Johdantoa/Kertausta. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Transkriptio

1 Johdantoa/Kertausta MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Mitä on kemia? Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi? Kaikissa kemiallisissa reaktioissa tapahtuu energian muutoksia, jotka liittyvät vanhojen sidosten katkeamiseen ja uusien sidosten muodostumiseen. kovalettinen sidos = elektronipari, ionisidos, elektronegatiivisuusarvot jne. Tällä kurssilla tarkastellaan erityisesti metalleja ja mitä elektronien siirtyminen/liikkuminen metalleissa saa aikaan. Samalla luodaan yhteys sähköfysiikkaan. Tällä kurssilla tarkastellaan myös materiaaleja sekä teknologiaa. Määritelmä, hapettuminen/pelk.: Hapettuminen on elektronien luovuttamista ja pelkistyminen on elektronien vastaanottamista. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina yhdessä eli samanaikaisesti. Jos aine A hapettuu, niin aine B pelkistyy. Määritelmä: Elektronegatiivisuus kuvaa sidoksen/sidosten muodostumiseen osallistuvan atomin kykyä vetää sidoselektroneja puoleensa. Mitä suurempi on alkuaineen elektronegatiivisuusarvo sitä voimakkaammin se vetää sidoselektroneja puoleensa. Fluori F on elektronegatiivisin alkuaine, merkitään χ F = 4.0 [khii]. Elektronegat.arvot ovat taulukoituja MAOL. 1

2 HYVÄ KAAVIO! 2

3 SIDOKSET Palautetaan mieleen millaisia sidoksia kemia tuntee ja miten ne luokitellaan: Vahvat sidokset ovat rakenneosasten sisäisiä sidoksia. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia. Nyt tällä kurssilla mielenkiinto on pääosin metallisidoksissa ja metallihilassa. Metalleilla on tyypillisesti 1 3 valenssielektronia. Yksittäisten metalliatomien sitoutuessa toisiinsa jokaisen atomin valenssielektronit tulevat yhteiseen käyttöön ja saadaan: Määritelmä, metallisidos, metallihila: Kun elektronit sitovat yhteen positiivisia metalli-ioneita, niin näiden sähköisesti erilailla varautuneiden hiukkasten välille syntynyttä vahvaa sähköistä vetovoimaa kutsutaan metallisidokseksi. Vapaiden elektronien meri siis sitoo metalli-ionit tiiviiksi rakenteeksi, jota kustustaan metallihilaksi. 3

4 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. 4

5 Useimmat metallit ovat harmaita (hopeanhohtoisia), kullalla ja kuparilla oma värinsä. Metalleilla on korkeat sulamispisteet (metallisidos), vain cesiumilla ja galliumilla on alhaiset sulamispisteet (28 ) ja (30 ). Poikkeuksen tekee elohopea ( 39 ). Kaikkia kiinteitä metalleja voi takoa ja venyttää ja ne johtavat hyvin sähköä (elektroni) sekä lämpöä. Cu Ga Cs Au Hg Miksi elohopea on nestettä, sulamispiste ( 39 )? Elohopealla on d-lohkon metallina poikkeuksellisen alhainen sulamislämpötila. Täydellinen selitys tälle pureutuu syvälle kvanttifysiikan valtakuntaan ( deep into the realm of quantum physics ), mutta selitys voitaneen tiivistää seuraavasti: Elohopealla on ainutlaatuinen elektronikonfiguraatio eli järjestys (=kokoonpano), jossa elektronit täyttävät kaikki käytettävissään olevat elektronikuoret: 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 2, 3d 10, 4p 6, 5s 2, 4d 10, 5p 6, 6s 2, 4f 14, 5d 10 Tämä kokoonpano vastustaa voimakkaasti elektronin poistamista, niin kuin jalokaasut elohopea käyttäytyy hyvin samankaltaisesti kuin jalokaasut. Näin ollen elohopea muodostaa heikkoja sidoksia (dispersiovoimia) ja siksi sillä on alhainen sulamispiste. 6s-kuoren pysyvyys johtuu täysin täytetyn 4f-kuoren läsnäolosta. F-kuori ei juurikaan peitä ytimen varausta (eli sähköistä vetovoimaa), jonka 6s-kuoren elektronit kokevat. 5

6 Vety voi syttyä. Metalleille on tyypillistä pyrkimys luovuttaa elektroneja kemiallisessa reaktioissa. Kun alkalimetallit reagoivat veden kanssa, muodostuu emäksinen eli alkaalinen liuos. Siksi nimi alkaali- ja maa-alkaalimetallit. Alkalimetalleilla on vain yksi ulkoelektroni, jonka ne helposti luovuttavat esim. halogeeneille. ESIMERKKEJÄ METALLEISTA 6

7 Huomaatko molekyylien samankaltaisuuden? MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA Materiaalien valmistus ja ominaisuuksien muuntelu haluttua käyttötarkoitusta varten on mahdollista vasta sitten, kun tiedetään, 1) kuinka aineet rakentuvat kemiallisilla sidoksilla ja 2) millainen yhteys aineen rakenteella on sen ominaisuuksiin. Materiaaleja luokitellaankin koostumuksen, ominaisuuksien ja käyttötarkoituksen perusteella. Viimeisen sadan vuoden aikana on kehitelty mm. keraameja, komposiitteja, nestekiteitä, biohajoavia tai sähköä johtavia muoveja sekä nanoteknologian tuottamia tuotteita kuidut, kalvot, pinnoitteet jne. 7

8 Grafeeni on maailman ohuin materiaali. Se on vain yhden hiiliatomin paksuinen kanaverkkomainen kalvo. Se on erittäin kestävää, samalla myös taipuisaa, venyvää ja sillä on hyödyllisiä sähköisiä, mekaanisia ja optisia ominaisuuksia. Grafeenia on erittäin haastavaa valmistaa isommissa kokonaisuuksissa. Nämä yhden atomin paksuiset hiiliatomikalvot ovat yksi lupaavimmista materiaaleista uudenlaiselle taipuisan ja läpinäkyvän elektroniikan eri sovelluksille. Uusien materiaalien kehittäminen tai jo käytössä olevienmateriaalien ominaisuuksien parantaminen vaatii yhteistyötä eri ammattiryhmien ja osaajien kesken. Nanoteknologialla tarkoitetaan atomien, molekyylien ja kooltaan 100 nanometriä (eli m) pienempien rakenteiden tutkimusta ja hyödyntämistä. Käytännössä tällainen rakenne sisältää noin 1000 atomia. Materiaaleihin liittyy paljon erilaisia vaiheita: raaka-aineiden hankintavaihe, valmistusvaihe, käyttövaihe ja kierrätys/uusiokäyttövaihe, loppusijoitusvaihe. Tänäpäivänä pyritään kestävään kehitykseen ja mahdollisimman suureen kierrätysasteeseen. Puhutaan tuotteen elinkaaresta. Tuotteen elinkaareen liittyy myös ympäristövaikutukset. Tällöin arvioidaan tuotteelle ekotase, joka erittelee tuotantoon tarvittavat raaka-aineet ja energiamäärän sekä tuotannossa syntyvät loppu- ja sivutuotteet, jätteet ja päästöt. Voidaan ympäristökuormitusta arvioida ja vähentää. 8

9 Tuotteen elinkaari koostuu useasta osatekijästä. Uudelleenkäyttö ja kierrätys ovat ominaisuuksia, joiden tulisi kiinnostaa meitä kuluttajia yhä enemmän. Auton materiaalit osataan nykyisin kierrättää ja ottaa uusiokäyttöön tehokkaasti. 9