KEMIAA KAIKKIALLA, KE1 Kemia keskeinen luonnontiede... · Heterogeeninen seos veri, pitsa Homogeeninen aine rauta, vesi, ilma Puhdas aine rauta, vesi Homogeeninen seos, liuos ilma

9.8.2016

1

Kemia – keskeinen luonnontiede Ihmisen kemian tietämyksen yhtenä alkuvaiheena voidaan pitää tulen keksimisestä (ruuan lämmitys). Myöhemmin, kuitenkin tuhansia vuosia sitten, osattiin tehdä käymisreaktion avulla viiniä. Kreikkalaiset filosofit pohtivat kaikenlaista maan ja taivaan väliltä, myös aineen koostumusta. Demokritos selitti aineen koostuvan jakamattomista osista, atomeista. Alkemian, eli yrityksen valmistaa kultaa muista metalleista / aineista, kautta keksittiin ja kehitettiin erilaisia kemian työmenetelmiä. Laboratoriotekniikan kehityksen ja tiedon lisääntymisen johdosta löydettiin yhä uusia alkuaineita. Lisäksi olemassa olevaa tietoa alettiin jäsentää ja luokitella, mm. jaksollinen järjestelmä ja kemian eri haarat (epäorgaaninen, orgaaninen, fysikaalinen, nanokemia, vihreä kemia).

KEMIAA KAIKKIALLA, KE1

Kertausta yläasteelta

Lukiossa tavoite on pyrkiä pois tästä Bohrin atomimallista!

9.8.2016

2

116 (121) MAOL

9.8.2016

3

Aine koostuu atomeista KEMIAA KAIKKIALLA, KE1

Lähtökohta: Fysikaalinen maailmankaikkeus koostuu aineesta eli materiasta ja energiasta. Aineella on aina tietty massa ja tilavuus. Kemia ja kemian opiskelu on erilaisten luokittelujen avulla tapahtuvaa tiedon järjestämistä ja jäsentelyä.

Miten aine on rakentunut? 1. Kaikki aine koostuu pienistä rakenneosasista, joita ovat atomi, molekyylit ja ionit. Atomi: Pienin aineen yksikkö on atomi, joka voi esiintyä yksin tai kemiallisessa yhdisteessä muiden atomien kanssa. Atomi rakentuu perusosasista, joita ovat protonit, neutronit ja elektronit. (isotoopit) Molekyyli: Epämetalleista kovalenttisin sidoksin rakentuvia yhdisteitä kutsutaan molekyyleiksi. Kovalenttinen sidos = sidoselektronit yhteisiä. Ionit/ioniyhdisteet: Yksi tai useampi elektroni on siirtynyt atomien / atomiryhmien välillä, jolloin muodostuu sähköisesti varautunut atomi tai atomiryhmä eli ioni. Ionisidos = sidoselektronit ei-yhteisiä.

9.8.2016

4

Aineen rakenneosat

Hila – käsite: Hilaksi sanotaan järjes-telmää, jossa kiinteän ai-neen rakenneosat ovat pakkautuneet säännölli-sesti.

Hiilen isotoopit

Isotooppeja hyödynnetään esimerkiksi vanhojen (arkeologisten) esi-neiden iänmäärityksessä Hiili – 14 ja FY8 – kurssi. Myös lääketiede hyödyntää isotooppeja, esim. syöpätutkimukset tai ns. merkkimole-kyylit (teknetium ja jodi).

9.8.2016

5

2. Rakenneosat sitoutuvat toisiinsa sähköisin vetovoimin. Voimakkuus ja sitoutumistapa vaihtelevat (erilaisia sidoksia), siksi aineilla on eri olomuotoja: kiinteä (solid), neste (liquid) ja kaasu (gas), lisäksi aq=veteen liuennut.

Huom! Kaasu = kaasumainen aine, joka saa- daan nesteeksi vain lämpö- tilaa pienentämällä. Höyry = kaasumainen aine, joka voi- daan tilavuutta pienentä- mällä muuttaa nesteeksi.

9.8.2016

6

3. Rakenneosat koko ajan liikkeessä: etenevä liike, pyöriminen, väräh-tely (symmetrinen tai epäsymmetrinen). Yleensä liike on näiden kaik-kien sekoitusta. Muista, että teoriassa liike atomitasolla lakkaa vasta absoluuttisessa nollapisteessä, n. −273,15℃ = 0 K, jota ei voida saavuttaa !?

4.-5. Rakenneosat törmäävät toisiinsa ja törmäyksissä (jos riittävästi energiaa) tapahtuu kemiallinen reaktio eli aine tai aineet muuttuvat toisiksi aineiksi tai aineeksi.

9.8.2016

7

Puhtaat aineet ja seokset

Määritelmä: Puhdas aine sisältää vain yhtä alkuainetta tai yhdistettä. Esimerkiksi rautatanko sisältää vain 𝐹𝑒-atomeita ja ruokasuola vain 𝑁𝑎𝐶𝑙-ioniyhdistettä ja typpikaasu vain 𝑁2-molekyylejä. Puhtaalle aineelle voidaan kirjoittaa yksiselitteinen kemiallinen kaava.

Vain harva aine on täysin puhdasta. Usein ne ovat sekoittuneet eli muodostaneet seoksen, joka voi olla

- sekakoosteinen eli heterogeeninen seos tai - tasakoosteinen eli homogeeninen aine.

Heterogeenisessa seoksessa voidaan erottaa aineiden välillä yksi tai useampia raja-pintoja, puhutaan faaseista.

Homogeeniset aineet luokitellaan vielä joko puhtaiksi aineiksi tai homogeenisiksi seoksiksi, joita kutsutaan usein liuoksiksi. Tällaisia liuoksia ovat mm. ilma (kaasu), bensiini (neste) ja pronssi (kiinteä).

KEMIAA KAIKKIALLA, KE1

Sekakoosteisissa seoksissa koos-tumus ja ominaisuudet eivät ole samanlaisia kauttaaltaan. Kivessä seoksen puhtaat aineet voidaan todeta silmällä, mutta veressä tai maidossa vasta mik-roskoopin kautta.

9.8.2016

8

Tasakoosteisia aineita: - ilma (pääosin typpi- ja happimo-

lekyylejä, myös hiilidioksidia jne) - Limu (vesi-, sokeri- ja värimole-

kyylejä/ioneita) - Sormus (metallilejeerinki eli me-

talliseos)

Tasakoosteisissa aineissa koostu-mus ja ominaisuudet ovat kaut-taaltaan samanlaisia. Suurin osa tunnetuista puhtaista aineista ovat kemiallisia yhdisteitä.

AINE rauta, veri, pitsa, ilma, vesi

Heterogeeninen seos veri, pitsa

Homogeeninen aine rauta, vesi, ilma

Puhdas aine rauta, vesi

Homogeeninen seos, liuos ilma

Alkuaine rauta

Kemiallinen yhdiste vesi

Onko aine tasakoosteinen?

KYLLÄ EI

Voidaanko aineen rakenneosat erottaa fysikaalisin menetelmin?

KYLLÄ EI

Voidaanko aine hajottaa muiksi aineiksi kemiallisella muutoksella?

KYLLÄ EI

9.8.2016

9

Arvioi seuraavien aineiden ominaisuuksia omien kokemustesi

pohjalta. Mitkä aineista ovat samankaltaisia? Miten aineita voisi

luokitella ominaisuuksien perusteella?

a) vesi b) marmori c) ruokasuola d) sokeri e) posliini

f) kynttilä g) ruokaöljy h) tärpätti i) voi j) jäätelö k) etanoli

l) purukumi m) bensiini n) graniitti

Arvioi seuraavien aineiden ominaisuuksia omien kokemustesi pohjalta. Mitkä aineista

ovat samankaltaisia? Miten aineita voisi luokitella ominaisuuksien perusteella?

a) vesi b) marmori c) ruokasuola d) sokeri e) posliini f) kynttilä g) ruokaöljy

h) tärpätti i) voi j) jäätelö k) etanoli l) purukumi m) bensiini n) graniitti

Ratkaisu

Luokitteluperusteita on olemassa hyvinkin monenlaisia ja ohessa on

eräitä esimerkkejä.

Vesi on kirkas, hajuton neste, joka kiehuu melko helposti.

Etanoli on veden kaltainen ja liukenee veteen, mutta sillä on

ominainen haju.

Marmori on kiinteä, valkoinen, kova ja hauras. Kovia ja hauraita, mutta

erivärisiä ovat myös posliini ja graniitti. Mikään näistä ei liukene

veteen.

Ruokasuola ja sokeri ovat valkoisia jauheita, ja niiden pienet kiteet

murenevat helposti. Ne muistuttavat siis jossain määrin edellisiä.

Molemmat liukenevat veteen. (Ruokasuolan vesiliuos johtaa sähköä,

sokerin ei.) Jatkuu…

9.8.2016

10

Arvioi seuraavien aineiden ominaisuuksia omien kokemustesi pohjalta. Mitkä aineista

ovat samankaltaisia? Miten aineita voisi luokitella ominaisuuksien perusteella?

a) vesi b) marmori c) ruokasuola d) sokeri e) posliini f) kynttilä g) ruokaöljy

h) tärpätti i) voi j) jäätelö k) etanoli l) purukumi m) bensiini n) graniitti

Ratkaisu jatkuu

Ruokaöljy, bensiini ja tärpätti ovat nesteitä, jotka eivät liukene veteen.

Tärpätti ja bensiini ovat herkkäliikkeisempiä kuin ruokaöljy. Ne myös

haisevat eli haihtuvat helposti.

Voi, jäätelö ja kynttilä ovat kiinteitä aineita, jotka pehmenevät läm-

metessään ja sulavat kokonaan melko matalassa lämpötilassa.

Purukumi pehmenee myös lämmetessään, mutta ei muutu täysin

sulaksi. Mikään näistä ei täysin liukene veteen.

Kemian eri mallit – luokittelua tämäkin • Kalotti- ja pallotikkumalli (chemsketch – ilmainen piirto-ohjelma) • Rakennekaavoja • Viivakaava (erityisesti org.kemia) • Molekyylikaava, vertaa kemiallinen kaava (esim. 𝐻2𝑂 tai 𝐶2𝐻6𝑂2) • Varausjakauma eli elektronitiheys TÄRKEÄÄ! Kyseessä on aina malli, joka ei vastaa täysin todellisuutta. Oppi- ja tekstikirjoissa yleisimmin käytetyt värikoodit eri aineille:

HIILI, 𝐶 (musta tai

tumm.harmaa)

VETY, 𝐻 (valkoinen)

HAPPI, 𝑂 (punainen)

RIKKI, 𝑆 (keltainen)

TYPPI, 𝑁 (vaal.sin.) KLOORI, 𝐶𝑙 (sammaleen vihreä)

BOORI, 𝐵 (tumm.sin.) BROMI, 𝐵𝑟 (ruskea)

FOSFORI, 𝑃 (oranssi) FLUORI, 𝐹 (tumman vihreä)

JODI, 𝐼 (kullan värinen) METALLI (𝑑-lohko, vihreä)

9.8.2016

11

Etikkahapon erilaisia malleja

Etikkahapon erilaisia malleja

9.8.2016

12

Molekyylikaava ilmaisee molekyylissä olevien ato-mien todellisen lukumää-rän, esimerkiksi 𝐶3𝐻6𝑂 2 = 𝐶6𝐻12𝑂2.

Suhdekaava eli empiirinen kaava on yksinkertaisin kemiallinen kaava, joka ilmoittaa yhdisteessä olevien alkuaineiden keskinäiset suhteet, mutta ei atomien todellista luku-määrää, esimerkiksi 𝐶3𝐻6𝑂.

Kemiallinen kaava (tai vain kaava) on kemiallisten merkkien ja alaindeksien kokoelma, joka kuvaa aineiden koos-tumuksen, esimerkiksi vetykaasu 𝐻2.

Kemiallinen merkki on lyhyt, latinalaisia aakkosia käyttävä merkintätapa alku-aineille, esim. 𝐻 tarkoittaa vetyä.

Kaavayksikkö on ioni-yhdisteen kaavan ilmoit-tama pienin määrä tätä yhdistettä, esimerkiksi

𝐶𝑎𝐶𝑙2

Rakennekaava ilmaisee miten molekyylin atomit ovat sitoutuneet toisiinsa ja kuvaa molekyylin avaruus-rakenteen.

𝐶

𝐶

𝐻

𝑂

𝐻

𝐻

𝐻

Kemiallinen merkki ja kemiallinen kaava

Empiirinen kaava eli suhdekaava (moolisuhteet)

Molekyylikaava, molekyylit

Kaavayksikkö, ioniyhdisteet

Rakennekaavat

9.8.2016

13

ATOMI 1. Atomin päärakenneosat ovat elektronit, protonit ja neutronit.

2. Positiivisesti varautuneet protonit ja varauksettomat neutronit muodostavat atomin ytimen.

3. Negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät ydintä muodostaen elektroniverhon. Sen rakenne määrää atomin kemialliset ominai-suudet.

• Atomin ytimessä olevien protonien lukumäärää sanotaan ytimen protoniluvuksi eli järjestysluvuksi, Z.

• Protoneista ja neutroneista käytetään yhteisnimeä nukleonit ja nii-den yhteistä lukumäärää sanotaan atomin massaluvuksi, A.

Esimerkki

9.8.2016

14

Ratkaisu

Saman alkuaineen atomeilla on sama järjestysluku.

Samoja ovat: ja sekä ja 69

34Q

72

34Q 69

33Q 68

33Q

Ratkaisu

Yhtä monta neutronia on :lla ja :lla. Neutronien

lukumäärä lasketaan massaluvun ja järjestysluvun

erotuksena eli atomeissa on neutroneja seuraavasti:

69

34Q

68

33Q

• Vedyllä on kolme isotooppia:

9.8.2016

15

• Atomien massat ovat suuruusluokkaa 1 · 10−24 − 5 · 10−22 g.

• Koska laskeminen näin pienillä luvuilla on hankalaa, käyttöön on otettu atomimassayksikkö, u.

• Vuonna 1960 sovittiin, että hiili-12-isotoopin, , massa on tasan 12 u. Huomaa sana ”sovittiin”.

• Lähes kaikki luonnossa esiintyvät alkuaineet ovat isotooppiseoksia.

• Tämä on huomioitu taulukkojen atomimassoissa.

Esimerkiksi hiilen atomimassa on 12,01 u ja vedyn 1,008 u.

• MAOLsta löytyy fysiikan puolelta kaikkien alkuaineiden eri isotooppien atomimassat. Sivu 104 alkaen (uusin MAOL).

ATOMIMASSA

ATOMIN ELEKTRONIVERHO

9.8.2016

16

Ulkoelektronit ja oktettisääntö

• Alkuaineen korkeimmalla energiatasolla olevia elektroneja sanotaan ulkoelektroneiksi eli valenssielektroneiksi.

• Ne määräävät atomin kemialliset ominaisuudet, kuten reaktiokyvyn ja sen, missä suhteissa atomit liittyvät toisiinsa.

• Elektronikaavassa esitetään atomin ulkoelektroneja.

Yksi piste tarkoittaa yhtä elektronia, viiva elektroniparia.

• Täyttä kahdeksan ulkoelektronin joukkoa kutsutaan oktetiksi.

• Se on kemiallisesti hyvin pysyvä eli matalaenerginen elektroni-rakenne.

Jalokaasuilla, heliumia lukuun ottamatta, on tällainen elek- tronirakenne.

• Myös muut alkuaineet pyrkivät reaktioissaan saavuttamaan mah-dollisimman pysyvän elektronirakenteen joko luovuttamalla tai vastaanottamalla elektroneja tai muodostamalla yhteisiä elektro-nipareja.

• Tätä pyrkimystä kahdeksaan ulkoelektroniin sanotaan oktetti-säännöksi.

9.8.2016

17

H

B Li C N O F

He

Ne

Jaksollinen järjestelmä: ryhmät ja jaksot

Tarkastellaan tämänpäiväistä jaksollista järjestelmää monesta eri näkö-kulmasta. Perusjako on: metallit, puolimetallit, epämetallit ja jalokaasut.

RYHMÄT OVAT SARAKKEITA JAKSOT OVAT RIVEJÄ

Monet alkuaineiden ominaisuuksista muuttuvat säännöllisesti siirryttäessä vasemmalta oikealle tai ylhäältä alas. Esimerkiksi metallisuus.

l a n t a n o i d i t

a k t i n o i d i t

metallit puolimetallit epämetallit

järjestysluku nimi kemiallinen merkki atomimassa=moolimassa (lukuarvo)

11 natrium

Na 22,99

Harvinaiset maametallit

Radioaktiiviset alkuaineet

9.8.2016

18

9.8.2016

19

Käsitteitä:

Kemiallinen muutos tarkoittaa aineen muuttumista toiseksi aineeksi.

Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineessa tapahtuu koostumuk-sen ja/tai rakenteen muutos; lähtöaineista syntyy reaktiotuotteita (atomien ja molekyylien elektronijakaumat muuttuvat ja yleensä si-doksia syntyy tai katkeaa). Esim. palaminen on kemiallinen reaktio.

Aineiden kemiallisia ominaisuuksia: - amfoteerisuus (aine voi toimia happona tai emäksenä) - elektronegatiivisuus (aineen kyky vetää elektroneja puoleensa) - poolisuus/poolittomuus (onko sidoselektronit tasaisesti vai ei) - moolitilavuus - hygroskooppisuus (aineen vedensitomiskyky) - palaminen, kylläisyys, liukoisuus, polymeroituminen, jne…

Fysikaalisessa muutoksessa aine ei muutu toiseksi aineeksi. Fysikaalisia muutoksia ovat mm. olomuodon muutokset ja liukenemi-nen.

Aineiden fysikaalisia ominaisuuksia: - olomuodot (vesi on vettä jäänä, vetenä tai vesihöyrynä) - väri - kovuus - tiheys jne…

Nämä ominaisuudet ja niiden muutokset voidaan havaita ja mitata aineen koostumuksen muuttumatta.