1. No category

Aineen perusosaset
Protoni: Varaus +1 alkeisvarausta
+
Elektroni: Varaus -1 alkeisvarausta
-
Neutroni: Varaus 0 (varaukseton)
n
ATOMI, IONI, ALKUAINE JA MOLEKYYLI
Atomi
• Elektroneja elektronikuorilla
yhtä monta kuin protoneja ytimessä
-
• Atomi on tästä syystä varaukseton
• Neutronien määrä voi vaihdella,
mutta sillä ei merkitystä kemiallisiin
ominaisuuksiin.
++ n
n +n
-
Litiumatomi
-
Ioni
• Elektroneja elektronikuorilla
eri määrä kuin protoneja ytimessä
• Ioni on tästä syystä varauksellinen
• Elektronien vähetessä ioni on positiivinen kationi
• Elektronien lisääntyessä ioni on negatiivinen anioni
-
-
++ n
n +n
Litiumioni Li+
-
Fluoridi-ioni F-
++ + +n+
n ++ n+n
+
-
-
-
-
Alkuaine
• Kullakin alkuaineella on sille ominainen määrä protoneja ytimessä
• Elektronien määrä vaihtelee
• Se, kuinka monta elektronia on atomimuodossa uloimmalla
elektronikuorella, määrää paljolti alkuaineen
kemialliset ominaisuudet
• Alkuaineen protonimäärän kertoo sen järjestysluku (atomiluku) Z
Kemiallinen yhdiste
• Kemiallinen yhdiste muodostuu useammasta kuin yhdestä
ionista tai atomista
• Jos tuloksena on molekyyli, siinä on yhtä monta elektronia kuin
protonia, jolloin kokonaisuus on varaukseton
• Jos protonien ja elektronien määrä ei ole sama, syntyy
kompleksi-ioni
• Yhdisteessä atomeja ja ioneja liittävät toisiinsa kemialliset sidokset
Kemiallinen yhdiste/merkinnät
• Kaikkien alkuaineiden nimet alkavat isolla kirjaimella. Kaikki pienet kirjaimet ovat osa
jonkun alkuaineen nimeä:
• H, He, Hg, S, Se, Si, N, Ne, Ni,….
• Numero yhdisteen nimen edessä kertoo yhdisteen kokonaismäärän:
•
3Xe tarkoittaa kolmea xenonatomia
•
5H2O tarkoittaa viittä vesimolekyyliä
•
2I- tarkoittaa kahta jodi-ionia
• Numero alkuaineen nimen alakulmassa kertoo ko. alkuaineen
määrän yhdisteessä:
•
H2O kertoo yhdisteessä olevan kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi.
• Numero sulkulausekkeella erotetun ionin tms. nimen alakulmassa
kertoo kyseisen aineosasen määrän yhdisteessä:
• Ca(OH)2 kuvaa, että yhdisteessä on kaksi OH-ryhmää (tässä OH--ionia).
• Numero ionin nimen yläkulmassa kertoo ionin varauksen:
• Mg2+ kertoo, että magnesiumionin varaus on +2
• Jos yhdisteessä on kidevettä, sen määrää kuvataan kertomerkin avulla:
• CuSO4 . 5 H2O tarkoittaa, että kuparisulfaattiin on sitoutunut viisi vesimolekyyliä.
DYNAAMINEN JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ
http://www.ptable.com/?lang=fi
http://materiaalit.internetix.fi/fi/opintojaksot/
5luonnontieteet/kemia/kemia1/alkuain2
Kasvava trendi
Kasvava trendi
http://www.goo
gle.fi/url?sa=i&rc
t=j&q=&esrc=s&
source=images&
cd=&cad=rja&ua
ct=8&docid=7iYB
_y_isAZxPM&tbn
id=YUZb38GKua9
DvM:&ved=0CA
UQjRw&url=http
%3A%2F%2Focw
.mit.edu%2Fcour
ses%2Fmaterialsscience-andengineering%2F3
-40j-physicalmetallurgy-fall2009%2Fexams%
2FMIT3_40JF09_
exam2.pdf&ei=JmEU4PZDebi4Q
SnhYH4BQ&bvm
=bv.67720277,d.
bGE&psig=AFQjC
NHYIqfxzlsjcrQDa
_qa3zSVLxgKsg&
ust=1401285177
189879
Elektronikuoret
Elektroneja
mahtuu/
kuori
Kuorien nimet
50… 32 18 8
2
Ydin
K
1
2
3
4
5…
Kuorien järjestysnumero
L
N N
O…
s
1
K
s
2
3
4
5
p
Kalsium
L
d
s
p
s
p
d
s
p
d
M
f
N
O
f
1s
2s
3s
4s
3d
5s
4d
6s (4f) 5d
7s (5f) 6d
3d
4d
5d
6d
3d
4d
5d
6d
3d
4d
5d
6d
3d
4d
5d
6d
2p
3p
4p
5p
6p
7p
2p
3p
4p
5p
6p
7p
2p
3p
4p
5p
6p
7p
Elektronia/kuori
1 K
s
2 L
s
2
8
p
18
3 M
s
p
d
4 N
s
p
d
f
5 O
s
p
d
f
g
6 P
s
p
d
f
g
7 Q
s
d
f
g
p
32
50
72
h
h
i
98
http://biochemhelp.com/electron-configuration-of-everyelement-in-the-periodic-table.html
http://biochemhelp.com/electron-configuration-of-everyelement-in-the-periodic-table.html
http://biochemhelp.com/electron-configuration-of-everyelement-in-the-periodic-table.html
http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/
1s
2s
2p
1s
1. H
6. C
2. He
7. N
3. Li
8. O
4. Be
9. F
5. B
10. Ne
2s
2p
Hybridisaatio
• Atomin elektronikuorella alhaisin energiataso on perustilassa.
• Molekyylissä tätä alhaisempi energiataso voidaan saavuttaa
molekyykiorbitaaleilla joissa eri atomien
parittomilla elektroneilla miehitetyt orbitaalit yhtyvät.
• Tällöin atomin viritystila voi siis olla paradoksaalisesti molekyylin
energeettisesti edullisin tila.
Sp-hybridisaatio
• Yksi s-orbitaalin elektroni siirtyy tyhjälle p-orbitaalille
=> 1 pariton elektroni s- ja yksi pariton p-orbitaalilla
=> muodostuu kaksi keskenään samanlaista sp-hybridiorbitaalia
3s
Esim.
Mg-atomi perustilassa
KL
Mg-atomi viritystilassa
KL
Hybridisaatio
KL
sp sp
sp sp
3p
Etyynin Sp-hybridisaatio
• Hybridisoituneen hiiliatomin 2s2- ja 2p2-orbitaalit ovat järjestäytyneet
uudelleen kahdeksi samanlaiseksi sp-hybridiorbitaaliksi.
• Kaksi p-orbitaalin elektronia jää muuntumatta
1s
2s
2p
C-atomi perustilassa
C-atomi viritystilassa
C-atomi sp-hybriditilassa
sp
sp
Hybridiorbitaalien välinen
kulma on 180o, jolloin
rakenne on lineaarinen.
http://www.uku.fi/~tanevala/KPF2/www/1-10-sp-orbitaali-etyyni.htm
Sp2-hybridisaatio
• Yksi s-orbitaalin elektroni siirtyy p-orbitaalille,
jolla on jo yksi pariton elektroni
=> syntyy kolme sp2-orbitaalilla
=>
1s
2s
2p
B-atomi perustilassa
B-atomi viritystilassa
Hybridisaatio
sp2 sp2 sp2
Eteenin Sp2-hybridisaatio
• Hybridisoituneen hiiliatomin 2s2- ja 2p2-orbitaalit ovat järjestäytyneet uudelleen
kolmeksi samanlaiseksi sp2-hybridiorbitaaliksi.
• Yksi p-orbitaali jää muuntumatta
1s
2s
2p
C-atomi perustilassa
C-atomi viritystilassa
C-atomi sp2hybriditilassa
sp2 sp2 sp2
Hybridisidosten välinen kulma on
120° ja sidokset ovat
samassa tasossa.
Hybridiorbitaalit muodostavat vetyatomien s-orbitaalien
ja kahden hiiliatomin välillä σ-sidokset (yht. 3 kpl).
Hybridiorbitaalien muodostamien sidosten lisäksi
hiiliatomien 2p-orbitaalit asettuvat vastakkain ja
muodostavat erilaisen sidoksen, jota kutsutaan
pii-sidokseksi .
http://www.uku.fi/~tanevala/KPF2/www/1-9-sp2-sidos-eteeni.htm
• Piisidoksen elektronitiheys on pienempi kuin sigmasidoksen,
jolloin se on sigmasidosta heikompi ja reagoi helposti.
• Piisidos estää molekyylin kiertymisen akselinsa ympäri ja
aiheuttaa sidokselle jäykän rakenteen
Sp3-hybridisaatio
• Yksi s-orbitaalin elektroni siirtyy p-orbitaalille,
jolla on jo kaksi paritonta elektronia
=> 1 pariton elektroni s- ja kaksi paritonta p-orbitaalilla.
• Hybridisoituneen hiiliatomin 2s2- ja 2p2-orbitaalit ovat järjestäytyneet
uudelleen neljäksi samanlaiseksi sp3-hybridiorbitaaliksi.
1s
2s
2p
C-atomi perustilassa
C-atomi viritystilassa
C-atomi sp3-hybriditilassa
sp3 sp3 sp3 sp3
Metaani
Etaani
http://www.uku.fi/~tanevala/KPF2/www/1-7-hybridisaatio.htm
KIDERAKENTEISTA
https://www.google.fi/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&ua
ct=8&docid=mYiTU7xNNeDcM&tbnid=PYy7GCzSF1e8EM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fen.wikip
edia.org%2Fwiki%2FCrystal&ei=-bFU9WnMsqO4gSjnIHwBA&psig=AFQjCNFdS2X0Fq3Bpg150VIW1ebvLr4LhQ&ust=140
1360753347049
Almost all common metals, and many ceramics are polycrystalline.
Some elements such as sulfur, while usually occurring in polycrystalline form, may also occur as single crystals.
The crystallites are often referred to as grains, however, powder grains are a different context. Powder grains
can themselves be composed of smaller polycrystalline grains.
Polycrystalline is the structure of a solid material that, when cooled, forms crystallite grains at different points
within it. The areas where these crystallite grains meet are known as grain boundaries.
https://peda.net/oppimateriaalit/eoppi/lukio/kemia/n%C3%A4yteluvut/eke2/41/kertaus/4-2-ionisidos/naclkiderakenne:file/download/8bbeeb2c420e44eb40bbd450ba4b80f2e45d0347/naclkiderakenne.jpg
Timantin kiderakenne
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/comm
ons/c/ce/Visualisation_diamond_cubic.svg
Tyypillisiä metallin kiderakenteita
http://www.steelguru.com/article/details/MjU%3D/Solid_State_Structure.html
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=metals_crystal_structure
Grafiitin kidelamellirakenne
https://peda.net/oppimateriaalit/e-oppi/lukio/kemia/eke2/liitteet/kg1/kuvitusta/nimet%C3%B6n-648e
• Rakenne määräytyy sigmasidoksilla.
• Kussakin grafiitin kerroksessa piisidokselliset elektronit liikkuvat vapaasti, mistä syystä
grafiitti johtaa sähköä.
Amorfinen rakenne
MÄÄRÄLLISEN KEMIAN KÄSITTEITÄ
Atomimassayksikkö
• Atomien ja molekyylien massojen ilmaisuun sopivan kokoinen yksikkö
• Merkitään joko amy (atomimassayksikkö), amu (atomic mass unit)
tai u (unit)
• Määritelty seuraavasti
1u=
12C-isotoopin
massa
12
Selitys: Hiili-12 isotooppi muodostuu 6 protonista, 6 niiden kansa n. samankokoisesta
Neutronista ja 6 niihin nähden lähes mitättömän kokoisesta elektronista
=> 1 u = n. protonin tai neutronin massa.
* Avogadron vakio N
ilmaisee yhdessä moolissa olevien hiukkasten lukumäärän. Se on
lukuarvoltaan 6,022 · 1023 hiukkasta/mol.
* Mooli
= se määrä ainetta, jossa on 6,022 · 1023 hiukkasta eli Avogadron
vakion osoittama määrä hiukkasia.
• Mooli ainetta painaa yhtä monta grammaa kuin sen
atomi- tai molekyylimassa on atomimassayksikköinä.
* Ainemäärä n
= kemian perussuure, joka kertoo ko. aineen moolimäärän.
* Konsentraatio c
ilmoittaa, kuinka monta moolia ainetta on liuennut litraan liuosta.
Yksikkö on mol/l.
* Moolimassa M
= yhden moolin massa laskettuna suhteellisten atomimassojen
avulla. Yksikkö on g/mol.
* Ainemäärän massa m
kertoo aineen massan grammoina.
Tällöin on voimassa kaava
n = m
M
* Massaprosenttisuus
ilmaisee, kuinka monta grammaa liuennutta ainetta on 100
grammassa liuosta.
* Tilavuusprosenttisuus
ilmaisee, kuinka monta millilitraa (ml) ainetta on liuenneena
100 ml:aan liuosta.
KEMIALLINEN REAKTIO
•Aineen osaset järjestyvät uudella tavalla:
• Yhdiste hajoaa osasikseen
• Osasista syntyy yhdiste
• Ioni tai elektroni vaihtaa omistajaa
Kemiallinen reaktioyhtälö
• Kuvaa reaktion lähtötilanteen ja lopputuloksen
• Mukana lähtöaineet ja lopputuotteet,
jotka muodostuvat täsmälleen samoista osasista
siten, että ne ovat eri tavoin yhdistelty
• Vrt. Legopalikoita, jotka on aseteltu uuteen järjestykseen ilman, että yksikään
palikoista on kadonnut.
• Stoikiometria on oppi, joka määrittää, missä suhteissa aineet reagoivat
• On huomattava, että todellisissa kemiallisissa reaktioissa osa aineista jää
reagoimattomaan lähtöainemuotoon
Kemiallinen reaktioyhtälö
• Kuvaa reaktion lähtötilanteen ja lopputuloksen
• Mukana lähtöaineet ja lopputuotteet,
jotka muodostuvat täsmälleen samoista osasista
siten, että ne ovat eri tavoin yhdistelty
• Kemiallinen reaktio voi olla
• yksisuuntainen (irreversiibeli):
Esim. Kananmunan valkuaisen koagulaatio
• käänteinen (reversiibeli):
Hg + O
⇌ HgO
Mooli, hiukkasen massa, moolimassa ja reaktioyhtälö
• Reaktioyhtälössä aineiden määrät reagoivat samassa suhteessa
mooleina kuin mitkä niissä esiintyvät molekyylisuhteet ovat:
2H2 + O2 -> 2H2O
Veden syntyessä tarvitaan kaksinkertainen määrä vetyä happeen verrattuna.
Esimerkiksi tarvitaan mooli vetyä (2,016g) ja puoli moolia happea (16g)
synnyttämään mooli vettä (18,016 g)
HH O
H O
H
H H
O H H
O
• Jos tiedetään reaktioyhtälö ja edes yhden reagoineen lähtöaineen tai
lopputuotteen määrä, kaikki muut reagoineet lähtöaine- ja lopputuotemäärät
voidaan laskea tällä perusteella
Entalpia H
• Tarkoittaa kemiallisen aineen sisältämää energiaa
• Aineen entalpiaa ei voi absoluuttisesti mitata, mutta
sen muutos DH kemiallisessa reaktiossa on mitattavissa
• Hessin lain mukaan mukaan kokonaisreaktion entalpiamuutos on
osareaktioiden entalpiamuutosten summa.
Eksoterminen ja endoterminen reaktio
• Eksotermisessä reaktiossa vapautuu energia, siis entalpian muutos DH on negatiivinen
• Endotermisessä reaktiossa sitoutuu energia, siis entalpian muutos DH on positiivinen
Reaktionopeus
Reaktionopeus = muutos aineen määrässä
muutokseen kulunut aika
• Reaktiossa ainehiukkaset kohtaavat toisensa.
• Reaktionopeus kasvaa sen mukaan,
 mitä suurempi lähtöaineiden kohtaamispinta-ala (kiinteä aine ja kaasu/neste)
 mitä suurempi lähtöaineiden konsentraatio
 mitä suurempi hiukkasten nopeus (lämpötila): Reaktioon johtavien
törmäysten määrä kasvaa
(10 asteen nousu => 2-3 kertainen reaktionopeus)
• Kuinka paljon energiaa vapautuu reaktiossa
 vaikuttaako reaktioon sitä jouduttava katalyytti
• Reaktionopeutta rajoittavat näiden lisäksi
 sitä estävä inhibiittori
 lopputuotteen konsentraation kasvu (reaktio saavuttaa tasapainon)
Reaktionopeus
(jatkoa)
• Kaasussa ja nesteissä hiukkasten nopeudet vaihtelevat suuresti
(aineen lämpötila on verrannollinen hiukkasten keskimääräiseen liike-energiaan)
• Samalla vaihtelee myös niiden kohtaamisnopeudesta riippuva reaktiokyky
• Reaktio on mahdollinen, kun hiukkasten törmäysenergia on tietyn verran yli niiden
keskimääräisen energian. Tätä ylittävää osaa kutsutaan aktivoitumisenergiaksi E.
• Reaktio muodostaa näin energiaprofiilin, jossa siirrytään ensin lähtöaineiden tasolta
aktivaatioenergian tasolle ja sen jälkeen lopputuotteiden tasolle.
• Aktivaatioenergian taso ei vaikuta reaktion lopulliseen entalpiamuutokseen
Energia
E
A+B
DH
C+D
Reaktionopeus
(jatkoa)
• Kaikki aktivoitumisenergian ylittävätkään törmäykset eivät johda reaktioon.
• Reagoivat molekyylit synnyttävät hyvin lyhytaikaisia siirtymätiloja, jotka sitten voivat
muuntua joko lopputuotteiksi tai takaisin lähtöaineiksi:
A + B ⇌ siirtymätila ⇌ C + D
•
Katalysaattorit tuottavat lähtöaineisiin sitoutuessaan sellaisia siirtymätiloja,
joiden aktivaatioenergia on alhaisempi kuin pelkkien lähtöaineiden.
• Näin ollen katalysaattorit helpottavat ja nopeuttavat reaktiota
Energia
• Katalysaattori on mukana vain lyhytikäisissä välituotteissa ja poistuu lopputuotteista
Katalysaattorin
vaikutus
aktivaatioenergiaan
E
A+B
DH
C+D
Massavaikutuksen laki/ tasapainovakio
• Kemiallisessa reaktiossa lähtöaineiden konsentraatio pienenee ja lopputuotteiden
konsentraatio kasvaa. Lopulta saavutetaan tasapainotila, jossa nettoreaktio
pysähtyy.
• Lähtöaineiden ja lopputuotteiden määrää tasapainotilassa kuvaa tasapainovakio K:
K = [ lopputuote 1]nlt1 . [ lopputuote 2]nlt2 . …..
[ lähtöaine 1]nla1 . [ lähtöaine 2]nla2 . …..
… jossa nlt viittaa lopputuotteen ja nla lähtöaineen molaariseen suhteeseen
reaktiossa
ja hakasulut aineiden konsentraatioihin
• Tasapainovakio riippuu lämpötilasta ja paineesta.
• On huomattava, että reaktio itsessään voi muuttaa näitä tekijöitä:
• Paine pienenee, kun kaasumainen lähtöaine muuttuu nestemäiseksi tai kiinteäksi
lopputuotteeksi
• Eksoterminen reaktio nostaa lämpötilaa
Liukoisuustulo
• Niukkaliukoisissa ionisoituvissa aineissa niiden liukeneminen voidaan ajatella
reaktioksi liuenneen ja liukenemattoman muodon välillä
• Tällöin liukenemattoman muodon konsentraatio voidaan ajatella vakioksi jolloin
voidaan muodostaa liukoisuutta kuvaava lauseke, liukoisuustulo:
Ks = [ An+ ]m . [ Bm- ]n
… jossa n viittaa aineen positiivisen ja m negatiivisen ionin varaukseen ja samalla
mikä samalla määrää vastaionin suhteellisen määrän molekyylissä
• Liukoisuus riippuu voimakkaasti lämpötilasta
• Reaktion suunta riippuu todellisesta konsentraatiotulosta:
• Jos todellinen konsentraatiotulo = Ks, liuos on kylläinen.
• Jos tulo ylittää Ks–arvon, liuos on ylikylläinen ja siirtyy spontaanisti kylläiseksi
• Jos tulo alittaa Ks–arvon, mahdollinen liukenematon faasi liukenee liuokseen.
http://www.taulukot.com/i
ndex.php?search_id=yhdist
eet&lng=fi
Liukoisuustuloja (25 °C)
Aine
Ks
Aine
Bromideja
Klorideja
AgBr
7,7 *
PbBr2
7,9 * 10-5
10-13
Fluorideja
CaF2
PbF2
Ks
4,0 * 10-11
3,7 *
10-8
Fosfaatteja
AgCl
1,6 * 10-10
Hg2Cl2
2,0 * 10-18
PbCl2
1,6 * 10-5
Kromaatteja
Ag2CrO4
1,3 * 10-12
BaCrO4
5,0 * 10-10
1,8 * 10-14
Ag3PO4
1,4 * 10-21
PbCrO4
Ca3(PO4)2
1,0 * 10-26
Oksalaatteja
Hydroksideja
Ag2C2O4
1,3 * 10-11
2,6 * 10-9
Al(OH)3
1,0 * 10-33
CaC2O4
Ba(OH)2
5,0 * 10-3
Sulfaatteja
Ca(OH)2
5,5 *
10-6
Fe(OH)2
BaSO4
1,1 * 10-10
7,9 * 10-16
CaSO4
2,5 * 10-5
Fe(OH)3
2,0 * 10-39
PbSO4
1,6 * 10-8
Mg(OH)2
1,1 * 10-11
Sulfideja
Pb(OH)2
2,0 *
10-16
Zn(OH)2
1,8 * 10-14
Jodideja
Ag2S
6,3 * 10-51
CuS
6,3 * 10-36
FeS
6,3 * 10-18
AgI
1,5 * 10-16
HgS
1,6 * 10-52
PbI2
1,4 * 10-8
PbS
1,3 * 10-28
ZnS
1,6 * 10-24
Karbonaatteja
BaCO3
8,1 * 10-9
CaCO3
8,7 * 10-9
PbCO
3,2 * 10-14
ELEKRONEGATIIVISUUS JA -AFFINITEETTI
• Elektronegatiivisuus kuvaa sitä, miten
voimakkaasti atomi vetää puoleensa yhteisiä
sidoselektroneja molekyylissä.
• Esimerkiksi happiatomin elektronegatiivisuus
on suurempi kuin vetyatomin,
joten vesimolekyylissä suurempi osuus happi vetysidosten elektronitiheydestä on happea
lähellä.
• Mitä suurempi on sidoksen muodostavien
atomien elektronegatiivisuuksien ero,
sitä polaarisempi sidos on.
http://www.biog1445.org/media/Electronegati
vity_files/electroneg.increasing.gif
• Elektroniaffiniteetti tarkoittaa entalpian muutosta (ΔH),
kun kaasumainen atomi vastaanottaa elektronin.
• Alkuaineesta muodostuu sitä helpommin negatiivinen ioni,
mitä negatiivisempi elektroniaffiniteetti on.
• Negatiivisempi elektroniaffiniteetti kasvaa mentäessä
alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä ylös ja oikealle.
• Affiniteetti on eri asia, mutta likimain samansuuntainen
kuin elektronegatiivisuus
• Ionisaatioenergia: Energia, joka tarvitaan irrottamaan
ylimmällä orbitaalilla oleva elektroni neutraalista
atomista.
Elektroniaffiniteetteja
Kasvava trendi
Kasvava trendi
http://college.cengage.com/chemistry/intro/zumdahl/intro_chemistry/5e/students/protected/periodictables/pt/pt/pt_ea2.html
http://www.angelo.edu/faculty/kboudrea/periodic/trends_electron_affinity.htm
http://www.angelo.edu/faculty/kboudrea/periodic/trends_electron_affinity.htm
• Ionisoitumisenergia eli ionisaatioenergia on energia, joka tarvitaan elektronin
irrottamiseen perustilassa olevasta atomista tai molekyylistä.
http://chemwiki.ucdavis.edu/Inorganic_Chemistry/Descriptive_Chemistry/Periodic_
Trends_of_Elemental_Properties/Periodic_Trends
KEMIALLISET SIDOKSET
Oktettisääntö
• Atomit tai ionit pyrkivät tilaan, jossa uloimmalla elektronikuorella on 8 elektronia
• Tätä tilaa kutsutaan oktetiksi (”kahdeksan porukka”)
• Pienillä atomeilla, joilla uloimmaksi kuoreksi jää K-kuori, oktettia vastaa
täysi K-kuori eli 2 elektronia (”minioktetti”)
• Tämä selittää sen, miksi esimerkiksi alkalimetallit luovuttavat
hanakasti ulkoelektroninsa, halogeenit ottavat yhden lisää ja jalokaasut ovat
kemiallisesti inaktiivisia.
• Monet aineet eivät kykene luovuttamaan tai ottamaan elektroneja.
Tällöin ne voivat muodostaa yhteisiä elektronipareja kovalentissa sidoksessa
(ks. myöh.)
Metallisidos
• Metalliatomit ovat lähellä toisiaan tiivispakkauksena
( niin lähellä kuin mahdollista)
• Tällöin uloimman kuoren elektronien liikeradat ovat hyvin lähellä myös
naapuriatomeja => ulkokuoren elektronit ”eivät kuulu kenellekään”.
• Näin ollen metallisidos muodostuu ytimen ja muiden kuin ulkokuoren
elektronien muodostamista kationeista ja niiden ympärillä vapaasti
”elektronipilvenä” (myös ”-sumu”, ”-kaasu”) liikkuvista ulkoelektroneista
• Ulkokuoren vapaat elektronit ovat tärkeässä roolissa
metallien lämmön- ja sähkönjohtavuudessa
http://www.ndted.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Structure/metallic.htm
Kovalentti sidos ( = ”tasa-arvoinen” sidos)
• Kahden atomin parittomat ulkoelektronit muodostavat yhteisen
molekyyliorbitaalin molempien atomien ympärille.
http://en.wikipedia.org/wiki/Covalent_bond
• Sigmasidos on voimakkain kovalenttisen sidoksen muoto
• Sigmasidos muodostuu yleensä joko kahden sp-hybridiorbitaalin tai sellaisen ja vedyn
s-orbitaalin tai kahden vedyn s-orbitaalin välille
• Kaikki yksöissidokset ovat sigmasidoksia
• Sigmasidos on piisidoksen kanssa kaksoissidoksen toinen osapuoli.
• Huomaa sidoksen muodostuminen orbitaalin päähän!
Huom: Kuvan p-orbitaalit
ovat todellisuudessa sporbitaaleja
https://sites.google.com/site/ed350201003/Task
• Piisidos muodostuu, kun kaksi samassa
faasissa olevaa p-orbitaalia lähestyy toisiaan sivusuunnassa.
• Muodostuneella p-orbitaalilla on kaksi lohkoa,
jotka sijaitsevat sidosakselin kautta kulkevan symmetriatason molemmilla puolilla.
• Pii-sidoksen elektronitiheys on pienempi kuin sigma-sidoksen,
jolloin se on sigma-sidosta heikompi ja reagoi helposti.
https://sites.google.com/site/ed350201003/Task
Koordinaatiosidos
• Kahdesta atomista toisen ulkoelektronien pari muodostaa yhteisen
molekyyliorbitaalin molempien atomien ympärille.
http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/dative.html
Kovalenttinen sidos ja dipolimolekyyli
•Molekyylin osapuoliatomeilla voi olla toisistaan poikkeava elektronegatiivisuus
•Tällöin kovalentin sidoksen elektronit sijaitsevat ajallisesti tosiasiassa
elektronegatiivisemman atomin ympärillä
•Tästä seuraa negatiivinen paikallinen varaus enemmän ja positiivinen varaus
vähemmän elektronegatiivisen osapuolen alueella => molekyyli on dipoli (kaksi napaa)
•Esim. vesimolekyyli:
-O
H
H
+
Ionisidos
https://chemistry-batz.wikispaces.com/07+Ionic+Bonding
http://chemistry.tutorvista.com/organicchemistry/carbon-carbon-bond-length.html
2
Dipoli-dipolisidos:
• Dipolimolekyylien erimerkkiset polariteeti vetävät toisiaan puoleensa
ja samanmerkkiset työntävät toisiaan poispäin
http://pegasus.cc.ucf.edu/~jparadis/chem2046/outline11.html
Ioni-dipolisidos
• Ionin ja poolisen molekyylin välinen sidos.
• Ioniyhdisteen liuetessa veteen kuhunkin ioniin kiinnittyy
useita vesimolekyylejä sähköisin vetovoimin.
• Vesimolekyyli takertuu positiiviseen ioniin negatiivisella
(happi-)polariteetillaan ja negatiiviseen ioniin positiivisella
(vety-)polariteetillaan.
•
Kidevedellisissä yhdisteissä, kuten kuparisulfaatissa, kideveden vesimolekyylien ja
ionihilan ionien välillä on ioni-dipoli-vuorovaikutuksia. Kohtalaisen vahvoista vuorovaikutuksista
johtuen kideveden poistaminen voi vaatia paljonkin yli 100 °C lämpötiloja.
Ioni-dipolisidos
http://pegasus.cc.ucf.edu/~jparadis/chem2046
/outline11.html
Indusoitunut Ioni-dipolisidos ja dipoli-dipolisidos
• Ioni tai poolinen molekyyli voivat indusoida poolittomasta
molekyylistä dipolin, jolloin hiukkasten välille muodostuu vetovoima
• Näillä efekteillä on osuutensa aineiden liukenemisessa
poolittomaan liuottimeen
http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/applychem/hydration.html
Vetysidos
• Vetyatomi sitoutuu voimakkaasti elektronegatiiviseen
atomiin (N, O, F,…)
• Erityisen voimakas vetysidos on vedessä, koska
vesimolekyylissä on toisaalta kaksi vetyatomia,
toisaalta happiatomilla kaksi vapaata elektroniparia,
jotka voivat vetysidoksella liittyä viereisten
molekyylien vetyatomiin.
http://fi.wikipedia.org/wiki/Vetysidos
http://www.physicsofmatter.com/NotTheBook/Talks/Ice/Ice.html
Vetysidos
• Orgaanisista yhdisteistä alkoholit ja karboksyylihapot sisältävät
vetysidoksia, kun osa vetyatomeista on sitoutunut happiatomiin
• Biokemiassa esim. DNA-molekyylin puoliskot ovat kiinni toisissaan
vetysidoksilla, jolloin molekyyli tarvittaessa avautuu ja sulkeutuu
vetoketjun tavoin.
Vetysidoksia Guaniinin ja sytosoiinin välillä
http://fi.wikipedia.org/wiki/Vetysidos#mediaviewer/Tiedosto:Base_pair_GC.svg
• Proteiinimolekyyleissä peptidiketjut ovat kiertyneet
spiraalimaisiksi, ja vetysidoksen pitäessä kierteet avautumattomina
Dispersiovoima (van der Waalsin vuorovaikutus)
• Kaikkien molekyylien välillä - myös poolittomien
• Johtuu elektronitiheyden vaihtelusta,
joka indusoi dipoleja molekyylien välille
• Ainoa efekti liukenemisessa, jos sekä liuotin että
liuotettava ovat poolittomia tai varauksettomia
http://pegasus.cc.ucf.edu/~jparadis/chem2046/outline11.html
http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/applychem/hydration.html
http://opinnot.internetix.fi/fi/muikku2materiaalit/lukio/ke/ke2/07._yhteenveto_sidostyypeista_niiden_rakenteesta_ja_ominaisuuksista?C:D=
1921167&m:selres=1921167
Yhteenveto sidostyypeistä, niiden rakenteesta ja ominaisuuksista
Sidos
ionisidos
kovalentti sidos
Hilatyyppi
ionihila
atomihila
Sidoksen vahvuus
vahva sidos
vahva sidos
Sitoutuvat hiukkaset
Ominaisuudet
Esimerkkiaine
kationit ja anionit
korkea sulamis-piste,
kova, hauras, eriste,
liukenee polaarisiin
liuottimiin
NaCl
801
Al2O3
2045
atomit
korkea sulamispiste,
kova, murtuu, hyvä
eriste tai puolijohde
metallisidos
metallihila
vahva sidos
sitkeä, taottava, hyvä
lämmön- ja
liikkuvat sidoselekt-ronit sähkönjohto-kyky,
ja metalli-kationit
metallikiilto
ioni-dipolisidos
Ei hilarakennetta
heikko sidos
pooliset molekyylit ja
ioni
dipoli-dipoli-sidos
molekyylihila
van der Waalsin sidos/ molekyyliDispersiohila
voimat
heikko sidos
heikko sidos
pooliset molekyylit
poolittomat molekyylit
Liukoisuus veteen
C
timantti
Fe
Cu
Na
3350
< 3550
1540
1083
98
H2O + NaCl
alhainen sulamispiste,
liukenevat yleensä
polaarisiin liuottimiin,
kovuus vaihtelee, eriste H2O
CH3OH
NH3
matala sulamispiste,
kovuus vaihtelee,
liukenevat yleensä
poolittomiin liuottimiin,
eriste
Esimerkkiaineen
sulamispiste
0C
N2
CH4
0
-98
-78
-210
-183
KESKEISIÄ REAKTIOTYYPPEJÄ
Hapetuspelkistys-reaktio
• Elektroni vaihtaa omistajaa
• Vaikutus itse hiukkaseen
• Elektronin luovuttaja hapettuu (= menettää)
• Elektronin ottaja pelkistyy (= saa lisää)
ox
redox
e-
• Vaikutus vastapuolena olevaan hiukkaseen
• Elektronin luovuttaja pelkistää (= antaa lisää)
• Elektronin ottaja hapettaa (= vie toiselta)
ox
redox
e-
Hapetuspelkistys-reaktio
(jatkoa)
• Esim:
2Hg + O2 ⇌ 2HgO
Reaktiossa elohopea hapettuu:
Hg ⇌ Hg2+ + 2 e-
… ja happi pelkistyy:
O2 + 2 e- ⇌ 2O2Kokonaisreaktio:
Alkuperäinen yhdistelmä
2Hg + O2 ⇌ 2Hg2+ + 4 e- + O2 ⇌ 2Hg2+ + 2O2- ⇌ 2HgO
Lopullinen yhdistelmä
Hapetuspelkistys-reaktio
(jatkoa)
• Hapetusluku kertoo, montako elektronia atomimuodossa
oleva aine sitoo (-) tai luovuttaa (+)
hapetus-pelkistysreaktiossa
• Esimerkiksi reaktiossa
2Hg + O2 ⇌ 2Hg2+ + 2 e- + O2 ⇌ Hg2+ + 2O2- ⇌ 2HgO
Hapen hapetusluku muuttuu nollasta arvoon –II
ja elohopean hapetusluku arvosta nolla arvoon +II
Hapetuspelkistys-reaktio
(jatkoa)
• Hapetuslukuja voidaan määritellä myös sillä perusteella, että kovalentissa sidoksessa
hapetusluku määräytyy sen perusteella, kumpi sidoksen osapuolista on elektronegatiivisempi.
• Esimerkiksi metaanissa CH4 hiili on tällainen, jolloin sen hapetusluku on -IV ja vedyn +1.
• Metaani taas palaa seuraavasti:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O.
• Reaktiossa vedyn hapetusluku ei muutu.
Neljä happiatomia saa muodollisesti yhteensä 4 x 2 elektronia,
sillä alussa niiden hapetusluku on nolla ja lopussa –II
(sekä hiilidioksidissa että vedessä ne ovat elektronegatiivisempi osapuoli).
Reaktio on elektronien suhteen tasapainossa, koska hiili menettää 8 elektronia
(hapetusluku alussa −IV ja lopussa +IV).
Metallien jännitesarja ja normaalipotentiaali
• Metallit voidaan järjestää sen mukaan kuinka ne ovat halukkaita/haluttomia
luovuttamaan elektroneja.
• Kokeellisesti metallit on järjestetty niiden pelkistymisen mukaiseen
järjestykseen. Sitä sanotaan metallien jännitesarjaksi (tässä vain osa metalleista):
K
Li
Be
Ca
Na
Mg
Al
Zn
Cr
Fe
Co
Ni
Sn
Pb
H
Cu
Hg
Ag
Au
• Vety on ”käännepiste”: Vetyä halukkaammat luovuttajat ovat epäjaloja ja
haluttomammat jaloja metalleja.
• Jalous voidaan kuvata ns. normaalipotentiaalina (pelkistymispotentiaalina), joka
kuvaa sähköistä potentiaalia, joka tarvitaan elektronin liittämiseen metalli-ioniin
• Jalojen metallien normaalipotentiaali on lukuarvoltaan positiivinen ja
epäjalojen negatiivinen
• Myös epämetalleille on määritetty omat normaalipotentiaalinsa
Tilanteessa, jossa jalompi metalli on ionimuodossa, se hapettaa epäjalomman, esim.:
Cu2+ + Zn(s) ⇌ Cu(s) + Zn2+
Pt
Metallien jännitesarja ja normaalipotentiaali
K
Li
Be
Ca
Na
Mg
Al
Zn
Cr
Fe
Co
Ni
Sn
Elekroniaffiniteetti kasvaa         
Hapetusvoima kasvaa          
Pelkistysvoima heikkenee         
Pb
H
Cu
Hg
Ag
Au
Pt
Elektrodin puolikennoreaktio
Normaalipotentiaali (V)
F2(g) + 2e- → 2F-(aq)
+2.87
S2O82-(aq) + 2e- → 2SO42-(aq)
+2.01
O2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O(l)
+1.23
Br2 (l) + 2e- → 2Br-(aq)
+1.09
Ag+(aq) + e- → Ag(s)
+0.80
Fe3+(aq) + e- → Fe2+ (aq)
+0.77
I2(l) + 2e- → 2I- (aq)
+0.54
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
+0.34
Sn4+(aq) + 2e- → Sn2+ (aq)
+0.15
S(s) + 2H+(aq) + 2e- → H2S(g)
+0.14
2H+(aq) + 2e- → H2 (g)
0.00
Sn2+(aq) + 2e- → Sn(g)
-0.14
V3+(aq) + e- → V2+ (aq)
-0.26
Fe2+(aq) + 2e- → Fe(s)
-0.44
Cr3+(aq) + 3e- → Cr(s)
-0.74
Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
-0.76
Mn2+(aq) + 2e- → Mn(s)
-1.18
Na+(aq) + e- → Na(s)
-2.71
Li+(aq) + e- → Li(s)
-3.04
http://chemwiki.ucdavis.edu/Analytical_Chemistry/Electrochemistry/Redox_Chemistry/Standard_Reduction_Potential
• Elektrolyytti = aine, jonka sula muoto tai vesiliuos johtaa sähköä:
Na+, Hg, ….
• Elektrolyysi = reaktio, jossa hapetus- tai pelkistyminen saadaan
aikaan sähkövirran avulla
Esim.:
Katodi
-
Cu2+(l) + 2 e- -> Cu(s)
Anodilla kloridi-ionit hapettuvat kloorikaasuksi:
2Cl- (l) -> Cl2(g) + 2 eSummareaktio:
CuCl2 (l) -> Cu(s) + Cl2(g)
+
Cl2
C
e2+
e- Cu
Cu2+
v
Katodilla kupari-ioni pelkistyy kuparimetalliksi:
Anodi
Cl- eCl- e
Happo-emäsreaktio eli protolyysireaktio
• Vetyioni (=protoni) vaihtaa omistajaa
• Happo (acid) = vetyionin luovuttaja
• Emäs (base) = vetyionin vastaanottaja
Happo
H+
Emäs
• Esim:
HCl (l) + H2O (l) ⇌
happo emäs
NH3 (l) + H2O (l) ⇌
emäs
happo
H + + Cl- + H2O ⇌
H3O+ (aq)+ Cl- (aq)
happo
emäs
NH4+ + OHhappo emäs
Happotähde = se osa haposta, joka jää, kun vetyioni irtoaa siitä.
• Amfolyytti = aine, joka voi luovuttaa ja vastaanottaa protoneja
• Edellisessä diassa olleissa reaktioissa näkyi veden amfolyyttisyys
• Muita amfolyytteja:
• Hiilihapon ionit (happotähteet)
NH4+ +
happo
NH4+ +
happo
CO32- ⇌
emäs
HCO3- ⇌
emäs
• Fosforihapon ionit
H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4H2PO4- ⇌ H+ + HPO42HPO4- ⇌ H+ + PO43-
NH3 + HCO3emäs happo
NH3 + H2CO3
emäs happo
Happojen ja emästen vahvuus ja heikkous
• Vahva happo luovuttaa herkästi protonin
• Heikko happo luovuttaa protonin kitsastellen
• Vahva emäs vastaanottaa protonin hanakasti
• Heikko emäs vastaanottaa protonin vähemmän hanakasti
• Vahvoissa hapoissa ja emäksissä protolyysi on vesiliuoksessa yleensä
täydellistä (kaikki vety- ja hydroksidi-ionit liukenevat veteen)
• Voimakkuus riippuu myös liuoksen muista protolyyteistä
Happojen ja emästen protolyysivakiot
• Protolyysivakio = hapon tai emäksen protolyysireaktion tasapainovakio
Reaktiolle
Happo
(H+ +(Happotähde)) + H2O ⇌ H3O+ + Happotähde
Ka =
[H3O+ ] [Happotähde ]
[H+ + (Happotähde) ] [H2O ]
(Happovakio)
Reaktiolle
Emäs + H2O ⇌ (Emäs + H+) + OHKb =
[Emäs + H+ ] [OH-]
[Emäs] [H2O ]
(Emäsvakio)
Huom! Vesi jätetään käytännössä lausekkeesta pois ja sen osuus on sijoitettu taulukoitujen
protolyysivakioiden yhteyteen. Näin ollen laskettaessa konsentraatioita protolyysivakioiden
avulla veden konsentraatiota ei sijoiteta kaavaan.
Heikot
Vahvat
Happojen protolyysivakioita
http://www.expertsmind.com/topic/bronsted-acids-and-bases/strong-and-weakbehavior-94788.aspx
Veden ionitulo
• Vesiliuoksessa on aina vettä hydrolysoituneena:
2H2O ⇌ H3O+ + OH• Vesiliuoksessa oksoniumionien ja hydroksidi-ionien määrä on aina tasapainossa
siten, että niiden konsentraatioiden tulo on aina vakio:
KW = [H3O+] . [ OH- ] = 10-14 mol2 / l2
Neutraalissa liuoksessa ionien määrä on sama, jolloin
[H3O+] = 10-7 mol/l
ja
[ OH- ] = 10-7 mol/l
Vesiliuoksessa on yleisemminkin voimassa lauseke KW = Ka Kb = 10-14 mol2 / l2 ,
Siis hapon (esim. HCl) ja sitä vastaavan emäksen (tässä tapauksessa Cl-)
voimakkuudet ovat kääntäen verrannollisia.
pH ja pOH
pH = -lg[H3O+]
• pH siis kertoo oksoniumionien konsentraation briggsin logaritmin vastaluvun.
• Kun pH laskee/nousee yhden numeron verran, se tarkoittaa
pitoisuuden kymmenkertaista nousua/laskua
pOH = -lg[OH-]
• pOH siis kertoo hydroksidi-ionien konsentraation briggsin logaritmin vastaluvun.
• Koska vesiliuoksessa ionitulo [H3O+] . [OH-] = 10-14
=> pOH + pH = 14
• Neutraalissa liuoksessa hydroksidi- ja oksoniumionien konsentraatio on sama,
jolloin pH = 7 ja pOH = 7.
• Happamissa liuoksissa pH < 7 ja pOH > 7
• Emäksisissä liuoksissa pH > 7 ja pOH < 7
Puskuri
• Puskurilios pyrkii pitämään pH:n arvon vakiona.
• Puskuriliuos sisältää joko heikkoa happoa tai heikkoa emästä
ja niitä vastaavaa suolaa.
Haposta tehty puskuriliuos:
[H+] = [ happo] Ka
[suola]
Emäksestä tehty puskuriliuos:
[OH-] = [ emäs] Kb
[suola]
• Puskuriominaisuus on voimakkaimmillaan, kun puskuroitavan liuoksen
pH on lähellä puhtaan puskuriliuoksen pH:ta
Puskuri
(jatkoa)
Hiilidioksidin suhteellinen määrä bikarbonaattiin nähden:
Hiilidioksidin määrä pienenee ja bikarbonaatin lisääntyy.
• Esim.
Hiilihapon ja sen suolan bikarbonaatin
puskuriliuos
[H+] = [ H2CO3] Ka
[HCO3-]
• Koska hiilihappo on käytännössä liuennutta
hiilidioksidia, voidaan myös kirjoittaa:
[H+] = [ CO2] Ka
[HCO3-]
• Veressä oleva bikarbonaatti puskuroi oheisen
käyrän mukaan. Huomaa, että veren pH ei ole
http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Buffer/Buffer.html
optimaalisimmalla puskurialueella.
Neutraloituminen
• Happo reagoi emäksen kanssa, jolloin happamuus ja emäksisyys kumoavat toisensa:
H3O+ + OH- ⇌ 2H2O
• Tarkkaan ottaen on kyse happo-emäsreaktiosta, jossa happo luovuttaa protonin
emäkselle:
H3O+ + OH- ⇌ H2O + H2O
happo1 emäs1
happo2 emäs2
• Myös hapon liukeneminen veteen voidaan ajatella neutraloitumisreaktioksi, jossa
muodostuu aiempaa heikommat happo ja emäs:
HCl
happo
•
+
H2O ⇌
emäs
H3O+
+
Cl -
heikompi happo heikompi emäs
Hapon ja hydroksidiemäksen välinen neutraloitumisreaktio tuottaa suolaa ja vettä :
HCl + NaOH- ⇌ H2O + Na + Clsuola
Neutraloituminen
(jatkoa)
• Jos neutraloituminen ei ole täydellistä, syntyvä suola voi sisältää vety- tai hydroksidiioneja. Tällöin niitä kutsutaan happamiksi ja emäksisiksi suoloiksi:
NaOH + H2SO4
⇌ NaHSO4
+ H2O
Ca(OH)2 + H3PO4
⇌ CaHPO4
+ 2H2O
Ca(OH)2 + HCl
⇌ Ca(OH)Cl + H2O
• Näiden suolojen vesiliuokset ovat joko happamia tai emäksisiä:
NaHSO4
+ H2O
Ca(OH)Cl + H2O
⇌ Na+ + H+ + H2O
⇌ Ca2+ + OH- + Cl- + H2O
Happojen ja emästen anhydridit
• Jos haposta poistetaan vesimolekyyli, siitä jää jäljelle yleensä kovalenteilla sidoksilla
liittynyt epämetallioksidi, jota kutsutaan happoanhydiriksi:
H2SO4
⇌ SO3
+ H2O
H2CO3
⇌ CO2
+ H2O
2H3PO4
⇌ P2 O5
+ 3H2O
Poikkeukset epämetallioksidisäännöstä: halogeeni-ioniin perustuvat HCl, HBr, HI,…
• Jos emäksestä poistetaan vesimolekyyli, siitä jää jäljelle yleensä ionisidoksilla
liittynyt metallioksidi, jota kutsutaan emäsanhydiriksi:
2NaOH
⇌ Na2O
Ca(OH)2
⇌ CaO
+ H2O
+ H2 O
• Emäksisyys perustuu tällöin oksidi-ionin ja veden reaktioon:
O2- + H2O -> 2OH-
Happo-emäs-titraus
• Happo-emästitrauksessa konsentraatioltaan tuntematon happo- tai
emäsnäyte analysoidaan titrantin avulla lisäämällä sitä näyteliuokseen vähitellen ja
tarkkailemalla liuoksen pH-muutosta
• Titranttina käytetään tunnetun väkevyistä happo- tai emäsliuosta, jota kutsutaan
standardiliuokseksi. (yleensä 0,1 mol/l NaOH, HCl tai H2 SO4)
• Standardiliuos lisätään useimmiten byrettiin, jonka mitta-asteikolta luetaan
titrausliuoksen kulutus.
• Byretin sijaan voidaan käyttää myös standardiliuoksen kulutuksen
automaattisesti mittaavaa titraattoria.
• Byretistä tai titraattorista päästetään näytteen joukkoon standardiliuosta tipoittain.
• Ekvivalenttikohta on kohta, jossa kaikki happo tai emäs on neutraloitu.
• Titrauksen ekvivalenttikohta määritetään pH-indikaattorin tai pH-mittarin avulla.
http://fi.wikipedia.org/wiki/Happo-em%C3%A4stitraus
Happo-emästitraus (jatkoa)
Ekvivalentikohdat:
Vahva happo-vahva emäs: pH = 7
Heikko happo – vahva emäs: pH > 7
Vahva happo – heikko emäs: pH < 7
• Jos happo kykenee luovuttamaan useamman kuin yhden protonin, on se moniarvoinen
eli polyproottinen.
• Jos pH:n mittaukseen on käytetty pH-mittaria, voidaan piirtää myös titrauskäyrä.
• Titrauskäyrällä voidaan erottaa useampi ekvivalenttikohta mikäli protonit
eivät irtoa yhtä helposti.
http://fi.wikipedia.org/wiki/Happo-em%C3%A4stitraus
http://en.wikipedia.org/wiki/Titration_curve#mediaviewer/File:Oxalic_acid_titration_grid.png
Hydrolyysi
• Aine hajoaa osasikseen veteen liuetessaan.
• Hydraatti on aine, johon on sitoutunut vettä joko
dipoli-dipoli-vuorovaikutusten tai ioni-dipolivuorovaikutusten vuoksi.
• Epämetallien hydrolyysi:
• Kovalentilla sidoksella sitoutuneista aineista elektronegatiivisempi
muodostaa vety-yhdisteen ja toinen aine hydroksidin:
PCl3 + H2O
⇌ P(OH)3
+ 3HCl
Esimerkkitapauksessa P(OH)3 on todellisuudessa muodossa H3PO2 .
Liuos muodostuu tällöin hyvin happamaksi kahden hapon läsnä ollessa.
• Suolojen hydrolyysi:
AlCl3 + 7H2O ⇌ Al(H2O)5OH2+ + H3O+ + 3ClSuolojen ionit ovat hydratoituneena ioni-dipolisidoksin.
Esimerkissä heikon emäksen (Al(OH)3) ja vahvan hapon (HCl) ionit tuottavat happaman liuoksen.
NaCH3COO + H2O ⇌ Na+ + CH3COOH + OHVahvan emäksen (NaOH) ioni (Na+) ja heikon hapon ioni (COO- ) muodostavat emäksisen liuoksen
ALKUAINEIDEN KEMIAA (epäorgaaninen kemia)
Metallit ja epämetallit
Metallien ominaisuuksia
• Metallisidos => hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus
• Taottavuus: Metallisidos sallii kationien siirtymisen toistensa lomassa
• Elohopeaa lukuun ottamatta kiinteitä huoneenlämmössä
• Metallinkiilto: valenssielektronien virittymistä korkeammille energiatasoille ja sieltä
takaisinputoamisessa valokvantteina vapautuvaa energiaa.
• Alhainen elektronegatiivisuus
• Muodostavat kationeja:
NaCl ⇌ Na+ + Cl-
• Useat oksidit emäksisiä (emäsanhydrideja): Na2O + H2O ⇌ 2NaOH
• Sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä vasemmalla ja
suurimmilla järjestysluvuilla myös melko oikealla
Em
Epämetalleja
Metalleja
Puolimetalleja
Metalleja
Pohja: http://www.ptable.com/?lang=fi
http://chemwiki.ucdavis.edu/Inorganic_Chemistry/Descriptive_Chemistry/Periodic_Tren
ds_of_Elemental_Properties/Periodic_Trends
Epämetallien ominaisuuksia
• Heikko sähkön ja lämmönjohtokyky
• Huoneenlämmössä sekä kiinteitä, nestemäisiä että kaasumaisia
• Muodostavat pääosin kovalentteja sidoksia
• Suuri elektronegatiivisuus
• Useat oksidit happamia (happoanhydrideja): SO3 + H2O-> H2SO4
• Sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä ylhäällä ja oikealla
• Epämetallin muodostamat kloridit yms. (bromidit,…) hydrolysoituvat vedessä:
BCl3 + 3H2O ⇌ B(OH)3 + 3HCl
Puolimetallien ominaisuuksia
• Puolimetalleilla on sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia: Johtavuus
muistuttaa metalleja ja kemiallinen käyttäytyminen useimmiten epämetalleja
• Monet niistä ovat myös puolijohteita: Ulkoelektronit pysyvät normaalissa tilassa
valenssikuorillaan, mutta ylimääräinen energia (lämpö, säteily…) nostavat ne
ylemmälle energiatasolle.
• Ylemmällä elektronikuorella (ns. johtavuusvyö) ollessaan ne eivät enää ole
sitoutuneena atomiinsa, vaan liikkuvat vapaana elektronina samaan tapaan kuin
metalleissa.
• Liikkeelle lähteneen elektronin paikalle kovalenttiin sidokseen jää elektroniaukko.
•
Tämä aukko siirtyy liikkuviin elektroneihin nähden vastakkaiseen suuntaan
(ns. aukkojohtavuus).
•
Elektronien määrä johtavuusvyöllä ja samalla johtavuus kasvaa lämpötilan myötä.
http://www.halbleiter.org/en/fundamentals/conductors/
Lisää oksidien ja hydroksidien happo-emäsluonteesta
• Mitä metallisempi aine on, sitä varmemmin se muodostaa
emäsanhydrideja oksidien vesiliuoksissa.
• Mitä epämetallisempi aine on, sitä varmemmin se muodostaa
happoanhydrideja oksidien vesiliuoksissa.
• Niukkaliukoiset metallisuolat voivat olla amfolyytteja, siis toimia happona emäksisessä
ja emäksenä happamassa liuoksessa:
Happona:
Al2O3 + 6NaOH -> 2 Na3AlO3 + 3H2O
Emäksenä:
Al2O3 + 6HCl -> 2 AlCl3 + 3H2O
• Korkeat hapetusasteet suosivat epämetallimaisuutta:
Kromi(II)oksidi emäksenä: CrO + H2O -> Cr(OH)2 (kromihydroksidi)
Kromi(VI)oksidi happona: CrO3 + H2O -> H2CrO4 (kromihappo)
Alkuaineita ryhmittäin: 1 Alkalimetallit
• Kaikissa alkalimetalleissa on yksi ulkoelektroni kahdeksan elektronin kuoren päällä
• Tästä johtuen alkalimetalli saavuttaa oktetin luovuttamalla yhden elektronin
• Tämä ominaisuus tekee niistä erittäin elektropositiivisia ja voimakkaita pelkistäjiä
• 1-ryhmässä poikkeuksen tekee vety, joka on epämetalli (ks. myöh.)
• Voidaan valmistaa elektrolyysissa pelkistämällä
• Reagoivat voimakkaasti veden kanssa:
• Hapettuvat jopa ilman kosteuden takia
• Veteen joutuessaan palavat jopa räjähtäen:
Na + H2O -> NaOH + ½ H2
Alkuaineita ryhmittäin: 1 Alkalimetallit
(jatkoa)
• Muodostavat halogeenien kanssa suoloja niinikään rajuilla reaktioilla:
2Na + Cl2 -> 2NaCl
• Ilmassa palaessaan alkalimetallit muodostavat oksideja:
4Na + O2 -> 2Na2O
Tunnettuja alkalimetalliyhdisteitä:
Natriumhydroksidi
Kaliumhydroksidi
Natriumkloridi
Kaliumkloridi
Kaliumbromidi
Natriunjodidi
Natriumkarbonaatti
Natriumvetykarbonaatti
Kaliumkarbonaatti
Natriumnitraatti
NaOH
erittäin voimakas emäs
KOH
samoin voimakas emäs
NaCl
ruokasuola
KCl
pH-mittarin säilytysliuos
KBr
rauhoittavissa lääkkeissä
NaI
jodeeratussa ruokasuolassa
Na2CO3 . 10H2O pesusooda
NaHCO3 ruokasooda
K2CO3 potaska: lannoite, nostatin,…
NaNO3 salpietari: lannoite, räjähteet
Alkuaineita ryhmittäin: 2 Maa-alkalimetallit
• Kaksi ulkoelektronia oktetin päällä => muodostavat +2-kationeja
• Perusominaisuudet muistuttavat muuten alkalimetalleja: Muodostavat
hyvin emäksisiä yhdisteitä, hapettuvat helposti, valmistetaan elektrolyysillä…
• Vähän raskaampia, kovempia ja sulamispisteeltään korkeampia kuin alkalimetallit
• Reagoivat veden kanssa vetyä vapauttaen:
M + 2H2O -> M(OH)2 + H2
• Magnesiumilla ja berylliumilla reaktio ei ole yhtä kiivas kuin alkalimetalleilla.
Muilla se on verrattavissa alkalimetalleihin.
• Syntyvät hydroksidit ovat beryllium- ja magnesiumhydroksidia lukuun ottamatta
voimakkaita emäksiä. Tässä näkyy metallimaisuuden kasvu jaksollista järjestelmää
alaspäin mentäessä
2 Maa-alkalimetallit (jatkoa)
Yhdisteitä:
Magnesiumkarbonaatti
MgCO3
Palonesto, lääketabletit,…
Magnesiumhydroksidi
Mg(OH) 2
Heikko emäs, esim. mahahappoja
neutraloimaan
Talkki
H2Mg3(SiO3)4
Asbesti
Mg3Si2O5(OH)4
Kalsiumoksidi
CaO
Sammuttamaton kalkki
Kalsiumhydroksidi
Ca(OH)2
Sammutettu kalkki
Kalsiumkarbonaatti
CaCO3
Kalkkikivi/marmori
Kalsiumsulfaatti
CaSO4 . 2H2O
Kipsi
Kalsiumfosfaatti
Ca3(PO4)2
Lannoitteissa ja luussa
• Kalsium- ja magnesiumsuolat tekevät vedestä kovan
2 Maa-alkalimetallit (jatkoa)
Yhdisteitä:
Klorofylli: Molekyylin runko porfyriini, jossa keskellä
Magnesiumioni typpiatomeihin sitoutuneena
(kuvassa klorofylli a)
Klorofylli a
Klorofylli b
Klorofylli c1
Klorofylli c2
Klorofylli d
Klorofylli f
C55H72MgN4O5
C55H70MgN4O6
C35H30MgN4O5
C35H28MgN4O5
C54H70MgN4O6
C55H70MgN4O6
https://peda.net/oppimateriaalit/e-oppi/lukio/kemia/eke1/liitteet/kuvat2/kuvat-lukuun-s/sk/klorofylli-a
13 Booriryhmän metallit /Alumiini
• Kolme elektronia ulkokuorella, alla L-kuoren oktetti = muodostaa Al3+ -ionin
• Valmistetaan elektrolyysillä alumiinioksidista (bauksiitti):
2Al2O3 -> 4Al + 3O2
• Alumiini liukenee happoihin muodostaen alumiinisuoloja, esim.
2Al + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2
Alumiini liukenee myös vahvoihin emäsliuoksiin muodostaen alumiinihapon suoloja,
aluminaatteja:
2Al + 2OH- + 4H2O -> 2H2AlO3- + 3H2
• Alumiinin pinnalle muodostuva oksidikerros suojaa emäksiseltä syövytykseltä
• Hapot liuottavat oksidikerroksen ja sen jälkeen myös alumiinimetallia
13 Booriryhmän metallit /Alumiini
• Alumiini on voimakas pelkistin:
Fe2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Fe (reaktio tuottaa jopa 3000oC:n kuumuuden)
• Alumiini-ionin vesiliuos on hapan:
Al(H2O)6 3+ + H2O -> H3O+ + Al(H2O)5 (OH)2+
Alumiiniyhdisteitä:
Alumiinioksidi
Al2O3
Alumiinisilikaatti
H4Al2 Si2O9
Bauksiitti (mukana kidevettä), vedettömänä
mm. kromatografiassa, hyvä adsorptiokyky
monissa jalokivissä: rubiini, safiiri ja korundi
Kaoliini, saven perusaine
Alumiini ja ihminen:
• Alumiini ei ole ihmiselle tarpeellinen
• Alumiinin kertyminen elimistöön estää luun mineralisoitumista ja vahingoittaa
hermokudosta.
7 /Mangaani
• Hapetusasteet +II, +IV, +VI, +VII
• Hapetusluvulla +VII muodostuu permangaanihappo HMnO4 ,
joka muodostaa permanganaattisuoloja
2MnO42- + Cl2 -> MnO4- + 2Cl• Kaliumpermanganaatti KMnO4 on voimakas hapetin, jota käytetään mm. hapetuspelkistys-titrauksissa happamassa liuoksessa:
MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O (Mn hapetusluvulta VII luvulle II,
hapet ja vedyt “päikseen”)
http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_permanganate
8 (9,10)/ Rauta (+ koboltti ja nikkeli)
• Hapetusasteet +II ja +III, harvinaisena myös +VI
• Rauta, koboltti ja nikkeli muodostavat ferromagneettisen rautaryhmän
• Raudan tavallisin oksidi on rauta(III)oksidi Fe2O3 ja toinen rauta(II)oksidi Fe3O4
• Ruoste on vesipitoista rauta(III)oksidia Fe2O3 . H2O
• Hemoglobiinimolekyylissä rauta(II)-ioni muodostaa
koordinaatiosidoksen siihen sitoutuvan hapen kanssa
• Hemoglobiinin perusrakenteena on vastaavanlainen
porfyriinirakenne kuin klorofyllissä.
http://fi.wikipedia.org/wiki/Hemoglobiini
11 / Kupari
• Hapetusasteista yleisin +II, joskus myös +I tai +III
• Suhteellisen haluton luovuttamaan elektroneja => jalometalli
• Tästä syystä se liukenee vain typpi- ja rikkihappoon:
ja
3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O (laimea typpihappoliuos)
Cu + 4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O (väkevä typpihappoliuos)
Cu + 2H2SO4 -> CuSO4 + 2H2O + SO2
• Kupari on yksi hivenaineista, mutta se on toisaalta toksinen jo aika alhaisissa
pitoisuuksissa
Kuparisulfaattikiteitä
http://fi.wikipedia.org/wiki/Kuparisulfaatti
11 / Hopea
• Hapetusaste +I
• Jalometalli: liukenee vain typpi- ja rikkihappoon (vrt. kupari)
• Hopea muodostaa kuitenkin liuenneena suoloja anionien kanssa.
Yhdisteitä:
Hopeanitraatti
AgNO3
”Laapiskivi”
Hopeakloridi
AgCl
Ag/AgCl -elektrodeissa
Hopeabromidi
AgBr
Valokuvauksessa
12 / Elohopea
• Hapetusaste +I ja +II
• Elohopea(I)-ioni muodostuu kahdesta elohopea-atomista Hg2+2
mutta muuttuu helposti elohopea(II)-ioniksi:
Hg+2 -> Hg + Hg2+
•
•
•
•
Ainoa huoneenlämmössä nestemäinen metalli
Jalometalli: Jalompi kuin kupari
Elohopea(I)kloridi eli kalomeli Hg2Cl2 on tärkeä mittauselektrodien materiaali
Elohopea on paha ympäristömyrkky, jota mm. liukenee maaperästä happamiin
vesistöihin
• Elohopean käyttöä esim. kuume- ja verenpainemittareissa on rajoitettu
Epämetallit
1 Vety
•
Pienin alkukaine
•
1 elektoni, mutta ei oktettia sen alla => poikkeaa epämetallina täysin muista
1-ryhmän alkuaineista, jotka ovat alkalimetalleja.
•
Esiintyy vetymolekyylinä H2 tai vetyionina H+ , joka on pelkkä protoni
(syy nimelle protolyysireaktio)
•
Vetyä syntyy monin tavoin. Yksi tapa on alkali- tai maa-alkalimetallin
reaktio veden kanssa:
Ca + H2O -> Ca2+ + 2OH- + H2
…tai vettä hydrolysoimalla elektrolyysin avulla:
2H2O -> 2H2 + O2
•
Yhdisteissä ionisidoksina (hapot), kovalenttisina sidoksina
(yksi oma ja toinen ”lainaelektroni”) tai vetysidoksina
1 Vety
(jatkuu)
•
Vetykaasua on runsaasti esim. auringossa ja pieniä määriä myös ilmakehässä
•
Tärkein yhdiste vesi H2O
•
Vesi on elämän edellytys: valtaosa biologisista reaktioista edellyttää vesiliuosta
ja toisaalta veden kyky sitoa happea on ollut elämän nykysuunnan kehityksen
edellytys
•
Vettä on paljon myös monissa suoloissa kidevetenä
•
Vesimolekyyli on polaarinen: sen happipää sitoo elektronegatiivisuuden takia
kovalentin sidoksen sidoselektronit, mikä tekee happipään negatiiviseksi ja
vetypään positiiviseksi.
•
Vetyioni sitoutuu vedessä koordinaatiosidoksella oksoniumioniksi (= hydroniumioni):
H+
+ H2O
-> H3O +
http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Acids_and_Bases/Aqueous_Solutio
ns/The_hydronium_Ion
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydronium
15, entinen 6B eli happiryhmä
•
6 elektronia ulkokuorella => kaksi elektronia lisää tuottaa oktetin =>
pienimmät ryhmän alkuaineet eletronegatiiviisia epämetalleja
•
Järjestysluvun kasvaessa elektronegatiivisuus vähenee ja
telluuri ja polonium ovatkin puolimetalleja ja livermorium metalli
Happi
•
Yleinen alkuaine, jota on ilmassa (21%) happikaasuna O2
ja lukemattomissa eri yhdisteissä
•
Hapetusluku –II, joskus –I
•
Suuri elektronegatiivisuus => voimakas hapetin
•
Saadaan tuotettua esim. hajottamalla vettä elektrolyyttisesti
•
Luonnossa vapaata happea syntyy fotosynteesin reaktiotuotteena
Happi
(jatkoa)
•
Happi liukenee jossain määrin veteen
•
Hapen ja muiden alkuaineiden yhdisteitä kutsutaan oksideiksi:
4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3
•
(rauta(III)oksidi)
Reaktio on aina eksoterminen ja se voi joskus vaatia kynnysenergian
(lämpötilan). Kun tällöin vapautuu paljon lämpöä, puhutaan palamisesta:
2C + O2 -> 2CO
(hiilimonoksidi eli häkä)
C + O2 -> 2CO2
(hiilidioksidi)
S + O2 -> SO2
(rikkidioksidi)
•
Myös yhdisteet voivat palaa: CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
•
Metallioksideissa happi on kiinni pääsääntöisesti ionisidoksella ja
epämetallioksideissa kovalentilla sidoksella.
•
Suuren elektronegatiivisuuden takia jotkut epämetallioksidit voivat olla
polaarisia (vesi, CO)
Happi
(jatkoa)
•
Peroksideissa on aina sidos kahden hapen kesken
•
Metalliperoksidit ovat ioniyhdisteitä ja epämetalliperoksidit kovalenteilla
sidoksilla muodostuvia:
Na - O - O - Na
Natriumperoksidi Na2O2
H - O - O - H
Vetyperoksidi H2O2
•
Metalliperoksideissa esiintyy peroksidi-ioni O22- , jossa hapet ovat toisissaan
kiinni koordinaatiosidoksella:
| O : O | 2-
•
Peroksidit ovat pysymättömiä yhdisteitä.
•
Vetyperoksidi on voimakas hapetin, kun se vapauttaa reaktiivista happea:
•
2H2O2 -> 2H2O + O2
Happi
•
(jatkoa)
Toista hapen allotrooppista muotoa otsonia syntyy, kun happimolekyylit
ionisoituvat sähkökentässä tai ionisoivan säteilyn vaikutuksesta:
3O2 -> 2O3
O
O
O
Ionisaatio
O
O
O
O
O
O O
O
O
O
O
O
O O
O
O
•
Sidoselektronit jakautuneet tasaisesti happien välille
•
Otsoni hajoaa edelleen takaisin hapeksi reaktiolla 2O3 -> 3O2
•
Syntynyt happi on vetyperoksidin tuottaman hapen tavoin erityisen
reaktiivista ja sitä käytetään mm. desinfiointiin (esim. uimahallit).
O
O
Rikki
•
Hapetusluku vaihtelee, yleisimmät –II, +IV ja +VI
•
Happea selvästi alhaisempi elektronegatiivisuus
•
Useita allotrooppisia muotoja, joista toiset kidemäisiä ja yksi amorfinen
•
Pelkistimien (pääasiassa metallit) kanssa rikki muodostaa –II
(joskus myös -I) hapetusluvulla olevia sulfideja.:
Cu + S -> CuS (Kuparimonosulfidi, hapetusluku -II)
2Na + 2S -> Na2S2 (Natriumsulfidi, hapetusluku -I)
H2 + S -> H2S (Vetysulfidi eli rikkivety, hapetusluku –II)
•
Epäorgaanisen kemian analytiikassa metalleja saostetaan usein sulfideiksi
•
Vetysulfidi on heikko happo:
H2S + H2O ⇌ H3O + + HS - ⇌ 2H3O + + S2(vetysulfidi-ioni)
(sulfidi-ioni)
Rikki (jatkoa)
•
Hapettimien kanssa rikki muodostaa +IV tai voimakkaimpien jopa +VI
hapetusluvulla olevia yhdisteitä:
S + O2 -> SO2
Rikkidioksidi ( hapetusluku +IV, vrt hiilidioksidi)
2SO2 + O2 -> 2SO3
•
•
Rikkitrioksidi ( hapetusluku +VI)
Nämä oksidit ovat happoanhydridejä:
SO2 + H2O -> H2SO3
Rikkihapoke
SO3 + H2O -> H2SO4
Rikkihappo
Rikkihapoke on heikko happo:
•
H2SO3 + H2O ⇌ H3O + + HSO3 -
Vetysulfiitti-ioni
HSO3 - + H2O ⇌ H3O + + SO32-
Sulfiitti-ioni
Sulfiittisuolat ovat tehokkaita pelkistimiä, kun hapetusluku muuttuu
+IV:stä +VI:een: Na2SO3 , NaHSO3 , ...
Rikki (jatkoa)
•
Rikkihappo on vahva happo:
H2SO4 + 2H2O ⇌ 2H3O + + SO42-
(sulfaatti-ioni)
•
Rikkihapon liukeneminen on erittäin eksoterminen reaktio.
•
Tästä syystä rikkihappo on aina laimennettava veteen eikä päinvastoin:
”Ensin vesi, sitten happo, muuten tulee käteen rakko!”
Rikin yhdisteitä
Vetysulfidi
H2S
Kalsiumvetysulfiitti
Rikkivety: erittäin myrkyllinen, mädän
kananmunan haju
Ca(HSO3)2 Sulfiittiselluloosan liuotin
Joissakin aminohapoissa:
http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/problem_sets/aa/sulfur.html
S
S
13 (entinen 4B) Hiiliryhmä
•
4 elektronia oktetin päällä
•
Näistä hiili epämetalli, pii ja germanium puolimetalleja ja loput metalleja
Hiili
•
Elävän luonnon perusrakennusaine
•
Hapetusluku +IV, jolla tuottaa käytännössä vain kovalentteja sidoksia
•
Monta erilaista allotrooppista muotoa:
Grafiitti
Timantti
http://cc.oulu.fi/~petuisku/Mineralogia/MinPer2.htm
http://fi.wikipedia.org/wiki/Timantti
Fullereeneja
Amorfinen hiili
http://opinnot.internetix.fi/fi/muikku2materiaalit/lukio/ke/ke1/3._hiili_ja_sen_kemia/
3.1hiili-alkuainejohonelamaperustuu?C:D=hNkQ.hfXG&m:selres=hNkQ.hfXG
Hiili (jatkoa)
•
Grafiittirakenteessa on vapaita elektroneja, jolloin se johtaa sähköä
Hiilen epäorgaanisia yhdisteitä:
Hiilimonoksidi
CO
Häkä, myrkyllinen (palo)kaasu, joka sitoutuu
hemoglobiiniin korvaten siellä hapen
Polaarinen
Hiilidioksidi
CO2
Pooliton (symmetrinen rakenne)
Esim. soluhengityksen, palamisen
tai alkoholikäymisen lopputuote
•
O
C
Hiilidioksidi liukenee veteen hiilihapoksi ja siitä edelleen karbonaatti- ja
bikarbonaatti-ioneiksi. Nämä ionit toimivat tehokkaina puskureina:
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
H2CO3 + H2O ⇌
H3O+ + HCO3- (vetykarbonaatti eli bikarbonaatti-ioni)
HCO3- + H2O ⇌
H3O+ + CO32-
(karbonaatti-ioni)
O
Hiili (jatkoa)
Hiilihapon suoloja:
Natriumvetykarbonaatti
NaHCO3
Ruokasooda
Natriumkarbonaatti
Na2CO3 . 10H2O
Pesusooda
Kalsiumkarbonaatti
CaCO3
Kalkkikivi
Muita hiilen epäorgaanisia hiiliyhdisteitä:
(Vety)syaanihappo
HCN
Erittäin myrkyllinen kaasu, jonka
suolatkin (syanidit) ovat hyvin
myrkyllisiä
Piikarbidi
SiC
Karborundum, erittäin kova aine
Pii
•
Hiilen lähin ”sukulainen”
•
”Epäorgaanisen luonnon perusaine”
•
Muodostaa myös hiilen lailla kovalentteja sidoksia hapetusluvulla +4
•
Hiilestä eroten pii on kuitenkin puolimetalli
•
Puolijohdetekniikan keskeinen perusaine
•
Pii ei liukene happoihin, mutta liukenee vahvoihin emäksiin:
•
Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2
(Natriumsilikaatti)
Piin yhdisteet:
Piidioksidi
SiO2
* Kvartsi
* Kova aine, muodostaa äärettömän kiderakenteen
O2- - ja Si4+ -ionien välillä
* erittäin niukkaliukoinen veteen, mutta muodostaa
emäksisissä liuoksissa silikaatteja
Pii
(jatkoa)
Piihapot:
Ortopiihappo
H4SiO4
Metapiihappo
H2SiO3
•
Yleensä nämä mielletään vesipitoiseksi piioksidiksi nSiO2 . mH2O
•
Piihapot saostuvat happamassa liuoksessa kolloidiksi ja edelleen kuumentamalla
(vettä poistamalla) hyytelömäiseksi silikageeliksi, joka on mm, kromatografian
tärkeä väliaine (ns. kiinteä faasi), johon analysoitavat aineet tarttuvat
•
Lasi on natrium- ja kalsiumsilikaatin ja piioksidin seos:
Na2SiO3 . CaSiO3 . nSiO2
•
Silikoni on polymeroitunutta SiO-rakennetta, johon
kiinnittyy orgaanisia rakenteita (tässä metyyliryhmä)
http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=5810
14 (entinen 5B) Typpiryhmä
•
5 elektronia oktetin päällä
•
Näistä typpi ja fosfori ovat epämetalleja, arseeni ja antimoni
puolimetalleja ja loput metalleja
Typpi
•
Yleinen alkuaine, 78% ilmasta typpikaasua N2
•
Typpien välissä kovalentti kolmoissidos:
•
Monta hapetuslukua: -III, 0, +I, +II, +III, +IV ja +V
N
N
Typpi (jatkoa)
Typen yhdisteitä
Typen oksideja:
Typpi (I)oksidi
N2 O
Dityppioksidi, typpioksiduuli eli ilokaasu
Typpi (II)oksidi
NO
Typpimonoksidi
Typpi (III)oksidi
N2O3
Typpitrioksidi
Typpi (IV)oksidi
NO2
Typpidioksidi, erittäin myrkyllinen
Typpi (V)oksidi
N2O5
Typpipentoksidi
H
Tärkeimmät typen hapot:
O
Typpi(V)happo
N2O5 + H2O -> HNO3
•
Erittäin vahva happo
N
O
O
Typpi (jatkoa)
Typpi(III)happo eli typpihapoke
H
O
N2O3 + H2O -> 2HNO2
•
Typpihapoke on heikko happo
N
O
•
Typpihapon suolat ovat nitraatteja:
•
Typpihapokkeen suolat ovat nitriittejä.
•
Nitraatteja saadaan aikaan typpihapon reagoidessa joko metallioksidin tai emäksen
kanssa:
CaO + 2HNO3 -> Ca(NO3)2 + H2O
(Kalsiumnitraatti)
HNO3 + NaOH -> NaNO3 + H2O
•
(Natriumnitraatti)
Nitriittejä syntyy mm. kuumentamalla alkalimetallinitraatteja:
(jaloimmat metallit pelkistyvät metalleiksi)
2NaNO3 -> 2NaNO2 + O2
(Natriumnitriitti)
Ca(NO3)2 -> Ca(NO2)2 + O2
(Kalsiumnitriitti)
Typpi (jatkoa)
Typen vety-yhdisteet:
Ammoniakki
NH3
H
H
N
H
•
http://uk.swewe.net/word_show.htm/?78362_1&%D0%90%D0%BC%
D1%96%D0%B0%D0%BA
Ammoniakki liukenee vedessä ammonium- ja hydrokisidi-ioniksi, mikä tekee
siitä heikon emäksen (mm. ei liukene kokonaan veteen):
NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-
H+
H
N
H
H
http://fi.wikipedia.org/wiki/Ammoniumioni
•
Ammoniumioni on taas happo
•
Ammoniumionin suoloista tunnetuin on ammoniumkloridi eli salmiakki
NH3 + HCl -> NH4Cl
Typpi (jatkoa)
Aminohapot sisältävät NH2- eli amidiryhmän (+ ogaaniselle hapolle tyypillisen COOHeli karboksyyliryhmän:
Poikkeus:
proliinissa typpi
rengasrakenteessa
http://www.chemtube3d.com/images/clayden/aminoacids.png
Fosfori
•
5 elektronia oktetin päällä
•
Epämetalli
•
Yleisimmät hapetusasteet +III ja +IV
•
Vapaana alkuaineena esiintyvä valkoinen fosfori erittäin myrkyllistä:
n. 50 mg:n annos kuolettava.
•
Valkoista fosforia pidettävä veden alla, koska se reagoi voimakkaasti
ilman kanssa ja yhteys ihon kanssa voi johtaa vakaviin palovammoihin.
•
Punainen fosfori ei ole niin myrkyllinen ja syttyvä, mutta voi muuttua
kuumetessaan valkoiseksi.
•
Punaista fosforia on mm. tulitikussa
Fosfori (jatkuu)
Fosforin yhdisteet:
Fosfori(III)oksidi
(tetrafosforiheksaoksidi)
P4O6
Fosfori(V)oksidi
(tetrafosforidekaoksidi)
P4O10
Erittäin myrkyllinen, valkoinen , kiinteä
Valkoinen, kiinteä hyvin vettä sitova
Fosfori(V)oksidin happojen määrien suhteet riippuvat reagoivan veden määrästä:
Ortofosforihappo
P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4
Metafosforihappo
P4O10 + 2H2O -> 4HPO3
•
”Fosforihappo” = ortomuoto
•
Ortofosforihappo on keskivahva happo
•
Fosforihapot voivat esiintyä polymeerirakenteina niin, että vesimolekyyli
”lohkeaa” fosforihappojen välistä, esim:
2H3PO4 + 6H2O -> 4H4P2O7 + H2O
http://fi.wikipedia.org/wiki/Fosforihappo
Fosfori (jatkuu)
Fosfori(III)oksidi muodostaa vedessä fosfonihappoa (fosforihapoke):
P4O6 + 6H2O -> 4H3PO3
Fosforihapon suolat ovat (orto)fosfaatteja ja fosfonihapon fosfiineja eli fosfonaatteja:
Mononatriumortofosfaatti
NaH2PO3
Dinatriumortofosfaatti
Na2HPO3
E339 ruoan happamuudensäätimenä, pesuaineissa,,…
Kuten edellä
Mononatriumortofosfaatti
Na3PO3
Kuten edellä
Kalsiumdivetyfosfaatti eli
monokalsiumfosfaatti
(Ca(H2PO4)2)
Lannoitteissa
Trikalsiumortofosfaatti
Ca2(HPO3 )2
Luuston tukirakenneaine
Fosfori (jatkuu)
Adenosiinimonofosfaatti AMP
Mm. solun viestinnässä ja DNA-synteesissä
Adenosiinidifosfaatti ADP
Tärkeä rooli energiataloudessa (ks. alla)
Adenosiinitrifosfaatti ATP
Tärkeä rooli energiataloudessa (ks. alla)
•
ATP on elimistön ”energiapoletti”, jossa kemiallinen energia on sitoutunut
ketjuuntuneiden fosforihappotähteiden sidoksiin:
http://www.intechopen.com/source/html/43476/media/image1.png
Fosfori (jatkuu)
Myös DNA:ssa ja RNA:ssa on fosforihappotähteitä sisältäviä yhdisteitä:
http://fi.wikipedia.org/wiki/DNA#mediaviewer/Tiedosto:DNA-labels.png
16 (entinen B7) Halogeenit
•
7 elektronia oktetin päällä, jolloin ne hakevat oktettia tyypillisesti yhdellä
lisäelektronilla
•
Tyypillisin hapetusluku –I, muita 0, + I, +III, +IV, +V, +VII
•
Epämetalleja ja elektronegatiivisia, elektronegatiivisuus heikkenee koon kasvaessa
•
Voimakkaita hapettimia
•
Alkuainemuodossa esiintyvät kahden atomin molekyyleinä kovalentein sidoksin
Fluori
•
Pienin ja elektronegatiivisin halogeeni
•
Esiintyy vain hapetusasteella –I ja useimmiten fluoridi-ionina F-
•
Alkuaineena F2 myrkyllinen, kellertävän vihreä, pistävänhajuinen kaasu.
•
Kemiallisesti kaikkein reaktiokykyisin alkuaine, sen metallisuolat kaikkein
vakaimpia.
Fluori (jatkuu)
Fluorin yhdisteitä
(Di)vetyfluoridi
H2F2
Myrkyllinen kaasu, syövyttää jopa lasia
Fluorivetyhappo
HF . H2O
Fluorivedyn veteen liuennut muoto
Litiumfluoridi
LiF
Fluoroapatiitti
Ca10(PO4)6F2
Niukkaliukoinen suola,
säteilyilmaisimissa
Hampaan kiilteen demineralisointia
hidastava yhdiste, muodostuu lisätystä
fluorista hammastahnassa jne.
(Toisten teorioiden mukaan fluori estää
happohyökkäyksen aiheuttavien
bakteerien tarttumista)
http://www.dentalcare.com/en-US/dental-education/continuingeducation/ce410/ce410.aspx?ModuleName=coursecontent&PartID=2&SectionID=1
Kloori
•
Elämän kannalta tärkein halogeeni
•
Useimmiten hapetusasteella –I ja useimmiten kloridi-ionina Cl-, mutta esiintyy myös
muilla hapetusasteilla
•
Alkuaineena Cl2 myrkyllinen, ”uimahallin hajuinen” kaasu.
•
Kloorikaasu on erittäin voimakas hapetin
Kloorin yhdisteistä
•
Valtaosa klooriyhdisteistä on myrkyllisiä
•
Kloori on kuitenkin olennainen elimistön toiminnassa kloridi-ionina
Kloorivety
HCl
Natriumkloridi
NaCl
Kaliumkloridi
KCl
Vesiliuoksena erittäin vahva suolahappo.
Vatsalaukussa, mm. tuhoaa bakteereja
Ruokasuola, välttämätön osa solujen
toimintaa
pH-mittarin säilytysliuos
Hopeakloridi
AgCl
Mittauselektrodien tärkeä valmistusaine
Kooste klooriyhdisteistä
Hapetusaste
−I
Nimi
kloridit
0
+I
hypokloriitit
Kaava
Tyypillisiä yhdisteitä
Cl−
Ionimuotoiset ja orgaaniset kloridit, suolahappo
Cl2
Alkuainemuotoinen kloori
Hypokloorihappo HClO
ClO−
+III
kloriitit
ClO−2
+IV
kloori(IV)
ClO2
+V
kloryyli,
kloraatit
+VI
kloori(VI)
Cl2O6
+VII
perkloraatit
ClO−4
(vapauttaa reaktiivista happea: 2HClO -> HCl + O2),
Natriumhypokloriitti NaClO (puhdistus- ja valkaisuaine)
Natriumkloriitti NaClO2 (esim. juomaveden
puhdistuksessa)
Klooridioksidi (paperin valkaisussa)
KClO (tulitikuissa, räjähteissä ja
ClO−3 ClO+2 Kaliumkloraatti
rikkaruohomyrkkynä)3
Kaliumperkloraatti KClO4 (ilotulitteissa)
Bromi
•
Kloorin kaltainen, mutta ei niin voimakas hapetin
•
Useimmiten hapetusasteella –I ja useimmiten bromidi-ionina Br-,mutta esiintyy
myös muilla hapetusasteilla
•
Alkuaineena Br2 punaista, myrkyllistä ja syövyttävää nestettä
Bromin yhdisteistä
http://en.wikipedia.org/wiki/Bromine
Vetybromidi
HBr
Vesiliuoksena vahva
vetybromidihappo.
Hopeabromidi
AgBr
Valokuvauksessa filmissä
•
Bromin orgaaniset yhdisteet voivat toimia palonestoaineina, koska kuumuudessa bromidi-ioni
hapettuu vapaaksi bromiksi.
•
Toisaalta reaktiossa vapautuva bromi hapettaa voimakkaasti esimerkiksi otsonia tuhoten, jos
sitä pääsee ilmakehän yläosiin
Nice to know:
Kuvan muodostuminen valokuvanegatiiville:
Filmin valottuessa ja kehitteen katalysoidessa HBr:n hopeaionit pelkistyvät
metalliseksi hopeaksi, joka näkyy negatiivissa mustana.
2Ag+ + 2e- → 2Ag
Samalla bromidi-ionit hapettuvat bromiksi
2Br- + 2e- → Br2
Jäljelle jäänyt hopeabromidi poistetaan käyttämällä sopivaa komplekseja
muodostavaa kiinnitettä, joka yleensä on natriumtiosulfaattia
AgBr(s) + 2 Na2S2O3(aq) → Na3[Ag(S2O3)2](aq) + NaBr(aq)
Jodi
•
Kloorin kaltainen, mutta ei niin voimakas hapetin
•
Useimmiten hapetusasteella –I ja useimmiten jodidi-ionina I-, mutta esiintyy myös
muilla hapetusasteilla
•
Kiinteänä I2 metallimainen, ja höyrystyy violetiksi höyryksi
Jodin yhdisteistä
http://fi.wikipedia.org/wiki/Jodi
Vetyjodidi
HI
Vesiliuoksena kaikista vahvin
halogenididihappo.
Natriumjodidi
NaI
Jodeeratussa ruokasuolassa
Tyroksiini
Kilpirauhashormoni
http://fi.wikipedia.org/wiki/Tyroksiini
Muita halogeeniyhdisteitä:
Teflonit
Fluorattuja hiilivetyketjuja
http://fi.wikipedia.org/wiki/Teflon#mediaviewer/Tiedosto:PFA_Structure.svg
CFC-yhdisteet
Pieniä hiilen ja halogeenien muodostamia
molekyylejä kylmälaitteiden putkistoissa,
aiemmin myös aerosolien ponnekaasuina.
Tuhoaa otsonikerrosta!
http://fi.wikipedia.org/wiki/CFC-yhdisteet
Diklooridifenyylitrikloorietaani
DDT: tuholaismyrkky, erittäin
pysyvä rakenne
=> paha ympäristömyrkky
http://fi.wikipedia.org/wiki/Diklooridifenyylitrikloorietaani
Polyklooratut bifenyylit
http://fi.wikipedia.org/wiki/Polyklooratut_bifenyylit
PCB: Erittäin toksinen ja pysyvä
palamistuote,
=> paha ympäristömyrkky
17 (entinen B8) Jalokaasut
•
8 elektronia ulkokuorella, jolloin niillä on jo oktetti
•
Poikkeus: Heliumilla ulkokuoren oktetti on saavutettu täydellä K-kuorella
•
Tästä syystä jalokaasut ovat hyvin epäreaktiivisia.
•
Liukenevat kuitenkin jossain määrin veteen
Jalokaasujen merkitys:
•
Neon ja argon valaisimissa
•
Lisätyn heliumin laimeneminen kertoo kokonaisilmamäärän keuhkoissa.
•
Suojakaasuina korvaamaan syttymisen tai bakteerituotannon mahdollistavan
hapen
•
Hengityskaasujen mittaaminen verenkiertoon liuenneen jalokaasuisotoopin avulla.
•
Radioaktiivisen radonkaasun siirtyminen asuntoon kaivoveden tai huonosti
tuuletetun alapohjan kautta
Seostyypit
• Todellinen liuos: Hiukkaset niin pieniä, että valo pääsee niiden lomitse (kirkas)
• Kolloidit: Kahden aineen seos, jossa hiukkaset tasaisesti sekaisin, mutta niin
suuria, että ne tekevät seoksen sameaksi:
-
Suspensio: neste + kiinteä aine
Emulsio: neste + neste
Vaahto: Kaasu nestefaasissa
Aereosoli: kiinteä aine tai neste kaasussa
• Saos/karkeadisperssi: Hiukkaset niin suuria, että lämpöliike ei pysty pitämään
niitä tasaisesti liikkeessä vaan osa niistä painuu pohjaan tai nousee pintaan.