Tutkielmien rakenne-esimerkkejä – 14.9.

Kurssin yhtenä osasuorituksena on tutkielma, jostakin kemiallisesta aineryhmästä (ei orgaanisen kemian). Teemoiksi tuli mm. happamoituminen, metallien ja epämetallien oksidit, emäksiset ja happamat oksidit, peroksidit, proteiinit, luonnon  komposiitteja, nukleiinihapot, elämän metallit, malmista metalliksi, raudan ja teräksen valmistus, typpiyhdisteet, tekstiilit, fosforihappo ja fosforiyhdisteet, polysakkaridit, halogeenit …

Tunnilla otettiin esimerkkejä tutkielman laatimisesta ja sisällöstä:

Alkuaineiden vety-yhdisteet

  • katsotaan mitä jaksollinen järjestelmä kertoo meille vedystä ja sen ominaisuuksista, hapetusluku, millaisia yhdisteitä tämän perusteella voi olettaa syntyvän
  • katsotaan vedyn asema elektronegatiivisuustaulukossa. mitää se tarkoittaa mm. em. yhdisteiden osalta ja / tai hapetusluvun määräytymisen osalta
  • vedyn merkitys sähkökemiallisessa jännitesarjassa – epäjalot ja jalot metallit
  • konkreettisia yhdisteryhmiä: joidenkin metallien vety-yhdisteet eli hydridit; metallit, joiden kanssa vety ei reagoi, mutta jotka toimivat vedytyksessä katalyytteinä (miksi ja miten); – epämetallien vety-yhdisteet (kovalenttisin sidoksin) hiiliryhmän, typpiryhmän, happiryhmän ja halogenidien kanssa

Venyvät materiaalit

  • sidokset! vahvat ja heikot sidokset eri yhdisteissä
  • käyttötarkoitus, kestävyys, sulamispisteet, kovettumispisteet

Peroksidit

  • happi jaksollisessa järjestelmässä ja hapetusluku – peroksidin poikkeava tilanne
  • elektronegatiivisuus
  • peroksidin avaruusrakenne
  • vetyperoksidin hajoaminen – esimerkki
  • vrt. superoksidi

 

Työselostuksien sisältö – 8.9.2014

Tunnilla käytiin läpi tulevien työselostuksien rakennetta. Yammerissa on sitä varten selkeä ohje. työselostuksen merkitys kurssilla on merkittävä. Maksimipisteet ovat 30 p. Työselostuksen tärkeimpiä asioita ovat:

– asiat esitetään aina kemian teorian kautta, aina kun on ”aihetta on” kirjataan kemiallinen reaktioyhtälö, puhumattakaan kemiallisista merkeistä – jos esim. todetaan että natrium hapettuu, pitää merkitä natrium Na hapettuu (näiden puuttuminen on -10 p)

– mm. virhetulkinnoissa ei viitata naapurin tekemisiin ja siihen, mitä reaktiossa, välineissä ym. voisi olla sellaista, mikä aiheuttaa virheitä tuloksissa

– työselostuksen kuvittaminen ja kuvien selittäminen ovat erinomainen asia; autenttisuuden luomisella ja tilanteen kuvaaminen viittaamalla kuvissa esiintyviin asioihin tuo lisäpisteitä (jotka voivat kompensoida pieniä asiavirheitä)

 

Daniellin kennoa, lyijyakkua, korroosion estoa, KI:n elektrolyysi ja veden hajotusta – 5.9.2014

Päivän tunnin sisältö oli kokeellista kemiaa. Osa porukkaa rakenteli Daniellin kennoja onnistumatta, yksi ryhmä rakensi perusversion lyijyakusta onnistuen siitä, kaksi ryhmä lähti selvittämään rautakaliumjodidin_elektrolyysi
naulan ruostumista ja testaavat erilaisia korroosion estovaihtoehtoja. Kaksi ryhmä rakensivat elektrolyysilaitteista, toinen kaliumjodidin KI:n elektrolyysiä varten ja toinen veden hajotusta eli veden elektrolyysiä varten.  Kuvassa juuri kaliumjodidin eletkrolyysi, U-putkessa takana vapautuu jodia (ruskea aine) ja edessä vapautunut kalium reagoi veden kanssa muodostaen emäsiset olosuhteet (hydroksidi-ioneja). Fenoliftaleiini antaa lilan värin.

 

Sähkökemiallisen jännitesarjan ja normaalipotentiaalien käyttö – 3.9.2014

Tämän päivän tunti jatkoi edellisten tuntien teemoja. Tehtävien tekemisessä katsottiin ensin, oliko asia ratkaistavissa pelkästään sähkökemiallisen jännitesarjan avulla. Eli katsotaan, mikä on kahden metallinen asema ko. sarjassa. Mitä epäjalompi metalli on, sitä helpommin se hapettuu ja on siis ionimuodossa. Esim. Cu2+ ja Fe2+ -liuoksien tapauksessa täytyi miettiä kumpi pelkistyy, kumpi hapettuu. Molemmat mielellään pelkistyvät, mutta kuparin ollessa jalompi, sen täytyy pelkistyä. Raudan kohdalla täytyy selvittää voisiko se hapettua Fe2+ -ionista Fe3+-ioniksi. Tässä tapauksessa sitten verrataan hapettumis- ja pelkistymisreaktion normaalipotentiaaliarvoja ja kokonaisreaktion normaalipotentiaalia. Todetaan, että kokonaisreaktion arvo on alle 0, joten reaktio ei ole spontaani.

Lopputunnista käytiin vielä lyhyesti läpi raudan korroosiota hapettumis- ja pelkistysmireaktioiden ja niiden normaalipotentiaalien näkökulmasta. Niistä voimme päätellä, että reaktio on spontaani. Osittaisreaktioita ovat:

Veteen liuennut happi pyrkii pelkistymään:

  • O2 (aq) + 2 H2O(l) + 4 e- → 4 OH- (aq) tai  E= + 1,40 V
  • O2 (aq) + 4 H+ (aq) + 4 e- → 2 H2O(l)  E= + 1,23 V

Tämä reaktio kuluttaa raudan hapettuessa vapautuvia elektroneja:

  • Fe (s) → Fe2+ (aq) + 2e-  E= -0,44 V

Ruostumisen ensimmäisessä vaiheessa muodostunut rauta(II) –ionit hapettuvat edelleen rauta(III)-ioneiksi. Nämä muodostavat edelleen vaihtelevan määrän kidevettä sisältävää rauta(III)oksidia Fe2O3 • x H2O, ruostetta.

Sähkökemian perusteita – Galvaaninen kenno – 1.9.2014

Tunnin aluksi katsottiin viime viikolla reagoimaan jätettyjä asioita –  sahkokemiallinen_reaktio_IIvaihekuparinaula ja magnesiumnauha sinkkikloridi-liuoksessa sekä rautanaula ja magnesiumnauha kuparisulfaatti-liuoksessa. Vasemman puoleisessa liuoksessa magnesiumnauha on käytännössä liuennut sinkkikloridiliuokseen. Oikean puoleisessa ilmiö on selkeämpi – vaalean sininen liuos (jossa on kupari-ioneja) on muuttunut keltaiseksi (Fe-ioneja) ja kupari pelkistynyt rautanaulan pintaan. Myös tässä liuoksessa magnesiumnauha on liuennut liuokseen.

Seuraavaksi keskusteltiin galvaanisen kennon rakentamisesta tämän kuvatun ilmiön hyödyntämiseksi kemiallisen energian muuttamisessa sähköenergiaksi.

Tutustuimme normaalipotentiaaliin esimerkkien kautta.

 

 

Sähkökemian perusteita – normaalipotentiaalit – 29.8.2014

Tunnilla keskityttiin demonstraation kautta spontaaniin ja ei-spontaanin kemialliseen reaktioon. Alla liuoksia joissa tapahtuu spontaania reaktioita. Vasemman puolisessa astiassa on (voimakas) sinkkikloridi -liuos, johon on laitettu magnesium-liuskaa. Magnesium-liuskaa liukenee ja sinkki pelkistyy metalliksi. Samassa liuoksessa oleva kuparinaula ei reagoi lainkaan. Oikean puolisessa liuoksessa on kuparisulfaattia ja liuokseen laitetaan magnesium-liuska ja rautanaula.

sahkokemiallinen_reaktio(täydentyy)

 

 

Hapetusluku ja hapetuslukumenetelmä reaktioyhtälöiden kertoimien määrittämisessä – 20.8.

Tänään kotitehtävien läpikäynti oli tarkkaa – hapetuslukujen määrittämistä eri yhdisteissä ja muutamassa hieman vaikeammassa yhdisteessä.

Na2S2O3 , tiosulfaatin tapauksessa todettiin, että kun pidetään kiinni siitä, että natriumilla hapetusluku on +I ja hapella -II, rikin hapetusluvuksi tulisi +IV (tiosultaatti-ionin varaus on 2-). Rikin elektronirakenteen perusteella tämä perusteleminen voi olla hankalaa (voisi tietenkin olettaa rikki luovuttaa 3p-orbitaalin elektronit). Kuitenkin toinen mahdollisuus on se, että yksi rikki-atomi käyttäytyy (ja hapetusluku määräytyy) sen mukaan, että rikki-atomi korvaa yhden happiatomin sulfaatti-ioni -molekyylissä (rikki kuuluu samaan ryhmään hapen kanssa). Jolloin voimme päätellä, että yksi rikki saa hapetusluvukseen -II ja toinen rikki, kuten sulfaatti-ionissa, hapetusluvun +VI.

Toinen case oli KO2, jossa voimme hyvin olettaa, että kaliumin hapetusluku on +I (alkalimetalli), jolloin superoksidille O2- jää hapetusluku -I. Miten tämä jakautuu kahden appiatomin kesken onkin sitten pulmallista.

Kolmas case oli magnetiitti eli Fe3O4, jonka hapetusluvut voidaan selittää sillä, että kyseessä onkin seos FeO-Fe2O3, jossa rauta siis esiintyy kahdella eri hapetusluvulla +II ja +III.

Tunnin lopulla tutustuttiin tapaukseen, jossa mangaanin pitoisuuksia voidaan tutkia hapettamalla magnaani(II)-ionia permanganaatti-ioniksi (MnO4) ja kun hapettimena käytetään kaliumperjodaattia (KIO4), joka muuttuu jodaatiksi (IO3), voidaan rakentaa reaktioyhtälö hapettumis-pelkistymisreaktiolle. Ja tässä opeteltiin käyttämään hapetuslukuja ja osareaktioita.

Hapettuminen ja pelkistyminen – Hapetusluku – 18.8.

Tunnin aikana kerrattiin hapettuminen ja pelkistyminen. Kysehän on elektronien siirtymisistä atomilta toiselle. Jatkossa on tärkeää hallita eri yhdisteissä olevien alkuaineiden hapetusluvut – reaktioyhtälöiden kertoimien märittelyssä näitä tarvitaan. Tunnilla kerrattiin hapetuslukujen määräytymistä koskevat säännöt, jotka olivat olleet KE2-kurssilla esillä. Suurin osa säännöistä selviää jaksollisen järjestelmän avulla – alkalimetalli (ryhmä I) muodostaa yhdisteitä hapetusluvulla +I, halogeenit (ryhmä VII) vastaavasti hapetusluvulla -I. Atomit pyrkivät siis jalokaasurakenteeseen. Hapetuslukujen määräytymisessä on lukuisia syitä, suurimman osan voi perutella orbitaaliteorian avulla. Orbitaaliteoria antaa paremman ja yksityiskohtaisemman kuvan elektroniverhon rakenteessa ja näin ollen hapetuslukujen mahdollisista arvoista. kloori_elektronijakaumakaavio Tunnilla yhtenä esimerkkinä käsiteltiin kloori Cl. Viereisessä kuvassa on kloorin elektronijakaumakaavio. Atomin 3. energiatason p-orbitaalit ovat täyttymässä. Kloori muodostaa yhdisteitä m. hapetusluvuilla -I (kloridit), +III (kloriitit), +V (kloraatit) ja +VII (perkloraatit)  Kloorin positiivisella hapetusluvulla muodostamat yhdisteet (kloraatit ja kloriitit) ovat voimakkaita hapettimia. Käytetään mm. valkaisuaineina. Kaikki hapetusluvut ovat kohtuudella selitettävissä orbitaalien tyhjentymisenä (positiiviset) tai parittomien elektronien jäämisenä eri orbitaaleilla. Negatiivinen hapetusluku selittyy jalokaasurakenteen toteutumisella.