Kemia 2: luku 4 Kemialliset sidokset selittävät aineiden ominaisuuksia
Metallisidos
Metalliatomeilla
on uloimmalla elektronikuorella 1-3 elektronia. Yksittäisten metalliatomien
sitoutuessa toisiinsa jokaisen atomin
ulkoelektronit ovat yhteisessä käytössä. Näiden sähköisesti eri lailla
varautuneiden hiukkasten välille muodostuu vahva sähköinen vetovoima, jota
kutsutaan metallisidokseksi. Vapaiden elektronien meri siis sitoo positiiviset
metalli-ionit tiiviiksi rakenteeksi, jota kutsutaan metallihilaksi.
Metallien
kiilto johtuu metallihilan tasaisella pinnalla olevasta vapaiden elektronien
merestä. Metalleja voidaan myös takoa levyiksi tai venyttää hyvinkin ohueksi
langaksi. Tämä johtuu siitä, että metalli-ionikerrokset pääsevät liukumaan
toistensa ohi rakenteen murtumatta, eli positiivisten ionien väleissä liikkuvat
elektronit estävät niitä joudumasta vierekkäin, joten ionit eivät hylji
toisiaan.
Alkuaine molekyyleissä atomien välillä on kovalenttinen sidos
Kaikki
alkuainemolekyylit ovat poolittomia, joten molekyylien välille muodostuu vain
heikkoja dispersiovoimia. Tämän vuoksi näillä alkuaineilla on yleensä melko
alhainen sulamis- ja kiehumispiste. Molekyyleistä koostuvien aineiden kiinteää
olomuotoa mallinnetaan molekyylihilalla.
Hiiliatomit
voivat järjestyä kiinteässä olomuodossa kolmella eri tavalla, mihin vaikuttavat
lämpö ja paine. Hiilellä on siis kolme allotrooppista muotoa, jotka ovat
timantti, grafiitti ja fullereeni. Timantissa jokainen hiiliatomi on liittynyt
tetraedrisesti neljään muuhun hiiliatomiin vahvalla kovalenttisella sidoksella.
Timantin atomihilassa kaikki sidokset ovat siis samanlaisia. Timantin kovuus ja
hyvin korkea sulamispiste ovat seurausta vahvasta hiiliatomien välisestä
kovalenttisesta sidoksesta.
Grafiitti
muodostuu siten, että hiiliatomin kolme ulkoelektronia sitoo kovalenttisesti
kolme muuta hiiliatomia muodostaen tasoon verkkorakenteen. Jokaisen hiiliatomin
neljäs ulkoelektroni jää vapaaksi joten grafiitti johtaa sähköä. Verkot
sitoutuvat toisiinsa heikoilla dispersiovoimilla, minkä vuoksi grafiitti on
pehmeää ja liukasta.
Fullereenimolekyylissä
on viisi tai kuusi hiiliatomia sisältäviä renkaita. Nanoputket ovat fullereenin
kaltaisia rakenteita. Nanoputkien rakenteeseen voidaan liittää erilaisia
metalleja sekä orgaanisisa molekyylejä, mm. biomolekyylejä.
Alkuaineiden sitoutuminen yhdisteiksi
Ioniyhdisteissä
eli suoloissa on ionisidos. Ionihilassa positiiviset ja negatiiviset ionit
vuorottelevat ja niiden välinen vahva vetovoima vaikuttaa yhtä voimakkaana
kuhunkin viereiseen vastakkaismerkkiseen ioniin. Sähkönkuljettajia kutsutaan
eletkrolyyteiksi. Ionihila hajoaa iskusta, koska siinä samanmerkkiset ionit
joutuvat kohdakkain ja hylkivät toisiaan.
Poolittomat ja pooliset molekyyliyhdisteet
Poolittomien
molekyylien välille muodostuvat vetovoimat eli dispersiovoimat ovat heikompia
kuin poolisten molekyylien välille muodostuvat dipoli-dipoli- tai vetysidokset.
Siksi poolittomat molekyyliyhdisteet sulavat ja kiehuvat yleensä alhaisemmissa
lämpötiloissa kuin pooliset molekyyliyhdisteet.
Kemiallisten sidosten vertailua
Yhdisteen
ioniluonnetta kuvataan alkuaineiden elektronegatiivisuuserolla. Kun erotus on
noin 1,7, ioniluonne tulee niin hallitsevaksi, että sidosta sanotaan
ionisidokseksi. Yleisesti voidaan sanoa, että atomien väliset sidokset ovat
aina vahvempia kuin molekyylien välille muodostuvat sidokset.
Veden erityisominaisuuksia
Vesimolekyylien
välille muodostuvien vahvojen vetysidosten vuoksi molekyylit sitoutuvat
toisiinsa tiukasti, josta aiheutuu mm. veden suuri pintajännitys. Pintajännitys
syntyy, kun vedessä olevat vesimolekyylit vetävät pinnalla olevia
vesimolekyylejä puoleensa vetysidoksilla. Nämä vetovoimat ovat suurempia kuin
pinnan vesimolekyylien ja ilman väliset vetovoimat. Saippua ja muut emäksiset
pesuaineet katkovat vesimolekyylien välisiä vetysidoksia ja pienentävät siten
pintajännitystä.
Veden
tiheys on suurempi nesteenä kuin kiinteänä. Tämä selittyy sillä, että veden
jäätyessä vesimolekyylit järjestäytyvät vetysidosten avulla säännöllisiksi
jääkiteiksi. Tällöin vesimolekyylien väliin jää enemmän tilaa, joten vesi
laajenee jäätyessään. Vesi on tiheintä +4 °C:n lämpötilassa, sillä korkeammissa
lämpötiloissa molekyylien lämpöliike saa veden laajenemaana tiheys pienenee
uudelleen. Lasinen virvoitusjuomapullo hajoaa, jos juoma sen sisällä pääsee
jäätymään.
Vesi liuottimena
Veden
liuotinominaisuudet johtuvat pääasiassa vesimolekyylin pienestä koosta ja
poolisuudesta. Sokeri liukenee veteen molekyyleinä ja ruokasuola ioneina. Ylikylläisessä
liuoksessa liuennutta ainetta on enemmän kuin aineen liukoisuus edellyttäisi
kyseisessä lämpötilassa. Ylikylläinen liuos on pysymätön ja siinä oleva
liuennut aine saattaa kiteytyä yhtäkkiä, jos seokseen lisätään vielä pieni
määrä liuotettavaa ainetta tai liuosta sekoitetaan mekaanisesti. Esim
karamellien valmistuksessa hyödynnetään ylikylläistä sokeriliuosta, jolloin
sokeri saadaan kiteytymään.
Kemiallisesti
samanlainen aine liuottaa samanlaista. Kun natriumkloridi liukenee veteen,
irronneet natrium- ja kloridi-ionit hydratoituvat eli muuttuvat vesimolekyylien
ympäröimiksi akvaioneiksi eli hydraateiksi.
Urheiluvammojen
ensiavussa käytettävät kylmähauteet sisältävät yleensä ammoniumnitraattia ja
lämpöhauteet magnesiumsulfaattia. Ammoniumnitraatti toimii kylmähauteena, koska
sen liukeneminen sitoo ympäristöstä energiaa ja vesiliuos viilenee.
Magnesiumsulfaatin liuetessa vapautuu energiaa ja vesiliuos lämpenee.
Jotkut
suolat sitovat aina kihehilaansa tietyn määrän vesimolekyylejä
ioni-dipolisidoksella. Tällaista vettä sanotaan kidevedeksi. Kidevedellisiä
suoloja kuumennettaessa kiderakenne murtuu, vesi irtoaa kiteistä ja kiteet
rapautuvat. Kidevetensä menettänyt suola ottaa vettä takaisin ilmasta. Aineita,
joilla on taipumus sitoa vettä itseensä, kutsutaan hygroskooppisiksi aineiksi.
Yleisesti
alkalimetalli- ja ammoniumsuolat sekä kaikki nitraatit liukenevat hyvin veteen,
kun taas esim AgCl, BaSO4 ja CaF2 ovat hyvin niukkaliukoisia suoloja. Yleensä
lämpötilan noustessa kiinteän aineen liukoisuus kasvaa ja kaasun liukoisuus
pienenee. Tämä näkyy kuplien muodostumisena lämpenevään veteen.
Sairaaloissa
annettavan fysiologisen suolaliuoksen NaCl-konsentraatio on 0,15 mol/l. Se
vastaa erytrosyyttien ionipitoisuutta, jolloin puhutaan myös isotonisesta tai
iso-osmoottisesta liuoksesta. Väkevämpi suolaliuos aiheuttaisi erytrosyyttien
kutistumisen, laimeampi taas turvottaisi erytrosyytit, ja lopulta ne voisivat
hajota.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti