Kim Rongsted Kristiansen Gunnar Cederberg
Kemi for gymnasiet
Lindhardt og Ringhof
1
2
1 路 grundstoffer og kemiske forbindelser
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
1
3
Grundstoffer og kemiske forbindelser 1.1 Grundstoffer Alle stoffer er opbygget af atomer, og atomerne er ekstremt små, omkring 10–10 m (= 0,0000000001 m) i diameter. Ordet atom kommer af det græske atomos, der betyder udelelig. Indtil for lidt over 100 år siden troede man nemlig, at atomer ikke kunne deles i mindre partikler. I dag ved vi, at dette ikke er sandt, og forståelsen af, hvordan atomerne er opbygget, har vist sig at være af central betydning for forståelsen af stoffers kemiske egenskaber.
Billedet viser overfladen af stoffet grafit. Billedet er optaget med en særlig mikroskopteknik, der gør det muligt at se omridset af de enkelte atomer. Hver ”bule” på billedet svarer til et carbon-atom.
4
Det var den svenske kemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848), der indførte atomsymbolerne i 1813 og dermed grundlagde det moderne kemiske formelsprog. Han opdagede grundstofferne cerium, selen og thorium og bidrog også på mange andre måder afgørende til udviklingen af den moderne kemi.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Grundstoffer er stoffer, hvis mindste bestanddele er opbygget af ens atomer. Hvert grundstof har et navn og et atomsymbol, der fortæller, hvilken slags atom det er opbygget af. Navnet kan være forskelligt på forskellige sprog, men atomsymbolet er internationalt og er det samme overalt i verden. Atomsymbolet består af et eller to bogstaver. Det første bogstav skrives altid med stort og er det første bogstav i grundstoffets græske eller latinske navn. Hvis der er to bogstaver i symbolet, er det andet bogstav altid skrevet med lille og er et af de efterfølgende bogstaver i grundstoffets latinske navn. Nogle eksempler på grundstofnavne og atomsymboler er vist i tabellen herunder.
Atomsymbol
O
Fe
Ag
Latinsk navn
Oxygen
Ferrum
Argentum
Dansk navn
Ilt – eller oxygen
Jern
Sølv
Engelsk navn
Oxygen
Iron
Silver
Tysk navn
Sauerstoff
Eisen
Silber
Fransk navn
Oxygène
Fer
Argent
Spansk navn
Oxígeno
Hierro
Plata
Opgave 1.1 Grundstoffernes navne er fx dannet ud fra navnet på et land eller en by. I et enkelt tilfælde er det også gået den anden vej. a) Et sydamerikansk land var tidligere så berømt for store sølvrigdomme, at landet blev opkaldt efter metallet. Hvilket land drejer det sig om? b) Find navnene på følgende grundstoffer: Sc, Eu, Am, Yb, Hf og Cu. Hvilke geografiske steder er disse seks grundstoffer opkaldt efter?
Et grundstof kan også have fået sit navn efter en egenskab ved stoffet eller være opkaldt efter en betydningsfuld videnskabsmand (eller -kvinde). c) Find navnene på følgende grundstoffer: Cl, Br, Cr, P, Os og Rb. Hvad betyder disse navne? d) Find navnene på følgende grundstoffer: Cm, No, Es, Md og Bh. Hvilke personer er grundstofferne opkaldt efter? Find nogle oplysninger om disse personers videnskabelige bidrag.
En række af grundstofferne er opkaldt efter himmellegemer. e) Find navnene på følgende grundstoffer: He, Np, Pu, Se, Te og U. Hvilke himmellegemer har givet navn til grundstofferne?
5
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser Opgave 1.2 En række grundstoffer har været kendt siden oldtiden. Man har vidnesbyrd om, at guld og kobber i hvert fald har været kendt i over 7000 år. Fem andre metaller var også kendt i oldtiden, og omkring vor tidsregnings begyndelse blev de syv metaller knyttet til de syv bevægelige himmellegemer, man dengang kendte.
a) Angiv de moderne atomsymboler for hvert af de syv metaller. b) Ingen af disse oldtidsmetaller har atomsymboler, der svarer til de danske navne. Find ud af, hvilke (græske/ latinske) navne symbolerne kommer af – og hvad disse navne betyder.
c) Hvad hedder kviksølv på engelsk? d) Jern er knyttet til planeten Mars og dermed den romerske gud af samme navn. Hvad var Mars gud for? Er der mon en god grund til at forbinde jern med denne gud?
Guld
Sølv
Kviksølv
Kobber
Jern
Tin
Bly
Sol
Måne
Merkur
Venus
Mars
Jupiter
Saturn
Hydrogen Grundstoffet hydrogen har det danske navn brint. Navnet er afledt af ordet “brænde”, og hydrogengas er da også et særdeles brændbart stof. I fremtiden vil hydrogen antagelig spille en væsentlig rolle som afløser for brændstoffer baseret de på knappe råolie- og naturgasressourcer. Man taler ligefrem om “brintsamfundet”. Der forskes i dag målrettet mod at udvikle teknologier til effektiv og miljøvenlig fremstilling og udnyttelse af hydrogen som brændstof. En bil, der udnytter hydrogen som brændstof, er ikke længere en vision for fremtiden. Der er dog endnu mange teknologiske udfordringer i effektiv produktion, opbevaring og anvendelse af dihydrogen som brændstof.
6
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
I de første luftskibe benyttede man den meget lette gas hydrogen. Uheldigvis er gassen jo også meget brændbar. I 1937 brød det tyske luftskib Hindenburg i brand kort før landingen og udbrændte på 37 sekunder. 35 passagerer omkom ved ulykken.
Den mindste bestanddel af hydrogengassen er et enkelt hydrogenmolekyle. Et sådant molekyle er opbygget af to hydrogenatomer, der er bundet sammen. Derfor bør vi mere præcist bruge navnet dihydrogen om stoffet. ”di” er det græske talord for to og fortæller altså, at der er to hydrogenatomer i hvert molekyle. Vi kan bruge atomsymbolet for hydrogen til at skrive en kemisk formel for dihydrogenmolekylet på følgende måde: H2 Vi bruger også den kemiske formel om en større portion af stoffet, som sagtens kan bestå af mange billiarder hydrogenmolekyler. Pas altså på! Skrivemåden H2 bruges i to betydninger: 1) for at angive det enkelte dihydrogenmolekyle. 2) som formel for stoffet dihydrogen (dvs. den brændbare gas). Ud fra sammenhængen må det fremgå, om det er den ene eller anden betydning, der er relevant i en given situation – men det er meget vigtigt, at man gør det klart for sig selv, hvilken betydning der bruges: Er der tale om det enkelte molekyle – eller om en større portion af stoffet?
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
7
Oxygen – et grundstof, der optræder i to former Lidt over en femtedel af den atmosfæriske luft består af oxygen – i daglig tale ofte kaldet ilt. Stoffet er altafgørende for, at der eksisterer liv på Jorden, som vi kender det i dag. Den mindste bestanddel af stoffet oxygen er det enkelte oxygenmolekyle. Ligesom dihydrogenmolekylet er også oxygenmolekylet opbygget af to atomer. Vi kan derfor skrive formlen for stoffet på følgende måde: O2 Grønne planter danner dioxygen ved fotosyntesen.
Vi præciserer, at der er to atomer i hvert molekyle ved at kalde stoffet dioxygen. Der findes også en anden form af grundstoffet oxygen. I daglig tale kaldes den ozon. Denne form består af molekyler, der hver især er opbygget af tre oxygenatomer. Vi kan skrive den kemiske formel for ozon på følgende måde: O3 Strengt taget bør man kalde stoffet for trioxygen, hvor ”tri” er det græske ord for tallet tre, men navnet ozon er så almindeligt brugt, at vi også vil gøre det her. I de seneste årtier har der været megen opmærksomhed rettet mod det såkaldte ozonlag. Ozonlaget er et område 20-30 km oppe i atmosfæren, hvor der findes en vis mængde af stoffet blandet med atmosfærens øvrige gasser. Ozon er af afgørende betydning for livet på Jorden. Stoffet bremser nemlig en del af den skadelige ultraviolette stråling fra solen. Desværre har det vist sig, at ozon bliver nedbrudt af de såkaldte CFC-gasser, der siden 1930’erne har været brugt som drivmiddel i spraydåser, i køleskabe og i forskellige plastprodukter. Nedbrydningen er en kemisk reaktion, hvor ozon omdannes til dioxygen. Vi kan beskrive omdannelsen ved hjælp af et reaktionsskema: 2 O3
Y
3 O2
Opgave 1.3 Hvorfor står der mon 2 foran O 3 og 3 foran O2 i reaktionsskemaet ovenfor?
8
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
I midten af 1980’erne opdagede man, at der ligefrem var opstået huller i ozonlaget over Antarktis, og man har siden konstateret, at nedbrydningen af ozonlaget sker meget hurtigt. Heldigvis har man i mange lande verden over forbudt brugen af CFC-gasser, men stofferne er meget holdbare, og de CFC-gasser, der allerede findes i atmosfæren, vil antagelig kunne gøre skade i flere hundrede år endnu, så det vil vare mange år, inden ozonlaget er gendannet. I mellemtiden må vi blandt andet være forberedt på et voksende antal tilfælde af hudkræft som følge af den øgede mængde farlig ultraviolet stråling, der når Jorden.
Dobson Units 125
280
435
Farveskalaen viser ozonkoncentrationen i atmosfæren over Antarktisk i slutningen af september 2013. Ozonkoncentrationen måles i en særlig enhed, der kaldes Dobson Unit, DU.
Opgave 1.4 CFC er en forkortelse for carbonfluor-chlor og bruges om kemiske forbindelser opbygget af disse tre grundstoffer (og evt. også hydrogen).
En af CFC-forbindelserne er opbygget af et carbonatom, to chloratomer og to fluoratomer. a) Opskriv en formel for denne kemiske forbindelse.
En anden CFC-gas består af molekyler opbygget af to carbonatomer, et hydrogenatom, et chloratom og fire fluoratomer. b) Opskriv også formlen for denne kemiske forbindelse.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
9
Grundstoffet carbon: diamanter, blyanter, fodbolde og små rør Grundstoffet carbon (kulstof ) har været kendt siden oldtiden. I mange år har man vidst, at carbon eksisterede i to vidt forskellige former, nemlig grafit og diamant. Begge former er opbygget af krystaller, der indeholder ekstremt mange carbonatomer, men carbonatomerne er bundet til hinanden på forskellige måder i de to stoffer. Og det er denne forskel i krystallernes opbygning, der giver anledning til den meget store forskel på de to stoffers egenskaber. Grafit er et gråligt, meget blødt stof. Det bruges fx som stifter i blyanter, hvor man netop udnytter stoffets blødhed til at skrive med: Når blyanten trykkes ned mod papiret, brækker bittesmå flager af grafitten og sætter sig på papiret. Navnet grafit kommer af det græske ord graphein, der betyder ”at skrive”. Diamant er til gengæld et af de hårdeste stoffer, man kender. Denne egenskab udnytter glarmesteren, når han bruger en diamantspids til at skære glas med. En diamant kan slibes til en smuk, klar smykkesten. Når lyset passerer gennem diamanten, brydes det kraftigt og giver et fantastisk farvespil.
10
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Temmelig overraskende var det, at man i 1985 opdagede en ny form af grundstoffet carbon. Denne nye form består af molekyler, der hver indeholder 60 carbonatomer bundet sammen, så molekylet ligner en fodbold. Snart efter fandt man også et stof bestående af C70-molekyler. Figuren herunder viser en model af C60-molekylet. Hver kugle symboliserer et carbonatom. Model af C60-molekylet, den molekylære fodbold. Hver kugle på tegningen symboliserer et carbonatom.
Det viste sig siden hen, at det faktisk er ret let at fremstille C60 i laboratoriet, og man har endda fundet stoffet i naturlige mineraler her på jorden. Så selvom vi kun har kendt C60 i nogle få årtier, har stoffet måske eksisteret på Jorden i milliarder af år. Siden opdagelsen har forskere verden over undersøgt C60 meget grundigt, og i fremtiden vil vi sikkert se praktiske anvendelser af denne form af grundstoffet carbon. Man undersøger blandt andet, om stoffet kan bruges som udgangspunkt for fremstilling af nye lægemidler, og en gruppe amerikanske forskere har foreslået, at modificerede C60-molekyler kan bruges til effektiv lagring af dihydrogen. Inspireret af opdagelsen af C60-molekylet har forskere i dag fremstillet andre, nye former af grundstoffet carbon, blandt andet de såkaldte carbon-nanorør. Her er der tale om rørformede molekyler opbygget af carbonatomer. Rørene er ganske små, ikke mere end ca. 10 nanometer (1 nm = 10–9 m = 0,000000001 m) i diameter. Billedet s. # er et foto af carbon-nanorør taget med elektronmikroskop.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
En model af et carbon-nanorør. Røret er ca. 10 nm = 0,00000001 m i diameter og kan være op til nogle tusindedele af en millimeter i længden. Hver kugle symboliserer et carbonatom.
11
Fibre fremstillet af carbon-nanorør er de stærkeste, man overhovedet kender. En fiber med en diameter på et par mm kan bære vægten af en stor lastvogn (ca. 10 ton). Desuden har nanorørene nogle interessante elektriske egenskaber, så måske bliver de i fremtiden grundlaget for verdens mindste elektroniske komponenter.
1.2 Vand – en kemisk forbindelse Stoffer, der er opbygget af forskellige slags atomer, kaldes for kemiske forbindelser. Vand er et eksempel på en kemisk forbindelse. Den mindste bestanddel af stoffet vand er et enkelt vandmolekyle. Et vandmolekyle er opbygget af to hydrogenatomer og et oxygenatom. Ved hjælp af atomsymbolerne kan vi skrive den kemiske formel for vandmolekylet på følgende måde: H 2O Det er muligt at danne den kemiske forbindelse vand ved at lade grundstofferne dihydrogen og dioxygen reagere med hinanden. Det er denne reaktion, der finder sted, når dihydrogen brænder. Vi kan beskrive reaktionen med et reaktionsskema: 2 H2 + O2
Y
2 H2O
12
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Det er også muligt at gennemføre den modsatte reaktion: I et elektrolyseapparat kan man ved hjælp af elektrisk strøm omdanne den kemiske forbindelse vand til grundstofferne dihydrogen og dioxygen: 2 H2O
Y
2 H2 + O2
Både dihydrogen og dioxygen er gasser. I elektrolyseapparatet på fotografiet til højre bliver de to gasser opsamlet i de omvendte reagensglas.
Mikroniveau og makroniveau I kemi beskriver vi stoffer og reaktioner på to niveauer: I elektrolyseapparatet spaltes den kemiske forbindelse vand til grundstofferne dihydrogen og dioxygen. Hvilket glas indeholder mon hvilken gas?
1) et mikroniveau, hvor vi betragter de enkelte atomer og molekyler og fx interesserer os for, hvordan atomerne er bundet sammen i molekyler. 2) et makroniveau, hvor vi betragter stoffernes egenskaber og de kemiske reaktioner, de er i stand til at indgå i. I laboratoriet eksperimenterer vi med stofferne og gør os dermed erfaringer om deres egenskaber på makroniveauet. Fx konstaterer vi, at væsken vand kan omdannes til gasserne dihydrogen og dioxygen i et elektrolyseapparat – og i et eksperiment kan vi se, at der dannes dobbelt så meget dihydrogen som dioxygen. Når vi skal beskrive stof på mikroniveauet, benytter vi modeller. Vi kan ikke direkte se de enkelte molekyler, men vi kan lave modeller, hvor vi fx tegner atomerne som kugler og giver forskellige slags atomer forskellige farver. Tegningen herunder viser en model på mikroniveau af reaktionen, hvor vand spaltes i dihydrogen og dioxygen; de hvide kugler symboliserer hydrogenatomerne, og de røde kugler symboliserer oxygenatomerne:
Modellen viser, at to vandmolekyler bliver omdannet til to dihydrogenmolekyler og et dioxygenmolekyle.
+ 2 H 2O
2 H2
O2
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
13
De kemiske formler bruger vi til at beskrive både mikro- og makroniveauet. Vi bruger formlen H2O på mikroniveauet til at beskrive et enkelt vandmolekyle, men vi bruger også formlen på makroniveauet til at beskrive stoffet vand, hvor selv en ganske lille vanddråbe indeholder over en million billiarder vandmolekyler. Vanddråben indeholder mere end 1.000.000.000.000.000.000.000 vandmolekyler.
1.3 Hydrogenperoxid – en anden kemisk forbindelse Stoffet hydrogenperoxid har formlen H2O2. I daglig tale kaldes stoffet ofte for brintoverilte. Vi kan beskrive hydrogenperoxid på mikroniveauet: Den kemiske formel viser, at et hydrogenperoxidmolekyle er opbygget af to hydrogenatomer og to oxygenatomer.
14
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
På makroniveauet kan vi beskrive stoffet hydrogenperoxids egenskaber: I ren form er der tale om et meget ustabilt stof, der ved kontakt med blot et enkelt støvkorn kan eksplodere voldsomt. Derfor bruger man normalt altid en opløsning af stoffet i vand til praktiske formål. I den vandige opløsning er hydrogenperoxid stadigt ustabilt men reagerer dog mere fredsommeligt. Hydrogenperoxid omdannes ved en kemisk reaktion til vand og dioxygen. Vi kan beskrive omdannelsen ved et reaktionsskema: 2 H2O2 Y 2 H2O + O2 På mikroniveauet kan vi beskrive omdannelsen ved at tegne modeller. På apoteket kan man købe en flaske ”3 % brintoverilte”. Det er en blanding, der består af 3 % hydrogenperoxid og 97 % vand. Vi siger, at der er tale om en opløsning af hydrogenperoxid i vand. Man bruger opløsningen til desinfektion af rifter og småsår, idet man udnytter, at det dioxygen, der dannes ved spaltningen af hydrogenperoxid, dræber bakterier i såret.
+
2 H 2O 2
2 H 2O
O2
Selvom hydrogenperoxid er et ustabilt stof, kan den tynde brintoverilteopløsning holde sig i lang tid. Men når hydrogenperoxid kommer i kontakt med blod, sættes der gang i spaltningen af stoffet. Blodet indeholder nemlig et stof, der påvirker omdannelsen af hydrogenperoxid, så reaktionen sker hurtigere. Stoffet hedder catalase og er et eksempel på et enzym. Enzymer er stoffer, der får kemiske reaktioner til at forløbe i levende organismer. I levende organismer finder man mange eksempler på komplicerede kemiske forbindelser, hvis molekyler kan være opbygget af rigtig mange atomer. Enzymet catalase er et godt eksempel. Et enkelt catalasemolekyle består af omkring 18000 atomer.
15
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser Figuren viser en model af catalasemolekylets opbygning. Hver kugle svarer til ét atom.
1.4 Formler og navne I de kemiske formler for simple forbindelser af to grundstoffer skrives atomsymbolerne i en bestemt rækkefølge. For nogle af grundstofferne er denne rækkefølge:
B
Si
C
As
P
N
H
Se
S
O
I
Br
Cl
F
Ifølge denne række skriver vi formlen for vand, så H står før O, dvs. H2O – ikke OH2. Sammenlign rækkefølgen med grundstoffernes placering i periodeystemet, som findes bagerst i bogen. Ud fra formlerne kan vi danne navne for de kemiske forbindelser. I kemien søger man at give stofferne entydige navne, det vil sige, at hvert stof har sit navn. Samtidig er det praktisk, hvis navnet fortæller præcist, hvordan stoffet er opbygget. For kemiske forbindelser, hvis molekyler er opbygget af to grundstoffer, dannes navnet på følgende måde: Man nævner de to grundstoffer, som stoffet er opbygget af, i samme rækkefølge, som de står i formlen. For at vise at der er tale om en forbindelse af de to stoffer, føjes endelsen -id til navnet.
16
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser Eksempel Stoffet HCl har navnet hydrogenchlorid, dvs. ”hydrogen + chlor + id”.
Undertiden forkortes det sidste grundstofnavn, når endelsen -id sættes på. Fx bliver oxygen + id til oxid. Eksempel Stoffet CO2 har det systematiske navn carbondioxid, dvs ”carbon + di + ox(ygen) + id”, hvor ”di” er det græske talord for to, som bruges til at angive, at et carbondioxidmolekyle indeholder to oxygenatomer, præcis som formlen viser.
De ”kemiske talord” er baseret på de græske og latinske talord. Talordene fra 1 til 10 er angivet i tabellen herunder. Disse bør man lære udenad – hvilket ikke er spor svært; adskillige af dem går igen i kendte danske og engelske ord, tænk fx på monolog, triangel, pentagon, octopus, oktav. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
mono
di
tri
tetra
penta
hexa
hepta
octa
nona
deca
Betegnelsen ”mono” bruges kun i de tilfælde, hvor man ønsker at fremhæve ettallet. Fx kan man kalde forbindelsen CO for carbonoxid, men man kan også vælge at kalde den for carbonmonoxid for at fremhæve, at det er CO, og ikke CO2 – carbondioxid, man taler om. Opgave 1.5 Opskriv formlerne for følgende kemiske forbindelser: a) Nitrogendioxid b) Dinitrogenoxid
c) d) e) f)
Dinitrogentetraoxid Hydrogenfluorid Iodtrichlorid Svovltetrachlorid
g) Carbondisulfid h) Carbonmonosulfid i) Tetrasvovltetranitrid j) Tetraphosphordecaoxid
c) d) e) f)
SO3 PBr 3 O 6Cl2 BrF3
g) CSe2 h) SF6 i) O 9I4 j) P4S7
Opgave 1.6 Opskriv navne for forbindelserne, der har følgende formler: a) HI b) NO
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
17
Nogle få grundstoffer har både særlige danske navne og internationale navne. Forbindelsen SO2 hedder svovldioxid, mens forbindelsen H2S hedder dihydrogensulfid. Man bruger altså det danske navn ”svovl”, når S skal nævnes først i navnet, men det internationale navn ”sulfur”, når S skal nævnes sidst i navnet og derfor have endelsen –id: sulf(ur) + id = sulfid.
1.5 Organiske og uorganiske stoffer Almindeligt sukker har formlen C12H22O11. Der er altså tale om en kemisk forbindelse opbygget af grundstofferne carbon, hydrogen og oxygen. Den mindste bestanddel af stoffet sukker er et sukkermolekyle. Af formlen kan vi se, at et sukkermolekyle er opbygget af 12 carbonatomer, 22 hydrogenatomer og 11 oxygenatomer. Sukker er et naturligt forekommende organisk stof. Sødemidlet Hermesetas indeholder det kunstigt fremstillede organiske stof saccharin.
Sukker er et eksempel på et organisk stof. I kemi skelner man traditionelt mellem organiske og uorganiske stoffer. De organiske stoffer er de kemiske forbindelser, der indeholder carbon. De kemiske forbindelser, der ikke indeholder carbon, kaldes så uorganiske stoffer. Normalt opfatter man nogle få carbonforbindelser som uorganiske stoffer; det drejer sig blandt andet om gassen carbondioxid, CO2, og kulsyre, H2CO3.
18
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Carbon, C, findes altså i alle organiske stoffer. Næsten alle organiske forbindelser indeholder også hydrogen, H. Desuden kan der fx indgå oxygen, O, nitrogen, N, svovl, S, chlor, Cl, brom, Br, og iod, I, og i sjældnere tilfælde også andre grundstoffer. Opgave 1.7 Saccharin er et kunstigt sødemiddel. Det smager ca. 500 gange så sødt som almindeligt sukker,
men har en lidt bitter eftersmag. Et saccharinmolekyle er opbygget af syv carbonatomer, fem hydro-
genatomer, et nitrogenatom, et svovlatom og tre oxygenatomer. Skriv formlen for saccharin.
At grundstoffet carbon blandt de 118 kendte grundstoffer har fået sin ”egen” kemi, er der flere årsager til. Således er der en historisk årsag, idet man tidligere troede, at organiske forbindelser kun kunne dannes i levende organismer. En mere praktisk årsag er, at man i dag (2014) kender mere end 80 millioner forskellige organiske forbindelser! Og der kommer hele tiden nye til. Til sammenligning kender man kun et par millioner uorganiske forbindelser. Et lille udvalg af hverdagens organiske stoffer
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
19
I vor dagligdag er vi omgivet af organiske stoffer i massevis. De organiske stoffer finder vi fx i lægemidler, sæbe og kosmetik, plastic, maling, pesticider eller farvestoffer. Nogle af disse, fx sukker, stammer fra naturen, men langt de fleste er kunstigt fremstillet i den kemiske industri. Det gælder fx saccharin. Opgave 1.8 Stoffet capsaicin findes i chilipeber og er med til at give den stærke smag. Capsaicin har formlen C18 H27NO3 . Hvor mange atomer er der i alt i et capsaicinmolekyle?
Opgave 1.9 Quinin er et bittert stof, der blandt andet findes i tonicvand, og som i mange år har været anvendt som et middel mod tropesygdommen malaria. Quininmolekylet er opbygget af 20 carbonatomer, 24 hydrogenatomer, 2 nitrogenatomer og 2 oxygenatomer. Skriv formlen for quinin.
20
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
1.6 Stofferne i dig Tabellen herunder viser, hvilke grundstoffer der er udgangspunktet for opbygningen af de kemiske forbindelser i os selv. Langt hovedparten udgøres af carbon, hydrogen, oxygen og nitrogen. Disse grundstoffer er byggestenene for de organiske stoffer, fx sukkerstoffer, fedtstoffer og proteiner, der indgår i alle kroppens celler. I øvrigt er en meget stor del af kroppen vand. Grundstof
H
C
O
N
Ca
P
Mg, Na, Cl, S, K
Andre
% af massen
10 %
23 %
61 %
2,6 %
1,4 %
1,1 %
0,8 %
0,1 %
Calcium findes i ret stor mængde i kroppen. Her indgår det i de kemiske forbindelser, der opbygger knogler og tænder. Et voksent menneske på 70 kg indeholder omkring 1 kg calcium. Ud over de grundstoffer, der er nævnt eksplicit i tabellen, indeholder kroppen kemiske forbindelser, hvori en lang række andre grundstoffer indgår, bl.a. Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Mo, B, F, Se og I. Nogle af disse stoffer findes i uhyre små mængder i organismen, fx indeholder et voksent menneske kun omkring 0,0015 g Co. Alligevel er cobalt livsvigtigt. Det indgår i den kemiske forbindelse, der i daglig tale kaldes vitamin B12, og mangel på dette stof kan give alvorlige blodsygdomme.
Jern i kroppen Et voksent menneske indeholder omkring 5 g jern. Jern indgår i mange forskellige forbindelser i kroppen. Et eksempel er enzymet catalase, der blev omtalt i afsnit 1.3. Hvert catalasemolekyle indeholder fire jernatomer. Et andet eksempel er stoffet hemoglobin, som er det røde farvestof i blodet og findes i de røde blodlegemer. Det er hemoglobin, der i lungerne binder dioxygen, O2, fra luften, når vi trækker vejret, og sørger for, at dioxygen bliver transporteret ud til cellerne, hvor det skal bruges. Hvert hemoglobinmolekyle indeholder fire jernatomer, og dioxygenmolekylerne bindes direkte til disse jernatomer. Normalt får vi en tilstrækkelig mængde jern gennem kosten til at kunne vedligeholde mængden af hemoglobin i blodet. Men mister man blod, kan det være nødvendigt at supplere kosten med et dagligt jerntilskud.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
21
Nikkel – et problematisk metal I modsætning til jern og cobalt har det næste grundstof i periodesystemet, nikkel, ingen kendt betydning for os. Ganske vist har vi uhyre små mængder nikkel i blodet, og man ved da også, at nikkel spiller en vigtig rolle i andre levende organismer. Dog kender man endnu kun ganske få biologisk aktive molekyler, der indeholder nikkel. Et eksempel er enzymet CO-dehydrogenase, der medvirker til at omdanne carbonmonoxid til carbondioxid i nogle mikroorganismer: CO + H2O Y CO2 + H2 Man anslår, at mikroorganismer årligt fjerner 100 millioner tons carbonmonoxid fra omgivelserne ved denne proces. Model af det aktive sted i COdehydrogenase. Det aktive sted er opbygget af jernatomer, svovlatomer og et enkelt nikkelatom, men udgør kun en meget lille del af det store enzymmolekyle, som indeholder mange tusinde atomer i alt. Ved reaktionen bindes CO-molekylet direkte til nikkelatomet.
Allergisk reaktion hos en 20-årig mand, som følge af nikkelafgivelse fra en urrem.
At nikkel ikke har nogen funktion i kroppen, betyder dog ikke, at stoffet ikke påvirker os. Nikkel er et metal, der anvendes i mange genstande, vi benytter os af i hverdagen. Her indgår nikkel i blandinger med andre metaller, såkaldte legeringer. Desværre bliver mange mennesker – især kvinder – allergiske over for nikkel. Det anslås, at 17 % af danske kvinder og 3 % danske mænd er følsomme over for nikkel. Allergien opstår, når huden gennem nogen tid har været i kontakt med nikkelholdige genstande, fx bukseknapper, ure eller smykker. Især er risikoen stor, når huden perforeres, fx ved isætning af øreringe. Jo mere nikkel der afgives fra metalgenstandene til huden, desto større er risikoen for at udvikle allergi. EU har fastsat grænseværdier for, hvor meget nikkel forskellige genstande må afgive. I 2009 kom bestemmelserne også til at omfatte mobiltelefoner. Alligevel viste en undersøgelse i 2011, at 9 ud af 50 undersøgte mobiltelefoner på det danske marked afgav mere nikkel, end det er tilladt i EU.
22
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
1.7 Kemiske reaktioner I de foregående afsnit har vi set flere eksempler på kemiske reaktioner. En kemisk reaktion er en proces, hvor et eller flere stoffer omdannes til et eller flere andre stoffer. Det kan fx være to grundstoffer, der reagerer med hinanden og danner en kemisk forbindelse: C + O2 Y CO2 eller det kan være kemiske forbindelser, der omdannes til andre kemiske forbindelser og/eller grundstoffer: CO + H2O Y CO2 + H2 I de to eksempler herover bruger vi de kemiske formler for stofferne til at beskrive reaktionen ved reaktionsskemaer. I et reaktionsskema symboliserer man omdannelsen af stofferne med en pil, kaldet reaktionspilen. Til venstre for pilen skriver man formlerne for udgangsstofferne, som vi kalder reaktanterne. Til højre for pilen skriver man formlerne for de stoffer, der dannes ved reaktionen; disse kalder vi for produkterne. Ved en kemisk reaktion vil det altid gælde, at antallet af hver slags atom er det samme før og efter reaktionen. Der kan ikke dannes nye atomer ved den kemiske reaktion, og atomerne for-
Opgave 1.10 Hvilke af følgende reaktionsskemaer er afstemt korrekt?
a) N2 + O2 Y 2 NO2 b) CHCl3 + 2 HF Y CHF2Cl + HCl c) CH4 + Br 2 Y CH3Br + HBr
Opgave 1.11 Afstem følgende reaktionsskemaer: a) H2 + Cl2
Y
HCl
d) C 2H2ClF3 + Br 2 Y C 2HBrClF3 + HBr e) CuS + O2 Y CuO + SO2
b) N2 + H2 Y NH3
f) FeS + O2 Y Fe2O3 + SO2
c) C + O2 Y CO
g) C 3H6 + O2 Y CO2 + H2O
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
23
svinder heller aldrig ud i det blå. I reaktionsskemaet viser vi, at atomerne er bevarede ved at sætte koefficienter foran formlerne, således at der om hver slags atom gælder, at der er lige mange af dem på venstre og højre side af reaktionspilen. Det kaldes at afstemme reaktionsskemaet. 2 H2 + O2 Y 2 H2O Reaktionsskemaet er afstemt. Ved at tælle efter konstaterer man, at der i alt optræder 4 H-atomer og 2 O-atomer på hver side. Når man afstemmer et reaktionsskema, foregår det altid ved, at man sætter koefficienter foran de kemiske formler. Man må aldrig forsøge at afstemme et reaktionsskema ved at ændre på de kemiske formler. Det kunne være fristende at afstemme reaktionsskemaet ovenfor ved at ændre formlen H2O til formlen H2O2, men så ændrer man formlen for vand til formlen for hydrogenperoxid, som jo er et helt andet stof, og så vil reaktionsskemaet beskrive en helt anden kemisk reaktion.
Opgave 1.12 Stoffet molybdensulfid findes i naturen i form af mineralet molybdenit. Man fremstiller grundstoffet molybden ud fra mineralet ved en proces, der involverer to kemiske reaktioner. I første trin ophedes molybdensulfid, hvorved det reagerer med dioxygen fra luften. Herved forløber følgende kemiske reaktion: MoS2 + O2 Y MoO3 + SO2 Derpå lader man MoO 3 reagere med dihydrogen, hvorved grundstoffet dannes. Reaktionen forløber på følgende måde: MoO3 + H2 Y Mo + H2O Afstem de to reaktionsskemaer.
Molybden bruges sammen med jern til at fremstille meget hårdt stål. Molybdenstål anvendes fx i gode, dyre køkkenknive.
24
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Forbrænding – en kemisk reaktion Naturgas består mest af det organiske stof methan, CH4. Når gassen afbrændes i fyret, sker der en kemisk reaktion mellem methan og dioxygen. Vi kalder denne kemiske reaktion for en forbrænding. Hvis der er tilstrækkeligt dioxygen til stede ved forbrændingen, vil al carbon fra det organiske stof blive omdannet til carbondioxid, CO2. Hydrogen fra brændstoffet bliver samtidig omdannet til vand. Vi kan opskrive et reaktionsskema for forbrændingen: CH4 + 2 O2 Y CO2 + 2 H2O Flaskegas, som de fleste steder forsyner kemilaboratoriets bunsenbrændere med gas, indeholder stoffet butan, C4H10. Når butan forbrændes, dannes der ligeledes carbondioxid og vand: 2 C4H10 + 13 O2 Y 8 CO2 + 10 H2O En forbrænding, hvor alt carbon omdannes til carbondioxid, kaldes en fuldstændig forbrænding. Hvis der ikke er tilstrækkeligt dioxygen til stede, vil forbrændingen forløbe ufuldstændigt. Herved omdannes en del af det organiske stofs carbon til carbonmonoxid, CO, eller evt. blot til frit carbon, der da ses som sod. En lysende, sodende flamme er derfor tegn på en ufuldstændig forbrænding. Forskellen på en fuldstændig og en ufuldstændig forbrænding kan nemt demonstreres med en tændt bunsenbrænder med henholdsvis åbent og lukket luftspjæld, som vist på fotografierne til venstre. Da carbonmonoxid er en meget giftig gas, som hverken kan ses eller lugtes, er der god grund til at være på vagt over for ufuldstændige forbrændinger.
Drivhuseffekten og global opvarmning Siden industrialiseringen, der begyndte i England i anden halvdel af 1700-tallet, er der blevet afbrændt meget store mængder såkaldte fossile brændsler – fx olie og naturgas. Som følge heraf er indholdet af carbondioxid i atmosfæren blevet forøget i løbet af en relativt kort årrække, som det fremgår af grafen på næste side.
25
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
De fleste klimaeksperter mener, at forøgelsen af atmosfærens carbondioxid er årsag til den såkaldte drivhuseffekt med global opvarmning til følge. Den nederste graf viser jordens middeltemperatur i perioden 1860-2000 målt i forhold til gennemsnittet for trediveårsperioden 1961-1990. Man har konstateret en stigning på ca. 0,5 °C fra 1860 til i dag. At jordens gennemsnitstemperatur stiger, kan føre til meget drastiske klimaforandringer, blandt andet at isen i polarområderne smelter, som vi lige nu ser det ske med indlandsisen i Grønland. Det vil få vandstanden i havene til at stige med oversvømmelse af store landområder til følge.
CO2-indholdet i atmosfæren i perioden fra 1800 til i dag (øverst) og jordens gennemsnitstemperatur i samme periode (nederst). Grafen uddybes i teksten.
0,040 0,038 0,036 0,034 0,032 0,030 år
0,028 1850 0,6
1900
1950
2000
Afvigelse fra gennemsnitstemperatur / °C
0,4 0,2 0,0 –0,2 –0,4 år
–0,6 1850
1900
1950
2000
26
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
1.8 Hvor kommer grundstofferne fra? I dag (2014) kender man 118 grundstoffer. Af disse forekommer 98 antagelig i naturen, mens resten er menneskeskabte. Der fremstilles stadig nye grundstoffer i atomfysikernes laboratorier; det vender vi tilbage til sidst i afsnittet. Af de naturlige grundstoffer blev de første dannet, da universet endnu var ganske ungt. De fleste astronomer regner i dag med, at universet blev skabt for omkring 14 milliarder år siden ved det såkaldte Big Bang, som var en gigantisk eksplosion med en enorm energiudvikling, der blæste partikler ud i alle retninger. Lige efter Big Bang var universet meget varmt, og i de første titusindedele af et sekund opstod de elementarpartikler, som atomerne siden hen blev dannet af. Alle atomer er opbygget af tre slags elementarpartikler: protoner, neutroner og elektroner. Disse partiklers egenskaber er sammenfattet i tabellen herunder. Elementarpartikel
Ladning
Masse
Kernepartikel
Proton
+1 e
ca. 1 u
Ja
Neutron
0
ca. 1 u
Ja
Elektron
–1 e
ca.
1 u 2000
Nej
Protonens ladning er angivet som +1 e i tabellen. e er symbol for elementarladningen, som er den mindste mængde elektrisk ladning, der eksisterer frit. Elektronens ladning er –1 e; altså også en elementarladning, men hvor protonens ladning er positiv, er elektronens ladning i stedet negativ. Neutronen har ingen elektrisk ladning. Figuren på næste side viser en simpel model af et heliumatom. Atomet består af en kerne, der indeholder to protoner og to neutroner, samt to elektroner der bevæger sig om kernen. På tegningen er kernens størrelse i forhold til hele atomets størrelse stærkt overdrevet. Faktisk er kernens udstrækning kun omkring en titusindedel af hele atomets udstrækning. Til gengæld er næsten hele atomets masse koncentreret i kernen, da protonerne og neutronerne begge vejer langt mere end elektroner-
27
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
ne. I tabellen ovenfor er elementarpartiklernes masse angivet i den såkaldte atommasseenhed, forkortet u (af engelsk: ”atomic mass unit”). Det er en meget lille enhed: 1 u = 1,66 · 10–24 g.
Atomkerne. Indeholder protoner og neutroner
+ +
Elektroner
At der er tale om et heliumatom skyldes, at kernen indeholder to protoner. Det er nemlig antallet af protoner i et atoms kerne, der afgør, hvilken slags atom der er tale om. Alle heliumatomer indeholder præcis to protoner i deres kerner. Tilsvarende indeholder alle jernatomer 26 protoner i kernen, alle guldatomer indeholder 79 protoner i kernen osv. Antallet af protoner i et atoms kerne kaldes for atomnummeret. Antallet af neutroner kan derimod variere i atomer af det samme grundstof. Således findes der fx nogle heliumatomer med én neutron i kernen, andre heliumatomer med to neutroner og atter andre med fire neutroner i kernen. Atomer med samme antal protoner, men med forskelligt antal neutroner i kernen, kaldes isotoper. Vi kan angive de tre isotoper af helium ved at anføre antallet af protoner og neutroner foran atomsymbolet: Heliumatomer, der indeholder en neutron i kernen:
3 2 He
Heliumatomer, der indeholder to neutroner i kernen:
4 2 He
Heliumatomer, der indeholder fire neutroner i kernen:
6 2 He
Opgave 1.13 Et typisk atom har en diameter på ca. 10–10 m, mens atomkernen har en diameter på ca. 10–14 m. Forestil dig, at atomet forstørres, så kernen
bliver 1 cm i diameter, dvs. på størrelse med en ært. Hvor stort bliver hele atomet ved denne forstørrelse?
28
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Det nederste tal angiver atomnummeret og dermed antallet af protoner i kernen. Det øverste tal angiver det samlede antal af protoner og neutroner i kernen. Dette tal kaldes også for nukleontallet, idet ordet nukleoner betyder kernepartikler og benyttes som en fælles betegnelse for protoner og neutroner. Nukleontallet, A: Antallet af protoner og neutroner Atomnummeret, Z: Antallet af protoner
6 2 He
Da protonerne og neutronerne har omtrent samme masse, og elektronernes masse er forsvindende lille i forhold til nukleonernes, angiver nukleontallet tilnærmelsesvis også hele atomets masse. Nogle atomkerner er ustabile. Det betyder, at de før eller siden – af sig selv – omdannes til andre atomkerner. Ved omdannelsen udsendes radioaktiv stråling fra atomkernen. Opgave 1.14 Der findes tre isotoper af grundstoffet hydrogen. Formlerne er anført til højre. Som noget helt specielt for netop dette grundstof har isotoperne særlige navne.
1 1 H (protium) 2 1H
(deuterium)
3 1 H (tritium)
Tegn simple modeller af et atom af hver af de tre isotoper.
Opgave 1.15 Hvor mange protoner og neutroner findes i atomkernen af: a) calciumatomer med nukleontallet 42?
b) fluoratomer med nukleontallet 20? c) uranatomer med nukleontallet 238?
Opgave 1.16 Angiv antallet af protoner, elektroner og neutroner i følgende partikler:
a)
63 26Cu
d)
137
b)
118 50Sn
e)
138
c)
120 50Sn
Ba
Ba
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
29
Opgave 1.17 Tre af grundstoffet radiums isotoper indeholder henholdsvis 135, 138 og 140 neutroner.
Angiv atomsymbolerne for de tre isotoper.
Øvrige grundstoffer
Helium
Hydrogen
Diagrammet viser fordelingen af antallet af atomer i universet i dag. 99,9 % udgøres af hydrogen og helium, mens de øvrige grundstoffer kun udgør 0,1 %.
Solens fusionsprocesser foregår ved en temperatur på flere millioner grader.
Lad os vende tilbage til universets skabelse. I de første ti minutter af universets levetid sluttede protonerne og neutronerne sig sammen til atomkerner. I første omgang blev der stort set kun dannet hydrogen- og heliumkerner. Senere hen blev der dannet hydrogen- og heliumatomer ved, at atomkernerne sluttede sig sammen med elektroner. Det skete dog først, da universet var omkring 300.000 år gammelt. Der blev dannet ca. 12 gange så mange hydrogenatomer som heliumatomer. Selvom der siden er dannet omkring 90 andre grundstoffer, består universet stort set stadig kun af hydrogen og helium, således som diagrammet til venstre viser. Hvor kommer så alle de øvrige grundstoffer fra? Svaret er ganske enkelt: De kommer fra stjernerne! Stjerner opstår ved at kæmpemæssige gasskyer i rummet trækker sig sammen. Gasskyerne består især af hydrogen og helium. I gasskyernes indre dele bliver temperaturen så høj, at atomkernerne begynder at smelte sammen. Processen kaldes en fusion. I første omgang omdannes hydrogenatomkerner til heliumatomkerner. Det er denne proces, der finder sted i solen i øjeblikket, hvor temperaturen i det indre er omkring 15 millioner grader, og det er en (ganske) lille del af energien fra processen, der holder os varme. Senere i solens liv vil stiger temperaturen til omkring 100 millioner grader, hvorefter nye fusionsprocesser sætter i gang: Heliumkernerne begynder at smelte sammen og danne atomkerner af tungere grundstoffer: beryllium, carbon, oxygen osv. De første trin i disse processer er vist herunder. Bemærk, at der ikke er tale om kemiske reaktioner, men om atomkerneprocesser, hvor grundstoffer omdannes til andre grundstoffer: 4 2He
+ 42He
Y 8 Be
4 2He
+ 84Be
Y 12 C
4
6
30
I bunden af glasset findes den lille mængde berkelium, der var udgangspunkt for fremstillingen af grundstof nr. 117.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
I tunge stjerner kan disse fusionsprocesser fortsætte, indtil der er dannet atomkerner af jern. Grundstoffer, der er tungere end jern, dannes ikke direkte i stjernerne. De kan kun dannes ved processer, hvor der frigøres enorme mængder energi, fx ved såkaldte supernovaeksplosioner, hvor stjerner eksploderer med ufattelig stor kraft. Forskerne er endnu ikke fuldstændig sikre på, hvordan de tunge grundstoffer i universet er blevet dannet. Som nævnt findes der antagelig 98 grundstoffer i naturen. Af disse er nogle så ekstremt sjældne, at de først blev fremstillet kunstigt, inden man fandt spor af dem i naturen. Grundstofferne med atomnumre større end 98 findes derimod ikke naturligt (så vidt vi ved!); de er kun blevet fremstillet kunstigt i kernefysikernes laboratorier. Her bruger man enorme apparater, hvor man kan skyde atomkerner mod hinanden med meget høje hastigheder. Nogle gange fører sådanne sammenstød til, at to kerner smelter sammen og bliver til en ny kerne. Igen er der tale om fusion. Det nyeste grundstof, nr. 117, der endnu ikke har fået et rigtigt navn, blev fremstillet i 2009 i et samarbejde mellem russiske og amerikanske forskerhold. Ganske få atomer af grundstoffet blev dannet ved skyde calciumatomkerner mod berkeliumatomkerner: 249 48 Y 297 Uus 97 Bk + 20Ca 117
Ørnetågen befinder sig 7000 lysår fra os. I tågen dannes nye stjerner, som vil omdanne hydrogen til tungere grundstoffer ved fusion. De sorte felter i billedet skyldes Hubbleteleskopets indretning.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
31
Når forskere har fremstillet et nyt grundstof, får det i første omgang et atomsymbol, der består af et bogstav for hvert ciffer i atomnummeret. Grundstof nr. 117 hedder efter dette system Uus. Det står for un-un-septium, idet navnet er dannet af de latinske talord for 1-1-7. Senere bliver en international komité af kemikere og fysikere enige om et rigtigt navn. Senest har grundstof nr. 114 fået navnet flerovium og atomsymbolet Fl, og grundstof nr. 116 har fået navnet livermorium og atomsymbolet Lv (det skete i 2012).
Opgave 1.18 Hvilken atomkerne kan dannes ved fusion af en heliumkerne, 42He, og en oxygenkerne, 168O?
Opgave 1.19 Flerovium og livermorium blev fremstillet i et samarbejde mellem forskningsgrupper i Dubna i Rusland og på Lawrence Livermore-laboratoriet i Californien, USA. Flerovium blev fremstillet ved at skyde calcium-
Krabbetågen er resterne af en stjerne, der eksploderede som en supernova. Selve eksplosionen blev observeret af kinesiske astronomer i 1054, og lysudsendelsen var så kraftig, at den kunne ses i dagslys i en måned. Ved eksplosionen blev der frigjort energi nok til at danne de tungere grundstoffer. Krabbetågen befinder sig antagelig omkring 6000 lysår fra os.
kerner ind i plutoniumkerner – og livermorium ved at skyde calciumkerner ind i curiumkerner. Forklar, hvordan disse processer kan føre til dannelse af henholdsvis flerovium og livermorium.
32
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
1.9 Grundstoffernes periodesystem I midten af 1800-tallet kendte man lidt over 60 grundstoffer. På det tidspunkt var en række kemikere begyndt at spekulere over, om der mon var ”system i rodet”, altså om det ville være muligt at ordne grundstofferne på en eller anden systematisk måde. Et par årtier forinden havde den tyske kemiker Johann Wolfgang Döbereiner opdaget, at der blandt grundstofferne fandtes flere grupper à tre stoffer, hvis kemiske egenskaber mindede meget om hinanden. Eksempler på sådanne grupper er: chlor – brom – iod calcium – strontium – barium Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849).
Döbereiner observerede, at atommassen af det midterste medlem af sådan en gruppe med god tilnærmelse var lig med gennemsnittet af atommasserne af de to andre grundstoffer. For mange kemikere blev det efterhånden klart, at der i rækken af kendte grundstoffer periodisk – det vil sige med regelmæssige mellemrum – forekom stoffer, hvis kemiske egenskaber lignede hinanden meget. Opgave 1.20 I den moderne udgave af periodesystemet, der er trykt bagerst i bogen, er atommassen angivet nederst i feltet for hvert grundstof. Find atommasserne for ovennævnte seks grundstoffer, og undersøg, om Döbereiner havde ret.
Findes der andre grupper à tre grundstoffer, hvor atommassen af det ene grundstof omtrent er gennemsnittet af de to andre grundstoffers atommasser?
Det var netop erkendelsen af en periodisk regelmæssighed i grundstoffernes egenskaber, der førte til, at flere kemikere i 1860’erne arbejdede på at opstille grundstofferne i systemer, der viste denne periodiske regelmæssighed. Hvad begrebet periodisk regelmæssighed betyder, kan vi vise med et eksempel fra en af disse kemikere: Tyskeren Julius Lothar Meyer afbildede grundstoffernes atomrumfang som funktion af deres masse. Dermed fik han denne kurve:
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Kurven viser grundstoffernes atomrumfang, dvs. rumfanget af hvert enkelt atom afbildet som funktion af deres masse. Det er tydeligt at se den regelmæssige variation i kurvens forløb.
Fotografiet viser den voldsomme reaktion, der finder sted, når et lille stykke kalium kastes ned i en skål med vand.
33
Vi kan se den periodiske regelmæssighed i kurvens udseende; fx er der med mellemrum en række toppe. Fra venstre mod højre svarer toppene til grundstofferne lithium, natrium, kalium, rubidium og caesium. Disse grundstoffer, der tilsammen kaldes alkalimetallerne, ligner hinanden utroligt meget. De er alle bløde metaller (de kan fx let skæres over med en almindelig kniv), de reagerer meget voldsomt med vand, de er lette, og de har meget lave smeltepunkter sammenlignet med de fleste andre metaller.
34
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
To af periodesystemets fædre. Til venstre tyskeren Julius Lothar Meyer (1830-1895) og til højre russeren Dmitri Ivanovich Mendelejev (1834-1907). Begge videnskabsmænd opstillede på samme tid – og uafhængigt af hinanden – grundstofferne i et periodesystem. Mendelejev var dog den første, der offentliggjorde sit system. Det skete i 1869, mens Meyers fulgte året efter.
Det tilsmeltede glasrør indeholder alkalimetallet cæsium. Metallet smelter ved 28 °C. Stoffet reagerer meget voldsomt med mange stoffer, fx bryder cæsium spontant i brand ved kontakt med luften. Derfor opbevares grundstoffet i en lukket beholder i en beskyttende atmosfære af ædelgassen argon.
Det er dog den russiske kemiker Dmitri Ivanovich Mendelejev, der regnes for periodesystemets fader. Mendelejev arrangerede alle de kendte grundstoffer, således at stoffer, der kemisk set ligner hinanden, blev anbragt sammen. Visse steder i hans system var der huller, men Mendelejev hævdede, at disse tomme pladser blot skyldtes, at der var grundstoffer, man endnu ikke havde opdaget. Han stolede så meget på sit system, at han endda forudsagde en række egenskaber ved disse ukendte grundstoffer. Forudsigelserne var selvfølgelig baseret på ideen om periodisk regelmæssighed. Blandt andet var der et hul i periodesystemet mellem aluminium og indium. Mendelejev påstod så, at dette hul måtte skyldes et endnu ukendt grundstof, hvis egenskaber lå midt mellem aluminiums og indiums egenskaber. I 1874, kun fem år efter at Mendelejev havde offentliggjort sit periodesystem, opdagede man grundstoffet gallium. Det blev hurtigt klart, at gallium udfyldte hullet som det manglende grundstof mellem aluminium og indium. I skemaet herunder er Mendelejevs forudsigelser om det ukendte grundstof vist ved siden af de faktiske egenskaber for gallium. Man må sige, at Mendelejev ramte forbavsende præcist! Få år efter blev yderligere to huller i Mendelejevs periodesystem fyldt ud, da man opdagede grundstofferne scandium og germanium. Igen passede hans forudsigelser forbavsende godt,
35
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
og efterhånden blev periodesystemet accepteret af kemikerne. Man manglende dog endnu at forstå, hvorfor grundstofferne udviser den periodiske regelmæssighed. Forklaringen kom først i 1922 – fra København! Det vender vi tilbage til i næste afsnit. Mendelejevs forudsigelser om X – det ukendte grundstof mellem Al og In
Egenskaber for grundstoffet gallium, Ga
Atommasse
ca. 68
69,7
Massefylde
5,9 g/mL
5,93 g/mL
Smeltepunkt
lavt!
30,1 °C
Formel for den kemiske forbindelse med oxygen
X2O3
Ga2O3
Mendelejevs originale opstilling af grundstoffernes periodesystem, som han offentliggjorde i 1869. Der er enkelte afvigelser i forhold til en moderne udgave af systemet, men allerede få år senere offentliggjorde Mendelejev en revideret udgave, hvori mange af fejlene var rettet.
Opgave 1.21 Ovenfor er vist indledningen til den artikel, hvori Mendelejev første gang offentliggjorde sit periodeystem. Læs indledningen til artiklen, og besvar følgende spørgsmål: a) Hvad betyder artiklens overskrift?
b) Efter hvilket princip har Mendelejev opstillet grundstofferne? c) Find alkalimetallerne i Mendelejevs system. Hvordan er de organiseret? d) Find Döbereiners grupper à tre i Mendelejevs system. Hvordan er de organiseret?
36
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Igennem tiderne er grundstoffernes periodesystem blevet opstillet på mange forskellige måder. Nu om dage benytter man næsten altid en form som den, der er vist nederst på denne side. De vandrette rækker i periodesystemet kaldes perioder. De nummereres 1-7 (i hvert fald til og med grundstof nr. 118. Skulle det siden hen lykkes at fremstille nr. 119 – og det gør det sikkert – vil det blive det første grundstof i 8. periode). De lodrette rækker kaldes grupper. De nummereres 1-18. Grupperne 1-2 og 13-18 kaldes for hovedgrupperne, og grupperne 3-12 udgør undergrupperne. Endelig er der de lange undergrupper, der kaldes lanthanoiderne og actinoiderne. De skal egentlig stå i forlængelse af hhv. grundstof nr. 57, lanthan, og nr. 89, actinium. Af praktiske grunde ”klipper” man dem normalt ud og anbringer dem nedenfor. Grundstoffer, der står i den samme gruppe, har almindeligvis mange fælles egenskaber. Fx udgør grundstofferne i gruppe 1 de føromtalte alkalimetaller: lithium, natrium, kalium osv.
1
Hovedgruppe
1. HG 1
2
Periode
3
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2. HG
13 3. HG
14 4. HG
15
16
17
18
5. HG
6. HG
7. HG
8. HG
1
2
H
He
3
4
5
6
7
8
9
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
11
12
13
14
15
16
17
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Undergrupper (Sidegrupper) 4
5
6
7
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
55
56
57
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
87
88
89
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
Fr
Ra
Ac
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
Ds
Rg
Cn
Uut
Fl
Uup
Lv
Uus
Uuo
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
Lanthanoider
Actinoider
N
Gas (ved 20 °C, 1 bar)
Metal
Br
Væske (ved 20 °C, 1 bar)
Halvmetal
Fe
Fast stof (ved 20 °C, 1 bar)
Ikke-metal
37
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Gruppe 17 – Halogenerne Grundstofferne i gruppe 17 (= hovedgruppe 7) kaldes for halogenerne. De fire første halogener er fluor, F, chlor, Cl, brom, Br og iod, I. Det sidste halogen (ud over det kunstigt fremstillede grundstof 117) er astat, som er et meget sjældent grundstof, der ikke omtales yderligere her. Ordet halogen har sin oprindelse i græsk og betyder “saltdanner”. Den bedst kendte kemiske forbindelse, som indeholder halogen, er natriumchlorid, i daglig tale blot omtalt som salt. Grundstofferne forekommer alle som to-atomige molekyler, fx Cl2. Tilstandsformerne af de rene halogener ændres ned gennem hovedgruppen. Således er difluor, F2, og dichlor, Cl2, begge gasser ved stuetemperatur (og atmosfæretryk), mens dibrom, Br2, er en væske, og diiod, I2, er et fast stof.
Halogenerne. Fra venstre mod højre, øverste række: difluor og dichlor. Nederste række: dibrom og diiod.
Halogen
Difluor, F2
Dichlor, Cl2
Dibrom, Br2
Diiod, I2
Smeltepunkt / °C
–220
–101
–7
114
Kogepunkt / °C
–188
–34
59
184
38
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Alle halogenerne er overordentlig reaktionsvillige, men deres reaktivitet aftager ned gennem hovedgruppen. Det mest reaktive halogen, fluor, er så reaktivt, at det reagerer med næsten alt! Det betyder i praksis, at det er vanskeligt at opbevare i en beholder, fx reagerer fluor med glas. Det er derfor ikke mærkeligt, at alle halogenerne i naturen udelukkende forekommer i kemiske forbindelser. I dagligdagen kan vi eksempelvis møde kemiske forbindelser af fluor som ingrediens i tandpasta eller som teflon i ”slip-let” køkkenredskaber. Natriumchlorid anvendes i husholdingen, og som ”isfjerner” på vejene om vinteren, mens dichlor opløst i vand benyttes som desinfektionsmiddel, bl.a. i svømmehaller og på toiletter. Bromforbindelser anvendes blandt andet til fremstilling af brandhæmmende materialer, fx til beskyttelse af elektriske apparater, og iodforbindelser findes blandt andet som tilsætningsstof i bordsalt (mere herom i næste kapitel).
Gruppe 18 – Ædelgasse Grundstofferne i gruppe 18 (= hovedgruppe 8) er alle gasser. De adskiller sig fra de øvrige grundstoffer i periodesystemet, ved at de er meget uvillige til at indgå i kemiske forbindelser. Derfor kaldes de ædelgasser. Man kender i dag ingen eksempler på kemiske forbindelser, hvori helium eller neon indgår. Det er lykkedes at få argon, krypton, xenon og radon til at danne nogle få kemiske forbindelser. I forskellige sammenhænge udnytter vi ædelgassernes kemiske inaktivitet. Således er gammeldags lyspærer fyldt med argon. Når pæren er tændt, bliver glødetråden varmet op til omkring 3000 grader. Havde der været almindelig luft i pæren, ville den varme tråd straks reagere med luftens dioxygen og brænde op. Men selv ved den høje temperatur vil glødetråden ikke kunne reagere kemisk med argon, og derfor kan pæren brænde i timevis. I lysstærke pærer bruger man ofte xenon i stedet for argon. I Mendelejevs periodesystem på side # indgår ædelgasserne ikke. Man havde nemlig slet ikke opdaget dem i 1869. Argon var den første ædelgas man fandt. Det er ikke så underligt, da det er den af ædelgasserne, der findes mest af på jorden: 1 % af den atmosfæriske lufts rumfang er argon.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Julius Thomsen (1826-1909) i det kemiske auditorium på Københavns Universitet, hvor han var professor i kemi. På væggen hænger hans egen opstilling af periodesystemet, som siden hen fik tilføjet ædelgassernes atomsymboler.
39
Da man først havde opdaget argon, fik kemikerne den tanke, at der kunne eksistere flere ikke-reaktionsvillige gasser, måske endda en hel gruppe. Det var selvfølgelig ideen om den periodiske regelmæssighed i grundstoffernes egenskaber, der lagde kimen til denne tanke. I de sidste fem år af 1800-tallet opdagede man resten af ædelsgasserne, og tre af dem – Ne, Kr og Xe – blev endda fundet med få ugers mellemrum. Kort efter opdagelsen af argon forudsagde den danske kemiker Julius Thomsen i en videnskabelig artikel forekomsten af de øvrige ædelgasser, og med udgangspunkt i deres placering i periodesystemet forudsagde han, at grundstofferne i ædelgasgruppen måtte have atommasser på hhv. 4, 20, 36, 84, 132, 212 og 292. Ved sammenligning med de nu kendte atommasser for stofferne i gruppe 18, kan man konstatere, at Thomsens forudsigelser passede meget præcist.
Metaller / ikke-metaller / halvmetaller Størstedelen af grundstofferne er metaller. De metalliske grundstoffer har en række fysiske og kemiske egenskaber fælles, blandt andet er de almindeligvis gode varmeledere og gode ledere af elektrisk strøm. De kan poleres, så de bliver skinnende blanke, og ved stuetemperatur er de alle – på nær kviksølv – faste stoffer. De ikke-metalliske grundstoffer er generelt dårlige ledere af varme og elektrisk strøm. Mange af ikke-metallerne er gasser ved stuetemperatur, mens andre, fx carbon og svovl, er faste stoffer.
40
Ultrarent silicium anvendes til fremstilling af elektroniske komponenter.
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
I periodesystemet markerer trappelinjen grænsen mellem metaller og ikke-metaller. De grundstoffer, der ligger lige omkring trappelinjen, udviser ofte egenskaber, der ligger mellem metallernes og ikke-metallernes egenskaber, og de kaldes derfor halvmetaller. Silicium er et karakteristisk eksempel på et halvmetal. Stoffet har en blank overflade, en egenskab, der også er typisk for metaller, men siliciums elektriske ledningsevne er væsentlig mindre end metallernes. Silicium er et eksempel på en halvleder. Halvledere er grundlaget for fremstillingen af de elektroniske mikrochips, der i dag findes i mange af de apparater, vi bruger i hverdagen, computere, mobiltelefoner, kameraer osv. Udgangspunktet for fremstillingen af mange af de elektroniske komponenter er skiver af ultrarent silicium, som dem der er vist på fotoet til venstre.
1.10 Atomets opbygning og periodesystemet Selvom ordet atom kommer af det græske ord for udelelig, har man i mere end hundrede år vidst, at atomet faktisk består af mindre bestanddele, nemlig de tre slags elementarpartikler, der blev omtalt i afsnit 1.8. Elektronen blev opdaget i 1897 af den engelske fysiker J.J. Thomson. Han forestillede sig, at elektronerne i et atom var fordelt som negativt ladede partikler i en positivt ladet substans, nærmest som rosiner er fordelt i en bolle. Thomsons model er ofte blevet kaldt for rosinbollemodellen. Elektronens opdager, Joseph John Thomson (1856-1940) i sit laboratorium. Thomsons atommodel, “rosinbollemodellen”.
+ +
-
+ -
-
+
41
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser Atomkernens opdager, Ernest Rutherford (1871-1937).
-
Rutherfords atommodel, “planetmodellen”. -
-
-
Få år senere opdagede newzealænderen Ernest Rutherford atomkernen, dvs. han opdagede, at atomets positive ladning er samlet i en kerne, som kun udgør en meget lille del af atomets udstrækning, selvom næsten hele atomets masse er koncentreret i denne kerne. På baggrund af sin opdagelse opstillede Rutherford en model for atomets opbygning, hvor den positive ladning var samlet i atomets kerne, mens de negativt ladede elektroner kredsede omkring kernen, omtrent som planeter kredser om solen. Der var imidlertid et ret stort problem med Rutherfords model. Et atom opbygget på denne måde kunne umuligt være stabilt. Elektronerne ville nemlig blive tiltrukket af den positivt ladede atomkerne og derfor bevæge sig ind mod den, indtil de til sidst ville blive opslugt af kernen, hvilket i øvrigt ville ske på under en milliardtedel af et sekund! Løsningen på dette problem kom fra den unge danske fysiker Niels Bohr i 1913. Med sin doktorafhandling i tasken var den kun 26-årige Bohr i 1911 rejst til Cambridge for at arbejde hos Thomson. Det var imidlertid ikke noget vellykket ophold, og forholdet mellem Bohr og Thomson var ikke særlig godt. Heldigvis fik Bohr mulighed for at rejse videre til Manchester og arbejde hos Rutherford. Opholdet hos Rutherford førte til, at Bohr i 1913 fremlagde et forslag til en model af et stabilt atom. Den centrale ide i modellen er, at elektronerne kun kan befinde sig i ganske bestemte baner omkring kernen, hvor de har bestemte energier. Bohr kaldte disse baner for stationære tilstande.
42
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
I en simpel udgave af Bohrs atommodel forestiller man sig, at elektronerne befinder sig i “skaller”. De elektroner, der har lavest energi, befinder sig i den skal, der er tættest på atomkernen. I denne skal kan der højst være to elektroner. Skal nr. 2 er lidt længere væk fra kernen. Her er der plads til otte elektroner. Et upåvirket atom vil have så lav energi som muligt. Det opnås ved, at skallerne fyldes op indefra, når elektronerne fordeles. Med Bohrs “skalmodel” kan vi illustrere opbygningen af argonatomet på følgende måde: Atomkernen – indeholder 18 protoner og et antal neutroner
Niels Bohr (1885-1962).
De 18 elektroner er fordelt i skaller på følgende måde: Skal nr. 1 – indeholder 2 elektroner Skal nr. 2 – indeholder 8 elektroner Skal nr. 3 – indeholder 8 elektroner
I argonatomet er skal nr. 1 og 2 fyldt op. Skal nr. 3 er faktisk også fyldt op. Det er fordi, den er yderste skal i argonatomet. Det viser sig, at når en skal er den yderste skal i et atom, er der højst plads til 8 elektroner i den. Tabellen herunder viser, hvor mange elektroner der maksimalt kan være i hver af skallerne. Selvom der kan være mange elektroner i de ydre skaller, kender man endnu ingen eksempler på grundstoffer, hvis atomer indeholder mere end 32 elektroner i en skal.
Skal nr.
1
2
3
4
5
6
7
n
Antal elektroner
2
8
18
32
54
72
98
2 · n2
Lad os nu se, hvordan elektronerne fordeler sig i skallerne for de første 20 grundstoffer. I hydrogenatomet er der kun én elektron; den befinder sig i skal nr. 1. Helium-atomet indeholder to elektroner, der begge befinder sig i skal nr. 1. Lithiumatomet har tre elek-
43
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
troner, hvoraf de to findes i skal nr. 1. Dermed er skallen fyldt op, og den tredje elektron befinder sig derfor i skal nr. 2. Berylliumatomet med i alt fire elektroner har to elektroner i skal nr. 1 (som dermed er fyldt op) og to elektroner i skal nr. 2. Vi springer videre til neonatomet: Her er der i alt ti elektroner. De fordeler sig med to i skal nr. 1 og de øvrige otte i skal nr. 2. Med neonatomet er skal nr. 2 derfor også fyldt op. For natriumatomet ser vi, at dets 11 elektroner fordeler sig med to elektroner i skal nr. 1, otte elektroner i skal nr. 2 og den sidste elektron i skal nr. 3. Således kan vi fortsætte systematisk med de følgende grundstoffer, som vist nederst på siden. Vi bemærker, at opstillingen svarer til den måde grundstofferne er opstillet i periodesystemet. Vi ser også, at alle de grundstoffer, der står i 1. hovedgruppe, netop har én elektron i yderste skal, grundstofferne i 2. hovedgruppe har to elektroner, grundstofferne i 3. hovedgruppe (= gruppe 13) har tre elektroner osv. Dette gælder helt generelt for grundstofferne i hovedgrupperne:
Hovedgruppenummeret = antallet af elektroner i yderste skal
+1
+2
1H
2He
+3
+4
+5
+6
+7
+8
+9
+10
3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
+11
+12
+13
+14
+15
+16
+17
+18
11 Na
12 Mg
13AI
14Si
15P
16 S
17 CI
18 Ar
+19
+20
19 K
20Ca
44
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Som vi skal se i de følgende kapitler, har antallet af elektroner i yderste skal en væsentlig betydning for grundstoffernes kemiske egenskaber. For grundstofferne i undergrupperne er forholdene mere komplicerede. Deres elektronstrukturer bliver derfor ikke behandlet i denne bog. Af figuren ses også, at de to grundstoffer i 1. periode kun har elektroner i skal nr. 1, grundstofferne i 2. periode har elektroner i skal nr. 1 og 2, grundstofferne i 3. periode har elektroner i skal nr. 1, 2 og 3. Dette gælder generelt:
Periodenummeret = nummeret på den yderste skal, der indeholder elektroner
1
Hovedgruppe
2
1. HG 1
2
1
Periode
17
18
7. HG
8. HG 2 Helium 4,0026
3
Li 11
Na 19
K
37
Rb
55
Cs Caesium 132,91
7
16 6. HG
Hydrogen 1,0079
Rubidium 85,468
6
15 5. HG
He
Kalium 39,098
5
4. HG
1
2 1
87
Fr Francium [223]
4
Be
2 2
Beryllium 9,0122 2 8 1
12
Mg
2 8 8 1
2 8 18 8 1 2 8 18 18 8 1 2 8 18 32 18 8 1
20
Ca Calcium 40,078 38
Sr Strontium 87,62 56
Ba Barium 137,33 88
Ra Radium [226]
5
B
2 3
Bor 10,812 2 8 2
Magnesium 24,305
Natrium 22,990
4
14
3. HG
H
Lithium 6,941
3
13
2. HG
13
Al
2 8 18 8 2 2 8 18 18 8 2 2 8 18 32 18 8 2
31
Ga Gallium 69,723 49
In Indium 114,82 81
Tl Thallium 204,38 113
Uut Ununtrium [284]
2 4
Carbon 12,011 2 8 3
Aluminium 26,982 2 8 8 2
6
C 14
Si
2 8 18 18 3 2 8 18 32 18 3 2 8 18 32 32 18 3
32
Ge Germanium 72,64 50
Sn Tin 118,71 82
Pb Bly 207,2 114
Fl Fleroricum [289]
N
2 5
Nitrogen 14,007 2 8 4
15
P
2 8 18 4
2 8 18 18 4 2 8 18 32 18 4 2 8 18 32 32 18 4
33
As Arsen 74,922
8
O
2 8 5
16
S
2 8 18 5
2 8 18 18 Antimon 5 121,76
34
Se Selen 78,96 52
Sb
Te
Bi Bismuth 208,98
2 8 18 32 18 5
2 8 18 32 Ununpentium 32 18 [288] 5
115
Uup
Tellur 127,60 84
Po Polonium [209]
9
F
2 7
Fluor 18,998 2 8 6
Svovl 32,066
51
83
2 6
Oxygen 15,999
Phosphor 30,974
Silicium 28,086 2 8 18 3
7
17
Cl
2 8 18 18 6 2 8 18 32 18 6
2 8 18 32 Livermorium 32 18 [289] 6
35
Br Brom 79,904 53
I Iod 126,90 85
At Astat [210]
116
117
Lv
Uus Ununseptium [294]
2 8
Neon 20,180 2 8 7
Chlor 35,453 2 8 18 6
10
Ne
2
18
Ar
2 8 8
Argon 39,948 2 8 18 7
2 8 18 18 7 2 8 18 32 18 7 2 8 18 32 32 18 7
36
Kr Krypton 83,798 54
Xe Xenon 131,29 86
Rn Radon [222] 118
Uuo Ununoctium [294]
2 8 18 8
2 8 18 18 8 2 8 18 32 18 8 2 8 18 32 32 18 8
1 · grundstoffer og kemiske forbindelser
Hafnium
45
Det var Niels Bohr selv, der, på baggrund af sin atommodel, blev klar over sammenhængen mellem periodesystemets opbygning og fordelingen af elektronerne i skaller. Dermed gav Boht en forklaring på, hvorfor periodesystemet ser ud, som det gør. Da Bohr opstillede periodesystemet ud fra sin model, blev det endnu ukendte grundstof nr. 72 placeret i gruppe med metallet zirkonium, Zr. Grundstoffet burde derfor have kemiske egenskaber fælles med zirkonium, og det var da nærliggende at søge efter det i zirkoniumholdige mineraler. To medarbejdere ved Bohrs institut i København fik fat i sådanne mineraler, og allerede i første forsøg fandt de det ukendte grundstof. Det fik navnet hafnium efter det latinske navn for København, Hafnia. Opgave 1.22 Hvilke grundstoffer har følgende elektronfordelinger? a) 2 elektroner i skal nr. 1 7 elektroner i skal nr. 2
b) 2 elektroner i skal nr. 1 b) 8 elektroner i skal nr. 2 b) 5 elektroner i skal nr. 3 c) 2 elektroner i skal nr. 1 8 elektroner i skal nr. 2 8 elektroner i skal nr. 3 2 elektroner i skal nr. 4
Opgave 1.23 Find alkalimetallerne blandt grundstofatomerne på figuren på side 36.
Hvad har de til fælles med hensyn til elektronfordeling? Hvad gælder der tilsvarende for halogenerne? - og for ædelgasserne?