Keemia ja materjaliõpetus (0)

Õppejõud dotsent Viia  Lepane
Keemia ja materjaliõpetus
Kontakt: TTÜ  loodusteaduste  maja
YKI3030
Akadeemia tee 15
IV korrus tuba 417
Telefon: anorgaanilise keemia õppetoolis 6202811
TTÜ anorgaanilise keemia 
E-post: [email protected]
õppetool
2012/2013
Viia Lepane
5.09.2012
2
Kursuse ülesehitus
Loengute  sisu
Maht: 4,0 AP
1.
Sissejuhatus, eesmärgid, materjalid. Keemia põhimõisted (aine, 
materjal, valem, reaktsioonivõrrand). Ainete  klassifikatsioon , 
Loengud : 12 loengut (iga nädal A V-103)
tähistamine ja iseloomustamine ( sertifitseerimine ). Materjalide 
Praktikumid : 6 praktilist tööd (üle nädala) loodusteaduste maja 4. 
oamdused, klassifikatsioon; metallid,  keraamika ,  polümeerid , 
korrus;
komposiidid, kõrgtehnoloogilised ja nanomaterjalid.
Harjutustunnid: 4 (üle 2 nädala).
2.
Gaasid. Gaasiliste ainete põhiomadused, gaaside  segud , veeaur, 
aururõhk . Gaaside põhiseadused.  Reaalsed  gaasid,  atmosfäär . Mõnede 
Nõuded:
gaaside iseloomustus: CH , H S, CO ,  freoonid .
4
2
2
Sooritada  praktilised tööd ja  praktikumi  kontrolltöö – Eksami eeldus 
3.
Faasidiagrammid . Vedelikud. Kastepunktid. Vedelike ja vee peamised
(EE);
omadused,  pindpinevus ,  viskoossus . Looduslikud  veed - koostis, 
Sooritada harjutustunni kontrolltöö – vähemalt minimaalse tulemusega 
puhastamise meetodid. Ioonvahetus. Orgaanilised lahustid. 
12 p 30-st;
4.
Lahused . Mõiste, klassifikatsioon. Kontsentratsioonide väljendamise 
viisid.  Lahustuvus . Lahuse aururõhk. 
Sooritada kirjalik eksam – teooria max 50 p ja ülesanded max 20 p;
5.
Lahuste omadused.  Difusioon  ja osmoos.  Dissotsiatsioon . pH. 
Eksami hinne= eksami teooria p + eksami ülesannete p + harjutustunni 
Hüdrolüüs .
KT p
Viia Lepane
5.09.2012
3
Viia Lepane
5.09.2012
4
Loengud
Praktikumid
6.  Tahked  ained. Amorfsed ained, klaas. Vedelad kristallid.  Pulbrid  ja 
1.
NaCl sisalduse määramine liiva-soola segus.
puisteained.
7.  Metallid ja sulamid. Liigitus. Terased. Värvilised metallid ja 
2.
Lahuse kontsentratsiooni määramine 
sulamid.Heterogeensed süsteemid. Kolloidsüsteemid- savid, värvid, 
lakid .
tiitrimismeetodil.
8. Keemiliste reaktsioonide seaduspärasused.  Redoksreaktsioonid .
9. Elektrokeemia. Elektroodpotentsiaalid,  galvaanielement . Metallide 
3.
Vee kareduse määramine ja kõrvaldamine.
pingerida . Nernsti võrrand. Keemilised vooluallikad. Elektrolüüs.
4.
CO molaarmassi määramine.
10.  Korrosioon . Liigitus. Keemiline – ja  elektrokeemiline  korrosioon. 
2
Biokeemiline korrosioon. Korrosiooni ohtlikkus.
5.
Metalli massi määramine happega reageerimisel 
11. Korrosioonitõrje meetodid,  katted . Elektrokeemiline kaitse. Betooni 
korrosioon.
eralduva vesiniku ruumala järgi.
12. Polümeersed materjalid.  Plastid . Nende üldised omadused, keemiline
koostis, liigitus, saamise viisid. Tähtsamad plastid: PE, PP, PVC, PS, 
6.
Redoksreaktsioonid ja metallide korrosioon.
PA, PC, PTFE jt.
Viia Lepane
5.09.2012
5
Viia Lepane
5.09.2012
6
1
Õppematerjalid
Õppeaine  eesmärk
Loengute materjalid- õppeaine kodulehel www. chem .ttu.ee -
anorgaaniline  keemia- keemia ja materjaliõpetus- aasta;
Õpetada ja teavitada ehitiste, rajatiste ja 
Praktikumi tööjuhendid- samas;
Harjutustundide materjalid- samas.
energeetika valdkondades 
Vaadata  eelmiste  aastate materjale (koost.  dots . Meeme  Põldme ).
enamkasutatavate ainete ja materjalide 
Õpikud – eesti k. puuduvad; keemia vt. H. Karik, U. Palm, V. Past 
Üldine ja anorgaaniline keemia, Valgus, 1981.
klasside olulisi keemilisi tüüp omadusi.
Õppevahendid: korrosioon vt E. Talimets, V. Kallast Metallide 
korrosioon ja korrosioonitõrje, TPI, 1988; V. Suurkask Korrosioonitõrje, 
TUT, 2011; polümeerid vt K. Help, A. Siirde, E. Piiroja Orgaaniliste ja 
kõrgmolekulaarsete ühendite keemia alused, TPI, 1984.
Sobivad ka üldise keemia õpikud (ingl. k. General Chemistry);
Internet
Loengute ettevalmistamisel on kasutatud dots. M. Põldme 
loengukursuse materjale ja näiteid.
Viia Lepane
5.09.2012
7
Viia Lepane
5.09.2012
8
Põhimõisted
Põhimõisted
Mateeria  ja aine
Element on kogum ühesuguse tuumalaenguga (prootonite 
Mateeria- kogu meid ümbritseva maailma  mitmekesisus  
arvuga) aatomeid. 
oma nähtuste ja asjade koguga.
Element on aine, mida ei saa keemiliste meetoditega enam 
Mateeria peamised avaldumisvormid on aine ja kiirgus.
lihtsamateks aineteks jagada. (109 elementi, 83 looduses)
Aine on mateeria eksisteerimise vorm, mis omab kindlat või 
Keemilised ühendid
püsivat koostist ja iseloomulikke omadusi (vesi, 
Moodustuvad keemiliste elementide ühinemisel, väikseim 
ammoniaak,  kuld , hapnik).
iseseisev osake on  molekul .
Keemia uurib ainete omadusi, nende koostist ja ehitust 
Molekul - aine väikseim osake, millel on antud aine keemilised 
ning reaktsioone ainete vahel, mille tulemusena 
omadused ning mis võib iseseisvalt eksisteerida (O2, CO2, 
moodustuvad uued ained.
H2O).  Aatomid  molekulis on seotud keemilise sidemega.
Keemia- teadus ainete muundumistest ning nendega 
kaasnevatest nähtustest.
Viia Lepane
5.09.2012
9
Viia Lepane
5.09.2012
10
Ainete klassifikatsioon
Aine kolm olekut ( agregaatolekud )
Anorgaanilised
Tahkes aines on molekulid tihedalt koos ja
Orgaanilised
nende liikumine pole võimalik.
Vedelikus  on molekulide vaheline kaugus
Ained: 
lihtaine- moodustub ainult ühe ja sama keemilise elemendi 
mõnevõrra suurem ja nad võivad üksteisest
aatomitest.
mööduda.
Näiteks: hapnik, raud,  elavhõbe ,  väävel
liitaine- koosneb erinevatest keemilistest elementidest.
Gaaside puhul on molekulide vaheline kaugus
Näiteks: vesi,  lubi ,  süsinikdioksiid
suur ja nad võivad täiesti vabalt  liikuda .
Nii liht- kui  liitained  võivad esineda gaasilises, vedelas või 
Molekulidevahelised jõud on väikesed.
tahkes olekus.
Keemilisel ühendil on kindel koostis.
Viia Lepane
5.09.2012
11
Viia Lepane
5.09.2012
12
2
Aine füüsikalised ja keemilised
Põhimõisted
omadused
Füüsikalisi omadusi saab mõõta ja jälgida ilma
Materjal on keemilisest  seisukohast  mistahes keemiline aine, mille 
kasutamisel (töötlemisel) ei toimu keemilisi muutusi.
ainet ja tema koostist muutmata (värvus, 
Keemiliste omaduste olulisus sõltub vastava aine või materjali kasutamise 
sulamistemperatuur ,  keemistemperatuur  ja
eesmärgist (viisist) või käitlemise ja hoidmise tingimustest.
tihedus).
Teades mingi aine või materjali omadusi nii  üldisemalt  kui täpsemalt on 
võimalik määratleda:
Keemilised omadused, on seotud aine koostise
1) nende mõju ümbritsevale keskkonnale (teised ained ja materjalid, 
muutusega, keemiliste reaktsioonidega (vesiniku
elusorganismid) ja vastupidi keskkonna ( atmosfäär , looduslikud veed, 
põlemine  hapnikus).
enamkasutatavad ained ja materjalid) mõju materjalidele.
2) erinevate materjalide omavahelist kokkusobivust või kokkusobimatust.
Materjaliteadus - uurib materjalide struktuuri, omadusi ja kasutamist.
Viia Lepane
5.09.2012
13
Viia Lepane
5.09.2012
14
Põhimõisted
Materjalid
Segud -
koosnevad 2 või enamast lihtainest või keemilisest ühendist, mis pole 
Võivad olla:
keemiliselt üksteisega seotud ja võivad seetõttu esineda segus 
mistahes vahekorras.
lihtained  (puhtad metallid, puhtad gaasid);
Puudub kindel keemiline koostis!
lihtainete segud (õhk, mõningad sulamid 
Koostisosad on eraldatavad üksteisest füüsikaliste meetodite abil 
( magnetväli , aurutamine, difusioon).
jt.);
Homogeenne  segu- segu, mille koostis on igas ruumipunktis identne
- gaasiline, vedel või tahke lahus; näiteks õhk.
liitainete  segud;
Heterogeenne  segu- segu, mille koostis igas ruumipunktis pole ühesugune, 
koosneb mitmest eristatavast faasist: emulsioonid, kivimid, pulbrid; 
liht- ja liitainete segud.
näiteks  graniit
Segud on paljud toiduained,  ravimid , taimekaitsepreparaadid, 
Näide. H .Millal on tegemist ainega, millal 
2
ehitusmaterjalid.
materjaliga ?
Viia Lepane
5.09.2012
15
Viia Lepane
5.09.2012
16
Ajalugu
Materjaliteadus
Materjalide tootmine ja töötlemine: selle 
Materjaliteadus- uurib  seoseid  materjalide struktuuri ja 
omaduste vahel.
alusel jagatakse kivi-, pronksi ja  rauaaeg .
Materjali inseneride ülesanne- valmistada materjal, mis 
vastab teatud tingimustele.
Looduslikud materjalid: kivi, puit, savi, 
Materjalide struktuur- materjalide sisekomponentide 
nahk jm.
paigutus .
Erinevad struktuuri  tasandid :
Uued materjalid: metallid, plastid, klaasid, 
1) aatomitase- elektronid ja  aatomituumad  ja nende 
kiud ( fiibrid ) jne.
vahelised interaktsioonid, struktuur – aatomite või 
molekulide omavaheline paigutus;
2) mikroskoopiline- aglomeraadid st suured aatomite või 
molekulide rühmad;
3) makroskoopiline- silmaga nähtav.
Viia Lepane
5.09.2012
17
Viia Lepane
5.09.2012
18
3
Struktuur
Näited
Puhaste  ainete materjalide omadused 
Kasevineer niiskes ruumis
lahti  kihid .
sõltuvad elementkoostisest ja  mikro -ning 
Materjalid, mis on valmistatud pulbritest, 
makrostruktuurist. 
pulbermetallurgilised tooted: ehitusmaterjalidest- punased 
tellised , katusekivid- need on pressitud saviosakestest ja on 
Mikrostruktuur  on aatomite tasandil struktuur. 
teatud määral  poorsed
adsorbeerivad vedelikke
vesi 
Makrostruktuur  tähendab  mismoodi  on 
põhjustab probleeme.
seotud suuremad osakesed. Makrostruktuur 
Merevesi  on tugevalt korrodeeriv keskkond, põhjuseks
kihiline - so. halb omadus, sest materjal võib
fluoriidioonid (F-) ja hapnik. F- kiirendavad kõikide metallide 
hakata  lagunema  ja korrodeeruma kihtide 
korrosiooni va. Pt metallid ja Au. Kokku ei sobi Al 
(joogipurkide valmistamise materjal) ja merevesi.
vahel.
Viia Lepane
5.09.2012
19
Viia Lepane
5.09.2012
20
Kokkusobivus
Näited (M. Põldme materjalid)
sõltub ainete ja materjalide omadustest, 
Muuga  sadama  pump  kukkus ära. 
keskkonnast, millega need on kokkupuutes (vesi, 
Põhjuseks olid  roostevabast  terasest ja 
õhk, pinnas). Materjalid on tavaliselt tahked.
süsinikterasest valmistatud mutter ja polt, 
Kui kaks ainet ei sobi kokku vees, ei tähenda et 
milledest tekkis  galvaanipaar . 
üldse ei sobi teises keskkonnas. 
Süsinikteras ei kannata merevett. Poltide ja mutrite 
Näiteks: Al ja Cu juhe (elektrijuhtmed). Kui 
standardid on erinevad, tuleb valida võimalikult 
elektripostis need ühendada siis Al hävib vihma 
lähedase koostisega. Mutter peab olema 
põhjustatud korrosiooni tõttu, tekib galvaanipaar
kõvemast materjalist kui polt (mehhaanika 
ja Al lahustub.
nõuded).
Viia Lepane
5.09.2012
21
Viia Lepane
5.09.2012
22
Materjalide omadused
Materjaliteaduse komponendid
6 kategooriat tahkete materjalide omadustel:
Tootmine
struktuur
omadused
toimimine
1) Mehhaaniline-deformatsioon koormuste 
Al O - struktuur määrab  optilised  omadused
2
3 
mõjul-  jäikus , tugevus jm;
1)
kristall - suur korrapära- läbipaistev;
2) Elektriline-  elektrijuhtivus , elektrivälja mõju;
2)
Palju omavahel seotud väikseid kristalle-
3)  Termiline - soojusmahtuvus ja – juhtivus ;
poolläbipaistev materjal;
4) Magnetiline- magnetvälja mõju;
3)
Väikesed omavahel seotud kristallid, millede 
5) Optiline- elektromagnetkiirguse või valguse 
vahel on poorid ja tühikud- läbipaistmatu 
mõju, murdumisnäitaja, peegeldusvõime;
materjal.
6) Keemiline- keemiline aktiivsus.
Viia Lepane
5.09.2012
23
Viia Lepane
5.09.2012
24
4
Milleks õppida materjaliteadust?
Materjalide klassifikatsioon
Õige materjali valik.
Tahked materjalid (aluseks keemiline koostis):
Mis tingimustel materjali kasutatakse?
1) metallid;
Materjali hävimine.
2) keraamika;
3) polümeerid;
Hind
4) komposiidid.- 2 või enamat materjali koos;
5) kõrgtehnoloogilised nn. “advanced” materjalid-
pooljuhid , biomaterjalid, targad (“smart”) 
materjalid, nanotehnoloogilised materjalid.
Viia Lepane
5.09.2012
25
Viia Lepane
5.09.2012
26
Metallid
Keraamika
Koosnevad 1 või mitmest metallist (Fe, Al, Cu, Ti, 
Ühendid  metalliliste  ja mittemetalliliste elementide vahel- tavaliselt 
oksiidid, nitriidid ja karbiidid.
Au, Ni) ja ka mittemetallist (C, N, O).
Al O , SiO , SiC, Si N .
2
3
2
3
4
Iseloomustab aatomite korrapärane paigutus.
Traditsiooniline keraamika- koosneb savimineraalidest- portselan, 
tsement , klaas.
Omadused: suhteliselt tihedad, tugevad,  kanged , 
Kanged ja tugevad (sarnane metallidega);
purunemiskindlad.
Kõvad;
Purunevad kergesti (traditsioonilised);
Palju mittelokaliseeritud elektrone- head 
Madal elektrijuhtivus ja soojusjuhtivus;
elektrijuhid ja soojusjuhid; valgusele 
Vastupidavad kõrgetele temperatuuridele ja keskkonnamõjudele 
läbipaistmatud; poleeritud pind on läikiv; 
(rohkem kui metallid ja polümeerid).
Optilised omadused: võivad olla läbipaistvad, poolläbipaistvad või ka 
magnetilised omadused (Fe, Co, Ni).
läbipaistmatud.
Fe O - magnetilised omadused.
3
4
Viia Lepane
5.09.2012
27
Viia Lepane
5.09.2012
28
Polümeerid
Tähtsad materjalid
Plastid ja kummid.
Karastusjookide taara
Orgaanilsed ühendid, koosnevad C, H, mittemetallid (O, N, 
Nõuded: 
Si).
1) peab hoidma CO , mis on rõhu all;
Suur molekulaarstruktuur,  ahelad , C-skelett.
2
2) olema mitte- toksiline  ja mitte  reageerima  joogiga, 
PE,  nailon , PVC, PC, PS, silikoonkummi.
soovitavalt  taaskasutatav ;
Madal tihedus;
3) suhteliselt tugev
Mitte nii tugevad ja kanged kui eelnevad tahked materjalid;
4) odav;
Plastilised, kergesti valatavad ja vormitavad;
5) optiliselt läbipaistev;
Keemiliselt inertsed, keskkonnamõjudele vastupidavad;
6) toodetav erinevates värvitoonides.
Lagunevad ja pehmenevad kõrgematel  temperatuuridel ;
Madal elektrijuhtivus,
Metall  (Al), keraamika (klaas),  polümeer  (polüester).
Mittemagnetilised.
Viia Lepane
5.09.2012
29
Viia Lepane
5.09.2012
30
5
Komposiidid
Kõrgtehnoloogilised materjalid
Koosnevad 2 või enamast materjalist ( metall , keraamika, 
Elektroonika   seadmed ,  arvutid , fiiberoptilised süsteemid, 
polümeerid).
raketid,  lennukid  jne.
Pooljuhid- elektrilised omadused vahepealsed elektijuhtide 
Eesmärk omaduste kombineerimine et saada parim.
(metallid ja – sulamid) ja isolaatoritega (keraamika ja 
Looduslikud- puit,  luud ;
polümeerid); elektroonika- ja arvutitööstus.
Sünteetilised- fiiberklaas ( klaaskiud  on ümbritsetud 
biomaterjalid- kasutatakse implantaatidena inimkehas, 
polümeerse materjaliga).
mittetoksilised, ei tekita reaktsioone.
Suhteliselt tugev ja kange aga ka  painduv , madal tihedus.
targad materjalid- suutelised tundma ära keskkonnamuutusi 
ja nendele reageerima ette teadaoleval viisil. Koosnevad 
CFRP- süsinikfiibritega tugevdatud ( armeeritud ) 
sensorist (optilised fiibrid) ja reageerijast, mis muudab kas 
polümeer. Tugevam ja kangem, kallim; kasutusel 
kuju, asendit, sagedust vm. sõltuvalt temperatuuri, 
lennukitööstuses, spordivarustuses (jalgrattad, golfi 
elektrivälja- või magnetvälja tugevuse muutustest. 
kepid ,  tennise  reketid, lumelauad jm).
Reageerijana kasutatakse kuju mäletavaid sulameid, 
piesoelektrilist keraamikat, elektrorheoloogilisi vedelikke jm.
Viia Lepane
5.09.2012
31
Viia Lepane
5.09.2012
32
Nanomaterjalid
Ülesanne
Võivad olla metallid, keraamika, polümeerid ja 
Otsida Internetist mis  materjalidest  
komposiidid.
koosneb ja mis omadustega on (iga  tudeng  
Ei eristata keemilise koostise järgi vaid suuruse. 
Struktuurikomponentide suurus on nanomeeter st 
valib ühe):
10-9 m kuni 100 nm (~500 aatomi diameetrit).
mobiiltelefoni patarei;  päikesepatarei , 
Näiteks: süsinikunanotorud; nanokomposiidid 
tennisepallides, magnetilised nanosuuruses  terad  
korvpall , jalgpall,  lumelaud , surfilaud, 
kõvaketastes jm.
golfikepp, golfipall, kajaki  paat , jalgratta 
Kõrge keemiline  reaktsioonivõime - ohtlikkus on 
raamid  vm.
uurimata.
Viia Lepane
5.09.2012
33
Viia Lepane
5.09.2012
34
Põhimõisted
Ainete ja materjalide tähistamine
Kemikaal - aine mida valmistatakse või 
Nimi
kasutatakse keemilistes protsessides;
1.1. Nimi ei anna infot ei aine ega materjali päritolu, 
kasutamise ega omaduste kohta.
Mineraal - looduslik anorgaaniline aine.
Näiteks kõikide elementide nimetused, kriit,  malm , lubi, vesi, 
Kivim - on looduslike mineraalide kogum 
tsement, põrgukivi jne.
(agregaadid või aglomeraadid, või 
1.2. Nimes sisaldub mingisugune info selle aine kohta.
Näiteks  lubjakivi , sooraud, tsinkvalge, seebikivi,  tšiili  salpeeter 
mõlemad), n. graniit:  kvarts , päevakivi, 
jt.
vilgukivi
1.3. Kaubanduslik ( kommerts ) nimetus. Reeglina ei sisalda 
mingisugust infot. Näiteks nailon, amberliit, Dowex jt.
Viia Lepane
5.09.2012
35
Viia Lepane
5.09.2012
36
6
Ainete ja materjalide tähistamine
Ainete ja materjalide tähistamine
Nomenklatuursed nimetused
Valem
Näiteks.  Väävelhape
1. Empiiriline  (lihtsaim valem)- näitab aatomite liike. Näiteks 
vesi jt.
Ainete tähistamine juriidilistes ja tehnilistes dokumentides
2.  Molekulvalem .
Lisaks keemilistele nimetustele on kasutusel numbrilised 
tähistused (koodid), millest tähtsamad on CAS ja  EINECS  
Tähtede ja  numbrite  kombinatsioon
registrite   numbrid .
Saab identifitseerida käsiraamatutest või interneti abiga.
CAS number on kemikaali registreerimise number 
andmebaasis  „Chemical  Abstract   Service ”.
Näiteks: terased, alumiiniumi ühendid, toidulisandite värvid 
E100 -199,  askorbiinhape  E300,  konservandid  E200-299.
EINECS number on aine registreerimise number Euroopa 
kaubanduslike ainete  loetelus  („European  Inventory  of
Existing Commercial Chemical Substances”).
Viia Lepane
5.09.2012
37
Viia Lepane
5.09.2012
38
Näide
Ainete  ohutuskaart
Aine 
Empiiriline  CAS nr. 
EINECS nr.
On seadustatud, aine ohutuskaart ( Safety  Card). Ohutuskaardis peavad 
olema järgmised andmed:
nimi 
valem 
1. Identifitseerimine- nimi, valmistaja nimi jm.;
2. Koostis- keemiline koostis, CAS, EINECS jt. nr.;
Ammoniaak
NH
7664-41-7 231-635-3
3. Ohtlikkus- omaduste kirjeldus jm. vajalik;
3
4. Esmaabi viisid kemikaali sissehingamisel, allaneelamisel ja sattumisel 
Süsiniktetrakloriid CCl 56-23-5   200-262-8
nahale;
4
5. Tegutsemine tulekahju korral;
CAS on enimkasutatud.
6. Õnnetuste vältimise abinõud;
7. Käitlemine ja  hoiustamine ,  kusjuures  enamuses SC-del puuduvad sellele 
ainele iseloomulikud keemilised reaktsioonid.
8. Mõju inimesele ja  isikukaitsevahendid .
Viia Lepane
5.09.2012
39
Viia Lepane
5.09.2012
40
Aine ohutuskaart: Cu (ingl. k) MSDS  Material  
Safety Data Sheet
Sertifikaat
2 sisu
1. dokument, milles on aine või materjali kõige olulisemad 
omadused ja nende määramise normdokumendid. Iga 
aine ja materjali partii või pakendiga peab olema kaasas.
2. dokument, mis antakse välja mingile tootele 
( sertifitseerimise ) komisjoni poolt ja milles on fikseeritud 
nõuded, millistele peab vastama iga vastav toode või toote 
partii. Selliseid sertifikaate toodetega kaasa ei anta.
Viia Lepane
5.09.2012
41
7