9789151100807

kemi 1

kemi 1

SYNTES

SYNTES

Anders Henriksson Annika Johansson Erik Zetterberg

Syntes kemi 1 är ett läromedel för gymnasiekursen Kemi 1.

I denna tredje upplaga har innehållet genomgått en översyn och den löpande texten har försetts med kortfattade ”marginal­frågor” med fokus på begrepp och viktig fakta. Övnings­uppgifterna i slutet av varje kapitel är omarbetade och har kompletterats med fullständiga lösningar.

Innehållet behandlar • det naturvetenskapliga arbetssättet • kemin i ett idéhistoriskt perspektiv • det periodiska systemet • hur kemisk bindning präglar ämnens egenskaper • hur man skriver reaktionsformler och utför kemiska beräkningar • syror och baser • oxidation och reduktion • analytisk kemi

Författare till Syntes kemi 1 är Anders Henriksson, Annika Johansson och Erik Zetterberg. Alla tre har mångårig erfarenhet av undervisning i kemi på gymnasienivå.

ISBN 9789151100807

9

789151 100807

kemi 1

SYNTES

Anders Henriksson Annika Johansson Erik Zetterberg

Innehåll 1 Den gudomliga konsten

. . . . . . . . . . .

6

4 Atomer håller ihop

. . . . . . . . . . . . . . . .

Vad är kemi? 7

Jonbindning i salter 77

Risker vid laboratoriearbete 12

Kovalent bindning i molekyler 86

Redovisning av experiment 14

Utblick: En giftig form av syre 89

Sammanfattning 14

Utblick: Grafit i blyertspennor/ Diamanterna som försvann 92

Övningsuppgifter 15

2 Kunskap om materia

76

Olika grundämnen i samma molekyl 93 . . . . . . . . . . . . . .

16

Utblick: Polära kovalenta bindningar i sammansatta joner 103

Namn på kemiska föreningar 104

Materia och filosofi 17

Bindningar mellan molekyler 105

Utblick: Alkemisterna 19

Metallbindning 110

Den moderna kemins födelse 20

Utblick: Järnframställning 112

Utblick: Svensken som upptäckte eldsluft 21

Atommodeller 24

Sammanfattning 114

Masstal och atomnummer 30

Övningsuppgifter 115

Radioaktiva isotoper 31 Några viktiga begrepp 34

5 Att skriva reaktionsformler .

Sammanfattning 40

. . . . .

118

Från ordformel till teckenformel 119

Övningsuppgifter 42

Salter och reaktionsformler 122 Sammanfattning 124

3 Periodiska systemet .

. . . . . . . . . . . . .

46

Övningsuppgifter 125

Grundämnen grupperas 47 Elektronernas betydelse 50 Utblick: Huvudnivåer och undernivåer 52

Periodiska systemet berättar 54 De åtta huvudgrupperna 58 Utblick: En kemisk industri på 1700­talet 63 Utblick: Arsenik i Gangesdeltat 67 Utblick: Solens helium upptäcktes först 71 Utblick: Materia i ett kosmiskt kretslopp 72

Sammanfattning 73 Övningsuppgifter 74

4

6 Kemiska beräkningar

. . . . . . . . . . .

Räkna med atommassenheten 127 Räkna med substansmängd 129 Utblick: Storheter och enheter 130

Föreningars sammansättning 136 Räkna med reaktionsformler 139 Blandningars halt 141 Något om gasers egenskaper 146 Sammanfattning 150 Övningsuppgifter 151

126

7 Syror och baser

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

158

Kemi till vardags 159

9 Oxidation och reduktion

. . . . . . .

218

Redoxreaktioner 219

Syror och sura lösningar 159

Utblick: E­nummer/Antioxidationsmedel 226

Baser och basiska lösningar 172

Utblick: Svartkrut 226

Neutralisation 175 Syra­bas­jämvikter 176 pH 180

Galvaniska element 227 Utblick: Galvaniska element till vardags 236

Korrosion 237

Syrabastitrering 186

Utblick: Rostfritt stål 241

Buffertsystem 191

Utblick: Gedigna metaller är instabila 241

Utblick: Sur nederbörd frigör metalljoner 194

Sammanfattning 195 Övningsuppgifter 197

Elektrolys 242 Utblick: Blyackumulatorn 245

Sammanfattning 246 Övningsuppgifter 247

8 Lite mer om kemiska reaktioner 202 Energi ut eller energi in? 203 Utblick: Specifik värmekapacitet 206

Entalpi 209 Utblick: Spontant eller icke­spontant? 212

10 Analytisk kemi

. . . . . . . . . . . . . . . . .

250

Att avslöja innehållet 251 Gravimetriska analyser 252 Titreranalyser 253

Reaktioners hastighet 213

Kromatografi 258

Förskjuten jämvikt 215

Sammanfattning 258

Sammanfattning 216

Övningsuppgifter 259

Övningsuppgifter 217

Svar och lösningar .

. . . . . . . . . . . . . . . .

260

Register 296 Bildförteckning 299 Grundämnenas namn, tecken, atomnummer och atommassor 300 Periodiska systemet omslagets främre insida Elektronegativitetsvärden för ämnen i det periodiska systemets huvudgrupper omslagets bakre insida Elektrokemiska spänningsserien omslagets bakre insida

5

2

Kunskap om materia

Detta kapitel berör följande centrala innehåll i ämnesplanen

• Modeller och teorier för materiens uppbyggnad och klassificering.

• Kemisk bindning och dess inverkan på till exempel förekomst, egenskaper och användningsområden för organiska och oorganiska ämnen.

• Modeller och teorier som förenklingar av verkligheten. Hur modeller och teorier kan förändras över tid.

16

Mål att nå med hjälp av detta kapitel

• Utveckla kunskaper om kemins begrepp, modeller, teorier och arbets­ metoder samt förståelse av hur dessa utvecklas.

• Utveckla förmåga att analysera och söka svar på ämnesrelaterade frågor samt att identifiera, formulera och lösa problem. Förmåga att reflektera över och värdera valda strategier, metoder och resultat.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Materia och filosofi Människor som tillhörde tidiga jägar­ och samlarkulturer studerade naturen för att överleva. De behövde veta vilka material som var lämpliga till jakt­ redskap, vad de kunde äta osv.

I takt med att människor lärde sig att odla och blev bofasta kunde allt fler friställas från arbetet med den dagliga försörjningen. Då fick människor tid att söka kunskap för kunskapens egen skull. Så skedde i antikens Grekland där filosofer (tänkare) sökte svar på naturens olösta gåtor. Till skillnad från dagens naturvetare var det ovanligt att filosoferna utförde experiment för att pröva sina hypoteser.

Ett urämne eller fyra element Den grekiske filosofen Thales (ca 625 – ca 545 f.Kr.) har kallats den väster­ ländska filosofins fader. Han ansåg att vatten var ett urämne som kunde omvandlas till alla andra ämnen. Denna uppfattning kan lätt förstås eftersom vatten finns i stor mängd och är livsavgörande för växter, djur och människor.

Dessutom såg Thales att vatten kunde ändra skepnad. Dimmor steg upp från havet och det bildades moln som senare kunde avge vatten i form av regn.

Empedokles (ca 490 – ca 430 f.Kr.) var en annan känd filosof. Han accep­ terade inte tanken på ett enda urämne. Han trodde istället att jord, vatten, luft och eld var grunden till all materia. Dessa fyra ”grundämnen” kom senare att kallas ”de fyra elementen”. Enligt Empedokles kunde de fyra elementen kom­ bineras till olika ämnen precis som en konstnär kunde kombinera fyra färger på paletten till ett obegränsat antal nyanser och motiv.

Till skillnad från många andra filosofer utförde Empedokles experiment.

I ett av världens äldsta dokumenterade experi­ ment förde han ner en uppochnedvänd tratt i vatten. Om det satt en propp i trattens mynning trängdes vattnet under tratten undan. Togs prop­ pen bort steg vattenytan i tratten. Därmed hade Empedokles visat att luft är något som tar plats.

Till höger: Thales bodde vid havet och bevittnade vattnets kretslopp.

Enligt Thales var jorden en tjock skiva som flöt på havet, dvs. på urämnet vatten.

Till vänster: De fyra elementen som enligt Empedokles kunde kombineras till olika ämnen.

Experiment visade senare att Empedokles hade fel och att det istället finns atomer som kan kombineras till olika föreningar.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

17

Detalj av ”Skolan i Athen” som målades av Rafael på 1500-talet. Här går Aristoteles (klädd i blått) tillsammans med sin lärare Platon.

Den första atomläran Den grekiske matematikern och filosofen Demokritos (ca 460 – ca 370 f.Kr.) var en av upphovsmännen till atomteorin. Han tänkte sig att all materia kunde delas i allt mindre bitar, ända tills det återstod odelbara partiklar som var så små att de inte gick att se. Dessa kallades atomer (grekiska atomos = odelbar).

Enligt Demokritos var atomerna oförstörbara och de hade alltid funnits. Att det fanns olika sorters material förklarades med att atomerna i olika ämnen hade olika former och kunde vara förenade på olika sätt.

Enligt Demokritos bestod till och med själen av atomer. Dessa var extra runda och glatta och de fanns i hela kroppen.

2.1 Vad betyder atom?

ELD varmt torrt

LUFT vått

JORD

VATTEN

kallt

De fyra elementen enligt Aristoteles. Varje element ansågs motsvara en kom­ bination av två egenskaper.

Genom att variera egen­ skaperna skulle ett element kunna omvandlas till ett annat. Om t.ex. vått och varmt ändrades till torrt och varmt övergick luft till eld.

18

Aristoteles fick sista ordet Aristoteles (384 – 322 f.Kr) är den kanske mest kände filosofen från antikens Grekland. Han förkastade atomteorin och anslöt sig till Empedokles som menade att de fyra elementen jord, vatten, luft och eld är byggstenar till all materia. Till skillnad från de osynliga atomerna var de fyra elementen något som kunde iakttas med alla sinnen. Detta var viktigt för Aristoteles som ville undersöka naturen och inte bara söka kunskap i sin egen tankevärld, vilket många filosofer gjorde. På så sätt var Aristoteles en föregångare till den mo­ derna naturvetenskapen.

Under medeltiden kom Aristoteles att bli en vetenskaplig auktoritet i den kristna världen. Det var bl.a. Aristoteles geocentriska världsbild (tron på att jorden var universums centrum) och hans avståndstagande från atomläran som tilltalade kyrkan. Under medeltiden beskylldes atomläran för att vara ateistisk. Om själen var odödlig kunde den ju knappast bestå av atomer som Demokritos hade hävdat. Detta bidrog till att elementläran kom att gälla ända fram till slutet av 1700-talet.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

U T BLIC K

Alkemisterna Alkemi är en lära om materia som grundar sig på filosofiska spekulationer och magi. I historisk tid uppstod såväl kinesisk, indisk som grekisk al­kemi. I dessa hade tron på möjligheten att tillverka guld av oädla metaller en framträdande plats. Alkemister har även strävat efter att fram­ ställa ”livselixir”, dvs. en universalmedicin som kunde bota alla sjukdomar och skänka evigt liv.

Den grekiska alkemin lär ha uppstått under antiken i Alexandria (i nuvarande Egypten).

Där förenades egyptiernas praktiska kunskaper om hur metaller utvinns med de grekiska filo­ sofernas hypoteser om materialens ursprung och egenskaper. Alkemin lev­de sedan vidare i den arabiska kulturen och spreds genom denna till Västeuropa under medel­tiden. Där övertogs

också Aristoteles föreställning om att metaller föds och växer i jordens inre samt att de under gynnsamma förhållanden utvecklas till allt högre former och slutligen till guld. Alkemis­ terna trodde därför att guld kunde framställas om bara de rätta förutsättningarna rådde under experimenten.

Det bildades aldrig något nytt guld i alkemist­ernas laboratorier. Trots det bedrev många al­kemister ett värdefullt arbete. De ut­ vecklade det experimentella kunnandet och de upptäckte och lärde känna flera nya ämnen.

På 1700-talet började alltfler forskare bestri­ da möjligheten att omvandla oädla ämnen till guld eller livselixir. Dessa ”moderna” forskare kallade sig kemister i stället för alkemister.

Alkemisterna utvecklade experiment­ella arbets­­ metoder och de lärde känna nya ämne­n.

Målningen visar den tyske alkemisten Brand som upptäckte fosfor år 1669. Han fick fram ämnet genom att upp­ hetta rester från av­­ dunstad urin. När fosfor­n kom i kontakt med luft reagerad­e den och börja­de lysa.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

19

Den moderna kemins födelse På 1700-talet utvecklades den analytiska kemin, bl.a. genom att vågarna ut­vecklades och att det gick att väga alltmer noggrant. Därmed gick det att utföra nya typer av experiment som ledde fram till atomlärans seger över elementläran.

Förbränningens gåta På 1700-talet trodde flertalet kemister att brännbara ämnen innehöll något som kallades flogiston och som gick bort bort vid förbränning Efter att flogistonet hade lämnat t.ex. en träbit återstod endast lite aska. Även metaller ansågs innehålla flogiston. Att metallernas egenskaper förändrades när de glödgades förklarades med att flogiston lämnade metallerna.

Fransmannen Antoine Lavoisier och hans hustru Marie-Anne (f. Paulze) ifrågasatte på 1700-talet flogistonteorin och löste förbränningens mysterium.

De upphettade bl. a. tenn i en sluten behållare så att det bildades ”tennaska” (tennoxid). När behållaren sedan öppnades strömmade det in luft i den. De konstaterade att ”askan” vägde mer än det ursprungliga tennet. Flogiston eller något annat ämne hade alltså inte lämnat materialet som upphettades. Istället tycktes tennet ha tagit upp någonting från luften (lufttrycket i den slutna be­ hållaren minskade ju under hela experimentet). De fick samma resultat även när andra ämnen än tenn upphettades. De drog slutsatsen att då ämnen brin­ ner eller glödgas förenas de med ett gasformigt ämne som ingår i luften. Paret Lavoisier döpte denna gas till oxygéne och det är den gas som vi idag kallar syre (jämför med engelskans oxygen = syre). Paret insåg också syret bara ut­ gjorde ca 20 % av luften. Resten bestod av kväve.

Det ska nämnas att svensken Carl Wilhelm Scheele (se nästa sida) och engelsmannen Joseph Priestly upptäckte syret några år innan paret Lavoisier klargjorde dess samband med förbränning. Scheele var först med upptäckten, men engelsmannen var först med att publicera sina resultat.

Paret Lavoisier av­färdade flogistonteorin. De visade även att materia aldrig skapas eller förintas vid kemiska reaktioner utan bara omvandlas till nya ämnen. Denna insikt betydde mycket för kemins fortsatta ut­veckling. Tyvärr arresterades och halshöggs Antoine Lavoisier i samband med den franska revolutionen, trots hustrun Marie-Annes försök att få honom frigiven.

20

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

U T BLIC K

Carl Wilhelm Scheele på ett svenskt frimärke som gavs ut 200 år efter kemistens födelseår.

Svensken som upptäckte eldsluft Carl Wilhelm Scheele (1742 –1786) var en av sin tids skickligaste kemister, trots att han saknade formell akademisk utbildning. Ända sedan han var 15 år arbetade han på apotek i olika svenska städer. Slutligen fick han ett eget apotek i Köping.

Scheele betydde mycket för utvecklingen av den experimentella kemin. Han utförde och beskrev ca 20 000 experiment. Många av hans skrifter ligger fortfarande obearbetade, bl.a. på grund av hans mycket svårlästa handstil.

Scheele är mest känd för att han upptäckte

”eldsluft”. Så kallade han det ämne som på mo­ dern svenska heter syre. Oberoende av andra forskare kom Scheele även fram till att luft inte är ett enda ämne, utan består av ”eldsluft” (syre) och ”skämd luft” (kväve). Denna insikt vägledde paret Lavoisier då de löste förbränningens gåta (se föregående sida).

Scheele beskrev eldsluften i en bok som det tog ett par år att publicera. Under den tiden hann engelsmannen Priestly både upptäcka sy­ ret och sprida information om sin bragd i den europeiska forskarvärlden. Detta dämpade na­ turligtvis uppståndelsen kring publiceringen av Scheeles arbete.

Förutom syre upptäckte Scheele kväve, klor och mangan. Han utvecklade även en metod att isolera syror från växt­ och djurriket och blev först med att beskriva t.ex. vinsyra, citronsyra och mjölksyra.

Scheele var också den förste som framställde det mycket giftiga ämnet vätecyanid. Även hos detta nyupptäckta ämne beskrev han olika egen­ skaper, inklusive smak och lukt. Det var förmod­ ligen hans vana att smaka på kemikalier som för­ kortade hans liv. Scheele blev bara 43 år gammal.

Syrgas

Silveroxid Vatten

Scheele framställde syrgas på olika sätt. I ett av experimenten värmdes kvicksilveroxid. Det ämnet är giftigt och får inte användas i skolan. Där kan istället silveroxid utnyttjas som på denna bild. I provröret till vänster upphettas silveroxiden (det gråsvarta pulvret). Då bildas en gas som fångas i det från början vattenfyllda provröret till höger.

Gasen kan undersökas med hjälp av en glödande trästicka. Om glöden flammar upp när stickan förs in i gasen har ”eldsluft” (syrgas) framställts. I provröret med silveroxid återstår rent silver efter experimentet.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

21

Åter till atomerna Engelsmannen John Dalton (1766 – 1844) kom fram till att vissa försöksresultat var lättast att förklara genom att anta att ämnen bestod av atomer som kunde vara olika tunga. Därmed blåste Dalton nytt liv i Demokritos 2 200 år gamla atomteori. Enligt Dalton kunde atomerna liknas vid massiva kulor som helt igenom var likadana.

Om alla atomerna i ett ämne vägde lika mycket och hade samma egen­ skaper, var ämnet ett så kallat grundämne. Väte, kol, syre, tenn och guld var exempel på sådana. Ämnen som bestod av olika grundämnen (dvs. av atomer som vägde olika mycket) kallades kemiska föreningar. Som exempel kan nämnas att när grundämnena tenn och syre förenades i paret Lavoisiers experiment (se sidan 20) bildades den kemiska föreningen tennoxid (tennaska).

Vi använder fortfarande begreppen grundämne och kemisk förening på ett liknande sätt som Dalton gjorde.

John Dalton (1766 – 1844)

Dalton ritade molekyler Dalton började ordna grundämnen efter hur tunga atomer de hade (han bestämde ämnenas relativa atomvikter). Därefter kunde han studera vikt­ förhållanden mellan ämnen som reagerade med varandra. När t.ex. kol reagerade med syre noterade Dalton att det bildades en gas som innehöll dubbelt så många syreatomer som kolatomer. Gasen kallades koldioxid. I denna tycktes det finnas en minsta enhet som bestod av en kolatom och två syreatomer. En sådan avgränsad enhet som bestod av mer än en atom kallades för en molekyl (Dalton använde dock ett annat ord). I kapitel 4 i denna bok beskrivs molekyler och deras egenskaper utifrån den kunskap vi har idag.

Nedan ser du exempel på symboler som Dalton ritade för olika grund­ ämnen. Du kan också se hur han kombinerade symbolerna för att åskådliggöra molekyler.

Grundämnen väte

fosfor

kol

kväve

syre

T

svavel

G

tenn

guld

Molekyler Några symboler i Daltons kemiska språk.

22

koldioxid

kvävedioxid

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Berzelius förenklade det kemiska språket I början på 1800­talet fanns inget internationellt och enhetligt system för hur grundämnen skulle betecknas och Daltons symboler var opraktiska att rita.

Därför föreslog svensken Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848) att varje grund­ ämne skulle betecknas med den första bokstaven i sitt vetenskapliga namn och med ytterligare en bokstav om så behövdes (se tabellen nedan). Detta system används fortfarande i hela världen.

Berzelius bestämde även grundämnenas relativa atomvikter med stor nog­ grannhet. Dessa utvecklades sedan till de atommassor som dagens kemister räknar med och som vi återkommer till i den här boken. Vi kan även nämna att Berzelius experimenterade med föregångare till dagens batterier och att han upptäckte fem nya grundämnen (bl.a. selen och kisel). På Berzelius tid var ca 50 av dagens drygt 100 kända grundämnen beskrivna. Inom parentes kan nämnas att Scheele, Berzelius och andra framstående svenska kemister har svarat för upptäckten av inte mindre än 21 olika grundämnen. Det gör Sverige till världsmästarnation i grundämnesjakt.

Berzelius var också en framstående författare. Han samlade sin tids kemiska vetande i en bokserie med titeln ”Lärobok i kemi”. Den översattes till flera olika europeiska språk och blev en av 1800­talskemisternas viktigaste kunskapskällor. Berzelius blev lika känd bland kemister som Linné blev inom biologin.

I Berzelii park i Stockholm står denna staty av Berzelius.

Statyn avtäcktes år 1858, tio år efter kemistens död.

Några grundämnen och deras kemiska tecken

2

Svenskt namn

Vetenskapligt namn

Kemiskt tecken

Tid för upptäckt

arsenik

Arsenicum

As

ca 1250

bly

Plumbum

Pb

ca 5000 f.Kr.

guld

Aurum

Au

forntiden

järn

Ferrum

Fe

forntiden

kol

Carboneum

C

forntiden

koppar

Cuprum

Cu

forntiden

kvicksilver

Hydrargyrum

Hg

forntiden

kväve

Nitrogenium

N

1777

silver

Argentum

Ag

forntiden

svavel

Sulfur

S

forntiden

syre

Oxygenium

O

1774

tenn

Stannum

Sn

forntiden

uran

Uranium

U

1789

väte

Hydrogenium

H

1766

k u n s k a p

o m

m at e r i a

23

Atommodeller

På denna bild som är tagen med hjälp av elektron­mikro­ skop syns symmetriskt ordnade atomer i cerium­ dioxid.

e–

e– e–

e–

Atomer är inte odelbara År 1896 placerade den franske fysikern Henri Becquerel uransalt på en ljustät förpackning som innehöll en fotografisk plåt. Trots den ljustäta förpackningen svärtades plåten. Så upptäckte Becquerel att grundämnet uran gav ifrån sig strålning (som idag kallas joniserande strålning). Marie Curie myntade några år senare begreppet radioaktivitet för den uppkomna strålningen. När det var visat att s.k. radioaktiva atomer kunde falla sönder och avge strålning stod det klart att atomer inte är odelbara. Därmed var Demokritos och Daltons atom­ modeller otillräckliga.

+

+

Trots att atomer är ofattbart små kan de ses med hjälp av elektronmikroskop som förstorar ca 10 miljoner gånger. Däremot är våra mikroskop fortfarande otillräckliga för att kunna visa atomernas byggstenar. Resultat från olika expe­ riment har dock gett forskare möjlig­heter att utarbeta modeller av atomernas inre. Dessa modeller förändras i takt med att nya experiment ökar kunskapen om atomernas egenskaper. Vi ska nu följa hur kunskapen om atomerna ut­ vecklades under främst 1900-talet.

+

+

Thomsons atommodell.

2.2 Beskriv Thomsons atommodell.

Elektronen upptäcks Omkring år 1900 studerade engelsmannen Sir Joseph Thomson hur elektrisk ström kunde ledas över ett lufttomt gap, dvs. vakuum. Han visade att det var mycket lätta och negativt laddade partiklar som färdades genom vakuum.

Han kallade partiklarna elektroner (förkortat e –).

Efter upptäckten av elektronen presenterade Thomson en atommodell som kunde liknas vid en vattenmelon. Fruktköttet motsvarade positiv ladd­ ning och melonkärnorna, som var jämnt fördelade i fruktköttet, motsvar­ade elektronerna.

Redan omkring 600 f.Kr. gned filosofen Thales (se sidan 17) en torr ylleduk mot bärnsten. Därefter såg han hur bärnstenen drog till sig hårstrån och andra lätta föremål. Idag vet vi att bärnstenen blev elektriskt laddad då Thales gnuggade den med ylle­ duken. Ord som elektricitet och elektron har därför hämtats från det grekiska ordet élektron som betyder bärnsten.

24

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

När Rutherford styrde alfa­partiklar mot en guldfolie visade det sig att endast en partikel på 8 000 ändrade riktning.

Guldfolie

Skärm

Blyblock med preparat som utstrålar alfa­partiklar.

Det mesta är tomrum Thomsons assistent, Ernest Rutherford, kunde senare utveckla atommodellen med hjälp av den nyupptäckta radioaktiviteten. Han riktade strålning från ett radioaktivt ämne mot en mycket tunn guldfolie. Strålningen var så kallad alfa­strålning som består av små, positivt laddade partiklar (se sidan 31). Runt guldfolien flyttades en skärm (försedd med zinksulfid) som gav ifrån sig små ljusblixtar när den träffades av den osynliga strålningen.

Rutherford fann att flertalet alfa­partiklar passerade rakt genom guld­ folien utan att ändra riktning. Det verkade som om dessa alfa­partiklar passerade guldfolien utan att kollidera med andra partiklar. Mest förvånad blev Rutherford då han upptäckte att några alfa­partiklar studsade tillbaka mot strålkällan. Eftersom alfa­strålningen var mycket energirik menade Rutherford att detta var ”lika otroligt som om du skjuter en 15­tums granat mot ett pappersark och granaten studsar tillbaka och träffar dig”.

Rutherford tvingades ändra Thomsons atommodell för att kunna förklara sina iakttagelser. Han insåg att nästan all massa som fanns i en atom var sam­ lad i en ytterst liten och positivt laddad kärna. Runt denna svävade de nästan viktlösa elektronerna. Allt mellan elektronerna och kärnan var tomrum. Där­ med kunde flertalet alfa­partiklar passera genom guldfolien utan att kollidera.

De få alfa­partiklar som hade studsat tillbaka mot strålkällan hade däremot träffat mitt på någon av guldatomernas ”kompakta” kärnor.

Rutherford döpte atomkärnans positivt laddade beståndsdelar till protoner (grekiska prótos = den förste). Ordet proton förkortas p+. Eftersom protonens laddning var lika stor som elektronens (fast med motsatt tecken) måste en oladdad atom innehålla lika många protoner som elektroner.

Atomen som avbildats till höger är inte skalenligt ritad. Om en atom för­ storas så att dess kärna blir lika stor som på bilden, borde elektronerna avbildas upp till 100 m från kärnan. Dessutom skulle elektronerna (som är betydligt mindre än protonerna) ritas så små att det skulle behövas lupp för att se dem.

Då förstår vi hur mycket av tillvaron som är tomrum.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

e–

e–

p+

p+

+ p+ p

e–

Kärna e–

Rutherfords atommodell.

Nästan hela atomens massa var samlad i en ytterst liten kärna som bestod av protoner. Runt kärnan svävade elektroner.

2.3 Hur förändrade Rutherford atom­ modellen?

25

e– e– p+

p+

+ p+ p

e– e–

Bohrs atommodell.

e– p–+ e

Niels Bohr (1885 – 1962). Bohr arbetade en tid hos Rutherford och utvecklade senare hans atommodell så att elektronernas fördelning i atomen stämde överens med experimentellt funna resultat.

p–+ e p+

1 Atomen tillförs energi. e– e–

p+

e–

p+ p+

2 Exciterat tillstånd. p+ p+ p+

e– e– e–

3 Energi strålar ut.

En modell av den minsta atomen som finns. Det är en väteatom som består av endast en proton och en elektron. Bildserien visar hur atomen mottar energi, exci­ teras och avger motsvarande energimängd i form av ljus.

Atomer tar emot och avger energi Det var tidigt känt att atomer som tog upp energi, senare kunde avge ”över­ skottsenergin” i form av ljus. När detta ljus studerades upptäcktes det att en viss sorts atomer (t.ex. väteatomer) bara sände ut ljus med vissa färger, dvs. vissa våglängder. År 1913 presenterade dansken Niels Bohr en atommodell som förklarade varför atomer bara avger ljus med vissa färger.

I Bohrs modell kretsar elektronerna på bestämda avstånd från atomens centrum. Lite förenklat kallar vi dessa avstånd för elektronskal. Elektronerna är mer energirika ju längre ut från kärnan de befinner sig. (Jämför med fö­ remål som har mer lägesenergi ju högre upp från markytan de är placerade.)

Det yttersta elektronskalet motsvarar alltså den högsta energinivån.

Det som händer då en atom mottar energi är att någon av dess elektroner ”knuffas” ut till ett skal med större radie, dvs. till en högre energinivå. Atomen exciteras, den blir mer energirik.

Elektroner som har knuffats ut faller snart tillbaka till sina ursprungliga nivåer. Då avges energi i form av ljus. Hur energirikt ljuset är bestäms av hur långt elektronerna faller. Ljuset är mer energirikt (dvs. har kortare våglängd) om elektronerna faller långt än om de faller mellan skal som ligger nära var­ andra. En viss sorts atomer kan bara sända ut ljus med vissa färger eftersom elektronerna bara kan hoppa mellan de bestämda energinivåer som elektron­ skalen motsvarar.

Joniseringsenergi 2.4 Vad säger Bohrs atommodell?

2.5 Vad innebär jonisering?

26

Om en atom mottar tillräckligt mycket energi kan en elektron ”knuffas iväg” med så stor kraft att den helt lämnar atomen. Efter detta har atomen en elektron mindre än antalet protoner. Det medför att hela atomen har fått en positiv nettoladdning. En laddad atom (eller molekyl) kallas jon och den energimängd som krävs för att skilja en elektron från en atom kallas joniseringsenergi.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Kontinuerligt spektrum

Vätets linjespektrum

Vätets absorptionsspektrum

Om vi delar upp vitt ljus från en glödlampa med ett prisma ser vi alla regnbågens färger. Vi ser ett kontinuerligt spektrum som på den övre bilden.

Vi kan få väteatomer att lysa om vi tillför dem elektrisk energi i ett ”lysrör”. Delar vi upp detta ljus med ett prisma får vi ett linjespektrum som endast innehåller fyra färger (mellersta bilden). Dessa motsvarar de energinivåer (elektronskal) som de exciterade väteatomernas elektroner kan befinna sig på.

Om vi sänder vitt ljus genom vätgas och sedan betraktar ljuset genom ett prisma, ser vi att färgerna i vätets linjespektrum fattas (nedre bilden). Väteatomer kan absorbera (uppta) samma våglängder som de kan avge efter att ha exciterats.

Elektronerna rör sig oregelbundet Även enligt dagens forskare är elektronerna i en atom begränsade till vissa en­ erginivåer som Bohr föreslog. Däremot anses elektronerna inte längre kretsa på bestämda avstånd från kärnan utan rör sig mer oregelbundet. Deras rörelser motsvarar snarare ett ”moln” än tydliga ”skal” runt kärnan. Det finns dock vissa avstånd till kärnan där det är extra stor chans att påträffa en elektron vid ett visst tillfälle. Dessa avstånd kallar vi även i fortsättningen för elektronskal.

Skalen benämns med bokstäver. Det innersta kallas K­skalet. Därefter följer skalen L, M, N osv. i alfabetisk ordning (se bilden nedan).

När vi talar om elektronskal ska vi veta att vi använder en förenklad atom­ modell i Bohrs anda. Denna modell är ofta tillräcklig för att förklara grund­ ämnens egenskaper och kemiska reaktioner. Därför nöjer vi oss ofta med Bohrs modell i denna bok.

Atomkärna

2.6 Vad menas med ett elektronskal?

Elektronskal K L

M N

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

De fyra innersta elektronskalen runt en atomkärna kallas K, L, M respektive N.

27

Lika men ändå olika Alla atomer i ett grundämne innehåller ett visst antal protoner som är unikt för grundämnet. Eftersom en atom är oladdad (om den inte är i jonform) har den dessutom lika många elektroner som protoner. Som exempel kan nämnas att alla oladdade väteatomer innehåller 1 proton och 1 elektron. Heliumatomer innehåller 2 protoner och 2 elektroner osv.

Två atomer kan väga något olika trots att de tillhör samma grundämne och alltså innehåller lika många protoner och elektroner. Denna skillnad i massa var fullt mätbar med den teknik som fanns i början på 1900-talet.

Dalton och andra 1800-talskemister kunde däremot inte upptäcka skillnaden (se sidan 22).

Gåtan med de varierande massorna kunde e– inte lösas med hjälp av Bohrs atommodell. Först – e 1932 bidrog engelsmannen James Chadwick till + p+ n p n lösningen då han visade att protoner inte var n p+ de enda kärn­partik­larna. Atomkärnor kunde p+ n även innehålla oladdade partiklar som kal­ e– lades neutroner (förkortat n). Ordet neutron är e– besläktat med ordet neutral (oladdad). Det som Chadwicks atommodell. orsakar att atomer av samma grund­ämne kan ha olika massor är att atomernas kärnor kan innehålla olika många neutroner.

Atomer som innehåller lika många protoner (samma grundämne) men som har olika antal neutroner sägs vara isotoper (grekiska isos = samma och topos = plats). Namnet kommer av att isotoper har samma plats i grundämne­ nas periodiska system (se sidan 55).

Flertalet grundämnen består av två eller flera isotoper. Som exempel kan nämnas att väte har tre olika isotoper. Dessa är avbildade i figuren nedan.

2.7 Vad är en neutron?

2.8 Vad menas med isotoper?

Vanlig väteatom

Tung väteatom

e– p+

Extratung väteatom

e–

e– p+

n

p+

n

n

Vätets tre isotoper. De vanliga väteatomerna (som saknar neutroner) utgör 99,99 % av allt väte. En tung väte­ atom (även kallad deuterium) innehåller en proton och en neutron. I extratunga väteatomer (även kallade tritiu­m) ingår en proton och två neutroner. Dessa sällsynta atomer har bildats i sam­band med provsprängningar av kärnvapen. Det extratunga vätet är radioaktivt, dvs. dess atomkärnor är instabila och faller sönder i en viss takt (halveringstiden är 12 år, se sidan 32).

28

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Mer om atomernas byggstenar Elektroner, protoner och neutroner kallas gemensamt för elementarpartiklar.

Enligt den moderna atomforskningen finns det betydligt fler elementar­ partiklar än dessa tre, men det behöver vi inte fördjupa oss i för att förstå de kemiska processerna. Inom parentes kan vi dock nämna att varje proton och neutron innehåller tre så kallade kvarkar. Så vitt vi vet tillhör kvarkarna materiens minsta byggstenar.

Protonerna och neutronerna kallas gemensamt för kärnpartiklar eller nukleoner (latin nucleus = kärna). Alla lätta grundämnen innehåller ungefär lika många protoner som neutroner. (Det enda undantaget är vanligt väte som ju saknar neutroner.) Tunga grundämnen, dvs. atomer med många kärn­ partiklar, innehåller däremot fler neutroner än protoner. Det är en nödvändig­ het för att dessa atomkärnor inte ska falla sönder till följd av att de många positivt laddade protonerna stöter bort varandra (lika laddningar repellerar varandra). Finns neutroner i tillräcklig mängd mellan protonerna kan däremot den så kallade starka kraften klara av att hålla samman atomkärnorna. Denna speciella kraft verkar bara på så korta avstånd som råder inom atomkärnor.

Atom elektronmoln kärna

Kärna proton neutron

Kärnpartikel kvark

Atommassenhet och enhetsladdning En proton och en neutron väger ungefär lika mycket, nämligen ca 0,000 000 000 000 000 000 000 001 67 g. En elektron är betydligt lättare. Dess massa är endast ca 1/2000 av protonens massa. Därmed kan elektronernas massa ofta försummas vid beräkningar av atomers vikt.

Den vanliga massenheten gram är opraktisk vid studier av så lätta föremål som kärnpartiklar och enskilda atomer. Därför har den s.k. atommassenheten som betecknas med u (unified mass unit) införts. Vi ska definiera denna enhet senare (sidan 127). Mätt i atommassenheten väger en proton och en neutron ca 1 u.

Vi har tidigare nämnt att protonens och elektronens elektriska laddningar är lika stora, fast med motsatta tecken. Vi säger att de har enhetsladdningen +1 respektive –1.

Modern atommodell.

Elektronerna som rör sig runt atomkärnan är så snabba att vi skulle uppleva dem som ett moln om vi kunde se dem. Molnet skulle vara tätast på elektronernas ”favoritavstånd” från kärnan.

Det är dessa avstånd vi kallar elektronskal.

2.9 Vilka är kärnpartiklarna i en atom?

Elementarpartikel

Symbol

Massa (g)

Massa (u)

Laddning

proton

p+

1,673 · 10 –24

ca 1

+1

10 –24

ca 1

0

neutron

n

1,675 ·

elektron

e–

9,11 · 10 –28

ca 0,000 5

–1

De tre viktigaste elementarpartiklarna.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

29

Masstal och atomnummer Eftersom elektroner väger mycket mindre än protoner och neutroner är det främst antalet kärnpartiklar som påverkar en atoms massa. Därför kallas sum­ man av antalet protoner och neutroner i en atom för masstalet. Detta är alltid ett heltal och betecknas A. För t.ex. vanligt väte är A = 1, för tungt väte är A = 2 och för extratungt väte är A = 3 (se bilden på sidan 28).

Vi har sett att såväl protoner som neutroner har massan ca 1 u. Därmed är mätetalet för en atoms massa (uttryckt i u) ungefär lika stort som masstalet.

Alla atomer i ett grundämne har lika många protoner och detta antal kallas ämnets atomnummer. Det betecknas Z. En väteatom har endast en proton och därför har väte atomnummer 1. I helium har atomerna två protoner och detta grundämne har atomnummer 2 osv. I naturen förekommer grundämnen med atomnummer 1 – 92 (uran har atomnummer 92). Kända grundämnen med atomnummer större än 92 är konstprodukter från laboratorier, kärnreaktorer och kärnvapensprängningar.

Den som studerar isotoper behöver veta hur många neutroner atomerna innehåller. Detta antal kallas neutrontalet och förkortas N. Mellan masstalet (A), atomnumret (Z) och neutrontalet (N) råder följande samband:

A=Z+N Varje grundämne har ett kemiskt tecken (se t.ex. tabellen på sidan 23). I an­ slutning till ämnets kemiska tecken kan vi ange atomslagets masstal och even­ tuellt atomnummer med sifferindex enligt exemplet nedan. C är det kemiska tecknet för grundämnet kol.

Masstal Atomnummer

2.10 Redogör för sam­ bandet mellan atom­ nummer, masstal och neutrontal samt vad begreppen står för.

30

12 6

C

Det framgår att kolatomen ovan innehåller 6 protoner och 6 neutroner (12 kärnpartiklar – 6 protoner = 6 neutroner). I naturen förekommer även 13C och 14C. Eftersom kol har atomnummer 6 vet vi att dessa båda kolisotoper har 7 respektive 8 neutroner i sina atomkärnor. Är inte atomnumret markerat vid det kemiska tecknet kan vi alltid hitta detta i en tabellsamling (se sidan 304) eller i grundämnenas periodiska system (se sidan 55).

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Radioaktiva isotoper Bland alla grundämnen med atomnummer större än 83 förekommer endast instabila atomkärnor. Det innebär att atomkärnorna är benägna att falla sönder så att grundämnen med mindre atomnummer bildas. Samtidigt med sönder­ fallen utsänds strålning som kallas joniserande strålning och atomerna som sönderfaller sägs vara radioaktiva. Även bland grundämnen med mindre atomnummer (Z < 84) förekommer vissa radioaktiva isotoper. Som exempel kan nämnas att 14C är en radioaktiv isotop av grundämnet kol.

Vid radioaktiva sönderfall kan det bildas tre typer av joniserande strålning, nämligen alfa­, beta­ och gammastrålning. I fortsättningen betecknar vi dessa med de grekiska bokstäverna (alfa), (beta) och (gamma).

Låt oss titta närmare på radioaktivt sönderfall av 238U (kan även skrivas uran­238) respektive 14C (kol­14) för att se vad som händer då den joniserande strålningen uppstår.

238 92U

Klyvningsprodukter från uran-238 Av beteckningarna i bilden framgår att uran har atomnummer 92. 238U är den vanligaste uranisotopen i naturligt uran. Den innehåller 146 stycken neutroner (238 – 92 = 146).

Bilden visar vad som händer då kärnan i en 238U­atom sönderfaller.

Plötsligt lossnar en liten bit av kärnan och far iväg med stor hastighet. Den lossbrutna delen består av två protoner och två neutroner. Den är inget annat än en atomkärna av grundämnet helium (He) som ju har atomnummer 2.

När en heliumkärna bildas på detta sätt kallas den för en ­partikel och vi säger att det radioaktiva ämnet utsänder ­strålning.

Då ­partikeln har sänts iväg återstår en atom med endast 90 protoner i kärnan. Grundämnet med atomnummer 90 heter torium (Th).

Samtidigt som urankärnan klyvs till torium och en ­partikel sänder den även ut ­strålning. Det är elektromagnetisk strålning med mycket kort våglängd, dvs. samma typ av strålning som synligt ljus fast betydligt mer energirik. ­strålning kan stoppas av ett papper eller några centimeter luft. Som skydd mot ­strålning, som kan tränga rakt genom människokroppen, krävs däremot bly eller tjock betong.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

234 90 Th

α­partikel 4 2 He

­strålning Sönderfall av uran­238.

I figuren visas endast atomernas kärnor.

2.11 Vad är radioaktiva isotoper?

31

Klyvningsprodukter från kol-14

2.12 Vilka tre typer av joniserande strålning finns?

uran­238 4,5 miljarder år kol­14 5 700 år jod­131 8,1 dygn radon­222 3,8 dygn polonium­214 0,00015 sekunder

Några radioaktiva isotopers halveringstider.

När tunga atomkärnor (t.ex. uran) sönderfaller avges ofta ­strålning. Lätta radioaktiva isotoper, som t.ex. 14C, brukar däremot ge upphov till ­strålning som består av elektroner. Både ­strålning och ­strålning kan avges parallellt med ­strålning.

När en 14C­atom utsänder en elektron ( ­strålning) omvandlas den själv till en kväveatom. Grundämnet kväve betecknas N och har atomnummer 7.

Vi kan sammanfatta förloppet på följande sätt: 14 6

C

14 7

N

e– ( ­strålning)

+

Det märkliga med ovanstående förlopp är att kolatomen ”sönderfaller” till en atom med ett högre atomnummer. Det som händer är att en av kolatomens neu­ troner omvandlas till en elektron och en proton. Elektronen sänds iväg, medan protonen stannar kvar i atomkärnan. Den nya atomkärnan innehåller alltså 7 protoner och 7 neutroner. Det är den vanligast förekommande kväveisotopen.

Av tabellen på sidan 29 framgår att neutronen har en något större massa än protonen. Det är en förutsättning för att en neutron under speciella om­ ständigheter ska kunna förvandlas till en proton och en elektron.

Det krävs t.ex. glas eller extra tjocka skyddskläder för att utestänga ­strålning. ­strålning har alltså större förmåga att passera hinder än vad ­strålning har, men den bromsas lättare än ­strålning.

Halveringstid

2.13 Vad menas med halveringstid?

Strålningen från ett prov som innehåller en viss radioaktiv isotop minskar efterhand som de radioaktiva atomerna sönderfaller och bildar nya ämnen.

Den tid som krävs för att hälften av den radioaktiva isotopens atomer ska hinna sönderfalla kallas halveringstid.

En av de radioaktiva klyvningsprodukterna som ingår i använt kärnbränsle är cesium­137. (Grundämnet cesium betecknas Cs och har atomnummer 55.)

Av diagrammet framgår att cesium­137 har halveringstiden 30 år. I tabellen ovan till vänster visas halveringstiden för några andra ämnens radioaktiva isotoper.

Aktivitet (%) 100 75 50 25

Sönderfallskurva för cesium­137.

Halveringstiden är 30 år.

32

0

0

30

60

90

120

2

k u n s k a p

150

o m

Tid (år)

m at e r i a

Kol-14 avslöjar åldern I atmosfären förekommer kol bundet till syre i koldioxid­ molekyler. Dessa partiklar inne­ håller en kolatom och två syre­ atomer och betecknas CO2 (mer om detta på sidan 100).

Kolatomer utgör ”ryggraden” i de organiska ämnen (t.ex. kol­ hydrater, fetter och proteiner) Mumier har kunnat åldersbestämmas med hjälp av kol­14. Denna som är grundläggande byggstenar vackra sarkofag tillhör en egyptisk prästinna som levde ca 1200 f.Kr. i levande varelser. Livet är alltså beroende av kol. Trots att endast 0,04 % av luften utgörs av koldioxid är det denna gas som är växternas och djurens primära kolkälla. Det är de gröna växterna som tar upp koldioxiden från luften för att bilda organiska ämnen med hjälp av energi från solen. Detta kallas fotosyntes. Djuren och vi människor tar sedan del av de kolhaltiga ämnena via födan.

Det kol som finns i naturen är en blandning av de tre isotoperna 12C (98,89 % av isotoperna), 13C (1,11 % av isotoperna) och 14C (< 0,01 % av iso­ toperna). Av dessa är 14C radioaktiv. Denna isotop bildas under inverkan av kosmisk strålning i atmosfärens övre skikt. Atmosfärens koldioxid innehåller en konstant andel 14CO2 eftersom det råder balans mellan nybildning och sönderfall av den radioaktiva isotopen.

Så länge växter och djur lever och utbyter kol med omgivningen innehåller även dessa en konstant halt 14C. När t.ex. en växt dör omsätts inte längre dess kolhaltiga ämnen. Därmed börjar växtmaterialets halt av 14C att minska i takt med att dessa isotoper sönderfaller. Mäts halten återstående 14C i dött orga­ niskt material, och isotopens halveringstid (5700 år) är känd, kan materialets ålder beräknas (hur länge det har varit dött). Det är den joniserande strål­ ningen från 14C som mäts och som avslöjar isotophalten.

14C­metoden är användbar för mätning av åldrar upp till ca 40 000 år. Ska ännu äldre föremål åldersbestämmas måste radioaktiva isotoper med längre halveringstider användas.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

33

Några viktiga begrepp När vi nu har följt utvecklingen av människans kunskap om materia, har vi berört vissa begrepp som är grundläggande inom kemin. Nedan sammanfattar vi dessa begrepp, samtidigt som vi inflikar några ytterligare förklaringar.

Materia kan vägas Ordet materia (latin materia = ämne, stoff ) används inom naturvetenskapen om allt som har massa, dvs. om allt som kan vägas på ett eller annat sätt. Även en osynlig, smaklös och luktfri gas som luft är exempel på materia. Luften i ett medelstort klassrum väger ca 300 kg.

Rena ämnen och blandningar Några vanliga legeringar Namn

Ingående metaller

rostfritt stål

järn krom nickel

mässing

koppar zink

brons

koppar tenn

myntmetall

koppar nickel

nysilver

koppar zink nickel

lödtenn

tenn bly

amalgam

kvicksilver silver tenn koppar zink

2.14 Förklara begreppen materia, rent ämne och blandning.

34

Materia kan vara rena ämnen eller blandningar av rena ämnen. Kvävgas, syrgas och argongas är exempel på rena ämnen. Luft, som huvudsakligen består av dessa tre gaser, är däremot en blandning.

Ett rent ämne har bestämda egenskaper, medan egenskaperna hos en blandning varierar med blandningens sammansättning. De rena ämnena vatten och glykol har t.ex. fryspunkterna 0 °C respektive –17 °C. I en bil används kylarvätska som ofta är en blandning av vatten och glykol.

Fryspunkten hos denna blandning varierar med andelarna av de ingående ämnena.

Homogena blandningar kallas lösningar Om vi lägger en tesked vanligt salt (koksalt) i ett glas vatten kommer saltet att lösas upp. Trots att vi inte längre kan se att glaset innehåller såväl vatten som salt är innehållet en blandning av dessa båda ämnen. Vi kan lätt avgöra att saltet finns där genom att smaka på blandningen.

När vi inte kan urskilja de olika beståndsdelarna i en blandning med ögats hjälp, säger vi att blandningen är homogen. Homogena blandningar kallas även lösningar. Dessa kan vara gasformiga, flytande eller fasta. Saltlösningen är naturligtvis flytande. Det gäller även blandningen av vatten och glykol.

Blandningen luft är däremot exempel på en gasformig lösning.

Som exempel på fasta lösningar väljer vi homogena blandningar av metaller. Sådana kallas även legeringar. I tabellen intill finns exempel på kända legeringar som du nog har hört talas om.

Guld är en ganska mjuk metall. För att öka hårdheten på t.ex. smycken legeras guldet med andra metaller. Guldhalten anges då i karat. 24 karat motsvarar 100 % guld. 18 karat, som är vanlig i smycken, innehåller 18/24 (= 75 %) guld. Resten är vanligen silver och koppar.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Smältpunkt (°C)

300

250

200 Tennhalt (vikt­%) 0

50

100

En legering av tenn och bly kallas lödtenn. Figuren visar hur tennhalten påverkar legeringens smältpunkt.

Eftersom bly är giftigt finns det också blyfritt lödtenn, t.ex. en legering av tenn, silver och koppar.

Blandar vi bly och tenn bildas den legering som kallas lödtenn. Diagrammet ovan visar hur andelen tenn i denna legering påverkar metallblandningens smältpunkt. Lägg märke till att en blandning av bly och tenn kan ha lägre smältpunkt än vad de båda ämnena har var för sig.

Heterogena blandningar En av Sveriges vanligaste bergarter heter granit (se bilden nedan). Denna bergart är en blandning av tre mineral, nämligen fältspat, kvarts och glimmer.

Dessa tre rena ämnen kan vi lätt urskilja som olikfärgade korn i graniten.

Blandningen granit är alltså inte homogen. Den är exempel på en heterogen blandning. Även blandningen av svavelpulver (gult) och järnpulver (svart) som beskrivs på nästa sida är en heterogen blandning.

2.15 Vad är skillnaden mellan en homogen och en heterogen blandning?

Denna granit innehåller vitgrå kvarts, röd fältspat och svart glimmer.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

35

Kemiska reaktioner ger nya ämnen Rena ämnen kan vara grundämnen eller kemiska föreningar. I grundämnen har alla atomer samma atomnummer (lika antal protoner). Kemiska förening­ ar innehåller däremot olika grundämnen, dvs. atomer med olika atomnum­ mer. Trots att en kemisk förening innehåller olika grundämnen är den ett rent ämne och inte en blandning.

I blandningar behåller de ingående ämnena sina egenskaper. Järn (Fe) är t.ex. magnetiskt och har metallegenskaper (metallglans m.m.), även om det har blandats med svavel (S) som i översta bilden i vänstra spalten på nästa sida. Ämnena i en blandning kan dessutom lätt separeras från varandra. Jär­ net kan skiljas från svavlet med hjälp av en magnet.

Om vi upphettar en järn-svavelblandning sker en kemisk reaktion och det bildas en kemisk förening (se nedre bilden i vänsterspalten). Denna förening kallas järnsulfid och betecknas FeS. Järnsulfidens egenskaper skiljer sig från både järnets och svavlets egenskaper. Den är t.ex. grå och spröd, den är inte magnetisk och den saknar metallegenskaper. Vi kan inte separera den kemis­ ka föreningens beståndsdelar från varandra på det enkla sätt som vi kan göra med blandningens beståndsdelar. Det är tydligen så att en kemisk reaktion mellan järn och svavel leder till uppkomsten av ett nytt och rent ämne.

Att kemiska reaktioner ger nya ämnen framgår även av experiment­et som visas i högerspalten på nästa sida. Där brinner metallen magnesium i luft, vilket innebär att metallen reagerar med luftens syre. När det har slutat brinna återstår ett vitt pulver. Detta nya ämne, som är en kemisk förening mellan magnesium (Mg) och syre (O), heter magnesiumoxid (MgO).

Flertalet ämnen som finns i naturen är kemiska föreningar. Som exempel kan nämnas att vatten är en kemisk förening mellan grundämnena väte (H) och syre (O). Vatten har formeln H2O. Formeln avslöjar att varje syreatom är förenad med två väteatomer (mer om detta senare).

Reaktionsformler

2.16 Vad är skillnaden mellan ett grund­ ämne och en kemisk förening?

36

Genom att skriva reaktionsformler kan vi på ett enkelt sätt beskriva vad som händer vid kemiska reaktioner. Reaktionsformler kan skrivas med ord (ord­ formler) eller med kemiska tecken (teckenformler). De innehåller dessutom pilar som pekar från utgångsämnena mot ämnena som bildas. Utgångsäm­ nen (ämnen som ska reagera) kallas reaktanter och ämnen som bildas under kemiska reaktioner kallas produkter. På nästa sida visas detta med formlerna som beskriver reaktionen mellan järn och svavel.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Överst: Järn och svavel som blandas behåller sina egenskaper. Järnet är t.ex. fortfarande magnetiskt och kan lätt skiljas från svavlet med en magnet.

Nederst: Järn­ och svavelpulver har blandats i ett provrör och upphettats. Det sker en häftig kemisk reaktion och det nya ämnet järnsulfid bildas.

Ordformel:

järn

+

svavel

Teckenformel:

Fe

+

S

reaktanter

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Överst: Magnesium brinner med en mycket ljusstark låga. Förr användes metallen i fotoblixtar.

Nederst: När magnesium har brunnit återstår vit magnesiumoxid.

järnsulfid FeS produkt

37

Aggregationsformer Ämnen kan förekomma som fasta ämnen, vätskor eller gaser. Dessa tillstånd kallas aggregationsformer (latin aggregáre = samla). Namnet syftar på att ämnenas beståndsdelar är olika tätt samlade i de tre tillstånden. Även om trycket har en betydelse är det vanligen temperaturen som avgör ett ämnes aggregationsform. Temperatur är ett mått på partikelrörelse, dvs. ett mått på hur fort ett ämnes beståndsdelar (atomer, joner eller molekyler) rör sig. Ju högre temperaturen är desto större är denna s.k. värmerörelse. Ämnenas beståndsdelar (atomer, joner respektive molekyler) hålls samman av mer eller mindre starka bindningar som verkar mellan partiklarna (mer om detta i kapitel 4). Vid låga temperaturer, då värmerörelsen Fast ämne är liten, orkar de kemiska bindningarna hålla ämnenas beståndsdelar väl samlade. Då förekommer ämnena i fast Stelning form. Ökar temperaturen (dvs. värmerörelsen) minskar Smältning sammanhållningen mellan ämnenas beståndsdelar som då kan glida omkring och byta plats med varandra. Det är vad som sker i vätskor. Höjs temperaturen ytterligare bryts bindningarna helt mellan ämnenas beståndsdelar som därmed rör sig alldeles fritt. Ämnena förekommer då i gasform. När temperaturen sänks ändras aggregations­ formen i motsatt riktning, dvs. från gas via vätska till fast form.

Vätska Ett rent ämne smälter, dvs. övergår från fast till flytande form, vid en viss temperatur som kallas smältpunkten.

Kondensering Ämnets övergång från vätska till fast form kallas stelning Kokning och sker vid ämnets fryspunkt, som är samma temperatur som smältpunkten.

Den temperatur som råder då ett ämne kokar (för­ ångas), dvs. övergår från vätska till gas, kallas ämnets kokpunkt. Övergången från gas till vätska kallas kon­ densation och sker vid samma temperatur som ämnet kokar. Övergångar mellan olika aggregationsformer Gas (ånga) kallas fasövergångar.

Genom att olika ämnen har olika starka bindningar Övergångar mellan aggregationsformer. mellan sina byggstenar har de också olika smältpunkt, kokpunkt osv. Se tabellen på nästa sida.

Bland annat koldioxid och jod kan övergå direkt från 2.18 Vad kallas de olika fast ämne till gas respektive från gas till fast ämne. Detta kallas sublimering. fasövergångarna Fast koldioxid, s.k. kolsyresnö, finns under högt tryck i vissa brandsläckare mellan de tre van­ (i ”kolsyresläckare”). Koldioxidgas kväver eld. Genom att fast koldioxid om­ ligaste aggregations­ vandlas till gas utan att vätska först bildas är denna släckningsmetod lämplig formerna? där det finns elektronik och annan fuktkänslig utrustning.

Sublimering

2.17 Vilka är de tre van­ ligast förekommande aggregations­ formerna?

38

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

Koldioxid sublimerar från ”kolsyresnö”, dvs. från fast koldioxid. Sublimeringspunkten är –78,5 °C. Den vita ”röken” uppstår då vattenånga i luften kondenserar vid den låga temperaturen och bildar imma (små vattendroppar).

Från fast jod på kristallisationsskålens botten sprids lilafärgad jodgas till följd av sublimering. Jodångan kyls mot rundkolven som innehåller isvatten. Då bildas åter fast jod som avsätts som nålformade kristaller på kolvens undersida.

Den absoluta nollpunkten Vi har sagt att temperatur är ett mått på partikelrörelse. Det innebär att det måste finnas en lägsta möjliga temperatur vid vilken all partikelrörelse i princip har avstannat. Detta sker vid –273,15 °C. Vid denna temperatur, som kallas den absoluta nollpunkten, är alla ämnen fasta. Denna temperatur är också nollpunkt i den temperaturskala som kallas kelvinskalan. Varje heltals­ steg i kelvinskalan är lika stort som en grad på celsiusskalan. Det innebär att t.ex. 25 °C är ungefär lika med (25 + 273) K (K = kelvin), dvs. 298 K.

Ämne

Smältpunkt (°C)

Kokpunkt (°C)

syre

–218

–183

etanol (”vanlig” alkohol)

–114

78

vatten kvicksilver järn

0

100

–39

357

1 540

2 900

801

1 473

koksalt (natriumklorid) koldioxid

Sublimeringspunkt (°C)

–78,5

Smältpunkt, kokpunkt och sublimeringspunkt för några ämnen. Värdena gäller vid normalt lufttryck. Kvicksilver är den enda metallen som är vätska vid rumstemperatur. Notera koksaltets höga smältpunkt. Koksalt kan lösas i vatten vid rumstemperatur. Att lösa ett ämne är att skapa en blandning. Detta får inte förväxlas med smältning.

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

39

SA MMAN FATTNI NG

Kapitel 2 • Demokritos tänkte sig att materia kunde delas i allt mindre bitar tills det bara återstod odelbara partiklar, dvs. atomer. Han använde atombegreppet redan för 2 400 år sedan.

• Omkring år 1900 upptäckte Sir Joseph Thomson den negativt laddade elektronen (e–) och presenterade en ny atommodell.

Atomen ansågs inte längre vara odelbar.

• Aristoteles ansåg att all materia kunde härledas till de fyra elementen jord, vatten, luft och eld.

• Ernest Rutherford konstaterade att alfapartiklar kunde passera genom en guldfolie utan att kollidera med andra partiklar, men ibland studsade de mot guldfolien istället.

Han insåg då att det mesta av guldatomernas massa var samlad i en liten atomkärna som bestod av positivt laddade protoner (p+). De betydligt lättare elektronerna kretsade runt atomkärnan.

• Alkemisterna byggde sin verksamhet på elementläran och andra filosofiska spekulationer när de bl.a. försökte framställa guld. De bidrog till kemins utveckling genom att de upptäckte nya ämnen och utvecklade experimentella arbetsmetoder.

• Antoine Lavoisier har kallats den moderna kemins fader. När Scheele och Priestly hade upptäckt syret visade paret Lavoisier att syre upptas av ämnen som brinner i luft. De av­ skaffade flogistonteorin.

• I början på 1800-talet återinförde John Dalton atomteorin. Han menade att ett grundämne bestod av atomer som alla vägde lika mycket. Dalton beskrev kemiska reaktioner med hjälp av symboler för olika grundämnen.

• Jöns Jacob Berzelius er­satte Daltons grundämnes­symboler med kemiska tecken som bestod av en eller två bokstäver. Detta system används fortfarande.

• Niels Bohr föreslog att elektroner kretsade på bestämda avstånd från en atomkärna.

Avstånden motsvarade elektronernas möjliga energinivåer. Trots nya rön är det vanligt att vi fortfarande använder Bohrs modell. Vi säger att elektron­erna är fördelade på olika skal (avstånd) runt kärnan. Det innersta skalet kallas K-skalet. Därefter följer skalen L, M, N osv. i alfabetisk ordning.

• James Chadwick upptäckte neutronen år 1932.

• En exciterad atom har högre energi än sin minimi­energi.

• Joniseringsenergi är den energimängd som krävs för att avlägsna en elektron från en atom.

• Atomer av samma grundämne sägs vara isotoper om de har olika antal neutroner i sina kärnor.

• Protoner och neutroner kallas kärnpartiklar eller nukleoner.

• Atommassenheten (1 u) lämpar sig för mycket små massor.

40

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

SA MMAN FATTNI NG • Atomens masstal = antal p+ + antal n Atomnummer = antal

p+

i atomkärnan

Masstal Atomnummer

12 6

C

Daltons atommodell. Atomen var en odelbar, massiv kula.

+

e–

e–

+

+

e–

e–

+

e–

e– p+ p+ + p+ p e–

e–

e–

e– p+ p+ + p+ p

e– e–

e–

e– n p+ p+ n

e– e–

Thomsons atommodell.

Elektroner var spridda i en positivt laddad ”massa”.

Rutherfords atommodell.

Elektroner kretsade kring en atom­ kärna som bestod av protoner.

Bohrs atommodell. Elektronerna kunde bara befinna sig på vissa energinivåer utanför kärnan.

Chadwicks atommodell.

Atomkärnan bestod av protoner och neutroner.

lösningar. En legering är en fast homogen blandning av metaller. Icke­homogena blandningar kallas heterogena.

• Vid kemiska reaktioner bildas nya ämnen.

Det gör det inte när ämnen bara blandas.

• En kemisk förening består av olika grund­ ämnen som har reagerat med varandra.

• Utgångsämnena i kemiska reaktioner kallas reaktanter och står till vänster om pilen i en reaktionsformel. Till höger om pilen står produkterna, dvs. ämnena som bildas.

• Ämnen kan ha tre aggregationsformer. De kan vara fasta, flytande eller gasformiga.

• Koldioxid är exempel på ett ämne som kan övergå direkt från fast ämne till gas respektive från gas till fast ämne Dessa fasövergångar kallas sublimering.

• Den lägsta möjliga temperaturen (–273,15 °C) kallas absoluta nollpunkten.

Modern atommodell.

Begrepp

Förklaras på sidan

Aggregationsformer

38

Atommodell

24

Atomnummer

30

Blandning

34

Elementarpartiklar

29

• Radioaktiva isotoper sönderfaller under bild­ ning av nya grundämnen samt joniserande strålning. Strålningen kan vara -, - eller -strålning.

Excitering

26

Homogen

34

Heterogen

35

Isotop

28

• Halveringstid är den tid som krävs för att hälften av det ursprungliga antalet atomer av en radioaktiv isotop ska ha fallit sönder.

Jonisering

26

Joniserande strålning

31

Kemiska föreningar

36

• I en homogen blandning kan de ingående beståndsdelarna inte urskiljas med blotta ögat. Homogena blandningar kallas även

Masstal

30

Nukleoner

29

Radioaktiv

31

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

41

K B P I E

ÖVN ING SUPPGI FTER KAPI TEL 2 2.19 Redogör för atommodellens utveckling.

(E/C/A) B 2.20 Jod­131 är en isotop av grundämnet jod och dess halveringstid är 8,1 dygn.

P Hur mycket jod återstår av 10 g jod­131 efter 16,2 dygn?

(E/0/0) 2.21 Nedan finns några olika grundämnen och joner angivna med kemiska tecken samt P atomnummer och masstal. Ange för vart och ett av dem hur många protoner, neutroner och elektroner de har.

(E/C/0) a) 73 Li

b)

14 7

N c)

65 29

Cu

d)

79 35

Br –

2.22 Nedan finns två varianter av grundämnet syre.

B 16 8

O och

17 8

O

(E/0/0)

a) Vad skiljer dem åt?

2.23 Vilka påståenden om partikelslagen nedan är korrekta respektive inte korrekta?

P

K och

39 19

K+

Begrepp och modeller Problemlösning Individ och samhälle Experiment

2.25 En natriumatom, Na, omvandlas i reaktion med vatten till Na+. Vilket eller vilka av B följande påståenden är sanna?

(E/C/0) a) Natriumatomen har sänt ut ß­strålning. b) Natriumatomen har blivit en jon. c) Natriumatomen har fått en elektron. d) Natriumatomen har fått en proton. e) Natriumatomen har smält. f) Natriumatomen är samma isotop som förut, även efter reaktionen. g) Natriumatomen har samma kemiska egenskaper som före reaktionen.

2.26 En blandning kan vara antingen homogen eller heterogen.

(E/0/0) B a) Vad innebär begreppen homogen och heterogen blandning?

b) Vad kallas sådana varianter av ett grundämne?

39 19

Kommunikation

(E/C/0)

Motivera alla dina svar! a) De har samma kemiska egenskaper. b) De har samma antal protoner.

b) Ge exempel på någon homogen blandning. c) Ge exempel på någon heterogen blandning.

2.27 Materia delas in i blandningar och rena ämnen. Rena ämnen kan i sin tur delas in B i grundämnen och kemiska föreningar.

c) De har samma antal neutroner. d) De har samma antal elektroner. e) De har samma antal valenselektroner.

(E/C/0)

a) Förklara skillnaden mellan grundämnen och kemiska föreningar. b) Ge exempel på grundämnen.

2.24 En av grundämnet strontiums isotoper har beteckningen 90 Sr . Antag att en atom av P 38 denna isotop sönderfaller och sänder ut (E/C/0) en ß­partikel.

c) Ge exempel på kemiska föreningar.)

a) Vad är en ß–partikel? b) Vilken blir den nya atomen? c) Vilket atomnummer och masstal har denna nya atom?

42

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

2.28 Ange för vart och ett av ämnena nedan om de är grundämne, rent ämne eller P blandning.

(E/C/0 a) strösocker (sackaros) b) rostfritt stål c) havsvatten d) koldioxid e) mjöl f) tenn g) silver h) vatten

2.30 Linda ska göra te. Hon placerar en sockerbit i hett vatten i en kopp, men P lägger inte i tepåsen. ”Varför gör du så?”, frågar Linus. ”Jag gillar att se sockerbitarna smälta i vattnet innan jag lägger i påsen.”, svarar Linda. ”Jag tror inte att sockerbitarna smälter. Jag tror att de reagerar med vattnet och bildar en förening.”, säger Olof. ”Jag tror att sockret bara blandas med vattnet, fastän det inte går att se sockret längre när det har blandats med vattnet.”, säger Linus.

(E/C/0) a) Vem har mest rätt?

i) magnesium j) Coca­Cola)

”Om vi låter bli att lägga i tepåsen skulle vi kunna ta reda på vad som är rätt. Då dunstar vattnet bort efter ett tag.”, säger Linda.

2.29 Materia, grundämne, rent ämne, blandning och metall är begrepp som har förekommit i B detta kapitel. Markera i nedanstående tabell de begrepp som hör ihop med respektive ämne (flera alternativ kan vara möjliga).

b) Hur skulle de kunna se vilket svar som är rätt genom att vänta tills vattnet dunstar bort?

(E/C/0)

Ämne

Materia

Grundämne

Rent ämne

Blandning

Metall

Aluminium Diamant Glukos Julmust Koldioxid Luft Neon Saltvatten Stål

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

43

ÖVN ING SUPPGI FTER KAPI TEL 2 2.31 Studera nedanstående reaktionsformel.

B 2 MgO (s) (E/0/0) 2 Mg (s) + O2 (g)

2.34 Varför är alla ämnen i fast form när de är nära absoluta nollpunkten?

(0/C/0) B

a) Skriv beteckningen för reaktanten/ reaktanterna.

2.35 a) Kol­14 metoden används för att be­ stämma åldern hos organiskt material.

I Kol­14 är en radioaktiv isotop av kol och dess halveringstid är 5730 år. Så länge organiskt material lever byggs kol (kol­12, kol­13 och kol­14) in materialet och halten kol­14 är konstant (se s. 33).

b) Skriv beteckningen för produkten/ produkterna.

2.32 Skriv en ordformel för den kemiska reaktion som sker enligt bilden nederst på sidan 21.

K (E/C/0)

2.33 Vad kallas processen när B

Skriv reaktionen för sönderfall av kol­14 till kväve­14.

(E/C/0)

(E/0/0)

a) kokosfett övergår från fast till flytande form? b) kolsyreis bildar gas? c) etanol övergår från flytande till gasform?

b) Förhållandet mellan kol­14 och kol­12 i levande material är ca 1,3 · 10–12.

I ett arkeologiskt fynd bestäms för­ hållandet mellan kol­14 och kol­12 till 1,62 · 10–13. Hur gammalt är fyndet?

d) vattenånga blir till vattendroppar på en kall yta?

(0/C/0)

Kolsyreis sublimerar.

44

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

c) Gränsen för åldersbestämning med kol­14 metoden går vid ca 40 000 år gammalt material, men redan vid 30 000 år börjar metoden bli osäker.

För att åldersbestämma äldre material krävs andra metoder eller andra isotoper.

För material 1 miljon till flera miljarder år gammalt används uran­238. Uran sönderfaller till bly­206 som är stabilt.

Samtidigt avges framför allt α­strålning.

I första steget av U­238:s sönderfall bildas torium­234, en α­partikel och gammastrålning. Skriv reaktionsformeln.

(E/C/0)

2.36 Guld är en ganska mjuk metall. Görs smycken av rent guld blir de för mjuka I och håller dåligt. Därför legeras guldet med andra metaller t.ex. silver och koppar och halten guld anges i karat. 24 karat motsvarar 100 % guld.

(E/0/0) a) Guldsmycken som tillverkas och säljs i Sverige är vanligen 18 karat.

Hur många procent guld finns i dem? b) Diamanter består av kol och mäts istället i carat. En carat motsvarar 200 milligram. I de brittiska riks­ regalierna finns diamanten Cullinan I som uppmätts till 530,2 carat.

Hur mycket väger Cullinan I?) c) Definitionerna karat för guld och carat för diamanter är alltså olika.

Hur hänger det ihop med blandningar och grundämnen?

2

k u n s k a p

o m

m at e r i a

2.37 De två vanligaste isotoperna av syre är 16O och 18O. Det är ungefär 99,8% 16O I och 0,2% 18O i naturligt förekommande syre. Vattenmolekyler i havet, som har formeln H2O innehåller en blandning av de två syreisotoperna. När solen värmer havet dunstar havsvattnet och bildar så småningom moln.

(0/C/A) a) Tror du att det är samma procenthalt 18O i molnen som i vattnet? Om inte, förklara varför! b) Glaciärer bildas av vattnet från moln när det snöar. Glaciärer har därför samma procenthalt 18O som molnen hade när det snöade. Om det är mycket glaciärer på jorden, t.ex. under en istid kan det påverka halten 18O i havet.

Vad händer med halten 18O i havet under en istid? Ökar den, minskar den eller är den oförändrad? c) I havet lever encelliga djur som kallas foraminiferer. De har skal av kalk, som har formeln CaCO3. Vi kan se på formeln att skalet innehåller syre. Där finns alltså syre som foraminifererna fått från havsvattnet. Om bottensediment hämtas från havet så går det att hitta skal från foraminiferer som levde för länge sedan. Skal från foraminiferer som levde under tidsepoken Eocen, för ca 57–35 miljoner år sedan, har mycket lägre halt av 18O än foraminiferer som lever nu.

Baserat på det som står i uppgiften, tycker du att det verkar troligt att det var istid under tidsepoken Eocen?

45

SVA R O C H L ÖSNI NGAR

2 Kunskap om materia 2.1

Atom kommer från grekiskans atomos, som betyder ”odelbar”.

2.2 Thomsons atommodell innebär att elektronerna finns inuti en klump av positiv laddning, till­ sammans bildar de en atom.

2.3 Han införde atomkärnan.

2.4 I Bohrs atommodell finns en liten positiv atomkärna och runt den kretsar elektroner på olika avstånd från kärnan. Avstånden motsvarar olika energinivåer hos elektronerna.

2.5 Att en atom blir en jon genom att avge en eller flera elektroner.

2.6 Ett område runt en atomkärna där det är sannolikt att påträffa elektroner.

protoner. En kemisk förening består av minst två olika grundämnen som har reagerat med varandra.

2.17 Fast form, flytande form och gasform.

2.18 Från fast form till flytande form kallas smältning.

Från flytande form till gasform kallas förångning (kokning).

Från gasform till flytande form kallas kondensering.

Från flytande till fast form kallas stelning (frysning).

Från gasform till fast form samt fast form till gasform kallas båda sublimering.

2.19 E­nivå: En förklaring som omfattar:

2.7 En neutron är en oladdad kärnpartikel.

En idé om att det finns en minsta enhet som kallas atom.

2.8 Isotoper är atomer med lika många protoner,

Upptäckten av att atomen innehåller positiva och negativa partiklar.

men olika många neutroner.

2.9 Protoner och neutroner.

2.10 Sambandet skrivs A = Z + N där masstalet (A) är summan av atomnumret (Z) och neutrontalet (N) i en atom. Masstalet (A) är antal kärnpartiklar, atomnumret (Z) är antalet protoner och neutrontalet (N) är antalet neutroner i en atom.

2.11 Atomer med atomkärnor som sönderfaller med tiden.

2.12 Alfa­, beta­ och gammastrålning.

2.13 Den tid det tar för hälften av ett provs innehåll av en radioaktiv isotop att sönderfalla.

2.14 Materia är allt som kan vägas. Ett rent ämne består bara av en sorts enheter (t.ex. atomer eller molekyler) och har därför bestämda egenskaper.

En blandning består av minst två olika enheter och blandningens egenskaper kan därför ändras genom att blandningens sammansättning varieras.

2.15 I en homogen blandning går det inte att urskilja beståndsdelarna med blotta ögat. Det gör det i en heterogen blandning.

262

2.16 I ett grundämne har alla atomer lika många

En modell där de negativa partiklarna organiseras i banor kring en positiv kärna.

C­nivå: En förklaring som omfattar: En idé om att det finns en minsta enhet som kallas atom.

Idén om atomer stärks senare genom experiment.

Upptäckten av att atomen innehåller positiva och negativa partiklar som kallas protoner respektive elektroner.

Upptäckten av en atomkärna och att det mesta av atomen består av tomrum.

En modell där elektronerna organiseras i banor kring en positiv kärna.

Upptäckten av neutroner.

A­nivå: En förklaring som omfattar: Under antiken utvecklas en idé om att det finns en minsta enhet som kallas atom (Demokritos).

Idén om atomer stärks senare genom experiment (John Dalton), där grundämnen reagerar i bestämda proportioner.

Upptäckten av radioaktiv strålning (Henri Becquerel) från uran.

SVA R O C H L ÖSNI NGAR Upptäckten av att atomen innehåller negativa partiklar kallade elektroner (Sir Joseph Thomson).

Upptäckten av en atomkärna genom bestrålning av en guldfolie med alfapartiklar (Ernest Rutherford). Kärnan där massan finns, innehåller positivt laddade protoner. Resten av atomen består mestadels av tomrum.

En modell där elektronerna organiseras i banor kring en positiv kärna (Niels Bohr).

2.25 E­nivå: Ett svar som omfattar b) eller f) eller ett svar som omfattar b) och f) och något mer alternativ.

C­nivå: Ett korrekt svar som omfattar enbart b och f.

2.26 E­nivå a) I en homogen blandning syns inte de olika ingående beståndsdelarna med blotta ögat, medan de syns i en heterogen blandning.

Modellen modifieras senare, så att elektronerna organiseras i vissa energinivåer (elektronskal).

b) Exempel på homogen blandning är saltvatten,

Upptäckten av neutroner (James Chadwick).

c) Exempel på heterogen blandning är sand/

2.20 E­nivå: 2.5 g jod­131 (halvering två gånger).

2.21 E­nivå: a), b) och c) korrekta samt antal protoner och neutroner i d) C­nivå: Uppfylld E­nivå samt antal elektroner i d)

a) b) c) d)

Li: 3p+, 4n och 3e– N: 7p+, 7n och 7e– Cu: 29p+, 36n och 29e– Br–: 35p+, 44n och 36e–

2.22 E­nivå: a) Skillnaden är att 178O har en neutron mer än 168O. b) Isotoper 2.23 E­nivå: b) och c) angivna som korrekta alternativ samt d) angivet som felaktigt alternativ inklusive enkel motivering.

C­nivå: Uppfylld E­nivå samt a) och e) angivna som felaktiga alternativ inklusive godtagbar motivering.

a) Falskt, det första partikelslaget är ett oladdat grundämne och det andra är en jon.

b) Sant, atomnumret (= antalet protoner) är detsamma.

c) Sant, masstalet är detsamma. d) Falskt, jonen har en elektron mindre än grundämnet.

e) Falskt, det är valenselektronen som avges då jonen bildas. K+ har 8 valenselektroner, medan K har en.

2.24 a) E­nivå: En elektron b) C­nivå: Yttrium c) C­nivå: Atomnummer 39 och masstalet 90.

brons och hallonsaft. salt, pizzasallad och grillkrydda.

2.27 a) E­nivå: Grundämnen har en sorts atomer medan kemiska föreningar har flera, t.ex. grundämnet Na och den kemiska föreningen NaCl. C­nivå: Grundämnen har bara atomer av samma sort dvs. alla atomer har samma atomnummer, t.ex. Na, medan en kemisk förening består av två eller flera grundämnen, t.ex. NaCl. En kemisk förening har andra egenskaper än vad de ingående atomerna har som grundämnen.

b) E­nivå: Exempel på grundämnen är Na, Cl2, O2, O3, H2, C, Fe och S.

c) E­nivå: Exempel på kemiska föreningar är NaCl, H2O, C12H22O11, FeS och CO2.

2.28 E­nivå: Rätt på a), d), f), g), h), i) och j).

C­nivå: Uppfylld E­nivå och dessutom rätt på b), c) och e).

a) Rent ämne b) Blandning c) Blandning d) Rent ämne e) Blandning f) Grundämne g) Grundämne h) Rent ämne i) Grundämne j) Blandning

263

SVA R O C H L ÖSNI NGAR 2.29 Ämne

Materia Grund­ Rent Bland­ Metall ämne ämne ning

Aluminium

X

X

X

Diamant

X

X

X

Glukos

X

Julmust

X

Koldioxid

X

Luft

X

Neon

X

Saltvatten Stål

X

X

rörelse i princip avstannat. Därför kan atomer eller molekyler inte röra sig och stannar på sina platser, vilket innebär fast form.

2.35 a) E­nivå:

14 6

C­nivå:

14 6

X X

C → 147 N C → 147 N + e −

X

b) C­nivå: ca 17 200 år (halvering 3 gånger).

X

X

c) E­nivå:

238 92

X

X

C­nivå:

238 92

X

X X

E­nivå: Alla är markerade som materia och hälften av de övriga (dvs. 18 rutor) korrekt markerade.

C­nivå: Korrekt.

bara med vattnet.

b) E­nivå: Det finns socker i botten av koppen när vattnet har dunstat bort.

C­nivå: Om Linda har rätt och sockret smälter, så syns det redan innan vattnet dunstar bort. Då syns smält socker i botten av koppen även när vattnet är där.

Om Olof har rätt och sockret reagerar och bildar en förening, så finns ett nytt ämne i botten av koppen när vattnet dunstar bort.

Om Linus har rätt så finns socker i botten av koppen när vattnet dunstar bort.

a) Mg och O2 b) MgO

C­nivå: silveroxid

Th + α­partikel

C →

234 90

Th + 42 He + γ­strålning

2.36 E­nivå a)

18 = 0,75 = 75 % guld 24

c) Guld är vanligtvis legerat, dvs. i en blandning med andra metaller. Därför behövs karat som ett mått på hur mycket guldet har blandats med andra metaller. Diamant består däremot av grundämnet kol och är alltså ingen blandning. Det behövs inget mått på blandningen. Då används istället carat som ett mått på vikten av diamanter.

2.37 a) C­nivå: Nej, det är inte samma halt 18O i molnen som i havet. Halten 18O blir lägre i molnen, eftersom den är tyngre än 16O och därför inte avdunstar lika lätt.

b) A­nivå: Halten 18O ökar i havet när det

c) A­nivå: Baserat på det som står i uppgiften syre + silver syrgas + silver

2.33 E­nivå Smältning Sublimering

c) Förångning eller kokning d) Kondensering

234 90

är istid. Det beror på att mer 16O än 18O avdunstar och sedan hamnar i glaciärer. Då blir det mindre 16O än 18O kvar i havet och halten 18O ökar.

2.31 E­nivå

2.32 E­nivå: silveroxid

C →

b) 530,2 · 200 mg = 106040 mg = 106,040 g

2.30 a) E­nivå: Linus har mest rätt, sockret blandas

264

2.34 C­nivå: Nära absoluta nollpunkten har all partikel­

är det inte troligt att det var istid under Eocen. Under en istid blir det högre halt 18O i havet och därför också högre halt 18O i foraminiferernas skal. Enligt det som står i uppgiften var halten 18O i foraminiferernas skal istället lägre, vilket skulle betyda att det var mindre glaciärer under Eocen än vad det är idag.

kemi 1

kemi 1

SYNTES

SYNTES

Anders Henriksson Annika Johansson Erik Zetterberg

Syntes kemi 1 är ett läromedel för gymnasiekursen Kemi 1.

I denna tredje upplaga har innehållet genomgått en översyn och den löpande texten har försetts med kortfattade ”marginal­frågor” med fokus på begrepp och viktig fakta. Övnings­uppgifterna i slutet av varje kapitel är omarbetade och har kompletterats med fullständiga lösningar.

Innehållet behandlar • det naturvetenskapliga arbetssättet • kemin i ett idéhistoriskt perspektiv • det periodiska systemet • hur kemisk bindning präglar ämnens egenskaper • hur man skriver reaktionsformler och utför kemiska beräkningar • syror och baser • oxidation och reduktion • analytisk kemi

Författare till Syntes kemi 1 är Anders Henriksson, Annika Johansson och Erik Zetterberg. Alla tre har mångårig erfarenhet av undervisning i kemi på gymnasienivå.

ISBN 9789151100807

9

789151 100807

kemi 1

SYNTES

Anders Henriksson Annika Johansson Erik Zetterberg