Kemia ja ympäristö opintojakso

Transkriptio

1 1 FILE:\EVTEK_Kemia ja ymparisto_luku5 ja 6_ Opettaja: Pekka Lehtonen GSM: opintojakso Tiivistelmä oppikrjan luvuista 5 ja 6 LUKU 5: SEOKSET - Liuokset - Heterogeeniset seokset ja kolloidit - Seosten komponenttien erottaminen LUKU 6: KEMIALLINEN REAKTIO JA REAKTIOYHTÄLÖ - Kemiallinen reaktio - Reaktioyhtälö - Reaktioyhtälö ja kvantitatiivinen tieto - Epäorgaanisen kemian tärkeimmät reaktiot: Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot Protolyysireaktiot Yhtymisreaktiot Hajoamisreaktiot Saostusreaktiot - Kemiallisen reaktion nopeus

2 2 LUKU 5: SEOKSET - Liuokset - Heterogeeniset seokset ja kolloidit - Seosten komponenttien erottaminen *********** Puhtaat aineet ja seokset Kaikki aineet voidaan karkeasti jakaa kahteen pääryhmään, puhtaisiin aineisiin ja seoksiin. Puhtaisiin aineisiin kuuluvat alkuaineet ja aineiden reaktioissa syntyneet kemialliset yhdisteet. Kun puhtaita aineita sekoittuu keskenään siten, että aineiden välillä ei tapahdu uuden yhdisteen syntymiseen johtavaa kemiallista reaktiota, muodostuu seoksia. Esim. ruokasuolan liuetessa veteen muodostuu seos. Seokset voivat olla joko homogeenisia tai heterogeenisia. Homogeenisia seoksia kutsutaan myös liuoksiksi. Ne ovat tasa-aineisia, joten niiden hiukkasia ei näe paljaalla silmällä, eikä pysty erottamaan toisistaan poimimalla tai suodattamalla. Faasi on yhtenäinen aineen olomuotoalue, joka erottuu selvästi muista faaseista. Heterogeenisessa seoksessa on vähintään kaksi faasia. Hyvin hienojakoisia heterogeenisia seoksia, joissa hiukkaskoko on nm, sanotaan kolloideiksi. Niillä on paljon erityisominaisuuksia. Liuokset Liuokset koostuvat liuottimesta, jota liuoksessa on eniten, ja siihen liuenneista aineista. Kylläisessä liuoksessa on liuennutta ainetta suurin mahdollinen määrä. Liuosten pitoisuuden ilmoittaminen Monissa tapauksissa on tärkeä tuntea liuoksen komponenttien määrä toisiinsa nähden eli komponenttien pitoisuus liuoksessa. Aineen pitoisuus liuoksessa voidaan ilmoittaa monella tavalla. Yleisimpiä tapoja on ilmoittaa liuenneen aineen konsentraatio liuoksessa. Konsentraatio ilmoittaa, kuinka monta moolia liuennutta ainetta yksi tilavuusyksikkö liuosta sisältää. Konsentraation symboli on c ja laskukaava: Konsentraa tio = ainemäärä eli c = n. tilavuus V Konsentraation yksikkö on mol/dm 3. Taulukossa 1 on esitetty liuoksen pitoisuuden ilmoittamiseen käytettäviä suureita.

3 3 Taulukko 1. Liuoksen komponenttien pitoisuuden ilmoittamiseen käytettäviä suureita Suure ja sen symboli Laskukaava yksikkö konsentraatio, c n c = V TOT = komponentin ainemäärä liuoksen kokonaistilavuus mol/dm 3 massaprosentti m 100 % m TOT = komponentin massa liuoksen kokonaismassa 100 % massa-% tilavuusprosentti V V TOT komponentin tilavuus 100 % = 100 % liuoksen kokonaistilavuus tilav.-% ppm-pitoisuus m m TOT 6 komponentin massa 10 = 10 liuoksen kokonaismassa 6 ppm Heterogeeniset seokset ja kolloidit Kolloidit ovat hyvin hienojakoisia heterogeenisia seoksia, joissa ainakin yhden komponentin hiukkaskoko on nm. Kolloidit muistuttavat homogeenisia liuoksia. Niiden hiukkasia ei yleensä näe silmällä eikä tavallisella valomikroskoopilla, eikä faaseja voida erottaa toisistaan tavallisella suodatusmenetelmällä. Kolloideja syntyy mm. suurimolekyylisten yhdisteiden liuetessa veteen tai muuhun liuottimeen. Esim. luonnonpolymeerit, kuten proteiinit, selluloosa ja luonnon kumi, sekä synteettiset polymeerit, kuten teflon ja polystyreeni, muodostavat liuetessaan kolloudiliuoksia. Monet ihmisen tuottamat ja käyttämät aineet esimerkiksi maito, kermavaahto, hiusgeeli sekä useat liimat, maalit ja lakat ovat kolloideja. Aineen sekoittumista hienojakoisena erillisenä faasina toiseen aineeseen sanotaan dispergoitumiseksi. Hienojakoista faasia kutsutaan dispergoituvaksi aineeksi ja ainetta, johon se on sekoittunut, dispersioväliaineeksi. Taulukossa 2 on esitetty eri dispersiotyypit esimerkkeineen. Dispersioihin voidaan lisätä stabilointiaineita, jotka helpottavat dispergoitumista ja parantavat dispersion pysyvyyttä pitämällä faasit toisiinsa sekoittuneena. Emulsioiden stabilointiaineita sanotaan emulgointiaineiksi eli emulgaattoreiksi.

4 4 Taulukko 2. Dispersiotyypit esimerkkeineen. Jaottelun perusteena on dispergoituvan aineen ja väliaineen olomuoto. Dispergoitunut aine Dispersioväliaine Dispersiotyyppi Esimerkkejä kaasu neste vaahto kermavaahto, oluen vaahto kaasu kiinteä kiinteä vaahto solumuovi, hohkakivi neste kaasu neste aerosoli pilvet, sumu neste neste emulsio maito, majoneesi neste kiinteä kiinteä emulsio opaali, helmi, margariini kiinteä kaasu kiinteä aerosoli savu kiinteä neste suspensio maalit, liimat kiinteä kiinteä kiinteä suspensio rubiinilasi, jotkin muoviseokset Seosten komponenttien erottaminen Seosten valmistaminen on keskeinen osa arkipäivän elämää ja monia teollisuusprosesseja. Aivan yhtä tärkeä on käänteinen tapahtuma eli seosten komponenttien erottaminen toisistaan. Erottaminen on sitä hankalampaa, mitä useammista komponenetista seos koostuu, mitä pienempi on hiukkaskoko, mitä samankaltaisempia komponentit ovat ja mitä pienemmistä ainemääristä on kyse. Kaasujen erottaminen nesteestä Liukenemattomat kaasut erottuvat nesteestä itsekseen. Kaasun liukoisuutta nesteeseen voidaan tarvittaessa vähentää kuumentamalla. Esim. vettä puhdistetaan siihen liuenneesta ilmasta keittämällä. Dekantointi ja suodatus Kiinteät hiukkaset (sakka) voidaan erottaa nesteestä dekantoimalla tai suodattamalla. Dekantoinnissa kiinteiden hiukkasten annetaan itsekseen painovoiman vaikutuksesta laskeutua astian pohjalle, minkä jälkeen sakan yläpuolella oleva nestefaasi kaadetaan varovasti pois. Suodatus perustuu sopivan suodattimen (esim. huokoinen paperi) käyttöön. Seoksen kulkiessa suodattimen läpi kiinteät hiukkaset jäävät suodattimeen, mutta nestefaasi kulkee läpi. Uuuto ja tislaus Uutettaessa seokseen lisätään sellaista liuotinta, johon erotettava yhdiste liukenee mutta seoksen muut komponentit eivät liukene. Uuttamalla voidaan erottaa paitsi monia tosiinsa liuenneita nesteitä myös nesteisiin liuenneita kiinteitä aineita tai toisiinsa sekoittuneita kiinteitä aineita. Esim. öljyyn liuennut

5 5 suola saadaan erotettua uuttamalla suola vedellä tai öljy bensiinillä. Myös tavallisen kahvinkeittimen toiminta perustuu uuttoon. Tislaus on keskeinen osa monia käytännön prosesseja, mm. öljynjalostusta ja alkoholinvalmistusta. Seosta keitettäessä erotettava komponentti siirtyy puhtaana höyryfaasiin, joka jäähdytetään takaisin nesteeksi (tisle). Erottumisen ehtona on, että seoksen komponenttien kiehumispisteet ovat riittävän erilaiset. Tislaamalla voidaan erotta myös joitain kiinteitä aineita nesteestä. Liuotin tislautuu pois, ja kiinteät aineet jäävät tislausastiaan tislausjäännökseksi. Esim. vettä puhdistetaan siihen liuenneista kiinteistä aineista tislaamalla. Tehtäviä (Tekniikan kemia, luku 5) 1. Mitkä seuraavista ovat puhtaita aineita ja mitkä seoksia? Perustele. a) O 2 (g) b) ilma c) Cu (s) d) markan kolikko (Euron kolikko) e) ruostumaton teräs f) peruna g) betoni 3. Mikä on sellaisen liuoksen konsentraatio, joka siältää 10,0 g rikkihappoa H 2 SO ml:ssa liuosta? 4. Kuinka monta a) moolia ja b) grammaa kaliumkloridisuolaa KCl on 2,0 litrassa KCl-liuosta, jonka konsentraatio on 0,1 mol/dm 3? 8. Hammaslääkärin fluoriliuoksen (veteen tehdyn) fluoripitoisuus on 1 ppm. Jos potilas vahingossa nielaisee liuosannoksensa (= 5 ml 5 g), kuinka monta grammaa fluoria hänen elimistöönsä kulkeutuu?

6 6 LUKU 6: KEMIALLINEN REAKTIO JA REAKTIOYHTÄLÖ - Kemiallinen reaktio - Reaktioyhtälö - Reaktioyhtälö ja kvantitatiivinen tieto - Epäorgaanisen kemian tärkeimmät reaktiot: Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot Protolyysireaktiot Yhtymisreaktiot Hajoamisreaktiot Saostusreaktiot - Kemiallisen reaktion nopeus *********** Kemiallinen reaktio Kemiallinen reaktio on tapahtuma, jossa lähtöaineista syntyy uusia aineita. Näitä uusia aineita kutsutaan reaktiotuotteiksi. Kemiallisessa reaktiossa aineiden rakenneosasten atomit järjestäytyvät uudelleen. Reaktiossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi. Reaktiossa syntyvien uusien aineiden ominaisuudet voivat olla hyvin erilaiset kuin lähtöaineiden ominaisuudet. Kemiallisessa reaktiossa joko vapautuu tai sitoutuu energiaa. Reaktioyhtälöstä nähtävissä: Mitkä aineet reagoivat ja mitä ainetta syntyy Missä moolisuhteissa aineet reagoivat Reaktioyhtälö Reaktioyhtälön kirjoittamisessa noudatetaan seuraavia ohjeita: Reagoivat aineet eli lähtöaineet merkitään nuolen vasemmalle puolelle ja reaktiotuotteet oikealle puolelle. Nuolen kummallakin puolella tulee olla kutakin atomilajia sama lukumäärä. Alkuaineista merkitään kaksiatomisina molekyyleinä vety H 2, happi O 2, typpi N 2 ja kloori Cl 2 sekä muut halogeenit.

7 7 Esimerkki 1: Rauta yhtyy rikkiin + rauta rikki rautasulfidi Fe + S FeS Esimerkki 2: Vety yhtyy happeen + vety happi vesi 2H 2 + O 2 2H 2 O Reaktioyhtälö ja kvantitatiivinen tieto Stoikiometrisissa laskuissa oletetaan: Reaktioyhtälössä esitetyn yhdisteen koostumus vastaa tarkoin esitettyä yhdistettä Reaktio tapahtuu täydellisesti reaktioyhtälön mukaan, ei kilpailevia reaktioita Epäorgaanisen kemian tärkeimmät reaktiot: Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot Protolyysireaktiot Yhtymisreaktiot Hajoamisreaktiot Saostusreaktiot Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot Aiemmin hapettuminen tarkoitti sitä, että yhdisteen happimäärä lisääntyi ja pelkistyminen yhdisteen sisältämän happimäärän vähentymistä. Nykyään hapettuminen ja pelkistyminen on määritelty seuraavalla tavalla:

8 8 Atomi hapettuu, kun se luovuttaa kemiallisessa reaktiossa elektroneja, ja pelkistyy, kun se ottaa vastaan kemiallisessa reaktiossa elektroneja. Monissa reaktioissa tapahtuu elektronien siirtymistä atomilta toiselle. Elektroneja luovuttavan aineen sanotaan hapettuvan ja elektroneja vastaanottavan aineen sanotaan pelkistyvän. elektroneja siirtyy e - menettää elektroneja hapettuu pelkistin hapetusluku kasvaa saa lisää elektroneja pelkistyy hapetin hapetusluku pienenee Hapettumineen ja pelkistyminen tapahtuvat aina yhtä aikaa. Jos kemiallisessa reaktiossa jokin aine hapettuu, niin toinen aine puolestaan pelkistyy. Esimerkki 1. Magnesium on toisen pääryhmän alkuaine, jolla on uloimmalla kuorella kaksi elektronia, jotka se mielellään luovuttaa pois. Happi on kuudennnen pääryhmän alkuaine, joka mielellään ottaa vastaan kaksi elektronia. Aineiden välisessä reaktiossa magnesium hapettu ja happi pelkistyy. 2Mg + O 2 2MgO Koska happi saa magnesiumin hapettumaan, niin happi on hapetin. Magnesium saa hapen pelkistymään ja se on puolestaan pelkistin. Protolyysireaktiot Protolyysi on reaktio, jossa tapahtuu protonien luovutus ja vastaanotto. Protoni on vetyioni (H + ), joka protolyysireaktiossa luovutetaan ja otetaan vastaan. Aineet, jotka luovuttavat protoneja, ovat happoja ja aineet, jotka

9 9 vastaanottavat protoneja, ovat emäksiä. Happoihin ja emäksiin tutustaan tarkemmin kohdassa Hapot ja emäkset. Esimerkki 2. Jos vetykloridihappo- ja ammoniakkipulloista haihtuvat höyryt yhdistyvät, niin tapahtuu seuraava protolyysireaktio: HCl + NH 3 NH Cl - Vetykoloridihappo on happo, joka luovuttaa vetyionin eli protonin ammoniakille. Ammoniakista tulee ammoniumioni, joka on puolestaan happo ja suolahaposta kloridi-ioni, joka on emäs. Yhtymisreaktiot Kun kaksi tai useampia lähtöaineita reagoi keskenään syntyy reaktiotuote tai useampia reaktiotuotteita. Kyseisiä reaktioita kutsutaan yleisesti synteeseiksi. Tällä tavalla valmistetaan eli syntetisoidaan uusia kemiallisia yhdisteitä. Erittäin paljon tutkitaan muun muassa uusien lääkeaineiden, lannoitteiden, torjunta-aineiden, muovien ja muiden aineiden valmistusta. Esimerkki 3. Yksi tärkeimmistä epäorgaanisen kemian synteeseistä on ammoniakkisynteesi: 3H 2 + N 2 2NH 3 Ammoniakkisynteesi tarvitsee 500 C lämpötilan ja barin paineen ja katalyytiksi puhdasta rautaa, jossa on aktivaattoreina alkali- ja alumiinioksideja. Hajoamisreaktiot Hajoamisreaktiossa lähtöaine hajoaa useimmiksi reaktiotuotteiksi. Esmerkki 4. Vetyperoksidi hajoaa vedeksi ja hapeksi. Reaktio on kuitenkin melko hidas. Jos vetyperoksidin joukkoon laitetaan muutama muru mangaanidioksidia katalyytiksi, niin reaktionopeus kasvaa huomattavasti. 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 Hajoamista kiihdyttäviä ulkoisia tekijöitä ovat kuumennus ja valo. Monet orgaanisen kemian yhdisteet hajoavat auringon ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Saostusreaktiot Monet metalli-ionit (esim. Ba 2+, Pb 2+, Ag + ) saostuvat niukkaliukoisina suoloina.

10 10 Esimerkki 5. Bariumionit, Ba 2+, saostuvat sulfaatti-ionien läsnäollessa erittäin niukkaliukoisena bariumsulfaattina, BaSO 4, jota käytetään muun muassa röntgenvarjoaineena, kuvattaessa mahalaukkua. Ba 2+ + SO 4 2- BaSO 4 Reaktion nopeus Kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttavat: aineiden kemiallinen erilaisuus eli sopivan aineparin löytäminen lämpötila aineiden väkevyys hienojakoisuus katalyytti. Aineiden kemiallinen erilaisuus: Jos aineet ovat kemiallisesti erilaisia, ne reagoivat helposti. Jos aineet ovat kemiallisesti samanlaisia, ne eivät reagoi keskenään. Lämpötila: Aineiden rakenneosien täytyy törmätä toisiinsa, jotta ne pääsisivät järjestäytymään uudelleen. Rakenneosien liikettä ja törmäilyä voidaan lisätä kohottamalla lämpötilaa. Väkevyys ja hienojakoisuus: Reaktio tapahtuu nopeammin väkevässä liuoksessa. Samoin aineen hienojakoisuus lisää reaktion nopeutta. Katalyytti: Katalyytti on ulkopuolinen aine, joka nopeuttaa reaktiota, mutta joka ei itse osallistu reaktioon. Taulukko 4. Kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttavia tekijöitä Tekijä Reagoivien aineiden luonne Reagoivien aineiden pitoisuus Reaktiopinta-ala Lämpötila Katalyytin läsnäolo Vaikutus Eri aineiden reagointivalmius on erilainen (erilaiset atomit, erilaiset sidokset jne.) Yleensä lähtöaineiden konsentraation kasvu nopeuttaa reaktiota Yleensä lähtöaineen hiukkaskoon pienentäminen (esim. kiinteän aineen jauhaminen) nopeuttaa reaktiota Kun lämpötila kasvaa, reaktion nopeus kasvaa (noin kaksinkertaiseksi, kun nousu 10 C) Katalyytti on aine, joka nopeuttaa reaktiota muuttumatta itse pysyvästi

11 11 Tehtäviä (Tekniikan kemia, luku 6) 1. Määritä kertoimet seuraaviin reaktioyhtälöihin NaCl + H 2 SO 4 HCl + Na 2 SO 4 KOH + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + H 2 O B 2 H 6 + O 2 B 2 O 3 + H 2 O H 2 SO 4 + Al(OH) 3 Al 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O 2. Avaruusaluksessa tuotetaan sähköenergiaa laitteiden toimintaan ja samalla vettä juomavedeksi polttokennon avulla. Polttokennossa vety ja happi reagoivat ja reaktiossa syntyy vettä. Vesi voidaan käyttää juomavetenä. Kirjoita reaktioyhtälö ja laske laatimasi yhtälön perusteella, kuinka paljon (vastaukset kilogrammoina) vetyä ja happea on varattava, kun halutaan tuottaa 90 kg vettä. 21. Esitä käytännön esimerkkejä, joissa käytetään hyväksi tietoa, että a) lämpötilan lasku hidastaa reaktiota b) lämpötilan nosto nopeuttaa reaktiota 22. Käytä esimerkkinä puun palamista ja esitä, miten voit havaita seuraavien tekijöiden vaikutuksen reaktion nopeuteen: a) lämpötila b) reaktiopinta-ala 23. Selitä a) miksi perunoiden keittäminen pehmeiksi kestää vuoristossa kauemmin kuin lähellä meren pintaa b) miksi auton akusta saadaan huonommin virtaa pakkasella kuin lämpimällä säällä c) miksi teräsvilla saadaan palamaan, mutta rautatankoa ei. 24. Reaktionopeuteen vaikuttaviksi tekijöiksi luetellaan yleensä a) reagoivien aineiden luonne b) reaktiolämpötila c) reagoivien aineiden pitoisuudet d) reaktiopinta-ala e) katalyytit/inhibiitit Esitä kuhunkin kohtaan jokin käytännön esimerkki.