ke4 materiaalit ja teknologia - otava oppimisen ... kirjan kأ¤yttأ¤jأ¤lle mooli 4 –...

Download KE4 Materiaalit ja teknologia - Otava Oppimisen ... kirjan kأ¤yttأ¤jأ¤lle Mooli 4 – Materiaalit ja

Post on 17-Jul-2020

1 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • KE4 Materiaalit ja teknologia

    4 Leena Turpeenoja

    HELSINGISSÄ KUSTANNUSOSAKEYHTIÖ OTAVA

  • otavan asiakaspalvelu Puh. 09 156 6800

    asiakaspalvelu@otava.fi

    tilaukset Kirjavälitys Oy

    Puh. 010 345 1580

    kvtilaus@kirjavalitys.fi

    1. painos

    © 2017 Leena Turpeenoja ja Kustannusosakeyhtiö Otava

    toimitus: Suvi Salo piirrokset: Aki Scharin ja Suvi Salo kannen kuva: Getty Images graafinen suunnittelu ja taitto: Aki Scharin ja Ville Repo valokuvat: s. 184 digitaalisen aineiston kuvaukset: Hannu Huhtamo demonstraatiot: Leena Turpeenoja ja Suvi Salo

    kopiointiehdot Tämä teos on oppikirja, joka on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Tämän teoksen tai sen osan valokopiointi, skannaaminen tai

    muu digitaalinen kopiointi tai käyttö edellyttää oikeudenomistajan luvan.

    Kopiosto ry myöntää teosten osittaiseen kopiointiin lupia. Opetus- ja

    kulttuuriministeriö on hankkinut muun muassa peruskouluille, lukioille

    ja ammatillisille oppilaitoksille luvan valokopioida julkaisuja opetus- ja

    tutkimuskäyttöä varten. Teoksen tai sen osan muuntelu on kielletty.

    Lisätietoja luvista kopiosto.fi.

    ISBN 978-951-1-29431-3

  • kirjan käyttäjälle Mooli 4 – Materiaalit ja teknologia sisältää lukion kemian opetussuunnitel- man (2016) KE4-kurssin tavoitteiden ja sisältöjen mukaisen aineiston. Kurs- si on yksi kemian syventävistä kursseista.

    Kurssin keskeisinä teemoina ovat kemian merkitys teknologiassa ja yh- teiskunnassa sekä erilaisten materiaalien ominaisuudet, käyttö ja elinkaari. Kurssilla tutustutaan muun muassa metallien ja polymeerien kemiaan sekä sähkökemian sovelluksiin.

    Kokeellisuus eri muodoissaan sekä tutkimustulosten käsitteleminen, tul- kitseminen ja esittäminen ovat tälläkin kurssilla harjoiteltavia taitoja. Lisäk- si perehdytään tutkimussuunnitelman tekoon sekä kehitetään ongelman- ratkaisutaitoja. Kemiallisten reaktioiden laskennallisia taitoja syvennetään KE3-kurssin pohjalta.

    Tieto- ja viestintäteknologiaa hyödynnetään tiedonhankinnassa ja erilais- ten tuotosten muodostamisessa.

    Kiitos Jussi Tahvanaiselle tehtävien tarkistamisesta ja filosofian maisteri Johanna Puukilaiselle käsikirjoituksen kommenteista.

    Kiitokset myös Otavan kirjasäätiölle työn tukemiseen myönnetystä apu- rahasta.

    Kuopiossa huhtikuussa 2017

    Leena Turpeenoja

  • SISÄLLYS

    materiaalit ja teknologia – 6 Kivikirveestä keinoihoon – 7

    Mitä on nanoteknologia? – 8

    Materiaalit ja tuotteen elinkaari – 10

    Suomen teknologiateollisuus – 11

    KE4-kurssin tavoitteet ja sisältö – 12

    Vinkkejä kurssin opiskeluun – 12

    Oppikirjassa käytetyt symbolit – 13

    Ota selvää! – 14

    Kertaa oppimaasi! – 14

    1 jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna – 19

    1.1 Ulkoelektronirakenne ja metalliluonne – 20

    Harjoittele! – 23

    1.2 Elektronegatiivisuus ja sidoksen luonne – 24

    Harjoittele! – 26

    1.3 Atomin ja ionin koko – 27

    Harjoittele! – 33

    1.4 Oksidien happo-emäsluonne – 35

    Harjoittele! – 38

    Harjoittele lisää! – 39

    2 hapettumis- pelkistymisreaktiot ja sähkökemia – 43

    2.1 Hapetusluku ja reaktioyhtälöiden

    tasapainottaminen – 44

    Harjoittele! – 51

    2.2 Spontaanit hapettumis-

    pelkistymisreaktiot – 54

    Harjoittele! – 62

    2.3 Sähkökemialliset parit virtalähteinä – 64

    Harjoittele! – 74

    2.4 Elektrolyysi – pakotettu hapettumis-

    pelkistymisreaktio – 77

    Harjoittele! – 86

    Harjoittele lisää! – 89

    3 reaktiosarja- ja seoslaskut – 93

    3.1 Reaktiosarjojen laskennallinen

    käsittely – 94

    Harjoittele! – 97

    3.2 Seosreaktioiden laskennallinen

    käsittely – 99

    Harjoittele! – 105

    Harjoittele lisää! – 107

  • 4 erilaisia materiaaleja – 109

    4.1 Metallit materiaaleina – 110

    Harjoittele! – 118

    4.2 Siirtymämetallien

    erityisominaisuuksia – 122

    Harjoittele! – 128

    4.3 Keraamit ja komposiitit – 132

    Harjoittele! – 136

    Harjoittele lisää! – 137

    5 polymeerit – 143

    5.1 Erilaisia polymeerejä – 144

    Harjoittele! – 147

    5.2 Synteettiset polymeerit – 148

    Harjoittele! – 153

    5.3 Polymeroitumisreaktiot – 155

    Harjoittele! – 162

    Harjoittele lisää! – 165

    Tutki ja kokeile! – 168

    Työ 1. Aineiden ominaisuudet ja

    jaksollinen järjestelmä – 168

    Työ 2. Alkuaineiden reaktiivisuus –

    tee tutkimussuunnitelma! – 168

    Työ 3. Metallien jännitesarja – 169

    Työ 4. Erilaisia hapettumis-

    pelkistymisreaktioita – 170

    Työ 5. Sähköparin lähdejännite – 171

    Työ 6. Erilaisia elektrolyysejä – 172

    Työ 7. Galvaanisen kennon lähdejännite –

    tee tutkimussuunnitelma! – 173

    Työ 8. Hypokloriittipitoisuuden

    määrittäminen – 174

    Työ 9. Kupari(II)oksidin valmistus

    reaktiosarjalla – 175

    Työ 10. Mineraalitutkimus – 176

    Työ 11. Metallien korroosio –

    tee tutkimussuunnitelma! – 178

    Työ 12. Messingin koostumuksen

    määrittäminen – 178

    Työ 13. Cu2+-ionipitoisuuden määrittäminen – 180

    Työ 14. Veden rautaionipitoisuuden

    määrittäminen – 181

    Työ 15. Tutkitaan polymeerejä – 182

    Työ 16. Valmistetaan polymeerejä – 182

    Kuvalähteet – 184

    Keskeisiä käsitteitä – 185

    Hakemisto – 188

    Tehtävien vastaukset – 190

    Jaksollinen järjestelmä – 212

  • materiaalit ja teknologia

    6

  • kivikirveestä keinoihoon Ihmiskunnan historiassa eri aikakausia on nimetty muun muassa sen mu- kaan, millaisia materiaaleja on ollut käytettävissä. Kivikaudella työkaluja valmistettiin kivestä, puusta ja luista. Lisäksi käytössä olivat savi ja eläinten nahat. Ensimmäinen tunnettu metalli oli kupari, jota hyödynnettiin Lähi- idässä noin 6 000 eaa. Noin 3 000 vuotta myöhemmin opittiin hyödyntä- mään pronssia, joka on kuparin ja tinan seos. Tällöin elettiin pronssikauden aikaa. Rautakaudella työkalut ja aseet valmistettiin raudasta, jota puhdistet- tiin luonnon rautamalmeista. Lähi-idässä raudan pelkistämisreaktiota hyö- dynnettiin noin 2 500 eaa., mutta Eurooppaan raudan käsittelytaito saapui vasta noin 1 000 eaa. Erilaisten materiaalien käyttö näinä historiallisina aika- kausina perustui pelkästään käytännön kokemuksiin ja materiaalien ominai- suuksista tehtyihin havaintoihin, sillä aineiden rakennetta ei vielä tunnettu eikä erilaisten materiaalien ominaisuuksia osattu selittää.

    Materiaalien valmistus ja ominaisuuksien muuntelu kutakin käyttötar- koitusta varten oli mahdollista vasta, kun ymmärrettiin, kuinka aineet ra- kentuvat erilaisilla kemiallisilla sidoksilla ja mikä yhteys aineen rakenteella ja sen ominaisuuksilla on. Nykyisin tiedämme, että metallien ominaisuudet poikkeavat suuresti epämetallien ominaisuuksista ja ioniyhdisteiden ominai- suudet ovat kovin erilaiset molekyyliyhdisteiden ominaisuuksiin verrattuna. Lisäksi osaamme selittää aineen kemiallisen rakenteen avulla, mistä ominai- suuksien erot johtuvat.

    Kuva 1. Suomessa raudanpuhdistus esi- merkiksi järvimalmeista tapahtui niin sanotuissa ruukeissa, joissa voi- manlähteinä käytettiin höyrykoneita. Kuvassa on Museoviraston konservoima Sourun ruukin 25 metriä korkea tiilipiippu. Kuva: Museo- virasto/Soile Tirilä.

    MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA 7

  • Nykyisin materiaaleilla tarkoitetaan useimmiten kiinteitä aineita, joiden ominaisuuksia hyödynnetään teknologisissa sovelluksissa. Materiaaleja voi- daan myös luokitella esimerkiksi niiden koostumuksen, ominaisuuksien tai käyttötarkoituksen perusteella.

    1900-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa materiaaliteknologian saralla ta- pahtui paljon. Tuolloin kehitettiin monia uusia materiaaleja kuten keraame- ja, erilaisia komposiitteja, nestekiteitä sekä biohajoavia ja sähköä johtavia muoveja. Materiaalitekniikka on osaltaan mahdollistanut muun muassa lää- ketieteen, elektroniikan ja informaatiotekniikan nopean kehityksen.

    Kemistit kehittävät edelleenkin erilaisia kuituja, kalvoja, pinnoitteita ja liima-aineita, joilla voi olla sähköisiä, magneettisia tai optisia ominaisuuksia tai ne ovat mekaanisesti erityisen kestäviä.

    Uusien materiaalien kehittäminen ja jo käytössä olevien materiaalien omi- naisuuksien parantaminen on yhteistyötä monien eri osaajien välillä. Tässä työssä tarvitaan kemistejä, fyysikkoja, biologeja ja insinöörejä. Vahva mate- matiikan osaaminen mahdollistaa erilaisten matemaattisten mallien ja las- kennallisten menetelmien hyödyntämisen, kun materiaalia kehitetään mit- tatilaustyönä tiettyä tarkoitusta varten.

    mitä on nanoteknologia? Nanoteknologia liittyy atomien, molekyylien ja kooltaan 100 nanometriä pienempien rakenteiden tutkimukseen ja hyödyntämiseen. Tällöin puhutaan keskimäärin 1 000 atomia sisältävistä kokonaisuuksista. Nanopartikkeleiksi kutsuttujen rakenteiden tuottaminen voi tapahtua kahdella eri tava

Recommended

View more >