Bioanalyytikkojen yl..
Transcription
Bioanalyytikkojen yl..
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.