Fysiikan ja kemian pedagogiset perusteet Kari Sormunen Syksy 2014
Aine koostuu atomeista Nimitys tulee sanasta atomos = jakamaton (400 eaa, Kreikka) Atomin kuvaamiseen käytetään atomimalleja Pallomalli Luumuvanukasmalli Aurinkokuntamalli Bohrin atomimalli Elektronipilvimalli jne.
Elektronit kiertävät atomin ydintä. Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Elektronien ja protonien lukumäärä on sama Elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus ja protoneilla on positiivinen sähkövaraus. Neutroneilla ei ole sähkövarausta
Atomissa protonien ja elektronien sähkövarausten määrät kumoavat toisensa, joten atomi on ulospäin sähköisesti neutraali. Edellä mainittujen asioiden mallintamiseen aurinkokuntamalli on riittävä, mutta sen käytössä on ongelmansa: Aurinkokuntamalli (tai planeettamalli) on ongelmallinen, koska todellisuudessa yksittäisen elektronin tarkkaa sijaintia ytimen ympärillä ei voida tuntea. Lisäksi aineilla on havaittu ominaisuuksia joita ei voida selittää yksinkertaisella aurinkokuntamallilla. Aurinkokuntamallin oppiminen saattaa haitata myöhemmin muiden atomia kuvaavien mallien omaksumista (esim. kuorimallit 7-9-luokilla ja orbitaalimallit lukiossa).
Elektronit kiertävät ydintä satunnaisesti eivätkä elektronit liiku määrättyjä ratoja pitkin. Ytimen ympärillä oleva elektronipilvi kuvaa elektronien todennäköistä sijaintia. Kauempana ytimestä olevilla elektroneilla on suurempi energia. Aurinkokuntamalllin voisi opetusmallina korvata hyvin elektronipilvimallilla usein näin tehdäänkin. Perusopetuksen vuosiluokilla 5-6 atomin mallintamiseen riittää pallomalli (vrt. kemian harjoitukset).
Voidaan ajatella, että aineesta riippuen elektronit sijaitsevat eri energiatasoilla eli elektronikuorilla Sisin elektronikuori on K-kuori ja sinne mahtuu 2 elektronia Seuraavana on L-kuori, johon mahtuu 8 elektronia M-kuori (18 elektronia) ja N-kuori (32 elektronia) Jos kuoret numeroidaan järjestyksessä sisimmästä alkaen (K=1, L=2 ), voidaan kuorelle maksimissaan mahtuvien elektronien lukumäärä (pää)kuorella laskea kaavalla 2n 2, missä n on kuoren järjestysluku. On kuitenkin huomattava, että ns. oktettisääntö ei salli uloimmalle kuorelle maksimissaan kuin 8 elektronia.
Esim. Vedyn ja natriumin elektronikuorimallit Vedyllä on vain yksi elektroni Natriumilla on yksitoista elektronia
Täydennä kloorin elektronikuorimalli. Kloorilla on 17 elektronia.
Alkuaine koostuu vain yhdenlaisista atomeista; alkuaineen atomeilla on aina sama määrä protoneja ytimessään. Alkuaineille on oma tunnus, esimerkiksi vety H, helium He ja happi O. Palauta mieleesi 20 ensimmäisen alkuaineen kemialliset merkit + seuraavat: rauta, kupari, sinkki, kulta ja hopea. Protonien lukumäärä kertoo alkuaineen järjestysluvun Z, joka ilmaisee luonnollisesti myös elektronien määrän atomissa. Esimerkiksi vetyatomin ytimessä on yksi protoni ja järjestysluku on 1. Hapen (järjestysluku 8) ytimessä on 8 protonia. Järjestysluku merkitään kemiallisen merkin vasempaan alakulmaan. Atomin massaluku (A) kertoo, kuinka monta ydinhiukkasta eli protonia ja neutronia atomilla on yhteensä. Se merkitään kemiallisen merkin vasempaan yläkulmaan. Tietyillä alkuaineella voi olla ytimessään eri määrät neutroneja. Näitä muotoja kutsutaan alkuaineen isotoopeiksi: kyseessä on sama alkuaine (protoneja yhtä monta), mutta neutronien määrä on eri. Esimerkiksi vedyllä on kolme isotooppia 1 H, 2 H ja 3 H. Mikä on seuraavien alkuaineatomien rakenne?
Jos järjestetään alkuaineet järjestyslukujen mukaiseen järjestykseen, saadaan seuraavaa: 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne... Kokeellisesti on huomattu, että samankaltaiset kemialliset ominaisuudet toistuvat säännöllisesti. Alkuainejono on katkaistu ja kemiallisesti samoin käyttäytyvät aineet on laitettu allekkain. Esimerkiksi vety, litium, natrium reagoivat kiivaasti, kun taas helium ja neon eivät reagoi juuri lainkaan.
1 2 3-12 13 14 15 16 17 18 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg Allekkain olevien alkuaineiden sanotaan kuuluvan samaan ryhmään: Saman ryhmän alkuaineilla on sama määrä elektroneja ulkokuorella (poikkeus: helium) Vaakarivejä kutsutaan jaksoiksi. Samassa jaksossa olevilla alkuaineilla on sama määrä elektronikuoria Eräs jaksollinen järjestelmä: http://www.oph.fi/etalukio/opiskelumodulit/kemia/kemia3/jaksj.html
Pääryhmät on nimetty seuraavasti: 1 alkalimetallit 2 maa-alkalimetallit (1)3 booriryhmä (1)4 hiiliryhmä (1)5 typpiryhmä (1)6 happiryhmä (1)7 halogeenit (1)8 jalokaasut Sivuryhmissä (3-12) sekä sn. lantanoideissa ja aktinoideissa em. säännöt eivät päde Selvitä jaksollisesta järjestelmästä: Millä alkuaineella on uloimmalla (kolmannella) kuorella 8 elektronia? Kuinka monta elektronikuorta on magnesiumilla Mg? Mitä voit sanoa germaniumin Ge elektroneista? Mikä alkuaine on toisessa ryhmässä ja neljännessä jaksossa?
Alkuaineen ominaisuudet riippuvat pitkälti ulommaisen elektronikuoren elektronien lukumäärästä. Jalokaasut ovat kemiallisesti lähes täysin passiivisia. Näitä yhdistää ulommaisella kuorella olevat 8 elektronia (poikkeus: helium) 8 elektronia ulommaisella kuorella tarkoittaa että atomilla on oktetti. Se on hyvin pysyvä rakenne Atomit voivat luovuttaa tai vastaanottaa elektroneja saadakseen oktettirakenteen. paitsi H, Li ja Be pyrkivät toisinaan saavuttamaan He:n elektronirakenteen eli 2 elektronia K-kuorelle
Kun atomi luovuttaa vai vastaanottaa elektroneja, siitä tulee ioni. Ionilla protonien ja elektronien lukumäärä ei ole sama, joten ionilla on sähkövaraus. Ionisoitumisessa atomilla on pyrkimys oktettiin. Esimerkiksi ryhmän 17 alkuaineella fluorilla F on 7 ulkoelektronia. Fluori vastaanottaa mielellään yhden elektronin jotta uloimmalla kuorella on oktetti. Tällöin fluorilla on yhden elektronin suuruinen sähkövaraus, merkitään F -. Vastaavasti magnesium Mg ryhmästä 2 luovuttaa helposti 2 elektronia pois, jotta saa oktettirakenteen. Magnesiumille jää tällöin 2 elektronin vaje ja merkitään Mg 2+ Positiivinen ioni, kationi, syntyy kun atomi luovuttaa elektroneja Negatiivinen ioni, anioni, syntyy kun atomi vastaanottaa elektroneja Huom! Esimerkiksi litium ei voi saada 8 ulkoelektronia, joten se pyrkii heliumin rakenteeseen, jossa on 2 ulkoelektronia ensimmäisellä kuorella.
Millaisen ionin happi O muodostaa helposti? Onko se kationi vai anioni? Entä alumiini Al? Miksi lisää elektroneja saava ioni saa negatiivisen sähkövarauksen?