E2 Atomeista molekyyleiksi

Tunnin tavoitteet

Tunnin jälkeen:
Osaat selittää käsitteet pysyvä elektronirakenne ja oktetti.
Ymmärrät ionien muodostumisen ja osaat ionimerkinnästä päätellä ionien hiukkasten lukumäärät.
Ymmärrät, miksi heliumkaasu koostuu atomeista, mutta esim. vety-, happi-, ja typpikaasu koostuvat molekyyleistä.
Osaat piirtää em. molekyylien mallit sidosviivoin ja täplämallilla.

Asiat löytyvät myös Mooli1 oppikirjasta s.28-30.

Varauksellinen atomi eli ioni

Näkemämme aine koostuu yhteen liittyneistä atomeista. Atomit yhdistyvät, kun niiden elektronit järjestyvät uudelleen. Eräänlainen elektronin liikkumisen ääritapaus on se, että elektroni poistuu kokonaan atomin vaikutuspiiristä. Atomille tulee tällöin ulkoapäin tarkasteltuna positiivinen sähkövaraus, sillä atomiytimen protonien lukumäärä ei muutu. Atomi voi myös vastaanottaa elektronin, mikä tekee siitä negatiivisesti varautuneen.

Varauksellista atomia tai atomiryhmää sanotaan ioniksi. Positiivista ionia kutsutaan kationiksi ja negatiivista ionia kutsutaan anioniksi. Varaus merkitään kemiallisessa kaavassa yläindeksiin.

Pienin kationi on positiivinen vetyioni H⁺ eli hydroni. Kun isotooppina on vety-1, hydroni on yksinkertaisesti protoni. Pienin anioni on H⁻ eli hydridi-ioni. Se koostuu ytimestä ja kahdesta elektronista. Molempia ioneja esiintyy vapaina muun muassa ilmakehän ylimmässä osassa ionosfäärissä.

https://peda.net/id/cccec6524

Kun vetyatomi luovuttaa elektronin, siitä tulee kationi H⁺. Kun vetyatomi vastaanottaa elektronin, siitä tulee anioni H⁻.

Yhteinen elektronipari eli kovalenttinen sidos

Jos vetykationi H⁺ ja vetyanioni H⁻ sattuisivat kohtaamaan ilmakehässä, ne vetäisivät toisiaan puoleensa kuten mitkä tahansa vastakkaismerkkiset varaukset. Jos näitä ioneja voitaisiin tarkkailla niiden lähestyessä toisiaan, jossakin vaiheessa havaittaisiin selvä muutos: Ionit muuttuvat samanlaisiksi, sillä anionin kaksi elektronia alkavat kiertää yhtä lailla kumpaakin atomiydintä. Ytimet eivät enää lähesty toisiaan, sillä varaukset ovat hakeutuneet tasapainoon. Kahdesta ionista on muodostunut kaksiatominen molekyyli.

Molekyyli on varaukseton atomien yhteenliittymä. Kahdesta vetyatomista rakentuva vetymolekyyli, H₂, koostuu kahdesta ytimestä ja kahdesta elektronista. Elektronit pysyttelevät suureksi osaksi ydinten välisessä alueessa, sillä näin kumpikin positiivinen ydin kokee kummankin negatiivisen elektronin aiheuttaman sähköisen vetovoiman. Ytimet pysyvät kuitenkin jonkin matkan päässä elektroneista, jottei ydinten toisiinsa kohdistama poistovoima kasva liian suureksi.

https://peda.net/id/ccd1c9244

Kun kaksi vetyatomia muodostavat molekyylin, elektronit liikkuvat etenkin atomien välisessä alueessa. Laskennallinen varausjakauma kuvaa elektronien jakautumista: punainen väri tarkoittaa aluetta, jossa elektronit sijaitsevat eniten, ja sininen väri aluetta, jossa elektronit käyvät vähiten.

Yhteisen elektroniparin synnyttämää suotuisaa vuorovaikutusta sanotaan kovalenttiseksi sidokseksi. Kovalenttiset sidokset ovat vahvoja sidoksia, ja ne pitävät molekyylin koossa. Kaksi atomia voi jakaa paitsi elektroniparin myös neljä tai kuusi elektronia. Kahden elektronin muodostama sidos on yksinkertainen kovalenttinen sidos. Neljän elektronin sidos on nimeltään kaksoissidos, ja kuuden elektronin sidosta sanotaan kolmoissidokseksi.

Elektroniparia voidaan merkitä kaksoispisteellä tai viivalla, joten vetymolekyylin rakenne kirjoitetaan kemian merkkikielellä joko H:H tai H–H. Tavallisesti viivaa käytetään kovalenttisen sidoksen merkkinä ja kaksoispisteellä merkitään sidokseen kuulumatonta eli vapaata elektroniparia. Kaksoissidosta merkitään kahdella päällekkäisellä viivalla, kolmoissidosta kolmella viivalla.

https://peda.net/id/cccf66a24

Veden, eteenin ja vetysyanidin rakennekaavat. Kaavoissa on esitetty, miten merkitään yksinkertainen sidos, kaksoissidos, kolmoissidos ja vapaa elektronipari.

Samanlaisista molekyyleistä koostuvaa ainetta sanotaan yhdisteeksi. Vetykaasu on tämän määritelmän mukaan H₂-molekyyleistä koostuva yhdiste. Toisaalta se on myös alkuainetta, koska sen kaikilla atomeilla on sama järjestysluku. Kun vety palaa eli vedyn H₂-molekyylit reagoivat hapen O₂-molekyylien kanssa, syntyy vettä. Vesi koostuu H₂O-molekyyleistä, eli se on kahta alkuainetta sisältävä yhdiste. Vaihtoehtoisen määritelmän mukaan yhdisteitä ovat vain tällaiset vähintään kahdesta alkuaineesta koostuvat aineet.

Ioniyhdisteen muodostuminen

Metalliatomeilla on taipumus luovuttaa elektroneja, jolloin ne saavuttavat pysyvän elektronirakenteen.
Na --> Na⁺ + e^-Ca - -> Ca²⁺ + 2e^-

Epämetalliatomit taas ottavat mielellään
vastaan elektroneja saadaksen oktetin.
Cl + e^- --> Cl^-
Br + e^- --> Br^-

Positiivisen ja negatiivisen ionin välille muodostuu sähköinen vetovoima, ns ionisidos
Na⁺ + Cl^----> NaCl
Ca²⁺+ 2Cl^----> CaCl₂

Esimerkiksi

Kuinka monta elektronia on seuraavissa biologisesti tärkeissä ioneissa:
a) Na⁺, b) Zn²⁺, c) HCO₃⁻?

Ratkaisu

a) Natriumin järjestysluku on 11, eli natriumatomissa on 11 protonia ja 11 elektronia. Na⁺-ionissa on yksi elektroni vähemmän eli 10 elektronia.

b) Sinkin järjestysluku on 30. Merkintä Zn²⁺ tarkoittaa, että sinkkiatomi on luovuttanut kaksi elektronia, joten ionissa elektronien lukumäärä on 28.

c) Vetykarbonaatti-ionissa HCO₃⁻ on yksi vetyatomi, yksi hiiliatomi, kolme happiatomia ja lisäksi yksi elektroni. Vedyn järjestysluku on 1, hiilen 6 ja hapen 8. Elektronien määräksi tulee siten 1 + 6 + 3 · 8 + 1 = 32.

Tehtävä: Metaanimolekyylin muodostuminen

Metaani on yksinkertaisin orgaaninen yhdiste. Mikä on metaanin molekyylikaava? Millainen on metaanin rakennekaava? Miten eri atomit saavat pysyvän elektronirakenteen, kun metaanimolekyyli muodostuu?

Lisäksi

Aineen kolme tuttua olomuotoa ovat kaasu, neste ja kiinteä. Maailmankaikkeuden yleisin olomuoto on kuitenkin plasma. Plasma on kuin kaasua mutta sillä erotuksella, että merkittävä osa sen atomeista ja molekyyleistä on ioneja. Plasma vuorovaikuttaa siten sähkömagneettisten kenttien kanssa paljon voimakkaammin kuin kaasu.

Plasmaa esiintyy etenkin tähdissä ja tähtienvälisessä aineessa. Maan päällä plasmaa hyödynnetään muun muassa loistelampuissa ja plasmanäytöissä.

https://peda.net/id/ccd13dd84

Plasmapalloon synnytetään plasmaa ionisoimalla pallossa olevaa kaasua sähkövirran avulla.

Plasmaa tavallisempi ionien esiintymismuoto maapallolla ovat ioniyhdisteet. Ioniyhdisteissä kationit ja anionit järjestyvät siten, että erimerkkisten ionien välillä on mahdollisimman paljon vetovoimia ja samanmerkkisten ionien väliset poistovoimat ovat mahdollisimman pienet.

Ionien välisiä vetovoimia kutsutaan ionisidoksiksi. Ne ovat kovalenttisten sidosten tavoin vahvoja sidoksia.