Himmelsk kjemi bla i bok by Cappelen Damm

Bjørn Gunnar Steen

Steen

Himmelsk kjemi Innføring i generell og organisk kjemi

Boka presenterer faget på en ny og spennende måte, der et møte mellom vitenskapsmannen Ernest Rutherford og St. Peter i himmelriket introduserer studenten for viktige temaer. Gjennom deres dialog treffer vi mange historiske personer som har stått for sentrale oppdagelser innen kjemien. Boka tar utgangspunkt i det enkle og er tilrettelagt slik at inngående forkunnskaper i kjemi ikke skal være nødvendig. I 2. utgave er det gjort noen mindre rettinger av trykkfeil, fasitsvar, feilplasserte figurer etc. Den eneste store endringen fra 1. utgave er i avsnitt X7 om oksidativ fosforylering, der det nå er gitt en mer grundig gjennomgang av hvordan denne skjer. Til hvert kapittel finnes oppgaver med fasit som gir studentene anledning til fortløpende å teste sine kunnskaper. Det er utarbeidet en nettressurs som inneholder løsningsforslag til alle oppgaver i boka, forslag til laboratorieøvelser m.m.

Himmelsk kjemi

Himmelsk Kjemi er ei lærebok som gir en innføring i generell og organisk kjemi samt utvalgte biokjemiske emner. Boka dekker det som er vanlig i et innføringskurs i kjemi ved høgskoler og universiteter.

bjørn gunnar steen er cand.real. med hovedfag i analytisk kjemi fra Universitetet i Oslo. Han har undervist både i videregående skole og på høgskoler og er i dag senioringeniør ved Institutt for Natur-, Helse- og Miljøvernfag ved Høgskolen i Telemark i Bø.

i m e j k ll e r e n e g i Innføring mi e j k k s i n a og org

2. utgave

ISBN 978-82-02-47071-5

k s l e Himm

2. utgave www.cda.no

Himmelsk kjemi 2 utgave.indd 1

02.09.14 12:16

Forord til 2. utgave

Hvorfor studere kjemi? Foruten at kjemi er interessant i seg selv, er det et typisk grunnlagsfag for en mengde andre studier. Her kan vi nevne medisin, farmasi, odontologi, biologi, fysikk, geologi, natur- og miljøfag og landbruksfag. Dessuten kommer vi borti kjemi hver eneste dag uten at vi tenker nærmere over det, f.eks. i form av mat og drikke. I massemedia dukker stoff av kjemisk art opp stadig vekk. I boka treffer vi St. Peter og vitenskapsmannen Ernest Rutherford. Gjennom deres møter og dialog presenteres vi for mange kjente personer som har vært viktige for kjemiens utvikling, og på denne måten introduseres studentene for viktige temaer. Boka tar utgangspunkt i det enkle og er tilrettelagt slik at inngående forkunnskaper i kjemi ikke skal være nødvendig, men det skader jo aldri å kunne litt kjemi fra tidligere. Til hver kapittel er det laget eksempler for å lette forståelsen. Eksemplene starter med en problemstilling markert med en lås med en nøkkel

. Deretter kommer forklaring og løsninger markert

. Til hvert kapittel finnes også en rekke øvingsoppgaver. Løsning til disse

finnes bak i boka. Jeg vil rette en stor takk til førstelektor Arne Myhre som har lest gjennom hele manuskriptet, og fått lukt bort de verste blunderne. Jeg vil også takke avdelingsingeniørene Ralph Stålberg og Frode Bergan for hjelp med fotografiene. I 2. utgave er det gjort noen mindre rettinger av trykkfeil, fasitsvar, feilplasserte figurer, osv. Den eneste store endringen fra 1. utgave er i avsnitt X7 om oksidativ fosforylering, der det nå er gitt en mer grundig gjennomgang av hvordan denne skjer. Kjemi har hatt en enorm betydning i samfunnet – både på godt og vondt. Det er så mange grunner til å lære seg litt kjemi at det ikke er noe å nøle med. La oss derfor følge St. Peter på vandring gjennom kjemiens spennende verden! Bø, august 2014 Bjørn Gunnar Steen

Prolog

St. Peter (vinker farvel til en mann): Du verden, for en hyggelig person! Og så vakkert et dikt han hadde skrevet i sin tid nede på Jorden. Jeg må lese begynnelsen av det en gang til:

VAND AV NORDAHL GRIEG Vet De hva jeg lengter efter, det som bare er at le av, det jeg ofret år av livet, for at få om det gikk an. Det jeg tænker på om dagen, det jeg griner for om natten, det er vand! Vand som rinder, vand som risler, vand om våren, vand om høsten … Kan De fatte dette, mand? St. Peter (prater høyt med seg selv): Ja, det kan jeg absolutt fatte! Jeg husker da godt hvor verdifullt vannet var den gangen jeg gikk med Mesteren nede på Jorden. Så godt et vann vi drog opp fra brønnene! Jeg kan huske hvordan vi fikk salt ut av vann. Vi lot sjøvannet ligge i et stort kar og dampe vekk. Vi fikk flotte, hvite saltkrystaller ut i bunnen av karet. Det rare var at alle hadde omtrent den samme formen – de så ut som terninger, riktignok av ulik størrelse. Saltet må jo ha vært oppløst i sjøvannet, men det er jo ikke alt som løser seg i vannet – mitt kritt og min lampeolje for eksempel! Hva i all verden kan det komme av? Og hvorfor damper egentlig vannet vekk? Hvor blir det av? Og hva skjer med vannet en kald natt? Det blir til is! Og så lang tid det tar å smelte denne isen igjen dersom den er blitt tykk nok. Jeg skjønte nå aldri helt hvorfor Mesteren gjorde om vannet til vin den gangen. Vinen var jo bra nok den, i alle fall i begynnelsen. Men den ble så sur etter hvert. Hva i all verden skjedde da? Og hvorfor kunne ikke den sure vinen bli til god vin igjen? Nei, det er tydeligvis mye jeg ikke helt har forstått. Hvordan ser egentlig vannet ut dersom vi deler det opp i mindre biter? Det må jo være en slags byggesten som bygger opp vannet. Og hva med sanden jeg går på? Er et lite sandkorn byggestenen i sand? Nei, vi kan vel dele dette kornet i to, og så i to igjen. Huff, en blir vel bare rar av å tenke slik …

Rutherford: Unnskyld, St. Peter! Jeg kunne ikke unngå å høre at De gikk og filosoferte for Dem selv. St. Peter: God dag! Jeg tror ikke at jeg har truffet Dem før? Rutherford: Mitt navn er Ernest Rutherford. Jeg kom opprinnelig fra New Zealand, men flyttet til England. Jeg er fysiker av yrke, og ble gledelig overrasket over at noen tenker på hvorfor ting i naturen er slik som de er. St. Peter: Ja, jeg må innrømme at slike tanker har falt meg inn tidligere også, men akkurat i dag ble jeg interessert i å vite hvorfor tingene er slik. Men De har kanskje ikke så mye greie på dette, De som bare er fysiker? Rutherford: Bare fysiker? Nei, jeg kan si Dem at både fysikere, kjemikere, biologer, matematikere, meteorologer, geologer, medisinere og andre vitenskapsmenn har ytt sine store og mindre store bidrag til å forklare mye av de tingene vi opplever til daglig. Jeg har mange venner innen disse områdene, St. Peter, og det ville sikkert glede dem alle stort å lære Dem såpass med kjemi at De vil kunne skjønne mer av det som skjer rundt Dem. St. Peter: Men tror De at jeg har forutsetninger for å kunne forstå alt dette, Mr. Rutherford? Det aner meg at alt dette ikke er så altfor enkelt å begripe for menigmann. Rutherford: Jeg skal si Dem en ting, St. Peter: Om man ikke får tak i all teorien som ligger bak kjemiens lover, er ikke det så farlig. Det er å kunne bruke resultatene av teorien som er det viktigste. Og man kommer utrolig langt med litt innsatsvilje. St. Peter: Som gammel fisker har jeg lært meg tålmodighetens kunst, så dette høres interessant ut. Jeg tror jammen jeg tar imot Deres tilbud, Mr. Rutherford. Rutherford: Da vil jeg samle noen folk allerede i morgen, St. Peter, og innby Dem til samlingen. Velkommen skal De være!

A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

A1 Innledning ……………………………………………………………… 12 A2 Atomet – elementærpartiklene ………………………………………… 14 A3 Grunnstoffer og isotoper ……………………………………………… 16 A4 Elektronstruktur for de første 18 grunnstoffene ……………………… 18 A5 Molekylære forbindelser ……………………………………………… 20 A6 Ioniske forbindelser – salter – formelenhet …………………………… 21 A7 Det periodiske systemet………………………………………………… 23 A8 Å finne ioneladninger og saltformler ut fra det periodiske systemet … 23 A9 Enkel innføring i bindingsteori ………………………………………… 26 A10 Oppsummering ………………………………………………………… 28

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

Innledning

Rutherford: Velkommen til den første leksjonen, St. Peter! St. Peter: Jo, takk som byr! Jeg må innrømme at jeg er redd jeg har tatt meg vann over hodet. Er ikke kjemi fryktelig vanskelig? Rutherford: Kjære Dem. St. Peter! Det sitter millionvis av mennesker både her oppe og der nede som har lært kjemi i alle fall i 100 år! Mange av disse har faktisk også forstått en god del av kjemien. St. Peter: Men er ikke kjemi noe som stort sett skjer i laboratoriene da? Jeg har inntrykk av at faget ikke har stort med meg og mitt daglige liv å gjøre. Rutherford: Så det tror De? Da vil jeg be Dem å peke på noe i dette rommet som ikke er et kjemisk stoff! St. Peter: Ja, det skulle være greit! Dette trebordet, for eksempel! Rutherford: Tre er bygget opp blant annet av stoffet cellulose, som tilhører gruppen vi kaller karbohydrater. St. Peter: Men den pyntestenen som ligger i hjørnet der borte da? Rutherford: De fleste stener har silisium og oksygen til hovedmateriale, i tillegg til en masse andre grunnstoffer. St. Peter: Glasset i vinduet! Det kan da ikke være noe kjemisk stoff! Rutherford: Å, ikke det? Glass kan bestå av så mye forskjellig, men silisium, oksygen, natrium, kalsium og aluminium er som oftest med. St. Peter: Nå vet jeg det! De og jeg! Vi er da ikke noe kjemisk stoff! Rutherford: Jo, så menn er vi det! Vi er oppbygd av kjemiske stoffer fra topp til tå, og mange av de grunnstoffene som finnes, er med i kroppen vår et eller annet sted. St. Peter: Men mener De da å fortelle meg at alt som eksisterer, er kjemiske stoffer? Rutherford: Ja visst! Da forstår De sikkert at det ikke er så dumt å kunne litt kjemi. De ville jo gjerne forstå litt av det som skjer i naturen? Jeg har tatt med meg fem personer hit i dag, som alle har hatt sine teorier om atomet – den lille delen som bygger opp disse kjemiske stoffene som alt består av. Får jeg presentere: Den greske filosofen Demokrit, Mr. John Dalton, Mr. John Thomson og Mr. James Chadwick fra England og Herr Niels Bohr fra Danmark. I tillegg vil jeg gjerne selv delta i dette selskapet. St. Peter: Atomer høres for meg ut som noe skummelt. Det er nok av folk her oppe som har opplevd atombomben. Demokrit: Nei, ikke bland sammen atomer og atombomben, St. Peter! Det er faktisk jeg som innførte navnet atomer, for dere er vel alle klar over at navnet atom er gresk? I min tid filosoferte vi mye over hva tingene i verden var bygget opp av. Man kunne tenke seg å kutte opp en gjenstand i mindre og mindre biter. Men hvor langt ned kunne man da komme? Etter min mening ville vi til slutt ende opp med noen små, udelelige enheter. Disse enhetene gav jeg navnet atomer, da atomos betyr udelelig på mitt språk. Dalton: Min kjære Mr. Demokrit! De kan være stolt av disse tankene! Det tok nesten 2000 år etter Deres bortgang før noen for alvor tok fatt i atomteorien igjen, og navnet atom overlevde disse 2000 årene. Men det var jo andre filosofer i Deres land som fremsatte tvilsomme

A1 Innledning

teorier, slik som at alle ting var bygd opp av de fire elementene ild, jord, luft og vann. Dette stemmer jo ikke! Mine eksperimenter overbeviste meg om at Deres atomteori hadde meget for seg, men at den nok måtte modifiseres en smule. Alle atomer er ikke like, skjønner De! Et atom kobber og et atom gull er nok små kuler av form, men de er ikke like store. Men et kobberatom kan ikke forandre seg til et gullatom. Jeg la frem mine teorier om atomer i 1807, der jeg påpekte at vel er atomer av forskjellige slags stoffer ulike, men atomene i det samme stoffet er aldeles like! Jeg tillot meg å gi slike stoffer fellesnavnet grunnstoffer. Demokrit: Jeg må beklage min landsmann Aristoteles’ teorier om de fire elementene. Her var han nok ikke helt på høyden. St. Peter: Dette høres ikke ut som noen farlig bombe. Så atomene er altså udelelige? Thomson: Min store landsmann Dalton fant nok ut meget om atomene, men hans ide om atomenes udelelighet måtte jeg nok gå imot. I 1897 avsluttet jeg mine eksperimenter med å utsette metaller for høy spenning i lufttomme glassbeholdere. Der klarte jeg å påvise en liten partikkel som måtte komme ut av selve metallatomet. Jeg klarte også å påvise at denne partikkelen hadde negativ ladning, da den ble tiltrukket av en positivt ladd metallplate. Denne partikkelen kalte jeg elektron. Det mest interessante var likevel at uansett hvilket metall jeg benyttet, fikk jeg den samme partikkelen ut. Etter min mening måtte det bety at denne partikkelen, altså elektronet, finnes i alle typer grunnstoffer. Jeg har til og med hørt at mine eksperimenter brukes på jorden den dag i dag i innretninger som kalles televisjonsapparater. Rutherford: Jeg kan bekrefte Mr. Thomsons teorier om at atomene slett ikke er udelelige, og så absolutt ikke er massive kuler. Mr. Thomson trakk helt riktig den slutning at siden elektronene har negativ ladning, og atomet som helhet er nøytralt, måtte det også være partikler med positiv ladning inne i atomet. I 1911 lyktes det meg å påvise denne partikkelen. En fransk bekjent av meg, Henri Becquerel, hadde påvist at det fantes stoffer som sender ut partikler eller stråler. Disse blir kalt for alfapartikler og viste seg å være positivt ladde. Ved å sende slike alfapartikler inn mot en tynn folie av gull skulle man tro at de ville stoppes fullstendig dersom gullatomene virkelig var massive kuler. Men så skjedde ikke. De aller fleste alfapartiklene gikk rett gjennom gullfolien uten å bli stoppet eller avbøyd det minste. Men det interessante var at noen få alfapartikler ble avbøyd, og noen endret til og med retningen fullstendig, akkurat som om de hadde kollidert med noe massivt. Jeg drog da den slutningen at mesteparten av gullatomene bestod av tomt rom, men at en meget liten del av atomet var en “hard kjerne”. Denne harde kjernen støtte så vekk de alfapartiklene som traff akkurat den – og den positive ladningen som et atom må ha satt nettopp i denne kjernen. Jeg gav partikkelen navnet proton, som betyr noe slikt som “det første”. Men like fullt var det noe som ikke stemte. Atomkjernen var tyngre enn antall protoner skulle tilsi, og jeg antok derfor at atomkjernen bestod av enda en liten partikkel. Denne måtte være nøytral, og jeg foreslo navnet nøytron på den. Det var imidlertid en av mine medarbeidere, Mr. Chadwick, som fikk æren av å påvise denne partikkelen for første gang. Chadwick: Ja, men jeg fikk ideen til dette fra den store madame Curies datter Irène. Ved å bruke hennes målemetodikk klarte jeg å påvise denne partikkelen. Den viste seg å være akkurat slik som Mr. Rutherford hadde foreslått. Er ikke De enig i dette, Herr Bohr? De kom jo med Deres teorier omtrent samtidig. Bohr: De traff spikeren på hodet, Mr. Chadwick! Men mine arbeider gikk mer i retning av elektronene rundt kjernen, siden De og Mr. Rutherford allerede hadde beskrevet selve kjernen så godt. Det var tidligere vanlig å anta at elektronene lå spredd tilfeldig rundt kjernen. Men i 1913 gjorde jeg en del beregninger på hydrogenatomet, og jeg fant at elektronene

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

måtte kretse rundt kjernen i bestemte avstander. Jeg utvidet mine teorier til å gjelde andre atomer, og jeg fant at disse avstandene ble større og større jo flere elektroner et atom hadde. Thomson: Men det er kommet meg for øre at Deres teorier senere er blitt noe endret av andre personer, Herr Bohr. Bohr: Ja, det er nok riktig. Det var jo visse ting jeg hadde problemer med å forklare, som nå er løst ved å utvikle mine teorier videre. Demokrit: Men det aller rareste jeg har hørt, er at en del mennesker der nede har erklært noen områder på jorden for atomfrie! Det blir vel kanskje noe vanskelig å få til i praksis … St. Peter: Ja, jeg kan forstå at det ikke er så enkelt. Men dette høres interessant ut! Jeg ser frem til å lære noe mer om dette atomet. Rutherford: Vær vår gjest, St. Peter!

Atomet – elementærpartiklene

Som samtalen mellom oldtidens og den nyere tidens atomforskere viste, har forestillingen om hva et atom egentlig er gjennomgått en stor utvikling. Demokrit var av forståelige grunner ikke i stand til å gjøre noen eksperimenter som kunne støtte hans tanker om at hvis man delte et stoff opp i stadig mindre biter, ville vi til slutt stå igjen med en liten partikkel som ikke kunne deles opp mer – atomet. John Dalton var den første som for alvor brukte eksperimenter til å få større kunnskap om atomet, og hans største fortjeneste er hypotesen om at alle atomer ikke er like, men at det finnes stoffer i naturen som består av nesten like atomer – grunnstoffene. Men fremdeles var hans atommodeller bare små kuler som holdt sitt indre liv godt skjult for de vitebegjærlige menneskene. Elektronet Teorien om atomenes udelelighet fikk et skudd for baugen da John Thomson oppdaget en liten partikkel som måtte bli sendt ut av atomer. Thomsons forsøk kan forenklet beskrives slik som vist i figur A2-1.

Magnet

Figur A2-1 Thomsons forsøk

Atomet – elementærpartiklene

I et lufttomt rør (evakuert rør) ble det lagt på en høy spenning mellom to metallplater i hver sin ende av røret. Thomson fant da ut at den negative metallplaten sendte ut små partikler som ble avbøyd av et magnetfelt, og av dette sluttet han at de var negativt ladde. Videre fant Thomson at uansett hvilket metall som ble brukt inne i røret, ble den samme partikkelen sendt ut. Denne partikkelen – elektronet – måtte derfor være noe som var felles hos alle grunnstoffene man til da kjente. Dette var en viktig oppdagelse. Atomkjernen – protonet Thomson og Ernest Rutherford forstod at siden et atom var elektrisk nøytralt, og det fantes negative partikler i atomet, måtte det også finnes positive partikler i atomets indre. Det var delte meninger om denne ladningen var fordelt jevnt utover i atomet eller om det fantes “en hard kjerne” av positiv ladning. Rutherford utførte da sitt berømte forsøk med å bombardere en svært tynn gullfolie med såkalte alfa-(α-)partikler. Disse visste man var positivt ladde partikler som ble sendt ut av noen spesielle grunnstoffer. Dersom den positive ladningen var jevnt fordelt utover i hele atomet, ville α-partiklene gå nokså uhindret gjennom gullfolien. Dette skjedde imidlertid ikke, noe som figur A2-2 viser.

α−kilde

Gullfolie

Forstørret α α α α

Gullfolie

Figur A2-2 Rutherfords forsøk

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

Flesteparten av α-partiklene gikk rett gjennom gullfolien, men noen ble avbøyd mer eller mindre. Det mest bemerkelsesverdige var imidlertid at noen få α-partikler ble kastet tilbake i en helt annen retning enn de hadde opprinnelig. Rutherford tolket dette slik at mesteparten av atomet måtte være tomrom, men at det fantes en partikkel med liten utstrekning som måtte være positivt ladd. De positive α-partiklene ble bøyd ut av banen dersom de passerte nær en slik partikkel (like ladninger frastøter hverandre), og de fikk fartsretningen totalt endret dersom de traff en slik partikkel. Rutherford kalte det området i atomet som inneholdt denne positivt ladde partikkelen, for atomkjernen, og han mente da at denne består av en eller flere positive partikler, som fikk navnet protoner. Utstrekningen til atomkjernen er utrolig liten sammenliknet med “tomrommet” rundt kjernen, der elektronene befinner seg. Radius til et atom er i størrelsesorden 100 000 ganger større enn radius til atomkjernen. Vi kan tenke oss kjernen som et lite knappenålshode (1 mm i diameter), og at vi legger denne ved startstreken til en 100 meter-bane. Atomets radius vil da strekke seg helt til målsnora. Dette betyr at elektronene har godt med plass rundt atomkjernen, og det er ikke rart at de fleste α-partiklene i Rutherfords forsøk gikk tvers gjennom atomene uten å bli avbøyd. Nøytronet Både Rutherford og andre forskere fant snart ut at atomkjernen hadde større masse enn antallet av protoner skulle tilsi. Rutherford foreslo selv at atomkjernen måtte bestå av en annen partikkel i tillegg til protonet. Denne nye partikkelen kunne ikke ha noen ladning, men måtte være nøytral. Rutherford gav partikkelen navnet nøytron, men han greidde ikke å påvise at en slik partikkel fantes. Det ble James Chadwick som i 1923 oppdaget nøytronet. Han fant ut at metallet beryllium sendte ut en partikkel når det ble bombardert med α-partikler. Denne nye partikkelen hadde omtrent den samme massen som protonet, men hadde mye større gjennomtrengingsevne enn dette. Partikkelen hadde ingen ladning, og Rutherfords teori om eksistensen av nøytronet var dermed bekreftet. Elementærpartiklene De tre partiklene som bygger opp et atom – elektronet, protonet og nøytronet – kalles med et fellesnavn for elementærpartiklene. Navnet har de fått av det engelske navnet for grunnstoff – element, og de ble ansett for å være udelelige. Nå vet vi i dag at det også er mulig å dele protonet og nøytronet videre i enda mindre partikler, men det ligger utenfor det som blir tatt opp i denne boka. Etter dette har elementærpartiklene fått en annen definisjon.

Grunnstoffer og isotoper

John Dalton definerte i 1805 et grunnstoff som et stoff som består av like atomer, eller sagt med dagens terminologi: Et grunnstoff består av atomer med like atomkjerner. Nå viser det seg at dette ikke er helt riktig, noe vi kommer tilbake til i slutten av dette avsnittet. Atomkjerner fra ett og samme grunnstoff inneholder det samme antallet protoner. Dette antallet kaller vi atomnummeret til grunnstoffet. I dag er det funnet omtrent 112 forskjellige grunnstoffer. Vi skriver omtrent, da det ikke er lett å holde oversikten over nye grunnstoffer som blir framstilt i laboratoriene. De fleste av

A3 Grunnstoffer og isotoper

disse finnes naturlig på jorda i svært variable mengder, men alle grunnstoffer med atomnummer over 92 er bare blitt framstilt kunstig i laboratoriene. Det samme gjelder to grunnstoffer med lavere atomnummer (nr. 43 og 61). Det mest utbredte grunnstoffet på jorda er oksygen, som vi finner i store mengder i luft, vann og i de fleste bergartene. Andre grunnstoffer, spesielt en del metaller, er ytterst sjeldne. For å holde grunnstoffene fra hverandre gir vi dem et navn og et kjemisk tegn. Dette tegnet består av en eller to bokstaver. Første bokstav er alltid stor, og dersom det er to bokstaver, er den andre liten. Ofte vil den første bokstaven i navnet være det kjemiske tegnet: Oksygen: Hydrogen: Nitrogen: Kalium:

O H N K

Dersom det er andre grunnstoffer som begynner med samme bokstav, brukes to bokstaver i tegnet: Osmium: Os Helium: He Natrium: Na Nikkel: Ni For andre stoffer er det tilsynelatende ikke noen sammenheng mellom navnet på grunnstoffet og det kjemiske tegnet. Men vi må nok bare innse at det er latin og ikke norsk som er opphavet: Kvikksølv: Jern: Sølv: Gull:

Hg (hydrargyrum) Fe (ferrum) Ag (argentum) Au (aurum)

Nå vet vi at kjernen inneholder nøytroner i tillegg til protoner. Siden et grunnstoff er bestemt av antall protoner i kjernen, betyr det at atomkjernene i et grunnstoff ikke behøver å være like. Protontallet er fast, men nøytrontallet kan variere. Vi vil derfor modifisere Daltons definisjon noe: Et grunnstoff består av atomer med like mange protoner i atomkjernen Atomkjernene i et grunnstoff trenger derfor ikke å være helt like. Vi definerer derfor videre: Atomslag med likt antall protoner, men ulikt antall nøytroner, kalles isotoper Noen få grunnstoffer består bare av en eneste isotop, men det er mye mer vanlig at et grunnstoff er en blanding av to eller flere ulike isotoper. Som eksempel på dette skal vi ta hydrogenatomet. Av dette grunnstoffet finner vi tre isotoper, der atomkjernene er vist i figur A3-1.

1 1

H 1

3 1

Figur A3-1 De tre hydrogenisotopene

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

Den første er den vanligste hydrogenisotopen. Omtrent 99.985 % av hydrogenet består av denne isotopen. Den andre kalles tungt hydrogen (deuterium), men bare omtrent 0.015 % av hydrogenet i for eksempel vann er tungt hydrogen. Det vannet som inneholder 21 H-isotopen kalles tungtvann. Den siste isotopen har fått navnet tritium. Hydrogen består altså av tre forskjellige isotoper, som har ingen, ett eller to nøytroner i kjernen i tillegg til protonet. Under modellene i figur A3-1 har vi skrevet betegnelsen til disse isotopene. Nederst til venstre for det kjemiske symbolet har vi skrevet protontallet, og øverst til venstre har vi skrevet summen av protontallet og nøytrontallet. Denne summen kalles også massetallet eller nukleontallet, da massen til et atom ligger samlet i atomkjernen og nukleon er et fellesnavn på et proton og et nøytron. Isotoper kan være stabile eller ustabile. Hos ustabile isotoper skjer det endringer i sammensetningen av kjernepartiklene over tid. Endringene skjer ved at det sendes ut stråling fra isotopen (radioaktivitet). Dette kommer vi tilbake til i kapittel Z.

Elektronstruktur for de første 18 grunnstoffene

Niels Bohr antok at elektronene beveget seg rundt kjernen i forskjellige elektronskall i en bestemt avstand fra denne.1 I hvert elektronskall var det ikke plass til mer enn et helt bestemt antall elektroner. Dersom vi betegner skallene med numrene 1, 2, 3, 4, …, n, …, vil det maksimale antall elektroner i hvert skall være gitt ved 2n2. Det betyr at Skall nr. 1: maks antall elektroner er 2·12 = 2 Skall nr. 2: maks antall elektroner er 2·22 = 8 Skall nr. 3: maks antall elektroner er 2·32 = 18 Elektronskallene betegnes ofte med bokstavene K, L, M, N, … istedenfor nummer. Det viser seg at grunnstoffer som har 8 elektroner i sitt ytre elektronskall, er spesielt stabile. Det betyr i praksis at de har svært vanskelig for å reagere med andre grunnstoffer og lage nye kjemiske forbindelser. Felles for disse grunnstoffene er at alle er fargeløse gasser ved romtemperatur, og de har fått navnet edelgasser. Grunnstoff nr. 2, helium, har bare 2 elektroner i ytre skall, men flere kan det jo heller ikke være i K-skallet. Men helium er like fullt en edelgass! De atomslagene som ikke har 8 elektroner i ytre skall, vil på alle måter søke å oppnå dette ved enten å gi fra seg eller trekke til seg ekstra elektroner. Atomene kan også dele elektroner med andre grunnstoffer. Vi skal nå formulere en viktig regel i kjemien, som vi skal se langt på vei forklarer på hvilken måte to grunnstoffer vil reagere med hverandre. Dette er oktettregelen: Når grunnstoffer reagerer med hverandre, vil de alltid forsøke – om mulig – å oppnå 8 elektroner i det ytre elektronskallet rundt kjernen.2 1. 2.

Vi vet nå at denne modellen ikke er riktig, men vi skal likevel bruke den i dette kapitlet. Den forklarer det vi trenger for å forstå ionedannelse og et forenklet periodisk system. Vi kommer tilbake til atomenes elektronstruktur i kapittel J og K. Igjen er det unntak for de minste atomene. Litium, beryllium og bor vil prøve å oppnå 2 elektroner i ytre skall, slik helium har.

A4 Elektronstruktur for de første 18 grunnstoffene

I tabell A4-1 har vi laget en enkel oversikt over elektronfordelingen i de forskjellige skallene for de første 18 grunnstoffene. Grunnstoff

Atomnummer

Elektroner i K-skallet

Hydrogen H Helium He Litium Li Beryllium Be Bor B Karbon C Nitrogen N Oksygen O Fluor F Neon Ne Natrium Na Magnesium Mg Aluminium Al Silisium Si Fosfor P Svovel S Klor Cl Argon Ar

Tabell A4-1

Elektroner i L-skallet

Elektroner i M-skallet

Elektronstruktur for de første 18 grunnstoffene

At vi foreløpig stopper tabellen her, har sin helt naturlige forklaring. Det er fra nå av at vi får problemer med å bruke Bohrs atommodell direkte. Egentlig dukket det problemet opp allerede ved atom nr. 5, bor, men det underslår vi inntil videre. En kjemisk forbindelse får vi når to eller flere grunnstoffer reagerer med hverandre. Disse forbindelsene kan enten være molekylære eller ioniske.

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

Molekylære forbindelser

Dersom vi tenner på hydrogengass og holder flammen inntil et kaldt begerglass, ser vi at det setter seg dogg på glassveggen. Dette viser at det er laget vann i reaksjonen. Vann er en molekylær forbindelse, som har den kjemiske formelen H2O. Denne formelen sier oss at ett molekyl vann inneholder to atomer hydrogen og ett atom oksygen. De små tallene inne i en kjemisk formel forteller oss altså hvor mange atomer det er av det grunnstoffet som står rett foran tallet. I figur A5-1 har vi laget en modell av vannmolekylet, der vi kan få mer greie på atomenes plassering i molekylet:

Figur A5-1 Modell av vannmolekylet

Grunnstoffene hydrogen, karbon og oksygen kan lage et molekyl med den kjemiske formelen CH4O. Dette er formelen for den svært giftige alkoholen metanol, og formelen sier oss at ett metanolmolekyl inneholder ett C-atom, fire H-atomer og ett O-atom. En molekylmodell her sier oss mye mer om hvordan atomene er bundet sammen, slik figur A5-2 viser:

Figur A5-2 Modell av metanolmolekylet

Aminosyra alanin har molekylformelen C3H7O2N. Det er umulig for oss på dette tidspunktet å se hvordan disse 13 atomene er bundet sammen, men molekylmodellen er vist i figur A5-3.

Figur A5-3 Modell av alaninmolekylet

A6 Ioniske forbindelser – salter – formelenhet

Ioniske forbindelser – salter – formelenhet

Vi fyller en kolbe med klorgass, som er en tung, gulgrønn og svært giftig gass. I denne gassen legger vi et stykke av metallet natrium, som også er et grunnstoff man skal ha den største respekt for. Vi ser at det etter hvert dannes et hvitt belegg på natriumbiten. Dette hvite stoffet, som må være laget i en reaksjon mellom natrium og klor, har tydeligvis helt andre egenskaper enn grunnstoffene det er laget av. Stoffet kalles natriumklorid, som vi kjenner bedre som vanlig kjøkkensalt. Elektronstrukturen til natrium viser at grunnstoffet har ett enslig elektron i det ytre skallet, som her er M-skallet. Ved å gi fra seg dette elektronet vil L-skallet hos natrium bli det ytre skallet, og dette skallet har 8 elektroner. Ifølge oktettregelen vil denne nye partikkelen være ekstra stabil.

Vi har utelatt elektronene i K-skallet i disse tegningene. Etter at Na-atomet har gitt fra seg sitt ytterste elektron, får det 10 elektroner rundt seg, mens det fremdeles har 11 positive ladninger i atomkjernen. Det betyr at atomet nå blir positivt ladd, og vi skriver det som Na+. Dette positivt ladde atomet kalles et Na+-ion. Den stikk motsatte elektronoverføringen skjer hos kloratomet. Klor har 7 elektroner i det ytre skallet (M-skallet), og mangler bare ett elektron på å ha 8. Ved å trekke til seg ett ekstra elektron vil klor altså oppfylle oktettregelen. Dette elektronet vil atomet enkelt kunne få fra et Na-atom. Elektronovergangen er vist i figur A6-1.

11+ Na

17+

11+

17+

Cl-

Figur A6-1 Elektronovergangen mellom natrium og klor

Det negative Cl--atomet kalles et Cl--ion. Et ion kan vi generelt definere som Et ion er et ladd atom eller en ladd atomgruppe Enhver kjemisk forbindelse må totalt være nøytral. Det betyr at det må være nøyaktig like mange positive som negative ladninger i forbindelsen. Siden begge ionene vi har i natriumklorid er enverdige (en positiv og en negativ ladning), vil disse to kombineres en og en til

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

en nøytral forbindelse med formelen NaCl. En slik forbindelse som består av et metall og et ikke-metall, kaller vi et salt. Vi skal nå bytte ut natrium med magnesium og se på den tilsvarende reaksjonen med klor. Magnesium har to elektroner i ytre skall. Det vil prøve å gi fra seg begge to for at L-skallet, som har 8 elektroner, skal bli det ytre. Men ett Cl-atom kan bare ta opp ett elektron. Dette betyr at vi for hvert Mg-atom trenger to Cl-atomer som kan ta opp ett elektron hver. Skjematisk vil det bli slik som vist i figur A6-2. 17+

17+

12+

Cl-

Mg2+ Mg 17+

17+

Cl-

Figur A6-2 Elektronovergangen mellom magnesium og klor

Også i denne reaksjonen får vi laget et salt, nemlig magnesiumklorid. Men her ser vi at saltet består av to kloridioner for hvert magnesiumion. Da vil de to positive ladningene på magnesiumionet bli nøytralisert av de to negative ladningene som de to kloridionene har til sammen, og saltet blir nøytralt. Formelen er derfor MgCl2. Nå er det ikke så enkelt å si hvor stort et “molekyl” med natriumklorid egentlig er. I saltgruver kan vi finne svære, terningformede krystaller av natriumklorid, mens de vi har i saltkaret på kjøkkenet er vesentlig mindre. Dette gjelder også andre salter. Derfor bruker vi ikke begrepet “molekyl” når vi snakker om salter, men ser på den minste enheten som går igjen i hele saltet. Denne enheten kalles en formelenhet, som vi ser i figur A6-3. Formelenhet

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Figur A6-3 Formelenhet

A7 Det periodiske systemet

Dersom vi studerer etiketten på et glass med magnesiumklorid, ser vi til vår forbauselse at formelen for saltet er skrevet MgCl2·6H2O. Det kan ikke bety annet enn at saltet inneholder vann. Til en formelenhet med magnesiumklorid er det bundet seks vannmolekyler. Vannmolekyler som er bundet til et salt, kalles krystallvann. Ved å varme opp et salt med krystallvann med en gassbrenner vil vannet i de aller fleste tilfeller dampe vekk, og vi får igjen vannfritt salt. Vi skal komme tilbake til hvordan dette krystallvannet oppstår i kapittel M.

Det periodiske systemet

Den russiske kjemikeren Dmitri Mendelejev oppdaget i 1869 at dersom man satte de grunnstoffene man da kjente opp etter økende masse til atomene, var det visse egenskaper som gikk igjen med bestemte mellomrom. Disse egenskapene kunne være likheter i smelteeller kokepunkter, hardhet, reaktivitet eller massetetthet (avsnitt C8). Mendelejev satte da grunnstoffer med liknende fysiske og kjemiske egenskaper opp i egne familier eller grupper. Eksempel på en slik gruppe er edelgassene, som vi har nevnt før. Ellers har vi halogenene fluor, klor, brom og jod, som alle var kjente på den tida, og alkalimetallene litium, natrium, kalium, rubidium og cesium. I kapittel K skal vi se at de kjemiske og fysiske egenskapene til grunnstoffene innen en og samme gruppe endrer seg smått og pent når vi går fra et grunnstoff til det neste i gruppa. Mendelejev klarte på denne måten å plassere grunnstoffene i en stor tabell, som var starten på det vi i dag kjenner som det periodiske systemet. Systemet vi bruker i dag, er i store trekk det samme som Mendelejev satte opp, men det er kommet til et vesentlig antall nye grunnstoffer siden hans tid. I Mendelejevs system var det noen “ledige rom” for grunnstoffer som man da ikke kjente til. Ut fra egenskapene til de kjente grunnstoffene som stod både over og under i systemet hans, forutså han egenskaper til flere av de manglende grunnstoffene. Da disse grunnstoffene i løpet av få år virkelig ble funnet, stemte deres egenskaper svært godt med Mendelejevs beregninger. Etter hvert viste det seg at noen små uregelmessigheter i systemet dukket opp, og man brukte da heller atomnummeret istedenfor atommassen som grunnlag for plasseringen i systemet. Dette løste de problemene man hadde funnet. I dag vet vi at det er elektrontallet som atomene har i det ytre skallet som først og fremst gir grunnstoffet sine bestemte kjemiske egenskaper. Derfor er grunnstoffene som har det samme antall elektroner i ytre skall, plassert i en og samme gruppe. Mens de loddrette kolonnene har fått betegnelsen grupper, kalles de vannrette radene for perioder.

Å finne ioneladninger og saltformler ut fra det periodiske systemet

I figur A8-1 har vi satt opp et forenklet periodisk system der mange av grunnstoffene ikke er med. Gruppene har vi har samlet i loddrette kolonner, mens periodene er de vannrette radene. Over gruppene står det et tall som angir antall elektroner i ytre skall. Dette tallet er særdeles viktig, da det først og fremst er dette som bestemmer de kjemiske egenskapene til grunnstoffet.

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

H Li

He Be

Na Mg K

Rb Sr Cs Ba

Figur A8-1 Enkel oversikt over hovedgruppene i det periodiske system

Det er tegnet en “skråtrapp” i den høyre delen av systemet. Denne trappa er en meget uskarp grense mellom metaller til venstre og ikke-metaller til høyre. Grunnstoffene som ligger nær trappa kaller vi halvmetaller. Vi husker oktettregelen: Alle grunnstoffer prøver så godt de kan å oppnå åtte elektroner i ytre elektronskall når de reagerer. De to gruppene lengst til venstre, alkalimetallene3 og jordalkalimetallene, oppnår dette enklest ved å gi fra seg elektronene de har i ytre skall. Dermed vil skallet innenfor (som har åtte elektroner) bli det ytre, og oktettregelen er oppfylt. Det fører til at alle forbindelsene i gruppe 1 vil danne ioner med én positiv ladning når de danner kjemiske forbindelser med andre grunnstoffer. Vi får derfor ionene Li+, Na+, K+, Rb+ og Cs+. På samme måte vil grunnstoffene i gruppe 2 danne ioner med to positive ladninger: Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+ og Ba2+. I gruppe 3 danner aluminium Al3+-ioner, som vi kunne vente. Positive ioner kalles med et fellesnavn kationer. I gruppe 7 i den andre enden av det periodiske system finner vi halogenene F, Cl, Br og I, alle med sju elektroner i ytre skall. Disse vil naturlig nok være svært interesserte i å tiltrekke seg ett ekstra elektron for å få oppfylt oktettregelen. Ioneladningen vil dermed bli negativ, og ionene får formelen F-, Cl-, Br- og I-. På liknende måte vil oksygen og svovel i gruppe 6 danne ioner med ladningene O2- og S2-. Nitrogen kan danne ionet N3-, men dette ionet er ikke vanlig. Negative ioner kalles med et fellesnavn anioner. Vi definerte et ion å være et ladd atom eller atomgruppe. Særlig finnes det mange anioner der ionet består av en atomgruppe. I slike atomgrupper er ofte oksygen ett av atomslagene. Eksempler på slike ioner er nitrationet, NO3-, sulfationet, SO42- og karbonationet, CO32-. Det viktigste sammensatte kationet er ammoniumionet, NH4+. Vi kommer mer tilbake til slike ioner i kapittel B. 3.

Hydrogen regnes selvsagt ikke som et metall, men blir til vanlig plassert sammen med alkalimetallene fordi det har ett elektron i ytre skall.

Å finne ioneladninger og saltformler ut fra det periodiske systemet

Hva da med de atomene som har fire elektroner i ytre skall, slik som f. eks. karbon? Både det å gi fra seg fire elektroner og å trekke til seg fire elektroner er kjemisk sett ytterst vanskelig, og vi skal seinere se at disse grunnstoffene oppfyller oktettregelen på en helt annen måte. Det samme gjelder for de fleste forbindelsene der nitrogen, fosfor og svovel er med. Vi kan nå bruke disse ioneladningene til å bestemme formlene for saltene vi får laget når to av disse grunnstoffene reagerer med hverandre. Tidligere i kapitlet har vi forklart hvorfor natriumklorid har formelen NaCl og magnesiumklorid har formelen MgCl2. Nå skal vi ta et eksempel til.

Eksempel A8-1 Finn formlene for forbindelsene vi får når aluminium reagere med klor og oksygen. Aluminium danner ionet Al3+, mens klor danner ionet Cl-. For å få et nøytralt salt må vi derfor ha tre Cl--ioner sammen med ett Al3+-ion. Formelen for aluminiumklorid blir derfor AlCl3. Oksygen danner ionet O2-. Skal forbindelsen (aluminiumoksid) bli elektrisk nøytral, må vi ha to Al3+-ioner med totalt seks positive ladninger sammen med tre O2--ioner med totalt seks negative ladninger. Formelen for aluminiumoksid er derfor Al2O3. Når et salt løses i vann, spaltes det i de ionene det er laget av. Det er svært viktig å skrive denne ionespaltingen riktig – med både riktige ladninger på ionene og riktig antall ioner. Vanligvis er det bare det ene ionet i saltet som reagerer i en kjemisk reaksjon, og vi får ofte problemer dersom vi drar med oss begge ionene inn i en reaksjonslikning.

Eksempel A8-2 Skriv formlene og antall ioner som en formelenhet av følgende salter spaltes i: KBr, CaCl2, Na2O, MgS Formelen viser at KBr består av ett kaliumion og ett bromidion. Kaliumionet har ladningen 1+ fordi K står i gruppe 1. Bromidionet har ladningen 1− fordi Br står i gruppe 7. Vi kan derfor skrive ionespaltingen som KBr → K+ + BrFormelen viser at CaCl2 består av ett kalsiumion og to kloridioner. Kalsiumionet har ladningen 2+ fordi Ca står i gruppe 2. Kloridionet har ladningen 1− fordi Cl står i gruppe 7. Vi kan derfor skrive ionespaltingen som CaCl2 → Ca2+ + 2ClFormelen viser at Na2O består av to natriumioner og ett oksidion. Natriumionet har ladningen 1+ fordi Na står i gruppe 1. Oksidionet har ladningen 2− fordi O står i gruppe 6. Vi kan derfor skrive ionespaltingen som Na2O → 2Na+ + O2Formelen viser at MgS består av ett magnesiumion og ett sulfidion. Magnesiumionet har ladningen 2+ fordi Mg står i gruppe 2. Sulfidionet har ladningen 2− fordi S står i gruppe 6. Vi kan derfor skrive ionespaltingen som MgS → Mg2+ + S2-

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

Legg merke til at vi aldri tar med vannmolekylet i denne spaltingen, selv om vannet er løsningsmiddel aldri så mye!

Enkel innføring i bindingsteori

Ut fra plasseringen av grunnstoffene i det periodiske systemet kan vi si noe om disse stoffenes evne til å reagere. Vi har lært at stoffene som har få elektroner i ytre skall, reagerer ved å gi disse fra seg til et annet stoff og dermed oppnå full oktett i skallet innenfor, som da blir det ytre. Omvendt vil grunnstoffer med litt færre enn 8 elektroner i ytre skall reagere ved å trekke til seg det manglende antall elektroner, slik at også de oppnår full oktett. Ionebinding Vi skjønner da at grunnstoffer langt til venstre i det periodiske system og grunnstoffer langt til høyre i det periodiske system (selvsagt unntatt edelgassene) vil reagere lett med hverandre. Eksempel er natrium og klor, som danner natriumklorid, magnesium og fluor, som danner magnesiumfluorid, og kalsium og oksygen, som danner kalsiumoksid. I en slik reaksjon vil grunnstoffet til venstre, metallet, alltid gi fra seg elektroner og danne et positivt ion. Grunnstoffet til høyre, ikke-metallet, vil trekke til seg elektroner og danne et negativt ion. Produktet vil dermed bestå av positive og negative ioner. Disse ionene blir holdt sammen av tiltrekningskreftene mellom de motsatt ladde partiklene. Vi kaller bindingen mellom ionene for en ionebinding.

Na + Cl

Na+ +

Ionebinding får vi når et metall (til venstre for “trappa” i det periodiske system) reagerer med et ikke-metall (til høyre for “trappa” i det periodiske system). Ionebindingen er en sterk binding. Det er ikke lett å rive ionene fra hverandre i en slik binding. Det ser vi dersom vi prøver å smelte vanlig kjøkkensalt, natriumklorid. I en slik saltsmelte har vi frie ioner. Smeltepunktet er høyt, 800 oC, noe som viser at ionene holdes sammen av sterke krefter. Kovalent binding (elektronparbinding) Vi så at vi får ionebinding når et grunnstoff med få elektroner i ytre skall reagerer med et grunnstoff med mange elektroner i ytre skall. Men vi har en rekke stoffer der grunnstoffer med 4, 5 og 6 elektroner i ytre skall har reagert med hverandre. Dette gjelder særlig for ikkemetallene på høyre side i det periodiske system. Karbon er et slikt grunnstoff (4 elektroner) som kan danne en uendelighet av forbindelser (organiske). Også hos mange vanlige gasser har vi binding mellom to helt like atomer (O2, H2, N2, Cl2). Her skjer bindingen mellom atomene på en helt annen måte. Hos H2, som bare har ett elektron i ytre skall, vil atomene prøve å få to elektroner rundt seg, slik som edelgassen helium har, og dermed oppnå en mer stabil elektronstruktur. Dette gjøres ved at atomene går sammen og deler de to elektronene som et felles elektronpar:

A9 Enkel innføring i bindingsteori

H + H

H H

Begge H-atomene har nå to elektroner rundt seg. Hos klor, Cl2, skjer bindingen på tilsvarende måte. Klor har 7 elektroner i ytre skall, og mangler bare ett på å få 8. Dette oppnår de ved at ett elektronpar deles mellom de to kloratomene, mens de 6 andre elektronene bare tilhører det ene atomet:

Cl + Cl

Cl Cl

Begge Cl-atomene har nå 8 elektroner rundt seg. Denne bindingen kalles en elektronparbinding eller en kovalent binding. En kovalent binding er også en svært sterk binding. Det er ikke lett å rive de to H-atomene i et H2–molekyl fra hverandre. Vi finner denne bindingen mellom to like grunnstoffer, som alltid vil være ikke-metaller. I noen molekyler er det flere bindinger som binder atomene sammen. Vi skal ta oksygenmolekylet og nitrogenmolekylet som eksempel.

Vi har en dobbeltbinding mellom O-atomene i oksygen. Oktettregelen er oppfylt for begge atomene.

Vi har en trippelbinding mellom N-atomene i nitrogenmolekylet. Også her er oktettregelen oppfylt. Polar kovalent binding Den tredje hovedtype av kjemisk binding er polar kovalent binding. Den er på mange måter en mellomting mellom ionebinding og kovalent binding. Vi finner den mellom to forskjellige atomer av ikke-metaller, som ikke har så stor forskjell i evnen til å tiltrekke elektroner. Eksempler på stoffer med polar kovalent binding er H2O, CO2, NH og HCl. 3

Hos HCl skjer bindingen slik: +δ

-δ

I en ionebinding hopper elektronet helt over fra det ene grunnstoffet til det andre, og vi får hele positive og negative ladninger på ionene. I en kovalent binding sitter elektronparet midt mellom de to like atomene, og vi får ikke noen ladning på atomene i det hele tatt. Elektronparet som blir delt i en polar kovalent binding, sitter ikke midt mellom H og Cl. Cl har sterkere evne enn H til å tiltrekke elektroner, og derfor sitter elektronparet litt nærmere Cl enn H. Men Cl har ikke greidd å trekke elektronet helt over til seg, og vil dermed ikke få noen hel negativ ladning, bare en liten negativ ladning, som vi betegner -δ. På samme

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

måten har hydrogenet ikke helt mistet elektronet, og får derfor bare en liten positiv ladning, +δ. Dette gir bindingen et innslag av ionisk karakter. Men samtidig er det også en slags deling av et elektronpar her, som gir et innslag av kovalent karakter i bindingen.

A10 Oppsummering Rutherford: Nå, St. Peter! Jeg håper De ikke ble skremt av Deres første leksjon? St. Peter: På ingen måte, Mr. Rutherford! Jeg trodde ikke at kjemi var så enkelt! Rutherford: Vel, det vil nok komme andre dager ved senere anledninger der stoffet kanskje ikke vil falle så enkelt. Men like fullt er dette grunnlaget for kjemisk tankemåte. Men jeg håper De la merke til at det var en del som vi godtok nærmere uten å forklare det? St. Peter: Det var noe med elektronene rundt atomkjernen, ja. Og det betyr antakelig at selve forklaringen er såpass vanskelig at vi kommer tilbake til den senere? Rutherford: Akkurat! Men nå skal vi se hva De egentlig fikk ut av dette. Hvilke partikler bygde opp atomet? St. Peter: Det var atomkjernen som bestod av protoner og nøytroner, med elektroner i baner utenfor kjernen. Rutherford: Flott! Husker De også ladningene til disse partiklene? St. Peter: Jada! Protonet var positivt, nøytronet nøytralt og elektronet negativt ladd. Og det er like mange protoner som elektroner i et nøytralt atom. Rutherford: De svarer jo før jeg får spurt! Men det forekommer jo også at antall protoner og elektroner ikke er likt? St. Peter: Da snakker vi om ioner. Men akkurat det var litt vanskeligere. Det var noe med åtte elektroner … Rutherford: Oktettregelen ja! Den sa oss altså at atomer med åtte elektroner i ytre elektronskall var spesielt stabile. Dersom atomene ikke har åtte elektroner, vil de forsøke å oppnå dette ved enten å trekke til seg eller gi fra seg elektroner slik at antallet blir åtte. St. Peter: Og da dannes altså disse ionene. Jeg forstod at ioneladningen kan brukes til å bestemme den kjemiske formelen til stoffer som er bygd opp av ioner. Rutherford: Da tror jeg at De har fått med Dem det vesentlige, St. Peter! Det har vært en fornøyelse å ha undervist Dem! Jeg ønsker Dem velkommen tilbake til neste leksjon! Men husk på å øve Dem på oppgaver fra denne leksjonen, slik at stoffet sitter bedre! St. Peter: Såpass innsats må man vel gjøre som student hos Dem, Mr. Rutherford!

A10 Oppsummering

Oppgaver

A1 Hvor mange protoner, nøytroner og elektroner er det i a) 13C, b) 35Cl, c) 37Cl A2 a) Hva har 14C, 13C og 12C felles? På hvilke måter er de forskjellige? b) Hva har 40Ar, 40K og 40Ca felles? På hvilke måter er de forskjellige? A3 Hva er navnene på grunnstoffene med disse kjemiske tegnene? K, Ca, Cl, Cu, Cd, Mg, Mn, Zn, Sn, Ag, I, P, Pb, F, Fe A4 Hvilke grunnstoffer kaller vi alkalimetaller og hvilke kaller vi halogener? A5 Tegn atomkjernene for følgende atomer: 3 1

H ,

7 3

14 6

A6 Hvilke partikler består et atom av, og hvor i atomet er partiklene plassert? A7 Hva er atomnummeret og navnet på grunnstoffet med 238 kjernepartikler (nukleoner, massetall) og 146 nøytroner? A8 Hydrogenatomer kan ha massetall l, 2 og 3. Forklar dette. Hva kalles disse hydrogenvariantene? A9 Hvilke av følgende påstander er gale? a) Et nøytralt 126 C - atom har 6 elektroner. b) Fosfor har atomnummer 15, nøytrontall 16 og symbolet 1615 P . c) I 235 er det 143 nøytroner. 92 U d) I

17 8

O er det 8 nøytroner.

A10 Tegn elektronskallene for C, S, K og Ar med det rette antall elektroner. A11 Hvorfor er det større likhet i kjemiske og fysiske egenskaper på natrium (11) og kalium (19) enn på natrium og magnesium (12)? A12 Fyll ut tabellen: Atomnummer

Massetall

Nøytrontall

Elektrontall

4 O2-

9 137 29 36

Symbol

54 28

Kapittel A Atomer, elementærpartikler, molekyler og ioner. Det periodiske systemet

A13 Fyll ut tabellen Atomnummer

Navn

Kjemisk tegn

Elektr. i ytre skall

Ionets formel

3 11 19 Fluor Klor Brom Jod

A14 Hva er forskjellen på en molekylforbindelse og en ioneforbindelse? Hvor mange atomer er det i ett molekyl med rørsukker, C12H22O11? A15 Bruk det periodiske systemet, og finn formelen for ionene som følgende grunnstoffer danner: K, Br, Ba, Al, S A16 Skriv formelen for de saltene man kan lage ved å kombinere anioner og kationer: Ion

Ca2+

Na+

Al3+

ClS2A17 Tegn følgende molekyler der du betegner de ytre elektronene med en prikk, slik at oktettregelen er oppfylt: NH3, CH4, H2O A18 Forklar hovedforskjellen på en ionebinding og en kovalent binding. Mellom hvilke typer grunnstoffer får vi disse to bindingstypene? A19 Hva er en dobbeltbinding? A20 Hvorfor er bindingen mellom hydrogen og fluor i hydrogenfluorid (HF) polar? Angi hva som er positiv og negativ ladning i molekylet.