KE4 Materiaalit ja teknologia - Otava Oppimisen …...kirjan käyttäjälle Mooli 4 – Materiaalit ja teknologia sisältää lukion kemian opetussuunnitel-man (2016) KE4-kurssin tavoitteiden

KE4 Materiaalit ja teknologia

4Leena Turpeenoja

HELSINGISSÄ KUSTANNUSOSAKEYHTIÖ OTAVA

otavan asiakaspalveluPuh. 09 156 6800

[email protected]

tilauksetKirjavälitys Oy

Puh. 010 345 1580

[email protected]

1. painos

© 2017 Leena Turpeenoja ja Kustannusosakeyhtiö Otava

toimitus: Suvi Salo

piirrokset: Aki Scharin ja Suvi Salo

kannen kuva: Getty Images

graafinen suunnittelu ja taitto: Aki Scharin ja Ville Repo

valokuvat: s. 184

digitaalisen aineiston kuvaukset: Hannu Huhtamo

demonstraatiot: Leena Turpeenoja ja Suvi Salo

kopiointiehdot Tämä teos on oppikirja, joka on suojattu tekijänoikeuslailla

(404/61). Tämän teoksen tai sen osan valokopiointi, skannaaminen tai

muu digitaalinen kopiointi tai käyttö edellyttää oikeudenomistajan luvan.

Kopiosto ry myöntää teosten osittaiseen kopiointiin lupia. Opetus- ja

kulttuuriministeriö on hankkinut muun muassa peruskouluille, lukioille

ja ammatillisille oppilaitoksille luvan valokopioida julkaisuja opetus- ja

tutkimuskäyttöä varten. Teoksen tai sen osan muuntelu on kielletty.

Lisätietoja luvista kopiosto.fi.

ISBN 978-951-1-29431-3

kirjan käyttäjälleMooli 4 – Materiaalit ja teknologia sisältää lukion kemian opetussuunnitel-man (2016) KE4-kurssin tavoitteiden ja sisältöjen mukaisen aineiston. Kurs-si on yksi kemian syventävistä kursseista.

Kurssin keskeisinä teemoina ovat kemian merkitys teknologiassa ja yh-teiskunnassa sekä erilaisten materiaalien ominaisuudet, käyttö ja elinkaari. Kurssilla tutustutaan muun muassa metallien ja polymeerien kemiaan sekä sähkökemian sovelluksiin.

Kokeellisuus eri muodoissaan sekä tutkimustulosten käsitteleminen, tul-kitseminen ja esittäminen ovat tälläkin kurssilla harjoiteltavia taitoja. Lisäk-si perehdytään tutkimussuunnitelman tekoon sekä kehitetään ongelman-ratkaisutaitoja. Kemiallisten reaktioiden laskennallisia taitoja syvennetään KE3-kurssin pohjalta.

Tieto- ja viestintäteknologiaa hyödynnetään tiedonhankinnassa ja erilais-ten tuotosten muodostamisessa.

Kiitos Jussi Tahvanaiselle tehtävien tarkistamisesta ja filosofian maisteri Johanna Puukilaiselle käsikirjoituksen kommenteista.

Kiitokset myös Otavan kirjasäätiölle työn tukemiseen myönnetystä apu-rahasta.

Kuopiossa huhtikuussa 2017

Leena Turpeenoja

SISÄLLYS

materiaalit ja teknologia – 6Kivikirveestä keinoihoon – 7

Mitä on nanoteknologia? – 8

Materiaalit ja tuotteen elinkaari – 10

Suomen teknologiateollisuus – 11

KE4-kurssin tavoitteet ja sisältö – 12

Vinkkejä kurssin opiskeluun – 12

Oppikirjassa käytetyt symbolit – 13

Ota selvää! – 14

Kertaa oppimaasi! – 14

1 jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna – 19

1.1 Ulkoelektronirakenne ja metalliluonne – 20

Harjoittele! – 23

1.2 Elektronegatiivisuus ja sidoksen luonne – 24

Harjoittele! – 26

1.3 Atomin ja ionin koko – 27

Harjoittele! – 33

1.4 Oksidien happo-emäsluonne – 35

Harjoittele! – 38

Harjoittele lisää! – 39

2 hapettumis-pelkistymisreaktiot ja sähkökemia – 43

2.1 Hapetusluku ja reaktioyhtälöiden

tasapainottaminen – 44

Harjoittele! – 51

2.2 Spontaanit hapettumis-

pelkistymisreaktiot – 54

Harjoittele! – 62

2.3 Sähkökemialliset parit virtalähteinä – 64

Harjoittele! – 74

2.4 Elektrolyysi – pakotettu hapettumis-

pelkistymisreaktio – 77

Harjoittele! – 86


3 reaktiosarja- ja seoslaskut – 93

3.1 Reaktiosarjojen laskennallinen

käsittely – 94

Harjoittele! – 97

3.2 Seosreaktioiden laskennallinen

käsittely – 99

Harjoittele! – 105


4 erilaisia materiaaleja – 109

4.1 Metallit materiaaleina – 110


4.2 Siirtymämetallien

erityisominaisuuksia – 122


4.3 Keraamit ja komposiitit – 132



5 polymeerit – 143

5.1 Erilaisia polymeerejä – 144


5.2 Synteettiset polymeerit – 148


5.3 Polymeroitumisreaktiot – 155



Tutki ja kokeile! – 168

Työ 1. Aineiden ominaisuudet ja

jaksollinen järjestelmä – 168

Työ 2. Alkuaineiden reaktiivisuus –

tee tutkimussuunnitelma! – 168

Työ 3. Metallien jännitesarja – 169

Työ 4. Erilaisia hapettumis-

pelkistymisreaktioita – 170

Työ 5. Sähköparin lähdejännite – 171

Työ 6. Erilaisia elektrolyysejä – 172

Työ 7. Galvaanisen kennon lähdejännite –


Työ 8. Hypokloriittipitoisuuden

määrittäminen – 174

Työ 9. Kupari(II)oksidin valmistus

reaktiosarjalla – 175

Työ 10. Mineraalitutkimus – 176

Työ 11. Metallien korroosio –


Työ 12. Messingin koostumuksen


Työ 13. Cu2+-ionipitoisuuden määrittäminen – 180

Työ 14. Veden rautaionipitoisuuden


Työ 15. Tutkitaan polymeerejä – 182

Työ 16. Valmistetaan polymeerejä – 182

Kuvalähteet – 184

Keskeisiä käsitteitä – 185

Hakemisto – 188

Tehtävien vastaukset – 190

Jaksollinen järjestelmä – 212

materiaalit ja teknologia

6

kivikirveestä keinoihoon Ihmiskunnan historiassa eri aikakausia on nimetty muun muassa sen mu-kaan, millaisia materiaaleja on ollut käytettävissä. Kivikaudella työkaluja valmistettiin kivestä, puusta ja luista. Lisäksi käytössä olivat savi ja eläinten nahat. Ensimmäinen tunnettu metalli oli kupari, jota hyödynnettiin Lähi-idässä noin 6 000 eaa. Noin 3 000 vuotta myöhemmin opittiin hyödyntä-mään pronssia, joka on kuparin ja tinan seos. Tällöin elettiin pronssikauden aikaa. Rautakaudella työkalut ja aseet valmistettiin raudasta, jota puhdistet-tiin luonnon rautamalmeista. Lähi-idässä raudan pelkistämisreaktiota hyö-dynnettiin noin 2 500 eaa., mutta Eurooppaan raudan käsittelytaito saapui vasta noin 1 000 eaa. Erilaisten materiaalien käyttö näinä historiallisina aika-kausina perustui pelkästään käytännön kokemuksiin ja materiaalien ominai-suuksista tehtyihin havaintoihin, sillä aineiden rakennetta ei vielä tunnettu eikä erilaisten materiaalien ominaisuuksia osattu selittää.

Materiaalien valmistus ja ominaisuuksien muuntelu kutakin käyttötar-koitusta varten oli mahdollista vasta, kun ymmärrettiin, kuinka aineet ra-kentuvat erilaisilla kemiallisilla sidoksilla ja mikä yhteys aineen rakenteella ja sen ominaisuuksilla on. Nykyisin tiedämme, että metallien ominaisuudet poikkeavat suuresti epämetallien ominaisuuksista ja ioniyhdisteiden ominai-suudet ovat kovin erilaiset molekyyliyhdisteiden ominaisuuksiin verrattuna. Lisäksi osaamme selittää aineen kemiallisen rakenteen avulla, mistä ominai-suuksien erot johtuvat.

Kuva 1. Suomessa raudanpuhdistus esi-merkiksi järvimalmeista tapahtui niin sanotuissa ruukeissa, joissa voi-manlähteinä käytettiin höyrykoneita. Kuvassa on Museoviraston konservoima Sourun ruukin 25 metriä korkea tiilipiippu. Kuva: Museo-virasto/Soile Tirilä.

MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 7

Nykyisin materiaaleilla tarkoitetaan useimmiten kiinteitä aineita, joiden ominaisuuksia hyödynnetään teknologisissa sovelluksissa. Materiaaleja voi-daan myös luokitella esimerkiksi niiden koostumuksen, ominaisuuksien tai käyttötarkoituksen perusteella.

1900-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa materiaaliteknologian saralla ta-pahtui paljon. Tuolloin kehitettiin monia uusia materiaaleja kuten keraame-ja, erilaisia komposiitteja, nestekiteitä sekä biohajoavia ja sähköä johtavia muoveja. Materiaalitekniikka on osaltaan mahdollistanut muun muassa lää-ketieteen, elektroniikan ja informaatiotekniikan nopean kehityksen.

Kemistit kehittävät edelleenkin erilaisia kuituja, kalvoja, pinnoitteita ja liima-aineita, joilla voi olla sähköisiä, magneettisia tai optisia ominaisuuksia tai ne ovat mekaanisesti erityisen kestäviä.

Uusien materiaalien kehittäminen ja jo käytössä olevien materiaalien omi-naisuuksien parantaminen on yhteistyötä monien eri osaajien välillä. Tässä työssä tarvitaan kemistejä, fyysikkoja, biologeja ja insinöörejä. Vahva mate-matiikan osaaminen mahdollistaa erilaisten matemaattisten mallien ja las-kennallisten menetelmien hyödyntämisen, kun materiaalia kehitetään mit-tatilaustyönä tiettyä tarkoitusta varten.

mitä on nanoteknologia?Nanoteknologia liittyy atomien, molekyylien ja kooltaan 100 nanometriä pienempien rakenteiden tutkimukseen ja hyödyntämiseen. Tällöin puhutaan keskimäärin 1 000 atomia sisältävistä kokonaisuuksista. Nanopartikkeleiksi kutsuttujen rakenteiden tuottaminen voi tapahtua kahdella eri tavalla. Yksi tapa on pilkkoa suurempia rakenteita pienemmiksi ja taas pienemmiksi, kunnes saavutetaan nanomittakaava. Tämän menetelmän haitta on synty-vät sivutuotteet, sillä kaikkea lähtömateriaalia ei saada pilkottua halutuksi nanopartikkeliksi.

Kuva 2. Bakeliitti oli en-simmäinen synteettinen polymeeri, jota käytettiin muun muassa puhelin-ten kuorimateriaalina. Bakeliitti oli kovaa, ja se rikkoontui helposti iskusta. Nykyisten puhe-linten kuorimateriaaleis-sa on myös synteettisiä polymeerejä, mutta kuori on huomattavasti kevyempi. Puhelimen toiminnan kannalta oleellista on kuitenkin erilaisten metallien hyödyntäminen.

muistatko?

1 nm = 10-9 m

8

Toisessa menetelmässä hyödynnetään biomolekyylien ominaisuutta jär-jestyä suuremmiksi rakenteiksi eli niin sanottua itsejärjestymistä. Molekyy-lien liittyminen toisiinsa on tällöin hyvin järjestelmällistä ja säännöllistä. Esimerkkejä tällaisista tapahtumista soluissa ovat esimerkiksi DNA:n kak-soisjuosteen muodostumiseen vaadittava emäspariutuminen tai proteiinien kolmiulotteisen rakenteen muotoutuminen erilaisilla kemiallisilla sidoksilla.

Nanoputkiksi kutsutaan materiaaleja, joissa toistuu grafeenin ja fulle-reenin rakenteet. Sylinterimäinen putki koostuu kuusi hiiliatomia sisältävis-tä renkaista. Putki suljetaan fullereenille tyypillisellä rakenteella, jossa tois-tuvat viisi ja kuusi hiiliatomia sisältävät renkaat.

Nanoputket johtavat sähköä, mikä voidaan selittää hiiliatomien sp²-hyb-ridisaatiolla. Tällöin kukin hiiliatomi muodostaa kolme yksinkertaista kova-lenttista sidosta kolmeen muuhun hiiliatomiin. Kunkin hiiliatomin neljäs, p-orbitaalilla oleva ulkoelektroni jää vapaaksi. Tämä mahdollistaa sähkön-johtavuuden. Nanoputket ovat myös hyvin lujaa materiaalia eli ne kestävät mekaanista rasitusta, mikä selittyy hiiliatomien välisillä vahvoilla kovalent-tisilla sidoksilla. Nanoputkien ominaisuuksia voidaan muokata laittamalla niiden sisään muita alkuaineita, yhdisteitä tai pieniä biomolekyylejä, kuten pieniä proteiineja. Nanoputkien hyödyntäminen esimerkiksi katalyytteinä perustuu niiden verrattain suureen pinta-alaan partikkelikokoonsa nähden.

Kuva 3. DNA:n kak-soiskierteen muodos-tuminen solussa on esimerkki molekyylien itsejärjestymisestä. Tässä tapahtumassa adeniini muodostaa aina vetysidoksia tymiinin kanssa ja sytosiini aina guaniinin kanssa.

vetysidos

vetysidos

tymiini

sytosiini

adeniini

guaniini

muistatko? Vetysidos on dipoli-dipolisidoksen erikoistapaus, joka muo-dostuu sellaisten molekyy-lien tai molekyylinosien vä-lille, joissa vety on liittynyt kovalenttisella sidoksel-la hyvin pienikokoiseen ja elektronegatiiviseen ato-miin. Tällaisia ovat happi-, typpi- tai fluoriatomi. Si-dos on sähköinen vetovoi-ma vetyatomin positiivisen dipolin ja happi-, typpi- tai fluoriatomin negatiivisen dipolin välillä.

muistatko? Fullereeni ja grafeeni ovat hiilen allo-trooppisia muotoja.


Nanoteknologian avulla voidaan etsiä ratkaisua, kuinka tuottaa yhä enem-män elintarvikkeita maapallon kasvavan väkiluvun tarpeisiin. Sen avulla voidaan myös ehkäistä, diagnosoida ja hoitaa erilaisia sairauksia ja tauteja. Tieto- ja viestintätekniikan kehittäminenkään ei onnistu ilman nanotekno-logian hyödyntämistä.

Nanotieteissäkin yhdistyy aidosti monitieteisyys, sillä tällä alueella tarvi-taan materiaalitutkijoita, mekaniikka- ja sähköalan insinöörejä, lääkäreitä, biologeja, fyysikkoja, kemistejä ja matemaatikoita. Näitä eri alojen asiantun-tijoita yhdistää tarve jakaa atomien ja molekyylien keskinäistä vuorovaiku-tusta koskevaa tietoa uusien teknologioiden kehittämiseksi.

materiaalit ja tuotteen elinkaariTuotteen elinkaari on tuotteen koko tuotanto- ja käyttöhistoria alusta lop-puun. Elinkaari alkaa raaka-aineiden hankinnasta ja päättyy jätteiden käsit-telyyn. Tuotteiden suunnittelua ohjaavat kuluttajien tarpeet, sillä kuluttajat eivät nykyisin ole enää kiinnostuneita pelkästään lopputuotteen ympäristö-vaikutuksista, vaan yhä useammin tuotteen koko elinkaaresta.

muistatko? Hiilen sp2-hybridisaatiossa 2s-orbi-taali ja kaksi 2p-orbitaalia sulautuvat kolmeksi sp2-hybridiorbitaaliksi. Näillä hybridiorbitaaleilla olevat ulkoelektronit (3 kpl) muo-dostavat kolme sigma-sidosta muiden atomien kanssa. Hiiliatomin neljäs ulkoelektroni jää hybridi-soitumattomalle p-orbi-taalille. Näiden elektronien muodostamaa sidosta kut-sutaan pii-sidokseksi.

Kuva 4. Nanoputket koostuvat hiiliatomeista. Putken halkaisija on vain joitakin nanomet-rejä.

Kuva 5. Tuotteen elin-kaari koostuu useasta osatekijästä. Uudelleen-käyttö ja kierrätys ovat ominaisuuksia, joiden tulisi kiinnostaa meitä kuluttajia yhä enemmän.

Kuuden hiiliatomin rengas

Viiden hiiliatomin rengas

Hiiliatomi Kovalenttinen sidos

Luonnon raaka-aineiden käyttö

Valmistus ja jalostus

Jakelu ja kuljetukset Käyttö ja

kunnossapito

Uudelleenkäyttö ja kierrätys

Jätteiden käsittely

10

Kuva 6. Auton materiaalit osataan nykyisin kierrättää ja ottaa uusiokäyttöön tehokkaasti.

Elinkaariarvioita tehdessään tuotetta valmistava yritys selvittää koko tuo-tanto- ja käyttöhistorian aikaiset ympäristövaikutukset. Tällöin tuotteelle arvioidaan niin sanottu ekotase, joka erittelee tuotantoon tarvittavat raaka-aineet ja energiamäärän sekä tuotannossa syntyvät loppu- ja sivutuotteet, jätteet ja päästöt. Ekotaseen avulla arvioidaan tuotannon ympäristökuormi-tukset, jolloin niitä on helpompi muuttaa ja vähentää.

suomen teknologiateollisuusTeknologiateollisuus on Suomen tärkein vientiala, sillä teknologiateollisuu-den yritykset vastaavat yli puolesta Suomen viennistä. Teknologiateollisuu-den yrityksissä on töissä lähes 300 000 suomalaista, ja jopa 30 % suoma-laisista on joko suoraan tai välillisesti töissä teknologia-alalla. Teknologiate-ollisuuden merkitys Suomen menestyksen rakentamisessa on ollut ja tulee olemaan suuri. Teknologiateollisuus koostuu viidestä päätoimialasta:– elektroniikka- ja sähköteollisuus– kone- ja metallituoteteollisuus– metallien jalostus– suunnittelu ja konsultointi– tietotekniikka.

Suomalainen metallien jalostustekniikka on tunnettua maailmanlaajuisesti. Yli puolet maailman kuparista ja kolmannes nikkelistä valmistetaan suoma-laisten kehittämällä ekologisella menetelmällä, joka tuottaa tarvitsemansa energian itse. Suomessa valmistetaan ja jalostetaan muun muassa teräs- ja kuparituotteita, sinkkiä ja nikkeliä. Käytöstä poistetuista terästuotteista kierrätetään yli 90 prosenttia. (Lähde: Teknologiateollisuus ry.).

tiedätkö? Vuonna 2017 suomalaiset kuluttajat toi-mittivat viralliseen kierrä-tykseen vain noin 30 % da-talaitteistaan (puhelimet, tietokoneet, tabletit jne.). Näiden laitteiden kierrättä-minen olisi erityisen tärke-ää, sillä ne sisältävät muun muassa arvokkaita ja har-vinaisia metalleja. Esimer-kiksi kannettavan tietoko-neen materiaaleista 99 % voidaan hyödyntää uu-delleen.

Muut metallit

5 %

Teräs 70 %

loppusijoitus

uudelleenkäyttö

Kumi, muovi, tekstiili 25 %

Ruostumaton teräs

Kupari

Sinkki

Alumiini

Lyijy

Magnesium

erotteluprosessit

Uusiokäyttö

Murskattu materiaali

Sulatus & jalostus

Sulatus ja valmistus raaka-aineeksi


ke4-kurssin tavoitteet ja sisältöKurssin tavoitteena on, että opiskelija» osaa käyttää ja soveltaa materiaaleihin ja teknologiaan liittyviä kemian

käsitteitä jokapäiväisen elämän, ympäristön ja yhteiskunnan ilmiöissä» osaa tutkia kokeellisesti ja malleja käyttäen materiaaleihin ja sähkökemi-

aan liittyviä ilmiöitä» harjaantuu ilmaisemaan itseään kemialle ominaisilla tavoilla ja analysoi-

maan eri tietolähteiden argumentointia» osaa käyttää tietoja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa.

Kurssin keskeiset sisällöt ovat» kemian merkitys teknologiassa ja yhteiskunnassa» metallien ja polymeerien ominaisuudet, käyttö ja elinkaari» atomin ulkoelektronirakenne ja jaksollinen järjestelmä alkuaineiden

jaksollisten ominaisuuksien selittäjänä» hapetusluvut ja hapetus-pelkistysreaktiot» sähkökemian keskeiset periaatteet: jännitesarja, normaalipotentiaali,

kemiallinen pari ja elektrolyysi» kemiallisten reaktioiden laskennallinen soveltaminen» tutkimuksen tai ongelmanratkaisun ideointi ja suunnittelu» yhteistyön rooli kemiallisen tiedon tuottamisessa.

vinkkejä kurssin opiskeluunTässä jaksossa tutustut materiaalitekniikan kehitykseen, saat kuvan erilai-sista moderneista materiaaleista sekä tuotteen elinkaariajattelusta. Jaksossa esitellään myös, mitkä ovat alkavan kurssin tavoitteet ja keskeiset sisällöt opetussuunnitelman mukaan. Ota selvää! -tehtävien avulla voit tutustua materiaalitekniikan opintoihin tai paneutua yksityiskohtaisemmin johonkin materiaalitekniikan sovellukseen. Seuraa myös uutisointia, sillä materiaa-litekniikan saralla tapahtuu koko ajan! Testaa kurssin aluksi, mitä jo osaat tekemällä Kertaa oppimaasi! -tehtävät.

Jaksossa 1 kerrataan jaksollisen järjestelmän rakennetta ja systematiikkaa sekä syvennetään tietoa atomirakenteen – erityisesti ulkoelektronirakenteen – merkityksestä jaksollisten ominaisuuksien selittäjänä. Kertaa Mooli 1 -kir-jasta aiemmin opiskellut jaksollista järjestelmää koskevat periaatteet sekä alkuaineen elektronirakenteeseen liittyvät käsitteet.

Jaksossa 2 kerrataan metallien jännitesarja sekä käsitteet hapettuminen, pelkistyminen ja hapetusluku. Lisäksi opiskellaan, kuinka hapetusluku voi-daan laskea ja kuinka hapettumis-pelkistymisreaktioita tasapainotetaan ha-petuslukujen avulla. Usein hapettumis-pelkistymisreaktioiden tasapainotuk-sesta edetään laskennalliseen tehtävään, joten tarvitset KE3-kurssilla opis-keltuja laskutaitoja. Kertaa Mooli 3 -kirjasta, kuinka laskennallisen tehtävän ratkaisu tehdään huolellisesti ja täsmällisesti.

Jaksossa 2 opiskellaan myös hapettumis-pelkistymisreaktioiden käytän-nön sovelluksia eli sähkökemiaa. Tässä yhteydessä opitaan ennustamaan,

12

millä edellytyksillä hapettumis-pelkistymisreaktio tapahtuu spontaanisti ja kuinka tällaisten reaktioiden avulla voidaan tuottaa sähkövirtaa. Toinen tärkeä hapettumis-pelkistymisreaktioiden sovellus on elektrolyysi. Elektro-lyysiä hyödynnetään teollisessa mittakaavassa alkuaineiden valmistuksessa, puhdistuksessa ja esineiden pinnoituksessa. Taulukkokirjasta löytyvät me-tallien jännitesarja ja normaalipotentiaalitaulukko ovat keskeisiä työkaluja käsiteltäessä hapettumis-pelkistymisreaktioita ja sähkökemiaa. Varmista, että osaat käyttää näitä taulukoita oikein. Sähkökemian laskuissa hyödynne-tään sähkömäärän (Q) ja hapettuvan tai pelkistyvän aineen ainemäärän (n) välistä riippuvuutta. Tarvittava suureyhtälö on taulukkokirjassa.

Usein materiaalien valmistus ja puhdistus teollisessa mittakaavassa ta-pahtuu monien kemiallisten reaktioiden eli reaktiosarjojen kautta. Jaksossa 3 opiskellaan, kuinka tällaisia reaktiosarjoja käsitellään laskennallisesti. Li-säksi harjoitellaan seoksessa olevien aineiden määrien ratkaisemista tasapai-notettujen reaktioyhtälöiden avulla, eli opiskellaan niin sanottujen seoslas-kujen periaatteet. Tässäkin yhteydessä tarvitset KE3-kurssilla opittuja tasa-painotettuun reaktioyhtälöön liittyviä laskutaitoja.

Jaksossa 4 kerrataan metallien keskeisiä ominaisuuksia ja tutustutaan metalleihin materiaalikemian ja teknologian sovelluksissa. Uutena asiana opiskellaan niin sanottujen siirtymämetallien kemiaa. Tässä jaksossa esitel-lään myös, millaisia materiaaleja ovat keraamit ja komposiitit.

Jaksossa 5 opiskellaan polymeerikemiaa. Polymeerit ovat joko synteetti-siä polymeerejä tai luonnon polymeerejä eli biopolymeerejä. Biopolymeerien (hiilihydraatit, proteiinit ja nukleiinihapot) kemiaa on esitelty Mooli 2 -kir-jassa. Tässä kirjassa käsitellään siksi vain synteettisiä polymeerejä. Keskeistä on ymmärtää, millaisista monomeereistä ja millaisilla kemiallisia sidoksilla erilaiset polymeerit rakentuvat ja kuinka polymeroitumisreaktioiden yhtä-löitä kirjoitetaan. Kertaa KE3-kurssilla opittujen additio- ja kondensaatiore-aktioiden periaatteet.

oppikirjassa käytetyt symbolitKuhunkin jaksoon liittyvien kokeellisten töiden numerot näet tämän sym-bolin sisällä.

Videoidun kokeellisen työn tunnistat tästä symbolista.

Tämä symboli on tehtävän yhteydessä silloin, kun tehtävän ratkaisemisessa tarvitaan taulukkokirjaa.

Tehtävä, jossa voidaan hyödyntää tietoja viestintätekniikkaa esimerkiksi molekyylien visualisoimiseen, on merkitty tällä symbolilla.

Ylioppilastehtävän tunnistat tästä symbolista.


kertaa oppimaasi!

1. Oheisen kolmion kussakin kulmassa on yhden

aineiden rakenteessa esiintyvän vahvan sidos-

tyypin nimi. Kirjoita kullekin sidostyypille sen

aineen kemiallinen merkki tai kaava, jossa on

eniten kyseisen sidostyypin luonnetta.

2. Vastaa perustellen, mikä tehtävän 1 aineista

a) on kaasu huoneenlämmössä

b) johtaa sähköä kiinteässä olomuodossa

c) johtaa sähköä veteen liuenneena.

ota selvää!

• Millaisia materiaalitekniikan jatko-opintomahdollisuuksia Suomessa on?

• Ketkä ovat saaneet Millenium-teknologiapalkinnon, ja mistä innovaati-osta se on heille myönnetty?

• Millaisten materiaalien kanssa ja missä yhteydessä olet päivittäin tai viikoittain tekemisissä?

• Mitkä tekijät ovat tärkeitä, kun luokkatoverisi, ystäväsi tai perheenjä-senesi ostavat esimerkiksi vaatteita, elintarvikkeita, kosmetiikkaa tai elektroniikkatuotteita? Tee aiheesta kyselytutkimus ja mieti tulosten esitystapa (graafinen esitys, histogrammi, taulukko jne.).

• Mitä metalleja erilaiset data- ja mobiililaitteet sisältävät, ja miten voit kierrättää kyseiset laitteet?

• Millaisia nanoteknologian sovelluksia lääketieteessä käytetään?• Mitä haittoja nanoteknologiasta voi olla?

ionisidos

kovalenttinen sidosmetallisidos

14

3. Valitse kullekin metallille yksi vaihtoehto.

4. Kirjoita seuraavien mineraalien kemiallinen

kaava ja nimeä mineraali kaavan perusteella.

a) Kassiteriitti.

b) Bauksiitti.

c) Kvartsi.

d) Kryoliitti.

e) Sinoperi.

5. Ohessa on joidenkin yhdisteiden kauppanimiä.

Mikä on yhdisteen kemiallinen kaava ja nimi

tämän kaavan perusteella? Laske kunkin yh-

disteen moolimassa. Liitä kukin yhdiste yhteen

kuvien A–D käyttökohteeseen.

a) Kipsi.

b) Sammutettu kalkki.

c) Kidesooda eli pesusooda.

d) Chilensalpietari.

METALLI

a) K___

b) Na___

c) Ca___

d) Mg___

e) Ni___

f) Ti___

g) Gd___

h) Zn___

i) Fe___

j) Pb___

k) Cu___

l) Al___

VAIHTOEHTO

1 Käytetään lentokoneiden rakenteissa keveytensä vuoksi.

2 Käytetään halvoissa koruissa, voi aiheuttaa kosketusallergiaa.

3 Käytetään sähköjohdoissa ja -kaapeleissa.

4 Luuston alkuaine.

5 Käytetään teräksen valmistuksessa.

6 Englanniksi alkuaine on potassium.

7 Esiintyy osana klorofyllimolekyylin rakennetta.

8 Liikaa saatuna kohottaa verenpainetta.

9 Käytetään pakkausmateriaalina muun muassa juomatölkeissä.

10 Nimetty suomalaisen kemistin mukaan.

11 On messingin raaka-aine.

12 Käytetään akkuteollisuudessa.

A

B

C

D


6. Merkitse oheiseen jaksolliseen järjestelmään

a) jakso 3

b) ryhmä 16

c) kuparin kemiallinen merkki, järjestysluku ja suhteellinen atomimassa

d) kaikkein elektronegatiivisimman alkuaineen kemiallinen merkki

e) sen maa-alkalimetallin järjestysluku, jolla uloimmat elektronit ovat kuorella 4

f) eniten puolijohdeteknologiassa käytetyn alkuaineen kemiallinen merkki

g) sen alkuaineen järjestysluku ja kemiallinen merkki, jonka ulkoelektroniraken-

ne on 4s²4p¹

h) tantaalin järjestysluku ja kemiallinen merkki.

7. Atomin X elektronirakenne on 1s²2s²2p⁶3s² ja

atomin Y 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

a) Mihin jaksoon X ja Y kuuluvat? Perustele.

b) Mihin ryhmään X ja Y kuuluvat? Perustele.

c) Tunnista X ja Y.

d) Kumpi alkuaineista on epämetalli?

e) Kumpi alkuaineista hapettuu ja kumpi pelkis-

tyy, kun alkuaineet reagoivat keskenään?

f) Kumpi alkuaineista toimii kohdan e) reaktios-

sa hapettimena? Perustele.

g) Kirjoita alkuaineiden X ja Y välinen reaktio-

yhtälö (olomuodon symboleineen) ja nimeä

reaktiotuote.

8. Tasapainota seuraavat reaktioyhtälöt. Tun-

nista, mikä reaktioista on metallien välinen

hapettumis-pelkistymisreaktio. Mikä reaktioyh-

tälöistä kuvaa neutraloitumisreaktiota? Mistä

reaktiosta on kyse kohdassa d)?

a) Al(s) + FeO(s) Al₂O₃(s) + Fe(s)

b) H₃PO₄(aq) + NH₄OH(aq)

(NH₄)₃PO₄(aq) + H₂O(l)

c) PCl₅(g) + H₂O(l) H₃PO₄(aq) + HCl(aq)

d) CH₃CH₂COOH(l) + O₂(g) CO₂(g) + H₂O(g)

57–71

16

9. Rautaa voidaan puhdistaa pelkistämällä sitä

rauta(III)oksidista alkuainehiilen avulla. Raudan

lisäksi reaktiossa muodostuu hiilidioksidia.

a) Kirjoita tapahtumaa kuvaava tasapainotettu

reaktioyhtälö olomuodon symboleineen.

b) Laske, kuinka monta grammaa hiiltä tarvi-

taan pelkistämään 1,2 kg rauta(III)oksidia

raudaksi.

c) Laske, mikä tilavuus hiilidioksidia tällöin

muodostuu NTP-oloissa.

10. Deodoranteissa, erityisesti antiperspiranteis-

sa, on käytetty erilaisia alumiinisuoloja, joiden

tehtävänä on supistaa hikirauhasten tiehyitä

ja vähentää siten hien eritystä. Eräs tällainen

suola on alumiinikloridi, jonka käytöstä luo-

vuttiin, koska se ärsytti monien käyttäjien ihoa

ja aiheutti vaatteisiin vaikeasti puhdistettavia

tahroja. Ratkaise, kuinka monta grammaa alu-

miinikloridia syntyy, kun

18,0 grammaa alumiinia ja 16,0 grammaa kloo-

ria reagoivat.

11. Lyhenne CNT tulee sanoista carbon nanotube.

Tällaisia hiilinanoputkia voidaan valmistaa niin

sanotulla HIPCO-menetelmällä. Lyhenne HIP-

CO puolestaan tulee sanoista high pressure

carbon monoxide. HIPCO-menetelmä hyödyn-

tää seuraavia reaktioita:

Reaktio (1):

Fe(CO)5(g) Fe(s) + 5 CO(g)

Reaktio (2):

x CO(g) ½ x CNT(s) + ½ x CO2(g).

Hiilinanoputken kasvaminen atomi atomilta

tapahtuu reaktiossa (1) muodostuneen raudan

pinnalla. Tyypillisessä nanoputkessa on 3 000

hiiliatomia. Ratkaise, mikä tilavuus hiilimonok-

sidia (NTP-oloissa) tarvitaan

tällaisen nanoputken valmistamiseksi.

Mikä on valmistetun nanoputken massa?


18

tutki ja kokeile!

1 2

Jaksollisen järjestelmän rakentuminen nykymuotoonsa perustui useiden eri tutkijoiden monia vuosia kestäneisiin havaintoihin ja johtopäätöksiin. Se on-kin erinomainen esimerkki kansainvälisen yhteistyön tärkeydestä suurten tieteellisten saavutusten aikaansaamiseksi.

Nykyiset jaksolliset järjestelmät pohjautuvat pitkälti venäläisen Dimitri Mendelejevin tapaan luokitella alkuaineet. Hän oli ensimmäinen, joka oivalsi alkuaineen atomimassan ja alkuaineen kemiallisten ominaisuuksien välisen yhteyden. Laatimansa järjestelmän avulla hän myös pystyi ennustamaan tuolloin tuntemattomien alkuaineiden ominaisuuksia. Nämä ennustukset todettiin myöhemmin paikkansa pitäviksi.

Kaikkien yli sadan nykyisin tunnetun alkuaineen fysikaalisten ja kemial-listen ominaisuuksien ennustaminen ja ymmärtäminen ilman systemaattista järjestelmää olisi varsin vaikeaa. Lisääntynyt tieto alkuaineista ja niiden erilai-sista yhdisteistä voidaan pitää hallinnassa juuri jaksollisen järjestelmän avulla.

1 jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna

Mitä voit päätellä alkuaineen elektroni-rakenteesta jaksollisen järjestelmän avulla?

Mitä tarkoittavat s-, p-, d- ja f-lohko?

Mitä tietoa saat nikkelistä hyödyntämällä jaksollista järjestelmää?

Miten metallit ja epämetallit sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä?

JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ KEMISTIN TYÖKALUNA 19

tässä luvussa» kerrataan jaksollisen järjestelmän rakenne» kerrataan, mikä yhteys atomin ulkoelektronirakenteella

on sen sijaintiin jaksollisessa järjestelmässä» opitaan, kuinka metalliluonne muuttuu jaksollisessa

järjestelmässä.

Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet sijaitsevat kasvavan järjestysluvun eli protonimäärän mukaan seitsemässä vaakarivissä eli jaksossa. Jakson nu-mero kertoo, millä elektronikuorella kyseisen jakson alkuaineatomien uloim-mat elektronit ovat. Jaksollisen järjestelmän pystysarakkeita eli ryhmiä on kaiken kaikkiaan kahdeksantoista. Pääryhmien alkuaineiden (ryhmät 1–2 ja 13–18) ulkoelektronien lukumäärän voi päätellä ryhmänumerosta. Sivu-ryhmien alkuaineiden (ryhmät 3–12) ulkoelektronien määrän pystyy päät-telemään kvanttimekaanisen atomimallin mukaan kirjoitetusta elektronira-kenteesta.

Jaksollinen järjestelmä voidaan jakaa myös eri lohkoihin. Tällöin halutaan korostaa, mille kvanttimekaanisen atomimallin alakuorelle elektronit viimei-senä asettuvat. Tämän jaottelun perusteella jaksollisessa järjestelmässä on s-, p-, d- ja f-lohko.

1.1 ulkoelektronirakenne ja metalliluonne

20

Alkuaineista suurin osa on metalleja, ja ne sijaitsevat jaksollisessa jär-jestelmässä ryhmissä 1–13. Metallien asettuminen näihin ryhmiin selittyy metalliatomien ulkoelektronirakenteella. Ryhmien 1, 2 ja 13 metalleilla on ryhmänumeronsa perusteella 1–3 ulkoelektronia. Kemiallisissa reaktioissa metalliatomit luovuttavat nämä elektronit eli hapettuvat. Tämän seurauk-sena näillä metalleilla on vain yksi positiivinen hapetusluku.

Ryhmien 3–11 niin sanotuilla siirtymämetallien atomeilla sen sijaan voi olla vaihteleva määrä reaktioihin osallistuvia elektroneja ja siten useita eri hapetuslukuja. Esimerkiksi kromi voi esiintyä yhdisteissään hapetusluvuilla +II, +III ja +VI ja rauta hapetusluvuilla +II ja +III. Siirtymämetallien erityis-ominaisuuksia tarkastellaan lähemmin jaksossa 4.

Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineen metalliluonne lisääntyy, kun siirrytään ryhmässä ylhäältä alas ja jaksossa oikealta vasemmalle. Tämän

muistatko? Minimiener-giaperiaatteen mukaisesti esimerkiksi 4s-alakuorella on alhaisempi energia kuin 3d-alakuorella. Elektronit asettuvatkin ensin uloim-man kuoren 4s-alakuorelle ja vasta tämän jälkeen 3d-alakuorelle.

muistatko? Hapetus-lukua käytetään myös yhdisteitä nimettäessä ja kemiallisia kaavoja kirjoitettaessa. Hapetus-luku merkitään roomalaisin numeroin.

Kuva 7. Jaksollisen järjestelmän lohko ilmoittaa viimeiseksi täyttyvän alakuoren kirjaimen.

Kuva 8. Alkuaineet muuttuvat metalleista epämetalleiksi, kun jak-sollisessa järjestelmässä siirrytään vasemmalta oikealle. Metalliluonne puolestaan kasvaa ryhmässä alaspäin mentäessä.

tiedätkö? Jaksollisen järjestelmän kehittäjinä Mendelejevin lisäksi pide-tään saksalaista Johann Döbereineria ja englanti-laista John Newlandsia.

1s 1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

4p

5p

6p

2p

3p

3d

4d

5d

6d

4f

5f

s-lohko s-lohko

d-lohko

p-lohko

f-lohko

epämetalliluonne kasvaa

metalliluonne kasvaa

met

allil

uonn

e ka

svaa

epäm

etal

liluo

nne

kasv

aa

metalli epämetalli puolimetalli

1

1

2

3

4

5

6

7

18

2

3 5 7 9

14

11

16

4 6 8

13

10

15

12

17


säännönmukaisuuden perusteella cesium (Cs) on kaikkein metallisin luon-nossa esiintyvistä pysyvistä alkuaineista. Vastaavasti alkuaineen epämetalli-luonne kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle ja ryhmässä alhaalta ylös.

Tyypillisiä epämetalleja ovat vety, ryhmien 14–16 keveimmät alkuaineet sekä kaikki ryhmän 17 halogeenit. Näiden alkuaineiden atomeilla on ryhmä-numeronsa mukaisesti 1 tai 4–7 ulkoelektronia. Epämetalleille tyypilliseen tapaan nämä alkuaineet pyrkivät metallien kanssa reagoidessaan vastaan-ottamaan elektroneja eli pelkistymään. Epämetallin negatiivinen hapetus-luku määräytyy tällöin sen perusteella, kuinka monta elektronia atomi on vastaanottanut.

Kun epämetallit sitoutuvat keskenään molekyyliyhdisteiksi, kunkin ato-min ulkoelektronien määrä ratkaisee, kuinka monta kovalenttista sidosta atomien välille muodostuu eli kuinka monta elektronia atomit jakavat saa-dakseen pysyvän elektronirakenteen. Siten vetyatomi muodostaa aina vain yksinkertaisen kovalenttisen sidoksen, mutta hiili- ja happiatomi voivat si-toutua toiseen atomiin myös kaksoissidoksella, typpi- ja hiiliatomi jopa kol-moissidoksella.

Molekyyliyhdisteissä hapetusluku määräytyy alkuaineen elektronegatiivi-suuden perusteella siten, että negatiivinen hapetusluku merkitään sidoksen elektronegatiivisemmalle atomille. Esimerkiksi vesimolekyylissä happiato-min hapetusluku on –II ja molempien vetyatomien hapetusluku on +I. Alku-aineiden tavallisimpia hapetuslukuja on esitetty taulukkokirjassa.

tiedätkö? Hapetus-luku lasketaan tiettyjen sääntöjen perusteella. Nämä säännöt opiskel laan jaksossa 2.

» Jaksollisessa järjestelmässä on ryhmiä, jaksoja ja lohkoja.» Ryhmät, jaksot ja lohkot antavat tietoa alkuaineatomin elektroni-

rakenteesta.» Metallit, epämetallit ja puolimetallit sijaitsevat tietyssä osassa

jaksollista järjestelmää.» Metalliluonne kasvaa jaksossa oikealta vasemmalle ja ryhmässä

ylhäältä alaspäin.

» Epämetalliluonne kasvaa jaksossa vasemmalta oikealle ja ryh-mässä alhaalta ylöspäin.

» Metalleilla on taipumus luovuttaa elektroneja eli hapettua.» Epämetalleilla on taipumus vastaanottaa elektroneja eli pelkistyä.» Ioniyhdisteissä metalleilla on positiivinen ja epämetalleilla nega-

tiivinen hapetusluku.» Molekyyliyhdisteissä hapetusluku määräytyy alkuaineen elektro-

negatiivisuuden perusteella.

kertaa

kasvaa

kasvaa

kasvaa

kasvaa

22

harjoittele!1.1 Täydennä taulukko annettujen elektroni-

rakenteiden perusteella.

1.2 Täydennä viivalle

a) maa-alkalimetallien ryhmänumero ______

b) jakson 5 ja ryhmän 14 metalli __________

c) halogeenien ryhmänumero ___________

d) lohko, johon kaikki halogeenit kuuluvat __

_________________________________

e) ryhmän 13 alkuaineiden ulkoelektronien

lukumäärä ________________________

f) maa-alkalimetallien hapetusluku _______

g) d-lohkon alkuaine, joka kuuluu jaksoon 5 ja

ryhmään 7 ________________________

h) ryhmän 14 ja jakson 4 puolimetalli ______

1.3 Minkä jakson ja ryhmän alkuaineesta on

kyse, kun

a) alkuaineen kemiallinen merkki on Te

b) atomin elektronirakenne on

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵c) alkuaineen suhteellinen atomimassa on

107,87

d) alkuaineesta muodostuu X³--ioni, jonka

elektronirakenne on 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶e) alkuaine on maa-alkalimetalli, jolla on luon-

nossa pysyviä isotooppeja ja joka on siksi

ryhmänsä metallisin?

Merkitse kohtien b) – e) vastauksiin myös

alkuaineiden kirjaintunnukset.

1.4 Päättele jaksollisen järjestelmän perusteella,

kumpi alkuaineista

a) on metallisempi, arseeni vai titaani

b) johtaa paremmin sähköä, Cr vai Kr

c) olisi parempi eriste, Sn vai S

d) on kiinteä huoneen lämpötilassa, Sr vai Br₂e) pelkistyy kemiallisissa reaktioissa, P vai K.

Perustele vastauksesi.


Elektronirakenne Ulko-

elektronien

lukumäärä

Jakso Ryhmä Lohko Kemi-

allinen

merkki

Metalli Epä-

metalli

Puoli-

metalli

1s²2s²2p⁶3s²3p²

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁵

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹

työ 1. aineiden ominaisuudet ja jaksollinen järjestelmätyön tavoitteet• Tutkitaan eri tietolähteistä, kuinka aineiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet muuttuvat ryhmittäin

tai jaksoittain.

• Hyödynnetään tietoja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa.

työn taustaa

työn tavoitteet• Harjoitellaan tutkimussuunnitelman ideointia ja laatimista.

• Hyödynnetään tietoja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa.

Kirjan sivut 19–38.

työn suoritusOsa 1Kokoa internetistä tietoa, kuinka alkuaineiden ominai-

suudet muuttuvat jaksoittain tai ryhmittäin. Esitä ke-

räämäsi tieto taulukkoina ja graafisina kuvaajina. Liitä

mukaan tarkat lähdeviitteet (mitä verkkosivuja hyö-

dynsit ja päivämäärä, jolloin vierailit kyseisillä sivuilla).

a) Alkali- ja maa-alkalimetallien sulamispiste.

b) Halogeenien kiehumispiste.

c) Jakson 3 alkuaineiden sulamispiste.

Osa 2Etsi internetistä videoita, jotka havainnollistavat, kuinka

a) alkalimetallien reaktiokyky muuttuu atomikoon muut-

tuessa

b) halogeenien reaktiokyky muuttuu atomikoon muut-

tuessa

c) kolmannen jakson alkuaineiden oksidien happo-emäs-

luonne muuttuu jaksossa vasemmalta oikealle.

Laadi havainnoista yhteenveto ja selitä havainnot. Liitä

yhteenvetoosi tarkat tiedot, mitä verkkosivuja hyödyn-

sit ja milloin vierailit kyseisillä sivuilla. Jaa yhteenvetosi

muille ryhmäläisille.

Kirjan

sivut:

19–38

työ 2. alkuaineiden reaktiivisuus – tee tutkimussuunnitelma!

työn taustaaLuonnontieteellisen tutkimuksen tekoon liittyy useita

eri vaiheita. Aluksi tutkittavasta asiasta laaditaan tutki-

mussuunnitelma, jota varten pohditaan muun muassa

seuraavia asioita:

• Mitä halutaan tutkia eli mikä on yksityiskohtainen

tutkimusongelma?

• Mitä tutkitaan ja millä menetelmällä?

• Mitä tekijöitä muunnellaan ja kuinka se tehdään?

• Mitkä tekijät vakioidaan ja kuinka se tehdään?

• Mitä välineitä, laitteita ja reagensseja tarvitaan?

• Kuinka paljon mittauksia tehdään ja kuinka monta

kertaa koe toistetaan?

• Miten tuloksia käsitellään ja missä muodossa (kuvat,

taulukot, graafiset esitykset jne.) ne esitetään?

työn suoritusIdeoikaa parin kanssa tai pienryhmässä työn yleisestä

otsikosta oma, yksityiskohtaisempi tutkimusongelma.

Valitkaa tutkittavaksi muuttujaksi yksi tekijä. Harjoi-

telkaa tutkimussuunnitelman tekoa edellä esitettyjä

periaatteita hyödyntämällä. Esitelkää suunnitelma

muille ryhmäläisille.

168

tehtävien vastaukset

1. Metallisidos Cs

Ionisidos CsF

Kovalenttinen sidos F₂

2. a) Fluori, sillä fluorimolekyylit ovat pieniä ja poo-

littomia, joten molekyylien välille muodostuu vain

hyvin heikkoja (hetkellisistä dipoleista) syntyviä

dispersiovoimia.

b) Cesium, sillä se on metalli, jonka hilarakentees-

sa on vapaita ulkoelektroneja, jotka toimivat virran

kuljettajina.

c) Cesiumfluoridi, sillä se on ioniyhdiste, joka liuke-

nee veteen ioneina. Eli vesiliuoksessa on ioneja,

jotka toimivat virran kuljettajina.

3. a) – 6

b) – 8

c) – 4

d) – 7

e) – 2

f) – 1

7. a) Jaksoon 3, sillä molempien atomien ulkoelektronit

ovat kuorella 3.

b) X kuuluu ryhmään 2 (maa-alkalimetallit), sillä alku-

aineella on kaksi ulkoelektronia. Y kuuluu ryhmään

17 (halogeenit), sillä alkuaineella on seitsemän ul-

koelektronia.

c) X = magnesium, Y = kloori

d) Kloori on epämetalli.

e) Magnesium hapettuu ja kloori pelkistyy.

f) Kloori toimii hapettimena, sillä se vastaanottaa elektroneja eli pelkistyy.

g) Mg(s) + Cl₂(g) → MgCl₂(s), magnesiumkloridi.

8. a) 2 Al(s) + 3 FeO(s) → Al₂O₃(s) + 3 Fe(s).

b) H₃PO₄(aq) + 3 NH₄OH(aq) →

(NH₄)₃PO₄(aq) + 3 H₂O(l).

c) PCl₅(g) + 4 H₂O(l) → H₃PO₄(aq) + 5 HCl(aq).

d) 2 CH₃CH₂COOH(l) + 7 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 6 H₂O(g).

Metallien välinen hapettumis-pelkistymisreaktio on a).

Reaktioyhtälö b) kuvaa neutraloitumisreaktiota.

Reaktio d) kuvaa orgaanisen yhdisteen (propaaniha-

pon) täydellistä palamisreaktiota.

9. a) 2 Fe₂O₃(s) + 3 C(s) → 4 Fe(s) + 3 CO₂(g).

b) m(C) = 140 g.

c) V(CO₂) = 250 dm3.

10. Reaktioyhtälö on: 2 Al(s) + 3 Cl₂(g) → 2 AlCl₃(s).

m(AlCl₃) = 20,1 g.

11. V(CO) = 2,233 ∙ 10−19 dm3, m(CNT) = 5,983 ∙ 10−20 g.

kertaa oppimaasi!

g) – 10

h) – 11

i) – 5

j) – 12

k) – 3

l) – 9

4. a) SnO₂, tina(IV)oksidi.

b) Al₂O₃ ∙ 2 H₂O, kidevedellinen alumiinioksidi.

c) SiO₂, piidioksidi.

d) Na₃AlF₆, natriumalumiinifluoridi.

e) HgS, elohopea(II)sulfidi.

5. a) CaSO₄ ∙ 2 H₂O, kidevedellinen kalsiumsulfaatti,

M = 172,182 g/mol, kuva B.

b) Ca(OH)₂, kalsiumhydroksidi, M = 74,096 g/mol,

kuva C.

c) Na₂CO₃ ∙ 10 H₂O, kidevedellinen natriumkarbo-

naatti, M = 286,150 g/mol, kuva D

d) NaNO₃, natriumnitraatti, M = 85,00 g/mol, kuva A.

6.

e) 20c) Cu 29

d) F

d) Si

b) ryhmä 16

a) jakso 3

h) Ta 73

57–71

g) 31 Ga

190

Kalium on metalli, joka pyrkii hapettumaan eli

luovuttamaan elektroneja.

1.2 elektronegatiivisuus ja sidoksen luonne

1.5 a)

b)

1 jaksollinen 1.1 ulkoelektronirakenne

ja metalliluonne

1.1

järjestelmä kemistin työkaluna

Elektronirakenne Ulko-

elektronien

lukumäärä

Jakso Ryhmä Lohko Kemi-

allinen

merkki

Metalli Epä-

metalli

Puoli-

metalli

1s²2s²2p⁶3s²3p² 4 3 14 p Si X

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵ 2 4 7 d Mn X

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³ 5 4 15 p As X

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁵

7 5 17 p I X

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹ 2 4 3 d Sc X

1.2 a) 2

b) Sn

c) 17

d) p

e) 3

f) +II

g) Tc

h) Ge

1.3 a) Jakso 5, ryhmä 16.

b) Jakso 4, ryhmä 7, Mn.

c) Jakso 5, ryhmä 11, Ag.

d) Jakso 3, ryhmä 15, P.

e) Jakso 6, ryhmä 2, Ba.

1.4 a) Titaani. Perustelu: molemmat ovat jakson 4

alkuaineita, mutta titaani on enemmän vasemmalla

(ryhmä 4). Metalliluonne kasvaa jaksossa oikealta

vasemmalle mentäessä.

b) Cr. Perustelu: kromi on metalli (sähkönjohde) ja

krypton epämetalli.

c) S. Perustelu: rikki on epämetalli (eriste) ja tina

on metalli (sähkönjohde).

d) Sr. Perustelu: strontiumilla on metallihila, jota

pitävät koossa vahvat metallisidokset. Bromi on

epämetalli, joka koostuu poolittomista kaksiatomi-

sista molekyyleistä. Hilarakennetta pitävät koossa

heikot dispersiovoimat.

e) P. Perustelu: fosfori on epämetalli, joilla on

taipumus pelkistyä eli ottaa vastaan elektroneja.

elektronegatiivisuusarvo

Maa-alkalimetallit

järjestysluku

Halogeenit

järjestysluku

elektronegatiivisuusarvo

TEHTÄVIEN VASTAUKSET 191

Documents

KE4 Materiaalit ja teknologia - Otava Oppimisen …...kirjan käyttäjälle Mooli 4 – Materiaalit ja teknologia sisältää lukion kemian opetussuunnitel-man (2016) KE4-kurssin tavoitteiden