Kjemien stemmer Kjemi 1 Grunnbok (2021)

Hege Knutsen, Svein Tveit og Kristian Vestli

1 KJEMI 1 • GRUNNBOK

Boken er en videreføring av læreboken Kjemien stemmer 1, opprinnelig utgitt av: Truls Grønneberg, Merete Hannisdal, Bjørn Pedersen og Vivi Ringnes

© Cappelen Damm AS, Oslo 2021 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.

Kjemien stemmer 1 følger læreplanen for Kunnskapsløftet LK20, Kjemi 1 studiespesialisering Vg2.

Forfatterne har mottatt støtte fra Det faglitterære fond.

Boken er en videreføring av læreboken Kjemien stemmer 1, opprinnelig utgitt av: Truls Grønneberg, Merete Hannisdal, Bjørn Pedersen og Vivi Ringnes.

Grafisk formgiver: Kristine Steen, 07-gruppen, Oslo Omslagsdesign: Kristine Steen Omslagsfoto: iStock/Getty Images/NagyDodo Tegninger: Terje Sundby, Keops Sikkerhetsdatablad s. 59: Frederiksen Scientific AS Forlagsredaktør: Eva Irgens Boken er satt med Minion 11/14 punkt og trykt på 100 g G-print Trykk: Livonia Print, Latvia 2021 Utgave nr. 6 Opplag nr. 1 ISBN: 978-82-02-69663-4 kjemienstemmer.cappelendamm.no cdu.no Fotoleverandører: Cappelen Damm: s. 53, s. 55 m., s. 151, s. 170, s. 276 GettyImages: Niphon Chanthana s. 7, yoh4nn s. 8, zozzzzo s. 10 ø., Daisy Daisy s. 12, Jayson s. 15, Nemoris s. 17 ø., hekakoskinen s. 17 n., RelaxFoto.de s. 22, Bulent Esdogan s. 41 ø., Easy_Asa s. 41 n., Rudchenko s. 55 h., Maksims_liene s. 56, AzmanL s. 57, Rasi Bhadramani s. 61, Friss Istvan s. 62 v., Seyit Korkmaz s. 62 m., Hansslegers s. 62 h., Pixfly s. 69, Aleksa Torri s. 69, Photos. com s. 70 ø., Diy13 s. 70 n., MariusFM77 s. 71 h., Serhii Moiseiev s. 74, Mason Lake s. 91 ø., Jxfzsy s. 91 n., MN s. 90, Grafissimo s. 92, Dmytro Aksonov s. 93 v., Oleksiy Mark s. 95, Choness s. 100, Gunnar Svanberg Skúlason s. 101, JackF s. 103, Milehightraveler s. 104, T_A_P s. 107, Olaf Speier s. 109, Audioundwerbung s. 116, Yocamon s. 121, Sandro Eid bomben s. 125, Tetiana Gutnyk s. 126 ø., Zorazhuang s. 127, Philips s. 143, kabVisio s. 144, Enviromantic s. 145, ewg3D s. 154, Tom Merton s. 163 v., Chris Ryan s. 163 mv., Fstoplight s. 163 mh., Srdjan Randjelovic s. 163 h., Subjug s. 163 n., Kriminskaya Ekaterina s. 172 ø., Henk Hulshof s. 172 n., Zbynek Pospisil s. 177, Photongpix s. 179, Tongpatong s. 180 ø., Solidcolours s. 180 m., Jevtic s. 180 n., Naumoid s. 182, FedericoChiccoDodiFC s. 187, Nickfree s. 203, Dusan Zidar s. 204, Phynart Studio s. 209, Nandalal Sarkar s. 211, Sinhyu 216, Ferran Traite s. 221, Vasko s. 223, Jelena Safronova s. 227 h., Michael Heim s. 227 v., Martin Poole s. 230, AlasdairJames s. 232 v., Tetiana Garkusha s. 232 m., AlasdairJames s. 232 h., Ollo s. 237, Rixipix s. 238, Anselm Baumgart s. 247, VacharapongW s. 248 v., Jagpal Singh s. 248 m., Aldo Ottaviani s. 248 h., Yuri Arcurs s. 256, Steven Humphreys s. 257 ø., Valerio Rosati s. 257 n., Kjekol s. 261 v., Azure-Dragon s. 275, Taras Dovhych s. 280, Roman Valiev s. 281, Bidouze Stephane s. 283, Arsenii Palivoda s. 284, Hispanolistic s. 285 ø., Elena Elisseeva s. 285 n., Filmfoto s. 286, Pidjoe s. 287, NatalieIme s. 290. Group4 Studio s. 291, Stefan Sorean s. 292, Lars Johansson s. 294 ø., teaa1946 s. 294 n., mixetto s. 295 Hege Knutsen s. 186 nh.

Per Morten Kiil s. 93 h.

Svein Tveit: s. 50, s. 96, s. 110, s. 113, s. 129 øm., s. 186 ø., s. 186 nv., s. 192, s. 218, s. 226, s. 240, s. 244 ø., s. 261 h., s. 278 Truls Grønneberg: s. 55 v., s. 76, s. 108, s. 111, s. 112, s. 126 n., s. 129 øv., s. 129 øh., s. 129 n., s. 139, s. 156, s. 222, s. 244

Forord Læreverket Kjemien stemmer 1 består av denne grunnboken, en studiebok og nettstedet kjemienstemmer.cdu.no. Grunnboken og studieboken dekker kompetansemålene i læreplanen LK20, og sammen med nettstedet formidler de kjerneelementene og kompetansemålene i faget slik de er uttrykt i læreplanen.

Hvert kapittel starter med en kort oversikt over kompetansemålene.

Viktig stoff er uthevet i grønne rammer så du raskt skal kjenne det igjen.

I denne boken er teorien forklart ved bruk av mange eksempler. Vi har lagt stor vekt på å formidle teoristoffet på en forståelig måte, og teksten er supplert med både figurer, modeller og bilder. I avsnittene med temastoff formidler vi teorien i nye og tverrfaglige sammenhenger, og vi håper det vil inspirere deg når du jobber med faget. Avsnitt med ekstrastoff inneholder tilleggsstoff som er en fordypning av læreplanen.

For å sjekke om du har fått med deg de faglige poengene, kan du løse Test deg selv-oppgavene på slutten av hvert delkapittel i grunnboken.

I studieboken finner du både oppgaver som du kan jobbe selvstendig med, og som krever lengre resonnementer, og oppgaver som krever samarbeid og skaper debatt. Flere av kompetansemålene i læreplanen handler om å utforske, planlegge og gjennomføre forsøk. Studieboken inneholder derfor mange ulike elevforsøk.

På nettstedet finner du løsningsforslag til Test deg selv-oppgavene og andre ressurser som du kan bruke når du arbeider med faget. Disse ressursene er organisert etter kapittelinndelingen i grunnboken. Innholdet vil bli jevnlig oppdatert, for eksempel når det gjelder nye, viktige tiltak knyttet til krav til merking av kjemikalier og farlige stoffer.

Et av temaene i den overordnede delen av læreplanen er bærekraftig utvikling. I kjemien handler bærekraftig utvikling blant annet om å utforske hvordan bruken av kjemikalier i samfunnet henger sammen med miljøet.

Når du har kunnskap om denne sammenhengen, blir det enklere for deg å sette deg inn i og vurdere argumentasjon du møter i nyhetsartikler og debatter. Kunnskapen gjør deg med andre ord bedre rustet til å være en aktiv samfunnsdeltaker.

Lykke til med kjemifaget!

Kjemien stemmer 1

3

Innhold

1 2

Stoffer og periodesystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 1.2

1.3

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14

Kjemiske bindinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.1 2.2 2.3

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

4

Kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Makronivå, mikronivå og ­kjemispråk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 TEMASTOFF: Grunnstoffer og ressursknapphet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Atomer – en beskrivelse på mikronivå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 TEMASTOFF: Kjernekraftverk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Periodesystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Stabil elektronkonfigurasjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Atomstørrelsen følger en trend i periodesystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Emisjons- og absorpsjonsspekter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Inndeling av stoffer og navnsetting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Molekyler er dannet av ikke-metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Salter – forbindelser dannet av metall og ikke-metall . . . . . . . . . . . . . . 46 Salter med fleratomige ioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Salter med krystallvann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Praktisk arbeid og sikkerhet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Sterke og svake bindinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Periodesystemet kan brukes til å avgjøre bindingstypen i et stoff . . . 65 Metallbindinger og egenskapene til metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 TEMASTOFF: Gjenvinning av metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Ionebindinger og egenskapene til salter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Kovalente bindinger i molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Molekylgeometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Svake bindinger mellom ­molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Egenskapene til stoffer som består av molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Oppbygningen og egenskapene til nettverksstoffer . . . . . . . . . . . . . . . 91 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Nettsted: kjemienstemmer.cdu.no

3 4 5

Reaksjoner og beregninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Stoffmengde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Estimere usikkerhet i målinger og beregninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Konsentrasjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Konsentrasjon i mol/L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Balansering av reaksjonsligninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 TEMASTOFF: Utslipp av NOx fra transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Beregninger med balanserte ­reaksjonsligninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Observasjoner av kjemiske ­reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Fellingsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Syre−base-reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Entalpi, reaksjonsfart og likevekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4.1 4.2

4.3 4.4 4.5 4.6

Energi i kjemiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Entalpi og entalpiendringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 TEMASTOFF: Energi og utslipp ved forbrenning av kull . . . . . . . . . . . 154 Beregning av reaksjonsentalpi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Bestemme reaksjonsentalpi med kalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Reaksjonsfart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Kjemisk likevekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.1 5.2 5.3

5.4 5.5 5.6

5.7

pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Sur, nøytral eller basisk løsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 pH kan måles på ulike måter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 TEMASTOFF: Dyrking av planter og pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Syrer i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Baser i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Salter og gasser kan gi sure, n ­ øytrale og basiske løsninger . . . . . . . . 198 TEMASTOFF: Sur nedbør . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 TEMASTOFF: Bruk av fluor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Blandinger av sure og basiske løsninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Kjemien stemmer 1

5

6 7 8 6

Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

6.6 6.7 6.8 6.9 6.10

Kvalitative og kvantitative a­ nalysemetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Volumetrisk og gravimetrisk t­ itreranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Syre-base-titrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Redokstitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Fellingstitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 TEMASTOFF: Drikkevannskvalitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Komplekstitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Feilkilder og dimensjonering i en titreranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Tilbaketitrering og indirekte titrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Analyse ved å veie massen av et bunnfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Spektroskopiske analyse­metoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

Organisk ­kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 7.1 7.2

7.3

7.4 7.5 7.6 7.7

Organiske forbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Alkaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 TEMASTOFF: Oljeutslipp i havet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Alkener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 TEMASTOFF: Polyeten kan gjenvinnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Halogenerte alkaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Alkoholer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Karbonylforbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Estere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 TEMASTOFF: Fremstilling av legemidlet metylfenidat . . . . . . . . . . . . . 281 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Grønn kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 8.1

8.2

8.3

Grønn kjemi er bærekraftig kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 TEMASTOFF: Kvitteringer uten hormonforstyrrende kjemikalier . . . 285 Tolv prinsipper for grønn kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 TEMASTOFF: I Norge har virksomheter substitusjonsplikt . . . . . . . . . 291 TEMASTOFF: Tungmetaller fra gruvedrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Vurdere reaksjoner med ­prinsippene for grønn kjemi . . . . . . . . . . . . . 296 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

1

Mål for opplæringen er at du skal kunne

• gjøre rede for oppbygningen av periodesystemet, og bruke kjerneladning og elektronkonfigurasjon til å forklare periodiske trender • gjøre rede for sammenhengen mellom atomets oppbygning og grunnstoffers absorpsjonsog emisjonsspektre og bruke spektroskopiske metoder i kvalitativ og kvantitativ i ­analyse • bruke modeller til å forklare observasjoner og kjemiske fenomener, og argumentere for modellenes styrker og ­begrensninger

Stoffer og periodesystemet Kjemi er læren om stoffene i og omkring oss. Men det er også læren om hvordan vi utforsker verden, hvordan vi gjennomfører forsøk for å lære mer, og hvordan vi lager teorier for å gi forklaringer på det vi erfarer.

I dette kapittelet skal vi se nærmere på stoffenes minste byggeklosser, atomene, og hvordan de er organisert i periodesystemet. Atomene danner ulike forbindelser, og du skal bli kjent med kjemisk terminologi og lære å sette navn på de enkleste uorganiske forbindelsene.

Du får også lese om praktisk arbeid og risikovurderinger. Dette er viktige temaer i alle naturvitenskapene.

• forstå og bruke kjemisk terminologi og regler for navnsetting i faglig kommunikasjon • bruke informasjon fra sikkerhetsdatablad til å gjøre vurderinger knyttet til helse, miljø og sikkerhet i praktisk arbeid 1

• Stoffer og periodesystemet

7

1.1 Kjemi Alt er kjemi Alt du kan se og ta på, er bygd opp av atomer. Atomer kan reagere med hverandre i kjemiske reaksjoner og danne nye stoffer. Hver gang et stoff skifter farge eller smak eller tar fyr, er det en kjemisk reaksjon som skjer.

Alt rundt oss er kjemi. Hele livet vårt er fylt av naturlige og menneskeskapte stoffer og kjemiske reaksjoner, og kjemi er et bredt fagfelt som har stor betydning i hverdagen.

Du knyter på deg joggeskoene, setter i øreproppene og starter favorittspille­ listen. Du trekker pusten dypt og starter løpeturen.

Du puster

Joggeskoene og treningstøyet

Nitrogen og oksygen fyller lungene dine. Oksygenet blir tatt opp av hemoglobinet i blodet og fraktet dit det skal skje en forbrennings­reaksjon.

Ligning for forbrenning av sukker: C6H12O6+ 6O2 → 6CO2+ 6H2O Blodet fører karbon­dioksidet som blir dannet, ut igjen til lungene. Du puster ut igjen nitrogen, rester av oksygen og nydannet karbondioksid.

Hemoglobin med oksygen:

De aller fleste gjenstandene du har rundt deg, er bygd opp av stoffer som ikke finnes i naturen, men er laget av mennesker. Stoffene er spesielt utviklet for hver gjenstand: Skoene skal ha god støtdemping, treningstøyet skal la svetten fordampe lett og tåle mange klesvasker uten å bli slitt.

Jern

Oksygen

Hjernen sender beskjed til musklene

Når du løper, sender nervecellene ut kjemiske signalstoffer som starter elektriske og kjemiske prosesser.

En nervecelle:

8

Mobiltelefonen Berøringsskjermen er laget av en blanding av indiumoksid og tinnoksid.

Når du berører skjermen med fingeren, registreres berøringen som en endring i det elektriske feltet. Programmet kan dermed registrere akkurat hvor på skjermen du trykket.

Batteriet som leverer strøm til mobiltelefonen, baserer seg på en redoksreaksjon. Det brukes ulike batterivarianter for ulike funksjoner. For eksempel er det stor forskjell på et oppladbart batteri og et engangsbatteri.

Redoksreaksjon: plusspol: CoO2 + Li+ + e– ⇌ LiCoO2 minuspol: LiC6 ⇌ C6 + Li+ + e– Totalreaksjon: LiC6 + CoO2 ⇌ C6 + LiCoO2 (oppladet ⇌ utladet)

Oversikten på forrige side beskriver en situasjon du kanskje har opplevd.

I løpet av løpeturen skjer det mange kjemiske reaksjoner. Oversikten viste eksempler på noen få av dem. Selv om dette er avanserte prosesser og avansert teknologi, skal du lære grunnlaget for mange av dem i kjemi 1.

Teorier forbedres ved hjelp av den vitenskapelige metode

Empirisk: noe som bygger på praktisk erfaring og observasjon.

Alle eksemplene på forrige side bygger på kunnskap fra kjemifaget. Gjennom mange år med forskning og utvikling har forskerne fått større kunnskap og dermed kunnet utvikle ny teknologi. Et viktig mål for forskningen er å forbedre og utvikle nye teorier. Fra naturfaget kjenner du allerede den vitenskapelige metode. På bakgrunn av erfaringer og observasjoner fremsetter man en teori. Teorien brukes til å forutsi resultatet av forsøk, og så gjennomføres forsøket. Hvis resultatet stemmer med det forventede resultatet, styrkes teorien. Hvis resultatet ikke stemmer, må teorien forkastes og en ny teori lages. Kjemifaget har blitt utviklet etter dette prinsippet gjennom flere århundrer. Fordi hele kjemifaget i bunn og grunn bygger på resultater av forsøk, sier vi at kjemi er et empirisk fag. I programfaget kjemi står også praktisk arbeid sentralt.

Teorien bruker vi til å lage matematiske modeller. De er grunnlaget når vi gjør simuleringer og beregninger i kjemi. I dag har en vanlig datamaskin regnekraft nok til å gjennomføre et enormt antall beregninger på kort tid. Beregninger kan aldri erstatte eksperimenter i forskningen, men de har blitt et viktig supplement. De kan for eksempel bidra til at vi slipper å jobbe med farlige kjemikalier i laboratoriet. I moderne kjemisk forskning bruker vi forsøk, simuleringer og beregninger side om side for å utforske verden omkring oss.

Teori

Forsøk

Simuleringer

Hvorfor skal du lære kjemi?

Kjemi gir deg et godt grunnlag for videre studier og kan brukes i mange forskjellige yrker. Kjemikere kan for eksempel drive med forskning i et laboratorium eller arbeide i den kjemiske industrien. Andre kjemikere jobber med salg av kjemiske produkter, underviser i kjemi eller behandler pasienter med ulike medisiner. De kan også jobbe med å lage bedre telefoner og datamaskiner, løse verdens energiutfordringer eller utvikle vaksiner mot ulike sykdommer.

1

• Stoffer og periodesystemet

9

Uansett hvilket yrke du velger, vil kunnskaper i kjemi gjøre det lettere for deg å forstå politiske debatter om miljø og energi og gi deg et faglig grunnlag for å skille mellom saklige og usaklige utsagn i reklame. Kjemikunnskaper kan også hjelpe deg med å velge et fornuftig kosthold og komme til nytte når du skal behandle helsefarlige stoffer i hverdagen.

TEST DEG SELV 1 Lag en liste over stoffer og gjenstander som du har brukt i dag, og som er tilpasset sitt bruksområde.

2 Diskuter listen din med en medelev. Har dere de samme eksemplene?

3 Hva er sammenhengen mellom teori, forsøk og simuleringer?

1.2 M akronivå, mikronivå og ­kjemispråk Sammenhengen mellom makronivå, mikronivå og kjemispråk

På makronivå beskriver vi vann som en gjennomsiktig væske.

Grunnstoff

Kjemisk forbindelse

På mikronivå bruker vi en modell av vannmolekylet.

10

Hva tenker du på når du hører ordet vann? I margen viser vi tre muligheter: vann som en væske, enten i et glass eller i en stor innsjø, den kjemiske formelen for vann, H2O, og en modell av vannmolekylet. Alle disse tre måtene å se på det samme stoffet på er viktige for kjemikere.

På laboratoriet eksperimenterer vi med stoffene og beskriver det vi observerer. Når vi gjør kjemiforsøk, arbeider vi med så store mengder av stoffene at vi kan observere det som skjer, med sansene våre. Mengden behøver ikke å være mer enn noen gram eller milligram. Vi sier at vi arbeider med stoffene på makronivå.

Beskrivelser på makronivå kan være beskrivelser av farge, smak, lukt, temperatur og om stoffet er i fast form, væskeform eller gassform. På makronivå kan vi for eksempel beskrive vann ved romtemperatur som en gjennomsiktig væske uten spesiell smak eller lukt.

På mikronivå bruker vi ofte atomer, ioner og molekyler for å beskrive stoffer og forklare det vi observerer på makronivå. For å beskrive oppbygningen av atomer bruker vi elektroner, protoner og nøytroner. Fordi byggeklossene i stoffene er så små at vi ikke kan se dem, bruker vi gjerne tegninger, animasjoner eller molekylbyggesett. Vi kaller alle disse måtene å vise mikronivået på for modeller.

På mikronivå kan vi bruke figurer eller molekylbyggesett for å vise at vann er bygd opp av vannmolekyler. Hvert vannmolekyl er bygd opp av to hydrogenatomer og ett oksygenatom, og molekylet er bundet sammen i en vinkel.

H2O Vi kan bruke formelen til et stoff for å kommunisere med andre kjemikere.

Når vi omtaler stoffene og reaksjonene mellom dem ved hjelp av formler og ligninger, bruker vi kjemispråket. Kjemispråket består blant annet av formler, reaksjonsligninger, beregninger, systematiske navn og trivialnavn.

Skal vi beskrive vann med kjemispråk, bruker vi enten formelen H2O eller trivialnavnet vann. Det er ikke vanlig å bruke det systematiske navnet, dihydrogenmonoksid, om vann. For de fleste andre stoffer bruker vi det systematiske navnet. Å lære om sammenhengen mellom makronivå, mikronivå og kjemispråket er en viktig del av det å lære kjemi.

Makronivå Kjemiske stoffer Beskrivelser

Mikronivå Atomer, molekyler, ioner Forklaringer, modeller

Kjemispråk Formler, ligninger Beregninger

I kjemi bruker vi makronivå, mikronivå og kjemispråk for å forstå faget og kommunisere med andre.

Stoff er alt som har masse og opptar plass Med stoff mener vi alt som har masse og opptar plass. Hvis vi har nok stoff, kan vi observere stoffet på makronivå. Den minste partikkelen som alene kan bygge opp et stoff, er atomet. Atomene kan danne ioner og molekyler.

Atomet er så lite at vi ikke kan se det. Når vi snakker om atomer, er det altså en beskrivelse på mikronivå. Partiklene vi oftest bruker til å beskrive stoffer på mikronivå, er nettopp atomer, ioner og molekyler.

Stoffer som brukes på laboratoriet eller i industrien, kalles vanligvis kjemikalier. Det er stoffer som vi kjenner sammensetningen og renheten av. På laboratoriet kalles for eksempel natriumklorid og etansyre for kjemikalier. I dagliglivet kaller vi de samme stoffene salt og eddiksyre. På laboratoriet arbeider vi med kjemikalier på makronivå, men vi bruker både kjemispråk og ulike modeller på mikronivå for å forklare det som skjer.

Stoff er alt som har masse. Den minste partikkelen som alene kan bygge opp et stoff, er atomet. Stoffer som brukes på laboratoriet, kalles kjemikalier selv om det kan være de samme stoffene som vi bruker i dagliglivet.

1

• Stoffer og periodesystemet

11

Grunnstoff

Kjemisk forbindelse

Et hydrogenmolekyl (øverst) og et vannmolekyl (nederst).

homos (gr.) = lik hetros (gr.) = forskjellig -gen (gr.) = danne

Inndeling av stoffer Stoffer kan deles inn på mange ulike måter. Utgangspunktet for inndelingen er som oftest egenskaper på makronivå, men vi bruker mikronivået for å forklare inndelingen. Periodesystemet inneholder foreløpig 118 forskjellige grunnstoffer, blant annet jern, karbon, hydrogen og oksygen. Hvis vi tenner på en blanding av hydrogengass og oksygengass, reagerer stoffene med hverandre, vi hører et smell, og det blir dannet vann. Vann er ikke et grunnstoff, men en kjemisk forbindelse. Vann består av molekyler, og hvert vannmolekyl består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Den kjemiske forbindelsen, vann, har helt andre egenskaper enn de grunnstoffene den er dannet av.

På makronivå skiller vi mellom rene stoffer og blandinger av stoffer.

Et rent stoff er enten et grunnstoff eller en kjemisk forbindelse. I et grunn­ stoff er det bare én type atomer. I en kjemisk forbindelse er det to eller flere atomtyper som er bundet sammen.

En blanding inneholder to eller flere rene stoffer. I en blanding kan de forskjellige stoffene enten være jevnt fordelt eller ujevnt fordelt. Er stoffene jevnt fordelt på mikronivå, kaller vi det en homogen blanding. Hvis de er ujevnt fordelt på makronivå, er de også det på mikronivå, og vi kaller det en heterogen blanding.

Stoff

Blanding av stoffer

Rent stoff

Grunnstoff

Kjemisk forbindelse

Homogen blanding

Heterogen blanding

En kopp te og en skje sukker kan være eksempel på både en heterogen og en homogen blanding. Hvis du har sukker i teen, legger det seg først på bunnen, mens teen i toppen av koppen ikke blir særlig søtere. Vi har altså en heterogen blanding. Men tar vi en skje og rører rundt, løser sukkeret seg opp. Smaker du på teen, er den like søt på toppen som i bunnen av glasset, og vi har fått en homogen blanding.

Rører du rundt, får du en homogen blanding.

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.

En homogen blanding er jevnt fordelt på mikronivå.

En heterogen blanding er ujevnt fordelt.

12

Modellene viser ulike ting

Det blå feltet viser det området der det er størst sannsynlighet for å finne elektronene i vannmolekylet basert på en matematisk modell. Slike modeller brukes til å anslå størrelsen til molekylet.

For å danne seg et bilde av stoffer på mikronivå bruker kjemikere forskjellige modeller. Med en modell kan vi få frem bestemte trekk ved opp­ bygningen av et stoff. Matematikk og datamaskiner har gjort det mulig å lage avanserte tredimensjonale modeller av atomer og molekyler, men vi velger ikke alltid den mest korrekte og mest omfattende modellen når vi skal forklare noe. En enkel modell kan være vel så hensiktsmessig hvis den illustrerer det vi er opptatt av i øyeblikket. Uansett hvilken modell vi bruker, må vi huske på at en modell er et hjelpemiddel, ikke selve virkeligheten.

Modell

Hydrogenklorid HCl

Struktur­FormelFormelformel struktur struktur

Formelstruktur

FormelCl struktur

H

Kulepinne-

Kalott­ Kalottmodell modell

Karbondioksid CO2

Cl O O ClO O ClH OO O O ClO HH Cl OOH HC CO O HO H H HH OH HC O HO O C O H H HH HH H H Kulepinne-

FormelFormelFormelH Clstruktur struktur H O Clstruktur FormelFormelH H struktur H Clstruktur

KulepinneKulepinne­ modell modell modell KulepinneKulepinne-

modell

Vann H2O

H

modell

KulepinneKulepinnemodell modell modell KulepinneKulepinnemodell modell

KalottKalottmodell modell Kalottmodell

KalottKalott- Kalottmodell modell modell KalottKalottmodell modell

Cl

Cl Cl Cl H

H H Cl H O Cl

Cl O Cl O H ClOCH

H C H C O C H O

O C CO OC CO O C

O O O

O O O

C C

C C C

I kjemien på skolen benytter vi ofte figurer eller byggesett som gir tre­ dimensjonale kulepinnemodeller. Tabellen ovenfor viser strukturformler, kulepinnemodeller og kalottmodeller av hydrogenklorid (HCl), vann (H2O) og karbondioksid (CO2). Strukturformlene viser symboler for ­atomene og streker for bindingene. 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 d ­ obbeltbindinger.

For å danne seg et bilde av stoffer på mikronivå bruker ­kjemikere forskjellige modeller. En modell er et hjelpemiddel, ikke selve virkeligheten.

1

• Stoffer og periodesystemet

13

Fast stoff, væske eller gass Stoffer kan være faste, væsker eller gasser. Disse tilstandene kaller vi faser.

Når et stoff går fra én fase til en annen, er det en faseovergang, ikke en kjemisk reaksjon. Hvilken fase et stoff er i, bestemmes av trykk og temperatur. Temperaturen i et stoff svarer til den gjennomsnittlige bevegelsesenergien til partiklene – atomene, ionene eller molekylene – i stoffet.

Temperaturøkning fører til at partiklene beveger seg mer og får høyere energi. Om stoffet er fast, væske eller gass er observasjoner på makronivå, mens vi beskriver partiklene i stoffet på mikronivå som i modellen ­nedenfor.

Sublimering

Modell av et fast stoff

Modell av de tre ulike fasene. En kule i figuren er en partikkel. En partikkel kan være et atom, et ion eller et molekyl.

Smelting

Fordamping

Størkning

Kondensering Modell av en væske

Modell av en gass

Deponering

I faste stoffer ligger partiklene tettpakket på en systematisk måte. Et fast stoff trenger ikke å være i en beholder for å holde på fasongen. I væsker er partiklene uordnet, men samtidig er de bundet til hverandre omtrent som i et fast stoff. Partiklene kan bevege seg forbi hverandre. Væsker former seg etter den beholderen de oppbevares i, men trenger ikke lokk for å holde seg samlet. I gasser er ikke partiklene bundet til hverandre, og avstanden mellom partiklene er mye større enn i en væske eller i et fast stoff. Partiklene i gasser beveger seg i rette linjer til de kolliderer med hverandre eller med veggene i beholderen de er i. Gasser trenger en beholder med lokk for å holde seg samlet.

Alle faseovergangene har navn. De står i figuren ovenfor. Noen få stoffer går rett fra fast stoff til gass. Dette kalles sublimering. Hvis et stoff går direkte fra gass til fast stoff, sier vi at det blir deponert. Mange stoffer tåler ikke oppvarming, og hvis de blir varmet opp, skjer det ikke noen fase­ overgang, men en kjemisk reaksjon.

Stoffer kan være faste, væsker eller gasser. I en faseovergang går et stoff fra én fase til en annen fase på grunn av endringer i temperatur eller trykk.

14

Navn og formler for grunnstoffer

IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry

Selv om du kanskje ikke forstår den kinesiske teksten, kan du gjenkjenne de kjemiske formlene.

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 blitt oppdaget eller fremstilt mange nye grunnstoffer. Den som oppdager et grunnstoff, har rett til å foreslå navn på det. Navnet blir endelig fastsatt av en internasjonal organisasjon som heter IUPAC. For hvert grunnstoff er det fastsatt et atomsymbol og et navn. Atomsymbolet 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, særlig for de grunnstoffene som har vært kjent og i bruk lenge. 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 ble først oppdaget i 1994, og det heter derimot røntgenium eller roentgenium på de fleste språk.

1

• Stoffer og periodesystemet

15