KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä Kertausta 1.kurssista Hiilen isotoopit 1
Isotoopeilla oli ytimessä sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja. Ne käyttäytyvät kemiallisissa reaktioissa samankaltaisesti. Massaluku A kertoo protonien ja neutronien yhteismäärän ja se kirjoitetaan alkuaineen kemiallisen merkin vasempaan yläkulmaan, kun taas järjestysluku Z vasempaan alakulmaan. Ole tarkkana mikä numero missäkin ylä- tai alakulmassa tarkoittaa! Ratkaisu Saman alkuaineen atomeilla on sama järjestysluku. Samoja ovat: 69 Q 34 ja 72 34 Q Ratkaisu 69 Yhtä monta neutronia on Q 68 :lla ja Q 34 33 :lla. Neutronien lukumäärä lasketaan massaluvun ja järjestysluvun erotuksena eli atomeissa on neutroneja seuraavasti: sekä 69 Q 33 ja 68 33 Q Molekyyliyhdisteet ja ioniyhdisteet. Epämetalleista kovalenttisin sidoksin rakentuvia yhdisteitä kutsutaan molekyyleiksi. Homogeeninen eli tasakoosteinen aine ja heterogeeninen eli sekakoosteinen seos. Homogeeninen seos on liuos (s,l tai g). Aineen olomuodon muutos on fysikaalinen ilmiö ei kemiallinen. 2
Aine koostuu rakenneosista, jotka voivat olla atomeja, ioneja tai molekyylejä. Rakenneosia sitoo yhteen sähköinen vuorovaikutus eli kemiallinen sidos. Kiteinen aine Aine, jonka rakenneosat ovat järjestäytyneet tiettyyn kolmiulotteiseen asemaan toistensa suhteen. Kiteisellä aineella on tarkka sulamispiste. Kiteinen piidioksidi SiO 2 (kvartsi) Amorfinen SiO 2 (lasi) Amorfinen aine Kiinteältä näyttävä aine, jolla ei ole tarkkaa kiderakennetta eikä sulamispistettä, joten se pehmenee vähitellen lämmitettäessä. 3
Kovalenttinen sidos. Atomeja liittää yhteen yhteinen sidoselektronipari. Kaksoissidoksessa on kaksi ja kolmoissidoksessa kolme yhteistä elektroniparia. Pooliton kovalenttinen sidos. Poolittomassa kovalenttisessa sidoksessa sitoutuneet atomit vetävät yhteisiä sidoselektroneja yhtä voimakkaasti puoleensa. Ionisidos. Kun elektronegatiivisuus arvojen erotus on yli 1,7 on sidoksen ioniluonne yli 50% ja puhutaan ionisidoksesta. HUOM! Ionisidos syntyy vain metallien ja epämetallien välille. Eli vaikka HF:llä elektronegatiivisuusarvojen ero on 1,9 > 1,7 niin kyseessä ei ole ionisidos vaan kovalenttinen hyvin poolinen sidos! Molekyylin poolisuus Sidosten poolisuuden lisäksi pitää tarkastella molekyylin symmetriaa (raken.) δ O H δ + χ O = 3,5 χ H = 2,1 χ = 3,5 2,1 = 1,4 Aineen ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät Aineen rakenneosasten väliset heikot sidokset, niiden voimakkuus sekä rakenneosasten koko ja muoto vaikuttavat aineen sulamis- ja kiehumispisteisiin. 4
Muoto vaikuttaa dispersiovoimien eli van der Waals voimien suuruuteen molekyylien välillä. Pätee yleissääntö: Pooliset aineet liukene-vat parhaiten poolisiin kuten veteen, poolit-tomat johonkin poolittomaan liuottimeen kuten bensiiniin. 5
Kemiallinen merkki on lyhyt, latinalaisia aakkosia käyttävä merkintätapa alkuaineille, esim. H tarkoittaa vetyä. Kemiallinen kaava (tai vain kaava) on kemiallisten merkkien ja alaindeksien kokoelma, joka kuvaa aineiden koostumuksen, esimerkiksi vetykaasu H 2. Suhdekaava eli empiirinen kaava on yksinkertaisin kemiallinen kaava, joka ilmoittaa yhdisteessä olevien alkuaineiden keskinäiset suhteet, mutta ei atomien todellista lukumäärää, esimerkiksi C 3 H 6 O. Molekyylikaava ilmaisee molekyylissä olevien atomien todellisen lukumäärän, esimerkiksi C 3 H 6 O 2 = C 6 H 12 O 2. H H C H C O H Rakennekaava ilmaisee miten molekyylin atomit ovat sitoutuneet toisiinsa ja kuvaa molekyylin avaruusrakenteen. Kaavayksikkö on ioniyhdisteen kaavan ilmoittama pienin määrä tätä yhdistettä, esimerkiksi CaCl 2 Atomit koostuvat protoneista, elektroneista ja neutroneista Atomit koostuvat siis protoneista, elektroneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit kvarkeista. Kvarkit ja leptonit, joihin elektroni kuuluu, pidetään tällä hetkellä kaiken materian perushiukkasina. Atomien muodostumisessa on kyse sähkö eli sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta sekä ytimien kohdalla vahvasta vuorovaikutuksesta. Vuorovaikutukset Sähkömagneettinen vuorovaikutus, välittäjänä fotoni Vahva vuorovaikutus, välittäjänä gluoni Heikko vuorovaikutus, välittäjänä väli-bosoni Gravitaatio, välittäjänä gravitoni Kaikki muut ovat havaittuja, gravitonia ei CERN ja Higgs. Suurin osa atomin massasta on keskittynyt ytimeen Olemmeko vain ilmaa! 6
Hapettuminen ja pelkistyminen Määritelmä, yleisesti: Hapettuminen on elektronien luovuttamista ja pelkistyminen on elektronien vastaanottamista. Hiiliyhdisteiden hapettuminen (+O/ H)/pelkistyminen ( O/+H) : Primäärinen alkoholi ( OH-ryhmä hiiliketjun päässä) hapettuu ensin aldehydiksi ja sitten vielä karboksyylihapoksi. Sekundäärinen alkoholi ( OH-ryhmä hiiliketjun keskellä) hapettuu ketoniksi. Tertiäärinen alkoholi ja fenoli eivät hapetu. Protolysoituminen on protoninsiirtoreaktio Määritelmä: Happo on aine, joka voi luovuttaa vetyionin H + eli protonin ja vastaavasti emäs on aine, joka voi vastaanottaa protonin. (Tämä on Brønstedtin happo emäs määritelmä. Laajempi tapa olisi Lewisin happo-emäs määritelmä.) Määritelmä: Protolysoituminen tarkoittaa protonin luovuttamista ja vastaanottamista. Ne tapahtuvat aina samaan aikaan; Jos joku aine luovuttaa protonin, niin jokin toinen ottaa sen vastaan! 7
Protolyysireaktioita 8
9