Kemia keskeinen luonnontiede

Transkriptio

1 KEMIAA KAIKKIALLA, KE1 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). Kertausta yläasteelta Lukiossa tavoite on pyrkiä pois tästä Bohrin atomimallista! 1

2 116 (121) MAOL 2

3 KEMIAA KAIKKIALLA, KE1 Aine koostuu atomeista 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. 3

4 Aineen rakenneosat Hila käsite: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti. Hiilen isotoopit Isotooppeja hyödynnetään esimerkiksi vanhojen (arkeologisten) esineiden iänmäärityksessä Hiili 14 ja FY8 kurssi. Myös lääketiede hyödyntää isotooppeja, esim. syöpätutkimukset tai ns. merkkimolekyylit (teknetium ja jodi). 4

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 saadaan nesteeksi vain lämpötilaa pienentämällä. Höyry = kaasumainen aine, joka voidaan tilavuutta pienentämällä muuttaa nesteeksi. 5

6 3. Rakenneosat koko ajan liikkeessä: etenevä liike, pyöriminen, värähtely (symmetrinen tai epäsymmetrinen). Yleensä liike on näiden kaikkien sekoitusta. Muista, että teoriassa liike atomitasolla lakkaa vasta absoluuttisessa nollapisteessä, n. 273,15 = 0 K, jota ei voida saavuttaa!? Rakenneosat törmäävät toisiinsa ja törmäyksissä (jos riittävästi energiaa) tapahtuu kemiallinen reaktio eli aine tai aineet muuttuvat toisiksi aineiksi tai aineeksi. 6

7 Puhtaat aineet ja seokset KEMIAA KAIKKIALLA, KE1 Määritelmä: Puhdas aine sisältää vain yhtä alkuainetta tai yhdistettä. Esimerkiksi rautatanko sisältää vain Fe-atomeita ja ruokasuola vain NaCl-ioniyhdistettä ja typpikaasu vain N 2 -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). Sekakoosteisissa seoksissa koostumus ja ominaisuudet eivät ole samanlaisia kauttaaltaan. Kivessä seoksen puhtaat aineet voidaan todeta silmällä, mutta veressä tai maidossa vasta mikroskoopin kautta. 7

8 Tasakoosteisissa aineissa koostumus ja ominaisuudet ovat kauttaaltaan samanlaisia. Suurin osa tunnetuista puhtaista aineista ovat kemiallisia yhdisteitä. Tasakoosteisia aineita: - ilma (pääosin typpi- ja happimolekyylejä, myös hiilidioksidia jne) - Limu (vesi-, sokeri- ja värimolekyylejä/ioneita) - Sormus (metallilejeerinki eli metalliseos) EI Heterogeeninen seos veri, pitsa AINE rauta, veri, pitsa, ilma, vesi Onko aine tasakoosteinen? KYLLÄ Homogeeninen aine rauta, vesi, ilma Voidaanko aineen rakenneosat erottaa fysikaalisin menetelmin? EI Puhdas aine rauta, vesi KYLLÄ Homogeeninen seos, liuos ilma Voidaanko aine hajottaa muiksi aineiksi kemiallisella muutoksella? EI Alkuaine rauta KYLLÄ Kemiallinen yhdiste vesi 8

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

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 lämmetessään 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. H 2 O tai C 2 H 6 O 2 ) 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 HAPPI, O (punainen) tumm.harmaa) VETY, H (valkoinen) RIKKI, S (keltainen) TYPPI, N (vaal.sin.) BOORI, B (tumm.sin.) FOSFORI, P (oranssi) JODI, I (kullan värinen) KLOORI, Cl (sammaleen vihreä) BROMI, Br (ruskea) FLUORI, F (tumman vihreä) METALLI (d-lohko, vihreä) 10

11 Etikkahapon erilaisia malleja Etikkahapon erilaisia malleja 11

12 Kemiallinen merkki on lyhyt, latinalaisia aakkosia käyttävä merkintätapa alkuaineille, esim. H tarkoittaa vetyä. Kemiallinen kaava (tai vain kaava) on kemiallisten merkkien ja alaindeksien kokoelma, joka kuvaa aineiden koostumuksen, esimerkiksi vetykaasu H 2. Suhdekaava eli empiirinen kaava on yksinkertaisin kemiallinen kaava, joka ilmoittaa yhdisteessä olevien alkuaineiden keskinäiset suhteet, mutta ei atomien todellista lukumäärää, esimerkiksi C 3 H 6 O. Molekyylikaava ilmaisee molekyylissä olevien atomien todellisen lukumäärän, esimerkiksi C 3 H 6 O 2 = C 6 H 12 O 2. H H C H C O H Rakennekaava ilmaisee miten molekyylin atomit ovat sitoutuneet toisiinsa ja kuvaa molekyylin avaruusrakenteen. Kaavayksikkö on ioniyhdisteen kaavan ilmoittama pienin määrä tätä yhdistettä, esimerkiksi CaCl 2 Kemiallinen merkki ja kemiallinen kaava Empiirinen kaava eli suhdekaava (moolisuhteet) Molekyylikaava, molekyylit Kaavayksikkö, ioniyhdisteet Rakennekaavat 12

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 ominaisuudet. Atomin ytimessä olevien protonien lukumäärää sanotaan ytimen protoniluvuksi eli järjestysluvuksi, Z. Protoneista ja neutroneista käytetään yhteisnimeä nukleonit ja niiden yhteistä lukumäärää sanotaan atomin massaluvuksi, A. Esimerkki 13

14 Ratkaisu Saman alkuaineen atomeilla on sama järjestysluku. 69 Q 72 Q 69 Q 68 Q Samoja ovat: ja sekä ja Ratkaisu 69 Q 68 Q Yhtä monta neutronia on :lla ja :lla. Neutronien lukumäärä lasketaan massaluvun ja järjestysluvun erotuksena eli atomeissa on neutroneja seuraavasti: Vedyllä on kolme isotooppia: 14

15 ATOMIMASSA Atomien massat ovat suuruusluokkaa 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). ATOMIN ELEKTRONIVERHO 15

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 elektronirakenne. Jalokaasuilla, heliumia lukuun ottamatta, on tällainen elektronirakenne. Myös muut alkuaineet pyrkivät reaktioissaan saavuttamaan mahdollisimman pysyvän elektronirakenteen joko luovuttamalla tai vastaanottamalla elektroneja tai muodostamalla yhteisiä elektronipareja. Tätä pyrkimystä kahdeksaan ulkoelektroniin sanotaan oktettisäännöksi. 16

17 Jaksollinen järjestelmä: ryhmät ja jaksot Tarkastellaan tämänpäiväistä jaksollista järjestelmää monesta eri näkökulmasta. Perusjako on: metallit, puolimetallit, epämetallit ja jalokaasut. RYHMÄT OVAT SARAKKEITA JAKSOT OVAT RIVEJÄ H He Li B C N O F Ne metallit puolimetallit epämetallit 11 järjestysluku nimi natrium Na 22,99 kemiallinen merkki atomimassa=moolimassa (lukuarvo) Harvinaiset maametallit Radioaktiiviset alkuaineet l a n t a n o i d i t a k t i n o i d i t Monet alkuaineiden ominaisuuksista muuttuvat säännöllisesti siirryttäessä vasemmalta oikealle tai ylhäältä alas. Esimerkiksi metallisuus. 17

18 18

19 Käsitteitä: Kemiallinen muutos tarkoittaa aineen muuttumista toiseksi aineeksi. Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineessa tapahtuu koostumuksen ja/tai rakenteen muutos; lähtöaineista syntyy reaktiotuotteita (atomien ja molekyylien elektronijakaumat muuttuvat ja yleensä sidoksia 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 liukeneminen. 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. 19