Faktabok • inledande diskussionssida till varje kapitel • bas- och läs mer-del i varje kapitel för ökad individualisering • kontinuerligt återkommande testa dig- och tänk ut-frågor • ordlista med förklaringar av viktiga begrepp Lärarhandledning • kopieringsunderlag till arbetshäften med mål, laborationer och arbetsuppgifter • kommentarer och anvisningar till arbetshäftena • stöd till faktabokens diskussionssidor • svar och kommentarer till faktabokens frågor
GÖRAN STERNING
TITANO-serien består av faktaböcker i biologi, fysik och kemi för grundskolans år 6/79 samt kompletterande lärarpärmar.
TITANO kemi
TITANO-serien
kemi göran sterning
Välkommen till TitaNO Kemi Till läsaren: Kemi handlar om de ämnen du själv och allt omkring dig är upp byggt av. Genom att framställa och använda ämnen har människan förbättrat sina levnadsvillkor på jorden. Tyvärr används också ämnen och jordens resurser på sätt som är skadligt för människor och miljön. Med hjälp av kunskaper i kemi kan vi förstå vad som är bra och hälsosamt för oss själva, och för allt annat levande på jorden. Varje kapitel i boken är uppdelat i en basdel och en läs mer-del. Basdelen hjälper dig att upptäcka och förstå grunderna inom kemins olika områden. I läs mer-delen får du chans att fördjupa dig. I varje kapitel finns frågor. Med hjälp av Testa dig kan du kontrollera om du har förstått texten. Tänk ut-frågorna visar bl.a. om du kan koppla ihop olika delar som du har lärt dig. I slutet av boken finns en praktisk ordlista med kemiska begrepp. Till lärare: Min förhoppning är att den här boken ska bli ett verktyg som hjälper fler elever att nå målen i kemi. Samtidigt ska boken ge utmaning och stimulans för dem som kan och vill nå längre. Strukturen gör det lättare för såväl elever som lärare, att välja en svårighetsgrad som är anpassad till individer och grupper. I bokens basdelar finns grundläggande och allmänbildande kemi. Förutom de grundläggande begreppen finns många kopplingar till vardagen och aktuella debatter. Vi behöver alla vara insatta i frågor som rör hälsa, miljö och klimat. Bokens Läs-mer-delar kan ses som ett smörgåsbord där elever och lärare kan välja olika delar. En sådan del kan vara en direkt fördjup ning till ett avsnitt i basdelen. Alla delar i ”Läs Mer” är inte svårare än basdelen. Vissa vidgar perspektiven genom utflykter i tid och rum. Syftet med dem är också att fascinera, förundra och göra kemi till det spännande ämne det är. Malmö februari 2009 Göran Sterning
INNEHÅLL Vad är kemi..........................................................................................................................................7
Det mesta är blandningar.............................................................. 51
Ämnena omkring oss .............................................................................................................. 8 Man lär sig kemi genom experiment................................................. 11 Vid experiment är säkerheten viktig!.............................................. 12 Hur känner man igen ämnen?......................................................................... 14 Andra egenskaper hos ämnen....................................................................... 17
Rena ämnen och blandningar.......................................................................... 52 Slamning — blandning med bitar i.......................................................... 53 Emulsion — slamning av flytande ämnen............................. 53 I en lösning är partiklarna jämnt fördelade........................ 54 Blandningar kan delas upp..................................................................................... 57
Läs mer Materialen som byggde vår civilisation...................................... 20 Bränd lera — vårt första kemiska material........................... 20 Metaller.............................................................................................................................................................. 21 Tyger gav oss bättre kläder ............................................................................... 23 Papper bevarade och spred kunskap............................................... 24 Plaståldern.................................................................................................................................................. 25 Sammanfattning ............................................................................................................... 26
Läs mer Lösta ämnen ändrar fryspunkt och kokpunkt............. 60 Kromatografi kan skilja ut ämnen........................................................... 61 Den fantastiska mjölken.............................................................................................. 62 Sammanfattning................................................................................................................. 64
Ämnenas små beståndsdelar............................................ 27 Allt är uppbyggt av atomer................................................................................... 28 Grundämnen........................................................................................................................................... 29 Kemiska föreningar.................................................................................................................. 33 Läs mer Jakten på de minsta byggstenarna...................................................... 35 Alkemister försökte göra guld........................................................................ 36 Världens svåraste pussel?....................................................................................... 37 Sammanfattning................................................................................................................. 38
Fast, flytande och gas.............................................................................. 39 Värme är atomers och molekylers rörelse............................ 40 Fast, flytande eller gas................................................................................................... 41 Läs mer Om en skolklass vore ett kemiskt ämne................................... 44 Koldioxid hoppar över flytande form............................................... 46 Några ämnen med låg och hög smältpunkt..................... 48 Sammanfattning................................................................................................................. 50
4
Innehåll
Kemiska reaktioner........................................................................................... 65 Ämnen kan förändras......................................................................................................... 66 Förbränning är kemiska reaktioner med syre................ 68 Kemiska reaktioner kan avslöja ämnen...................................... 70 Reaktioner mellan metaller och syre............................................... 74 Läs mer Reaktioner med svavel.................................................................................................... 78 Reaktionsformler......................................................................................................................... 81 Sammanfattning ............................................................................................................... 83
Eld och brand.......................................................................................................................... 85 Eld................................................................................................................................................................................... 86 Bränsle................................................................................................................................................................. 86 Syre............................................................................................................................................................................. 89 Värme..................................................................................................................................................................... 91 Brand....................................................................................................................................................................... 92 Läs mer Elden gav människan ett övertag.......................................................... 95 Brandsläckare..................................................................................................................................100 Sammanfattning............................................................................................................102
Surt och basiskt...................................................................................................... 103
Kol och kolföreningar............................................................................ 159
Motsatsen till surt heter basiskt..........................................................104 Indikatorer avslöjar surt och basiskt............................................105 pH visar hur surt eller basiskt.....................................................................106 Syror ger sur smak................................................................................................................107 Starka syror..........................................................................................................................................109 Baser gör rent och motverkar surt..................................................112
Rent kol ........................................................................................................................................................160 De flesta ämnen innehåller kol................................................................162 Kolväten.......................................................................................................................................................164 Fossila bränslen innehåller kolväten............................................167 Kol..............................................................................................................................................................................168 Olja...........................................................................................................................................................................170 Naturgas.....................................................................................................................................................173 Mättade och omättade kolväten.........................................................175 Alkoholer....................................................................................................................................................177 Organiska syror............................................................................................................................181 Estrar..................................................................................................................................................................183
Läs mer Surt och basiskt beror på joner...............................................................115 Baser bildar hydroxidjoner..................................................................................119 Baser tar upp vätejoner...........................................................................................120 Vätekarbonat motverkar pH-förändringar.....................121 Syror löser metaller............................................................................................................123 Världens starkaste syra............................................................................................125 Sammanfattning............................................................................................................126
Vår livsmiljö.......................................................................................................................... 127 Den blå planeten......................................................................................................................128 Kol och syre i ett kretslopp................................................................................130 Försurning..............................................................................................................................................131 Metaller förorenar naturen...............................................................................135 Övergödning drabbar våra vatten.....................................................138 Klimatet förändras................................................................................................................142 Ozon – en gas på gott och ont..................................................................147 Läs mer Vatten — som gjort för liv...................................................................................150 Livsmiljön i solsystemet..........................................................................................153 Sammanfattning............................................................................................................157
Läs mer Rent kol – framtidens supermaterial?........................................185 Kiselvarelser – finns de?...........................................................................................187 Biobränslen...........................................................................................................................................190 Metanolförgiftning.............................................................................................................196 Konserverat gräs......................................................................................................................198 Molekylbygget..............................................................................................................................200 Sammanfattning............................................................................................................201
Ämnena i maten..................................................................................................... 203 All mat innehåller solenergi.............................................................................204 Kolhydrater............................................................................................................................................205 Fetter................................................................................................................................................................211 Proteiner.....................................................................................................................................................214 Mineralämnen.................................................................................................................................216 Vitaminer..................................................................................................................................................217 Läs mer Snabba och långsamma kolhydrater ..........................................218 GI – glykemiskt index.......................................................................................................220 Växterna ger oss material..................................................................................222 Ost – en form av koncentrerad mjölk..........................................224 Sammanfattning............................................................................................................226
Innehåll
5
Atomer och det periodiska systemet.227
Metaller och metallframställning................... 283
Ämnens egenskaper beror på atomerna...........................228 Periodiska systemet.........................................................................................................231 Grundämnesfamiljer.........................................................................................................233
Metaller och metallframställning........................................................284 Ädla metaller.....................................................................................................................................286 Bly och tenn........................................................................................................................................288 Järn och stål.........................................................................................................................................289 Lättmetaller........................................................................................................................................290
Läs mer Kemisk bindning.........................................................................................................................236 Räkna med atomer..............................................................................................................243 Materians mysterier..........................................................................................................246 Sammanfattning............................................................................................................250
Salter.......................................................................................................................................................... 251 Salter består av joner....................................................................................................252 Salter kan framställas av syror.................................................................255 Klorider...........................................................................................................................................................258 Nitrater...........................................................................................................................................................259 Sulfater.........................................................................................................................................................260 Karbonater.............................................................................................................................................261 Läs mer Kemiskt detektivarbete............................................................................................262 Glas tillverkas av sand och salter........................................................264 Sammanfattning............................................................................................................266
Elektrokemi........................................................................................................................... 267 Oädla och ädla metaller............................................................................................268 Batterier och galvaniska element.....................................................270 Galvaniska element förstör metaller..........................................274 Elektrolys..................................................................................................................................................275 Metaller skyddas av metaller.......................................................................276 Elektrolys av natriumklorid. ..............................................................................277 Läs mer Bilbatterier går att ladda upp......................................................................278 Andra uppladdningsbara batterier...................................................279 Batterier och miljön...........................................................................................................280 Aluminium har starkt oxidskikt................................................................281 Sammanfattning ..........................................................................................................282
6
Innehåll
Läs mer Från malm till metall.........................................................................................................292 Framställning av stål.......................................................................................................293 Framställning av koppar..........................................................................................295 Framställning av aluminium............................................................................296 Metaller och miljön..............................................................................................................297 Sammanfattning ..........................................................................................................298
Ordlista...........................................................................................................................................................299 Register........................................................................................................................................................306 Bildförteckning............................................................................................................................311 Tabeller..........................................................................................................................................................314 Det periodiska systemet........................................................................................316
Ämnenas små beståndsdelar Fundera Vad är det minsta som finns?
ALLT ÄR UPPBYGGT AV ATOMER Du och alla ämnen runt omkring dig är uppbyggda av mycket små byggstenar. Dessa byggstenar kallas atomer. Oftast är atomer bundna till andra atomer. Om du lär dig hur atomer är uppbyggda och hur de binds till varandra, kommer du att förstå varför ämnen har olika egenskaper och hur de påverkar oss. Atomer är mycket små
Ett enda litet sandkorn består av många miljarder atomer.
Med hjälp av avancerade mikroskop kan man se atomer. På den här bilden syns strontiumatomer som suddiga kulor.
Olika sorters atomer är olika stora. Gemensamt för alla atomer är att de är ofattbart små. Det behövs ca. 10 miljoner atomer efter varandra för att raden ska bli en enda millimeter. Vi skulle ändå inte kunna se raden eftersom den skulle vara alldeles för tunn. Ett knappt synligt sandkorn består av många miljarder atomer. Länge trodde man att atomer är så små, att det inte ens skulle vara möjligt att se dem i ett mikroskop. Idag finns det avancerade elektronmikroskop som kan visa suddiga bilder av atomer. Molekyler är atomer som sitter ihop
I en molekyl är två eller flera atomer bundna till varandra. Många molekyler består av två atomer, men det finns också molekyler där flera miljarder atomer sitter ihop. Kulor beskriver molekyler
Kulor och pinnar kan användas för att beskriva molekyler. Den här molekylmodellen föreställer en sockermolekyl. Varje kula föreställer en atom.
28
Ämnenas små beståndsdelar
När molekyler ska beskrivas används ofta kulor. De förställer atomer. De vanligaste atomsorterna har en bestämd färg. Atomerna har inte dessa färger på riktigt, men färgerna visar vilka atomer kulorna föreställer. Genom att sätta ihop kulor bygger man modeller av molekyler.
GRUNDÄMNEN Ämnen som bara innehåller en sorts atomer kallas för grundämnen. Det finns lite mer än 100 olika och här följer några exempel.
En kolatom skrivs C
Kol består av kolatomer
I allt levande finns kolatomer. All mat har sitt ursprung från något levande och innehåller därför kolatomer. Om du rostar bröd för länge eller om något bränns vid i stekpannan blir det helt svart. Värmen har då sönderdelat ämnena i maten så att kol blir synligt. Eftersom kol bara består av en sorts atomer är kol ett grundämne. Istället för att skriva ett grundämnes namn kan man skriva ämnets kemiska tecken. Ett kemiskt tecken är en förkortning på grundämnets latinska namn. Dessa tecken används i hela världen. Kolatomen har fått det kemiska tecknet C eftersom kol heter carbo på latin. När man skriver 2C menar man två kolatomer och 3C betyder tre kolatomer osv. Järn består av järnatomer
Två kolatomer skrivs 2C
Tre kolatomer skrivs 3C
Hur tror du att fyra järnatomer skrivs med kemiska tecken?
Järn är den metall vi använder mest. Bilar, cyklar, verktyg och spikar brukar innehålla mycket järn. Eftersom järn bara består av en sorts atomer är även järn ett grundämne. Järnatomen har fått det kemiska tecknet Fe från det latinska namnet ferrum. testa dig 2.1 Vad heter de små byggstenar som bygger upp alla ämnen? 2.2 Vad består en molekyl av? 2.3 Hur många sorters atomer innehåller molekylmodellen? 2.4 Vad krävs för att ett ämne skall vara ett grundämne? 2.5 Ungefär hur många atomsorter och grundämnen finns det?
tänk ut 2.6 All mat innehål ler kolatomer. Ge exempel på några ämnen, som inte är mat, som du tror innehåller kol atomer. Varför tror du dessa ämnen innehåller kol?
Hur mycket järn tror du krävdes till Eiffeltornet?
Ämnenas små beståndsdelar
29
Luft innehåller syre
En syreatom skrivs O
Luft är en blandning av olika gaser. Blandningen innehåller bl.a. syre. Du andas luft för att du behöver syre. Utan syre kan inte maten du äter omvandlas till energi. Energi som din kropp behöver för att du ska kunna tänka, för att ditt hjärta ska slå m.m. Om det inte fanns syre i luften skulle du kvävas. Syre krävs också för att något skall kunna brinna. Det är tack vare växternas fotosyntes som det finns syre i luften. Syret i luften består av syremolekyler
En syremolekyl skrivs O2
Två syremolekyler skrivs 2O2
Tre syremolekyler skrivs 3O2
Syreatomer vill gärna binda sig till andra atomer. I luften är syre atomerna bundna till varandra två och två. Dessa par kallas där för syremolekyler. Även om syremolekylen består av två atomer innehåller den bara en atomsort. Syre är alltså ett grundämne. Syreatomen har fått det kemiska tecknet O av latinets oxygenium. Ordet oxygen kan man känna igen från engelskans namn för syre. Även på svenska används ibland ordet oxygen istället för syre. Det går också att använda kemiska tecken för att beskriva atomer som sitter ihop. Då skriver man en kemisk formel. Den kemiska formeln för en syremolekyl är O2. Tvåan nedanför syrets kemiska tecken O visar att syreatomerna är bundna till varandra. Om de två syreatomerna inte varit bundna till varan dra hade man skrivit 2O.
Med hjälp av syrgastuber kan vi andas under vatten.
Väteatomen är den vanligaste atomen i universum!
Ungefär 90 % av alla atomer i universum är väteatomer. Solen och stjärnorna består till största delen av väte. Av alla atomsorter är väteatomen enklast uppbyggd. Väte är dessutom det lättaste av alla ämnen. Väteatomer vill liksom syreatomer gärna binda sig till andra atomer och bilda molekyler. De väteatomer som finns på jorden är bundna till andra atomer. Eftersom vätgas är en mycket lätt gas användes den till att fylla de första luftballongerna. Det innebar dock stora risker för ballongfararna. Vätgas är mycket explosivt och en enda liten gnista kan räcka för att gasen ska antändas. Vätgas finns inte i luften men den är lätt att framställa. Vätgas består av molekyler där väteatomerna sitter två och två. Väteatomen har det kemiska tecknet H efter hydrogen på latin. En vätemolekyl skrivs H2.
Nästan 90 % av alla atomer i universum är väteatomer. Solen och alla stjärnor består till största delen av väte.
En vätemolekyl skrivs H2
Två vätemolekyler skrivs 2H2
Ämnenas små beståndsdelar
31
Metaller och icke-metaller
Guld har en gulaktig metallglans.
Några vanliga grundämnen och deras kemiska tecken Metaller
Icke-metaller
Aluminium
Al
Helium
He
Guld
Au
Kisel
Si
Järn
Fe
Klor
Cl
Koppar
Cu
Kol
C
Magnesium
Mg
Kväve
N
Natrium
Na
Svavel
S
Silver
Ag
Syre
O
Zink
Zn
Väte
H
Grundämnena brukar delas in i två huvudgrupper. De flesta grundämnen är metaller och de utgör den ena gruppen. De grundämnen som inte är metaller utgör den andra gruppen. Denna grupp kallas för ickemetaller. Metaller känns igen på att de glänser. Ibland behöver metallen putsas för att glänsa. Oftast är glansen silverfärgad men glansen kan också vara gulaktig som guldglans eller rödaktig som kopparglans. Metaller leder både elektricitet och värme bra. Alla grundämnen finns samlade och sorterade i det periodiska systemet. På sidan 316 hittar du det periodiska systemet. Där kan du se att metallerna är markerade med grå bakgrund medan ickemetallerna har fått blå bakgrund. Alla ickemetaller utom en finns till höger i det periodiska systemet.
testa dig
tänk ut
2.7 Vilken gas måste vi andas in för att inte kvävas?
2.13 Kväveatomerna i luften sitter bundna till varandra i par. Skriv fem kvävemolekyler med kemiska tecken.
2.8 Vad är skillnaden mellan att skriva 2O och O2? 2.9 Vilket grundämne består solen till största delen av? 2.10 Skriv tre vätemolekyler med kemiska tecken. 2.11 Hur känner man igen en metall? 2.12 Vad heter den ickemetall som finns på vänster sida i det periodiska systemet?
32
Ämnenas små beståndsdelar
2.14 Varför innehåller inte luften vi andas någon vätgas? 2.15 Vilket ämne är orsaken till att vissa metaller förlorar sin metallglans?
KEMISKA FÖRENINGAR De flesta ämnen består av två eller flera sorters atomer som är bundna till varandra. Sådana ämnen kallas för kemiska föreningar. Idag känner forskarna till tiotals miljoner kemiska föreningar. Hela tiden upptäcks och framställs nya kemiska föreningar. Bland annat tillverkar läkemedelsindustrin nya kemiska förening ar för att testa dem som läkemedel. Här följer några exempel på kemiska föreningar. Vatten är en kemisk förening mellan väte och syre
En vattenmolekyl består av två väteatomer och en syreatom. Eftersom molekylen innehåller två olika sorters atomer är vatten är en kemisk förening. Vattens kemiska namn skulle kunna vara ”två-väte-syre”. På kemispråk säger man ”di” istället för två. Dess utom kallas syre för oxid när det är bundet till andra atomsorter. Det kemiska namnet på vatten är därför diväteoxid. Det är inte ofta vattens kemiska namn används. Prova gärna genom att fråga någon om du kan få lite diväteoxid! Vattens kemiska formel är mera känd. Formeln för vatten är H2O.
En vattenmolekyl är en kemisk förening mellan två väteatomer och en syreatom.
Koldioxid är en kemisk förening mellan kol och syre
När ämnen som innehåller kolatomer brinner bildas gasen kol dioxid. Då man eldar med t.ex. kol, olja och plast bildas stora mängder koldioxid. Koldioxid anses vara den viktigaste orsaken till att jordens klimat håller på att förändras. Ordet koldioxid betyder ”kol-två-syre”. Koldioxidmolekylen består alltså av en kolatom och två syreatomer. Kolatomer och syreatomer är olika sorters atomer. Därför är koldioxid en kemisk förening. Den kemiska formeln för koldioxid är CO2.
+
En kolatom och en syremolekyl som slår sig samman bildar en koldioxidmolekyl.
Ämnenas små beståndsdelar
33
Rost är en kemisk förening mellan järn och syre
I fuktig miljö rostar järn. Man kan säga att rost är vattenhaltig järnoxid. I rost är järnatomer och syreatomer bundna till varandra. Rost är därför en kemisk förening. Stål är inte en kemisk förening
Om lacken på en bil skadas kommer plåtens järnatomer i kontakt med syre och vatten. Då bildas den kemiska föreningen som vi kallar rost.
För att cykelramen ska bli tillräckligt stark har järn blandats med kol så att det blir stål.
Ramen till en vanlig cykel består mest av järn. En ram av rent järn skulle dock inte vara tillräckligt stark. Genom att järnatomer blandas med en mindre del kolatomer får man stål. Stål är hårdare än rent järn. Järnet och kolet i stål är fortfarande grund ämnen även om atomerna ligger blandade. Eftersom stål innehåller två olika sorters atomer kan man lätt tro att stål är en kemisk förening. I stål är dock inte järnatomer och kolatomer bundna till varandra som i en kemisk förening. När olika sorters atomer inte är bundna till varandra utan bara ligger blandade kallar man det för en blandning. Stål är därför en blandning och inte en kemisk förening. Ofta finns det också kromatomer och nickelatomer i stål. Metallerna krom och nickel gör att stålet inte rostar lika lätt.
testa dig
tänk ut
2.16 Varför är vatten en kemisk förening?
2.21 Skriv de kemiska formlerna för gaserna kväveoxid, kvävedioxid och dikväveoxid.
2.17 Vilken gas bildas när ämnen som innehåller kol brinner? 2.18 Vilka grundämnen består rost av? 2.19 Varför är inte stål en kemisk förening? 2.20 Några studenter skämtade genom att skicka in en nyhet till en tidning. I tidningen stod det sedan en varning för att stadens parker var besprutade med diväteoxid. Hur vet man att det var ett skämt? Bakterier.
34
Ämnenas små beståndsdelar
2.22 Luften är en blandning av kvävgas, syrgas, ädelgaser och koldioxid. Bland ningen innehåller en kemisk förening. Vilken är det? 2.23 Kan en kemisk förening innehålla en blandning? Motivera ditt svar! 2.24 Stål och luft är exempel på olika bland ningar. Försök att komma på minst tre andra exempel på blandningar.
LÄS MER JAKTEN PÅ DE MINSTA BYGGSTENARNA Allt vi kan ta på är materia. Allt som väger och tar plats är materia. Vi själva och alla ämnen är materia. I alla tider har filosofer och vetenskapsmän försökt att hitta materians minsta beståndsdelar. Idag tror forskare att innan universum fanns var all materia samlad och tätt packad. Enligt teorin om Big Bang (stora smällen) spreds materian genom en stor explosion. Vårt universum med stjärnor och planeter kunde bildas. Forskare har beräknat att Big Bang inträffade för ungefär fjorton miljarder år sedan. Atomen
För ungefär 2 500 år sedan, i det antika Grekland, fanns det filosofer och vetenskapsmän som funderade på vad materia egentligen är. Empedokles och Aristoteles var två filosofer som trodde på de fyra elementen, jord, luft, eld och vatten. De sa att alla ämnen var uppbyggda av de fyra elementen som blandades i olika mängder. En annan filosof som hette Demokritos menade att allting var uppbyggt av mycket små partiklar som inte gick att dela. Ordet atom kommer av det grekiska ordet för odelbar. Teorin om de fyra elementen blev populärast och idéerna om atomer glömdes bort. Idag vet vi att detta är fel. Det tog över 2 000 år innan vetenskapsmännen kom fram till att materia består av atomer. Även om ordet atom betyder odelbar vet vi idag att atomer består av ännu mindre delar. En atom är uppbyggd av en kärna som innehåller små partiklar som heter protoner och neutroner. Runt om kärnan kretsar ännu mindre partiklar som heter elektroner. De nya kunskaperna om atomens uppbyggnad gör att vi idag förstår hur och varför ämnen reagerar med varandra. På sidorna 246-249 kan du läsa mer om de grekiska filosoferna och om hur man kom fram till dagens syn på atomer.
För ungefär fjorton miljarder år sedan inträffade Big Bang och universum skapades.
En av de mest kända grekiska filosoferna var Aristoteles. De antika grekiska filosoferna var personer som funderade mycket på bl.a. astronomi, matematik och naturvetenskap.
En atom är uppbyggd av en kärna. Partiklarna i kärnan heter protoner och neutroner. Protonerna är positivt laddade och neutronerna har ingen laddning. De är neutrala. Runt kärnan kretsar de negativt laddade elektronerna i olika skal.
Ämnenas små beståndsdelar
35
LÄS MER ALKEMISTER FÖRSÖKTE GÖRA GULD
Alkemister blandade olika metaller och svavel i tron att det skulle bli guld.
Äldre tiders kemister kallades alkemister. Alkemin är mest känd för att man försökte tillverka guld. I nästan 2 000 år fanns det alkemister i olika delar av världen som blandade metaller, svavel och mycket annat i hopp om att det skulle bli guld. Idag vet vi att guld är ett grundämne som består av guldatomer. Det finns inga kemiska metoder som skulle kunna förvandla andra sorters atomer till guld atomer. Det var idéerna om att alla ämnen består av jord, eld, luft och vatten, som bidrog till att alkemister trodde att guldtillverkning var möjlig. Inom alkemin trodde man också på magi och astro logi. Än idag använder astrologin ”de fyra elementen” när de astrologiska tecknen delas in i fyra grupper (jord, eld, luft och vatten). Astrologerna tror t.ex. att de som är födda i jordtecknet Jungfrun blir mera jordnära och lugna personer. De som är födda i lufttecknet Tvillingarna blir mera rörliga och de som är födda i eldtecknet Väduren får mer temperament. Det finns ingen vetenskap som stödjer att detta skulle vara sant. Kemi istället för alkemi
På 1700-talet började många forskare ifrågasätta flera av alkemisternas idéer. De nya forskarna kallade sig för kemister istället för alkemister. Trots att alkemisterna i grunden hade fel om materians beståndsdelar och om guldtillverkning har de haft en stor betydelse för den moderna kemin. De gjorde flera viktiga upptäckter. Starka syror som saltsyra, salpetersyra och svavelsyra, upptäcktes av alkemisterna. Svavelsyra är idag en av industrins viktigaste kemikalier. Metoder för att skilja på ämnen, som filtrering och destillering, utvecklades av alkemister. Alkemi och astrologi har mycket gemensamt. På astrologikartan kan du se de astrologiska tecknen. Varje tecken är kopplat till ett av de fyra elementen som syns i mitten. Det finns också metaller kopplade till de astrologiska tecknen. Metaller var alkemisternas stora intresse.
36
Ämnenas små beståndsdelar
LÄS MER VÄRLDENS SVÅRASTE PUSSEL? I teorin skulle du kunna bygga en människa. Du behöver i så fall följande pusselbitar: Atomer av följande ämnen:
Antal atomer
Väte (H)
3 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Syre (O)
1 200 000 000 000 000 000 000 000 000
Kol (C) Kväve (N) Kalcium (Ca) Fosfor (P), svavel (S), magnesium (Mg), klor (Cl), natrium (Na), järn (Fe), m.fl. Totalt
530 000 000 000 000 000 000 000 000 65 000 000 000 000 000 000 000 000 15 000 000 000 000 000 000 000 000 190 000 000 000 000 000 000 000 000
5 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Så här gör du
Först måste du med kemiska metoder sätta ihop atomerna till många olika sorters molekyler. Den molekyl du behöver flest av är vattenmolekylen (H2O). Inte mindre än 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 vattenmolekyler behövs. Du ska dessutom tillverka bland annat proteiner och fetter. I kroppen finns de särskilt viktiga DNA-molekylerna. De innehåller en människas genetiska kod. Man kan säga att DNA-molekylerna är ”receptet” för hur en människa är uppbyggd. En DNA-molekyl innehåller många miljarder atomer. Du måste vara mycket noga när du sätter ihop DNA-molekylerna. Ett enda litet fel i en DNAmolekyl kan orsaka stora problem. Sedan gäller det bara att placera alla molekyler rätt. Lycka till! Allt levande är fantastiskt!
I verkligheten kan inte ens de skickligaste biologerna eller kemisterna bygga något så komplicerat som en människa. Inte heller kan de bygga de enklaste, encelliga, levande organismerna. Allt som lever är så komplicerat uppbyggt att man, inom ämnen som religion, filosofi och naturvetenskap, diskuterar om det verkligen är en slump att liv har uppstått.
I berättelsen ”byggde” Dr Frankenstein en människa. Går detta att göra i verkligheten?
testa dig 2.25 Vad kallas teorin som säger att universum skapades efter en stor explosion? 2.26 Empedokles och Aristoteles trodde att all materia är uppbyggd av fyra element. Vilka var de fyra elementen? 2.27 Vad hette filosofen som menade att atomer var de minsta byggstenarna? 2.28 Nu vet man att atomer inte är odelbara. Vilka partiklar är atomer uppbyggda av? 2.29 Vilken var alkemisternas stora dröm? 2.30 Vilka tre atomsorter är de vanligaste i en människa?
tänk ut 2.31 Empedokles och Aristoteles var berömda filosofer. Ändå hade de fel när de trodde att all materia är uppbyggd av jord, luft, eld och vatten. Försök komma på saker de sett i naturen som fick dem att tro på de fyra elementen.
Ämnenas små beståndsdelar
37
SAMMANFATTNING
Ämnenas små beståndsdelar • Alla ämnen är uppbyggda av atomer som är otroligt små. • En molekyl är två eller flera atomer som sitter tillsammans. • Grundämnen består av bara en sorts atomer.
• De flesta ämnen är kemiska föreningar. I en kemisk förening finns det mer än en atomsort.
• Vatten (H2O) och koldioxid (CO2) är exempel på kemiska föreningar.
• Det finns lite mer än 100 atomsorter. Därför finns det lika många grundämnen.
• Alla grundämnen är samlade i det periodiska systemet. Där kan du också se vilka som är metaller och ickemetaller.
• Rost är en kemisk förening där järnatomer och syreatomer ingår.
• Metaller har metallglans. Exempel på metaller är järn (Fe), koppar (Cu) och guld (Au).
• Exempel på ickemetaller är kol (C), syre (O) och väte (H).
• Stål är en blandning eftersom järnatomerna och kolatomerna bara är blandade utan att vara bundna till varandra.
• Syre och väte är gaser. Deras atomer sitter ihop två och två. Molekylerna har formlerna O2 respektive H2.
Ämnenas små beståndsdelar Läs mer • Allt som väger något och tar plats kallas materia. • Enligt teorin om Big bang har all materia en gång varit samlad och tätt packad. En explosion spred sedan materien och universum skapades.
• Grekiska filosofer och äldre tiders kemister (alkemister) hade ibland fel. De har ändå varit viktiga för kemins utveckling. De kom på mycket som vi idag har nytta av.
• Nu vet man att materia består av atomer som i sin tur är uppbyggda av protoner, neutroner och elektroner.
38
Ämnenas små beståndsdelar
• En människa och allt som lever består av ett ofattbart antal atomer. Dessa sitter ihop på ett så komplicerat sätt att inga forskare klarar att bygga något som lever på riktigt.
Fast, flytande och gas
Fundera Vad best책r bubblorna av i det kokande vattnet?
VÄRME ÄR ATOMERS OCH MOLEKYLERS RÖRELSE Alla ämnen består av atomer och molekyler. Dessa partiklar är ständigt i rörelse. Ju mer ett ämnes partiklar rör sig desto varmare är ämnet. Värme är alltså partiklarnas rörelse. När du tar dig ett varmt bad befinner du dig bland vattenmolekyler som rör sig. Vattnets molekyler knuffar till molekylerna i din hud. Molekylerna i din hud får mer fart och du blir varmare. Det kallaste som finns
När man kyler ner något minskar atomernas och molekylernas rörelse. Vid ungefär –273 °C slutar partiklarna att röra sig. När partiklarna står stilla kan det inte bli kallare. Denna lägsta tänkbara temperatur kallas för den absoluta nollpunkten. Kelvins temperaturskala
Den engelske lorden Kelvin tyckte att temperaturskalan borde starta från den absoluta nollpunkten. Han uppfann därför en skala där det inte finns några minusgrader. Temperaturskalan börjar med 0 Kelvin som motsvaras av –273 grader Celsius. Stegen i Kelvins skala är lika stora som stegen i Celsiusskalan. Vattnets fryspunkt på 0 °C motsvaras därför av 273 K. Kelvins temperaturskala används vid beräkningar inom ämnena fysik och kemi.
FAST, FLYTANDE ELLER GAS Nästan alla ämnen kan finnas i tre former. De tre formerna är fast, flytande och gas. Vilken av formerna ett ämne har, beror på temperatur, tryck och hur ämnets partiklar hålls samman. Ett ämne du träffat på i de tre formerna är vatten. Vi skall nu titta på vad som händer när fast is blir till flytande vatten, som sedan blir till gasformig vattenånga.
Precis som de flesta ämnen kan vatten finnas i tre former. De tre formerna är fast, flytande och gas. Vattenångan ser du dock inte eftersom den är osynlig. Moln består av små vattendroppar som bildats när vattenånga kondenserat.
Fast form
Is är vatten i fast form. Starka krafter i isen håller varje molekyl på en bestämd plats. De vibrerar lite men byter inte plats. Därför är is hårt. Fast blir flytande
När man värmer is vibrerar molekylerna allt mer. När temperaturen passerar smältpunkten, vibrerar molekylerna så mycket att de inte kan hållas kvar på en bestämd plats. Då smälter den fasta isen och blir till flytande vatten. Smältpunkten för is är 0 °C. I flytande vatten håller molekylerna fortfarande ihop men de glider förbi varandra och byter ständigt plats. Stoppar man ner ett finger i vatten flyttar sig molekylerna. Därför känns inte vattnet hårt.
Fast, flytande och gas
41
Flytande blir gas
Molekylerna i flytande vatten rör sig olika fort. En del molekyler kan få upp så stor fart att de sticker iväg från vattenytan. Dessa molekyler rör sig sedan fritt på egen hand. Molekyler som inte längre hålls samman befinner sig i gasform. När vatten långsamt övergår till gasform säger man att vattnet avdunstar. Efterhand som vatten värms upp får allt fler molekyler fart nog att avdunsta. När temperaturen når kokpunkten 100 °C, har alla vattenmolekyler en sådan fart att de övergår i gasform. Man säger att vattnet kokar och blir till vattenånga.
1
2
3
1 När vattnet är is (fast form) bildar vattenmolekylerna ett fast mönster. 2 I flytande vatten håller molekylerna ihop, men de flyttar sig ständigt. 3 I vattenånga (gasform) har molekylerna en sådan fart att de inte längre håller ihop. Därför är det också glesare mellan molekylerna i vattenånga än i flytande vatten eller is.
Gas blir flytande och fast
När vattenånga kyls bildas små vattendroppar. Man säger vatten ångan kondenserar till flytande form. Vattnet kan sedan kylas ytterligare och när temperaturen passerar fryspunkten fryser eller stelnar vattnet till is. Fryspunkten för vatten är 0 °C dvs. samma som smältpunkten för is.
42
Fast, flytande och gas
Is, vatten och vattenånga är samma ämne
Is, flytande vatten och vattenånga har olika egenskaper. Ändå är de samma ämne, nämligen vatten. En vattenmolekyl består av två väteatomer och en syreatom (H2O). Det ändras inte för att vatten byter form. Ett ämne kan alltså omvandlas mellan de tre formerna utan att de kemiska beståndsdelarna ändras.
smälter
Fast
kokar
Flytande fryser/stelnar
testa dig
Gas kondenserar
tänk ut
3.1 Vad är värme?
3.11 Varför kan inget bli kallare än cirka −273 °C?
3.2 Vad kallas den lägsta tänkbara temperaturen?
3.12 På vad sätt skiljer sig molekylernas rörelser i fasta, flytande och gasformiga ämnen?
3.3 Vem kom på en temperaturskala där 0 motsvarar det kallast tänkbara??
3.13 Varför kan man inte se vattenånga?
3.4 I vilka tre former kan ämnen finnas? 3.5 Varför är is hårt?
3.14 Du kan sitta i en bastu som är 100 °C varm. Skulle du bada i 100 °C varmt vatten skulle du omedelbart få brännskador. Förklara varför!
3.6 Vad händer med molekylerna när is smälter? 3.7 Vad händer när vatten avdunstar? 3.8 Vad kallas den temperatur då ett ämnes alla molekyler övergår till gasform? 3.9 Vad kallas det när en gas övergår till flytande form? 3.10 Hur kallt måste det bli innan syre blir flytande?
Fast, flytande och gas
43
LÄS MER OM EN SKOLKLASS VORE ETT KEMISKT ÄMNE Låt oss anta att en klass var ett kemiskt ämne. Klassens elever skulle då vara de molekyler det kemiska ämnet var uppbyggt av. Så här skulle man då kunna beskriva en del av klassens skoldag: Under rasten befann sig hela klassen i gasform. Eleverna rörde sig fritt i korridorer och på skolgården. När det var dags för lektion kondenserade dock hela klassen in i klassrummet. Efter en kort stund i flytande form stelnade klassen till fast form. Alla elever satt på bestämda platser, men de rörde sig lite medan de antecknade. Fast form var den lämpligaste formen för exempelvis genomgångar och läxförhör.
När klassen är i fast form sitter alla på bestämda platser. Eleverna rör sig dock lite när de antecknar eller räcker upp handen.
Den här lektionen skulle klassen göra en del experiment. När det var dags att hämta olika saker smälte klassen och övergick till fly tande form. Eleverna gick runt men de stannade i klassrummet. En elev avdunstade dock till toa, men kondenserade tillbaks till klassrummet någon minut senare.
44
Fast, flytande och gas
LÄS MER Efter kemilektionen hade klassen idrott. Under större delen av idrottslektionen befann sig klassen i flytande form. Temperaturen var betydligt högre än på kemilektionen. Eftersom det gick riktigt hett till avdunstade flera elever från gympasalen för att dricka vatten. Detta kylde ner dem och de kunde kondensera tillbaks till lektionen.
På idrotten är temperaturen högre och flytande form är det vanligaste.
Efter idrottslektionen var skoldagen slut. Temperaturen steg därför till kokpunkten och alla elever lämnade skolan. I gasform hade en del elever sällskap medan andra gick sin egen väg.
När klassen är i gasform kan alla elever röra sig fritt
Fast, flytande och gas
45
LÄS MER KOLDIOXID HOPPAR ÖVER FLYTANDE FORM Om man kyler gasen koldioxid till –79 °C går koldioxiden direkt över till fast form. Koldioxiden hoppar alltså över flytande form. Värmer man sedan den fasta koldioxiden blir den direkt gas igen. När ett ämne direkt går från gas till fast form (eller från fast form till gas) säger man att ämnet sublimerar. Fast koldioxid kallas torris
Koldioxid i fast form kallas torris och ser ut som snö eller som vanlig is.
Koldioxid i fast form ser ut som snö eller som vanlig is. Den blir dock inte blöt eftersom den inte smälter till vätska. Den sublimerar till gasform direkt från sin fasta form. Därför kallas fast koldioxid för torris. Torrisen är mycket kallare än vad vanlig is brukar vara. Torr isen kan få luftens vattenånga att kondensera till små vattendrop par. De små dropparna ser ut som rök. Torris som läggs i vatten ger rökeffekter som används bl.a. inom teater och film.
När man lägger torris i vatten skapas en ofarlig rök som består av små vattendroppar. Därför används torris i vissa filmscener.
LÄS MER
Tryck kan göra koldioxid flytande
Kyler man gasen koldioxid sublimerar den till fast form. Om man däremot pressar samman gasformig koldioxid kan den bli flytande. En koldioxidsläckare är en typ av brandsläckare, som innehåller flytande koldioxid under högt tryck. Det kan du känna om du lyfter den. Koldioxiden skvalpar inuti brandsläckaren. Använder du brandsläckaren kommer koldioxiden ut i en snöliknande fast form. När sammanpressade gaser släpps ut blir det kallt. I det här fallet blir det så kallt att koldioxiden fryser till kolsyresnö. Kolsyresnö släcker eld både genom att kväva och kyla elden. Förr kallades koldioxidsläckaren felaktigt för kolsyresläckare. Det är ju koldioxid i flytande form och inte kolsyra i släckaren. Kolsyra bildas först när koldioxid och vatten blandas.
När koldioxidsläckaren skakas hörs det skvalpande ljudet av flytande koldioxid. Koldioxid finns endast flytande form om gasen pressas samman.
Fast, flytande och gas
47
LÄS MER NÅGRA ÄMNEN MED LÅG OCH HÖG SMÄLTPUNKT Metaller har i allmänhet hög smältpunkt. De flesta grundämnen som inte är metaller har låg smält- och kokpunkt. Vid rumstemperatur befinner sig 11 av 18 ickemetaller i gasform. Vi ska nu titta närmare om några ämnen som skiljer sig från mängden när det gäller smält- och kokpunkt. Kvicksilver — den flytande metallen
Förr använde man den flytande metallen kvicksilver till termometrar. Gick en termometer sönder kunde den mycket giftiga metallen rinna ut.
Det finns en enda metall som är flytande i rumstemperatur, nämligen kvicksilver. Kvicksilvrets frys- och smältpunkt är −38 °C. Förut användes kvicksilver i termometrar, men eftersom det är mycket giftigt slutade man med det. En annan nackdel med kvicksilvertermometrarna var att de slutar fungera vid –38 °C. Då stelnar ju kvicksilver till fast form. Du kanske tänker att det inte är så ofta det blir så kallt som −38 °C? Svenska köldrekordet ligger dock på −53 °C. I Sveriges kallaste delar började man tidigt använda termometrar med sprit istället för kvicksilver. Idag är de flesta termometrar elektroniska. Kol smälter inte
I en glödlampa blir glödtråden cirka 2 500 °C. När glödlampan uppfanns var det svårt att hitta ett lämpligt material till tråden. Få ämnen är i fast form vid denna höga temperatur. Lösningen blev en glödtråd av kol. Vid normala lufttryck smälter nämligen inte kol till flytande form. Först vid 3 650 °C sublimerar kolet. Idag använder man volfram till glödtrådar. Volfram är den metall som har högst smält- och kokpunkt. Volfram smälter vid 3 407 °C och kokpunkten är 5 657 °C. Glödtråden måste ha en hög smältpunkt. Förr gjorde man glödtråden av kol. Numera använder man metallen volfram.
48
Fast, flytande och gas
LÄS MER Woods metall smälter vid 60 °C
Legeringar smälter ofta lättare än de metaller som ingår i legeringen. Den amerikanske metallexperten Wood kom på en blandning som smälter redan vid ungefär 60 °C. I blandningen som kallas Woods metall ingår vismut, bly, tenn och kadmium. Woods metall som har mycket lägre smältpunkt än vanligt lödtenn används också till att löda. Metallblandningen finns också i vissa brandvarnare. Isättika
Ättiksyra stelnar till fast form redan vid +17 °C. Därför kallas koncentrerad ättiksyra för isättika. Ättika används ofta till att smaksätta mat. Dessutom kan inte bakterier leva i den sura ättikan. Därför användes ofta ättika till att konservera mat innan det fanns kylskåp och frysar. Fortfarande lägger vi in t.ex. sill och gurka i ättika.
Koncentrerad ättika fryser till ”is” vid +17 °C.
testa dig
tänk ut
3.17 Vad händer om man kyler gasen koldioxid till –79 °C?
3.24 Varför kallas fast koldioxid för torris?
3.18 Vad kallas det när ett ämne direkt går från gasform till fast form?
3.25 Hur har kolsyresläckaren (koldioxidsläckare) fått sitt felaktiga namn?
3.19 Hur kan man göra för att få koldioxid i flytande form? 3.20 På vilka sätt släcker kolsyresnö eld? 3.21 Vilken metall är flytande vid rumstemperatur? 3.22 Varför kallas koncentrerad ättikssyra för isättika?
3.26 Vilken funktion tror du Woods metall har i brandvarnare? 3.27 Lödtenn är en legering mellan tenn och bly. Varför är lödtenn bättre till lödning än vad tenn eller bly är var för sig?
3.23 Varför kan man använda kol eller volfram som glödtråd i glödlampor.
Fast, flytande och gas
49
SAMMANFATTNING
Fast, flytande och gas • Värme är atomers och molekylers rörelse. Ju mer ett ämnes partiklar rör sig desto varmare är ämnet. Vid ungefär –273 °C står partiklarna stilla. Denna temperatur kallas den absoluta nollpunkten.
• I gaser rör sig ämnets partiklar fritt på egen hand.
• Ett ämne omvandlas mellan de tre formerna utan att de kemiska beståndsdelarna ändras. Ett ämne som smälter, stelnar, kokar eller kon denserar är hela tiden samma ämne.
• Nästan alla ämnen kan finnas i formerna fast, flytande och gas. Vilken av formerna ett ämne har beror på hur ämnets partiklar hålls samman.
• I fasta ämnen håller starka krafter varje partikel på en bestämd plats. Därför blir fasta ämnen hårda.
• I flytande ämnen håller molekylerna fortfarande ihop men de glider förbi varandra och byter ständigt plats.
Fast, flytande och gas Läs mer • När ett ämne direkt går från gas till fast form (eller från fast form till gas) säger man att ämnet sublimerar. Koldioxid är ett exempel på ett ämne som kan sublimera.
• Fast koldioxid smälter inte och blir blöt. Därför kallas den torris. Torris kan användas till kylning och rökeffekter.
• Temperatur och tryck påverkar om ett ämne är fast, flytande eller gas. Högt tryck kan göra koldioxid flytande. Flytande koldioxid finns i en del brand släckare. När koldioxiden släpps ut fryser den till kolsyresnö.
• Medan metaller i allmänhet har hög smältpunkt har de flesta andra grundämnen låg smält- och kokpunkt.
• Kvicksilver är den enda metallen som är flytande vid rumstemperatur.
50
Fast, flytande och gas
• Ickemetallen kol kan inte bli flytande och den sublimerar till gas först vid mycket hög temperatur. Därför användes kol som glödtråd i de första glödlamporna.
• Volfram är den metall som har högst smältpunkt. Därför används volfram till glödtråd i dagens glödlampor.
• Legeringar har oftast lägre smältpunkt än de metaller som ingår. Woods metall och lödtenn är exempel på legeringar som används för deras låga smältpunkter.
• Ättiksyra stelnar till fast form redan vid +17 °C. Därför kallas koncentrerad ättiksyra för isättika.
Faktabok • inledande diskussionssida till varje kapitel • bas- och läs mer-del i varje kapitel för ökad individualisering • kontinuerligt återkommande testa dig- och tänk ut-frågor • ordlista med förklaringar av viktiga begrepp Lärarhandledning • kopieringsunderlag till arbetshäften med mål, laborationer och arbetsuppgifter • kommentarer och anvisningar till arbetshäftena • stöd till faktabokens diskussionssidor • svar och kommentarer till faktabokens frågor
GÖRAN STERNING
TITANO-serien består av faktaböcker i biologi, fysik och kemi för grundskolans år 6/79 samt kompletterande lärarpärmar.
TITANO kemi
TITANO-serien
kemi göran sterning