Tehtävä C2 kemian yo-kokeessa: Erityispiirteet ja sudenkuopat

tehtävä C2:een YGE:n kemiassa. Ominaispiirteet ja sudenkuopat
Artikkelin tekijä — ammattimainen yksityisopettaja O. V. Ovchinnikova.
Tehtävän C2 ehto YGE:n kemiassa — teksti, joka kuvaa kokeellisten toimenpiteiden järjestystä. Tämä teksti tulee muuntaa reaktiokertoimin esitettyihin reaktiovakioihin.
Tällaisen tehtävän vaikeus on siinä, että oppilaat eivät hahmota kokeellista, ei ”paperikemiaa”. Kaikki eivät ymmärrä käytettyjä termejä ja tapahtuvia prosesseja. Yritetään selventää.
Usein käsitteet, jotka kemistille näyttäytyvät täysin selkeinä, ymmärretään hakijoiden toimesta väärin. Tässä lyhyt sanasto näistä käsitteistä.
Sanasto epäselville termeille.
Annospala — yksinkertaisesti tietty määrä ainetta tiettyä massaa (sen on punnittu vaa’alla). Sillä ei ole mitään tekemistä kuistin katoksen (ruots. “tak över veranda”) kanssa :-)
Kuumentaa kuumentamalla (engl. “to calcine”) — lämmittää ainetta korkeaan lämpötilaan ja pitää sitä siinä niin kauan, että kemialliset reaktiot tapahtuvat loppuun. Tämä ei tarkoita “sekoittamista kaliumin kanssa” eikä “läpilyöntiä naulalla”.
” Räjäyttää kaasuseos” — tarkoittaa, että aineet reagoivat räjähdyksellä. Tavallisesti käytetään sähköistä kipinää. Koekappale tai astia ei kuitenkaan räjähdä!
Suodattaa — erottaa saostuman liuoksesta.
Prosuodatointi — antaa liuoksen kulkea suodattimen läpi, jotta saostuma erotetaan.
Filtraatti — tämä on prosuodatettu liuos.
Aineen liukeneminen — aineen siirtyminen liuokseen. Se voi tapahtua ilman kemiallisia reaktioita (esimerkiksi kun NaCl liukenee veteen, syntyy yksinkertaisesti NaCl‑liuosta, ei happoa ja emästä erikseen), tai liuennossa aine reagoi veden kanssa ja muodostaa toisen aineen liuoksen (oksidi bariumin liuennossa syntyy bariumin hydroksidi). Aineita voi liuottaa ei vain veteen, vaan myös happoihin, emäksiin jne.
Haihdutus — veden ja haihtuvien aineiden poistaminen liuoksesta ilman liuoksessa olevien kiinteiden aineiden hajoamista.
Kiehautus vähentämällä vesimäärää (engl. “evaporation”) — yksinkertaisesti veden massan vähentäminen liuoksessa keittämällä.
Sulattaminen (engl. “fusion” / “smelting”) — kahden tai useamman kiinteän aineen yhteislämmittäminen sellaiseen lämpötilaan, että ne sulavat ja reagoivat keskenään. Ei ole mitään tekemistä joella “soutelun” kanssa :-)
Saostuma ja jäännös. Usein näitä termejä sekoitetaan, vaikka ne ovat täysin eri käsitteitä.
“Reaktio tapahtuu saostuman muodostuessa” — tarkoittaa, että yksi reaktiotuote on huonosti liukoinen aine. Tällaiset aineet laskeutuvat reaktiolaitteen pohjalle (koeputki tai kolbi).
“Jäännös” — aine, joka on jäljellä, ei ole kulunut loppuun tai ei ole reagoinut lainkaan. Esimerkiksi, jos metalliseosta käsitellään hapolla ja yksi metalli ei reagoi — sitä voidaan kutsua jäännökseksi.
Täydellinen liuos — liuos, jossa annetussa lämpötilassa aineen konsentraatio on maksimaalinen eikä enempää liukene.
Ei‑täydellinen liuos — liuos, jonka aineen konsentraatio ei ole maksimaalinen; tällaiseen liuokseen voidaan vielä liuottaa jonkin verran kyseistä ainetta, kunnes siitä tulee kylläinen.
Laimennettu ja “erittäin” laimennettu liuos — nämä ovat hyvin subjektiivisia käsitteitä, ennemmin laadullisia kuin määrällisiä. Oletetaan, että aineen konsentraatio on pieni.
Happojen ja emästen suhteen käytetään myös termiä ”konsentroiduttu” liuos. Tämäkin on ehdollinen määritelmä. Esimerkiksi konsentroidun suolahapon konsentraatio on vain noin 40 %, ja konsentroidun rikkihapon tarkoitetaan olevan vedetöntä, 100‑%:sta happoa.
Tehtävien ratkaisemiseksi on tarkasti tunnettava suurimman osan metallien, ei‑metallien ja niiden yhdisteiden ominaisuudet: oksidit, hydroksidit, suolat. On tarpeen kerrata typpihapon ja rikkihapon ominaisuudet, kaliumpermanganaatin ja dikromaattien ominaisuudet, erilaisten yhdisteiden hapetus‑pelkistysominaisuudet, elektrolyysi liuoksissa ja sulissa aineissa, yhdisteiden hajoamisreaktiot eri luokista, amfoterisuus, suolojen hydrolyysi ja kahden suolan vastavuoroinen hydrolyysi.
Lisäksi on oltava käsitys monien tutkittujen aineiden väristä ja olomuodosta — metalleista, ei‑metalleista, oksideista, suoloista.
Juuri siksi käsittelemme tämän tyyppisiä tehtäviä vasta yleisen ja epäorgaanisen kemian opiskelun lopussa. Tarkastellaan muutamia esimerkkejä tällaisista tehtävistä.

Nitridien reaktiokäsittelyssä veden kanssa muodostuu ammoniakki:

Ammoniakki reagoi happojen kanssa muodostaen keskisoluja ja happamia suoloja. Tekstissä ilmaus “kunnes kemialliset reaktiot lakkaavat” tarkoittaa, että muodostuu keskimääräinen suola, koska alun perin syntynyt hapan suola edelleen reagoi ammoniakin kanssa ja lopulta liuoksessa on ammoniumsulfaattia:

Ammoniumsulfaatin ja bariumin kloridin välinen vaihtoreaktio tuottaa bariumsulfaattisaostuman:

Saostuman poiston jälkeen filtraatti sisältää ammoniumkloridia, jonka reagoidessa natriumnitriittiliuoksen kanssa vapautuu typpeä; tämä reaktio tapahtuu 85 °C:ssa:

Kun alumiumnitraattiliuokseen lisätään natriumkarbonaattia, tapahtuu vastavuoroinen hydrolyysi (alumiini‑karbonaattia ei ole vesiliuoksessa), joten alumiinikatjoni ja karbonaatti‑anioni reagoivat veden kanssa. Muodostuu alumiinihydroksidisaostuma ja vapautuu hiilidioksidia:

Saostuma — alumiinihydroksidi — kuumennettaessa hajoaa oksidiksi ja vedeksi:
Liuoksessa jää natriumnitraatti. Sen sulatuksessa ammoniumsuolojen kanssa tapahtuu hapetus‑pelkistysreaktio ja vapautuu typen oksidi (I) (vastaava prosessi tapahtuu ammoniumnitraatin kuumennuksessa):

Typpioksidi (I) on aktiivinen hapetin, reagoi pelkistimien kanssa muodostaen typpeä:

Natriumaluminaatti liuenneena muodostaa hydroksokompleksin:

Hydroksokompleksiliuokset reagoivat happojen ja happo‑oksidien kanssa liuoksessa muodostaen suoloja. Kuitenkin rikki(IV)suolan alumiinisuola ei voi esiintyä vesiliuoksessa, joten saostuma alumiinihydroksidina muodostuu:

Kaliumhydrosulfiitti on pelkistin ja hapettuu bromivedessä hydrosulfaattiksi:

Saadussa liuoksessa on kaliumhydrosulfaattia ja bromivetyhappoa. Emästä lisättäessä on otettava huomioon kummankin aineen reaktio:
Esimerkki 4: Sinkkisulfiidi käsiteltiin suolahapon liuoksella. Saadusta kaasusta johdettiin liuos natriumhydroksidin ylimäärän läpi, sitten lisättiin rautakloridi(II): Saostuma poltettiin. Saadusta kaasu sekoitettiin hapen kanssa ja johdettiin katalyytin yli.
Ratkaisu:
Sinkkisulfiidi reagoi suolahapon kanssa muodostaen vety‑rikkivedyn:

Vety‑rikkivedyssä vesiliuoksessa reagoi emästen kanssa muodostaen happamia ja keskisoluja. Koska tehtävässä mainitaan natriumhydroksidin ylimäärä, muodostuu keskimääräinen suola — natriumsulfiidi:

Natriumsulfiidi reagoi rauta(II)kloridin kanssa tuottaen rauta(II)sulfiidisaostuman:

Poltto (engl. “calcination” tai “roasting”) — kiinteiden aineiden reaktiota hapen kanssa korkeassa lämpötilassa, jolloin sulfideista vapautuu rikkioksidikaasua ja muodostuu rauta(III)oksidia:

Rikkioksidikaasu reagoi hapen kanssa katalyytin vaikutuksesta muodostaen rikkidioksidia:
Esimerkki 5: Piidioksidi kuumennettiin suurissa magnesiummäärissä. Saadulle seokselle johdettiin vesi. Vapautunut kaasu poltettiin hapessa. Kiinteä palamistuote liuotettiin konsentroituun cesiumhydroksidiliuokseen. Saadulle liuokselle lisättiin suolahappoa.
Ratkaisu:
Magnesium pelkistää piidioksidia muodostaen piin, joka reagoi ylimääräisen magnesiumin kanssa muodostaen magnesium‑silikidin:

Ylimääräisen magnesiumin tapauksessa voidaan kirjoittaa kokonaisyhtälö reaktiolle:

Kun saatu seos liuotetaan veteen, magnesium‑silikidi liukenee muodostaen magnesiumhydroksidia ja silaania (magnesiumoksidi reagoi veden kanssa vain keitettäessä):

Silaani palaa muodostaen piidioksidia:

Piidioksidi — happo‑oksidi — reagoi emästen kanssa muodostaen silikaatteja:

Kun silikaattien liuoksiin vaikuttaa happo, joka on vahvempi kuin piihappo, se erottuu saostumana:
C2‑tehtävät YGE:n kemiassa itsenäiseen työskentelyyn.
Kuparinitraattia kuumennettiin, saatu kiinteä saostuma liuotettiin rikkihappoon. Liuoksen läpi johdettiin vety‑rikkivetyä, saatu musta saostuma poltettiin, ja kiinteä jäännös liuotettiin kuumentamalla konsentroituneeseen typpihappoon.
Kalsiumfosfaatti sulatettiin hiilen ja hiekan kanssa, sitten saatu aine poltettiin ylimääräisessä hapessa, palamistuote liuotettiin ylimääräiseen natriumhydroksidiin. Saadulle liuokselle lisättiin bariumsulfaattia liuosteena. Saatu saostuma käsiteltiin ylimääräisellä fosforihapolla.
Kupari liuotettiin konsentroituun typpihappoon, saatu kaasu sekoitettiin hapen kanssa ja liuotettiin veteen. Saadussa liuoksessa liuotettiin sinkkioksidi, sitten lisättiin suurta määrää natriumhydroksidiliuosta.
Kuiva natriumkloridi vaikutti konsentroidulla rikkihapolla kevyesti kuumennettuna; syntyvä kaasu johdettiin bariumsulfaatin liuokseen. Saadulle liuokselle lisättiin kaliumsulfaattia liuoksena. Saostuma sulatettiin hiilen kanssa. Saatu aine käsiteltiin suolahapolla.
Alumiinisulfidin annospala käsiteltiin suolahapon liuoksella. Vapautunut kaasu johdettiin läpin ammoniakkiliuoksen, ja kaasu johdettiin lyijynitraattiliuoksen läpi. Syntynyt saostuma käsiteltiin vetyperoksidiliuoksella.

tai

tai

tai

or

or

or

or

or

or