9789147085125 by Smakprov Media AB

GYMNASIE

Gymnasiekemi ger en utmärkt grund för dem som vill studera vidare på universitet och högskola. Målgruppen är elever på gymnasiet, komvux och basårsutbildningar. Serien omfattar

GYMNASIE

Lärarhandledningarna innehåller kommentarer till kapitlen, laborationer, demonstrationsexperiment och förlagor till overheadbilder.

TULLBERG

Studiehandledningarna innehåller begreppskartor, information om vad kursplanen föreskriver, filmade demonstrationsexperiment, sammanfattningar av läroböckernas kapitel med pedagogiska animationer, länkar samt kunskapstester på kapitlen.

S VA H N

Studiehandledningarna Gymnasiekemi A och B Online på www.liber.se/gymnasiekemi

SONESSON

Lärarhandledning till Gymnasiekemi A Lärarhandledning till Gymnasiekemi B

ANDERSSON

Läroböckerna innehåller all den teori som kursplanerna föreskriver, lösta exempel, utblickar (kemins koppling till samhället), vetenskapsnyheter, hänvisningar till elevhandledningarna på webben (se nedan) samt ett stort antal övningsuppgifter till varje kapitel. Texten och övningarna är nivåindelade.

kde bläc tioarma , a g n i å t s tt er l har fåt entimet c s n a u l j l s – som inti Den toforer enia sc o s f a t – a W n fisken som lysorga starka n i ATP i e g d r e v n a e är en som namn t fenom en. Det t p e p o – r k s u täcker energi till lj om all andlas s v r m e o t f t E k lvärme. ns. dire en spil minisce g u n l i o i s b a lans ild kallas scintil ljus, b a l i l n i e t s a t as havet, llt. Wa omvandl Stilla ltså ka l i a p r u ä j d år Skenet meters ioden g ingsper 200–400 n t å n p a l r a p e n r . ort lev strände Under f d i . v n a s p a a l am runt J gst. n och s god fån ill yta å t f p t p t u a de are på ar fisk Då pass

RY D É N

GYMNASIE

ANDERSSON

SONESSON

S VA H N

TULLBERG

RY D É N

LIBER

Andersson omslag B_Igen .indd 1

10-03-04 01.20.33

ISBN 978-91-47-08512-5 © 1993, 2000, 2008, 2009 Stig Andersson, Artur Sonesson, Ola Svahn, Aina Tullberg, Lars Rydén. och Liber AB Redaktörer: Cecilia Söderpalm-Berndes och Eva-Lisa Nordmark Formgivare: Bånges Grafiska Form AB Bildredaktör: Elisabeth Westlund Omslagsfoto: Sasaki Noriaki/Afp/Scanpix Femte upplagan 2 Repro: Repro 8 AB Tryck: Kina 2010

SIDA

1 3 3 12

3 Kemisk jämvikt – när motsatta reaktioner balanserar varandra

31 32 34 39 48 48

79 84 92 94

Liber AB, 113 98 Stockholm tfn 08-690 92 00 www.liber.se kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01, e-post: kundservice.liber@liber.se

Kemi B titel.indd 2

2 En del reaktioner går snabbt – andra långsamt

Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman/rättsinnehavare.

Gasers egenskaper – en sammanfattning Gasernas allmänna tillståndsekvation – allmänna gaslagen

Reaktionshastigheten beror av flera faktorer Det krävs kollisioner för att partiklar ska reagera … men alla kollisioner leder inte till reaktion Reaktionsmekanismen talar om hur reaktionen sker Katalysatorn öppnar en ny och snabbare reaktionsväg

54 61 66 67 68 71

Kopieringsförbud

1 Beräkningar på gasformiga system

14 19 19 24 26

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommun/ universitet.

Innehåll

100 103 105 109 111 116 117 122 124 124 128 135 136 137 139 140 145 148

Kemiska reaktioner kan gå i båda riktningarna Reversibla reaktioner går till jämvikt Jämviktsekvationen Jämviktens läge kan påverkas Le Chateliers princip En katalysator ändrar inte jämviktens läge

4 Syra-basjämvikter Protolysreaktioner går till jämvikt Joners protolys Neutralisation ger ett salt + vatten … … men lösningen är inte alltid neutral Syrabastitrering Buffertlösningar – syra-bassystemens stötdämpare

5 Metallerna och deras föreningar Metallernas egenskaper och reaktioner – en översikt Några metallföreningar och deras egenskaper Komplexa metalljoner Kvantitativ bestämning av metalljoner

6 Elektrokemiska processer Elektromotorisk kraft, emk Vätgaselektroden används som standardelektrod Normalpotential Den elektrokemiska spänningsserien Elektrolys – en icke-spontan reaktion

7 Mer om organisk kemi Kolväten Isomeri Halogenkolväten Regler för namngivning Alkoholer Aminer Aldehyder och ketoner är karbonylföreningar Etrar – allmän formel R1-O-R2 Aromatiska hydroxiföreningar Karboxylsyror Spegelbildsisomeri – en speciell typ av stereoisomeri Estrar och esterbildning

10-03-04 01.48.59

157 158 161 172 173 174 179 185 186 189 193

8 Hur sker organiska reaktioner? Resonans ger högre stabilitet åt en molekyl Exempel på några reaktionsmekanismer

9 Kemisk analys Lite kemihistoria Analysmetoder Spektroskopiska analysmetoder Elektrokemiska analysmetoder Separationsmetoder Kromatografi Strukturanalys

202 10 Biomolekyler – byggstenar för levande materia 204 208 209 216 217 219

Aminosyror Analys av aminosyror Kolhydrater Nukleosider och nukleotider Lipider Livets kemi – kemi i vattenlösning

223 11 Ämnesomsättningen – biomolekyler i funktion 224 228 233 244 247 248

Enzymer styr på metabolismens vägar Bärarmolekyler – cellens transportfordon Reaktionsvägar i katabolismen Cellens uppbyggande reaktioner – anabolismen Reaktionerna i ämnesomsättningen är noggrant reglerade Fotosyntesen – energin i solljuset tas till vara

256 12 Proteiner – naturens universalmolekyler 257 261 267 274

Proteinernas byggnad Renframställning och analys av proteiner Proteinets form bestämmer funktionen Proteinernas biologiska aktivitet

280 13 Nukleinsyror – arvets molekyler 281 284 289 292 294 296 301

Kemi B titel.indd 3

Nukleinsyrorna är sammansatta av nukleotider DNA-molekylen bildar en dubbelspiral RNA-molekyler Proteinsyntesen Cellens informationsflöde Bioteknik och genteknik

14 Miljökemi – steg på vägen mot ett hållbart samhälle

302 303 306 307 316 319 320

Miljömålen Metaller Organiska ämnen Hållbar produktion och konsumtion Hur kemikaliehanteringen kontrolleras Att mäta miljöpåverkan Vad kan du göra för att minska miljöpåverkan?

322

Svar till övningsuppgifterna

343

09-04-29 11.43.36

Beräkningar på gasformiga system

Exempel 1.4.

När man samlar upp gas på ett laboratorium låter man ibland gasen tränga ut luften ur en behållare. Man kan göra på två olika sätt som visas i figur 1.4. Vilken av metoderna bör man använda när man samlar upp a) ammoniak, NH3,

Lösning

b) koldioxid, CO2?

a) Vid NTP är molvolymen för alla gaser ca 22,4 dm3/mol. För ammoniak är molmassan M(NH3) = 17 g/mol.

Densiteten vid NTP är därför ca (17 / 22,4) g/dm3 ≈ 0,76 g/dm3. Medelmolmassan för luft är 29,0 g/mol.

Luft är ju en blandning av gaser men man brukar säga att luft har medelmolmassan M(luft) ≈ 29 g/mol.

För två gaser 1 och 2 som har densiteterna ρ1 respektive ρ2 gäller att ρ1 / ρ2 = M1 / M2.

Luftens densitet vid NTP blir då (29 / 22,4) g/dm3 ≈ 1,29 g/dm3.

Svar:

Lösning

Svar:

Ammoniak är alltså lättare än luft. Man bör använda metod II. Då samlas ammoniakgasen överst i behållaren och pressar luften neråt och ut ur behållaren. b) Koldioxid har molmassan M(CO2) = 44 g/mol. Densiteten vid NTP är (44 / 22,4) g/dm3 ≈ 1,96 g/dm3. Koldioxid är tyngre än luft. Man bör använda metod I. Koldioxiden samlas på behållarens botten och lyfter ut luften. Figur 1.4. Man kan samla upp en gas genom luftförträngning på två olika sätt. Vilket sätt man ska använda beror på gasens densitet i förhållande till luft.

Ö 1.10 – 1.19

Avogadros lag Vi har sett att gaser som följer den allmänna tillståndsekvationen har samma molvolym. Det innebär: Lika stora volymer av olika gaser innehåller vid samma p och T lika många molekyler.

Avogadros lag: Vid samma tryck och temperatur innehåller lika stora volymer av alla gaser lika många molekyler.

Den italienske vetenskapsmannen, juristen och ämbetsmannen Amadeo Avogadro (1776–1856) insåg detta redan år 1811. Man talar därför om Avogadros lag eller Avogadros princip. Avogadro kunde bl.a. visa att gaser som väte och syre består av molekyler som innehåller två atomer. Detta var ett starkt stöd för Daltons nya atomteori men det skulle ändå dröja flera årtionden innan Daltons atomteori och Avogadros lag blev allmänt accepterade av kemisterna. Vi ska ha Avogadros lag i tankarna när vi studerar följande reaktion: S(s) + O2(g) ⎯→ SO2(g)

När svavel i fast form reagerar med syrgas bildas gasen svaveldioxid. Formeln visar att det bildas 1 mol svaveldioxid när 1 mol syrgas reagerar, dvs. antalet molekyler gasformiga ämnen ändras inte genom reaktionen. 8

Kemi B 01-03 001-051.indd 8

09-04-29 11.50.53

manometer

Därför ändras inte den totala gasvolymen (vi förutsätter då att den bildade svaveldioxiden har samma tryck och temperatur som syret hade före reaktionen). Eftersom det fasta svavlets volym kan försummas vid sidan av gasvolymerna sker reaktionen utan volymändring. I figur 1.5 beskriver vi ett försök som bekräftar detta – och stämmer med Avogadros lag.

KAPITEL 1

Beräkningar på gasformiga system

Vi ser på en annan gasreaktion, den mellan vätgas och syrgas: platinatråd

2H2(g) + O2(g) ⎯→ 2H2O(g) + värme

järnslev med svavel

Vi antar att temperaturen är så hög att det bildade vattnet befinner sig i gasform och att vattenångan har samma tryck och temperatur som blandningen av vätgas och syrgas hade före reaktionen.

syrgas färgad vätska

Reaktionsformeln visar att 2 mol vätgas + 1 mol syrgas ⎯→ 2 mol vattenånga

Figur 1.5. Förbränning av svavel. Svavlet antänds på elektrisk väg. Det reagerar med luftsyret i den tillslutna kolven och bildar svaveldioxid. När reaktionen upphört återgår temperaturen till sitt ursprungliga värde. Då visar manometern att trycket inne i kolven inte har ändrats (konstant volym).

Exempel 1.5.

Eftersom volymen av en gas är proportionell mot substansmängden gas (V = Vm · n), säger formeln bl.a. följande: 2 volymdelar vätgas och 1 volymdel syrgas ger 2 volymdelar vattenånga, t.ex. 20 cm3 vätgas och 10 cm3 syrgas ger 20 cm3 vattenånga, se figur 1.6. Figur 1.6. Volymförhållandena vid reaktionen 2H2(g) + O2 (g) → 2H2O(g). De tre gasernas volymer mäts vid samma tryck och temperatur.

Ammoniak framställs av kväve och väte enligt reaktionsformeln N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) Hur förändras volymen vid reaktionen om tryck och temperatur hålls konstanta? Lösning

Svar:

Ö 1.20 – 1.26

När 1 mol kväve, N2, reagerar med 3 mol väte, H2, bildas 2 mol ammoniak, NH3. 4 mol gas (kväve och väte) försvinner och ersätts med 2 mol gasformig ammoniak. Detta betyder att volymen minskar. Reaktionen leder till att gasvolymen minskar.

Daltons lag Om det finns flera olika gaser i en behållare, kommer de olika gasernas molekyler att kollidera med behållarens väggar och – oberoende av varandra – utöva ett tryck på väggarna. Trycket som en enskild gas utövar kallas gasens partialtryck eller deltryck. Man har både experimentellt och teoretiskt funnit att gasblandningens

Kemi B 01-03 001-051.indd 9

09-04-29 11.50.53

En del reaktioner går snabbt – andra långsamt

Under vanliga förhållanden sker det ganska långsamt. Men de röda blodkropparna innehåller ett speciellt enzym, kolsyraanhydras, se figur 2.7, som får reaktionen att ske tio miljoner gånger snabbare i blodet än i vanligt vatten. En enda enzymmolekyl hinner hydratisera flera hundra tusen koldioxidmolekyler per sekund! Blodet transporterar sedan koldioxiden till lungorna. Där katalyserar enzymet den motsatta reaktionen: H2CO3(aq) ⎯→ CO2(g) + H2O

Koldioxiden frigörs ur blodet och förs bort av utandningsluften.

Figur 2.7. Modell av enzymet kolsyraanhydras. Molekylen består av 2 207 atomer. Byggstenarna är kol-, väte-, syre- och kväveatomer samt några svavelatomer. Dessutom ingår en zinkjon som sitter mitt i molekylen. För att enzymets struktur ska bli tydligare har väteatomerna utelämnats i molekylmodellen.

Reaktionen mellan vatten- och koldioxidmolekylen sker i en särskild ficka hos enzymet. Den kallas enzymets aktiva säte.

Katalysatorer är mycket viktiga för den kemiska industrin. Ammoniak framställs i stor skala av väte och kväve enligt Haber-Boschmetoden. En del av ammoniaken används sedan för framställning av salpetersyra enligt Ostwaldmetoden. I båda fallen är det katalysatorer som gör att reaktionerna kan ske, se tabell 2.1 på s. 26. Vi återkommer till Haber-Boschmetoden i kapitel 3. Ö 2.1 – 2.5

Vi har nu tagit upp fyra faktorer som påverkar reaktionshastigheten och ska se varför och hur de inverkar på reaktionerna.

Kemi B 01-03 001-051.indd 18

09-04-29 11.51.04

Det krävs kollisioner för att partiklar ska reagera För att två partiklar ska kunna reagera med varandra måste de kollidera med en viss hastighet.

zinkpulver i k l

För att en reaktion ska kunna ske måste de reagerande ämnenas partiklar (molekyler, atomer eller joner) träffas, dvs. kollidera med varandra. Därför ökar reaktionshastigheten med varje förändring som leder till att det blir fler kollisioner per tidsenhet mellan de reagerande partiklarna.

Man kan lätt konstatera att finpulvriserat koksalt löses mycket snabbare i vatten än grovkornigt salt. Det beror på att angreppsytan för vattenmolekylerna blir större om saltet finfördelas. Då ökar det totala antalet kollisioner per tidsenhet mellan vattenmolekylerna och jonerna i koksaltkristallernas ytskikt.

HCl

Av samma orsak reagerar saltsyra snabbare med granulerad zink (dvs. i form av små korn) än med ett zinkbleck, se figur 2.8.

zinkbleck

Figur 2.8. Saltsyra reagerar snabbare med grovt zinkpulver än med ett zinkbleck.

Bara en bråkdel av kollisionerna leder till reaktion.

KAPITEL 2 1

En del reaktioner går snabbt – andra långsamt

… men alla kollisioner leder inte till reaktion Om man har två gaser som reagerar med varandra och känner antalet reagerande partiklar per volymsenhet samt partiklarnas storlek och hastighet, så kan man beräkna antalet kollisioner per tidsenhet. Man finner då att antalet kollisioner är enormt stort. Om varje kollision ledde till reaktion skulle alla reaktioner mellan gasformiga ämnen vara ögonblickliga redan vid rumstemperatur och normalt tryck. Då skulle t.ex. luftens kväve och syre omedelbart reagera med varandra till kvävemonoxid. Som tur är gör de inte det. Det är tydligen så att bara en bråkdel av kollisionerna leder till reaktion. Om man upphettar väte, H2(g), och jod, I2(g), till ca 300 °C bildas vätejodid, HI(g): H2(g) + I2(g) ⎯→ 2Hl(g)

Partiklarna måste kollidera på rätt sätt för att kunna reagera med varandra.

Figur 2.9. Kollision mellan en H2-molekyl och en I2-molekyl. Kollisionen leder inte till reaktion därför att molekylerna inte är orienterade på rätt sätt i kollisionsögonblicket. Figur 2.10. Kollision mellan en H2-molekyl och en I2-molekyl. Denna gång har molekylerna ett sådant läge vid kollisionen att de kan reagera med varandra.

Vi ska studera den här reaktionen lite närmare. Det ligger nära till hands att anta att molekylerna måste kollidera på ett lämpligt sätt för att väteatomen och jodatomen ska kunna bindas till varandra. Figurerna 2.9 och 2.10 visar två olika partikellägen när de två molekylerna kolliderar. Man har funnit att det blir reaktion bara om kollisionen sker så som figur 2.10 visar.

Men inte heller alla kollisioner som sker på ett lämpligt sätt leder till reaktion. Det finns tydligen ytterligare något villkor som måste vara uppfyllt för att en reaktion ska ske.

Kemi B 01-03 001-051.indd 19

09-04-29 11.51.05

Syra-basjämvikter

En lösning med volymen 250 cm3 innehåller 0,0010 mol salpetersyra.

Exempel 4.1.

a) Beräkna salpetersyrans koncentration, c(HNO3), dvs. syrans koncentra-

tion i lösningen. b) Beräkna [H3O+] och pH i lösningen. c) Beräkna [NO3–] i lösningen. d) Vad är [HNO3] i lösningen? Med [HNO3] menar vi koncentrationen av

molekylslaget HNO3, dvs. icke-protolyserade salpetersyramolekyler. Lösning

a) c(HNO3) = 0,0010 mol / 0,250 dm3 = 0,0040 mol/dm3 b) Salpetersyran protolyseras fullständigt:

HNO3 + H2O → H3O+ + NO3– Då är [H3O+] = 0,0040 mol/dm3 ⇒ pH = –lg 4,0 · 10–3 = 2,40 c) Det bildas lika många NO3–-joner som H3O+-joner.

[NO3–] = [H3O+] = 0,0040 mol/dm3 d) Praktiskt taget alla HNO3-molekyler har ju protolyserats, dvs.

[HNO3] ≈ 0 mol/dm3. Svar:

a) c(HNO3) = 0,0040 mol/dm3 b) [H3O+] = 0,0040 mol/dm3 och pH = 2,40 c) [NO3–] = 0,0040 mol/dm3 d) [HNO3]

≈ 0 mol/dm3

Ö 4.1 – 4.13

Protolysreaktioner går till jämvikt Ättiksyra, CH3COOH, är en svag syra. Protolysreaktionen är en reversibel reaktion: ⎯→ H3O+ + CH3COO– CH3COOH + H2O ←⎯

Ättiksyra, HAc, är en svag syra. För 0,10 mol/dm3 HAc är protolysgraden ca 0,01.

Precis som de system med reversibla gasreaktioner som vi studerade i kapitel 3 går protolysreaktionen till jämvikt. När det blivit jämvikt har bara en bråkdel av syramolekylerna protolyserats. Den största delen av syramolekylerna finns i den form som anges på vänstra sidan i protolysformeln. Man säger att protolysjämvikten är förskjuten långt åt vänster. I 0,1 mol/dm3 HAc är protolysgraden ca 0,01, dvs. endast ca 1 % av ättiksyramolekylerna är protolyserade. Ammoniak är exempel på en svag bas: ⎯→ NH4+ + OH– NH3 + H2O ←⎯

ättiksyra

Den här protolysjämvikten är också förskjuten långt åt vänster. I 0,1 mol/dm3 NH3 är inte mer än ca 1 % av ammoniakmolekylerna protolyserade, 99 % av dem finns kvar som NH3-molekyler. Protolysgraden är alltså låg.

Kemi B 04 052-077NY.indd 54

09-04-29 12.34.55

KAPITEL 4

Syra-basjämvikter

Syrakonstanten Ka är ett mått på syrans styrka Koncentration pH

[H3O+]

mol/dm3

0,100

2,87

0,0013

0,050

3,03

0,00094

0,0100

3,37

0,00043

0,00100

3,91

0,00012

Tabell 4.2. Resultat från pH-mätningar i vattenlösningar av ättiksyra.

Om vi använder ättiksyrans ”kortformel” HAc kan protolysreaktionen skrivas ⎯→ H O+ + Ac– HAc + H O ←⎯ 2

När jämvikt ställt in sig kan massverkans lag tillämpas på protolysreaktionen: [H3O+] · [Ac–] ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = K [HAc] · [H2O]

Uttrycket kan förenklas. I en utspädd syralösning, t.ex. i 0,10 mol/dm3 HAc, har nämligen [H2O] (nästan) samma värde som i rent vatten. Där är n(H2O) 1,000 · 103 / 18,0 [H2O] = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ mol/dm3 = 55,6 mol/dm3 V 1,00

Vi kan därför anse att [H2O] har detta värde i alla utspädda lösningar och ”baka in” [H2O] i jämviktskonstanten: [H3O+] · [Ac–] ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = [H2O] · K = Ka [HAc] En syras protolysreaktion går till jämvikt. Jämviktskonstanten kallas syrakonstant, Ka, och är ett mått på syrans styrka.

Exempel 4.2.

Konstanten Ka kallas syrans protolyskonstant eller kort och gott syrakonstanten (index a av eng. acid = syra). Exempel 4.2 visar hur man beräknar syrakonstanten när man känner en syralösnings koncentration och pH. I tabell 4.2 anges pH och vätejonkoncentration i några olika lösningar av ättiksyra. Beräkna Ka(HAc), dvs. syrakonstanten för ättiksyra, genom att använda data för 0,100 mol/dm3 HAc.

Lösning

Vi ser i tabellen att [H3O+] = 1,3 · 10–3 mol/dm3 i 0,100 mol/dm3 HAc. Enligt protolysformeln HAc + H2O

⎯→ ←⎯

H3O+ + Ac–

bildas det lika många Ac–-joner som H3O+-joner, dvs. också [Ac–] = 1,3 · 10–3 mol/dm3. För att bilda dessa H3O+- och Ac–-joner går det åt 1,3 · 10–3 mol HAc-molekyler per dm3. Vid jämvikt är koncentrationen av icke-protolyserade HAc-molekyler [HAc] = (0,100 – 0,0013) mol/dm3 ≈ 0,099 mol/dm3. Nu kan vi ställa upp följande tabell: 1

Man kan bortse från H3O+- jonerna i vattnet. Se elevfråga 1 på s. 77 efter övningsuppgifterna.

Konc. före protolys Ändring Konc. vid jämvikt

[HAc]

[H3O+]

[Ac–]

0,100

mol/dm3

+ 0,0013

mol/dm3

0,100 – 0,0013 ≈ 0,099 0,0013

0,0013

mol/dm3

– 0,0013

Vid jämvikt gäller [H3O+] · [Ac–] 0,0013 · 0,0013 Ka = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ mol/dm3 = 1,71 · 10–5 mol/dm3 [HA] 0,099 Svar:

Ka = 1,7 · 10–5 mol/dm3 (Ättiksyrans syrakonstant brukar anges till 1,8 · 10–5 mol/dm3.)

Kemi B 04 052-077NY.indd 55

09-04-29 12.34.56

Syra-basjämvikter

Man blandar 200 cm3 0,10 mol/dm3 NH3 med 300 cm3 0,10 mol/dm3 NH4Cl. Beräkna pH för den erhållna lösningen. pKa(NH4+) = 9,24.

Exempel 4.11.

Lösning

I det här fallet får vi 0,500 dm3 buffertlösning som innehåller syrabasparet NH4+ – NH3 där 0,300 · 0,10 c(syra) = c(NH4+) = ⎯⎯⎯⎯⎯ mol/dm3 = 0,060 mol/dm3 och 0,500 0,200 · 0,10 c(bas) = c(NH3) = ⎯⎯⎯⎯⎯ mol/dm3 = 0,040 mol/dm3. 0,500 Denna gång använder vi buffertformel B som ger pH direkt: c(NH4+) 0,060 mol/dm3 pH = pKa(NH4+) – lg ⎯⎯⎯⎯ = 9,24 – lg ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 9,24 – 0,18 = 9,06 c(NH3) 0,040 mol/dm3

Svar:

pH = 9,06.

Sammanfattning En buffertlösning innehåller syrabasparet HA–A–, där HA är en svag syra och A– en svag bas. Vi antar att syran HA har koncentrationen c(syra) och saltet NaA koncentrationen c(bas). Buffertformeln: c(syra) [H3O+] = Ka · ⎯⎯⎯ eller c(bas) c(syra) pH = pKa – lg ⎯⎯⎯ c(bas)

Buffertområde mellan pH = pKa–1 och pH = pKa+1 Lösningen har störst buffertverkan i ”halvtitrerpunkten”. Då är pH = pKa eftersom [HA] = [A–], dvs. c(syra) = c(bas). För en acetatbuffert (HAc + NaAc) gäller: I halvtitrerpunkten är pH = pKa = 4,74. pH-gränser för buffertområdet: ca pH = 3,7 och pH = 5,7. Ö 4.36 – 4.38

Kemi B 04 052-077NY.indd 74

09-04-29 12.35.05

Övningsuppgifter 4.1.

I vilket av följande fall har ättiksyra störst elektrisk konduktivitet? a) gasformig ren ättiksyra b) flytande ren ättiksyra c) fast ren ättiksyra d) vattenlösning av ättiksyra e) en lösning av ättiksyra i kolvätet heptan

4.2.

Skriv formeln för salpetersyrans protolys i vatten.

4.3.

Fosforsyra, H3PO4, är en treprotonig syra. a) Skriv formlerna för de tre protolysreaktioner som sker i vatten. b) Ange namnen på fosforsyrans joner. c) Vilka av fosforsyrans joner är amfolyter?

4.4.

Skriv formler som visar vad som sker när följande ämnen löses i vatten: a) kaliumhydroxid b) bariumhydroxid c) ammoniak

4.5.

a) Vad menas med ett syrabaspar? b) I havsvatten finns vätekarbonatjoner som

protolyseras enligt formeln ⎯→ HCO3– + H2O ←⎯ CO32– + H3O+ Vilka är syrabasparen? 4.6.

Vilken är den korresponderande basen till följande syror? a) HBr b) H2CO3 c) H3PO4 d) HSO4–

4.7.

Vilken är den korresponderande syran till följande baser? a) ClO4– b) PO43– c) HPO42– d) NH3 e) OH–

4.8.

Vilka av följande partikelpar är syrabaspar? a) H2O, HCl b) H2, NH3 c) SO2, SO3 d) OH–, O2– e) HNO3, NO3– f) H2SO4, SO42– g) H3O+, OH–

4.9.

Beräkna pH för en lösning där [H3O+] är a) 5,0 · 10–3 mol/dm3 b) 2,25 · 10–11 mol/dm3 c) 1,7 mol/dm3.

4.10. Beräkna [H3O+] för a) havsvatten med pH = 7,8 b) magsaft med pH = 1,7 c) vin som surnat och fått pH = 3,52. 4.11. I 100 cm3 av en vattenlösning finns 2,5 · 10–4 mol perklorsyra, HClO4, (en mycket stark syra). Beräkna a) [H3O+] b) pH c) [ClO4–] d) [HClO4] (dvs. koncentrationen av oprotolyserade perklorsyramolekyler). 4.12. Beräkna pH för följande lösningar. a) 0,025 mol/dm3 HCl b) den lösning som man får när 0,050 cm3 16 mol/dm3 HNO3 späds till 1,00 dm3

4.13. I en lösning av väteklorid är pH = 3,0. Man späder 1,0 cm3 av lösningen med vatten till 100 cm3. Vad blir då pH i den spädda lösningen? a) 0,030 b) 1,0 c) 3,0 d) 4,0 e) 5,0

KAPITEL 4

Syra-basjämvikter

4.14. Trots att vätefluorid, HF, är en vätehalogenid tillhör den inte de starka syrorna. Den är bara något starkare än ättiksyra. a) Skriv formeln för vätefluoridens protolys i vatten. b) Ange uttrycket för syrakonstanten. c) Vilken enhet har konstanten? 4.15. a) Skriv formlerna för de båda protolysreaktionerna för kolsyra, H2CO3. b) Ange uttrycken för protolyskonstanterna Ka1 och Ka2. 4.16. I en tabell som anger syrors pKa-värden finner vi bl.a. pKa jodsyra, HIO3 0,77 – 2,7 klorsyra, HClO3 3,29 salpetersyrlighet, HNO2 vätecyanid, HCN 9,21 ättiksyra, HAc 4,74 Ordna syrorna efter avtagande syrastyrka (den starkaste syran först). 4.17.* Man har en lösning av en svag syra HA med koncentrationen 0,10 mol/dm3. Vilket eller vilka av följande påståenden är korrekt(a)? Motivera svaret. a) pH = 1,0 b) [H3O+] >> [A–] c) [HA] = 0 d) [HA] + [A–] = 0,10 mol/dm3 e) [H3O+] + [A–] = 0,10 mol/dm3 f) [H3O+] + [HA] = 0,10 mol/dm3 4.18. a) Ange sambandet mellan pH, pOH och pKw. b)* Härled detta samband. 4.19. a) Skriv formeln för vattnets autoprotolys. b) Ange uttrycket för vattnets jonprodukt. c) Vad är Kw vid 25 oC? d) Vad är pKw vid 25 oC? 4.20. Man löser 2,40 g natriumhydroxid i vatten och späder lösningen till 1,00 dm3. Beräkna a) [Na+], [OH–] och [NaOH] b) pH. 4.21. Beräkna pH vid 25 oC för 1,5 · 10–3 mol/dm3 Ca(OH)2 (som är helt uppdelad i joner). 4.22. Partikeln B är en bas. a) Skriv formeln för partikelns protolys i vatten. b) Ange uttrycket för baskonstanten. c) Vilken är enheten för baskonstanten? 4.23. I en ammoniaklösning med koncentrationen 0,100 mol/dm3 är [OH–] = 1,4 · 10–3 mol/dm3. Beräkna Kb för ammoniak.

Kemi B 04 052-077NY.indd 75

09-04-29 12.35.06

Mer om organisk kemi

Primära, sekundära och tertiära alkoholer Vi vet att vin surnar om det får stå någon dag i en öppen flaska. Den sura smaken beror på att luftens syre har oxiderat etanolen i vinet till ättiksyra. Men en alkohol oxideras inte alltid till en syra – vissa alkoholer bildar andra produkter. Man kan dela in alkoholerna i tre grupper efter OH-gruppens placering vid kolkedjan. Primära alkoholer: R-CH2-OH där R betecknar en H-atom eller en kolvätegrupp.

Primära alkoholer: OH-gruppen är bunden till en kolatom som binder högst en annan kolatom. Deras allmänna formel finns i marginalen. Metanol, CH3OH, och etanol, CH3CH2OH, är primära alkoholer. Tabell 7.4 på s. 128 innehåller fler exempel: 1-propanol, 1-butanol, 2-metyl-1propanol, 1-pentanol och 1-hexanol. Siffran 1 före sista delen av alkoholens namn anger att OH-gruppen är bunden till kolatom 1 i kolkedjan. 3

1-butanol

Sekundära alkoholer: R1 \ CH–OH / R2 där R betecknar lika eller olika kolvätegrupper.

2-metyl-1-propanol

2 3

OH 1

1-pentanol

Sekundära alkoholer: OH-gruppen är bunden till en kolatom som binder två andra kolatomer. Exempel på en sådan alkohol är 3-pentanol, CH3CH2CH(OH)CH2CH3, där siffran 3 anger att OH-gruppen är bunden till kolatom 3. I tabell 7.4 har du ett exempel till, 2-butanol, som ibland kallas sekundär butylalkohol. 3

OH Tertiära alkoholer: R1 \ R2–C–OH / R3 där R betecknar lika eller olika kolvätegrupper.

2-butanol

2 3

3-pentanol

Tertiära alkoholer: OH-gruppen är bunden till en kolatom som binder tre andra kolatomer, se allmän formel i marginalen. Molekylen måste alltså innehålla minst fyra kolatomer. Den enklaste tertiära alkoholen är därför en butanol med formeln (CH3)3C(OH), se egenskaper i tabell 7.4. OH 2 3

2-metyl-2-propanol

Alkoholerna i de tre grupperna reagerar på olika sätt när de oxideras. Det är alltså alkoholmolekylens struktur som avgör vad som bildas vid oxidationen. Primära alkoholer oxideras till aldehyder och karboxylsyror

Figur 7.12 visar ett försök där en blandning av metanol och luft leds genom ett uppvärmt kopparnät. Kopparn katalyserar följande reaktion: H H C O H + H metanol

O 1/2O2

+ H2O

H C H

metanal, formaldehyd

132

Kemi B 07 116-156 NY.indd 132

09-04-29 12.42.21

KAPITEL 7

Mer om organisk kemi luft

rulle av kopparnät

till vattensug

metanol vatten (ca 50 oC )

Figur 7.12. En blandning av luft och metanolånga passerar genom ett uppvärmt kopparnät. Då oxiderar luftens syre metanol till formaldehyd (metanal). När reaktionen startat behövs ingen uppvärmning – nätet glöder ändå. Reaktionen är alltså exoterm.

isvatten blandning av formaldehyd, metanol och vatten

Vi skriver reaktionsformeln på vanligt sätt med molekylformler och heltalskoefficienter: 2HCH2OH + O2 ⎯→ 2HCHO + 2H2O

Tabell 7.5. Några ändelser som ska läggas till stamkolvätets namn för att ange ämnesklassen. I de fall då molekylen innehåller en funktionell grupp ska den alltid ingå i stamkolvätets kedja eller vara bunden till en kolatom i kedjan. Stamkolvätets kedja ska väljas så att kolatomen med den funktionella gruppen får så lågt nummer som möjligt.

Reaktionen innebär att två väteatomer tas bort från metanolmolekylen. Man säger därför att den är en dehydrogenering (lat. de = av, från och hydrogenium = väte). Ämnet som bildas har formeln HCHO och kallas formaldehyd men det rationella namnet är metanal. Det tillhör ämnesgruppen aldehyder som har den funktionella gruppen –CHO (namnet aldehyd har bildats av latinets alcohol dehydrogenatus). Formaldehyd är den enklaste aldehyden. Det är en gas med en obehaglig, kraftigt stickande lukt. Vi återkommer till formaldehydens egenskaper och användning på s. 136.

Ändelse

Funktionell grupp

Typ av intermolekylär bindning

Alkohol Aldehyd Keton Karboxylsyra

-ol -al -on -syra

vätebindning dipol-dipolbindning dipol-dipolbindning vätebindning (oprotolyserad syra)

Ester Eter Amin

-oat1 -eter2 amino-3

hydroxigrupp, -OH aldehydgrupp, -CHO karbonylgrupp, C=O karboxylgrupp, -COOH O estergrupp, –C–O– etergrupp, –O– aminogrupp, -NH2 –

Ämnesklass

dipol-dipolbindning dipol-dipolbindning vätebindning, dipol-dipolbindning

–

––

efter namnet på syrans stamkolväte efter namnet på de grupper som O-atomen binder samman 3 före namnet på aminens stamkolväte 2

Vid försiktig oxidation av metanol, CH3OH, bildas formaldehyd, HCHO (metanal). Vid kraftigare oxidation bildas myrsyra, HCOOH (metansyra).

Formaldehyden bildades i vårt experiment genom att två väteatomer togs bort ur en metanolmolekyl i en oxidationsprocess. Oxidationen kan gå ännu längre. Då oxideras formaldehyden till myrsyra: O O H C + 1/2O2 → H C H O H metanal, formaldehyd

Kemi B 07 116-156 NY.indd 133

metansyra, myrsyra

eller enklare 2HCHO + O2 → 2HCOOH

133

09-04-29 12.42.21

Kemisk analys Så gott som varje dag kablas nyheter ut som har direkt anknytning till kemisk analys: ett kriminalfall har lösts genom DNA-analys, man har funnit skadliga ämnen i mat, vatten eller luft. Antalet analyser har ökat kraftigt under de senaste decennierna. Metoderna har blivit fler. De har blivit mycket känsligare och man kan upptäcka ämnen i allt lägre halter.

Figur 9.1. Ett prov görs i ordning för analys på droganalysenheten vid Statens Kriminaltekniska Laboratorium i Linköping. Polisen misstänker att det vita pulvret innehåller amfetamin.

Vid en kvantitativ analys bestämmer man substansmängden eller massan av ett visst ämne.

Det här kapitlet ska handla om kemisk analys i vid mening. Först ska vi studera traditionell kemisk analys. Om man vill ta reda på vilka ämnen som finns i provet gör man en kvalitativ analys. Vill man bestämma hur mycket det finns av ett visst ämne i provet, gör man en kvantitativ analys. I de exempel som vi tar upp här är provet oftast en lösning där lösningsmedlet kan vara vatten eller någon annan vätska men vi kommer också att se hur man analyserar gasblandningar. I den senare delen av kapitlet ska vi studera några metoder att ”analysera” ämnenas molekyler – vi ska se hur man kan bestämma deras struktur. Denna typ av analys brukar kallas strukturanalys. En kemisk analys startar med provtagningen – och den kan ibland vara en komplicerad process. I figur 9.2 ser du den provtagare som NASAs rymdsond Stardust hade med sig när den samlade in stoft från kometen Wild 2. När man ska göra en kvantitativ bestämning får provet inte innehålla ämnen som kan störa analysen. Därför måste man ibland utföra en

172

Kemi B 09 172-201.indd 172

09-04-29 12.52.36

KAPITEL 9

Kemisk analys

Figur 9.2. Det här är provtagaren på NASAs rymdsond Stardust som bl.a. hade till uppgift att hämta stoft från kometen Wild 2. Provtagaren hade ca 250 provceller. Du ser hälften av dem på bilden, den andra hälften finns på provtagarens baksida. Kometpartiklarna kom med hög fart mot provtagaren, men de bromsades snabbt upp i en speciell gel som fanns i varje provcell. Provtagarens ena sida var riktad mot kometen. Den andra sidan var hela tiden vänd ut mot rymden. Provcellerna på den sidan samlade in rymdstoft. Stardust har nu återvänt till jorden och man håller på att analysera proverna.

separation där man antingen tar bort de störande ämnena eller isolerar det ämne som ska bestämmas. En del av de nyare analysmetoderna är så specifika att det inte behövs någon separation (specifik = speciellt känslig och typisk för ett visst ämne). Kemiska analyser kan utföras på många olika sätt. Man brukar skilja mellan • • • • •

gravimetriska metoder titrimetriska metoder spektroskopiska metoder elektrokemiska metoder kromatografiska metoder

Vi ska studera de här metoderna och kommer då att se att de två första är kvantitativa analysmetoder medan de tre senare metoderna kan ge upplysning både om vilka ämnen som finns i ett prov och vilken mängd det rör sig om. När man ska separera blandningar använder man oftast någon kromatografisk metod.

Lite kemihistoria

Ö 9.1–9.2

Den kemiska analysen startade på allvar på 1700-talet. Till en början var hjälpmedlen mycket enkla och man gjorde mest kvalitativa undersökningar. Men i slutet av 1700-talet började man använda vågen som hjälpmedel. Då fick analysen en mer kvantitativ inriktning och i början av 1800-talet blev kemin en ”exakt” vetenskap. Antoine de Lavoisier och Jöns Jakob Berzelius var två av de främsta kemisterna under 1700-talet och 1800-talet. Sverige hade många framstående kemister under den här tiden. Många av dem var knutna till bergshanteringen, se Utblick 9.1. 173

Kemi B 09 172-201.indd 173

09-04-29 12.52.39

Kemisk analys

Figur 9.23. IR-spektrum för fenyl- 4000 metylketon, C6H5COCH3. De nedåtriktade ”topparna” i spektret anger att strålningen har absorberats. Följande toppar är särskilt typiska för fenylmetylketon: 1. Sträckningsvibrationer C–H − något över i bensenringen (ν 3 000 cm–1). 2. Sträckningsvibrationer i CH3-grup− något under 3 000 cm–1; pen (ν ν− ≈ 1 700 cm–1). 3. Sträckningsvibrationer i gruppen C=O (en mycket typisk topp för molekyler med CO-grupper; ν− ≈ 1 700 cm–1). 4. Böjningsvibrationer C–C–H i − mellan 800 och bensenringen (ν 600 cm–1).

3600

3200

2800

2400

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400 vågtal N cm–1

C–H i C6H5

C–H i CH3

C=O

C–C–H i C6H5 ”Fingeravtrycksområde”

I vissa fall används IR-spektroskopi också för kvantitativa bestämningar. Man kan t.ex. bestämma vattenhalten i potatischips. Då mäter man absorbansen av IR-strålning vid det vågtal där OH-gruppen har en absorptionstopp.

Kärnmagnetisk resonansspektroskopi, NMR En mycket kraftfull och därför mycket använd metod för strukturanalys är kärnmagnetisk resonansspektroskopi, förkortat NMR efter eng. Nuclear Magnetic Resonance. Den grundar sig på att vissa atomkärnor har ett magnetiskt moment – det gäller bl.a. kärnor med udda masstal, t.ex. protonen 11H. När atomer med sådana kärnor befinner sig i ett magnetiskt fält, kan de absorbera radiovågor av en viss frekvens. Genom NMR, kärnmagnetisk resonansspektroskopi, kan man bestämma organiska molekylers struktur.

NMR används ofta inom forskningen. Den är en av de viktigaste metoderna när man ska bestämma strukturen för komplicerade organiska molekyler, inte minst biomolekyler. Man kan också använda NMR för tidmätning i molekylernas värld, bl.a. den tid det tar för en organisk molekyl att gå över från en isomer till en annan, t.ex. från cisform till transform.

NMR bygger på att vissa atomkärnor, t.ex. 11H, har ett magnetiskt moment.

Protonen, 11H, är alltså en av de atomkärnor som har ett magnetiskt moment. Tänk dig protonen som en elektriskt laddad partikel som roterar kring sin egen axel. Det betyder att protonen uppför sig som en magnet med nordpol och sydpol, se figur 9.24 a och b. Därför kommer protoner som befinner sig i ett magnetiskt fält att rikta in rotationsaxeln antingen parallellt med magnetfältet eller antiparallellt, dvs. i samma riktning som magnetfältet eller i motsatt riktning, se figur 9.24 d. Det är en mycket liten energiskillnad mellan de båda riktningarna. De protoner som står med rotationsaxeln parallellt med magnetfältet har något lägre energi än de som står antiparallellt. Därför innehåller det stabila, mest sannolika systemet något fler protoner som står parallellt med fältet än antiparallellt – skillnaden är bara 3–4 protoner på 10 millioner protoner.

N N

a. S

S c.

Figur 9.24. Vissa atomkärnor, t.ex. 11H, har ett magnetiskt moment. a) Det magnetiska momentet uppkommer när atomkärnan ”spinner”, dvs. roterar. b) Den roterande atomkärnan kan liknas vid en magnet. c) I ett rum utan magnetfält är atomkärnorna slumpmässigt orienterade. d) I ett magnetiskt fält ställer något fler kärnmagneter in sig med rotationsaxeln parallellt med kraftlinjerna i fältet än antiparallellt.

196

Kemi B 09 172-201.indd 196

09-04-29 12.52.54

Man kan lyfta upp protoner från det parallella tillståndet till det antiparallella genom att tillföra energi i form av elektromagnetisk strålning. Men det är bara strålning med den rätta frekvensen, ν, som får protonen att slå över: ΔE = h · ν

Figur 9.25. Här roar sig två naturvetenskapliga giganter – den österrikiske fysikern Wolfgang Pauli t.v. och den danske fysikern Niels Bohr t.h. De betraktar ”tippe-topp-snurran”, en liten snurra som kan tippa över och snurra vidare på toppen, till synes i motsatt riktning. Fotot togs år 1954 i samband med invigningen av de nya institutionerna för fysik, matematisk fysik och matematik vid Lunds Universitet.

KAPITEL 9

Kemisk analys

där h är Plancks konstant.

I det här fallet ligger den lämpliga strålningen i våglängdsområdet 7,5–5,0 m, se figur 9.5 på s. 179. Men systemet ”strävar efter” det mest sannolika tillståndet. Eftersom det nu blivit alltför många antiparallella protoner, slår några av dem snabbt över till parallell spinnriktning så att jämvikten återställs. Då avges energi. Den sänds ut som strålning med frekvensen ν och det är denna resonansstrålning som man registrerar vid NMR-spektroskopi. ΔE-värdet beror också på elektrontätheten omkring protonen. Elektronerna skärmar av protonen från det yttre magnetfältet. Det försvagas omkring protonen så att det krävs mindre energi för att vända protonen. I figur 9.26 anger ΔE den energi som krävs för att vända en fri proton (helt utan elektroner). ΔEHx är motsvarande energi för en delvis avskärmad proton Hx i molekylen X. Ju bättre avskärmningen är, desto lägre blir ΔE. Vi har sett flera gånger att starkt elektronegativa atomer drar till sig elektroner från andra atomer. Därför beror protonens ΔE-värde också på vilka grannar protonen har i molekylen. Om någon av grannatomerna har hög elektronegativitet, så drar den delvis till sig elektronerna och minskar elektrontätheten omkring protonen. Då blir den mindre avskärmad från det yttre magnetfältet och ΔE-värdet minskar inte så kraftigt som i förra fallet. Avskärmningen leder alltså till att det krävs något mindre energi för att vända protonen. Protonen kan absorbera strålning med något lägre energi, dvs. lägre frekvens än den annars skulle ha gjort. Genom att bestämma avskärmningen kan man dra slutsatser om vilka atomer eller atomgrupper som finns intill protonen. Detta är grunden för NMR-spektroskopi.

Figur 9.26. Energiskillnaden för en proton med ett antiparallellt spinn respektive parallellt spinn ökar med magnetfältets styrka.

protonens energi

energi för en proton med antiparallellt spinn

$ETMS

Byttre anger det yttre magnetsfältets styrka (utan avskärmning). BH visar hur starkt magnetfältet är X hos protonen HX i en molekyl av det undersökta ämnet X. BTMS visar magnetfältets styrka hos den starkt avskärmade protonen HTMS i en molekyl av referensämnet TMS.

$EHX

energi för en proton med parallellt spinn

avskärmning för en proton i TMS avskärmning för protonen Hx BTMS

BHX

Byttre

magnetfältets styrka

När man tar upp ett NMR-spektrum för ett ämne för man in ett prov av ämnet i ett starkt magnetfält och bestrålar ämnet med radiovågor. Man skulle kunna hålla magnetfältet konstant och variera strålningens frekvens. 197

Kemi B 09 172-201.indd 197

09-04-29 12.52.54

Biomolekyler – byggstenar för levande materia

10.10. Ange antalet asymmetriska centra och antalet möjliga optiska isomerer för följande monosackarider: a) CH2OH-CHOH-CO-CH2OH b) CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO 10.11. Glukos kan verka reducerande. I varm, alkalisk lösning reducerar glukos Cu(II) till Cu(I) (Fehlings prov eller Trommers prov på reducerande sockerart). a) Vilken grupp i glukosmolekylen är det som då reagerar? b) Skriv formeln för reaktionen. I varm alkalisk miljö fälls Cu2+-joner ut som Cu(OH)2 och Cu+joner som Cu2O. 10.12. a) Den cykliska glukosmolekylen kan förekomma i två olika former. Vad kallas de båda molekylformerna? b)* Skriv deras strukturformler. 10.13. I vattenlösning finns glukos till nästan 100 % i form av cykliska molekyler. De verkar inte reducerande. Varför kan man ändå oxidera all glukos i lösningen? 10.14. Vilka monosackarider ingår som hexosrester i a) sackaros b) maltos c) cellobios? 10.15. a) Vad menas med en glykosidbindning? b) Vad menas med en 1,4-glykosidbindning? c) På vilket sätt skiljer sig en α-1,4-glykosidbindning från en β-1,4-glykosidbindning? d) Två av disackariderna i uppgift 10.14 har de bindningar som nämns i c. Vilken har α-1,4glykosidbindning och vilken har β-1,4-glykosidbindning? 10.16. Laktosmolekylens strukturformel är 6

HO 4

OH 3

* (H)OH

CH2OH

Gal

10.19. Ange namn, molekylformel och strukturformel för den monosackarid som ingår i nukleosider och nukleotider. 10.20. En fosfolipidmolekyl har bildats av glycerol som bildat ester med palmitinsyra, C15H31COOH, oljesyra, C17H33COOH, och fosforsyra till vilken också bundits etanolamin, HOCH2CH2NH2. a) Skriv formeln för fosfolipiden. b) Ange vilken del av fosfolipidmolekylen som är hydrofil respektive hydrofob. 10.21. a) Hur ska ett ämnes molekyler vara byggda för att ämnet ska bilda miceller i vatten? b) Redogör för hur micellerna bildas. 10.22. Ange i stora drag hur ett biologiskt membran är uppbyggt. 10.23. Vi har sett att till de biologiska membranerna kan knytas oligosackarider, som är bundna med en glykosidbinding till proteiner, s.k. glykoproteiner (se figur 10.23). Det finns också glykolipider där oligosackariden är bunden till en lipid. Ett exempel på en glykolipid är C15H29⫺CHOH⫺CH⫺CH2⫺O⫺C6H11O5

ⱍ

glukosresten

ⱍ

C⫽O

ⱍ

C15H31 Ange den del (eller de delar) av glykolipidmolekylen som är hydrofob respektive hydrofil.

CH2OH

10.18. a) Vilka är beståndsdelarna i en nukleosid? b) Vilken är skillnaden mellan en nukleosid och motsvarande nukleotid?

Glc

Molekylen består av en galaktosrest, Gal, och en glukosrest, Glc, som är förenade med en β-1,4-glykosid-bindning. Det skrivs förkortat Gal β-1,4-Glc. a) Gal och Glc kan bilda ännu en disackarid med β-1,4-bindning. Skriv formeln för denna disackarid (använd beteckningarna Gal och Glc). b) Redogör för de båda disackaridernas reducerande egenskaper.

10.24. Kombinera ett ämne i vänstra raden med rätt uppgift (namn och egenskap) i högra raden (ange t.ex. 1b, 3g osv.) 1) Glukos a) Glc–α–1,4–Glc 2) Fruktos b) Byggsten i cellmembran 3) Glykogen c) Kvävebas 4) Laktos d) Byggsten i lecitin 5) Glykol e) Druvsocker 6) Amylos f) Polysackarid i bl.a. levern 7) Fosfolipid g) Mjölksocker 8) Maltos h) 1,3,4,5,6-Pentahydroxi-2-hexanon 9) Kolin i) Tvåvärd alkohol 10) Adenin j) Komponent i stärkelse

10.17. a) Vilka är beståndsdelarna i fetter? b) Vad menas med ett fleromättat fett? c) Ange två av fettets viktiga uppgifter för en organism.

222

Kemi B 10 202-222.indd 222

09-04-29 12.54.48

Figur 11.1. Den här kokheta underjordiska källan finns i Rotorua i Nya Zeeland. Organismerna i vattnet tål temperaturer uppemot 100 ºC, och dessutom ett mycket lågt pH, neremot 2. Organismerna är arkéer. De skiljer sig från både bakterier och eukaryoter – arkéer är en tredje livsform. De utvinner ofta energi genom enkla oorganiska reaktioner. De här arkéerna oxiderar organiska ämnen med svavel (istället för syre) som elektronmottagare. Svavlet reduceras då till svavelväte.

223

Kemi B 11 223-232 NY.indd 223

KAPITEL 11

Ämnesomsättningen – biomolekyler i funktion Varje dag äter vi drygt ett kilo mat för att få energi och vara vid god hälsa. Maten innehåller normalt alla de näringsämnen vi behöver – en blandning av kolhydrater, fett, proteiner, vitaminer och spårämnen. Vi människor befinner oss längst upp i näringskedjan och därför kan vi ha en varierad kost. Längre ner i kedjan finns rena växtätare och längst ner växter och andra organismer som kan ta till vara energin i solljuset. Många livsformer har utvecklat ovanliga metoder för att utvinna energi och näringsämnen från omgivningen. Det verkar inte finnas några gränser för anpassningsförmåga och uppfinningsrikedom, se figur 11.1.

223

09-04-29 12.56.48

Proteiner – naturens universalmolekyler

Globulära proteiner är biologiskt aktiva I globulära proteiner är peptidkedjan veckad så att molekylen blir klotformig och kompakt.

Vi har sett att fiberproteinernas peptidkedjor antingen är spiralvridna eller utsträckta bredvid varandra så att de bildar flak. I de globulära proteinerna är kedjorna i stället starkt veckade så att molekylerna bildar mer eller mindre kompakta nystan. Molekylen får ett nästan klotformigt utseende, därav namnet globulära proteiner (lat. globulus = liten boll).

I vattenlösningar är proteinmolekylernas hydrofoba sidokedjor riktade mot molekylens inre. De hydrofila sidokedjorna är vända utåt mot vattenfasen.

Tabell 12.3. Några biologiskt aktiva proteiner.

Veckningen sker på ett speciellt sätt och är unik för varje protein. Den leder alltid till att nystanets inre får en hydrofob miljö. Där samlas aminosyrornas hydrofoba sidokedjor, dvs. kolvätekedjor och bensenringar som inte har några polära grupper. På utsidan finns huvudsakligen de hydrofila sidokedjorna, alltså kedjor som innehåller grupperna –OH, –COO−, –NH3+ och –CONH2, se figur 12.15. De flesta globulära proteiner är biologiskt aktiva och deltar på olika sätt i livsprocesserna, se tabell 12.3.

Namn

Funktion

Exempel

Transportproteiner

transporterar små molekyler

hemoglobin (transporterar syre), albumin (transporterar fettsyror m.m.)

Enzymer

katalyserar kemiska reaktioner

laktas (bryter ned laktos) och pepsin (bryter ned proteiner som finns i magsaften)

Hormoner

reglerar cellernas funktion

insulin (reglerar glukosupptag), hypofyshormoner (reglerar bl.a. tillväxt och sexuella funktioner)

Antikroppar

binder och oskadliggör kroppsfrämmande partiklar

gammaglobulin

Figur 12.15. Ett tvärsnitt av en molekyl av ett globulärt protein. Den hydrofoba insidan bildas av hydrofoba sidokedjor. Utsidan domineras av hydrofila sidokedjor, men där finns också hydrofoba grupper. I peptidbidningarna – som ju finns både på utsidan och insidan – ingår grupperna C=O och H–N som ger vätebindningar. Enzymer och transportproteiner kan binda andra molekyler. De har mer eller mindre djupa bindningsfickor som är väl anpassade till de molekyler som de binder. Enzymernas aktiva ytor är sådana bindningsfickor. Där sker t.ex. reaktioner som kräver hydrofob miljö.

De globulära proteinerna har fyra strukturnivåer

För att förstå hur ett globulärt protein fungerar måste man veta exakt hur det ser ut, hur peptidkedjan veckar ihop sig och hur aminosyrornas sidokedjor orienteras i rymden. Vi har sett att en peptid har en bestämd aminosyrasekvens. Den sägs vara proteinets primära struktur. Delar av peptidkedjan bildar spiraler eller veckar ihop sig så att det bildas α-helixar och β-flak. Det är proteinets sekundärstruktur. Hela molekylen ordnar sig sedan till en bestämd rymdstruktur, den tertiära strukturen. Vissa proteiner består av molekyler som innehåller flera peptidkedjor. De bildar underenheter i molekylen och ordnas på ett bestämt sätt. Det kallas 270

Kemi B 12 256-279.indd 270

09-04-29 10.54.55

proteinets kvartära struktur. Hemoglobinmolekylen, t.ex., består av fyra underenheter som är parvis lika.

KAPITEL 12

Proteiner – naturens universalmolekyler

De fyra strukturnivåerna hos proteiner sammanfattas i figur 12.16. Motsvarande nivåer finns hos många andra biologiska makromolekyler. Rymdstrukturen för ett protein kan bestämmas genom röntgenkristallografi, se Utblick 12.3. N-terminal 1 PHE 2 VAL 3 ASN

hemgrupp Primär struktur

Sekundär struktur

Tertiär struktur

Kvartär struktur

Figur 12.16. De globulära proteinernas fyra strukturnivåer. 1. Primärstrukturen anger aminosyrasekvensen, dvs. följden av aminosyror i peptidkedjan. Peptidkedja B i insulinmolekylen börjar med aminosyran Phe (N-terminalen) och slutar med aminosyran Ala (C-terminalen). 2. Sekundärstrukturen anger delar där peptidkedjan är spiralformad eller veckad på ett bestämt sätt. Strukturerna hålls ihop av vätebindningar. Figuren visar α-helix. 3. Tertiärstrukturen beskriver hela peptidkedjans 3-D form, t.ex. hur sekundärstrukturerna (och övriga strukturer) är orienterade i rymden. 4. Kvartärstrukturen anger hur en mer komplicerad proteinmolekyl är uppbyggd av flera underenheter. Dessa hålls oftast samman av svaga bindningar, men ibland kan det också ingå starka bindningar. Hemoglobin består av fyra underenheter, fyra peptidkedjor, som hålls samman av svaga bindningar, huvudsakligen hydrofob effekt.

Svaga kemiska bindningar håller samman proteinmolekylen Det är oftast svaga bindningar som stabiliserar proteinernas rymdstruktur.

Svaga kemiska bindningar spelar en mycket viktig roll i cellens kemi. De svaga bindningarna håller samman biologiska strukturer av alla slag. Hos globulära proteiner stabiliseras de sekundära, tertiära och kvartära strukturerna av svaga bindningar som lätt kan brytas och lätt bildas. Det är tack vare att bindningarna är så svaga som de biologiska processerna kan ske. De viktigaste svaga bindningstyperna är vätebindning, attraktion mellan positivt och negativt laddade grupper (ett slags jonbindning), dipoldipolbindning, van der Waalsbindning och hydrofob effekt (s. 220). Den hydrofoba effekten spelar särskilt stor roll när det gäller att stabilisera de globulära proteinernas molekyler. Den gör att aminosyrornas hydrofoba sidokedjor till stora delar göms i molekylernas inre. Många proteinstrukturer stabiliseras också av kovalenta disulfidbryggor, se figur 12.17. De svaga bindningarnas styrka är bara några procent av styrkan hos den kovalenta bindningen, se figur 12.18. 271

Kemi B 12 256-279.indd 271

09-04-29 10.54.56

Svar till övningsuppgifterna

2.10. a) Aktiveringsenergin är den (minsta) energi utöver medelenergin som de kolliderande partiklarna måste ha tillsammans för att en reaktion ska kunna ske. b) Ju högre aktiveringsenergi desto lägre är reaktionshastigheten och ju lägre aktiveringsenergin är, desto högre är reaktionshastigheten.

3.3.

[O2 ] · [NO2 ]4

[N 2O5 ]2

Enheter:

(mol ⋅ dm −3 ) ⋅ (mol ⋅ dm −3 )

2.11. a) Q b) P c) R d) endoterm (systemets entalpi ökar) 2.12. Ämne D bildas i störst mängd eftersom aktiveringsenergin är lägre för reaktionen A + B → D än för reaktionen A + B → C. Det är alltså fler partiklar som har tillräckligt hög energi för att bilda det aktiverade komplexet Y än komplexet X.

[CO2 ] · [NO] =K [CO] · [NO2 ]

(mol ⋅ dm −3 ) ⋅ (mol ⋅ dm −3 )

K saknar enhet (har endast ett mätetal) b)

(mol ⋅ dm −3 ) ⋅ (mol ⋅ dm −3 )4 = (mol · dm–3)3 (mol ⋅ dm −3 )2

3.4.

a) [NO]2 · [O2] / [NO2]2 = K b) [H2O]2 · [Cl2]2 / [HCl]4 · [O2] = K

3.5.

2,1 · 105 Om formeln för ett jämviktssystem som har jämviktskonstanten K, skrivs i motsatt riktning blir jämviktskonstanten = 1 / K. Här blir den nya konstanten K = 1 / 4,8 · 10–6 = 2,1 · 105.

2.13. Koncentrationen hade varit dubbelt så stor för både CO och NO2. Eftersom reaktionshastigheten är proportionell mot båda ämnenas koncentration hade reaktionshastigheten fyrdubblats. Kvävemonoxiden skulle ha bildats med hastigheten 4x mol/s. Exempel 1: [CO] = a/V och [NO2] = b/V. Då är v = k · [CO] · [NO2] = k · a/V · b/V = kab/V 2 = x mol/s Exempel 2: [CO] = a/(V/2) = 2a/V och [NO2] = 2b/V ger v = k · [CO] · [NO2] = k · 2a/V · 2b/V = 4kab/V 2 = = 4x mol/s

3.6. 3.7.

a) [N2O4] = 0,040 mol · dm–3 och [NO2] = = 0,120 mol · dm–3 b) 0,36 mol · dm–3 K = [NO2]2 / [N2O4] = = (0,120 mol · dm–3)2 / (0,040 mol · dm–3)

2.14. a) Reaktionsmekanismen anger den verkliga reaktionsvägen för en reaktion. Den visar alltså de olika reaktionsstegen med alla mellanprodukter.

3.8.

K = 54 (endast två siffrors noggrannhet) K = [HI]2 / [H2] · [I2] Experimenten gav följande värden: 1. K = 54,70 2. 54,71 3. 53,58 4. 54,42 Medelvärde 54,4 (från 53,6 till 54,7).

3.9.

K ≈ 0,26 (mol/dm3)–2 Jämviktsekvationen ger jämviktskonstanten [NH3]2 (0,012 mol/dm3)2 –––––––––– = K ⇒ ––––––––––––––––––––––––––––––– = K 3 (0,070 mol/dm3) · (0,20 mol/dm3)3 [N2] · [H2] K = 0,257 (mol/dm3)–2 ≈ 0,26 (mol/dm3)–2

b) Nej, formeln anger säkerligen inte reaktionsmekanismen. Sannolikheten är oerhört liten för att en kvävemolekyl och tre vätemolekyler ska kollidera samtidigt med tillräckligt hög energi och med rätta inbördes lägen. 2.15. a) A

b) E

c) C

2.16. c är felaktig (ΔH = –268 kJ gäller för ½ mol H2).

Kapitel 3 3.1. 3.2

⎯→ CO (g) + NO(g) a) CO(g) + NO2(g) ←⎯ 2 ⎯→ O (g) + 4NO (g) b) 2N2O5(g) ←⎯ 2 2

a) SO2- och O2-molekyler kolliderar mycket ofta med varandra. En del av kollisionerna leder till bildning av SO3-molekyler. ⎯→ 2SO 2SO2 + O2 ←⎯ 3 I början är hastigheten för reaktionen åt höger relativt hög, medan reaktionen åt vänster går sakta. Efterhand minskar koncentrationerna av SO2 och O2. Det medför att reaktionshastigheten åt höger avtar. Koncentrationen av SO3 ökar däremot och därför går reaktionen åt vänster allt snabbare. Så småningom får de båda reaktionerna samma hastighet. Då bildas det lika många SO3-molekyler per tidsenhet som det faller sönder SO3-molekyler. Koncentrationen ändras inte för något ämne. Systemet är i jämvikt. b) Det sker fortfarande reaktioner i systemet men reaktionerna åt höger och åt vänster går lika fort. Alla koncentrationer är konstanta.

324

Kemi B facit 322–342.indd 324

[C]r ⋅ [D]s [A] p ⋅ [B]q

3.10. K ≈ 0,059 mol/dm3 ⎯→ ←⎯

PCl5

PCl3

Cl2

Substansmängd vid jämv.

5,00 208,5

13,8 137,5

2,98 71,0

mol

2,98 71,0 ⋅ 3,0

mol/dm3

Koncentration vid jämv.

5,00 208,5 ⋅ 3,0

13,8 137,5 ⋅ 3,0

Jämviktsekvationen är [PCl3 ] ⋅ [Cl2 ] =K ⇒ [PCl5 ] ⇒

13,8 ⋅ 2,98 ⋅ 208,5 ⋅ 3,0 mol/dm 3 ⋅ mol/dm 3 =K 137,5 ⋅ 3,0 ⋅ 71,0 ⋅ 3,0 ⋅ 5,00 mol/dm 3

K = 0,0586 mol/dm3 3.11. K = 60 (mol/dm3) –1 Behållarens volym är 0,40 dm3. ⎯→ 2SO 2SO2 + O2 ←⎯ 3 n vid jämv. 0,040 c vid jämv. 0,10

0,060 0,15

0,12 0,30

mol mol/dm3

Jämviktskonstanten K = [SO3]2 / [SO2]2 · [O2] = = (0,30 mol/dm3)2 / (0,10 mol/dm3)2 · (0,15 mol/dm3) = = 60 (mol/dm3) –1

09-04-29 11.22.09

Bildförteckning

BILDFÖRTECKNING Teckningar Emma Adbåge symbol för elevfrågor Bånges Grafiska Form AB strukturformler, diagram och spektrum i allmänhet samt 4.10, 5.2, 7.4, 11.3, 11.10, 11.11, 11.12, 11.13, 11.19, 11.20, 12.9, 12.10, 12.17, 12.18 Tobias Flygar miljömål sidan 302 Susanne Fredelius 1.3, 9.22, 9.24 Karl Jilg 11.2, 11.22, 12.26, 13.14 Cicci Lorentzson 2.15, 5.7, 6.3, 6.4, 9.15, 10.18, 10.20, 11.15, 11.23, 12.12, 12.14, 12.19, 12.22, 12.23, 12.25 b, 13.11, 14.9, 14.14 Jan-Olof Sandgren 1.4, 1.5, 1.8, 2.5, 2.8, 3.3, 3.8, 3.10, 4.11, 5.10, 5.13, 6.5, 6.6, 6.8, 6.10, 6.11, 7.12, 7.19, 9.4, 9.5, 9.7, 9.8, 9.11, 9.12, 9.13, 9.17, 9.18, 9.19, 9.20, 10.3, 10.21, 10.22, 11.25, 12.5, 12.6 a, 12.8, 12.15, 12.20 b, 12.20 c, 13.7, 13.12, 13.15, 13.16, 13.18, 13.21 Per Werner Schulze 1.6, 4.7, 7.21, 8.3, 10.5 samt några molekylmodeller i marginalen Ola Svahn 2.9, 2.10, 2.12, 2.13, 2.14, 2.16, 3.11, 7.3, 12.4, 12.16 Fotografier AJPhoto/Photo Researchers/IBL 146(2) AstraZeneca 157 Baar Helmut/Ina Agency Press 146(1) Barrington Brown/SPL/IBL 285(1) Billeson Göran/Scanpix 172(2) Biophoto Ass/Photo Researchers/IBL 85(2) Boliden AB 86 Brenckle E/Explorer/IBL 296 Bustamante Fernando/AP/Scanpix 315(2) Bäckström Kent/Myra Bildarkiv 248 Charisius Christian/Reuters/Scanpix 243 Chevrolet Equinox 101 Courteau Christophe/Phone/Biosphoto 11 Damika O/Mediscan 60 Degginger E R/PhotoResearchers/IBL 81 Denis-Huot Michel/Jacana/Hoaqui/IBL 202(1) Denker Kenneth 209 Dimijian Greg/Photo Researchers/IBL 89 Dyballa Peter/Myra Bildarkiv 214(1) Ekströmer Jonas/Scanpix 13 Ericson Bertil/Scanpix 321 Eye Of Science/SPL/IBL 202(2)

Farnsworth Alexander/Scanpix 312 Fawcett Don W/Photo Researchers/IBL 278 Gellie Yves/Jacana/Hoaqui/IBL 268 Good Anders/IBL 141 Grahn Jan/N-Naturfotograferna 216 Grenthe Ingemar/KTH 90 Gschmeissner Steve/SPL/IBL 139(2) Gumm Monica/White Star/Ina Agency Press 61 Gustoimages/SPL/IBL 208(1) Hafsteinsson Atli Mar/NordicPhotos 31 Hagman Tore/N-Naturfotograferna 214(2) Halling Sven/Naturbild/Johnér 127 Harris Paul/OnAsia 256 Hay Jones David/SPL/IBL 1 Henriksson Thomas/Scanpix 129, 305 Jahreszeiten Verlag/Take/Ina Agency Press 57 Joelsson Svante/Myra Bildarkiv 260 Kato Issei/Reuters/Scanpix 12 Kerék Daniel/age fotostock/IBL 223(1) Kessler Vincent/Reuters/Scanpix 317 Kustbevakningen/Scanpix 253 Le Tourneur Cyril/Explorer/Hoa-Qui/IBL 78 Leka Stillfilm/Leif Karlsson 17, 46, 62, 68, 92, 96, 182, 187, 210 Lindskog Hans-Ebbe/Myra Bildarkiv 143(2) Lundahl Per/Institutionen för biokemi, Uppsala universitet 263 Lutha Jorma/NPL/IBL 143(1) Manin Richard/Anzenberger/Ina Agency Press 85(1) Margrethe Bohr Collection/American Institute of Physics/SPL/IBL 197 Mary Evans Picture Library 2 Maslennikov André 313(2) Maximilian Stock/Ina Agency Press 139(1) Maywald Armin/Foto Natura/Minden/ NordicPhotos 257 Mikrut Jack/Scanpix 313(1) Murti Gopal, Dr/SPL/IBL 280, 285(2) NASA 173 Natureproduction/NPL/IBL 229(2) Nobelstiftelsen 84 Noriaki Sasaki/Afp/Scanpix 229(1), omslag Norrå Dan/Scanpix 175 Olsson Lennart 14(2) Palm Ulf/Scanpix 241 Pasieka Alfred/SPL/IBL 223(2)

Phillips David/Photo Researchers/IBL 269 PhotoAlto 01 149 Rex Features/IBL 219 RF Company/Ina Agency Press 52 Roy Philippe/Hoa-Qui/IBL 131 Schmid Dorothea/Gruppe28/Ina Agency Press 116 Science Photo Library/IBL 288(2) Skatt Uno/Institutionen för biokemi, Uppsala universitet 208(2) SKB 80 Soqui Ted/Corbis Sygma/Scanpix 160 Sorrentino Pasquale/LookatSciences 308 Stadener Sam/Scanpix 306(1) Sullivan Justin/Staff/GettyImages 100 Svahn Ola 118 Söderpalm-Berndes Cecilia 109 TA Foto/Scandex AS 309 Tek Image/SPL/IBL 288(1) Tompkinson Geoff/SPL/IBL 189 Treal-Ruiz/Gamma/IBL 87 Trons/Scanpix 303 University of Arizona/JPL/Nasa 203 Walker Douglas E/Masterfile/Scanpix 30 Vallas Hannu/Lehtikuva/Scanpix 301 Watson M/Ardea/All Over Press 315(1) Wave Royalty Free/Megapix 180 Weigel Armin/Dpa/Scanpix 291 Westberg Ture/Tiofoto 213 White Kimberly/Reuters/Scanpix 311 Winter Mark J, Dr/SPL/IBL 306(2) Winters Charles D/PhotoResearchers/IBL 53 Zou Xiaodong 27

Bilder från RCSB Protein Data Bank 2.7; PDB ID: 1CA2; Eriksson, A.E., Jones, T.A., Liljas, A. (1988) Refined structure of human carbonic anhydrase II at 2.0 A resolution. Proteins 4: 274-282 11.24; PDB ID: 1RCX; Taylor, T.C., Andersson, I. (1997) The structure of the complex between rubisco and its natural substrate ribulose 1,5-bisphosphate. J.Mol.Biol. 265: 432-444 12.20 a; PDB ID: 148L; Kuroki, R., Weaver, L.H., Matthews, B.W. (1993) A covalent enzyme-substrate intermediate with saccharide distortion in a mutant T4 lysozyme. Science 262: 2030-2033

348

Kemi B Register343-348.indd 348

09-04-29 11.35.23

GYMNASIE

Gymnasiekemi ger en utmärkt grund för dem som vill studera vidare på universitet och högskola. Målgruppen är elever på gymnasiet, komvux och basårsutbildningar. Serien omfattar

GYMNASIE

Lärarhandledningarna innehåller kommentarer till kapitlen, laborationer, demonstrationsexperiment och förlagor till overheadbilder.

TULLBERG

S VA H N

Studiehandledningarna Gymnasiekemi A och B Online på www.liber.se/gymnasiekemi

SONESSON

Lärarhandledning till Gymnasiekemi A Lärarhandledning till Gymnasiekemi B

ANDERSSON

RY D É N

GYMNASIE

ANDERSSON

SONESSON

S VA H N

TULLBERG

RY D É N

LIBER

Andersson omslag B_Igen .indd 1

10-03-04 01.20.33