Opetus: Kemia

7. lk: Aineet

Atomit

Bill Brysonin kirjasta ss 308-312 joitain huomioita:

92 “luonnollista” alkuainetta, parikymmentä labrassa tuotettua Jotkut ovat täysin tuntemattomia, esim astatiini (nro XX) koska on niin harvinainen. Kaikkein harvinaisin on frankium, alle 20 atomia maapallossa. Noin 30 alkuainetta ovat yleisiä, ja n. 6 ovat elämälle oleellisia.

Happi yleisin; n 50% maapallon kuoresta. Pii toiseksi yleisin. Titaani 10. yleisin. Kuparia on vähemmän kuin ceriumia jne. Alumiini on 4. yleisin alkuaine maapallossa; eli 10% kaikesta jalkojen alla olevasta on alumiini. Kuitenkin se keksittiin vasta 1800-luvulla (Humpry Davy), ja pitkään sen luultiin olevan hyvin harvinaista: Ranskan kuninkaalliset vaihtoivat hopea-astiat alumiinisiin. Hiili on 15. yleisin, vaikka maapallossa sitä on 0,048% kaikesta. Se on tärkeä, koska se on “party animal”, liittyy moneen muuhun atomiin, ja pysyy tiukasti kiinni: esim. proteiinit, dna.

Ihmisen 200 atomista 126 on vetyä, 51 happea, 19 hiiltä, 3 typpeä ja viimeinen atomi on joku kaikista muista. Rauta on tärkeää hemoglobiinin tekemiseen. Kobolttia tarvitaan B12-vitamiiniin. Kalium ja natrium tarvitaan hermostoon. Molybdenum, mangaani ja vanadiini tarvitaan entsyymeihin. Sinkki hapettaa alkoholin. Seleeni on hyvin tärkeää, mutta liika-annostus on tappava.

Evoluutio: Karja vaatii paljon kuparia, koska se on kasvanut siinä osissa Afrikkaa ja Eurooppaa, jossa kuparia on paljon. Lampaat ovat kasvaneet Vähä-Aasian vähäkuparisilla alueilla. Alkuaineiden sietokyky on verrannollinen niiden yleisyyteen maaperässä: tarvitsemme hyvin pieniä määriä harvinaisia alkuaineita, mutta jos niitä tulee liikaa. Huonosti tunnettua, esim. kukaan ei tiedä tarvitaanko arseenia vai ei.

Yhdisteet: happi ja vety palavat (ööh. . . ) herkästi, mutta yhdessä tulee vettä. Natrium on eräs epästabiileimmista alkuaineista (pudota pisara Na:ta veteen ja se räjähtää tappavasti) ja kloori on yksi myrkyllisimmistä (WWI:n myrkkykaasu, uimahallin silmät). Yhdessä tulee suola.

Jos alkuaine ole vesiliukoinen (ei luonnollisesti kulkeudu kehoon) se on (usein) myrkyllinen. Lyijy myrkyttää, koska emme ole tottuneet siihen kunnes se tuli lautasiin ja vesiputkiin (Pb: latinan plumbum -> plumbing). Roomalaiset maustoivat viiniä lyijyllä! Muutkin: elohopea, kadmium jne. “Ei-luonnolliset”, kuten plutonium hyvin myrkyllisiä: toleranssi plutoniumiin on nolla.

Joissain planeetoissa voi olla elohopea-meriä, ammoniakkipilviä jne.

R Feynman a posteriori -päätelmistä: “You know, the most amazing thing happened to me tonight. I saw a car with the licence plate ARW 357. Can you imagine? Of all the millions of licence plates in the state, what was the chance that I would see that particular one tonight? Amazing!”

Alkalimetallit vedessä-videoita:

Yhdisteet

Muutama yhdiste:

• H2
• O2
• N2
• Cl2
• NO
• H2O
• NO2
• CO2

• Hiilihappo H2CO3
• Natrium(bi)karbonaatti H2CO3
• Natriumhydroksidi NaOH

• Ammoniakki NH3
• Suolahappo HCl
• Glukoosi C6H12O6
• Etanoli C2H6Oh

• Bleach NaOCl

CAS-yhdistelista. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CAS_numbers_by_chemical_compound

Yhdisteitä on ehkä 10¹⁸-10²⁰⁰ kpl. Hiekanjyviä maapallolla on $7,5\times 10^{18}$

8. lk: Jaksollinen järjestelmä =

Yhteenveto

Atomi Ydin Elektronikuori Protoni Neutroni Elektroni Sähkövaraus Alkuaine Järjestysluku Ulkoelektroni Kuorimalli

Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Metalli Epämetalli Puolimetalli Ryhmä Pääryhmä Jakso Jalokaasu Oktettirakenne

Pistemalli Ioni Positiivinen ioni Negatiivinen ioni Metalli-ioni Epämetalli-ioni Ioniyhdisteen rakenneosa Kide

Ionisidos Ioniyhdiste Suola Suolan kaava Suolan nimi

Molekyyli Alkuainemolekyyli Molekyyliyhdiste Kovalenttinen sidos Elektronipari

8. lk: Hapot

Happamuus

[Eksperimentti: punakaali ja pH]].

Hapot ja emäkset raaka-aineina

Happo: Oksoniumioni, vedyn luovutus

Emäs: Hydroksidi-ioni, vedyn vastaanotto

Suolahappo HCl

• - Ärsyttää silmiä, hengityselimiä
• - tekee vaatteisiin reikiä, syövyttää ihoa
• + mahaneste, pH = 1-2
• + metallien puhdistaminen, kalkkiraidat
• + paperi-, metalli- ja elintarviketeollisuus

Rikkihappo H₂SO₄

• - voimakkaasti syövyttävä
• + lannoitteet, räjähdysaineet
• + öljynjalostus, tekokuidut
• + lääkkeet

Typpihappo HNO₃

• - voimakkaasti syövyttävä
• + lannoitteet, räjähdysaineet
• + lääkkeet, väriaineet

Natriumhydroksidi (lipeä) NaOH

• - syövyttävää
• - liuottaa tehokkaasti rasvaa ja mm alumiinia
• + pesu- ja puhdistusaineet
• + selluloosa, paperi, viskoosi
• + lääketeollisuus

Ammoniakki NH₃

• - pistävänhajuinen, väritön ja ilmaa kevyempi kaasu
• + typpilainnoitteet
• + jäähdytyslaitteissa, rakettien polttoaineena, metallurgia.

Neutraloituminen

	Happo	H3O+	pH<7
+	Emäs	OH-	pH>7
=	happo + emäs	H3O+ + OH-	2H2O

8. lk Metallien kemia

Paristo ja akku

Ilma-aukot. Metalli1 + paperieriste + metalli2.

Esim.

• Grafiitti-sinkki -paristoja
• Lyijyakut + rikkihappo
• Ni-Cd
• Ni-MH
• Li-ioni, esim. Li-Co-O2.

Teräs

Outokummun propagandavideo:

Teräksen tuotantoa, pitkä hidas video mutta hienot kuvat:

Metallin sulattaminen sähköllä:

Järvimalmin kalastusta:

Raudan valmistusta perinteisin menetelmin:

Onko hämähäkin seitti tosiaan vahvempaa kuin metalli:

Kestääkö Iron Manin puku luotia?

Korroosio

Patinoituminen: 2Cu + O_2 → 2CuO. Sitten CuO + CO_2 → CuCO_3 patina.

Ruostuminen: Fe → Fe^{2+} + 2e^-. 4e^- + O_2 → 4OH^-. Fe^{2+} + 2OH^{-} → Fe(OH)_2. 4Fe(OH)2 + O2 → 2(Fe2O3 · H2O) + 2H2O.

Uhrimetalli:

• Rautalaiva + sinkkiuhrit
• Peltikatto + kuparinaulat?
• Alumiinivene + sinkkiuhri?

Oksidikerros:

• Alumiinioksidi: Al2O3
• Sinkkioksidi: ZnO
• Ruostumaton teräs: Cr2O3.

9. lk: Orgaaninen kemia

Hiili

Hiilen allotropoita:

• Timantti
• Grafiitti
• Grafeeni
• Fullereeni
• Nanoputki

Hiilivedyt

Poolittomia.

Caption text

Metaani. Kaasu. Eloperäisen aineksen mädäntyessä. Biokaasu. Maakaasu.
Etaani. Väritön ja hajuton kaasu. Eristetään maakaasusya ja maaöljystä. Käytetään eteenin valmistukseen. Muita ovat: vinyylikloridi, asetaldehydi, etikkahappo, kloorietaani, 1,1-dikloorietaani ja 1,1,1-trikloorietaani. Voidaan nesteyttää.	Eteeni. Väritön, hajultaan makeahko, ilmaa kevyempi erittäin helposti syttyvä kaasu. Useiden kemianteollisuuden tuotteiden raaka-aine, erityisesti muovien. Polyeteeni, maailman käytetyin muovi. Eteeniä klooraamalla saadaan 1,2-dikloorietaania (C2H4Cl2), josta valmistetusta vinyylikloridista (C2H3Cl) tehdään polyvinyylikloridi ((C2H3Cl)n). Eteenin reaktio bentseenin (C6H6) kanssa tuottaa etyylibentseeniä (C8H10), joka dehydrogenoidaan styreeniksi (eli fenyylietyleeniksi) (C6H5C2H3), joka polymeroidaan polystyreeniksi ((C8H8)n). Käytettiin myös aikoinaan anestesiaan. Kasvihormoni, sitä voidaan hyödyntää kasvituotannossa. Esimerkiksi hedelmäpuiden käsittely eteenillä saa hedelmät kypsymään samaan aikaan.	Etyyni eli asetyleeni. Väritön ja erittäin tulenarka kaasu, jolla on miellyttävä makea tuoksu. Käytetään muun muassa hitsauksessa ja polttoleikkauksessa
Propaani. Väritön, hajuton ja tulenarka kaasu. Valmistetaan tislaamalla maaöljystä tai -kaasusta. Käytetään nestekaasuna seoksena butaanin kanssa sekä joissakin spraymaaleissa. Valmistetaan myös lukuisia yhdisteitä, kuten eteeniä, propeenia, propanolia, isopropanolia ja propanaalia. Propaania käytetään joskus päihdetarkoituksessa imppaamalla.	Propeeni. Väritön, hajuton ja helposti syttyvä kaasu. Ilmaa raskaampaa. Propeeni polymeroituu joutuessaan kosketuksiin muun muassa kloorin, fluorin, vetyhalidin ja metallikatalyyttien kanssa sekä lämpötilan tai paineen nousun seurauksena. Käytetään eniten monomeerien valmistuksessä, useimmiten polypropeenin valmistuksessa. Propeenia käytetään myös muun muassa propyleenioksidin, asetonitriilin, kumeenin, isopropyylialkoholin, allyylikloridin, heptaanien, akryylinitriilin ja akroleiinin valmistuksessa. Propeeniä käytetään polttoaineena teollisuudessa,	Propyyni. väritöntä, erittäin helposti syttyvää kaasua, jolla on tunnusomainen haju. Suurin osa propyynistä käytetään metyylimetakrylaatin valmistukseen.
Butaani. Ilmaa raskaampi, väritön, tulenarkaa ja helposti nesteytettävä kaasu. Yhdiste erotetaan tislaamalla maaöljystä tai maakaasusta tai krakkaustuotteista.[3] Butaania käytetään nestekaasun (retkikeittimet, tupakansytyttimet, kaasuhellat). Myös krakkauksessa petrokemikaalien valmistusprosessissa tuotettaessa eteeniä, propeenia, butadieeniä ja isopropeenia. Elintarvikkeissa butaania käytetään lähinnä pakkauskaasuna tai ponneaineena. Yleistynyt päihteenä	Buteeni. Väritön, hajuinen kaasu muun muassa synteettisen kumin valmistuksessa.	Butyyni. 1-butyyni ja 2-butyyni.
Propaani. Väritön, hajuton ja tulenarka kaasu. Tislaamalla maaöljystä tai -kaasusta. Nestekaasuna seoksena butaanin kanssa sekä joissakin spraymaaleissa. Valmistetaan myös lukuisia yhdisteitä (eteeniä, propeenia, propanolia, isopropanolia ja propanaalia).	Propeeni. Väritön, hajuton ja helposti syttyvä. Suuri merkitys öljyntuotannossa. Propeeni polymeroituu joutuessaan kosketuksiin muun muassa kloorin, fluorin, vetyhalidin ja metallikatalyyttien kanssa sekä lämpötilan tai paineen nousun seurauksena.	Propyyni. Väritöntä, erittäin helposti syttyvää kaasua, jolla on tunnusomainen haju. Suurin osa propyynistä käytetään metyylimetakrylaatin valmistukseen. Metallien hitsauksessa ja karkaisussa.
Butaani. väritöntä, tulenarkaa ja helposti nesteytettävää kaasua. Elintarvikkeissa isobutaania käytetään lähinnä pakkauskaasuna tai ponneaineena.	Buteeni. värittömiä, mutta niillä on ominainen hajunsa, ja ne syttyvät herkästi. Buteenia käytetään muun muassa synteettisen kumin valmistuksessa.	Butyyni.

Tavallinen butaani on n-butaani. Haaroittunut butaani on isobutaani.

Octaani: C₈H₁₈ CH3(CH2)6CH3.

Alkoholit

Metanoli CH₃OH.

• Myrkyllinen, sokeuttaa
• Liuotin, muovien ja liimojen valmistukseen
• Polttoaine: Top fuel Nitrometaani CH₃NO₂ + metanoli.

Etanoli C₂H₅OH

• Liuotin, puhdistusaine
• Juoma, vaikuttaa keskushermostoon
• Käymisreaktiolla: C₆H₁₂O₆ -> 2C₂H₅OH + 2CO₂

Etyleeniglykoli eli glykoli C₂H₅(OH)₂

• myrkyllinen (1/2 dl tappaa)
• Jäähdytysneste

Propanoli C₃H₇OH

• 1-propanoli: polttoaine
• 2-propanoli
  • Kukissa, hajuaine
  • Pesu- ja desinfiointiaine
  • Etanolin denaturointiin
  • Sähkölaitteiden peseminen

Propyleeniglykoli eli C₃H₈O₂ ja rakennekaava on CH₃CHOHCH₂OH.

• Jäänesto ja jäänpoisto. Savukoneet
• Ärsyttää silmiä ja voi aiheuttaa ihon herkistymisen
• lisää ja ylläpitää lehmien ruokahalua

Glyseroli eli 1,2,3-propaanitrioli C₂H₅(OH)₃

• Ihovoiteissa, hammastahnoissa
• Muovin pehmentimenä
• Jäänestoaine

Butanoli C₄H₉OH

• Myrkyllinen
• Liuotin, ohenne, jarruneste
• parfyymien pohja

Pentanoli: ksylitoli C₅H₇(OH)₅

• Koivusokeri, makeutusaine

Sorbitoli C₆H₁₄O₆

• Makeutusaine

Palamisreaktiot

2CH3OH +3 O2 = 2CO2 + 4H2 O

CH5OH +3 O2 = 2CO2 + 3H2 O

Karboksyylihapot

Metaanihappo (muurahaishappo) HCOOH

• nokkosissa

Etaanihappo (etikkahappo) CH₃COOH. E260

Etaanidihappo (oksaalihappo) (COOH)₂

• Raparperi, pinaatti, punajuuri, parsa, ketunleipä
• (COO)₂Ca eli reagoi luiden kalsiumin kanssa

Propaanihappo C₂H₅COOH. E280

• Hidastaa homehtumista

Butaanihappo (voihappo) C₃H₇COOH.

• Voin härskiintymisessä

Muita karboksyylihappoja

• Bentsoehappo C₆H₅COOH E210
• Maitohappo CH₃CHOHCOOH E270
• Omenahappo E296
• L-askorbiinihappo (C-vitamiini) E300
• Sitruunahappo CH₂(COOH)·COH(COOH)·CH₂(COOH) E330
• Viinihappo E334