Kemian Preliminäärikoe 2013 Teht. 4-6

4. Kupari(I)oksidia valmistetaan kuparin ja hapen välisellä reaktiossa.
a) Kirjoita kupari(I)oksidin valmistusta kuvaava reaktio olomuotosymbolein
b) Mitkä ovat reaktiossa esiintyvien aineiden hapetusluvut? Mikä aine hapettuu ja mikä pelkistyy reaktion aikana?
c) Montako grammaa kupari(I)oksidia saadaan valmistettua, kun käytettävissä on 25 grammaa kuparia ja 7,5 dm³ happea. Kyseessä on NTP-olosuhteet

V:
a) 4 Cu(S) + O2(g) => 2 Cu2O (s)

b) Cu aluksi 0 ja  O2 aluksi 0
    Yhdisteessä Cu +I ja O -II 
    Kupari hapettuu ja happi pelkistyy

c) 25 grammaa kuparia ja 7,5 dm³ happea. Katsotaan kumpi on rajoittava tekijä

n(Cu) = 25g / 63,55 g/mol = 0,3933910307 mol

pV = nRT <=> n = pV/RT

n(O2) = 1,01325 bar *  7,5 dm³ / 0,0831451 (bar*dm³/mol*K) * 273,15 K
         = 0,3346108437 mol

Kupari on rajoittava tekijä, kun huomiodaan kertoimet.

Tällöin n(Cu2O) = 0,5 * 0,3933910307 mol = 0,1966955154 mol
           m(Cu2O) = 0,1966955154 mol * 143,1 g/mol = 28,14712825 g
                                                                                  ~ 28 g

5. Selvitä esimerkkireaktiota apuna käyttäen, mitä seuraavilla reaktiotyypeillä tarkoitetaan.
a) Hydraus
b) Hydrolyysi
c) Dehydraatio

V:
a) Hydauksessa vety liittyy yhdisteen kaksois- tai kolmoissidokseen. Kyse on liittymis- eli additioreaktiosta, jossa käytetään tavallisemmin metallikatalyyttia. Esimerkkinä vedyn liittyäminen 2-buteeniin, jolloin syntyy butaania.

b) Hydrolyysi on veden aikaan saama hajoamisreaktio, jossa esimerkiksi esterin hajoavat lähtöaineikseen, karboksyylihapoksi ja alkoholiksi. Reaktiossa voidaan käyttää natriumhydroksidiä katalyyttina.

c) Dehydraatio on veden poistamista yhdisteestä. Kyse on eliminaatioreaktiosta. Esimerkkinä veden poistaminen etanolista, jolloin syntyy eteeniä ja vettä. Katalyyttina voidaan käyttää esimerkiksi rikkihappoa. 

6. Esittele lyhyesti ne kolme sääntöä, joiden mukaisesti alkuaineen elektronirakenne määräytyy (kvanttimekaanisen atomimallin mukaan). Miten nämä säännöt ilmenevät perustilaisessa rauta-atomissa?

V:
Minimienergiaperiaate: Elektronit asettuvat orbitaaleille kasvavan energian mukaisesti eli pienimmästä suurempaan päin.

Paulin kieltosääntö: Orbitaalilla voi olla enintään kaksi elektronia, joilla vastakkaiset spinit. Elektroniverholla voi siis olla enintään 2n² elektronia

Hundin sääntö: Elektronit asettuvat energialtaan samansuuruisille orbitaaleille yksittäin samansuuntaisin spinein niin kauan kuin mahdollista

Perustilallisen rauta-atomin elektronikonfiguraatio: 
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 tai [Ar]3d6 4s2 | huomioi potenssi.

Minimienergiaperiaate ilmenee kun 4s orbitaali alkaa täyttyä ennen 3d orbitaalia. Hundin kieltosääntö ilmenee sillä, että kaikilla viidellä 3d-orbitaalilla on vähintään yksi elektroni. Paulin kieltosääntö ilmenee, että rauta-atomissa on elektroneja kaikkiaan neljällä elektronikuorella, K-orbitaalilla 2 jne.

Hapetus ja pelkistys primaarisillä, sekundaarisilla ja tertiaarisilla hiilivedyillä

H3C-CH2-CH2OH =[O]=> H3C-CH2-CHO =[O]=> H3C-CH2-COOH

H3C-CH2-CH2OH <=[H]= H3C-CH2-CHO <=[H]= H3C-CH2-COOH

propanoli                             propanaali                       propaanihappo



         OH                          O
           |                             ||
H3C-CH-CH3 =[O]=> H3C-C-CH3 =[O]=> Ei reaktiota
2-propanoli                  2-propanoni (asetoni)
     
       


       OH
         |
H3C-C-CH3  =[O]=> ei reaktiota                              
         |
       CH3


Alkoholin hapettaminen aldehydiksi tai ketoniksi onnistuu mangaanidioksidilla (MnO2)
Aldehydin hapettaminen karboksyylihapoksi onnistuu puolestaan kaliumpermangaatilla (KMnO4)
aldehydin tai ketonin pelkistyminen alkoholiksi onnistuu natriumborohybridillä (NaBH4)
Karboksyylihapon pelkistyminen alkoholiksi onnistuu litiumalumiinihybridillä (LiAlH4)

Hapettuminen ja pelkistyminen

Zn, Mg, Pb, Cu, Ni, Al ja Cu
a)Mikä metalleista hapettuu viimeisenä
b)Mikä metalleista on paras pelkistin
c)Mikä metallien kationeista pelkistyy ensin

Vastaus:

Käytetään hyväksi jännitesarjaa.
a) Huonoimmin hapettuvin on myös paras pelkistin, eli viimeisenä hapettuu kupari (Cu)
b) Paras pelkistin on parhaiten hapettuvin, eli magnesium (Mg)
c) Jaloin metalli pelkistyy ensin, eli kupari (Cu)