4 AINEIDEN OMINAISUUDET JA KEMIALLISET SIDOKSET Tss luvussa

4 AINEIDEN OMINAISUUDET JA KEMIALLISET SIDOKSET • Tässä luvussa aineen havaittavia (makroskooppiset ilmiöt) ominaisuuksia mallinnetaan ja selitetään erilaisten kemiallisten sidoksien avulla (aineen mikromaailma).

4. 1 ALKUAINEET Metallien ominaisuudet ja metallisidos • Metalleille tyypilliset ominaisuudet, kuten hyvä lämmönjohtavuus, sähkönjohtavuus, yleensä korkea sulamispiste, muotoiltavuus, jne. , voidaan selittää metallisidoksen avulla. • Metalliatomeilla on uloimmalla elektronikuorella 1 -3 elektronia, jotka ne luovuttavat yhteiseen käyttöön sitoutuessa toisiinsa. Nämä sidoselektronit sitovat yhteen positiivisia metalli-ioneja sähköisen vetovoiman avulla. • Vapaat sidoselektronit sitovat positiiviset metalli-ionit tiiviiksi säännölliseksi rakenteeksi, jota kutsutaan metallihilaksi.

Metalleissa atomien välillä on metallisidos • Metallien korkea sulamispiste selittyy sillä, että vahvan metallisidoksen katkaisemiseen tarvitaan runsaasti energiaa • Metallien hyvä sähkön ja lämmönjohto kyky voidaan selittää vapaasti liikkuvilla ulkoelektroneilla. • Metallin kiilto johtuu metallihilan tasaisella pinnalla olevasta vapaiden ulkoelektronien merestä, joka heijastaa valon takaisin metallin pinnasta. • Metallien venyttäminen ja takominen on mahdollista, koska metalliionikerrokset pääsevät liukumaan toistensa ohi vapaiden elektronien ”meressä” rakenteen murtumatta.

Alkuainemolekyylissä atomien välillä on kovalenttinen sidos • Kaksiatomisessa alkuainemolekyylissä ulkoelektronit jakautuvat tasan alkuaineatomien välille. • Sidoksen muodostavien elektroniparien lukumäärän mukaan puhutaan yksinkertaisesta sidoksesta, kaksois- ja kolmoissidoksesta. • Alkuainemolekyylit voivat rakentua myös useammasta kuin kahdesta atomista. Esimerkiksi rikin allotrooppiset muodot S 6 ja S 8.

Dispersiovoimat molekyylien välillä • Kaikki alkuainemolekyylit ovat poolittomia, joten molekyylien välille voi muodostua vain heikkoja dispersiovoimia. • Tämän johdosta näillä alkuaineilla on yleensä alhainen sulamis- ja kiehumispiste. • Molekyylikoon kasvaessa, elektronien määrä kasvaa, jonka seurauksena hetkellisten dipolien määrä kasvaa ja dispersiovoimat vahvistuvat. • Molekyyleistä koostuvien aineiden kiinteää olomuotoa mallinnetaan molekyylihilalla.

Alkuainemolekyylissä atomien välillä on kovalenttinen sidos • Alkuaine hiili esiintyy luonnossa jättiläismolekyyleinä, joissa suuri joukko yksittäisiä hiiliatomeja on liittynyt toisiinsa kovalenttisin sidoksin atomihilaksi. (Ks. grafiitin ja timantin atomihilan mallit) • Hiilellä esiintyy kiinteässä olomuodossa viisi eri allotrooppista muotoa: timantti, grafiitti, fullereeni, nanoputki ja grafeeni. Näiden erilaiset ominaisuudet selittyvät niiden erilaisilla atomihiloilla.

Alkuaineiden sitoutuminen yhdisteiksi Ioniyhdisteissä eli suoloissa on ionisidos • Kun metalliatomi luovuttaa ulkoelektroninsa epämetalli atomille, metalliatomista muodostuu positiivinen ioni eli kationi ja epämetalliatomista negatiivinen ioni eli anioni. Näiden erimerkkisesti varautuneiden ionien välistä vahvaa sähköistä vetovoimaa kutsutaan ionisidokseksi. • Ionisidoksilla suoloille muodostuvaa säännöllistä kiderakennetta kutsutaan ionihilaksi. • Ionihilassa positiiviset ja negatiiviset ionit vuorottelevat ja niiden välinen sähköinen vetovoima pitää kiteen kasassa. • Suolan vesiliuos johtaa sähköä, koska… • Ionihila muodostaa kovan, mutta hauraan kiderakenteen.

Poolittomat ja pooliset molekyyliyhdisteet • Poolittomien molekyylien muodostamaa molekyylihilaa pitää koossa molekyylien väliset dispersiovoimat. • Dispersiovoimat ovat hyvin heikkoja, minkä johdossa poolittomista molekyyleistä koostuvien yhdisteiden sulamis- ja kiehumispisteet ovat hyvin alhaiset. • Molekyyliyhdisteiden olomuotoon huoneen lämpötilassa vaikuttaa myös molekyylin koko ja muoto. Mitä suuremmalle alalle dispersiovoimia muodostuu sen lujempi sidos molekyylien välille muodostuu.

Poolittomat ja pooliset molekyyliyhdisteet • Poolisten moolekyylien muodostamaa molekyylihilaa pitää koossa molekyylien väliset dipoli- tai vetysidokset. • Dipoli-dipoli- ja vetysidokset ovat vahvempia kuin dispersiovoimat, minkä johdosta poolisten molekyyliyhdisteiden sulamis- ja kiehumispisteet ovat korkeampia kuin poolittomien.

Kemiallisten sidosten vertailua Sidostyypin arviointi ioniluonteen avulla • Raja ionisidoksen ja kovalenttisen sidoksen välillä ei ole terävä, vaan jokainen kemiallinen sidos on näiden ääritapauksien välillä ja jokaisessa sidoksessa on sekä ioni- että kovalenttista luonnetta. • Sidoksen ioniluonne kuvaa sitä, mikä on ionisidoksen osuus kemiallisessa sidoksessa. • Kemiallisen sidoksen luonnetta voidaan ennustaa sidosatomien elektronegatiivisuuseron avulla. (Ks. kuvat)

Sidoksen vahvuuden vertailu sidosenergian avulla • Sidosenergia on mitta sille, kuinka lujasti atomit ovat sitoutuneet toisiinsa. • Sidosenergialla tarkoitetaan sitä energiamäärää (k. J), joka tarvitaan katkaisemaan yksi mooli tarkasteltavia sidoksia. • Atomien väliset sidokset ovat aina vahvempia, kuin molekyylien väliset sidokset. • Ioniyhdisteiden sidoksen vahvuuteen vaikuttaa ioinien koko ja varaus.

Kovalenttisen sidoksen pituus • Kovalenttisen sidoksen pituudella tarkoitetaan sitoutuneiden atomien keskimääräistä etäisyyttä toisistaa. • Mitä enemmän atomeilla on yhteisiä elektronipareja, sitä lyhyempi sidos on. • Muuten kovalenttisen sidoksen pituuteen vaikuttaa lähinnä sidoksen muodostavien atomien koko.

Miten selitetään veden erityisominaisuudet? Veden erityisominaisuuksia • Veden erityisominaisuudet voidaan selittää poolisten vesimolekyylien ja vesimolekyylien välisten vahvojen vetysidosten avulla. • Pintajännitys • Tiheys • Vedellä on korkea kiehumispiste verrattuna muihin ryhmän 16 vetyyhdisteisiin.

Vesi liuottimena • Poolisena aineena vesi liuottaa hyvin ioniyhdisteitä ja poolisia molekyyliyhdisteitä. • Diffuusio on lämpöliikkeen johdosta tapahtuvaa aineiden sekoittumista. (Ks. phet-simulaatio) • Kylläisessä liuoksessa on ainetta suurin mahdollinen määrä. • Poolisten vesimolekyylien osittaisvaraukset vetävät puoleensa dipolimolekyylien vastakkaismerkkisiä osia, jolloin liukenevan aineen rakenne hajoaa ja yksittäiset molekyylit liukenevat. • Poolittomat aineet liukenevat huonosti veteen. • Kemiallisesti samanlainen liuottaa samanlaista.

Ioniyhdisteiden liukeneminen veteen • Monet ioniyhdisteet liukenevat hyvin veteen. • Suolakiteen hajoaminen ja ionien siirtyminen veteen johtuu ionien ja vesimolekyylien välisistä sähköisistä vetovoimista, joita sanotaan ionidipolisidoksiksi. • Ionien liuetessa veteen vesimolekyylit ympäröivät ne mitä kutsutaan hydratoitumiseksi. • Hydratoituneita ioneja kutsutan akvaioneiksi eli hydraateiksi. • Veteen liuenneita aineita merkitään lyhenteellä (aq). • Kidevesi on kidehilaan sitoutunutta vettä. • Hygroskooppinen aine imee ilmasta vettä itseensä.