Kjemien Stemmer 2 by Cappelen Damm

o-KjemienStemmer2_072493.qxp:Layout 1

28-07-10

09:00

Side 1

Grønneberg • Hannisdal • Pedersen • Ringnes

Kjemien stemmer

Kjemien stemmer Kjemi 2 dekker læreplanen i kjemi for studieforberedende utdanningsprogram på Vg3. Læreverket består av: • Grunnbok • Studiebok • Nettsider

KJEMI 2 Bokmål

ISBN 978-82-02-26713-1

9 788202 267131 www.cappelendamm.no

Truls Grønneberg

•

Merete Hannisdal

•

Bjørn Pedersen

•

Vivi Ringnes

Kjemien stemmer KJEMI 2 GRUNNBOK

•

BOKMÅL

Kjemi2_kap_0_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:00

Side 2

© CAPPELEN DAMM AS, 2008 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med Cappelen Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Hovedillustratør: Terje Sundby/Keops Omslagsdesign: Kristine Steen/07-gruppen Omslagsfoto: GV-Press/Geoff Tompkinson Grafisk formgiving: Kristine Steen/07-gruppen Bilderedaktør: Eva Irgens Forlagsredaktør: Eva Irgens Trykk og innbinding: Livonia Print SiA, Latvia 2010 Satt i 11 pkt. Minion og trykt på 100 g G-Print Forfatterne har mottatt stipend fra Norsk faglitterær forfatter- og oversetterforening. ISBN 978-82-02-26713-1 3. utgave 3. opplag 2010 www.cappelendamm.no www.kjemienstemmer.cappelendamm.no Fotografiene er levert av: Brit Skaugrud s. 133 Forskning.no s. 10 GV-press: Tommy Hollyman s. 13, J.D. Dallet s. 16 n, Peter Holmes s. 17, Science Photo Library s. 37, 205 ø, 225 h, s. 230, Andrew Lambert/Science Photo Library s. 93 v, s. 93 h, s. 100 h, Georg Bernard/Science Photo Library s. 113, Dr Mark J. Winter/Science Photo Library s. 165, Dr. M.A. Ansary/Science Photo Library s. 166, Martin Siepmann s. 223, Javier Larrea s. 225 v, Andrew Syred/Science Photo Library s. 225 m Lesja kommune/John Olsen s. 52 n Mary Evans Picture Library s. 189 Norsk Hydro s. 9 Samfoto: John Petter Reinertsen s. 69 n, Bjørn Rørslett s. 74, Jens Sølvberg s. 156 v, Espen Bratlie s. 235 h, Ove Bergersen s. 239 ø Scanpix: Bettman/CORBIS s. 16 ø, Morten Holm s. 30, Aftenposten s. 33, Gorm Kallestad s. 171, Jan Harry Svendsen/Aftenposten s. 221, Thomas Bjørnflaten s. 222, Brendan McDermid/Reuters s. 234 ø Universitetet i Oslo, Kjemisk institutt s. 139 Resten av bildene i boka er levert av Truls Grønneberg. Forsidebildet: Papirkromatogrammer av fargestoffer. I midten av hver sirkel er det avsatt en flekk av en blanding av fargestoffer, og disse trekkes utover og separeres når et løsemiddel blir dryppet ned på flekken.

Kjemi2_kap_0_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:00

Side 3

INNHOLD Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Forskning i kjemi

Buffere

Redoksreaksjoner

Analyse av uorganiske stoffer

7 1.1 Forskning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Etisk forsvarlig forskning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 Andre forklaringsmodeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ...........................................

19 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1 Buffere gir kontroll med pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Naturlige buffere i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 .......................................................

39 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.1 Reduksjon og oksidasjon er gamle begreper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 Utvidelse av begrepene oksidasjon og reduksjon . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Balansering av redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4 Redoksreaksjoner og energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5 Antioksidanter og frie radikaler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 .........................................

63 4.1 Kjemisk analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Kvalitativ uorganisk analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3 Kvantitative analyser â&#x20AC;&#x201C; titreringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4 Kvantitative analyser â&#x20AC;&#x201C; kolorimetri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 .........................

Kjemi2_kap_0_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:00

Side 4

Reaksjoner i organisk kjemi

Separasjon og instrumentell analyse av organiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

85 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.1 Navn og prioriterte grupper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.2 Stoffgruppenes karakteristiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.3 Påvisningsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.4 Reaksjonstyper og reaksjonsmekanismer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 ............................

6.1 Separasjon av organiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.2 Kromatografi som analysemetode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.3 Massespektrometri (MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.4 NMR-spektroskopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Næringsstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7.1 Tre stoffgrupper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.2 Karbohydrater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.3 Lipider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 7.4 Proteiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

Reaksjoner i cellene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 8.1 Enzymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.2 ATP og andre bærermolekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 8.3 Energiomforminger i celleånding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 8.4 Energiomforminger i fotosyntesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 8.5 Stereoisomeri i cellereaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

Kjemi2_kap_0_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:00

Side 5

Elektrokjemi

187 9.1 StrĂ¸m fra kjemiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 9.2 Cellespenning og reduksjonspotensialer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 9.3 Batterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 9.4 Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 9.5 Korrosjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 9.6 Hvordan kan vi begrense korrosjon? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

10 Materialer

...............................................

221 10.1 Materialer â&#x20AC;&#x201C; fellestrekk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 10.2 Polymerer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 10.3 Polymerer laget ved addisjonsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 10.4 Polymerer laget ved kondensasjonsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . 231 10.5 Plast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 10.6 Nanomaterialer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 10.7 Materialer og miljĂ¸betraktninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 ..................................................

Ordforklaringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Stikkordregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Stoffliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259

Kjemi2_kap_0_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:00

Side 6

FORORD De tidligere studieretningsfagene kjemi 2KJ og kjemi 3KJ i Reform 94 er etter Kunnskapsløftet 2006 erstattet med programfagene kjemi 1 og kjemi 2. Fordelingen av læreplanmål mellom de to programfagene er endret sammenlignet med Reform 94, og nye mål er kommet til. Det har gjort det nødvendig med en omfattende revisjon av læreverket Kjemien stemmer. Læreverket består fortsatt av grunnbok og studiebok for hvert av trinnene Vg2 og Vg3. Denne grunnboken for kjemi 2 har en ny start der vi skriver om forskning i kjemi og etiske spørsmål som forskningen reiser. I kapittelet om materialer er nå nanomaterialer kommet med, og i kapittelet om instrumentelle analyser av organiske stoffer er tolking av NMR-spektre og massespektre inkludert. Boken har et nytt kapittel om reaksjoner i cellene. Fagstoffet fra den forrige utgaven er grundig bearbeidet og delvis omstrukturert. Grunnboken har mange nye illustrasjoner og bilder. Noen kapitler starter med en kort repetisjon av emnet slik det ble behandlet i kjemi 1. Boken har også en liste med forklaring på begreper som elevene møter i begge kjemikursene. I tillegg til grunnboken omfatter læreverket for kjemi 2 en studiebok med teorioppgaver og praktiske aktiviteter. Vi håper at elevene gjennom arbeid med grunnboken og studieboken kan se at kunnskaper i kjemi gir nyttig innsikt for eget liv og et godt grunnlag for videre studier. Vi er takknemlige for alle tilbakemeldinger som kan gjøre læreverket bedre, og ønsker elever og lærere lykke til med kjemifaget! Oslo, mai 2008 Truls Grønneberg Bjørn Pedersen

Merete Hannisdal Vivi Ringnes

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:02

Side 7

Foto av fresko malt av Per Krogh i 1930årene. Den står i vestibylen i fysikkbygningen på Universitetet i Oslo, Blindern. Der malte han tre vegger. Bildet viser forskningen (på vestveggen).

Forskning i kjemi Mål for opplæringen er at du skal kunne • finne fram til og presentere eksempler på aktuell kjemirelatert forskning innen miljø og industri • publisere rapporter fra egne forsøk, med og uten digitale verktøy (se studieboken) • drøfte hvordan forskere sikrer at forskningen er etisk forsvarlig • gjøre rede for trekk ved vitenskapelig metode i kjemi, og gi eksempler på forklaringsmodeller som ikke er forenlige med kjemiens forklaringer

Som et resultat av forskning fremstilles stadig nye stoffer, og kjente stoffer fremstilles på nye måter. Dette er ikke bare et spørsmål om kunnskap og teknologi, men også om etikk. Kjemikere ønsker å fremstille nye stoffer som er bedre tilpasset bruken, og som erstatter stoffer som belaster miljøet. Dette kapittelet handler om hva forskning og etikk er. Vi omtaler den vitenskapelige metoden og også juks i forskningen.

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:02

Side 8

1.1 Forskning Å finne noe nytt Å forske er å finne frem til noe nytt på en systematisk måte. Vanligvis vil det si noe som er nytt for alle i hele verden, men ordet brukes også om å finne frem til noe som er nytt for en bestemt gruppe mennesker. Den gruppen kan være så liten som klassen din, eller den kan ganske enkelt være deg. Når du lærer deg noe nytt, kan vi si at du forsker. Noen ganger brukes det engelske ordet research, som betyr forskning, om det arbeidet som utføres for å samle inn bakgrunnsmateriale til en artikkel i en avis eller til et program på radio eller fjernsyn.

Vitenskapelig metode Å forske innenfor naturvitenskapen for å finne frem til noe som er nytt i verden, er krevende. Du må først være kjent med det spesialområdet du arbeider på. Det betyr minst tre års studier på universitet eller høyskole. Deretter må du gjennomføre en forskningsoppgave veiledet av en erfaren forsker for å lære hvordan du finner den informasjonen du trenger, hvordan du bruker nødvendig utstyr, og hvordan du skal legge frem og tolke resultatene.

Bachelor-studenter i kjemi ved Universitetet i Oslo.

Mange viktige funn er gjort ved tilfeldigheter, og det er også ulike måter som blir brukt for å komme frem til ny kunnskap. Likevel er det en bestemt fremgangsmåte som blir omtalt som den vitenskapelige metoden, og dette er trinnene: 1. Du har fått eller valgt deg en oppgave. Arbeidet går ut på å finne svaret. 2. Du setter deg inn hva som er kjent fra før på området. Du tenker deg hva svaret kan være, og formulerer en hypotese. 3. Du tester hypotesen ved å gjøre eksperimenter eller beregninger. 4. Du analyserer resultatene og trekker dine konklusjoner. 5. Svaret offentliggjør du så detaljert at andre kan kontrollere arbeidet ditt og eventuelt gjenta det. Dersom du har funnet noe revolusjonerende nytt, kan det ta tid før det blir akseptert. Det skyldes at andre forskere holder fast ved det gamle og ikke uten videre aksepterer det nye. De vil selv teste funnet ved å gjøre egne observasjoner og beregninger. Det er som oftest på den måten juks blir oppdaget. Jo mer oppsikt funnet ditt vekker, dess mer vil det bli kontrollert av andre forskere. Om resultatene dine stemmer med hypotesen, blir ikke avgjort ved en flertallsbeslutning, men ved at nye observasjoner og beregninger som andre forskere har gjort, gir det samme resultatet. De fleste oppdagelsene fra forskning er små, og bare en sjelden gang kommer et gjennombrudd ved at en eller annen finner noe som er revolusjone-

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:02

Side 9

rende nytt. Veien fra den første telefonen i 1876 til dagens mobiltelefon har gått gjennom mange modeller med ulike teknologier – hver litt bedre enn den forrige.

Å følge den vitenskapelige metoden vil si å være kritisk til den informasjonen man bygger på i sitt arbeid, og åpen om hva man har gjort.

Grunnforskning og anvendt forskning SINTEF = Stiftelsen for industriell og teknisk forskning NIVA = Norsk institutt for vannforskning NILU = Norsk institutt for luftforskning Kristian Birkelands patent nr. 12961 fra 1904. Han tok i alt ut 14 patenter på sin lysbueovn som var grunnlaget for Norsk Hydro.

Forskning deles ofte inn i grunnforskning og anvendt forskning selv om mange mener det ikke er noen klar forskjell. Grunnforskning drives av nysgjerrighet uten tanke på anvendelse og foregår stort sett på universitet og høyskole. Grunnforskning i kjemi kan være å bestemme utvalgte egenskaper hos ett eller flere stoffer mer nøyaktig eller å lage nye stoffer eller kjente stoffer på nye måter. Anvendt forskning har som mål å utvikle nye produkter og forbedre produkter som allerede er på markedet. Målet kan også være å gjøre dem billigere ved å bruke andre råstoffer eller fremstille produktene på mer miljøvennlige måter. Anvendt forskning foregår i industrien eller i egne forskningsinstitutter som SINTEF, NIVA eller NILU. Anvendt forskning foregår også ved universiteter og høyskoler.

Patent Om du ønsker å beskytte det du har gjort eller funnet ut, kan du ta ut patent. Patentet gir deg enerett til å utnytte din oppfinnelse. I patentet må du beskrive oppfinnelsen i detalj, og på den måten blir den tilgjengelig for alle. Eneretten som patentet gir, er begrenset til 20 år. De årlige utgiftene til patentet er høye, så mange bedrifter prøver heller å holde oppfinnelsene sine hemmelige. Det er derfor du ofte på bedriftsbesøk ikke får se hele bedriften og må legge igjen mobiltelefon og kamera i resepsjonen. Å snoke i andres bedrifter kalles industrispionasje.

Kjemirelatert forskning Det er særlig på to områder i kjemien det er blitt oppdaget mye nytt i de senere årene. Det er innenfor livets kjemi og materialkjemi. Med livets kjemi tenker vi på kartlegging og forståelse av de kjemiske reaksjonene som skjer i og mellom cellene, og på oppbygningen til de stoffene som inngår i reaksjonene. Se kapittel 8 om reaksjoner i cellene. I dag vet vi mye mer enn før om hva som skjer på molekylnivå i en levende organisme, og i

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:03

Side 10

bioteknologien prøver mange å anvende den nye kunnskapen til å lage nye stoffer, f.eks. insulin ved hjelp av bakterier. Med materialkjemi tenker vi på fremstilling av bedre materialer på nye måter. Det har skjedd mange forbedringer i fremstillingen av plaststoffer og legeringer. Det lages også nye materialer som er kombinasjoner av to eller flere ulike materialer. På side 237 kan du lese om nanomaterialer som er satt sammen atom for atom. Med dem kan vi for eksempel lage sensorer til bruk i kroppen. Drivstoff fra ka rbondioksi

d? Av: Arnfinn Ch ristensen, Jour nalist 20. sep 2006 olekyler 05:00 e speilbilde-m Sorterer giftig Italienske fors iver kere har funn formasjonsrådg et en ny metode for Bjarne Røsjø, In : Av å omdanne 05:00 karbondioksid 12. mai 2007 til drivstoff ve nes i to d hjelp av sollys. e molekyler fin Fagmiljøene er ange organisk len er at de M kj avventende po eneste fors el n de or hv er sitive. variant Det ene av hverandre. Hvis forskerne t er speilbilder lykkes, vil karb iddel, mens de m ge ondin være et le oksid kunne re ka et yl ek ol m sirkuleres i bilm at otoeksemplet på re gift. rer og andre m andre kan væ det mest kjente askiner som gå er : 60 ng 19 ni g rk in vi r på fossilt bren omkr ulik – Omdanninge seTh e kan ha svært l. alidomid-skandalen n av karbondiok er av hverandr ild lb ei hos sp sid til drivstoff er m bare en drøm, pt dre sym omer olekyler so er ik mke men en effekt nkvalme og an en ge lo r. or ki de iv m er ka m et ss ul on videre forsknin dr el ig kr lin ds he r fø t som krevert ene molekylet mieillleione alvorlige g, sier3,Ga 3 br til e rt De fø et ild t lb lis Centi i en en, Journa fra tidsskriftet ens spei speilbildeNew Sc ide kvinner, m mstille adskilte nf.inn Christenspressemel grdiavng fre Arist å r Avie: nt fo er od e met for kjemi. Sol, vann og ka utun utvikler ny 05:00 TNUs Institutt Ga N 07 rbondi31 d R. 20 ve d is Od oksid ns . mai ue gir drivstoff ntekyler. Han er førsteaman reol har framstilt m Tyske forskere kilopris 20 silisium med en et n gull. Silisium en re ganger høye tt ny et å lage kan brukes til mle ardlodd. Det ga itt unøyaktig. nd ta -s am kilogr er at det har bl om at ge an m ig så pa, og en vanl flasser nemlig toffet i jordskor ns un gr e st ig vanl Silisium er det r. fleste bergarte de i el dd t reagerer nem an best sjelden. Stoffe ot rim m de se ek er r m rekom danner fo Rent silisium fo m og oksygen iu lis Si r. fe of st dre lig lett med an ts. mineralet kvar e ig nl va t de l pe

Aktuell kjemirelatert forskning finner du i avisen, på Internett eller på TV. Disse tre eksemplene er fra www.forskning.no.

Fremtidens utfordringer Menneskene står overfor store utfordringer som krever nye løsninger. Her kan også kjemisk forskning bidra. Antall mennesker på jorden øker stadig, og alle ønsker å leve lenger. Det er i dag store forskjeller i levestandard fra land til land, og alle ønsker å komme opp på vårt nivå. At flere mennesker lever lenger og får høyere levestandard, fører til økt forbruk globalt. Det vil bety mer søppel og større utslipp til luft,

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:03

Side 11

vann og jord. Derfor må nye kjemiske prosesser utvikles for å utnytte jordens begrensede råvarer mer effektivt uten at det blir for store belastninger på miljøet. Utfordringen er å forsøke å redusere utslippene selv om forbruket globalt øker. Dette arbeidet vil kreve flere forskere med innsikt i kjemi. Som vi skal se, vil det også kreve innsikt i etikk.

Grønn kjemi Industrieiere ønsker først og fremst å produsere og selge de produktene det er etterspørsel etter, og som mange nok er villige til å betale godt for. Våre valg bestemmer hva som finnes i butikkene, og også hva slags butikker som finnes. Etter hvert har mange bedrifter tatt den utfordringen det er å fremstille produkter med minst mulig miljøbelastning. Grønn kjemi kalles det, og på dette området har det skjedd mye de siste tretti årene. Målet er å utvikle nye fremstillingsprosesser hvor flest mulig av atomene i utgangsstoffene finnes igjen i produktene, å redusere bruken av hjelpestoffer i prosessen til et minimum og å unngå bruk av giftige stoffer. I rammen finner du et eksempel.

Plantevernmiddelet Round up Fremstilling av DSIDA, som er det aktive stoffet i plantevernmiddelet Round up Ultra Max, gjøres i dag på en «grønnere» måte enn tidligere. Tidligere var utgangstoffene de giftige stoffene ammoniakk, formaldehyd og blå-

syre. I den nye prosessen er formaldehyd og blåsyre erstattet av etenoksid. Ved bruk av en katalysator blir det første stoffet man får, omdannet til det ønskede produktet.

Før

Nå O

NH3

+ H CHO + HCN

ammoniakk formaldehyd

CH2

NH3

blåsyre

CH2 CN

NaO2C CH2

NH DSIDA

H2C

CH2

ammoniakk

etenoksid

CH2 CH2 NH

CH2 CH2 OH

Cu-kat

NaOH

CH2

NaOH

CO2Na

Grønn kjemi i fremstilling av DSIDA. Utgangsstoffene er mindre skadelige i den nye prosessen (grønt felt) enn i den prosessen som tidligere ble brukt (blått felt).

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:03

Side 12

1.2 Etisk forsvarlig forskning Etikk og moral Etikk er læren om moralen slik kjemi er læren om stoffene. Moral er de reglene og verdiene vi er opplært til å leve etter. De ble innpodet i oss da vi vokste opp, og var bestemt av kulturen i vårt oppvekstmiljø. Etter hvert er Norge blitt et flerkulturelt samfunn. Vi kan derfor lett treffe mennesker som lever etter andre regler enn vi selv gjør, og reglene deres er ikke nødvendigvis bedre eller dårligere enn våre. De er bare forskjellige. Etikk og moral er en viktig del av faget filosofi. Etikk i forbindelse med forskning betyr først og fremst at forskere ikke skal jukse eller misbruke de resultatene de kommer frem til. Etiske vurderinger er viktige for mange valg vi tar i livet. Norges forskningsråd har opprettet flere forskningsetiske komiteer som ønsker å skape en kritisk debatt om forskning (se www.kjemienstemmer. cappelen.no). De har en egen komité for naturvitenskap og teknologi (NENT). NENT har laget en sjekkliste for dem som ønsker å starte et forskningsprosjekt. Første punkt gjelder prosjektets mål og metode: Vil prosjektets mål og metoder bryte med allment akseptert verdisyn? Dette kan f.eks. gjelde hvis • prosjektet bidrar til å øke kontroll og manipulering av enkeltindivider i samfunnet • miljøhensyn ikke blir tilstrekkelig ivaretatt • prosjektet har diskutable militære/forsvarsmessige implikasjoner • prosjektet bryter med norsk lov (f.eks. dyrevernloven eller forskrifter om biologiske forsøk) Mange bedrifter har også laget egne etiske regler som de ansatte må kjenne til og rette seg etter. I reglene blir det opplyst hvilke konsekvenser det kan få om en forsker bryter dem. I skolen og på universitetet har etikk fått større oppmerksomhet og inkluderes i stadig flere studier.

Hvorfor bryter en forsker etiske regler? Selv om forskere ikke skal jukse, leser vi av og til om noen som har gjort det, og som er blitt avslørt. Vi skal ikke nevne navn, men i de siste årene er noen blitt avslørt fordi de publiserer andres resultater som sine egne, eller de hevder at de har gjort observasjoner som de faktisk ikke har gjort. Vi er alle utsatt for fristelser. En forsker kan for eksempel komme til å stjele ideer fra andre, ikke ta med navnene på alle som har bidratt til de resultatene han eller hun rapporterer, ikke referere til andres undersøkelser som

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:03

Side 13

ikke passer med egne resultater, endre eller fabrikkere målinger slik at de passer bedre til egne teorier, o.l. Hvorfor jukser forskere? Det er fordi en forsker kan få en bedre eksamen, en doktorgrad, en attraktiv stilling, høyere lønn, økt prestisje og større tilgang til forskningsmidler når det han eller hun gjør, får positiv oppmerksomhet. En forsker som gripes i brudd på de etiske reglene, kan bli straffet på forskjellig vis. Personen kan bli utvist fra universitetet, fradømt en grad, degradert til en lavere stilling, avskjediget, anmeldt til politiet e.l. avhengig av hvor alvorlig bruddet er. Alle vet når de jukser. Etikken kommer også inn i andre valg, og da kan det være vanskelig å vite hva som er «riktig». Forskere har også et samfunnsansvar.

Pauling og C-vitamin

Linus Carl Pauling (1901−1994).

Linus Pauling var en berømt kjemiker på 1900-tallet. Han fikk nobelprisen i kjemi i 1954 for sine bidrag til å forstå kjemisk binding og for bestemmelse av strukturen av en rekke organiske molekyler. Han organiserte også tidlig vitenskapsmenn mot atombombeprøver og fikk Nobels

fredspris for det i 1963. Begge prisene var fullt fortjent, men han hadde også en fiks idé. Han hevdet at C-vitamin inntatt i grammengder per dag ville hindre at du ble syk. Han var en meget god foreleser og snakket over hele verden med entusiasme om bruk av C-vitamin som er en kjent antioksidant. En gang han kom til Trondheim, ville han gjerne holde en forelesning om C-vitamin, men da var flere blitt skeptiske til at store doser av dette vitaminet forlenget livet. Arrangørene ville også ha med noen som ville komme med motargumenter, men det avslo han. Pauling ble en gammel mann. Han døde 93 år gammel i 1994, så man kan si at hans liv viste at han hadde rett. Men store kliniske undersøkelser av et stort utvalg av mennesker, har vist at han tok feil. Hva kan vi lære av denne historien? Det er at selv om et menneske har store kunnskaper på ett område og har gjort godt arbeid der, betyr ikke det at vedkommende er ekspert på alt. Snarere tvert imot. Men du kan se det stadig vekk i aviser, på TV og i andre medier. De som deltar i debattene, er kjendiser av ulik art som uttaler seg om de forskjelligste, innviklede saker. Husk da Pauling – en ekspert på ett område – tok fullstendig feil på et annet. Dessuten skal du høre ekstra godt etter hva mennesker med store talegaver sier, for karismatikere lurer deg lett.

Etikk i skolen Du vet kanskje om noen som har skrevet av andres besvarelser, har utelatt noen av de viktige resultatene eller endret målinger når de rapporterer fra en øvelse? Alt dette er brudd på de etiske reglene som en elev bør følge. Dette er

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:03

Side 14

juks. Men hva med deg når du vet at en annen elev har jukset? La oss si at du er tillitsmann i klassen. Skal du si fra? Skal du be den som jukser, å melde seg selv? Det er en etisk vurdering som du må ta stilling til. Det er så vidt vi vet, ikke laget etiske regler for lærere eller elever som gjelder for alle fag i skolen. For bruk av IKT har flere skoler laget regler. Har din skole slike regler?

Oppdragsforskning Oppdragsforskning vil si å drive forskning som er betalt av en oppdragsgiver som bestemmer hva det skal forskes på, og som eier resultatene. Slik forskning er annerledes enn den frie forskningen der forskeren både kan bestemme hva han eller hun vil arbeide med, og fritt kan publisere resultatene. De forskerne som velger å engasjere seg i oppdragsforskning, har ofte et etisk dilemma. Oppdragsforskning er nødvendig for næringsutvikling og industri, men den stiller særlige krav til åpenhet og tillit. Mange forskere som arbeider med

Fjerning av karbondioksid Det er ikke praktisk eller økonomisk mulig å fange det CO2et som kommer fra det lille forbrenningsanlegget som en personbil er. Men fra store anlegg, som Mongstad energiverk, kan det være mulig. Men selv det å fange CO2 må ha statlig støtte for at energiverket skal bli økonomisk lønnsomt. Et energiverk kan brenne naturgass, olje eller kull. Til forbrenningen trengs mye luft, og da blir det frigjort store mengder CO2. Alle karbonatomene i brenslet blir oksidert til karbondioksid. CO2 er en gass som ikke kan lagres ved et trykk på 1 atmosfære. Hvordan kan man da unngå at den slipper ut i atmosfæren? Mongstad energiverk skal etter planen levere 630 MW energi per år, og det blir da produsert ca. 100 000 tonn CO2. Dette CO2-et må lagres så det ikke skal slippe ut i atmosfæren. Fordi luft brukes til forbrenningen, vil avgassene fra verket også inneholde store mengder nitrogen og en del argon. CO2-gassen må så skilles fra disse gassene før den kan lagres. En løsning er å skille nitrogen og argon fra luften før forbrenning, slik at forbrenningen foregår med ren oksygengass. De tre gassene kan skilles fra hverandre ved først å avkjøle luften til en væske ved –200 oC, og så skille dem ved destillasjon. Men det er dyrt. En annen metode er å bruke en membran som bare oksygen slipper igjennom. Problemet her er at noen må finne opp en slik holdbar membran først.

Forskning i kjemi

Den hvite røyken er kondensert vanndamp. Andre forbrenningsgasser som CO2 er usynlige. En helt annen måte er å fjerne CO2 fra avgassen kjemisk. Karbondioksid løst i vann er en syre. Gassen kan derfor fjernes ved å bruke en base. En billig base er kalsiumkarbonat CaCO3(s). Karbonationene (CO32−) vil reagere med karbon-

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

SNSF = Sur nedbørs virkning på skog og fisk

09:03

Side 15

oppdragsforskning, er bekymret for bindingen til oppdragsgiveren og hva resultatene kan brukes til. Både private og statlige organer kan være partiske. Et godt eksempel er Miljøverndepartementet, som i 1976 etablerte et forskningsprogram som skulle vise de uheldige sidene ved sur nedbør. Det gjaldt virkninger på skog og fisk (SNSF). Programmet ble kritisert fordi oppdragsgiveren antok at virkningene ville være uheldige. Målet for forskningen burde jo være å vise virkningen av den sure nedbøren. Om den var uheldig, fikk eventuelt forskningen vise. Et aktuelt eksempel på oppdragsforskning er CO2-rensing. Her er det offentlige villig til å sette inn store ressurser. Er det mulig å redusere utslippene slik at det virkelig monner? Hvor mye er vi villige til å betale for denne forskningen? Bør Norge gå foran når vi er så få? Og det store spørsmålet: Skyldes virkelig klimaendringene økning av CO2-mengden i atmosfæren?

dioksid og vann og gi hydrogenkarbonationer (HCO3−). Resten av avgassen (hovedsakelig nitrogen og argon) går deretter ut i atmosfæren. Både kalsiumkarbonat og kalsiumhydrogenkarbonat (Ca(HCO3)2(s)) er faste stoffer. Ved oppvarming vil kalsiumhydrogenkarbonatet bli spaltet slik at CO2 blir frigjort for lagring eller deponering. Hydrogenkarbonatet blir samtidig gjendannet og kan brukes på nytt. Andre baser som er i bruk, er aminer. Bare CO2 i røykgassen løses i denne væsken og danner nye forbindelser. Ved oppvarming spaltes disse forbindelsene, og CO2 frigjøres. Innfanging (absorbering) og frigjøring (utskilling) skjer i to forskjellige tårn (se figuren). Etter disse renseprosessene sitter man igjen med ren CO2-gass. Denne gassen kan injiseres i feltet der naturgassen eller oljen kom fra. Den kan også pumpes ned i havet på under 750 m dyp. CO2 blir da en væske. Begge metodene har vært testet ut i mindre målestokk. Om det blir gitt tillatelse til å gjøre dette i større målestokk, er i 2008 usikkert.

85–90 % av CO2-en er skilt bort fra røykgassene.

3 Gassen stiger oppover i tårnet. Aminer renner nedover. CO2 bindes til aminene, og blandingen renner ned i bunnen av tårnet.

Absorberingstårn ca. 40 m høyt

Utskillingsenhet

5 Rent CO2 ut til lagring eller deponering

Amin pumpes tilbake Kjøleenhet

Amin - og CO2blanding

2 Gassen kjøles ned til 30–40 °C ved hjelp av vann.

1 Røykgass kommer fra gasskraftverket. Røyken inneholder 3–4 % CO2.

Damp pumpes inn

4 Amin- og CO2-blandingen varmes opp. Ved 120 °C slipper aminet CO2-gassen. Aminet synker ned, mens CO2-gassen stiger opp.

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:03

Side 16

1.3 Andre forklaringsmodeller Alkymi

Aristoteles (384–322 f.Kr.).

Det finnes forklaringsmodeller som ikke er forenlige med kjemiens forklaringer. Felles for dem er at de tar utgangspunkt i teorier som man antar er sanne, og som ikke er blitt endret på lang tid, gjerne flere hundre år. Kjemi som eget fag ble etablert på slutten av 1700-tallet. Mange av dem som studerte stoffer og hvordan de reagerte, ble før det kalt alkymister. Alkymien bygde på teoriene til den greske filosofen Aristoteles. De ble lært og akseptert av alle i nesten to tusen år. Aristoteles og andre av oldtidens filosofer brukte ikke den vitenskapelige metoden. Deres teorier var spekulasjoner.

Alkymisten med sine hjelpere og utstyret han brukte.

Alkymistene forsøkte å lage gull av billigere metaller, de forsøkte å finne stoffer som kunne gi dem og deres kunder evig liv, og de lette etter de vises stein. De utviklet teknikker som destillasjon og krystallisasjon, og de lærte mye om egenskapene til stoffene. Men ingen av dem klarte å nå målene. De fornuftige trakk da den konklusjon at det var umulig å nå dem, og følgelig måtte teoriene til Aristoteles være gale. Men noen svindlere fortsatte fordi det var en måte å skaffe seg penger på. Det ga både alkymister og kjemikere et dårlig rykte.

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

elixir (m.lat.) = avkok, medisin

05-07-10

09:03

Side 17

De mer seriøse alkymistene endret forklaringsmodellene og målet for sitt arbeid. Det var fra deres arbeid moderne kjemi oppsto. Men fortsatt er det noen som kaller seg alkymister, og som forsøker – slik de gamle gjorde – å lage gull av billigere metaller, og eliksirer som skal gi evig liv. Noen hevder til og med at de har klart det. Verden vil bedras! Du finner dem på Internett.

Homøopati homoios (gr.) = lignende pathos (gr.) = lidelse

De klassiske eksemplene på andre forklaringsmodeller enn de naturvitenskapelige er astrologi og horoskoper, som begge strider mot dagens astronomi. Nærmere kjemien er homøopatien, som stammer fra ca. 1800. I homøopatien behandles sykdom med stoffer som frembringer de samme symptomene som sykdommen. Det rareste sett fra dagens kjemi er at det hevdes at dess mer fortynnet et legemiddel er, dess sterkere virker det. Vi vet at selv det reneste løsemiddel inneholder små mengder andre stoffer. Om man fortynner løsningen så mye som homøopater anbefaler, så er det ikke mer igjen av det «virksomme» stoffet; det er forurensningene som dominerer. Når en kjemiker gjør sine forsøk, så vil hun/han alltid rense løsemiddelet slik at det blir så lite av andre stoffer i løsningen at de ikke påvirker måleresultatene. Dessuten gjentar en kjemiker vanligvis forsøket med bare løsemiddel for å vise at resultatene skyldes det løste stoffet og ikke løsemiddelet. En fordel med homøopatiens legemidler er at de ikke har bivirkninger fordi mengden er så liten. I skolemedisinen er det annerledes. Legemidlene er ikke nødvendigvis direkte legende, og de kan ha alvorlige bivirkninger.

Homøopatiske stoffer.

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_1_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

09:03

Side 18

Sammendrag • Å forske er å finne frem til noe nytt på en systematisk måte. • Å følge den vitenskapelige metoden vil si å være kritisk til den informasjonen forskere bygger på i sitt arbeid, og at forskere er åpne om hva de har gjort. • Det er særlig på to områder i kjemien det er blitt oppdaget mye nytt i de senere årene. Det er innenfor livets kjemi og materialkjemi. Eksempler på aktuell kjemirelatert forskning finner du i avisen og på Internett. • Etikk er læren om moralen slik kjemi er læren om stoffene. Moral er de reglene og verdiene vi er opplært til å leve etter. De ble innpodet i oss da vi vokste opp, og var bestemt av kulturen i vårt oppvekstmiljø. • Vi sikrer at forskningen er etisk forsvarlig ved å lage regler for hvordan forskningen skal planlegges og utføres. Det eksisterer også forskjellige straffereaksjoner for dem som bryter reglene. • Alkymi og homøopati er eksempler på forklaringsmodeller som ikke er forenlig med kjemiens og andre naturfags forklaringer.

Forskning i kjemi

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 19

Buffere Mål for opplæringen er at du skal kunne • forklare hvordan buffere virker, og beregne pH og kapasitet i buffere

I naturen, i kroppen vår og i produkter på badet er det buffere som gjør at pH-verdien ikke så lett endres. pH-endringer i et akvarium kan for eksempel bety døden for fisk, og en pHendring i blodet på mer enn 0,4 i den ene eller andre retningen kan føre til bevisstløshet. På laboratoriet og i industrien brukes buffere for å holde pH i en løsning omtrent konstant slik at det blir dannet mest mulig av de stoffene man ønsker. I dette kapittelet kan du lese mer om hvordan buffere virker, hvordan de kan lages, og hvordan vi kan beregne pH i bufferløsninger.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 20

Repetisjon fra kjemi 1 Syrer og baser

Navn på syrer og baser

Brønsteds definisjoner av syre og base: En syre er et stoff som kan avgi H+. En base er et stoff som kan motta H+. I syre-base-reaksjoner skjer det overføringer av + H -ioner. Slike protonoverføringer kalles protolyser.

En oksosyre har oksygen i formelen, og navnet er sammensatt av navnet på det spesielle grunnstoffet + ordet syre. Her er noen eksempler på det: H2SO4 svovelsyre, H2CO3 karbonsyre, H3PO4 fosforsyre og H2CrO4 kromsyre. De to første er toprotiske syrer fordi to H-atomer kan bli avgitt når negative ioner dannes. Fosforsyre er treprotisk. Navnet på de negative ionene ender på -at, og vi tar med antallet H-atomer i ionet. Eksempler: SO42− heter sulfat, HCO3− heter hydrogenkarbonat, H2PO4− heter dihydrogenfosfat.

En syre blir klassifisert som en sterk syre hvis nærmere 100 % av syrepartiklene har avgitt H+ til vannmolekyler. Vi bruker enkeltpil ( ) for å vise at reaksjonen går helt mot høyre. Saltsyre, HCl, er et eksempel på en sterk syre. HCl(g) + H2O(l) H3O+(aq) + Cl–(aq) syre sur løsning saltsyre H+ Den sterke syren saltsyre skriver vi som HCl(aq). De to andre sterke syrene du må kjenne til, er HNO3(aq) (salpetersyre) og H2SO4(aq) (svovelsyre). I en svak syre er det bare en liten del av syrepartiklene som har avgitt H+ til vannmolekyler. Vi bruker likevektspil ( ) for å vise at reaksjonen er en likevektsreaksjon. De fleste syrene er svake syrer. Eddiksyre, CH3COOH, er en svak syre. CH3COOH(l) + H2O(l) eddiksyre H+

H3O+(aq) + CH3COO–(aq)

Stoffmengde og mol Stoffmengden 1 mol av et stoff inneholder 6,022 · 1023 partikler av stoffet. Den molare massen av et rent stoff er massen i gram per mol av stoffet. Den molare massen i g/mol har samme måltall som atommassen/molekylmassen/formelmassen i u. Fra formelen for et stoff kan vi regne ut den molare massen av stoffet ut fra atommassene i periodesystemet. Når vi skal regne om fra gram til mol, kan vi bruke den molare massen til å finne tilhørende stoffmengde i en reaksjonsligning. Molar masse kan også brukes ved omregning fra mol til gram og for å finne massen av et bestemt antall atomer/molekyler/formelenheter av stoffet.

Konsentrasjonen i mol/L I molare løsninger er konsentrasjonen av et stoff oppgitt i mol per liter løsning. En hakeparentes som [OH–] betyr konsentrasjonen av hydroksidioner i mol/L. Enheten mol/L skrives også M. Vi sier at en løsning på 2 M er to-molar.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 21

Vannets ioneprodukt [H3O+]

[OH–]

Syrekonstant 10–14

(mol/L)2,

Da Kw = · = har vi følgende forhold: • i nøytrale løsninger er [H3O+] = [OH–] = 10–7 mol/L • i sure løsninger er [H3O+] >> 10–7 mol/L • i basiske løsninger er [H3O+] << 10–7 mol/L

Likevektsreaksjonen for en svak syre HA løst i vann er HA(aq) + H2O(l) Likevektsutrykket er [H3O+] · [A–] ————— — = Ka [HA]

pH – et mål for surhetsgraden pH = –log

[H3O+]

10–pH

mol/L

[H3O+] må alltid være oppgitt i mol/L, men vi sløyfer enheten når vi regner ut pH. pH-skalaen er logaritmisk, derfor vil en liten endring i pH bety en stor endring i antallet H3O+ioner per liter. Ved pH = 3,0 er konsentrasjonen av H3O+-ioner 10 ganger så stor som ved pH = 4,0 og 100 ganger så stor som ved pH = 5,0.

Syre-base-par En syre og en base utgjør et syre-base-par dersom forskjellen mellom dem er bare én H+. Da omtales de også som korresponderende syre og base. I en syrebase-reaksjon er det alltid to syre-base-par: NH4+ + H2O syre1 base2

H3O+(aq) + A–(aq)

Syrekonstanten er et mål for syrestyrken av en svak syre. Syrekonstanten Ka har enheten mol/L. Jo større Ka er, desto sterkere er syren. For sterke syrer er syrekonstanten uendelig stor og oppgis derfor ikke.

Beregning av pH i en syre En enprotisk syre kan avgi ett H+. En sterk enprotisk syre protolyserer fullstendig slik at [H3O+] = [syre], og pH = −log[syre]. Det er mer komplisert å beregne pH i en løsning av en svak syre. Det er fordi den svake syren ikke reagerer fullstendig med vann, slik at vi må bestemme [H3O+] ut fra en likevekt og sette likevektsuttrykket lik syrekonstanten Ka.

NH3 + H3O+ base1 syre2

Jo sterkere en syre er, desto svakere er den korresponderende basen. Jo svakere en syre er, desto sterkere er den korresponderende basen.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 22

Eksempel Beregn pH i 0,10 mol/L CH3COOH. Ka for eddiksyre er 1,8 · 10−5 mol/L. Svar I en løsning av eddiksyre i vann innstiller det seg en likevekt: CH3COOH(aq) + H2O(l)

H3O+(aq) + CH3COO−(aq)

Konsentrasjonen av eddiksyre før protolyse er [CH3COOH]start = 0,10 mol/L. Etter at det er oppnådd likevekt i systemet, er [H3O+] = x, og konsentrasjonen av eddiksyre er [CH3COOH]start – x = 0,10 mol/L – x. Vi kan se bort fra de H3O+-ionene som er i rent vann før protolysen, fordi konsentrasjonen av disse ionene til sammenligning er ≈ 0. Likevektsuttrykket er [H3O+] · [CH3COO−] = Ka [CH3COOH] Vi setter inn den oppgitte verdien for syrekonstanten for eddiksyre og konsentrasjonene av eddiksyre og H3O+ ved likevekt: x·x = 1,8 · 10–5 mol/L 0,10 mol/L – x Vi omformer uttrykket og finner x av andregradsligningen: x2 + (1,8 · 10–5 mol/L) x – 1,8 · 10–6 (mol/L) 2 = 0 x = 1,33 · 10–3 mol/L [H3O+] = x = 1,33 · 10–3 mol/L pH = –log [H3O+] = –log (1,33 · 10–3) = 2,9 I 0,10 mol/L CH3COOH er pH = 2,9. På tilsvarende måte kan vi beregne pH i en svak base.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 23

Le Châtelier-prinsippet Når en likevekt blir påvirket utenfra, blir likevekten forskjøvet slik at effekten av påvirkningen blir mindre. Det er som om likevekten motsetter seg forandringen. Titrerkurver Syrer og baser nøytraliserer hverandre. Konsentrasjonen av en syre eller en base kan vi bestemme ved nøytralisering. Vi kan for eksempel finne ut hvor mye av en base med kjent konsentrasjon som går med for å nøytralisere et bestemt volum av en syre med ukjent konsentrasjon. Metoden kalles titrering. Vi bruker en indikator for å bestemme ekvivalenspunktet. Ved ekvivalenspunktet er den tilsatte stoffmengden base lik den opprinnelige stoffmengden syre som var i kolben. Ekvivalenspunktet kan også bestemmes ved å måle pH og tegne en titrerkurve. Titrerkurven for den sterke syren HCl (aq) (i kolben) titrert mot en sterk base NaOH(aq) (byretten): pH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Det bratte området på kurven spenner over mange enheter på pH-skalaen, og midten av området er ved pH = 7,0. Når vi titrerer en sterk syre med en sterk base, får vi en nøytral løsning ved ekvivalenspunktet. Titrerkurven for en svak syre (i kolben) titrert mot en sterk base (i byretten) har et bratt område som ikke spenner over så mange enheter på pH-skalaen: pH 14 13 12 11 10 ekvivalenspunkt 9 8 7 6 5 halvtitrerpunkt 4 3 startpunkt 2 1 0 5 10 15 20 25 30 35 Volum tilsatt NaOH(aq) i mL

Ved titrering av en svak enprotisk syre (f.eks. CH3COOH) med en sterk base (NaOH(aq)) er løsningen en buffer omkring halvtitrerpunktet. pH i løsningen ved halvtitrerpunktet er bestemt av [H3O+] = Ka, der Ka er syrekonstanten for den svake syren. ekvivalenspunkt

5 10 15 20 25 30 35 Volum tilsatt av NaOH(aq) i mL

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 24

2.1 Buffere gir kontroll med pH Hva en buffer gjør buffer = støtfanger, støtpute

I dagligtale er en buffer en støtdemper eller noe som motvirker eller demper en påvirkning. I kjemien brukes buffer om en løsning som kan motstå en endring i pH når løsningen blir tilført små mengder H3O+-ioner eller OH–-ioner. På laboratoriet og i industrien er det av og til nødvendig å holde pH i en løsning omtrent konstant for å få dannet det produktet man ønsker, og ikke andre stoffer. I blodet vårt er det en blanding av forskjellige buffere som gjør at pH holder seg mellom 7,35 og 7,45. En forandring i pH på 0,4 i den ene eller andre retningen vil føre til bevisstløshet. Det kan skje ved metanolforgiftning. Se side 171.

En buffer er en løsning der pH ikke blir endret vesentlig når vi tilsetter små mengder sterk syre eller sterk base.

På laboratoriet kan vi lage en buffer på flere måter. Vi skal se nærmere på tre ulike metoder.

Tillaging av buffer - metode 1 Vi kan løse to stoffer i vann. Hvilke to stoffer vi løser, avhenger av den pH vi ønsker at bufferen skal ha. Hvis vi for eksempel skal lage en buffer med pH < 7, løser vi en svak syre og et lettløselig salt av denne syren i vann. Skal vi lage en buffer med pH > 7, løser vi en svak base og et lettløselig salt av denne basen i vann.

Buffere kan kjøpes som ferdige løsninger, eller vi kan bruke ferdige pulverposer.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 25

Vi kan lage en buffer som har pH < 7 ved å løse omtrent like stoffmengder eddiksyre, CH3COOH, og natriumacetat, CH3COONa, i vann. Denne eddiksyre-acetat-bufferen har pH rundt 4,7. I bufferen er det to aktive komponenter – en sur og en basisk. Den sure komponenten i eddiksyre-acetat-bufferen er eddiksyre, CH3COOH. Den basiske komponenten er acetat, CH3COO–, og den kommer fra natriumacetat som løses fullstendig i vann: + vann CH3COONa(s) ––––– CH3COO–(aq) + Na+(aq) De to bufferkomponentene, CH3COOH og CH3COO–, utgjør et syre-basepar. pH i løsningen i eddiksyre-acetat-bufferen er bestemt av likevekten CH3COOH(aq) + H2O(l) syre

H3O+(aq) + CH3COO–(aq) base

Enten vi tilsetter små mengder av en sterk syre eller en sterk base til bufferen, blir ikke pH vesentlig forandret. Når vi tilsetter sterk syre, er det den basiske komponenten i bufferen som «tar bort» tilsatt syre: H3O+(aq, tilsatt) + CH3COO–(aq) CH3COOH(aq) + H2O(l) Når vi tilsetter en sterk base, er det den sure komponenten som «tar bort» tilsatt base: OH–(aq, tilsatt) + CH3COOH(aq) CH3COO–(aq) + H2O(l) Enten vi tilsetter en sterk syre med H3O+-ioner eller en sterk base med OH–ioner, blir altså de tilførte ionene «fjernet» av en bufferkomponent i løsningen. pH forandrer seg derfor lite så lenge vi tilsetter små mengder av en sterk syre eller en sterk base. Vi kan lage en buffer som har pH > 7 ved å løse omtrent like stoffmengder av basen ammoniakk, NH3, og et lettløselig salt av denne basen i vann. Saltet kan være ammoniumklorid, NH4Cl. Denne bufferen har pH rundt 9,3. Ammoniakk er den basiske komponenten. Den sure komponenten er ammonium, NH4+, og kommer fra ammoniumklorid som løses fullstendig i vann: + vann NH4Cl(s) ––––– NH4+(aq) + Cl–(aq) pH i denne ammonium-ammoniakk-bufferen er bestemt av likevekten NH4+(aq) + H2O(l) syre

H3O+(aq) + NH3(aq) base

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 26

For å kunne regne ut pH i en buffer må vi kjenne [H3O+]. Det er derfor vi alltid skriver protolysen av den sure komponenten. Syren står altså til venstre i ligningen slik vi har vist både for eddiksyre-acetat-bufferen og for ammonium-ammoniakk-bufferen. Den sure komponenten står også først i navnet på bufferen.

Vi kan lage en buffer ved å løse en svak syre og et lettløselig salt av syren i vann eller ved å løse en svak base og et lettløselig salt av basen i vann (metode 1). Bufferen vil da inneholde en sur komponent og en basisk komponent. De to komponentene utgjør et syre-base-par.

Noen viktige buffere Navn på negative ioner (baser): laktat fra lactic acid (eng.) = melkesyre acetat fra acetic acid (eng.) = eddiksyre

Syre

Formel Base

Navn (syre–base)

pH*

CH3CH(OH)COOH

CH3CH(OH)COO–

melkesyre-laktat

3,86

CH3COOH

CH3COO–

eddiksyre-acetat

4,74

H2CO3

HCO3–

karbonsyre-hydrogenkarbonat

6,37**

NH4+

NH3

ammonium-ammoniakk

9,25

H2PO4–

HPO42–

dihydrogenfosfat-hydrogenfosfat

7,21

*Verdiene er for løsninger som inneholder samme stoffmengde av hver komponent. **Denne verdien omfatter både H2CO3(aq) og løst CO2(aq).

Tillaging av buffer – metode 2 Vi kan også lage en buffer ved å løse bare ett salt i vann. Et slikt salt er natriumhydrogenkarbonat, NaHCO3. Det negative ionet av saltet, HCO3–, fungerer både som sur og som basisk komponent. Når ionet virker som sur komponent, reagerer det med en base: HCO3–(aq) + OH–(aq, tilsatt) CO32–(aq) + H2O(l) syre H+

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 27

Ionet kan også virke som en basisk komponent og reagere med en syre: HCO3–(aq) + H3O+(aq, tilsatt) H2CO3(aq) + H2O(l) base H+ Et annet eksempel på et salt som kan virke som en buffer, er natriumdihydrogenfosfat, NaH2PO4. Det er ionet H2PO4–, dihydrogenfosfat, som da kan virke både som syre og som base.

pH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Tillaging av buffer – metode 3

halvtitrerpunkt

10 15 20 25 30 35 Volum tilsatt NaOH(aq) i mL

En eddiksyre-acetat-buffer kan vi lage ved å nøytralisere eddiksyre (svak syre) til halvtitrerpunktet med natronlut (sterk base).

Vi kan også lage en buffer ved å ta utgangspunkt i en svak syre og så tilsette en sterk base. Dette svarer til det vi gjør når vi titrerer for eksempel eddiksyre med natronlut, NaOH(aq). I halvtitrerpunktet er konsentrasjonen av CH3COOH (sur komponent) lik konsentrasjonen av CH3COO− (basisk komponent). Det er da dannet en eddiksyre-acetat-buffer. Med utgangspunkt i halvtitrerpunktet vil pH i bufferen forandre seg lite enten vi tilsetter mer base eller mer syre. Det kan vi se av kurven ved å gå enten til høyre eller venstre fra halvtitrerpunktet. Det betyr i praksis at blandingen er en buffer rundt halvtitrerpunktet.

pH i en buffer Vi skal beregne pH i en buffer der de to komponentene er den svake syren HA og et salt av denne syren. Saltet inneholder da den korresponderende basen A–. Likevekten er HA(aq) + H2O(l) syre

H3O+(aq) + A–(aq) base

Likevektsuttrykket er [H3O+] · [A–] ––––––––––– = Ka [HA] Av dette uttrykket finner vi [H3O+] [HA] [H3O+] = Ka ––––– [A–] Da syrekonstanten (Ka) for HA er liten, er HA svært lite protolysert i rent vann. Le Châtelier-prinsippet tilsier at HA vil protolysere enda mindre i buffe-

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 28

ren på grunn av den høye konsentrasjonen av A– fra saltet. Vi kan derfor regne [HA] ved likevekt lik [HA]start. Av tilsvarende grunner regner vi at [A–] ved likevekt er lik [A–]start. Da får vi [HA]start [H3O+] = Ka –––––––– [A–]start For å finne en ligning for pH i en buffer bruker vi den negative logaritmen til dette uttrykket: [HA]start –log[H3O+] = –logKa – log –––––––– [A–]start Vi definerer pKa = –logKa og får [HA]start pH = pKa – log –––––––– [A–]start Vi kan endre fortegnet på det siste leddet i uttrykket ved å snu brøken: [A–]start pH = pKa + log –––––––– [HA]start Vanligvis skrives ligningen slik: [base] pH = pKa + log ––––––– [syre]

Her er [base] startkonsentrasjonen av base, og [syre] er startkonsentrasjonen av syre i bufferen. Denne ligningen kalles bufferligningen, og vi bruker den i de neste eksemplene. Bufferligningen kan likevel ikke brukes til å regne ut pH i en buffer laget av ett salt (metode 2). pH blir da regnet ut på vanlig måte for en saltløsning.

pH i en buffer er gitt ved bufferligningen [base] pH = pKa + log ––––––– [syre] Her er [base] og [syre] startkonsentrasjonene av henholdsvis den basiske og den sure komponenten i bufferen. pKa = –logKa der Ka er syrekonstanten for den sure komponenten.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:37

Side 29

EKSEMPEL: Beregning av pH i en eddiksyre-acetatbuffer

Vi lager en buffer ved å løse 11,61 g natriumacetat (CH3COONa · 3H2O) i 100 mL av 1,00 mol/L eddiksyre (CH3COOH) og fortynner løsningen til 0,500 L. Beregn pH i eddiksyre-acetat-bufferen. Ka for eddiksyre er 1,8 ·10–5 mol/L. Svar pH i eddiksyre-acetat-bufferen er bestemt av likevekten CH3COOH(aq) + H2O(l) syre

H3O+(aq) + CH3COO–(aq) base

Vi skal beregne pH ut fra bufferligningen og må da først bestemme [base] = [CH3COO–]start. Natriumacetat er i vann fullstendig løst i ioner: + vann CH3COONa · 3H2O(s) ––––– CH3COO–(aq) + Na+(aq) Molar masse CH3COONa · 3H2O: 136,08 g/mol

Stoffmengde CH3COONa:

11,61 g ––––––––––– = 0,0853 mol g 136,08 mol

Molforhold: 1 mol CH3COONa ↔ 1 mol CH3COO–

[base] = [CH3COO–]start:

0,0853 mol –––––––––––– = 0,171 mol/L 0,500 L

Så finner vi [syre] = [CH3COOH]start. mol L

Stoffmengde CH3COOH:

1,00

· 0,100 L = 0,100 mol

[syre] = [CH3COOH]start:

0,100 mol ––––––––––– = 0,200 mol/L 0,500 L

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 30

>>>>>>> Vi setter inn i bufferligningen: [base] pH = pKa + log ––––––– [syre] 0,171 pH = – log (1,8 · 10–5) + log –––––––– = 4,74 – 0,07 = 4,67 0,200 I denne eddiksyre-acetat-bufferen er pH = 4,67. Hvis vi hadde blandet like store stoffmengder eddiksyre og natriumacetat i vann, ville pH ha vært 4,74 (= pKa).

Blodet bufrer Ved sterke fysiske anstrengelser kan melkesyre hope seg opp i musklene på grunn av for liten tilførsel av oksygen. Melkesyre dannes ved anaerob nedbrytning av glukose og har strukturformelen CH3-CH(OH)-COOH. Små mengder melkesyre fører likevel ikke til at blodet blir særlig mye surere. Det er fordi det er flere syre-base-par i blodet som virker som buffere. Et slikt syre-base-par er karbonsyre og hydrogenkarbonat (H2CO3 og HCO3–), der det er basen HCO3– som nøytraliserer H3O+ fra melkesyrens karboksylgruppe (-COOH): HCO3−(aq) + H3O+(aq) base syre

H2CO3(aq) + H2O(l)

Et annet syre-base-par i blodet er dihydrogenfosfat og hydrogenfosfat, H2PO4− og HPO42−. I tillegg gjør proteiner at pH i blodet holdes konstant.

Hekkeløperen Christina Vukicevic. Ved store muskelanstrengelser på kort tid under lavt oksygenopptak kan musklene stivne på grunn av melkesyre.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 31

EKSEMPEL: Beregning av pH i en ammonium-ammoniakk-buffer

Vi lager en buffer ved å blande 450 mL av 0,50 mol/L NH3 og 250 mL av 1,0 mol/L NH4Cl og fortynner med vann til 1,00 L løsning. Ka (NH4+) = 5,6 · 10–10 mol/L Beregn pH i bufferen. Svar pH i ammonium-ammoniakk-bufferen er bestemt av likevekten H3O+(aq) + NH3(aq) base

NH4+(aq) + H2O(l) syre

Vi skal beregne pH ut fra bufferligningen og bestemmer først [syre] = [NH4+]start. Ammoniumklorid er i vann fullstendig løst i ioner: NH4Cl(aq) NH4+(aq) + Cl–(aq) Stoffmengde NH4Cl: 1,0

mol L

· 0,250 L = 0,250 mol

1 mol NH4Cl ↔ 1 mol NH4+ [syre] = [NH4+]start:

0,250 mol –––––––––– = 0,250 mol/L 1,00 L

Vi må også finne [base] = [NH3]start før vi kan bruke bufferligningen. mol L

Stoffmengde NH3:

0,50

[base] = [NH3]start:

0,225 mol –––––––––– = 0,225 mol/L 1,00 L

· 0,450 L = 0,225 mol

pKa (NH4+) = –log(5,6 · 10–10) = 9,25 Vi setter inn i bufferligningen: [base] 0,225 pH = pKa + log –––––– = 9,25 + log –––––– = 9,20 [syre] 0,250 I denne ammonium-ammoniakk-bufferen er pH = 9,20.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 32

EKSEMPEL: pH i en buffer etter at det er tilsatt en sterk syre

Vi tilsetter 5,0 mL 1,0 mol/L HCl til 0,500 L av eddiksyre-acetat-bufferen med pH = 4,67. Se side 30. Regn ut pH i eddiksyre-acetat-bufferen etter tilsetningen. Svar Stoffmengde HCl tilsatt bufferen: 1,0

mol L

· 5,0 · 10–3 L = 0,0050 mol

Saltsyren er fullstendig protolysert, derfor blir stoffmengden H3O+(aq, tilsatt) lik stoffmengden saltsyre: stoffmengde H3O+(aq, tilsatt) = 0,0050 mol De opprinnelige stoffmengdene eddiksyre og acetat i 0,500 L av bufferen var (se side 29): Stoffmengde CH3COOH = 0,100 mol Stoffmengde CH3COO– = 0,0853 mol Den tilsatte stoffmengden HCl reagerer med like mye base i bufferen. Det gjør at stoffmengden syre totalt øker, og at stoffmengden base totalt avtar. De nye stoffmengdene av syre og base blir: Stoffmengde syre totalt: Stoffmengde base totalt: Totalvolumet:

0,100 mol + 0,0050 mol = 0,1050 mol 0,0853 mol – 0,0050 mol = 0,0803 mol 0,500 L + 0,005 L = 0,505 L

Vi setter inn i bufferligningen, og pKa(CH3COOH) = 4,74:

pH = pKa + log

[base] = 4,74 + log [syre]

0,0803 mol 0,505 L 0,1050 mol 0,505 L

= 4,62

Når vi tilsetter litt sterk syre til en eddiksyre-acetat-buffer med opprinnelig pH = 4,67, blir det liten endring i surhetsgraden. pH endres til 4,62.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 33

Buffere på badet Mange produkter må ha en passende pH. Buffere finnes i alt fra øyedråper til sjampo og hudkrem. Bufferen må ikke være helseskadelig. Dusjsåpen Natusan pH 5,5 Shampoo inneholder mange ingredienser. Blant stoffene er sitronsyre og «natriumcitrat», som danner en buffer og gjør at pH i denne dusjsåpen er 5,5. Dette kalles hudens naturlige pH.

Natusan pH 5,5 Shampoo.

citrate (eng.) = sitrat

Strukturformelen for sitronsyre er vist nedenfor. Sitronsyre er en svak syre med tre karboksylgrupper og kan derfor danne tre ulike natriumsalter. I dette produktet har de fått fellesbetegnelsen «natriumcitrat».

Avhengig av hvor mange av –COOH-gruppene i sitronsyren som protolyserer, kan det være ulike syre-base-par i bufferen Natusan pH 5,5 Shampoo. Bufferen er laget ved å blande sitronsyre og trinatriumsitrat som er fullstendig løst i natriumioner og sitrat med tre negative ladninger. Sitronsyren reagerer med basen i dette sitratet og danner sitrationer med to negative ladninger. Dette ionet kan bufre begge veier og fungere både som sur og basisk komponent. Hudkrem for babyer inneholder buffere for å hindre bleieutslett. Bakterier bryter ned urin og avføring og danner ammoniakk som irriterer huden. Når vi bruker hudkrem som er bufret til pH 6, blir den ammoniakken som produseres, tatt opp av bufferen, og faren for utslett er da mindre. Dessuten får bakteriene dårlige vekstbetingelser ved pH = 6 fordi de trives best ved pH 7–9.

CH2 HO

COOH COOH

CH2

COOH

sitronsyre

CH2 COO – HO C

COO –

CH2 COOH sitration med to negative ladninger

Bufferområdet og bufferkapasiteten I regneeksemplet på forrige side så vi at pH i eddiksyre-acetat-bufferen endret seg lite da vi tilsatte noe av en sterk syre. Men tilsetter vi større mengder av den sterke syren, kommer vi til et punkt der pH endrer seg drastisk. Da sier vi at bufferen er «sprengt». Tilsvarende forhold får vi ved tilsetning av en sterk base. Det pH-området der bufferen er virksom og pH endres lite, kaller vi bufferområdet. Vi definerer bufferområdet som det pH-intervallet der pH = pKa ±1. En buffer må tåle påvirkning av både syre og base. Jo høyere konsentrasjonene av den sure og den basiske komponenten i en buffer er, desto mer tåler bufferen før den blir sprengt. Når vi fortynner en buffer med vann, holder pH i bufferen seg uforandret fordi forholdet mellom [base] og [syre] er uforandret. Men bufferkapasiteten, som er et mål for bufferens evne til å motstå større pH-endringer, blir mindre for samme volum buffer. Det er fordi konsentrasjonen av hver av bufferkomponentene avtar ved fortynningen. Et mål for bufferkapasiteten er den stoffmengden sterk syre eller sterk base som kan tilsettes 1,0 L av bufferen før bufferen er utenfor bufferområdet.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 34

Titrerkurve og bufferområde Vi kan igjen se på titrerkurven på side 27 der vi titrerte en svak syre (eddiksyre) med en sterk base (natronlut). Når halvparten av den basemengden som trengs for å nå ekvivalenspunktet, er tilsatt, er vi i halvtitrerpunktet. Da er pH = pKa, og blandingen er en buffer. Av titrerkurven kan vi se at bufferområdet er ved pH = pKa ±1 = 4,7 ±1 – altså fra pH 3,7 til 5,7. Bufferområdet tilsvarer den flateste delen av kurven, og der endrer pH seg mye mindre enn utenfor området.

Titrerkurve for en svak syre som titreres med en sterk base. Den delen av kurven som er innenfor bufferområdet, er tegnet med blått. Tilsatt base er oppgitt som prosent av den basemengden som er nødvendig for å nøytralisere syren og nå ekvivalenspunktet.

pH 14 13 12 11 10 9 8 7 pH = pKa + 1 6 5 pH = pKa pH = pKa – 1 4 3 2 1 0

ekvivalenspunkt

halvtitrerpunkt

50 90 100 % av tilsatt sterk base

EKSEMPEL: Beregning av bufferkapasitet

Vi har laget en buffer ved å blande 100 mL av 0,30 mol/L eddiksyre med 40 mL av 0,50 mol/L natronlut. Syrekonstanten for eddiksyre er 1,8 · 10–5 mol/L. Beregn bufferkapasiteten for denne bufferen. Svar Bufferkapasiteten er den stoffmengden sterk syre eller sterk base vi kan tilsette 1,0 L av bufferen før den ikke lenger bufrer. Vi regner først ut pH i bufferen. Stoffmengde CH3COOH ved tillaging: 0,30 Stoffmengde NaOH ved tillaging: 0,50

mol L

· 0,100 L = 0,030 mol

· 0,040 L = 0,020 mol

0,020 mol NaOH nøytraliserer 0,020 mol CH3COOH: CH3COOH(aq) + OH−(aq)

Buffere

CH3COO–(aq) + H2O(l)

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

>>>>>>>

05-07-10

10:38

Side 35

Bufferens innhold av CH3COOH: 0,030 mol – 0,020 mol = 0,010 mol Bufferens innhold av CH3COO−: 0,020 mol Volum bufferen: 0,100 L + 0,040 L = 0,140 L pH i bufferen regner vi ut fra bufferligningen: [base] pH = pKa + log ––––––– = – log (1,8 · 10–5 ) + log [syre]

0,020 mol 0,140 L 0,010 mol 0,140 L

pH = 4,74 + 0,30 = 5,04 Da pH > pKa er bufferen på den basiske siden. Vi kan derfor tilsette mindre base enn syre før bufferen kommer utenfor bufferområdet. Bufferområdet er pH = pKa ±1. Hvis vi tilsetter natronlut, vil bufferen fortsette å virke til vi får pH = pKa + 1 = 4,74 + 1 = 5,74 Da har vi [base] pH = pKa + log –––––– [syre]

1,0 = log

[base] [syre]

og 10 =

[base] 5,74 = 4,74 + log –––––– [syre] [base] [syre]

Vi velger å bruke den samme luten som da vi laget bufferen.Volumet av tilsatt 0,500 mol/L NaOH settes lik x, og vi setter inn i uttrykket for øvre grense av bufferområdet.

10 =

[CH3COO–] [CH3COOH]

(0,020 mol + x · 0,500 mol/L) (140 mL + x) (0,010 mol – x · 0,500 mol/L) (140 mL + x)

Vi kan forkorte vekk volumet. Av denne ligningen finner vi at x = 14,5 mL. Bufferkapasiteten er definert som stoffmengde sterk syre eller sterk base tilsatt per liter buffer. Stoffmengde NaOH tilsatt: 0,500

mol L

· 0,0145 L = 0,00725 mol

0,00725 mol Stoffmengde NaOH tilsatt per liter buffer: ––––––––––– · 1 L = 0,052 mol 0,140 L Bufferkapasiteten er 0,052 mol.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 36

2.2 Naturlige buffere i vann Karbonatsystemet Vann i naturen inneholder både CO2, H2CO3, HCO3– og CO32–. Disse molekylene og ionene kan gå over i hverandre. I vannet er det derfor flere syre-basepar som vekselvirker, og som til sammen utgjør et buffersystem. Dette buffersystemet kaller vi karbonatsystemet. Det finnes også andre buffersystemer i vann. Vi skal her gi en forklaring på hvorfor CO2, H2CO3, HCO3– og CO32– kan finnes i vann. CO2-gass i luft løses i vann som CO2(aq). Noe av denne oppløste gassen reagerer med vann og danner karbonsyre: CO2(aq) + H2O(l)

H2CO3(aq)

Karbonsyren kan protolysere og danner da hydrogenkarbonat-ioner: H2CO3(aq) + H2O(l)

HCO3–(aq) + H3O+(aq) Ka = 4,3 · 10−7 mol/L

Hydrogenkarbonat-ioner kan så protolysere og danne karbonat-ioner: HCO3–(aq) + H2O(l)

CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l)

100 HCO3–

CO2 og H2CO3

CO32–

0 4

Buffere

Ka = 4,8 · 10−11 mol/L

Vann som er påvirket av luft, kan altså inneholde noe CO2(aq), H2CO3(aq), HCO3–(aq) og/eller CO32–(aq). For at vannet skal få en viss bufferevne, må det være i kontakt med kalkstein CaCO3(s) slik at det dannes mer HCO3–(aq):

Karbonatsystemet: CO2(aq) H2CO3(aq) HCO3–(aq) 2– CO3 (aq). Sammenhengen mellom pH-verdi og prosentvis andel av ulike molekyler/ioner i karbonatsystemet. relative konsentrasjoner i %

CO32–(aq) + H3O+(aq)

12 pH

Ca2+(aq) + 2HCO3–(aq) Hydrogenkarbonat-ionet kan nøytralisere både syre og base som vist på sidene 26 og 27. HCO3–(aq) er den viktigste komponenten i karbonatsystemet. Vann fra en kalkrik grunn har høyt innehold av HCO3–(aq) og derfor høyere bufferkapasitet enn vann i kalkfattige områder der grunnen består av bergarter som gneis og granitt. De fleste norske vassdrag går gjennom kalkfattige områder, og vannet har dermed ganske lav bufferkapasitet. Figuren viser sammenhengen mellom pH og den relative konsentrasjonen

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 37

av de forskjellige molekylene/ionene i karbonatsystemet. Vann som er i likevekt med CO2 i luften og kalsiumkarbonat i grunnen, har pH = 8,3. For vann med pH i området 7–9 vil det meste av komponentene i karbonatsystemet være HCO3–(aq), og vannet kan bufre like bra mot syre som mot base. Rent regnvann har en pH på omtrent 5,5, og det skyldes oppløst CO2 fra luften. Konsentrasjonen av HCO3– er svært lav, og vannet har ingen bufferevne. Hvis vannet blir påvirket av sure forbindelser som svovel- eller nitrogenoksider, vil pH minke mye.

Alkaliniteten til vann Alkalinitet er et begrep som blir brukt i vannanalyser. Alkalinitet er definert som vannets innhold av negative ioner med baseegenskaper. I ferskvann er alkaliniteten lik summen av HCO3–(aq) og CO32–(aq), mens den i sjøvann omfatter også andre ioner som vist i tabellen nedenfor. Ioner som bidrar til alkaliniteten i sjøvann Navn

Formel

Andel (%)

Karbonat

CO32–

6,7

Hydrogenkarbonat

HCO3–

89,8

B(OH)4–*

2,9

OH–

0,1

Borat Hydroksid Fosfater

HPO42–,

PO43–

varierer

* Borsyre er spesiell, og formelen H3BO3 skrives B(OH)3. Borsyren B(OH)3 virker som en syre ved å ta opp et OH−, og da dannes det negative borationet B(OH)4−.

Vannets alkalinitet kan bestemmes ved å måle den mengde syre som gjør at pH synker under en gitt pHverdi som vanligvis er den laveste pH-verdien i bufferområdet. Syremengden oppgis i mmol H3O+ per liter vann. Alkaliniteten tilsvarer altså vannets bufferevne mot syrer. Akvarievann skal ha ganske høy alkalinitet. Det er fordi det dannes sure nedbrytningsprodukter fra organisk materiale når akvariet er i drift. Hvis akvarievannet har lav alkalinitet, kan slike nedbrytningsprodukter gi raske pH-fall og fiskedød. Det er derfor vanlig å øke alkaliniteten i akvarievann med tabletter som inneholder løselige salter av HCO3– og CO32–.

Drikkevann med lav alkalinitet kan forsures av nedbrytningsprodukter fra organisk materiale som stammer fra råvann eller bakterievekst i ledningsnettet. Surt vann kan føre til tæring av ledningsnett som er laget av jern og sement, og dermed gi vannlekkasjer. For å hindre slike skader er det vanlig å bufre vannet før det sendes ut på ledningsnettet. Da øker vi vannets innhold av HCO3–(aq) og CO32–(aq) ved å lede CO2-holdig vann gjennom store beholdere med finknust kalkstein. Se reaksjonsligningene på forrige side.

Akvarievann må ha tilstrekkelig alkalinitet til å nøytralisere sure nedbrytningsprodukter av organisk materiale.

Buffere

Kjemi2_kap_2_091469.qxp:Layout 1

05-07-10

10:38

Side 38

Sammendrag • En buffer er en løsning der pH ikke endrer seg vesentlig når vi tilsetter små mengder syre eller base. En buffer består av et syre-base-par eller et ion som kan ha både syre- og baseegenskaper. • Tillaging av buffere kan gjøres på tre måter: 1. Vi kan lage en buffer ved å løse to stoffer i vann. Skal vi lage en buffer med pH < 7, løser vi en svak syre og et lettløselig salt av denne syren i vann. Skal vi lage en buffer med pH > 7, løser vi en svak base og et lettløselig salt av denne basen i vann. 2. Vi kan lage en buffer ved å løse bare ett salt i vann. Et slikt salt er natriumhydrogenkarbonat, NaHCO3. Det negative ionet av saltet, HCO3–, fungerer både som sur og som basisk komponent. 3. Vi kan lage en buffer ved titrering av en svak syre med en sterk base eller ved titrering av en svak base med en sterk syre. Ved halv-titrerpunktet har vi en buffer som bufrer like godt begge veier. • pH i en buffer er gitt ved bufferligningen: [base] pH = pKa + log ––––––– [syre] Her er [base] og [syre] startkonsentrasjonene av henholdsvis den basiske og den sure komponenten i bufferen. Ka er syrekonstanten for den sure komponenten. • Bufferkapasiteten er den stoffmengden av en sterk syre eller en sterk base som må tilsettes 1,0 L av bufferen for at den ikke skal gå utenfor bufferområdet, og bli sprengt. • Karbonatsystemet er et viktig buffersystem i blodet og i naturen. I karbonatsystemet er det flere syre-base-par som vekselvirker: H2CO3(aq) HCO3–(aq) CO32–(aq) CO2(aq) • Alkalinitet er et begrep som blir brukt i vannanalyser. Alkalinitet er definert som vannets innhold av negative ioner med baseegenskaper. I ferskvann er alkaliniteten lik summen av HCO3–(aq) og CO32–(aq), mens den i sjøvann også omfatter andre ioner.

Buffere