Boken handlar bland annat om det naturvetenskapliga arbetssättet kemin i ett idéhistoriskt perspektiv det periodiska systemet hur kemisk bindning präglar ämnens egenskaper hur man skriver reaktionsformler och utför kemiska beräkningar syror och baser oxidation och reduktion analytisk kemi organisk kemi
Anders Henriksson har undervisat i kemi, biologi och naturkunskap på gymnasieskolan i ca 20 år. Nu arbetar Anders bl.a. som läromedelsförfattare och har samarbetat med Gleerups sedan 1994. Detta har resulterat i flera läroböcker i såväl kemi som biologi och naturkunskap.
Anders Henriksson
Syntes Kemi 1 är kursbok till gymnasiekursen Kemi 1 (100 p).
Syntes
kemi 1
kemi 1
1
Syntes
Syntes
kemi 1 Anders Henriksson
Innehåll 1 Den gudomliga konsten
. . . . . . . . . . .
6
. . . . . . . . . . . . .
Olika grundämnen i samma molekyl 93 16
Den moderna kemins födelse 20 Utblick: Svensken som upptäckte eldsluft 21
Atommodeller 24 Masstal och atomnummer 30 Radioaktiva isotoper 31 Några viktiga begrepp 34 Sammanfattning 40 Övningsuppgifter 42
Grundämnen grupperas 47 Elektronernas betydelse 50 Utblick: Huvudnivåer och undernivåer 52
Periodiska systemet berättar 54 De åtta huvudgrupperna 58 Utblick: En kemisk industri på 1700-talet 63 Utblick: Arsenik i Gangesdeltat 67 Utblick: Solens helium upptäcktes först 71 Utblick: Materia i ett kosmiskt kretslopp 72
Sammanfattning 73 Övningsuppgifter 74
4
Utblick: Polära kovalenta bindningar i sammansatta joner 103
Namn på kemiska föreningar 104 Bindningar mellan molekyler 105 Metallbindning 110 Utblick: Järnframställning 112 Sammanfattning 114 Övningsuppgifter 115
Utblick: Alkemisterna 19
. . . . . . . . . . . . .
76
Utblick: Grafit i blyertspennor/ Diamanterna som försvann 92
Materia och filosofi 17
3 Periodiska systemet
. . . . . . . . . . . . . . .
Jonbindning i salter 77 Kovalent bindning i molekyler 86 Utblick: En giftig form av syre 89
Vad är kemi? 7 Risker vid laboratoriearbete 12 Redovisning av experiment 14 Sammanfattning 14 Övningsuppgifter 15
2 Kunskap om materia
4 Atomer håller ihop
5 Att skriva reaktionsformler
46
. . . . .
118
. . . . . . . . . . .
126
Från ordformel till teckenformel 119 Salter och reaktionsformler 122 Sammanfattning 124 Övningsuppgifter 125
6 Kemiska beräkningar
Räkna med atommassenheten 127 Räkna med substansmängd 129 Utblick: Storheter och enheter 130 Föreningars sammansättning 136 Räkna med reaktionsformler 139 Blandningars halt 141 Något om gasers egenskaper 146 Sammanfattning 150 Övningsuppgifter 151
7 Syror och baser
. . . . . . . . . . . . . . . .
158
Kemi till vardags 159 Syror och sura lösningar 159 Baser och basiska lösningar 172 Neutralisation 175 Syra-bas-jämvikter 176 pH 180 Syrabastitrering 186 Buffertsystem 191 Sammanfattning 195 Övningsuppgifter 197
250
11 Organisk kemi
. . . . . . . . . . . . . . . . .
260
Kolföreningarnas kemi 261 Kolväten 262 Utblick: Från plankton till bensin 267
8 Lite mer om kemiska reaktioner . 202
Alkoholer 274 Utblick: Destillation 276
Karboxylsyror 277 Estrar 279 Kolhydrater 280 Proteiner 283 Sammanfattning 284 Övningsuppgifter 285
Energi ut eller energi in? 203 Utblick: Specifik värmekapacitet 206
Entalpi 209 Utblick: Spontant eller icke-spontant? 212
Reaktioners hastighet 213 Förskjuten jämvikt 215 Sammanfattning 216 Övningsuppgifter 217
Svar och kommentarer . . . . . . . . .
218
Redoxreaktioner 219 Utblick: E-nummer/Antioxidationsmedel 226 Utblick: Svartkrut 226 Galvaniska element 227 Utblick: Galvaniska element till vardags 236
Korrosion 237 Utblick: Rostfritt stål 241 Utblick: Gedigna metaller är instabila 241
Elektrolys 242
. . . . . . . . . . . . . . . . .
Att avslöja innehållet 251 Gravimetriska analyser 252 Titreranalyser 253 Kromatografi 258 Sammanfattning 258 Övningsuppgifter 259
Utblick: Sur nederbörd frigör metalljoner 194
9 Oxidation och reduktion
10 Analytisk kemi
. . . . . . . . . . . .
286
Register 300 Bildförteckning 303 Grundämnenas namn, tecken, atomnummer och atommassor 304 Periodiska systemet 305 Elektronegativitetsvärden för ämnen i det periodiska systemets huvudgrupper 305 Elektrokemiska spänningsserien 305
Utblick: Blyackumulatorn 245
Sammanfattning 246 Övningsuppgifter 247
5
1 Den gudomliga konsten
6
1
d e n
g
u d o m l i g a
k o n s t e n
Vad är kemi? Inom kemin studerar man vad olika ämnen består av och vilka egenskaper de har. Man undersöker också hur de kan omvandlas genom att reagera med varandra. Kemin är grundläggande för den som studerar t.ex. människokroppen och aktuella miljöfrågor. Den påverkar allas vardag. Vi konsumerar tyger, livsmedel, hygienartiklar, läkemedel, bränslen, färger och mycket annat som utvecklas och tillverkas inom den kemiska industrin.
Från magi till vetenskap Orden bronsåldern och järnåldern påminner om att människan har utnyttjat kemiska kunskaper i tusentals år. Våra förfäder tillverkade brons genom att blanda koppar med tenn. Denna blandning var hårdare än ren koppar och hade dessutom lägre smältpunkt. Den var därför lämplig för gjutning av vapen och smycken. Under tidig järnålder kunde man utvinna järn genom att bränna myrmalm tillsammans med träkol. Listan på kemiska tillämpningar i historisk tid kan göras mycket lång. Det var först under senare delen av 1700-talet som kemin började utvecklas till en modern vetenskap. Tidigare ägnade man sig främst åt så kallad alkemi som hade inslag av magi och mysticism. Alkemister försökte bl.a. framställa guld av oädla metaller. De lyckades aldrig med detta, men de upptäckte flera nya ämnen och de utvecklade laborativa arbetsmetoder som moderna kemister kunde ärva. Ordet kemi är en förkortning av alkemi. I antika, grekiska skrifter står ordet alkemi för ”den gudomliga konsten”. Vilken ursprunglig betydelse ordet har haft är okänt.
Till höger: Denna egyptiska katt av brons tillverkades för 2 600 år sedan. Konsten att framställa brons genom att smälta samman koppar med tenn är mycket gammal. Till vänster: Förr betraktades kemi som något magiskt. I dag är det en snabbt växande, experimentell vetenskap som påverkar oss alla.
1
d e n
g u d o m l i g a
k o n s t e n
7
Kemins delområden En kemist kan vara inriktad på oorganisk kemi, organisk kemi, fysik alisk kemi, analytisk kemi eller biokemi. Oorganisk och organisk kemi Ämnet kol bildar själva stommen i kolhydrater, fetter, proteiner och andra ämnen som bygger upp levande varelser. Ännu i början på 1800-talet trodde kemisterna att det krävdes ”livskraft” för att dessa ämnen skulle bildas och att de bara kunde uppstå i levande varelser. Man skiljde därför på oorganiska och organiska ämnen. Vatten, salter, metal�ler och andra ämnen som bildats utan ”livskraft” kallades oorganiska. Kolhaltiga ämnen från levande varelser var däremot organiska. År 1828 lyckades den tyske kemist en Friedrich Wöhler överraskande tillverka ett organiskt ämne från ett oorganiskt. Han framställde urinämne. Detta visade att det inte finns någon skarp gräns mellan oorganisk och organisk kemi. Trots detta används fortfarande de båda begreppen. Numera är det dock vanligt att organisk kemi kallas kolföreningarnas kemi. I växtens blad bildas druvsocker som är ett organiskt ämne. Alla organiska ämnen be står av molekyler som har ett ”skelett” av kolatomer (de svarta kulorna i molekyl modellen).
Fysikalisk kemi Inom den fysikaliska kemin studerar man t.ex. hur batterier kan konstrueras och hur rostangrepp (korrosion) uppstår på metaller. Fysikalisk kemi kan även handla om energiändringar vid kemiska reaktioner. Vissa reaktioner avger och andra upptar energi i form av värme. Studier av hur gasers volym påverkas av tryck och temperatur kan också räknas till den fysikaliska kemin. Analytisk kemi Inom den analytiska kemin tar man prover som sedan undersöks. Man kan ta reda på vilka ämnen proverna innehåller (kvalitativa analyser) eller undersöka hur mycket av ämnena som finns i proverna (kvantitativa analyser).
8
1
d e n
g u d o m l i g a
k o n s t e n
Biokemi Biokemin står nära biologin. Biokemister arbetar t.ex. med livsmedel, läkemedel och kemiska processer i celler.
Hypoteser och experiment
FRÅGESTÄLLNING
Människor kan bygga vidare på tidigare generationers erfarenheter. Så utvecklades metoderna att t.ex. framställa brons och järn i historisk tid. Att använda sig av samlad erfarenhet kan vara betydelsefullt för utHYPOTES vecklingen, men det är inte detsamma som att arbeta vetenskapligt. Det naturvetenskapliga arbetssättet bygger istället på observationer, mätningar och experiment. hypotesen testas Forskare som har en frågeställning (något de vill unmed observationer dersöka) börjar med att formulera en hypotes, dvs. ett och experiment antagande om hur något fungerar. Därefter testar de hypotesen genom att planera och utföra lämpliga expehypotesen håller hypotesen håller riment. Om hypotesen är felaktig måste den förändras inte och ändras och sedan kontrolleras på nytt. därför Om man däremot kan förutse experimentens resultat med hjälp av sin hypotes, kan denna användas till att sammanfatta en teori om hur ett visst fenomen fungTEORI erar. En teori är mer än ett antagande. Den håller även när experimenten upprepas och när resultaten granskas av andra forskare. En teori är den för ögonblicket mest trovärdiga förklaringen. Ett vetenskapligt arbets Det är vanligt att en teori utformas som en förklaringsmodell, dvs. sätt som bygger på att hypoteser prövas och en modell som förklarar ett samband eller hur något är uppbyggt. omprövas. Modellen testas och omprövas när forskare får nya idéer eller när den tekniska utvecklingen tillåter nya typer av experiment. På så sätt kan teorier utvecklas och förändras med tiden. På sidorna 24–29 kan du se hur atommodellen har förändrats efterhand som forskarna har utvecklat sina experiment och mätmetoder.
Pseudovetenskap En föreställning som gör anspråk på att vara vetenskaplig men som inte har kunnat beläggas med observationer och experiment kallas pseudovetenskap. Alkemin är exempel på en pseudovetenskap (se sidan 19). Ett annat exempel är astrologin, dvs. den spådomskonst som bygger på att våra liv påverkas av solen, månen och planeterna. 1
d e n
g u d o m l i g a
k o n s t e n
9
Kemistens vanligaste arbetsredskap
Sättkolv
Rundkolv
Mätkolv
Destilleringskolv
Ekolv
Bägare
Büchnertratt Klämmare
Muff
Trefot med trådnät Sugkolv
10
Stativ
1
d e n
g
u d o m l i g a
k o n s t e n
Dropprör
Urglas Triangel
Degel med lock
Mortel och pistill
Degeltång
Kristallisationsskål
Provrör och provrörshållare
Tratt
3
50cm
10
50
9 8
40
7
20 cm 3
6 5
30 5
4 3
20
1
2
10
1
Mätpipett
1
d e n
g u d o m l i g a
Vollpipett
k o n s t e n
Autopipett
Byrett
Mätglas
11
Risker vid laboratoriearbete
Giftig. Produkten ger livs hotande skador vid inandning, hudkontakt eller förtäring.
Det är inte farligt att utföra experiment om man är medveten om de särskilda risker som finns. På laboratoriet ska finnas rutiner för hur man skyddar sig mot brand och för hur t.ex. trasigt glas och farliga kemikalier ska hanteras. Man måste också se till att miljöfarliga ämnen omhändertas på lämpligt sätt. För att man ska vara förberedd och medveten om eventuella risker ska varje experiment föregås av en riskanalys.
Brand
Frätande. Produkten ger frätskador på hud, matstrupe och ögon, eller andra allvarliga ögonskador. Används också för produkter som fräter på metaller.
Hälsofarlig. Produkten kan ge ärftlig genetisk skada, cancer, fosterskador eller störa fort plantningen. Används också för produkter som ger allergi vid inandning, kemisk lunginflam mation vid förtäring eller andra allvarliga skador vid enstaka eller upprepad exponering.
Innan man börjar arbeta på ett laboratorium ska man veta var brandsläckare och brandfiltar finns och hur dessa hanteras. Man ska också veta hur nödduschen ska användas och var förbandslådan finns. Kemisten ska använda skyddskläder. Dessa skyddar inte enbart mot stänk av frätande kemikalier utan också mot brandskador. Vanliga kläder kan vara lättantändliga och de är ofta svåra att dra av om olyckan är framme. Skyddsrockar och skyddsförkläden drar man däremot av sig mycket snabbt om de mot förmodan skulle fatta eld. Den som har långt hår ska naturligtvis sätta upp detta med hårband eller motsvarande. På laboratoriet utnyttjas ofta gasbrännare som värmekälla. Det är viktigt att man hanterar gasbrännaren enligt givna instruktioner och att man aldrig lämnar en tänd brännare obevakad. Eld som uppstår i en bägare eller någon annan behållare släcks ofta snabbt om den kvävs med hjälp av t.ex. en glasskiva som läggs över behållaren. Man måste använda lämpliga redskap som t.ex. provrörshållare och degeltång när man flyttar varma föremål. Är olyckan trots allt framme kan en brännskada lindras genom att den kyls med kallt vatten. Många kemikalier är brandfarliga. Bland annat därför är det viktigt att man studerar farosymbolerna och texterna på kemikaliernas förpackningar (se bilderna till vänster och på nästa sida).
Glasvaror Skadlig. Produkten är skadlig vid inandning, hudkontakt eller förtäring. Används också för produkter som ger allergi vid hudkontakt, som irriterar hud, ögon eller luftvägar eller ger narkosverkan.
12
Alla glasvaror som används till ett experiment måste vara hela och utan sprickor. Man får naturligtvis bara värma glasvaror som består av värmetåligt glas. Provrör, bägare, E-kolvar och rundkolvar är exempel på materiel som normalt tål höga temperaturer. Värmer man däremot ett mätglas över öppen låga kommer detta att spricka.
1
d e n
g u d o m l i g a
k o n s t e n
Miljöfarlig. Produkten är giftig för vattenmiljön på kort eller lång sikt. Ska förvaras och användas så att produkten och avfallet inte skadar miljön.
Explosiv. Produkten är explosiv och kan explodera om den utsätts för slag, friktion, gnistor eller värme. Måste hanteras varsamt.
Experiment som kan avge illaluktande, irriterande eller giftiga gaser ska utföras i dragskåp som på bilden. Ibland kan det dock räcka att experimenten utförs under enklare luftutsug som kan finnas över vanliga laboratoriebänkar.
Alla glasvaror måste ha svalnat innan de diskas. Om glas går sönder i t.ex. en vask måste skärvorna genast plockas upp så att ingen kommer till skada. Observera att glasbitar syns extra dåligt om de ligger i vatten. Trasigt glas får bara kastas i särskilda behållare.
Brandfarlig. Produkten är brandfarlig och kan brinna våldsamt vid antändning eller värmetillförsel. Vissa produkter utvecklar brandfarlig gas i kontakt med vatten eller själv antänder i luft.
Farliga kemikalier Flertalet kemikalier är mer eller mindre giftiga. Det är därför en god vana att behandla alla kemikalier på ett laboratorium som gifter. Man ska t.ex. aldrig smaka på dem. I en kemisal ska man över huvud taget aldrig äta eller dricka. Vissa kemikalier är frätande och en del ämnen kan tränga in i kroppen direkt genom huden. Därför är det viktigt att man inte tar i kemikalier med fingrarna och att man genast torkar upp om man spiller på bord och golv. Man ska också ta för vana att använda skyddskläder och skyddsglasögon. Om man trots allt får stänk i ögonen ska man genast spola ögonen rikligt med rinnande vatten under en kran eller använda någon av de speciella ögonduschar som ska finnas i laboratoriesalar. Man får naturligtvis inte slå ut giftiga, miljöskadliga eller brand farliga ämnen i en vask. Dessa kemikalier ska hällas i särskilda uppsamlingskärl som sedan skickas iväg för destruktion eller återvinning.
1
d e n
g u d o m l i g a
k o n s t e n
Oxiderande. Produkten orsakar reaktion, brand eller explosion i kontakt med bränn bara ämnen eller material.
Gas under tryck. Produkten är en trycksatt eller kraftigt nedkyld gas. Behållaren kan explodera vid yttre brand.
13
Redovisning av experiment När du studerar kemi får du utföra många experiment. Ett viktigt inslag i utbildningen är att du lär dig redogöra för dina experiment såväl muntligt som skriftligt. Nedan finns en mall för hur en skriftlig redovisning kan utformas. Förutom huvudrubrik, datum och namn på försöksdeltagarna är det lämpligt att en redovisning av ett experiment innehåller följande underrubriker: Målsättning (frågeställning) Här formulerar
du frågeställningen och beskriver vad som ska undersökas. Hypotes Här anger och motiverar du ditt för-
väntade resultat.
Utförande Här beskriver du vilken materiel som
används och hur experimentet utförs. Det är ofta bra att komplettera experimentbeskrivningen med teckningar över försöksuppställningen. Den som läser din utförandebeskrivning ska kunna upprepa experimentet på samma sätt som du utförde det. Resultat Här sammanfattar du försöksresulta-
tet. Utnyttja gärna tabeller och diagram för att få presentationen överskådlig. Kommentarer Här kommenterar du försöks-
resultatet som relateras till den egna hypotesen samt till litteraturuppgifter och andras resultat. Du kan även diskutera vilka felkällor experimentet innehöll och hur experimentet skulle kunna förbättras.
SAMMANFATTNING
Organisk kemi kallas även kolföreningarnas kemi. Tidigare trodde man att organiska ämnen bara bildades i levande varelser. Socker, fett och alkohol är exempel på organiska ämnen.
Kapitel 1 Kemi är läran om ämnenas sammansättning och egen skaper samt hur ämnena kan reagera med varandra och förändras.
14
Den analytiska kemin är viktig, inte minst för att miljögifter ska kunna spåras i naturen och i levande varelser. Biokemister studerar kemisk a processer i levande varelser.
Vatten, salt, metaller och andra ämnen som inte är organiska kallas oorganiska. Inom fysikalisk kemi studeras bl.a. batterier, rostangrepp och reaktioners energiomsättning.
1
En kemist utgår från fråge ställningar och hypoteser som testas experimentellt. Innan man utför ett experi ment är det viktigt att man gör en riskanalys.
d e n
g
u d o m l i g a
k o n s t e n
ÖVNINGSUPPGIFTER 1.1 Exempel på frågeställningar: • Hur många gram salt innehåller en liter havsvatten? • Antag att du blandar 50 cm3 vatten med 50 cm3 T-röd (etanol). Blir blandningens volym exakt 100 cm3, större än 100 cm3 eller mindre än 100 cm3? • Du har tillgång till mätglas, mätpipett och vollpipett (se sidan 11). Med vilket av dessa tre hjälpmedel kan du mest noggrant mäta upp en bestämd volym vatten? • Hur ändras lösligheten av rörsocker i vatten med vattnets temperatur?
1.2 Skriv en egen kemiskt inriktad frågeställning. Formulera sedan en hypotes angående frågeställningen och konstruera ett experiment som kan testa hypotesen. 1.3 När du har haft möjlighet att utföra något av experimenten i ovanstående uppgifter ska du redovisa detta skriftligt. Följ mallen på föregående sida. 1.4 Vad betyder nedanstående varningssymboler? a
b
• Hur förändras massan (vikten) hos en tuss stålull då man värmer stålullen så att den glöder? • Vilken av metallerna järn och koppar har störst densitet?
c
• Vilken av gaserna luft och koldioxid har störst densitet? • Hur stor volym har 100 g vatten vid rumstemperatur respektive när det har frusit till is? a Formulera hypoteser som du tror är giltiga svar på ovanstående frågeställningar. Försök även motivera dina hypoteser. b Beskriv experiment som du kan utföra för att testa dina hypoteser. Beskrivningarna ska innehålla såväl utförande som namn på den materiel (glasvaror m.m.) som du behöver. Det går bra att komplettera experimentbeskrivningarna med teckningar.
1
D E N
G U D O M L I G A
K O N S T E N
1.5 Namnge glasvarorna. a
b
c
d
15
2 Kunskap om materia
16
2
K U N S K A P
O M
M A T E R I A
Materia och filosofi Människor som tillhörde tidiga jägar- och samlarkulturer studerade naturen för att överleva. De behövde veta vilka material som var lämpliga till jaktredskap, vad man kunde äta osv. I takt med att människor lärde sig att odla och blev bofasta kunde allt fler friställas från arbetet med den dagliga försörjningen. Då fick människor tid att söka kunskap för kunskapens egen skull. Så skedde i antikens Grekland där filosofer (tänkare) sökte svar på naturens olösta gåtor. Till skillnad från dagens naturvetare var det ovanligt att filosoferna utförde experiment för att testa sina hypoteser.
Ett urämne eller fyra element Den grekiske filosofen Thales (ca 625 – ca 545 f.Kr.) har kallats den västerländska filosofins fader. Han ansåg att vatten var ett urämne som kunde omvandlas till alla andra ämnen. Denna uppfattning kan man lätt förstå eftersom vatten finns i stor mängd och är livsavgörande för växter, djur och människor. Dessutom såg Thales att vatten kunde ändra skepnad. Dimmor steg upp från havet och det bildades moln som senare kunde avge vatten i form av regn. Empedokles (ca 490 – ca 430 f.Kr.) var en annan känd filosof. Han accepterade inte tanken på ett enda urämne. Han trodde istället att jord, vatten, luft och eld var grunden till all materia. Dessa fyra ”grundämnen” kom senare att kallas ”de fyra elementen”. Enligt Empedokles kunde de fyra elementen kombineras till olika ämnen precis som en konstnär kunde kombinera fyra färger på paletten till ett obegränsat antal nyanser och motiv.
Till skillnad från många andra filosofer utförde Empedokles experiment. I ett av världens äldsta dokumenterade experiment förde han ner en uppochnedvänd tratt i vatten. Om det satt en propp i trattens mynning trängdes vattnet under tratten undan. Togs proppen bort steg vattenytan i tratten. Därmed hade Empedokles visat att luft är något som tar plats.
Till höger: Thales bodde vid havet och bevittnade vattnets kretslopp. Enligt Thales var jorden en tjock skiva som flöt på havet, dvs. på urämnet vatten. Till vänster: I vulkaniskt aktiva områden kan det vara så varmt i marken att grundvattnet kokar och får vattenånga att spruta upp med stor kraft. Sådana fenomen kan ha påverkat våra förfäders uppfattningar om materia. Vissa filosofer i antikens Grekland tänkte sig att jord kunde omvandlas till vatten som i sin tur kunde förtunnas till luft.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
17
Detalj av ”Skolan i Athen” som målades av Rafael på 1500-talet. Här går Aristoteles (klädd i blått) tillsammans med sin lärare Platon.
varmt
ELD
LUFT vått
torrt
JORD
VATTEN
kallt
De fyra elementen enligt Aristoteles. Varje element ansågs motsvara en kombination av två egenskaper. Genom att variera egenskaperna skulle ett element kunna omvandlas till ett annat. Om t.ex. vått och varmt ändrades till torrt och varmt övergick luft till eld.
18
Den första atomläran Den grekiske matematikern och filosofen Demokritos (ca 460 – ca 370 f.Kr.) var en av upphovsmännen till atomteorin. Han tänkte sig att all materia kunde delas i allt mindre bitar, ända tills det återstod odelbara partiklar som var så små att man inte kunde se dem. Dessa kallades atomer (grekiska atomos = odelbar). Enligt Demokritos var atomerna oförstörbara och de hade alltid funnits. Att det fanns olika sorters material förklarades med att atomerna i olika ämnen hade olika former och kunde vara förenade på olika sätt. Enligt Demokritos bestod till och med själen av atomer. Dessa var extra runda och glatta och de fanns i hela kroppen.
Aristoteles fick sista ordet Aristoteles (384 – 322 f.Kr) är den kanske mest kände filosofen från antikens Grekland. Han förkastade atomteorin och anslöt sig till Empedokles som menade att de fyra elementen jord, vatten, luft och eld är byggstenar till all materia. Till skillnad från de osynliga atomerna var de fyra elementen något man kunde iaktta med sina sinnen. Detta var viktigt för Aristoteles som ville undersöka naturen och inte bara söka kunskap i sin egen tankevärld, vilket många filosofer gjorde. På så sätt var Aristoteles en föregångare till den moderna naturvetenskapen. Under medeltiden kom Aristoteles att bli en vetenskaplig auktoritet i den kristna världen. Det var bl.a. Aristoteles geocentriska världsbild (tron på att jorden var universums centrum) och hans avståndstagande från atomläran som tilltalade kyrkan. Under medeltiden beskylldes atomläran för att vara ateistisk. Om själen var odödlig kunde den ju knappast bestå av atomer som Demokritos hade hävdat. Detta bidrog till att elementläran kom att gälla ända fram till slutet av 1700-talet.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
UTBLICK Alkemisterna Alkemi är en lära om materia som grundar sig på filosofiska spekulationer och magi. I historisk tid uppstod såväl kinesisk, indisk som grekisk alkemi. I dessa hade tron på att man kunde tillverka guld av oädla metaller en framträdande plats. Alkemister har även strävat efter att framställa ”livselixir”, dvs. en universalmedicin som kunde bota alla sjukdomar och skänka evigt liv. Den grekiska alkemin lär ha uppstått under antiken i Alexandria (i nuvarande Egypten). Där förenades egyptiernas praktiska kunskaper om hur man utvinner metaller med de grekiska filosofernas hypoteser om materialens ursprung och egenskaper. Alkemin levde sedan vidare i den arabiska kulturen och spreds genom denna till Västeuropa under medeltiden. Där tog man också över Aristoteles föreställning om att metaller föds och växer i jordens inre samt att de under gynnsamma förhållanden utvecklas till allt högre former och
slutligen till guld. Alkemisterna trodde därför att man kunde framställa guld om man bara hittade de rätta förutsättningarna under sina experiment. Det bildades aldrig något nytt guld i alkemisternas laboratorier. Trots det bedrev många alkemister ett värdefullt arbete. De utvecklade det experimentella kunnandet och de upptäckte och lärde känna flera nya ämnen. På 1700-talet började alltfler forskare bestrida möjligheten att omvandla oädla ämnen till guld eller livselixir. Dessa ”moderna” forskare kallade sig kemister i stället för alkemister.
Alkemisterna utvecklade experimentella arbetsmetoder och de lärde känna nya ämnen. Målningen visar den tyske alkemisten Brand som upptäckte fosfor år 1669. Han fick fram ämnet genom att upphetta rester från avdunstad urin. När fosforn kom i kontakt med luft reagerade den och började lysa.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
19
Den moderna kemins födelse På 1700-talet utvecklades den analytiska kemin, bl.a. genom att man lärde sig att väga alltmer noggrant. Därmed kunde man utföra nya typer av experiment som ledde fram till atomlärans seger över elementläran.
Förbränningens gåta
Antoine Lavoisier avfärdade flogistonteorin. Han visade även att materia aldrig skapas eller förintas vid kemiska reaktioner utan bara omvandlas till nya ämnen. Denna insikt betydde mycket för kemins fortsatta utveckling. Tyvärr mötte Lavoisier en alltför tidig död då han halshöggs i samband med den franska revolutionen.
20
På 1700-talet trodde flertalet kemister att brännbara ämnen innehöll något som kallades flogiston och som gick bort vid förbränning. Efter att flogistonet hade lämnat t.ex. en brinnande träbit återstod endast lite aska. Även metaller ansågs innehålla flogiston. Att metallernas egenskaper förändrades när de glödgades förklarades med att flogiston lämnade metallerna. Fransmannen Antoine Lavoisier (1743 – 1794) ifrågasatte flogistonteorin och löste förbränningens mysterium. Han värmde bl.a. tenn i en sluten behållare så att det bildades ”tennaska” (tennoxid). När behållaren sedan öppnades strömmade det in luft i den. Lavoisier konstaterade även att ”askan” vägde mer än det ursprungliga tennet. Askan bildades alltså inte genom att flogiston eller något annat lämnade materialet som upphettades. Istället tycktes askan bildas genom att tennet tog upp något från luften (lufttrycket i den slutna behållaren minskade ju under experimentet). Lavoisier fick samma resultat även när han upp hettade andra ämnen än tenn. Han drog slutsatsen att då ämnen brinner eller glödgas förenas de med ett ämne som ingår i luften. Detta ämne var enligt Lavoisier den gas som vi numera kallar syre och som han själv döpte till oxygène (jämför med engelskans oxygen = syre). Lavoisier visade också att högst 20 % av luftens volym kan upptas vid förbränning i en sluten behållare. Han insåg alltså att syret bara utgjorde ca 20 % av luften. Resten bestod av kväve. Det ska nämnas att svensken Carl Wilhelm Scheele (se nästa sida) och engelsmannen Joseph Priestly upptäckte syret några år innan Lavoisier klargjorde dess samband med förbränning. Scheele var först med upptäckten, men engelsmannen var först med att publicera sina resultat.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
UTBLICK
Carl Wilhelm Scheele på ett svenskt frimärke som gavs ut 200 år efter kemistens födelseår.
Svensken som upptäckte eldsluft Carl Wilhelm Scheele (1742 –1786) var en av sin tids skickligaste kemister, trots att han saknade formell akademisk utbildning. Ända sedan han var 15 år arbetade han på apotek i olika svenska städer. Slutligen fick han ett eget apotek i Köping. Scheele betydde mycket för utvecklingen av den experimentella kemin. Han utförde och beskrev ca 20 000 experiment. Många av hans skrifter ligger fortfarande obearbetade, bl.a. på grund av hans mycket svårlästa handstil. Scheele är mest känd för att han upptäckte
”eldsluft”. Så kallade han det ämne som på modern svenska heter syre. Oberoende av andra forskare kom Scheele även fram till att luft inte är ett enda ämne, utan består av ”eldsluft” (syre) och ”skämd luft” (kväve). Denna insikt vägledde Lavoisier då han löste förbränningens gåta (se föregående sida). Scheele beskrev eldsluften i en bok som det tog ett par år att publicera. Under den tiden hann engelsmannen Priestly både upptäcka syret och sprida information om sin bragd i den europeiska forskarvärlden. Detta dämpade naturligtvis uppståndelsen kring publiceringen av Scheeles arbete. Förutom syre upptäckte Scheele kväve, klor och mangan. Han utvecklade även en metod att isolera syror från växt- och djurriket och blev först med att beskriva t.ex. vinsyra, citronsyra och mjölksyra. Scheele var också den förste som framställde det mycket giftiga ämnet vätecyanid. Även hos detta nyupptäckta ämne beskrev han olika egenskaper, inklusive smak och lukt. Det var förmodligen hans vana att smaka på kemikalier som förkortade hans liv. Scheele blev bara 43 år gammal.
Scheele framställde syrgas på olika sätt. I ett av experimenten värmdes kvicksilveroxid. Det ämnet är giftigt och får inte användas i skolan. Där kan man istället utnyttja silveroxid som på denna bild. I provröret till vänster upphettas silveroxiden (det gråsvarta pulvret). Då bildas en gas som fångas i det från början vattenfyllda provröret till höger. Gasen kan undersökas med hjälp av en glödande trästicka. Om glöden flammar upp när stickan förs in i gasen Silveroxid har man framställt ”eldsluft” (syrgas). I provröret med silveroxid återstår rent silver efter experimentet.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
Syrgas
Vatten
21
Åter till atomerna
John Dalton (1766 – 1844)
Engelsmannen John Dalton (1766 – 1844) kom fram till att vissa försöksresultat var lättast att förklara om man antog att ämnen bestod av atomer som kunde vara olika tunga. Därmed blåste Dalton nytt liv i Demokritos 2 200 år gamla atomteori. Enligt Dalton kunde atomerna liknas vid massiva kulor som helt igenom var likadana. Om alla atomerna i ett ämne vägde lika mycket och hade samma egenskaper, var ämnet ett så kallat grundämne. Väte, kol, syre, tenn och guld var exempel på sådana. Ämnen som bestod av olika grundämnen (dvs. av atomer som vägde olika mycket) kallades kemiska föreningar. Som exempel kan nämnas att när grundämnena tenn och syre förenades i Lavoisiers experiment (se sidan 20) bildades den kemiska föreningen tennoxid (tennaska). Vi använder fortfarande begreppen grundämne och kemisk förening på ett liknande sätt som Dalton gjorde. Dalton ritade molekyler
Dalton började ordna grundämnen efter hur tunga atomer de hade (han bestämde ämnenas relativa atomvikter). Därefter kunde han studera viktförhållanden mellan ämnen som reagerade med varandra. När t.ex. kol reagerade med syre noterade Dalton att det bildades Några symboler i en gas som innehöll dubbelt så många syreatomer som kolatomer. Daltons kemiska Gasen kallades koldioxid. I språk. denna tycktes det finnas en minsta enhet som bestod av Grundämnen en kolatom och två syreatomer. En sådan avgränsad enhet som bestod av mer än en atom kallades för en molekyl väte kol kväve syre (Dalton använde dock ett annat ord). I kapitel 4 i denna bok beskrivs molekyler och deras egenskaper utifrån den fosfor svavel tenn guld kunskap vi har idag. Molekyler Till vänster ser du exempel på symboler som Dalton ritade för olika grundämnen. Du kan också se hur han kombinerade symbolerna för att koldioxid kvävedioxid åskådliggöra molekyler.
T
22
G
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Berzelius förenklade det kemiska språket I början på 1800-talet fanns inget internationellt och enhetligt system för hur grundämnen skulle betecknas och Daltons symboler var opraktiska att rita. Därför föreslog svensken Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848) att varje grundämne skulle betecknas med den första bokstaven i sitt vetenskapliga namn och med ytterligare en bokstav om så behövdes (se tabellen nedan). Detta system används fortfarande i hela världen. Berzelius bestämde även grundämnenas relativa atomvikter med stor noggrannhet. Dessa utvecklades sedan till de atommassor som dagens kemister räknar med och som vi återkommer till i den här boken. Vi kan även nämna att Berzelius experimenterade med föregångare till dagens batterier och att han upptäckte fem nya grundämnen (bl.a. selen och kisel). På Berzelius tid var ca 50 av dagens drygt 100 kända grundämnen beskrivna. Inom parentes kan nämnas att Scheele, Berzelius och andra framstående svenska kemister har svarat för upptäckten av inte mindre än 21 olika grundämnen. Det gör Sverige till världsmästarnation i grundämnesjakt. Berzelius var också en framstående författare. Han samlade sin tids kemiska vetande i en bokserie med titeln ”Lärobok i kemi”. Den översattes till flera olika europeiska språk och blev en av 1800-talskemisternas viktigaste kunskapskällor. Berzelius blev lika känd bland kemister som Linné blev inom biologin.
I Berzelii park i Stockholm står denna staty av Berzelius. Statyn avtäcktes år 1858, tio år efter kemistens död.
Några grundämnen och deras kemiska tecken
Svenskt namn
Vetenskapligt namn
arsenik bly guld järn kol koppar kvicksilver kväve silver svavel syre tenn uran väte
2
k u n s k a p
o
m
Arsenicum Plumbum Aurum Ferrum Carboneum Cuprum Hydrargyrum Nitrogenium Argentum Sulfur Oxygenium Stannum Uranium Hydrogenium
m a t e r i a
Kemiskt tecken As Pb Au Fe C Cu Hg N Ag S O Sn U H
Tid för upptäckt ca 1250 ca 5000 f.Kr. forntiden forntiden forntiden forntiden forntiden 1777 forntiden forntiden 1774 forntiden 1789 1766
23
Atommodeller
På denna bild som är tagen med hjälp av elektron mikroskop ser man symmetriskt ordnade atomer i ceriumdioxid.
Trots att atomer är ofattbart små kan man se dem med hjälp av elektronmikroskop som förstorar ca 10 miljoner gånger. Däremot är våra mikroskop fortfarande otillräckliga för att kunna visa atomernas byggstenar. Resultat från olika experiment har dock gett forskare möjlig heter att utarbeta modeller av atomernas inre. Dessa modeller förändras i takt med att nya experiment ökar kunskapen om atomernas egenskaper. Vi ska nu följa hur kunskapen om atomerna utvecklades under främst 1900-talet.
Atomer är inte odelbara År 1896 placerade den franske fysikern Henri Becquerel uransalt på en ljustät förpackning som innehöll en fotografisk plåt. Trots den ljustäta förpackningen svärtades plåten. Så upptäckte Becquerel att grundämnet uran gav ifrån sig strålning (som idag kallas joniserande strålning). När det stod klart att s.k. radioaktiva atomer kunde falla sönder och avge strålning visste man att atomer inte är odelbara. Därmed var Demokritos och Daltons atommodeller otillräckliga.
Elektronen upptäcks
e–
+ e–
+ e–
e–
+
+ Thomsons atommodell.
Omkring år 1900 studerade engelsmannen Sir Joseph Thomson hur elektrisk ström kunde ledas över ett lufttomt gap, dvs. vakuum. Han visade att det var mycket lätta och negativt laddade partiklar som färdades genom vakuum. Han kallade partiklarna elektroner (förkortat e–). Efter upptäckten av elektronen presenterade Thomson en atommodell som kunde liknas vid en vattenmelon. Fruktköttet hade positiv laddning och melonkärnorna, som var jämnt fördelade i fruktköttet, motsvar ade elektronerna.
Redan omkring 600 f.Kr. gned filosofen Thales (se sidan 17) en torr ylleduk mot bärnsten. Därefter såg han hur bärnstenen drog till sig hårstrån och andra lätta föremål. Idag vet vi att bärnstenen blev elektriskt laddad då Thales gnuggade den med ylleduken. Ord som elektricitet och elektron har därför hämtats från det grekiska ordet élektron som betyder bärnsten.
24
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Det mesta är tomrum Thomsons assistent, Ernest Rutherford, kunde senare utveckla atommodellen med hjälp av den nyupptäckta radioaktiviteten. Han riktade strålning från ett radioaktivt ämne mot en mycket tunn guldfolie. Strålningen var så kallad alfa-strålning som består av små, positivt laddade partiklar (se sidan 31). Runt guldfolien flyttades en skärm (försedd med zinksulfid) som gav ifrån sig små ljusblixtar när den träffades av Guldfolie den osynliga strålningen. Rutherford fann att flertalet alfaBlyblock med preparat partiklar passerade rakt genom som utstrålar alfa-partiklar. guldfolien utan att ändra riktning. Det verkade som om dessa alfa-partiklar passerade guldfolien utan att kollidera med andra partiklar. Mest förvånad blev Rutherford då han upptäckte att några alfa-partiklar studsade tillbaka mot strålkällan. Eftersom alfa-strålningen var mycket energirik menade Rutherford att detta var ”lika otroligt som om du skjuter en 15-tums granat mot ett pappersark och granaten studsar tillbaka och träffar dig”. Rutherford tvingades ändra Thomsons atommodell för att kunna förklara sina iakttagelser. Han insåg att nästan all massa som fanns i en atom var samlad i en ytterst liten och positivt laddad kärna. Runt denna svävade de nästan viktlösa elektronerna. Allt mellan elektron erna och kärnan var tomrum. Därmed kunde flertalet alfa-partiklar passera genom guldfolien utan att kollidera. De få alfa-partiklar som hade studsat tillbaka mot strålkällan hade däremot träffat mitt på någon av guldatomernas ”kompakta” kärnor. Rutherford döpte atomkärnans positivt laddade beståndsdelar till protoner (grekiska prótos = den förste). Ordet proton förkortas p+. Eftersom protonens laddning var lika stor som elektronens (fast med motsatt tecken) måste en oladdad atom innehålla lika många protoner som elektroner. Atomen som avbildats till höger är inte skalenligt ritad. Om en atom förstoras så att dess kärna blir lika stor som på bilden, borde elektronerna avbildas upp till 100 m från kärnan. Dessutom skulle elektronerna (som är betydligt mindre än protonerna) ritas så små att man behövde lupp för att se dem. Då förstår vi hur mycket av tillvaron som är tomrum.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Skärm När Rutherford styrde alfa-partiklar mot en guldfolie visade det sig att endast en partikel på 8 000 ändrade riktning.
e–
e–
p+
p+
+ p+ p
e–
Kärna e–
Rutherfords atommodell. Nästan hela atomens massa var samlad i en ytterst liten kärna som bestod av protoner. Runt kärnan svävade elektroner.
25
Atomer tar emot och avger energi
e– e– p+
p+
+ p+ p
e– e–
Bohrs atommodell.
e– p–+ e p–+ e p+
1 Atomen tillförs energi e– e–
p+
e–
p+ p+
2 Exciterat tillstånd p+
e– e–
p+ – e p+
Det var tidigt känt att atomer som tog upp energi, senare kunde avge ”överskottsenergin” i form av ljus. När man studerade detta ljus såg man att en viss sorts atomer (t.ex. Niels Bohr (1885 – 1962). Bohr arbetade en tid väteatomer) bara sände ut hos Rutherford och utvecklade senare hans ljus med vissa färger, dvs. atommodell så att elektronernas fördelning i atomen stämde överens med experimentellt vissa våglängder. År 1913 funna resultat. presenterade dansken Niels Bohr en atommodell som förklarade varför atomer bara avger ljus med vissa färger. I Bohrs modell kretsar elektronerna på bestämda avstånd från atomens centrum. Lite förenklat kallar vi dessa avstånd för elektronskal. Elektronerna är mer energirika ju längre ut från kärnan de befinner sig. (Jämför med föremål som har mer lägesenergi ju högre upp från markytan de är placerade.) Det yttersta elektronskalet motsvarar alltså den högsta energinivån. Det som händer då en atom mottar energi är att någon av dess elektroner ”knuffas” ut till ett skal med större radie, dvs. till en högre energinivå. Man säger då att atomen exciteras, den blir mer energirik. Elektroner som har knuffats ut faller snart tillbaka till sina ursprungliga nivåer. Då avges energi i form av ljus. Hur energirikt ljuset är bestäms av hur långt elektronerna faller. Ljuset är mer energirikt (dvs. har kortare våglängd) om elektronerna faller långt än om de faller mellan skal som ligger nära varandra. En viss sorts atomer kan bara sända ut ljus med vissa färger eftersom elektronerna bara kan hoppa mellan de bestämda energinivåer som elektronskalen motsvarar.
3 Energi strålar ut En modell av den minsta atomen som finns. Det är en väteatom som består av endast en proton och en elektron. Bildserien visar hur atomen mottar energi, exciteras och avger motsvarande energimängd i form av ljus.
26
Joniseringsenergi Om en atom mottar tillräckligt mycket energi kan en elektron ”knuffas iväg” med så stor kraft att den helt lämnar atomen. Efter detta har atomen en elektron mindre än antalet protoner. Det medför att hela atomen har fått en positiv nettoladdning. En laddad atom (eller molekyl) kallas jon och den energimängd som krävs för att skilja en elektron från en atom kallas joniseringsenergi.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Kontinuerligt spektrum
Vätets linjespektrum
Vätets absorptionsspektrum
Om man delar upp vitt ljus från en glödlampa med ett prisma ser man alla regnbågens färger. Man ser ett kontinuerligt spektrum som på den övre bilden. Man kan få väteatomer att lysa om man tillför dem elektrisk energi i ett ”lysrör”. Delar man upp detta ljus med ett prisma får man ett linjespektrum som innehåller endast fyra färger (mellersta bilden). Dessa motsvarar de energinivåer (elektronskal) som de exciterade väteatomernas elektroner kan befinna sig på. Om man sänder vitt ljus genom vätgas och sedan betraktar ljuset genom ett prisma, ser man att färgerna i vätets linjespektrum fattas (nedre bilden). Väteatomer kan absorbera (uppta) samma våglängder som de kan avge efter att ha exciterats.
Elektronerna rör sig oregelbundet Även enligt dagens forskare är elektronerna i en atom begränsade till vissa energinivåer som Bohr föreslog. Däremot anser man inte längre att elektronerna bara kretsar på bestämda avstånd från kärnan utan rör sig mer oregelbundet. Deras rörelser motsvarar snarare ett ”moln” än tydliga ”skal” runt kärnan. Man kan dock hitta vissa avstånd till kärnan där det är extra stor chans att påträffa en elektron vid ett visst tillfälle. Dessa avstånd kallar vi även i fortsättningen för elektronskal. Skalen benämns med bokstäver. Det innersta kallas K-skalet. Därefter följer skalen L, M, N osv. i alfabetisk ordning (se bilden härintill). När vi talar om elektronskal ska vi veta att vi använder en förenklad atommodell i Bohrs anda. Denna modell är ofta tillräcklig för att förklara grundämnens egenskaper och kemiska reaktioner. Därför nöjer vi oss ofta med Bohrs modell i denna bok.
2
K U N S K A P
O M
M A T E R I A
Atomkärna
K L
M N
Elektronskal
De fyra innersta elektronskalen runt en atomkärna kallas K, L, M respektive N.
27
Lika men ändå olika Alla atomer i ett grundämne innehåller ett visst antal protoner som är unikt för grundämnet. Eftersom en atom är oladdad (om den inte är i jonform) har den dessutom lika många elektroner som protoner. Som exempel kan nämnas att alla oladdade väteatomer innehåller 1 proton och 1 elektron. Heliumatomer innehåller 2 protoner och 2 elektroner osv. Två atomer kan väga något olika trots att de tillhör samma grundämne och alltså innehåller lika många protoner och elektroner. Denna skillnad i massa var fullt mätbar med den teknik man hade i början på 1900-talet. Dalton och andra 1800-talskemister kunde däremot inte upptäcka skillnaden (se sidan 22). Gåtan med de varierande massorna kunde inte lösas med hjälp av Bohrs atommodell. Först 1932 bidrog engelsmannen James Chadwick till lösningen då han visade att protoner inte var de enda kärnpartik larna. Atomkärnor kunde även innehålla oladdade partiklar som kallades neutroner (förkortat n). Ordet neutron är besläktat med ordet neutral (oladdad). Det som orsakar att atomer av samma grundämne kan ha olika massor är att atomernas kärnor kan innehålla olika många neutroner. Atomer som innehåller lika många protoner (samma grundämne) men som har olika antal neutroner sägs vara isotoper (grekiska isos = samma och topos = plats). Namnet kommer av att isotoper har samma plats i grundämnenas periodiska system (se sidan 55). Flertalet grundämnen består av två eller flera isotoper. Som exempel kan nämnas att väte har tre olika isotoper. Dessa är avbildade i figuren nedan.
e– e– +
p+ n p n n p+ p+ n e– e–
Chadwicks atommodell.
Vanlig väteatom
e– p+
Tung väteatom
e– p+
Extratung väteatom
e– n
p+
n
n
Vätets tre isotoper. De vanliga väteatomerna (som saknar neutroner) utgör 99,99 % av allt väte. En tung väte atom (även kallad deuterium) innehåller en proton och en neutron. I extratunga väteatomer (även kallade tritium) ingår en proton och två neutroner. Dessa sällsynta atomer har bildats i samband med provsprängningar av kärnvapen. Det extratunga vätet är radioaktivt, dvs. dess atomkärnor är instabila och faller sönder i en viss takt (halveringstiden är 12 år, se sidan 32).
28
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Mer om atomernas byggstenar Elektroner, protoner och neutroner kallas gemensamt för elementarpartiklar. Enligt den moderna atomforskningen finns det betydligt fler elementarpartiklar än dessa tre, men det behöver vi inte fördjupa oss i för att förstå de kemiska processerna. Inom parentes kan vi dock nämna att varje proton och neutron innehåller tre så kallade kvarkar. Så vitt vi vet tillhör kvarkarna materiens minsta byggstenar. Protonerna och neutronerna kallas gemensamt för kärnpartiklar eller nukleoner (latin nucleus = kärna). Alla lätta grundämnen innehåller ungefär lika många protoner som neutroner. (Det enda undantaget är vanligt väte som ju saknar neutroner.) Tunga grundämnen, dvs. atomer med många kärnpartiklar, innehåller däremot fler neutroner än protoner. Det är en nödvändighet för att dessa atomkärnor inte ska falla sönder till följd av att de många positivt laddade protonerna stöter bort varandra (lika laddningar repellerar varandra). Finns neutroner i tillräcklig mängd mellan protonerna kan däremot den så kallade starka kraften klara av att hålla samman atomkärnorna. Denna speciella kraft verkar bara på så korta avstånd som råder inom atomkärnor. Atommassenhet och enhetsladdning En proton och en neutron väger ungefär lika mycket, nämligen ca 0,000 000 000 000 000 000 000 001 67 g. En elektron är betydligt lättare. Dess massa är endast ca 1/2000 av protonens massa. Därmed kan man ofta försumma elektronernas massa när man beräknar hur mycket atomer väger. Den vanliga massenheten gram är opraktisk när man studerar så lätta föremål som kärnpartiklar och enskilda atomer. Därför har man infört den s.k. atommassenheten som betecknas med bokstaven u (unified mass unit). Vi ska definiera denna enhet senare (sidan 127). Mätt i atommassenheten väger en proton och en neutron ca 1 u. Vi har tidigare nämnt att protonens och elektronens elektriska laddningar är lika stora, fast med motsatta tecken. Man säger att de har enhetsladdningen +1 respektive –1.
2
Elementarpartikel
Symbol
proton neutron elektron
p n – e
k u n s k a p
o
+
m
m a t e r i a
Massa (g) –24
1,673 · 10 –24 1,675 · 10 –28 9,11 · 10
Atom elektronmoln kärna
Kärna proton neutron
Kärnpartikel kvark
Modern atommodell. Elektronerna som rör sig runt atomkärnan är så snabba att man skulle uppleva dem som ett moln om man kunde se dem. Molnet skulle vara tätast på elektronernas ”favoritavstånd” från kärnan. Det är dessa avstånd vi kallar elektronskal.
De tre viktigaste elementarpartiklarna.
Massa (u)
Laddning
ca 1 ca 1 ca 0,000 5
+1 0 –1
29
Masstal och atomnummer Eftersom elektroner väger mycket mindre än protoner och neutroner är det främst antalet kärnpartiklar som påverkar en atoms massa. Därför kallas summan av antalet protoner och neutroner i en atom för masstalet. Detta är alltid ett heltal och betecknas A. För t.ex. vanligt väte är A = 1, för tungt väte är A = 2 och för extratungt väte är A = 3 (se bilden på sidan 28). Vi har sett att såväl protoner som neutroner har massan ca 1 u. Därmed är mätetalet för en atoms massa (uttryckt i u) ungefär lika stort som masstalet. Alla atomer i ett grundämne har lika många protoner och detta antal kallas ämnets atomnummer. Det betecknas Z. En väteatom har endast en proton och därför har väte atomnummer 1. I helium har atomerna två protoner och detta grundämne har atomnummer 2 osv. I naturen förekommer grundämnen med atomnummer 1 – 92 (uran har atomnummer 92). Kända grundämnen med atomnummer större än 92 är konstprodukter från laboratorier, kärnreaktorer och kärnvapensprängningar. Den som studerar isotoper behöver veta hur många neutroner atomerna innehåller. Detta antal kallas neutrontalet och förkortas N. Mellan masstalet (A), atomnumret (Z) och neutrontalet (N) råder följande samband:
A=Z+N Varje grundämne har ett kemiskt tecken (se t.ex. tabellen på sidan 23). I anslutning till ämnets kemiska tecken kan man ange atomslagets masstal och eventuellt atomnummer med sifferindex enligt exemplet nedan. C är det kemiska tecknet för grundämnet kol. Masstal Atomnummer
Ö 2.1– 2.6
30
12 6
C
Det framgår att kolatomen ovan innehåller 6 protoner och 6 neutroner (12 kärnpartiklar – 6 protoner = 6 neutroner). I naturen förekommer även 13C och 14C. Eftersom kol har atomnummer 6 vet vi att dessa båda kolisotoper har 7 respektive 8 neutroner i sina atomkärnor. Är inte atomnumret markerat vid det kemiska tecknet kan man alltid hitta detta i en tabellsamling (se sidan 304) eller i grundämnenas periodiska system (se sidan 55).
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Radioaktiva isotoper Bland alla grundämnen med atomnummer större än 83 förekommer endast instabila atomkärnor. Det innebär att atomkärnorna är benägna att falla sönder så att grundämnen med mindre atomnummer bildas. Samtidigt med sönderfallen utsänds strålning som kallas joniserande strålning och atomerna som sönderfaller sägs vara radioaktiva. Även bland grundämnen med mindre atomnummer (Z < 84) förekommer vissa radioaktiva isotoper. Som exempel kan nämnas att 14C är en radioaktiv isotop av grundämnet kol. Vid radioaktiva sönderfall kan det bildas tre typer av joniserande strålning, nämligen alfa-, beta- och gammastrålning. I fortsättningen betecknar vi dessa med de grekiska bokstäverna a (alfa), b (beta) och g (gamma). Låt oss titta närmare på radioaktivt sönderfall av 238U (kan även skrivas uran-238) respektive 14C (kol-14) för att se vad som händer då den joniserande strålningen uppstår.
Klyvningsprodukter från uran-238 Av beteckningarna i bilden framgår att uran har atomnummer 92. 238U är den vanligaste uranisotopen i naturligt uran. Den innehåller 146 stycken neutroner (238 – 92). Bilden visar vad som händer då kärnan i en 238U-atom sönderfaller. Plötsligt lossnar en liten bit av kärnan och far iväg med stor hastighet. Den lossbrutna delen består av två protoner och två neutroner. Den är inget annat än en atomkärna av grundämnet helium (He) som ju har atomnummer 2. När en heliumkärna bildas på detta sätt kallas den för en a-partikel och man säger att det radioaktiva ämnet utsänder a-strålning. Då a-partikeln har sänts iväg återstår en atom med endast 90 protoner i kärnan. Grundämnet med atomnummer 90 heter torium (Th). Samtidigt som urankärnan klyvs till torium och en a-partikel sänder den även ut g-strålning. Det är elektromagnetisk strålning med mycket kort våglängd, dvs. samma typ av strålning som synligt ljus fast betydligt mer energirik. a-strålning kan stoppas av ett papper eller några centimeter luft. Som skydd mot g-strålning, som kan tränga rakt genom människokroppen, krävs däremot bly eller tjock betong.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
238 92U
234 90 Th
a-partikel 4 2 He
g-strålning Sönderfall av uran-238. I figuren visas endast atomernas kärnor.
31
Klyvningsprodukter från kol-14 När tunga atomkärnor (t.ex. uran) sönderfaller avges ofta a-strålning. Lätta radioaktiva isotoper, som t.ex. 14C, brukar däremot ge upphov till b-strålning som består av elektroner. Både a-strålning och b-strålning kan avges parallellt med g-strålning. När en 14C-atom utsänder en elektron (b-strålning) omvandlas den själv till en kväveatom. Grundämnet kväve betecknas N och har atomnummer 7. Vi kan sammanfatta förloppet på följande sätt: uran-238 4,5 miljarder år
14 6
kol-14 5 700 år jod-131 8,1 dygn radon-222 3,8 dygn polonium-214 0,00015 sekunder Några radioaktiva isotopers halveringstider.
C
14 7
N
+
e– (b-strålning)
Det märkliga med ovanstående förlopp är att kolatomen ”sönderfaller” till en atom med ett högre atomnummer. Det som händer är att en av kolatomens neutroner omvandlas till en elektron och en proton. Elektronen sänds iväg, medan protonen stannar kvar i atomkärnan. Den nya atomkärnan innehåller alltså 7 protoner och 7 neutroner. Det är den vanligast förekommande kväveisotopen. Av tabellen på sidan 29 framgår att neutronen har en något större massa än protonen. Det är en förutsättning för att en neutron under speciella omständigheter ska kunna förvandlas till en proton och en elektron. Det krävs t.ex. glas eller extra tjocka skyddskläder för att utestänga b-strålning. b-strålning har alltså större förmåga att passera hinder än vad a-strålning har, men den bromsas lättare än g-strålning.
Halveringstid
Sönderfallskurva för cesium-137. Halveringstiden är 30 år.
Aktivitet (%) 100 75 50 25 0
32
0
30
Strålningen från ett prov som innehåller en viss radioaktiv isotop minskar efterhand som de radioaktiva atomerna sönderfaller och bildar nya ämnen. Den tid som krävs för att hälften av den radioaktiva isotopens atomer ska hinna sönderfalla kallas halveringstid. En av de radioaktiva klyvningsprodukterna som ingår i använt kärnbränsle är cesium-137. (Grundämnet cesium betecknas Cs och har atomnummer 55.) Av diagrammet framgår att cesium-137 har halveringstiden 30 år. I tabellen ovan till vänster visas halveringstiden för några andra ämnens radioakTid 60 90 120 150 (år) tiva isotoper.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Kol -14 avslöjar åldern I atmosfären förekommer kol bundet till syre i koldioxidmolekyler. Dessa partiklar innehåller en kolatom och två syreatomer och betecknas CO2 (mer om detta på sidan 100). Kolatomer utgör ”ryggraden” i de organiska ämnen (t.ex. kolhydrater, fetter och proteiner) som är grundläggande byggstenar i levande varelser. Livet är alltså beroende av kol. Trots att endast 0,037 % av luften utgörs av koldioxid är det denna gas som är växternas och djurens primära kolkälla. Det är de gröna växterna som tar upp koldioxiden från luften för att bilda organiska ämnen med hjälp av energi från solen. Detta kallas fotosyntes. Djuren och vi människor tar sedan del av de kolhaltiga ämnena via födan. Det kol som finns i naturen är en blandning av de tre isotoperna 12C (98,89 % av isotoperna), 13C (1,11 % av isotoperna) och 14C (< 0,01 % av isotoperna). Av dessa är 14C radioaktiv. Denna isotop bildas under inverkan av kosmisk strålning i atmosfärens övre skikt. Atmosfärens koldioxid innehåller en konstant andel 14CO2 eftersom det råder balans mellan nybildning och sönderfall av den radioaktiva isotopen. Så länge växter och djur lever och utbyter kol med omgivningen innehåller även dessa en konstant halt 14C. När t.ex. en växt dör omsätts inte längre dess kolhaltiga ämnen. Därmed börjar växtmaterialets halt av 14C att minska i takt med att dessa isotoper sönderfaller. Mäter man halten återstående 14C i dött organiskt material, och känner isotopens halveringstid (5 700 år), kan man beräkna materialets ålder (hur länge det har varit dött). Det är den joniserande strålningen från 14C som mäts och som avslöjar isotophalten. 14 C-metoden är användbar för mätning av åldrar upp till ca 40 000 år. Ska man åldersbestämma ännu äldre föremål måste man mäta radioaktiva isotoper med längre halveringstider.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
Mumier har kunnat åldersbestämmas med hjälp av kol-14. Denna vackra sarkofag tillhör en egyptisk prästinna som levde ca 1200 f.Kr.
Ö 2.7– 2.11
33
Några viktiga begrepp När vi nu har följt utvecklingen av människans kunskap om materia, har vi berört vissa begrepp som är grundläggande inom kemin. Nedan sammanfattar vi dessa begrepp, samtidigt som vi inflikar några ytterligare förklaringar.
Materia kan vägas Ordet materia (latin materia = ämne, stoff) används inom naturvetenskapen om allt som har massa, dvs. om allt som kan vägas på ett eller annat sätt. Även en osynlig, smaklös och luktfri gas som luft är exempel på materia. Luften i ett medelstort klassrum väger ca 300 kg.
Rena ämnen och blandningar
Några vanliga legeringar Namn
Ingående metaller
rostfritt stål järn krom nickel mässing
koppar zink
brons
koppar tenn
myntmetall koppar nickel nysilver
koppar zink nickel
lödtenn
tenn bly
amalgam
kvicksilver silver tenn koppar zink
34
Materia kan vara rena ämnen eller blandningar av rena ämnen. Kvävgas, syrgas och koldioxid är exempel på rena ämnen. Luft, som huvudsakligen består av dessa tre gaser, är däremot en blandning. Ett rent ämne har bestämda egenskaper, medan egenskaperna hos en blandning varierar med blandningens sammansättning. De rena ämnena vatten och glykol har t.ex. fryspunkterna 0 °C respektive –17 °C. I en bil används kylarvätska som ofta är en blandning av vatten och glykol. Fryspunkten hos denna blandning varierar med andelarna av de ingående ämnena.
Homogena blandningar kallas lösningar Om man lägger en tesked vanligt salt (koksalt) i ett glas vatten kommer saltet att lösas upp. Trots att man inte längre kan se att glaset innehåller såväl vatten som salt är innehållet en blandning av dessa båda ämnen. Man kan lätt avgöra att saltet finns där genom att smaka på blandningen. När man inte kan urskilja de olika beståndsdelarna i en blandning med ögats hjälp, säger man att blandningen är homogen. Homogena blandningar kallas även lösningar. Dessa kan vara gasformiga, flytande eller fasta. Saltlösningen är naturligtvis flytande. Det gäller även blandningen av vatten och glykol. Blandningen luft är däremot exempel på en gasformig lösning. Som exempel på fasta lösningar väljer vi homogena blandningar av metaller. Sådana kallas även legeringar. Våra silverlika mynt (t.ex. enkronor) är gjorda av en legering som innehåller 75 % koppar och 25%
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
nickel. Denna blandning lämpar sig för mynt eftersom den liknar silver och är hård (hårdare än silver). Guld är en ganska mjuk metall. För att öka hårdheten på t.ex. smycken legeras guldet med andra metaller. Guldhalten anges då i karat. 24 karat motsvarar 100 % guld. 18 karat, som är vanlig i smycken, innehåller 18/24 (= 75 %) guld. Resten är vanligen silver och koppar. Blandar man bly och tenn bildas den legering som kallas lödtenn. Diagrammet till höger visar hur andelen tenn i denna legering påverkar metallblandningens smältpunkt. Lägg märke till att en blandning av bly och tenn kan ha lägre smältpunkt än vad de båda ämnena har var för sig.
Smältpunkt (°C)
300
250
200 Tennhalt (vikt-%) 0
50
100
Lödtenn är en legering av tenn och bly. Figuren visar hur tennhalten påverkar legeringens smältpunkt.
Heterogena blandningar En av Sveriges vanligaste bergarter heter granit (se bilden nedan). Denna bergart är en blandning av tre mineral, nämligen fältspat, kvarts och glimmer. Dessa tre rena ämnen kan man lätt urskilja som olikfärgade korn i graniten. Blandningen granit är alltså inte homogen. Den är exempel på en heterogen blandning. Även blandningen av svavelpulver (gult) och järnpulver (svart) som beskrivs på nästa sida är en heterogen blandning.
Denna granit innehåller vitgrå kvarts, röd fältspat och svart glimmer.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
Ö 2.12– 2.17
35
Kemiska reaktioner ger nya ämnen Rena ämnen kan vara grundämnen eller kemiska föreningar. I grundämnen har alla atomer samma atomnummer (lika antal protoner). Kemiska föreningar innehåller däremot olika grundämnen, dvs. atomer med olika atomnummer. Trots att en kemisk förening innehåller olika grundämnen är den ett rent ämne och inte en blandning. I blandningar behåller de ingående ämnena sina egenskaper. Järn (Fe) är t.ex. magnetiskt och har metallegenskaper (metallglans m.m.), även om det har blandats med svavel (S) som i översta bilden i vänstra spalten på nästa sida. Ämnena i en blandning kan dessutom lätt separeras från varandra. Järnet kan skiljas från svavlet med hjälp av en magnet. Om man upphettar en järn-svavelblandning sker en kemisk reaktion och det bildas en kemisk förening (se nedre bilden i vänsterspalten). Denna förening kallas järnsulfid och betecknas FeS. Järnsulfidens egenskaper skiljer sig från både järnets och svavlets egenskaper. Den är t.ex. grå och spröd, den är inte magnetisk och den saknar metallegenskaper. Man kan inte separera den kemiska föreningens beståndsdelar från varandra på det enkla sätt som man kan göra med blandningens beståndsdelar. Det är tydligen så att en kemisk reaktion mellan järn och svavel leder till uppkomsten av ett nytt och rent ämne. Att kemiska reaktioner ger nya ämnen framgår även av experiment et som visas i högerspalten på nästa sida. Där brinner metallen magnesium i luft, vilket innebär att metallen reagerar med luftens syre. När det har slutat brinna återstår ett vitt pulver. Detta nya ämne, som är en kemisk förening mellan magnesium (Mg) och syre (O), heter magnesiumoxid (MgO). Flertalet ämnen som finns i naturen är kemiska föreningar. Som exempel kan nämnas att vatten är en kemisk förening mellan grundämnena väte (H) och syre (O). Vatten har formeln H2O. Formeln avslöjar att varje syreatom är förenad med två väteatomer (mer om detta senare).
Reaktionsformler Genom att skriva reaktionsformler kan man på ett enkelt sätt beskriva vad som händer vid kemiska reaktioner. Reaktionsformler kan skrivas med ord (ordformler) eller med kemiska tecken (teckenformler). De innehåller dessutom pilar som pekar från utgångsämnena mot ämnena som bildas. Utgångsämnen (ämnen som ska reagera) kallas reaktanter och ämnen som bildas under kemiska reaktioner kallas produkter. På nästa sida visas detta med formlerna som beskriver reaktionen mellan järn och svavel.
36
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Överst: Järn och svavel som blandas behåller sina egenskaper. Järnet är t.ex. fortfarande magnetiskt och kan lätt skiljas från svavlet med en magnet. Nederst: Järn- och svavelpulver har blandats i ett provrör och upphettats. Det sker en häftig kemisk reaktion och det nya ämnet järnsulfid bildas.
Nederst: När magnesium har brunnit återstår vit magnesiumoxid.
Ordformel:
järn
+
svavel
järnsulfid
Teckenformel:
Fe
+
S
FeS
reaktanter
2
Överst: Magnesium brinner med en mycket ljusstark låga. Förr användes metallen i fotoblixtar.
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
produkt
Ö 2.18– 2.20
37
Aggregationsformer
Fast ämne Stelning
Sublimation
Smältning
Vätska Kondensation Kokning
Gas (ånga) Övergångar mellan aggregationsformer.
38
Ämnen kan förekomma som fasta ämnen, vätskor eller gaser. Dessa tillstånd kallas aggregationsformer (latin aggregáre = samla). Namnet syftar på att ämnenas beståndsdelar är olika tätt samlade i de tre tillstånden. Även om trycket har en betydelse är det vanligen temperaturen som avgör ett ämnes aggregationsform. Temperatur är ett mått på partikelrörelse, dvs. ett mått på hur fort ett ämnes beståndsdelar (atomer, joner eller molekyler) rör sig. Ju högre temperaturen är desto större är denna s.k. värmerörelse. Ämnenas beståndsdelar (atomer, joner respektive molekyler) hålls samman av mer eller mindre starka bindningar som verkar mellan partiklarna (mer om detta i kapitel 4). Vid låga temperaturer, då värmerörelsen är liten, orkar de kemiska bindningarna hålla ämnenas beståndsdelar väl samlade. Då förekommer ämnena i fast form. Ökar temperaturen (dvs. värmerörelsen) minskar sammanhållningen mellan ämnenas beståndsdelar som då kan glida omkring och byta plats med varandra. Det är vad som sker i vätskor. Höjs temperaturen ytterligare bryts bindningarna helt mellan ämnenas beståndsdelar som därmed rör sig alldeles fritt. Ämnena förekommer då i gasform. När temperaturen sänks ändras aggregationsformen i motsatt riktning, dvs. från gas via vätska till fast form. Ett rent ämne smälter, dvs. övergår från fast till flytande form, vid en viss temperatur som kallas smältpunkten. Ämnets övergång från vätska till fast form kallas stelning och sker vid ämnets fryspunkt, som är samma temperatur som smältpunkten. Den temperatur som råder då ett ämne kokar (förångas), dvs. övergår från vätska till gas, kallas ämnets kokpunkt. Övergången från gas till vätska kallas kondensation och sker vid samma temperatur som ämnet kokar. Genom att olika ämnen har olika starka bindningar mellan sina byggstenar har de också olika smältpunkt, kokpunkt osv. Se tabellen på nästa sida. Bland annat koldioxid och jod kan övergå direkt från fast ämne till gas respektive från gas till fast ämne. Detta kallas sublimation. Fast koldioxid, s.k. kolsyresnö, finns under högt tryck i vissa brandsläckare (i ”kolsyresläckare”). Koldioxidgas kväver eld. Genom att fast koldioxid omvandlas till gas utan att vätska först bildas är denna släckningsmetod lämplig där det finns elektronik och annan fuktkänslig utrustning.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
Koldioxid sublimerar från ”kolsyresnö”, dvs. från fast koldioxid. Sublimationspunkten är –78,5 °C. Den vita ”röken” uppstår då vattenånga i luften kondenserar vid den låga temperaturen och bildar imma (små vattendroppar).
Från fast jod på kristallisationsskålens botten sprids lilafärgad jodgas till följd av sublimation. Jodångan kyls mot rundkolven som innehåller isvatten. Då bildas åter fast jod som avsätts som nålformade kristaller på kolvens undersida.
Den absoluta nollpunkten Vi har sagt att temperatur är ett mått på partikelrörelse. Det innebär att det måste finnas en lägsta möjliga temperatur vid vilken all partikelrörelse i princip har avstannat. Detta sker vid –273,15 °C. Vid denna temperatur, som kallas den absoluta nollpunkten, är alla ämnen fasta. Denna temperatur är också nollpunkt i den temperaturskala som kallas kelvinskalan. Varje heltalssteg i kelvinskalan är lika stort som en grad på celsiusskalan. Det innebär att t.ex. 25 °C är ungefär lika med (25 + 273) K (K = kelvin), dvs. 298 K.
Ämne
Smältpunkt (°C)
syre etanol (”vanlig” alkohol) vatten kvicksilver järn koksalt (natriumklorid) koldioxid
–218 –114 0 –39 1 540 801
Kokpunkt (°C)
Ö 2.21– 2.24
Sublimationspunkt (°C)
–183 78 100 357 2 900 1 473 –78,5
Smältpunkt, kokpunkt och sublimationspunkt för några ämnen. Värdena gäller vid normalt lufttryck. Kvicksilver är den enda metallen som är vätska vid rumstemperatur. Notera koksaltets höga smältpunkt. Man kan lösa koksalt i vatten vid rumstemperatur. Att lösa ett ämne är att skapa en blandning. Detta får inte förväxlas med smältning.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
39
SAMMANFATTNING ämnen som brinner i luft. Han avskaffade flogistonteorin.
Kapitel 2 Demokritos tänkte sig att materia kunde delas i allt mindre bitar tills det bara återstod odelbara partiklar, dvs. atomer. Han använde atombegreppet redan för 2 400 år sedan. Aristoteles ansåg att all materia kunde härledas till de fyra elementen jord, vatten, luft och eld. Alkemisterna byggde sin verksamhet på elementläran och andra filosofiska spekulationer när de bl.a. försökte framställa guld. De bidrog till kemins utveckling genom att de upptäckte nya ämnen och utvecklade experimentella arbetsmetoder. Antoine Lavoisier har kallats den moderna kemins fader. När Scheele och Priestly hade upptäckt syret visade Lavoisier att syre upptas av
40
I början på 1800-talet återinförde John Dalton atomteorin. Han menade att ett grundämne bestod av atomer som alla vägde lika mycket. Dalton beskrev kemiska reaktioner med hjälp av symboler för olika grundämnen. Jöns Jacob Berzelius ersatte Daltons grundämnessymboler med kemiska tecken som bestod av en eller två bokstäver. Detta system används fortfarande. Omkring år 1900 upptäckte Sir Joseph Thomson den negativt laddade elektronen (e–) och presenterade en ny atommodell. Atomen ansågs inte längre vara odelbar. Ernest Rutherford konstaterade att alfa-partiklar kunde passera genom en guldfolie utan att kollidera med andra partiklar. Han insåg då att det mesta av guldatomernas massa var samlad i en liten atomkärna som bestod av positivt laddade protoner (p+). De betydligt lättare elektronerna kretsade runt atomkärnan.
Niels Bohr föreslog att elektroner kretsade på bestämda avstånd från en atomkärna. Avstånden motsvarade elektronernas möjliga energinivåer. Trots nya rön är det vanligt att vi fortfarande använder Bohrs modell. Vi säger att elektronerna är fördelade på olika skal (avstånd) runt kärnan. Det innersta skalet kallas K-skalet. Därefter följer skalen L, M, N osv. i alfabetisk ordning. En exciterad atom har högre energi än sin minimienergi. Joniseringsenergi är den energimängd som krävs för att avlägsna en elektron från en atom. James Chadwick upptäckte neutronen år 1932. Atomer av samma grundämne sägs vara isotoper om de har olika antal neutroner i sina kärnor. Protoner och neutroner kallas kärnpartiklar eller nukleoner. Atommassenheten (1 u) lämpar sig för mycket små massor.
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
SAMMANFATTNING Atomens masstal = antal p+ + antal n Atomnummer = antal p+ i atomkärnan Masstal Atomnummer
12 6
C
Daltons atommodell. Atomen var en odelbar, massiv kula.
+
e–
Thomsons atommodell. Elektroner var spridda i en positivt laddad ”massa”.
e–
+
+
e–
e–
+
Rutherfords atommodell. Elektroner kretsade kring en atomkärna som bestod av protoner.
e–
e– p+ p+ + p+ p e–
e–
e–
e–
Bohrs atommodell. Elektronerna kunde bara befinna sig på vissa energinivåer utanför kärnan.
p+ p+ + p+ p e– e–
e–
e– n
p+ n
p+ e–
Radioaktiva isotoper sönderfaller under bildning av nya grundämnen samt joniserande strålning. Strålningen kan vara -, - eller -strålning. Halveringstid är den tid som krävs för att hälften av det ursprungliga antalet atomer av en radioaktiv isotop ska ha fallit sönder. En blandning är homogen om man inte kan urskilja dess olika beståndsdelar med ögats hjälp. Homogena blandningar kallas även lösningar. En legering är en fast lösning av olika metaller. Icke-homogena blandningar kallas heterogena. Vid kemiska reaktioner bildas nya ämnen. Det gör det inte när ämnen bara blandas. En kemisk förening består av olika grundämnen som har reagerat med varandra.
Chadwicks atommodell. Atomkärnan bestod av protoner och neutroner.
Utgångsämnena i kemiska reaktioner kallas reaktanter och står till vänster om pilen i en reaktionsformel. Till höger om pilen står produkterna, dvs. ämnena som bildas.
Modern atommodell.
Ämnen kan ha tre aggregationsformer. De kan vara fasta, flytande eller gasformiga.
e–
Koldioxid är exempel på ett ämne som kan övergå direkt från fast ämne till gas respektive från gas till fast ämne Dessa övergångar kallas sublimation.
e–
+
e–
Den lägsta möjliga temperaturen (–273,15 °C) kallas absoluta nollpunkten. Denna temperatur är nollpunkt i kelvinskalan.
e–
+
p+ e–
e–
+
2
p+ e–
e–
p+ e–
K U N S K A P
O M
M A T E R I A
41
ÖVNINGSUPPGIFTER
2.1 a I rutan nedan finns kemiska tecken för några olika grundämnen. Namnge grundämnena och ange för vart och ett av dessa om det är en metall, halvmetall eller ickemetall (vid behov kan du ta hjälp av tabellen på sidan 304). b Hur många protoner, neutroner och elektroner innehåller respektive atom i nedanstående ruta? 65 29
56
Cu 26 Fe
40 20
Ca
196
Br
14
78
Pt
2.5 Grundämnet klor (Cl) har atomnummer 17. I naturen förekommer två klorisotoper, nämligen 35Cl och 37Cl. Dessa har de ungefärliga massorna 35 u respektive 37 u. Den genomsnittliga massan hos naturligt förekommande kloratomer är ca 35,5 u. Vilka av följande påståenden är rätta? a Alla kloratomer innehåller 17 elektroner. b Alla kloratomer innehåller lika många protoner som neutroner. c Det finns kloratomer med 18 protoner.
N
d Det finns kloratomer med 18 neutroner.
2.2 Grundämnet kalium (K) har atomnummer 19. Vilken sammansättning har atomkärnan i den kaliumisotop som har masstalet 39?
2.6 Rita av nedanstående tabell och fyll i de uppgifter som saknas. Följ exemplet kol på översta raden. Du kan hitta namn, kemiskt tecken och atomnummer för olika grundämnen i tabellen på sidan 304.
131 53
I
7 3
Li
79 35
7
2.3 Det finns tre stabila (icke radioaktiva) syreisotoper. Dessa har 8, 9 respektive 10 neutroner i sina atomkärnor. Syre har atomnummer 8. Skriv kemiskt tecken med sifferindex som anger masstal och atomnummer för de tre syreisotoperna.
e
35
Cl är den vanligaste klorisotopen i naturen.
Namn
kol
Symbol 12 6
C
15
2.4 Argon (Ar), kalium (K) och kalcium (Ca) har atomnummer 18, 19 respektive 20. Dessa tre grundämnen har var sin isotop med masstalet 40. a Ange kärnladdning (antal positiva enhetsladdningar) för respektive isotop.
N
Antal p+
Antal n
Antal e–
6
6
6
7
7
7
syre
10 35 13
järn
56
46
Al
14
Fe
b Hur många neutroner har respektive isotop?
42
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
ÖVNINGSUPPGIFTER
2.7
238 94 Pu
är en isotop av det radioaktiva grundämnet plutonium. Antag att en atom av denna isotop utstrålar en alfapartikel. a Vilket masstal har atomen som återstår då alfa-partikeln har avgivits? b Vilket atomnummer har atomen som återstår då alfa-partikeln har avgivits? c Skriv namn och kemiskt tecken för grundämnet som har detta atomnummer. Du kan ta hjälp av tabellen på sidan 304.
2.11 Nedan visas sönderfallskurvan för den radioaktiva isotopen strontium-90. Vilken halveringstid har strontium-90?
Aktivitet (%) 100 75 50 25 0
2.8 En isotop av det radioaktiva grundämnet 230 torium har följande beteckning 90 Th. Antag att en atom av denna isotop utstrålar en alfa-partikel. Då återstår en isotop av ett nytt grundämne. Skriv kemiskt tecken med sifferindex som anger masstal och atomnummer för den nya isotopen. Du kan ta hjälp av tabellen på sidan 304. 2.9 En isotop av grundämnet strontium har
0
20
40
60
80
100
Tid (år)
2.12 Vilka av nedanstående förslag är rena ämnen? a havsvatten
b syrgas
c brons
d koksalt
e strösocker (sackaros)
f bordsmargarin
g mjölk
h tenn
90 38 Sr.
beteckningen Antag att en atom av denna radioaktiva isotop utstrålar en beta-partikel. Vilket masstal, atomnummer och kemiskt tecken har atomen som bildas då beta-partikeln avges? Du kan ta hjälp av tabellen på sidan 304. 2.10 Hur mycket av 10 g uran-238 återstår efter 4,5 · 109 år? Du kan ta hjälp av tabellen på sidan 32.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
2.13 Vilka av nedanstående ämnen är grundämnen? a syrgas
b koldioxid
c vatten
d magnesium
e järnsulfid
f lödtenn
g 24 karat guld
h
238 92 U
43
ÖVNINGSUPPGIFTER
2.16 Hur skulle du kunna tillverka en
2.14 Vilka av nedanstående blandningar är homogena och vilka är heterogena?
a heterogen blandning av tenn och bly
a järnpulver och koksalt
b lösning av tenn och bly som smälter vid temperaturen 190 °C (se diagrammet på sidan 35)
b koppar och nickel i en enkrona c etanol (”vanlig” alkohol) och vatten d sand och strösocker (sackaros)
2.17 Antag att du har en ring som väger 8,0 g och som är tillverkad av 18 karat guld. Hur många gram rent guld innehåller ringen?
e koksalt och vatten f matolja och vatten g vattenånga och luft h koldioxid och vatten i en oöppnad sockerdricksflaska
2.18 Järn tillhör följande rutor i figuren nedan: materia – rent ämne – grundämne – metall.
2.15 Föreslå hur du skulle kunna separera a järn från blandningen i uppgift 2.14 a
Vilka rutor tillhör
b etanol från blandningen i uppgift 2.14 c
a vatten
b kvävgas
c sand från blandningen i uppgift 2.14 d
c granit
d koldioxid
d koksalt från blandningen i uppgift 2.14 e
e luft
f kvicksilver
e matolja från blandningen i uppgift 2.14 f
g järnsulfid
h svavel
f vatten från blandningen i uppgift 2.14 g Sammanfattning av några kemiska begrepp
Materia
Blandning
Homogen blandning
44
Rent ämne
Heterogen blandning
Grundämne
Kemisk förening
Metall
Halvmetall
Ickemetall
2
k u n s k a p
o m
m a t e r i a
ÖVNINGSUPPGIFTER
2.19 Skriv en ordformel för den kemiska reaktionen i högerspalten på sidan 37.
2.23 Beskriv hur en istapp på t.ex. en stupränna bildas.
2.20 Nedre bilden på sidan 21 visar en kemisk reaktion.
2.24 Rimfrost på t.ex. glasrutor kan uppstå genom sublimation. Mellan vilka aggregationsformer övergår vatten då sådan rimfrost bildas?
a Vad heter reaktanten och produkterna i denna reaktion? b Skriv en ordformel för reaktionen. c Skriv en teckenformel för reaktionen. 2.21 Besvara följande frågor med hjälp av tabellen på sidan 39. Vi förutsätter att trycket motsvarar normalt lufttryck. a Inom vilket temperaturintervall förekommer syrgas som vätska? b Vilken fryspunkt har etanol? c Vid vilken temperatur kondenserar kvicksilver? d Vid vilken temperatur fryser kvicksilver? 2.22 Vilka av nedanstående påståenden är sanna? a Socker smälter i munnen när det blandas med saliv. b Man kan se vattenånga. c Järn kan förekomma i gasform. d Kvicksilver har lägre fryspunkt än vatten. e Järn kondenserar vid en högre temperatur än kvicksilver. f Vid normalt lufttryck är vattnets kokpunkt ca 373 K. g Vattenånga har lägre densitet än is.
2
k u n s k a p
o
m
m a t e r i a
Rimfrost på en glasruta.
45
Boken handlar bland annat om det naturvetenskapliga arbetssättet kemin i ett idéhistoriskt perspektiv det periodiska systemet hur kemisk bindning präglar ämnens egenskaper hur man skriver reaktionsformler och utför kemiska beräkningar syror och baser oxidation och reduktion analytisk kemi organisk kemi
Anders Henriksson har undervisat i kemi, biologi och naturkunskap på gymnasieskolan i ca 20 år. Nu arbetar Anders bl.a. som läromedelsförfattare och har samarbetat med Gleerups sedan 1994. Detta har resulterat i flera läroböcker i såväl kemi som biologi och naturkunskap.
Anders Henriksson
Syntes Kemi 1 är kursbok till gymnasiekursen Kemi 1 (100 p).
Syntes
kemi 1
kemi 1
1
Syntes
Syntes
kemi 1 Anders Henriksson