7 Aineet ja mallintaminen

Ensimmäinen kemian koe - 2023 syksy

Koealue: Kpl 1-4 ja syventävä osuus (s. 6-33)
tämän sivun muistiinpanot

Tällä kertaa kpl 5, vesi, jätetään siis kokonaan kokeesta pois.
Vesimolekyyli esiintyy kuitenkin mukana esimerkkinä yhdisteestä!
Alkuainemuistipelin tulosteet

Johdatus kemiaan - muistiinpanot

Mitä kemia on

Kokeellinen luonnontiede, joka tutkii

ainetta ja sen ominaisuuksia sekä rakennetta
aineiden välisiä reaktiota

Kemian hahmottaminen

Havainnot: mittaukset ja muistiinpanot
Mallit: molekyylimallit, kemialliset kaavat ja reaktioyhtälöt
Taulukot ja hakuteokset: aineiden ominaisuudet
Suureet
Suure on aineen ominaisuus, joka voidaan mitata
Sillä on nimi, tunnus ja yksikkö
Ⓔ massa, m, 1 kg
Ⓔ lämpötila, T, 1 °C
Hiusten likaisuus ei ole suure, koska sille emme keksi mitattavaa yksikköä.

Tieteellinen menetelmä (luonnontieteellinen tutkimus)

Tavoitteena on selittää ilmiöitä, keinoina havaintoja ja teoriaa sopivassa suhteessa.
Tieteellinen tutkimus etenee suunnilleen näin

Tehdään havaintoja ja tunnistetaan ilmiöitä
Kehitetään "ennustus" (hypoteesi) selityksestä ilmiölle
Testataan kokeellisesti, pitääkö ennustus eli hypoteesi paikkansa
Jos ennustus ei toimi, tehdään uusi hypoteesi ja tutkitaan lisää
Onnistunut ennustus voi johtaa uuteen vahvistettuun teoriaan

Hypoteeseja ja teoriaa hahmotellaan mallien eli yksinkertaistusten avulla.

Periaatteita:

Kokeet ovat mahdollisimman pelkistettyjä ja toistettavia
Tutkijan vaikutus tuloksiin pyritään minimoimaan
Muut tutkijat varmistavat, että tulokset ovat luotettavia ja teoria toimii
Jos hypoteesi tai teoria osoittautuu vääräksi, sitä tutkitaan uudelleen ja korjataan

Missä kemiaa tarvitaan

Lääketieteessä, siivouksessa, teollisuudessa, kierrätyksessä, ympäristöteknologiassa, maataloudessa, ruoanvalmistuksessa

Kemian työvälineet

Lasiset: keitinlasi, keittopullo, mittalasi, koeputki, lasisauva, petrimalja, kellolasi
Keraamiset: haihdutusmalja, upokas, huhmare
Muoviset: kennolevy, pipetti, suppilo
Metalliset: upokaspihdit, koeputkiteline
Puiset: koeputkipihdit
Keittäminen: Kaasupoltin + kolmijalka + kuumennusverkko
Kiinnitys: Statiivitanko + kaksoispuristin + koura

Työturvallisuus

Turvallisuusratkaisut: Sopivat laimennokset!, ensisammutin, hätäsuihku, hätäpoistumistie, sammutuspeite, vesihana, suojahanskat, ensiapukaappi, silmähuuhde, vetokaappi, suojatakki, suojalasit (käytä), varoitusmerkit (opettele), käyttöturvallisuustiedotteet (muista)

Työsäännöt:

Luokassa ei syödä eikä juoda
Kuunnellaan ja luetaan ensin ohjeet
Kerätään tarvittavat työvälineet
Käytetään suojalaseja
Työskennellään harkiten ja ryhmässä
Aloittaminen opettajan luvalla
Tulenteko opettajan luvalla
Kysy apua tarvittaessa
Lopuksi: palauta välineet, siivoa * ja tiskaa **
* Tarkista opettajalta jätteiden hävitys
** Liuokset kuumalla vedellä, sakat ja jauheet fairyllä ja harjalla
Kielletty: ohjeiden päälle puhuminen, luokassa juokseminen, ryhmätöiden häirintä

Kaasupolttimen käyttö:

Aseta tukevasti siistille pöydälle
Kaasuhana ja ilma-aukko tässä vaiheessa kiinni
Tarkista varovaisesti, että kaasuhanan saa auki
Sytytä tulitikku ja vie se suuttimen yläpuolelle
Avaa kaasuhanaa sopivasti, että syttyy kunnolla
Avaa ilma-aukko, jotta liekki muuttuu siniseksi
Sininen liekki on kuuma eikä nokea niin pahasti
Jos liekki sammuu, käännä heti kaasuhana kiinni
Varmista palauttaessa, että hana on kiinni

Varoitusmerkit

Opettele varoitusmerkit. Tunnista kotoasi kemikaalipakkauksia, joissa on joitakin näistä merkeistä. Pyydä apua huoltajaltasi. Kirjoita vihkoosi esimerkit kuhunkin merkkiin sopivasta aineesta tai tuotteesta.

Vaarallisten kemikaalien varoitusmerkit. Lähde: https://tukes.fi/luulotpoiskemikaaleista/mista-tietoa-kemikaaleista

Aineiden ominaisuudet - muistiinpanot

Omia ominaisuuksia
Iloisuus? Uteliaisuus? Hyvä ruokahalu? Tunnollisuus? Päättämättömyys? Pituus n. 180 cm? (tämä on myös suure)

Aineiden ominaisuuksia

Fysiikaalinen	Kemiallinen
väri pinnanlaatu sähkönjohtavuus lämmönjohtavuus tiheys / keveys kovuus / pehmeys sitkeys / hauraus sulamispiste ja kiehumispiste → olomuoto huoneenlämpötilassa	haju maku happamuus liukoisuus reaktiivisuus

OLOMUODOT ja olomuodonmuutokset

	KAASU
tiivistyminen ↓	kp - kiehumispiste	↑ höyrystyminen
	NESTE
jähmettyminen ↓	sp - sulamispiste	↑ sulaminen
	KIINTEÄ

Kiehumispiste on aineelle ominainen lämpötila, jossa sen olomuoto muuttuu nesteestä kaasuksi (höyrystyminen) tai kaasusta nesteeksi (tiivistyminen).
Sulamispiste on aineelle ominainen lämpötila, jossa sen olomuoto muuttuu kiinteästä nesteeksi (sulaminen) tai nesteestä kiinteäksi (jähmettyminen).

Etsi kirjan taulukoista hopea, missä lämpötilassa se sulaa?
Kuinka kylmää pitää olla, että elohopea muuttuu kiinteäksi?
Mikä on etanolin olomuoto huoneen lämpötilassa?
Entä 90 °C lämpötilassa?

Esimerkkejä asioista ja esineistä. Mitä ainetta? Mitä ominaisuuksia aineella?

Uima-altaan sisältö:
Vesi - juokseva kirkas neste (huoneen lämpötilassa), varsin mauton, ei ole hapan, johtaa jotenkin sähköä
Sahanterä:
Teräs - kiinteä metalli, sitkeän taipuisa, kiiltävä, lämpöä ja sähköä johtava, melko kova, korkea sulamispiste
Hengityskaasu:
Ilma - kaasuseos, väritön, hajuton, ei kovin reaktiivinen, matala kiehumispiste
Ruokasuola:
Natriumkloridi - kiinteä (huoneenlämpötilassa), kova, kiteinen, vaalea, hauras, korkea sulamispiste
Mehiläisten ravinto:
hunaja - huonosti juokseva sokeripitoinen neste (lämpötilasta riippuen), keltainen, makea

Mallit - muistiinpanot

Malli

on yksinkertaistus jostakin asiasta
auttaa oppimaan ja esittämään ilmiöitä itselleen ja muille
helpottaa asioiden vertailua toisiinsa
Ⓔ kartta, pohjapiirros, hätäpoistumistien merkki, jalkapallojoukkueen pelimuodostelma, malli veden kiertokulusta
Erityisesti: Malli suurustamisen kemiasta!

Kemian mallit (vihkoon lyhennetysti, keskity pallomalleihin)

Atomien rakennemallit
Alkuaineen kemiallinen merkki
Ⓔ vety H ja helium He
Yhdisteen tai alkuainemolekyylin kemiallinen kaava
Ⓔ vesi H₂O, happi O₂ , ruokasuola NaCl
Piirretyt pallomallit atomeille ja molekyyleille (kutsutaan joskus myös kalottimalleiksi)
Muoviset pallotikkumallit (kuten rakennussarjamme)
Rakennemallit, jotka selittävät miten kiinteä aine pysyy koossa
Ⓔ jää, metallit, suolat
Seosten pallomallit
Ⓔ Vesi, johon on liuennut happea ja klooria

Alkuaineet ja atomit - muistiinpanot

Alkuaine

Alkuaineita on n. 90 kpl. Ⓔ happi ja titaani
Jokaisella alkuaineella on oma kemiallinen merkki Ⓔ O ja Ti
(Merkissä on aina vain yksi iso kirjain)
Saman alkuaineen atomit ovat samanlaisia.
Pienin määrä tiettyä alkuainetta on siis yksi alkuaineatomi.
Jotkin alkuaineet koostuvat yleensä alkuainemolekyyleistä
Ⓔ tavallinen happikaasu O₂koostuu molekyyleistä, joissa on kaksi happiatomia
Ⓔ myrkyllinen O₃ on otsonimolekyyli (osattava!)

1. Erä merkkejä opeteltavaksi - 8 tärkeintä

H - vety, H
He - helium
O - happi
C - hiili
Mg - magnesium
Fe - rauta
Na - natrium
Cl - kloori

Atomin rakennemalli - mitä pallomalli jättää kertomatta atomista:

Atomi koostuu ytimestä ja elektroniverhosta.
Elektronit liikkuvat elektroniverhossa (kehä)
Protonit sekä neutronit muodostavat atomin ytimen.
Alkuaineella on järjestysnumero, jonka määrää protonien lukumäärä
Kevyin alkuaine on 1. vety ja yksi raskaimmista 92. uraani
Atomilla on yhtä monta protonia ja elektronia.
Atomi on sähköisesti neutraali.

Hiukkaset	Vetyatomi, H	Heliumatomi, He

Elektroni: negatiivinen sähkövaraus Protoni: positiivinen sähkövaraus Neutroni: varaukseton	Vedyn järjestysnumero on 1, koska sen atomien ytimessä on aina yksi protoni. Elektronejakin vain yksi. Vetyatomi on pieni!	Heliumin järjestysnumero on 2, koska sen ytimessä on aina kaksi protonia

Yhdisteet - muistiinpanot

Huomio itselle: Lisää tänne ja edelliseen osaan pari pallomallia.
Lisäksi: Tätä muistiinpanoa kirjoitettaessa voidaan käsitellä muovisia pallotikkumalleja.

Erilaisia alkuaineista muodostuvia yhdisteitä voi olla miljoonia
Yhdisteessä on vähintään kahta eri alkuainetta
Atomit ovat kemiallisesti sitoutuneita toisiinsa
Saman yhdisteen pienimmät rakenneosat ovat samanlaisia (molekyyli)
Jos rikot molekyylin, aine ei ole enää sama
Kemiallisesta kaavasta näkee erilaisten atomien lukumäärän
Ⓔ metaanimolekyyli CH₄ sisältää yhden hiiliatomin C ja neljä vetyatomia H
Yhdisteen ominaisuudet ovat erilaiset kuin sen muodostaneiden alkuaineiden
Ⓔ vety H₂ ja happi O₂ ovat huoneen lämpötilassa kaasuja mutta niiden muodostama vesi H₂O on nestettä

Vesi - muistiinpanot

Yhdiste

Vesimolekyyli muodostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista

Yleisnimi	Kemiallinen nimi	Kaava	Pallomalli
vesi	divetymonoksidi	H₂O

Ominaisuudet

Hyvä liuotin - liuottaa sokeria, suolaa, happea ja ilmaa, etanolia, hieman metalleja ja kalkkia
ei kuitenkaan öljyä
Kiehumispiste on 100 °C
haihtumalla höyrystymistä tapahtuu alhaisemmassakin lämpötilassa
Sulamispiste on 0 °C
Huoneenlämpötilassa vesi on neste
Vedellä on suuri lämmönvarauskyky
Suuri pintajännitys - puun lehti tai vesimittari jää veden päälle, eikä uppoa ollenkaan
Taittaa valoa - valon suunta muuttuu veden pinnan läpi kulkiessa
Heijastaa valoa - kun aurinko on matalalla (valon tulokulma on suuri)
Vedellä toimii kapillaari-ilmiö - Vesi nousee kapeisiin putkiin ja huokoiseen ainekseen. Jos tiskirätti koskettaa veteen, se kastuu hitaasti kokonaan.
+4 °C vesi on tiheintä ja siksi pohjalla. Talven tullen pinnalla on siis kylmempää!

Kapillaari-ilmiö

Vesi nousee kapillaarisesti
sitä korkeammalle,
mitä ohuempi pilli on

Veden puhdistus - extraa

Juomavesi

Hanasta saatavaa juomavettä tuotetaan pohjavedestä (lähde) tai pintavedestä (järvet)
Veden puhdistukseen käytetään useita erotusmenetelmiä
- Suodatus, kemiallinen puhdistus
Hyvä juomavesi ei juuri haise tai maistu eikä siinä saa kasvaa haitallisia mikrobeja
Veden pH:ta säädetään, jotta putkistot eivät ruostuisi

Jätevesi

Viemäriin kaadettu vesi puhdistetaan ennen laskemista luonnonvesiin
Vedestä poistetaan kiintoainesta selkeytysaltaissa
Lisäksi vedestä pyritään sitomaan ravinteita, koska niillä on rehevöittävä vaikutus vesistöihin