KERTAUSTA REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Aineiden ominaisuudet voidaan selittää niiden rakenteen avulla. Aineen rakenteen ja ominaisuuksien väliset riippuvuudet selittyvät kemiallisten sidosten avulla. Vahvat sidokset selittävät, miten alkuaineista muodostuu yhdisteitä ja miten metalliatomit sitoutuvat toisiinsa. Heikkoja sidoksia esiintyy molekyylien välillä tai molekyylien ja ionien välillä. Heikot sidokset vaikuttavat mm. aineen sulamis- ja kiehumispisteisiin. Vahvat sidokset ovat rakenneosasten sisäisiä sidoksia. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia. 1
Kovalenttinen sidos. Atomeja liittää yhteen yhteinen sidoselektronipari. Kaksoissidoksessa on kaksi ja kolmoissidoksessa kolme yhteistä elektroniparia. Pooliton kovalenttinen sidos. Poolittomassa kovalenttisessa sidoksessa sitoutuneet atomit vetävät yhteisiä sidoselektroneja yhtä voimakkaasti puoleensa. Ionisidos. Kun elektronegatiivisuus arvojen erotus on yli 1,7 on sidoksen ioniluonne yli 50% ja puhutaan ionisidoksesta. HUOM! Ionisidos syntyy vain metallien ja epämetallien välille. Eli vaikka HF:llä elektronegatiivisuusarvojen ero on 1,9 > 1,7 niin kyseessä ei ole ionisidos vaan kovalenttinen hyvin poolinen sidos! Molekyylin poolisuus Sidosten poolisuuden lisäksi pitää tarkastella molekyylin symmetriaa (raken.) δ O H δ + χ O = 3,5 χ H = 2,1 χ = 3,5 2,1 = 1,4 Atomit koostuvat protoneista, elektroneista ja neutroneista Atomit koostuvat siis protoneista, elektroneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit kvarkeista. Kvarkit ja leptonit, joihin elektroni kuuluu, pidetään tällä hetkellä kaiken materian perushiukkasina. Atomien muodostumisessa on kyse sähkö eli sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta sekä ytimien kohdalla vahvasta vuorovaikutuksesta. Vuorovaikutukset Sähkömagneettinen vuorovaikutus, välittäjänä fotoni Vahva vuorovaikutus, välittäjänä gluoni Heikko vuorovaikutus, välittäjänä väli-bosoni Gravitaatio, välittäjänä gravitoni Kaikki muut ovat havaittuja, gravitonia ei CERN ja Higgs. Suurin osa atomin massasta on keskittynyt ytimeen Olemmeko vain ilmaa! 2
Ulkoelektronit ja oktettisääntö Alkuaineen korkeimmalla energiatasolla olevia elektroneja sanotaan ulkoelektroneiksi eli valenssielektroneiksi. Ne määräävät atomin kemialliset ominaisuudet, kuten reaktiokyvyn ja sen, missä suhteissa atomit liittyvät toisiinsa. Elektronikaavassa esitetään atomin ulkoelektroneja. Yksi piste tarkoittaa yhtä elektronia, viiva elektroniparia. Jaksollinen järjestelmä: ryhmät ja jaksot Tarkastellaan tämänpäiväistä jaksollista järjestelmää monesta eri näkökulmasta. Perusjako on: metallit, puolimetallit, epämetallit ja jalokaasut. RYHMÄT OVAT SARAKKEITA JAKSOT OVAT RIVEJÄ H Li B C N O F He Ne 3
Kemiallinen reaktio REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Johdantoa: Syömme elääksemme, emme elä syödäksemme! sanonta on totta. Kun elimistömme hyödyntää ravintoaineita metaboliassa eli aineenvaihduntareaktioissa, vapautuu energiaa varastointi tai käyttö (liikkuminen, ajattelu jne.). Kemiallisten reaktioiden kautta tuotettu lämpö- ja sähköenergia (jopa yli 90%) on peräisin kemiallisista reaktioista. Kemiallisen reaktion energian muutoksia tutkivaa osa-aluetta sanotaan termokemiaksi koska energia havaitaan yleensä lämmön siirtymisenä. Termokemia on osa termodynamiikkaa (kreikka: therme = lämpö ja dynamis = voima). Huom! Tarkasti ottaen käsitteet lämpö ja lämpöenergia ovat kaksi eri asiaa ja ne sekoitetaan usein keskenään. Lämpö( sisä)energia on tilasuure, lämpö ei. Lämpö on energia, joka siirtyy systeemin ja ympäristön välillä lämpötilaerojen seurauksena (atomitason törmäykset). Lämpöenergialla eli lämpömäärällä tarkoitetaan atomitason energiaa (molekyylien liike ja sidoksiin varastoitunut potentiaalienergia). 4
Auringosta bioenergiaa klorofylli a Glukoosin rengasrakenteinen muoto Määritelmä, kemiallinen reaktio: Kemiallinen reaktio on tapahtuma, jossa lähtöaineiden sisäiset sidokset katkeavat ja uusia sidoksia syntyy samalla, kun atomit järjestyvät uudelleen. Toisin sanoen syntyvät tuotteet ovat eri aineita kuin lähtöaineet. Ovatko olomuodon muutokset kemiallisia reaktioita? Vertaa heikkojen ja vahvojen sidosten katkeamisia ja uusien syntymisiä. Aineen rakenneosilla on sekä vahvoista että heikoista sidoksista aiheutuvaa potentiaalienergiaa että lämpöliikkeestä aiheutuvaa liike-energiaa (yht lämpöenergia). Koska reaktioissa sidoksia katkeaa ja uusia muodostuu, niin kemiassa usein riittää, että tarkastellaan vain rakenneosien heikkoihin ja vahvoihin sidoksiin varastoitunutta potentiaalienergiaa. Määritelmä, kemiallinen energia (kemiallisiin sidoksiin varastoitunut energia): Edellä esiteltyä potentiaalienergiaa kutsutaan kemialliseksi energiaksi ja se voi muuttua reaktioissa muiksi energian muodoiksi. Vahvat sidokset Ionisidos Metallisidos Kovalenttinen sidos Heikot sidokset Ioni-dipoli-sidos Dipoli-dipoli-sidos (vetysidos erikoistapauksena) Dispersiovoimat (van Der Waals, Londonin voimat) 5
Rakenneosien sidoksiin varastoitunut energia Energian muutoksia havainnollistetaan energiakaavioilla. Niihin piirretään lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden energiatasot. Tasojen korkeusero kuvaa vapautuvan tai sitoutuvan energian määrän. Nuoli alaspäin kuvaa energian vapautumista ja nuoli ylöspäin energian sitoutumista. Jännittyneet molekyylit Palamisessa vapautuvan lämpöenergian määrän riippuvuus CH 2 -yksikköön varastoituneesta energiasta. 6
Molekyylien konformaatiot Jännitetyn jousen energia on potentiaalienergiaa. Jännittyneillä molekyyleillä on vastaavasti kemiallista energiaa. Rakenneosien liike-energia lämpöliike Jään molekyylihilassa vesimolekyylit värähtelevät. Vetysidokset pitävät molekyylit tiukasti kiinni toisissaan. Vedessä molekyylien väliset vetysidosverkostot muuttuvat jatkuvasti, kun vesimolekyylit liukuvat toistensa ohi. Vesihöyryssä vetysidokset ovat purkautuneet. Vesimolekyylit liikkuvat vapaasti. 7
Nesteen ja kaasun rakenneosilla on myös pyörimisestä johtuvaa liikeenergiaa (kaksois- ja kolmoissidokset ovat jäykkiä). Rakenneosilla on sidosten venytys- ja taivutusvärähtelystä johtuvaa liike- ja potentiaalienergiaa. Molekyylit myös keinahtelevat. Milloin kemiallinen reaktio tapahtuu Havaitaan, että kemiallisen reaktion edellytyksiä ovat: Reaktiokykyiset lähtöaineet Oikea suuntautuminen Riittävä törmäysenergia eli riittävän korkea lämpötila 8
Yleisesti kaasumaisten atomien, molekyylien ja ionien (yleisesti hiukkasten) käyttäytymistä kemiallisissa reaktioissa mallinnetaan kuvaamalla ne pieniksi kimmoisiksi palloiksi. Osalla hiukkasista on suuri liike-energia, osalla pieni. Valtaosan liike-energia on kuitenkin lähellä keskimääräistä arvoa (ns. Brownin liike). Lämpötilan kasvattaminen nostaa hiukkasten liike-energiaa ja näin ollen reaktioon johtavien suotuisien törmäysten lukumäärä kasvaa. Muita, reaktion etenemiseen (nopeuteen) vaikuttavia suotuisia tekijöitä ovat: pitoisuus, pinta-ala, säteily, katalyytti/inhibiitti, sekoittaminen (mikäli aineet eri faasissa) ja kaasuilla paine/tilav. Ulkoisilla tekijöillä vaikutetaan reaktion saantoon, nopeuteen ja reaktiotuotteiden laatuun. HUOM! Vain pieni osa törmäyksistä johtaa kemiallisen reaktion tapahtumiseen! Määritelmä, spontaani reaktio: Sanotaan, että reaktio on spontaani, eli tapahtuu ilman ulkoista energiaa, jos reaktion tapahtuessa systeemin kokonaisenergia pienenee. Mikä on systeemi? Mikä on kokonaisenergia? Määritelmä, systeemi ja ympäristö: Systeemillä tarkoitetaan yleisesti niitä kappaleita (hiukkasia), joiden liikettä tarkastellaan ja analysoidaan. Kemiallisella systeemillä tarkoitetaan erityisesti kemiallisen reaktion lähtöaineita ja reaktiotuotteita. Ympäristö on systeemin ulkoinen puoli ( alue, josta käsin systeemiä tutkitaan). ympäristö ympäristö Energiaa sisään Ainetta sisään systeemi Energiaa ulos Ainetta ulos Avoin systeemi: Energiaa ja ainetta voi siirtyä vapaasti systeemin ja ympäristön rajapinnan yli. Energiaa sisään systeemi Suljettu systeemi: Energiaa voi siirtyä systeemin ja ympäristön rajapinnan yli, mutta ei ainetta. Eristetty systeemi: Systeemin ja ympäristön rajapinnan yli ei siirry energiaa eikä ainetta. Energiaa ulos 9
Määritelmä, spontaani reaktio: Sanotaan, että reaktio on spontaani, eli tapahtuu ilman ulkoista energiaa, jos reaktion tapahtuessa systeemin kokonaisenergia pienenee. Mikä on systeemi? Mikä on kokonaisenergia? Kokonaisenergialla tai oikeammin energian muutoksella kuvataan systeemiin tuodun ja systeemin antaman energian välistä erotusta. Mikäli erotus on negatiivinen, niin systeemi tekee työtä ympäristölle tai luovuttaa lämpöä ympäristölle (tai valoa). Vastaavasti, jos erotus on positiivinen, niin ympäristö tekee työtä systeemille tai luovuttaa lämpöä systeemille. Systeemistä vapautuva energia havaitaan siis lämpönä tai valona tai entropian kasvuna. Määritelmä, entropia: Entropia on ns. tilafunktio, joka kuvaa systeemin epäjärjestystä. Spontaanin reaktion seurauksena systeemin epäjärjestys kasvaa. Esimerkiksi kaasu pyrkii leviämään kaikkialle säiliöön, kotona vaatteet leviävät pitkin poikin lattialle odottaako meitä lopulta ns. lämpökuolema. Termodynamiikan toinen pääsääntö. 10