YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

Transkriptio

1 YLEINEN KEMIA Yleinen kemia käsittelee kemian perusasioita kuten aineen rakennetta, alkuaineiden jaksollista järjestelmää, kemian peruskäsitteitä ja kemiallisia reaktioita. Alkuaineet Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista. Alkuaineita ovat mm. vety, happi, typpi, rauta, kupari, hiili, sinkki, kalsium, fosfori, uraani, kulta, hopea jne. Ihmisessä on lähes kaikkia alkuaineita. Eniten happea. Alkuaineita on yhteensä hieman yli 100 kpl. Nykykäsityksen mukaan alkuaineet ja koko maailman kaikkeus ovat muodostuneet alkuräjähdyksen jälkeen joka on tapahtunut 13,7 miljardia vuotta sitten. Maailmankaikkeuden alkuaineet ovat lähtöisin alkuräjähdyksen jälkeen syntyneistä tähdistä, niiden ydinreaktioissa syntyvistä aineista ja tähtien räjähdyksistä kun niiden elinkaari on päättynyt. Ilman muinaisuudessa tapahtuneiden tähtien supernovaräjähdysten synnyttämiä alkuaineita ei kaikkia alkuaineita eikä ihmisiäkään olisi olemassa. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa Alkuaineiden yleisyydellä maailmassa on hyvin suuria eroja. Yleisin aine maailmankaikkeudessa on vety jota on eniten tähdissä kuten myös auringossa. Jotkut alkuaineet ovat hyvin harvinaisia. Esim. astatiinia ( At ) on arvioitu olevan maapallolla vain 30 g. Alkuaineet eivät voi muuttua toisiksi alkuaineiksi. Ainoastaan epävakaat radioaktiiviset aineet voivat ydinreaktioiden kautta muuttua muiksi alkuaineiksi, esim. uraani radoniksi. Alkuaineet koostuvat atomeista Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu atomeista. Alkuaine voi koostua ainoastaan yhden alkuaineen atomeista, kuten esimerkiksi hopeasta. Atomin rakenne Atomi koostuu ytimestä ja ydintä kiertävästä elektroniverhosta. Ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Kuva 2. Atomin rakenne Kuva 1. Supernovaräjähdys

2 Atomit ovat kooltaan hyvin pieniä. Atomin kokoon vaikuttaa sen protonien ja elektronien määrä.kun atomin halkaisija on n. 0, m ( 0.1 nm ). niin atomin ytimen halkaisija on n. 0, m ja protonin halkaisija on n. 0, m. Koska atomin halkaisija on kertaa suurempi kuin ytimen halkaisija niin atomit ovat melkein kokonaan tyhjää ainetta. Aikaisemmin atomin osia pidettiin jakamattomina. Nykytietämyksen mukaan protonit ja neutronit koostuvat pienemmistä osista kuten kvarkeista ja leptoneista. Atomien osien rakennetta ei ole kokonaan voitu ratkaista. Joitakin atomin osia epäillään olevan olemassa muuta niitä ei ole koettu löytämään tieteen keinoin. Etsintää jatketaan mm. CERN:n hiukkaskiihdyttimellä, joka on maailman suurin laite. Atomin osat Protoni Protonit ovat varaukseltaan positiivisia ja ne sijaitsevat atomien ytimissä. Protonien lukumäärä määrää sen mitä alkuainetta atomi on. Esim.1. Hapella on yleensä 8 neutronia, mutta joillakin happiatomeilla vain 7. Neutronit vaikuttavat alkuaineen massaan. Muilta osin niillä ei ole käytännön kemian kannalta juuri merkitystä. Atomimassa Kaikella aineella on massa, eli ne painavat jotain. Kaikilla alkuaineiden atomeilla on toisiinsa nähden eri massa. Koska yksittäisen atomin massa on hyvin pieni, on otettu käyttöön suhteellinen atomimassa. Suhteellinen atomimassa vertaa ihmisen määrittelemässä suhteessa eri alkuaineiden atomien massoja toisiinsa nähden. Suhteellinen atomimassa Alkuaineen suhteellinen atomimassa ilmoitetaan yleensä jaksollisessa järjestelmässä alempana lukuna. Sen yksikkö on g ja tunnus M. Litiumin ( Li ) suhteellinen atomimassa on 6,94 g ja Lyijyn ( Pb ) 207,2 g/mol. Kuva 3. Atomin suhteellinen atomimassa lukuna Elektroni Elektronit kiertävät atomin ydintä omilla radoillaan. Niiden varaus on negatiivinen ja yhtä suuri kuin protonin positiivinen varaus. Kemiallisissa reaktioissa atomit luovuttavat tai vastaanottavat elektroneja. Neutronit Neutronit sijaitsevat atomin ytimessä yhdessä protonien kanssa. Neutronit ovat varauksettomia. Neutronien määrä voi vaihdella samalla alkuaineella. Tällöin puhutaan aineen eri isotoopeista Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Osa alkuaineista on löydetty ja niitä on käytetty hyväksi jo vuosituhansia sitten kuten esim. kuparia. Osa taas on löydetty vasta 1900-luvulla.Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän on luonut Dimitri Mendelev 1869.

3 Järjestelmän alkuvaiheessa kaikkia aineita ei oltu löydetty, mutta niiden tiedettiin olevan olemassa. Kuva 4. Dimitri Mendelev Jaksot ilmoittavat montako elektronikehää atomilla on. Jaksot ovat pystyriveillä. Jaksoilla ei ole suurta merkitystä käytännön kemian kannalta. Vetyatomilla on yksi protoni ja yksi elektroni. Sen järjestysluku on yksi. Beryllium-atomilla on neljä protonia ja elektronia sekä viisi neutronia. Sen järjestysluku on neljä. Kuva 6. Vety- ja berylliumatomien rakenneosat Alkuaineiden jaksollisesta järjestelmästä on olemassa monta toisistaan hieman poikkeavaa esitystapaa. Ryhmät ilmoittavat montako ulkoelektronia aineella on. Esimerkiksi hiilellä on neljä ulkoelektronia ja rikillä kuusi. Samaan ryhmään kuuluvilla aineilla on keskenään samankaltaisia ominaisuuksia. Ryhmät ilmoitetaan usein Roomalaisilla numeroilla Kuva 5. Ryhmät ja jaksot jaksollisessa järjestelmässä Ryhmän 1 alkuaineita kutsutaan alkalimetalleiksi.ryhmän 2 alkuaineita kutsutaan maa-alkalimetalleiksi Ryhmän 8 alkuaineita kutsutaan jalokaasuiksi.ryhmien 2 ja 3 välille jäävät alkuaineet ovat metalleja. Lantanoidit ovat harvinaisia maametalleja Aktinoidit ovat radioaktiivisia aineita. Monet niistä eivät ole pysyviä. Molekyyli Atomi sisältää vain yhden yksittäisen atomin. Molekyyli muodostuu useammasta atomista. Esim. 2. Happi atomina on ( O ), mutta ilmassa olevana kaasuna molekyylinä ( O 2 ). Kun molekyyli koostuu useammasta alkuaineesta on se yhdiste. Esim.3. Hiilidioksidi ( CO 2 ) on sekä molekyyli että yhdiste.

4 Aineet ovat olemassa joko alkuaineina, molekyyleinä tai yhdisteinä. Molekyyli Molekyylissä atomeja on liittynyt toisiinsa kemiallisten sidosten avulla. Molekyyli voi sisältää yhtä tai hyvinkin montaa alkuainetta. Esim. typpikaasu koostuu kahdesta typpiatomista ( N 2 ) Liuotinaineena käytettävä ksyleeni ( C 8 H 12 ) taas koostuu kahdeksasta hiilestä ja kahdestatoista vedystä. Molekyylimassa Atomimassalla tarkoitetaan yksittäisen atomin massaa ja molekyylimassalla molekyylin atomien massaa yhteenlaskettuna. Esim. 4. Hiilimonoksidin ( CO ) molekyylimassa saadaan laskemalla yhteen hiilen ( C ) ja hapen ( O ) atomimassat, jolloin saadaan: M CO 12,001g 15,999g 28,01g Alkuaineen osuus yhdisteessä Alkuaineen massaosuus yhdisteestä lasketaan seuraavasti: b A M r R missä; = alkuaineen massaosuus Ar = alkuaineen atomimassa M R = yhdisteen molekyylimassa Esim. 5. Mikä on kuparin ( Cu ) massaosuus kuparisulfaatista ( CuSO 4 )? b 63,5g 159,5g Ainemäärä Ainemäärä on kemian keskeisin suure. Ainemäärän yksikkö on mooli. Se on yksi seitsemästä perussuureesta. Muita ovat pituus, massa, aika, sähkövirta, lämpötila ja valovoima. Ainemäärä kuvaa itse asiassa atomien kappalemäärää kuten esim. luku tusina. Moolissa on atomeja 6, kappaletta eli Kemialliset reaktiot tapahtuvat moolisuhteissa, eivät massasuhteissa. Esim.6. Jos natrium reagoi kloorin kanssa muodostaen natriumkloridia tarvitaan molempia alkuaineita samaa moolimäärä: Na + Cl NaCl 1 mol + 1 mol 1 mol ; tai 23,5 mol + 23,5 mol 23,5 mol 0,398 Koska ei ole olemassa mittalaitetta joka voisi mitata aineen moolimääriä tarvitaan kemiassa ainemäärän laskentaa.

5 Ainemäärän laskeminen Ainemäärä voidaan laskea kaavalla: missä n m M n = ainemäärä ( yksikkö mol ) m = aineen massa ( yksikkö gramma ) M = molekyylimassa ( yksikkö g/mol ) Ainemääriä laskettaessa yleensä tiedetään aineen määrä joko mooleina tai grammoina. Yleensä grammamäärät muutetaan moolimääriksi tai päinvastoin. Aineen molekyylimassa voidaan aina laskea jos tiedetään mistä aineesta on kyse. Esimerkiksi hiilen määrä tiedetään grammoina ( 240 g) ja sen määrä halutaan tietää mooleina. Moolimäärä saadaan laskettua seuraavasti: 240g n C 20mol 12g Jos ainemäärä mooleina tiedetään ja se halutaan muuttaa grammoiksi käytetään laskukaavaa: m nm Esim. 7. Mikä on viidenkymmenen kultamoolin ( Au ) massa? m Au 9850g 50mol 197g Konsentraatio Konsentraatio ilmaisee liuoksen "väkevyyttä". Sen suuretunnus on c ja yksikkö mol / dm 3.Konsentraatio ei ole sama asia kuin pitoisuus, jota usein käytetään yksikkönä erilaisissa liuoksissa. Esim. 8. Mikä on veden natriumkloridipitoisuus kun viiteen litraan 20g 5l 4g vettä on liuotettu 20 g natriumkloridia? Veden natriumkloridikonsentraatio samassa tilanteessa on: c 20g 58,44g 5l 0,068mol Konsentraatio saadaan jakamalla pitoisuus aineen molekyylimassalla. Esim. 9. Mikä on veden NaOH-konsentraatio kun sen pitoisuus on 80 g? 80g c 2mol 40g Vastaavasti pitoisuus saadaan kertomalla konsentraatio aineen molekyylimassalla ( käänteinen laskutoimitus ).

6 Esim.10. Mikä on veden typpihappopitoisuus kun sen konsentraatio on 2,2 mol? 2,2mol 63g 138,6g Esim.11. Paljonko viiteen litraan vettä on lisättävä kiinteää natriumhydroksidia jotta sen konsentraatioksi tulisi 2 mol/l? Yhdisteet koostuvat kahdesta tai useammasta alkuaineesta jotka ovat liittyneet yhteen kemiallisten reaktioiden kautta. Esimerkiksi etanoli on hiilen, vedyn ja hapen muodostama yhdiste. Rautaoksidi taas raudan, veden ja hapen yhdiste. Kuva 8. Vasemalla etanolin rakennekaava, oikealla rautaoksidia jauheena M Nacl = 58,44 g/mol n Nacl = 2mol/l 5 l = 10 mol m NaCl =10 mol 58,44g/mol = 584g Konsentraatiota laskettaessa on huomattava että nesteen määrä on muutettava aina yksikköön dm 3 joka on yksikkönä yhtä suuri kuin litra. NESTEMÄÄRÄTLITROINA ( dm 3 ) 1 dm 3 = 1 litra 1 cl = 0,01 litraa 1 ml = 0,001litraa 1 cm 3 = 0,001 litraa 1 mm 3 = 0,000001itraa 1 m 3 = 1000 litraa Aine voi olla myös alkuaineiden seos. Jos aine koostuu eri alkuaineiden seoksesta eivät alkuaineet ole reagoineet keskenään. Esimerkiksi valurauta on raudan, hiilen ja monien muiden alkuaineiden seos, missä alkuaineet ovat erillään toisistaan, mutta kuitenkin yhdessä samassa materiaalissa. Messinki taas on kuparin ja sinkin seos. Kuva 9. Valurautapannu ja messinkikahva Aineiden koostumus Kuva 7. Aineiden koostumus Kemialliset reaktiot Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi. Kemiallisessa reaktiossa ei koskaan häviä ainetta vaan reagoivat aineet muuttavat muotoaan

7 Esim. tulitikun palaessa puussa olevat alkuaineet hiili, happi ja vety reagoivat ilman hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia ja vesihöyryä. Kuva 10. Tulitikun palaessa tapahtuu kemiallisia reaktioita Kemiallisissa reaktiossa aineiden uloimmat elektronit muuttavat paikkaansa ja saavat aikaan kemiallisen reaktion. Kemiallisissa reaktioissa syntyy usein yhdisteitä, mutta aine voi myös pilkkoutua pienempiin osiin. Kemiallisissa reaktioissa muodostuu elektronien paikkamuutosten kautta sidoksia jotka voivat olla ionisidoksia, kovalenttisia sidoksia tai metallisidoksia. Eri lailla muodostuneet yhdisteet poikkeavat ominaisuuksiltaan selvästi toisistaan. Kun kemiallinen reaktio vaatii edetäkseen lämpöä sanotaan sitä endotermiseksi. Tällöin lopputuotteeseen on sitoutunut lämpöä. Endoterminen reaktio ei etene ellei siihen tuoda kokoajan lisää lämpöä. Esim. puun kasvu on endoterminen reaktio jossa auringosta saatu energia saa puun kasvamaan yhteyttämisen kautta. Puumassaan sitoutuu energiaa. Endotermisen reaktion lopputuotteiden kokonaisenergia on suurempi kuin alkutuotteiden. Esim. puun poltto on eksoterminen reaktio jossa vapautuu lämpöä. Eksotermiset reaktiot eivät tarvitse lämpöä edetäkseen vaan ne voivat edetä itsekseen kun pääsevät alulle. Eksotermisen reaktion lopputuotteiden kokonaisenergia on matalampi kuin alkutuotteiden. Eksotermisiä reaktioita ovat mm. - 2-komponenttimaalien ja kittien kovettuminen - Betonin kovettuminen - Kipsin kovettuminen - Polttoaineiden poltto - Räjähdys aineen räjähtäminen - Ruuan pilaantuminen - Teräksen ruostuminen Kemiallisten reaktioiden nopeus Kemiallisten reaktioiden reaktionopeus vaihtelee hyvin nopeasta hyvin hitaaseen. Esim. räjähdysaine muuttuu palokaasuiksi millisekunneissa kun taas teräksen ruostuminen voi kestää vuosikymmeniä. Reaktionopeuteen vaikuttavat aineiden reaktiivisuus ja lämpötila. Hyvin usein kemiallisten reaktioiden nopeus kaksinkertaistuu kun lämpötila nousee kymmenen astetta. Kun kemiallinen reaktio luovuttaa lämpöä sanotaan sitä eksotermiseksi.