Keemia eksam (7)

Keemia ja materjaliõpetus 1. Sõnastage ja kommenteerige ( millistel juhtudel on vaja neid arvestada või kasutada) Elementide ja nende ühendite omaduste muutumise perioodilisus : Keemil elem ja nendest moodust liht-ja liitainete omad on perioodilises sõltuvuses elementide aatomite tuumalaengust (elementide aatommassidest). Iga periood v.a. esimene algab aktiivse metalliga, lõpeb väärisgaasiga. Perioodi piires elementide järjenumbri kasvamisel nõrgenevad metallilised ja tugevnevad mittemetallilised omad. Suurtes perioodides nn pea- kui ka kõrvalalarühmade elementide omad korduvad perioodiliselt. Kahe esimese peaalarühma elemendid asuvad perioodi paarisarvulistes, ülejäänud paarituarvulistes ridades. Paarisarvulistes ridades on ülekaalus metallilised omad. Metallilised omadused tugevnevad peaalarühmas ülalt alla, mittemetallilised omadused aga nõrgenevad. VII-peaalarühmas on tüüpilised mittemetallid. Alates III- peaalarühmast nim suurte perioodide paarisarvuliste ridade elemente siirdeelementideks. Kõikides väikestes perioodides kasvab vasakult paremale liikudes elektronide arv aatomi välisel energia tasemel. Aatomite elektronkihtide perioodiline kordumine elementide järjenumbri kasvamisel toob endaga kaasa isoleeritud aatomite kogumi perioodilise kordumise. Massi jäävus kinnises süsteemis: Reaktsioonist osa võtnud ainete mass võrdub reaktsiooni saaduste massiga (Lomonossov, 1756). Aine koostise püsivus: igal keemilisel ühendil on kindel kvalitatiivne ja kvantitatiivne koostis, sõltumata nende saamisviisist: C+O2=CO2 (nn daltoniidid ); Tahkete ainete korral ei kehti, st koostis oleneb saamisviisist (nn bertolliidid) N: FeS0,95.. Archimedese seadus: igale vedelikus või gaasis asetsevale kehale mõjub üleslükkejõud, mis on võrdne selle keha poolt väljatõrjutud vedeliku või gaasi kaaluga. Faraday seadused: 1)Elektrolüüsi ajal on elektroodidel toimuvates keemil reakts tekkiva aine hulk võrdeline elektrolüüti läbiva elektrihulgaga. 2)Erinevatest elektrolüütidest võrdse elektrihulga läbijuhtimisel on elektroodidel eralduva iga aine moolide arv pöördvõrdeline tema loomlaengu suurusega.
2. Aine ja materjali mõiste, nende eksisteerimise olekud tavatingimustel Aine on osake, mis omab massi ja mahtu, võib esineda nii puhtana (suhteline mõiste) kui ka ühendites, nt prooton , neutron , elektron. Materjal on aine, mille töötlemisel ( kasutamisel ) ei toimu keemilisi muutusi (nt alumiiniumpotid). Tavatingimused: 20 ºC (293 K) ja 1 atm (101325 Pa). Kõik ained, mis on tavatingimustel vedelas olekus, on võimalik üle viia tahkesse olekusse, kuid mitte kõiki gaasilisse olekusse (temp tõustes ja rõhu langemisel osad ained lagunevad); tavaolekus tahke aine võib viia vedelasse olekusse, aga mitte kõiki gaasilisse olekusse. Samuti on aineid ja mat mis eksisteerivad ainult kahes olekus ( parafiin ­ vedelikuks kuid vähesel määral gaasiliseks; jood läheb kiiresti gaasiliseks). Millest sõltuvad ainete ja materjalide kõik omadused? Füüsikal omad sõlt osakeste massist ja nende ,,kokkupakitusest" (tihedus), keemil sideme tüübist ja struktuurist (kõvadus, sepistatavus, venitatavus , sulamis- ja keemistemp ), laetud osakeste liikumisvõimest ( elektrijuhtivus ) jne. Keemil omad sõlt elektronide paigutusest aatomis (elektronskeemist), keemilise sideme tüübist, struktuurist ja energiamuutustest. Ainete ja materjalide enamkasutatav klassifikatsioon , ainete ja materjalide tähistamine praktikas: Klassifikats toimub alati mingi tunnuse alusel, sama ainet võib klassifitseerida eri tunnuste järgi, st aine võib olla eritunnustega ja kuuluda samaaegselt erinevatesse klassidesse. Ainete ja materjalide tähistamine: 1)NIMI a)Nimi ei anna infot aine päritolu, kasutamise ega omaduste kohta (kriit, vesi); b)Nimes sisaldub mingi info ( sooraud , seebikivi); c)Kaubanduslik nimi ei sisalda mingit infot (määrdeõli, kiudained ); 2)VALEM: a) Empiiriline ­ näitab aine elementaarkoostist ja elementide gruppide omavahelist suhet, erandjuhul näitab valem aine molekulaarkoostist (gaasid, vedelikud, molekulvõrega tahkised, nt N2 ja CH4) Tahkete ioonvõrega ainetel molekule ei ole; b)Struktuuri valem ­ näitab lisaks elementide ja elemendi gruppide suhtele, kuidas need on omavahel seotud; c)Valem tähtede ja numbrite kombinatsiooniga N:El00-E199 toiduvärvid; d)Nomenklatuursed nimetused on standardiseeritud puhastele ainetele JUPAC poolt H2SO4 (tetraoksosulfaat(VI) vesinik ). Lisaks keemilisele tähestikule kasutatakse mitmeid numbrilisi koode, milledest tähtsamad on CAS ja EINEKS registrite numbrid . (CAS ­ Chemical Abstract Services (kemikaali (aine) reg nr andmebaasis ), EINEKS (European Inventon of Existing Commercial Chemical Substances) ­ on kemikaali (aine) reg nr Euroopa kaubanduslike ainete
1 Keemia ja materjaliõpetus loetelus . CAS reg nr omistatakse ainele kui see lisatakse andmebaasi, igale CAS nr vastab üks ja ainult üks aine. CAS nr järgi saab Interneti kaudu kätte ka selle kemikaali ohutuskaardi.
3. Liht- ja liitaine , puhta aine, materjali, homogeense ja heterogeense segu mõisted. Lihtaine : Lihtaine koosn ühe elemendi aatomitest, keemilises reakts ei saa seda lõhkuda lihtsamateks aineteks. Lihtaine valemina kasut vastavate elementide sümboleid (üheaatomilised: Fe, Au, Ag, C, S; kaheaatomilised: H2, O2, F2, C12, Br2). Enamik elementidele vastavaid lihtaineid on toatemp -l tahked ained või gaasid. Ühend ehk liitaine: koosn kahe või enama elemendi omavahel seotud aatomitest (H2O, H2SO4, CO2, NaCl). Tal on koostiselementidega võrreldes teistsugused füüsikalised ning keemil omad. Iga elemendi sisaldus ühendis on konstantne , nt vesi koosneb alati kahest osast H-st ja ühest osast O-st. Puhas aine: on aine, mis sisaldab ainult ühte lihtainet või ühendit (suhteline mõiste). Puhtaks loetakse aineid, milles on lisandeid 0,00001% või milles on põhiainet rohkem kui 95% (puhasaine). Homogeenne segu: on selline ainete (materjalide) segu, mille omad ja keemil koostis on kogu aine ulatuses ühesugused, nt lahus (lahustunud aine ja lahusti osakesed on molekulid või ioonid ), õhk. Heterogeenne segu: on selline ainete (materjalide) segu, mille koostis ja omad. on materjali piires erinevad, N: suspensioon , mille osakesed on erinevad. Homog segu koosn kahest või enamast keemil koostise või strukt poolest erinevast homog osast. Reaktsiooni kiiruse mõiste, kuidas seda mõõdetakse? Näitab ajaühikus ruumala kohta tekkinud reageerinud aine hulka moolides, reaktsiooni kiirust mõõdet reageerivate ainete kontsentratsioonide muutusega ajaühikus. Millised tegurid ja kuidas need mõjutavad reakts kiirust homog ning heterog süsteemis? Heterogeenses kk-s l)temp; 2)kontsentratsioon; 3)gaaside ja aurude korral nende rõhk; Homogeenses kk-s lisaks veel: 4) faaside kokkupuutepinna suurus; 5)reaktsioonisaaduste difusioonikiirus; 6)2-aatomiliste gaaside dissotsiatsioonienergia, nt A+B=AB, v=k*(A)*(B), kus k ­ reaktsiooni kiiruskonstant ja (A), (B) ­ reageerivate ainete konsentr (mol/l), keemil reakts kiirus jääval temp-l on võrdeline reag ainete konsentr korrutisega. Üldkujul: nA+mB=pC, v=k*[A]m*[B]n. Plahvatused ­ ülikiired reakts. Plahvatavad segud : 1)Aur-õhk: atsetoon 2-13 mahu%, bensiin 1-7% 2) Gaas -õhk: propaan 5-35%, etüün 2,5-80% 3)Tolm-õhk: tärklis ja väävel 7%, jahu 10%. Van't Hoffi reegel: temp tõstmisel 10°C võrra kasvab reakts.kiirus 2-4 korda.
4. Ainete valemite mõiste ja seletus. Ainete valemite mõiste ja seletus: 1)empiirilises valemis on esitatud iga elemendi aatomite lihtsaim suhe ühendis. See ei näita iga elemendi aatomite koguarvu kovalentses või keemilise sideme tüüpi ühendis. 2)molekulivalem (gaasid, vedelikud, molekulvõrega tahkis , nt N2, CH4). Molekulivalem kujut. lihtaine või ühendi ühe molekuli koostist ja näitab, milliseid elemente molekul sisaldab ja milline on iga elemendi aatomite arv molekulis, kuid ei näita keemil sideme tüüpe molekulis. 3)lihtsustatud struktuurivalemis on näidatud aatomite rühmade (nt karboksüülrühm) järjestus molekulis ja keemil. sideme tüüp nende aatomite rühmade vahel (näidatud kriipsukestena). 4)täielik struktuurivalem näitab molekulis aatomite paigutust üksteise suhtes. Valemis on märgitud ka kõik molekulis esinevad sidemed. Keemiline reaktsioon on muundumine , mille tulemusena muutuvad aine keemilised omad. või moodustub uus aine. Keemilisel reakts tekivad lähteainetest saadused. Keemiline reaktsioon on protsess, kus tekib uus aine. Keemilisel reaktsioonil kätkeb vähemalt üks ja tekib juurde vähemalt üks keemiline side erinevate elementide vahel. *Kahe erineva aine osakeste vahel: 1)2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O; 2)MgCO3+2HCI= MgCl2 +H2O+CO2; 3) CuSO4 + Zn=ZnSO4+Cu; 4)CuO+ H2SO4= CuSO4+H2O; 5)2SO2+ O2=2SO3 *Sama aine osakeste sees ( lagunemisreaktsioon ): 1)NH4Cl=NH3+HC1; 2) CaCO3= CaO+CO2; 3)2NaHCO3= Na2CO3+H2O+CO2 Klassifitseerimine käib mitmete tunnuste järgi, kuid olulisem on oks-astme järgi: a) kui reaktsiooni käigus muutub vähemalt ühe elemendi aatomite o-a, nim reaktsiooni redoksreaktsiooniks; b) kui elemendi o-a ei muutu, nim seda liitumis-, asendus- vm reaktsiooniks. Keemilise reaktsiooni iileskirjutis sisald reageerivate ainete ja reakts saaduste keemil valemeid 2 Keemia ja materjaliõpetus ning näitab reaktsioonis osalevate ainete moolide arvu N:2H2+O2=2H2O. Koostamise üldpõhimõtted: 1)võrrandi vasakule poole kirj lähteaine valemid, paremale saaduste valemid. Võrrandi pooli eraldab pöördumatu reakts korral või =, pöörduva reakts korral; 2)võrrand tuleb tasakaalustada, st elemendi aatomeid on võrrandi vasakul ja paremal pool võrdselt; on tavaks kirj gaasina eralduva aine valemi järele ja sademena eralduva aine järele . Praktikas kasutamine: fotokeemia ­ valgustamine, kiirguskeemia ­ kiiritamine, katalüüs.
5. Ainete ja materjalide isel ( sertifitseerimise ) printsiibid . Vesilahuste omadused. Loodusliku vee püsiv karedus on 4.8 mmol/l, mööduv karedus 3.1 mmol/l, kui palju võib moodustuda katlakivi 5 m3 veest (katlakivi koostiseks võtta CaCO3)? Ainete ja materjalide iseloomustamise (sertifitseerimise) printsiibid: a) agregaatolek normaalrõhul ja toatemp-l; b)värvus; c)tahkete ainete puhul osakeste kuju, suurus ja pinna iseloomustus; d)vedelike puhul viskoossus erinevatel temp-l; e)tihedus; f)sulamis- ja keemistemp; g)koostiselementide või ainete ja lisandite sisald; h) lisainfo ; Gaaside ja aurude omadused (gaasid on ained, mis esinevad nt gaasina ja aurud vedelike või tahkete ainetena): a) sulamis-, keemis-, tahkumis- ja veeldumistemp; b) kriitiline temp ­ temp, millest kõrgemal ei saa gaasi vedeldada ilma rõhu kasvamiseta; c) kriitiline rõhk ­ rõhk, mille korral gaas on nii gaasilises kui ka vedelas olekus, nende vahel esineb tasakaal. Millised on vesilahuste peamised omadused, milliste näitajatega isel. neid sertifikaadis? 1)vedelik; 2)värvus; 3)vikoossus erinevatel temp; 4)tihedus; 5)keemistemp; 6)koostis; 7)lisainfo; Vesilahuse lahustiks on vesi. Enamasti on tegu anorg. lahusega, mis võib olla tuleohtlik või toksiline . Loodusliku vee püsiv karedus on 4.8 mmol/l, mööduv karedus 3.1 mmol/l, kui palju võib moodustuda katlakivi 5 m3 veest (katlakivi koostiseks võtta CaCO3)? Üldine karedus= 4,8+3,1=7,9mmol/l. 1mmol/l=40,08mg/l Ca2+ ioone või 24,31mg/l Mg2+ ioone, st 5000L=39,5mol=39,5*40=1580g Ca2+. mCaCO3=(1580g* 100g /mol)/(40g/mol)=3950g. Ca2++2HCO3CaCO3+CO2+H2O või Mg2++2HCO3Mg(OH)2+2CO2.
6. Aatomi, elektroni, molekuli, iooni, valemi, mooli, faasi ja süsteemi mõisted Aatom : elemendi väikseim osake, millel säilivad selle elemendi keemilised omadused, koosn pos laenguga tuumast ja seda ümbritsevast elektronkattest. Elektron: neg laenguga (-e) aatomi stabiilne elementaarosake. Molekul: elektriliselt neutraalne , st iseseisvalt eksisteeriv väikseim aine osake, ühe- või erisuguste aatomi tuumade ja elektronide püsiv dünaamiline süsteem, mille sisemised vastasmõjud on suuremad kui vastastikmõjud ümbrusega. Ioon: on elektriliselt laetud osake, mis tekib siis, kui aatom loovutab või liidab ühe või mitu elektroni, et moodust stabiilset väliselektronkihti. Jagunevad ­ katioonid ja anioonid . Valem: on informatsioon ühendi keemilise koostise ja struktuuri kohta, milles kasut elementide keemilisi sümboleid; jagunevad empiirilisteks ja struktuurilisteks. Empiiriline valem näitab aine elementaarkoostist ja elemendi ning elemendi gruppide omavahelist suhet. Struktuurivalem näitab lisaks empiirilisele ka kuidas need on omavahel seotud Mool: (mol) on aine hulga SI ühik, mis sisaldab samapalju struktuuri elemente kui on aatomeid 12 g C-s. Faas: on kahe või rohkema olekuga ainete segu eraldi osa, neid eraldab piirpind . Nt liiva ja vee segu koosneb kahest faasist ­ tahkest faasist (liiv) ja vedelast faasist (vesi). Süsteem: on omavahel seotud vastasmõjus olevate objektide terviklik kogum (suletud, avatud või poolsuletud), nt tasakaalureaktsioonis osalevad ained. Avogadro arvu suurus ja sisu: NA on osakeste arv ühe mooli kohta, mis võrdub 6,02 * l023 mo1-1. Hapete ja aluste teooria, hapete ja aluste tugevuse mõiste: Hape on osake, mis loovutab prootoneid H2SO42H++ SO42 -. Alus on osake, mis liidab prootoneid ja moodust vesi OH- +H+H2O. Kas aine on alus või hape oleneb partnerist, nt CH3COO(a) + H2O(h) = CH3COOH (h) + OH(a); NH4(h) + H2O(a) = H3O(h) + NH3(a). Tugevad happed ja alused on need, millede osakesed dissotseeruvad prootoniteks, hüdroksiidioonideks võimalikult täielikult, (nõrgad happed ­ etaanhape; keskmised ­ fosforhape; tugevad ­ HNO3 , H2SO4, HCl; nõrgad alused ­ ammoniaagi vesilahus , tugevad ­ NaCl). pH tähendab vesinikeksponenti, mis iseloomustab vesinikioonide kontsentratsiooni lahuses. Mida rohkem on lahuses vesinikioone, seda happelisem lahus on; mida rohkem on lahuses hüdroksiidioone, seda aluselisem on lahus. N:Nõrk alus on NH3-vesilahus (pH=10,6), tugev alus on NaOH (pH=14,0), nõrk hape on äädikhape (pH=2,4) ja tugev hape on 3 Keemia ja materjaliõpetus HCl, HNO3 (pH=1,0). Kui a)pH=2,7, siis [H+]=102,7=501mol/l b)kui pH=8,8, siis [H+]=6,3*108mol/l c)kui pH=12,8, siis [H+]=6,3*1012mol/l.
7. Gaasi ja auru mõiste Gaas: aine, mis norm rõhul 1 atm ja toatemp (18-23 °C) on täielikult gaasilises olekus (ainel pole kindlat ruumi ega kuju). Aur: selline aine gaasilises olekus, mille keemistemp on kõrgem kui toatamp nt veeaur (st gaasilises olekus olevad ained, mis tavatingimustes on kas vedelad või tahked, nt vesi (vedel), jood (tahke)). Omadused: l) gaaside võime paisuda ja kokkusurutavus ; 2) gaasidel ei ole kindlat kuju, nad võtavad anuma kuju; 3) gaasi ruumala ühtib anuma ruumalaga, milles ta asub (ruumala sõltub temp ja rõhust); 4) gaas avaldab anuma seintele püsivat rõhku, mis on kõikidele seintele ühesugune, nt P= 101325 Pa = l atm; T= 273,15 K = 0°C; VM= 22,4 l/mol. Gaaside seadused: Boyle -Mariotte- Gay-Lussaci võrrand: PV/T=P1V1/T1, Clapeyroni võrrand: pV=RT. Kriitiline temp: temp, millest kõrgemal ei saa gaasi veeldada rõhu suurendamisega N:CH4 -82°C. Kriitiline rõhk: rõhk, mille korral gaas on nii vedelas kui gaasilises olekus, st vedela ja gaasilise oleku vahel on tasakaal N: CH4- 45,8atm. Reaalgaaside käitumise kõrvale kaldumine ideaalgaaside omast suureneb madalamatel temp ja kõrgetel rõhkudel, mil kaugused molekulide vahel on märksa väiksemad. Osarõhk on niisugune rõhk, mida vaatlusalune segukomponent omaks, kui ta antud temp täidaks üksinda segu koguruumala. Kuna ideaalsete omad. segu komponentide korral on iga komponendi osarõhk Pi=n; RT/V, siis jagades selle seose võrrandiga PV=nRT, saame Pi/P=ni/n=X ehk Pi=XiP. Gaasisegudes: Püld = P1 + P2 + P3 + ... + Pi; nt õhk on gaaside segu (põhikomponendid: N2 ­ 78%, O2 ­ 21%, veeaur, CO2, väärisgaasid ­ 1%). Van der Waalsi valem ­ (P + an2 / V2)(V ­ nb) = nRT kus a on konstant, mis arvestab mõjujõudusid molekulide vahel ning b on konstant, mis arvestab gaasi molekulide omaruumala.
8. Vedeliku mõiste ja üldised omadused. Vedelik: On ained ja materjalid, mis voolavad tavatingimustel raskusjõu mõjul; tekivad gaaside jahutamisel ja kokkusurum ning tahkete ainete külmutam; ei oma kindlat kuju, kuid omab kindlat mahtu. Kokkusurutavus on väga väike, selleks on vaja väga suurt rõhku. Aurumine : Aine üleminek vedelast olekust gaasilisse. Vedelas olekus on kõik osakesed kaootilises liikumises, seega kõigil osakestel teatud kin energia. Osakesed, mille energia ületab piirväärtuse (omavaheline kokkutõmme), lähevad vedeliku pinnalt gaasilisse olekusse. Kui aurude kontsentrats gaasi faasis on konst , siis aurude osarõhku nim küllastunud aururõhuks (Pküll). N: H2O 20°C, siis Pküll = 17.5mmHg. Benseen 26.1 °C, Pküll = 100mmHg. Keemine : Protsess, kus vedeliku osakesed lähevad üle gaasilisse olekusse mitte ainult vedeliku pinnalt, vaid ka vedeliku seest. Vedelik keeb , kui Pküll vedeliku pinnal saab võrdseks välisrõhuga. Puhas vesi keeb 1atm 100°C, kui rõhk on kõrgem, siis kõrgem ka keemistemp. Keemisprotsessi ajal jääb temp samaks. Kondenseerumine : Aine taasüleminekut gaasilisest olekust vedelasse tahke aine pinnal ja saadud vesi on kondensaat . Tahkumine: Vedela oleku muutmine tahkeks aine puhul, mis toatemp-l ja atmosf.rõhul on tahke. Vedelike lenduvus ühel ja samal temp-l sõlt nende vedelike keemistemp ja aurude difusioonikiirusest ümbritsevasse keskkonda. Lenduvusest saab rääkida ainult lahtises süsteemis. Mida madalam on temp, seda suurem lenduvus: bensiin 3.5, tolueen 6.1, atsetoon 2.1. Tahke aine vedelas lahustis: Absol. mittelahustuvaid aineid pole olemas. Rõhk oluliselt mõju ei avalda. Lahustuvus suureneb temp tõustes, kui lahustumisprotsess on endotermiline(H>0). Väheneb temp tõustes, kui lahustumispr on eksotermiline (HFkoh märgav vedelik tõuseb mööda kapillaare üles, tõusu kõrgus on pöördvõrdel. kapillaari raadiusega (H=2/gr) 2) Fadh500µm, tolmmaterjal d