KEMI 2 Magnus ehinger
1,2
Vi vill vara så transparenta som möjligt i vår klimatpåverkan, därför har vi låtit den oberoende organisationen ClimateCalc räkna ut klimatavtrycket för respektive bok vi producerar. Det totala koldioxidutsläppet för tillverkningen av just den här boken är 1,2 kg CO2 eq. Läs mer specificerat hur klimatavtrycket har räknats ut på vår hemsida: naforlag.se. Där kan du också läsa mer om hur vi kompenserar för utsläppen och andra aktiva val vi gör för en hållbar bokproduktion. Och kom ihåg, ju fler som använder boken, desto lägre klimatavtryck får varje utbildning!
The carbon emission of this printed matter is evaluated according to ClimateCalc. www.climatecalc.eu Cert. no. CC-000113/EE
KEMI 2 MAGNUS EHINGER NA FÖRLAG
Var snäll, alltid. Utgiven av NA Förlag AB, Malmö www.naforlag.se © NA förlag AB Första upplagan, fjärde tryckningen Produktion: NA Förlag AB Författare: Magnus Ehinger Redaktör: Ragnhild Möller Grafisk form & layout: Kolossal.se N SWA ECO LA
Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk, är förbjuden.
Printed matter 4041 0982
BEL
Tryck: Print Best, Estland 2022
C
NOR DI
ISBN: 978-91-88229-04-5
1. TILL DIG SOM SKA PLUGGA KEMI
6
2. KEMISK JÄMVIKT
14
3. SYROR OCH BASER
58
4. ORGANISKA MOLEKYLERS STRUKTUR OCH FUNKTION
102
5. MER OM ORGANISKA REAKTIONER
152
6. BIOMOLEKYLER
200
7. BIOKEMI
232
8. ANALYTISK KEMI
290
FACIT
312
REFERENSER
344
REGISTER
346
APPENDIX
352
TILL DIG SOM SKA ANVÄNDA DEN HÄR BOKEN I DIN UNDERVISNING Den här boken bygger på Kemi 1 från NA förlag (med samma författare). Du som redan har använt dig av den boken kommer att känna igen upplägget och utformningen. Boken är tänkt både att kunna användas som stöd i lärarledd undervisning och som stöd för flippat klassrum. Språket är enkelt och klart, vilket gör att den också kan användas för studier på egen hand. Bokens kapitel är indelade i ett stort antal mindre avsnitt med övningsfrågor direkt efter varje avsnitt. Det gör det enkelt för eleven att direkt öva sig på det hen har läst. I det centrala innehållet i kursplanen för Kemi 2 läggs stor tonvikt på biokemin. Man betonar bland annat att kursen ska behandla det genetiska informationsflödet, ämnesomsättningen på molekylär nivå och proteinernas struktur och funktion, med speciellt fokus på enzymer. Förståelsen för detta är det övergripande målet för denna bok, och har varit min ledstjärna under hela skrivprocessen. Jag har resonerat såhär: För att kunna förstå hur den genetiska informationen flödar från DNA och till RNA och proteiner, och för att kunna förstå hur ämnesomsättningen sker, måste eleven först och främst förstå hur enzymer fungerar och hur deras struktur hänger samman med deras funktion.
4
Förord
För att sedan kunna förstå hur enzymer och andra proteiner byggs upp måste eleven förstå hur organiska molekyler är, och hur de binder till varandra. Eleven måste också ha kunskap om hur syra–bas-reaktioner fungerar för att kunna förstå hur pH påverkar ett proteins struktur och funktion, och då måste eleven även förstå hur jämviktsreaktioner sker. Enzymkatalyserade reaktioner är ju också jämviktsreaktioner, varför det är nödvändigt att eleven har kunskap om hur de fungerar innan man kan börja förstå hur enzymer fungerar. Allt det här gör att kursen i Kemi 2 får en tydligare linje än kursen i Kemi 1, och att kursens olika delmoment i högre grad bygger på varandra. För att kunna begripa ett delmoment är det viktigt att eleven först har tillägnat sig momentet innan, annars blir det mycket svårt att förstå hur kemin egentligen hänger ihop. I den här boken finns det inget specifikt kapitel som behandlar organiska reaktionsmekanismer. Det beror på att de organiska reaktionsmekanismerna inte gärna kan ryckas loss, utan man bör ta upp dem i ett naturligt sammanhang. Därför finns det på flera ställen i boken underrubriker, där reaktionsmekanismen förklaras.
DET GENETISKA INFORMATIONSFLÖDET, ÄMNESOMSÄTTNINGEN ORGANISK KEMI: ÄMNESKLASSER, REAKTIONSMEKANISMER SYRA–BAS-REAKTIONER REAKTIONSHASTIGHETER OCH KEMISK JÄMVIKT FRÅN KEMI 1: KEMISK BINDNING, KEMISKA BERÄKNINGAR, REDOXREAKTIONER, TERMOKEMI, SYROR OCH BASER I kursen i Kemi 2 bygger de olika delmomenten tydligt på varandra.
Det är inte nödvändigt eller ens bra att man som lärare tar upp alla reaktionsmekanismer som presenteras, utan man bör göra ett urval av de mekanismer som man tycker är mest relevanta. Av den anledningen är det markerat i rubriksättningen när texten handlar om en reaktionsmekanism, så att man som lärare lätt kan välja vad som passar in i den egna kursen. Det finns dock allra sist i boken ett särskilt kapitel som avhandlar analytisk kemi, men jag vill inte rekommendera att man tar det i kursen i ett enda svep. Istället ska det betraktas som ett ”stödkapitel” där man som lärare kan välja att gå in och plocka när det är relevant för kursen. På olika ställen i boken hittar man hän visningar till kapitlet om analytisk kemi, och då kan det vara lönt att man dyker in i det just när man befinner sig där i kursen, eller som stöd till en laboration.
I boken finns också ett antal texter skrivna under vinjetten ”Perspektiv på kemin”. Hoppa inte över dem! De är tänkta att vara en utgångspunkt för diskussioner om kemins idéhistoria, etiska ställningstaganden och kemins betydelse för individ och samhälle. Jag hoppas på detta sätt att dessa kan genomsyra hela kemiundervisningen, och inte reduceras till något som man bara tar upp sist i kursen när man redan har haft sitt sista prov. Lund i april 2016 Magnus Ehinger
Förord
5
Kapitel ett
Till dig som ska
plugga kemi
HUR MAN PLUGGAR KEMI
8
VAD DU BEHÖVER KUNNA FRÅN KEMI 1 9 Kapitel 2. Kemisk jämvikt
10
Kapitel 3. Syror och baser
10
Kapitel 4. Organiska molekylers struktur och funktion 11 Kapitel 5. Mer om organiska reaktioner
11
Kapitel 6. Biomolekyler
12
Kapitel 7. Biokemi
12
Kapitel 8. Analytisk kemi
13
HUR MAN PLUGGAR KEMI Den här boken är gjord så att du ska kunna använda den på egen hand för att plugga kemi. Annars består ju undervisningen av både boken, lektionerna och, inte minst, laborationerna. Du behöver alla delar för att kunna förstå kemin helt. Boken är upplagd så att du kan läsa ett kort stycke i taget. Efter (nästan) varje stycke finns ett antal övningsuppgifter, så att du direkt kan öva dig på det du har läst. Sist i varje kapitel finns också ett antal blandade övningsuppgifter som du till exempel kan använda för att repetera inför prov. När du läser i boken ska du inte bara läsa! Ha ditt anteckningsblock bredvid, och skriv ner det som är viktigast. Det här tycker jag att du framför allt ska skriva ner: I kapitel 2 och 3 (jämvikter) är det särskilt viktigt att du skriver ner alla beräkningar som utförs. Följ med i beräkningarna, slå dem själv på din miniräknare, och skriv av alla tabeller med beräkningar så att du får ett stadigt grepp om hur man ska göra.
8
Till dig som ska plugga kemi
I kapitel 4, 5 och 6 (organisk kemi) är det viktigt att du skriver upp alla strukturformler. Det finns också med en mängd reaktionsmekanismer i texten. Ni kommer (troligtvis) inte att ta upp alla på er kurs, men skriv av de som ni går igenom. I kapitel 7 (biokemi) finns det också en mängd struktur- och reaktionsformler som det är bra om du skriver av. Det finns också gott om schematiska bilder och diagram som förklarar hur vissa processer fungerar. Det är en mycket bra idé om du för över dem till ditt anteckningsblock också. Kapitel 8 handlar om analytisk kemi. Troligen kommer ni att ta upp analytisk kemi i samband med era laborationer. Därför fungerar kapitel 8 mer som ett ”stödkapitel” till laborationerna och de övriga kapitlen.
VAD DU BEHÖVER KUNNA FRÅN KEMI 1 Det kommer säkert inte som en överraskning för dig att kursen i Kemi 2 bygger på Kemi 1. Men beroende på hur det ser ut på din skola, kanske man läser Kemi 1 i ettan, men ger sig inte in på Kemi 2 förrän i trean. Det kan förstås också vara så att det har gått ett helt sommarlov sedan du senast tänkte på kemiska, och därför kan det vara bra att veta vad du behöver kunna för att förstå det vi går igenom i Kemi 2. Den här boken är uppdelad i sju kapitel (förutom detta) av varierande längd. För att du lättare ska se vad du behöver kunna inför varje kapitel, har jag skrivit ett antal påståenden på nästa uppslag. Du kan markera med en glad, neutral eller ledsen smiley vid varje påstående, hur du själv känner inför det. (Om du inte får eller vill skriva direkt i boken, kan du be din lärare kopiera av de följande sidorna.)
När du har markerat i de olika kolumnerna ser du ganska snabbt vad det är du behöver repetera. Du kanske kan få låna en Kemi 1-bok av din lärare, eller titta i dina gamla anteckningar (om du har dem kvar). Du kan också gå till Kemi 1-bokens hemsida (naforlag.se/bok/9789198024777/kemi-1) för att titta på de videogenomgångar som hör till boken. Då är du snart med på banan, och kan hänga med i allt det nya vi går igenom i Kemi 2!
Till dig som ska plugga kemi
9
KAPITEL 2. KEMISK JÄMVIKT Frågeställning
Jag kan namn, formel och laddning på de vanligast förekommande jonerna. Jag kan använda mig av sambandet m = Mn. Jag kan använda mig av sambandet n = cV. Jag kan beräkna hur koncentrationen förändras vid spädningar. Jag kan balansera reaktionsformler. Jag kan beräkna hur mycket som bildas eller går åt i en reaktion, baserat på reaktionsformel, utbyte och begränsande reaktanter. Jag vet vad exoterma och endoterma reaktioner är. Jag kan förklara på bindningsnivå vad som händer i endoterma och exoterma reaktioner.
KAPITEL 3. SYROR OCH BASER Frågeställning Jag vet vad som händer i en protolysreaktion. Jag vet vad skillnaden på en stark och en svag syra är. Jag vet vad skillnaden på en stark och en svag bas är. Jag vet vad det är för skillnad på ett surt ämne och en sur lösning. Jag vet vad det är för skillnad på ett basiskt ämne och en basisk lösning. Jag kan beräkna pH. Jag kan formel och namn på de vanligaste starka syrorna och baserna. Jag kan formel och namn på de vanligaste svaga syrorna och baserna. Jag vet vad som kännetecknar en buffert. Jag vet hur man kan tillreda en buffert. Jag kan ge exempel på några naturligt förekommande buffertsystem.
10
Till dig som ska plugga kemi
KAPITEL 4. ORGANISKA MOLEKYLERS STRUKTUR OCH FUNKTION Frågeställning
Jag kan kolväteserien (de tio enklaste kolvätena). Jag kan förklara hur en elektronparbindning uppstår. Jag vet vad skillnaden mellan en enkel-, dubbel- och trippelbindning är. Jag vet vad skillnaden på en polär kovalent bindning och en dipol är.
KAPITEL 5. MER OM ORGANISKA REAKTIONER Frågeställning Jag kan namn och strukturformel på de två enklaste alkoholerna. Jag vet hur delokaliserade elektroner påverkar metallbindningen. Jag kan namnge joner med hjälp av oxidationstal (OT). Jag kan använda oxidationstal (OT) för att ta reda på om ett ämne oxideras eller reduceras. Jag kan använda ett energidiagram (entalpidiagram) för att ta reda på om en reaktion är endoterm eller exoterm. Jag kan namn och strukturformel på de två enklaste organiska syrorna. Jag vet hur intermolekylära bindningar (van der Waals-bindningar, dipol–dipol-bindningar och vätebindningar) uppstår. Jag vet hur intermolekylära bindningar påverkar ett ämnes smält- och kokpunkt. Jag kan förklara varför ammoniakmolekylen är pyramidal.
Till dig som ska plugga kemi
11
KAPITEL 6. BIOMOLEKYLER Kapitel 6 bygger i väldigt stor utsträckning på vad du fått lära dig i kapitel 4 och 5. Därför är det inte så mycket som du behöver kunna från Kemi 1 i frågeställningarna nedan. Frågeställning
Jag kan förklara varför ”lika löser lika”. Jag kan den kemiska formeln för fotosyntesen. Jag vet vad som kännetecknar en amfolyt. Jag vet vad som kännetecknar en sur respektive en basisk lösning.
KAPITEL 7. BIOKEMI Frågeställning Jag vet hur vätebindningar uppstår och fungerar. Jag vet hur jonbindningar uppstår och fungerar. Jag vet hur jon–dipol-bindningar i vatten uppstår och fungerar. Jag vet hur dipol–dipol-bindningar uppstår och fungerar. Jag vet hur van der Waals-bindningar uppstår och fungerar. Jag vet vad som händer ur energisynpunkt när bindningar bryts och när bindningar bildas. Jag vet vad som händer vid en oxidation och vid en reduktion. Jag vet vad som kännetecknar ett oxidationsmedel respektive ett reduktionsmedel. Jag kan skriva formeln för fosfatjonen. Jag vet vad som händer när en molekyl protolyseras.
12
Till dig som ska plugga kemi
KAPITEL 8. ANALYTISK KEMI Kapitel 8 bygger i väldigt stor utsträckning på vad du fått lära dig på andra ställen i boken. Därför är det inte så mycket som du behöver kunna från Kemi 1 i frågeställningarna nedan. Frågeställning
Jag kan använda mig av sambandet n = cV. Jag kan beräkna molekylvikten på en molekyl. Jag kan beräkna pH i en lösning. Jag vet vad som kännetecknar polära respektive opolära lösningsmedel.
Till dig som ska plugga kemi
13
Kapitel Två
Kemisk
jämvikt
REAKTIONER KAN GÅ FORT OCH DE KAN GÅ LÅNGSAMT
16
1. Reaktanternas inneboende egenskaper
17
2. Temperaturen
18
3. Koncentrationen
20
4. Närvaro av en katalysator
20
REAKTIONER KAN BÅDE GÅ ÅT HÖGER OCH ÅT VÄNSTER
22
VAD HÄNDER NÄR EN REAKTION NÅR JÄMVIKT?
24
JÄMVIKTSKONSTANTEN
25
HABER–BOSCH-PROCESSEN
26
JÄMVIKTSKONSTANTENS ENHET
30
BERÄKNINGAR PÅ JÄMVIKTSSYSTEM
31
HUR VET MAN OM ETT SYSTEM ÄR I JÄMVIKT?
38
Vad händer om systemet inte är i jämvikt?
38
VAD HÄNDER OM MAN STÖR ETT JÄMVIKTSSYSTEM? LE CHATELIERS PRINCIP
44
När koncentrationerna ändras
44
När volymen ändras
48
När trycket ändras
51
När temperaturen ändras
52
BLANDADE ÖVNINGSUPPGIFTER
55
REAKTIONER KAN GÅ FORT OCH DE KAN GÅ LÅNGSAMT Ibland kallar man juli och augusti för ”rötmånaderna”. Det är då som det är både varmt och fuktigt, och om man råkar lämna frukostmjölken framme till lunch tid kan man vara nästan säker på att den har surnat. Varför är det så på sommaren, men inte på vintern? På vintern, vid juletid, händer det å andra sidan att man bränner av ett eller annat tomtebloss. Då sker det en häftig, sprakande reaktion mellan järn filspånet i tomteblosset och syret i luften, samtidigt som det bildas olika järnoxider. Järnoxider i form av rost kan också bildas om man bara låter ett föremål av järn vara framme i luften, men det går ju mycket långsammare. Vad är det som gör att reaktioner går olika fort? Varför surnar mjölken lätt på sommaren, men håller sig bättre på vintern? Varför går det bra att sätta fyr på ett tomtebloss, men en järnkedja som ligger framme tar god tid på sig att rosta? Alltsammans handlar om kemiska reaktioner och deras hastighet. Vad det är som gör att olika reaktioner går olika fort är det vi ska titta på nu. När man pratar om reaktionshastighet kan man ange den som substansmängd omvandlad reaktant per tidsenhet. Ofta anger man den också som förändring i koncentration per tidsenhet.
Foto: Kristofer2
Filmjölk, en mjölk som syrats bland annat för att få längre hållbarhet.
Foto: Gabriel Pollard
Tomtebloss brinner och sprakar häftigt …
Foto: Waugsberg
… medan taggtråden tar lång tid på sig att oxideras (rosta).
16
Kemisk jämvikt
Det finns fyra olika saker som påverkar hur fort en reaktion sker. De är 1. reaktanternas inneboende egenskaper 2. temperaturen 3. koncentrationen (eller trycket, för gaser) 4. närvaro av en katalysator
1. REAKTANTERNAS INNEBOENDE EGENSKAPER I Kemi 1 fick du lära dig hur reaktiviteten förändras för ämnena om man rör sig uppåt eller neråt i en viss grupp. Till exempel ökar reaktiviteten ju längre ner man kommer i alkalimetallgruppen, medan den minskar ju längre ner man kommer i halogen gruppen. Både litium och rubidium reagerar ju med vatten, men medan reaktionen mellan litium och vatten puttrar på lite försiktigt, så är den närmast explosiv mellan rubidium och vatten. Att reaktionen sker olika fort beror i det här fallet på atomernas storlek och hur många elektronskal de har. Rubidium har fem elektronskal och är mycket större än litium, som bara har två elektronskal. Det betyder att rubidiumatomens valenselektron är ganska långt ifrån kärnan, och inte känner av den positiva kärnladdningen lika starkt som litium atomens valenselektron gör. Därför har rubidium atomens valenselektron mycket lätt att lämna atomen – man behöver inte tillföra så mycket energi till elektronen för att den ska sticka iväg helt och hållet. Ett annat sätt att uttrycka det är att joniseringsenergin är mindre för rubidium än för litium. Joniseringsenergin hos olika grundämnen är alltså ett exempel på inneboende egenskaper som påverkar reaktionshastigheten. En annan är hur pass fin fördelade reaktanterna är.
För att två ämnen ska kunna reagera med varandra, måste de mötas och kollidera med varandra. Ju större yta reaktanterna har, desto större möjlighet har också de två ämnena att komma i kontakt med varandra. Det är därför som tomtebloss, som består av järn filspån, är mycket lättare att sätta fyr på än en järnspik. Att röra om i en reaktionsblandning hänger också samman med det här. Det vet var och en som har försökt lösa en sockerbit i en kopp te, att det går mycket snabbare om man rör om i koppen. Också i det här fallet ser man till att reaktanterna (sockret och teet) kommer i så stor kontakt med varandra som möjligt, och då går det fortare för sockret att lösa sig.
Foto: Sandstein
Turkiskt te serveras vanligen starkt och sött.
Kemisk jämvikt
17
H2O Ca(s) Ca(s) + 2H2O → Ca²+ + 2OH– + H2(g) Reaktionen mellan kalcium och vatten går snabbare i varmt vatten än i kallt. Det ser man på att det bildas mer vätgasbubblor i den varma reaktionsblandningen.
2. TEMPERATUREN Alla de alkaliska jordartsmetallerna reagerar med vatten, precis som alkalimetallerna. Metallen omvandlas då till joner, samtidigt som det bildas vätgas och hydroxidjoner. När till exempel kalcium reagerar med vatten sker det enligt följande reaktionsformel:
En molekyls temperatur och dess hastighet är egentligen bara två sidor av samma mynt, det vill säga hur hög energi den har. Ju högre energi den har, desto högre temperatur och desto högre hastighet har den. Om två molekyler kolliderar med varandra på rätt sätt, och de dessutom har tillräckligt hög energi, så sker det en reaktion mellan dem. Den mängd energi som två molekyler behöver för att kunna reagera med varandra kallas för aktiveringsenergi. När molekylerna förts samman med tillräck ligt hög energi bildar de ett aktiverat komplex. Det aktiverade komplexet fungerar som en intermediär, det vill säga ett instabilt ”mellansteg”, som mycket snabbt sönderfaller till produkter. Temperaturen på en lösning eller ett ämne är egentligen ett mått på molekylernas genomsnittliga energi. Det betyder att om temperaturen är låg, finns det bara ett fåtal molekyler som har tillräckligt hög energi för att kunna reagera med varandra. Då sker reaktionen långsamt. Om temperaturen däremot är högre, så har fler molekyler tillräckligt hög energi för att nå det aktiverade komplexet, och reaktionen sker snabbare. Vid hög temperatur sker det alltså fler energirika kollisioner än vid lägre temperatur.
Ca(s) + 2H2O → Ca2+(aq) + 2OH–(aq) + H2(g) Men man kan se en skillnad om man låter reaktionen ske i kallt eller i varmt vatten. I varmt vatten kommer det att bubbla upp betydligt mer vätgas än vad det gör i kallt vatten. Vad beror det på? För att besvara den frågan måste vi först titta på vad det är som gör att reaktioner sker över huvud taget. För att det ska kunna ske en reaktion mellan två molekyler, måste de träffas. Men det räcker inte med att de bara träffas; de måste kollidera med varandra på rätt sätt, och med tillräckligt hög hastighet (det vill säga, med tillräckligt hög energi).
18
Kemisk jämvikt
Ingen reaktion
Reaktion
Om molekylerna som ska reagera med varandra träffar ”snett”, så sker det ingen reaktion. Om de kolliderar på rätt sätt, med rätt atomer mot varandra, så kan det däremot ske en reaktion.
Entalpi (H) Aktiverat komplex Intermediär Aktiveringsenergi NO2
CO + NO
CO2 +
Reaktionsförlopp
I reaktionen NO2 + CO → NO + CO2 når reaktanterna det aktiverade komplexet när de har tillräckligt hög energi. Den intermediär som då bildas sönderfaller nästan bums till produkterna NO och CO2.
Kemisk jämvikt
19