9789127470811

1 REAKTION KEMI NIVÅ 1 | GYMNA SIE T & VUX

2

MATERIA OCH ENERGI Allt runt omkring oss – från vatten, bakterier och blodkroppar till kaffebönor, muskler, grodor, skogar och planeter – är resultatet av hur atomer och molekyler ständigt kolliderar, binder till varandra och bygger upp världen. För att kunna undersöka och förstå den här världen behöver vi kunskap om atomer.

Kapitelöversikt 2:1 Atomer och kemiska föreningar – om atomen, grundämnen och kemiska föreningar samt om kemiska reaktioner, reaktionsformler och fasövergångar.

2:2 Materiens och energins oförstörbarhet – energiomvandlingar vid kemiska reaktioner och fasövergångar, skillnaden mellan exoterma och endoterma reaktioner samt om betydelsen av aktiveringsenergi vid kemiska reaktioner.

2.3 Modeller av atomen – hur atommodellen har förändrats i takt med nya insikter om materien, olika atommodeller, speciellt Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen.

2:4 Det periodiska systemet – grundämnens egenskaper och trender i det periodiska systemet.

96

97

2

MATERIA OCH ENERGI Allt runt omkring oss – från vatten, bakterier och blodkroppar till kaffebönor, muskler, grodor, skogar och planeter – är resultatet av hur atomer och molekyler ständigt kolliderar, binder till varandra och bygger upp världen. För att kunna undersöka och förstå den här världen behöver vi kunskap om atomer.

Kapitelöversikt 2:1 Atomer och kemiska föreningar – om atomen, grundämnen och kemiska föreningar samt om kemiska reaktioner, reaktionsformler och fasövergångar.

2:2 Materiens och energins oförstörbarhet – energiomvandlingar vid kemiska reaktioner och fasövergångar, skillnaden mellan exoterma och endoterma reaktioner samt om betydelsen av aktiveringsenergi vid kemiska reaktioner.

2.3 Modeller av atomen – hur atommodellen har förändrats i takt med nya insikter om materien, olika atommodeller, speciellt Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen.

2:4 Det periodiska systemet – grundämnens egenskaper och trender i det periodiska systemet.

96

97

2:1

Atomer och kemiska föreningar Världen är uppbyggd av atomer.

Vi känner till ca 120 olika sorters atomer, varav ett tjugotal inte finns i naturen utan är framställda på laboratorier. Allt levande består till ca 98 % av endast sex sorters atomer: kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel.

Runt omkring dig hittar du de här Socker, eller sackaros som kemister atomerna i kemiska föreningar, som kallar den, är en kemisk förening av till exempel i vatten och socker. kol, väte och syre.

För drygt hundra år sedan delades naturvetenskapen upp i tre olika vetenskaper: kemi, fysik och biologi.

Uppdelningen speglade hur den tidens forskare betraktade världen genom det sätt de studerade atomen på. I kemi undersökte de atomers sätt att binda till varandra. I biologi undersökte de stora mängder av atomer som tillsammans bildar celler, organ och organismer.

I fysik undersökte de atomens inre, men också den yttre rymden där atomer är byggstenar i stjärnor och planeter. Gränserna mellan vetenskaperna är inte skarpa och i dag samarbetar forskare inom de olika vetenskaperna för att ta fram ny kunskap.

proton kärna

U D

U

två elektroner neutron

U uppkvark

U

D nedkvark

D

D

gluon

Figur 1. Modell av en heliumatom. I den här atommodellen ritas inte elektronerna ut som partiklar. I figuren ser du i stället ett skuggat område runt atomkärnan där elektronerna finns. Atomkärnan består av kvarkar, som hålls ihop av gluoner.

Protonen och neutronen har mycket större massa än elektronen. De är ungefär 2 000 gånger tyngre än elektronen (tabell 1).

Tabell 1. Massan hos atomens beståndsdelar. elektronen protonen neutronen

9,109 · 10

−31

1,673 · 10 1,675 · 10

−27

−27

kg kg kg

Protonerna och neutronerna sitter tätt tillsammans i atomkärnan. Det gör att atomkärnan har mycket hög densitet. Atomkärnans densitet är lika hög som om man skulle ha pressat ihop 30 miljoner bussar till en sockerbits storlek (figur 2).

Atomens beståndsdelar En atom består av tre beståndsdelar: protoner, neutroner och elektroner. Atomen har en kärna av positivt laddade protoner och neutrala neutroner. Runt kärnan finns negativt laddade elektroner.

I figur 1 ser du en modell av en heliumatom. I den här modellen ritas inte elektronerna ut som partiklar. I figuren ser du i stället ett skuggat område runt atomkärnan där elektronerna finns.

Alla elektriskt neutrala atomer har lika många elektroner som protoner. Som du ser i figuren består protonen och neutronen i sin tur av mindre delar, så kallade kvarkar.

98

2 | M at er i a o ch en er g i

30 000 000 bussar

Figur 2. Densiteten i atomkärnan är lika hög som om 30 000 000 bussar pressats ihop till en sockerbits storlek.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

99

2:1

Atomer och kemiska föreningar Världen är uppbyggd av atomer.

Vi känner till ca 120 olika sorters atomer, varav ett tjugotal inte finns i naturen utan är framställda på laboratorier. Allt levande består till ca 98 % av endast sex sorters atomer: kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel.

Runt omkring dig hittar du de här Socker, eller sackaros som kemister atomerna i kemiska föreningar, som kallar den, är en kemisk förening av till exempel i vatten och socker. kol, väte och syre.

För drygt hundra år sedan delades naturvetenskapen upp i tre olika vetenskaper: kemi, fysik och biologi.

Uppdelningen speglade hur den tidens forskare betraktade världen genom det sätt de studerade atomen på. I kemi undersökte de atomers sätt att binda till varandra. I biologi undersökte de stora mängder av atomer som tillsammans bildar celler, organ och organismer.

I fysik undersökte de atomens inre, men också den yttre rymden där atomer är byggstenar i stjärnor och planeter. Gränserna mellan vetenskaperna är inte skarpa och i dag samarbetar forskare inom de olika vetenskaperna för att ta fram ny kunskap.

proton kärna

U D

U

två elektroner neutron

U uppkvark

U

D nedkvark

D

D

gluon

Figur 1. Modell av en heliumatom. I den här atommodellen ritas inte elektronerna ut som partiklar. I figuren ser du i stället ett skuggat område runt atomkärnan där elektronerna finns. Atomkärnan består av kvarkar, som hålls ihop av gluoner.

Protonen och neutronen har mycket större massa än elektronen. De är ungefär 2 000 gånger tyngre än elektronen (tabell 1).

Tabell 1. Massan hos atomens beståndsdelar. elektronen protonen neutronen

9,109 · 10

−31

1,673 · 10 1,675 · 10

−27

−27

kg kg kg

Protonerna och neutronerna sitter tätt tillsammans i atomkärnan. Det gör att atomkärnan har mycket hög densitet. Atomkärnans densitet är lika hög som om man skulle ha pressat ihop 30 miljoner bussar till en sockerbits storlek (figur 2).

Atomens beståndsdelar En atom består av tre beståndsdelar: protoner, neutroner och elektroner. Atomen har en kärna av positivt laddade protoner och neutrala neutroner. Runt kärnan finns negativt laddade elektroner.

I figur 1 ser du en modell av en heliumatom. I den här modellen ritas inte elektronerna ut som partiklar. I figuren ser du i stället ett skuggat område runt atomkärnan där elektronerna finns.

Alla elektriskt neutrala atomer har lika många elektroner som protoner. Som du ser i figuren består protonen och neutronen i sin tur av mindre delar, så kallade kvarkar.

98

2 | M at er i a o ch en er g i

30 000 000 bussar

Figur 2. Densiteten i atomkärnan är lika hög som om 30 000 000 bussar pressats ihop till en sockerbits storlek.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

99

Atomer är oerhört små ...

En atom blir till

Atomer är oerhört små. Så små att de inte går att se i vanliga mikroskop. I mikroskop kan vi till exempel studera bakterier och andra celler som har en storlek mellan en och hundra mikrometer.

Om vi kallar den värld vi ser med våra ögon för makrovärld och den vi kan se i mikroskop för mikrovärld, kan vi kalla atomernas värld för nanovärld. En genomsnittlig atom har en diameter på 0,1 nanometer.

En rad av 10 miljoner atomer blir alltså bara 1 millimeter lång.

Big bang är den ledande teorin om hur universum kom till. Enligt den teorin uppstod universum för ca 13,8 miljarder år sedan ur ett extremt tätt och hett tillstånd, som sedan expanderade samtidigt som temperaturen minskade. På mindre än en sekund hade elektroner bildats och efter mindre än tio sekunder hade temperaturen minskat så mycket att det bildades protoner och neutroner.

... och består mest av tomrum I atomen är avstånden mellan atomkärnan och elektronen så stora i förhållande till atomkärnans storlek att det inte går att göra en bild av atomen med rätt proportioner. I stället kan vi använda oss av en liknelse. Tänk dig att du står mitt inne i Globen i Stockholm. Det är en rund byggnad med sin högsta punkt 85 m över marken. Föreställ dig sedan att du har ett sandkorn i handen som motsvarar kärnan i en atom. Avståndet till närmaste elektron i atomen kommer då att vara någonstans vid Globens tak. Atomen består alltså mest av tomrum.

Om allt tomrum togs bort ur atomerna som bygger din kropp, skulle du bli lika stor som ett sandkorn!

Det vanligaste grundämnet i universum är väte, därefter kommer grundämnet helium (figur 3). Väte och helium bildades tillsammans med en liten mängd litium en kort tid efter big bang. väte 1p + 1e

helium 2p + 2n + 2e

elektron

p: proton n: neutron e: elektron

elektroner

Figur 3. Modell av en väteatom och en heliumatom. Väteatomen har en elektron (blått område runt atomkärnan) och atomkärnan består av en proton (grönt klot i figuren). Heliumatomen har två elektroner (blått område runt atomkärnan) och atomkärnan består av två protoner (gröna klot) och två neutroner (gråa klot).

Atomer med större massa än väte, helium och litium bildades inte vid big bang, utan bildas i stjärnors inre i slutet av deras liv. När en stjärna kollapsar gör det höga trycket och den höga temperaturen att enorma mängder energi finns samlat. Den stora mängden energi gör att tyngre atomer kan bildas.

Grundämnen

Globen i Stockholm heter numera Avicii Arena.

100

2 | M at er i a o ch en er g i

Atomer med samma antal protoner i atomkärnan utgör ett atomslag.

Ett grundämne är uppbyggt av endast ett atomslag. Det består alltså av atomer med samma antal protoner i atomkärnan. En atom med två protoner i kärnan är en heliumatom och många heliumatomer tillsammans utgör grundämnet helium (figur 4). En atom med tre protoner i kärnan är en litiumatom och många litiumatomer

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

101

Atomer är oerhört små ...

En atom blir till

Atomer är oerhört små. Så små att de inte går att se i vanliga mikroskop. I mikroskop kan vi till exempel studera bakterier och andra celler som har en storlek mellan en och hundra mikrometer.

Om vi kallar den värld vi ser med våra ögon för makrovärld och den vi kan se i mikroskop för mikrovärld, kan vi kalla atomernas värld för nanovärld. En genomsnittlig atom har en diameter på 0,1 nanometer.

En rad av 10 miljoner atomer blir alltså bara 1 millimeter lång.

Big bang är den ledande teorin om hur universum kom till. Enligt den teorin uppstod universum för ca 13,8 miljarder år sedan ur ett extremt tätt och hett tillstånd, som sedan expanderade samtidigt som temperaturen minskade. På mindre än en sekund hade elektroner bildats och efter mindre än tio sekunder hade temperaturen minskat så mycket att det bildades protoner och neutroner.

... och består mest av tomrum I atomen är avstånden mellan atomkärnan och elektronen så stora i förhållande till atomkärnans storlek att det inte går att göra en bild av atomen med rätt proportioner. I stället kan vi använda oss av en liknelse. Tänk dig att du står mitt inne i Globen i Stockholm. Det är en rund byggnad med sin högsta punkt 85 m över marken. Föreställ dig sedan att du har ett sandkorn i handen som motsvarar kärnan i en atom. Avståndet till närmaste elektron i atomen kommer då att vara någonstans vid Globens tak. Atomen består alltså mest av tomrum.

Om allt tomrum togs bort ur atomerna som bygger din kropp, skulle du bli lika stor som ett sandkorn!

Det vanligaste grundämnet i universum är väte, därefter kommer grundämnet helium (figur 3). Väte och helium bildades tillsammans med en liten mängd litium en kort tid efter big bang. väte 1p + 1e

helium 2p + 2n + 2e

elektron

p: proton n: neutron e: elektron

elektroner

Figur 3. Modell av en väteatom och en heliumatom. Väteatomen har en elektron (blått område runt atomkärnan) och atomkärnan består av en proton (grönt klot i figuren). Heliumatomen har två elektroner (blått område runt atomkärnan) och atomkärnan består av två protoner (gröna klot) och två neutroner (gråa klot).

Atomer med större massa än väte, helium och litium bildades inte vid big bang, utan bildas i stjärnors inre i slutet av deras liv. När en stjärna kollapsar gör det höga trycket och den höga temperaturen att enorma mängder energi finns samlat. Den stora mängden energi gör att tyngre atomer kan bildas.

Grundämnen

Globen i Stockholm heter numera Avicii Arena.

100

2 | M at er i a o ch en er g i

Atomer med samma antal protoner i atomkärnan utgör ett atomslag.

Ett grundämne är uppbyggt av endast ett atomslag. Det består alltså av atomer med samma antal protoner i atomkärnan. En atom med två protoner i kärnan är en heliumatom och många heliumatomer tillsammans utgör grundämnet helium (figur 4). En atom med tre protoner i kärnan är en litiumatom och många litiumatomer

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

101

tillsammans utgör grundämnet litium (figur 5). Det som skiljer heliumatomen i figur 4 från litiumatomen i figur 5 är en proton, två neutroner och en elektron. Den skillnaden ger de två grundämnena helt olika egenskaper. Till exempel är helium en genomskinlig gas vid rumstemperatur, medan litium är ett fast glänsande ämne. helium 2p + 2n + 2e

helium 2p + 2n + 2e elektroner

litium 3p +av 4nen + 3e Figur 4. Modell heliumatom, av helium i gasform och av en gastub som innehåller helium. elektroner

litium

3p + 4n + 3e elektroner

elektroner Figur 5. Modell av en litiumatom, av litiumatomer i litiummetall och en bit litiummetall.

I ett grundämne är atomerna oftast bundna till varandra, antingen i stora nätverk eller i molekyler. Exempel på grundämnen där atomerna är bundna till varandra i stora nätverk är litium, guld och kol. Exempel på grundämnen där atomerna är bundna till varandra i molekyler är väte (H2) och ozon (O3). En molekyl är en grupp av två eller flera atomer bundna till varandra.

102

2 | M at er i a o ch en er g i

Isotoper och masstal Atomer som innehåller lika många protoner men olika antal neutroner i atomkärna kallas för isotoper. Olika isotoper väger därför olika mycket men de har samma kemiska egenskaper och reagerar därför på samma sätt. De flesta grundämnen består av flera isotoper. I figur 6 ser du vätets tre isotoper: protium, deuterium och tritium. Summan av antalet ­protoner och neutroner i atomkärnan kallas för isotopens masstal. ­Masstalen för väteisotoperna är 1 för protium (1 proton), 2 för deuterium (1 proton och 1 neutron) och för 3 tritium (1 proton och 2 neutroner). tritium p + 2n

deuterium p+n

protium p

elektron

elektron

elektron

Figur 6. Modell av vätets tre isotoper. Det som skiljer isotoperna åt är antalet neutroner i atomkärnan.

Radioaktiva isotoper En del isotoper är instabila. Det betyder att de här isotopernas atom­ kärnor faller sönder efter en viss tid och bildar andra atomkärnor med lägre massa. Samtidigt som atomkärnan faller sönder sänds strålning ut. De här isotoperna är radioaktiva.

Många av de grundämnen vi har runt omkring oss innehåller en liten andel instabila isotoper. Det kan utnyttjas i en mängd samman­hang.

Inom arkeologi används bland annat kol-14-metoden. Siffran 14 anger kolisotopens masstal (den här kolisotopen har 6 protoner och 8 neutroner). En annan isotop av kol är kol-12 (den här kolisotopen har 6 protoner och 6 neutroner). Allting som lever, eller har levt, innehåller olika isotoper av grundämnet kol. Nästan 99 % av alla kolatomer vi träffar på i naturen är av isotopen kol-12. Den kolisotopen har 6 protoner och 6 neutroner. Kol-12 är en stabil isotop. Kol-14 är däremot radio­a ktivt och sönderfaller över tid. Genom att undersöka förhållandet mellan mängden av de två olika isotoperna som ett föremål innehåller, kan man avgöra hur gammalt föremålet är. Ju mindre mängd kol-14 det finns i förhållande till kol-12, desto äldre är före­målet.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

103

tillsammans utgör grundämnet litium (figur 5). Det som skiljer heliumatomen i figur 4 från litiumatomen i figur 5 är en proton, två neutroner och en elektron. Den skillnaden ger de två grundämnena helt olika egenskaper. Till exempel är helium en genomskinlig gas vid rumstemperatur, medan litium är ett fast glänsande ämne. helium 2p + 2n + 2e

helium 2p + 2n + 2e elektroner

litium 3p +av 4nen + 3e Figur 4. Modell heliumatom, av helium i gasform och av en gastub som innehåller helium. elektroner

litium

3p + 4n + 3e elektroner

elektroner Figur 5. Modell av en litiumatom, av litiumatomer i litiummetall och en bit litiummetall.

I ett grundämne är atomerna oftast bundna till varandra, antingen i stora nätverk eller i molekyler. Exempel på grundämnen där atomerna är bundna till varandra i stora nätverk är litium, guld och kol. Exempel på grundämnen där atomerna är bundna till varandra i molekyler är väte (H2) och ozon (O3). En molekyl är en grupp av två eller flera atomer bundna till varandra.

102

2 | M at er i a o ch en er g i

Isotoper och masstal Atomer som innehåller lika många protoner men olika antal neutroner i atomkärna kallas för isotoper. Olika isotoper väger därför olika mycket men de har samma kemiska egenskaper och reagerar därför på samma sätt. De flesta grundämnen består av flera isotoper. I figur 6 ser du vätets tre isotoper: protium, deuterium och tritium. Summan av antalet ­protoner och neutroner i atomkärnan kallas för isotopens masstal. ­Masstalen för väteisotoperna är 1 för protium (1 proton), 2 för deuterium (1 proton och 1 neutron) och för 3 tritium (1 proton och 2 neutroner). tritium p + 2n

deuterium p+n

protium p

elektron

elektron

elektron

Figur 6. Modell av vätets tre isotoper. Det som skiljer isotoperna åt är antalet neutroner i atomkärnan.

Radioaktiva isotoper En del isotoper är instabila. Det betyder att de här isotopernas atom­ kärnor faller sönder efter en viss tid och bildar andra atomkärnor med lägre massa. Samtidigt som atomkärnan faller sönder sänds strålning ut. De här isotoperna är radioaktiva.

Många av de grundämnen vi har runt omkring oss innehåller en liten andel instabila isotoper. Det kan utnyttjas i en mängd samman­hang.

Inom arkeologi används bland annat kol-14-metoden. Siffran 14 anger kolisotopens masstal (den här kolisotopen har 6 protoner och 8 neutroner). En annan isotop av kol är kol-12 (den här kolisotopen har 6 protoner och 6 neutroner). Allting som lever, eller har levt, innehåller olika isotoper av grundämnet kol. Nästan 99 % av alla kolatomer vi träffar på i naturen är av isotopen kol-12. Den kolisotopen har 6 protoner och 6 neutroner. Kol-12 är en stabil isotop. Kol-14 är däremot radio­a ktivt och sönderfaller över tid. Genom att undersöka förhållandet mellan mängden av de två olika isotoperna som ett föremål innehåller, kan man avgöra hur gammalt föremålet är. Ju mindre mängd kol-14 det finns i förhållande till kol-12, desto äldre är före­målet.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

103

Kemiska föreningar

Kemiska reaktionsformler

De flesta ämnen du har runtomkring dig är sammansatta av flera olika atomslag. De här ämnena kallas för kemiska föreningar. I en kemisk förening kan atomerna vara bundna till varandra antingen i stora nätverk som till exempel natriumklorid (figur 7a) eller i molekyler som till exempel vatten (figur 7b). De här sättet att binda till varandra gäller även grundämnen som kan både bilda molekyler, som till exempel syrgas, O2 , och stora nätverk som till exempel guld, Au.

En reaktionsformel är ett tydligt sätt att beskriva en kemisk reaktion med hjälp av kemiska tecken. Den kemiska reaktionen som sker när vatten bildas ur vätgas och syrgas beskrivs med reaktionsformeln 2 H 2 + O2 → 2 H 2O Det kemiska tecknet för väte är H och det för syre är O. Det kemiska tecknet är alltså en förkortning för grundämnet. Den kemiska formeln för vatten är H2O. Den nedsänkta siffran 2 till höger om det kemiska tecknet för väte (H i H2O) betyder att det finns två väteatomer i varje vattenmolekyl. Det finns ingen nedsänkt siffra till höger om det kemiska tecknet för syre (O i H2O), vilket betyder att det endast finns en syreatom i varje vattenmolekyl. Ettor skrivs aldrig ut i kemiska formler. I kemiska formler visas alltså antal atomer av respektive atomslag som en nedsänkt siffra till höger om det kemiska tecknet.

Både vätgas och syrgas består av molekyler med två likadana atomer.

De skrivs därför som H2 respektive O2 .

Na+ Cl ––

Na +

Na

2 H2 Cl Cl Figur 7a. Modell av NaCl den kemiska

Vattenmolekyler föreningen natriumklorid. i fast is

Figur 7b. Modell av den kemiska Vattenmolekyler föreningen vatten.

i flytande vatten

Kemiska reaktioner När en kemisk förening bildas ur två eller flera ämnen får den helt andra egenskaper än de ursprungliga ämnena. Om grundämnena syrgas och vätgas blandas och lite energi tillförs, kommer de snabbt att reagera med varandra och bilda ett nytt ämne, vatten. Det som sker är en kemisk reaktion. I en kemisk reaktion bildas en eller flera produkter (nya ämnen) från en eller flera reaktanter (ämnen som fanns från början). I vårt exempel är produkten vatten och reaktanterna vätgas och syrgas. Antalet atomer av varje atomslag kommer att vara lika många före och efter reaktionen – atomer kan varken skapas eller förstöras under kemiska reaktioner.

104

2 | M at er i a o ch en er g i

Vattenmolekyler i vattenånga, i gasform

Som du ser av reaktionsformeln i figur 8 finns det en tvåa både framför H2 och H2O. Framför O2 står det egentligen en etta, men inte heller framför kemiska formler i reaktionsformler skrivs ettorna ut.

Siffran framför den kemiska formeln anger i vilka proportioner H2 och O2 reagerar för att bilda H2O. För att bilda två vattenmolekyler behövs alltså två vätgasmolekyler och en syrgasmolekyl.

Om du räknar antalet atomer av varje atomslag på vardera sida om reaktionspilen ser du att det finns fyra väteatomer samt två syreatomer på vardera sida. Eftersom det inte bildas nya atomer i en kemisk reaktion är det alltid lika många atomer av varje atomslag i produkterna som i reaktanterna. +

2 H2

+ reaktanter

O2

2 H2O produkter

Figur 8. Reaktionsformel samt molekylmodeller som visar hur väte och syre reagerar och bildar vatten.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

105

Kemiska föreningar

Kemiska reaktionsformler

De flesta ämnen du har runtomkring dig är sammansatta av flera olika atomslag. De här ämnena kallas för kemiska föreningar. I en kemisk förening kan atomerna vara bundna till varandra antingen i stora nätverk som till exempel natriumklorid (figur 7a) eller i molekyler som till exempel vatten (figur 7b). De här sättet att binda till varandra gäller även grundämnen som kan både bilda molekyler, som till exempel syrgas, O2 , och stora nätverk som till exempel guld, Au.

En reaktionsformel är ett tydligt sätt att beskriva en kemisk reaktion med hjälp av kemiska tecken. Den kemiska reaktionen som sker när vatten bildas ur vätgas och syrgas beskrivs med reaktionsformeln 2 H 2 + O2 → 2 H 2O Det kemiska tecknet för väte är H och det för syre är O. Det kemiska tecknet är alltså en förkortning för grundämnet. Den kemiska formeln för vatten är H2O. Den nedsänkta siffran 2 till höger om det kemiska tecknet för väte (H i H2O) betyder att det finns två väteatomer i varje vattenmolekyl. Det finns ingen nedsänkt siffra till höger om det kemiska tecknet för syre (O i H2O), vilket betyder att det endast finns en syreatom i varje vattenmolekyl. Ettor skrivs aldrig ut i kemiska formler. I kemiska formler visas alltså antal atomer av respektive atomslag som en nedsänkt siffra till höger om det kemiska tecknet.

Både vätgas och syrgas består av molekyler med två likadana atomer.

De skrivs därför som H2 respektive O2 .

Na+ Cl ––

Na +

Na

2 H2 Cl Cl Figur 7a. Modell av NaCl den kemiska

Vattenmolekyler föreningen natriumklorid. i fast is

Figur 7b. Modell av den kemiska Vattenmolekyler föreningen vatten.

i flytande vatten

Kemiska reaktioner När en kemisk förening bildas ur två eller flera ämnen får den helt andra egenskaper än de ursprungliga ämnena. Om grundämnena syrgas och vätgas blandas och lite energi tillförs, kommer de snabbt att reagera med varandra och bilda ett nytt ämne, vatten. Det som sker är en kemisk reaktion. I en kemisk reaktion bildas en eller flera produkter (nya ämnen) från en eller flera reaktanter (ämnen som fanns från början). I vårt exempel är produkten vatten och reaktanterna vätgas och syrgas. Antalet atomer av varje atomslag kommer att vara lika många före och efter reaktionen – atomer kan varken skapas eller förstöras under kemiska reaktioner.

104

2 | M at er i a o ch en er g i

Vattenmolekyler i vattenånga, i gasform

Som du ser av reaktionsformeln i figur 8 finns det en tvåa både framför H2 och H2O. Framför O2 står det egentligen en etta, men inte heller framför kemiska formler i reaktionsformler skrivs ettorna ut.

Siffran framför den kemiska formeln anger i vilka proportioner H2 och O2 reagerar för att bilda H2O. För att bilda två vattenmolekyler behövs alltså två vätgasmolekyler och en syrgasmolekyl.

Om du räknar antalet atomer av varje atomslag på vardera sida om reaktionspilen ser du att det finns fyra väteatomer samt två syreatomer på vardera sida. Eftersom det inte bildas nya atomer i en kemisk reaktion är det alltid lika många atomer av varje atomslag i produkterna som i reaktanterna. +

2 H2

+ reaktanter

O2

2 H2O produkter

Figur 8. Reaktionsformel samt molekylmodeller som visar hur väte och syre reagerar och bildar vatten.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

105

Ammoniak bildas När ammoniak (NH3) bildas från kvävgas (N2) och vätgas (H2) behövs en kväveatom och tre väteatomer för varje ammoniakmolekyl som bildas (figur 9). Kvävgas består av kvävgasmolekyler som innehåller två kväveatomer. Vätgas består av vätgasmolekyler som innehåller två väteatomer. För att det ska vara lika många atomer i reaktanterna som i produkten behövs det, i den här reaktionen, tre vätemolekyler för varje kvävemolekyl.

+ +

N2 N2

+ +

När ett ämne övergår från en form till en annan säger man alltså att det skett en fasövergång. Vid en fasövergång sker ingen kemisk reaktion eftersom det inte bildas några nya ämnen utan ämnet ändrar endast form. De tre formerna gas, flytande och fast kallas för ämnets olika aggregationstillstånd. För att markera vilket aggregationstillstånd ett ämne befinner sig i skrivs (s) som står för ”solid” för ett ämne som är i fast form, (l) som står för ”liquid” för ett ämne som är i flytande form och (g) som står för ”gas” för ett ämne som är i gasform. Vatten i fast form skrivs som H2O (s), i flytande form som H2O (l) och i gasform som H2O (g).

Varför är en gas lättare än ett ämne i fast form?

3 H2 3 H2

2 NH3 2 NH3

Figur 9. Kväve och väte reagerar och bildar ammoniak.

Om du räknar antalet atomer av varje atomslag på den vänstra sidan av reaktionspilen och sedan på den högra sidan kommer du att se att det finns två kväveatomer och sex väteatomer på varje sida. Antalet atomer av varje atomslag ska vara samma på båda sidor reaktionspilen, eftersom materien är oförstörbar. Vid en kemisk reaktion bildas inte några nya atomer, utan atomer byter bara plats och ingår i andra kemiska föreningar.

Figur 10 visar ett ämne vid de olika aggregationstillstånden fast, flytande och gas. I figuren visas atomerna/molekylerna som runda klot. I den fasta formen ligger atomerna och molekylerna ordnade i ett återkommande mönster. Det här gör att den fasta formen oftast har högst täthet, alltså det som med ett annat ord kallas densitet. I flytande form rör sig atomer och molekyler mer och de är inte längre i lika ordnade mönster. Det gör att det är lite längre mellan atomerna och molekylerna och då är densiteten lite lägre. I gasform rör sig atomerna och molekylerna ännu mer och de är helt oordnade. Det är då ännu längre mellan dem och densiteten är därför mycket lägre än i fast eller flytande form.

Fasövergångar och aggregationstillstånd I sin flytande form kallas vatten oftast bara ”vatten”, medan vatten i fast form kallas för is. Vatten i gasform kallas vattenånga. Övergången från is till flytande vatten sker när vi värmer isen. Om vi sedan fortsätter att tillföra värme, kommer det flytande vattnet att börja koka och övergå till vattenånga. Här har det skett två fasövergångar.

En när vatten i fast form övergår till flytande form och en när vatten i flytande form övergår till vatten i gasform.

106

2 | M at er i a o ch en er g i

fast

flytande

gas

Figur 10. En modell av hur atomerna/molekylerna är ordnade vid de olika aggregationstillstånden fast, flytande och gas. Atomerna/molekylerna visas som runda klot.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

107

Ammoniak bildas När ammoniak (NH3) bildas från kvävgas (N2) och vätgas (H2) behövs en kväveatom och tre väteatomer för varje ammoniakmolekyl som bildas (figur 9). Kvävgas består av kvävgasmolekyler som innehåller två kväveatomer. Vätgas består av vätgasmolekyler som innehåller två väteatomer. För att det ska vara lika många atomer i reaktanterna som i produkten behövs det, i den här reaktionen, tre vätemolekyler för varje kvävemolekyl.

+ +

N2 N2

+ +

När ett ämne övergår från en form till en annan säger man alltså att det skett en fasövergång. Vid en fasövergång sker ingen kemisk reaktion eftersom det inte bildas några nya ämnen utan ämnet ändrar endast form. De tre formerna gas, flytande och fast kallas för ämnets olika aggregationstillstånd. För att markera vilket aggregationstillstånd ett ämne befinner sig i skrivs (s) som står för ”solid” för ett ämne som är i fast form, (l) som står för ”liquid” för ett ämne som är i flytande form och (g) som står för ”gas” för ett ämne som är i gasform. Vatten i fast form skrivs som H2O (s), i flytande form som H2O (l) och i gasform som H2O (g).

Varför är en gas lättare än ett ämne i fast form?

3 H2 3 H2

2 NH3 2 NH3

Figur 9. Kväve och väte reagerar och bildar ammoniak.

Om du räknar antalet atomer av varje atomslag på den vänstra sidan av reaktionspilen och sedan på den högra sidan kommer du att se att det finns två kväveatomer och sex väteatomer på varje sida. Antalet atomer av varje atomslag ska vara samma på båda sidor reaktionspilen, eftersom materien är oförstörbar. Vid en kemisk reaktion bildas inte några nya atomer, utan atomer byter bara plats och ingår i andra kemiska föreningar.

Figur 10 visar ett ämne vid de olika aggregationstillstånden fast, flytande och gas. I figuren visas atomerna/molekylerna som runda klot. I den fasta formen ligger atomerna och molekylerna ordnade i ett återkommande mönster. Det här gör att den fasta formen oftast har högst täthet, alltså det som med ett annat ord kallas densitet. I flytande form rör sig atomer och molekyler mer och de är inte längre i lika ordnade mönster. Det gör att det är lite längre mellan atomerna och molekylerna och då är densiteten lite lägre. I gasform rör sig atomerna och molekylerna ännu mer och de är helt oordnade. Det är då ännu längre mellan dem och densiteten är därför mycket lägre än i fast eller flytande form.

Fasövergångar och aggregationstillstånd I sin flytande form kallas vatten oftast bara ”vatten”, medan vatten i fast form kallas för is. Vatten i gasform kallas vattenånga. Övergången från is till flytande vatten sker när vi värmer isen. Om vi sedan fortsätter att tillföra värme, kommer det flytande vattnet att börja koka och övergå till vattenånga. Här har det skett två fasövergångar.

En när vatten i fast form övergår till flytande form och en när vatten i flytande form övergår till vatten i gasform.

106

2 | M at er i a o ch en er g i

fast

flytande

gas

Figur 10. En modell av hur atomerna/molekylerna är ordnade vid de olika aggregationstillstånden fast, flytande och gas. Atomerna/molekylerna visas som runda klot.

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

107

Vatten är ett speciellt ämne Vatten skiljer sig från andra ämnen eftersom det har högre densitet i flytande form än i fast form. Om vi som i figur 11 använder modeller av vattenmolekyler för att beskriva de tre olika aggregationstillstånden ser vi att vattenmolekylerna befinner sig olika långt från varandra vid de olika tillstånden. Som vattenånga är molekylerna längst ifrån varandra.

2:1

AKTIVITETER

Övningar 1 Vilka delar består en atom av?

2 Förklara vad som menas med

5 Titta på det som står till höger om reaktionspilen i reaktionen 2 H2 + O2 → 2 H2O

a) ett grundämne

a) Vad betyder 2:an som står framför den kemiska formeln H2O?

b) en molekyl c) en isotop d) en kemisk förening.

3 Ange masstal för följande isotoper: a) magnesium med 15 neutroner b) zink med 32 neutroner Vattenmolekyler i fast is

Vattenmolekyler i flytande vatten

Vattenmolekyler i vattenånga, i gasform

c) titan med 26 neutroner.

4 Vad sker vid en kemisk reaktion?

b) Vad betyder 2:an som står efter bokstaven H i formeln H2O?

6 Kemiska formeln för glukos är C6H12O6.

Hur många kol-, väte- och syreatomer ingår i en glukosmolekyl?

7 Vad sker vid en fasövergång?

8 Vad visar följande kemiska formler och beteckningar NH3 (g), NH3 (s) och NH3 (l)?

Figur 11. Vatten vid de olika aggregationstillstånden fast, flytande och gas.

Som du också ser i Figur 11 ligger vattenmolekylerna tätare i flytande form än i fast form. Flytande vatten väger alltså mer per volymenhet än vatten i fast form (is). Flytande vatten har med andra ord högre densitet än vatten i fast form. Det här gör vatten till ett mycket speciellt ämne. Ett exempel på detta är hur våra sjöar blir istäckta när det är tillräckligt kallt. Om vattnet fungerade som de flesta andra ämnen, skulle isen samlas på botten av sjön. Det här kommer du att få läsa mer om i kapitel 3.

Arbeta i grupp • Ge exempel på några atomslag som du åt till frukost.

Jämför och diskutera med varandra.

Laborationer och projekt Projekt − Vad är vi gjorda av?

Tillverka en poster om ett grundämne som finns i din kropp.

108

2 | M at er i a o ch en er g i

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

109

Vatten är ett speciellt ämne Vatten skiljer sig från andra ämnen eftersom det har högre densitet i flytande form än i fast form. Om vi som i figur 11 använder modeller av vattenmolekyler för att beskriva de tre olika aggregationstillstånden ser vi att vattenmolekylerna befinner sig olika långt från varandra vid de olika tillstånden. Som vattenånga är molekylerna längst ifrån varandra.

2:1

AKTIVITETER

Övningar 1 Vilka delar består en atom av?

2 Förklara vad som menas med

5 Titta på det som står till höger om reaktionspilen i reaktionen 2 H2 + O2 → 2 H2O

a) ett grundämne

a) Vad betyder 2:an som står framför den kemiska formeln H2O?

b) en molekyl c) en isotop d) en kemisk förening.

3 Ange masstal för följande isotoper: a) magnesium med 15 neutroner b) zink med 32 neutroner Vattenmolekyler i fast is

Vattenmolekyler i flytande vatten

Vattenmolekyler i vattenånga, i gasform

c) titan med 26 neutroner.

4 Vad sker vid en kemisk reaktion?

b) Vad betyder 2:an som står efter bokstaven H i formeln H2O?

6 Kemiska formeln för glukos är C6H12O6.

Hur många kol-, väte- och syreatomer ingår i en glukosmolekyl?

7 Vad sker vid en fasövergång?

8 Vad visar följande kemiska formler och beteckningar NH3 (g), NH3 (s) och NH3 (l)?

Figur 11. Vatten vid de olika aggregationstillstånden fast, flytande och gas.

Som du också ser i Figur 11 ligger vattenmolekylerna tätare i flytande form än i fast form. Flytande vatten väger alltså mer per volymenhet än vatten i fast form (is). Flytande vatten har med andra ord högre densitet än vatten i fast form. Det här gör vatten till ett mycket speciellt ämne. Ett exempel på detta är hur våra sjöar blir istäckta när det är tillräckligt kallt. Om vattnet fungerade som de flesta andra ämnen, skulle isen samlas på botten av sjön. Det här kommer du att få läsa mer om i kapitel 3.

Arbeta i grupp • Ge exempel på några atomslag som du åt till frukost.

Jämför och diskutera med varandra.

Laborationer och projekt Projekt − Vad är vi gjorda av?

Tillverka en poster om ett grundämne som finns i din kropp.

108

2 | M at er i a o ch en er g i

Ato m er o ch k em i s ka f ö r en i n g a r

109

AKTIVITETER

2

2.1 Atomer och kemiska föreningar

Övningar 1 I periodiska systemet hittar du bland annat grundämnets atomnummer. Vad ger atomnumret för information om grundämnet?

2 Vilka är likheterna mellan de grundämnen som finns i samma grupp i periodiska systemet?

3 Beskriv var i periodiska systemet du hittar de grundämnen som kallas för icke-metaller?

4 Vad är valenselektroner?

5 Hur många valenselektroner har klor, kol och kväve?

8 Vad menas med effektiv kärnladdning?

Det här delkapitlet handlar bland annat om atomens beståndsdelar, vad som menas med ett atomslag och vad som menas med ett grundämne. Vi beskriver att ett atomslag består av atomer som har samma antal protoner i atomkärnan. Det förekommer att antalet neutroner i atomkärnorna är olika, vilket gör att atomerna är varandras isotoper. Vi behandlar också begreppet kemisk förening. En kemisk förening består av olika atomslag och bildas vid kemiska reaktioner. Vid kemiska reaktioner bildas inga nya atomer utan atomerna omfördelas bara. Delkapitlet avslutas med en beskrivning av fasövergångar och aggregationstillstånd.

9 Vad menas med elektronegativitet?

2.2 Materiens och energins oförstörbarhet

6 Hur ändras atomstorleken när man går nedåt i en grupp? Förklara varför.

7 Hur ändras atomstorleken när man går från vänster till höger i en period?

Förklara varför?

10 Ordna följande grundämne efter deras elektronegativitet. Tag hjälp av figur 39. Börja med det ämne som har högst elektronegativitet. bor (B) fluor (F) kol (C) kväve (N) syre (O)

Arbeta i grupp • Många ämnen i det periodiska systemet finns i produkter du använder varje dag. Ge exempel på några produkter du använder och vilka atomslag de innehåller. Ange också var i periodiska systemet de här grundämnena är placerade.

142

2 | M at er i a o ch en er g i

SAMMANFATTNING

En kemisk reaktion som avger energi och värmer upp sin omgivning kallas exoterm, medan en kemisk reaktion som tar upp energi och kyler ner sin omgivning kallas endoterm. Det sker energiomvandlingar vid alla kemiska reaktioner, men alla kemiska reaktioner kräver också en viss mängd startenergi – så kallad aktiveringsenergi. Delkapitlet tar också upp att energiomvandlingar sker vid alla fasövergångar.

+

aktiveringsenergi energi

2:4

reaktanter produkter reaktionsförlopp

2.3 Modeller av atomen Delkapitlet beskriver hur modellen av atomen har förändrats i takt med nya insikter om materien. Vi förklarar att alla atommodeller är förenklingar av verkligheten och har sina begränsningar. Tre atommodeller beskrivs lite mer utförligt: partikelmodellen, Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen. Både Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen bygger på att atomernas energier är kvantiserade. Den atommodell som i dag förklarar flest fenomen är den kvantmekaniska atommodellen. Vi väljer den atommodell som bäst passar vårt syfte – ibland partikelmodellen, i bland Bohrs atommodell och ibland den kvantmekaniska atommodellen.

z

2.4 Det periodiska systemet

y

x

Grundämnen med liknande elektronstruktur reagera på liknande sätt. Vi visar hur det periodiska systemet kan användas för att förstå ett atomslags uppbyggnad och därmed grundämnets egenskaper. Valenselektronernas betydelse förklaras – särskilt för grundämnen i grupperna 1, 2 och 13–18, där antalet valenselektroner motsvarar gruppnumret. För att kunna avgöra hur grundämnena i grupperna 3–12 reagerar krävs att den kvantmekaniska atommodellen används. Vi behandlar begreppen skärmning, effektiv kärnladdning och elektronegativitet. De är centrala för att vi ska kunna avgöra ett grundämnes egenskaper.

S A M M A N FATTNING

143

AKTIVITETER

2

2.1 Atomer och kemiska föreningar

Övningar 1 I periodiska systemet hittar du bland annat grundämnets atomnummer. Vad ger atomnumret för information om grundämnet?

2 Vilka är likheterna mellan de grundämnen som finns i samma grupp i periodiska systemet?

3 Beskriv var i periodiska systemet du hittar de grundämnen som kallas för icke-metaller?

4 Vad är valenselektroner?

5 Hur många valenselektroner har klor, kol och kväve?

8 Vad menas med effektiv kärnladdning?

Det här delkapitlet handlar bland annat om atomens beståndsdelar, vad som menas med ett atomslag och vad som menas med ett grundämne. Vi beskriver att ett atomslag består av atomer som har samma antal protoner i atomkärnan. Det förekommer att antalet neutroner i atomkärnorna är olika, vilket gör att atomerna är varandras isotoper. Vi behandlar också begreppet kemisk förening. En kemisk förening består av olika atomslag och bildas vid kemiska reaktioner. Vid kemiska reaktioner bildas inga nya atomer utan atomerna omfördelas bara. Delkapitlet avslutas med en beskrivning av fasövergångar och aggregationstillstånd.

9 Vad menas med elektronegativitet?

2.2 Materiens och energins oförstörbarhet

6 Hur ändras atomstorleken när man går nedåt i en grupp? Förklara varför.

7 Hur ändras atomstorleken när man går från vänster till höger i en period?

Förklara varför?

10 Ordna följande grundämne efter deras elektronegativitet. Tag hjälp av figur 39. Börja med det ämne som har högst elektronegativitet. bor (B) fluor (F) kol (C) kväve (N) syre (O)

Arbeta i grupp • Många ämnen i det periodiska systemet finns i produkter du använder varje dag. Ge exempel på några produkter du använder och vilka atomslag de innehåller. Ange också var i periodiska systemet de här grundämnena är placerade.

142

2 | M at er i a o ch en er g i

SAMMANFATTNING

En kemisk reaktion som avger energi och värmer upp sin omgivning kallas exoterm, medan en kemisk reaktion som tar upp energi och kyler ner sin omgivning kallas endoterm. Det sker energiomvandlingar vid alla kemiska reaktioner, men alla kemiska reaktioner kräver också en viss mängd startenergi – så kallad aktiveringsenergi. Delkapitlet tar också upp att energiomvandlingar sker vid alla fasövergångar.

+

aktiveringsenergi energi

2:4

reaktanter produkter reaktionsförlopp

2.3 Modeller av atomen Delkapitlet beskriver hur modellen av atomen har förändrats i takt med nya insikter om materien. Vi förklarar att alla atommodeller är förenklingar av verkligheten och har sina begränsningar. Tre atommodeller beskrivs lite mer utförligt: partikelmodellen, Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen. Både Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen bygger på att atomernas energier är kvantiserade. Den atommodell som i dag förklarar flest fenomen är den kvantmekaniska atommodellen. Vi väljer den atommodell som bäst passar vårt syfte – ibland partikelmodellen, i bland Bohrs atommodell och ibland den kvantmekaniska atommodellen.

z

2.4 Det periodiska systemet

y

x

Grundämnen med liknande elektronstruktur reagera på liknande sätt. Vi visar hur det periodiska systemet kan användas för att förstå ett atomslags uppbyggnad och därmed grundämnets egenskaper. Valenselektronernas betydelse förklaras – särskilt för grundämnen i grupperna 1, 2 och 13–18, där antalet valenselektroner motsvarar gruppnumret. För att kunna avgöra hur grundämnena i grupperna 3–12 reagerar krävs att den kvantmekaniska atommodellen används. Vi behandlar begreppen skärmning, effektiv kärnladdning och elektronegativitet. De är centrala för att vi ska kunna avgöra ett grundämnes egenskaper.

S A M M A N FATTNING

143

2

BEGREPP

aggregationstillstånd – de olika former som ett ämne kan befinna sig i. De tre huvudtyperna är gas, flytande och fast form.

Aggregationstillståndet beror på temperatur och tryck.

kemiska tecken – en kort beteckning för ett grundämne. Ett kemiskt tecken är en kortare form av grundämnets namn.

aktiveringsenergi – den minsta mängd energi som krävs för att en reaktion ska starta.

masstal – summan av antalet protoner och neutroner i atomkärnan.

atommassa – atomens massa i atommassenheten, u. atomnummer – visar antalet protoner och därmed antalet elektroner i den neutrala atomen. effektiv kärnladdning – hur starkt elektronerna i atomen attraheras av atomkärnan. elektronegativitet – en atoms förmåga att attrahera andra atomers elektroner till sig själv. elektronstruktur – en beskrivning av hur elektronerna är fördelade i atomen. endoterm reaktion – en reaktion som tar upp energi och därmed kyler ned omgivningen. exoterm reaktion – en reaktion som avger energi och därmed värmer upp omgivningen. fasövergång – när ett ämne övergår från ett aggregationstillstånd till ett annat. grundämne – ett ämne som är uppbyggt av atomer som har samma antal protoner i atomkärnan. grupper – de vertikala raderna i det periodiska systemet. isotop – kallas de atomer som innehåller lika många protoner men olika antal neutroner i sin atomkärna. kemisk formel – visar antalet atomer av respektive atomslag en molekyl eller annan kemisk förening är uppbyggd av. kemisk reaktion – när en eller flera produkter (nya ämnen) bildas från en eller flera reaktanter (ämnen som fanns från början). kemiska föreningar – ämnen som är sammansatta av flera olika atomslag.

144

2 | M at er i a o ch en er g i

ÖVNINGAR

2 kvantmekanik – en modern teori om behandlar den subatomära världen.

molekyl – en grupp av två eller flera atomer bundna till varandra. orbital – det tredimensionella område som elektronen mest sannolikt befinner sig inom. perioder – de horisontella raderna i det periodiska systemet. produkter – det ämne/de ämnen som bildas i en kemisk reaktion. reaktanter – det ämne/de ämnen som finns från början i en kemisk reaktion. reaktionsformel – ett sätt att visa en kemisk reaktion med hjälp av kemiska tecken. spontan reaktion – en reaktion som sker utan att man hela tiden behöver tillföra energi för att den ska fortsätta valenselektroner – de elektroner som är inblandade när ämnet reagerar, alltså de elektroner som är på den högsta energinivån.

2:1 Atomer och kemiska föreningar 1. Atomkärnan har mycket hög densitet, alltså täthet. Vad menas med det och varför har kärnan så hög densitet?

2. Helium och litium är exempel på två grundämnen. Vad skiljer dessa grundämnen åt på nanonivå (hur atomerna är uppbyggda) och makronivå (hur vi ser och upplever dessa två ämnen).

3. Atomen klor (Cl) har två naturligt förekommande isotoper: klor-35 och ­ klor-37. Vad är en isotop och hur skiljer sig isotoperna klor-35 och klor-37 från varandra?

4. Leta upp följande grundämnen i periodiska systemet: Litium (Li), koppar (Cu) och mangan (Mn). Rita av och fyll i tabellen. grundämne

masstal

litium, Li

7

koppar, Cu

65

mangan, Mn

55

antal protoner

antal elektroner

antal neutroner

5. Argon har tre naturligt förekommande isotoper: argon-36, argon-38 och argon-40. a) Vilka är masstalen för de olika isotoperna? b) Hur många protoner, neutroner och elektroner finns i varje isotop?

6. Förklara vad en kemisk förening är och ge några exempel på kemiska föreningar.

7. Ange för vart och ett av följande ämnen om de är grundämnen eller kemiska föreningar: vatten (H2O) kol (C) titan (Ti) kaliumfluorid (KF) 8. Ammoniumklorid har formeln NH4Cl. Vilka grundämnen ingår i föreningen och hur många atomer av varje atomslag finns det i formeln?

ÖV NING A R

145

2

BEGREPP

aggregationstillstånd – de olika former som ett ämne kan befinna sig i. De tre huvudtyperna är gas, flytande och fast form.

Aggregationstillståndet beror på temperatur och tryck.

kemiska tecken – en kort beteckning för ett grundämne. Ett kemiskt tecken är en kortare form av grundämnets namn.

aktiveringsenergi – den minsta mängd energi som krävs för att en reaktion ska starta.

masstal – summan av antalet protoner och neutroner i atomkärnan.

atommassa – atomens massa i atommassenheten, u. atomnummer – visar antalet protoner och därmed antalet elektroner i den neutrala atomen. effektiv kärnladdning – hur starkt elektronerna i atomen attraheras av atomkärnan. elektronegativitet – en atoms förmåga att attrahera andra atomers elektroner till sig själv. elektronstruktur – en beskrivning av hur elektronerna är fördelade i atomen. endoterm reaktion – en reaktion som tar upp energi och därmed kyler ned omgivningen. exoterm reaktion – en reaktion som avger energi och därmed värmer upp omgivningen. fasövergång – när ett ämne övergår från ett aggregationstillstånd till ett annat. grundämne – ett ämne som är uppbyggt av atomer som har samma antal protoner i atomkärnan. grupper – de vertikala raderna i det periodiska systemet. isotop – kallas de atomer som innehåller lika många protoner men olika antal neutroner i sin atomkärna. kemisk formel – visar antalet atomer av respektive atomslag en molekyl eller annan kemisk förening är uppbyggd av. kemisk reaktion – när en eller flera produkter (nya ämnen) bildas från en eller flera reaktanter (ämnen som fanns från början). kemiska föreningar – ämnen som är sammansatta av flera olika atomslag.

144

2 | M at er i a o ch en er g i

ÖVNINGAR

2 kvantmekanik – en modern teori om behandlar den subatomära världen.

molekyl – en grupp av två eller flera atomer bundna till varandra. orbital – det tredimensionella område som elektronen mest sannolikt befinner sig inom. perioder – de horisontella raderna i det periodiska systemet. produkter – det ämne/de ämnen som bildas i en kemisk reaktion. reaktanter – det ämne/de ämnen som finns från början i en kemisk reaktion. reaktionsformel – ett sätt att visa en kemisk reaktion med hjälp av kemiska tecken. spontan reaktion – en reaktion som sker utan att man hela tiden behöver tillföra energi för att den ska fortsätta valenselektroner – de elektroner som är inblandade när ämnet reagerar, alltså de elektroner som är på den högsta energinivån.

2:1 Atomer och kemiska föreningar 1. Atomkärnan har mycket hög densitet, alltså täthet. Vad menas med det och varför har kärnan så hög densitet?

2. Helium och litium är exempel på två grundämnen. Vad skiljer dessa grundämnen åt på nanonivå (hur atomerna är uppbyggda) och makronivå (hur vi ser och upplever dessa två ämnen).

3. Atomen klor (Cl) har två naturligt förekommande isotoper: klor-35 och ­ klor-37. Vad är en isotop och hur skiljer sig isotoperna klor-35 och klor-37 från varandra?

4. Leta upp följande grundämnen i periodiska systemet: Litium (Li), koppar (Cu) och mangan (Mn). Rita av och fyll i tabellen. grundämne

masstal

litium, Li

7

koppar, Cu

65

mangan, Mn

55

antal protoner

antal elektroner

antal neutroner

5. Argon har tre naturligt förekommande isotoper: argon-36, argon-38 och argon-40. a) Vilka är masstalen för de olika isotoperna? b) Hur många protoner, neutroner och elektroner finns i varje isotop?

6. Förklara vad en kemisk förening är och ge några exempel på kemiska föreningar.

7. Ange för vart och ett av följande ämnen om de är grundämnen eller kemiska föreningar: vatten (H2O) kol (C) titan (Ti) kaliumfluorid (KF) 8. Ammoniumklorid har formeln NH4Cl. Vilka grundämnen ingår i föreningen och hur många atomer av varje atomslag finns det i formeln?

ÖV NING A R

145

ÖVNINGAR

2

2

2:3 Modeller av atomen

9. Vad står följande beteckningar för: a) CH4

ÖVNINGAR

b) 4 CH4 c) 3 C2H6

20. Fundera över varför äldre atommodeller som till exempel Thompsons atommodell (muffinsmodellen) fortfarande tas upp i undervisningen, trots att vi vet att de är felaktiga.

10. Förklara vad som händer under följande process.

H2O (s) → H2O (l)

21. Ge exempel på situationer där partikelmodellen är användbar.

11. Skriv ner den formel som visar den process som sker då du kokar vatten.

22. Vad menas med att energin är kvantiserad?

12. a) Förklara varför vattnets täthet är högst vid 4 °C och vad som händer med vattnets volym när det kyls ner till 0 °C och fryser.

23. Om en atom tillförs rätt mängd energi kan den exciteras. Varför behövs det just en bestämd mängd energi?

b) Hur påverkar denna egenskap hos vatten livet i sjöar och vattendrag under vintern?

2:2 Materiens och energins oförstörbarhet 13. Blir omgivningen kallare eller varmare vid en exoterm reaktion? Förklara varför.

14. Om en reaktion kräver värmetillförsel för att starta och fortsätta, är den då exoterm eller endoterm? Motivera ditt svar.

25. Diskutera fördelar och nackdelar med: a) partikelmodeller b) Bohrs atommodell c) den kvantmekaniska atommodellen.

15. Förklara skillnaden mellan en exoterm och en endoterm reaktion. Ge ett exempel på varje typ av reaktion.

16. Varför behövs aktiveringsenergi, trots att vissa reaktioner avger energi när de väl startar?

17. En viss reaktion har hög aktiveringsenergi. Hur kan denna energi övervinnas för att starta reaktionen?

18. Titta på diagrammet till höger. a) Hur kan du avgöra om reaktionen är exoterm eller endoterm?

2:4 Det periodiska systemet 26. Leta upp kväve (N) i det periodiska systemet. a) Vilket atomnummer har kväve och vilken information får du från atomnumret? b) Vilken atommassa har kväve och vilken information får du från atommassan?

27. Skriv ner de kemiska tecknena för grundämnena i grupp 16. Ange om det är icke-metaller, metaller eller halvmetaller. Använd periodiska systemet i boken.

28. Förklara hur placeringen av ett grundämne i det periodiska systemet kan ge information om egenskaper.

energi

b) Var i diagrammet ser du aktiveringsenergin?

24. Beskriv likheter och olikheter mellan Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen.

reaktanter

29. Vilken av atomerna fosfor och svavel är störst? Förklara genom att använda begreppet effektiv kärnladdning.

19. Varför ökar inte temperaturen trots att energi tillförs när ett ämne går från fast form till flytande form?

produkter

30. Förklara hur grundämnenas elektronegativitet ändras när du rör dig från vänster till höger i en period i det periodiska systemet.

reaktionsförlopp

146

2 | M at er i a o ch en er g i

ÖV NING A R

147

ÖVNINGAR

2

2

2:3 Modeller av atomen

9. Vad står följande beteckningar för: a) CH4

ÖVNINGAR

b) 4 CH4 c) 3 C2H6

20. Fundera över varför äldre atommodeller som till exempel Thompsons atommodell (muffinsmodellen) fortfarande tas upp i undervisningen, trots att vi vet att de är felaktiga.

10. Förklara vad som händer under följande process.

H2O (s) → H2O (l)

21. Ge exempel på situationer där partikelmodellen är användbar.

11. Skriv ner den formel som visar den process som sker då du kokar vatten.

22. Vad menas med att energin är kvantiserad?

12. a) Förklara varför vattnets täthet är högst vid 4 °C och vad som händer med vattnets volym när det kyls ner till 0 °C och fryser.

23. Om en atom tillförs rätt mängd energi kan den exciteras. Varför behövs det just en bestämd mängd energi?

b) Hur påverkar denna egenskap hos vatten livet i sjöar och vattendrag under vintern?

2:2 Materiens och energins oförstörbarhet 13. Blir omgivningen kallare eller varmare vid en exoterm reaktion? Förklara varför.

14. Om en reaktion kräver värmetillförsel för att starta och fortsätta, är den då exoterm eller endoterm? Motivera ditt svar.

25. Diskutera fördelar och nackdelar med: a) partikelmodeller b) Bohrs atommodell c) den kvantmekaniska atommodellen.

15. Förklara skillnaden mellan en exoterm och en endoterm reaktion. Ge ett exempel på varje typ av reaktion.

16. Varför behövs aktiveringsenergi, trots att vissa reaktioner avger energi när de väl startar?

17. En viss reaktion har hög aktiveringsenergi. Hur kan denna energi övervinnas för att starta reaktionen?

18. Titta på diagrammet till höger. a) Hur kan du avgöra om reaktionen är exoterm eller endoterm?

2:4 Det periodiska systemet 26. Leta upp kväve (N) i det periodiska systemet. a) Vilket atomnummer har kväve och vilken information får du från atomnumret? b) Vilken atommassa har kväve och vilken information får du från atommassan?

27. Skriv ner de kemiska tecknena för grundämnena i grupp 16. Ange om det är icke-metaller, metaller eller halvmetaller. Använd periodiska systemet i boken.

28. Förklara hur placeringen av ett grundämne i det periodiska systemet kan ge information om egenskaper.

energi

b) Var i diagrammet ser du aktiveringsenergin?

24. Beskriv likheter och olikheter mellan Bohrs atommodell och den kvantmekaniska atommodellen.

reaktanter

29. Vilken av atomerna fosfor och svavel är störst? Förklara genom att använda begreppet effektiv kärnladdning.

19. Varför ökar inte temperaturen trots att energi tillförs när ett ämne går från fast form till flytande form?

produkter

30. Förklara hur grundämnenas elektronegativitet ändras när du rör dig från vänster till höger i en period i det periodiska systemet.

reaktionsförlopp

146

2 | M at er i a o ch en er g i

ÖV NING A R

147