EVTEK 1 Kemia ja ympäristö

1

FILE:\EVTEK_Kemia ja ympäristö_29082005

Opettaja: Pekka Lehtonen GSM: 050-3595099 E-mail: pekka.lehtonen@evtek.fi

Kemia ja ympäristö –opintojakso Syksy 2005 Luento 29.8.2005 AIHE: Johdanto Mitä kemia on? Kemian ja fysiikan jako eri aloihin Kemian historiaa Aineiden luokittelu Aineen suuri kiertokulku Maaperä on tärkeä luonnonvara Metallien lumous Aineiden myrkyllisyys Pitoisuus

AIHE: Alkuaineet ja atomit Aineiden luokittelu Kemian merkkikieli Atomien rakenne Atomien elektronirakenne Jaksollinen järjestelmä

EVTEK 2 Kemia ja ympäristö

2

Johdanto Mitä kemia on?

Kemia on tieteenala, joka käsittelee aineiden ominaisuuksia, koostumusta ja valmistamista.

•

• Kemian alan tieteellinen julkaisu Chemical Abstract on listannut noin 20 miljoonaa erilaista yhdistettä. Teollisesti valmistetaan muutamaa sataatuhatta yhdistettä, ja mahdollisia luonnonyhdisteitä arvioidaan olevan noin 10200.

• Sekä luonnonyhdisteet että ihmisen valmistamat synteettiset aineet koostuvat alkuaineista.

• Kemian tehtävänä on selvittää, kuinka tuntemamme hieman yli sata erilaista alkuainetta muodostavat valtavan määrän aineita, joilla on tiettyjä ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia.

• Kemia on kokeellinen eli empiirinen tiede.

Kemian tutkimuksen tavoitteita ovat esimerkiksi: puhtaat elintarvikkeet •

• • • • • • •

uudet lääkeaineet monikäyttöiset muovit veden puhdistusmenetelmät uusien materiaalien kehittäminen tehokkaammin raaka-aineita hyödyntävät valmistusprosessit kemiallisten analyysimenetelmien kehittäminen saasteeton elinympäristö

Kemian jako eri aloihin: Epäorgaanin kemia Orgaaninen kemia Biokemia Analyyttinen kemia Fysikaalinen kemia Polymeerikemia Radiokemia

Fysiikan jako eri aloihin: Mekaniikka Liikeoppi Dynamiikka Statiikka Lämpöoppi Sähköoppi Sähköstatiikka Sähködynamiikka Aalto-oppi

EVTEK 3 Kemia ja ympäristö

3

Kemian historiaa Kemian historia on yhtä vanhaa kuin ihmiskunnan vaiheet. Esihistoriallisena aikana ihmiset maalasivat kehoaan ja luolien seiniä. Tulen käytön myötä he oppivat muuttamaan aineen rakennetta kuumentamalla, polttamalla ja keittämällä. Metallien käsittelytaito kohotti muinaiset korkeakulttuurit kukoistukseensa, sääteli kauppaa ja sodankäyntiä. Olut ja viini lievensivät arjen rasituksia. Ensimmäiset ihmisen käyttämät metallit olivat kulta ja kupari. Kulta oli harvinaista, joten siitä tehtiin pääasiassa koriste-esineitä. Vanhimmat kultaesineet lienevät 5000 eKr. Kuparista valmistetut aseet ja käyttöesineet olivat liian pehmeitä. Kun kupariin keksittiin sekoittaa toista pehmeää metallia, tinaa, syntyi suhteellisen kovaa pronssia. Pronssiset käyttöesineet ja aseet tehtiin useimmiten valamalla. Raudan käyttö levisi hitaasti, sillä rautamalmeista oli vaikea valmistaa taottavaa rautaa. Vanhimmat rautaesineet onkin valmistettu meteoriittiraudasta.

Pohdi: Kemiallinen tutkimus oli Euroopassa pysähdyksissä ajanlaskumme alusta aina

1500-luvulle saakka. Mieti syitä tähän.

EVTEK 4 Kemia ja ympäristö

4

Aineen suuri kiertokulku Maapallo on jatkuvan hitaan muutosprosessin alainen. Muutosprosessit ovat kuitenkin ihmisen mittakaavassa niin hitaita, että helposti syntyy harhakuva pysyvyydestä ja muuttumattomuudesta.

Oheinen piirros kuvaa aineen kulkua sulasta magmasta kiteytymisen kautta kiinteäksi kallioperäksi ja vuoristoiksi. Vuoristojen synty liittyy mannerlaattojen liikkeisiin ja törmäyksiin. Kallioperä rapautuu ja tasoittuu maapallon vesi- ja ilmakehän ilmiöiden ja painovoiman vaikutuksesta. Kivilajit muuttuvat mm. hiekaksi ja saveksi kulkeutuen veden ja tuulen kuljettamana lopulta meriin. Merissä sedimentit kerrostuvat ja kovettuvat sedimenttikiviksi. Erilaisten maankuoren liikuntojen seurauksena sedimenttikivet lopulta painuvat alas maankuoreen ja sulavat muodostaen magmaa. Aineen kiertokulun yksi kierros kestää satoja miljoonia vuosia ja kaikki siihen liittyvät prosessit ovat toiminnassa koko ajan.

EVTEK 5 Kemia ja ympäristö

5

Maaperä on tärkeä luonnonvara Kallioperämme päällä on keskimäärin 10 metrin paksuinen irtomaapeite, joka on merkittävä luonnonvara. Maaperää käytetään maan- ja metsänviljelyyn, teiden rakentamiseen ja rakennusten pohjana. Lisäksi siitä pumpataan pohjavettä. Teitä rakennetaan sorasta ja hiekasta Soraa ja hiekkaa käytetään maarakennustöissä sekä tie- ja vesirakennustöissä. Soravarojen runsas käyttö on monin paikoin Suomessa johtanut niiden ehtymiseen. Runsaskivisiä ja karkeita moreeneja onkin alettu käyttää korvaavana materiaalina. Hiekasta tai sorasta sekä jauhetusta kalkkikivestä tehdään sementtiä, josta valmistetaan betonia. Kalkkikivijauhetta käytetään myös peltomaan kalkitukseen. Savesta tehdään tiiliä Savea käytetään tiiliteollisuudessa sekä kevytsoran valmistuksessa. Turpeesta saadaan lämpöä Suomen turvevarat ovat suuret koko maapallonkin mittakaavassa arvioituna. Koko Suomen maa-alasta 1/3 on turpeen peitossa ja 1/10 maailman suoalasta on Suomessa. Turvetta käytetään erityisesti polttoturpeena sekä kasvualustana ja maanparannusaineena maanviljelyssä. Öljyä ja kivihiiltä saadaan maaperästä Fossiiliset polttoaineet, öljy, maakaasu ja kivihiili, ovat nykyisin tärkein energianlähde. Öljy ja maakaasu syntyivät, kun kasviplankton ja bakteerit jäivät miljooniksi vuosiksi loukkuun maakerroksien alle, jossa happea oli hyvin vähän. Kivihiili syntyi siten, että turpeeksi muuttuneet kasvinjäänteet hautautuivat maakerroksien alle. Niistä haihtui pois vesi, hiilidioksidi ja muut haihtuvat aineet. Jäljelle jäi paljon hiiltä. Kallioperästä louhitaan malmia Malmiksi kutsutaan kivilajia, josta voidaan erottaa yhtä tai useampaa arvokasta mineraalia. Yleensä on kysymys metalleista. Malmeissa metallien pitoisuudet ovat sata- tai tuhatkertaisia normaaliin maaperään verrattuna. Malmeja on perinteisesti pidetty tärkeimpänä Suomen kallioperästä löytyvänä luonnonvarana. Nykyisin malmeja kuitenkin tuodaan myös ulkomailta metalliteollisuuden tarpeisiin.

Taulukko 1. Eräitä mineraaleja, joista rikastetaan metalleja. Metalli Mineraali Yhdiste, jona metalli esiintyy

mineraalissa

Alumiini Bauksiitti Al2O3 Kupari Kuparipyriitti CuFeS2 Rauta Hematiitti Fe2O3 Natrium Vuorisuola NaCl Tina Kassiteriitti SnO2 Sinkki Sinkkivälke ZnS

EVTEK 6 Kemia ja ympäristö

6

Kallioperästä saadaan teollisuuden raaka-aineita Metallimalmien lisäksi kallioperästä louhitaan arvokkaita raaka-aineita rakennusaine-, lannoite- ja kemianteollisuuden tarpeisiin. Näitä raaka-aineita kutsutaan teollisuusmineraaleiksi. Taulukko 2. Kallioperän raaka-aineita käytetään moneen tarkoitukseen.

Kallioperän raaka-aine Käyttötarkoitus

Kalkkikivi Sementin ja raudan valmistus Öljy- ja kivihiilivoimaloiden rikkisuodattimet Jäteveden puhdistamot (kalkkikivi sitoo haitallisia aineita) Peltojen kalkitus Paperin pinnoitus

Apatiitti Fosforilannoitteet Alumiini Teollisuuden raaka-aine Maasälpämineraalit Posliinin valmistus, korukivet Kvartsi Lasin valmistus, korukivet

Kivi rakennusmateriaalina Kivi on monipuolinen raaka-aine. Kauan aikaa sitten kivestä on valmistettu työkaluja, kuten veitsen tai kirveen teriä, vasaroita ja keihäänkärkiä. Lisäksi kivistä on tehty tulisijoja, hautapaikkoja ja aitoja. 1200 -1300 -luvuilla rakennettiin maamme vanhimmat kivirakennukset, kirkot ja linnat. Ne ovat edelleen käyttökelpoisia. Rakennusmateriaalina kivi on kestävä ja kaunis, mutta se on myös kallis. Tämän vuoksi kiveä ei yleisesti ole käytetty talojen rakentamisessa. Kiveä käytetään kuitenkin sisustuksessa, esimerkiksi takkoina ja pöytälevyinä. Taulukko 3. Maankuoren yleisimpien alkuaineiden pitoisuus Alkuaine Pitoisuus

(massaprosentti)

Happi 46,6 % Pii 27,7 % Alumiini 8,1 % Rauta 5,0 % Kalsium 3,6 % Natrium 2,8 % Kalium 2,6 % Magnesium 2,1 % Loput alkuaineet yhteensä 1,5 %

EVTEK 7 Kemia ja ympäristö

7

Metallien lumous Metalleilla on ominaisuuksia, kuten metallin kiilto, muokattavuus, hyvä sähkön– ja lämmönjohtokyky, joita on hyvin vaikea korvata muilla materiaaleilla. Tämän vuoksi etenkin harvinaisten metallien kauppahinnat ovat korkeita.

Kulta-hippu Aleksi (385 g) Löytöpaikka: Hangasoja, Laanilan alue 1910 Taulukko 4. Eräiden metallien kauppahintoja £/kg. Metalli Hinta £/kg

Kulta Au 9000 Hopea Ag 350 Renium Re $40/troy ounce Kromi Cr 5 Kupari Cu 1,25 Rauta Fe 0,30

Metallin hintaan vaikuttaa: • Metallin määrä maankuoressa • Metallin määrä malmissa. Esiintymän ollessa runsas ovat louhintakustannukset

edulliset • Rikastamiskustannukset. Rikastusprosessissa joudutaan pelkistämään metalli

yhdisteestä vapaaksi metalliksi eli hapetusluvulle 0. Vähemmän reaktiivisten metallien pelkistyskustannukset ovat alhaisemmat kuin voimakkaasti reaktiivisten (esim. alumiini).

Metallien kierrätys: • Rahan säästö • Malmiesiintymät riittävät kauemmin • Vähentää metallien joutumista haitalliseksi jätteeksi tai ongelmajätteeksi.

Taulukko 5. Metallien riittävyys maapallolla (arvio 1995)

Metalli Aika

Kromi (Cr) 358 Kupari (Cu) 74 Kulta (Au) 27 Rauta (Fe) 302 Lyijy (Pb) 49 Tina (Sn) 38

EVTEK 8 Kemia ja ympäristö

8

Liite 1. Uusi mineraali tarkianiitti löydetty Hituran kaivoksesta, 18.6.2004 Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) erikoistutkija, dosentti Kari Kojonen ja tohtori Vladimir Knauf NATI Research JSC -yhtiöstä Pietarista löysivät keväällä 2001 uuden mineraalin tutkiessaan platinarikastetta Hituran kaivoksesta Nivalasta. Mineraalin nimeksi on hyväksytty uusien mineraalien kansainvälisessä nimikomissiossa tarkianiitti Hampurin yliopiston Mineralogian ja petrografian professorin Mahmud Tarkianin kunniaksi. Uusi mineraali on rikkiyhdiste, jossa metallisina pääalkuaineina ovat renium, molybdeeni, kupari ja osmium sekä pieninä määrinä rauta, nikkeli ja koboltti.

Tarkianiitista voidaan rikastaa muiden metallien lisäksi reniumia, joka on erittäin harvinainen alkuaine ja siksi hyvin kallista. Reniumia käytetään metalliseoksissa parantamaan niiden lujuutta ja lämmönkestokykyä, esimerkiksi tutkimuslaitteissa, joilla mitataan alkuaineiden atomien ominaispainoja sekä röntgenputkien päällysteenä.

Vuonna 1970 avattu Outokumpu Mining Oy:n Hituran kaivos tuottaa nikkeli-kuparirikastetta, joka sisältää nikkelin ja kuparin lisäksi kobolttia, platinaa, palladiumia ja reniumia. Platinaryhmän metallit ja renium saadaan talteen jatkojalostuksessa sulatolla ja metallitehtaalla. Reniumin suurimpia tuottajamaita ovat Yhdysvallat, Peru, Kazahstan ja Chile. Tarkianiitti on ruskean harmaa ja metallinkiiltoinen, ja sen Mohsin asteikolla mitattu kovuus on 5,5 ja 6 välillä. Mineraalin koostumus on määritetty elektronimikroanalysaattorilla GTK:n laboratoriossa Espoon Otaniemessä ja rakennemääritys tehtiin Kanadan geologian tutkimuskeskuksessa Ottawassa. Mineraalin kovuus ja heijastuskyky määritettiin Hampurin yliopistossa. Tyyppinäytettä säilytetään Helsingin yliopiston Geologian museon kokoelmissa. Uuden mineraalin tieteellinen kuvaus on julkaistu mineralogian alan lehden Canadian Mineralogistin huhtikuun 2004 numerossa.

Lisätietoja: Dosentti Kari Kojonen, Geologian tutkimuskeskus, PL 96 (Betonimiehenkuja 4), 02151 ESPOO, puh. 020 550 11 (vaihde), 020 550 2483.

Tarkianiittirae platinarikasteessa Hituran kaivoksesta Nivalassa. Kuvassa näkyy kuutiollisen mineraalin kidepintoja. Rakeen halkaisija 0,05 millimetriä. Kuva: Kari Kojonen, GTK

EVTEK 9 Kemia ja ympäristö

9

Liite 2. Renium (engl. rhenium, saks. Rhenium) on siirtymäalkuaineisiin kuuluva metallimainen alkuaine n:o 75. Fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia

• Tiheys 2,05 × 104 kg/m3 • Sulamispiste 3 453 K • Kiehumispiste 5 900 K • Tavallisimmat hapetusluvut +IV, +VI, +VII • Elektronegatiivisuus 1,9 • Elektronikonfiguraatio 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14

5s2 5p6 5d5 6s2 • Ionisoitumisenergia • e 762 kJ/mol • e 1 600 kJ/mol • e 2 500 kJ/mol • e 3 600 kJ/mol • e 5 000 kJ/mol • e 6 300 kJ/mol • e 7 500 kJ/mol • Atomimassa 186,2 u • 185Re 184,952951 u • 187Re 186,955744 u • Suhteellinen runsaus luonnossa/Hajoaminen • 185Re 37,40 % • 187Re 62,60 % (�-) • Puoliintumisaika • 187Re 5 × 1010 a

Reniumin pysyvimmät yhdisteet ovat perrenaatteja, kuten kaliumperrenaatti KReO4.

Käyttö Reniumia seostetaan volframin ja molybdeenin kanssa ja käytetään raketeissa, röntgenputkissa, lämpöelementeissä, lentokoneiden komponenteissa, aseiden ohjausyksiköissä sekä katalysaattorina petrokemiallisissa reaktioissa. Pohdi: Mitkä yllä olevista tiedoista kuvaavat fysikaalisia ominaisuuksia ja mitkä kemiallisia ominaisuuksia?

EVTEK 10 Kemia ja ympäristö

10

Aineiden myrkyllisyys Taulukko 1. Eräiden yleisesti käytettyjen aineiden LD50-arvo

Aine Testieläin LD50 (g/kg)

etanoli rotta 10,3 vitamiini B1 hiiri 8,2 ruokasuola rotta 3,75 aspiriini hiiri 1,5 nikotiini hiiri 0,23 kofeiini 0,13 Taulukko 2. Eräiden hyvin myrkyllisten aineiden arvioitu LD50-arvo

Aine LD50 (mg/kg)

natriumsyanidi (NaCN) 15 arseenitrioksidi (As2O3) 15 aflatoksiini B 10 strykniini 0,5 muskariini 0,2 tetanustoksiini 0,000 005 botulinustoksiini 0,000 000 03 Arvio syöpää aiheuttavista tekijöistä Noin 30 % kaikista syövistä johtuu tupakasta ja toiset 30 % ravinnosta, joka sisältää paljon rasvaa ja kaloreita mutta vähän hedelmiä ja vihanneksia. Tärkeimpien syöpää aiheuttavien tekijöiden vertailu: tupakka 30 % ravintoperäiset tekijät 30 % kasvu- ja synnynnäiset tekijät 5 % virukset ja muut biologiset aineet ja tekijät 5 % geneettiset tekijät 5 % työperäiset tekijät 5 % elämäntavat (esim. vähäinen liikunta) 5 % alkoholi 3 % ympäristönsaasteet 2 % lääkkeet 1 %

EVTEK 11 Kemia ja ympäristö

11

Pitoisuus Pitoisuuden ilmoittamiseen on käytössä useita suureita, kuten esim. - konsentraatio - massaprosentti - tilavuusprosentti - mooliosuus - molaalisuus - ppm - ppb Pitoisuus voi tarkoittaa esim. jonkin aineen kokonaiskonsentraatiota. Jos kyseessä on metalli, joka voi olla näytteessä vapaana metalli-ionina tai sitoutuneena esim. johonkin näytteen muuhun yhdisteeseen, on selvitettävä tarkoitetaanko kokonaiskonsentraatiota vai vapaata metalli-ionin konsentraatiota.

EVTEK 12 Kemia ja ympäristö

12

AIHE: Alkuaineet ja atomit Aineiden luokittelu Kemian merkkikieli Atomien rakenne Atomien elektronirakenne Jaksollinen järjestelmä

EVTEK 13 Kemia ja ympäristö

13

Aineiden luokittelu Tunnettu maailmankaikkeus koostuu aineesta ja energiasta. Aineiden luettelo on pitkä: vesi, ilma, alumiini, kivi, villakangas, savi, teräs jne. Kaikki aine eli materia rakentuu alkuaineista ja niiden välisistä yhdisteistä tai seoksista. Erilaisia alkuaineita tunnetaan jo 109, joista luonnossa esiintyy 91. (Vedystä (Z=1) uraaniin (Z=92) asti teknetiumia (Z=43) lukuun ottamatta) Kaavio 1. Aineiden luokittelu.

AINE

SEOS PUHDAS AINE

KEMIALLINEN YHDISTE ALKUAINE

EPÄORGAANINEN YHDISTE ORGAANINEN YHDISTE METALLI EPÄMETALLI

kultapiihappityppihappobentseeniilma

ilma kultapiihappityppihappobentseeni

typpihappobentseeni

kultapiihappi

typpihappo bentseeni kulta happi

PUOLIMETALLI

pii

Aineita, jotka ovat muodostuneet vain yhdenlaisista atomeista, sanotaan alkuaineiksi. Alkuaineet jaetaan metalleihin, puolimetalleihin ja epämetalleihin. Tärkein ominaisuus, joka erottaa epämetallin metallista on sähkönjohtokyky. Kaikki metallit johtavat sähköä, kun taas epämetalleilta tämä ominaisuus puuttuu muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta (hiili grafiittina on sähkönjohde).

Metalleja on suurin osa alkuaineista, noin 80, esimerkiksi kupari, kulta, rauta, sinkki ja natrium.

•

•

•

Epämetalleja ovat esimerkiksi hiili, typpi, happi, rikki ja kloori.

Näiden kahden ryhmän väliin jäävät puolimetallit, joita ovat boori, pii, germanium, arseeni ja antimoni.

Aineen ominaisuuksia ovat muun muassa: olomuoto, sulamispiste, kiehumispiste, tiheys, lujuus, kokoonpuristuvuus, elastisuus, paine, lämpötila, sähkönjohtokyky, lämmönjohtokyky, väri, kiilto, kemiallinen reaktiivisuus ja molekyylien väliset voimat . Molekyylin ominaisuuksia ovat molekyylimassa, molekyylin muoto, molekyylin koko, sidostyyppi atomien välillä, energia, kemiallinen reaktiivisuus ja molekyylien väliset voimat. HUOM: Molekyyli on alkuaineen tai kemiallisen yhdisteen pienin vapaana esiintyvä osanen.

EVTEK 14 Kemia ja ympäristö

14

Kemian merkkikieli Ruotsalainen Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848 ) otti käyttöön alkuaineiden kirjainlyhenteet. Kirjainlyhenteet on useimmiten saatu aineen latinan- tai kreikankielisestä nimestä. Osa alkuaineiden kirjainlyhenteistä tulee löytäjänsä nimestä. Näin saatu kemian merkkikieli on edelleen käytössä ja se on kansainvälinen.

Alkuainetta merkitään isolla kirjaimella. Jos alkuaineen kemiallisessa merkissä on kaksi kirjainta, niin ensimmäinen on aina iso kirjain ja toinen pieni kirjain.

Kemian merkkikieltä voit nähdä kemian kirjallisuudessa, sanomalehdissä ja esimerkiksi luontaistuotteiden ja lääkkeiden selosteissa

Esimerkiksi ihmisessä on happea, hiiltä, vetyä, typpeä, kalsiumia ja fosforia sekä pieniä määriä natriumia, kaliumia, magnesiumia, mangaania, sinkkiä, alumiinia, kromia, piitä, rubidiumia, litiumia, arseenia, fluoria, bromia, jodia, seleeniä, booria, bariumia ja strontiumia.

Maailmankaikkeudessa on enimmäkseen vetyä ja heliumia Taulukko 1. Tavallisimpien alkuaineiden nimityksiä

Alkuaine Kemiallinen merkki ja latinan kielinen nimitys

Hopea Ag argentum Kulta Au aurum Alumiini Al alumen Rauta Fe ferrum Tina Sn stannum Hiili C carbo Happi O oxygenum Typpi N nitrogenum Vety H hydrogenium Elohopea Hg kreikaksi hydrargyros Lyijy Pb plumbum nigrum

EVTEK 15 Kemia ja ympäristö

15

Atomin rakenne Atomi on aineen pienin rakenneosa, joka kemiallisissa reaktioissa esiintyy jakamattomana. Sen pääosat ovat positiivisesti varautunut ydin ja negatiivisten elektronien muodostama elektroniverho.

Atomin ytimen muodostavat positiivisesti varautuneet hiukkaset, protonit ja varauksettomat hiukkaset, neutronit.

• Protonien lukumäärää nimitetään järjestysluvuksi Z. • Protonien ja neutronien yhteistä määrää sanotaan massaluvuksi A.

A

ZX

X= kemiallinen merkki A= massaluku Z = järjestysluku Atomiydin on ydinreaktioita lukuun ottamatta hyvin pysyvä eikä siis ota osaa kemiallisiin reaktioihin. Näin aineen kemialliset ominaisuudet määräytyvät elektroniverhon rakenteen mukaan. Atomin massa Pääosa atomin massasta (yli 99,9 %) on atomin ytimessä. Ytimen halkaisija on kuitenkin vain 1/10000 atomin halkaisijasta. Alkuaineen ytimessä on aina sama määrä protoneja, mutta neutronien määrä voi vaihdella. Tällöin myös saman alkuaineen atomien massat ovat erilaiset. Näitä saman alkuaineen eri massaisia muotoja kutsutaan isotoopeiksi. Alkuaineen eri isotooppien kemialliset ominaisuudet ovat samanlaiset, mutta fysikaaliset ominaisuudet riippuvat atomin massasta, ja ovat siten erilaiset eri isotoopeille.

EVTEK 16 Kemia ja ympäristö

16

Atomien elektronirakenne Elektronin liikettä tai hetkellistä sijaintia elektroniverhossa ei voida tietää tarkasti, mutta voidaan arvioida, millä alueella elektroni todennäköisesti liikkuu. Näitä alueita kuvataan orbitaaleilla. Elektroneille saadaan laskettua useita erilaisia orbitaaleja. Jokaisella orbitaalilla on tietty energia, koko ja avaruudellinen suunta. Näitä orbitaalien ominaisuuksia kuvataan neljän kvanttiluvun avulla.

• pääkvanttiluku n = 1,2,3,4… • sivukvanttiluku l = 0,1,2,…,(n-1) • magneettinen kvanttiluku m = 0, +1,- 1, + 2,- 2,…,+ l, - l • spinkvanttiluku s = + ½, -½

Kuvia orbitaaleista kolmiulotteisesti: http://www.shef.ac.uk/chemistry/orbitron/AOs/1s/index.html Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän rakenne

• Järjestelmässä alkuaineet ovat

järjestyslukunsa Z mukaisesti peräkkäin. Alkuaineen järjestysluku on sen ytimen protonien lukumäärä. Elektronien määrä on yhtä suuri.

• Vaakasuorat rivit ovat jaksoja. Jakson numero ilmoittaa alkuaineen elektronikuorten lukumäärän eli elektronien energiatasojen lukumäärän ja samalla myös alkuaineatomin elektroniverhon suurimman pääkvanttiluvun. Jaksoja on 7. Jokainen jakso päättyy jalokaasuun.

• Pystysuorat sarakkeet ovat ryhmiä. Ryhmiä on 18. Joillakin ryhmillä on numeron lisäksi nimi.

• Lohkot ovat alkuaineiden elektronikuoren rakenteen mukaan nimettyjä järjestelmän osa-alueita.

• Lohkon kirjaintunniste kertoo, mitä tyyppiä on korkein miehitetty orbitaali, paitsi d- ja f-lohkoissa.