Isis kemi C [2nd ed.] 9788777838781, 8777838785 [PDF]

Zitiervorschau

Isis Kemi C

Isis

Isis_C_omslag.p65

1

er et system til kemiundervisningen på C-niveau inden for de gymnasiale uddannelser. Systemet består af en lærebog med indlagt cd-rom. Desuden er der tilknyttet en hjemmeside, og der kan købes en mappe med øvelsesvejledninger og arbejdsark.

er navnet på en egyptisk gudinde. Myten om Isis fortæller, at liget af hendes elskede blev skåret i stykker og spredt ud over hele Egypten. Isis samlede imidlertid alle delene og genskabte ham. Myten kan opfattes som et billede på kemiens væsen: helheder, der deles og samles. Læs mere om Isis på cdrom’en.

Kim Bruun • Hans Birger Jensen Karsten Ulrik Jensen • Søren Munthe

Isis

KEMI www.systime.dk/isisc

Kim Bruun Søren Munthe Hans Birger Jensen Karsten Ulrik Jensen

Kemi C

Isis 30-04-2002, 12:04

Isis Kemi C

Kim Bruun Karsten Ulrik Jensen Søren Munthe Hans Birger Jensen (red.)

Indholdsfortegnelse Isis Kemi C © 1999-2002 Kim Bruun, Karsten Ulrik Jensen, Søren Munthe, Hans Birger Jensen og Systime A/S Kopiering fra denne bog må kun finde sted i overensstemmelse med aftale mellem Copy-Dan og Undervisningsministeriet. Ekstern redaktion: Hans Birger Jensen Omslagsillustrationer: – Forside: © Poul Ib Henriksen Fotografi, Århus. – Bagside: Isisstatue, Bridgeman Art Library/ Freud Museum, London Omslag og layout: Anne Hansen Sat med Clearly Roman 9/11,5 Grafisk tilrettelæggelse/produktion: DanskMedieDesign A/S Trykt hos Nørhaven A/S, Viborg Printed in Denmark 2002 1. udgave, 2. oplag ISBN 87-7783-878-5 1. udgave, 1. oplag 1999

Skt. Pauls Gade 25 DK-8000 Århus C Tlf.: 70 12 11 00 www.systime.dk

Isis takker Thomas B. Thriges Fond og Undervisningsministeriets Mediesektion for økonomisk støtte.

Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

5

Grundstoffer og molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Carbonholdige forbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

39 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58

Mængdeberegning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

61 62 64 66 68 70 72 74 76 78

Ioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

81 82 84 86 88 90 92 94

1. Ferien er forbi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. En kemisk reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Grundstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Elektronstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Grundstoffernes periodesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Periodicitet og atommasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Reaktionsskemaet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Metaller og ikke-metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. Halogener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. Grundstofferne i atmosfæren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Molekylforbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. Molekylers form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14. Elektronegativitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15. Carbonhydrider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16. Alkaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17. Navngivning af alkaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18. Alkanernes egenskaber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19. Raffinering af råolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20. Alkener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21. Plast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22. Arener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23. Organiske halogenforbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24. Stofmængde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25. Beregningsskemaet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26. Ækvivalente mængder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27. Gassers molare volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28. Idealgasligningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29. Grænseværdier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30. Kemikaliemærkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31. Kemikalieaffald . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32. 33. 34. 35. 36. 37. 38.

2

Ioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ionforbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ioners navne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eksempler på salte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ioner og vand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stofmængdekoncentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formel og aktuel koncentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

side side side side side side side side side side side side side side side

side side side side side side side side side side

side side side side side side side side side

side side side side side side side

3

Forord Indholdsfortegnelse 39. Opløselighed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40. Fældningstitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41. Endoterme og exoterme reaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

side side side side

96 98 100 102

Syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

105 106 108 110 112 114 116 118 120

42. Syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. Vand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44. Vigtige syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45. pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. Måling af pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47. Blanding af syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48. Syre-basetitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

side side side side side side side side

Redoxreaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side 49. Redoxreaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50. Spændingsrækken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51. Oxidationstal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. Afstemning af redoxreaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53. Flere redoxreaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54. Hypochlorit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

side side side side side side side

Teknisk kemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side 55. Sur nedbør. Problemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56. Sur nedbør. Løsningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57. Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58. Elementer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59. Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60. Kobber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61. Guld og sølv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62. Titan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

side side side side side side side side side

Fede forbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

123 124 126 128 130 132 134 136 138 140 142 144 146 148 150 152 154 156

side side side side side side side side side

159 160 162 164 166 168 170 172 174 176

Illustrationsliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side Stikordsregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side Tabeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . side

178 179 181

63. Oxidation af carbonhydrider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64. Alkohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65. Chromatografi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66. Carboxylsyrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67. Organiske salte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68. Emulsioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69. Fedtstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70. Chokolade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Isis er et undervisningssystem i kemi. Det er rettet mod de gymnasiale uddannelsers C-niveau. Systemet omfatter egentlige tekstsider, traditionelle og interaktive opgaver, supplerende tekster, facitliste, videooptagelser af kemiforsøg, øvelsesvejledninger, arbejdsark, en række hjælpeprogrammer, links til relevante Internetsider m.v. Alt materialet findes på en cd-rom, men hovedteksten, mange af opgaverne og nogle hyppigt brugte tabeller er desuden samlet i den bog, der følger med cd-rom’en. Hovedteksten er organiseret i 70 opslag. I mange tilfælde vil et opslag svare til den stofmængde, der gennemgås på en normal lektion, men det er naturligvis også muligt at opdele teksten frit. Derudover indeholder bogen en række opgaveopslag og et opslag med tabeller. Opslagene er samlet i 8 emnemæssigt afgrænsede dele. Efter hver del findes en række opgaver af forskellig sværhedsgrad. Sværhedsgraden er markeret med små stjerner. En del af opgaverne forudsætter, at eleverne på egen hånd indhenter information fra tabelværker, databaser, opslagsværker, Internettet el.lign. Disse opgaver er markeret med et lille i. Inddelingen i opslag genfindes på cd-rom’en, hvor der til hvert opslag findes interaktive opgaver, supplerende tekst, videosekvenser o.a., som kan anvendes enten på klassen eller i forbindelse med forberedelse og repetition. Under hvert opslag kan man desuden se den tilsvarende bogtekst. På cd-rom’en findes også Isis-udgaver af undervisningsprogrammerne Mendelejev, Organica, Laborica, Systimes Kemidatabase og ChemiSolve. Mendelejev er en database med oplysninger om periodesystemet, Organica er et program til indlæring af organiske forbindelsers navne, Laborica er et mærkningsprogram med oplysninger til mærkning af alle stofferne på Listen over farlige stoffer, Systimes Kemidatabase indeholder kemiske og fysiske data for en række organiske forbindelser, og ChemiSolve er et program til kemisk mængdeberegning. Til systemet er knyttet en Internet hjemmeside. Fra cd-rom’en kan man klikke sig direkte til hjemmesiden. På hjemmesiden er der links til internetadresser, der knytter sig til de enkelte opslag i bogen, og andet supplerende materiale. Øvelsesvejledninger og arbejdsark kan købes i en særskilt mappe. Mappen med øvelsesvejledninger indeholder 35 øvelsesvejledninger og 15 arbejdsark. Både øvelsesvejledninger og arbejdsark kan gratis nedtages fra hjemmesiden som Word 97 dokumenter og pdf-format.

Isis-gruppen, april 1999

Isis 4

5

Grundstoffer og molekyler 1. Ferien er forbi 2. En kemisk reaktion 3. Grundstoffer 4. Elektronstruktur 5. Grundstoffernes periodesystem 6. Periodicitet og atommasse 7. Reaktionsskemaet 8. Carbon 9. Metaller og ikke-metaller 10. Halogener 11. Grundstofferne i atmosfæren 12. Molekylforbindelser 13. Molekylers form 14. Elektronegativitet Opgaver

Isis 6

7

Ferien er forbi

Grundstoffer og molekyler

1

Udendørs møbler laves ofte af PVC-plast. PVC-plasten er let at formgive, den kan tåle fugt og store temperatursvingninger, den er relativt let at holde ren, den kræver næsten ingen vedligeholdelse, den vejer minimalt i forhold til styrken og den er ikke dyr. De mange gode egenskaber til trods er PVC ikke længere så populært. Det kan du læse mere om på opslag 21.

Billedet her viser en typisk feriesituation for mange danskere. Vandet og de chlorholdige forbindelser i vandet er kemisk ret aggressive over for metaller. Hverken jern eller aluminium kan tåle det i længden. Chrom er derimod temmelig modstandsdygtigt, men det er kun tilsyneladende, for chrom omdannes også. Forskellen er, at de dannede chromforbindelser bliver hængende fast til metallet og beskytter det mod videre omdannelse. Reaktionerne mellem metaller og oxygen, vand og andre stoffer kan du læse mere om fra opslag 49.

Selv en kemilærer kan under sådanne forhold komme til at glemme alt om kemi. Teksten ved billederne minder om, at der er kemi i alt. Vandet i et badebassin tilsættes “chlor” for at hæmme væksten af alger, bakterier og andre mikroorganismer. I praksis bruges dog stoffet hypochlorit, der har samme virkning. Hypochlorit er også det aktive stof i en række blege- og rengøringsmidler (fx Klorin®). Mange får en mærkelig hud af at svømme meget i badebassiner og tror, det skyldes chlorindholdet, men det er i regelen badevandets surhedsgrad, der giver problemerne. Der står mere om chlor på opslag 10 og 54 og om surhedsgrad på opslag 45 og på de følgende opslag.

Tidligere bestod læskedrikke af frugtsaft, vand og carbondioxid. Mange læskedrikke er i dag hel-syntetiske varer, hvor alle smags- og farvestoffer er fremstillet på kemiske fabrikker. Læskedrikkene er kemisk set en opløsning af syrer, ioner, frugtsmagende forbindelser og syntetiske sødestoffer. Opløsningen er desuden overmættet med carbondioxid på gasform. Du kan læse om gasser på opslag 27 og 28, opløsninger fra opslag 36 og syrer fra opslag 42.

Solcreme består af en almindelig creme, der er tilsat en eller flere kemiske forbindelser, der kan forhindre en del af solens ultraviolette lys i at nå huden. Cremen skal trænge ind i huden, så huden ikke bliver fedtet og ulækker, men solbeskyttelsesstoffet skal blive på overfladen for at beskytte. Og når man er færdig med solbadningen, skal cremen helst kunne vaskes af. Der står mere om cremer på opslag 68.

Isis 8

9

2

(svensk) (engelsk) (tysk) (fransk) (dansk)

Grundstoffer og molekyler

Syre Oxygen Sauerstoff Oxygéne Ilt

En kemisk reaktion

Afbrænding af gas fra en bunsenbrænder er en simpel kemisk reaktion. Stofferne, der skal reagere med hinanden, kaldes for reaktanter, mens de dannede stoffer kaldes for produkter.

Ca. 1500º

Vi skal straks undersøge et eksempel på en kemisk reaktion: gas der brænder i atmosfærisk luft.

Ca. 500º

I ethvert kemilaboratorium findes nogle specielle gasbrændere, der kendes under navnet bunsenbrændere. De er opkaldt efter den tyske kemiker Bunsen. Du kan læse mere om ham på cd-rom’en. Bunsenbrænderen kan indstilles, så gas og luft blandes inden gassen antændes. Når brænderen er indstillet på den måde, fås en klar, blålig flamme med en høj temperatur.

Flamme

Lyset og varmen vil en kemiker tage som ret sikre tegn på, at der sker en kemisk reaktion, dvs. et eller flere stoffer omdannes til et eller flere andre. Helt sikker kan man ikke være – fx er en almindelig elpære jo også både varm og lysende.

En kemisk reaktion kan beskrives med et reaktionsskema. Både grundstoffer og kemiske forbindelser kan findes som rene stoffer og i blandinger.

Luftspjæld

For at være sikker må man undersøge, hvilke stoffer der er til stede, inden man antænder gasblandingen, og sammenligne med de stoffer, man kan finde i luftstrømmen oven over flammen. Hvis der er dannet nye stoffer, er der sket en kemisk reaktion. De stoffer, der er til stede inden reaktionen finder sted, kaldes for reaktanter. I dette tilfælde er en af reaktanterne naturligvis gas. Den gas, der kommer ud af gashanerne på din skole, regner vi med i det følgende består af den kemiske forbindelse methan. Ordet gas er en almindelig betegnelser hentet fra hverdagens sprogbrug og har ikke nogen præcis betydning. Inden for kemien er en gas normalt det samme som en luftart. Methanet reagerer med en eller flere luftarter fra den atmosfæriske luft. Atmosfærisk luft er en gasblanding, idet den består af gasserne ilt og kvælstof. Ilt og kvælstof er gamle danske betegnelser for de to luftarter. I en verden med stadig større international

Billederne viser en anden kemisk reaktion. Først blandes de to rene grundstoffer jern og svovl. Der sker ikke umiddelbart nogen kemisk reaktion – de to stoffer kan uden videre adskilles, fx med en magnet eller ved at komme blandingen i vand.

10

handel og kommunikation kan det være en lettelse – i hvert fald på langt sigt – at bruge internationale betegnelser. Ilt hedder således oxygen og kvælstof hedder nitrogen. I resten af denne bog bruges konsekvent de internationale betegnelser. Der er cirka 4 gange så meget nitrogen, som der er oxygen i atmosfæren. Atmosfærisk luft indeholder også små mængder af andre stoffer end oxygen og nitrogen. Det står der mere om på opslag 11. Vi kan ikke uden videre se, om både nitrogen og oxygen i den atmosfæriske luft omdannes i flammen, men eksperimenter kan let vise, at det kun er oxygen. I luftstrømmen oven over flammen, kan man påvise to andre stoffer: vand og carbondioxid. De stoffer, der dannes ved den kemiske reaktion, kaldes produkter. Afbrændingen af gas i atmosfærisk luft kan vi nu beskrive rent kemisk: Reaktanterne methan og oxygen omdannes til produkterne carbondioxid og vand Det kan gøres lidt kortere ved hjælp af plus-tegn og en reaktionspil: methan + oxygen

➝

carbondioxid + vand

Pilen læses “omdannes til” eller kortere “bliver til”. En kemisk reaktion kan således beskrives med reaktanterne, en reaktionspil til at markere reaktionen eller omdannelsen og endelig produkterne. Denne opstilling kaldes et reaktionsskema. Reaktionsskemaerne spiller en helt central rolle i moderne kemi.

Først når blandingen opvarmes, går reaktionen i gang – selv om bunsenbrænderen fjernes, fortsætter indholdet i glasset med at gløde. Produktet er en kemisk forbindelse mellem jern og svovl, hvor de to grundstoffer ikke uden videre kan adskilles.

Grundstof Oxygen og nitrogen er grundstoffer. Alt stof er opbygget af atomer, der igen er opbygget af elektroner, protoner og neutroner. I et atom er der lige mange elektroner og protoner, mens antallet af neutroner kan variere. I et grundstof har alle atomer det samme antal protoner. I oxygen har atomerne 8 protroner, mens de har 7 protoner i nitrogen.

Kemisk forbindelse Methan, carbondioxid og vand er kemiske forbindelser. I kemiske forbindelser er atomer fra forskellige grundstoffer bundet sammen. Både grundstoffer og kemiske forbindelser kan findes som rene stoffer og i blandinger:

Et rent stof Methan er et rent stof. I et rent stof er alle delene ens.

En blanding Atmosfærisk luft er en blanding. I en blanding findes flere forskellige stoffer.

Isis 11

Halveringstid for den mest stabile isotop a (lat. annus) år d (lat. dies) dag h (lat. hora) time

Grundstoffer og molekyler

3

Grundstoffer

Alle isotoper af dette grundstof er radioaktive

Fotoet fortæller om – udseende og tilstandsform – metal hhv. ikke-metal – vigtige modifikationer – særlige reaktionsvillighed med luft – eller luftfugtighed (med henblik på opbevaring af stoffet) – ved gasser: den foreskrevne farve for gasflasker Atomsymbol Atomnummer = antal protoner i atomkernen = antal elektroner

Atomer er opbygget af positive protoner, neutrale neutroner og negative elektroner. Atommasse for den mest stabile isotop

Protoner og neutroner findes i atomets kerne.

Atommassen i u Gennemsnitsværdien af den naturligt forekommende isotopblanding, afrundet til 1 decimal. 1 u = 1/12 af massen af et 12C-atom

Atomer af samme grundstof, men med forskelligt antal neutroner, kaldes isotoper. Grundstofferne har hver sit nummer, navn, symbol og atommasse.

Skemaet på dette opslag er en oversigt over samtlige grundstoffer. Det kaldes grundstoffernes periodesystem. Ideen i periodesystemet bliver gennemgået i de følgende opslag. Atomer er som nævnt opbygget af protoner, elektroner og neutroner. Både protonerne

og elektronerne er elektrisk ladede. En elektron og en proton har lige stor ladning, men ladningerne er modsatte. Man har vedtaget at kalde elektronernes ladning negativ og protonernes positiv. Da atomerne er elektrisk neutrale udadtil, må der være lige mange elektroner og protoner i hvert atom.

Selv om atomer fra samme grundstof altid har samme antal protoner, kan de godt indeholde et forskelligt antal neutroner. Atomer af samme grundstof, men med forskelligt antal neutroner, kaldes isotoper. Isotop betyder “samme sted”, nemlig samme sted i periodesystemet.

Neutronerne er elektrisk neutrale. De findes sammen med protonerne inden for et meget lille område i centrum af atomet. Dette område kaldes for kernen eller nucleus. Neutronerne bevirker, at de positive protoner ikke frastødes af hinanden, og jo flere protoner, der er i atomet, desto flere neutroner er nødvendige.

Alle grundstofferne har: et nummer, et eller flere navne et symbol og en atommasse. Nummeret, der også kaldes atomnummeret, er det samme som antallet af protoner i hvert af grundstoffets atomer. Der findes atomer med et vilkårligt

antal protoner fra 1 og op til godt og vel 110, og dermed er der også godt og vel 110 grundstoffer. Det er kun de 90, der er naturligt forekommende. Resten er menneskeskabte. Alle grundstofferne har et internationalt navn, der har rod i latin eller græsk – eller i det mindste med latinsk/græsk

endelse: hydrogen, helium, lithium, beryllium osv. De mest brugte og kendte har også et nationalt navn: brint, kulstof, kvælstof, ilt osv. Grundstofsymbolet består af et eller to bogstaver, hvoraf det første er et stort bogstav. Atommassen bliver gennemgået på opslag 6.

I det viste periodesystem er medtaget atommassen, atomnummeret og atomsymbolet. Bag i bogen findes en tabel med navnene på grundstofferne. Det forventes, at du kan de første 18 udenad. På cdrom’en er nogle opgaver, der kan hjælpe dig med at lære navnene.

Isis 12

13

Elektronstruktur Skalmodellen

Efter denne model for deles elektronerne i et antal kugleskaller omkring kernen. I skallerne kan være 2, 8 eller endnu flere elektroner. Der kan dog højest være 8 elektroner i den yderste skal. Elektronernes fordeling i skallerne kan angives som fx i carbon: C: (2,4)

5 km Kirke

Et bykort er også en forenklet beskrivelse af virkeligheden, dvs. en model. Byen er en kompliceret samling af huse og haver, veje og pladser, indhegninger og passager, osv. Et bykort, hvor kun de store veje er tegnet på, giver et godt overblik for den, der vil køre hurtigt gennem byen. Men en fodgænger, der lever i byen, har brug for mange flere detaljer.

2 i 1. skal 8 i 2. skal 7 i 3. skal

Vi skal derfor se, hvordan man meget forenklet kan beskrive, hvordan elektronerne opbygger atomerne.

Skalmodellen er en forenklet beskrivelse af de uhyre små atomer.

De enkelte atomer er meget små. En lille vanddråbe fylder ca. 50 mm3. Hvis der hvert sekund fordamper 1 million vandmolekyler fra overfladen på sådan en vanddråbe, vil det vare ca. 50 millioner år, før dråben er væk!

Atomerne er så små, at de hver for sig ikke kan ses. Deres radius er kun omkring en timilliardtedel af en meter. Gennem et utal af undersøgelser og målinger har man – efterhånden – alligevel fået en ret velunderbygget forestilling om, hvordan elektroner og protoner spiller sammen om at give hvert grundstofs atomer dets særlige egenskaber – og det er yderst komplicereret! De positivt ladede protoner sidder godt gemt i kernen inde midt i atomet. Kernen fylder kun omkring en titusindedel af atomet. Det er derfor elektronerne uden om kernen, der faktisk udfylder atomet. Der sker langt lettere ændringer ved elektronerne end protonerne. Der gælder helt generelt: Ved kemiske reaktioner påvirkes alene elektronerne og endda kun de yderste elektroner.

Grundstoffer og molekyler

4

Grundlæggende er opbygning og egenskaber bestemt af elektronernes og protonernes elektriske ladninger. De negative elektroner og de positive protoner i kernen vil nemlig tiltrække hinanden, mens elektronerne indbyrdes frastøder hinanden. I det simpleste tilfælde – hydrogenatomet – skal en beskrivelse af atomet kun kunne gøre rede for tiltrækningen mellem én elektron og én proton i kernen. Det er overkommeligt, men allerede for helium bliver det meget kompliceret. For de følgende grundstoffer er det en næsten uoverkommeligt opgave at lave en komplet beskrivelse. I et større atom bliver ikke mindst elektronernes gensidige påvirkning aldeles uoverskuelig. På den baggrund har vi valgt her at støtte os til en meget forenklet beskrivelse, som kaldes skalmodellen. I skalmodellen laver man den forenkling at antage, at alle elektronerne bevæger sig inden for områder, der har form som kugleskaller. Når disse skaller tegnes, bliver kugleskallerne i reglen til cirkulære baner. Kernen findes i centrum af skallerne. Som vist på figuren øverst på næste side kan elektronerne fordeles i flere kugleskaller, der ligger uden om hinanden. Prikken i midten forestiller

kernen, og cirklerne uden om er skallerne. Tegningen forestiller et atom med elektroner i 3 skaller. Da kernen er så lille, kan størrelsesforholdet mellem kernen og hele atomet ikke vises korrekt på sådan en figur. Elektronerne er i sig selv endnu mindre end kernen, men elektronerne bevæger sig meget hurtigt rundt inden for deres skaller. Elektronerne udfylder derfor i praksis altid hele skallen og størrelsen af skallerne afgør atomets udstrækning. På tegninger markerer man i regelen hver elektron med en prik på den cirkel, der viser den pågældende elektrons skal.

Elektronstruktur Elektronernes fordeling i de forskellige skaller, kaldes atomernes elektronstruktur. Elektronerne vil fortrinsvis findes i de inderste skaller, men der kan kun være et vist antal

elektroner i hver skal: i 1. skal højest 2 elektroner, i 2. skal højest 8 elektroner, i 3. skal højest 18 elektroner, i 4. skal højest 32 elektroner. I de næste skaller kan der teoretisk være endnu flere elektroner. Grundstofferne med høje numre har elektroner helt ud til 7. skal, men ingen atomer har mere end 32 elektroner i en skal. Figuren nederst på siden viser elektronstrukturen hos grundstofferne op til nummer 18. Opstillingen svarer til systemet vist på forrige opslag. På tegningerne er de fleste elektronprikker sat 2 og 2. Det afspejler, at elektronerne oftest optræder sammen parvis. I de yderste skaller kan der godt være uparrede elektroner. Fra og med grundstof nummer 19 har atomerne elektro-

ner i den yderste skal, selv om den næstyderste ikke er fyldt helt op — jern er et eksempel. Det er ikke muligt ud fra skalmodellen at forklare denne og tilsvarende afvigelser fra en simpel opfyldning af skallerne. Vi skal nøjes med at fremhæve en vigtig hovedregel:

1. og 2. skal er fyldte

Der er højest 8 elektroner i yderste skal

17

Hvis man vil angive elektronstrukturen for et atom, kan man skrive grundstofsymbolet efterfulgt af antallet af elektroner i hver skal. Eksempler: H: (1) Natrium har 2 elektroner i 1.skal, 8 i 2.skal og 1 i 3.skal. Det skrives: Na: (2,8,1) Jernatomer har fyldt 1. og 2. skal, i 3. er der 14 og i 4. skal 2 elektroner. Det bliver: Fe: (2,8,14,2)

Chlor er grundstof nummer 17 Der er 17 protoner og 17 elektroner

Cl

1

2

H 3

He 4

Li 11

Na

5

6

Be 12

Mg

7

B 13

Al

C 14

Si

8

N 15

9

O 16

P

10

F 17

S

Cl

Ne 18

Ar Isis

14

15

Grundstoffer og molekyler

5

Grundstoffernes periodesystem

Grupperne i periodesystemet med flest grundstoffer kaldes hovedgrupper, resten undergrupper. Grundstoffer i samme hovedgruppe har samme antal elektroner i yderste skal. Gruppe 8 kaldes ædelgasserne. Gruppe 7 halogenerne. Gruppe 1 indeholder alkalimetallerne. Antallet af elektroner i yderste skal kan angives ved hjælp af elektronprikformler.

Vi kan nu forklare baggrunden for den særlige opstilling af grundstofferne, der er vist på opslag 3. Den er nemlig baseret på grundstoffernes elektronstruktur. De vandrette rækker kaldes perioder, og søjlerne i systemet kaldes grupper. Systemet er ordnet sådan for at give grundstofferne i samme gruppe – med enkelte undtagelser – det samme antal elektroner i yderste skal og dermed også en række fælles egenskaber. Gruppen af grundstoffer i slutningen af hver periode har således netop 8 elektroner i yderste skal (bortset fra helium, der har 2). Omvendt har gruppen af grundstoffer i begyndelsen af hver periode kun en elektron i den yderste skal, mens de i den næstyderste har

otte (bortset fra grundstofferne i de første to perioder). Man skelner mellem hovedgrupper og undergrupper, og vi vil koncentrere os om hovedgrupperne. Der er en simpel sammenhæng mellem antallet af elektroner i yderste skal og hovedgruppenummeret (med undtagelse af helium): For grundstoffer i hovedgrupperne er antallet af elektroner i yderste skal det samme som gruppenummeret.

Ædelgasser Gruppen yderst til højre i periodesystemet kaldes 8. hovedgruppe. Grundstofferne i 8. hovedgruppe er ved stuetemperatur gasser, og disse atomer kan næsten ikke danne for-

bindelser med andre atomer. De kaldes derfor ædelgasser. Bortset fra helium har ædelgasserne 8 elektroner i yderste skal, og denne elektronfordeling giver et særligt stabilt atom. Helium er speciel, fordi det kun har 2 elektroner, der begge findes i første skal. Heliums egenskaber minder imidlertid helt om de øvrige ædelgassers, og det har derfor været naturligt at anbringe helium i samme gruppe.

Alkalimetallerne Grundstofferne i 1. hovedgruppe har 1 elektron alene i den yderste skal, men bortset fra denne ene elektron i den yderste skal, er elektronerne fordelt ligesom i ædelgasserne. Man skelner ofte mellem hydrogen på den ene side og resten af hovedgruppen på den anden.

Hydrogenatomet har kun 1 elektron i alt, og har ikke mange egenskaber fælles med de andre grundstoffer i 1. hovedgruppe. Hydrogen ligner imidlertid heller ikke andre grundstoffer, så man har valgt at lade det blive stående i gruppe 1! De seks andre grundstoffer i 1. hovedgruppe kaldes alkalimetallerne. Den ene elektron i den yderste skal er relativt let at fjerne. Da elektronen bærer en negativ ladning, vil atomet uden denne elektron få en positiv proton i overskud og derved blive positivt ladet. Et ladet atom kaldes en ion. Alkalimetallerne danner altså let positive ioner. De fleste forbindelser, der indeholder disse ioner, er letopløselige i vand. Både grundvand, ferskvand og havvand

H

11

Na

I 2. hovedgruppe findes de grundstoffer, der har 2 elektroner i yderste skal og samtidig i de øvrige skaller har en elektronfordeling som en ædelgas. Der findes mange andre grundstoffer med 2 elektroner i yderste skal – vi har allerede mødt jern og helium – men de opfylder ikke reglen om, at “resten” skal være som en ædelgas.

3., 4., 5. og 6. hovedgruppe Grundstofferne i 3. hoved-

skal. Vi vil ikke her gå i detaljer med principperne, men kun påpege, at de grundstoffer, der står i samme undergruppe, på nogle måder ligner hinanden.

Halogener

Eksempelvis står kobber, sølv og guld i samme undergruppe. De ligner hinanden bl.a. ved at være usædvanligt gode til at lede elektrisk strøm og ved at være uopløselige i saltsyre, der ellers opløser de fleste metaller.

Grundstofferne i 7. hovedgruppe har alle 7 elektroner i yderste skal og derfor 1 elektron mindre end den efterfølgende ædelgas. Grundstofferne i denne gruppe kaldes tilsammen halogenerne, der betyder saltdannere. Gruppen behandles mere indgående på opslag 10.

Undergrupper I hovedgrupperne findes knap halvdelen af grundstofferne. Hovedparten af resten er placeret i undergrupperne, hvor der tages hensyn til, hvor mange elektroner der er i både den yderste og den næstyderste

Resten af grundstofferne er placeret for sig selv. Grundstofferne med numre fra 58 til og med 71 kaldes samlet lanthanider, og grundstofferne med numre fra 90 til 103 kaldes samlet actinider. Lanthanider og actinider vil vi ikke beskæftige os mere med i denne bog.

12

Mg

13

Al

14

Si

P

10

F 17

16

15

He

O

N

C

B

Be

2

9

8

7

6

5

4

Li

2. hovedgruppe

gruppe har alle 3 elektroner i yderste skal. Grundstofferne i 4., 5. og 6. hovedgruppe har tilsvarende henholdsvis 4, 5 og 6 elektroner i yderste skal.

I mange situationer er man kun interesseret i antallet af elektroner i den yderste skal. Når man tegner modeller af atomer, kan man i disse tilfælde nøjes med at tegne elektronprikformler. Som det fremgår af eksemplerne her, består de af grundstofsymbolet omgivet af samme antal prikker, som der er elektroner i yderste skal.

1

3

indeholder opløste natriumog kaliumsalte. I særligt tørre ørkenområder findes store aflejringer af letopløselige alkalimetalsalte. Ordet alkali stammer formodentlig fra navnet Rub al-Khali – en ørken på Den arabiske Halvø. Navnet kan oversættes til ”det tomme område”.

S

Cl

Ne 18

Ar Isis

16

17

Grundstoffer og molekyler

6

Periodicitet og atommasse

Grundstoffernes egenskaber ændres gradvist hen gennem en periode. Mønsteret gentages i de efterfølgende perioder. Massetallet angiver summen af antallet af protoner og neutroner. Atommassen for et grundstof er et vægtet gennemsnit af massen af grundstoffets isotoper. Formelmassen er summen af atommasserne for alle atomerne i en formel.

Elektronskallerne ligger uden på hinanden. Man kunne tro, at atomerne simpelthen bliver større og større desto flere elektroner, de rummer.

0,1 nm Atomradius 4

2

1

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Grafen viser atomernes radius for hvert grundstof, og det fremgår tydeligt, at sammenhængen ikke er helt så simpel.

Variationen i egenskaberne svarer til de første 6 perioder i periodesystemet, men den 1. periode består kun af to stoffer.

Ser man nøjere efter, viser det sig, at alle toppunkterne findes ved grundstofferne i gruppe 1, mens minimumspunkterne findes ved ædelgasserne i gruppe 8. Grafen afspejler således, at grundstoffernes egenskaber ændres gradvist hen gennem hver periode. Man kan sige, at grundstoffernes egenskaber udviser periodicitet.

Periodiciteten gælder både egenskaber knyttet til det enkelte atom, som fx atomradius, og egenskaber knyttet til stoffet som sådan, fx smeltepunkt som vist på figuren nedenfor. Periodiciteten for smeltepunktet er mere kompliceret end mønsteret for atomradius, men det er muligt at finde perioderne!

ºC 4000

En af grundstoffernes egenskaber har særlig interesse. Det er atommassen.

For det første var periodesystemet oprindelig baseret på atommassen kombineret med en omfattende viden om periodiciteten af grundstoffernes kemiske egenskaber. For det andet vil du senere få udstrakt brug for grundstofferatomnummer nes atommasser.

3

0

Atommasse

Smeltepunkt

3000

Atomets masse bestemmes af massen af de elementarpartikler, der findes i atomet. Man kan måle, at en proton og en neutron har næsten samme masse. Massen af en elektron er derimod knap 2000 gange mindre og i praksis uden betydning for atommassen. I praksis er hele atomets masse placeret i kernen (hos protonerne og neutronerne). Et atoms masse er altså bestemt af de dele af atomet, der ikke direkte deltager i kemiske reaktioner. Det har den behagelige konsekvens, at atomernes masser ikke ændrer sig ved kemiske reaktioner. Til gengæld har isotoper af samme grundstof forskellig masse, fordi isotoperne har forskelligt antal neutroner.

2000

ner. En bestemt isotop kan angives på to måder. Massetallet kan skrives efter grundstofsymbolet; fx C-12, der altså er en carbonisotop med massetallet 12 (og dermed 6 protoner og 6 neutroner). Massetallet kan også skrives før grundstofsymbolet, men så med hævet skrift; med samme eksempel: 12C.

Formelmassen

Enheden Unit

Oxygenet i atmosfæren er overvejende dioxygen, O2. Det lille, sænkede 2-tal viser, at to atomer er bundet sammen. Oxygen har atommassen 16,0 u, men dioxygen har formelmassen 32,0 u, idet begge atomer i dioxygen skal regnes med. Vand har formlen H 2O. Det består altså af hydrogen- og oxygenatomer (H og O). 2-tallet efter H-et viser, at der er to hydrogenatomer. Når der ingen tal er efter grundstofsymbolet, skal man underforstå et 1-tal. Formlen viser derfor, at der er 1 oxygenatom. Formelmassen for vand er 18,0 u, da atommassen for oxygen er 16,0 u og massen af hvert hydrogenatom er 1,0 u.

Da atommassen ikke ændres ved kemiske reaktioner, er det meget let at finde massen, der svarer til en bestemt formel, formelmassen. Formelmassen er summen af atommasserne af de atomer, der indgår i formlen.

Massen af atomer opgives i en særlig – meget lille – masseenhed. Den kaldes unit eller bare u. Masseenheden 1 u er defineret som 1/12 af massen af et 12C-atom. Massen af en proton eller en neutron bliver således meget tæt på 1 u. Sammenhængen mellem de to masseenheder u og kg er fundet til: 1 u = 1,66·10 –27 kg = 1,66·10 –24 g Vi kan nu definere et grundstofs atommasse. Atommassen beregnes som et gennemsnit af masserne af grundstoffets isotoper. Ved udregningen tager man højde for, hvor stor en andel de forskellige isotoper udgør af grundstofatomerne. Atommasserne angives med enheden u.

Massetallet = antal protoner + antal neutroner

23 11

Na

Atomsymbol

Atomnummer = antal protoner

Massetallet 1000

0 10 -1000

20

30

40

50

60

70

I visse sammenhænge er det nødvendigt at kunne angive en bestemt isotops kernesammensætning. Hertil benyttes 80 90 100 massetallet, der er summen af atomnummer antallet af protoner og neutro-

Isis 18

19

Grundstoffer og molekyler

7

Reaktionsskemaet

Ved kemiske reaktioner er der lige mange atomer af hver slags før og efter reaktionen. Normalt afstemmes reaktionsskemaerne. Det sker ved at sætte passende koefficienter foran formlerne. Normalt medtages i reaktionsskemaet kun de stoffer, der rent faktisk deltager i reaktionen. Med (s) angives et stof på fast form, (l) betyder væske og (g) betyder gas.

Vi kan nu skrive reaktionsskemaer med formler. Et simpelt eksempel er spaltningen af carbonsyre (kulsyre) til carbondioxid og vand – reaktionen kan iagttages i enhver sodavand. Formlen for carbonsyre er H2CO3 og skemaet bliver derfor: H 2 CO 3

➝

H 2 O + CO 2

Man skal lægge mærke til, at der er lige mange atomer af de forskellige grundstoffer før og efter reaktionen. Ud over at beskrive reaktionen, udtrykker reaktionsskemaet nemlig også nogle grundlæggende forhold om stofbevarelse. Det ene er, at der ikke kan dannes eller forsvinde grundstofatomer ved kemiske reaktioner. Denne erkendelse er ældre end opdagelsen af atomerne, så tidligere blev den formuleret som en massebevarelse: Den samlede masse ændres ikke ved kemiske reaktioner.

H2 +

O2

➝

H 2 O (ikke afstemt)

Der er to oxygenatomer på venstre side, men kun et på højre side. Problemet løses ved at tage to H2. Så kan der dannes to H2O, og skemaet bliver: 2 H2

+

O2

➝

2 H2O

Ved kemiske reaktioner bevares: – antallet af hvert grundstofatom – den samlede ladning og – den samlede masse. (Bevarelsessætningerne)

Afstemt reaktionsskema Når der er lige mange atomer af hver slags på begge sider af reaktionspilen, siges reaktionsskemaet at være afstemt. Reaktionsskemaet for dannelsen af vand opfylder ikke umiddelbart dette krav:

CH 4 + O 2

➝

carbondioxid + vand

➝

CO 2 + H 2 O (ikke afstemt)

Reaktionsskemaet kan afstemmes med et 2-tal foran H2O og dernæst en optælling af oxygenatomer på højre side (der bliver 4). Der skal så også bruges 2 O2: CH 4 + 2 O 2

Nu er der 4 hydrogenatomer og 2 oxygenatomer på begge sider. Hvis man tæller antallet af elektroner og protoner på hver side af reaktionspilen, vil man også se, at ladningen er bevaret. Det forekommer måske indlysende, men vi kommer senere til at se på reaktioner, hvor der indgår ladede forbindelser, og her er bevarelsen af den samlede ladning knap så tydelig.

methan + oxygen Med formler fås:

Et afstemt reaktionsskema har lige mange atomer af hver slags på begge sider af reaktionspilen. Tallene foran formlerne kaldes reaktionsskemaets koefficienter. Hvis der ikke er noget tal foran en formel, underforstår man et 1-tal. Det er ikke altid let at bestemme de rigtige koefficienter og dermed få et afstemt reaktionsskema. Nogle gange fristes man til at ændre på formlerne, men det må man naturligvis ikke. Hvis man gør det, bliver det jo andre forbindelser og en helt anden reaktion.

➝

CO 2 + 2 H 2 O

Ind gennem bunsenbrænderen ledes faktisk mere nitrogen end oxygen, men da nitrogenet ikke deltager i reaktionen, er det ikke taget med i skemaet.

Fast, flydende eller gas Tit er det en fordel at vide, om reaktanterne eller produkterne findes på gasform, som væske eller er et fast stof. Det kan man let angive i et reaktionsskema, idet man umiddelbart efter formlen skriver: (s) (l) (g)

hvis stoffet er et fast stof (engelsk: solid ). hvis stoffet er en væske (engelsk: liquid ). hvis stoffet er på gasform (engelsk: gas ).

Reaktionsskemaet for dannelsen af vand bliver så: I reaktionsskemaerne medtages i regelen kun formlerne for de stoffer, der deltager i reaktionen.

Afbrænding af methan Vi har undersøgt afbrændingen af methangas med en bunsenbrænder. Det beskrev vi:

En kemisk reaktion kan være et stykke magnesium, der brænder i luften fra oxygenflasken. Der dannes et hvidt pulver.

Det hvide pulver har formlen MgO og reaktionsskemaet kan derfor skrives:

Mg + O2 ➝ MgO (ikke afstemt) For at få skemaet afstemt er det nødvendigt at tilføje nogle passende koefficienter:

2 Mg + O 2 Reaktionen beskrives med et afstemt reaktionsskema.

➝

2 MgO

2 H 2 (g) + O 2 (g)

➝

2 H 2 O(l)

I en sodende flamme brænder små stykker af carbon og danner carbondioxid: C(s) + O 2 (g) ➝ CO 2 (g)

Desuden bør man angive tilstandene:

2 Mg(s) + O2(g) ➝ 2 MgO(s) Reaktionsskemaets koefficienter angiver kun forholdet mellem antallet af de atomer, der indgår i reaktionen. Reaktionsskemaet er en meget abstrakt gengivelse af en kemisk reaktion. Det kræver nogen træning herfra at kunne forestille sig reaktionen!

Isis 20

21

Grundstoffer og molekyler

8

Carbon Stoffer opbygget af det samme grundstof kan godt være forskellige. Carbonatomer kan danne 4 forskellige stoffer: diamant, grafit, kulfibre og fullerener. Diamant og grafit er opbygget som atomgitre, mens C60 er opbygget af molekyler. Et molekyle har en bestemt størrelse og opbygning. Det består af mindst to atomer, der er bundet sammen.

Lavoisier byggede denne maskine med en stor linse. På markedspladsen i Paris afbrændte han i 1775 en diamant.

Jern og svovl er to forskellige stoffer, fordi de er opbygget af to forskellige slags grundstofatomer. På billederne forneden kan du se fire andre forskellige stoffer. De har forskellig hårdhed, kogepunkt, smeltepunkt, farve osv. De fire stoffer er ikke desto mindre opbygget af den samme slags atomer: carbonatomer. Når forskellene mellem stofferne ikke kan tilskrives forskellige atomer, må forskellene skyldes, at atomerne i hvert stof er samlet på forskellig måde.

Diamant I de foregående opslag er du flere gange stødt på formler for grundstoffer, hvor atomerne har bundet sig sammen to og to, fx O2 og H2. Carbonatomerne opfører sig helt anderledes. Lad os først se på diamanten. Hvert af carbonatomerne i en diamant er bundet til fire andre carbonatomer, der igen er bundet til fire carbonatomer osv. På den måde samler carbonatomerne sig til et stort gitterværk – kun bestående af carbonatomer.

Strukturen i diamant. Hver af de sorte kugler viser et C-atom.

Strukturen af grafit. Hvert lag er kun løst bundet til de to nabolag.

Strukturen af C 60 (fulleren). Atomerne danner et kugleformet molekyle.

Formlen for diamant kan man skrive C(diamant) eller bare C.

diamanter påvirkes ikke af noget andet stof ved almindelig temperatur. Der er kun to måder at ødelægge diamanter på. Hvis man varmer dem op sammen med oxygen, brænder de, og hvis man varmer dem op til over 1000 °C uden oxygen, bliver de til grafit.

princippet kan gøres uendeligt.

Som tegningerne af diamantstrukturen øverst på siden viser, kommer carbonatomerne til at sidde i et ganske bestemt mønster, som giver en særlig kraftig lysbrydning og refleksion. Når diamanter slibes under hensyn til dette mønster, fremkommer et unikt og smukt lysspil. Dette lysspil er en del af diamanternes fascinerende egenskaber, og diamanter har formodentlig været eftertragtede i hele menneskehedens historie. Store diamanter har fået navne og er omgærdet med myter og drabelige historier om folk, der har været villige til at sælge meget andet end deres gamle mor for at få fat på dem. Diamanter “varer evigt”: det er det hårdeste naturligt forekommende materiale, det har det højeste smeltepunkt og

Grafit I grafit er hvert carbonatom kun bundet til tre andre carbonatomer. Derved dannes flade plader, hvor carbonatomerne sidder i sekskantede ringe. Hver plade er kun et atom tykt, men kan strække sig langt i længden og bredden. Mellem hvert lag findes elektroner, der sidder løst bundet til atomerne. Disse elektroner er ret lette at flytte og grafit er derfor elektrisk ledende – men kun i retninger parallelt med pladerne. De enkelte plader kan også let glide i forhold til hinanden, og derfor kan grafit bruges til blyanter og som smøremiddel. Grafit er ligesom diamant opbygget som et gitterværk, der i

Carbonfibre Carbonfibre eller kulfibre har næsten samme struktur som grafit, men lagene er foldede og kan derfor ikke glide i forhold til hinanden. Du kan læse mere om carbonfibre på cdrom’en.

Fulleren Fullerener er nærmest en mellemting mellem diamantstrukturen og grafitstrukturen. Carbonatomerne bindes som i grafit kun til tre andre carbonatomer, men i skiftevis fem- og sekskantede ringe. De femkantede ringe får pladerne til at bøje sig en smule og carbonpladen folder sig sammen, så carbonatomerne danner overfladen af en kugle, der minder om en (meget, meget lille) fodbold. Man kan lave fullerener med forskelligt antal C-atomer i kuglen, men den, der er lettest at lave, indeholder 60 C-atomer og kaldes C60-fulleren.

Molekyler I modsætning til både grafit og diamant består C60-fulleren ikke af et udstrakt gitterværk, men af små ens partikler. Det er sådanne ensartede partikler med en bestemt størrelse, der kaldes molekyler. Et molekyle har en bestemt størrelse og opbygning. Det består af mindst to atomer, der er bundet sammen. Molekyler kan bestå af atomer af samme grundstof, som C60fulleren eller som vi tidligere har set: O2 og H2. De fleste molekyler består dog af atomer af forskellige grundstoffer, for eksempel CO2 og CH4. Det er vigtigt at bemærke, hvordan materialernes egenskaber både afhænger af, hvilke grundstofatomer, de består af, og hvordan disse atomer er bundet sammen. Det kan sammenlignes med ord: ordenes betydning skyldes både hvilke bogstaver, der er brugt, og hvordan bogstaverne er sat sammen.

Diamant. Grafitklumper. Kulfibre spundet til tråd. Opløsning af fulleren.

Isis 22

23

Grundstoffer og molekyler

9

Metaller og ikke-metaller grundstof. Mange af dem danner molekyler med 2 atomer, men det kan også være 4 (phosphor), 8 (svovl) eller 60 (carbon).

Grundstofferne kan opdeles i metaller og ikke-metaller. Ikke-metallerne er stabile som atomer eller danner molekyler. Metallerne danner atomgitre, hvor nogle af elektronerne fra hvert atom indgår i en fælles elektronsky. Skillelinien mellem metaller og ikke-metaller er ikke skarp og der findes en række grundstoffer, der kaldes halvmetaller.

Metaller

Metallerne leder elektrisk strøm, fordi elektronerne danner en fælles elektronsky, hvor de enkelte elektroner relativt let kan flyttes.

Vi har tidligere inddelt grundstofferne efter deres placering i periodesystemet, idet nogle af grundstofferne findes i hovedgrupper, mens andre findes i undergrupper. Man kan inddele grundstofferne efter mange andre kriterier, fx deres tilstandsform ved 20 °C. En særlig interessant opdeling er imidlertid opdelingen i metaller og ikke-metaller.

Ikke-metaller

Siliciumskiver til fremstilling af elektroniske kredsløb – de såkaldte chips. Halvmetallet er ultrarent: 99,9999% silicium.

Carbon, oxygen og nitrogen er alle ikke-metaller og på siden her til højre findes en oversigt over disse grundstoffer samt de andre grundstoffer, der også er ikke-metaller. Alle ikke-metallerne (undtagen hydrogen) findes i øverste højre hjørne af periodesystemet. Det er karakteristisk for ikkemetallerne, at de enten findes som atomer – det gælder ædelgasserne – eller danner større eller mindre molekyler, der indeholder atomer af samme

Metallerne har også en række karakteristiske egenskaber. De er uigennemsigtige og, bortset fra kviksølv, faste stoffer. De har metalglans, en høj elektrisk ledningsevne, er temmelig bløde og har en større eller mindre tendens til at kunne formes i kold tilstand uden at gå i stykker. Alle disse egenskaber kan tilskrives den måde metalatomerne bindes sammen på. Metallerne danner ikke molekyler, men store atomgitre, hvor atomerne sidder klinet op ad hinanden – millioner og atter millioner ved siden af hinanden. Metallerne i 1. og 2. hovedgruppe har som bekendt henholdsvis 1 og 2 elektroner i yderste skal. Elektronfordelingen i undergrupperne er lidt mere kompliceret, men det gælder også for næsten alle grundstofferne i undergrupperne, at atomerne kun har 1 eller 2 elektroner i yderste skal. Metallernes elektriske ledningsevne kan forklares med, at disse yderste elektroner i hvert atom blandes med elektronerne fra naboatomerne og danner en fælles elektronsky. Metallet kan altså opfattes som tætsiddende metalioner omgivet af en fælles elektronsky. Elektronerne i

skyen kan let flyttes og dermed lede elektrisk strøm.

Ioner Under passende omstændigheder (som vi vender tilbage til på opslag 32) kan man helt fjerne elektronerne i metallernes yderste skal. Atomerne kommer så til at indeholde flere positive protoner end negative elektroner. Atomerne bliver derfor positivt ladede ioner. Metallerne danner altid positive ioner, mens de fleste ikke-metaller danner negative ioner. Som nævnt i forrige opslag danner carbonatomerne også atomgitre i form af diamanter. Selv om der i begge tilfælde er tale om atomgitre, har diamanter og metaller helt forskellige egenskaber, bl.a. er diamant (ligesom de andre ikke-metaller) ikke elektrisk ledende. Der kan derfor ikke være en sky af relativt frie elektroner i diamant. For at forstå disse markante forskelle, er det nødvendigt at vide mere om bindingsforholdene mellem ikke-metaller. Det vender vi tilbage til på opslag 12.

Halvmetaller Der findes en del grundstoffer som udviser metalliske egenskaber i mindre grad, fx ved at have en ret ringe ledningsevne. De kaldes halvmetaller og findes i periodesystemet ved siden af ikke-metallerne. De har stor betydning inden for elektronikindustrien, idet de benyttes til at fremstille for-

stærkere, ensrettere og integrerede kredsløb, fx processorer til computere. De vigtigste er bor, silicium, germanium, arsen og selen. Nogle af metallerne kan findes i forskellige former, hvor en af formerne ikke har metalliske egenskaber. Blandt brugsmetallerne er især tin kendt for ved afkøling at kunne omdannes til en ikke-metallisk form. Omdannelsen kan finde sted på tingenstande, der har været afkølet til et stykke under 0 °C. Den ikkemetalliske form fremkommer som pulveragtige, hvide pletter på tingenstanden og kaldes for tinpest. Skillelinien mellem metaller og ikke-metaller er altså ikke helt skarp, men kan alligevel være en nyttigt gruppering i det følgende.

Isis 24

25

Grundstoffer og molekyler

Tandpasta tilsættes fluorsalte. Store mængder natriumchlorid spredes på vejene til glatførebekæmpelse. Bromsalte benyttes til fremstilling af fotografisk film.

10

Halogener Grundstofferne i 7. hovedgruppe kaldes for halogener. Halogenerne er meget reaktive og tilstræber ved kemiske reaktioner at få en elektronstruktur som den nærmeste ædelgas. Halogenerne fremstilles ud fra salte. Dichlor er økonomisk langt det vigtigste halogen. De frie halogener har kun få anvendelser, men kemiske halogenforbindelser findes i en lang række produkter.

Grundstofferne i 7. hovedgruppe kaldes halogener. I gruppen er der 5 grundstoffer: fluor, chlor, brom, iod og astat. De fire første har været kendt som grundstoffer i mere end hundrede år. Astat har ingen stabile isotoper, og da den mest stabile isotop har en halveringstid på kun 8 timer, findes stoffet ikke i naturen. Det blev fremstillet kunstigt i 1940, men vi vil ikke omtale stoffet yderligere. I de rene grundstoffer er atomerne bundet sammen to og to til di-atomige molekyler. Der sker en række typiske ændringer i stofegenskaberne, når man bevæger sig ned gennem gruppen. Det gælder ikke alene for halogenerne, men for alle grupperne i periodesystemet, at smelte- og kogepunkterne stiger ned gennem en gruppe. For halogenerne betyder det, at ved 20° C og normalt tryk er difluor og dichlor gasser, dibrom en væske og diiod et fast stof. Halogenerne er alle ikke-metaller, men iodkrystaller kan faktisk godt ligne metal, fordi krystallerne har den samme glans, som er typisk for metallerne. Undersøger man den elektriske ledningsevne, vil man kunne måle, at iodkrystallerne har en meget ringe ledningsevne og derfor ikke kan være et metal.

Påvisning af ionerne Halogenerne reagerer let med mange andre stoffer og findes ikke i naturen som frie grundstoffer – kun i kemiske forbindelser. Den store reaktionsvillighed skyldes, at elektronstrukturen – 7 elektroner i yderste skal – er meget tæt på at ligne ædelgasserne. I halogenforbindelser har halogenatomerne altid en ekstra elektron, så de har 8 elektroner i yderste skal ligesom ædelgasserne. Det kan ske ved at halogenatomet simpelthen får tilført en elektron, hvorved atomet bliver til en negativt ladet ion: fluoridion, chloridion, bromidion eller iodidion. Vi vil vende tilbage til, hvordan det sker i molekyler. Fællesbetegnelsen – halogener – betyder saltdanner og specielt chlor kendes fra almindelig salt, der er en forbindelse mellem natriumioner og chloridioner. Opløste salte af halogener kan påvises ved at tilsætte nogle dråber af en sølvnitratopløsning. Der vil så komme en sløret udfældning af enten sølvchlorid, der er hvidt, sølvbromid, der er lysegult, eller sølviodid, der er gult. Der sker dog ingen udfældning med fluorsalte.

Fremstilling af dichlor Almindelig salt – kogsalt – er råstoffet, man bruger til fremstilling

af frit dichlor. Processen kan foregå ved at sende strøm gennem smeltet natriumchlorid: 2 NaCl(l)

➝

Cl 2 (g) + 2 Na(l)

Der dannes altså dichlor og natrium. Det er ret kostbart at lave dichlor på den måde, for smeltepunktet for salt er højt. Man kan i stedet sende strøm gennem vand, hvor der er opløst salt. Når man vil angive, at et stof er opløst i vand, skriver man aq i en parentes efter stoffet, fx salt opløst i vand: NaCl(aq). Da produkterne ved denne reaktion er dichlor, dihydrogen og natriumhydroxid, bliver reaktionsskemaet: 2 NaCl(aq) + 2 H 2O(l)

➝

H2(g) + Cl 2(g) + 2 NaOH(aq)

Det dannede natriumhydroxid vil også være opløst i vandet. Natriumhydroxiden skal holdes adskilt fra det dannede dichlor. Hvis de blandes, reagerer de med hinanden: Cl2(g) + 2 NaOH(aq) ➝ NaCl(aq) + NaClO(aq) + H2O(l) Denne reaktion kan dog være tilsigtet, for produktet bruges i blegevand og visse rengøringsmidler, fx Klorin®. Disse rengøringsmidler indeholder altså ikke dichlor, men kun salte af chlor. Det er dog ret let at gendanne dichlor. Det sker, hvis man tilsætter fx saltsyre: NaClO(aq) + 2 HCl(aq)

➝

NaCl(aq) + Cl 2(g) + H 2O(l)

Fra en økonomisk betragtning er dichlor langt det vigtigste af de 4 halogener. De 3 andre fremstilles i betydeligt mere beskedne mængder.

Anvendelser De frie grundstoffer anvendes ikke særlig meget, fordi de er så reaktive og dermed giftige. Man kan udnytte giftigheden til desinfektion, og det er baggrunden for at tilsætte dichlor til badevand og drikkevand. Dichlor blev anvendt som giftgas under 1. verdenskrig og forvoldte umådelige lidelser blandt de soldater, der – tilsigtet og utilsigtet – blev udsat for gassen. Diiod kan bruges i en spritopløsning til at desinficere sår og skrammer, men det er ikke for tøsedrenge! Kemiske forbindelser med halogener har vidtstrakte anvendelser. Forbindelser med fluor findes fx i tandpasta, teflonplast og kølemidler i køleskabe og frysere. Forbindelser med chlor findes i PVC-plast og en række opløsningsmidler, ukrudtsmidler og lægemidler samt naturligvis salt – et af de allervigtigste kemiske råstoffer. Bromforbindelser findes i visse lægemidler og insektbekæmpelsesmidler, fotografisk papir og brandhæmmende forbindelser (haloner). Iod er et mikronæringsstof, der er nødvendigt for skjoldbruskkirtlens funktion.

Dichlor reagerer let med mange andre stoffer. Til venstre reaktionen med natrium, hvorved der dannes kogsalt. Til højre reaktion med jern.

Isis 26

27

11

Grundstofferne i atmosfæren

Atmosfæren består hovedsageligt af molekyler af dioxygen og dinitrogen samt atomer af ædelgasserne. Dioxygen er meget reaktivt og tilstedeværelsen skyldes planters fotosyntese.

Navn



  

Atmosfæren rækker flere hundrede kilometer ud i verdensrummet, men over 90% af massen findes i de nederste 10 km. I forhold til Jordens radius på over 6000 km er atmosfæren en meget tynd skal. I tabellen er angivet sammenFormel Indhold Kogepunkt sætningen af denne nedre del af atmosfæren. Der er tale om Konstant indhold en “tør” atmosfære. Det betyder, at man ser bort fra indhol  !" '%#  ( det af vanddamp, der varierer ! #$"  '% ! ( fra time til time og fra sted til ! #" '%$ # (  sted. I gennemsnit indeholder %!  ') ! (  atmosfæren omkring 2% vand$!  ') # (  damp.

Dioxygen og dinitrogen udvindes fra atmosfæren ved afkølig til under kogepunktet.



Ædelgasserne er kemisk stabile, fordi de har 8 elektroner i yderste skal (helium dog kun 2).


 




 







   



%%! 

'%$ $ (

*) Carbondioxid sublimerer, dvs. går direkte fra fast stof til en gas.

Forbrændingsreaktioner Reaktioner mellem dioxygen og andre stoffer er såre almindelige og kaldes forbrændingsreaktioner. De fleste forbrændingsreaktioner er temmelig træge ved stuetemperatur, men er reaktionerne først startet ved antændelse, forløber de hurtigt. Dioxygen kan reagere med både metaller og ikke-metaller. Eksempelvis brænder jern i ren dioxygen, hvorved der dannes Fe2O3: 4 Fe(s) + 3 O 2 (g)

➝

2 Fe 2 O 3 (s)

Tilsvarende fås ved forbrænding af carbon fra fx kul: C(s) + O 2 (g)

➝

CO 2 (g)

Dinitrogen er en meget stabil forbindelse, der kun ved høje temperaturer reagerer med andre stoffer. Det kan du læse mere om på cd-rom’en.

Atmosfærens konstante indhold er dels de to gasser di!  ' $ ( * nitrogen og dioxygen, dels %$!  '%)% $ ( ædelgasserne. Grundstofferne nitrogen og oxygen er place!!  '%%! $ ( ret øverst i 5. og 6. hovedgruppe, mens ædelgasgrundstofferne udgør 8. hovedgruppe. Der er stor forskel på stofferne, idet dioxygen er meget reaktivt, mens både dinitrogen og ædelgasgrundstofferne er meget reaktionstræge.

Både dioxygen og dinitrogen udvindes af atmosfærisk luft, der afkøles til under kogepunktet. Når først luften er helt fortættet til væske, kan man langsomt varme den op igen. Efterhånden som temperaturen passerer kogepunktet for et af stofferne i væsken, vil dette koge væk og kan opsamles for sig. Det kaldes en destillation. De rene stoffer forhandles enten afkølet – især dinitrogen – eller i trykflasker med normal temperatur. Trykket i flaskerne er meget højt, og man skal derfor kun lukke gassen ud gennem en særlig ventil, der kan reducere trykket.

Dioxygen

Ædelgasser

Dioxygenet i atmosfæren er snævert knyttet til levende organismer. På vore naboplaneter findes ingen dioxygen i atmosfærerne, og der er sikre geologiske vidnesbyrd på, at Jordens atmosfære også engang har været dioxygenfri.

Atmosfæren indeholder temmelig meget argon og spor af de andre ædelgasser. Ædelgasserne er endnu mere kemisk inaktive end dinitrogen, og de deltager normalt ikke i kemiske reaktioner. Det har dog været muligt at lave enkelte kemiske forbindelser – især mellem xenon og det yderst reaktive fluor. Da ædelgasserne heller ikke har hverken smag, lugt eller farve, mærker vi normalt ikke noget til deres eksistens. De var da også uopdagede helt frem til slutningen af det forrige århundrede.

Variabelt indhold

Atmosfærens sammensætning i renluftområder. Indholdet er angivet som andel af atmosfærens molekyler. Atmosfæren indeholder små mængder af en række andre forbindelser.

De 6 grundstoffer, der tilsammen udgør 99,95% af atmosfæren.

Dioxygenet er kommet samtidig med de organismer, der har været i stand til at udføre fotosyntese. Fotosyntesen er en reaktion i grønne planter, alger m.v., hvor carbondioxid og vand med energien fra lys omdannes til glucose og dioxygen. Glucose kaldes også druesukker og har formlen C6H12O6. Et reaktionsskema for fotosyntesen kan se sådan ud: 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l)

➝

C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g)

Al dioxygen i atmosfæren er således frigjort ved fotosyntese, først og fremmest i planter. Omvendt bruges dioxygen ved forrådnelse af de samme planter, alger m.v. Når der alligevel er et stort overskud af dioxygen i atmosfæren, skyldes det at vældige mængder af plante- og dyremateriale, der ikke er helt nedbrudt, gennem år-millioner er blevet begravet i jordskorpen. En del af dette materiale udvindes nu i form af kul, naturgas og jordolie. Den eksisterende masse af levende planter har kun ganske lille betydning.

står tæt på helium i periodesystemet, skaffer sig to elektroner i yderste skal. Ædelgasreglen: Atomerne får en særlig stabil elektronstruktur, hvis de i yderste skal har: – 2 elektroner (de første 5 grundstoffer) – 8 elektroner (alle andre)

Andre stoffer i atmosfæren Foruden grundstoffer findes der i atmosfæren en række kemiske forbindelser i varierende mængder. Carbondioxid har allerede været nævnt. Sammen med de øvrige forbindelser har de – trods deres ringe mængder – en afgørende betydning for det miljø, vi opholder os i.

Ædelgasserne bruges i dag i en række sammenhænge, hvor kemisk inaktivitet er en fordel, fx i glødelamper, i lysstofrør og ved svejsning. Helium bruges desuden til at afkøle superledende elektromagneter i forsknings- og hospitalsudstyr og til at blande med dioxygen i trykflasker til dybdedykning.

Ædelgasreglen Det fælles træk for ædelgassernes elektronstruktur er 8 elektroner i yderste skal (bortset fra helium). Det er almindeligt for alle grundstoffer, at atomerne skaffer sig 8 elektroner i yderste skal, når de indgår i kemiske forbindelser. Vi har allerede set det gælder halogenerne. Derved opnår de øjensynligt noget af den stabilitet, der kendetegner ædelgasserne. Grundstofferne, der

Helium i luftskib, neon og argon i lysstofrør, xenon og krypton i blitzpære.

Isis 28

29

Grundstoffer og molekyler

12

Molekylforbindelser

Ved at danne fælles elektronpar kan atomer få en stabil elektronstruktur. Ikke-metal atomerne bindes sammen til molekyler med elektronparbindinger. De elektroner, der ikke indgår i bindinger, kaldes frie elektronpar. To fælles elektronpar kaldes en dobbeltbinding, mens tre fælles elektronpar kaldes en tripelbinding.

Molekyler dannes overvejende, når atomer af ikkemetaller bindes sammen. Af ædelgasreglen fremgår, at det (for atomerne) drejer sig om at få 8 (evt. kun 2) elektroner i yderste skal. Vi skal nu se, hvordan det kan lade sig gøre, uden at noget atom behøver at miste elektroner. Man kan eksperimentelt vise, at elektronskallerne omkring atomerne i et molekyle overlapper hinanden og får elektroner fælles. Man betegner området, hvor de fælles elektroner findes, for en fælles elektronsky. Elektronerne i de indre skaller påvirkes kun ganske lidt. De fælles elektroner må derfor dannes ud fra de elektroner, der findes i atomernes yderste skaller. Omvendt kan man vise, at det ikke altid er

alle elektroner i den yderste skal, der findes i de fælles elektronskyer.

Elektronparbinding Tegningen nedenfor viser, hvordan det foregår hos hydrogen. Elektronskallerne i hydrogenatomerne indeholder kun en elektron hver. Skallerne lapper ind over hinanden og flyder sammen til en fælles elektronsky med et fælles elektronpar. Man kan forestille sig, at de fælles elektronpar fortrinsvis vil opholde sig mellem atomkernerne. Da elektronerne er negative og atomkernerne positive, vil denne ophobning af negativ ladning mellem kernerne holde atomerne sammen. De fælles elektronpar kommer til at virke som klister mellem atomerne, og der opstår en kemisk binding mellem

de to atomer. Bindingen kaldes en elektronparbinding. Når atomerne indeholder flere elektroner, er det lettest at illustrere forholdene med de elektronprikformler, der er beskrevet på opslag 5. Vi kan se på difluor. Fluoratomet har 7 elektroner i yderste skal – fordelt som 3 par og en uparret elektron:

F I difluor beholder hvert atom de tre elektronpar, mens de uparrede elektroner fra hvert atom indgår i en fælles elektronsky:

F F De to elektroner, der er fælles for begge atomer, er tegnet

mellem grundstofsymbolerne, mens resten står omkring hvert enkelt symbol. Det viser sig, at de fælles elektronskyer altid indeholder to elektroner. Der er altså tale om fælles elektronpar. Ved at danne et antal fælles elektronpar, kan atomerne åbenbart få 8 elektroner omkring sig (hvoraf nogle dog er fælles med et andet atom). Ligesom med ædelgasreglen er der en undtagelse med hydrogen, der kun omgiver sig med to elektroner. De elektroner, der ikke findes i fælles elektronskyer, vil også optræde som elektronpar. De kaldes frie elektronpar eller ikke-bindende elektronpar. Elektronparbindinger findes ikke kun mellem atomer af

samme grundstof. Som du tidligere har set, har methanmolekylet formlen CH4 og består derfor af 1 C-atom og 4 H-atomer.

H H

C H H

Carbonatomet har fire elektroner i yderste skal og hydrogenatomerne har hver en. Disse 8 elektroner organiserer sig sådan, at der dannes 4 elektronparbindinger, der alle udgår fra carbonatomet, men til hver sit hydrogenatom.

H H C H H

Carbonatomet kommer derfor til at have 8 elektroner omkring sig, mens hvert hydrogenatom får 2 omkring sig. Bemærk overensstemmelsen med ædelgasreglen.

Dobbeltbindinger I carbondioxid, CO2, indgår i hvert molekyle 1 carbonatom (med 4 elektroner i yderste skal) og 2 oxygenatomer (med 6 elektroner i yderste skal). Carbonatomet bliver igen nødt til at lave 4 elektronpar for at få 8 elektroner omkring sig, mens oxygenatomerne kun behøver at lave 2 hver. Atomerne organiserer sig derfor sådan, at der udgår fire elektronpar fra carbonatomet – to til hvert af oxygenatomerne. Når der er to elektronpar mellem de samme to atomer, kaldes bindingen en dobbeltbinding. Det er også mu-

I stedet for to prikker, kan man symbolisere et elektronpar med en streg. Dobbeltbindingerne i CO2 vises som to streger, mens tripelbindingen i dinitrogen angives med tre streger.

Dannelsen af den fælles elektronsky i hydrogenmolekylet kan illustreres på flere måder. Elektronprikformlerne nederst er den mest abstrakte, men også mest overskuelige måde.

O

C

O

O

C

O

ligt at have tre elektronpar fælles for de samme to atomer. Bindingen kaldes så for en tripelbinding.

Molekylers opbygning Ud fra kendskabet til et grundstofs placering i periodesystemet – og dermed antallet af elektroner i yderste skal – samt ædelgasreglen, er det nu muligt i mange tilfælde at bestemme molekylers opbygning. Det er dog ikke altid, at forholdene helt følger disse simple regler. Vi skal senere vende tilbage til nogle eksempler herpå.

N

N

N

N

Isis 30

31

Grundstoffer og molekyler

13

Molekylernes form

Vand har en række sær lige egenskaber, der er tæt forbundet med molekylets form. Elektronparrene i molekylet vil frastøde hinanden og placere sig så langt fra hinanden som muligt, men så tæt på kernen som muligt. Generelt vil molekyler oftest have form som enten et tetraeder, være plane eller lineære. Det er muligt at tegne molekylernes struktur i strukturformler.

Der støbes – atter – et nyt hoved til Den lille Havfrue. I metaller fylder den faste tilstand altid mindre end den flydende. Det er heldigt, for ellers ville man vanskeligt kunne støbe med metallerne.

Vand er et stof med en række særlige egenskaber, fx:

• Vand er det eneste stof, der i naturen findes i alle 3 tilstande. • Vand har et langt højere smelte- og kogepunkt end tilsvarende hydrogenforbindelser med andre grundstoffer end oxygen. • Når vand fryser til is, udvider det sig ca. 10 %. Derved adskiller vand sig fra bl.a. metallerne, der trækker sig en smule sammen, når de størkner. Egentlig er det kun ganske små forskelle i molekylernes opbygning, der får vand til at adskille sig fra andre stoffer. Vi vil prøve at vise, hvordan små molekyleforskelle kan give store stofforskelle. Med moderne analyseudstyr kan man bestemme opbygningen af krystaller som iskrystaller ganske nøjagtigt. Figuren viser, hvordan is er opbygget af vandmolekyler. Det fremgår, dels at vandmolekylet er vinklet, dels at hydrogenatomerne i et vandmolekyle vender ind mod oxygenatomet i et andet vandmolekyle. I dette opslag koncentrerer vi os om molekylets form. Vandmolekylet er bundet sammen af elektronparbindinger mellem et oxygenatom og to hydrogenatomer. Elektronerne i disse elektronparbindinger befinder sig overvejende mellem atomkernerne. Samtidig har oxygenatomet to ikke-bindende elektronpar. Molekylets rumlige form kan forklares ved,

at disse fire elektronpar – der jo alle er negativt ladede – frastøder hinanden og derfor forsøger at komme så langt væk fra hinanden som muligt. Samtidig skal elektronparrene være tæt på oxygenatomets kerne – der jo er positivt ladet.

Den rumlige opbygning af vandmolekylet.

Den bedste løsning på dette problem er at lade elektronparrene pege ud mod hjørnerne i en trekantet pyramide – en figur der også kaldes et tetraeder. Man kan vise matematisk, at vinklen mellem bindingerne på denne måde vil blive 109°. I praksis er vinklen mellem bindingerne i vandmolekylet ikke helt 109°, men kun omkring 104°. Det ser ud til, at et bindende elektronpar ikke frastøder helt så meget som et ikkebindende. Princippet om de frastødende elektronpar kan overføres til næsten alle andre molekyler. Molekyler, der kun indeholder enkeltbindinger, vil i reglen få form som et tetraeder med bindingsvinkler omkring 109°.

hjørnerne i et tetraeder. Da alle bindinger er ens, bliver vinklen præcis 109°.

109º

I nogle kemiske forbindelser er der to elektronpar – en dobbeltbinding – mellem to atomer. Selv om de frastøder hinanden, må de nødvendigvis forblive tæt ved hinanden, da de skal befinde sig mellem de samme to atomkerner.

I en tripelbinding deltager 3 elektronpar, men de kan ligesom ved dobbeltbindingen ikke komme væk fra hinanden. Hvis atomet foruden tripelbindingen har yderligere et elektronpar, vil dette pege i stik modsat retning af tripelbindingen, og vinklen imellem dem vil være ca. 180°. Molekylet er lineært.

Man vil tit være interesseret i at kunne angive et molekyles (omtrentlige) form. Det kan man gøre med strukturformler. Strukturformlerne laves ud fra elektronprikformlerne.

HCN (hydrogencyanid) er et lineært molekyle med en tripelbinding mellem C og N-atomet.

Først erstattes alle bindende elektronpar med en streg, der går mellem de atomer, som elektronparrene holder sammen.

Oftest vil disse atomer have en dobbeltbinding (med to elektronpar) og to andre elektronpar, der enten binder til andre atomer eller er ikke-bindende elektronpar. Elektronerne i dobbeltbindingen og de to andre elektronpar forsøger at komme længst muligt fra hinanden. Resultatet bliver, at dobbeltbindingen og de to enkeltbindinger peger ud mod hjørnerne i en ligesidet trekant. Vinklen mellem bindingerne vil være omkring 120°, og molekylet er plant.

Dernæst må man overveje, hvilken rumlig form, der er omkring hvert atom. Her skal du bruge principperne, der lige er gennemgået.

Så kan du begynde at tegne strukturformlen. Tetraederformen tegner man i reglen, som om vinklen var 90°. Og de ikke-bindende elektronpar udelades ofte:

Andre molekylers form Methanmolekylet, CH 4, har fire fælles elektronpar. De vil tilsvarende frastøde hinanden og bindingerne pege ud mod

Molekylet CH 2O (methanal) er plant, og vinklen mellem bindingerne er omkring 120°.

Isis 32

33

Grundstoffer og molekyler

14

Elektronegativitet

I vandmolekylet er elektronerne i bindingerne forskudt mod oxygenatomet. Bindingen er en polær elektronparbinding og molekylet en dipol.

ne bliver en smule positive. Selvom vandmolekylerne indeholder lige mange protoner og elektroner, og derfor totalt set er elektrisk neutrale, vil de alligevel optræde, som om de er ladede.

merne i et molekyle giver et indtryk af bindingernes polaritet. Elektronegativiteten bruges også i forbindelse med skrivning af formler og navngivning af molekyler.

I iskrystaller vender vandmolekylerne på en karakteristisk måde: hydrogenatomet i et vandmolekyle peger altid over mod oxygenatomet i et andet molekyle. Ingen steder i krystallen vender to oxygenatomer i hvert sit molekyle mod hinanden. Denne helt konsekvente opbygning kræver mere plads, end hvis molekylerne lå hulter til bulter. Iskrystaller fylder derfor mere end den tilsvarende mængde vand: vandet udvider sig, når det fryser til is.

Forskellen i elektronegativitet mellem ato-

Ladningsforskydningen er markeret

H O H Dipolen skematisk

En elektrisk ladet stav vil tiltrække en vandstråle, fordi ladningen på staven tiltrækker den modsat ladede del af vandmolekylerne.

I iskrystaller vil de svagt positive hydrogenatomer tiltrækkes af den svagt negative ladning på andre vandmolekylers oxygenatomer, og derfor vende som vist på figuren side 32. Læg mærke til, at hvert vandmolekyle på denne måde har kontakt med 4 andre vandmolekyler.

Polær binding Bindingerne i vandmolekylet kaldes polære elektronparbindinger. Molekyler, der som vand har sådan en svag ladningsforskydning, kaldes dipoler.

Der må være en forklaring på, hvorfor vandmolekylerne vender sig på denne bestemte måde. Det viser sig, at man kan få vandmolekylerne til at vende på bestemte måder ved at påvirke vandet med en elektrisk ladet stav. Er staven negativt ladet, vender vandmolekylerne med hydrogenatomerne ind mod staven og omvendt med en positivt ladet stav. Det er et (af mange) tegn på at elektronerne i elektronparbindingerne i vandmolekylet må kredse mere om oxygenkernerne end om hydrogenkernerne. Oxygenatomerne bliver en smule negative, mens hydrogenatomer-

atom end om det andet og dermed indeholder en polær elektronparbinding. Hydrogenchlorid er et eksempel. De to ens atomer i dichlor trækker ens i elektronerne i det fælles elektronpar. Bindingen i dichlor er upolær.

I polære bindinger er der væsentlig forskel mellem atomernes elektronegativitet. Er det ene atoms elektronegativitet mere end det dobbelte af det andet atoms, vil ladningsforskydningen være så stor, at der kan dannes ioner.

Elektronegativitet

For eksempel har hydrogen og carbon næsten ens elektronegativitet og C-H-bindinger er upolære. Hydrogen og chlor har noget forskellig elektronegativitet, og bindingen er som vist på figuren polær. Elektronegativiteten af chlor er næsten 3 gange så stor som natriums elektronegativitet. I NaCl findes de to grundstoffer som ionerne Na+ og Cl–.

De forskellige grundstofatomers tendens til at trække ”fælles” elektroner til sig kaldes stoffets elektronegativitet. Grundstoffernes elektronegativitet er vist på figuren nederst til højre. Jo højere elektronegativitet, desto mere trækkes elektronerne over mod det pågældende grundstofs atomer. Læg mærke til, at elektronegativiteten vokser hen gennem en periode. Det kan udlægges sådan, at jo tættere et grundstof er på at have elektronstruktur som en ædelgas, desto større gevinst er der ved at få denne struktur. Til gengæld falder elektronegativiteten som hovedregel ned gennem grupperne. Det forklares med, at en lille ladningsforskydning yderst i atomet betyder forholdsvis mindre, når der er mange elektroner i atomet.

Der er en del andre molekyler, hvor de fælles elektroner kredser mere om det ene

Reglerne er hovedregler, og der er mange undtagelser. Fx er carbondioxid helt upolær, selvom hver binding for sig er polær. Forklaringen ligger i

molekylets symmetri. Hvis man forestillede sig, at det ene oxygenatom trak elektroner til sig, ville carbonatomet i midten blive positivt ladet. Det ville så trække elektroner til fra det andet oxygenatom. Det kan ikke lade sig gøre, for de to oxygenatomer trækker naturligvis lige meget i elektronerne. Elektronerne forskydes derfor ikke, og molekylet er upolært. Situationen kan sammenlignes med en kugle, der er bundet til to lige stærke fjedre: kuglen bliver lige i midten. Stoffernes elektronegativitet har også betydning i andre sammenhænge. Molekylernes formler dannes ud fra grundstofsymbolerne, men rækkefølgen af symbolerne i formlen er stort set efter stigende elektronegativitet. Du kan læse mere om molekylers formler og navne på cd-rom’en. Søjlehøjden er et mål for grundstoffets elektronegativitet. I programmet Mendelejev kan du finde talværdier for elektronegativiteten.

Ved at undersøge elektronegativitetsforskellene mellem to atomer i en kemisk forbindelse kan man få et indtryk af bindingsforholdene. Som hovedregel gælder: I upolære bindinger er forskellen nul eller næsten nul.

Isis 34

35

Grundstoffer og molekyler

Opg Opgaver 2.1.*

3.2.*

En lærer fylder en ballon med brint. Med en glødende pind sætter han ild til ballonen – og brinten inden i. Herved sker en kemisk reaktion, hvor der dannes vand. a) Hvilke tegn er der på, at der sker en kemisk reaktion? b) Hvad er reaktanten/reaktanterne? c) Hvad er produktet/produkterne? d) Opskriv et reaktionsskema for reaktionen med stoffernes navne og reaktionspil.

Er følgende grundstoffer: a) vand b) kryptonit d) messing e) sølv

2.3.** Skitser et eksperiment, der viser, at kun oxygen og ikke nitrogen reagerer med methan.

2.4.*** Man kan lukke for hullet med lufttilførslen nederst på bunsenbrænderen. Så vil der dannes kulpartikler inde i flammen, som først forbrændes i udkanten af flammen, hvor der er oxygen nok. a) Skriv et reaktionsskema for den reaktion, der foregår i flammens udkant. Nogle af kulpartiklerne forbrændes ikke helt, så der dannes også lidt carbonmonoxid – også kaldet kulilte. b) Skriv også reaktionsskemaet for denne reaktion.

3.3.* Hvilke neutrale grundstofatomer har følgende sammensætning: a) 4 protoner, 4 elektroner, 5 neutroner b) 26 protoner c) 20 neutroner, 20 protoner d) 20 neutroner, 19 protoner e) 29 elektroner

3.4.**i Undersøg skolens grundstoffer. a) Hvordan ser man forskel på metaller og ikke-metaller. b) Hvordan kan man egentlig afgøre, om et stof er et grundstof?

4.1.* Tegn skalmodeller (som figuren nederst på opslag 4) af a) Et atom med 19 elektroner. Hvilket grundstof er det? b) Et atom med 26 elektroner – der er 2 elektroner i 4. skal. Hvilket grundstof er det?

4.2.* Angiv (som vist i yderste højre spalte på opslaget) elektronstrukturen for følgende grundstoffer : a) beryllium b) bor c) silicium d) brom (35 elektroner)

Brug billederne af periodesystemet på opslag 3 og programmet Mendelejev: a) Beskriv vigtige anvendelser af nogle af grundstofferne. b) De fleste grundstoffer er metaller, men der er også en del ikke-metaller. Find dem. c) Hvilke grundstoffer er væsker ved stuetemperatur? d) Hvilke grundstoffer er gasser ved stuetemperatur? e) Mange grundstoffer opbevares i glasampuller eller i en særlig væske. Hvorfor det?

4.5.*

6.4.*

Kan man forestille sig atomer, der har følgende elektronstrukturer: a) (2,8,8) b) (2,10,10) c) (2,6,2) d) (7,9,13)

Find det kemiske symbol for den kerne med massetallet 7, der har 4 neutroner.

5.1.** Tegn elektronprikformlen for grundstoffet: a) i 2. hovedgruppe og 4. periode b) i 4. hovedgruppe og 5. periode c) i 7. hovedgruppe og 4. periode d) i 1. hovedgruppe og 7. periode

5.2.i Undersøg ved hjælp af programmet Mendelejev, om der er lighedspunkter mellem grundstofferne i andre undergrupper end den nævnte med kobber, sølv og guld. Du kan fx sammenligne smeltepunkter, ledningsevne og antal elektroner i yderste skal.

5.3.* a) Atomer af grundstoffet francium har en elektron mere end atomer af ædelgassen radon. Hvilken hovedgruppe står francium i? b) Antimonatomer har tre elektroner færre end atomer af ædelgassen xenon. Hvilken hovedgruppe står antimon i? c) Grundstoffet mangan har to elektroner i yderste skal. Hvorfor står det ikke i 2. hovedgruppe?

6.1.*i 4.3.***

3.1.**

b) Cl-isotopen med massetallet 37 c) U-isotopen med massetallet 238

c) bly

2.2.** Det stof, der dannes ved reaktionen, der er vist på billedserien på opslag 2, hedder jern(II)sulfid (jern-to-sulfid). Opskriv reaktionsskemaet.

a) Hvilke grundstoffer er det? b) Skriv elektronstrukturen.

Grundstofferne i figuren nederst på opslag 4 er placeret på samme måde som i grundstoffernes periodesystem på opslag 3. a) Kan du ud fra figuren se, hvad der er ideen i den særlige måde at placere grundstofferne på? b) Hvilke fælles træk har elektronstrukturen for de tre grundstoffer helt til højre på figuren? c) Er det korrekt, at deres yderste skal er fyldt?

Undersøg periodiciteten af en række forskellige egenskaber ved grundstofferne. Du kan bruge programmet Mendelejev. Du skal finde egenskaber, hvor der er klar periodicitet, og egenskaber, der tilsyneladende varierer mere tilfældigt.

6.2.* Find antallet af protoner og neutroner i: 12C 30Si a) 2H 116Ag 149Pm b) 55Fe c) Au-200 U-235 Nd-149

7.6.** 6.5.* Find formelmassen for: a) HCl b) NaCl d) Fe2(SO4)3 c)H2S

7.1.** Blydioxid, PbO2, spaltes ved opvarmning til blyoxid, PbO, og dioxygen. a) Opskriv og afstem reaktionsskemaet. Angiv også stoffernes tilstand. Man kan se, at der også dannes en tredje forbindelse, der er orange. Det er stoffet mønje, Pb3O4, der tidligere blev brugt til bundmaling på skibe. b) Opskriv og afstem de to reaktionsskemaer for omdannelsen af blydioxid til mønje og omdannelsen af mønje til blyoxid. c) Find formelmasserne af de tre blyforbindelser.

7.2.** Flaskegas indeholder bl.a. stoffet propan, der har formlen C3H8. Opskriv og afstem reaktionsskemaet for forbrænding af propan i atmosfærisk luft.

6.3.*

“Skydeskiverne” viser elektronstrukturen af en række grundstoffer. Figuren herunder:

Find antallet af protoner og neutroner i a) Ca-isotopen med massetallet 41

Hydrogenperoxid har formlen H2O2. Det kaldes også brintoverilte og bruges bl.a. til afblegning af tekstiler og hår. Det er ikke særlig stabilt, idet det let spalter til vand og dioxygen. Opskriv reaktionsskemaet.

Opskriv reaktionsskemaet for reaktionen mellem jern og svovl, der er vist på opslag 2, idet produktet har formlen FeS.

7.4.*** Hvornår sker der en eller flere kemiske reaktioner? a) En franskbrødsdej laves ved at blande vand, mel, salt og gær. b) Dejen hæver. c) Dejen bages i ovnen. d) Brødet skæres i skiver.

Størrelsen af diamanter angives i karat. En karat svarer til 0,2 g. Den største rådiamant, man har fundet til dato, var på 3106 karat. Beregn hvor mange carbonatomer, der sad ordnet i atomgitteret i denne diamant.

Phosphor findes ligesom mange andre grundstoffer, bl.a. carbon, i flere forskellige former. Det står der mere om på cdrom’en. a) Hvidt phosphor lyser i mørke, hvis det ligger i luft, men ikke hvis det ligger under vand. Hvad kan det tyde på? b) Der dannes P4O10. Opskriv reaktionsskemaet. c) En form for phosphor – sort phosphor – kaldes også metallisk phosphor. Hvilke egenskaber kan denne form for phosphor tænkes at have?

9.3.* Beregn formelmassen for ikke-metallerne (undtagen ædelgasserne) i den tilstand, der er vist på figuren på opslag 9.

9.4.**i 8.2.** a) Hvordan kan man eksperimentelt vise, at grafit (og diamant) kun består af carbonatomer? b) Der findes en række anvendelser af grafit, hvor man udnytter ledningsevnen. Hvilke kvaliteter kan grafit have frem for fx kobber, der leder strømmen bedre? c) Hvordan kan man ret enkelt skelne mellem diamanter og glasperler, der er slebet tilsvarende?

I diamant er afstanden mellem C-atomernes kerner 0,154 nm, mens den tilsvarende afstand i grafit er 0,335 nm (mellem lagene) og 0,142 nm (inden for laget). Forklar (nogle af) stoffernes egenskaber ud fra disse oplysninger.

8.4.*** Stoffet bornitrid, BN, findes i en “diamant”form og en “grafit”form. a) Sammenlign elektronstrukturen i BN og C b) Tegn de to former af BN.

9.1.*i Hvornår sker der en eller flere kemiske reaktioner? a) Kobber- og svovlpulver blandes i en

9.2.**

8.1.*

8.3.** 7.3.*

7.5.** 4.4.*

morter. b) Blandingen antændes med en glødende pind. c) Indholdet i morteren knuses med pistillen.

Grundstoffet selen står under svovl og ved siden af brom. Her regnes stoffet for et halvmetal. Undersøg om selen kan findes i en ikke-metallisk form.

10.1.**i Udfyld tabellen med omtrentlige værdier. Du skal udnytte din viden om, at egenskaberne ændrer sig jævnt ned gennem en gruppe. Når du har lavet et skøn over de manglende værdier, kan du kontrollere resultatet ved hjælp af Mendelejev eller et tabelværk.

Fluor Chlor Brom Iod

Atomradius Smeltepunkt Kogepunkt (pm) (°C) (°C) 57 -188 -101 112 -7,3 184

10.2.*** a) Prøv ud fra oplysningerne i tabellen at lave et skøn over de tilsvarende værdier for astat. b) Man kan vise teoretisk, at grundstoffer med lidt højere nummer end dem, man kender i dag, må være en anelse mere stabile. Hvilke kemiske og fysiske egenskaber tror du at grundstof nummer 117 kan have?

Opg

Find ved hjælp af programmet Mendelejev nogle karakteristiske egenskaber, der adskiller metaller, halvmetaller og ikkemetaller.

Isis

36

37

10.3.**i

11.4.**

Alle halogenerne kan reagere med dihydrogen. Med dichlor dannes således HCl og med de andre halogener dannes helt tilsvarende hydrogenforbindelser. a) Opskriv de 4 afstemte reaktionsskemaer for reaktionerne mellem halogenerne og dihydrogen. b) Undersøg i et tabelværk tilstandsformen for produkterne og tilføj tilstandsformen (s, l eller g) til stofferne i de 4 reaktionsskemaer.

Lord Rayleigh (se cd-rom’en) udførte sit forsøg ved at lade en afgrænset mængde atmosfærisk luft reagere med magnesium. Sammen med dioxygen dannes MgO, sammen med dinitrogen dannes Mg3N2. a) Opskriv og afstem disse to reaktionsskemaer. Magnesium kan også reagere med luftens indhold af carbondioxid. Der dannes MgO og sod, C. b) Opskriv og afstem reaktionsskemaet.

10.4.*

12.1.*

Hvis dibrom hældes sammen med natriumhydroxid opløst i vand, dannes der NaBr og NaBrO. a) Opskriv og afstem et reaktionsskema. b) Gør rede for stoffernes tilstand, herunder om de er opløst i vand.

Tegn elektronprikformler for følgende atomer og molekyler: a) F og F2 b) O og O2 c) S og H2S d) Si og SiH4

10.5.**

12.2.*

Opskriv reaktionsskemaerne (afstemte, med tilstandsform) for de to reaktioner vist på billederne nederst til højre på opslag 10. Ved reaktionen med jern dannes FeCl3.

Tegn elektronprikformler for a) NH3 b) H2O2 c) Cl2O

11.1.** Titan er en af månerne omkring Saturn. Den har ca. samme størrelse som Jorden. Overfladetemperaturen er ca. -180 °C. a) Hvilke af stofferne i Jordens atmosfære kan eksistere i Titans atmosfære? b) På en særlig kold dag på Titan kan temperaturen tænkes at falde til -200 °C. Hvad sker der ved det?

11.2.*** a) Forklar, hvorfor alle gasserne i atmosfæren enten er grundstoffer fra øverste højre hjørne af det periodiske system eller simple kemiske forbindelser mellem disse grundstoffer. b) Hvorfor findes der ingen difluor i atmosfæren? c) Undersøg i et tabelværk vandopløseligheden af de stoffer, der findes i atmosfæren. Forklar resultatet!

Overvej og beskriv et forsøg, der kan vise, at luften i atmosfæren er en blanding og ikke et enkelt rent stof.

38

d) SCl2

12.4.** Hvilke af følgende molekyler opfylder ædelgasregelen (ikke alle findes)? a) H-Cl-O b) Cl-O-Cl c) O-Cl-O

H Cl

Cl

O

Cl

O

12.5.**i

Tegn først elektronprikformler og dernæst strukturformler for disse forbindelser: a) H2O2 b) Cl2O c) SCl2 d) BeCl2

16. Alkaner 17. Navngivning af alkaner 18. Alkanernes egenskaber

Hvorfor er dichlormolekylet og dihydrogenmolekylet ikke dipoler, når hydrogenchlorid er?

14.2.* Forskellen i elektronegativitet kan både give et positivt og negativt resultat. Hvad betyder fortegnet?

20. Alkener 21. Plast 22. Arener 23. Organiske halogenforbindelser Opgaver

14.3.** Hvis opbygningen er næsten den samme, hvorfor er diamanter så meget hårde, mens is let går i stykker?

Find elektronegativitetsforskellene i følgende forbindelser. a) N2 b) NaCl c) HBr d) HI e) MgF2 f) NH3

14.5.* Afgør hvilken bindingstype, der findes i hver af forbindelserne i opgave 14.4. og hvis de er polære, hvad der er den positive ende.

Opg

Undersøg i et tabelværk, hvilke af forbindelserne i opgave 12.4, der faktisk eksisterer.

13.1.**

13.3.*

15. Carbonhydrider

14.4.*

O

H

11.3.**

Tegn strukturformler for følgende molekyler og angiv om den rumlige form er tetraederisk, plan eller lineær. a) C2H6 (enkeltbinding mellem carbonatomerne) b) C2H4 (dobbeltbinding mellem carbonatomerne) c) C 2H 2 (tripelbinding mellem carbonatomerne)

19. Raffinering af råolie

Tegn elektronprikformler for disse carbonforbindelser: a) C2H6 b) C2H4 c) C2H2

e)

13.2.*

Carbonholdige forbindelser

14.1.*

12.3.*

d)

b) Tegn elektronprikformler med bindinger og frie elektronpar. c) Argumenter for den rumlige struktur som modellerne viser.

Carbonholdige forbindelser

Grundstoffer og molekyler

a) Byg modeller af disse forbindelser: CH4 N2 NH3 Cl2

Isis 39

Carbonforbindelser

15

Carbonhydrider

De organiske forbindelser er hovedbestanddelen af alt levende og findes desuden i olie og naturgas. Forbindelser, der kun består af carbon og hydrogen, kaldes carbonhydrider. Alkaner er carbonhydrider, hvori der kun er enkeltbindinger. Methan og de andre simple carbonhydrider er brændbare, farveløse og uopløselige i vand.

På den tid, som du bruger om at læse denne sætning, er der i Danmark brugt omkring 400 kg naturgas og olie. Det er brændt af på kraftværker for at kunne fremstille elektricitet og fjernvarme; det er bearbejdet på raffinaderier og brugt som brændstof i biler, skibe og fly; det er brugt til opvarmning af boliger, fabrikker, forretninger, hospitaler og skoler; det er omdannet i den kemiske industri til plast, syntetiske tøjfibre, rengøringsmidler, lægemidler og farvestoffer. Naturgas og olie er simpelthen vort samfunds mest centrale råstoffer. I de følgende 9 opslag vil vi undersøge kemien bag denne vidtstrakte brug af naturgas og olie. Naturgas og olie er ikke rene stoffer, men komplicerede blandinger af mange forskellige forbindelser. Næsten alle disse forbindelser har dog det fællestræk, at de indeholder

Danfeltet i Nordsøen leverer organiske råstoffer: råolie og naturgas. Hvede og andre landbrugsvarer består også af organiske forbindelser.

grundstofferne carbon og hydrogen. Sådanne forbindelser vil vi kalde organiske. Organiske forbindelser er alle de forbindelser, der indeholder carbon og hydrogen (med enkelte undtagelser). Foruden carbon og hydrogen kan forbindelserne indeholde andre grundstoffer.

De kaldes med en fælles betegnelse for carbonhydrider. De udgør hovedbestanddelen af råolie og naturgas, og de er på mange måder udgangspunktet for forståelsen af hele dette kæmpe område af kemien. Vi vil derfor beskæftige os lidt mere indgående med carbonhydriderne.

Methan Der er let adgang til store mængder af organiske forbindelser. Ud over råolie og naturgas består landbrugsvarer – fx korn, kartofler, halm og svinefedt – næsten udelukkende af organiske forbindelser. Der findes omkring 18 millioner forskellige organiske forbindelser. De udgør langt hovedparten af alle kendte kemiske forbindelser.

Det særlige carbonatom Det store antal skyldes to særlige egenskaber ved carbonatomet. For det første kan et carbonatom – som vi så i diamants struktur – danne elektronparbindinger med op til 4 andre C-atomer. Disse C-atomer kan ligeledes hver bindes til et antal C-atomer og så videre. På den måde kan der eksistere carbonholdige molekyler med et vilkårligt antal sammenbundne C-atomer – fra 1 C-atom til (næsten) uendeligt mange. For det andet kan carbonatomerne danne stærke elektronparbindinger til hydrogen, alle andre ikkemetaller og en del metaller. De simpleste af alle organiske forbindelser indeholder kun carbon- og hydrogenatomer.

Vi ser først på methan. Methanmolekylet har vi omtalt flere gange tidligere. Opbygningen og strukturformlen er vist igen på figuren nederst på næste side. På modellen til venstre kan du se, hvordan methanmolekylet passer ind i et tetraeder. Vinklen mellem bindingerne er således 109°. Hvis man belyser en 3-dimensional methanmodel, vil skyggen danne et 2-dimensionalt billede, hvor vinklen mellem bindingerne ser ud til kun at være 90°. Strukturformlen helt til højre er en forenklet gengivelse af molekylets skyggebillede.

Vandmolekyler vil derfor hænge godt sammen, og det viser sig bl.a. ved, at vand har et relativt højt kogepunkt. Vandmolekylerne binder sig også godt til de upolære methanmolekyler – faktisk bedre end methanmolekylerne indbyrdes – men dog ikke nær så godt som vandmolekylerne indbyrdes. Resultatet er, at methanmolekylerne gerne vil binde sig til vandmolekylerne, men ikke får lov. Hvis der kommer nogle methanmolekyler ind mellem vandmolekylerne, vil de hurtigt blive presset ud igen. Det betyder i praksis, at methan stort set ikke opløses i vand. Carbonhydrider indeholder i regelen mere end et carbonatom, men methans egenskaber er typiske for de simpleste carbonhydrider.

Det gælder helt generelt, at carbonhydrider er farveløse, uopløselige i vand og ved forbrænding omdannes til vand og carbondioxid.

med en enkeltbinding. De to carbonatomer roterer ret frit omkring bindingen. De hydrogenatomer, der er bundet til carbonatomerne, følger naturligvis med, så molekylet er nærmest som to små, sammenbundne propeller, der hver består af en CH3-gruppe.

hen har derfor molekylformlen C 2H4. Dobbeltbindingen forhindrer de to carbonatomer i at rotere i forhold til hinanden.

Et carbonhydrid, hvori der kun findes enkeltbindinger, kaldes en alkan.

Den sidste carbonhydrid med to carbonatomer er ethyn. Mellem carbonatomerne i ethyn findes en tripelbinding. Carbonatomerne kan kun binde hver et hydrogenatom, så molekylformlen for ethyn er C2H2. Carbonatomerne kan heller ikke rotere om en tripelbinding.

Ethan, ethen og ethyn Ethanmolekylet indeholder 2 carbonatomer og 6 hydrogenatomer. Det er kun carbonatomerne, der kan binde sig til hinanden. Skelettet eller grundstrukturen i ethanmolekylet dannes derfor af de to carbonatomer. Hydrogenatomerne er udelukkende bundet til carbonatomerne og ikke til hinanden. I ethanmolekylet er de to carbonatomer bundet sammen

Ethenmolekylet består også af to carbonatomer, men her er carbonatomerne bundet sammen af en dobbeltbinding. Når carbonatomerne bruger to elektronpar i deres fælles binding, har de kun elektroner tilovers til at binde to hydrogenatomer hver. Et-

Dobbeltbindinger og tripelbindinger ændrer molekylets kemiske egenskaber meget, så vi vil indtil videre kun se på alkaner.

Som nævnt på forrige opslag er methanmolekylerne helt upolære. Upolære molekyler binder sig kun svagt til hinanden. Det har som konsekvens, at methan som stof betragtet ikke hænger ret godt sammen, og derfor bl.a. har et lavt kogepunkt. Stoffet er en gas ved stuetemperatur. Methanmolekylerne påvirker ikke synligt lys, og gassen er derfor også farveløs. Polære molekyler, som fx vand, binder sig omvendt ret stærkt til hinanden indbyrdes.

Isis 40

41

Carbonforbindelser

16

Alkaner

Alkaner er enten ligekædede, forgrenede eller cykliske. Molekyler med samme molekylformel, men med forskellig struktur er isomere forbindelser. I strukturformler tegnes bindingsvinklerne ofte som rette vinkler, selv om de er ca. 109°. Ofte benyttes sammentrukne strukturformler eller zigzagformler.

alle kemiske forbindelser organiske forbindelser carbonhydrider

En alkan er altså et carbonhydrid, hvor carbonatomerne er bundet sammen med enkeltbindinger. En typisk alkan kan have 5 carbonatomer i hvert molekyle. De kan være bundet sammen i en kæde, som vist på figuren.

De to carbonatomer i enderne har hver kun brugt 1 binding og har mulighed for at binde sig til 3 hydrogenatomer. De andre carbonatomer kan kun binde 2 hydrogenatomer hver. I alt skal der bruges 12 hydrogenatomer for at alle carbonatomer har 4 elektronparbindinger. Molekylets formel er derfor C5H12.

En forbindelse, som den vi lige har set på, kaldes ligekædet – på trods af at kæden bøjer ved hvert carbonatom. Hvis vi vender tilbage til carbonkæden uden H-atomer, kan man tage et C-atom fra enden og sætte ind midt i kæden. Vi får på denne måde et forgrenet molekyle.

alkaner

Her er der 3 C-atomer, der hver binder 3 H-atomer. Der

Lightergas, campinggas, benzin og billige stearinlys består alt sammen af alkaner.

er et C-atom med plads til 2 hydrogenatomer, og endelig er der et carbonatom, der kun har mulighed for en binding til hydrogen. I alt vil molekylet igen have 12 hydrogenatomer og samme molekylformel som før.

Isomere forbindelser De tre forskellige varianter af molekylet med molekylformlen C5H12 danner materialer, der har forskellige fysiske egenskaber, fx forskelligt smeltepunkt, kogepunkt, massefylde. De har også forskellige kemiske egenskaber, og der er derfor tale om tre forskellige stoffer. Fænomenet kaldes isomeri. Isomere forbindelser har samme molekylformel, men forskellig struktur og kemiske egenskaber.

Den del af et forgrenet carbonhydrid, der danner den længste lige kæde af C-atomer, kaldes hovedkæden. Resten af det forgrenede molekyle kaldes sidekæder. I den forgrenede alkan, der er vist her, indeholder hovedkæden således 4 C-atomer, mens der er én sidekæde med et Catom. Der er flere andre muligheder for at flytte rundt med carbonatomerne. Carbonatomerne i hver sin ende af en kæde, kan nemlig binde sig til hinanden. Derved dannes et molekyle med en carbonring. Den slags forbindelser kaldes cykliske. Når carbonkæden er uden forgreninger, er molekylet ligekædet . Forgrenede molekyler består af en lige hovedkæde, hvortil der er bundet et antal sidekæder. I cykliske forbindelser findes en carbonring. Så længe kæden ikke lukkes til en ring, vil der være plads til 12 hydrogenatomer.

Antallet af isomere forbindelser vokser voldsomt, når antallet af carbonatomer i molekylet vokser. Mens der altså er 3 kædeformede alkaner med 5 C-atomer (en ligekædet og 2 med forgreninger), vil der være 9 isomere alkaner med 7 C-atomer: en ligekædet og 8 med forgreninger. Med 18 Catomer kan man lave en ligekædet og 60.522 isomere forgrenede alkaner. Du kan selv prøve efter – du skal tegne sådan cirka to nye hver dag resten af dit liv. De strukturformler, vi tidligere har brugt til at vise et molekyles opbygning, får nu en ny anvendelse: de er simpelthen nødvendige for at kunne skelne mellem de forskellige forbindelser. Strukturen omkring carbonatomerne i alkanerne er ligesom i methan tetraederisk og vil i en tegnet strukturformel gengives, som om strukturen var plan med en vinkel på 90° mellem bindingerne. Det kan

til tider give problemer med at afgøre, om to tegnede strukturformler af forgrenede alkaner er det samme molekyle eller faktisk viser to forskellige opbygninger. Man skal ikke have tegnet ret mange strukturformler af store alkaner, før man bliver træt af skrive H’er på. Man kan derfor i stedet bruge sammentrukne strukturformler, hvor carbonskelettet er som normalt, mens alle H’erne skrives samlet ved C-atomerne. I mange tilfælde er det også lettere at overskue carbonskelettet i sammentrukne strukturformler. Her ved siden af er vist de sammentrukne strukturformler for de 3 isomere alkaner med 5 carbonatomer.

Zigzag-formler Nogle gange kan man nøjes med at skrive selve carbonskelettet, og man kan endelig nøjes med bindingsstregerne mellem C-atomerne. I det sidste tilfælde får man en såkaldt zigzag-formel. Navnet kommer af formlernes udseende. Det er nemlig nødvendigt at lave knæk på bindingsstregerne for at markere, hvor der sidder et C-atom. I alle stregender sidder der også C-atomer. Zigzag-formler benyttes meget til større molekyler med kompliceret opbygning, fx molekyler, der indeholder flere ringslutninger. Zigzagformler kan tit tegnes på mange forskellige måder. Det er en følge af carbonatomernes frie drejelighed om enkeltbindinger.

Isis 42

43

Carbonforbindelser

17

Navngivning af alkaner

Alkaner har systematiske navne, og endelsen er altid -an. I forgrenede alkaner har sidekædernes navne endelsen -yl. Placeringen af sidekæderne angives ved nummeret på det carbonatom i hovedkæden, som sidekæden er bundet til.

Navngivningen af carbonforbindelserne er meget systematisk. Vi holder os foreløbigt til alkanerne, men hvis man først har fået lært principperne for alkanerne, er resten kun varianter over samme tema – sådan omtrent. Navnene på de 10 korteste, ligekædede alkaner fremgår af tabellen. Der er ingen vej uden om: de skal læres! 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

C-atomer: C-atomer: C-atomer: C-atomer: C-atomer: C-atomer: C-atomer: C-atomer: C-atomer: C-atomer:

methan ethan propan butan pentan hexan heptan octan nonan decan

Når man skal navngive en alkan, skal man først finde den længste kæde – hovedkæden – i molekylet og give den navn efter tabellen ovenfor.

Navnet for den ligekædede forbindelse – pentan – er nu færdigt, men for de to andre kommer der mere til!

lavest mulige nummer, tæller vi fra neden. Da hovedkædenavnet er butan, bliver navnet: 2-methylbutan.

carbonatom nummer 2 og 3 i hovedkæden. Navnet bliver derfor: 2,3-dimethylheptan.

Nu skal sidekæderne navngives. Man benytter samme navneprincip som i tabellen, men alle sidekædenavne får endelsen -yl i stedet for -an. En sidekæde med 1 C-atom hedder methyl. Med 2 C-atomer bliver navnet ethyl, mens en sidekæde med 3 C-atomer hedder propyl.

2,2-dimethylpropan

4-ethyl-2,2-dimethyloctan

Er der flere ens sidekæder, angives det med forstavelserne di-, tri, tetra- osv. Sidekædernes placering på hovedkæden skal også angives i navnet. Det gør man ved at nummerere C-atomerne i den længste kæde. Nummeret på det C-atom, hvortil sidekæden er bundet, skrives foran navnet på sidekæden. Man skal nummerere fra den ende af kæden, der giver de laveste tal.

Der er to ens sidekæder. Det giver navnet dimethyl. Da hovedkæden har navnet propan, bliver forbindelsens navn dimethylpropan. Der findes kun en dimethylpropan, så man kan undlade nummerering. Gør man det alligevel, skal placeringen af begge methylgrupper med: 2,2-dimethylpropan.

2,3-dimethylheptan

Pentan 2-methylbutan

I de tre alkaner med 5 C-atomer er hovedkæden på henholdsvis 5, 4 og 3 C-atomer. De skal navngives pentan (den med 5 C-atomer), butan (den med 4 C-atomer) og propan (den med 3 C-atomer). Det er grundstammen i navnene.

Sidekæden indeholder 1 Catom og får navnet methyl. Alt afhængig af om man nummererer fra oven eller fra neden sidder sidekæden på C-atom nr. 3 eller 2 i den længste kæde. For at få det

Forbindelsen har 7 C-atomer i den længste kæde. Hovedkædenavnet er heptan. Der er to sidekæder med hver 1 C-atomer – de får begge navnet methyl. Da der er to bliver det dimethyl. Foreløbig er navnet: dimethylheptan. Methylgrupperne er bundet til

methyl

Hovedkæden har 8 carbonatomer: octan. Der er to sidekæder med et carbonatom hver: dimethyl Der er en sidekæde med 2 carbonatomer: ethyl. Sidekædedenavnene sættes i alfabetisk rækkefølge, idet man ser bort fra antalsbetegnelserne (di-, tri- osv.). Ethyl skal derfor stå før methyl. Foreløbelig er navnet: ethyldimethyloctan. Sidegrupperne er bundet til carbonatom nummer 2 (de to methylgrupper) og nummer 4 (ethylgruppen). Navnet bliver derfor: 4-ethyl-2,2-dimethyloctan Læg mærke til, at man bruger bindestreg om tallene, men ikke mellem fx methyl og octan.

Isis 44

45

Carbonforbindelser

18

Alkanernes egenskaber

Ligekædede alkaners kogepunkt vokser med antallet af C-atomer i kæden. Alle alkaner kan brænde, men hvis kæden indeholder mange Catomer vil forbrændingen let blive ufuldstændig. Alkaner kan deltage i substitutionsreaktioner med bl.a. halogener. Herved udskiftes et eller flere H-atomer med et halogenatom. I øvrigt er alkanerne kemisk stabile stoffer.

Naturgas er en gas, benzin en væske og paraffin et fast stof. Alle tre materialer er blandinger af alkaner, så alkaner kan forekomme i alle tre tilstandsformer. De alkaner, der er gasser ved 20 °C, har et kogepunkt, der ligger under denne temperatur. Væskerne har et smeltepunkt, der er under, men et kogepunkt, der er over 20 °C. De faste stoffer har både smelte- og kogepunkter over 20 °C. Der er en ret simpel sammenhæng mellem antallet af carbonatomer i de ligekædede molekyler og det tilsvarende stofs kogepunkt. Sammenhængen fremgår af grafen. Det fremgår bl.a., at temmelig mange alkaner er flydende ved 20 °C. De forgrenede alkaner har lavere kogepunkter end de ligekædede, og kogepunktet afhænger så også af antal, art og placering af sidekæderne.

Forbrændingen af alkaner med mange carbonatomer behøver ikke at være ufuldstændig. Når olien forstøves eller fordampes og derefter blandes med luft i et bestemt forhold inden den antændes, kan man opnå en fuldstændig forbrænding. At det ikke altid lykkes, ved enhver cyklist, der færdes mellem dieseldrevne lastbiler.

rin”-lys osv. Men alkanerne kan kemisk omformes, så man kan få mange nyttige produkter ud af dem – og så kan man jo brænde dem af bagefter!

Hovedanvendelsen af alkanerne er faktisk at brænde dem af: i bilmotorer, i skibsmotorer, varme- og elværker, i fyr i boliger, i lightere, i ”stea-

I substitutionsreaktioner erstattes et – eller flere – af hydrogenatomerne med andre grundstofatomer eller grupper af atomer.

hexan + dibrom

Substitution En anden vigtig kemisk reaktion med alkaner kaldes substitution. Substitution betyder erstatning eller udskiftning.

De substitutionsreaktioner, der er lettest at udføre, er substitution af hydrogen med et halogenatom, fx brom. Det er karakteristisk for disse reaktioner, at det hydrogenatom, der fjernes fra alkanen, bliver bundet til et andet atom (eller atomgruppe) samtidig. Når man substituerer med brom, er det diatomige brommolekyler, der deltager i reaktionen. Som det fremgår af tegningen nedenfor, vil hydrogenatomet binde sig til det ene af bromatomerne, så hvert dibrommolekyle kan

kun substituere et hydrogenatom. Til gengæld kan man efterhånden erstatte alle hydrogenatomerne med brom, hvis man tilfører tilstrækkeligt dibrom. Blandingen af alkan og dibrom er stabil – der sker ingen reaktion – hvis blandingen er kold og afskærmet fra lys. Bortset fra reaktionen med dioxygen i forbrændingsreaktioner og nogle substitutionsreaktioner er alkaner gennemgående ret stabile og temmelig vanskelige at få til at reagere med andre stoffer.

1-bromhexan + hydrogenbromid

Alkanerne er et eksempel på en homolog serie. En homolog serie er en række stoffer, der hver for sig består af molekyler, der kun afviger med en CH2-gruppe fra hinanden. Fx adskiller heptan sig kun med en CH2-gruppe fra hexan. Kogepunktsgrafen er typisk for en homolog serie: egenskaberne ændrer sig gradvist, når antallet af carbonatomer stiger. Alle homologe serier kan beskrives ved en generel molekylformel. For alkanerne kan den generelle molekylformel skrives CnH2n+2. Hvis n = 2 fås ethan, med n = 3 propan osv.

Kogepunkt som funktion af antal C-atomer i ligekædede alkaner.

Forbrænding Billedet ude til venstre viser, hvordan henholdsvis methan, butan, benzin og dieselolie brænder. Selvom alle alkaner kan brænde, er det kun alkanerne med få carbonatomer, der brænder direkte fra overfladen uden at sode. Hvis en flamme soder, er der tale om en ufuldstændig forbrænding. I ufuldstændige forbrændinger vil der ikke kun dannes carbondioxid og vand, men blandt meget andet altså også sod.

Venstre billede: Dibrom opløst i hexan. Der sker ingen reaktion. Højre billede: Blandingen belyses. Reaktionen forløber og væsken bliver farveløs. HBr(g) er en syre og påvises med indikatorpapir.

Selv om man godt kan lave et helt afstemt reaktionsskema for en ufuldstændig forbrænding, er det ikke sikkert det passer i virkeligheden. Fordelingen af de forskellige produkter afhænger helt af forholdene omkring forbrændingen, først og fremmest af lufttilførslen. Et eksempel på et reaktionsskema kunne være: C12H26(l) + 16 O2(g) ➝ 9 CO2(g) + 13 H2O(g) + CO(g) + 2 C(s)

Isis 46

47

H

Raffinering af råolie Råolie oparbejdes på raffinaderier. Den første proces er en destillation, hvor indholdsstofferne adskilles i fraktioner efter kogepunkt. En del af de langkædede alkaner krakkes til kortere kæder. For at forbedre forbrændingen i benzinmotorer omdannes de ligekædede alkaner til forgrenede. Processen kaldes reforming.

Hver dansker bruger i gennemsnit tæt ved 2000 liter råolie om året til transport og opvarmning. Hertil kommer nogle hundrede liter i forarbejde produkter: beklædningsfibre, emballageplast, brugsgenstande af plast, farvestoffer osv. I dette opslag vil vi kort beskrive den indledende behandling af råolien. Som billedet viser, er råolie en sortbrun, mere eller mindre tyktflydende væske, der ikke er særlig anvendelig. Sammensætningen varierer desuden en del fra oliekilde til oliekilde. For at opnå ensartede produkter gennemgår råolien på raffinaderier en række forarbejdninger, inden produkterne er klar til forbrugeren. Ved oparbejdningen af olien udnyttes kendskabet til stoffernes fysiske og kemiske egenskaber.

Destillation Oparbejdningen starter med en destillation. Ved destillation udnyttes, at de forskellige

alkaner har forskelligt kogepunkt. I praksis foregår det ved at olien opvarmes, så de fleste af forbindelserne kommer på gasform. Gasserne ledes op gennem et tårn med en slags bakker. Hver bakke holdes på en bestemt temperatur, og de nederste bakker er de varmeste. I de varmeste bakker fortættes kun de carbonhydrider, der har de højeste kogepunkter, til væsker. Resten fortsætter opad som gasser. Højere oppe, hvor bakkerne bliver koldere og koldere, fortættes flere og flere af forbindelserne, og øverst er temperaturen nede på 1020 °C, så kun ganske få forbindelser kommer ud som gasser. En råolie indeholder mange tusinde forskellige alkaner, og kogepunkterne for mange af disse forbindelser ligger så tæt, at det er meget vanskeligt at adskille hvert stof for sig. Man nøjes derfor med at have væsentligt færre bakker, hvorfra man så kan tappe en car-

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

Decan krakkes til blandt andet:

2

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

Der er desværre sjældent overensstemmelse mellem den naturlige størrelse af de forskellige fraktioner og så forbruget. I reglen vil der være alt for meget bitumen og tung fyringsolie og for lidt af benzinfraktionen og den lette fyringsolie. 4% gas til flaskegas og kemikalier

100º

25% til kemikalier og benzin til biler

260º

5% petroleum til fly og opvarmning

360º

25% diesel og fyringsolie til biler og opvarmning

385º

15% olie til voks, smøreolie og skibe

Krakning Dette problem løses ved at krakke (af engelsk cracke, der betyder knække) de lange alkankæder. Forbindelserne opvarmes til omkring 600 °C. Ved denne temperatur bliver varmebevægelserne så kraftige, at de længste kæder brækker. Samtidig dannes en del dobbeltbindinger. Ved at tilsætte forskellige hjælpestoffer, regulere temperatur og strømningshastigheder m.v. kan man nogenlunde styre størrelsen af kædestumperne og antallet af dobbeltbindinger. Den nye blanding bliver igen udsat for en fraktioneret destillation.

Reforming Selv om man ved krakning kan få den rigtige mængdefordeling af de forskellige fraktioner, kan der stadig være problemer med anvendelsen. Først og fremmest er benzinfraktionen ikke god. Det har vist sig, at hvis benzinen indeholder en stor andel af stærkt forgrenede alkaner eller cykliske alkaner, vil den brænde pænt.

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

En blanding af ligekædede alkaner og luft, der udsættes for højt tryk, vil derimod eksplodere. Ved en eksplosion antændes blandingen spontant mange steder samtidig. Selv om en benzinmotor til tider kaldes en eksplosionsmotor, må benzinblandingen faktisk ikke eksplodere. Den skal brænde (omend hurtigt!) med en ganske bestemt hastighed fra tændrøret og ned til stemplet. Hvis blandingen eksploderer kan trykbølgen komme for tidligt i forhold til stempelbevægelsen og så kommer trykbølgen til at modvirke bevægelsen. Det opleves som om motoren hakker, støder eller banker. Jo mere benzin-luftblandingen presses sammen, inden den antændes, desto mere drivkraft får man ud af benzinen. Moderne bilmotorer har derfor et højt kompressionsforhold. Det betyder omvendt, at benzinen skal indeholde mange forgrenede eller cykliske alkaner. Det gør hverken råolie eller krakket råolie.

H

Hexen C6H12

Butan C4H10

H

H

Pentan C5H12

H

C

Butan C4H10

bonhydridblanding, hvor de enkelte forbindelser har omtrent samme kogepunkt. Råoliens alkaner bliver på den måde adskilt i grupper eller fraktioner, og processen kaldes en fraktioneret destillation.

H C

Penten C5H10

3

H

Octan C8H18

C H

4

2% bitumen til asfalt Råoliedestillation i laboratoriet.

H C

H

24% destillationsrest til skibe og fabrikker

Olie ind

H C

Ethen C2H4

H

19

1

Carbonforbindelser

Krakning

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

Pentan C5H12

C

Man har udviklet en metode til at omdanne eller reforme alkanerne i benzinen. Metoden er en blanding af selvsubstitution og ”hunden-spiser-egen-hale”. Ved at lede korte alkaner hen over platin ved en passende høj temperatur, fraspalter de methylgrupperne i enderne. Ved passende kontrol af reaktionsbetingelserne kan man få disse methylgrupper til at gå ind og substituere midt i kæderne igen. Herved fremkommer de forgrenede alkaner. Samtidig vil de ”haleløse” alkaner let kunne slutte sig sammen i små ringe. Den reformede blanding indeholder derfor mange forgrenede og ringformede forbindelser. H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Octan C8H18

H H

C

H H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H H

H

C

H

H

H

2,4 -Dimethylhexan C8H18

Kaukasus

Arabien

Australien

Nordsøen

Frankrig

Frankrig

Venezuela

Sumatra

Isis 48

49

Carbonforbindelser

20

Alkener

Carbonhydrider, der indeholder en dobbeltbinding, kaldes alkener. Alkener har næsten samme fysiske egenskaber – kogepunkter, opløselighed, massefylde m.v. – som alkaner. Alkener deltager villigt i additionsreaktioner, hvor dobbeltbindingen ophæves og nye atomer bindes til carbonatomerne. Alkener benyttes i industrien til at fremstille en lang række vigtige stoffer.

Ved krakning af alkaner dannes en del forbindelser, der indeholder en dobbeltbinding. Carbonhydrider, der indeholder en dobbeltbinding, kaldes alkener. Alkenerne udgør ligesom alkanerne en homolog serie. Den generelle formel er CnH2n. Den simpleste alken indeholder to carbonatomer, der er bundet sammen med en dobbeltbinding. Navnet er ethen. Navngivningen af alkenerne bygger nemlig på principperne for alkanerne. Hovedkæden er den længste sammenhængende kæde af C-atomer, som indeholder dobbeltbindingen. Navnet på hovedkæden fastlægges som for alkaner, men alle navne får endelsen -en i stedet for -an, for at vise, at forbindelsen indeholder en dobbeltbinding. Placeringen af dobbeltbindingen angives med nummeret på det første af C-atomerne ved dobbeltbindingen.

2-en. På carbonatom nummer 2 sidder en sidekæde med 1 carbonatom (methyl). Navnet bliver: 2-methylpent-2-en

Den længste kæde er på 6 Catomer, men den længste, der indeholder dobbeltbindingen, er kun på 5: penten. Dobbeltbindingen sidder mellem 1. og 2. C-atom: pent-1-en. På 2. Catom sidder en sidekæde med 2 C-atomer, d.v.s ethyl. Navnet er derfor: 2-ethylpent-1-en.

Additionsreaktioner Alkenerne adskiller sig ikke markant fra alkanerne med hensyn til de fysiske egenskaber: kogepunkt, massefylde, opløselighed osv. De kemiske egenskaber er til gengæld meget anderledes. Dobbeltbindingen er nemlig meget mere reaktiv end enkeltbindingen.

Alkenerne er følgelig meget reaktionsvillige. Reaktionerne er i næsten alle tilfælde additionsreaktioner. Ved en addition brydes den ene af bindingerne i dobbeltbindingen. På den måde frigøres en elektron på hver af de to C-atomer omkring bindingen. Disse elektroner kan nu danne nye elektronparbindinger til andre atomer.

reagere hurtigt med adskillige andre forbindelser. I industrien kan man ofte styre additionsreaktioner bedre end substitutionsreaktioner, så der ikke kommer så mange uønskede biprodukter. Additionsreaktioner er bl.a. derfor overordentlig meget brugt i den kemiske industri, hvor de mindste alkener benyttes i store mængder.

Ved en additionsreaktion tilføjes (eller adderes) der atomer til molekylet.

Acetone

Reaktionen mellem dibrom og alkener forløber normalt hurtigt. Det er nemt at følge reaktionen, da dibrom er brunt, og de dannede bromalkaner er farveløse. Reaktionen bruges i laboratoriet som en test på, om en given forbindelse indeholder dobbeltbindinger. Man skal nu være forsigtig med konklusionerne, for dibrom kan også

Vand kan adderes til propen, hvorved der dannes en forbindelse, der hedder propan2-ol (ældre navne er 2-propanol og isopropylalkohol). Dette stof bruges bl.a. i en del rensevæsker til fx briller, kassettebånd og bilruder, som vist på billedet. Propan-2-ol kan også omdannes videre til det meget vigtige opløsningsmiddel acetone (propanon). Acetone findes i de fleste hjem og bruges bl.a. til at fjerne neglelak.

Eksempler

alle kemiske forbindelser organiske forbindelser carbonhydrider

Den længste kæde er på 3 Catomer. Det giver navnet propen.

alkaner

but-1-en

alkener

pent-1-en Den længste kæde er på 5 Catomer. Det giver hovedkædenavnet penten. Dobbeltbindingen går fra 2. til 3. C-atom: pent-

hex-1-en

Isis 50

51

Carbonforbindelser

21

Plast

Hovedparten af al plast fremstilles ved addition af alkener. Udgangsstoffet kaldes en monomer, mens den resulterende forbindelse kaldes en polymer. De fleste polymerer lavet ved addition er termoplastiske. PVC-plast indeholder chloratomer bundet til polymerkæderne. Det giver en række tekniske fortrin, men også miljømæssige ulemper.

Hovedparten af alkenerne bruges til fremstilling af plast. Plast er et ret nyt materiale, der først blev almindelig brugt i løbet af 1950‘erne, men til gengæld får stadig flere anvendelser. Inden for næsten alle områder bruger man stigende mængder af plast: beklædning, sko, møbler, elektronik, sportsudstyr, biler. I dag bruger hver dansker i gennemsnit ca. 140 kg plast om året, og hovedparten heraf er fremstillet ud fra simple alkener.

Polyethen

PVC-plast

Polymeren, der dannes ud fra ethen, kaldes for polyethen og plasten for PE-plast. Man tilstræber kædelængder med mellem 1000 og 10.000 C-atomer. Som det fremgår af formlen nederst til venstre indeholder polyethen ingen dobbeltbindinger og er derfor en alkan. Navnet polyethen er fra den synsvinkel ikke så heldigt!

Plast behøver ikke kun at bestå af carbon og hydrogen, men kan også indeholde oxygen, nitrogen, fluor eller chlor. En af de allervigtigste plasttyper er PVC-plast, der indeholder chloratomer. Monomeren er ethen, hvor det ene Hatom er substitueret med et chloratom:

Plasten hænger sammen, fordi de lange alkankæder snor sig ind mellem hinanden – omtrent som kold, kogt spaghetti. Når den varmes op, bevæger molekylerne sig hurtigere, hvorved sammenhæftningen bliver svagere. Det betyder at plasten bliver blød og plast af denne type kaldes termoplast. Når plasten er blød, kan den formes på flere måder, fx støbes til skåle og fade, presses i form til klodser eller pustes op til poser. Efter afkøling bibeholdes formen.

Ideen i plastfremstilling er, at man får små molekyler til at binde sig sammen til lange kædeformede molekyler. Stoffet, der består af de små molekyler, kaldes generelt for en monomer, mens stoffet, der dannes og består af lange molekyler, kaldes for en polymer. Den simpleste monomer er ethen. Polymeren fremkommer ved at ethenmolekylerne adderer til hinanden:

Billederne viser øverst dunke fremstillet af polyethen. Polyethen er kemisk meget modstandsdygtigt og bruges ofte til emballage. Bægre til surmælksprodukter laves af polystyren, der er hård og sprød. Polystyren opløses af en række organiske opløsningsmidler, bl.a. acetone. PVC-plast kan laves hård (til bl.a. afløbsrør) og blød (til bl.a. vandslanger).

Molekylemodeller af (øverst) polyethen og (nederst) polypropen. Ved at bruge en anden monomer end ethen, får man plast med lidt andre egenskaber.

CH2CHCl har det systematiske navn chlorethen, men kaldtes tidligere vinylchlorid. Polymeren kom derfor til at hedde polyvinylchlorid, hvoraf forkortelsen PVC. PVC er hård og sprød. Den slags plast bruges fx til nedløbsrør, kloakrør, vinduesrammer og gennemsigtige tagplader. PVC kan også tilsættes blødgørere. PVC kan indeholde helt op mod 50% blødgører og alligevel fremtræde som en sammenhængende plast. Man kan på den måde regulere hårdheden fuldstændigt. Blød PVC bruges bl.a. til regnfrakker og plasthandsker. Da PVC samtidig er let at indfarve, let at forme, brænder dårligt, relativt stabilt overfor sollys og endda er ret billigt, må man konstatere, at PVC fra en teknisk synsvinkel nærmest

Fremstilling af plastfolie på Lindknud Plast ved Vejen.

er et genialt stof. Alligevel er brugen af PVC omdiskuteret. Det skyldes en række forhold ved stoffets fremstilling, brug og bortskaffelse. For det første er monomeren chlorethen temmelig kræftfremkaldende og medfører derfor alvorlige arbejdsrisici på de fabrikker, hvor plasten fremstilles. For det andet trænger der hele tiden, ganske vist små, mængder blødgører ud på overfladen af blød PVC, og derfra kan blødgøreren trænge over i mad eller ind i huden. De blødgørere, man bruger, er mistænkt for at virke ligesom kvindelige kønshormoner og dermed påvirke forplantningen hos både dyr og mennesker. Endelig frigøres chloratomerne, når plasten brændes som affald. Det meste ender som saltsyre, der kan fjer-

nes fra røgen, men en del går sammen med andre stoffer og danner en række ubehagelige chlorholdige forbindelser, der mistænkes for at volde alvorlige skader i miljøet.

Isis 52

53

Carbonforbindelser

22

Arener

C6H6 + Br2

C6H5Br + HBr

Bunsenbrænder

Benzen er en farveløs, letflydende væske med en karakteristisk – men ikke ubehagelig – lugt. Man kan ret let vise eksperimentelt, at benzenmolekylerne indeholder lige mange carbon og hydrogenatomer, og at formelmassen er 78,1 u. Der er kun en molekylformel, der passer med det: C6H6.

Benzenmolekylet består af en sekskantet ring med carbonatomer i hjørnerne. Carbonatomerne er bundet sammen med normale og delokaliserede elektronparbindinger. Arener indeholder mindst en benzenring.

alle kemiske forbindelser

Arener deltager kun vanskeligt i additioner, men ret villigt i substitutionsreaktioner.

alkaner

organiske forbindelser carbonhydrider

Der kan tænkes en række forbindelser med dobbelt- og tripelbindinger, der har denne molekylformel. Det er imidlertid i modstrid med følgende 2 eksperimentelle kendsgerninger for benzen.

alkener arener

Når røntgenstråler sendes gennem en krystal af et fast stof, vil strålerne spredes. Ved meget omhyggelige målinger af denne spredning, er det muligt at beregne, hvor tætheden af elektroner er stor og hvor den er lille. Tegningen her til venstre viser elektrontætheden for et benzenmolekyle. Tætheden er størst omkring de seks carbonkerner og det fremgår, at carbonatomerne sidder i en ring. Det er også let at måle afstanden mellem carbonatomerne, og den er helt ens. Normalt er afstanden mellem carbonatomer, der er bundet sammen med dobbeltbinding, noget mindre, end hvis de er bundet sammen med enkeltbindinger. Den anden eksperimentelle kendsgerning er, at benzen kun meget vanskeligt deltager i additionsreaktioner. Hvis benzen havde indeholdt dobbelt- eller tripelbindinger, ville

det have været let at lave additionsreaktioner. Derimod er det muligt at lave substitutionsreaktioner, fx med dibrom som vist herover. Indikatorpapiret i reagensglasset farves. Det viser, at der dannes en syre, nemlig HBr.

Benzens struktur De eksperimentelle resultater forklares ved, at bindingen mellem carbonatomerne dels består af en normal elektronparbinding, dels en binding, vi ikke før har omtalt: delokaliseret elektronparbinding. Vi ser lidt på detaljerne. Hvert af de seks carbonatomer har 4 elektroner i den yderste skal. En elektron indgår i en almindelig elektronparbinding med et hydrogenatom. To andre elektroner indgå i elektronparbindinger med et carbonatom til hver side. På den måde dannes en sekskantet ring, hvor hydrogenatomerne stritter ud til siden.

delokaliseret elektronparbinding. Delokaliseret betyder netop ”uden fast placering”. De danner en form for elektronsky, der findes både over og under selve ringen. Strukturen er blevet sammenlignet med en burger, hvor de delokaliserede elektroner svarer til brødet. Strukturen kan illustreres forskelligt. Her under er vist 3 måder. Først en kalotmodel, der passer ret godt med elektrontætheden. Ved siden af en normal strukturformel, hvor ringen angiver de delokaliserede elektroner, og endelig zigzagformlen, der er den mest brugte.

Arener Arener er forbindelser, der indeholder mindst en benzenring.

Tilbage er der en elektron på hvert C-atom. Man kan måle, at disse i alt seks elektroner bevæger sig ret frit omkring C-atomerne i ringen, sådan at elektronerne ikke længere er knyttet til et bestemt carbonatom. De udgør sammen en

Arener kaldes også aromatiske forbindelser. Generelt er der ikke mere aroma ved dem end ved andre carbonhydrider, men nogle af de første, man undersøgte, var ret vellugtende, og siden har navnet hængt ved. Tegningen viser tre eksempler på arener.

Benzenringens elektronstruktur med de delokaliserede elektroner er temmelig stabil. Kun under meget specielle forhold kan man udføre additionsreaktioner med benzen. Adderes dihydrogen får man en ringformet alkan, cyclohexan:

Hydrogenatomerne kan ligesom i alkanerne udskiftes med andre atomer eller grupper af atomer i substitutionsreaktioner. Efterhånden har man udviklet metoder til at substituere med en lang række atomer og atomgrupper. Da der er seks positioner, hvor man kan substituere, er det muligt at lave et utal af kombinationer og dermed fremstille stoffer med ganske bestemte egenskaber. Arener og substitutionsreaktioner med arener spiller derfor en central rolle i mange kemisk-industrielle produkter: lægemidler, farvestoffer, sprængstoffer, bekæmpelsesmidler, plast, rengøringsmidler.

Substitution med dichlor

Substitution med chlorethan

Isis 54

55

Carbonforbindelser

23

Organiske halogenforbindelser

Det er forholdsvis enkelt og billigt at fremstille halogenerede car bonhydrider ved substitution. Chlor- og fluormethaner har kogepunkter inden for et stort interval og har haft en række tekniske anvendelser. Chlorerede methaner er ofte giftige. Fuldt halogenerede methaner er kemisk meget stabile. Indeholder de chlor, kan de skade ozonlaget.

I de foregående opslag er du flere gange stødt på organiske forbindelser, der foruden carbon og hydrogen også indeholder halogenatomer, dvs. fluor, chlor, brom eller iod. I de fleste tilfælde har vi brugt disse forbindelser som eksempler på produkter ved substitutions- eller additionsreaktioner. Det er ikke kun på papiret, men også kemisk industrielt, at det er forholdsvis enkelt at lave simple organiske halogenforbindelser. Da dichlor desuden er et meget billigt råstof, har man fundet mange anvendelser for især chlorholdige organiske forbindelser. Vi vil her se på de i alt 14 chlorog fluorforbindelser, der kun indeholder ét carbonatom. Andre simple organiske halogenforbindelser ligner på næsten alle måder disse stoffer. Formlerne for forbindelserne

er vist i pyramiden på figuren. Under pyramiden med formlerne er til venstre vist nogle miljømæssigt interessante egenskaber, til højre de samme forbindelsers kogepunkter.

De fluorerede forbindelser fremstilles også ved substitution, men da rent difluor er dyrt og vanskeligt at håndtere, bruger man hydrogenfluorid og chlormethaner. Eksempler på reaktionsskemaer er:

Fremstilling Chlorforbindelserne fremstilles ved substitution ud fra methan. Ved at blande methan og dichlor udskiftes hydrogenatomerne med chloratomer og der dannes chlormethan og hydrogenchlorid. Man kan ved passende valg af reaktionsbetingelser styre substitutionen, så man får substitueret henholdsvis et, to, tre eller alle fire hydrogenatomer. Hydrogenchlorid er en gas, men da den i modsætning til chlormethanerne er vandopløselig, kan man fjerne den fra reaktionsprodukterne ved at vaske reaktionsprodukterne med vand. Hydrogenchlorid opløst i vand kaldes saltsyre.

CCl 4 + HF ➝ CFCl 3 + HCl CHCl3 + HF ➝ CHFCl2 + HCl

En gaschromatograf er et instrument, der bruges til at adskille stoffer i en gasblanding. Figuren herunder til højre viser udskriften fra en sådan gaschromatograf. Det er reaktionsproduktet fra en substitution mellem methan og dichlor, man har adskilt. Det fremgår, at der er dannet både chlormethan og forbindelser med mere end et chloratom.

Alle de nævnte substitutioner sker ved brug at en katalysator. En katalysator er et stof, der fremmer en reaktion uden selv at blive forbrugt ved reaktionen.

digt. Man kan alene i denne gruppe finde stoffer, der har kogepunkt inden for et vilkårligt område mellem -161 °C og 77 °C. Det har stor teknisk betydning i en række anvendelser, fx som kølemiddel i frysere og køleskabe, og for rense- og affedtningsmidler i industrien.

ferne også er stabile i atmosfæren og derved kan trænge op i stratosfæren. I stratosfæren spalter Solens ultraviolette lys molekylerne, hvorved der frigøres chloratomer. Frie chloratomer nedbryder ozonlaget. Ozonlaget beskytter delvis jordoverfladen mod ultraviolet lys fra Solen.

Miljøbelastning

På grund af chlortilførslen til stratosfæren, er der opstået årligt tilbagevendende perioder, hvor det meste af ozonen er væk – indtil videre dog kun over Antarktis.

Kogepunkt

Figuren på forrige side viser også nogle miljømæssige forhold. Hvis forbindelserne indeholder flest hydrogenatomer er de brændbare; indeholder de hydrogen og chlor eller kun chlor, er de giftige.

Som det fremgår af figuren på forrige side, afhænger stoffernes kogepunkter af molekylernes opbygning. Hvis et hydrogenatom erstattes med et chloratom stiger kogepunktet. Tilsvarende gælder for fluoratomer, men her er tendensen mindre enty-

Indeholder de ingen hydrogen, siger man, at de er fuldt halogenerede. Fuldt halogenerede forbindelser er kemisk meget stabile. Det kan naturligvis udnyttes i nogle sammenhænge, men det har den miljømæssige ulempe, at stof-

P.g.a. de miljømæssige problemer ved anvendelsen af de halogenerede forbindelser, har man internationalt besluttet at nedsætte forbruget, men de spiller stadig en vigtig rolle i mange industrielle sammenhænge og i laboratorier – også skolelaboratorier.

alle kemiske forbindelser organiske forbindelser carbonhydrider organiske halogenforbindelser halogenmethaner

Isis 56

57

Carbonholdige forbindelser

Opg Opgaver 15.1.*

Hvilke af følgende forbindelser er organiske efter bogens definition? a) CO2 (carbondioxid) b) C2H5OH (ethanol) c) H2O d) HCN (hydrogencyanid) e) KCN (kaliumcyanid)

b) Marker hovedkæden med en farve.

17.3.*

18.7.**

20.1.*

20.6.*

16.4.***

Navngiv de fem isomere alkaner med molekylformlen C6H14.

a) Opskriv reaktionsskemaet (molekylformler) for pentan, hvor et hydrogenatom substitueres med et chloratom. b) Der kan dannes tre forskellige forbindelser. Tegn strukturformlerne.

Tegn strukturformler for følgende alkener: a) 2-methylbut-2-en b) 3-methylbut-1-en c) 2,3-dimethylbut-2-en

Opskriv et reaktionsskema for additionsreaktionerne: a) ethen og dihydrogen b) but-2-en og dichlor

20.2.**

20.7.**

Find molekylformlen og tegn alkenerne: a) 2-methyl-3-propylhex-2-en b) 3,4-diethylhex-3-en c) 2-methyl-4,4-dipropylhept-2-en

Opskriv et reaktionsskema for additionsreaktionerne: a) hex-3-en og hydrogenchlorid b) pent-1-en og vand

20.3.*

20.8.***

Navngiv: a) CH2=CHCH2CH2CH3 b) (CH3)2C=CHCH2CH2CH2CH3

Et carbonhydrid har molekylformlen C10H 20. Opbygningen er ukendt, men molekylet vides at indeholde to ethyl-sidekæder. Forslå nogle mulige strukturer og navngiv dem eventuelt.

a) Tegn strukturformler for de 9 isomere kædeformede alkaner med 7 carbonatomer. b) Find i hvert tilfælde hovedkæden og (eventuelle) sidekæde(r). c) Tegn formlerne som zigzag formler.

15.2.* Hvilke af følgende forbindelser er carbonhydrider? a) C3H8 (propan) b) H2O c) C6H12O6 (glucose) d) HCN (hydrogencyanid) e) C6H6 (benzen)

16.5.**

15.3.**i

16.6.***

a) Find i et tabelværk kogepunkterne for disse forbindelser: HF, HCl, HBr og H2O, H2S, H2Se og CH4, SiH4, GeH4, b) Afsæt kogepunkterne i et koordinatsystem med kogepunkterne på 2.aksen og periodenummeret (for det grundstof, der ikke er H) på 1.aksen. c) Hvilke forbindelser afviger fra den generelle tendens? d) Beregn elektronegativitets forskellen mellem de to grundstoffer i hvert molekyle. e) Er det rigtigt at polære forbindelser har relativt høje kogepunkter?

Tegn zigzagformlen for mindst to forbindelser, der er isomere med:

16.1.* Byg molekylmodeller af de isomere alkaner med 6 carbonatomer. Strukturen må ikke indeholde ringe.

16.2.**i a) Brug oplysningerne i Systimes Kemidatabase til at finde argumenter for, at de isomere kædeformede alkaner med 6 carbonatomer er forskellige stoffer. b) Find ud af, om der er en sammenhæng mellem molekylernes opbygning og deres kogepunkt.

16.3.* a) Tegn strukturformler for de isomere alkaner med 6 carbonatomer.

58

a) Tegn strukturformlerne for disse forbindelser:

17.4.** Navngiv de 9 forskellige forbindelser i opgave 16.4.

18.8.** 17.5.** Tegn strukturformler for: a) 5-ethyldecan b) 5-butyl-2,4-dimethylnonan c) 3,3-diethylpentan

18.1.* Hvad er molekylformlen for forbindelserne?

CH3 CH3

CH

Aflæs på grafen på opslaget, hvilken tilstandsform følgende stoffer har ved normalt tryk og den anførte temperatur: a) Ethan (20 °C) b) Octan (100 °C) c) Decan (-50 °C)

18.2.* CH

CH2

CH2

CH3

CH3

16.7.*** En alkan har molekylformlen C10H22. Opbygning er ukendt, men vides at indeholde to ethyl-sidegrupper. Tegn strukturformler og zigzagformler for nogle mulige strukturer.

Brug grafen på opslaget til at afgøre, hvilken tilstandsform følgende stoffer har ved normalt tryk og den anførte temperatur: a) alkan, n = 8 (200 °C) b) alkan, n = 18 (20 °C)

I heptan kan et hydrogenatom substitueres med et chloratom. a) Opskriv reaktionsskemaet (molekylformler) for heptan, der substitueres med et chloratom. b) Tegn strukturformlerne for de forbindelser, der kan tænkes dannet.

19.1.* Brug figuren med alkanernes kogepunkt på opslag 18 og tegningen af et destillationstårn på opslag 19 til besvarelse af følgende: a) I hvilken fraktion findes octan (overvejende)? b) I hvilken fraktion findes den ligekædede alkan med 15 carbonatomer? c) Hvad er en typisk kædelængde i gasolie, der bruges til voks, smøreolie og skibe?

17.1.*

Den ligekædede alkan med 12 carbonatomer (dodecan) krakkes. Antag, at der kun dannes ligekædede alkaner (samt frit C – se reaktionsskema på opslag 19). Hvilke krakningsprodukter kan dannes, når den mindste del er et ethanmolekyle?

Navngiv: a) CH3CH2CH3

18.4.***

19.3.**

Opskriv et reaktionsskema for et eksempel på en ufuldstændig forbrænding af octan. Blandt produkterne skal bl.a. findes carbonmonoxid og sod.

Nonan reformes. Tegn strukturformlen for den mest forgrenede forbindelse, der kan tænkes dannet.

b)

CH3

CH

Navngiv:

H

H

21.1.*

CH3

CH2

CH3

a) Skriv så hurtigt du kan og uden ophold i 3 minutter, hvad du forbinder med plast. b) Sammenlign hvad du har skrevet med det, din sidekammerat har skrevet. Er der en fælles linie i det? c) Diskuter på klassen, hvad plast er velegnet til – og hvad I helst ikke vil have er lavet af plast.

H

CH2

CH3

21.2.*

CH2

CH3

C

C

a)

CH3 b)

CH3

CH2

H

CH3

C

C

19.2.** Opskriv et reaktionsskema for den fuldstændige forbrænding af: a) pentan b) 2,4-dimethylpentan c) 2,3,4-trimethylheptan

CH3

20.4.*

18.3.**

c)

C

C

H

20.5.* Færdiggør følgende reaktionsskema:

H

H C

C

CH3

Br

Br

H

21.3.*

19.4.** CH3

18.5.*

CH3CHCH2CHCH3 c)

CH3

I butan substitueres et hydrogenatom med et bromatom (monosubstitution). Opskriv reaktionsskemaet.

CH3 18.6.**

17.2.* Tegn strukturformler for a) 2-methylhexan b) 3-ethyl-2-methylheptan c) 4-ethyl-2,3,4-trimethyloctan

I butan substitueres to hydrogenatomer med to bromatomer (disubstitution). Opskriv reaktionsskemaet med molekylformler.

Man kan beregne et omtrentligt oktantal for en blanding af flere forbindelser, idet blandingens oktantal bliver et vægtet gennemsnit af de enkelte forbindelsers oktantal. Brug tabellens oplysninger til at finde et blandingsforhold mellem mindst tre forbindelser, der giver et oktantal på 95.

Tabellen angiver oktantallet for en række alkaner, samt to arener (med* – se opslag 22).

a) Hvordan er mulighederne for at genbruge plast? b) Energi fra affaldsforbrænding indgår i de officielle statistikker under “Vedvarende energi m.v.” Er det en korrekt betegnelse? c) Hvilke forbindelser dannes ved en fuldstændig forbrænding af henholdsvis PE og PVC?

Forbindelse octan heptan hexan

Oktantal — 19 0 25

cyclohexan butan

83 94

propan 2-methylheptan

97 24

2,2-dimethylhexan 2,2,4-trimethylpentan benzen* toluen*

79 100 105 120

Hvilke af følgende forbindelser kan teoretisk polymeriseres til plast? a) CH2=CHCH3 b) CH3CH2CH3 c) CH3CH2CH=CH2 d) CHCl=CHBr

Opg 21.4.*

Forbindelsen CH2=CCl2 kan bruges som monomer. a) Tegn en strukturformel for molekylet. b) Tegn strukturen af den polymer, der kan dannes. Du skal medtage mindst 6 C-atomer.

Isis

59

Mængdeberegning

Carbonholdige forbindelser 21.5.** a) Find formelmassen for PVC-monomeren CH2CHCl. b) Beregn, hvor stor en procentdel af massen, der skyldes chloratomet. c) Hvor mange gram chloratomer findes der i 1 kg PVC-plast? d) Når PVC brændes af i affaldsforbrændingsanlæg, dannes der hydrogenchlorid. Hydrogenchlorid er en gas, der let opløses i vand, hvorved der dannes saltsyre. En liter fortyndet saltsyre, som det bruges på de fleste gymnasier, indeholder ca. 70 gram chloratomer. Hvor mange liter fortyndet saltsyre kan der dannes ved forbrænding af 1 kg PVC-plast?

22.1.** Forklar, hvorfor benzenringen er flad, mens cyclohexanringen er bugtet. Du skal bruge reglerne om elektronparfrastødning, der blev gennemgået i opslag 13.

a) Hvordan vil du finde ud af, om der er sket en addition eller en substitution – uden at undersøge, hvilke arener, der er dannet! b) Det viser sig ved undersøgelse af de dannede arener, at der er sket substitution af hydrogenatomerne på benzenringen. Faktisk findes alle tænkelige substitutionsprodukter – med 1 brom, 2 brom (i alle kombinationsmuligheder), 3 brom (i alle kombinationsmuligheder) osv. Hvor mange forskellige forbindelser findes i kolben?

22.5.** Borazin, B3H3N3, kaldes for uorganisk benzen. a) Tegn en strukturformel for stoffet. b) Beregn elektronegativitetsforskellen mellem B og N. c) Kan de kemiske egenskaber for borazin være magen til benzens?

23.1.* Tegn strukturformlerne for a) dichlordifluormethan b) tetrafluormethan c) chlortrifluormethan

Mængdeberegning

23.2.* Tegn strukturformler for a) 1,1,1-trichlorethan b) 1-chlor-2,2-difluorethan c) 1,2,2-trichlor-1,1,2-trifluorethan

23.3.** Brommethan (CH3Br, “methylbromid”) er giftigt for insekter og bruges til gasning af jord, afgrøder og bygninger for at fjerne skadedyr. I 1997 blev der Verden over brugt ca. 75.000 tons. Kan du forestille dig, hvordan dette stof fremstilles? Opskriv evt. reaktionsskema(er).

24. Stofmængde 25. Beregningsskemaet 26. Ækvivalente mængder 27. Gassers molare volumen 28. Idealgasligningen

23.4.* carbonringen i benzen

C

C C

C C

C

De følgende 4 opgaver handler om alle carbonhydrider.

22.6.* carbonringen i cyclohexan

C

Lav hurtigskrivning i 5 minutter over emnet: Carbonhydrider.

C C C C

C

22.2.* Opskriv reaktionsskemaet for substitutionsreaktionen mellem benzen og dichlor. Kun et af hydrogenatomerne i hvert benzenmolekyle substitueres.

22.3.** a) Opskriv reaktionsskemaet for substitutionsreaktionen mellem benzen og dibrom. I hvert benzenmolekyle substitueres 2 af hydrogenatomerne. b) Tegn strukturformlerne for de tre forskellige forbindelser, der kan dannes.

22.4.*** Til en kolbe med en smule benzen tilsættes en tilsvarende mængde dibrom. Kolben lukkes tæt med en prop. Blandingen rystes, opvarmes, belyses intenst med blåt lys, og efterhånden forsvinder bromfarven.

60

22.7.* Systematiser din viden om carbonhydrider ved at lave et mind-map.

CCl2F2 (“CFC-12”, “freon-12”) blev indtil for få år siden brugt som kølevæske i køleskabe og frysere m.m. a) Hvilke egenskaber har CCl2F2 som rent teknisk gør stoffet velegnet som kølemiddel (lige bortset fra det nedbryder ozonlaget!)? b) Man kan i stedet bruge en af de halogenerede methaner, der ikke er så miljømæssigt belastende. Hvilken vil du vælge?

29. Grænseværdier 30. Kemikaliemærkning 31. Kemikalieaffald Opgaver

22.8.** En elev hælder 25 mL pentan, cyclohexen, paraffinolie og toluen på hver sin flaske. Han mærker ikke flaskerne, for han mener sagtens, han kan huske, hvad der er i hvilken flaske. Næste dag kan han alligevel ikke huske det – hjælp ham!

22.9.*** Til hver af nedenstående molekylformler skal du tegne en strukturformel. Molekylet må højest indeholde 1 ring. Alle carbonatomer skal have 4 bindinger, undtagen hvor de indgår i en benzenring. Når du har tegnet formlerne, kan du fordrive tiden med at navngive dem! a) C8H16 d) C8H10

b) C8H14 e) C8H8

23.5.** Halogenforbindelser med mere end 1 carbonatom kan laves ved additionsreaktioner. a) Opskriv reaktionsskemaet for additionsreaktionen mellem ethen og dichlor. b) Hvilken forbindelse kan dannes, når ethen adderes med hydrogenfluorid?

23.6.***

Opg c) C8H12 f) C8H6

1,1-dichlorethen bringes til at reagere med hydrogenchlorid, hvorved der bl.a. dannes 1,1,1-trichlorethan. a) Er det en additions- eller en substitutionsreaktion? b) Hvilken anden forbindelse kan også dannes?

Isis 61

Mængdeberegning

24

Stofmængde

Stofmængde angives i mol. 1 mol er 6,022 ·1023 stk. atomer eller molekyler. Stofmængden beregnes ved at dividere massen med den molare masse. Et stofs molare masse har samme talværdi som formelmassen. Enheden er bare g/mol i stedet for u. Massen er bevaret ved en kemisk reaktion. Det er partikelmængden ikke nødvendigvis.

Det er afgørende at kunne udføre kemiske mængdeberegninger, når man skal kontrollere indholdet af benzen i benzin, måle mængden af salt i chips, undersøge atmosfærens indhold af ozonnedbrydende forbindelser og løse lignende beregningsmæssige problemer. Til det formål skal man bruge begrebet stofmængde. Vi ser først på det afstemte reaktionsskema for dannelsen af vand ud fra dihydrogen og dioxygen: 2 H2(g) + O2(g) ➝

2 H2O(g)

Reaktionsskemaet viser, at 2 dihydrogenmolekyler reagerer med 1 dioxygenmolekyle, og at der dannes 2 vandmolekyler. Så små mængder har man aldrig brug for at regne på; et vandmolekyle vejer bare 3,0·10–26 kg! Derfor må vi tænke på en anden måde.

Mol og stofmængde

Hvor er den største mængde:

1 dusin æg

3 guldbarrer

Da vi indførte formelmassen, så vi, at for dihydrogen er den 2,0 u og for dioxygen 32,0 u. Hvis man nu tager 2,0 gram dihydrogen og 32,0 gram dioxygen, vil de to portioner indeholde lige mange molekyler. Dette antal kaldes for et mol (o’et udtales som i sol). Antallet er bestemt til NA = 6,022·1023 mol–1

6 vandmeloner

Det afhænger af, om man måler antal, volumen eller masse.

og kaldes Avogadro konstant. NA angiver altså, hvor mange stk. der går på et mol; derfor enheden mol–1 (“pr. mol”). Mol er enheden for den fysiske størrelse, der kaldes stofmængde.

samme som 3,0 mol. Den formel, der indeholder denne sammenhæng, er som følger:

n=

m M

n: stofmængde (enhed: mol) m: masse (enhed: g) M: molar masse (enhed: g/mol)

g mælkesyre, da massen jo bevares ved en kemisk reaktion. Men når 1 mol glucose mælkesyregæres, dannes 2 mol mælkesyre. Partikelmængden er ikke bevaret; når et molekyle deles i to halvdele, er resultatet naturligvis det dobbelte antal partikler, der hver har den halve molare masse.

Atommasserne fra periodesystemet kan også anvendes som molare masser. Husk blot, at enheden skal være g/mol. Kartoffelchips tilsættes salt. Når man kender til mængdeberegninger, kan man regne ud, at 1,6 g natriumchlorid indeholder 0,62 g natriumioner.

Mol kan i princippet bruges om hvad som helst, men har kun praktisk anvendelse for meget små dimser såsom molekyler, ioner, formelenheder og elektroner. Tog man fx et mol spædbørn, ville deres samlede masse være ca. lige så stor som jordklodens! Pointen med Avogadro konstanten er, at et atom vejer det samme i unit, som et mol atomer af samme slags vejer i gram.

Den molare masse I periodesystemet kan man aflæse, at atommassen for hydrogen er 1,0 u. Derfor er massen af et dihydrogenmolekyle 2,0 u, og massen af et mol dihydrogenmolekyler er dermed 2,0 g. Man siger, at dihydrogens molare masse er 2,0 g/ mol. Har man i stedet 24 g dihydrogen, svarer det til 12 mol, og har man 6,0 g, er det det

Glucoseomsætning I levende organismer kan glucose omsættes på tre forskellige måder. Det kan forgæres til mælkesyre i vores muskler eller til ethanol og carbondioxid i et bryggeri. Den tredje måde er respiration – fuldstændig forbrænding – til carbondioxid og vand. De tre reaktioner vil blive fortolket en ad gangen på dette og de følgende to opslag.

Et mol af otte forskellige grundstoffer. C(grafit), Mg, S, Al, P(rødt), Fe, Cu, Zn.

Mælkesyregæring Når en 100-meter løber spurter af sted, sker der mælkesyregæring af glucose i løberens benmuskler:

Et mol spædbørn vejer tilsammen ca. det samme som jordkloden.

C6H12O6(aq) ➝ 2 C3H6O3(aq) C3H6O3 er mælkesyre. Glucoses molare masse beregnes til 6 · 12,01 + 12 · 1,01 + 6 · 16,00 = 180,18

g/mol g/mol g/mol g/mol

Tilsvarende beregnes mælkesyres molare masse til 90,09 g/mol. Når 180,18 g glucose mælkesyregæres, dannes der 180,18

Isis 62

63

Mængdeberegning

25

Beregningsskemaet Ethanolgæring

Reaktionsskemaets koefficienter fortæller, hvilke forhold stofferne reagerer i. Men kun hvis man regner i enheden mol. Beregningsskemaet er den tryggeste måde at lave mængdeberegninger på. Første linje i beregningsskemaet er den målte størrelse, anden linje er omregningsfaktoren til stofmængde, der står i tredje linje. Hvis du altid sætter pile i dine beregningsskemaer, behøver du ikke huske i hvilken rækkefølge, du udfyldte cellerne i skemaet.

Glucose kan forgæres på andre måder end mælkesyregæring; fx ethanolgæring. Produkterne er carbondioxid og ethanol: C 6 H 12 O 6 (aq)

➝

2 CO 2 (g) + 2 C 2 H 5 OH(aq)

Carbondioxid kender du som brus i øl og champagne. Ethanol er det præcise navn til “sprit”; én blandt flere alkoholer. Vi kan se, at der dannes samme stofmængde carbondioxid og ethanol; 2 mol for hvert mol glucose, der er omsat. Men det er ikke rimeligt også at tro, der dannes samme masse; molekylerne er vel ikke lige tunge. For at vurdere dette skal vi udregne de molare masser: 0 &2  =    JPRO 0 &  +  2+ =    JPRO

I skemaet sætter man pile, som tager udgangspunkt i de to tal, man regner sammen, og slutter i det tal, der kommer ud af beregningen. De er nødvendige, når man senere læser beregningsskemaet. Uden pile kan man næppe huske, i hvilken rækkefølge cellerne blev udfyldt. I eksemplet ser det sådan ud:

C 6 H 12 O 6 (aq) ➝ 2 CO 2 (g)

+

2 C 2 H 5 OH(aq)

I: Opskriv reaktionsskemaet og afstem det.

m: 180,2 g

m:

m:

n:

n:

n:

II: Indskriv målte størrelser og find ud af, hvad der er ubekendte størrelser.

m: 180,2 g M: 180,18 g/mol n:

m: M: 44,01 g/mol n:

m: M: 46,08 g/mol n:

III: Find omregningsfaktorerne mellem målte/ubekendte størrelser og stofmængde.

m: 180,2 g M: 180,18 g/mol n: 1,00 mol

m: M: 44,01 g/mol n:

m: M: 46,08 g/mol n:

IV: Beregn stofmængden af det kendte stof (ned i skemaet).

m: 180,2 g M: 180,18 g/mol n: 1,00 mol

m: M: 44,01 g/mol n: 2,00 mol

m: M: 46,08 g/mol n: 2,00 mol

V: Beregn stofmængden af de andre stoffer ud fra reaktionsskemaets koefficienter (hen i skemaet).

m: 180,2 g M: 180,18 g/mol n: 1,00 mol

m: 88,0 g M: 44,01 g/mol n: 2,00 mol

m: 92,2 g M: 46,08 g/mol n: 2,00 mol

VI: Beregn de ubekendte størrelser (op i skemaet).

Hvis vi igen tager udgangspunkt i 180,2 g glucose (1,00 mol), kan vi se, at der dannes 2,00 mol carbondioxid. De må veje m=n·M = 2,00 mol · 44,01 g/mol = 88,0 g Tilsvarende vejer de 2,00 mol ethanol m=n·M = 2,00 mol · 46,08 g/mol = 92,2 g Pointen med begrebet stofmængde er, at forholdet mellem stofmængderne kan aflæses af reaktionsskemaets koefficienter. Til gengæld kan stofmængderne ikke måles. Omvendt kan masserne måles, mens masseforholdet ikke direkte kan aflæses af reaktionsskemaet. Derfor skal man omregne sin målte masse til stofmængde. I begyndelsen er det en fordel at opskrive sine beregninger i et skema. Først opskriver man det afstemte reaktionsskema, og i tre linjer herunder foretager man så beregningerne. I første linje angiver man den størrelse, der kan måles – her er det massen, men vi skal senere se andre eksempler. Anden linje er så omregningsfaktoren til stofmængde – her den molare masse.

C 6H 12 O 6 (aq) ➝ 2 CO 2(g) m: 18 g M: 180,18 g/mol n: 0,10 mol

+

m: 8,8 g M: 44,01 g/mol n: 0,20 mol

2 C 2 H 5 OH(aq) Man kan også regne ud, hvor meget glucose der er brugt til at lave 8,8 g carbondioxid.

Tredje linje er altid stofmængden.

Isis 64

65

Mængdeberegning

26

Ækvivalente mængder Respiration

Den begrænsende faktor er det stof, der bruges op først. De stoffer, der er noget til rest af, siges at være i overskud. Bruges to stoffer op samtidigt, er mængderne ækvivalente. Antal partikler er ikke bevaret ved en kemisk reaktion.

På de forrige to opslag læste du om glucosegæring – altså omsætning uden dioxygen. Man får imidlertid 15 gange så meget nytteenergi ud af glucosen ved at omsætte den med dioxygen. Derfor er det vigtigt for bl.a. langdistanceløbere og Tour de France ryttere at få tilstrækkeligt dioxygen til musklerne. Når glucose omsættes med dioxygen til carbondioxid og vand, kaldes det respiration: ➝

C 6 H 12 O 6 (aq) + 6 O 2 (g)

6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l)

Det fremgår af reaktionsskemaet, at der skal bruges 6 dioxygenmolekyler for hvert glucosemolekyle. Det er det samme som, at der skal bruges 6 mol dioxygenmolekyler for hvert mol glucosemolekyler. Hvis man har 3 mol glucose og 12 mol dioxygen, kan man kun bruge de 2 mol glucose, og det resterende ene mol må forblive uomsat. Samtidig dannes 12 mol carbondioxid og 12 mol vand. 2 C 6 H 12 O 6 (aq) + 12 O 2 (g)

➝

12 CO 2 (g) + 12 H 2 O(l)

Tre begreber er nyttige: Man siger, at dioxygen er den begrænsende faktor, hvis det bruges op først, og at der er glucose i overskud. Man kan også sige, at 2 mol glucose og 12 mol dioxygen er ækvivalente mængder, fordi de netop kan reagere med hinanden, uden nogen af stofferne bliver til overs.

Zn(s)

+

m: 2,0 g M: 65,4 g/mol n: 31 mmol

➝

I2(aq)

ZnI2(s)

4,0 g 253,8 g/mol 16 mmol

Vi kan altså se, at selvom der burde være samme stofmængde af de to reaktanter, er der er stort overskud af zink. Og det bliver værre endnu: En del af diioden sublimerer under varmeudviklingen ved reaktionen: I 2 (s)

➝

I 2 (g)

Alligevel er der fornuft i opskriften: Det store overskud af zinkpulver gør det lettere at støde de grove diiodkrystaller i stykker til små. Diioddampe er violette.

Man kan også regne ud hvor meget svovlpulver, der ækvivalerer 50 mg kaliumchlorat.

Talpræcision 3 S(s)

+

m: 20 mg M: 32,06 g/mol n: 0,61 mmol

➝

2 KClO3(s)

Det er vigtigt at angive resultatet af en beregning med et fornuftigt antal betydende cifre. Fx er 4/253,8 = 0,0157604413 ifølge grafregneren. Men en kæde er kun så stærk som dens svageste led. Når vi kender massen af diiod med to cifres nøjagtighed og den molare masse med fire cifres nøjagtighed, kender vi kun diiods stofmængde med to cifres nøjagtighed. Derfor er tallet afrundet til 0,016 mol = 16 mmol. Læs meget mere om talpræcision på cd-rom’en. Der er både eksempler og opgaver til.

3 SO2(g) + 2 KCl(s)

m: 50 mg M: 122,55 g/mol n: 0,41 mmol

I køkkenet Når man skal smøre spegepølsemadder, kan man benytte følgende opskrift: 1 skive rugbrød + 4 skiver spegepølse ➝ 2 halve m. spegepølse

➝ Under dette glas var der stearin i overskud og dioxygen i underskud.

1

4

1

3

14

3

Hvis man har 3 skiver rugbrød og 8 skiver spegepølse, kan man kun lave 4 halve med spegepølse. Spegepølse er den begrænsende faktor, fordi det bliver brugt op først.

Zink og diiod Et klassisk demonstrationsforsøg er at blande 2,0 g zinkpulver og 4,0 g diiodpulver i en morter, støde det godt sammen og så tilsætte små portioner vand. Herved bringes de to stoffer til at mødes og derefter omgående at reagere:

2

Ved samlebåndsarbejde er det vigtigt, at ingredienserne ankommer i ækvivalente mængder.

Isis 66

67

Mængdeberegning

27

Gassers molare volumen

Volumenet af et mol gas afhænger af tryk og temperatur, men ikke af hvilken gas det er. Ved 20 °C og 101 kPa fylder et mol gas 24,1 L. I gasser er det ikke molekylerne, men mellemrummene mellem molekylerne, der fylder.

Vi ind- og udånder gasser hele tiden. Som vi så på opslag 11, består atmosfæren af dinitrogen, dioxygen og andre gasser. Nogle kraftværker fyrer med naturgas. Man tilsætter sodavand carbondioxid. Der er faktisk gasser i mange vigtige reaktioner, og nogle gange har man behov for at kunne lave kemiske mængdeberegninger med gasser. Som vi har set, kan man sagtens regne med gasser som rene stoffer. I stedet for at regne med gassernes masse, er det dog ofte mere praktisk at regne med deres volumen (rumfang). Det er nemlig ikke nemt at måle massen af en gas. Til gengæld er gassers volumen afhængigt af både tryk og temperatur. Der gælder imidlertid en særlig simpel regel for gasser, idet man med god tilnærmelse kan gå ud fra, at et mol gas, uanset hvilken, fylder 24,1 L ved en temperatur på 20 °C og et tryk på 101 kPa (= 1,00 atm). Derfor kan man beregne stofmængden efter denne formel:

n=

V Vm

n: stofmængde (enhed: mol) V: volumen (enhed: L) Vm: molart volumen (enhed: L/mol) Vm = 24,1 L/mol ved 101 kPa og 20 °C Det er temmelig bemærkelsesværdigt og bygger på, at partiklerne i en gas er så langt fra hinanden, at partiklernes egen udstrækning ikke spiller nogen væsentlig rolle for gassens volumen. Det, der “fylder” i en gas, er det tomme rum mellem gasmolekylerne. Gasmolekylerne bevæger sig rundt med stor hastighed og støder hyppigt ind i andre gasmolekyler eller i beholderens væg. Derfor ændrer gasmolekylerne ofte retning og hastighed. Ordet gas er afledt af det græske ord “chaos”.

Neon Vi vil beregne, hvor meget 0,60 mol neon fylder ved 20 °C og 101 kPa. V = n · Vm = 0,60 mol · 24,1 L/mol = 14 L

Propan Propan (C3H8) har den molare masse 44,10 g/mol, og massefylden (r) af flydende propan er 0,60 g/mL. Det betyder, at 1,00 mL flydende propan vejer 0,60 g. Et mol flydende propan fylder altså 9 = =

P r  J  JP/

Varm luft har opdrift, fordi det har lavere massefylde.

= 74 mL Fordamper væsken, fylder det samme mol propan 24,1 L; altså 328 gange så stort et volumen.

En druesukkertablet En druesukkertablet vejer 10 g. Hvor meget dioxygen skal bruges for at respirere den? C6H12O6(aq)

+

m: 10 g M:180,18 g/mol n: 56 mmol

6 O2(g)

➝

6 CO2(g) + 6 H2O(l)

V: 8,0 L Vm: 24,1 L/mol n: 0,33 mol

Da det kun er ca. 4% af vejrtrækningsluften, der optages i kroppen, svarer de 8,0 L dioxygen til

  / =  /   “luft”. Et hårdtarbejdende menneske udskifter fx 3,0 L luft pr. åndedrag, så man skal altså trække vejret ca.  / =   /

n=

gange for at respirere en druesukkertablet. Dykkere bruger trykflasker med atmosfærisk luft. Trykket er 20 MPa, når flasken lige er fyldt.

68

V Isis 69

Mængdeberegning

28

Idealgasligningen

Idealgasligningen kan løse problemer, hvor der ikke er en temperatur på 20 °C og et tryk på 101 kPa. Celsiusskalaens absolutte nulpunkt er –273 °C. Det svarer til 0 K på kelvinskalaen. Alle gasser følger idealgasligningen mere eller mindre tæt, men ikke fuldstændigt.

Mange reaktioner i industrien, i kroppen eller i atmosfæren foregår ved en anden temperatur end 20 °C eller ved et andet tryk end 101 kPa. Derfor må vi have et bredere værktøj til at klare den slags problemer. Fra din hverdag kender du nok disse eksempler: Når man formindsker volumenet af gassen i en cykelpumpe, stiger trykket. Når trykket er stort nok, begynder gassen at strømme over i slangen. Spraydåser må ikke smides ind i et bål, fordi de så vil kunne eksplodere. Det skyldes, at gasser udvider sig ved opvarmning. Erfaringer af den slags viser, at det molare volumen afhænger af tryk og kelvintemperatur på følgende måde:

Vm =

R ¼T p

Neon

Fridykkere

Igen vil vi beregne volumenet af 0,60 mol neon, men denne gang ved 100 °C. Så må vi bruge idealgasligningen:

Fridykkere dykker uden luftforsyning og kan nå ned til ca. 90 meters dybde. Her er trykket 10 gange atmosfæretrykket – omkring 1,0 MPa. Da lungerne indeholder den samme stofmængde luft som ved vandoverfladen, og da temperaturen stadig må være 37 °C, er tryk gange volumen uændret:

=

Hvor meget fylder dampen af 18 g vand ved 100 °C og 101 kPa? Vi går ud fra, at vand opfører sig som en idealgas ved 100 °C. Det er ikke helt rigtigt, men vi kan ikke gøre det bedre. Vm beregnes først til

9P =

 -PRO ¼ . ¼  . N3D

R: gaskonstanten (R = 8,314 J/(mol·K)) T: kelvintemperatur (enhed: K = kelvin) p: tryk (enhed: kPa)

= 30,7 L/mol

kan du sætte dem sammen matematisk, og resultatet kalder man idealgasligningen:

n=

p ¼V R ¼T

n: stofmængde (enhed: mol) p: tryk (enhed: kPa) V: volumen (enhed: L) R: gaskonstanten (R = 8,314 J/(mol·K)) T: kelvintemperatur (enhed: K ) Alle gasser afviger lidt fra idealgasmodellen, men vi skal ikke beskæftige os med de mere præcise modeller, da de er meget vanskelige at bruge.

Da trykket er 10 gange så stort som ved overfladen, må lungevolumenet være skrumpet ind til kun 1/10 af volumenet ved overfladen.

5 ¼7 S

=

9 5 ¼7 og 9P = 9P S

p · V = n · R · T = konstant

Vanddamp

Vm: molart volumen (enhed: L/mol)

Når du sammenholder udtrykkene fra dette og forrige opslag

Airbag´en pustes op på 50 millisekunder. Læs mere om airbags i opgave 28.9.

 PRO ¼  -PRO ¼ . ¼  .  N3D

= 18 L

H 2 O(l)

Kelvintemperaturen findes i praksis ved at lægge 273 til celsiustemperaturen. Baggrunden er, at der findes en laveste temperatur på -273 °C, som ikke kan opnås og slet ikke overskrides. Dette absolutte nulpunkt defineres til at have temperaturen 0 K, og i princippet ligger alle partikler stille her.

Q=

Q¼5 ¼7 S

9 =

➝

m: 18 g M: 18,0 g/mol n: 1,0 mol

H 2 O(g) V: 31 L Vm: 30,7 L/mol n: 1,0 mol

Fra atm til kPa En gas fylder 4,09 L ved 3,47 atm og 20 °C. Hvis vi vil beregne stofmængden, skal trykket først omregnes til enheden kPa. Omregningsfaktoren er 101,325 kPa/atm.

p/ kPa

p = 3,47 atm · 101,325 kPa/atm = 352 kPa

150

Videre er Q=

=

S ¼9 5 ¼7

100

 N3D ¼  /  -PRO ¼ . ¼  .

50

= 0,591 mol

t/ ˚C -273

-200

-100

0

100

200

Trykket falder, når en portion gas afkøles ved konstant volumen.

Isis 70

71

I 1 m3 luft er stofmængden af luftmolekyler

QOXIW =

Grænseværdier

Arbejdstilsynet fastsætter grænseværdier for luftens indhold af dampe og støv. På arbejdspladser må det gennemsnitlige indhold af et stof ikke komme over grænseværdien. Loftværdier må aldrig overskrides. Grænseværdien angives i mg/m3 og i ppm. 1 ppm = 1 milliontedel

Arbejdstilsynet fører tilsyn med arbejdsmiljøet på virksomhederne.

Mængdeberegning

29

Eksempel

I mange år brugte husmødre stenkulsnafta, når de skulle fjerne pletter fra tøj. Det kunne købes i grønne flasker hos købmanden eller på apoteket. Det lugtede ikke ubehageligt, men kunne måske give en smule hovedpine, men den gik vel over? Stenkulsnafta har du hørt om før, det er nemlig det samme som benzen. Det er meget sundhedsskadeligt og kan give skader på knoglemarven og derved give blodmangel. Udover at være giftigt har det også vist sig, at det er kræftfremkaldende. Også andre opløsningsmidler end benzen afgiver dampe, der kan skade helbredet. I trafikerede byer kan luften være forpestet af udstødningsgasser. Nogle gasser kan vi tåle – andre ikke. Tilsvarende gælder for planter og dyr. For at beskytte folk der arbejder med farlige stoffer, er der for en lang række stoffer sat grænser for, hvor meget støv, damp og gas der må være i luften. Disse grænser offentliggøres af Arbejdstilsynet i “Grænseværdier for stoffer og materialer”. Grænseværdien er den højest tilladte gennemsnitskoncentration i løbet af en 8 timers arbejdsdag Luftindholdet må aldrig komme over 2 gange grænseværdien. Nogle stoffer virker så hurtigt, at man ikke kan nøjes med at se på gennemsnitsværdier. For hurtigtvirkende stoffer findes en loftværdi , som aldrig må overskrides.

 / 9 = =  PRO 9P   / PRO

I 1 m3 luft må der højst være 1,6 mg benzen svarende til

QEHQ]HQ = Grænseværdien for luftens indhold af benzendampe er sat til 1,6 mg/m3 (i 1976 var den 30 mg/m3). Det er en ret lav grænseværdi, fx sammenlignet med grænseværdien for luftens indhold af ethanoldampe, som er 1900 mg/m3.

Substitutionsprincippet Når der findes en grænseværdi for et stof, er det et udtryk for, at det ikke er forbudt at arbejde med det. Blot skal arbejdet ske under betryggende forhold, og unødig påvirkning af farlige stoffer skal undgås. Arbejdsgivere skal ifølge Arbejdsministeriet “Bekendtgørelse om stoffer og materialer” følge substitutionsprincippet: Farlige stoffer og materialer må ikke anvendes, hvis de kan erstattes med ufarlige eller mindre farlige stoffer.

Forebyggelse Der er flere ting, man kan gøre for at holde luftens indhold af et stof nede. Først og fremmest skal stoffet behandles med stor omhu, fx skal spild undgås. Dernæst kan man arbejde under udsug, fx i et stinkskab. Er der tale om stoffer med meget lav grænseværdi, kan det være nødvendigt at anvende åndedrætsværn. Benzen er dog så sundhedsskadelig, at Miljøstyrelsen har valgt at sætte det på “Listen over uønskede stoffer”. Der er ikke tale om en forbudsliste, men en liste over nogle meget anvendte stoffer, hvis brug man ønsker begrænset.

Som nævnt er det ikke kun dampe og gasser, man skal være på vagt overfor. Det samme gælder støv. Og stoffer der normalt er harmløse, kan på støvform være sundhedsskadelige. Det gælder fx aluminium. Aluminiumfolie anvendes til indpakning af madvarer, til leverpostejforme og til andet i husholdningen. Men luften må kun indeholde 10 mg aluminiumstøv pr. m3. Det er åbenbart ikke sundt at få aluminiumstøv ned i lungerne. I skolelaboratoriet skal grænseværdierne også overholdes. Det kan eventuelt betyde, at man må undlade at arbejde med særligt farlige stoffer, fx benzen. For andre kan det være nødvendigt at arbejde i stinkskab eller med punktudsug. For ikke særligt farlige stoffer med høj grænseværdi er det normalt tilstrækkeligt at håndtere dem med omtanke. Det gælder fx ethanol, hvor man normalt ikke overstiger grænseværdien med mindre, der spildes en større mængde. Er uheldet ude, og der sker et større udslip, er det vigtigt at komme ud i fri luft og sørge for, at spildet bortskaffes på betryggende vis, og at der luftes grundigt ud.

P   J = =   PRO 0   J PRO

Grænseværdien for benzen i ppm bliver så

   PRO ¼  SSP =    SSP  PRO

Eksempler på grænseværdier ppm mg/m3 Gasser 25

ammoniak

18

butadien

10

22

carbonmonoxid

25

29

5000

9000

0,5

1,5

5

7

carbondioxid dichlor hydrogenchlorid

dichlordifluormethan (CFC-12) 500

Kræftfremkaldende ¤

Loftværdi

2475

nitrogenoxid

25

30

nitrogendioxid

3

5,6

5

9,4

Loftværdi

methanal (formaldehyd)

0,3

0,4

Kræftfremkaldende*

ozon

0,1

0,2

acetone

250

600

benzen

0,5

1,6

Loftværdi Loftværdi

Dampe

Kræftfremkaldende* Hudoptagelig

dibrom

0,1

0,7

ethansyre (eddikesyre)

10

25

1000

1900

diiod

0,1

1

heptan

200

820

hexan

25

90

ethanol (alkohol)

kviksølv

I “Grænseværdier for stoffer og materialer” angives grænseværdierne for gasser både i mg/m3 og i ppm. ppm er en forkortelse for parts per million. Grænseværdien angiver således, hvor mange milliontedele af luftens molekyler, der må være af den pågældende gas.

Anmærkning

propan-2-ol (isopropylalkohol)

Loftværdi

*

0,01 200

490

Hudoptagelig

trichlormethan (chloroform)

2

10

Kræftfremkaldende

tetrachlormethan

1

6,3

Kræftfremkaldende Hudoptagelig

*) Optaget på “Listen over uønskede stoffer” ¤) Butan med mere end 0,1 % butadien er på “Listen over uønskede stoffer”

Isis 72

73

Mængdeberegning

30

Kemikaliemærkning

Miljøstyrelsen fastsætter regler for, hvordan kemikalier skal mærkes. Ved at anvende faresymboler advares brugeren om, at der er tale om et farligt stof. R-sætninger (risiko) fortæller om de farer, der er ved at anvende stoffet. S-sætninger (sikkerhed) fortæller, hvordan man skal omgås stoffet, så der ikke sker skader.

“Dengang far var dreng” opbevarede man benzen i en gammel sodavandsflaske med en korkprop, og der stod kaustisk soda i en gammel kaffedåse under køkkenvasken. Det siger sig selv, at selv om det gik godt dengang, så er det ikke en forsvarlig omgang med kemikalier. Man kan stadig købe en række farlige kemikalier til anvendelse i husholdningen, normalt forhandlet i grønne flasker. Det anbefales at lade være med at omhælde kemikalierne i andre beholdere, og da slet ikke i beholdere, der anvendes til madvarer. Det anbefales desuden at opbevare kemikalier på et sikkert sted og ikke sammen med madvarer. Og selvfølgelig skal alle kemikaliebeholdere være forsynet med navnet på indholdet.

Regler for mærkning Desuden skal man følge de anvisninger, der er angivet på beholderne. Kemikalierne er nemlig mærket efter ganske faste regler. Reglerne er fastsat af Miljøstyrelsen i “Klassificeringsbekendtgørelsen”, og reglerne er nogenlunde ens for alle lande i EU. Reglerne omfatter angivelse af faresymboler, R-sætninger og S-sætninger. Et faresymbol er en tegning, der illustrerer en bestemt fare. En flamme viser således, at der er fare for brand, og en død fisk, at der er fare for miljøet.

I “Klassificeringsbekendtgørelsen” findes alle R-sætningerne (risikosætninger). De angives ofte med koder som “R” efterfulgt af et tal. R7 er sætningen “Kan forårsage brand”. Ssætninger er sikkerhedssætninger, der beskriver hvordan man sikrer sig mod uheld. S17 er sætningen “Holdes væk fra brandbare stoffer”. De fleste kemikalier skal, når de anvendes i private hjem, mærkes med S2: “Opbevares utilgængeligt for børn”. Der er visse undtagelser fra mærkningsreglerne. Fx skal en 80 % Stroh rom ikke mærkes med “Holdes væk fra antændelseskilder – Rygning forbudt”, da det betragtes som et levnedsmiddel. Der er også særlige regler for mærkning af medicin.

tre. Det er R45: “Kan fremkalde kræft”, R11: “Meget brandfarlig” og kombinationsætningen R48/23/24/25: “Giftig: alvorlig sundhedsfare ved længere tids påvirkning ved indånding, hudkontakt og indtagelse.” Endelig er der to S-sætninger: S53: “Undgå enhver kontakt – indhent særlige anvisninger før brug” og S45: “Ved ulykkestilfælde eller ved ildebefindende er omgående lægebehandling nødvendig; vis etiketten, hvis det er muligt”. Farlige kemikalier, der bruges i undervisningen, skal som hovedregel også være mærkede. Og det er meningen, at man skal læse det, der står på mærkaterne og følge anvisningerne. Også selv om man kun arbejder med små mæng-

Listen over farlige stoffer Miljøstyrelsen udsender “Listen over farlige stoffer”. Heraf fremgår, hvordan en række farlige stoffer skal mærkes. Der kan naturligvis være stoffer, der er farlige, men ikke med på Miljøstyrelsens liste. Så er det producenten af stoffet, der har ansvaret for, at stoffet er forsvarligt mærket. Når man slår op under benzen i Listen over farlige stoffer, står der: F,T; R45-11-48/23/24/25; S53-45 F og T er faresymbolerne for meget brandfarlig og giftig. Disse to faresymboler skal altså med på mærkaten. Det ser lidt indviklet ud med R-sætninger, men der er kun

T

Benzen Rent C6H6, 78,11 g/mol Meget brandfarlig. Kan fremkalde kræft. Også giftig: alvorlig sundhedsfare ved længere tids påvirkning ved indånding, hudkontakt og indtagelse. Ved ulykkestilfælde eller ved ildebefindende er omgående lægebehandling nødvendig; vis etiketten, hvis det er muligt. Undgå enhver kontakt - indhent særlige anvisninger før brug.

Giftig

F

Meget brandfarlig

Etiket til benzenflaske.

der og i et kort tidsinterval. Kemikaliefabrikanterne skal sammen med kemikalier levere en brugsanvisning, som detaljeret beskriver kemikaliets egenskaber, og hvordan kemikaliet skal håndteres.

Tx

T

Xn

C

Xi

E

Meget giftig

Giftig

Sundhedsskadelig

Ætsende

Lokalirriterende

Eksplosiv

Fx

F

R10

O

N

Brandnærende

Miljøfarlig

Brandfarlig

Yderst brandfarlig

Meget brandfarlig

Brandfarlig

Isis 74

75

Mængdeberegning

31

Kemikalieaffald Du har nu set, at benzen er et giftigt stof, der anses for at være kræftfremkaldende, og at der gælder en lav grænseværdi for stoffet. Alligevel findes der en række anvendelser for stoffet, bl.a. inden for medicinalindustrien og som tilsætningsstof til benzin. Det er også tilladt at arbejde med benzen på undervisningsinstitutioner, selv om det så vidt muligt undgås. Det gælder for utallige farlige stoffer.

Kemikalieaffald skal sorteres og opsamles. Private afleverer kemikalieaffald på den kommunale modtagestation.

For alle kemikalier, der anvendes, vil der optræde spild og affald, således også for benzen. Kemikalieaffald skal indsamles og sendes til destruktion. Der findes omkring 20 modtagestationer for kemikalieaffald fordelt over hele landet. De indsamler kemikalieaffald og videresender det til Kommunekemi A/S i Nyborg, som står for destruktionen.

Kemikalieaffaldet sendes til Kommunekemi, som destruerer affaldet eller sørger for, at det bliver deponeret.

2 C 6 H 6 (l) + 15 O 2 (g)

➝

12 CO 2 (g) + 6 H 2 O(g)

Når benzen afbrændes, dannes der kun harmløse gasser. Undertiden dannes der restprodukter, som ikke må komme ud i naturen. Disse restprodukter deponeres. Den varme, der afgives ved forbrændingen, anvendes til produktion af elektricitet og fjernvarme. Det er store mængder kemikalieaffald, der behandles hos Kommunekemi A/S. Langt over 1 million tons siden starten i 1971. Det er naturligvis industrien, der er den store leverandør, men foruden skoler bidrager også private husstande med mindre mængder kemikalieaffald. Det drejer sig fx om malingrester, rester af sprøjtemidler og rester af opløsningsmidler. Der findes kommunale indsamlingsordninger, der sørger for, at også dette affald kommer til Kommunekemi.

Specialaffald For nogle affaldstyper er der særlige indsamlingsordninger. Brugte batterier kan som regel afleveres, hvor de er købt – nogle steder kan de afleveres på Falck-stationer. Almindelige batterier er ikke længere noget stort miljømæssigt problem, da de nu fremstilles uden kviksølv. Derimod er de fleste genopladelige batterier de rene miljøbomber, da de ofte indeholder cadmium, som er et meget giftigt tungmetal. Genopladelige batterier skal derfor indsamles for sig og ikke blandes med almindelige batterier. Mærkat til tragt på affaldsdunk med flydende organisk affald.

Frostvæsker:

Mallingsrester:

Medicinaffald:

Husholdningskemikalier:

Fotovæsker: Kemikalier:

Lyskilder: Syrer og baser: Batterier:

Opløsningsmidler:

Andet affald: Kosmetik: Gødningsmidler: Sygehusaffald:

Sortering af affald Kemikalieaffald skal ligesom friske kemikalier behandles med omhu. Det skal emballeres ordentlig, det skal mærkes og sidst, men ikke mindst sorteres. I skolelaboratoriet opfyldes disse krav ofte ved, at der er opstillet tre kemikaliedunke, der på forhånd er mærkede: “Flydende uorganisk affald – basisk” “Flydende uorganisk affald – surt” “Flydende organisk affald” Derudover kan der være behov for opsamling af mere specielt affald, fx halogenholdige organiske stoffer og kviksølvholdigt affald. Når der laves eksperimenter i laboratoriet, vil affaldet fra disse eksperimenter normalt kunne hældes direkte i en af de opstillede dunke. Er der tale om benzen, skal det i dunken “Flydende organisk affald”.

Affaldsbehandling

Kemikalieaffald skal sorteres og opsamles.

Olieaffald:

På en skole er der typisk 100 L kemikalieaffald om året. Når dunkene er fulde, afhentes de af den lokale modtagestation, som søger for den videre transport til Kommunekemi A/S. Her foregår destruktionen, fortrinsvis ved forbrænding og neutralisation. Selv om benzen er et ubehageligt stof, kan det fuldstændig uskadeliggøres ved forbrænding:

Medicin kan også indholde miljøbelastende stoffer og skal derfor behandles med omtanke. Medicinrester kan afleveres på apotekerne, som også tager imod brugte kviksølvtermometre. Det er vigtigt, at alle farlige kemikalier opsamles. Men det er også vigtigt at gøre sig klart, at mange af de opløsninger, man bruger i kemiforsøg, er harmløse, og at det vil være mere miljøbelastende at sende dem til Kommunekemi. Har man fx fået dannet natriumcarbonat ved opvarmning af natriumhydrogencarbonat, vil det miljømæssigt være en fordel at smide det i vasken, da det så kan neutralisere en lille del af de store mængder syre, som husholdningerne bruger som WC-rens.

I mange kommuner kører der miljøbiler rundt et par gange om året og indsamler miljøkasser.

Kommunekemis affaldsgrupper: A: Mineralolieaffald B: Halogen- eller svovlholdigt organisk-kemisk affald C: Energirigt organisk-kemisk affald uden halogen og svovl H: Organisk-kemisk affald uden halogen og svovl K: Kviksølvholdigt affald O: Reaktivt affald T: Bekæmpelsesmidler X: Uorganisk-kemisk affald Z: Andet affald

Isis 76

77

Mængdeberegning

Opg Opgaver

Læs øjenvidneberetningen fra Hindenburgkatastrofen på cd-rom’en.

24.1.*

25.1*

Forklar forskellen på mol og stofmængde.

Dihydrogen reagerer voldsomt med dioxygen. Der dannes vand og et ret højt knald.

24.2.*

Hvorfor er der lige så mange molekyler i 2,0 g dihydrogen som i 32,0 g dioxygen?

24.3.* Beregn molare masser for carbondioxid, methan og dichlor.

2 H 2 (g) + O 2 (g)

➝

2 H 2 O(l)

Man tager 16,0 g dioxygen. Beregn hvor mange gram dihydrogen, der skal bruges, og hvor meget vand, der dannes.

25.2.* 24.4.* %HWUDJW IRUPOHQ Q =

P 0

Hvordan ser formlen til at beregne m ud? Hvad med M ?

24.5.** Lorenzo er ved at koge pasta i en aluminiumgryde til sig selv og sine 12 børn. Pludselig kommer han til at spørge sig selv om, hvad stofmængden er i a) 450 g aluminium b) 1800 g vand og c) 34 g kogsalt. Hjælp Lorenzo!

24.6.** Hvad er massen af a) 1,32 mol propan, b) 0,020 mol benzen og c) 11,5 mol dichlorethan

24.7.** Hvad er massen af a) 0,30 mol methan b) 1,7 mol magnesium c) 55,6 mol vand

24.8.** I hvilken af følgende portioner er stofmængden størst (prøv at gætte først!): a) 90 g glucose b) 10 g vand c) 0,50 g dihydrogen d) 20 g carbondioxid

24.9.*** 0,538 mol af en ligekædet alkan vejer 31,20 g. Beregn stoffets molare masse. Hvad er det for et stof?

I 1540 opdager en for os ukendt italiensk alkymist, at bly ved opvarmning i luft øger sin masse med 8-10%. Reaktionsskemaet for reaktionen er: Pb(s) + O 2 (g)

➝

PbO(s)

Afstem reaktionsskemaet og beregn, hvor mange gram bly(II)oxid, der dannes ud fra 100 g bly. Kommenter resultatet.

gen. Hvor meget Al2O3 kan dannes af 50 g aluminium og overskud af dioxygen?

26.5.***

27.6.*** I et lokale med et gulvareal på 14,8 m2 og en højde på 2,40 m afbrændes 30,0 g olie med en gennemsnitlig molekylformel på C16H34. Temperaturen i lokalet er på 20 °C, trykket er 101 kPa og dioxygenindholdet lokalet var oprindelig på 20,95 volumen%. a) Opskriv og afstem reaktionsskemaet for fuldstændig forbrænding af olien. b) Beregn lokalets indhold af dioxygen i volumen% efter forbrændingen. Antag at temperatur og tryk ikke ændres.

26.1*

Kobber kan reagere med svovl under dannelse af kobbersulfid. For at finde ud af, om der dannes Cu2S eller CuS lader man en kendt mængde kobber reagere med overskud af svovl. Der afvejes 3,0 g kobber-pulver, som blandes med rigeligt svovlpulver. Blandingen opvarmes til sulfiddannelsen er tilendebragt, hvorefter overskydende svovlpulver brændes af som svovldioxid, der er en gas. Reaktionsproduktet vejer 3,8 g. Hvad er formlen for den dannede kobbersulfid?

Dihydrogen og dioxygen reagerer under dannelse af vand:

27.1.*

25.7.*** En elev blander i en kolbe 25,0 g glucose, 5 g gær og 250 mL vand. Kolben påsættes et gæringsrør, som tillader CO2, men ikke andet at undslippe. Det hele vejer 367,44 g. Efter tre dage er vægten aftaget til 359,23 g. Hvor mange % af glucosen er forgæret?

2 H 2 (g) + O 2 (g)

➝

2 H 2 O(g)

Hvad får man ud af at blande 10 mol dihydrogen med 10 mol dioxygen og antænde reaktionsblandingen (udover risiko for dårlig hørelse)?

25.3.** Carbonylchlorid (COCl 2, kaldes også phosgen) er en meget giftig gas, der blev brugt som giftgas under 1. verdenskrig, men som også kan bruges i produktionen af isoleringsmaterialer. Det fremstilles af carbonmonoxid og dichlor: CO(g) + Cl 2 (g)

➝

COCl 2 (g)

a) Hvor meget dichlor skal bruges for at lave 1,3 kg carbonylchlorid. b) Hvor meget dichlor skal til at dække verdensproduktionen af carbonylchlorid på 1,3 Mton pr. år?

26.2.*

27.3.*

Brug begreberne overskud og ækvivalente mængder i spegepølseeksemplet.

Hvor mange liter dioxygen frigøres, når en plante fremstiller 1,0 kg glucose ved fotosyntese (20 °C og 101 kPa)?

26.3.** De fleste metaller danner villigt oxider altså forbindelser med oxygen. Formlerne for disse oxider afhænger af metallets placering i periodesystemet. Fx: 4 Na(s) + O 2 (g) ➝ 2 Na 2 O(s) Mg(s) + O 2 (g) ➝ MgO(s) Al(s) + O 2 (g) ➝ Al 2 O 3 (s)

Ammoniak er et vigtigt stof i landbruget, hvor det bruges som kunstgødning og til at lude halm med. Det produceres ud fra de rene grundstoffer: a) Afstem reaktionsskemaet. b) I USA produceres årligt 18 Mton ammoniak. Hvor stor masse dinitrogen og dihydrogen skal der bruges hertil?

a) Det øverste reaktionsskema er afstemt; afstem de to andre. b) Hvor mange mol af de tre forskellige metaller vil kunne reagere med 1,0 mol dioxygen? c) Man blander hvert af de tre metaller med dioxygen, så der er 3 mol metal til 1 mol dioxygen. Hvilken reaktant er den begrænsende faktor?

25.5.**

26.4.**

Monomeren i PVC-plast er chlorethen. Hvor meget ethen og hvor meget dichlor skal bruges til at fremstille 1,0 kg chlorethen?

Man blander 30 g kobber med 40 g dibrom, og følgende reaktion sker:

25.6**

Hvilket grundstof er den begrænsende faktor? Hvor meget kobber(II)bromid dannes?

25.4.**

Aluminium kan også reagere med dioxy-

Cu(s) + Br 2 (l)

➝

CuBr 2 (s)

CO 2 (g) + H 2 O(l)

➝ C 6 H 12 O 6 (aq) + O 2 (g)

Nitroglycerin er et effektivt sprængstof, da det kan omdannes fuldstændigt til gasser. Omdannelsen sker fortrinsvis efter reaktionsskemaet: 4 C 3 H 5 (ONO 2 ) 3 (l) ➝ 12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 6 N2(g) + O2(g)

Angiv vands smelte- og kogetemperatur i enheden kelvin.

28.3.*

28.9.**

Kontrollér, at det molare volumen for en gas er 24,1 L/mol ved 20 °C og 101 kPa.

I mange biler er der en såkaldt “airbag”, der blæses op med dinitrogen under et sammenstød. Det kan den, fordi airbaggen indeholder natriumazid (NaN3(s)):

Omregn følgende celsiustemperaturer til kelvintemperaturer: a) 0 °C b) -179 °C c) 100 °C d) 217 °C e) 500 °C

27.2.* Beregn volumenet af 30 g argon og 30 g dihydrogen ved 20 °C og 101 kPa.

28.8.**

a) Massefylden er 1,1 g/mL. Beregn stofmængden i 1,00 L nitroglycerin. b) Beregn den samlede stofmængde gas der dannes, når 1,00 L nitroglycerin detoneres. c) Beregn hvor mange gange nitroglycerin udvider sig, idet det antages, at temperaturen af reaktionsprodukterne er 1200 °C.

28.1.* Beregn volumenet ved 20 °C og 101 kPa af 1,0 mol argon og 1,0 mol dihydrogen.

Beregn rumfanget af den gas, der afgives ved opvarmning af 5,0 g ammoniumhydrogencarbonat til 170 °C. Kommentér resultatet.

28.2.*

28.4*

(reaktionsskemaet er ikke afstemt)

Beregn det molare volumen for en gas ved 0 °C, 100 °C og 1000 °C (101 kPa).

27.4.**

28.5.*

Børge opdager, at hans halvtomme engangslighter er utæt. Han skynder sig at smide den ned i en tom plastpose og binder en knude på posen. Er det sandsynligt, at posen vil sprænges? En fyldt engangslighter indeholder 4,0 g butan, og posen kan rumme 2 L.

En spraydåse indeholder drivgassen carbondioxid. Trykket er 400 kPa ved 20 °C. På dåsen står, at den højst må opvarmes til 50 °C. Hvad bliver trykket i så fald?

a) Afstem reaktionsskemaet. b) Til at blæse en 60 L ’ s airbag op benyttes 100 g natriumazid i gasgeneratoren. Dinitrogenet har temperaturen 400 °C når airbaggen er blæst helt op. Beregn trykket under disse forudsætninger.

28.6.**

28.10.***

10,7 g af en chloreret forbindelse opvarmes til 100 °C, hvilket er over væskens kogepunkt. Væsken fordamper da fuldstændigt, og den dannede gas fylder 3,83 L ved 103 kPa. Beregn stoffets molare masse, og giv et bud på stoffets identitet.

Det var juleaftensdag. Sneen faldt stemningsfuldt over Baker Street så den klaprende lyd af hovslag mod brosten blev dæmpet. Det bankede på døren til nr. 221B. Inden Mrs. Hudson nåede at lukke op, var gæsten forsvundet, men tilbage stod en pakke i pæn indpakning. Det lille kort ved bar teksten: “Til Mr. Sherlock Holmes med tak for hjælpen”. Der var ingen afsenderadresse. Holmes sad med dr. Watson foran kaminen og nød den blussende ild. Han blev straks mystificeret over gaven. “Er det en gave fra en ven, eller er det monstro en hævn fra professor Moriarty?”

27.5.** Luftskibet “Hindenburg LZ 129” var den største passagerzeppeliner nogensinde, men også det sidste, da det forulykkede ved en alvorlig eksplosion d. 6. maj 1937. Det var fyldt med 190.000 m3 dihydrogen som opdriftsmiddel (20 °C, 101 kPa). Beregn hvor meget vand, der skal elektrolyseres for at fremstille den nødvendige mængde dihydrogen. Ved elektrolyse af vand dannes dihydrogen og dioxygen: 2 H 2 O(l)

➝

2 H 2 (g) + O 2 (g)

28.7.**

NaN 3 (s)

➝

Na(l) + N 2 (g)

Opg

Bagepulveret hjortetaksalt (det systematiske navn er ammoniumhydrogencarbonat) udmærker sig ved helt at omdannes til gasser ved opvarmning.

NH 4 HCO 3 (s) ➝ NH 3 (g) + CO 2 (g) + H 2 O(g)

Isis

78

79

Ioner

Mængdeberegning spurgte han retorisk. Inden nogen gav sig i kast med et svar var han allerede i fuld gang i laboratoriet. “Væsken kan destilleres, Watson” sagde Holmes. “Den adskilles i to fraktioner, hvoraf den ene koger ved 75-80 °C og udgør 45 volumen%. Den anden koger godt 20 °C højere og udgør resten; i øvrigt er her en duft af højmose i maj”. “Ja” sagde dr. Watson. “Hvad er det dog for et sælsomt kemikalium?” “Det vil tiden vise, men jeg har mine anelser” sagde Holmes. Efter endt destillation afprøver Holmes de to fraktioner. Den første fraktion opvarmes i kogende vandbad, hvorved den fordamper. 1,73 g af stoffet fylder 1,16 L ved 101 kPa. Den anden fraktion fordamper ikke fuldstændigt i det kogende vandbad, men kan adskilles i to gasser ved elektrolyse. Pluspolens gas fylder kun det halve af minuspolens gas. Ingen af gasserne har nogen lugt, men minuspolens gas kan brænde. Hvad er det for en væske Holmes har fået, og er den fra en ven eller fjende?

29.1.* Ethanol har formlen C2H6O. Grænseværdien for ethanol er 1900 mg/m3 – omregn til ppm.

29.2.* Butadien har formlen C4H6. Kontroller, at 10 ppm svarer til 22 mg/m3.

COCl2 - tegn strukturformlen. b) Grænseværdien er 0,05 ppm – omregn til mg/m3.

29.5.***i Søg efter oplysninger om butadien og tilrettelæg et 5 minutters foredrag for dine klassekammerater.

29.4.** Carbonylchlorid er en giftig gas, der kan dannes, når dampe af chlorholdige stoffer kommer nær ved meget varme genstande (fx ved svejsning). a) Molekylformlen for carbonylchlorid er

80

Ioner

30.4.** 30.1.** På beholdere til følgende 11 kemikalier skal alle 11 faresymboler anvendes, men kun én på hver – hvordan skal de fordeles? Begynd med de stoffer, du kender noget til, og forsøg så med udelukkelsesmetoden og gæt. Kontroller ved opslag i “Listen over farlige stoffer”. Kaliumcyanid Kaliumfluorid Kobbersulfat Svovlsyre Calciumchlorid Ethylnitrat Acetone Ethanol 4-heptanon Ammoniumperchlorat (chlorphenyl)(chlortolyl)methan

Kik under køkkenvasken hjemme hos dig selv, og se om der står kemikalier eller rengøringsmidler. Undersøg, om de er mærket, som de skal.

31.1.*

På figuren er vist en deklaration fra en gammel flaske med K2r pletvand. Kik på deklarationen, og undersøg, hvordan de forskellige stoffer skal mærkes.

32. Ioner

Ved fuldstændig forbrænding af chlorethen (CH2CHCl) dannes H2O, CO2 og HCl. Opskriv og afstem reaktionsskemaet.

33. Ionforbindelser

31.2.*

35. Eksempler på salte

I en kemitime laver du forsøg med bestemmelse af syreindholdet i 25 mL af en 0,5 % myresyreopløsning (HCOOH). Da du kommer hjem, renser du en toiletkumme med Proff WC-rens, som indeholder 18 % myresyre. Du bruger 30 g, selv om den anbefalede dosering er 10 g – det skal jo være rent. Bestem stofmængden af myresyre i de to tilfælde.

30.2.**

29.3.** Hvor mange gram kan der spildes af henholdsvis acetone, trichlormethan og brom i et laboratorium med rumfanget 200 m3 før grænseværdien er overskredet? Omregn til volumen i mL, idet massefylderne for stofferne er: acetone: 0,79 g/mL trichlormethan: 1,50 g/mL dibrom: 3,12 g/mL

a) Kaustisk soda (natriumhydoxid) b) 8 % natriumhydroxid c) 8 % svovlsyre d) 8 % saltsyre e) Acetone f) Butan g) Nikkelsulfat

31.3.**i I en produktionsproces ønsker man at skifte benzen ud med et andet opløsningsmiddel. Valget står mellem hexan, heptan og toluen – hvad skal man vælge ud fra et miljømæssigt synspunkt?

34. Ioners navne

36. Ioner og vand 37. Stofmængdekoncentration 38. Formel og aktuel koncentration 39. Opløselighed 40. Fældningstitrering 41. Endoterme og exoterme reaktioner Opgaver

31.4.**i Der findes sikkert en trykflaske med dihydrogen på din skole. Kig i leverandørens brugsanvisning, og find ud af, hvordan flasken skal behandles ved transport, brug og opbevaring.

Opg

Find også grænseværdierne for stofferne i “Grænseværdier for stoffer og materialer”.

30.3.**i

Brug mærkningsprogrammet Laborica til at finde ud af, hvordan følgende stoffer skal mærkes:

31.5.***i

Diethylether kan danne eksplosive peroxider ved reaktion med andre stoffer (også med dioxygen, hvis det udsættets for ultraviolet lys). Undersøg, hvordan etheraffald skal håndteres.

Isis 81

Ioner

32

Ioner

Salte er det samme som ionforbindelser. Metalioner har positiv ladning. Ikke-metalioner har negativ ladning. Ladningen af ioner fra hovedgrupperne findes ved hjælp af ædelgasreglen. Ladningen af ioner fra undergrupperne er uforudsigelig – ofte er der flere muligheder som fx Fe2+ og Fe3+.

Vi har tidligere set, at ikke-metaller – herunder halogener – kan indgå i molekylforbindelser. Men ordet halogen betyder saltdanner, og halogenerne kan altså også danne salte. Der dannes fx kogsalt, når dichlor reagerer med natrium: 2 Na(s) + Cl 2 (g)

➝

2 NaCl(s)

Salte er helt anderledes opbygget end molekyler. For det første har alle molekyler af samme slags samme størrelse. Et vandmolekyle består altid af to hydrogenatomer og ét oxygenatom. I salte sidder atomerne i et gittersystem, der kan være vilkårlig stort i alle retninger. Når vi anvender formlen NaCl for natriumchlorid, udtrykker det, at saltet indeholder lige mange natriumatomer og chloratomer. Men altså ikke hvor mange. Der er en anden vigtigt forskel på salte og molekyler: I molekyler deles atomer om elektroner, men i salte er atomerne omdannet til ioner. En ion er et atom, der har optaget eller afgivet en eller flere elektroner. Salte kaldes derfor også for ionforbindelser.

Ionforbindelser Ioner er ladede partikler. I natriumchlorid har natriumatomerne hver afgivet én elektron til et chloratom. Natriumatomerne er således blevet til positivt ladede ioner, idet de har en elektron mindre i elektronskyen omkring kernen, end der er protoner inde i kernen. En natriumion angives som Na+ for netop at understrege ionens ladning. Tilsvarende er chloratomerne negativt ladede, idet de har en elektron mere i elektronskyen omkring kernen, end der er protoner i kernen. En chloridion angives som Cl –. Når der dannes en ionforbindelse, sker det altid ved reaktion mellem to stoffer med forskellig elektronegativitet. Det mest elektronegative stof fravrister det mindre elektronegative stof en eller flere elektroner. Det er normalt metalatomer, der afgiver elektroner, mens det er ikke-metal-atomer, der optager elektroner. Derfor består ionforbindelser normalt af et metal og et ikkemetal.

Ioner fra hovedgrupper Et grundstof i en hovedgruppe afgiver eller optager et bestemt antal elektroner, når det bliver til en ion. Således afgiver natriumatomet altid én elektron, og chloratomet optager altid én elektron. Det kan forklares med ædelgasreglen, der siger at 8 elektroner i yderste skal er særligt stabil.

Model af en meget lille natriumchloridkrystal. De små natriumioner (blå) sidder i mellemrummene mellem chloridionerne (røde). Hver natriumion er omgivet af 6 chloridioner (dog ikke i overfladen).

Natriumatomet har elektronstrukturen (2,8,1). Når det afgiver én elektron, bliver 2. skal med 8 elektroner den yderste, og den dannede natriumion har samme elektronstruktur som ædelgassen neon. Na + : (2,8)

Natriumionen er derfor meget stabil, og alt natrium i naturen findes som Na+. Det er muligt at fremstille natrium ud fra natriumioner, men det dannede Na(s) er meget reaktivt og skal opbevares under petroleum, da det ellers nemt igen omdannes til Na+. Chloratomet har elektronstrukturen (2,8,7). Når det modtager én elektron, bliver der 8 elektroner i 3. skal, og Cl– får samme elektronstruktur som ædelgassen argon: Cl – : (2,8,8) Ligesom natrium danner de andre grundstoffer i 1. hovedgruppe ioner med én plus-ladning, og som chlor danner alle grundstoffer i 7. hovedgruppe ioner med én minus-ladning. Tilsvarende regler gælder for de andre hovedgrupper. Når man brænder et stykke magnesium, dannes der en ionforbindelse ud fra metallet magnesium og ikke-metallet oxygen: 2 Mg(s) + O 2 (g)

➝

Ioner fra undergrupper Metallerne i 1. og 2. hovedgruppe er særligt villige til at danne ioner og findes i naturen kun i ionforbindelser. Nogle andre metaller danner kun modvilligt ioner. Man kan fx være heldig at finde metallerne i 1. undergruppe (kobber, sølv og guld) i naturen som frie grundstoffer. Når kobber danner ioner, afgiver det som oftest 2 elektroner og danner Cu2+. Der er ikke særligt indlysende, når man ved, at elektronstrukturen for Cu er (2,8,18,1). Det gælder for mange af metallerne i undergrupperne, at man ikke kan regne ud, hvilken ladning de får, når de danner ioner.

2 MgO(s)

Na+

Magnesiumoxid er opbygget som et gitterværk bestående af Mg2+-ioner og O2–-ioner. De to ioner har begge samme elektronstruktur som ædelgassen neon:

Natriumatomet har en radius på 223 pm. Når den yderste elektron afgives, bliver den dannede natriumion meget mindre – dens radius er 95 pm. Negative ioner er større end de tilsvarende atomer, da de har optaget en eller flere elektroner.

Mg 2+ : (2,8) og O 2– : (2,8)

H

79 pm

Li

205 pm

Be 140 pm

60 pm

Be2 31 pm

Li+

B

117 pm

Na

C

91 pm

+

Na 223 pm Mg172 pm +

Na+95 pm Mg265 pm

N

75 pm

O

65 pm

-

F

182 pm

+

Al3 50 pm

Si

146 pm

P

123 pm

S

212 pm

S2

-

P3

49 pm

Ne

51 pm

Ar

88 pm

-

N3 171 pm O2 140 pm F Al

57 pm

He

136 pm

109 pm

Cl

184 pm

Cl -181 pm

-

97 pm

Størrelse af atomer (lysegrå) og ioner (positive: blå og negative: røde). På figuren er angivet atomernes/ionernes radier. Bemærk, at negative ioner er større end positive ioner. H+ er kernen af et hydrogenatom og består kun af en proton (evt. suppleret af en neutron), og dens radius er kun ca. 0,001 pm. H+ indgår ikke i ionforbindelser.

Isis 82

83

Ionforbindelser

33

Ionforbindelser

I ionforbindelser sidder ionerne i et iongitter. Ionforbindelser er krystallinske stoffer med højt smeltepunkt. I iongitteret er hver ion omgivet af et antal ioner med modsat ladning. I formler for ionforbindelser skrives den positive ion som regel først. Formlen for en ionforbindelse angiver én formelenhed.

Udsnit af calciumfluoridkrystal. Hver Ca2+ (blå) er omgivet af 8 F –(rød), og hver F – er omgivet af 4 Ca2+.

Udsnit af zinksulfidkrystal. I ZnS er der lige mange zinkioner og sulfidioner. Hver Zn2+ (blå) er omgivet af 4 S2– (rød), og hver S2– er omgivet af 4 Zn2+.

84

Går man på opdagelse i skolens kemikaliesamling ser man, at en meget stor del af de kemiske forbindelser er salte. De findes i bøtter og er ofte hvide, krystallinske pulvere. Man kan ikke umiddelbart se forskel på salte og andre krystallinske stoffer. Almindeligt sukker, C12H22O11, ligner som bekendt salt, men er et organisk stof, da det indeholder C- og Hatomer og stammer desuden fra en levende organisme. Saltkrystaller kan have vilkårlig størrelse. Det kendes fra “fint salt” og “groft salt”. Salt udvindes af stensalt i undergrunden. Stensaltet opløses i vand, og saltkrystallerne dannes, når man lader vandet fordampe fra saltopløsningen. Afhængigt af betingelserne, vil man få større eller mindre krystaller. Krystaldannelsen foregår ved, at natriumionerne og chloridionerne indtager deres pladser i krystalgitteret. Hvis man selv lader en saltopløsning stå, så vandet kan fordampe langsomt, kan man med lidt held fremstille meget store krystaller.

Iongitre Iod er et halogen ligesom chlor. Iod kan da også danne salt ved direkte reaktion med fx zink, som beskrevet på opslag 26: Zn(s) + I 2 (aq)

➝

ZnI 2 (s)

Krystalgitteret må nødvendigvis se anderledes ud for zinkiodid end for natriumchlorid. Der skal jo indplaceres dobbelt så mange iodid-ioner som zinkioner. Det er elektriske kræfter, der holder ionerne på deres plads i krystalgitteret. Lad os igen se på natriumchlorid. De positive Na+ frastøder hinanden og de negative Cl– frastøder også hinanden. Krystallen kan kun hænge sammen, fordi den er opbygget af Na+ og Cl– på skift. Situationen minder om en stribe stangmagneter, der ligger side om side: de kan kun hænge sammen, hvis hver anden er vendt om.

NaCl, så er det fordi man hermed kan angive den enhed, som krystallen er opbygget af. Man kalder NaCl for formelenheden for natriumchlorid. For aluminiumiodid er formelenheden AlI3, hvoraf man får den oplysning, at aluminiumiodid indeholder tre gange så mange iodidioner som aluminiumioner.

Sammensatte ioner Mange ionforbindelser indeholder sammensatte ioner som fx sulfationen SO42– . I sulfationen er atomerne holdt sammen med elektronparbindinger lige som i molekyler, men den har 2 elektroner i overskud. Et andet eksempel på en sammensat ion er ammoniumionen NH4+, som har en elektron i underskud. De sammensatte ioner kan indgå i krystalgitre på samme måde som andre ioner.

triumioner til hver med ladningen +1 for at ophæve sulfationens ladning på -2. Formelenheden for natriumsulfat bliver derfor Na2SO4. Calciumphosphat er opbygget af Ca2+ og PO43–. Den samlede ladning af 3 Ca2+ er +6, som kan ophæves af 2 PO43–, som tilsammen har ladningen -6. Formlen for calciumphosphat bliver derfor Ca3(PO4)2.

Nogle ionforbindelser Handelsnavn

Formel

Anvendelse






/0 1 

     !" #!"




 0       2  0  2.  

  

#!" $%& #!

  2  

   

!

3

  2 20 .   

 

#!"

 

!"

.  .
 



!"

2  '. 2  (

  

!

+.   2   

  

'! (#

/



'!(#

4  25 

  


!) $* #!

 2   




!) $# #!

 0  



#

+.   2 6

 

+
!) $, #!

/ 21 

 


!) $- #!


..


.

 )

7    

Nettoladning nul Natriumchlorid-gitteret er særlig simpelt, fordi der er lige mange natriumioner og chloridioner. I fx calciumfluorid er der dobbelt så mange F – som Ca2+. Der er derfor dobbelt så mange F –-naboer til Ca2+, som der Ca2+-naboer til F –.

Når ioner går sammen og danner krystalgitre, foregår det på en sådan måde, at formelenheden bliver neutral. Det vil sige, at de positive ioners samlede ladning skal være lig med de negative ioners samlede ladning.

Formelenhed

I aluminiumiodid har aluminiumionen ladningen +3. Der skal tre iodidioner hver med ladningen -1 til at ophæve den positive ladning. Formelenheden bliver derfor AlI3.

Da en natriumchloridkrystal kan være vilkårligt stor, kan man ikke angive, hvor mange ioner den indeholder. Dels vil tallet være utrolig stort, dels vil det variere fra krystal til krystal, og endelig vil det være nærmest umuligt at bestemme. Når man i stedet skriver

Når natriumioner og sulfationer går sammen og danner natriumsulfat, skal der to na-

Lige som ioner kan være positive og negative og med forskellige størrelse af ladningen, kan Mega Bloks være gule og blå med forskellig antal toppe.

– hvis man forestiller sig, at de blå blokke er Fe3+, og de gule blokke er O2–

– kan man sætte dem sammen til en formelenhed Fe2O3 .

Isis 85

Ioner

34

Ioners navne

Der er tre slags ioner: • metalioner • ikke-metalioner • sammensatte ioner Metalioner får blot atomets navn samt endelsen ion.

Der findes tre typer ioner: metalioner, ikke-metal-ioner og sammensatte ioner. Metalioner er altid positivt ladede, da metalatomer skal afgive elektroner for at få ædelgasreglen opfyldt. Navnet for en metalion dannes ved blot at tilføje endelsen ion til metallets navn: Na+ :

Ikke-metalioner får endelsen id efterfulgt af ion. Sammensatte ioner har ofte endelsen at eller it efterfulgt af ion.

Mg2+ : Al3+ :

natriumion magnesiumion aluminiumion

Nogle metaller kan danne ioner med forskellig ladning, det gælder fx jern og bly. Så angiver man ladningen med romertal i navnet: Fe2+ : Fe3+ : Pb2+ : Pb4+ :

jern(II)ion jern(III)ion bly(II)ion bly(IV)ion

Ikke-metal-ionernes navn dannes ved at tilføje endelsen id efterfulgt af ion til ikkemetallets navn: Cl– : I– : Br – :

chloridion iodidion bromidion

Denne regel giver oxygenid, nitrogenid og en række andre navne, der er lidt besværlige at udtale og at skrive. De er derfor forkortet: O2– : N3– : S2– :

oxidion nitridion sulfidion

Navngivningen af sammensatte ioner er ikke særlig systematisk. Der findes nogle reg-

ler, men stort set er man nødt til at lære navnene udenad. De vigtiste er med i tabellerne – dem kan du starte med! Hvis en ion har endelsen at eller it, er det en sammensat ion. Ofte indeholder den oxygenatomer: Formel

Navn (-ion udeladt)

CO32HCO3NO3PO43-

carbonat hydrogencarbonat nitrat

HPO42H2PO4SO42S2O32ClO3MnO4SCNCH3COOSO32NO2ClO-

phosphat hydrogenphosphat dihydrogenphosphat sulfat thiosulfat chlorat permanganat thiocyanat ethanoat sulfit nitrit hypochlorit

Også sammensatte ioner kan have endelsen id: Formel

Navn (-ion udeladt)

OH-

hydroxid hydrogensulfid cyanid peroxid triiodid

HSCNO22I3-

Der findes kun få sammensatte positive ioner – her de vigtigste: Formel

Navn (-ion udeladt)

H3 O +

oxonium ammonium

NH4+

Navne på ionforbindelser Når man skal angive formel eller navn for en ionforbindelse, starter man med den positive ion og slutter med den negative ion: Na2CO3 : MgO : MgS :

natriumcarbonat magnesiumoxid magnesiumsulfid

optaget 2 molekyler krystalvand, har det meget ringe tendens til at optage flere. Gipsfigurer er derfor ret stabile, når de opbevares indendørs. Calciumchlorid har derimod så stor tendens til at binde vand, at det opløses i det opsugede vand. Det anvendes til fugtfjernere i små rum.

Bemærk, at man i navnet ikke angiver forholdet mellem antallet af positive og negatige ioner, da man let kan regne det ud, når man ved, hvilke ioner der indgår. Hvis fx det indgående metal kan optræde med forskellig positiv ladning, anføres ladningen med romertal i navnet: FeCl2 : FeCl3 : Cr2O3 :

jern(II)chlorid jern(III)chlorid chrom(III)oxid

Nogle ionforbindelser (sammenlign med tabel på opslag 33)

Formel

Navn

NaCl

natriumchlorid

NaHCO3

natriumhydrogencarbonat

Na2CO3

natriumcarbonat

Na2CO3 · 10H2O

natriumcarbonat-vand (1/10)

NaOH

natriumhydroxid

K2CO3

kaliumcarbonat

KNO3

kaliumnitrat

CaCO3

calciumcarbonat

CaO

calciumoxid

Ca(OH)2

calciumhydroxid

CaSO4 · ½H2O

calciumsulfat-vand (2/1)

CaSO4 · 2H2O

calciumsulfat-vand (1/2)

Ca(ClO)2

calciumhypochlorit

CaC2

calciumethyndiid

FeSO4 · 7H2O

jern(II)sulfat-vand (1/7)

CuSO4 · 5H2O

kobber(II)sufat-vand (1/5)

NH4Cl

ammoniumchlorid

Krystalvand Ioner har tendens til at binde vandmolekyler til sig, da disse er polære. Undertiden bliver nogle af vandmolekylerne hængende på ionerne, når de danner krystaller. Man siger da, at krystallerne indeholder krystalvand. Vandmolekylerne er oftest bundet til de positive ioner, som på grund af deres ringe størrelse har den største ladningstæthed. Når man laver gipsafstøbninger, optager “brændt gips” vand, og der dannes gips, hvor hver calciumion har bundet 2 vandmolekyler til sig. Formlen for gips skrives CaSO4·2H2O, og det har navnet calciumsulfat-vand (1/2). Når først calciumsulfat har

Man kan finde natriumchloridkrystaller i naturen. De er ofte kubiske (terningeformede).

Tre forskellige slags krystaller, som de forekommer i naturen (naturlig størrelse). De hvide krystaller er kvarts (SiO2), de brune er jernspat (FeCO3) og de grå, glinsende er blyglans (PbS).

Isis 86

87

Ioner

35

Eksempler på salte

Økonomisk vigtige salte er NaCl, CaO, CaCO3 og CaSO4. Ionforbindelser har høje smeltepunkter. Hvis en ionforbindelse indeholder sammensatte ioner, vil disse ofte omdannes ved opvarmning.

Natriumchlorid er vel det mest kendte salt. Vi bruger bordsalt – eller bare “salt” – til at give fødevarer smag, men vi har også brug for den salt, vi på denne måde indtager. Et voksent menneske skal have 5-10 g pr. dag.

En række salte angribes af syre. Det gælder fx alle, der indeholder carbonationer. Når calciumcarbonat overhældes med saltsyre, sker følgende reaktion:

Bordsalt er ikke helt rent natriumchlorid, men indeholder bl.a. iodidioner, der er gået ind på chloridioners plads. Natriumchlorid er letopløseligt i vand og findes på opløst form i havvand (ca. 3%). Bordsalt fremstilles ved inddampning af havvand eller saltopløsninger, der fås ved opløsning af salt i undergrunden.

Dannelsen af CO2(g) får reaktionsblandingen til at bruse. Hvis der er tilsat så meget syre, at al calciumcarbonat har reageret, vil man ved inddampning få dannet et nyt salt, nemlig calciumchlorid.

Ionforbindelser har høje smeltepunkter. Fx smelter natriumchlorid ved 801 °C og koger ved 1413 °C. Det er ikke alle salte, der kan opvarmes til smeltning eller kogning. Således nedbrydes de sammensatte ioner ofte under opvarmningen, så saltet ændrer sammensætning under opvarmningen. Når man opvarmer calciumhydroxid, sker der afgivelse af vand, inden saltet når at smelte:

Ionforbindelser, der indeholder krystalvand, har ret lave smeltepunkter, og krystalvandet afgives ved opvarmning.

Ca(OH) 2 (s)

➝

CaO(s) + H 2 O(g)

Reaktionen er nem at udføre med fx en teskefuld calciumhydroxid i et reagensglas, der opvarmes over en bunsenbrænder. Som bevis på, at der afgives vand, ser man vandråber af kondenseret vanddamp øverst i reagensglasset. Tilbage i reagensglasset er der calciumoxid. Det er klart, at massen af calciumoxid er mindre end massen af den oprindelige mængde calciumhydroxid.

CaCO3(s) + 2 HCl(aq)

➝

CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)

Fugtfjerner Calciumchlorid kan som nævnt anvendes som fugtfjerner, idet det er særlig villig til at optage vand. Vandmolekylerne går ind og sætter sig på calciumionerne i krystalgitteret. Da calciumchlorid på denne måde kan optage seks vandmolekyler pr. formelenhed, bliver formlen efter vandoptagelse: CaCl2·6H2O. Denne skrivemåde fortæller dels, at det egentlige krystalgitter er opbygget af calciumioner og chloridioner i forholdet 1:2. Desuden er der 6 vandmolekyler for hver formelenhed af calciumchlorid. Salte der indeholder krystalvand, vil afgive krystalvandet ved opvarmning.

Møns Klint. Under hele Danmark ligger der et lag skrivekridt med en tykkelse på ca. en halv kilometer. Kridtlaget dukker frem til overfladen i Møns Klint og et par ander steder.

Kalkbrænding Calciumoxid kaldes i øvrigt “brændt kalk”. Det skyldes ikke ovennævnte reaktion, men at det kan fremstilles ved opvarmning (til ca. 1000 °C) af calciumcarbonat (kalk):

Smeltepunkt for nogle ionforbindelser LiCl

610 °C

BeO

CaCO 3 (s) 2408 °C

NaCl

801 °C

MgO

2825 °C

KCl

771 °C

CaO

2614 °C

RbCl

715 °C

BaO

1918 °C

Li2O

1700 °C

Al2O3

2072 °C

Na2O

1200 °C

Cr2O3

2230 °C

Cu2O

1275 °C

Fe2O3

1565 °C

MgCl2

714 °C

Ca3N2

1195 °C

CaO har samme krystalstruktur som NaCl, men dets smeltepunkt er meget højere. Det hænger sammen med størrelsen af ionernes ladning. Tiltrækningen mellem Ca2+ og O2– er ca. 4 gange så stærk som mellem Na+ og Cl –. CaO og MgO bruges ofte som ildfast beklædning af ting, der udsættes for høje temperaturer.

➝

CaO(s) + CO 2 (g)

Calciumhydroxid er en vigtig bestanddel i den mørtel, som binder mursten sammen i murværk. Når mørtelen tørrer, reagerer calciumhydroxid med carbondioxid og danner calciumcarbonat: Ca(OH) 2 (s) + CO 2 (g)

➝

CaCO 3 (s) + H 2 O(g)

Den dannede calciumcarbonat gør mørtelen stenhård. Denne hårdhed er også kendt fra marmor, der netop består af calciumcarbonat. Reaktionen mellem calciumhydroxid og carbondioxid udnyttes til at påvise carbondioxid. Hvis “mættet kalkvand” gennembobles med luft, der indeholder carbondioxid, vil den blive uklar. “Mættet kalkvand” er en mættet opløsning af Ca(OH)2 i vand, og reaktionen er som før: Ca(OH) 2 (aq) + CO 2 (g)

➝

CaCO 3 (s) + H 2 O(l)

Top 10 for kemikalier i USA 1995 Stof

Formel

1 svovlsyre

H2SO4

Produktion (mill. tons) 48

2 dinitrogen

N2

34

3 dioxygen

O2

27

4 ethen

C2H4

23

5 calciumoxid

CaO

21

6 ammoniak

NH3

18

7 phosphorsyre

H3PO4

13

8 natriumhydroxid

NaOH

13

9 propen

C3H6

13

10 dichlor

Cl2

13

Calciumoxid (brændt kalk) er et af de vigtigste kemikalier. Den vigtigste anvendelse er fremstilling af byggematerialer, men der bruges også store mængder ved bl.a. sukkerfremstilling. Den næstvigtigste ionforbindelse er natriumhydroxid, der er en meget vigtig base.

Europas første roterovn til kalkbrænding blev taget i brug hos Faxe Kalk i 1932. Roterovnen hælder svagt, og i den nederste ende afbrændes olie. Her sker den egentlige kalkbrænding. Røggasserne passerer op gennem ovnen, hvor restvarmen udnyttes til at forvarme kalken. Kalkbrændingen sker i roterovne ved en vedvarende (kontinuert) proces. Tidligere brændte man en portion (batch) af gangen. Man måtte så vente på, at kalken kølede af, før man kunne tage den ud, så man kunne starte næste brænding.

Isis 88

89

O

H

+

H

O H

Na+ O

O

H

+

+

H H O +

H

H

Hydratiseret natriumion. Positive ioner binder (fordi de er mindre) vandmolekyler hårdere til sig end negative. En natriumion kan binde seks vandmolekyler til sig.

Vandværksvand indeholder foruden natriumioner og chloridioner også bl.a. calciumioner og hydrogencarbonationer. Disse ioner udfældes lettere end natrium- og chloridioner, fx ved opvarmning af vand i kedler, kaffemaskiner og vaskemaskiner. Resultatet er kalk, der kan sætte sig på fx varmelegemer eller i tøjet i vaskemaskinen og gøre det stift: Ca2+(aq) + 2 HCO3–(aq)

➝ CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

Ved inddampning af ionholdigt vand opvarmes vandet til kogning, og kogningen fortsættes, indtil alt vand er fordampet. Efterhånden som vandet fordamper, finder ionerne sammen i krystaller, der lægger sig som et lag på bunden af beholderen. Ved inddampning adskiller man altså ionerne og vandet. Man kan også adskille ioner og vand ved en destillation, som kun adskiller sig fra en inddampning ved, at man fortætter vandet med et svalerør. Destilleret vand kan købes i dagligvarebutikker.

O

Cl-

ClNa+

Cl-

H O

H

H O

O

H

H

+

H +

Na+

CINa+

ClH

Cl-

Na+

Na+

Cl-

ClNa+

ClNa+

Na+

ClNa+

Cl-

ClNa+

ClNa+

ClNa+

+

O

O H

Na+

O

H

O

H O H

+

Nogle ioner farver en vandig opløsning, men ellers kan man ikke se, at der er ioner i vand. Det er imidlertid let at påvise ioner i vand, fx ved inddampning. Hvis man inddamper 100 g havvand, vil der efter inddampningen være ca. 3 g salt tilbage. Saltindholdet er meget lavere i drikkevand, men også det kan påvises ved inddampning.

H

Også drikkevand indeholder ioner, især natriumioner og chloridioner. Uden disse ioner har vandet en helt anden smag, end den vi er vant til. Rent drikkevand er altså ikke kemisk rent, men fri for uønskede stoffer.

+

H

Na+

H

Tre bægerglas med vand, NaClopløsning og CuSO4-opløsning.

➝

+

H

H

Na+

+

+

Vand kan renses for ioner ved ionbytning.

Cl-

O

Cl+

Tiltrækningen mellem vandmolekyler og ioner skyldes elektriske kræfter. De positive ioner tiltrækkes af vandmolekylernes negative ende, oxygenatomerne. De negative ioner tiltrækkes helt tilsvarende af hydrogenatomerne i vandmolekylerne. Ioner opløst i vand er helt omringet af vandmolekyler, der nærmest klæber sig til dem. Ionerne siges at være hydratiserede.

H + (aq) + OH – (aq)

+

Forskellen på de to væsketyper er, at vandmolekyler er polære, mens oliemolekyler er upolære. Det er forskellen i elektronegativitet hos oxygen og hydrogen, der forklarer, at vandmolekylet er en dipol. Oxygenatomet er i stand til at trække de fælles elektroner i vandmolekylet over mod sig, så det bliver negativt ladet i forhold til hydrogenatomerne.

+

O

H

Na+

O

H

O H

Ved kemiforsøg er det næsten altid helt afgørende, at det vand, man anvender, er uden ioner. Man kan anvende destilleret vand, men det er billigere selv at rense vandet ved en proces, der kaldes ionbytning. Her ledes vandet igennem en beholder, der indeholder en ionbytter. Det er et fast stof, der kan optage og afgive ioner. En frisk ionbytter kan afgive H+-ioner og OH–-ioner. Når ionholdigt vand ledes gennem ionbytteren, ombyttes positive ioner med H+-ioner og negative ioner med OH–-ioner. De H+-ioner og OH–ioner vandet modtager, går sammen og danner vand:

+

H

H

Ionbytning

H H

Cl-

+

H

+

Når natriumchlorid opløses i vand, trækker de polære vandmolekyler så stærkt i ionerne, at iongitteret nedbrydes.

Normalt er der masser af ioner i vand. Det gælder både for havvand, søvand, vandløb og grundvand. Det skyldes, at vandmolekylerne er i stand til at holde godt fast i ioner. Det kan olie til gengæld slet ikke.

Cl-

H

H

Vandmolekylets positive ende tiltrækkes af negative ioner.

O

H

Ioner og vand

Vandmolekylets negative ende tiltrækkes af positive ioner.

Na+

O

+

+

H

H

O H

36 Vand er et stærkt polært opløsningmiddel og stort set det eneste, der kan opløse ionforbindelser.

H

+

H

Ioner

H

H

H 2 O(l)

Efterhånden som ionbytteren bliver brugt, bliver dens indhold af dens H+-ioner og OH–-ioner erstattet af andre ioner, og dens effektivitet falder. Den kan så friskes op ved en proces, hvor ionbytningen går den anden vej. Ionholdigt vand kan i modsætning til rent vand lede elektrisk strøm; jo flere ioner, desto bedre. Derfor kan man teste en ionbytters effektivitet ved at undersøge det ionbyttede vands evne til at lede strøm.

Opløsning af ionforbindelser Der er stor forskel på, hvor let ionforbindelser opløses i vand. Det er en kendt sag, at natriumchlorid let opløses i vand. Til gengæld er calciumcarbonat tungt opløseligt i vand. Ellers ville det jo heller ikke kunne bruges som det stabiliserende stof i den mørtel, der holder mursten sammen i murværk. En regnbyge eller to kunne jo få katastrofale følger. Når ionforbindelser opløses i vand, trækker vandmolekylerne så meget i ionerne, at de indbyrdes ionbindinger brydes: NaCl(s)

➝

Na + (aq) + Cl – (aq)

Drikkevandsbehandling Man kan undertiden udnytte opløselighedsforhold til at fjerne uønskede stoffer, fx fra drikkevand. Når vandværker pumper vand op fra undergrunden, indeholder det ofte for mange jern(II)ioner. For at fjerne disse, lader man vandet plaske ned over nogle trapper, hvorved vandet tilføres dioxygen fra luften. Dioxygenmolekylerne reagerer med jern(II)ionerne og danner jern(III)hydroxid, som er tungt opløseligt i vand: 4 Fe 2+ (aq) + O 2 (g) + 10 H 2 O(l)

➝ 4 Fe(OH) 3 (s) + 8 H + (aq)

Det faste stof kaldes okker, og reaktionen sker også i naturen på steder, hvor jern(II)ionholdigt vand optager dioxygen fra luften. Okkeren ses på sådanne steder som et rustrødt, fast stof og kan være ødelæggende både for dyr og planter.

Isis 90

91

Ioner

37

Urinstof = carbamid H

H

N

H

N

Stofmængdekoncentration Nogle gange kan man smage, at saftevandet er for tyndt, eller man kan se, at teen ikke har trukket længe nok. Det er opløsningens koncentration, som vores smags- og synssans her giver os oplysning om.

Stofmængdekoncentration angives i mol/L. Stofmængdekoncentrationen beregnes ved at dividere stofmængden med opløsningens volumen.

Vi har nu set, hvordan salte opløses i vand, men endnu ikke set på mængdeberegninger med opløsninger. Ofte har man med homogene blandinger at gøre, fx saltvand, der er en blanding af NaCl og vand.

Koncentration kan også angives som masse% eller volumen%.

Den naturlige måde at afmåle væsker på, er jo ved at måle volumenet. Den naturlige måde at føre regnskab med stofmængden af det opløste stof på, er tilsvarende at angive stofmængde pr. volumen opløsning. Denne størrelse kaldes stofmængdekoncentration og symboliseres med bogstavet c. Enheden for stofmængdekoncentration er mol/ L, der ofte forkortes M (læs: molær). Derfor kaldes c også for molær koncentration eller bare koncentration.

Det samlede volumen er ikke bevaret, når man blander.

Fremstilling af opløsning Når man skal lave 100 mL 0,9 M natriumchloridopløsning til fysiologiske eksperimenter, skal man bruge

25 0

mL

n = 0,100 L · 0,90 mol/L = 0,090 mol natriumchlorid. Beregningen følger formlen:

veje

opløse

250 m L

250 m L

efterfylde

250 m L

n =c ¼V n: stofmængde (enhed: mol) c: koncentration (enhed: M = mol/L) V: volumen (enhed: L)

Denne portion natriumchlorid vejer m=n·M = 0,090 mol · 58,44 g/mol = 5,3 g

C

O

H

Blod

Masse%

Blod består af ca. 55% plasma, der er en vandig opløsning af en række forskellige stoffer, samt ca. 45% blodlegemer, der er celler eller dele af celler.

På en flaske husholdningseddike står koncentrationen opgivet på deklarationen, men ikke som stofmængdekoncentration. I stedet står der “4,8%”. Det betyder, at der er 4,8 g ethansyre (eddikesyre) pr. 100 g blanding. Det er det samme som 48 g ethansyre pr. kg blanding.

Bemærk, at det er opløsningens volumen, der indgår. Man får ikke en 0,9 M natriumchloridopløsning ved at afveje 5,3 g natriumchlorid og opløse det i 0,1 L vand, da denne blanding har et volumen på lidt mere end 0,1 liter. I stedet opløses saltet i en smule vand, og der efterfyldes med vand, indtil det samlede volumen er 0,1 L.

Et menneske måles til at have 5,0 L blod indeholdende 5,0 mM urinstof. Massen af urinstof i blodet er da

Dinitrogen i vand

Et beregningsskema

Gasser kan opløses i vand. Normalt kun i mindre mængder, men det er fx bobler af atmosfærisk luft, der er de første bobler i vand, der er ved at blive varmet op.

Vi har tidligere set beregningsskemaet brugt på rene stoffer og gasser. Nu skal vi også bruge det til at løse mængdeberegningsproblemer med opløsninger.

Man har målt, at der kan opløses 1,52 mL dinitrogen pr. liter vand ved 20 °C og 101 kPa, når vandet er i kontakt med atmosfærisk luft, der indeholder 78% dinitrogen. Når vi vil finde den molære koncentration, skal vi først kende stofmængden:

De fleste metaller reagerer med syre. De få, der ikke gør, kaldes ædelmetaller; det er fx kobber, sølv, guld og platin.

m=n·M =c·V·M = 5,0 mM · 5,0 L · 60,07 g/mol = 1,5 g Målinger viser i øvrigt, at der udskilles ca. 30 g pr. døgn.

Vi kan med god tilnærmelse regne med, at 1,0 kg husholdningseddike fylder 1,0 L, så koncentrationen er altså også 48 g/L. For at finde stofmængdekoncentrationen, skal vi først finde stofmængden i en liter: Q=

=

P 0

 J  JPRO

= 0,80 mol

Q=

=

9 9P

 ¼ - /  /PRO

Når vi lader 100 mL 4,0 M saltsyre reagere med zink i overskud dannes 4,8 L dihydrogen. Bemærk, at den ækvivalente mængde zink er 13 g.

Zn(s)

+

= 63,1 mmol F=

=

Q 9

n:

 mPRO  /

m: 13 g M: 65,4 g/mol n: 0,20 mol

0,20 mol

2 H +(aq)

Koncentrationen er så F=

=

Q 9

 PRO  /

= 0,80 M

➝

V: 0,100 L c: 4,0 M 0,40 mol V: 0,100 L c: 4,0 M 0,40 mol

Zn 2+ (aq) + H 2 (g)

0,20 mol V: 4,8 L Vm: 24,1 L/mol 0,20 mol

Som tidligere beregner vi først stofmængden, for at kunne gå vandret i skemaet. Derefter kan man gå op igen i de andre søjler. Her findes en masse og et gasvolumen.

= 63,1 mM

Isis 92

93

Ioner

38

Formel og aktuel koncentration

Den formelle koncentration beskriver, hvor meget man opløste.

Nogle stoffer reagerer med vand, når de opløses. Glucose gør ikke; der spaltes glucosekrystallerne blot i glucosemolekyler:

Formel

Den aktuelle koncentration beskriver, hvor meget der er i opløsningen. Hvis det stof, man opløser, reagerer med vandet, er der forskel på den formelle og den aktuelle koncentration.

C6H12O6(s) ➝ C6H12O6(aq) Men det gør salte. Opløser man 0,10 mol jern(III)nitrat i vand, så slutvolumenet bliver 1,0 L, får man en opløsning, der indeholder jern(III)ioner og nitrationer. Der sker nemlig følgende: Fe(NO 3 ) 3 (s) ➝ Fe 3+ (aq) + 3 NO 3 – (aq)

Aktuel Bøvs!

Den formelle koncentration symboliseres med et c og den aktuelle med kantede parenteser rundt om stofsymbolet, fx [Na+]. Den formelle koncentration fortæller, hvad der er blandet sammen. Den aktuelle koncentration fortæller, hvad der faktisk findes.

De 0,10 mol jern(III)nitrat bliver altså til 0,10 mol jern(III)ioner og 0,30 mol nitrationer. Man siger, at opløsningens formelle koncentration af jern(III)nitrat er 0,10 M. Da alt jern(III)nitratet jo er omdannet, tager man et rent sprogligt forbehold ved at kalde koncentrationen formel.

F)H12  =

0

Som supplement til den formelle koncentration bruges aktuel koncentration, der er den “rigtige” koncentration. I eksemplet vil man skrive: [Fe3+] = [NO3–] =

c= 3c =

0,10 M 0,30 M

Bemærk, at den totale mængde partikler forøges ved opløsningen. Antallet af partikler er ikke bevaret – det er massen derimod, og produkternes masse er den samme som reaktanternes. Det, der sker, er, at nogle store enheder spaltes i flere små ioner.

Ligevægt Vi har indtil nu set stoffer, der enten som glucose slet ikke omdannes i vand eller som jern(III)nitrat, der omdannes fuldstændigt i vand. Men der findes også stoffer, der reagerer delvist med vand. Reaktionen løber ikke til ende, så der er både reaktanter og produkter tilstede samtidigt. Her kan man ikke umiddelbart finde de aktuelle koncentrationer. Hælder man fx 0,10 mol ethansyre i en målekolbe og fylder vand i, så slutvolumenet bliver 1,0 L, vil der indstille sig følgende ligevægt: CH3COOH(aq) + H2O(l) CH 3COO –(aq) + H 3O+(aq) Det er en længere udregning at finde de aktuelle koncentrationer i en opløsning, der formelt er fx 0,10 M ethansyre. Derfor præsenteres de nødvendige formler ikke her. Man siger, at der indstiller sig en ligevægt mellem reaktanterne og produkterne. Det er de formelle koncentrationer, der anføres på flasker og dunke med opløsninger.

Havvands sammensætning Havvand er over 97% af klodens vandreserve. Det indeholder en hel del forskellige ioner; vi siger, at det er “saltvand”. I et havområde har man målt følgende aktuelle koncentrationer: [Na+] = [Mg2+] = [Ca2+] = [K+] =

[Cl–] = [SO42–] = [HCO3–] = [Br –] =

569 mM 28 mM 2,3 mM 0,8 mM

Det vil være urimeligt at bruge begrebet formel koncentration om ionerne i havvand, da ionerne jo er kommet i vandet fra mange forskellige kilder.

Blods sammensætning Blodet i et menneske har typisk følgende aktuelle koncentrationer: [Na+] = [K+] = [Ca2+] = [Mg2+] =

142 4 2,5 1,5

mM mM mM mM

[Cl–] = [HCO3–] = [HPO42–] = [SO42–] =

103 27 1 0,5

mM mM mM mM

[proteiner] = [aminosyrer] =

2,5 mM 2 mM

[CO(NH2)2] = [C6H12O6] =

5,7 mM 5,6 mM

Impression: Soleil levant, Claude Monet 1872. Den opgående sol over havet ved Le Havre. Kunstkritikeren Louis Leroy gav i øvrigt stilarten navnet impressionisme efter dette billede; og det var ikke ment som en ros.

Natronlud Ifølge kemikaliemærkningsreglerne skal en natriumhydroxidopløsning mærkes “Ætsende”, hvis den har en koncentration på over 1%. Den aktuelle koncentration af hydroxidioner svarende hertil er

>2+  @=F =

J/ = 0 JPRO

490 mM 53 mM 11 mM 10 mM

Isis 94

95

Ioner

39

Opløselighed

Fældningsreaktion mellem Ag+ og OH– (aq):

2 Ag + (aq) + 2 OH – (aq)

Opløseligheden af et stof er den største formelle koncentration, en opløsning af stoffet kan have. Ved en opløsningsreaktion adskilles ionerne i et salt i frie, hydratiserede ioner. Ved en fældningsreaktion går vandigt opløste ioner sammen og danner et fast salt. Et salts opløselighed er størst, hvis ionerne har lille ladning og stor forskel i elektronegativitet.

Der er meget stor forskel på hvor meget af en ionforbindelse, der kan opløses i vand. Muslingeskaller er fx næsten ren kalk (CaCO3), og de kan jo ligge i havvand uden at ret meget opløses. Omvendt kan man opløse hele 10 kg ammoniumnitrat i en liter kogende vand. Ved et stofs opløselighed forstås normalt det antal gram stof, der kan opløses i 100 g . Hvis man i stedet har brug for den maksimale formelle koncentration, stoffet kan have, skal man omregne værdien. Når man fx laver mættet saltvand, blander man vand og overskud af natriumchlorid. Man kan så måle, at der kan opløses 359 g NaCl i 1,000 L rent vand ved 20 °C. Denne blanding af 1000 g vand og 359 g natriumchlorid vejer naturligvis 1359 g, men den fylder 1,13 L. Det kunne man ikke forudse; denne værdi slår man op i et tabelværk. Opløseligheden angivet som den maksimale molære koncentration beregnes således:

F 1D&O = =

=

Q 1D&O 9 P1D&O 0 1D&O ¼ 9RSO—VQLQJ

Fældningsreaktioner Hvis man blander de to helt klare opløsninger, får man en mælkehvid blanding. Efter henstand vil det hvide stof have lagt sig som et bundfald. Der er sket en fældning.

Ag + (aq) + Cl – (aq)

Na + (aq) + Cl – (aq)

I en mættet natriumchloridopløsning bliver de maksimale formelle koncentrationer derfor: [Na+] = [Cl–] = c = 5,43 M Når man opløser sølvnitrat i vand, sker tilsvarende: ➝

Ag + (aq) + NO 3 – (aq)

Også sølvnitrat er letopløseligt i vand: 2160 g/L ved 20 °C. Opløsningerne er i begge tilfælde klare og farveløse.

➝

CaC 2 O 4 (s) + 2 H + (aq)

➝

AgCl(s)

Kan der opløses mere end 100 g af et fast stof i 1 L vand, siges stoffet at være letopløseligt. Kan der opløses mindre end 1 g af et fast stof i 1 L vand, siges stoffet at være tungtopløseligt. Er opløseligheden mellem 1 g og 100 g i 1 L vand, siger man, at stoffet er noget opløseligt. Når man vil vurdere om et salt er let- eller tungtopløseligt, kan man bruge to kriterier. Opløseligheden øges nemlig, hvis

Den sidste regel gælder kun for salte af to grundstoffer.

Bemærk, at natriumionerne og nitrationerne ikke er medtaget i reaktionsskemaet for fældningsreaktionen. Det skyldes, at de ikke indgår i reaktionen; de er “passive tilskuerioner” og undlades derfor.

Det er vel ikke overraskende, at det er lettere at bryde bindingen mellem to enkeltladede ioner end mellem to dobbeltladede ioner. Dermed er det forståeligt, at natriumchlorid lettere opløses end calciumcarbonat:

Opløsningsreaktioner

➝

H 2 C 2 O 4 (aq) + Ca 2+ (aq)

Bundfaldet kan isoleres ved filtrering. Herved får man sølvchlorid som et hvidt, fast stof, der i øvrigt bliver gråt ved henstand i fx sollys. Sollyset kan nemlig bryde bindingerne i sølvchlorid og omdanne sølvionerne til metallisk sølv.

Fe 3+ (aq) + PO 4 3– (aq)

Når man opløser natriumchlorid i vand, bliver ionerne helt uafhængige af hinanden:

med “non-oxal”, der indeholder calciumioner. Når rabarber eller spinat tilsat “non-oxal” koges, sker følgende fældningsreaktion:

Opløselighedsregler Lige idet sammenblandingen sker, indeholder vandet fire slags ioner: Na+, Cl–, Ag+ og NO3–. Det er altså nogle af disse, der er gået sammen og har dannet bundfald bestående af små krystaller. Det er ikke natriumchlorid eller sølvnitrat, der er dannet, da begge er letopløselige i vand. Der er så to andre muligheder, nemlig natriumnitrat og sølvchlorid. Det er en erfaringssag, at alle natriumsalte og alle nitratsalte er letopløselige i vand, men sølvchlorid er tungtopløseligt. Fældningsreaktionen må derfor være:

– ladningerne er små eller – elektronegativitetsforskellen er stor.

➝

NaCl(s)

Fældningsreaktioner er meget anvendte til fremstilling af ionforbindelser, men også til at udskille uønskede stoffer. Når man fx skal fjerne phosphat fra spildevand, gøres det ved en fældning. Det sker normalt ved, at man tilsætter jern(III)ioner til spildevandet, hvorved der dannes jern(III)phosphat:

= 5,43 M

AgNO 3 (s)

Ag 2 O(s) + H 2 O(l)

Phosphatrensning af spildevand

 J JPRO ¼  /

NaCl(s)

➝

➝

FePO 4 (s)

Det er ikke overraskende, at jern(III)phosphat er tungtopløseligt, da begge indgående ioner har tredobbelt ladning. Det er vigtigt at reducere indholdet af phosphat i spildevandet, inden det ledes ud i naturen. Det skyldes, at phosphat er et næringsstof, der sammen med nitrat er med til fx at øge algevæksten i vandmiljøer. Desværre er det ikke muligt at fjerne nitrat ved fældning, da der ikke findes tungtopløselige nitratforbindelser.

Nonoxal Undertiden er det også muligt at uskadeliggøre stoffer med uheldige egenskaber ved at omdanne dem til fast stof. Det er fx muligt med den oxalsyre, der findes i rabarber og spinat. Oxalsyre, H2C2O4, er usundt i større mængder, men kan uskadeliggøres

CaCO 3 (s)

➝

Na + (aq) + Cl – (aq) Ca 2+ (aq) + CO 3 2– (aq)

Den anden ting, der er afgørende for opløseligheden, er forskellen i elektronegativitet mellem de indgående ioner. Ser vi på natrium, sølv og chlor, har disse grundstoffer følgende elektronegativitet: Na: 0,9

Ag: 1,9

Cl: 3,0

Det giver en forskel på 2,1 for natriumchlorid og 1,1 for sølvchlorid. Her er reglen den, at jo større forskel, desto lettere opløselig er ionforbindelsen. Det forklarer, at natriumchlorid er lettere opløseligt i vand end sølvchlorid: NaCl(s)

➝

Na + (aq) + Cl – (aq)

AgCl(s)

➝

Ag + (aq) + Cl – (aq)

Stor elektronegativitetsforskel mellem metal og ikke-metal betyder, at elektronerne er så godt som helt overført til ikke-metallet. Før et salt kan opløses i vand, skal elektronerne det sidste stykke vej, så de er helt ovre på ikke-metallet. Ionforbindelsers opløselighed stiger normalt med temperaturen, og opløsningshastigheden stiger altid med temperaturen.

Isis 96

97

Ioner

40

Fældningstitrering

En titrering er en analytisk metode til at bestemme stofmængden i en afmålt portion prøve. Man lader prøven reagere med en titrator, til der er ækvivalens.

Kemiske mængdeberegninger kan bruges til at bestemme stofmængden af en række stoffer, man er interesseret i. Det kunne fx være indholdet af salt i brød, smør eller pølse, af ethansyre i husholdningseddike eller af C-vitamin i æbler. Dette er det første opslag, men ikke det sidste, der beskriver analytisk brug af mængdeberegningerne. Både sølvnitrat og natriumchlorid er letopløselige i vand. Begge salte kan opløses til en formel koncentration på 0,1 M eller højere. Men hvis man blander to sådanne opløsninger sammen, fremkommer der et hvidt bundfald: Ag + (aq) + Cl – (aq)

Ækvivalenspunktet ses ofte ved hjælp af en indikator. En Mohr-titrering kan analysere en prøves indhold af chloridioner.

Mohrtitrering

➝

AgCl(s)

Det kan bruges analytisk. Hvis man ønsker at bestemme en opløsnings koncentration af chloridioner, skal man afmåle et kendt volumen chloridionopløsning og så bestemme den ækvivalente mængde sølvioner. Det gøres ved at tilsætte opløsningen sølvioner, indtil der ikke kommer mere sølvchloridbundfald. For at kunne udregne chloridionopløsningens koncentration skal man have styr på mængderne. Derfor afmåler man chloridionopløsningen med en fuldpipette og tilsætter sølvionopløsningen fra en burette. En burette er et langt glasrør med en volumenskala på, så man kan se, hvor meget sølvionopløsning man har hældt ned i chloridionopløsningen. Man skal også skaffe sig en måde at registrere ækvivalenspunktet på. Ækvivalenspunktet er det punkt i titreringen, hvor der er ækvivalente mængder af reaktanter. Det gør man normalt lettest ved at anvende en indikator. En indikator er et stof, der skifter farve i ækvivalenspunktet. I det konkrete tilfælde kan man an-

vende chromationer, fordi sølvioner danner et rødt bundfald med chromationer: 2 Ag + (aq) + CrO 4 2– (aq)

➝

Ag 2 CrO 4 (s)

Da sølvionerne helst vil udfælde med chloridioner, sker det med de første sølvioner, og opløsningen bliver mere og mere mælket af det hvide sølvchlorid. Først når alle chloridionerne har reageret, påbegyndes dannelsen af det røde sølvchromat. Ækvivalenspunktet er altså nået, når opløsningen begynder at få et rødt skær.

Q$J + = F µ9 = 0,102 M · 13,4 mL = 1,37 mmol Da sølvioner reagerer 1:1 med chloridioner, er stofmængden af chloridioner det samme: Q&O - = Q$J

+

= 1,37 mmol

Denne titrering kaldes en Mohrtitrering.

Da denne stofmængde var opløst i 2,00 mL havvand var den oprindelige koncentration:

Analyse af saltindhold

>&O  @=

Mohrtitreringen kan bruges på mange ting, hvis saltindhold man gerne vil måle. Vi ser på et eksempel, hvor vi bestemmer saltindholdet i havvand. 2,00 mL havvand overføres til en konisk kolbe. Der tilsættes ca. 50 mL vand, så blandingen kan omrøres effektivt, og ca. 1 mL kaliumchromatopløsning. Opløsningen titreres nu med 0,102 M sølvnitratopløsning. Buretten nulstilles før titreringen begynder. Under titreringen bliver væsken først mere og mere mælket af udfældet sølvchlorid: Ag + (aq) + Cl – (aq)

➝

 PPRO  P/

= 0,683 M Hvis vi går ud fra, at al chloridet var natriumchlorid (se forrige opslag), kan vi omregne til massen ‰ 0,683 M · 58,43 g/mol = 39,9 g/L = 39,9 ‰

AgCl(s)

Pludselig bliver den mælkede væske orange-grumset af sølvchromat: 2 Ag + (aq) + CrO 4 2– (aq)

=

Q&O 9

➝

Ag 2 CrO 4 (s)

Buretten aflæses nu til 13,4 mL. Stofmængden af sølvioner, der er sat til havvandet, er:

Ag +(aq)

+

V: 13,4 mL c: 0,102 M n: 1,37 mmol

Cl –(aq)

➝

AgCl(s)

2,00 mL 0,683 M 1,37 mmol

Burette

Overfladesaltholdighed

Skagerak Storebælt Gotlandsdybet Kattegat Bornholm

30 ‰

30 ‰

Titrator

Ålandshavet Bottenviken Bottenhavet

100 m 10 ‰

‰ 20

200 m

Titrand

10 ‰

Magnet

35 ‰ 20 ‰ 7‰ 6‰ 5‰

Vandets saltindhold

300 m

‰ 10

20

Magnetomrører

‰

– efter længere tids sydgående strøm. – efter længere tids nordgående strøm.

Isis 98

99

Ioner

41

Endoterme og exoterme reaktioner Ved mange kemiske reaktioner oplever man, at der sker en temperaturændring.

Reaktioner, der frigør energi til omgivelserne, kaldes exoterme.

I de fleste tilfælde stiger temperaturen, og der må da være omsat kemisk energi til termisk energi (også kaldet indre energi). Det er fx velkendt fra forbrændingsreaktioner, hvor der frigøres en større eller mindre mængde energi til omgivelserne. Reaktioner, der frigør energi til omgivelserne, kaldes exoterme (græsk: exo = ude, therme = varme).

Reaktioner, der optager energi fra omgivelserne, kaldes endoterme.

Man kan også komme ud for reaktioner, hvor temperaturen falder. Der bliver da omsat termisk energi til kemisk energi i produkterne. Produkterne vil ofte optage energi fra omgivelserne, og man siger, at reaktionerne er endoterme (græsk: endon = indvendig).

“Syre i vand man kan” Smeltning og fordampning er endoterme reaktioner.

Biobrændsler I Brasilien kører mange biler på ethanol (sprit), der fremstilles af sukkerrør. Pointen er, at sukkerrør og andre vegetabilske råstoffer er CO2-neutrale. Når sukkerrørene vokser, optager de CO2 ved fotosyntesen, og ved forbrændingen af ethanolen frigives der igen CO2:

Størkning og fortætning er exoterme reaktioner.

2 C 2 H 5 OH(l) + 6 O 2 (g)

4 CO 2 (g) + 6 H 2 O(g)

Forbrændingen er exoterm: for hvert kg ethanol, der forbrændes, afgives der en energimængde på 25,3 MJ. Man siger, at brændværdien for ethanol er 25,3 MJ/kg.

Salg af personbiler i Brasilien Salg i %

➝

- procentfordeling efter brændstof

100

I Danmark har man gjort forsøg med rapsolie som brændstof i dieselmotorer.

benzin

Fortynding af syrer Det lyder umiddelbart uskyldigt at blande syrer med vand, men faktisk sker der en exoterm kemisk reaktion (en hydronolyse – omtales på de følgende opslag).

80

alkohol 60

Risikoen for, at noget går galt, er størst, når koncentreret svovlsyre blandes med vand. Man skal da under omrøring hælde syren i vand. Da svovlsyre har større massefylde end vand, vil syrestrålen fortsætte ned gennem vandet, så varmeudviklingen bliver fordelt over et stort område.

40

diesel

20

0 1995

man bruge “isposer”. De kan købes i sportsforretninger og kan fx indeholder ammoniumnitrat, NH4NO3, på fast form samt en inderpose med vand. Når posen skal anvendes trykkes inderposen i stykker, og posen rystes let. Der sker da en hurtig nedkøling, fordi der i posen foregår en endoterm opløsningsreaktion: NH 4 NO 3 (s)

➝

NH 4 + (aq) + NO 3 – (aq)

Har man brug for en opvarmning, kan man i stedet bruge en “varmepose”. De kan indeholde magnesiumsulfat, MgSO4, på fast form sammen med en inderpose med vand. Når magnesiumsulfat opløses i vand, sker der nemlig en exoterm reaktion: MgSO 4 (s)

➝

Mg 2+ (aq) + SO 4 2– (aq)

Når denne opløsningsreaktion er exoterm, skyldes det, at hydratiseringen af især magnesiumionerne er stærkt exoterm. Hvis man i stedet opløser magnesiumsulfat-vand (1/7) i vand, er opløsningsreaktionen svagt endoterm: MgSO 4 ·7H 2 O(s)

➝

Mg 2+ (aq) + SO 4 2– (aq) + 7 H 2 O(l)

Smeltning og fordampning Opløsningsreaktioner kan altså være både endoterme og exoterme. I modsætning hertil er smeltning og fordampning altid endoterme, da der skal anvendes energi til at bryde bindinger. Ved smeltning af is skal der bruges 334 kJ/kg: H 2 O(s)

➝

H 2 O(l)

Ved smeltning brydes kun en lille del af bindingerne mellem molekylerne. Ved fordampning brydes alle bindinger mellem molekylerne: H 2 O(l) ➝ H 2 O(g) Fordampningsvarmen er derfor meget større end smeltevarmen. Ved 100 °C er vands fordampningsvarme 2257 kJ/kg. Omvendt er fortætningsreaktioner exoterme. H 2 O(g)

➝

H 2 O(l)

Ved fortætning af 100 grader varm vanddamp afgives 2257 kJ/kg. Vanddamps store fortætningsvarme bevirker, at varm vanddamp udgør en alvorlig skoldningsrisiko.

Hvis man hælder vand på svovlsyre, vil det meste lægge sig et lag oven på syren, og varmeudviklingen kan forårsage lokal kogning, hvorved syre kan sprøjte langt væk. 1965

1975

1985

1995

I 1980’erne blev der solgt mange personbiler i Brasilien, der kørte med alkohol som brændstof. Det er nu næsten gået i stå, men forbruget af alkohol til personbiler er stadig højt, da benzinen er tilsat 20 % alkohol.

Behandling af sportsskader Hvis man under sportsudøvelse får en forstuvning, kan man reducere hævelser og lindre smerter ved afkøling. Til det kan

Isis 100

101

Ioner

Opg Opgaver 32.1.*

33.3.*

Find de ioner med ladning fra -3 til +3, der har samme elektronstruktur som Ar.

Hvilke ioner indgår der i a) FeCl2 hhv. FeCl3 b) SnO hhv. SnO2 c) KMnO4 hhv. K2MnO4 d) Ce2(SO4)3 hhv. Ce(SO4)2

32.2.*

Hydrid-ionen har samme elektronstruktur som He – hvad er dens formel?

33.4.***i 32.3.* Hvilke ioner vil følgende ikke-metaller danne? S F Br Se I

Det er svært at afbilde iongitre på papir, så man kan få indtryk af deres opbygning. Prøv at finde tredimensionale afbildninger af ZnS på Internettet. Brug søgeord “ionic crystal” og “zinkblende”.

34.9.** Skriv formel for følgende stoffer: a) Kaliumchlorat b) Magnesiumnitrat c) Bariumhydroxid d) Natriumthiosulfat e) Aluminiumsulfat f) Ammoniumsulfat g) Calciumdihydrogenphosphat

35.1.*

Hvor mange gram Ca2+-ioner er der i 1,0 L middelhårdt vand med hårdheden 10 °dH?

36.3.i Drikkevand indeholder ikke permanganat, men alligevel bestemmer man et permanganattal ved drikkevandsanalyser – hvad angiver det?

37.7.**

36.4.i Hvorfor fylder man salt på opvaskemaskiner?

37.8.**

37.1.*

Ved fortynding af en opløsning gælder følgende formel:

Navngiv følgende ioner: b) Fe2+ a) Ca2+ c) Fe3+ d) Cu2+

34.2.*

35.2.*

37.2.*

Navngiv følgende ioner: b) F– a) Se2– c) P3– d) O2–

De kalksten, man nogle steder finder i undergrunden, består af CaCO3. Det, der holder mursten sammen i et hus, er CaCO3. Gør rede for, hvordan CaCO3 er blevet omdannet undervejs.

“M” kan både stå for den fysiske størrelse “molar masse”, for enheden “Molær” og “mega”, der betyder 106. Hvad står “M” for i de fire eksempler?

35.3.*

F =

34.1.*

a) 1,0% KOH b) 1,0% NaOH c) 1,0% Ca(OH)2 Gå ud fra, at alle opløsninger har massefylden 1,0 kg/L.

På en børnetandpastatube står der deklareret, at den indeholder 0,04% F–, hvilket er det samme som 0,09% NaF. Kontrollér, at de to koncentrationer svarer til hinanden.

Kalium er et meget vigtigt gødningsstof. Nogle steder kan man finde KCl i undergrunden, men ofte omdannes det til K2SO4 , før det bliver anvendt som gødningsstof – hvorfor mon?

32.4.* Hvilke ioner vil følgende metaller fra 1. til 3. hovedgruppe danne? Li Ca Ga Ba Cs

(Na2CO3) og krystalsoda (Na2CO3·10H2O).

Man blander 0,601 mol natriumchlorid med 100 mL vand, og blandingen fylder 104 mL. Beregn stofmængdekoncentrationen.

32.6.* Hvor mange protoner og elektroner er der i følgende ioner? Ag + Se 2– In 3+ Sn 4+ La 3+ Hvilke af ionerne har samme elektronstruktur som en ædelgas?

34.3.* Navngiv disse ionforbindelser: a) FeCl2 hhv. FeCl3 b) SnO hhv. SnO2

34.4.** 32.7.** Hvilke ioner dannes, når magnesium reagerer med dinitrogen? Skriv reaktionsskemaet.

Navngiv disse ionforbindelser: hhv. K2MnO4 a) KMnO4 b) Ce2(SO4)3 hhv. Ce(SO4)2

34.5.* 32.8.** Hvor mange procent bliver et lithiumatom lettere, når det afgiver en elektron?

33.1.* Angiv formler for de 12 ionforbindelser, der kan dannes mellem ionerne i skemaet: Na +

NO 3 -

S 2-

PO 4 3 -

Ca 2 + Fe 3 + Zr 4 +

c = 0,40 M

Magnesiumhydroxid omdannes til magnesiumoxid ved opvarmning til 350 °C. Skriv reaktionsskemaet for omdannelsen.

F HIWHU =

(9I—U ¼ F I—U )

40 mL 0,10 M natriumhydroxid fortyndes til koncentrationen bliver 0,020 M. Hvad fylder opløsningen?

38.5.**

9HIWHU

hvor “før” og “efter” hentyder til værdierne før og efter fortyndingen. Bevis denne sammenhæng.

I teksten beskrives en havvandprøve og en blodprøve. Hvad bliver de totale koncentrationer af positive og negative ioner i de to prøver? Kommentér resultatet.

38.6.** 37.9.** I en champagneflaske er trykket ca. 600 kPa. Koncentrationen af carbondioxid er ved dette tryk 0,20 M. Beregn volumenet ved 20 °C og 101 kPa af den carbondioxid, der er opløst i en flaske (0,75 L) champagne.

100 mL opløsning blev lavet ved at opløse 1,43 g natriumphosphat i vand. Hvad er koncentrationen af natriumioner og phosphationer?

38.7.***

Hvor meget zink kan reagere med 200 mL 4,0 M saltsyre? Hvad er volumenet af den udviklede dihydrogen?

Hæmoglobin transporterer dioxygen i hvirveldyrs blod. Det er et protein med en molar masse på 64,5 kg/mol (!), og et normalt menneskes blod indholder ca. 150 g/ L. Et mol hæmoglobin kan binde 4 mol dioxygen. I vand med en temperatur på 37 °C, kan der af dioxygen maksimalt være opløst 6,7 mg/L. Beregn den maksimale molære koncentration af dioxygen i vand og blod og kommentér resultatet.

En kobbertråd afvejes til 10,209 g og anbringes i 250 mL 0,300 M sølv(I)ionopløsning. Der forløber nu en reaktion, hvorved der dannes rent sølv, der alt sammen lægger sig på bunden af glasset, samt kobber(II)ioner. Efter endt reaktion rengøres og vejes kobbertråden igen: 9,493 g. a) Opskriv og afstem den forløbne reaktion. b) Beregn de aktuelle koncentrationer af kobber(II)ioner og sølv(I)ioner efter endt reaktion. c) Beregn massen af det udfældede sølv.

37.5**

38.1.*

38.8.***

Hvis man blander 10,0 g natriumhydroxid med 90,0 g vand får man en opløsning med en massefylde på 1,1089 g/mL. a) Hvad fylder de 100,0 g blanding. b) Hvor stor er stofmængdekoncentrationen?

Beregn den formelle koncentration af bly(II)chlorid og den aktuelle koncentration af Pb(II)ioner og chloridioner i en opløsning af 0,10 mol bly(II)chlorid i 400 mL opløsning.

Amalie ønsker at bestemme grundstoffet holmiums molare masse. Hun afvejer 1,1597 g holmium(III)chlorid, og opløser det i vand. Hun tilsætter nu overskud af sølvnitrat, filtrerer bundfaldet fra, tørrer og vejer det: I alt 1,8382 g. Hvad er holmiums molare masse?

m = 30 Mton

37.3.* Blod indeholder ca. 1,0 g glucose (C 6H 12O 6) pr. liter. Beregn stofmængdekoncentrationen.

35.5.** Natriumhydroxid kan reagere med carbondioxid og danne natriumcarbonat. Skriv reaktionsskemaet.

Sonja ønsker at lave 200 mL 0,50 M nikkel(II)ionopløsning. a) Hvor mange mol NiCl2(s) skal hun bruge? b) Hvad er massen heraf? c) Hvordan laves opløsningen i praksis?

37.4.**

37.10.***

36.1.* 34.6.* Hvor mange masseprocent vand er der i krystalsoda?

Du vil lave en gipsafstøbning af et dyrespor og tager 100 g brændt gips – hvor meget vand skal du tilsætte? c) Al2O3 f) Al2(SO4)3

P 0 ¼9

35.4.*

Ved en analyse af havvand bestemmer man indholdet af Na+ til 10,5 g/L og af Cl– til 19,0 g/L. Indeholder havvandet flest Na+ eller Cl–?

34.7.**

33.2.* Hvilke ioner indgår der i a) Na2S b) MgBr2 d) Na2SO3 e) Mg(OH)2

Skriv formel for følgende stoffer: a) Magnesiumiodid b) Aluminiumbromid c) Calciumoxid d) Aluminiumoxid e) Calciumchlorid

Gæt på smeltepunkter for følgende strontiumforbindelser: SrCl2 og SrO

M = 15,9994 g/mol

38.3.*

38.4.*

32.5.* Angiv formel for ionen, der har 27 protoner og 25 elektroner.

natriumioner i en opløsning, der er lavet ved at opløse 1,4 g natriumchlorid i vand, så volumenet bliver 500 mL?

34.8.*i Find i en tabel smeltepunkter for soda

36.2.** Calciumioner i vand gør vandet “hårdt”. Hårdheden angives i °dH. Hvis man opløser 10 mg CaO i 1 liter vand, siger man, at hårdheden er 1 °dH. CaO(s) + H2O(l) ➝ Ca2+ + 2 OH–(aq)

PbCl 2 (aq)

37.6.** Beregn koncentrationen af hydroxidioner i følgende tre opløsninger:

38.2.*

➝

Opg

Pb 2+ (aq) + 2 Cl – (aq)

Hvad er den aktuelle koncentration af

38.9.i

Hvorfor er havvand salt?

Isis

102

103

Syrer og baser

Ioner 38.10.* Både Mg2+ og Ca2+ bidrager til hårdheden af drikkevand. En hårdhed på 1 °dH svarer til, at summen af [Mg2+] og [Ca2+] er 0,178 mM. Drikkevand må højst indeholde 50 mg Mg2+ pr. liter – hvilken hårdhed svarer det til?

b) Fe(OH)2

eller

Fe(OH)3

39.8.** Man kan opløse 40,0 g natriumhydroxid i 60,0 g vand. Det giver en opløsning med massefylden 1,430 g/mL og en formel koncentration på 14,3 M. Beregn opløsningens volumen.

39.1.* Afstem følgende fældningsreaktioner: Ag + (aq) + Br – (aq) Ag + (aq) + S 2– (aq) Co2+(aq) + PO43–(aq)

➝ ➝ ➝

AgBr(s) Ag 2 S(s) Co 3 (PO 4 ) 2(s)

39.2.* Fuldfør og afstem reaktioner for opløsning af de følgende stoffer i vand: a) CaCl 2 (s) ➝ b) Na 2 CO 3 (s) ➝ c) (NH 4 ) 2 SO 4 (s) ➝

39.3.** Opskriv og afstem reaktioner for opløsning af de følgende stoffer i vand a) Kaliumhydroxid b) Kaliumcarbonat c) Jern(III)chlorid

39.4.** Opskriv og afstem fældningsreaktioner mellem a) Bly(II)ioner og sulfidioner b) Magnesiumioner og hydroxidioner c) Sølvioner og phosphationer

40.1.* Opskriv fældningsreaktionerne mellem bromidioner og sølvioner samt iodidioner og sølvioner. Måler man den samlede koncentration af chlorid-, bromid- og iodidioner ved en Mohrtitrering, eller registrerer man kun chloridionerne?

Syrer og baser

a) Beregn rugbrødets natriumchloridindhold i masse%. b) Hvorfor skylles med tre små portioner vand?

42. Syrer og baser

40.2.*

41.1.i

I en titrering tilsætter man ofte en sjat vand, inden man begynder at tildryppe fra buretten. a) Hvad er problemet, hvis der er for lille et volumen? b) Hvorfor er det ikke nødvendigt at kende det totale volumen?

Find i en tabel brændværdierne for a) benzin b) bøgetræ c) methan

44. Vigtige syrer og baser

40.3.** Gösta ønsker at måle Østersøens saltholdighed på tre dybder ud for Gotland. Han udtager 5,00 mL af vandprøverne, fortynder med lidt demineraliseret vand og tilsætter 20 dråber kaliumchromatopløsning som indikator. Opløsningen titreres nu med 0,100 M sølvnitratopløsning, og ækvivalensvolumenerne er som følger:

39.5.*** Opskriv og afstem fældningsreaktioner mellem opløsninger af a) Natriumhydroxid og kobber(II)sulfat b) Kaliumsulfat og bariumchlorid c) Sølvnitrat og kaliumiodid

omrøre i 10 minutter for at udtrække al natriumchloridet. Opslæmningen filtreres, og laboranten skyller filteret og det udvaskede rugbrød med tre små portioner vand. De fire portioner blandes. Bagefter tilsættes ca. 1 mL kaliumchromatopløsning. Der titreres med 0,100 M sølvnitratopløsning. Burettens væskesøjle står ved 21,3 mL før titreringen og ved 28,0 mL, når den mælkede væske får det første orange-grumsede skær.

43. Vand

45. pH

41.2.i

46. Måling af pH

Find ud af, hvad forskellen er på “nedre brændværdi” og “øvre brændværdi”.

47. Blanding af syrer og baser

41.3.**

48. Syre-basetitrering

Omregn brændværdien for ethanol fra MJ/kg til MJ/mol.

Opgaver

41.4.* Afgør, om følgende reaktioner er endoterme eller exoterme: a) fordampning af acetone b) forbrænding af acetone c) fortætning af acetonedampe

41.5.* Dybde Ækvivalensvolumen Overflade 5,1 mL 50 m 6,0 mL 150 m 17,1 mL

Is kan også “fordampe”, så isbelægninger bliver mindre, selv om det er frostvejr. Processen kaldes en sublimation. Er en sublimation endoterm eller exoterm?

41.6.i Hvilket salt er mest opløseligt i vand (angiv tillige navne for saltene)? a) NaCl eller AlPO4 b) Na3PO4 eller FePO4

a) Beregn chloridionkoncentrationen i de tre dybder. b) Beregn også vandets saltholdighed som masse%. c) Hvad skal Gösta gøre ved affaldet?

39.7.**

40.4.***

Hvilket salt er mest opløseligt i vand (angiv tillige navne for saltene)? a) CdS eller CaS

På et laboratorium afvejer en laborant 4,97 g rugbrød, smuldrer det til krummer og hælder ca. 50 mL vand på og lader det

39.6.**

104

Find fordampningsvarmen for ethanol og sammenlign med vands fordampningsvarme. Kommenter.

Opg 41.7.**

Hvorfor kan man måle luftfugtigheden med to termometre, hvoraf det ene er omviklet med en våd klud?

Isis 105

Syrer og baser

42

Syrer og baser Der er mange eksempler på syrer og baser, som du møder i hverdagen. Når man sylter rødbeder eller laver salatdressing, skal man bruge eddike, og til at rense afløb eller afsyre træmøbler og -døre bruger man natriumhydroxid. Citroner indeholder citronsyre, æbler indeholder æblesyre, og cola indeholder phosphorsyre.

Syrer kan afgive hydroner, og baser kan optage hydroner. Oxoniumion

For at en syre kan afgive en hydron, skal der være en base, der kan optage den. En sådan reaktion kaldes en syre-basereaktion.

+ O H

H H

Nogle få syrer som saltsyre, salpetersyre og svovlsyre er stærke syrer, men de fleste syrer er svage. En syre omdannes til sin korresponderende base, hvis den afgiver en hydron. Tilsvarende omdannes en base til sin korresponderende syre, hvis den optager en hydron.

Syrer er helt generelt stoffer, der kan afgive en hydrogenion (H+ eller hydron). Baser er omvendt stoffer, der kan optage en hydron. HCl er et eksempel på en syre: HCl(aq) +

➝

H 2 O(l)

H 3 O + (aq) + Cl – (aq)

H3O+ kaldes oxoniumion. Ammoniak er et eksempel på en base: NH 3 (aq)

+

H 2 O(l)

➝

NH 4 + (aq) +

OH – (aq)

Hydroner kan ikke eksistere frit. De må straks finde et frit elektronpar på et molekyle eller en ion at forbinde sig til. Der gælder derfor, at der skal afgives og optages hydroner samtidigt, og sådanne reaktioner kaldes syre-basereaktioner, fx: HCl(g) + NH 3 (g)

➝

NH 4 Cl(s)

H 2 SO 4 (l) + H 2 O(l)

➝

HSO 4 – (aq) + H 3 O + (aq)

Na 2 O(s) + H 2 O(l)

➝

2 Na + (aq) + 2 OH – (aq)

Den midterste af de nævnte tre reaktioner ser man også ofte skrevet som: H 2 SO 4 (l) Gasserne hydrogenchlorid og ammoniak danner det faste stof ammoniumchlorid.

➝

HSO 4 – (aq) + H + (aq)

Det kan man, fordi H3O+(aq) og H+(aq) er synonymer, og det jo stadig fremgår, at svovlsyre afgiver en hydron til vand.

Ligevægt Det er dog kun de færreste syrer, der fuldstændigt afgiver sine H+-ioner. Disse kaldes stærke syrer og er bl.a. saltsyre, HCl(aq), og salpetersyre, HNO3(aq). Oftest indstiller der sig en ligevægt, hvilket betyder, at reaktionen ikke løber til ende. Der er både reaktanter og produkter til stede i reaktionsblandingen. Det er fx tilfældet i husholdningseddike: CH 3COOH(aq) + H 2O(l)

CH 3COO –(aq) + H 3O +(aq)

syre og fra base til base. Således er svovlsyre farligere at omgås end fx saltsyre. Kravene til mærkning aftager ved fortynding. Svovlsyre skal, når den formelle koncentration kommer under 1,686 M, kun mærkes “Lokalirriterende; Xi”, mens overgangen til denne mærkning for saltsyres vedkommende blot kræver, at den formelle koncentration er under 7,705 M. Under 0,526 M skal svovlsyre ikke forsynes med faresymbol, mens den samme grænse for saltsyre er 2,873 M.

CH3COOH kaldes ethansyre (eller eddikesyre) og er et eksempel på en svag syre.

Er uheldet ude, er midlet vand, da det jo fremgår, at ætsningsfaren forsvinder ved fortynding.

Læser man reaktionen bagfra – og det kan man jo godt, når reaktionen er en ligevægt – ser man følgende:

Det er naturligvis særlig farligt at få ætsende syrer og baser i øjnene. Koncentrerede syrer og baser kan give kraftige ætsninger på kort tid, og selv fortyndede syrer og baser kan give alvorlige øjenskader.

CH 3COO –(aq) + H 3O+(aq)

CH 3COOH(aq) + H 2O(l)

Stoffet CH3COO– (ethanoat) reagerer her som base. Man siger, at ethansyre og ethanoat er et korresponderende syre-basepar. C

Der gælder følgende skylletider, dvs. de tider der højst må gå, før skylning starter, hvis uoprettelige øjenskader skal undgås:

Omgang med syrer Koncentrerede, stærke og svage syrer og baser kan lave ætsningsskader på hud, slimhinder, øjne, tøj og andre materialer. Derfor skal de mærkes med faresymbolet “Ætsende; C”. C står for “corrosive”, der er det engelske ord for ætsende.

Støv Syre Base

10 sek 3 sek 1 sek

De hyppigste skader fra syrer er på tøjet. Det mest lumske er, at der normalt ikke går hul, før tøjet bliver vasket næste gang. Ætsende

For at en syre eller base skal mærkes, skal den kunne give vævsdød efter 4 timer på hud. Ætsningsfaren er forskellig fra syre til

Rent vand og ren ethansyre kan ikke lede den elektriske strøm. Det tolker vi, som at der ikke er ret mange ioner i væsken. Når vand og ethansyre blandes, leder blandingen den elektriske strøm. Der dannes altså ioner i blandingen.

Elektroder

Strømkilde

Ethansyre

Ethansyre og vand

Isis 106

107 107

Syrer og baser

43

Vand Vand indtager en særstilling både i hverdagen og i kemi. Vi bruger det som opløsningsmiddel – i kroppen, til rengøring og i laboratoriet. Planter holder sig udspændt af vand. Vand er meget polært, og derfor er det godt til at opløse salte.

Vand er en amfolyt. Det vil sige, at den både kan reagere som syre og base.

Amfolyt Vand kan både reagere som syre og base:

Vand kan indgå i en syre-basereaktion med sig selv. Det kaldes autohydronolyse.

+

–

H 3 O (aq) + OH (aq)

H 2 O(l) + H 2 O(l)

H

H

H

C

H

H

H

109º

Ikke bindende elektronpar

H 3 O + (aq) + OH – (aq)

På figuren ser du tre andre molekyler foruden vandmolekylet. Af dem er det kun ammoniakmolekylet, der på samme måde som vandmolekylet kan optage en hydron.

H

N H

H

H

N

H

H

H

107º

I rent (HELT rent) vand er oxoniumionkoncentrationen 10–7 M, så autohydronolysen er altså ikke en reaktion, der sker i stort omfang. Når man tilsætter en syre til helt rent vand, vil oxoniumionkoncentrationen vokse til over 10–7 M, og så siger vi, at vi har en sur opløsning. Tilsvarende er en basisk opløsning en opløsning, hvor oxoniumionkoncentrationen er under 10–7 M.

Vands ionprodukt Der er både oxoniumioner og hydroxidioner i alle opløsninger. Der er selvfølgelig flest oxoniumioner i sure opløsninger, men der er også nogle få hydroxidioner. I baser er det omvendt. Det får betydning, når vi skal beregne den såkaldte surhedsgrad – også kaldet pH. Mere herom på opslag 45.

10-1

10-2 10-3 10-4 10-5 10-6

10-7

10-7 - ] H [O

10-8

10-9

10-9

10-10

10-10

10-11

10-11 10-12 10-14

O

O H

H

H

H

104º “Se! Når vi tager 400 mL af en forbindelse, der indeholder hydrogen og oxygen i et 2:1–forhold, og tilsætter 7 mL 0,01 M AMPA, 5 mL koncentreret blomstergødning og 400 mg oparbejdet industriaffald, får vi drikkevand.”

F

F

H

H

Der er en simpel sammenhæng mellem oxoniumionkoncentrationen og hydroxidionkoncentrationen:

[ H3O+ ]

[H3O+]

10-14

CH 3COOH(aq) + OH – (aq)

Bindende elektronpar

Sur, basisk og neutral opløsning

10-6

10-12 10-13

➝

Vandets amfolytiske egenskaber kan måske bedst forstås ved at betragte vandmolekylets elektronstruktur. Oxygen har 6 elektroner i yderste skal, og hydrogen har 1 elektron i yderste skal. I et vandmolekyle er der følgelig 8 elektroner, der skal placeres rundt om oxygenatomet i fire par. To par er bindinger, men der er to såkaldt frie elektronpar, der danner negativt ladede skyer af elektroner. Her kan en hydron placeres, og resultatet er en oxoniumion:

Denne reaktion kaldes for vands autohydronolyse.

10-3

10-8

CH 3 COO –(aq) + H 2 O(l)

H 2 O(l) + H 2 O(l)

10-1

10-4 10-5

NH 3 (aq) + H 3 O + (aq)

Vand vil faktisk reagere med sig selv i en vis udstrækning:

En neutral opløsning har en oxoniumionkoncentration på 1,0·10-7 M. En sur opløsning har en højere, og en basisk opløsning har en lavere oxoniumionkoncentration.

10-2

➝

Stoffer, der kan reagere både som syre og base, kaldes amfolytter.

Produktet af oxoniumionkoncentrationen og hydroxidionkoncentrationen er 1,0·10-14 M2.

[ OH- ]

NH 4 + (aq) + H 2 O(l)

H

Elektronstruktur

10-13

[H 3 O + ] · [ OH – ] = 1,0 · 10 –14 M 2 Har vi således en opløsning, der formelt er 0,010 M natriumhydroxid, ved vi, at den aktuelle hydroxidionkoncentration er 0,010 M, idet NaOH(s) ➝ Na + (aq) + OH – (aq) Indsætter vi dette i ligningen, kan oxoniumionkoncentrationen beregnes: [H 3O+] · 0,010 M = 1,0 · 10 –14 M 2 [H3O+] = 1,0 · 10–12 M Læs om brug af grafregner på cd-rom’en. Hvis oxoniumionkoncentrationen er under 10–7 M, vil hydroxidionkoncentrationen være over og omvendt.

Isis 108

109

Syrer og baser

44

Vigtige syrer og baser Svovlsyre

Svovlsyre forhandles som et rent stof, der er en væske, mens saltsyre er en vandig opløsning af gassen hydrogenchlorid. Kalk er en tungtopløselig base, mens natriumhydroxid og ammoniak er letopløselige baser. Ammoniak er en gas, mens natriumhydroxid og kalk er salte. Ammoniak og saltsyre fremstilles af de rene grundstoffer, mens kalk brydes i naturen. Natriumhydroxid og svovlsyre fremstilles ved sammensatte reaktionssekvenser.

Drypstenshuler indeholder stalaktitter (hængende) og stalagmitter (stigende) af kalk.

Kalk

Svovlsyre (H2SO4) er den kemiske forbindelse, der fremstilles mest af i den kemiske industri. I USA blev der i 1995 produceret 48 millioner ton svovlsyre. Det bruges af andre kemiske fabrikker, bl.a. i fremstilling af phosphatkunstgødning og plastik. Indtil for nylig var det almindeligt, at bilers akkumulatorer skulle påfyldes svovlsyre med jævne mellemrum. I dag er de fleste vedligeholdelsesfri, så det slipper bilejerne altså for. Svovlsyre fremstilles hovedsageligt med cyclooctasvovl som udgangsstof. Det oxideres først til svovldioxid: ➝

S 8 (s) + 8 O 2 (g)

8 SO 2 (g)

Svovldioxiden skal oxideres videre: 2 SO 2 (g) + O 2 (g)

➝

2 SO 3 (g)

Det er ganske vist en spontan reaktion, men den foregår meget langsomt, selv ved 450 °C. Et sådant problem løser man ved at tilsætte en katalysator, i dette tilfælde V2O5(s).

Kalk er et upræcist navn for calciumcarbonat (CaCO3). Det findes i enorme mængder i jordskorpen som aflejringer af kalkdele fra planter og dyr fra havet. Mange af disse aflejringer er fra perioden fra for 125 millioner til for 65 millioner år siden; en periode, der kaldes kridttiden.

lig hastighed, hvis temperaturen er høj, men jo varmere reaktionsblandingen bliver, jo mindre ammoniak er der ved ligevægt. Kompromiset er en temperatur på ca. 450 °C. For at øge udbyttet af ammoniak, kan man øge trykket. I praksis forløber reaktionen ved et tryk på 30 MPa. Hvis man forøgede trykket, ville udbyttet blive højere, men det er dyrt at lave produktionsanlæg, der kan tåle meget højt tryk.

Kalk er tungtopløselig i vand, men den kan opløses i syre: CaCO3(s) + 2 H3O+(aq)

➝ Ca2+(aq) + CO2(g) + 3 H2O(l)

Det er i visse situationer praktisk, at basen ikke kan opløses i større mængder, før der kommer syre til. Så virker den modererende på pH. Kalk har været brugt som jordforbedringsmiddel i hele den historiske tid. Mange kulturplanter vokser bedst i kalkrig jord. Kalk bruges også til at neutralisere syre i forsurede svenske søer og i ørreddambrug, der modtager vand fra et okker-forsuret vandløb. Desuden bruges kalk i byggeindustrien (se opslag 35), og der bruges lidt til skrivekridt i skoler.

Til sidst opløser man svovltrioxid i vand: SO 3 (g) + H 2 O(l)

➝

H 2 SO 4 (l)

Natriumhydroxid

Ammoniak

➝

HSO 4 – (aq) + H 3 O + (aq)

Det er så stærkt vandsugende, at det kan bruges til at fremme en reaktion, der danner vand.

Ammoniak er en svag base, men det anvendes mere som gødningsstof i landbruget end som base. Det fremstilles af sine grundstoffer:

Hydrogenchlorid opløses meget let i vand:

Denne proces var frem til 1913 problematisk at få til at forløbe industrielt. Der er to tekniske problemer ved reaktionen. For det første skal man have en velegnet katalysator; her har en jernforbindelse vist sig velegnet. For det andet forløber reaktionen kun med rime-

Igen er der tale om en voldsomt exoterm reaktion. Saltsyre er lidt dyrere end svovlsyre, men den mindst aggressive af de stærke syrer.

100 90 80 70 60

En opløsning af hydrogenchlorid i vand kaldes traditionelt for saltsyre. Hydrogenchlorid er en gas, der fremstilles ud fra de rene grundstoffer: H 2 (g) + Cl 2 (g) ➝ 2 HCl(g) HCl(g) + H2O(l) ➝ H3O+(aq) + Cl–(aq)

Volumenprocent NH3

a MP

Saltsyre

H 2 SO 4 (l) + H 2 O(l)

30

Fortynding af svovlsyre er stærkt exoterm. Så voldsomt, at blandingen kan stødkoge. Det er derfor vigtigt at hælde syren i vand, da syren så dels synker til bunds, og dels vil blandingen være relativt fortyndet i begyndelsen.

Fast natriumhydroxid er et hvidligt, voksagtigt stof, der forhandles som granulat. Det fremstilles ved en særlig elektrolyse. Elektrolyse kan du læse om på opslag 59. Modsat kalk er natriumhydroxid letopløseligt, og da det også er en stærk base, har det en mere dramatisk virkning på en opløsnings pH at tilsætte natriumhydroxid end at tilføre det kalk. Industrielt bruges det i mange sammenhænge til at regulere pH med; det kan du læse mere om på næste opslag. Som husholdningskemikalie kan man stadig møde navne som “kaustisk soda” eller “ætsnatron”. Det bruges til afløbsrens, fordi det nedbryder fedt, og fordi opløsning af natriumhydroxid er en stærkt exoterm reaktion. Det kan også bruges til at afsyre malede møbler med.

Den færdige svovlsyre forhandles som en 96 % vare, der er en tyktflydende væske med en massefylde, der næsten er det dobbelte af vands. Koncentreret svovlsyre er ætsende, da det reagerer meget voldsomt med vand og danner oxoniumioner:

N 2 (g) + 3 H 2 (g)

➝

2 NH 3 (g)

50 40 30 20 10 0 200

300

400

500

600

700

t / ºC

Isis 110

111

Syrer og baser

45 pH

pH kaldes også surhedsgraden og defineres til at være -log [H3O+]. Kender man oxoniumionkoncentration, kan man beregne pH og omvendt. Kender man hydroxidionkoncentrationen, kan man beregne oxoniumionkoncentrationen og omvendt. Kun stærke syrer afgiver alle sine hydroner i vandig opløsning.

Der er mange situationer, hvor man har interesse i at vide, hvor sur en opløsning er. pH kaldes også surhedsgrad og er nok det mest anvendelige mål herfor. I hverdagen kan man fx møde pH-regulerende midler til svømmepølen samt sæbe og shampoo, der reklamerer med at have hudens egen pH. Landmænd får regelmæssigt målt deres jords pH for at kunne dosere kalktilskud optimalt, og læger kan måle pH af en patients urin eller blod for at diagnosticere sygdomme.

Opløsninger, der indeholder en højere oxoniumionkoncentration end rent vand (og som følgelig har en lavere pH end 7), siges at være sure. Opløsninger med en oxoniumionkoncentration mindre end rent vands kaldes basiske, og de har så pH over 7. Er pH netop 7, siges opløsningen at være neutral. I praksis siger man dog, at opløsninger med pH mellem ca. 6 og ca. 8 er neutrale.

Spyt

6,5-7,5

Sved Blod

6-7 7,4

pH i HCl(aq) Det er ud fra oxoniumionkoncentrationen, pH fastlægges.

Oxoniumionkoncentrationen Alle syrer danner oxoniumioner i vandig opløsning. Derfor er koncentrationen af oxoniumioner et godt mål for, hvor sur en opløsning er. Oxoniumionkoncentrationen kan ligge fra op til ca. 10 M i meget koncentrerede syrer ned til ca. 10–15 M (altså 0,000 000 000 000 001 M) i stærkt basiske opløsninger. Som omtalt på forrige opslag, er koncentrationen af oxoniumioner i rent (neutralt) vand 10–7 M.

pH ud fra [H3O+]

Sammenligner vi fx tre opløsninger med oxoniumionkoncentrationer på 0,001 M 0,000 001 M og 0,000 000 001 M

Man kan beregne pH i en 0,50 M saltsyreopløsning således: Saltsyre er en vandig opløsning af hydrogenchlorid (HCl): HCl(g) + H 2 O(l)

➝

Mavesaft Bugspyt Tarmsaft Urin

H 3 O + (aq) + Cl – (aq)

1-3 7,5-5-8 5-8 5-8,4

Derfor må oxoniumionkoncentrationen være 0,50 M. pH findes så til 0,30 ved hjælp af grafregneren. Læs mere på cd-rom’en om brug af grafregneren. I 1.g møder du nok kun saltsyre og salpetersyre, der afgiver alle sine hydroner under alle forhold. I fortyndede opløsninger vil svovlsyre afgive begge sine hydroner. Andre syrer vil indstille en ligevægt mellem syren og den korresponderende base, så her har du ikke redskaber til at beregne pH. Så må man måle den! Det handler næste opslag om.

pH i NaOH(aq)

er det nogle ret uhåndterlige talstørrelser. I stedet bruger vi antallet af pladser efter kommaet, som ettallet er placeret. Altså 3, 6 og 9

Hvis hydroxidionkoncentrationen er kendt, og man gerne vil finde pH, skal man først beregne oxoniumionkoncentrationen. For at gøre det kan man gøre brug af den sammenhæng mellem oxoniumionkoncentrationen og hydroxidionkoncentrationen, du så på opslag 43: [H 3 O + ] · [OH – ] = 1,0·10 –14 M 2

Matematisk er det 10-tals-logaritmen til oxoniumionkoncentrationen med omvendt fortegn. Denne størrelse kaldes pH:

pH = - log H3O+

I den 0,010 M natriumhydroxidopløsning så vi, at den aktuelle oxoniumionkoncentration var: [H 3 O + ] = 1,0·10 –12 M og derfor er

pH = 12

Man kan ikke tage logaritmen til en enhed, og derfor er det også blot talværdien uden enheden M, der anvendes.

[H3O+] ud fra pH

S. P. L. Sørensen definerede pH i 1909. Han ledede Carlsberglaboratoriet fra 1901 til 1938. Foto: Carlsberglaboratoriet.

Når man kender pH, kan man omvendt finde oxoniumionkoncentrationen. Så skal man gøre det omvendte af, hvad man gjorde før. Det omvendte af at skifte fortegnet er at skifte fortegnet! Det omvendte af at tage logaritmen er at tage titalspotensen. Fortegnsskiftet skal komme efter titalspotensen.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

pH

[H 3 O + ] = 10 –pH

Isis 112 112

113 113

Syrer og baser

46

Måling af pH

pH kan måles med et pH-meter eller med en syre-baseindikator. Et pH-meter virker præcist, men det skal først kalibreres med en eller to buffere. De forskellige syrebaseindikatorer skifter farve ved hver sin pH-værdi. Man kan blande flere specielle indikatorer til en universalindikator. Den skifter mellem flere farver over et bredere pH-interval.

Hvis en kemiingeniør skal kunne kontrollere pH meget præcist i en kemisk industris produktionsanlæg, eller hvis en miljømedarbejdere skal have fingerpeg om et områdes pH-tilstand, er det vigtigt for dem at kunne måle pH hurtigt og præcist. Man kan måle pH på to principielt forskellige måder. Den ældste og mindst præcise er med syre-baseindikatorer. Indikatorer kan have to forskellige farver afhængigt af opløsningens pH. En nyere og mere præcis metode er at bruge et apparat, der kaldes et pH-meter.

Syre-baseindikatorer Syre-baseindikatorer er stoffer, der har én farve, når pH er under en bestemt værdi, og en anden når pH er over. Fx er indikatoren phenolphthalein farveløs ved pHværdier under 8,2 og pink ved pH-værdier over 10,0. I inter-

vallet mellem 8,2 og 10,0 skifter farven i en glidende overgang til mere og mere pink, jo tættere pH er på 10,0. Det sker, fordi der dannes flere og flere pinke phenolphthaleinioner. Derimod kan man overhovedet ikke se forskel på, om pH er 11 eller 13. Et andet eksempel er bromthymolblåt (ofte forkortet BTB), der er gul ved pH-værdier under 6,0 og blå ved pHværdier over 7,6. Der findes mange indikatorer, og hver indikator har sit eget omslagsinterval. I tabelværker kan man finde lister over indikatorer og deres omslagsintervaller.

Universalindikator Man kan få en væske, der skifter farve i én stor glidende overgang fra pH 2 til 10 ved at blande 4 eller 5 specielle indikatorer. Deres omslagsintervaller skal dække bredt

på pH-skalaen, og farverne skal være sådan, at nuancerne ikke optræder mere end én gang på pH-aksen.

Naturens indikatorer 2 3

1

10

pH 1-10 4 5

6 7

9 8

En almindelig opskrift er at blande indikatorerne Thymolblåt Methylorange Methylrødt Bromthymolblåt

I stedet for at blande indikatorerne, kan man lave indikatorstave, der har forskellige indikatorer i hvert sit felt. Det åbner mulighed for at anvende indikatorer, hvis farver ikke er afstemt i forhold til hinanden. Man kan også bedre aflæse pH, fordi man kun skal skelne nuancer på den ene indikator, der skifter farve omkring prøvens pH.

Ved pH 1,0 er farven rød, fordi de tre første er røde. Ved pH 4,0 er farven orange, fordi kun methylrødt er rød, men der er tre gule indikatorer. Ved pH 6,0 er alle gule, og ved pH 8,0 er blandingen grøn, fordi der er tre gule og én blå. Når pH er 10, er der to blå indikatorer, så her er blandingen blå. En sådan blanding kaldes en universalindikator. Den fås som opløsning, men den kendes nok bedst som indikatorpapir. Man kan nemlig imprægnere papir med en universalindikator.

Mange frugter og laver indeholder farvestoffer, der er syre-baseindikatorer. Hyldebær, tomat og blodappelsin, men også bladgrøntsagen rødkål og rodfrugten rødbede, er klassiske køkkenplanter med denne egenskab.

Almindelig Væggelav (Xanthoria parietina) er udbredt over hele landet på lysfyldte steder – dog mest ved kysterne. Det indeholder en indikator, der bliver blodrød ved pH over 14.

pH-meteret Et pH-meter er et måleinstrument med to specielle elektro-

der. Det angiver pH i en væske, når man anbringer de to elektroder i den. Af praktiske grunde er de elektroderne normalt bygget sammen til én stav. Egentlig er pH-meteret et voltmeter, der måler spændingsforskellen mellem de to elektroder. Den ene har en helt fast spænding, uanset hvad det er for en væske, den dyppes i. Den anden kaldes en glaselektrode, og den er følsom overfor H3O+ionkoncentrationen. pH-meteret omregner så spændingsforskellen til pH. pH-meteret skal kalibreres, før det kan måle pH præcist. Det sker ved, at dets elektroder dyppes i væsker med kendt pH. De hedder buffere, og dem kan man købe, eller man kan selv blande dem. Derefter skal man normalt trykke på en kalibreringsknap, og så er pHmeteret indstillet til at måle pH korrekt i prøvevæskerne.

Methylrødt Bromthymolblåt Thymolblåt Universalindikator pH: 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Isis 114

115

Syrer og baser

47

Blanding af syre og base

Når man blander en syre med en base, sker der en neutralisation. Når man neutraliserer stærk syre med stærk base, stiger pH meget kraftigt i omegnen af ækvivalenspunktet, men ret svagt før og efter.

Hvis man har for meget mavesyre, kan man neutralisere noget af den med base. Syrer og baser er hver for sig meget aggressive stoffer, men hvis man blander dem sammen, får man noget så fredeligt som et salt opløst i vand.

Blandings rumfang er 300 mL. Derfor bliver oxoniumionkoncentrationen:

Blandingens rumfang er 25,0 mL, som giver en hydroxidionkoncentration på:

[+ 2 ] = 9Q

[OH–] =



+

=

PPRO =    0 P/

Heraf kan først oxoniumionkoncentrationen og dernæst pH beregnes.

Endelig kan blandingens pH beregnes: Når man blander en syre og en base, sker der en syre-basereaktion. Det er vand, der spiller rollen som syren eller basen, når man opløser en syre eller en base i vand: syre + H 2 O(l) base + H 2 O(l)

➝ ➝

base + H 3 O + (aq) syre + OH – (aq)

Når man blander vandige opløsninger af syrer og baser, er det derfor oxoniumioner og hydroxidioner, der reagerer med hinanden: H 3 O + (aq) + OH – (aq)

➝

2 H 2 O(l)

Det betyder, at uanset om det er oxoniumioner eller hydroxidioner, der er i overskud, vil dette reduceres. Hvis stofmængderne fra starten er lige store, sker der en fuldstændig neutralisation. Opløsningen bliver neutral med pH lig 7.

Q PPRO = = 0,020 M 9 P/

pH = - log[H3O+] = - log 0,027 = 1,57

V(NaOH (aq)) n(H3O+) n(OH-) V(total) mL mmol mmol mL

[H3O+] M

pH

Neutralisation Vi ser igen på de 100 mL syreopløsning, som indeholder 10,0 mmol oxoniumioner. Hvis denne stofmængde skal neutraliseres, skal der anvendes en baseopløsning med en lige så stor stofmængde af hydroxidioner. Bruger vi den samme base som før, skal der anvendes: VNaOH =

Q PRO = = 1,0 L F 0

Det er ikke overraskende, at man skal bruge ti gange så stort et volumen af baseopløsningen, når dens koncentration er 10 gange mindre end syreopløsningens.

HCl(aq) + NaOH(aq) Man kan beregne, hvad pH bliver, når man fx blander vandige opløsninger af stærk syre og stærk base. Som eksempel ser vi på sammenblanding af 100 mL 0,100 M HCl(aq) med 200 mL 0,010 M NaOH(aq). Da der er tale om stærk syre og stærk base, har begge dele reageret fuldstændigt med vand. Det betyder, at stofmængden af oxoniumioner i saltsyreopløsningen kan beregnes som: Q+  2 + 

I—U

= F +&O ¼ 9 +&O

-  I—U

= F 1D2+ ¼ 9 1D2+

= 0,010M · 0,200 L = 0,0020 mol = 2,0 mmol Når de to opløsninger blandes og reagerer, sker der en delvis neutralisation. Hydroxidionerne er den begrænsende faktor, hvilket også kan siges på den måde, at der er overskud af oxoniumioner. Derfor ender opløsningen med at bliver sur: Q+  2 + 

HIWHU

= Q+  2 + 

I—U

- Q2+ - 

I—U

= 10,0 mmol – 2,0 mmol = 8,0 mmol

Det er let ved en titrering at undersøge, om pH i praksis følger de værdier, som man beregner. Det kan ske ved løbende at måle pH i en syreopløsning, der tilsættes små afmålte portioner af baseopløsningen. En kurve, der viser de målte pH-værdier som funktion af det tilsatte volumen baseopløsning, kaldes en titrerkurve. Skemaet viser måleresultaterne for titreringen af 10,0 mL 0,100 M saltsyreopløsning med 0,100 M natriumhydroxidopløsning.

= 0,100 M · 0,100 L = 0,0100 mol = 10,0 mmol

På samme måde kan stofmængden af hydroxidioner i natriumhydroxidopløsningen beregnes: Q2+

Titrerkurve

Fra starten indeholder saltsyreopløsningen et overskud af oxoniumioner på 1,00 mmol. For at neutralisere denne mængde, skal der bruges 10,0 mL 0,100 M natriumhydroxidopløsning. Indtil der er tilsat denne mængde base, kan pH beregnes som vist ovenfor. pH Når der er tilsat 10,0 mL base, har vi 20,0 mL saltvand med 13 en pH på 7,0. Ved den fortsatte tilsætning af natriumhydroxidopløsning, bliver 10 der overskud af hydroxidioner i blandingen. Dette overskud kan 7 beregnes på samme måde: Q2+ -  HIWHU = Q2+ -  WLOVDW - Q+  2 +  I—U

Når der er tilsat fx 15,0 mL base, gælder: Q2+ -  HIWHU =  PPRO -  PPRO

= 0,50 mmol

ækvivalenspunkt

4 1

10 ml Titrerkurve for 10,0 mL 0,100 M HCl, der titreres med 0,100 M NaOH.

116

Volumen 0,100 M NaOH

Isis 117

Syrer og baser

pH

pH 13

48

13 10

phenolphthalein

7

ækvivalenspunkt

10

phenolphthalein

ækvivalenspunkt

7

methylrødt 4

Syre-basetitrering

4 1

20 mL

Titreringer har stor udbredelse i den kemiske analyse, således også som syre-basetitreringer.

Syre-basetitreringer kan bruges til at måle stofmængden af en syre eller base i en portion.

methylrødt

1

20 mL

Volumen 0,100 M NaOH

Titrerkurve for titrering af 20,0 mL 0,10 M saltsyre med 0,10 M natriumhydroxidopløsning. Både phenolphthalein og methylrødt skifter farve i ækvivalenspunktet.

Volumen 0,100 M NaOH

Titrerkurve for titrering af 20,0 mL 0,10 M ethansyreopløsning med 0,10 M natriumhydroxidopløsning. Phenolphthalein skifter farve i ækvivalenspunktet, mens methylrødt ikke gør.

Når man fx vil bestemme en saltsyreopløsnings koncentration, kan man lade den reagere med en baseopløsning af kendt koncentration. Det vil normalt være en natriumhydroxidopløsning: H 3 O + (aq) + OH – (aq)

➝

2 H 2 O(l)

Ækvivalenspunktet måles enten med et pH-meter eller med en syre-baseindikator.

Man skal kunne afgøre, hvornår der er ækvivalente mængder af syre og base. Det kan man fx ved at tilsætte en syre-baseindikator, der har forskellig farve i sur og basisk opløsning. Man kan bruge bromthymolblåt, der er gul ved pH under 6,0, men som bliver blå, når pH bliver over 7,6.

Hvis det er en svag syre, man titrerer, skal man vælge en indikator, der skifter farve omkring pH = 9. Til svage baser bruges omvendt indikatorer med farveomslag omkring pH = 5.

Man kan også følge pH med et pH-meter. Så kan man tegne en titrerkurve, som den du så på opslag 47. Ækvivalenspunktet er, hvor kurven næsten er lodret.

a)

b)

c)

d)

e)

Saltsyre – et beregningseksempel En laborant har afmålt 25,0 mL saltsyreopløsning med ukendt koncentration. Til den satte hun ti dråber bromthymolblåt, så farven var klart gul. Fra en burette tildryppede hun 17,3 mL 0,100 M natriumhydroxidopløsning, før farven slog om fra gul til blå. Hun kan nu beregne, at hun har tilsat følgende stofmængde hydroxidioner:

Man afmåler prøveopløsningen med en fuldpipette (a), titrerer med en burette (b) til farveskift (c). Man aflæser nu buretten (e). Efter ækvivalenspunktet ændrer farven sig ikke (d).

nOH– = cNaOH · VNaOH = 0,100 M · 17,3 mL = 1,73 mmol

Der er stadig 1,73 mmol oxoniumioner i opløsningen – der er den samme aktuelle koncentration:

Derfor har saltsyren leveret den samme stofmængde oxoniumioner, da reaktanterne reagerer i et 1:1-forhold: Q+ 2 + = Q2+ -

Saltsyrens formelle koncentration kan nu beregnes:

F +&O = HCl(aq) V c n

+

25,0 mL 69,2 mM 1,73 mmol

NaOH(aq)

25,0 mL 34,6 mM 0,865 mmol

NaCl(aq) + H 2O(l)

17,3 mL 0,100 M 1,73 mmol

H 2SO 4(aq) + 2 NaOH(aq) V c n

➝

17,3 mL 0,100 M 1,73 mmol

Na 2SO 4(aq) + 2 H 2O(l)

9+&O

Q+  2 + = Q2+

-

Q+  62  = â ¼ Q+ 2 +

 PPRO =  P/

= ½ · 1,73 mmol = 0,865 mmol F +  62  =

Svovlsyre Havde der stået svovlsyre på flasken med syre, som laboranten titrerede på, var situationen lidt anderledes: H 2 SO 4 (aq) + 2 H 2 O(l)

= 0,100 M · 17,3 mL = 1,73 mmol

Men den formelle koncentration er kun halvt så stor, fordi hver svovlsyre-enhed kan afgive to hydroner:

Q+ 2 +

= 0,0692 M = 69,2 mM ➝

nOH- = cNaOH · VNaOH

➝

2 H 3 O + (aq) + SO 4 2– (aq)

=

Q+  62 

9+  62 

 PPRO  P/

= 0,0346 M = 34,6 mM

Svage syrer Metoden virker også på svage syrer som fx ethansyre. Den har ganske vist ikke frigivet alle sine hydroner ved titreringens begyndelse, hvor der kun er vand til at modtage dem: CH 3COO –(aq) + H 3O+(aq)

CH 3COOH(aq) + H 2O(l)

Men det gør ikke noget. Når man tilsætter de langt stærkere hydroxidioner, forløber reaktionen til ende CH 3 COOH(aq) + OH –(aq)

➝

CH 3 COO –(aq) + H 2 O(l)

Valg af indikator Når man har nået ækvivalenspunktet i titreringen af ethansyre med natriumhydroxid, har man en opløsning af ethanoationer. Det er en svag base, og derfor er opløsningen svagt basisk. Hvis man måler en titrerkurve over titrering af en svag syre med en stærk base, ser resultatet altså lidt anderledes ud end med stærk base. Specielt er opløsningen i ækvivalenspunktet ikke neutral, men svagt basisk. Derfor skal man vælge en indikator, der skifter farve i svagt basisk opløsning. Det kunne være phenolphthalein. Den skifter fra at være farveløs ved pH op til 8 til at være pink fra pH-værdier over 10. I mellemintervallet er der glidende overgange.

Isis 118

119

Syrer og baser

Opg Opgaver 42.1.*

Efter hvilket princip tror du, at billedet af hverdagsting er opstillet?

42.2.*

Afstem følgende syre-basereaktioner, og redegør for hvilket stof, der reagerer som syre og hvilket, der reagerer som base: HCOOH(aq) + H 2 O(l) HCOO – (aq) + H 3 O + (aq) HNO 3 (g) + H 2 O(l) ➝ NO 3 – (aq) + H 3 O + (aq)

42.3.* Hvad er den korresponderende syre til a) NH3(aq) b) HCO3–(aq)

42.4.* Hvad er den korresponderende base til a) H2SO4(l) b) HCO3–(aq)

42.5.** Afstem følgende syre-basereaktioner, og redegør for hvilket stof, der reagerer som syre og hvilket, der reagerer som base: CaO(s) + H 2 O(l)

➝ Ca 2+ (aq) + OH – (aq)

H2CO3(aq) + CO32–(aq)

HCO3– (aq)

42.6.** Kalk kan opløses af såkaldt aggressivt carbondioxid. Det er en syre-basereaktion, hvor det uopløselige kalk omdannes til det lettere opløselige calciumhydrogencarbonat. Opskriv reaktionsskemaet og find korresponderende syre-basepar.

Calciumphosphat selv er uegnet i kunstgødning, da det har en meget lav opløselighed i vand. Ca. 60% af verdensproduktionen af svovlsyre anvendes til fremstilling af superphosphat. a) Afstem reaktionsskemaet og afgør hvilket stof, der reagerer som syre og hvilket stof som base. b) Beregn hvor meget svovlsyre, der skal bruges til at omdanne 1000 kg calciumphosphat til superphosphat. c) Hvorfor er calciumdihydrogenphosphat lettere opløselig i vand end calciumphosphat?

42.8.** Skal man bære sikkerhedsbriller og/eller beskyttelseshandsker i følgende situationer: a) Afmåling af 2,0 M NaOH(aq) b) Kogning af vand c) Affyring af nytårsraket d) Afmåling af koncentreret svovlsyre e) Afmåling af koncentreret saltvand f) Blanding af 0,1 M sølvnitrat med 0,1 M saltsyre

Calciumdihydrogenphosphat, Ca(H2PO4)2(s), har trivialnavnet superphosphat og indgår i kunstgødning. Det fremstilles af calciumphosphat, der kan hentes i meget store mængder i phosphatminer, samt af svovlsyre: Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + H 2 SO 4 (l) ➝ Ca(H 2 PO 4 ) 2 (s) + CaSO 4 (s)

45.2.**

46.2.**i

47.1.*

Kan en blanding af

43.5.**

Beregn pH i følgende opløsninger: a) 0,0010 M svovlsyre b) 0,0030 M svovlsyre

Hvor meget 0,010 M natriumhydroxidopløsning ækvivalerer 100 mL 0,020 M saltsyre?

Også ren ethansyre kan lave autohydronolyse. Opskriv reaktionsskemaet.

45.3.*

43.6.** Opskriv og afstem reaktioner mellem: a) Svovlsyre og vand b) Natriumethanoat og vand

44.1.* Hvad hedder katalysatoren, der anvendes til at forbrænde svovldioxid til svovltrioxid? Svovldioxid kan reagere med vand og danne svovlsyrling (H2SO3). Opskriv reaktionsskemaet.

Opskriv og afstem reaktioner mellem: a) Phosphationer og dihydrogenphosphationer b) Ammoniakopløsning og ethansyreopløsning

44.4.** Ved fremstilling af salpetersyre afbrænder man først ammoniak, hvorved der dannes nitrogenmonoxid. Opskriv reaktionsskemaet.

44.5.**

Hvad er oxoniumionkoncentrationen i opløsninger, hvor a) [OH–] = 1,0 · 10–6 M b) [OH–] = 7,6 · 10–11 M

Gurli fylder dihydrogen i en reaktor til trykket er 30 MPa. Bagefter fylder hun dinitrogen i, til trykket i alt er 40 MPa. Ved den pågældende temperatur omdannes 50% af reaktanterne til ammoniak ved ligevægt. Hvad er trykket ved ligevægt?

44.6.i

43.3.*

At industriel ammoniaksyntese blev opdaget i 1913 i Tyskland havde verdenspolitiske konsekvenser. Hvilke?

Vil methan eller ammoniak kunne reagere som baser ligesom vand?

45.1.*

43.4.** Reagerer vand som syre eller base med

45.4.**

46.3.**i

47.3.**

Beregn pH i følgende opløsninger: a) 0,010 M calciumhydroxid b) 0,050 M bariumhydroxid

Hvad kan en blanding af

45.5.*

bruges til?

Beregn pH i følgende opløsninger: a) en blanding af 50 mL 0,010 M saltsyre og 35mL 0,010 M natriumhydroxid b) en blanding af 50 mL 0,010 M saltsyre og 70mL 0,010 M natriumhydroxid

46.4.**

47.4.**

Da Kurt skulle kalibrere sit pH-meter, kom han til at bruge buffere med pH 4,0 og 9,2, men pH-meteret skulle have buffere med pH 4,0 og 9,0. Hvilken effekt får det på pH-meterets målinger?

Beregn pH i følgende opløsninger: a) en blanding af 50 mL vand og en dråbe (1/20 mL) 0,10 M saltsyre b) en blanding af 50 mL 0,10 M saltsyre og en dråbe vand.

46.5.**

47.5.**

pH måles i de følgende tre væsker.

Beregn pH i titrerkurveeksemplet ved følgende voluminer:

45.6.*

43.1 .*

Hvad er hydroxidionkoncentrationen i opløsninger, hvor a) [H3O+] = 1,0 · 10–4 M b) [H3O+] = 3,7 · 10–11 M

Lav en farveskala til blandingsindikatoren.

Hvor meget 0,010 M natriumhydroxidopløsning ækvivalerer 100 mL 0,030 M svovlsyre?

Ved forbrænding af hydrogensulfid dannes bl.a. svovldioxid. Skriv reaktionsskemaet.

Hydrogensulfationen er en syre, men den er ikke stærk. Opskriv reaktionen for hydrogensulfationens hydronolyse.

Beregn [H3O+] i a) Mavesaft med en pH-værdi på 1,5 b) Sved med en pH-værdi på 6,5

45.7.** Joan blander 100 mL saltsyre med en pH på 4,0 med 100 mL saltsyre med en pH på 2,0. a) Hvad tror du pH bliver (gæt!)? b) Beregn derefter pH.

Methylorange og Phenolrødt

Syltede agurker 3,2 Danskvand 4,5 Salmiakspiritus 12,1

a) 9,5 mL d) 10,05 mL b) 9,9 mL e) 10,1 mL c) 9,95 mL f) 10,5 mL

Hvilke syre-basereaktioner er årsag til de fundne pH-værdier?

47.6.***

45.8.***

46.6.**

Regn efter, at det er rigtigt, at en tablet BalancidNovum binder ca. 12,5 mmol HCl.

Husholdningseddike er formelt 0,800 M ethansyre, og pH heri er 2,40. I vandig opløsning er ethansyre kun delvist spaltet:

Måske har du mødt BTB i biologiundervisningen. Der bruges den ofte som “CO2–indikator”. Man siger, at den er gul i CO2–holdigt vand og blå i CO2–frit vand. Hvordan kan det være, at den kan bruges til det?

CH 3 COOH(aq) + H 2 O(l) CH 3 COO – (aq) + H 3 O + (aq) a) Beregn den aktuelle koncentration af oxoniumioner i husholdningseddike. b) Beregn den aktuelle koncentration af ethansyre i husholdningseddike. c) Beregn hvor stor en del af ethansyren, der er spaltet i husholdningseddike.

46.1.*i Beregn pH i følgende opløsninger: a) 0,010 M saltsyre b) 0,030 M salpetersyre

47.2.**

bruges som universalindikator?

44.2.**

44.3.**

Methylviolet Bromcresolgrønt Bromthymolblåt

Beregn pH i følgende opløsninger: a) 0,010 M natriumhydroxid b) 0,004 M kaliumhydroxid

Beregn pH i følgende opløsninger: a) Bugspyt med en oxoniumionkoncentration på 1,2·10–8 M b) Tarmsaft med en oxoniumionkoncentration på 9,3·10–8 M

42.9.***

43.2.* 42.7.**

a) Hydrogenchlorid? b) Kaliumcarbonat?

Amalie vil måle pH i en væske. Den bliver gul, når hun drypper bromthymolblåt i, men blå når hun drypper bromcresolgrønt i. Hvad er pH?

48.1.* 10,0 mL saltsyre tilsættes et par dråber bromthymolblåt som indikator og titreres med 23,7 mL 0,0989 M natriumhyroxidopløsning. Beregn saltsyrens formelle koncentration.

46.7.*** pH måles i de følgende tre væsker. Cola Postevand Sæbevand

2,6 7,7 9,8

48.2.** 25,0 mL citronsyre (trivalent syre) titreres med 17,1 mL 0,100 M natriumhydroxid. a) Beregn citronsyrens formelle koncentration. b) Hvad gør man med kemikalieaffaldet?

Opg

Hvilke syre-basereaktioner er årsag til de fundne pH-værdier?

48.3.**

Hanne er ved at måle koncentrationen af en ammoniakopløsning og en hushold-

Isis

120

121

Redoxreaktioner

Syrer og baser ningseddike. I laboratoriet står buretter med saltsyre og med natriumhydroxid, og der står tre flasker syre-baseindikator: methylrødt, lakmus og phenolphthalein. Hvilken burette og hvilke indikatorer kan Hanne vælge til de to opgaver?

Redoxreaktioner

48.4.** For at bestemme den præcise koncentration af en natriumhydroxidopløsning kan man titrere på en kendt mængde kaliumhydrogenphthalat. Det er et fast stof og en monovalent syre (kan afgive en hydron). Først afvejes en portion kaliumhydrogenphthalat som opløses i en sjat vand og tilsættes indikator. Derefter titreres denne opløsning: HC 8 H 4 O 4 – (aq) + OH – (aq) C 8H 4O 4

2–

➝ (aq) + H 2O(l)

I et konkret eksempel har Svend afvejet 0,402 g kaliumhydrogenphthalat og titreret med 19,9 mL natriumhydroxidopløsning. Hvad er den formelle koncentration heraf?

49. Redoxreaktioner 50. Spændingsrækken 51. Oxidationstal 52. Afstemning af redoxreaktioner 53. Flere redoxreaktioner 54. Hypochlorit Opgaver

48.5.*** Ascorbinsyre kaldes også C-vitamin. Dets formel er C6H8O6 og det er naturligvis en syre. For at afgøre hvor mange af de 8 hydrogenatomer, der kan fraspaltes, udfører en laborant følgende måling: Han opløser 0,40 g ascorbinsyre i noget vand og tilsættes tre dråber phenolphthalein som indikator. Opløsningen titrerer han med 22,8 mL 0,100 M natriumhydroxidopløsning. Hvad er løsningen på problemet?

48.6.*** Ville man kunne titrere en ukendt saltsyreopløsning med en 0,103 M opløsning af den svage base ammoniak? Ville man kunne titrere en ukendt hydrogenfluoridopløsning med en 0,103 M opløsning af den svage base ammoniak? Hvis man kan, hvilken indikator er så velegnet?

122

Opg

Isis 123

49

400ºC

Redoxreaktioner

600ºC

Redoxreaktioner er reaktioner, hvor der overføres elektroner fra et stof til et andet. De strømgivende reaktioner i batterier og forbrændingsreaktioner er eksempler på redoxreaktioner. Redoxreaktionen i batteriet forløber, når batteriet bruges, og elektronoverførslen sker gennem det ydre kredsløb, som er tilsluttet batteriet. Man kan faktisk med såkaldte brændselsceller lave elektricitet af forbrændingsreaktioner direkte. Nu laver man først varme af forbrændingsreaktionen og bagefter elektricitet af varmeenergien. På lidt længere sigt håber man, at brændselsceller bliver rentable, da de udnytter en langt større del af energien til el.

Ved redoxreaktioner overføres der elektroner Når et stof oxideres, mister det elektroner. Når et stof reduceres, modtager det elektroner.

Oxidation Når et stof brænder, sker det altid ved, at det reagerer med dioxygen. Et eksempel er forbrænding af magnesium i luft:

Metaller kan ofte oxideres og ikke-metaller reduceres.

2 Mg(s) + O 2 (g)

➝

2 MgO(s)

Magnesiumoxid har du mødt på opslag 32. Det er et salt opbygget af Mg2+-ioner og O2–-ioner. Der må altså være overført elektroner fra magnesium til oxygen. Oxygen har taget elektroner fra magnesium. De stærkt lysende partikler i fyrværkeri er ofte brændende magnesium.

Tilsvarende reaktioner kan ske for de fleste andre metaller, fx: 4 Na(s) + O 2 (g) 4 Fe(s) + 3 O 2 (g)

➝ ➝

2 Na 2 O(s) 2 Fe 2 O 3 (s)

En sådan omdannelse af et grundstof, hvor det afgiver elektroner til oxygen, hedder traditionelt en oxidation, og man siger, at grundstoffet er blevet oxideret.

Man kan fjerne oxygen fra jern(III)oxid ved at lade det reagere med carbonmonoxid: Fe 2 O 3 (s) + 3 CO(g)

➝

2 Fe(s) + 3 CO 2 (g)

Mange frugter og grøntsager brunfarves let ved oxidation.

➝

CO 2 (g)

Oxygens evne til at tage elektroner fra andre stoffer hænger sammen med dets høje elektronegativtet. Andre grundstoffer med høj elektronegativitet kan på samme måde trække elektroner til sig. Det gælder fx halogenerne: 2 Fe(s) + 3 Cl 2 (g) Cu(s) + Br 2 (l)

➝ ➝

2 FeCl 3 (s) CuBr 2 (s)

Da der ikke er den store forskel på, om det er dioxygen eller et andet stof, der trækker elektroner fra et stof, har man udvidet begrebet “oxidation” til at omfatte alle elektronafgivelser.

Reduktion Når man oxiderer et metal, binder man oxygen til metallet og får et metaloxid. Det modsatte af en oxidation af metal er dannelse af rent metal udfra et metaloxid. En sådan proces kaldes en reduktion.

700-1200ºC

1500ºC

På tilsvarende måde kan man fjerne oxygen fra kobber(II)oxid ved at lade det reagere med dihydrogen:

Luft pumpes ind

➝

Flydende jern ud

CuO(s) + H 2 (g)

Cu(s) + H 2 O(g)

Malm indeholder metaloxider. Malm skal omdannes til frit metal, før det kan smedes til værktøj eller på anden måde bruges. Det sker ved en reduktion. Herunder forsvinder en del af malmens masse, fordi ikke-metallet fjernes som gas. Det er dette massetab, der har givet denne type reaktioner navnet reduktion. Også begrebet reduktion er blevet udvidet, så det nu at omfatter alle reaktioner, hvor der sker elektronoptagelse. Fx siger man, at dichlor reduceres til chloridioner af iodidionerne i denne reaktion: 2 I – (aq) + Cl 2 (g)

➝

I 2 (s) + 2 Cl – (aq)

Ordene “oxidation” og “reduktion” er fra lang tid før, man vidste noget om elektroner.

Redoxreaktioner For at ét stof kan afgive elektroner, skal der altid være et andet til stede, der kan optage elektronerne. Når der sker en oxidation, sker der altså samtidig en reduktion. Sammenfattende indføres derfor begrebet redoxreaktion om reaktioner, hvor der overføres elektroner fra et stof til et andet.

Også en del ikke-metaller oxideres, fx: C(s) + O 2 (g)

Gasser ud Højovne har i forskellige udformninger været brugt siden jernalderen til fremstilling af jern.

Redoxreaktioner

Jernmineral, koks og kalk

Jern reagerer voldsomt med dichlor.

Reduktion: Elektronoptagelse Oxidation: Elektronafgivelse

Indviklede redoxreaktioner Blander man opløsninger af kaliumpermanganat, jern(II)nitrat og svovlsyre, sker følgende reaktion: MnO 4 – (aq) + Fe 2+ (aq) + H + (aq) ➝ Mn 2+ (aq) + Fe 3+ (aq) + H 2 O(l) Der er tale om en redoxreaktion. Det kan man bl.a. se ved, at jern(II)ioner bliver oxideret til jern(III)ioner. Reaktionsskemaet er ikke afstemt. Og den er tydeligvis mere kompliceret at afstemme end de andre fra dette opslag. Strategien i at afstemme redoxreaktioner af denne type er at føre detaljeret bogholderi med elektronerne. Til dette formål indføres såkaldte oxidationstal. Mere herom på opslag 51.

Jern(II)ioner reducerer de mørkviolette permanganationer.

Isis 124

125

Redoxreaktioner

50

Spændingsrækken Metallernes ædelhed

Spændingsrækkereaktioner er reaktioner mellem et metal og ioner af et andet metal. Spændingsrækken er en rækkefølge af metallerne og hydrogen, der angiver redoxegenskaber. Til højre står de mest ædle, der er mest stabile som frie metaller. Til venstre er de mindst ædle, der er mest stabile som metalioner.

Guld, sølv og kobber er ædle metaller. Det er udtryk for, at de sjældent indgår i kemiske reaktioner. Anderledes er det med natrium, der reagerer meget voldsomt med fx vand. Når metaller reagerer, sker det ved redoxreaktioner. Metallerne har åbenbart forskellig evne til at indgå i redoxreaktioner. Det kan let eftervises ved nogle småforsøg. Følgende tre forsøg placerer zink, kobber og sølv i forhold til hinanden: Når man lægger et stykke zink ned i kobber(II)nitratopløsningen, sker der en tydelig reaktion. Der dannes kobber og zink(II)ioner samtidig med, at den blå farve af kobber(II)ioner aftager. Det er zink, der afgiver elektroner til kobber(II)ionerne: Zn(s) + Cu 2+ (aq)

➝

Zn 2+ (aq) + Cu(s)

Nitrationerne er tilskuere; de reagerer ikke, og derfor skrives de heller ikke. Der er sket en overførsel af elektroner fra zinkatomet til kobber(II)ionen. Zinkatomet afgiver to elektroner og bliver oxideret, samtidig med at kobber(II)ionen optager to elektroner og altså bliver reduceret.

Når man lægger en kobbertråd ned i en opløsning af sølvnitrat, sker der tydeligvis også en reaktion. Man kan se, at der dannes sølvmetalkrystaller på kobbertråden, og at opløsningen bliver blå som tegn på dannelse af kobber(II)ioner. Det er følgende redoxreaktion, der forløber: Cu(s) + Ag + (aq)

➝

Cu 2+ (aq) + Ag(s)

Reaktionsskemaet viser, at det er kobber, der afgiver elektroner til sølv. Kobber bliver oxideret, og sølvionerne bliver reduceret. En sølvion kan kun modtage en enkelt elektron. For at få optaget begge elektroner fra kobberatomet, skal vi reducere to sølvioner for hver kobberatom, der oxideres. Det korrekt afstemte reaktionsskema er altså: Cu(s) + 2 Ag + (aq)

➝

Cu 2+ (aq) + 2 Ag(s)

Heller ikke denne reaktion kan forløbe i modsat retning. Hvis zink kan reducere kobberioner til kobber, og hvis kobber kan reducere sølvioner til sølv, må zink vel også kunne reducere sølvioner til sølv: Zn(s) + 2 Ag + (aq)

➝

Zn 2+ (aq) + 2 Ag(s)

Prøve man det, viser det sig at være korrekt. Ved kemiske reaktioner er den samlede ladning bevaret. Det betyder for redoxreaktioner, at der skal optages lige så mange elektroner, som der afgives. Det sker i eksemplet her, og reaktionsskemaet er derfor korrekt afstemt. Stikker man omvendt en kobbertråd ned i en opløsning af zink(II)nitrat, sker der ingen reaktion. Reaktionen kan kun forløbe i den ene retning.

Li Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe I reagensglassene er blandet følgende: a) kobber(II)ioner og zinkpulver, b) sølvioner og zinkpulver, c) zinkioner og kobbertråd, d) sølvioner og kobbertråd.

Spændingsrækken Sådan kan man indplacere alle metaller i en såkaldt spændingsrække. Rækkefølgen viser hvilket metal, der kan reducere hvilken metalion. Spændingsrækken ses i uddrag nederst på siden. Metallerne til højre for hydrogen er de såkaldte ædelmetaller, der er mest stabile som frie grundstoffer (uladede).

b)

c)

En metalion vil kunne oxidere metaller til venstre for sig til metalioner.

Metallers reaktion med syre Hydrogen er indplaceret i spændingsrækken, selvom det ikke er et metal. Metaller til venstre for hydrogen kan oxideres af oxoniumioner. Det sker med magnesium, når et stykke magnesiumbånd anbringes i fortyndet saltsyre: Mg(s) + 2 H + (aq)

➝

Mg 2+ (aq) + H 2 (g)

Jern står også til venstre for hydrogen og kan reagere med syre: Fe(s) + 2 H + (aq)

➝

Fe 2+ (aq) + H 2 (g)

Metaller til højre for hydrogen kan ikke opløses i syre. Også derfor kaldes de ædelmetaller. Bemærk, at H+(aq) igen anvendes som synonym for H3O+(aq).

Elektronegativitet Metallernes indplacering i spændingsrækken følger stort set deres elektronegativitet. De mindst elektronegative metaller vil helst være ioner og står derfor længst til venstre i spændingsrækken. Men sagen er lidt mere kompliceret. Det også er et spørgsmål om, hvordan disse ioner skal reagere med vandmolekylerne. Derfor kan man ikke regne med, at spændingsrækken bare afspejler elektronegativiteterne, selvom de er en meget god ledetråd.

Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au Et ur lægges i koncentreret saltsyre.

a)

Metaller til venstre i spændingsrækken er omvendt mest stabile som ioner.

…16 minutter senere

…3 timer senere

…8 timer senere

d)

Isis 126

127

Redoxreaktioner

51

Oxidationstal

Oxidationstal bruges til at føre bogholderi med elektronerne i en redoxreaktion. Summen af oxidationstal i en partikel skal være partiklens ydre ladning. I kemiske forbindelser er oxidationstallet for hydrogen normalt +1 og for oxygen normalt -2. Det mest elektronegative atom i en kemisk forbindelse får det negative oxidationstal.

Det bliver en del lettere at afstemme redoxreaktioner og navngive ioner, når man bruger oxidationstal som hjælpemiddel. Vi skal nu se nærmere på reglerne for oxidationstal. Oxidationstal forkortes ofte OT.

Enatomige ioner Det er let at finde oxidationstallet for enatomige ioner. Ifølge hovedregelen må det være lig med ionens ladning: +1 H+

-2 O2–

-2 S2–

+2 Zn2+

Hovedregel For en vilkårlig partikel gælder, at summen af de indgående atomernes oxidationstal er lig med partiklens ladning. Af hovedregelen følger umiddelbart, at summen af atomernes oxidationstal er lig med nul for et neutralt molekyle, fx H2O eller CH3COOH. Ligeledes følger det, at summen af atomernes oxidationstal for en sammensat ion som SO42– er lig med –2.

Rene grundstoffer Frie atomer har ladningen 0, og derfor er deres oxidationstal 0. I praksis er det kun ædelgasser, der optræder som frie atomer. Et atoms oxidationstal anføres over atomet på følgende måde: 0 He

0 Ne

0 Ar

0 Kr

0 Xe

Molekyler og sammensatte ioner Når det gælder molekyler og sammensatte ioner, går det lettest med tildeling af oxidationstal, hvis man anvender en regel, der siger: I kemiske forbindelser er oxidationstallet for hydrogen normalt +1 og for oxygen normalt -2. Hvis vi ser på NH3 som eksempel, så er summen af de tre hydrogenatomers oxidationstal: 3 · (+1) = +3 Idet summen alt i alt skal være 0, må nitrogen have oxidationstallet –3. Ser vi på den sammensatte ion Cr2O72–, er summen af de syv oxygenatomers oxidationstal 7 · (-2) = -14 Alt i alt skal summen være –2. Derfor må der være +12 til deling til de to chromatomer. Det giver seks til hver. Summen af oxidationstal for Cr2O72– bliver så

I molekyler som dihydrogen, dioxygen eller cyclooctasvovl vil det være urimeligt at tildele ens atomer forskelligt oxidationstal. Molekylernes ladning er 0, og alle atomer har derfor oxidationstallet 0. På samme måde tildeles atomer i rene metaller oxidationstallet 0:

Det stemmer med hovedregelen.

0 H2

I molekyler og sammensatte ioner udelader man ofte oxi-

0 O2

0 S8

0 Zn

2 · (+6) + 7 · (-2) = -2

dationstallet for hydrogen og oxygen, hvis de er +1 henholdsvis -2: -3 NH3

+4

+6

+6

SO2

SO42–

Cr2O72–

Tankerne bag oxidationstal Det er ikke ren magi at tildele hydrogen oxidationstallet +1 og oxygen -2. Under tildelingen lader man som om, at elektronpar i polære bindinger er fuldstændigt overførte til det mest elektronegative af atomerne, så dét får ædelgasstruktur. Betragt vand som et eksempel. Oxygen har større elektronegativitet end hydrogen. De bindende elektronpar er altså ulige fordelt mellem hydrogen- og oxygenatomerne. De er nærmest oxygenatomet. Når man tildeler OT, lader man som om, de er fuldstændig overført til oxygen. Oxygen opfattes da som en ion med ladningen –2, som derfor bliver oxygens OT. De to hydrogenatomer har under tildelingen afgivet deres elektron og har begge ladningen +1. Dermed er OT for hydrogen +1. Summen af OT i vandmolekylet er 2 · (+1) + 1· (-2) = 0 Det stemmer med hovedregelen, idet vandmolekylets ladning er 0. Bemærk, at vi har lavet vores definition af OT på en måde, så de efterligner ladninger.

Vand er ikke et salt bestående af oxidioner og hydroner, men det letter vores arbejde med at afstemme redoxreaktioner, at tænke på den måde. Metoden kan også anvendes for molekyler og sammensatte ioner, der ikke indeholder hydrogen og oxygen. I tetrachlormethan, CCl4, har chlor højest elektronegativitet. Under tildeling af OT lader man som om chlor har trukket en elektron til sig for at få ædelgasregelen opfyldt. Herved får chlor OT –1. Summen af de fire chloratomers OT er –4, derfor må carbon have OT +4:

res der elektroner fra et stof til et andet. Det har naturligvis betydning for de indgående atomers OT, og det er netop det, der gør dem anvendelige ved afstemning af redoxreaktioner. Et stof, der bliver oxideret, afgiver elektron, mens et stof, der bliver reduceret, modtager elektroner. Derfor må der gælde:

Zink og cyclooctasvovl reagerer med hinanden i en redoxreaktion. Zink oxideres og svovl reduceres.

Ved en oxidation stiger oxidationstallet. Ved en reduktion bliver oxidationstallet mindre.

+4 -1 CCl 4

Komplicerede eksempler Som antydet har hydrogen og oxygen ikke altid OT på +1 og –2 i kemiske forbindelser. I et stof som hydrogenperoxid (“brintoverilte”, H2O2) er hvert oxygenatom bundet til ét hydrogenatom og ét oxygenatom. Det er naturligvis kun fra hydrogenatomet, at oxygenatomet kan snuppe en elektron, så oxygen får her OT –1: +1 –1 –1 +1 H – O – O – H Hydrogen danner hydrider med mange metaller, fx NaH. Her er det hydrogen, der er mest elektronegativ. Derfor er det hydrogen, der trækker en elektron til sig og får OT –1. Natrium afgiver en elektron og får OT +1.

Redoxreaktioner Ved redoxreaktioner overfø-

Molekylmodel af hydrogenperoxid (H2O2).

Isis 128

129

Redoxreaktioner

52

Afstemning af redoxreaktioner

Der præsenteres en meget mekanisk metode til afstemning af redoxreaktioner. I redoxreaktioner optages og afgives der altid lige mange elektroner. Derfor er den samlede stigningen i oxidationstal altid lig det samlede fald. Der skal bruges lidt forskellige metoder afhængigt af, om redoxreaktionen starter i sur, basisk eller neutral opløsning.

Følgende procedure kan man altid anvende til at afstemme en redoxreaktion, men den kan ikke anvendes til andre typer reaktioner. Proceduren består af seks trin: a) Reaktionsskemaet opskrives uden koefficienter. Der medtages kun de stoffer, der indeholder atomer, der ændrer oxidationstal. b) Oxidationstallene skrives over de atomer, der ændrer oxidationstal. c) Det beregnes, hvor mange trin disse atomer oxideres/reduceres. Resultatet skrives under reaktionsskemaet. d) Ved hjælp af koefficienter afstemmes således, at der afgives og optages lige mange elektroner.

➝

2 MnO 4 – (aq) +10 Cl – (aq) Reduktion: Mn 5 Oxidation: Cl 1

2 Mn 2+ (aq) + 5 Cl 2 (g)

· 1 · 2 = 10 · 5 · 2 = 10

Bemærk, at det er tallene efter pilene, der føres op som koefficienter; 2 manganatomer og 10 chloratomer. Når der kun står 5 foran dichlor, skyldes det naturligvis, at 5 dichlormolekyler indeholder 10 chloratomer. e) Ladningen er nu -12 på reaktantsiden og +4 på produktsiden. Det løser vi med 16 H+-ioner på reaktantsiden: 2 f)

MnO4–(aq)

+ 10

Cl–(aq)

+ 16

H+(aq)

➝

2

Mn2+(aq)

+ 5 Cl2(g)

Der er nu 8 oxygenatomer og 16 hydrogenatomer for meget på reaktantsiden. Det løses ved at afstemme med 8 vandmolekyler på produktsiden:

2 MnO 4 – (aq) + 10 Cl – (aq) + 16 H + (aq) 2

Mn 2+ (aq)

➝

+ 5 Cl 2 (g) + 8 H 2 O(l)

+

e) Ladningen afstemmes med H -ioner, hvis reaktionen foregår i sur opløsning. I basisk opløsning afstemmes med OH-ioner.

Oxidation af svovldioxid I sur opløsning vil permanganationer også kunne reagere med svovldioxid og danne farveløse mangan(II)ioner og sulfationer.

f) H og O afstemmes ved at tilføje vand på den ene side.

Man behøver ikke facitliste til redoxreaktionsafstemning, fordi der altid skal løses to problemer samtidigt til sidst. Ellers har man lavet en fejl.

ab) Det er mangan og svovl, der ændrer oxidationstal: Proceduren kan illustreres med følgende 3 eksempler:

+7 +4 MnO 4 – (aq) + SO 2 (aq)

Dannelse af dichlor Dichlor, Cl2(g), kan fremstilles ved at tilsætte kaliumpermanganat til en sur opløsning, der indeholder chloridioner. De violette permanganationer reagerer med chloridionerne og danner farveløse mangan(II)ioner og den gulgrønne, giftige og ildelugtende gas dichlor. ab) Det er mangan og chlor, der ændrer oxidationstal: +7

-1

MnO 4 – (aq) + Cl – (aq)

+2 ➝

0

c) Mangan går fem trin ned, mens svovl stiger to: Reduktion: Mn 5 Oxidation: S 2 d) For at få afgivet og optaget lige mange elektroner skal vi tage 5 svovlatomer for hver 2 manganatomer: 2 MnO 4 – (aq) + 5 SO 2 (aq) Reduktion: Mn 5 Oxidation: S 2

Mn 2+ (aq) + Cl 2 (g)

c) Mangan går fem trin ned (fra +7 til +2), mens chlor stiger et (fra -1 til 0): Reduktion: Mn 5 Oxidation: Cl 1 d) For at få afgivet og optaget lige mange elektroner, skal vi tage 5 gange så mange chloratomer som manganatomer. Det kan man få ved at tage 5 chloridioner, men det er jo et ulige antal, så det går ikke op med dichlormolekyler. Derfor forlænger vi med 2:

➝

+2 +6 Mn 2+ (aq) + SO 4 2– (aq)

➝

2 Mn 2+ (aq) + 5 SO 4 2– (aq)

Bemærk, at hydrogenionerne kan optræde både på reaktantsiden og produktsiden – det afgør ladningerne. Bemærk også, at H+(aq) igen er synonym med H3O+(aq).

Oxidation af aluminium Når aluminium puttes i syre, oxideres det til aluminium(III)ioner, mens hydrogenionerne reduceres til dihydrogen. Reaktionen er dog træg, så man skal enten opvarme eller anvende meget findelt aluminium. ab) Det er aluminium og hydrogen, der ændrer oxidationstal: 0

+1

+3

Al(s) + H + (aq)

➝

0

Al 3+ (aq) + H 2 (g)

c) Hydrogens oxidationstal falder et trin, mens aluminiums stiger tre: Reduktion: H Oxidation: Al

1 3

d) For at få afgivet og optaget lige mange elektroner, skal vi tage 3 gange så mange hydrogenatomer som aluminiumatomer. Men det er jo et ulige antal, så det går ikke op med dihydrogenmolekyler. Derfor forlænger vi med 2: 2 Al(s) + 6 H + (aq) Reduktion: H 1 Oxidation: Al 3

➝

2 Al 3+ (aq) + 3 H 2 (g)

·3·2=6 ·1·2=6

ef) Der er samme ladning på de to sider, og der er også lige mange hydrogenatomer. Reaktionsskemaet er derfor færdig afstemt.

Vins indhold af svovldioxid kan bestemmes ved en redoxtitrering med permanganationer.

· 2 = 10 · 5 = 10

e) Ladningen er nu -2 på reaktantsiden og -6 på produktsiden. Det løser vi med 4 H+-ioner på produktsiden: 2 MnO 4 – (aq) + 5 SO 2 (aq) ➝ 2 Mn 2+ (aq) + 5 SO 4 2– (aq) + 4 H +(aq) f)

Der er nu 2 oxygenatomer og 4 hydrogenatomer for meget på produktsiden. Det løses ved at afstemme med 2 vandmolekyler på reaktantsiden:

2 MnO 4 – (aq) + 5 SO 2 (aq) + 2 H 2 O(l) ➝ 2 Mn 2+ (aq) + 5 SO 4 2– (aq) + 4 H + (aq)

Isis 130

131

Flere redoxreaktioner Redoxreaktioner i basisk opløsning

Redoxreaktioner, der forløber i basisk opløsning, skal afstemmes med hydroxidioner.

I alle eksempler på forrige opslag forløb reaktionen i sur eller neutral opløsning, og der indgik hydroner. Der findes også reaktioner, der forløber i basisk opløsning. De håndteres efter samme princip. Hydroxidionerne skal placeres på den side af reaktionsskemaet, hvor der mangler negativ ladning.

Redoxreaktioner, der forløber i neutral opløsning, skal afstemmes med hydrogen- eller hydroxidioner på produktsiden.

Som eksempel ser vi på oxidation af jern(II)ioner. Oxidation af jern(II)ioner anvendes på vandværker til at fjerne jern(II)ioner fra drikkevand. Det sker helt simpel ved, at vandet løber ned af nogle trapper, hvorved det bliver blandet med luft. Det er dioxygen fra luften, der så oxiderer jern(II)ionerne. Produktet er et fast, rustfarvet stof, der kaldes okker. Når jern(II)ionerne er omdannet til okker, lader man vandet løbe igennem sand, som filtrerer okkeret fra.

Efter reaktionen kan opløsningen således godt være blevet basisk eller sur.

Jern(II)ioner kan oxiders både i sur og basisk opløsning, men her ser vi på basisk opløsning, hvor produktet er Fe(O)OH(s): ab) Det er jern og oxygen, der ændrer oxidationstal: Fe 2+ (aq) + O 2 (aq)

Disproportioneringer er redoxreaktioner, hvor det samme grundstof oxideres og reduceres.

c)

➝

Fe(O)OH(s)

Denne reaktion anses i øvrigt for at være ansvarlig for, at den første dioxygen, der blev produceret på jordkloden for 3,9 milliarder år siden, blev brugt øjeblikkeligt. Der var nemlig dengang store mængder jern(II)ioner opløst i havvandet. I dag er der ikke længere jern(II)ioner tilstede i havvand, og jern(III)ioner danner let bundfald. Derimod indeholder drænvand nogle steder jern(II)ioner. Når vandet risler ned gennem bække og åer, blandes det med den atmosfæriske luft. Resultatet er, at jern(II)ionerne omdannes til okker, der giver dårlige forhold for fisk og de fleste andre dyr i vandløbene.

Redoxreaktioner i neutral opløsning Nogle reaktioner kan starte i neutral opløsning og selv danne enten oxoniumioner eller hydroxidioner. Igen er det afgørende, om ladningen er størst blandt produkterne eller reaktanterne.

Disproportionering

Som eksempel ser vi på nitrifikation. Nitrifikation er en bakteriel reaktion i jordvæsken og overfladevand. Nogle bakterier kan udnytte den kemiske energi i ammoniak ved at oxidere den til nitritioner.

Hydrogenperoxid bruges bl.a. til at desinficere sår med. Det sælges under navnet brintoverilte. Hydrogenperoxid er meget giftigt for bakterier, men vores eget væv kan nedbryde det ved hjælp af enzymet katalase. Når man kommer hydrogenperoxid på sår, bobler det. Det er dioxygen, der udvikles.

Oxygen går to trin ned, mens jern stiger et: Resultatet af afstemningen er

Reduktion: O 2 Oxidation: Fe 1 Ved stranden har Mette gravet sig en profil for at lege havn. Her kan man se grænsen mellem det sorte, jern(II)-holdige lag nederst og det lyse jern(III)holdige lag.

2 NH3(aq) + 3 O2(aq) ➝ 2 NO2–(aq) + 2 H2O(l) + 2 H+(aq)

d) For at få afgivet og optaget lige mange elektroner, skal vi tage dobbelt så mange jernatomer som oxygenatomer. Man skal mindst tage to oxygenatomer, nemlig et dioxygenmolekyle. Derfor skal der bruges fire jernatomer: 4 Fe 2+ (aq) + O 2 (aq) Reduktion: O 2 Oxidation: Fe 1

➝

4 Fe(O)OH(s)

·1·2=4 ·2·2=4

4 Fe 2+ (aq) + O 2 (aq) + 8 OH – (aq)

➝

2 H 2 O(l) + O 2 (g)

Reduktion: O 1 · 1 · 2 = 2 Oxidation: O 1 · 1 · 2 = 2

Reaktionen kan starte i neutral opløsning, men den danner syre. Derfor virker det forsurende på en jordbund at tilføre den ammoniak, på trods af at ammoniak selv er en base. Nitritionerne kan oxideres videre til nitrationer af andre bakterier. Den anden delreaktion af nitrifikationen:

➝

I hydrogenperoxid har oxygen oxidationstallet –1, det er –2 i vand og 0 i dioxygen. Det afstemte reaktionsskema er: 2 H 2 O 2 (aq)

Reduktion: O 2 · 3 · 2 = 12 Oxidation: N 6 · 1 · 2 = 12

e) Ladningen er nu +8 på reaktantsiden og 0 på produktsiden. Det løser vi med 8 hydroxidioner på reaktantsiden:

f)

Redoxreaktioner

53

Der skal være en bræmme på mindst 2 m langs danske vandløb. Det er for at sikre en bedre denitrifikation, så drænvand er mindre nitratholdigt, når det løber ud i vandløbet. Læs om denitrifikation i opgave 53.5.

2 NO 2 – (aq) + O 2 (aq)

➝

2 NO 3 – (aq)

Bemærk, at der både skal være 2 oxygenatomer, der oxideres og 2 der reduceres. Derfor er der i alt brug for 4 oxygenatomer på reaktantsiden. Når grundstoffet begynder med et oxidationstal og slutter med to forskellige, kaldes reaktionen for en disproportionering. Det er altså en reaktion, hvor det samme grundstof både oxideres og reduceres.

4 Fe(O)OH(s)

Der er nu 10 oxygenatomer og 8 hydrogenatomer på reaktantsiden, mens der er henholdsvis 8 og 4 på produktsiden. Det løses ved at afstemme med 2 vandmolekyler på produktsiden:

4 Fe2+(aq) + O2(aq) + 8 OH–(aq) ➝ 4 Fe(O)OH(s) + 2 H2O(l) Bemærk, at det ikke er alle oxygenatomerne, der ændrer oxidationstal. Både i hydroxidionerne og i vandmolekylerne har oxygenatomet oxidationstallet –2.

Oxidationstal +5 +4 +3

Forbindelse NO 3 NO 2 NO 2 -

+2 +1 0 -1 -2 -3

NO N 2O N2 NH 2 OH N 2H 4 NH 3

Nitrogen kan optræde med alle oxidationstal fra -3 til 5.

Hydrogenperoxid spaltes til dioxygen og vand katalyseret af platintråd.

Isis 132

133

Redoxreaktioner

54

Stivelse og triiodidioner danner et sort-violet produkt. Kartofler indeholder stivelse.

Hypochlorit

Hypochloritforbindelser bruges i husholdningen og i industrien – bl.a. til at blege med. De er problematiske at bruge – både ud fra et miljøsynspunkt og et sikkerhedssynspunkt. De er fx på Miljøstyrelsens liste over uønskede stoffer.

Som forbrugere tilbydes vi opløsninger af hypochloritioner:

Fabrikanterne af hypochlorit må dog stadig godt reklamere med deres produkt og opfordre forbrugerne til at bruge mere af det.

ClO – (aq) Det sker under navne som fx Klorin, Klorolin eller Mille Klor. Hypochlorit er et ret kraftigt oxidationsmiddel, og nogen bruger det i husholdningen til at affarve tøj med, til afløbsrens, til desinfektion af skærebrætter og som del af nogle maskinopvaskemidler. I 1995 brugte danske forbrugere 4.000 ton chlorholdige rengøringsmidler.

Hvad kan man så bruge i stedet for hypochloritopløsninger? Maskinopvaskemiddel kan købes med peroxider i stedet (perborat og percarbonat), afløb og skærebrætter kan renses med kogende vand, og tøj kan affarves med hydrogenperoxid. Også i industrien substituerer man chlorholdige oxidationsmidler med mindre farlige stoffer. Specielt papir- og tekstilindustrien har brugt store mængder hypochlorit. Noget er skåret væk, fordi ikke alt behøver at være bleget. Kaffefiltre, toiletpapir og bleer er produkter, der ikke behøver at være kridhvide. I papirindustrien anvender man et industrienzym fra NovoNordisk. Det har reduceret forbruget til 1 3 . Endelig kan man blege med andre blegemidler end chlorholdige; det er igen perborater og percarbonater, der anvendes.

På dette opslag skal vi beskæftige os med to sider af hypochloritioners kemi. Dels med de miljømæssige aspekter, og dels med hvordan man måler koncentrationen af hypochloritioner i en opløsning.

Døden i badeværelset

De kan erstattes i stort set alle sine anvendelser med mindre farlige stoffer. Koncentrationen af hypochloritioner kan måles ved en redoxtitrering.

Hypochloritioner kan reagere med chloridioner: ClO – (aq) + Cl – (aq) + 2 H + (aq) Reduktion: Oxidation:

Cl 1 Cl 1

➝

Redoxtitrering

Cl 2 (g) + H 2 O(l)

På deklarationen af et hypochloritholdigt rengøringsmiddel står der anført, om opløsningen er stærkere eller svagere end 5 masse%. Det kan man efterprøve efter ved en titrering. Ligesom syre-basereaktioner og fældningsreaktioner kan også redoxreaktioner danne grundlag for titreringer. Beregningsprincipperne er helt de samme.

·1=1 ·1=1

Klorin indeholder både hypochloritioner og chloridioner, og mange rengøringsmidler (fx Ajax og WC-rens) er sure. Hvis man en dag i et forsøg på virkelig at gøre rent, blander to sådanne væsker sammen, udvikles der dichlor. Det er en meget giftig gas, og der sker af og til dødsfald i Danmark på grund af en sådan sammenblanding.

Inden man tilrettelægger sin titreringsreaktion, skal man overveje, hvordan man vil afgøre, om ækvivalenspunktet er nået. En af flere metoder ved redoxtitreringer er at bruge triiodidioner (I3–), der let lader sig påvise med stivelse. Stivelse og triiodidioner danner en kraftigt sort-violet forbindelse.

Substitution

Agenda 21 betyder “dagsorden for det 21. århundrede”. Det handler om at gøre vores adfærd på kloden bæredygtig.

I sommeren 1992 mødtes de fleste af verdens statsledere i den brasilianske by Rio de Janeiro for at aftale en strategi, der kan gøre udviklingen af kloden bæredygtig. Et af de centrale punkter var at føre miljøbevidstheden helt ud til den enkelte verdensborger, så det ikke blot var virklighedsfjerne politikere, der satte store projekter i gang, men også almindelige mennesker, der gjorde deres egen hverdag mere bæredygtig. Her kommer begrebet substitution ind.

Derfor lader vi først hypochloritionerne oxidere iodidioner til triiodidioner i sur opløsning: ClO–(aq) + 3 I–(aq) + 2 H+(aq) ➝ Cl–(aq) + I3–(aq) + H2O(l) Reduktion: Cl 2 Oxidation: I 2 3

Mange kemikalier er farlige, og mange processer i den kemiske industri er farlige for medarbejderne og for det ydre miljø. Substitution er det princip at udskifte et farligt stof eller en farlig metode med noget mindre farligt. Hypochlorit er på Miljøstyrelsens liste over uønskede stoffer. Det er giftigt i sig selv, men det kan også reagere med organiske stoffer i vandmiljøet og chlorere dem. Altså danne forbindelser, hvor chloratomerne er bundet til carbonatomer med elektronparbindinger. Det er et større problem end den umiddelbare giftighed, fordi de nye stoffer også er giftige og tilmed langsomt nedbrydelige.

·1=2 ·3 =2

Bagefter reduceres triiodidionerne med thiosulfationer, der selv oxideres til tetrathionationer: I 3 – (aq) + 2 S 2 O 3 2– (aq) Reduktion: I 2 3 Oxidation: S ½

På opslag 10 så du, hvordan man laver Klorin.

➝

3 I – (aq) + S 4 O 6 2– (aq)

Beregningerne bliver lidt vanskeligere her, end vi før har været vant til. Det værste er vel, at der nu er to reaktioner, hvor vi før kun har skullet regne på dem én ad gangen. Det klarer vi ved at finde reaktionsforholdet mellem de to “interessante” stoffer. Det ene interessante stof er selvfølgelig hypochlorit, fordi det er det, vi vil måle på. Det andet er thiosulfat, fordi det er det, vi har oplysninger om mængden af. Af den første reaktion kan vi se, at der dannes én triiodidion for hver hypochlorition. Af det andet reaktionsskema ser vi, at den ene triiodidion reagerer med to thiosulfationer. Derfor reagerer hypochloritioner og thiosulfationer i forholdet 1:2. Nedenfor ser du et beregningsskema over situationen, hvor man først har afmålt 100 mL Klorin. Det er dernæst fortyndet med lidt vand og tilsat overskud af kaliumiodid og syre. Til sidst er der tilsat lidt stivelsesindikator. Denne blanding er titreret med 10,0 mL 0,010 M thiosulfatopløsning.

V c n

ClO –

2 S 2O 32–

0,100 mL 0,50 M 0,050 mmol

10,0 mL 0,010 M 0,10 mmol

Hypochloritopløsningen har altså været 0,50 M. På varedeklarationer anfører man aldrig koncentrationer i enheden M. Der står hvor mange % aktivt chlor, der er i varen. Det betyder masse% af dichlor, efter at denne reaktion er forløbet: ClO – (aq) + Cl – (aq) + 2 H + (aq)

➝

Cl 2 (g) + H 2 O(l)

Når et mol hypochloritioner reagerer, dannes der et mol dichlor. Massen af dichlor, der kan udvikles af 100 mL opløsning, er altså: m=n·M =c·V·M = 0,50 M · 0,100 L · 70,90g/mol = 3,5 g Hvis 100 mL opløsning vejer 100 g, er indholdet af aktivt chlor 3,5% .

·3=2 ·4=2

Thiosulfationerne har vi i en burette, så vi kan finde ud af, hvor meget vi tilsætter. Ækvivalenspunktet er nået, netop når opløsningen mister sin violette farve. Det sker nemlig, når alle triiodidioner er væk.

Isis 134

135

Redoxreaktioner

Opg Opgaver

b) Mg(s) + 2 H+(aq)

49.1.*

Mg2+(aq) + H2(g)

Hvorfor er det så vigtigt at kunne afstemme redoxreaktioner?

50.3.**

49.2.*

Fuldfør og afstem reaktionsskemaer for de reaktioner, der vil kunne forløbe:

Hvorfor skal der oxideres og reduceres lige meget?

49.3.* Afstem følgende redoxreaktioner og redegør for hvilket grundstof, der er blevet oxideret, og hvilket der er blevet reduceret: a)Ca(s) + O 2 (g)

➝

CaO(s)

b)Zn(s) + Cl 2(g)

➝

ZnCl 2(s)

a) Sn(s) + Ag + (aq) ➝ b)Cu(s) + Al 3+ (aq) ➝ c) Mg(s) + Pb 2+ (aq) ➝

a) Ni(s) + Cu2+(aq) ➝ Ni2+(aq) + Cu(s) b) Pb(s) + Ag+(aq) ➝ Pb2+(aq) + Ag(s)

Tildel alle atomer oxidationstal i følgende stoffer: a) Ar b) O2 c) H2O d) MnO4–

51.2.* Tildel alle atomer oxidationstal i følgende stoffer: a) H3O+ b) N2 c) Cl– d) CH4

50.4.**

51.3.**

Fuldfør og afstem de reaktioner, der vil kunne forløbe:

Tildel alle atomer oxidationstal i følgende stoffer: a) H2S b) NO2 c) OsO4 d) MnO2

a) H 2(g) + Au 3+ (aq) ➝ b)H 2(g) + Fe 2+ (aq) ➝ c) Fe(s) + H +(aq) ➝

49.4.* Afstem følgende redoxreaktioner og redegør for hvilket grundstof, der er blevet oxideret og hvilket der er blevet reduceret:

51.1.*

50.5.** Inge har fundet ud af – at cerium og cadmium reagerer med saltsyre – at cerium reagerer med cadmium(II)nitrat Orden cadmium, cerium og hydrogen i en spændingsrække.

Tildel begge grundstoffer oxidationstal i stoffet SF6. Hvad hedder stoffet? Det blev indtil for ganske nyligt brugt i løbesko, men har ret alvorlige bivirkninger på atmosfæren.

51.6.***

Find eksempler på, at et metal indplacerer sig forskelligt i spændingsrækken og i elektronegativitetsrækkefølgen.

Tildel alle atomer oxidationstal i følgende stoffer: a) H2O2 b) OF2 c) CN– d) LiAlH4

50.7.***

51.7.***

49.6.***

Opskriv og afstem reaktioner mellem: a) Bly og sølvnitratopløsning b) Jern og kobber(II)sulfatopløsning

Færdiggør følgende redoxreaktioner og afstem dem:

50.8.***

Afgør om der er tale om oxidation eller reduktion når der sker følgende omsætninger: a) fra jern(III) til jern(II) b) fra svovldioxid til sulfation c) fra nitrit til nitrat

b)Cu(s) + CuO(s)

a) Mg(s) + S 8(s) b)Cu(s) + O 2(g) c) S 8(s) + O 2(g)

➝

Cu 2 O(s)

Et gammelt husråd siger, at sølvtøj kan blive blankt, hvis det lægges i en opvaskebalje foret med aluminiumsfolie og fyldt med en fortyndet eddikeopløsning. Hvorfor det?

➝ ➝ ➝

MnO 4– (aq) + H 2 O(l)

Anfør reaktionspilens retning: a) Cu(s) + Fe2+(aq)

136

Cu2+(aq) + Fe(s)

b)H 2 S(aq)+NO 3 – (aq)

➝ MnO 2(s) + O 2(g)

Derfor kan man ikke regne 100% med koncentrationen af en permanganationopløsning medmindre man lige har målt den eller lige lavet opløsningen.

b)MnO 4 – (aq) + NO 2 –(aq)

Svovllever er et produkt af varm hydroxidionopløsning med cyclooctasvovl. Der sker en række reaktioner, men denne er den vigtigste: S 8 (s) + OH – (aq)

Afstem reaktionsskemaet. Læs om svovllevers historie på cd-rom’en.

52.3.**

➝

2+

Zn (aq) + AsH 3(g) b)PbO 2(s) + Cl –(aq)

53.4.*** Afstem følgende reaktionsskema (start i basisk væske): ➝

CrI 3 (aq) + Cl 2(aq) 2–

CrO4 (aq) + IO3–(aq) + Cl–(aq)

➝ Pb 2+ (aq) + Cl 2(g)

53.5.** 52.4.*** Afstem følgende reaktionsskemaer (start i sur væske. Du skal vide, at OT ikke behøver være hele tal): a) I –(aq) + Cr 2O 72– (aq)

➝

I 3 (aq) + Cr 3+ (aq) –

b)Cu 2 S(s) + NO 3 – aq)

Afstem følgende reaktionsskemaer (start i neutral opløsning): a) HCOO –(aq) + NO 3 –(aq)

➝ CO 2(g) + N 2O(g)

b)S 2 O 3 2– (aq) + Cl 2 (aq) ➝ SO 42– (aq) + Cl –(aq)

➝

2+

Cu (aq) + S 8(s) + NO 2(g)

52.5.*** Afstem følgende reaktionsskema (start i sur væske): IO 3 –(aq) + Cl –(aq) +FeI 2(s)

➝

53.6.*** Thiosulfationer kan oxideres af triiodidioner, der selv reduceres til iodidioner. I basisk opløsning dannes sulfationer, mens der dannes tetrathionationer i sur opløsning. Opskriv og afstem reaktionsskemaet. Du skal vide, at OT ikke behøver være hele tal.

53. 1.**

53.7.**

Afstem følgende reaktionsskemaer (start i basisk væske):

Afstem følgende reaktionsskema (start i sur opløsning):

a) Pb 2+ (aq)+ClO – (aq)

➝

I –(aq) + IO 3–(aq) –

PbO 2(s) + Cl (aq) b)S (aq) + Cl 2(aq) 2–

➝

SO 42– (aq) + Cl –(aq)

53.2.** Afstem følgende reaktionsskemaer (start i basisk væske):

Hvorfor kan hypochloritioner virke oxiderende?

54.2.** Chlorationer kan reagere med chloridioner og danne dichlor på en måde, der ligner reaktionen mellem hypochloritioner og chloridioner. Opskriv og afstem reaktionsskemaet.

54.3.i

➝

S2–(aq) + SO42–(aq) + H2O(l)

Afstem følgende reaktionsskemaer (start i sur væske):

54.1.*

➝

MnO 2(s) + NO 3–(aq)

➝

Fe (aq) + ICl(s)

b) U(s) + Cu2+(aq) ➝ U3+(aq) + Cu(s)

50.2.*

➝

Cu 2+ (aq) + NO(g)

52. 1.**

a) Ni(s) + Ag+(aq) ➝ Ni2+(aq) + Ag(s)

Afstem følgende reaktioner:

a) Cu(s) + NO 3 –(aq)

3+

En opløsning af kaliumpermanganat vil med tiden få en svagere koncentration. Permanganationerne vil nemlig oxidere vandet til dioxygen, selv om det kun sker i ret ringe omfang:

50. 1.*

Afstem følgende reaktionsskemaer (start i sur væske):

a) Zn(s) + H 3AsO 3(aq)

51.5.**

50.6.**

a) PbO(s) + CO(g) ➝ Pb(s) + CO2(g)

52.2.**

SO 42– (aq) + NO(g) Tildel alle atomer oxidationstal i følgende ioner: a) SO42– b) PO43– c) ClO3– d) NH4+

a) Al(s) + OH –(aq) ➝ Al(OH) 4–(aq) + H 2(g)

53.3.**

51.4.**

49.5.** Afstem følgende redoxreaktioner og redegør for hvilket grundstof, der er blevet oxideret og hvilket der er blevet reduceret:

a) Afstem reaktionsskemaet. b) Hvad hedder MnO2? c) Hvis skolen har flasker med permanganatopløsning, så undersøg, om der er noget, der tyder på, at denne reaktion sker.

➝

Find ud af om følgende stoffer står på Miljøstyrelsens liste over uønskede stoffer a) Bly b) Formaldehyd c) Phosphonater (i vaskepulver og maskinopvaskemiddel) d) Mineralsk terpentin e) PVC-plastik (husholdningsfolie)

54.4.i Find ud af, om du i din husholdning kan finde nogle af stofferne fra forrige opgave. Hvad bruges stofferne til, og hvad kan man bruge i stedet?

54.5.** Svend-Åge skal til at pakke sin madpakke ind. Hvad skal han vælge? a) Aluminiumfolie b) Daggammel avis c) Pergamentpapir d) PE-husholdningsfolie e) PVC-husholdningsfilm

54.6.** I Johannes’ vaskepulver er der bl.a. Ioniske tensider Phosphat Natriumsulfat Blegemidler med ilt Hvad skal de forskellige ingredienser gøre godt for, og er de miljømæssigt i orden?

Opg

I 3–(aq)

54.7

53.8.

Afstem følgende reaktionsskema (start i sur opløsning): OBS: IKKE for folk med svage nerver!!:

Lav et mind-map over redoxreaktioner.

[Cr(N2H4CO)6]4[Cr(CN)6]3(s) + MnO4–(aq)ÿ Ýÿ Cr2O72–(aq) + CO2(g) + NO3–(aq) + Mn2+(aq)

137

Teknisk kemi

Teknisk kemi 55. Sur nedbør. Problemet 56. Sur nedbør. Løsningen 57. Korrosion 58. Elementer 59. Elektrolyse 60. Kobber 61. Guld og sølv 62. Titan Opgaver

Isis 138

139

Teknisk kemi

55

Sur nedbør. Problemet Det er surt når det regner. Det har det altid været; pH i regnvand er under 7, og derfor er regnvand en sur opløsning. Det skyldes, at regnvand står i ligevægt med atmosfærens carbondioxid:

Sur nedbør er et problem for såvel levende organismer som for bygninger.

CO 2 (g) + H 2 O(l)

H + (aq) + HCO 3 – (aq)

Men det kan kun redegøre for, at pH er nede på 5,6. Oxoniumionkoncentrationen i det regnvand, der falder over Danmark, er imidlertid 15 gange så stor, som den naturligt er. pH er 4,4 og ikke 5,6.

Oxider af svovl og nitrogen danner syre med regnvand.

SO 3 (g) + H 2 O(l)

➝

2 H +(aq) + SO 4 2– (aq)

Nitrogendioxid reagerer med vandet og disproportionerer under dannelse af den stærke syre salpetersyre samt nitrogenmonoxid: 3 NO 2(g) + H 2O(l) Reduktion: Oxidation:

N2 N1

➝

2 H+(aq) + 2 NO 3–(aq) + NO(g)

Skovdød i Tjekkoslovakiet, 1988.

Når vi i vort industrisamfund skal bruge energi for at få bilerne til at køre eller for at varme vores huse op med, får vi det i stort omfang ved afbrænding af kul, olie og naturgas. Sammen med store mængder carbondioxid slipper også betydelige mængder andre oxider med ud i atmosfæren. Det drejer sig specielt om: svovldioxid svovltrioxid nitrogenmonoxid nitrogendioxid

SO2 SO3 NO NO2

Når syren rammer ting af marmor, zink eller kobber, kan de korroderes af den sure nedbør.

De første to betegnes ofte med fællesbetegnelsen “SOx” og de sidste to “NOx”. Vittige sjæle har fundet på at kalde dem alle fire for “SNOx”.

Kilder Svovldioxid dannes hovedsageligt ved afbrænding af kul og olie, der indeholder svovl: S(olie) + O 2 (g)

➝

SO 2 (g)

Nitrogenoxiderne dannes hovedsageligt i bilmotorer, hvor almindelig atmosfærisk luft opvarmes til 1200 °C. Ved så høj temperatur reagerer dinitrogen og dioxygen fra atmosfærisk luft med hinanden: N 2 (g) + O 2 (g)

Den sure nedbør er også et problem for døde ting som fx bygninger og statuer. Ting lavet af kalk, og hertil hører marmor, nedbrydes af syren: CaCO 3 (s) + 2 H + (aq)

·1=2 ·2=2

➝

Ca 2+ (aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g)

Zinktagrender kan ætses af syren: Zn(s) + 2 H + (aq)

Virkninger

Når syren falder på jord, kan den neutraliseres af kalk, eller den kan mobilisere metalioner.

tydningsfuld. Måske vil den snart overhale syrens miljøskadelige effekt.

Oxoniumioner er et problem for naturen, fordi de medvirker til at opløse positivt ladede metalioner. Det er specielt problematisk for aluminiumioner og diverse tungmetalioner (ioner af bly, cadmium, kviksølv o.l.), da disse er giftige. Alle positivt ladede ioner i jorden sidder tilhæftet på lermineralpartikler eller humus (uomsat organisk materiale), idet begge dele er negativt ladede.

➝

Zn 2+ (aq) + H 2 (g)

Kobberting får udskiftet irlaget med kobber(II)sulfat, der ikke beskytter kobberet mod videre tæring: Cu 2 (CO 3 )(OH) 2 (s) + 2 H 2 SO 4 (aq) ➝ 2 CuSO 4 (s) + CO 2 (g) + 3 H 2 O(l)

I takt med en voksende koncentration af oxoniumioner (faldende pH), udskiftes flere af metalionerne med oxoniumioner. Når pH er faldet til 6, sker en udbytning af de løsest bundne ioner, som er natriumioner og kaliumioner. Falder pH til 5, er udbytningen af calciumioner og magnesiumioner størst. Først når pH er 4, sker udbytningen af aluminiumioner og tungmetalionerne (de stærkest bundne) i nævneværdig grad: 2 H + (aq) + Pb 2+ (ler)

➝

2 H + (ler) + Pb 2+ (aq)

Hvis jorden/vandet indeholder kalk (calciumcarbonat) eller hydrogencarbonationer, vil pH ikke falde under 6, og forsuring sker ikke. Ellers bliver pH hurtigt under 5, og mange levende organismer hæmmes eller dør.

2 NO(g)

Bagefter kan følgende ske i atmosfæren: 2 NO(g) + O 2 (g)

2 NO 2 (g) I søer vil forsuringen favorisere trådalger og tørvemos.

Syredannelse Når svovldioxid kommer i forbindelse med (regn-) vand, dannes den svage syre svovlsyrling: I 1932 afbillede man med stolthed rygende skorstene.

SO 2 (g) + 2 H 2 O(l)

H 3 O + (aq) + HSO 3 – (aq)

Svovldioxid kan også i mindre omfang oxideres til svovltrioxid: 2 SO 2 (g) + O 2 (g)

➝

2 SO 3 (g)

Svovltrioxid kan danne svovlsyre med regnvandet:

Et andet problem med de nitrøse gasser er, at de virker som gødning på vegetationen. Næringsfattige danske plantesamfund, som fx heder, højmoser og fattigkær, beriges langsomt med næringsstoffet nitrat, og de skifter langsomt karakter. Et af de første symptomer er, at bladene i Hedelyng får større næringsindhold, og derfor lettere angribes af Lyngens bladbille. Sådanne angreb er blevet langt hyppigere og langt alvorligere i 90’erne. I takt med, at udslippet af svovloxider reduceres, bliver denne effekt mere be-

Rytterstatue i bronze fra 1770. Statuen forestiller Frederik V til hest og står på Amalienborg Slotsplads. De første 160 år af statuens liv stod den med sin originale, irrede bronzeoverflade, hvor man kunne se spor efter skulptørens værktøj. De næste 50 år tærede disse imidlertid væk, så man nu kun kan se sporene på hestens bug.

Isis 140

141

Teknisk kemi

56

Sur nedbør. Løsningen Det er en erfaringssag, at nogle områder er langt mere følsomme for sur nedbør end andre. Fx er havet og nogle ferskvandssøer ganske upåvirkede, hvorimod andre ferskvandssøer er stærkt påvirkede. De upåvirkede områder indholder kalk (calciumcarbonat) og/eller hydrogencarbonationer. Begge dele reagerer med oxoniumioner: +

CaCO 3 (s) + 2 H (aq)

➝

2+

Ca (aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) ➝

HCO 3 – (aq) + H + (aq)

H 2 O(l) + CO 2 (g)

Disse reaktioner neutraliserer den tilførte syre, og i kalkrige egne (inklusiv havet) er vand og jord upåvirket af sur nedbør. I Danmark er specielt Sydvestjylland kalkfattig, da området ikke blev beriget med kalksten under sidste istid. Store områder i Sverige, hvor jordbunden består af det kalkfattige granit, er også meget påvirkelig.

Man kan kalke forsurede søer, men det er kun symptombehandling.

Kraftværker kan få renset sin røg for svovloxider ved at lave svovlsyre af dem eller ved at omdanne kridt til gips. Nitrøse gasser kan fjernes fra kraftværksrøg ved at lade den reagere med ammoniak, så der dannes dinitrogen. Biler kan bruge afsvovlet benzin/dieselolie, og katalysatorer kan fjerne nitrøse gasser.

Måden at nedsætte emissionen af forurenende gasser på afhænger af kilden.

Røgen fra kulfyrede kraftværker (praktisk taget alle danske kraftværker i 1999 er kulfyrede) renses i to trin. Først fjernes nitrøse gasser, ved at de reagerer med tilsat ammoniak: 4 NO(g) + O 2 (g) + 4 NH 3 (g)

➝

4 N 2 (g) + 6 H 2 O(g)

Reduktion: N 2 · 4 = 8 O2 ·2= 4

Småindustri og husholdninger kan ikke foretage en sådan røgrensning på en økonomisk forsvarlig måde, så her renser man olien for svovl, inden den brændes. Det gøres ved at reducere svovlet, der er bundet kemisk til olien, til hydrogensulfid med dihydrogen: S(olie) + H 2 (g) ➝ H 2 S(g) Den dannede hydrogensulfid kan let fordampes væk fra olien. Først skal den oxideres til svovldioxid: 2 H 2 S(g) + 3 O 2 (g)

➝

2 SO 2 (g) + 2 H 2 O(g)

Det kan bruges til fremstilling af svovlsyre efter samme princip som i SNOx-processen.

Oxidation: N 3 · 4 = 12 6 NO 2 (g) + 8 NH 3 (g) Reduktion: N 4 Oxidation: N 3

Katalytiske efterbrændere

➝

7 N 2 (g) + 12 H 2 O(g)

· 3 · 2 =24 · 4 · 2 =24

Dernæst renses for svovlforbindelser. Det sker på en af to måder. Den ældste og mest udbredte metode, er at omdanne svovldioxid til gips:

Reaktionen foregår i så koncentreret opløsning, at der løbende udfældes gips. Gipsen anvendes i byggeindustrien. En mere avanceret metode er SNOx-processen, der er udviklet af det danske katalysatorfirma Haldor Topsøe A/S. Efter ammoniakreaktionen fra før oxideres svovldioxid til svovltrioxid: 2 SO 2 (g) + O 2 (g)

➝

2 SO 3 (g)

Til sidst afkøles gassen, så svovltrioxid kan reagere med vanddamp fra røggassen: SO 3 (g) + H 2 O(g)

➝

H 2 SO 4 (l)

Total emission Kraft- og fjernvarmeværker Industri Målsætning år 2000

kton SO2 500 400

De nitrøse gasser fra bilernes udstødning kan fjernes af en katalytisk efterbrænder – en såkaldt “katalysator”. Det er en kasse med en stor indre overflade belagt med platinmetaller (mest palladium, Pd). Den katalyserer bl.a. denne reaktion: 2 NO(g) + 2 CO(g)

2 SO2(g) + 2 CaCO3(aq) + O2(g) ➝ 2 CaSO4(aq) + 2 CO2(g)

Svovloxidemissionen er kraftigt for nedadgående, men emissionen af nitrøse gasser er først for nylig begyndt at falde svagt.

Afsvovling

Naturgas fra Nordsøen indeholder kun ca. 1% så meget svovl som renset (!) olie, og yderligere foranstaltninger er unødvendige.

Røgrensning

En katalytisk efterbrænder.

Svovlsyren kan opsamles og sælges. Derfor er SNO x-anlæg økonomisk interessante. For øjeblikket er investeringerne dog en del højere end for gipsprocessen.

➝

N 2 (g) + 2 CO 2 (g)

Både nitrogenmonoxid og carbonmonoxid er ganske giftige gasser, hvorimod dinitrogen og carbondioxid er helt uskadelige (på nær drivhuseffekten måske). Siden oktober 1990 skal alle nye benzinbiler have monteret en katalytisk efterbrænder.

300 200 100 0 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995

kton NOX 350 300 250

Hvordan går det så?

200

Som det ses af figurerne, går det ganske godt med svovludslippet. Fra at have toppet i 1977 med 466 kton svovldioxid, er det reduceret til 150 kton i 1995. Det er Folketingets mål, at reducere udslippet til 90 kton i 2000. Det anslås, at det økologisk bæredygtige vil være ca. 50 kton/ år.

150

Derimod går det ret skidt med emissionen af nitrøse gasser. Der er det årlige udslip på 250 kton NOx målt som NO2. Emissionen toppede først i 1986 med 320 kton; en værdi, der blev gentaget i 1991. Det skyldes bl.a. at danskerne kører mere i bil, og at bilerne bliver større. Også den stærkt øgede flytrafik bidrager til, at emissionen ikke falder kraftigt nok. Det bæredygtige niveau anslås til at være 70 kton/år.

Total emission Kraft- og fjernvarmeværker Vejtrafik Målsætning år 2000

100 50 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995

% areal hvor S-tålegrænsen er overskredet 30

Areal

25 20 15 10 5 0 1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

Isis 142

143

Teknisk kemi

57

Korrosion

Metaller til venstre for sølv i spændingsrækken kan angribes af luftens dioxygen. Jern kan beskyttes mod korrosion ved at legere, galvanisere, forchrome eller male det.

De metaller vi bruger til brugsting – specielt jern og aluminium – oxideres spontant af luftens dioxygen. Det er navnlig et problem med jern, da det dannede oxidlag (“rust”) brækker af i flager og herved blotlægger metaloverfladen på ny, så metalgenstanden kan gennemtæres. Med fx aluminium, zink og chrom er det anderledes. Her er det blot det yderste lag, der oxideres, og det dannede oxidlag lægger sig som et tæt, beskyttende lag hen over resten af metallet.

med elektronoverskud og positive områder med elektronunderskud. De negative områder er netop negative, fordi jernet oxideres: Fe(s) ➝ Fe 2+ (aq) + 2 e –

Aluminium

De dannede jern(II)ioner og hydroxidioner mødes i opløsningen og danner det tungtopløselige jern(II)hydroxid:

Aluminium er et meget let metal; dets massefylde er kun 34% af jerns. Derfor er aluminium teknologisk interessant til fremstilling af cykler, fly og andre ting, hvor massen er vigtig.

Jern(II)ionerne opløses i vandet omkring metallet, og der opstår fordybninger i overfladen. Elektronerne strømmer gennem metallet til de positive områder, hvor dioxygen reduceres: ➝

O 2 (aq) + 2 H 2 O(l) + 4 e –

Fe 2+ (aq) + 2 OH – (aq)

4 OH – (aq)

➝ Fe(OH) 2 (s)

Jern(II)ionerne vil efterhånden oxideres til jern(III)ioner: Aluminium er imidlertid meget uædelt, men det angribes kun overfladisk af dioxygen. Faktisk er aluminiumoxidlaget med til at øge styrken af metallet. Man kan tillige indfarve oxidlaget, hvis det er tykt nok og har den rigtige struktur, så det er almindeligt, at forøge oxidlagets tykkelse; såkaldt anodisering. Man pålægger metallet en positiv spænding, så nogle elektroner trækkes ud af metallet: 2 Al(s) + 6 OH – (aq)

➝

Al 2 O 3 (s) + 3 H 2 O(l) + 6 e –

Bagefter er aluminiumoverfladen fyldt med mange, få mm dybe brønde i sekskantmønster. De kan fyldes med farvestoffer og bagefter forsegles med damp. Oxidet vil nu optage krystalvand, så det fylder mere. Aluminium angribes af hydroxidioner, der reduceres til dihydrogen: 2 Al(s) + 2 OH–(aq) + 6 H2O(l) ➝ 2 Al(OH)4–(aq) + 3 H2(g)

Rust Kun jern kan ruste. Dannelse af rust kræver, at der både er jern, vand og dioxygen til stede. På jernet opstår negative områder

Fe

Atmosfærisk luft ½ O2 + H2O + 2 e-

2 OH- (aq)

4 Fe2+(aq) + O2(aq) + 2 H2O(l)

➝ 4 Fe3+(aq) + 4 OH–(aq)

Jern(III)ioner danner et endnu mere tungtopløseligt bundfald med hydroxidioner: Fe 3+ (aq) + 3 OH – (aq)

➝

Fe(OH) 3 (s)

tæt, vil det naturligvis beskytte jernet ved at hindre dioxygen og vand i at komme i kontakt hermed. Zinken vil så oxideres i det yderste lag, hvilket beskytter mod yderligere oxidation på samme måde som aluminium. Men også hvis zinklaget gennemridses, vil det yde korrosionsbeskyttelse. Det skyldes, at når et jernatom oxideres til en jernion, vil den omgående reduceres tilbage igen af zinken: Fe(s) ➝ Fe 2+ (aq) + 2 e – Fe 2+ (aq) + Zn(s) ➝ Fe(s) + Zn 2+ (aq) Et metal, der som her skal oxideres i stedet for jernet, kaldes en offeranode. Galvanisering anvendes fx til søm, og de fleste nye biler har i dag galvaniserede karosserier. 3. Man kan forchrome, fortinne eller fornikle jern, altså overtrække det med chrom, tin eller nikkel. Da tin og nikkel er mere ædle end jern, vil det kun fungere efter hensigten, sålænge overfladen er intakt. Ellers vil jernet virke som offeranode.

Denne blanding af jern(II)hydroxid, jern(III)hydroxid og varierende mængder vand kaldes for rust. Man kan ikke angive nogen præcis formel for rust.

4. Endelig kan man male overfladen og derved hindre, at jernet oxideres af luftens dioxygen.

Rustbeskyttelse

Ting man ikke skal gøre

For at beskytte jern mod oxidation kan man gøre forskellige ting:

Man kan fremskynde en korrosion ved at sætte metaller forkert sammen. Fx skal man ikke sætte en varmtvandsbeholder af jern på et kobbervandrør; så vil varmtvandsbeholderen gennemtæres. Man skal heller ikke sømme en kobberplade på et skib med jernsøm – så vil sømmene tæres væk, og pladen falde af. En tredje dumhed, man kan begå, er at tygge på et stykke alufolie med en plomberet tand. Her er det ikke korrosionen af alufolien, der bekymrer én, men den strøm, der går gennem éns tandnerve pga. det opståede element (“batteri”).

1. Man kan legere jernet med chrom, nikkel og evt. molybdæn. Herved får man rustfrit stål. 2. Man kan belægge jernet med zink. Hvis man gør det med strøm kaldes det galvaniseret, og hvis man dypper jernet i smeltet zink, kaldes det varmforzinket. Sålænge zinklaget er

Skibsskruer af jern ruster let, hvis de ikke beskyttes af en zinkofferanode.

Vand 2 e- Fe2+

Isis 144

145

Teknisk kemi

58

Elementer

Elementer udnytter kemisk energi til at lave elektrisk strøm. Redoxreaktioner forløber på en måde, så elektronerne vandrer gennem en ledning. Daniell-elementet udnytter spændingsrækkereaktioner. De fleste engangselementer er af brunstenstypen.

Porøs lerskål Cu2+ (aq)

Cu (s)

Zn (s) Zn2+ (aq)

Nickel-cadmium battery

I hverdagen bruges de i cykellygter og walk-men og hedder tit “batterier”. De indeholder et stof, der kan afgive elektroner og et, der gerne vil optage dem. De er indrettet på en måde indvendigt, så elektronerne skal en omvej gennem en ledning for at komme fra -pol til -pol. Når man forbinder elementer i serie, få man en større spænding til rådighed. Det er en sådan seriekobling af elementer, man kalder et batteri. I daglig tale bruges ordet “batteri” desværre også om enlige elementer.

Nikkel-cadmium-elementet

Daniell-elementet

Totalreaktionen i nikkel-cadmiumelementet bliver:

Når et stykke zink i kontakt med en opløsning af zinkioner og tilsvarende et stykke kobber i kontakt med en opløsning af kobber(II)ioner, forbindes med en ledning bliver zinken oxideret til zinkioner: : Zn(s)

➝

Zn 2+ (aq) + 2 e –

Kobberionerne reduceres til kobber: : Cu 2+ (aq) + 2 e –

Genopladelige elementer kan fx være NiCd, NiMH eller bly-typer.

➝

Cu(s)

Men på en betingelse! Der skal kunne komme negativt ladede ioner over i kammeret med zinkioner for at opveje de nye zinkioners positive ladning. Den porøse lerskål – se figur – er gennemstrængelig for ioner.

De fleste genopladelige elementer er af nikkel-cadmiumtypen. Ved -polen oxideres cadmium til cadmium(II)hydroxid: : Cd(s) + 2 OH – (aq) Ved

➝

Cd(OH) 2 (s) + 2 e –

-polen reduceres nikkel(III)ioner til nikkel(II)ioner: : Ni(O)(OH)(s) + H2O(l) + e– ➝

Ni(OH)2(s) + OH–(aq)

Når elementet genoplades vendes reaktionerne blot.

Cd(s) + 2 Ni(O)(OH)(s) + 2 H 2 O(l) ➝ Cd(OH) 2 (s) + 2 Ni(OH) 2 (s) Der er dog en række problemer med nikkel-cadmiumelementer. Cadmium er et ret giftigt tungmetal, der ødelægger levende organismers enzymer. For at forhindre spredning af cadmium, indsamles brugte elementer, men selv om der oplyses om giftigheden, er det ikke muligt at indsamle 100%. Endvidere er der det teknologiske problem, at elementerne skal aflades helt inden en ny opladning for ikke for hurtigt at blive slidt. Man siger, at elementet har “hukommelse”.

Nikkel-metalhydrid-elementet Totalreaktionen får man ved at lægge de to polreaktioner sammen, så der optages og afgives lige mange elektroner. Den bliver her: ➝

Zn(s) + Cu 2+ (aq)

Zn 2+ (aq) + Cu(s)

Denne måde at lave elementer på, blev opfundet i 1830‘erne.

Alkaline-elementet Almindelige engangselementer (“batterier”) er brunstens-elementer. De mest holdbare er af den såkaldte alkaline type. Ved den negative pol oxideres zink til zinkioner: : Zn(s) + 2 OH –

➝

ZnO(s) + H 2 O(l) + 2 e –

Ved den positive pol er det mangan, der reduceres fra mangan(IV) til mangan(III): : 2 MnO2(s) + H2O(l) + 2 e–

➝

Mn2O3(s) + 2 OH–(aq)

Derfor er man for ret nylig begyndt at lave elementer med en metalhydridelektrode i stedet for cadmiumelektroden. Den er ikke miljøfarlig og er uden hukommelse. Hydrogen kan binde sig til forskellige metaller som atomer. Det er teknisk fikst, fordi man på lille plads kan lagre meget hydrogen, uden det skal under tryk. Det er specielt platinmetallerne, der er gode til at optage hydrogen, men de er for kostbare til elementer. Det har vist sig, at metallegeringer, der både indeholder undergruppemetaller (som fx Ti, Ni, Co og Mn) samt lanthanider (som fx La, Ce, Nd og Pr) er velegnede både teknisk og økonomisk. -polen kan skrives sådan:

Reaktionen ved :

H(metal)

➝

H + (aq) + e –

Totalreaktionen bliver: Zn(s) + 2 MnO 2 (s)

➝

ZnO(s) + Mn 2 O 3 (s)

Mangan(IV)oxid kaldes også brunsten – deraf navnet brunstenselement.

Isis 146

147

Teknisk kemi

59

Elektrolyse

Ved elektrolyse sættes kemiske reaktioner i gang af elektrisk energi. Forbrændingsreaktioner kan udnyttes til at give elektrisk energi i brændselsceller. Omvendt kan man danne brændstoffer ved elektrolyse. Brændselsceller kan bidrage til at gøre energiproduktionen bæredygtig. En række uædle metaller langt til venstre i spændingsrækken blev dannet ved elektrolyse tidligt i 1800-tallet.

Når der overføres elektroner i redoxreaktioner, er det vel ikke overraskende, at man kan sætte redoxreaktioner i gang med elektrisk strøm.

Der er også mulighed for at forbrænde methanol eller ethanol, der kan fremstilles af fx halm, træflis, energiafgrøder, gylle eller slam fra renseanlæg. Det er endnu en mulighed for at få elektrisk strøm på en bæredygtig måde.

Vandsønderdeling Når man fx dypper to elektroder i vand og forbinder dem til jævnstrøm, vil der dannes bobler ved elektroderne. Der dannes dobbelt så meget gas ved den negative pol som ved den positive. Vandet deles simpelthen i sine grundstoffer: 2 H 2 O(l)

➝

2 H 2 (g) + O 2 (g)

For at forstå strømmens rolle i reaktionen må vi se på reaktionerne ved de to poler hver for sig. Denne reduktion sker ved -polen: : 4 H 2 O(l) + 4 e – Og denne oxidation ved : 4 OH – (aq)

➝

2 H 2 (g) + 4 OH – (aq)

-polen: ➝

4 e – + 2 H 2 O(l) + O 2 (g)

En sådan reaktion kaldes for elektrolyse (elektro: ved hjælp af strøm, lysis: spaltning). Vandsønderdelingen har ikke den store udbredelse i dag, men i fremtiden kan man forestille sig, at dihydrogen kan blive et attraktivt stof at oplagre energi i. Det kan dannes ved strøm fra vandkraft, bølgekraft, vindkraft eller af solceller og kan så transporteres hen til forbrugerne og oplagres, til det skal bruges.

Brændselsceller I 1839 opdagede englænderen W. Grove, at lige efter at man har sønderdelt vand i et bægerglas med to platinelektroder, kan man få reaktionen til at løbe baglæns. Hans bægerglas fungerede faktisk som et element! Et element, der benytter forbrændingsreaktioner som strømgivende reaktion, kaldes man en brændselscelle. I dag knytter der sig en del håb til keramiske brændselsceller, hvor dioxygen fra luften reduceres ved -polen: : O 2 (g) + 4 e – Ved

➝

2 O 2– (keramik)

-polen oxideres fx dihydrogen: : H 2 (g) + O 2– (keramik)

➝

H 2 O(g) + 2 e –

Det kunne også være methan fra naturgas: : CH4(g) + 4 O2–(keramik) ➝ CO2(g) + 2 H2O(g) + 8 e– Model af brændselscellestak. En celle består af en (blå) luftelektrode og en (grøn) brændselselektrode adskilt af den hvide, oxidiontransporterende keramik. De røde plader leder gasserne til de rigtige elektroder og forbinder de 12 elementer til et batteri med en 12 gange så høj spænding.

Selv om det er fossile brændstoffer, der forbrændes, vil brændselsceller være til gavn for miljøet. De udnytter nemlig en større del af den kemiske energi i brændstofferne end almindelige kraftværker. En større del af energien bliver til elektricitet, og en tilsvarende mindre del ender som varme. Det er nødvendigt at have et stof mellem de to poler, der kan transportere oxidioner uden at kunne transportere elektroner. Dette krav opfylder et keramisk stof opbygget af zirkonium(IV)oxid og yttrium(III)oxid, når det opvarmes til mellem 800 °C og 1000 °C. Rent teknologisk har det endnu ikke været muligt at få de strømgivende reaktioner til at forløbe i en brændselscelle på en økonomisk rentabel måde. Problemet er, at brændselscellen er for dyr at lave og giver for lidt strøm. Der forskes imidlertid intenst i området bl.a. på RISØ i Danmark. Forskningen har også givet væsentlige fremskridt de seneste år, så inden for en overskuelig fremtid bliver teknologien nok udbredt. Perspektiverne er endda større. Man kan lade forbrændingerne løbe baglæns, så man i fremtiden kan fremstille ethanol til bilbrændstof ud fra fx vind- eller bølgeenergi.

Få dage senere fremstillede Davy natrium på samme måde, og et halvt år senere fremstillede han calcium, barium, strontium og magnesium. Men indflydelsen på opdagelsen af nye grundstoffer standser ikke her. Inden for de næste 20 år bliver en lang række andre grundstoffer (fx B, Si, Al, Zr, Ti, Ta, Be, Ce og U) fremstillet ved at reducere salte heraf til rent grundstof med kalium som reduktionsmiddel. Kalium står jo meget langt til venstre i spændingsrækken.

Opdagelsen af kalium og natrium Først omkring 1800 får den europæiske videnskabelige verden adgang til stabile spændingskilder – Voltasøjlen. Det får væsentlig indflydelse på opdagelsen af en række uædle grundstoffer. I oktober 1807 lykkes det for englænderen Humphry Davy at elektrolysere smeltet kaliumhydroxid, hvorved der dannes frit kalium for første gang. Reduktionen af kaliumioner ved -polen ser sådan ud: : K+ + e–

➝

K(s)

Ved -polen sker oxidation af hydroxidioner som ved vandsønderdelingen: : 4 OH – (aq)

➝

4 e – + 2 H 2 O(l) + O 2 (g)

Kalium er et uhyre reaktionsvilligt metal, og Davy så da også det meste af sit nyfremstillede metal bryde i brand, eller det blev omgående dækket af et hvidt lag. I begge tilfælde reagerer kalium med dioxygen og danner fx kaliumoxid: 4 K(s) + O 2 (g)

➝

2 K 2 O(s)

Der er dog mulighed for andre forbindelser – se opgaverne.

Isis 148

149

Teknisk kemi

60

Kobber

Kobber findes som metal i naturen, men fremstilles næsten kun ud fra kobbermineraler. Kobberoxider kan reduceres til kobber af carbonforbindelser.

Kobber findes spredt i naturen som rent metal og har været kendt siden oldtiden. Kobber er det eneste røde metal og har været meget anvendt til brugsting, smykker og tagdækning. Utallige danske kirker, slotte og palæer har kobbertage. Det er dyrt, men smukt og holdbart. Kobberfarven forsvinder i løbet af nogle år, fordi det yderste lag oxideres til kobber(II)oxid: 2 Cu(s) + O 2 (g)

➝

Cu Rent kobber

2 CuO(s)

➝

Cu2CO3(OH)2(s) er tungtopløseligt og forhindrer derved en fortsat omdannelse af kobberet. Stoffet kaldes i denne sammenhæng ir og har en karakteristisk grøn farve.

Større metalliske forekomster af kobber er for længst tømt, så i dag må man fremstille kobberet ud fra kobbermineraler. Det er en teknik, som ægypterne beherskede allerede for 7000 år siden. Ægypterne udvandt kobber af malachit. Malachit er et grønt mineral, der har samme sammensætning som ir. Når malachit opvarmes, omdannes det til kobber(II)oxid: Cu 2 CO 3 (OH) 2 (s)

➝

2 CuO(s) + CO 2 (g) + H 2 O(g)

Kobberet dannes ved at opvarme kobber(II)oxid sammen med carbon, fx i form af trækul: 2 CuO(s) + C(s)

➝

2 Cu(s) + CO 2 (g)

Malachit fandtes flere steder omkring Middelhavet. Grækerne hentede det på Cypern – deraf grundstoffets antikke navn “cuprum”. Grækerne opdagede også, at man kunne bruge svovlholdige kobbermalme i stedet for malachit. Det vigtigste mineral i dag består af Cu2S. Hvis man opvarmer det pulveriserede mineral og leder dioxygen igennem, oxideres det til kobber(II)oxid: Cu 2 S(s) + 2 O 2 (g)

➝

➝

Cu 2+ (aq) + 2 e –

Cu2+

Cu

Fe2+

Fe

Zn2+

Zn

2 CuO(s) + SO 2 (g)

Processen kaldes en ristning. Ristning af svovlholdige kobbermalme er voldsomt forurenende, hvis den dannede svovldioxid bare lukkes ud i atmosfæren. Det er desværre ofte tilfældet.

Elektrolyse Det kobber, man får dannet ved reduktion med carbon, indeholder mange urenheder og kaldes for råkobber. Råkobberet støbes ud som tykke plader og urenhederne fjernes fra råkobberet ved elektrolyse. Råkobberpladerne sænkes ned i en opløsning af kobbersulfat og forbindes med den positive pol,

Råkobber

Ag Au

CuSO4(aq)

Cu 2 CO 3 (OH) 2 (s)

Fremstilling af kobber

Udvinding af kobber kan være meget forurenende både ved minerne og ved oparbejdningsanlæg.

Cu(s)

Kobber(II)oxid reagerer videre med vand og carbondioxid fra luften: 2 CuO(s) + H 2 O(l) + CO 2 (g)

Urent råkobber renses ved elektrolyse, hvor der samtidig dannes værdifuldt anodeslam.

hvor kobberet frigøres som kobberioner:

Anodeslam

Samtidig frigøres metalioner af alle de metaller, der står til venstre for kobber i spændingsrækken. Metallerne, der står til højre, vil derimod ikke omdannes til ioner og efterhånden som kobberet forsvinder, vil de falde ned fra pladen og danne anodeslam. Det lyder ikke lækkert, men det er meget værdifuldt og indeholder overvejende sølv og guld. Faktisk produceres hovedparten af alt sølv i dag ud fra anodeslam fra kobberelektrolyse. Ved den negative pol omdannes kobberioner til kobber: Cu 2+ (aq) + 2 e –

➝

Cu(s)

Ved passende valg af spændingsforskel, kan man sikre, at det kun er kobberionerne, der omdannes. De andre metalioner, der frigøres ved den positive pol, forbliver derfor i opløsningen.

Maskindele fremstillet af forskellige kobberlegeringer.

Miljøbelastning Mange kobbermineraler findes som ret tynde lag mellem andre mineraler uden kobber. Kobbermalme er derfor ofte af ringe lødighed, helt ned til en ½% kobber. For at fremstille 1 kg kobber fra sådan en forekomst med traditionelle metoder, fjernes 3-400 kg klippesten og 150 kg malm. Oparbejdningen af malmen afgiver ca. 145 kg affald, 2 kg slagger og 3 kg koncentreret svovlsyre. Måske mærker vi det ikke selv, men vores ressourceforbrug giver store miljøproblemer.

Kobber opløses i salpetersyre. Der dannes nitrogendioxid, som er en brun gas.

Kobberting Kobber anvendes i dag overvejende til elektriske ledninger. Det bruges også i en del legeringer. Sammen med sølv og guld bruges det til smykker og mønter. Helt fra civilisationens tidlige perioder har det været brugt til bronze, der er en legering af kobber og tin. Bronze er hårdere end både tin og kobber, så det er mere anvendeligt til både fredelige brugsting og våben, men det kan kun støbes og ikke smedes, dvs. udbankes til plader m.v. Messing er en legering af bronze og zink. Messing ligner bronze, men kan smedes og er noget billigere end bronze.

Isis 150

151

Teknisk kemi

61

Guld og sølv

Guldindholdet i et metal angives i karat. 24 karat er rent guld. Guld har en meget høj massefylde og legeringer med stort guldindhold vil tilsvarende have en høj massefylde. Sølv kan opløses i oxiderende syre, fx salpetersyre. Guld kan opløses i kongevand, der er en blanding af koncentreret saltsyre og salpetersyre.

En dag er du måske så heldig at arve en gammel ring, der har været oldefars vielsesring. Du kan være interesseret i at finde ud af, hvad den er lavet af, om den kan laves om til en lidt mere fiks ting – og hvad den er værd. Guld er en international værdimåler, og der handles store mængder guld hver eneste dag. Prisen fastsættes efter udbud og efterspørgsel og vil svinge en del op og ned. Lige nu er guldprisen ca. 75 kr for et gram. En guldring vil typisk veje 15 gram, så ringen skulle være 1125 kr værd. Men den går ikke. Guld ikke bare er guld, men en legering med andre metaller. I regelen er guldet legeret med sølv, men det kan også være kobber, nikkel, palladium og andre metaller. Alle guld- og sølvting skal være stemplet inden i, og hvis det stadig kan læses, vil en guldsmed kunne fortælle, hvor meget guld, der egentlig er i metallet. Er det en

Fra gammel tid har man målt guldindholdet i karat. Finguld er 24 karat, mens de to andre procentindhold ovenfor svarer til 18 og 14 karat.

Atomer af guld og sølv (og palladium) er næsten lige store. I en legering vil atomerne derfor erstatte hinanden i atomgitteret uden at afstandene mellem atomerne ændres ret meget. Massefylden af en guld-sølv legering afhænger derfor kun af forholdet mellem antallet af hver slags atom. En legering med lige mange atomer af hvert metal vil på den måde have en massefylde tæt på gennemsnittet af de to rene metaller, dvs. 14,9 g/cm3.

Massefylden

Kemiske analyser

Kongevand

En simpel måde at efterprøve guldindholdet, er at bestemme massefylden. Finguld har en massefylde på 19,3 g/cm3. Den høje massefylde skyldes, at elektronskyen omkring guldatomet er trukket tæt ind mod kernen. Et guldatom med 79 elektroner er således mindre end et natriumatom med 11, men vejer naturligvis meget mere, da massen bestemmes af protoner og neutroner i kernen. Sølvs massefylde er cirka det halve: 10,5 g/cm3.

Hvis en ring er hul, vil den massefylde, man måler, blive for lav. Så kan kun kemiske analyser afgøre guldindholdet – lødigheden. Både guld, sølv og kobber er ædle metaller, der står langt til højre i spændingsrækken. Specielt står de til højre for hydrogen og er derfor ikke opløselige i almindelige syrer.

Guld opløses ikke engang i koncentreret salpetersyre, men kun i en blanding af koncentreret salpetersyre og koncentreret saltsyre. En blanding af 25% koncentreret salpetersyre med 75% koncentreret saltsyre kaldes fra gammel tid kongevand. I kongevand sker følgende reaktion:

meget fin og dyr ring, vil der måske være 75% guld, men der kan også være 58,5% eller endnu mindre. Når guldsmeden beregner værdien, vil hun kun betale for guldet, og den guldpris, der står i avisen, er regnet ud fra rent guld – finguld.

Man kan imidlertid godt opløse metallerne i syrer, men det er i de oxiderende syrer. I en oxiderende syre er det syrens

korresponderende base, der er oxidationsmidlet. Både salpetersyre, HNO3, og svovlsyre, H2SO4, er oxiderende syrer.

Prøvesyrer Man kan lave andre blandinger af salpetersyre og saltsyre end kongevand. Hvis salpetersyren er lidt fortyndet og blandingen ikke indeholder ret meget saltsyre, vil syreblandingen kunne reagere med en legering af guld og sølv. Jo mere koncentreret salpetersyren er og jo mere saltsyre, der er blandet i, desto højere guldindhold skal legeringen have for at kunne modstå blandingen. Ved at prøve sig frem med forskellige blandingsforhold, har man på den måde fx lavet en syreblanding, der kan opløse 14 karat guld, men ikke 18 karat. Sådan en syreblanding kaldes en prøvesyre for 18 karat. Hvis en guldring ikke reagerer med denne prøvesyre, men opløses i kongevand, vil den netop have 18 karat.

Hvis man opløser et uædelt metal som fx zink i salpetersyre, vil elektroner kunne overføres fra zink til en hydron og der vil frigøres dihydrogen: Zn(s) + 2 HNO 3(aq)

➝

Zn 2+(aq) + H 2(g) + 2 NO 3–(aq)

Lægger man i stedet sølv ned i salpetersyren, vil der ikke kunne overføres elektroner fra sølv til hydroner. I stedet overføres elektroner fra sølv til nitrationen: Ag(s) + 2 HNO3(aq) ➝ Ag+(aq) + NO2(g) + H2O(l) + NO3–(aq) Her er det nitrogen der reduceres, mens sølv oxideres. NO2 er en brun, giftig gas.

Au(s) + 3 NO 3 – (aq) + 4 Cl – (aq) + 6 H +(aq)

➝

AuCl 4 – (aq) + 3 NO 2 (g) + 3 H 2 O(l) Guldet opløses i denne blanding, fordi der dannes en temmelig stabil ion AuCl4–. Der findes mange sammensatte ioner med et metal og et antal oxygenatomer bundet sammen, fx MnO4–. AuCl4– er tilsvarende en sammensat ion, men med chlor i stedet for oxygen. Hvis man inddamper opløsningen dannes den korresponderende syre: HAuCl4, der er et fast, gult stof.

Det er hurtigt og nemt at bestemme lødigheden med prøvesyrer, men det er ikke særlig nøjagtigt. Der findes andre (men mere besværlige) metoder til at bestemme guldindholdet nøjagtigt.

Niels Bohr, James Franck og George Hevesey på terrassen ved Institut for Teoretisk Fysik i 1935. Niels Bohr foranledigede, at Hevesey opløste Francks Nobelmedalje i kongevand. Læs på cd-rom’en hvorfor.

152

Isis 153

Teknisk kemi

62

Titan Titan er et nyt metal. Der har selvfølgelig været titanforbindelser på Jorden altid, men det er først inden for de sidste 10-20 år, at metallet titan er blevet fremstillet i større mængder.

For at lave metallet, må man reducere titanatomerne. Det gør man med flydende magnesium:

Titan er et gråligt metal som så mange andre, men det har nogle attraktive egenskaber. Massefylden er ca. det halve af ståls, men det er lige så stærkt. Det har højere smeltepunkt end jern og meget højere end magnesium, aluminium og andre letmetaller. Det gør det ideelt til fremstilling af højhastighedsfly og jetmotorer.

Titanmetal og magnesiumchlorid er let at adskille, bl.a. er magnesiumchlorid meget letopløseligt i vand.

Herfra har anvendelserne bredt sig, for metallet har andre gode sider. Det korroderer ikke i biologisk væv og påvirker ikke immunforsvaret. Det bruges derfor til alt fra store knogleproteser til små stifter, der holder kunstige tænder på plads. Det er helt upåvirket af salt og havvand og er ideelt til undervandsbåde og off-shore boreplatforme. Det modstår dichlor og salpetersyre og bruges i kemiske fabriksanlæg. I hverdagen kan du møde metallet i golfkøller, brillestel og smykker.

Fremstilling af titan

Titan har en række attraktive egenskaber, fx styrke, bestandighed og lav massefylde. Titan fremstilles ud fra almindeligt forekommende titanmineraler. Titandioxid er et hvidt farvestof med mange anvendelser. Der er en række miljøproblemer forbundet med fremstilling af både titan og titandioxid.

Men titan er dyrt, for det er vanskeligt at fremstille. Først i 1947 fandt man en teknisk overkommelig fremstillingsmetode. Der er ellers rigeligt med titanforbindelser i jordskorpen. Selv i det malmfattige Danmark findes der titanforekomster. Det er mineralet ilmenit, der har sammensætningen FeTiO3. Det er sort, og du kender det måske fra strandkanten, hvor det kan ligge i tynde lag. Titan findes også i det hvide titandioxid, TiO2. Ilmenit kan man lave om til titandioxid ved at lade det reagere med en blanding af hydrogenchlorid og dichlor: 2 FeTiO 3 (s) + 4 HCl(g) +Cl 2 (g)

➝

2 TiO 2 (s) + 2 FeCl 3 (g) + 2 H 2 O(g) Reaktionen foregår ved høje temperaturer, så jerntrichloridet fordamper sammen med vandet. Næste trin er at få lavet titandioxid om til titantetrachlorid. Det foregår ved at lade titandioxid reagere med carbon og mere dichlor: TiO 2 (s) + C(s) + 2 Cl 2 (g)

➝

TiCl 4 (l) + CO 2 (g)

Titantetrachlorid en molekylforbindelse, selv om titan er et metal og chlor et ikke-metal. Elektronegativitetsforskellen mellem titan og chlor er stor, men på grund af den symmetriske opbygning, kan der dannes et næsten upolært molekyle. Ved stuetemperatur er stoffet en væske. Hvis titandioxiden indeholder urenheder af andre metalsalte, vil de forblive faste stoffer, og man kan derfor filtrere dem væk. På den måde kan man let gøre titantetrachlorid meget rent.

TiCl 4 (l) + 2 Mg(l)

➝

Ti(s) + 2 MgCl 2 (s)

Titandioxid Det er kun en mindre del af titantetrachloridet, der forarbejdes videre til titan. Langt hovedparten bliver brugt til at lave titandioxid! Det kan virke lidt underligt, at man først laver titandioxid om til titantetrachlorid, for så at lave det tilbage til titandioxid. Forklaringen er, at titandioxid bruges som hvidt farvepigment. Hvis det er bare ganske lidt forurenet, bliver det ikke helt hvidt, men gulligt eller gråt. Og som vi så, kan man lave titantetrachlorid meget rent. Det er nemt at genvinde titandioxid: TiCl 4 (g) + O 2 (g)

➝

TiO 2 (s) + 2 Cl 2 (g)

Titantetrachloriden blandes med dioxygen ved en høj temperatur – over 1200 °C. Da kogepunktet kun er 136 °C foregår det hele på gasform. Titandioxiden udfældes som et fint hvidt pulver. Titandioxid er et fantastisk godt farvepigment. Det har en meget stor dækkeevne, det påvirkes ikke af sollys, det er helt ugiftigt og tåler næsten alle kemikalier. Du behøver heller ikke se dig langt omkring for at finde det: lys maling, hvide plastposer, -spande, -rør, -ledninger, -vinduesrammer og -dørkarme, hvide syntetiske fibre, lak på biler, hvid lak på hårde hvidevarer: køleskabe, frysere og vaskemaskiner, i papir, hvid bemaling på keramik, kosmetik og sollotion, ja selv i hvidstribede slikkepinde og sukkerglasur.

Miljøproblemer Der er dog en slange i dette titanparadis. Fremstillingen af både titandioxid og titanmetal er meget miljøbelastende. Det største problem er at komme af med affaldet, der opstår undervejs. Det består overvejende af chlorsalte af jern og andre metalioner, men kan også indeholde saltsyre. Rundt omkring i Verden findes desuden en række ældre fabriksanlæg, der renser titandioxid efter en ældre og væsentlig mere forurenende metode. En sådan hollandsk fabrik dumpede i 1980‘erne store mængder syreholdigt affald til Nordsøen. Affaldet indholdt blandt andet arsen, der siden påvistes i relativt store mængder i rødspætter fra dumpningsområderne. Fremstillingen af titan er også meget energikrævende. De fleste af processerne foregår ved høje temperaturer og det magnesium, der bruges, fremstilles ved energikrævende elektrolyse.

Isis 154

155

Teknisk kemi

Opg Opgaver 55.1.*

har udviklet sig frem til i dag.

Hvor meget er [H3O+] større ved pH = 5,6 end ved pH = 7,0 ?

57. 1.**

55.2.**

Hvorfor skal man ikke rense aluminiumting i Klorin?

Svovldioxid kan reagere videre med dioxygen og danne svovltrioxid, der kan optage et vandmolekyle. Skriv reaktionsskemaerne.

57.2.* Magnesium kan også bruges som offeranode. Skriv reaktionsskemaet.

55.3.**i

57.3.**

Find opløselighederne af basisk kobber(II)carbonat og kobber(II)sulfat. Sammenlign de to værdier og kommentér.

Hvilke af metallerne Al, Na og Ni kan bruges som offeranoder? Svaret begrundes.

57.4.** 55.4.** Ammoniak kan brænde, hvorved der dannes nitrogenmonoxid. Skriv reaktionsskemaet.

55.5.** Nogle tabeller angiver værdier for svovldepositionen i g svovldioxid pr. m2, mens andre angiver den i g svovl stammende fra svovldioxid pr. m2. Hvor mange g svovldioxid svarer til 1,0 g svovl stammende fra svovldioxid?

Hvorfor er Fe(OH) 3 mindre opløseligt end Fe(OH)2?

57.5.*** Hvor mange g pyrit (FeS2) skal der reagere pr. liter neutralt drænvand, for at det alene kan sænke pH til 3? Pyrit oxideres til jern(II)sulfat.

57.6.i Hvorfor hedder jern “Ferrum” på latin? Hvad ved vi om jernets opdagelse?

58.4.* – ***

59.6.**

60.7.*

61.6.**

Til fotoapparater bruges ofte lithiumelementer. De ligner brunstenselementer, men minuspolen er metallisk lithium, og der er ikke vand i elementet, men derimod lithiumperchlorat opløst i et organisk opløsningsmiddel. a) Opskriv reaktionen ved minuspolen. b) Hvorfor er der ikke vand i elementet? c) Hvad er formlen for lithiumperchlorat? d) Hvor opløseligt tror du det er i vand og et polært organisk opløsningsmiddel? e) Bliver elementets spænding større, mindre eller det samme som brunstenselementet?

I 1824 opvarmede den svenske kemiker J. J. Berzelius kaliumsilicium(IV)hexafluorid (K2SiF6) med kalium. Hvad fik han mon ud af det?

I en moderne bil indgår ca. 20 kg kobber i bremserør, låsecylindre, elektriske ledninger osv. a) Hvor meget affald er der fremkommer ved produktionen af denne mængde kobber? b) Er det en miljømæssig gevinst at genbruge kobber? c) Hvilke praktiske problemer kan du umiddelbart se, der er forbundet med at genindvinde kobberet fra en bil?

Sølv anløber, dvs. bliver mørkt, fordi det reagerer med dihydrogensulfid, H2S, og dioxygen i atmosfæren. Ved reaktionen dannes det sorte sølvsulfid, Ag 2S (og vand). Opskriv og afstem et reaktionsskema for reaktionen.

59.7.*** H.C. Ørsted lod i 1825 aluminiumchlorid reagere med kaliumamalgam (det er metallisk kalium opløst i ren kviksølv). Derved dannedes aluminiumamalgam og kaliumchlorid. Opskriv reaktionsskemaet. Hvordan kan man adskille aluminium og kviksølv fra hinanden bagefter?

60.1.*i 58.5.** Et alkaline element af størrelse “AA” indeholder 3,5 g zink og 8,2 g mangan(IV)oxid. a) Hvor mange mol elektroner kan minuspolen afgive? b) Hvor mange mol elektroner kan pluspolen optage? c) På deklarationen står, at elementets kapacitet er 2,7 Ah svarende til 0,10 mol elektroner. Kommentér resultatet.

a) Undersøg i et tabelværk opløseligheden af ir i vand og syre. b) Overvej hvilken indflydelse forsuring af nedbøren kan have på holdbarheden af kobbertage.

60.2.* I mange malachitforekomster findes også azurit (Cu3(CO3)2(OH)2(s)), der reagerer på samme måde som malachit under opvarmning. Skriv reaktionsskemaet.

57.7.i

Find ud af, hvordan tallene fra teksten har udviklet sig frem til i dag.

Hvad kræver miljømyndighederne af landbruget i okkerbelastede områder?

Hvilken reaktion sker ved minuspolen, når man elektrolyserer smeltet natriumhydroxid.

56.1.**

58. 1.*

59.2.*

Hydrogensulfid kan reagere med svovldioxid og danne bl. a. cyclooctasvovl. Skriv reaktionsskemaet.

Billige brunstenselementer er lavet med syre i stedet for base. Opskriv reaktionsskemaet for reaktionen ved den negative pol afstemt med H+-ioner.

Kalium kan også danne kaliumsuperoxid, KO2(s), når det brænder. Opskriv reaktionsskemaet.

56.2.** Som katalysator i oxidationen af svovldioxid anvendes vanadium(V)oxid. Hvad er dets formel? Hvordan passer formlen med vanadiums placering periodesystemet?

Man kan erstatte zink-delen af et Daniellelement med en sølvnitratopløsning med en sølvstang i. Hvilken reaktion vil nu forløbe? Hvilket metal vil være pluspol?

56.3.** På Vendsysselværkets blok med SNOXanlæg produceredes der 23.227 ton 95% svovlsyre i 1996. Der blev afbrændt 888.244 ton kul med et gennemsnitligt svovlindhold på 1,5%. Hvor mange % af svovlet omdannes til svovlsyre?

56.4.i Find ud af, hvordan tallene fra teksten

59.4.** 58.3.** Man skal altid efterfylde med demineraliseret vand, hvis væskestanden er blevet for lav i en blyakkumulator. Hvis man fylder vandhanevand på, vil chloridioner fra vandhanevandet oxideres af bly(IV)oxid, der selv reduceres til bly(II)sulfat. Opskriv og afstem reaktionsskemaet.

Når man smelter et salt, kan man elektrolysere det. Opskriv de to polreaktionsskemaer og reaktionsskemaet for totalreaktionen for elektrolyse af smeltet bly(II)bromid.

59.5.** Opskriv reaktionsskemaet for forbrænding af ethanol ved minuspolen i en brændselscelle.

a) Undersøg med programmet Mendelejev sammenhængen mellem atomstørrelse og massefylde (densitet). b) Overvej hvilke forhold, der kan have betydning for et metals massefylde.

61.3.*i

60.6.**

61.4.**

I Ægypten kendte man også til messing, der er en legering af kobber og zink. Man fremstillede messing ved at blande malachit med galmej (zinkcarbonat) inden man behandlede malmen på samme måde som med den rene malachit. Hvilke omdannelse sker der med galmejen ved de processer?

Sølv er det eneste grundstof, der har givet navn til et land. a) Hvilket? b) Find 5 eksempler på det modsatte, nemlig et land, der har givet navn til et grundstof.

De to økonomisk vigtigste kobbermineraler i dag er kobberkis, CuFeS2, og kobberglans, Cu2S. Beregn det procentiske indhold af kobber i de to malme.

60.4.*i Hvad er danske mønter lavet af?

Hvis man sønderdeler vand med en smule svovlsyre i, sker reaktionerne med hydroner i stedet for hydroxidioner. Opskriv begge polers reaktionsskemaer.

61.2.**i

Hvorfor kaldes legeringen af kobber med 40% nikkel for konstantan?

60.3.**

59.3.** 58.2.**

Hvad er guldindholdet i procent i 8 karat guld?

Nysølv indeholder ikke sølv, men er en legering af 65% kobber, 23% zink og 12% nikkel. a) Find massefylderne (densiteterne) af hver af de tre grundstoffer i programmet Mendelejev. b) Beregn en omtrentlig massefylde for legeringen ved at beregne et vægtet gennemsnit af de tre metallers massefylde. c) Nysølvs massefylde er 8,69 g/cm 3 . Hvad kan være forklaringen på, at massefylden er lidt højere, end den du lige har beregnet? d) Foreslå en let metode til at kende forskel på nysølv og rigtigt sølv.

59.1.* 55.6.i

61.1.*

60.5.*i

61.5.**

61.7.**i Guld kan udvindes direkte fra knust malm ved hjælp af en opløsning, der indeholder cyanidioner. Reaktionen fremgår af skemaet: 4 Au(s) + 8 CN –(aq) + O 2(aq) + 2 H 2 O(l) 4 Au(CN) 2 – (aq) + 4 OH – (aq)

➝

Når guldet først er udvasket, kan guldet gendannes elektrolytisk. a) Hvilket oxidationstal har guld i forbindelsen Au(CN)2–? b) Sølv reagerer på samme måde, men kan yderligere trækkes ud af mineraler, hvor det er bundet som sølvsulfid. Opskriv et reaktionsskema for denne reaktion. c) Undersøg hvilke miljømæssige egenskaber cyanidioner har og overvej hvilke miljøproblemer, der kan være forbundet med denne form for guld- og sølvudvinding.

62.1.*i Undersøg i programmet Mendelejev den relative forekomst i jordskorpen af kobber, sølv, guld og titan.

62.2.* Hvis man leder dioxygen hen over titan, der er ophedet til rødglødhed, vil stofferne reagere med hinanden. a) Opskriv reaktionsskemaet. Man kan på samme måde – men ved en lavere temperatur – få dichlor til at reagere med titan. b) Opskriv reaktionsskemaet. Titan er overraskende nok også et af de få stoffer, der ret let reagerer med dinitrogen. c) Lav et begrundet forslag til en formel for den forbindelse, der dannes og opskriv reaktionsskemaet.

Opg

Opskriv og afstem et reaktionsskema for reaktionen mellem kobber og salpetersyre.

Isis

156

157

Fede forbindelser

Teknisk kemi 62.3.* Titantetrachlorid, TiCl4, har været brugt til at lave røg fra flyvemaskiner. Det reagerer straks med luftens vanddamp fra atmosfæren, hvorved der dannes saltsyre og titandioxid. a) Hvorfor bliver der røg? b) Hvad farve får røgen? c) Opskriv og afstem reaktionsskemaet.

62.4.** I første trin i den såkaldte Becher proces blandes ilmenit, kul og svovl i en roterende ovn, hvorefter blandingen opvarmes til 1200 °C. Herved fjernes der oxygen fra malmen, og der dannes frit jern inden i små korn af titandioxid. a) Hvilke forbindelser kan oxygenet tænkes at indgå i, så det forsvinder fra malmen? b) Hvis man anvender helt rent ilmenit, hvor mange procent taber mineralet så i vægt ved første trin i Becher processen?

b) Hvor stor en procentdel af pigmentet er titan?

62.7.*i Til en konstruktion anvendes normalt stål, dvs jern med ca. 1% carbon. Det har en massefylde på 7,9 g/cm2. a) Beregn massen af 1 m2 stålplade i en tykkelse på 2 mm. b) Find i Mendelejev den nøjagtige massefylde for titan og beregn, hvad en tilsvarende titanplade vil veje. c) En aluminiumsplade skal være dobbelt så tyk for at have samme styrke. Hvad vil den veje?

Fede forbindelser 63. Oxidation af carbonhydrider 64. Alkohol 65. Chromatografi 66. Carboxylsyrer 67. Organiske salte 68. Emulsioner

62.5.** I andet trin i Becherprocessen behandles en blanding af jern og titandioxid med fortyndet svovlsyre. Herved opløses jern og andre urenheder fra titandioxiden. a) Opskriv reaktionsskemaet for jerns opløsning i fortyndet svovlsyre. b) Hvor mange milliliter 5% svovlsyre skal teoretisk (i praksis skal man bruge mere) anvendes for at opløse 1 gram jern? c) I praksis indeholder blandingen af jern og titandioxid ca. 65% TiO2 og ca. 35% Fe. Hvor meget 5% svovlsyre skal anvendes for at fjerne al jernet fra 1 kg af denne blanding? d) Hvad ville du gøre af denne fortyndede svovlsyre, hvori der er opløste metaller og metalsalte?

62.6.*

Opg

69. Fedtstoffer 70. Chokolade Opgaver

Store titandioxidkrystaller er glasklare. Hvis stoffet skal bruges som pigment, skal det have en meget lille kornstørrelse. En fabrikant af titandioxid reklamerer med, at 25 kg TiO2 indeholder 1 milliard milliard partikler. a) Hvad vejer et titandioxidpigment i gennemsnit?

158

Isis 159

Da carbonhydridet i alle tilfælde reagerer med dioxygen, må der være tale om oxidationer. Det er ikke umiddelbart indlysende, om både carbon og hydrogen oxideres eller evt. den ene part reduceres. Ved at bestemme oxidationstallene for grundstofatomerne i hver af forbindelserne, finder man følgende værdier:

Ved en fuldstændig forbrænding af carbonhydrider dannes carbondioxid og vand.

Oxidationstal for

Ved ufuldstændig forbrænding og andre kemiske reaktioner kan carbonhydrider oxideres til andre forbindelser end CO2.

Forbindelse

Erfarne storbycyklister og uerfarne kokke ved, at ikke alle forbrændinger foregår lugtfrit. Ved en fuldstændig forbrænding af carbonhydrider dannes der kun carbondioxid og vand. Det lugter ikke det mindste. Lugten ved andre forbrændinger afslører, at der ikke er tale om fuldstændige forbrændinger. Der dannes nye organiske forbindelser, der foruden carbon og hydrogen også indeholder oxygen.

Alkoholerne udgør en homolog serie og indeholder en OH-gruppe bundet til et carbonatom.

Vi vil i de følgende opslag undersøge nogle oxygenholdige, organiske stoffer, der er vigtige i vores hverdag, bl.a. alkohol, sæbe, eddike og fedt.

Alle carboxylsyrer indeholder en syregruppe: -C(=O)OH.

Oxygenholdige forbindelser Der findes mange andre forbindelser end CO2 og CO, hvor carbon- og oxygenatomer er bundet sammen. Du kender allerede en af disse grupper af forbindelser, det er alkoholer. Den simpleste alkohol er methanol. Methanol kan fremstilles ud fra carbonmonoxid og dihydrogen: CO(g) + 2 H 2 (g)

Forbrændinger er redoxprocesser Lad os starte hvor vi slap i del 2: Carbonhydrider kan ved en fuldstændig forbrænding omdannes til carbondioxid og vand. Med methan som eksempel ser reaktionsskemaet sådan ud: CH 4 (g) + 2 O 2 (g)

➝

CO 2 (g) + 2 H 2 O(g)

Hvis dioxygen er den begrænsende faktor, kan forbrændingen blive ufuldstændig. En mulighed kan være, at der dannes carbonmonoxid: 2 CH 4 (g) + 3 O 2 (g) ➝ 2 CO(g) + 4 H 2 O(g) eller sod: CH 4 (g) + O 2 (g) ➝ C(s) + 2 H 2 O(g)

Methanol brænder med en næsten usynlig blå flamme, mens ethanol brænder med en mere orange flamme.

Det fremgår, at carbon i alle tre reaktioner har et stigende OT, som tegn på, at carbonatomerne oxideres. Tilsvarende vil OT for oxygen falde, som tegn på det reduceres, mens hydrogen ikke ændrer OT og altså hverken oxideres eller reduceres.

➝

Man kan beregne oxidationstallet for carbonatomerne på samme måde som i methanol. Følger vi de almindelige regler, finder man oxidationstallet for C-atomerne i ethanol til -2, ligesom i methanol. Når carbonhydridkæden er lang, er det ikke hensigtsmæssigt at beregne carbonatomernes oxidationstal efter de almindelige regler. I stedet betragter man hvert carbonatom for sig, som om det ikke er bundet sammen med andre carbonatomer. Så finder man oxidationstallene for hvert C-atom. OT

-3 -1 CH 3 CH 2 OH

I ethanol får det C-atom, hvor OH-gruppen sidder, på denne måde et oxidationstal på -1, mens det andet får et på -3. Normalt vil man ikke interessere sig for de carbonatomer, hvortil der kun er bundet hydrogen. Der kan normalt ikke sidde mere end en OH-gruppe på det samme carbonatom. Til gengæld kan et carbonatom både være bundet til en OH-gruppe og have en dobbeltbinding til et andet oxygenatom:

C

O

OH

CH 3 OH(l)

Vi kan finde oxidationstallene for atomerne i methanol: Hydrogen har oxidationstallet +1, og oxygen har oxidationstallet -2. Carbonatomet har derfor et oxidationstal på -2. Læg mærke til, at oxidationstallet er højere end i methan, men mindre end i carbondioxid.

Sådan en atomgruppe kaldes en syregruppe og forbindelser, der indeholder en syregruppe kaldes for carboxylsyrer. En simpel carboxylsyre er ethansyre (eller som det hedder i daglig tale eddikesyre): CH 3 C(=O)OH

En mere kendt alkohol er ethanol eller sprit:

I en syregruppe har carbonatomet et oxidationstal på +3. Carbonatomet i en syregruppe er altså oxideret i forhold til carbonatomet i den tilsvarende alkohol. Som eksempel er her vist, hvordan oxidationstallene er i propansyre:

CH 3 CH 2 OH Fælles for ethanol og methanol er gruppen –OH, der er bundet til det sidste carbonatom i carbonhydridkæden. Alkoholerne er en homolog serie med en generel formel: CnH2n+1OH.

Stofgruppe

Atomgruppe

Fede forbindelser

63

Oxidation af carbonhydrider

Kort form

OT

-3 -2 +3 CH 3 CH 2 C(=O)OH

Eksempel

OT carbonatom

H

Alkan

C

H

H H

Alkohol

C

OH

-CH3

-3

-CH2OH

-1

-COOH eller-C(=O)OH

+3

H

Carboxylsyre

C

O

OH

Isis 160

161

Fede forbindelser

64

Alkoholer Der er mange alkoholer i vores hverdag. Pigen her gør flittig brug af nogle stykker. I glasset er der ethanol, i hendes blod findes kolesterol og det kvindelige kønshormon østradiol. Tyggegummiet er sødet med sorbitol.

Et alkoholmolekyle indeholder mindst en polær hydroxygruppe (-OH). Hvis alkoholen indeholder en hydroxygruppe for hvert 3. eller 4. C-atom, vil alkoholen være opløselig i vand. Ethanol er den mest kendte alkohol. Den fremstilles ved gæring af glucose.

alle kemiske forbindelser organiske forbindelser carbonhydrider

Husholdningssprit er ofte fremstillet ved addition af vand til ethen.

organiske halogenforbindelser

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

ikke opløselig

organiske oxygenforbindelser alkoholer

Upolær carbonhydrid H

polært vand H

H O

opløselig

Ethanol

opløselig H

upolær del

Den eneste forskel mellem ethan og ethanol er hydroxygruppen. Den forhøjer både smeltepunkt og kogepunkt betydeligt.

H

H

C

C

H

H

O

H

polær del

Alkoholer ligner tilsyneladende carbonhydriderne meget. Ligesom med carbonhydriderne findes der alkoholer med et næsten vilkårligt antal C-atomer. Kun et enkelt hydrogenatom er udskiftet med en hydroxy-gruppe: -OH. Alligevel har de alkoholer, der kun indeholder få carbonatomer, dramatisk anderledes egenskaber.

Opløselighed Ethan kan opløses i benzin, men er uopløselig i vand. Ethanol kan opløses i benzin, men det er også blandbart med vand. Når vi zoomer ind på de enkelte molekyler, er det fælles træk for vand og alle alkoholer, at de indeholde en OH-gruppe. Forskellen i elektronegativitet mellem oxygen og hydrogen gør vandmolekylerne polære, og OH-gruppen gør da også alkoholer polære. OH-gruppen i alkoholer binder sig næsten ligeså godt til vandmolekyler, som vandmolekylerne binder sig sammen indbyrdes. På den anden side vil alle alkoholer også bestå af den upolære carbonhydriddel. I ethanol består denne del af en CH 3 -gruppe og til dels CH2-gruppen, hvor OH-grup-

pen er bundet fast. Denne molekyledel er så lille, at bindingerne mellem vandmolekylerne indbyrdes ikke forstyrres væsentligt. Derfor kan vand og ethanol blandes i et hvilken som helst forhold.

I en alkohol som C 5H 11OH (pentan-1-ol) vil den upolære carbonkæde være så lang, at den vil forhindre vandmolekylerne i at danne bindinger indbyrdes. Vandmolekylerne vil derfor presse molekylet væk og stoffet vil ikke kunne blandes med vand. Som en tommelfingerregel skal der være en OH-gruppe for mindst hvert tredje eller fjerde C-atom, hvis alkoholen skal være blandbar med vand. Omvendt kan OH-grupperne sidde så tæt i molekylet, at stoffet kun vanskeligt – eller slet ikke – opløses i upolære stoffer.

Sukker opløses i vand Sorbitol smager sødt og bruges som sødemiddel i fx tyggegummi. Molekylet består af en carbonkæde med 6 atomer. På hvert atom sidder en OHgruppe, så der er i alt 6 OHgrupper i molekylet. Sorbitol opløses let i vand, men er næsten uopløselig i fx benzin. Noget tilsvarende gælder de egentlige sukkerarter, der også indeholder mange OHgrupper: glucose, fructose osv.

Ethanol Ethanol er den mest kendte alkohol. Det er velkendt fra alkoholiske drikke, at en blanding af ethanol og vand er homogen i alle blandingsforhold. Vodka, whisky, snaps og tilsvarende stærk spiritus indeholder normalt 38-45 % ethanol , mens indholdet i vin er 7-14 % og i øl 4-8 %. Procenten er regnet efter volumen. Det er stort set det eneste sted, man gør det. Det giver højere procenttal, end hvis man regner efter masse. Det ethanol, der findes i drikkevarer, er fremstillet ved gæring af glucose: C6H12O6(aq) ➝ 2 CH3CH2OH(aq) + 2 CO2(g)

Denatureret sprit Husholdningssprit indeholder 93% ethanol (volumenprocent). Resten er vand og et denatureringsmiddel. Denatureringsmidlet tilsættes for at forhindre, at man drikker husholdningsspritten. For tiden bruger man stoffet butanon som denatureringsmiddel. Det smager ganske rædselsfuldt, foruden at man bliver temmelig dårlig af at drikke det. Den ethanol, der anvendes i husholdningssprit, er i reglen fremstillet ved at addere vand til ethen. CH2 = CH2(g) + H2O(g) ➝ CH 3 CH 2 OH(g) Husholdningssprit er altså et rent petrokemisk produkt, dvs. fremstillet ved bearbejdning af råolie.

Er det farligt? Ethanol er en nervegift, der ved

indtagelse påvirker centralnervesystemet, bl.a. talecentret, synssansen og balanceevnen. Da alkoholgæring er en ganske naturlig sag, har alle frugtspisende dyrearter imidlertid udviklet et ret stor tolerance over for ethanol. Det gælder også mennesket. Først når koncentrationen i blodet når op omkring en ½ procent, bliver situationen livstruende. Virkningen af ethanol i kroppen hænger sammen med, at stoffet nok er polært, men alligevel rummer en upolær del. Det kan derfor let transporteres rundt i blodet, der jo er vandbaseret, og alligevel passere gennem de vandafvisende membraner, der beskytter centralnervesystemet. Sorbitol og alle sukkerarter har netop ikke denne egenskab, for i dem sidder OH-grupperne så tæt, at de upolære egenskaber helt forsvinder.

Ethan

Smeltepunkt: Kogepunkt:

Ethanol

-183 ºC -89 ºC

Smeltepunkt: Kogepunkt:

-117 ºC 78 ºC

Ethanol omdannes ret hurtigt i kroppen til carbondioxid og vand. Som ved andre respirationsprocesser overføres der herved energi til organismen. Selv om ethanol formodentlig er den enkeltforbindelse, der er direkte årsag til flest dødsfald herhjemme, kræves der ingen mærkning af alkoholiske drikke. Kun i tilfælde, hvor ethanol bruges erhvervsmæssigt, kræves emballagen mærket. Mærkningen vedrører alene den brandfare, der er forbundet med brugen af ethanol. Der findes desuden en grænseværdi for indholdet af ethanol på gasform i arbejdslokaler. Denne grænseværdi er sat til 1900 mg/m3 luft.

Isis 162

163

Fede forbindelser

65

Chromatografi Vand vil ikke trænge ind i almindeligt plastfolie. Du husker måske hvorfor: plastfolie er opbygget af lange kæder af carbonhydrider, der er helt upolære. Det polære vand holder sig for sig selv.

Cellulose indeholder mange polære hydroxygrupper, men er alligevel uopløselig i vand. Ved chromatografi kan man adskille to eller flere stoffer. Stofblandingen placeres på en tynd plade af fx cellulose. Fra bunden af pladen suges en løbevæske forbi stofblandingen, hvorved denne kan adskilles i sine bestanddele. Løbevæsken kan sammensættes på utallige måder.

Cellulose

H O

CH2OH H O O H OH

H

H

OH

H

CH2OH H O O H OH

H

H

OH

H

CH2OH H O O H OH

H

H

OH

H

CH2OH O H OH

H

H

OH

O H

Vand kan derimod godt trænge ind i papir, ja, papir kan ligefrem suge vand til sig. Papir består også af lange molekylekæder, der er flettet ind mellem hinanden, men i papir er molekylekæderne polære.

ter eller bruger vandopløselige farvetusser, kender princippet. Før eller siden sker det, at der kommer vand på teksten, og farven løber ud. Det kan være temmelig irriterende, men det kan man prøve at glemme et øjeblik og i stedet se på den udtværede plet nede til venstre. Der er to ting at lægge mærke til. For det første er det, der så ud som ét grønt farvestof, i virkeligheden to: en olivengrøn og en lyseblå. For det andet binder de to farvestoffer sig forskelligt til cellulosen. Det olivengrønne farvestof løber næsten ikke ud, fordi det hænger fast på overfladen af cellulosen. Det lyseblå farvestof binder sig kun svagt til cellulosen og vil trække med vandet hen over papiret.

muligheder. Generelt kaldes væsken for løbevæsken. Den porøse belægning på pladen vil langsomt trække løbevæsken op. Når løbevæsken passerer stofprøven, vil stofferne muligvis opløses i løbevæsken. Opløses alle stofferne helt i løbevæsken, sker der ikke andet, end at hele farvepletten flyttes med væskefronten op ad pladen. Hvis man er heldig (eller dygtig), vil stofferne i stofprøven kun langsomt trækkes med løbevæsken, fordi de også binder sig lidt til det polære materiale på pladen. Hvis man er meget heldig (eller meget dygtig) vil der være forskel på, hvor meget stofferne i stofblandingen trækkes med. Så vil de blive adskilt, og man har mulighed for at finde ud af, hvad blandingen består af.

Analysemetoden Molekylekæderne kaldes cellulose. I cellulose er der en polær OH-gruppe for hvert andet C-atom. Selvom cellulose indeholder så mange polære grupper, er det ikke opløseligt i vand. Det er fordi de enkelte molekyler er meget store: den molare masse kan være op mod 1 ton/mol. Der findes nogle få andre stoffer, der ligesom cellulose er polære, men uopløselige i vand, selvom vand kan trænge igennem stoffet. Vi vil nu se på, hvordan disse egenskaber udnyttes i en meget brugt, kemisk analysemetode, der kaldes chromatografi.

Princippet Alle, der har en en InkJet prin-

Til en chromatografisk analyse bruger man en plade af et inaktivt materiale (glas, aluminium eller plast), der er belagt med et ganske tyndt lag af et polært, vandgennemtrængeligt (men uopløseligt) materiale. Foruden cellulose bruges især silicagel, der er en kemisk forbindelse mellem silicium og oxygen. Lidt oven for den nederste kant på pladen placerer man en stofprøve. Det er i regelen en dråbe af en opløsning, der indeholder to eller flere stoffer, som man ønsker at adskille. Pladen med stofprøverne sættes lodret ned i et kar med en smule væske i bunden. Væsken kan være rent vand, men der er også mange andre

4 ens TLC-plader udsat for forskellige løbevæsker. Fra neden: Heptan, vand, butan-1-ol og en blanding af vand, ethanol og butan-1-ol i forholdet 2:5:4.

En løbevæske, der kun består af vand, vil ofte opløse prøverne helt, så de næsten følger fronten af løbevæsken. Hvis det sker, kan man prøve at blande noget alkohol i vandet og prøve igen. Blandingen af vand og alkohol er en smule mindre polær, og prøven vil ofte hænge lidt bedre fast på pladematerialet. Så følger den ikke helt med fronten af løbevæsken, og der sker måske en adskillelse.

Den rette løbevæske Man kan ikke ændre meget på, hvordan stofferne bindes til pladematerialet. Derimod kan man sammensætte løbevæsken efter ens eget hoved. Kunststykket består i at sammensætte løbevæsken, så stofferne i prøven kun delvis opløses. Det er specielt vigtigt, at de stoffer, man ønsker at adskille, opløses forskelligt. Løbevæsken kan sammensættes på utallige måder, og den bedste sammensætning til en bestemt stofblanding findes kun ved forsøg. Den erfarne kemiker kan selvfølgelig komme med nogle gode bud, men der skal ofte kun små ændringer til for at forbedre – eller forringe – adskillelsen væsentligt.

Man kan også komme ud for, at stofferne i prøven overhovedet ikke flytter sig, hvis man bruger vand som løbevæske. Så må man prøve med en næsten upolær løbevæske, fx heptan, og så justere med en mere polær væske. Igen vil man typisk bruge en alkohol til det. Det kan være ethanol (der virker temmelig polær) eller en med længere carbonhydriddel, fx butan-1-ol, der har 4 C-atomer. Der findes en række forskellige udformninger af den chromatografiske metode. Den, vi har beskrevet her, kaldes TyndtLagsChromatografi – eller forkortet TLC. Andre metoder er beskrevet cd-rom’en.

Isis 164

165

Fede forbindelser

66

Carboxylsyrer Måske har du prøvet at drikke en sjat vin, der har stået en uges tid uden prop. Det er ingen spøg, for vinen er blevet sur. Den sure smag kommer fra eddikesyre, der dannes, når ethanol oxideres.

Carboxylsyrer indeholder en molekyledel, hvor samme C-atom er bundet til en OHgruppe og dobbeltbundet til et O-atom.

Det gælder generelt, at alkoholer, hvor OH-gruppen sidder i enden af molekylet, ret let oxideres til carboxylsyrer. De indeholder alle en molekyldel, hvor der til samme carbonatom er bundet både en hydroxygruppe og et dobbeltbundet oxygenatom:

Carboxylsyrer kan fremstilles ved oxidation af alkoholer. Syre-gruppen er meget polær, men hvis den upolære del af molekylet er stor, kan syren alligevel være uopløselig i vand.

OH C O

Carboxylsyrer er svage eller middelstærke syrer.

Ethansyre

Ethansyre (Eddikesyre)

Methansyre (Myresyre)

H

O C

H

O C

C

H

O

Ethansyre har formlen CH3COOH og kendes som eddikesyre. Eddikesyre er ikke et systematisk navn; til gengæld er det unødvendigt at forklare, hvorfra man oprindeligt kendte ethansyre. Det har siden forhistorisk tid været anvendt til konservering af fødevarer, og bruges stadig: syltede agurker, marinerede sild osv. Eddike er en fortyndet opløsning af ethansyre. Når det skal være fint, fremstilles det ved naturlig oxidation af vin (vineddike):

H

O

H

H

CH3-CH2-OH(aq) + O2(g) ➝ CH3-C(=O)OH(aq) +H2O(l)

Octadecansyre (Stearinsyre)

Oxidationen varetages af nogle bakterier (Acetobacter) i vinen.

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

O C

O

H

Husholdningseddike kan også fremstilles ved at fortynde den industrielle råvare: 99% eddikesyre. Denne eddikesyre fremstilles i dag især ved direk-

te oxidation af lavtkogende carbonhydrider, fx butan. Teoretisk skulle man kunne få to eddikesyremolekyler for hvert butanmolekyle, men i praksis får man en blanding af flere syrer og nogle mellemprodukter. Reaktionsblandingen kan dog ret let adskilles i enkeltstofferne. Da de lavtkogende carbonhydrider fås fra råolie eller naturgas, er eddike fremstillet på denne måde et petrokemisk produkt. Selv om der ingen kemisk forskel er, vil det i reglen være fremhævet på etiketten, hvis en eddike er fremstillet ved gæring. Navngivningen af de andre ligekædede carboxylsyrer er ligeså simpel som med ethansyre: man sætter blot endelsen -syre til navnet for den tilsvarende carbonhydrid.

Benzoesyre Carboxylsyregruppen behøver ikke sidde på en kædeformet carbonhydrid. Benzoesyremolekylet består af en benzenring, hvor det ene hydrogenatom er erstattet af en syregruppe:

OH C O Mens eddikesyre er blandbar med vand, er benzoesyre kun ganske lidt opløselig i vand. Selv om syregruppen er meget polær og villigt accepteres af vandmolekylerne, er benzenringen stor og helt upolær, og det bestemmer i dette tilfælde den manglende opløselighed. Benzoesyre er et fast stof ved

stuetemperatur, men lugter alligevel karakteristisk. Mange vil kende lugten, hvis man har prøvet at lave syltetøj eller marmelade. Benzoesyre benyttes i såvel husholdninger som industri til at konservere fødevarer. Benzoesyre hæmmer væksten af gærsvampe og bakterier, men kun hvis pH er under ca. 4.

til en sekvens af reaktioner, der kaldes citronsyrecyklus.

Citronsyre

En opløsning af en carboxylsyre i vand vil derfor altid indeholde en del af den uomdannede syre samt en smule af den korresponderende base. Blander man en carboxylsyre med en stærk base, vil man naturligvis kunne omdanne al syren til den korresponderende base, fx eddikesyre der blandes med natriumhydroxid:

Citronsyre findes også i andre frugter end citroner. Citronsyre bruges i husholdninger til afkalkning af fx kaffemaskiner og fliser, men det kan naturligvis også spises – i begrænsede mængder. Smagen er meget syrlig, men temmelig ukarakteristisk. Citronsyre har det systematiske navn: 2-hydroxypropan1,2,3-tricarboxylsyre. Det fremgår af navnet, at molekylet indeholder 3 carboxylsyregrupper på hvert sit carbonatom. Desuden sidder der en hydroxygruppe på det midterste carbonatom:

Carboxylsyrer er syrer Ingen af carboxylsyrerne er stærke syrer. De reagerer kun ufuldstændigt med vand efter reaktionsskemaet: R-C(=O)OH(aq) + H2O(l) R-COO – (aq)+ H 3 O + (aq)

CH 3 C(=O)OH(aq) + NaOH(s) ➝ CH 3 COO – (aq) + Na +(aq)+H 2 O(l)

H H

C

C(=O)OH

HO

C

C(=O)OH

H

C

C(=O)OH

alle kemiske forbindelser organiske forbindelser

H Citronsyre er et eksempel på en såkaldt hydroxy-syre, dvs. en carboxylsyre der også indeholder en OH-gruppe. De er meget udbredte i naturen. Citronsyre selv spiller en central rolle i stofomsætningen i alle celler, hvor den har givet navn

carbonhydrider organiske halogenforbindelser organiske oxygenforbindelser alkoholer carboxylsyrer

Isis 166

167

Fede forbindelser

67

Organiske salte De organiske stoffer, vi har set på indtil nu, har alle været molekylforbindelser. I forrige opslag så vi dog, at det er muligt at lave en organisk ion:

Carboxylsyrernes korresponderende baser er negative ioner.

CH 3 C(=O)OH(aq) + NaOH(s)

➝

CH 3 COO – (aq) + Na +(aq) + H 2 O(l)

De kan danne opløselige salte sammen med fx natrium- og kaliumioner.

Den korresponderende base til eddikesyre er negativt ladet. Ionen kan danne et salt sammen med en positiv ion, fx natriumionen. I modsætning til de salte, vi tidligere har set på, skriver man den positive ion sidst:

Det er noget forvirrende, men ideen er, at man så bedre kan se, hvor ionbindingen egentlig er. Den korresponderende base har et systematisk navn: ethanoat, men oftest bruges et gammelt trivialnavn: acetat. Natriumsaltet kommer så til at hedde natriumethanoat eller natriumacetat.

Sæbe er natrium- og kaliumsalte af fedtsyrer. Calciumsaltene tungtopløselige kaldes kalksæbe.

er og

octadec-9-ensyre (oliesyre) C(=O)OH

(CH3(CH2)16COO)2Ca

Natriumstearat er også kendt som almindelig håndsæbe, sæbespåner eller kernesæbe. Kernesæben vil oftest også indeholde natriumsalte af andre fedtsyrer end stearinsyre, fx natriumpalmitat CH3(CH2)14COONa. Når man vasker hænder for at fjerne fedt og smuds, bruger man altså en forbindelse, der er meget tæt beslægtet med fedtet selv.

Kaliumstearat

➝

C 6 H 5 -C(=O)OH(aq)

Sæbe

C(=O)OH

CH3(CH2)16COOK

De korresponderende baser til alle de andre carboxylsyrer kan tilsvarende indgå i ionforbindelser som negative ioner. Baserne er i regelen svage.

C 6 H 5 –COO – (aq) + H + (aq)

hexadecansyre (palmitinsyre)

CH3(CH2)16COONa

Natriumsaltene er ret hårde, faste stoffer, der er noget opløselige i vand. De danner basiske opløsninger, der med en traditionel betegnelse kaldes lud eller sæbelud. De er relativt billige, fordi de kan fremstilles ud fra affaldsfedtstoffer fra slagterier og oliefabrikker. De er miljømæssigt uden større problemer, fordi de let nedbrydes i naturen.

Den korresponderende base til benzoesyre hedder benzoat. Natriumbenzoat er letopløselig i vand. Selvom den konserverende virkning af benzoesyre alene skyldes den uomdannede syre, vil man i regelen tilsætte natriumbenzoat. Det skyldes, at benzoesyre er meget tungtopløselig. Når benzoationen kommer i kontakt med en syrlig frugtsaft dannes benzoesyre:

C(=O)OH

Afhængig af den positive ion, der findes sammen med hydroxidionen, kan man få dannet salte af stearationen. Vi vil se på natrium-, kalium- og calciumsaltene:

Natriumethanoat er som mange andre natriumsalte letopløselig i vand. Det er et fast stof ved stuetemperatur, men har ellers et relativt lavt smeltepunkt (58 °C). Der indgår krystalvand i iongitteret : 3 vandmolekyler for hver ethanoation.

Natriumbenzoat

octadecansyre (stearinsyre)

CH3(CH2)16C(=O)OH + OH– ➝ CH3(CH2)16COO– + H2O

Natriumstearat

CH 3 COONa

De korresponderende baser er oftest svage.

Fedtsyrerne kan som andre syrer reagere med en stærk base. Med stearinsyre som eksempel:

Carboxylsyrer med lange, uforgrenede kæder af carbonatomer kaldes med en fællesbetegnelse for fedtsyrer. På figuren er vist nogle eksempler. Betegnelsen fedtsyrer skyldes, at de forekommer i stort antal i naturligt fedt. De har her typisk et antal carbonatomer på 14, 16, 18 eller 20 og eventuelt en eller flere dobbeltbindinger. Fedtsyrerne er faste stoffer, der er uopløselige i vand. Dyre stearinlys fremstilles af stearinsyre, der har formlen CH3(CH2)16COOH. Til de billige stearinlys bruges simple alkaner (der kaldes paraffin i varedeklarationerne).

Kaliumstearat kendes som brun sæbe. Brun sæbe bruges kun til rengøring og indeholder tit overskud af kaliumhydroxid. Det forøger rengøringsevnen, da hydroxidionerne nedbryder fedt, men det er ikke sundt for huden at arbejde med så stærke baser. Kaliumsaltene er som natriumsaltene noget opløselige i vand, men de danner ikke så let faste stoffer som natriumsaltene. Brun sæbe forhandles derfor som vandholdige, mere eller mindre cremede substanser.

Calciumstearat Calciumstearat er ikke noget man fremstiller. Det dannes, når natrium- eller kaliumsaltene opløses i vand, der indeholder calciumioner. Calciumsaltene af fedtsyrer kaldes kalksæbe. Kalksæbe er i modsætning til de to andre salte tungtopløselig i vand. Vand fra vandhanen indeholder altid calciumioner – relativt mange i hårdt vand og få i blødt vand. Når man vasker med kernesæbe eller brun sæbe i hårdt vand, vil en stor del af fedtsyresaltene udfældes som kalksæbe. Det ses som en hvidt slør i vaskevandet. Kalksæben kan sætte sig som et voksagtigt lag alle steder, der har kontakt med vaskevandet: i afløb, opvaskebalje, vaskekummer, tøjfibre osv. Denne udfældning af kalksæbe er uønsket og er den væsentligste ulempe ved brugen af sæbe som vaskemiddel.

Sæbespåner i almindeligt vand og til højre i demineraliseret vand.

Isis 168

169

upolær side

68

OH OH

polær side

Emulsioner Strukturformel

Upolære stoffer kan emulgeres i vand, hvis man tilsætter sæbe til vandet. Et emulgatormolekyle består af en polær og en upolær del. Fedt emulgeres i vand, fordi den polære del af emulgatoren vil befinde sig i vandet, mens den upolære del findes sammen med fedtet.

OH

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

C

-

Emulgatorer bruges også til fremstilling af kosmetisk creme, maling m.v.

Forenklet model

H

H

O-

Fedt er tungtopløseligt i vand. Det skyldes at vand er polært, og at fedtstoffer er upolære. Men man kan alligevel godt rengøre tallerkner, bestik eller vasketøj, der er fedtet. Man tilsætter bare vaskemiddel til vandet, så kan fedtet tilsyneladende opløses i vand. Kun tilsyneladende – der sker i virkeligheden det, at fedtet emulgeres i vandet.

Der findes mange andre emulgatorer end stearationen. Fælles for dem alle er, at de indeholder en lang upolær hale af carbonhydrid, og i den ene ende har en polær gruppe. Den kan som i stearat være negativt ladet, men den kan også bare være polær (og altså uden ladning) eller positivt ladet.

Vaskemidlet kan fx bestå af natriumstearat:

Sulfosæbe Den mest brugte emulgator er sulfosæbe. Sulfosæbe er på det molekylære plan næsten magen til stearat, blot er gruppen -COO– erstattet af en sulfatgruppe: -OSO3–. Sulfatgruppen danner ikke tungtopløselige salte med calciumioner og derfor heller ikke kalksæber. Sulfosæbe er dyrere og mindre miljøvenligt end fedtsyresæberne.

CH 3 (CH 2 ) 16 COONa Når sæben opløses i vandet dannes stearationer:

C

O-

O

hvis overfladen bearbejdes mekanisk: gnubbes, børstes osv.

CH 3 (CH 2 ) 16 COO –

O

Stearationerne har en lang upolær carbonhydridhale. Halen vil let trænge ind i fedt, der sidder på overfladen af huden, opvasken eller vasketøjet. Den anden ende af stearationen er derimod elektrisk ladet og omgivet af de polære vandmolekyler. Den ende kan ikke trænge ind i fedt. Efter kort tid vil fedtet have hele overfladen besat af stearationer, der har den upolære ende inde i fedtet, men den polære ende strittende ud i vandet. Da de polære ender alle sammen er negativt ladede, vil de samtidig forsøge at komme fra hinanden. Resultatet er, at fedtet løsnes og samler sig til små dråber, hvis overflade helt består af stearationer. Processen sker hurtigere,

luften er upolær

fedt er upolært emulgator i vand

Emulsion eller opløsning? Fedtet er altså ikke opløst som enkeltmolekyler, men findes samlet i små dråber. Når vand og fedt emulgerer vil enten fedtet eller vandet findes som små dråber i den anden part. Det er i modsætning til en homogen opløsning, hvor hver partikel flyder helt tilfældigt og uhindret rundt imellem de andre. En homogen opløsning er stabil, så længe der ikke sker kemiske ændringer. En emulsion

Emulgatorer findes også i biologiske systemer. Et eksempel er galdesyre, der udskilles fra galdeblæren. Galdesyre består af sammensatte, flade ringe, hvis ene side er upolær, mens der på den anden side findes en række polære hydroxygrupper.

Fede forbindelser

COOH

vil derimod have tendens til at skille, hvis den henstår i lang tid. En homogen opløsning er desuden altid klar, mens de mange små dråber gør emulsioner uklare. Foruden vaskevand kendes emulsioner fra fx mælk, majonæse, dressing og fugtighedscreme.

Creme Kosmetisk creme findes i et utal af varianter, men når man læser varedeklarationerne, starter de næsten altid med “aqua” og dernæst “paraffinum liquidum”, dvs. vand og olie (petroleum). Da varedeklarationerne angiver stofferne efter mængde, består cremerne altså især af disse stoffer. Vand og olie kan godt emulgeres uden en emulgator, men emulsionen er meget ustabil, og efter ganske få sekunder vil olien og vandet skilles. De næste stoffer på deklarationerne er da også i regelen en eller flere emulgatorer. I kosmetik bruges neutrale emulgatorer. De er lidt dyrere end de andre, men giver en bedre creme. Meget brugt er glycerolstearat og polyoxyethylener – se formlerne herunder. Afhængig af den valgte emulgator dannes der vanddråber i olien – vand/olie emulsion – eller oliedråber i vandet – olie/ vand emulsion. Glycerolstearat giver vand/olie emulsioner, mens polyoxyethylener med

den lange polære kæde i regelen giver olie/vand emulsioner. De to emulsionstyper føles forskelligt på huden. Vandet i en olie/vand emulsion kan frit fordampe, og cremen vil derfor føles kølig. En olie/vand emulsion kan let blandes op med vand, som det fx kendes fra vandbaseret maling og mælk. I vand/olie emulsionen er vandet spærret inde i olien og fordamper kun langsomt. Da olien samtidig nedsætter hudens egen fordampning, vil sådan en creme føles varm. De fleste kosmetiske cremer er vand/olie emulsioner. De har bl.a. den fordel, at de ikke så

let tørrer ind og danner skorpe. Man kan let blande mere olie i en vand/olie emulsion, mens de til gengæld skyer vand. Det er meget hensigtsmæssigt for fx en sollotion. Vand, olie og emulgatorer udgør over 90% af cremen, men det er ikke dem, der bestemmer prisen. Den afgøres af parfumen og de specielle tilsætninger: vitaminer, planteudtræk, baktericider og meget andet. De sidste stoffer, der nævnes på deklarationerne, er i regelen konserveringsmidler (parabener) og eventuelle farvestoffer.

CH2OH

octylphenylpolyethoxylat O O

O O

O O

O O

CHOH

O O

OH

CH2OC O

170

glycerolstearat

Isis 171

69

Fede forbindelser

Stearinsyre

Dibrom adderer til fedtstof med oliesyre (til højre), men ikke til fedtstof kun med mættede fedtsyrer (til venstre).

Oliesyre

Fedtstoffer

Fedtstoffer findes i maden, men er uopløselige i vand. Triglycerider består af tre fedtsyrer, der er bundet sammen ved hjælp af propantriol. Umættede fedtsyrer indeholder mindst en dobbeltbinding. Fedtstoffer med stort indhold af umættede fedtsyrer er flydende ved 20 °C.

Fedtstoffer er en del af vores mad, der er fokus på i disse år. Dels er det nu mere og mere sikkert, at det kun er fedt, der ender som deller (og altså ikke kartofler, bananer, bolcher o.l.), og dels er fedtstoffernes sammensætning af stor betydning for udvikling af hjerte-karsygdomme. Fælles for alle fedtstoffer er, at de er meget lidt polære og derfor næsten uopløselige i vand. Derimod er de letopløselige i benzin og andre upolære opløsningsmidler.

De store R’er er bare symboler for resten af fedtsyrerne, der jo er lange carbonhydridkæder. Fedtstoffer, der er opbygget på denne måde, kaldes triglycerider: tri- fordi der er tre fedtsyrer og -glycerider af en gammel betegnelse for propan-1,2,3-triol: glycerin. I triglycerider findes hverken polære bindinger mellem oxygen og hydrogen eller ionladninger. Det forklarer, hvorfor fedt opløses så dårligt i vand.

Triglycerider

Hverken stearinsyre eller palmitinsyre indeholder dobbeltbindinger. Det er der imidlertid mange andre, der gør. En meget almindelig fedtsyre med en dobbeltbinding er oliesyre. Den hedder systematisk octadec-9-ensyre. Fedtsyrer med dobbeltbindinger kaldes umættede. De kan addere fx dihydrogen til dobbeltbindingen og dermed blive mættede.

Alle fedtstoffer indeholder fedtsyrer, fx stearinsyre med 18 carbonatomer og palmitinsyre med 16. Den almindelige type fedtstof i vores kost består af molekyler, hvor tre fedtsyrer er bundet sammen ved hjælp af en alkohol. Alkoholen er propan-1,2,3-triol. Propan-1,2,3-triol har 3 carbonatomer med hver sin OH-gruppe. De 3 fedtsyrer bindes til hver sin OH-gruppe, idet der samtidig fraspaltes et vandmolekyle:

Omega-3-fedtsyrer findes især i fisk. De nedsætter risikoen for blodpropper.

H

H

R

C(=O)OH

HO

C

H

R

C(=O)O

C

H

R

C(=O)OH

HO

C

H

R

C(=O)O

C

H

R

C(=O)OH

HO

C

H

R

C(=O)O

C

H

H

H

3 H2 O

Mættede og umættede fedtsyrer

Fast og flydende fedt Det er i regelen ikke 3 ens fedtsyrer, der bindes sammen. Med kun tre forskellige fedtsyrer, kan man lave 18 forskellige triglycerider. I virkeligheden er der langt flere. Fedtstoffet bliver derfor en blanding af mange forskellige, men alligevel næsten ens molekyler. Når fedtstoffet er en blanding af mange forskellige forbindelser, vil stoffet ikke smelte ved en bestemt temperatur, men i et interval. Smørfedt smelter således i intervallet fra 28-38 °C , mens vindruekerneolie smelter i intervallet fra -24 til 10 °C. Fedtstoffer med mætte-

de fedtsyrer vil have relativt høje smeltepunkter og være faste ved stuetemperatur. Smør, svinefedt, kokosfedt og margarine består overvejende af mættede fedtsyrer. De umættede fedtstoffer har lavere smeltepunkter og findes specielt i plante- og fiskeolier som fx olivenolie, sojaolie, vindruekerneolie og sildeolie. Smeltepunktet hænger sammen med molekylestrukturen. De mættede fedtstoffer uden dobbeltbindinger har større tendens til at være faste, fordi de meget symmetriske molekyler let falder på plads i en krystalstruktur. En dobbeltbinding giver et knæk på carbonhydridkæden i en umættet fedtsyre. Den anderledes bindingsvinkel i én eller nogle få af bindingerne hos de umættede fedtsyrer spolerer den symmetriske krystalstruktur. Bindingen mellem molekylerne bliver en smule svagere og krystallen falder fra hinanden ved en lavere temperatur.

Omega-fedtsyrer For meget fedt er givet vis ikke godt for helbredet. På den anden side er det ikke let at finde ud af, hvad der er virkelig skadeligt, og hvad der måske er sundt eller ligefrem nødvendigt. For tiden er levnedsmiddelstyrelsens råd, at man skal spise mindre fedt generelt og det fedt, man trods alt spiser, skal helst indeholde umættede fedtsyrer – især de såkaldte omega-3-fedtsyrer. En omega-3-fedtsyre er en fedtsyre, hvor der sidder en

dobbeltbinding ved tredie sidste carbonatom i carbonhydridkæden – omega betyder at man skal tælle bagfra (omega er det sidste bogstav i det græske alfabet) og ikke som normalt fra den ende, hvor syregruppen sidder. En vigtig omega-3-fedtsyre er docosa4,7,10,13,16,19-hexaensyre. Syren har således seks dobbeltbindinger. Luftens dioxygen reagerer let med dobbeltbindinger i en fedtsyre og jo flere, der er, desto lettere sker der en reaktion. Umættede fedtsyrer, der har reageret delvist med oxygen, lugter og smager dårligt. De ernæringsmæssigt bedste fedtsyrer har altså en ringe holdbarhed og tåler kun ganske kortvarig opvarmning. Både omega-3- fedtsyrer og omega-6-fedtsyrer er nødvendige for kroppen ligesom visse andre stoffer, fx vitaminer og mineraler. Alle andre umættede fedtsyrer kan kroppen nemlig selv danne ud fra de mættede fedtsyrer, fx palmitin- eller stearinsyre. En vigtig egenskab ved omega-3-fedtsyrerne er, at de hæmmer sammenklumpningen af blodpladerne i blodet og dermed tendensen til forkalkning og blodpropdannelse i blodkarrene. Omega-3-fedtsyrerne findes især i fedt fra fisk. Da selv fede fisk som makrel og laks indeholder mindre fedt end almindelig hakket kød, er der god mening i at anbefale at spise meget fisk.

alle kemiske forbindelser organiske forbindelser carbonhydrider organiske halogenforbindelser organiske oxygenforbindelser alkoholer carboxylsyrer triglycerider

Isis 172

173

Fede forbindelser

Er chokolade sundt?

70

Chokolade

Chokolade smelter i et ret snævert temperaturinterval, fordi kakaosmør har en meget regelmæssig fedtsyresammensætning. Smeltet chokolade tåler hverken vand eller kraftig varme, da sukkerindholdet så får det til at stivne. Chokolade får en grå overflade af fedtblomster, hvis det ikke er tempereret, før det størkner. Chokolade indeholder både mange sunde og mange usunde stoffer.

O

StOSt H2C

O

HC

O

Chokolade er et forædlet landbrugsprodukt, der kan købes i meget forskellige kvaliteter. Chokolade består af kakaopulver, kakaosmør (der er et fedtstof) og sukker. Det vil normalt være tilsat lecitin, der er en emulgator, samt vanille.

Fedtsyresammensætning Kakaosmørs dominerende fedtsyrer er den umættede oliesyre med 38%, stearinsyre med 35% og palmitinsyre med 24%. Resten spiller i praksis ingen rolle. Fedtsyrerne er bundet sammen med propan-1,2,3-triol til triglycerider. Triglyceriderne har næsten alle oliesyre i midterpositionen og mættede syrer i de to yderpositioner. Det hyppigst forekommende triglycerid har de tre fedtsyrer i rækkefølgen palmitinsyre, oliesyre og stearinsyre. Denne triglycerid kaldes “POSt”. Den næsthyppigste har stearinsyre siddende på begge sider af oliesyren i midten – den kaldes tilsvarende “StOSt”. Afhængig af kakaoens herkomst, findes desuden mindre mængder POP, POO og StOO, men andre kombinationer er sjældne.

O

O H2C

O

De fleste andre fedtstoffer, som fx smør og margarine, har ret brede smeltepunktsintervaller. Det duer ikke for

chokolade, der jo skal smelte på tungen (36-37 °C), men ikke i hånden (omkring 30 °C). “POSt” og “StOSt” triglyceriderne har næsten samme smeltepunkt. Det giver kakaosmør den specielle, ønskede egenskab, at det har et ganske bestemt smeltepunkt. Kakaosmør bliver blødt lige over 30 °C. Ved 20 °C knækker det med den karakteristiske sprødhed.

Temperering og fedtblomstring For chokolade af fineste kvalitet er det nødvendigt, at overfladen er blank. Det opnår man kun med de fineste råvarer og en omhyggelig fremstillingsproces. Triglyceriderne skal udkrystallisere på en ganske bestemt måde. Kakaosmør kan danne mindst 6 forskellige krystaltyper, og kun en af dem – den med det højeste smeltepunkt – er stabil. Hvis man gør det forkert, kan der dannes krystaller af de forkerte slags, og de vil så langsomt omdannes til den stabile slags. Herved udvider fedtkrystallerne sig, og der presses fedt ud på overfladen, som kommer til at se grå og kedelig ud. Det kaldes fedtblomstring. Man skal først smelte chokoladen ved 40-45 °C. Så afkøles den hurtigt til 18-25°C, hvor den holdes i ca. 10 minutter. Nu dannes der mange, små krystalkim. Så hæves temperaturen igen til lige under smeltepunktet, dvs. 29-31 °C. Ved denne temperatur smelter de forkerte typer krystalkim. Det er her chokoladen skal formes til

frøer, toppe og hvad man ellers kan tænke sig. Straks herefter køles chokoladen ned til 16 °.

Smeltepunkter for fire krystalformer i chokolade. Kun B er stabil.

De fleste ulykker sker i køkkenet Hvis dine hjemmelavede julekonfekter får en lidt kikset overflade, ved du nu hvorfor. Mange vil også have prøvet at købe chokolade med en trist grå overflade. Det skyldes næsten altid, at chokoladen har været opbevaret ved for høj en temperatur. Der er ikke nogen sundhedsfare ved at spise den slags, men oplevelsen taber jo lidt værdi. Man kan også ødelægge chokoladeovertræk ved at spilde lidt vand fra vandbadet ned i den smeltede chokolade. Chokolade indeholder meget lidt vand, og det, der er, sidder på overfladen af sukkerkrystallerne. Hvis mængden forøges, stiger de tiltrækningskræfter, der er mellem sukkerkrystallerne. Derfor vil det øge chokolademassens viskositet (“tyktflydenhed”) dramatisk. Lidt større mængder vand får de små sukkerkrystaller til at smelte sammen, og chokoladen bliver krymlet. En tredje måde at ødelægge smeltet chokolade på er ved at opvarme det for kraftigt – over 100 °C. Det kan man fx komme til, hvis man smelter chokoladen direkte i en gry-

de. Chokoladen krymler, fordi sukkerkrystallerne smelter sammen. Sukkerets opløselighed i vand stiger med stigende temperatur, og over en vis temperatur forsvinder krystallerne, og sukkeret søger sammen i store enheder.

Djævlen:

Englen:

1 Chokolade feder, fordi fedtenergiprocenten er langt over det anbefalede 30%.

1 Chokolade har en fedtsyresammensætning, der er meget bedre mod åreforkalkning end danskernes gennemsnitskost.

2 Chokolade er en tikkende migrænebombe. Det indeholder mindst et notorisk migrænefremkaldende stof. Det er phenylethylamin, der vides at sammentrække blodkarrene i hjernen.

Erstatnings-kakaosmør Da kakaosmør er dyrt, er der mange penge at spare for chokoladeproducenterne ved at bruge andre fedtstoffer.

3 Chokolade indeholder en del sukker, så det er tomme joule. 4 Nogle kvinder mener de er chokoholikere, der simpelthen ikke kan modstå chokolade, især lige før menstruation. Det kan skyldes indholdet af hormonlignende stoffer.

Som erstatning anvendes bl.a. det meget billigere palmekernefedt, der domineres af triglyceridet LLL (trilaurin). Laurinsyre er en mættet fedtsyre med 12 carbonatomer. Trilaurin sælges som “CBS” (Cocoa Butter Substitute) og giver en voldsom fedtblomstring, hvis det blandes med kakaosmør, men det skal ikke tempereres. Derfor kan man bruge det som eneste fedtstof i kunstig chokolade; såkaldt vekao. Et finere produkt er en blanding af triglyceriderne POP og StOSt. Dette produkt sælges 80 som CBE (Cocoa Butter Equivalent). Dets smelteforhold er omtrent som kakaosmør, og kan godt blandes med 60 kakaosmør uden forøget fedtblomstring. CBE har næsten lige så skarpt et smelteinterval som kakaosmør – se figur.

2 Chokolade giver en følelse af velvære og kvikker op. Det skyldes bl.a. stoffet phenylethylamin, der får hjernecellerne til at frigive mere dopamin. I kroppen findes naturligt phenylethylamin, så det er ikke noget fremmed stof. 3 Chokolade indeholder 8% protein, en række vitaminer og mineraler samt en del antioxidanter, der virker kræfthæmmende. 4 Chokolade var af aztecerne anset som et afrodisiakum og derfor forbudt at indtage for kvinder. Da det kom til Europa blev det beskrevet som “en voldsom opildner af alle lidenskaber”. Casanovas foretrukne drik var chokolade.

% af fedtet som er fast

CBE CBI

40

CBI har et noget højere smelteinterval, og sælges som “cocoa butter improver” – altså “kakaosmør-forbedring”. Forbed- 20 ringen ligger udelukkende i, at chokoladen kan sælges i varmere egne uden at blive blød. 0

Kakaosmør ˚C 25

30

35

Isis 174

175

Fede forbindelser

Opg Opgaver 63.1.*

64.3.**

66.2.*

Opskriv reaktionsskemaet for en: a) fuldstændig forbrænding af ethan b) fuldstændig forbrænding af heptan

Tegn strukturformlen for følgende alkoholer ? a) 2-methylpropan-2-ol b) butan-1-ol c) 2-methylbutan-2-ol d) pentan-1-ol

Opskriv et reaktionsskema for oxidation af butan til eddikesyre. Foruden eddikesyre dannes der vand.

63.2.*

Bestem molekylformlerne for alkoholerne nonanol og octadecanol.

COO-

66.3.* Skriv reaktionsskemaet for methansyres reaktion med vand.

SO3-

64.4.** 63.3.** Anfør oxidationstal for alle carbonatomerne i a) mælkesyre, CH3CH(OH)COOH b) 3-hydroxybutansyre, CH3CH(OH)CH2COOH

a) Hvilke af de fire alkoholer i opgave 64.3 forventer du er blandbare med vand? b) Check dine svar i Databogen og prøv at forklare forholdene.

64.5.** 63.4.** Opskriv og afstem ved hjælp af oxidationstal reaktionsskemaet for forbrænding af ethanol til vand og carbondioxid.

Der er to forskellige stoffer, der hedder propandiol. Tegn deres strukturformel og navngiv dem færdigt.

64.6.*** 63.5.* Opskriv reaktionsskemaet for oxidationen af ethanol til ethansyre ved hjælp af dioxygen.

63.6.** Opskriv og afstem ved hjælp af oxidationstal reaktionsskemaet for oxidationen af ethanol til ethansyre ved hjælp af dichromationer i sur opløsning.

63.7.** Opskriv og afstem ved hjælp af oxidationstal reaktionsskemaet for oxidationen af ethan-1,2-diol til ethandisyre (“oxalsyre”) ved hjælp af dichromationer i sur opløsning.

Opskriv reaktionsskema med strukturformler for reaktionerne mellem propen og vand – der er to muligheder. Du kan evt. se på cd-rom’en for at finde argumenter for hvilken reaktion, der overvejende finder sted.

Hvorfor er der ikke noget, der hedder propan-3-ol?

64.2.**

66.1.**

Navngiv følgende: a) CH3-CH2-CH2-CH2-OH b) CH3-C(CH3)2-CH2-CHOH-CH2-CH3

Hvilke andre syrer – foruden eddikesyre – kan der tænkes dannet ved direkte oxidation af butan?

63.8.** Opskriv og afstem ved hjælp af oxidationstal reaktionsskemaet for oxidationen af ethandisyre til vand og carbondioxid ved hjælp af permanganationer.

64.1.*

O

O

67.1.* Hvilke af følgende varer vil man kunne konservere med E211 (natriumbenzoat): a) Syltede asier b) Mayonnaise c) Ribsgelé

overtræk, morgenmadsprodukter med chokolade o.l. Hvorfor er vekao mere usundt end smør? Hvorfor er der nogle, der spiser usund og ulækker vekao når man kan spise sund og lækker chokolade?

a) Forklar forskellen på fedtsyrerne octadecansyre, octadec-9-ensyre og octadec-9,12-diensyre b) I kyllingefedt er 6% af fedtsyrerne hexadec-9-ensyre (palmitolsyre). Tegn en strukturformel. c) Tegn en strukturformlen for docosa4,7,10,13,16,19-hexaensyre.

69.2.*

OH

HO HO

COOCOO-

Hvilke af følgende fødevarer indeholder relativt mange umættede fedtsyrer: Piskefløde, olivenolie, palmefedt, Minarine, margarine og smør.

69.3.***

66.6.*

65.1.** Cellulose er som vist på figuren på opslag 65 opbygget af glucoseenheder. Ved sammenbindingen af glucosemolekylerne fraspaltes et vandmolekyle. a) Find en formel for cellulose af typen (CxHyOz)n. b) Hvis formelmassen for cellulose er 1 ton/mol, hvad er så n i ovenstående formel? c) Et stykke A4-papir vejer ca. 5 gram. Hvor mange cellulosemolekyler vil der ca. være i stykke A4-papir?

OH OH

66.5.**

64.7.** Opskriv reaktionsskemaet for dannelsen af en alkohol ved reaktion mellem: a) 1-chlorpropan og hydroxidioner. b) 2-bromheptan og hydroxidioner. c) Hvilken reaktionstype er der tale om?

OH OH

O

Tegn stregformler for følgende stoffer: a) Butansyre (smørsyre; i sved, harsk smør og hundeekskrementer) b) 2-hydroxypropansyre (mælkesyre; i overanstrengte muskler og surmælksprodukter)

Opskriv reaktionsskemaet for citronsyres reaktion med natriumhydroxid.

a) Hvilke af stofferne på figuren kan tænkes at virke som emulgator? b) Hvilke er anioniske (negativt ladede), kationiske (positivt ladede) og nonioniske (neutrale)?

69.1.*

66.4.**

Tegn stregformler for følgende stoffer: a) aminoethansyre (glycin; den simpleste af de tyve aminosyrer, der indgår i proteiner) b) hexadecansyre (palmitinsyre, en vigtig fedtsyre)

68.1.*

+

N H

Indenfor arbejdsfysiologi beskæftiger man sig en del med respiratorisk kvotient (RQ), der er forholdet mellem udskilt carbondioxid og optaget dioxygen. a) Bestem molekylformlen for fedtstoffet tripalmitin. b) Opskriv og afstem reaktionsligningen for respiration af tripalmitin. c) Beregn RQ for tripalmitin. d) Find RQ for glucose.

70.1.* 67.2.* Hvis man kommer for meget natriumbenzoat i varen, eller hvis den er for sur, vil der dannes krystaller af benzoesyre. Opskriv reaktionen.

67.3.** Stoffet 2-hydroxybenzoesyre (salicylsyre) har en let smertestillende virkning, men er tungtopløseligt i vand. a) Tegn en strukturformel for 2-hydroxybenzoesyre. b) Skriv reaktionsskemaet for reaktionen mellem salicylsyre og natriumhydroxid.

Hvilke afvigelser fra tempereringsopskriften tror du vil kunne føre til fedtblomstring? a) smelte chokoladen ved 70 °C b) 1. afkøling til 20°C c) genopvarme til 36 °C d) hurtig 2. afkøling til 10 °C e) opbevaring ved 23 °C

70.2.**

Opg

Hvorfor har trilaurin smelteegenskaber, der ligner kakaosmørs?

70.3.i

Find ud af, om det, du tror er chokolade hjemme, er chokolade eller vekao. Altså pålægschokolade, chokoladeknapper til

Isis

176

177

Illustrationsliste Hvor intet andet er anført er fotos taget af Karsten Ulrik Jensen og tegningerne er udført af Lo Brogaard Jessen, Anne Hansen og Susanne Lehrmann s. 8-9: venligst udlånt af Star Tour A/S s. 12-13, 29 øv. th: © Klett Schulbuchverlag GmbH, Stuttgart s. 14, 21, 29 øv. og 2 i midten, 63 ned: her efter Master Clip Art s. 22, 27 ned, 46 tv, 47, 48 øv. i midten, 51 tv, 54 øv, 55, 87 tv, 166 ned, 171, 172 ned: her efter E. Greb et al “Umwelt Chemie. Ein Lern- und Arbeitsbuch”, Klett Schulbuchverlag GmbH, Stuttgart s. 22 th: Foto venligst udlånt af Guldsmedefagets Fællesråd s. 23 midt: Venligst udlånt af Grafil Inc. s. 24 ned: Foto venligst udlånt af Topsil Semiconductor Materials A/S, Frederikssund s. 28, 34 øv, 40 tv, 68, 69 øv, 124, 2. fra oven, 133 øv: her efter CDanmark s. 32: Foto © Jacob Maarbjerg s. 40: her efter “Olie og naturgas for alle”, A/S Dansk Shell, 1995, side 19 s. 43, 51: © Søren Munthe s. 48 tv. og ned, 114 th: her efter R. Blume et al “Chemie für Realschulen, klasse 9/10”, Cornelsen Verlag, Berlin s. 49: kilde: efter E. Greb et al “Umwelt Chemie. Ein Lern- und Arbeitsbuch”, Klett Schulbuchverlag GmbH, Stuttgart s. 52, 3. fra oven, 173 ned: her efter “Profil Magasin, 90 år i udvikling”, Hydro Media, 1995 s. 53: her efter “Rundt om plast”, Gyldendal og Plastindustrien. Foto: Thorkild Jensen s. 54 ned: kilde: “Chemistry, Students’ Book”, Longman , 1994 s. 57 øv. th: © Focus Hamburg (Numbus7: Toms ozone/Antarctic ozone hole – 10/10-1986) s. 62, 64, 66, 1. fra oven: venligst udlånt af Connect Marketing A/S og Asics s. 62, 64, 66, 2. fra oven: her efter turistbrochure

178

s. 62, 64, 66, 3. fra oven: venligst udlånt af HMJ-group s. 63 midt., 65, 110 tv, 111 øv, 115 midt, 132, 141 tv: © Kim Bruun s. 69 ned: © Foci Image Library/SPL/ Martin Dohrn s. 70, 143, 144 øv: venligst udlånt af Opel Danmark s. 71: © Biofoto/G.M. Wiland s. 79, 127, 129 øv: her efter R. Blume et al: “Chemie für Gymnasien, Sekundarstufe 1, Länderausgabe C”, Cornelsen Verlag, Berlin s. 86-87 th: © Ole Johnsen, Geologisk Museum s. 89 ned, 111 midt: her efter “Faxe Kalk 100 år”, maj 1984, venligst udlånt af Aktieselskabet Faxe Kalkbrud s. 91: her efter rapport fra Skamby Vandværk s. 93 øv. tv: © Foci Image Library/PRE s. 94 ned. tv: venligst udlånt af A/S Frederiksen, Ølgod s. 95: Monet: “Impression: Soleil levant”, tidligere Musée Marmottan, Paris. Her efter Fogtdals Kunstleksikon, bind 6, 1990 s. 95, midt: © Foci Image Library/SPL s. 96: her efter informationsfolder om Skive Renseanlæg, udgivet af Skive Kommune s. 97 th: Gary Larson “Animal waste management”, © Garry Larson, represented by Creators Syndicate International, Los Angeles s. 99: her efter Per Hindkjær et al: “Biologi på tværs”, Nucleus ApS, 1994. © Per Hindkjær s. 112: venligst udlånt af Carlsberg A/S, Arkivet s. 113 øv: tegning: Carsten Kousgaard s. 115 øv: ph-meter fra Mettler-Toledo A/S, venligst udlånt af Müller+Sørensen ApS, Taastrup s. 119: her efter W. Amann et al: “Elemente Chemie II, Unterrichtswerk für die Sekundarstufe II”, Ernst Klett Schulbuchverlag, Stuttgart s. 124 øv. og ned tv, 146 ned: venligst udlånt af Duracell

Stikordsregister s. 130-31: her efter Finca Flichman brochure, venligst udlånt af Vingaarden A/S, Odense s. 134 ned. tv: venligst udlånt af Miljø- og Energiministeriet s. 134 øv: © United Feature Syndicat Inc. og PIB, København s. 140, 141 th: her efter Jes Fenger: “En atmosfære med voksende problemer… Historien om luftforurening – Temarapport fra DMU, 11/1997” s. 142: © Biofoto/André Maslennikov s. 145: her efter BERA-brochure, BAC Bergsøe Anti Corrosion A/S, Marineafdelingen, Hvidovre s. 147: Accu-batterier. Kilde ukendt s. 148 midt og ned: her efter Mogens Mogensen: “Brændselsceller”, Rapport fra Forskningscenter Risø, særtryk af Dansk Kemi, udgivet af Afdelingen for Materialeforskning, Forskningscenter Risø s. 149: her efter Henning Henriksen, Erik Pawlik: “Bogen om grundstofferne”, Gyldendal 1998 s. 150: Bridgeman Art Library/Freud Museum London s. 151 øv: her efter R. Blume et al “Chemie für die Regelschulen, Klasse 7, Thüringen”, Cornelsen Verlag, Berlin. © Deutsches Kupfer-Institut, Berlin s. 152: venligst udlånt af Dansk Hollandsk Ædelmetal A/S, København s. 153 ned: © Niels Bohr Arkivet s. 154, 155 øv: venligst udlånt af Lindberg Optik Design, Åbyhøj s. 155 ned: venligst udlånt af Stratec medical A/S, Herlev s. 163 th: her efter Erik Olaf-Hansen “De Aalborg-snapses vej til livet”, De Danske Spritfabrikker s. 167 th: her efter “Reseach. Das BayerForschungsmagazin, Ausgabe 6”, Bayer AG, November 1992 s. 173 øv. th: her efter A. Duschner et al “Chemie für Bayerische Realschulen, 10. Jahrgangsstufe”, Cornelsen Verlag, Berlin. Foto: Budde & Fotostudio Mahler s. 174-175: venligst udlånt af Chokoladekompagniet, Frederiksberg

Dette register er over bogens vigtige begreber. Hvis du vil søge på et stof, kan du bruge søgefaciliteten på cdrom’en. De røde stikord kan bruges til at skabe overblik og sammenhæng med, fx i forbindelse med repetition og skrivning af oversigter.

Absolut nulpunkt . . . . . . . . . . . . . . . 71 Actinid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Addition . . . . . . . . . . . . . . . . 50, 52, 55 Afstemning . . . . . . . . . . . . . . . . 20, 130 Agenda 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Aktuel koncentration . . . . . . . . . . . 94 Alkalimetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Alkaline element . . . . . . . . . . . . . . . 146 Alkan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41–46 Alken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Alkohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161, 162 Amfolyt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Anodeslam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Anodisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Aren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Atmosfærisk luft . . . . . . . . . . . . . 11, 28 Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Atommasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Atomnummer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Autohydronolyse . . . . . . . . . . . . . . . 108 Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Basisk opløsning . . . . . . . . . 108, 113 Begrænsende faktor . . . . . . . . . . . . . 64 Beregningsskema . . . . . . . . . 65, 67, 69, 93, 99, 118, 135 Bevarelsessætningerne . . . . . . . . . . 20 Blanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Blødgører . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Brændselscelle . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Bæredygtig . . . . . . . . . . . . . . . 143, 149 Carbonhydrid . . . . . . . . . . . . . . . 40–51 Carboxylsyre . . . . . . . . . . . . . 161, 166 Chromatografi . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Creme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Daniellelement . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Destillation . . . . . . . . . . . . . . 29, 48, 90 Disproportionering . . . . . . . . . . . . . 133 Dobbeltbinding . . . . . . . . . . . . . . 31, 50 Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . 148, 150 Elektron . . . . . . . . . . . . . . . . 12, 14, 35 Elektronegativitet . . 34, 97, 127, 129 Elektronparbinding . . . . . . . . . . . . . 30 Elektronprikformel . . . . . . . . . . . . . . 17 Elektronsky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Elektronstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Element . . . . . . . . . . . . . . . . . 145, Emulsion ..................... Endoterm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exoterm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

146 170 100 100 100

Fedtsyre . . . . . . . . . . . . . . . . . 166–175 Forbrændingsreaktion 10, 29, 46, 160 Formel koncentration . . . . . . . . . . . 94 Formelenhed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Formelmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Fældning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97, 98 Fældningstitrering . . . . . . . . . . . . . . 98 Galvanisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Grundstof . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 12 Gruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Grænseværdi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Halogen . . . . . . . . . . . . . . . . 16, 26, 56 Halvmetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Homolog serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Hovedgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Hydratisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Hydron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Idealgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Ikke-metal . . . . . . . . . . . . . . . . 24, 124 Ikke-metalion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Indikator . . . . . . . . . . . . . . 98, 114, 115 Ion . . . . . . . . . . . . . 15, 25, 82–91, 168 Ionbytning . . . . . . . . . . . . . . . . 91, 141 Ionforbindelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Iongitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Isomere forbindelser . . . . . . . . . . . . 42 Isotop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12, 19 Katalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57, 143 Kelvintemperatur . . . . . . . . . . . . . . . 70 Kemikalieaffald . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Kemisk forbindelse . . . . . . . . . . . . . 11 Koncentration . . . . . . . . . . . . . . . 92, 94 Korresponderende syre-basepar . . . 107 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Krakning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Krystalvand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Lanthanid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Legering . . . . . . . . . . . . . 145, 151, 152

179

Tabeller Stikordregister Ligevægt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94, 107 Listen over farlige stoffer . . . . . . . . . 75 Listen over uønskede stoffer . . 73, 134 Loftværdi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Løbevæske . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Massefylde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Massetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Masse% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Metal . . . . . . . . . . . . . . . . 24, 124, 127 Metalion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Miljø . . . . . . . 53, 57, 76, 97, 133, 134, 140–143, 148, 151, 155 Mohrtitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Mol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Molar masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Molart volumen . . . . . . . . . . . . . 68, 70 Molekyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23, 30 Molær koncentration . . . . . . . . . . . . 92 Neutralisation . . . . . . . . . . . . 117, 142 Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Nikkel-cadmium-element . . . . . . . 147 Nikkel-metalhydrid-element . . . . . 147 NOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140–143 Omega-3-fedtsyre . . . . . . . . . . . . . . 173 Opløselighed . . . . . . . . . . . 96, 97, 162 Opløsning . . . . . . . . . . . . . . . 90, 92, 96 Overskud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . 124, 129 Oxidationstal . . . . . . . . . . . . . 128, 161 Oxiderende syre . . . . . . . . . . . . . . . 152 Periode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Periodesystem . . . . . . . . . . . . . . . 12, 16 Periodicitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112–115 pH-meter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Polaritet . . . 35, 40, 90, 163, 165, 170 Polær binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Produkter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Prøvesyre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 R-sætning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raffinering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reaktanter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10,

180

Redoxreaktion . . . 125, 129, 130–133 Redoxtitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Reduktion . . . . . . . . . . . . . . . 124, 129 Reforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Rent stof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Rust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 S-sætning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Salt . . . . . . . . . . . . . . 84, 87, 168, 169 Skalmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140–143 SOx Spændingsrækken . . . . . . . . 126, 127 Stofmængde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Substitutionsprincip . . . . . . . 73, 134 Substitutionsreaktion . . . . 47, 55, 56 Sur opløsning . . . . . . . . . . . . 108, 113 Surhedsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Syre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Syre-baseindikator . . . . . . . . 114, 119 Syre-basereaktion . . . . . . . . . . . . . . 106 Sæbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169–171 Talpræcision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Temperering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Tilskuerion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Tilstandsformer . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Titrering . . . . . . . . . . . . . . 98, 118, 135 Titrerkurve . . . . . . . . . . . . . . . 117, 119 Triglycerid . . . . . . . . . . . . . . . . 172–175 Undergruppe . . . . . . . . . . . . . . . . 16, 17 Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Universalindikator . . . . . . . . . . . . . 115 Vands ionprodukt Vandsønderdeling Zigzagformel

. . . . . . . . . . . . . 108 . . . . . . . . . . . . . 148

. . . . . . . . . . . . . . . . 43, 55

Ædelgasregel . . . . . . . . . . . . 29, 31, 83 Ædelmetal . . . . . . . . . . . . . . . 126, 152 Ækvivalens . . . . 66, 98, 117, 119, 135

KEMISK MÆNGDEBEREGNING

SYRER OG BASER

m: masse M:

molar masse

n:

stofmængde

V:

volumen (rumfang)

Vm: molart volumen cA: formel koncentration af partikel A eller stof A [A]: aktuel koncentration af partikel A eller stof A p:

tryk af en gas eller en gasblanding (totaltrykket)

T:

kelvintemperatur

R:

gaskonstanten

m=n·M Massen af en given stofmængde er lig med produktet af stofmængden og stoffets molare masse.

pH = - log[H 3 O + ] pH er lig med minus logaritmen til talværdien af den aktuelle koncentration af oxoniumioner i en vandig opløsning eller i rent vand. [H 3 O + ] · [OH – ] = 1,0 · 10 –14 M 2 I en vandig opløsning og i rent vand er produktet af den aktuelle koncentration af oxoniumioner og den aktuelle koncentration af hydroxidioner ved 298 K lig 1,0 · 10–14 M2.

KONSTANTER Avogadro konstanten NA . . . . 6,022 · 1023 mol-1 Gaskonstanten

Q$ 9 Den formelle koncentration af A i en opløsning er lig med den stofmængde, der er tilført opløsningen, divideret med opløsningens volumen. Koncentrationen har enheden mol/L, der også skrives M.

R . . . . . 8,314 J/(mol · K) 8,314 kPa · L/(mol · K)

F$ =

Elektronens masse

me

...

9,11 · 10–31 kg 0,000549 u

Protonens masse

mp

...

1,673 · 10–27 kg 1,0073 u

[$ ] = Q$

Neutronens masse

Elektronens ladning

e . . . . . 1,602 · 10–19 C

V = n · Vm

Faraday konstanten

F . . . . . 9,65 · 104 C/mol

Volumenet af en given stofmængde af en gas er lig med produktet af stofmængden og det molare volumen. Ved 20 °C og 101 kPa er det molare volumen 24,1 L/mol.

mn

1,675 · 10–27 kg

9 Den aktuelle koncentration af A i en opløsning er lig med stofmængden af A divideret med opløsningens volumen. Koncentrationen har enheden mol/L, der også skrives M.

...

1,0087 u

= NA · e

p·V=n·R·T For et lukket system bestående af en idealgas eller en blanding af ideale gasser er produktet af systemets tryk og systemets volumen lig med produktet af stofmængden, gaskonstanten og kelvintemperaturen.

74 48 10 20

181

Tabeller

Tabeller FORTEGNELSE OVER GRUNDSTOFFERNE

Navn

Navn

Helium

Symbol

Atomasse (u)

. . . . . . Ac . . . . . . . . 89 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (227)

Holonium

Aluminium

. . . . Al . . . . . . . . 13 . . . . . . . . . . . . . . 26,981538

Hydrogen

Americium

. . . . Am . . . . . . . 95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (243)

Indium

Actinium

Antimon Argon

. . . . . . Sb . . . . . . . . 51 . . . . . . . . . . . . . . . . 121,760 . . . . . . . . Ar . . . . . . . . 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . 39,948

Iod

Atomasse (u)

. . . . . . . . . As . . . . . . . . 33 . . . . . . . . . . . . . . . 74,92160

Jern

. . . . . . . . . At . . . . . . . . 85 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (210)

Kalium

. . . . . . . Ba . . . . . . . . 56 . . . . . . . . . . . . . . . . 137,327 . . . . . Bk . . . . . . . . 97 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (247)

Navn

Symbol

Nummer

Atomasse (u)

. . . . . . . He . . . . . . . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,002602

Rhenium

. . . . . . Re . . . . . . . . 75 . . . . . . . . . . . . . . . . 186,207

. . . . . Ho . . . . . . . 67 . . . . . . . . . . . . . . 164,93032

Rhodium

. . . . . . Rh . . . . . . . 45 . . . . . . . . . . . . . . 102,90550

. . . . . H . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,00794

Rubidium

. . . . . Rb . . . . . . . . 37 . . . . . . . . . . . . . . . . 85,4678

Ruthenium

. . . . Ru . . . . . . . 44 . . . . . . . . . . . . . . . . . 101,07

. . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . 53 . . . . . . . . . . . . . . 126,90447

Astat

Berkelium

Nummer

. . . . . . . In . . . . . . . . 49 . . . . . . . . . . . . . . . . 114,818

Iridium

Arsen Barium

Rutherfordium . . . Rf . . . . . . . . 104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (261)

. . . . . . . Ir . . . . . . . . . 77 . . . . . . . . . . . . . . . . 192,217

Samarium

. . . . Sm . . . . . . . 62 . . . . . . . . . . . . . . . . . 150,36

. . . . . . . . . . Fe . . . . . . . . 26 . . . . . . . . . . . . . . . . . 55,845

Scandium

. . . . . Sc . . . . . . . . 21 . . . . . . . . . . . . . . 44,955910

. . . . . . . K . . . . . . . . . 19 . . . . . . . . . . . . . . . . 39,0983

Seaborgium

Kobber

. . . . . . . Cu . . . . . . . 29 . . . . . . . . . . . . . . . . . 63,546

Selen

Krypton

. . . . . . . Kr . . . . . . . . 36 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83,80

Silicium

. . . Sg . . . . . . . . 106 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (263)

. . . . . . . . . Se . . . . . . . . 34 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78,96 . . . . . . . Si . . . . . . . . 14 . . . . . . . . . . . . . . . . 28,0855

Beryllium

. . . . . Be . . . . . . . . 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 9,012182

Kviksølv

. . . . . . Hg . . . . . . . 80 . . . . . . . . . . . . . . . . . 200,59

Strontium

Bismuth

. . . . . . Bi . . . . . . . . 83 . . . . . . . . . . . . . . 208,98038

Lanthan

. . . . . . La . . . . . . . . 57 . . . . . . . . . . . . . . . 138,9055

Svovl

. . . . . . . . . S . . . . . . . . . 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . 32,066

Sølv

. . . . . . . . . . Ag . . . . . . . . 47 . . . . . . . . . . . . . . . 107,8682

Bly

. . . . . . . . . . . Pb . . . . . . . . 82 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207,2

Bohrium Bor

. . . . . . Bh . . . . . . . 107 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (262)

. . . . . . . . . . . B . . . . . . . . . 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10,811

Brom

. . . . . . . . . Br . . . . . . . . 35 . . . . . . . . . . . . . . . . . 79,904

Lawrencium

. . . . . . . Li . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,941

Lutetium

. . . . . . Lu . . . . . . . . 71 . . . . . . . . . . . . . . . . 174,967

Magnesium Mangan

Caesium

. . . . . . Cs . . . . . . . . 55 . . . . . . . . . . . . . . 132,90545

Meitnerium

Calcium

. . . . . . . Ca . . . . . . . . 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . 40,078 . . . Cf . . . . . . . . 98 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (251)

. . . Lr . . . . . . . . 103 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (262)

Lithium

Cadmium . . . . . . . Cd . . . . . . . 48 . . . . . . . . . . . . . . . . 112,411

Californium

. . . Mg . . . . . . . 12 . . . . . . . . . . . . . . . . 24,3050

. . . . . . . Mn . . . . . . . 25 . . . . . . . . . . . . . . 54,938049

. . . . . . . . Ta . . . . . . . . 73 . . . . . . . . . . . . . . . 180,9479

Technetium Tellur

. . . Tc . . . . . . . . 43 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (98)

. . . . . . . . . Te . . . . . . . . 52 . . . . . . . . . . . . . . . . . 127,60

Terbium

. . . . . . Tb . . . . . . . . 65 . . . . . . . . . . . . . . 158,92534

. . . Mt . . . . . . . . 109 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (266)

Thallium

. . . . . . Tl . . . . . . . . 81 . . . . . . . . . . . . . . . 204,3833

. . Md . . . . . . . 101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (258)

Thorium

. . . . . . Th . . . . . . . 90 . . . . . . . . . . . . . . . 232,0381

. . . . . Mo . . . . . . . 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95,94

Thulium

. . . . . . Tm . . . . . . . 69 . . . . . . . . . . . . . . 168,93421

Mendelevium Molybden

Tantal

. . . . . Sr . . . . . . . . 38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87,62

Carbon

. . . . . . . C . . . . . . . . . 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12,0107

Natrium

Cerium

. . . . . . . Ce . . . . . . . . 58 . . . . . . . . . . . . . . . . 140,116

Neodym . . . . . . . . . Nd . . . . . . . 60 . . . . . . . . . . . . . . . . . 144,24

Titan

. . . . . . . . . Ti . . . . . . . . 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . 47,867

. . . . . . . Na . . . . . . . . 11 . . . . . . . . . . . . . . 22,989770

Neon

Uran

. . . . . . . . . U . . . . . . . . . 92 . . . . . . . . . . . . . . . 238,0289

. . . . . . . . . Ne . . . . . . . . 10 . . . . . . . . . . . . . . . . 20,1797

Tin

. . . . . . . . . . . Sn . . . . . . . 50 . . . . . . . . . . . . . . . . 118,710

Chlor

. . . . . . . . . Cl . . . . . . . . 17 . . . . . . . . . . . . . . . . 35,4527

Chrom

. . . . . . . . Cr . . . . . . . . 24 . . . . . . . . . . . . . . . . 51,9961

Neptunium

Cobalt

. . . . . . . . Co . . . . . . . 27 . . . . . . . . . . . . . . 58,933200

Nikkel

Curium

. . . . . . . Cm . . . . . . . 96 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (247)

Niobium

. . . . . . Nb . . . . . . . 41 . . . . . . . . . . . . . . . 92,90638

Xenon

. . . . . Db . . . . . . . 105 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (262)

Ytterbium

. . . . Np . . . . . . . 93 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (237)

. . . . . . . . Ni . . . . . . . . 28 . . . . . . . . . . . . . . . . 58,6934

Nitrogen

. . . . . . N . . . . . . . . . 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . 14,00674

Dysprosium

. . . Dy . . . . . . . . 66 . . . . . . . . . . . . . . . . . 162,50

Nobelium

. . . . . No . . . . . . . 102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (259)

Einsteinium

. . . Es . . . . . . . . 99 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (252)

Osmium

. . . . . . Os . . . . . . . . 76 . . . . . . . . . . . . . . . . . 190,23

Oxygen

. . . . . . . O . . . . . . . . 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15,9994

Dubnium

Erbium

. . . . . . . Er . . . . . . . . 68 . . . . . . . . . . . . . . . . . 167,26

Europium

. . . . . Eu . . . . . . . 63 . . . . . . . . . . . . . . . . 151,964

Palladium

. . . . . Pd . . . . . . . . 46 . . . . . . . . . . . . . . . . . 106,42

Fermium

. . . . . . Fm . . . . . . . 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (257)

Phosphor

. . . . . P . . . . . . . . . 15 . . . . . . . . . . . . . . 30,973761

Fluor

. . . . . . . . . F . . . . . . . . . 9 . . . . . . . . . . . . . . . 18,9984032

Francium

. . . . . Fr . . . . . . . . 87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (223)

Gadolinium Gallium

. . . Gd . . . . . . . 64 . . . . . . . . . . . . . . . . . 157,25

. . . . . . . Ga . . . . . . . 31 . . . . . . . . . . . . . . . . . 69,723

Guld

Platin

Vanadium Wolfram

. . . . . . W . . . . . . . . 74 . . . . . . . . . . . . . . . . . 183,84 . . . . . . . . Xe . . . . . . . . 54 . . . . . . . . . . . . . . . . . 131,29

Yttrium Zink

. . . . . V . . . . . . . . . 23 . . . . . . . . . . . . . . . . 50,9415

. . . . . Yb . . . . . . . . 70 . . . . . . . . . . . . . . . . . 173,04 . . . . . . . Y . . . . . . . . . 39 . . . . . . . . . . . . . . . 88,90585

. . . . . . . . . . Zn . . . . . . . . 30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65,39

Zirconium

. . . . . Zr . . . . . . . . 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . 91,224

. . . . . . . . . Pt . . . . . . . . 78 . . . . . . . . . . . . . . . . 195,078

Plutonium

. . . . Pu . . . . . . . . 94 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (244)

Polonium

. . . . . Po . . . . . . . . 84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (209)

Praseodym

. . . . Pr . . . . . . . . 59 . . . . . . . . . . . . . . 140,90765

. . . Ge . . . . . . . 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72,61

Promethium

. . . Pm . . . . . . . 61 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (145)

. . . . . . . . . . Au . . . . . . . 79 . . . . . . . . . . . . . . 196,96655

Protactinium

. . Pa . . . . . . . . 91 . . . . . . . . . . . . . . 231,03588

Germanium

182

Nummer

Symbol

Hafnium

. . . . . . Hf . . . . . . . . 72 . . . . . . . . . . . . . . . . . 178,49

Radium

. . . . . . . Ra . . . . . . . . 88 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (226)

Hassium

. . . . . . Hs . . . . . . . . 108 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (265)

Radon

. . . . . . . . Rn . . . . . . . 86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (222)

183

Tabeller UDVALGTE POSITIVE IONER Al3+

aluminiumion . . . . . . . . . . . . . . . ammoniumion . . . . . . . . . . . . . NH4+ bariumion . . . . . . . . . . . . . . . . . Ba2+ bly(II)ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pb2+ calciumion . . . . . . . . . . . . . . . . . Ca2+ chrom(III)ion . . . . . . . . . . . . . . . . Cr3+ cobalt(II)ion . . . . . . . . . . . . . . . . Co2+ jern(II)ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fe2+ jern(III)ion . . . . . . . . . . . . . . . . . Fe3+ kaliumion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K+ kobber(I)ion . . . . . . . . . . . . . . . . . Cu+ kobber(II)ion . . . . . . . . . . . . . . . Cu2+ kviksølv(I)ion . . . . . . . . . . . . . . Hg22+ kviksølv(II)ion . . . . . . . . . . . . . . Hg2+ magnesiumion . . . . . . . . . . . . . Mg2+ mangan(II)ion . . . . . . . . . . . . . . Mn2+ natriumion . . . . . . . . . . . . . . . . . . Na+ nikkel(II)ion . . . . . . . . . . . . . . . . . Ni2+ oxoniumion . . . . . . . . . . . . . . . . H3O+ sølvion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ag+ tin(II)ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sn2+ tin(IV)ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sn4+

UDVALGTE NEGATIVE IONER amidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NH2– azidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N3– bromation . . . . . . . . . . . . . . . . BrO3– bromidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Br– butanoation . . . . . . . . . . . C3H7COO– carbonation . . . . . . . . . . . . . . . CO3 2– chloration . . . . . . . . . . . . . . . . . ClO3– chloridion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cl– chlorition . . . . . . . . . . . . . . . . . ClO2– chromation . . . . . . . . . . . . . . CrO42– citration . . . . . . . . . . . . . . . C6H5O73– cyanation . . . . . . . . . . . . . . . . . OCN– cyanidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CN– dichromation . . . . . . . . . . . . . Cr2O72– dihydrogenphosphation . . . H2PO4– diphosphation . . . . . . . . . . . . . P2O74– disulfation . . . . . . . . . . . . . . . . S2O72– disulfidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . S22– disulfition . . . . . . . . . . . . . . . . . S2O52– dithionition . . . . . . . . . . . . . . . S2O42– ethandioation . . . . . . . . . . . . C2O42– ethanoation . . . . . . . . . . . CH3COO– ethyndiidion . . . . . . . . . . . . . . . . . C22– fluoridion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F–

184

hydridion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H– hydrogencarbonation . . . . . HCO3– hydrogenperoxidion . . . . . . . . . HO2– hydrogenphosphation . . . . . HPO42– hydrogensulfation . . . . . . . . HSO4– hydrogensulfidion . . . . . . . . . . . HS– hydrogensulfition . . . . . . . . . HSO3– hydroxidion . . . . . . . . . . . . . . . . . OH– hypobromition . . . . . . . . . . . . . BrO– hypochlorition . . . . . . . . . . . . . . ClO– hypoiodition . . . . . . . . . . . . . . . . . IO– iodation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IO3– iodidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I– manganation . . . . . . . . . . . . . MnO42– methanoation . . . . . . . . . . . HCOO– nitration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NO3– nitridion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N3– nitrition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NO2– oxidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O2– perchloration . . . . . . . . . . . . . . ClO4– permanganation . . . . . . . . . . MnO4– peroxidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . O22– persulfation . . . . . . . . . . . . . . . S2O82– phosphation . . . . . . . . . . . . . . PO43– propanoation . . . . . . . . . . C2H5COO– sulfation . . . . . . . . . . . . . . . . . . SO42– sulfidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S2– sulfition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SO32– tartration . . . . . . . . . . . . . . C4H4O62– tetrathionation . . . . . . . . . . . . S4O62– thiocyanation . . . . . . . . . . . . . . . SCN– thiosulfation . . . . . . . . . . . . . . S2O32– triiodidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I3– trisulfidion . . . . . . . . . . . . . . . . . . S32–

NOGLE UDVALGTE KEMISKE FORBINDELSERS NAVNE Molekylforbindelser ammoniak . . . . . . . . . . . . . . . . . NH3 carbondioxid . . . . . . . . . . . . . . . CO2 carbonmonoxid . . . . . . . . . . . . . . CO dibrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Br2 dichlor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cl2 difluor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F2 dihydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H2 diiod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I2 dinitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N2 dinitrogenoxid . . . . . . . . . . . . . . N2O dinitrogenpentoxid . . . . . . . . . . N2O5

dioxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O2 ethandisyre (oxalsyre) . . . (COOH)2 ethanol (alkohol) . . . . . . . C2H5OH ethansyre (eddikesyre) . . . CH3COOH hydrogenchlorid . . . . . . . . . . . HCl(g) hydrogencyanid . . . . . . . . . . . . . HCN hydrogenperoxid . . . . . . . . . . . . H2O2 hydrogensulfid . . . . . . . . . . . . . . H2S carbonsyre (kulsyre) . . . . . . . H2CO3 methan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CH4 nitrogendioxid . . . . . . . . . . . . . . NO2 nitrogenoxid . . . . . . . . . . . . . . . . NO phosphorsyre . . . . . . . . . . . . . H3PO4 salpetersyre . . . . . . . . . . . . . . . HNO3 saltsyre . . . . . . . . . . . . . . . . . HCl(aq) svovldioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . SO2 svovlsyre . . . . . . . . . . . . . . . . . H2SO4 svovltrioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . SO3 trioxygen (ozon) . . . . . . . . . . . . . . O3

Ionforbindelser aluminiumchlorid . . . . . . . . . . . AlCl3 ammoniumchlorid . . . . . . . . NH4Cl calciumcarbonat . . . . . . . . . . CaCO3 calciumchlorid . . . . . . . . . . . . . CaCl2 calciumhydroxid . . . . . . . . . Ca(OH)2 jern(II)chlorid . . . . . . . . . . . . . . FeCl2 jern(II)sulfat . . . . . . . . . . . . . . FeSO4 jern(II)sulfid . . . . . . . . . . . . . . . . . FeS jern(III)chlorid . . . . . . . . . . . . . FeCl3 jern(III)sulfat . . . . . . . . . . . Fe2(SO4)3 kaliumchromat . . . . . . . . . . K2CrO4 kaliumdichromat . . . . . . . . K2Cr2O7 kaliumhydroxid . . . . . . . . . . . . . KOH kaliumnitrat . . . . . . . . . . . . . . . KNO3 kaliumnitrit . . . . . . . . . . . . . . . KNO2 kaliumpermanganat . . . . . . KMnO4 kaliumthiocyanat . . . . . . . . . . KSCN kobbersulfat . . . . . . . . . . . . . . CuSO4 magnesiumnitrid . . . . . . . . . . . Mg3N2 magnesiumoxid . . . . . . . . . . . . . MgO natriumethanoat . . . . . CH3COONa natriumhydroxid . . . . . . . . . . . NaOH natriumsulfat . . . . . . . . . . . . . . Na2SO4 natriumsulfid . . . . . . . . . . . . . . . Na2S natriumthiosulfat . . . . . . . . Na2S2O3 natriumchlorid . . . . . . . . . . . . . NaCl sølvchlorid . . . . . . . . . . . . . . . . . AgCl sølvnitrat . . . . . . . . . . . . . . . . . AgNO3

Isis Kemi C

Isis

Isis_C_omslag.p65

1

er et system til kemiundervisningen på C-niveau inden for de gymnasiale uddannelser. Systemet består af en lærebog med indlagt cd-rom. Desuden er der tilknyttet en hjemmeside, og der kan købes en mappe med øvelsesvejledninger og arbejdsark.

er navnet på en egyptisk gudinde. Myten om Isis fortæller, at liget af hendes elskede blev skåret i stykker og spredt ud over hele Egypten. Isis samlede imidlertid alle delene og genskabte ham. Myten kan opfattes som et billede på kemiens væsen: helheder, der deles og samles. Læs mere om Isis på cdrom’en.

Kim Bruun • Hans Birger Jensen Karsten Ulrik Jensen • Søren Munthe

Isis

KEMI www.systime.dk/isisc

Kim Bruun Søren Munthe Hans Birger Jensen Karsten Ulrik Jensen

Kemi C

Isis 30-04-2002, 12:04