YLEINEN KEMIA Yleinen kemia käsittelee kemian perusasioita kuten aineen rakennetta, alkuaineiden jaksollista järjestelmää, kemian peruskäsitteitä ja kemiallisia reaktioita.
Alkuaineet Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista. Alkuaineita ovat mm. vety, happi, typpi, rauta, kupari, hiili, sinkki, kalsium, fosfori, uraani, kulta, hopea jne. Ihmisessä on lähes kaikkia alkuaineita. Eniten happea. Alkuaineita on yhteensä hieman yli 100 kpl. Nykykäsityksen mukaan alkuaineet ja koko maailman kaikkeus ovat muodostuneet alkuräjähdyksen jälkeen joka on tapahtunut 13,7 miljardia vuotta sitten.
Mistä alkuaineet ovat lähtöisin? Maailmankaikkeuden alkuaineet ovat lähtöisin alkuräjähdyksen jälkeen syntyneistä tähdistä, niiden ydinreaktioissa syntyvistä aineista ja tähtien räjähdyksistä kun niiden elinkaari on päättynyt. Ilman muinaisuudessa tapahtuneiden tähtien supernovaräjähdysten synnyttämiä alkuaineita ei kaikkia alkuaineita eikä ihmisiäkään olisi olemassa.
Alkuaineiden esiintyminen maailmassa Alkuaineiden yleisyydellä maailmassa on hyvin suuria eroja. Yleisin aine maailmankaikkeudessa on vety jota on eniten tähdissä kuten myös auringossa. Jotkut alkuaineet ovat hyvin harvinaisia. Esim. astatiinia ( At ) on arvioitu olevan maapallolla vain 30 g. Alkuaineet eivät voi muuttua toisiksi alkuaineiksi. Ainoastaan epävakaat radioaktiiviset aineet voivat ydinreaktioiden kautta muuttua muiksi alkuaineiksi, esim. uraani radoniksi.
Alkuaineet koostuvat atomeista Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu atomeista. Alkuaine voi koostua ainoastaan yhden alkuaineen atomeista, kuten esimerkiksi hopeasta.
Atomin rakenne Atomi koostuu ytimestä ja ydintä kiertävästä elektroniverhosta. Ydin koostuu protoneista ja neutroneista.
Atomin rakenne Atomit ovat kooltaan hyvin pieniä. Atomin kokoon vaikuttaa sen protonien ja elektronien määrä. Kun atomin halkaisija on n. 0,0000000001m ( 0.1 nm ). niin atomin ytimen halkaisija on n. 0,000000000000008m ja protonin halkaisija on n. 0,000000000000002m. Koska atomin halkaisija on 12500 kertaa suurempi kuin ytimen halkaisija niin atomit ovat melkein kokonaan tyhjää ainetta.
Atomin rakenne Aikaisemmin atomin osia pidettiin jakamattomina. Nykytietämyksen mukaan protonit ja neutronit koostuvat pienemmistä osista kuten kvarkeista ja leptoneista. Atomien osien rakennetta ei ole kokonaan voitu ratkaista. Joitakin atomin osia epäillään olevan olemassa muuta niitä ei ole koettu löytämään tieteen keinoin. Etsintää jatketaan mm. CERN:n hiukkaskiihdyttimellä, joka on maailman suurin laite.
Atomien osien ominaisuuksia ovat: Protoni Protonit ovat varaukseltaan positiivisia ja ne sijaitsevat atomien ytimissä. Protonien lukumäärä määrää sen mitä alkuainetta atomi on. Elektroni Elektronit kiertävät atomin ydintä omilla radoillaan. Niiden varaus on negatiivinen ja yhtä suuri kuin protonin positiivinen varaus. Kemiallisissa reaktioissa atomit luovuttavat tai vastaanottavat elektroneja.
Atomien osien ominaisuuksia ovat: Neutronit Neutronit sijaitsevat atomin ytimessä yhdessä protonien kanssa. Neutronit ovat varauksettomia. Neutronien määrä voi vaihdella samalla alkuaineella. Tällöin puhutaan aineen eri isotoopeista Esim.1. Hapella on yleensä 8 neutronia, mutta joillakin happiatomeilla vain 7. Neutronit vaikuttavat alkuaineen massaan. Muilta osin niillä ei ole käytännön kemian kannalta juuri merkitystä.
Atomimassa Kaikella aineella on massa, eli ne painavat jotain. Kaikilla alkuaineiden atomeilla on toisiinsa nähden eri massa. Koska yksittäisen atomin massa on hyvin pieni, on otettu käyttöön suhteellinen atomimassa. Suhteellinen atomimassa vertaa ihmisen määrittelemässä suhteessa eri alkuaineiden atomien massoja toisiinsa nähden.
Suhteellinen atomimassa Alkuaineen suhteellinen atomimassa ilmoitetaan yleensä jaksollisessa järjestelmässä alempana lukuna. Sen yksikkö on g / mol ja tunnus M. Litiumin ( Li ) suhteellinen atomimassa on 6,94 g / mol ja Lyijyn ( Pb ) 207,2 g/mol.
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Osa alkuaineista on löydetty ja niitä on käytetty hyväksi jo vuosituhansia sitten kuten esim. kuparia. Osa taas on löydetty vasta 1900-luvulla. Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän on luonut Dimitri Mendelev 1869. Järjestelmän alkuvaiheessa kaikkia aineita ei oltu löydetty, mutta niiden tiedettiin olevan olemassa.
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Alkuaineiden jaksollisesta järjestelmästä on olemassa monta toisistaan hieman poikkeavaa esitystapaa.
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Ryhmät ilmoittavat montako ulkoelektronia aineella on. Esimerkiksi hiilellä on neljä ulkoelektronia ja rikillä kuusi. Ryhmät ilmoitetaan usein Roomalaisilla numeroilla Samaan ryhmään kuuluvilla aineilla on keskenään samankaltaisia ominaisuuksia.
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Jaksot ilmoittavat montako elektronikehää atomilla on. Jaksot ovat pystyriveillä. Jaksoilla ei ole suurta merkitystä käytännön kemian kannalta.
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Vetyatomilla on yksi protoni ja yksi elektroni. Sen järjestysluku on yksi. Beryllium-atomilla on neljä protonia ja elektronia sekä viisi neutronia. Sen järjestysluku on neljä.
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Ryhmän 1 alkuaineita kutsutaan alkalimetalleiksi Ryhmän 2 alkuaineita kutsutaan maa-alkalimetalleiksi Ryhmän 8 alkuaineita kutsutaan jalokaasuiksi Ryhmien 2 ja 3 välille jäävät alkuaineet ovat metalleja Lantanoidit ovat harvinaisia maametalleja Aktinoidit ovat radioaktiivisia aineita. Monet niistä eivät ole pysyviä.
Molekyyli Atomi sisältää vain yhden yksittäisen atomin. Molekyyli muodostuu useammasta atomista. Esim. 2. Happi atomina on ( O ), mutta ilmassa olevana kaasuna molekyylinä ( O 2 ). Kun molekyyli koostuu useammasta alkuaineesta on se yhdiste. Esim.3. Hiilidioksidi ( CO 2 ) on sekä molekyyli että yhdiste. Aineet ovat olemassa joko alkuaineina, molekyyleinä tai yhdisteinä.
Molekyyli Molekyylissä atomeja on liittynyt toisiinsa kemiallisten sidosten avulla. Molekyyli voi sisältää yhtä tai hyvinkin montaa alkuainetta. Esim. typpikaasu koostuu kahdesta typpiatomista ( N 2 ) Liuotinaineena käytettävä ksyleeni ( C 8 H 12 ) taas koostuu kahdeksasta hiilestä ja kahdestatoista vedystä. Hemoglobiinimolekyyli koostuu: - 738 hiilestä - 11660 vedystä - 208 typestä - 203 rikistä - 2 raudasta
Molekyylimassa Atomimassalla tarkoitetaan yksittäisen atomin massaa ja molekyylimassalla molekyylin atomien massaa yhteenlaskettuna. Esim. 4. Hiilimonoksidin ( CO ) molekyylimassa saadaan laskemalla yhteen hiilen ( C ) ja hapen ( O ) atomimassat, jolloin saadaan: M CO 12,001g / mol 15,999g / mol 28,01g / mol
Alkuaineen osuus yhdisteessä Alkuaineen massaosuus yhdisteestä lasketaan seuraavasti: Esim. 5. Mikä on kuparin ( Cu ) massaosuus kuparisulfaatista ( CuSO 4 )? missä b b A M r R b 63,5g / mol 159,5g / mol 0,398 = alkuaineen massaosuus A r = alkuaineen atomimassa M r = yhdisteen molekyylimassa
Ainemäärä Ainemäärä on kemian keskeisin suure. Ainemäärän yksikkö on mooli. Se on yksi seitsemästä perussuureesta. Muita ovat pituus, massa, aika, sähkövirta, lämpötila ja valovoima. Ainemäärä kuvaa itse asiassa atomien kappalemäärää kuten esim. luku tusina. Moolissa on atomeja 6,022 10 23 kappaletta eli 60220000000000000000000.
Ainemäärä Kemialliset reaktiot tapahuvat moolisuhteissa, eivät massasuhteissa. Esim.6. Jos natrium reagoi kloorin kanssa muodostaen natriumkloridia tarvitaan molempia alkuaineita samaa moolimäärä: Na + Cl NaCl 1 mol + 1 mol 1 mol ; tai 23,5 mol + 23,5 mol 23,5 mol Koska ei ole olemassa mittalaitetta joka voisi mitata aineen moolimääriä tarvitaan kemiassa ainemäärän laskentaa.
Ainemäärän laskeminen Ainemäärä voidaan laskea kaavalla: missä n m M n = ainemäärä ( yksikkö mol ) m = aineen massa ( yksikkö gramma ) M = molekyylimassa ( yksikkö g/mol ) Ainemääriä laskettaessa yleensä tiedetään aineen määrä joko mooleina tai grammoina. Yleensä grammamäärät muutetaan moolimääriksi tai päinvastoin. Aineen molekyylimassa voidaan aina laskea jos tiedetään mistä aineesta on kyse.
Ainemäärän laskeminen Esimerkiksi hiilen määrä tiedetään grammoina ( 240 g) ja sen määrä halutaan tietää mooleina. Moolimäärä saadaan laskettua seuraavasti: 240g n C 20mol 12g / mol Jos ainemäärä mooleina tiedetään ja se halutaan muuttaa grammoiksi käytetään laskukaavaa: m n M Esim. 7. Mikä on viidenkymmenen kultamoolin ( Au ) massa? m Au 50mol 197g / mol 9850g
Konsentraatio Konsentraatio ilmaisee liuoksen "väkevyyttä". Sen suuretunnus on c ja yksikkö mol / dm 3. Konsentraatio ei ole sama asia kuin pitoisuus, jota usein käytetään yksikkönä erilaisissa liuoksissa. Esim. 8. Mikä on veden natriumkloridipitoisuus kun viiteen litraan vettä on liuotettu 20 g natriumkloridia? 20g 5l 4g / l
Konsentraatio Veden natriumkloridikonsentraatio samassa tilanteessa on: c 20g 58,44g / mol 5l 0,068mol / l Konsentraatio saadaan jakamalla pitoisuus aineen molekyylimassalla.
Konsentraatio Esim. 9. Mikä on veden NaOH-konsentraatio kun sen pitoisuus on 80 g/ l? 80g / l c 2mol / l 40g / mol Vastaavasti pitoisuus saadaan kertomalla konsentraatio aineen molekyylimassalla ( käänteinen laskutoimitus ).
Konsentraatio Esim.10. Mikä on veden typpihappopitoisuus kun sen konsentraatio on 2,2 mol / l? 2,2mol / l 63g / mol 138,6g / l
Konsentraatio Esim.11. Paljonko viiteen litraan vettä on lisättävä kiinteää natriumhydroksidia jotta sen konsentraatioksi tulisi 2 mol/l? M Nacl = 58,44 g/mol n Nacl = 2mol/l 5 l = 10 mol m NaCl =10 mol 58,44g/mol = 584g
Konsentraatio Konsentraatiota laskettaessa on huomattava että nesteen määrä on muutettava aina yksikköön dm 3 joka on yksikkönä yhtä suuri kuin litra. NESTEMÄÄRÄT LITROINA ( dm 3 ) 1 dm 3 = 1 litra 1 cl = 0,01 litraa 1 ml = 0,001litraa 1 cm 3 = 0,001 litraa 1 mm 3 = 0,000001itraa 1 m 3 = 1000 litraa
Aineiden koostumus Yleensä aineet esiintyvät luonnossa yhdisteinä. Suurin osa ympärillämme olevasta aineesta koostuu kemiallisista yhdisteistä.
Aineiden koostumus Yhdisteet koostuvat kahdesta tai useammasta alkuaineesta jotka ovat liittyneet yhteen kemiallisten reaktioiden kautta. Esimerkiksi etanoli on hiilen, vedyn ja hapen muodostama yhdiste. Rautaoksidi taas raudan, veden ja hapen yhdiste. Yllä etanolin rakennekaava. Alla rautaoksidia jauheena
Aineiden koostumus Aine voi olla myös alkuaineiden seos. Jos aine koostuu eri alkuaineiden seoksesta eivät alkuaineet ole reagoineet keskenään. Esimerkiksi valurauta on raudan, hiilen ja monien muiden alkuaineiden seos, missä alkuaineet ovat erillään toisistaan, mutta kuitenkin yhdessä samassa materiaalissa. Messinki taas on kuparin ja sinkin seos.
Kemialliset reaktiot Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi. Kemiallisessa reaktiossa ei koskaan häviä ainetta vaan reagoivat aineet muuttavat muotoaan Esim. tulitikun palaessa puussa olevat alkuaineet hiili, happi ja vety reagoivat ilman hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia ja vesihöyryä.
Kemialliset reaktiot Kemiallisissa reaktiossa aineiden uloimmat elektronit muuttavat paikkaansa ja saavat aikaan kemiallisen reaktion. Kemiallisissa reaktioissa syntyy usein yhdisteitä, mutta aine voi myös pilkkoutua pienempiin osiin. Kemiallisissa reaktioissa muodostuu elektronien paikkamuutosten kautta sidoksia jotka voivat olla ionisidoksia, kovalenttisia sidoksia tai metallisidoksia. Eri lailla muodostuneet yhdisteet poikkeavat ominaisuuksiltaan selvästi toisistaan.
Kemialliset reaktiot Laskuesimerkki: Oktaania, joka on yksi bensiinin ainesosa poltetaan 1 kg. Paljonko tarvitaan happea ja paljonko syntyy hiilidioksidia ja vesihöyryä? Oktaanin rakennekaava Oktaanin rakennekaavasta nähdään sen sisältävän 8 hiiliatomia ja 18 vetyatomia
Kemialliset reaktiot Palamisreaktiossa tiedetään syntyvän hiilidioksidia ( CO 2 ) ja vettä ( H 2 O ) Tällöin kemiallinen reaktio on muodoltaan: Reaktioyhtälöä muodostettaessa tiedetään että lopputuotteissa on oltava samat ainemäärät kuin lähtöaineissa. Alussa määrät merkitään tuntemattomina ( x ). C H xo xc0 xh O 8 18 2 2 2
Kemialliset reaktiot Reaktioyhtälöstä havaitaan, että hiilidioksidia syntyy lopputuotteeseen sama 8 moolia kuin alkutuotteessa oli hiiltä. Hiilen määrä ei voi olla lopputuotteessa eri kuin alkutuotteissa. Tällöin reaktioyhtälö saadaan seuraavaan muotoon: C H xo 8C0 xh O 8 18 2 2 2
Kemialliset reaktiot Koska lähtöaineessa on 18 vetyä on lopputuotteessa oltava sitä sama määrä. Näin ollen vesihöyryn kertoimeksi tulee 9. Vedyn määrä on näin lopputuotteessa 18 ( 2 x 9) C H xo 8C0 9H O 8 18 2 2 2
Kemialliset reaktiot Viimeiseksi lasketaan tarvittavan hapen määrä. Lopputuotteissa on yhteenlaskettu hapen määrä 25 ( 8 x 2 + 9 ). Näin ollen tarvittavan hapen määrä on 12,5 ( = 25 / 2 ) C H 12,5O 8C0 9H O 8 18 2 2 2
Kemialliset reaktiot Oktaanin molekyylimassa on: 8 12g / mol 18 1g / mol 114g / mol Oktaania oli alkujaan 1 kg ( 1000 g ) Oktaania on mooleina; 1000g 114g / mol 8,77mol
Kemialliset reaktiot Lasketaan hapen, hiilidioksidin ja veden määrä mooleina: C H 12,5O 8C0 9H O 8 18 2 2 2 8,77 mol 109,63 mol 70,16 mol 78,93 mol = ( 12,5 8,77 ) = ( 8 8,77 ) = ( 9 8,77 )
Kemialliset reaktiot Lopuksi lasketaan hapen, hiilidioksidin ja veden määrä grammoina: O 2 : 109,63 mol 2 16 g/mol = 3508 g CO 2 : 70,16 mol (12+2 16 g/mol ) = 3077 g H 2 O: 78,93 mol 2 1 + 16 g/mol =1421 g Lähtöaineiden massat: 1000 g + 3508 g = 4508 g Lopputuotteiden massat: 3077 g + 1421 g =4498 g Pieni ero johtuu pyöristämisistä
Kemialliset reaktiot Kun kemiallinen reaktio vaatii edetäkseen lämpöä sanotaan sitä endotermiseksi. Tällöin lopputuotteeseen on sitoutunut lämpöä. Endoterminen reaktio ei etene ellei siihen tuoda kokoajan lisää lämpöä. Esim. puun kasvu on endoterminen reaktio jossa auringosta saatu energia saa puun kasvamaan yhteyttämisen kautta. Puumassaan sitoutuu energiaa. Endotermisen reaktion lopputuotteiden kokonaisenergia on suurempi kuin alkutuotteiden.
Kemialliset reaktiot Kun kemiallinen reaktio luovuttaa lämpöä sanotaan sitä eksotermiseksi. Esim. puun poltto on eksoterminen reaktio jossa vapautuu lämpöä. Eksotermiset reaktiot eivät tarvitse lämpöä edetäkseen vaan ne voivat edetä itsekseen kun pääsevät alulle. Eksotermisen reaktion lopputuotteiden kokonaisenergia on matalampi kuin alkutuotteiden.
Kemialliset reaktiot Eksotermisiä reaktioita ovat mm. - 2-komponenttimaalien ja kittien kovettuminen - Betonin kovettuminen - Kipsin kovettuminen - Polttoaineiden poltto - Räjähdys aineen räjähtäminen - Ruuan pilaantuminen - Teräksen ruostuminen
Kemiallisten reaktioiden nopeus Kemiallisten reaktioiden reaktionopeus vaihtelee hyvin nopeasta hyvin hitaaseen. Esim. räjähdysaine muuttuu palokaasuiksi millisekunneissa kun taas teräksen ruostuminen voi kestää vuosikymmeniä. Reaktionopeuteen vaikuttavat aineiden reaktiivisuus ja lämpötila. Hyvin usein kemiallisten reaktioiden nopeus kaksinkertaistuu kun lämpötila nousee kymmenen astetta.