Kjemien Stemmer 1

Grønneberg • Hannisdal • Pedersen • Ringnes

Kjemien stemmer

Kjemien stemmer Kjemi 1 dekker læreplanen i kjemi for studiespesialiserende utdanningsprogram på Vg2.

Læreverket består av: • Grunnbok • Studiebok • Nettsider

KJEMI 1 Bokmål

ISBN 978-82-02-26593-9

9 788202 265939 www.cappelen.no

Truls Grønneberg

•

Merete Hannisdal

•

Bjørn Pedersen

•

Vivi Ringnes

Kjemien stemmer KJEMI 1 GRUNNBOK

•

BOKMÅL

© J.W. Cappelens Forlag AS, Oslo 2007 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser.

Uten særskilt avtale med J.W. Cappelens Forlag 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.

Grafisk formgiver: Kristine Steen Omslagsdesign: Kristine Steen Omslagsfoto: GV-Press/Geoff Tompkinson Tegninger: Keops/Terje Sundby Bilderedaktør: Eva Irgens Forlagsredaktører: Eva Irgens og Anne Muniz Trykk: Livonia Print SIA, Latvia 2010 Utgave nr. 3 Opplag nr. 7 ISBN: 978-82-02-26593-9 www.cappelendamm.no www.kjemienstemmer.cappelen.no Forfatterne har mottatt stipend fra Norsk faglitterær forfatter- og oversetterforening.

Fotografiene er levert av: Asker og Bærums Budstikke s. 116 Eva Irgens s. 215 m GV-press: Science Photo Library s. 25 ø, s. 26 n, Peter Fowler/Science Photo Library s. 26 ø, American Institute of Physics/Science Photo Library s. 27, Lawrence Lawry/Science Photo Library s. 56, Laguna Design/Science Photo Library s. 57 øh, Klaus Guldbrandsen/ Science Photo Library s. 58, David R. Frazier/Science Photo Library s. 68, Stefano Oppo/age fotostock s. 77, Ulrike Koeb/age fotostock s. 81 ø, Gusto/Science Photo Library s. 133, Hank Morgan/Science Photo Library s. 151, Pixtal s. 155, Walter Geiersperger/age fotostock s. 211, M & M Valledor/age fotostock s. 213, Pedro Coll/age fotostock s. 214 Inger Catrinius/Norges veterinærhøyskole s. 124 Ierald Favre-Sygma s. 128 Norsk Hydro s. 90 REC Olivier Helbig s. 57 n Samfoto: Ole A. Buenget s. 8, Espen Bratlie s. 94, Thorfinn Bekkelund s. 109, Bjørn Rørslett s. 195, John Petter Reinertsen s. 227 ø Scanpix: Geir Olsen s. 85, Scanpix s. 89, Carl Martin Nordby/Aftenposten s. 189, VG s. 207, AP s. 217, Rolf Øhmen s. 227 n STM-group, Department of Synchrotron Radiation Research, Lund University s. 25 n YARA, Gisle Nomme s. 119 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 flekkene.

2

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

1

Verden som kjemikere ser den . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 Kjemi og kjemikere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Tre viktige sider av kjemien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Stoffer p책 makro- og mikroniv책 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 Atomer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Periodesystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6 Stabil elektronfordeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.7 Atombegrepets historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2

Formler og navn p책 uorganiske forbindelser . . . . . . . . 29 2.1 Felles formler og ensartede navn i alle land . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2 Forbindelser av to ikke-metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 Ioneforbindelser av ett metall og ett ikke-metall . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4 Ioneforbindelser med fleratomige ioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5 Ioneforbindelser med krystallvann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3

Bindinger, oppbygning og egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1 Ulike typer kjemiske bindinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 Metallbinding og egenskaper til metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3 Ionebinding og egenskaper til salter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4 Kovalent binding i molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.5 Svake bindinger mellom molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.6 Egenskaper til stoffer som er bygd opp av molekyler . . . . . . . . . . 55 3.7 Oppbygning og egenskaper til nettverksstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.8 Oppsummering om bindinger og egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3

4

Stoffmengde og konsentrasjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1 Veien om mol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2 Konsentrasjonen av et stoff i en blanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3 Molare løsninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5

Stoffer reagerer

6

Varme, uorden og spontanitet

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.1 Kjemiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.2 Kjemiske ligninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.3 Beregninger basert på reaksjonsligninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.1 Energiregnskap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.2 Måling og beregning av entalpiendringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.3 Når er en prosess spontan? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7

Reaksjonsfart og likevekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.1 Reaksjonsfart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.2 Likevekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 7.3 Drøfting av likevekter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.4 Beregning av konsentrasjoner ved likevekter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7.5 Løselighet og felling av salter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

8

Syrer og baser

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.1 Syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.2 Syrer i vann, baser i vann og styrkeforhold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 8.3 pH-begrepet og pH-målinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.4 Protolyse av salter og gasser i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.5 Beregning av pH i løsninger av syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 8.6 Titrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

4

9

Organisk kjemi

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

9.1 Organisk kjemi – karbonforbindelsenes kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 9.2 Hydrokarboner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 9.3 Navn på forbindelser med én funksjonell gruppe . . . . . . . . . . . . . . 184 9.4 Halogenerte alkaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 9.5 Alkoholer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 9.6 Aldehyder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 9.7 Ketoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 9.8 Karboksylsyrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 9.9 Estere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 9.10 Etere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 9.11 Aminer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 9.12 Forbindelser med flere forskjellige funksjonelle grupper . . . . . 201 9.13 Isomeri – en oversikt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 9.14 Aromatiske forbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 9.15 Stoffgrupper – en oversikt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

10 Vann

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 10.1 Vann – et vanlig stoff med uvanlige egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 10.2 Drikkevann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 10.3 Vaskemidler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

Stikkordregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

5

FORORD De tidligere studieretningsfagene kjemi 2KJ og kjemi 3KJ i Reform 94 er etter Kunnskapsløftet 2006 erstattet med programfagene kjemi 1 og kjemi 2, og timetallet i kjemi er økt fra 3 + 5 til 5 + 5 uketimer. Fordelingen av læreplanmål mellom de to programfagene er noe endret sammenlignet med Reform 94, og nye mål er kommet til. Dette har gjort det nødvendig med en omfattende revisjon av læreverket Kjemien stemmer.

Også denne gangen har vi ønsket å lage et læreverk som kan bidra til å skape interesse for kjemi og naturvitenskap, og som samtidig knytter kjemien til det daglige liv og aktuell samfunnsdebatt.

Kjemien stemmer Kjemi 1 består av en grunnbok og en studiebok. I denne grunnboken har vi konsentrert oss om sentrale prinsipper og begreper i kjemien.

Vi drøfter observasjoner på makronivå og gir forklaringer på mikronivå ved hjelp av modeller. Elev og lærer får en oppdatert og forenklet fremstilling av stoffers oppbygning, egenskaper og reaksjoner. Studieboken inneholder forskjellige teorioppgaver og forslag til praktiske aktiviteter.

Vi håper at elever gjennom arbeid med grunnboken og studieboken kan se at kunnskaper i kjemi gir nyttig innsikt for eget liv og større evne til å takle utfordringer.

Vi er takknemlige for alle tilbakemeldinger som kan gjøre læreverket bedre.

Så ønsker vi elever og lærere lykke til med kjemifaget!

Oslo, april 2007 Truls Grønneberg Bjørn Pedersen

6

Merete Hannisdal Vivi Ringnes

1

Verden som kjemikere ser den Mål for opplæringen er at du skal kunne • gjøre rede for den historiske utviklingen av atombegrepet og beskrive og sammenligne Bohrs atommodell og dagens atommodell • forklare, illustrere og vurdere stoffers sammensetning, bindingstyper og egenskaper ved hjelp av periodesystemet (fortsetter i kapittel 3)

Kjemi er læren om stoffene i oss og omkring oss. I dette kapittelet skal vi se nærmere på stoffenes minste byggeklosser, atomene, og hvordan de er organisert i periodesystemet.

Til slutt i kapittelet kan du lese litt om utviklingen av vår kunnskap om atomene, som er så små at de bare kan sees som kuler selv i verdens sterkeste mikroskop.

Verden som kjemikere ser den

7

1.1 Kjemi og kjemikere Kjemi er læren om stoffer Kjemi er læren om stoffene, deres oppbygning, egenskaper og reaksjoner og om energiforandringer ved stoffendringene. Utvalgte stoffer blir studert nærmere i de ulike naturfagene. I biologi studerer de stoffer i levende organismer.

I medisin og farmasi studerer de legemidler og stoffer som er av betydning for liv og helse. I geologi studerer de mineralene bergartene består av. I fysikk studerer de egenskaper hos utvalgte stoffer og setter opp matematiske modeller for dem. Et godt grunnlag i kjemi er nødvendig for å kunne gå dypere inn i alle disse fagene. Derfor har kjemi en sentral plass blant naturfagene.

Kjemi er en del av vårt liv Det finnes ingen ting du kan se, ta på, lukte eller smake som ikke er stoff. Og i et moderne hjem finnes det knapt et stoff eller en gjenstand som ikke har vært innom en eller annen kjemisk prosess som mennesker har utviklet. Kjemi er derfor et bredt fagfelt og har stor betydning i hverdagen.

Hva gjør en kjemiker?

En kjemiker kan ha svært ulike arbeidsoppgaver, f.eks. produksjon av varer og materialer, analyse og kontroll av produkter eller utvikling og forskning. Mange kjemikere arbeider som lærere ved skoler, høyskoler og universiteter.

Analyse og kontroll av legemidler, næringsmidler, materialer og miljøgifter er viktige arbeidsoppgaver for kjemikere. Mye av arbeidet på et analyselaboratorium foregår i dag ved bruk av avanserte instrumenter. Kjemikunn-

8

Verden som kjemikere ser den

Noe av sjarmen med kjemifaget er muligheten til å erfare noe uvanlig og spennende.

nanus (gr.) = dverg 1 nm = 10–9 m

skaper er nødvendige for å kunne behandle et prøvemateriale riktig og tolke analyseresultatene.

Et viktig forskningsområde for kjemikere er å lage nye stoffer med ønskede egenskaper. Kjemikere kan få frem stoffer som allerede finnes i naturen, på enklere, billigere og mindre miljøbelastende måter. De fremstiller også stadig flere stoffer som ikke finnes naturlig.

Nanoteknologi er et av de nyeste forskningsområdene. Der handler det om å bygge opp nye stoffer atom for atom. Dermed kan man lage bitte små komponenter med skreddersydde egenskaper for bestemte anvendelser innenfor teknologi og medisin.

Nanoteknologi Nanoteknologi er noe nytt som du sikkert kommer til å høre mer om. En nanometer er en milliontedels millimeter, altså 10–9 m. På en nanometer er det plass til en kjede med 4–5 karbonatomer, så nanoteknologi er teknologi på atomnivå.

Hittil har kjemikere laget nye stoffer på makronivå. Nå kan vi lage nye stoffer på mikronivå ved hjelp av nanoteknologi dvs. hekte atomene direkte sammen på nye måter.

Figuren viser nanorør av karbon laget i California. Slike nanorør finnes ikke naturlig. De er sterkere enn stål, og tykkelsen er omtrent 1/50 000 av et hår. De grønne dobbeltkulene er oksygenmolekyler, O2, absorbert på utsiden.

Slike nanorør kan i fremtiden bli brukt som konstruksjonsmaterialer og til å lage bitte små detektorer.

Verden som kjemikere ser den

9

Hvorfor skal vi lære kjemi?

Kjemi er et godt grunnlag for videre studier og mange forskjellige yrker. Selv om du skulle velge et helt annet yrke enn kjemiker, vil kunnskaper i kjemi gjøre det lettere for deg å forstå politiske debatter om miljø og energi og for eksempel gi deg et faglig grunnlag for å kunne skille mellom saklige og usaklige utsagn i reklame. Kunnskaper i kjemi kan også være en hjelp for deg til å velge et fornuftig kosthold, og til å forstå hvordan du bør behandle helsefarlige stoffer som du kan støte på i hverdagen.

Etter hvert som du leser utover i denne boken, håper vi at du får en del aha-opplevelser når du får forklaring på dagligdagse fenomener.

1.2 Tre viktige sider av kjemien Samspill Vi eksperimenterer med stoffene på laboratoriet og beskriver det vi observerer. Når vi gjør kjemiforsøk, arbeider vi med så pass store mengder av stoffene at vi med sansene våre kan observere det som skjer. Mengden behøver ikke være mer enn noen gram eller milligram. Vi sier at vi arbeider med stoffene på makronivå. Det som skjer i reaksjonene, prøver vi å forklare ved å beskrive partikler som er så små at vi ikke kan se dem. Partiklene kan være atomer, molekyler eller ioner. Vi sier at vi forklarer reaksjonene og egenskapene til stoffene på mikronivå. Dette samspillet mellom makronivå og mikronivå er et viktig trekk ved moderne kjemi. Dessuten omtaler vi stoffene og reaksjonene mellom dem ved hjelp av formler og ligninger. Å lære dette samspillet mellom makronivå, mikronivå og kjemispråket er en viktig del av det å lære kjemi.

Makronivå Kjemiske stoffer Beskrivelser

Mikronivå Atomer, molekyler, ioner Forklaringer

Kjemispråk Formler, ligninger Beregninger

Modeller i kjemien – fordeler og begrensninger For å danne seg et bilde av stoffer på mikronivå lager kjemikere forskjellige modeller. Med en modell kan vi få frem bestemte trekk ved oppbygningen av et stoff. Matematikk og datamaskiner har gjort det mulig å lage tredimensjonale modeller av molekyler. Vi velger ikke alltid den «riktigste» og mest omfat-

10

Verden som kjemikere ser den

Cl

H

O

C

Kulepinnemodeller (øverst) og kalottmodeller (nederst) av hydrogenklorid (HCl), vann (H2O) og karbondioksid (CO2).

Kulepinnemodellene viser vinklene mellom atomene, men kulene i modellen er for små i forhold til avstanden mellom dem. Kalottmodellene får bedre frem størrelsesforholdet mellom atomene, men viser ikke om bindingene i molekylet er enkelt- eller dobbeltbindinger.

tende modellen når vi skal forklare noe. En enkel modell kan være vel så hensiktsmessig hvis den illustrerer de forholdene ved virkeligheten som vi er opptatt av i øyeblikket. Uansett hva slags modeller vi konstruerer, må vi huske på at de er hjelpemidler og ikke selve virkeligheten. Modeller som vi ofte benytter i kjemien på skolen, er tegninger og tredimensjonale kulepinnemodeller og kalottmodeller.

1.3 Stoffer på makro- og mikronivå Stoff – alt som har masse Med stoff mener vi alt som har masse og opptar plass. Med det har vi sagt at også et atom, et ion og et molekyl er stoff – stoff på mikronivå.

På makronivå skiller vi mellom rene stoffer og blandinger av stoffer. Et rent stoff er enten et grunnstoff eller en kjemisk forbindelse. I et grunnstoff er det bare én type atomer. I en kjemisk forbindelse er det to eller flere atomtyper. En blanding inneholder to eller flere rene stoffer. Luft er en blanding av gasser.

Materie (i dagligtale ofte kalt stoff)

Rent stoff

Grunnstoff (som jern)

Blanding

Kjemisk forbindelse (som salt)

I diagrammet står jern som eksempel på et grunnstoff. Oksygen og hydrogen er også grunnstoffer. Når vi tenner på en blanding av hydrogengass og oksygengass, reagerer stoffene med hverandre, vi hører et smell, og det blir dannet vann. Vann er en kjemisk forbindelse som består av molekyler. Hvert vannmolekyl består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Den kjemiske forbindelsen har helt andre egenskaper enn de grunnstoffene den er dannet av.

Et grunnstoff er et stoff som består av bare én type atomer.

En kjemisk forbindelse er et stoff som består av to eller flere typer atomer.

Verden som kjemikere ser den

11

Stoffer som brukes på laboratoriet eller i industrien, kalles vanligvis kjemikalier. Det er stoffer som vi kjenner sammensetningen og renheten av. På laboratoriet kalles natriumklorid og etansyre for kjemikalier. I dagliglivet kaller vi de samme stoffene salt og eddiksyre.

Navn på grunnstoffer

IUPAC står for the International Union of Pure and Applied Chemistry.

Først på slutten av 1700-tallet innså man at alle stoffer var bygd opp av et begrenset antall grunnstoffer. Ni av grunnstoffene var kjent allerede i oldtiden, ytterligere seks var oppdaget før 1750, og siden er det jevnlig blitt oppdaget eller fremstilt nye grunnstoffer. Den som oppdager et grunnstoff, har rett til å foreslå navn på det. Navnet blir endelig fastsatt av en internasjonal organisasjon som kalles IUPAC. For hvert grunnstoff er det fastsatt et atomsymbol og et navn. Symbolet er første bokstav i det latinske navnet (som stor H for hydrogen) eller første bokstav pluss en liten bokstav (som He for helium og Hg for hydrargyrum (lat.) = kvikksølv). Symbolet er det samme i alle land. Navnet kan variere fra språk til språk, og det gjelder særlig for de grunnstoffene som lenge har vært kjent og i bruk. For eksempel er Au atomsymbolet for det grunnstoffet som heter gull på norsk, aurum på latin, gold på engelsk og or på fransk. Grunnstoffet med atomsymbol Rg heter derimot røntgenium eller roentgenium på de fleste språk.

Formler for grunnstoffer med symboler for aggregattilstanden Symboler for aggregattilstander: (g) fra gaseus (lat.) = gass (l) fra liquidus (lat.) = væske (s) fra solidus (lat.) = fast

12

Atomsymbolet for helium, He, kan både stå for ett atom helium og for edelgassen helium. Det er fordi heliumgassen består av enkeltatomer. He brukes derfor som formel for helium. Vanligvis føyer vi til en bokstav i parentes for å angi hvilken aggregattilstand stoffet er i ved romtemperatur og vanlig trykk.

For gass skriver vi (g) etter formelen, og heliumgass oppgir vi dermed som He(g).

Atomsymbolet for et metall brukes også som formel for grunnstoffet, selv om metallet består av et enormt antall sterkt sammenbundne atomer. Au kan både stå for ett gullatom og for metallet gull. For å få frem at gull er et fast stoff, skriver vi Au(s).

Et atomsymbol alene er likevel ikke alltid brukbart som formel for et grunnstoff. Mange grunnstoffer består av molekyler som er sammensatt av to eller flere atomer. Eksempler på det er hydrogen, nitrogen, oksygen og klor, som er gasser ved romtemperatur. Formlene for disse gassene oppgir vi som H2(g), N2(g), O2(g) og Cl2(g).

I alt elleve grunnstoffer er gasser ved romtemperatur, mens bare to (kvikksølv og brom) er væsker. Resten av grunnstoffene er faste stoffer.

Verden som kjemikere ser den

Fordeling av grunnstoffer i jordskorpen etter masseprosent. De aller fleste grunnstoffene forekommer i forbindelser, ikke som rene grunnstoffer.

Aluminium, silisium og oksygen inngår i aluminiumsilikater, som er de vanligste forbindelsene i jordskorpen.

Titan 0,4 % Alle andre grunnstoff 1,0 % Magnesium 2,1 % Kalium 2,6 % Natrium 2,8 % Kalsium 3,6 % Jern 5,0 % Aluminium 8,1 %

Hydrogen 0,1 %

Oksygen 46,6 %

Silisium 27,7 %

Ulike former av ett grunnstoff Mange grunnstoffer opptrer i forskjellige former. For eksempel danner oksygenatomer ikke bare O2-molekyler (dioksygen), men også O3-molekyler (trioksygen). I luften dominerer O2(g), og vi kaller den vanligvis bare oksygengass. Når det lyner, blir det dannet O3(g), som vi kaller ozongass. De fleste grunnstoffene som er faste ved romtemperatur, opptrer i flere former. På side 56 omtaler vi karbon som diamant, grafitt og fulleren.

1.4 Atomer Dagens atommodell To atommodeller av litium.

Figuren til venstre viser at elektronskyen er tettest i to områder – ett område nær atomkjernen og ett lenger fra kjernen. Disse tette kuleformede områdene kaller vi skall.

Til høyre er skallmodellen tegnet skjematisk og viser hvor mange protoner, nøytroner og elektroner det er i litiumatomet.

Forskjellige atommodeller er blitt foreslått opp gjennom tidene. Det kommer vi tilbake til på side 25. I den atommodellen vi nå bruker i kjemien, har atomet en kjerne som består av positivt ladde protoner (p+) og nøytrale nøytroner (n). Nøytronene og protonene holdes sammen av sterke kjernekrefter. Massen til atomet er konsentrert i kjernen. Rundt atomkjernen er det en sky av negativt ladde elektroner (e–). Et elektron og et proton har like stor ladning, men motsatt fortegn.

Atomer er nøytrale og inneholder derfor like mange elektroner som protoner.

Tenk deg at det var mulig å fotografere et atom der alle elektronene svirret omkring, og at du tok hundrevis av bilder av dette atomet. Da ville hvert enkelt bilde vise hvordan elektronene fordelte seg akkurat i øyeblikket, og ingen bilder ville være like. Hvis du så la elektronskall alle bildene oppå hverandre, ville elektronskall prikkene som viser elektronene, 3 p+ danne en stor sky med tette områ34pn+ 4n der. Der er det størst sannsynlighet atomkjernen for å treffe på elektroner. Disse tette atomkjernen områdene kaller vi elektronskall. e– e–

Verden som kjemikere ser den

13

Størrelsen på et atom bestemmes av elektronskyen, som er omtrent 10–10 m i diameter. Atomkjernen har en diameter på bare 10–15 m. Tenker vi oss en kjerne på 1 cm i diameter, vil elektronskyen ha en utstrekning på 1 km!

Dagens atommodell, som vi gjerne kaller skallmodellen, har altså en kjerne som består av protoner og nøytroner, og så elektroner i skall rundt kjernen. På sidene 17–21 kan du lese mer om skallmodellen og sammenhengen med periodesystemet. I studiet av kjernereaksjoner arbeider forskere med modeller der protoner og nøytroner består av mindre partikler som kalles kvarker.

Atomnummer og nukleontall Vi har tidligere sagt at i et grunnstoff er alle atomene av samme type. Med det mener vi at alle atomene i grunnstoffet har like mange protoner i kjernene. Vi kan ta atomer av litium og klor som eksempel. Alle litiumatomer har 3 protoner i kjernen, og alle kloratomer har 17 protoner i kjernen. Antallet protoner i kjernen kaller vi atomnummeret til grunnstoffet. Litium har altså atomnummer 3 og klor atomnummer 17.

Antallet nøytroner i atomkjernene til et grunnstoff kan derimot være ulikt.

Alle kjernene i kloratomene har 17 protoner, mens tallet på nøytroner er enten 18 eller 20. Summen av alle kjernepartiklene, protonene og nøytronene i et kloratom er da enten 35 eller 37. Antallet kjernepartikler i et atom kaller vi nukleontallet. Et kloratom har da enten nukleontall 35 eller 37.

Antallet protoner i atomkjernene i et grunnstoff kaller vi grunnstoffets atomnummer. Summen av protoner og nøytroner i et atom kaller vi atomets nukleontall.

Nukleontall

씮

Atomsymbol

씮

Atomnummer 씮

35

Cl

17

For å vise hvor mange partikler det er i et atom, kan vi benytte en kort skrivemåte. Foran atomsymbolet skriver vi da to tall, ett nede for atomnummeret og ett oppe for nukleontallet.

Isotoper Som nevnt ovenfor finnes det to ulike kloratomer i naturen. Vi kan skrive dem 37 som 35 17 Cl og 17 Cl. En annen skrivemåte er klor-35 og klor-37. Begge atomene har 17 protoner i kjernen og er derfor kloratomer, men de har ulikt antall nøytroner i kjernene. De to atomene er det vi kaller isotoper av klor.

14

Verden som kjemikere ser den

De to klorisotopene som finnes naturlig i jordskorpen.

Elektronskallene er ikke vist i figuren.

17p+ 18n

17p+ 20n

17e– 35 17

17e– 37 17

Cl

Cl

Med isotoper mener vi atomer som har like mange protoner, men ulikt antall nøytroner.

isos (gr.) = lik topos (gr.) = sted

proteos (gr.) = den første deuteros (gr.) = 2 tri (gr.) = 3

Fordi isotoper er ulike atomer av samme grunnstoff, hører de til i samme rute i periodesystemet. Ikke alle grunnstoffer har to eller flere isotoper slik som klor. I 20 av de ca. 90 grunnstoffene som finnes i jordskorpen, har alle atomene av grunnstoffet samme nukleontall. Natrium og fluor er eksempler på slike grunnstoffer. Det er bare isotopene av hydrogen som har egne navn.

Hydrogenisotop

Navn

Forekomst (i %)

1H 1

protium

99,985

2H 1

deuterium

0,015

tritium

spormengde

3H 1

(radioaktiv)

EKSEMPEL: Beregning av antall kjernepartikler i et atom

Hvor mange protoner og nøytroner er det i et 23 11 Na-atom?

Svar Atomnummeret 11 viser at det er 11 protoner i atomkjernen.

Nukleontallet 23 viser summen av protoner og nøytroner i kjernen.

Antallet nøytroner: 23 – 11 = 12 23Na. Det er 11 protoner og 12 nøytroner i 11

Verden som kjemikere ser den

15

Grunnstoff nr. 118 Alle grunnstoffene med atomnummer større enn 92 (uran) er fremstilt kunstig og er ustabile, det vil si radioaktive. De siste grunnstoffene som ikke har fått navn ennå, er fremstilt i spesialiserte kjernefysikklaboratorier. Det er noen få slike laboratorier i verden: ett i Dubna i Russland, ett i Darmstadt i Tyskland og to i California i USA. Grunnstoffene blir fremstilt ved å skyte en atomkjerne med et bestemt atomnummer mot en annen kjerne med et annet atomnummer. Om man lykkes, vil den nye atomkjernen ha atomnummer som er summen av atomnumrene for de to atomkjernene som traff hverandre. For at oppdagelsen skal bli godkjent av IUPAC må den bekreftes av eksperimenter utført av andre forskergrupper. Det kan ta tid, og først da får grunnstoffet et navn.

Det siste grunnstoffet som har fått navn, er nr. 111 røntgenium. Det fikk navn i 2004 ti år etter at det var oppdaget.

Det siste grunnstoffet som noen hevder å ha fremstilt, er nr.

118. Nyheten ble offentliggjort i oktober 2006. Det ble fremstilt i Dubna ved å skyte nr. 20 (kalsium) mot nr. 98 (californium), og som du ser 20 + 98 = 118. Bare tre kjerner av det nye grunnstoffet ble dannet, og de hadde en levetid bare på ca. 1 ms. De holdt på å skyte i 45 dager så det var ikke mange ganger de lyktes med et treff!

Grunnstoffet kalles foreløpig grunnstoff nr. 118 med symbol Uuo (ununoktium). Symbolet er fra de første bokstavene i

u for unit (eng.) = enhet 1 u = 1,66 · 10–24 g

I 1,0 liter vann (1,0 kg) er massen av alle elektronene bare 3 mg.

17 Cl 35,45

tallet 118 på latin 1 = un, 8 = okt. Lignende navn har for tiden alle grunnstoffene fra nr. 112 til 116. 117 er ennå ikke fremstilt så den plassen i periodesystemet er foreløpig tom.

Allerede i 1999 var det en annen forskergruppe som rapporterte at de hadde laget nr. 118, men det ble trukket tilbake to år senere da det viste seg at en av forskerne hadde jukset ved å fabrikkere data. Det var en stor skandale, og det har sikkert gjort at de som i 2006 rapporterte at de hadde funnet nr. 118 var ekstra omhyggelige.

Hvorfor prøver man å lage nye grunnstoffer når det er så krevende og kostbart å lage dem? Det skyldes dels at det alltid er noen som prøver å hoppe høyere, løpe fortere eller komme lenger enn noen har gjort før. Dessuten vinker en «øy» i det fjerne. Noen tror nemlig at det kan fremstilles nye grunnstoffer som vil ha lengre levetider. Det kan være isotoper av noen av dem som alt er laget, men det kan også være noen med større atomnummer. De vil være radioaktive, men det er det jo mange isotoper av kjente grunnstoffer som er, og som likevel er i bruk. Hvert grunnstoff er unikt. Det ligner på dem i samme gruppe i periodesystemet, men har allikevel sine spesielle egenskaper. Nr. 118 er sannsynligvis en edelgass, mens nr. 119 sannsynligvis vil være et alkalimetall, men sikker er man ikke. Følg med!

Atommasse Massen til et enkelt atom er svært liten, og den er konsentrert i kjernen. For enkelthets skyld oppgir vi ikke massen til atomer i gram, men i atommasseenheten u. Massen til både et proton og et nøytron er omtrent lik 1 u. Massen til et elektron er bare 0,0005 u, og det er så lite at vi kan se bort fra massen av elektronene når vi oppgir massen til et atom med bare fire siffer. Massen av et atom blir derfor svært nær massen av atomkjernen. Det svarer omtrent til summen av massen av protonene og nøytronene.

Massen til atomet klor-35 er derfor nær 35 u, mens massen til klor-37-atomet er nær 37 u. I periodesystemet står atommassen for hvert grunnstoff uten benevning. Den oppgitte atommassen er et gjennomsnitt av massen av alle isotopene som finnes av dette grunnstoffet i naturen.

klor

Med atommasse slik den er oppført i periodesystemet, mener vi den gjennomsnittlige massen av atomene i et grunnstoff slik det forekommer i naturen. Enheten u er sløyfet i periodesystemet.

16

Verden som kjemikere ser den

EKSEMPEL: Beregning av atommasse ut fra den naturlige forekomsten av isotopene i grunnstoffet

Grunnstoffet klor består av 75,77 % klor-35 og 24,23 % klor-37.

Den nøyaktige verdien av massen til et klor-35-atom er 34,97 u.

For et klor-37-atom er den 36,97 u.

Hva er atommassen til klor?

Svar Atommassen: 34,97 u · 75,77 + 36,97 u · 24,23 = 35,45 u 100 100 Atommassen til Cl er 35,45 u.

Selv om vi sier at atommassen til klor er 35,45 u, er det altså ikke noe enkeltatom av klor som har denne massen.

Elektroner i elektronskall

11 p+ 12 n K L M

Modell av natriumatomet.

En modell av elektronfordelingen i et atom viser sannsynligheten for å treffe på elektroner i forskjellige avstander fra kjernen. De områdene rundt kjernen der sannsynligheten er størst for å treffe på elektroner, kaller vi elektronskall.

Vi tenker oss altså at elektronene er ordnet i skall. Elektronene i det innerste skallet har lavest energi, og elektronene i skallene utover har større energi. Det innerste elektronskallet kalles K-skallet, og de neste skallene har fått betegnelser i alfabetisk rekkefølge – L, M, N, O. Fordelingen av elektroner på de forskjellige skallene, regnet fra K-skallet og utover, oppgir vi med tall med komma imellom. I det nøytrale natriumatomet 11Na er det i alt 11 elektroner. De fordeler seg på tre skall med 2 elektroner i K-skallet, 8 i L-skallet og 1 i det ytterste skallet, M-skallet. Elektronfordelingen oppgir vi da som 2, 8, 1. Vi skal bruke denne skallmodellen til å forklare oppbygningen av periodesystemet.

Verden som kjemikere ser den

17

1.5 Periodesystemet Periodesystemet – et elegant og nyttig system Hver vitenskap har sine egne teorier og systemer som er resultatet av mange forskeres arbeid i lang tid. Teoriene og systemene endres iblant, men de følges av omtrent alle forskere i samtiden. I kjemi er periodesystemet et viktig hjelpemiddel. Vi skal bruke det til å forutsi oppbygning og egenskaper til grunnstoffer og til forbindelser av grunnstoffer. Et viktig kjennetegn er at grunnstoffer som ligner på hverandre i oppbygning og egenskaper, kommer igjen med bestemte mellomrom. Vi sier at disse grunnstoffene opptrer periodisk i systemet. Ut fra den plassen et grunnstoff har i systemet, kan vi derfor si mye om de egenskapene det har.

Grunnstoffene ordnet etter atomnummer Det har tatt mer enn 140 år å utvikle periodesystemet slik det nå står i begynnelsen av boken, og mange forskere har bidratt. I 2006 har vi 111 forskjellige grunnstoffatomer med navn. Alle har sin bestemte plass i periodesystemet, og de er oppført etter stigende atomnummer.

Når vi går fra ett grunnstoffatom i periodesystemet til det neste, øker antallet protoner i kjernen med 1 og dermed atomnummeret med 1. 11Na har 11 protoner, og 12Mg har 12 protoner. For de nøytrale atomene øker tilsvarende også antallet elektroner med ett. Skrivemåten 11Na er «smør på flesk».

Hvis det er et Na-atom vi snakker om, må det jo være 11 protoner i kjernen.

Grunnen til at vi noen steder oppgir atomnummeret, er at vi da lett kan finne ut hvor i periodesystemet dette grunnstoffet er plassert.

Inndeling i grupper og perioder I periodesystemet er grunnstoffene fordelt på 18 loddrette kolonner som kalles grupper, og 7 vannrette rader som kalles perioder. En gruppe omfatter grunnstoffer som reagerer temmelig likt og har mange felles egenskaper.

Enkelte av gruppene har egne navn.

Metallene står til venstre og midt i systemet i gruppene 1–12. Du kjenner igjen metallene litium (Li) og natrium (Na) i gruppe 1 og kanskje også kalium? De hører til alkalimetallene. Metallene i gruppe 2 kalles jordalkalimetaller. Magnesium, kalsium, strontium og barium hører til her.

Ikke-metallene står til høyre i systemet. I gruppe 18 har vi edelgassene helium, neon og argon. Ikke-metallene fluor, klor, brom og jod finner du i gruppe 17. Denne gruppen av grunnstoffer kalles halogener. Det er fordi de danner salter med metaller (halos (gr.) = salt og -gen (gr.) = danne). For eksempel dannes NaCl av klor og natrium, og NaF dannes av fluor og

18

Verden som kjemikere ser den

natrium.

I gruppene 13–16 blir grunnstoffene gradvis mer metalliske nedover i hver gruppe. Et eksempel: I gruppe 14 (C, Si, Ge, Sn og Pb) regnes det første grunnstoffet (karbon) som et ikke-metall og de to siste (tinn og bly) som metaller. Silisium og germanium har både metalliske og ikke-metalliske egenskaper og blir ofte kalt halvmetaller.

I noen periodesystemer er hydrogen plassert øverst i gruppe 1 sammen med alkalimetallene. Fordi hydrogen ikke er et metall, og fordi det er spesielt på flere måter, blir hydrogen i dag gjerne flyttet mot midten av systemet uten noen fast plass. Men hydrogen hører ikke til gruppe 9 selv om det skulle stå rett over denne gruppen.

Gruppene 1–2 og 13–18 i periodesystemet kaller vi hovedgrupper. Mellom hovedgruppene er det «skutt inn» ti grupper med grunnstoffer. Grunnstoffene i disse gruppene, nr. 3–12, kalles derfor innskuddsgrunnstoffer. Av og til bruker vi betegnelsen innskuddsmetaller fordi disse grunnstoffene er metaller.

Blant innskuddsgrunnstoffene finner vi mange av de vanligste bruksmetallene som jern (26Fe), kobolt (27Co), kobber (29Cu), sølv (47Ag) og gull (79Au).

18

Grupper (vertikale kolonner) og perioder (horisontale rader) i periodesystemet.

2 3 4 5 6 7

1

2

3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr

4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra

1

1 H

13

Innskuddsgrunnstoffene 3 21 Sc 39 Y 57–71 89–103

4

5

6

7

8

9

10

11

12

22 23 24 25 26 27 28 29 30 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 40 41 42 43 44 45 46 47 48 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 104 105 106 107 108 109 110 111 112 Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub

14

15

16

5 6 7 8 B C N O 13 14 15 16 Al Si P S 31 32 33 34 Ga Ge As Se 49 50 51 52 In Sn Sb Te 81 82 83 84 Tl Pb Bi Po 113 114 115 116 Uut Uuq Uup Uuh

Jordalkalimetallene Alkalimetallene

9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At

2 He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn 118 Uuo

70 Yb

71 Lu

17

Halogenene Edelgassene

Lantanoidene

57 La

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

Actinoidene

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np

94 Pu

95 96 Am Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 101 102 103 Fm Md No Lr

Metaller

Halvmetaller

69 Tm

Ikke-metaller

Ytterelektronene bestemmer egenskaper og reaksjoner I kjemien er det ytterelektronene, dvs. elektronene i det ytterste skallet, vi er mest interessert i. Det er fordi disse elektronene kan avgis, tas opp eller deles mellom atomene når sterke bindinger blir dannet i nye forbindelser. Tallet på ytterelektroner i grunnstoffatomene bestemmer hvordan grunnstoffene reagerer. Alle grunnstoffer som står i samme hovedgruppe, har like mange ytter-

Verden som kjemikere ser den

19

elektroner i atomene, og egenskapene og reaksjonene til slike grunnstoffer er dermed ganske like. Alle alkalimetallene har ett ytterelektron i atomene, og alle reagerer for eksempel kraftig med vann.

Nummeret på hovedgruppen et grunnstoff står i, forteller hvor mange ytterelektroner det er i atomene. Antallet ytterelektroner er lik det siste sifferet i gruppenummeret. Natrium i gruppe 1 har ett ytterelektron, kalsium i gruppe 2 har to, og klor i gruppe 17 har syv ytterelektroner i atomene. Unntaket er helium i gruppe 18, som bare har to (ytter)elektroner i atomene.

Det er ytterelektronene som bestemmer egenskapene til et grunnstoff.

Grunnstoffer i samme hovedgruppe har like mange ytterelektroner i atomene, og antallet er lik (det siste) sifferet i gruppenummeret.

Nummeret på perioden et grunnstoff står i, forteller hvor mange skall det finnes elektroner i. Natrium står i 3. periode, og et natriumatom har elektroner i de tre skallene K, L og M. Kalium i 4. periode har atomer med elektroner i fire skall (K, L, M, N).

Påfylling av elektroner i skallene

Krystaller av metallet titan.

20

Går vi fra ett grunnstoffatom i periodesystemet til det neste med høyere atomnummer, øker antallet elektroner med ett elektron. H-atomet har 1 elektron og He-atomet 2 elektroner i K-skallet, som da er fullt. Atomer av 3Li har 2 elektroner i K-skallet og 1 i L-skallet, og vi skriver elektronfordelingen som 2, 1. Videre utover i 2. periode fylles ett og ett elektron på i L-skallet slik at det får 8 elektroner. Da er også L-skallet fullt, og elektronfordelingen for 10Ne er 2, 8.

Neste grunnstoff, 11Na i 3. periode, har elektronfordelingen 2, 8, 1, og 12Mg har fordelingen 2, 8, 2. Dette M-skallet fylles så på til 8 elektroner – fra grunnstoffatom 13Al med elektronfordelingen 2, 8, 3 til 18Ne med 2, 8, 8. De neste grunnstoffene er kalium, 19K, som står i gruppe 1 og har elektronfordelingen 2, 8, 8, 1, og kalsium, 20Ca, i gruppe 2 med fordelingen 2, 8, 8, 2.

De grunnstoffatomene vi hittil har tatt for oss, har atomnummer 1–20 og står i hovedgrupper. Så langt har påfyllingen av elektroner fra ett atom til det neste i hovedgrupper foregått i det ytterste skallet. Hvilket skall et elektron går inn i, er avhengig av hvor i periodesystemet atomet står. Scandium, 21Sc, står i gruppe 3. Det har elektronfordelingen 2, 8, 9, 2. Det neste grunnstoffet er titan, 22Ti, og det har fordelingen 2, 8, 10, 2. Både scandium og titan er innskuddsgrunnstoffer, og de har 2 elektroner i det ytre skallet og får påfylling av elektroner i det nest ytterste skallet. Slik er det grovt sett for de andre innskuddsgrunnstoffene også. Når vi altså går mot høyre fra ett innskuddsgrunnstoff til det neste innskuddsgrunnstoffet, skjer påfyllingen som hovedregel i det

Verden som kjemikere ser den

nest ytterste skallet, mens tallet på ytterelektroner fortsetter å være to. Men du kan se at dette ikke stemmer for alle innskuddsgrunnstoffene i tabellen på bakre omslagsside. Grunnen til det er først og fremst at energinivåene til ytterelektronene og noen av elektronene i det nest ytterste skallet er omtrent like.

Innskuddsgrunnstoffene er metaller, og atomene har gjerne to ytterelektroner.

Nederst i periodesystemet er det to egne rekker med grunnstoffer. Det er lantanoidene og actinoidene, som det «ikke er plass til» innenfor den oppstillingen vi her har brukt for periodesystemet. Grunnen til denne plasseringen er at atomer av lantanoidene og actinoidene ikke har påfylling av elektroner i det ytterste eller i det nest ytterste skallet, men i det tredje ytterste skallet. Se på innsiden av omslaget bak i denne boken.

Påfylling av elektroner skjer i ytterste skall for grunnstoffer i hovedgruppene, i nest ytterste skall for innskuddsgrunnstoffene og i tredje ytterste skall for lantanoidene og actinoidene.

1.6 Stabil elektronfordeling Elektronfordelingen i atomer av edelgasser: He 2 Ne 2, 8 Ar 2, 8, 8 Kr 2, 8, 18, 8 Xe 2, 8, 18, 18, 8 Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8

Oktettregelen Edelgassene (gruppe 18) har ikke lett for å reagere med andre stoffer. Alle edelgassatomene har åtte ytterelektroner, bortsett fra helium, som har to.

Amerikaneren G.N. Lewis kom allerede i 1902 fram til at det nettopp var fordelingen av elektroner med åtte ytterelektroner som gjorde edelgassene stabile. Han antok at andre grunnstoffer danner stabile forbindelser når de får åtte ytterelektroner i atomene. Dette kaller vi oktettregelen (åtteregelen). Atomer av jordalkalimetaller i gruppe 2 får åtte elektroner ytterst når atomene avgir to elektroner. Atomer av grunnstoffer i gruppe 16 har seks ytterelektroner og kan ta opp to elektroner, og da er elektronfordelingen stabil.

Oktettregelen: Åtte elektroner i det ytterste skallet er en stabil elektronfordeling. Et atom kan oppnå åtte elektroner ved å gi fra seg eller ta opp elektroner eller ved å ha felles elektroner med ett eller flere andre atomer.

Det maksimale antallet elektroner som kan være i et bestemt skall, kan du regne ut ved hjelp av skallnummeret, n, og formelen 2n2. For eksempel finner

Verden som kjemikere ser den

21

vi det maksimale antallet elektroner i M-skallet, skall nr. 3 (n = 3) av formelen 2n2 = 2 · 32 = 18. Uansett hvor mange elektroner det er i et skall, kan det aldri være mer enn åtte elektroner i det ytterste skallet – altså maksimalt åtte ytterelektroner.

Hydrogen, som bare har ett elektron i atomet, får med to elektroner samme stabile elektronfordeling som helium. Et H-atom kan oppnå to elektroner ved å ta opp ett elektron (som H– i NaH) eller dele to elektroner med et annet atom (som i H2 og HCl).

Ioneformler Når et atom avgir eller mottar ett eller flere elektroner, dannes et ion. Vi kan bruke periodesystemet til å forutsi hva slags ioner grunnstoffene kan danne.

Metallatomer som har få ytterelektroner, kan gi fra seg disse elektronene og danne positive ioner. Når metallatomet har avgitt ytterelektronene, får det samme elektronfordeling som det nærmeste edelgassatomet. Alkalimetallene i gruppe 1 med ett ytterelektron danner alltid ioner med én positiv ladning, f.eks. Na+ og K+. Ionet Na+ har samme elektronfordeling som edelgassen neon, Ne, og K+ som argon, Ar. På tilsvarende måte danner jordalkalimetallene i gruppe 2 alltid ioner med to positive ladninger, f.eks. Ca2+ og Ba2+.

H+

For atomer av innskuddsgrunnstoffene er det nest ytterste elektronLi+ Be2+ N3– O2– F– skallet ikke fullt, og for lantanoiNa+ Mg2+ Al3+ S2– Cl– dene og actinoidene er det tredje ytterste elektronskallet ikke fullt.

Br– K+ Ca2+ Et innskuddsmetall Selv om det siste elektronet kom inn danner flere ioner, – + 2+ l i ett av disse skallene, er det alltid Rb Sr f.eks. Fe2+ og Fe3+ elektronene i ytterskallet som avgis Cs+ Ba2+ når atomet blir til et ion. Som en grov regel sa vi at alle disse atomene Metaller – positive ioner Ikke-metaller – negative ioner har to ytterelektroner, og derfor er 2+-ionet det vanligste ionet for innskuddsgrunnstoffene. Eksempler er 2+ 2+ Cu og Zn . Men som vi også har nevnt, er energien til elektronene i de ytterste skallene temmelig lik, og derfor ser vi eksempler på at tre elektroner kan bli avgitt fra disse atomene. Et eksempel er Fe3+. Det er også mulig at bare ett ytterelektron blir avgitt, og da dannes ioner som Cu+ og Ag+.

Mens metaller danner positive ioner, kan typiske ikke-metaller danne negative ioner, og på den måten oppfylles oktettregelen. Halogenene i gruppe 17 har syv ytterelektroner i atomene, og de kan ta opp ett elektron og danne negative ioner: F–, Cl–, Br– og I–. Tilsvarende kan ikke-metaller i gruppe 16 opptre med ioner av typen O2– og S2–.

1

22

2

Verden som kjemikere ser den

13

14

15

16

17

Orbitaler og inndeling i blokker Det er som oftest relativt stor forskjell på energien til elektronene i de forskjellige skallene. Men det kan også være noe forskjell på energien til elektronene innenfor ett og samme skall. Elektroner i samme skall som har ulike energinivåer, sier vi er i ulike orbitaler. De elektronene i et skall som har samme energi, sier vi tilhører samme orbitaltype. Orbitaltypene betegnes s, p, d og f.

Hvert skall har én s-orbital. Den kan ta to elektroner.

Elektronene i s-orbitalen i det første skallet, K-skallet, kaller vi 1s-elektronene. I L-skallet kaller vi s-orbitalen 2s, i Mskallet kaller vi s-orbitalen 3s, osv. Fra L-skallet kan atomer

også ha elektroner i p-orbitaler, og fra M-skallet kan de ha elektroner i d-orbitaler. På tilsvarende måte som for s-orbitalene står 3p for p-orbitaler i 3. skall, M-skallet, mens 4d står for d-orbitaler i N-skallet.

Hver orbital kan ta to elektroner. Det er én s-orbital i hvert skall med i alt to elektroner. Det er tre mulige p-orbitaler i et skall, fem d-orbitaler og syv f-orbitaler, og det maksimale antallet elektroner er henholdsvis 6, 10 og 14.

Tabellen viser hvor mange elektroner det maksimalt kan være i et skall og i orbitalene i et skall.

Fordeling av elektroner på skall og orbitaler Orbitaler

Skall Betegnelse

Nummer (n)

Maks. antall elektroner (2n2)

Betegnelse

Maks. antall elektroner

K

1

2

1s

2˙1=2

L

2

8

2s 2p

2˙1=2 2˙3=6

M

3

18

3s 3p 3d

2˙1=2 2˙3=6 2 ˙ 5 = 10

32

4s 4p 4d 4f

2 2 2 2

N

4

˙ ˙ ˙ ˙

1 3 5 7

= = = =

2 6 10 14

Verden som kjemikere ser den

23

18 1 2

13 14 15 16 17 3

4

5

6

7

8

Skisse av periodesystemet med s-, p-, d- og f-blokker.

9 10 11 12

s-blokk

p-blokk d-blokk

f-blokk

Grunnstoffene i periodesystemet deler vi inn i blokker etter hvilke orbitaler påfyllingen av elektroner skjer i. Se figuren ovenfor og sammenlign den med periodesystemet på omslaget foran i boken. s-blokken omfatter alkalimetallene og jordalkalimetallene med atomer som har henholdsvis ett og to elektroner i en s-orbital. For p-blokken kan du telle bortover og se at det er seks grupper i blokken. Det svarer til påfylling av seks elektroner i p-orbitalene. Innskuddsgrunnstoffene hører til i d-blokken, og atomene deres blir etter hvert fylt opp med ti elektroner i d- orbitalene fra venstre mot høyre i periodesystemet.

I periodesystemet på omslaget bak i boken er fordelingen av elektroner oppgitt. I hovedteksten på side 21 fikk du en grov regel som sa at atomer av innskuddsgrunnstoffene har to ytterelektroner og påfylling i det nest ytterste skallet. De to ytterelektronene er i s-orbitalen, og påfyllingen skjer i d-orbitalene. I hovedteksten nevnte vi også at energinivåene for elektroner i to skall ofte ligger nær hverandre. Av figuren til høyre ser du at elektroner i 4s-orbitalen faktisk har lavere energi enn elektroner i 3d-orbitalene. Det er grunnen til at det 4. skallet ikke blir fylt opp etter 20Ca, som har to elektroner i s-orbitalen. I stedet blir atomene av innskuddsgrunnstoffene fylt på med elektroner i 3d-orbitalene – altså i det nest ytterste skallet. Fra 21Sc til og med sink (30Zn) fylles etter hvert alle de ti elektronene i 3d-orbitalene. Deretter fortsetter påfyllingen av i alt seks elektroner i 4p-orbitalene fra gallium (31Ga) og til krypton (36Kr). Da er også 4p-orbitalene fulle.

I lantanoidene blir de syv 4f-orbitalene fylt opp med opptil 14 elektroner, og i actinoidene er det 5f-orbitalene som fylles på.

24

Verden som kjemikere ser den

Energi 14 10 6 10 2 6 2

f d p d s p s

N

4

M

3

L

2

6 2

p s

K

1

2

s

Skall

Skallnr.

Største Orbital antall elektroner

Energinivåene i de forskjellige orbitalene.

1.7 Atombegrepets historie Atomer og grunnstoffer De greske filosofene innså allerede for ca. 2500 år siden at det bare er to muligheter når man deler et stoff i stadig mindre deler. Enten kan man bare fortsette å dele, eller så kommer man til en minstedel som ikke lar seg dele videre. En slik minstedel kalte de atom, da atomos på gresk betyr u-delelig.

Franskmannen Antoine Lavoisier, som var utdannet jurist, etablerte begrepet grunnstoff i en bok fra 1789. I den skrev han at et grunnstoff er ethvert stoff som ikke har latt seg dele i enklere stoffer. Lavoisier satte også opp en liste over de stoffene han anså for å være grunnstoffer, og i listen står både jern, gull, svovel og oksygen, dessuten varme og lys. Han er en av de største kjemikerne som har levd, men han fikk ikke lønn som fortjent. Han ble halshugget under den franske revolusjon – ikke fordi han var kjemiker, men fordi han var adelsmann, en sentral person i det franske vitenskapsakademi og dessuten skatteoppkrever.

Antoine Lavoisier (1743–1794) og hans kone og medhjelper Marie-Anne-Pierette Paulze.

Atomet blir en realitet Ideen om atomer som grunnlag for kjemien ble nesten glemt inntil 1600-tallet. Engelskmannen John Dalton foreslo i 1803 at alle atomer av et grunnstoff må være like og ha samme masse, og at atomene av forskjellige grunnstoffer har forskjellig masse. Han satte opp en tabell der massen av noen grunnstoffer var gitt i forhold til massen av et H-atom, som han satte til 1. Disse relative atommassene hadde han fastsatt gjennom eksperimenter. Det var noe helt nytt, for grekerne bygde ikke sine teorier på eksperimenter.

Dalton tenkte seg at det alltid måtte være et helt antall atomer av hvert av grunnstoffene som reagerte med hverandre. Han foreslo også formler for forbindelsene. Først etter 1905 hadde man eksperimentelle resultater som overbeviste alle om at atomer virkelig eksisterer. I dag vet vi at de eksisterer, og vi kan til og med ta bilder av dem.

Arsenatomer i overflaten av en galliumarsenidkrystall (GaAs).

I hullet der det lyser rødt mangler det et arsenatom.

Partiklene et atom består av Engelskmannen Michael Faraday gjorde forsøk med elektrolyse og fant i 1833 ut at elektrisk strøm er en strøm av minstedeler. Men først på slutten av 1800tallet ble denne minstedelen kalt elektron. Dermed hadde vi fått på plass den første partikkelen i dagens atommodell.

I elektriske utladninger fant forskerne positivt ladde partikler. Disse partiklene fikk i 1920 navnet protoner. Omtrent samtidig ble man klar over at det måtte være en partikkel til i atomkjernen, en som var elektrisk nøytral og hadde omtrent samme masse som et proton. Denne tenkte partikkelen fikk

Verden som kjemikere ser den

25

navnet nøytron, men den ble ikke påvist før i 1932. Etter 1945 fant fysikere ut at protoner og nøytroner kan bestå av mindre enheter, og i 1964 fikk de navnet kvarker. Atomene er altså ikke udelelige som de gamle grekerne hadde tenkt seg. De består selv av mindre deler.

Bohrs atommodell

Ernest Rutherford (1871–1937).

Niels Bohr (1885–1962).

Nyzealenderen Ernest Rutherford var den første som foreslo hovedtrekkene i dagens atommodell ut fra forsøk. I 1911 skjøt han positivt ladde partikler, heliumkjerner, mot en gullfolie og fant da at noen av partiklene ble kastet tilbake. Ut fra det sluttet han at kjernene i gullatomene måtte være positive og dessuten små og inneholde nesten hele atommassen. Han tenkte seg at atomet var omgitt av elektroner som beveget seg omkring kjernen omtrent som planetene kretser rundt solen.

Etter datidens oppfatning kunne ikke et atom med sine negative elektroner som kretser rundt en positiv atomkjerne, være stabilt. I stedet måtte elektronene bli trukket inn mot kjernen og sende ut lys på vei inn.

Dansken Niels Bohr fant i 1913 en radikal løsning på dette problemet da han arbeidet i Rutherfords forskningsgruppe i Manchester. Han gjorde beregninger på et atom med en kompakt kjerne og bare ett elektron. Han antok at elektronet gikk i sirkelbane rundt kjernen, og at bare visse sirkelbaner var tillatt. Hver sirkelbane svarer til en bestemt energi hos atomet, slik at energien er kvantisert (tallfestet). Hver tillatte energi kalte han et energinivå.

Slik tenkte Bohr: Jo nærmere kjernen elektronet er, desto fastere er det bundet. Når elektronet er i den innerste banen, er atomet i grunntilstanden. For å flytte et elektron til en bane lenger fra kjernen, må det tilføres energi. Slik energi kan elektronet få ved at atomet kolliderer med et annet atom med stor fart, eller ved at atomet blir bestrålt med ultrafiolett lys. Når atomet på denne måten blir tilført energi, sier vi at atomet blir eksitert. Når elektronet faller tilbake til en sirkelbane nærmere kjernen og dermed går fra et høyere energinivå til et lavere, blir det frigjort energi som sendes ut som lys med en bestemt bølgelengde.

Allerede i 1860-årene hadde forskerne sett at når grunnstoffer blir varmet opp i en flamme, sender de ut lys med forskjellige bølgelengder. Hver bølgelengde svarer til en linje i det spekteret som kommer frem, og spektrene for de

p+

26

Verden som kjemikere ser den

Sirkelbanene viser tillatte energinivåer for hydrogenatomet. Det innerste nivået (der elektronet er tegnet) er grunntilstanden. Tilføres energi, kan elektronet bli eksitert og hoppe ut til et høyere nivå.

helios (gr.) = sol n=4 n=3 n=2 n=1

Linjespektrum

forskjellige grunnstoffene er ulike. Ingen kunne på den tiden forklare spektrene, men forskerne kunne bruke spektrene som et «fingeravtrykk» for grunnstoffene. Det var lett å få et godt spektrum fra en liten mengde stoff, derfor kunne spektrene brukes til å finne nye grunnstoffer. Et kjent eksempel er oppdagelsen av helium i 1868, som først ble funnet på solen.

Med sin modell kunne Bohr beregne bølgelengdene i spekteret fra hydrogenatomer. Han beregnet bølgelengden til linjene i spekteret, og resultatet passet svært godt med de observerte bølgelengdene. Det var et stort gjennombrudd og gjorde Bohr berømt.

Men verken Bohr eller andre fikk tilsvarende beregninger for atomer med flere elektroner til å passe med de observerte spektrene. Det viste seg at det var nødvendig med en helt ny teori.

Bølgelengde H-spekteret og energinivåene for H-atomet. Hver overgang mellom energinivåer svarer til en linje i spekteret.

Dagens atommodell Østerrikeren Erwin Schrödinger foreslo i 1926 en ny modell der elektronene ikke går i fast bestemte sirkelbaner, men befinner seg i mer diffuse skall.

Schrödingers atommodell, som er dagens atommodell, er en matematisk modell. Den kan blant annet brukes til å beregne spektre av atomer med mer enn ett elektron og til å beregne bindingsforhold i molekyler. Til dette trenger man kraftige datamaskiner og effektive dataprogrammer. Vi har brukt en forenkling av denne modellen tidligere i kapitlet.

Innenfor kjemien kalles slike beregninger kvantekjemi, og det er blitt et eget arbeidsområde. Et dataprogram som kalles Dalton, er utviklet ved Universitetet i Oslo og brukes over hele verden. Ved hjelp av Dalton er det mulig å forutsi hva som vil skje i eksperimenter, og å forklare hva som har skjedd. Med et slikt program kan vi studere stoffer og reaksjoner som er for kostbare eller for farlige til å bli studert i laboratoriet.

Selv om vi nå har tillit til dagens atommodell, kan noen i fremtiden utvikle en enda bedre modell. Men alt vil ikke bli forandret. En ny modell vil sikkert inneholde viktige trekk fra dagens atommodell slik denne har beholdt trekk fra Bohrs modell.

Nobelpriser

Erwin Schrödinger (1887–1961).

Det er mange som har bidratt til utviklingen av atombegrepet gjennom 2500 år. De som har gjort mest etter år 1900, og som derfor er nevnt med navn ovenfor, har fått nobelprisen: Rutherford (kjemi 1908), Bohr (fysikk 1922) og Schrödinger (fysikk 1933). Du kan lese mer om dem og hvorfor de fikk prisen, på www.kjemienstemmer.cappelen.no eller www.nobel.se.

Verden som kjemikere ser den

27

Sammendrag • Kjemi er læren om stoffene, deres oppbygning, egenskaper og reaksjoner og om energiforandringer ved stoffendringene.

• På makronivå arbeider vi med og observerer stoffene, på mikronivå forklarer vi stoffenes egenskaper og reaksjoner ut fra oppbygningen.

• Stoff er alt som har masse og opptar plass. Et rent stoff er enten et grunnstoff som består av én type atomer, eller en kjemisk forbindelse som er bygd opp av to eller flere typer atomer.

• Atomnummeret til et grunnstoffatom er lik antallet protoner i kjernen.

Nukleontallet til et atom er lik summen av antall protoner og nøytroner i atomkjernen. Isotoper er atomer av ett grunnstoff med forskjellig antall nøytroner i atomkjernene, f.eks. 2H og 1H. • Elektronene er i skall rundt atomkjernen. Det kan maksimalt være 2 elektroner i K-skallet, 8 i L-skallet og 18 elektroner i M-skallet.

I det ytterste skallet kan det ikke være mer enn 8 elektroner.

Antall ytterelektroner bestemmer egenskapene til et grunnstoff.

• Oktettregelen: Åtte elektroner i det ytterste skallet er en stabil elektronfordeling. Et atom kan oppnå åtte elektroner ved å gi fra seg eller ta opp elektroner eller ha felles elektroner med ett eller flere andre atomer.

• I periodesystemet er grunnstoffene ordnet i vertikale grupper og horisontale perioder. Gruppene 1, 2 og 13–18 kalles hovedgrupper.

Grunnstoffer i samme hovedgruppe har like mange ytterelektroner i atomene, og antallet er lik (det siste) sifferet i gruppenummeret.

Gruppene 3–12 kalles innskuddsgrunnstoffene.

• Påfylling av elektroner fra et grunnstoff til det neste i periodesystemet skjer i det ytterste skallet for grunnstoffer i hovedgruppene, i nest ytterste skall for innskuddsgrunnstoffene og i tredje ytterste skall for lantanoidene og actinoidene.

• Ideen om at alle stoffer er bygd opp av atomer, oppstod alt i oldtiden.

Bohr foreslo i 1911 den første atommodellen som ligner på dagens modell. Dagens skallmodell ble foreslått i 1926 og tatt i bruk fra 1960.

28

Verden som kjemikere ser den

5

Stoffer reagerer Mål for opplæringen er at du skal kunne • sette opp reaksjonsligninger med tilstandssymboler og bruke reaksjonsligninger i beregninger av stoffmengde

I dette kapitlet viser vi noen typiske kjennetegn på at det skjer kjemiske reaksjoner med stoffene på laboratoriet, og vi forklarer hva som skjer i reaksjonene på mikronivå.

Ut fra formler for utgangsstoffene og produktene i en reaksjon viser vi hvordan en kjemisk ligning kan balanseres. Deretter bruker vi den balanserte ligningen til å regne ut for eksempel hvor mye stoff som dannes i en reaksjon. Igjen går vi veien om mol.

Stoffer reagerer

79

5.1 Kjemiske reaksjoner Kjennetegn på kjemiske reaksjoner I kjemiske reaksjoner blir det dannet nye stoffer. De stoffene vi begynner med, kaller vi utgangsstoffer eller reaktanter. De stoffene som blir dannet i en kjemisk reaksjon, kalles produkter: utgangsstoffer (reaktanter) produkter Produktene har andre egenskaper enn utgangsstoffene. Det kan vi bruke som kjennetegn på at det skjer kjemiske reaksjoner med stoffene. Ofte har et produkt en annen farge enn utgangsstoffet. Vi kan se at stoffer forsvinner, eller at de blir dannet, og vi kan se lys som sendes ut. Vi kan noen ganger høre smell eller høre bruset av en gass som blir dannet. Ved mange reaksjoner kan vi føle temperaturforandringer og kjenne lukt. I arbeid med stoffene er det viktig å bruke mange sanser og observere nøye. I tillegg til sansene kan en kjemiker bruke forskjellige instrumenter for å påvise at det dannes nye stoffer i en reaksjon.

Nedenfor skal vi ta for oss fire typiske kjennetegn på kjemiske reaksjoner på makronivå: fargeforandring, energiforandring, gassutvikling og utfelling. Vi forklarer samtidig stoffendringene på mikronivå. I reaksjonene blir sterke bindinger (metallbinding, ionebinding og kovalent binding) i utgangsstoffene brutt, og nye sterke bindinger i produktene blir dannet.

Fargeforandring Hvis kobberpulver varmes kraftig opp i luft, blir fargen på pulveret endret fra rødbrun til svart. Utgangsstoffene er kobberpulver og oksygengass. Fargeendringen viser at et nytt stoff er blitt dannet. Det svarte produktet er kobPulver av kobber (til venstre) reagerer med oksygengass og danner kobber(II)oksid (til høyre).

80

Stoffer reagerer

ber(II)oksid, CuO. Det er metallbindinger i kobberet og kovalente bindinger i oksygenmolekylene som blir brutt. I CuO er det ionebindinger mellom Cu2+ioner og O2–-ioner. En modell for reaksjonen på mikronivå er vist på side 86.

Pære som flamberes med konjakk. Når etanolen brenner, blir det avgitt varme.

Fra marmor i saltsyre bobler det karbondioksidgass.

Energiforandring Etanol brenner med en blå flamme. Vi kan kjenne at det avgis varme i reaksjonen. Når etanolen brenner i luft, blir det dannet stoffer som vi ikke observerer direkte, og det er karbondioksidgass og vanndamp. Vi kan forklare reaksjonen på mikronivå ut fra endringen i bindingene mellom atomene. I reaksjonen brytes de kovalente bindingene i C2H5OH-molekylene og også O=O-bindingen i oksygenmolekylene. I stedet dannes kovalente C=O-bindinger i CO2 og H-Obindinger i H2O-molekylene.

Gassutvikling Hvis vi legger noen biter kalsiumkarbonat, CaCO3, i saltsyre, ser vi at det blir dannet gassbobler i reagensglasset. Holder vi glasset inntil øret, kan vi høre at det bruser. Når vi heller saltsyre over fast kalsiumkarbonat, vil karbonationene (CO32–) i overflaten av det faste stoffet reagere med saltsyren. Det blir dannet CO2-gass som bobler ut av løsningen. Det blir dessuten dannet vann.

I denne reaksjonen blir ionebindingene mellom Ca2+-ionene og CO32–-ionene i kalsiumkarbonat brutt. Også kovalente bindinger mellom atomene i karbonationet, CO32–, blir brutt. I stedet blir det dannet nye, sterke C=Obindinger i CO2-molekylene og H-O-bindinger i H2O-molekylene.

Utfelling Heller vi sølvnitratløsning i en løsning av natriumklorid, kan vi se at det skjer en utfelling av et hvitt stoff. Sølvnitratløsningen laget vi ved å løse AgNO3(s) i vann og natriumkloridløsningen ved å løse NaCl(s) i vann. I begge tilfellene ble ionebindinger i de to saltene brutt, og ionene ble spredt i vannet som frie ioner: Ag+, NO3–, Na+ og Cl–. Når vi blander de to løsningene, vil Ag+-ioner fra den ene løsningen og Cl–-ioner fra den andre danne fast hvitt AgCl. Utfellingen vil etter hvert samle seg i bunnen av glasset, og det faste stoffet omtales som bunnfall. Det er dannet nye ionebindinger mellom Ag+-ioner og Cl–-ioner når sølvkloridet dannes.

Når vi drypper sølvnitratløsning i en natriumkloridløsning, skjer det en utfelling. Det dannes en hvit utfelling, et bunnfall, av sølvklorid.

En kjemisk reaksjon på makronivå er en stoffendring som vi kan observere. Fra ett eller flere stoffer blir det dannet ett eller flere andre stoffer.

En kjemisk reaksjon på mikronivå er en stoffendring der sterke bindinger i utgangsstoffene blir brutt, og der det samtidig blir dannet nye, sterke bindinger i produktene.

Stoffer reagerer

81

5.2 Kjemiske ligninger Bevaring av atomer og masse i kjemiske reaksjoner I en kjemisk reaksjon er antallet atomer av forskjellige slag likt før og etter reaksjonen. Ingen atomer blir ødelagt i en kjemisk reaksjon, og ingen nye atomer blir skapt. Det er bare måten atomene er bundet sammen på, som blir annerledes. Atomene fra utgangsstoffene er med i de nye stoffene etter reaksjonen.

Når det er de samme atomtypene og det samme antallet atomtyper vi har før og etter reaksjonen, må også summen av massene av stoffene før reaksjonen og etter reaksjonen være den samme.

Antallet atomer fra de forskjellige grunnstoffene i utgangsstoffene er likt antallet atomer fra de samme grunnstoffene i produktene etter reaksjonen. Også massen av stoffene før og etter reaksjonen er den samme.

En ligning beskriver en reaksjon Stoffendringen som skjer i en kjemisk reaksjon, kan vi beskrive på flere måter.

Vi skal nå bruke reaksjonen mellom kobberpulver og oksygengass som et utgangspunkt for å vise ulike måter å skrive reaksjonsligninger på. Se side 80.

For å få fram hva som skjer, kan vi først skrive en ligning med ord. Da tar vi med navnene på de stoffene som reagerer, og navnene på de stoffene som blir dannet. Så kan vi skrive reaksjonen med formlene for utgangsstoffene og produktene. En slik ligning er kortere og sier mer. Når vi skal foreta beregninger, må vi skrive en balansert ligning. I den balanserte ligningen må antallet atomer av hver type være likt før og etter reaksjonen. Tallet 2 foran Cu og foran CuO i den balanserte ligningen kaller vi koeffisient.

Ligning med ord

82

Stoffer reagerer

Brunt og kobberpulver

oksygengass

reagerer og gir

svart kobber(II)oksid

Ligning med formler

Cu(s)

+

O2(g)

CuO(s)

Balansert ligning

2Cu(s)

+

O2(g)

2CuO(s)

2O2 Indeks Koeffisient

I stedet for å bruke likhetstegn (=) slik vi gjør i en matematisk ligning, bruker vi pil ( ) i en kjemisk ligning. Pilen i en reaksjonsligning leser vi som «reagerer og gir».

En balansert ligning sier noe om mengdeforholdene mellom stoffene i reaksjonen. Den balanserte ligningen over viste at forholdet mellom de tre stoffene i reaksjonen er 2:1:2 slik at f.eks. to kobberatomer reagerer med ett oksygenmolekyl og gir to formelenheter kobber(II)oksid. Når vi balanserer en ligning, sørger vi for å få så små koeffisienter som mulig, men de bør være hele tall.

Balansering av ligninger Når vi skal gjøre beregninger på grunnlag av en reaksjonsligning, må vi først skrive korrekte formler for alle reaktantene og produktene. Deretter balanserer vi ligningen. Formlene for stoffene kan aldri endres i balanseringen, bare koeffisientene for stoffene.

Vi skal nå vise hvordan vi kan gå fram når vi skal balansere en kjemisk ligning.

Som eksempel bruker vi forbrenningsreaksjonen mellom etanol (C2H5OH) og oksygen der det blir dannet karbondioksid og vann. Vi skriver først korrekte formler for utgangsstoffene og produktene og setter formlene opp i en ligning: C2H5OH + O2 CO2 + H2O Ligningen er ikke balansert fordi det nå står f.eks. seks H-atomer på venstre side av pilen, men bare to H-atomer på høyre side av pilen. Fordi det ikke forsvinner noen atomer i reaksjonen, må vi endre ligningen slik at det blir like mange H-atomer på begge sider av pilen. Det må også bli like mange atomer av de andre typene på begge sider. Det er dette vi kaller å balansere ligningen, og det skal vi nå gjøre: 1. Sørg for at antallet av det atomet som står færrest «steder» i ligningen, blir det samme på begge sidene av pilen.

I dette tilfellet står C-atomet bare i én formel på hver side av pilen, og vi velger å begynne balanseringen med dette atomet. (Vi kunne også ha valgt Hatomet.) Ettersom det i ett etanolmolekyl er to C-atomer, må vi også ha to Catomer på høyre side. Derfor setter vi koeffisienten 2 foran CO2. Den foreløpige ligningen ser da slik ut: 1C2H5OH + O2 2CO2 + H2O

Stoffer reagerer

83

2. Korriger for de endringene i andre atomer som den første balanseringen førte til.

Da det i ett C2H5OH-molekyl er seks H-atomer, mens det bare er to H-atomer i et vannmolekyl, må vi sette koeffisienten 3 foran H2O. Koeffisientene for etanol (1), for karbondioksid (2) og for vann (3) er dermed bestemt: 1C2H5OH + O2 2CO2 + 3H2O Det som nå gjenstår, er å sørge for at tallet på O-atomer er likt på begge sider av pilen. Fra 2CO2 og 3H2O har vi til sammen syv O-atomer på høyre side av pilen. På venstre side har vi bare ett O-atom i C2H5OH. De resterende seks Oatomene må derfor komme fra O2, som får koeffisienten 3.

1C2H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O 3. Skriv den ferdig balanserte ligningen.

I ligninger skriver vi aldri koeffisienten 1, men vi bruker ofte tilstandssymboler. Den balanserte ligningen blir da: C2H5OH(l) + 3O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(g)

Fellingsreaksjon og netto ioneligning På side 81 beskrev vi hva som skjer når en løsning av sølvnitrat dryppes i en løsning av natriumklorid. Vi lager løsningene ved å ta noe av saltene i hvert sitt glass og tilsette vann. Begge saltene er lett løselige i vann: + vann

AgNO3(s)

⎯⎯→ Ag+(aq) + NO3–(aq)

NaCl(s)

⎯⎯→ Na+(aq) + Cl–(aq)

+ vann

Da vi blandet de to løsningene, ble det utfelt et hvitt, fast stoff. Det skjer en fellingsreaksjon. Det er to mulige kombinasjoner av ioner som kan utgjøre det faste stoffet, enten Ag+Cl– eller Na+NO3–. Av tabellen på side 48 ser vi at sølvklorid er uløselig i vann, og at natriumnitrat er lett løselig i vann. Det må derfor være AgCl som felles ut: Ag+(aq) + NO3–(aq) + Na+(aq) + Cl–(aq) AgCl(s) + Na+(aq) + NO3–(aq) Na+-ionene og NO3–-ionene deltar ikke i reaksjonen, og de er til stede både før og etter fellingen. Vi kaller dem derfor tilskuerioner. Hvis vi filtrerer blandingen, kan vi skille det faste stoffet, AgCl, fra løsningen av Na+- og NO3–-ioner.

84

Stoffer reagerer

Dersom vi utelater tilskuerionene i reaksjonsligningen, kan vi sette opp denne ligningen for fellingsreaksjonen: Ag+(aq) + Cl–(aq) AgCl(s) Na+

NO3– Ag+

Ioner i løsning

Cl– Hvit utfelling av AgCl

AgCl

Bunnfall av fast AgCl

En slik reaksjonsligning der tilskuerionene er utelatt, kaller vi en netto ioneligning. Bare de ionene som reagerer, er tatt med. Det betyr at denne ioneligningen også beskriver reaksjoner mellom andre kloridløsninger som KCl(aq) eller CaCl2(aq) og sølvnitratløsningen.

Når løsninger av sølvnitrat og natriumklorid blandes, danner Ag+-ioner og Cl–-ioner et hvitt bunnfall, mens Na+- og NO3–ioner er tilskuerioner.

En kjemisk ligning sier ikke alt Den balanserte reaksjonsligningen for fullstendig forbrenning av propan ser slik ut: C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g) En slik ligning er en mangelfull beskrivelse av den virkelige reaksjonen mellom propangass og oksygengass. Den forteller ikke hvordan reaksjonen faktisk skjer, f.eks. at den foregår i luft og ikke i ren oksygengass. Produktene dannes sjelden direkte ved én reaksjon mellom reaktantene.

Forbrenningen skjer gjerne i flere trinn. Da får vi først såkalte mellomprodukter, som deretter reagerer videre til sluttproduktene. Litt av mellomproduktene kan også være igjen til slutt, men de nevnes ikke fordi det er lite av dem, eller fordi vi ikke er interessert i dem.

Ved høy temperatur i flammen blir det også dannet nitrogenoksider. De kommer fra en reaksjon mellom oksygengass og nitrogengass i den oppvarmede luften.

der reaksjonen skjer, blir varmere eller kaldere – det kommer vi tilbake til i kapittel 6 – eller det kan komme lys eller lyd fra reaksjonen.

Et annet forhold som ligningen ikke sier noe om, er tiden reaksjonen tar. Hvis en blanding av propan og luft ikke blir antent, kan den holde seg i lang tid uten å reagere. Men en gnist får blandingen til å reagere øyeblikkelig, og da kan vi få en eksplosjon.

Gassgrill med propan.

O2(g) + N2(g) 2NO(g) 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) Blandinger av NO(g) og NO2(g) går under fellesbetegnelsen NOx.. Reaksjonsligningen for forbrenning av propan viser ikke hvordan vi får NOx. I et avsnitt om forbrenningsreaksjoner i kjemien er vi kanskje ikke interessert i NOx, men i miljøsammenheng kan dette være den komponenten vi er opptatt av.

En reaksjonsligning er dessuten mangelfull fordi den ikke sier noe om energiforandringen i reaksjonen. Beholderen

Stoffer reagerer

85

5.3 Beregninger basert på reaksjonsligninger stoikheion (gr.) = grunnstoff (atom) metron (gr.) = mål

Molforhold i kjemiske reaksjoner For å kunne regne ut hvor mye stoff som blir dannet i en kjemisk reaksjon må vi ha balansert reaksjonsligningen. Beregninger basert på balanserte reaksjonsligninger kalles støkiometriske beregninger. Den balanserte ligningen: 2Cu(s) + O2(g) 2CuO(s) viser at 2 mol Cu reagerer med 1 mol O2 og gir 2 mol CuO.

Skjematisk tegning av reaksjonen mellom kobbermetall og oksygengass der ioneforbindelsen kobber(II)oksid blir dannet: 2Cu + O2 2CuO. Grå kuler står for atomer eller ioner av kobber og røde kuler for atomer eller ioner av oksygen.

Koeffisientene i reaksjonsligningen viser også hva forholdet mellom stoffmengdene av reaktantene og produktene er i reaksjonen. For eksempel vil 30 mol Cu(s) reagere med 15 mol O2(g) og danne 30 mol CuO(s).

Oppvarming

Fremgangsmåten i beregninger Hvis vi kjenner stoffmengden av én reaktant eller ett produkt i en reaksjon, kan vi regne ut stoffmengden av en annen reaktant eller et annet produkt ved å bruke koeffisientene i ligningen. Vi sier da at vi går «veien om mol».

Fremgangsmåten er: 1) Skriv korrekte formler for alle utgangsstoffene og produktene.

2) Balanser ligningen.

3) Regn ut stoffmengden i mol av det stoffet det er gitt opplysning om («data») i oppgaven.

4) Bruk koeffisientene i ligningen og finn stoffmengden av det ønskede stoffet det spørres om.

5) Gjør stoffmengden i mol for dette stoffet om til den størrelsen og enheten som oppgaven spør etter.

Antall partikler (N)

Fremgangsmåten i støkiometriske beregninger: «Vi går veien om mol.»

Data

Stoffmengde (n) i mol

Balansert reaksjonslikning

Stoffmengde (n) i mol

Masse (m) Konsentrasjon (c) Volum (V) Energi (E)

86

Stoffer reagerer

Beregning av masse eller volum De to eksemplene nedenfor viser beregninger der vi går «veien om mol» fra massen av et av stoffene i reaksjonen til massen eller volumet av et av de andre stoffene i den balanserte reaksjonsligningen.

EKSEMPEL: Fra masse til masse

Etanol som brukes som brensel for biler, går under navnet bioetanol og er laget av plantemateriale. Et trinn i produksjonen er at en glukoseløsning gjærer, og det dannes da etanol og karbondioksid slik ligningen viser.

Formelen for glukose er C6H12O6.

Den balanserte reaksjonsligningen er: C6H12O6(s) 2C2H5OH(l) + 2CO2(g) Hvor mange kilogram etanol kan vi maksimalt få av 1,00 kg glukose?

Antall partikler (N)

Masse (m)

Stoffmengde (n) i mol

C6H12O6(s) → 2C2H5OH(l) + 2CO2(g)

Stoffmengde (n) i mol

Masse (m) Konsentrasjon (c) Volum (V) Energi (E)

Svar Masse C6H12O6: Molar masse C6H12O6: Stoffmengde C6H12O6:

1,00 kg = 1000 g 180,2 g/mol 1000 g g

180,2 mol

= 5,55 mol

Den balanserte ligningen viser: 1 mol C6H12O6 ↔ 2 mol C2H5OH Det betyr at for hvert mol C6H12O6 som reagerer, blir det dannet 2 mol C2H5OH. Når det brukes 5,55 mol C6H12O6, må det bli dannet 2 · 5,55 mol C2H5OH. Stoffmengde C2H5OH:

2 · 5,55 mol = 11,1 mol

Molar masse C2H5OH: Masse C2H5OH:

46,07 g/mol g 46,07 mol · 11,1 mol = 511 g

1,00 kg glukose gir ved gjæring maksimalt 0,51 kg etanol.

Stoffer reagerer

87

EKSEMPEL: Fra masse til volum

I en kollisjonspute blir stoffet natriumazid (NaN3), spaltet i natriummetall (Na) og nitrogengass (N2).

Hvor mange liter nitrogengass blir det dannet av 100 g natriumazid ved 25 ºC og 1 atm?

Svar Den balanserte reaksjonsligningen er: 2NaN3(s) 2Na(s) + 3N2(g) Antall partikler (N) Masse (m)

Stoffmengde (n) i mol

2NaN3(s) → 2Na(s) + 3N2(g)

Stoffmengde (n) i mol

Masse (m) Konsentrasjon (c) Volum (V) Energi (E)

Masse NaN3: Molar masse NaN3: Stoffmengde NaN3:

100 g 65,02 g/mol 100 g g

65,02 mol

= 1,538 mol

Den balanserte ligningen viser: Det betyr at:

2 mol NaN3 ↔ 3 mol N2 1 mol NaN3 ↔ 3 mol N2 2

Stoffmengde N2:

3 · 1,538 mol = 2,307 mol 2

Molart volum ved 25 oC og 1 atm:

24,5 L/mol

Volum N2:

L 24,5 mol · 2,307 mol = 56,5 L

Ved 25 °C og 1 atm blir det dannet 56,5 L nitrogengass av 100 g natriumazid.

Etter eksplosjonen er dessuten gassen varm, så volumet av puten blir større enn 56,5 L. Reaksjonen skjer i løpet av ca. 40 millisekunder.

88

Stoffer reagerer

Raske reaksjoner og mye gass redder liv I kollisjonsputene i biler er det en blanding av de tre stoffene natriumazid, kaliumnitrat og kvarts (silisiumdioksid) i et bestemt mengdeforhold. Hvis bilen kolliderer, vil en føler utløse en gnist som fører til at det ustabile stoffet i kollisjonsputen blir spaltet eksplosivt. Dette ustabile stoffet er natriumazid, og det har formelen NaN3. Natriumazidet blir spaltet i natriummetall og nitrogengass ved reaksjonen 2NaN3(s) 2Na(s) + 3N2(g)

Natrium er uhyre reaktivt, og med kaliumnitrat reagerer det straks videre til natriumoksid, kaliumoksid og også noe nitrogengass: 10Na(s) + 2KNO3(s) 5Na2O(s) + K2O(s) + N2(g) Det utvikles mye varme i de to reaksjonene slik at oksidene smelter sammen med kvarts til glasspulver.

K2O(s) + Na2O(s) + SiO2(s) glasspulver

Beregning av utbytte I industrien og på laboratoriet får vi vanligvis mindre av et produkt enn det vi kan beregne ut fra reaksjonsligningen. Med andre ord blir utbyttet i produksjonen lavere enn det teoretisk beregnede utbyttet. Det er flere grunner til det.

Det kan være at reaksjonen ikke går fullstendig over til produktet, og at det er vanskelig å skille det ønskede produktet fra de andre stoffene i blandingen etter reaksjonen. Utbyttet oppgir vi vanligvis i prosent av det teoretisk mulige.

Utbytte i prosent =

virkelig utbytte · 100 % teoretisk utbytte

Stoffer reagerer

89

EKSEMPEL: Fra massen av en reaktant til utbytte i prosent

Ammoniumnitrat (NH4NO3) brukes både som sprengstoff og gjødsel.

Det kan fremstilles ved en reaksjon mellom ammoniakk og salpetersyre.

Den balanserte ligningen for reaksjonen er: NH3(g) + HNO3(aq) NH4NO3(s) Av 15,0 kg ammoniakk fikk man et utbytte på 65,3 kg ammoniumnitrat.

Hva er da utbyttet regnet i prosent av det teoretiske utbyttet?

Svar Vi regner først ut den teoretiske massen av NH4NO3 ut fra stoffmengden av NH3.

Masse NH3: Molar masse NH3:

Sekker med ammoniumnitrat.

Stoffmengde NH3:

15,0 kg = 15,0 · 103 g 17,03 g/mol 15,0 · 103 g g

= 880,8 mol

17,03 mol

Den balanserte ligningen viser: 1 mol NH3 ↔ 1 mol NH4NO3 Stoffmengde NH4NO3: 880,8 mol 80,05 g/mol Molar masse NH4NO3: g Teoretisk masse NH4NO3: 80,05 mol · 880,8 mol =7,051 · 104 g = 70,5 kg Virkelig utbytte NH4NO3: 65,3 kg Utbytte i prosent:

65,3 kg · 100 % = 92,6 % 70,5 kg

Det virkelige utbyttet er 92,6 % av det teoretisk mulige utbyttet.

«Se opp for» begrensende reaktanter Kjemiske reaksjoner stopper når en av reaktantene er brukt opp. For eksempel slokner et stearinlys når stearinen er brukt opp. Stearinen er da den begrensende reaktanten, mens det er rikelig med oksygen i luften. Vi sier at oksygen er i overskudd. Ved vurderinger og beregninger er det ikke alltid vi får vite hvilken av reaktantene som er den begrensende reaktanten, og vi kan ikke se det ut fra massen av stoffene alene. Vi må igjen «gå veien om mol». Da regner vi ut stoffmengden av hver reaktant og avgjør hvilken som er den begrensende reaktanten. Det er denne reaktanten vi må basere beregningen av produktet på.

90

Stoffer reagerer

EKSEMPEL: Fra masse via begrensende reaktant til masse

Vi blander 50 mL av 2,0 mol/L NaOH med 200 mL av 0,20 mol/L Fe(NO3)3. Jern(III)hydroksid felles da ut. Netto ioneligning er: Fe3+(aq) + 3OH–(aq) Fe(OH)3(s).

Hvor stor er massen av det jern(III)hydroksidet som blir dannet ved fellingen?

Svar Vi må først regne ut mengden av Fe3+-ioner og av OH–-ioner som blir blandet sammen.

Stoffmengde Fe(NO3)3: 0,20 mol · 0,20 L = 0,040 mol L

Da Fe(NO3)3(aq) Fe3+(aq) + 3NO3–(aq), har vi at: 1 mol Fe(NO3)3 ↔ 1 mol Fe 3+ Felling av Fe(OH)3.

Stoffmengde Fe3+(aq):

0,040 mol

Stoffmengde NaOH:

2,0 mol · 0,050 L = 0,10 mol L

Da NaOH(aq) Na+(aq) + OH–(aq) har vi at: 1 mol NaOH ↔ 1 mol OH– Stoffmengde OH–:

0,10 mol

Av nettoioneligningen ser vi at 1 mol Fe3+ ↔ 3 mol OH–. Da svarer 0,040 mol Fe3+ til 3 · 0,040 mol OH– = 0,12 mol OH–. Ved starten har vi ikke mer enn 0,10 mol OH–, mens all Fe3+ (0,040 mol) krever så mye som 0,12 mol OH–. Det er altså et overskudd av Fe3+-ioner i blandingen. Det er derfor OH– som blir den begrensende reaktanten, og det er den vi må basere beregningen av massen av Fe(OH)3(s) på.

Stoffmengde OH– :

0,10 mol

Av reaksjonsligningen i eksempelteksten ser vi at: 3 mol OH– ↔ 1 mol Fe(OH)3 altså 1 mol OH– ↔ 1 mol Fe(OH3) 3 Stoffmengde Fe(OH)3:

1 · 0,10 mol = 0,0333 mol 3

Molar masse Fe(OH)3:

106,9 g/mol

Masse Fe(OH)3:

106,9 mol · 0,0333 mol = 3,6 g

g

Massen av det jern(III)hydroksidet som blir dannet ved fellingen, er 3,6 g.

Stoffer reagerer

91