Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

Miksi pullosta olevasta virvoitusjuomasta poistuu hiilidioksidia, kun sitä ravistaa? Sen ymmärrän, että korkin aukaistaessa paine laskee, mutta korkin ollessa kiinni ja ravistettaessa.

Virvoitusjuomapullossa, joka on suljettu tiiviillä korkilla, on tasapaino nesteeseen liuenneen hiilidioksidin ja kaasufaasin välillä. Pullon kaasufaasissa on hieman suurempi paine kun normaalissa ilmassa. Kun korkki avataan, niin tasapaino järkkyy ja nesteessä oleva hiilidioksidi siirtyy ilman/kaasufaasin puolelle. Ravistaminen nopeuttaa tasapainon saavuttamista eli hiilidioksidin siirtymistä ilmaan/kaasufaasiin.

Lauri Halonen, professori
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Tiedän, että vaihtovirta synnyttää muuttuvan magneettikentän keittoastiaan, joka on magneettista metallia. Mutta mysteeri minulle on, miten magneettikenttä kuumentaa kattilan? Onko magneettikenttä vaarallinen lieden vieressä häärivälle kokkaajalle? Kuinka laajalle magneettikenttä ulottuu? Kuinka voimakas se on? Voiko voimakkuutta verrata esim. muihin ympäristössämme oleviin magneettikenttiin? Olen kuullut, että sydämentahdistinpotilaiden ei tulisi käyttää induktioliettä? Pitääkö se paikkansa?

Induktiolieden levyn alla on kela, johon syötetään nopeasti muuttuva sähkövirta. Muutosnopeus on noin tuhatkertainen verkkovirtaan verrattuna. Kela synnyttää nopeasti muuttuvan magneettikentän, joka aiheuttaa levylle asetetun keittoastian pohjaan nopeasti muuttuvia virtoja. Nämä virrat lämmittävät nopeasti keittoastian pohjan, jonka täytyy olla magneettisesti häviöllistä metallia, esimerkiksi terästä. Alumiiniastiat eivät lämpene, eikä niitä siten tule käyttää induktioliedellä.

Induktiolieden magneettikenttä ei ole vaarallinen kokkaajalle. Magneettikenttä on voimakas levyn yläpuolella, mutta pienenee nopeasti lieden etureunasta poispäin. Lieden etureunassa voi olla hieman väestön altistumisen suositusarvoa suurempi magneettikenttä, kun käytetään etulevyjä ja liian pieni keittoastia jättää levyn etureunan tyhjäksi. Tällaisesta altistumisesta ei ole kuitenkaan todettu olevan terveydellistä haittaa. Altistuminen magneettikentälle on vähäistä, kun käytetään oikeankokoisia keittoastioita ja oleskellaan vähintään 30 cm etäisyydellä lieden etureunasta.

Useimmat sydämentahdistinmallit, varsinkin uudet, eivät näytä häiriintyvän induktiolieden läheisyydessä. Sydämentahdistinpotilaan on kuitenkin hyvä keskustella tahdistimen asentaneen lääkärin kanssa ennen induktiolieden käyttöönottoa.

Lauri Puranen, ylitarkastaja
Säteilyturvakeskus

 

Onko sähkövirran avulla mahdollista tehdä jokin aine diamagneettiseksi samalla tapaa kun rautakappale voidaan tehdä ferromagneettiseksi?

Tässä on kysyjällä hieman käsitteet sekaisin. Ferromagnetismilla siis tarkoitetaan ilmiötä, jossa magnettikenttään tuotu kappale magnetoituu voimakkaasti (ja vahvistaa täten ulkoista kenttää) sekä jää magnetoituneeksi vielä senkin jälkeen kun kappale ei enää ole magneettikentässä. Ferromagneettista ainetta on esimerkiksi juuri rauta (myös nikkeli, koboltti ja gadolinium). Rautakappaletta ei voi tehdä ferromagneettiseksi sähkövirralla tai muutenkaan. Ferromagneettisuus on raudan atomitason rakenteeseen liittyvä ominaisuus.

Diamagnetismi on ilmiö, jossa magneettikenttään tuotu kappale magnetoituu heikosti ulkoista kenttää vastaan. Kappale siis heikentää ulkoista kenttää. Diamagnetismi on paljon heikompi ilmiö kuin ferromagnetismi, ja on lähes riippumaton lämpötilasta. Sähkövirralla ei siis voi saada aikaan aineen diamagneettisuutta. Diamagneettiset aineet eivät jää magnetoituneiksi.

Paramagnetismi taasen on ilmiö, jossa kappale magnetoituu heikosti ulkoisen kentän suuntaisesti. Paramagnetismi heikentyy lämpötilan kasvaessa. Myöskään paramagneettiset aineet eivät jää magnetoituneiksi.

Tommi Kokkonen, tohtorikoulutettava
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Tutkimme 8. luokan kemian tunnilla mm. eri aineiden pH-arvoja. Eräs oppilaistani kysyi tutkimusten jälkeen: Mitä konetiskiaine on Tiskiainepakkauksen kyljessä sisällöstä on kerrottu mm. happipitoiset valkaisuaineet, polykarboksylaatit, ionittomat pinta-aktiiviset aineet, fosfonaatit, entsyymit ja hajusteet. Netistä löysin myös maininnan ”emäksisyyttä lisäävä aine”. Nyt olisin kysynyt, mitä tuo emäksisyyttä lisäävä aine konetistiaineissa on? Mikä aikaansaa konetiskiaineen voimakkaan emäksisyyden? Tuli myös mieleeni, voisiko emäksisyyttä lisäävä aine olla ”markkinasalaisuus”, kun sitä en mistään purkista löytänyt?

Konetiskiaine on yksi kodin voimakkaimpia puhdistuskemikaaleja. Konetiskiaineiden pH on erittäin korkea, ja konetiskiaineiden emäksisyys tekeekin niistä ihoa ja silmiä voimakkaasti ärsyttäviä ja jopa syövyttäviä. Emäksisyyttä edistävä aine lisää tuotteen emäksisyyttä tehostaen sen puhdistuskykyä. Erityisesti rasvainen lika ja ruoantähteet vaativat voimakasta emäksisyyttä puhdistuakseen.

Emäksisyyttä lisääviä aineita ovat esimerkiksi fosfaatit, joiden käyttöä pyritään nykyisin välttämään niiden vesistöjä rehevöittävän vaikutuksen takia. Valmistajat voivat vahvistaa konetiskiaineiden emäksisyyttä käyttämällä esimerkiksi natriumkarbonaattia (”soodaa”) fosfaattien sijasta. Cleanright.eu-sivuston mukaan kolmitehoisessa pyykinpesutabletissa emäksisyyttä lisäävää natriumkarbonaattia on 0–35 % eli merkittävä määrä.

Miksi musta väri vastaanottaa paremmin lämpöenergiaa kuin muut värit?

Valon on energiaa: se on sähkömagneettista säteilyä, jonka näkyvät aallonpituudet (n. 390–700 nanometriä) aistimme eri väreinä. Tavallinen valkoinen valo, esimerkiksi auringonvalo, koostuu eri väreistä eli valon eri aallonpituuksista (ks. esim. näkyvän valon spektri).

Havaitsemme ympäröivän maailman eri väreissä, koska esineiden pinnat heijastavat valkoisesta valosta eri aallonpituuksia ja absorboivat eli vastaanottavat toisia. Esimerkiksi näemme kasvien lehdet vihreinä, koska ne absorboivat punaisen, oranssin, keltaisen ja sinisen valon, mutta heijastavat vihreän valon aallonpituuksia. Vastaavasti esimerkiksi tomaatit heijastavat punaista valoa, sinivuokot sini-violettia jne.

Jos esine absorboi kaikkia aallonpituuksia, näemme sen mustana. Mustat esineet vastaanottavat enemmän energiaa, sillä ne eivät heijasta valoa lainkaan. Valkoiset esineet tuntuvat viileämmiltä kuin tummat, koska ne heijastavat kaikkia aallonpituuksia eivätkä siis vastaanota juurikaan energiaa, jonka aistisimme lämpönä.

Miksi galaksimme kulkee 300 km/s ja mihin suuntaan?

Viime vuosien havainnot kosmisesta taustasäteilystä ovat osoittaneet, että taustasäteilyn nimellislämpötila on hieman epäsymmetrisesti jakautunut taivaanpallolla. Tämä johtuu Linnunradan liikkeestä taustasäteilyn suhteen.

Doppler-ilmiön seurauksena taivas on hieman lämpimämpi liikkeen suunnassa ja hieman kylmempi vastakkaisessa suunnassa. Tänä vuonna julkaistujen Planck-satelliitin tekemien mittausten mukaan tämän nopeuden suuruus on noin 370 km/s ja liikkeen suunta taivaalla sijaitsee eteläisellä taivaanpuoliskolla Leijonan ja Maljan tähdistöjen raja-alueella.

Liike johtuu Linnunradan lähellä olevien suurten massakeskittymien painovoimasta, jotka vetävät puoleensa paikallista galaksiryhmää, johon Linnunratakin kuuluu. Pääsyyllisinä ovat Neitsyen suuri galaksijoukko, joka sijaitsee noin 50 miljoonan valovuoden päässä ja vielä kauempana noin 150–250 miljoonan valovuoden päässä sijaitseva Hydra–Centaurus-supergalaksijoukko.

Peter Johansson, astrofysiikan apulaisprofessori
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Bentseeni on klassinen esimerkki molekyylistä, jossa osa sidoselektroneista on delokalisoitunut. Entäpä sitten bentseenin johdannaiset: ilmeneekö vastaavaa sidoselektronien delokalisoitumista myös aivan kaikissa substituoiduissa bentseeneissä tai vaikkapa polyaromaattisissa yhdisteissä, vai onko niin, että jossain tapauksessa molekyylin osana on bentseenirengas, jossa hiilten välisissa sidoksissa todella on vuorotteleva yksöis—kaksoissidosrakenne? Kysymykseni kumpuaa siitä, että lähes missään muualla kuin koulukirjoissa ei tunnuta käyttävän bentseenijohdannaisten bentseenirenkaille ympyrän sisältävää kuusikulmiota vaan yleensä käytetään sitä kuusikulmiota, johon on piirretty näkyviin kolme kaksoissidosta. Arvelin, että joissain tapauksissa on varmaankin sitten kyse siitä, että mitään delokalisoitumista ei edes ole tapahtunut, kun kerran renkaan sisältävää symbolia kartetaan.

Bentseeni on esimerkki aromaattisesta yhdisteestä, joissa esiintyy delokalisoituneiden elektronien elektronivirta. Pii-elektronit pääsevät liikkumaan koko aromaattisen rengassysteemin alueella ja alin pii-elektronien miehittämä molekyyliorbitaali voidaan kuvata bentseenin hiiliatomien muodostaman tason molemmin puolin olevalla renkaalla.

Yleisesti aromaattiselta systeemiltä vaaditaan tietyt kriteerit: siinä täytyy olla katkeamaton pii-elektronien, vapaiden p-elektronien tai tyhjien p-orbitaalien muodostama konjugaatio, rengasrakenne ja tasomainen rakenne. Lisäksi konjugaatioon osallistuvien elektronien lukumäärän täytyy noudattaa ns. Hückelin sääntöä, 4n+2. Jos ehdot täyttyvät, voidaan ennakoida systeemin energian olevan alemmalla tasolla verrattuna pelkkään konjugoituneeseen systeemiin.

Erotusta “kuvitteellisen” konjugaatioenergian ja todellisen välillä kutsutaan aromaattiseksi stabilisaatioenergiaksi. Konjugaatio tai elektronien delokalisaatio ei siis sinällään takaa aromaattisuutta.

Bentseenin tapauksessa kaikki hiiliatomien välillä olevat sidokset ovat saman arvoisia. Voimme piirtää kaksi resonanssirajarakennetta, joissa piirretyt kaksois- ja yksöissidokset ovat vaihtaneet paikkaa.

Todellisuus on jotain näiden väliltä. Tämä osoittaa, että emme pysty kuvaamaan todellisuutta kaikissa tapauksissa Lewis-rakenteilla, eli piirtämällä sidosviivoja ja merkitsemällä vapaita elektroneja pisteillä. Ongelmia aiheuttaa muutkin kuin aromaattiset rakenteet. Bentseenin ja muiden aromaattisten molekyylien tapauksessa on esitetty, että parempi ja havainnollisempi esitys saadaan esittämällä pii-elektronit renkaan sisään piirrettävällä renkaalla. Tätä esitystä näkee varsinkin joissakin koulukirjoissa.

Tässäkin esitystavassa on puutteensa. Voi syntyä virheellinen käsitys, että kaikki sidokset ovatkin kaksoissidoksia. Lisäksi elektronien laskeminen on vaikeampaa kuin perinteisessä esityksessä. Aika yleisesti varsinkin yliopistotasolla suositaankin tapaa, jossa piirretään toinen resonanssirajarakenne kaksois- ja yksöissidoksilla. Näin tehtäessä ajetellaan lukijan ymmärtävän merkinnän puutteellisuuden ja mielessään kuvittelevan systeemin joka tapauksessa oikein.

Käytännön seikkana voidaan vielä mainita, että käytettäessä kemiallisten kaavojen piirtämiseen tietokoneohjelmia, viimeksi mainittu tapa on huomattavasti helpompi.

Mitä tulee muihin saman tapaisiin yhdisteisiin, niin niidenkin kohdalla aromaattisuuteen vaaditaan edellä esitetyt kriteerit. Esimerkkinä voidaan mainita vaikkapa pyridiini. Se on aromaattinen yhdiste, jossa bentseenin yksi hiiliatomi on korvattu typpiatomilla. Se täyttää kaikki aromaattisen yhdisteen kriteerit ja sillekin voitaisiin piirtää kaksi saman arvoista resonanssirajarakennetta.

Renkaassa olevat sidokset eivät ole puhtaasti kaksoissidoksia tai yksöissidoksia vaan jotain niiden väliltä. Sidokset eivät kuitenkaan ole keskenään saman arvoisia, koska typpi elektronegatiivisempana atomina aiheuttaa elektronijakaumaan muutoksen. C–N-sidos on lyhempi kuin C–C-sidos ja yhdisteellä on dipolimomentti. Myöskään kaikki C–C-sidokset eivät ole keskenään samanlaisia. Sillä ei kuitenkaan ole vuorottelevaa kaksois- ja yksöissidosrakennetta.

Ylipäänsäkään resonanssia ei pidä tulkita niin, että kyseessä olisi tasapaino kahden tilan välillä. Eli, esiintyisi pari yhdisteitä, joissa sidokset olisivat vaihtaneet paikkaa. Kyse on vain käyttämämme esitystavan puutteellisuudesta ja todellisuus on jotain esitettyjen rakenteiden väliltä.

Mainitsin aromaattisuuden ehdoksi sen, että elektronien lukumäärän täytyy noudattaa kaavaa 4n+2. Mikä sitten on pienin mahdollinen aromaattinen yhdiste. Vastauksena voisi olla syklopropyleenikationi, eli yhdiste, jossa kolme hiiliatomia muodostaa renkaan, ja johon voi piirtää yhden kaksoissidoksen ja positiivisen varauksen jollekin hiiliatomille.

Todellisuus on tässäkin tapauksessa jotain muuta. Kaksoissidoselektronit ovat jakautuneet kaikkien hiiliatomien alueelle, kuten myös positiivinen varaus. Tämän tyyppisiä kationeja on pystytty valmistamaan ja ne ovat yllättävän pysyviä, joten ennakoitu aromaattisuus näyttäisi toteutuvan. Pii-elektronien lukumäärähän on kyseisessä kationissa kaksi, eli Hückelin ehdossa mainittu n on nolla.

Konjugaatioon osallistuu näiden pii-elektronien lisäksi tyhjä p-orbitaali. Ja tämäkin on kuvitteellista yksinkertaistusta, koska molekyyliorbitaalitasolla emme voi erottaa mitään tyhjää p-orbitaalia tai kaksoissidoselektroneja. Vain delokalisoituneet orbitaalit, joille nuo kaksi elektronia asettuvat. Jotta asia ei olisi liian yksinkertainen Hückelin sääntökään ei ole lopullinen totuus, eikä myöskään vaatimus rakenteen tasomaisuudesta.

On olemassa myös pallomaista aromaattisuutta, jonka tapauksessa elektronien lukumäärän täytyy noudattaa kaavaa 2(N+1)², jossa N on kokonaisluku. Tämän ehdon täyttää esim 60 hiiliatomin muodostama pallo, fullereeni, jonka varaus on +10. Laskennallisesti on osoitettu kyseisessä yhdisteessä esiintyvän globaaleja elektronivirtoja osoituksena aromaattisuudesta.

Petri Heinonen
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Minkälainen on sidostyyppi elohopealla ja hiilellä dimetyylielohopeassa tai ylipäätänsä organometalliyhdisteissä? Olen ymmärtänyt että metallit eivät muodosta kovalenttisiä sidoksia, esimerkiksi natriumhydridi on ioniyhdiste. Kuitenkin sidos vaikuttaisi olevan dimetyylielohopeassa kovalenttisen kaltainen.

Vähemmän elektronegatiiviset metallit muodostavat tosiaan ionisia yhdisteitä – vahvasti elektronegatiivisten alkuaineiden (esimerkiksi halogeenit) kanssa. Jos elektronegatiivisuusero on paljon pienempi, kuten esimerkiksi organometalliyhdiste dimetyylielohopean Hg–C -sidoksessa, niin sidos on kyllä ihan kovalenttistyyppinen.

Metallit pystyvät käyttämään s-, p-, ja siirtymämetallit myös d-orbitaalejaan sidosten muodostamisessa. Sidoksen luonne riippuu voimakkaasti metalliin sitoutuvan atomin tai atomiryhmän kyvystä vetää elektroneja puoleensa, nimenomaan suhteessa metallin vetovoimaan.

Elohopea(II)-kloridin (myrkky) ja alumiini(III)kloridin (ärsyttävä) voi mieltää ioniseksi, mutta dimetyylielohopeaa (äärimmäinen myrkky, varo!) ja trimetyylialumiini (palovaarallinen, mutta teollisuudessa hyvin käyttökelpoinen yhdiste) ei.

Turvallisuusasiana on hyvä tutustua kemisti Karen Wetterhahnin tapaukseen. Hän kuoli 1997 saatuaan puolta vuotta aiemmin dimetyylielohopeapisaroita lateksihanskalleen – aine hulahtaa hanskan läpi muutamassa sekunnissa. Wetterhahn oli erikoistunut myrkyllisten metallien käsittelyyn, ja noudatti useimmille aineille riittäviä varotoimia.

Marko Vehkamäki
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Mitkä asiat vaikuttavat hapon syövyttävyyteen? Esimerkiksi vetyfluoridin happovakio on pieni verrattuna esimerkiksi suolahappoon. Kuitenkin olen saanut käsityksen että vetyfluoridi syövyttää paljon paremmin yhdisteitä kuin suolahappo. Voiko siis pelkällä oksoniumionikonsentraatiolla selittää aineiden syövyttävyyttä? Onko aineen syövyttävyys pääteltävissä muuten kuin vain kokeilemalla?

Happamuus ja syövyttävyys ovat tosiaan aivan eri asia. Monet emäkset kuten väkevät NaOH tao KOH ovat syövyttäviä. Useimmin mikään yksittäinen happo, emäs tai liuotin ei kykene liuottamaan mitä tahansa, vaan liuotettavan (syövytettävän) materiaalin ainesosien pitää olla syövyttävään liuokseen liukoisia.

Esimerkiksi mainittu HF on tosiaan heikko happo, mutta syövyttää lasia toisin kuin esimerkiksi vahva happo HCl. Tämä on ensi sijassa fluorin suuren elektronegatiivisuuden ansiota – se kykenee pätkimään lasin pii-happi-sidoksia ja muodostamaan vesiliukoisia piifluoridi-ioneja. Fluorihappo säilytetään sitä kestävissä muovipulloissa.

Yksittäisen aineen syöpyminen on verraten hyvin etukäteen pääteltävissä, jos syöpymisreaktiot tunnetaan hyvin. Kuitenkin käytännön kemiassa syöpyminen tai liuottaminen on syytä kokeilla laboratoriossa, sillä kirjallisuustietoa voi olla vaikea löytää ja se että kestävätkö käytetyt välineet liuoksia on työturvallisuuden kannalta tärkeä tieto.

Kemikaalien puhtaus voi myös vaikuttaa paljon liukenemiseen tai syöpymiseen, sillä epäpuhtaudet voivat joko edistää tai jarruttaa reaktioita. Teollisuudessa ja tutkimuksessa ollaan usein tekemisissä seosten kanssa – varsinkin tällöin on kätevintä tehdä käytännön syövytyskokeet.

Turvallisuushuomio: Jos fluorihapon väkevää 40-%:sta vesiliuosta saa noin 40 neliösentin ihoalueelle, on kuolema lähellä. Myös laimeampiin liuoksiin (1-5 massaprosenttia) on syytä suhtautua kunnioituksella.

Marko Vehkamäki
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Mistä johtuu, että siirtymämetallien jälkeisten metallien (Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi, Po, Wikipediassa poor metals) tiheys, lujuus ja kovuus eivät mene yleisen säännön mukaan. Suora lainaus Kemisti 2 -oppikirjasta:

“Alkalimetallit, joiden atomit luovuttavat yhden elektronin metallisidokseen ja joiden atomien ionisäde on suuri, ovat pehmeitä ja kevyitä. Kahdenarvoiset maa-alkalimetallit, joiden atomien ionisäde on hiukan pienempi, ovat jo hieman kovempia ja tiheämpiä metalleja. Sivuryhmien metallien suuri tiheys ja lujuus perustuvat pieniin ionisäteisiin ja suhteellisen suureen ionivaraukseen.”

Tein tekstistä johtopäätöksen, että metallit muuttuisivat kovemmiksi ja tiheämmiksi sitä mukaa, mitä pienempi ionisäde ja positiivisempi ionivaraus niillä on. Tämä päättely ei kuitenkaan päde p-lohkon metalleille. Miten siis selitetään p-lohkon metallien vähentynyt metallisuus?

Tuo kohta Kemisti 2 -oppikirjassa on harhaanjohtava. Efektiivinen ionisäde auttaa hahmottamaan monia asioita rakennekemiassa, mutta huomaa, että kyseessä on nimenomaan ionisäde. Eli ei siis hapetusaste 0, kuten puhtaassa metallissa. Esimerkkinä alumiini, jonka atomisäde on metallirakenteessa 143 pm ja Al³⁺-ionin ionisäde on 53,5 pm, eli kokoero on oikeasti huomattava (Chemistry of the Elements, Greenwood, Earnshaw). Lujuus ja tiheys riippuvat metalliatomien (ei ionien) koosta, elektronirakenteesta ja pakkautumisesta. Lujuus ja tiheys eivät kuitenkaan korreloi hyvin keskenään.

Metalleilla pakkautumistavoista yleisimmät ovat pintakeskinen kuutiollinen , FCC (face-centered cubic) -rakenne ja tilakeskinen kuutiollinen, BCC (Body centered cubic) -rakenne. Yksi kovuuteen vaikuttava tekijä on rakenne, eli se onko kyseessä FCC– vai BCC-rakenne.

Tässä linkissä on jaksollinen järjestelmä, johon on lisätty tieto kiderakenteesta.

Alkali ja maa-alkalimetallien kovuusero johtuu useammasta asiasta. Alkalimetallit ovat pehmeitä, koska niillä on BCC-rakenne ja niillä on vain yksi s-elektroni käytettävissä metallisidoksiinsa. Maa-alkalimetalleilla sekä rakenne että sitoutumiseen käytettävien elektronien määrä ovat erilaiset kun alkalimetalleilla.

Tässä rakenneasiasta lisää havainnekuvin.

Kuten aiemmin mainitsin, lujuus ja tiheys eivät välttämättä korreloi hyvin keskenään. Esimerkkinä vaikkapa siirtymämetalli elohopea, joka on tiheää, mutta lujuudesta ei nesteen kohdalla voi puhua. Eli minun mielestäni poikkeuksia on niin paljon että mitään “yleistä sääntöä” ei ole olemassakaan.

Tuo oppikirjassa yritetty karkea yleistys jaksollisessa järjestelmässä vasemmalta oikealle ei toimi hyvin fyysisiin ominaisuuksiin, kuten kovuuteen. Huomasin, että internetistä löytyi vastaavia yleistyksiä. Itsenäisesti opiskelevan kannattaa aluksi kiinnittää huomioita yksittäisen ryhmän sisällä tapahtuviin muutoksiin. Tuo siirtymämetallien jälkeinen p-lohko sisältää hyvin erilaisia alkuaineita, ja esim. ryhmät 14 ja 15 eroavat suuresti toisistaan. Ryhmien sisältä löytyy enemmän yhtäläisyyksiä. Lujuuteen vaikuttavassa atomien pakkautumisessa on suuria eroja ryhmien 14 ja 15 välillä sekä sisällä.

Alkuaineiden sulamispiste voi auttaa hahmottamaan niiden elektronisen rakenteen vaikutusta niiden lujuuteen. Sulamispisteet korreloivat hyvin kovuuden kanssa. Tämä koskee myös mineraaleja, joissa metalleilla on siis eri säde ja erilainen sitoutuminen kuin puhtaassa metallissa. Tässä linkissä on hyvä kuva, siinä oleva viiva kytkee muutamia puhtaita metalleja.

Tästä löydät joidenkin metallien ja mineraalien kovuuden niiden sulamispisteen funktiona.

Se, miksi sulamispisteet eivät muutu selkeän jaksollisesti, onkin sitten pidempi ja monimutkaisempi juttu. Hyvin raskailla alkuaineilla on kevyitä monimutkaisempi elektronirakenne d- ja f- orbitaaleineen, joissa lisäksi ydinvarauksen ja elektronin varauksen suuri epäsuhta alkaa aiheuttaa relativistisia efektejä. Nämä selittävät mm. sen, miksi elohopea onkin yllättäen neste, kun sen kaikki naapurit jaksollisessa järjestelmässä ovat kiinteitä.

Wikipediasta löytyy aiheesta tietoa otsikolla Relativistic Quantum Chemistry.

Tuo suuri (siis suhteessa elektronin yhteen varaukseen) ydinvaraus hyvin raskailla alkuaineilla aiheuttaa myös alkuaineilla Tl, Pb, Bi sen, että niiden uloimmat 6s²-elektronit jäävät varsinkin yhdisteissä inerteiksi. Tämä voi heikentää niiden vaikutusta metalliatomien keskinäisessä sitoutumisessa ja näin osaltaan madaltaa lyijyn ja vismutin sulamispisteitä. Tämä selittää myös mm. sen, miksi lyijy on usein yhdisteissään hapetusasteella +2, vaikka sen ryhmähapetusaste on +4. Vastaavasti vismutilla esiintyy usein hapetusaste +3, vaikka sen ryhmähapetusaste olisi +5.

Voit verrata näitä vähän eksoottisempia metalleja tutumpiin alkalimetalleihin, jotka ovat yhdisteissään aina hapetusasteella +1 (s-elektroni lähtee) ja maa-alkalimetalleihin (kaksi s-elektronia lähtee). Puhtaissa metalleissa nuo uloimmat s-elektronit ovat tallella.

Tuli pitkä vastaus, mutta asia oli tosiaan vähän monimutkaisempi kuin tuo oppikirja antoi ymmärtää.

Marko Vehkamäki
Kemian laitos, Helsingin yliopisto