Keemia referaat mittemetallidest. (2)

Tallina 32. Keskkool
Mittemetallid
referaat
Tallinn 2011
Sissejuhatus
Mittemetallide omadusi ja erinevusi
Mittemetallid on lihtained, millel ei ole metallidele iseloomulikke omadusi. Esinevad nii gaasi, vedeliku kui ka tahkisena. Nad on suure elektronegatiivsusega elemendid, mis keemilistes reaktsioonides peamiselt liidavad elektrone. Mittemetallid on kõik p-elemendid, mis pole metallid ega poolmetallid . Neid on kokku 22. Tavaliselt on välisel elektronkihil võrdlemisi palju elektrone – tavaliselt 4-8. Tahked mittemetallid on haprad ja ei ole sepistatavad, samuti puudub neil metalne läige (v.a jood ). Mittemetallideks on näiteks vesinik , hapnik, boor, süsinik, lämmastik, fluor , räni, fosfor , väävel, kloor , selen, broom ja jood.
Neid iseloomustab peamiselt see, et perioodilisustabelis asuvad nad pea-alarühmades ülal paremal, k.a. vesinik, mis asub kõige esimese elemendina ülal vasakul. Traditsiooniliselt VIIIA rühma elemente ehk väärisgaase mittemetallideks ei loeta, kuivõrd neile pole iseloomulik keemilistesse reaktsioonidesse astuda. Keemilistes reaktsioonides moodustavad nad teiste mittemetallidega tavaliselt kovalentse sideme, metallidega tavaliselt ioonilise sideme. Kõige aktiivsemad mittemetallid on VIIA rühmas (võtavad kergesti juurde ühe elektroni). Kõige vähemaktiivsemad on VIIIA rühma mittemetallid (väärisgaasid) kuna nende väliskihil on 8 elektroni - pole põhjust ei juurde võtta ega ära anda. Nende aatomiraadius on suhteliselt väike ja elektronegatiivsus kõrge. Seetõttu käituvad nad sageli keemilistes reaktsioonides oksüdeerijatena – seda eriti metallide suhtes, kes lihtainena on vaid redutseerijad . Siiski võivad mittemetallid käituda reaktsioonides ka redutseerijatena. Seega on mittemetalliliste elementide oksüdatsiooniastmed ühendites nii positiivsed kui negatiivsed.
Mittemetallides (lihtainetes) esineb mittepolaarne kovalentne side
enamus on molekulaarsed ained (O2, H2, N2, Hal2, S8, P4)
Mõned on atomaarsed ained (C, Si)
Metallidest on nad päris erinevad ja seda peamiselt ehituses, kus kõik aatomid on omavahel ühendatud (ei jää sellist vaba ruumi nagu metalli kristallis, kus elektronid saaksid vabalt liikuda ). Lisaks on nende omavahelised erinevused on palju suuremad kui metallidel. Näiteks on neil väga erinevad sulamistemperatuurid - on madala sulamistemperatuuriga pehmeid aineid, aga ka väga kõrge sulamis-temperatuuriga ülimalt tugevaid ja vastupidavaid aineid ( teemant ). Lisaks on neil ka väga erinevad värvused. Näiteks väävel on kollane, süsinik aga must. Erinevalt metallidest, on nad ka väga halvad elektri- ja soojusjuhid. Sellest tulenevalt koosnevad elektri- ja soojusisolatsiooni materjalid mittemetallidest. Kui metallid olid enamasti tahked ained, siis mittemetallid on enamasti gaasid (hapnik, vesinik, lämmastik, fluor, heelium jne) või ka vedelikud (broom) ja tahked ained (väävel, süsinik, räni, jood jne).
Lisan mõned konkreetsemad näited ja lühikirjeldused mittemetallide erinevuste kohta:
Fluor – peaaegu värvitu (nõrgalt kollane) agressiivne kaheaatomilistest molekulidest gaas ; lihtainena. Seda looduses ei esine, „süütab” isegi vee;
Kloor – kollakasroheline agressiivne gaas, võrdlemisi tugev oksüdeerija;
Broom – punakaspruun kergesti lenduv vedelik;
Jood – mustjashall tahke kristalne aine, mis juba nõrgal kuumutamisel muutub lillaks auruks. Jooditinktuur , mida saab apteegist, on joodi lahus etanoolis ;
Hapnik – gaasiline aine, mis soodustab põlemist (st vajalik ka hingamiseks);
Lämmastik – gaasiline ja tavatingimustel väga inertne aine – tugev kolmikside molekulis muudab molekuli lõhkumise väga keeruliseks;
Vesinik – segus (õhu)hapnikuga plahvatusohtlik väga kerge gaas;
Väävel – kollane kristalne aine, rabe, ei juhi elektrit ega soojust;
Süsinik – teemandina kõige kõvem aine, teine esinemisvorm grafiit on seevastu väga pehme.
Keemilistest omadustest niipalju, et enamik mittemetalle käitub lihtainena nii redutseerija kui ka oksüdeerijana.
Oksüdeerijana käituvad mittemetallid:
alati metallide suhtes.
endast nõrgemate (madalama elektronegatiivsusega) mittemetallide suhtes, nt enamik mittemetalle vesiniku suhtes.
Reduseerijana käituvad mittemetallid:
endast tugevamate, st kõrgema elektronegatiivsusega mittemetallide suhtes.
Paljudel mittemetallidel on ka allotroopsed teisendid . Allotroopia on nähtmus, kui üks element moodustab mitu erinevat lihtainet. Selle põhjuseks on erinev arv aatomeid molekulis (näiteks O2 ja O3) või erinev kristalli struktuur (näiteks grafiit ja teemant).
Näiteks on tuntud ka raske vesinik (tuumas lisaks ühele prootonile ka üks neutron) ja üliraske vesinik (tuumas üks prooton ja kaks neutronit).
Allotroobid – ühe ja sama keemilise elemendi poolt moodustatud erinevad lihtained. Allotroopia võib seisneda:
erinevas aatomite arvus molekulis
erinevas kristallistruktuuris
Isotoobid on ühe ja sama keemilise elemendi aatomid, millel on erinev arv neutroneid.
Mittemetallid argielus
Mittemetallide osatähtsus inimese, loomade ja taimede elutegevuses on äärmiselt suur. Mittemetallid igapäevaelus on asendamatud - kui poleks mittemetalle, poleks elu maal. Toon näiteid mõnedest mittemetallidest ja nende tähtsusest argielus:

• Süsinik moodustab taimede kuivainest 45% ja loomade puhul 63%. Enamik tuntud ühendeist on orgaanilised ühendid, st süsinikuühendid. Süsiniku allotroop teemant on kõige kõvem ja sädelevam vääriskivi. Grafiidist koosnevad kõik hariliku pliiatsi tinad, millega sa koolis kirjutad, samuti kasutatakse grafiiti plastide täiteainena. Süsinik on eluslooduse alus.
  
• Räni on paljude elusolendite (käsnad, meritähed jt mereloomad ) skelettide tähtis koostisaine. Lõikeheina ja bambuse varte tugevus tuleneb räni sisaldusest. Räni on mineraalse maailma alus. Tema ladinakeelne nimi silicium tuleneb sõnast silex, mis tähendab tulekivi, kõva kivi. Räniühendid on klaasi, portselani, keraamikatoodete, tsemendi ja teiste ehitusmaterjalide tähtis koostisosa . Ülipuhtast ränist tehakse pooljuhte ja alaldeid, mida kasutatakse päikesepatareides, elektrijaamades jne.
  
• Fosfor. Sõna ise tähendab valgusekandjat. Oma nime sai ta ühe allotroopse teisendi avastamisel, mil see nn. valge fosfor pimedas helendas. Kokku on fosforil 11 erimit, nende seas punane, violetne, must jne, igal neist erinevad omadused ja kasutusalad. Tuntuim on punane fosfor, mida kasutatakse tuletikutööstuses. Fosforist toodetakse paljusid mineraalväetisi (superfosfaat, fosforiit jne), insektitsiide - tiofoss ja klorofoss. Gallium- ja indiumfosfiidid on pooljuhid. Elusorganismides soodustavad nad süsivesikute ainevahetust ja osalevad organismi ainevahetuses.
  
• Arseeni leidub inimeses ja teda peetakse "eluelemendiks", sest ta on vajalik hemoglobiini sünteesiks, stimuleerib vereloomet ning osaleb ainevahetuses. Samas saadakse arseenist ründemürke ning ka teisi mürkaineid, sealhulgas insektitsiide.
  
• Lämmastikku nimetati vanasti "lämmatavaks gaasiks", sest ta takistas hingamist. Samas on lämmastik valkude ja nukleiinhapete koostises, ilma milleta poleks elu. Seega võime lämmastikku pidada nii elu- kui ka surmaelemendiks. Lämmastikku kasutatakse mineraalväetiste ja mürkkemikaalide tootmiseks. Lämmastik on vajalik taimede kasvuks, fosfor viljumiseks. Samas liigse väetamise puhul keskkonda kogunevad lämmastikühendid (nitraadid) saastavad keskkonda. Toiduainetetööstuses kasutatakse nitraate aga säilitusainena. Lämmastikust toodetakse ka lõhke- ja lõhnaaineid.
  
• Hapnikuta ei oleks Maal elu, sest kõik organismid vajavad hingamiseks hapnikku, seejuures mitte puhast, vaid teiste gaasidega sellises vahekorras nagu õhus. Puhas hapnik on organismile mürgine nagu ka osoon . Selle omaduse tõttu kasutatakse teda desinfitseerimiseks ja olme- ning tööstusvee puhastamiseks . Osooni abil toodetakse lõhnaaineid, hormoone, samuti polümeere ja seepi (ta osaleb oksüdeerijana). Osoonikiht kaitseb meid ka päikeselt tuleva ultraviolettkiirguse eest.
  
• Seleen on inimorganismile vajalik mikroelement, ta mõjutab suguhormoonide aktiivsust, nägemisteravust, vähendab vähirakkude kasvukiirust jne. Seleeni peamisteks kasutusaladeks on pooljuhttehnika - alaldid , fotoelemendid ja päikesepatareid.
  
• Fluor on oluline mikroelement, mis reguleerib kilpnäärme tegevust ja takistab vähirakkude kasvukiirust. Fluori sisaldavat materjali teflonit kasutatakse kõrbemiskindla põhjaga pannide valmistamisel, aga seda materjali kasutatakse veresoontekirurgias kui südameklappide materjali. Fluoriühend fluoriit ehk sulapagu on juba vanast ajast tuntud vääriskivi. Fluor ja tema ühendid on tugevad oksüdeerijad, mistõttu kasutatakse neid mitmete elementide saamiseks segudest (ka tuumaenergeetika põhikütuse uraani tootmiseks). Fluoriühendeid - freoone kasutatakse külmakappide külmutusvedelikena, desodorantide, parfüümide, lakkide jne tootmiseks.
  
• Kloor on lihtainena mürgine, kuid tema ühendid on inimesele eluliselt vajalikud. Üks olulisimaid on keedusool , ilma milleta ei oskaks ükski perenaine süüa teha. Inimorganismis on keedusoola umbes 200 grammi ja inimene vajab iga päev 5 gr soola. Klooril on pleegitav toime, mistõttu teda kasutatakse kangaste pleegitamisel. Kloori kaaliumsool, Berthollet `sool kuulub lõhkeainete, tuletikupeade ja süütesegude koostisse. Kloori mürgisust kasutatakse desinfitseerivate ainete tootmisel.
  

Kirjutan täpsemalt ka kahest kõige tuntumast ja olulisemast metallist – vesinik ja hapnik.
Vesinik

• Vesinik on väga kerge gaas, ta hajub maailmaruumi
  
• Universumis on vesinik kõige levinum element
  
• Päikese massist moodustab suurema osa vesinik
  

Vesinik on keemiline element, mis perioodilisustabelis on järjekorranumbriga 1. Ta on lihtsaima aatomiehitusega ning väikseima aatommassiga element.
Keemiliste elementide perioodilisuse süsteemis kuulub ta 1. perioodi ja s-blokki. Teda paigutatakse mõnikord I rühma, mõnikord VII rühma, mõnikord mitte ühessegi rühma. Vesinik on tüüpiline mittemetall. Tema keemistemperatuur on -253 Cº.
Vesinik esineb vees ja peaaegu kõigis orgaanilistes ühendites, seega seotud kujul kõigis organismides. Vesinik on kõige väiksema aatommasiga element.
Vesiniku aatommass on 1,00794±0,00007 g·mol−1. Tal on head elektrokeemilised omadused, kõrge kütteväärtus ja puuduvad kahjulikud põlemisjäägis. Normaaltingimustes on vesiniku tihedus 0,0899 kg/m³.
Vesinik on elusorganismide tähtis komponent. Peamisteks ühenditeks on vesi, kõik orgaanilised ühendid ja paljud mineraalid . Vabana (H2) esineb teda vulkaaniliste gaaside ja naftagaaside koostises.
Vesiniku füüsikalisi omadusi: lõhnata, värvuseta ja maitseta gaas. Vees vähelahustuv.
Vesikinu keemilisi omadusi: tavatingimustel mõõduka tugevusega oksüdeerija, kuumutamisel käitub oksüdeerijana.
Vesinikul on kolm isotoopi:

• ¹H - prootium (harilik vesinik)
  
• ²H - deuteerium (D) (raske vesinik)
  
• ³H – triitium (T) (üliraske vesinik)
  

Kasutusalad:

• Keemiatööstuses ammoniaagi sünteesil, soolhappe tootmisel, taimsete õlide ja vedelate rasvade hüdrogeenimisel tahketeks jne.
  
• metallide keevitamisel (kõrgetemperatuurne leek üle 2600 C)
  
• metanooli ja mootorikütuse tootmisel
  
• raketikütusena
  
• kütuseelementides elektri ja soojuse tootmiseks
  

Hapnik
Hapniku keemiline sümbol on O. See asub perioodilisustabeli 2. Perioodi VI rühmas. Tema tuumalaeng on 8. Hapniku aatomis on: 8 prootonit ja 8 neutronit ning 8 elektroni, välises elektronkihis on 6 elektroni. Et saavutada püsivat väliskihti, on hapniku aatomil vaja liita veel 2 elektroni - järelikult keemilistes reaktsioonides hapnik seob elektrone ja on oksüdeerija.
Hapnik on värvitu, lõhnata, maitseta õhust raskem gaas. Hapnik on mittemetall, mis on keemiliselt küllaltki aktiivne. Tähtsaim hapniku ühend on tema ühend vesinikuga –vesi.
Kui inimene hingab hapnikku osarõhuga 0,75 kuni 1 atmosfääri, hakkab ta umbes 10...20 tunni pärast kannatama kopsude ärritust. Kui hapniku mõju jätkub, järgneb surm. 0,5-atmosfäärist osarõhku on inimkatsetes talutud nädala jooksul ilma kahjustusteta.
Hapnikurikkas keskkonnas on suur tuleoht, sest põlemist kiirendab peale hapniku suurema kontsentratsiooni ka asjaolu, et vähem põlemissoojust kulub lämmastiku soojendamisele, mistõttu leek on kuumem. Kui hapnik on enne süttimist segatudgaasiliste või suspendeeritud põlevainetega, tekib plahvatus. Hapnik hakkab keema -183 Cº.
Hapniku füüsikalised omadused on samad, mis vesinikul: lõhnata, värvuseta ja maitseta gaas. Vees vähelahustuv.
Hapniku keemilisi omadusi: tavatingimustel väheaktiivne, kuumutamisel käitub reduseerijana.
Hapnikul on kaks levinud allotroopset vormi:

• dihapnik ehk lihtsalt hapnik (O2)
  
• trihapnik ehk osoon(O3)
  

Hapnik esineb kolme allotroopse teisendina:

• monohapnikuna (O), mis on väga ebapüsiv ning esimesel võimalusel ühinevad aatomid
  
• dihapnikuna (meile tuntud hapnik, mida iga päev õhu koosseisus sisse hingame) - O2
  
• trihapniku ehk osoonina O3, mis on samuti väga ebapüsiv aine, lagunedes omakorda mono- ja dihapnikuks. Osoon on lõhnav ning sa võid tunda seda pärast äikest.
  

Kasutatud kirjandus:
http://www.miksike.ee/docs/elehed/9klass/metallid_mittemetallid/9-1-16-1.ht m
http://www.miksike.ee/docs/elehed/9klass/metallid_mittemetallid/9-1-16-2.ht m
http://www.miksike.ee/docs/elehed/9klass/metallid_mittemetallid/9-1-15-1.ht m
http://et.wikipedia.org/wiki/Mittemetallid
http://www.ttu.ee/public/s/soojustehnika-instituut/11._Vesinik.pdf
http://et.wikipedia.org/wiki/Vesinik
http://et.wikipedia.org/wiki/Hapnik