neon kemian kertauskirja Miria Hannola-Teitto Reija Jokela Markku Leskelä Elina Näsäkkälä Maija Pohjakallio Merja Rassi EDITA HELSINKI

Transkriptio

1 neon kemian kertauskirja Miria Hannola-Teitto Reija Jokela Markku Leskelä Elina Näsäkkälä Maija Pohjakallio Merja Rassi EDITA HELSINKI

2 Tuottaja: Heini Mölsä Toimitus: Riitta Manninen ja Heini Mölsä Graafinen suunnittelu: Virve Kivelä ja Heljä Silvennoinen Kaaviot: Virve Kivelä Piirrokset: Elvi Turtiainen Kannen kuva: SPL/SKOY Tekijät ja Edita Publishing Oy Tämä teos on oppikirja. Teos on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Teoksen valokopioiminen on kielletty, ellei valokopiointiin ole hankittu lupaa. Tarkista, onko oppilaitoksellanne voimassaoleva valokopiointilupa. Lisätietoja luvista antaa Kopiosto ry. Teoksen tai sen osan digitaalinen kopioiminen tai muuntelu on ehdottomasti kielletty. ISBN Edita Prima Oy Helsinki 2008

3 Sisällys Valmistautuminen reaalikokeeseen 4 1 AINEEN RAKENNE 15 Aineen rakenne ja sitoutuminen 16 Jaksollinen järjestelmä ja alkuaineet 30 Kokeellisuus ja tehtävät 48 2 KEMIALLINEN REAKTIO 61 Stoikiometria, termodynamiikka ja kinetiikka 62 Hapettumis-pelkistymisreaktiot ja sähkökemia 81 Kemiallinen tasapaino 95 Hapot ja emäkset 104 Kokeellisuus ja tehtävät ORGAANINEN KEMIA 141 Orgaaniset yhdisteryhmät 142 Orgaanisten yhdisteiden nimeäminen 143 Orgaanisten molekyylien isomeria 144 Orgaanisia reaktioita 147 Synteettiset polymeerit ja muut luonnon makromolekyylit 153 Kokeellisuus ja tehtävät 159 Sanasto 178 Tehtävien vastauksia 188

4 AINEEN RAKENNE 1

5 Aineen rakenne ja sitoutuminen Aineet voidaan jakaa koostumuksen perusteella puhtaisiin aineisiin ja seoksiin. AINEET PUHTAAT AINEET sisältävät vain yhtä ainetta niille voidaan kirjoittaa kemiallinen kaava SEOKSET sisältävät kahta tai useampaa ainetta ALKUAINEET (esim. Li, S, Fe) YHDISTEET* (esim. H 2 O, HCl) karkeat seokset (esimerkiksi hiekan ja sementin seos) HETEROGEENISET SEOKSET läsnä kahta tai useampaa faasia hienojakoiset seokset eli kolloidit (esim. kosteusvoide) HOMOGEENISET SEOKSET sisältävät vain yhtä faasia eli olomuotoa komponentit sekoittuneet tasaisesti koko aineeseen tyypillisiä homogeenisia seoksia ovat vesiliuokset *Yhdiste on puhdas aine, vaikka se koostuu useammasta alkuaineesta. Hienojakoisilla heterogeenisilla seoksilla on omat nimensä: DISPERSIO Dispergoitumalla* syntynyt hienojakoinen heterogeeninen seos Aerosoli kiinteä aine tai neste dispergoitunut kaasuun savu, sumu Vaahto kaasumainen aine dispergoitunut nesteeseen partavaahto Emulsio kahden nesteen heterogeeninen seos maito, majoneesi Suspensio kiinteä aine dispergoitunut nesteeseen maali, liete *Dispergoituminen on sekoittumista, josta ei synny homogeenista liuosta vaan heterogeeninen seos. 2

6 Atomin rakenne Atomi koostuu ytimestä ja sitä ympäröivästä elektroniverhosta. Ydin on sähkövaraukseltaan positiivinen, sillä se koostuu positiivisista protoneista ja sähköisesti neutraaleista neutroneista. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita alkeishiukkasia. Neutraalissa atomissa protonien ja elektronien lukumäärä on sama. Atomin massa on keskittynyt ytimeen. Elektronit ovat kevyitä ja jatkuvassa liikkeessä ytimen ympärillä. Kuva 1.1 Elektronit ovat hyvin kevyitä, joten atomin massa on lähes sama kuin sen ytimen massa. Sen sijaan atomin kokoon elektroniverho vaikuttaa ratkaisevasti: ytimen halkaisija on suuruusluokkaa m ja koko atomin halkaisija luokkaa m m m Alkeishiukkanen Massa/kg Varaus/C protoni 1, , neutroni 1, elektroni 9, , Isotoopit Samalla alkuaineella protonien lukumäärä on aina sama, mutta neutronien lukumäärä voi vaihdella. Näitä erimassaisia saman alkuaineen atomeja kutsutaan isotoopeiksi. Alkuaineen eri isotoopit erotetaan massaluvun A avulla. Massaluku A kertoo ytimessä olevien protonien ja neutronien yhteismäärän: A = Z + N, jossa Z = protonien lukumäärä atomin ytimessä (eli alkuaineen järjestysluku) N = neutronien lukumäärä atomin ytimessä. 3

7 Isotoopin merkintänä käytetään Z A X, missä X on alkuaineen kemiallinen merkki. Isotoopit Esimerkki 1.1 Vedyn isotoopit vety, deuterium ja tritium merkitään seuraavasti: 1 H, H ja 3 1 H. Jos neutronien lukumäärä ytimessä nousee suureksi, isotoopista tulee hajoava ja sitä kutsutaan radioaktiiviseksi. Jaksollisen järjestelmän ilmoittama alkuaineen moolimassa (atomimassa) on alkuaineen eri isotooppien moolimassojen painotettu keskiarvo. Esimerkki 1.2 Neonilla on kolme vakaata isotooppia 20 Ne, 21 Ne ja 22 Ne, joissa kaikissa on 10 protonia mutta neutronien määrä vaihtelee. Z N A yleisyys (%) , , ,25 Mikä on luonnossa esiintyvän neonin moolimassa? Ratkaisu Kerrotaan jokainen massaluku sen suhteellisella osuudella ja lasketaan yhteen. (0, , , ) g/mol = (18, , ,035) g/mol = 20,1877 g/mol Kvanttiluvut ja orbitaalit Elektronit pysyvät ytimen ympärillä sähköstaattisen vetovoiman ansiosta. Ne sijoittuvat ytimen ympärille tietylle etäisyydelle ja alueelle. Orbitaalit ovat todennäköisiä alueita, joilla elektronit voivat sijaita. Elektronin paikan ja energiatilan määrittävät neljä kvanttilukua. 4

8 Pääelektronikuori eli pääkvanttiluku (n) 7 kappaletta: merkitään joko numeroilla 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 tai kirjaimilla K, L, M, N, O, P, Q kuvaa orbitaalien kokoa ja energiaa Sivukvanttiluku (l) kuvaa orbitaalien muotoa, symboleina s, p, d, f l saa arvot (n 1), (n 2) 0 Magneettinen kvanttiluku (m) kuvaa orbitaalien asentoa muihin orbitaaleihin verrattuna m saa arvot ± l, ± (l 1) 0 Spinkvanttiluku (s) jokaiselle orbitaalille mahtuu vain kaksi elektronia, joilla on eri spin s saa arvot +½, ½ Orbitaalit s-orbitaali Lukumäärä yksi p-orbitaali kolme (p x, p y, p z ) d-orbitaali viisi (d xy, d yz, d zx, d x 2 d y2, d z2 ) f-orbitaali seitsemän Orbitaalien lukumäärä pääkuorilla 1 K s-orbitaali, 1 kpl 2 L s- ja p-orbitaalit, 4 kpl 3 M s-, p- ja d-orbitaalit, 9 kpl 4 N s-, p-, d- ja f-orbitaalit, 16 kpl Jokainen elektroni voidaan tunnistaa omasta kvanttilukujen n, l, m ja s yhdistelmästä. Elektronit sijoittuvat ytimen ympärille siten, että kokonaisenergia on mahdollisimman pieni. Lisäksi ne noudattavat Paulin kieltosääntöä ja Hundin sääntöä. Paulin kieltosääntö: yhdelle orbitaalille mahtuu vain 2 elektronia. Hundin sääntö: kokonaisenergia on pienin, kun samanenergiset orbitaalit täyttyvät vain yhdellä elektronilla niin pitkälle kuin mahdollista. 5

9 z z z z y y y y x x x x Alarivin vika kuva on rikki, ei voi tehdä oikein mitään... Kuva 1.2 Orbitaalien täyttymisjärjestys ja energiatilat Alkuaineen elektronien sijoittumista orbitaaleille voidaan kuvata elektronikonfiguraatiolla. Elektronikonfiguraatio Esimerkki 1.3 Nikkeli (Z = 28) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8 pääkuoren numero orbitaali elektronien lukumäärä orbitaalilla Kemian kannalta on tärkeintä uloimpien elektronitilojen miehittyminen, sillä se määrää alkuaineen kemiallisen käyttäytymisen. Sidokset Sidokset vaikuttavat aineiden ominaisuuksiin. Kemiallisella sidoksella tarkoitetaan vuorovaikutusta, joka liittää atomeja yhteen. Atomien sitoutumista ohjaa pyrkimys energiaminimiin. Se saavutetaan, kun atomit saavat jalokaasun elektronirakenteen. Pääryhmien alkuaineilla on tällöin uloimmalla kuorellaan 8 elektronia eli elektronioktetti. Poikkeuksena on vety, jonka uloin elektronikuori on täynnä, kun sillä on kaksi elektronia. Sidoksia voi muodostua saman alkuaineen atomien välille tai eri alkuaineiden välille, jolloin puhutaan yhdisteistä. Syntyvät yhdisteet voidaan luokitella sidosten mukaan ioniyhdisteisiin ja kovalenttisiin yhdisteisiin. 6

10 vahvat sidokset ionisidos kovalenttinen sidos metallisidos heikot sidokset vetysidos dipoli-dipolisidos dispersiovoimat ioni-dipolisidos Vahvat sidokset Vahvat sidokset syntyvät atomien välille tai ionien välille. Ionisidos syntyy kationin ja anionin välisen sähköisen vetovoiman ansiosta. Kuva 1.3 NaCl:n rakenne Cl Na + Kationi on atomi tai atomiryhmä, joka on menettänyt elektronin tai elektroneja. Anioni on atomi tai atomiryhmä, joka on ottanut vastaan elektronin tai elektroneja. Eri alkuaineilla on erilainen taipumus luovuttaa ja vastaanottaa elektroneja. Kyky riippuu niiden elektronirakenteesta, sillä atomin pyrkimyksenä on saada jalokaasun elektronirakenne joko luovuttamalla tai vastaanottamalla elektroneja. 7

11 Na Na + + e 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 Na Na + Cl + e Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Cl Cl Kuva 1.4 Kationin ja anionin syntyminen Yleisesti voidaan sanoa, että pääryhmien metallit luovuttavat elektroneja ja muodostavat kationeja, kun taas epämetallit vastaanottavat elektroneja ja muodostavat anioneja. Ionisaatioenergia on energia, joka tarvitaan irrottamaan elektroni kaasumaisesta atomista tai ionista. Elektronegatiivisuus on sitoutuneen atomin kyky vetää kovalenttisessa sidoksessa sidoselektroneja puoleensa. Kuva 1.5 Yksinkertainen kovalenttinen sidos, kaksoissidos ja kolmoissidos, joissa atomeilla on 1, 2 tai 3 yhteistä elektroniparia. Kovalenttinen sidos syntyy elektronegatiivisuudeltaan lähes samanlaisten atomien välille siten, että ne jakavat yhteisen elektroniparin tai -pareja. Pyrkimyksenä on saavuttaa elektronioktetti. Puhtain kovalenttinen sidos syntyy kahden saman alkuaineen atomien kesken. H H H H O O O O N N N N 8

12 Kun kovalenttinen sidos syntyy kahden eri atomin välille, elektronien jakautuminen ei ole täysin tasaista, vaan elektronegatiivisempi atomi vetää elektroneja enemmän puoleensa. Näin sidoksesta tulee poolinen. Molekyyli on poolinen, kun siinä on poolinen sidos ja sen varausjakautuma on epäsymmetrinen. Kun molekyyli on poolinen, sitä kutsutaan dipoliksi. Kuva 1.6 a) Poolittomassa sidoksessa sidoselektronit ovat jakautuneet tasaisesti. b) Poolisessa sidoksessa sidoselektronit ovat enemmän elektronegatiivisemman atomin vaikutuspiirissä. c) Ionisidos muodostuu kationin ja anionin välille. Näillä ioneilla ei ole yhteisiä elektroneja. a) b) c) + Taulukko 1.1 Atomien elektronegatiivisuuseron vaikutus sidostyyppiin Sidoksen muodostavien atomien elektronegatiivisuusarvojen erotus olematon keskinkertainen hyvin suuri Sidostyyppi pooliton kovalenttinen sidos poolinen kovalenttinen sidos ionisidos Sidoksen luonne kovalenttinen luonne vähenee, ioniluonne lisääntyy 9

13 Metallisidos syntyy, kun metalliatomit luovuttavat uloimmat elektronit yhteiseen käyttöön. Metalleja pitää yhdessä kationien ja niiden ympärillä olevan elektronipilven välinen vuorovaikutus. Taulukko 1.2 Molekyylien väliset sidokset. Eri sidostyyppien voimakkuus on erilainen, mutta kaikki molekyylien väliset sidokset luokitellaan heikoiksi sidoksiksi. Kuva 1.7 Metalleissa atomit ovat ionisoituneet ja luovuttaneet sidoselektroninsa yhteiseen elektronipilveen. Heikot sidokset Heikot sidokset syntyvät molekyylien välille. Molekyyli on kahden tai useamman atomin rakenneyksikkö, jossa atomien välillä on kovalenttiset sidokset. e + + e e e e e + + e Sidostyyppi dipoli-dipolisidos Kuvaus Poolisten molekyylien välisiä sähköisiä voimia. Pooliset molekyylit ovat dipoleja, joiden positiiviset ja negatiiviset kohdat vetävät toisiaan puoleensa. Esimerkkejä aineista, joiden molekyylien välillä sidostyyppi esiintyy metanaali eli formaldehydi HCHO kloroformi CHCl 3 fosforipentakloridi PCl 5 vetysidos Erityistapaus dipoli-dipoli-sidoksesta. Vety on sitoutunut molekyylissä elektronegatiiviseen atomiin ja saanut positiivisen osittaisvarauksen. Positiivinen vety sitoutuu heikosti toisen molekyylin elektronegatiiviseen atomiin. vesi H 2 O ammoniakki NH 3 etanoli CH 3 CH 2 OH dispersiovoimat ioni-dipolisidos Heikkoja sähköisiä voimia poolittomien molekyylien välillä. Dispersiovoimia syntyy, koska atomiytimien ja elektronien värähtelyliikkeen seurauksena poolittomiin molekyyleihin muodostuu hetkellisiä varausjakaumia. Poolinen molekyyli sitoutunut ioniin typpi N 2 happi O 2 hiilidioksidi CO 2 metaani CH 4 pentaani CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 jodi I 2 Ioni liuennut pooliseen liuottimeen, kuten veteen tai ammoniakkiin 10

14 Aineen olomuodot Aineet voidaan luokitella niiden olomuodon mukaan kaasuiksi, nesteiksi ja kiinteiksi aineiksi. a b c Kuva 1.8 a) Kaasumaisessa vedessä H 2 O-molekyylit ovat toisistaan erillään. b) Nestemäisessä ja c) kiinteässä olomuodossa myös molekyylien välillä on sidoksia, jotka kuitenkin ovat heikompia kuin atomien väliset sidokset molekyylien sisällä. Osasten välinen vuorovaikutus on heikoin kaasuissa ja vahvin kiinteissä aineissa. Osasten mahdollisuus liikkua toistensa suhteen on pienin kiinteissä aineissa ja suurin kaasuissa. Kiinteissä aineissa rakenneosaset (atomit, ionit tai molekyylit) ovat jähmettyneet tietyille paikoille toisiinsa nähden. Kiinteät aineet Kiinteät aineet voidaan jakaa kiteisiin aineisiin, joissa rakenneosaset muodostavat jatkuvan säännöllisen rakenteen eli kidehilan amorfisiin aineisiin, joissa rakenneosien sijoittuminen on epäsäännöllistä. Amorfisessa aineessa atomin ympärillä on lähijärjestys, mutta kaukojärjestys puuttuu. Tämä vaikuttaa aineiden ominaisuuksiin; amorfisilta aineilta puuttuu esimerkiksi selkeä sulamispiste. Tyypillisiä amorfisia aineita ovat lasi ja monet polymeerit. 11

15 Taulukko 1.3 Hilatyypit Rakenneosat Esimerkkejä Ominaisuuksia kovalenttinen hila atomit timantti, grafiitti, pii, piidioksidi vahvat kovalenttiset sidokset kovia korkeat sulamispisteet eristeitä tai puolijohteita metallihila metallikationit ja niitä sitova elektronipilvi natrium, magnesium, alumiini, kupari vaihteleva sidosvoimakkuus, metallisidokset vaihteleva kovuus vaihteleva sulamispiste hyvä sähkönjohtokyky ionihila kationit ja anionit natriumkloridi, cesiumkloridi, kalsiumfluoridi, ammoniumkloridi molekyylihila molekyylit vesi, etanoli, vetyfluoridi, jodi vahvat ionisidokset kovia korkeat sulamispisteet sähköneristeitä heikot sidokset, dispersiovoimat ja/tai dipolidipolisidokset pehmeitä alhaiset sulamispisteet huono sähkönjohto kyky Ioniyhdisteitä kutsutaan suoloiksi. Suolojen yleisiä ominaisuuksia ovat kovuus korkea sulamispiste liukoisuus poolisiin liuottimiin sähkönjohtavuus sulana. Nesteet ja kaasut Neste on juokseva aine, jonka rakenneosasilla on heikko vuorovaikutus toisiinsa. Nesteet ottavat astian muodon, niillä on tarkka pinta ja niitä voidaan puristaa kokoon vain hieman. Kaasu on juokseva aine, jonka rakenneosasilla ei ole vuorovaikutusta keskenään. Kaasut täyttävät astian, mutta ne voidaan puristaa paljon pienempään tilavuuteen. 12

16 Liukeneminen ja liuokset Aineen liuetessa liuottimeen syntyy liuos eli homogeeninen seos. Kiinteän aineen liuetessa liuottimen osaset tunkeutuvat kiinteän aineen osasten väliin ja rikkovat hilan. Liuotinmolekyylien ja kiinteän aineen rakenneosasten välinen vuorovaikutus on silloin suurempi kuin rakenneosasten vuorovaikutus kiinteässä faasissa. Solvataatio on liukenemisprosessi, jossa liuotinmolekyylit tarttuvat liukeneviin rakenneosiin. Hydrataatio on solvataatio veteen, ja se on esimerkki ionin ja dipolin välisestä sitoutumisesta Kuva 1.9 Suolan liukeneminen. Suolan liuetessa veteen suolan ionit irtoavat toisistaan ja niiden ympärille tarttuu vesimolekyylejä ioni-dipolisidoksin tai koordinaatiosidoksin. Vesimolekyylit muodostavat ionien ympärille niin sanotun hydraattiverhon. (Negatiiviset ionit vetävät puoleensa poolisten molekyylien positiivisia kohtia ja positiiviset ionit vetävät puoleensa poolisten molekyylien negatiivisia kohtia.) Yleensä positiivisten kationien hydrataatio on voimakkaampaa kuin negatiivisten anionien. 13

17 Liukenemissääntö: samanlainen liuottaa samanlaista. Ioniyhdisteet liukenevat poolisiin ja poolittomat molekyyliyhdisteet poolittomiin liuottimiin. Liukeneminen ei rajoitu kiinteän aineen liukenemiseen nesteeseen, vaan kaikissa olomuodoissa voi tapahtua liukenemista ja syntyä liuoksia. Sulamisessa puhdas aine muuttuu kiinteästä nesteeksi, mutta siihen ei sekoitu toista ainetta. Taulukko 1.4 Liuoksen pitoisuuden ilmoittamisessa käytettyjä suureita Liuosten ominaisuuksia Liuoksella tarkoitetaan kahden tai useamman aineen homogeenista seosta. Liuos on yhtä olomuotoa: nestettä, kaasua tai kiinteää ainetta. Liuos koostuu vähintään kahdesta aineesta: liuottimesta ja liukenevasta aineesta. Kaasujen seoksissa liukoisuus on yleensä täydellistä. Liukenemisprosessissa liuotin tunkeutuu liukenevan aineen osasten väliin. Liuoksen koostumus esitetään sen ainesosien pitoisuuksina ja tavallisin yksikkö on moolia litrassa. Monia muitakin pitoisuuden yksiköitä käytetään. Suure Kaava Yksikkö konsentraatio c massapitoisuus c m c = n ainemäärä = V T liuoksen kokonaistilavuus c m = m liuenneen aineen massa = V T liuoksen kokonaistilavuus mol dm 3 g dm 3 massaprosentti m liuenneen aineen massa % 100 % = liuoksen kokonaismassa 100 % m T tilavuusprosentti V liuenneen aineen tilavuus % 100 % = liuoksen kokonaistilavuus 100 % V T ppm-pitoisuus m liuenneen aineen massa 10 6 = m T liuoksen kokonaismassa 106 ppm 14

18 Konsentraatio Esimerkki 1.4 a) Kuinka monta grammaa tarvitaan NiCl 2 :a, kun valmistetaan 0,5 dm 3 NiCl 2 -liuosta, jonka konsentraatio on 0,125 mol/dm 3? b) Kuinka monta millilitraa tätä liuosta tarvitaan, kun valmistetaan 0,25 dm 3 NiCl 2 -liuosta, jonka konsentraatio on 0,03 mol/dm 3? Ratkaisu a) Tarvittavan NiCl 2 :n ainemäärä on n(nicl 2 ) = c V = 0,125 mol/dm 3 0,5 dm 3 = 0,0625 mol. NiCl 2 :n moolimassa on M(NiCl 2 ) = (58, ,45) g/mol = 129,61 g/mol. Tarvittava NiCl 2 :n määrä grammoina on m = n M = 0,0625 mol 129,61 g/mol = 8,1006 g 8,10 g. b) Laimeaan liuokseen tarvittavan NiCl 2 :n ainemäärä on n(nicl 2 ) = c V = 0,25 dm 3 0,03 mol/dm 3 = 0,0075 mol. Lasketaan tilavuus, jossa on 0,0075 mol NiCl 2 :a liuoksessa, jonka konsentraatio on 0,125 mol/dm 3. c V = n 0,125 mol/dm 3 x = 0,0075 mol x = 0,0075 mol 0,125 mol/dm 3 = 0,06 dm 3 = 60 ml Esimerkki 1.5 Valtameren kloridipitoisuus on ppm. Kuinka monta grammaa ja moolia kloridia on litrassa merivettä, jos sen tiheys on 1,03 kg/dm 3? Ratkaisu Kloridin massapitoisuus on c m (Cl ) = 1,03 kg/dm 3 = 0,01957 kg/dm 3 = 19,57 g/dm Kloridin moolimassa on M (Cl ) = 35,45 g/mol. Kloridin konsentraatio on 3 19,57 g/dm c(cl ) = 35,45 g/mol = 0,5520 mol/dm 3 0,55 mol/dm 3. 15

19 Jaksollinen järjestelmä ja alkuaineet Jaksollinen järjestelmä Jaksollinen järjestelmä auttaa yksittäisten alkuaineiden kemian ymmärtämisessä, ja sen avulla voi päätellä alkuaineiden reaktioita ja jossain määrin myös syntyvien yhdisteiden ominaisuuksia. Monet alkuaineiden kemian kannalta tärkeät ominaisuudet ovat jaksollisia, ja ne voidaan siten ennustaa sen perusteella, missä alkuaine sijaitsee jaksollisessa järjestelmässä. Alkuaineet on sijoitettu jaksolliseen järjestelmään järjestysluvun eli kasvavan elektronien ja protonien määrän mukaisesti. Niistä muodostuu 18 pystysaraketta eli ryhmää ja 7 vaakariviä eli jaksoa. Sukulaisalkuaineet sijaitsevat samoissa ryhmissä. Kuva 1.10 Mendelejevin kehittämä jaksollinen järjestelmä JAKSOT H Li Be Na Mg K Ca Sc Rb Sr Y Cs Ba La Fr Ra Ac Sisäsiirtymäalkuaineet Ce Lu RYHMÄT Siirtymäalkuaineet Th Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg He B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn s-orbitaali täyttyy f-orbitaali täyttyy d-orbitaali täyttyy p-orbitaali täyttyy Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu AmCm Bk Cf Es Fm Md No Lr 16

20 Pääryhmät: 1, 2 ja Sivuryhmät 3 12: siirtymäalkuaineet eli siirtymämetallit Lantanoidit: Z = Aktinoidit: Z = Pääryhmillä on omia nimiä, kuten 1 alkalimetallit 2 maa-alkalimetallit 16 kalkogeenit 17 halogeenit 18 jalokaasut ryhmän ensimmäisen jäsenen nimi (13 15): esim. 13 booriryhmä Kuva 1.11 Ominaisuuksien muuttuminen jaksollisessa järjestelmässä Huoneilman olosuhteissa suurin osa alkuaineista on kiinteitä, vain 12 on kaasuja ja kaksi (elohopea ja bromi) nestemäisiä. Kaasumaiset alkuaineet sijaitsevat jaksollisen järjestelmän oikeassa yläkulmassa. Nämä alkuaineet ovat tyypillisiä epämetalleja. Myös vety on epämetalli, vaikka se sijaitseekin jaksollisen järjestelmän ensimmäisessä ryhmässä. Valtaosa alkuaineista on metalleja. Alkuaineiden metalliluonne voimistuu siirryttäessä järjestelmän oikeasta yläkulmasta vasenta alakulmaa kohti. Pysyvistä alkuaineista metallisin on cesium (Cs). Jako metalleihin ja epämetalleihin ei ole yksiselitteinen. Aineita, joilla on sekä metallisia että epämetallisia ominaisuuksia, sanotaan puolimetalleiksi. Elektronegatiivisuus kasvaa Ionisaatioenergia kasvaa Atomisäde kasvaa Elektronegatiivisuus kasvaa Ionisaatioenergia kasvaa Atomisäde kasvaa 17

21 Metallit Suurin osa alkuaineista on metalleja. Ne jaetaan pääryhmien metalleihin (ryhmät 1, 2, 13 sekä ryhmien 14 ja 15 viimeiset jäsenet), sivuryhmien metalleihin (ryhmät 3 12) sekä f-ryhmän metalleihin (lantanoidit, aktinoidit). Kuva 1.12 Metallien sijainti jaksollisessa järjestelmässä. 3 Li 4 Be 11 Na 12 mg 13 Al 19 K 20 Ca 21 sc 22 ti 23 V 24 Cr 25 mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 37 Rb 38 sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 mo 43 tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 sn 55 Cs 56 Ba 57 La 72 hf 73 ta 74 W 75 Re 76 os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 hg 81 tl 82 Pb 83 Bi 87 Fr 88 Ra 89 Ac 104 Rf 105 db 106 sg 107 Bh 108 hs 109 mt uun uuuu 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 sm 63 Eu 64 Gd 65 tb 66 dy 67 ho 68 Er 69 tm 70 Yb 71 Lu 90 th 91 Pa 92 u 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 md 102 No 103 Lr Metallit ovat kiinteitä materiaaleja huoneen lämpötilassa (paitsi elohopea) kiiltäviä ja hopeanhohtoisia (paitsi kulta ja kupari) taottavia hyviä sähkön- ja lämmönjohteita. a b Kuva 1.13 Metallihilassa kaikki atomit ovat samankokoisia, mikä johtaa tiiveimmän pakkauksen rakenteeseen. a) kuutiollinen b) heksagoninen tiivein pakkaus. 18

22 Metallien yhteiset ominaisuudet pätevät erityisesti siirtymämetalleihin. Alkali- ja maa-alkalimetallit ovat pehmeitä ja hyvin reaktiivisia. Niitä ei voi käyttää siirtymämetallien tapaan rakennemateriaaleina. Taulukko 1.5 Metallien hapetusluvut. Sivuryhmien metalleille on esitetty vain tavallisimmat hapetusluvut. Ryhmä Metalli/metallit Elektronirakenne Yleisimmät hapetusluvut 1 alkalimetallit s 1 +I 2 maa-alkalimetallit s 2 +II 3 Sc, Y, La s 2 d 1 +III 4 Ti s 2 d 2 +IV 5 V s 2 d 3 +IV, +V, +III 6 Cr s 1 d 5 +III, +VI +II, +III, +IV, 7 Mn s 2 d 5 +VI, +VII 8 Fe s 2 d 6 +II, +III 9 Co s 2 d 7 +II, +III 10 Ni s 2 d 8 +II, +III 11 Cu s 1 d 10 +I, +II 12 Zn s 2 d 10 +II 13 booriryhmä/al, Ga, In, Tl s 2 p 1 +III 14 hiiliryhmä/sn, Pb s 2 p 2 +IV, +II 15 typpiryhmä/bi s 2 p 3 +III, +V, III Tärkeitä metalleja Alkalimetallit litium, natrium, kalium, rubidium, cesium ja frankium kuuluvat jaksollisen järjestelmän ensimmäiseen pääryhmään. Natrium ja kalium ovat yleisimpiä maankuoren alkuaineita. Alkalimetallit ovat kemiallisesti keskenään hyvin samankaltaisia: kevyitä ja pehmeitä metalleja, joita voi leikata veitsellä. Niiden sulamispisteet ovat matalampia kuin muiden metallien. Alkalimetallit reagoivat helposti epämetallien kanssa, jolloin muodostuu ioniyhdisteitä. Ilmassa alkalimetallien pinnalle muodostuu oksidikerros välittömästi. Siksi alkalimetallien käsittely on hankalaa, ja ne on säilytettävä ilmalta suojattuna, esimerkiksi petrolissa. Alkalimetallit reagoivat vedessä kiivaasti, jolloin syntyy vetyä. Koska alkalimetallien yhdisteet ovat luonteeltaan ionisia, ne liukenevat yleensä hyvin veteen. 19

23 Na K Natrium ja kalium ovat yleisimmät ja käytetyimmät alkalimetallit. Niitä saadaan klorideina merivedestä ja suolakaivoksista. Kalium on typen ja fosforin ohella tärkeä kasvien ravinne. Myös ihmisen solut tarvitsevat kaliumia. Taulukko 1.6 Natriumin ja kaliumin tärkeimmät yhdisteet. Nimi Ruokasuola eli natriumkloridi NaCl Sooda eli natriumkarbonaatti Na 2 CO 3 Ruokasooda eli natriumvetykarbonaatti NaHCO 3 Natriumsulfaatti Na 2 SO 4 Natriumhydroksidi NaOH Kaliumkloridi KCl Kaliumnitraatti KNO 3 Käyttö elintarvikkeet, kloorin valmistus, muiden natriumyhdisteiden lähtöaine lasinvalmistus leivonnaisten nostattaminen paperinvalmistuskemikaali tavallisin vahva emäs kaliumyhdisteiden valmistus lannoite Maa-alkalimetallien eli toisen pääryhmän alkuaineiden, berylliumin, magnesiumin, kalsiumin, strontiumin, bariumin ja radiumin, uloimmalla kuorella on kaksi elektronia. Maa-alkalimetallit ovat kovempia ja tiheämpiä kuin alkalimetallit, ja niiden sulamispisteet ovat selvästi korkeampia kuin alkalimetallien sulamispisteet. Maa-alkalimetallit ovat reaktiivisia, mutta eivät yhtä reaktiivisia kuin alkalimetallit. Maaalkalimetallit ovat alkalimetallien tapaan yleisiä maankuoressa. Ne esiintyvät yleisesti karbonaatti- ja silikaattimineraaleina. Mg Ca Magnesiumia käytetään paljon kevytmetalliseoksissa, erityisesti seostettuna alumiinin kanssa. Magnesiumin yhdisteet ovat lannoitteissa tärkeitä, koska kasvien klorofylli sisältää magnesiumia. Myös ihmisille magnesium on tärkeä hermosolujen ja lihasten toiminnan kannalta. Kalsium on yleisin maa-alkalimetalli ja maankuoren viidenneksi yleisin alkuaine. Kalsium esiintyy luonnossa yleensä karbonaattina CaCO 3, joka on teollisuuden tärkein kalsiumin lähde. Kalkkikivi, liitu ja marmori ovat kalsiumkarbonaattia, joka on tärkeä rakennusmateriaali ja paperin lisäaine. Kalsiumkarbonaatti liukenee happoihin hiilidioksidia kehittäen. Happamat sateet ovat tästä syystä vahingollisia kalkkikivestä ja marmorista rakennetuille rakennuksille. Toinen tärkeä kalsiumin yhdiste on kipsi CaSO 4 2 H 2 O, jota käytetään rakennusaineena, betonin lisäaineena ja paperin päällystyksessä. Kalsiumkloridia CaCl 2 käytetään maantiesuolana. 20

24 Ihmiselle kalsiumin riittävä saanti on tärkeää. Kalsiumin puute aiheuttaa luuston rappeutumista eli osteoporoosia. Kalsiumilla on tärkeä merkitys myös veren hyytymisessä sekä lihasten toiminnan säätelyssä. CaCO 3 kalkkikivi poltto CaCO 3 CaO + CO 2 + CO 2 + CaO poltettu kalkki Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Ca(OH) 2 sammutettu kalkki + H 2 O CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Kuva 1.14 Kalkin kierto 13. ryhmän alkuaineista alumiini, gallium, indium ja tallium ovat metalleja. Alumiini on maankuoren yleisin metalli. Teollisuuden kannalta sen tärkeimmät mineraalit ovat bauksiitti Al 2 O 3 H 2 O ja kryoliitti Na 3 AlF 6, sillä niissä alumiinipitoisuus on riittävän korkea alumiinin valmistamiseen. Al Alumiinin lukuisista yhdisteistä tärkeä on sulfaatti Al 2 (SO 4 ) 3, jota käytetään vedenpuhdistuksessa saostuskemikaalina ja paperin liimauksessa. Rakennemateriaalina käytetään paljon alumiinia sekä puhtaana metallina että erityisesti metalliseoksina. Alumiini on reaktiivinen epäjalo metalli, joka hapettuu nopeasti ilmassa. Alumiinikappaleen pintaan syntyvä ohut oksidikerros on tiivis ja suojaa kappaletta hapettumiselta. Sanotaan, että alumiini passivoituu ilman hapen vaikutuksesta. Alumiinioksidi Al 2 O 3 kestää heikkoja mutta ei vahvoja happoja. Alumiinioksidi on amfoteerinen, mutta erityisen hyvin se liukenee hyvin emäksiin. Siksi mm. emäksiset astianpesukoneiden pesuaineet voivat vahingoittaa alumiiniastioiden pintaa. Al 2 O 3 (s) + 2 OH (aq) + 3 H 2 O(l) 2 Al(OH) 4 (aq) Sn 14. ryhmän viimeiset jäsenet, tina ja lyijy, ovat metalleja. Tinan pintaan muodostuu kestävä oksidi. Siksi tinaa käytetään muiden metallien pinnoittamiseen, eli tinaukseen, jolla suojataan alla olevaa metallia korroosiolta. Tinaa käytetään myös metalliseoksissa, joista tärkeimmät ovat pronssi ja juotosmetalli. Tina on pehmeä metalli, joka sulaa alhaisessa lämpötilassa. Sillä on kolme allotrooppia eli esiintymismuotoa, joista valkea metallinen tina esiintyy huoneen lämpötilassa ja harmaa ei-metallinen tina alle 13 o C:n lämpötilassa. 21

25 Pb Lyijy on tiheä ja raskas metalli ja sitä käytetään säteilysuojauksessa. Tunnetuin lyijyn käyttö on lyijyakuissa, joissa elektrodeina ovat lyijy ja lyijyoksidi, PbO 2. Lyijy-yhdisteet ovat myrkyllisiä. Siirtymämetallit Jaksollisen järjestelmän ryhmien alkuaineita kutsutaan siirtymäalkuaineiksi eli siirtymämetalleiksi tai d-lohkon alkuaineiksi. Niiden ominaisuuksiin ja kemialliseen käyttäytymiseen vaikuttaa vajaasti miehitetty d-orbitaali. Siirtymämetallit ovat ominaisuuksiltaan tyypillisiä metalleja: kiiltäviä, tiheitä, kovia, taottavia sekä hyvin sähköä ja kuumuutta kestäviä. Alkuaineet ja eivät ole varsinaisia siirtymämetalleja, vaan niistä käytetään nimitystä f-lohkon alkuaineet. Niillä on vajaasti miehitetty f-orbitaali. Alkuaineita kutsutaan myös lantanideiksi ja yhdessä skandiumin, yttriumin ja lantaanin kanssa harvinaisiksi maametalleiksi. Alkuaineet tunnetaan nimellä aktinidit. Siirtymämetallien elektronirakenne Siirtymämetalleilla voi olla useita hapetuslukuja, koska d-orbitaalilta voi lähteä eri määrä elektroneja. Esimerkki 1.6 Puhtaan mangaanin elektronirakenne on s 2 d 5. Hapetusluvulla +II mangaanin elektronirakenne on d 5, hapetusluvulla +IV d 3 ja korkeimmalla hapetusluvulla +VII d-orbitaali on tyhjä. Vajaasti miehitetty d-orbitaali aiheuttaa siirtymämetalleille tiettyjä ominaisuuksia: Niiden yhdisteet ovat usein värillisiä, koska näkyvä valo voi virittää elektronit korkeammille energiatiloille. Niiden yhdisteet voivat olla magneettisia, jos niillä on parittomia elektroneja. Ne muodostavat kompleksiyhdisteitä, jotka ovat pysyvämpiä kuin pääryhmien metallien muodostamat kompleksit. Vajaasti miehitetty d-orbitaali osallistuu koordinaatiosidoksen syntyyn ja stabiloi sidosta. 22

26 Muistatko komplekseista? Kompleksi muodostuu keskusatomista ja sitä ympäröivistä ligandeista. Ligandit ovat kiinnittyneet keskusatomiin koordinaatiosidoksilla. Koordinaatiosidos on kovalenttinen sidos, jossa sidoksen elektronipari on peräisin kokonaan toiselta sidoksen muodostavalta atomilta. Ligandien lukumäärää keskusatomin ympärillä kutsutaan koordinaatioluvuksi. Tavallisimmat koordinaatioluvut ovat 6 ja 4. Ti Cr Fe Titaani on yleinen alkuaine maankuoressa. Se on kova, kevyt ja kemiallisesti kestävä metalli. Se passivoituu reagoidessaan ilman hapen kanssa, ja titaanikappaleen pinnalle muodostuu hyvin suojaava TiO 2 -kerros. Titaania käytetään sovelluksissa, joilta vaaditaan erityistä korroosionkestävyyttä, kuten kemianteollisuuden putkissa ja säiliöissä, lentokoneissa ja avaruusteollisuuden tuotteissa. Suurin osa titaanista käytetään kuitenkin titaanidioksidipigmenttinä, joka on eniten käytetty valkoinen pigmentti maaleissa, muoveissa, pinnoitteissa, musteissa ja meikeissä. Kromi on ruostumattoman teräksen tärkeä ainesosa ja pinnoitteena käytetty metalli. Ilman hapen vaikutuksesta kromin pintaan muodostuu passivoiva oksidikerros Cr 2 O 3, joka on kemiallisesti hyvin kestävä. Yleisin kromin malmimineraali on ferrokromiitti FeCr 2 O 4, joka sellaisenaan soveltuu ruostumattoman teräksen valmistukseen. Rauta on alumiinin jälkeen maankuoren yleisin metalli. Puhtaalla raudalla ei ole paljon käyttöä, sillä rauta on melko reaktiivinen metalli. Raudan hapettuessa eli ruostuessa sen pintaan syntyvä oksidikerros ei ole tiivis ja passivoiva. Suurin osa rautamalmeista jalostetaan erilaisiksi teräksiksi. Rauta valmistetaan pääasiassa oksidimalmista masuunissa pelkistämällä hiilestä saatavalla häkäkaasulla. Masuunissa tapahtuu useita reaktioita, joissa rauta vähitellen pelkistyy +III-arvoisesta alkuaineeksi. 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Yhdisteissään rauta voi esiintyä +II:n ja +III:n arvoisena. Vesiliuoksessa rauta(ii)ionit pyrkivät hapettumaan rauta(iii)yhdisteiksi. Sulfaatit ovat tärkeitä raudan yhdisteitä, sillä niitä käytetään veden puhdistuksessa. 23

27 Co Ni Cu Zn Ag Au Koboltti ei ole yhtä reaktiivinen metalli kuin rauta, ja se hapettuu vain kuumennettaessa. Koboltti on tärkeä metalliseosten komponentti. Kun erilaisia metallikarbideja, kuten WC, TiC ja NbC, sekoitetaan kobolttiin, saadaan erittäin kovaa ainetta, jota käytetään esimerkiksi leikkaustyökaluihin ja nastarenkaiden nastoihin. Nikkeli on kemiallisia rasituksia kestävä metalli, ja siksi sitä käytetään erilaisissa pinnoitteissa. Nikkeliä käytetään myös monissa metalliseoksissa, joista ruostumaton teräs on tärkein. Kupari on punainen, pehmeä ja sitkeä metalli. Se on yksi parhaista sähkönjohteista, ja siksi yli puolet tuotetusta kuparista käytetään sähkölaitteisiin. Kupari on myös hyvä lämmönjohde, joten sitä käytetään runsaasti lämmönvaihtimissa ja lämmönvaraajissa. Kuparia käytetään monissa metalliseoksissa, joista tunnetuin on pronssi. Kupari on melko reaktiivinen metalli, joka säilyy muuttumattomana kuivassa ilmassa, mutta kosteassa ilmassa se patinoituu. Silloin pinnalle syntyy hydroksidista, karbonaatista ja joskus myös sulfaatista koostuva patina (Cu(OH) 2, Cu 2 CO 3 (OH) 2, CuCO 3 ). Kupari esiintyy hapetusluvuilla +I ja +II, joista +II on liuoksissa pysyvämpi. Sinkki ei kuulu varsinaisiin siirtymämetalleihin, koska sillä ei ole vajaasti miehitettyä d-orbitaalia. Sinkillä on yhteisiä piirteitä siirtymämetallien kanssa. Sinkki on matalassa lämpötilassa sulava ja höyrystyvä metalli. Sitä käytetään metalliseoksissa ja metallien pinnoittamiseen. Sinkki on epäjalompi kuin rauta, ja siksi sitä käytetään suojaamaan rautaa korroosiolta. Hopea ja kulta kuuluvat samaan ryhmään kuparin kanssa. Niiden tavallisin hapetusluku on +I, mutta kulta voi esiintyä myös +III:n arvoisena. Hopea ja kulta ovat jaloja metalleja, jotka mielellään esiintyvät puhtaina alkuaineina ja ne on helppo pelkistää yhdisteistään alkuaineiksi. Maankuoressa hopeaa ja kultaa on varsin vähän verrattuna moneen vähemmän tuttuun metalliin. Hopeaa ja kultaa käytetään patsi koruissa ja rahoissa myös elektroniikassa, jossa hyödynnetään niiden hyvää sähkönjohtokykyä. 24

28 Taulukko 1.7 Pääryhmien metallien oksidit Ryhmä Kaava (M = metalli) Esimerkki Käyttö alkalimetallit M 2 O Li 2 O, Na 2 O, K 2 O käytetään joskus alkalikemikaalien valmistuksessa maa-alkalimetallit MO MgO keraamimateriaalina CaO (poltettu kalkki) sementin ainesosana keraamimateriaalina SrO, BaO Sr:n ja Ba:n hydroksidien ja muiden yhdisteiden valmistuksessa lähtöaineena booriryhmä M 2 O 3 Al 2 O 3 hionta-aineena täyteaineena katalyytin kantajana Ga 2 O 3 In 2 O 3 sensorimateriaalina kaasujen tunnistuksessa läpinäkyvien johteiden materiaalina näytöissä hiiliryhmä MO 2 SnO 2 lasite- ja emalimateriaalina PbO 2 PbO, Pb 3 O 4 (lyijy mönjä) lyijyakuissa elektrodimateriaalina lasiteollisuudessa pigmenttinä korroosionestopigmenttinä typpiryhmä M 2 O 3 Bi 2 O 3 hydroksidin valmistuksessa lääkeja kosmetiikkateollisuudessa 25

29 Taulukko 1.8 Siirtymämetallien oksidit Metalli Oksidit Käyttö skandium Sc 2 O 3 optiikassa, elektroniikassa titaani TiO 2 valkoisena pigmenttinä täyteaineena vanadiini V 2 O 5 katalyyttinä kromi Cr 2 O 3 tulenkestävänä materiaalina hionta-aineena vihreänä pigmenttinä CrO 3 hapettimena kromaattien valmistuksessa lähtöaineena mangaani Mn 2 O 3 MnO 2 kuivaparistoissa elektrodina rauta Fe 2 O 3 punaisena pigmenttinä maaleissa täyteaineena katalyyttinä Fe 3 O 4 mustana pigmenttinä maaleissa täyteaineena koboltti CoO, Co 3 O 4 lasin värjäyksessä sinisenä pigmenttinä Li akuissa LiCoO 2 -elektrodeissa nikkeli NiO vihreänä pigmenttinä katalyyttinä kupari Cu 2 O, CuO lasin värjäyksessä punaisena ja vihreänä pigmenttinä maaleissa (erityisesti laivamaaleissa) antibakteerisena aineena sinkki ZnO valkoisena pigmenttinä maaleissa täyteaineena kosmetiikassa 26

30 Epämetallit Alkuaineista epämetalleja on hieman yli kaksikymmentä. Epämetallien ominaisuudet poikkeavat paljon toisistaan, joten niille ei voi esittää yhtenäistä luonnehdintaa. Epämetallit sijaitsevat jaksollisen järjestelmän oikeassa yläkulmassa. Epämetallit voivat olla huoneen lämpötilassa kaasuja (vety, typpi ja happi) nesteitä (bromi) kiinteitä aineita (hiili, fosfori, rikki). Epämetallien sulamis- ja kiehumispisteet ovat yleensä matalampia kuin metallien ja elektronegatiivisuudet ovat suurempia kuin metallien (poikkeuksena jalokaasut). Epämetalleilla on vajaasti täyttynyt p- orbitaali, ja ne saavat elektronioktetin ottamalla lisää elektroneja. C Tärkeitä epämetalleja Hiili on alkuaineena inertti, eli se reagoi huonosti. Kuumennettaessa hiili kuitenkin palaa, ja se on tärkeä polttoaine. Hiilellä esiintyy allotropiaa: sen rakennemuotoja ovat mm. timantti, grafiitti, fullereenit ja nanoputket. Hiilidioksidi CO 2 on hiilen täydellisen palamisen tuote. Myrkyllistä hiilimonoksidia CO syntyy epätäydellisessä hapettumisessa. C(s) + O 2 (g) C(s) + ½ O 2 (g) CO 2 (g) CO(g) Karbonaatit, joita lähes kaikki metallit muodostavat, ovat hiilen tärkeimpiä epäorgaanisia yhdisteitä. Tavallisia karbonaatteja ovat natriumkarbonaatti Na 2 CO 3, natriumvetykarbonaatti NaHCO 3, ammoniumkarbonaatti (NH 4 ) 2 CO 3, magnesiumkarbonaatti MgCO 3 ja kalsiumkarbonaatti CaCO 3. Kun karbonaatit liukenevat happoihin, muodostuu hiilidioksidia. CaCO 3 (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l) Orgaanisten yhdisteiden monimuotoisuus perustuu hiilen voimakkaaseen taipumukseen muodostaa ketjuja toisten hiiliatomien kanssa. Tätä kutsutaan katenaatioksi. Si Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine hapen jälkeen. Hiekka on yleensä suureksi osaksi kvartsimineraalia SiO 2. Monet tavalliset mineraalit, kuten kiilteet, maasälvät ja savimineraalit, ovat silikaatteja. Näiden kiteisten aineiden rakennyksikkö on silikaatti-ioni SiO Siinä piitä ympäröi neljä happiatomia, jotka muodostavat tetraedrin piin ympärille. 27

31 Piidioksidi eli kvartsihiekka on lasin pääkomponentti. Tavallinen lasi sisältää piin lisäksi natriumin, kaliumin ja kalsiumin yhdisteitä. Lasi sisältää myös silikaatti-ioneja, mutta se on silti amorfinen aine. Vetyfluoridi ja väkevät alkalihydroksidit vaurioittavat lasia, koska SiO 2 liukenee niihin. SiO 2 (s) + 4 HF(aq) SiO 2 (s) + 2 NaOH(l) SiF 4 (g) + 2 H 2 O(l) Na 2 SiO 3 (s) + H 2 O(l) Alkuaineena piillä on samanlainen rakenne kuin timantilla: jokainen piiatomi on kovalenttisesti sitoutunut neljään muuhun piiatomiin. Alkuaineena piitä käytetään puolijohteena. Sitä valmistetaan kvartsihiekasta pelkistämällä. SiO 2 (s) + C(s) Si (s) + CO 2 (g) Puolijohdekäyttöä varten pii puhdistetaan hyvin puhtaaksi ja sulasta piistä vedetään suuria yksittäisiä kiteitä. N Typpi on inertti kaksiatominen kaasu N 2. Typpi ei reagoi helposti, koska typpimolekyylin atomien välillä on vahva kolmoissidos. Ilmakehästä 78 % on vapaata typpikaasua. Typpikaasu hapettuu oksideiksi korkeissa lämpötiloissa. Fossiilisia polttoaineita poltettaessa syntyy typen oksideja NO x, jotka ovat merkittäviä ilman pilaajia. Ammoniakki NH 3 ja typpihappo HNO 3 ovat tärkeitä typen yhdisteitä. Niitä käytetään lannoitteiden valmistamiseen, sillä typpi on kasveille välttämätön aine. Typen saaminen kasveille soveltuvaan vesiliukoiseen muotoon on lannoiteteollisuuden avainkysymys. Ammoniakkia valmistetaan typestä ja vedystä rautakatalyytin avulla. Fe N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) P Fosfori esiintyy useana allotrooppisena muotona, joista valkoinen, punainen ja musta ovat tavallisimmat. Fosforin tärkeimmät yhdisteet ovat fosforihappo ja sen suolat eli fosfaatit, joita käytetään lannoitteina. Eliöt eivät tule toimeen ilman fosforia, koska se on DNA:n, RNA:n ja solujen energialähteen ATP:n rakenneosa. Fosfori esiintyy maankuoressa fosfaattimineraaleina, joista tärkein on apatiitti 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 CaF 2. 28

32 O Happi on maankuoren yleisin alkuaine ja ilmakehän tärkeä komponentti; ilmakehästä 21 % on happea. Happea tulee ilmakehään kasvien yhteyttämisen seurauksena. Normaalisti happi esiintyy kaksiatomisena kaasuna. Hapen toinen allotrooppi on otsoni O 3, jota muodostuu O 2 :sta sähköpurkauksen avulla. Otsoni hajoaa helposti happimolekyyliksi ja atomaariseksi hapeksi O. Siksi otsoni on voimakas hapetin, jota käytetään muun muassa vedenpuhdistuksessa ja valkaisuaineena. Happi on elektronegatiivinen alkuaine, joka reagoi helposti elektropositiivisten alkuaineiden kanssa. Hapen reaktiot ovat palamisreaktioita, joissa syntyy oksideja ja vapautuu usein paljon lämpöä. Happi muodostaa oksideja kaikkien alkuaineiden kanssa. Oksideissa hapen hapetusluku on II, paitsi happifluoridissa OF 2 +II, ja peroksideissa I. Oksidit voidaan jakaa niiden happamuuden mukaan kolmeen ryhmään: happamat oksidit (vesiliuos hapan), tyypillisesti epämetallien oksideja (CO 2, SO 2, NO x ) emäksiset oksidit (vesiliuos emäksinen), mm. alkali- ja maa-alkalimetallien oksidit (Na 2 O, CaO) amfoteeriset oksidit (reagoivat sekä happojen että emästen kanssa), mm. Al 2 O 3 ja ZnO. S H Rikki on huoneenlämpötilassa keltainen kiinteä aine. Rikillä on monia allotrooppeja, joista useimmat ovat rengasrakenteisia. Tärkeimmät rikin lähteet ovat sulfidimineraaleja, joista rikki otetaan talteen rikkidioksidina metallien jalostuksen yhteydessä. Rikkidioksidista valmistetaan edelleen rikkihappoa H 2 SO 4, joka on vahva kahdenarvoinen happo (kykenee luovuttamaan kaksi protonia) ja yksi kemianteollisuuden eniten käyttämistä kemikaaleista. Eloperäiset orgaaniset yhdisteet sisältävät rikkiä, ja siksi sitä on myös kivihiilessä ja maaöljyssä. Fossiilisten polttoaineiden sisältämä rikki on haitallista ympäristölle, koska polttoaineita käytettäessä SO 2 :a voi joutua ilmaan, jossa se veden kanssa muodostaa luonnolle vahingollisia happoja. Öljynjalostuksen yhteydessä rikki pyritään nykyisin poistamaan mahdollisimman tarkkaan. Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine. Maankuoressa vety ei esiinny vapaana, vaan sitoutuneena veteen ja lukemattomiin epäorgaanisiin ja orgaanisiin yhdisteisiin. Vety on jaksollisen järjestelmän kevyin alkuaine. Se esiintyy kaksiatomisena kaasuna H 2. Vety muodostaa yhdisteitä, hydridejä, lähes kaikkien alkuaineiden kanssa. Epämetallien kanssa muodostuu kovalenttisesti sitoutuneita hydridejä ja metallien kanssa ionisidoksellisia yhdisteitä. Siirtymämetallien kanssa muodostuvissa hydrideissä vety sijaitsee metallihilan atomien väliin jäävissä aukoissa. Tyypillisiä kovalenttisia hydridejä ovat HCl, H 2 O, NH 3, CH 4. 29

33 Vedyn kovalenttinen sidos voi olla hyvin poolinen, kuten vedessä. Se johtaa molekyylien väliseen vetysidokseen, joka vaikuttaa näiden hydridien ominaisuuksiin. Liuoksissa poolisissa kovalenttisissa yhdisteissä voi tapahtua protonoituminen, jossa vety irtoaa H + -ionina. Ionia kutsutaan vetyioniksi tai protoniksi. Vetyä valmistetaan teollisesti öljyn tai maakaasun hiilivedyistä katalyyttisesti vesihöyryn avulla. Vetyä käytetään teollisuudessa vety-yhdisteiden valmistukseen. Niistä tärkeimmät ovat ammoniakki, vetyperoksidi ja metanoli. Vetyä käytetään myös suuria määriä tyydyttymättömien orgaanisten yhdisteiden hydrauksessa eli vedyn liittämisessä moninkertaiseen hiili-hiili-sidokseen. Vety on pelkistin, ja se sitoutuu mielellään happeen. Tätä käytetään hyväksi esimerkiksi kun pelkistetään metallioksideja metalleiksi. Ionimaiset hydridit alkalimetallihydridit MH LiH, NaH, KH, RbH, CsH pelkistimiä, käytetään syntetiikassa ja analytiikassa maa-alkalimetallihydridit MH 2 BeH 2, MgH 2, CaH 2, SrH 2, BaH 2 pelkistimiä harvinaisten maametallien (myös lantanidien ja aktinidien) hydridit MH 2 ja MH 3 YH 2, YH 3, LaH 2, LaH 3 jne. SIIRTYMÄmetallien hydridit vety on metallihilassa siirtymämetalliatomien väliin jäävissä koloissa epästoikiometrisia ominaisuuksiltaan metallisia ryhmät 4 ja 5 epästoikiometristen hydridien lisäksi tunnetaan stoikio metrisia hydridejä: monet siirtymämetallit eivät muodosta hydridejä TiH 2, ZrH 2, HfH 2, VH, VH 2, NbH, NbH 2, TaH 30

34 F Cl Br I He Ne Ar Kr Xe Halogeenit Halogeenit fluori, kloori, bromi, jodi ja astatiini muodostavat yhtenäisen epämetallien ryhmän. Koska halogeeniatomien elektronirakenne on s 2 p 5, niillä on voimakas taipumus pelkistyä eli ottaa vastaan elektroni. Niiden tärkein hapetusluku on I. Halogeenit ovat elektronegatiivisia ja hyvin reaktiivisia hapettimia, koska ne pelkistyvät itse helposti. Ne esiintyvät kaksiatomisina molekyyleinä: F 2, Cl 2, Br 2, I 2. Kun halogeeni pelkistyy, syntyy halogenidi-ioni. Fluoria lukuun ottamatta halogeenit voivat esiintyä myös positiivisilla hapetusluvuilla +I:stä +VII:ään. Yleisin halogeeni on kloori. Sitä esiintyy maankuoressa suoloissa. Klooria, bromia ja jodia on merivedessä, josta niitä myös otetaan talteen. Klooria valmistetaan elektrolyyttisesti NaCl-liuoksesta. Bromia ja jodia valmistetaan bromidi- ja jodidisuoloista kloorilla hapettamalla. Kun kloori liukenee veteen, muodostuu hyprokloriitti-ioni OCl, joka on voimakas hapetin. Siksi klooria käytetään veden desinfioimiseen. Kloori voidaan hapettaa oksideiksi, joita se muodostaa usealla hapetusluvulla. Valkaisussa käytetty klooridioksidi on niistä tärkein. Oksideista saadaan edelleen happihappoja ja niistä suoloja, joista kloraatit (esimerkiksi KClO 3 ) ja perkloraatit (esimerkiksi KClO 4 ) ovat voimakkaita hapettimia. Jalokaasut Jalokaasut helium, neon, argon, krypton, ksenon ja radon muodostavat yhtenäisen ryhmän, joka sijaitsee jaksollisessa järjestelmässä äärimmäisenä oikealla. Jalokaasut ovat saaneet nimensä reagoimattomuudestaan, joka johtuu täydestä uloimmasta elektronikuoresta. Kaikki jalokaasut ovat hajuttomia, värittömiä yksiatomisia kaasuja, joiden kiehumis- ja sulamispiste on hyvin alhainen. Jalokaasuja on ilmakehästä noin yksi prosentti, ja tästä yhdestä prosentista suurin osa on argonia. Teollisuuden tarvitsemat jalokaasut erotetaan ilmasta. Heliumia käytetään sen keveyden ja palamattomuuden vuoksi kaasupalloissa. Argonia ja heliumia käytetään suojakaasuina, koska ne eivät reagoi helposti. Jalokaasut emittoivat eli lähettävät valoa, kun niiden läpi ohjataan sähköä matalassa paineessa. Ilmiötä hyödynnetään neonvaloissa. Neon emittoi punaista, argon sinipunaista ja helium keltaista valoa. NTP:ssä kaasumaisina esiintyviä alkuaineita Kaksiatomiset H 2 N 2 O 2 F 2 Cl 2 Yksiatomiset He Ne Ar Kr Xe Rn 31

35 Taulukko 1.9 Epämetallien oksidit Alkuaine Oksidi Käyttö vety H 2 O beryllium BeO ainesosana keraamimateriaaleissa boori B 2 O 3 sulateaineena emaleissa hiili CO hiiliyhdisteiden valmistuksen lähtöaineena pelkistimenä CO 2 suojakaasuna elintarviketeollisuudessa karbonaattien valmistuksessa lähtöaineena pii SiO 2 lasin raaka-aineena katalyytin kantajana germanium GeO 2 germaniumin valmistuksen lähtöaineena erikoislaseissa taitekertoimen räätälöintiin typpi NO, NO 2 typpihapon valmistuksen lähtöaineena fosfori P 4 O 6, P 4 O 10 kaasujen kuivausaineena arseeni As 2 O 3 As 2 O 5 hapettimena antimoni Sb 2 O 3, Sb 2 O 5 valkoisena pigmenttinä lasi- ja keraamimateriaaleissa palonestoaineena muoveissa rikki SO 2 pelkistysaineena valkaisuaineena SO 3 rikkihapon valmistuksen lähtöaineena seleeni SeO 2 seleeniyhdisteiden valmistuksen lähtöaineena telluuri TeO 2 fluori OF 2 (on ennemmin hapen fluoridi kuin fluorin oksidi) kloori Cl 2 O, ClO 2, Cl 2 O 7 desinfiointiaineena valkaisuaineena hapettimena bromi Br 2 O, BrO 2, Br 2 O 3 jodi I 2 O 5, I 2 O 4, I 4 O 9 32

36 Materiaalit Materiaaleiksi kutsutaan kiinteitä aineita, joilla on jokin käyttötarkoitus. Materiaalit voidaan jakaa niiden koostumuksen perusteella metalleihin, keraamimateriaaleihin ja polymeereihin. Näitä perusmateriaaleja yhdistämällä saadaan seoksia eli komposiittimateriaaleja. Komposiitilla tarkoitetaan kahden tai useamman toisiinsa liukenemattoman materiaalin yhdistelmää. Valmistettaessa komposiitteja on tavoitteena maksimoida kahden tai useamman eri materiaalin hyvät ominaisuudet (kovuus, lujuus, lämpötilankesto) ja minimoida huonot ominaisuudet (hauraus, kuluminen, ympäristön olosuhteiden kesto). Synteettisesti valmistetuista komposiiteista tunnetuimpia ovat erilaiset kuituvahvistetut materiaalit, kuten lasikuitu ja hiilikuitukomposiitti. Niitä käytetään mm. urheiluvälineissä, kulkuneuvoissa, tuulivoimaloiden rakenteissa. Luonnon komposiitteja ovat esimerkiksi puu (selluloosa ja ligniini) ja luu (kova luu ja pehmeä luuydin). Ominaisuuksien ja käytön perusteella materiaalit voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin: rakenne- eli konstruktiomateriaalit sähköiset materiaalit optiset materiaalit magneettiset materiaalit. Biomateriaali voi tarkoittaa sekä eloperäisiä materiaaleja että biologisissa sovelluksissa käytettyjä synteettisiä materiaaleja, kuten erilaisia implantteja. Ne puolestaan voivat olla koostumukseltaan metalleja, keraameja tai polymeereja. 33

37 Kokeellisuus Liuosten valmistaminen Kemian kokeellisessa työskentelyssä on tunnettava liuosten ominaisuuksia ja hallittava niiden valmistus. Vesi on tavallisin liuotin, koska se pystyy liuottamaan useampia aineita kuin muut liuottimet. Vesi on poolinen liuotin. Liukenevan aineen luonne vaikuttaa sen liukenemiseen. Ioniyhdiste liukenee veteen ioneina, kun taas molekyyliyhdiste liukenee molekyyleinä. Jos molekyyliyhdiste on voimakkaasti polaarinen, myös sen vesiliuokset saattavat sisältää ioneja. Esimerkiksi happojen ja emästen vesiliuoksissa on ioneja protolysoitumisen seurauksena. 1 Mitä tarkoitetaan poolisella liuottimella ja mitä poolittomalla liuottimella? 2 Mitä ovat suolat? 3 Mitä on hydratoituminen? 4 Anna esimerkki molekyyliyhdisteestä, joka liukenee veteen ioneina. Käytännön töissä tarvittavat liuokset ovat joko reagenssiliuoksia tai mittaliuoksia. Reagenssiliuosten pitoisuuksien ei tarvitse olla yhtä tarkkoja kuin mittaliuosten., koska niitä ei käytetä kvantitatiiviseen(määrälliseen) tutkimiseen. Siksi esimerkiksi rikki- ja suolahappoliuoksia voidaan valmistaa reagenssiliuoksiksi laimentamalla väkevästä rikki- ja suolahaposta. Väkevinä liuoksina ostettujen kemikaalien yhteydessä on mainittu aineen pitoisuus massaprosentteina. Valmistettaessa liuoksia puhtaista aineista joudutaan turvautumaan vaakaan ja mittaliuosten yhteydessä jopa erittäin tarkkaan vaakaan. Työvälineet Liuosten valmistamisessa tarvitaan yleensä vaaka punnitusastia suppilo mittalaseja mittapipettejä tippapipettejä mittapulloja ruiskupullo veden lisäystä varten. 34

38 Työvaiheet Liuoksen valmistamisen vaiheet puhtaasta kiinteästä tai nestemäisestä aineesta aineen punnitseminen punnitusastiaan aineen siirtäminen sopivaan mittapulloon veden lisääminen sekoittaen veden lisäys pipetillä pullon merkkiviivaan asti korkitus sekoitus kunnolla. 5 Miten valmistetaan 1 litra suolahappoliuosta c(hcl) = 2 mol/dm 3 väkevästä suolahappoliuoksesta (n. 37-prosenttista, jonka tiheys on 1,17 kg/dm 3 )? 6 Miten valmistetaan 1 litra rikkihappoliuosta c(h 2 SO 4 ) = 2 mol/dm 3 väkevästä rikkihappoliuoksesta (95 98-prosenttista, jonka tiheys on 1,84 kg/dm 3 )? 7 Miten valmistetaan 500 ml ammoniumkloridiliuosta, c(nh 4 Cl) = 2 mol/dm 3, kiinteästä ammoniumkloridista? 8 Miten valmistetaan 200 ml kaliumpermanganaattiliuosta, c(kmno 4 ) = 0,0100 mol/dm 3, kiinteästä kaliumpermanganaatista? 9 Miten valmistetaan 500 ml kuparisulfaattiliuosta, c(cuso 4 ) = 1,000 mol/dm 3, kidevedellisestä kuparisulfaatista CuSO 4 5 H 2 O? 10 Miten valmistetaan 250 ml hopeanitraattiliuosta, jonka c(ag + ) = 0,00500 mol/l? Aineiden erotusmenetelmät Menetelmiä, joita käytetään aineen erottamiseen muista seoksen sisältämistä aineista dekantointi suodatus sentrifugointi sublimointi haihdutus kiteytys uutto tislaus kromatografia. 35