Keskkonnakeemia alused Aatomi ehitus, perioodilisuse süsteem 23.02.2007

Loengu kava 1. Eelmise loengu kiirülevaatus 2. Mõisteid 3. Aatom 4. Keemiliste elementide perioodilisuse süsteem 5. Vesinik, 1. element 6. Keemilised elemendid looduses

Mõisteid Aatom - keemilise elemendi väiksem osake, millel säiluvad selle elemendi omadused (Dalton, Cannizzaro) Tänapäeval: elektriliselt neutraalne osake, mis koosneb positiivselt laetud tuumast ja tema ümber tiirlevatest negatiivselt laetud elektronidest. Molekul - aine väiksem osake, millel säiluvad antud aine omadused (Cannizzaro) Radikaal – neutraalne fragment molekulist, millel viimasel elektronorbiidil üksik paardumata elektron Ioon - laetud osake, mille laeng sõltub sellest, kas elektron(-) on juurde tulnud või ära läinud (+) Keemiline element - aatomite kogum, millel on ühesugune tuuma positiivne laeng Aatomnumber - prootonite arv elemendi aatomi tuumas (jrk nr, Ne) Isotoop - ühe ja sama keemilise elemendi aatomid, millede tuumas on erinev arv neutroneid ja seega ka erinev aatommass 612C, 613C, 614C Allotroopia - on ühe ja sama keemilise elemendi esinemine erinevate lihtainetena (erinev kristallivõre süsinikul, erinev molekuli ehitus hapnikul).

Tuntud keemikud Lavoisier (1743-1794) prantslane – põlemisreaktsioonide (hapnik!) uurija; massi jäävuse seaduse avastaja. Lavoisier’i loetakse kaasaegse keemia rajajaks. Proust (1754-1826) prantslane - aine koostise jäävuse seaduse avastaja Dalton (1766-1844) inglane - aine ehituse atomistliku teooria rajaja Avogadro (1766-1856) itaallane, gaaside uurija. Avogadro arv NA - 1 mool mistahes ainet sisaldab 6,02.1023 molekuli (iooni, radikaali, aatomit). Avogadro seadus - 1 mool mistahes gaasi võtab enda alla normaaltingimustel (0° C ehk 273 K ja 1 atm = 101 325 Pa) ruumala 22,4 liitrit Berzelius (1779-1848) rootslane - jaotas keemilised elemendid metallideks ja mittemetallideks Cannizzaro (1826-1910) itaallane - molekuli ja aatomi definitsiooni andja 1860. a. rahvusvahelisel keemikute 1. Kongressil Arrhenius (1859-1927) rootslane - elektrolüütide teooria looja Pauling (1901-1994) ameeriklane - keemilise sideme teooria arendaja

Aatom Atomistlik teooria tekkis juba vanas Kreekas. Mõeldi, kas aineid on võimalik jagada lõpmatult väiksemateks osadeks või nad koosnevad jagamatutest osakestest, mida Demokritos nimetas aatomiteks (V s. ema). See antiikfilosoofide seisukoht jäi unustuste hõlma ~2 aastatuhandeks. Daltoni atomistlik teooria avaldati 1803-1807. Aluseks olid eksperimentaalsed uuringud. 1) Iga element koosneb väga väikestest osakestest, mis on aatomid. 2) Ühendid koosnevad enam kui ühe elemendi aatomitest. Igas ühendis on eri aatomite suhtarvud lihtarvud. 3) Keemiline reaktsioon toimub ainult aatomite ümbergrupeerumise teel ühendite vahel - aatom ei teki ega kao. Teaduse areng pärast 1850 näitas, et aatomid koosnevad elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Thomson (1856-1940) - 1903 elektroni avastamine (Nobeli preemia, 1906) Millikan (1868-1953) - elektroni laengu määramine (Nobeli preemia, 1923) Rutherford (1871-1937) - tuuma mudel (Nobeli preemia, 1908) Chadwick (1891-1972) - neutronite olemasolu tõestamine (Nobeli preemia, 1935) Bohr (1885-1962) - aatomi lihtne mudel (1913); Bohr-Sommerfeld – ellipskujulune aatomi mudel (1916). Schrödinger (1887-1961) - kvantmehaaniline aatomi mudel (1926).

AATOMI KAASAEGNE MUDEL Osake Laeng Mass, g Mass, amü Proton (p+) +1,602.10–19 C (+1) 1,673.10–24 1,0073 Neutron (n0) puudub (0) 1,675.10–24 1,0087 Elektron (e–) –1,602.10–19 C (–1) 9,11.10–28 5,486.10–4 1 amü (aatommassiühik) = 1,66054.10-24 g 1 g = 6,02.1023 amü Aatomi mass on koondunud tuuma (Aatommass = prootonite arv + neutronite arv) Ruumiühikus e- leidmise tõenäosust nimetatakse e- tõenäosustiheduseks ehk elektronpilve tiheduseks. Elektronpilv on elektronide negatiivse laengu jaotustihedus aatomis. Elektronide jaotustiheduse kuju nimetatakse orbitaaliks.

Aatomi diameeter on suurusjärgus 1 Å = 100 pm Aatomi diameeter on suurusjärgus 1 Å = 100 pm (Å – ongström; pm – pikomeeter) SI- süsteemis 1 pm = 10–12 m 1 Å = 10–10 m. Aatomi tuuma diameeter on suurusjärgus 10–4 Å SI süsteemis 10–4 Å = 10–2 pm = 10–14 m Elektroni raadius = 5.10–3 pm = 5.10–15 m = 5.10–5 Å Aatom on väikseim aine osake, mida keemiliselt lõhkuda ei saa. Aatomi ehitus on aluseks kõigi keemiliste ühendite struktuurile, ehitusele, omadustele.

ELEKTRONIDE JAOTUS ENERGEETILISTEL TASANDITEL PEAKVANTARV - n iseloomustab elektroni kogu energiavaru, st energeetilist nivood. Mida suurem energia, seda suurem orbitaal. Kindla keemilise elemendi aatomi elektronpilve energeetiliste nivoode arv on võrdne perioodi numbriga, milles element asub. Maksimaalne elektronide arv antud energeetilisel nivool võrdub 2n2 . ORBITAALKVANTARV - l iseloomustab elektronide erinevaid energiaid antud nivool, st alanivoosid, määrab orbitaali kuju. Esimesel energeetilisel nivool on üks, s alanivoo; kerakujuline orbitaal -1 s2 Teisel energeetilisel nivool on kaks, s ja p alanivood ; s kuju on kera, p kuju hantlite taoline - 1s2 2s2 2p6 Kolmandal energeetilisel nivool on kolm, s, p ja d alanivood Neljandal energeetilisel nivool on neli, s, p, d ja f alanivood (d ja f orbitaalide kuju on keerulisem) MAGNETKVANTARV - m (tuuma väljas liikuvad elektronid tekitavad magnetvälju, millede koosmõju määrab orbitaalide ruumilise suunatuse. s-orbitaalil on üks võimalus; p-orbitaalidel 3 (x, y, z); d-orbitaalidel 5, so 5 erinevat orbitaalide paiknemist jne.; f-orbitaalil 7. SPINN-KVANTARV - mS iseloomustab elektrooni suunatud pöörlemist oma telje suhtes.

Pauli printsiip, Hundi reegel Pauli printsiip: aatomis ei eksisteeri kahte elektroni, milledel kõik 4 kvantarvu on võrdsed. Hundi reegel: Elektronid täidavad orbitaale ühekaupa alates madalamast energeetilisest alanivoost (s, p, d…)

KEEMILISTE ELEMENTIDE PERIOODILISUSE SÜSTEEM Antiikajal (ema) tunti 10 elementi - Au, Ag, Fe, Cu, Pb, Sn, Hg, Sb, C, S. 1250 - avastati arseen As. 1669 - avastati fosfor P. Kuni 18.s-ni tunti 12 elementi, 18.saj. 17 elementi juurde, so kokku 29 elementi. 19.-20. sajandid on keemiliste elementide avastamiste ajajärg. 19. saj. algus on keemia arengus murranguline, eelkõige arenes eksperimentaalne keemia. Tulemuseks oli 1869.a. elementide perioodilisuse seaduse avastamine. Venelane Dmitri Mendelejev ja sakslane Lothar Meyer üheaegselt. Keemiliste elementide ja nendest moodustunud liht- ja liitainete omadused on perioodilises sõltuvuses elementide aatommassidest. Perioodilisuse seadus muutis keemia teoreetiliseks teaduseks, mis annab võimaluse teaduslikeks oletusteks ja ennustamisteks. Perioodilisuse tabelis on 7 perioodi ja 8 rühma.

Keemilised elemendid looduses (aatom % ) Maailmaruum H 92,714 He 7,185 O 0,050 Ne 0,020 N 0,015 C 0,008 Maakoor O 60,425 Si 20,475 Al 6,251 H 2,881 Na 2,554 Ca 1,878 Fe 1,858

Keemiliste elementide levik (aatom %-des) …järg Hüdrosfäär H 66,200 O 33,100 Cl 0,340 S 0,017 Na 0,290 K 0,006 Mg 0,034 Ca 0,006 Atmosfäär N 78,03 O 21,0 Ar 0,93 Ne 0,002 C 0,035 Inimene H 60,563 O 25,67 C 10,680 N 2,44 Ca 0,23 P 0,13 S 0,13 Na 0,075 K 0,037 Cl 0,033

VESINIK 1. element on vesinik H, maailmaruumi levinuim element ~90 % (aatom), 75 % (massi). ELUSLOODUS koosneb 2/3 ulatuses vesiniku, 1/4 hapniku ja 1/10 süsiniku aatomitest. HYDROGEN - tuleneb kreeka k. hydõr -vesi ja genao - sünnitan; st vesinik on vett moodustav gaas. Avastati 16.saj. I poolel (Paracelsius) seoses põlemise uurimisega. Kõige väiksem element RH = 0,37 Å = 37 pm = 0,37.10-10 m = 0,037 nm. Vesiniku aatom koosneb ühest prootonist ja ühest elektronist, elektronkonfiguratsioon on 1s1. Tuumas on ainult üks prooton. H - 1 e- = H+ = 1p+ Prootoni RH+ = Rp+ = 10-6 nm = 10-3 pm =1 fm = 1.10-15 m, Vesiniku ioon H+ ehk prooton p+ on kõige väiksem osake keemias. Vesiniku isotoobid: 21H ehk D (deuteerium) - raske vesinik ; 31H ehk T (triitium) - üliraske vesinik; 41H (tertsium) ja 51H (kvintium).

Süsiniku aatom 12C6 Aatommass = prootonite arv + neutronite arv (A = Z + N) on koondunud tuuma, elektronide osa massis tühine Tava-süsiniku 12C6 aatommass on 12 Süsiniku aatomnumber = 6 = prootonite arv (= elektronide arv) Neutronite arv = aatommass – prootonite arv (N = A – Z) 12C6 NC = 12 - 6 = 6 14C6 NC = 14 - 6 = 8 1955. ameeriklane Willard Frank Libby (1908-1980) läks ajalukku radioaktiivse süsinikuga (C-14) dateerimisega, teatud objektide eluea määramisega (Nobeli preemia 1960). Värsketes looduslikes objektides on C-14/C-12 suhe püsiv, konstantne (1/12). Vanades objektides on C-14 väga vähe. 1988 määrati nn Kristuse surilina pärinevus, mis mahub1260 ja 1390 aastate vahele.

Mikro- ja makroelemendid inimkehas ~70 kg inimese kohta Makroelement Kogus, g Mikroelement Kogus, g Kaltsium Ca 1000 Fluor F 2,6 Fosfor P 780 Tsink Zn 2,3 Väävel S 140 Vask Cu 0,072 Kaalium K 140 Jood J 0,13 Naatrium Na 100 Mangaan Mn 0,12 Kloor Cl 95 Kroom Cr <0,002 Magneesium Mg 19 Koobalt Co 0,0015 Raud Fe 4,2 (Molübdeen Mo) ?

Elu kui keemia ELU IME: on vaja ainult väga väheste keemiliste elementide aatomeid, et luua inimest just sellisena nagu ta on oma isikupäras: süsinik, vesinik, hapnik, ja lämmastik, pisut kaltsiumi, lisaks väävlit ja veel kübeke teisi tavalisi keemilisi elemente, mitte midagi enamat, mida võib leida ravimitööstuses. (Bill Bryson “A Short History of Nearly Everything”, 2004 ; “Kõiksuse lühiajalugu”, 2006)