8 Jaksollinen järjestelmä ja sidokset

Ensimmäinen kemian koe - 2023 syksy

Koealue:

jaksollinen järjestelmä ja sidokset: kpl11-15 (+syventävä osa)
kpl 21 metallit ja niiden sidokset (erityisesti muistiinpanot)

Koealueeseen kuuluvat teoriamuistiinpanot tällä sivulla

Alkuainemuistipelin tulosteet

Johdanto

7. luokalla opimme, minkälaisia ominaisuuksia aineella voi olla. Nyt opiskelemme aineen rakennetta ja yritämme ymmärtää syitä aineiden ominaisuuksien taustalla. Lisäksi pyrimme ymmärtämään paremmin, mitä kemiallisissa reaktioissa tapahtuu.

Aineen rakenne

Esineet ja ihmiset koostuvat erilaisista aineista. Kukin puhdas aine koostuu sille tyypillisistä pienimmistä rakenneosista kuten atomeista, ioneista (tai esim ionipareista) tai molekyyleistä. Lopulta kyse on siitä, miten atomit käyttäytyvät toistensa läheisyydessä. Atomin päällimmäinen osa on elektroniverho, joka koostuu elektronikuorista. Atomi tervehtii viereistä atomia uloimpien elektroniensa avulla. Jaksollinen järjestelmä auttaa ymmärtämään, mitä silloin tapahtuu.

Sidostyypit

Ionisidos - epämetallin ja metallin välillä
Molekyylisidos - epämetallin ja epämetallin välillä
Metallisidos - metallin ja metallin välillä

Sähköinen vuovovaikutus

Kemialliset sidokset perustuvat hiukkasten pieniin sähkövarauksiin. Sähköopin kokonaisuus kuuluu fysiikkaan mutta tässä lyhyt kooste sähköisistä vuorovaikutuksista eli voimien muodostamista pareista.

	Saman merkkiset varaukset hylkivät toisiaan
	Saman merkkiset varaukset hylkivät toisiaan
	Eri merkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa
	Sähkövarausten kasvattaminen voimistaa vuorovaikutusta niiden välillä. Riittää, jos toinen varauksista kasvaa
	Sähkövarausten välisen etäisyyden kasvaminen heikentää vuorovaikutusta niiden välillä

Kertaa atomi

Atomin piirtäminen

Atomin rakenne:

Ydin keskellä, sisältää neutronit ja protonit
Elektronit kiertävät ydintä elektroniverhossa
joka voi koostua useammasta elektronikuoresta
Rakenneosat ja niiden sähkövaraukse
- Neutroni varaukseton
- protoni positiivinen eli +
- elektroni negatiivinen eli -

Järjestysluku

Alkuaineen tai sen atomin järjestysluku = protonien lukumäärä ytimessä
Atomi on varaukseton, koska protonien lukumäärä = elektronien lukumäärä
Atomi pysyy koossa, koska + ja - varausten välillä
puoleensa vetävä vuorovaikutus
Ensimmäiset kymmenen alkuainetta
1 H, 2 He, 3 Li, 4 Be, 5 B, 6 C, 7 N, 8 O, 9 F, 10 Ne
vety, helium, litium, beryllium, boori, hiili, typpi, happi, fluori, neon

Kuorimalli

Keskittyy elektronikuoriin ja elektroneihin
Ytimen rakenne jätetään pois ja korvataan sen sähkövarauksella
Ytimen sähkövaraus selviää alkuaineen järjestysluvusta (ja siten protonien lukumäärästä)
Elektroneja tulee yhtä monta kuin ydinvaraus

Kuorimalli	Järjestysnumero ja alkuaine
	1. vety, H Ydinvaraus 1+ ja yksi elektroni
	2. helium, He Ensimmäinen elektronikuori täyttyy, koska sille mahtuu vain kaksi elektronia
	3. litium, Li Toinen elektronikuori otetaan käyttöön
	4. beryllium, Be
...	Alkuaineet 5-8
	9. fluori, F Elektroneja asetellaan neljään suuntaan ja sitten pareittain.
	10. neon, Ne Toinen elektronikuori on täynnä, koska sille mahtuu kahdeksan elektronia
	11. natrium, Na Kolmas elektronikuori otetaan käyttöön
...	Ja niin edelleen

Pistemalli

Pistemalli koostuu alkuaineen kemiallisesta merkistä ja sen ulkoelektroneista.
Tässä kuorimalliteorian alkuaineet pistemalleina ja mielenkiintoisesti järjestettynä.
Tästä alkaakin muodostua jaksollinen järjestelmä!

Yhteenveto malleista - hiiliatomi C eri mallinnuksilla

Jaksollinen järjestelmä

Johdanto

1800-luvulla alkuaineet osattiin järjestää atomipainoltaan kevyimmästä raskaimpaan.
Alkuaineen järjestysnumero kasvaa tässä samassa järjestyksessä.
Mendelejev havaitsi, että alkuaineet muodostavat ryhmiä, joiden ominaisuudet muistuttavat toisiaan
Alkuaineet jaksotettiin riveittäin niin, että samankaltaiset ryhmät muodostuivat pystysarakkeisiin.
Myöhemmin havaittiin, että jakso eli rivi merkitsee elektronikuorien lukumäärää ja ryhmästä eli sarakkeesta voi päätellä ulkoelektronien lukumäärän.

Tässä kohtaa oppitunnilla:
Alkuainekorttien järjestäminen
Oppilaan oman jaksollisen järjestelmän täyttäminen (aihio monisteena)
Linkki tulostettavaan pohjaan ja Malliratkaisu

Pääryhmät

Alkalimetallit
Erittäin reaktiivisia
Pehmeitä metalleja (paitsi vety)
Muodostavat suoloja eli suolayhdisteitä varsinkin 6. tai 7. pääryhmän alkuaineiden kanssa
Ⓔ NaCl natriumkloridi eli ruokasuola
Natrium vedessä 200 g
Natrium vedessä 1 kg
Kalium vedessä 10 g
Maa-alkalimetallit
Reaktiivisia
Muodostavat tällöin suoloja
Ⓔ CaCl₂ kalsiumkloridi
Booriryhmä
Boori on kasveille välttämätön hivenaine
Hiiliryhmä
Hiil: orgaaninen kemia, pii ja germanium: mikropiirien puolijohteet
Typpiryhmä
Typpi ja fosfori ovat tärkeitä ravinteita, liiallisina rehevöittävät vesistöjä
Happiryhmä
Happimolekyylit O₂ kaasua
Rikkimolekyylit S₂ kiinteää
Happea ja rikkiä on useissa metallimalmeissa.
Halogeenit
Reaktiivisia epämetalleja, molekyyleinä
Kaasumaisia (F₂ ja Cl₂), nestemäisiä (Br₂) ja kiinteitä (I₂)
Jalokaasut
Yksiatomisia kaasuja, He, Ne, Ar...
Passiivisia (ei reaktiivisia)
Eivät siis juuri muodosta yhdisteitä
Syynä oktettirakenne, kahdeksan ulkoelektronia
Ⓔ Vappupalloissa käytetään kevyttä heliumia, koska se on herkästi syttyvää vetyä turvallisempaa

Oktetti

Atomin uloimmalla kuorella voi olla 1-8 elektronia (heliumilla 2)
Oktettitilassa uloin kuori on "täynnä" eli ulkoelektroneja on 8 (heliumilla 2)
Atomit "pyrkivät" oketettiin luovuttamalla, vastaanottamalla tai jakamalla ulkoelektroneja.
→ kemialliset sidokset
Poikkeuksena jalokaasut, joiden ei tarvitse.
Oktettitila on ns. matalimman energian tila, jossa aine on levollisinta ja sen reaktiohalut tipotiessään.

Elektronikuorien täyttäminen - säännöt

Kuorimallin piirtäminen jaksollisen järjestelmän avulla

Elektronien määrä on sama kuin alkuaineen järjestysnumero
1. kuori täytetään ensin, mahtuu 2 elektronia (1. jakso)
2. kuori täytetään sitten, mahtuu 8 elektronia (2. jakso)
Uloimmalle kuorelle elektroneja pääryhmän mukainen määrä (1-8)
Jos kuoria on neljä, loput elektronit sijoitetaan 3. elektronikuorelle.

Atomin muuttuminen ioniksi

Atomista tulee ioni...

elektroneja luovuttamalla
- Elektroneja (-) on silloin vähemmän kuin protoneja (+)
- Muodostuu positiivinen (+) ioni
- Pääryhmien 1-3 alkuaineet, joilla on 1-3 ulkoelektronia
- Uloin kuori "häviää" ja sisemmästä kuoresta tulee uloin kuori.
  Nyt uloimmalla kuorella on 2 tai 8 elektronia (oktetti)
elektroneja vastaanottamalla
- Elektroneja (-) on silloin enemmän kuin protoneja (+)
- Muodostuu negatiivinen (-) ioni
- Pääryhmien 5-7 alkuaineet, joilta "puuttuu" 1-3 elektronia
- Uloin kuori täyttyy,
  Nyt uloimmalla kuorella on 8 elektronia (oktetti)

Yksinkertaistaen: metallit muodostavat positiivisia ioneita ja epämetallit negatiivisia.

Ⓔ Muodostetaan ionit alkuaineista kalsium ja fluori jaksollisen järjestelmän avulla

kalsium, Ca on 2. pääryhmän alkuaine
sillä on 2 ulkoelektronia
luovuttaa ne pois ja saa varauksen +2
muodostuu kalsiumioni Ca²⁺
fluori, F on 7. pääryhmän alkuaine
sillä on 7 ulkoelektronia
vastaanottaa yhden elektronin ja saa varauksen -1
muodostuu fluoridi-ioni F⁻

Ionien nimeäminen

Metalli-ionit: lisätään alkuaineen perään ioni Ⓔ magnesium → magnesiumioni
Epämetalli-ionit: lisätään alkuaineen perään di-ioni Ⓔ jodi → jodidi-ioni
Epäsäännölliset taivutukset:
happi → oksidi-ioni
rikki → sulfidi-ioni
(typpi → nitridi-ioni)

HOX-taulu. Hiiliryhmä ja jalokaasut eivät muodosta ioneita kovin helposti.

Ionisidos ja ioniyhdiste

Lisätietoa - ionisoitumisen reaktioyhtälöt

(Tämä esitystapa käydään huolellisemmin metallien kemiassa)
Natriumatomi luovuttaa elektronin ja muuttuu natriumioniksi:
Na → Na⁺ + e⁻

Klooriatomi vastaanottaa elektronin ja muuttuu kloridi-ioniksi:
Cl + e⁻ → Cl⁻

Yhdistelmä: kloori vastaanottaa elektronin natriumilta ja molemmat ionisoituvat
muodostaen natriumkloridia eli ruokasuolaa
Na + Cl → Na⁺ + Cl⁻ → NaCl

Ioniyhdisteet ja niiden ominaisuudet

ioniyhdistettä sitoo ionisidos
se on positiivisen ja negatiivisen ionin välinen vuorovaikutus
ioniyhdisteitä sanotaan suoloiksi
muodostuvat metallista Ⓔ natrium ja epämetallista Ⓔ kloori
kiinteinä kovia mutta hauraita, eivät johda sähköä
sulatettuina tai vesiliuoksessa sähköä johtavia
korkea sulamispiste

Kuva:
Vasen: Kide on kovaa, koska ionien paikat on tarkasti määrätty (puoleensa vetävä sähköinen vuorovaikutus)
Oikea: Kide on hauras. Kopautus liikauttaa samanmerkkiset ionit vierekkäin ja kide hajoaa (hylkivä sähköinen vuorovaikutus)

Nimeäminen ja kaava

Metalli ennen epämetallia, epämetallissa di-pääte.
Ⓔ Natriumkloridi, NaCl
Ionien varaukset, + tai -, eivät näy kaavasta
Ionien lukumäärä näkyy tarvittaessa alaindeksissä
Ⓔ Kalsiumkloridi, CaCl₂
yhtä kalsiumionia kohden on kaksi kloridi-ionia
SYY:
Kalsiumionin varaus on +2 ja kloridi-ionin -1
Sähkövarausten pitää silti mennä tasan:
Ca²⁺ + 2 Cl⁻ → CaCl₂
SEURAUS:
Kalsiumkloridin pienin rakenneyksikkö sisältää yhden kalsiumionin ja kaksi kloridi-ionia

Moniatomiset ionit

Joitain moniatomisia ioneita on syytä tietää ja tunnistaa, koska niitä esiintyy usein käyttämissämme suolaliuoksissa.

Nitraatti-ioni, NO₃⁻ ionin varaus -1 tärkeä
Sulfaatti-ioni, SO₄²⁻ ionin varaus -2 tärkeä
Fosfaatti-ioni, PO₄³⁻ ionin varaus -3 ei kovin tärkeä
Ammoniumioni, NH₄⁺ ionin varaus +1 tärkeähkö

Moniatomisten suoloja:
Ⓔ Ammoniumkloridi, NH₄Cl - salmiakki
Ⓔ Kuparisulfaatti, CuSO₄ - sininen suola ja liuos
Ⓔ Kuparinitraatti, Cu(NO₃)₂ - näin merkitään, että yhtä kupari-ionia kohden on kaksi nitraatti-ionia

Kahden suolan välinen reaktio

Kaksi suolaa eli ioniyhdistettä voidaan sekoittaa toisiinsa liuoksina
Suola + suola → kaksi uutta suolaa

Ⓔ natriumkloridi + hopeanitraatti → natriumnitraatti + hopeakloridi
NaCl + AgNO₃ → NaNO₃ + AgCl
Kuva: suolojen sekoituksessa kaikki neljä suolaa. Hopeakloridi kuitenkin saostuu pohjalle ja liuoksen veden kanssa muodostaa natriumnitraatti. Katso liukoisuustaulukkoa alempana.

Ioniyhdisteiden liukoisuustaulukko:

Ⓔ * Muodosta ja tasapainota kaliumfluoridin ja magnesiumkloridin reaktio ja tarkista sakka. Ratkaisu
Ⓔ *** Muodosta ja tasapainota kuparisulfaatin ja natriumnitraatin rektio ja tarkista sakka. Ratkaisu

Molekyylisidos ja molekyyliyhdisteet

Molekyyliyhdisteet ja niiden ominaisuudet

Molekyyliä pitävät koossa molekyylisidokset eli kovalenttiset sidokset
Jokainen sidos syntyy kahden epämetalliatomin välille
Molekyylisidokset muodostuvat vierekkäisten atomien jakamista yhteisistä elektronipareista
Sidoselektronit lasketaan ulkoelektroneiksi molemmille atomeille
Molekyyliyhdisteitä on paljon ja hyvin erilaisia
Eivät johda sähköä

Vetymolekyylin, H₂ muodostuminen kuorimallin avulla
Huom: vedyn oketti on 2 ulkoelektronia, koska vety on 1. jakson alkuaine.

Vesimolekyylin H₂O muodostuminen kuorimallin avulla

Yksöissidos, kaksoissidos ja kolmoissidos

Yksöissidoksessa on yksi pari yhteisiä elektroneja Ⓔ fluorimolekyyli, F₂
Kaksoissidoksessa on kaksi kaksi paria yhteisiä elektroneja Ⓔ happimolekyyli, O₂Kolmoissidoksessa on kolme paria yhteisiä elektroneja Ⓔ typpimolekyyli N₂

Näiden molekyylien sidokset voidaan selittää oktettisäännöllä:
Esim typpi N. Sille jäi kaksi omaa ulkoelektronia ja sidoksessa on kuusi.
Molekyylin N₂ kummallakin typpiatomilla on siis 2+6=8 ulkoelektronia eli oktetti.
Harjoitustöissä käsitellään molekyylisidoksia vielä kuorimallien avulla.

Eräitä melko pienikokoisia molekyyliyhdisteitä:
vetysyanidi, hiilidioksidi, metaani, fluorometaani, vesi, etanoli, etaani, eteeni, etyyni, asetoni, muurahaishappo.
Eräitä monimutkaisia molekyyliyhdisteitä:
karoteeni, kapsaisiini, kofeiini, MTBE

Vetysyanidimolekyylin kuorimalli

Molekyyliyhdisteiden nimeäminen

Nimeäminen muistuttaa suolojen nimeämistä. Happi tai halogeeni tulee yleensä lopuksi ja saa di-päätteen.
Molekyyliyhdisteillä käytetään myös etuliitteitä, jotka osoittavat atomien lukumäärän (katso taulukko).

etuliite	selitys	Ⓔ kaava	yhdisteen nimi
mono	yksi	CO	hiilimonoksidi eli häkä
di	kaksi	CO₂	hiilidioksidi
tri	kolme	SO₃	rikkitrioksidi
tetra	neljä	CCl₄	hiilitetrakloridi
penta	viisi	N₂O₅	dityppipentaoksidi

Päättele kemiallinen kaava seuraaville molekyyliyhdisteille:

rikkidioksidi
divetymonoksidin
dihappidifluoridi

Metallisidos ja metallin rakenne

Valssaaja konepajalla

Metallisidos

Metalliatomeilla on 1-3 ulkoelektronia
Muodostaessaan kappaleen ne antavat ulkoelektroninsa kappaleen yhteiseen käyttöön
Vapaat elektronit muodostavat ns. elektronien meren, joka liikkuu vapaasti ja koska eletronit ovat negatiivisia, ne vetävät puoleensa positiivisia metalli-ioneita. Näin rakenne pysyy koossa.
Jos elektronit poistetaan kokonaan, metallin rakenne pettää. Silloin metalli esim. ruostuu tai liukenee veteen.

Litium muodostaa ionin: Li → Li⁺ + e⁻ (tarkoittaa elektronia)

Alumiini muodostaa ionin: Al → Al³⁺ + 3 e⁻

Metallihilan rakenne litiumilla ja alumiinilla:

Osaisitko vielä piirtää kuorimallit litiumista ja alumiinista?

Ominaisuudet

Tiheys - metallit ovat yleensä tiheitä, koska rakenneosat ovat lähellä toisiaan.
Hyvä lämmönjohtavuus
SYY: tiheässä aineessa värähtelyt siirtyvät tehokkaasti metalli-ionilta toiselle
Hyvä sähkönjohtavuus
SYY: vapaat elektronit kuljettavat sähkövarausta
Sitkeys ja muokattavuus
SYY: vapaat elektronit toimivat liikkuvana liimana, joten ionien liikahtaminen Ⓔ vasaran iskusta ei yleensä riko metallisidoksia kuten ioniyhdisteessä

Metalliseos eli lejeerinki

Metalleja käytetään harvoin puhtaina
Esimerkiksi teräksessä raudan ominaisuuksia parannellaan seosmetallien avulla käyttötarkoituksen mukaan
(teräs sisältää tosin myös jonkin verran hiiltä, joka ei ole metalli)
Messinki on kuparin ja sinkin seos
Pronssi on kuparin ja tinan seos

Lisätietoa, uudenvuodentina ja juotostina:
https://www.suomela.fi/uudenvuoden-tina-on-paaasiassa-lyijya
https://fi.wikipedia.org/wiki/Juotostina
Tinan sulamispiste: 232 °C
Lyijyn sulamispiste: 327 °C
Juotostinan (sisältää molempia) sulamispiste: alhaisimmillaan 183 °C
Erikoista. Metalliseoksen sulamispiste on alempi kuin kummankaan seosaineen sulamispiste.