Luku 2.2 (Lukion Kemia (KE2))

Atomi- ja molekyylimalleilla visualisoidaan silmin havaitsematonta maailmaa

Atomit ja molekyylit ovat niin pieniä, että niitä ei voi nähdä paljaalla silmällä. Tämän vuoksi molekyylejä kuvataan malleilla. Erilaisia 3D-malleja tarvitaan, koska jokainen mallityyppi sisältää erilaista tietoa. Tavoitteena on korostaa tarkastelun kohteena olevia yksityiskohtia. Tyypillinen molekyylimalli on esimerkiksi pallotikkumalli. Se antaa tietoa atomeista, niiden sijainnista ja molekyylin sidostyypeistä. Viivakaavamallissa piirretään vain atomien väliset sidokset. Atomien laatu pitää päätellä itse. Kalottimalli antaa katsojalle tietoa molekyylin koosta ja geometrisestä muodosta. Toisinaan molekyyli piirretään kaksiulotteisena rakennekaavana. 2D-malli vastaa todellisuutta huonommin kuin vastaava 3D-malli, mutta voi olla visuaalisesti helpommin hahmotettavissa.

DNA:n rakenne tikkumallin ja insuliiniproteiinin rakenne kalottimallin avulla esitettynä.

Yleisimmät rakennemallit

Kalottimallissa atomit ja niiden paikat kuvataan toisiinsa upotettujen eriväristen pallojen avulla. Atomit esitetään eri väreillä, jotta ne voitaisiin tunnistaa helpommin. Todellisuudessa atomit eivät ole minkään värisiä. Eri alkuaineen atomit kuvataan erikokoisilla palloilla. Pallon koko perustuu laskennalliseen kemiaan.

2D-muotoinen kalottimalli vesimolekyylistä (H2O)
2D-muotoinen pallotikkumalli vesimolekyylistä (H2O)

Pallotikkumallissa pallot ovat samankokoisia kuin kalottimallissa, mutta atomien välinen etäisyys on suurempi. Atomeja yhdistävä viiva kuvaa atomien välistä sähköistä vuorovaikutusta eli sidosta. Sidosviivojen suunta, pituus ja niiden väliset kulmat perustuvat laskennalliseen kemiaan. Pallotikkumalli näyttää molekyylin kolmiulotteisen rakenteen kalottimallia selkeämmin.

3D-muotoinen kalottimalli vesimolekyylistä (H2O)
3D-muotoinen pallotikkumalli vesimolekyylistä (H2O)

Rakennekaava ilmoittaa molekyylissä olevien atomien laadun ja määrän, atomeja yhdistävien sidosten laadun ja rakenteen geometrian. Atomit merkitään niiden kemiallisilla merkeillä ja atomien väliset sidokset sidosviivoilla. Sidosviivojen väliset kulmat voivat olla todelliset tai piirrosteknisistä syistä yksinkertaistettuja ja suurpiirteisiä.

Rakennekaavoja

Tiivistetty rakennekaava ilmoittaa molekyylin rakenteen samalla tarkkuudella kuin rakennekaava, mutta jotkin sidosviivoista jätetään merkitsemättä. Esimerkiksi etanoli merkitään CH3 – CH2 – OH tai vielä lyhyemmin CH3CH2OH.

Viivakaava on rakennekaavamallien yksinkertaistetuin esitysmuoto. Hiili- ja vetyatomien symbolit jätetään merkitsemättä. Hiiliatomit sijaitsevat viivan päissä, kulmissa ja haarautumiskohdissa. Jokainen tällainen kohta käsittää myös sen verran vetyatomeja, joita kyseiseen hiileen voi enintään liittyä. Hiilivetyketjuun liittyneet vierasatomit ja toiminnalliset ryhmät merkitään näkyviin niitä vastaavilla kemiallisilla merkeillä, samoin muihin kuin hiiliatomiin sitoutuneet vetyatomit merkitään näkyviin.

Viivakaava

Kolmiulotteinen rakennekaava on rakennekaavan visuaalisempi muoto. Se kuvaa atomien keskinäiset paikat pallotikku- tai kalottimallia vastaavalla tavalla. Kolmiulotteista rakennekaavaa käytetään erityisesti silloin, kun rakennekaavassa halutaan korostaa yhdisteen geometriaa. Tällä on erityinen merkitys rakenne- eli konstituutioisomeriassa ja avaruus- eli stereoisomeriassa.

Kolmiulotteinen rakennekaava

Suhdekaava ilmoittaa yhdisteen alkuaineiden lukumäärien suhteen. Esimerkiksi ruokasuolan suhdekaava on NaCl, mikä tarkoittaa sitä, että natriumia ja vetyä on yhdisteessä suhteessa 1:1. Glukoosissa C6H12O6 hiiltä, vetyä ja happea on suhteessa 1:2:1, joten sen suhdekaava on (CH2O)6. Toisinaan suhdekaava on sama kuin yhdisteen molekyylikaava. Esimerkiksi veden kaava H2O on samalla sekä suhdekaava että molekyylikaava. Suhdekaavasta käytetään myös nimitystä bruttokaava.

Yhdisteen suhdekaavan alaindeksit tarkoittavat yhdessä molekyylissä tai kaavayksikössä olevien atomien lukumääriä. Niillä voidaan tarkoittaa myös yhdessä yhdistemoolissa olevien alkuaineiden ainemäärien suhteita, joiden perusteella voidaan määrittää alkuaineiden massasuhteet ja massaprosenttiset osuudet. Esimerkiksi glukoosilla ja formaldehydillä on sama suhdekaava CH2O tai (CH2O)x.

Empiirinen kaava tarkoittaa samaa kuin suhdekaava samalla korostaen, että yhdisteen kemiallinen koostumus on määritetty kokeellisesti. Mittausten perusteella tiedetään alkuaineiden laatu ja niiden suhteellinen määrä, muttei atomien paikkoja tai sidostyyppejä. Esimerkiksi etaanin C2H6 empiirinen kaava on CH3 tai tarkemmin (CH3)x. Kun x:n arvo saadaan selville, voidaan ratkaista yhdisteen tarkka suhde-, molekyyli- ja rakennekaava.

Molekyylikaava ilmoittaa yhdisteen sisältämien alkuaineiden atomien lajit ja todelliset lukumäärät sekä mahdollisesti myös toiminnallisen ryhmän. Esimerkiksi etanolin molekyylikaava on C2H5OH, joka korostaa molekyylissä olevan OH-ryhmä. Glukoosin molekyylikaava on C6H12O6, mutta tämä ei kerro, että yhdisteessä on monta OH-ryhmää.

Ionikaava ilmoittaa hiukkasen varauksen. Yksittäiset atomit, atomiryhmät ja molekyylit voivat esiintyä varauksellisina ioneina. Esimerkiksi vesimolekyylin kaava on H2O, mutta ionisoituessa siitä muodostuu joko oksoniumioni H3O+ tai hydroksidi-ioni OH.

Elektronirakenteiden havainnollistamiseen käytetään myös monia eri malleja. Lewisin mallissa alkuaineen kemiallisen merkin viereen merkitään ulkoelektronit pisteinä. Pariutuneet elektronit merkitään kahdella vierekkäisellä pisteellä.

Lewisin malli

Varausjakaumamalli havainnollistaa sähkövarausten jakautumisen molekyylin eri osissa. Varausjakaumamallit perustuvat laskennalliseen kemiaan.

Vesimolekyylin (H2O) varausjakaumamalli

Mikä malli valitaan?

Tilanne ratkaisee, mikä malli on tarkoituksenmukaisin. Oikean mallin valitseminen on kemistin ammattitaitoa. Mikään malli ei vastaa täysin todellisuutta, koska molekyylin muoto muuttuu lämpövärähtelyn vuoksi.

MarvinSketch-tiedosto: metaanihappo.mrv

Aineen pakkautumista visualisoidaan hilarakenteilla

Aineen rakenteen määrittävät hilatyypit ovat ionihila, kovalenttinen hila, atomihila, metallihila ja molekyylihila. Hilatyypin määrää sidos, jonka avulla aine pysyy koossa. Erilaiset hilarakenteet antavat aineille erilaisia fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia. Esimerkiksi ioni-, kovalenttisen ja atomihilan omaavat materiaalit ovat kovia, ja niiden sulamispiste on korkea. Metallihilaisilla aineilla kovuus, sulamispiste ja kiehumispiste vaihtelevat suuresti. Molekyylihilaiset aineet ovat pehmeitä, ja niiden sulamispiste on matala.

Ionihila perustuu ionisidoksiin, jonka rikkomisen seurauksena aine sulaa. Jäähtyessä aine kiinteytyy, ja hila muodostuu uudestaan. Kovalenttinen hila ja atomihila perustuvat kovalenttiseen sidokseen. Esimerkiksi piidioksidissa jokainen pii- ja happiatomi on kovalenttisesti sitoutunut muihin atomin ympärillä oleviin atomeihin. Rakenne on joka suuntaan jatkuva, eikä erillisiä SiO2-molekyylejä voi erottaa – kaikki sidospituudet (Si–O) ovat samoja. Timantti puolestaan rakentuu hiiliatomien muodostamasta atomihilasta, joka on erittäin luja. Jokainen hiiliatomi sitoutuu kovalenttisesti neljään muuhun hiiliatomiin. Metallihila perustuu metallisidokseen. Metallihilan erityisiä ominaisuuksia on elektronien vapaa liike, joka tekee metalleista sähkönjohtavia. Molekyylihila perustuu molekyylien välisiin heikkoihin sidoksiin. Esimerkiksi jää pysyy koossa vesimolekyylin välisten vetysidoksien ansiosta. Kiteen kuusikulmainen rakenne määräytyy vesimolekyylissä olevien happi- ja vetyatomien sidoskulmien perusteella.

Kiinteiden aineiden hilarakenteiden vertailu

Atomihila

Pooliton molekyylihila 

Poolinen molekyylihila

Ionihila

Metallihila

Rakenne kiinteänä

Rakenneosat

atomit

poolittomat molekyylit

pooliset molekyylit

positiiviset ja negatiiviset ionit

metalli-ionit ja sidoselektronit

Rakenneosien välinen sidos

kovalenttinen sidos

dispersiovoima

dipoli-dipolisidos (erikoistapauksena vetysidos)

ionisidos

metallisidos

Sitoutuneet alkuaineet

yleensä ryhmän 14 alkuaineet

epämetalli ja epämetalli

yleensä epämetalli ja epämetalli

metalli ja epämetalli

metalli

Esimerkkiaine

Si, C, SiC

O2, PH3

H2O, NH3

NaCl, MgF2

Mg, Cu

Sähkönjohtavuus

eriste

eriste

yleensä eriste, vesiliuoksena joskus johde*

kiinteänä eriste, sulatteena ja vesiliuoksena johde

johde

Liukoisuus

liukenematon

liukenee poolittomiin aineisiin

liukenee veteen

liukenee yleensä veteen

liukenematon

Kovuus kiinteänä

erittäin kova

helposti haihtuva

kova ja hauras

kova ja hauras

helposti muokattava

*) Tällöin yhdiste on reagoinut veden kanssa, ja reaktiossa on muodostunut ioneja.

a) Mikä rakennemalli kuvassa on? 

b) Viivakaavassa piirtämättä jätetään yleensä

  • kaikki atomit.
  • hiiliatomit.
  • vetyatomit.
  • sekä hiili- että vetyatomit.

c) Mikä seuraavista yhdisteistä vastaa suhdekaavaa (CH2O)x?

  • C2H202
  • C2H1206
  • C4H602
  • C4H402

d) Mitä oheisessa kuvassa tarkoitetaan punaisilla ja sinisillä alueilla?

  • tapaa, jolla atomi sitoutuu toisiin atomeihin
  • molekyylissä olevia atomeja
  • elektronien jakautumista molekyylissä
  • molekyylin väriä

e) Hila tarkoittaa

  • säännöllistä rakennetta, jonka muodostavat atomit, ionit tai molekyylit.
  • atomien välisiä sidoksia erilaisissa yhdisteissä.
  • erilaisten yhdisteiden ja alkuaineiden fysikaalisia ominaisuuksia.
  • aineen sulamispistettä, kovuutta ja kiehumispistettä.

Tiivistelmä

  • Erilaisia 3D-malleja tarvitaan, koska jokainen mallityyppi sisältää erilaista tietoa. Tavoitteena on korostaa tarkastelun kohteena olevia yksityiskohtia.
  • Rakennekaava ilmoittaa molekyylissä olevien atomien laadun ja määrän, atomeja yhdistävien sidosten laadun ja rakenteen geometrian.
  • Tiivistetty rakennekaava ilmoittaa molekyylin rakenteen samalla tarkkuudella kuin rakennekaava, mutta jotkin sidosviivoista jätetään merkitsemättä.
  • Suhdekaava ilmoittaa yhdisteen alkuaineiden lukumäärien suhteen. Esimerkiksi ruokasuolan suhdekaava on NaCl, mikä tarkoittaa, että natriumia ja vetyä on yhdisteessä suhteessa 1:1.
  • Molekyylikaava ilmoittaa yhdisteen sisältämien alkuaineiden atomien lajit ja todelliset lukumäärät sekä mahdollisesti myös toiminnallisen ryhmän.
Odota