Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
KE04 Materiaalit ja teknologia - Coggle Diagram
KE04 Materiaalit ja teknologia
1 Jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna
1.1 Ulkoelektronirakenne ja metalliluonne
Jaksollinen järjestelmä
Pystysarakkeet eli ryhmät
ryhmät 1-2 ja 13-18 pääryhmiä
ryhmänumero kertoo ulkoelektronien lukumäärän
1-13 ryhmät metallia
ryhmien 1,2 ja 13 metallit kemiallisissa reaktioissa luovuttavat elektronin eli hapettuvat
vain yksi positiivinen hapetusluku
ryhmien 3-11 metallit siirtymämetalleita, reaktioihin osallistuvien elektronien määrä vaihteleva
useita hapettumislukuja
Ryhmät 14-16 epämetalleja
metallien kanssa reagoidessaan pelkistyvät
Sivuryhmät 3-12
ulkoelektronien määrä kvanttimekaanisen atomimallin mukaan
7 vaakariviä eli jaksoa
Jakson numero kertoo millä kuorella uloimmat elektronit sijaitsevat
Metalliluonne lisääntyy ryhmiä alas liikkuessa, jaksossa vasemmalle liikkuessa
1.2 Elektronegatiivisuus ja sidoksen luonne
elektronegatiivisuus kuvaa atomin kykyä vetää puoleensa sidoselektroneja
epämetallin hyvin elektronegatiivisia, metallit elektropositiivisia
elektronegatiivisuusarvojen erotuksen avulla voidaan ennustaa sidoksen ioniluonnetta
1.3 Atomin ja ionin koko
Metalleilla mitä suurempi atomi, sitä helpommin elektronit irtoavat ytimen vaikutuspiiristä
epämetallit reagoivat kiivaammin mitä pienempi atomin koko on
Ionisoitumisenergia on se määrä energiaa, mitä elektronin irrottamiseen vaaditaan (kJ/mol)
Elektroniaffiniteetti taas se energiamäärä, mitä sitoutuu tai vapautuu, kun ioniin liittyy elektroni (kJ/mol)
postiivinen arvo: vapautuu energiaa (eksoterminen)
negatiivinen arvo: sitoutuu energiaa (endoterminen)
1.4 Oksidien happo-emäsluonne
Oksidi on yhdiste, eli hapen kanssa reagoinut alkuaine
metallioksidissa positiivisen metalli-ionin ja negatiivisen oksidi-ionin välillä on ionisiods
ioniyhdiste
reagoivat veden kanssa luoden hydroksidi-ioneita
emäksisiä oksideja
liuetessa pH nousee
epämetallioksideissa atomit sitoutuneet kovalenttisilla sidoksilla
molekyyliyhdiste
veden kanssa reagoidessa muodostuu oksoniumioneja
happamia oksideja
liuetessa pH alenee
2 Hapettumis- pelkistymisreaktiot ja sähkökemia
2.1 Hapetusluku ja reaktioyhtälöiden tasapainottaminen
Hapettumis-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen
1) Selvitetään hapetuslukumuutosten avulla, kuinka monta elektronia kukin hapettuva aine luovuttaa / pelkistyvä vastaanottaa
2) Tasapainotetaan siirtyvien elektronien määrä laittamalla sopivat kertoimet hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta siältävän aineen kaavan eteen
3) tasapainotetaan seuraavaksi muiden atomien määrät
4) Mikäli reaktio on esitetty ionimuodossa, tarkistetaan lopuksi, että sähkövarausten summa on yhtä suuri lähtöaine- ja reaktiotuotepuolella
2.2 Spontaani hapettumis-pelkistymisreaktio
epäjalot atomit hapettuvat helposti sekä vapauttavat vetykaasuja happojen vesiliuoksissa
Jännitesarjan löytää maolista.
jalot atomit eivät hapetu helposti ja ionit pelkistyvät helposti atomeiksi jolloin ne toimivat hapettimina
normaalipotentiaalitaulukolla voidaan ennustaa hapettumis-pelkistymisreaktioiden spontaniuus.
2.3 Sähkökemialliset parit virtalähteinä
Spontaani reaktio on aina eksoterminen
Kun reaktiossa syntynyt lämpöenergia muunnetaan sähköenergiaksi, on kyseessä sähkökemiallinen pari eli galvaaninen kenno
hapettuva ja pelkistyvä aine on yhteydessä ulkoisen virtapiirin välityksellä
hapettuvan aineen luovuttamat elektronit siirtyvät johdinta pitkin pelkistyvälle aineelle
kohtiot ovat elektrodeja
hapettuminen tapahtuu anodilla (- kohtio)
epäjalompi aine aina hapettuu
pelkistyminen katodilla (+ kohtio)
jotta sähkövirta saadaan kulkemaan, upotetaan elektrodit sähköä johtavaan elektrolyyttiin
2.4 Elektrolyysi on pakotettu hapettumis- pelkistymisreaktio
Elektrolyysi on menetelmä, jossa sähkövirralla aikaansaadaan hapettumis-pelkistymisreaktio
käytetään mm. korujen päällystämisessä
pinnoittaessa päällystettävä esine laitetaan katodiksi
Negatiivinen elektrodi katoni
pelkistyminen tapahtuu katodilla, hapettuminen anodilla
Positiivinen elektrodi anodi
Elektrolyysissä kulkevä sähkömäärä on
Elektrolyysissä muodostuvien aineiden ainemäärät saadaan suureyhtälöstä
3 Reaktiosarja- ja seoslaskut
3.1 Reaktiosarjojen laskennallinen käsittely
Kokonaisreaktion reaktioyhtälön laatimista varten toimitaan seuraavasti:
1) Tasapainotetaan jokainen reaktioyhtälö erikseen
2) Kerrotaan / jaetaan siten, että edellisen reaktion reaktiotuote, joka toimii reaktiosarjan seuraavassa vaiheessa lähtöaineen supistuu puolittain pois
3) Lasketaan reaktioyhtälöt puolittain yhteen
4) Tarkistetaan kertoimet
5) vertaillaan ainemääriä
3.2 Seosreaktioiden laskennallinen käsittely
Jos yksi seoksen aineista reagoi, saadaan aineen määrä selville reaktiota kuvaavan tasapainotetun reaktioyhtälön avulla
Jos aineet reagoivat tuottaen samaa reaktiotuotetta, tulee reaktioyhtälöt kirjoittaa erillisinä ja kertoimia tulee tulkita erikseen
vastaus pyöristetään epätarkimman lähtöarvon tarkkuuteen
4 Erilaisia materiaaleja
4.1 Metallit materiaaleina
lejeeringit eli metalliseokset ja puhtaat metallit yleisiä koneissa ja laitteissa
metallien kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia
taipumus hapettua
veteen liukenemattomuus
lämmön- ja sähkönjohtavuus
korkea sulamis- ja kiehumispiste
kiinteä olomuoto huoneenlämmössä
taottavuus ja muokattavuus
metallihilan ansiota
24% maankuoren massasta metalleja
metallien puhdistuksen ja jalostuksen lähtöaineena on mineraalit
Tavallisimmin metallit esiintyvät sulfidi-, oksidi- tai karbonaattimineraaleina
malmi on mineraali, jonka jalostainen on taloudellisesti kannattavaa
Hapettuminen eli korroosio esimerkki spontaanista hapettumis- pelkistymisreaktiosta
ruostumista nopeuttaa veteen liuenneet suolat tai liuoksen alhainen pH
hapettumista estetään tavaroiden päällystämisellä
4.2 Siirtymämetallien erityisominaisuuksia
Sivuryhmiin 3-12 kuuluvia metalleja käytetään paljon katalyytteinä
jakson 4 ja ryhmän 3-11 alkuaine on siirtymämetalli
siirtymämetallit voivat
esiintyäyhdisteissään usealla hapetusluvulla
muodostaa värillisiä yhdisteitä
muodostaa kompleksiyhdisteitä, joiden väri vaihtelee
olla hyviä katalyyttejä
elektronirakenteiden avulla pystytään myös selittämään niiden ionien kyky sitoa ympärilleen muita ioneita ja molekyylejä. Toisin sanoen muodostaa kompleksi-ioneita.
4.3 Keraamit ja komposiitit
Keraamit ovat kiteisiä tai amorfisia materiaaleja, joita valmistetaan epäorgaanisista lähtöaineista korkeissa lämpötiloissa
huonona ominiasuutena on niiiden hauraus
Komposiitit ovat yhdistelmämateriaaleja, joissa ollaan yhdistetty ahden tai useamman materiaalin ominaisuuksia
5 Polymeerit
5.1 Erilaisia polymeerejä
polymeerit koostuvat monesta osasta (monomeereistä)
biopolymeerejä tai synteettisiäpolymeerejä
biopolymeerit ovat luonnossa esiintyviä
hiiligydraatit, proteiinit, nukleiinihapot
synteettiset polymeerit ollaan valmistettu teollisesti tiettyä käyttötarkoitusta varten
muovit, synteettiset kumit, tekokuidut
additio- tai kondensaatiopolymeeriejä
tuotettu polyadditio- tai polykondensaatioreaktiossa
5.2 Synteettiset polymeerit
kerta- ja kestomuovit
kestomuoveja voidaan muovailla uudelleen lämmittämällä (ei tarkkaa sulamispistettä)
kertamuovien kemiallinen rakenne hajoaa kuumennettaessa
rakenne usein kova
Biomuoveja voidaan sijoittaa elimistöön
5.3 Polymeroitumisreaktiot
polymeerejä voidan valmistaa polyadditio- tai polykondensaatioreaktioissa
polyadditiossa hyödynnetään monomeerien kaksois- tai kolmoissidoksia
kolme vaihetta: herätevaihe, etenemisvaihe ja päättymisvaihe
polykondensaatioreaktioissa monomeerien funktionaaliset ryhmät reagoivat ja molekyylien väliltä lohkeaa usein vettä