Aineen perusosaset. Protoni: Varaus +1 alkeisvarausta. Elektroni: Varaus -1 alkeisvarausta. Neutroni: Varaus 0 (varaukseton)

Transkriptio

1 Aineen perusosaset Protoni: Varaus +1 alkeisvarausta Elektroni: Varaus -1 alkeisvarausta Neutroni: Varaus 0 (varaukseton) + - n

2 ATOMI, IONI, ALKUAINE JA MOLEKYYLI Atomi Elektroneja elektronikuorilla yhtä monta kuin protoneja ytimessä Atomi on tästä syystä varaukseton Neutronien määrä voi vaihdella, mutta sillä ei merkitystä kemiallisiin ominaisuuksiin n n + n - Litiumatomi -

3 Ioni Elektroneja elektronikuorilla eri määrä kuin protoneja ytimessä Ioni on tästä syystä varauksellinen Elektronien vähetessä ioni on positiivinen kationi Elektronien lisääntyessä ioni on negatiivinen anioni n n + n - Litiumioni Li + Fluoridi-ioni F n+ n + + n + n

4 Alkuaine Kullakin alkuaineella on sille ominainen määrä protoneja ytimessä Elektronien määrä vaihtelee Se, kuinka monta elektronia on atomimuodossa uloimmalla elektronikuorella, määrää paljolti alkuaineen kemialliset ominaisuudet Alkuaineen protonimäärän kertoo sen järjestysluku (atomiluku) Z

5 Kemiallinen yhdiste Kemiallinen yhdiste muodostuu useammasta kuin yhdestä ionista tai atomista Jos tuloksena on molekyyli, siinä on yhtä monta elektronia kuin protonia, jolloin kokonaisuus on varaukseton Jos protonien ja elektronien määrä ei ole sama, syntyy kompleksi-ioni Yhdisteessä atomeja ja ioneja liittävät toisiinsa kemialliset sidokset

6 Kemiallinen yhdiste/merkinnät Kaikkien alkuaineiden nimet alkavat isolla kirjaimella. Kaikki pienet kirjaimet ovat osa jonkun alkuaineen nimeä: H, He, Hg, S, Se, Si, N, Ne, Ni,. Numero yhdisteen nimen edessä kertoo yhdisteen kokonaismäärän: 3Xe tarkoittaa kolmea xenonatomia 5H 2 O tarkoittaa viittä vesimolekyyliä 2I - tarkoittaa kahta jodi-ionia Numero alkuaineen nimen alakulmassa kertoo ko. alkuaineen määrän yhdisteessä: H 2 O kertoo yhdisteessä olevan kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi. Numero sulkulausekkeella erotetun ionin tms. nimen alakulmassa kertoo kyseisen aineosasen määrän yhdisteessä: Ca(OH) 2 kuvaa, että yhdisteessä on kaksi OH-ryhmää (tässä OH - -ionia). Numero ionin nimen yläkulmassa kertoo ionin varauksen: Mg 2+ kertoo, että magnesiumionin varaus on +2 Jos yhdisteessä on kidevettä, sen määrää kuvataan kertomerkin avulla: CuSO 4. 5 H 2 O tarkoittaa, että kuparisulfaattiin on sitoutunut viisi vesimolekyyliä.

7 DYNAAMINEN JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ 5luonnontieteet/kemia/kemia1/alkuain2

8 Kasvava trendi Kasvava trendi gle.fi/url?sa=i&rc t=j&q=&esrc=s& source=images& cd=&cad=rja&ua ct=8&docid=7iyb _y_isazxpm&tbn id=yuzb38gkua9 DvM:&ved=0CA UQjRw&url=http %3A%2F%2Focw.mit.edu%2Fcour ses%2fmaterialsscience-andengineering%2f3-40j-physical- metallurgy-fall- 2009%2Fexams% 2FMIT3_40JF09_ exam2.pdf&ei=- JmEU4PZDebi4Q SnhYH4BQ&bvm =bv ,d. bge&psig=afqjc NHYIqfxzlsjcrQDa _qa3zsvlxgksg& ust=

9 Elektronikuoret Elektroneja mahtuu/ kuori Kuorien nimet Ydin K L N N O Kuorien järjestysnumero

10 s 1 2 K L s p Kalsium s p d 3 M s p d f 4 N s p d f 5 O

11 1s 2s 2p 2p 2p 3s 3p 3p 3p 4s 3d 3d 3d 3d 3d 4p 4p 4p 5s 4d 4d 4d 4d 4d 5p 5p 5p 6s (4f) 5d 5d 5d 5d 5d 6p 6p 6p 7s (5f) 6d 6d 6d 6d 6d 7p 7p 7p

12 Elektronia/kuori 1 K s 2 2 L s p 8 3 M s p d 18 4 N s p d f 32 5 O s p d f g 50 6 P s p d f g h 72 7 Q s p d f g h i 98

13

14

15

16

17 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1. H 2. He 3. Li 4. Be 6. C 7. N 8. O 9. F 5. B 10. Ne

18 Hybridisaatio Atomin elektronikuorella alhaisin energiataso on perustilassa. Molekyylissä tätä alhaisempi energiataso voidaan saavuttaa molekyykiorbitaaleilla joissa eri atomien parittomilla elektroneilla miehitetyt orbitaalit yhtyvät. Tällöin atomin viritystila voi siis olla paradoksaalisesti molekyylin energeettisesti edullisin tila.

19 Sp-hybridisaatio Yksi s-orbitaalin elektroni siirtyy tyhjälle p-orbitaalille => 1 pariton elektroni s- ja yksi pariton p-orbitaalilla => muodostuu kaksi keskenään samanlaista sp-hybridiorbitaalia Esim. 3s 3p Mg-atomi perustilassa KL Mg-atomi viritystilassa KL Hybridisaatio KL sp sp sp sp

20 Etyynin Sp-hybridisaatio Hybridisoituneen hiiliatomin 2s 2 - ja 2p 2 -orbitaalit ovat järjestäytyneet uudelleen kahdeksi samanlaiseksi sp-hybridiorbitaaliksi. Kaksi p-orbitaalin elektronia jää muuntumatta C-atomi perustilassa 1s 2s 2p C-atomi viritystilassa C-atomi sp-hybriditilassa sp sp

21 Hybridiorbitaalien välinen kulma on 180 o, jolloin rakenne on lineaarinen.

22 Sp 2 -hybridisaatio Yksi s-orbitaalin elektroni siirtyy p-orbitaalille, jolla on jo yksi pariton elektroni => syntyy kolme sp 2 -orbitaalilla => 1s 2s 2p B-atomi perustilassa B-atomi viritystilassa Hybridisaatio sp 2 sp 2 sp 2

23 Eteenin Sp 2 -hybridisaatio Hybridisoituneen hiiliatomin 2s 2 - ja 2p 2 -orbitaalit ovat järjestäytyneet uudelleen kolmeksi samanlaiseksi sp 2 -hybridiorbitaaliksi. Yksi p-orbitaali jää muuntumatta 1s 2s 2p C-atomi perustilassa C-atomi viritystilassa C-atomi sp 2 - hybriditilassa sp 2 sp 2 sp 2

24 Hybridisidosten välinen kulma on 120 ja sidokset ovat samassa tasossa. Hybridiorbitaalit muodostavat vetyatomien s-orbitaalien ja kahden hiiliatomin välillä σ-sidokset (yht. 3 kpl). Hybridiorbitaalien muodostamien sidosten lisäksi hiiliatomien 2p-orbitaalit asettuvat vastakkain ja muodostavat erilaisen sidoksen, jota kutsutaan pii-sidokseksi.

25 Piisidoksen elektronitiheys on pienempi kuin sigmasidoksen, jolloin se on sigmasidosta heikompi ja reagoi helposti. Piisidos estää molekyylin kiertymisen akselinsa ympäri ja aiheuttaa sidokselle jäykän rakenteen

26 Sp 3 -hybridisaatio Yksi s-orbitaalin elektroni siirtyy p-orbitaalille, jolla on jo kaksi paritonta elektronia => 1 pariton elektroni s- ja kaksi paritonta p-orbitaalilla. Hybridisoituneen hiiliatomin 2s 2 - ja 2p 2 -orbitaalit ovat järjestäytyneet uudelleen neljäksi samanlaiseksi sp 3 -hybridiorbitaaliksi. 1s 2s 2p C-atomi perustilassa C-atomi viritystilassa C-atomi sp 3 -hybriditilassa sp 3 sp 3 sp 3 sp 3

27 Metaani Etaani

28 KIDERAKENTEISTA ct=8&docid=myitu7x- NNeDcM&tbnid=PYy7GCzSF1e8EM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fen.wikip edia.org%2fwiki%2fcrystal&ei=-b- FU9WnMsqO4gSjnIHwBA&psig=AFQjCNFdS2X0Fq3Bpg150VIW1ebvLr4LhQ&ust= Almost all common metals, and many ceramics are polycrystalline. Some elements such as sulfur, while usually occurring in polycrystalline form, may also occur as single crystals. The crystallites are often referred to as grains, however, powder grains are a different context. Powder grains can themselves be composed of smaller polycrystalline grains. Polycrystalline is the structure of a solid material that, when cooled, forms crystallite grains at different points within it. The areas where these crystallite grains meet are known as grain boundaries.

29

30 Timantin kiderakenne ons/c/ce/visualisation_diamond_cubic.svg

31 Tyypillisiä metallin kiderakenteita

32 Grafiitin kidelamellirakenne Rakenne määräytyy sigmasidoksilla. Kussakin grafiitin kerroksessa piisidokselliset elektronit liikkuvat vapaasti, mistä syystä grafiitti johtaa sähköä.

33 Amorfinen rakenne

34 MÄÄRÄLLISEN KEMIAN KÄSITTEITÄ Atomimassayksikkö Atomien ja molekyylien massojen ilmaisuun sopivan kokoinen yksikkö Merkitään joko amy (atomimassayksikkö), amu (atomic mass unit) tai u (unit) Määritelty seuraavasti 1 u = 12 C-isotoopin massa 12 Selitys: Hiili-12 isotooppi muodostuu 6 protonista, 6 niiden kansa n. samankokoisesta Neutronista ja 6 niihin nähden lähes mitättömän kokoisesta elektronista => 1 u = n. protonin tai neutronin massa.

35 * Avogadron vakio N ilmaisee yhdessä moolissa olevien hiukkasten lukumäärän. Se on lukuarvoltaan 6, hiukkasta/mol. * Mooli = se määrä ainetta, jossa on 6, hiukkasta eli Avogadron vakion osoittama määrä hiukkasia. Mooli ainetta painaa yhtä monta grammaa kuin sen atomi- tai molekyylimassa on atomimassayksikköinä. * Ainemäärä n = kemian perussuure, joka kertoo ko. aineen moolimäärän. * Konsentraatio c ilmoittaa, kuinka monta moolia ainetta on liuennut litraan liuosta. Yksikkö on mol/l.

36 * Moolimassa M = yhden moolin massa laskettuna suhteellisten atomimassojen avulla. Yksikkö on g/mol. * Ainemäärän massa m kertoo aineen massan grammoina. Tällöin on voimassa kaava n = m M * Massaprosenttisuus ilmaisee, kuinka monta grammaa liuennutta ainetta on 100 grammassa liuosta. * Tilavuusprosenttisuus ilmaisee, kuinka monta millilitraa (ml) ainetta on liuenneena 100 ml:aan liuosta.

37 KEMIALLINEN REAKTIO Aineen osaset järjestyvät uudella tavalla: Yhdiste hajoaa osasikseen Osasista syntyy yhdiste Ioni tai elektroni vaihtaa omistajaa

38 Kemiallinen reaktioyhtälö Kuvaa reaktion lähtötilanteen ja lopputuloksen Mukana lähtöaineet ja lopputuotteet, jotka muodostuvat täsmälleen samoista osasista siten, että ne ovat eri tavoin yhdistelty Vrt. Legopalikoita, jotka on aseteltu uuteen järjestykseen ilman, että yksikään palikoista on kadonnut. Stoikiometria on oppi, joka määrittää, missä suhteissa aineet reagoivat On huomattava, että todellisissa kemiallisissa reaktioissa osa aineista jää reagoimattomaan lähtöainemuotoon

39 Kemiallinen reaktioyhtälö Kuvaa reaktion lähtötilanteen ja lopputuloksen Mukana lähtöaineet ja lopputuotteet, jotka muodostuvat täsmälleen samoista osasista siten, että ne ovat eri tavoin yhdistelty Kemiallinen reaktio voi olla yksisuuntainen (irreversiibeli): Esim. Kananmunan valkuaisen koagulaatio käänteinen (reversiibeli): Hg + O HgO

40 Mooli, hiukkasen massa, moolimassa ja reaktioyhtälö Reaktioyhtälössä aineiden määrät reagoivat samassa suhteessa mooleina kuin mitkä niissä esiintyvät molekyylisuhteet ovat: 2H 2 + O 2 -> 2H 2 O Veden syntyessä tarvitaan kaksinkertainen määrä vetyä happeen verrattuna. Esimerkiksi tarvitaan mooli vetyä (2,016g) ja puoli moolia happea (16g) synnyttämään mooli vettä (18,016 g) H H H H H H O H H O Jos tiedetään reaktioyhtälö ja edes yhden reagoineen lähtöaineen tai lopputuotteen määrä, kaikki muut reagoineet lähtöaine- ja lopputuotemäärät voidaan laskea tällä perusteella O O

41 Entalpia H Tarkoittaa kemiallisen aineen sisältämää energiaa Aineen entalpiaa ei voi absoluuttisesti mitata, mutta sen muutos DH kemiallisessa reaktiossa on mitattavissa Hessin lain mukaan mukaan kokonaisreaktion entalpiamuutos on osareaktioiden entalpiamuutosten summa. Eksoterminen ja endoterminen reaktio Eksotermisessä reaktiossa vapautuu energia, siis entalpian muutos DH on negatiivinen Endotermisessä reaktiossa sitoutuu energia, siis entalpian muutos DH on positiivinen

42 Reaktionopeus Reaktionopeus = muutos aineen määrässä muutokseen kulunut aika Reaktiossa ainehiukkaset kohtaavat toisensa. Reaktionopeus kasvaa sen mukaan, mitä suurempi lähtöaineiden kohtaamispinta-ala (kiinteä aine ja kaasu/neste) mitä suurempi lähtöaineiden konsentraatio mitä suurempi hiukkasten nopeus (lämpötila): Reaktioon johtavien törmäysten määrä kasvaa (10 asteen nousu => 2-3 kertainen reaktionopeus) Kuinka paljon energiaa vapautuu reaktiossa vaikuttaako reaktioon sitä jouduttava katalyytti Reaktionopeutta rajoittavat näiden lisäksi sitä estävä inhibiittori lopputuotteen konsentraation kasvu (reaktio saavuttaa tasapainon)

43 Energia Reaktionopeus (jatkoa) Kaasussa ja nesteissä hiukkasten nopeudet vaihtelevat suuresti (aineen lämpötila on verrannollinen hiukkasten keskimääräiseen liike-energiaan) Samalla vaihtelee myös niiden kohtaamisnopeudesta riippuva reaktiokyky Reaktio on mahdollinen, kun hiukkasten törmäysenergia on tietyn verran yli niiden keskimääräisen energian. Tätä ylittävää osaa kutsutaan aktivoitumisenergiaksi E. Reaktio muodostaa näin energiaprofiilin, jossa siirrytään ensin lähtöaineiden tasolta aktivaatioenergian tasolle ja sen jälkeen lopputuotteiden tasolle. Aktivaatioenergian taso ei vaikuta reaktion lopulliseen entalpiamuutokseen E A + B DH C + D

44 Energia Reaktionopeus (jatkoa) Kaikki aktivoitumisenergian ylittävätkään törmäykset eivät johda reaktioon. Reagoivat molekyylit synnyttävät hyvin lyhytaikaisia siirtymätiloja, jotka sitten voivat muuntua joko lopputuotteiksi tai takaisin lähtöaineiksi: A + B siirtymätila C + D Katalysaattorit tuottavat lähtöaineisiin sitoutuessaan sellaisia siirtymätiloja, joiden aktivaatioenergia on alhaisempi kuin pelkkien lähtöaineiden. Näin ollen katalysaattorit helpottavat ja nopeuttavat reaktiota Katalysaattori on mukana vain lyhytikäisissä välituotteissa ja poistuu lopputuotteista A + B DH E C + D Katalysaattorin vaikutus aktivaatioenergiaan

45 Massavaikutuksen laki/ tasapainovakio Kemiallisessa reaktiossa lähtöaineiden konsentraatio pienenee ja lopputuotteiden konsentraatio kasvaa. Lopulta saavutetaan tasapainotila, jossa nettoreaktio pysähtyy. Lähtöaineiden ja lopputuotteiden määrää tasapainotilassa kuvaa tasapainovakio K: K = [ lopputuote 1 ] nlt1. [ lopputuote 2 ] nlt2... [ lähtöaine 1 ] nla1. [ lähtöaine 2 ] nla2... jossa nlt viittaa lopputuotteen ja nla lähtöaineen molaariseen suhteeseen reaktiossa ja hakasulut aineiden konsentraatioihin Tasapainovakio riippuu lämpötilasta ja paineesta. On huomattava, että reaktio itsessään voi muuttaa näitä tekijöitä: Paine pienenee, kun kaasumainen lähtöaine muuttuu nestemäiseksi tai kiinteäksi lopputuotteeksi Eksoterminen reaktio nostaa lämpötilaa

46 Liukoisuustulo Niukkaliukoisissa ionisoituvissa aineissa niiden liukeneminen voidaan ajatella reaktioksi liuenneen ja liukenemattoman muodon välillä Tällöin liukenemattoman muodon konsentraatio voidaan ajatella vakioksi jolloin voidaan muodostaa liukoisuutta kuvaava lauseke, liukoisuustulo: K s = [ A n+ ] m. [ B m- ] n jossa n viittaa aineen positiivisen ja m negatiivisen ionin varaukseen ja samalla mikä samalla määrää vastaionin suhteellisen määrän molekyylissä Liukoisuus riippuu voimakkaasti lämpötilasta Reaktion suunta riippuu todellisesta konsentraatiotulosta: Jos todellinen konsentraatiotulo = K s, liuos on kylläinen. Jos tulo ylittää K s arvon, liuos on ylikylläinen ja siirtyy spontaanisti kylläiseksi Jos tulo alittaa K s arvon, mahdollinen liukenematon faasi liukenee liuokseen.

47 Liukoisuustuloja (25 C) ndex.php?search_id=yhdist eet&lng=fi Aine K s Aine K s Bromideja Klorideja AgBr 7,7 * AgCl 1,6 * PbBr 2 7,9 * 10-5 Hg 2 Cl 2 2,0 * Fluorideja PbCl 2 1,6 * 10-5 CaF 2 4,0 * Kromaatteja PbF 2 3,7 * 10-8 Ag 2 CrO 4 1,3 * Fosfaatteja BaCrO 4 5,0 * Ag 3 PO 4 1,4 * PbCrO 4 1,8 * Ca 3 (PO 4 ) 2 1,0 * Oksalaatteja Hydroksideja Ag 2 C 2 O 4 1,3 * Al(OH) 3 1,0 * CaC 2 O 4 2,6 * 10-9 Ba(OH) 2 5,0 * 10-3 Sulfaatteja Ca(OH) 2 5,5 * 10-6 BaSO 4 1,1 * Fe(OH) 2 7,9 * CaSO 4 2,5 * 10-5 Fe(OH) 3 2,0 * PbSO 4 1,6 * 10-8 Mg(OH) 2 1,1 * Sulfideja Pb(OH) 2 2,0 * Ag 2 S 6,3 * Zn(OH) 2 1,8 * CuS 6,3 * Jodideja FeS 6,3 * AgI 1,5 * HgS 1,6 * PbI 2 1,4 * 10-8 PbS 1,3 * Karbonaatteja ZnS 1,6 * BaCO 3 8,1 * 10-9 CaCO 3 8,7 * 10-9 PbCO 3,2 * 10-14

48 ELEKRONEGATIIVISUUS JA -AFFINITEETTI Elektronegatiivisuus kuvaa sitä, miten voimakkaasti atomi vetää puoleensa yhteisiä sidoselektroneja molekyylissä. Esimerkiksi happiatomin elektronegatiivisuus on suurempi kuin vetyatomin, joten vesimolekyylissä suurempi osuus happi - vetysidosten elektronitiheydestä on happea lähellä. Mitä suurempi on sidoksen muodostavien atomien elektronegatiivisuuksien ero, sitä polaarisempi sidos on.

49 vity_files/electroneg.increasing.gif

50 Elektroniaffiniteetti tarkoittaa entalpian muutosta (ΔH), kun kaasumainen atomi vastaanottaa elektronin. Alkuaineesta muodostuu sitä helpommin negatiivinen ioni, mitä negatiivisempi elektroniaffiniteetti on. Negatiivisempi elektroniaffiniteetti kasvaa mentäessä alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä ylös ja oikealle. Affiniteetti on eri asia, mutta likimain samansuuntainen kuin elektronegatiivisuus Ionisaatioenergia: Energia, joka tarvitaan irrottamaan ylimmällä orbitaalilla oleva elektroni neutraalista atomista.

51 Kasvava trendi Elektroniaffiniteetteja Kasvava trendi

52

53

54 Ionisoitumisenergia eli ionisaatioenergia on energia, joka tarvitaan elektronin irrottamiseen perustilassa olevasta atomista tai molekyylistä. Trends_of_Elemental_Properties/Periodic_Trends

55 KEMIALLISET SIDOKSET Oktettisääntö Atomit tai ionit pyrkivät tilaan, jossa uloimmalla elektronikuorella on 8 elektronia Tätä tilaa kutsutaan oktetiksi ( kahdeksan porukka ) Pienillä atomeilla, joilla uloimmaksi kuoreksi jää K-kuori, oktettia vastaa täysi K-kuori eli 2 elektronia ( minioktetti ) Tämä selittää sen, miksi esimerkiksi alkalimetallit luovuttavat hanakasti ulkoelektroninsa, halogeenit ottavat yhden lisää ja jalokaasut ovat kemiallisesti inaktiivisia. Monet aineet eivät kykene luovuttamaan tai ottamaan elektroneja. Tällöin ne voivat muodostaa yhteisiä elektronipareja kovalentissa sidoksessa (ks. myöh.)

56 Metallisidos Metalliatomit ovat lähellä toisiaan tiivispakkauksena ( niin lähellä kuin mahdollista) Tällöin uloimman kuoren elektronien liikeradat ovat hyvin lähellä myös naapuriatomeja => ulkokuoren elektronit eivät kuulu kenellekään. Näin ollen metallisidos muodostuu ytimen ja muiden kuin ulkokuoren elektronien muodostamista kationeista ja niiden ympärillä vapaasti elektronipilvenä (myös -sumu, -kaasu ) liikkuvista ulkoelektroneista Ulkokuoren vapaat elektronit ovat tärkeässä roolissa metallien lämmön- ja sähkönjohtavuudessa

57 Kovalentti sidos ( = tasa-arvoinen sidos) Kahden atomin parittomat ulkoelektronit muodostavat yhteisen molekyyliorbitaalin molempien atomien ympärille.

58 Sigmasidos on voimakkain kovalenttisen sidoksen muoto Sigmasidos muodostuu yleensä joko kahden sp-hybridiorbitaalin tai sellaisen ja vedyn s-orbitaalin tai kahden vedyn s-orbitaalin välille Kaikki yksöissidokset ovat sigmasidoksia Sigmasidos on piisidoksen kanssa kaksoissidoksen toinen osapuoli. Huomaa sidoksen muodostuminen orbitaalin päähän! Huom: Kuvan p-orbitaalit ovat todellisuudessa sporbitaaleja

59 Piisidos muodostuu, kun kaksi samassa faasissa olevaa p-orbitaalia lähestyy toisiaan sivusuunnassa. Muodostuneella p-orbitaalilla on kaksi lohkoa, jotka sijaitsevat sidosakselin kautta kulkevan symmetriatason molemmilla puolilla. Pii-sidoksen elektronitiheys on pienempi kuin sigma-sidoksen, jolloin se on sigma-sidosta heikompi ja reagoi helposti.

60 Koordinaatiosidos Kahdesta atomista toisen ulkoelektronien pari muodostaa yhteisen molekyyliorbitaalin molempien atomien ympärille.

61 Kovalenttinen sidos ja dipolimolekyyli Molekyylin osapuoliatomeilla voi olla toisistaan poikkeava elektronegatiivisuus Tällöin kovalentin sidoksen elektronit sijaitsevat ajallisesti tosiasiassa elektronegatiivisemman atomin ympärillä Tästä seuraa negatiivinen paikallinen varaus enemmän ja positiivinen varaus vähemmän elektronegatiivisen osapuolen alueella => molekyyli on dipoli (kaksi napaa) Esim. vesimolekyyli: - O H H +

62 Ionisidos 2

63 Dipoli-dipolisidos: Dipolimolekyylien erimerkkiset polariteeti vetävät toisiaan puoleensa ja samanmerkkiset työntävät toisiaan poispäin

64 Ioni-dipolisidos Ionin ja poolisen molekyylin välinen sidos. Ioniyhdisteen liuetessa veteen kuhunkin ioniin kiinnittyy useita vesimolekyylejä sähköisin vetovoimin. Vesimolekyyli takertuu positiiviseen ioniin negatiivisella (happi-)polariteetillaan ja negatiiviseen ioniin positiivisella (vety-)polariteetillaan. Kidevedellisissä yhdisteissä, kuten kuparisulfaatissa, kideveden vesimolekyylien ja ionihilan ionien välillä on ioni-dipoli-vuorovaikutuksia. Kohtalaisen vahvoista vuorovaikutuksista johtuen kideveden poistaminen voi vaatia paljonkin yli 100 C lämpötiloja.

65 Ioni-dipolisidos /outline11.html

66 Indusoitunut Ioni-dipolisidos ja dipoli-dipolisidos Ioni tai poolinen molekyyli voivat indusoida poolittomasta molekyylistä dipolin, jolloin hiukkasten välille muodostuu vetovoima Näillä efekteillä on osuutensa aineiden liukenemisessa poolittomaan liuottimeen

67 Vetysidos Vetyatomi sitoutuu voimakkaasti elektronegatiiviseen atomiin (N, O, F, ) Erityisen voimakas vetysidos on vedessä, koska vesimolekyylissä on toisaalta kaksi vetyatomia, toisaalta happiatomilla kaksi vapaata elektroniparia, jotka voivat vetysidoksella liittyä viereisten molekyylien vetyatomiin.

68 Vetysidos Orgaanisista yhdisteistä alkoholit ja karboksyylihapot sisältävät vetysidoksia, kun osa vetyatomeista on sitoutunut happiatomiin Biokemiassa esim. DNA-molekyylin puoliskot ovat kiinni toisissaan vetysidoksilla, jolloin molekyyli tarvittaessa avautuu ja sulkeutuu vetoketjun tavoin. Vetysidoksia Guaniinin ja sytosoiinin välillä Proteiinimolekyyleissä peptidiketjut ovat kiertyneet spiraalimaisiksi, ja vetysidoksen pitäessä kierteet avautumattomina

69 Dispersiovoima (van der Waalsin vuorovaikutus) Kaikkien molekyylien välillä - myös poolittomien Johtuu elektronitiheyden vaihtelusta, joka indusoi dipoleja molekyylien välille Ainoa efekti liukenemisessa, jos sekä liuotin että liuotettava ovat poolittomia tai varauksettomia

70 &m:selres= Yhteenveto sidostyypeistä, niiden rakenteesta ja ominaisuuksista Sidos Hilatyyppi Sidoksen vahvuus Sitoutuvat hiukkaset Ominaisuudet Esimerkkiaine Esimerkkiaineen sulamispiste 0 C ionisidos ionihila vahva sidos kationit ja anionit korkea sulamis-piste, kova, hauras, eriste, liukenee polaarisiin liuottimiin NaCl 801 kovalentti sidos atomihila vahva sidos atomit metallisidos metallihila vahva sidos ioni-dipolisidos Ei hilarakennetta heikko sidos liikkuvat sidoselekt-ronit ja metalli-kationit Al 2 O korkea sulamispiste, kova, murtuu, hyvä eriste tai puolijohde C 3350 timantti < 3550 sitkeä, taottava, hyvä lämmön- ja sähkönjohto-kyky, metallikiilto Fe 1540 Cu 1083 Na 98 pooliset molekyylit ja ioni Liukoisuus veteen H 2 O + NaCl dipoli-dipoli-sidos molekyylihila heikko sidos pooliset molekyylit alhainen sulamispiste, liukenevat yleensä polaarisiin liuottimiin, kovuus vaihtelee, eriste H 2 O 0 CH 3 OH -98 NH 3-78 van der Waalsin sidos/ molekyyli- heikko sidos poolittomat molekyylit matala sulamispiste, kovuus vaihtelee, liukenevat yleensä poolittomiin liuottimiin, eriste N Dispersio- hila CH voimat

71 KESKEISIÄ REAKTIOTYYPPEJÄ Hapetuspelkistys-reaktio Elektroni vaihtaa omistajaa Vaikutus itse hiukkaseen Elektronin luovuttaja hapettuu (= menettää) Elektronin ottaja pelkistyy (= saa lisää) Vaikutus vastapuolena olevaan hiukkaseen Elektronin luovuttaja pelkistää (= antaa lisää) Elektronin ottaja hapettaa (= vie toiselta) ox e - ox e - redox redox

72 Hapetuspelkistys-reaktio (jatkoa) Esim: 2Hg + O 2 2HgO Reaktiossa elohopea hapettuu: Hg Hg e - ja happi pelkistyy: O e - 2O 2- Kokonaisreaktio: Alkuperäinen yhdistelmä 2Hg + O 2 2Hg e - + O 2 2Hg O 2-2HgO Lopullinen yhdistelmä

73 Hapetuspelkistys-reaktio (jatkoa) Hapetusluku kertoo, montako elektronia atomimuodossa oleva aine sitoo (-) tai luovuttaa (+) hapetus-pelkistysreaktiossa Esimerkiksi reaktiossa 2Hg + O 2 2Hg e - + O 2 Hg O 2-2HgO Hapen hapetusluku muuttuu nollasta arvoon II ja elohopean hapetusluku arvosta nolla arvoon +II

74 Hapetuspelkistys-reaktio (jatkoa) Hapetuslukuja voidaan määritellä myös sillä perusteella, että kovalentissa sidoksessa hapetusluku määräytyy sen perusteella, kumpi sidoksen osapuolista on elektronegatiivisempi. Esimerkiksi metaanissa CH 4 hiili on tällainen, jolloin sen hapetusluku on -IV ja vedyn +1. Metaani taas palaa seuraavasti: CH 4 + 2O 2 -> CO 2 + 2H 2 O. Reaktiossa vedyn hapetusluku ei muutu. Neljä happiatomia saa muodollisesti yhteensä 4 x 2 elektronia, sillä alussa niiden hapetusluku on nolla ja lopussa II (sekä hiilidioksidissa että vedessä ne ovat elektronegatiivisempi osapuoli). Reaktio on elektronien suhteen tasapainossa, koska hiili menettää 8 elektronia (hapetusluku alussa IV ja lopussa +IV).

75 Metallien jännitesarja ja normaalipotentiaali Metallit voidaan järjestää sen mukaan kuinka ne ovat halukkaita/haluttomia luovuttamaan elektroneja. Kokeellisesti metallit on järjestetty niiden pelkistymisen mukaiseen järjestykseen. Sitä sanotaan metallien jännitesarjaksi (tässä vain osa metalleista): K Li Be Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au Pt Vety on käännepiste : Vetyä halukkaammat luovuttajat ovat epäjaloja ja haluttomammat jaloja metalleja. Jalous voidaan kuvata ns. normaalipotentiaalina (pelkistymispotentiaalina), joka kuvaa sähköistä potentiaalia, joka tarvitaan elektronin liittämiseen metalli-ioniin Jalojen metallien normaalipotentiaali on lukuarvoltaan positiivinen ja epäjalojen negatiivinen Myös epämetalleille on määritetty omat normaalipotentiaalinsa Tilanteessa, jossa jalompi metalli on ionimuodossa, se hapettaa epäjalomman, esim.: Cu 2+ + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+

76 Metallien jännitesarja ja normaalipotentiaali K Li Be Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au Pt Elekroniaffiniteetti kasvaa Hapetusvoima kasvaa Pelkistysvoima heikkenee

77 Elektrodin puolikennoreaktio Normaalipotentiaali (V) F 2 (g) + 2e - 2F - (aq) S 2 O 2-8 (aq) + 2e - 2SO 2-( 4 aq) O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - 2H 2 O(l) Br 2 (l) + 2e - 2Br - (aq) Ag + (aq) + e- Ag(s) Fe 3+ (aq) + e - Fe 2+ (aq) I 2 (l) + 2e- 2I - (aq) Cu 2+ (aq) + 2e - Cu(s) Sn 4+ (aq) + 2e - Sn 2+ (aq) S(s) + 2H + (aq) + 2e - H 2 S(g) H + (aq) + 2e - H 2 (g) 0.00 Sn 2+ (aq) + 2e - Sn(g) V 3+ (aq) + e - V 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + 2e - Fe(s) Cr 3+ (aq) + 3e - Cr(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Zn(s) Mn 2+ (aq) + 2e - Mn(s) Na + (aq) + e - Na(s) Li + (aq) + e - Li(s)

78 Elektrolyytti = aine, jonka sula muoto tai vesiliuos johtaa sähköä: Na +, Hg,. Elektrolyysi = reaktio, jossa hapetus- tai pelkistyminen saadaan aikaan sähkövirran avulla Esim.: Katodi Anodi Katodilla kupari-ioni pelkistyy kuparimetalliksi: Cu 2+ (l) + 2 e - -> Cu(s) Anodilla kloridi-ionit hapettuvat kloorikaasuksi: 2Cl - (l) -> Cl 2 (g) + 2 e - Summareaktio: - + C Cl 2 v e - e - Cu 2+ Cl - Cu 2+ Cl - e e- - CuCl 2 (l) -> Cu(s) + Cl 2 (g)

79 Happo-emäsreaktio eli protolyysireaktio Vetyioni (=protoni) vaihtaa omistajaa Happo (acid) = vetyionin luovuttaja Emäs (base) = vetyionin vastaanottaja Esim: Happo H + Emäs HCl (l) + H 2 O (l) H + + Cl - + H 2 O H 3 O + (aq)+ Cl - (aq) happo emäs happo emäs NH 3 (l) + H 2 O (l) NH OH - emäs happo happo emäs Happotähde = se osa haposta, joka jää, kun vetyioni irtoaa siitä.

80 Amfolyytti = aine, joka voi luovuttaa ja vastaanottaa protoneja Edellisessä diassa olleissa reaktioissa näkyi veden amfolyyttisyys Muita amfolyytteja: Hiilihapon ionit (happotähteet) NH CO 3 2- NH 3 + HCO 3 - happo emäs emäs happo NH HCO 3 - NH 3 + H 2 CO 3 happo emäs emäs happo Fosforihapon ionit H 3 PO 4 H + + H 2 PO - 4 H 2 PO - 4 H + + HPO 2-4 HPO - 4 H + + PO 3-4

81 Happojen ja emästen vahvuus ja heikkous Vahva happo luovuttaa herkästi protonin Heikko happo luovuttaa protonin kitsastellen Vahva emäs vastaanottaa protonin hanakasti Heikko emäs vastaanottaa protonin vähemmän hanakasti Vahvoissa hapoissa ja emäksissä protolyysi on vesiliuoksessa yleensä täydellistä (kaikki vety- ja hydroksidi-ionit liukenevat veteen) Voimakkuus riippuu myös liuoksen muista protolyyteistä

82 Happojen ja emästen protolyysivakiot Protolyysivakio = hapon tai emäksen protolyysireaktion tasapainovakio Reaktiolle Happo (H + +(Happotähde)) + H 2 O H 3 O + + Happotähde K a = [H 3 O + ] [Happotähde ] (Happovakio) [H + + (Happotähde) ] [H 2 O ] Reaktiolle Emäs + H 2 O (Emäs + H + ) + OH - K b = [Emäs + H + ] [OH - ] (Emäsvakio) [Emäs] [H 2 O ] Huom! Vesi jätetään käytännössä lausekkeesta pois ja sen osuus on sijoitettu taulukoitujen protolyysivakioiden yhteyteen. Näin ollen laskettaessa konsentraatioita protolyysivakioiden avulla veden konsentraatiota ei sijoiteta kaavaan.

83 Heikot Vahvat Happojen protolyysivakioita

84 Veden ionitulo Vesiliuoksessa on aina vettä hydrolysoituneena: 2H 2 O H 3 O + + OH - Vesiliuoksessa oksoniumionien ja hydroksidi-ionien määrä on aina tasapainossa siten, että niiden konsentraatioiden tulo on aina vakio: K W = [H 3 O + ]. [ OH - ] = mol 2 / l 2 Neutraalissa liuoksessa ionien määrä on sama, jolloin ja [H 3 O + ] = 10-7 mol/l [ OH - ] = 10-7 mol/l Vesiliuoksessa on yleisemminkin voimassa lauseke K W = K a K b = mol 2 / l 2, Siis hapon (esim. HCl) ja sitä vastaavan emäksen (tässä tapauksessa Cl - ) voimakkuudet ovat kääntäen verrannollisia.

85 ph ja poh ph = -lg[h 3 O + ] ph siis kertoo oksoniumionien konsentraation briggsin logaritmin vastaluvun. Kun ph laskee/nousee yhden numeron verran, se tarkoittaa pitoisuuden kymmenkertaista nousua/laskua poh = -lg[oh - ] poh siis kertoo hydroksidi-ionien konsentraation briggsin logaritmin vastaluvun. Koska vesiliuoksessa ionitulo [H 3 O + ]. [OH - ] = => poh + ph = 14 Neutraalissa liuoksessa hydroksidi- ja oksoniumionien konsentraatio on sama, jolloin ph = 7 ja poh = 7. Happamissa liuoksissa ph < 7 ja poh > 7 Emäksisissä liuoksissa ph > 7 ja poh < 7

86 Puskuri Puskurilios pyrkii pitämään ph:n arvon vakiona. Puskuriliuos sisältää joko heikkoa happoa tai heikkoa emästä ja niitä vastaavaa suolaa. Haposta tehty puskuriliuos: [H + ] = [ happo] K a [suola] Emäksestä tehty puskuriliuos: [OH - ] = [ emäs] K b [suola] Puskuriominaisuus on voimakkaimmillaan, kun puskuroitavan liuoksen ph on lähellä puhtaan puskuriliuoksen ph:ta

87 Puskuri (jatkoa) Hiilidioksidin suhteellinen määrä bikarbonaattiin nähden: Hiilidioksidin määrä pienenee ja bikarbonaatin lisääntyy. Esim. Hiilihapon ja sen suolan bikarbonaatin puskuriliuos [H + ] = [ H 2 CO 3 ] K a [HCO 3- ] Koska hiilihappo on käytännössä liuennutta hiilidioksidia, voidaan myös kirjoittaa: [H + ] = [ CO 2 ] K a [HCO 3- ] Veressä oleva bikarbonaatti puskuroi oheisen käyrän mukaan. Huomaa, että veren ph ei ole optimaalisimmalla puskurialueella.

88 Neutraloituminen Happo reagoi emäksen kanssa, jolloin happamuus ja emäksisyys kumoavat toisensa: H 3 O + + OH - 2H 2 O Tarkkaan ottaen on kyse happo-emäsreaktiosta, jossa happo luovuttaa protonin emäkselle: H 3 O + happo1 emäs1 + OH - H 2 O + H 2 O happo2 emäs2 Myös hapon liukeneminen veteen voidaan ajatella neutraloitumisreaktioksi, jossa muodostuu aiempaa heikommat happo ja emäs: HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - happo emäs heikompi happo heikompi emäs Hapon ja hydroksidiemäksen välinen neutraloitumisreaktio tuottaa suolaa ja vettä : HCl + NaOH - H 2 O + Na + Cl - suola

89 Neutraloituminen (jatkoa) Jos neutraloituminen ei ole täydellistä, syntyvä suola voi sisältää vety- tai hydroksidiioneja. Tällöin niitä kutsutaan happamiksi ja emäksisiksi suoloiksi: NaOH + H 2 SO 4 NaHSO 4 + H 2 O Ca(OH) 2 + H 3 PO 4 CaHPO 4 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + HCl Ca(OH)Cl + H 2 O Näiden suolojen vesiliuokset ovat joko happamia tai emäksisiä: NaHSO 4 + H 2 O Na + + H + + H 2 O Ca(OH)Cl + H 2 O Ca 2+ + OH - + Cl - + H 2 O

90 Happojen ja emästen anhydridit Jos haposta poistetaan vesimolekyyli, siitä jää jäljelle yleensä kovalenteilla sidoksilla liittynyt epämetallioksidi, jota kutsutaan happoanhydiriksi: H 2 SO 4 SO 3 + H 2 O H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O 2H 3 PO 4 P 2 O 5 + 3H 2 O Poikkeukset epämetallioksidisäännöstä: halogeeni-ioniin perustuvat HCl, HBr, HI, Jos emäksestä poistetaan vesimolekyyli, siitä jää jäljelle yleensä ionisidoksilla liittynyt metallioksidi, jota kutsutaan emäsanhydiriksi: 2NaOH Na 2 O + H 2 O Ca(OH) 2 CaO + H 2 O Emäksisyys perustuu tällöin oksidi-ionin ja veden reaktioon: O 2- + H 2 O -> 2OH -

91 Happo-emäs-titraus Happo-emästitrauksessa konsentraatioltaan tuntematon happo- tai emäsnäyte analysoidaan titrantin avulla lisäämällä sitä näyteliuokseen vähitellen ja tarkkailemalla liuoksen ph-muutosta Titranttina käytetään tunnetun väkevyistä happo- tai emäsliuosta, jota kutsutaan standardiliuokseksi. (yleensä 0,1 mol/l NaOH, HCl tai H 2 SO 4 ) Standardiliuos lisätään useimmiten byrettiin, jonka mitta-asteikolta luetaan titrausliuoksen kulutus. Byretin sijaan voidaan käyttää myös standardiliuoksen kulutuksen automaattisesti mittaavaa titraattoria. Byretistä tai titraattorista päästetään näytteen joukkoon standardiliuosta tipoittain. Ekvivalenttikohta on kohta, jossa kaikki happo tai emäs on neutraloitu. Titrauksen ekvivalenttikohta määritetään ph-indikaattorin tai ph-mittarin avulla.

92 Happo-emästitraus (jatkoa) Ekvivalentikohdat: Vahva happo-vahva emäs: ph = 7 Heikko happo vahva emäs: ph > 7 Vahva happo heikko emäs: ph < 7 Jos happo kykenee luovuttamaan useamman kuin yhden protonin, on se moniarvoinen eli polyproottinen. Jos ph:n mittaukseen on käytetty ph-mittaria, voidaan piirtää myös titrauskäyrä. Titrauskäyrällä voidaan erottaa useampi ekvivalenttikohta mikäli protonit eivät irtoa yhtä helposti.

93 Hydrolyysi Aine hajoaa osasikseen veteen liuetessaan. Hydraatti on aine, johon on sitoutunut vettä joko dipoli-dipoli-vuorovaikutusten tai ioni-dipolivuorovaikutusten vuoksi. Epämetallien hydrolyysi: Kovalentilla sidoksella sitoutuneista aineista elektronegatiivisempi muodostaa vety-yhdisteen ja toinen aine hydroksidin: PCl 3 + H 2 O P(OH) 3 + 3HCl Esimerkkitapauksessa P(OH) 3 on todellisuudessa muodossa H 3 PO 2. Liuos muodostuu tällöin hyvin happamaksi kahden hapon läsnä ollessa. Suolojen hydrolyysi: AlCl 3 + 7H 2 O Al(H 2 O) 5 OH 2+ + H 3 O + + 3Cl - Suolojen ionit ovat hydratoituneena ioni-dipolisidoksin. Esimerkissä heikon emäksen (Al(OH) 3 ) ja vahvan hapon (HCl) ionit tuottavat happaman liuoksen. NaCH 3 COO + H 2 O Na + + CH 3 COOH + OH - Vahvan emäksen (NaOH) ioni (Na + ) ja heikon hapon ioni (COO - ) muodostavat emäksisen liuoksen

94 ALKUAINEIDEN KEMIAA (epäorgaaninen kemia) Metallit ja epämetallit Metallien ominaisuuksia Metallisidos => hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus Taottavuus: Metallisidos sallii kationien siirtymisen toistensa lomassa Elohopeaa lukuun ottamatta kiinteitä huoneenlämmössä Metallinkiilto: valenssielektronien virittymistä korkeammille energiatasoille ja sieltä takaisinputoamisessa valokvantteina vapautuvaa energiaa. Alhainen elektronegatiivisuus Muodostavat kationeja: NaCl Na + + Cl - Useat oksidit emäksisiä (emäsanhydrideja): Na 2 O + H 2 O 2NaOH Sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä vasemmalla ja suurimmilla järjestysluvuilla myös melko oikealla

95 Em Epämetalleja Metalleja Puolimetalleja Metalleja Pohja:

96 ds_of_elemental_properties/periodic_trends

97 Epämetallien ominaisuuksia Heikko sähkön ja lämmönjohtokyky Huoneenlämmössä sekä kiinteitä, nestemäisiä että kaasumaisia Muodostavat pääosin kovalentteja sidoksia Suuri elektronegatiivisuus Useat oksidit happamia (happoanhydrideja): SO 3 + H 2 O-> H 2 SO 4 Sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä ylhäällä ja oikealla Epämetallin muodostamat kloridit yms. (bromidit, ) hydrolysoituvat vedessä: BCl 3 + 3H 2 O B(OH) 3 + 3HCl

98 Puolimetallien ominaisuuksia Puolimetalleilla on sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia: Johtavuus muistuttaa metalleja ja kemiallinen käyttäytyminen useimmiten epämetalleja Monet niistä ovat myös puolijohteita: Ulkoelektronit pysyvät normaalissa tilassa valenssikuorillaan, mutta ylimääräinen energia (lämpö, säteily ) nostavat ne ylemmälle energiatasolle. Ylemmällä elektronikuorella (ns. johtavuusvyö) ollessaan ne eivät enää ole sitoutuneena atomiinsa, vaan liikkuvat vapaana elektronina samaan tapaan kuin metalleissa. Liikkeelle lähteneen elektronin paikalle kovalenttiin sidokseen jää elektroniaukko. Tämä aukko siirtyy liikkuviin elektroneihin nähden vastakkaiseen suuntaan (ns. aukkojohtavuus). Elektronien määrä johtavuusvyöllä ja samalla johtavuus kasvaa lämpötilan myötä.

99 Lisää oksidien ja hydroksidien happo-emäsluonteesta Mitä metallisempi aine on, sitä varmemmin se muodostaa emäsanhydrideja oksidien vesiliuoksissa. Mitä epämetallisempi aine on, sitä varmemmin se muodostaa happoanhydrideja oksidien vesiliuoksissa. Niukkaliukoiset metallisuolat voivat olla amfolyytteja, siis toimia happona emäksisessä ja emäksenä happamassa liuoksessa: Happona: Al 2 O 3 + 6NaOH -> 2 Na 3 AlO 3 + 3H 2 O Emäksenä: Al 2 O 3 + 6HCl -> 2 AlCl 3 + 3H 2 O Korkeat hapetusasteet suosivat epämetallimaisuutta: Kromi(II)oksidi emäksenä: CrO + H 2 O -> Cr(OH) 2 (kromihydroksidi) Kromi(VI)oksidi happona: CrO 3 + H 2 O -> H 2 CrO 4 (kromihappo)

100 Alkuaineita ryhmittäin: 1 Alkalimetallit Kaikissa alkalimetalleissa on yksi ulkoelektroni kahdeksan elektronin kuoren päällä Tästä johtuen alkalimetalli saavuttaa oktetin luovuttamalla yhden elektronin Tämä ominaisuus tekee niistä erittäin elektropositiivisia ja voimakkaita pelkistäjiä 1-ryhmässä poikkeuksen tekee vety, joka on epämetalli (ks. myöh.) Voidaan valmistaa elektrolyysissa pelkistämällä Reagoivat voimakkaasti veden kanssa: Hapettuvat jopa ilman kosteuden takia Veteen joutuessaan palavat jopa räjähtäen: Na + H 2 O -> NaOH + ½ H 2

101 Alkuaineita ryhmittäin: 1 Alkalimetallit (jatkoa) Muodostavat halogeenien kanssa suoloja niinikään rajuilla reaktioilla: 2Na + Cl 2 -> 2NaCl Ilmassa palaessaan alkalimetallit muodostavat oksideja: 4Na + O 2 -> 2Na 2 O Tunnettuja alkalimetalliyhdisteitä: Natriumhydroksidi NaOH erittäin voimakas emäs Kaliumhydroksidi KOH samoin voimakas emäs Natriumkloridi NaCl ruokasuola Kaliumkloridi KCl ph-mittarin säilytysliuos Kaliumbromidi KBr rauhoittavissa lääkkeissä Natriunjodidi NaI jodeeratussa ruokasuolassa Natriumkarbonaatti Na 2 CO 3. 10H 2 O pesusooda Natriumvetykarbonaatti NaHCO 3 ruokasooda Kaliumkarbonaatti K 2 CO 3 potaska: lannoite, nostatin, Natriumnitraatti NaNO 3 salpietari: lannoite, räjähteet

102 Alkuaineita ryhmittäin: 2 Maa-alkalimetallit Kaksi ulkoelektronia oktetin päällä => muodostavat +2-kationeja Perusominaisuudet muistuttavat muuten alkalimetalleja: Muodostavat hyvin emäksisiä yhdisteitä, hapettuvat helposti, valmistetaan elektrolyysillä Vähän raskaampia, kovempia ja sulamispisteeltään korkeampia kuin alkalimetallit Reagoivat veden kanssa vetyä vapauttaen: M + 2H 2 O -> M(OH) 2 + H 2 Magnesiumilla ja berylliumilla reaktio ei ole yhtä kiivas kuin alkalimetalleilla. Muilla se on verrattavissa alkalimetalleihin. Syntyvät hydroksidit ovat beryllium- ja magnesiumhydroksidia lukuun ottamatta voimakkaita emäksiä. Tässä näkyy metallimaisuuden kasvu jaksollista järjestelmää alaspäin mentäessä

103 2 Maa-alkalimetallit (jatkoa) Yhdisteitä: Magnesiumkarbonaatti MgCO 3 Palonesto, lääketabletit, Magnesiumhydroksidi Mg(OH) 2 Heikko emäs, esim. mahahappoja neutraloimaan Talkki H 2 Mg 3 (SiO 3 ) 4 Asbesti Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 Kalsiumoksidi CaO Sammuttamaton kalkki Kalsiumhydroksidi Ca(OH) 2 Sammutettu kalkki Kalsiumkarbonaatti CaCO 3 Kalkkikivi/marmori Kalsiumsulfaatti CaSO. 4 2H 2 O Kipsi Kalsiumfosfaatti Ca 3 (PO 4 ) 2 Lannoitteissa ja luussa Kalsium- ja magnesiumsuolat tekevät vedestä kovan

104 2 Maa-alkalimetallit (jatkoa) Yhdisteitä: Klorofylli: Molekyylin runko porfyriini, jossa keskellä Magnesiumioni typpiatomeihin sitoutuneena (kuvassa klorofylli a) Klorofylli a C 55 H 72 MgN 4 O 5 Klorofylli b C 55 H 70 MgN 4 O 6 Klorofylli c 1 C 35 H 30 MgN 4 O 5 Klorofylli c 2 C 35 H 28 MgN 4 O 5 Klorofylli d C 54 H 70 MgN 4 O 6 Klorofylli f C 55 H 70 MgN 4 O 6

105 13 Booriryhmän metallit /Alumiini Kolme elektronia ulkokuorella, alla L-kuoren oktetti = muodostaa Al 3+ -ionin Valmistetaan elektrolyysillä alumiinioksidista (bauksiitti): 2Al 2 O 3 -> 4Al + 3O 2 Alumiini liukenee happoihin muodostaen alumiinisuoloja, esim. 2Al + 6HCl -> 2AlCl 3 + 3H 2 Alumiini liukenee myös vahvoihin emäsliuoksiin muodostaen alumiinihapon suoloja, aluminaatteja: 2Al + 2OH - + 4H 2 O -> 2H 2 AlO H 2 Alumiinin pinnalle muodostuva oksidikerros suojaa emäksiseltä syövytykseltä Hapot liuottavat oksidikerroksen ja sen jälkeen myös alumiinimetallia

106 13 Booriryhmän metallit /Alumiini Alumiini on voimakas pelkistin: Fe 2 O 3 + 2Al -> Al 2 O 3 + 2Fe (reaktio tuottaa jopa 3000 o C:n kuumuuden) Alumiini-ionin vesiliuos on hapan: Alumiiniyhdisteitä: Al(H 2 O) H 2 O -> H 3 O + + Al(H 2 O) 5 (OH) 2+ Alumiinioksidi Al 2 O 3 Bauksiitti (mukana kidevettä), vedettömänä mm. kromatografiassa, hyvä adsorptiokyky monissa jalokivissä: rubiini, safiiri ja korundi Alumiinisilikaatti H 4 Al 2 Si 2 O 9 Kaoliini, saven perusaine Alumiini ja ihminen: Alumiini ei ole ihmiselle tarpeellinen Alumiinin kertyminen elimistöön estää luun mineralisoitumista ja vahingoittaa hermokudosta.

107 7 /Mangaani Hapetusasteet +II, +IV, +VI, +VII Hapetusluvulla +VII muodostuu permangaanihappo HMnO 4, joka muodostaa permanganaattisuoloja 2MnO Cl 2 -> MnO Cl - Kaliumpermanganaatti KMnO 4 on voimakas hapetin, jota käytetään mm. hapetuspelkistys-titrauksissa happamassa liuoksessa: MnO H + + 5e - Mn H 2 O (Mn hapetusluvulta VII luvulle II, hapet ja vedyt päikseen )

108 8 (9,10)/ Rauta (+ koboltti ja nikkeli) Hapetusasteet +II ja +III, harvinaisena myös +VI Rauta, koboltti ja nikkeli muodostavat ferromagneettisen rautaryhmän Raudan tavallisin oksidi on rauta(iii)oksidi Fe 2 O 3 ja toinen rauta(ii)oksidi Fe 3 O 4 Ruoste on vesipitoista rauta(iii)oksidia Fe 2 O 3. H 2 O Hemoglobiinimolekyylissä rauta(ii)-ioni muodostaa koordinaatiosidoksen siihen sitoutuvan hapen kanssa Hemoglobiinin perusrakenteena on vastaavanlainen porfyriinirakenne kuin klorofyllissä.

109 11 / Kupari Hapetusasteista yleisin +II, joskus myös +I tai +III Suhteellisen haluton luovuttamaan elektroneja => jalometalli Tästä syystä se liukenee vain typpi- ja rikkihappoon: 3Cu + 8HNO 3 -> 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O (laimea typpihappoliuos) ja Cu + 4HNO 3 -> Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O (väkevä typpihappoliuos) Cu + 2H 2 SO 4 -> CuSO 4 + 2H 2 O + SO 2 Kupari on yksi hivenaineista, mutta se on toisaalta toksinen jo aika alhaisissa pitoisuuksissa Kuparisulfaattikiteitä

110 11 / Hopea Hapetusaste +I Jalometalli: liukenee vain typpi- ja rikkihappoon (vrt. kupari) Hopea muodostaa kuitenkin liuenneena suoloja anionien kanssa. Yhdisteitä: Hopeanitraatti AgNO 3 Laapiskivi Hopeakloridi AgCl Ag/AgCl -elektrodeissa Hopeabromidi AgBr Valokuvauksessa

111 12 / Elohopea Hapetusaste +I ja +II Elohopea(I)-ioni muodostuu kahdesta elohopea-atomista Hg 2+ 2 mutta muuttuu helposti elohopea(ii)-ioniksi: Hg + 2 -> Hg + Hg 2+ Ainoa huoneenlämmössä nestemäinen metalli Jalometalli: Jalompi kuin kupari Elohopea(I)kloridi eli kalomeli Hg 2 Cl 2 on tärkeä mittauselektrodien materiaali Elohopea on paha ympäristömyrkky, jota mm. liukenee maaperästä happamiin vesistöihin Elohopean käyttöä esim. kuume- ja verenpainemittareissa on rajoitettu

112 Epämetallit 1 Vety Pienin alkukaine 1 elektoni, mutta ei oktettia sen alla => poikkeaa epämetallina täysin muista 1-ryhmän alkuaineista, jotka ovat alkalimetalleja. Esiintyy vetymolekyylinä H 2 tai vetyionina H +, joka on pelkkä protoni (syy nimelle protolyysireaktio) Vetyä syntyy monin tavoin. Yksi tapa on alkali- tai maa-alkalimetallin reaktio veden kanssa: Ca + H 2 O -> Ca OH - + H 2 tai vettä hydrolysoimalla elektrolyysin avulla: 2H 2 O -> 2H 2 + O 2 Yhdisteissä ionisidoksina (hapot), kovalenttisina sidoksina (yksi oma ja toinen lainaelektroni ) tai vetysidoksina

113 1 Vety (jatkuu) Vetykaasua on runsaasti esim. auringossa ja pieniä määriä myös ilmakehässä Tärkein yhdiste vesi H 2 O Vesi on elämän edellytys: valtaosa biologisista reaktioista edellyttää vesiliuosta ja toisaalta veden kyky sitoa happea on ollut elämän nykysuunnan kehityksen edellytys Vettä on paljon myös monissa suoloissa kidevetenä Vesimolekyyli on polaarinen: sen happipää sitoo elektronegatiivisuuden takia kovalentin sidoksen sidoselektronit, mikä tekee happipään negatiiviseksi ja vetypään positiiviseksi. Vetyioni sitoutuu vedessä koordinaatiosidoksella oksoniumioniksi (= hydroniumioni): H + + H 2 O -> H 3 O + ns/the_hydronium_ion

114 15, entinen 6B eli happiryhmä 6 elektronia ulkokuorella => kaksi elektronia lisää tuottaa oktetin => pienimmät ryhmän alkuaineet eletronegatiiviisia epämetalleja Järjestysluvun kasvaessa elektronegatiivisuus vähenee ja telluuri ja polonium ovatkin puolimetalleja ja livermorium metalli Happi Yleinen alkuaine, jota on ilmassa (21%) happikaasuna O 2 ja lukemattomissa eri yhdisteissä Hapetusluku II, joskus I Suuri elektronegatiivisuus => voimakas hapetin Saadaan tuotettua esim. hajottamalla vettä elektrolyyttisesti Luonnossa vapaata happea syntyy fotosynteesin reaktiotuotteena

115 Happi (jatkoa) Happi liukenee jossain määrin veteen Hapen ja muiden alkuaineiden yhdisteitä kutsutaan oksideiksi: 4Fe + 3O 2 -> 2Fe 2 O 3 (rauta(iii)oksidi) Reaktio on aina eksoterminen ja se voi joskus vaatia kynnysenergian (lämpötilan). Kun tällöin vapautuu paljon lämpöä, puhutaan palamisesta: 2C + O 2 -> 2CO (hiilimonoksidi eli häkä) C + O 2 -> 2CO 2 (hiilidioksidi) S + O 2 -> SO 2 (rikkidioksidi) Myös yhdisteet voivat palaa: CH 4 + 2O 2 -> CO 2 + 2H 2 O Metallioksideissa happi on kiinni pääsääntöisesti ionisidoksella ja epämetallioksideissa kovalentilla sidoksella. Suuren elektronegatiivisuuden takia jotkut epämetallioksidit voivat olla polaarisia (vesi, CO)

116 Happi (jatkoa) Peroksideissa on aina sidos kahden hapen kesken Metalliperoksidit ovat ioniyhdisteitä ja epämetalliperoksidit kovalenteilla sidoksilla muodostuvia: Na - O - O - Na H - O - O - H Natriumperoksidi Na 2 O 2 Vetyperoksidi H 2 O 2 Metalliperoksideissa esiintyy peroksidi-ioni O 2 2-, jossa hapet ovat toisissaan kiinni koordinaatiosidoksella: O : O 2- Peroksidit ovat pysymättömiä yhdisteitä. Vetyperoksidi on voimakas hapetin, kun se vapauttaa reaktiivista happea: 2H 2 O 2 -> 2H 2 O + O 2

117 Happi (jatkoa) Toista hapen allotrooppista muotoa otsonia syntyy, kun happimolekyylit ionisoituvat sähkökentässä tai ionisoivan säteilyn vaikutuksesta: 3O 2 -> 2O 3 Ionisaatio O O O O O O O O O O O O O O O O O O O Sidoselektronit jakautuneet tasaisesti happien välille O O Otsoni hajoaa edelleen takaisin hapeksi reaktiolla 2O 3 -> 3O 2 Syntynyt happi on vetyperoksidin tuottaman hapen tavoin erityisen reaktiivista ja sitä käytetään mm. desinfiointiin (esim. uimahallit).

118 Rikki Hapetusluku vaihtelee, yleisimmät II, +IV ja +VI Happea selvästi alhaisempi elektronegatiivisuus Useita allotrooppisia muotoja, joista toiset kidemäisiä ja yksi amorfinen Pelkistimien (pääasiassa metallit) kanssa rikki muodostaa II (joskus myös -I) hapetusluvulla olevia sulfideja.: Cu + S -> CuS (Kuparimonosulfidi, hapetusluku -II) 2Na + 2S -> Na 2 S 2 (Natriumsulfidi, hapetusluku -I) H 2 + S -> H 2 S (Vetysulfidi eli rikkivety, hapetusluku II) Epäorgaanisen kemian analytiikassa metalleja saostetaan usein sulfideiksi Vetysulfidi on heikko happo: H 2 S + H 2 O H 3 O + + HS - 2H 3 O + + S 2- (vetysulfidi-ioni) (sulfidi-ioni)

119 Rikki (jatkoa) Hapettimien kanssa rikki muodostaa +IV tai voimakkaimpien jopa +VI hapetusluvulla olevia yhdisteitä: S + O 2 -> SO 2 Rikkidioksidi ( hapetusluku +IV, vrt hiilidioksidi) 2SO 2 + O 2 -> 2SO 3 Rikkitrioksidi ( hapetusluku +VI) Nämä oksidit ovat happoanhydridejä: SO 2 + H 2 O -> H 2 SO 3 SO 3 + H 2 O -> H 2 SO 4 Rikkihapoke Rikkihappo Rikkihapoke on heikko happo: H 2 SO 3 + H 2 O H 3 O + + HSO 3 - HSO H 2 O H 3 O + + SO 3 2- Vetysulfiitti-ioni Sulfiitti-ioni Sulfiittisuolat ovat tehokkaita pelkistimiä, kun hapetusluku muuttuu +IV:stä +VI:een: Na 2 SO 3, NaHSO 3,...

120 Rikki (jatkoa) Rikkihappo on vahva happo: H 2 SO 4 + 2H 2 O 2H 3 O + + SO 4 2- (sulfaatti-ioni) Rikkihapon liukeneminen on erittäin eksoterminen reaktio. Tästä syystä rikkihappo on aina laimennettava veteen eikä päinvastoin: Ensin vesi, sitten happo, muuten tulee käteen rakko! Rikin yhdisteitä Vetysulfidi H 2 S Rikkivety: erittäin myrkyllinen, mädän kananmunan haju Kalsiumvetysulfiitti Ca(HSO 3 ) 2 Sulfiittiselluloosan liuotin Joissakin aminohapoissa: S S