Kurssin esittely. Kurssin esittely on monisteella KE4 Metallit ja materiaalit

Transkriptio

1 Kurssin esittely 18. huhtikuuta :34 Kurssin esittely on monisteella KE4 Metallit ja materiaalit Tiedonhakutehtävät kannattaa hoitaa mahdollisimman nopeasti pois alta! Tiedonhakutehtävät saa palauttaa myös sähköisessä muodossa! Kertaustehtäviä s. 14. t. 1. a) X = Magnesium, Y = Kloori b) Y eli kloori c) Magnesium hapettuu ja kloori pelkistyy (magnesium luovuttaa elektronin kloorille) d) Kloori on hapetin ja magnesium pelkistin e) s. 14. t. 2. a) b) c) s. 14. t. 3. a) b) Verranto Kemian tehtävien tekeminen tietokoneen näppäimistöllä on vielä nykytekniikalla epäkäytännöllistä. No, tulipahan testattua. :) c) KE4 Sivu 1

2 KE4 Sivu 2 Hapetusluvut 22. huhtikuuta :05 Metalliatomi luovuttaa ulkoelektroninsa, joten se hapettuu Epämetalli vastaanottaa elektroneja, joten se pelkistyy Hapetus-pelkistysreaktio = Elektronien siirtymistä aineelta toiselle Elektronien luovuttaja hapettuu ja sen hapetusluku kasvaa Elektronien vastaanottaja (elektronegatiivisempi) pelkistyy ja sen hapetusluku pienenee s. 36. t. 22. a) Ei, sillä vaikka tuote on ioniyhdiste, lähtöaineet ovat jo ioneina b) Ei, sillä kalsium on myös tuotteen varauksellinen osa c) On, sillä atomit muodostavat ioniyhdisteen, jolloin kupari luovuttaa fluorille elektroneja d) Ei, sillä vety on myös tuotteen varauksellinen osa e) On, koska bariumhydroksidissa barium luovuttaa hydroksidi-ioneille elektronejaan s. 36. t. 23. a) -I b) +I c) +V d) -I e) -I f) -I Alkuaineena olevan atomin hapetusluku on 0 Vedyn hapetusluku on yleensä +I, mutta metallihydrideissä -I Hapen hapetusluku on yleensä -II, mutta peroksideissa -I Yhdisteissä hapetuslukujen summa on nolla. Atomien lukumäärät huomioidaan summaa laskettaessa. Yksiatomisen ionin hapetusluku = ionin varaus Moniatomisen ionin hapetuslukujen summa = ionin varaus

3 KE4 Sivu 3 Reaktioyhtälön tasapainottaminen hapetuslukujen avulla 22. huhtikuuta :35 Selvitetään hapetuslukujen avulla, mikä aine hapettuu ja mikä pelkistyy Hapetusluku kasvaa -> hapettuminen Hapetusluku pienenee -> pelkistyminen Tasapainotetaan elektronien määrä laittamalla sopivat kertoimet hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta sisältävän aineen kaavan eteen Tasapainotetaan lopuksi muiden aineiden määrä s. 30. esim I +V -II +I +V +II +I -II +II -II Hopea hapettuu kokonaan ja typpi pelkistyy osittain s. 36. t. 25. a) -IV b) +V c) +VII d) +III e) +I f) +III g) -I h) +IV i) +III j) +V k) +IV l) +V

4 Metallien jännitesarja 25. huhtikuuta :43 Vety on epämetalli Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg At Pt Au Epäjalot metallit Jalot metallit Hyvä hapettumiskyky ja heikko pelkistymiskyky Heikko hapettumiskyky ja hyvä pelkistymiskyky Vety jakaa metallit jaloihin ja epäjaloihin metalleihin Metallit järjestyksessä pienenevän hapettumiskykynsä mukaan (mitä jalompi, sitä heikommin hapettuu) Jännitesarjan avulla voidaan ennustaa metallien välisiä hapettumis-pelkistymisreaktioita Epäjalot metallit esiintyvät luonnossa vain yhdisteinä Jaloja metalleja esiintyy luonnossa myös puhtaina aineina Ennen vetyä olevat metallit (=epäjalot metallit) reagoivat happojen kanssa vetyä vapauttaen Jalot metallit hapettuvat vain hapettavien happojen kanssa (typpihappo ) Metallien hapettuminen ja pelkistyminen Epäjalommalle metallille tapahtuu hapettuminen (=elektronien luovuttamista), jos se on alkuainemuotoisena metalliatomina mukana reaktiossa Jalommalle metallille tapahtuu pelkistyminen (=elektronien vastaanottamista), jos se on ionisoituneena metallikationina mukana reaktiossa Esim. t. 15. f), jossa alumiini epäjalompana metallina hapettuu s. 35. t. 14. a) Ei tapahdu b) c) d) Ei tapahdu Normaalipotentiaalitaulukko Sisältää tietoa muidenkin aineiden kuin metallien kyvystä hapettua tai pelkistyä Taulukkoa tulkitsemalla voidaan edelleen ennustaa taulukossa esiintyvien aineiden välisiä reaktioita Taulukossa kaikille aineille on esitetty pelkistymispotentiaaliarvo, mutta ne aineet, joilla arvo on negatiivinen, ovat huonosti pelkistyviä (ja hyviä hapettumaan) Hapettumispotentiaaliarvo saadaan, kun käännetään reaktioyhtälö ja otetaan vastaluku pelkistymispotentiaaliarvosta Jos reaktiossa mukana olevien aineiden hapettumis- (helpommin hapettuvalta aineelta) ja pelkistymis- (helpommin pelkistyvältä aineelta) potentiaaliarvojen summa on positiivinen, on kyseinen reaktio spontaani eli tapahtuu itsestään Jos potentiaaliarvojen summa on negatiivinen, ei reaktio tapahdu ilman ulkoista pakotetta Metallien jännitesarja on myös MAOLissa sivulla 146. Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Nyi Sn Pb H Cu Hg Ag Au Osa metalleista liukenee jopa veteen. Esimerkiksi litium on tällainen metalli. s. 35. t. 17. a) b) -> Reaktio ei tapahdu Kohdat c-> paperilla (tunnilla loppui paperi kesken) c) -> Reaktio on spontaani eli tapahtuu KESKEN KE4 Sivu 4

5 KE4 Sivu 5 Hapettumis-pelkistymisreaktioiden sovelluksia 29. huhtikuuta :32 = Kappale 3 Akut ovat ladattavia, paristot kertakäyttöisiä Sähköpari eli galvaaninen kenno (eli paristo) Spontaanit hapettumis-pelkistymisreaktiot ovat eksotermisia tapahtumia Vapautunut lämpöenergia voidaan muuttaa sähköenergiaksi Elektronit siirtyvät ulkoista johdinta pitkin hapettuvalta aineelta pelkistyvälle aineelle Suolasilta ylläpitää sähkövarausten tasapainoa liuoksissa

6 KE4 Sivu 6 Sähkömäärä elektrolyysissä 6. toukokuuta :02 Symboli Suure Yksikkö Q Sähkömäärä (varaus) As I Virta A t Aika s F Faradayn vakio n Ainemäärä mol z Ionin varauksen itseisarvo

7 Metallit 7. toukokuuta :12 Mitä on kova vesi? Kova vesi sisältää kalsium- ja magnesiumioneja, joita on tullut kalsium- ja magnesiumkarbonaatin liukenemisesta on saippua Kova vesi siis kuluttaa saippuaa, joten saippuan annostelu pitää moninkertaistaa alueilla, joilla vesi on kovaa Sivuryhmien metallit Saadaan malmeista rikastamalla Elektroneja d- tai f-orbitaaleilla Siirtymäalkuaineet Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu d-lohkon metalli, joka muodostaa ainakin yhden ionin, jolla on osittain täyttynyt d-orbitaali Yhdisteet värillisiä (virittyminen) Katalyyttejä Kompleksinmuodostajia Muutkin metallit voivat toimia kompleksi-ionien keskusatomeina, mutta vain siirtymäalkuaineiden kompleksi-ioneilla on selkeä väri Siirtymäalkuaineiden ioneissa osittain täyttyneen d-orbitaalin ionit hyppivät myös 4d-orbitaalille, jolloin vapautuu energiaa, joka sitoutuu elektronin palatessa korkeammalle energiatasolle (3d) 3d-orbitaalin energiataso on hieman korkeampi kuin 4s-orbitaalin Saippuan toimintaperiaate: Hiiliketju on pooliton ja siten hydrofobinen Karboksyyliryhmä on poolinen ja siten hydrofiilinen Hydrofobinen osa kiinnittyy rasvatahraan ja hydrofiilinen osa mahdollistaa sen, että saippua saa rasvatahran irtoamaan veteen Orbitaalien täyttymisjärjestys Siirtymäalkuaineiden ionit eivät kuitenkaan noudata tätä altistuessaan säteilylle, sillä silloin niiden 4s-orbitaalin elektroneja pomppii 3d-orbitaalille :D Kompleksi-ionit Keskusatomina yleensä siirtymäalkuaine Ligandina molekyyli tai ioni, jolla on vapaita ulkoelektroneja Koordinaatioluku kertoo, kuinka moneen ligandiin keskusatomilla on sidos Sekä keskusatomi että ligandit vaikuttavat kompleksin väriin s. 83. t. 83. Kohta a Kompleksiioni Kato kirjasta :-DDD Keskusatomi Keskusatomin varaus Koordinaatio luku Ligandit Avaruusrakenne Ag - hopea +1 2 H20 - vesi lineaarinen b Co - koboltti +2 4 Cl- - kloridi-ioni Tasoneliö tai tetraedri c Co - koboltti +3 6 CN- - syanidi-ioni oktaedri d Cr - kromi +3 6 H2O - vesi ja OH- - hydroksidi-ioni Metallit biokemian aineina Kalium ja natrium Toimivat solunesteiden sähkötasapainon ylläpitäjinä elimistössä Magnesium Hermosolut, lihastoiminta ja entsyymit Kalsium Luusto, veren hyytyminen ja lihastoiminta oktaedri KE4 Sivu 7

8 Epämetallit 16. toukokuuta :38 Yksiatomisina esiintyvät Jalokaasut Kaksiatomisina esiintyvät Halogeenit, happi, typpi ja vety Jättiläismolekyyleinä esiintyvät Hiili, (fosfori) Epämetalleista ainoastaan grafiittimuotoinen hiili johtaa sähköä -> Lyijykynällä voi tehdä paperipalalle potentiometrin Kaasuja Vety, jalokaasut, typpi, happi, fluori, kloori Epämetallit Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet poikkeavat metallien ominaisuuksista: Alhaisemmat sulamis- ja kiehumispisteet Eivät johda sähköä (poikkeuksena grafiitti) Typpi N Ilmasta 70 til-% Kolmoissidoksellisen typpimolekyylin sidosenergia (994 kj/mol) otetaan hyötykäyttöön esim. räjähdysaineissa Tärkeimmät typen yhdisteet ovat ammoniakki ( ja typpihappo ( Ammoniakkia valmistetaan typpi- ja vetykaasusta Haber-Boschmenetelmällä Typpihappoa valmistetaan ammoniakista Ostwaldin menetelmällä Vety on epämetalli (Sherlock ) Vetyfluoridissa ja vetykloridissa olevat sidokset ovat kovalenttisia sidoksia, mutta ne muistuttavat suuren elektronegatiivisuuseron vuoksi ominaisuuksiltaan ionisidoksia. Katso taulukkokirjan sivu 137 s. 99. t. 91. (löytyy myös paperilta) a) b) c) d) tai e) f) g) h) Typpihappo Käytetään Lannoiteteollisuudessa (ammoniumnitraatin valmistukseen) Lääkkeiden valmistukseen Väriaineiden valmistukseen Räjähdysaineiden valmistukseen Typen oksidit ja Ilmakehässä liikenteen päästöistä Happamoittavat sadevettä liuetessaan siihen (hapan laskeuma, happosade) Vaurioittaa kasvillisuutta Lisää maaperän happamuutta Pahimmillaan muodostaa fotokemiallista sumua (sumua, jossa ei ole vettä - Kiinan kaupunkisumut ovat tällaisia) Happi ja otsoni Ilmakehässä noin 21 til-% Veteen liuenneena noin 3 til-% Maankuoren yleisin alkuaine, noin 50 m-% Ihmiskehon yleisin alkuaine, noin 65 m-% Voimakkaita hapettimia, reaktiivisia Otsonin hajotessa muodostuu voimakkaasti reaktiivisia happiradikaaleja Oksidit Happi muodostaa muiden alkuaineiden kanssa helposti oksideja Epämetallioksidit ovat veteen liuetessaan happamuuden aiheuttajia Esim. rikkitrioksidista muodostuu rikkihappoa Metallioksidit ovat yleensä emäksisiä vesiliuoksina Esim. kalsiumoksidista muodostuu kalsiumhydroksidia KE4 Sivu 8

9 Hapen valmistusmenetelmiä Vetyperoksidia hajottamalla hapeksi ja vedeksi Soluissa tähän oma peroksidaasi-entsyymi Hajottamalla vettä elektrolyysillä hapeksi ja vedyksi (Hoffmanin laitteisto) KE4 Sivu 9

10 Polymeerit 20. toukokuuta :24 Mitä tarkoittaa monomeeri? Yhtä polymeerimolekyylin yksikköä Mitä tarkoittaa makromolekyyli? Suurta molekyyliä Mitä muovilaatuja tunnet? PET PE-HD PVC PE-LD PP PS Mistä rakentuvat Hiilihydraatit? Monosakkarideista Proteiinit? Aminohapoista Nukleiinihapot? Emäksistä, deoksiriboosista tai riboosista sekä fosfaatista -> Nukleotideista Mihin solu tarvitsee Hiilihydraatteja? Proteiineja? Nukleiinihappoja? Mikä rakenneyksikkö koostuu selluloosan rakenteessa? Glukoosi Mitä tarkoittaa additioreaktio? Pienen molekyylin lisääminen toiseen molekyyliin, johtaa usein kaksois- tai kolmoissidoksen purkautumiseen Mitä tarkoittaa kondensaatioreaktio? Veden irrottamista molekyylistä Polymeerien luokittelu Alkuperän mukaan Synteettiset polymeerit Laboratoriossa valmistettavat Esim. muovit ja tekokuidut Biopolymeerit eli luonnon polymeerit Elävien solujen valmistamat Esim. hiilihydraatit ja proteiinit TAI Valmistusprosessin mukaan Additiopolymeerit Esim. Polyeteeni (PE) Kondensaatiopolymeerit Esim. polyesteri ja polyamidi Synteettiset polymeerit Muovit Rakentuvat peruspolymeereistä ja käyttökohteen mukaan valituista lisäaineista Kestomuovit, uudelleen muokattavia eli amorfisia Polymeeriketjujen välillä vain dispersiovoimia, joten muovi palautuu muokkaamisen jälkeen samaksi rakenteeksi Kertamuovit Polymeeriketjujen välillä kovalenttisia sidoksia, joten polymeeriketjuja ei voi irrottaa toisistaan ja koota takaisin samaan rakenteeseen Synteettiset kumit eli elastomeerit Vulkanoitu kumi = luonnonkumi (kautsu), joka käsitelty rikillä Luonnonkumin dispersiovoimat korvautuvat rikin mahdollistamilla kovalenttisilla sidoksilla Synteettinen kumi eli neopreeni Tekokuidut Lankamaisia polymeerejä Suuri vetolujuus ja kestävyys Esim. viskoosi, polyamidi ja polyesteri Styrox = polystyreeni Polymeroituminen Polyadditio- eli liittymisreaktio Kaksoissidoksia sisältävät monomeerit liittyvät yhteen polymeeriksi, kun kaksoissidokset aukeavat Polymeerin rakenteessa toistuuu aina uudestaan ja uudestaan sama atomiryhmä, jota kutsutaan toistuvaksi yksiköksi. Polymeerin rakenne esitetään joko katkaistuna ketjuna tai lyhemmin kirjoittamalla vain yhden toistuvan yksikön kaava Muovilaatuja Monomeeri Polymeerin Esimerkki käyttökohteesta Eteeni Polyeteeni (PE) Muovipussit Propeeni Polypropeeni (PP) Muovinarut Kloorieteeni eli vinyylikloridi Polyvinyylikloridi (PVC) Viemäriputki Metyylimetakrylaatti KE4 Sivu 10

11 Metyylimetakrylaatti Kesken Polykondensaatioreaktio Molekyylien liittymistä yhteen siten, että samalla lohkeaa pois jokin pienempi molekyyli, kuten vesi Funktionaaliset ryhmät reagoivat ja muodostuu uusi sidos Esim. polyesteri: happo + alkoholi -> polyesteri + vesi Vety Kevyin alkuaine Orgaanisissa molekyyleissä Vedessä Hyvä pelkistin (metallin valmistus oksidista) Rasvojen kovetin Hydraus vedyn avulla Tulevaisuuden energianlähde Ongelmana räjähdysherkkyys FUUSIO Voidaan valmistaa Hajottamalla vettä elektrolyyttisesti (Hoffmanin laite) Metallien (esim. Pb, Sn, Ni, Zn) ja happojen reaktiolla Aktiivisten metallien (alkalimetallit) reaktiolla veden kanssa Fosfori, Yleisin fosforia sisältävä mineraali on apatiitti Alkuaineena esiintyy yleisimmin kahdessa eri allotropisessa muodossa, valkoisena ( ) ja punaisena fosforina Käytetään lannoitteissa ja pesuaineissa Aiheuttaa vesistöjen rehevöitymistä Rikki Luonnossa myös vapaana alkuaineena Useita allotropisia muotoja, tavallisin Yleisimmät yhdisteet sulfideja Fossiilisissa polttoaineissa! Muodostuu rikin oksideja polttoaineen palaessa Muuttavat sadeveden happamaksi Rikkihappo tärkein rikin teollisista yhdisteistä Luonnon polymeerit Polysakkaridit eli hiilihydraatit Muodostuvat monosakkarideista kondensaatioreaktiolla (glykosidinen sidos happisillan avulla) Esim. glukoosi, tärkkelys, selluloosa Polypeptidit eli proteiinit Muodostuvat aminohapoista kondensaatioreaktiolla (peptidisidos) Esim. insuliini, hemoglobiini, albumiini Polynukleotidit eli nukleiinihapot Muodostuvat nukleotideistä kondensaatioreaktiolla (fosforiesterisidos) Nukleotidi muodostuu sokeriosasta, fosfaattiosasta ja typpeä sisältävästä emäsosasta Monosakkaridit, aminohapot ja nukleotidit ovat siis monomeerejä! Aminohapon kemiallinen kaava voidaan muodostaa taulukkokirjan sivun 157 kaavojen avulla siirtämällä typeltä yksi protoni hapelle. Aminohapon hapan karboksyyliryhmä nimittäin luovuttaa helposti emäksiselle aminoryhmälle protonin. KE4 Sivu 11

12 KE4 Sivu 12 Hiilihydraatit 21. toukokuuta :51 Hiilihydraattien luokittelu Sokerit Eivät ole polymeerejä! Monosakkaridit Esim. glukoosi ja fruktoosi Disakkaridit Esim. laktoosi ja sakkaroosi Glukoosi Polysakkaridit Varastopolysakkaridit Esim. tärkkelys ja glykogeeni Rakennepolysakkaridit Esim. selluloosa ja kitiini Glukoosi voi esiintyä avoketjuisena ja rengasrakenteisena Avoketjuisena Glykosidisen sidoksen muodostuminen Kondensaatioreaktiolla Vettä lohkeaa Glykogeeni Ihmisen tärkein varastopolysakkaridi on glykogeeni, joka myös rakentuu glukoosiyksiköistä. Sen rakenne on hyvin samankaltainen kuin amylopektiinin, mutta vielä haarautuneempi

13 Proteiinit 21. toukokuuta :04 Aminohapot Aminohappoja on luonnossa yli sata Proteiineissa niitä on 23 erilaista Aikuiselle ihmiselle välttämättömiä aminohappoja, joita elimistö ei pysty syntetisoimaan, vaan on saatava ravinnosta, on kahdeksan Kaikki proteiineissa olevat aminohapot ovat α-aminohappoja, eli niissä karboksyyliryhmä ja aminoryhmä ovat kiinni samassa hiilessä Tuo ensimmäinen hiili on se α-hiili Aminohapon kemiallinen kaava voidaan muodostaa taulukkokirjan sivun 157 kaavojen avulla siirtämällä typeltä yksi protoni hapelle. Aminohapon hapan karboksyyliryhmä nimittäin luovuttaa helposti emäksiselle aminoryhmälle protonin. Peptidisidoksen muodostuminen Kyseessä on kondensaatioreaktio, jossa lohkeaa vettä s t a) 2 b) 3 c) Valiini, alaniini ja treoniini Peptidisidos Miten siirtäjä-rna:t kiinnittävät aminohapot toisiinsa järjestyessään lähetti-rna:n mukaan? KE4 Sivu 13

14 Läksyt 18. huhtikuuta :59 s. 14. t. 3, 5 t. 25, 26, 28 - Tee hapetuslukumenetelmän avulla! Keskustele kokeellisen työn ajankohdasta, t. 32, katso partakoneen terän liuotustulokset vanhoista kansioista Tee partakonetyöselostus sivulta 140 kerhon mittaustulosten perusteella s , 16, 17 t. 35. t. 54, 56, työt 4 ja 5 Työt 4 ja 5, t. 63, 65 Työt 4 ja 5, s. 80. t. 67, (s. 82. t. 79.) Monisteet Kokeellinen työ pohjatunnille Kokeessa on ainakin 1 tehtävä kappaleesta 5 ja 1 tehtävä kappaleesta 6 Otava: Abikemia Työselostus KE4 Sivu 14

15 KE4 Sivu 15 Yo-kirjoitukset 21. toukokuuta :14 Otava: abikemia Kesälomasta "2 viikkoa per kurssi" Tärkeitä aiheita 1. kurssin kpl 6 1. kurssin kpl 2:n poolisuusasiat 2. kurssissa paljon kaikenlaista hyödyllistä teoriaa Suurin osa sanallisesta asiasta 1., 2., ja 4. kurssissa 3. ja 5. kurssissa laskentaa Syventävää tietoa -osiot