E4 Molekyylien sisäiset varaukset

Aluksi

Raki on turkkilaista anisviinaa. Mitä tapahtuu, kun rakiin sekoitetaan vettä? Keksi ilmiölle selityksiä ja tarkastele niitä kriittisesti.

Osittaisvarausten muodostuminen

Kemialliset rakenteet perustuvat positiivisten ja negatiivisten varausten väliseen vuorovaikutukseen. Atomit ovat varauksettomia, mutta niiden elektronit voivat järjestyä siten, että syntyy atomit molekyyleiksi yhdistäviä vetovoimia. Myös molekyylit ovat kokonaisuutena varauksettomia, mutta niihin voi elektronien liikkeen vuoksi syntyä varauksellisia osia, jotka saavat molekyylit liittymään yhteen aineeksi.

Metanolimolekyylin happiatomi vetää yhteisiä sidoselektroneja enemmän puoleensa kuin siihen sitoutuneet vety- ja hiiliatomi. Happiatomi ei saa itselleen kokonaista ylimääräistä elektronia, eli siitä ei tule ionia. Hapen ympärillä on kuitenkin enemmän negatiivista varausta kuin sen ytimessä on positiivista varausta, eli sillä on negatiivinen osittaisvaraus. Happeen sitoutunut vetyatomi on luovuttanut negatiivista varausta, joten sillä on positiivinen osittaisvaraus.

Hiiliatomi on menettänyt negatiivista varausta happiatomille, mutta toisaalta se on saanut sitä takaisin kolmelta vetyatomilta, sillä hiili on hieman vetyä elektronegatiivisempi alkuaine. Hiiliatomin osittaisvarausta on siten hankala päätellä.

Negatiivinen osittaisvaraus voidaan ilmoittaa kemiallisessa kaavassa kirjoittamalla kyseessä olevan atomin viereen δ−. Merkinnässä δ eli delta tarkoittaa nollan ja ykkösen välissä olevaa lukua, eli δ− on pienempi varaus kuin kokonainen elektronin varaus. Positiivisen osittaisvarauksen merkki on vastaavasti δ+.

https://peda.net/id/ccdf46304
Metanolissa happiatomilla on negatiivinen osittaisvaraus ja happeen sitoutuneella vetyatomilla on positiivinen osittaisvaraus. Varausjakaumakuvassa nämä osittaisvaraukset näkyvät punaisena ja sinisenä alueena.

Poolisuus eli varausjakauman epätasaisuus

Sidosta, jossa toinen atomeista vetää yhteisiä elektroneja selvästi enemmän puoleensa, sanotaan pooliseksi. Poolisia sidoksia ovat esimerkiksi hapen ja hiilen sekä typen ja vedyn väliset sidokset. Sidosta, jossa elektronit jakautuvat atomien kesken suunnilleen tasan, sanotaan poolittomaksi. Poolittomia sidoksia ovat esimerkiksi kahden hiiliatomin välinen sidos sekä hiili- ja vetyatomin välinen sidos.

Pooli tarkoittaa napaa, joten poolisuuden voisi suomentaa napaisuudeksi. Poolisessa sidoksessa plusnapa on se atomi, jolla on positiivinen osittaisvaraus, ja miinusnapa on se atomi, jolla on negatiivinen osittaisvaraus. Kokonaista molekyyliä sanotaan pooliseksi, jos sen elektronit ovat jakautuneet epätasaisesti eli jos molekyylillä voidaan ajatella olevan plus- ja miinusnapa. Tällaista kaksinapaista molekyyliä kutsutaan dipoliksi.

Yksinkertaisten molekyylien poolisuus voidaan päätellä molekyylin muodosta ja sidosten poolisuudesta. Jotta molekyyli olisi poolinen, siinä pitää olla vähintään yksi poolinen sidos. Vaikka molekyylillä olisi useita poolisia sidoksia, se ei välttämättä ole kokonaisuutena poolinen, jos napaisuudet kumoavat toisensa symmetrian vuoksi.

Vesimolekyyli on poolinen, sillä sen kaksi poolista sidosta muodostavat keskenään terävän kulman. Molekyylin varausjakauma on tällöin epätasainen. Hiilidioksidimolekyyli on sen sijaan pooliton, vaikka siinä on kaksi poolista sidosta. Sidokset ovat nimittäin asettuneet vastakkaisiin suuntiin, joten syntyvät napaisuudet kumoavat toisensa.

Myös neljään atomiin sitoutuneen hiiliatomin ympärille voi syntyä sidosten poolisuuden kumoava symmetria. Kloorimetaani on poolinen molekyyli, koska siinä on poolinen sidos hiilen ja kloorin välillä. Myös dikloorimetaani on poolinen molekyyli, sillä sen kaksi poolista sidosta suuntautuvat osittain samaan suuntaan, joten sidosten poolisuudet eivät voi kumota toisiaan. Sitä vastoin tetrakloorimetaanissa pooliset sidokset ovat asettuneet niin symmetrisesti, että molekyyli on pooliton.

https://peda.net/id/cce223a04

Veden, hiilidioksidin, kloorimetaanin, dikloorimetaanin ja tetrakloorimetaanin rakennekaavat ja pallo-tikkumallit.

Poolisuuden vaikutus liukoisuuteen

:right Vanha kemian sananlasku kuuluu: samanlainen liuottaa samanlaista. Vesiliukoiset aineet liukenevat toisiinsa ja rasvaliukoiset aineet toisiinsa, mutta vesiliukoiset eivät liukene rasvaliukoisiin. Esimerkiksi sokeri liukenee veteen mutta ei bensiiniin. Toisaalta bensiinillä voidaan poistaa rasvatahra, johon vesi ei tehoa. Jotkin aineet voivat olla sekä vesi- että rasvaliukoisia. Esimerkiksi etanoli liukenee niin veteen kuin heksaaniinkin kaikissa suhteissa.

Liukoisuutta voidaan selittää tarkastelemalla sekoitettavien aineiden rakenteita. Jos yhdiste on poolinen, se on vesiliukoinen. Jos yhdiste on pooliton, se on rasvaliukoinen. Yhdisteellä, joka liukenee sekä poolisiin että poolittomiin aineisiin, on rakenteessaan poolisia ja poolittomia osia.

Etanoli liukenee veteen kaikissa suhteissa, koska siinä on poolinen OH-ryhmä ja pooliton hiiliketju on vain kahden atomin mittainen. Kun hiiliatomien määrä kasvaa, vesiliukoisuus pienenee: Neljä hiiliatomia sisältävää 1-butanolia liukenee litraan vettä noin 80 grammaa, mutta kuuden hiiliatomin 1-heksanolia liukenee samaan vesimäärään enää 6 grammaa. Kahdeksan hiiliatomin 1-oktanoli ei liukene veteen enää ollenkaan, eli molekyyli on poolisesta OH-ryhmästä huolimatta käytännössä pooliton.

https://peda.net/id/ccdd7dbe4

Etanolin, 1-butanolin, 1-heksanolin ja 1-oktanolin rakennekaavat.

Esimerkiksi

Eräs bensiini sisältää neljää kuvan yhdisteistä. Mitkä eivät kuulu joukkoon?

https://peda.net/id/cce07eec4

Ensimmäisellä rivillä n-heksaani, tolueeni ja ksyloosi, toisella rivillä urea, metyyli-tert-butyylieetteri (MTBE) ja etanoli. Tolueenin kaavassa on niin sanottu bentseenirengas. Bentseenirenkaassa on tapana jättää piirtämättä kuusikulmion kärjissä sijaitsevat hiiliatomit sekä näihin hiiliin sitoutuneet vetyatomit, joita tässä tapauksessa on yhteensä viisi.

Ratkaisu

Bensiinissä ei voi olla yhdisteitä, jotka eivät liukene siihen. Bensiiniin liukenevat yhdisteet ovat poolittomia, tai ainakin niissä on poolittomia osia. Selvästi poolittomia ovat n-heksaani ja tolueeni, sillä niissä on vain hiilen ja vedyn välisiä sidoksia.

Ksyloosissa on neljä OH-ryhmää viittä hiiliatomia kohti, joten se on hyvin poolinen. Ureakin on varsin poolinen, sillä siinä on yhtä hiiliatomia kohti yksi happiatomi ja kaksi typpiatomia.

Metyyli-tert-butyylieetterissä on isot poolittomat hiiltä ja vetyä sisältävät osat, eikä sen keskellä oleva yksittäinen happiatomi riitä tekemään aineesta poolista. Etanoli on OH-ryhmän perusteella poolinen, mutta kahden hiiliatomin ketjun vaikutuksesta sillä on myös poolitonta luonnetta ja se voi liueta bensiiniin.

Rakenteensa perusteella bensiiniin liukenevat parhaiten n-heksaani, tolueeni, ksyloosi, metyyli-tert-butyylieetteri ja etanoli. Bensiinissä ei voi olla merkittäviä määriä ksyloosia eikä ureaa.

Lopuksi

E4.1 Merkitse seuraaviin rakenteisiin molekyylin plus- ja miinusnapa osittaisvarausmerkinnöillä.

https://peda.net/id/ccde0e004

Vetykloridi, happi, formaldehydi ja metyyliamiini.

E4.2 Mitkä seuraavista torjunta-aineina käytetyistä aineista ovat poolisia? Mikä merkitys torjunta-aineen poolisuudella voi olla?

https://peda.net/id/cce19bd84

Sek-butyyliamiini, naftaleeni, heksaklooribentseeni ja 2-fenyylifenoli.

E4.3 Mitkä seuraavista nestemäisistä yhdisteistä liukenevat toisiinsa?

https://peda.net/id/cce2abcc4

Ensimmäisellä rivillä vesi, sykloheksaani ja heptaani, toisella rivillä glyseroli, asetoni ja tetrakloorimetaani.

E4.4 Rakiin tuo aniksen makua anetoli-niminen yhdiste. Selitä anetolin rakennekaavan avulla, miksi raki muuttuu valkeaksi, kun siihen lisätään vettä. Miksi valkoinen väri vähitellen häviää, jos juoma jätetään avonaiseen lasiin?

https://peda.net/id/ccdce3724

Anetolin rakennekaava.

E4.5 Laske mallinnusohjelmalla ensimmäisen tehtävän molekyyleissä olevat osittaisvaraukset. Tutki myös molekyylien varausjakaumaa ja dipolimomenttia. Dipolimomentin suuruus ilmoittaa, kuinka epätasaisesti molekyylin elektronit ovat keskimäärin jakautuneet. Dipolimomenttinuoli näyttää, mihin epätasaisesta varausjakaumasta muodostuva dipoli suuntautuu.

Malliratkaisut ja kommentit

Niksi

:right

Miksi osittaisvaraus merkitään δ+ tai δ− eikä +δ tai −δ? Etumerkkihän on tapana kirjoittaa nimensä mukaisesti luvun eteen.

Merkintä δ+ ei oikeastaan tarkoita positiivista lukua vaan luvun δ ilmoittamaa määrää positiivista varausta. Vastaavalla tavalla merkitään muitakin määriä: rautatabletissa voi olla 100 mg rautaa eli luvun 100 ilmoittama määrä milligrammoja.

Osittaisvarausten tapaan merkitään myös ionien varauksia. Esimerkiksi hemoglobiiniin kiinnittynyt rautaioni merkitään Fe²⁺, sillä rauta on luovuttanut kaksi elektronia ja se on siten kahden alkeisvarauksen verran positiivisesti varautunut. Varaus voitaisiin ilmoittaa myös merkinnällä Fe⁺⁺ kuten rautatablettipakkauksessa, mutta tätä tapaa ei kemiassa juuri tapaa.

Lisäksi

:rightKasvihuoneilmiö tarkoittaa sitä, että tietyt ilmakehässä olevat kaasut estävät maapallolta lähtevän lämmön karkaamista avaruuteen. Kasvihuoneilmiön ansiosta Maan keskilämpötila on ihmiselämälle suotuisa, mutta voimistuessaan ilmiö kasvattaa keskilämpötilaa ja muuttaa siten ilmastoa.

Kasvihuoneilmiötä aiheuttavia kaasuja sanotaan kasvihuonekaasuiksi. Tärkeimmät kasvihuonekaasut ovat vesi (H₂O), hiilidioksidi (CO₂), metaani (CH₄), typpioksiduuli (N₂O) ja otsoni (O₃). Kasvihuonekaasuja eivät ole kuivan ilmakehän yleisimmät kaasut typpi (N₂), happi (O₂) ja argon (Ar).

Kasvihuonekaasut lämmittävät maapalloa, koska ne ottavat vastaan infrapuna- eli lämpösäteilyä ja lähettävät siitä keskimäärin puolet ulkoavaruuteen ja puolet takaisin maanpintaa kohti. Infrapunasäteily on sähkömagneettisen kentän värähtelyä, joten se vuorovaikuttaa varausten kanssa: infrapunasäteily saa molekyylin atomit värähtelemään, jos tässä värähtelyssä molekyylin dipoliluonne muuttuu.

Typpimolekyyli voi värähdellä vain sidoksensa suuntaisesti. Vaikka sidos venyisi tai puristuisi kuinka, molekyyli pysyy poolittomana. Koska värähtely ei siis muuta typpimolekyylin dipoliluonnetta, typpi ei pysty ottamaan tehokkaasti vastaan infrapunasäteilyä. Typpi ei siten ole kasvihuonekaasu.

Hiilidioksidimolekyylikin pysyy poolittomana, jos sen happiatomit värähtelevät yhtä aikaa vastakkaisiin suuntiin. Jos happiatomit sen sijaan liikkuvat samaan suuntaan tai molekyyli taipuu, pooliton rakenne muuttuu värähtelyn aikana pooliseksi ja molekyyli voi vastaanottaa infrapunasäteilyä. Siksi hiilidioksidi on kasvihuonekaasu.