Issuu

NATIONALENCYKLOPEDINS

KEMI FÖR GYMNASIET ––– NIVÅ 1

Dmitrij Mendelejev (1834–1907) var en rysk kemist som skapade det periodiska systemet. År 1869 organiserade han grundämnena efter atomvikt och egenskaper, förutsade oupptäckta ämnen och lade grunden för modern kemi. Hans arbete visar grundämnenas periodiska mönster.

NATIONALENCYKLOPEDINS

KEMI FÖR GYMNASIET ––– NIVÅ 1

NE Nationalencyklopedin AB Ångbåtsbron 1, 211 20 Malmö redaktionen@ne.se www.ne.se © NE Nationalencyklopedin AB 2025 Författare: Magnus Ehinger, Christer Engström, Mattias Loberg, Olof Ollerstam och Jesper Sörensson Läromedelsutvecklare: Jesper Sörensson Redaktör: Olof Ollerstam Biträdande redaktör: Johan Warell Bildredaktör: Martina Eriksson Grafisk form: Jens Klaive Layout: Arvid Gruvö Wärle och Ellen Rönn

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman, t.ex. kommun, eller Bonus Copyright Access. De flesta skolor och högskolor har avtal med Bonus Copyright Access och har därigenom viss kopieringsrätt. Det är lärarens skyldighet att kontrollera att skolan har ett giltigt kopieringsavtal med Bonus Copyright Access. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter och fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till rättsinnehavaren.

MIX

Papper | Bidrar till ansvarsfullt skogsbruk

FSC® C118234

Tryckt hos GPS Group i Bosnien-Hercegovina, 2025 Första upplagan, första tryckningen ISBN 978-91-89915-33-6

förord Välkommen till Nationalencyklopedins kemi för gymnasiet nivå 1. Läromedlet är omarbetat och uppdaterat i grunden enligt Gy25. För att du på bästa sätt ska kunna ta till dig innehållet presenteras och förklaras centrala begrepp i början av varje avsnitt. I avsnitten beskrivs de kemiska tankegångarna med hjälp av fylliga texter, ett rikt bildmaterial och exempel med fullständiga lösningar. Varje avsnitt avslutas med sammanfattning, instuderingsfrågor och övningar som hjälper dig att förstå och använda dina kunskaper i praktiken. I slutet av boken finns facit till övningarna och tabeller med data. Centrala och vetenskapshistoriskt viktiga koncept och experiment lyfts fram genom laborationer och fördjupningar. I NE:s digitala läromedel kompletteras innehållet i boken med bland annat filmer, interaktiviteter, extramaterial och facit med fullständiga lösningar till varje övning. Med den här boken får du inte bara faktakunskaper utan även en solid grund för att kunna använda kemikunskaperna i vardagliga situationer och utmaningar. Vår förhoppning är att väcka din nyfikenhet, ge en förståelse för kemins olika skepnader och inspirera till att lära dig mer om kemi och ämnets relevans för både vardag och forskning. Redaktionen, NE

innehåll

KAPITEL 1:

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

KAPITEL 4:

Kemins metoder och arbetssätt

Vad är kemi? Kemins grunder Kemi i vetenskap och samhälle Från elementlära till elektronskal Vetenskap och icke-vetenskap Systematiska undersökningar Kemi i praktiken

7 13 20 29 39 47 62

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Formler och beräkningar

244

Molekylmassa och formelmassa Substansmängd och molmassa Stökiometri Stökiometriska beräkningar Lösningars koncentration Utbyte och begränsande reaktanter

245 254 264 276 296 308

KAPITEL 5: KAPITEL 2:

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Materian och det periodiska systemet

Materia och dess egenskaper Atomen Periodiska systemet Ädelgaser Alkalimetaller, väte och halogener Alkaliska jordartsmetaller och kalkogener Bor-, kol- och kvävegrupperna Övergångsmetaller

77 94 104 120 126 136 144 154

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

170

Metallbindning Jonbindning Kovalent bindning Intermolekylära bindningar Löslighet

171 179 194 214 230

320

Syror Baser Oxidationer och reduktioner Oxidationstal Energi och omvandlingar av ämnen

321 336 343 357 367

KAPITEL 6:

Organisk kemi 6.1 Kolväten 6.2 Alkoholer 6.3 Karboxylsyror

KAPITEL 3:

Kemisk bindning

Kemiska reaktioner

378 379 399 408

KAPITEL 7:

7.1 7.2 7.3

Elektrokemi

424

Galvaniska celler Elektrolys Korrosion

425 440 450

INNEHÅLL

KAPITEL 8:

Kemisk analys

460

8.1 Kvalitativ och kvantitativ analys 8.2 Kromatografi 8.3 Titrering

461 471 483

Laborationer

Fördjupningar Statistisk analys Mer om periodiska systemet Mendelejev och det periodiska systemet Upptäckter av grundämnen Lågfärger Olika former av kol Mätning av pH Flogistonteorin Det första syntetiska organiska ämnet Mätning med vätgaselektroden

60 110 116 117 139 148 334 354 396 437

Lågfärger Ämnens reaktivitet inom samma period Intermolekylära bindningar och alkoholmolekylers storlek Sönderdelning av bikarbonat Fyra redoxreaktioner Alkoholers egenskaper Galvaniska celler Tunnskiktskromatografi av värktablett

74 143

Facit Register Bildförteckning Normalpotentialer Grundämnen Periodiska systemet

494 508 513 515 516 520

242 318 376 422 459 492

KAPITEL 1:

Kemins metoder och arbetssätt

Inom kemin används laboratorieutrustning av många olika slag, till exempel kolvar, bägare, provrör och värmeplattor.

AVSNITT 1: VAD ÄR KEMI?

Kemi finns överallt omkring oss – i maten vi äter, i våra kroppar och i naturen. Med kemi kan vi förstå de kemiska reaktioner som påverkar vår vardag, från den rostade mackan på frukostbordet till komplexa livsprocesser och utveckling av nya material.

ORD OCH BEGREPP Fysikalisk omvandling är en omvandling av ett kemiskt ämne utan att det omvandlas till ett annat ämne.

Maillard-reaktionen är en kedja av kemiska reaktioner mellan socker och protein som sker när mat värms upp och som ger färg, doft och smak.

Kemi är vetenskapen om ämnenas uppbyggnad, egenskaper och förändringar. Kemisk reaktion eller reaktion är när ett kemiskt ämne omvandlas till ett annat kemiskt ämne.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Frukost är kemi på många sätt. Till exempel är det Maillard-reaktionen som ger det rostade brödet gyllenbrun färg och väldoft. En ostskiva smälter på det varma brödet genom att kemiska bindningar i osten bryts. I juice och kaffe finns syror. Syror ger syrlig smak men de fräter på tändernas emalj.

Kemin börjar redan med din frukost Tänk dig att du just satt tänderna i en rostad macka med smör och ost. Brödet är krispigt och osten är precis lagom smält. Mums! Men vänta lite. Varför smakar det så mycket godare med en smält ostmacka än om du äter en kall macka med ost? När du rostar bröd sker en kemisk reaktion mer känd som Maillard-reaktionen. Det är en kedja av kemiska reaktioner mellan socker och protein som sker när maten värms upp över 140 °C. Reaktionskedjan i sig är ganska komplicerad men är eftersökt i matlagning eftersom den ger bruna färgämnen och en massa doft- och smakämnen. Det är Maillard-reaktionen som ger brödet den där gyllenbruna färgen och goda doften. Maillard-reaktionen frigör också vatten. Vatten förångas vid temperaturer över 100 °C. När vattnet försvinner får mackan en krispigare yta. Maillard-reaktionen sker när man friterar pommes frites och när du steker pannkakor eller kött.

AVSNITT 1 –––––– Vad är kemi?

Om mackan är tillräckligt varm smälter osten. Osten smälter för att fettmolekylerna i den får mer rörelseenergi. Fettet i osten smälter och det blir flytande och kan rinna ut. Proteinerna mjuknar och glider isär. Osten blir trådig och smidig. Det är både en kemisk reaktion och en fysikalisk omvandling; kemisk för att bindningar mellan ämnen bryts och fysikalisk för att värmen får den fasta osten att övergå till ett flytande tillstånd. Juicen innehåller syror, bland annat citronsyra, som påverkar smaken och pH-värdet i din mun. Syror släpper ifrån sig vätejoner. Vätejonerna får smaksinnesceller för sur smak att skicka signaler till hjärnan så att vi blir medvetna om att juicen smakar surt. Smaksinnescellerna finns i smaklökar i munnen. Olika slags smaksinnesceller reagerar på surt, sött, salt, beskt och umami. Om flera sorters smaksinnesceller stimuleras samtidigt upplever vi smaken som mer komplex. Men syror påverkar även emaljen i dina tänder genom en kemisk reaktion. Resultatet blir mikroskopiska porer i emaljen som med tiden kan leda till överkänslighet (ilningar), gula fläckar eller hål (karies). Dessutom bör du vänta minst 30 minuter med att borsta tänderna efter att du har druckit juice eftersom en försvagad emalj lättare slits. Emaljens naturliga styrka återfås när pH-värdet i munnen hunnit stiga till pH = 7. Du kan också välja att borsta tänderna före frukost om du äter eller dricker sura livsmedel. Och vad händer när du tuggar maten? Jo, då blandas saliv från dina spottkörtlar med maten. Saliv innehåller enzymet amylas som börjar bryta ner stärkelsen i brödet. Enzymer är biologiska katalysatorer. Kemin är alltså i full gång innan du ens har hunnit svälja. Och klockan är bara sju på morgonen.

Kemi finns överallt Kemi handlar om ämnenas uppbyggnad, egenskaper och förändringar och är vetenskapen bakom allt från din mobilskärm till kroppens celler, från kosmetika till stjärnstoft. Du själv är bokstavligt talat kemi. Hela du. Din kropp, ditt DNA och dina känslor (ja, även förälskelse är kemi) – allt handlar om molekyler och reaktioner. Många vardagliga företeelser är kemi även om du kanske inte tänker på det. När vi lagar mat, städar, målar eller tvättar händerna sker kemiska processer. Kemi finns i maten vi äter, i kläderna vi har på oss och i materialen vi använder.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Kemi finns överallt i vardagen. Plast är ett syntetiskt ämne som vi inte hade klarat oss utan, och för att göra såpbubblor blandar man tensider och glycerol i vatten.

p Jäsning är en kemisk process som sker både vid bakning och ölbryggning. När vi bakar med jäst omvandlas sockerarter till koldioxid och alkohol. Koldioxiden får degen att jäsa och brödet att bli luftigt. p Plast finns i allt från matförpackningar till kläder och elektronik. De flesta plastprodukter är tillverkade av långa kedjor av molekyler och framställs ur råolja. Genom olika kemiska reaktioner kan man skapa plaster med specifika egenskaper: hårda, mjuka, genomskinliga eller värmetåliga. p Tvål och tvättmedel innehåller molekyler som har en ”fettälskande” och en ”vattenälskande” ände. Molekylerna kan omge fettpartiklar och lyfta bort smuts från hud och kläder. Vissa rengöringsmedel innehåller dessutom ämnen som bryter ner protein- eller stärkelsefläckar. I naturen sker kemi i bland annat fotosyntesen, vid förbränningen av fossila bränslen och i kolets och kvävets kretslopp. Kemisk kunskap har också gett oss läkemedel, batterier och konstgödsel.

AVSNITT 1 –––––– Vad är kemi?

Varför ska man lära sig kemi? Kemi är grundläggande för att förstå vår omvärld och vardag. Utan kemi hade vi inte haft några mediciner, datorer eller rent vatten. Vi hade inte heller haft förståelse om varför klimatet förändras eller varför vissa ämnen är farliga. Även om kemi är en experimentell kunskap (du kommer att laborera en hel del under dina kemistudier) handlar kemi om mycket mer än att kunna skriva formler eller blanda kemikalier. Det handlar om att förstå hur världen fungerar på en grundläggande nivå. Kemin kan ge dig svar på frågor du inte visste att du hade: p Varför får man tårar av att skära lök? p Hur kan ett graviditetstest visa att du är gravid? p Vad är skillnaden på fett i chips och fett i avokado? p Hur kan ett ämne vara både ett dödligt gift och en livräddande medicin? Kemi är alltså en central del av allt omkring oss: i kroppen, naturen, maten, tekniken och miljön. Allt vi ser och använder består av kemiska ämnen, och de kemiska reaktionerna styr både livets processer och tekniska innovationer.

SAMMANFATTNING Kemi är vetenskapen om ämnenas *uppbyggnad och förändringar. Den

är biologiska katalysatorer *somEnzymer påskyndar kemiska reaktioner,

finns överallt, från matlagning till kroppens funktioner och naturens processer.

som när enzymer i saliv bryter ner stärkelse.

I Maillard-reaktionen bildas smakoch doftämnen.

Kemi förklarar processer som sker i *vardagen och naturen, som varför ost smälter, tvål rengör och deg jäser.

* Syror är ämnen som avger vätejoner. * Kunskaper i kemi ger en grund11

läggande förståelse för hur världen fungerar och är avgörande för att utveckla nya mediciner, skapa ban– brytande teknik och hitta lösningar på miljöproblem.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vad kallas den kemiska reaktion (egentligen flera reaktioner) som sker när man rostar bröd?

1.1.1 I saliv finns enzymet amylas som börjar bryta ner kolhydraten stärkelse i födan. Ta reda på vilka enzymer som bryter ner fetter och proteiner och var dessa enzymer finns i kroppen.

2. Vilka två typer av molekyler reagerar med varandra i Maillard-reaktionen? 3. Vad kallas de bruna färgämnen som produceras i Maillard-reaktionen?

1.1.2 Beskriv vilka kemiska processer som sker under jäsning, vid plastframställning och tvålanvändning.

4. Vilka två typer av omvandlingar sker när ost smälter?

1.1.3 Texten förklarar hur syror ger sur smak. Ta reda på hur smaksinnet fungerar för de övriga grundsmakerna: salt, sött, beskt och umami.

5. Vilken typ av partiklar avges av syror? 6. Vad heter enzymet i saliven som bryter ner stärkelse?

1.1.4 Kemiska ämnen kan vara både dödliga gifter och livräddande mediciner. Ge exempel på två ämnen som har båda dessa egenskaper.

7. Vad handlar kemiämnet om? 8. Vilken kemisk process sker vid bakning när deg sväller? 9. Vilka egenskaper har de molekyler i tvål som gör att de kan lösa fet smuts i vatten? 10. Kan du komma på någon anledning till varför man ska lära sig kemi?

AVSNITT 2: KEMINS GRUNDER

All materia består av atomer. När atomer binds ihop bildas molekyler och när atomer tar upp eller avger elektroner bildas joner. Dessa grundläggande principer styr de kemiska reaktioner som ständigt sker runt omkring oss.

ORD OCH BEGREPP Atom är den minsta delen av ett grundämne med ämnets kemiska egenskaper och består av en atomkärna och omgivande elektroner. Jon är en elektriskt laddad partikel som bildas när en atom eller grupp av atomer avger eller tar upp en eller flera elektroner.

Kemisk reaktion eller reaktion är när ett kemiskt ämne omvandlas till ett annat kemiskt ämne. Molekyl är två eller flera atomer som är bundna till varandra. Reaktionsformel är en beskrivning av det som händer i en kemisk reaktion.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Atomer elektron neutron

proton

En atom har lika många protoner som elektroner och är därför totalt sett oladdad. Bilden visar en atom av grundämnet helium. Varje grundämne har ett visst antal protoner i atomkärnan. Det är bara helium som har två protoner.

All materia består av atomer. Atomer bygger alltså upp allting omkring oss. Varje atom består av en positivt laddad atomkärna. Runt kärnan rör sig negativt laddade elektroner. I atomkärnan finns två sorters partiklar: positivt laddade protoner och oladdade neutroner. Det som bestämmer vilken typ av atom det är (till exempel en syreatom eller en väteatom) är antalet protoner i atomkärnan. Vi kan tänka på atomer som de byggklossar som bygger upp universum. I universum finns totalt 92 sorters byggklossar som bygger upp materia, där varje sort representerar ett visst grundämne. I det periodiska systemet hittar du information om alla grundämnen. Varje grundämne har ett namn, till exempel helium, och en symbol som är gemensam för alla språk och som består av en eller två bokstäver. Den första bokstaven skrivs alltid med versal (stor bokstav) och den andra bokstaven med gemen (liten bokstav). Till exempel har helium symbolen He.

Atomer bygger upp all materia i universum. I tillräckligt stor mängd utövar de en dragningskraft som får atomer att samlas och galaxer att bildas.

AVSNITT 2 –––––– Kemins grunder

En syremolekyl, O2, till vänster och två vattenmolekyler, H2O, till höger.

Molekyler När två eller flera atomer binder sig till varandra bildar de en molekyl. En molekyl är alltså flera atomer som hålls samman av kemiska bindningar. En molekyl kan bestå av atomer av samma grundämne, till exempel en syrgasmolekyl, O2, som består av två syreatomer. Den nedsänkta tvåan, O2, talar om att det finns två syreatomer i molekylen. En molekyl kan också bestå av atomer från olika grundämnen. Ett exempel är vattenmolekylen, H2O, som består av två väteatomer, H, och en syreatom, O. Många vanliga molekyler har egna namn, till exempel vatten och glukos. Vatten är ett exempel på hur egenskaperna hos en molekyl kan skilja sig från egenskaperna hos de grundämnen som bygger upp molekylen. Både väte och syre är gaser. Väte är brandfarligt och syre behövs vid förbränning. Men när väteatomer och syreatomer binds samman kan det bildade vattnet användas för att släcka bränder. Vatten är alltså ett ämne med helt andra egenskaper än såväl väte som syre.

Joner En jon är en laddad partikel som bildats genom att en atom eller grupp av atomer avgett eller tagit upp en eller flera elektroner. Därför har joner positiv eller negativ laddning. Atomer som avger elektroner får överskott av positiva laddningar och blir positiva joner, medan atomer som tar upp elektroner blir negativa joner. Till exempel bildar natrium, Na, en positiv jon, Na+, genom att lämna ifrån sig en elektron. Klor, Cl,

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

bildar en negativ jon, Cl–, genom att ta upp en elektron. Det upphöjda tecknet (Na+ och Cl–) talar alltså om vilken laddning som jonen har. När positiva och negativa joner förenas bildas en jonförening (ett salt). Jonföreningar hålls samman av jonbindningar som är starka elektrostatiska krafter mellan motsatt laddade partiklar. En vanlig jonförening är natriumklorid, NaCl, vanligt bordssalt. I NaCl hålls Na+ och Cl– ihop med jonbindning och bildar en kristall. I jonföreningars formler, till exempel NaCl, skriver vi inte ut jonernas laddningar. Natriumjonen, Na+, och kloridjonen, Cl–, är enkla joner, även kallade atomjoner. Sammansatta joner består av minst två atomer. Exempel på sammansatta joner är karbonatjonen, CO32–.

Reaktionsformler När atomer eller molekyler reagerar och bildar andra ämnen säger man att det sker en kemisk reaktion. För att beskriva vad som händer under en kemisk reaktion används reaktionsformler. Man kan se en reaktionsformel som ett ”recept” för vad som händer i reaktionen.

2H2 + O2 ⟶ 2H2 O

Den totala massan hos de ämnen som reagerar är lika stor som den totala massan hos de ämnen som bildas i en kemisk reaktion. Inga atomer bildas eller försvinner i kemiska reaktioner.

AVSNITT 2 –––––– Kemins grunder

Två vätemolekyler (vita) kan reagera med en syremolekyl (röd). Då bildas två vattenmolekyler (till höger om pilen). Lägg märke till att det finns lika många väteatomer till vänster och höger om pilen. Detsamma gäller för syreatomerna.

En reaktionsformel visar vilka ämnen som reagerar med varandra (reaktanter) och vilka ämnen som bildas (produkter). Mellan reaktanterna och produkterna ritas en pil som visar reaktionens riktning. Låt oss ta exemplet där syre och väte bildar vatten: 2H 2 + O2 ⟶ 2H 2O

Vi tittar på varje del av reaktionsformeln för sig: p 2H2: Tvåan framför H2 betyder att vi har två vätemolekyler. En vätemolekyl, H2, består av två väteatomer som sitter ihop. Siffror framför molekylen visar hur många molekyler vi har. p O2: Detta betyder att vi har en syremolekyl. En syremolekyl, O2, består av två syreatomer som sitter ihop. När det inte finns någon siffra framför molekylen betyder det ”1”. För att skriva så kortfattat som möjligt skriver vi inte ut ettor i reaktionsformler. p ⟶ : Pilen betyder ”bildar” eller ”reagerar till”. Pilen kallas reaktionspil. p 2H2O: Detta betyder att det bildas två vattenmolekyler. En vattenmolekyl, H2O, består av två väteatomer och en syreatom.

Massans bevarande En viktig princip inom kemin är massans bevarande. Det betyder att inga atomer försvinner eller skapas under en kemisk reaktion. Atomerna omfördelas bara. Därför måste det finnas lika många atomer av varje grundämne på båda sidor om reaktionspilen.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Om vi räknar de atomer som finns i reaktionen mellan väte och syre blir det: Vänster sida (reaktanter): 2 · 2 = 4 väteatomer och 1 · 2 = 2 syreatomer. Höger sida (produkter): 2 · 2 = 4 väteatomer och 2 · 1 = 2 syreatomer. Som du ser är antalet atomer av varje slag lika på båda sidor – reaktionsformeln är balanserad.

SAMMANFATTNING

* All materia består av atomer. En atom består av en positivt laddad *kärna med protoner och neutroner, omgiven av negativt laddade elektroner. Antalet protoner i atomkärnan avgör *vilket grundämne det är.

* När två eller flera atomer binds

ihop bildas en molekyl, som kan bestå av atomer av samma eller olika grundämnen. En jon är en laddad partikel som *bildas när en atom avger eller tar upp

En kemisk reaktion visar hur ämnen *reagerar med varandra och bildar andra ämnen, vilket beskrivs med en reaktionsformel.

elektroner.

Enligt principen om massans *bevarande försvinner eller skapas inga

atomer under en kemisk reaktion, vilket innebär att en reaktionsformel måste vara balanserad.

Jonföreningar eller salter bildas när positiva och negativa joner förenas och hålls samman av jonbindningar.

AVSNITT 2 –––––– Kemins grunder

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vilka två sorters partiklar finns i en atoms kärna?

1.2.1 Beskriv atomer, molekyler och joner genom att sammanfatta deras respektive uppbyggnad och egenskaper.

2. Vad bestämmer vilket grundämne en atom är? 3. Vad består av atomer?

1.2.2 Beskriv vad kemisk reaktion och reaktionsformeln är. Ta med principen om massans bevarande.

4. Vad består en molekyl av? 5. Vilka atomer ingår i en vattenmolekyl?

1.2.3 Vad är skillnaden mellan en enkel jon och en sammansatt jon?

6. Vad kallas en laddad partikel som bildats från en atom? 7. Vad bildas när positiva och negativa joner förenas? 8. Vad kallas de ämnen som reagerar med varandra i en kemisk reaktion? 9. Vad representerar pilen i en reaktionsformel? 10. Vad innebär principen om massans bevarande i kemiska reaktioner?

AVSNITT 3: KEMI I VETENSKAP OCH SAMHÄLLE

Kemi kopplar ihop fysikens lagar med biologiska processer. Kemins delområden spänner över allt från kolföreningar i organismer till kemiska analyser vid brottsutredningar. Inom kemi lär man sig hur materien är uppbyggd och hur den omvandlas. Det kan vara något så enkelt som hur vatten kokar eller så avancerat som hur ett läkemedel verkar. ORD OCH BEGREPP Analytisk kemi är den gren av kemin som identifierar beståndsdelarna och deras mängder i kemiska föreningar och blandningar av kemiska föreningar.

Fysikalisk kemi är den gren av kemin som använder fysikaliska lagar och matematiska modeller för att beskriva kemiska processer.

Biokemi är den gren av kemin som studerar de kemiska processerna i organismer.

Nanokemi är den gren av kemin där molekyler och atomer används för att skapa nya material och teknologier på nanometerskala.

Forensisk vetenskap är naturvetenskapliga metoder som används vid brottsutredningar.

Oorganisk kemi är kemin för grundämnena och deras föreningar, utom kolföreningar.

Organisk kemi är kolföreningarnas kemi.

Biokemisk forskning bidrar till utvecklingen av nya vacciner.

Kemins delområden Kemi är en del av naturvetenskapen och är nära kopplad till både fysik och biologi. Fysiken handlar om de grundläggande naturlagarna som krafter, energi och rörelse. Inom fysiken studerar man materiens och universums byggstenar och försöker förstå världen genom experiment och matematiska modeller. Biologin handlar om livet, alltifrån molekyler i celler och genetik till ekosystem och evolution. Kemin ligger mitt emellan fysiken och biologin. Den bygger på fysikens lagar men förklarar hur atomer och molekyler beter sig, reagerar och bildar nya ämnen. Samtidigt är kemin nödvändig för att förstå många biologiska processer, till exempel hur kroppen bryter ner föda, hur DNA-molekylen fungerar och hur nervsignaler skickas.

”Varje aspekt av dagens värld – till och med politik och internationella relationer – påverkas av kemi.” CITAT AV LINUS PAULING, AMERIKANSK KEMIST OCH MOTTAGARE AV NOBELS KEMIPRIS RESPEKTIVE FREDSPRIS

Kemin är alltså en nyckel till många utbildningar och yrken inom naturvetenskap, teknik, miljö, medicin och forskning. Eftersom ämnet kemi är så brett har man delat in det i olika grenar. Nedan tar vi upp några av huvudgrenarna inom kemi.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

OORGANISK KEMI Oorganisk kemi är den grundläggande delen av kemin som handlar om atomen, periodiska systemet, metaller, mineraler, salter, syror och baser. Det handlar till exempel om varför koppar ärgar, hur kalksten bryts ner av syror och hur kristaller bildas.

ORGANISK KEMI Organisk kemi är kolföreningarnas kemi. Allt levande består av kolföreningar, vilket gör att organisk kemi ibland kallas ”livets kemi”. Här studeras biologiska molekyler som kolhydrater, fetter och proteiner. Eftersom kol kan bilda starka bindningar med många ämnen kan det bilda enormt många olika molekyler, alltifrån bensin till läkemedel och plaster.

BIOKEMI Biokemi är en blandning av kemi och biologi. Här studerar man de kemiska processerna i levande organismer, till exempel hur enzymer fungerar, hur cellandning och fotosyntes går till och hur DNA kopieras.

En av kroppens celler (blå) attackerar en cancercell (röd) i njuren. Forskare vid Karolinska Institutet (KI) har utvecklat nanorobotar som kan ta död på cancerceller i möss.

AVSNITT 3 –––––– Kemi i vetenskap och samhälle

FYSIKALISK KEMI Denna gren kopplar kemin till fysiken. Här undersöks energier, reaktionshastigheter, jämvikter och mycket mer. Man använder matematiska modeller för att förstå vad som händer på molekylnivå, till exempel varför vissa reaktioner går snabbt och andra långsamt.

ANALYTISK KEMI Analytisk kemi används för att ta reda på vilket eller vilka ämnen som finns i ett prov, men också hur mycket det finns av ämnet i provet. För att göra detta används metoder som titrering, kromatografi och spektroskopi. Analytisk kemi utnyttjas inom allt från dopningskontroller till vattenanalys och kriminalteknik.

Kemi och teknisk utveckling I dag genomsyrar kemin i stort sett alla aspekter av vårt samhälle, från medicinska behandlingar och materialutveckling till miljöskydd och lagstiftning. Många produkter som vi tar för givna, som läkemedel, mat, kosmetika och rengöringsmedel, är resultat av kemisk forskning och tillverkning. Med hjälp av kemi har vi utvecklat konstgödsel som används för att öka livsmedelsproduktionen, men kemin har också gjort det möjligt att konstruera färger, batterier, keramer och elektronik. Den moderna sjukvården är beroende av läkemedelskemi för att ta fram antibiotika, cellgifter och vaccin. Under covid-19-pandemin (2020–2023) blev det tydligt hur kemisk och biologisk forskning måste samverka för att snabbt ta fram skydd och behandlingar. I framtiden väntas kemins roll bli ännu viktigare eftersom vi står inför globala utmaningar som klimatförändringar, antibiotikaresistens och behovet av hållbara energikällor. Vi ska titta på några exempel.

MEDICINSK FORSKNING Inom medicinsk forskning spelar kemin en avgörande roll. Utvecklingen av läkemedel bygger på förståelsen av molekylära interaktioner i kroppen. Genom läkemedelskemi skapar vi nya substanser som botar, lindrar eller förebygger sjukdomar.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Forensisk analys används vid brottsplatsundersökningar för att identifiera substanser, säkra spår av förövaren och analysera material för bevisföring.

I framtiden förväntas kemin bidra till mer individanpassad medicin, där behandlingar skräddarsys efter patientens genetiska profil. Dessutom utvecklas kemiska tekniker för att leverera läkemedel exakt dit de behövs, exempelvis med hjälp av nanopartiklar.

MATERIALUTVECKLING Materialutveckling är ett annat område där kemin är central. Moderna material som kolfibrer, keramer och polymerer används i allt från byggnader till elektronik och fordon. I framtiden kommer behovet av lättare, starkare och mer miljövänliga material att öka. Kemin gör det möjligt att designa material på atomnivå för att uppnå önskade egenskaper. Ett exempel är självläkande material som kan reparera sig själva, inspirerade av biologiska system.

NANOKEMI Nanokemi är ett fält som har vuxit snabbt under de senaste decennierna. Genom att arbeta med molekyler och atomer på nanometerskala kan forskare skapa material med helt nya egenskaper. Nanopartiklar används redan i solkrämer, färger och läkemedelsformuleringar.

AVSNITT 3 –––––– Kemi i vetenskap och samhälle

I framtiden kanske nanokemi kan möjliggöra att nanorobotar levererar läkemedel direkt till cancerceller eller effektivt renar förorenat vatten.

PROTEINSYNTES Genom att förstå hur proteiner byggs upp och viks kan forskare utveckla artificiella enzymer eller biologiska läkemedel, som insulin och antikroppar. Med hjälp av kemisk syntes och bioteknik kan vi även modifiera proteiner för att få nya funktioner, till exempel katalysatorer för industriella processer eller biosensorer för medicinsk diagnostik.

FORENSISK VETENSKAP Kemi har stor betydelse inom forensisk vetenskap där kemiska analyser används för att identifiera substanser på brottsplatser, såsom droger, gifter och DNA. Spektroskopi, kromatografi och andra tekniker gör det möjligt att fastställa vad som hänt och vilka som varit inblandade. I takt med att tekniken förfinas kommer analyserna att bli snabbare och mer exakta.

Kemi på gott och ont Genom att förstå hur kemin fungerar kan vi fatta mer informerade beslut – både som konsumenter och samhällsmedborgare. Men med kemins möjligheter följer också ansvar, att väga risker, tänka långsiktigt och se till att utvecklingen sker på ett sätt som är hållbart – både för oss människor och för planeten. Ett exempel på en viktig samhällsfråga är användningen av fossila bränslen. Dessa ämnen är energirika och blev under 1900-talet avgörande för industrialisering, transporter och elproduktion. Genom förbränning av fossila bränslen frigörs kemisk energi som används för att driva fordon, flygplan och fartyg, men också fabriker, värmenät och elnät. Utan dem hade vårt samhälle inte sett ut som det gör i dag. Nackdelarna med fossila bränslen har med tiden blivit alltmer uppenbara. Förbränning av fossila bränslen leder till utsläpp av koldioxid, en växthusgas som bidrar till global uppvärmning och klimatförändringar. Andra föroreningar, som svaveldioxid och kväveoxider, bidrar till försurning av sjöar och marker och påverkar människors luftvägar.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

PFAS är en grupp spridda och användbara ämnen som inte bryts ner och därför ansamlas i naturen med negativa konsekvenser för miljö och hälsa. Mycket arbete läggs på utfasning av dessa ämnen, men de används fortfarande i till exempel impregneringsmedel och hårsprej.

Användningen av fossila bränslen är också en resursfråga eftersom de inte är förnybara. De bildades för miljoner år sedan och kan inte återskapas i den takt vi förbrukar dem. Därför pågår i dag en omställning mot mer hållbara alternativ som solenergi, vindkraft och biobränslen.

ETISKA DILEMMAN Vetenskapliga upptäckter inom kemi kan rädda liv, skapa innovationer och lösa problem. Men historien visar också att felanvänd kemi kan skada både människor och natur. Kemin har förändrat vår vardag i grunden, men det finns många exempel på ämnen som har visat sig ha oväntade och skadliga konsekvenser. Ett exempel är freoner (CFC), som tidigare användes i kylskåp och sprejflaskor. De var effektiva, men bidrog till nedbrytning av ozonskiktet – ett globalt miljöproblem som löstes genom politiska beslut och internationella avtal. Andra ämnen som väckt stor debatt är perfluorerade och polyfluorerade ämnen (PFAS), som används för att göra material vatten- och smutsavvisande. PFAS finns i allt från stekpannor till brandskum, men ämnena är svårnedbrytbara och misstänks påverka både människors hälsa och ekosystem negativt. Många kommuner har nu problem med PFAS i dricksvattnet, och rättsliga processer pågår kring vem som bär ansvaret. Även i livsmedel och kosmetika finns kemikalier som väcker etiska frågor. Mjukgörare i plaster, som ftalater, har tidigare använts i allt från matförpackningar till leksaker, men flera av dem har visat sig påverka

AVSNITT 3 –––––– Kemi i vetenskap och samhälle

hormonsystemet hos människor. Sminkprodukter kan innehålla ämnen som orsakar irritation, allergier eller hormonstörningar – särskilt om produkterna tillverkats utan tillräcklig reglering. Därför är det viktigt med lagstiftning, märkningar och konsumentkunskap, men det är också viktigt att forskare och företag tar ett långsiktigt ansvar för de ämnen som används.

KEMINS SAMHÄLLSANSVAR Nya kemiska ämnen och teknologier påverkar miljö, hälsa och ekonomi – men också etik och politik. Vem har till exempel rätt att bestämma vilka ämnen som är säkra att använda? Hur mycket ska nya produkter och ämnen testas innan de får säljas på marknaden? Och hur ska riskerna med deras användning vägas mot nyttan? För att svara på sådana frågor krävs inte bara kunskap i kemi utan också ett kritiskt tänkande: Vad ska vi tillåta i våra produkter? Hur kan vi öka hållbarheten och minska miljöpåverkan? Vad är ett rättvist sätt att hantera gemensamma resurser?

SAMMANFATTNING är en del av naturvetenskapen *somKemi utgör en länk mellan fysik och

Kemins tillämpningar genomsyrar *samhället och används vid utveckling

biologi.

av material, mediciner och livsmedel.

Kemiämnet är uppdelat i flera *huvudgrenar, som oorganisk kemi,

teknologiska utveckling, *somKemins användningen av fossila bränslen

organisk kemi, biokemi, fysikalisk kemi och analytisk kemi.

och nya kemikalier, medför etiska dilemman genom stora fördelar paral-

lellt med utmaningar som miljöförstöring och hälsorisker.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vilka två andra naturvetenskapliga ämnen ligger kemin närmast?

1.3.1 Jämför kemins delområden (oorganisk kemi, organisk kemi, biokemi, fysikalisk kemi och analytisk kemi) genom att sammanfatta deras respektive fokus och tillämpningsområden.

2. Vad är oorganisk kemi? 3. Vad kallas den kemigren som behandlar kolföreningarnas kemi?

1.3.2 Redogör för kemins roll i samhället genom att beskriva dess betydelse för medicinsk forskning, materialutveckling och teknisk innovation och hur den bidrar till att lösa framtida globala utmaningar.

4. Vilken gren av kemin studerar kemiska processer i levande organismer? 5. Vilken kemigren används för att ta reda på vilka ämnen som finns i ett prov?

1.3.3 Beskriv etiska dilemman inom kemin med fokus på de positiva och negativa konsekvenser som kemiska upptäckter kan ha för samhället, hälsan och miljön.

6. Vilket fält inom kemin handlar om att arbeta med molekyler och atomer på nanometerskala? 7. På vilka sätt har fossila bränslen varit avgörande för samhällsutvecklingen? 8. Hur påverkar användningen av fossila bränslen klimatet på jorden? 9. På vilket sätt var freoner (CFC) ett tidigare miljöproblem? 10. Vad är PFAS?

AVSNITT 4: FRÅN ELEMENTLÄRA TILL ELEKTRONSKAL

Kunskapen om materians uppbyggnad har utvecklats från de gamla grekernas elementlära via den magiska alkemin till dagens avancerade atommodeller.

ORD OCH BEGREPP Alkemi är en förvetenskaplig form av kemi med inslag av mystik och magi, där ett mål var att förvandla oädla metaller till guld.

Elektroner är negativt laddade partiklar som rör sig runt atomkärnan i olika energinivåer och deltar i kemiska bindningar.

Atommodell är en teoretisk beskrivning av en atoms byggstenar och struktur.

Elektronskal är specifika energinivåer runt atomkärnan där elektroner kan befinna sig.

Elementlära är en antik teori som menade att all materia består av de fyra elementen jord, luft, eld och vatten. Orbital är ett område inom ett skal runt en atomkärna där sannolikheten är störst att hitta en elektron med en viss energi.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

De fyra elementen Element eller grundämne? Elementlära är en föreställning i äldre filosofi att materien är sammansatt av vissa grundämnen (element), till exempel de fyra elementen jord, vatten, luft och eld. Fortfarande används ordet element som synonym till ordet grundämne. Till exempel kan man säga att periodiska systemet innehåller alla kända grundämnen eller alla kända element. På svenska är det dock vanligast att använda ordet grundämne. Grundämne heter element på engelska och man säger ’the periodic table of the elements’.

En av de första som formulerade och skrev ner sina idéer om hur världen är uppbyggd var den grekiske filosofen Empedokles (cirka 450 f.Kr.). Han gjorde ett experiment (som du själv lätt kan testa hemma) där han visade att luft är materia. Om du fyller en kastrull med vatten och sänker ner en uppochnedvänd tratt i vattnet kommer tratten att sjunka ner i vattnet. Men om du täpper för hålet med tummen innan du sänker ner tratten har luften i tratten ingenstans att ta vägen. Vattnet kan alltså inte tränga in i tratten. I samma ögonblick som du släpper tummen från hålet öppnas vägen så att luften kan strömma ut ur tratten och vattnet kan strömma in. Utifrån detta enkla experiment drog Empedokles den korrekta slutsatsen att luft är materia. Empedokles funderade vidare och formulerade så småningom en teori om materia och dess omvandling, en elementlära. Han menade att allting består av en kombination av elementen luft, vatten, jord och eld, och om man bara blandar dem i de rätta proportionerna så kan man tillverka vilket annat ämne som helst – till exempel guld. Empedokles teori om de fyra elementen kom att stå sig i närmare 2 000 år. Anledningen till detta är att den på ett enkelt sätt förklarade hur materia är uppbyggd och hur den förändras. Dessutom anammade

Aristoteles ansåg dels att all materia är uppbyggd av elementen jord, eld, luft, vatten och eter, dels att jorden finns i universums centrum.

AVSNITT 4 –––––– Från elementlära till elektronskal

uppochnedvänd tratt

vatten

kork

luft

Empedokles gjorde ett experiment som du själv kan testa. Om du sätter en kork för hålet i tratten stannar luften kvar i tratten. Luften tar upp plats och hindrar vattnet från att tränga in i tratten. Alltså är luft materia.

den grekiske filosofen Aristoteles (384–322 f.Kr.) elementläran, men han lade till ett femte element, etern, som byggde upp planeter och andra himlakroppar. Den kristna kyrkan stödde Aristoteles hela tankevärld eftersom Aristoteles ansåg att jorden finns i centrum av universum. Denna så kallade geocentriska världsbild stämde väl överens med den kristna synen på människan och jorden som skapelsens mittpunkt och fokus för Guds plan. Läkare använde en elementteori för att förklara hur obalanser i kroppen leder till sjukdomar. På motsvarande sätt som all materia var uppbyggd av fyra element trodde man att sjukdom berodde på att de fyra kroppsvätskorna slem, blod, svart galla och gul galla fanns i felaktiga proportioner i kroppen. För att bota sjukdomar trodde man att balansen mellan dessa element måste återställas.

Från alkemi till kemi Alkemi kan ses som kemi på förvetenskapligt stadium med magiska inslag, särskilt i försöken att förvandla oädla metaller till guld och silver. Det slutgiltiga målet för medeltidens alkemister var ämnet ”de vises sten” som de trodde skulle kunna omvandla oädla metaller till ädla, bota alla sjukdomar och förlänga livet. Även om det är lätt att tycka att många av dessa idéer känns orimliga var de levande långt in på 1800-talet. Några kända alkemister är Tycho Brahe (1546–1601), Isaac Newton (1643–1727), August Strindberg (1849–1912) och Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832).

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

I sin jakt på att hitta ett sätt att tillverka guld framställde alkemisten Henning Brand grundämnet fosfor. Målning från 1771.

Som en del av de alkemiska undersökningarna skedde naturligtvis även kemiska genombrott. Ett exempel är den tyske alkemisten Henning Brand som resonerade: p Guld är gult och förknippas med elementet eld. p Urin är också gult och förknippas också med elementet eld. För att tillverka guld samlade Brand därför ihop mängder av mänsklig urin (troligen över 5 000 liter) och koncentrerade det genom inkokning till en tjock, sirapsliknande (och illaluktande) sörja. Han koncentrerade sedan sörjan genom destillering och samlade upp resultatet i en liten flaska. Urin innehåller fosfater, och utan att själv inse det hade han för första gången framställt grundämnet fosfor. Detta skedde cirka 1669. När Henning Brand var verksam var alkemisternas tid redan på väg att ta slut. Åtta år tidigare, 1661, hade den irländske naturforskaren (och alkemisten) Robert Boyle (1627–91) publicerat boken The Sceptical Chymist. I boken gjorde han upp med allt magiskt i alkemin, tog bort förledet ”al-” och slog fast att kemin måste grunda sig i experiment.

Atommodellens utveckling Med hjälp av atommodeller har filosofer och vetenskapsmän försökt förklara naturens minsta byggstenar. Det som i antiken började med en enkel punktformad partikel fick nytt liv för ett par hundra år sedan. Därefter gav man atomen struktur, först en positiv kärna med ett moln av irrande elektroner och sedan elektroner i välordnade banor.

AVSNITT 4 –––––– Från elementlära till elektronskal

I dag vet vi att elektronernas lägen inte kan bestämmas, endast sannolikheten att de befinner sig i en viss punkt i sina elektronmoln. Vi vet också att all materia nästan uteslutande består av tomrum.

DEMOKRITOS ODELBARA ATOMER Redan 400 f.Kr. myntade den grekiske filosofen Demokritos (cirka 460–cirka 370 f.Kr.) ordet atom (som betyder odelbar) för den minsta byggstenen i naturen. Dessa atomer skulle alltid ha funnits, vara oförstörbara och oföränderliga men ha olika form och storlek. Enligt Demokritos bestod själen av särskilt fina, runda och glatta atomer som finns i hela kroppen. Demokritos idéer om att materien skulle vara uppbyggd av atomer glömdes sedan bort i över 2 000 år. Som sagt höll man fast vid idén att allt i naturen var uppbyggt av de fyra elementen jord, vatten, eld och luft. Till exempel tänkte man sig att trä kunde flyta på vatten eftersom det var en blandning av jord och eld, och därför lättare än vatten. Först i slutet av 1700-talet började elementläran på allvar ersättas av atomläran. Kanske tycker du att det verkar konstigt att världen skulle vara uppbyggd av enbart fyra element. Men faktum är att vi i dag vet att alla grundämnen är uppbyggda av bara tre byggstenar: protoner, neutroner och elektroner.

DALTONS ATOMER OCH MOLEKYLER Det dröjde ända till 1800-talets början innan begreppet atom började få en innebörd som liknar dagens. Den brittiske fysikern John Dalton (1766–1844) återuppväckte då atomteorin och använde den för att förklara hur molekyler byggs upp. Daltons atomteori byggde på att: p all materia består av mycket små atomer som är odelbara och oförstörbara p alla atomer av ett visst grundämne är helt identiska och har samma storlek och massa p atomer kan bilda molekyler i kemiska reaktioner. Daltons idéer accepterades snabbt eftersom de kunde verifieras experimentellt genom kemiska experiment. Hans teori kunde förklara vissa kemiska reaktioner och varför atomer kombineras i fasta förhållanden.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Thomsons atommodell med elektroner utspridda i en massa av positiv laddning.

THOMSON PÅVISAR ELEKTRONEN Den brittiske fysikern Joseph John Thomson (1856–1940) studerade elektriska urladdningar i gaser, varvid han påvisade elektronens existens och även bestämde elektronens laddning. Eftersom atomen utåt är oladdad ansåg Thomson att de negativt laddade elektronerna måste sitta utspridda i den positiva laddningen på det sätt som bilden ovan visar.

RUTHERFORDS POSITIVA ATOMKÄRNA OCH ELEKTRONER

I Rutherfords experiment passerade de flesta alfapartiklarna rakt genom guldatomerna, men några ändrade riktning.

År 1911 utförde Ernest Rutherford (1871–1937) ett berömt experiment som visade att atomen består av en tung kärna medan resten av atomen är nästan helt tom. I Rutherfords experiment sköts alfapartiklar mot en tunn guldfolie. De flesta partiklarna passerade rakt genom, men några böjdes av kraftigt och enstaka studsade till och med tillbaka. Genom experiment kunde Rutherford sluta sig till att nästan hela atomens massa var samlad i den positiva kärnan. Om vi tänker oss att väteatomens atomkärna är 1 mm i diameter blir atomen cirka 50 meter i diameter. Denna modell är avgörande för kemin eftersom den etablerade den grundläggande strukturen för en atom: en kärna med protoner och neutroner, och elektroner runt omkring. Atomens kemiska identitet bestäms av antalet protoner i kärnan, vilket i sin tur avgör antalet elektroner i en neutral atom. Den brittiske kärnfysikern James Chadwick (1891–1974) upptäckte 1932 att atomkärnan förutom protoner också kan innehålla neutroner, som har ungefär samma massa som protoner.

AVSNITT 4 –––––– Från elementlära till elektronskal

BOHRS ELEKTRONBANOR Redan två år efter Rutherford, 1913, presenterade den danske fysikern Niels Bohr (1885–1962) en modell med en positivt laddad kärna med elektroner kretsande i fasta banor runt kärnan. I Bohrs atommodell är det mesta av atomen tomrum. Om man jämför förhållandet mellan banorna befinner sig elektronerna mycket längre från atomkärnan än vad planeterna gör från solen. I Bohrs första atommodell bestod atomkärnan av både protoner och elektroner för tyngre atomslag. Bohrs atommodell hjälper oss att förstå varför elektroner bara finns i elektronskal med en viss energinivå. Inom kemi är det de elektroner

Rutherfords atommodell med en positiv atomkärna omgiven av negativa elektroner.

Bohrs första atommodell med en positiv atomkärna som för tyngre atomslag innehöll både protoner och elektroner. I Bohrs modell kretsade elektronerna runt kärnan som planeter i ett solsystem.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

som befinner sig i valensskalet, atomens yttersta elektronskal som bestämmer atomens kemiska egenskaper och hur den reagerar med andra atomer. För att förstå kemi på gymnasienivå fungerar Bohrs atommodell med elektronskal nästan alltid. Elektronskalen benämns K, L, M, N, O, P och Q där K är det innersta skalet. K-skalet rymmer endast två elektroner. I de övriga skalen ryms fler elektroner.

BOHRS ELEKTRONSKAL OCH SCHRÖDINGERS ORBITALER Den mest korrekta atommodellen är Erwin Schrödingers (1887–1961). I denna har elektronerna inte fasta banor och elektronernas exakta lägen kan inte bestämmas. Snarare befinner sig varje elektron i ett ”elektronmoln”. Ett elektronmoln är det område där det är högst sannolikhet att träffa på elektronen. Elektronerna kretsar inte slumpmässigt kring atomkärnan utan befinner sig i specifika energinivåer, så kallade elektronskal. Varje skal kan rymma ett begränsat antal elektroner. Ett elektronskal motsvarar alltså en viss energinivå, men skalet innehåller i sin tur underenerginivåer. Varje undernivå innehåller en eller flera orbitaler – områden där det är sannolikt att hitta elektroner. Hur orbitalerna fylls med elektroner är viktigt för att förstå grundämnenas kemiska egenskaper, särskilt de grundämnen som kallas övergångsmetaller.

L K

Bilden visar väte (till vänster), helium (i mitten) och litium (till höger). K-skalet fylls först. Helium har fullt K-skal. Därefter fylls L-skalet, M-skalet och så vidare. Vi har utelämnat neutronerna i bilden för enkelhetens skull.

AVSNITT 4 –––––– Från elementlära till elektronskal

Denna kvantmekaniska modell av elektronmolnet har vi fortfarande i dag – med en atomkärna uppbyggd av positiva protoner och neutrala neutroner, och med negativa elektroner i skal, eller moln, runt kärnan. För kemin är Schrödingers modell helt nödvändig för att förstå hur elektronerna fördelar sig och hur de kan bilda kemiska bindningar. Vi återkommer till Bohrs och Schrödingers modeller kring elektronskal och orbitaler i nästa kapitel.

L K

Elektronfördelningen för litium-7,

Elektronerna rör sig egentligen inte

7 3Li , kan visas med en förenklad

i cirkulära banor runt atomkärnan

skalmodell. Här befinner sig de två

utan inom något större områden.

innersta elektronerna i K-skalet

Bilden visar ett tvärsnitt genom

och den tredje i L-skalet.

litiumatomen med elektronernas lägen vid olika tidpunkter.

SAMMANFATTNING den forntida elementläran var *alltEnligt uppbyggt av en kombination av de fyra elementen jord, luft, eld och vatten.

Den experimentella kemin växte fram ur alkemin, en tidig form av kemi som blandade vetenskap med magiska inslag. John Dalton återuppväckte under *1800-talet atomteorin enligt vilken

all materia består av odelbara och oförstörbara atomer.

avgörande för en atoms kemiska egenskaper.

Den moderna atommodellen har *utvecklats från Thomsons ”russin-

Dagens kvantmekaniska *atommodell beskriver elektronernas

bulle” via Rutherfords modell med en central atomkärna till Bohrs elektronbanor.

lägen i form av elektronmoln med orbitaler där sannolikheten att hitta elektronerna är störst.

Elektroner rör sig i specifika *elektronskal runt kärnan och är

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vilken grekisk filosof gjorde ett experiment som visade att luft är materia?

1.4.1 Diskutera övergången från alkemi till modern kemi. Förklara vilka inslag från alkemin som har ersatts med moderna vetenskapliga metoder.

2. Vad kallas de fyra elementen i Empedokles elementlära?

1.4.2 Sammanfatta hur atommodellen har utvecklats, med fokus på Demokritos, Daltons, Thomsons, Rutherfords och Bohrs bidrag. Beskriv hur varje atommodell byggde vidare på eller ersatte den tidigare modellen.

3. Vilket syfte hade alkemisternas jakt på ”de vises sten”? 4. Vilken grundsyn på kemin formulerade Robert Boyle i sin bok The Sceptical Chymist?

1.4.3 Beskriv vad valenselektroner är och varför de är så viktiga för att förstå kemiska egenskaper. Använd Bohrs atommodell. Ge ett exempel på hur valenselektronerna bestämmer ett grundämnes reaktivitet.

5. Vem myntade ordet atom? 6. Vad betyder ordet atom? 7. Vem återuppväckte atomteorin i början av 1800-talet?

1.4.4 Redogör för likheter och skillnader mellan Bohrs och Schrödingers atommodeller.

8. Vem upptäckte elektronens existens? 9. Vilken atommodell introducerade en positiv atomkärna omgiven av negativa elektroner? 10. Vad är ett elektronskal enligt Bohrs modell?

AVSNITT 5: VETENSKAP OCH ICKE-VETENSKAP

Forskning är en systematisk process för att öka vår kunskap, där forskare ställer frågor och drar slutsatser baserade på systematiska undersökningar. Med naturvetenskaplig kunskap och kritisk granskning kan vi identifiera ickevetenskapliga påståenden.

ORD OCH BEGREPP Forskning är när man med systematiska metoder skapar ny kunskap. Pseudovetenskap är mystisk eller spekulativ forskning som inte är accepterad av vetenskapssamhället.

Vetenskapliga påståenden är påståenden som kan bevisas (verifieras) eller motbevisas (falsifieras) med vetenskapliga metoder. Vetenskaplig modell är en förenklad

beskrivning av något som är komplicerat, till exempel hur en atom ser ut Vetenskaplig teori är en förklaring av ett fenomen som bygger på många systematiska undersökningar.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

1 nm Elektronmikroskopbild av atomerna i en manganoxid, fotograferad vid en förstoring av 6,5 2+

miljoner gånger. Bilden visar kristallstrukturen i hausmannit (Mn Mn2 O4 ), ett ämne som används i litiumjonbatterier.

Vad är forskning? Att forska är att undra och ställa frågor och sedan försöka besvara dem med hjälp av observationer, experiment och beräkningar. Målet är att på ett systematiskt sätt öka kunskapsnivån inom ett område. Ett forskningsresultat ses ofta som objektivt men beror på hur och när underliggande data har insamlats och analyserats. Olika typer av felkällor påverkar noggrannheten och gör att ett resultat är mer eller mindre osäkert. Mätmetoden kan ha varit fel, instrumenten felkalibrerade eller förståelsen av problemet bristfällig. Beräkningar som utförs för att analysera mätdata kan baseras på en matematisk modell som är en förenkling av verkligheten. Modeller tar sällan hänsyn till alla processer som orsakar fenomenet eftersom

AVSNITT 5 –––––– Vetenskap och icke-vetenskap

vår kunskap inte är fullständig, och därför kan de inte heller förklara mätresultaten fullt ut. Forskaren samlar ihop sina resultat och drar en slutsats som stämmer bäst överens med tillgänglig information. Efter hand uppstår nya frågor och nya observationer, experiment och beräkningar görs för att besvara dem. Med förbättrad teknik och förbättrade modeller ökar förståelsen för naturen. Det vi vet om världen är alltså inte hundraprocentiga fakta utan slutsatser som är baserade på den kunskap vi har just nu. Därför förändras och utvecklas ständigt vår kunskap. Tekniken och vetenskapen går hand i hand i denna utveckling och driver varandra framåt mot bättre vetande.

Teorier och modeller Med systematiska undersökningar undersöker man verkligheten och formulerar vetenskapliga modeller och teorier. Vi återkommer till hur man genomför systematiska undersökningar. Till vardags används ordet teori ofta i betydelsen gissning. Kanske säger någon ”Jag har en teori om vem som kommer att vinna fotbollsmatchen på lördag”. En vetenskaplig teori är något helt annat. Det är den gällande vetenskapliga sanningen – tills den har motbevisats genom någon systematisk undersökning. En vetenskaplig modell är en beskrivning av hur något fungerar. Modellen kan vara en bild eller ett matematiskt samband. Till exempel är Bohrs atommodell, där atomen ses som uppbyggd av en positivt laddad kärna med negativt laddade elektroner i banor runt kärnan, tillräcklig för att förstå nästan all kemi på gymnasienivå. En vetenskaplig teori kan alltså motbevisas (annars är den inte en vetenskaplig teori) men den bygger på många systematiska undersökningar som alla stärkt teorin. Förutom att teorin måste gå att motbevisa med någon systematisk undersökning ska det också gå att göra förutsägelser utifrån teorin. Till exempel säger atomteorin att all materia är uppbyggd av atomer. Ett exempel på förutsägelse utifrån atomteorin är att om vi skulle undersöka en sten från en avlägsen planet så skulle stenen bestå av atomer. Förutsägelsen går att testa vetenskapligt genom att analysera stenen. Men en vetenskaplig teori kan aldrig sägas vara färdig – när som helst kan nya resultat från systematiska undersökningar tvinga fram en förändring av teorin eller till och med kullkasta teorin. Om en sten

Teori och modell En vetenskaplig teori är den gällande vetenskapliga sanningen. Teorin förklarar något i naturen. Med ”naturen” menar man här ”hela det observerbara universumet, från de minsta partiklarna till de största galaxerna”. Teorin ska gå att motbevisa och kunna användas för att göra förutsägelser. Ett exempel är atomteorin som säger att all materia är uppbyggd av atomer. En vetenskaplig modell är en beskrivning av något i naturen. Det kan vara en bild eller ett matematiskt samband. Ett exempel är Bohrs atommodell med en positivt laddad atomkärna och negativt laddade elektroner i banor runt kärnan.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

från en avlägsen planet skulle visa sig bestå av något annat än atomer skulle atomteorin kullkastas. Det finns vetenskapliga teorier som är så välgrundade att de i praktiken inte testas längre. Till dessa hör atomteorin. Eftersom vi hela tiden undersöker vår verklighet, den som vi kan se på, röra vid och mäta med olika instrument, kan vi också vara säkra på att vi har den mest korrekta kunskapen – i alla fall tills nya vetenskapliga teorier om verkligheten visar sig gälla.

Vetenskapliga och ickevetenskapliga påståenden Vetenskapliga påståenden bygger på objektiva, mätbara och testbara fakta som kan bevisas (verifieras) eller motbevisas (falsifieras) genom observationer eller experiment. Icke-vetenskapliga påståenden saknar dessa egenskaper. Icke-vetenskap är ett sammanfattande begrepp för idéer, metoder och påståenden som inte är vetenskapligt baserade. Icke-vetenskap kan inte testas, bekräftas eller motbevisas med vetenskapliga metoder. Det kan också vara fråga om rena lögner som lanseras trots att de har testats och motbevisats. På sociala medier finns mängder av klipp med påståenden som hänvisar till ”forskningsresultat”. Vissa påståenden vilar på vetenskaplig grund och stämmer med granskade forskningsresultat, men många är icke-vetenskapliga. Den forskning som påstås verifiera de icke-vetenskapliga argumenten kan vara gammal eller gälla andra sammanhang.

Exempel på vetenskapliga påståenden inom kemi ”Vatten, H₂O, kokar vid 100 °C vid

utföra experiment där salt tillsätts

normalt atmosfärstryck.” Detta är ett

i både vatten och matolja för att

vetenskapligt påstående som kan

undersöka om koksaltet löser sig.

testas genom att värma vatten under

”Koldioxid, CO₂, är en gas vid

kontrollerade förhållanden och mäta

rumstemperatur och normalt

temperaturen vid kokpunkten.

atmosfärstryck.” Detta påstående

”Koksalt, NaCl, löser sig i vatten

kan bevisas genom observationer av

men nästan inte alls i matolja.” Detta

koldioxid vid rumstemperatur och

påstående kan bekräftas genom att

normalt atmosfärstryck.

AVSNITT 5 –––––– Vetenskap och icke-vetenskap

Exempel på icke-vetenskapliga påståenden inom kemi ”Naturliga ämnen är bättre än syntetiska

eller testas på ett sätt som uppfyller

ämnen.” Detta är en åsikt snarare än ett

vetenskapliga kriterier. Dessutom kan

vetenskapligt faktum, eftersom ”bättre”

energi inte skapas.

är ett subjektivt begrepp. Dessutom kan

”Molekylerna i ett ämne mår

exakt samma molekyl produceras i till

bättre om de hanteras försiktigt.”

exempel en växt och på laboratorium.

Detta påstående är subjektivt och kan

”Kristaller kan skapa positiv energi i ett rum.” Detta påstående saknar

inte testas eller mätas vetenskapligt eftersom molekyler inte har känslor.

vetenskaplig grund och kan inte mätas

Vad är pseudovetenskap? Många påståenden bygger inte på etablerad vetenskap, till exempel övernaturliga saker och skrock. Det kan vara spöken, magiska kristaller eller ritualer som ger tur. Men vissa icke-vetenskapliga påståenden beskrivs på ett sätt som ger sken av att de bygger på vetenskap, även om de inte gör det. Sådana påståenden kallas pseudovetenskap. Pseudovetenskap är mystisk eller spekulativ forskning som inte är accepterad av vetenskapssamhället. Pseudovetenskapen lånar ofta ord och begrepp från vetenskapen, vilket gör att det kan vara svårt att skilja dem åt. Energi, magnetism och läkemedel är exempel på vetenskapliga ord som används inom pseudovetenskapen. Förespråkare för pseudovetenskapliga påståenden vill ofta inte att det ska undersökas om påståendet stämmer eller inte. Pseudovetenskapliga påståenden kan därför formuleras på ett sätt som gör dem omöjliga att testa. Ibland utför forskare ändå experiment och får resultat som visar att påståendet inte stämmer, men förespråkarna för det pseudovetenskapliga påståendet kan ändå fortsätta att hävda att det är sant. Kanske hävdar man att det vetenskapliga experimentet inte är giltigt på grund av olika mystiska omständigheter. Det finns ofta starka skäl till att en person tror på ett pseudovetenskapligt påstående. Till exempel kan påståendet användas för att sälja produkter, hålla föredrag eller sprida budskapet på sociala medier. Ibland vill verkligen förespråkaren att påståendet ska vara sant, till exempel att en svår sjukdom ska kunna botas med hjälp av ett pseudovetenskapligt preparat. Ibland tillhör förespråkaren en grupp som tror likadant, vilket gör att påståendet blir svårt att ifrågasätta om man vill fortsätta att tillhöra gruppen.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

I reklam för skönhetsprodukter, alternativmedicin, hälsokost och kosttillskott hävdas ofta att produkterna är mer vetenskapligt baserade än de faktiskt är. Påståenden som bygger på religiös tro räknas inte som pseudovetenskap, förutom när de utger sig för att vara vetenskapliga som i fallet med intelligent design. Fem exempel på pseudovetenskap är detoxprodukter, homeopati, kristallterapi, magnetiserat vatten och kolloidalt silver.

DETOXPRODUKTER Detoxprodukter sägs rensa kroppen på gifter. Produkterna bygger ofta på pseudovetenskapliga principer där det hävdas att kroppen samlar på sig skadliga kemikalier som måste avlägsnas. Många av dessa påståenden saknar vetenskaplig grund då kroppen redan har naturliga processer, som levern och njurarna, för att bryta ner och eliminera giftiga ämnen.

HOMEOPATI Homeopati är en typ av alternativmedicin som grundades i Tyskland 1810. Idén är att ”liknande botar liknande”. Homeopatiska medel är extremt utspädda lösningar av ämnen som orsakar samma typ av symtom som patienten redan har. I samband med att ämnet späds ut skakas det också på ett speciellt sätt för att dess krafter ska frigöras. När utspädningen är färdig består medlet av rent vatten, som enligt förespråkarna för homeopati ”minns” ämnet som det var blandat med. Homeopati framställs som en vetenskap och medlen påstås kunna bota olika sjukdomar. Det finns inga vetenskapliga bevis för att homeopati fungerar.

KRISTALLTERAPI

Färgade kvartskristaller, SiO2(s), förekommer i vissa bergarter. De används vid kristallterapi eftersom de felaktigt påstås ge hälsofördelar. Kristallterapi är ett exempel på pseudovetenskap.

Kristallterapi går ut på att vissa mineraler, till exempel kvarts, genom sina ”unika vibrationsegenskaper” kan påverka människans ”energifält” på ett positivt sätt. Genom att placera kristaller på specifika punkter på kroppen, eller genom att helt enkelt ha dem i sin närhet, sägs de kunna balansera kroppens energier, lindra stress, främja fysisk läkning och förbättra det allmänna välbefinnandet. Den moderna medicinska vetenskapen har inte kunnat påvisa att kristaller har några medicinska effekter utöver placeboeffekten.

AVSNITT 5 –––––– Vetenskap och icke-vetenskap

MAGNETISERAT VATTEN Magnetiserat vatten sägs vara vatten som har förbättrats genom att utsättas för ett magnetfält. Förespråkare hävdar att magnetiserat vatten förbättrar hälsan, ökar växters tillväxt och renar kroppen. Det finns inga vetenskapliga bevis för att magnetfält förändrar vattnets kemiska egenskaper på något sätt som skulle påverka växter eller vår hälsa.

KOLLOIDALT SILVER Kolloidalt silver är silverpartiklar i metallisk form, eller silversalt, som svävar i vatten. Kolloidalt silver har marknadsförts inom alternativmedicinen som kosttillskott och för behandling av sjukdomar. Det har hävdats att kolloidalt silver till exempel skulle stärka immunförsvaret. Det finns inga vetenskapliga bevis för att silver är nödvändigt för kroppen. Inte heller finns vetenskapliga bevis för att intag av kolloidalt silver skulle motverka sjukdom. Däremot finns hälsorisker med intag av kolloidalt silver. Intag kan leda till bland annat argyri. Argyri är silverutfällning i läderhuden som gör huden gråblå.

Paul Karason (till vänster), här vid en intervju i NBC News 2008, drabbades av argyrit efter att ha druckit kolloidalt silver i tron att det skulle ge hälsofördelar.

SAMMANFATTNING är en systematisk process En vetenskaplig teori är en väl*somForskning *etablerad syftar till att öka vår kunskap förklaring av ett fenomen

Pseudovetenskap, som detoxpro*dukter, homeopati och kristallterapi,

baserat på slutsatser från systematiska undersökningar.

lånar ofta vetenskapliga ord för att verka trovärdig.

Vetenskapliga påståenden går att *bevisa (verifiera) eller motbevisa (falsifiera) med vetenskapliga metoder.

som kan användas för att göra förutsägelser och som måste kunna motbevisas. En vetenskaplig modell är en *förenklad beskrivning av ett fenomen.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vad är det övergripande målet med all forskning?

1.5.1 Jämför de vetenskapliga begreppen teori och modell med deras vardagliga användning.

2. Vad kallas en vetenskapligt baserad beskrivning av hur något fungerar?

1.5.2 Förklara hur en vetenskaplig modell kan vara tillräcklig trots att den är en förenkling av verkligheten.

3. Vad är skillnaden mellan en vetenskaplig teori och en gissning? 4. Vilka två egenskaper måste en vetenskaplig teori ha? 5. Vad kännetecknar vetenskapliga påståenden?

1.5.3 Förklara varför pseudovetenskapliga påståenden kan vara svåra att skilja från vetenskapliga påståenden och svåra att motbevisa.

6. Vad är ett sammanfattande begrepp för idéer, metoder och påståenden som inte är vetenskapligt baserade?

1.5.4 Diskutera varför människor kan tro på pseudovetenskapliga påståenden trots brist på vetenskapliga bevis.

7. Vad kallas mystisk eller spekulativ forskning som inte är accepterad av vetenskapssamhället?

1.5.5 Beskriv hur den tekniska utvecklingen och den vetenskapliga forskningen samverkar för att driva kunskapsutvecklingen framåt. Använd utvecklingen av atommodellen som exempel på hur utveckling av ny teknik och forskning har samverkat.

8. Vilken typ av icke-vetenskaplig medicin grundades i Tyskland 1810 och bygger på idén att ”liknande botar liknande”? 9. Vad påstås inom pseudovetenskap om ”magnetiserat” vatten?

1.5.6 Analysera de pseudovetenskapliga påståendena om kristallterapi och homeopati med hjälp av informationen från texten och en extern källa. Förklara varför kristallterapi och homeopati inte uppfyller vetenskapliga kriterier.

10. Vad är argyri och varför kan man drabbas av argyri?

1.5.7 Redogör för den vetenskapliga metoden för att motbevisa (falsifiera) en teori. Använd exemplet från texten om atomteorin och en sten från en avlägsen planet.

AVSNITT 6: SYSTEMATISKA UNDERSÖKNINGAR

Genom systematiska undersökningar enligt den vetenskapliga metoden skapas ny kunskap. Ofta används mätningar eller observationer för att besvara en fråga.

ORD OCH BEGREPP Data är fakta som kan tolkas och användas av människor eller datorer. Experiment betyder vanligen ”vetenskapligt försök”. I en systematisk undersökning kan experimentet vara den del där man samlar in data. Hypotes är ett påstående om det man vill undersöka. Den systematiska undersökningen ska visa om hypotesen är sann eller falsk. Kvalitativ analys är en analysmetod som visar om ett ämne finns i ett prov.

Kvantitativ analys är en analysmetod som visar halten av ett ämne i ett prov. Mätning innebär att samla in data med hjälp av mätinstrument för att få siffervärden. Oberoende variabel är den storhet som förändras i en systematisk undersökning. Simulering är ett sätt att härma verkligheten i en kontrollerad miljö, till exempel klimatsimulering.

Systematisk undersökning är en undersökning där man använder en systematisk metod. Ofta handlar det om att använda mätningar eller observationer för att besvara en fråga. Undersökningsbar fråga är en fråga som går att besvara genom att göra mätningar eller observationer. Vetenskapliga metoden är en systematisk undersökning där en hypotes testas.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Systematisk undersökning är ett brett begrepp som innebär att man genomför en studie på ett strukturerat och organiserat sätt.

Den vetenskapliga metoden Den vetenskapliga metoden handlar i grunden om att skapa ny kunskap genom att göra observationer och experiment. När man använder den vetenskapliga metoden formulerar man en hypotes (ett påstående). Därefter testar man sin hypotes med hjälp av ett experiment. Experimentet ska visa om hypotesen är sann eller falsk. Systematisk undersökning är ett brett begrepp som innebär att man genomför en studie på ett strukturerat och organiserat sätt. Exempel på systematiska undersökningar kan vara en folkräkning, en marknadsundersökning eller en mätning av salthalten i olika hav. Den vetenskapliga metoden innehåller dels en specifik form av systematisk undersökning som ofta används inom naturvetenskap och dels delar som handlar om teoribildning kring större fenomen. En bild av hela den vetenskapliga metoden finns på nästa uppslag. Själva metoden avgör om en undersökning är systematisk eller inte. p En kemist som mäter halten av ett miljögift i en sjö under 15 år för att undersöka om den ändras med tiden formulerar ingen hypotes om något förväntat resultat av mätningarna. Undersökningen är systematisk, men använder inte den vetenskapliga metoden. p En kemist som har observerat att fiskar i sjöar med lågt pH-värde har tunna skelett och vill undersöka om surt regn gör att skelettet blir tunt kan använda den vetenskapliga metoden för att undersöka om vatten med lågt pH gör att skelettet hos fiskar blir tunt. Undersökningen är systematisk och använder den vetenskapliga metoden.

AVSNITT 6 –––––– Systematiska undersökningar

PRINCIPEN FÖR DEN VETENSKAPLIGA METODEN Bilden nedan visar principen för den vetenskapliga metoden. Utifrån en observation kan en frågeställning ställas upp. Frågeställningen bildar startskottet för den systematiska undersökningen som syftar till att genomföra ett experiment. De mörka rutorna motsvarar alltså själva den systematiska undersökningen. Resten av rutorna handlar om teoribildning (som också ingår i den vetenskapliga metoden). Vi kommer i resten av avsnittet att fokusera helt på de mörka rutorna – systematiska undersökningar i kemi enligt den vetenskapliga metoden. Vetenskapliga teorier kan aldrig sägas vara klara eftersom nya upptäckter kan tvinga oss att ändra eller till och med förkasta dem.

observation

frågeställning

ställ en hypotes

gör ett experiment

bekräftar experimentet hypotesen? ja formulera en vetenskaplig teori

använd teorin för att förstå universum bättre

hitta fler bevis

revolution

nej

kan teorin förbättras för att förklara de nya bevisen? ja förbättra teorin

Den vetenskapliga metoden. Vägen till vetande kanske verkar lång och komplicerad, men det är bara genom att testa hypoteserna genom ytterligare observationer och experiment som vi kan bilda oss en korrekt uppfattning om vår omvärld. De mörka rutorna är den systematiska undersökningen.

nej

felaktig hypotes

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Stegen i en systematisk undersökning Om du ska göra en systematisk undersökning enligt den vetenskapliga metoden finns det ett antal praktiska steg som måste genomföras. När du laborerar i skolan behöver du oftast inte fundera på de olika stegen – vanliga laborationer är utformade så att du vet hur du ska genomföra dem och vilka resultat som du förväntas kunna presentera. De olika stegen i en systematisk undersökning enligt den vetenskapliga metoden presenteras nedan. Allt börjar med en observation, en noggrann iakttagelse. Någon lägger märke till ett obekant fenomen och undrar varför det händer. Nedan följer de huvudsakliga stegen i en systematisk undersökning.

1. UNDERSÖKNINGSBAR FRÅGA För att planera en systematisk undersökning enligt den vetenskapliga modellen måste man bestämma sig för en undersökningsbar fråga. Undersökningsbara frågor måste gå att besvara genom att samla in och bearbeta data.

2. HYPOTES När den undersökningsbara frågan är klar formulerar man en hypotes. Hypotesen är ett påstående som testas i undersökningen. En bra hypotes är specifik och förutsäger ett visst resultat. Undersökningen ska visa om hypotesen är sann eller falsk.

3. METOD OCH PLANERING

Exempel på mätning. Titrering är en mätmetod för att ta reda på hur mycket av ett visst ämne som finns i en provlösning.

Därefter måste den systematiska undersökningen planeras. Den metod som man väljer ska kunna visa om hypotesen är sann eller falsk. Om undersökningens resultat visar att hypotesen är falsk säger man att man förkastar hypotesen. Metoden ska vara så väl beskriven att undersökningen går att upprepa (reproducera) av någon annan. Undersökningen ska alltså vara reproducerbar. Det är viktigt att göra en riskbedömning för att identifiera och minimera risker, som en del av planeringen. Vi återkommer till hur man gör en riskbedömning i nästa avsnitt.

AVSNITT 6 –––––– Systematiska undersökningar

I systematiska undersökningar enligt den vetenskapliga modellen ändrar man en faktor på ett metodiskt sätt (till exempel tryck, temperatur eller mängd av någon kemikalie) för att undersöka hur ändringen påverkar resultatet. Man skiljer på tre typer av variabler: p Den faktor man aktivt ändrar kallas oberoende variabel. För att kunna dra slutsatser av en systematisk undersökning är det viktigt att ändra endast en variabel i taget. Det får alltså bara finnas en enda oberoende variabel i en systematisk undersökning.

Exempel på observation. Bildas en

p Den variabel som ska undersökas kallas beroende variabel eftersom värdet är beroende av hur den oberoende variabeln ändras.

fällning (fast ämne) när två ämnen

p Kontrollvariabler är andra variabler som kan påverka experimentet och som måste hållas konstanta (till exempel volym eller temperatur) för att säkerställa att det bara är den oberoende variabeln som påverkar resultatet.

järn(III)hydroxid och järn(II)hydroxid.

4. DATAINSAMLING Data i en systematisk undersökning kan samlas in som observationer, mätningar eller simuleringar. Större systematiska undersökningar kan också bestå av kombinationer av till exempel mätningar och simuleringar. Att observera innebär i det här sammanhanget att samla in data genom att noggrant iaktta ett fenomen utan att nödvändigtvis använda apparater. En observation kan vara att något ändrar färg, blir varmt eller att gasbubblor bildas. Mätningar innebär att samla in data med hjälp av olika instrument och verktyg för att få exakta och kvantitativa värden. Mätningar är ofta mer exakta än observationer och ger sifferdata. Sifferdata kan sedan analyseras med statistiska metoder. Datorsimuleringar används när direkta observationer eller mätningar är svåra, dyra, farliga eller omöjliga att genomföra. Med hjälp av simuleringar kan man exempelvis utforska möjliga utvecklingsscenarier för den klimatförändring som just nu sker när halten av olika växthusgaser stiger på grund av förbränning av fossila bränslen.

5. ANALYS AV RESULTATEN Efter att datan är insamlad behöver man bearbeta datan på olika sätt. Det vanligaste sättet att samla in data är genom mätningar. Mätningar

blandas? Fällningar av (från vänster till höger) kopparhydroxid,

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

ger sifferdata. Utifrån detta kan man till exempel beräkna medelvärden eller låta datorn göra statistisk analys av datan. Baserat på analysen bedömer man om hypotesen stämmer överens med resultaten eller ej, det vill säga om hypotesen är sann eller falsk.

6. SLUTSATSER Om resultatet överensstämmer med den underliggande vetenskapliga teorin stärks teorin ytterligare, men om resultatet motsäger teorin måste teorin förkastas. Att en teori förkastas och måste bytas mot en helt ny teori kallas revolution. Då har man lärt sig att den ursprungliga teorin var felaktig, vilket leder till nya frågor och hypoteser. På så sätt bygger vetenskapen ständigt vidare på ny kunskap.

PRESENTATION OCH REDOVISNING När den systematiska undersökningen är gjord presenteras resultaten. Resultaten av en undersökning kan sedan presenteras på olika sätt. Data kan redovisas som tabeller, foton eller olika diagram (stapeldiagram, linjediagram eller cirkeldiagram) beroende på vilken typ av data som ska presenteras. I skolan skriver du labbrapporter där du redovisar dina resultat. När forskare har gjort en systematisk undersökning och upptäckt något nytt skriver de en forskningsrapport som de vill publicera i en internationell vetenskaplig tidskrift. Innan forskningsrapporten publiceras granskas den av forskarkollegor från olika delar av världen för att kontrollera att metoderna är väl valda och att slutsatserna är korrekta. Genom att publicera forskningsrapporter i internationella tidskrifter sprids forskningsresultaten.

Systematisk undersökning, experiment och laboration I en systematisk undersökning vet man

viktiga att dessa ibland kallas experi-

inte vilket resultat man kommer att få.

mentella vetenskaper.

Experimentet är arbetet på labbet där

En laboration är något en elev gör på

man samlar in data i en systematisk

labbet för att lära sig något. När en elev

undersökning. Forskaren skriver själv

labbar finns färdiga instruktioner som

instruktionerna för hur experimentet

eleven får av en lärare, till skillnad mot

ska göras. Inom naturvetenskap,

en systematisk undersökning där ingen

medicin och teknik är experiment så

säkert kan veta resultatet på förhand.

AVSNITT 6 –––––– Systematiska undersökningar

I reaktionen mellan magnesium och saltsyra frigörs vätgas som är lättantändlig. Förloppet kan undersökas systematiskt för att ta reda på hur koncentrationen av syra påverkar reaktionshastigheten.

Systematisk undersökning av reaktionshastighet För att undersöka om koncentrationen av saltsyra påverkar reaktionshastigheten när saltsyra reagerar med magnesium görs en systematisk undersökning. Vi ska här ge ett exempel på hur de olika stegen kan se ut. Vid reaktionen reagerar saltsyra, HCl, med magnesium, Mg, och bildar vätgas, H2, och magnesiumklorid, MgCl2, enligt reaktionsformeln:

saltsyra bubblor med vätgas

2HCl + Mg ⟶ H2 + MgCl2

magnesiumband

Nedan beskrivs de olika delarna i undersökningen enligt den vetenskapliga metoden.

1. UNDERSÖKNINGSBAR FRÅGA

Saltsyra, HCl, reagerar med

För att frågan ska vara undersökningsbar måste den gå att besvara genom att data samlas in och bearbetas. En undersökningsbar fråga kan vara ”påverkar koncentrationen av saltsyra reaktionshastigheten?”.

2. HYPOTES Hypotesen är det påstående som undersökningen ska testa – är hypotesen sann eller falsk? Vi bestämmer oss för hypotesen ”reaktionshastigheten ökar när koncentrationen av saltsyra ökar”.

magnesium, Mg.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

En rulle magnesiumband, Mg(s).

3. METOD OCH PLANERING I undersökningen används magnesiumband av en och samma längd som sänks ner i saltsyra av olika koncentration. Reaktionshastigheten mäts som den tid det tar för all magnesium att reagera. p Den oberoende variabeln är den variabel som vi medvetet ändrar. I det här fallet är det koncentrationen av saltsyra eftersom den undersökningsbara frågan är ”påverkar koncentrationen av saltsyra reaktionshastigheten?”. p Den beroende variabeln är den variabel som vi mäter och redovisar som resultat, alltså reaktionshastigheten i det här fallet. Vi bestämmer oss för att mäta reaktionshastigheten som den tid det tar för all magnesium att reagera, det vill säga från att vi lägger magnesiumbiten i saltsyran tills vi inte ser något fast magnesium och inga nya vätgasbubblor bildas. Ju kortare tid, desto högre reaktionshastighet. p Kontrollvariabler är alla variabler som måste hållas konstanta för att säkerställa att det endast är den oberoende variabeln (koncentrationen av saltsyra) som påverkar resultatet (reaktionshastigheten). Till exempel måste lika mycket magnesiumband användas vid varje mätning. I det här fallet använder vi 4,0 cm magnesiumband vid varje mätning. Alla mätningar bör ske vid samma temperatur för att inte olika temperaturer ska ge missvisande resultat.

AVSNITT 6 –––––– Systematiska undersökningar

4. DATAINSAMLING Den data vi samlar in är den tid (i sekunder) det tar för varje magnesiumband att reagera fullständigt. Vi för in mätvärdena i en tabell.

Koncentration saltsyra (mol/dm3 )

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Tid (s)

145,7

38,1

25,1

18,2

14,9

12,6

5. ANALYS AV RESULTATEN I det här fallet är ett linjediagram lämpligt för att upptäcka mönster i den insamlade datan. Linjediagrammet visar resultatet av undersökningen. Varje punkt är ett mätvärde. Den oberoende variabeln i undersökningen är koncentrationen av saltsyra. Koncentrationen har enheten mol per liter (mol/dm3). Mol är en grundläggande enhet inom SI-systemet för att ange antal atomer eller molekyler. Vi återkommer till begreppet mol senare. I diagram ska den oberoende variabeln vara på x-axeln. Den

tid (s) 160 140 120 100 80 60 40 20 3

koncentration saltsyra (mol/dm ) 5 6 7

Tid (s) för fullständig reaktion mellan magnesium och saltsyra vid olika koncentration av 3

saltsyra (mol/dm ).

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

beroende variabeln i undersökningen är den tid (s) det tog för allt magnesium att reagera vid varje mätning. I diagram ska den beroende variabeln vara på y-axeln.

6. SLUTSATS Hypotesen var ”reaktionshastigheten ökar när koncentrationen av saltsyra ökar”. Diagrammet visar att tiden för fullständig reaktion minskar när koncentrationen av saltsyra ökar. Alltså var hypotesen sann. I alla undersökningar påverkar slumpen resultatet. Vi skulle kunna öka säkerheten i slutsatsen genom att upprepa varje mätning och redovisa medelvärden för mätningarna som resultat. Varje undersökning leder till fler frågor. I det här fallet skulle man kunna fråga om det finns en maxgräns för reaktionshastigheten vid någon koncentration av saltsyra – nås maxhastigheten först om vi använder ren koncentrerad saltsyra eller vid någon lägre koncentration?

En våg kalibreras med en standardvikt. Standardvikter har kända massor, till exempel 10,00 g. Om vågen visar exakt 10,00 g är vågen kalibrerad och klar att använda, om inte måste vågen justeras.

AVSNITT 6 –––––– Systematiska undersökningar

Olika typer av fel När du gör dina mätningar kommer du att upptäcka att resultaten inte är perfekta. Det kan till exempel bero på avläsningsfel eller att mätinstrumenten inte är korrekt kalibrerade.

SLUMPMÄSSIGA FEL Avläsningsfel kan göra att resultatet ibland blir för högt och ibland för lågt. Sådana fel kallas slumpmässiga. Slumpmässiga fel finns i alla undersökningar och påverkar mätvärden på ett oförutsägbart sätt. De visar sig genom att olika mätvärden skiljer sig när man upprepar en viss mätning. Ju fler gånger man upprepar en mätning, desto mer kontroll får man över de slumpmässiga felen. Några exempel på slumpmässiga fel kan vara att:

Slumpmässiga fel är fel som gör att mätvärden ibland blir för höga och ibland för låga.

p du råkade mäta fel på tiden p du råkade hälla i lite för mycket eller för lite i ett provrör p det råkade finnas en förorening i något provrör.

SYSTEMATISKA FEL Att ett instrument visar fel kan göra att ett visst mätvärde konsekvent blir för högt eller för lågt. Vi pratar då om systematiska fel. Ett systematiskt fel återkommer alltså på samma sätt varje gång man upprepar en mätning. Till skillnad från slumpmässiga fel, som varierar oförutsägbart, leder systematiska fel till att alla mätningar blir antingen för höga eller för låga. Ett exempel är en våg som alltid visar 0,5 g för mycket. Oavsett hur många gånger man upprepar vägningen kommer alla mätningar vara 0,5 g för höga. För att undvika systematiska fel kan man kalibrera vågen genom att kontrollväga mot en vikt man känner till massan på, en standardvikt. På samma sätt kan instrument som används för att mäta koncentrationer av något ämne i en lösning kalibreras med hjälp av standardlösningar med kända koncentrationer.

PRECISION OCH NOGGRANNHET För att beskriva mätvärdena om man upprepar en serie mätningar flera gånger används ofta begreppen riktighet, precision och noggrannhet.

Systematiska fel är fel som gör att samtliga mätvärden i en mätserie blir antingen för höga eller för låga.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

p Precision är hur samlade mätvärdena i en serie mätningar är. Ju fler slumpmässiga fel som finns, desto lägre precision. Även om det finns systematiska fel kan precisionen vara hög. p Noggrannhet är en kombination av precision och riktighet. En mätserie har hög noggrannhet om den är både precis (samlad) och riktig (nära det sanna värdet). Både slumpmässiga och systematiska fel minskar noggrannheten.

De fem pilarna motsvarar en mätserie med fem mätningar och piltavlans mittpunkt representerar det sanna värdet. Varje pil representerar en mätning. Vänster: hög precision och låg noggrannhet. Här finns få slumpmässiga fel men ett systematiskt fel. Mitten: låg precision och hög noggrannhet. Här finns många slumpmässiga fel men inget systematiskt fel. Höger: hög precision och hög noggrannhet. Här finns få slumpmässiga fel och inget systematiskt fel.

SAMMANFATTNING systematisk undersökning enligt *denEnvetenskapliga metoden innehåller

variabel är den storhet *somOberoende förändras i en systematisk under-

i en systematisk undersökning *kanData samlas in som observationer,

fråga, hypotes, metod, datainsamling och analys.

sökning.

mätningar eller simuleringar.

variabel är den storhet *somBeroende ska undersökas i en systematisk

Vid systematiska fel blir samtliga *mätvärden för höga eller för låga.

Undersökningsbara frågor måste gå att besvara genom att samla in och bearbeta data. En hypotes är ett påstående som *testas i en systematisk undersökning.

undersökning.

Kontrollvariabler är variabler som måste hållas konstanta för att inte påverka experimentet.

har hög noggrannhet *omEndenmätserie är både precis (samlad) och riktig (nära det sanna värdet).

AVSNITT 6 –––––– Systematiska undersökningar

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vilka är stegen i en systematisk undersökning enligt den vetenskapliga metoden?

1.6.1 Jämför de tre begreppen systematisk undersökning, experiment och laboration. Förklara hur de förhåller sig till varandra och vad som utmärker dem inom kemi.

2. Vad är en hypotes och vilken roll spelar hypotesen i en systematisk undersökning enligt den vetenskapliga metoden?

1.6.2 Analysera stegen i den vetenskapliga metoden. Förklara hur stegen hänger samman, från observation till slutsats, och varför ordningen är viktig för att säkerställa att undersökningen är objektiv och reproducerbar.

3. Vad är skillnaden mellan en laboration och en systematisk undersökning? 4. Vad är oberoende variabel?

1.6.3 Redogör för skillnaden mellan slumpmässiga och systematiska fel. Använd textens exempel med vågen för att förklara hur systematiska fel kan identifieras och åtgärdas och hur båda typerna av fel påverkar en mätserie.

5. Vad är kontrollvariabler? 6. Vad kallas den variabel som ska undersökas? 7. När används datorsimuleringar för datainsamling? 8. Vad är skillnaden mellan slumpmässiga och systematiska fel?

1.6.4 Analysera det presenterade exemplet på en systematisk undersökning om reaktionshastighet och saltsyra. Identifiera och beskriv den undersökningsbara frågan, hypotesen, den oberoende variabeln, den beroende variabeln samt minst två kontrollvariabler. Förklara hur resultatet i diagrammet stödjer slutsatsen.

9. Vad innebär begreppet precision i en mätserie? 10. Hur kan man öka kontrollen över slumpmässiga fel, det vill säga minska risken att slumpen påverkar resultatet för mycket?

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

FÖRDJUPNING

Statistisk analys

Inom kemi (och generellt inom naturve-

Medelvärdena verkar visa att

analysmetod, göras för att jämföra de

tenskap) används statistisk analys som

hypotesen är sann. Kan vi nu vara säkra

ett hjälpmedel för att visa att resultatet

på att hypotesen är sann? Nej, faktiskt

två medelvärdena. Vid analysen matas de fem paren

av en undersökning med hög sanno-

inte. Visserligen är medelvärden av

mätdata in och analyseras i kalkylpro-

likhet inte beror på slumpen.

mätvärden betydligt säkrare resultat än

grammet.

Tidigare i avsnittet samlade vi in

enskilda mätvärden, men fortfarande

Det man får ut av ett t-test är

data för hur snabbt 4,0 cm magnesi-

har vi ingen exakt information om hur

ett så kallat p-värde, där p står för

umband, Mg, reagerar fullständigt med

säkra vi kan vara på resultatet.

probability, sannolikhet. Om p-värdet

saltsyra, HCl, vid olika koncentrationer

är mindre än 0,05 sägs skillnaden Statistisk analys

mellan medelvärdena vara signifikant

Den informationen får vi med hjälp av

(ett annat ord för säkerställd). Ett

resonera för att med hjälp av statistik

statistisk analys som kan visa om vi har

p-värde som är mindre än 0,05 tolkas

kunna dra allt bättre slutsatser av en

ett säkert (signifikant) resultat eller ej.

som att det är mindre än 5 procents

undersökning och testa hypotesen:

Forskare använder statistiska ana-

risk att skillnaden mellan medelvär-

”magnesium och saltsyra reagerar

lysmetoder för att visa hur säkra slutsat-

snabbare vid saltsyrakoncentrationen

serna av undersökningar är. Matemati-

Ett t-test på mätvärdena från under-

3 mol/dm3 jämfört med 2 mol/dm3”.

ken bakom statistiska metoder är ofta

sökningen ovan ger p ≈ 0,000000049.

av saltsyra. Vi ska nu titta på hur en kemist kan

dena beror på slumpen.

komplicerad, men som tur är behöver

Eftersom 0,000000049 är mycket

Enstaka mätningar

man inte kunna göra de komplicerade

mindre än 0,05 är skillnaden mellan

I en första undersökning gör kemisten

beräkningarna för hand.

medelvärdena 26 sekunder respektive

endast två mätningar. I tabell 1 visas

I kalkylprogram, som Google

38 sekunder signifikant och slutsatsen

resultatet. Kan man utifrån dessa

Kalkylark eller Microsoft Excel, finns

blir att magnesium och saltsyra verkli-

båda mätpunkter dra slutsatsen att

inbyggda funktioner för statistiska

gen reagerar snabbare vid saltsyrakon-

reaktionshastigheten är högre vid

analysmetoder. I undersökningen

centrationen 3 mol/dm3 jämfört med

3 mol/dm3 jämfört med 2 mol/dm3 ?

ovan kan ett t-test, en mycket vanlig

2 mol/dm3.

Nej, resultatet kan bero på en mängd olika faktorer.

Mätvärden (enstaka mätningar) Upprepade mätningar

Mätvärden (upprepade mätningar)

37 s

2 mol/dm3

3 mol/dm3

24 s

37 s

24 s

38 s

26 s

39 s

25 s

2 mol/dm

För att testa hypotesen på ett bättre sätt gör kemisten ett experiment där varje mätning upprepas fem gånger. Resultaten visas i tabell 2. Kemisten beräknar därefter de två

medelvärdena, dels för de fem mät-

Medelvärden (upprepade mätningar)

ningarna vid 2 mol/dm3, dels för de fem

2 mol/dm3

38 s

27 s

3 mol/dm3

26 s

39 s

27 s

mätningarna vid 3 mol/dm3. Medelvärdena visas i tabell 3.

AVSNITT 6 –––––– Systematiska undersökningar

Tänk dig att en kemist gör ett experiment och mäter något, till exempel koncentration, temperatur eller massa. Kemisten kan upprepa mätningarna och använda statistisk analys för att säkerställa att resultatet är statistiskt signifikant. Ett statistiskt signifikant resultat betyder helt enkelt ”vi är nu så säkra vi kan bli på att detta inte bara hände av en slump”.

AVSNITT 7: Kemi i praktiken

Att arbeta i ett kemilaboratorium är både spännande och lärorikt, men innebär också ett stort ansvar. Kemikalier och utrustning kan orsaka skador om de inte hanteras rätt. Därför är det viktigt att du känner till säkerhetsreglerna och följer dem noga.

ORD OCH BEGREPP Dragskåp är ett ventilerat skåp som skyddar mot farliga ångor, gaser och partiklar. Farosymboler eller faropiktogram är symboler på kemikalieetiketter som anger en viss fara. Riskbedömning är när man identifierar faror, bedömer risker och planerar åtgärder för en säker laboration.

SIV-regeln säger att man vid spädning alltid ska hälla syra i vatten för att undvika stänk.

Skyddsglasögon är en viktig del av utrustningen i kemilaboratoriet.

Säkerhet i kemisalen Laborationer i skolsalen är tillfällen där du arbetar med ämnen och redskap som i vissa fall kan vara farliga. En olycka kan ske på ett ögonblick, men kan nästan alltid förhindras med rätt kunskap, uppmärksamhet och ett gott omdöme. Du har alltså ett eget ansvar att skydda inte bara dig själv, utan också alla andra i klassrummet! Innan laborationen börjar måste du ha rätt personlig utrustning. Skyddsglasögon ska alltid användas. Ögonen är känsliga – en enda droppe syra kan ge allvarliga skador. Om du har linser måste du vara extra försiktig eftersom det kan vara svårare att spola bort kemikalier från ögat när linsen är i vägen. En labbrock skyddar både dig och dina kläder från kemikalier. Tänk på att oskyddade armar och ben innebär högre risk för hudskada. Använd täckta skor och undvik sandaler eller liknande öppna skor. Handskar ska användas när du hanterar frätande eller farliga ämnen. Långt hår ska vara uppsatt. Du får inte ha lösa plagg eller löst hängande smycken eftersom de kan hamna i öppen låga eller i kemikalier. Om du får kemikalier på huden ska du genast skölja området med mycket vatten. Skölj med kallt eller ljummet vatten – undvik varmvatten.

Labbrocken skyddar dig och dina kläder från missfärgning och skadlig påverkan från kemiska ämnen.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Om du har fått syra eller bas i ögat ska du skölja med ögondusch i minst 15 minuter.

Det är mycket viktigt att veta hur du ska agera om det händer en olycka. Se till att du vet var nöd- och ögondusch finns och ta reda på hur de fungerar. Ögonduschen kontrolleras regelbundet så att den håller en temperatur på mellan 20 °C och 30 °C. Om du har fått syra eller bas i ögat ska du skölja med ögondusch i minst 15 minuter. Ta reda på var brandsläckare, brandfilt och förbandslåda finns. Du ska också veta var närmaste utgång finns om du snabbt behöver lämna lokalen.

Instruktioner är till för att följas Det är mycket viktigt att följa de instruktioner som läraren har gett, både skriftliga och muntliga. Det är givetvis viktigt att komma i tid till alla lektioner, men det är absolut nödvändigt att komma i tid till kemilaborationer. Det beror på att läraren ofta informerar om eventuella säkerhetsrisker i början av laborationen. Om du inte får den informationen blir du själv en säkerhetsrisk för dig själv och andra. Under en laboration kan många moment gå fel. Du måste därför veta vad du ska göra om det händer en olycka. Läraren är ansvarig för att göra en riskbedömning för att identifiera och bedöma riskerna med en laboration och för att vidta åtgärder för att minimera riskerna. Läraren ska också ge tydliga instruktioner kring hur laborationen ska genomföras på ett säkert sätt och kunna ingripa om något händer.

AVSNITT 7 –––––– Kemi i praktiken

Du får alltså inte hitta på egna ”experiment” under en laboration och har ett eget ansvar att förstå vilka risker som finns vid laborationen innan du börjar arbeta.

Riskbedömning En riskbedömning är en analys där man tar reda på eventuella faror, risker och åtgärder i samband med en aktivitet, till exempel en laboration. Syftet är att känna igen faror och risker och kunna hantera dessa på rätt sätt innan man börjar laborera. p En fara är något som kan orsaka skada. p En risk är sannolikheten att en fara ska skada hälsa eller miljö. Faror kan vara: p kemiska (kemikalier och kemiska reaktioner) p fysiska (brand, skärsår med mera) p säkerhetsfaror (hantering av gasbrännare, glasutrusning, kokande vätska med mera).

Bunsenbrännare innebär både fysisk fara och säkerhetsfara.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

RISKBEDÖMNING I FYRA STEG 1. Identifiera farorna. Farosymboler finns på kemikaliernas etiketter och i säkerhetsdatablad. Identifiera även faror som har med utrustning och genomförande att göra. 2. Bedöm risken för varje fara. Hur troligt är det att en olycka sker? Vad skulle hända om något går fel? 3. Bestäm försiktighetsåtgärder för att minska varje risk, exempelvis: användning av skyddsutrustning, som labbrock, skyddsglasögon och handskar, försiktig hantering av kemikalier, att följa instruktionerna noggrant, att se till att det finns tillgång till ögondusch, nöddusch och brandsläckare i närheten. 4. Dokumentera riskbedömningen skriftligt: alla identifierade faror, risknivån för varje fara, situationer där risker måste kontrolleras eller minskas, försiktighetsåtgärder som bör vidtas, utrustning som ska finnas för att hantera spill eller olycka och handlingsplan vid olycka.

EXEMPEL: REAKTIONEN MELLAN SALTSYRA OCH MAGNESIUM I avsnittet om systematiska undersökningar exemplifierade vi med ett experiment där magnesium, Mg(s), fick reagera med saltsyra, HCl(aq), till magnesiumklorid, MgCl2(aq), och vätgas, H2(g), enligt: Mg(s) + 2HCl(aq) ⟶ MgCl 2(aq) + H2 (g)

Vi använder detta experiment för att gå igenom de fyra stegen i en riskbedömning. 1. Identifiera farorna. Saltsyra, HCl, är frätande. Koncentrerad saltsyra kan avge irriterande ångor och innebär stänkrisk vid spädning. Spill innebär risk för frätskada. Vätgas är mycket brandfarlig och bildar en explosiv blandning i luft. Magnesiumband kan ha vassa kanter (skärskada). 2. Bedöm risken för varje fara. Sannolikheten för spill eller stänk av saltsyra kan bedömas som medelhög. Det

AVSNITT 7 –––––– Kemi i praktiken

innebär medelhög risk för skada. Sannolikheten att den bildade vätgasen antänds bedöms som låg, men om det skulle hända kan det få stora konsekvenser. Därför kan risken bedömas som medelhög. Sannolikheten att skära sig på magnesiumband kan bedömas som mycket låg och skadan liten. Därför kan risken bedömas som mycket låg. Sannolikheten för inandning av HCl-ångor kan bedömas som mycket låg (om läraren har spätt syran i förväg) i fungerande dragskåp. Därför kan risken bedömas som mycket låg. 3. Bestäm försiktighetsåtgärder. Använd skyddsglasögon, långa byxor, täckta skor och skyddshandskar (som byts vid stänk av saltsyra). Arbeta i dragskåp. Ha brandfilt, koldioxidsläckare, ögondusch och nöddusch åtkomliga. Vid stänk på hud eller kläder: skölj omedelbart med vatten minst 15 minuter. Ta av förorenade kläder. Sök vård vid kvarstående sveda. Vid stänk i ögon: ögondusch 15–20 minuter, håll ögonlock isär. Omedelbar medicinsk bedömning. För att undvika risker kopplade till hantering av koncentrerad saltsyra kan läraren späda syran. Sammanfattningsvis innebär reaktionen mellan magnesium och saltsyra låg till medelhög risk. Man måste dock utgå från skolans förutsättningar, till exempel vad gäller tillgång till effektiva dragskåp och övrig säkerhetsutrustning.

saltsyra Saltsyra, HCl, reagerar med magnesium, Mg.

bubblor med vätgas magnesiumband

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Att arbeta i laboratoriet Arbeta alltid lugnt och metodiskt i laborationssalen.

PRAKTISKT ARBETE I LABORATORIET På din arbetsbänk ska du bara ha saker som behövs för att göra laborationen. Till dessa räknas anteckningsmaterial, men tänk på att datorer, plattor och mobiler är känsliga för vätskor och gaser, särskilt oxiderande eller brandfarliga kemikalier. Sitt inte på bänken. Man vet aldrig vad som kan finnas kvar på bänken från tidigare laborationer (det är onödigt att förstöra sina kläder). Stå upp och jobba hellre än att sitta eftersom risken då blir mindre att spill på bänken rinner ner i knät. Bär alltid saker med båda händerna – det är bättre att gå två gånger än att tappa något på golvet. Placera föremål mitt på bänken, så långt från kanten som möjligt, och se till att de inte kan välta. Stoppa aldrig något i munnen. Eftersom du hanterar kemikalier i laborationssalen ska du aldrig äta eller dricka där. Det gäller även vatten. Om du behöver lämna lokalen tar du av dig labbrock eller förkläde för att inte sprida kemikalier utanför salen. Om du skulle råka spilla en vätska ska denna omedelbart torkas utan att du får vätskan på huden. Fråga läraren vad du ska göra med papperet. Läraren berättar vad du ska göra med avfallet när laborationen är färdig. Vanligtvis finns det särskilda behållare för tungmetaller och organiska lösningsmedel. Häll inget i vasken om du inte fått klartecken för det. Diska allt glasmaterial och torka det som går att torka med papper. Torka även av arbetsplatsen. Glöm inte att tvätta händerna noggrant efter laborationen.

ARBETE MED SYROR OCH BASER SIV-regeln Vid spädning ska alltid syran hällas i vattnet – aldrig tvärtom. Om vatten hälls i koncentrerad syra kan en häftig reaktion uppstå där värme snabbt frigörs.

Var extra noggrann vid arbete med syror och baser. En mycket viktig regel som alltid måste följas vid spädning av syror är SIV-regeln – Syra I Vatten. Gör precis som den säger – häll syran i vattnet och aldrig tvärtom – resultatet kan bli kraftig värmeutveckling och syrastänk. Tänk också på att inte bara syror utan även baser, till exempel natriumhydroxid, NaOH, är frätande och ska hanteras på liknande sätt som syror. Om du får en bas på huden känns det lite glatt och tvåligt. Skölj då genast med mycket vatten tills den tvåliga känslan har försvunnit.

AVSNITT 7 –––––– Kemi i praktiken

Farosymboler Farosymboler används för att snabbt

när du ska utföra det laborativa arbetet,

att man ska använda skyddsglasögon

kommunicera risker med kemikalier.

och särskilt när du ska hämta och

och handskar. Symbolen för brandfara

Farosymboler är utformade som en

använda kemikalier. Läs alltid etiketten

betyder att ämnen inte ska hanteras

kvadrat med en röd ram ställd på spets,

noga!

nära öppen låga eller föremål som

med en svart symbol mot vit bakgrund.

Nio farosymboler är särskilt viktiga.

bildar gnistor.

Det är viktigt att uppmärksamma dem

Symbolen för frätande ämnen innebär

Skadligt. Används på ämnen som kan

Hälsofarligt. Används på ämnen som

Giftigt. Används på ämnen som kan orsaka

orsaka irritation på hud eller i luftvägarna

kan vara cancerogena, orsaka skador på

dödsfall vid förtäring eller inandning.

eller kan ge allergiska reaktioner.

kroppens organ eller utlösa astmaanfall.

Miljöfarligt. Används på ämnen som

Oxiderande. Används på ämnen som

Brandfarligt. Används på ämnen som kan

är mycket giftiga för vattenlevande

verkar oxiderande och därmed kan orsaka

brinna mycket häftigt om de utsätts för

organismer eller har skadliga långtidsef-

eller intensifiera brand.

värme eller gnista.

Explosivt. Används på ämnen som kan ex-

Frätande. Används på ämnen som kan ge

Gas under tryck. Används på gasflaskor

plodera om de utsätts för värme eller stötar.

frätskador på metaller, hud och ögon.

som kan explodera om de utsätts för

fekter på vattenlevande organismer.

värme.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

I dragskåpet finns en fläkt som hindrar skadliga ämnen från att spridas i rummet.

Utrustning i kemisalen I laboratoriet finns en stor mängd utrustning som måste användas på rätt sätt.

DRAGSKÅPET En av dessa är dragskåpet, en viktig säkerhetsanordning för att skydda användaren mot farliga ångor, gaser och partiklar. Dragskåpet är försett med en fläkt som skapar ett luftflöde inåt och uppåt, vilket hindrar skadliga ämnen från att spridas i rummet. Luften i skåpet sugs upp genom ett ventilationssystem och renas eller leds bort via utsug. Dragskåp ska användas när man arbetar med flyktiga, giftiga eller starkt luktande kemikalier som koncentrerade syror, ammoniak och organiska lösningsmedel. Det ska också användas vid reaktioner som kan ge gasutveckling eller orsaka stänk. För att dragskåpet ska fungera effektivt bör man arbeta med sänkt skyddsglas och så liten öppning som möjligt. Undvik också att röra dig hastigt framför skåpet. På så vis säkerställs att luftflödet hålls stabilt och att farliga ämnen inte läcker ut i klassrummet.

AVSNITT 7 –––––– Kemi i praktiken

UTRUSTNING Det är svårt att lära sig vad all utrustning heter på en gång. Viss utrustning är bra att känna till från början. Nedan visas vanliga redskap. Namnet på annan utrustning lär du dig i takt med att den används i samband med laborationer.

degel med lock

pistill och mortel

tratt

kristallisationsskål

dropprör

degeltång

10 500 0

400 10 30

300 20 40

200

30 50

100

mätpipett

rundkolv

vollpipett

mätkolv

autopipett

mätglas

byrett

destilleringskolv

sättkolv

urglas

provrör och provrörshållare

peleusboll

peleusboll på en vollpipett

klämmare

E-kolv

sugkolv

bägare

trefot med trådnät

büchnertratt

stativ

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

Kontrollera alltid att provrör och bägare är hela innan du använder dem. Sprickor i glas kan leda till att det går sönder och att innehållet rinner ut. Trasigt glas kan också leda till skärskador. Glas leder värme ganska dåligt, men varm vätska kan ge brännskador om man tar i glasbehållaren under vätskenivån.

KEMIKALIER Kemikalier ska alltid förvaras säkert i tydligt märkta behållare i ventilerade kemikalieskåp som är anpassade efter kemikaliernas risker. Frätande vätskor, som syror och baser, kräver extra försiktighet. Lösningar bör förvaras svalt, mörkt och åtskilt från andra ämnen. Reaktionsbenägna ämnen som natrium och peroxider ska skyddas mot fukt, luft och ljus. Ofta behöver lösningar förvaras i tättslutande kärl och vissa kemikalier, till exempel alkalimetaller i ren form, är extremt känsliga för kontakt med luft. För att minska risken för att reaktioner ska ske i behållaren förvaras sådana ämnen i icke-reaktiva vätskor, till exempel paraffin.

SAMMANFATTNING ska du alltid *bäraI laborationssalen personlig skyddsutrustning som labbrock, skyddsglasögon och täckta skor.

Du ska veta var nöd- och ögondusch, brandsläckare och nödutgång finns.

Följ alltid lärarens skriftliga och muntliga instruktioner.

SIV-regeln, att alltid hälla syror i *vatten, ska följas vid spädning av syror.

hand om avfall, diska utrustning *ochTatvätta händerna noggrant efter laborationen.

Använd ett dragskåp för att hantera flyktiga, giftiga eller starkt luktande kemikalier. Farosymboler och kemikalie*etiketter är viktiga för att snabbt bedöma risker.

eller drick aldrig i kemisalen och ta *inteÄti ögonen eller munnen.

AVSNITT 7 –––––– Kemi i praktiken

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Varför är det viktigt att alltid använda skyddsglasögon i kemisalen?

1.7.1 Sammanfatta de viktigaste säkerhetsreglerna för skyddsutrustning och hur man agerar i ett kemilaboratorium.

2. Varför är det extra viktigt att använda skyddsglasögon om man har linser?

1.7.2 3. Vad ska man göra om man får syra i ögonen?

På en kemikalieförpackning finns dessa två farosymboler. Vad betyder farosymbolerna och vad bör du tänka på när du hanterar kemikalien?

4. Vad ska man göra om man får kemikalier på huden? 5. Vad är syftet med en riskbedömning inför en aktivitet, till exempel en laboration? 6. Vad används en peleusboll till? 7. Varför ska man aldrig äta eller dricka i laboratoriet? 8. Vad står bokstäverna ”SIV” i SIV-regeln för?

1.7.3 Redogör för SIV-regeln och varför det är avgörande att följa den när man späder syror.

9. Vad är syftet med ett dragskåp? 10. Vilka är de nio viktigaste farosymbolerna?

1.7.4 Hur påverkar användningen av farosymboler säkerheten i ett kemilaboratorium? Förklara varför dessa symboler är en kritisk del av ansvarsfullt kemiarbete. 1.7.5 Beskriv hur ett dragskåp fungerar och redogör för när och varför det är viktigt att använda det i ett kemilaboratorium. Ge exempel på kemikalier som kräver användning av dragskåp.

KAPITEL 1 –––––– KEMINS METODER OCH ARBETSSÄTT

LABORATION

Lågfärger INTRODUKTION

REDOVISNING

Om metallsalt placeras i en låga ger

Besvara följande frågor och lämna in till din lärare:

vissa metallsalter olika lågfärger. Det är metalljonen i saltet som ger lågfärgen. Enligt Bohrs atommodell kan en elektron för en kort stund ”hoppa” från sin vanliga, stabila bana till en yttre, mer energirik bana om den tillförs energi. När elektronen faller tillbaka till den inre banan frigörs energin som ljus. Färgen på det ljus som sänds ut

1. Förklara med hjälp av Bohrs atommodell varför olika metalljoner får olika lågfärger. 2. Vilken lågfärg hade det okända saltet? Vilken metalljon innehöll saltet? 3. Kan du vara säker på att saltet innehöll den metalljon som du föreslår? Varför/varför inte? 4. Föreslå ett eller flera experiment som kan hjälpa dig att säkerställa vilken jon det handlar om.

bestäms av mängden energi som frigörs när elektronen faller tillbaka. En stor energiskillnad resulterar i blå eller violetta färger, medan en mindre energiskillnad ger röda eller orange färger.

MATERIEL ǖ Fasta salter av bariumklorid, BaCl2, cesiumklorid, CsCl, kalciumklorid, CaCl2, kaliumklorid, KCl, kopparklorid, CuCl2, litiumklorid, LiCl, natriumklorid, NaCl, och strontiumklorid, SrCl2. ǖ Sked av rostfritt stål. ǖ Bunsenbrännare. ǖ Tändstickor.

UTFÖRANDE 1. Tänd brännaren. 2. Plocka med hjälp av skeden upp några korn av det första saltet. 3. För in skeden i lågan och notera vilken färg den får. 4. Skölj av skeden och torka den noga. 5. Upprepa steg 2–4 med alla de kända salterna. 6. Undersök till sist också det okända saltet och notera vilken lågfärg det har.

KORTFATTAD RISKBEDÖMNING Laborationen är måttligt riskfylld. Ge akt på farosymbolerna på de olika ämnena. Bariumjonerna är giftiga och kopparjonerna är miljöfarliga. De får därför inte hällas ut i avloppet utan måste samlas upp i särskilda kärl. Eftersom laborationen sker med öppen låga måste man ha koll på var brandskyddsutrustningen finns och hur den ska användas.

AVSNITT 7 –––––– Kemi i praktiken

LABORATION

När en fyrverkeripjäs exploderar frigörs en stor mängd värmeenergi. En del av energin absorberas av de metallsalter som blandats i fyrverkeripjäsen, där olika metallsalter ger olika färger.

KAPITEL 2:

Materian och det periodiska systemet

Antoine Laurent de Lavoisier (1743–1794) var en fransk naturforskare som är känd som den moderna kemins fader. Han myntade namnet syre och visade att vatten är en förening av syre och väte. Genom att införa kvantitativa metoder förändrade han kemin till en rationell och kvantitativ vetenskap.

AVSNITT 1: Materia och dess egenskaper

Materia finns överallt omkring oss. Men vad är materia egentligen? Finns det olika typer av materia och kan materia förändras på något vis? Här ska vi titta närmare på materians egenskaper och dess olika former.

ORD OCH BEGREPP Fas eller aggregationstillstånd är ett av de fyra tillstånd (fast, flytande, gas och plasma) som ett ämne kan befinna sig i. Fasövergång är en fysikalisk omvandling där ett ämne övergår från en fas till en annan, till exempel från fast till flytande fas. Ämnets kemiska sammansättning förändras inte. Grundämne är ett ämne som består av atomer som alla har samma antal protoner i atomkärnan.

Heterogen blandning är en blandning där man kan se olika beståndsdelar.

Kemisk reaktion eller reaktion är när ett kemiskt ämne omvandlas till ett annat kemiskt ämne.

Homogen blandning eller lösning är en blandning där man inte kan se olika beståndsdelar.

Molekylförening är en kemisk förening som består av molekyler.

Jonförening eller salt är en kemisk förening som är uppbyggd av joner. Kemisk förening eller förening är ett ämne som består av minst två sorters atomer.

Reaktionsformel är en beskrivning av det som händer i en kemisk reaktion. Värme är detsamma som värmeenergi.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Allt på bilden är materia – de frostvita träden, den klara luften, isen och vattnet. När solen värmer på smälter isen och övergår till vatten. Is och vatten är ett och samma ämne men befinner sig i olika faser.

Materia Kemi handlar om materia och hur materia omvandlas. Redan den grekiske filosofen Thales konstaterade omkring 600 år f.Kr. att vatten kan byta form på olika sätt. Han såg att vatten kunde frysa till is och att is kunde smälta till flytande vatten. Han såg också att vatten i en kittel kan kokas och bilda ånga och att vattenångan åter bildar vattendroppar när den kyls av. Thales insåg att trots att vattnet omvandlades fortsatte det att vara samma ämne. Eftersom vatten kan omvandlas på så många sätt tänkte sig Thales att vatten var det ”urämne” ur vilket alla andra ämnen kunde framställas. Även om Thales hade fel i sin tanke om materia var han bland de första som försökte förklara verkligheten utifrån naturliga principer. I dag säger vi att materia är något som har en massa, det vill säga kan vägas.

MATERIA KAN BLANDAS Ämnen kan blandas med varandra utan att deras individuella egenskaper förändras, till exempel järn och svavel. Järnpulver består av bara ett enda slags atomer, järnatomer. Den kemiska symbolen för järn är Fe.

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

Två av järnpulvrets egenskaper är att det är grått och magnetiskt. Även svavelpulver består av endast ett slags atomer, svavelatomer. Svavel är gult till färgen, flyter i vatten och är omagnetiskt. Den kemiska symbolen för svavel är S. Om vi blandar järnpulver med svavelpulver i ett provrör blir resultatet en grågul blandning. Järnet är fortfarande magnetiskt och om vi fyller på vatten i provröret kommer svavlet att flyta upp till ytan. Järn och svavel i blandningen har alltså samma egenskaper som de hade innan de blandades. I blandningen har inte ämnena omvandlats, de finns bara nära varandra i en grågul blandning.

Järn, Fe, och svavel, S, behåller sina egenskaper även i en blandning (överst i bilden). Till exempel är järn fortfarande

MATERIA KAN OMVANDLAS

magnetiskt i blandningen medan svavel

Inom kemin är fasövergångar och kemiska reaktioner de viktiga omvandlingarna av materia. I en fasövergång förändras ämnets fysiska form, men ämnet är detsamma före och efter fasövergången. I en kemisk reaktion däremot hamnar ämnets atomer i nya kombinationer efter att reaktionen har skett. Atomerna är desamma före och efter fasövergångar och kemiska reaktioner, men i en kemisk reaktion kombineras alltså atomerna till andra ämnen.

Fasövergångar Fasövergångar är fysikaliska omvandlingar, vilket innebär att ämnets kemiska sammansättning inte förändras. Här ska vi titta närmare på fasövergångar med vatten.

FAST, FLYTANDE OCH GAS När ett ämne går från fast till flytande form och vidare till gasform sker det på grund av att energi hela tiden tillförs. Energin bryter bindningar mellan molekyler eller joner. Om du tar ut en isbit ur frysen och lägger isbiten på en tallrik ser du hur isbiten först smälter och så småningom avdunstar helt och hållet. Det fasta vattnet (isen) omvandlas till flytande vatten och därefter till gas (ånga). Vatten består av två sorters atomer, väte, H, och syre, O. Den kemiska formeln är H2O. Därför kan vi skriva omvandlingen: H2O (fast) + värme → H2O (vätska) + värme → H2O (gas)

är omagnetiskt.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Beteckningen (aq) Om ett ämne är löst i vatten skriver man (aq) (av latinets aqua = vatten). Beteckningen (aq) gäller alltså inte ett aggregationstillstånd. Till exempel betyder NaCl(aq) att koksalt är löst i vatten.

Det behövs värme för att de två fasövergångarna ska ske. I exemplet med en isbit på en tallrik är det värmen i rummet som gör att fasövergångarna sker. Observera att även om vi använder en formel för att beskriva omvandlingen så är detta en fysikalisk omvandling – inte en kemisk reaktion. Inga atomer har kombinerats på något nytt sätt. Alla atomer håller sig på sina ursprungliga platser i vattenmolekyler, H2O. I kemiska formler skriver man ofta aggregationstillståndet inom parentes efter ämnena. Aggregationstillstånden betecknas (s) för fast form (av latinets solidus), (l) för flytande form (av latinets liquidus) och (g) för gasform. Med beteckningarna (s), (l) och (g) kan vi skriva formeln som: H2O(s) + värme → H2O(l) + värme → H2O(g) Lägg märke till att parenteserna skrivs direkt efter ämnets formel.

Apor (japansk makak) badar i en het källa. Deras badvatten är flytande, H2O(l). Det flytande vattnet förångas och stiger upp i gasform, H2O(g). Gasformigt vatten syns inte men det kondenserar i den kalla luften till små svävande vattendroppar, H2O(l). De svävande vattendropparna syns som dimma. På klipporna finns snö och is, vatten i fast form, H2O(s).

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

EXEMPEL: TEMPERATUR OCH FASER NÄR IS VÄRMS 200

temperatur (°C)

F 150 H2O(g)

100

H2O(l)

H2O(l) → H2O(g)

H2O(s) → H2O(l) 25

tid (min) 100

H2O(s) –50 A Is värms med jämn tillförsel av värme.

Tänk dig att du tar ut is från en väldigt kall frysbox. Isens temperatur är –50 °C. Du lägger isen i en kastrull och värmer den med konstant uppvärmning under 100 minuter. Om du skulle mäta temperaturen i kastrullen vid olika tidpunkter skulle förloppet kunna se ut som i diagrammet ovan. Diagrammet är ett fasdiagram som visar vattnets temperatur och dess olika faser, som sker i följande ordning: 1. Vid A är temperaturen långt under 0 °C och vattnet är fruset till is, H2O(s). 2. Mellan A och B värms isen upp. 3. Vid B är temperaturen 0 °C, vilket är smältpunkten för vatten. 4. Mellan B och C smälter isen och förekommer i både fast form, H2O(s), och flytande form, H2O(l). Den tillförda

värmen går först till att smälta isen, därefter till att värma vattnet. Temperaturen stiger inte förrän all is har smält. 5. Vid C har all is smält till vatten. 6. Mellan C och D värms det flytande vattnet. 7. Vid D når vattnets temperatur 100 °C, kokpunkten för vatten. 8. Mellan D och E förångas vattnet och vi har både flytande form, H2O(l), och gasform, H2O(g). Den tillförda värmen går till att förånga vattnet och temperaturen stiger inte ytterligare förrän allt vatten har övergått till gasform. 9. Mellan E och F värms det gasformiga vattnet upp. Gasformigt vatten kallas också vattenånga.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Fasövergångarnas namn Vi räknar oftast med tre aggregationstillstånd eller faser: fast, flytande och gas eftersom de är de vanligaste faserna på jorden. Det finns också en fjärde fas, plasma. Här ska vi titta närmare på fasövergångarna mellan olika faser.

SMÄLTNING, FÖRÅNGNING, KONDENSATION OCH STELNING Förångning på tre sätt Ett ämne kan övergå från flytande till gasform på tre sätt, genom att ämnet p blir så varmt att det börjar koka p avdunstar från ett öppet kärl, till exempel ett glas p går direkt från fast form till gas.

Fasövergången från fast till flytande form kallas smältning. Förångning är när ett ämne går från flytande till gasform. När ett ämne går från gasform till flytande form, kallas fasövergången kondensation och när ämnet övergår från flytande till fast form kallas fasövergången stelning eller frysning. När ett flytande ämne förångas genom kokning sker förångningen i hela volymen med vätska. Ett exempel är när vatten kokar i en kastrull och gasbubblor bildas överallt inne i det flytande vattnet. Denna typ av förångning sker vid en bestämd temperatur, ämnets kokpunkt. När ett ämne förångas genom avdunstning sker förångningen endast från ämnets yta. Avdunstning sker vid alla temperaturer men fortare ju högre temperaturen är.

JONISATION OCH DEJONISATION

I blixtar finns plasma.

Om tillräckligt mycket energi tillförs kan elektroner brytas loss från atomer eller molekyler. Materian övergår då till ett plasmatillstånd, en gas av fria elektroner och atomkärnor. Så är det till exempel i solen och de andra stjärnorna som till största delen består av väte, H, i plasmaform. I rymden är alltså plasma vanligt. På jorden förekommer plasma naturligt i blixtar. Plasma finns också i vissa tekniska apparater, till exempel lysrör och plasmaskärmar. När ett ämne går från gasform till plasma kallas det jonisation. Det omvända, när ämnet går tillbaka till gasform från plasma, kallas dejonisation.

FRÅN FAST FORM DIREKT TILL GASFORM Vissa ämnen, till exempel koldioxid, CO2, går direkt från fast form till gasform utan att först smälta. Denna fysikaliska omvandling kan skrivas CO2(s) + värme → CO2(g)

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

Eftersom koldioxiden inte smälter och bildar vätska är fast koldioxid väldigt torr. Därför kallas den också torris. När koldioxiden går från fast form direkt till gasform kallas det sublimation (eller sublimering). När det omvända sker, det vill säga när ett ämne går direkt från gasform till fast form, kallas det deposition, kondensation, desublimation eller sublimation. Tyvärr förekommer alltså många ord för fasövergången direkt från gas till fast form. För att det ska bli tydligt vad man menar är det enklaste att skriva formeln, till exempel

form.

om man menar koldioxidens fasövergång direkt från gas till fast form. Förutom koldioxid kan även vatten omvandlas direkt mellan gas och fast form, till exempel när vattenånga (vatten i gasform) övergår direkt till is.

jonisation gas

plasma

ko nd en sa tio n

g nin ng n rå fö tio sa en nd ko

(til l fa su bli st m fo ati rm on )

dejonisation

stelning (frysning) fast

smältning

För att skapa rök och dimma på en konsert används torris, koldioxid i fast

CO2(g) → CO2(s) + värme

flytande

Fasövergången från gas direkt till fast form kallas både kondensation och (ibland) sublimation. För att vara tydlig är det bra att säga eller skriva till exempel ”vattenångan kondenserade till is” eller ”vattenångan sublimerade till is”.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Järnpulver, Fe(s), (vänster i bilden) och svavelpulver, S(s), (mitten) kan omvandlas till järnsulfid, FeS(s), (höger) genom en kemisk reaktion. Järnsulfid har andra kemiska egenskaper än både järn och svavel.

Vid kemiska reaktioner skapas nya ämnen Atomer och energi i kemiska reaktioner p Det finns lika många atomer av varje slag till vänster och höger om reaktionspilen, det vill säga före och efter reaktionen. p Det finns lika mycket energi till vänster och höger om reaktionspilen. p Det finns lika mycket massa till vänster och höger om reaktionspilen. Vi kan också uttrycka det så här: p I kemiska reaktioner försvinner eller tillkommer inga atomer. p Energin i ett system är konstant (energiprincipen). p I kemiska reaktioner sker ingen omvandling mellan energi och massa.

Vi har sett att ett och samma ämne byter fas vid fasövergångar men förblir samma ämne hela tiden. Vid kemiska reaktioner omvandlas däremot ämnen till andra ämnen. Vid en kemisk reaktion har de bildade ämnena i reaktionen egenskaper som skiljer sig från de ursprungliga ämnena. Man kan få järn, Fe, och svavel, S, att reagera med varandra genom att värma en blandning av de två ämnena. Man kan se att det sker en reaktion eftersom blandningen börjar lysa och spraka även efter att man har slutat att värma blandningen. När reaktionen är klar har det bildats ett nytt, gråvitt ämne. Järnet kan inte längre separeras från svavlet med enkla metoder, som att få svavlet att flyta eller att använda en magnet för att dra till sig järn. Det beror på att järnet och svavlet nu har bildat en kemisk förening, järnsulfid med formeln FeS. Vi kan skriva en reaktionsformel för denna reaktion: Fe(s) + S(s) → FeS(s) + energi Det finns lika många Fe (en) till vänster och höger om reaktionspilen. Ingen Fe har försvunnit eller tillkommit. Detsamma gäller S. Visserligen behövs energi (värme) för att sätta igång reaktionen, men när järn och svavel reagerar till järnsulfid frigörs mycket energi i form av värme och ljus. Därför skriver vi energi till höger om reaktionspilen. Fe och S innehåller tillsammans mer energi än FeS. Eftersom energi varken kan bildas eller förstöras frigörs energi när Fe och S kombineras till FeS.

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

Fasövergångar och kemiska reaktioner Materia kan förändras som fasöver-

Vatten smälter

Väte och syre reagerar

gångar och som kemiska reaktioner.

För att vatten ska smälta måste energi

Väte, H2(g), och syre, O2(g), innehåller

tillföras.

totalt mer energi än vatten, H2O(l).

Vid fasövergångar och kemiska reaktioner bevaras både mängden energi och materian i form av atomer.

H2O(s) + energi → H2O(l)

Därför blir det energi ”över” i reaktionen: 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + energi

Energi går inte att förstöra eller

Flytande vatten innehåller mer energi

nybilda. Atomerna är desamma före och

än vatten i fast form (is). Lika mycket

Lika många atomer finns totalt till

efter både fasövergångar och kemiska

energi finns totalt till vänster och till

vänster och till höger om pilen.

reaktioner, men i en kemisk reaktion

höger om pilen.

Eftersom det är en kemisk reaktion har

bildar atomerna nya kombinationer.

Lika många atomer finns totalt till

atomer kombinerats på ett nytt sätt,

Vi ska titta på två exempel där

vänster och totalt till höger om pilen.

materia förändras med H2O(l) som

Eftersom det är en fasövergång har

som vattenmolekyler, H2O.

slutresultat – en fasövergång och en

inga atomer flyttats till någon ny kombi-

atomer finns före och efter både fas

kemisk reaktion.

nation.

övergång och kemisk reaktion.

Lägg märke till att precis samma

Fasövergångar är fysikaliska förändringar. När isen smälter sker fasövergången H2O(s) + energi → H2O(l).

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Klassificering av materia Materia kan klassificeras (sorteras och delas in) på olika sätt beroende på vad som är viktigt i sammanhanget.

materia

blandning

homogen blandning (lösning)

rent ämne

heterogen blandning

kemisk förening

jonförening

molekylärt ämne

grundämne

metall

halvmetall

icke-metall

Klassificering av materia. All sorts materia är antingen ett rent ämne eller en blandning av rena ämnen. Blandningar kan vara homogena (lösningar) eller heterogena. Rena ämnen är antingen kemiska föreningar eller grundämnen. Kemiska föreningar kan vara jonföreningar eller molekylära ämnen. Grundämnen kan delas in i metaller, halvmetaller och icke-metaller.

RENA ÄMNEN OCH BLANDNINGAR Vi har redan talat om materia som är blandningar av olika ämnen och materia som är rena ämnen. Rena ämnen kan i sin tur vara grundämnen (som bara består av ett enda slags atomer) eller kemiska föreningar (som består av minst två sorters atomer).

GRUNDÄMNEN OCH KEMISKA FÖRENINGAR Ett rent ämne kan vara ett grundämne, antingen en metall (som järn) eller en icke-metall (som svavel). Det finns också en grupp ämnen som har några, men inte alla, egenskaper som kännetecknar metaller.

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

Sådana grundämnen kallas halvmetaller. Kisel, Si, är ett exempel på en halvmetall. Rena ämnen kan också vara kemiska föreningar. En typ av kemisk förening är jonföreningar (salter), exempelvis vanligt koksalt, NaCl. En annan typ är molekylföreningar, till exempel vatten, H2O.

HOMOGENA BLANDNINGAR En homogen blandning (av grekiskans homo = samma och gen = skapad) ser exakt likadan ut i hela blandningen. En homogen blandning kallas även lösning. I en lösning är ett ämne löst i ett lösningsmedel, det ämne som det finns mest av i lösningen. Ett exempel på lösning är en vattenlösning av koksalt som betecknas NaCl(aq). Lösningar kan vara flytande, fasta eller i gasform. Ett vardagligt exempel på en flytande lösning är jordgubbssaft, men i kemin kommer du att träffa på många andra lösningar. Luften omkring oss är ett exempel på en lösning i gasform. Jordens atmosfär är en lösning av kvävgas, N2 (g), syrgas, O2 (g), koldioxid, CO2 (g), vattenånga, H2O (g), och en rad andra gaser.

Jordgubbssaft är en homogen blandning medan jordgubbssylt är en heterogen blandning.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Grytor av rostfritt stål.

Fasta lösningar kallas legeringar. I en legering har man blandat minst en metall med ett eller flera andra ämnen för att få fram särskilda egenskaper. Stål är en legering av järn, Fe, och kol, C. En annan legering är brons. Brons är en blandning av koppar, Cu, och tenn, Sn. Koppar är en ganska mjuk metall och kan inte användas för att tillverka hårda och vassa föremål. Under bronsåldern började man blanda tenn i kopparn och fick en legering som var betydligt hårdare än ren koppar. Brons kunde smidas och på så sätt slipas till vassa föremål, som spjutspetsar och svärd.

HETEROGENA BLANDNINGAR En heterogen blandning (av grekiskans hetero = olika) skiljer sig från en homogen blandning på så vis att det går att se olika ämnen i blandningen. Skolans minestronesoppa, som innehåller både buljong och pastabitar, är ett exempel på en heterogen blandning. Heterogena blandningar kan också vara fasta. I granit, en typ av bergart som är vanlig i Sverige, kan man se korn av olika mineraler. Granit är alltså en heterogen blandning. Rök består av fasta partiklar som följer med varma luftströmmar (från till exempel en eld) uppåt. Rök är en heterogen gasblandning.

Den grå graniten är en fast, heterogen blandning och består av bland annat vit kvarts, röd fältspat och svart biotit.

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

EXEMPEL: RENA ÄMNEN OCH BLANDNINGAR Järn, Fe, och svavel, S, är grundämnen eftersom de består av ett enda slags atomer. De är också rena ämnen eftersom de består av en enda typ av ämne (järn eller svavel). När vi blandar järn och svavel får vi en heterogen blandning. En blandning kännetecknas av att man kan separera de ingående ämnena från varandra. Om järn och svavel får reagera med varandra bildas en kemisk förening, järnsulfid. Även järnsulfid är ett rent ämne (inte en blandning), eftersom den består av bara ett enda ämne – den kemiska föreningen järnsulfid, FeS.

SAMMANFATTNING är något som kan vägas, det *villMateria säga har massa.

Fasövergångar är fysikaliska *omvandlingar.

Materia kan förekomma i olika aggreI kemiska reaktioner varken *gationstillstånd *tillkommer eller faser: fast (s), eller försvinner atomer, flytande (l), gas (g) och plasma.

massa eller energi.

Materia klassas som blandning eller rent ämne.

Fasövergångar mellan aggregationstillstånden är smältning, förångning, jonisation, dejonisation, kondensation, stelning och sublimation.

En blandning kan vara homogen *(lösning) eller heterogen.

Ett rent ämne kan vara en kemisk *förening eller ett grundämne. Ett grundämne kan vara en metall, *halvmetall eller icke-metall. En kemisk förening kan vara en *jonförening eller molekylförening.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Separera ämnen i blandningar En blandning kännetecknas dels av

i vatten och kan därefter separeras

framställer man ibland proteinkristal-

att de ingående ämnena har kvar

från lösningsmedlet igen genom

ler från en lösning genom indunstning.

sina egenskaper, dels av att det

indunstning.

Dessa proteinkristaller kan man sedan

är ganska lätt att separera (skilja)

Vid indunstning placerar man

dem från varandra. Kemister har

lösningen på en varm och torr plats

ända sedan medeltiden utvecklat

och låter lösningsmedlet avdunsta.

en mängd metoder för att separera

En kemist använder ofta en så kallad

Filtrering

ämnen i blandningar. Flera av dessa

kristallisationsskål till detta. Efter

Ett bra sätt att separera fasta ämnen

metoder kommer du att träffa på

att lösningsmedlet har avdunstat

från flytande är att filtrera dem.

under gymnasiet. Här ska vi titta

blir det lösta ämnet kvar som en fast

Om du någon gång har bryggt

närmare på separationsmetoderna

rest i kristallisationsskålen. Om man

kaffe eller te så har du använt sepa-

indunstning, filtrering, fasseparation

låter indunstningen ta lång tid kan

ration med hjälp av filtrering. Genom

och destillation.

kristaller bildas av det lösta ämnet

att variera filtrets sammansättning,

(vilket har gett kristallisationsskålen

och framför allt storleken på porerna i

dess namn).

filtret, kan partiklar med olika stor-

Indunstning

använda för att ta reda på proteinets tredimensionella struktur.

Om man vill separera ett löst ämne

Indunstning används industriellt

från ett lösningsmedel kan man helt

för att framställa havssalt. Då leder

till och med så små porer att de kan

enkelt låta lösningsmedlet avdunsta.

man in havsvattnet i grunda bassänger

filtrera bort bakterier ur vatten. En tesil

Den enkla separationsmetoden kallas

som kallas saliner. Där får vattnet

däremot behöver inte vara särskilt

indunstning. Många fasta ämnen,

sakta avdunsta och det välsmakande

finmaskig eftersom tebladen är stora

som koksalt och socker, går att lösa

havssaltet blir kvar. Inom forskningen

och lätt hålls tillbaka av silen.

Salt i saliner i Thailand.

lekar filtreras bort. En del filter har

Filtrering pågår. Smakämnen och färgämnen separeras från kaffepulvret till kaffet i kaffemuggen.

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

Destillationsuppställning. I kolven till vänster finns två lösta vätskor med olika kokpunkt. När vätskan med lägst kokpunkt värmts till gasform kondenseras gasen i röret och droppar ner i bägaren. Vätskorna har separerats.

Fasseparation

i vidare bemärkelse är en enhetlig del i

värmer lösningen till en temperatur

Två vätskor som inte löser sig i

ett kemiskt system.

som ligger mellan de två vätskornas

varandra bildar två faser, där en fas

För att separera vätskefaserna

kokpunkter. Om man till exempel vill

lägger sig i ett skikt ovanpå den andra.

från varandra kan man använda en

separera alkohol (etanol) från vatten

Om man gör en salladsdressing av

långsmal separationstratt med en

värmer man lösningen till någonstans

olivolja och vinäger kommer oljan, som

kran längst ner och sakta tappa ut den

mellan 78,3 och 100 °C (kokpunkten för

har lägre densitet än vinägern, att flyta

undre fasen genom kranen.

etanol är 78,3 °C och vattnets kokpunkt

ovanpå vinägern.

är 100 °C). Då stiger ångor av etanol Destillation

(ren sprit) upp och leds bort genom

det kemiska systemet är oljan och

Två vätskor som är lösta i varandra

en kylkolv. I kylkolven kondenserar

vinägern två vätskefaser i systemet sal-

kan ofta separeras med hjälp av

etanolångorna till flytande form. Det

ladsdressing. Lägg märke till att ordet

destillation. En förutsättning är att de

mesta av vattnet stannar kvar i kolven

fas används lite annorlunda här. En fas

två vätskorna har olika kokpunkt. Man

och alkoholen separeras från vattnet.

Om salladsdressingen motsvarar

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vad är materia?

2.1.1 Natrium har kokpunkten 883 °C och smältpunkten 98 °C. För brom är motsvarande värden 59 °C och –7 °C. Vilken aggregationsform har natrium respektive brom vid rumstemperatur?

2. Vad är skillnaden mellan en fysikalisk och en kemisk omvandling? 3. Ge ett exempel på en fasövergång och förklara vad som händer.

2.1.2 Använd tabellen för att besvara följande uppgifter. a) Vid vilken temperatur stelnar brom? b) Vilket/vilka av ämnena är gaser vid –185 °C? c) Vilket/vilka av ämnena är flytande vid –190 °C?

4. Vad är skillnaden mellan smältning och förångning? 5. Vad kännetecknar en kemisk reaktion? 6. Hur förhåller sig antalet atomer före och efter en kemisk reaktion? 7. Vad är skillnaden mellan ett grundämne och en kemisk förening? 8. Vad kännetecknar en blandning? 9. Vad innebär indunstning och när utnyttjas det? 10. Vad är destillation och hur används denna metod?

Ämne

Smältpunkt (°C)

Kokpunkt (°C)

fluor

–220

–188

ammoniak

–78

–33

klor

–101

–35

argon

–189

–186

brom

–7

jod

114

184

2.1.3 Ett ämne värms upp från –10 °C (fast form) till 120 °C (gasform). Ämnet har följande fasövergångar: fast → flytande vid 0 °C flytande → gas vid 100 °C a) Under vilka temperaturintervall ökar temperaturen? b) Vad händer med temperaturen under fasövergångarna?

AVSNITT 1 –––––– Materia och dess egenskaper

temperatur (°C)

2.1.4 Jämför tabellen över smält- och kokpunkter med grafen som beskriver temperaturförändringen vid jämn uppvärmning av ett ämne under viss tid. Ämne

Smältpunkt (°C)

Kokpunkt (°C)

litium

181

1 347

natrium

883

kalium

774

rubidium

150 100 50 0 –50 –100 –150 –200

688

tid (s) 100

2.1.6 I vilken eller vilka av rutorna finns en blandning av två grundämnen?

temperatur (°C) D C

B A

tid (s)

a) Vid vilken bokstav i grafen skulle du placera kalium vid 50 °C? b) Vilken temperatur har litium vid D i grafen? c) Vilket ämne kan ha temperaturen 58 °C vid C i grafen? d) Vilken temperatur har natrium vid grafens bokstav B?

2.1.7 Beskriv innehållet i varje ruta. Använd begreppen gas, flytande, fast, grundämne, kemisk förening och molekyl.

2.1.5 Diagrammet överst i nästa spalt visar temperaturförändringen när etanol värms från –200 °C till +135 °C vid normalt tryck. Smältpunkten för etanol är –114 °C och kokpunkten är +78 °C. a) Identifiera på grafen var etanolen: 1. är i fast form. 2. smälter. 3. är flytande. 4. kokar. 5. är i gasform. b) Förklara varför temperaturen är konstant när etanolen smälter respektive kokar trots att värme tillförs.

AVSNITT 2: Atomen

Varje grundämne har ett unikt antal protoner i atomkärnan. Atomkärnans sammansättning beskrivs med atomnummer och masstal. Elektronerna och deras laddning är fundamentala för förståelsen av grundämnenas kemiska egenskaper.

ORD OCH BEGREPP Atommassa är medelvärdet av atommassorna för de isotoper som finns av grundämnet och anges i enheten u. Atommassenheten u är 1/12 av massan av en atom av isotopen kol-12.

Elementarladdning betecknas e och är den minsta laddning som förekommer i fritt tillstånd.

Masstal eller nukleontal är antalet protoner och neutroner i atomkärnan.

Grundämne är ett ämne som består av atomer som alla har samma antal protoner i atomkärnan.

Nukleon är en gemensam beteckning för neutron och proton.

Atomnummer är antalet protoner i atomkärnan hos ett visst grundämne.

Isotoper är atomer med samma antal protoner men olika antal neutroner i atomkärnan.

Elektronskal är specifika energinivåer runt atomkärnan där elektroner kan befinna sig.

Laddning innebär ett överskott eller underskott av elektroner hos en atom eller molekyl.

Valenselektron är en elektron i det yttersta elektronskalet hos en atom.

Med ett tankeexperiment kan vi före ställa oss avståndet mellan atomkärnan och elektronerna. Om atomkärnan hade varit en apelsin i Stockholm hade den närmaste elektronen befunnit sig ungefär i Norrköping, omkring 10 mil bort. Atomer består alltså till största delen av tomrum.

Atomens uppbyggnad Alla atomer är uppbyggda på samma sätt: en atomkärna i mitten och ett moln av elektroner runtomkring. Atomkärnan innehåller nästan all massa i atomen. Den är uppbyggd av protoner och neutroner som är bundna till varandra med en mycket stark kraft. De kallas kärnpartiklar eller nukleoner. Kring kärnan rör sig de betydligt lättare elektronerna i ett molnliknande område. Alla partiklar i atomen är mycket små och lätta, men nukleonerna är omkring hundra tusen gånger större och tusen gånger tyngre än elektronen. Faktum är att elektronen är den minsta och lättaste partikel som kan förekomma i fritt tillstånd. Atomer består till största delen av tomrum. Själva kärnan utgör bara en liten del av volymen – elektronerna rör sig på olika avstånd, förhållandevis långt från kärnan. Inom kemi är det i första hand elektronerna som är relevanta vid kemiska reaktioner.

En litiumatom med tre protoner och fyra neutroner i kärnan samt tre elektroner som kretsar kring denna.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Laddningar i atomen Både protonen och elektronen är elektriskt laddade, och deras laddningar är lika stora men har motsatt tecken. Elektrisk laddning mäts i enheten coulomb, C. Protonen och elektronen har dock så liten elektrisk laddning, 1,60 · 10–19 C, att man har infört beteckningen e för denna storhet. Elektronens laddning kallas elementarladdningen (e) och är den minsta elektriska laddning som kan finnas fritt. Protonen har laddningen +1 e (eller helt enkelt e) och elektronen laddningen –1 e (eller –e). Man utelämnar nästan alltid e och skriver protonens laddning som +1 och elektronens laddning som –1. Neutroner saknar laddning. Elektronerna och deras laddning är fundamentala för förståelsen av grundämnenas egenskaper. Närmare bestämt är det valenselektronerna (elektronerna i det yttersta elektronskalet), i samspel med atomkärnans positiva laddning, som är viktiga för att förstå vad som händer med olika atomslag i kemiska reaktioner.

Linjäracceleratorn på ESS (European Spallation Source) i Lund accelererar protoner till 95 % av ljushastigheten. De träffar en volframkälla som frigör neutroner som används för att studera materialegenskaper i olika experimentstationer.

AVSNITT 2 –––––– Atomen

Atomkärnans partiklar och deras egenskaper Partikel

Symbol

Laddning

Massa

proton

+1 e

1,66 · 10

–27

neutron

1,66 · 10

–27

elektron

e–

–1 e

1/1 840 u ≈

9,02 · 10

–31

0,0005 u

Atomnummer och masstal Atomkärnans sammansättning beskrivs av dess atomnummer och masstal. Antalet protoner kallas atomnummer och masstalet anger summan av antalet protoner och neutroner. När man skriver atomens beteckning anges atomnumret nedanför till vänster och masstalet ovanför till vänster. masstal atomnummer kemiskt tecken

EXEMPEL 1: KEMISKT TECKEN FÖR NATRIUM-23 Skriv det kemiska tecknet för natrium-23 med atomnummer och masstal. Använd bilden till din hjälp. Lösning Atomnumret (antalet protoner) = 11 Masstalet (summan av antalet protoner och neutroner) = 11 + 12 = 23 23 Natrium-23 betecknas: 11 Na 23

Svar: 11 Na .

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Grundämnen och isotoper I en atom är antalet elektroner och protoner desamma. Varje grundämne har ett bestämt antal protoner i kärnan och kan därför beskrivas på ett systematiskt sätt. Antalet neutroner i en atom behöver inte vara lika många som antalet protoner. Två atomer av samma grundämne med olika antal neutroner i kärnan kallas isotoper. Antalet neutroner i atomkärnan ges av skillnaden mellan masstalet och atomnumret. I naturen finns tre isotoper av magnesium, Mg. Mineralet magnesit,

Magnesiums isotoper

MgCO3, är en viktig råvara för

I naturen finns tre isotoper av magnesium: magnesium-24, magnesium-25 och

framställning av magnesium.

magnesium-26. isotop

magnesium-24

magnesium-25

magnesium-26

kärnpartiklar

12 p + 12 n

12 p + 13 n

12 p + 14 n

beteckning

24 12 Mg

25 12 Mg

26 12 Mg

massa

24 u

25 u

26 u

halt

78,99 %

10,00 %

11,01 %

Atomens massa Atomer är väldigt små och har mycket liten massa. Till exempel har kolisotopen kol-12 massan 1,99 · 10–26 kg. Det är inte praktiskt att göra beräkningar med så små tal. Därför har man kommit överens om att använda en särskild enhet för att ange atommassor. Lämpligt nog heter enheten atommassenheten och betecknas u.

DEFINITION AV ATOMMASSENHETEN Kolisotopen kol-12 innehåller sex protoner och sex neutroner. Man har kommit överens om att kol-12 har massan exakt 12 u. Massan av en proton eller en neutron är ungefär lika stora, det vill säga 1 u. En enskild atoms massa är därför densamma som masstalet.

AVSNITT 2 –––––– Atomen

ATOMMASSAN FÖR ETT GRUNDÄMNE Kol i naturen består inte bara av kol-12. I naturen finns isotoperna kol-12, kol-13 och kol-14. Alla tre kolisotoperna har sex protoner i atomkärnan men sex, sju respektive åtta neutroner. Om de hade haft olika antal protoner hade de inte varit samma grundämne. Om man känner till hur vanliga isotoperna är i naturen kan man beräkna ett teoretiskt medelvärde av atommassorna i den naturliga isotopblandningen. Denna medelatommassa anges i grundämnestabeller och i det periodiska systemet. Dock brukar man i tabeller och periodiska systemet skriva ”atommassa” för enkelhetens skull även om det alltså egentligen är medelatommassan som anges. Medelatommassan för kol är 12,01 u. 12,01 u är ju väldigt nära 12 u. Av det kan vi dra slutsatsen att kol-12 är den överlägset vanligaste kolisotopen bland de tre existerande kolisotoperna. Protonen och neutronen har ungefär samma massa, 1 u. Elektronens massa är ungefär 2 000 gånger mindre än protonens och neutronens massor och kan därför försummas när man beräknar massan för en atom.

EXEMPEL 2: ATOMMASSAN FÖR MAGNESIUM I naturen finns magnesium i halterna p 78,99 % magnesium-24 p 10,00 % magnesium-25 p 11,01 % magnesium-26. Beräkna medelatommassan för magnesium. Lösning Medelatommassan (eller bara atommassan) är summan av de respektive isotopernas halt multiplicerad med masstalet. För naturligt magnesium får vi 0,7899 · 24 u + 0,1000 · 25 u + 0,1101 · 26 u = 24,3202 u Svar: Medelatommassan för magnesium är 24,32 u. Kommentar: Det är denna medelatommassa som anges som atommassa i tabeller och i det periodiska systemet.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Den moderna atommodellen En atommodell är en teoretisk beskrivning av atomens byggstenar och struktur. Genom historien har många sådana modeller lanserats, som Bohrs och Rutherfords, vilka har förfinats stegvis tack vare experiment och nyvunnen kunskap. Den moderna atommodellen, som är mest relevant inom kemin, bygger på kvantmekanik. Den beskriver bland annat elektronernas fördelning i elektronskal och orbitaler och hur de samverkar för att bilda kemiska bindningar. Vi återkommer till begreppet orbitaler senare.

Elektronskal M L K

Elektronfördelning (elektronkon 23

figuration) för natrium-23, 11 Na . I K-skalet ryms två elektroner, i L-skalet åtta elektroner och i Mskalet finns en valenselektron.

Maximalt antal elektroner i de olika elektronskalen p K-skalet: 2 p L-skalet: 8 p M-skalet: 18 p N-skalet: 32

Man kan inte titta in i en atom för att se hur den egentligen ser ut. Vi använder därför atommodeller för att förklara och diskutera vad som sker med atomer när de deltar i olika reaktioner. En användbar atommodell är den så kallade skalmodellen, där elektronerna beskrivs som att de befinner sig på olika energinivåer runt kärnan. Dessa nivåer kallas elektronskal och representerar avstånd från kärnan där sannolikheten är särskilt hög att träffa på en eller flera elektroner vid ett visst givet tillfälle. Det första skalet finns närmast kärnan och har den lägsta energin. Elektronerna i det yttersta skalet kallas valenselektroner och är avgörande för atomens kemiska egenskaper och hur den reagerar med andra atomer. En atom strävar efter att få ett fyllt yttersta elektronskal vilket gör atomen mest stabil. Detta uppnås genom att atomen delar, tar upp eller avger valenselektroner. Elektronskalen betecknas med bokstäver (K, L, M och så vidare), där K är det innersta skalet. De olika elektronskalen kan bara rymma ett visst maximalt antal elektroner (K=2, L=8, M=18). Fördelningen av elektroner i de olika skalen kallas atomens elektronstruktur eller elektronkonfiguration. Anledningen till att elektronens energi ökar med större avstånd från kärnan är att elektronens negativa laddning och kärnans positiva laddning attraherar varandra. Det krävs energi för att övervinna denna attraktionskraft och flytta en elektron längre bort från kärnan. Men det betyder också att elektronerna i de yttre skalen är mindre hårt bundna till kärnan än de inre. För att avlägsna en elektron från det yttersta skalet behöver alltså en mindre energimängd tillföras än

100

AVSNITT 2 –––––– Atomen

för att avlägsna en elektron från ett inre skal. Detta är en fundamental princip för att förstå hur atomer kan bilda kemiska bindningar med varandra och bilda molekyler. Vi kommer att återkomma till detta många gånger.

1e–

2e–

Elektronfördelning (elektronkonfiguration) för litium-7, 73 Li .

Elektronerna rör sig egentligen inte i cirkulära banor runt atomkärnan utan i något större områden. Bilden visar ett tvärsnitt genom litiumatomen med elektronernas lägen vid olika tidpunkter.

SAMMANFATTNING Ett grundämne har ett bestämt antal Atommassor anges i atommass *protoner, *enheten det så kallade atomnumret. 1 u. Masstalet är summan av antalet *protoner och neutroner.

En proton eller en neutron har *massan 1 u. Det är cirka 2 000 gånger tyngre än elektronens massa.

Atomnumret skrivs nere till vänster om symbolen för ett grundämne och masstalet skrivs uppe till vänster.

Protonen har laddningen +1 e (eller *enklare e, eller ännu enklare +1).

av samma grundämne med *olikaAtomer antal neutroner kallas isotoper.

Elektronen har laddningen –1 e (eller enklare –e, eller ännu enklare –1).

101

* Neutronen saknar laddning. Varje elektronskal rymmer ett visst *maximalt antal elektroner. Den moderna atommodellen *beskriver elektronernas fördelning i elektronskal och orbitaler och hur valenselektroner deltar i kemiska bindningar.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vad menas med atomnummer?

2.2.1 Ange antalet protoner, antalet neutroner, masstal och antalet elektroner för denna atom.

2. Vad är masstal och hur beräknas det för en atom? 3. En atom innehåller 27 protoner och 32 neutroner. Vilken blir atomens beteckning med atomnummer och masstal? 4. Varför tar man normalt inte hänsyn till elektronerna när man beräknar massan för en atom? 5. Vad är en isotop och hur skiljer sig isotoper av samma grundämne åt? 6. Vad menas med elementarladdning och vilken beteckning har den?

2.2.2 En atom innehåller 27 protoner och 32 neutroner. Vilken blir atomens beteckning med atomnummer och masstal?

7. Hur definieras atommassenheten u? 8. Hur många protoner och neutroner finns i kol-12 och vilken är dess massa i enheten u?

2.2.3 Guld har atomnummer 79 och atommassan 197 u. Hur många protoner respektive neutroner har guldatomen?

9. Vad menas med medelatommassa för ett grundämne?

2.2.4 Silver har atomnummer 47 och atommassan 107,9 u. Vad säger detta om antalet protoner respektive neutroner i kärnan?

10. Vad är skillnaden mellan masstal och atommassa?

2.2.5 En atom innehåller 24 neutroner och 21 elektroner. Vilken blir atomens beteckning med atomnummer och masstal? 2.2.6 Vilken av de fyra atomerna nedan har samma antal neutroner som 54Cr? a) 50Ti b) 51V c) 53Fe d) 55Mn

102

AVSNITT 2 –––––– Atomen

2.2.7 Skriv av tabellen och fyll i de tomma rutorna. Kemiskt tecken

Atomnummer

Beräkna isotopernas procentuella andelar i naturligt gallium som har atommassan 69,72 u.

Masstal

235

Antal protoner Antal neutroner

2.2.13 Gallium har två stabila isotoper, Ga-69 och Ga-71. Isotopernas massor är 68,93 u respektive 70,92 u.

Tips: Anta att andelen av den lättare isotopen är x. Ställ upp en ekvation.

25 48

Antal elektroner

98 92

2.2.8 Gallium har två stabila isotoper, Ga-69 och Ga-71. Hur skiljer sig de två isotoperna från varandra? 2.2.9 Ett grundämne har atomnummer 88. En av dess isotoper har masstalet 228. Hur många protoner, elektroner respektive neutroner har isotopen? 2.2.10 Kisel har i naturen tre isotoper. Använd informationen i tabellen för att beräkna atommassan för kisel. Isotop

Andel (%)

Isotopens massa (u)

Si-28

92,2

27,98

Si-29

4,7

28,98

Si-30

3,1

29,97

2.2.11 Bor har två isotoper, 10B och 11B. Bors atommassa är 10,81 u. Vilken av de två isotoperna är den vanligast förekommande? 2.2.12 Klor har två isotoper, 35Cl och 37Cl. Atommassan för klor är cirka 35,5 u. Vad kan man säga om förekomsten av de två isotoperna? Tips: Vilken av isotopernas massa ligger nära atommassan för klor?

103

AVSNITT 3: Periodiska systemet

Det periodiska systemet är en tabell med central plats inom kemin. I tabellen är grundämnena ordnade efter stigande atomnummer i vågräta rader som kallas perioder. Kolumnerna kallas grupper. Grundämnen med liknande egenskaper är placerade i samma grupp.

ORD OCH BEGREPP Elektronskal är specifika energinivåer runt atomkärnan där elektroner kan befinna sig.

Jonisationsenergi är den mängd energi som krävs för att avlägsna en elektron från en atom.

Grupp i periodiska systemet är en lodrät rad (kolumn) med grundämnen som har liknande egenskaper.

Metaller är grundämnen med metallglans som leder elektricitet och värme bra.

Halvmetaller är grundämnen på gränsen mellan metaller och ickemetaller både vad gäller egenskaper och placering i periodiska systemet.

Period i periodiska systemet är en vågrät rad som motsvarar ett elektronskal.

Icke-metaller är grundämnen som saknar metalliska egenskaper.

Periodiska systemet är den tabell över grundämnen som skapades efter att deras kemiska och fysika-

liska egenskaper visat sig variera periodiskt med atommassan. Övergångsmetaller är grundämnena i grupperna 3–12 i periodiska systemet.

Central Park på Manhattan i New York. Allt på bilden består av ett begränsat antal grundämnen: träden innehåller bland annat kol, väte och syre och byggnaderna bland annat kisel och järn. Totalt finns det 92 naturligt förekommande grundämnen som är byggstenarna till all materia.

Det fantastiska periodiska systemet Det periodiska systemet är en systematisk indelning av alla kända grundämnen, ordnade efter stigande atomnummer. Varje ruta i systemet representerar ett unikt grundämne, vars identitet bestäms av antalet protoner i atomkärnan. Systemet är organiserat i perioder (rader) och grupper (kolumner). Denna struktur gör det

möjligt att förstå och förutsäga grundämnenas egenskaper. Grundämnen i samma grupp har liknande kemiska egenskaper, medan en period motsvarar ett elektronskal. Periodiska systemet är därför ett centralt verktyg inom kemi för att förstå materiens uppbyggnad och reaktionsmönster.

105

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

grupp 1

1 H

18 2 He

halvmetaller

icke-metaller

atomnummer

okända egenskaper

Li 11

period

metaller

Na 19

6 C

8 N

20 Ca

21 Sc

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

37 Rb

38 Sr

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

54 Xe

55 Cs

56 Ba

57–71 72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

89–103 104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

Ra 57 lantanoider

La 89

aktinoider

58 Ce 90 Th

59 Pr 91 Pa

60 Nd 92 U

64 Gd

Eu 95

65 Tb 97 Bk

66 Dy 98 Cf

67 Ho 99 Es

100

101

102

103

I slutet av boken finns ett periodiskt system där även atommassorna för grundämnena finns inskrivna. Det tyngsta naturligt förekommande grundämnet är nummer 92, uran, U. De tyngre grundämnena är konstgjorda.

När det periodiska systemet skapades på 1860-talet var endast 63 grundämnen kända. Men många grundämnen hade liknande egenskaper, och utifrån detta kunde de sorteras in i ett logiskt system. Eftersom elektronen inte var upptäckt på 1800-talet var det inte förrän en bit in på 1900-talet man förstod varför dessa mönster uppstod. I det periodiska systemet i bilden finns alla de nu kända grundämnena. Det tyngsta grundämnet som finns i naturen är uran, U, som har atomnummer 92. De tyngre grundämnena är konstgjorda. Det tyngsta grundämnet som hittills (2025) upptäckts och tillverkats är oganesson, Og, som har atom nummer 118. Det periodiska systemet är indelat i celler, rader

och kolumner på samma sätt som ett kalkylblad. I det periodiska systemet kallas raderna för perioder och kolumnerna för grupper. I varje cell finns grundämnets symbol och atomnummer angivet. I slutet av boken finns ett mer omfattande periodiskt system där även grundämnenas atommassor finns angivna. Beroende på vilka egenskaper grundämnena har är cellerna färgkodade. Exempelvis kan du se att grundämnet guld, Au, är en metall, har atomnumret 79 och finns i period 6, grupp 11. Två grupper, lantanoiderna (atomnummer 57–71) och aktinoiderna (89–103) tillhör övergångsmetallerna och har speciella egenskaper. Vi återkommer till dessa senare i kapitlet.

106

AVSNITT 3 –––––– Periodiska systemet

Perioder I det periodiska systemet är grundämnena ordnade efter stigande atomnummer (antal protoner i atomkärnan) i sju vågräta rader, perioder. Perioden talar om hur många elektronskal ett grundämne har. Eftersom det finns lika många elektroner som protoner i en atom är atomens placering i det periodiska systemet beroende av i vilken ordning elektronerna placeras i elektronskal. För varje period nedåt tillkommer ett elektronskal. Grundämnena i period 1 har ett elektronskal, i period 2 två elektronskal och så vidare.

Period Grundämnen som tillhör samma period har lika många elektronskal.

N M L K

Elektronkonfiguration för skandium, Sc. Skandium har atomnummer 21 och har alltså 21 elektroner. Eftersom elektronerna är fördelade på fyra elektronskal finns skandium i period 4.

K-SKALET FYLLS FÖRST Ämnena i den översta perioden i systemet (period 1), väte och helium, har elektroner endast i K-skalet, det innersta skalet i alla atomer. Väte har en elektron och helium två. I K-skalet får bara två elektroner plats. Alla grundämnen i period 2 har fullt K-skal och nästa utanpåliggande skal, L-skalet, fylls därför med elektroner från vänster till höger i systemet. L-skalet kan innehålla maximalt åtta elektroner, vilket betyder att det finns åtta grundämnen i denna period. Atomen med flest elektroner i period 2 är neon, Ne, som har tio elektroner. Åtta av dessa är valenselektroner i L-skalet och två finns i K-skalet. I de följande perioderna (3 till 7) fylls successivt skalen med beteckningarna M, N, O, P och Q på med elektroner. För perioderna 4 till 7 är mönstret för hur elektroner fylls på i skalen inte lika enkelt som för perioderna 1 till 3. Vi återkommer till detta lite senare.

107

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Grupper Grupp Grundämnen som tillhör samma grupp har lika många valenselektroner.

Kolumnerna i periodiska systemet kallas grupper och numreras från 1 till 18. Gruppen talar om hur många valenselektroner ett grundämne har. Det är anledningen till att grundämnen med liknande egenskaper står under varandra i det periodiska systemet, det vill säga i samma grupp. Till exempel är alla grundämnen i grupp 17 så reaktiva att de inte finns som fria atomer i naturen. Anledningen till att de är så reaktiva är att de har sju valenselektroner. Vi återkommer senare i boken till varför sju valenselektroner innebär att atomer reagerar väldigt lätt. I grupperna 1–2 samt 13–18, som kallas huvudgrupper, ger gruppens nummer bra vägledning om hur många valenselektroner grundämnena i gruppen har (den sista siffran i gruppnumret). Grupperna i det periodiska systemet är namngivna efter deras kemiska egenskaper eller efter det första grundämnet i gruppen. Grupp 18 (ädelgaserna) har en mycket stabil elektronkonfiguration (ädelgasstruktur), vilket innebär att de nästan inte alls reagerar kemiskt. Vi återkommer till vad ädelgasstuktur är på sidan 121. För grundämnen i grupperna 3–12 (övergångsmetallerna) finns det inte samma starka samband mellan gruppnummer och antal valens elektroner. Grupp och antal valenselektroner

Litium har atomnummer 3. Det finns

Grupp

Namn

Antal valenselektroner

alkalimetaller (och väte, H)

alkaliska jordartsmetaller

3–12

övergångsmetaller

varierande (de flesta 1–2)

borgruppen

kolgruppen

kvävegruppen

kalkogener (syregruppen)

halogener

ädelgaser

8 (undantag: helium, He, som

endast en valenselektron i det yttersta skalet. Litium finns alltså i grupp 1, alkalimetaller. har två valenselektroner)

108

AVSNITT 3 –––––– Periodiska systemet

Elektronkonfiguration för grundämnena 1–21 Kemiskt

Atom

Grundämne

tecken

nummer

Period

Grupp

K-skalet

väte

helium

litium

beryllium

bor

kol

kväve

syre

fluor

neon

natrium

magnesium

aluminium

kisel

fosfor

svavel

klor

argon

kalium

kalcium

skandium

109

L-skalet

M-skalet

N-skalet

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

FÖRDJUPNING

Mer om periodiska systemet

Lantanoider och aktinoider

Radioaktiva ämnen

på kortare tid än en dag och ofta på

I det periodiska systemet på sidan 106

Lantanoiden prometium, Pm, och

mindre än en minut. Sönderfallet till

har två typer av grundämnen lyfts ut till

alla aktinoider är radioaktiva. Detta

lättare atomer slutar när en eller flera

egna rader för att periodiska systemet

betyder att de är instabila. Atomerna

stabila atomkärnor har bildats.

ska bli mer överskådligt. Den första

faller sönder till lättare grundämnen

raden i denna flik innehåller lantan,

samtidigt som de utsänder farlig

La (nummer 57), samt grundämnena

strålning.

med nummer 58 till 71. Dessa ämnen

Även grundämnena med atom

kallas lantanoider eftersom de på flera

nummer mellan 104 och 118 är radio-

sätt är lika ämnet lantan. Den andra

aktiva. Grundämnen som är tyngre än

raden i denna flik innehåller aktinium,

uran, U (nummer 92), kallas transura-

Ac (nummer 89), samt grundämnena

ner. De förekommer inte naturligt utan

med nummer 90 till 103. Dessa ämnen

kan bara framställas i kärnreaktioner.

kallas aktinoider eftersom de är lika

De är mycket instabila och de flesta

Urangruva i Australien. Aktinoiden uran, U,

aktinium.

sönderfaller till lättare grundämnen

används som bränsle i kärnkraftverk.

grupp 1

metaller

10 11 12 13 14 15 16 17 18

halvmetaller

1 H

icke-metaller 2 Li

okända egenskaper

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br

lantanoider aktinoider radioaktiva ämnen

period

3 Na Mg

4 K

Ca Sc

5 Rb Sr

Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te

6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta

7 Fr Ra Ac Th Pa

U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

W Re Os

Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv

Ts Og

Periodiska systemet med lantanoider och aktinoider på sina egentliga platser. Jämför med det periodiska systemet på sidan 106. Lantanoider är inringade i rött och aktinoider är inringade i blått. Radioaktiva ämnen visas med symbolen .

110

AVSNITT 3 –––––– Periodiska systemet

Mönster i perioder och grupper En huvudprincip i periodiska systemet är att grundämnen med liknande egenskaper placeras i samma grupp. En annan huvudprincip är att grundämnena placeras så att atommassan ökar åt höger. Men det finns fler mönster i periodiska systemet.

ANTAL PROTONER I varje period har grundämnet till höger en proton mer i sin atomkärna. Antalet protoner i kärnan och därmed atomens massa ökar när man går från vänster mot höger i en period. Allt tyngre grundämnen finns alltså mot höger i systemet. Eftersom atomerna är oladdade är antalet protoner lika stort som antalet elektroner i varje grundämne – antalet elektroner ökar med en elektron för varje steg mot höger i en period.

Atomradien (avståndet mellan atomkärnan och den yttersta elektronen) minskar från vänster mot höger i en period. Det kan tyckas märkligt att atomradien minskar trots att atomerna får fler elektroner, men mot höger i perioden ökar även antalet protoner i kärnan. Den ökande positiva kärnladdningen drar till sig elektronerna starkare, vilket gör att atomerna blir allt mindre trots att de får fler elektroner. Till exempel har natrium (längst till vänster i period 3) den största atomradien och argon (längst till höger i period 3) den minsta atomradien i perioden. Nedåt i en grupp ökar atomradien eftersom varje atom i gruppen får ytterligare ett elektronskal för varje steg nedåt.

ökande atomradie

ATOMRADIE

minskande atomradie Atomradien minskar ju längre till höger man rör sig i en period men ökar ju fler elektronskal atomen har.

En jon är en elektriskt laddad partikel som bildas när en atom eller grupp av atomer avger eller tar upp elektroner. Till skillnad från atomer och molekyler är alltså joner laddade partiklar. Om en atom avger en elektron bildas en jon med laddningen +1 eftersom jonen får ett överskott av positiv laddning. För att avlägsna en elektron från det yttersta skalet måste man tillföra en viss mängd energi. Denna energimängd kallas jonisationsenergi och kan beskrivas: A + jonisationsenergi → A+ + e–

minskande jonisationsenergi

JONISATIONSENERGI

ökande jonisationsenergi Jonisationsenergin minskar nedåt

där A är en atom, A+ är en jon med laddningen +1 och e– en fri elektron.

111

i periodiska systemet men ökar åt höger.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

I en period har grundämnet längst till vänster lägst jonisationsenergi. Dessa grundämnen finns i grupp 1 och har en enda valens elektron som lätt kan avges. Då bildas en positiv jon med laddningen +1. Att jonisationsenergin ökar för varje steg åt höger i en period beror på att en proton (och visserligen en elektron) tillkommer för varje steg men antalet elektronskal är detsamma. Det gör att elektronerna i det yttersta elektronskalet attraheras av en ökande positiv laddning från atomkärnan för varje steg åt höger. Den största jonisationsenergin i en period har grundämnet längst till höger, det vill säga en ädelgas. Nedåt i en grupp minskar jonisationsenergin för varje steg. Det är alltid en elektron från det yttersta skalet som avges vid jonisation. Att jonisationsenergin minskar nedåt i en grupp beror bland annat på att den elektron som ska släppas befinner sig längre ifrån atomkärnan för varje steg nedåt i en grupp. Ju större avståndet är mellan laddningar, desto svagare blir den elektriska kraften.

I varje period har grundämnet längst till höger, det vill säga en ädelgas, högst jonisationsenergi. Ädelgasen helium, He, i period 1 används i ballonger.

jonisationsenergi (kJ/mol) 2 500

Ne 2 000 F Ar

1 500

N H C

1 000

O P

S Mg

500

Na K

Jonisationsenergin ökar ju längre åt höger man rör sig i en period, till exempel från litium, Li, till neon, Ne, i period 2.

112

atomnummer 22

AVSNITT 3 –––––– Periodiska systemet

Metaller, halvmetaller och icke-metaller De flesta grundämnen är metaller. I det periodiska systemet finns metallerna till vänster (väte är ett undantag) och nedtill. Grupperna 1 till 16 innehåller huvudsakligen metaller och grupperna 17 och 18 icke-metaller. Elva av ämnena i grupperna 13 till 17 är icke-metaller. De finns i den övre delen av sina respektive grupper och har egenskaper som skiljer sig från metallernas. grupp 1

1 1

H 3

icke-metaller

okända egenskaper

C 14

8 N

O 16

F 17

Ne 18

20 Ca

21 Sc

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

37 Rb

38 Sr

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

54 Xe

55 Cs

56 Ba

57–71 72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

89–103 104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

18 2

halvmetaller

4 Li

period

metaller

Skiss över periodiska systemet med de sex halvmetaller som oftast betraktas som just halvmetaller markerade: bor, kisel, germanium, arsenik, antimon och tellur.

METALLER Rena metaller är metaller som består av endast ett grundämne. De har vissa gemensamma egenskaper: p de glänser p de leder värme bra p de leder elektricitet bra p de går att gjuta och smida.

113

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Guld är en metall som kan gjutas, smidas, slipas och poleras.

Vanliga metaller är aluminium, Al, järn, Fe, och koppar, Cu. Alla metaller utom kvicksilver, Hg, är fasta ämnen vid rumstemperatur. Mellan grupp 2 och grupp 13 finns övergångsmetallerna. Välkända metaller som järn, Fe, koppar, Cu, silver, Ag, guld, Au, och zink, Zn, är övergångsmetaller. För övergångsmetallerna kan vi inte alltid säga exakt hur många valenselektroner en atom har, även om vi vet i vilken grupp atomen finns. Varför det är så får du lära dig om du studerar kemi efter gymnasiet.

ICKE-METALLER Icke-metallernas egenskaper skiljer sig från metallernas. Fasta ickemetaller är spröda (tänk på hur lätt ett blyertsstift av icke-metallen kol bryts jämfört med en ståltråd av metallen järn), saknar metallglans och är i regel dåliga på att leda värme och elektricitet. Exempel på fasta icke-metaller är kol, C, svavel, S, och fosfor, P. Väte, H, kväve, N, och syre, O, är exempel på gasformiga icke-metaller.

HALVMETALLER Blyertspennans spets består av ickemetallen kol i form av grafit. Blyertsen är spröd och kan lätt brytas.

Halvmetaller är grundämnen som ligger på gränsen mellan metallerna och icke-metallerna vad gäller både egenskaper och placering i periodiska systemet. Det finns ingen allmänt accepterad lista över vilka

114

AVSNITT 3 –––––– Periodiska systemet

grundämnen som är halvmetaller, men oftast räknas sex grundämnen in: bor, B, kisel, Si, germanium, Ge, arsenik, As, antimon, Sb, och tellur, Te.

Halvmetaller har speciella egenskaper som utnyttjas för att tillverka halvledare, en grundläggande komponent i modern elektronik. Kisel används för att tillverka kiselplattor som används i bland annat solceller och mikrochip.

SAMMANFATTNING En vågrät rad i periodiska systemet *kallas period.

En kolumn i periodiska systemet kallas grupp.

Grundämnen i en period har lika många elektronskal. För grupperna 1–2 och 13–18 talar *entalssiffran i gruppnumret om hur många valenselektroner som ämnena i gruppen har. Helium i grupp 18 är undantaget med två valenselektroner.

Grundämnena i en grupp har liknande kemiska egenskaper.

Atomradien minskar mot höger i en Metaller har metallglans, leder *period *värme eftersom atomkärnans laddning och elektricitet bra samt går att och därmed attraktionen av elektronerna ökar.

gjuta och smida. Icke-metallerna har inte alla dessa egenskaper.

Atomradien ökar nedåt i en grupp *eftersom elektronskalen blir fler.

Halvmetaller är grundämnen som *ligger på gränsen mellan metallerna

och icke-metallerna vad gäller både egenskaper och placering i periodiska systemet.

Jonisationsenergin ökar mot höger i en period. Grundämnena delas in i metaller, *halvmetaller och icke-metaller. flesta grundämnena är metaller *ochDefinns till vänster i periodiska systemet.

115

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

FÖRDJUPNING

Mendelejev och det periodiska systemet

Det periodiska systemet i sin

grundämnenas egenskaper varierar

Ga. Gallium visade sig vara identiskt

moderna form skapades 1869 av den

periodiskt med atommassan. Därför

med det förutsagda ämnet ”eka-alu-

ryske forskaren Dmitrij Mendelejev

fick Mendelejevs tabell namnet perio-

minium”.

(1834–1907). Hans system förklarade

diska systemet.

sambanden mellan egenskaperna

Ytterligare upptäckter av nya

Mendelejev ordnade tabellen så

grundämnen, som kulminerade med

och atommassorna för de 63 då kända

att ämnen med liknande egenskaper

den nya gruppen ädelgaser, visade

grundämnena.

hamnade under varandra. Han läm-

på det stora värdet av det periodiska

nade vissa platser tomma i sitt system

systemet. Under årens lopp har det

med jämna mellanrum. Mendelejev

för de grundämnen som ännu inte

periodiska systemet kompletterats

listade alla då kända grundämnen efter

hade upptäckts. Tack vare systemet

med nya upptäckter. I dag är 118

stigande atommassa. Han upptäckte

kunde han fastställa egenskaper för

grundämnen kända.

då att grundämnenas egenskaper

oupptäckta grundämnen. Den första

återkom med jämna mellanrum. Ett

tomma platsen fylldes 1875 med

annat sätt att uttrycka detta på är att

upptäckten av grundämnet gallium,

Periodisk är när något återkommer

Mendelejevs periodiska system från 1871. Av detta framgick att grundämnenas egenskaper varierade periodiskt med atomvikten. Detta omfattade samtliga 63 då kända grundämnen och hade på bestämda platser utrymme för ytterligare 31 grundämnen.

116

AVSNITT 3 –––––– Periodiska systemet

FÖRDJUPNING

Upptäckter av grundämnen

Fortfarande upptäcks nya grund-

1895 samtidigt av Sir William Ramsay

Det är främst tack vare den svenska

ämnen. Under perioden 2002–2010

i London samt Per Teodor Cleve och

gruvindustrin som så många grundäm-

upptäcktes nihonium, Nh (nummer

Nils Abraham Langlet i Uppsala. Syre,

nen har upptäckts av svenskar. Till

113), moskovium, Mc (nummer

O, upptäcktes 1772 av Carl Wilhelm

exempel har hela fyra grundämnen fått

115), tenness, Ts (nummer 117), och

Scheele i Uppsala och 1774 av Joseph

namn efter Ytterby gruva i Uppland:

oganesson, Og (nummer 118).

Priestley i Leeds oberoende av varandra.

yttrium, Y, ytterbium, Yb, terbium, Tb,

Av de i dag kända 118 grundämnena

Men den svensk som har upptäckt

och erbium, Er.

har svenskar upptäckt strax över 20

flest grundämnen är kemisten Jöns

Det periodiska systemet förutsäger

stycken (lite beroende på hur man

Jacob Berzelius (1779–1848). Han

att nästa tyngre och ännu oupptäckta

räknar). Upptäckterna skedde mellan

upptäckte bland annat kisel, Si, selen,

grundämne har 119 protoner i kärnan.

1735 (kobolt, Co) och 1895 (helium,

Se, cerium, Ce, och torium, Th. Jacob

Därmed har det också 119 elektro-

He). Det var Georg Brandt som 1735

Berzelius införde också de kemiska

ner, varav en är en valenselektron.

upptäckte kobolt i Stockholm. Upp-

symbolerna som vi använder än i dag,

Grundämne 119 hamnar därför i grupp

täckten av helium på jorden skedde

till exempel Fe för järn.

1 och period 8.

Jacob Berzelius var en av de främsta svenska vetenskapsmännen.

Carl Wilhelm Scheele undersökte hur luft är uppbyggd genom

Han upptäckte flera grundämnen, införde de kemiska symbolerna

att värma upp kvicksilver(II)oxid och upptäckte då syre. Scheele

och undersökte experimentellt atomvikterna på de då kända grund-

kallade syre för ”eldluft” eftersom syret var nödvändigt för

ämnena. Hans värden från 1826 stämmer väl med dagens atomvikter.

förbränning.

117

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vilka viktiga samband mellan grundämnena kunde Mendelejevs periodiska system förklara?

2.3.1 Ett grundämne hör till period 7 och har en valenselektron. Vilket kemiskt tecken har grundämnet?

2. Vad har grundämnen i samma period gemensamt? 2.3.2 Ett grundämne hör till grupp 14. Det har elektroner i fem

3. Hur benämns det innersta elektronskalet och hur många elektroner rymmer det?

skal. Vilket kemiskt tecken har grundämnet?

11 5B

antal elektroner K

totalt e–

7. Vilken information kan man få från ett grundämnes gruppnummer?

18 8O

masstal

6. Vad är speciellt med ädelgasernas elektronskal?

beteckning

5. Hur många valenselektroner har grundämnena i grupp 1?

atomnummer

2.3.3 Rita av tabellen och fyll i de tomma rutorna.

4. Vad är gemensamt för grundämnen inom samma grupp?

–

11 1

8. Vad händer med antalet protoner när man går från vänster till höger i en period?

1 27

2.3.4 Ett grundämne har två elektroner i K-skalet, åtta i L-skalet och fem i M-skalet.

9. Varför reagerar ädelgaser ogärna med andra ämnen? 10. Hur skiljer sig icke-metaller från metaller i sina egenskaper?

a) Till vilken period hör grundämnet? b) Till vilken grupp hör grundämnet? c) Vilket atomnummer har grundämnet? d) Vad heter grundämnet? 2.3.5 Vilken atom har störst atomradie? Motivera svaret. a) Natrium, Na, eller aluminium, Al? b) Natrium, Na, eller kalium, K? 2.3.6 Hur förklarar man att grundämnen i samma grupp i periodiska systemet ofta reagerar på kemiskt liknande vis trots olika atommassor?

118

AVSNITT 3 –––––– Periodiska systemet

2.3.7 Studera diagrammet över jonisationsenergier på sidan 112. a) Vad heter gruppen av grundämnen som finns i kurvans högsta punkter? b) Vad heter gruppen av grundämnen som finns i kurvans lägsta punkter? c) Förklara varför den grupp av grundämnen som finns i kurvans högsta punkter finns just där. d) Förklara varför den grupp av grundämnen som finns i kurvans lägsta punkter finns just där. 2.3.8 Hur stor ungefärlig andel (i procent) av antalet grundämnen är metaller? 2.3.9 Vilket samband finns mellan antalet valenselektroner och ett ämnes kemiska egenskaper med avseende på om ämnet är en metall eller icke-metall? 2.3.10 Jämför Mendelejevs periodiska system från 1871 på sidan 116 med det periodiska systemet på sidan 106. Vilka ämnen saknas i Mendelejevs periodiska system i huvudgrupperna (grupp 1–2 och 13–18)?

119

AVSNITT 4: Ädelgaser

Ädelgaserna har fått sitt namn av att de är ”ädla”, det vill säga att de nästan aldrig reagerar kemiskt. Detta beror på ädelgasernas speciellt stabila elektronkonfiguration, så kallad ädelgasstruktur.

ORD OCH BEGREPP Elektronkonfiguration eller elektronstruktur är fördelningen av elektroner på olika elektronskal (energinivåer).

Valenselektron är en elektron i det yttersta elektronskalet hos en atom.

Elektronskal är specifika energinivåer runt atomkärnan där elektroner kan befinna sig.

Ädelgaser är mycket stabila gasformiga grundämnen i grupp 18 i periodiska systemet.

Ädelgasstruktur innebär två valens elektroner i K-skalet eller åtta valens elektroner i övriga elektronskal.

Ädelgasernas egenskaper Grundämnena i grupp 18 kallas ädelgaser. De är enatomiga, vilket innebär att de består av en enda atom. Elektronkonfigurationen hos ädelgaserna är sådan att det yttersta elektronskalet antingen är fullt (om det är K-skalet) eller att det yttersta elektronskalet har åtta elektroner. Antalet valenselektroner är därför antingen två (helium med fullt K-skal) eller åtta (tyngre ädelgaser, där valenselektronerna finns i L-, M-, N-, O- eller P-skalet). Förmodligen har även det konstgjorda ämnet oganesson, Og, åtta valenselektroner, men i Q-skalet. Denna typ av elektronkonfiguration kallas ädelgasstruktur. På grund av sin ädelgasstruktur reagerar ädelgaser nästan inte alls med andra ämnen. Benägenheten att ta upp eller avge elektroner eller att dela elektroner med andra atomer är mycket låg. Man säger att ädelgaserna är stabila. Anledningen till att ädelgasstruktur är en så stabil elektronkonfiguration är att alla system i naturen, även en atom, strävar mot så låg energinivå som möjligt. Med ädelgasstruktur får varje valenselektron lägsta möjliga energinivå. Ädelgasstruktur förklarar varför jonföreningen natriumklorid har formeln NaCl och att molekylföreningen vatten har formeln H2O, men det återkommer vi till i kapitlet Kemisk bindning. Atomers strävan att uppnå ädelgasstruktur är också förklaringen till varför många typer av kemiska reaktioner sker.

18 2 1

He helium

10 2 18 3

Ne neon Ar argon

36 4

Kr krypton

54 5 86 6

Xe xenon Rn radon

118 7

Og oganesson

argon Ar

helium He K

8e–

L 8e–

8e–

neon Ne

2e–

Elektronkonfigurationer för de tre ädelgaserna helium, neon och argon. Helium har två valenselektroner (K-skalet). Neon och argon har åtta valenselektroner (L-skalet respektive M-skalet). Samtliga ädelgaser har ädelgasstruktur.

121

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Ädelgasernas elektronkonfigurationer Ädelgas

Atomnummer

Antal elektroner per skal

helium, He

K-skal: 2

neon, Ne

K-skal: 2, L-skal: 8

argon, Ar

K-skal: 2, L-skal: 8, M-skal: 8

krypton, Kr

K-skal: 2, L-skal: 8, M-skal: 18, N-skal: 8

xenon, Xe

K-skal: 2, L-skal: 8, M-skal: 18, N-skal: 18, O-skal: 8

radon, Rn

K-skal: 2, L-skal: 8, M-skal: 18, N-skal: 18, O-skal: 32, P-skal: 8

OKTETTREGELN OCH DUETTREGELN Oktettregeln innebär att atomer och joner med åtta elektroner i yttersta skalet är mycket stabila. Alla ädelgaser utom helium, He, har åtta elektroner i yttersta skalet (valenselektroner). Helium är det enda undantaget från oktettregeln eftersom det endast ryms två elektroner i K-skalet. Även två elektroner i K-skalet som enda skal ger en mycket stabil elektronkonfiguration (ibland kallas detta duettregeln). Atomer som inte är ädelgaser kan följa oktettregeln eller duettregeln genom att bilda joner eller dela elektroner med andra atomer i bindningar. Oktettregeln och duettregeln är alltså ett alternativt sätt att beskriva ädelgasstruktur.

Några ädelgaser Helium, neon, argon och radon är fyra välkända ädelgaser. Här ska vi titta lite närmare på dem.

HELIUM Helium, He, är näst väte, H, universums vanligaste grundämne. Gasen är sällsynt i luft men finns i högre halter i naturgas (fossilgas). Helium separeras från naturgas genom att naturgas kyls under så högt tryck att övriga gaser kondenserar till vätska medan helium fortsätter att vara gas.

122

AVSNITT 4 –––––– Ädelgaser

Helium används i ballonger, som kylmedium och i vissa typer av andningsgas för dykare (blandat med syre). Helium används också i vissa lasrar (helium–neon-lasrar) i mätinstrument för precisionsmätning av små rörelser hos föremål. Om man andas in helium får man en mycket pipigare röst. Detta beror delvis på att helium är en betydligt lättare gas än luft.

NEON Neon, Ne, finns i låga halter i luft och framställs genom destillation av flytande luft. Luften komprimeras och kyls ner tills den blir flytande. Neon används i ljusreklam och vissa speciallampor. I reklamskyltar avger neon ett orangerött ljus, så kallat neonljus. Neon används också i helium–neon-lasrar.

Ljus från neonrör är typiskt för lysande reklamskyltar. Ett neonrör är ett vakuumtätt glasrör med en elektrod i vardera änden. Röret är fyllt med en liten mängd ädelgas (till exempel neon, därav namnet). Om en elektrisk spänning läggs över elektroderna kan gasen fås att lysa. Neon ger röd färg, andra gaser ger andra färger. Ett neonrör kan lätt formas till exempelvis bokstäver och på så sätt användas i reklamskyltar.

123

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

ARGON Argon, Ar, är den vanligaste ädelgasen i luft, som innehåller nästan 1 procent argon. I likhet med neon framställs argon genom destillation av flytande luft. Argon används i lysrör, glödlampor och vissa speciallampor samt som skyddsgas vid svetsning. Vid svetsning behöver man hålla luftens syre borta för att kontrollera svetslågan. Argon fungerar bra för att hindra luftens syre från att nå svetslågan. Ädelgasen argon kan användas som skyddsgas vid svetsning.

RADON Radon, Rn, bildas när grundämnet radium, Ra, sönderfaller. Radon läcker ut från jordskorpan och förekommer i vissa husbyggnadsmaterial, till exempel blåbetong. Om man bor i ett ”radonhus” är det viktigt att ha god ventilation. Radonhalten kan också bli hög i brunnsvatten. När radon sönderfaller bildas andra radioaktiva ämnen som kan fastna i lungorna och orsaka lungcancer.

SAMMANFATTNING Ädelgaserna hör till grupp 18 i perio*diska systemet.

Ädelgaser har antingen två eller åtta elektroner i sitt yttersta elektronskal och reagerar nästan inte alls med andra ämnen. Den elektronkonfiguration som *kallas ädelgasstruktur har fått sitt

är mycket stabil *ochÄdelgasstruktur innebär att K-skalet är fyllt

är radioaktivt och sönder*fallerRadon till radioaktiva ämnen som kan

(två elektroner) eller att det yttersta elektronskalet har åtta elektroner.

öka risken för cancer.

Helium är universums näst vanli*gaste ämne.

*i luft.Argon är den vanligaste ädelgasen

namn efter ädelgaserna.

124

AVSNITT 4 –––––– Ädelgaser

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Hur kommer det sig att ädelgaser nästan inte alls reagerar med andra ämnen?

2.4.1 Förklara ursprunget till beteckningen ädelgaser.

2. Vad innebär det att en atom har ädelgasstruktur?

2.4.2 Flytande helium har speciella egenskaper. Ta reda på mer om flytande helium.

3. Vad menas med att ädelgaser är stabila? 4. Förklara varför helium, He, räknas som en ädelgas, trots att helium inte uppfyller oktettregeln.

2.4.3 Ta reda på hur de olika ädelgaserna har fått sina namn. Varför heter till exempel neon just neon?

5. Nämn två användningsområden för helium. 2.4.4 Ta reda på mer om varför man får en mycket pipigare röst om man andas in helium.

6. Vilken färg ger neon när det används i ljusreklam? 7. Hur stor andel av luften består av argon?

2.4.5 Varför kan krypton, xenon och radon bilda föreningar med andra ämnen, men inte helium, neon och argon? Tips: Fundera på atomernas storlek.

8. Varför används argon som skyddsgas vid svetsning? 9. Hur bildas radon? 10. Varför är radon farligt?

125

AVSNITT 5: Alkalimetaller, väte och halogener

Både alkalimetallerna i grupp 1 och halogenerna i grupp 17 är mycket reaktiva grundämnen. Alkalimetallerna avger lätt sin enda valenselektron för att uppnå ädelgasstruktur, medan halogenerna lätt tar upp en elektron för att uppnå detsamma. Därför reagerar ämnena i dessa två grupper gärna med varandra.

ORD OCH BEGREPP Alkalimetaller är de sex metalliska grundämnena i grupp 1 i periodiska systemet.

Halogener är grundämnena i grupp 17 i periodiska systemet.

Valenselektron är en elektron i det yttersta elektronskalet hos en atom.

Hydroxidjon är jonen OH–.

Ädelgasstruktur innebär två valens elektroner i K-skalet eller åtta valens elektroner i övriga elektronskal.

Basisk är en kemisk benämning på en vattenlösning med pH högre än 7.

Protium är väteisotopen 11 H .

Deuterium är väteisotopen 21 H .

Tritium är väteisotopen 31 H .

Alkalimetaller är så reaktiva att de i ren form reagerar med vattenånga och syre i luften. Därför måste de förvaras i fotogen. Fotogenet hindrar metallen från att komma i kontakt med luft. Bilden visar litium (lithium), Li, natrium (sodium), Na, och kalium (potassium), K, i fotogen.

Alkalimetallernas egenskaper Grupp 1 i periodiska systemet består av väte, H, och alkalimetallerna. Både väte och alkalimetallerna har en enda valenselektron. För vätes del är valenselektronen också atomens enda elektron. Alkalimetallerna är litium, Li, natrium, Na, kalium, K, rubidium, Rb, cesium, Cs, och francium, Fr. De är lätta och så mjuka att de kan skäras med kniv. Alkalimetallerna är silvervita (utom cesium, som är guldgult). De har fått sitt namn eftersom de reagerar med vatten och ger en alkalisk (basisk) lösning. Alkalimetaller har så hög reaktivitet att de alltid förekommer i kemiska föreningar i naturen, aldrig som rena ämnen. Det går alltså inte att hitta exempelvis en bit ren natrium i naturen. Jonisations energin minskar nedåt i gruppen, vilket innebär att reaktiviteten ökar nedåt i gruppen. Den stora cesiumatomen är den lättast joniserbara stabila alkalimetallen och därmed den mest reaktiva metallen i naturen.

127

1 1

H väte

1 3

Li litium

2 11 3

Na natrium

19 4

K kalium

37 5

Rb rubidium

55 6

Cs cesium

87 7

Fr francium

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Några alkalimetaller Litium, natrium och kalium är tre välkända alkalimetaller. Här ska vi titta lite närmare på dem.

LITIUM Litium, Li, är det lättaste av alla fasta grundämnen. Litium förekommer i många bergarter och i vatten från mineralhaltiga källor. Vissa litiumföreningar används som läkemedel mot bipolär sjukdom. Litiumjoner, Li+, används i litiumjonbatterier.

Litiumjoner, Li , ger röd färg på lågan.

En bit ren litium, Li.

NATRIUM Natrium, Na, ingår som joner, Na+, i mineraler och havsvatten. Det viktigaste mineralet för framställning av natrium och natriumför eningar är stensalt, NaCl. Framställning av natrium sker genom smältelektrolys av natriumklorid. Både natriumsalter och kaliumsalter är livsviktiga för saltbalansen i kroppen, för nervsignaler och för att musklerna ska fungera.

KALIUM Kalium, K, finns som joner, K+, i framför allt mineraler. Mycket kalium används som växtnäringsämnen inom jordbruket. NPK-gödningsmedel,

128

AVSNITT 5 –––––– Alkalimetaller, väte och halogener

med kväve, N, fosfor, P, och kalium, K (alla som joner), är avgörande för modernt jordbruk. Kaliumsalter är tillsammans med natriumsalter livsviktiga för saltbalansen i kroppen, för nervsignaler och för att musklerna ska kunna dras ihop och slappna av.

Reaktioner med alkalimetaller Alkalimetallerna är mycket reaktiva och reagerar p snabbt med syre, till exempel från luft. p kraftigt med vatten. Då bildas vätgas, alkalimetalljoner och hydroxidjoner. p med halogener. Då bildas salter. Rena alkalimetaller brukar därför förvaras i fotogen för att inte reagera med syre eller vattenånga i luften. Eftersom alkalimetaller är så reaktiva finns de inte i ren form i naturen. Om man vill framställa en ren alkalimetall måste man utgå från en kemisk förening där metallen ingår.

EXEMPEL: REAKTIONEN MELLAN NATRIUM OCH VATTEN Alkalimetaller reagerar mycket häftigt med vatten och bildar då alkalimetalljoner, vätgas och hydroxidjoner. Natriums reaktion med vatten kan skrivas som 2Na(s) + 2H2O → 2Na+(aq) + H2(g) + 2OH–(aq) Na+(aq) och OH–(aq) betyder att jonerna är lösta i vatten. Ju längre ner man kommer i gruppen alkalimetaller, desto snabbare går reaktionen med vatten, eftersom den enda valenselektronen befinner sig allt längre från kärnan. Som vi har sett tidigare beror detta på att atomradien ökar när man går nedåt i en grupp eftersom det tillkommer ett nytt elektronskal för varje period. De bildade hydroxidjonerna, OH–, gör lösningen basisk. Genom att blanda i fenolftalein, en pH-indikator, i vattnet ser vi detta tydligt genom att lösningen färgas rödviolett. pH-indikatorer har olika färg vid olika pH-värden.

129

När natriummetall reagerar med vatten som innehåller indikatorn fenolftalein färgas lösningen rödviolett.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Vätes egenskaper Väteisotoper Namn

Symbol

protium (lätt väte)

1 1H

deuterium (tungt väte)

2 1H

tritium (tretungt väte)

3 1H

Väte befinner sig överst i grupp 1 i det periodiska systemet och är det lättaste av alla grundämnen. 1 Väte förekommer som tre isotoper. Protium, 1 H , består av en proton 2 och en elektron, deuterium, 1 H , består av en neutron i kärnan och 3 tritium, 1 H , består av två neutroner. Av atommassan för väte, 1,008 u, förstår man att den naturliga isotopblandningen nästan enbart utgörs av lätt väte (protium). Fritt väte består av molekyler, H2, och är vid normal rumstemperatur en färg- och luktlös gas. Väte är det vanligaste grundämnet och utgör cirka 75 procent av universums massa. På jorden är den största andelen väte bunden i kemiska föreningar i vatten och i jordskorpan. I organismer ingår väte i kolhydrater, fetter och proteiner samt givetvis i vatten. En person som väger 70 kg innehåller ungefär 7 kg väte. Väte framställs från naturgas, olja eller vatten och används bland annat som fordonsbränsle. Stora mängder väte används för framställning av andra ämnen, till exempel saltsyra, HCl, och ammoniak, NH3. Ren vätgas är lättantändlig och måste därför transporteras och lagras på ett säkert sätt. En blandning av vätgas och syrgas exploderar vid antändning och kallas därför knallgas.

Hindenburg var ett tyskt luftskepp fyllt med vätgas. Det fattade eld vid förtöjning 6 maj 1937 i Lakehurst utanför New York. Luftskeppet byggdes egentligen för att fyllas med helium men på grund av att USA förbjudit export av helium till Tyskland (som då styrdes av nazistpartiet) valde man att använda den brandfarliga gasen väte i stället.

130

AVSNITT 5 –––––– Alkalimetaller, väte och halogener

Halogenernas egenskaper Grundämnena i grupp 17 i det periodiska systemet kallas halogener. I denna grupp ingår välkända ämnen som fluor, F, klor, Cl, brom, Br, och jod, I. Samtliga halogener är ickemetaller och är giftiga i grundämnesform. Framställda halogener i ren form förekommer endast som tvåatomiga molekyler, till exempel klor, Cl2. Fluor och klor är gaser vid vanlig temperatur och normalt tryck, brom är en vätska och jod och astat fasta ämnen. Alla halogenerna är mycket reaktiva och finns därför inte i fria naturen, endast i kemiska föreningar. Halogenerna har sju valenselektroner och behöver tillgång till ytterligare en elektron för att uppnå ädelgasstruktur. Ordet halogen betyder saltbildare och halogener ingår ofta i salter (jonföreningar).

17 9

Fluor, klor, brom, jod och astat är fem halogener. Här ska vi titta lite närmare på dem.

FLUOR Fluor, F2, är en gulaktig giftig gas och det mest reaktiva av alla grundämnen. På grund av sin höga reaktivitet förekommer fluor inte fritt i naturen. I naturen finns fluor i föreningar i mineraler och kan framställas genom elektrolys av vissa fluorföreningar. Fluorföreningar ingår i tändernas emalj. Genom att tillsätta natriumfluorid, NaF, i dricksvatten, tandkräm och munsköljmedel kan emaljen stärkas och kariesangrepp på tänderna minskas.

KLOR Klor, Cl2, är en gulgrön giftig gas med stickande lukt. En vanlig klor förening är koksalt (natriumklorid), NaCl. Vid framställning av klor kan man utgå från natriumklorid. Klor verkar blekande, frätande och bakteriedödande. Dricksvatten och vatten i simbassänger kloreras för att döda skadliga bakterier. Klorföreningar kan även vara vanliga plaster, till exempel PVC, polyvinylklorid.

131

Cl klor

3 35 4

Br brom

I jod

5 85 6

At astat

117 7

Några halogener

F fluor

Ts tenness

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

BROM

Brom är den enda icke-metallen som är

Brom, Br2, är en rödbrun vätska och är tillsammans med kvicksilver, Hg, det enda grundämnet som är flytande vid rumstemperatur. Brom utvinns ur bromsalter i havsvatten. Bromerade flamskyddsmedel används i textilier och plaster för att göra olika produkter brandsäkra. När möbler och datorer skrotas kan flamskyddsmedlen orsaka miljö problem. I Sverige tillverkas inte bromerade flamskyddsmedel men de förekommer i importerade produkter. Många bromerade flamskyddsmedel har förbjudits inom EU.

flytande vid rumstemperatur. Det är en mörkröd vätska som lätt förångas till en brunröd gas.

JOD Jod, I2, är ett blåsvart fast ämne som lätt övergår till gas, det vill säga sublimerar. Jod förekommer som jodjoner i havsvatten och i havsalger. Kroppen behöver jod framför allt för att det behövs för att sköldkörteln ska fungera. För att motverka jodbrist tillsätts salter av jod i bordssalt eftersom de flesta människor använder salt regelbundet. Jod upplöst i alkohol används som desinfektionsmedel.

ASTAT Astat, At, förekommer endast som kortlivad mellanprodukt i radioaktiva sönderfallsserier i jordskorpan. Astat är det mest sällsynta av alla naturligt förekommande grundämnen.

Reaktioner mellan alkalimetaller och halogener Clarice Phelps Clarice Phelps (född 1981) är en amerikansk kemist. Hon var en del av teamet som isolerade det första milligrammet av det supertunga grundämnet tenness, Ts, grundämne nummer 117, en halogen i period 7. Clarice Phelps är den första afroamerikanska kvinna som deltagit i upptäckten av ett nytt grundämne.

Alkalimetaller bildar gärna kemiska föreningar med andra atomer. Med sin enda valenselektron reagerar alkalimetaller lätt med halogener. Om en alkalimetall ger bort sin enda valenselektron till en halogen (som har sju valenselektroner) uppnår både alkalimetallen och halogenen ädelgasstruktur. När alkalimetaller avger sin enda valenselektron bildas en positivt laddad jon med laddningen +1. Elektronskalet som tidigare var näst ytterst har nu blivit det yttersta elektronskalet. Jonen har uppnått ädelgasstruktur, det vill säga två elektroner i det yttersta skalet om det gäller litiumjonen, Li+, eller åtta elektroner om det gäller de övriga alkalimetalljonerna: Na+, K+, Rb+, Cs+ och Fr+.

132

AVSNITT 5 –––––– Alkalimetaller, väte och halogener

EXEMPEL: REAKTIONEN MELLAN NATRIUM OCH KLOR En typisk reaktion mellan en alkalimetall och en halogen är när natriummetall, Na(s), reagerar med klorgas, Cl2(g). Då bildas ett vitt, fast ämne med helt andra egenskaper än både natrium och klor. Ämnet smakar salt och är också ett salt – vanligt koksalt, eller natriumklorid, NaCl(s). Den kemiska formeln för reaktionen mellan natrium och klorgas skrivs 2Na + Cl2 → 2NaCl I reaktionen avger natriumatomen en elektron som kloratomen tar upp. Då får natriumatomen åtta elektroner ytterst (i L-skalet), liksom kloratomen (men då i M-skalet). Både natriumatomen och kloratomen har nu uppnått ädelgasstruktur. Eftersom natriumatomen förlorar en elektron, e–, omvandlas atomen till en positivt laddad natriumjon, Na+. Kloratomen, som tar upp minusladdningen omvandlas i stället till en negativt laddad kloridjon, Cl–.

En elektron lämnar natriumatomen och tas upp av kloratomen. M L

1e– 8e–

2e–

Bordssalt är jonföreningen (saltet) natriumklorid, NaCl.

Både natriumjonen och kloridjonen har åtta valenselektroner, det vill säga ädelgasstruktur.

7e– 8e–

8e–

8e– 8e–

2e–

→

natriumatom

kloratom

natriumjon

kloridjon

symbol: Na

symbol: Cl

symbol: Na+

symbol: Cl–

laddning: 0

laddning: +1

laddning: –1

valenselektroner: 1

valenselektroner: 7

valenselektroner: 8

totalt antal elektroner: 11

totalt antal elektroner: 17

totalt antal elektroner: 10

totalt antal elektroner: 18

protoner: 11

protoner: 17

protoner: 11

protoner: 17

133

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Två minuter med fluortanten Om du gått i grundskolan mellan 1960-talet och 1990-talet hade fluortanten kommit på besök varje eller varannan vecka. Då fick hela klassen avbryta lektionen för att under två minuter skölja munnen med 0,2-procentig natriumfluoridlösning, NaF (aq). Fluoridjoner stärker emaljen, minskar syraangrepp och förebygger karies. Eftersom tandhälsan blivit sämre har fluortanten återuppstått i vissa kommuner.

När fluortanten knackade på dörren till klassrummet avbröts lektionen och varje elev fick en mugg med natrium fluoridlösning.

SAMMANFATTNING i grupp 1, förutom *väte,Grundämnena kallas alkalimetaller.

Alkalimetallerna har en enda valens elektron och reagerar därför lätt med andra ämnen.

Alkalimetaller reagerar med halogener och bildar då jonföreningar (salter).

Alkalimetaller reagerar häftigt med *vatten. Då bildas vätgas, alkalimetalljoner och hydroxidjoner och vattenlösningen blir alkalisk (basisk). Väte är det vanligaste grundämnet i *universum. Det finns tre isotoper av väte, men i *naturen finns nästan bara den lättaste formen, lätt väte ( 11 H ).

134

*väte.Lätt väte benämns oftast helt enkelt Grundämnena i grupp 17 är haloge*nerna. Halogenerna har sju valens *elektroner och därmed uppnår de ädelgasstruktur genom att ta upp en elektron.

AVSNITT 5 –––––– Alkalimetaller, väte och halogener

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Varför finns alkalimetaller aldrig i ren form i naturen?

2.5.1 Skriv en reaktionsformel för reaktionen mellan kalium, K(s), och fluor, F2(g). Det bildas ett salt i fast form. Förklara vilken elektronövergång som sker.

2. På vilket sätt bildar alkalimetallerna kemiska föreningar med andra atomer? 3. Vad händer med elektronfördelningen när en atom av en alkalimetall bildar en jon?

2.5.2 Varför reagerar kalium häftigare med vatten än vad litium gör?

4. Varför blir vattenlösningar basiska när alkalimetaller reagerar med vatten?

2.5.3 Hur får halogenerna ädelgasstruktur?

5. Vilka är de tre väteisotoperna och hur skiljer de sig från varandra?

2.5.4 Förklara skillnaderna mellan natrium, Na, och aluminium, Al, baserat på deras gruppnummer.

6. Varför är atommassan för väte inte exakt 1 u? 7. Vilket är det vanligaste grundämnet i universum?

2.5.5 Ta reda på hur väte och de olika alkalimetallerna och halogenerna har fått sina namn. Varför heter till exempel fluor just fluor?

8. Hur många valenselektroner har halogener? 9. Varför förekommer rena halogener bara som tvåatomiga molekyler? 10. Vilken halogen är flytande vid rumstemperatur?

135

AVSNITT 6: Alkaliska jordartsmetaller och kalkogener

Grundämnena i grupp 2 i periodiska systemet kallas alkaliska jordartsmetaller. Deras två valenselektroner kan avges för att uppnå ädelgasstruktur. Grupp 16 kallas kalkogener. De har sex valenselektroner och kan uppta två elektroner för att uppnå ädelgasstruktur. Atomerna i båda grupperna har alltså elektronkonfigurationer som ligger två elektroner från ädelgasstruktur.

ORD OCH BEGREPP Alkaliska jordartsmetaller är grundämnena i grupp 2 i periodiska systemet.

Kalkogener är grundämnena i grupp 16 (syregruppen) i periodiska systemet.

Malm är en bergart med så hög metallhalt att den är lönsam att bryta.

Kroppsvikten består till 1–2 procent av kalcium. Mer än 99 procent av kroppens kalcium finns i skelettet.

De alkaliska jordartsmetallernas egenskaper Grundämnena i grupp 2 i det periodiska systemet består av metallerna beryllium, Be, magnesium, Mg, kalcium, Ca, strontium, Sr, barium, Ba, och radium, Ra. Grundämnena i grupp 2 kallas alkaliska jordartsmetaller. De har två valenselektroner som kan avges för att uppnå ädelgasstruktur. De alkaliska jordartsmetallerna reagerar lätt med andra ämnen men är något mindre reaktiva än alkalimetallerna. Det beror på att de alkaliska jordartsmetallerna behöver avge två valenselektroner för att uppnå ädelgasstruktur medan alkalimetallerna bara behöver avge en enda valenselektron. Att avge två valenselektroner kräver mer energi jämfört med att avge endast en. På grund av deras reaktivitet finns ingen av de alkaliska jordartsmetallerna i ren form i naturen. Reaktiviteten ökar nedåt i gruppen. Strontium och barium reagerar med vatten, medan de övriga reagerar

137

2 4 2

Be beryllium

Mg magnesium 20

Ca kalcium

38 5

Sr strontium

56 6

Ba barium

88 7

Ra radium

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

mindre kraftigt med vatten. Det beror på att större atomer i gruppen är mer reaktiva jämfört med mindre atomer, vilket i sin tur beror på att när avståndet mellan atomkärna och valenselektroner är stort blir den elektriska kraften mellan atomkärna och valenselektroner svag. De fyra alkaliska jordartsmetallerna med störst atomer ger olika lågfärger, det vill säga en tydlig färg på lågan när metallen (eller vanligen ett salt av metalljoner) förs in i en låga, till exempel från en bunsenbrännare. Exempelvis ger strontium röd lågfärg och barium grön. Beryllium och magnesium ger ingen lågfärg.

Några jordartsmetaller Här tittar vi närmare på de tre första alkaliska jordartsmetallerna i periodiska systemet.

BERYLLIUM

Beryllium är så lätt att det används i satelliter.

Beryllium, Be, är en gråvit hård metall och ett av de lättaste grundämnena. Beryllium har de minsta atomerna bland de alkaliska jordartsmetallerna och därmed lägst reaktivitet i gruppen. Beryllium finns i vissa mineraler i jordskorpan. Eftersom beryllium är så lätt ingår beryllium i legeringar i flygplan, raketer och satelliter.

MAGNESIUM Magnesium, Mg, är likt beryllium en gråvit hård metall. Magnesium ingår i olika mineral i jordskorpan. Havsvatten innehåller lösta magnesiumjoner. Växternas gröna färgämne, klorofyll, innehåller magnesium. Magnesium är en lättmetall som likt nästa grundämne och lättmetall i samma period, aluminium, Al, används som material i flygplan.

KALCIUM Kalcium, Ca, är en silvervit mjuk metall. Kalcium är mycket vanligt i jordskorpan där det ingår som metalljon i olika mineral, till exempel kalk och kalksten. Kalciumföreningar är viktiga för skelettets uppbyggnad, musklernas funktioner och blodets levring (koagulation). Därför behöver vi få i oss kalcium i tillräcklig mängd. Mjölk, smör och ost är exempel på livsmedel som innehåller kalcium.

138

AVSNITT 6 –––––– Alkaliska jordartsmetaller och kalkogener

FÖRDJUPNING

Lågfärger

Fenomenet med lågfärger har använts

joner tillförs energi, exempelvis genom

ut. Vissa lågfärger är dock ganska lika

inom kemin som en kvalitativ analys-

upphettning i en låga, hoppar elektroner

varandra och ytterligare undersök-

metod för att identifiera vissa metall-

till högre energinivåer. När dessa

ningar kan behövas för att säkert veta

joner. Kvalitativ analys innebär att

elektroner sedan trillar tillbaka till sina

vilken jon som finns i ett visst prov.

man tar reda på om något ämne finns

ursprungliga (lägre) energinivåer avger

Historiskt har studier av lågfärger

eller inte finns i ett prov. Metoden att

de energi i form av ljus. Eftersom varje

varit betydelsefulla inom kemin. Till

använda lågfärger kallas lågtest eller

metalljon har en unik elektronstruktur,

exempel upptäckte Robert Bunsen

flamtest och används numera främst

är energiskillnaderna mellan energi-

(1811–1899) och Gustav Kirchhoff (1824–

inom undervisning i kemi. Lågtest

nivåerna också unika. Det resulterar i

1887) på 1860-talet de två alkalime-

utnyttjar elektronkonfigurationen hos

att ljus med specifika våglängder, och

tallerna rubidium, Rb, och cesium, Cs,

metalljoner. Principen är att när metall-

därmed karakteristiska färger, sänds

genom att observera deras lågfärger.

Litiumjoner, Li , ger röd lågfärg.

Kalciumjoner, Ca , ger orange lågfärg.

Natriumjoner, Na , ger gul lågfärg.

Strontiumjoner, Sr , ger röd lågfärg.

139

Kaliumjoner, K , ger violett lågfärg.

Bariumjoner, Ba , ger grön lågfärg.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Vulkanen Dallol i Etiopien. Synliga grundämnen i ren form är ganska ovanliga i naturen. Den gula ickemetallen svavel, S, är ett undantag.

Kalkogenernas egenskaper 16 8 2 16 3 34 4 52 5

O syre S svavel Se selen Te tellur

84 6

Po polunium

116

Lv livermorium

Grupp 16 i det periodiska systemet kallas kalkogenerna eller syregruppen. Kalkogen betyder malmbildare. Kalkogenerna syre, O, och svavel, S, förekommer ofta tillsammans med metaller i mineraler i jordskorpan. Om mineraler är lönsamma att bryta och bearbeta kallas de malmer. Kalkogenerna har sex valenselektroner och behöver ta upp två elektroner för att uppnå ädelgasstruktur. De första tre kalkogenerna, syre, O, svavel, S, och selen, Se, är icke-metaller. Tellur, Te, är en halvmetall och polonium, Po, en metall.

Några kalkogener Syre är det vanligaste grundämnet i jordskorpan och allt vatten på jordklotet och i luften. Svavel finns också i stora mängder.

SYRE Syre, O, ingår i luft till cirka 21 procent och bildar kemiska föreningar med de flesta grundämnen. Syre är det vanligaste grundämnet i jordskorpan, i vatten och är också det vanligaste grundämnet (sett till

140

AVSNITT 6 –––––– Alkaliska jordartsmetaller och kalkogener

massa) i vår kropp, där det utgör två tredjedelar av massan. Sett till antal är väte, H, det vanligaste grundämnet i kroppen. Vid växternas fotosyntes bildas syrgas, O2, en restprodukt som används i människans och andra organismers cellandning. Vid förbränning förenar sig ett bränsle med syre under värmeutveckling. Människans förbränning av fossila bränslen sedan mitten av 1700-talet har ökat koldioxidhalten, CO2, i atmosfären, vilket har lett till högre global medeltemperatur. Ozon, O3, finns i ett skikt i stratosfären som skyddar mot UV-strålning. Vid lägre halter i ozonskiktet, så kallade ozonhål, kan UV-strålningen in mot jordklotet öka och orsaka hudcancer.

Marie Curie Marie Curie (1867–1934) var en polskfransk fysiker och kemist. Hon är den enda person som har tilldelats Nobelpris i både fysik och kemi. Hon upptäckte grundämnena polonium, Po, en kalkogen i period 6 och radium, Ra. Hon var en pionjär inom studiet av radioaktivitet och hennes upptäckter inom radioaktivitet lade grunden för modern kärnfysik och medicinsk strålbehandling.

SVAVEL Svavel, S, är ett ljusgult och fast ämne. Svavel ingår i flera mineraler i jordskorpan. I vulkaniska områden bildas svavel direkt ur svavelhaltiga gaser som strömmar ut ur jordskorpan. Huvuddelen av utvunnet svavel används till framställning av svavelsyra, H2SO4. Svavelsyra är en kemikalie med många användningsområden, till exempel produktion av konstgödsel, färgämnen, läkemedel och tvättmedel. Svavel är nödvändigt för alla organismer. Bland annat ingår svavel i vissa byggstenar till proteiner.

SAMMANFATTNING Grundämnena i grupp 2 kallas *alkaliska jordartsmetaller.

Grupp 16 kallas kalkogenerna eller *syregruppen.

De alkaliska jordartsmetallerna har två valenselektroner och uppnår ädelgasstruktur genom att avge dessa.

Kalkogenerna har sex valenselek*troner och får ädelgasstruktur genom att ta upp två elektroner.

Kalkogen betyder malmbildare.

141

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Hur många valenselektroner har ämnena i grupp 2 i det periodiska systemet?

2.6.1 Hur har gruppen alkaliska jordartsmetaller fått sitt namn?

2. Har alkalimetaller eller alkaliska jordartsmetaller högst reaktivitet? Motivera svaret.

2.6.2 Ta reda på vilka egenskaper som är lika för de alkaliska

3. Varför finns inte de alkaliska jordartsmetallerna i ren form i naturen?

jordartsmetallerna. Vilka egenskaper är olika? 2.6.3 Föreslå två kemiska egenskaper du kan förutsäga om ett okänt grundämne om du vet att det tillhör grupp 2.

4. Varför är kalcium viktigt för kroppen? 5. Vilken roll spelar syre och svavel i biologiska system?

2.6.4 Beskriv hur följande egenskaper hos grundämnena förändras när man går nedåt i grupp 2:

6. Hur kan kalkogenerna uppnå ädelgasstruktur? 7. Hur stor andel av luften består av syre?

a) reaktivitet b) atomstorlek c) smältpunkt

8. Hur påverkar förbränning av fossila bränslen atmosfären?

2.6.5 Ta reda på vilka egenskaper som är lika för kalkogenerna. Vilka egenskaper är olika?

9. Vad är ozon och vilken nytta har vi av ozonskiktet? 10. Hur ser svavel ut i fast form?

2.6.6 Ta reda på varför syre bildar tvåatomiga syremolekyler medan svavel bildar åttaatomiga svavelmolekyler. 2.6.7 Ta reda på hur de olika alkaliska jordartsmetallerna och kalkogenerna har fått sina namn. Varför heter till exempel syre just syre?

142

AVSNITT 6 –––––– Alkaliska jordartsmetaller och kalkogener

LABORATION

Ämnens reaktivitet inom samma period Introduktion

Utförande

Hur pass reaktivt ett ämne är beror på

Börja med att besvara följande

2. När det börjar bli svårt att hålla kvar tummen tänder du (eller en

flera saker. Två saker som påverkar är

fråga: Vilken av metallerna kalcium

kompis) en tändsticka och för den

hur många valenselektroner ämnet har

och magnesium tror du kommer att

till provrörets mynning.

och hur många elektronskal det har.

reagera kraftigast? Motivera svaret.

3. När du släpper tummen kommer

I den här laborationen ska du

Svaret på frågan är din hypotes.

vätgasen ut och förbränns med en

undersöka hur två ämnen i samma

När du har skrivit svar på frågan kan

grupp, men i olika perioder, reagerar

du börja laborera.

med vatten och hur reaktiviteten skiljer

1. Öppna varmvattenkranen och

vatten på insidan av provrörets

vänta tills vattnet blivit riktigt

mynning eftersom det bildas

varmt.

vatten enligt följande reaktions-

sig mellan de båda ämnena. När magnesium, Mg, reagerar med vatten, H2O, bildas vätgas, H2, och

2. Fyll ett provrör till 2–3 cm höjd

–

hydroxidjoner, OH , enligt nedanstående reaktionsformel: Mg(s) + 2H2O → Mg2+(aq) + H2(g) + 2OH– (aq) Motsvarade sker när kalcium, Ca,

med varmt kranvatten.

Ca2+(aq) + H2(g) + 2OH– (aq)

formel när vätgasen förbränns: 2H2 + O2 → 2H2O

3. Tillsätt ett par droppar fenol Redovisning

ftalein. 4. Tillsätt med hjälp av spateln en knivsudd av magnesiumpulvret. 5. Skaka om och låt pulvret sedi-

reagerar. Ca(s) + 2H2O →

tydlig puff. 4. Du kan också se att det avsätts

Skriv en laborationsrapport om din lärare säger att du ska göra det. Använd i så fall svaret på den inledande frågan som hypotes. Fundera särskilt på

mentera. 6. Notera vad som händer i prov-

vilken funktion fenolftaleinet fyller.

röret. Medan magnesiumpulvret rea-

Kortfattad riskbedömning

Materiel

gerar med vattnet upprepar du

Laborationen är inte riskfylld.

p Magnesiumpulver och kalcium

experimentet, fast med kalcium-

pulver (av samma kornstorlek).

pulver i stället.

p Provrör. p Provrörsställ.

Du kan bekräfta att det bildas vätgas

p Varmt kranvatten.

genom det så kallade knallgastestet.

p Fenolftaleinlösning.

Gör så här:

p Tändstickor.

1. Håll tummen för ett provrör där det

p Spatel eller sked av rostfritt stål.

bildas mycket gas.

143

AVSNITT 7: Bor-, kol- och kvävegrupperna

Ämnena i bor-, kol- och kvävegrupperna har tre, fyra respektive fem valenselektroner. Här finns viktiga ämnen som aluminium, en central industrimetall, kol, kväve och fosfor, som alla har nyckelroller i biologiska processer, samt kisel, som är avgörande för elektronikindustrin.

ORD OCH BEGREPP Borgruppen är grundämnena i grupp 13 i periodiska systemet.

Kvarts är mineralet kiseldioxid, SiO2.

Kolgruppen är grundämnena i grupp 14 i periodiska systemet.

Kvävegruppen är grundämnena i grupp 15 i periodiska systemet.

Organisk kemi är kolföreningarnas kemi.

När aluminium reagerar med luftens syre bildas aluminiumoxid. Oxidskiktet är tunt men mycket starkt och hårt, vilket gör att aluminium är mycket hållbart och kan användas till att bygga exempelvis stora men (förhållandevis) lätta flygplan.

Borgruppens egenskaper 13

Grupp 13 i det periodiska systemet har fått sitt namn av det första grundämnet i gruppen, bor, B. Grundämnena i grupp 13 har tre valens elektroner. Bor brukar beskrivas som en halvmetall. Aluminium, Al, gallium, Ga, indium, In, och tallium, Tl, är metaller.

Några ämnen i borgruppen

B bor

2 13 3

Al aluminium

31 4

Ga gallium

Aluminium och gallium är två viktiga ämnen i borgruppen. Aluminium används i allt från läskburkar till flygplan. Gallium används i vissa typer av elektronik.

ALUMINIUM

In indium

81 6

Tl tallium

113

Det viktigaste grundämnet i borgruppen är aluminium, Al, som också är den vanligaste metallen i jordskorpan. Aluminium leder elektricitet och värme bra. Vid kontakt med syre bildas ett skyddande oxidskikt på aluminiums yta. Därför tar det mycket lång tid innan föremål av aluminium förstörs jämfört med exempelvis järnföremål, som rostar.

145

Nh nihonium

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Aluminiums låga densitet innebär att metallen är lätt jämfört med exempelvis järn och koppar. För bilar och flygplan är det viktigt att hålla nere vikten eftersom hög vikt medför hög bränsleförbrukning. Eftersom aluminium leder elektricitet och är lätt används aluminium och aluminiumlegeringar till exempel för konstruktion av flygplanskroppar, motorer, förpackningar, byggnadsmaterial och elektronik. Aluminium framställs ur mineralet bauxit som finns i stor mängd i Australien, Kina och Brasilien. Att framställa aluminium ur bauxit kräver dock mycket energi. Om aluminiumburkar pantas behöver metallen bara smältas om, vilket spar energi.

GALLIUM Gallium, Ga, ingår i vissa mineraler i jordskorpan och framställs som en biprodukt när aluminium framställs ur bauxit. Kemiska föreningar med gallium används vid konstruktion av halvledare som är viktiga i elektroniska tillämpningar som solceller och bilstrålkastare.

Det finns många fördelar med att använda aluminium för att göra burkar – de blir både lätta och hållbara. Att framställa aluminium är visserligen energikrävande, men en fördel är att aluminium kan återvinnas helt och kräver mycket mindre energi än vid nyproduktion. I Sverige pantas nästan 90 procent av alla aluminiumburkar.

146

AVSNITT 7 –––––– Bor-, kol- och kvävegrupperna

En slipad smyckesdiamant. Vikten hos ädelstenar anges i karat. 1 karat motsvarar 0,200 gram.

Kolgruppens egenskaper Grupp 14 kallas kolgruppen och omfattar kol, C, kisel, Si, germanium, Ge, tenn, Sn, och bly, Pb. Grundämnena i grupp 14 har fyra valenselektroner. Kol är en icke-metall, kisel och germanium är halvmetaller och tenn och bly är metaller.

Några ämnen i kolgruppen Kol, kisel, tenn och bly är fyra viktiga grundämnen i kolgruppen.

14 6

C kol

2 14 3

Si kisel

Ge germanium 50

Sn tenn

82 6

KOL Man kan säga att kol, C, är livets viktigaste grundämne. En speciell del av kemin, organisk kemi, behandlar kolföreningarnas kemi. Kol förekommer till cirka 18 massprocent i vår kropp och bygger upp det molekylära skelettet i bland annat nukleinsyror (DNA och RNA), kolhydrater, fetter och proteiner. Vid fotosyntesen binder växter och alger kol i form av koldioxid, CO2. När organismer dör omvandlas deras kolföreningar efter miljontals år till stenkol, råolja och naturgas (fossilgas). Den radioaktiva isotopen kol-14 kan användas för åldersbestämning av dött organiskt material.

147

114 7

Pb bly

Fl flerovium

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

FÖRDJUPNING

Olika former av kol

En kolatom binder lätt till andra kol-

bryta diamant i gruvor. Om diamanterna

i skikt som hålls ihop med svaga bind-

atomer så att det bildas kedjor eller

är tillräckligt fina slipas de och används i

ningar. Eftersom skikten lossnar lätt

ringar. Kol förekommer naturligt framför

dyrbara smycken.

från varandra används grafit i blyerts

allt i två former: diamant och grafit.

Eftersom diamant är extremt hårt

pennor. Inom skikten binder varje kol

I diamant binds kolatomerna till var-

kan diamanter som inte blir smycken

atom hårt till tre andra kolatomer. Varje

andra med kovalenta bindningar. Man

användas i verktyg för att borra i eller

kolatom i grafit har alltså en valenselek-

kan säga att en bit diamant är en enda

skära till exempel glas. Förutom natur-

tron ”över” som rör sig fritt i materialet.

makromolekyl (makro = stor) där alla

liga diamanter finns även syntetiska

Därför leder grafit elektrisk ström och

atomer ingår i samma molekyl. Diamant

diamanter som tillverkas industriellt.

kan användas i elektroder.

bildas i flytande magma djupare än 150

Smycken med syntetiska diamanter

Förutom diamant och grafit finns

km ner i jordmanteln. Bitar av magma

är mycket billigare än smycken med

de ovanliga kolformerna fullerener,

med diamant har på vissa ställen, till

naturliga diamanter. De används också i

nanorör och grafen. De liknar bollar,

exempel i Sydafrika, flutit upp och

verktyg för hårda material.

tunna skikt eller skikt som böjt ihop sig

stelnat så nära markytan att det går att

hexagonal grafit

I grafit är kolatomerna organiserade

grafen

till ett rör.

fulleren C60

diamant

nanorör

Strukturen för grafit, grafen, diamant, en fulleren och ett nanorör.

148

AVSNITT 7 –––––– Bor-, kol- och kvävegrupperna

KISEL Kisel, Si, är en icke-metall med halvledaregenskaper som har stor användning i elektronikindustrin. I likhet med kolatomerna i en bit diamant binds kiselatomer ihop med kovalenta bindningar till en makromolekyl av ren kisel, Si. Kisel har viss förmåga att bilda kedjor, men inte lika god förmåga som kol. Efter syre är kisel det vanligaste grundämnet i jordskorpan och ingår i bland annat det vanliga mineralet kvarts (kiseldioxid, SiO2). Kvarts är en viktig råvara vid framställning av glas.

Kvarts är det näst vanligaste mineralet i jordskorpan och används till bland annat elektronik och som råvara i cement.

TENN Tenn, Sn, förekommer i både metallisk och icke-metallisk form. Ibland räknas tenn som halvmetall. I jordskorpan ingår tenn i olika mineraler. Järnplåt som beläggs med tenn används i konservburkar för att göra ytan mer hållbar. Tenn har låg smältpunkt (232 °C) jämfört med andra metaller, till exempel järn (1 535 °C). Därför ingår tenn i legeringar för lödning. Brons är en legering av koppar och tenn. Redan för tusentals år sedan lärde man sig tillverka brons genom att smälta tenn tillsammans med koppar. Brons har gett namn åt bronsåldern.

Brons är en legering mellan tenn, Sn, och koppar, Cu. Med tiden blir bronsstatyer ofta täckta med ärg. Ärg är olika gröna kemiska föreningar som innehåller koppar.

149

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

BLY Bly, Pb, är en mjuk och grå metall som förekommer bundet i mineral i jordskorpan. Bly och dess föreningar är giftiga och kan lagras i kroppen. Tidigare användes bly som tillsats i bensin och i färgpigment, till exempel blyvitt. I dag används bly i bilbatterier och som strålskydd mot farlig strålning. Bilbatterier med bly används allt mindre i och med att eldrivna bilar med litiumjonbatterier blir vanligare.

Kvävegruppens egenskaper 15 7

N kväve

2 15 3

P fosfor

Grupp 15 kallas kvävegruppen efter gruppens första grundämne. Grupp 15 består av kväve, N, fosfor, P, arsenik, As, antimon, Sb, och vismut, Bi. Gemensamt för dessa grundämnen är att de har fem valenselektroner. De behöver alltså ta upp tre elektroner för att uppnå ädelgasstruktur.

33 4

As arsenik

51 5

Sb antimon

83 6

Bi vismut

115

Mc 7 moskovium

N6 – en extremt energirik konstgjord molekyl 2025 publicerade en tysk forskargrupp en artikel där de visade att de lyckats framställa en kvävemolekyl med sex atomer, N6. Molekylen kan existera lång tid i flytande kväve, det vill säga

Några ämnen i kvävegruppen Kväve, fosfor och arsenik är tre välkända grundämnen i kvävegruppen.

KVÄVE Kväve, N, i form av kvävemolekylen N2, är den vanligaste gasen i luft (78 procent). Kvävemolekylen, N2, är stabil, det vill säga den reagerar nästan inte alls med andra ämnen. I organismer ingår kväve i proteiner och nukleinsyror (DNA och RNA). Kväve förekommer även bundet i kemiska föreningar i jordskorpan. Flytande kväve, N2(l), håller en temperatur på –196 °C. Eftersom kvävemolekylen nästan inte reagerar med andra ämnen kan flytande kväve användas för att snabbkyla livsmedel och medicinska prover.

vid –196 °C. Vid rumstemperatur faller N6 sönder på 36 millisekunder till tre vanliga kvävemolekyler, 3N2. N6 -molekylen innehåller mer energi än något tidigare framställt kemiskt sprängämne. Möjligen skulle N6 kunna användas som raketbränsle i framtiden.

FOSFOR Fosfor, P, förekommer i olika former, bland annat röd och vit. Röd fosfor och vit fosfor har olika struktur och kallas så helt enkelt på grund av deras färger. Den vita fosforn är giftig, reagerar lätt med luftens syre och förvaras därför i vatten. Röd fosfor är inte giftig och används i plån

150

AVSNITT 7 –––––– Bor-, kol- och kvävegrupperna

3−

till tändsticksaskar. Fosfor ingår i form av fosfatjon, PO4 , i hundratals mineraler i jordskorpan. Fosfor är livsviktigt för alla organismer eftersom det ingår i bland annat nukleinsyror (DNA och RNA). Molekylen ATP transporterar energi i celler. ATP är rikt på fosfor och bokstaven P står för phosphate, det vill säga fosfat.

ARSENIK Arsenik, As, är en halvmetall som förekommer i vissa mineraler i jordskorpan. Arsenikföreningar är giftiga och har använts i läkemedel, blyhagel och för att skydda trä mot svampangrepp genom impregnering. Förr i tiden var arsenikoxid, As2O3, vanlig i samhället, bland annat som råttgift. När det skrivs om ”arsenik” i samband med giftmord i (främst äldre) kriminalromaner är det egentligen arsenikoxid det gäller. Ris tar upp en del arsenik från marken när plantorna växer. Livsmedelsverket rekommenderar att barn under sex år inte ska äta riskakor eller dricka risdrycker. Vuxna bör äta begränsade mängder ris, särskilt fullkornsris som ofta innehåller högre arsenikhalter jämfört med annat ris. I många länder får människor sitt dricksvatten främst från brunnar. I Bangladesh har vattnet i brunnar haft så höga halter av arsenik att många människor har fått förgiftningsskador.

Livsmedelsverket avråder från att äta för mycket ris och riskakor eftersom ris kan innehålla arsenik.

SAMMANFATTNING Grupp 13 kallas borgruppen, där alla Rent kol förekommer naturligt i flera *ämnen *former, har tre valenselektroner. främst grafit och diamant.

Fosfor ingår i bland annat nuklein*syror.

Aluminium är det mest använda *grundämnet i borgruppen.

15 kallas kvävegruppen, där *allaGrupp ämnen har fem valenselektroner.

* Arsenikföreningar är giftiga.

Grupp 14 kallas kolgruppen, där alla *ämnen har fyra valenselektroner.

Luft utgörs mestadels av kvävgas, *N (g), som nästan inte alls reagerar

bygger upp det molekylära skelet*tetKol i bland annat nukleinsyror (DNA och RNA), kolhydrater, fetter och proteiner.

med andra ämnen. Kväve ingår i byggstenar till *proteiner.

151

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vad händer när aluminium reagerar med luftens syre?

2.7.1 Aluminiumoxid, Al2O3(s), bildar ett skyddande skikt på föremål av aluminium. Ta reda på en balanserad reaktionsformel för reaktionen mellan aluminium och syrgas, O2(g).

2. På vilket sätt är kol livets viktigaste grundämne? 3. Hur många valenselektroner har grundämnena i kolgruppen?

2.7.2 Kväve reagerar nästan inte med andra ämnen. Förklara varför.

4. Hur är grafit uppbyggt och varför kan det användas i blyertspennor?

2.7.3 Kol och kisel i grupp 14 har med sina fyra valenselektroner många bindningsmöjligheter och är på flera sätt lika varandra. Kol ingår som en grundläggande byggsten i komplexa organiska molekyler, men det gör inte kisel. Ta reda på varför.

5. Vilka likheter har bindningarna i kol och kisel? 6. Vilket ämne i kolgruppen är särskilt viktigt för elektronikindustrin? 7. I vilken form förekommer kväve i luften och hur stor andel av luften består av kväve?

2.7.4 Ta reda på hur de olika grundämnena i bor-, kol- och kvävegrupperna har fått sina namn. Varför heter till exempel kväve just kväve?

8. Hur många elektroner behöver grundämnena i kvävegruppen för att uppnå ädelgasstruktur? 9. I vilka två huvudtyper av molekyler ingår kväve i organismer?

2.7.5 Ta reda på mer om hur fullerener och nanorör används inom nanoteknik för att skapa nya material.

10. Vilket ämne i kvävegruppen ingår i plånet i tändsticksaskar?

152

AVSNITT 8: Övergångsmetaller

I grupperna 3–12 mitt i periodiska systemet finns välkända metaller, till exempel krom, järn, nickel, platina, koppar, silver, guld och zink. Dessa metaller kallas övergångsmetaller eftersom de är en sorts övergång mellan periodiska systemets grupper till vänster (grupperna 1–2) och höger (13–18).

ORD OCH BEGREPP Metallurgi är läran om framställning av metaller. Orbital är ett område inom ett skal runt en atomkärna där sannolikheten är störst att hitta en elektron med en viss energi. Tungmetall är en metall eller legering med hög densitet som ofta är särskilt miljöfarlig.

Övergångsmetaller är grundämnen med ofyllda d-orbitaler (eller som bildar joner med ofyllda d-orbitaler) i grupperna 3–11 i periodiska systemet.

Vad är övergångsmetaller? Centralt i periodiska systemet, i grupperna 3–12, hittar vi övergångsmetallerna. Alla övergångsmetaller uppvisar typiska metallegenskaper. De har glänsande yta, leder värme och elektricitet bra och har höga smältoch kokpunkter. I ren form har många övergångsmetaller magnetiska egenskaper. Flera övergångsmetaller bildar färgade föreningar och fungerar som effektiva katalysatorer i viktiga industriella kemiska processer. Med undantag av skandium, Sc, yttrium, Y, och titan, Ti, som är lättmetaller, räknas alla övergångsmetaller till tungmetallerna. Ofta betraktar man dessa grupper som en övergång mellan periodiska systemets huvudgrupper (1, 2, 13–18) och kallar alla dessa grundämnen övergångsmetaller. En striktare definition av övergångsmetaller är ”grundämnen som i fri form eller som positiva joner endast har delvis fyllda d-orbitaler”. Vi återkommer till vad den definitionen innebär.

Övergångsmetallen volfram, W, har den högsta smältpunkten av alla metaller och används bland annat som glödtråd i glödlampor.

grupp 1

1 H 3 Li 11

period

He 5

Rb 55 Cs 87 Fr

38 Sr 56 Ba 88 Ra

B 13

Sc 39

23 Ti

40 Y

Zr 72

24 V

41 Nb 73

Cr 42 Mo 74

25 Mn 43 Tc 75

26 Fe 44 Ru 76

Ni 46

45 Rh

Pd 78

29 Cu 47 Ag 79

30 Zn 48 Cd 80

C 14

Al 21

18 2

okända egenskaper

20 K

metaller

Ge 50

In 81

Si 32

8 N

Sn 82

16 P

33 As 51 Sb 83

F 17

S 34 Se 52

Cl 35

Ar 36

Br 53

Kr 54

I 85

Xe 86

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

Grundämnena i grupperna 3–12 kallas för övergångsmetaller.

155

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Övergångsmetaller och orbitaler Övergångsmetaller är alltså ”grundämnen som i fri form eller som positiva joner har endast delvis fyllda d-orbitaler”. Med den definitionen finns övergångsmetallerna i grupperna 3–11. För att förstå definitionen behöver vi förstå vad orbitaler är. Varje elektronskal (K, L, M och så vidare) motsvarar en energinivå för elektroner. Dessa energinivåer är uppdelade i undernivåer som kallas s, p, d och f. Varje undernivå innehåller en eller flera orbitaler – områden där det är sannolikt att hitta elektroner. En orbital kan innehålla högst två elektroner. Eftersom K-skalet kan innehålla högst två elektroner innebär det att K-skalet innehåller endast en orbital. Den orbitalen betecknas s och finns även i övriga elektronskal.

s, p, d, f s, p, d s, p s

Orbitaler (s, p, d, f) i olika elektronskal (K, L, M, N).

K L M N

De två elektronerna i K-skalets s-orbital betecknas 1s2 där 1 är K-skalets nummer och den upphöjda tvåan är antalet elektroner i orbitalen. Det grundämne som endast har två elektroner är helium, He. Vi kan därför skriva heliums elektronkonfiguration som 1s2. Elektronkonfigurationen för väte, H, blir 1s1 eftersom väteatomen har endast en elektron i sin s-orbital.

156

AVSNITT 8 –––––– Övergångsmetaller

För skal med högre nummer än 1 finns fler typer av orbitaler med högre energinivå än s. De betecknas p-, d- och f-orbitaler. Vidare finns tre sorters p-orbitaler som betecknas px, py och pz, där var och en av dessa orbitaler kan innehålla två elektroner. Totalt kan alltså p-orbitalerna i ett elektronskal innehålla 3 ⋅ 2 = 6 elektroner. På motsvarande sätt finns det fem sorters d-orbitaler och sju sorters f-orbitaler. (Även dessa orbitaler har beteckningar men vi tar inte upp dem här.) Totalt kan d-orbitalerna i ett elektronskal alltså innehålla 5 ⋅ 2 = 10 elektroner, medan f-orbitalerna i ett elektronskal kan innehålla 7 ⋅ 2 = 14 elektroner. Att d-orbitalerna kan innehålla upp till tio elektroner när de är fyllda är särskilt intressant när det gäller övergångsmetallerna. Hos övergångsmetallerna är nämligen d-orbitalerna inte helt fyllda innan nästa skal börjar fyllas på. Orbitaler för de fyra första elektronskalen skal

s-orbital

p-orbital

d-orbital

maximalt antal e-

f-orbital

2 8 18 7

ELEKTRONKONFIGURATIONER MED ORBITALER Vi har sett att elektronkonfigurationen för väte, H, kan skrivas 1s1 och för helium, He, 1s2. Litium, Li, är grundämne nummer 3 och har alltså tre protoner och tre elektroner. I 1s-orbitalen får det plats två elektroner. Därför hamnar den tredje elektronen i s-orbitalen i L-skalet. Litiums elektronkonfiguration skrivs då 1s22s1. Man kan skriva elektronkonfigurationen på ett kortare sätt genom att basera den på en lättare atoms konfiguration. Dess elektronkonfiguration skrivs då inom hakparenteser före de orbitaler som är helt eller delvis fyllda i det tyngre ämnet. Titta nu på den första delen, 1s2. Den delen är precis samma som heliums, He, elektronkonfiguration. Ett kortare sätt att skriva 1s22s1 är därför att skriva [He]2s1, där [He] står för ”heliums elektronkonfiguration”.

157

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Elektronkonfigurationer för grundämnena 1–3 I kolumnen ”Elektronkonfiguration (skal)” motsvarar [2,1] att det innersta skalet (K-skalet) har två elektroner och nästa skal (L-skalet) har en elektron. För vart och ett av skalen fylls först s-orbitalen, sedan p-orbitalen och så vidare. Elektronkonfigu-

Förkortad elektron-

Namn

Atomnummer

ration (skal)

konfiguration

väte

[1]

helium

[2]

1s = [He]

litium

[2, 1]

1s 2s = [He]2s

På motsvarande sätt kan vi skriva elektronkonfigurationen för natrium, Na, som [Ne]3s1, och för kalium, K, som [Ar]4s1. [Ne] står för ”neons elektronkonfiguration” och [Ar] för ”argons elektronkonfiguration”. Orbitalerna fylls i en viss ordning beroende på energinivå. Det innebär att elektroner alltid fylls på så att energinivåerna är de lägsta möjliga. Att 4s-orbitalen fylls före 3d-orbitalerna trots att 3d tillhör ett skal med lägre nummer beror på att 4s har lägre energinivå än 3d.

N M L K Skandium, Sc, är en övergångsmetall i grupp 4 och har ofyllda d-orbitaler i M-skalet. Elektronkonfiguration är 1

[Ar]3d 4s . Observera att endast en av de fem 3d-orbitalerna innehåller en elektron.

158

AVSNITT 8 –––––– Övergångsmetaller

I Sverige finns Europas största fyndighet av sällsynta jordartsmetaller (skandium, yttrium och de 15 lantaniderna). Sällsynta jordartsmetaller är avgörande för att kunna ersätta fossila bränslen med förnybar energi. Bland annat kan de elektriska generatorerna i vindkraftverk och elmotorerna i elbilar göras lättare, kraftfullare och mer effektiva med permanentmagneter som innehåller sällsynta jordartsmetaller.

d-orbitalerna kan innehålla upp till tio elektroner fördelade på fem separata orbitaler, vilket de gör i grupp 12. Till exempel har zink, Zn, som är det översta grundämnet i grupp 12, elektronkonfigurationen [Ar] 3d104s2. Med den striktare definitionen, att d-orbitalerna endast är delvis fyllda, finns övergångsmetaller alltså endast i grupperna 3–11. Elektronkonfigurationer för några övergångsmetaller Om du jämför den förkortade elektronkonfigurationen för kalcium och skandium ser du att 4s-orbitalen fylls före 3d-orbitalerna trots att 3d tillhör ett skal med lägre nummer. Det beror på att 4s har lägre energinivå än 3d. Elektronkonfigu-

Förkortad elektron-

Namn

Atomnummer

ration (skal)

konfiguration

kalcium

[2, 8, 8, 2]

[Ar] 4s

skandium

[2, 8, 9, 2]

[Ar] 3d 4s

titan

[2, 8, 10, 2]

[Ar] 3d 4s

vanadin

[2, 8, 11, 2]

[Ar] 3d 4s

krom

[2, 8, 13, 1]

[Ar] 3d 4s

mangan

[2, 8, 13, 2]

[Ar] 3d 4s

järn

[2, 8, 14, 2]

[Ar] 3d 4s

En mer utförlig tabell med elektronkonfigurationer för grundämnena 1–36 finns på sidan 169.

159

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Övergångsmetallernas joner Orbitaler och ädelgasstruktur En förklaring till varför ädelgasstruktur är så stabil är att orbitalerna i det yttersta elektronskalet är helt fyllda med elektroner. Hos helium är K-skalets enda orbital (s-orbitalen) fylld med två

Till skillnad från alkalimetaller och alkaliska jordartsmetaller, som alltid bildar joner med laddningen +1 respektive +2, kan en övergångsmetall ha fler än en jonladdning. Till exempel kan järn finnas som jonerna Fe2+ och Fe3+. Andra metaller, som krom, Cr, och mangan, Mn, kan bilda ännu fler jonvarianter.

valenselektroner. Hos övriga ädelgaser är både s-orbitalen och de tre p-orbitalerna fyllda med totalt åtta valens

EXEMPEL: JÄRN HAR OFYLLDA 3D-ORBITALER Järn, Fe, är en övergångsmetall i grupp 8. Precis som alla andra övergångsmetaller har järn ofyllda d-orbitaler. Hos järn är de ofyllda d-orbitalerna i M-skalet (skal 3) och därför är 3d-orbitalerna ofyllda.

K-skalet

L-skalet

M-skalet

N-skalet

2e– 2e– 2e– 3d energinivå

elektroner.

2e– 2e– 2e–

2e– 2e–

2e– 2e– 2e– 2e–

2e–

1s 6

Elektronkonfiguration, [Ar] 3d 4s , för järn, Fe. Observera de två ofyllda 3d-orbitalerna och att 3d-orbitalerna ligger på högre energinivå än 4s-orbitalen.

Järn kan ha flera jonladdningar men vanligast är Fe2+-joner och Fe3+-joner. Elektronkonfigurationerna för Fe, Fe2+ och Fe3+ kan skrivas Fe: [Ar] 3d64s² Fe2+: [Ar] 3d6 Fe3+: [Ar] 3d5

160

AVSNITT 8 –––––– Övergångsmetaller

Eftersom 3d-orbitalerna kan innehålla upp till tio elektroner och järnatomer har sex elektroner i sina 3d-orbitaler kan järn under vissa ovanliga omständigheter ta upp ytterligare en eller två elektroner i 3d-orbitalerna. Då bildas Fe– respektive Fe2–. Dessa två negativt laddade järnjoner är inte av någon praktisk betydelse, men vi tar upp dem för att visa att ofyllda d-orbitaler ger möjlighet till många olika jonladdningar. Elektronkonfigurationerna för Fe– och Fe2– kan skrivas Fe–: [Ar] 3d74s² Fe2–: [Ar] 3d84s²

Övergångsmetaller kan bilda flera olika sorters joner, vilket gör deras kemi mycket varierad. Till exempel kan koppar förekomma som både Cu+ och Cu2+, där den senare är vanligast i föreningar. En del övergångsmetaller bildar även sammansatta joner tillsammans med syre, till exempel manganatjonen, MnO42-, och permanagatjonen, MnO4-. Mangan finns även i olika oxider som manganoxid, MnO, och mangandioxid, MnO2. Mangan förekommer också som Mn2+.

Järn är viktigt för kroppens funktioner. Använder du en järngryta när du lagar mat så får du i dig lite extra.

161

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Övergångsmetaller i modern teknologi och vardagsliv

Litiumjonbatterier.

Flera av övergångsmetallerna tillhör våra tekniskt och ekonomiskt viktigaste råvaror. Hit hör järn, titan, koppar, nickel, mangan, krom, kobolt, vanadin, molybden, volfram, platina, silver och guld. Legeringar av övergångsmetaller har ofta genom sina unika egenskaper stor teknisk betydelse som konstruktionsmaterial. Många övergångsmetaller har biologiska funktioner som är livsnödvändiga, framför allt järn, koppar, kobolt och molybden. Övergångsmetaller har en enorm betydelse i modern teknologi och vardagsliv. Några exempel: p Elektronik. Koppar är en utmärkt ledare och används i elkablar och kretskort, medan guld används i kontakter på grund av dess korrosionsbeständighet. p Medicin. Cisplatin, PtCl2(NH3)2, är en livräddande cancerbehandling (cytostatika) och kobolt, Co, ingår i vitamin B12. Järn ingår i blodets syretransporterande protein (hemoglobin). p Energilagring. Nickel och litium används i uppladdningsbara batterier medan vanadin används i storskaliga energilagringssystem, till exempel inom vindkraft. p Konstruktions- och tillverkningsindustri. Järn är en av de mest använda metallerna inom konstruktion och tillverkning. Legeringar som rostfritt stål (järn med kol, krom och nickel) är avgörande för hållbar infrastruktur. Vissa övergångsmetaller är skadliga. Tungmetaller som kadmium och bly är giftiga och ackumuleras i näringskedjor, medan kromjonen Cr6+ är cancerframkallande. Återvinning och säker hantering av tung metaller är därför avgörande för att minimera hälsorisker.

Några viktiga övergångsmetaller Här tittar vi närmare på några viktiga övergångsmetaller.

JÄRN Järn, Fe, är den mest använda övergångsmetallen i världen och en grundläggande komponent i stål. Sverige har rika fyndigheter av

162

AVSNITT 8 –––––– Övergångsmetaller

Gruvan i Kiruna är världens största underjordiska järnmalmsgruva. Varje dag byts upp till 80 000 ton järnmalm på mer än en kilometers djup.

järnmalm, särskilt i Kiruna och Malmberget i Lappland. Järn utvinns genom att järnmalm (oftast magnetit eller hematit) smälts i masugnar och används främst vid tillverkning av stål som används i byggnader, fordon och verktyg. Järn är ett livsviktigt spårämne som behövs för syretransport i blodet via hemoglobin.

Grönt stål Sverige har tagit ledningen i omställ-

Sverige har unika förutsättningar

ningen mot en mer hållbar stålindustri

för produktion av grönt stål tack vare

genom satsningar på ”grönt stål” – en

tillgång till billig förnybar energi (vatten-

ny generation av stål som produceras

kraft och vindkraft), hög kompetens

utan fossila bränslen. Traditionell

inom metallurgi och starkt statligt

ståltillverkning står för cirka 7 procent

stöd. EU:s klimatpolitik och ökad

av de globala koldioxidutsläppen, men

efterfrågan på hållbara material från

med hjälp av fossilfritt producerad

bil- och byggindustrin driver också på

vätgas och fossilfri el kan den svenska

utvecklingen.

stålsektorn bli helt klimatneutral.

163

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

KOPPAR

Koppar i några typer av elledningar.

Koppar, Cu, används på grund av sin utmärkta elektriska ledningsförmåga i elnät, elektronik, fordon och byggnader. Efterfrågan ökar i och med den accelererande elektrifieringen. I Sverige finns koppar i mindre mängder. Historiskt har Falu koppargruva haft stor betydelse men i dag importeras det mesta kopparmaterialet. Koppar framställs ur malmer med kopparsulfider, ofta genom smältning och elektrolys. Elektrolys är när man framkallar en kemisk reaktion genom att tillföra el. Koppar behövs i små mängder i kroppen för enzymfunktioner, bland annat i enzymet cytokromoxidas som ingår i cellandningen.

NICKEL Nickel, Ni, används främst i rostfritt stål och andra nickelbaserade legeringar för att förbättra deras korrosionsbeständighet. Det finns betydande nickelreserver i norra Sverige, till exempel i Rönnbäcken i Lappland. Nickelmalm bryts, koncentreras och renas genom smältning och elektrolys. Rostfritt stål med nickel används i bland annat köksutrustning och byggmaterial. Förutom inom stålproduktion används nickel i litiumjonbatterier för elbilar. Nickel kan förekomma i mycket små mängder i kroppen men har ingen fastställd livsnödvändig funktion hos människor.

En laser skär i rostfritt stål.

164

AVSNITT 8 –––––– Övergångsmetaller

Blänkande krom på en veteranbil.

KROM Krom, Cr, används i rostfritt stål och som ytbeläggning på metaller för att ge korrosionsskydd och en blank yta (till exempel i bil- och möbelindustrin), i legeringar (till exempel i verktygsstål) samt i pigment och kemisk industri, till exempel i kärl för starkt reaktiva kemikalier. Allt krom importeras eftersom Sverige inte har någon egen kromproduktion. Krom framställs vanligtvis från mineralet kromit. Krom är viktigt för kroppens sockeromsättning eftersom krom ökar effekten av insulin.

TITAN Titan, Ti, är en lätt men stark metall som är resistent mot korrosion. Därför används titan inom flyg- och rymdindustrin, medicinteknik och som färgpigment i form av titandioxid. I Sverige finns titanrika mineral som ilmenit i Skåne och Blekinge men ingen kommersiell brytning sker för närvarande. Titan framställs industriellt genom att titanoxid omvandlas till metalliskt titan. Titan har ingen känd biologisk funktion, men kroppen tolererar metallen väl och därför används metallen i medicinska implantat.

165

Titan används i medicinska implantat.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

Bultar och brickor som är skyddade mot korrosion av ett zinkskikt.

ZINK Zink, Zn, används främst för att galvanisera stål, vilket innebär att stålet beläggs med ett tunt lager rostskyddande zink. Zink används i stor utsträckning i legeringar för pressgjutning av komponenter inom bland annat bil-, verkstads- och elektronikindustrin. En legering bestående av 78 procent zink och 22 procent aluminium är nästan lika stark som stål och lika formbar som plast. Zink används också i legeringen mässing (koppar och zink) samt i batterier och vissa läkemedel. I Sverige sker brytning av zinkhaltig malm i bland annat Garpenberg och Zinkgruvan. Zink utvinns genom anrikning av malm följt av rostning (värmning men utan att malmen smälter), reaktion med svavelsyra, H2SO4, till zinksulfat, ZnSO4, och därefter elektrolys. Zink är en nödvändig beståndsdel i hundratals enzymer och andra proteiner som ingår i ämnesomsättningen eller reglerar genernas aktivitet.

SILVER En silverskatt med bland annat islamiska mynt hittad i Sverige i en vikingagrav från 900-talet.

Silver, Ag, har mycket god elektrisk ledningsförmåga och används i elektronik, solceller, smycken och mynt. Silver leder elektricitet och värme mycket bra och är därför en viktig komponent i solpaneler.

166

AVSNITT 8 –––––– Övergångsmetaller

I Sverige utvinns silver som biprodukt vid brytning av andra metaller, särskilt vid gruvor i Bolidenområdet. Framställning sker genom separation från bly-, koppar- eller zinkmalmer. Silver har ingen biologisk funktion, men har använts antibakteriellt.

GULD Guld, Au, är en mjuk, guldfärgad metall som är mycket motståndskraftig mot korrosion. Guld används i främst smycken, mynt, guldtackor, elektronik och ibland i medicinska sammanhang. I Sverige finns mindre guldförekomster, bland annat i Bergslagen och Skelleftefältet. Guld erhålls ofta som biprodukt vid brytning av andra metaller och renas genom cyanidlakning, en kemisk process där guldet löser sig ur malmen. Guld har ingen känd biologisk funktion, men tolereras väl av kroppen och kan därför användas i exempelvis elektroder i pacemakers.

En identisk kopia av en guldtacka från Riksbankens guldreserv på en utställning 2018. Den 31 mars 2025 ägde Riksbanken (Sveriges riksbank) 125,7 ton guld. Värdet på guldet var då 126,7 miljarder kronor.

SAMMANFATTNING är grundämnen *medÖvergångsmetaller ofyllda d-orbitaler (eller som

Övergångsmetallerna är goda *katalysatorer och har typiska metall

bildar joner med ofyllda d-orbitaler) i grupperna 3–11 i periodiska systemet.

egenskaper som hög elektricitets- och värmeledningsförmåga och höga smält- och kokpunkter.

De områden där elektroner mest *sannolikt befinner sig kallas orbitaler. För att förklara övergångsmetallernas egenskaper är d-orbitaler särskilt viktiga.

Övergångsmetallernas joner kan ha olika jonladdningar.

Nästan alla övergångsmetaller är *tungmetaller och vissa är giftiga. Många övergångsmetaller har *viktiga tekniska användningsområden.

167

Flera övergångsmetaller har biolo*giska funktioner.

KAPITEL 2 –––––– MATERIAN OCH DET PERIODISKA SYSTEMET

INSTUDERINGSFRÅGOR

ÖVNINGAR

1. Vilka egenskaper är typiska för övergångsmetaller?

2.8.1 Vad menas med en övergångsmetall enligt den vanliga och den striktare definitionen?

2. Hur definieras övergångsmetaller med hjälp av begreppet orbitaler?

2.8.2 Varför kan övergångsmetaller bilda flera olika joner?

3. Ange elektronkonfigurationen med orbitaler för litium, Li.

2.8.3 Förklara varför övergångsmetaller ofta fungerar bra som katalysatorer i kemiska reaktioner.

4. Vilken är den globalt mest använda övergångs metallen? 5. Vad menas med grönt stål och varför är det viktigt?

2.8.4 Diskutera varför återvinning av vissa övergångsmetaller är särskilt viktig ur ett miljö- och hälsoperspektiv.

6. Vilken egenskap hos koppar gör att denna övergångsmetall används i elnät och elektronik?

2.8.5 Beskriv elektronkonfigurationen för Fe, Fe2+ och Fe3+ med orbitaler.

7. Vilket är det viktigaste användningsområdet för nickel? 8. På vilket sätt är krom viktigt i kroppen?

2.8.6 Ett grundämne har elektronkonfigurationen [Kr] 4d15s2. Vilket är grundämnet? Motivera svaret.

9. Nämn två egenskaper hos titan som gör det lämpligt som material i både flygplan och implantat.

2.8.7 Elektronkonfigurationen för skandium, Sc, är [Ar] 3d14s2. Förklara varför elektronkonfigurationen inte är [Ar] 3d3 trots att 3d-orbitalerna rymmer tio elektroner.

10. Vilken övergångsmetall används för att galvanisera stål?

2.8.8 Ta reda på hur några övergångsmetaller har fått sina namn. Varför heter till exempel guld just guld?

168

AVSNITT 8 –––––– Övergångsmetaller

Orbitaler för grundämnena 1–36 Namn

Atomnummer

Elektronkonfiguration (skal)

Elektronkonfiguration (orbitaler)

väte

[1]

helium litium beryllium

2 3 4

[2]

[He]

[2, 1]

1s 2s

[2, 2]

1s 2s

2 2

[He] 2s [He] 2s

[He] 2s 2p

[Ne] 3s 3p

[Ar] 4s

[Ar] 3d 4s

[Ar] 3d 4s 4p

[2, 3]

1s 2s 2p

kol

[2, 4]

1s 2s 2p

kväve

[2, 5]

1s 2s 2p

syre

[2, 6]

1s 2s 2p

fluor

[2, 7]

1s 2s 2p

natrium magnesium aluminium

10 11 12 13

[2, 8] [2, 8, 1] [2, 8, 2] [2, 8, 3]

1s 2s 2p

1s 2s 2p 3s 1s 2s 2p 3s

[Ne] 3s

1s 2s 2p 3s 3p 1s 2s 2p 3s 3p

fosfor

[2, 8, 5]

1s 2s 2p 3s 3p 1s 2s 2p 3s 3p

klor

[2, 8, 7]

1s 2s 2p 3s 3p

argon

[2, 8, 8]

1s 2s 2p 3s 3p

[2, 8, 8, 1]

1s 2s 2p 3s 3p 4s

[2, 8, 8, 2]

1s 2s 2p 3s 3p 4s

skandium

[2, 8, 9, 2]

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

[2, 8, 11, 2]

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

krom

[2, 8, 13, 1]

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

järn kobolt nickel koppar

26 27 28 29

[2, 8, 13, 2] [2, 8, 14, 2] [2, 8, 15, 2] [2, 8, 16, 2] [2, 8, 18, 1]

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

[2, 8, 18, 3]

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

selen brom krypton

34 35 36

[2, 8, 18, 6] [2, 8, 18, 7] [2, 8, 18, 8]

2 2

[Ar] 3d 4s 4p

[Ar] 3d 4s

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

169

[Ar] 3d 4s

[2, 8, 18, 5]

[Ar] 3d 4s

gallium

[Ar] 3d 4s

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

arsenik

[Ar] 3d 4s

[2, 8, 18, 2]

[2, 8, 18, 4]

[Ar] 3d 4s

zink

germanium

vanadin

[Ne] 3s 3p

mangan

[Ne] 3s 3p

[2, 8, 10, 2]

[Ne] 3s 3p

kalcium

[Ne] 3s 3p

kalium

titan

[Ne] 3s

[2, 8, 4]

[2, 8, 6]

[He] 2s 2p

kisel

svavel

bor

neon

Förkortad elektronkonfiguration

[Ar] 3d 4s 4p