Kapitlen inleds med kunskapskrav och de centrala begreppen. I slutet av varje kapitel finns en sammanfattning samt uppgifter i två nivåer. Varje uppgift har en siffra/siffror som visar vilken eller vilka förmågor eleven tränar. Svaren finns längst bak i boken och ett utförligt facit finns på liber.se. Texterna har bearbetats för att passa alla elever, och begreppsförklaringar finns som marginaltexter.
Kemiboken 2
K E M I B O K E N 2 är anpassad till gymnasiets kurs 2 i kemi med jämvikter, organisk kemi, biokemi och analytisk kemi. Förutom i gymnasieskolan kan boken användas på Komvux och naturvetenskapligt basår.
I Kemibokenserien ingår: • Kemiboken 1 • Kemi 1 Digital • Kemiboken 2 • Kemi 2 Digital
Kemiboken 2 HANS BORÉN • ANNA JOHANSSON • JOHANNA LUNDSTRÖM • CECILIA STENBERG • NIKLAS WÄSTEBY
Best.nr 47-12996-6 Tryck.nr 47-12996-6
4712996_OMSLAG.indd 1-3
2020-06-01 12:29
Kemiboken 2 HANS BORÉN
ANNA JOHANSSON JOHANNA LUNDSTRÖM CECILIA STENBERG NIKLAS WÄSTEBY
LIBER
4712996_Kemiboken 2.indb 1
2020-06-01 15:07
ISBN 978-91-47-12996-6 © 2020 Hans Borén, Anna Johansson, Johanna Lundström, Maud Ragnarsson, Cecilia Stenberg, Sten-Åke Sundkvist, Niklas Wästeby och Liber AB Projektledare och redaktör: Cecilia Söderpalm-Berndes Formgivare: Eva Jerkeman Bildredaktör: Mikael Myrnerts Bilder på omslaget: Shutterstock (1,5), Edovek Europé Limited (2), Orlando G Boström/TT (3), NIST (4) Sjätte upplagan 1 Repro: Repro 8 AB, Stockholm Tryck: People Printing, Kina 2020
Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUSavtalet. Läs mer på www.bonuscopyright.se. Liber AB, 113 98 Stockholm Kundservice: 08-690 90 00 Kundservice.liber@liber.se www.liber.se
4712996_Kemiboken 2.indb 2
2020-06-01 15:07
BILDFÖRTECKNING Stuart Robinsson 6 AB Storstockholms Lokaltrafik 9 (1) Joachim Holmér 9 (2) Shutterstock 10 (1) Science Photo Library/TT 10 (2) The Jewish Chronicle Archive/ Heritage-Images/TT 10 (3) National Library of Medicine/Photo Researchers/TT 10 (4) Eric Baaradat/AFP/TT 11 (1) Sven Hoppe/DPA/TT 11 (2) Cecilia Stenberg 14 Monty Rakusen/Cultura/Science Photo Library/Getty Images 15 Nina Rökaeus 17 Shutterstock 18–20 Alexei Danichev/Sputnik Images/TT 24 Martyn F.Chillmaid/Science Photo Library/TT 28 (1) Hans-Peter Scholz 28 (2,3) Shutterstock 29 Sören Andersson/TT 32 NASA /Walter Myers/Science Photo Library/ 33 Frans Lanting/DPA/TT 36 Sven Dillen/Belga/AFP/TT 40 Shutterstock 42 Martyn F.Chillmaid/Science Photo Library/TT 44 H. Riffart 46 Shutterstock 48–54 Charles D. Winters/Science Photo Library/TT 59 Shutterstock 61–66 Charles WInthers/Science Source/TT 69 Jenny Thornell/Malmö Museer 70 Turtle Rock Scientific/Science Source/ Science Photo Library/TT 72 Marcus Ericsson/TT 76 Shutterstock 85 Kevin Boutwell/Moment/Getty Images 86 Shutterstock 89–91 Ian Berry/MagnumPhoto/TT 92 Andrew Lambert Photography/Science Photo Library/TT 94 NASA’s Goddard Space Flight Center/ USGS/NASA 96 Alan Stone/Alamy 97 Shutterstock 98 Nina Rökaeus 99 Roberto Westbrook/Tetra/Getty Images 100 (1) Krister Halvars/TT 100 (2) Åke Nilsson 101 Gerald & Buff Corsi/Visuals Unlimited/ Science Photo Library/TT 103 (1) Geberit 103 (2)
4712996_Kemiboken 2.indb 396
Shutterstock 103 (3)–105 Nick Hannes/Reporters/TT 106 Emilio Segre Visual Archives/ American Institute of Physics/ Science Photo Library/TT 107 Science Photo Library/TT 108 Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library/TT 110 Mikael Andersson/Bildhuset/TT 111 Shutterstock 116 Nina Rökaeus 119 Lisa Wikstrand 120 Cecilia Söderpalm-Berndes 122 Nina Rökaeus 123 Shutterstock 127–128 Orlando G Boström/TT 131 Shutterstock 132–147 Science Photo Library/TT 148 Shutterstock 150–151 Gorm Kallestad/NTB scanpix/TT 153 Shutterstock 155 Kimmo Mäntylä/Lehtikuva/TT 156 Stian Lysberg Solum/NTB scanpix / TT 157 Konrad Wothe/LOOK/TT 160 Shutterstock 165 TorbjörnLilja/Naturfotograferna/ TT 167 Nina Rökaeus 168–170 Photodisc 172 Shutterstock 184 Andrew Lambert Photography/ Science Photo Library/TT 195 Martyn F.Chillmaid/Science Photo Library/TT 198 Shutterstock 203–204 (1) Science Photo Library/TT 204 (2) Photocuisine/Alamy 205 Shutterstock 212 Yvonne Åsell/SvD/TT 218 (1) Anders Good/TT 218 (2) Jonas Ekströmer/TT 219 Janerik Henriksson/TT 220 Kristofer Vamling 221 Johan Bjurer/TT 222 Frank Rumpenhorst/DPA/TT 223 Christine Olsson/TT 225 Matthias Hauser/Imagebrooker/ Alamy 226 Martin Meissner/AP/TT 228 Shutterstock 232 Nina Rökaeus 233 Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library/TT 234 Thomas Deerinck, NCMIR/Science Photo Library/TT 237 Dr M.A Ansary/Science Photo Library/TT 238 1 Shutterstock 238 (2)–240
Edvotek Europé Limited 244 Kenneth Eward/Biografx/Science Photo Library/TT 245 (1) Dr Tim Evans/Science Photo Library/ TT 245 (2) Jeppe Gustafsson/TT 252 Nina Rökaeus 257 George Silk/The LIFE Picture Collection/Getty Images 258 (1) Science & Society Picture Library/ SSPL/Getty Images 258 (2) Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library/TT 266 (1) Shutterstock 266 (2) Javier Torrent/VWpics/Science Photo Library/TT 268 Robert Markowitz/NASA/AFP/TT 269 Fredrik Sandberg/TT 272 Shutterstock 277–281 Thomas Deerinck, NCMIR/Science Photo Library/TT 283 Lars Brundin/Sydsvenskan/TT 286 Hossler/Custom Medical Stock Photo/ Science Photo Library/TT 287 Laguna Design/Science Photo Library/ TT 289 Claus Bech/Scanpix Danmark/TT 298 DeLaval 300 Andrew Lambert Photography/Science Photo Library/TT 301 Erik Nylander/TT 302 Shutterstock 304 NIST 305 Shutterstock 306 Martyn F.Chillmaid/Science Photo Library/TT 307–308 Geoff Tompkinson /Science Photo Library/TT 309 Lewis Houghton/Science Photo Library/TT 313 Louise Murray/Science Photo Library/ TT 315 Shutterstock 319 (1) Science Photo Library/TT 319 (2) Shutterstock 324 Gorm Kallestad/NTB scanpix/TT 332 Peter Menzel/Science Photo Library/ TT 333 Shutterstock 335 Omslag: Shutterstock (1,5) Edvotek Europé Limited (2) Orlando G Boström/TT (3) NIST (4) Shutterstock (5)
2020-06-01 15:11
Förord Bokens pedagogiska tanke – experimentet i centrum
I Kemiboken 2 är experimentet i fokus. Många avsnitt börjar med instruktioner till DEMONSTRATIONSFÖRSÖK som du som lärare kan använda för att resonera om och förklara momentets centrala delar. Efter bokens kapitel finns instruktioner till 23 ELEVLABORATIONER. Även kapiteltexterna är skrivna utifrån experiment och vardagsobservationer som kopplas till teorin, detta för att väcka elevernas intresse och ge en djupare förståelse. Bokens upplägg
De olika kapitlen i boken bygger på varandra. Det första kapitlet handlar om ämnet kemi – dess karaktär och arbetssätt. Kapitel 2–4 behandlar den oorganiska delen av kursen kemi 2, med reaktionshastighet och jämvikter. I kapitel 5, som är omfattande, ligger fokus på det organiska stamträdet och betydelsen av organiska molekylers struktur, medan kapitel 6 tar upp de organiska molekylernas reaktionsmekanismer. Biokemin fördelas på kapitel 7, där biomolekylerna beskrivs, och kapitel 8, som handlar om metabolismen. Kapitel 9 tar upp de viktigaste analysmetoderna inom kemin. Varje kapitel inleds med KUNSKAPSMÅL kopplade till ämnesplanens centrala innehåll och en lista med VIKTIGA BEGREPP i kapitlet och avslutas med en SAMMANFATTNING följt av ÖVNINGSUPPGIFTER. Punkterna i sammanfattningarna och ordningsföljden av uppgifterna följer i huvudsak innehållets ordningsföljd i kapitlen. Uppgifterna är indelade i två nivåer. Vid varje uppgift finns numren på de förmågor i ämnesplanen i kemi som uppgiften kan kopplas till. Näst längst bak i boken ligger SVAR PÅ UPPGIFTERNA och ett UTFÖRLIGT FACIT finns på liber.se. Allra sist i boken finns ett SAKREGISTER . Författarna
3
4712996_Kemiboken 2.indb 3
2020-06-01 15:07
Innehåll 1 Kemins karaktär och arbetssätt 6 Från makro till mikro 8 Kemin i samhället – tillämpningarna 14 Uppgifter 22
2 Reaktioners hastighet och riktning 24 Reaktioners hastigheter 26 Reaktioners riktning 32 Reaktioner på molekylnivå 32 Uppgifter 38
5 Organiska ämnen innehåller kol 116 Kolföreningars mångfald 118 Alkaner – kolväten med enkelbindningar 121 Alkener – kolväten med dubbelbindningar 129 Alkyner – kolväten med trippelbindningar 132 Cykliska kolväten 133 Arener – kolväten med bensenstruktur 134 Funktionella grupper anger ämnesklass 137 Alkylhalogenider 139 Alkoholer 141 Oxidation av alkoholer ger karbonylföreningar 149 Karboxylsyror 152 Syntes ger estrar och etrar 157 Aminer 162 Lösligheten kan påverkas av pH-värdet 163 Flerfunktionella föreningar 166 Stereoisomeri 168 Isomeri – sammanfattning 173 Uppgifter 177
3 Kemisk jämvikt 40 Jämviktslägen 42 Jämviktsekvationen 46 Beräkning av jämviktskonstanter 49 Beräkning av koncentrationer vid jämvikt 51 Förskjutning av jämviktslägen 53 Jämvikter i sura och basiska lösningar 60 Vattnets jonprodukt är ett jämviktsuttryck 61 Syra- och baskonstanter 63 En titrerkurva visar protolysreaktionens förlopp 72 Indikatorval 78 Uppgifter 81
4 Jämviktssystem i olika miljöer 86 Homogena och heterogena jämvikter 88 Jämvikter i olika miljöer 101 Uppgifter 113
6 Hur reaktioner sker – reaktionsmekanismer 184 Reaktionsmekanismer beskriver elektronförflyttningar i kemiska reaktioner 186 Reaktionsmekanismer vid organisk syntes 191 Uppgifter 208
4
Kemi - Framvagn.indd 4
2020-06-03 10:11
9 Analytisk kemi 298 Kemiska analyser 300 Våtkemiska analyser 307 Kromatografiska metoder 309 Masspektrometri – MS 316 Spektroskopiska analyser 319 Analyser av biomolekyler 329 Uppgifter 339
7 Biomolekyler – livets stora molekyler 212 Biomolekyler – cellens byggstenar 214 Kolhydrater 215 Lipider 223 Proteiner 228 Aminosyror – proteinernas byggstenar 229 Nukleinsyror – arvets molekyler 241 Uppgifter 248
Laborationer 346 8 Metabolismen – ämnesomsättningen 252 Enzymer gör livets reaktioner möjliga 254 Anabola och katabola processer 260 Från DNA till protein 263 Energiomvandlingar i celler 270 Bärarmolekyler i metabolismen 275 Glukosmetabolismen i cellerna 277 Citronsyracykeln sker vid god tillgång på syre 282 Andningskedjan ger mest ATP 284 ATP-utbyte vid fullständig nedbrytning av glukos 286 Nedbrytning av fett 287 Aminosyror i överskott omvandlas eller bryts ner 288 Koldioxid från luften fångas in i fotosyntesens reaktioner 288 Uppgifter 292
Svar till uppgifterna 371 Sakregister 391
5
4712996_Kemiboken 2.indb 5
2020-06-01 15:07
1
Kemins karaktär och arbetssätt Kemisten föreställer sig hur materien fungerar på mikronivå och skaffar sig metoder för att se detaljerna. Med kemins hjälp kan vi därför mäta, påverka och utnyttja materian och dess egenskaper. Men vi måste göra det på ett etiskt och hållbart sätt. Kemister är kanske framtidens superhjältar? Med förstärkta sinnen och superkrafter skapas förutsättningar för att lösa framtida utmaningar. Forskaren på bilden har använt sina kunskaper i kemi för att göra plast av fiskrens.
6
Kemi - kapitel 1.indd 6
2020-06-03 09:26
NÄR DU HAR LÄST KAPITLET SKA DU HA KUNSKAP OM
m hur kemiska modeller och teorier växer fram genom vetenskapliga undersökningar m vad som menas med en kemisk riskkälla m riktlinjer för hantering av kemikalier m kemins verksamhetsområden i samhället m betydelsen av kunskaper i kemi för en hållbar utveckling m betydelsen av ett etiskt förhållningssätt inom kemin.
BEGREPP
CAS-nummer experiment fara fältstudie förstahandskälla hygieniskt gränsvärde kemikalie kemisk riskkälla kemiskt skriftspråk makronivå mikronivå modell myndighet märkningspliktig kemikalie mätvärde faropiktogram risk riskbedömning riskminskande åtgärd substitutionsprincipen säkerhetsdatablad teori
7
4712996_Kemiboken 2.indb 7
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Från makro till mikro EXPERIMENT
1. Visa exempel på olika modeller – en molekylmodell av metan, en skriven strukturformel av metan och en modell av en DNA-molekyl. Diskutera vad modellerna visar och vad de inte visar. 2. Låt elever väga flera olika påsar med ett i förväg bestämt antal bönor, 50–250 gram. Be dem åskådliggöra sina resultat i en tabell och rita in sina mätdata i ett koordinatssystem. Låt gärna en påse vara felaktigt märkt. Diskutera vilka slutsatser man kan dra av resultaten.
Makronivå – kan uppfattas direkt med våra sinnen.
1
mikro- i sammansatta ord – liten
Mikronivå – kan ej uppfattas direkt med sinnen utan kräver vetenskapliga analysmetoder.
Vi uppfattar materien runt omkring oss med våra sinnen. När vi ser, känner, hör, smakar och luktar är det på makronivå. Förmodligen skulle vi kunna enas med människor från äldre tider om hur materien och dess omvandlingar kan beskrivas på makronivå, till exempel mjuk, hård, rinnande och stark lukt. När vi försöker förstå materiens inre egenskaper ger vi istället förklaringar på mikronivå1, eller – bättre uttryckt inom kemin – på atomnivå. De vanligaste grundämnenas atomer har en diameter som är några miljarddels meter. Exempelvis har kolatomer en diameter som är 7 nanometer (7 · 10–9 m) eller 70 Å (1Å = 10–10 m). Demokritos som levde i det antika Grekland trodde att all materia i dess minsta beståndsdel bestod av något som han kallade atomer. Andra grekiska filosofer delade in materian i fyra olika atomslag: jord, eld, luft och vatten. Idag tror vi inte på några jordatomer. Vi vet att det finns 92 naturligt förekommande grundämnen, som visas i det periodiska systemet, men inte förrän i slutet av 1900-talet kunde man se atomer på riktigt. Demokritos och den moderna beskrivningen av atomer är olika förklaringar på mikronivå. Vi kan inte uppfatta mikronivån direkt med våra sinnen. Därför har vetenskapsmän i alla tider arbetat med indirekta metoder för att försöka förstå mer och mer av mikronivån, med syftet att få en bättre förklaring till det som händer på makronivå.
HÄNDELSE
MAKRONIVÅ
MIKRONIVÅ
SYMBOLNIVÅ
vatten kokar
Vatten i vätskeform värms så att det bubblar. Det stiger vattenånga från vätskan.
Vätebindningar mellan vattenmolekyler bryts. Enstaka vattenmolekyler har tillräckligt stor rörelseenergi för att övergå i gasform.
H2O(l) → H2O(g)
8
4712996_Kemiboken 2.indb 8
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Kemister använder ett eget skriftspråk i reaktionsformler och strukturformler, som ett verktyg för att symbolisera det som sker på mikronivå. Precis som med andra språk så måste man lära sig det kemiska skriftspråket för att kunna kommunicera. Man har kommit överens om vad olika tecken och deras placering betyder. Språket har egna symboler och en egen grammatik.
Mg + 2H + → Mg 2+ + H 2
Kemiskt skriftspråk – tecken som återger det som sker på mikronivån.
UPPGIFTER
1:1–1:2
Siffrorna betyder olika beroende på var de är placerade. Placeringen är en del av det kemiska språkets grammatik
Modeller hjälper oss att förstå verkligheten Förutom teckensymboler som används i kemiska formler, använder kemister många slags modeller. En modell är till exempel en teckning eller en tredimensionell illustration som åskådliggör en teori om sådant som vi inte omedelbart kan se. Reaktionsformler och strukturformler kan också betraktas som modeller. Modeller ger en förenklad bild av samband som bara kan ses med indirekta metoder. Det är forskares experiment, och resultat av dessa, som ligger till grund för kemisters modeller av hur vår omvärld är uppbyggd. Teorier och modeller utvecklas när forskare förfinar sina metoder. En karta är en modell som gör det lättare att orientera sig. Detaljnivån beror på vilken funktion kartan har. Den vänstra visar riktningar och destinationer, medan den högra visar hur tunnelbanan faktiskt går i landskapet. Det kanske inte är så viktigt att veta för att välja rätt tåg!
Åskådliggöra – visa
En modell är ett sätt att åskådliggöra en teori.
En modell kan aldrig visa allting. En modell av en cirkel kan vara en månghörning.
9
4712996_Kemiboken 2.indb 9
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Kul-pinn-modell av metan, CH4.
Ett exempel är hur modellen av DNA-molekylens struktur utvecklades. I början av 1950-talet tävlade forskargrupper om att få fram en hållbar teori om hur DNA kan innehålla information om hur en levande varelse byggs upp och fungerar. Man visste vilka enkla byggstenar DNA är uppbyggt av, men man behövde ta reda på hur byggstenarna binds till varandra i en tredimensionell struktur. I London arbetade Rosalind Franklin och Maurice Wilkins med metoden röntgenkristallografi för att studera DNA-kristaller. De bestrålade kristallerna med röntgenstrålning som gav mätvärden i form av ett diffraktionsmönster av kristallerna. Men deras bilder var svårtolkade. Först när Rosalind Franklin och Maurice Wilkins började samarbeta med James Watson och Francis Crick kunde man tolka mätvärdena. Watson och Crick använde sina kunskaper om byggstenarnas storlek och laddning och byggde kul-pinnmodeller utifrån de mätvärden som Franklin och Wilkins hade fått fram. Deras tolkning resulterade i en modell av DNA-molekylens struktur som snabbt slog igenom i forskarvärlden. Strukturmodellen av DNA-molekylen bidrog till att man, under loppet av ett par år under
Diffraktionsmönster efter bestrålning med röntgenstrålning avslöjade DNA-kristallernas ytstruktur.
Rosalind Franklins (1920–1958) mätvärden låg till grund för 1962 års Nobelpris i fysiologi eller medicin som tilldelades James Watson, Francis Crick och Maurice Wilkins för deras modell av DNA-molekylen. Den originalskiss som Francis Crick gjorde 1953 visas i den högra bilden.
10
4712996_Kemiboken 2.indb 10
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Ett företag säljer det här provtagnings-kitet för DNA-analys. Nu, ungefär 70 år efter forskningsgenombrottet, är Watsons och Cricks modell av DNA-molekylen grunden för metoder för att hantera genetiskt material inom många olika verksamheter i samhället, som till exempel gentester. Provtagningen gör man själv genom att snurra en tops på kindens insida – så kallad topsning.
1950-talet, kunde lägga fram teorier om hur genetisk information kan kopieras och om hur instruktioner om proteintillverkning förmedlas inom cellen. Tack vare modellen av DNA-molekylens struktur blev något som dittills hade varit oförklarat plötsligt begripligt och logiskt.
Teorier och modeller förutspår framtida resultat Förutom att visa på kända samband ska en bra modell kunna förutspå framtida resultat. Ett berömt exempel är Dmitrij Mendelejevs periodiska system. De observationer som Mendelejev använde för att systematisera grundämnen i sin modell byggde på hur grundämnenas atommassor påverkar deras egenskaper. Han la märke till att vissa egenskaper upprepar sig periodiskt. Mendelejev kunde se luckor i sitt periodiska system. Ett av de grundämnen som fattades kallade han för eka-kisel. Och han hade rätt; knappt 20 år efter det att det periodiska systemet hade presenterats upptäckte Clemens Winkler ett nytt grundämne som han kallade germanium. Ämnet har ungefär de egenskaper som Mendelejev hade förutsagt om eka-kisel. Mendelejev utformade det periodiska systemet utan att veta någonting om elektronorbitaler eller kärnpartiklar. Han såg ett mönster i grundämnenas egenskaper på makronivå, utifrån vilket han skapade en modell. Senare har mönstret, tack vare forskares resultat och observationer, blivit allt tydligare på mikronivå. Idag finns en utvecklad atomteori som förklarar att grundämnenas periodicitet beror på elektronernas uppsättning i grundnivåer och atomorbitaler1.
1
En atomorbital beskriver ett energitillstånd där högst två elektroner sannolikt befinner sig samtidigt..
11
4712996_Kemiboken 2.indb 11
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Modeller förutspår framtida resultat, som ibland kan kännas obekväma eller strida mot sunt förnuft och rådande normer. I flera miljöfrågor har kemister långt i förväg kunnat förutsäga negativa effekter på naturen, till exempel av ökade utsläpp av koldioxid. Redan i slutet av 1800-talet fanns en modell och bevis för att jordens klimat påverkas av atmosfärens sammansättning av gaser. Man visste också att människans förbränning av olja och kol var så omfattande att utsläppen kunde påverka klimatet. Den svenske kemisten Svante Arrhenius skrev år 1906 i den populärvetenskapliga boken Världarnas utveckling: ”En sänkning af luftens kolsyremängd till hälften af dess nuvarande värde skulle nedsätta temperaturen med omkring 4 grader, en sänkning till en fjärdedel med bortåt 8 grader. Å andra sidan skulle en fördubbling af luftens kolsyra höja jordytans temperatur med 4, en fyrdubbling skulle höja den med 8 grader.” Det kan vara svårt att förstå, att något osynligt som en gas har stor effekt på förutsättningarna för våra liv. En obekväm konsekvens av modellen är att vi måste ändra vår livsstil. CO2-koncentration i atmosfären vid Mauno Loa mätstation på Hawaii ppm
Halten koldioxid i atmosfären de senaste 50 åren.
400
380
360
340
320 UPPGIFTER
1:3–1:4
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020 år
Vetenskapliga undersökningar
Experiment – kontrollerat försök Fältstudie – systematisk observation i omvärlden
Det är vetenskapliga undersökningar som leder fram till ny kunskap, och som lägger grunden för nya modeller och teorier. Det som kännetecknar en vetenskaplig undersökning är ett systematiskt testande av en hypotes genom experiment och fältstudier. I undersökningen samlas mätvärden och observationer. En vetenskaplig rapport av en systematisk undersökning ska redovisas så att andra forskare kan göra om samma undersökning, eller dra
12
Kemi - kapitel 1.indd 12
2020-06-03 09:29
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
egna slutsatser av de mätvärden som finns redovisade. Urval, metod och obehandlade mätvärden, rådata – allt måste redovisas. En redovisad undersökning är en förstahandskälla. Om man ska granska någonting kritiskt måste man gå till förstahandskällan. I vår vardag stöter vi ständigt på och accepterar imformation från andra- och tredjehandskällor, till exempel läroböcker och dagspress. De flesta hemsidor på Internet är också andra- och tredjehandskällor. Den sortens information är alltså inte tillräckligt tillförlitlig för att användas inom vetenskaplig forskning. Ovetenskapliga påståenden, till exempel ett löfte om att kristaller lindrar smärta, kännetecknas av att mätvärden saknas eller är ofullständiga. Ibland är det statistiska underlaget för litet. Det går inte att dra några vetenskapliga slutsatser av enstaka observationer eller ofullständiga undersökningar. Vetenskapen måste vara transparent, vilket betyder att den ska kunna granskas och kontrolleras. Vetenskapliga studier måste därför vara systematiskt utförda och tydligt rapporterade. Ibland kan en vetenskaplig studie ändå motsäga en annan. Den vetenskapliga diskussionen visar då ofta att man har gjort olika antaganden vid urvalet eller utformningen av metoden. Två exempel på vetenskapliga studier som väckte debatt när de publicerades finns i nedanstående tabell. Båda har efter vetenskapliga diskussioner lett till striktare riktlinjer för miljö och hälsa.
Mätvärde – kvantitativa observationer
Förstahandskälla – redovisad undersökning
observationer (fenomen) klassificeringar modeller lagar teorier
Traditionell hierarkisk struktur av vetenskapliga begrepp.
FRÅGESTÄLLNING
METOD
RESULTAT
SLUTSATSER
1. Hur mycket skiljer sig koldioxidhalten i atmosfären mellan olika platser och tidpunkter?
Luftprover insamlades och det partiella koldioxidtrycket mättes i proverna.
Koldioxidhalten i luften varierar systematiskt med årstiderna.
Gröna växter på det norra halvklotet sänker halten koldioxid i atmosfären under sommarhalvåret.
2. Påverkar ftalater fosterutvecklingen hos människor?
Halter av ftalater och nedbrytningsprodukter av ftalater mättes i urin från gravida kvinnor och deras pojkspädbarn. Ftalathalterna jämfördes med hur väl pojkspädbarnens genitalier var utvecklade vid födelsen.
Halterna varierar mindre vid polerna. Under en treårsperiod steg halten koldioxid i atmosfären över Antarktis. Studien gav en ny fungerande metod att mäta koldioxidhalt i luft. Ju högre halter av ftalater och ftlalatmetaboliter* i urinen, desto sämre utvecklas pojkars genitalier. *metabolit = nedbrytningsprodukt
1. D. Keeling. The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere. Tellus, 12 (1960) s 200–203 2. Swann, S.H. et. al. Decrease in Anogenital Distance among Male Infants with Prenatal Phthalate Exposure. Environmental Health Perspective, 113:86 (2005) s 1056–1061
Över Antarktis har koldioxidhalten ökat motsvarande det tillskott som förbränning av fossila bränslen ger. De halter av ftalater som människofoster utsätts för, kan påverka utvecklingen av deras manliga genitalier. En följdslutsats är att pojkarna senare i livet får nedsatt reproduktionsförmåga. Liknande påverkan har tidigare visats hos råttor.
I tabellen finns två exempel på vetenskapliga studier vilkas resultat har väckt debatt.
13
4712996_Kemiboken 2.indb 13
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Kemin i samhället – tillämpningarna Regler för hantering av kemikalier Kemikalie – ett kemiskt ämne eller en blandning av kemiska ämnen som används kommersiellt och inte är ett livsmedel.
Substitutionsprincip – att välja det minst skadliga alternativet Faropiktogram – symboler för fysikaliska faror och miljöfaror Märkningspliktig kemikalie – en kemikalie som måste märkas med farosymboler (faropiktogram)
En kemikalie är ett kemiskt ämne eller en homogen blandning av kemiska ämnen som används kommersiellt och inte är ett livsmedel. Ättikssyra som används i industriprocesser är enligt denna definition exempel på en kemikalie, men den ättika som man använder till matlagning är ett livsmedel – inte en kemikalie. Varje år tillverkas och säljs många nya kemikalier. Kemikalier används för att de har unika och positiva egenskaper för ett visst syfte, men många av dem kan också orsaka problem då de kan vara giftiga för levande organismer, brandfarliga eller explosiva. Som användare är det svårt att själv hålla reda på alla dessa egenskaper. Lagar och förordningar om kemikaliehantering har utvecklats under lång tid för att olyckor och miljö- och hälsoskador ska undvikas. Från 1 juni 2007 gäller EU-förordningen REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and restriction of Chemicals). REACH-förordningen stadgar att den som tillverkar eller säljer en kemikalie har ansvar för att ta reda på dess eventuella hälso- och miljöeffekter. Både tillverkare och försäljare måste ta reda på farorna och om möjligt välja det minst skadliga alternativet. Principen att byta en kemikalie mot ett mindre skadligt alternativ kallas för substitutionsprincipen. REACH innebär att den som säljer kemiska produkter måste uppmärksamma användaren på vilka faror som finns med produkten, bland annat genom att märka dem med enhetliga farosymboler, faropiktogram. Kemikalier som kräver sådan märkning kallas märkningspliktiga kemikalier. Dessutom märks varje kemikalie med ett unikt internationellt CAS-nummer.
Kemikalieförpackningar måste vara märkta med faropiktogram och deras faro-ord. På förpackningen finns också kemikaliens unika CAS-nummer. Alla olika faropiktogram finns längst bak i boken.
14
Kemi - kapitel 1.indd 14
2020-06-10 09:05
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Det är viktigt med rätt skyddsutrustning. Personen på bilden hanterar en kemisk riskkälla, krossad zirkon. Det är en kiselförening med grundämnet zirkonium, som vid inandning kan ge lungsjukdomen silikos. Tillverkaren av krossad zirkon måste skicka med ett säkerhetsdatablad som säger att användaren ska bära ett andningsskydd.
Kemiska riskkällor Om en kemikalie klassas som märkningspliktig så måste den som säljer kemikalien bifoga ett säkerhetsdatablad på landets språk där farorna anges. Arbetsplatser som hanterar sådana kemikalier, till exempel en skola, måste ha en kemikalieförteckning och tillgång till kemikaliernas säkerhetsdatablad. Säkerhetsdatabladen följer en bestämd mall med 16 punkter. Syftet är att den som hanterar kemikalien ska kunna gå in under rätt punkt för att ta reda på vad som gäller, exempelvis vid brand eller transport. Det finns standardiserade faro- och skyddsangivelser, som anger vad man måste tänka på. P235 (P från eng. precautionary), till exempel, betyder ”förvaras svalt” och H241 (H från eng. hazard), ”brandfarligt eller explosivt vid uppvärmning”. Något som kan skada på kemisk väg oavsett i vilken form, definieras som en kemisk riskkälla1. Produkter som bildas i en kemisk reaktion kan också vara en kemisk riskkälla. Om syrehalten blir för låg och det samtidigt bildas för mycket koldioxid i ett slutet utrymme kan man kvävas. När den kemiska riskkällan är ett ämne som dammar eller är flyktig regleras dess användning av ett så kallat hygieniskt gränsvärde. Det anger den lufthalt av ämnet som användaren kan vistas i under en arbetsdag (8 timmar) utan att ta skada.
Säkerhetsdatablad – standardiserat formulär som sammanställer all information gällande hantering av en kemikalie. Kemikalieförteckning – förteckning över alla märkningspliktiga kemikalier som finns på en arbetsplats
Kemisk riskkälla – något som kan skada på kemisk väg, oavsett i vilken form. Hygieniskt gränsvärde – den lufthalt av ett ämne som en person kan vistas i under en arbetsdag, utan att riskera hälsan. 1
Arbetsmiljöverkets författningssamling (4§, AFS 2014:43)
15
4712996_Kemiboken 2.indb 15
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Riskbedömning – en viktig rutin Riskbedömning – skriftligt dokument där faror och riskminskningsåtgärder redovisas
Fara – något som kan orsaka en skada Risk – sannolikhet för att en skada ska uppkomma
Riskminskande åtgärd – hantering som minskar risken
MOMENT
På varje arbetsplats måste man göra en riskbedömning av de arbetsmoment som innebär fara och vidta riskminskande åtgärder, alltså se till att att riskerna minimeras. Det gäller även hanteringen av kemiska riskkällor. På en skola där man använder märkningspliktiga kemikalier ska man göra en riskbedömning för varje laboration eller arbetsmoment där sådana kemikalier används. Det kan också gälla skolkökets hantering av maskindiskmedel. För att få en godkänd arbetsmiljö måste det finnas rätt skyddsutrustning såsom dragskåp, förvaring med god ventilation, ögonduschar, med mera. Riskbedömningar ska vara skriftliga och finnas tillgängliga när man utför arbetet. Vid riskanalys är inte fara och risk samma sak – en fara är något som kan hända och en risk är sannolikheten för att något skadligt kan hända. När man gör en riskanalys tar man hänsyn till hur svåra konsekvenserna blir om något händer (hur farligt det är) och sannolikheten för att detta något ska hända (hur stor risken är). Vid stor fara bör man försöka minska risken att något sker genom att utforma en riskminskande åtgärd. Även enklare vardagsmoment som äggkokning kan riskbedömas. Tabellen nedan visar en riskanalys för äggkokning.
FARA
FARA
RISKMINSKANDE ÅTGÄRD
STOR/LITEN
Man kokar ett ägg i 6 minuter i en kastrull.
RISK FÖRE
EFTER
Man kan få brännskador när man lägger i ägget i det kokande vatten med handen.
stor
Man lägger ägget i kallt vatten i kastrullen eller så använder man en sked för att lägga ägget i det kokande vattnet.
hög
låg
Man kan få brännskador när man tar på kastrullen med händerna utan att använda grytlapp.
stor
Man använder en kastrull med isolerande handtag, eller så använder man en grytlapp.
låg
låg
Det kan börja brinna om man lägger något brännbart över den heta spisplattan eller den brinnande gaslågan.
stor
Man ställer inte kastrullen nära kanten på spisen och man lämnar inte små barn ensamma intill spisen. Man undviker att lägga brännbara föremål nära spisen och försöker hålla händer eller armar långt från spisplattan (gaslågan). Om man aldrig har använt en gasspis måste någon som kan hantera den vara med.
hög
låg
stor
Man använder en timer som man ställer så att man hör den när den larmar och det är dags att ta bort kastrullen från plattan.
låg
låg
Man kan få brännskador om man lägger handen på plattan eller gaslågan.
Man kan glömma bort att man kokar ägget på spisen så att kastrullen kokar torrt och det börjar ryka kraftigt.
UPPGIFTER
16
1:5–1:8
4712996_Kemiboken 2.indb 16
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Kemister inom tillverkningsindustrin Kemister arbetar inom många olika och mycket skilda sektorer av arbetsmarknaden. I tillverkningsprocessen av olika material såsom papper, metaller , plaster, och läkemedel krävs kemikunskaper. En stor del av Sveriges välstånd beror på att kemister har funnits med och utvecklat exempelvis gruv- och pappersindustrin i landet. Att utveckla en produkt för tillverkning är ofta en lång process. Ett historiskt exempel är utvecklingen av lokalbedövningssalvan Xylocain som människor i hela världen har erfarenhet av, särskilt hos tandläkaren. Redan 1937 publicerade två kemister vid dåvarande Stockholms högskola synteser av 16 olika lokalbedövningsmedel, varav ett var mycket likt det som senare kom att ingå i Xylocain. Det gällde att hitta ett ämne som fungerade utan att vara giftigt eller beroendeframkallande. Idéerna byggde på en naturprodukt, gramin. År 1942 lyckades man första gången framställa den aktiva substansen i Xylocain som heter lidokain. Året därpå köpte Astra rättigheterna till lidokain, och döpte medlet till Xylocain. Dessförinnan hade flera andra läkemedelsföretag tackat nej. Det var sedan en lång väg för Astra fram till ett godkänt läkemedel. Först måste det göras tester på djur, sedan på människor. Man måste skaffa råvaror, alltså utgångsämnen för syntesen, och anpassa syntesprocessen tekniskt till industriell skala. Astra fick patent på lokalbedövningsmedlet år 1948. Även idag arbetar merparten av svenska kemister med att producera varor inom tillverknings- och råvaruindustrin. Många är engagerade i utvecklingsarbete som, precis som med lidokain, kan ta lång tid och kräva omfattande analys och dokumentation. Genom historien har mycket tid och pengar lagts på utvecklingsprojekt som inte har lett till någon säljbar produkt. Endast ett fåtal produkter klarar alla tester och ekonomiska krav. Idag hoppas vi på klimatvänliga batterier, effektiva solceller, plaster från förnybara resurser och smarta textil- och byggmaterial. Kemister finns med i alla led i sådana utvecklingsprojekt.
Råvaror – ämnen som man har tagit från naturen och som används för tillverkning (syntes) av produkter.
Emla-plåster och xylocainsalva innehåller den aktiva substansen lidokain. Lidokain framställdes första gången 1942.
17
4712996_Kemiboken 2.indb 17
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Kemister och framtiden
1
Nuvarande (2020) regerings mål är ett klimatneutralt samhälle år 2045.
Grundämnena kobolt och indium är två av 27 råmaterial eller råvaror som EU har bedömt vara kritiska för vårt samhälle och för välfärden. Kobolt behövs i laddningsbara batterier, isolatorer och supraledare, och indium i pekskärmar på smartphones och läsplattor. Sverige och EU är långt ifrån självförsörjande på dessa material. Det visar sig att det finns stor ekonomisk potential i att återvinna slagg från gruvor, gammalt byggmaterial, elektronikskrot, med mera. Här finns en växande bransch som kräver mycket kemikunskap! Kemister kommer att behövas i omställningen till ett hållbart samhälle, precis som de har behövts allt sedan de industriella processerna började utvecklas för ett par hundra år sedan. Om fossilberoendet i samhället ska upphöra, så att vi blir ett klimatneutralt samhälle år 20451, så behöver man kunna framställa och tillverka bränslen från förnybara källor. All plast som idag görs av oljeprodukter måste ersättas med förnybara material som majs och trä. Det kommer också att krävas ny teknik för att samla in och återvinna olika typer av material såsom plast och textilier.
Idag finns teknik för att skilja olika textilmaterial från varandra utifrån den kemiska strukturen. På så vis kan exempelvis bomullsfibrer återanvändas till nya kläder.
18
4712996_Kemiboken 2.indb 18
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
A
B %
kommun
40
region
30
statlig myndighet
20 10
sa m
öv rig t
ed hä el lls by gg na d ar st be at t sm ist ik ilj /fy ö sik /te kn ik
rv år d
liv sm
/n
os ky dd
h oc m
ilj
ö/
hä ls
hä ls o-
at u
vå rd
ke m
nc e lif e
sc ie
i
0
universitet
sju k
privat företag, stiftelse, organisation
Kemi inom övervakning och kontroll Ungefär en femtedel av alla svenska kemister arbetar inom olika myndigheter, kommuner och regioner, där de använder sin kemikompetens för att utföra arbete med kontroll och direktiv. Flera av dessa myndigheter och förvaltningar har omfattande laboratorieverksamhet där man undersöker och mäter halter av olika ämnen från prover som har samlats in. De statliga myndigheternas främsta uppgifter är att utforma regelverk (förordningar) med utgångspunkt i de lagar som har stiftats i riksdagen samt att kontrollera att reglerna följs. Några myndigheter har ett större ansvar för att reglera och följa upp lagstiftning som handlar om kemikalier. Frågor som rör kemiska risker i arbetsmiljön regleras och kontrolleras av Arbetsmiljöverket, Kemikalieinspektionen följer upp att producenter följer REACH-lagstiftningen, Myndigheten för samhällsskydd och beredskap, MSB, kontroller bland annat hantering av explosiva och brandfarliga ämnen och Naturvårdsverket reglerar avfallshanteringen. Andra myndigheter har särskilt ansvar för något av kemins användningsområden. Läkemedelsverket har till exempel i uppdrag av regeringen att godkänna nya läkemedel för försäljning i Sverige. Det företag som ansöker om tillstånd måste kunna visa att läkemedlet har den effekt som hävdas och att läkemedlet inte har biverkningar som skadar mer än det gör nytta. För tillverkaren gäller att generella standarder för läkemedelstillverkning är uppfyllda. Man kallar detta Good Manufacturing Practice (GMP), eller på svenska god tillverkningssed. Kemister är inblandade i många steg i läkemedelsindustrin: medicinsk forskning, dokumentation, tillverkning och kvalitetskontroll av färdiga produkter.
Kemister på arbetsmarknaden enligt SACO-förbundet Naturvetarnas lönestatistik från 2018. A: Cirkeldiagram med fördelning av kemister utifrån var de arbetar. B: Tabell över kemisters procentuella fördelning på arbetsmarknaden utifrån arbetsområde.
Myndigheter utformar statliga regelverk samt kontrollerar att reglerna följs.
GMP – Good Manufacturing Practice, god tillverkningssed
UPPGIFT
1:9
19
Kemi - kapitel 1.indd 19
2020-06-03 09:31
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
Kemi och etik 1
Siffran är för 2018.
”Den grekiska skolan”. På denna målning av Raphael (1483–1520) står de berömda grekiska filosoferna samlade. På tavlan syns bland annat Sokrates, Aristoteles, och Pythagoras.
UPPGIFT
Den kemiska industrin använder 400 miljoner ton kemikalier varje år1. Det finns, som vi har visat i det här kapitlet, en omfattande lagstifning om kemikalier och många myndigheter som övervakar, informerar och samordnar olika frågor som rör kemikalier inom hälsa, livsmedel och miljö. Världen står idag inför flera ödesfrågor som har med kemi att göra: klimatfrågan, kemikalier i naturen och plast i haven. Vi kan läsa larmrapporter om smältande isar, insektsdöd och strandade valar med buken full av plast. Vi återknyter till inledningen där vi skrev att en kemist vill förstå dessa händelser på mikronivå. Kemisten har hittat och använder verktyg som analys och syntes för att förstå samband. Med de här redskapen kan man kanske också hitta lösningar. Svante Arrhenius, som förutsåg att ökande koldioxidhalter i atmosfären skulle ge en ökad medeltemperatur på jorden, var långt före sin tid – först 100 år senare är det tydligt att han hade rätt. Men han kunde inte göra noggranna mätningar av koldioxidhalten i atmosfären eller i hundratusentals år gamla iskärnor. Gör tankeexperimentet att vi inte skulle kunna det idag heller. Då skulle vi inte ha några bevis för att halten koldioxid har stigit sedan förindustriell tid. Klimatfrågan skulle inte existera på agendan och vi skulle vara djupt okunniga om sambandet mellan koldioxid i atmosfären och temperaturen på jorden. Filosofen Sokrates som levde i Grekland på 400-talet före vår tideräkning menade att den enda sanna kunskapen är den som används till något gott. Vad som är ”sann kunskap” blir då en filosofisk fråga. Verkligheten ser annorlunda ut. Historien har visat att en del forskare, däribland kemister, har använt sina djupa ämneskunskaper till mycket som har fått negativa följder. Men dagens stora miljöfrågor, som den globala uppvärmningen, giftspridning och plastnedskräpning, kan lösas om kemikunskaper används väl.
1:10
20
4712996_Kemiboken 2.indb 20
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
SAMMANFATTNING • Materians makronivå kan uppfattas med sinnena. • Forskare försöker förstå hur materian uppför sig på mikronivå. • En modell är ett sätt att åskådliggöra en teori. • En teori är en beskrivning av sammanhang som också förutsäger framtida resultat. • Ett vetenskapligt arbete ska vara systematiskt genomfört och kunna granskas av andra forskare. • Svenska myndigheter har regelverk för hantering, tillverkning och försäljning av kemikalier. • De regelverk som finns om kemikalier ska skydda och förebygga skador på människor och natur.
• Substitutionsprincipen innebär att man som tillverkare eller användare alltid ska ersätta en kemikalie mot en annan som är mindre farlig – om det är möjligt. • Kemikalier som är hälso- eller miljöfarliga markeras med farosymboler. • Den som säljer märkningspliktiga kemikalier måste bifoga säkerhetsdatablad. • Den som använder märkningspliktiga kemikalier i arbetet måste ha tillgång till en riskbedömning av hur farliga kemikalierna är och utifrån den utforma hanteringen så att riskerna minimeras. • Kemister arbetar inom tillverkningsindustri, statliga myndigheter och forskning. • Många framtidsfrågor kräver kemikunskaper för att lösas.
21
4712996_Kemiboken 2.indb 21
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
UPPGIFTER 1:1 1 5
Se beskrivningen av vatten som kokar på s. 8, uttryckt på makro-, mikro- och symbolnivå. Beskriv händelserna a–e på samma sätt, på makro-, mikro- och symbolnivå. a) En iskristall (snöstjärna) bildas.
1:3 1 5
b) Is smälter. c) Koksalt löses i vatten. d) Kalksten vittrar i kontakt med svagt surt vatten.
b) Vilka av ovanstående begrepp anser du att modellen inte visar?
e) Kolhydrater bildas i fotosyntesen. 1:2 1 5
Vilka av följande begrepp från kursen i kemi 1 anser du hjälper dig att förklara i ett mikroperspektiv: a) växthuseffekten, b) hur miljögifter kan tas upp och lagras i kroppen? Begrepp: endoterm, exoterm, fast ämne, fett, förbränning, gas, grundämne, icke-metall, jon, kemisk förening, kemisk reaktion, koncentration, löslighet, metall, molekyl, oorganiskt ämne, opolär, organiskt ämne, oxidation, polär, reduktion, strålning, substansmängd, temperatur, värme, vätska.
MOMENT
FARA
FARA STOR/LITEN
Man tänder värmeljuset.
Man kan bränna sig på tändstickan.
Ljuset brinner.
Ljuset kan välta och antända något brännbart i närheten.
Natriumklorids struktur och egenskaper beror på jongittrets symmetri, positiva och negativa joner, attraktionskrafter mellan joner av motsatt laddning, storleksförhållande och elektrontäthet. n a) Vilka av ovanstående begrepp anser du att modellen visar?
1:4 1 5
1:5 4
Bläddra igenom läroboken och leta efter fler modeller. Vilka samband beskrivs? Vad visar modellerna? På s. 16 beskriver vi hur man kan göra en riskanalys av äggkokning. Fullfölj riskanalysen i tabellen nedan om att tända och använda ett värmeljus.
RISKREDUCERANDE ÅTGÄRD
RISK; HÖG /LÅG FÖRE
EFTER
Man kan tappa den brinnande tändstickan så att den antänder något brännbart i närheten.
Man lägger något brännbart över ljuset (till exempel en servett vid matbord). Man glömmer att släcka ljuset när man lämnar rummet. Ljuset ska släckas.
Smält stearin/paraffin kan stänka så att man bränner sig.
22
4712996_Kemiboken 2.indb 22
2020-06-01 15:07
KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT
1:6 4
1:7 4
När du ska göra en laboration måste du också göra en riskbedömning. Vanligtvis har din lärare redan gjort en första riskbedömning, men du har också ett ansvar för att känna till farorna och bedöma riskerna med laborationen. Gör en riskbedömning av laborationen om reaktionshastighet på s. 347. Hur skulle du välja mellan nedanstående alternativa produkter? a) Toalettrengöringsmedel – såpa eller klorin.
Svavelsyra 1 mol/dm3
Jod
b) Bränsle – fotogen eller bensin. Metanol
c) Lösningsmedel – vatten eller lacknafta d) Hudsmink (foundation) – med PFAS (som inte har testats på djur) eller hudsmink utan PFAS (som har testats på djur) (PFAS – högfluorerade ämnen). 1:8 4
1:9 4
Ämnen som är hälso- eller miljöfarliga måste vara uppmärkta med farosymboler. Vad betyder farosymbolerna som finns på kemikalieetiketterna i högra spalten?
1-Butanol
Kaliumdikromat
Para ihop myndigheterna nedan med ett ansvarsområde. Naturvårdsverket
Kontrollerar att läkemedelsproducenter dokumenterar tillverkningsprocesserna.
Kemikalieinspektionen
Ger behörighetsutbildning för att använda växskyddsmedel.
Arbetsmiljöverket
Ger tillstånd och bidrag till företag för att sanera mark som har förorenats av miljögifter.
Livsmedelsverket
Ger tillstånd för hantering av brandfarliga och explosiva ämnen.
Jordbruksverket
Kontrollerar att det finns rutiner för arbete med kemikalier i skolan.
Läkemedelsverket
Kontrollerar att kemikalier säljs med rätt farosymboler och med korrekta säkerhetsdatablad.
Myndigheten för samhällskydd och beredskap
Gör stickprov hos matleverantörer för att kontrollera mögelhalten i nötter.
1:10 En kvinna dömdes 2018 för 4 giftmord på sin make. Flera bevis lades fram: – hennes beteende före makens död. – hennes beteende i samband med makens död. – att maken använde cyanid (CN–) i sitt yrke. – att man med kemisk analys kunde visa att maken hade höga halter av cyanid i blodet. Diskutera vilket bevis som bör ha vägt tyngst.
23
4712996_Kemiboken 2.indb 23
2020-06-01 15:07
2
Reaktioners hastighet och riktning En del reaktioner sker så långsamt att man knappt märker att de sker. Andra reaktioner är snabba. Den kemiska vittringen av granit tar miljontals år, medan bränsleblandningen i en motor förbränns på bråkdelen av en sekund. Hur fort en kemisk reaktion sker, styrs av de förhållanden som råder där den sker. Man kan ofta påverka reaktionshastigheten genom att förändra förhållandena, som att ändra temperaturen, trycket eller koncentrationen av ett eller flera ämnen. En katalysator påverkar också reaktionshastigheten. När du har läst det här kapitlet kommer du att kunna svara på frågan varför en snögubbe smälter långsammare än den snö som ligger på marken.
NÄR DU HAR LÄST KAPITLET SKA DU HA KUNSKAP OM
m hur man kan beräkna reaktioners hastighet m vilka faktorer som påverkar en reaktions hastighet m hur en katalysator sänker reaktionshastigheten m vad som är skillnaden mellan en reversibel och en icke-reversibel reaktion m hur en reaktion går till på molekylär nivå. 24 2 4
4712996_Kemiboken 2.indb 24
2020-06-01 15:07
BEGREPP
aktiverat komplex aktiveringsenergi dubbelpil endoterm reaktion entalpi exoterm reaktion gynnsam kollision intermediär katalysator kontaktyta momentan reaktion reaktionshastighet reaktionsmekanism reaktionsriktning reversibel reaktion rÜrelseenergi
25 5
4712996_Kemiboken 2.indb 25
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Reaktioners hastigheter EXPERIMENT
1. Blanda en sked citronsyra och en sked natriumvätekarbonat i en blixtlåspåse. Sätt en sked vatten till blandningen. Stäng påsen. 2. Häll natriumsulfatlösning i en bägare. Tillsätt några droppar bariumkloridlösning. 3. Tillsätt 10 cm3 0,2 mol/dm3 saltsyra till 25 cm3 0,2 mol/dm3 natriumtiosulfatlösning i en 100 cm3 bägare. Utför experimentet i dragskåp. 4. För ner lika stora substansmängder zink i två provrör; i det första i form av plåtbitar, i det andra i form av pulver. Häll lika volymer utspädd saltsyra (2–4 mol/dm3) i provrören. 5. Lägg lika stora bitar zinkplåt i tre stora provrör innehållande saltsyra med koncentrationerna 4 mol/dm3, 2 mol/dm3 respektive 1 mol/dm3. Påvisa den gas som bildas. Jämför tiderna för upplösning. 6. Häll 4 mol/dm3 saltsyra i två provrör. Värm innehållet i det ena provröret till cirka 50 °C. För ner lika stora bitar av aluminiumfolie i provrören. Iaktta reaktionen i rören i cirka 10 min. I vilket provrör går reaktionen snabbast? 7. Lös upp 1–2 g kaliumjodid i lite vatten. Häll diskmedel till ett par centimeters höjd i en hög glascylinder. Tillsätt cirka 25 cm3 35 % väteperoxidlösning till diskmedlet. Ställ cylindern på en bricka och häll snabbt ner kaliumjodidlösningen (katalysatorn) i diskmedelsblandningen.
Reaktionshastighet – substansmängd bildat eller förbrukat ämne per tidsenhet
I en kemisk reaktion förbrukas reaktanter samtidigt som produkter bildas. Under reaktionens gång minskar substansmängden reaktanter, samtidigt som substansmängden produkter ökar. Vissa kemiska reaktioner, till exempel explosioner, är över på någon bråkdels sekund medan andra, som nedbrytningen av plast i naturen, kan ta flera hundra år. Om vi vill veta hur snabbt en reaktion sker kan vi mäta koncentrationsändringen av de ingående ämnena under en bestämd tid. Vi studerar då reaktionshastigheten för reaktionen. Reaktionshastigheten, v, definieras som den substansmängd ämne som förbrukas eller bildas per tidsenhet vid en kemisk reaktion enligt: v = Δn/Δt
26
4712996_Kemiboken 2.indb 26
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Men praktiskt brukar man mäta koncentrationsändringen över tid för reaktionen enligt: v = Δc/Δt
där Δn och Δc är förändringen av substanmängden respektive koncentrationen under tiden Δt. Enheten för v blir därför mol · s–1 eller (mol/dm3) · s–1, beroende på vad man mäter. Reaktionshastigheten beror först och främst på vilka ämnen det är som deltar i reaktionen. När alkalimetaller reagerar med vatten går reaktionen snabbt. Ädla metaller påverkas däremot inte synbart av luft eller vatten. De reaktioner som ändå sker, går ytterst långsamt. Varje reaktions hastighet påverkas av de förhållanden som råder, till exempel ämnenas koncentrationer, trycket och temperaturen. koncentration, mol/dm3 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0
t1 0
1000
2000
3000
t2 4000
5000
6000
tid, s
Förändring av koncentrationen med tiden för en reaktion. Tangenternas lutning ger reaktionshastigheten vid tiden t1 och t2.
Reaktionshastigheten påverkas av bindningstypen Fria, rörliga joner reagerar ofta omedelbart med varandra. Reaktionerna sägs vara momentana. Exempel på momentana reaktioner är fällningsreaktioner, som sker när vattenlösningar med jonföreningar blandas. Reaktioner mellan molekyler är sällan momentana. Det beror på att reaktioner där kovalenta bindningar bryts eller bildas ofta sker i flera steg. Dessutom måste molekylerna kollidera vid en viss vinkel och med tillräckligt hög hastighet. Av alla kollisioner som sker mellan molekyler, leder endast ett fåtal till att de reagerar kemiskt med varandra.
Reaktioner mellan joner i lösningar är momentana reaktioner.
27
4712996_Kemiboken 2.indb 27
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Tiosulfatjoner sönderfaller i sur lösning till svavel och sulfitjoner. Reaktionen sker långsamt och lösningen blir grumligare allt eftersom svavel fälls ut.
Reaktioner där kovalenta bindningar bryts eller bildas går långsammare än fällningsreaktioner mellan joner.
När tiosulfatjoner reagerar med oxoniumjoner bildas svavel, svaveldioxid och vatten. Det innebär att kovalenta bindningar bryts och bildas. Det kan ta flera minuter innan den gula fällningen av svavel blir synlig. S 2O32–(aq) + 2H3O+(aq) → S(s) + SO2(g) + 3H2O
Reaktionshastigheten beror på kontaktytan För att en reaktion ska ske måste alltså partiklar kollidera med varandra. Ett fast ämne reagerar snabbare med en vätska eller en gas ju större kontaktytan av det fasta ämnet är, eftersom sannolikheten för kollision mellan partiklarna då ökar.
I en dammexplosion sker förbränningen av partiklar med stor kontaktyta, som till exempel trädamm eller mjöl, explosionsartat.
Zink reagerar med saltsyra enligt formeln: Zn(s) + 2 H3O+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) + 2 H2O Reaktionshastigheten ökar med kontaktytan av det fasta ämnet.
Ju mer finfördelad zinken är, desto större är dess kontaktyta och desto snabbare går reaktionen.
28
4712996_Kemiboken 2.indb 28
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Reaktionshastigheten ökar med partiklarnas rörlighet Fasta ämnen reagerar i allmänhet långsamt med varandra. Det beror på att partiklarna i fasta ämnen har mycket begränsad rörlighet, vilket gör att det sker få kollisioner mellan dem. Faktorer som påverkar antalet gynnsamma kollisioner är avgörande för en reaktions hastighet. När man blandar natriumvätekarbonat med citronsyra, båda i fast form, märker man ingen reaktion. Men när man tillsätter vatten löser de fasta ämnena sig och en livlig gasutveckling börjar. Förenklat kan formeln för reaktionen skrivas: H3O+(aq) + HCO3– (aq) → CO2(g) + 2 H2O(l) Brustabletten innehåller natriumvätekarbonat och citronsyra. När tabletten släpps ner i vattenglaset, löser sig de båda ämnena och reagerar med varandra under gasutveckling. Det brusar av kolsyra i glaset.
Joner i lösning är rörligare än joner i fasta ämnen. I lösning är därför sannolikheten större för att joner kolliderar och därmed reagerar med varandra. Alltså går reaktioner snabbare i lösning än i fasta ämnen. Detsamma gäller gaser vars partiklar är fritt rörliga. Sannolikheten för att kollisioner sker är större än för samma ämnen i fast form, och reaktionshastigheten är högre.
Reaktionshastigheten ökar med partiklarnas rörlighet.
29
4712996_Kemiboken 2.indb 29
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Reaktionshastigheten ökar med temperaturen Reaktionshastigheten ökar med temperaturen.
Kemiska reaktioner går i allmänhet snabbare ju högre temperaturen är. Orsaken är att molekylernas hastighet ökar, och då blir kollisionerna fler. När de kolliderar är det dessutom fler partiklar som har tillräckligt hög energi för att reagera. För de flesta reaktioner som sker i lösningar nära rumstemperatur, gäller att reaktionshastigheten ökar till det dubbla om temperaturen höjs 10 °C.
antal molekyler T1
T2
rörelseenergi
Molekylers medelenergi och medelhastighet ökar när man höjer temperaturen. Vid alla temperaturer finns det molekyler som rör sig snabbare än andra. Arean under graferna visar fördelningen av molekyler med olika hastigheter vid två olika temperaturer, T1 och T2, T2 > T1. Arean till höger om den lodräta linjen visar att fler molekyler har tillräckligt hög energi för att reaktion ska ske vid den högre temperaturen T2 än vid T1.
Reaktionshastigheten ökar med koncentrationen För reaktioner med två eller flera reaktanter påverkas reaktionshastigheten av antalet gynnsamma kollisioner per tidsenhet.
Reaktionshastigheten ökar med reaktanternas koncentrationer.
När saltsyra reagerar med zink, har saltsyrans koncentration stor betydelse för reaktionens hastighet. Ju högre koncentration av saltsyra, desto oftare sker kollisioner mellan oxoniumjoner och zinkatomer. Förklaringen är att antalet partiklar per volymenhet är större vid högre koncentration, och då ökar sannolikheten för kollisioner. För nästan alla reaktioner där två eller flera ämnen reagerar med varandra, ökar reaktionshastigheten om koncentrationen av någon av reaktanterna ökas. Även då en reaktion innebär att ett ämne sönderfaller är reaktionshastigheten högre vid högre koncentrationer. Anledningen till att reaktionshastigheten är högre, är att det vid högre koncentration finns fler partiklar som kan sönderfalla per tidsenhet.
30
4712996_Kemiboken 2.indb 30
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Reaktionshastigheten ökar med katalysatorer Vi kan påverka många reaktioners hastighet genom att ändra koncentrationen eller temperaturen. Men ibland är inte detta möjligt, till exempel i en mänsklig cell där temperaturen måste vara konstant för att vi ska överleva. Ändå sker många biologiska reaktioner mycket snabbare än de borde. Det beror på att det i våra celler finns proteiner, enzymer, som skyndar på biologiska reaktioner. De är alltså biologiska katalysatorer (se kapitel 8). En katalysator är ett ämne som ökar en reaktions hastighet utan att själv förbrukas. Att katalysatorn inte förbrukas innebär att den deltar i något steg i reaktionen och sedan återanvänds. Hastighetsökningen beror på att katalysatorn underlättar för reaktanterna att kollidera med varandra, eller att reaktionen sker på ett annat sätt än utan katalysator. Reaktionsförloppet kan ändras, men utgångsläge och sluttillstånd är desamma. Ädelmetaller samt oxider av olika metaller och halvmetaller är vanliga katalysatorer. H2
O2
H2 Pt-ytan
H
H
O
O
H
Pt-ytan
H2O
Katalysator – ämne som påskyndar en kemisk reaktion mellan andra ämnen utan att själv förbrukas
H
En blandning av vätgas och syrgas börjar brinna om den leds över en yta belagd med finfördelad platina, 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g). På katalysatorns yta sker reaktionen mellan väte och syre på ett annat sätt än när de två ämnena reagerar i gasblandning. När syrgas och vätgas reagerar i gasblandning, utan katalysator, behövs tillförsel av extra aktiveringsenergi, till exempel i form av en gnista. Med katalysator startar reaktionen redan vid rumstemperatur.
H2O
Pt-ytan
Vid fullständig förbränning av bensin bildas endast koldioxid och vatten, men i en bilmotors cylindrar hinner inte allt bränsle reagera – förbränningen blir ofullständig. Därför är det en blandning av kolväten, kolmonoxid, koldioxid och vatten som lämnar cylindern. Dessutom är temperaturen i motorn så hög att det bildas kväveoxid, NO, av luftens kväve och syre. I princip alla bilar i Sverige är utrustade med en katalysator som renar avgaserna. I katalysatorn förbränns kolmonoxid och organiska ämnen fullständigt till koldioxid och vatten samtidigt som kväveoxid sönderdelas till kväve och syre.
UPPGIFTER
2:1–2:12
31
4712996_Kemiboken 2.indb 31
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Reaktioners riktning Vätejodid, HI, är en färglös gas vid rumstemperatur. När man värmer gasen i en sluten kolv till en temperatur högre än 180 °C börjar vätejodiden att sönderdelas. Det bildas färglös vätgas, H2(g), och lila jod i gasform, I2(g). 2 HI(g) → H2(g) + I2(g) Entalpi – värmeinnehåll ∆H – entalpiändring
ΔH = +53 kJ
Värmeinnehållet, entalpin, ökar med 53 kJ när 1 mol av vardera produkt bildas. ΔH är entalpiändringen. Formeln kan också skrivas 2 HI(g) + 53 kJ → H2(g) + I2(g)
Endoterm reaktion – energi tas upp från omgivningen
Reaktionen kräver energitillförsel och är alltså endoterm. Om temperaturen höjs ökar reaktionshastigheten. Om temperaturen sänks minskar istället reaktionshastigheten. När man kyler kolven med den varma gasblandningen försvagas den lila färgen, vilket tyder på att koncentrationen av jod minskar. Det som sker är att jod reagerar med väte så att vätejodid återbildas. Därmed minskar alltså även koncentrationen av väte. Nedkylningen innebär att värme avlägsnas från gasblandningen. Formeln för reaktionen är: H2(g) + I2(g) → 2 HI(g) + 53 kJ
Exoterm reaktion – energi frigörs
Värme frigörs när vätejodid bildas. Det är alltså en exoterm reaktion. Detta kan även skrivas: H2(g) + I2(g) → 2 HI(g)
ΔH = –53 kJ
Vid den exoterma reaktionen frigörs energin i form av värme som avges till omgivningen.
Reaktioner på molekylnivå Elden från vedbrasan består av gaser och partiklar, som avges av det brinnande träet. Hundratals ämnen bildas som mellanprodukter – intermediärer – under förbränningen. Intermediär – kortlivad mellanprodukt Reaktionsmekanism – reaktionsförlopp steg för steg på molekylnivå
En reaktionsformel beskriver bara vilka ämnen som reagerar och vilka som bildas. Formeln säger ingenting om hur reaktionen går till på molekylnivå, alltså hur kollisionerna mellan partiklarna sker vid reaktionen. När molekyler sönderdelas bryts bindningar och när molekyler bildas uppstår nya bindningar. På molekylnivå är det vanligt att reaktioner sker i flera steg, från reaktanter till produkter, via olika kortlivade mellanprodukter, så kallade intermediärer. De sätt som omvandlingar sker på kallas reaktionsmekanismer.
32
4712996_Kemiboken 2.indb 32
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Bindningar bryts och nya bindningar bildas Vi ska nu studera sönderdelningen av vätejodid till grundämnena väte och jod på molekylnivå. En vätejodidmolekyl består av en väteatom och en jodatom som hålls ihop av en polär kovalent bindning. Det krävs energi för att bryta bindningen i en vätejodidmolekyl. När bindningarna i molekylerna bryts, bildas fria väteatomer och fria jodatomer. Dessa har inte ädelgasstruktur. Det får de genom att bilda vätemolekyler respektive jodmolekyler. Då frigörs energi. Energin som frigörs när de nya kovalenta bindningarna bildas i väte- och jodmolekylerna, är mindre än den energi som krävs för att bryta de polära kovalenta bindningarna i två vätejodidmolekyler. Därför är reaktionen endoterm. 2 HI(g) → H2(g) + I2(g)
ΔH = +53 kJ
Reaktioner kräver kollisioner Molekylerna i gasformig vätejodid är i ständig, oordnad rörelse. När två vätejodidmolekyler hamnar i närheten av varandra, repellerar molekylernas elektronmoln vanligtvis varandra. Då stöts molekylerna bort från varandra utan att bindningarna i vätejodidmolekylerna bryts. För att två molekyler ska reagera måste de kollidera med rätt sidor mot varandra, på ett geometriskt gynnsamt sätt. De måste dessutom ha tillräckligt hög hastighet. Det innebär att de har tillräckligt hög rörelseenergi för att övervinna de repellerande krafterna mellan molekylernas elektronmoln. Molekylerna måste alltså både ha rätt orientering och tillräckligt hög rörelseenergi.
För att en kemisk reaktion ska ske måste partiklar kollidera med varandra under gynnsamma förhållanden. De måste dessutom ha tillräckligt hög hastighet. Dockningen till rymdstationen lyckas bara om rymdfärjan exakt passar in i rymdstationens dockningsport. Samtidigt rör sig de båda farkosterna med svindlande hastigheter.
33
4712996_Kemiboken 2.indb 33
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Aktiverat komplex – kortlivad intermediär med högt energiinnehåll Intermediär – en kortlivad mellanprodukt
Om båda villkoren uppfylls, bildas vid vissa reaktionsbetingelser ett aktiverat komplex, [H2I2], som består av de två väteatomerna och de två jodatomerna från vätejodidmolekylerna. Det aktiverade komplexet är en intermediär, en instabil mellanprodukt, med högt energiinnehåll och som därför bara kan existera en kort tid. När komplexet faller sönder bildas en vätemolekyl och en jodmolekyl. 2 HI(g) → [H2I2] → H2(g) + I2(g)
Det aktiverade komplexet kan också falla sönder så att reaktanterna återbildas. Bilden visar två av flera möjliga reaktionsmekanismer.
HI
HI
HI
HI
HI
HI
I2
[H2I2]
Geometriskt ogynnsam kollision.
Geometriskt ogynnsam kollision
H2
Geometriskt och energimässigt gynnsam kollision.
Reversibla reaktioner
Reversibel reaktion – omvändbar reaktion
Pilen i en reaktionsformel visar reaktionsriktningen. Dubbelpil används för att visa att en reaktion är reversibel. För en reversibel reaktion angesentalpiändringen, ∆H, för reaktionen åt höger.
Bildningen och sönderdelningen av vätejodid sker via samma aktiverade komplex. Därför är reaktionen omvändbar, det vill säga det är en reversibel reaktion. Alla kemiska reaktioner är teoretiskt sett reversibla, men i praktiken sker många reaktioner bara i en riktning. Ett par exempel är fällningsreaktionen mellan silverjoner och kloridjoner och reaktionen då bensin förbränns. Vid normala förhållanden sker dessa reaktioner i princip bara i en riktning. Reaktionspilen i en reaktionsformel anger reaktionsriktningen. Eftersom reaktionen med vätejodid, väte och jod kan gå åt båda hållen används en dubbelpil. 2HI(g )
endoterm exoterm
H 2 (g ) + I 2 (g )
ΔH = +53 kJ
När entalpiändringen, ΔH, anges på det här sättet, gäller värdet alltid för reaktionen med pilens riktning åt höger. Lägg märke till att den endoterma reaktionen gynnas när man höjer temperaturen, alltså när man tillför värme. När man sänker temperaturen gynnas den exoterma reaktionen. För att kunna förstå sambandet mellan temperatur och reaktionsriktning behöver man veta hur kemiska reaktioner sker på molekylnivå.
34
4712996_Kemiboken 2.indb 34
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Aktiveringsenergi vid kemiska reaktioner Det vänstra diagrammet längst ner på sidan visar hur energin i de reagerande ämnena förändras när vätejodid sönderdelas till väte och jod. Diagrammet visar att det aktiverade komplexet har högre entalpi än vätejodid. Vid hög temperatur rör sig många vätejodidmolekyler med tillräckligt höga hastigheter och rörelseenergier för att kunna bilda aktiverade komplex. Den energi som måste tillföras för att bilda aktiverade komplex, kallas aktiveringsenergi, Ea. Aktiveringsenergin är differensen mellan reaktanternas entalpi och entalpin hos det aktiverade komplexet. Aktiveringsenergin är den energi som måste tillföras för att det aktiverade komplexet ska bildas. Molekyler i en gas rör sig oordnat åt alla håll och har olika hastigheter och rörelseenergier. Vid hög temperatur har molekylerna i genomsnitt högre hastighet än vid låg temperatur. Sannolikheten för att molekylerna ska kollidera ökar alltså med temperaturen. Ju fler kollisioner, desto fler av dem leder till reaktioner. Vid högre temperatur bildas därför fler aktiverade komplex än vid lägre temperatur. Som vi har beskrivit tidigare kan väte och jod reagera med varandra och bilda vätejodid.
Aktiveringsenergi – den energi som måste tillföras för att en reaktion ska komma igång.
H2(g) + I2(g) → 2 HI(g)
entalpi
entalpi
[H2I2]
aktiverat [H2I2] komplex
aktiverat komplex Ea (aktiveringsenergi)
Ea (aktiveringsenergi) H2 + I2 produkter
H2 + I2 reaktanter 2 HI
2 HI reaktanter
produkter reaktionsförlopp
Energidiagram för sönderdelning av vätejodid. Reaktionen är endoterm.
reaktionsförlopp
Energidiagram för bildning av vätejodid. Reaktionen är exoterm.
35
4712996_Kemiboken 2.indb 35
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
Om pingvinerna ska kunna åka kana ned för backen måste de först ta sig över puckeln. På samma sätt behöver reaktanter aktiveringsenergi för att en reaktion ska ske.
När man jämför de båda diagrammen på föregående sida ser man att aktiveringsenergin för bildandet av vätejodid är lägre än aktiveringsenergin för sönderdelningen av vätejodid. Vid låg temperatur har bara ett fåtal vätejodidmolekyler tillräckligt höga rörelseenergier för att bilda aktiverade komplex när de kolliderar med varandra. Sannolikheten för varje enskild vätejodidmolekyl att sönderfalla (den endoterma reaktionen) är då ganska liten. När en reaktion påskyndas av en katalysator är reaktionsmekanismen ofta en annan än den är utan katalysator. Det bildas då aktiverade komplex med lägre energi än utan katalysator. Alltså är aktiveringsenergin som krävs för att reaktionen ska ske lägre. Då ökar antalet kollisioner där partiklar har tillräckligt hög energi för att bilda aktiverade komplex. Reaktioner med katalysator har alltså lägre aktiveringsenergi än reaktioner utan katalysator. entalpi I
EaI
II EaII
utan katalysator H
Reaktionsförlopp med och utan katalysator.
med katalysator
UPPGIFTER
2:13–2:18 reaktionsförlopp
36
4712996_Kemiboken 2.indb 36
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
SAMMANFATTNING • Reaktionshastigheten anger hur stor substansmängd av ett ämne som förbrukas eller bildas per tidsenhet, eller hur mycket koncentrationen ämne ändras per tidsenhet.
• I en exoterm reaktion avges värme till omgivningen och entalpin minskar.
• Reaktioner mellan fasta ämnen går vanligtvis långsamt. Reaktioner mellan joner i vattenlösning sker ofta momentant.
• En reversibel reaktion är en omvändbar reaktion, en reaktion som kan ske i båda riktningarna.
• Reaktionshastigheten ökar med temperaturen och med koncentrationerna av de ämnen som deltar i reaktionen.
• En intermediär är en mellanprodukt som bildas medan en kemisk reaktion pågår. Intermediären är ofta kortlivad och reagerar vidare.
• Reaktioner där kovalenta bindningar bryts och bildas sker långsammare än reaktioner mellan joner i vattenlösning. • En katalysator ökar reaktionshastigheten genom att ändra reaktionsförloppet så att det krävs lägre aktiveringsenergi. Efter reaktionen finns katalysatorn kvar oförändrad.
• Pilen i en reaktionsformel visar reaktionens riktning.
• Ett aktiverat komplex är en kortlivad mellanprodukt med hög energi. • Aktiveringsenergi är den energi som måste tillföras för att en reaktion ska ske.
• I en endoterm reaktion tas värme upp från omgivningen och entalpin ökar.
37
4712996_Kemiboken 2.indb 37
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
UPPGIFTER 2:1
Vad menas med en kemisk reaktions hastighet?
2:6
1
2:2 2
2
Under en laboration ska Ida undersöka hur snabbt zink reagerar med saltsyra. Hon lägger några bitar zink i ett provrör med saltsyra. a) Skriv formeln för reaktionen mellan zink och saltsyra, HCl(aq).
t, s
[NO 2 ], mol/dm 3
b) Hur kan Ida se om reaktionen är snabb eller långsam?
0,00
0,0100
50,0
0,0079
c) Ida vill mäta reaktionshastigheten och behöver därför komplettera sin utrustning/ försöksuppställning. Ge förslag på vad hon kan mäta i försöket.
100,0
0,0065
200,0
0,0048
300,0
0,0038
a) Rita ett diagram där du avsätter koncentrationen kvävedioxid, [NO2], som en funktion av tiden, t.
d) Hur ska Ida utforma sitt experiment för att kunna göra mätningen? 2:3 1
2:4 2
2:5 2
Kvävedioxid kan falla sönder och bilda kvävemonoxid och syrgas enligt reaktionen 2NO2(g) → 2NO(g) + O2(g). I ett försök mätte man koncentrationen kvävedioxid vid olika tidpunkter och fick följande data:
b) Beräkna reaktionshastigheten vid 50 s.
Ange tre olika sätt att öka hastigheten hos reaktionen mellan zink och saltsyra. Kemisterna Anna och Niklas studerar hur snabbt marmor, som består av CaCO3, kan reagera med saltsyra. Anna tror att saltsyrans koncentration påverkar reaktionens hastighet. Hon föreslår att de ska göra ett antal försök där de varierar koncentrationen och håller volymen konstant. Niklas påstår att det är volymen saltsyra som avgör hur snabbt reaktionen sker. Han föreslår därför att de ska ändra saltsyrans volym och hålla koncentrationen konstant. Vem har rätt? Motivera ditt svar.
c) Beräkna reaktionshastigheten mellan 100 och 200 s. d) Varför minskar reaktionshastigheten med tiden? 2:7 1
b) Hur ändras medelvärdet av molekylernas rörelseenergier när temperaturen stiger? 2:8 2
Kvävemonoxid reagerar med vätgas enligt följande reaktionsformel: 2NO(g) + 2H2(g) → N2O(g) + 2H2O(g).
2:9
Man utförde två försök och mätte reaktionshastigheten precis när reaktionen startade. Resultaten från försöken finns i tabellen nedan. Förklara varför reaktionshastigheten är högre i försök 2.
Molekylerna i gaser rör sig hela tiden. a) Hur ändras molekylernas medelhastighet när temperaturen stiger?
1
I ett försök fördubblas reaktionshastigheten när temperaturen stiger 10 °C. Vid 20 °C är reaktionshastigheten 4 (mmol/dm3) · s-1. Vilken är reaktionshastigheten vid 50 °C? Vilken uppgift har katalysatorer när de används i kemiska reaktioner?
2:10 Hur påverkar en katalysator reaktions1 hastigheten?
FÖRSÖK
[NO], mol/dm 3
[H 2 ], mol/dm 3
v, (mol/dm 3 ) · s –1
1 2
0,60 1,20
0,37 0,37
3,0 · 10–3 1,2 · 10–2
38
4712996_Kemiboken 2.indb 38
2020-06-01 15:08
KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING
2:11 Väteperoxid sönderdelas långsamt till vatten 1 och syre. I ett demonstrationsförsök blandar din lärare väteperoxid och diskmedel i en mätcylinder. Det händer ingenting särskilt, men när läraren häller en sked kaliumjodid i mätcylindern börjar blandningen skumma våldsamt och en ”skumorm” pressas upp. Mätcylindern blir dessutom ordentligt varm. a) Vilken funktion har kaliumjodiden i försöket?
2:17 Diagrammet beskriver reaktionen 2
2 HI(g) T H2(g) + I2(g)
ΔH = +53 kJ
som sker i en sluten rundkolv med volymen 500 cm3 vid en viss temperatur. a) Beskriv reaktionsförloppet under de första 300 sekunderna. b) Uppskatta reaktionshastigheten efter 150 sekunder.
b) Vilken reaktionsprodukt får diskmedlet att börja skumma?
c) Uppskatta reaktionshastigheten efter 350 sekunder.
c) Är reaktionen exoterm eller endoterm?
d) Vad händer med reaktionshastigheten när man kyler rundkolven?
2:12 Flaskor med väteperoxidlösning förvaras bäst 1 i kylskåp och inte i rumstemperatur. Varför? 2:13 Hur kan man med hjälp av experiment avgöra 3 om en reaktion är exoterm eller endoterm?
[HI]/ mmol/dm3 80
60
2:14 Vad är en reversibel reaktion? 1
40
2:15 Vad menas med aktiveringsenergi? 1
2:16 Nedanstående energidiagram visar reaktionen 2 A + B → C. a) Vilken är aktiveringsenergin för reaktionen? b) Vilken är entalpiförändringen för reaktionen? c) Är reaktionen endoterm eller exoterm? Motivera ditt svar. d) Hur skulle en katalysator påverka energidiagrammets utseende?
20
0
0
100
200
300
400
500 tid/s
2:18 Diskutera några kemiska processer, naturliga 3 eller industriella, vilkas aktiveringsenergi kan minskas med hjälp av katalysatorer.
energi
p
A+B
r
q
C
tid
39
4712996_Kemiboken 2.indb 39
2020-06-01 15:08
Kapitlen inleds med kunskapskrav och de centrala begreppen. I slutet av varje kapitel finns en sammanfattning samt uppgifter i två nivåer. Varje uppgift har en siffra/siffror som visar vilken eller vilka förmågor eleven tränar. Svaren finns längst bak i boken och ett utförligt facit finns på liber.se. Texterna har bearbetats för att passa alla elever, och begreppsförklaringar finns som marginaltexter.
Kemiboken 2
K E M I B O K E N 2 är anpassad till gymnasiets kurs 2 i kemi med jämvikter, organisk kemi, biokemi och analytisk kemi. Förutom i gymnasieskolan kan boken användas på Komvux och naturvetenskapligt basår.
I Kemibokenserien ingår: • Kemiboken 1 • Kemi 1 Digital • Kemiboken 2 • Kemi 2 Digital
Kemiboken 2 HANS BORÉN • ANNA JOHANSSON • JOHANNA LUNDSTRÖM • CECILIA STENBERG • NIKLAS WÄSTEBY
Best.nr 47-12996-6 Tryck.nr 47-12996-6
4712996_OMSLAG.indd 1-3
2020-06-01 12:29