Leena Turpeenoja 4 KE4 Materiaalit ja teknologia HELSINGISSÄ KUSTANNUSOSAKEYHTIÖ OTAVA
otavan asiakaspalvelu Puh. 09 156 6800 asiakaspalvelu@otava.fi tilaukset Kirjavälitys Oy Puh. 010 345 1580 kvtilaus@kirjavalitys.fi 1. painos 2017 Leena Turpeenoja ja Kustannusosakeyhtiö Otava toimitus: Suvi Salo piirrokset: Aki Scharin ja Suvi Salo kannen kuva: Getty Images graafinen suunnittelu ja taitto: Aki Scharin ja Ville Repo valokuvat: s. 184 digitaalisen aineiston kuvaukset: Hannu Huhtamo demonstraatiot: Leena Turpeenoja ja Suvi Salo kopiointiehdot Tämä teos on oppikirja, joka on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Tämän teoksen tai sen osan valokopiointi, skannaaminen tai muu digitaalinen kopiointi tai käyttö edellyttää oikeudenomistajan luvan. Kopiosto ry myöntää teosten osittaiseen kopiointiin lupia. Opetus- ja kulttuuriministeriö on hankkinut muun muassa peruskouluille, lukioille ja ammatillisille oppilaitoksille luvan valokopioida julkaisuja opetus- ja tutkimuskäyttöä varten. Teoksen tai sen osan muuntelu on kielletty. Lisätietoja luvista kopiosto.fi. ISBN 978-951-1-29431-3
kirjan käyttäjälle Mooli 4 Materiaalit ja teknologia sisältää lukion kemian opetussuunnitelman (2016) KE4-kurssin tavoitteiden ja sisältöjen mukaisen aineiston. Kurssi on yksi kemian syventävistä kursseista. Kurssin keskeisinä teemoina ovat kemian merkitys teknologiassa ja yhteiskunnassa sekä erilaisten materiaalien ominaisuudet, käyttö ja elinkaari. Kurssilla tutustutaan muun muassa metallien ja polymeerien kemiaan sekä sähkökemian sovelluksiin. Kokeellisuus eri muodoissaan sekä tutkimustulosten käsitteleminen, tulkitseminen ja esittäminen ovat tälläkin kurssilla harjoiteltavia taitoja. Lisäksi perehdytään tutkimussuunnitelman tekoon sekä kehitetään ongelmanratkaisutaitoja. Kemiallisten reaktioiden laskennallisia taitoja syvennetään KE3-kurssin pohjalta. Tieto- ja viestintäteknologiaa hyödynnetään tiedonhankinnassa ja erilaisten tuotosten muodostamisessa. Kiitos Jussi Tahvanaiselle tehtävien tarkistamisesta ja filosofian maisteri Johanna Puukilaiselle käsikirjoituksen kommenteista. Kiitokset myös Otavan kirjasäätiölle työn tukemiseen myönnetystä apurahasta. Kuopiossa huhtikuussa 2017 Leena Turpeenoja
SISÄLLYS materiaalit ja teknologia 6 Kivikirveestä keinoihoon 7 Mitä on nanoteknologia? 8 Materiaalit ja tuotteen elinkaari 10 Suomen teknologiateollisuus 11 KE4-kurssin tavoitteet ja sisältö 12 Vinkkejä kurssin opiskeluun 12 Oppikirjassa käytetyt symbolit 13 Ota selvää! 14 Kertaa oppimaasi! 14 1 jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna 19 1.1 Ulkoelektronirakenne ja metalliluonne 20 Harjoittele! 23 2 hapettumispelkistymisreaktiot ja sähkökemia 43 2.1 Hapetusluku ja reaktioyhtälöiden tasapainottaminen 44 Harjoittele! 51 2.2 Spontaanit hapettumispelkistymisreaktiot 54 Harjoittele! 62 2.3 Sähkökemialliset parit virtalähteinä 64 Harjoittele! 74 2.4 Elektrolyysi pakotettu hapettumispelkistymisreaktio 77 Harjoittele! 86 1.2 Elektronegatiivisuus ja sidoksen luonne 24 Harjoittele! 26 1.3 Atomin ja ionin koko 27 Harjoittele! 33 Harjoittele lisää! 89 3 reaktiosarja- ja seoslaskut 93 1.4 Oksidien happo-emäsluonne 35 Harjoittele! 38 Harjoittele lisää! 39 3.1 Reaktiosarjojen laskennallinen käsittely 94 Harjoittele! 97 3.2 Seosreaktioiden laskennallinen käsittely 99 Harjoittele! 105 Harjoittele lisää! 107
4 erilaisia materiaaleja 109 Tutki ja kokeile! 168 4.1 Metallit materiaaleina 110 Harjoittele! 118 4.2 Siirtymämetallien erityisominaisuuksia 122 Harjoittele! 128 4.3 Keraamit ja komposiitit 132 Harjoittele! 136 Harjoittele lisää! 137 5 polymeerit 143 5.1 Erilaisia polymeerejä 144 Harjoittele! 147 5.2 Synteettiset polymeerit 148 Harjoittele! 153 5.3 Polymeroitumisreaktiot 155 Harjoittele! 162 Harjoittele lisää! 165 Työ 1. Aineiden ominaisuudet ja jaksollinen järjestelmä 168 Työ 2. Alkuaineiden reaktiivisuus tee tutkimussuunnitelma! 168 Työ 3. Metallien jännitesarja 169 Työ 4. Erilaisia hapettumispelkistymisreaktioita 170 Työ 5. Sähköparin lähdejännite 171 Työ 6. Erilaisia elektrolyysejä 172 Työ 7. Galvaanisen kennon lähdejännite tee tutkimussuunnitelma! 173 Työ 8. Hypokloriittipitoisuuden määrittäminen 174 Työ 9. Kupari(II)oksidin valmistus reaktiosarjalla 175 Työ 10. Mineraalitutkimus 176 Työ 11. Metallien korroosio tee tutkimussuunnitelma! 178 Työ 12. Messingin koostumuksen määrittäminen 178 Työ 13. Cu 2+ -ionipitoisuuden määrittäminen 180 Työ 14. Veden rautaionipitoisuuden määrittäminen 181 Työ 15. Tutkitaan polymeerejä 182 Työ 16. Valmistetaan polymeerejä 182 Kuvalähteet 184 Keskeisiä käsitteitä 185 Hakemisto 188 Tehtävien vastaukset 190 Jaksollinen järjestelmä 212
materiaalit ja teknologia 6
kivikirveestä keinoihoon Ihmiskunnan historiassa eri aikakausia on nimetty muun muassa sen mukaan, millaisia materiaaleja on ollut käytettävissä. Kivikaudella työkaluja valmistettiin kivestä, puusta ja luista. Lisäksi käytössä olivat savi ja eläinten nahat. Ensimmäinen tunnettu metalli oli kupari, jota hyödynnettiin Lähiidässä noin 6 000 eaa. Noin 3 000 vuotta myöhemmin opittiin hyödyntämään pronssia, joka on kuparin ja tinan seos. Tällöin elettiin pronssikauden aikaa. Rautakaudella työkalut ja aseet valmistettiin raudasta, jota puhdistettiin luonnon rautamalmeista. Lähi-idässä raudan pelkistämisreaktiota hyödynnettiin noin 2 500 eaa., mutta Eurooppaan raudan käsittelytaito saapui vasta noin 1 000 eaa. Erilaisten materiaalien käyttö näinä historiallisina aikakausina perustui pelkästään käytännön kokemuksiin ja materiaalien ominaisuuksista tehtyihin havaintoihin, sillä aineiden rakennetta ei vielä tunnettu eikä erilaisten materiaalien ominaisuuksia osattu selittää. Materiaalien valmistus ja ominaisuuksien muuntelu kutakin käyttötarkoitusta varten oli mahdollista vasta, kun ymmärrettiin, kuinka aineet rakentuvat erilaisilla kemiallisilla sidoksilla ja mikä yhteys aineen rakenteella ja sen ominaisuuksilla on. Nykyisin tiedämme, että metallien ominaisuudet poikkeavat suuresti epämetallien ominaisuuksista ja ioniyhdisteiden ominaisuudet ovat kovin erilaiset molekyyliyhdisteiden ominaisuuksiin verrattuna. Lisäksi osaamme selittää aineen kemiallisen rakenteen avulla, mistä ominaisuuksien erot johtuvat. Kuva 1. Suomessa raudanpuhdistus esimerkiksi järvimalmeista tapahtui niin sanotuissa ruukeissa, joissa voimanlähteinä käytettiin höyrykoneita. Kuvassa on Museoviraston konservoima Sourun ruukin 25 metriä korkea tiilipiippu. Kuva: Museovirasto/Soile Tirilä. MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 7
Kuva 2. Bakeliitti oli ensimmäinen synteettinen polymeeri, jota käytettiin muun muassa puhelinten kuorimateriaalina. Bakeliitti oli kovaa, ja se rikkoontui helposti iskusta. Nykyisten puhelinten kuorimateriaaleissa on myös synteettisiä polymeerejä, mutta kuori on huomattavasti kevyempi. Puhelimen toiminnan kannalta oleellista on kuitenkin erilaisten metallien hyödyntäminen. Nykyisin materiaaleilla tarkoitetaan useimmiten kiinteitä aineita, joiden ominaisuuksia hyödynnetään teknologisissa sovelluksissa. Materiaaleja voidaan myös luokitella esimerkiksi niiden koostumuksen, ominaisuuksien tai käyttötarkoituksen perusteella. 1900-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa materiaaliteknologian saralla tapahtui paljon. Tuolloin kehitettiin monia uusia materiaaleja kuten keraameja, erilaisia komposiitteja, nestekiteitä sekä biohajoavia ja sähköä johtavia muoveja. Materiaalitekniikka on osaltaan mahdollistanut muun muassa lääketieteen, elektroniikan ja informaatiotekniikan nopean kehityksen. Kemistit kehittävät edelleenkin erilaisia kuituja, kalvoja, pinnoitteita ja liima-aineita, joilla voi olla sähköisiä, magneettisia tai optisia ominaisuuksia tai ne ovat mekaanisesti erityisen kestäviä. Uusien materiaalien kehittäminen ja jo käytössä olevien materiaalien ominaisuuksien parantaminen on yhteistyötä monien eri osaajien välillä. Tässä työssä tarvitaan kemistejä, fyysikkoja, biologeja ja insinöörejä. Vahva matematiikan osaaminen mahdollistaa erilaisten matemaattisten mallien ja laskennallisten menetelmien hyödyntämisen, kun materiaalia kehitetään mittatilaustyönä tiettyä tarkoitusta varten. muistatko? 1 nm = 10-9 m mitä on nanoteknologia? Nanoteknologia liittyy atomien, molekyylien ja kooltaan 100 nanometriä pienempien rakenteiden tutkimukseen ja hyödyntämiseen. Tällöin puhutaan keskimäärin 1 000 atomia sisältävistä kokonaisuuksista. Nanopartikkeleiksi kutsuttujen rakenteiden tuottaminen voi tapahtua kahdella eri tavalla. Yksi tapa on pilkkoa suurempia rakenteita pienemmiksi ja taas pienemmiksi, kunnes saavutetaan nanomittakaava. Tämän menetelmän haitta on syntyvät sivutuotteet, sillä kaikkea lähtömateriaalia ei saada pilkottua halutuksi nanopartikkeliksi. 8
tymiini vetysidos adeniini Kuva 3. DNA:n kaksoiskierteen muodostuminen solussa on esimerkki molekyylien itsejärjestymisestä. Tässä tapahtumassa adeniini muodostaa aina vetysidoksia tymiinin kanssa ja sytosiini aina guaniinin kanssa. vetysidos sytosiini guaniini Toisessa menetelmässä hyödynnetään biomolekyylien ominaisuutta järjestyä suuremmiksi rakenteiksi eli niin sanottua itsejärjestymistä. Molekyylien liittyminen toisiinsa on tällöin hyvin järjestelmällistä ja säännöllistä. Esimerkkejä tällaisista tapahtumista soluissa ovat esimerkiksi DNA:n kaksoisjuosteen muodostumiseen vaadittava emäspariutuminen tai proteiinien kolmiulotteisen rakenteen muotoutuminen erilaisilla kemiallisilla sidoksilla. Nanoputkiksi kutsutaan materiaaleja, joissa toistuu grafeenin ja fullereenin rakenteet. Sylinterimäinen putki koostuu kuusi hiiliatomia sisältävistä renkaista. Putki suljetaan fullereenille tyypillisellä rakenteella, jossa toistuvat viisi ja kuusi hiiliatomia sisältävät renkaat. Nanoputket johtavat sähköä, mikä voidaan selittää hiiliatomien sp²-hybridisaatiolla. Tällöin kukin hiiliatomi muodostaa kolme yksinkertaista kovalenttista sidosta kolmeen muuhun hiiliatomiin. Kunkin hiiliatomin neljäs, p-orbitaalilla oleva ulkoelektroni jää vapaaksi. Tämä mahdollistaa sähkönjohtavuuden. Nanoputket ovat myös hyvin lujaa materiaalia eli ne kestävät mekaanista rasitusta, mikä selittyy hiiliatomien välisillä vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla. Nanoputkien ominaisuuksia voidaan muokata laittamalla niiden sisään muita alkuaineita, yhdisteitä tai pieniä biomolekyylejä, kuten pieniä proteiineja. Nanoputkien hyödyntäminen esimerkiksi katalyytteinä perustuu niiden verrattain suureen pinta-alaan partikkelikokoonsa nähden. muistatko? Vetysidos on dipoli-dipolisidoksen erikoistapaus, joka muodostuu sellaisten molekyylien tai molekyylinosien välille, joissa vety on liittynyt kovalenttisella sidoksella hyvin pienikokoiseen ja elektronegatiiviseen atomiin. Tällaisia ovat happi-, typpi- tai fluoriatomi. Sidos on sähköinen vetovoima vetyatomin positiivisen dipolin ja happi-, typpi- tai fluoriatomin negatiivisen dipolin välillä. muistatko? Fullereeni ja grafeeni ovat hiilen allotrooppisia muotoja. MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 9
Kuva 4. Nanoputket koostuvat hiiliatomeista. Putken halkaisija on vain joitakin nanometrejä. Hiiliatomi Kovalenttinen sidos Viiden hiiliatomin rengas Kuuden hiiliatomin rengas muistatko? Hiilen sp 2 - hybridisaatiossa 2s-orbitaali ja kaksi 2p-orbitaalia sulautuvat kolmeksi sp 2 - hybridiorbitaaliksi. Näillä hybridiorbitaaleilla olevat ulkoelektronit (3 kpl) muodostavat kolme sigmasidosta muiden atomien kanssa. Hiiliatomin neljäs ulkoelektroni jää hybridisoitumattomalle p-orbitaalille. Näiden elektronien muodostamaa sidosta kutsutaan pii-sidokseksi. Nanoteknologian avulla voidaan etsiä ratkaisua, kuinka tuottaa yhä enemmän elintarvikkeita maapallon kasvavan väkiluvun tarpeisiin. Sen avulla voidaan myös ehkäistä, diagnosoida ja hoitaa erilaisia sairauksia ja tauteja. Tieto- ja viestintätekniikan kehittäminenkään ei onnistu ilman nanoteknologian hyödyntämistä. Nanotieteissäkin yhdistyy aidosti monitieteisyys, sillä tällä alueella tarvitaan materiaalitutkijoita, mekaniikka- ja sähköalan insinöörejä, lääkäreitä, biologeja, fyysikkoja, kemistejä ja matemaatikoita. Näitä eri alojen asiantuntijoita yhdistää tarve jakaa atomien ja molekyylien keskinäistä vuorovaikutusta koskevaa tietoa uusien teknologioiden kehittämiseksi. materiaalit ja tuotteen elinkaari Tuotteen elinkaari on tuotteen koko tuotanto- ja käyttöhistoria alusta loppuun. Elinkaari alkaa raaka-aineiden hankinnasta ja päättyy jätteiden käsittelyyn. Tuotteiden suunnittelua ohjaavat kuluttajien tarpeet, sillä kuluttajat eivät nykyisin ole enää kiinnostuneita pelkästään lopputuotteen ympäristövaikutuksista, vaan yhä useammin tuotteen koko elinkaaresta. Kuva 5. Tuotteen elinkaari koostuu useasta osatekijästä. Uudelleenkäyttö ja kierrätys ovat ominaisuuksia, joiden tulisi kiinnostaa meitä kuluttajia yhä enemmän. Valmistus ja jalostus Luonnon raakaaineiden käyttö Jätteiden käsittely Jakelu ja kuljetukset Käyttö ja kunnossapito Uudelleenkäyttö ja kierrätys 10
Teräs 70 % Sulatus ja valmistus raaka-aineeksi Ruostumaton teräs Sinkki Murskattu materiaali Muut metallit 5 % Lyijy Kupari Alumiini Sulatus & jalostus Uusiokäyttö Magnesium erotteluprosessit Kumi, muovi, tekstiili 25 % loppusijoitus uudelleenkäyttö Kuva 6. Auton materiaalit osataan nykyisin kierrättää ja ottaa uusiokäyttöön tehokkaasti. Elinkaariarvioita tehdessään tuotetta valmistava yritys selvittää koko tuotanto- ja käyttöhistorian aikaiset ympäristövaikutukset. Tällöin tuotteelle arvioidaan niin sanottu ekotase, joka erittelee tuotantoon tarvittavat raakaaineet ja energiamäärän sekä tuotannossa syntyvät loppu- ja sivutuotteet, jätteet ja päästöt. Ekotaseen avulla arvioidaan tuotannon ympäristökuormitukset, jolloin niitä on helpompi muuttaa ja vähentää. suomen teknologiateollisuus Teknologiateollisuus on Suomen tärkein vientiala, sillä teknologiateollisuuden yritykset vastaavat yli puolesta Suomen viennistä. Teknologiateollisuuden yrityksissä on töissä lähes 300 000 suomalaista, ja jopa 30 % suomalaisista on joko suoraan tai välillisesti töissä teknologia-alalla. Teknologiateollisuuden merkitys Suomen menestyksen rakentamisessa on ollut ja tulee olemaan suuri. Teknologiateollisuus koostuu viidestä päätoimialasta: elektroniikka- ja sähköteollisuus kone- ja metallituoteteollisuus metallien jalostus suunnittelu ja konsultointi tietotekniikka. tiedätkö? Vuonna 2017 suomalaiset kuluttajat toimittivat viralliseen kierrätykseen vain noin 30 % datalaitteistaan (puhelimet, tietokoneet, tabletit jne.). Näiden laitteiden kierrättäminen olisi erityisen tärkeää, sillä ne sisältävät muun muassa arvokkaita ja harvinaisia metalleja. Esimerkiksi kannettavan tietokoneen materiaaleista 99 % voidaan hyödyntää uudelleen. Suomalainen metallien jalostustekniikka on tunnettua maailmanlaajuisesti. Yli puolet maailman kuparista ja kolmannes nikkelistä valmistetaan suomalaisten kehittämällä ekologisella menetelmällä, joka tuottaa tarvitsemansa energian itse. Suomessa valmistetaan ja jalostetaan muun muassa teräs- ja kuparituotteita, sinkkiä ja nikkeliä. Käytöstä poistetuista terästuotteista kierrätetään yli 90 prosenttia. (Lähde: Teknologiateollisuus ry.). MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 11
ke4-kurssin tavoitteet ja sisältö Kurssin tavoitteena on, että opiskelija» osaa käyttää ja soveltaa materiaaleihin ja teknologiaan liittyviä kemian käsitteitä jokapäiväisen elämän, ympäristön ja yhteiskunnan ilmiöissä» osaa tutkia kokeellisesti ja malleja käyttäen materiaaleihin ja sähkökemiaan liittyviä ilmiöitä» harjaantuu ilmaisemaan itseään kemialle ominaisilla tavoilla ja analysoimaan eri tietolähteiden argumentointia» osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa. Kurssin keskeiset sisällöt ovat» kemian merkitys teknologiassa ja yhteiskunnassa» metallien ja polymeerien ominaisuudet, käyttö ja elinkaari» atomin ulkoelektronirakenne ja jaksollinen järjestelmä alkuaineiden jaksollisten ominaisuuksien selittäjänä» hapetusluvut ja hapetus-pelkistysreaktiot» sähkökemian keskeiset periaatteet: jännitesarja, normaalipotentiaali, kemiallinen pari ja elektrolyysi» kemiallisten reaktioiden laskennallinen soveltaminen» tutkimuksen tai ongelmanratkaisun ideointi ja suunnittelu» yhteistyön rooli kemiallisen tiedon tuottamisessa. vinkkejä kurssin opiskeluun Tässä jaksossa tutustut materiaalitekniikan kehitykseen, saat kuvan erilaisista moderneista materiaaleista sekä tuotteen elinkaariajattelusta. Jaksossa esitellään myös, mitkä ovat alkavan kurssin tavoitteet ja keskeiset sisällöt opetussuunnitelman mukaan. Ota selvää! -tehtävien avulla voit tutustua materiaalitekniikan opintoihin tai paneutua yksityiskohtaisemmin johonkin materiaalitekniikan sovellukseen. Seuraa myös uutisointia, sillä materiaalitekniikan saralla tapahtuu koko ajan! Testaa kurssin aluksi, mitä jo osaat tekemällä Kertaa oppimaasi! -tehtävät. Jaksossa 1 kerrataan jaksollisen järjestelmän rakennetta ja systematiikkaa sekä syvennetään tietoa atomirakenteen erityisesti ulkoelektronirakenteen merkityksestä jaksollisten ominaisuuksien selittäjänä. Kertaa Mooli 1 -kirjasta aiemmin opiskellut jaksollista järjestelmää koskevat periaatteet sekä alkuaineen elektronirakenteeseen liittyvät käsitteet. Jaksossa 2 kerrataan metallien jännitesarja sekä käsitteet hapettuminen, pelkistyminen ja hapetusluku. Lisäksi opiskellaan, kuinka hapetusluku voidaan laskea ja kuinka hapettumis-pelkistymisreaktioita tasapainotetaan hapetuslukujen avulla. Usein hapettumis-pelkistymisreaktioiden tasapainotuksesta edetään laskennalliseen tehtävään, joten tarvitset KE3-kurssilla opiskeltuja laskutaitoja. Kertaa Mooli 3 -kirjasta, kuinka laskennallisen tehtävän ratkaisu tehdään huolellisesti ja täsmällisesti. Jaksossa 2 opiskellaan myös hapettumis-pelkistymisreaktioiden käytännön sovelluksia eli sähkökemiaa. Tässä yhteydessä opitaan ennustamaan, 12
millä edellytyksillä hapettumis-pelkistymisreaktio tapahtuu spontaanisti ja kuinka tällaisten reaktioiden avulla voidaan tuottaa sähkövirtaa. Toinen tärkeä hapettumis-pelkistymisreaktioiden sovellus on elektrolyysi. Elektrolyysiä hyödynnetään teollisessa mittakaavassa alkuaineiden valmistuksessa, puhdistuksessa ja esineiden pinnoituksessa. Taulukkokirjasta löytyvät metallien jännitesarja ja normaalipotentiaalitaulukko ovat keskeisiä työkaluja käsiteltäessä hapettumis-pelkistymisreaktioita ja sähkökemiaa. Varmista, että osaat käyttää näitä taulukoita oikein. Sähkökemian laskuissa hyödynnetään sähkömäärän (Q) ja hapettuvan tai pelkistyvän aineen ainemäärän (n) välistä riippuvuutta. Tarvittava suureyhtälö on taulukkokirjassa. Usein materiaalien valmistus ja puhdistus teollisessa mittakaavassa tapahtuu monien kemiallisten reaktioiden eli reaktiosarjojen kautta. Jaksossa 3 opiskellaan, kuinka tällaisia reaktiosarjoja käsitellään laskennallisesti. Lisäksi harjoitellaan seoksessa olevien aineiden määrien ratkaisemista tasapainotettujen reaktioyhtälöiden avulla, eli opiskellaan niin sanottujen seoslaskujen periaatteet. Tässäkin yhteydessä tarvitset KE3-kurssilla opittuja tasapainotettuun reaktioyhtälöön liittyviä laskutaitoja. Jaksossa 4 kerrataan metallien keskeisiä ominaisuuksia ja tutustutaan metalleihin materiaalikemian ja teknologian sovelluksissa. Uutena asiana opiskellaan niin sanottujen siirtymämetallien kemiaa. Tässä jaksossa esitellään myös, millaisia materiaaleja ovat keraamit ja komposiitit. Jaksossa 5 opiskellaan polymeerikemiaa. Polymeerit ovat joko synteettisiä polymeerejä tai luonnon polymeerejä eli biopolymeerejä. Biopolymeerien (hiilihydraatit, proteiinit ja nukleiinihapot) kemiaa on esitelty Mooli 2 -kirjassa. Tässä kirjassa käsitellään siksi vain synteettisiä polymeerejä. Keskeistä on ymmärtää, millaisista monomeereistä ja millaisilla kemiallisia sidoksilla erilaiset polymeerit rakentuvat ja kuinka polymeroitumisreaktioiden yhtälöitä kirjoitetaan. Kertaa KE3-kurssilla opittujen additio- ja kondensaatioreaktioiden periaatteet. oppikirjassa käytetyt symbolit Kuhunkin jaksoon liittyvien kokeellisten töiden numerot näet tämän symbolin sisällä. Videoidun kokeellisen työn tunnistat tästä symbolista. Tämä symboli on tehtävän yhteydessä silloin, kun tehtävän ratkaisemisessa tarvitaan taulukkokirjaa. Tehtävä, jossa voidaan hyödyntää tieto- ja viestintätekniikkaa esimerkiksi molekyylien visualisoimiseen, on merkitty tällä symbolilla. Ylioppilastehtävän tunnistat tästä symbolista. MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 13
ota selvää! Millaisia materiaalitekniikan jatko-opintomahdollisuuksia Suomessa on? Ketkä ovat saaneet Millenium-teknologiapalkinnon, ja mistä innovaatiosta se on heille myönnetty? Millaisten materiaalien kanssa ja missä yhteydessä olet päivittäin tai viikoittain tekemisissä? Mitkä tekijät ovat tärkeitä, kun luokkatoverisi, ystäväsi tai perheenjäsenesi ostavat esimerkiksi vaatteita, elintarvikkeita, kosmetiikkaa tai elektroniikkatuotteita? Tee aiheesta kyselytutkimus ja mieti tulosten esitystapa (graafinen esitys, histogrammi, taulukko jne.). Mitä metalleja erilaiset data- ja mobiililaitteet sisältävät, ja miten voit kierrättää kyseiset laitteet? Millaisia nanoteknologian sovelluksia lääketieteessä käytetään? Mitä haittoja nanoteknologiasta voi olla? kertaa oppimaasi! 1. Oheisen kolmion kussakin kulmassa on yhden aineiden rakenteessa esiintyvän vahvan sidostyypin nimi. Kirjoita kullekin sidostyypille sen aineen kemiallinen merkki tai kaava, jossa on eniten kyseisen sidostyypin luonnetta. 2. Vastaa perustellen, mikä tehtävän 1 aineista a) on kaasu huoneenlämmössä b) johtaa sähköä kiinteässä olomuodossa c) johtaa sähköä veteen liuenneena. ionisidos metallisidos kovalenttinen sidos 14
3. Valitse kullekin metallille yksi vaihtoehto. METALLI a) K b) Na c) Ca d) Mg e) Ni f) Ti g) Gd h) Zn i) Fe j) Pb k) Cu l) Al VAIHTOEHTO 1 Käytetään lentokoneiden rakenteissa keveytensä vuoksi. 2 Käytetään halvoissa koruissa, voi aiheuttaa kosketusallergiaa. 3 Käytetään sähköjohdoissa ja -kaapeleissa. 4 Luuston alkuaine. 5 Käytetään teräksen valmistuksessa. 6 Englanniksi alkuaine on potassium. 7 Esiintyy osana klorofyllimolekyylin rakennetta. 8 Liikaa saatuna kohottaa verenpainetta. 9 Käytetään pakkausmateriaalina muun muassa juomatölkeissä. 10 Nimetty suomalaisen kemistin mukaan. 11 On messingin raaka-aine. 12 Käytetään akkuteollisuudessa. 4. Kirjoita seuraavien mineraalien kemiallinen kaava ja nimeä mineraali kaavan perusteella. a) Kassiteriitti. b) Bauksiitti. c) Kvartsi. d) Kryoliitti. e) Sinoperi. B 5. Ohessa on joidenkin yhdisteiden kauppanimiä. Mikä on yhdisteen kemiallinen kaava ja nimi tämän kaavan perusteella? Laske kunkin yhdisteen moolimassa. Liitä kukin yhdiste yhteen kuvien A D käyttökohteeseen. a) Kipsi. b) Sammutettu kalkki. c) Kidesooda eli pesusooda. d) Chilensalpietari. C A D MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 15
6. Merkitse oheiseen jaksolliseen järjestelmään a) jakso 3 b) ryhmä 16 c) kuparin kemiallinen merkki, järjestysluku ja suhteellinen atomimassa d) kaikkein elektronegatiivisimman alkuaineen kemiallinen merkki e) sen maa-alkalimetallin järjestysluku, jolla uloimmat elektronit ovat kuorella 4 f) eniten puolijohdeteknologiassa käytetyn alkuaineen kemiallinen merkki g) sen alkuaineen järjestysluku ja kemiallinen merkki, jonka ulkoelektronirakenne on 4s²4p¹ h) tantaalin järjestysluku ja kemiallinen merkki. 57 71 7. Atomin X elektronirakenne on 1s²2s²2p⁶3s² ja atomin Y 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. a) Mihin jaksoon X ja Y kuuluvat? Perustele. b) Mihin ryhmään X ja Y kuuluvat? Perustele. c) Tunnista X ja Y. d) Kumpi alkuaineista on epämetalli? e) Kumpi alkuaineista hapettuu ja kumpi pelkistyy, kun alkuaineet reagoivat keskenään? f) Kumpi alkuaineista toimii kohdan e) reaktiossa hapettimena? Perustele. g) Kirjoita alkuaineiden X ja Y välinen reaktioyhtälö (olomuodon symboleineen) ja nimeä reaktiotuote. 8. Tasapainota seuraavat reaktioyhtälöt. Tunnista, mikä reaktioista on metallien välinen hapettumis-pelkistymisreaktio. Mikä reaktioyhtälöistä kuvaa neutraloitumisreaktiota? Mistä reaktiosta on kyse kohdassa d)? a) Al(s) + FeO(s) Al₂O₃(s) + Fe(s) b) H₃PO₄(aq) + NH₄OH(aq) (NH₄)₃PO₄(aq) + H₂O(l) c) PCl₅(g) + H₂O(l) H₃PO₄(aq) + HCl(aq) d) CH₃CH₂COOH(l) + O₂(g) CO₂(g) + H₂O(g) 16
9. Rautaa voidaan puhdistaa pelkistämällä sitä rauta(iii)oksidista alkuainehiilen avulla. Raudan lisäksi reaktiossa muodostuu hiilidioksidia. a) Kirjoita tapahtumaa kuvaava tasapainotettu reaktioyhtälö olomuodon symboleineen. b) Laske, kuinka monta grammaa hiiltä tarvitaan pelkistämään 1,2 kg rauta(iii)oksidia raudaksi. c) Laske, mikä tilavuus hiilidioksidia tällöin muodostuu NTP-oloissa. 10. Deodoranteissa, erityisesti antiperspiranteissa, on käytetty erilaisia alumiinisuoloja, joiden tehtävänä on supistaa hikirauhasten tiehyitä ja vähentää siten hien eritystä. Eräs tällainen suola on alumiinikloridi, jonka käytöstä luovuttiin, koska se ärsytti monien käyttäjien ihoa ja aiheutti vaatteisiin vaikeasti puhdistettavia tahroja. Ratkaise, kuinka monta grammaa alumiinikloridia syntyy, kun 18,0 grammaa alumiinia ja 16,0 grammaa klooria reagoivat. 11. Lyhenne CNT tulee sanoista carbon nanotube. Tällaisia hiilinanoputkia voidaan valmistaa niin sanotulla HIPCO-menetelmällä. Lyhenne HIP- CO puolestaan tulee sanoista high pressure carbon monoxide. HIPCO-menetelmä hyödyntää seuraavia reaktioita: Reaktio (1): Fe(CO) 5 (g) Fe(s) + 5 CO(g) Reaktio (2): x CO(g) ½ x CNT(s) + ½ x CO 2 (g). Hiilinanoputken kasvaminen atomi atomilta tapahtuu reaktiossa (1) muodostuneen raudan pinnalla. Tyypillisessä nanoputkessa on 3 000 hiiliatomia. Ratkaise, mikä tilavuus hiilimonoksidia (NTP-oloissa) tarvitaan tällaisen nanoputken valmistamiseksi. Mikä on valmistetun nanoputken massa? MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 17
18
1 jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna Jaksollisen järjestelmän rakentuminen nykymuotoonsa perustui useiden eri tutkijoiden monia vuosia kestäneisiin havaintoihin ja johtopäätöksiin. Se onkin erinomainen esimerkki kansainvälisen yhteistyön tärkeydestä suurten tieteellisten saavutusten aikaansaamiseksi. Nykyiset jaksolliset järjestelmät pohjautuvat pitkälti venäläisen Dimitri Mendelejevin tapaan luokitella alkuaineet. Hän oli ensimmäinen, joka oivalsi alkuaineen atomimassan ja alkuaineen kemiallisten ominaisuuksien välisen yhteyden. Laatimansa järjestelmän avulla hän myös pystyi ennustamaan tuolloin tuntemattomien alkuaineiden ominaisuuksia. Nämä ennustukset todettiin myöhemmin paikkansa pitäviksi. Kaikkien yli sadan nykyisin tunnetun alkuaineen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien ennustaminen ja ymmärtäminen ilman systemaattista järjestelmää olisi varsin vaikeaa. Lisääntynyt tieto alkuaineista ja niiden erilaisista yhdisteistä voidaan pitää hallinnassa juuri jaksollisen järjestelmän avulla. 12 tutki ja kokeile! Mitä voit päätellä alkuaineen elektronirakenteesta jaksollisen järjestelmän avulla? Miten metallit ja epämetallit sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä? Mitä tarkoittavat s-, p-, d- ja f-lohko? Mitä tietoa saat nikkelistä hyödyntämällä jaksollista järjestelmää? JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ KEMISTIN TYÖKALUNA 19
1.1 ulkoelektronirakenne ja metalliluonne tässä luvussa» kerrataan jaksollisen järjestelmän rakenne» kerrataan, mikä yhteys atomin ulkoelektronirakenteella on sen sijaintiin jaksollisessa järjestelmässä» opitaan, kuinka metalliluonne muuttuu jaksollisessa järjestelmässä. Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet sijaitsevat kasvavan järjestysluvun eli protonimäärän mukaan seitsemässä vaakarivissä eli jaksossa. Jakson numero kertoo, millä elektronikuorella kyseisen jakson alkuaineatomien uloimmat elektronit ovat. Jaksollisen järjestelmän pystysarakkeita eli ryhmiä on kaiken kaikkiaan kahdeksantoista. Pääryhmien alkuaineiden (ryhmät 1 2 ja 13 18) ulkoelektronien lukumäärän voi päätellä ryhmänumerosta. Sivuryhmien alkuaineiden (ryhmät 3 12) ulkoelektronien määrän pystyy päättelemään kvanttimekaanisen atomimallin mukaan kirjoitetusta elektronirakenteesta. Jaksollinen järjestelmä voidaan jakaa myös eri lohkoihin. Tällöin halutaan korostaa, mille kvanttimekaanisen atomimallin alakuorelle elektronit viimeisenä asettuvat. Tämän jaottelun perusteella jaksollisessa järjestelmässä on s-, p-, d- ja f-lohko. 20
s-lohko 1s 2s 3s d-lohko s-lohko 2p 3p 1s Kuva 7. Jaksollisen järjestelmän lohko ilmoittaa viimeiseksi täyttyvän alakuoren kirjaimen. 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 5d 6p 7s 6d Alkuaineista suurin osa on metalleja, ja ne sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä ryhmissä 1 13. Metallien asettuminen näihin ryhmiin selittyy metalliatomien ulkoelektronirakenteella. Ryhmien 1, 2 ja 13 metalleilla on ryhmänumeronsa perusteella 1 3 ulkoelektronia. Kemiallisissa reaktioissa metalliatomit luovuttavat nämä elektronit eli hapettuvat. Tämän seurauksena näillä metalleilla on vain yksi positiivinen hapetusluku. Ryhmien 3 11 niin sanotuilla siirtymämetallien atomeilla sen sijaan voi olla vaihteleva määrä reaktioihin osallistuvia elektroneja ja siten useita eri hapetuslukuja. Esimerkiksi kromi voi esiintyä yhdisteissään hapetusluvuilla +II, +III ja +VI ja rauta hapetusluvuilla +II ja +III. Siirtymämetallien erityisominaisuuksia tarkastellaan lähemmin jaksossa 4. Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineen metalliluonne lisääntyy, kun siirrytään ryhmässä ylhäältä alas ja jaksossa oikealta vasemmalle. Tämän 4f 5f f-lohko p-lohko muistatko? Minimienergiaperiaatteen mukaisesti esimerkiksi 4s-alakuorella on alhaisempi energia kuin 3d-alakuorella. Elektronit asettuvatkin ensin uloimman kuoren 4s-alakuorelle ja vasta tämän jälkeen 3dalakuorelle. tiedätkö? Jaksollisen järjestelmän kehittäjinä Mendelejevin lisäksi pidetään saksalaista Johann Döbereineria ja englantilaista John Newlandsia. muistatko? Hapetuslukua käytetään myös yhdisteitä nimettäessä ja kemiallisia kaavoja kirjoitettaessa. Hapetusluku merkitään roomalaisin numeroin. metalliluonne kasvaa 1 2 3 4 5 6 7 1 2 epämetalliluonne kasvaa metalliluonne kasvaa 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 epämetalliluonne kasvaa Kuva 8. Alkuaineet muuttuvat metalleista epämetalleiksi, kun jaksollisessa järjestelmässä siirrytään vasemmalta oikealle. Metalliluonne puolestaan kasvaa ryhmässä alaspäin mentäessä. metalli epämetalli puolimetalli JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ KEMISTIN TYÖKALUNA 21
tiedätkö? Hapetusluku lasketaan tiettyjen sääntöjen perusteella. Nämä säännöt opiskellaan jaksossa 2. säännönmukaisuuden perusteella cesium (Cs) on kaikkein metallisin luonnossa esiintyvistä pysyvistä alkuaineista. Vastaavasti alkuaineen epämetalliluonne kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle ja ryhmässä alhaalta ylös. Tyypillisiä epämetalleja ovat vety, ryhmien 14 16 keveimmät alkuaineet sekä kaikki ryhmän 17 halogeenit. Näiden alkuaineiden atomeilla on ryhmänumeronsa mukaisesti 1 tai 4 7 ulkoelektronia. Epämetalleille tyypilliseen tapaan nämä alkuaineet pyrkivät metallien kanssa reagoidessaan vastaanottamaan elektroneja eli pelkistymään. Epämetallin negatiivinen hapetusluku määräytyy tällöin sen perusteella, kuinka monta elektronia atomi on vastaanottanut. Kun epämetallit sitoutuvat keskenään molekyyliyhdisteiksi, kunkin atomin ulkoelektronien määrä ratkaisee, kuinka monta kovalenttista sidosta atomien välille muodostuu eli kuinka monta elektronia atomit jakavat saadakseen pysyvän elektronirakenteen. Siten vetyatomi muodostaa aina vain yksinkertaisen kovalenttisen sidoksen, mutta hiili- ja happiatomi voivat sitoutua toiseen atomiin myös kaksoissidoksella, typpi- ja hiiliatomi jopa kolmoissidoksella. Molekyyliyhdisteissä hapetusluku määräytyy alkuaineen elektronegatiivisuuden perusteella siten, että negatiivinen hapetusluku merkitään sidoksen elektronegatiivisemmalle atomille. Esimerkiksi vesimolekyylissä happiatomin hapetusluku on II ja molempien vetyatomien hapetusluku on +I. Alkuaineiden tavallisimpia hapetuslukuja on esitetty taulukkokirjassa. kertaa» Jaksollisessa järjestelmässä on ryhmiä, jaksoja ja lohkoja.» Ryhmät, jaksot ja lohkot antavat tietoa alkuaineatomin elektronirakenteesta.» Metallit, epämetallit ja puolimetallit sijaitsevat tietyssä osassa jaksollista järjestelmää.» Metalliluonne kasvaa jaksossa oikealta vasemmalle ja ryhmässä ylhäältä alaspäin. kasvaa kasvaa» Epämetalliluonne kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle ja ryhmässä alhaalta ylöspäin. kasvaa kasvaa» Metalleilla on taipumus luovuttaa elektroneja eli hapettua.» Epämetalleilla on taipumus vastaanottaa elektroneja eli pelkistyä.» Ioniyhdisteissä metalleilla on positiivinen ja epämetalleilla negatiivinen hapetusluku.» Molekyyliyhdisteissä hapetusluku määräytyy alkuaineen elektronegatiivisuuden perusteella. 22
harjoittele! 1.1 Täydennä taulukko annettujen elektronirakenteiden perusteella. Elektronirakenne Ulko- Jakso Ryhmä Lohko Kemi- Metalli Epä- Puoli- elektronien allinen metalli metalli lukumäärä merkki 1s²2s²2p⁶3s²3p² 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² 3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁵ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹ 1.2 Täydennä viivalle a) maa-alkalimetallien ryhmänumero b) jakson 5 ja ryhmän 14 metalli c) halogeenien ryhmänumero d) lohko, johon kaikki halogeenit kuuluvat e) ryhmän 13 alkuaineiden ulkoelektronien lukumäärä f) maa-alkalimetallien hapetusluku g) d-lohkon alkuaine, joka kuuluu jaksoon 5 ja ryhmään 7 h) ryhmän 14 ja jakson 4 puolimetalli 1.4 Päättele jaksollisen järjestelmän perusteella, kumpi alkuaineista a) on metallisempi, arseeni vai titaani b) johtaa paremmin sähköä, Cr vai Kr c) olisi parempi eriste, Sn vai S d) on kiinteä huoneen lämpötilassa, Sr vai Br₂ e) pelkistyy kemiallisissa reaktioissa, P vai K. Perustele vastauksesi. 1.3 Minkä jakson ja ryhmän alkuaineesta on kyse, kun a) alkuaineen kemiallinen merkki on Te b) atomin elektronirakenne on 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵ c) alkuaineen suhteellinen atomimassa on 107,87 d) alkuaineesta muodostuu X³--ioni, jonka elektronirakenne on 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ e) alkuaine on maa-alkalimetalli, jolla on luonnossa pysyviä isotooppeja ja joka on siksi ryhmänsä metallisin? Merkitse kohtien b) e) vastauksiin myös alkuaineiden kirjaintunnukset. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ KEMISTIN TYÖKALUNA 23
työ 1. aineiden ominaisuudet ja jaksollinen järjestelmä työn tavoitteet Tutkitaan eri tietolähteistä, kuinka aineiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet muuttuvat ryhmittäin tai jaksoittain. Hyödynnetään tieto- ja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa. työn taustaa Kirjan sivut 19 38. työn suoritus Osa 1 Kokoa internetistä tietoa, kuinka alkuaineiden ominaisuudet muuttuvat jaksoittain tai ryhmittäin. Esitä keräämäsi tieto taulukkoina ja graafisina kuvaajina. Liitä mukaan tarkat lähdeviitteet (mitä verkkosivuja hyödynsit ja päivämäärä, jolloin vierailit kyseisillä sivuilla). a) Alkali- ja maa-alkalimetallien sulamispiste. b) Halogeenien kiehumispiste. c) Jakson 3 alkuaineiden sulamispiste. Osa 2 Etsi internetistä videoita, jotka havainnollistavat, kuinka a) alkalimetallien reaktiokyky muuttuu atomikoon muuttuessa b) halogeenien reaktiokyky muuttuu atomikoon muuttuessa c) kolmannen jakson alkuaineiden oksidien happo-emäsluonne muuttuu jaksossa vasemmalta oikealle. Laadi havainnoista yhteenveto ja selitä havainnot. Liitä yhteenvetoosi tarkat tiedot, mitä verkkosivuja hyödynsit ja milloin vierailit kyseisillä sivuilla. Jaa yhteenvetosi muille ryhmäläisille. työ 2. alkuaineiden reaktiivisuus tee tutkimussuunnitelma! työn tavoitteet Harjoitellaan tutkimussuunnitelman ideointia ja laatimista. Hyödynnetään tieto- ja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa. Kirjan sivut: 19 38 työn taustaa Luonnontieteellisen tutkimuksen tekoon liittyy useita eri vaiheita. Aluksi tutkittavasta asiasta laaditaan tutkimussuunnitelma, jota varten pohditaan muun muassa seuraavia asioita: Mitä halutaan tutkia eli mikä on yksityiskohtainen tutkimusongelma? Mitä tutkitaan ja millä menetelmällä? Mitä tekijöitä muunnellaan ja kuinka se tehdään? Mitkä tekijät vakioidaan ja kuinka se tehdään? Mitä välineitä, laitteita ja reagensseja tarvitaan? Kuinka paljon mittauksia tehdään ja kuinka monta kertaa koe toistetaan? Miten tuloksia käsitellään ja missä muodossa (kuvat, taulukot, graafiset esitykset jne.) ne esitetään? työn suoritus Ideoikaa parin kanssa tai pienryhmässä työn yleisestä otsikosta oma, yksityiskohtaisempi tutkimusongelma. Valitkaa tutkittavaksi muuttujaksi yksi tekijä. Harjoitelkaa tutkimussuunnitelman tekoa edellä esitettyjä periaatteita hyödyntämällä. Esitelkää suunnitelma muille ryhmäläisille. 168
tehtävien vastaukset kertaa oppimaasi! 1. Metallisidos Cs Ionisidos CsF Kovalenttinen sidos F₂ 2. a) Fluori, sillä fluorimolekyylit ovat pieniä ja poolittomia, joten molekyylien välille muodostuu vain hyvin heikkoja (hetkellisistä dipoleista) syntyviä dispersiovoimia. b) Cesium, sillä se on metalli, jonka hilarakenteessa on vapaita ulkoelektroneja, jotka toimivat virran kuljettajina. c) Cesiumfluoridi, sillä se on ioniyhdiste, joka liukenee veteen ioneina. Eli vesiliuoksessa on ioneja, jotka toimivat virran kuljettajina. 3. a) 6 g) 10 b) 8 h) 11 c) 4 i) 5 d) 7 j) 12 e) 2 k) 3 f) 1 l) 9 4. a) SnO₂, tina(iv)oksidi. b) Al₂O₃ 2 H₂O, kidevedellinen alumiinioksidi. c) SiO₂, piidioksidi. d) Na₃AlF₆, natriumalumiinifluoridi. e) HgS, elohopea(ii)sulfidi. 5. a) CaSO₄ 2 H₂O, kidevedellinen kalsiumsulfaatti, M = 172,182 g/mol, kuva B. b) Ca(OH)₂, kalsiumhydroksidi, M = 74,096 g/mol, kuva C. c) Na₂CO₃ 10 H₂O, kidevedellinen natriumkarbonaatti, M = 286,150 g/mol, kuva D d) NaNO₃, natriumnitraatti, M = 85,00 g/mol, kuva A. 6. 7. a) Jaksoon 3, sillä molempien atomien ulkoelektronit ovat kuorella 3. b) X kuuluu ryhmään 2 (maa-alkalimetallit), sillä alkuaineella on kaksi ulkoelektronia. Y kuuluu ryhmään 17 (halogeenit), sillä alkuaineella on seitsemän ulkoelektronia. c) X = magnesium, Y = kloori d) Kloori on epämetalli. e) Magnesium hapettuu ja kloori pelkistyy. f) Kloori toimii hapettimena, sillä se vastaanottaa elektroneja eli pelkistyy. g) Mg(s) + Cl₂(g) MgCl₂(s), magnesiumkloridi. 8. a) 2 Al(s) + 3 FeO(s) Al₂O₃(s) + 3 Fe(s). b) H₃PO₄(aq) + 3 NH₄OH(aq) (NH₄)₃PO₄(aq) + 3 H₂O(l). c) PCl₅(g) + 4 H₂O(l) H₃PO₄(aq) + 5 HCl(aq). d) 2 CH₃CH₂COOH(l) + 7 O₂(g) 6 CO₂(g) + 6 H₂O(g). Metallien välinen hapettumis-pelkistymisreaktio on a). Reaktioyhtälö b) kuvaa neutraloitumisreaktiota. Reaktio d) kuvaa orgaanisen yhdisteen (propaanihapon) täydellistä palamisreaktiota. 9. a) 2 Fe₂O₃(s) + 3 C(s) 4 Fe(s) + 3 CO₂(g). b) m(c) = 140 g. c) V(CO₂) = 250 dm 3. 10. Reaktioyhtälö on: 2 Al(s) + 3 Cl₂(g) 2 AlCl₃(s). m(alcl₃) = 20,1 g. 11. V(CO) = 2,233 10 19 dm 3, m(cnt) = 5,983 10 20 g. b) ryhmä 16 d) F a) jakso 3 d) Si e) 20 c) Cu 29 g) 31 Ga 57 71 h) Ta 73 190
1 jaksollinen 1.1 ulkoelektronirakenne ja metalliluonne 1.1 järjestelmä kemistin työkaluna Elektronirakenne Ulko- Jakso Ryhmä Lohko Kemi- Metalli Epä- Puoli- elektronien allinen metalli metalli lukumäärä merkki 1s²2s²2p⁶3s²3p² 4 3 14 p Si X 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵ 2 4 7 d Mn X 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³ 5 4 15 p As X 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² 3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁵ 7 5 17 p I X 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹ 2 4 3 d Sc X 1.2 a) 2 b) Sn c) 17 d) p e) 3 f) +II g) Tc h) Ge 1.3 a) Jakso 5, ryhmä 16. b) Jakso 4, ryhmä 7, Mn. c) Jakso 5, ryhmä 11, Ag. d) Jakso 3, ryhmä 15, P. e) Jakso 6, ryhmä 2, Ba. Kalium on metalli, joka pyrkii hapettumaan eli luovuttamaan elektroneja. 1.2 elektronegatiivisuus ja sidoksen luonne 1.5 a) elektronegatiivisuusarvo Halogeenit 1.4 a) Titaani. Perustelu: molemmat ovat jakson 4 alkuaineita, mutta titaani on enemmän vasemmalla (ryhmä 4). Metalliluonne kasvaa jaksossa oikealta vasemmalle mentäessä. b) Cr. Perustelu: kromi on metalli (sähkönjohde) ja järjestysluku krypton epämetalli. c) S. Perustelu: rikki on epämetalli (eriste) ja tina on metalli (sähkönjohde). b) elektronegatiivisuusarvo Maa-alkalimetallit d) Sr. Perustelu: strontiumilla on metallihila, jota pitävät koossa vahvat metallisidokset. Bromi on epämetalli, joka koostuu poolittomista kaksiatomisista molekyyleistä. Hilarakennetta pitävät koossa heikot dispersiovoimat. e) P. Perustelu: fosfori on epämetalli, joilla on taipumus pelkistyä eli ottaa vastaan elektroneja. järjestysluku TEHTÄVIEN VASTAUKSET 191