AVAIN Kemia Jarmo Happonen Martti Heinonen Helena Muilu Kimmo Nyrhinen OPETTAJAN AINEISTO Otava
Opettajalle Tämä on AVAIN Kemia oppikirjaan liittyvä Opettajan aineisto. Aineistossa on runsaasti erilaista opetusta tukevaa materiaalia. Täydentämällä aineis toa omalla tai internetistä saatavalla materiaalilla saat itsellesi sinua parhaiten palvelevan opetuspaketin. Käytön helpottamiseksi sivunumerointi on sama kuin oppikirjassa ja oppikirjan vastaavat sivut ovat pienennettynä aukeaman keskelle. Opettajan aineistossa on seuraavat osiot: Välineet ja aineet, Johdantodemo / Ennakkokäsityksien kartoitus, Tavoitteet, Havainnot ja toivotut päätelmät, Toteuttamisvihjeitä, Oheismateriaali, Lisätietoa ja kuvien tarkastelua, Tehtävien vastaukset, Lisätutkimuksia sekä Lisätehtäviä ja ongelmia. Ne on sijoitettu aina samaan kohtaan aihekokonaisuutta. Kirjan lopussa on didaktista ja muuta opetuksen toteuttamista helpottavaa aineistoa sekä kalvopohjia, joissa on tiivistelmä aihekokonaisuuden keskeisistä asioista. Välineet ja aineet on luettelo oppikirjan tutkimuksissa tarvittavista välineistä ja aineista. Tarvikelistasta on jätetty pois tavallisimmat fysiikan ja kemian luokasta löytyvät aineet ja välineet. Johdantodemo / Ennakkokäsityksien kartoitus sisältää johdannoksi sopivia demonstraatioita sekä oppilaiden aikaisempaa tietämystä ja ennakkokäsityksiä kartoittavia kysymyksiä. Kartoittamiseen voi käyttää myös oppikirjassa kunkin aihekokonaisuuden ensimmäisellä sivulla olevia kysymyksiä. Tavoitteet sisältää tavoitekuvauksina luettelon aihekokonaisuuden sisältämistä keskeisistä asioista. Ne auttavat opettajaa kiinnittämään huomion olennaisiin opetuksessa esille otettaviin asioihin. Havainnot ja toivotut päätelmät sisältää lyhyen kuvauksen tutkimuksien havainnoista ja toivotuista päätelmistä. On syytä huomata, että oppilaiden tekemät päätelmät ovat tietorakenteen hajanaisuuden vuoksi usein puutteelliset tai jopa virheelliset ja että yhtä oikeaa päätelmää ei useinkaan ole olemassa. Toteuttamisvihjeitä sisältää lähinnä tutkimuksien tekemiseen, mutta myös aiheen käsittelyyn liittyviä ohjeita ja ehdotuksia. Oheismateriaali käsittää luettelon Opettajan aineiston liitteenä olevista kalvopohjista sekä viittauksen Tehtäväkirjan kyseistä aihekokonaisuutta käsitteleville sivuille. Lisäksi osiossa on muistutus sarjan www-sivuista, jotka löytyvät osoitteesta www.otava.fi. Lisätietoa ja kuvien tarkastelua kertoo oppikirjaa laajemmin aiheesta sekä antaa kuviin liittyvää lisätietoa ja vihjeitä kuvien lähempään tarkasteluun. Opettaja voi käyttää sitä oman opetuksensa tukena käsitellessään teoriasivuilla olevaa asiaa. Tehtävien vastaukset on luettelo oppikirjassa olevien tehtävien vastauksista. Lisätutkimuksia sisältää aiheeseen liittyviä tutkimuksia tai demonstraatioita, joita opettaja voi käyttää opetuksessaan tarpeen mukaan ja käytettävissä olevan ajan puitteissa. Lisätehtäviä ja ongelmia sisältää ongelmatyyppisiä tehtäviä, joita opettaja voi käyttää tunnilla tai antaa kotona pohdittavaksi. Otavan asiakaspalvelu Puh. 000 17117 asiakaspalvelu@otava.fi Tilaukset Kirjavälitys Oy Puh. 010 345 150 Faksi 010 345 1454 kvtilaus@kirjavalitys.fi 1. versio 004 Jarmo Happonen, Martti Heinonen, Helena Muilu, Kimmo Nyrhinen ja Kustannus osakeyhtiö Otava Toimitus: Tarja Latva-Karjanmaa Graafinen suunnittelu: Jan Myller Taitto: Marcus Lindén Käyttöehdot Tämä aineisto on suojattu tekijänoikeuslailla (404/1961). Aineiston käyttö ja tulostaminen on sallittua luokkaopetustilanteessa sekä oppituntien valmistelussa. Aineiston tai sen osien muuntelu, luovuttaminen eteenpäin tai kopioiminen kaupallisiin tarkoituksiin on kiellettyä. Tarkastusoikeus Käyttöehtojen noudattamista valvoo Kopiosto ry. Tarkastusajankohta sovitaan erikseen yhteistyössä käyttöoikeuden haltijan kanssa. Lisätietoja luvista ja niiden sisällöstä antaa Kopiosto ry, www.kopiosto.fi/. Otava 011 ISBN: 97-951-1-67-7
SISÄLLYSLUETTELO 1 ATOMI... 4 JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ... 1 3 IONISIDOS... 0 4 KOVALENTTINEN SIDOS JA METALLISIDOS... 5 REAKTIOYHTÄLÖ... 36 6 HAPOT... 44 7 EMÄKSET... 5 NEUTRALOITUMINEN JA SUOLAT... 60 9 METALLIT... 6 10 METALLIEN JALOSTUS JA KÄYTTÖ... 76 11 JALOT JA EPÄJALOT METALLIT... 4 1 SÄHKÖKEMIAA... 9 13 KORROOSIO... 100 14 KERTAUSTA... 10 LIITTEET A KEMIAN OPETUSSUUNNITELMAN PERUSTEET VUOSILUOKILLA 7 9...11 B KOKEELLISUUS JA TUTKIVA OPPIMINEN FYSIIKASSA JA KEMIASSA... 13 C TAVALLISIMPIEN ALKUAINEIDEN ESITTELY... 14 D KEMIAN KURSSIN KESKEINEN SISÄLTÖ JA ITSEARVIOINNIN PAINOALUEET...131 E OPPILAAN ITSEARVIOINTILOMAKE... 13 F OHJEITA KEMIKAALIEN KÄSITTELYYN JA LIUOSTEN VALMISTUKSEEN... 133 G KEMIKAALI- JA VÄLINELUETTELO... 134 H TIETOKILPAILU... 136 KALVOPOHJIA... 13
Välineet ja aineet rautanauloja magnesiumia sinkkiä kuparinauloja muita saatavilla olevia alkuaineita hiilipaloja vasaroita ja aluslevyjä piirtoheitinkalvoja villakangaspaloja ilmapalloja 1. Atomi Johdantodemo / Ennakkokäsityksien kartoitus Johdantodemona voidaan tehdä tutkimus T1. Oppilaille kerrotaan aluksi, että tutkitaan eri atomilajien eli alkuaineiden ominaisuuksia. Tutkimuksen T1 lisäksi tai asemesta voidaan tehdä seuraava johdantodemo. Kokeita alkuaineilla A. Otetaan pala tinaa (tai lyijyä). Kuumennetaan sitä upokkaassa, kunnes tina sulaa. B. Otetaan muutama kide jodia kolvin pohjalle ja kuumennetaan kolvia vetokaapissa, kunnes jodi alkaa höyrystyä. Pohditaan yhdessä, mitä tinalle ja jodille tapahtuu. Oppilaiden ennakkokäsityksiä atomista voi kartoittaa oppikirjan sivulla 4 olevien kysymysten ohella myös seuraavilla kysymyksillä: Millainen on atomi? Mikä on kuparin pienin osanen? Mikä on yksinkertaisin atomi? Mikä on atomin ydin? Miten atomin voi tunnistaa? Tavoitteet Oppilas tuntee tavallisimpien alkuaineiden kemialliset merkit tietää, että atomi on alkuaineen pienin osanen tuntee atomin pääosat: ytimen ja elektronipilven tuntee atomin tärkeimmät hiukkaset, protonin, neutronin ja elektronin sekä niiden varaukset tietää, että järjestysluku kuvaa protonien lukumäärää ja massaluku protonien ja neutronien yhteismäärää ymmärtää käsitteen isotooppi. 4 ATOMI
Havainnot ja toivotut päätelmät T1 Alkuaineisiin tutustuminen A. Magnesium Mg on harmaata, taipuisaa metallia, joka kiiltää. Kupari Cu on ruskeaa, taipuisaa ja metallinkiiltoista metallia, josta voidaan valmistaa erilaisia esineitä, esimerkiksi nauloja. Sinkki Zn on harmaata, metallinkiiltoista metallia. Rauta Fe on harmaata, taipuisaa metallia, josta valmistetaan monenlaisia esineitä, esimerkiksi nauloja. B. Rauta on harmaata, taipuisaa ja kestää hyvin iskuja. Sitä voi litistää takomalla. Hiili taas on mustaa, haurasta ja hajoaa, kun sitä iskee. Toiset alkuaineet, esimerkiksi rauta, ovat sitkeitä ja kestävät särkymättä iskuja, toiset alkuaineet taas hajoavat helposti, kun niitä taotaan. Sitkeys ja muokattavuus on ominaista metalleiksi sanotuille alkuaineille, joihin rauta kuuluu. Hiili on epämetalli, jolla ei ole näitä ominaisuuksia. Kiinteät epämetallit eivät ole taottavia, vaan ne hajoavat, jos niitä yrittää takoa. Tutkimuksien T ja T3 havainnot ja toivotut päätelmät ovat seuraavalla sivulla. Toteuttamisvihjeitä Atomin rakenne ja hiukkaset ovat uusia asioita, joilla ei ole konkreettista pohjaa, vaan ne ovat malleja. Teoriaa on sen vuoksi tarpeen käydä läpi myös yhteisesti ja korostaa atomien malliluonnetta. Erityisesti atomin pääosat ja perushiukkaset varauksineen sekä nimitykset, kuten järjestysluku ja massaluku, ovat ulkoa opeteltavaa ainesta. T1 Alkuaineisiin tutustuminen Tutustumisen kohteena olevia alkuaineita voivat magnesiumin, kuparin, sinkin ja raudan lisäksi olla esimerkiksi hiili, rikki, tina, elohopea ja jodi. Jos mukana on elohopeaa ja jodia on ne oltava suljetussa purkissa tai koeputkessa. T Sähkövarausten tutkiminen Hangattaessa piirtoheitinkalvoa villakankaalla sähkövaraus jakautuu usein epätasaisesti. Sen vuoksi hylkimisvoima näkyy parhaiten, jos villakangas ja hankauskohta ovat lähellä toisiaan. Ilmapallot voi kätevimmin varata hankaamalla niitä päällä oleviin villa- tai keinokuituvaatteisiin. T3 Turvallista työskentelyä Aina uuden kurssin alkaessa on syytä kerrata turvallista laboratoriotyöskentelyä ja ensiapua koskevat ohjeet. Samalla voidaan palauttaa mieleen alkusammutusvälineistön sijaintipaikat. Aiheen käsittelyä voi syventää keskustelemalla yhdessä esimerkiksi seuraavien kysymysten pohjalta: Miksi työturvallisuus on tärkeää laboratoriotyöskentelyssä? Miksi laboratoriossa pitää noudattaa erityistä siisteyttä ja hyvää järjestystä? Miksi laboratoriota ei saa käyttää ruokailuun? Miksi tiettyjä kemikaaleja saa säilyttää vain niille varatuissa paikoissa? Miksi kemikaalien määrä kokeissa pyritään pitämään mahdollisimman pienenä? Kuka vastaa, jos koulun laboratoriosta joutuu vaarallista myrkkyä vesistöön? Miksi laboratoriossa on hätäsuihku ja -kytkin? Mitä vaaratekijöitä liittyy laboratoriotyöskentelyyn? ATOMI 5
Havainnot ja toivotut päätelmät T Sähkövarausten tutkiminen A. Kalvo ja villakangas vetävät toisiaan puoleensa. B. Ilmapallot hylkivät toisiaan. Villakangas ja kalvo ovat erimerkkisesti varautuneita. Erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Ilmapallot taas ovat varautuneet samanmerkkisesti. Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan. T3 Turvallista työskentelyä Laboratoriotyöskentelyssä syntyy helposti vaaratilanteita, jos ei työskentele harkiten ja rauhallisesti. Vaaroja aiheuttavat esimerkiksi avotulen käsittely, syövyttävät ja vaaralliset aineet sekä kokeisiin liittyvät äkilliset painevaihtelut, jotka voivat aiheuttaa roiskeita tai sirpaleita. Työpöydällä käsitellään myrkyllisiä aineita, jotka saattavat joutua ruuan mukana elimistöön. Jos syövyttävää ainetta joutuu iholle, se on huuhdottava nopeasti runsaalla vedellä. Hätäsuihkua on käytettävä, jos hiukset tai vaatteet syttyvät palamaan. Sormien tai käsien palovammojen paras ensiapu on kylmä vesi. Vähänkään suuremmissa palovammoissa on tämän jälkeen syytä kääntyä lääkärin puoleen. Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Toteuttamisvihjeitä T4 Tuttuja alkuaineita Alkuaineita ja niiden kemiallisia merkkejä sekä kemiallisia reaktioita on käsitelty alustavasti jo kemian ensimmäisessä kurssissa. Kalvopohjassa 1a on tavallisimpien alkuaineiden kemialliset merkit, jotka on syytä kerrata ja tarvittaessa monistaa oppilaille. Alkuaineiden pitkästä historiasta on kerrottu Avain Kemia 1 -oppikirjassa sivulla 43. Kaikki atomit ovat kooltaan hyvin pieniä. Ne ovat kuitenkin vähän erikokoisia johtuen ytimen koosta ja elektronikuorten lukumäärästä. Keskikokoisen atomin, esimerkiksi hiiliatomin, halkaisija on vain noin kymmenesmiljoonasosa millimetriä. Tämä tarkoittaa sitä, että millimetrin matkalle hiiliatomeja mahtuisi 10 miljoonaa hiiliatomia peräkkäin. 6 ATOMI
Oheismateriaali 1a Tavallisimmat alkuaineet, s. 13 1b Atomi, s. 139 1c Atomin rakenne, s. 140 1d Hiukkasten lukumäärät, s. 141 1d Isotoopit, s. 14 1e Vety ja helium, s. 143 1f Aineen rakentuminen, s. 144 Tehtäväkirja s. 3 6 http://www.otava.fi Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Suurin osa atomista on tyhjää tilaa, jossa elektronit pääsevät liikkumaan. Vaikka kuvassa olevan booriatomin ydin on piirretty niin, että sen hiukkaset näkyvät, todellisuudessa ytimen halkaisija on vain noin kymmenestuhannesosa koko atomin halkaisijasta. Jos siis atomin ytimen halkaisija olisi yksi senttimetri, kuten kuvassa, koko booriatomin läpimitta olisi noin 100 metriä. Elektronin massa on vain noin 1/ 000 protonin tai neutronin massasta. Niinpä atomin massa on yli 99,9-prosenttisesti keskittynyt ytimeen. Jos siis edellä kuvitellun 100 metriä halkaisijaltaan olevan booriatomin massa olisi yksi kilogramma eli 1 000 grammaa, sen senttimetrin kokoisessa ytimessä massasta olisi yli 999 grammaa ja elektroneille varatussa halkaisijaltaan 100 metrin pallossa vain alle yksi gramma. Suhde on suunnilleen sama myös muiden alkuaineiden atomeissa. ATOMI 7
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Saman alkuaineen eri isotoopeilla on eri määrä neutroneja. Esimerkiksi hiilen isotoopilla 1 C on kuusi neutronia, isotoopilla 13 C seitsemän neutronia ja isotoopilla 14 C kahdeksan neutronia. Isotooppien 1 C ja 13 C ytimet ovat hyvin pysyviä, mutta 14 C on niin sanottu radioisotooppi, jonka ydin hajoaa itsestään kevyemmiksi alkuaineiksi. Vaikka saman alkuaineen eri isotoopit ovat massaltaan erilaiset, ne ovat kemiallisilta ominaisuuksiltaan samanlaiset. Esimerkiksi kemiallisissa reaktioissa ne siis käyttäytyvät samalla tavalla. Jos alkuaineella on useampia isotooppeja, yksi isotoopeista on tavallisesti niin sanottu valtaisotooppi. Vedyn tapauksessa se on vety-1 ja hiilellä hiili-1. Sivuilla ja 9 mainittujen vedyn ja hiilen isotooppien prosenttiosuudet luonnossa olevista atomeista ovat seuraavat: Vety: 1 H 99,95 % H 0,015 % 3 H 10-16 % 1 Hiili: C 9,9 % 13 C 1,11 % 14 C 10-10 % ATOMI
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Kuvan mukaisia fossiileja tavataan pääasiassa kalkkikivistä. Ne ovat syntyneet, kun kasvien ja eläinten jäänteet ovat vajonneet meren pohjalle ja jääneet kalsiumkarbonaattisaostuman sisään. Fossiilin iän määritys perustuu sen sisältämän radioaktiivisen hiilen, 14 C:n, jäljellä olevan osuuden määrittämiseen. Radioaktiiviset ytimet, kuten 14 C, hajoavat vähitellen itsestään pienemmiksi, pysyviksi ytimiksi. Ytimien hajoamista kuvaa puoliintumisaika, jonka kuluessa puolet jäljellä olevista ytimistä hajoaa. Radiohiilen 14 C:n puoliintumisaika on 5 730 vuotta. Jos maasta löytyvässä fossiilissa on radiohiiltä jäljellä puolet siitä, mikä osuus sitä on elävällä eläimellä, fossiili on noin 5 700 vuotta vanha. Jos taas radiohiilen määrä fossiilissa on neljäsosa elävän eläimen radiohiilen määrästä, fossiilin ikä on yli 11 000 vuotta. Puoliintumisajasta kerrotaan enemmän fysiikan kurssissa 3. ATOMI 9
Havainnot ja toivotut päätelmät T4 Tuttuja alkuaineita Oppikirjan lopussa ja kalvopohjassa 1a on tavallisimpien alkuaineiden kemialliset merkit. Tehtävien vastaukset 1. Alkuaine. Ydin ja elektronipilvi 3. Protoneista ja neutroneista 4. a) Positiivinen b) Ei mitään varausta (varaukseton) c) Negatiivinen 5. Positiivinen sähkövaraus, koska siellä olevilla protoneilla on positiivinen sähkövaraus. 6. Positiivinen ydin vetää negatiivisia elektroneja puoleensa ja pitää ne ytimen ympärillä. 7. a) Alkuaineen atomin ytimessä olevien protonien lukumäärän b) Alkuaineen atomin ytimessä olevien protonien ja neutronien yhteismäärän. Se kertoo, että alkuaineena kyseessä on fosfori. Fosforiatomin järjestysluku (protonien lukumäärä) on 15 ja massaluku (protonien ja neutronien yhteismäärä) 31. 9. Isotooppi on saman alkuaineen erimassainen muoto. Saman alkuaineen eri isotoopeilla neutronien lukumäärä on erilainen. 10. a) Boori, b) Alumiini, c) Nikkeli, d) Volframi 11. Niillä on 0, 1 tai neutronia ja siten eri massaluku. Isotoopeilla on siis erilainen määrä neutroneja. 1. Radioaktiivisia alkuaineita ovat esimerkiksi hiili-14, radon ja plutonium. Niitä käytetään esimerkiksi fysiikan laitteissa, syövän hoidossa ja merkkiaineena lääketieteessä. Katso lisää Avain Fysiikka 3, luvut 11 ja 1. 13. Puoliintumisaika on aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen alkuaineen ytimistä hajoaa pienemmiksi ytimiksi. Katso lisää Avain Fysiikka 3, luvut 11 ja 1. Lisätutkimuksia Alkuainejuliste Kukin ryhmä valitsee yhden alkuaineen ja tekee siitä A4-kokoisen seinäjulisteen. Esittelyssä käytetään seuraavaa jaottelua: esiintyminen, ominaisuudet, valmistus, käyttö ja muuta. Otsikkona on tutkittavan alkuaineen nimi ja kemiallinen merkki. Julisteessa on suositeltavaa käyttää värejä ja kuvia tai piirroksia. Aihetta on luontevaa käsitellä niin, että eri ryhmien ja vuosiluokkien tuotoksina kemian luokan seinälle saadaan mahdollisimman hyvä kokoelma eri alkuaineista. Sivuilla 14 130 on lyhyt esittely tavallisimmista alkuaineista. 10 ATOMI
Lisätehtäviä ja ongelmia 1. Mitä on radiohiili? Se on hiilen radioaktiivinen isotooppi, joka hajoaa itsestään muuksi alkuaineeksi. Radioaktiivista ominaisuutta voidaan käyttää mm. muinaisesineiden iän määrittämiseen. Katso Lisätietoa ja kuvien tarkastelua sivuilla 9. Radioaktiivisuudesta kerrotaan lisää fysiikan kurssissa 3.. Ota selvää, mikä luonnon alkuaineista on järjestysluvultaan ensimmäinen ja mikä viimeinen? Alkuaineista ensimmäinen on vety, jonka ytimessä on vain yksi protoni. Sen ydintä kiertää yksi elektroni (kuva s. 9). Alkuaineista viimeinen on numerolla 9 oleva uraani, jonka ytimessä on 9 protonia ja elektronipilvessä 9 elektronia. Järjestysluvultaan tätäkin suurempia atomeja on olemassa, mutta niitä ei esiinny pysyvästi luonnossa. 3. Ota selvää, kuinka paljon ihmisessä on eri alkuaineita. Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Kvarkkien välisten vuorovaikutusten välittäjinä toimivat ns. gluonit, jotka ovat eräänlaista kvarkkien välillä olevaa liimaa. Kuvan mukainen protoni tai neutroni muodostuu, kun gluoni yhdistää kolme eriväristä kvarkkia toisiinsa. Maailmankaikkeuden alkuräjähdyksessä arvellaan syntyneen yhtä paljon ainetta ja anti ainetta. Toistaiseksi ei tiedetä, miksi alku räjähdyksen jälkeen ainetta jäi jäljelle, mutta antiainetta ei. Jäljelle jääneestä aineesta muodostui maailmankaikkeutemme. Vastaavia antiainekasaumia ei ole havaittu. Ajatus antiainemaailmasta on kiehtonut ihmisten mieliä pitkään. On ajateltu, että jossakin maailmankaikkeuden kolkalla olisi alkuräjähdyksessä syntynyttä antiainetta meidän ainettamme vastaava määrä. Näiden maailmojen kohtaaminen olisi kuitenkin katastrofaalinen tapahtuma, sillä siinä aine ja antiaine muuttuisivat energiaksi. Ajatus antiaineista on todellinen: laboratorioissa on nimittäin onnistuttu luomaan muutamia antiaineatomeja käyttämällä suuria energiamääriä. Ihminen koostuu monista eri alkuaineista, jotka ovat ihmisessä erilaisina yhdisteinä. Määrät ovat hieman erilaisia eri ihmisillä. Esimerkiksi 70 kilogramman painoisessa ihmisessä on happea keskimäärin 43 kg, hiiltä 15 kg, vetyä 7 kg ja typpeä kg. Lisäksi hänessä on muita alkuaineita noin 3 kg. Tästä määrästä kalsiumia on noin 1,5 kg, fosforia 0,7 kg, kaliumia 175 g, rikkiä 140 g, klooria 4 g, natriumia 56 g, magnesiumia g ja rautaa 3 g. Näiden lisäksi ihmisessä on pieniä määriä useimpia muitakin luonnossa esiintyvistä 90 alkuaineesta. ATOMI 11
Välineet ja aineet jodia etanolia kaliumjodidia, KI. Jaksollinen järjestelmä Johdantodemo / Ennakkokäsityksien kartoitus Kalenteri Analogiamallina jaksolliselle järjestelmälle esitetään kuukauden mittainen kalenteri, jossa viikonpäivät ovat sarakkeina ja viikot riveinä. Keskustellaan yhdessä, miksi kalenterissa kuukauden päivät ovat tällä tavalla. Oppilaiden ennakkokäsityksiä aiheesta voi kartoittaa sivulla 1 olevien kysymysten ohella esimerkiksi seuraavilla kysymyksillä: Miten atomit poikkeavat toisistaan? Mikä on yksinkertaisin atomi? Miksi vety muodostaa hapen kanssa helposti räjähtävän seoksen? Mikä yhteinen ominaisuus on heliumilla ja neonilla? Tavoitteet Oppilas osaa järjestää alkuaineet protonien lukumäärän perusteella ymmärtää elektronipilven rakentumisen periaatteen tunnistaa säännönmukaisuuden atomien elektronipilven rakenteessa osaa luokitella alkuaineet jaksojen ja ryhmien mukaan ymmärtää elektronipilven rakenteen yhteyden alkuaineen ominaisuuksiin ymmärtää, miksi toiset alkuaineet ovat aktiivisempia kuin toiset ymmärtää, että atomin ominaisuudet johtuvat sen rakenteesta. 1 JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ
Havainnot ja toivotut päätelmät T1 Jodikokeita A. Jodi on tummaa kiinteää ainetta. Kun jodia kuumennetaan, koeputkeen syntyy violetin väristä höyryä. Jodi höyrystyy kuumennettaessa helposti. Liuotin kylmä vesi kuuma vesi etanoli B. Jodi ei liukene juurikaan kylmään veteen. Kuumaan veteen se liukenee jonkin verran, mutta etanoliin ja kaliumjodidiin runsaasti. kaliumjodidiliuos Liukoisuus (liukenee/ ei liukene) ei liukene liukenee huonosti liukenee hyvin liukenee erittäin hyvin Toteuttamisvihjeitä Jaksollisen järjestelmän rakentamiseen voidaan käyttää monistepohjana a sivulla 145 olevia alkuainekortteja. Teoriaa on tarpeen käydä läpi myös yhteisesti, koska jaksollisen järjestelmän rakentumisen ja alkuaineiden elektronirakenteen mukaisen luokittelun ymmärtäminen auttavat monien myöhemmin esille tulevien asioiden oppimista. Niiden avulla on luontevaa selittää esimerkiksi alkuaineiden ominaisuuksia ja aktiivisuuseroja sekä erilaisten yhdisteiden muodostumista. T1 Jodikokeita Jodi on yksi esimerkki jaksollisen järjestelmän alkuaineesta. Tutkittavana aineena voi olla myös jokin metalli. Vaikka metalleilla on samanlaisia ominaisuuksia keskenään, ne eivät sula eivätkä muutu kaasumaiseen olomuotoon kovinkaan helposti. Happoja lukuun ottamatta ne eivät yleensä myöskään liukene liuottimiin. T Mitä alkuaineen järjestysluku kertoo aineesta? Taulukkoa tutkimalla pyritään siihen ajatukseen, että järjestysluku ilmoittaa jollakin tavalla atomin koon. Tiheyksiä vertaamalla voidaan karkeasti päätellä, että kun alkuaineella on pieni järjestysluku, on sen tiheys pieni ja jos järjestysluku on iso, on tiheyskin suurempi. T Mitä alkuaineen järjestysluku kertoo aineesta? Pienin järjestysluku, joka on yksi, on vedyllä. Toiseksi pienin järjestysluku eli kaksi on heliumilla. Vety on kevein alkuaine. Sen kemiallinen merkki on H ja tiheys 0,09 kg/m 3. Vedyn sulamispiste on 59 C ja kiehumispiste 53 C. Alkuaine, jonka järjestysluku on, on nimeltään lyijy. Sen kemiallinen merkki on Pb ja tiheys 11,35 kg/dm 3. Lyijyn sulamispiste on 3 C ja kiehumispiste 1 740 C. Alkuaine, jonka järjestysluku on 9, on nimeltään uraani. Sen kemiallinen merkki on U ja tiheys 1,9 kg/dm 3. Uraanin sulamis piste on 1 13 C ja kiehumispiste 3 1 C. Lyijy ja uraani ovat raskaita alkuaineita. Niiden atomit ovat suurikokoisia vetyyn verrattuna. Järjestysluku kuvaa atomin kokoa. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ 13
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua 14 JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ Mallia, jossa atomin ytimen ympärillä olevat elektronit kiertävät ydintä määrätyillä elektronikuorilla, sanotaan Bohrin atomimalliksi. Malli on saanut nimensä tanskalaisen fyysikon Niels Bohrin (15 196) mukaan. Vuonna 1913 julkaisemassaan tutkimuksessa hän kehitteli Ernest Rutherfordin jo aiemmin esittämää atomimallia edelleen. Bohrin mukaan kaikki elektronit eivät ole samassa tilassa ytimen ympärillä, vaan kiertävät ydintä tietyillä energiatasoilla eli kuorilla. Elektroneilla on siis määrätty kvantittunut energia. Bohr havaitsi myös, että ulommille kuorille mahtuu elektroneja enemmän kuin sisemmille. Bohr teki päätelmän, että atomin lähettämä valo syntyy, kun elektronit siirtyvät sisemmille kuorille ja lähettävät energiatasojen eron säteilynä ympärilleen. Ansioistaan Bohrille myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 19. Bohrin atomimalli on hyvin karkea malli atomista eikä vastaa siten atomin todellista rakennetta. Niinpä se on myöhemmin korvattu modernin fysiikan mukaisella elektronin aaltofunktioon perustuvalla mallilla. Kullekin kuorelle mahtuvien elektronien määrä lasketaan lausekkeesta n, jossa n on kuoren järjestysnumero. Niinpä K-kuorelle mahtuu taulukon mukaisesti. 1 =, L-kuorelle. =, M-kuorelle. 3 = 1, N-kuorelle. 4 = 3 elektronia jne.
Oheismateriaali a Alkuainekortit, s. 145 b Elektronikuoret, s. 146 c Elektronikuorien rakenne, s. 147 d Alkuaineiden järjestäminen, s. 14 e Ryhmät ja jaksot s. 149 f Pääryhmät, s. 150 g Jaksollinen järjestelmä, s. 151 Tehtäväkirja s. 7 10 http://www.otava.fi Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Kuvan esittämää Dmitri Ivanovits Mendelejeviä (134 1907) pidetään jaksollisen järjestelmän keksijänä. Hän esitti kehittämänsä jaksollisen järjestelmän vuonna 169. Siinä alkuaineet oli järjestetty atomin massan mukaisesti ja niin, että saman ryhmän aineilla oli samanlaisia kemiallisia ominaisuuksia. Samantapaiseen alkuaineiden luokitusjärjestelmään päätyi myös saksalainen kemisti Lothar Meyer (130 195), mutta Mendelejev ehti julkaista järjestelmänsä vuotta ennen Meyeriä. Mendelejevin kehittämään jaksolliseen järjestelmään jäi muutamien alkuaineiden kohdalle aukkoja, joihin sopiva alkuaine löydettiin vasta myöhemmin. Mendelejev osasi tosin jaksollisen järjestelmänsä perusteella ennustaa näiden vielä tuntemattomien alkuaineiden ominaisuuksia. Jaksollista järjestelmää on sittemmin parannettu niin, että alkuaineet on sijoitettu siihen järjestysluvun mukaisesti. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ 15
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Kun mennään jaksollisessa järjestelmässä alkuaineisiin, joilla on kolme kuorta tai enemmän, elektronikuoret eivät täyty enää järjestyksessä, vaan seuraava kuori alkaa täyttyä ennen kuin edellinen on täysi. Niinpä kaliumilla K ja kalsiumilla Ca on elektroneja neljällä kuorella, vaikka kolmas kuori on vielä vajaa. Kaaviossa on kuvattu vain 0 yksinkertaisinta alkuainetta. Kaavio jaksollisesta järjestelmästä on kokonaisuudessaan oppikirjan sivulla 116. Jalokaasuja käytetään kaasutäytteisissä mainosvaloissa, sen vuoksi niitä on sanottu myös neonvaloiksi. Mainosvalojen erilainen väri johtuu täytekaasuissa tapahtuvista kaasupurkauksista, jotka eri kaasuilla ovat erivärisiä. Jos täytekaasu on neonia, valo on punaista. Heliumin väri on tyypillisesti keltaista, argonin punaviolettia, kryptonin vihreää ja ksenonin siniviolettia. Monissa kaasupurkauslampuissa käytetään myös useiden eri kaasujen seoksia, jolloin saadaan uusia värejä ja ominaisuuksia valolle. Autojen ajovaloissa käytetään nykyään ksenon-nimistä jalokaasua sisältäviä kaasupurkauslamppuja. Loistelamppujen tapaan niissä ei ole hehkulankaa, vaan kaasumaisen elohopean ja ksenonin seos. Varsinkin pimeään aikaan ksenonlampun valo näyttää sinisemmältä kuin perinteinen ajovalo. Uusien autojen valoissa kaasupurkauslamput ovat syrjäyttäneet lähes kokonaan aikaisemmin käytössä olleet tavalliset hehkuja halogeenilamput, koska ne ovat kirkkaammat ja rasittavat silmiä vähemmän kuin perinteiset valot. 16 JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Kaikilla halogeeneilla on uloimmalla kuorella seitsemän elektronia. Koska elektronioktetista puuttuu vain yksi elektroni, kaikki halogeenit ovat erittäin aktiivisia alkuaineita. Kaikkein aktiivisin halogeeneista on jaksollisessa järjestelmässä ylimpänä oleva fluori. Reaktiokyky heikkenee siirryttäessä ryhmässä alaspäin. Halogeenit ovat fluori, kloori, bromi, jodi ja astatiini. Alkalimetalleilla on vain yksi ulkoelektroni. Halogeenien tapaan myös ne ovat erittäin aktiivisia, koska nekin ovat yhden elektronin päässä elektronioktetista. Erityisen herkästi alkalimetallit reagoivat halogeenien kanssa luovuttaen niille ylimääräisen ulkoelektroninsa. Alkalimetallien ryhmään kuuluvat alkuaineet ovat (vety), litium, natrium, kalium, rubidium, cesium ja frankium. Jalokaasut ovat hyvin passiivisia alkuaineita. Syynä tähän on se, että jalokaasuilla on uloimmalla elektronikuorella oktetti jo valmiina. Jalokaasut ovat helium, neon, argon, krypton, ksenon ja radon. Jaksollisen järjestelmän pääryhmiä merkitään joko roomalaisin numeroin I VIII tai IUPACin suosittelemalla tavalla 1,, 13, 14, 15, 16, 17 ja 1. Pääryhmien lisäksi järjestelmässä ovat sivuryhmät (IUPACin mukaiset ryhmät 3 1) sekä harvinaisten maametallien ryhmä, lantanoidit, ja radioaktiivisia metalleja sisältävä ryhmä, aktinoidit. Jaksollinen järjestelmä on kokonaisuudessaan oppikirjan sivulla 116. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ 17
Tehtävien vastaukset 1. Elektronikuoriksi. a) Atomin uloimmalla kuorella oleva elektroni b) Elektronikuoren rakenne, jossa on kahdeksan elektronia 3. a) Ulkoelektronien lukumäärän b) Käytössä olevien kuorten lukumäärän 4. a) kuorta. K-kuorella on ja L-kuorella 7 elektronia b) 3 kuorta. K-kuorella on, L-kuorella ja M-kuorella 1 elektronia c) 4 kuorta. K-kuorella on, L-kuorella, M-kuorella ja N-kuorella 1 elektronia. 5. Alkuaine kuuluu VI pääryhmään ja 3. jaksoon. Alkuaineella on 16 protonia ja 16 elektronia. Alkuaineen järjestysluku on 16. 6. Sen perusteella, millainen ulkokuoren rakenne atomilla on. Saman ryhmän alkuaineilla on yhtä monta ulkoelektronia. 7. a) b) c) 1. Alkalimetalleilla on yksi ulkoelektroni, halogeeneilla seitsemän. 9. Ne ovat erittäin passiivisia, koska niillä on oktetti valmiina (heliumilla elektronia). 10. a) Kloori b) Neon c) Kalium Havainnot ja toivotut päätelmät T3 Atomirakenteita A. Protonien Neutronien Elektronien B. Merkintä Alku aine lukumäärä lukumäärä lukumäärä 1 1 vety 1 0 1 14 6 hiili 6 6 F fluori 9 10 9 natrium 11 1 11 alumiini 13 14 13 kloori 17 1 17 kalium 19 0 19 kalsium 0 0 0 rauta 6 30 6 kupari 9 35 9 hopea 47 61 47 tina 50 69 50 kulta 79 11 79 elohopea 0 11 0 19 9 3 Na 11 7 Al 13 35 Cl 17 39 K 19 40 Ca 0 56 Fe 6 64 Cu 9 10 Ag 47 119 Sn 50 197 Au 79 01 Hg 0 Litium Boori Beryllium Hiili 1 JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ
Lisätehtäviä ja ongelmia Lisätutkimuksia Käsitekartta atomista Laaditaan käsitekartta atomista. Kartassa kuvataan atomin pääosat, perushiukkaset ja niiden varaukset sekä muita atomin ja sen osien ominaisuuksia. Käsitekarttaa koskevaa asiaa ja ohjeita kartan laatimisesta on Avain Kemia 1:n Opettajan aineistossa sivuilla 14 16. Jaksollisen järjestelmän luominen Rakennetaan yhdessä monistepohjana a sivulla 145 olevista alkuainekorteista jaksollinen järjestelmä. Pohditaan yhdessä, miten se rakentuu ja mitä yhteistä on eri pysty- ja vaakariveillä olevilla alkuaineilla. Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Fosfori (engl. phosphurus, saks. Phosphor, ruots. fosfor) on kolmanteen eli typpiryhmään kuuluva epämetallinen alkuaine, jonka järjestysluku on 15. Sen sulamispiste on 44 o C ja kiehumispiste 0 o C. Fosfori on hyvin reaktiivinen alkuaine, joten luonnossa sitä ei esiinny alkuaineena. Valkoinen ja punainen fosfori ovat fosforin allotrooppisia, fysikaalisesti erilaisia muotoja, joita fosforilla on tavattu kuusi erilaista. Erittäin myrkyllinen valkoinen fosfori muuttuu luonnossa hitaasti vähemmän myrkylliseksi punaiseksi fosforiksi. Pysyvin fosforin allotrooppinen muoto on vaikeasti valmistettava musta fosfori, jonka sulamispiste on 60 o C. 1. Millä nimellä sanotaan jaksollisen järjestelmän ryhmää, joka on äärimmäisenä a) vasemmalla b) oikealla? a) Alkalimetalleiksi b) Jalokaasuiksi. Ota selvää, mitkä alkuaineet kuuluvat a) alkalimetalleihin b) halogeeneihin c) jalokaasuihin. a) (Vety), litium, natrium, kalium, rubidium, cesium ja frankium b) Fluori, kloori, bromi, jodi ja astatiini c) Helium, neon, argon, krypton, ksenon ja radon Katso Lisätietoa ja kuvien tarkastelua sivulla 17. 3. Mitä ovat halogeenilamput? Ne ovat aikaisemmin erityisesti autojen ajovaloissa käytettyjä hehkulamppuja. Halogeenilampun sisällä on halogeenikaasua, joka estää hehkulangan palamisen poikki. Kun lämpötilaa voidaan kohottaa hehkulangassa, saadaan lamppu lähettämään kirkkaampaa ja valkeampaa valoa. 4. Mitä voit päätellä alkuaineesta, joka kuuluu a) ensimmäiseen pääryhmään b) kolmanteen jaksoon c) jalokaasuihin? a) Sen atomin ulkokuorella on yksi elektroni. b) Sen atomissa on elektroneja kolmella elektronikuorella. c) Sen atomin ulkokuorella on kahdeksan elektronia. 5. Ota selvää jaksollisen järjestelmän sivuryhmiin, harvinaisiin maametalleihin eli lantanoideihin tai radioaktiivisiin metalleihin eli aktinoideihin kuuluvista alkuaineista. Apuna aineiden etsimisessä voit käyttää oppikirjan sivulla 116 olevaa alkuaineiden jaksollista järjestelmää. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ 19
Välineet ja aineet kuparisulfaattia, CuSO 4 lyijyasetaattia, (CH 3 COO) Pb natriumhydroksidia, NaOH natriumjodidia, NaI spriitä (etanolia) bensiiniä asetonia ruokasuolaa, NaCl seuraavia metalleja sisältäviä suoloja, esimerkiksi klorideja: litiumkloridia, bariumkloridia, kalsiumkloridia, kuparikloridia, kaliumkloridia ja natriumkloridia 3. Ionisidos Johdantodemo / Ennakkokäsityksien kartoitus Alumiinijodidin synty Opettaja ottaa puoli teelusikallista jodia ja teelusikallisen alumiinijauhetta posliinihuhmareeseen ja hiertää ne varovasti sekaisin. Huhmare viedään sen jälkeen vetokaappiin ja tiputetaan seoksen päälle pari pisaraa vettä. Hetken kuluttua alkaa voimakas kemiallinen reaktio, jossa syntyy uutta ionirakenteista yhdistettä, alumiinijodidia. Keskustellaan johdantodemon ja kemian ensimmäisessä kurssissa syntyneen mielikuvan pohjalta alkuaineiden reaktioista. Oppilaiden ennakkokäsityksiä aiheesta voi kartoittaa oppikirjan sivulla 0 olevien kysymysten ohella esimerkiksi seuraavilla kysymyksillä: Mikä saa kaksi ainetta reagoimaan keskenään? Mitä atomeille tapahtuu kemiallisessa reaktiossa? Miksi toiset alkuaineet ovat aktiivisempia kuin toiset? Mistä syntyvät mainosvalojen tai ilotulitteiden erilaiset värit? Mitä ruokasuolan kemiallinen nimi, natriumkloridi, kertoo aineesta? Tavoitteet Oppilas ymmärtää alkuaineen ja kemiallisen yhdisteen eron tietää, että atomeilla on pyrkimys saada ulkokuorelle elektronioktetti osaa erottaa toisistaan atomin ja ionin tuntee ioniyhdisteen muodostumisperiaatteen tietää, että kemiallisella yhdisteellä on kaava ja nimi tuntee ioniyhdisteen kaavan muodostamisperiaatteen osaa muodostaa ioneista kemiallisia yhdisteitä ja nimetä ne ymmärtää, mitä elektroneille tapahtuu kemiallisessa reaktiossa, jonka tuloksena on ioniyhdiste. 0 IONISIDOS
Havainnot ja toivotut päätelmät T1 Sakkakokeita Kun natriumhydroksidia lisätään lyijyasetaattia sisältävään koeputkeen, nähdään valkea hyytelömäinen saostuma. Kun natriumjodidia lisätään lyijyasetaattia sisältävään koeputkeen, nähdään kirkkaan keltainen saostuma. Kun natriumhydroksidia lisätään kuparisulfaattia sisältävään koeputkeen, nähdään sininen saostuma. Kun natriumjodidia lisätään kuparisulfaattia sisältävään koeputkeen, ei tapahdu reaktiota. Kun aineita yhdistetään, voi syntyä uusia aineita. Uusien aineiden syntyminen voidaan nähdä esimerkiksi saostumisena. T on seuraavalla sivulla. T3 Ruokasuolan liukoisuus Liuotin vesi sprii bensiini asetoni Liukoisuus (liukenee/ei liukene) liukenee ei liukene ei liukene ei liukene Toteuttamisvihjeitä Ioniyhdisteiden havainnollistamiseen on luontevaa käyttää piirrosmalleja ja kaavakuvia (katso kaavio oppikirjan sivulla 5 ja kalvopohjat sivulla 155). Yhdisteiden muodostumista voidaan havainnollistaa myös roolileikeillä, joissa oppilaat ovat ioneja. Mikäli ioniyhdisteitä halutaan käsitellä syvällisemmin, kannattaa aiheen käsittelyyn varata kaksi kaksoistuntia. Ioniyhdisteitä muodostettaessa kannattaa käydä läpi atomiryhmästä muodostavan ionin merkintä sulkeisiin, esimerkiksi Ca(OH). Katso lisätietoa ja kuvien tarkastelua sivulla 4. T1 Sakkakokeita Koeputkissa olevia ioniyhdisteitä ja uusien ioniyhdisteiden muodostumista voi havainnollistaa käyttämällä oppikirjan sivuilla 3 ja 5 olevien mallien mukaisia piirrosmalleja. T Erilaisia elektronirakenteita Tarkistukseen voi käyttää myös oppikirjan sivulla 16 olevaa kuvaa jaksollisen järjestelmän muodostamisesta. T4 Liekkireaktioita Tutkimuksessa voidaan käyttää joko metallia sisältäviä kiinteitä suoloja tai liuoksia. Parhaiten liekit värjäytyvät metallien kloridisuoloista. IONISIDOS 1
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Natriumin tapaan kaikilla ensimmäisen ryhmän alkuaineilla on yksi ulkoelektroni. Oktetin ne saavuttavat helpoimmin luovuttamalla ulkoelektroninsa pois, jolloin niistä tulee positiivisia ioneja. Hapella puolestaan on uloimmalla elektronikuorella kuusi elektronia, joten se tarvitsee kaksi elektronia päästäkseen oktettiin. Kun happiatomi saa oktetista puuttuvat elektronit, siitä tulee negatiivinen ioni. Kemialliseen reaktioon, jossa syntyy ioniyhdistettä, tarvitaan elektronien luovuttaja (positiivinen ioni) ja vastaanottaja (negatiivinen ioni). Ionien välinen sähköinen vetovoima liittää ionit toisiinsa. Ensimmäisten ryhmien alkuaineilla (metalleilla) on vähän ulkoelektroneja, joten ioneina ne ovat positiivisia. Viimeisten ryhmien alkuaineilla (epämetalleilla) taas oktetista puuttuvia elektroneja on vähän, joten ioneina ne ovat negatiivisia. T Erilaisia elektronirakenteita Litium Typpi Fluori Magnesium Fosfori Argon Kalium Hiili Alumiini Kloori Alkuaine Kemiallinen merkintä Elektronien lukumäärä Elektronikuorien lukumäärä Ulkoelektronien lukumäärä litium Li 3 1 typpi N 7 5 fluori F 9 7 magnesium Mg 1 3 fosfori P 15 3 5 argon Ar 1 3 kalium K 19 4 1 hiili C 6 4 alumiini Al 13 3 3 kloori Cl 17 3 7 Eri alkuaineiden atomeilla on kaikilla eri määrä elektroneja. Joillakin atomeilla on käytössä sama määrä elektronikuoria ja joillakin atomeilla on yhtä monta elektronia uloimmalla kuorella. IONISIDOS
Oheismateriaali 3a Ioni, s. 15 3b Tavallisimpia ioneja, s. 153 3c Ionisidos ja ioniyhdiste, s. 154 3d Ioniyhdisteen muodostaminen, s. 155 3e Atomin virittyminen ja virityksen purkautuminen, s. 156 Tehtäväkirja s. 11 14 http://www.otava.fi Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Jotta alkuaineiden välille syntyisi ioniyhdiste, tarvitaan alkuaine, joka luovuttaa helposti elektroninsa, ja alkuaine, joka ottaa sen vastaan. Natrium ja kloori ovat tällainen pari. Toisella on yksi elektroni liikaa ja toiselta se puuttuu. Kun elektroni siirtyy kuvan mukaisesti natriumilta kloorille, syntyy erimerkkiset ionit, joiden välinen sähköinen vetovoima liittää ne toisiinsa natriumkloridiksi NaCl. Kiinteä natriumkloridi eli ruokasuola muodostuu kuvan mukaisista, lähelle toisiaan pakkautuneista ioneista. Ionien välinen vetovoima pitää erimerkkiset ionit kiinni toisissaan. Natriumkloridi, kuten muukin ioniyhdiste, ei ole vain yhdestä positiivisesta ja yhdestä negatiivisesta ionista muodostuva rakenne, vaan kidehila, jossa joka toinen hiukkanen on natriumioni ja joka toinen kloridi-ioni. Ioniyhdisteiden kiteet ovat usein hyvin säännöllisiä. Kiderakenne on aineelle ominainen. Joillakin yhdisteillä se on kuutio, joillakin teräväkulmainen särmiö tai muu geometrinen rakenne. Syynä tähän on se, että kullakin ionilla on oma paikkansa, johon se pyrkii asettumaan. Kun suuri joukko ioneja on asettunut paikoilleen, syntyy suoria pintoja, jotka ovat tietyssä kulmassa toisiinsa nähden. Mitä hitaammin aine saa kiteytyä, sitä suurempia ja säännöllisempiä kiteistä tulee. IONISIDOS 3
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Osa taulukon ioneista on moniatomisia ioneja. Ne ovat atomiryhmiä, jotka ovat luovuttaneet tai vastaanottaneet elektroneja. Tällaisia moniatomisia ioneja ovat esimerkiksi NH 4+, NO 3, OH, SO 4 ja CO 3. Jos yhdisteessä on useita tällaisia ryhmiä, ne merkitään sulkeisiin. Esimerkiksi Ca(OH) muodostuu yhdestä kalsiumionista Ca + ja kahdesta hydroksidi-ionista OH. 4 IONISIDOS
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Magnesiumin ja hapen välillä on ionisidos. Magnesiumilla on kaksi ylimääräistä elektronia, jotka se luovuttaa helposti hapelle. Reaktion tuloksena syntyy ioniyhdistettä, magnesiumoksidia MgO. Magnesiumoksidi on vaaleanharmaata, haurasta ainetta. Sitä syntyy, kun magnesiummetalli palaa. Katso kuva oppikirjan sivulla 6. Sivulla 0 olevassa kuvassa kellonlaseilla on viisi erilaista ioniyhdistettä eli suolaa. Etuvasemmalla on tavallista ruokasuolaa NaCl. Myötäpäivään kierrettäessä seuraavissa näytteissä on rauta (II) sulfaattia FeSO 4, rauta (III) sulfaattia Fe (SO 4 ) 3, kuparisulfaattia CuSO 4 ja kuparikarbonaattia CuCO 3. Suolassa oleva metalli-ioni saa aikaan suolalle tunnusomaisen värin. IONISIDOS 5
Havainnot ja toivotut päätelmät T4 Liekkireaktioita Liekin värien perusteella näytteet sisältävät taulukon mukaisia metalleja. Metalli-ioni antaa liekille tunnusomaisen värin, jonka perusteella metalli voidaan tunnistaa. Esimerkiksi hätä- ja ilotulitusrakettien värit saadaan lisäämällä niihin tiettyjä metalleja sisältäviä suoloja. Tehtävien vastaukset 1. Oktetti. Ioni 3. Suola tai suolat 4. Esimerkiksi natriumkloridi eli ruokasuola NaCl, magnesiumoksidi MgO ja kaliumbromidi KBr 5. Kun atomi luovuttaa toiselle atomille yhden tai useampia elektroneja, sähköinen vetovoima liittää syntyneet erimerkkiset ionit toisiinsa. 6. a) Natriumioni b) Alumiini-ioni c) Ammoniumioni d) Kloridi-ioni e) Sulfaatti-ioni f) Hydroksidi-ioni 7. Otetaan ioneja sellaiset määrät, että ionivarausten summa on nolla. Ionien määrät merkitään kaavassa ionin perään alaindekseillä.. a) KI b) Na O c) CaCl d) CuSO 4 9. a) KCl b) CuO c) CaI d) Na S e) AlCl 3 f) Al S 3 10. a) Alumiinioksidi b) Hopeakloridi c) Kalsiumhydroksidi d) Kuparisulfaatti e) Sinkkinitraatti f) Kalsiumkarbonaatti. Jos yhdisteessä on useampi atomiryhmästä muodostunut ioni, ioni merkitään sulkeisiin. Lisätutkimuksia Ioniyhdisteiden muodostuminen Piirretään oppikirjan sivuilla 3 ja 5 olevien mallien mukaiset kaaviot seuraavien ioniyhdisteiden muodostumisesta: a) kaliumbromidi KBr b) magnesiumkloridi MgCl c) litiumfluoridi LiF d) natriumoksidi Na O. Ionien muodostamista Piirretään oppikirjan sivun 5 lopussa olevien mallien mukaiset kuvat seuraavien ioniyhdisteiden muodostumisesta: a) natriumkloridi NaCl b) kaliumoksidi K O c) magnesiumkloridi MgCl d) kalsiumoksidi CaO e) alumiininitraatti Al(NO 3 ) 3 f) kalsiumfosfaatti Ca 3 (PO 4 ). Apuna voi käyttää myös oppikirjan sivulla 4 olevaa taulukkoa. Ioninvaihtoreaktio Otetaan koeputkeen lusikankärjellinen kiinteää kaliumjodidijauhetta ja lisätään sen päälle saman verran jauhemaista lyijynitraattia. Ravistetaan koeputkea, jolloin seoksen havaitaan muuttuvan keltaiseksi. Syynä ilmiöön on aineiden välisessä ioninvaihtoreaktiossa syntyvä lyijyjodidi PbI. KI + Pb(NO 3 ) KNO 3 + PbI 6 IONISIDOS
Lisätehtäviä ja ongelmia 1. Mitä tarkoittaa atomin virittyminen ja virityksen purkautuminen? Atomin virittyessä elektroni siirtyy ulommalle elektronikuorelle. Virityksen purkautuessa elektroni palaa takaisin sisemmälle kuorelle. Katso oppikirjan sivulla 7 oleva teksti sekä Lisätietoa ja kuvien tarkastelua sivulla 7.. Mistä johtuu mainosvalojen väri? Väri johtuu mainosvalojen loisteputkien täytekaasuissa tapahtuvista energiamuutoksista, kun sähkövirta kulkee kaasun läpi. Kukin täytekaasu antaa sille ominaisen värin. Esimerkiksi neonin lähettämä valo on punaista, heliumin keltaista ja argonin punaviolettia. Katso Lisätietoa ja kuvien tarkastelua sivulla 16. 3. Muodosta ioneista Na +, K +, Mg +, Ca +, Al 3+, Cl, F, O ja S kaikki mahdolliset ioniyhdisteet (kaavat ja nimet). Vastaus: Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Cl F O S Litiumin ja kaliumin kauniit liekinvärit johtuvat niiden atomeissa tapahtuvista elektronien siirtymisistä niitä sisältäviä yhdisteitä kuumennettaessa. Kun elektronit siirtyvät takaisin sisemmille kuorille, näkyy kuvan mukaista litiumille ominaista punaista tai kaliumille ominaista violettia valoa. Eri metalleille ominaisia liekinvärejä on oppikirjan taulukossa sivulla 6. Litium on kevein metalli, jonka tiheys on vain puolet veden tiheydestä. Se on myös pehmeä metalli, joka reagoi veden ja hapen kanssa erittäin herkästi. Veden kanssa reagoidessaan se muodostaa litiumoksidia Li O ja vetyä H. Litiumin yhdisteet ovat ioniyhdisteitä. Litiumia käytetään muun muassa kännyköiden litiumioniakuissa. Na + K + Mg + NaCl Natriumkloridi KCl Kaliumkloridi MgCl Magnesiumkloridi Ca + CaCl Kalsiumkloridi Al 3+ AlCl 3 Alumiinikloridi NaF Natrium fluoridi KF Kaliumfluoridi MgF Magnesiumfluoridi CaF Kalsiumfluoridi AlF 3 Alumiinifluoridi Na O Natriumoksidi K O Kaliumoksidi MgO Magnesiumoksidi CaO Kalsiumoksidi Al O 3 Alumiinioksidi Na S Natriumsulfidi K S Kaliumsulfidi MgS Magnesiumsulfidi CaS Kalsiumsulfidi Al S 3 Alumiinisulfidi IONISIDOS 7
4. Kovalenttinen sidos ja metallisidos Välineet ja aineet kynttilöitä isoja lasiastioita ja -levyjä kuparisulfaattia, CuSO 4 Johdantodemo / Ennakkokäsityksien kartoitus Oppilaiden ennakkokäsityksiä aiheesta voi kartoittaa oppikirjan sivulla olevien kysymysten ohella esimerkiksi seuraavilla kysymyksillä: Mitä tarkoittaa merkintä H O? Mistä vesi koostuu? Miksi vesi H O ei ole alkuainetta, mutta vety H on? Ovatko ruokasuolan ja sokerin rakenneosaset samanlaisia? Mitä kemiallinen kaava kertoo aineesta? Mitä ominaisuuksia metalleilla on? Mitä tarkoittaa sähkönjohtokyky? Tavoitteet Oppilas tietää, millainen hiukkanen on molekyyli tuntee molekyylin ja molekyyliyhdisteen muodostumisperiaatteen tuntee kemiallisten yhdisteiden nimeämisen periaatteen osaa nimetä yleisimpiä kemiallisia yhdisteitä tuntee metallisidoksen muodostumisperiaatteen ja siitä johtuvia metallien ominaisuuksia ymmärtää ioni- ja molekyyliyhdisteen välisen eron ymmärtää, mitä elektroneille tapahtuu kemiallisessa reaktiossa, jonka tuloksena on molekyyliyhdiste. KOVALETTINEN SIDOS JA METALLISIDOS
Havainnot ja toivotut päätelmät T1 Kynttilän palamistuotteet A. Lasin pinnalle tiivistyy vesihöyryä. Kynttilän palaessa syntyy vettä. B. Kun kalkkivettä ravistellaan lasipurkissa, se samenee. Kalkkiveden samenemisen aiheuttaa purkissa oleva hiilidioksidi. Kynttilän palamistuotteet ovat vesi ja hiilidioksidi. T Kideveden toteaminen A. Kuparisulfaatti muuttuu kuumennettaessa harmaaksi. Koeputken suuosaan muodostuu vettä. B. Kun vettä lisätään harmaan kuparisulfaatin päälle sen väri muuttuu takaisin sinivihreäksi ja koeputki lämpenee samalla. Syynä ilmiöön on se, että kuumentamisessa kuparisulfaatista poistuu vettä. Tällainen kideveden poistaminen (rapautuminen) vaatii energiaa. Kun vettä lisätään rapautuneen kuparisulfaatin päälle, se saa takaisin kidevetensä, jolloin sitoutunut energia vapautuu lämpönä. Toteuttamisvihjeitä Useinkaan ei käytännössä ole kovin merkityksellistä se, millainen sidostyyppi kemiallisella yhdisteellä on. Merkittävin käytännön ero ioni- ja molekyyli yhdisteillä on vesiliuoksen sähkönjohtavuus. Opetuksessa kannattaa korostaa, että atomit voivat sitoutua toisiinsa joko niin, että elektroni(t) siirtyy kokonaan toiselle atomille (ionisidos) tai yhteisten elektronien avulla (kovalenttinen sidos). Ioniyhdisteiden vesiliuokset johtavat sähköä, molekyyliyhdisteiden vesiliuokset eivät. KOVALENTTINEN SIDOS JA METALLISIDOS 9
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Joskus molekyyli voi olla hyvinkin suuri. Tällaisia suurikokoisia molekyylejä sanotaan makromolekyyleiksi. Esimerkiksi selluloosa on makromolekyyli. Se koostuu pienemmistä molekyyleistä ja edelleen atomeista. Selluloosa on kasvin soluseinämien tukiaine, jonka pienempinä rakenneosasina ovat kuvan mukaiset sokerimolekyylit. Luonnossa selluloosaa on muiden muassa puussa, pellavassa ja puuvillassa. Kuvan vesijohtoverkostosta saatava juomavesi ei ole kemiallisesti aivan puhdasta vettä, vaan siinä on liuenneena vähäisiä määriä monia eri yhdisteitä, lähinnä erilaisia suoloja. Puhtaus juomaveden yhteydessä tarkoittaa, että vettä voidaan käyttää juomavetenä sellaisenaan. Kemiallisesti puhtainta vettä on tislattu vesi. Siitä suolat ja muut epäpuhtaudet on poistettu mahdollisimman tarkkaan. Tislattua vettä käytetään mm. akkuvetenä. 30 KOVALETTINEN SIDOS JA METALLISIDOS
Oheismateriaali 4a Molekyyli ja molekyyliyhdiste, s. 157 4b Vesimolekyyli, s. 15 4c Kaksiatomisia molekyylejä, s. 159 4d Yhdisteen nimi ja kaava, s. 160 4e Tuttuja yhdisteitä, s. 161 4f Metallisidos, s. 16 Tehtäväkirja s. 15 1 http://www.otava.fi Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Alkuainekaasut muodostavat kaksiatomisia molekyylejä, jolloin molekyyleissä olevat atomit saavat ulkokuorelleen kahdeksan elektronin rakenteen. Päästäkseen tähän molekyylin muodostavat atomit luovuttavat yhteiseen käyttöön yhden tai useampia elektroneja. Vetymolekyylissä molemmat vetyatomit antavat yhteiseen käyttöön yhden elektronin, jolloin molempien vetyatomien ainoalla kuorella on kaksi elektronia eli kuori on täysi. Vedyn tapaan myös klooriatomien välillä on yksi yhteinen elektronipari. Kuten tekstissä olevasta kaaviosta näkyy, happimolekyylissä yhteisiä elektronipareja on kaksi ja typpimolekyylissä kolme. KOVALENTTINEN SIDOS JA METALLISIDOS 31
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Tekstissä ja kuvatekstissä kerrotaan, että hiili muodostaa kaksi erilaista happiyhdistettä hiilidioksidin CO ja hiilimonoksidin eli häkäkaasun CO. Häkäkaasu on vaarallinen myrkky, jota syntyy, jos hiili palaa epätäydellisesti. Hengitettynä se aiheuttaa häkämyrkytyksen, joka voi johtaa kuolemaan. Häkämyrkytys oli uunilämmityksen aikaan yleistä. Monessa tapauksessa häkämyrkytys johti myös kuolemaan ja varsinkin, jos se yllätti yöllä. Tällöin uunia oli lämmitetty iltaisin ja suurimpien puiden palettua uunin pelti suljettiin yöksi. Jos uunin pelti suljetaan liian aikaisin, ilma ei pääse kiertämään uunin läpi ja hehkuvien hiilien palaminen jää epätäydelliseksi. Palamistuotteena syntyvä hiilimonoksidi ei pääse hormiin, vaan leviää huoneeseen. Koska se on hajutonta ja väritöntä, sitä on vaikea havaita. Usein häkäkaasu havaitaankin vasta ensimmäisistä myrkytysoireista. 3 KOVALETTINEN SIDOS JA METALLISIDOS
Lisätietoa ja kuvien tarkastelua Metallisidos syntyy, kun kaikki metalliatomit luovuttavat 1 3 elektronia yhteiseen käyttöön niin sanotuiksi sidoselektroneiksi. Metallisidoksessa on siis positiivisia metalli-ioneja ja yhteisessä käytössä olevia elektroneja, jotka pääsevät liikkumaan vapaasti metallissa. Monet metallin ominaisuudet, kuten muokattavuus, hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky sekä metallinkiilto, johtuvat metallisidoksesta. Esimerkiksi muokattavuus on selitettävissä siten, että metalli-ionit voivat vaihtaa paikkaansa rakenteen särkymättä. KOVALENTTINEN SIDOS JA METALLISIDOS 33
Tehtävien vastaukset 1. Vähintään kahden atomin muodostama yhteenliittymä, atomiryhmä. Elektronien välityksellä 3. Ottamalla vastaan yhden elektronin 4. Metallisidos 5. Liittyessään toisiinsa ne kaikki saavat oktetin. 6. a) Yhden b) Kahden c) Kolmen 7. Hiilidioksidissa CO yhteen hiiliatomiin on liittynyt kaksi happiatomia, hiilimonoksidissa CO yksi happiatomi.. Esimerkiksi vesi H O, sokeri C 6 H 1 O 6 ja hiilidioksidi CO 9. Atomit muodostavat yhden tai useamman yhteisen elektroniparin. 10. Näin niiden atomit pääsevät oktettiin. 11. a) CO b) N O c) SO 3 d) CO 1. a) Rikkihappo b) Sokeri c) Ammoniakki d) Typpihappo e) Ruokasuola f) Suolahappo 13. Metallisidos on metalliatomien välinen sidos, jossa lähellä toisiaan olevat metalliatomit luovuttavat ulkoelektroninsa yhteiseen käyttöön. Nämä yhteiset elektronit saavat aikaan metalleille tyypillisiä ominaisuuksia, kuten lujuus ja sitkeys sekä hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky. Metalleilla on myös korkeat sulamis- ja kiehumispisteet. Katso myös Lisätietoa ja kuvien tarkastelua sivulla 33. Lisätutkimuksia Alkuaineiden sähkönjohtavuus Tutkitaan pariston, lampun, elektrodien ja johtimien avulla eri alkuaineiden sähkönjohtokykyä. Kun sähkönjohtavuuden tutkimiseen käytetään hehkulamppua, voi vetenä käyttää tavallista vettä. Sen sähkönjohtavuus on niin pieni, että se ei saa hehkulamppua syttymään. Suolaveden avulla lamppu saadaan jo palamaan. Alkuaineina käytetään esimerkiksi rautaa, rikkiä, alumiinia, hiiltä, kuparia, jodia ja fosforia. Metallien todetaan johtavan sähköä, mutta epämetallien olevan eristeitä. Epämetalleista myös grafiittimuodossa oleva hiili johtaa jonkin verran sähköä. Molekyylien malleja Piirretään oppikirjan sivuilla 30 31 olevien mallien mukaisesti kaaviot seuraavien molekyylien muodostumisesta: a) vetymolekyyli H b) hiilidioksidimolekyyli CO c) kloorimolekyyli Cl d) vetykloridimolekyyli HCl. 34 KOVALETTINEN SIDOS JA METALLISIDOS