Lukion kemia 6 Kemian kokonaiskuva 1.teema Kuva: The International Society for the Philosophy of Chemistry (ISPC) - Lehti: Hyle Kurssin sisältö Ylioppilaskirjoitukset Tehtävien jakautuminen Tehtävien luonne Aineiden luokittelua (KE1) Olomuodot Seokset (käsitteet) Yhdisteet (ioni- ja molekyyliyhdisteet) Atomit ja niiden elektronirakenteet (KE2) Nukleonit (käsitteet) Järjestysluku, massaluku, suhteellinen atomimassa, isotoopit Atomin elektronirakenne Erilaiset atomimallit, kvanttiluvut, energiatasot ja niiden täyttyminen (eri säännöt!), orbitaalit Jaksollinen järjestelmä Kemialliset sidokset ja aineen ominaisuudet (KE2) Metalli vs. epämetallit (puolimetallit) Ioni- ja molekyyliyhdisteet Vahvat sidokset ja heikot sidokset Vesi Kvantitatiivinen kemia (laskennallinen) ja stoikiometria Ainemäärän laskeminen (KE1) Konsentraatio (KE1) Empiirinen (suhde-) kaava, molekyylikaava ja rakennekaava yhdisteen kaavan määrittäminen laskennallisesti Kaasulaskut Muita tehtävätyyppejä Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot (KE4) Elektroninsiirtoreaktiot Reaktioyhtälön tasapainotus hapetuslukumenetelmällä Metallien sähkökemiallinen jännitesarja Sähköparit ja galvaaniset kennot Elektrolyysi Lämpö- ja termokemiaa Endo- ja eksotermiset reaktiot Entalpiamuutokset Kemiallisen reaktion nopeus Mittaaminen ja laskeminen Reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä Orgaanisten kemia Molekyyliorbitaaliteoria hydridisaatio (KE2), yksinkertaisen, kaksois- ja kolmoissidoksen mallintaminen Funktionaaliset ryhmät, nimeäminen Orgaanisten yhdisteiden reaktioita Isomeria Biomolekyylien ja polymeerien kemiaa (väliin?) Tasapainoreaktiot (KE5) Tasapainovakio, tasapainokonsentraatiot Le Chatelierin periaate Hapot ja emäkset (KE5) Protolyysireaktiot Happo-emäsparit, happo-emäsvakiot, neutraloituminen Indikaattorit Vesiliuosten ph-arvo ja sen laskeminen (KE5) Ionitulo, ph-laskut, suolaliuosten ph, puskuriliuokset Kokeellinen kemia Erotusmenetelmät (YK7) Liuosten valmistaminen ja laimentaminen (KE1) Titraus Kaasujen valmistus Kvalitatiivinen analyysi Spektroskopia ja kromatografia Orgaanisten yhdisteiden synteesi 1
2.tunti ATOMIT JA NIIDEN ELEKTRONIRAKENTEET JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ Historiaa Kreikkalainen Demokritos (n. 460-370 eaa.) esitti jo 400- luvulla eaa, että jos ainetta jaetaan yhä pienempiin osasiin, päädytään lopulta jakamattomiin perushiukkasiin eli atomeihin. Tämä selittää sen, että aine voi muuttua, mutta ei hävitä eikä syntyä tyhjästä. Myöhemmin kristityt torjuivat atomiopin, koska katsoivat ikuisesti muuttumattomien atomien olevan ristiriidassa ehtoollisopin kanssa. Fyysikkojen 1600-luvulta alkaen tekemät havainnot kaasujen käyttäytymisestä viittasivat siihen, että kaasu todellakin koostuisi atomeista. Koska atomeja ei voitu suoraan havaita, positivistit halusivat hylätä koko käsitteen. 1800-luvun alussa fyysikot uskoivat yleisesti atomien olemassaoloon, mutta eivät kyenneet osoittamaan sitä. 2
Daltonin havainnot John Dalton (1766 1844), englantilainen kutojan poika, päätti muodolliset opintonsa 12-vuotiaana ja ryhtyi opettajaksi. Hänellä ei ollut luonnontieteellistä koulutusta ja hänen sanotaan olleen kehno kokeiden tekijä ja ajatustensa esittäjä. Dalton etsi ongelmiin yksinkertaisia ratkaisuja eivätkä ajan tieteelliset käsitykset olleet hänelle painolastina. Dalton oli värisokea ja kuvasi ensimmäisenä tämän sairauden. Hän teki kokoaikuisikänsä säähavaintoja ja kirjoitti kirjan meteorologiasta. Ilmakehän tutkiminen johti Daltonin kiinnostumaan ensin kaasuista ja myöhemmin aineesta yleisesti. Dalton havaitsi, että häkää (hiilimonoksidia) syntyy, kun hiili ja happi reagoivat keskenään massasuhteessa 3:4. Sen sijaan hiilidioksidin muodostuessa hiilen ja hapen massojen suhde on 3:8. Tämän perusteella Dalton ehdotti, että hiilimonoksidi koostuu yhden hiili- ja yhden happiatomin muodostamista molekyyleistä ja hiilidioksidi yhden hiili- ja kahden happiatomin muodostamista molekyyleistä. Vastaavien kokeellisesti määritettyjen suhteiden avulla Dalton määritti monien aineiden atomien suhteellisia massoja. Hän julkaisi tuloksensa vuonna 1808. Useimmat kemistit hyväksyivät ne, mutta pitivät atomeja kuitenkin vain hyvänä työhypoteesina. Einstein Ensimmäisen vakuuttavan todistuksen atomien todellisuudesta antoi vasta Albert Einstein (14.3.1879 18.4.1955). Hän tutki Robert Brownin (21.12.1773 10.6.1858) tekemää havaintoa, jonka mukaan veden pinnalle asetettu siitepölyhiukkanen liikkuu satunnaisesti pitkin murtoviivaa. Einstein osoitti vuonna 1905, että tämän ns. Brownin liikkeen tilastollisesta käsittelystä saadaan lasketuksi atomin massa. Tämä vakuutti viimeisetkin atomien olemassaolon epäilijät. 3
Atomin rakenne http://nanokoulu.jyu.fi/verkkokurssi (Nanofysiikan verkkokurssi) Kvarkkien etsintää ALEPH-ilmaisin Atomin rakenne Elektroni Ydin Nukleoni Kvarkki Atomi 4
Atomin rakenne 1/2 HISTORIA Demokritos n. 400 ekr: atomos = jakamaton ja Dalton 1806: atomiteoria Thompson 1898-1903: elektronit Rutherford 1911: suurin osa atomin massasta pakkautunut atomin pieneen, positiivisesti varautuneeseen ytimeen, jota ympäröi tiheydeltään pieni, negatiivisesti varautunut elektroniverho BOHRIN ATOMIMALLI Einstein 1905: sähkömagneettisen säteilyn hiukkasluonne Max Planck 1900: kvanttihypoteesi (Bohrin malli 1913) Bohrin atomimallissa elektronit kiertävät ytimen ympäri tiettyjä ympyräratoja, radat sijaitsevat määrätyissä, toisistaan portaittain eroavissa energiatiloissa. Bohrin atomimalli onnistui selittämään kokeellisesti havaitun vetyatomin viivaspektrin, muttei kykene selittämään monimutkaisempien atomien spektrejä. Atomin rakenne 2/2 KVANTTIMEKAANINEN ATOMIMALLI Louis de Broglie 1924: Elektronin aaltoluonne Heisenbergin epätarkkuusperiaate 1926: hiukkasen paikkaa ja nopeutta ei voi samanaikaisesti määrittää äärettömän tarkasti: Schrödingerin aaltoyhtälö 1926: atomissa elektronit käyttäytyvät seisovan aaltoliikkeen tavoin - kemiassa aaltoyhtälön ratkaisuja kutsutaan orbitaaleiksi. Kutakin orbitaalia vastaa määrätty energia, joka määräytyy aaltoyhtälön ratkaisuna saatavien kolmen kokonaisluvun eli kvanttiluvun perusteella ORBITAALIEN LUONNE Kvanttimekaaninen orbitaali Bohrin rata Kvanttimekaaninen malli (aaltofunktion neliö 2 ) kertoo vain todennäköisyyden, että elektroni on paikassa (x,y,z). Orbitaalien muotoja voidaan kuvata todennäköisyystiheyskartan avulla 5
Atomimallit kemiallisten reaktioiden massasuhteista tuloksena; alkuaineen atomaarinen koostumus sama, atomit jakamattomia. atomi on positiivinen kimmoisa pallo, jossa värähtelee negatiivisia elektroneja. Aaltoluonne? http://www.videobomb.com/posts/show/900 Rutherford tutki atomin rakennetta α- säteilyn avulla (He2+ ioni). Sirontakokeessa pommitettiin ohutta kultakalvoa. Osa hiukkasista kimposi takaisin -> pieni atomin ydin, jossa massan suurin osa. Atomimalli: 1) Atomissa ydin ja ympärillä elektroniverho. 2) Atomin massa keskittynyt ytimeen mutta atomin halkaisija - 10 000 kertainen ytimen halkaisijaan. 3) Ydin positiivinen ja elektroniverho negatiivinen. Viivaspektrit Kemisti2, s. 30 6
Kvanttiluvut Atomin energiatasoja kuvataan kvanttiluvuilla. Alinta energiatasoa kutsutaan perustilaksi. Pääkvanttiluku n (K, L, M, N tai 1, 2,3,4) kuvaa elektronin energian suuruusluokkaa. Sivukvanttiluku l (s,p,d,f) liittyy spektrien hienorakenteeseen. Sivukvanttiluku määrää lähinnä sen avaruuden osan muodon, jossa elektroni todennäköisimmin sijaitsee. Magneettinen kvanttiluku m selittää sen, että kun asetetaan atomi voimakkaaseen magneettikenttään, spektriviivat jakautuvat useiksi osaviivoiksi. Spinkvanttiluku s kuvaa sitä, että jokainen spektriviiva jakautuu lisäksi kahtia. Se selitetään sillä, että elektroni pyörii oman akselinsa ympäri joko myötä- tai vastapäivään. Orbitaalit ja kvanttilukuyhdelmät Kutakin kvanttilukujen n, l ja m määräämää elektronitilaa sanotaan orbitaaliksi. Orbitaali on atomiin tai molekyyliin sisältyvä alue, jolla elektroni todennäköisimmin liikkuu. Yhdelle orbitaalille voi sijoittua korkeintaan kaksi elektronia eli elektronipari. Orbitaalin muoto ja koko lasketaan Schrödingerin aaltoyhtälön pohjalta. Orbitaalia ei voida kokeellisesti havaita. Elektronitiheys sen sijaan voidaan mitata. Suuri elektronitiheys jossakin atomin tai molekyylin osassa merkitsee suurta elektronin esiintymistodennäköisyyttä. 7
Kvanttilukuyhdelmät n l m s 2 0 0 +1 1 0-1 +½ -½ +½ -½ +½ -½ +½ -½ l = 0, 1, 2, n-1 m = 0, +1, +2, +l s = +½ 8
Orbitaalit http://www.orbitals.com/orb/ http://www.shef.ac.uk/chemistry/orbitron/index.html S-orbitaalit 1s orbitaali 3s orbitaali 2s orbitaali 4s orbitaali 9
P-orbitaalit Kolme 2p orbitaalia: 2p z, 2p x ja 2p y. Kolme 3p orbitaalia: 3p z, 3p x ja 3p y. Kolme 4p orbitaalia: 4p z, 4p x ja 4p y. D-orbitaalit Viisi 3d orbitaalia. Ylärivillä 3d x 2-y2 and 3d z 2 ja alarivillä 3d xy, 3d xz, and 3d yz. Viisi 4d orbitaalia. Ylärivillä 4d x 2-y2 and 4d z 2 ja alarivillä 4d xy, 4d xz, and 4d yz. 10
F- ja G-orbitaalit Yhdeksän 5g orbitaalia. Seitsemän 4f orbitaalia. Muistisääntö energiatasojen järjestykseen 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f 6g 6h 7s 7p VIHKOON 11
Elektronijakaumakaavio ja elektroniverhon rakenne orbitaalimerkintöjä käyttäen 1s 2.2s 2.2p 6.3s 2.3p 6.3d 10.4s 2.4p 6.4d 10.4f 3.5s 2.5p 6.6s 2 energiataso korkeampi Praseodyymi erimerkkiset spinkvanttiluvut näkyvät! 12
Elektronijakaumakaavio ja elektroniverhon rakenne orbitaalimerkintöjä käyttäen 1s 2.2s 2.2p 6.3s 2.3p 6.3d 10.4s 2.4p 6.4d 10.4f 3.5s 2.5p 6.6s 2 energiataso korkeampi n=6 n=5 Praseodyymi n=3 n=4 erimerkkiset spinkvanttiluvut näkyvät! Paulin sääntö Paulin säännön mukaan jokaisella saman atomin elektronilla täytyy olla erilainen neljän kvanttiluvun yhdelmä. Paulin säännöstä seuraa, että kunkin kuoren elektronien suurin määrä on 2n 2. Minimienergiaperiaate Minimienergiaperiaatteen mukaisesti elektroni sijoittuu aina alimpaan mahdolliseen energiatilaan. Hundin sääntö Hundin säännön mukaan saman kuoren samannimisiin orbitaaleihin asettuvat ensin parittomat elektronit. Jokaiseen orbitaaliin kuuluu kaksi elektronia, joilla on vastakkaiset spinkvanttiluvut. 13
Lisäaineistoja Materiaalit ja materiaalien valinta - virtuaalikurssi (Treen tekn. yliopiston materiaali) Materiaalit -kurssi 14