20 kysymystä ja vastausta

	1. Ionisidos on ionien välinen sähköstaattinen vuorovaikutus. Sillä ei ole rajattua suuntaa vaan se kohdistuu kaikkiin riittävän lähellä oleviin ioneihin. Vuorovaikutusten seurauk- sena ioneista syntyy ionihila, jonka koko voi vaihdella sen mukaan, miten paljon ioneja on tarjolla. Kovalenttisella sidoksella on suunta, koska se on yhden tai useamman elektroniparin muodostama. Elektroniparit ovat sijoittuneet yhdisteessä molekyyliorbitaaleille, joiden muoto riippuu sidoksen syntyessä yhdistyneistä atomiorbitaaleista. Sidosten suuntautumiseen vaikuttaa lisäksi sidoselektronien välinen hylkimisilmiö, jonka seurauksena elektroniparit asettuvat mahdollisimman kauas toisistaan. Atomien koon ohella orbitaalit ja hylkimisvoimat antavat molekyylille muodon. Molekyylin syntymisen ehtona on vielä, että sidokseen osallistuvat atomit saavat yhteisten elektroniparien avulla uloimmalle kuorelleen jalokaasurakenteen (yleensä oktetin, vety dubletin). Ionihilan ionit ovat saaneet vastaavan rakenteen luovuttamalla tai vastaanottamalla elektroneja. Kuvassa on metaanimolekyylin tikkumalli.

	2. a) Alkaanissa kaikki hiilen sidokset ovat yhden elektroniparin muodostamia. Ne suuntautuvat kohti hiiliatomin ympärille ajatellun tetraedrin kärkiä noin 109,5 º:n kulmassa toisiinsa nähden. Jos alkaanin hiiliketju on haaroittumaton ja avoin sekä sisältää 3 tai useampia hiiliatomeja, C-C-sidoksista syntyy polvekkeinen linja. Hiilellä on alkaaneissa sp³-hybridisaatio.

	2. b) Alkeenissa on ainakin yksi kaksoissidos, joka muodostuu kahdesta elektroniparista. Sidos on jäykkä. Kaksoissidoksen hiiliatomista lähtevien kahden muun sidoksen akselit ovat samassa tasossa ja niiden välinen kulma on noin 120 º. Hiilellä on sp²-hybridisaatio.

	2. c) Alkyynissä on vähintään yksi kolmoissidos. Hiiliatomeista lähtevät kaksi muuta sidosta ovat samalla akselilla C-C-sigmasidoksen kanssa (sidoskulma 180º).

	Lisää aiheesta (omaan ikkunaansa)

	3. Alkaanin olomuoto normaalissa paineessa ja huoneen lämpötilassa riippuu molekyylien välisistä dispersiovuorovaikutuksista (Londonin voimista). Niiden vahvuuteen vaikuttavat sekä molekyylin koko että muoto. Katso tarkemmin KE2 (omaan ikkunaan)

	4. Kummassakin renkaassa hiiliatomien sidoskulmat poikkeavat hiilen normaalista tetraedrikulmasta (109,5º). Syklopropaanissa kulmat ovat noin 60º ja syklobutaanissa 90º. Kulmien pienuudesta johtuu, että kumpikin yhdiste reagoi herkästi siten, että rengas purkautuu ("jännitys laukeaa"). Renkaiden sidokset ovat näennäisesti yksinkertaisia sigma-sidoksia, mutta niillä on todettu jonkin verran pii-sidoksen luonnetta.

	Syklopropaani ja syklobutaani

	5. Hiiliatomit pääsevät kiertymään yksinkertaisen hiili-hiili-sidoksen (sigma- sidoksen) akselin ympäri, jolloin atomien paikka toistensa suhteen muuttuu molekyylissä sidosten katkeamatta. Näin syntyneitä saman molekyylin erilaisia muotoja sanotaan konformaatioisomeereiksi tai lyhyesti konformaatioiksi.

	6. Alkeenimolekyylissä on ainakin yksi kaksoissidos. Kaksoissidos on jäykkä, ts. se ei salli kiertymistä. Alkeenimolekyylillä on siten vähemmän konformaatioisomeerejä kuin samankokoisella alkaanimolekyylillä.

	7. Tuolimuoto ja venemuoto ovat sykloheksaanin konformaatioita. Vene- muodossa eri hiiliatomeihin sitoutuneet vetyatomit tulevat liian lähelle toisiaan, joten konformaation energia on korkea. Myös sidoskulmat poikkeavat normaaliarvosta 109,5º jonkin verran. Vetyatomien väliset poistovoimat vähenevät, jos rakenne palautuu tuolimuotoon, joka on energialtaan alempi.

	Sykloheksaanin tuolimuoto Sykloheksaanin venemuoto
	Laboratoriossa on Chime-harjoitus, jossa voit vertailla näitä konformaatioita. Harjoitus avautuu myös tästä omaan ikkunaansa.

8. Hybridisaatio tarkoittaa, että hiiliatomin uloimman kuoren (L-kuoren) neljä elektronia, 2s- ja 2p-elektronit, sijoittuvat s- ja p-orbitaalien sekoittuessa syntyville orbitaaleille.

Hybridisaatio- tyyppi	Osallistuvat orbitaalit	Hybridisoitumattomat orbitaalit	Sidokset
sp³	s + p_x + p_y + p_z	ei yhtään	4 sigma-sidosta
sp²	s + p_x + p_y	p_z	3 sigma-sidosta ja pii-sidos
sp¹	s + p_x	p_y ja p_z	2 sigma-sidosta ja 2 pii-sidosta

	9. Yhdiste on tyydyttymätön, jos yhdisteessä on hiiliatomi, joka on osallisena kaksois- tai kolmoissidoksissa, ts. muodostaa yhden tai kaksi pii-sidosta sigmasidoksen lisäksi. (Hiiliatomi on tyydyttynyt, kun se muodostaa neljä yksinkertaista kovalenttista sidosta eli sigma-sidosta.)

	10. Rakenneisomeereillä on sama molekyylikaava, mutta hiiliketju tai funktionaalisen ryhmän paikka tai koko funktionaalinen ryhmä voi olla erilainen. Geometrisillä isomeereillä (cis-trans -isomeereillä) on myös sama molekyylikaava ja lisäksi samanlaiset funktionaaliset tai muut ryhmät. Isomeerit eroavat ryhmien sijainnissa jonkin atomin, kaksoissidoksen tai renkaan suhteen.

	Geometristä isomeereistä on esimerkkinä vain funktioisomeeripari, etanoli (1) ja dimetyylieetteri (2). Yhdisteet 3 – 8 edustavat geometristä isomeriaa (pareittain).

	11. Molekyylikaava C₅H₁₀ voi kuulua kolmelle eri molekyylille.

	Pentaanilla (1) on ylin kiehumispiste ja 2,2-dimetyylipropaanilla (3) on alin kiehumispiste molekyylirakenteen perusteella arvioituna. Pentaanin (1) molekyyleillä on suurin pinta-ala ja siten niiden välillä vallitsevat vahvimmat dispersiovuorovaikutukset, kun taas 2,2-dimetyylipropaanilla (3) on pallomaisen muodon takia pienin pinta ja heikoimmat dispersiovuorovaikutukset. Kaikki kolme yhdistettä ovat alkaaneja, joten ne eivät reagoi kovin helposti. Niinpä ne muistuttavat kemiallisesti toisiaan.

	12. a) Kun hiiliatomien ketjussa kaksoissidosten välillä on yksi yksinkertainen sidos, nimitetään kaksoissidoksia konjugoiduiksi kaksoissidoksiksi. Vierekkäisten hiiliatomien p-orbitaalit yhdistyvät tällöin itseasiassa yhdeksi pii-elektronipilveksi. Esimerkiksi 1,3-butadieenissä kaikki kolme C-atomien välistä sidosta ovat yksinkertaisen sidoksen ja kaksoissidoksen välimuotoja.

	b) Aromaattisuus ilmenee bentseenillä siten, että molekyylikaavan C₆H₆ perusteella yhdiste vaikuttaa tyydyttymättömältä mutta reaktioissaan muistuttaa enemmän tyydyttynyttä yhdistettä (substituutioreaktiot tapahtuvat helpommin kuin additioreaktiot). Aromaattisuutta ilmenee muillakin rengasrakenteisilla yhdisteillä, joilla on kaavan 4n + 2 mukainen määrä pii-elektroneja (n > 0 ja kokonaisluku). Bentseenin molekyylissä kaikilla kuudella C-atomilla on sp²-hybridisaatio. Ne sitoutuvat toisiinsa yhdellä sigma-sidoksella, minkä takia rengas on tasomainen. Vapaiksi jääneet p-orbitaalit muodostavat renkaan ylä- ja alapuolelle rengasmaisen pii-elektronipilven. Kyseessä on samantyyppinen ilmiö kuin konjugoitujen kaksoissidosten tapauksessa.

	13. Kun molekyylin tai ionin rakennetta ei voida kuvata kyllin tarkasti yhdellä ainoalla Lewis-rakennekaavalla, piirretään yleensä useampia rakennekaavoja eli resonanssimuotoja, joissa sidosten ja vapaiden elektroniparien paikka vaihtelee. Rakenteiden väliin merkitään kaksipäinen nuoli <—> ja kaavat sijoitetaan hakasulkuihin. Yhdisteen todellinen rakenne on resonanssimuotojen sekoitus, resonanssihybridi. Resonanssimuodoissa eri paikoissa olevia elektroneja sanotaan delokalisoituneiksi.

	Bentseenillä (ja sen johdannaisyhdisteillä) on oma kaavamerkintänsä resonanssihybridille.

	Resonanssi tekee yhdisteestä stabiilimman, mikä heijastuu mm. sidosten pituuksiin ja sidosenergioihin. Pysyvän yhdisteen resonanssi näkyy myös molekyylin magneettisissa ominaisuuksissa. Konjugoitujen kaksoissidosten resonanssi vaikuttaa yhdisteen valonabsorptioon (väriin ja fotokemiallisiin reaktioihin).

	14. Alkaanit ovat tyydyttyneitä yhdisteitä, joissa on pelkästään C–C- ja C–H-sidoksia. C–C-sidokset ovat molekyylin keskiosissa suojassa, joten ne eivät katkea helposti. Hiilen ja vedyn elektronegatiivisuusero on vähäinen: C 2,5 ja H 2,1, erotus 0,4. Kun vetyatomi on lisäksi pienikokoinen, myös sen ja hiiliatomin välistä sidosta on vaikea katkaista.
	Esimerkki (Voit avata mallin Chime-ruutuun.) Kuvassa on metaanimolekyylin elektrostaattinen potentiaalipinta. Punainen väri merkitsee negatiivista osittaisvarausta, valkoinen osoittaa potentiaalin arvoa nolla. Kuvasta näkyy hyvin, mitä tyydyttyneisyys tarkoittaa!

	15. a) Alkaanien tyypillisiä reaktioita ovat palamisreaktion lisäksi substituutioreaktiot (esim. radikaalimekanismin mukainen halogenoituminen). 15. b) Alkeenien tyypillisiä reaktioita ovat kaksoissidokseen tapahtuvat liittymis- eli additioreaktiot.

	16. Alkaaneja käytetään polttoaineina, liuottimina ja voiteluaineina (hyvin kookasmolekyyliset alkaanit). Happi on vahvasti elektronegatiivinen ja pystyy purkamaan alkaanien C–C- ja C–H-sidokset, joten alkaanien huonohko reaktiokyky ei haittaa. Päinvastoin se tekee polttoaineen käsittelystä turvallisempaa. Liuotin- ja voiteluainekäytössä reagoimattomuus on etu.

17. Aktivoitumisenergian suuruus riippuu reagoivien yhdisteiden sidosenergiasta ja reaktion mekanismista.

Alkaanien reaktiot tapahtuvat yleensä radikaalimekanismin mukaan. Reaktion aloittaa homolyyttinen sidoksen purkautuminen (esim. halogeenimolekyylissä): syntyy kaksi radikaalia, joilla on pariton elektroni.

Alkeenien reaktiot käynnistyvät suhteellisen löyhästi sitoutuneiden kaksoissidoksen

-elektronien avulla.

Aktivoitumisenergian tarvetta voidaan vertailla esimerkiksi sidosten purkautumiseen kuluvan energian pohjalta. C=C- ja C–C-sidoksen energioiden erotus on pii-sidoksen osuus.

Sidos	Energia kJ/mol	Kun vähennetään C=C-sidoksen energiasta C–C-sidoksen energia, saadaan 264 kJ/mol. Siis < 412 kJ/mol ja < 348 kJ/mol
C–H	412
C–C	348
C=C	612

18. Elektrofiili ("elektronien ystävä") on ryhmä, jolla on yleensä positiivinen varaus ja joka hakeutuu reaktioissa siitä syystä negatiivista varausta tai osittaisvarausta kohti. Orgaanisissa reaktioissa karboniumionit ovat tärkeitä elektrofiilejä, vaikka ne ovat reaktion kulussa vain hyvin lyhytikäisiä välivaiheita.
Esimerkkejä: H⁺, H₃O⁺, (CH₃)₃C⁺, R—⁺Br—FeBr₃^–

Nukleofiili ( "ydinten ystävä") on molekyyli tai ioni, jolla on vapaa elektronipari ja joka siitä syystä hakeutuu reaktioissa positiivista varausta tai osittaisvarausta kohti.
Esimerkkejä: OH^–, halogenidit, CH₃O^–, H₂O, NH₃

Nukleofiili suuntautuu karbonyyliryhmän hiiliatomia kohti ja elektrofiili happiatomia kohti.

	19. Markovnikovin sääntö koskee alkeenien additioreaktioita. Säännön mukaan HX:n additiossa vety liittyy siihen kaksoissidoksen hiiliatomiin, johon jo ennestään on sitoutunut useampia vetyatomeja ja X toiseen hiiliatomiin. X on tavallisimmin halogeeni tai hydroksyyliryhmä.

	Lisää aiheesta (omaan ikkunaansa)

	20. Additio bentseenirenkaaseen edellyttää renkaan pii-elektronipilven hajottamista, johon energiaa kuluu melkoisesti. Substituutiossa korvautuu jokin renkaan vetyatomeista -elektronipilven häiriintyessä vain väliaikaisesti. Vertailuun voidaan käyttää sidosenergioita: bentseenin CC-sidos 550 kJ/mol, C–H-sidos 412 kJ/mol.

1.	Miksi atomit eivät liity moniatomisiksi molekyyleiksi ionisidoksin vaan kovalenttisin sidoksin?	Vastaus 1
2.	Millainen hiiliatomien muodostamien sidosten geometria a) alkaanin b) alkeenin c) alkyynin molekyylissä?	Vastaus 2
3.	Mitkä tekijät vaikuttavat siihen, onko alkaani huoneen lämpötilassa ja normaalipaineessa kaasu, neste vai kiinteä aine?	Vastaus 3
4.	Mitä tarkoittaa, että syklopropaanin ja syklobutaanin rengas on jännittynyt?	Vastaus 4
5.	Mitä konformaatioisomeria on?	Vastaus 5
6.	Mitä tarkoittaa, että alkeenimolekyyli jäykempi kuin alkaanimolekyyli?	Vastaus 6
7.	Miksi sykloheksaanin tuolimuoto on pysyvämpi kuin venemuoto?	Vastaus 7
8.	Mitä tarkoittaa hybridisaatio hiiliatomin yhteydessä?	Vastaus 8
9.	Mitä tarkoittaa ”tyydyttymätön yhdiste?”	Vastaus 9
10.	Miten rakenneisomeeri ja geometrinen isomeeri poikkeavat toisistaan? Piirrä esimerkki!	Vastaus 10
11.	Piirrä C₅H₁₂ -isomeerien rakennekaavat. Miten molekyylirakenteet vaikuttavat näiden yhdisteiden ominaisuuksiin?	Vastaus 11
12.	Mitä on a) konjugaatio b) aromaattisuus? Miten ne liittyvät toisiinsa?	Vastaus 12
13.	Mitä on resonanssi?	Vastaus 13
14.	Mistä johtuu, etteivät alkaanit reagoi kovin herkästi?	Vastaus 14
15.	Millaisia ovat a) alkaanien b) alkeenien tyypilliset reaktiot?	Vastaus 15
16.	Mihin alkaaneja käytetään? Miksei niiden huono reaktiokyky siinä haittaa?	Vastaus 16
17.	Miksi alkaanien reaktiossa aktivoitumisenergia on yleensä korkeampi kuin alkeenien reaktioissa?	Vastaus 17
18.	Mitä ovat elektrofiilit ja nukleofiilit? Mihin kohtaan karbonyyliryhmää C=O suuntautuu elektrofiili, mihin nukleofiili?	Vastaus 18
19.	Mikä on Markovnikovin sääntö?	Vastaus 19
20.	Mistä johtuu, ettei additio tapahdu bentseenirenkaaseen yhtä helposti kuin substituutio?	Vastaus 20