Õpitee
Start here: Mool ja aine hulk
L1
general chemistry
Mool ja aine hulk
Mool on SI-ühik osakeste loendamiseks, defineeritud nii, et üks mool mistahes ainet sisaldab sama arvu osakesi — see lubab kaalul mõõdetud massi teisendada aatomite või molekulide arvuks.
Unlocks: Keemiline side, Elektrolüüdilahused ja elektrijuhtivus, Massispektromeetria, Stöhhiomeetria, UV-Vis spektroskoopia ja Beer-Lamberti seadus, Raoulti seadus ja kolligatiivsed omadused
Keemiline side
Aatomid seonduvad elektrone loovutades või jagades ning see, kus side ioonilise ja kovalentse vahelisel skaalal asub, sõltub elektronegatiivsuste erinevusest — mis omakorda ennustab aine sulamistemperatuuri, lahustuvust ja juhtivust.
Requires: Mool ja aine hulk
Unlocks: Happed, alused ja pH, Funktsionaalrühmad, Molekulaarorbitaali teooria ja hübridisatsioon, Reaktsioonimehhanismid ja sideme katkemine, Redoksreaktsioonid, Perioodilisussüsteem, Oksiidid ja hapnikhapped, Süsiniku ja räni rühm, Siirdemetallid ja kompleksühendid
Stöhhiomeetria
Tasakaalustatud võrrand annab kindla suhte, milles ained reageerivad, moolides, mitte grammides — seega tähendab saaduse koguse ennustamine moolideks teisendamist, suhte rakendamist ja tagasi teisendamist.
Requires: Mool ja aine hulk
Unlocks: Keemiline tasakaal
Happed, alused ja pH
Hape loovutab prootoneid ja alus võtab neid vastu; pH on vesinikioonide kontsentratsiooni negatiivne logaritm, seega tähendab iga pH-ühik kümnekordset happesuse muutust.
Requires: Keemiline side
Unlocks: Oksiidid ja hapnikhapped
Redoksreaktsioonid
Redoksreaktsioonis kanduvad elektronid ühelt osakeselt teisele: loovutaja oksüdeerub ja vastuvõtja redutseerub ning kuna elektrone ei saa juurde tekitada, toimuvad need kaks alati koos ja võrdses koguses.
Requires: Keemiline side
Unlocks: Vesinik ja elektrolüüs, Metallide korrosioon ja elektrokeemiline pingerida, Halogeenid, Lämmastiku rühm, Nernsti võrrand ja elektroodipotentsiaalid
Perioodilisussüsteem
Elementide järjestamine aatomnumbri järgi paigutab need rühmadesse, mille liikmetel on ühesugune väliselektronide konfiguratsioon, mistõttu omadused nagu aatomiraadius, ionisatsioonienergia ja reaktsioonivõime muutuvad perioodis ja rühmas ennustatavate seaduspärade järgi.
Requires: Keemiline side
Unlocks: Süsiniku ja räni rühm, Halogeenid, Lämmastiku rühm, Siirdemetallid ja kompleksühendid
Keemiline tasakaal
Pöörduv reaktsioon jõuab tasakaalu, kui pärid- ja vastassuunalise reaktsiooni kiirused võrdsustuvad, mistõttu kontsentratsioonid enam ei muutu, kuigi mõlemad reaktsioonid jätkuvad — ja häiring nihutab tasakaalu suunas, mis seda osaliselt tasandab.
Requires: Stöhhiomeetria
Unlocks: Adsorptsiooniisotermid, Kolloidsüsteemid ja elektrokineetilised nähtused, Faasitasakaal ja Clausiuse-Clapeyroni võrrand, Raoulti seadus ja kolligatiivsed omadused, Keemiline kineetika
Keemiline kineetika
Reaktsioonikiirus sõltub sellest, kui sageli lähteainete osakesed põrkuvad piisava energia ja õige orientatsiooniga, mistõttu kontsentratsioon, temperatuur, pindala ja katalüsaatorid muudavad seda — tasakaaluasendit puudutamata.
Requires: Keemiline tasakaal
Unlocks: Nukleofiilne asendusreaktsioon, Reaktsioonikiiruse võrrandid ja järk
L2
physical chemistry
Elektrolüüdilahused ja elektrijuhtivus
Tugev elektrolüüt dissotsieerub lahuses sisuliselt täielikult ioonideks, samal ajal kui nõrk elektrolüüt jõuab ainult osalise dissotsiatsiooni tasakaaluni, ja see erinevus avaldub otseselt moolses elektrijuhtivuses, mis tugeva elektrolüüdi jaoks langeb kontsentratsiooniga ainult tagasihoidlikult ioon-ioon vastastikmõjude tõttu, kuid nõrga elektrolüüdi jaoks langeb järsult kontsentratsiooni kasvades, kuna tegelikult dissotsieerunud osakaal väheneb.
Requires: Mool ja aine hulk
Faasitasakaal ja Clausiuse-Clapeyroni võrrand
Piki kahe puhta aine faasi vahelist piiri faasidiagrammil on aururõhk ja temperatuur omavahel lukustatud Clausiuse-Clapeyroni võrrandiga, mis tuleneb nõudest, et mõlemal faasil oleks tasakaalus võrdne Gibbsi energia, ja selgitab, miks keemistemperatuur rõhuga tõuseb ja miks piiri järsust määrab siirde entalpia.
Requires: Keemiline tasakaal
Raoulti seadus ja kolligatiivsed omadused
Raoulti seadus väidab, et ideaalse lahuse aururõhk igast lenduvast komponendist on selle komponendi puhta aururõhk, skaleeritud tema moolimurruga, ja see lihtne lahjendamisefekt on kolligatiivsete omaduste — keemistemperatuuri tõusu, külmumistemperatuuri languse ja osmootse rõhu — ühine päritolu, mis sõltuvad ainult sellest, kui palju lahustunud osakesi on lahustunud, mitte sellest, mis need keemiliselt on.
Requires: Keemiline tasakaal, Mool ja aine hulk
Nernsti võrrand ja elektroodipotentsiaalid
Nernsti võrrand seob elektrokeemilise elemendi tegeliku pinge tema standardpotentsiaali ja kaasatud osaliste kontsentratsioonidega (aktiivsustega), näidates, et elemendi potentsiaal ei ole fikseeritud konstant, vaid nihkub kontsentratsiooniga viisil, mis jõuab täpselt nullini siis, kui elemendi reaktsioon jõuab tasakaaluni.
Requires: Redoksreaktsioonid, Metallide korrosioon ja elektrokeemiline pingerida
Reaktsioonikiiruse võrrandid ja järk
Reaktsiooni kiiruse võrrand väljendab selle kiirust kiiruskonstandi ja lähteainete kontsentratsioonide korrutisena, tõstetuna eksperimentaalselt määratud astmetesse — reaktsiooni järk igas osalises —, mis tuleb mõõta, mitte lugeda maha tasakaalustatud võrrandist, kuna reaktsiooni järk peegeldab tema tegelikku samm-sammulist mehhanismi, mitte tema üldist stöhhiomeetriat.
Requires: Keemiline kineetika
Arrheniuse võrrand ja aktivatsioonienergia
Arrheniuse võrrand, k = A·e^(−Ea/RT), tabab, miks reaktsioonikiirused kasvavad temperatuuriga järsult: ainult molekulid, mis põrkuvad kineetilise energiaga üle aktivatsioonienergia Ea, saavad reageerida, ja eksponentsiaalselt kasvav osa molekulidest, mis seda lävendit temperatuuri tõustes täidavad, ongi see, mis juhib kiiruskonstandi tugevat temperatuurisõltuvust.
Requires: Reaktsioonikiiruse võrrandid ja järk
Unlocks: Katalüüs: homogeenne ja heterogeenne
analytical chemistry
Massispektromeetria
Massispektromeeter identifitseerib molekule, ioniseerides proovi, eraldades tekkinud ioonid nende massi-laengu suhte järgi ja registreerides iga suhte esinemissageduse, tekitades massispektri, mille fragmenteerumismuster toimib algse molekuli struktuurse sõrmejäljena lisaks tema täpse molekulmassi andmisele.
Requires: Mool ja aine hulk
UV-Vis spektroskoopia ja Beer-Lamberti seadus
Värviline või UV-kiirgust neelav lahus neelab valgust kõige tugevamalt lainepikkustel, mis vastavad tema molekulide elektronsiiretele, ja Beer-Lamberti seadus väidab, et neeldumine on otseselt võrdeline nii neeldava osalise kontsentratsiooni kui valguse teepikkusega läbi proovi, muutes lihtsa neeldumise mõõtmise otseseks kvantitatiivseks kontsentratsiooni määramiseks.
Requires: Mool ja aine hulk
organic chemistry
Funktsionaalrühmad
Funktsionaalrühm on molekulis reageeriv konkreetne aatomite paigutus, seega alluvad sama funktsionaalrühmaga molekulid samadele iseloomulikele reaktsioonidele, olenemata sellest, kui suur või erinev on ülejäänud molekul.
Requires: Keemiline side
Unlocks: Aromaatsus, Nukleofiilne asendusreaktsioon
Reaktsioonimehhanismid ja sideme katkemine
Kovalentne side võib katkeda homolüütiliselt, kusjuures kumbki aatom hoiab ühe elektroni, moodustades kaks neutraalset radikaali, või heterolüütiliselt, mille korral mõlemad elektronid lähevad ühele aatomile, moodustades katiooni ja aniooni, ning see, kumba rada reaktsioon järgib, määrab, kas tekkivad reaktiivsed osakesed on radikaalid või elektrofiilid ja nukleofiilid, mis domineerivad ioonses orgaanilises keemias.
Requires: Keemiline side
Unlocks: Alkeenide ja alküünide liitumisreaktsioonid, Karbonüülkeemia ja nukleofiilne liitumine
Aromaatsus
Aromaatne ring, näiteks benseen, omab elektrone, mis on ühtlaselt delokaliseeritud üle kogu ringi, mitte kinnistunud vahelduvatesse üksik- ja kaksiksidemetesse, mistõttu on see tavalisest alkeenist palju stabiilsem ja reageerib teisiti.
Requires: Funktsionaalrühmad
Alkeenide ja alküünide liitumisreaktsioonid
Alkeeni või alküüni suhteliselt nõrga, avatud pi-sideme lõhub liitumisreaktsioon, mille käigus elektrofiili tõmbab ligi elektronirikas pi-side, see moodustab sideme ühe süsinikuga ja tekitab katioonse vaheühendi, mida seejärel ründab nukleofiil, muutes kaksik- või kolmiksideme uuteks üksiksidemeteks lisatud aatomitega.
Karbonüülkeemia ja nukleofiilne liitumine
Ketooni või aldehüüdi süsinik-hapnik kaksikside on tugevalt polariseeritud, jättes süsiniku elektronivaeseks ja otseselt nukleofiilidele atraktiivseks, mis liituvad üle pi-sideme, moodustades tetraeedrilise alkoksiidi vaheühendi — sama polarisatsioon lubab ka alfa-süsiniku C-H sidemetel ioniseeruda nõrga happena, avades teise, täiendava reaktsioonivõimekuse režiimi nimega enoliseerumine.
Requires: Reaktsioonimehhanismid ja sideme katkemine
Unlocks: Karboksüülhappe derivaadid ja nukleofiilne atsüülasendus
Elektrofiilne aromaatne asendusreaktsioon
Benseeni delokaliseeritud elektronide ring reageerib elektrofiilidega asenduse, mitte liitumise teel, kuna rünnakust tekkiv vaheühend säilitab osalise ringi ja viimane samm taastab aromaatse süsteemi prootoni kaotamise, mitte teise rühma lisamise teel, säilitades suure stabilisatsioonienergia, mille liitumine muidu hävitaks.
Requires: Aromaatsus, Alkeenide ja alküünide liitumisreaktsioonid
Nukleofiilne asendusreaktsioon
Nukleofiil on elektronirikas osake, mis ründab elektronivaest süsinikku, tõrjudes välja lahkuva rühma; reaktsioon võib toimuda ühes samaaegses etapis või kahes etapis läbi stabiilse vaheühendi, ja see, milline tee toimib, muudab seda, mis tulemust ennustab.
Requires: Funktsionaalrühmad, Keemiline kineetika
theoretical chemistry
Molekulaarorbitaali teooria ja hübridisatsioon
Molekulaarorbitaali teooria ehitab sideme, kombineerides aatomorbitaalid uuteks orbitaalideks, mis on delokaliseeritud üle kogu molekuli, kusjuures siduvad kombinatsioonid on madalama energiaga kui algsed aatomorbitaalid ja lõdvestavad kombinatsioonid kõrgema energiaga, samal ajal kui orbitaali hübridisatsioon on täiendav raamatupidamisvahend, mis segab aatomi enda orbitaalid uuteks kujudeks, mis vastavad tegelikult vaadeldud geomeetriale, näiteks tetraeedrilisele sp3 paigutusele tüüpilise süsinikuaatomi ümber.
Requires: Keemiline side
inorganic chemistry
Oksiidid ja hapnikhapped
Elemendi oksiid on aluseline, kui element on tugevalt metalliline, happeline, kui element on tugevalt mittemetalliline, ja amfoteerne elementide jaoks, mis asuvad metalli-mittemetalli piiri lähedal, ning sama trend jätkub hapnikhapetes — hapetes, mis sisaldavad hapnikuga seotud tsentraalset aatomit —, mille happe tugevus kasvab selle tsentraalse aatomi elektronegatiivsuse ja oksüdatsiooniastmega.
Requires: Keemiline side, Happed, alused ja pH
Vesinik ja elektrolüüs
Vesinik moodustab ühendeid peaaegu kogu perioodilisussüsteemi ulatuses, ulatudes ioonsetest hüdriididest reaktiivsete metallidega kuni kovalentsete hüdriidideni mittemetallidega, ning elektrivoolu läbijuhtimine vee või sulasoola kaudu (elektrolüüs) käivitab muidu mitteiseeneslikult kulgeva lagunemisreaktsiooni, sundides elektrone katioonidele katoodil ja tõmmates neid anioonidelt anoodil.
Requires: Redoksreaktsioonid
Metallide korrosioon ja elektrokeemiline pingerida
Elektrokeemiline (aktiivsus-) pingerida järjestab metallid nende kalduvuse järgi kaotada elektrone ja oksüdeeruda, ennustades nii seda, milline metall paarist korrodeerub eelistatult, kui nad on elektrilises kontaktis, kui ka seda, miks reaktiivsem 'ohverdatav' metall suudab kaitsta vähem reaktiivset metalli korrosiooni eest, oksüdeerudes tema asemel.
Requires: Redoksreaktsioonid
Süsiniku ja räni rühm
14. rühm ulatub süsinikust, mille võime moodustada tugevaid sidemeid iseendaga ja laia valikut teiste elementidega on kogu orgaanilise keemia aluseks, läbi räni, mille võrreldavalt tugevad sidemed hapnikuga muudavad selle asemel silikaadid tahke Maa domineerivaks keemiaks, kuni üha metallilisema germaaniumi, tina ja pliini.
Requires: Perioodilisussüsteem, Keemiline side
Halogeenid
Halogeenid on kõige reaktsioonivõimelisem mittemetallide rühm, sest igal aatomil on täidetud väliskihini vaja ainult ühte lisaelektroni, ning nende oksüdeeriv võime langeb rühmas allapoole liikudes ühtlaselt, kuna seda elektroni on üha raskem ligi tõmmata.
Requires: Perioodilisussüsteem, Redoksreaktsioonid
Lämmastiku rühm
15. rühm ulatub lämmastikust, kaheaatomilisest gaasist, mille kolmikside teeb selle erakordselt vähereaktiivseks, läbi fosfori ja arseeni üha metallilisema antimoni ja vismutini, ning lämmastiku enda keemiat domineerib ebatavaliselt lai oksüdatsiooniastmete vahemik, -3-st ammoniaagis kuni +5-ni lämmastikhappes, peegeldades, kui palju erinevaid sidemepaigutusi tema viis valentselektroni suudavad toetada.
Requires: Perioodilisussüsteem, Redoksreaktsioonid
Siirdemetallid ja kompleksühendid
Siirdemetallid täidavad sisemist d-alakihti, mitte kõige välimist, mistõttu suudavad need omandada mitmeid oksüdatsiooniastmeid, moodustada värvilisi ühendeid ning siduda ümbritsevaid molekule loovutatud elektronpaaridega hoitavateks kompleksühenditeks.
Requires: Perioodilisussüsteem, Keemiline side
L3
physical chemistry
Adsorptsiooniisotermid
Langmuiri isoterm modelleerib gaasi adsorptsiooni tahke pinna külge dünaamilise tasakaaluna molekulide kinnitumise ja lõpliku arvu identsete pinnasaitide vahel lahkumise vahel, ennustades, et pinnakattuvus kasvab madala rõhu juures rõhuga lineaarselt, kuid saturub kõrge rõhu juures, kui iga sait on täidetud, erinevalt piiramatust, pidevalt kasvavast kattuvusest, mida lihtne proportsionaalne mudel ekslikult ennustaks.
Requires: Keemiline tasakaal
Kolloidsüsteemid ja elektrokineetilised nähtused
Vedelikus hõljuv kolloidosake omandab pinnalaengu, mis tõmbab enda ümber difuusse vastasioonide pilve elektrilise kaksikkihina; kui osake liigub vedeliku suhtes — rakendatud välja toimel (elektroforees) või raskusjõu toimel — liigub sellega kaasa ainult osa sellest pilvest, mistõttu just libisemispinnal olev elektrokineetiline (zeta) potentsiaal, mitte paljas pinnalaeng, määrab, kui tugevasti samanimeliselt laetud osakesed teineteist tõukavad ja seega, kas dispersioon püsib stabiilsena või koaguleerub.
Requires: Keemiline tasakaal