH–(aq)
4. e–: O2(g) + 2 H2O(l) + 2 · 2 e– → 4 OH–(aq)
kerrottava 4:llä.
hapettuminen x 4: 4 Fe2+(aq) → 4 Fe3+(aq) + 4 e–
pelkistyminen:
O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e– → 4 OH–(aq)________________
kokonaisreaktio: 4 Fe2+(aq) + O2(g) + 2 H2O(l) → 4 Fe3+(aq) + 4 OH–(aq)
Lisätään reaktioyhtälön molemmille puolille 8 OH– –ionia, jotka eivät osallistu
elektroninsiirtoreaktioon:
4 Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2 H2O(l) → 4 Fe(OH)3(s)
tai
hapettuminen x 4: 4 Fe(OH)2(s) + 4 OH–(aq) → 4 Fe(OH)3(s) + 4 e–
pelkistyminen: O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e– → 4 OH–(aq)___________________
kokonaisreaktio: 4 Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2 H2O(l) → 4 Fe(OH)3(s)
d) H2O2(aq) + ClO2(aq) → ClO2–(aq) + O2(g)
hapetusluvut: H: +I, O: –I(poikkeus), Cl: +IV, O: –II, Cl: +III, O: –II, O: 0
muutos
kasvaa
O
–I → 0
pienenee
Cl
+IV → +III
23
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
yhden e–
yhden e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. O: H2O2(aq) → O2(g)
2. O: H2O2(aq) + 2 OH–(aq) → O2(g)
3. H: H2O2(aq) + 2 OH–(aq) → O2(g) + 2 H2O(l)
4. e–: H2O2(aq) + 2 OH–(aq) → O2(g) + 2 H2O(l)+ 2 · e–
Pelkistymisreaktio:
1. Cl: ClO2(aq) → ClO2–(aq)
2. O: happi on jo tasapainossa
3. H: vetyä ei ole reaktiossa
4. e–: ClO2(aq) + e– → ClO2–(aq)
kerrottava 2:lla.
hapettuminen:
H2O2(aq) + 2 OH–(aq) → O2(g) + 2 H2O(l) + 2 e–
pelkistyminen x 2: 2 ClO2(aq) + 2 e– → 2 ClO2–(aq)_________________________
kokonaisreaktio: H2O2(aq) + 2 ClO2(aq) + 2 OH–(aq) → 2 ClO2–(aq) + O2(g) +
2 H2O(l)
9.
Emäksisessä liuoksessa kaliumnitraatti reagoi alumiinin kanssa, jolloin syntyy
ammoniakkia ja aluminaatti–ioneja, Al(OH)4–.
a) Laske alkuaineiden hapetusluvut.
b) Mikä alkuaine hapettuu ja mikä pelkistyy?
c) Tasapainota reaktioyhtälö osareaktioiden avulla.
Ratkaisut
Tasapainottamaton reaktioyhtälö:
KNO3(aq) + Al(s) → NH3(aq) + Al(OH)4–(aq) emäksinen liuos
a) hapetusluvut: K: +I, N: +V, O: –II, Al: 0, N: –III, H: +I, Al: +III, O: –II, H: +I
b)
muutos
kasvaa
Al
0 → +III
pienenee
N
+V → –III
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
3 e–
8 e–
c) Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Al: Al(s) → Al(OH)4–(aq)
2. O: Al(s) + 4 OH–(aq) → Al(OH)4–(aq)
4. e–: Al(s) + 4 OH–(aq) → Al(OH)4–(aq) + 3 e–
Pelkistymisreaktio:
24
toimii
pelkistimenä
hapettimena
1. N: NO3–(aq) → NH3(aq)
2. O: NO3–(aq) + 3 H2O(l) + 3 H2O(l) → NH3(aq) + 6 OH–(aq) + 3 OH–(aq)
(Nitraatti–ionin kolme happiatomia ottaa H:n kolmesta vesimolekyylistä, jolloin syntyy 6 OH– -ionia.
Kolmesta muusta vesimolekyylistä otetaan H ammoniakkiin ja jäljelle jää 3 OH– -ionia. Jos tehtävä
tuntuu hankalalta, piirrä rakenteiden atomit erivärisinä pampuloina ja muodosta niistä tuotteet.)
4. e–: NO3–(aq) + 6 H2O(l) + 8 e– → NH3(aq) + 9 OH–(aq)
hapettuminen x 8: 8 Al(s) + 32 OH–(aq) → 8 Al(OH)4–(aq) + 24 e–
pelkistyminen x 3: 3 NO3–(aq) + 18 H2O(l) + 24 e– → 3 NH3(aq) + 27 OH–(aq)
kokonaisreaktio: 3 NO3–(aq) + 8 Al(s) + 18 H2O(l) + 5 OH–(aq) → 8 Al(OH)4–(aq) + 3 NH3(aq)
Lisätään lopuksi vielä kalium–ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon.
3 KNO3(aq) + 8 Al(s) + 18 H2O(l) + 5 OH–(aq) → 8 Al(OH)4–(aq) + 3 NH3(aq) + 3 K+(aq)
10. 42,6 grammaa kuparimetallia liuotettiin happoliuokseen, jossa oli 84,0 g HNO3:n
molekyylejä.
a) Tasapainota osareaktioiden avulla
Cu(s) + HNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + NO(g) + H2O(l)
b) Kuinka monta grammaa kuparinitraattia muodostui?
Ratkaisut
a) Cu(s) + HNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + NO(g) + H2O(l)
hapetusluvut: Cu: 0, H: +I, N: +V, O: –II, Cu: +II, N: +V, O: –II, N: +II, O: –II, H: +I, O: –II
muutos
kasvaa
Cu
0 → +II
pienenee
N
+V → +II
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
2e
3 e–
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1.Cu: Cu(s) → Cu2+(aq)
4. e–: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
1. N: NO3–(aq) → NO(g)
2. O: NO3–(aq) → NO(g) + 2 H2O(l)
3. H: NO3–(aq) + 4 H+(aq) → NO(g) + 2 H2O(l)
4. e–: NO3–(aq) + 4 H+(aq) + 3 e– → NO(g) + 2 H2O(l)
25
toimii
pelkistimenä
hapettimena
hapettuminen x 3: 3 Cu(s) → 3 Cu2+(aq) + 6 e–
pelkistyminen x 2: 2 NO3–(aq) + 8 H+(aq) + 6 e– → 2 NO(g) + 4 H2O(l)
kokonaisreaktio: 3 Cu(s) + 2 NO3–(aq) + 8 H+(aq) → 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)
josta nitraatti–ionit ja kaksi protonia voidaan kirjoittaa typpihapoksi:
3 Cu(s) + 2 HNO3(aq) + 6 H+(aq) → 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)
Ts. kaksi typpihappomolekyyliä kuluu hapettumis–pelkistymisreaktioissa. Koska
reaktio tapahtuu typpihappoliuoksessa, Cu2+-ionit halutaan kirjoittaa nitraatteina.
Reaktioyhtälön kummallekin puolelle on lisättävä 6 NO3 – -ionia. Ne eivät osallistu
elektroninsiirtoon vaan siirtyvät typpihaposta kupariyhdisteeseen.
3 Cu(s) + 2 HNO3(aq) + 6 H+(aq) + 6 NO3 –(aq) →
3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l) + 6 NO3 –(aq)
3 Cu(s) + 2 HNO3(aq) + 6 HNO3(aq) → 3 Cu(NO3)2(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)
ja edelleen yhdistäen:
3 Cu(s) + 8 HNO3(aq) → 3 Cu(NO3)2(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)
2. tapa: Reaktio voidaan tasapainottaa myös lähtien muodoista:
hapettumisreaktio: Cu(s) + HNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq)
pelkistymisreaktio: HNO3(aq) → NO(g)
b) m(Cu) = 42,6 g
m(HNO3) = 84,0 g
lasketaan ainemäärät:
m
42 , 6 g
n(Cu) =
=
= 0,6703... mol
M 63 , 55 g
mol
84,0 g
m
n(HNO3 ) =
=
= 1,3329... mol
M (1,008 + 14,01+ 3 ⋅ 16,00) g
mol
26
Reaktioyhtälö: 3 Cu(s) + 8 HNO3(aq) → 3 Cu(NO3)2(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)
reaktio–
yhtälön
kertoimet
ainemäärät
Cu:n
perusteella
ainemäärät
HNO3:n
perusteella
3 Cu(s)
3
+ 8 HNO3(aq)
8
→
0,6703… mol (8/3) · 0,6703…
(käytettävissä) mol
= 1,787… mol
Rajoittaa
(3/8)·1,3329… 1,3329…
mol
mol
(käytettävissä)
3Cu(NO3)2(aq)
3
+2NO(g)
2
+4H2O(l)
4
(3/8)·1,3329…
mol
m(Cu(NO3 ) 2 = n ⋅ M
3
g
⋅ 1,3329... mol ⋅ (63,55 + 2 ⋅ 14,01+ 6 ⋅ 16,00)
8
mol
= 93,758... g = 93,8 g
=
11. Kun epäjaloa sinkkimetallia käsiteltiin ylimäärällä rikkihapon vesiliuosta, muodostui
sinkkisulfaattia (ZnSO4) ja vetykaasua.
a) Laadi reaktioyhtälö.
b) Mikä oli sinkin puhtausprosentti, kun 3,86 gramman näytteestä saatiin 0,109 g
vetykaasua?
c) Mitä oletuksia laskussa tulee tehdä? (yo s2004)
Ratkaisut
a) Zn(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(s) + H2(g)
hapetusluvut: Zn: 0, H: +I, S: +VI, O: –II, Zn: +II, S: +VI, O: –II, H: 0
muutos
kasvaa
Zn
0 → +II
pienenee
H
+I → 0
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Zn: Zn(s) → Zn2+(aq)
4. e–: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–
27
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
2e
yhden e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Pelkistymisreaktio: rikkihappo luovuttaa protoninsa ja syntyy 2 H+-ionia ja
sulfaatti-ioni SO42–.
1. H: 2 H+(aq) → H2(g)
3. H: tasapainotettu vaiheessa 1, koska pelkistyy
4. e–: 2 H+(aq) + 2 · 1 e– → H2(g)
pelkistyminen: 2 H+(aq) + 2 e– → H2(g)____________
kokonaisreaktio: Zn(s) + 2 H+(aq) → Zn2+(s) + H2(g)
Lisätään vielä sulfaatti–ionit, jotka lähtöaineissa ovat sitoutuneet H+–ioneihin.
Reaktioyhtälöön nämä on merkitty rikkihappona. Reaktiotuotteissa sulfaatti-ionit
sitoutuvat sinkki-ioneihin.
Zn(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(s) + H2(g)
b) m(näyte) = 3,86 g
m(H2) = 0,109 g
m
0,109 g
n(H2 ) =
=
= 0,05406... mol
M 2 ⋅ 1,008 g
mol
Reaktioyhtälö: Zn(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(s) + H2(g)
Zn(s)
+ H2SO4(aq) →
ZnSO4(s)
reaktio–
yhtälön
1
1
1
kertoimet
ainemäärät
0,05406…
mol
kun
0,05406…mol kulunut
vetyä on
syntynyt
+ H2(g)
1
0,05406… mol
syntynyt
Ainemäärät: n(Zn) = n(H2)
m(Zn) = n · M = n(H2) · M(Zn) = 0,05406... mol · 65,41
g
mol
= 3,53655... g = 3,54 g
Sinkin puhtausprosentti:
m(Zn)
3,54 g
puhtaus − % =
⋅ 100 % =
⋅ 100 % = 91,620... % = 91,6 %
m(näyte)
3,86 g
c) Oletukset: 1. kaikki sinkkimetalli reagoi rikkihapon kanssa.
2. vain sinkkimetallin reaktio tuottaa vetykaasua
28
12. Kuinka suuri tilavuus 0,500 M kaliumpermanganaattiliuosta tarvitaan liuottamaan
2,85 g metallista sinkkiä? Tasapainottamaton reaktioyhtälö happamissa
olosuhteissa on
MnO4–(aq) + Zn(s) → Mn2+(aq) + Zn2+(aq).
Ratkaisu
Tasapainotetaan ensin reaktioyhtälö:
MnO4–(aq) + Zn(s) → Mn2+(aq) + Zn2+(aq)
hapetusluvut: Mn: +VII, O: –II, Zn: 0, Mn2+: +II, : Zn2+: +II
muutos
kasvaa
Zn
0 → +II
pienenee
Mn
+VII → +II
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
2 e–
5 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Zn: Zn(s) → Zn2+(aq)
4. e–: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
2. O: MnO4–(aq) → Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
4. e–: MnO4–(aq) + 8 H+(aq)+ 5 e– → Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
hapettuminen x 5: 5 Zn(s) → 5 Zn2+(aq) + 10 e–
pelkistyminen x 2: 2 MnO4–(aq) + 16H+(aq)+10 e– → 2 Mn2+(aq) + 8 H2O_(l)______
kokonaisreaktio: MnO4–(aq)+ 5 Zn(s) +16 H+(aq) → 2 Mn2+(aq) + 5 Zn2+(aq)+ 8 H2O(l)
V(KMnO4) = ?
c(KMnO4) = 0,500 M
m(Zn) = 2,85 g
n(Zn) =
m
2,85 g
=
= 0,04357... mol
M 65,41 g
mol
29
Reaktioyhtälö:
2 MnO4–(aq) + 5 Zn(s) + 16 H+(aq) → 2 Mn2+(aq) + 5 Zn2+(aq) + 8 H2O(l)
2 MnO4–(aq)
+5 Zn(s)
16 H+(aq)
reaktio–
yhtälön
2
5
kertoimet
ainemäärät
kun
2
0,04357…
· 0,04357…
mol
0,04357…
5
(käytettä–
mol sinkkiä mol
vissä)
reagoi
Kaavasta c =
→ 2 Mn2+(aq) +5 n2+(aq)
16
2
5
+8
H2O(l)
8
n
saadaan:
V
2
⋅ 0,04357... mol
n(KMnO 4 ) 5
V (KMnO 4 ) =
=
= 0,034857 dm 3 ≈ 34,9 cm3
mol
c(KMnO 4 )
0,500
dm 3
13. Metallista vanadiinia käytetään teräksen seosaineena silloin, kun valmistetaan
suihkumoottoreita tai korkealaatuisia veitsiä ja työkaluja. Puhdasta vanadiinia
saadaan pelkistämällä vanadiini(V)oksidia V2O5 kalsiummetallilla. Kalsiummetalli
reagoi kalsiumoksidiksi.
a) Kirjoita prosessin osareaktiot ja kokonaisreaktio.
b) Laske tarvittavan kalsiummetallin teoreettinen massa, kun tuotantolaitoksessa
valmistetaan 20,0 kg vanadiinimetallia.
Ratkaisut
a) V2O5 + Ca → V + CaO
hapetusluvut: V: +V, O: –II, Ca: 0, V: 0, Ca: +II, O: –II
muutos
kasvaa
Ca
0 → +II
pienenee
V
+V → 0
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1.Ca: Ca → CaO
2. O: Ca + H2O → CaO
3. H: Ca + H2O → CaO + 2 H+
4. e–: Ca + H2O → CaO + 2 H+ + 2 e–
30
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
2 e–
5 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Pelkistymisreaktio:
1. V: V2O5 → 2 V
2. O: V2O5 → 2 V + 5 H2O
3. H: V2O5 + 10 H+ → 2 V + 5 H2O
4. e–: V2O5 + 10 H+ + 2 ·5 e– → 2 V + 5 H2O
kerrottava 5:llä.
hapettuminen x 5: 5 Ca + 5 H2O → 5 CaO + 10 H+ + 10 e–
pelkistyminen : V2O5 + 10 H+ + 2 ·5 e– → 2 V + 5 H2O
kokonaisreaktio: V2O5 + 5 Ca → 2 V +5 CaO
b) m(V) = 20,0 kg
m(Ca) = ?
m 20,0 ⋅ 103 g
n(V) =
=
= 392,6... mol
M 50,94 g
mol
Reaktioyhtälö: V2O5 + 5 Ca → 2 V + 5 CaO
→
V2O5
+ 5 Ca
reaktio–
yhtälön
1
5
kertoimet
ainemäärät
2
· 392,6…mol
kun
5
392,6…mol V
on
valmistettu
2V
+ 5 CaO
2
5
392,6… mol
(valmistettu)
5
n( V) ⋅ M (Ca)
2
5
g
= ⋅ 392,6... mol ⋅ 40,08
= 39340,4 g = 39,3 kg
2
mol
m(Ca) = n(Ca) ⋅ M (Ca) =
14. Vetyperoksidiliuoksen pitoisuus voidaan määrittää titraamalla se
kaliumpermanganaattiliuoksella rikkihappoisessa liuoksessa.
Tällöin tapahtuu seuraava reaktio:
H2O2(aq) + KMnO4(aq) + H2SO4(aq) → O2(g) + MnSO4(aq) + K2SO4(aq) + H2O(l)
a) Tasapainota reaktio osareaktioita käyttäen.
b) Laske montako massaprosenttia vetyperoksidia tutkittava liuos sisälsi, kun
20,0 g liuosta kulutti 46,9 cm3 0,145 M KMnO4-liuosta.
31
Ratkaisut
a) H2O2(aq) + KMnO4(aq) + H2SO4(aq) → O2(g) + MnSO4(aq) + K2SO4(aq) + H2O(l)
hapetusluvut:
H: +I, O: –I(poikkeus), K: +I, Mn: +VII, O: –II, H: +I, S: +VI, O: –II, O: 0, Mn: +II,
S: +VI, O: –II, K: +I, S: +VI, O: –II, H: +I, O: –II
muutos
kasvaa
O
–I → 0
pienenee
Mn
+VII → +II
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
yhden e–
5 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. O: H2O2(aq) → O2(g)
2. O: on jo tasapainossa
3. H: H2O2(aq) → O2(g) + 2 H+(aq)
4. e–: H2O2(aq) → O2(g) + 2 H+(aq) + 2 · e–
Pelkistymisreaktio:
2. O: MnO4–(aq) → Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
4. e–: MnO4–(aq) + 8 H+(aq)+ 5 e– → Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
hapettuminen x 5: 5 H2O2(aq) → 5 O2(g) + 10 H+(aq) + 10 e–
pelkistyminen x2: 2 MnO4–(aq) + 16 H+(aq)+ 10 e– → 2 Mn2+(aq) + 8 H2O(l)
kokonaisreaktio: 5H2O2(aq) + 2MnO4–(aq) + 6H+(aq) → 5O2(g) + 2Mn2+(aq) + 8H2O(l)
Lisätään vielä K+– ja SO42– –ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon:
5 H2O2(aq) + 2 KMnO4(aq) + 3 H2SO4(aq) → 5 O2(g) + 2 MnSO4(aq) + K2SO4(aq) + 8 H2O(l)
b) m(liuos) = 20,0 g
V(KMnO4) = 46,9 cm3
c(KMnO4) = 0,145 M
Lasketaan kaliumpermanganaatin ainemäärä:
mol
n(KMnO 4 ) = c ⋅ V = 0,145
⋅ 46,9 ⋅ 10 −3 dm 3 = 6,8005 ⋅ 10 −3 mol
dm3
32
Reaktioyhtälö: 5 H2O2(aq) + 2 KMnO4(aq) + 3 H2SO4(aq) → ….
5 H2O2(aq)
+ 2 KMnO4(aq) + 3 H2SO4(aq)
reaktio–
yhtälön
5
2
3
kertoimet
ainemäärät
kun
(5/2) ·
6,8… · 10–3
0,04357… 6,8… · 10–3 mol
mol
mol sinkkiä
(käytettävissä)
reagoi
→ ….
5
5
g
⋅ n(KMnO 4 ) ⋅ M (H2O2 ) = ⋅ 6,8005 ⋅ 10 −3 mol ⋅ (2 ⋅ 1,008 + 2 ⋅ 16,00)
2
2
mol
= 0,5783... g = 578 mg
m(H2O2 )
578 mg
massa − %(H2O2 ) =
⋅ 100 % =
⋅ 100 % = 2,8915...% = 2,89 %
m(liuos)
20,0 g
m(H2O) =
15. Jodia voidaan valmistaa rikkihappoliuoksessa seuraavan reaktion mukaisesti:
NaI(aq) + H2SO4(aq) + MnO2(s) → Na2SO4(aq) + MnSO4(aq) + I2(s) + H2O(l).
a) Määritä reaktioyhtälön kertoimet.
b) Käytössä on 150 ml 0,50 M natriumjodidiliuosta ja 2,9 g mangaanidioksidia.
Kuinka paljon jodia voidaan enintään saada?
c) Mikä aine toimii reaktiossa hapettimena ja mikä pelkistimenä? (yo k2005)
Ratkaisut
a) NaI(aq) + H2SO4(aq) + MnO2(s) → Na2SO4(aq) + MnSO4(aq) + I2(s) + H2O(l)
hapetusluvut: Na +I, I: –I, H: +I, S: +VI, O: –II, Mn: +IV, O: –II, Na: +I, S: +VI,
O: –II, Mn: +II, S: +VI, O: –II, I: 0, H: +I, O: –II
muutos
kasvaa
I
–I → 0
pienenee
Mn
+IV → +II
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. I: 2 I–(aq) → I2(s)
4. e–: 2 I–(aq) → I2(s) + 2 · e–
33
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa
hapettuminen
–
yhden e
2 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Pelkistymisreaktio:
1. Mn: MnO2(aq) → Mn2+(aq)
2. O: MnO2(aq) → Mn2+(aq) + 2 H2O(l)
3. H: MnO2(aq) + 4 H+(aq) → Mn2+(aq) + 2 H2O(l)
4. e–: MnO2(aq) + 4 H+(aq) + 2 e– → Mn2+(aq) + 2 H2O(l)
hapettuminen: 2 I–(aq) → I2(s) + 2 e–
pelkistyminen: MnO2(aq) + 4 H+(aq) + 2 e– → Mn2+(aq) + 2 H2O(l)
kokonaisreaktio: 2 I–(aq) + MnO2(aq) + 4 H+(aq) → Mn2+(aq) + I2(s) + 2 H2O(l)
Lisätään Na+- ja SO42–-ionit, jotka eivät osallistu elektroninsiirtoreaktioon:
2 NaI(aq) + 2 H2SO4(aq) + MnO2(s) → Na2SO4(aq) + MnSO4(aq) + I2(s) + 2 H2O(l)
b) V(NaI) = 150 ml
c(NaI) = 0,50 M
m(MnO2) = 2,9 g
m(I2) = ?
Lasketaan ensin lähtöaineiden ainemäärät:
n(NaI) = c(NaI) · V(NaI) = 0,50 mol/dm3 · 150 · 10–3 dm3 = 75 · 10–3 mol
m
2,9 g
n(MnO2 ) =
=
= 33,356... ⋅ 10 −3 mol
M (54,94 + 2 ⋅ 16,00) g
mol
Reaktioyhtälö:
2 NaI(aq) + 2 H2SO4(aq) + MnO2(s) → Na2SO4(aq) + MnSO4(aq) + I2(s) + 2 H2O(l)
2 NaI(aq)
reaktio–
yhtälön
kertoimet
ainemäärät,
kun 75
mmol
NaI reagoi
ainemäärät,
kun 33,356…
mol MnO2
reagoi
2
+2 H2SO4(aq)
2
+MnO2(s)
→ Na2SO4(aq)
1
75 mmol
(käytet–
tävissä)
(1/2) · 75
mmol
Rajoittaa
2 · 33,356…
mmol
(riittää)
33,356…
mmol
(käytettä–
vissä)
1
+MnSO4(aq)
1
+
I2(s)
1
33,356…
mmol
(syntyy)
m(I2) = n · M = 33,356… · 10–3 mol · 2 · 126,90 g/mol = 8,46583… g = 8,5 g
c) katso a–kohdan taulukko.
34
+2 H2O(l)
2
Luku 2
35
2.1. Sähköä kemiallisesta energiasta
16. Galvaaniset kennot ovat:
a) Cd(s) | Cd2+(aq) || Ni2+(aq) | Ni(s)
b) Zn(s) | Zn2+(aq) || H+(aq) | H2(g), Pt(s)
c) Pt(s) | H2(g) | H+(aq) | | Fe2+(aq), Fe3+(aq) | Pt(s).
Piirrä kennojen kuvat, kirjoita osareaktiot ja kokonaisreaktio.
Ratkaisut
a) Cd(s) | Cd2+(aq) || Ni2+(aq) | Ni(s)
– anodi: hapettuminen: Cd(s) → Cd2+(aq) + 2 e–
+ katodi: pelkistyminen: Ni2+(aq) + 2 e– → Ni(s)
kennoreaktio: Cd(s) + Ni2+(aq) → Cd2+(aq) + Ni(s)
b) Zn(s) | Zn2+(aq) || H+(aq) | H2(g), Pt(s)
– anodi: hapettuminen: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–
+ katodi: pelkistyminen: H+(aq) → H2(g)
H: 2 H+(aq) → H2(g)
e–: 2 H+(aq) + 2 · e– → H2(g)
kennoreaktio: Zn(s) + 2 H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)
c) Pt(s) | H2(g) | H+(aq) | | Fe2+(aq), Fe3+(aq) | Pt(s)
– anodi: hapettuminen: H2(g) → 2 H+(aq) + 2 · e–
+ katodi: pelkistyminen: 2 Fe3+(aq) + 2 · e– → 2 Fe2+(aq)
kennoreaktio: H2(g) + 2 Fe3+(aq) → 2 H+(aq) + 2 Fe2+(aq)
2.2. Normaalipotentiaalit
17. Kupari(II)suolaliuokseen lisätään a) elohopeaa b) rautaa c) sinkkiä
d) rauta(II)suolaliuosta e) kloorikaasua. Missä tapauksissa tapahtuu reaktio?
Kirjoita reaktioyhtälö.
Ratkaisut
kuparisuolaliuokselle: Cu2+ + 2 e– → Cu
E° = +0,34 V
a) Elohopealle löytyy taulukosta kaksi vaihtoehtoa:
E° = +0,80 V
Hg22+ + 2 e– → 2 Hg
2+
–
Hg + 2 e → Hg
E° = +0,85 V
Nyt kupari–ionien liuokseen lisätään elohopeaa, joten reaktiot on käännettävä. Voit
laskea kennoreaktiot molemmille pareille tai todeta, että jälkimmäisen reaktion E° on
positiivisempi, joten se pyrkii tapahtumaan kirjoitettuun suuntaan. Näin
ensimmäinen reaktio sopii paremmin käännettäväksi hapettuvaan suuntaan.
36
hapettuminen: 2 Hg(l) → Hg22+(aq) + 2 e–
–E° = –0,80 V
pelkistyminen: Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
E° = +0,34 V
2+
2+
kennoreaktio: Cu (aq) + 2 Hg(l) → Cu(s) + Hg2 (aq)
E° = –0,46 V
ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti.
(Toinen mahdollinen reaktio:
hapettuminen: Hg(l) → Hg2+(aq) + 2 e–
kennoreaktio: Cu2+(aq) + Hg(l) → Cu(s) + Hg2+(aq)
–E° = –0,85 V
E° = +0,34 V
E° = –0,51 V
ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti ja reaktio on vielä epäedullisempi kuin edellinen.)
b) rauta: Fe2+ + 2 e– → Fe
hapettuminen: Fe(s) → Fe2+(aq) + 2 e–
kennoreaktio: Cu2+(aq)+ Fe(s) → Cu(s) + Fe2+(aq)
ts. reaktio tapahtuu spontaanisti.
E° = –0,45 V
–E° = +0,45 V
E° = +0,34 V
E° = +0,79 V
c) sinkki: Zn2+ + 2 e– → Zn
kennoreaktio: Cu2+(aq)+ Zn(s) → Cu(s) + Zn2+(aq)
E° = –0,76 V
–E° = +0,76 V
E° = +0,34 V
E° = +1,10 V
d) rauta(II)suolaliuos: Fe2+ + 2 e– → Fe
E° = –0,45 V
3+
–
2+
Fe + e → Fe
E° = +0,77 V
E° = –0,45 V
pelkistyminen: Fe2+(aq) + 2 e– → Fe(s)
E° = +0,34 V
ts. molemmat liuoksessa olevat ionit voivat vain pelkistyä. Reaktio ei siis tapahdu.
–E° = –0,77 V
hapettuminen: 2 Fe2+(aq) → 2 Fe3+(aq) + 2 · e–
2+
–
pelkistyminen: Cu (aq) + 2 e → Cu(s)
E° = +0,34 V
kennoreaktio: Cu2+(aq) + 2 Fe2+(aq) → Cu(s) + 2 Fe3+(aq) E° = –0,43 V
E° = +1,36 V
e) kloorikaasu: Cl2 + 2 e– → 2 Cl–
Cl2(g) + 2 e– → 2 Cl–(aq)
E° = +1,36 V
E° = +0,34 V
ts. molemmat liuoksessa olevat muodot voivat vain pelkistyä. Reaktio ei siis tapahdu.
37
18. Laimeaan rikkihappoliuokseen asetetaan pala a) sinkkiä b) kuparia c) rautaa
d) hopeaa. Missä tapauksessa vapautuu vetyä? Kirjoita reaktioyhtälö.
Ratkaisut
Rikkihappoliuos: H2SO4(aq) → 2 H+(aq) + SO42–(aq)
2 H + + 2 e– → H 2
E° = 0,00 V
a) sinkki: Zn2+ + 2 e– → Zn
E° = – 0,76 V
–E° = +0,76 V
pelkistyminen: 2 H+(aq) + 2 e– → H2(g)
E° = 0,00 V
kennoreaktio: Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)
E° = + 0,76 V
ts. reaktio tapahtuu spontaanisti ja vetykaasua vapautuu.
E° = +0,34 V
b) kupari: Cu2+ + 2 e– → Cu
hapettuminen: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e–
–E° = – 0,34 V
E° = 0,00 V
kennoreaktio: Cu(s) + 2H+(aq) → Cu2+(aq) + H2(g)
E° = –0,34 V
ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti eikä vetykaasua vapaudu.
E° = – 0,45 V
c) rauta: Fe2+ + 2 e– → Fe
2+
–
hapettuminen: Fe(s) → Fe (aq) + 2 e
–E° = +0,45 V
E° = 0,00 V
+
2+
kennoreaktio: Fe(s)+ 2H (aq) → Fe (aq) + H2(g)
E° = + 0,45 V
ts. reaktio tapahtuu spontaanisti ja vetykaasua vapautuu.
d) hopea: Ag+ + e– → Ag
E° = +0,80 V
+
–
hapettuminen: 2 Ag(s) → 2 Ag (aq) + 2 · e
–E° = – 0,80 V
E° = 0,00 V
+
+
kennoreaktio: 2 Ag(s) + 2 H (aq) → 2 Ag (aq) + H2(g)
E° = – 0,80 V
ts. reaktio ei tapahdu spontaanisti eikä vetykaasua vapaudu.
19. Ovatko seuraavat reaktiot spontaaneja perustilassa:
a) Cu(s) + 2 H+(aq) → Cu2+(aq) + H2(g)
b) Zn2+(aq) + Pb(s) → Zn(s) + Pb2+(aq)?
Ratkaisut
a) Cu(s) + 2 H+(aq) → Cu2+(aq) + H2(g) normaalipotentiaalitaulukosta:
2 H + + 2 e– → H 2
E° = 0,00 V
2+
–
Cu + 2 e → Cu
E° = +0,34 V
Haluttu reaktio saadaan, kun jälkimmäinen osareaktio käännetään:
hapettuminen: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e–
–E° = –0,34 V
+
–
pelkistyminen: 2 H (aq) + 2 e → H2(g)
E° = 0,00 V
kennoreaktio: Cu(s) + 2H+(aq) → Cu2+(aq) + H2(g)
E° = –0,34 V
38
b) Zn2+(aq) + Pb(s) → Zn(s) + Pb2+(aq)?
normaalipotentiaalitaulukosta:
Zn2+ + 2 e– → Zn
E° = –0,76 V
2+
–
Pb + 2 e → Pb
E° = –0,13 V
Haluttu reaktio saadaan, kun jälkimmäinen osareaktio käännetään:
–E° = +0,13 V
hapettuminen: Pb(s) → Pb2+(aq) + 2 e–
2+
–
pelkistyminen: Zn (aq) + 2 e → Zn(s)
E° = –0,76 V
kennoreaktio: Zn2+(aq) + Pb(s) → Zn(s) + Pb2+(aq)
E° = –0,63 V
20. Rautanaula upotetaan Ni2+-ioneja sisältävään vesiliuokseen. Perustele E°-arvojen
avulla tapahtuuko reaktio:
Ratkaisu
Fe(s) + Ni2+(aq) → Fe2+(aq) + Ni(s)?
Fe2+ + 2 e– → Fe
E° = –0,45 V
Ni2+ + 2 e– → Ni
E° = –0,26 V
Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään:
hapettuminen: Fe(s) → Fe2+(aq) + 2 e–
–E° = +0,45 V
pelkistyminen: Ni2+(aq) + 2 e– → Ni(s)
E° = –0,26 V
2+
2+
kennoreaktio: Fe(s) + Ni (aq) → Fe (aq) + Ni(s)
E° = +0,19 V
21. Galvaaninen kenno koostuu Co2+-liuoksessa olevasta Co-sauvasta ja Cu2+-liuoksessa
olevasta Cu–sauvasta.
a) Laske kennon E°.
b) Kumman elektrodin varaus on positiivinen ja mikä reaktio siellä tapahtuu?
Ratkaisut
a) normaalipotentiaalitaulukosta:
Co2+ + 2 e– → Co
E° = –0,28 V
Cu2+ + 2 e– → Cu
E° = +0,34 V
Kuparin E° on positiivisempi, joten reaktio pyrkii tapahtumaan kirjoitettuun
suuntaan. Ensimmäinen osareaktio siis käännetään:
hapettuminen: Co(s) → Co2+(aq) + 2 e–
–E° = +0,28 V
2+
–
pelkistyminen: Cu (aq) + 2 e → Cu(s)
E° = +0,34 V
kennoreaktio: Co(s) + Cu2+(aq) → Co2+(aq) + Cu(s)
E° = +0,62 V
b) Galvaanisessa kennossa positiivinen elektrodi on katodi. Katodilla tapahtuu
pelkistyminen eli tässä kennossa kupari pelkistyy Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s).
22. a) Osoita normaalipotentiaalien avulla, että rauta(II)ioneja sisältävät liuokset
39
hapettuvat hiljalleen ilman hapen vaikutuksesta rauta(III)ionien liuoksiksi. Kirjoita
ensin osareaktiot ja tasapainota reaktio:
Fe2+(aq) + O2(g) + H+(aq) → Fe3+(aq) + H2O(l).
Laske sitten reaktion E°.
b) Laske kennon 2 Fe3+(aq) + Fe(s) → 3 Fe2+(aq) E°-arvo ja perustele, miksi
rauta(II)liuokset saadaan säilymään lisäämällä niihin rautanaulan tai muu
metallisesta raudasta valmistettu esine.
Ratkaisut
a) Fe2+(aq) + O2(g) + H+(aq) → Fe3+(aq) + H2O(l)
Fe3+ + e– → Fe2+
E° = +0,77 V
+
–
O2 + 4 H + 4 e → 2 H2O
E° = +1,23 V
Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään ja kerrotaan 4:llä:
–E° = –0,77 V
hapettuminen · 4 : 4 Fe2+(aq) → 4 Fe3+(aq) + 4 e–
+
–
pelkistyminen: O2(g) + 4 H (aq) + 4 e → 2 H2O(l)
E° = +1,23 V
kennoreaktio: 4 Fe2+(aq) + O2(g) + 4 H+(aq) → 4 Fe3+(aq) + 2 H2O(l)
E° = +0,46 V
b) 2 Fe3+(aq) + Fe(s) → 3 Fe2+(aq)
Fe2+ + 2 e– → Fe
E° = –0,45 V
Fe3+ + e– → Fe2+
E° = +0,77 V
Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään ja jälkimmäinen
kerrotaan 2:lla:
hapettuminen : Fe(s) → Fe2+(aq) + 2 e–
–E° = +0,45 V
3+
–
2+
pelkistyminen · 2: 2 Fe (aq) + 2 e → 2 Fe (aq)
E° = +0,77 V
kennoreaktio: 2 Fe3+(aq) + Fe(s) → 3 Fe2+(aq)
E° = +1,22 V
a-kohta: rauta(II)liuokset hapettuvat rauta(III)liuoksiksi.
b-kohta rauta(II)liuokset säilyvät, koska a-kohdan liuoksessa syntyneet
rauta(III)ionit pelkistyvät metallisen raudan vaikutuksesta takaisin rauta(II)ioneiksi.
40
23. Ilman rikkiyhdisteet reagoivat herkästi metallisen hopean kanssa. Tällöin hopean
pinta peittyy tummalla hopeasulfidikerroksella Ag2S(s).
a) TV-mainoksessa esitellään alumiinista ”ihmelevyä”, jolla tummuneet
hopeaesineet saadaan kiillotettua. Tasapainota osareaktioiden avulla reaktio:
Ag+(aq) + Al(s) → Ag(s) + Al3+(aq),
laske kennon potentiaali ja perustele miksi ”ihmelevy” toimii.
b) Laita pieni tummunut hopeaesine muoviastiaan. Lisää n. 5 cm leveitä
alumiinifolionpaloja, 1–2 tl ruokasuolaa tai ruokasoodaa ja vettä niin, että kiinteät
aineet peittyvät. Anna seisoa yön yli ja kirjaa aamulla havainnot.
c) Miksi liuokseen lisätään ruokasuolaa tai ruokasoodaa?
d) Toimiiko romuliikkeestä ostettu alumiininpala ”ihmelevynä”?
Ratkaisut
a) Ag+(aq) + Al(s) → Ag(s) + Al3+(aq),
hapetusluvut: Ag: +I, Al: 0, Ag: 0, Al: +III
muutos
siirtyy
kpl/atomi
0 → +III
kasvaa
Al
luovuttaa
hapettuminen
3 e–
+I → 0
pienenee
Ag
yhden e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Al: Al(s) → Al3+(aq)
4. e–: Al(s) → Al3+(aq) + 3 e–
Pelkistymisreaktio:
1. Ag: Ag+(aq) → Ag(s)
4. e–: Ag+(aq) + e– → Ag(s)
kerrottava 3:lla.
hapettuminen:
Al(s) → Al3+(aq) + 3 e–
pelkistyminen x 3: 3 Ag+(aq) + 3 e– → 3 Ag(s)_________
kennoreaktio:
3 Ag+(aq) + Al(s) → 3 Ag(s) + Al3+(aq)
tai puolireaktiot suoraan normaalipotentiaalitaulukosta, josta E°-arvot:
E° = –1,66 V
Al3+ + 3 e– → Al
+
–
Ag + e → Ag
E° = +0,80 V
hapettuminen:
Al(s) → Al3+(aq) + 3 e–
41
–E° = +1,66 V
pelkistyminen x 3: 3 Ag+(aq) + 3 e– → 3 Ag(s)
E° = 0,80 V
kennoreaktio:
3 Ag+(aq) + Al(s) → 3 Ag(s) + Al3+(aq) E° = +2,46 V
ts. reaktio tapahtuu spontaanisti ja hopea pelkistyy takaisin metalliksi.
c) Ruokasuola NaCl ja ruokasooda NaHCO3 liukenevat veteen ioneina, jotka toimivat
kennon liuoksessa sähkönkuljettajina.
d) Romuliikkeen alumiinipala toimii myös ”ihmelevynä”. Levyn pinnalta kannattaa
poistaa rasva poolittomalla liuottimella tai pesuaineella. Passivoiva oksidikerros
poistetaan etikalla tai sitruunamehulla.
24. Kaliumjodaattiliuoksen avulla voidaan määrittää toisissa liuoksissa olevien
pelkistävien aineiden pitoisuuksia. Bromidi-ioneja sisältävässä liuoksessa
tasapainottamaton reaktioyhtälö on
Br–(aq) + IO3–(aq) + H+(aq) → Br2(aq) + I2(aq) + H2O(l).
a) Tasapainota reaktioyhtälö osareaktioiden avulla.
b) Laske reaktion E°, kun jodaatti-ionin IO3– pelkistymisreaktion E° = +1,20 V.
Ratkaisut
a) Br–(aq) + IO3–(aq) + H+(aq) → Br2(aq) + I2(aq) + H2O(l).
hapetusluvut: Br: –I, I: +V, O: –II, H: +I, Br: 0, I: 0, H: +I, O: –II
muutos
siirtyy
kpl/atomi
–I → 0
kasvaa
Br
luovuttaa
hapettuminen
–
yhden e
+V → 0
pienenee
I
5 e–
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Br: 2 Br–(aq) → Br2(aq)
4. e–: 2 Br–(aq) → Br2(aq) + 2 · e–
Pelkistymisreaktio:
1. I: 2 IO3–(aq) → I2(aq)
2. O: 2 IO3–(aq) → I2(aq) + 6 H2O(l)
3. H: 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) → I2(aq) + 6 H2O(l)
4. e–: 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) + 2 · 5 e– → I2(aq) + 6 H2O(l)
42
toimii
pelkistimenä
hapettimena
kerrottava 5:llä.
hapettuminen x 5: 10 Br–(aq) → 5 Br2(aq) + 10 e–
pelkistyminen : 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) + 2 · 5 e– → I2(aq) + 6 H2O(l)
kennoreaktio: 10 Br–(aq) + 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) → 5 Br2(aq) + I2(aq) + 6 H2O(l)
b) normaalipotentiaalitaulukosta:
Br2 + 2 e– → 2 Br–
2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) + 10 e– → I2(aq) + 6 H2O(l)
E° = +1,07 V
E° = +1,20 V
Haluttu reaktio saadaan, kun ensimmäinen osareaktio käännetään ja kerrotaan 5:llä:
hapettuminen x 5: 10 Br–(aq) → 5 Br2(aq) + 10 e– –
E° = –1,07 V
pelkistyminen : 2 IO3–(aq) + 12 H+(aq) + 2 · 5 e– → I2(aq) + 6 H2O(l)
E° = +1,20 V
–
+
–
kennoreaktio: 10 Br (aq) + 2 IO3 (aq) + 12 H (aq) → 5 Br2(aq) + I2(aq) + 6 H2O(l)
E° = +0,13 V
25. Käytettävissäsi on hopealankaa, kuparilankaa, sinkkilevy ja lyijylevy. Lisäksi
saatavilla ovat seuraavien yhdisteiden 1,0 M vesiliuokset: Cu(NO3)2, Zn(NO3)2,
AgNO3 ja Pb(NO3)2. Mitä näistä aineista käytät, kun tarkoituksesi on rakentaa
mahdollisimman tehokas(suurin jännite) galvaaninen sähkökenno? Perustele.
Laadi tässä kennossa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden yhtälöt ja esitä piirrosten
avulla kennon rakenne. (yo s2000)
metallit
Ag(s)
Cu(s)
Zn(s)
Pb(s)
1,0 M vesiliuokset
AgNO3
Cu(NO3)2
Zn(NO3)2
Pb(NO3)2
ionit liuoksissa
Ag+ , NO3–
Cu2+ , NO3–
Zn2+ , NO3–
Pb2+ , NO3–
Näistä muodostuvat parit ja niiden E°-arvot taulukkokirjasta:
reaktio
E°
Zn2+ + 2 e– → Zn
E° = –0,76 V
Pb2+ + 2 e– → Pb
E° = –0,13 V
Cu2+ + 2 e– → Cu
E° = +0,34 V
Ag+ + e– → Ag
E° = +0,80 V
Hopean E° on lukuarvoltaan positiivisin, joten se toimii galvaanisen kennon toisena
puolikennona. Lisäksi lukuarvo on positiivinen, joten reaktio on spontaani
kirjoitettuun suuntaan. Siten tämän kennon toisessa puolikennossa täytyy tapahtua
hapettuminen, joten muut kolme reaktiota täytyy kääntää hapettuvaan suuntaan.
Samalla E°:n merkki muuttuu.
reaktio
–E°
43
Zn → Zn2+ + 2 e–
–E° = +0,76 V
Pb → Pb2+ + 2 e–
–E° = +0,13 V
Cu → Cu2+ + 2 e–
–E° = –0,34 V
Mahdollisimman tehokas(suuri jännite) galvaaninen sähkökenno
toiseksi puolikennoksi valitaan sinkin reaktio.
+ katodi: pelkistyminen x 2: 2 Ag+(aq) + 2 e– → 2 Ag(s)
kennoreaktio:
Zn(s) + 2 Ag+(aq) → Zn2+(aq) + 2 Ag(s)
saadaan, kun
E° = +0,76 V
E° = +0,80 V
E° = +1,56 V
26. Kennon Pt(s) | Sn4+(aq), Sn2+(aq) || Ag+(aq) | Ag(s)
potentiaali E° = +0,646 V. Hopean pelkistymiselle: Ag+ + e– → Ag(s) E° = 0,800 V. Mikä
on tinan pelkistymisen potentiaali reaktiossa: Sn4+ + 2 e– → Sn2+?
Ratkaisut
Kennon lyhennetyssä esityksessä pelkistymisreaktio on kirjoitettava oikealle, joten
tässä kennossa
hopea pelkistyy ja tina hapettuu.
– anodi: hapettuminen: Sn2+(aq) → Sn4+(aq) + 2 e–
+ katodi: pelkistyminen: 2 Ag+(aq) +2 · e– → 2 Ag(s)
kennoreaktio:
2 Ag+(aq) + Sn2+(aq) → 2 Ag(s) + Sn4+(aq)
joten potentiaalit ovat:
x + 0,800 V = +0,646 V, josta x = +0,646 V – 0,800 V = –0,154 V
E° = x
E° = 0,800 V
E° =+0,646 V
Tämä on hapettumisreaktion potentiaali, joten reaktio on käännettävä, jotta saadaan
kysytty arvo:
Sn4+ + 2 e– → Sn2+ E° = +0,154 V.
2.3 Korroosio
27. Miksi auton maalipinnan on pohjoisissa oloissa oltava paremmassa kunnossa kuin
leudompien talvien alueilla?
Ratkaisu
Mieti maanteiden suolauksen vaikutuksia.
44
28. Kolme rautapinta on päällystetty metallisella a) sinkillä, b) tinalla
c) magnesiumilla. Mikä pinnoitteista antaa parhaan korroosiosuojan raudalle?
Perustele.
Ratkaisut
a) Fe2+ + 2 e– → Fe E° = –0,45 V
Zn2+ + 2 e– → Zn E° = –0,76 V
O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O E° = +1,23 V
Katodilla tapahtuu happikaasun pelkistyminen, Anodina toimii se metalli, jonka
pelkistymispotentiaali on negatiivisempi. Ts. se on helpompi hapetta.
Tässä sinkin pelkistyspotentiaali on negatiivisempi, joten se toimii anodina ja syöpyy.
anodi: hapettuminen · 2: 2 Zn(s) → 2 Zn2+(aq) + 4 e–
E° = +0,76 V
+
–
katodi: pelkistyminen: O2(g) + 4 H (aq) + 4 e → 2 H2O(l) E° = +1,23 V
kennoreaktio: O2(g) + 4 H+(aq) + 2 Zn(s) → 2 H2O(l) + 2 Zn2+(aq)
E° = +1,99 V
b) Fe2+ + 2 e– → Fe E° = –0,45 V
Sn2+ + 2 e– → Sn E° = –0,14 V
O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O E° = +1,23 V
Katodilla tapahtuu happikaasun pelkistyminen, Anodina toimii se metalli, jonka
pelkistymispotentiaali on negatiivisempi. Ts. se on helpompi hapetta.
Tässä raudan pelkistyspotentiaali on negatiivisempi, joten se toimii anodina ja
syöpyy.
anodi: hapettuminen ·2: 2 Fe(s) → 2 Fe2+(aq) + 4 e–
–E° = +0,45 V
+
–
katodi: pelkistyminen: O2(g) + 4 H (aq) + 4 e → 2 H2O(l) E° = +1,23 V
kennoreaktio: O2(g) + 4 H+(aq) + 2 Fe(s) → 2 H2O(l) + 2 Fe2+(aq)
E° = +1,68 V
c) Fe2+ + 2 e– → Fe E° = –0,45 V
Mg2+ + 2 e– → Mg E° = –2,37 V
O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O E° = +1,23 V
Katodilla tapahtuu happikaasun pelkistyminen, anodina toimii se metalli, jonka
pelkistymispotentiaali on negatiivisempi. Ts. se on helpompi hapettaa.
Tässä magnesiumin pelkistyspotentiaali on negatiivisempi, joten se toimii anodina ja
syöpyy.
anodi: hapettuminen · 2: 2 Mg(s) → 2 Mg2+(aq) + 4 e–
–E° = +2,37 V
katodi: pelkistyminen: O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e– → 2 H2O(l) E° = +1,23 V
kennoreaktio: O2(g) + 2 H+(aq) + Mg(s) → H2O(l) + Mg2+(aq)
E° = +3,60 V
Näistä magnesium antaa raudalle parhaan korroosiosuojan, koska c-kohdassa
kennoreaktion E° on positiivisin ja suurin.
45
Akut, paristot ja polttokennot
29. Mitä etuja alkaliparistolla on kuivapariin eli Leclanchén elementtiin verrattuna?
Ratkaisu
Tutustu kirjan tekstiin tai etsi tietoja esim. internetistä.
30. Mitä virtalähdettä käyttäisit ja miksi
a) sähkökäyttöisessä skootterissa
b) CD-soittimessa
c) matkapuhelimessa
d) palovaroittimessa?
Ratkaisut
Tutustu tuotteiden tai niiden esitteiden tietoihin suositeltavista virtalähteistä.
31. Käytössäsi on sinkkianodi, jolla tapahtuu reaktio:
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–.
Mikä seuraavista katodireaktioista kannattaisi valita, jotta paristolle saataisiin
mahdollisimman suuri jännite?
a) Mg2+(aq) + 2 e– → Mg(s)
b) Pb2+(aq) + 2 e– → Pb(s)
c) Co2+(aq) + 3 e– → Co(s)
d) Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
Ratkaisut
Anodi:
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–
Katodiksi?
a) Mg2+(aq) + 2 e– → Mg(s)
b) Pb2+(aq) + 2 e– → Pb(s)
c) Co2+(aq) + 2 e– → Co(s)
d) Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
E°
–E° = +0,76 V
E°
–2,37 V
–0,13 V
–0,28 V
+0,34 V
Mahdollisimman suuri jännite saadaan, kun toiseksi puolikennoksi valitaan
d-kohdan kuparin reaktio.
–E° = +0,76 V
+ katodi: pelkistyminen: Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
E° = +0,34 V
2+
2+
kennoreaktio: Zn(s) + Cu (aq) → Zn (aq) + Cu(s)
E° = +1,10 V
46
2.4. Elektrolyysi: sähkövirta pakottaa reagoimaan
32. Elektrolyysi on yksinkertaisin tapa tuottaa puhdasta metallia malmista. Etsi parien
a) Na+(aq) / Na(s) b) Mg2+(aq) / Mg(s) ja c) Al3+(aq) / Al(s) normaalipotentiaalit ja
perustele miksi näitä metalleja ei koskaan voida elektrolysoida suolojensa
vesiliuoksista.
Ratkaisut
a)
b)
c)
reaktio
Na+ + e– → Na
Mg2+ + 2 e– → Mg
Al3+ + 3 e– → Al
E°
–2,71 V
–2,37 V
–1,66 V
Vesiliuoksessa vesi voi hapettua tai pelkistyä seuraavasti:
pelkistyminen: 2 H2O + 2 e– → 2 OH– + H2
E° = –0,83 V
hapettuminen: 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e–
–E° = –1,23 V.
Tässä tarkasteltavien metalli–ionien vesiliuoksissa vain vesi voi hapettua.
Vesi tai metalli-ionit voivat pelkistyä. Tässä kaikki kombinaatiot antavat
kennoreaktiolle negatiivisen E°:n Ts. kennoreaktiot eivät ole spontaaneja, mutta
pakotettuna ne tapahtuvat. Pelkistymisreaktiona toimii todennäköisimmin se, jonka
E° on vähiten negatiivinen. Tässä veden pelkistymisen E° on vähiten negatiivinen,
joten näiden metallien vesiliuoksia elektrolysoitaessa vesi hapettuu anodilla ja
pelkistyy katodilla eikä metalleja saada pelkistettyä.
33. Päättele seuraavien yhdisteiden vesiliuosten elektrolyysissä syntyvät päätuotteet:
a) natriumjodidiliuos NaI
b) natriumsulfaattiliuos Na2SO4
c) kuparisulfaattiliuos CuSO4
d) natriumkloridiliuos NaCl
e) vetykloridihappoliuos HCl
f) alumiinikloridiliuos AlCl3
g) sinkkisulfaattiliuos ZnSO4
h) lyijynitraattiliuos Pb(NO3)2
Ratkaisut
Vesiliuokset: vesi tai liuenneet ionit voivat hapettua ja pelkistyä.
HUOM! Tässä tehtävät johtopäätökset perustuvat normaalipotentiaaleihin eli
perustilaan. Heti kun yhdisteiden pitoisuus poikkeaa 1,0 M:sta, lämpötila 25 °C:sta tai
paine 101,325 kPa:sta tarvitaan yksityiskohtaisempaa mallia. – Se ei kuitenkaan
kuulu lukiokurssiin.
a) liukeneminen: NaI(s) → Na+(aq) + I–(aq)
Anodilla tapahtuu hapettuminen. Mahdollisia ovat reaktiot:
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
tai 2 I–(aq) → I2(s) + 2 · e–
–E° = –0,54 V
Näistä jodin hapettumisen E° on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu.
Katodilla tapahtuu pelkistyminen. Mahdollisia ovat reaktiot:
47
2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
tai Na+(aq) + e– → Na(s)
E° = –2,71 V
Näistä veden pelkistymisen E° on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy.
anodi: hapettuminen: 2 I–(aq) → I2(s) + 2 · e–
–E° = –0,54 V
katodi: pelkistyminen: 2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = 0,83 V
–
–
kennoreaktio: 2 I (aq) + 2 H2O(l) → I2(s) + 2 OH (aq) + H2(g)
E° = –1,37 V
Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa jodia ja vetykaasua.
b) liukeneminen: Na2SO4(s) → 2 Na+(aq) + SO42–(aq)
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
tai 2 SO42–(aq) → S2O82–(aq) + 2 e–
–E° = –2,01 V
Näistä veden hapettumisen E° on vähemmän negatiivinen, joten se hapettuu.
2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
+
–
E° = –2,71 V
tai Na (aq) + e → Na(s)
anodi: hapettuminen: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e– –E° = –1,23 V
katodi: pelkistyminen x 2: 4 H2O(l) + 4 e– → 4 OH–(aq) + 2 H2(g)
E° = –0,83 V
+
–
kennoreaktio: 6 H2O(l) → O2(g) + 4 H (aq) + 4 OH (aq) + 2 H2(g)
E° = –2,06 V,
jossa tuotteiden 4 H+(aq) + 4 OH–(aq) reagoivat edelleen neljäksi vesimolekyyliksi,
joten jäljelle jää reaktio: 2 H2O(l) → O2(g) + 2 H2(g)
E° = –2,06 V
Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa happi– ja vetykaasuja.
c) liukeneminen: CuSO4(s) → Cu2+(aq) + SO42–(aq)
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
2–
2–
–
tai 2 SO4 (aq) → S2O8 (aq) + 2 e
–E° = –2,01 V
2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
tai Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
E° = +0,34 V
Näistä kuparin pelkistymisen E° on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy.
katodi: pelkistyminen x 2: 2 Cu2+(aq) + 4 e– → 2 Cu(s)
E° = +0,34 V
2+
+
kennoreaktio: 2 Cu (aq) + 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H (aq) + 2 Cu(s)
E° = –0,89 V
Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa kuparimetallia ja happikaasua.
d) liukeneminen: NaCl(s) → Na+(aq) + Cl–(aq)
48
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
tai 2 Cl–(aq) → Cl2(g) + 2 · e–
–E° = –1,36 V
2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
+
–
tai Na (aq) + e → Na(s)
E° = –2,71 V
E° = –0,83 V
kennoreaktio: 6 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 OH–(aq) + 2 H2(g)
E° = –2,06 V ,
E° = –2,06 V
Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa happi- ja vetykaasuja.
e) liukeneminen: HCl(g) → H+(aq) + Cl–(aq)
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
–
–
tai 2 Cl (aq) → Cl2(g) + 2 · e
–E° = –1,36 V
2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
E° = 0,00 V
tai 2 H+(aq) + 2 e–(aq) → H2(g)
Näistä jälkimmäisen pelkistymisen E° on vähemmän negatiivinen, joten se
pelkistyy.
katodi: pelkistyminen x 2: 4 H+(aq) + 4 e– → 2 H2(g)
E° = 0,00 V
kennoreaktio: 2 H2O(l) → O2(g) + 2 H2(g)
E° = –1,23 V
f) liukeneminen: AlCl3(s) → Al3+(aq) + 3 Cl–(aq)
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
–
–
tai 2 Cl (aq) → Cl2(g) + 2 · e
–E° = –1,36 V
2 H2O(l) +2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
tai Al3+(aq) + 3 e– → Al(s)
E° = –1,66 V
E° = –0,83 V
+
–
kennoreaktio: 6 H2O(l) → O2(g) + 4 H (aq) + 4 OH (aq) + 2 H2(g)
E° = –2,06 V,
49
E° = –2,06 V
g) liukeneminen: ZnSO4(s) → Zn2+(aq) + SO42–(aq)
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
tai 2 SO42–(aq) → S2O82–(aq) + 2 e–
–E° = –2,01 V
2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
2+
–
E° = –0,76 V
tai Zn (aq) + 2 e → Zn(s)
Näistä sinkin pelkistymisen E° on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy.
E° = –0,76 V
katodi: pelkistyminen x 2: 2 Zn2+(aq) + 4 e– → 2 Zn(s)
2+
+
kennoreaktio: 2 Zn (aq) + 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H (aq) + 2 Zn(s)
E° = –1,99 V
Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa sinkkimetallia ja happikaasua.
Yksityiskohtaisempi malli tukee veden pelkistymistä vedyksi!
h) liukeneminen: Pb(NO3)2(s) → Pb2+(aq) + 2 NO3–(aq)
Anodilla tapahtuu hapettuminen. Nyt vain vesi voi hapettua.
2 H2O(l) → O2(g) +4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
2 H2O(l) +2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
E° = –0,13 V
tai Pb2+(aq) + 2 e– → Pb(s)
nitraatti voi pelkistyä kahdella eri tavalla:
NO3–(aq) + 2 H+(aq) + e– → NO2(g) + H2O(l)
E° = +0,80 V
–
+
–
NO3 (aq) + 4 H (aq) + 3 e → NO(g) + 2 H2O(l)
E° = +0,96 V
Näistä viimeisen pelkistymisen E° on vähemmän negatiivinen, joten nitraatti
pelkistyy typpimonoksidiksi.
anodi: hapettuminen x 3: 6 H2O(l) → 3 O2(g) + 12 H+(aq) + 12 e–
–E° = –1,23 V
–
+
–
katodi: pelkistyminen x 4: 4 NO3 (aq) + 16 H (aq) + 12 e → 4 NO(g) + 8 H2O(l)
E° = +0,96 V
–
+
kennoreaktio: 4 NO3 (aq) + 4 H (aq) → 4 NO(g) + 2 H2O(l) + 3 O2(g)
E° = +0,96 V
eli yhdistäen:
4 HNO3(aq) → 4 NO(g) + 2 H2O(l) + 3 O2(g)
E° = +0,96 V
Reaktio on spontaani ja tuottaa typpimonoksidia ja happikaasua.
Yksityiskohtaisempi malli tukee lyijyn pelkistymistä. Käytännössä laboratorioissa
suositaan kuitenkin lyijyn saostamista(hapettumisreaktiota) lyijyoksidina anodille ja
50
muiden metallien saostamista katodille. Näin elektrolyysin avulla voidaan erottaa
metalleja toisistaan.
34. Kuparia puhdistetaan elektrolyyttisesti.
a) Kummalle elektrodille muodostuu puhdasta kuparia?
b) Selitä, miksi raakakuparissa oleva kulta jää elektrolyyttiastian pohjalle.
Ratkaisut
a) Anodi: hapettuminen: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e–
Katodi: pelkistyminen: Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
Puhdas kupari saostuu siis katodille.
b) Taulikkokirjasta:
Cu2+ + 2 e– → Cu
E° = +0,34 V
Au+ + e– → Au
E° = +1,69 V
Joten hapettumiselle:
–E° = –0,34 V
Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e–
+
–
Au(s) → Au (aq) + e
–E° = –1,69 V
Kuparin hapettuessa ja liuetessa ioneina liuokseen ulkoinen jännite ei ole riittävä
kullan hapettamiseen. Elektrolyysi irrottaa kuparin metallihilasta ja kulta varisee
reaktioastian pohjalle metallina hapettumatta ioneiksi.
35. Puhtaita metalleja voidaan valmistaa suolasulatteistaan teollisesti elektrolyysin
avulla. Kuinka monta grammaa kutakin metallia saadaan, kun elektrolyysiin kuluu 1
mooli elektroneja?
Suolasulatteet ovat a) AlCl3 b) MgCl2 c) FeCl3.
Ratkaisut
a) AlCl3(s) → Al3+(l) + 3 Cl–(l)
Al3+(l)
reaktioyhtälön
1
kertoimet
ainemäärä, kun
1/3 · 1 mol
elektroneja on
kulunut 1 mol
3 e–
3
+
→
1 mol
1
1
1
n(Al) = n(e− ) = ⋅ 1mol = mol
3
3
3
1
g
m(Al) = n(Al)M (Al) = mol ⋅ 26,98
= 8,9933... g = 9,0 g
3
mol
51
Al(l)
1
1/3 · 1 mol
b) MgCl2(s) → Mg2+(l) + 2 Cl–(l)
Mg2+(l)
reaktioyhtälön
1
kertoimet
ainemäärä, kun
½ · 1 mol
elektroneja on
kulunut 1 mol
+
2 e–
2
→
1 mol
Mg(l)
1
½ · 1 mol
1
1
1
n(e− ) = ⋅ 1mol = mol
2
2
2
1
g
= 12,155 g = 12 g
m(Mg) = n(Mg)M (Mg) = mol ⋅ 24,31
2
mol
n(Mg) =
c) FeCl3(s) → Fe3+(l) + 3 Cl–(l)
Fe3+(l)
reaktioyhtälön
1
kertoimet
ainemäärä, kun
1/3 · 1 mol
elektroneja on
kulunut 1 mol
3 e–
3
+
1 mol
→
Fe(l)
1
1/3 · 1 mol
1
1
1
n(Fe) = n(e− ) = ⋅ 1mol = mol
3
3
3
1
g
m(Fe) = n(Fe)M (Fe) = mol ⋅ 55,85
= 18,61666... g = 19 g
3
mol
36. Sama virta erottaa samassa ajassa 27,0 g hopeaa ja 4,33 g kromia. Mikä on kromi–
ionin varaus, kun hopea–ionin varaus on +1?
Ratkaisu
sama virta: I(Ag) = I(Cr)
sama aika: t(Ag) = t(Cr)
m(Ag) = 27,0 g
m(Cr) = 4,33 g
Ag varaus +1
Cr varaus ?
Lasketaan ainemäärät:
m
27,0 g
n(Ag) =
=
M 107,87 g
mol
n(Cr) =
m
4,33 g
=
M 52,00 g
mol
52
Käytetään kaavaa I · t = n · z · F ja todetaan, että tässä tapauksessa
I(Ag) · t(Ag) = I(Cr) · t(Cr), joten myös n(Ag) · z(Ag) · F = n(Cr) · z(Cr) · F, josta F
supistuu.
n(Ag) ⋅ z (Ag) n(Ag) ⋅ z (Ag) ⋅ M (Cr)
=
n(Cr) =
n(Cr)
M (Ag) ⋅ m(Cr)
=
g
mol = +3,005... = +3
g
107,87
⋅ 4,33 g
mol
27,0 g ⋅ ( +1) ⋅ 52,00
37. Juomapurkissa on alumiinia noin 29 g. Kuinka kauan kuluu tämän alumiinimäärän
valmistamiseen Hall-Herout prosessissa, kun käytetään 15 A:n virtaa?
M(Al) = 29 g
I = 15 A
t=?
Alumiinin ainemäärä:
m
29,0 g
n(Al) =
=
M 26,98 g
mol
3+
–
Al + 3 e → Al
Kaavasta: I · t = n · z · F ratkaistaan aika t:
As
29,0 g ⋅ 3 ⋅ 96485
n ⋅ z ⋅F
mol = 20741,77... s = 5 h 46 min
t=
=
g
l
26,98
⋅ 15 A
mol
38. Mikä on syntyvän kloorikaasun tilavuus(NTP), kun MgCl2-liuosta elektrolysoidaan
12,4 A:n virralla 1,0 tunnin ajan?
Ratkaisu
I = 12,4 A
t = 1,0 h
V(Cl2(g))(NTP) = ?
liukeneminen: MgCl2(s) → Mg2+(aq) + 2 Cl–(aq)
Kloorin hapettuminen: 2 Cl–(aq) → 2 · e– + Cl2(g)
Kaavasta: I · t = n · z · F ratkaistaan kloorin ainemäärä n:
l ⋅ t 12, 4 A ⋅ 1,0 ⋅ 60 ⋅ 60 s
n(Cl2 ) =
=
= 0,23133... mol
As
z ⋅F
2 ⋅ 96485
mol
53
Kloorikaasun tilavuus(NTP) saadaan ideaalikaasun tilan yhtälöstä: pV = nRT:
J
⋅ 273,15 K
mol ⋅ K
N
101,325 ⋅ 103 2
m
3
3
= 0,005185... m = 5,2 dm
nRT
V (Cl2 ) =
=
p
0,23133... mol ⋅ 8,3145
39. Kolme elektrolyysikennoa kytketään sarjaan. Tällöin sama sähkövirta kulkee
kaikkien kennojen läpi. Ensimmäisessä kennossa on hopeanitraatin AgNO3, toisessa
kuparikloridin CuCl2 ja kolmannessa kromikloridin CrCl3 vesiliuosta. Mikä on
muodostuneen a) hopean ja b) kromin ainemäärä silloin, kun elektrolyysi on
tuottanut 1,00 moolia metallista kuparia?
Ratkaisut
1. kenno
AgNO3
Ag+ + e– → Ag
n(Ag) = ?
2. kenno
CuCl2
Cu2+ + 2 e– → Cu
n(Cu) = 1,00 mol
3. kenno
CrCl3
Cr3+ + 3 e– → Cr
n(Cr) = ?
Kuparia on tuotettu 1,00 mol: I · t = n · z · F = 1,00 mol · 2 · F
hopealle: I · t = n · z · F = n(Ag) · 1 · F
kromille: I · t = n · z · F = n(Cr) · 3 · F
Koska I · t on kaikissa tapauksissa sama, voidaan kuparille ja hopealle kirjoittaa
yhtälö:
1,00 mol · 2 · F = n(Ag) · 1 · F, josta
1,00 mol ⋅ 2 ⋅ F
n(Ag) =
= 2,00 mol
1⋅ F
ja kuparille ja kromille: 1,00 mol · 2 · F = n(Cr) · 3 · F, josta
1,00 mol ⋅ 2 ⋅ F
n(Cr ) =
= 0,6666... mol = 0,667 mol
3 ⋅F
Vaihtoehtoinen ratkaisu: tutkitaan elektronien ainemääräsuhteet suoraan
pelkistymisreaktioiden stoikiometriasta.
54
40. Erittäin puhdasta sinkkiä valmistetaan elektrolyyttisesti käyttäen sarjaan kytkettyjä
elektrolyysikennoja. Eräässä tuotantolaitoksessa kennoja oli 27 kpl ja niissä jokaisen
katodin tehollinen pinta-ala oli 1,10 dm2 ja virrantiheys 3,0 A/dm–2. Elektrolyysin
virtahyötysuhde oli 85 %. Laske tuotantolaitoksen vuorokaudessa tuottaman sinkin
massa.
kennoja sarjassa 27 kpl
A = 1,10 dm2
I/A = 3,00 A/dm2
virtahyötysuhde = 85 % = 0,85
m(Zn)/vrk = ?
Zn2+ + 2 e– → Zn
I = 27 · A · I/A · virtahyötysuhde = 27 · 1,10 dm2 · 3,00 A/dm2 · 0,85 = 75,735 A
Kaavasta: I · t = n · z · F ratkaistaan sinkkimetallin ainemäärä n:
l ⋅ t 75,735 A ⋅ 24 ⋅ 60 ⋅ 60 s
n(Zn) =
=
= 33,909... mol
As
z ⋅F
2 ⋅ 96485
mol
g
m(Zn) = n(Zn)M (Zn) = 33,909... mol ⋅ 65, 41
= 2218,01... g = 2,22 kg
mol
41. Rautaesine, jonka kokonaispinta–ala oli 1,5 dm2 peitetään elektrolyyttisesti
0,10 mm paksulla kromimetallikerroksella. Kuinka kauan elektrolyysi kestää, kun
elektrolyyttinä on natriumdikromaattiliuos Na2Cr2O7, virrantiheys 20 A/dm2 ja
virtahyötysuhde 10 %? Metallisen kromin tiheys on 7,14 g/cm–3.
Ratkaisu
A = 1,5 dm2
h(Cr) = 0,10 mm
I/A = 20 A/dm2
virtahyötysuhde 10 % = 0.10
kromin tiheys on 7,14 g/cm–3
t=?
Na2Cr2O7 → 2 Na+ + Cr2O72–
katodilla: pelkistyminen: Cr2O72–(aq) → Cr(s) hapetusluvut: Cr: +VI, O: –II, Cr: 0
tasapainotetaan reaktio:
Cr: Cr2O72–(aq) → 2 Cr(s)
O: Cr2O72– → 2 Cr + 7 H2O
H: Cr2O72– + 14 H+ → 2 Cr + 7 H2O
e–: Cr2O72– + 14 H+ + 2 · 6 e– → 2 Cr + 7 H2O
eli yksi kromiatomi kuluttaa pelkistyessään 6 elektronia.
55
I = A · I/A · virtahyötysuhde = 1,5 dm2 · 20 A/dm2 · 0,10 = 3,0 A
V(Cr) = A · h = 1,5 dm2 · 0,10 mm = 1,5 cm3
m(Cr) = V · tiheys = 1,5 cm3 · 7,14 g cm–3 = 10,71 g
m
10,71g
n(Cr) =
=
= 0,2059... mol
M 52,00 g
mol
t=
42.
n ⋅ z ⋅F
=
l
As
mol = 39744,3... s = 11h
g
52,00
⋅3 A
mol
10,71g ⋅ 6 ⋅ 96485
1,5720 g kidevedellistä kuparisulfaattia, CuSO4 ⋅ 5H2O, liuotettiin veteen ja liuosta
elektrolysoitiin platinaelektrodeilla, kunnes kaikki kupari oli saostunut. Virran
voimakkuus oli koko ajan 1,2 A, ja oletetaan, että virtahyötysuhde on 100 %.
a) Kirjoita anodilla ja katodilla tapahtuvat reaktiot.
b) Kuinka paljon aikaa kuluu kuparin saostumiseen?
c) Kuinka monta litraa happea vapautui elektrolyysin aikana?
Ratkaisut
m(CuSO4. 5H2O) = 1,5720 g
liukeneminen veteen: CuSO4
H2O
Cu2+(aq) + SO42–(aq)
a) vertaa tehtävä 33 c.
–E° = –1,23 V
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
tai 2 SO42–(aq) → S2O82–(aq) + 2 e–
–E° = –2,01 V
2 H2O(l) + 2 e– → 2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
2+
–
tai Cu (aq) + 2 e → Cu(s)
E° = +0,34 V
Näistä kuparin pelkistymisen E° on vähemmän negatiivinen, joten se pelkistyy.
Anodi: hapettuminen: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e– –E° = –1,23 V
Katodi: pelkistyminen x 2: 2 Cu2+(aq) + 4 e– → 2 Cu(s)
E° = +0,34 V
kennoreaktio: 2 Cu2+(aq) + 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 2 Cu(s)
E° = –0,89 V
Elektrolyysi on pakotettu reaktio, joka tuottaa kuparimetallia ja happikaasua.
56
b) I = 1,2 A
virtahyötysuhde 100 %
t=?
n(Cu) = n(CuSO 4 ⋅ 5 H2O) =
=
=
m
M
1,5720 g
(63,55 + 32,07 + 4 ⋅ 16,00 + 5 ⋅ 2 ⋅ 1,008 + 5 ⋅ 16,00)
g
mol
1,5720
mol
249,7
= 6,2955... · 10 −3 mol
As
1,5720 g ⋅ 2 ⋅ 96485
n ⋅ z ⋅F
mol = 1012,377... s = 16min 54 s
=
t=
g
l
⋅ 1,2 A
249,7
mol
c) Kennoreaktioyhtälöstä 2 Cu2+(aq) + 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 2 Cu(s)
päätellään, että
1
1
n(O2) = n(Cu) = · 6,2955… · 10–3 mol = 3,147… · 10–3 mol = 3,1 · 10–3 mol.
2
2
43. Kuparia valmistetaan kuparikiisusta, CuFeS2, pasuttamalla malmi ensin oksidiksi ja
pelkistämällä oksidi sitten metalliksi. Kokonaisreaktio on seuraava:
CuFeS2(s) + O2(g) → Cu(s) + FeS(s) + SO2(g).
Prosessissa vapautuvaa rikkidioksidia ei voida sellaisenaan päästää ympäristöön.
a) Pohdi, miten tämä rikkidioksidi voidaan saattaa vaarattomaan muotoon ja
miten sitä käytetään hyväksi kemianteollisuudessa.
b) Saatu kupari puhdistetaan elektrolyyttisesti käyttämällä epäpuhtaasta kuparista
tehtyä anodia ja puhtaasta kuparista tehtyä katodia. Elektrolyysin aikana anodi
liukenee ja puhdas kupari saostuu katodille. Kirjoita elektrodeilla tapahtuvat reaktiot.
Kuinka paljon kuparia saadaan, kun liuoksen läpi johdetaan 1 500 A:n tasavirta 1,0
tunnin ajan? Miten kuparisulfaattiliuoksen sininen väri muuttuu elektrolyysin aikana?
Perustele. (yo k1999)
Ratkaisut
a) Tutustu luvun 3 kappaleisiin: Rikin oksidit ja rikkihappo sekä Malmeista
metalleiksi.
b) Anodi: epäpuhdasta kuparia, joka liukenee
Katodi: puhdasta kuparia ja lisää puhdasta kuparia saostuu.
Anodi: hapettuminen: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e–
Katodi: pelkistyminen: Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
I = 1500 A
t = 1,0 h
Kaavasta: I · t = n · z · F ratkaistaan kuparimetallin ainemäärä n:
57
l ⋅ t 1500 A ⋅ 1,0 ⋅ 60 ⋅ 60 s
=
= 27,983... mol
As
z ⋅F
2 ⋅ 96485
mol
g
m(Cu) = n(Cu)M (Cu) = 27,983... mol ⋅ 63,55
= 1778,35... g = 1,8 kg
mol
Cu2+ -ioneista aiheutuva liuoksen sininen väri vaalenee elektrolyysin aikana, koska
Cu2+ -ionit pelkistyvät punaruskeaksi metalliseksi kupariksi. Kun kaikki Cu2+ -ionit on
pelkistetty, liuos on täysin väritöntä.
n(Cu) =
44. Vetyperoksidia voidaan valmistaa kaksivaiheisella reaktiolla:
2 NH4HSO4 → H2(g) + (NH4)2S2O8
(NH4)2S2O8 + H2O → NH4HSO4 + H2O2
Ensimmäinen reaktio tapahtuu elektrolyysikennossa ja toinen reaktio kuvaa saadun
tuotteen vesihöyrytislausta. Kuinka paljon virtaa kuluu ensimmäisessä reaktiossa,
jotta välituotteesta voidaan valmistaa 100,0 g vetyperoksidia tunnissa?
Elektrolyysin hyötysuhde anodilla on 50,0 %.
Ratkaisut
m(H2O2) = 100,0 g / 1h
m
100,0 g
100,0 g
n(H2O2 ) =
=
=
= 2,939... mol
g
M (2 ⋅ 1,008 + 2 ⋅ 16,00) g
34,016
mol
mol
Tunnissa:
Elektrolyysi:
→
2 NH4HSO4
H2(g)
+
(NH4)2S2O8
kertoimet
2
1
1
reaktioyhtälössä
2,939…mol
käytetty
Vesihöyrytislaus: (tehtävässä reaktio ei tasapainossa)
kertoimet
(NH4)2S2O8 +
2 H2O → 2 NH4HSO4
reaktioyhtälössä
kertoimet
1
2
2
reaktioyhtälössä
Kun H2O2
valmistettu
+
H2O2
1
2,939…mol
(valmistettu)
Anodi: hapettuminen: 2 SO42–(aq) → S2O82–(aq) + 2 · e–
Katodi: pelkistyminen: 2 H+(aq) + 2 e– → H2(g)
Kaavasta: I · t = n · z · F ratkaistaan elektrolyysiin kuluva virta:
As
100,0 g ⋅ 2 ⋅ 96485
n ⋅ z ⋅F
mol = 315,16... A = 315 A
I=
=
g
t ⋅ virtahyötysuhde 34,016
⋅ 3600 s ⋅ 0,500
mol
58
45. Kuparissa oli epäpuhtautena rautaa, hopeaa ja kultaa. Kupari puhdistettiin elektrolyyttisesti. Kun 140 A:n virta oli kulkenut elektrolyysikennon läpi 482,5 sekuntia,
anodin massa oli pienentynyt 22,260 grammaa ja katodin massa kasvanut
22,011 grammaa. Montako massa-%:a rautaa ja kuparia raakakuparissa oli?
(Vihje: tarkista metallien normaalipotentiaalit ja mieti mitä reaktioita tapahtuu.)
Ratkaisu
Cu + Fe + Ag + Au
I = 140 A
T = 482,5 s
m(anodi) – 22,260 g
m(katodi) + 22,011 g
m–% Cu ja m–% Fe ?
Taulukkokirjasta:
Fe2+ + 2 e– → Fe
Cu2+ + 2 e– → Cu
Ag+ + e– → Ag
Au+ + e– → Au
E° = –0,45 V
E° = +0,34 V
E° = +0,80 V
E° = +1,69 V
Anodilla rauta ja kupari hapettuvat ja kulta ja hopea irtoavat anodin metallihilan
hajotessa ja päätyvät anodiliejuun.
Kaavasta: I · t = n · z · F ratkaistaan kupari- ja rautametallin yhteinen ainemäärä n:
l ⋅ t 140 A ⋅ 482,5 s
n(Cu+Fe) =
=
= 0,35005... mol
z ⋅ F 2 ⋅ 96485 As
mol
Katodin massaa kasvattaa vain saostuva puhdas kupari.
m
22,011g
n(Cu) =
=
= 0,34635... mol
M 63,55 g
mol
Näiden erotuksena saadaan raudan ainemäärä:
n(Fe) = n(Cu+Fe) – n(Cu) = 0,35005... mol – 0,34635... mol = 0,00369... mol
g
n(Fe) = n ⋅ M = 0,00369... mol ⋅ 55,85
= 0,20648... g
mol
Metalleja irtosi anodista 22,260 g. Siitä 22,011 g oli kuparia ja 0,206 g rautaa. Loput
0,043 g oli kultaa ja hopeaa.
Joten raakakuparissa oli:
m(Cu)
22,011g
m-%Cu=
⋅ 100 % =
⋅ 100 % = 98,881... % = 98,88 %
m(anodilta liuennut )
22,260 g
m(Fe)
0,206 g
m-%Fe =
⋅ 100 % =
⋅ 100 % = 0,92542...% = 0,93 %
m(anodilta liuennut )
22,260 g
59
Luku 3
60
3.1. Sidostyyppejä ja reaktiotyyppejä, vety–yhdisteet
46. Millaisia vahvoja sidoksia seuraavissa yhdisteissä esiintyy? Mieti tarkkaan kaikkia
sidoksia.
a) BaO b) PBr3 c) ClF3 d) Na2S e) SiH4 f) NaOH g) CaCO3
Ratkaisut
a) ionisidoksia(metalli + epämetalli)
b) kovalenttisia sidoksia(epämetalli + epämetalli)
c) kovalenttisia sidoksia
d) ionisidoksia
e) kovalenttisia sidoksia
f) ionisidoksia (Na+ ja OH–-ionit) ja kovalenttisia sidoksia (O–H-sidokset)
g) ionisidoksia (Ca+ ja CO23–-ionit) ja kovalenttisia sidoksia (C–O-sidokset)
47. Millaisia vahvoja sidoksia seuraavissa yhdisteissä esiintyy? Mieti tarkkaan kaikkia
sidoksia.
a) ammoniumkloridi b) metyyliammoniumbromidi c) natriumasetaatti
d) divetyoksidi e) hiilidioksidi
Ratkaisut
a), b), c): sekä ionisidoksia että kovalenttisia sidoksia,
d) ja e): vain kovalenttisia sidoksia
48. Natriumvetykarbonaattia käytetään leivonnassa nostatusaineena. Se hajoaa
uunissa yli 100 °C:ssa natriumkarbonaatiksi, vedeksi ja hiilidioksidiksi. Kirjoita
reaktiolle tasapainotettu reaktioyhtälö.
Ratkaisu
2 NaHCO3(s)
kuum ennus
Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
49. Luokittele seuraavat vety-yhdisteet ionisiin ja kovalenttisiin yhdisteisiin:
a) NaH b) H2Se c) CaH2 d) HI e) SiH4 f) N2H4
Ratkaisut
a) ja c): ioniyhdisteitä, b), d), e) ja f) kovalenttisia
61
50. Kaliumhydridi on erittäin reaktiivinen yhdiste, joka veden kanssa kosketuksiin
joutuessaan syttyy välittömästi tuleen.
a) Kirjoita kaliumhydridin ja veden välisen reaktion reaktioyhtälö. Reaktiotuotteina
syntyy vetyä ja kaliumhydroksidia.
b) Reaktio on kiivas, koska hydridi-ionin ja veden välinen reaktio tuottaa paljon
lämpöä. Kuvaa reaktiota kaarinuolilla eli piirrä reaktion mekanismi.
Ratkaisut
a) KH(s) + H2O(l) → K+(aq) + OH–(aq) + H2(g)
b)
K H
kaliumhydridi
H
O
H
K
+
H H
O H
+
vesi
Hydridi-ionilla on
kaksi elektronia.
51. Selitä, miksi vety–yhdisteiden sarjassa CH4 – NH3 – H2O – HF kiehumispiste kasvaa
järjestyksessä CH4 < NH3 < HF < H2O.
Ratkaisu
Kiehumispiste on sitä korkeampi, mitä vahvempia ovat molekyylien väliset heikot
sidokset. CH4 on pooliton, joten molekyylien välillä on ainoastaan dispersiovoimia.
Muiden molekyylien välillä on dispersiovoimien lisäksi vetysidoksia. Vetysidos on sitä
vahvempi, mitä elektronegatiivisempaan alkuaineeseen vety on liittynyt (eli mitä
suurempi on ∆χ). Vetysidoksen vahvuus kasvaa järjestyksessä NH3, H2O, HF. Veden
kiehumispiste on kuitenkin korkeampi kuin vetyfluoridin, koska vesi muodostaa neljä
ja vetyfluoridi vain kaksi vetysidosta. Tämän takia kiehumis-pistejärjestyksestä tulee
esitetyn kaltainen.
3.2 Happiyhdisteet
52. O–O σ-sidoksen sidosenergia on 146 kJ/mol, mutta O–H σ-sidoksen sidosenergia
on 459 kJ/mol. Miten tämä ero vaikuttaa vetyperoksidin ja veden reaktiivisuuteen?
Ratkaisu
Kun vetyperoksidi toimii hapettimena ja pelkistyy vedeksi, O–O σ-sidokset katkeavat
hyvin helposti, koska niiden sidosenergia on alhainen. O–H σ-sidoksen sidosenergia
on yli kolminkertainen O–O σ-sidokseen verrattuna. Niinpä vetyperoksidi toimii
mielellään hapettimena, kun taas vesi toimii hapettimena vain erittäin tehokkaiden
pelkistimien, kuten metallien kanssa.
53. Ovatko seuraavat oksidit happamia vai emäksisiä? Esitä myös näistä oksideista
veden kanssa syntyvän reaktiotuotteen kaava.
a) CaO b) N2O5 c) La2O3 d) SO2 e) SeO2
Ratkaisut
a) emäksinen oksidi, Ca(OH)2 b) hapan oksidi, HNO3 c) emäksinen oksidi, La(OH)3 d)
hapan oksidi, H2SO3 e) hapan oksidi, H2SeO3
62
54. Kromin tunnetuimmat oksidit ovat tummanvihreä kromi(III)oksidi Cr2O3 ja
ruskeanpunainen kromi(VI)oksidi CrO3.
a) Kromi(III)oksidi liukenee sekä HCl- että NaOH-liuokseen, kun taas
kromi(VI)oksidi liukenee näistä vain NaOH-liuokseen. Selitä ilmiö.
b) Esitä tasapainotetut reaktioyhtälöt kromi(III)oksidin liukenemiselle HCl-liuokseen
ja kromi(VI)oksidin liukenemiselle NaOH-liuokseen. Ensimmäisessä reaktiossa
syntyy kromi(III)kloridia ja jälkimmäisessä natriumkromaattia Na2CrO4.
Ratkaisut
a) Kromi(III)oksidi Cr2O3 on amfoteerinen oksidi, joten se liukenee sekä
happamaan että emäksiseen liuokseen. Kromi(VI)oksidi CrO3 on puolestaan hapan
oksidi, joten se liukenee vain emäksiseen liuokseen.
b) Cr2O3(s) + 6 HCl(aq) → 2 Cr3+(aq) + 3 H2O(l) + 6 Cl–(aq)
CrO3(s)+ 2 NaOH(aq) → 2 Na+(aq) + CrO42–(aq) + H2O(l)
Liuosta haihdutettaessa jää jäljelle keltaista natriumkromaattia Na2CrO4.
55. Vertaa hapen, fluorin ja kloorin elektronegatiivisuuksia ja alkuainemolekyylien
sidosenergioita. Selitä sidosenergioiden avulla, miksi happikaasu ei ole niin kiivaasti
reagoiva hapetin kuin fluori tai kloori, vaikka alkuaineiden elektronegatiivisuudet
ovat samaa suuruusluokkaa.
Ratkaisu
Jotta O2, F2 tai Cl2 voisivat toimia hapettimina, täytyy katkaista atomien välinen sidos.
O=O-kaksoissidoksen sidosenergia on yli kaksinkertainen Cl–Cl-sidoksen
sidosenergiaan verrattuna ja yli kolminkertainen F–F-sidoksen sidosenergiaan
verrattuna. Niinpä O2:n reaktioihin tarvitaan huomattavasti enemmän aktivoitumisenergiaa F2:n tai Cl2:n reaktioihin verrattuna.
56. Selitä, miksi kovien ja lujien maasälpämineraalien rapautuessa syntyvä savi on
pehmeää ja muovattavaa. Savi koostuu pääosin kaoliinista, joka on rakenteeltaan
verkkosilikaattien kaltainen.
Ratkaisu
Maasälpämineraalit ovat hohkasilikaatteja, joissa on kovalenttinen kolmiulotteinen
silikaattirakenne. Tämä tekee niistä erittäin kovia ja lujia. Saven kaoliini taas
muodostaa verkkomaisia tasoja, jotka eivät ole kovalenttisesti kiinni toisissaan. Tasot
pystyvät liukumaan toistensa ohi, joten savi on pehmeää ja sitä voi helposti muovailla.
57. Titaanidioksidia käytetään erittäin peittävänä valkoisena pigmenttinä maaleissa ja
painoväreissä. Sitä voidaan käyttää myös aurinkovoiteissa UV-säteilyä heijastavana
aineena. Titaanidioksidia valmistetaan Suomessa sulfaattimenetelmällä
ilmeniittimineraalista FeTiO3.
a) Kuinka monta kiloa titaanidioksidia voitaisiin saada tonnista ilmeniittiä, jos
prosessissa ei synny häviöitä?
b) Prosessissa syntyy myös rauta(II)sulfaattia FeSO4 ⋅ 7H2O. Kuinka paljon sitä
voidaan saada tonnista ilmeniittiä?
Ratkaisut
Tapa 1
a) Titaania on ilmeniitissä, FeTiO3:
63
g
47,87
M (Ti)
mol
m(Ti)% =
·100 % =
M (FeTiO3 )
(55,85 + 47,87 + 3 ·16,00)
g
mol
·100 %
= 31,55154...%
Titaania on tonnissa ilmeniittiä 1000 kg · 0,315515…= 315,515…kg
Titaanidioksidia saadaan 315,5151… kg:sta titaania:
n(Ti) = n(TiO2)
m(Ti)
315 515,1... g
g
· M (TiO 2 ) =
· (47,87 + 2 · 16,00)
g
M (Ti )
mol
47,87
mol
= 526430,2663... g ≈ 530 kg
b) Rautaa on ilmeniitissä:
M (Fe)
m(Fe)% =
·100 %
M (FeTiO3 )
55,85
=
g
mol
g
(55,85 + 47,87 + 3 ·16,00)
mol
· 100 % = 36,811...%
Rautaa on tonnissa ilmeniittiä 1000 kg · 0,36811… = 368,1123…kg
Rauta(II)sulfaattia saadaan 368,1123… kg:sta rautaa:
n(Fe) = n(FeSO4 · 7 H2O)
m(Fe)
M (Fe ) · M (FeSO 4 · 7 H2O)
368112,3... g
g
=
·(55,85 + 32,07 + 4·16,00 + 7·(2·1,008 + 16,00))
g
mol
55,85
mol
= 1832533,615... g ≈ 1,8 tn
Tapa 2
prosessi
a) FeTiO3 
→ TiO2
Prosessissa ei synny häviöitä, joten jokainen ilmetiitin Ti-atomi on titaanidioksidissa
eli n(TiO2) = n(FeTiO3)
M((FeTiO3) = 151,72 g/mol ja M(TiO2) = 79,87 g/mol
m
1,0 ⋅ 106 g
n(FeTiO3 ) =
=
= 6591,08... mol = n(TiO 2 )
M 151,72 g
mol
g
m((TiO2) = n · M = 6591,08…mol · 79,87
= 526430,2…g = 1,8 tn
mol
FeSO4 ⋅ 7 H2O
g
M(FeSO4 · 7 H2O) = 278,032
mol
b) FeTiO3
prosessi

→
64
n(FeSO4 · 7 H2O) = n(FeTiO3) = 6591,08…mol
m(FeSO4 · 7 H2O) = n · M = 6591,08…mol · 278,032
g
= 1832533,6…g
mol
= 1,8 tn
58. Eräs alkuaine X muodostaa kaksi oksidia. Oksidien moolimassat ovat 143,1 ja
79,5 g/mol ja hapen massaprosenttiset osuudet oksideissa ovat vastaavasti 11,2 ja
20,1 %. Mikä alkuaine on kyseessä?
Ratkaisu
Merkitään yhdisteitä XaOb ja XcOd
Lasketaan ensin kaavayksikön kertoimet hapen osalta:
0,112 ⋅ M (XaOb )
b=
=
M (O)
d=
0,112 ⋅ M (XcOd )
=
M (O)
0,112 ⋅ 143,1
16,00
g
mol
0,201⋅ 79,5
16,00
g
mol = 1,0017 ≈ 1
g
mol = 0,9987... ≈ 1
g
mol
Oksideissa happi on hapetusluvulla –II, joten jos kaavayksikössä on vain yksi happi,
täytyy yhdisteiden olla muotoa X2O (X:n hapetusluku +I) ja XO (X: +II). Muut
vaihtoehdot (X3O, X4O jne) vaatisivat hapetuslukua, joka olisi pienempi kuin +I. X:n
suhteellinen atomimassa on tällöin 143,1 – 79,5 = 63,6 g/mol. Tämä vastaa kuparin
atomimassaa. X on siis kupari.
65
3.3 Rikin kemiaa
59. Mikä on rikin hapetusluku seuraavissa yhdisteissä:
a) H2S b) SO2 c) H2SO4 d) SF6 e) CuFeS2?
Ratkaisut
Rikin hapetusluku:
a) H2S: 2·1 + x = 0
x = – 2 eli rikin hapetusluku on – II
b) SO2: x + 2·(–2) = 0
x = + 4 eli rikin hapetusluku on + IV
c) H2SO4: 2·1 + x + 4·(–2) = 0
x = –2 + 8 = 6 eli rikin hapetusluku on + VI
d) SF6: x + 6·(–1) = 0
x = 6 eli rikin hapetusluku on + VI
e) ZnS: 2 + x = 0
x = –2 eli rikin hapetusluku on –II.
60. S–S σ-sidoksen sidosenergia on 268 kJ/mol ja S=S-kaksoissidoksen sidosenergia on
425 kJ/mol. Vertaa lukuja hapen vastaaviin arvoihin. Miten sidosenergioiden avulla
selittyy, että rikki muodostaa S8-molekyylejä tai pitkiä ketjuja, mutta happi
muodostaa O2-molekyylejä?
Ratkaisut
O=O-sidoksen sidosenergia (496 kJ/mol) on yli kolminkertainen O–O-sidoksen
sidosenergiaan (146 kJ/mol) verrattuna. Jos happimolekyylit liittyisivät toisiinsa
ketjuiksi tai renkaiksi, yhtä O=O-sidosta kohti tulisi kaksi O–O σ-sidosta.
Sidosenergioista näkee, että tällaisessa reaktiossa lähtöaineiden sidokset olisivat
vahvempia. O=O -sidokset ovat siis lujempia kuin –O–O–O–O–O–O–... ketjut tai
renkaat. Rikillä käy päinvastoin: kaksi S–S σ-sidosta (sidosenergiat 2 · 268 kJ/mol)
ovat lujempia kuin yksi S=S -sidos (sidosenergia 425 kJ/mol). Rikki siis muodostaa
mieluummin ketjuja tai renkaita kuin S=S -molekyylejä.
Vaihtoehtoinen tapa (sidosenergioiden erotuksen perusteella):
O=O -sidoksen sidosenergia (496 kJ/mol) on yli kolminkertainen O–O-sidoksen
sidosenergiaan (146 kJ/mol) verrattuna. Jos happimolekyylit liittyisivät toisiinsa –O–
O–O–O–O–O–... ketjuksi tai renkaiksi, jokaista katkennutta O=O-sidosta kohti
muodostuu kaksi O–O-sidosta. Tähän reaktioon tarvittava energia voidaan arvioida
sidosenergioista:
∆H = (lähtöaineiden sidosenergia) – (tuotteiden sidosenergia)
= 496 – (2 · 146) kJ/mol = +204 kJ/mol.
Rikki taas muodostaa mieluummin ketjuja, minkä näkee sidosenergioistakin. Kun
S=S–molekyylit liittyvät toisiinsa
–S–S–S–S–S–S–...ketjuksi tai S8-renkaiksi, tarvitaan energiaa:
∆H = 425 – (2 · 268) kJ/mol = –111 kJ/mol.
Eli energiaa vapautuisi tässä reaktiossa 111 kJ/mol.
66
61. Polttoöljyn rikkipitoisuus voidaan määrittää hapettamalla rikkiyhdisteet sulfaattiioneiksi. Sulfaatti-ionit voidaan saostaa bariumsulfaattina. Eräästä 10,0 gramman
öljynäytteestä saatiin 0,88 g kuivaa bariumsulfaattia. Mikä oli öljyn rikkipitoisuus?
Ratkaisut
Tapa 1
Lasketaan bariumsulfaatin rikkipitoisuus
M (S)
m(S)% =
·100 %
M (BaSO 4 )
32,07
=
g
mol
g
(137,33 + 32,07 + 4 ⋅ 16,00)
mol
· 100 % = 13,7403...%
Öljynäytteessä on rikkiä 0,88 g · 13,7403...% /10 g = ...% = 1,20914... % ≈ 1,2%.
Tapa 2
reaktio
saostus
S-pitoinen näyte 
→ SO42– 
→ BaSO4
2–
n(näytteen S) = n(SO4 ) = n(BaSO4) ja M(BaSO4) = 233,40 g/mol
0,88 g
n(BaSO 4 ) =
= 3,770... ⋅ 10 −3 mol = n(näytteen S)
g
233, 40
mol
m(näytteen S) = n · M = 3,770… · 10–3 mol · 32,07 g/mol = 0,1209…g
0,1209... g
⋅ 100% = 1,209...% = 1,2%
näytteen S-pitoisuus m-%:eina =
10,0 g
62. Yhden litran täyttä pullollista väkevää, 98-massaprosenttista rikkihappoa oli
säilytetty talvella ulkovarastossa, jolloin rikkihappo oli jäätyessään särkenyt pullon.
Kuinka paljon kalkkia (CaCO3) tarvittiin pullon sisältämän rikkihapon neutralointiin?
Rikkihapon tiheys on 1,84 kg/dm3. Reaktio on seuraava:
H2SO4(l) + CaCO3(s) → CaSO4(s) + H2O(l) + CO2(g).
Ratkaisut
98-massaprosenttinen rikkihappo sisältää rikkihappoa:
m(H2SO4) = 0,98· ρ · V = 0,98 · 1,84 kg/dm3·1,00 dm3 = 1,8032…kg
Neutraloitumisen reaktioyhtälö:
H2SO4(l) + CaCO3(s) → CaSO4(s) + H2O(l) + CO2(g)
n(CaCO3) = n(H2SO4) = m(H2SO4) / M(H2SO4)
= 1803,2…g /(2·1,008 + 32,07 + 4 ·16,00) = 18,3238…mol
m(CaCO3) = n(CaCO3) · M(CaCO3)
= 18,323238...mol·( 40,08 + 12,01 + 3·16,00) = 1840,04127…g ≈ 1,84 kg
67
63. Natriumvetysulfaatin vesiliuos reagoi magnesiummetallin kanssa siten, että
muodostuu vetykaasua.
a) Esitä vetysulfaatti-ionien ja magnesiummetallin välisen reaktion yhtälö.
b) Miksi samaa reaktiota ei voida tehdä natriumsulfaatilla?
Ratkaisut
a) Mg(s) + 2 HSO4–(aq) → Mg2+(aq) + 2 SO42–(aq) + H2(g)
b) Sulfaatti-ionissa ei ole vetyatomia eikä se ole hapan kuten vetysulfaatti-ioni, joten
se ei reagoi magnesiumin kanssa.
64. Laboratoriossa voidaan valmistaa vetykloridikaasua käyttämällä lähtöaineina
natriumkloridia ja 100-prosenttista rikkihappoa.
a) Kirjoita valmistusreaktion reaktioyhtälö. Reaktiossa syntyy myös
natriumvetysulfaattia.
b) Kuinka monta grammaa natriumkloridia ja rikkihappoa vähintään tarvitaan, kun
halutaan valmistaa 500 ml HCl:n etyyliasetaattiliuosta, jossa HCl:n konsentraatio on
2,0 mol/dm3?
Ratkaisut
a) NaCl(s) + H2SO4(l) → HCl(g) + NaHSO4(s)
b) HCl:n ainemäärä valmistettavassa liuoksessa:
n(HCl) = c · V = 2,0 mol/dm3 · 0,5 dm3 = 1,0 mol
n(HCl) = n(H2SO4) = n(NaCl) = 1,0 mol
natriumkloridia tarvitaan:
m(NaCl) = n · M(NaCl)= 1,0 mol · (22,99 + 35,45) g/mol = 58,44 g ≈ 58 g
m(H2SO4) = n · M(H2SO4)= 1,0 mol · (2·1,008 + 32,07 + 4 · 16,00) g/mol
= 98,086 g ≈ 98 g
65. Kuivassa turpeessa on 0,21 massaprosenttia rikkiä. Paljonko turvevoimalassa
tarvitaan kalsiumkarbonaattia turvetonnia kohti, jotta poltossa muodostuva
rikkidioksidi saataisiin neutraloitua?
Ratkaisut
Turvetonnissa on rikkiä: 0,21% · 1000 kg/100% = 2,1 kg
Rikin ainemäärä:
m
2100 g
n=
=
= 65,4817... mol
g
M (S)
32,07
mol
Rikki palaa rikkidioksidiksi S(s) + O2(g) → SO2(g), joten n(S) = n(SO2)
Rikkidioksidin neutralointi kalsiumkarbonaatilla:
2 CaCO3(s) + 2 SO2(g) + O2(g) → 2 CaSO4(s) + 2 CO2(g)
Neutraloitumisreaktiosta ja rikin palamisreaktiosta nähdään, että
kalsiumkarbonaattia tarvitaan:
n(CaCO3)= n(SO2) = n(S) = 65,4817… mol
m(CaCO3) = n ·(CaCO3) = 65,4817…mol · (40,08 + 12,01 + 3 · 16,00) g/mol
= 6554,06922..g ≈ 6,6 kg
68
Käytännössä rikkidioksidia ei saada tällä tavoin täydellisesti poistettua. Vaikka
kalkkikiveä käytettäisiin kolminkertainen määrä, tyypillisessä voimalaitoskattilassa
rikkidioksidipäästöistä jää tavallisesti neutraloimatta 30–50 %. Kalkkikiven asemesta
voidaan käyttää puun kuorta, jonka sisältämät mineraalit (K, Mg, Ca) neutraloivat
savukaasuja hieman tehokkaammin kuin kalkki.
66. Vetyperoksidin konsentraatio voidaan määrittää lisäämällä vetyperoksidinäyte
ylimäärään hapanta KI-liuosta ja titraamalla muodostunut jodi natriumtiosulfaatilla
Na2S2O3, jonka jodi hapettaa natriumtetrationaatiksi Na2S4O6. Tällä menetelmällä
titrattu 2,0 ml:n näyte vetyperoksidia kulutti titrauksessa 12,5 ml 0,1 mol/dm3
natriumtiosulfaattiliuosta. Mikä oli vetyperoksidin konsentraatio näytteessä?
Ratkaisut
Reaktioyhtälöt:
H2O2(aq) + 2 KI(aq) + 2 H+(aq) → I2(aq) + 2 K+(aq) + 2 H2O(l)
I2(aq) + 2 Na2S2O3(aq) → 2 NaI(aq) + Na2S4O6(aq)
Reaktioyhtälöistä nähdään, että n(H2O2) = n(I2) = ½ n(Na2S2O3).
Titrauksessa kului 12,5 ml(0,0125 dm3) 0,1 M Na2S2O3-liuosta.
n(Na2S2O3) = 0,0125 dm3 · 0,1 mol/dm3 = 1,25·10–3 mol. n(H2O2)
= ½ n(Na2S2O3) = 0,625·10–3 mol.
c(H2O2) = n(H2O2)/V(H2O2) = 0,625·10–3 mol / 2,0·10–3 dm3
= 0,3125 mol/dm3 ≈ 0,31 mol/dm3.
3.4 Typen ja fosforin kemiaa
67. Mikä on typen hapetusluku seuraavissa yhdisteissä? a) NH3 b) NO c) NOCl (mieti
rakennetta!) d) Ca(NO3)2 e) N2O4
Ratkaisut
Typen hapetusluku:
a) NH3: x + 3 · 1 = 0
x = –3 eli typen hapetusluku on –III
b) NO: x +(–2) = 0
x = 2 eli typen hapetusluku on +II
c) NOCl: x +(–2) +(–1) = 0
x = 3 eli typen hapetusluku on +III
d) Ca(NO3)2: 2 + 2x + 6·(–2) = 0
2x = –2 + 12 josta x = 5 eli typen hapetusluku on +V
e) N2O4: 2x + 4·(–2) = 0
2x = 8 josta x = 4 eli typen hapetusluku on +IV
68. Fosfori muodostaa vedyn kanssa yhdisteitä, joita kutsutaan fosfiineiksi.
Yksinkertaisimman fosfiinin kaava on PH3.
a) Millaisia sidoksia fosfiineissa esiintyy?
b) Fosfiini syttyy ilmassa itsestään tuleen. Esitä tasapainotettu reaktioyhtälö, jossa
PH3 reagoi ilman hapen kanssa siten, että palamistuotteina syntyy fosfori(V)oksidia
P4O10 ja vettä.
Ratkaisut
69
a) Fosfiinien P–H -sidokset ovat kovalenttisia sidoksia (∆χ = 0). Fosfiinimolekyylien
väliset sidokset ovat dispersiovoimia, koska molekyylit ovat poolittomia.
Vetysidoksia tai dipoli-dipolisidoksia ei muodostu.
b) 4 PH3 + 8 O2 → P4O10 + 6 H2O
69. Hydratsiinia H2NNH2 käytetään teollisuudessa hapenpoistokemikaalina estämään
korroosiota.
a) Esitä hydratsiinin ja hapen välistä reaktiota kuvaava tasapainotettu
reaktioyhtälö. Reaktiotuotteina syntyy typpeä ja vettä.
b) Miksi hydratsiinin ja hapen välinen reaktio on eksoterminen?
c) Kuinka paljon hydratsiinia vähintään tarvitaan poistamaan happi yhdestä
kuutiometristä vettä, jossa on liuenneena 30 ppm happea?
Ratkaisut
a) H2NNH2 + O2 → N2 + 2 H2O
b) Reaktiossa muodostuu hyvin luja N≡N -sidos (sidosenergia 944 kJ/mol) ja neljä
lujaa O–H sidosta (sidosenergia 463 kJ/mol), joten energiaa vapautuu reaktioyhtälön
ilmoittamia ainemääriä kohti
1 mol · 944 kJ/mol + 4 mol · 463 kJ/mol = 2796 kJ.
Sidosten katkaisemiseen kuluu
1 mol · 163 kJ/mol + 4 mol · 388 kJ/mol + 1 mol · 496 kJ/mol = 2211 kJ.
Sidosten muodostuessa vapautuva energia on suurempi kuin sidosten
katkaisemiseen tarvittava energia, joten reaktio on eksoterminen.
c) Hapen ainemäärä kuutiometrissä saadaan olettamalla, että veden tiheys on
n. 1,00 kg/dm3:
m(O2) = 30 · 10–6 · 103 dm3 · 1,00 kg/dm3 = 30 ·10–3 kg = 30 g
n(O2) = m(O2)/M(O2) = 30 g /(2 · 16,00 g/mol) = 0,9375 mol
Hydratsiinia tarvitaan n(H2NNH2) = n(O2) = 0,9375 mol eli
m(H2NNH2) = n(H2NNH2) · M(H2NNH2)
= 0,9375 mol ·(4 · 1,008 + 2 · 14,01) g/mol = 30,0487... g ≈ 30 g.
70. Ammoniumnitraatti imee helposti kosteutta ja paakkuuntuu erittäin koviksi
kokkareiksi. 1900-luvun alussa ammoniumnitraatin varastoissa yritettiin toisinaan
rikkoa paakkuja dynamiitin avulla. Tämä johti usein katastrofaalisiin räjähdyksiin.
Miksi? Esitä reaktioyhtälö, jolla ammoniumnitraatti hajoaa typeksi, hapeksi ja
vedeksi.
Ratkaisut
Ammoniumnitraatti voi räjähtää aloiteräjähteen, kuten dynamiitin, vaikutuksesta.
Reaktiossa vapautuu runsaasti kaasuja:
2 NH4NO3(s) → 2 N2(g) + 4 H2O(g) + O2(g).
70
71. Ilokaasuna tunnettua dityppimonoksidia voidaan valmistaa hajottamalla
ammoniumnitraattia 250 °C lämpötilassa: NH4NO3(s) → N2O(g) + 2H2O(g)
a) Ammoniumnitraatti on ionirakenteinen yhdiste, jossa typpi esiintyy kahdella eri
hapetusasteella. Mitkä nämä hapetusasteet ovat? Mitkä atomit hapettuvat ja mitkä
pelkistyvät reaktion aikana?
b) Dityppimonoksidi on polaarinen ja lineaarinen molekyyli. Onko atomien
järjestys molekyylissä NNO vai NON? Perustele vastauksesi.
c) Laske kaasumaisen dityppimonoksidin tiheys normaaliolosuhteissa(NTP).
Päättele onko kaasu raskaampaa vai kevyempää kuin ilma. (yo k1996)
Ratkaisut
a) Hapetusaste tarkoittaa tässä hapetuslukua. Ammoniumnitraatti, NH4NO3,
koostuu NH4+-ionista ja NO3– -ionista. Hapetusluvut ovat NH4+-ionissa:
x + 4 · 1 = +1 josta x = –3 eli typen hapetusluku on –III ja NO3– -ionissa:
x + 3·(–2) = –1 josta x = –5 eli typen hapetuluku on –V. Reaktiossa syntyneen N2O:n
hapetusluku on: 2x + (–2) = 0 josta x = 1 eli typen hapetusluku on +I. Ammoniumionin
typpi hapettuu ja nitraatti-ionin typpi pelkistyy.
b) Koska lineaarinen molekyyli on poolinen (polaarinen), rakenteen pitää olla NNO.
NON olisi lineaarisena pooliton, sillä osittaisvarausten vaikutukset kumoaisivat
toisensa.
mRT
c) Tiheys NTP:ssä pV = nRT =
, josta
MV
pM (N2O)
ρ=
RT
101,325 kPa · (2 · 14,01+16,00)
=
J
(8,3145
· 273,15 K)
mol ⋅ K
g
g
= 1,963944...
≈ 1,96
3
dm
dm3
Päättely, onko kaasu raskaampaa vai kevyempää kuin ilma voidaan tehdä
moolimassoja vertaamalla. Ilma koostuu pääasiassa typestä ja hapesta. Sen
keskimääräinen moolimassa on 29 g/mol. Dityppioksidin moolimassa on
(2 · 14,01 + 16,00) g/mol = 44,02 g/mol.
Typpidioksidi on selvästi raskaampaa eli sen tiheys on suurempi.
3.5 Halogeenien kemiaa
72. Mikä on halogeenin hapetusluku seuraavissa yhdisteissä:
a) CaCl2 b) NaOCl c) KClO3 d) Br2 e) ClF3?
71
Ratkaisut
Halogeenin hapetusluku on:
a) CaCl2: +2 + 2x = 0, josta x = –1 eli kloorin hapetusluku on –I
b) NaOCl: +1 +(–2) + x = 0, josta x = 1 eli kloorin hapetusluku on +I
c) KClO3: +1 + x +3 · (–2) = 0, josta 1 + x – 6 = 0 ja x = 5 eli kloorin hapetusluku
on +V
d) Br2: Bromi on alkuaineena, joten sen hapetusluku on 0.
e) ClF3:(fluori on elektronegatiivisempi) x + 3 · (–1) = 0, joten x – 3 = 0 eli kloorin
hapetusluku on + III.
73. a) Mitä voidaan päätellä taulukkotiedosta, jonka mukaan halogeenien
elektroniaffiniteetit ovat hyvin negatiivisia?
b) Fluori ja kloori ovat huoneenlämpötilassa kaasuja, bromi neste ja jodi kiinteä.
Miksi halogeenien kiehumispisteet kasvavat ryhmässä alaspäin siirryttäessä?
c) Miksi halogeeniatomien välisten σ-sidosten pituus kasvaa ryhmässä alaspäin
siirryttäessä?
d) Vertaa halogeenien elektronegatiivisuus- ja normaalipotentiaaliarvoja toisiinsa.
Mitä huomaat?
e) Mikä halogeeneista on paras ja mikä huonoin hapetin? Perustele.
Ratkaisut
a) Halogeenit ottavat helposti vastaan elektronin ja niistä muodostuu helposti
negatiivinen ioni.
b) Kaikki halogeenimolekyylit ovat kaksiatomisia ja poolittomia. Molekyylipainon
kasvaessa molekyylien elektronien määrä kuitenkin kasvaa ja siten myös
dispersiovoimat kasvavat. Siksi kiehumispisteet kasvavat.
c) Sidospituudet kasvavat, koska halogeeniatomien elektronien lukumäärä kasvaa
ryhmässä alaspäin. Lisäelektronit tarvitsevat lisää tilaa.
d) Elektronegatiivisuus ja pelkistysreaktion X2 + 2 e– → 2X– E° kasvavat käsi
kädessä.
e) Paras hapetin on F2(suurin pelkistysreaktion E°-arvo, suurin
elektronegatiivisuus) ja huonoin I2.
74. Natriumhypokloriittia NaOCl sisältäviin valkaisuaineisiin ei saa sekoittaa happamia
pesuaineita, koska tällöin vapautuu myrkyllistä kloorikaasua. Esitä reaktioyhtälö,
jolla hypokloriitti-ioni ja kloridi-ioni tuottavat happamassa liuoksessa klooria.
Ratkaisu
OCl–(aq) + Cl–(aq) + 2 H+(aq) → Cl2(g) + H2O(l)
72
75. Perkloraatteja käytetään niiden runsaan happipitoisuuden takia
rakettipolttoaineissa. Laske, kuinka monta massaprosenttia happea on
a) kaliumperkloraatissa b) litiumperkloraatissa c) ammoniumperkloraatissa.
Ratkaisut
a)
m%(O)=
M (4O)
M (KClO 4 )
4 · 16,00
=
g
mol
g
(39,10 + 35,45 + 4 · 16,00)
mol
· 100 % = 46,192...% ≈ 46 %
b)
m%(O) =
M (4O)
M (LiClO 4 )
4 · 16,00
=
g
mol
g
(6,941+ 35,45 + 4 · 16,00)
mol
· 100 % = 60,155...% ≈ 60 %
c)
m%(O) =
M (4O)
M (NH4ClO 4 )
4 · 16,00
=
g
mol
g
(14,01+ 4 ⋅ 1,008 + 35,45 + 4 ⋅ 16,00)
mol
· 100 % = 54,476...% ≈ 54 %.
76. Kun natriumjodidin vesiliuokseen johdetaan klooria, syntyy ensin jodia, sitten
jodimonokloridia ja lopuksi joditrikloridia. Kirjoita näitä peräkkäisiä reaktioita
kuvaavat reaktioyhtälöt.
Ratkaisut
i) Cl2(g) + 2 NaI(aq) → I2(aq) + 2 NaCl(aq) ii) Cl2(g) + I2(aq)→ 2 ICl(aq)
iii) ICl(aq) + Cl2(g) → ICl3(aq)
77. Vetyfluoridi syövyttää lasia, joten HF-liuoksia on säilytettävä muoviastioissa.
Reaktiossa lasin kanssa syntyy heksafluorisilikaatti-ioneja SiF62–. Esitä reaktioyhtälö,
jossa kalsiumsilikaatti (CaSiO4) reagoi vetyfluoridin kanssa.
Ratkaisut
Ca2SiO4(s) + 8 HF(aq) → 2 Ca2+(aq) + SiF62–(aq) + 4 H2O(l) + 2 F–(aq)
78. Laktoosin C12H22O11 ja kaliumkloraatin seosta on käytetty polttoaineena savua
muodostavissa pyroteknisissä seoksissa. Missä suhteissa laktoosia ja kaliumkloraattia
täytyy sekoittaa, jotta seoksen hajotessa syntyisi hiilidioksidia, vettä ja
kaliumkloridia?
73
Ratkaisut
Palamisreaktion tasapainotettu reaktioyhtälö:
C12H22O11 + 8 KClO3 → 8 KCl + 12 CO2 + 11 H2O.
Reaktioyhtälöstä nähdään, että laktoosin ja kaliumkloraattin ainemääräsuhde
on 1:8.
Massasuhteina tämä vastaa m(laktoosi):
M (laktoosi)
m(KClO3 ) =
8 · M(KClO3 )
g
g
: 8 · (39,10 + 35,45 + 3 · 16,00)
mol
mol
= 342,296 : 980,4 = 1 : 2,8618... ≈ 1 : 2,9.
Käytännössä tämäntyyppisissä seoksissa käytetään ylimäärin polttoainetta, koska
seokseen usein lisätään jopa 50 massaprosenttia sublimoitavaa orgaanista
väriainetta, esimerkiksi indigoa. Väriaine hapettuisi pilalle, jos reaktioseoksessa on
ylimäärin happea.
= (12 ⋅ 12,01+ 22 ⋅ 1,008 + 11⋅ 16,00)
3.6 Metallit
79. Raudan valmistuksessa masuunissa hiilimonoksidi pelkistää rauta(III)oksidin
raudaksi. Samalla syntyy hiilidioksidia.
a) Esitä masuunireaktiota kuvaava reaktioyhtälö.
b) Kuinka monta tonnia hiilidioksidia syntyy yhtä raakarautatonnia kohti?
(Oleta, että raakarauta olisi puhdasta rautaa.)
Ratkaisut
a) Fe2O3(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(l) + 3 CO2(g)
b) Tonnin raakaraudan ainemäärä
m(Fe)
1000 000 g
n(Fe) =
=
= 17905,102... mol
g
M (Fe)
55,85
mol
Hiilidioksidia syntyy reaktioyhtälön perusteella:
3
n(CO 2 ) = ⋅ n(Fe) = 26857,654... mol
2
m(CO2 ) = n(CO2 ) ⋅ M (CO 2 ) = 26857,654... mol ⋅ (12,01 + 2 ⋅ 16,00)
= 1,182 ⋅ 106 g ≈ 1,2 tonnia.
80. Alumiinia voidaan käyttää pelkistämään muita metallioksideja. Esimerkiksi
rauta(III)oksidin ja alumiinijauheen seosta kutsutaan termiitiksi, koska kerran
alkuun päästyään reaktio tuottaa niin paljon lämpöä, että syntyy sulaa rautaa. Esitä
reaktioyhtälöt, jolla alumiini pelkistää
a) rauta(III)oksidia
b) vanadiini(V)oksidia
c) mangaanidioksidia
d) kromi(III)oksidia.
74
Ratkaisut
a) 2 Al(s) + Fe2O3(s) → Al2O3(s) + 2 Fe(s)
b) 10 Al(s) + 3 V2O5(s) → 5 Al2O3(s) + 6 V(s)
c) 2 Al(s) + Cr2O3(s) → Al2O3(s) + 2 Cr(s)
d) 2 Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2 Cr
Huom. Tällaisissa metallurgisissa reaktioissa reaktion lähtöaineiden ja tuotteiden
olomuotojen tarkka ilmoittaminen on vaikeaa, jopa mahdotonta. Oppilaat eivät
mitenkään voi päätellä, kuinka kuumaksi reaktioseos kuumenee eli syntyykö
jokaisessa reaktioseoksessa sulaa metallia. On myös kyseenalaista, tapahtuuko
reaktio todella kahden kiinteän lähtöaineen välillä, kuten reaktioyhtälö esittää, vai
sulaako alumiini ennen reaktion käynnistymistä (mikä on varsin todennäköistä). Siksi
tulisi hyväksyä myös vastaukset, joissa metallien olomuodoiksi on annettu (l), nehän
itse asiassa paljastavat, että oppilas on ajatellut myös reaktio-olosuhteita.
81. Titaani on erittäin kestävä, sitkeä ja luja metalli. Sen käyttöä rajoittaa metallin
vaativa valmistusprosessi, jossa titaanitetrakloridia pelkistetään natrium- tai
magnesiummetallilla.
a) Titaanitetrakloridia valmistetaan titaanidioksidista kuumentamalla sitä hiilen
kanssa kloorikaasussa. Reaktiossa syntyy myös hiilimonoksidia. Kirjoita
tasapainotettu reaktioyhtälö.
b) Kuinka monta kiloa hiiltä, magnesiumia ja klooria kuluu yhden titaanitonnin
valmistukseen?
Ratkaisut
a) TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) → TiCl4(l) + 2 CO(g)
Huom. Jälleen reaktio-olosuhteita tarkemmin tuntematta oppilaiden voi olla vaikea
päätellä reaktiotuotteiden olomuotoja. Kovalenttisten halogenidien, kuten TiCl4, SnCl4
jne. kemiaa ei lukiokursseissa käsitellä. Siksi oppilailta ei pidä edellyttää, että he
tietäisivät titaanitetrakloridin olevan nestettä.
b) TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) → TiCl4(l) + 2 CO(g)
TiCl4(l) + 2 Mg(s) → Ti(s) + 2 MgCl2(s)
Laskemalla yhteen puolittain yllä olevat reaktioyhtälöt saadaan:
TiO2 + 2 C + 2 Cl2 + 2 Mg → 2 CO + Ti + 2 MgCl2
Yhden titaanitonnin ainemäärä:
m
1000 000 g
n(Ti) =
=
= 20889,91... mol
M (Ti) 47,87 g
mol
Reaktioyhtälöstä nähdään, että hiiltä tarvitaan:
n(C) = 2 · n(Ti) = 2 · 20889,91… mol
m(C) = n(C) · M(C) = 2 · 20889,91… mol· 12,01 g/mol = 501775,64… g
≈ 500 kg
75
Reaktioyhtälöstä nähdään, että magnesiumia tarvitaan:
n(Mg) = 2 · n(Ti) = 2·20889,91… mol = 41779,820… mol
m(Mg) = n·M(Mg) = 41779,820… mol·24,31 g/mol = 1015667,433…g ≈ 1016 kg ≈ 1,0
tn
Reaktioyhtälösta nähdään, että klooria tarvitaan:
n(Cl2) = 2 · n(Ti) = 2 · 20889,91… mol = 41779,820… mol
m(Cl2) = n(Cl2) · M(Cl2) = 41779,820… mol·2·35,45 g/mol = 2962189,263… g
≈ 2962 kg ≈ 3,0 tn.
82. Alumiini on kestävä metalli, mutta se syöpyy voimakkaasti emäksisissä liuoksissa.
a) Kun natriumhydroksidin vesiliuos reagoi alumiinin kanssa, syntyy vetyä.
Tasapainota tätä reaktiota kuvaava reaktioyhtälö
Al(s) + OH–(aq) + H2O(l) → Al(OH)4–(aq) + H2(g).
b) Kun alumiinikattilaa oli pesty astianpesukoneessa emäksisellä pesuaineella,
havaittiin, että sen massasta puuttuu 0,8 g. Mikä oli pesun aikana muodostuneen
vetykaasun tilavuus, kun astianpesukoneen lämpötilaksi oli säädetty 65 °C?
c) Astianpesukoneen sisätilavuus on 50 litraa. Muodostuiko b-kohdassa esitetyssä
pesussa räjähtävä kaasuseos, kun vety muodostaa ilman kanssa räjähtävän seoksen
4–72-tilavuusprosenttisina seoksina?
Ratkaisut
a) 2 Al(s) + 2 OH–(aq) + 6 H2O(l) → 2(Al(OH)4) –(aq) + 3 H2(g).
Reaktio on tasapainotettu luvun 1 esimerkissä 1. Sen voi tasapainottaa myös atomien
ja elektronien häviämättömyyden perusteella, mutta tällöin on oltava tarkkana
varausten kanssa!
b) pesun aikana muodostuneen vetykaasun tilavuus lasketaan kaavasta pV = nRT
m
0,8 g
n(Al) =
(Al) =
= 0,02965... mol
g
M
26,98
mol
Reaktioyhtälöstä nähdään, että n(H2) =(3/2) · n(Al) = 0,04447…mol
nRT
Nm (273,15 + 65)K
= 0,04447... mol ⋅ 8,3145
·
p
mol ⋅ K 101,325·103 N
m2
= 1,2341... ·10 −3 m3 ≈ 1,2 dm −3
c) Astianpesukoneen tilavuus on 50 dm3. Tässä tilavuudessa vetykaasun ja ilman
muodostama räjähtävän seoksen vetykaasun määrä alarajalla on 0,04·50 = 2 dm–3 ja
ylärajalla 0,72 · 50 dm–3 = 36 dm–3.
b-kohdassa ei muodostunut räjähtävää kaasuseosta, koska
1,2 dm–3 < 2 dm–3. Läheltä kuitenkin piti!
V (H2 ) =
76
83. Kuparin valmistukseen on Outokumpu Technology kehittänyt vaihtoehtoisen
HydroCopper® -menetelmän, jossa rikastetusta kuparimalmista CuFeS2 liuotetaan
kupari kupari(II)kloridin avulla. Reaktiossa syntyneestä kupari(I)kloridista saadaan
kupari(I)oksidia NaOH-käsittelyllä ja tästä edelleen kuparia pelkistämällä
kupari(I)oksidia vedyllä.
a) Esitä menetelmää kuvaavat reaktioyhtälöt. Voit olettaa, että liuotusreaktiossa
syntyy alkuainerikkiä ja rauta(II)kloridia.
b) Kuinka monta kiloa vetyä kuluu kuparitonnin tuotantoon?
Ratkaisut
a) CuFeS2(s) + 3 CuCl2(aq) → 4 CuCl(aq) + 2 S(s) + FeCl2(aq)
2 CuCl(aq) + 2 NaOH(aq) → Cu2O(s) + 2 NaCl(aq) + H2O(l)
Cu2O(s) + H2(g) ) → 2Cu(s) + H2O(g)
1000 000 g
m
(Cu) =
= 15735,64... mol
b) Kuparitonnin ainemäärä n(Cu) =
g
M
63,55
mol
Reaktioyhtälöstä nähdään että n(H2) = ½n(Cu) =½ ·15735,64... mol
m(H2) = ½ n·M(H2) = ½ ·15735,64... mol·2·1,008 g/mol= 15861,52…g ≈ 16 kg
84. Valitse seuraavista kohdista kolme ja selvitä niiden kemiallinen perusta:
a) alumiiniset käyttöesineet yleistyivät vasta 1900-luvulla, vaikka alumiini on
maankuoren yleisin metalli
b) alumiinista valmistettua ”mehumaijaa” ei suositella käytettäväksi
viinimarjamehun valmistuksessa
c) alumiinikattilaa ei voi puhdistaa natriumhydroksidia sisältävällä
uuninpuhdistusaineella
d) väkevää typpihappoa voidaan säilyttää alumiiniastiassa. (yo k1998)
Ratkaisut
a) Alumiini on epäjalo metalli ja sen pelkistäminen vapaaksi metalliksi on vaikeaa.
Alumiinin pelkistysreaktion Al3+ + 3e– → Al E° = –1,66 V. Pelkistysreaktioon
tarvitaan vahvaa pelkistintä, hiili ei riitä, vaan on käytettävä elektrolyysiä.
Luonnossa alumiinia on runsaasti erilaisina mineraaleina, pääasiassa alumiinisilikaatteina. Metallista alumiinia valmistetaan pelkistämällä sulaan kryoliittiin
(Na2AlF6) liuotettua alumiinioksidia elektrolyyttisesti. Menetelmä yleistyi vasta
1900 -luvulla.
b) Epäjalona metallina alumiini voi reagoida viinimarjoissa olevien happojen
kanssa, jolloin alumiini liukenee Al3+ -ioneina (ja erilaisina kompleksiyhdisteinä)
liuokseen. Ihmiselle jo hyvin pienet alumiinimäärät ovat myrkyllisiä. Alumiinin
pintaan helposti muodostuva Al2O3-kalvo kuitenkin vähentää metallin liukenemista.
c) Alumiinioksidi on amfoteerinen oksidi, joten alumiinisuolat ovat liukoisia sekä
happamassa että emäksisisessä liuoksessa. Alumiinimetalli voi siten reagoida sekä
happojen että emästen kanssa. Emäsliuoksiin alumiini liukenee aluminaatti-ionina,
Al(OH)4–.
d) Typpihappo on voimakas hapettava happo. Vaikka alumiini liukenee happoihin,
tapahtuu typpihapon kohdalla metallin passivoituminen: alumiinin pintaan
muodostuva oksidi kerros estää metallin liukenemisen.
77
85. Kaliumin tiheys on vain 0,86 g/cm3, kun taas kupari on yli kymmenen kertaa
tiheämpää (ρ = 8,96 g/cm3). Kuparin atomimassa ei kuitenkaan ole kuin noin
puolitoistakertainen kaliumin atomimassaan verrattuna. Mitä kuparin suurempi
tiheys kertoo kuparin elektronirakenteesta ja reaktiivisuudesta?
Ratkaisu
Metallisen alkuaineen tiheys kuvaa sitä, kuinka lähelle toisiaan atomit pääsevät
metallihilassa eli mikä on atomin atomisäde. Atomisäteen suuruus kertoo siitä,
kuinka tiukasti atomi kykenee pitämään ulkoelektroneistaan kiinni. Sekä kaliumilla
että kuparilla on yksi ulkoelektroni 4s-orbitaalilla. Kuitenkin kupari on huomattavasti
tiheämpää kuin kalium, mikä kielii siitä, että kuparin 4s-elektroni on lujemmin sidottu
kuin kaliumin. Tästä johtuu myös se, että kalium on huomattavasti reaktiivisempaa
kuin kupari (eli kupari on jalompi metalli). Kaliumin ulkoelektroni voidaan poistaa
helposti eli kalium hapettuu helposti pelkistimenä, kun taas kupari hapettuu vain
vaikeasti. Niinpä kalium syttyy heti tuleen vedessä, kun taas kuparista voidaan tehdä
sateenkestäviä kattoja.
78
Luku 4
79
4.1 Materiaalit ja aineiden ominaisuudet
86. Mihin käyttötarkoitukseen seuraavat aineet soveltuisivat? Mieti vastausta aineiden
hilatyyppien kannalta.
a) Al
b) Au
c) C (grafiitti)
d) CaCO3 (kalkkikivi, marmori)
e) H2O (jää)
O
f)
H3C(CH2)14
O
(CH2)29CH3
(vaha)
Ratkaisut
a) Metallihila määrää alumiinin ominaisuudet. Keveytensä vuoksi alumiini soveltuu
tavaroiden ja ihmisten kuljetusvälineisiin ja -pakkauksiin, kuten tölkkeihin,
matkalaukkujen, autojen, polkupyörien ja lentokoneiden rakenteisiin. Sitkeytensä,
muokattavuutensa ja kemiallisen kestävyytensä takia alumiini soveltuu veneiden,
liikennemerkkien, rakennusten ja laitteiden materiaaliksi. Alumiini heijastaa hyvin
säteilyenergiaa, joten siitä valmistetaan valaisinten ja lämmönlähteiden heijastimia ja
saunaneristeitä. Alumiinikaapelit ja -johtimet ovat keveitä ja niiden sähkönjohtokyky
painoon verrattuna on hyvä.
b) Metallihila määrää kullan ominaisuudet. Ne muistuttavat alumiinin
ominaisuuksia paitsi että kullan tiheys on suurempi ja puhtaana kulta on pehmeää.
Kullan korkea hinta rajoittaa sen käyttöä.
c) Grafiitin atomihilan rakenne määrää grafiitin käyttökohteet. Se soveltuu
sähkönjohtimeksi, jos johtimen pitää olla kemiallisesti kestävä ja se saa olla jäykkä.
Grafiitin kerrokset voivat liukua erilleen toistaan, joten grafiitti soveltuu
voiteluaineeksi ja lyijykynän materiaaliksi.
d) Kalsiumkarbonaatilla on ionihila, joten se on kovaa ja sen puristuslujuus on
hyvä. Marmori ja kalkkikivi soveltuvat patsaisiin, pilareihin ja rakennusten runko- ja
pinnoitemateriaaliksi.
e) Jäällä on molekyylihila, jota pitävät kasassa vetysidokset. Jos jään sulaminen ei
ole rajoittava tekijä, se soveltuu rakennus- ja rakennemateriaaliksi, kuten iglut,
jääveistokset, lumilinnat, jäätiet ja jäädytetyt luistinradat ja puunkorjuun vaatimat
talvitiet.
f) Vahat ovat amorfisia, poolittomia ja veteen liukenemattomia aineita. Ne
soveltuvat hyvin vettä läpäisemättömien ja hylkivien pintojen materiaaleiksi. Vahat
eivät ole juoksevia, joten niitä voidaan helposti levittää pinnoille kalvoiksi.
87. Kalium ja kalsium kuuluvat samaan jaksoon. Kaliumin sulamispiste on 64 °C ja
kalsiumin 840 °C.
a) Millä atomiorbitaalilla ovat kaliumin ja kalsiumin ulkoelektronit?
b) Miksi kalium on pehmeämpää kuin kalsium ja sen sulamispiste on alhaisempi kuin
kalsiumin?
c) Selitä ionisoitumisenergian avulla, miksi kalium on reaktiivisempi kuin kalsium.
d) Selitä normaalipotentiaalikäsitteen avulla, miksi kalium on reaktiivisempi kuin
kalsium.
80
Ratkaisut
a) Kaliumin ainoa ulkoelektroni on 4s-atomiorbitaalilla. Kalsiumin kaksi
ulkoelektronia ovat 4s-atomiorbitaalilla.
b) Metalli on sitä pehmeämpää ja sen sulamispiste on sitä alhaisempi, mitä
heikompia ovat metallisidokset. Metallisidoksen vahvuus kasvaa, kun metallin
luovuttamien ulkoelektronien lukumäärä kasvaa. Kaliumissa metallisidokset ovat
heikompia kuin kalsiumissa, koska kalium luovuttaa vain yhden, mutta kalsium kaksi
ulkoelektroniaan elektronipilveen. Tämän takia kalium on pehmeämpää ja sen
sulamispiste on alhaisempi kuin kalsiumin.
c) Mitä pienempi ionisaatioenergia on, sitä löyhemmin atomi sitoo irtoavaa
elektronia ja sitä reaktiivisempi alkuaine on. Kaliumin ensimmäinen
ionisaatioenergia on 418 kJ/mol. Kalsiumin ensimmäinen ionisaatioenergia on
590 kJ/mol ja toinen 1150 kJ/mol, joten kalium on reaktiivisempi kuin kalsium.
d) Metalli on sitä reaktiivisempi, mitä suurempi on hapettumisreaktion
M → Mn+ + n e–
normaalipotentiaali. Kaliumin E° = +2,93 V ja kalsiumin +2,87 V, joten kalium on
reaktiivisempi kuin kalsium.
4.2 Polymeerit
88. a) Miten käsitteet monomeeri ja polymeeri liittyvät toisiinsa?
b) Miksi tietyn polymeerin ominaisuudet muuttuvat ketjun pituuden kasvaessa?
c) Miten ja miksi polymeerin kiteisyys vaikuttaa sen ominaisuuksiin?
d) Miksi teollisesti valmistetut polymeerit ovat perusluonteeltaan amorfisia?
Ratkaisut
a) Kun suuri lukumäärä keskenään samanlaisia molekyylejä eli monomeerejä liittyy
toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla, muodostuu suuria makromolekyylejä eli
polymeerejä.
b) Ketjun pidentyessä polymeerimolekyylien välisten siten lujuus kasvaa. Sidosten
lujittuessa polymeerin ominaisuudet, kuten liukoisuus, kovuus ja taipuvuus
muuttuvat.
c) Kiteisissä alueissa polymeeriketjut ovat (suhteellisen hyvässä) järjestyksessä,
jolloin molekyylien väliset sidokset pitävät molekyylejä tiukasti kiinni toisissaan. Mitä
enemmän kiteisiä alueita polymeerissä on, sitä korkeammassa lämpötilassa se
pehmenee ja sitä tiheämpää ja kovempaa se on.
d) Jokainen teollisesti valmistettu polymeeri on eripituisten makromolekyylien
seos. Eripituiset polymeeriketjut eivät voi asettua järjestykseen kidehilaksi, joten
polymeerit ovat perusluonteeltaan amorfisia materiaaleja. Amorfisissa aineissa
rakenneosat eivät ole järjestyksessä niin kuin kiteisissä aineissa.
81
89. Kirjoita a) 2-metyyli-1-propeenin CH2=C(CH3)2 b) 1,1-dikloorieteenin
polymeroitumistuotteiden kaavat sekä ketjuna että toistuvana yksikkönä.
Ratkaisut
a)
n
b)
Cl Cl
Cl Cl Cl Cl
n
ketjuissa kaksi
toistuvaa yksikköä
90. Mistä monomeeristä seuraavat polymeerit valmistetaan? Kirjoita monomeerin
rakenne- tai viivakaava.
a) Kattiloiden ja paistinpannujen pinnoittamiseen käytettävä teflon. Teflon kestää
suhteellisen korkeita lämpötiloja ja estää ruuan tarttumisen keittoastian pintaan.
F F F F F F
F F F F F F
b) Vesiliukoisissa lateksimaaleissa ja liimoissa käytettävä polyvinyyliasetaatti.
O
O
O
O
O
O
Ratkaisut
rakennekaava
a)
F
F
F
F
F
F
F
H
H
F
C
b)
viivakaava
C
C
C
H
O
O
C
O
O
CH3
82
91. Kirjoita reaktioyhtälöt, kun
a) metaanihappo (muurahaishappo) reagoi etanolin kanssa
b) etaanihappo (etikkahappo) reagoi 2-propanolin kanssa
c) propaanihappo reagoi metyyliamiinin kanssa
d) butaanihappo reagoi dietyyliamiinin kanssa.
Ratkaisut
O
O
+
a)
H
HO
OH
H
O
+ H2O
O
O
+
b)
HO
OH
O
+
c)
H
OH
O
+
d)
OH
H
+ H2O
O
H
N
O
CH3
N
H
O
N
CH3 + H2O
+ H2O
N
92. Seuraavassa on orgaanisia yhdisteitä:
O
a)
d)
H
O
O
O
H
O
b)
H
e)
HO
c)
NH2
OH
f)
NH2
H2N
OH
O
g)
a) Mistä yhdisteestä voi polyadditiolla syntyä polymeeri?
b) Mikä yhdisteistä pystyy reagoimaan yhdisteen C kanssa muodostaen
polyamidia?
c) Mitkä yhdisteistä voivat reagoida keskenään muodostaen polyesteriä?
Ratkaisut
a) Yhdisteestä g, koska siinä on hiili–hiili-kaksoissidos.
b) Yhdiste d, koska se on dikarboksyylihappo. Amidisidos muodostuu
karboksyylihappo- ja aminoryhmistä.
c) Yhdisteet d ja e, koska toinen on dikarboksyylihappo ja toinen kahdenarvoinen
alkoholi (dioli). Esterisidos muodostuu karboksyylihappo- ja hydroksyyliryhmistä.
83
93. Polybutyleenitereftalaatti (PBT) on PET:n kaltainen polymeeri, jota valmistetaan
1,4-butaanidiolista ja 1,4-bentseenidikarboksyylihaposta (tereftaalihaposta).
a) Kirjoita PBT:n toistuvan yksikön kaava.
b) Laske toistuvan yksikön moolimassa.
c) Laske polymeroitumisaste, kun polymeerin keskimääräiseksi moolimassaksi on
mitattu 38 kg/mol.
Ratkaisut
a)
O
O
O
H
HO
O
n
b) Toistuvan yksikön alkuainekoostumus on C12H12O4.
M(C12H12O4) = 220,216 g/mol.
c) n · M(C12H12O4) = M(polymeeri), josta
g
M (polymeeri)
mol = 172,5... ≈ 170
n=
=
M (C12H12O 4 ) 220,216 g
mol
38000
94. Kodel on polyesteri, jonka toistuva yksikkö on seuraava:
O
O
O
O
n
Kirjoita Kodelin valmistukseen käytettävien monomeerien rakennekaavat.
Ratkaisut
O
OH
HO
HO
OH
O
84
95. Nailon-4 ja nailon-6,10 ovat kuitujen valmistukseen käytettäviä nailontyyppejä.
a) Kirjoita molempien nailontyyppien lähtöaineina käytettävien monomeerien
viivakaavat. Ohje: nailon-4 valmistetaan syklisestä amidista, jonka renkaassa on
neljä hiiliatomia.
b) Kirjoita nailontyyppien toistuvien yksiköiden viivakaavat.
Ratkaisut
H
N
O
NH2
H2N O
a)
OH
HO
nailon-4:n
lähtöaine
b)
HO
nailon-6,10:n lähtöaineet
N
H
O
nailon-4
O
O
H
H
N
HO
O
n
N
H
H
n
nailon-6,10
96. Selitä esimerkin avulla tai muulla tavoin, mitä tarkoittavat seuraavat käsitteet:
a) monomeeri b) kondensaatiopolymeeri c) additiopolymeeri d) toistuva yksikkö.
Ratkaisut
a) Monomeeri on pieni molekyyli, josta valmistetaan ketjureaktion avulla
makromolekyyli eli polymeeri. Esimerkiksi eteenistä valmistetaan
polyadditioreaktiolla polyeteeniä.
b) Kondensaatipolymeeri on polymeeri, joka valmistetaan kondensaatioreaktion
avulla monomeereistä. Esimerkiksi polyesterit ja polyamidit ovat
kondensaatiopolymeerejä.
c) Additiopolymeeri on polymeeri, joka valmistetaan additioreaktion avulla.
Esimerkiksi polypropeeni on additiopolymeeri.
d) Toistuva yksikkö on atomiryhmä, joka toistuu aina uudelleen polymeerin
rakenteessa ja muodostaa polymeeriketjun.
97. 1980-luvulta lähtien on tutkittu, miten biohajoavia polymeerejä voidaan valmistaa
bakteerien avulla. Luonnosta on löydetty bakteeri, joka hajottaa glukoosia
3-hydroksibutaanihapoksi ja polymeroi sen edelleen energiavarastokseen.
Polymeeri soveltuu hyvin mm. maatuvien pakkausten ja kertakäyttöastioiden
valmistamiseen, mutta sen hinta ei ole vielä kilpailukykyinen perinteisiin
pakkausmateriaaleihin verrattuna.
a) Kirjoita 3-hydroksibutaanihapon viivakaava.
b) Onko 3-hydroksibutaanihapon polymeroituminen additio- vai
kondensaatioreaktio?
c) Kirjoita 3-hydroksibutaanihappopolymeerin toistuvan yksikön viivakaava.
85
Ratkaisut
OH O
a)
a)
OH
b) 3-hydroksibutaanihapon polymeroituminen on kondensaatioreaktio,
tarkemmin polyesteröityminen, koska monomeerissä on esterisidosten
muodostumiseen tarvittavat funktionaaliset ryhmät.
O
c) H
H
O
O
n
98. a) Mitä ovat muovit?
b) Ovatko lujitemuovit kerta- vai kestomuoveja?
c) Mitä materiaaleja käytetään lujitemuovien lujitteina?
Ratkaisut
a) Muovit ovat polymeereistä ja lisäaineista valmistettuja seosmateriaaleja, jotka
jossakin valmistusvaiheessa ovat muovattavissa haluttuun muotoon lämmön ja
paineen avulla.
b) Lujitemuovit ovat kertamuoveja, koska niitä valmistettaessa sideaineena
käytettävä polymeeri verkottuu. Sideaineen verkottuessa kaikki polymeeriketjut
liittyvät toisiinsa vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla.
c) Tavallisia lujitemuovien lujitteita ovat muun muassa lasi-, hiili-, teräs- ja
luonnonkuidut.
99. a) Mikä kemiallinen muutos tapahtuu, kun polymeeri verkottuu?
b) Miten verkottuminen muuttaa polymeerin ominaisuuksia?
Ratkaisut
a) Polymeerin verkottuessa kaikki polymeeriketjut liittyvät toisiinsa vahvoilla
kovalenttisilla sidoksilla. Tällöin materiaaliin syntyy koko kappaleen läpi ulottuva luja
verkkorakenne.
b) Verkottuminen lisää polymeerin lujuutta ja kovuutta, mutta vähentää taipuvuutta.
Verkottuminen muuttaa polymeerin kertamuoviksi, jota ei voida kierrättää ja
muovata uudelleen.
4.3 Luonnon polymeerit
100. a) Mistä monomeereistä rakentuvat 1) proteiinit 2) hiilihydraatit 3) nukleiinihapot?
b) Mitkä kaksi funktionaalista ryhmää esiintyvät kaikissa luonnon aminohapoissa?
c) Mikä on hiilihydraateissa eniten esiintyvä funktionaalinen ryhmä?
Ratkaisut
a) Proteiinit rakentuvat aminohapoista, hiilihydraatit monosakkarideistä ja
nukleiinihapot mononukleotideistä.
b) Karboksyylihappo- ja aminoryhmä.
c) Hydroksyyli- eli alkoholiryhmä.
101. Selitä lyhyesti, mitä tarkoitetaan seuraavilla käsitteillä: a) aminohapon
86
kahtaisionimuoto b) di-, tri- ja tetrapeptidi c) proteiinin primäärirakenne
d) proteiinin karboksyylihappopää.
Ratkaisut
a) Puhtaina ja neutraalissa liuoksessa aminohapot esiintyvät kahtaisionimuodossa. Se
syntyy, kun emäsinen aminoryhmä vastaanottaa happaman
karboksyylihapporyhmän luovuttaman protonin.
Aminohappojen kahtaisionimuodon rakenne:
R
O
H3N
O
b) Dipeptidissä kaksi, tripeptidissä kolme ja tetrapeptidissä neljä aminohappoa on
liittynyt toisiinsa amidisidoksilla.
c) Proteiinin primäärirakenne ilmoittaa aminohappojärjestyksen.
(Aminohappojärjestyksen määrää geenin nukleotidijärjestys).
d) Proteiinin karboksyylihappopää on proteiiniketjun numerojärjestyksessä
viimeinen aminohappo, jonka karboksyylihapporyhmä on vapaa eikä muodosta enää
amidisidosta.
102. a) Luonnon aminohappojen sivuketjut voivat olla joko poolittomia tai poolisia.
Mainitse nimeltä kaksi aminohappoa, joiden sivuketjut ovat
1) poolittomia 2) poolisia.
b) Mitä funktionaalisia ryhmiä treoniinissa on?
c) Onko treoniini kiraalinen? Perustele vastauksesi.
d) Treoniini liukenee hyvin solun veteen (solunesteeseen). Mitä sidoksia se
muodostaa veden kanssa?
Ratkaisut
a) Vastaukseksi 1-kohtaan käy kaksi aminohappoa seuraavista: glysiini, alaniini,
valiini, isoleusiini, leusiini, fenyylialaniini tai proliini.
Vastaukseksi 2-kohtaan käy kaksi aminohappoa seuraavista: seriini, treoniini,
kysteiini, asparagiini, glutamiini, tyrosiini, asparagiinihappo, glutamiinihappo, lysiini,
histidiini, tryptofaani tai arginiini. (Tryptofaani ja tyrosiini ovat tosin aromaattisten
renkaidensa takia sen verran poolittomia, että niitä löytyy useimmiten proteiinien
sisäosista.)
b) Treoniinissa on karboksyylihapporyhmä, primäärinen aminoryhmä ja
sekundäärinen hydroksyyliryhmä.
c) Treoniini on kiraalinen, koska siinä on kaksi asymmetristä hiiliatomia C(2) ja
C(3) karboksyylihapporyhmän hiilestä lukien.
d) Fysiologisessa pH:ssa treoniini on kahtaisionimuodossa. Ionimuodossa olevat
funktionaaliset ryhmät muodostavat ioni-dipolisidoksia ja lisäksi sekundäärinen
alkoholiryhmä vetysidoksia.
87
103. Piirrä di- ja tripeptidin viivakaavat, kun aminohappojärjestys on
a) Ala–Cys b) Val–Thr–Gly.
Ratkaisut
a)
O
H
N
H2N
O
O
O
H
N
H2 N
H2N
SH
tai:
a)
b)
OH
H
N
b)
OH
O
H
N
H2 N
O
SH
O
N
H
OH
OH
O
O
N
H
OH
OH
O
(Alem m at kaavat piirretty
siten, että am inohappojen
stereokem ia on otettu
huom ioon.
Tällaista esitystä ei kuitenkaan
tarvitse oppilailta vaatia.)
104. Tarkastele oheista kaavaa.
H2 N
OH
H
N
O
O
N
H
O
H
O
a) Kuvaako kaava di-, tri- vai tetrapeptidin rakennetta?
b) Minkä nimisellä aminohapolla on vapaa aminoryhmä ja minkä nimisellä vapaa
karboksyylihapporyhmä?
c) Mikä on peptidin primäärirakenne?
Ratkaisut
a) Kaava kuvaa tripeptidin rakennetta, koska siinä on kaksi amidisidosta.
b) Treoniinillä on vapaa aminoryhmä ja fenyylialaniinillä vapaa
karboksyylihapporyhmä.
c) Tripeptidin aminohappojärjestys on Thr– Leu–Phe.
105. a) Millä sidoksilla aminohapot liittyvät toisiinsa polypeptidiketjuksi?
b) Mitkä sidokset pitävät α-kierteet ja β-laskokset niille ominaisessa muodossa?
c) Mitä tarkoittavat käsitteet proteiinin sekundääri-, tertiääri- ja
kvaternäärirakenne?
d) Rautakaupasta voi ostaa denaturoitua alkoholia (etanolia). Mitä käsite
denaturoitu tässä asiayhteydessä tarkoittaa?
e) Mitä tarkoittaa käsite proteiinien denaturaatio?
88
Ratkaisut
a) Aminohapot liittyvät polypeptidiketjuksi amidi- eli peptidisidoksilla.
b) α-kierteet ja β-laskokset pysyvät niille ominaisessa muodossa N–H- ja C=Oryhmien välisten vetysidosten avulla.
c) Proteiinien sekundäärirakenne kertoo, millä tavalla aminohappoketju tai sen osa
kiertyy tai laskostuu sille ominaiseen konformaatioon
eli millainen on
aminohappoketjun avaruusrakenne. Sekundäärirakenteita on kolmea tyyppiä,
α-kierteitä, β-laskoksia ja edellä mainittujen rakenneosien välisiä käänteitä.
Tertiäärirakenne kertoo, miten sekundäärirakenteet sijaitsevat toisiinsa nähden
proteiinissa. Tertiäärirakenteen määräävät polypeptidiketjun aminohappojen
sivuketjujen väliset heikot ja vahvat sidokset.
Kvaternäärirakenne on vain sellaisilla proteiineilla, jotka koostuvat kahdesta tai
useammasta tertiäärirakenteesta eli alayksiköstä. Kvaternäärirakenne kertoo, miten
alayksiköt sijaitsevat toisiinsa nähden proteiinissa. Kvaternäärirakennetta pitävät
koossa aminohappojen sivuketjujen väliset sidokset.
d) Etanoliin on lisätty denaturointiainetta, kuten asetonia, alkoholin nauttimisen
estämiseksi.
e) Denaturaatiossa proteiinien sekundääri-, tertiääri- ja kvaternäärirakenteissa
tapahtuu palautumattomia konformaatiomuutoksia, koska rakenteita koossa pitäviä
sidoksia aukeaa. Tällöin proteiini menettää biologisen toimintakykynsä. Esimerkiksi
denaturoitunut entsyymiproteiini ei toimi katalyyttinä.
106. Sekä α-kierteet että β-laskokset pysyvät niille ominaisessa muodossa vetysidosten
avulla. Miten nämä sekundäärirakenteet eroavat toisistaan?
Ratkaisut
α-kierteen pitävät spiraalina proteiiniketjun kierteiden väliset vetysidokset.
Vetysidokset muodostuvat edellissä kierteessä olevan peptidisidoksen C=O-ryhmän
ja jälkimmäisen kierteessä olevan peptidisidoksen N–H-ryhmän välille aina neljän
aminohapon välein. Esimerkiksi ketjun ensimmäisestä aminohaposta peräisin oleva
C=O-ryhmä muodostaa vetysidoksen ketjun viidennestä aminohaposta peräisin
olevan N–H-ryhmän kanssa, toisesta aminohaposta peräisin oleva C=O-ryhmä ketjun
kuudennesta aminohaposta peräisin olevan N–H-ryhmän kanssa ja niin edelleen.
β-laskoksessa proteiiniketju ei kierry, vaan kaksi tai useampia ketjuja asettuu
vierekkäin pitkin pituuttaan. Vierekkäisiä ketjuja pitävät kiinni toisissaan ketjujen
väliset vetysidokset:
toisen ketjun peptidisidoksen C=O-ryhmä muodostaa
vetysidoksen naapuriketjun peptidisidoksen N–H-ryhmän kanssa ja päinvastoin.
89
107. Proteiinin tertiäärirakenteen määräävät aminohappojen sivuketjujen väliset
sidokset. Mikä sidos muodostuu seuraavien aminohappojen välille:
a) kysteiini ja kysteiini b) glutamiinihappo ja lysiini c) fenyylialaniini ja isoleusiini
d) seriini ja glutamiini?
Ratkaisut
a) Kysteiinin sivuketjussa on SH-ryhmä (eli tioliryhmä). Kahden eri paikassa
peptidiketjussa sijaitsevan SH-ryhmän välille muodostuu disulfidisilta.
[O]
SH
S
S
SH
b) Koska glutamiinihapon sivuketjun karboksyylihapporyhmä ja lysiinin sivuketjun
aminoryhmä ovat ionimuodossa fysiologisessa pH:ssa, sivuryhmien välille
muodostuu ionisidos (ionipari).
peptidiketju
glutamiinihappo
O
O
NH3
lysiini
peptidiketju
Huom. Karboksyylihapon ja amiinin välinen happo-emästasapaino opetetaan
5. kurssissa. Tässä vaiheessa oppilaat voivat kuitenkin päätellä ionisidoksen
(ioniparin) muodostumisen taulukkokirjassa esitettyjen aminohappojen kaavojen
avulla.
c) Koska fenyylialaniinin ja isoleusiin sivuryhmät ovat poolittomia, sivuryhmien
välillä on dispersiovoimia.
d) Seriinin sivuketjun hydroksyyliryhmän ja glutamiinin sivuketjun amidiryhmän
välille muodostuu vetysidos.
... tai näin:
Vetysidos voisi muodostua vaikka näin...
peptidiketju
peptidiketju
glutamiini
H2N
glutamiini
H
O
O
H
O
O H
seriini
peptidiketju
N
H
seriini
peptidiketju
90
108. a) Mitä tapahtuu, kun molekyylin konformaatio muuttuu?
b) Mitkä seuraavista proteiinien rakennekäsitteistä kuvaavat proteiiniketjun
konformaatiota: 1) primäärirakenne 2) sekundäärirakenne 3) tertiäärirakenne
4) kvaternäärirakenne?
Ratkaisut
a) Peptidirungon (ja sivuketjujen) yksinkertaiset σ-sidokset kiertyvät, jolloin peptidiketjun konformaatio muuttuu. Aminohappoja toisiinsa kytkevän amidisidoksen
kaikki atomit ovat samassa tasossa ja amidisidos on jäykkä (Reaktio 2, sivu 133),
joten amidisidoksen karbonyyliryhmän hiilen ja aminoryhmän typen välinen sidos ei
voi kiertyä.
b) Sekundääri- ja tertiäärirakenne.
109. a) Miksi kutsutaan rakennetta, jossa proteiini koostuu useista alaykisköistä?
b) Millaiset sidokset voivat pitää alayksiköitä kiinni toisissaan?
Ratkaisut
a) Kvaternäärirakenteeksi. b) Kvaternäärirakenteen alayksiköt voivat kiinnittyä
toisiinsa esimerkiksi disulfidisiltojen, vetysidosten, ionisidosten tai dispersiovoimien
avulla.
110. a) Miten proteiinin hajoaminen (hydrolyysi) ruuansulatuksessa eroaa sen
denaturaatiosta mahalaukussa vetykloridihapon vaikutuksesta?
b) Miksi iskukuumennettu eli pastöroitu maito säilyy paremmin kuin
pastöroimaton? Iskukuumennus tarkoittaa hyvin nopeaa kuumentamista, joka ei
vaikuta sanottavasti maidon makuun.
Ratkaisut
a) Mahalaukun happamissa olosuhteissa proteiini ensiksi denaturoituu, jolloin sen
sekundääri-, tertiääri- ja kvaternäärirakenteet rikkoutuvat. Ruuansulatuksessa
proteiinien amidisidokset hydrolysoituvat primäärirakenteen purkautuessa ja
syntyy aminohappoja.
Huom. Mahalaukun happamissa olosuhteissa aminohappojen aminoryhmät ovat
ammoniumionimuodossa, mutta karboksyylihapporyhmät ovat
ionisoitumattomassa muodossa (Reaktio 3, sivu 69).
R
OH
H3N
O
b) Maidossa on luonnostaan sen aineosia hajottavia entsyymejä ja lypsyn ja
kuljetuksen aikana siihen kulkeutuu ympäristöstä mikro-organismeja, jotka
heikentävät maidon säilyvyyttä. Iskukuumennuksen aikana entsyymiproteiinit ja
mikro-organismien proteiinit denaturoituvat ja menettävät biologisen
toimintakykynsä, joten pastöroitu maito säilyy paremmin kuin pastöroimaton.
91
111. a) Kuinka monta erilaista primäärirakennetta voi muodostua, jos kolme eri
aminohappoa liittyy yhteen amidi- eli peptidisidoksilla?
b) Proteiinit rakentuvat 20 eri aminohaposta. Jos proteiiniketjussa on 100
aminohappoyksikköä, kuinka monta erilaista primäärirakennetta voi muodostua?
Ratkaisut
a) Tripeptidin ensimmäinen aminohappo voidaan valita kolmesta aminohaposta,
toinen kahdesta aminohaposta ja viimeinen yhdestä aminohaposta, joten erilaisia
primäärirakenteita voi muodostua
3! = 3 · 2 · 1 = 6.
b) Erilaisia primäärirakenteita voi muodostua 20100
= (20 50 ) 2 = (1,125... ⋅ 1065 )2 = 1,267... ⋅ 10130 ≈ 1,3 ⋅ 10130 .
Luonnon monimuotoisuus on mahdollista!
112. Aspartaami on keinotekoinen makeutusaine, jota käytetään mm. virvoitusjuomissa.
Se on rakenteeltaan erään dipeptidin metyyliesteri.
O
NH2
HO
H
N
O
O
CH3
O
aspartaam i
a) Mitä funktionaalisia ryhmiä aspartaamissa on?
b) Amidisidos voidaan hydrolysoida keittämällä aspartaamia väkevähkössä HClliuoksessa. Tällöin hydrolysoituu myös esterisidos. Kirjoita hydrolyysituotteiden
viivakaavat.
c) Mitkä ovat hydrolyysissä muodostuvien aminohappojen nimet?
Ratkaisut
a) Aspartaamissa on vasemmalta oikealle luettuna karboksyylihapporyhmä,
primäärinen aminoryhmä, amidiryhmä ja esteriryhmä.
b)
O
HO
NH3 Cl
OH
O
O
H3N
OH
H
O
CH3
Cl
Hydrolyysituotteet ovat ammoniumionimuodossa (Reaktio 3, sivu 69).
c) Happamassa liuoksessa aminohapot ovat ammoniumionimuodosssa. Vastaavien
aminohappojen nimet ovat asparagiinihappo ja fenyylialaniini.
92
113. Eräs luonnon aminohappo sisältää 34,3 m-% hiiltä, 6,71 m-% vetyä,13,3 m-%
typpeä ja loput happea.
a) Määritä aminohapon empiirinen kaava.
b) Massaspektrin perusteella tiedetään, että aminohapossa on yksi typpiatomi.
Mikä on aminohapon molekyylikaava?
c) Kirjoita aminohapon viivakaava sekä ilmoita sen nimi ja nimilyhenne.
Ratkaisut
a)Tarkastellaan 100 g aminohappoa. Happea on
100g – 34,3g – 6,71g – 13,3 g = 45,69 g.
34,3 g
n(C) =
= 2,856 mol
g
12,01
mol
6,71g
n(H) =
= 6,657 mol
g
1,008
mol
13,3 g
n(N) =
= 0,949 mol
g
14,01
mol
45,69 g
n(O) =
= 2,856 mol
g
16,00
mol
n(C) : n(H) : n(N) : n(O) = 2,856 mol : 6,657 mol : 0,949 mol : 2,856 mol
= 3 : 7 : 1 : 3.
Aminohapon empiirinen kaava on C3H7NO3
b) Koska massaspektrin mukaan aminohapossa on yksi typpiatomi, sen
molekyylikaava on sama kuin empiirinen kaava eli C3H7NO3.
c) Aminohapon karboksyylihapporyhmässä on molekyylikaavan kolmesta
happiatomista kaksi, joten aminohapon sivuryhmään jää yksi happiatomi. Kun
otetaan myös huomioon aminohapon hiiliatomien lukumäärä, niin aminohapon
täytyy olla seriini. Seriinin nimilyhenne on Ser ja viivakaava:
OH
O
H3N
O
(aminohappo piirretty taulukkokirjan kahtaisionimuodossa)
93
114. a) Mihin kolmeen alaryhmään hiilihydraatit luokitellaan?
b) Miten glukoosin rakenne eroaa galaktoosin rakenteesta?
c) Syljessä on sakkaroosin (ruokosokerin) hydrolyysiä katalysoivaa entsyymiä. Mitkä
ovat sakkaroosin hydrolyysituotteet?
d) Laktoosin (maitosokerin) hydrolyysiä elimistössä katalysoi laktaasientsyymi, joka
puuttuu laktoosi-intolerantikoilta. Mitkä ovat laktoosin hydrolyysituotteet?
Ratkaisut
a) Hiilihydraattien kolme alaryhmää ovat monosakkaridit, disakkaridit ja
polysakkaridit.
b) Glukoosi ja galaktoosi ovat stereoisomeerejä. Glukoosin neljänteen hiiliatomiin
liittynyt hydroksyyliryhmä suuntautuu renkaasta eri suuntaan kuin galaktoosin
neljänteen hiiliatomiin liittynyt hydroksyyliryhmä.
c) Sakkaroosin hydrolyysituotteina syntyy glukoosia ja fruktoosia.
d) Laktoosin hydrolyysituotteet ovat glukoosi ja galaktoosi.
115. a) Tärkkelysjyväsissä on amyloosia ja amylopektiiniä. Miten polymeerien rakenteet
eroavat toisistaan?
b) Miksi kasvit varastoivat siemeniinsä tärkkelystä?
c) Miksi selluloosa ei hydrolysoidu glukoosiksi ihmisen ruuansulatuksessa?
Ratkaisut
a) Amyloosissa glukoosiyksiköt muodostavat haarautumattomia ketjuja, mutta
amylopektiinin ketjut ovat haarautuneita.
b) Kasvi tarvitsee varastoenergiaa kunnes sen oma energian tuotanto eli
fotosynteesi käynnistyy. Kasvien varastoenergiana on usein tärkkelys, joka
hydrolysoituu itämisen alkaessa glukoosiksi.
c) Ihmisen suolistossa ei ole selluloosan hajottamiseen eli hydrolyysiin
erikoistuneita bakteereja.
116. Sekä glukoosissa että heksaanissa on kuusi hiiliatomia. Miksi kuitenkin glukoosi on
huoneen lämpötilassa kiinteää ainetta mutta heksaani on neste?
Ratkaisu
Poolittomien heksaanimolekyylien välillä on dispersiovoimia. Dispersiovoimat ovat
sitä vahvempia, mitä suurempi on moolimassa. Suurehkosta moolimassasta
(86 g/mol) johtuen heksaani on huoneenlämpötilassa neste. Glukoosimolekyylien
(180 g/mol) välillä on dispersiovoimien lisäksi useita vetysidoksia, koska glukoosissa
on viisi alkoholiryhmää. Sekä dispersiovoimat että niitä huomattavasti vahvemmat
vetysidokset yhdessä tekevät glukoosista huoneenlämpötilassa kiinteän aineen.
94
117. Sokerijuurikas sisältää noin 20 % glukoosia (C6H12O6), ja satoa saadaan noin
35 tonnia/ha. Sokerista voidaan valmistaa etanolia, jota on ehdotettu bensiinin
korvaajaksi liikennepolttoaineena. Sokerin käydessä syntyy ainoastaan etanolia ja
hiilidioksidia. Oletetaan, että hyötysuhde poltettaessa etanolia tai bensiiniä on
sama. Keskikokoinen henkilöauto kuluttaa bensiiniä 6,5 l/100 km. Laske, kuinka
suuri massa juurikkaita tarvitaan 100 km:n matkaan. Bensiinin tiheys on 0,75 kg/l.
Lämpöarvot: bensiini 43,5 MJ/kg ja etanoli 26,9 MJ/kg.
(Lukion kemiakilpailutehtävä 2005)
Ratkaisut
100 km:n matkaan kuluvan bensiinin massa:
m(bensiini) = ρ · V = 0,75 kg/l · 6,6 l = 4,875 kg
Bensiinin palaessa vapautuva energiamäärä:
Q(bensiini) = 43,5 MJ/kg · 4,875 kg = 212,1 MJ.
M(C6H12O6) = 180,156 g/mol, M(C2H5OH) = 46,068 g/mol
Käymisreaktioyhtälö: C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
1 kg:sta juurikkaita syntyvän etanolin ainemäärä:
0,20 ⋅ 1000 g
n(C2H5OH) = 2 · n(C6H12O6) = 2 ⋅
= 2,220 mol
g
180,156
mol
m(C2H5OH) = 2,220 mol · 46,068 g/mol = 102,3 g
1 kg:sta juurikkaita vapautuva energiamäärä:
Q(juurikkaat) = 0,1023 kg · 26,9 MJ/kg = 2,752 MJ
MJ
212,1
kg
kg
100 km
Juurikkaiden tarve:
= 77,07
≈ 77
.
MJ
100
km
100
km
2,752
kg
Juurikkaita tarvitaan 77 kg.
95
4.4 Luonnon materiaaliratkaisuja
118. Komposiitit ovat yhdistelmämateriaaleja.
a) Mistä perusmateriaaleista luonnon komposiitit, luu, puu ja äyriäisten kuori
rakentuvat?
b) Miten kitiinin rakenne eroaa selluloosan rakenteesta?
b) Mainitse esimerkkejä teollisesti valmistetuista komposiiteista.
Ratkaisut
a) Luun perusmateriaaleja ovat hydroksiapatiitti (Ca5(PO4)3(OH) ja kollageeni, joka
toimii lujitteena. Puun aineosia ovat selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini. Ayriäisten
kuoren perusmateriaali on kitiini, jota lujittavat proteiinit.
b) Selluloosa rakentuu glukoosista, mutta kitiini glukoosijohdannaisesta, jossa
glukoosirenkaan C(1)-hiiliatomiin liittyneen alkoholiryhmän paikalla on
etaaniamidiryhmä.
c) Teollisesti valmistettuja komposiitteja ovat mm. lujitemuovit, teräsbetoni,
laminaatit ja kumituotteet.
4.5 Liimat ja kovettuvat hartsit
119. a) Miten liimat kuivuvat(kovettuvat)?
b) Miksi poolisten pintojen liimaaminen on helpompaa kuin poolittomien?
c) Jos liimattava puu- tai paperipinta on rasvainen, miksi rasva kannattaa poistaa
ennen liimausta? Millä keinolla poistat rasvan kätevästi?
Ratkaisut
a) Liimat voivat kovettua polymeroitumalla tai siten, että liiman aineosana oleva
liuotin haihtuu liimaussaumasta. Liuotin voi myös imeytyä liimattavaan materiaaliin
ja haihtua ajan oloon liimattavasta materiaalista.
b) Liimat ovat poolisia, joten ne tarttuvat hyvin poolisiin pintoihin vety- ja dipoli–
dipoli-sidoksilla. Poolittoman pinnan liimaaminen on työläämpää, koska ennen
liimaamista pitää suorittaa pinnan hapettamiskäsittely sen poolisuuden lisäämiseksi.
c) Rasva on poolitonta, johon poolinen puu- tai paperiliima (kuten polyvinyyliasetaatti) ei tartu. Pooliton rasva ja poolinen liima paremminkin hylkivät toisiaan,
joten rasva on poistettava pitävän sauman aikaansaamiseksi. Rasva voidaan poistaa
kätevästi pyyhkimällä poolittomalla liuottimella kostutetulla kankaalla tai talouspaperilla. Sopivia rautakauppaliuottimia ovat mm. lakkabensiini, ksyleeni ja
asetoni.
96
120. a) Mistä pikaliimat ovat saaneet nimensä?
b) Mitä tietoa nimi syanoakrylaatti välittää molekyylin rakenteesta?
Vihje: propeenihapon triviaalinimi on akryylihappo.
c) Onko syanoakrylaatin kovettuminen polykondensaatio- vai polyadditioreaktio?
d) Mainitse tekijöitä, jotka laukaisevat pikaliiman kovettumisen.
Ratkaisut
a) Pika-etuliite ilmoittaa, että liimat kovettuvat nopeasti.
b) Syano-etuliite ilmoittaa, että molekyylissä on syano- eli nitriiliryhmä.
Akryylihapossa (propeenihapossa) on kolme hiiliatomia, hiili–hiili-kaksoissidos ja
karboksyylihapporyhmä. Akrylaatti-sanan -aatti -pääte (propenaatti) ilmoittaa, että
yhdiste on akryylihapon johdannainen, joko esteri tai suola. Triviaalinimi ei kerro,
kumpi johdannainen on kyseessä eikä myöskään sitä, mihin hiiliatomiin syano-ryhmä
on liittynyt.
c) Syanoakrylaattimolekyylissa on hiili–hiili-kaksoissidos, joten kovettuminen on
polyadditio.
toistuva yksikkö
H
O
H
vesimolekyyli
CN
CN
CN
CN
...
O
O
CH3
O
O
CH3
O
O
CH3
syanoakrylaattimolekyylejä
O
O
CH3
CN
CN
HO
O
O
O
CH3
n
OCH3
syanoakrylaattipolymeeri
d) Kovettumisen laukaisevia tekijöitä ovat mm. ilmassa oleva vesihöyry ja
liimattavan pinnan funktionaaliset ryhmät, kuten alkoholi- ja aminoryhmät.
Oppilaita saattaa myös kiinnostaa, että syanoakrylaatteja käytetään liimauksen lisäksi
sormenjälkien paljastamiseen. Menetelmässä syanoakrylaattia höyrystetään
tutkittavalle pinnalle. Sormista muovi- ja metallipinnoille jääneet hiilihydraatti- ja
proteiinijäämät käynnistävät syanoakrylaatin polymeroitumisen sormenjälkien
kohdalla, jolloin ne tulevat näkyviin.
121. a) Vastaa perustellen, ovatko kovettuvat hartsit kerta- vai kestomuoveja.
b) Kun hartsit kovettuvat, lähtöaineista muodostuu kovalenttisilla sidoksilla koko
rakenteen kattavia verkkorakenteita. Miten edellä sanotusta voidaan päätellä, että
kovettuneet hartsit ovat lujia mutta helposti murtuvia?
Ratkaisut
a) Hartsit ovat kertamuoveja, koska niiden kovettuessa lähtöaineista syntyy koko
rakenteen kattavia verkkorakenteita.
b) Vahvoista kovalenttisista sidoksista johtuen hartsien verkkorakenne on luja, mutta
joustamaton ja murtuva. Murtuvuus johtuu siitä, että verkkorakenteet osat eivät voi
liukua toistensa ohi. Jos hartsiin kohdistetaan riittävän suuri voima, niin kovalenttiset
sidokset katkeavat ja hartsi ei taivu vaan murtuu.
97
4.6 Venyvät materiaalit
122. a) Mikä yhteinen ominaisuus on kaikilla elastomeereillä?
b) Mistä monomeeristä luonnonkumi rakentuu? Kirjoita monomeerin viivakaava.
Onko luonnonkumi additio- vai kondensaatiopolymeeri?
c) Mitä tarkoittaa luonnonkumin vulkanointi?
Ratkaisut
a) Kaikki elastomeerit vetäytyvät alkuperäiseen muotoonsa venyttämisen jälkeen.
b) Luonnonkumi on additiopolymeeri. Luonnonkumi rakentuu isopreenistä eli
2-metyyli-1,3-butadieenistä. Isopreenin funktionaalisina ryhminä ovat kaksi
hiili–hiili-kaksoissidosta, joten se voi vain additiopolymeroitua.
c) Vulkanoinnissa luonnonkumia kuumennetaan rikin kanssa. Tällöin
isopreeniketjujen välille muodostuu kovalenttisia rikkisiltoja, jotka kovettavat ja
sitkeyttävät luonnonkumin käyttökelpoiseksi elastiseksi materiaaliksi.
123. Trans-polyisopreeni on suoraketjuista, kiteistä ja kovaa, ja cis-isopreeni on
kiharaista, amorfista ja pehmeää. Trans-polyisopreenia kutsutaan guttaperkaksi.
Kirjoita trans-isopreenin viivakaava, jossa on kolme toistuvaa yksikköä. Käytä
mallina cis-isopreenin kaavaa.
Ratkaisut
trans
ketjua jatkavat osat ovat keskenään trans,
vastakkaisilla puolilla kaksoissidosta
4.7 Tekstiilit ja kuidut
124. Polyesterit ja polyamidit ovat luonnonkuitujen ohella tavallisia tekstiilimateriaaleja.
a) Miksi molemmat kuidut ovat lujia ja taipuisia?
b) Miksi polyamidikuidut tuntuvat hikoiltaessa lämpimämmiltä kuin
polyesterikuidut?
c) Kevlar ja nailon-6,6 ovat molemmat polyamideja. Miksi kevlar on kiteisempää ja
lujempaa kuin nailon-6,6?
Ratkaisut
a) Molemmat kuidut valmistetaan puristamalla sulaa polymeeriä hyvin pienten
reikien läpi, jolloin polymeeriketjut asettuvat rinnakkain pitkin pituuttaan. Suuresta
kontaktipinnasta johtuen ketjujen väliset heikot sidokset ovat vahvimmillaan, joten
kuidut ovat lujia. Kuidut ovat taipuisia, koska ketjujen väliset heikot sidokset voivat
katkeilla ja muodostua uudelleen eli ketjut voivat liukua toistensa ohi.
b) Kylmän tunnun aiheuttaa iholta haihtuva vesi, koska haihtumisessa sitoutuu
energiaa. Jos kuitu pystyvät sitomaan itseensä veden, se tuntuu lämpimältä.
Polyamidikuidut tuntuvat lämpimämmiltä, koska niiden vedensitomiskyky on
parempi kuin polyesterikuitujen. Tämä johtuu siitä, että amidiryhmä sitoo vettä
vetysidoksilla, mutta esteriryhmä vetysidoksia heikommilla dipoli–dipoli-sidoksilla.
c)
98
H
H
N
O
OH
HO
O
n
kevlar
H
N
O
O
NH
N
H
H
n
nailon-6,6
Kiteisyysero johtuu polymeeriketjujen erilaisesta rakenteesta. Kevlarketjun
amidiryhmien ja bentseenin kaikki hiiliatomit ovat sp2-hybridisoituneita, joten ketjut
ovat tasomaisia ja jäykkiä. Suuresta kontaktipinnasta johtuen ketjujen väliset heikot
sidokset ovat erityisen vahvat, joten ne kykenevät sitomaan polymeeriketjut
järjestyneiksi kiteisiksi alueiksi.
Nailon-6,6-ketjussa on jäykkiä amisidisidoksia, mutta muut hiiliatomit ovat sp3hybridisoituneita. Hiiliatomien väliset σ-sidokset voivat kiertyä, joten nailonketjut
ovat eri konformaatioissa ja kauempana toisistaan kuin kevlarissa. Nailonketjut eivät
voi pakkautua lähelle toisiaan kevlarketjujen tavoin, joten kevlar on kiteisempää kuin
nailon.
125. PET on 1,2-etaanidiolin (glykolin) ja 1,4-bentseenidikarboksyylihapon
(tereftaalihapon) kondensaatiopolymeeri.
a) Kirjoita PET:n toistuvan yksikön kaava.
b) PET-kuiduista valmistetulle ohuelle kankaalle räiskähti väkevää natriumhydroksidiliuosta. Seuraavana päivänä kankaassa oli räiskeiden osumiskohdissa
pieniä reikiä. Mikä kemiallinen reaktio selittää reikien syntymisen?
Ratkaisut
a)
O
O
O
H
HO
O
n
b) PET:n esterisidokset hydrolysoituvat NaOH-liuoksessa, jolloin syntyy
tereftaalihapon (1,4–bentseenidikarboksyylihapon) natriumsuolaa ja glykolia
(1,2-etaanidiolia). Reaktiotuotteet liukenevat NaOH-liuoksen veteen, joten
räiskeiden osumiskohtiin syntyy pieniä reikiä.
99
4.8 Pakkausmateriaalit
126. a) Mitä ovat laminaatit?
b) Miksi erityisesti elintarvikepakkauksissa käytetään laminaattikalvoja, vaikka ne
ovat perusmuoveja kalliimpia?
Ratkaisut
a) Laminaatit ovat (usein läpinäkyviä) kalvoja, joissa on ohuina kerroksina kahta tai
useampaa materiaalia.
b) Hintaa tärkeämpiä ovat elintarvikkeen säilyvyyden, hygienian,
kuluttajansuojelun ja jakelun vaatimat ominaisuudet. Nykyaikainen ratkaisu ovat
laminaattikalvot, joiden ominaisuudet räätälöidään pakattavan elintarvikkeen
vaatimusten mukaisiksi.
127. Puhtaan polymeerin taipuvuus riippuu polymeerimolekyylien rakenteesta: mitä
joustavampi polymeerimolekyylien runko on (jolloin useat konformaatiot ovat
mahdollisia) ja mitä heikommin polymeerimolekyylit sitoutuvat toisiinsa, sitä
taipuvampaa polymeerimateriaali on.
Selitä perustellen, kumpi vaihtoehdoista A ja B on taipuvampi. Oletetaan, että A:n ja
B:n molekyylirakenteissa on vain alla mainittu ero.
a) A:n polymeroitumisaste on suurempi kuin B:n.
b) A:n rungossa on siellä täällä haaroina metyyliryhmiä, mutta B on
haarautumaton.
c) A on verkottuneempi kuin B.
d) A:n rungossa on bentseenirenkaita, ja B:n rungossa on kuuden hiilen ketjuja.
e) A on polyesteri, ja B on polyamidi.
Ratkaisut
a) B on taipuvampaa, koska polymeerimolekyylien väliset sidokset heikentyvät
moolimassan
pienentyessä.
Moolimassa
pienenee
polymeroitumisasteen
pienentyessä..
b) A on taipuvampaa, koska haarautuneet polymeerimolekyylit ovat etäämmällä
toisistaan ja etäisyyden kasvaessa polymeerimolekyylien väliset sidokset heikentyvät.
c) B on taipuvampaa, koska vähemmän verkottuneen polymeerin runko on
joustavampi.
d) B on taipuvampaa, koska hiiliketjut ovat joustavampia kuin jäykkä, tasomainen
bentseenirengas.
e) A on taipuvampaa, koska esteriryhmien väliset dipoli–dipoli-sidokset ovat
heikompia kuin amidiryhmien väliset vetysidokset.
100
128. Selitä polymeeriketjujen rakenteen avulla, miksi LDPE on pehmeämpää ja
amorfisempaa kuin HDPE.
Ratkaisut
LDPE-ketjujen väliset dispersiovoimat ovat heikommat kuin HDPE-ketjujen väliset
vetovoimat, koska LDPE-ketjut ovat lyhyempiä ja haaroista johtuen etäämmällä
toisistaan. Heikommista dispersiovoimista johtuen LDPE-ketjut liukuvat helpommin
toistensa ohi ja eivät muodosta järjestyneitä kiteisiä alueita, joten LDPE on
pehmeämpää ja amorfisempaa kuin HDPE.
129. Kokeellinen kotitehtävä, jossa muovipurkista tehdään ”lautanen”. Pese
polystyreenistä (PS) valmistettu jogurtti- tai viilipurkki. Kuivaa purkki hyvin ja irrota
kaikki alumiiniset osat. Aseta purkki puhtaalle alustalle uuniin 150 asteen
lämpötilaan. Ota purkki ulos uunista, kun mitään ei enää tapahdu. Anna purkin ja
alustan jäähtyä. Irrota purkki alustastaan veitsellä. Voit myös käyttää mikroaaltouunia suurimmalla teholla. Mitä havaitsit? Mitä muodonmuutoksen aikana
tapahtui?
4.9 Rakennusmateriaalit
130. a) Mitä raaka-aineita tarvitaan betonin valmistamiseen?
b) Mitä materiaalia betonin sideaine on?
c) Miksi savupiippu ja tulisijat muurataan savi- eikä kalkkihiekkatiilistä?
Ratkaisut
a) Betonin valmistukseen tarvitaan kivimurskaa, hiekkaa, sementtiä ja vettä.
b) Betonin sideaine on verkkoutunutta silikaattia.
c) Savupiippu ja tulisijat muurataan poltetuista savitiilistä, koska ne kestävät
korkeita lämpötiloja.
131. a) Mitä on laasti, ja mihin sitä käytetään?
b) Miten laasti kovettuu? Miksi laastin kovettuminen tapahtuu hitaasti?
Ratkaisut
a) Laasti on kalsiumhydroksidin, hiekan ja veden seos. Laastia käytetään
muurauksessa ja sen tehtävänä on sitoa tiilet toisiinsa.
b) Lastin kovettumista kuvaavat reaktioyhtälöt:
CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)
Ca(OH)2(s) + H2CO3(aq) → CaCO3(s) + 2 H2O(l)
Laasti kovettuu hitaasti, koska ilman hiilidioksidipitoisuus on pieni ja hiilidioksidin
kulkeutuminen muuraussauman sisäosiin tapahtuu hitaasti.
101
4.10 Maalit ja pinnoitteet
132. a) Mistä kolmesta perusmateriaalista maalit valmistetaan?
b) Minkä tyyppisiä polymeerejä ovat lateksimaalien sideaineet?
c) Miten lateksimaalien ja liuotinohenteisten alkydimaalien kalvonmuodostus
(kuivuminen) eroavat toisistaan?
d) Miksi kaksikomponenttimaalia käyttävä maalari pohtii ennen työhön
ryhtymistään maalausnopeuttaan?
Ratkaisut
a) Maalien kolme perusmateriaalia ovat sideaine, pigmentti ja liuotin.
b) Lateksimaalien sideaineet ovat additiopolymeerejä. Tavallisia sideaineita ovat
polyvinyyliasetaatti ja polyakrylaatit, joiden sivuketjussa on esteriryhmä.
c) Vesiohenteisilla lateksimaaleilla kalvo muodostuu liuotinveden haihtuessa ja
liuotinohenteisilla alkydimaaleilla verkkoutumisreaktion seurauksena.
d) Kaksikomponenttimaalin aineosat sekoitetaan juuri ennen maalin levittämistä.
Maalari pohtii maalausnopeuttaan, jotta hän valmistaisi maalia määrän, jonka ehtii
maalata ennen maalin kuivumista (verkottumista).
133. Rauta- ja maalikaupasta voi ostaa poolittomia liuottimia hankalasti vesipesussa
puhdistuvien materiaalien, kuten etiketti- ja tarraliimojen, poistoon. Samoja
liuottimia käytetään myös liuotinohenteisissa maaleissa ja puhdistettaessa näiden
maalien sotkemia maalausvälineitä ja maaliruiskuja. Kirjoita seuraavien
liuotinseosten komponenttien viivakaavat.
a) Tinneri, jonka pääkomponentti on tolueeni (metyylibentseeni). Tolueenin lisäksi
tinnerissä on butyyliasetaattia (butyylietanaattia) sekä 1-butanolia ja/tai asetonia
(propanonia).
b) Ksyleeni (dimetyylibentseeni), joka tuoteselosteen mukaan on kolmen
isomeerin seos.
c) Mineraalitärpätti (lakkabensiini tai raskasbensiini), joka sisältää ketjurakenteisia
tyydyttyneitä hiilivetyjä, joissa on yleensä 7–10 hiiliatomia. Ketjut voivat olla
haarautuneita tai haarautumattomia. Oletetaan, että mineraalitärpätissä on
2-metyyliheksaania, 2,3-dimetyyliheptaania ja 2,2,4-trimetyylipentaania.
Ratkaisut
O
CH3
a)
b)
CH3
2
butyylietanaatti
eli butyyliasetaatti
metyylibentseeni
eli tolueeni
1-butanoli
OH
1
1
CH3
O
CH3
CH3
1
3
O
propanoni eli asetoni
1
2
3
1
1
2-metyyliheksaani
CH3
3
4
CH3
1,2-dimetyylibentseeni
c)
2
2
2
2,3-dimetyylipentaani
102
2
3
4
2,2,4-trimetyylipentaani
Tehtäväpankki
Opiskelijan ratkaistaviksi vaadittavien tehtävien lukumäärä riippuu koeajasta. Jos
tehtävissä on useita osioita, sopiva tehtävämäärä on 5–6. Kokeessa voi olla myös
ylioppilaskokeen tapaan valinnaisia tehtäviä.
KE4–Kurssikoe
1.
a) Mitä tarkoittavat käsitteet hapettuminen ja hapetin?
b) Mikä alkuaine hapettuu ja mikä alkuaine toimii hapettimena ammoniakin
valmistusreaktiossa 2 N2(g) + 3 H2(g)
2 NH3(g)?
c) Mikä alkuaine pelkistyy ja mikä alkuaine toimii pelkistimenä nikkelijauheen ja
nestemäisen bromin välisessä reaktiossa? Kirjoita myös reaktioyhtälö
olomuotomerkintöineen.
d) Laita seuraavat kemian sovelluksissa tavalliset hapettimet vahvuusjärjestykseen
siten, että paras hapetin on viimeisenä: permanganaatti-ioni happamassa liuoksessa,
kloorikaasu ja veteen liuennut happi happamassa liuoksessa.
(pisteytys: 1p+2p+2+1p)
2.
Sulfiitteja käytetään mm. kuivattujen hedelmien säilöntäaineina. Sulfiitti-ionien
pitoisuus voidaan määrittää uuttamalla ne veteen ja titraamalla uuttoliuos tunnetun
väkevyisellä KMnO4-liuoksella happamissa olosuhteissa:
SO32–(ag) + MnO4–(aq)
SO42–(aq) + Mn2+(aq)
a) Tasapainota reaktioyhtälö osareaktioita käyttäen.
b) Laske sulfiitti-ionien konsentraatio uuttoliuoksessa, kun se kulutti 34,5 ml
0,020 M KMnO4-liuosta. Uuttoliuoksen tilavuus oli 25,0 ml.
(pisteytys:4p+2p)
3.
a) Käytössäsi on Fe2+-, Ni2+- ja Mg2+-ioneja sisältävät vesiliuokset. Kun sinkkisauva
upotetaan kuhunkin liuokseen, niin missä liuoksessa tapahtuu reaktio? Jos reaktio
tapahtuu, niin vastaa kirjoittamalla kokonaisreaktioyhtälö olomuotomerkintöineen.
Perustelut on mietittävä, mutta ne saa jättää kirjaamatta ajan säästämiseksi.
b) Kirjoita tasapainotetut reaktioyhtälöt osareaktioiden avulla tai muulla tavoin
olomuotomerkintöineen, kun
1) pieni kaliumpala pannaan veteen
2) kalsiumpala lisätään vetykloridihappoliuokseen
3) hopealanka liukenee väkevään typpihappoliuokseen ja typpi(II)oksidia vapautuu.
(pisteytys: 3p+3p)
4.
Metaania polttoaineena käyttävän polttokennon anodireaktio on seuraava:
CH4(g) + 10 OH–(l)
CO32–(l) + 7 H2O(l) + 8 e–
Kuinka suuren polttoainesäiliön vaatii sellainen sähköauto, jonka voimanlähteenä on
tämä polttokenno, kun halutaan, että auto toimii 5,0 h yhdellä tankkauksella käyttäen
virranvoimakkuutta 400 A? Metaani tankataan nesteeksi puristettuna, jolloin sen
tiheys on 0,415 g/cm3.
103
Tehtäväpankki
5.
a) Kirjoita 3. jakson alkuaineiden vety-yhdisteiden kaavat.
b) Miten vetykloridi ja natriumhydridi eroavat toisistaan rakenteeltaan? Miksi
vetykloridi on huoneenlämpötilassa kaasu, mutta natriumhydridi kiinteää?
c) Mikä tapahtuu, kun vetykloridikaasua johdetaan veteen?
d) Epämetalleille on tyypillistä, että ne muodostavat hapen kanssa moniatomisia
anioneja, kuten NO3– ja ClO3–. Toisaalta tiedetään, että saman ryhmän alkuaineilla on
samanlainen ulkoelektronirakenne. Päättele selenaatti- ja seleniitti-ionien kaavat.
6.
a) Haavojen puhdistukseen käytetään laimeaa vetyperoksidiliuosta ja
pyykinpesuaineissa valkaisuaineena perkarbonaatti-ioneja. Kirjoita vetyperoksidin ja
perkarbonaatti-ionin rakennekaavat ja selitä sidosenergian käsitteeseen nojautuen,
miksi ne ovat hyviä hapettimia.
b) Oksidit luokitellaan sen perusteella, miten ne reagoivat vai reagoivatko lainkaan
veden kanssa. Minkä nimisiin luokkiin kuuluvat seuraavat oksidit: SO2, CO, MgO ja
Al2O3?
Jos oksidi reagoi veden kanssa, kirjoita reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen.
c) Mitä ovat nitriitit? Kirjoita myös jonkin esimerkkiyhdisteen kaava ja nimi.
(pisteytys: 2p+3p+1p)
7.
Metallien valmistuksen ja puhdistuksen kemiaa (essee).
8.
a) Polyakryylinitriili (Orlon) on villan kaltainen tekstiilikuitujen raaka-aine, jota
valmistetaan akryylinitriilistä, CH2=CH–CN. Kirjoita polyakryylinitriilin toistuvan
yksikön kaava.
b) Polyeteenitereftalaatista (PET) valmistetaan mm. virvoitusjuomapulloja ja
tekstiilikuituja. PET valmistetaan 1,4-bentseenidikarboksyylihaposta (tereftaalihaposta) ja 1,2-etaanidiolista (glykolista). Kirjoita PET:n toistuvan yksikön viivakaava.
c) Kirjoita muodostuvan polymeerin toistuvan yksikön viivakaava, kun lähtö-aineena
on tereftaalihappo kuten b-kohdassa, mutta toisena lähtöaineena on
1,2-etaanidiolin sijasta 1,2-diaminoetaani.
d) Kumpi, PET:stä vai c-kohdan polyamidista valmistettu kuitu 1) on lujempaa
2) soveltuu paremmin suuremman hiensitomiskykynsä takia alusvaatemateriaaliksi?
Perustele vastauksesi.
9.
a) Piirrä tripeptidin, jonka aminohappojärjestys on Gly–Ser–Asp, viivakaava.
b) Mitkä tekijät määräävät proteiiniketjun laskostumisen eli proteiinin tertiäärirakenteen?
c) Miksi tärkkelys ei muodosta kuituja kuten selluloosa?
104
Tehtäväpankki
K4-Kurssikokeen ratkaisut
1.
a) Hapettuminen on elektronien luovuttamista toiselle aineelle. Hapetin ottaa vastaan
elektroneja eli pelkistyy, jolloin se aiheuttaa toisen aineen hapettumisen.
b) Hapetusluvut ovat:
0
0
–III +I
2 N2(g) + 3 H2(g)
2 NH3(g)
Vedyn hapetusluku kasvaa, joten vety luovuttaa elektroneja eli hapettuu. Typen
hapetusluku pienenee, joten typpi vastaanottaa elektroneja eli pelkistyy ja toimii
hapettimena.
c) Ni2+ + 2 e–
Ni
E° = –0,26 V
2 Br–
E° = +1,07 V
Br2 + 2 e–
Bromin E° on positiivisempi, joten bromi pelkistyy ja nikkeli hapettuu.
Nikkelin reaktio on käännettävä, joten osareaktiot ovat:
Ni
Ni2+ + 2 e–
Br2 + 2 e–
2 Br–
–––––––––––––––––––––––––
Ni + Br2
Ni2+ + 2 Br–
Reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen: Ni(s) + Br2(l)
NiBr2(s)
d)
Mn2+ + 4 H2O
E°= +1,51 V
MnO4– + 8 H+ + 5 e–
Cl2 + 2 e–
2 Cl–
E°= +1,36 V
O2 + 4 H+ + 4 e–
2 H2O
E°= +1,23 V
Mitä positiivisempi on aineen pelkistysreaktion normaalipotentiaali, sitä
voimakkaampi hapetin se on. Järjestys heikoimmasta vahvimpaan on siis: veteen
liuennut happi happamassa liuoksessa, kloorikaasu, permanganaatti-ioni happamassa
liuoksessa.
2.
a)
+IV
+VII
+VI
+II
2–
–
Hapetusluvut: SO3 (aq) + MnO4 (aq)
SO42–(aq) + Mn2+(aq)
Hapetuslukujen muutokset: S: kasvaa +IV
+VI, joten rikki luovuttaa 2 e–
Mn: pienenee +VII
+II, joten mangaani vastaanottaa 5 e–
Hapettumisreaktio:
1. S: SO32–(aq)
SO42–(aq)
2–
2. O: SO3 (aq) + H2O(l)
SO42–(aq)
3. H: SO32–(aq) + H2O(l)
SO42–(aq) + 2 H+(aq)
–
2–
4. e : SO3 (aq) + H2O(l)
SO42–(aq) + 2 H+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
1. Mn: MnO4–(aq)
Mn2+(aq)
2. O: MnO4–(aq)
Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
–
+
3. H: MnO4 (aq) + 8 H (aq)
Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
4. e–: MnO4–(aq) + 8 H+(aq) + 5 e–
Mn2+(aq) + 4 H2O(l)
105
Tehtäväpankki
Hapettumisreaktio on kerrottava 5:llä ja pelkistymisreaktio 2:lla. Osareaktiot
lasketaan puolittain yhteen.
5 SO32–(aq) + 5 H2O(l)
5 SO42–(aq) + 10 H+(aq) + 10 e–
2 MnO4–(aq) + 16 H+(aq) + 10 e–
2 Mn2+(aq) + 8 H2O(l)
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
5 SO32–(aq) + 2 MnO4–(aq) + 6 H+(aq)
5 SO42–(aq) + 2 Mn2+(aq) + 3 H2O(l)
b) n(MnO4–) = c ⋅ V = 0,020 mol/l ⋅ 0,0345 l = 6,90 ⋅ 10–4 mol
Reaktioyhtälöstä päätellään, että
n(SO32–) = 5/2 ⋅ n(MnO4–) = 5/2 ⋅ 6,90 ⋅ 10–4 mol = 1,725 ⋅ 10–3 mol
n 1,725 ⋅ 10 −3 mol
mol
mol
= 0,0690
≈ 0,069
c(SO32–) = =
V
0,0250l
l
l
3.
a) Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalien arvot ja
kirjoitetaan ne järjestykseen pienimmästä suurempaan.
Mg2+ + 2 e–
Mg
E°= –2,37 V
2+
–
Zn + 2 e
Zn
E°= –0,76 V
Fe
E°= –0,45 V
Fe2+ + 2 e–
2+
–
Ni
E°= –0,26 V
Ni + 2 e
Sinkki on metallina, joten se voi vain hapettua. Reaktioyhtälö on käännettävä
hapettuvaan suuntaan. Rauta ja nikkeli ovat ionimuodossa ja molempien potentiaalit
ovat suurempia kuin sinkin, joten molemmat voivat pelkistyä.
Reaktioyhtälöt: Zn(s) + Fe2+(aq)
Zn2+(aq) + Fe(s)
2+
2+
Zn (aq) + Ni(s)
Zn(s) + Ni (aq)
b) 1. Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalin arvot ja
osareaktioyhtälöt.
K+ + e –
K
E°= –2,93 V
2 H2O + 2 e–
2 OH– + H2
E°= –0,83 V
Kalium on metallina ja potentiaali on pienempi, joten sen reaktio on käännettävä. Vesi
pelkistyy, koska sen potentiaali on suurempi kuin kaliumin. Kaliumin
hapettumisreaktio kerrotaan 2:lla.
2K
2 K+ + 2e–
–
2 H2O + 2e
2 OH– + H2
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2 K + 2 H2O
2 K+ + 2 OH– + H2
Reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen
2 K(s) + 2 H2O(l)
2 K+(aq) + 2 OH–(aq) + H2(g)
2) Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalin arvot ja
Ca2+ + 2 e–
Ca
E°= –2,87 V
2 H+ + 2 e–
H2
E°= 0,00 V
106
Tehtäväpankki
Kalsium on metallina ja sen potentiaali on pienempi, joten sen reaktio on käännettävä.
Vety-ionit pelkistyvät, koska niiden potentiaali on suurempi kuin kalsiumin.
Ca
Ca2+ + 2 e–
2 H + + 2 e–
H2
–––––––––––––––––––––––––
Ca + 2 H+
Ca2+ + H2
Kirjoitetaan olomuotomerkinnät ja otetaan huomioon, että toinen lähtöaine on HCl.
Ca2+(aq) + 2 Cl–(aq) + H2(g)
Ca(s) + 2 HCl(aq)
3) Etsitään taulukkokirjasta reaktioita vastaavat normaalipotentiaalin arvot ja
Ag+ + e–
Ag
E°= +0,80 V
–
+
–
NO3 + 4 H + 3 e
NO + 2 H2O E°= +0,96 V
Hopea on metallina ja sen potentiaali on pienempi, joten sen reaktio on käännettävä.
Nitraatti-ionit pelkistyvät, koska niiden potentiaali on suurempi kuin hopean. Hopean
hapettumisreaktio kerrotaan 3:lla.
3 Ag
3 Ag+ + 3 e–
NO3– + 4 H+ + 3 e–
NO + 2 H2O
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
3 Ag + NO3– + 4 H+
3 Ag+ + NO + 2 H2O
Reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen
3 Ag+(aq) + NO(g) + 2 H2O(l)
3 Ag(s) + NO3–(aq) + 4 H+(aq)
Jos lähtöaineeksi halutaan kirjoittaa typpihappo, niin vasemmalle puolelle lisätään
kolme nitraatti-ionia ja neljä H+-ionia ja neljä NO3–-ionia kirjoitetaan yhteen
typpihapoksi.
4.
t = 5,0 h = 5,0 ⋅ 3600 s = 18000 s
I = 400 A
z=8
ρ(CH4) = 0,415 g/cm3
V(CH4) = ?
M(CH4) = 16,042 g/mol
m
I ⋅t ⋅M
I ⋅ t = n ⋅ z ⋅ F = ⋅ z ⋅ F , josta m =
M
z ⋅F
g
400 A ⋅ 18000 s ⋅ 16,042
mol = 149,6...g
m(CH4) =
As
8 ⋅ 96485
mol
ρ = m/V, josta V = m ρ
m 149,6...g
V(polttoainesäiliö) = V(CH4) =
=
= 360,5...cm3 ≈ 360 cm 3 = 0,36 dm3
g
ρ 0,415
cm3
107
Tehtäväpankki
5.
6.
a) NaH, MgH2, AlH3, SiH4, PH3, H2S ja HCl
b) Natriumhydridi on ioninen hydridi (ioniyhdiste), joka rakentuu natrium- ja
hydridi-ioneista Na+ ja H–. Vetykloridi on kovalenttinen hydridi (molekyyliyhdiste).
Vetykloridi on poolinen (∆χ= 0,9) molekyyli, joten sen olomuodon määräävät
molekyylien väliset sidokset, dispersiovoimat ja dipoli–dipolisidokset. Vetykloridi on
huoneenlämpötilassa neste, koska pienestä moolimassasta ja pienehköstä
elektronegatiivisuuserosta johtuen molekyylien väliset sidosvoimat ovat
huoneenlämpötilassa heikommat kuin lämpöliikkeestä aiheutuva molekyylejä
erottava voima. Natriumhydridin olomuodon määrää ionisidos. Natriumhydridi on
huoneenlämpötilassa kiinteää, koska sen ionihilassa ioneja pitävät paikoillaan vahvat
ionisidokset.
c) Vetykloridi on poolinen molekyyli, joten se ensin liukenee pooliseen veteen:
H O
HCl(g) 2 HCl(aq).
HCl on vahva happo, joten seuraavassa vaiheessa tapahtuu protoninsiirtoreaktio:
HCl(aq) + H2O(l)
H3O+(aq) + Cl–(aq)
d) Selenaatti-ionin kaava on SeO42– ja seleniitti-ionin kaava on SeO32–.
(Vertaa sulfaatti- ja sulfiitti-ionit SO42– ja SO32–)
a) Vetyperoksidin rakennekaava:
H
O
O
H
Perkarbonaatti-ionin rakennekaava
O
O
C
O
O
Molemmissa on yksinkertainen happi–happi-σ-sidos. Sidos katkeaa jo
huoneenlämpötilassa helposti, koska sen sidosenergia on pieni (146 kJ/mol).
Molempien hajoamistuotteena syntyy happiatomeja, jotka pyrkivät kiivaasti
vastaanottamaan elektroneja eli toimimaan hapettimina.
b) ∆χ(O,S) = 1,0, joten rikkidioksidi on kovalenttinen oksidi. Rikkidioksidissa rikin
hapetusluku +IV on korkeahko, joten rikkidioksidi on hapan oksidi. Se reagoi veden
kanssa rikkihapoketta muodostaen seuraavasti: SO2(g) + H2O(l)
H2SO3(aq)
∆χ(O,C) = 1,0, joten hiilimonoksidi on kovalenttinen oksidi. Koska hiilimonoksidissa
hiilen hapetusluku +II on pieni, hiilimonoksidi on neutraali oksidi eikä reagoi veden
kanssa.
∆χ(O,Mg) = 2,3, joten magnesiumoksidi on ioninen oksidi. Oksidi-ioni on emäksinen,
joten magnesiumoksidi reagoi veden kanssa seuraavasti:
MgO(s) + H2O(l)
Mg(OH)2(aq).
(Magnesiumhydroksidin olomuotomerkintä voi olla myös s, koska Mg(OH)2 on
niukkaliukoinen veteen.)
∆χ(O,Al) = 2,0, joten alumiinioksidi on ioninen oksidi. Al2O3:n ionisidokset ovat hyvin
vahvat, joten se ei reagoi veden kanssa ja luokitellaan amfoteeriseksi oksidiksi.
c) Nitriitit ovat typpihapokkeen suoloja eli niissä suolan anioniosa on nitriitti-ioni.
Esimerkiksi NaNO2, natriumnitriitti.
7.
Vastaus oppikirjatekstin mukaan.
108
Tehtäväpankki
8.
a)
C
N
n
b)
Cl Cl
n
c)
O
H
N
N
H
O
n
d) Polyesterikuiduissa vierekkäiset polymeeriketjut sitoutuvat toisiinsa esteriosien
välisillä
dipoli–dipolisidoksilla
ja
dispersiovoimilla.
Polyamidikuiduissa
polymeeriketjujen amidiosien välillä on dispersiovoimien lisäksi dipoli-dipolisidoksia vahvempia vetysidoksia, joten polyamidikuidut ovat lujempia.
Yhteisen karbonyyliryhmän lisäksi esterisidoksessa on happiatomi ja amidisidoksessa
N–H-ryhmä. N–H-ryhmän typpi- ja vetyatomi muodostavat useampia vetysidoksia
veden kanssa kuin esteriryhmän happi, joten polyamidin vedensitomiskyky ja
soveltuvuus alusvaatemateriaaliksi on parempi.
9.
a)
O
H
N
H2 N
O
O
N
H
OH
OH
OH
O
b) Proteiiniketjun tertiäärirakenteen määräävät sivuketjujen väliset heikot ja vahvat
sidokset: kovalenttinen disulfidisilta, ionisidos, vetysidokset ja dispersiovoimat.
Poolittomat sivuketjut suuntautuvat proteiinin sisäosiin ja pooliset sivuketjut
proteiinin ulkopinnalle. Laskoksessa proteiiniketjun sivuketjut kohdistuvat toisiinsa
nähden siten, että niiden välille muodostuu mahdollisimman monta ionisidosta ja
vetysidosta.
c) Selluloosan rakenne on suora (lineaarinen), kun taas tärkkelys muodostaa kierteitä
tai haaroittuneita kierteitä. Suorat selluloosaketjut kykenevät tarttumaan
voimakkailla vetysidoksilla toisiinsa, jolloin syntyy kuituja.
109
Tehtäväpankki
Tehtäväpankki
1.
a) Kirjoita alkuaineesta syntyvän ionin kaava, kun 1) litium hapettuu
2) kalsium hapettuu 3) rauta hapettuu 4) bromi pelkistyy 5) rikki pelkistyy
6) typpi pelkistyy.
b) Kirjoita reaktioyhtälö olomuotomerkintöineen, kun natrium reagoi
1) hapen 2) jodin 3) typen kanssa.
c) Moottoripolttoaineita valmistettaessa maaöljyn sisältämät rikkiyhdisteet
muutetaan ensin vetysulfidiksi ja sitten Claus-prosessissa alkuainerikiksi:
2 H2S(g) + 3 O2(g)
2 SO2(g) + 2 H2O(g)
2 H2S(g) + SO2(g)
3 S(s) + 2 H2O(l)
Mikä toimii hapettimena ja mikä pelkistimenä Claus-prosessin reaktioissa?
(pisteytys: 1½p+1½p+3p)
Ratkaisu
a) 1) Li+ 2) Ca2+ 3) Fe2+ tai Fe3+ 4) Br– 5) S2– 6) N3–
b) 1) 4 Na(s) + O2(g)
2 Na2O(s)
2) 2 Na(s) + I2(s)
2 NaI(s)
3) 6 Na(s) + N2(g)
2 Na3N(s)
c)
Ensimmäinen reaktio
+I –II
0
+IV –II
+I –II
2 H2S(g) + 3 O2(g) → 2 SO2(g) + 2 H2O(g)
Vetysulfidin rikki hapettuu, joten vetysulfidi toimii pelkistimenä. Happi pelkistyy,
joten happi toimii hapettimena.
Jälkimmäinen reaktio
+I –II
+IV –II
2 H2S(g) + SO2(g)
→
0
3 S(s)
+
+I –II
2 H2O(g)
Vetysulfidin rikki hapettuu, joten vetysulfidi toimii pelkistimenä. Rikkidioksidin rikki
pelkistyy, joten rikkidioksidi toimii hapettimena.
2.
Selvitä reaktioyhtälöiden avulla tai sanallisesti, mitä tapahtuu, kun
a) ruokasuola liukenee veteen,
b) pieni natriumpala pannaan veteen,
c) sinkkijauhetta lisätään suolahappoliuokseen,
d) hopeanitraattia lisätään rauta(II)nitraatin vesiliuokseen,
e) hopealanka upotetaan kuparisulfaatin vesiliuokseen,
f) natriumkloridia ja natriumjodidia sisältävään vesiliuokseen lisätään nestemäistä
bromia.
(yo k2003)
110
Tehtäväpankki
Ratkaisu
H O
a) NaCl(s) 2 Na+(aq) + Cl–(aq)
b) 2 Na(s) + 2 H2O(l)
2 Na+(aq) + 2 OH–(aq) + H2(g) tai
2 Na(s) + 2 H2O(l)
2 NaOH(aq) + H2(g)
c) Zn(s) + 2 HCl(aq)
Zn2+(aq) + 2 Cl–(aq) + H2(g) tai
Zn(s) + 2 HCl(aq)
ZnCl2(aq) + H2(g)
d) AgNO3(s) + Fe2(aq) + 2 NO3–(aq)
Ag(s) + Fe3+(aq) + 3 NO3–(aq) tai
AgNO3(s) + Fe(NO3)2(aq)
Ag(s) + Fe(NO3 )3(aq)
e) Ag(s) + Cu2+(aq) + SO42+(aq)
Reaktio ei tapahdu, koska Cu2+-ioni ei voi
hapettua ja metallinen hopea ei voi pelkistyä
2 Br–(aq) + 3 Na+(aq) + Cl–(aq) + I2(aq)
f) Br2(l) + 3 Na+(aq) + Cl–(aq) + 2 I–(aq)
tai
Br2(l) + 2 NaI(aq)
2 Br–(aq) + I2(aq)
3.
Tasapainota seuraavat reaktiot:
a) Br2(aq) + SO2(g)
SO42–(aq) + Br–(aq)
b) S2–(aq) + I2(aq)
SO42–(aq) + I–(aq)
Ratkaisu
a) Br2(aq) + SO2(g)
SO42–(aq) + Br–(aq)
hapetusluvut: Br: 0, S: +IV, O: –II, S: +VI, Br–: –I
happamassa liuoksessa
emäksisessä liuoksessa
muutos
siirtyy
kpl/atomi
kasvaa
S
+IV
+VI luovuttaa 2 e–
pienenee
Br
0
–I
vastaanottaa
yhden e–
tapahtuu
toimii
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. S: SO2(aq)
SO42–(aq)
2. O: SO2(aq) + 2 H2O(l)
SO42–(aq)
3. H: SO2(aq) + 2 H2O(l)
SO42–(aq) + 4 H+(aq)
–
4. e : SO2(aq) + 2 H2O(l)
SO42–(aq) + 4 H+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
1. Br: Br2(aq)
2 Br–(aq)
4. e–: Br2(aq) +2 e–
2 Br–(aq)
hapettuminen: SO2(aq) + 2 H2O(l)
SO42–(aq) + 4 H+(aq) + 2 e–
pelkistyminen: _ Br2(aq) +2 e–
2 Br–(aq)________________________________
kokonaisreaktio: Br2(aq) + SO2(aq) + 2 H2O(l)
SO42–(aq) + 2 Br–(aq) + 4 H+(aq)
111
Tehtäväpankki
b) S2–(aq) + I2(aq)
SO42–(aq) + I–(aq)
hapetusluvut: S: –II, I: 0, S: +VI, O: –II, I: –I
muutos
siirtyy
kpl/atomi
kasvaa
S
–II
+VI luovuttaa 8 e–
pienenee
I
0
–I
vastaanottaa
yhden e–
tapahtuu
toimii
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. S: S2–(aq)
SO42–(aq)
2. O: S2–(aq) + 8 OH–
SO42–(aq) + 4 H2O(l)
SO42–(aq) + 4 H2O(l) + 8 e–
4. e–: S2–(aq) + 8 OH–
Pelkistymisreaktio:
1. I: I2(aq)
2 I–(aq)
4. e–: I2(aq) + 2 e–
2 I–(aq)
kerrottava 4:llä.
hapettuminen: S2–(aq) + 8 OH–
SO42–(aq) + 4 H2O(l) + 8 e–
8 I–(aq)_____________________________
pelkistyminen x 4: 4 I2(aq) + 8 e–
2–
kokonaisreaktio: S (aq) + 4 I2(aq) + 8 OH–
SO42–(aq) + 8 I–(aq) + 4 H2O(l)
4.
Tasapainota seuraavat reaktiot:
a) Zn(s) + NO3–(aq)
Zn2+(aq) + N2(g)
–
–
Al(OH)4 (aq) + NH3(aq)
b) Al(s) + NO3 (aq)
Ratkaisu
a) Zn(s) + NO3–(aq)
Zn2+(aq) + N2(g)
hapetusluvut: Zn: 0, N: +V, O: –II, Zn: +II, N: 0
muutos
siirtyy
kpl/atomi
kasvaa
Zn
0
+II
luovuttaa 2 e–
pienenee
N
+V
0
vastaanottaa
5 e–
112
tapahtuu
toimii
Tehtäväpankki
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
1. Zn: Zn(s)
Zn2+(aq)
4. e–: Zn(s)
Zn2+(aq) + 2 e–
Pelkistymisreaktio:
N2(g)
1. N: 2 NO3–(aq)
–
2. O: 2 NO3 (aq)
N2(g) + 6 H2O(l)
3. H: 2 NO3–(aq) + 12 H+
N2(g) + 6 H2O(l)
–
–
+
–
4. e : 2 NO3 (aq) + 12 H + 2 ⋅ 5 e
N2(g) + 6 H2O(l)
kerrottava 5:llä.
hapettuminen x 5: 5 Zn(s)
5 Zn2+(aq) + 10 e–
–
+
pelkistyminen: 2 NO3 (aq) + 12 H + 10 e–
N2(g) + 6 H2O(l)
–
+
kokonaisreaktio: 5 Zn(s) + 2 NO3 (aq) + 12 H
5 Zn2+(aq) + N2(g) + 6 H2O(l)
b) Al(s) + NO3–(aq)
Al(OH)4–(aq) + NH3(aq)
hapetusluvut: Al: 0, N: +V, O: –II, Al: +III, O: –II, H: +I, N: –III, H: +I
muutos
siirtyy
kpl/atomi
kasvaa
Al
0
+III
e–
pienenee
N
+V
–III vastaanottaa pelkistyminen
8 e–
toimii
pelkistimenä
hapettimena
Tasapainottaminen:
Hapettumisreaktio:
Al3+(aq)
1. Al: Al(s)
4. e–: Al(s)
Al3+(aq) + 3 e–
Pelkistymisreaktio:
1. N: NO3–(aq)
NH3(aq)
–
2. O: NO3 (aq) + 6 H2O(l)
NH3(aq) + 9 OH–(aq) *
4. e–: NO3–(aq) + 6 H2O(l) + 8 e–
NH3(aq) + 9 OH–(aq)
* Kolmesta H2O molekyylistä otetaan yksi vety NH3:een, jolloin jää 3 OH– –ionia.
Kolmesta muusta H2O molekyylistä otetaan yksi H NO3– :en happiatomeja varten,
jolloin syntyy 3 OH– –ionia ja vesistä jää 3 OH– –ionia. Yhteensä siis 9 OH–.
113
Tehtäväpankki
hapettuminen x 8: 8 Al(s)
8 Al3+(aq) + 24 e–
–
pelkistyminen x 3: 3 NO3 (aq) + 18 H2O(l) + 24 e–
3 NH3(aq) + 27 OH–(aq)
kokonaisreaktio: 8 Al(s) + 3 NO3–(aq) + 18 H2O(l)
8 Al3+(aq) + 3 NH3(aq) +
27 OH–(aq)
edelleen yhdistäen:
8 Al3+– ionia muodostaa 8 Al(OH)4– –ionia, joihin kuluu yhteensä 32 OH– –ionia.
Elektroninsiirtoreaktioissa niitä syntyi 27, joten lisätään molemmille puolille vielä
5 elektroninsiirtoon osallistumatonta OH– –ionia.
8 Al(s) + 3 NO3–(aq) + 18 H2O(l) + 5 OH–(aq)
8 Al3+(aq) + 3 NH3(aq) + 27 OH–(aq) + 5 OH–(aq)
Kokonaisreaktio on siis:
8 Al(s) + 3 NO3–(aq) + 18 H2O(l) + 5 OH–(aq)
5.
8 Al(OH)4–(aq) + 3 NH3(aq)
Reaktio Zn(s) + 2 Ag+(aq)
Zn2+(aq) + 2 Ag(s) tapahtuu galvaanisessa kennossa.
a) Kirjoita osareaktio hapettumiselle.
b) Kirjoita osareaktio pelkistymiselle.
c) Kumpi metalli toimii anodina?
d) Kumpi metalli toimii katodina?
e) Kirjoita kennon lyhennetty esitys.
Ratkaisu
Zn(s) + 2 Ag+(aq)
Zn2+(aq) + 2 Ag(s)
hapetusluvut: Zn: 0, Ag: +I, Zn: +II, Ag: 0
muutos
kasvaa
pienenee
Zn
Ag
0
+I
+II
0
elektroneja
siirtyy
kpl/atomi
luovuttaa 2 e–
vastaanottaa
yhden e–
tapahtuu
toimii
hapettuminen
pelkistyminen
anodina
katodina
a) osareaktio hapettumiselle:
1. Zn: Zn(s)
Zn2+(aq)
4. e–: Zn(s)
Zn2+(aq) + 2 e–
b) osareaktio pelkistymiselle:
Ag(s)
1. Ag: Ag+(aq)
4. e–: Ag+(aq) + e–
Ag(s)
c) Anodilla tapahtuu hapettuminen eli sinkkimetalli toimii anodina.
114
Tehtäväpankki
d) Katodilla tapahtuu pelkistyminen eli hopeametalli toimii katodina.
e) Zn(s) | Zn2+(aq) || Ag+(aq) | Ag(s)
6. Perustilaisen kennon
V(s) | V2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s)
potentiaaliksi mitattiin 1,47 V.
a) Kirjoita puolikennoissa tapahtuvat reaktiot.
b) Kirjoita kennoreaktio.
c) Laske E° vanadiinin pelkistymisreaktiolle.
d) Tapahtuuko kennoreaktio spontaanisti lyhennettyyn esitykseen kirjoitettuun
suuntaan.
e) Kirjoita kennon lyhennetty esitys uudelleen ellei reaktio ole spontaani.
Ratkaisu
V(s) | V2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s)
Hapetusluvut: V: 0, V: +II, Cu: +II, Cu: 0
vanadiini hapettuu ja kupari pelkistyy
a) puolikennoissa tapahtuvat reaktiot
anodi: hapettuminen: V(s)
V2+(aq) + 2 e–
2+
Cu(s)
katodi: pelkistyminen: Cu (aq) + 2 e–
b) kennoreaktio
anodi: hapettuminen: V(s)
V2+(aq) + 2 e–
2+
Cu(s)
2+
2+
kennoreaktio: V(s) + Cu (aq)
V (aq) + Cu(s)
c) anodi: hapettuminen: V(s)
V2+(aq) + 2 e–
– E° = ?
2+
Cu(s) E° = +0,34 V
kennoreaktio: V(s) + Cu2+(aq)
V2+(aq) + Cu(s) E° = 1,47 V
siten vanadiinin hapettumiselle
– E° = +1,47 V – 0,34 V = +1,13 V
ja pelkistymiselle E° = –1,13 V.
d) Kennoreaktion E° on positiivinen, joten reaktio on kirjoitettuun suuntaan
spontaani.
e) Lyhennetty esitys kuvaa spontaanin reaktion.
7.
Galvaanisesta kennosta Zn(s) | Zn2+(aq) || Ag+(aq) | Ag(s) otetaan sähkövirtaa niin
kauan, että sinkkielektrodin massa muuttuu 0,14 g. Laadi kennossa tapahtuvan
reaktion yhtälö. Kuinka paljon hopeaelektrodin massa tällöin muuttuu? Kumman
elektrodin massa pienenee ja kumman suurenee? Perustele.
(Valintakoetehtävä 2006)
115
Tehtäväpankki
Ratkaisu
Hopean E° on positiivisempi, joten se pelkistyy ja sinkki hapettuu.
anodi: hapettuminen Zn(s)
Zn2+(aq) + 2 e–
katodi: pelkistyminen 2 Ag+(aq) + 2e–
2 Ag(s)
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
kennoreaktio Zn(s) + 2 Ag+(aq)
Zn2+(aq) + 2 Ag(s)
Sinkkielektrodin massa pienenee, koska sinkkiä liukenee elektrolyyttiliuokseen.
Hopeaelektrodin massa kasvaa, koska hopeaelektrodin pinnalle saostuu hopeaa
elektrolyyttiliuoksesta.
m
0,14 g
=
= 0,00214...mol Saostuvan
Liukenevan sinkin ainemäärä n(Zn) =
M 65, 41 g
mol
hopean ainemäärä n(Ag) = 2 ⋅ n(Zn) = 2 ⋅ 0,00214...mol = 0,00428...mol ja
g
massa m(Ag) = n ⋅ M = 0,00428...mol ⋅ 107,87
= 0, 461...g ≈ 0, 46 g
mol
8.
Päättele normaalipotentiaalien avulla, mitä aineita syntyy, kun
a) sinkkikloridisulatetta
b) sinkkikloridin vesiliuosta elektrolysoidaan hiilielektrodeja käyttäen. Kirjoita anodija katodireaktiot sekä kennoreaktio olomuotomerkintöineen.
Ratkaisu
a) Sulaminen: ZnCl2(s)
Zn2+(l) + 2 Cl–(l)
Cl2(g) + 2 e–
Anodilla voi hapettua vain kloridi–ioni: 2 Cl–(l)
Katodilla voi pelkistyä vain Zn2+–ioni: Zn2+(l) + 2 e–
Zn(l)
Kennoreaktio: Zn2+(l) + 2 Cl–(l)
Cl2(g) + Zn(l)
Elektrolyysissä syntyy sinkkimetallia ja kloorikaasua.
–E° = –1,36 V
E° = –0,76 V
E° = –2,12 V
b) Liukeneminen: ZnCl2(s)
Zn2+(aq) + 2 Cl–(aq)
2 Cl–(aq)
Cl2(g) + 2 e–
–E° = –1,36 V
2 H2O(l)
O2(g) +4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
Näistä veden hapettumisen E° on vähemmän negatiivinen, joten vesi hapettuu.
Zn2+(aq) + 2 e–
Zn(s)
E° = –0,76 V
2 H2O(l) + 2 e–
2 OH–(aq) + H2(g)
E° = –0,83 V
Näistä sinkki–ionin pelkistymisen E0 on vähemmän negatiivinen, joten sinkki–ioni
pelkistyy. Sinkin pelkistymisreaktio kerrotaan kahdella:
2 Zn2+(aq) + 4 e–
2 Zn(s)
E° = –0,76 V
2 H2O(l)
O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
–E° = –1,23 V
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Kennoreaktio: 2 Zn2+(aq) + 2 H2O(l)
2 Zn(s) + O2(g) + 4 H+(aq) E° = –1,99 V
116
Tehtäväpankki
9.
Hall–prosessilla tuotetaan alumiinia elektrolysoimalla sulaa alumiinioksidia, Al2O3.
Prosessiin liittyvät elektrodireaktiot ovat:
Anodireaktio: C + 2 O2–
CO2 + 4 e–
Katodireaktio: Al3+ + 3e–
Al
a) Elektrolyysin tapahtuessa hiilianodi kuluu hitaasti anodireaktiossa. Mikä on
anodista kuluneen hiilen massa, kun alumiinia on erottunut 1,00 kg.
b) Kuinka pitkä aika kuluu, jotta Hall–prosessilla saadaan valmistettua riittävä määrä
alumiinia 24:ään alumiinitölkkiin, kun yhden tölkin massa on 5,00 g? Käytetty
virranvoimakkuus on 50 000 A ja virtahyötysuhde on 90,0 %.
(Valintakoetehtävä 2004)
Ratkaisu
m
1000 g
=
= 37,06...mol
m 26,98 g
mol
Sama sähkömäärä kulkee sekä anodin että katodin läpi, joten
3
3
n(Al) ⋅ 3 ⋅ F = n(C) ⋅ 4 ⋅ F, josta n(C) = ⋅ n(Al) = ⋅ 37,06...mol = 27,79...mol
4
4
g
m(C) = n ⋅ M = 27,79...mol ⋅ 12,01
= 333,8...mol ≈ 334 g
mol
b) Alumiinitölkkien massa m(Al) = 24 ⋅ 5,00 g = 120 g ja ainemäärä
120 g
m
n(Al) =
=
= 4,447...mol
M 26,98 g
mol
Kennoreaktioyhtälöstä nähdään, että Z = 3. Virtahyötysuhde on 90 %, joten kennon
läpi kulkeva virta on 0,90 ⋅ 50000 A.
As ⋅ s
3 ⋅ 4, 447...mol ⋅ 96485
z ⋅n ⋅F
mol = 28,60... s ≈ 28,6 s
t=
=
I
50000 A ⋅ 0,90
a) n(Al) =
10. Elektrolyysikennossa on 250,0 cm3 0,433 M kuparikloridin CuCl2 vesiliuosta.
a) Kuinka kauan elektrolyysiä on suoritettu 0,75 A:n virtaa käyttäen, kun analyysi
osoittaa elektrolyysin loputtua liuoksen kupari(II)ionien pitoisuudeksi 0,167 M?
b) Kuinka monta grammaa metallista kuparia tällöin on syntynyt katodille?
Ratkaisut
V(CuCl2-liuos) = 250,0 cm3
alku: c(CuCl2) = 0,433 M
I = 0,75 A
CuCl2 liukenee veteen Cu2+ – ja Cl– –ioneiksi.
Cu
kupari pelkistyy: Cu2+ + 2 e–
117
Tehtäväpankki
a) t = ?
loppu: c(CuCl2) = 0,167 M
alku: n(CuCl2) = c ⋅ V = 0,433 M ⋅ 250,0 ⋅ 10–3 dm3 = 0,10825 mol
loppu: n(CuCl2) = c ⋅ V = 0,167 M ⋅ 250,0 ⋅ 10–3 dm3 = 0,04175 mol
n(Cu) tuotettu = alku: n(CuCl2) – loppu: n(CuCl2) =(0,10825 – 0,04175) mol
= 0,0665 mol
Yhtälöstä I ⋅ t = n ⋅ z ⋅ F
As
0,0665mol ⋅ 2 ⋅ 96485
n ⋅ z ⋅F
mol = 1,7110006... ⋅ 10 4 s = 4,75h
t=
=
I
0,75 A
b) m(Cu) = n ⋅ M = 0,0665 mol ⋅ 63,55 g/mol = 4,226…g ≈ 4,2 g
11. 1,25 A:n tasavirta johdetaan elektrolyysikennoon, jossa on 0,050 M CuSO4-liuos,
kuparianodi ja platinakatodi. Elektrolyysin loputtua katodille oli pelkistynyt 1,43 g
kuparimetallia.
a) Kuinka kauan elektrolyysi kesti?
b) Kuinka paljon metallista hopeaa saatiin toisessa kokeessa samassa ajassa samaa
1,25 A:n virtaa käyttäen, kun elektrolyysiliuokseksi kennoon vaihdettiin
0,10 M Ag+-liuos?
Ratkaisut
I = 1,25 A
c(CuSO4) = 0,050 M
m(Cu) = 1,43 g
n(Cu) = m/M = 1,43 g / 63,55 g/mol
a) t = ?
kupari pelkistyy: Cu2+ + 2 e–
Cu
I ⋅ t = n ⋅z ⋅F
1,43g
As
⋅ 2 ⋅ 96485
g
mol
63,55
n ⋅ z ⋅F
mol
t=
=
= 3473,76... s = 57,9min
I
1,25 A
b) m(Ag) =?
t = 57,9 min(sama, kuin a–kohdassa)
I = 1,25 A
c(Ag+) = 0,10 M
hopea pelkistyy: Ag+ + e–
Ag
Yhtälöstä I ⋅ t = n(Ag) ⋅z(Ag) ⋅F termi I ⋅t on sama kuin a–kohdan kennossa, eli
I ⋅ t = n(Cu) ⋅ z(Cu) ⋅ F,
joten:
n(Ag) ⋅z(Ag) ⋅F = n(Cu) ⋅z(Cu) ⋅F
ja edelleen:
n(Ag) ⋅z(Ag) = n(Cu) ⋅z(Cu)
118
Tehtäväpankki
1, 43g ⋅ 2
n(Cu) ⋅ z (Cu) m(Cu)z (Cu)
=
=
= 0,0450039...mol
z (Ag)
M (Cu)z (Ag) 63,55 g ⋅ 1
mol
g
m(Ag) = n ⋅ M = 0,0450039...mol ⋅ 107,87
= 4,85457...g ≈ 4,85g
mol
n(Ag) =
12. Kirjoita tasapainotetut reaktioyhtälöt seuraavissa esimerkeissä tapahtuville
reaktioille. Merkitse näkyviin myös yhdisteiden olomuodot.
a) Alumiinijauheen ja nikkeli(II)oksidin seosta kuumennetaan.
b) Nestemäistä bromia lisätään natriumkloridia ja natriumjodidia sisältävään
vesiliuokseen.
c) Rautajauheen sekaan johdetaan jodihöyryä.
Ratkaisu
a) 2 Al(s) + 3 NiO(s)
2 Al2O3(s) + 3 Ni(s)
–
b) Br2(l) + 2 I (aq)
I2(s) + 2 Br–(aq)
c) Fe(s) + I2(g)
FeI2(s)
13. Typen oksidien poistamiseksi palokaasuista voidaan käyttää esimerkiksi
ammoniakkia tai ureaa. Tasapainota reaktioyhtälö, jonka mukaan ammoniakki reagoi
typpimonoksidin ja typpidioksidin seoksen kanssa siten, että tuotteena syntyy
typpikaasua ja vettä.
Ratkaisu
2 NH3(g) + NO(g) + NO2(g)
2 N2(g)+ 3 H2O(g)
14. Lannoitteiden valmistukseen voidaan käyttää seuraavia reaktioita. Kirjoita
tasapainotetut reaktioyhtälöt olomuotomerkintöineen. Jokaisessa reaktioissa kehittyy
niin paljon lämpöä, että vesi haihtuu ja suolat kiteytyvät.
a) Ammoniakista ja väkevästä rikkihaposta tehdään ammoniumsulfaattia.
b) Ammoniakin vesiliuoksesta ja väkevästä typpihaposta tehdään ammoniumnitraattia.
c) Kalsiumkarbonaatista ja väkevästä fosforihaposta tehdään kalsiumvetyfosfaattia.
(Ohje: reaktiossa muodostuva hiilihappo on pysymätön.)
d) Kaliumkloridista ja 100 %:sta rikkihaposta tehdään kaliumvetysulfaattia.
Ratkaisu
a) 2 NH3(g) + H2SO4(aq)
(NH4)2SO4(s)
b) NH3(aq) + HNO4(aq)
NH4NO3(s)
c) H3PO4(aq) + CaCO3(s)
CaHPO4(s) + CO2(g) + H2O(g)
d) KCl(s)+ H2SO4(l)
KHSO4(s) + HCl(g)
119
Tehtäväpankki
15. Klooria käytetään mm. uima-altaiden veden ja juomaveden desinfiointiin. Kloorin
liuetessa veteen tapahtuu seuraavat reaktiot:
Cl2(g) + H2O(l)
HCl(aq) + HOCl(aq)
HCl(aq) + H2O(l)
Cl–(aq) + H3O+(aq)
HOCl(aq) + H2O(l)
OCl–(aq) + H3O+(aq)
a) Millä hapetusluvuilla kloori esiintyy reaktioyhtälöiden aineissa?
b) Mikä reaktioista ovat elektroninsiirto– ja mitkä protoninsiirtoreaktioita?
c) Mihin kloorin desinfioiva vaikutus perustuu?
d) Selitä, miksi kloridi-ioni ei voi toimia hapettimena?
Ratkaisu
a) Cl2, hl=0; HCl ja Cl–, hl = –I; HOCl ja OCl–, hl = +I
b) Ensimmäinen on elektroninsiirtoreaktio, koska lähtöaineen kloori Cl2 sekä hapettuu että pelkistyy. Jälkimmäiset ovat protoninsiirtoreaktioita, joissa hapon
luovuttama protoni siirtyy vedelle.
c) Sekä kloori Cl2 että hypokloorihappo HOCl ja hypokloriitti-ioni OCl– ovat voimakkaita hapettimia, jotka reagoivat mikro-organismien solukalvojen kanssa. Näissä
hapettumisreaktioissa solukalvojen rakenne ja toimintakyky muuttuu ja mikroorganismi tuhoutuu.
d) Kloridi-ionilla on oktetti uloimmalla kuorellaan eikä se vastaanottaa elektroneja eli
toimia hapettimena.
16. Yhdistä alkuaine tai yhdiste ja sen käyttösovellus:
Cr
pigmentti
[(Al(OH)2]2Si2O5(kaoliini)
S
Si
F2
CaCO3
H2O2
SO2, SO3
posliini
teflon
valkaisu
TiO2
happamoituminen
puolijohteet
ruostumaton teräs
sementti
kumin vulkanointi
Ratkaisu
Cr – ruostumaton teräs, pigmentti – TiO2, [(Al(OH)2]2Si2O5(kaoliini) – posliini,
S – kumin vulkanointi, F2 – teflon, CaCO3 – sementti, H2O2 – valkaisu, SO2,
SO3 – happamoituminen.
17. Selvitä, mitä tarkoitetaan seuraavilla käsitteillä, ja valaise kutakin esimerkillä:
a) emäksinen oksidi,
b) elektrolyytti(liuos),
c) proteiiniketjun primäärirakenne ja proteiiniketjun aminopää (N–terminaalinen
pää),
d) LD50–arvo.
120
Tehtäväpankki
Ratkaisu
a) Emäksinen oksidi reagoi veden kanssa siten, että syntyy emäksinen vesiliuos.
Emäksiset oksidit ovat ioniyhdisteitä, kuten esimerkiksi Na2O(s), joka reagoi veden
kanssa seuraavasti: Na2O(s) + H2O(l)
2 Na+(aq) + 2 OH–(aq). Hydroksidi-ioni
aiheuttaa vesiliuoksen emäksiset ominaisuudet.
b) Elektrolyytti(liuos) johtaa sähköä ja siinä sähkövarauksen kuljettajina toimivat
ionit (eivätkä elektronit). Esimerkiksi suolasulate, liukoisen ioniyhdisteen vesiliuos ja
hapon tai emäksen vesiliuos ovat elektrolyyttejä.
c) Proteiiniketjun primäärirakenne tarkoittaa sen aminohappojärjestystä. Aminopää
tarkoittaa proteiiniketjun sitä päätä, jossa on vapaa eli peptidisidokseen
osallistumaton aminoryhmä. Aminohappojärjestys ilmoitetaan aminopäästä liikkeelle
lähtien. Esimerkiksi jonkin proteiinin primäärirakenne voi alkaa järjestyksellä Ala –
Val – Ser – ….., jossa alaniini on ketjun aminopää.
d) LD50 ilmoittaa annoksen, joka tappaa 50 % koe–eläimistä. Se ilmoitetaan koeeläimen elopainokiloa kohti. Esimerkiksi jonkin aineen LD50 voi olla 5 mg/kg jollain
koe-eläimellä suun kautta annosteltuna.
18. Selvitä, mitä eroa on seuraavilla käsitteillä:
a) kiteinen aine – amorfinen aine,
b) emäksinen oksidi – hapan oksidi,
c) galvaaninen kenno – elektrolyysikenno,
d) kestomuovi – kertamuovi.
Ratkaisu
a) Kiteisessä aineessa rakenneosat, atomit, ionit tai molekyylit, ovat tietyssä
järjestyksessä, ja ne muodostavat kolmiulotteisen kidehilan. Kiteisellä aineella on
tietty, tarkka sulamispiste. Esimerkiksi timantti, natriumkloridikide ja jää ovat kiteisiä
aineita. Amorfinen aine on kiinteä aine, jossa rakenneosat ovat epäjärjestyksessä, eikä
niillä ole tarkkaa sulamispistettä. Esimerkiksi lasi ja useat muovit ovat amorfisia.
b) Emäksinen oksidi reagoi veden kanssa siten, että syntyy emäksinen vesiliuos.
Vastaavasti hapan oksidi reagoi veden kanssa siten, että syntyy hapan vesiliuos.
Emäksiset oksidit, kuten alkali- ja maa-alkalimetallioksidit, ovat ioniyhdisteitä ja
happamat oksidit molekyyliyhdisteitä. Esimerkiksi K2O on emäksinen oksidi, joka
reagoi veden kanssa emäksisiä hydroksidi ioneja tuottaen:
K2O(s) + H2O(l)
2 K+(aq) + 2 OH–(aq).
Hiilidioksidi on hapan oksidi, joka reagoi veden kanssa muodostaen pysymätöntä
hiilihappoa: CO2(g) + H2O(l)
H2CO3(aq).
c) Galvaanisessa kennossa hapetus–pelkistysreaktiot tapahtuvat spontaanisti, ja siitä
saadaan sähkövirtaa Elektrolyysikennossa hapetus–pelkistysreaktiot pakotetaan
tapahtumaan ulkoisen sähkövirran avulla. Galvaanisessa kennossa kemiallista
energiaa muuttuu sähköenergiaksi ja elektrolyysikennossa sähköenergiaa muuttuu
kemialliseksi energiaksi.
d) Kestomuovi voidaan sulattaa ja muovata uudelleen, joten ne ovat kierrätettäviä.
Kestomuovi verkottuu kovalenttisilla sidoksilla ensimmäisessä kuumennusmuovauksessa, joten sitä ei voi muovata uudelleen eikä kierrättää.
121
Tehtäväpankki
19. Tarkastellaan seuraavia materiaaleja: 1) ruostumaton teräs 2) timantti 3) lasi
4) kvartsi, jonka empiirinen kaava on SiO2.
a) Mikä on kunkin materiaalin hilatyyppi?
b) Mikä materiaaleista johtaa sähkövirtaa ja miksi?
c) Mitkä materiaaleista eivät kestä kovia vasaraniskuja?
Ratkaisu
a) Ruostumaton teräs on raudan, nikkelin ja kromin lejeerinki, joten sillä on
metallihila. Timantilla on hiiliatomeista rakentuva atomihila. Lasi on amorfista, joten
sillä ei ole hilaa. Kvartsilla on pii- ja happiatomeista rakentuva atomihila.
b) Ruostumaton teräs johtaa sähköä, koska sen metallihilassa ulkoelektronit pääsevät
vapaasti liikkumaan.
c) Atomihilaiset timantti ja kvartsi eivät kestä vasaraniskuja. Molemmat ovat lujista
kovalenttisista sidoksista johtuen kovia, mutta hauraita materiaaleja. Hauraus
tarkoittaa, että iskun voimasta kovalenttisia sidoksia katkeaa ja materiaali murenee
kappaleiksi. Siksi atomihilaiset materiaalit, kuten timantti, muotoillaan hiomalla.
20. Yhdistä käsitteet, aineet, menetelmät ja laitteet mielekkäästi:
Na+, K+, Ca2+, Mg2+
syanoakrylaatti
polyvinyyliasetaatti
ajoneuvojen pakokaasujen puhdistus
kitiini
malmin rikastusmenetelmä
Si, johon seostettu vähän fosforia
raudan valmistus
vaahdotus
lateksimaali
lambda–arvo
makrokivennäiset
puolijohde
masuuni
pikaliima
äyriäisten kuori
Ratkaisu:
vaahdotus – malmin rikastusmenetelmä,
lateksimaali – polyvinyyliasetaatti,
lambda-arvo – ajoneuvojen pakokaasujen puhdistus,
makrokivennäiset – Na+, K+, Ca2+, Mg2+,
puolijohde – Si, johon seostettu vähän fosforia,
masuuni – raudan valmistus,
pikaliima – syanoakrylaatti,
äyriäisten kuori – kitiini
21. a) Miksi dekaania ei kutsuta polymeeriksi niin kuin polyeteeniä?
b) Monet pienimolekyyliset esterit ovat hyväntuoksuisia hedelmien aromiaineita.
Miksi polyesterit eivät tuoksu?
122
Tehtäväpankki
Ratkaisu
a) Dekaanissa on neljä toistuvaa yksikköä:
H3C
H2
C
C
H2
CH3
4
Polyeteenissä samanlaisia toistuvia yksiköitä on kymmeniätuhansia. Dekaania ei
kutsuta polymeeriksi, koska alhaisesta polymeroitumisasteesta johtuen se ei ole
makromolekyyli eikä sillä ole makromolekyylien tyypillisiä ominaisuuksia.
b) Polyesterimolekyylien väliset heikot sidokset (dispersiovoimat ja dipoli–dipolisidokset) pitävät polymeeriketjut tiukasti kiinni toisissaan, joten polyesterit ovat
haihtumattomia ja tuoksuttomia. Tuoksun aistiminen edellyttää, että nenään menee
hengitysilman mukana kaasumaisessa olomuodossa olevia molekyylejä.
22. a) Miksi muoveja valmistettaessa joidenkin polymeerien joukkoon lisätään
pehmittimiä?
b) Lattiapinnoitteena käytetään muovia, joka valmistetaan sekoittamalla
polyvinyylikloridin (PVC) joukkoon kivipölyä. Miten kivipöly muuttaa polymeerin
ominaisuuksia?
c) Miten kerta- ja kestomuovit eroavat toisistaan?
Ratkaisu
a) Pehmittimien tarkoituksena on vähentää polymeerin kovuutta ja murtuvuutta.
Kääntäen: pehmittimen lisääminen polymeerin joukkoon lisää muovin taipuvuutta ja
sitkeyttä.
b) Kivi on kovaa ainetta, joten se lisää muovin kovuutta sekä kulutus- ja iskunkestävyyttä. Kivipölypitoiseen PVC-lattiaan ei tule painumia esimerkiksi
korkokengistä ja piikkareista kuten puulattiaan.
c) Kestomuoveissa polymeeriketjut liittyvät toisiinsa heikoilla sidoksilla. Niitä voidaan muovata haluttuun muotoon useita kertoja eli kierrättää. Kertamuoveilla on
verkkomainen rakenne, joka syntyy ensimmäisessä kuumennusmuovauksessa
polymeeriketjujen kytkeytyessä toisiinsa vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla.
Verkkorakenteesta johtuen niitä ei voida muotoilla toista kertaa lämmön avulla. Jos
uudelleen muovausta yritetään, niin kertamuovit eivät kunnolla pehmene, vaan muovi
hajoaa kovalenttisten sidosten katkeillessa. Tämän takia kertamuoveja ei voi
kierrättää.
23. Diabeetikot käyttävät lääkkeenä insuliinia, koska heidän oma insuliinin tuotantonsa
on liian vähäistä. Miksi insuliini annostellaan ruiskeena lihakseen eikä suun kautta
tabletteina?
Ratkaisu
Jos insuliini otetaan suun kautta, niin se proteiinina denaturoituu mahalaukun
happamissa olosuhteissa ja menettää elimistön sokeritasapainoa säätelevän
ominaisuutensa. Tämän takia insuliini on pistettävä lihakseen, jonka fysiologisessa
pH:ssa sen tertiääri- ja kvaternäärirakenteissa ei tapahdu muutoksia ja insuliini
säilyttää toimintakykynsä.
123
Tehtäväpankki
24. a) Mistä epoksiliimat ovat saaneet nimensä?
b) Miksi epoksiliimapakkauksessa on kaksi liimatuubia?
c) Kuivuvatko epoksiliimat liuottimen haihtumisen vai kemiallisen reaktion
seurauksena?
Ratkaisu
a) Epoksi sana on lyhenne sanasta epoksidi. Epoksidi on kahdesta hiiliatomista ja
yhdestä happiatomista rakentunut kolmirengas, joka on jännittynyt ja reaktiivinen.
Epoksikomponentti saa aikaan liiman kovettumisen.
O
H2N
N
H
jännittynyt kolmirengas
(epoksidi) aukeaa
O
H
amiinikomponentti
epoksikomponentti
OH
OH
O
N
H
O
O
O
H
N
NH
kovettunut epoksihartsi
b) Tarvitaan kaksi liimatuubia, koska epoksiliimojen kovettumisreaktiot alkavat heti,
kun komponentit sekoitetaan.
c) Epoksiliimat kuivuvat eli kovettuvat kahden aineen, epoksi- ja
amiinikomponentin, välisen kemiallisen reaktion seurauksena.
25. Mitä ominaisuuksia vaaditaan laadukkaan a) keksipaketin b) tietokoneen
kuljetuspakkauksen c) maitopurkin materiaaleilta?
Ratkaisu
a) Keksipakkauksen materiaalin tulee olla riittävän jäykkää, jotta keksit eivät murene.
Materiaali ei saa olla liian kovaa, jotta siitä pystytään taivuttamaan sopivan
muotoinen pakkaus. Materiaaliin pitää pystyä painamaan tuotetiedot. Materiaalin
pitää olla riittävän tiivis, jotta keksit eivät kuivu tai kostu eivätkä aromit haihdu. Usein
keksien pakkaamiseen käytetään useita materiaaleja, jotta kaikki laadukkaan
pakkauksen kriteerit täyttyisivät.
b) Tietokoneen kuljetuspakkauksen tulee olla riittävän jäykkä, pehmustettu ja
koteloitu, jotta koneeseen ei tule mekaanisia vaurioita. Pakkauksen tulee olla riittävän
tiivis, jotta (vesi ja) vesihöyry ei pääse vahingoittamaan tietokonetta. Materiaaliin
pitää pystyä painamaan tuotetiedot. Käytännössä yhtä materiaalia käyttämällä
laadukkaan pakkauksen kriteerit eivät täyty, vaan usein käytetään kolmea eri
materiaalia, pahvia, solumuovia ja vettä/vesihöyryä läpäisemätöntä muovikalvoa.
124
Tehtäväpankki
c) Maitopurkin materiaalin tulee olla riittävän jäykkää, jotta sitä voidaan pitää
kädessä tukevasti. Materiaali ei saa olla liian kovaa, jotta siitä pystytään taivuttamaan
sopivan muotoinen pakkaus. Materiaalin pitää olla ehdottoman tiivis ja sisäpinnan
hygieeninen, koska maito on hyvä mikro-organismien kasvualusta. Sisäpinnan
materiaalin ja liiman pitää olla haitatonta ja maitoon liukenematonta. Materiaaliin
pitää pystyä painamaan tuotetiedot. Maitopurkkiin käytetään useita materiaaleja,
jotta kaikki laadukkaan pakkauksen kriteerit täyttyisivät.
26. Selitä polymeeriketjujen rakenteen avulla, miksi LDPE on pehmeämpää ja
amorfisempaa kuin HDPE. (Ohje: LDPE-ketjut ovat lyhyempiä ja haaroittuneempia
kuin HDPE-ketjut).
Ratkaisu
LDPE-ketjujen väliset dispersiovoimat ovat heikommat kuin HDPE-ketjujen väliset
vetovoimat, koska LDPE-ketjut ovat lyhyempiä ja haaroista johtuen etäämmällä
toisistaan. Heikommista dispersiovoimista johtuen LDPE-ketjut liukuvat helpommin
toistensa ohi ja eivät muodosta järjestyneitä kiteisiä alueita, joten LDPE on
pehmeämpää ja amorfisempaa kuin HDPE.
27. Kirjoita seuraavista monomeereistä syntyvän polymeerin toistuvan yksikön rakenne.
Mainitse lisäksi, onko kyseessä polyadditio vai polykondensaatioreaktio.
Cl
a)
Cl
O
b) HO
OH
+
NH2
H2N
O
HO
O
+
c)
O
HO
OH
OH
Ratkaisu
O
a)
c)
b) HO
Cl Cl
n
O
N
H
O
O
HO
O
H
N
H
n
a): polyadditio
H b) ja c): polyO
kondensaatioita
n
28. Selitä, miksi ja miten
a) tietyn polymeerimateriaalin lujuus riippuu polymeeriketjujen pituudesta,
b) polymeerimateriaalin taipuisuus ja kovuus riippuvat kiteisyydestä,
c) polymeerimateriaalin lujuus riippuu polymeeriketjujen funktionaalisten ryhmien
poolisuudesta,
d) polymeerimateriaalin lujuus riippuu polymeeriketjujen haarautumisesta,
e) polymeerin verkottuminen vaikuttaa sen kierrätettävyyteen?
125
Tehtäväpankki
Ratkaisu
a) Polymeeriketjujen pidentyessä molekyylien välisten sidosten lujuus kasvaa. Mitä
vahvempia ovat ketjujen väliset sidokset, sitä lujempaa polymeeri on.
b) Polymeerimateriaali on sitä taipuisampaa, mitä heikompia ovat ketjujen väliset
heikot sidokset. Amorfisissa alueissa ketjujen väliset sidokset ovat heikompia kuin
kiteisissä, koska amorfisissa alueissa polymeeriketjut ovat kauempana toisistaan.
Tämän takia polymeerimateriaalin taipuisuus vähenee kiteisyyden kasvaessa.
Polymeerimateriaali on sitä kovempaa, mitä vahvempia ovat ketjujen väliset heikot
sidokset. Kiteisissä alueissa ketjut ovat lähempänä toisiaan kuin amorfisissa, joten
kiteisissä alueissa ketjujen väliset heikot sidokset ovat vahvemmat kuin amorfisissa
alueissa. Toisin sanoen polymeerimateriaalin kovuus kasvaa kiteisyyden kasvaessa.
c) Polymeerimateriaali on sitä lujempaa, mitä vahvempia ovat ketjujen väliset heikot
sidokset. Polymeeriketjujen väliset dipoli–dipoli- ja vetysidokset voimistuvat
funktionaalisten ryhmien poolisuuden kasvaessa. Toisin sanoen polymeerimateriaalin
lujuus kasvaa ketjujen funktionaalisten ryhmien poolisuuden kasvaessa.
d) Polymeerimateriaali on sitä lujempaa, mitä vahvempia ovat ketjujen väliset heikot
sidokset. Haarautumattomat ketjut asettuvat lähemmäksi toisiaan kuin haarautuneet,
joten haarautumattomien ketjujen väliset heikot sidokset ovat vahvemmat. Siksi
polymeerimateriaalin lujuus pienenee, kun haarautuminen lisääntyy.
e) Mitä verkottuneempi polymeeri on, sitä enemmän ketjujen välillä on kovalenttisia
sidoksia ja sitä vaikeammin ketjut pääsevät liikkumaan toistensa suhteen
uusiomuokkauksen aikana. Kierrätettävyys edellyttää uusiomuokkausta, joten
verkottumisen lisääntyminen vaikeuttaa kierrätettävyyttä.
29. Selitä seuraavat ilmiöt rakenteiden perusteella:
a) valiini ja fenyylialaniini löytyvät harvoin laskostuneen proteiinin pinnalta,
b) denaturoitunut proteiini saostuu usein vesiliuoksesta,
c) proliini ei voi olla α-kierteen tai β-laskoksen rakenneosana,
d) tärkkelys ei muodosta kuituja kuten selluloosa.
Ratkaisu
a) Proteiinin pinnalla eli vesiliuosta vasten asettuvat mieluiten aminohappojen
pooliset sivuketjut. Fenyylialaniinin ja valiinin sivuketjut ovat poolittomia, joten ne
hakeutuvat proteiinin sisäosiin.
b) Denaturaatiossa proteiinin tertiäärirakenne hajoaa, jolloin proteiinin sisäosissa
olevat poolittomat sivuketjut paljastuvat. Tällöin proteiinimolekyylit takertuvat
dispersiovoimilla ja vetysidoksilla toisiinsa ja saostuvat liuoksesta.
c) Kun proliinin aminoryhmä muodostaa amidin toisen aminohapon kanssa,
muodostuvassa amidisidoksessa ei ole N–H-sidosta, joten se ei voi muodostaa
α-kierteeseen tai β-laskokseen tarvittavia kahta vetysidosta.
tässä amidiryhmässä
ei ole N–H-sidosta,
joten amidi ei voi
muodostaa kahta
vetysidosta!
H
N
O
N
HN
O
proliini proteiinirakenteen osana
d) Selluloosan rakenne on suora (lineaarinen), kun taas tärkkelys muodostaa kierteitä
tai haaroittuneita kierteitä. Suorat selluloosaketjut kykenevät tarttumaan
voimakkailla vetysidoksilla toisiinsa, jolloin syntyy kuituja.
126
Tehtäväpankki
30. Posliinista valmistettu kahvikuppi ja keskenään samankokoiset kumipallo sekä
teräskuula pudotetaan kahden metrin korkeudesta betonilattialle. Vastaa perustellen,
mitä iskeytymishetkellä tapahtuu?
Ratkaisu
Posliini on erittäin kovaa mutta haurasta ainetta. Sen rakenne muistuttaa kvartsin
verkkoutunutta rakennetta. Hauraudesta johtuen posliinikuppi lohkeilee
iskeytymishetkellä teräväsärmäisiksi kappaleiksi rakennetta koossa pitävien vahvoja
sidoksien murtuessa.
Kumipallo on elastista materiaalia, joten kumipallo pomppii kovalla betonipinnalla.
Iskeytymishetkellä pallon muoto muuttuu, mutta palautuu nopeasti alkuperäiseksi.
Palautuva muodon muutos on mahdollinen, koska rikkisilloilla harvakseltaan toisiinsa
liittyneet ketjut voivat liukua toistensa ohi niiden konformaatioiden muuttuessa.
Teräskuula on metallihilasta johtuen lujaa ja sitkeää materiaalia, joten se pystyy
murentamaan särkymättä kovan mutta hauraan betonilattian pintaa. Teräskuulaan
voi tulla painumia mutta se ei hajoa kappaleiksi. Tämä johtuu siitä, että metalliatomit
voivat kidehilassa liikkua toistensa suhteen, koska metallisidos on suunnasta
riippumaton.
31. Ovatko seuraavat väitteet oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saa 0,20 p ja
väärästä vastauksesta tai vastaamattomasta kohdasta vähennetään 0,20 p.
a) Glukoosia syntyy, kun hydrolysoidaan 1) tärkkelystä 2) hemiselluloosaa
3) selluloosaa.
b) Laktoosi on 1) maidon hiilihydraatti 2) disakkaridi 3) polymeeri.
c) Tärkkelys ja selluloosa ovat 1) polymeerejä 2) polysakkarideja
3) kasvien vararavintoaineita.
d) Kitiini on 1) polysakkaridi 2) polyamidi 3) proteiini.
e) Luu on rakenteeltaan 1) komposiitti 2) laminaatti 3) silikaatti.
f) Polyeteeni (PE) on 1) biopolymeeri 2) additiopolymeeri 3) kondensaatiopolymeeri.
g) Proteiinin sekundäärirakenteen pitävät koossa 1) disulfidisillat 2) vetysidokset
3) amidisidokset.
h) Lujitemuovit ovat 1) kertamuoveja 2) kestomuoveja 3) komposiitteja.
i) Mitä kiteisempää polymeerimateriaali on, sitä 1) pehmeämpää 2) kovempaa
3) taipuvampaa se on.
j) Bakteerit kuolevat kuumennettaessa, koska niiden proteiinien 1) primäärirakenne
2) tertiäärirakenne 4) kvaternäärirakenne tuhoutuu.
Ratkaisu
a) 1) oikein 2) väärin 3) oikein
b) 1) oikein 2) oikein 3) väärin
c) 1) oikein 2) oikein 3) oikein
d) 1) oikein 2) väärin 3) väärin
e) 1) oikein 2) väärin 3) väärin f) 1) väärin 2) oikein 3) väärin
g) 1) väärin 2) oikein 3) väärin h) 1) oikein 2) väärin 3) oikein
i) 1) väärin 2) oikein 3) väärin
j) 1) väärin 2) oikein 3) oikein.
127
Kalvopohjat
Kalvopohjat luvuittain
Luku 1
Myrkkyjä ja niiden vaikutuksia, sivu 7
128
Kalvopohjat
Myrkyllisiä eliöitä ja LD50-arvoja, sivu 8
129
Kalvopohjat
Osareaktioiden kirjoittamisohjeet, sivut 15-17
130
Kalvopohjat
131
Kalvopohjat
Reaktiotyyppejä, sivu 23
132
Kalvopohjat
Luku 2
Kennoreaktioita, sivut 29, 32
Daniellin kenno
133
Kalvopohjat
134
Kalvopohjat
Sähkökemiallinen jännitesarja, sivu 34
135
Kalvopohjat
Raudan ruostuminen, sivu 40
136
Kalvopohjat
Galvaaninen ja elektrolyysikenno, sivu 48
137
Kalvopohjat
Elektrodireaktiot, sivu 49
138
Kalvopohjat
Vesiliuoksen elektrolyysi, sivu 51
139
Kalvopohjat
Anodi osana elektrolyysiä, sivu 52
140
Kalvopohjat
Luku 3
Happiyhdisteitä, sivut 67 ja 69
141
Kalvopohjat
Typpeä sisältäviä molekyylejä, sivu 82
142
Kalvopohjat
Fosforia sisältäviä molekyylejä, sivu 85
143
Kalvopohjat
Malmin rikastus, sivu 90
144
Kalvopohjat
Masuuni, sivu 92
145
Kalvopohjat
Alumiinin hydrolyysi, sivu 94
146
Kalvopohjat
Luku 4
Polyesteri, sivu 110
147
Kalvopohjat
Kolloidit, sivu 111
148
Kalvopohjat
Polykondensaatio ja polyesterin muodostuminen, sivut 113 ja 114
149
Kalvopohjat
Polyamidien muodostuminen, sivut 114 ja 115
150
Kalvopohjat
Proteiinit, sivu 118
151
Kalvopohjat
Peptidiketju, sivu 119
152
Kalvopohjat
Rakenteita, sivu 120
153
Kalvopohjat
Tärkkelys, sivu 123
154
Kalvopohjat
Tärkkelys, sivu 124
155
Kalvopohjat
Selluloosa, sivu 125
156
Kalvopohjat
Kitiini, sivu 127
157
Kalvopohjat
Epoksiliima ja pikaliima, sivu 130
158
Kalvopohjat
Koontitaulukko, sivu 157
159
CD-ROM
CD-ROM
Käyttö
Aseta cd-rom tietokoneen asemaan, käyttöliittymä aukeaa automaattisesti. Jos tämä
ominaisuus on otettu pois toiminnasta, voit käynnistää ohjelman resurssien hallinnan
kautta tuplaklikkaamalla start.exe –tiedostoa.
Cd-romia voi myös selailla ja hyödyntää ilman käyttöliittymää.
1
2
4
Klikkaamalla
* PPT-nappia aukeaa kalvojen
powerpoint-esitys
* DOC-nappia aukeaa ratkaisujen
Word-dokumentti
* PDF-nappia aukeaa kalvojen tai
ratkaisujen pdf-dokumentti
* VIDEO-nappia avautuu
videotiedosto
5
3
Käyttöliittymä
Navigaatiossa noudatetaan kirjan rakennetta.
1. Navigaatiossa näkyy punaisella valittuna oleva sivu.
2. Siirtyminen kirjan lukua vastaavaan kohtaan opasta tapahtuu klikkaamalla otsikkoa
navigaatiossa.
3. Käyttöliittymän sulkeminen.
4. Yleisiä ohjeita tiedostomuodoista.
5. Klikkaamalla aukeavat Reaktion nettisivut selainikkunaan.
Muokkausta varten tehdyt ratkaisujen, kurssikokeen sekä tehtäväpankin Word-tiedostot
eivät välttämättä näy samannäköisinä kuin pdf-tiedostossa tai painetussa oppaassa, koska
niiden esitystapa on riippuvainen käytetystä ohjelmasta ja koneen asetuksista.
Esitettyjä rakenteita ja laskukaavoja voi myös kopioida toisiin dokumentteihin, niiden
muokkaus vaatii omat ohjelmansa (ChemDraw ja MathType).
Muokkausta varten tallenna tiedosto ensin omalle tietokoneellesi, cd-romilla tiedostot ovat
vain luku –tyyppiä.
160

Reaktio 4 opettajan opas Tehtävien ratkaisut 2 1. painos

Transcription

Similar documents

KE 1 - WordPress.com

Kemia - Helsingin yliopisto

Kemia - Valmennuskeskus

OSA 1, KEMIA (2015) Jokaisessa kohdassa 1

Orgaaninen kemia - Kandidaattikustannus

Lataa: Kertaustehtäviä_ratkaisut

Z1 Auto CPAP –laite - Tuotetiedote

laskujen ratkaisut

2.1 Orgaanisen kemian tehtävä

Z1 CPAP-laite - Tuotetiedote