Metallit materiaaleina kappale 4 1
Pääryhmien metallit Hapetusluvut samat kuin ryhmän numero (ulkoelektronien määrä) eli +I, +II ja +III Reaktiokyky kasvaa atomikoon kasvaessa Ionisoitumisenergia kasvaa ulkoelektronien määrän kasvaessa Esiintyvät luonnossa mineraaleina > Natrium, vuorisuola (NaCl) > Kalium, sylviini (KCl) > Magnesium, magnesiitti (MgCO 3 ) > Kalsium, kalsiitti (CaCO 3 ) > Alumiini, bauksiitti (Al 2 O 3 2H 2 O) 2
Metallien elektronirakenteita 3
4
Kova vesi Veden kovuudella tarkoitetaan sen sisältämien kalsium ja magnesiumsuolojen määrää. Mitä enemmän kyseisiä suoloja, sen kovempaa vesi on. Esim. sadevesi on pehmeää, koska siinä ei ole liuenneita mineraaleja. Suomessa kallioperä on yleensä hapanta ja maasto karua ja soista, ja vesi siksi pehmeää. Kovaa vettä tavataan Suomessa vain satunnaisesti (esimerkiksi Lohjalla, jossa on kalkkikiviesiintymä) 5
Kovan veden muodostumisreaktiot 6
Käyttöveden kovuus saattaa ilmetä: Veden jättäminä kalkkitahroina esimerkiksi pesutiloissa. Tukkeumina putkissa suolan saostuessa. (s. 69) Ns. kattilakivenä lämmönvaihtimissa ym. vesilaitteissa. Huonona pyykinpesutuloksena kovan veden sitoessa pesuainetta (pesuaineen annostelua lisättävä). > Mitä kovempaa vesi on, sitä enemmän saippuaa tarvitaan, jotta vesi saadaan vaahtoamaan ja pesemään kunnolla. Vedessä oleva kalsium muodostaa saippuan kanssa kalkkisaippuaa, joka ei pese, vaan saostuu. Saippuaa pitää lisätä, kunnes kaikki kalkki on sitoutunut ja saippua alkaa tehota likaan. 7
Saippua ja kovavesi Saippuaa valmistetaan rasvoista Rasvat ovat triglyseridien seoksia. Triglyseridit ovat estereitä, joiden alkoholikomponenttina on glyseroli. Glyserolin kaikki kolme OH ryhmää ovat esteröityneet rasvahappojen kanssa. Rasvahapot ovat pitkäketjuisia monokarboksyylihappoja, tavallisimmin steariini, palmitiini ja öljyhappoja. Triglyseridien esterihydrolyysi saadaan tapahtumaan lähes täydellisesti keittämällä niitä seoksessa, jossa on natriumhydroksidia NaOH. Esterin hydrolysoituessa vapautuu sekä glyserolia että rasvahappoja. Reaktiossa syntyneitä karboksyylihappojen Na suoloja sanotaan saippuaksi. Saippuan toiminta Kun saippua liukenee veteen, rasvahapon suolasta irtoavat kationi (Na + ) anioni RCOO. Näistä anioni toimii tensidinä eli pesevänä ainesosana. Sen pesuvaikutus perustuu siihen, että pitkä hiilivetyosuus anionissa on pooliton ja poolisuus on keskittynyt anionin pään karboksyyliryhmään. Poolinen pää suuntautuu vettä kohti, koska vesimolekyylit ovat poolisia, pooliton osuus taas suuntautuu poolittomia aineita, kuten rasvatahran triglyseridimolekyylejä kohti. Kuviossa rasvatahraan (kellertävä alue) on kulkeutunut saippuan anioneja. Ne ovat suuntautuneet poolittomalta osuudeltaan rasvatahran sisään. Poolinen pää on tahran ulkopuolella. Näin syntyy ulkopinnaltaan poolinen alue, josta irtoaa likahiukkasia vesimolekyylien pommituksen seurauksena. Likahiukkasen ympärille kertyneet anionit muodostavat negatiivisesti varautuneen kerroksen hiukkasen ympärille. Näin syntyy miselli, joka pysyy liuoksessa vesimolekyylien kertyessä sen ympärille. Misellit huuhtoutuvat veden mukana pois pestävästä kohteesta. 8
Kovan veden asteikko Veden kovuus ilmoitetaan asteikolla mmol / litra Ennen käytössä ollut saksalainen asteikko, jossa 1 dh aste vastaa 10 mg veteen liuenneita mineraalisuoloja Asteikko: 1 dh o = 0,178 mmol/l Erittäin pehmeä Pehmeä Keskikova Kova Erittäin kova 0,00 0,37 mmol/l = 0,0 2,1 dh 0,37 0,87 mmol/l = 2,1 4,9 dh 0,87 1,74 mmol/l = 4,9 9,8 dh 1,74 3,74 mmol/l = 9,8 21 dh yli 3,74 mmol/l = yli 21 dh o 9
Pääryhmien metallit raaka aineina Valmistetaan mineraaleista pelkistämällä vesiliuoksista tai sulatteista elektrolyyttisesti alkuainemetalliksi Esim. 2NaCl(l) 2Na(s) + Cl 2 (g) Eniten valmistetaan alumiinia, magnesiumia ja natriumia 10
Metallit biokemian aineina Kalium ja natrium > toimivat solunesteiden sähkötasapainon ylläpitäjinä elimistössä Magnesium > hermosolut, lihastoiminta ja entsyymit Kalsium (eniten elimistössä) > luusto, veren hyytyminen, lihastoiminta 11
Sivuryhmien metallit Saadaan malmeista rikastamalla näillä metalleilla elektroneja d tai f orbitaaleilla 12
Siirtymäalkuaineet = d lohkon metallit, jotka muodostavat ainakin yhden ionin, jolla osittain täyttynyt d orbitaali Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu > Yhdisteet värillisiä (virittyminen) > Kompleksinmuodostajia > katalyyttejä Esim. Cu 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 9 Fe 3+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 13
Siirtymäalkuaineiden värillisiä yhdisteitä 14
Kompleksiyhdiste[CoCl 2 (NH 3 ) 4 ] + Keskusatomi yleensä siirtymäalkuaine (Co) Ligandina molekyyli tai ioni, jolla vapaita ulkoelektroneja (Cl ja NH 3 ) Koordinaatioluku kertoo kuinka moneen ligandiin keskusatomilla on sidos (6) 15
16
Kompleksiyhdiste demona kuparisulfaatti + ammoniakki nikkelisulfaatti + ammonikki rauta(iii)nitraatti + kaliumtiosyanaatti [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ [Ni(NH 3 ) 6 ] 2+ [Fe(SCN)] 2+ tetra amiinikupari(ii) ioni heksa amiininikkeli(ii) ioni tiosyanaattorauta(iii) ioni 17
Epämetallit ja niiden keskeistä kemiaa Kappale 5 18
19
Epämetallit Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet poikkeavat metallien ominaisuuksista: > Alhaisemmat sulamis ja kiehumispisteet > Eivät johda sähköä (poikkeus grafiitti) > Pehmeämpiä ja alhaisempi tiheys > Suurempi elektronegatiivisuus kuin metalleilla (pelkistyvät eli vastaanottavat elektroneja) 20
Typpi, N Ilmasta 78 til % Kolmoissidoksellisen typpimolekyylin sidosenergia (994 kj/mol) otetaan hyötykäyttöön esim. räjähdysaineissa Tärkeimmät typen yhdisteet ovat ammoniakki ja typpihappo > Ammoniakkia valmistetaan typpi ja vetykaasusta Haber Bosch menetelmällä > Typpihappoa valmistetaan ammoniakista Ostwaldin menetelmällä 21
Ammoniakin käyttökohteita 22
Typpihappo HNO 3 Käytetään > lannoiteteollisuudessa (ammoniumnitraatin valmistukseen) > lääkkeiden, > väriaineiden, > räjähdysaineiden valmistuksessa 23
Typen oksidit, NO ja NO 2 Ilmakehässä liikenteen päästöinä Happamoittaa sadevettä liuetessaan siihen (hapan laskeuma, happosade) > Vaurioittaa kasvillisuutta > Lisää maaperän happamuutta Pahimmillaan muodostaa fotokemiallista sumua 24
Happi O 2 ja otsoni O 3 Ilmakehässä n. 21 til % Veteen liuenneena n. 3 til % Maankuoren yleisin alkuaine n. 50 m % Ihmiskehon yleisin alkuaine n. 65 m % Voimakkaita hapettimia, reaktiivisia 25
Oksidit Happi muodostaa muiden alkuaineiden kanssa helposti oksideja Epämetallioksidit ovat veteen liuetessaan happamuuden aiheuttajia > Esim. rikkidioksidista muodostuu rikkihappoa Metallioksidit yleensä emäksisiä vesiliuoksina > esim. kalsiumoksidista muodostuu kalsiumhydroksidia 26
Rikin oksidien happamuus 27
Rikkioksidin happamuuden tutkiminen 28
Kalsiumoksidin emäksisyyden tutkiminen 29
Hapen valmistusmenetelmiä 1. Vetyperoksidia hajottamalla hapeksi ja vedeksi > soluissa tähän oma peroksidaasi entsyymi 2. Hajottamalla vettä elektrolyysillä hapeksi ja vedyksi (Hoffmanin laitteisto) 30
Vety Orgaanisissa molekyyleissä ja vedessä Hyvä pelkistin (metallin valmistus oksidista) Rasvojen kovetin Tulevaisuuden energialähde Voidaan valmistaa:, hydraus, ongelma: räjähdysherkkyys >varastointi > hajottamalla vettä elektrolyyttisesti (Hoffmanin laite > Metallien (esim. Pb,Sn,Ni,Zn) ja happojen reaktiolla > Aktiivisten metallien (alkalimetallit) reaktiolla veden kanssa 31
Vedyn valmistus ja käyttö energialähteenä 32
Fosfori, P Yleisin fosforia sisältävä mineraali on apatiitti CaF 2 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Alkuaineena esiintyy yleisimmin kahdessa eri allotrooppisessa muodossa, valkoisena ja punaisena fosforina (P 4 ) Käytetään lannoitteissa, pesuaineissa > Aiheuttaa vesistöjen rehevöitymistä 33
Rikki Luonnossa myös vapaana alkuaineena Useita allotroopisia muotoja, tavallisin S 8 Yleisimmät yhdisteet ovat sulfideja, S 2 Fossiilisissa polttoaineissa! > muodostuu rikin oksideja polttoaineen palaessa > muuttavat sadeveden happamaksi Rikkihappo tärkein rikin teollisista yhdisteistä 34
Rikkihapon muodostuminen sadevesiin 35
36