KE1 Kemiaa kaikkialla

Kalle Lehtiniemi ja Leena Turpeenoja 1 KE1 Kemiaa kaikkialla HELSINGISSÄ KUSTANNUSOSAKEYHTIÖ OTAVA

otavan asiakaspalvelu Puh. 0800 17117 asiakaspalvelu@otava.fi tilaukset Kirjavälitys Oy Puh. 010 345 1520 Faksi 010 345 1454 kvtilaus@kirjavalitys.fi 1. painos 2016 Kalle Lehtiniemi, Leena Turpeenoja ja Kustannusosakeyhtiö Otava toimitus: Anu Karanko piirrokset: Aki Scharin ja Mikko Sallinen kannen kuva: Getty Images graafinen suunnittelu ja taitto: Aki Scharin ja Ville Repo valokuvat: s. 207 digitaalisen aineiston kuvaukset: Hannu Huhtamo demonstraatiot: Kalle Lehtiniemi ja Leena Turpeenoja kopiointiehdot Tämä teos on oppikirja, joka on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Tämän teoksen tai sen osan valokopiointi, skannaaminen tai muu digitaalinen kopiointi tai käyttö edellyttää oikeudenomistajan luvan. Kopiosto ry myöntää teosten osittaiseen kopiointiin lupia. Opetus- ja kulttuuriministeriö on hankkinut muun muassa peruskouluille, lukioille ja ammatillisille oppilaitoksille luvan valokopioida julkaisuja opetus- ja tutkimuskäyttöä varten. Teoksen tai sen osan muuntelu on kielletty. Lisätietoja luvista kopiosto.fi. sidonta Painotuote painopaikka: Otavan Kirjapaino Oy, Keuruu 2016 ISBN 978-951-1-28095-8

kirjan käyttäjälle Mooli 1 Kemiaa kaikkialla sisältää lukion kemian opetussuunnitelman (2016) pakollisen kurssin tavoitteiden ja sisältöjen mukaisen aineiston. Kirja tukee opetussuunnitelman perusteiden mukaista oppimiskäsitystä, mikä tarkoittaa opiskelijan aktiivista, tavoitteellista ja itseohjautuvaa toimintaa. Mooli aktivoi opiskelijaa paitsi itsenäiseen ja aktiiviseen opiskeluun myös toimimaan vuorovaikutuksessa muiden kanssa ja erilaisissa ympäristöissä sekä arvioimaan omaa oppimistaan. Kemian ymmärtäminen kokeellisena tieteenä, arkielämän ilmiöiden tutkiminen, ilmiöiden selittäminen ja mallintaminen ovat osa luonnontieteellistä sivistystä ja siten osa monipuolista yleissivistystä. Kirja sisältää kokeellista kemiaa monissa eri muodoissa. Tieto- ja viestintäteknologiaa sovelletaan tiedonhankintaan, tiedonkäsittelyyn, tutkimusten tekoon, tuotosten laatimiseen ja ilmiöiden mallintamiseen. Turvallista työskentelyä ja vastuuta ympäristöstä painotetaan. Oppikirjaan liittyvien laboratoriotöiden videot ovat katsottavissa Otavan verkkosivuilta. Kirja antaa monipuolisen kuvan, kuinka kemia ja sen sovellukset ovat mukana meidän jokaisen arjessa. Kemian merkitys jatko-opinnoissa ja osana suomalaista hyvinvointia korostuu. Haluamme kiittää kaikkia aiempia Mooli-sarjan kirjoja käyttäneitä. Saamamme positiivinen palaute on kannustanut meitä jatkamaan oppikirjailijoina. Kiitokset myös tämän kirjan käsikirjoitusta kommentoineille. Kiitämme myös Suomen tietokirjailijat ry:tä ja Otavan kirjasäätiötä, jotka ovat apurahoin tukeneet kirjasarjamme työstämistä. Antoisia ja avartavia opiskeluhetkiä! Leena Turpeenoja Kalle Lehtiniemi 3

SISÄLLYS kemian opiskelun aloitus 6 KE1 Kemiaa kaikkialla 7 Oppimisen arviointi 7 Ohjeita opiskeluun 8 Harjoittele! 10 1 kemiaa kaikkialla 15 1.1 Kemikaaleja kaikkialla 16 Kodin kemikaalit 18 Elintarvikkeiden kemiaa 19 Harjoittele! 22 1.2 Maailmankaikkeuden ja solujen kemiaa 23 Harjoittele! 26 1.3 Kemia yhteiskuntamme peruspilarina 28 Biotalous 30 Kestävä kehitys 30 Harjoittele! 31 Harjoittele lisää! 32 2 erilaisia aineita ja erotusmenetelmiä 35 2.1 Kolme olomuotoa 36 Olomuodot ja olomuotojen muutokset 36 Energiaa sitoutuu tai vapautuu 39 Harjoittele! 40 2.2 Puhtaat aineet ja seokset 42 Puhtaat aineet 42 Seokset 44 Harjoittele! 47 2.3 Seosten erotusmenetelmiä 49 Suodatus 49 Haihdutus 50 Tislaus 51 Dekantointi 52 Sentrifugointi 52 Sublimointi 52 Uutto 53 Kromatografisia menetelmiä 53 Harjoittele! 56 2.4 Seoksen pitoisuuslaskuja 57 Pitoisuus massaprosentteina 57 Pitoisuus tilavuusprosentteina 61 Harjoittele! 63 Harjoittele lisää! 64 3 kaikki koostuu atomeista 69 3.1 Atomin rakenneosat 70 Mitä ovat isotoopit? 71 Harjoittele! 74 3.2 Elektronirakenteen mallintaminen 75 Elektronirakenne kuorimallin mukaan 75 Elektronirakenne kvanttimekaanisen atomimallin mukaan 77 Harjoittele! 80 3.3 Muutokset elektronirakenteessa 81 Ionien muodostuminen 82 Elektronien virittyminen 84 Harjoittele! 86 3.4 Jaksollisen järjestelmän rakenne 87 Harjoittele! 90 Harjoittele lisää! 91 4 aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 95 4.1 Alkuaineet 96 Metallien ominaisuudet ja metallisidos 96 Epämetallien ominaisuudet ja kovalenttinen sidos 99 Harjoittele! 105

4.2 Yhdisteet 106 Ioniyhdisteiden ominaisuudet ja ionisidos 107 Molekyyliyhdisteiden poolittomuus tai poolisuus 109 Harjoittele! 114 4.3 Molekyylien väliset sidokset selittävät aineen ominaisuuksia 117 Dispersiovoimat poolittomien molekyylien välillä 118 Dipoli-dipolisidokset poolisten molekyylien välillä 119 Vetysidos, dipoli-dipolisidoksen erikoistapaus 119 Harjoittele! 122 Harjoittele lisää! 125 5 kemiaa ympäristössämme 129 5.1 Vesi ja vesiliuokset 130 Veden erityisominaisuudet 131 Vesi liuottimena 132 Pitoisuus ppm-arvona 135 Lämpötilan vaikutus liukoisuuteen 136 Pesuaineiden toiminta vedessä 136 Osmoosi veden virtaus solukalvon läpi 137 Vesi elämän neste 138 Harjoittele! 140 jatkaisinko kemian opiskelua? 156 Lukion kemian syventävät kurssit 157 Kemian ylioppilastutkinto 157 Mitä kemistit tekevät? 158 tutki ja kokeile! 161 Työ 1. Turvallinen työskentely 161 Luonnontieteellinen tutkimus perustuu havaintoihin 163 Työ 2. Arkipäivän ioniyhdisteiden kemiaa 167 Työ 3. Tuoremehun C-vitamiinipitoisuus 169 Työ 4. Suolaliuoksen pitoisuus 171 Työ 5. Kidesoodan kideveden massaprosenttinen osuus 172 Työ 6. Seoksen komponenttien erotus 174 Työ 7. Työ 8. Elintarvikevärien ohutlevykromatografia 176 Elektronien viritystila ja viritystilan purkautuminen 178 Työ 9. Kivennäisveden Ca- ja Mg-pitoisuus 179 Työ 10. Erilaisia aineita, erilaisia ominaisuuksia 181 Työ 11. Molekyyliyhdisteiden poolisuus 183 Työ 12. Samanlainen liuottaa samanlaista 184 Työ 13. Talousvesien laadun vertailua 186 Työ 14. Osmoosin tutkiminen perunalla 188 Työ 15. Luonnonvesitutkimus 190 Työ 16. Ilman kaasujen valmistus ja tunnistus 192 Työ 17. Mineraalitutkimus 194 5.2 Ilma ja ilmakehä 143 Harjoittele! 149 5.3 Kallio- ja maaperä 150 Harjoittele! 153 Harjoittele lisää! 153 Liite 1 Taulukon ja graafisen kuvaajan laatiminen 196 Liite 2 Ohjeita laskennallisiin tehtäviin 198 Keskeiset käsitteet 200 Hakemisto 205 Kuvalähteet 207 Tehtävien vastaukset 208 Jaksollinen järjestelmä 234

4 aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset Arkipäivän elämässä emme useinkaan pohdi, miksi vesi on huoneenlämmössä neste mutta typpi kaasu, tai miksi ruokasuola liukenee hyvin veteen mutta merenrannan hiekka ei. Harvoin mietimme myöskään sitä, miksi pii on erinomainen alkuaine mikropiireihin tai kupari hyvä sähkönjohde. Selitys näille ja monille muille havaittaville tai mitattaville ilmiöille saadaan, kun tiedetään, kuinka alkuaineatomit sitoutuvat toisiinsa ja miten vahvoja kemiallisia sidoksia erilaisten aineiden rakenneyksiköiden välille muodostuu. Aineen rakenteen tunteminen kemiallisten sidosten tasolla auttaa siis ymmärtämään, miksi eri aineilla on hyvin erilaisia ominaisuuksia. Kun tiedämme, kuinka atomit liittyvät yhteen muodostaen alkuaineita tai kuinka erilaiset yhdisteet muodostuvat kemiallisissa reaktioissa, voimme ymmärtää, selittää ja ennustaa aineiden ominaisuuksia. Aineen rakenteen tunteminen auttaa myös kemistejä, jotka suunnittelevat ja valmistavat uusia aineita, joilla on tarkoin määrättyjä ominaisuuksia. Mitä kemiallisia sidoksia muistat? tutki ja kokeile! Millainen kemiallinen sidos muodostuu epämetalliatomien välille? Mitä ominaisuuksia on metalleilla? Millaisia arkipäivän sovelluksia eri yhdisteillä on? aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 95

Kuva 52. Alumiinitölkkejä on helppo kierrättää, koska alumiini on kevyttä ja tölkit voidaan puristaa pieneen tilaan. 4.1 alkuaineet tässä luvussa» kerrataan metalleille tyypillisiä ominaisuuksia.» mallinnetaan metallien rakennetta metallisidoksen ja metallihilan avulla.» opitaan ymmärtämään, selittämään ja ennustamaan metallien ominaisuuksia niiden rakenteen avulla.» kerrataan epämetalleille tyypillisiä ominaisuuksia.» kerrataan, kuinka kovalenttinen sidos muodostuu.» opitaan ymmärtämään, selittämään ja ennustamaan epämetallien ominaisuuksia niiden rakenteen perusteella.» opitaan mallintamaan alkuainemolekyylejä lewisin kaavalla. muistatko? Alkuaineet jaotellaan metalleihin, puolimetalleihin ja epämetalleihin. metallien ominaisuudet ja metallisidos Metalleilla on ominaisuuksiensa ansiosta monia tärkeitä käyttösovelluksia. Keittoastiat tehdään usein metallista, koska metallien lämmönjohtokyky on hyvä ja yleensä niillä on korkea sulamispiste. Metalliastiat on helppo muotoilla, sillä metallia voidaan taivuttaa, venyttää ja takoa. Elektronisten laitteiden liittimissä käytetään kultaa ja sähköjohdoissa kuparia tai alumiinia, koska näillä metalleilla on hyvä sähkönjohtokyky. Metalliesineet ovat kiiltäviä, koska niiden pinta heijastaa valoa. 96

Miten nämä ominaisuudet voidaan selittää atomitasolla? Atomitason selitys saadaan, kun ymmärretään, kuinka metalliatomit sitoutuvat toisiinsa ja osataan mallintaa metallien rakennetta hiukkastasolla. Metalliatomin uloimmalla elektronikuorella on yleensä 1 3 elektronia. Yksittäisten metalliatomien sitoutuessa toisiinsa kukin metalliatomi luovuttaa ulkoelektroninsa yhteiseen käyttöön. Tämän seurauksena metalliatomeista muodostuu positiivisia ioneja eli kationeja. Ulkoelektronien ja positiivisten ionien välille muodostuu vahva sähköinen vetovoima, jota kutsutaan metallisidokseksi. Vapaiden elektronien "meri" siis sitoo positiiviset metalli-ionit tiiviiksi rakenteeksi, jota kutsutaan metallihilaksi. Metallien korkea sulamispiste selittyy sillä, että vahvan metallisidoksen katkaisemiseen tarvitaan runsaasti energiaa. Toisin sanoen positiivisten metalli-ionien ja elektronien välisen sähköisen vetovoiman voittaminen vaatii runsaasti lämpöenergiaa. Metallien hyvä sähkönjohtokyky selittyy vapaasti liikkuvilla ulkoelektroneilla, jotka toimivat sähkövarauksen kuljettajina. Lämpö johtuu metallia pitkin, kun vapaat elektronit törmäilevät toisiinsa ja metalli-ioneihin. Metalleille tyypillinen kiilto johtuu metallihilan tasaisella pinnalla olevasta vapaiden ulkoelektronien merestä, joka heijastaa valon takaisin metallin pinnasta. Metalleja voidaan takoa levyiksi tai venyttää hyvinkin ohueksi langaksi. Tämä onnistuu, koska metalli-ionikerrokset pääsevät liukumaan toistensa ohi vapaiden elektronien "meressä" rakenteen murtumatta. Positiivisten ionien väleissä liikkuvat vapaat elektronit siis estävät ioneja joutumasta vierekkäin, jolloin ionien keskinäiset hylkimisvoimat pääsisivät rikkomaan hilarakenteen. muistatko? Hila mallintaa kiinteän aineen rakenneosien säännöllistä pakkautumista. elektroni metalli-ioni Kuva 53. Metallihilan rakenneyksiköt, metalli-ionit ja ulkoelektronit, ovat pakkautuneet hyvin säännöllisesti ja tiiviisti. Rakennetta pitää koossa vahva sähköinen vetovoima eli metallisidos. aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 97

Kuva 54. Metalleja voidaan takoa ohuiksi levyiksi, sillä metallihilassa metalli-ionikerrokset pääsevät liukumaan toistensa ohi vapaiden elektronien "meressä" rakenteen murtumatta. Eri metallien erilainen kovuus on seurausta paitsi luovutettujen ulkoelektronien määrästä myös muodostuvan metalli-ionin koosta. Esimerkiksi natrium on pehmeämpää kuin magnesium, koska yksi natriumatomi luovuttaa elektronimereen vain yhden ulkoelektronin, kun taas magnesiumatomi luovuttaa kaksi. Lisäksi muodostuva natriumioni (Na + ) on suurempi kuin magnesiumioni (Mg2 + ). Myös metallien erilaiset sulamispisteet selittyvät eri metallien erivahvuisilla metallisidoksilla, sillä sidosten vahvuus on yhteydessä metalli-ionien kokoon ja vapaiden ulkoelektronien määrään. Metalli-ionien suhteelliset koot löytyvät taulukkokirjasta. Kuva 55. Muistimetallit luokitellaan älykkäiksi materiaaleiksi. Niitä voidaan taivutella ja väännellä rakenteen murtumatta. Tällaisesta metallista tehty kappale palautuu aina samanmuotoiseksi tietyssä lämpötilassa. 98

Na-ioni Mg-ioni elektroni 1 14 15 16 17 18 H C N O F Ne P S Cl Ar Br Kr I Xe Rn Kuva 56. Natriumin ja magnesiumin metallihilojen rakenne selittää natriumin ja magnesiumin erilaisen kovuuden ja sulamispisteen. Kuva 57. Tyypillisiä epämetalleja ovat ryhmien 14 16 kevyimmät alkuaineet sekä kaikki ryhmien 17 ja 18 alkuaineet. Vaikka vety onkin jaksollisen järjestelmän ensimmäisessä ryhmässä, myös se on epämetalli. epämetallien ominaisuudet ja kovalenttinen sidos Epämetalleilla on yleensä alhaisemmat sulamis- ja kiehumispisteet kuin metalleilla. Epämetalleja esiintyykin huoneen lämpötilassa kaikissa kolmessa olomuodossa. Esimerkiksi vety, typpi ja happi ovat kaikki kaasuja. Bromi on neste. Sitä vastoin hiili, fosfori ja rikki ovat kiinteitä. Epämetallit ovat yleensä pehmeämpiä kuin metallit, ja niillä on alhaisempi tiheys kuin metalleilla. Toisin kuin sähköä johtavat metallit, epämetallit ovat eristeitä. Selitys sille, miksi epämetallien ominaisuudet poikkeavat metallien ominaisuuksista tai miksi epämetalleilla on keskenään erilaisia ominaisuuksia, löytyy alkuaineiden atomitason rakenteesta ja rakenneosien välisistä kemiallisista sidoksista. Kaikki jalokaasut esiintyvät huoneen lämpötilassa kaasuina ja ne ovat niin sanottuja yksiatomisia alkuaineita. Kaasumainen olomuoto selittyy sillä, että yksittäisten atomien välille muodostuu vain hyvin heikkoja sidosvoimia, joita kutsutaan dispersiovoimiksi. Näitä sidosvoimia tarkastellaan yksityiskohtaisemmin tämän jakson loppupuolella. Osa epämetallialkuaineista puolestaan rakentuu muutaman atomin muodostamista molekyyleistä. Näistä tavallisimpia ovat kaksiatomisina molekyyleinä esiintyvät vety (H2), happi (O2) ja typpi (N2). Näiden molekyylien välille muodostuu myös heikkoja dispersiovoimia, mikä selittää aineiden kaasumaisen olomuodon huoneen lämpötilassa. Kun vety-, happi- ja typpimolekyylit muodostuvat, yksittäisten atomien ulkoelektronirakenteet täydentyvät vastaamaan jalokaasujen pysyviä elektronirakenteita. Tämä pyrkimys selittää, miksi nämä alkuaineet esiintyvät kaksiatomisina molekyyleinä. Molekyyleissä atomeja sitoo yhteinen elektronipari, jota sanotaan kovalenttiseksi sidokseksi (co = yhteinen, valence = ulkoelektroni). Tämä sidos on vahva sähköinen vetovoima negatiivisten sidoselektronien ja positiivisten atomiytimien välillä eli vahva atomien välinen sidos. aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 99

tiedätkö? Tulitikuissa käytettiin alun perin valkoista fosforia sen herkän syttyvyyden vuoksi. Suomi kielsi valkoisen fosforin käytön tulitikkujen valmistuksessa ensimmäisenä maailmassa vuonna 1872, sillä fosforihöyryjä hengittäneille tulitikkutehtaan työntekijöille ilmaantui erilaisia luusairauksia. Valkoinen fosfori korvattiin kalliimmalla, mutta terveydelle vaarattomammalla punaisella fosforilla. muistatko? Oktetti eli kahdeksan ulkoelektronin (s 2 p 6 ) järjestelmä on pysyvä elektronirakenne. Kahden atomin välillä oleva kovalenttinen sidos voi olla yksinkertainen sidos, kaksoissidos tai kolmoissidos sen mukaan, kuinka monta yhteistä elektroniparia näiden atomien välillä on. Vetymolekyylissä (H2) vetyatomien ainoat elektronit siirtyvät yhteiseksi elektronipariksi vety-ytimien väliin, jolloin kumpikin vetyatomi saa heliumin pysyvän elektronirakenteen (1s2). Muodostunut yksinkertainen kovalenttinen sidos merkitään vetymolekyylin rakennekaavaan sidosviivalla. Happi on jaksollisen järjestelmän 16. ryhmän alkuaine. Happiatomilla on siten kuusi ulkoelektronia (2s22p4) eli siltä puuttuu lähimmän jalokaasun elektronirakenteesta kaksi elektronia. Jotta kummankin happiatomin ympärille muodostuisi pysyvä kahdeksan elektronin rakenne, happiatomit sitoutuvat toisiinsa kahdella elektroniparilla. Näin muodostuu kaksiatominen happimolekyyli (O2), jossa atomien välillä on kovalenttinen kaksoissidos. Typpiatomilta puuttuu lähimmän jalokaasun elektronirakenteesta kolme elektronia (2s22p3). Kun kaksi typpiatomia sitoutuu yhteen kaksiatomiseksi typpimolekyyliksi (N2), atomien väliin muodostuu kovalenttinen kolmoissidos. Toisin kuin pienet alkuainemolekyylit hiilen eri allotrooppiset muodot koostuvat suuresta joukosta yksittäisiä hiiliatomeja, jotka jakavat ulkoelektronejaan muiden hiiliatomien kanssa. Hiiliatomien keskinäiseen sitoutumiseen vaikuttavat lämpötila ja paine. Esimerkiksi timantti, joka on puhdasta hiiltä, syntyy maan alla kovassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa. Timantissa jokainen hiiliatomi on liittynyt tetraedrisesti neljään muuhun hiiliatomiin vahvalla kovalenttisella sidoksella. Timantin hilassa kaikki sidokset siis ovat yhtä vahvoja ja yhtä pitkiä, joten hila on hyvin säännöllinen. Tästä hilarakenteesta käytetään nimitystä kovalenttinen hila. Timantin kovuus ja hyvin korkea sulamispiste ovatkin seurausta vahvoista hiiliatomien välisistä kovalenttisista sidoksista. Kuva 58. Vetymolekyyli muodostuu kahden vetyatomin liittyessä toisiinsa yksinkertaisella kovalenttisella sidoksella. Kovalenttisen sidoksen symbolina käytetään viivaa sidoksen muodostavien atomien välillä. Kuva 59. Happimolekyyli muodostuu happiatomien välisellä kovalenttisella kaksoissidoksella. Kuva 60. Typpimolekyylissä typpiatomien välillä on kovalenttinen kolmoissidos. 100

Hiilen toinen allotrooppinen muoto, grafiitti, muodostuu siten, että kunkin hiiliatomin kolme ulkoelektronia muodostaa kolme vahvaa kovalenttista sidosta kolmen muun hiiliatomin kanssa, jolloin syntyy tasomainen verkkorakenne. Kunkin hiiliatomin neljäs ulkoelektroni jää vapaaksi näiden kerrosten väliin. Kerrosten välissä vapaina liikkuvat ulkoelektronit tekevät grafiitista sähköä johtavan. Rakenteen verkkomaiset kerrokset ovat sitoutuneet toisiinsa heikoilla dispersiovoimilla. Siksi kerrokset pääsevät liukumaan suhteessa toisiinsa, mikä tekee grafiitista pehmeää ja liukasta ainetta. Siten grafiitti soveltuu muun muassa voiteluaineeksi. Viitteitä hiilen kolmannesta allotrooppisesta muodosta, fullereenista, saatiin 1980-luvun alussa, kun analysoitiin tähtien välisen aineen spektriä. Vuonna 1985 Ricen yliopiston tutkijat Texasissa höyrystivät hiiltä laserilla ja analysoivat aikaansaannostaan massaspektrometrillä. He totesivat, että oli syntynyt 60 hiiliatomin molekyylejä. Tarkemmat tutkimukset osoittivat, että hiiliatomit muodostivat viisi- ja kuusikulmioita. Brittiläinen Harold Kroto sai yhdessä yhdysvaltalaisten Robert Curlin ja Richard Smalleyn kanssa fullereenitutkimuksistaan kemian Nobel-palkinnon vuonna 1996. Myöhemmin on valmistettu fullereeneja, joissa on enemmän tai vähemmän kuin 60 hiiliatomia. Kuva 61. Kun molekyylien rakennekaavassa halutaan esittää sekä sidoselektronit että vapaat ulkoelektronit, käytetään Lewisin kaavaa. Kaavassa yksittäinen elektroni merkitään pisteellä ja elektronipari joko kahdella pisteellä tai viivalla. tiedätkö? Lyijykynä terminä juontaa juurensa antiikin Roomaan, jossa lyijyä käytettiin kirjoituspuikon materiaalina. Kuva 62. Timantissa kukin hiiliatomi sitoutuu toisiin hiiliatomeihin neljällä kovalenttisella sidoksella. Nämä sidokset suuntautuvat säännöllisen tetraedrin kärkiin, joten timantin hilarakenne on hyvin säännöllinen. Kuva 63. Grafiitissa kukin hiiliatomi muodostaa kolme kovalenttista sidosta toisiin hiiliatomeihin, jolloin muodostuu tasomainen verkkorakenne. aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 101

tiedätkö? Grafeenin löytyminen on esimerkki sattuman vaikutuksesta luonnontieteellisessä tutkimuksessa. Manchesterin ylipiston tutkijat Andre Geim ja Konstantin Novoselov olivat yrittäneet erottaa grafeenia ensin tavallisesta noesta, joka on hyvin hiilipitoinen aine. Toisessa kokeessa he olivat käyttäneet lyijykynän piikiteen pintaan jättämää grafiittijälkeä. Kolmannella kerralla he päättivät hieman hassutella työviikon päätteeksi ja käsittelivät grafiittia teipin liimapinnan avulla. Teippi irrotti grafiittia kappaleesta ohueksi kalvoksi. Toisella teipillä he irrottivat tästä ohuesta kalvosta toisen, vielä ohuemman, kalvon. Tätä ideaa jatkaen he pääsivät varsin yksinkertaisin keinoin hyvin ohuisiin grafiittikalvoihin. Ruotsin Nobel-komitea myönsi vuoden 2010 Nobelin fysiikanpalkinnon näille tutkijoille. Japanilainen tutkija Sumio Ijima löysi vuonna 1991 fullereenin valmistuksen lopputuotteiden joukosta fullereenien lisäksi pitkänomaisia, hiiliatomirenkaiden muodostamia rakenteita. Ne nimettiin hiilinanoputkiksi. Nanoputken rakenteeseen voidaan liittää erilaisia metalleja, orgaanisia molekyylejä ja biomolekyylejä. Tällä hetkellä tutkitaan nanoputkien käyttöä esimerkiksi elektroniikan sovelluksissa. Poikkeuksellisen kestävyytensä ansiosta nanoputket voivat sopia myös hiilikuitujen materiaaliksi. Tulevaisuuden kannalta mielenkiintoisin hiilen allotrooppinen muoto on vuonna 2004 löydetty grafeeni. Grafeeni koostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita hiiliatomeja. Grafeeni on tällä hetkellä yksi maailman kestävimpiä aineita. Se on noin 200 kertaa vahvempaa kuin teräs. Grafeeni läpäisee valoa erittäin tehokkaasti ja on hyvä lämmön- sekä sähkönjohde. Yleensä sähköä johtavissa materiaaleissa varauksenkuljettajina toimivat elektronit törmäilevät jatkuvasti muihin aineen rakenneosasiin. Grafeenin hilassa jokaisen hiiliatomin vapaa ulkoelektroni pääsee kuitenkin liikkumaan erittäin vapaasti ilman hidastavia törmäyksiä. Lisäksi grafeenin valmistusprosessi tuottaa harvinaisen virheetöntä materiaalia. Grafeeni onkin osoittautunut aineeksi, jossa elektronit liikkuvat ennennäkemättömän nopeasti. a) b) Kuva 64. Monet timantin ja grafiitin ominaisuudet poikkeavat muiden epämetallien ominaisuuksista. a) Grafiittia käytetään sähkönjohteena muun muassa paristoissa. b) Timantti on luonnon kovinta ainetta, jota käytetään esimerkiksi poranterissä. 102

Kuva 65. Fullereenimolekyylissä on viisi tai kuusi hiiliatomia sisältäviä renkaita. Pysyvimmässä muodossa eli C60-molekyylissä on 12 viiden hiiliatomin muodostamaa rengasta ja 20 kuuden hiiliatomin muodostamaa rengasta. Kuva 66. Ensimmäiset yhden atomikerroksen nanoputket valmistettiin vuonna 1993. Kuva 67. Grafeeni koostuu hiiliatomien muodostamasta yhden atomin paksuisesta kerroksesta, jossa jokainen hiiliatomi on sitoutunut toisiin hiiliatomeihin kolmella kovalenttisella sidoksilla. kertaa» Metalleille tyypillisiä ominaisuuksia ovat hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky, muokattavuus, metallinkiilto sekä yleensä korkea sulamispiste verrattuna epämetalleihin.» Metalleille tyypilliset ominaisuudet voidaan selittää metallisidoksen ja metallihilan avulla.» Metallisidos on vahva sähköinen vetovoima positiivisten metalliionien ja vapaasti liikkuvien ulkoelektronien välillä.» Metallin säännöllistä kiderakennetta mallinnetaan metallihilalla.» Epämetallien ominaisuudet poikkeavat suuresti metallien ominaisuuksista.» Jalokaasut ovat yksiatomisia alkuaineita. Muut epämetallit koostuvat kahden tai useamman atomin molekyyleistä.» Epämetallien keskenään erilaiset ominaisuudet johtuvat niiden erilaisesta atomitason rakenteesta.» Alkuainemolekyyleissä atomeja liittää yhteen vahva, atomien välinen kovalenttinen sidos.» Kovalenttinen sidos on sähköinen vetovoima sidoselektronien ja atomiytimien välillä.» Kovalenttinen sidos voi olla yksinkertainen sidos, kaksoissidos tai kolmoissidos.» Alkuainemolekyylejä voidaan mallintaa Lewisin kaavalla, johon sidoselektronit ja vapaat ulkoelektroniparit merkitään joko pisteinä tai viivoina.» Hiilen allotrooppisten muotojen erilaiset ominaisuudet selittyvät muotojen erilaisella hilarakenteella. aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 103

ota selvää! Mihin eri metalliseoksia eli lejeerinkejä käytetään? Miten lejeerinkien ominaisuudet poikkeavat puhtaiden metallien ominaisuuksista? Millaisia metalliseoksia käytetään koruissa? Mitä on Woodin metalli ja mitä erityisominaisuuksia sillä on? Miksi atomien välillä ei voi olla nelinkertaista kovalenttista sidosta? Millaisia ominaisuuksia on puolimetalleilla? Miten näitä ominaisuuksia hyödynnetään elektroniikassa? harjoittele! 1. Seuraavassa on lueteltu alumiinin ominaisuuksia. Yhdistä ominaisuus yhteen sopivaan käyttökohteeseen. alumiinin ominaisuudet kevyt luja johtaa sähköä tiivis muokattava hajuton myrkytön ei läpäise makuja käyttökohde lentokoneiden rakenteet virvoitusjuomatölkit lamput lämpöpatterit kattilat saunan eristeet alumiinifolio lääkkeiden pakkaukset pakastusrasiat veneiden ja laivojen rakenteet johtaa lämpöä heijastaa valoa kierrätettävä syttymätön heijastaa lämpösäteilyä lämmöneriste palamaton edullinen 2. Alumiini on tärkeä käyttömetalli, jota saadaan luonnossa esiintyvistä alumiiniyhdisteistä ja kierrätettävästä alumiiniromusta. Rakennusteollisuus käyttää alumiinia sen keveyden ja kestävyyden vuoksi. Alumiinia käytetään kuparin sijasta sähkölaitteissa ja johtimissa, koska se on halvempaa kuin kupari. Kotitalouksissa alumiini on tuttu muun muassa juomatölkeistä, foliokalvoista ja paistovuoista. a) Kuvaa piirroksen avulla, miten alumiinin metallihila on rakentunut. b) Selitä, mikä tekee alumiinimetallista niin kestävää, että sitä käytetään esimerkiksi lentokoneiden siivissä. c) Selitä, miksi alumiini soveltuu sähkönjohteeksi. d) Selitä, miksi alumiinia voidaan muokata ohueksi alumiinifolioksi. e) Selitä, miksi alumiini on hyvä paistovuoan materiaali. 104

3. Oheisessa kuvasarjassa lämmitetään uudenvuoden onnenkenkää. Selitä havainnot. 4. Piirrä kuvaaja, josta näkyy miten 1. ja 2. ryhmän metallien sulamispiste muuttuu järjestysluvun kasvaessa. Käytä hyväksi taulukkokirjasta löytyviä arvoja. a) Mitä voit päätellä kuvaajasta? Miten selität sulamispisteiden muutokset? b) Ennusta kuvaajalta rubidiumin ja strontiumin sulamispisteet. 5. Täydennä aukot laatikon sanoilla. Kun atomit jakavat ulkoelektroneja keskenään, syntyy. Yhteistä paria, joka liittää atomit yhteen kutsutaan sidokseksi. Tämä sidos on atomien välinen sidos. Kun esimerkiksi yksi happiatomi ja kaksi vetyatomia liittyvät toisiinsa kovalenttisella sidoksella, syntyy vesi. Tällöin happiatomin uloimmalla elektronikuorella on. Vetyatomit puolestaan saavat jalokaasu pysyvän elektronirakenteen. Yksittäisten atomien välillä oleva kovalenttinen sidos voi olla sidos tai sidos. Esimerkiksi kloorimolekyylissä klooriatomien välillä on kovalenttinen sidos. Typpimolekyylissä puolestaan on typpiatomien välinen kovalenttinen sidos. Hengittämämme happi koostuu molekyyleistä, joissa atomien välillä on kovalenttinen sidos. kaksois molekyyli heliumin kovalenttiseksi epämetalli elektroni vahva oktetti kolmois yksinkertainen 6. Piirrä Lewisin kaava seuraaville alkuainemolekyyleille. Muista oktettisääntö, kun merkitset sidoselektronit ja vapaat elektroniparit. a) kloori b) otsoni 7. a) Mitä hiilen allotrooppisia muotoja kuvat esittävät? b) Selitä, miten hiilen sitoutuminen poikkeaa hilarakenteissa A ja C. c) Mikä kuvan esittämistä aineista johtaa sähköä? Perustele valintasi. A B C 8. Merkitse rastilla, mitkä rakennepiirteet ja ominaisuudet kuvaavat alkuainetta. Rakennepiirre tai ominaisuus metallisidos kovalenttinen sidos rakenneosien välillä dispersiovoimia eriste voidaan takoa ja muokata sähkönjohde epämetalli fluori lyijy alkuaine rikki hopea argon hiili (grafiitti) aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 105

4.2 yhdisteet tässä luvussa» selvitetään, kuinka ionisidos muodostuu atomitasolla.» mallinnetaan ioniyhdisteiden rakennetta ionihilan avulla.» opitaan ymmärtämään ja selittämään ioniyhdisteiden ominaisuuksia ionisidoksen ja ionihilan avulla.» opitaan, mitä tarkoittaa elektrolyytti ja miten se muodostuu.» harjoitellaan ioniyhdisteiden kaavojen kirjoittamista ja ioniyhdisteiden nimeämistä.» opitaan, kuinka molekyyliyhdisteet muodostuvat.» opitaan, mitä tarkoittaa käsite elektronegatiivisuus ja miten sen avulla ennustetaan kovalenttisen sidoksen poolisuutta.» tutkitaan, miten voidaan päätellä, onko molekyyli poolinen vai pooliton.» opitaan ymmärtämään, kuinka molekyylin poolisuus vaikuttaa aineen ominaisuuksiin.» harjoitellaan molekyyliyhdisteiden kaavojen kirjoittamista ja molekyyliyhdisteiden nimeämistä. 106

muistatko? Yhdisteitä on kahdenlaisia: ioniyhdisteet ja molekyyliyhdisteet. ioniyhdisteiden ominaisuudet ja ionisidos Alkuaineiden elektronirakenteiden perusteella voidaan päätellä, miten aineet reagoivat keskenään. Kun esimerkiksi natriumkloridi eli ruokasuola muodostuu alkuaineistaan kemiallisessa reaktiossa, natriumatomit luovuttavat ulkoelektroneja ja klooriatomit ottavat elektroneja vastaan. Näin molemmat alkuaineatomit saavat oktetin. Natriumatomeista muodostuu positiivisia ioneja ja klooriatomeista negatiivisia ioneja. Näiden erilailla varautuneiden ionien välille muodostuvaa vahvaa sähköistä vetovoimaa kutsutaan ionisidokseksi. Ionisidosten vaikutuksesta muodostuu suoloille tyypillinen säännöllinen kiderakenne eli ionihila. Ionihilassa positiiviset ja negatiiviset ionit vuorottelevat, ja niiden välinen vahva vetovoima vaikuttaa yhtä voimakkaana jokaisen vierekkäisen positiivisen ja negatiivisen ionin välillä. Kiinteä natriumkloridi ei johda sähköä, koska positiiviset ja negatiiviset ionit ovat tiukasti kiinni toisissaan, eli kiinteässä ionihilassa ei ole sähköä kuljettavia vapaita varauksia. Kun natriumkloridia liuotetaan veteen, ionihila hajoaa ja hilasta irtoaa vesiliuokseen sähköisesti varattuja hiukkasia, pomuistatko? Positiivista ionia kutsutaan kationiksi ja negatiivista ionia anioniksi. Kuva 68. Kellolasilla on kiinteää natriummetallia ja erlenmeyerpullossa keltaista kloorikaasua. Kun aineet reagoivat keskenään lasiputkessa, syntyy valkeaa, kiinteää natriumkloridia. Kuva 69. Natriumatomin ja klooriatomin välinen reaktio yksittäisten atomien tasolla. Reaktiossa natriumatomi hapettuu eli luovuttaa elektronin ja klooriatomi pelkistyy eli vastaanottaa elektronin. Muodostuu natriumioni (Na + ) ja kloridi-ioni (Cl ). Na + Cl Kuva 70. Natriumkloridilla on kuutiollinen ionihila, joka rakentuu siten, että kuusi kloridiionia ympäröi yhtä natriumionia ja samoin kuusi natriumionia ympäröi yhtä kloridi-ionia. aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 107

Br F Cl Li + Na + Rb + K + Cs + Kuva 71. Mikä siellä ikkunan takana on niin puoleensa vetävää? Kuva 72. Ionihila hajoaa iskusta, kun sähköisesti samalla lailla varatut ionit joutuvat kohdakkain. Tällöin hylkimisvoimat rikkovat kiderakenteen. tiedätkö? IUPAC (The International Union of Pure and Applied Chemistry) on kansainvälinen järjestö, joka päättää muun muassa yhdisteiden nimeämissäännöistä. sitiivisia ja negatiivisia ioneja. Ionit toimivat liuoksen sähkönkuljettajina eli elektrolyytteinä. Ioniyhdiste saadaan sähköä johtavaksi myös sulattamalla, jolloin ionisidoksia katkeaa ja vapaat ionit voivat toimia sähkönkuljettajina. Tiukasti toisiinsa sitoutuneet ionit muodostavat kovan, mutta hauraan rakenteen. Ionihila hajoaakin esimerkiksi vasaraniskusta toisin kuin metallihila. Ionihilan hajoaminen johtuu siitä, että iskun seurauksena positiiviset ionit joutuvat kohdakkain ja vastaavasti negatiiviset kohdakkain, jolloin samanmerkkisten ionien väliset hylkimisvoimat hajottavat kiteen. Yleensä ioniyhdisteissä eli suoloissa on positiivisena osana metalli-ioni, esimerkiksi Na +, Cu2 + tai Fe3 +. Poikkeuksena ovat ammoniumionin (NH4 + ) muodostamat suolat. Suolan negatiivisena ionina voi olla yksiatominen epämetalli-ioni, kuten oksidi (O2 ) taikka kloridi (Cl ), taikka moniatominen ioni, esimerkiksi sulfaatti- (SO42 ), nitraatti- (NO3 ), karbonaatti- (CO32 ) tai fosfaatti-ioni (PO43 ). Positiivisten ja negatiivisten ionien kaavoja ja nimiä löytyy taulukkokirjasta. Useille ioniyhdisteille on vakiintunut erilaisia niiden käyttöön tai ominaisuuksiin perustuvia nimiä, kuten ruokasuola (NaCl), lipeä (NaOH), salmiakki (NH4Cl) ja maantiesuola (CaCl2). Koska metallien ja epämetallien välisiä ioniyhdisteitä on paljon, on kehitetty systemaattinen järjestelmä, jolla yhdisteille saadaan kemiallinen kaava ja nimi. Ioniyhdisteitä nimettäessä käytetään seuraavia periaatteita: 108

1. Kaavaan kirjoitetaan ensin positiivinen ioni eli kationi ja sitten negatiivinen ioni eli anioni. Li + + Br LiBr Al3 + + 3 Cl AlCl3 Na + + CH3COO NaCH3COO Ca2 + + C2O42 CaC2O4 2. Kaavaan lisätään tarvittaessa alaindeksit, jotta yhdisteen muodostavien ionien sähkövarauksien summaksi saadaan 0. Kohdassa 1 alumiini-ionin varaus on 3+. Koska kloridi-ionin varaus on 1, täytyy kaavassa olla kolme kloridi-ionia. Tämä merkitään alaindeksillä kloridi-ionin jälkeen. Kaavaksi tulee täten AlCl3. Jos samaa moniatomista ionia esiintyy kaavassa useampi kuin yksi kappale, merkitään ioni sulkuihin ja kappalemäärä ilmoitetaan alaindeksillä sulkujen ulkopuolella. 2 NH4 + + CO32 (NH4)2CO3 2 Fe3 + + 3 SO42 Fe2(SO4)3 3. Nimeen kirjoitetaan ensin positiivisen, sitten negatiivisen ionin nimi. CaBr2 on kalsiumbromidi. (NH4)2CO3 on ammoniumkarbonaatti. Na3PO4 on natriumfosfaatti. KCH3COO on kaliumasetaatti. 4. Jotkut metallit voivat muodostaa positiivisen ionin usealla eri varauksella. Jotta näiden erilaisten ionien muodostamat suolat voidaan erottaa, merkitään metalli-ionin varaus tällaisessa tapauksessa ioniyhdisteen nimeen roomalaisella numerolla. Raudalla on kaksi kloridia: FeCl2 ja FeCl3. FeCl2 on nimeltään rauta(ii) kloridi. Siinä rauta esiintyy Fe2 + -ionina. FeCl3 on nimeltään rauta(iii)kloridi. Siinä rauta-ioni on Fe3 + -ionina. Lyijy voi muodostaa kaksi oksidia: lyijy(ii)oksidin (PbO) ja lyijy(iv)oksidin (PbO2). Näissä yhdisteissä lyijy on joko Pb2 + -ionina tai Pb4 + -ionina. Kuva 73. Ioniyhdisteen kaavaa muodostettaessa positiivisten ja negatiivisten ionien varausten summan pitää olla 0. Alumiiniionin Al3 + ja oksidi-ionin O 2 muodostaman ioniyhdisteen kaava on siis Al2O3. molekyyliyhdisteiden poolittomuus tai poolisuus Kun kaksi tai useampi eri epämetalliatomi reagoi keskenään, muodostuu molekyyliyhdiste. Tämän perusteella esimerkiksi H2O, CO2 ja CH4 ovat molekyyliyhdisteistä. Molekyyliyhdisteissä, kuten alkuainemolekyyleissäkin, atomit sitoutuvat toisiinsa kovalenttisella sidoksella. Mutta toisin kuin alkuainemolekyyleissä, molekyyliyhdisteissä kovalenttinen sidos muodostuu eri alkuaineatomien välille. Esimerkiksi metaanimolekyylissä CH4 hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisesti neljään vetyatomiin ja hiilidioksidimolekyylissä CO2 hiiliatomi sitoo kahta happiatomia. Kun kaksi eri alkuaineatomia sitoutuu toisiinsa, atomit eivät välttämättä vedä sidoselektroneja puoleensa yhtä suurella voimalla. Esimerkiksi H2O- aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 109

Kuva 74. Metaanimolekyylissä kovalenttiset sidokset muodostuvat hiili- ja vetyatomien välille. Kukin atomi saa näin pysyvän elektronirakenteen. tiedätkö? Kaikkein elektronegatiivisin alkuaine on fluori. Alkuaineen elektronegatiivisuuteen vaikuttavat sekä ytimen protonien määrä että atomin koko. tiedätkö? Linus Pauling oli ensimmäinen kaksi Nobelin palkintoa saanut tiedemies. Hänet palkittiin kemian lisäksi myös rauhan Nobelilla. molekyylissä happiatomi vetää sidoselektroneja puoleensa voimakkaammin kuin vetyatomi. Kemian kielellä sanotaan, että happi on elektronegatiivisempi kuin vety. Elektronegatiivisuus on määritelmän mukaan kemiallisesti sitoutuneen alkuaineatomin kyky vetää puoleensa yhteisiä sidoselektroneja. Taulukkokirjasta löytyvät elektronegatiivisuusarvot on saatu käyttämällä kemian Nobelilla palkitun Linus Paulingin kehittämää laskentaperiaatetta. Elektronegatiivisuus ilmoitetaan paljaana lukuna. Yleensä epämetalleilla on suuri ja metalleilla pieni elektronegatiivisuusarvo. Yleisesti voidaan todeta, että elektronegatiivisuusarvot kasvavat siirryttäessä jaksollisessa järjestelmässä ryhmässä alhaalta ylös ja jaksossa vasemmalta oikealle. Kun kovalenttinen sidos muodostuu sellaisten epämetalliatomien välille, joilla on eri elektronegatiivisuusarvo, sidosta kutsutaan pooliseksi kovalenttiseksi sidokseksi. Näin ollen esimerkiksi metaani- ja vesimolekyylissä atomien väliset kovalenttiset sidokset ovat poolisia. Alkuaineiden elektronegatiivisuuseron vuoksi kovalenttisessa sidoksessa sidoselektronit liikkuvat lähempänä sitä atomia, jonka elektronegatiivisuusarvo on suurempi. Elektronegatiivisemman atomin puolelle syntyy elektronitihentymä. kasvaa kasvaa Kuva 75. Alkuaineiden elektronegatiivisuusarvot kasvavat, kun siirrytään jaksollisessa järjestelmässä ryhmässä alhaalta ylöspäin ja jaksossa vasemmalta oikealle. Tämä muutos selittyy ytimen protonien määrällä ja atomin koolla. 110

Sidoselektronien epätasainen jakautuminen synnyttää molekyyliin pieniä sähkövarauksia, joita kutsutaan osittaisvarauksiksi. Lähempänä elektronegatiivisempaa atomia olevat molekyylin osat saavat negatiivisen osittaisvarauksen, josta käytetään merkintää δ. Ne osat molekyyliä, joihin syntyy elektronivajaus, saavat puolestaan positiivisen osittaisvarauksen, jota merkitään δ+. Merkintä δ luetaan "delta". Koko molekyyliyhdisteen poolisuuden ratkaisee se, ovatko molekyylin eri osiin muodostuneet osittaisvaraukset pysyviä vai kumoutuvatko ne sidosten avaruudellisen suuntautumisen vuoksi. Esimerkiksi vesimolekyyli H2O on poolinen, sillä siinä happi- ja vetyatomien väliset sidokset suuntautuvat avaruudellisesti siten, että osittaisvaraukset eivät kumoudu, jolloin molekyyliin syntyy pysyviä osittaisvarauksia eli pysyviä dipoleja. Metaanimolekyyli (CH4) on esimerkki poolittomasta molekyylistä. Yksittäiset C H-sidokset ovat poolisia, koska hiiliatomin ja vetyatomin välinen elektronegatiivisuusero on 0,4. Silti molekyyliin ei muodostu pysyviä dipoleja, sillä vetyatomit järjestäytyvät hiiliatomin ympärille säännöllisen tetraedrin muotoon. Poolisuuden päättelyssä tarkastellaan 1. atomien välistä elektronegatiivisuuseroa 2. molekyylin muotoa eli sidosten avaruudellista suuntautumista. δ+ 2δ δ+ Kuva 76. Koska happi on elektronegatiivisempi kuin vety, vesimolekyylissä happiatomi vetää yhteisiä sidoselektroneja puoleensa voimakkaammin kuin vetyatomi, eli happiatomin ympärille syntyy elektronitihentymä. Happiatomin ympärille muodostuu pieni negatiivinen osittaisvaraus, josta käytetään merkintää 2δ. Molemmille vetyatomeille jää elektronivajausta, joten niiden ympärillä on pieni positiivinen osittaisvaraus (δ+). Elektronien epätasaista jakautumista mallinnetaan kuvan mukaisella elektronitiheyskartalla. 2,1 2,1 δ+ δ+ 2,1 3,5 3,5 3,5 2,5 2,5 2δ 2,1 2,1 2,1 Kuva 77. Vesimolekyyli on poolinen, koska siihen muodostuu pysyviä dipoleja. Nuolimerkintä kuvaa, mihin suuntaan sidoselektroneja vedetään. Koska molekyyli on V-kirjaimen muotoinen, elektronegatiivisuuserosta johtuvat osittaisvaraukset eivät kumoudu. Kuva 78. Metaanimolekyyli on säännöllisen tetraedrin muotoinen. Vaikka C H-sidokset ovat poolisia, sidosten avaruudellisen suuntautumisen vuoksi molekyyliin ei muodostu pysyviä dipoleja. Metaanimolekyyli on siten pooliton molekyyli. Kuva 79. Lineaariseen hiilidioksidimolekyyliin ei muodostu pysyviä dipoleja. Hiilidioksidimolekyyli on siten pooliton. aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 111

Myös hiilidioksidimolekyyli on pooliton. Atomien väliset sidokset ovat poolisia, sillä hiilen ja hapen välinen elektronegatiivisuusero on 1,0. Sidokset kuitenkin suuntautuvat lineaarisesti hiiliatomin molemmille puolille, joten molekyyliin ei pääse muodostumaan pysyviä dipoleja. Alkuaineiden elektronegatiivisuusarvojen perusteella voidaan siis ennustaa paitsi kovalenttisen sidoksen poolisuus, myös koko molekyylin poolisuus. Jos kovalenttiset sidokset ovat poolisia, molekyylin avaruusrakenne eli sidosten avaruudellinen suuntautuminen lopulta määrää koko molekyylin ja siten myös yhdisteen poolisuuden. Pienten molekyyliyhdisteiden avaruusrakennetta voi mallintaa melko helposti Lewisin kaavalla (katso kuva 61), mutta suurien, kymmenistä ja sadoista atomeista muodostuneiden yhdisteiden avaruusrakenteen mallintaminen kynällä ja paperilla on mahdotonta. Siksi molekyyliyhdisteiden poolisuuden selville saamiseksi käytetään muun muassa kokeellisia dipolimittauksia. Nykyisin tietokoneella tehtävällä molekyylimallinnuksella saadaan melko helposti tietoa myös monimutkaisten molekyyliyhdisteiden avaruusrakenteesta. Avaruusrakenteen tunteminen puolestaan helpottaa poolisuuteen tai poolittomuuteen liittyvien johtopäätösten tekoa. Molekyyliyhdisteiden kaavoja ja nimiä kirjoitettaessa noudatetaan seuraavia periaatteita: 1. Epämetallit kirjoitetaan kaavaan elektronegatiivisuusjärjestyksessä siten, että elektronegatiivisin aine on viimeisenä. Esimerkiksi: H2O (Vedyn elektronegatiivisuusarvo on 2,1 ja hapen 3,5.) HI (Vedyn elektronegatiivisuusarvo on 2,1 ja jodin 2,5.) CO2 (Hiilen elektronegatiivisuusarvo on 2,5 ja hapen 3,5.) Poikkeus tästä järjestyksestä on NH3, sillä typen elektronegatiivisuus on 3,0 ja vedyn 2,1. 2. Jos samat alkuaineet muodostavat useita eri yhdisteitä keskenään siten, että atomien lukumäärä vaihtelee, ilmoitetaan atomien lukumäärä molekyyliyhdisteiden nimessä seuraavilla etuliitteillä: 1 = mono, 2 = di, 3 = tri, 4 = tetra, 5 = penta, 6 = heksa, 7 = hepta jne. Esimerkiksi: NO on typpimonoksidi. NO2 on typpidioksidi. N2O on dityppioksidi. 112

kertaa» Ionisidos muodostuu tavallisesti metallikationin ja epämetallianionin välille.» Metallikationin tilalla voi olla ammoniumioni NH4 +.» Epämetalli-ioni voi muodostua yhdestä tai useammasta alkuaineesta.» Ionisidos on vahva sähköinen vetovoima erimerkkisten ionien välillä.» Ioniyhdisteiden ominaisuuksia: korkea sulamispiste, kiinteitä huoneen lämpötilassa, kovia mutta hauraita.» Ioniyhdisteiden vesiliuokset ja sulatteet ovat sähköä johtavia elektrolyyttejä.» Ioniyhdisteiden kaavoissa positiivisten ja negatiivisten ionien varausten summa on 0.» Kahden eri epämetalliatomin välisessä reaktiossa syntyy molekyyliyhdiste, jossa atomit ovat liittyneet toisiinsa kovalenttisella sidoksella.» Molekyyliyhdisteessä kovalenttinen sidos voi olla yksinkertainen sidos, kaksois- tai kolmoissidos.» Elektronegatiivisuus tarkoittaa kemiallisesti sitoutuneen atomin kykyä vetää puoleensa yhteisiä sidoselektroneja.» Kovalenttinen sidos on pooliton, jos sitoutuneilla atomeilla on sama elektronegatiivisuusarvo.» Kovalenttinen sidos on poolinen, jos sitoutuneilla atomeilla on eri elektronegatiivisuusarvo.» Poolisiin molekyyleihin syntyy alkuaineiden elektronegatiivisuuseron vuoksi pysyviä dipoleja.» Molekyylin poolisuuteen vaikuttavat paitsi sidoksen poolisuus myös molekyylin avaruusrakenne. ota selvää! Miten ioniyhdisteitä käytetään lääketieteessä? Mitä arkipäivän käyttöä on seuraavilla ioniyhdisteillä: potaska, salpietari, rautavihtrilli, pesusooda, katkerosuola, sammutettu kalkki? Mikä on kunkin aineen kemiallinen kaava? Miten eri ruoanlaittoon tarkoitetut suolat eroavat kemiallisesti? Miksi taulukkokirjasta ei löydy jalokaasujen elektronegatiivisuusarvoja? Miten vesimolekyylin poolisuus on yhteydessä mikroaaltouunin toimintaan? aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 113

harjoittele! 9. Selvitä, millainen ioni muodostuu, kun seuraava atomi saa jalokaasun elektronirakenteen. a) litium b) typpi c) strontium d) alumiini e) happi f) fluori Muodosta ioneista kuusi eri yhdistettä. 12. a) Mallinna cesiumkloridin kiderakennetta piirroksella. Kiderakenteen pienimmän yksikön muodostavat kahdeksan kloridi-ionia ja niiden keskellä oleva cesiumioni. Ionien suhteelliset koot löydät taulukkokirjasta. b) Selitä, miten kiderakennetta koossapitävät sidokset syntyvät? c) Selitä, miksi cesiumkloridin sulamis- ja kiehumispiste on korkea? 10. X ja Y ovat alkuaineita, joiden järjestysluvut ovat 9 ja 19. a) Tunnista alkuaineet taulukkokirjan avulla. b) Hae taulukkokirjasta näistä alkuaineista muodostuvien ionien kaavat ja kirjoita ionien muodostaman yhdisteen kaava. c) Mitkä seuraavista ominaisuuksista kuvaavat tätä yhdistettä? vesiliukoinen hyvä sähkönjohtokyky kiinteänä korkea sulamispiste helposti muokattava hyvä lämmönjohtokyky 11. Ohessa on kuvattu kolmen kiinteän aineen (A, B ja C) hilarakennetta. 13. Selvitä seuraavien ilmiöiden syy. a) Kipsistä (CaSO4) valmistetusta koristeesineestä lohkeaa helposti palasia, kun se putoaa lattialle. b) Alkaliparistot sisältävät kaliumhydroksidin vesiliuostaa (KOH(aq)). c) Marmoria (CaCO3) voidaan muotoilla patsaaksi taltalla ja vasaralla. 14. Mistä ioneista seuraava yhdiste on muodostunut? Kirjoita ionin nimi ja kaava. a) NaNO3 b) CuSO4 c) Ca(HCOO)2 d) NH4CH3COO e) Ag2S A B C a) Päättele, mikä aineista kuvaa jodin, mikä natriumin ja mikä natriumjodidin hilarakennetta. Perustele vastauksesi. b) Millä nimellä kutsutaan kunkin aineen hilarakennetta? c) Kuvaile hilarakenteissa esiintyviä kemiallisia sidoksia. d) Valitse aineista ne, jotka johtavat sähköä kiinteinä. e) Valitse aineista ne, jotka johtavat sähköä sulatteina. 15. Päättele ionin X varaus seuraavissa ioniyhdisteissä a) XBr b) XO c) XSO4 d) Mg3X2 e) X2CO3 f) X3(PO4)2 114

16. Kirjoita taulukkoon annetuista ioneista muodostuvien suolojen kaavat. Lisää taulukkoon myös kationien ja anionien nimet. Br ClO4 O2 NO3 SO42 PO43 OH Na + Ca2 + Fe3 + 17. Nimeä seuraavat ioniyhdisteet. a) NaBr b) MgCl2 c) Al(NO3)3 d) (NH4)2SO4 e) NH4CH3COO f) CaC2O4 g) Fe2O3 h) FeO i) AuCl3 18. Kirjoita kaava seuraaville ioniyhdisteille. a) natriumnitraatti b) kalsiumkarbonaatti c) kaliumsulfaatti d) tina(iv)kloridi e) vanadiini(v)oksidi f) kaliumpermanganaatti g) ammoniumfosfaatti 19. Tutki taulukkokirjan avulla, kuinka monta ulkoelektronia on seuraavien molekyyliyhdisteiden atomeilla. Päättele, millaisia atomien välisiä kovalenttisia sidoksia (yksinkertaisia, kaksois- vai kolmoissidoksia) näissä yhdisteissä on, eli miten atomit saavat pysyvän elektronirakenteen. Mallinna molekyylejä Lewisin kaavalla. a) NH3 b) CO2 c) H2S d) HF e) C2H4 20. Järjestä alkuaineet elektronegatiivisuuden perusteella siten, että elektronegatiivisin on viimeisenä. typpi seleeni indium strontium 21. Tutki, missä kohdassa jaksollista järjestelmää seuraavat alkuaineet sijaitsevat. Päättele sen perusteella, kumpi alkuaineista on elektronegatiivisempi. Tarkista ennustuksesi taulukkokirjan elektronegatiivisuusarvojen avulla. a) bromi ja platina b) kalium ja kalsium c) fosfori ja fluori d) tina ja titaani 22. Päättele, mitkä seuraavista sidoksista ovat poolisia. C=O C H O H hopea bromi jodi H H N H aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 115

23. Lisää oheisiin molekyyleihin elektronegatiivisuusarvojen perusteella merkinnät δ+ ja δ. a) b) 25. Tutki seuraavien molekyylien muotoja joko molekyylimallinnusohjelmalla tai taulukkokirjan avulla. Päättele onko molekyyli poolinen vai pooliton. Perustele vastauksesi. a) vetyfluoridi HF b) tetrakloorimetaani CCl4 (vertaa metaanimolekyyliin) c) trikloorimetaani CHCl3 d) hiilidioksidi CO2 c) 26. Selitä, mitä yhtäläisyyksiä ja mitä eroja on alkuainemolekyyleissä ja molekyyliyhdisteissä esiintyvien kovalenttisten sidosten välillä. Valaise vastaustasi esimerkein. d) 24. Tutki oheisia Lewisin kaavoja ja arvioi, mitkä molekyyleistä ovat poolisia. Perustele vastauksesi. 27. Nimeä seuraavat molekyyliyhdisteet. a) NO b) NO2 c) SO3 d) CCl4 e) HBr f) PCl5 A C B D 28. Kirjoita kaava seuraaville molekyyliyhdisteille. a) puudutusaineena käytetty ilokaasu eli dityppioksidi b) pahanhajuinen, myrkyllinen divetysulfidi c) häkä eli hiilimonoksidi d) fossiilisten polttoaineiden palamisessa syntyvä rikkidioksidi e) fosforihapon valmistuksessa käytettävä tetrafosforidekaoksidi 116

4.3 molekyylien väliset sidokset selittävät aineen ominaisuuksia tässä luvussa» opitaan, millaisia kemiallisia sidoksia muodostuu molekyylien välille.» vertaillaan molekyylien välisten sidosten vahvuutta.» opitaan ymmärtämään ja selittämään molekyyleistä koostuvien aineiden ominaisuuksia molekyylien poolisuuden ja molekyylien välisten sidosten avulla. Miksi metaanin eli maakaasun kiehumispiste ( 162 C) on huomattavasti alhaisempi kuin veden kiehumispiste (100 C)? Miksi happi ja vety ovat kaasuja, mutta niistä muodostuva vesi on neste huoneen lämpötilassa? Miksi vesi liuottaa hyvin sokeria, mutta ruokaöljy ei liukene veteen? Molekyyliyhdisteiden ja alkuainemolekyylien erilaiset ominaisuudet, kuten olomuoto, sulamis- ja kiehumispiste sekä vesiliukoisuus, voidaan selittää sillä, ovatko molekyylit poolisia vai poolittomia ja miten vahvoilla sidoksilla molekyylit liittyvät toisiinsa. aineiden ominaisuudet ja kemialliset sidokset 117

Poolittomien molekyylien välille muodostuvat sidokset ovat yleensä heikompia kuin poolisten molekyylien välille muodostuvat. Siten poolittomista molekyyleistä koostuvat aineet sulavat ja kiehuvat tavallisesti alhaisemmissa lämpötiloissa kuin poolisista molekyyleistä koostuva aineet. Poolittomat aineet myös liukenevat huonosti veteen, joka on hyvin poolisista molekyyleistä koostuva aine. Eri aineiden vesiliukoisuutta tarkastellaan tarkemmin jaksossa 5. muistatko? Jos alkuaineatomeilla on sama elektronegatiivisuusarvo, molekyyli on pooliton. Tämän vuoksi alkuainemolekyylit ovat poolittomia. tiedätkö? Dispersiovoimia kutsutaan joskus Londonin voimiksi niiden keksijän, fyysikko Fritz Wolfgang Londonin mukaan. dispersiovoimat poolittomien molekyylien välillä Poolittomista molekyyleistä koostuva metaani (CH4) on huoneen lämpötilassa kaasu. Kaasuja ovat myös poolittomista molekyyleistä koostuvat alkuaineet happi (O2), typpi (N2) ja vety (H2). Näiden aineiden hyvin alhainen kiehumispiste selittyy sillä, että molekyylit sitoutuvat toisiinsa erittäin heikoilla kemiallisilla sidoksilla, joita kutsutaan dispersiovoimiksi. Dispersiovoimat syntyvät, kun elektronit ovat jatkuvassa liikkeessä atomiytimen ympärillä ja molekyyliin muodostuu lyhytaikaisesti epätasainen elektronijakauma eli hetkellinen dipoli. Lyhytaikainen, jatkuvasti paikkaa vaihtava osittaisvaraus synnyttää eli indusoi myös viereiseen molekyyliin hetkellisiä dipoleja. Näin muodostuneiden pienten osittaisvarausten välille syntyvistä heikoista sähköisistä vetovoimista käytetään nimeä dispersiovoima. Mitä enemmän molekyylin atomeissa on elektroneja eli mitä suurempia molekyylit ovat, sitä enemmän molekyylien välille muodostuu dispersiovoimia. Molekyylin koko ja sitä kautta dispersiovoimien määrä vaikuttavatkin muun muassa aineen sulamis- ja kiehumispisteeseen. Esimerkiksi pienimolekyylisin hiilivety, metaani (CH4), on huoneen lämpötilassa kaasu, mutta suurempimolekyylinen oktaani (C8H18) on neste. Vaikka jalokaasut ovat yksiatomisia aineita, dispersiovoimat vaikuttavat myös niissä. Jos lämpötilaa lasketaan riittävästi, jalokaasuatomit sitoutuvat dispersiovoimilla toisiinsa, ja kaasu muuttuu ensin nesteeksi ja lopulta kiinteäksi. Mitä suurempi jalokaasuatomi on, sitä enemmän dispersiovoimia syntyy ja sitä korkeampi on jalokaasun tiivistymislämpötila. Kuva 80. Poolittomien molekyylien väliset dispersiovoimat selittyvät hetkellisillä dipoleilla, jotka syntyvät elektronien jatkuvasta liikkeestä. elektronitihentymä dispersiovoima molekyylien välillä elektronivajaus pooliton kovalenttinen sidos atomien välillä 118