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.