Kemistien kannalta aineen alkeellisin rakennusaine on atomi. Vaikka on toki totta, että atomi voidaan jakaa vielä alkeellisempiin rakennuspalikoihin, juuri atomin tasolla alkavat ilmetä ensimmäiset erottuvat ”kemialliset” ominaisuudet. Atomityyppejä on monia erilaisia, kuten alkuainetaulukosta näkyy, ja jokaisella niistä on omat erityiset kemialliset ominaisuutensa. Näistä atomeista voidaan koota molekyylejä. Molekyylit ovat atomiryhmiä, joita kemiallisiksi sidoksiksi kutsutut voimat pitävät yhdessä.

Aineen tilat

Aine voidaan luokitella kolmeen eri tilaan:

  • KIINTEÄ – sillä on tietty tilavuus, tietty muoto ja se on jäykkä.
  • NESTE – sillä on tietty tilavuus, mutta ei tiettyä muotoa.
  • KAASU – sillä ei ole määrättyä tilavuutta, ei määrättyä muotoa ja se voidaan helposti puristaa pienempään tilavuuteen.
Demo:

  1. Cl2(g), Br2(l), I2(s)
  2. Kastetaan Br2(l) nestemäiseen typpeen ja saadaan Br2(s)

Sekoitukset

Aine, jossa on vain yhdenlaista atomia tai vain yhdenlaista molekyyliä, on puhdas aine. Suurin osa meitä ympäröivästä aineesta koostuu kuitenkin puhtaiden aineiden seoksista. Ilma, puu, kivet ja lika ovat esimerkkejä tällaisista seoksista. Seokset voidaan edelleen luokitella homogeenisiin ja heterogeenisiin.

Homogeeniset seokset

Homogeeniset seokset ovat atomi- tai molekyylitasolla tasaisesti sekoittuneita. Tämäntyyppisiä seoksia kutsutaan myös liuoksiksi. Alla on muutamia esimerkkejä homogeenisista seoksista.

Aira on N2-, O2-, H2O- ja CO2-kaasujen homogeeninen seos (kaasuliuos). Sitä vastoin säiliö, jossa kukin kaasu on yksinään, olisi puhdas aine. Vasta kun ne sekoittuvat molekyylitasolla, ne ovat homogeeninen seos (tai kaasuliuos).

Messinki on kuparin ja sinkin homogeeninen seos (kiinteä liuos). Jälleen jokainen metalli itsessään on puhdas aine. Vasta kun ne sekoittuvat atomitasolla, ne ovat homogeeninen seos (tai kiinteä liuos).

Oluet ovat H2O:n, C2H5OH:n ja muutaman muun aineen homogeeninen seos (nestemäinen liuos). (Olutmolekyyliä ei ole olemassa. Molekyyli, joka antaa oluelle sen päihdyttävän ominaisuuden, on etanoli.)

Demo:

  1. Sekoita vesi ja etanoli keskenään homogeeniseksi liuokseksi – näytä myös moolitilavuuskäsite.

Heterogeeniset seokset

Heterogeeniset seokset eivät sekoitu tasaisesti atomi- tai molekyylitasolla. Esimerkiksi

Suola ja pippuri, suklaakeksit tai Twix™ suklaapatukka, …

ovat kaikki esimerkkejä heterogeenisista seoksista, joissa aineet eivät ole sekoittuneet molekyylitasolla.

Demonstraatio:

  1. Erottele rautahiutaleet ja rikki toisistaan magneetilla.
  2. Erottele rypälesooda oranssiksi ja siniseksi liuokseksi kromatografian avulla.

Kaikki seokset, heterogeeniset ja homogeeniset, voidaan erottaa puhtaiksi aineiksi fysikaalisilla menetelmillä, kuten tislaamalla tai kromatografialla.

    Scientific Calculator App

    Fysikaalinen muutos

    Mitä tahansa aineen muutosta, joka ei muuta aineen sisällä olevien atomien ja molekyylien tyyppiä, kutsutaan fysikaaliseksi muutokseksi. Veden kiehuminen on esimerkki fysikaalisesta muutoksesta. Kun vesi kiehuu, se muuttuu nestemäisestä tilasta kaasumaiseen tilaan. Kemistit esittäisivät tämän prosessin seuraavasti:

    H2O(l) → H2O(g)

    Tässä (l) tarkoittaa nestettä ja (g) tarkoittaa kaasua. Koska kyseessä on fysikaalinen muutos, H2O-molekyyli ei muutu.

    Demo:

    1. CO2(s) → CO2(g)
    2. H2O2(l) → H2O2(g)

    Kemiallinen muutos

    Molekyylit taas voivat jakautua tai yhdistyä toisiinsa muodostaen toisenlaisia molekyylejä. Prosessia, jossa molekyyli muuttuu toisenlaiseksi molekyyliksi, kutsutaan kemialliseksi muutokseksi.

    Demo:

    1. C2H5OH + 2 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O2(g)

    Kemiallisen muutoksen käsitteen ymmärtämiseksi tarkastellaan, miksi hehkulamput ovat sellaisia kuin ne ovat. Hehkulamppu toimii johtamalla sähkövirtaa lampun sisällä olevan volframilangan läpi. Volframilanka on suljettu lasilampun sisään, sillä jos tämä tapahtuisi ilmassa, lamppu palaisi hyvin nopeasti. Tämä johtuu siitä, että volframilanka reagoi kemiallisesti ilman O2-kaasun kanssa muodostaen volframioksidia.

    2W+3O2→ 2WO3

    Tämän reaktion estämiseksi kaikki happi poistetaan lampun sisälle suljetusta ilmasta.

    Kemiallinen muutos

    Jos happea pääsee vuotamaan lamppuun, volframilanka reagoi volframidioksidiksi, eikä hapettunut lanka enää läpäise sähkövirtaa helposti. Jos hapettuneen langan läpi yritetään johtaa sähkövirtaa, se kuumenee nopeasti ja katkeaa. Eli hehkulamppu palaa loppuun.

    Demo:

    1. Hehkulamppu, jonka polttimoon on porattu reikä.

    Kotitehtävä kirjasta Chemisty, The Central Science, 10th Ed.

    1.1, 1.2, 1.9, 1.19, 1.21