Kend kemien 8702003694, 9788702003697 [PDF]

Zitiervorschau

kk1-omslag.qxd

30/01/07

9:07

Side 1

Parbo / Nyvad / Mortensen

Kend Kemien 1 med tilhørende website, www.kendkemien.gyldendal.dk, og kopimappe med forsøgsbeskrivelser, Eksperimenter 1, er skrevet til kemiundervisningen på C-niveau i de gymnasiale uddannelser.

1

Henrik Parbo Annette Nyvad Kim Kusk Mortensen

Kend Kemien

Kend Kemien 1

Bogen indeholder emnerne – – – –

Stoffer og blandinger Adskillelse af stoffer Atomer Kemiske bindinger

– – – –

Hvor meget stof ? Alkoholer Vand Opløsninger

– Syrer og baser – Redoxreaktioner – Fedtstoffer

ISBN 978-87-02-00369-7

Gyldendal © Gyldendal. Dette materiale må kun anvendes af David Svane-Petersen.

1

Henrik Parbo Annette Nyvad Kim Kusk Mortensen

Kend Kemien

1

Henrik Parbo Annette Nyvad Kim Kusk Mortensen

Kend Kemien

Gyldendal

Kend Kemien 1 1. e-bogsudgave, 2011 © 2003 by Gyldendalske Boghandel, Nordisk Forlag A/S, København og forfatterne. Faglig redaktør: Henrik Parbo Forlagsredaktion: Søren Lundberg Illustrationer: John Fowlie Grafisk tilrettelæggelse og omslag: 2Krogh AS Teksten er sat med Charlotte Book 11/14 ISBN: 978-87-625-0515-5 Denne bog er beskyttet af lov om ophavsret. Kopiering til andet end personlig brug må kun ske efter aftale med forlag og forfatter. www.kendkemien.gyldendal.dk www.gyldendal-uddannelse.dk

Billedliste: Omslag: Scanpix/Corbis/Sandro Vannini

Foci/SPL, s. 19, 29 ø., 40, 65 v., 77, 89, 92,

Scanpix/Morten Juul, s. 84 ø.

Scanpix/Bjarke Ørsted, s. 147 ø.

Anders Bach/Nina Jensen/Henrik Parbo, s.15,

130, 136 ø.v., 144

Scanpix/Corbis/J.L. Amos, s. 87 n.

Scanpix/Thomas Sjørup, s. 152

20, 29 n.h., 38, 47 ø., 53 ø., 63 n., 67 h., 79,

Nobelstiftelsen, s. 23 ø.

Scanpix/Corbis/V. Streano, s. 88 n.

Tekstogfoto.dk, s.157

90, 93 ø., 98, 105 ø., 105 n.v., 106 ø., 106 m.,

Novo-Nordisk A/S, s. 23 n.

Polfoto/Peter Hove Olsen, s. 93 n.

Scanpix/Corbis/Ray Juno, s. 158

107 ø., 108, 109 h., 115 n., 116, 117 n., 119,

Danisco A/S, 24 n.

Scanpix/Claus Fisker, s. 94 ø.

Scanpix/Corbis/B. Krist, s. 160 n.v.

134, 145, 146, 148, 149, 151, 159 n., 161 ø.,

Sun Chemical A/S, s. 28

FOCI/SPL/Andrew Syred, s. 94 n.

Scanpix/Niels Ahlmann Olesen, s. 164

162 n., 163, 172, 174, 176, 182 n., 183 ø.,

SpejderSport, s. 30 n. Aarhus

Scanpix/Corbis/R. Ressmeyer, s. 95

Scanpix/Corbis/Patrick Johns, s. 171

184 ø., 189, 191, 192, 194 n., 201 n., 204

Olie A/S, s. 32 n.

Polfoto/PPF, s. 99

Scanpix/Biofoto, s. 172 ø.

NASA, s. 10, 86, 127

Scanpix/Corbis/A.Woolfitt, s. 33

Scanpix/Henrik Pyndt Sørensen, s. 100 ø.

Scanpix/Corbis/Bettmann s. 173

Photodisc, s. 13, 24, 51 n., 62,

Stock-Shop, s. 41, 48, 67 n., 100 n.

FOCI/HSI, s. 102 ø.

Backimage.dk/Mogens Laiser, s. 180

Scanpix/Corbis/Arcivo Iconografico, s. 11

Institut for Fysik og Astronomi,

2Krogh, s. 102 n.

Scanpix/Corbis/Charles O’Rear, s. 182 ø.

Gyldendals Billedbibliotek, s. 14, 42, 46, 53,

Aarhus Universitet, s. 43

Auchentosham Lowland Single Malt, s. 104

Scanpix/Corbis, s. 184 n., 211

58, 107 n., 161 n., 162 ø., 168

FOCI/PRE/Andy Levin, s. 47 n.

Borup Kemi, s. 105, 120, 147

Volkswagen, s. 185 v.

Orla Jensen/Nina Jensen/Henrik Parbo, 16. ø.,

Kim Kusk Mortensen, s. 51 ø.

Polfoto/Lars Skanning, s. 107 m.

Scanpix/Erik Jepsen, s. 185 h.

17 h., 21, 30 ø., 31, 32 ø., 34, 36, 37, 50, 53

FOCI/PRE/Volker Steger, s. 52 n.

Cesar Augusto Sales Barbosa, s. 117 ø.h., 162 n.

Scanpix/AP, s. 186 v.

n.h., 174 n.

Polfoto, s. 62

Polfoto/Finn Heidelberg, s. 126

Daimler-Chrysler, s. 186 ø.h.

FOCI/SPL/Bernhard Edmaier, s. 16 n. Thorkild

Polfoto/Thomas Wilma, s. 67 ø.

Scanpix/Erik Thomsen, s. 131 ø.

DTU, s. 186 n.h.

Jensen, s. 16 n.v., 22, 27, 29 n.v. Søren

Scanpix/Corbis/C.Rogers, s. 67 m.

Scanpix, s. 131 m., 160 n.h.

Scanpix/Jesper Plambech, s. 188

Lundberg, s. 17 v., 54, 63 ø., 64, 65 h.,

FOCI/SPL/David Gifford, s. 68 ø.

Scanpix/Klavs Nielsen, s. 131 n.

Polfoto/Lars Hansen, s. 190

66, 72, 76, 77 n., 78, 80, 82, 87 ø., 88 ø., 91,

Polfoto/Ricky John, s. 68 n.

Geologisk Museum/Ole Johnsen, s. 132 ø.

Scanpix/Anett Bruhn, s. 201 ø. Polfoto/+49

96, 102 m., 103, 106 n., 109 v., 110, 114,

Hempels Skibsfarve-fabrik A/S, s. 70

Læsø Saltsyderi, s. 132 n.

photo, s. 201 m. Scanpix/Corbis/ Wofgang

115 ø.,117 n.h., 118, 136 n.v., 137, 140 n., 152

Donald Clegg, s. 73

Scanpix/Corbis/Richard T. Nowitz, s. 133

Kaehler, s. 202 ø. Polfoto/Jens Søndergård, s.

ø., 156, 159 ø., 165, 170, 181, 183 n., 193, 194

Scanpix/M. Rasmussen, s. 81 ø.

Scanpix/Corbis/Michael Busselle, s. 136 h.

205

ø., 202 n., 206, 207, 211 n., 216,

FOCI/SPL/Claude Nuridsany

Scanpix/Lars Andreasen, s. 138

Barry Callebaut, Belgium/Mette Krull, s. 214

& Marie Perennou, s. 81 n.

Polfoto/AFP, s. 140 ø.

Indhold Forord

8

Stoffer og blandinger

– fra alkymi til kemi

10

Kemi som videnskab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Tilstandsformer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Smelte- og kogepunkter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Blandinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Inddeling af stof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Blandbarhed – ens opløser ens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Kronether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Insulin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Emulsioner og emulgatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Adskillelse af stoffer

– filtrering og destillation

28

Laboratorieteknik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Sikkerhed i laboratoriet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Atomer

– verdens mindste byggesten

40

Atommodeller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Isotoper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Skalmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Radioaktive carbonisotoper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Orbitaler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Ædelgasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Elektronfordelingen i skallerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Grundstoffernes periodesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Svovl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Livsvigtige grundstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Ioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Grundstoffernes opdagelseshistorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Kemiske bindinger

– nøglen til at forstå kemi

62

Natriumchlorid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Ionbinding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Fleratomioner i knogler og tænder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Molekyler i atmosfæren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Elektronparbinding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Drivhusgasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Hydrogenbindinger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 DNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

1 2 3 4

Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5 6

Hvor meget stof ?

7 8

Vand

– Reaktioner og stofmængder

86

Reaktionsskemaer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Formelmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Hvor meget er et mol? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Beregninger ved reaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Gasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Sprængstoffer: Nitroglycerin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Alkoholer

– organisk kemi

104

Ethanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Methanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Organisk kemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Propanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Hvordan navngives alkoholer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Alkoholers egenskaber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Cykliske alkoholer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Alkoholer med flere #OH-grupper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Polyoler og tyggegummi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Alkohol som brændstof. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Antabus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Inddeling af alkoholer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Oxidation af alkoholer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

– forudsætningen for alt liv

126

Opløsningsmidlet vand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Ionforbindelser opløst i vand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Opløselighed i vand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Fældningsreaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Vands hårdhed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Nyresten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Molekylforbindelser opløst i vand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Opløsninger

– koncentrationer og grænseværdier

144

Stofmængdekoncentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Fortynding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Fældningstitrering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Andre koncentrationsmål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Grænseværdier og miljø . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Drikkevand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Syrer og baser

– surt eller basisk

158

Syrers og basers egenskaber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Syre-basereaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Kulsyre og boblebad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Syrers og basers styrke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 pH-begrebet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Sur regn – syrer og baser i miljøet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Vask i gamle dage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 pH-måling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Syre-basetitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Blodets pH-værdi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Redoxreaktioner

– flytning af elektroner

180

Oxidation og reduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Oxidationstal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Brændselsceller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 De livgivende redoxreaktioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Afstemning af reaktionsskemaer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Redoxtitrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Antioxidanter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Fedtstoffer

– mættede eller umættede

200

Fedt eller olie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Triglycerider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Fedtsyrer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Transport af fedt i kroppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Additionsreaktioner og hærdning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Cis/trans-isomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Trans-fedtsyrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Energiværdi og energiprocent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 BMI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Chokolade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

Stikordsregister

218

Grundstoffernes periodesystem

222

Tabeller

224

9 10 11

Forord

Målgrupper

Bogens idé

Websitet

Eksperimenter

Kapitlerne

8

Denne bog med tilhørende website og kopimappe henvender sig til den indledende undervisning i kemi på gymnasialt niveau (C-niveau). Bogen kan også være relevant for studerende, der har brug for at genopfriske de grundlæggende begreber i kemi i forbindelse med en videregående uddannelse. Eksperimentelt arbejde har høj prioritet i denne bog. Eleverne motiveres for undervisning i kemi gennem eksperimenter, efterbehandling og efterfølgende diskussioner. Tilsvarende lægger vi stor vægt på betydningen af kemisk viden for det enkelte menneske og for den teknologiske udvikling. I takt med fagets markante udvikling inden for lægemidler, biokemi og nye materialer har vi bestræbt os på at inddrage disse aspekter i bogen. Websitet anvendes som en integreret del af undervisningen. Bogen indeholder direkte henvisninger til interaktive opgaver, data og grafiske afbildninger for grundstoffer og kemiske forbindelser, animationer, visualiseringer, forsøgsvejledninger samt links til andre relevante websites. Disse henvisninger er markeret i margin med www. Bogens eksperimenter er nøjere beskrevet på websitet. Forsøgsbeskrivelser til de eksperimenter, eleverne udfører, findes i den tilhørende kopimappe og på den lukkede del af websitet. Eksperimenterne omfatter både standardudstyr og apparatur i mikroskala. Bogen er delt op i 11 kapitler, der alle indledes med et »tag med hjem forsøg«. Fremstillingen i kapitlerne lægger op til en vekslen mellem fagligt systematiske og tematiske forløb i undervisningen. For at lette overgangen fra folkeskolen til gymnasiet tager mange emner udgangspunkt i problemstillinger, som kan være kendt fra tidligere undervisning. Der er tilstræbt progression i valget af emner og ved gennemgangen af dem i bogens kapitler. Bogen dækker mere end det obligatoriske stof på C-niveau, og nogle afsnit kan udelades eller anvendes til valgfrit stof. Dens opbygning gør det muligt at tilrettelægge undervisningsforløb på forskellig måde. I særlige tekstbokse findes perspektiverende og uddybende behandling af emner samt omtale af nye forskningsresultater, der kan tages op på fortsætterniveauerne. Emnerne kan også danne udgangspunkt for elevforedrag eller anvendes ved differentieret undervisning. kend kemien 1

Tænk selv er opgaver eller spørgsmål, som aktiverer læseren undervejs. Hvert kapitel afsluttes med et Overblik som støtte til læring og hjælp ved eksamen. Hertil kommer mange opgaver med nær tilknytning til teksten. Særligt udfordrende opgaver er markeret med udråbstegn. Symboler og enheder for fysiske størrelser samt stoffers navne er i overensstemmelse med praksis ved skriftlig studentereksamen i kemi. Der er mange mennesker, som skal takkes for deres hjælp i forbindelse med tilblivelsen af denne bog. Det gælder først og fremmest Inge Kaufmann og Søren Halse for deres vedholdende, præcise og konstruktive kritik. En særlig tak retter vi til Nina Jensen, Kemisk Institut ved Aarhus Universitet, for meget stor hjælp ved fotografering af demonstrationsforsøgene. Stor imødekommenhed fra Tom B. Christiansen, Aarhus Olie, Palle Chris Nielsen, Sun Chemical, Jannie Nielsen, Danisco, og César Augusto Sales Barbosa, USP, São Paulo, påskønnes også ved denne lejlighed. Tak til Karl P. Larsen for lån af frimærker, samt til Christian Michelsen, Carsten Houlberg Hansen og 1.g elever for kritik og forslag til ændringer. Tak til 3.g elev Martin Høj for et fint samarbejde i forbindelse med animationerne til websitet. Og sluttelig rettes en stor tak til forlagsredaktør Søren Lundberg, fotograf Anders Bach, grafiker Mette Nielsen og grafisk designer Klaus Krogh for et fortræffeligt og meget inspirerende samarbejde.

Påskønnelse

Maj 2003 Henrik Parbo Annette Nyvad Kim Kusk Mortensen Jan Geertsen (webredaktør)

forord

9

Kemi som videnskab . . . . . . . . . . . . 12 Stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Tilstandsformer . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Smelte- og kogepunkter . . . . . . . . . 18 Blandinger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Inddeling af stof . . . . . . . . . . . . . . . 21 Blandbarhed – ens opløser ens . . . 21

1

Kronether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Insulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Emulsioner og emulgatorer . . . . . . 24 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Supernovaeksplosion.

Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

I oldtiden kendte folk syv metaller og syv himmellegemer. Hvert metal fik tilknyttet et himmellegeme og det dertil hørende symbol. I tabellen ses navne og symboler på de syv grundstoffer, som var kendt i oldtiden. Desuden er ugedagenes navne angivet på nogle sprog. Alkymisterne tolkede det cirkelrunde symbol for guld som et udtryk for metallets fuldkommenhed, mens tegnet for sølv viste, at det kun var halv fuldendt. Et af de store mål for middelalderens alkymister var at finde »De Vises Sten«, som kunne omdanne uædle metaller som jern og bly til det perfekte og kostbare guld. På græsk betyder ordet alkymi »at forvandle metaller«. Det lykkedes dog aldrig alkymisterne at fremstille det ædle metal guld, men en del af alkymisternes opskrifter blev i perioden fra 1400- til 1500-tallet udnyttet i minedrift til metaludvinding. Samtidig begyndte læger at bruge nogle af alkymisternes miksturer til at kurere sygdomme. Den medicinske kemi var født.

I ugedagenes navne finder du rester af planeternes latinske navne. På hvilke sprog findes der flest rester af planeternes navne? Kan du give en forklaring på, at fredag ikke er afledt af Venus, men af Freja? stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

Alkymi

Tabel 1-1 Guld

! Au

Solen

dies Solis dimache Sunday søndag

Sølv

" Ag

Månen

dies Lunae lundi Monday mandag

Jern

# Fe

Mars

dies Martis mardi Tuesday tirsdag

Kviksølv

$ Hg

Merkur

dies Mercurii mercredi Wednesday onsdag

Tin

% Sn

Jupiter

dies Joris jeudi Thursday torsdag

Kobber

& Cu

Venus

dies Veneris vendredi Friday fredag

Bly

' Pb

Saturn

dies Saturni samdi Saturday lørdag

Tænk selv

11

Kemi som videnskab Regner vi oldtidens alkymister som forløberne for nutidens kemikere, hører kemi til blandt de ældste discipliner inden for de naturvidenskabelige fag. Men kemi som videnskab er kun lidt mere end 200 år gammel. I dag ved vi, at guld, sølv, jern og bly er grundstoffer, og at det ikke er muligt at forvandle ét grundstof til et andet ved kemiske reaktioner. Vi kender i dag over hundrede forskellige grundstoffer – men hvordan er de egentlig blevet dannet? Videnskabelige teorier om universets tilblivelse peger på, at nogle timer efter The Big Bang bestod det meste af universets stof af hydrogenatomer (ca. 93 % af alle atomer) og heliumatomer (7 %). Det mest almindelige grundstof i universet er stadig hydrogen. I mennesket findes også ganske meget hydrogen, men vi indeholder desuden mange andre tungere grundstoffer. Figur 1-1 Grundstoffer i mennesket.

Nitrogen 1,4 % Andet 0,6 % Carbon 9,5 %

Oxygen 25,5 %

Hydrogen 63 %

12

kend kemien 1

En af de vigtige videnskabelige landvindinger i det 20. årh. er teorien om stjernernes dannelse og udvikling. Denne teori viser, hvorledes tungere grundstoffer kan dannes ud fra lettere grundstoffer, og hjælper til med at forklare grundstoffernes fordeling i universet. I alle stjerner sker der kernereaktioner, hvor hydrogen omdannes til helium; men også tungere grundstoffer som fx carbon kan dannes i store stjerner. Ved disse kernereaktioner er jern det tungeste grundstof, der kan dannes. Slutstadiet på kerneomdannelserne kan være en eksploderende supernova. Under eksplosionen sættes nye kernereaktioner i gang, hvorved der kan dannes endnu tungere grundstoffer, fx guld. Ved en supernovaeksplosion spredes stjernens grundstoffer ud i det interstellare rum på få minutter. Kernereaktioner er forskellige fra kemiske reaktioner. I kernereaktioner ændres atomkernerne, således at et grundstof omdannes til et andet grundstof. I kemiske reaktioner ændres elektronskyen om den enkelte atomkerne ved sammenstød mellem atomerne. Herved bindes de til hinanden og indgår i nye sammenhænge. Kemi handler om, hvordan forskellige grundstoffer kan blive til den mangfoldighed af kemiske stoffer, som du selv og alt stof i verden omkring dig består af.

stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

I det interstellare rum har forskere påvist mange forskellige molekyler. De dannes, når atomer støder sammen og binder sig til hinanden. Nogle små molekyler kan reagere med hinanden og blive til aminosyrer, mens andre kan danne byggestene for DNA. Formodningerne om, at livet på jorden har sin oprindelse i molekyler fra det ydre rum, styrkes af sådanne opdagelser.

13

Stoffer Grundstoffer

Et grundstof består af én slags atomer. Hvert grundstof har fået et atomsymbol og et navn. Normalt er atomsymbolet det første bogstav i stoffets latinske navn (fx H for hydrogen) eller det første bogstav efterfulgt af et lille bogstav (fx He for helium og Au for guld). Navnet på et grundstof kan variere fra sprog til sprog, men symbolet er det samme overalt i verden. Atomsymbolet for helium, He, kan også bruges om gassen helium i en ballon. Det skyldes, at hver eneste af gassens partikler består af netop et He-atom. Noget tilsvarende gælder for et metal som fx guld. Symbolet Au kan stå for et atom eller et lille stykke guld med et enormt antal stærkt sammenbundne atomer. Den mindste del af metallet er et guldatom, og det præcise antal atomer interesserer os ikke.

Molekyler Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) Det var Jöns Jacob Berzelius, der foreslog bogstaver som symboler for grundstofferne.

Tænk selv

I grundstoffernes periodesystem er hydrogen anført med symbolet H. Grundstoffet består imidlertid af molekyler, som er sammensat af to atomer. Atomsymbolet kan derfor ikke bruges som formel for grundstoffet. Formlen for dette grundstof er H2. Gassen hydrogen har det systematiske navn dihydrogen. Gasserne oxygen og ozon er to forskellige former af grundstoffet oxygen. Det systematiske navn for gassen oxygen er dioxygen, og den kemiske formel er O2, mens gassen ozon hedder trioxygen og har den kemiske formel O3. Iodkrystaller er opbygget af molekyler, som er sammensat af to iodatomer, og har derfor formlen I2. 2 O og O2 og O3 er skrivemåder for oxygen. Hvordan kan forskellen vises på en lille skitse, hvis du lader en cirkel repræsentere et enkelt oxygenatom?

Kemiske forbindelser Mange grundstoffer kan reagere med hinanden, og danne kemiske forbindelser. Kemiske forbindelser er sammensat af atomer fra to eller flere grundstoffer. Nogle eksempler på kemiske forbindelser er vand med formlen H2O, almindeligt salt med det kemiske navn natriumchlorid og formlen NaCl, endvidere sukker, sucrose, med formlen C12 H22 O11. De kemiske forbindelsers formler består af atomsymboler og tal. Tallene med sænket skrift viser antallet af atomer af hvert grundstof i formlen. I formlen for sukker er der således 12 carbonatomer, 22 hydrogenatomer og 11 oxygenatomer. Tænk selv

14

Hvad er den kemiske forskel på at skrive NO og No? kend kemien 1

Forkulning af sukker Når vi varmer kraftigt på sukker i en porcelænsskål, omdannes de hvide sukkerkrystaller til en sort masse, som er kul. Desuden frigøres der vanddamp.

Eksperiment

Sukker kan kemisk nedbrydes til carbon og vand, der igen kan spaltes til dihydrogen og dioxygen.

Eksperimentet viser, at sukker er en kemisk forbindelse, ikke et grundstof, fordi sukkermolekylerne nedbrydes til to forskellige stoffer, carbon og vand, ved en kemisk reaktion. Vandet kan nedbrydes yderligere til to andre stoffer, dihydrogen og dioxygen, ved en anden kemisk reaktion. Vand er altså også en kemisk forbindelse. Carbon, dihydrogen og dioxygen kan ikke nedbrydes yderligere til simplere stoffer; de er nemlig grundstoffer. Kemisk forbindelse

C H O 12

22

11

sukker

kemisk reaktion

Grundstof

C

+

carbon

HO

Kemisk forbindelse vand 2

kemisk reaktion

H

2

dihydrogen

Grundstof

+

O

2

dioxygen

Grundstof

Ved elektrolyse kan vand spaltes i dets bestanddele: dihydrogen og dioxygen i forholdet 2:1. stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

15

Tilstandsformer Kemiske stoffer, dvs. grundstoffer og kemiske forbindelser, kan forekomme i tre fysiske tilstande: de kan være faste, flydende eller gasformige. Et fast stof har en bestemt form og »sit eget« rumfang, hvorimod en væske vil have form efter den beholder, som væsken befinder sig i. En gas vil udfylde hele beholderens volumen. Det er temperatur og tryk, der bestemmer tilstandsformen af et stof. Tilstandsformerne skrives i parentes efter de kemiske formler med følgende forkortelser: Definition

De tre tilstandsformer for stof. – Et fast stof med dets egen form og eget rumfang. – En væske med form efter glasset. – En gas, der udfylder hele glassets rumfang.

(s) for den faste form (fra latin: solidus) (l) for den flydende form (fra latin: liquidus) (g) for gas (fra græsk: chaos) Is, vand og vanddamp har derfor de kemiske formler H2O(s), H2O(l) og H2O(g). Vandmolekylernes opbygning er den samme i de tre tilstandsformer, men måden, molekylerne arrangerer sig på i forhold til hinanden, er forskellig i den faste, den flydende og den gasformige tilstand. Når temperaturen er tilstrækkelig lav, er stoffet i den faste tilstandsform. Her sidder molekylerne pakket i et regelmæssigt netværk, som kaldes et molekylgitter, og danner herved krystaller.

Vands tre tilstandsformer i Grønlands natur er overvældende.

Undertiden nedbrydes molekylgitteret i is tidligere end forventet.

16

Tilføres det faste stof energi i form af varme, stiger temperaturen, indtil stoffets smeltepunkt nås, og molekylgitteret nedbrydes. Ved yderligere energitilførsel smelter stoffet, idet det faste stof bliver til en væske. I den flydende tilstand kan molekylerne bevæge sig rundt mellem hinanden. kend kemien 1

Ved fortsat energitilførsel vil temperaturen stige, indtil den er kommet op på stoffets kogepunkt. Ved denne temperatur dannes gasbobler inde i væsken, og stoffet overgår til gastilstanden. I gastilstanden er der meget stor afstand mellem molekylerne, der bevæger sig hurtigt og frit i alle mulige retninger. Derfor udfyldes det rum, som molekylerne befinder sig i. Temperatur

Figur 1-2 Ændring af tilstandsform og molekylernes orden ved temperaturstigning. Gas Kogning Væske Smeltning

Fast stof

Tilført energi

Diiods sublimation Ved at ændre temperaturen kan vi demonstrere grundstoffet iod i tre tilstandsformer. Nogle iodkrystaller anbringes i et bægerglas, og en kolbe med koldt vand anbringes oven på glasset. Ved forsigtig opvarmning kan vi konstatere violette ioddampe. Ved kraftigt opvarmning ses flydende iod på glassets bund, og iodkrystallerne gendannes på kolben.

Demo

Normalt ændres et stofs tilstandsform fra fast til flydende og derefter til gas, når temperaturen øges. Diiod kan gå direkte fra den faste tilstandsform til gastilstanden – denne proces kaldes sublimation. Is kan også sublimere under visse betingelser. Isterninger i en fryser bliver mindre, efterhånden som tiden går. Vasketøj, som hænges ud på tørresnoren i frostvejr, bliver tørt, fordi det frosne vand sublimerer. Sublimation anvendes til frysetørret kaffe.

Sublimation af diiod. stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

17

Kemiske forbindelser, der er opbygget af ioner, fx Na+ og Cl–, danner krystaller ved stuetemperatur. Når sådanne ionforbindelser tilføres energi, kan de også opvarmes til smeltepunktet og overgå til den flydende tilstandsform. Ved yderligere opvarmning til stoffets kogepunkt vil den smeltede ionforbindelse overgå til gasform. Den måde, som ionerne arrangerer sig på, gennemgår de samme karakteristiske ændringer, som er vist i figur 1-2.

Stoffernes smelte- og kogepunkter Et rent stof har et bestemt smeltepunkt og ved normalt atmosfæretryk et bestemt kogepunkt. Disse temperaturer bruges til at kendetegne det pågældende stof. Urenheder afsløres ved, at smeltepunkterne sænkes, mens kogepunkterne stiger en lille smule. Vand bliver til is ved 0 ˚C, men saltvand fryser ved lavere temperatur. Det udnyttes, når vi salter vejene om vinteren. Tabel 1-3 Nogle smeltepunkter og kogepunkter Stoffets navn

Formel

Smeltepunkt/°C

Formel

Kogepunkt/°C

Dihydrogen Dioxygen Pentan Vand Natriumchlorid

H2(s) O2(s) C5H12(s) H2O(s) NaCl(s)

– 259 – 219 – 130 0 801

H2(l) O2(l) C5H12(l) H2O(l) NaCl(l)

– 253 – 183 36 100 1413

Ionforbindelser +

–

+

–

+

–

+

–

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

–

Chlorid

+

Natriumion

Natriumchlorid, NaCl(s), har meget højere smeltepunkt og kogepunkt end de øvrige stoffer i tabellen. Saltet er opbygget af ioner: positive ioner, Na+, og negative ioner, Cl–. Der virker stærke elektriske tiltrækningskræfter mellem de modsat ladede ioner, der systematisk sidder som nabo til hinanden i et iongitter. Krystallerne skal altså opvarmes til en høj temperatur for at nedbryde deres iongitre. I smeltet salt er iongitteret nedbrudt og de ladede partikler kan bevæge sig mellem hinanden. Hvis vi tilfører væsken så meget energi, at ionerne rykkes væk fra hinanden, koger den. Selv i en smelte er tiltrækningskraften mellem modsat ladede ioner stor, så ionforbindelser har også meget høje kogepunkter.

Polære molekyler H2, O2 og H2O er alle små molekyler. Alligevel har vand markant højere smeltepunkt og kogepunkt end grundstofferne 18

kend kemien 1

H2(g) og O2(g). Der må altså virke meget stærkere tiltrækningskræfter mellem H2O-molekylerne i fast og flydende tilstand end mellem de to grundstoffers molekyler. Forklaringen er, at ladningsfordelingen ikke er symmetrisk i vandmolekylet. Elektronskyen er usymmetrisk, så der opstår et overskud af negativ ladning i molekylets ene ende og et underskud af negativ ladning i den anden. Et underskud af negativ ladning er det samme som et overskud af positiv ladning. Ladningsforskydningen udgør kun en brøkdel af den ladning, der fx er på en Na+ ion, og angives derfor ved et lille delta plus, δ+, henholdsvis δ–. Lille delta bruges ofte til at betegne en lille størrelse. H2O-molekylet er neutralt, men har altså en positiv og en negativ ende, dvs. en pluspol og en minuspol. Et sådant molekyle er polært og kaldes en dipol. I fast og flydende tilstand virker der elektriske tiltrækningskræfter mellem de modsatte ladninger. Da ladningernes størrelse kun udgør en brøkdel af en elektrons ladning, er tiltrækningskræfterne svagere end kræfterne mellem ionerne i saltet. Det ses, at vand har et meget lavere smeltepunkt og kogepunkt end natriumchlorid, NaCl(s). Molekyler, der har et væsentligt indhold af både O- og Hatomer, er ofte polære.

Vand på flydende form kan ikke forekomme på overfladen af Mars, hvor temperaturen er ca. –50 °C.

Polære molekyler har usymmetrisk ladningsfordeling

δ+ δ –

δ + δ – δ + δ– δ+ δ – δ+ δ– δ + δ– δ+ δ– δ + δ – δ + δ– δ+ δ – δ+ δ– δ + δ– δ+ δ– δ + δ – δ + δ– δ+ δ – δ+ δ– δ + δ– δ+ δ–

Upolære molekyler I molekylerne H2 og O2 er ladningsfordelingen symmetrisk, og derfor er molekylerne upolære. Som det fremgår af tabel 1-3, kan stofferne skifte tilstandsform til flydende og til fast form. Ved meget lav temperatur må der altså være tiltrækningskræfter mellem de upolære molekyler, så de holdes fast i bestemte positioner og danner et kæmpestort molekylgitter. Forklaringen ligger i, at elektronerne hele tiden er i bevægelse og i korte øjeblikke kan danne usymmetriske elektronskyer. Herved opstår midlertidige dipoler, der tiltrækker hinanden. En midlertidig dipol kan påvirke et upolært nabomolekyle og forskyde ladningsfordelingen i dette molekyle, hvorved en ny midlertidig dipol dannes. Pentan, C5H12, er et upolært molekyle. Pentan har derfor væsentlig lavere smeltepunkt og kogepunkt end vand. C5H12 har dog markant højere kogepunkt end H2 og O2. Forklarinstoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

Upolære molekyler har symmetrisk ladningsfordeling

H2

Midlertidig dipol

δ+ δ–

δ+ δ– δ– δ+

19

gen er, at C5H12-molekylet er større. Kontaktfladen mellem molekylerne bliver dermed større, så virkningen af tiltrækningskræfterne øges. Molekyler, som hovedsageligt indeholder C- og H-atomer, er som regel upolære. Det gælder generelt om molekyler, at jo større og mere udstrakte de er i deres opbygning, desto stærkere tiltrækningskræfter optræder der mellem dem.

Blandinger

Homogen homo (gr.): det samme genes (gr.): slags

Heterogen heteros (gr.): uensartet

Forfriskende gasbobler af carbondioxid gør mineralvand til en heterogen blanding.

Demo

20

I naturen er det sjældent at finde grundstoffer og kemiske forbindelser som rene stoffer. For eksempel er luft, havvand, jord, træ og blod blandinger af forskellige stoffer. En blanding kaldes homogen, hvis den ser ensartet ud, også når den undersøges med et mikroskop. Atmosfærisk luft er en homogen blanding af grundstofferne dinitrogen, N2(g), dioxygen, O2(g), argon, Ar(g), samt små mængder af de kemiske forbindelser carbondioxid, CO2(g), og vanddamp, H2O(g). Havvand indeholder ikke blot H2O-molekyler, men en række salte, bl.a. NaCl. Når saltkrystaller opløses i vand, ser vi en gennemsigtig homogen blanding, som i daglig tale kaldes for en opløsning. For at angive at et stof forekommer i vandig opløsning, skriver kemikere (aq) efter stoffets kemiske formel. Formlen for saltvand er NaCl(aq); aq er en forkortelse for det latinske aqua, som betyder vand. I bjergarten granit kan vi direkte se de forskellige bestanddele, som blandingen er dannet ud fra. Blandingen er heterogen, fordi den er uensartet. En mineralvand i en lukket flaske, er en homogen blanding af opløst carbondioxid, salte og vand. Når vi åbner for sodavanden og hælder den over i et glas, dannes der masser af carbondioxid-bobler i væsken. Blandingen er nu heterogen, idet den består af to faser, nemlig en vandfase og en gasfase. Mælk ser umiddelbart ensartet ud. Men når vi undersøger den hvide drik i et mikroskop, kan vi se en masse bittesmå kugler af smørfedt blandet med vand. Dette gælder især homogeniseret mælk, der er behandlet, så fedtkuglerne holder sig svævende og ikke samler sig til fløde oven på mælken. Der er altså tale om en heterogen blanding. Jern og svovl Grundstofferne jern og svovl blandes. Det sorte jernpulver og det gule svovlpulver bliver til et gråligt pulver. Svovl og jern kan let skelnes fra hinanden under et forstørrelsesglas, så blandingen må karakteriseres som heterogen. Vi kan trække jernpulveret ud kend kemien 1

af blandingen med en magnet, så det rene svovlpulver bliver tilbage. Stofferne blev altså ikke ændrede ved sammenblandingen. Opvarmer vi en blanding af jern og svovl, dannes et nyt stof, der kun er svagt magnetisk. Stoffet er den kemiske forbindelse jernsulfid, FeS. Den kemiske forbindelse har andre egenskaber end de grundstoffer, den er opbygget af. – En heterogen blanding af jern og svovl kan adskilles med magnet. – Reaktionen mellem jern og svovl afgiver så megen varme, at svovlet smelter og blandingen gløder. – Det dannede stof efter reaktionen har andre egenskaber end udgangsstofferne og er kun svagt magnetisk.

Inddeling af stof Som vi har set, kan både de stoffer, som du selv er opbygget af, og alt andet stof systematiseres på forskellig måde. Det sammenfattes i figuren nedenfor. stof

rent stof

grundstof

kemisk forbindelse

blanding

homogen blanding

heterogen blanding

Placer nedenstående stoffer i de rigtige kasser i ovenstående diagram. Na(s), Cl2(g), NaCl(s), NaCl(aq), bordsalt, sved, havvand, saltholdigt strandsand.

Tænk selv

Blandbarhed – ens opløser ens Pentan, diiod og vand Et glas fyldes halvt op med pentan og et andet glas fyldes halvt op med vand. Begge glas tilføres et par iodkrystaller, og der omrøres med spatel. Iodkrystallerne opløses i pentan, og opløsningen bliver violet. Iodkrystallerne kan ikke opløses i vand. Pentanopløsningen hældes ned i glasset med vand. Pentan er ikke blandbart med vand, væsken lægger sig oven på vandet. Ved udrystning opløses alle iodkrystallerne i pentan-laget.

stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

Eksperiment

Pentan, der ikke er blandbart med vand, kan opløse krystaller af diiod.

21

Olieforurening er et kendt problem i de danske farvande. Når et skib lækker olie ud i havet, kan det opdages fra luften, fordi olien ikke er blandbar med vandet, men lægger sig som et lag oven på vandoverfladen. Da oliers kogepunkt typisk ligger over 250 °C, fordamper olien meget langsomt. Derved kan den nå at drive ind i kystnære områder og forvolde stor skade på dyrelivet, især svømmefuglene. Blander vi madolie med en vandig opløsning af eddike for at lave en olie-eddike dressing, kan vi kortvarigt få oliedråber til at svæve i vandet, men inden længe vil oliefasen lægge sig ovenpå vandfasen. Erfaringen viser, at olie og vand ikke er blandbare med hinanden. Af samme grund kan vi ikke fjerne en olieplet fra tøjet med vand. Her opnås meget bedre resultater med rensebenzin. Hovedbestanddelen af rensebenzin er stoffet heptan, C7H16. Når du skal rense en pensel, der har været brugt til oliemaling, hjælper det heller ikke at anvende vand. Derimod vil terpentin være velegnet. Olie, rensebenzin og terpentin består af molekyler, som alle er opbygget af udelukkende C- og H-atomer – disse stoffer er altså upolære. Derimod består vand, sprit og sukker af molekyler, der har et væsentligt indhold af O- og H-atomer, hvilket gør stofferne polære.

Heterogene blandinger indgår ofte i mad.

Ens opløser ens

hydrofil hydõr filos (gr.): vandvenlig hydrofob, hydõr fobos (gr.): vandfjendsk, vandskyende

Tænk selv

Upolære stoffer er ikke blandbare med polære stoffer. I modsætning hertil er upolære stoffer blandbare med andre upolære stoffer, og polære stoffer er blandbare med andre polære stoffer. De polære stoffer, der er blandbare med vand, siges at være hydrofile. Upolære stoffer, som ikke er blandbare med vand, kaldes for hydrofobe. Vi kender mange eksempler på salte, der er opløselige i vand: Forskellige natrium- og magnesiumsalte udgør tilsammen omkring 35 % af Det Døde Hav; tårer og sved smager salt på grund af store mængder opløst NaCl uden for organismens celler; inde i cellerne findes hovedsageligt opløste kaliumsalte. Salte er ionforbindelser og vil pga. elektrisk tiltrækning til de polære vandmolekyler kunne holde sig i opløsning. Tegn en illustration, som viser ioner i opløsning i polære væsker.

www Download

Eksperimenter

K1-1

Fedt i chips, Salt i popcorn

22

kend kemien 1

Charles J. Pedersen og Kronether Indtil 1960erne var det ikke muligt at opløse salte, fx NaCl i upolære opløsningsmidler. Kemikeren Charles J. Pedersen løste problemet, da han opdagede kronetherne, der kan binde Na+ ionerne i molekylets midte, så det upolære opløsningsmiddel kun kommer i kontakt med de upolære grupper i kronethermolekylet. Pedersen fik Nobelprisen i kemi i 1987 for opdagelsen af kronetherne. Han delte prisen med to andre, der fortsatte forskningen inden for udvikling af kronethere.

Et kronethermolekyle.

Insulin Insulin er et stort molekyle, som indeholder store områder med upolære grupper på overfladen. De upolære grupper er hydrofobe. Når insulin findes i vand, vil de upolære områder derfor så vidt muligt undgå kontakt med vandet. Det sker ved, at to insulinmolekylers hydrofobe områder nærmer sig hinanden og

dermed udelukker vandet fra de hydrofobe områder. Når koncentrationen af insulin er tilstrækkelig stor, vil parrene af insulinmolekyler slå sig sammen tre og tre og danne hexamerer, dvs. grupper på seks molekyler. Det er på denne form, at insulin normalt sprøjtes ind i kroppen. De hexamere insulinmolekyler er alt for store til

at trænge direkte ud i blodårerne; kun en ad gangen (som monomere) kan molekylerne passere væggen i de små blodkar. En person med sukkersyge må derfor vente ca. en halv time fra insulinet er injiceret, indtil det er fortyndet nok i vævet og findes som monomer. Herefter bliver det optaget i blodbanerne, og han kan begynde at spise. Igennem de senere år har forskere arbejdet på at fremstille modificeret insulin, hvor overfladen på insulinmolekylerne ændres lidt, så insulinmolekylernes tendens til at danne dimere (dvs. par) og hexamere modvirkes. Ved at indføre en polær atomgruppe i den upolære overflade modvirkes pardannelsen på grund af elektrisk frastødning mellem de negativt ladede grupper. Denne type modificeret insulin optages meget hurtigt i blodbanen.

Novo-Nordisk har udviklet en insulin-pen, så også børn let kan få deres daglige medicin.

stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

23

Termoundertøj

I termoundertøj (superundertøj) er fibrene lavet af polypropen, der ikke absorberer vand. Det er fordi de lange C#C kæder i polypropen kun indeholder upolære grupper. Termoundertøjet slipper derimod vanddamp i sveden ud mellem fibrene til en eventuel uldtrøje. I modsætning til termotøj er uld opbygget af store molekyler med stærkt polære grupper, der kan binde vandmolekylerne. Uldtøj absorberer derfor sved og anden fugtighed. Termotøjet vil således altid være tørt og isolerende under en uldtrøje.

Emulsioner og emulgatorer

Termoundertøj tillader transport af vanddamp. Emulsioner

Emulgator

En række af vore levnedsmidler og kosmetiske produkter indeholder stabile blandinger af olie og vand. Sådanne blandinger kaldes emulsioner, hvor den ene væske findes som små dråber fordelt i den anden væske. Mælk er en olie-i-vand emulsion af 3-4 % smørfedt i vand. Smør er en vand-i-olie emulsion med ca. 20 % vand i smørfedt. Hudcremer er ofte olie-i-vand mulsioner med ca. 30 % olier i vand. Når olien og vandet ikke skiller sig ud i to adskilte faser, skyldes det, at en emulsion indeholder en emulgator. Emulgatormolekyler har både en hydrofil og en hydrofob ende. I olie-i-vand emulsioner kan oliedråberne holdes svævende i vandet, fordi de indkapsles i en skal af emulgatormolekyler. Disse molekyler vender den hydrofile ende ud mod vandet og den hydrofobe ende ind mod oliedråben.

hydrofob kæde

hydrofil ende

vand olie

olie-i-vand emulsion

Til venstre ses olie oven på vand, til højre en emulsion efter sammenrystning af blandingen med emulgator. Tænk selv

Tegn en skitse af en vand-i-olie emulsion, dvs. en vanddråbe omgivet af emulgatormolekyler, der holder vanddråben svævende i en olie.

www Download

24

Eksperimenter

K1-1 Cremer kend kemien 1

Overblik grundstof

et stof, der er opbygget af én slags atomer

kemisk forbindelse

et stof, der er opbygget af atomer fra to eller flere grundstoffer

tilstandsform

fast stof (s), væske (l), gas (g)

smeltepunkt

den temperatur, ved hvilken et stof overgår fra fast tilstand til væsketilstand

kogepunkt

den temperatur, ved hvilken der dannes gasbobler inde i væsken

sublimation

overgang fra fast tilstand til gastilstand

polært molekyle

molekyle med usymmetrisk ladningsfordeling, en dipol

upolært molekyle

molekyle med symmetrisk ladningsfordeling

homogen blanding

en blanding, hvor de enkelte bestanddele ikke kan skelnes ved brug af et mikroskop

heterogen blanding

en blanding, hvor de enkelte bestanddele kan skelnes enten umiddelbart eller ved brug af et mikroskop

emulsion

heterogen blanding af to væsker, hvor den ene væske findes som små dråber i blandingen

stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

25

KendKemien1.qxd

24/08/05

14:04

Side 26

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Hvilke af følgende formler er korrekte atomsymboler? C, Cl, FE, Fe, CL, Cr, CR, Al. 2. Karakteriser nedenstående stoffer som grundstoffer eller kemiske forbindelser: I2, AgI, stål, jern, C5H12, Au, N2, NO2. 3. Argumenter for hvilket stof, der har højest smeltepunkt og kogepunkt. a. Cl2 eller NaCl b. CH4 eller C5H12 c. C6H14 eller C6H12O6. Slå stoffernes smeltepunkter og kogepunkter op i et tabelværk og sammenlign med dine forudsigelser. 4. Hvilke figur, eventuelt flere, illustrerer en gas, en væske, et fast stof; et grundstof, en kemiske forbindelse eller en blanding? a.

b.

c.

d.

e.

f.

g.

h.

i.

5. Karakteriser nedenstående blandinger som homogene eller heterogene: en kop te, et stykke brød, spegepølse, et æg, en is, juice, øl, blod, træ, et 14 karats guldstykke. 6. Tilføj de manglende formler og procesbetegnelser NaCl(s)

Fordampning

NaCl(aq)

Smeltning

Kemisk reaktion

+ Grundstoffer

26

kend kemien 1

7. Hvordan kan du adskille følgende blandinger fra hinanden? – savsmuld fra sten – sand fra sukker – jernpulver fra zinkpulver – salt fra vand – sukker fra zinkpulver – guldpartikler fra sand og grus.

Opgaver og diskussionsspørgsmål

8. Margarine indeholder ca. 80 % fedtstof og ca. 20 % vand. Margarinen er tilsat salt, NaCl, og A-vitamin, C20H30O. Gør rede for, om tilsætningsstofferne findes i fedtfasen eller i vandfasen.

Margarine er vand-i-olie emulsion.

Et eksperiment Beskriv et eksperimentelt forløb, der er velegnet til at adskille en blanding af olie, sand, salt og vand. Sæbe I sæbe findes molekyler, der har samme opbygning som emulgatormolekylet illustreret på side 24. Tegn en illustration, der viser vaskeaktive molekyler i funktion på snavset tøj.

Dansk margarine. stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi

27

Sikkerhed i laboratoriet . . . . . . . . . 37 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2 Gult pigment til trykfarver er presset fri for vand og omdannet til filterkager. De transporteres til videre forarbejdning.

Laboratorieteknik . . . . . . . . . . . . . . 30

Adskillelse af stoffer – filtrering og destillation Kemikere har ofte brug for at kunne adskille stofferne i en blanding, uanset om de findes som opløste stoffer, i emulsioner eller som faste stoffer. I kapitel 1 har vi set, at det kan være relativt nemt at få adskilt en blanding af faste stoffer, fx jern og svovl. Det er som regel langt vanskeligere at adskille stoffer i en homogen blanding. Et godt eksempel er nyrerne, der renser blodet for affaldsstoffer. Hvis nyrerne ophører med at fungere, kan menneskeliv reddes med dialyseapparater, der kan adskille affaldsstofferne fra blodet. I jagten på nye lægemidler inspireres kemikerne ofte af naturens egne stoffer med medicinsk virkning. For at isolere de aktive stoffer fra planter og mikroorganismer skal stofferne adskilles fra en blanding. Malaria er verdens mest udbredte infektionssygdom. I 1630’erne erfarede europæerne under koloniseringen af Sydamerika, at bark fra kinabarktræet i Andesbjergene modvirker denne sygdom. Først godt tre hundrede år senere blev det aktive stof kinin isoleret og har siden Anden Verdenskrig været forsøgt erstattet med syntetiske malariamidler. Også ved fremstilling af et syntetisk stof kommer man ikke uden om at skulle lave en oprensning af et produkt. Ved en kemisk reaktion vil der nemlig ofte blive dannet nogle biprodukter. De er uønskede og skal fjernes, så det færdige produkt kan leveres som et rent stof. Forekommer der en lille urenhed, eventuelt en misfarvning, i en væske, kan den undertiden fjernes ved at hælde væsken gennem »aktivt kul«. »Aktivt kul« er en særlig porøs form for grafit, som vi kender fra blyanter. Det fremstilles ved at opvarme trækul til meget høj temperatur og består næsten udelukkende af carbon med en masse porer mellem atomlagene. Herved får materialet en usædvanlig stor overflade, der er velegnet til at binde store molekyler. Derfor anvendes dette sorte pulver til rensning af gasser og væsker for urenheder. Affarvning af rødvin Undersøg om »aktivt kul« kan binde vinens farvestoffer. Der behøves blot en lille rest rødvin (1/3 glas vin), 2 – 3 g aktivt kul, en tragt, et kaffefilter og et glas eller en skål til eksperimentet. »Aktivt kul« kan købes hos materialisten. adskillelse af stoffer – filtrering og destillation

Kinabarktræet i Andesbjergene indeholder kinin, der anvendes mod malaria.

Aktivt kul binder rødvinens farvestoffer.

Forsøg selv

29

Laboratorieteknik Når kemikere skal finde velegnede laboratoriemetoder til at adskille stoffer, må de kende nogle af de rene stoffers egenskaber, fx kogepunkter og smeltepunkter, endvidere stoffernes indbyrdes blandbarhed. Tænk selv

Giv eksempler på adskillelse af stoffer i din hverdag – tænk eventuelt på madlavning.

Filtrering

Renhedsgraden af et fast stof kan fx påvises ved at bestemme dets smeltepunkt med smeltepunktsapparat.

Vandrensning

Faste stoffer kan skilles fra en væske ved at lede blandingen gennem et filter, som holder partikler tilbage. Når du laver kaffe, filtreres kaffegrumset fra væsken ved hjælp af et kaffefilter. På vandværkerne benyttes også filtrering til at rense drikkevand. Inden vandet ledes ud til rørene, filtreres de faste partikler fra i et sandfilter. Rust- og kalkflager fra vandrørene fanges også af et filter, førend vandet løber ud af vandhanerne. I Danmark og de øvrige skandinaviske lande er det forholdsvis ufarligt at drikke vand fra kilder og vandløb. Men i forbindelse med fjernere rejsemål kan det være hensigtsmæssigt at medbringe sit eget lille anlæg til vandrensning. Presser vi overfladevand gennem filtre med meget små porer, tvinges vandmolekylerne ud af opløsningen. På den måde kan vi altså fremstille vores eget drikkevand, fri for snavs. Normalt passerer vandet flere filtre, inden det kan anvendes som drikkevand. Porerne i filtrene er så små, at de tilbageholder partikler helt ned til omkring 1/10.000 mm i diameter. Det betyder, at kun vandmolekyler og nogle af de opløste stoffer kan komme gennem porerne. Med endnu mindre porestørrelse og større tryk er det muligt at fjerne opløste salte i havvand, så vandet kan bruges som drikkevand. Denne proces kaldes omvendt osmose og er en meget udbredt metode til drikkevandsproduktion i Mellemøsten og på skibe.

Vandrensningsfilter. Apparatet på billedet indeholder fire filtre med forskellig porestørrelse. På billedet ses det indre keramiske filter bag en gennemsigtig cylinder. Øverst ses pumpen. En liter vand kan filtreres på mindre end 2 minutter.

30

kend kemien 1

I laboratoriet er der flere måder at filtrere en blanding på. Du kan filtrere faste partikler fra en væske ved hjælp af et stykke filtrerpapir, der er anbragt i en tragt. Filtrerpapiret foldes to gange, før det anbringes i tragten og fugtes i bunden. Væsken vil da langsomt passere papiret og holde partiklerne tilbage. Figur 2-1 Foldning af filtrerpapir.

Hvis en almindelig filtrering tager for lang tid, benyttes sugefiltrering med en büchnertragt på en sugekolbe. Filtrerpapiret skal passe nøjagtigt til tragten og fugtes før filtreringen. Undertrykket i den sugekolbe, som væsken løber ned i, kan laves ved at forbinde kolben til en pumpe.

Inddampning Et fast stof, der er opløst i et opløsningsmiddel, kan adskilles herfra ved at lade opløsningsmidlet fordampe. Middelhavssalt udvindes af havvand på denne måde. Efterhånden som inddampningen skrider frem, vil det faste stof fælde ud af opløsningen – eventuelt som krystaller. Salthorste i Danmark er dannet for mange år siden ved inddampning af havvand, og forandringer i jordoverfladen har ført til, at saltaflejeringerne er blevet underjordiske.

Ekstraktion Et opløst stof kan adskilles fra en blanding ved at ekstrahere, dvs. udtrække, det med et bestemt opløsningsmiddel. Når du skal finde et velegnet opløsningsmiddel til en ekstraktion, kan du med fordel vælge et opløsningsmiddel, der er lige så polært som det stof, du ønsker at trække ud af blandingen. Laver du en kop te, sker der en ekstraktion af aromastoffer, farvestoffer og det stimulerende stof, koffein, fra tebladene. Med kogende vand som ekstraktionsmiddel fjernes de polære stoffer, som jo er vandopløselige, fra tebladene. Hvis der i stedet for blev benyttet det upolære pentan til ekstraktionen, ville kun de upolære stoffer blive udtrukket af tebladene. adskillelse af stoffer – filtrering og destillation

Büchnertragt på sugekolbe.

31

Tænk selv

Olie og fedtpletter på tøj kan ikke ekstraheres, dvs. udtrækkes, med vand. Hvorfor? Hvad kan du bruge i stedet for vand? Væske-væske ekstraktion kan udføres i en skilletragt, hvor to ikke blandbare væsker mødes. Ved udrystning overføres et opløst stof til det andet opløsningsmiddel, hvor stoffet er mere opløseligt. De to ikke blandbare væsker adskilles ved at tappe den nederste væske ud gennem en hane, der lukkes umiddelbart før den øverste væske begynder at løbe ud.

Tænk selv

Skilletragt. Ekstration af opløst diiod fra vandfase til pentanfase.

Dibrom og kaliumbromid er opløst i vand. Kaliumbromid er en ionforbindelse, opbygget af ioner. Hvordan kan de to opløste stoffer adskilles? Sojabønner, rapsfrø og solsikkefrø indeholder 18-50 % olier, som bruges i levnedsmidler. Det er ikke muligt at presse al olie ud ved en mekanisk proces. Derfor efterfølges presning ofte af en ekstraktionsproces, hvor olierne trækkes ud af plantematerialet ved hjælp af det upolære opløsningsmiddel hexan, C6H14.

www Mere om

Virksomheder Aarhus Olie A/S

Ekstrationstårne til udvinding af planteolie.

32

kend kemien 1

Destillation

Termometer

En blanding af væsker med forskellige kogepunkter kan adskilles ved destillation. Metoden består i en opvarmning til kogepunktet og en efterfølgende fortætning af de enkelte komponenter til væske. Væskeblandingen opvarmes i en destillationskolbe. Den væske, der har lavest kogepunkt, har størst tendens til at gå på gasform, dvs fordampe. Ved opvarmningen dannes gasbobler inde i væskeblandingen. Gasserne vil stige opad, men i begyndelsen fortættes de og løber tilbage i kolben. Efter et stykke tid er temperaturen af gassen i destillationshovedet steget til kogepunktet for et af stofferne i blandingen. Kogepunktet for dette stof aflæses på termometeret. Gassen trænger frem til svaleren, der afkøles med koldt vand. Her fortættes gassen til væske, der opsamles i en lille kolbe, forlaget. Temperaturen holder sig konstant, indtil der ikke findes mere af dette stof i blandingen. Væsken i forlaget kaldes destillatet. Ved fortsat opvarmning vil stoffet med næst laveste kogepunkt blive destilleret. Det vil vi se, når termometeret viser kogepunktet for dette stof. Forlaget skiftes hver gang et nyt stof bliver destilleret. Hvis væskeblandingen har indeholdt opløste, faste stoffer som fx salt eller sukker, vil disse faste stoffer blive tilbage i kolben efter endt destillation. Destilleret vand er altså fri for sådanne stoffer. Det anvendes i laboratorier på samme måde som demineraliseret vand. Ved gæring af sukker er det ikke muligt at opnå en spritprocent på mere end 15, fordi gærcellerne dør i en sådan opløsning. Ethanol (sprit) har et lavere kogepunkt (78 °C) end vand. Man fremstiller derfor spiritus med en højere spritprocent ved at destillere på gæringsvæsken.

Destillationshoved Destillationskolbe

Sval

er

Næb

Kølevand ud Varmekappe Figur 2-2 Destillationsopstilling.

Kølevand ind

Forlag

Vanddampdestillation. adskillelse af stoffer – filtrering og destillation

33

Æteriske olier fra blomsterplanter anvendes bl.a. som duftstoffer i parfumer. Olierne destilleres meget nænsomt ud af plantematerialet med vanddampe, der passerer plantedelene. I forlaget flyder olierne oven på vandet. Metoden kaldes vanddampdestillation.

Omkrystallisation Krystaller renses

Urenheder kan skilles fra et fast stof ved at benytte et velegnet opløsningsmiddel. Det pågældende stof skal have større opløselighed i varmt end i koldt opløsningsmiddel, og stoffet skal let kunne danne krystaller ved stuetemperatur. Under opvarmning opløses det urene stof i den mindst mulige mængde af opløsningsmidlet. Uopløste urenheder filtreres fra. Når opløsningen langsomt afkøles igen, kan stoffet fælde ud som krystaller, mens de opløselige urenheder fortsat findes i opløsningen. Ved en filtrering kan krystallerne nu skilles fra opløsningen, og urenhederne er fjernet. Der stilles strenge krav til medicinalvarers renhed. Stofferne har derfor ofte gennemgået adskillige omkrystallisationer, inden de sendes på markedet.

Chromatografi chroma (gr.): farve grafi (gr.): tegning

Der findes forskellige analysemetoder, som går under den fælles betegnelse chromatografi. Princippet for dem alle er, at stofferne i en opløsning adskilles mellem to faser, hvor den Stationær fase, fastsiddende vand

Fiber

Fiber

Molekyle fra stof B i mobil fase

Mobil fases bevægelsesretning

Papirchromatografi af farvestoffer til fødevarer. Figur 2-3 Princippet for papirchromatografi

34

Molekyle fra stof B bundet til stationær fase

B er mest opløselig i den stationære fase, vandkappen omkring fibrene Er mest opløselig i den mobile fase, løbevæsken kend kemien 1

ene fase passerer forbi den anden. Den stillestående fase kaldes den stationære fase, mens fasen, der bevæger sig, kaldes den mobile fase. Den stationære fase er en væske eller et fast stof, den mobile fase en væske eller en gas. De opløste stoffer fordeler sig forskelligt mellem de to faser og følger derfor ikke lige hurtigt med i den mobile fase. Derved bliver stofferne adskilt. Nogle kender papirchromatografi fra undersøgelse af farvetusser på filtrerpapir eller et kaffefilter. Papiret optræder som den stationære fase. Ved papirets nederste kant tegnes en startlinie. Herpå sættes med pennen en lille farveplet, som vi lader tørre. Papiret anbringes i et lukket glas eller kar, som indeholder en mobil fase, der kan være det samme som opløsningsmidlet i tusserne. Væskestanden i glasset skal være under startlinien. Når løbevæsken, dvs. den mobile fase, vandrer op ad filtrerpapiret, kommer farverne ikke lige langt. Denne forskel skyldes, at plettens farvestoffer ikke opløses lige godt i den mobile fase. Startlinien på chromatografipladen markeres med en blyant, hverken med kuglepen eller spritpen. Hvorfor mon? Før løbevæsken er nået op til papirets øverste kant, tages papiret op af glasset, og væskefronten markeres med en blyant. Chromatogrammet tørres. Længden af en plets vandring angives i forhold til den strækning l, som løbevæsken har tilbagelagt. Afstand l fra startlinien udmåles, og vandringslængden a for plet A bestemmes. Heraf beregnes den relative faktor, Rf . a_ Rf (A) = l

Tænk selv

Væskefront

l

a

Rf ligger mellem 0 og 1 og er et mål for, hvor godt det chromatograferede stof følger med den mobile fase. Stoffer, der bindes svagt til papirets væske, men kraftigt til løbevæsken, vandrer langt op ad papiret og opnår en stor Rfværdi. Det sker, at en plet med to farvestoffer på et chromatogram, giver to meget små Rf-værdier tæt på nul. Hvad fortæller dette om opløseligheden af farvestofferne i de to faser?

Startlinie

Figur 2-4 Chromatografiplade med angivelse af Rf -værdier. Tænk selv

Hvis et stof i en blanding giver samme Rf -værdi som et sammenligningsstof på chromatogrammet, tyder det på, at de to stoffer er ens. Man opnår dog en langt større sikkerhed ved at gentage forsøget med andre løbevæsker.

adskillelse af stoffer – filtrering og destillation

35

Demo

Chromatografi på T-shirt En hvid T-shirt af bomuld kan også fungere som stationær fase. T-shirten spændes ud over et meget stort glas, fx et 2 L bægerglas og fastholdes med en elastik. Et mønster tegnes med spritpen, hvis farve er sammensat af flere farver. Et par dråber ethanol tilsættes i midten af mønstret på trøjen over glasset. Hvad iagttager vi?

Historie Den russiske botaniker Mikhail Tswett var den første, der forstod grundlaget for chromatografi. Tswett adskilte farvepigmenter i 1906 ved søjlechromatografi med pulveriseret kalk i et glasrør. Først opløste han farvepigmenterne fra planterne i et stof, der minder om pentan. Efter af have pakket glasrøret med kalk, hældte han opløsningen med pigmenterne op på toppen af søjlen. Da han vaskede søjlen med yderligere pentan, så han efterhånden nogle gule og grønne farvebånd på kolonnen. Disse bånd, der hver indeholdt et rent pigment, blev tydeligt adskilt, når de passerede kolonnen, så han kunne opsamle opløsninger med et pigment ved kolonnens udløb. Navnet chromatografi skyldes hans tidlige adskillelse af farvede stoffer, selv om metoden ikke er forbeholdt farvede forbindelser.

Tyndtlagschromatografi

Søjlechromatografisk adskillelse af farvestoffer. Metoden adskiller stofferne efter størrelse, så de største molekyler passerer kolonnen hurtigst.

36

Ved tyndtlagschromatografi er papiret erstattet af en plade belagt med et porøst fast stof, fx cellulose eller kiselgel. Dette pulverlag fungerer som bærestof for den stationære fase. Plader til tyndtlagschromatografi (TLC) kan skæres ud i passende mål. Adskillelsen sker betydeligt hurtigere end på papir. Princippet ved TLC er nogenlunde det samme som ved papirchromatografi.

kend kemien 1

Bærestoffet for den stationære fase består af et tyndt lag pulveriseret fast stof. Det kan være kiselgel, der er et polært porøst materiale, som er smurt oven på en plast- eller alufolie. Ved tyndtlagschromatografi påføres opløsningerne med mikropipetter eller hårrør. Rf-værdier udregnes på samme måde som ovenfor.

Sikkerhed i laboratoriet Kemisk viden er baseret på eksperimenter og erfaring. Derfor er det eksperimentelle arbejde et særkende for kemiundervisningen. Det kan dog være farligt at arbejde i kemilaboratoriet, hvis du ikke færdes med omtanke og ikke overholder de nødvendige sikkerhedsforskrifter. En del kemikalier er ætsende eller sundhedsskadelige, mens andre er brandfarlige. Derfor skal du være bevidst om risiko og sikkerhed, når et eksperiment forberedes og udføres. Eksperimentelt arbejde, fremstilling af gassen ammoniak.

God laboratoriepraksis er kendetegnet ved – at du kender forsøgsgangen i det eksperiment, som du skal udføre – at du nøje følger forsøgsvejledningens anvisninger – at du holde arbejdspladsen ren og undgår spild – at du skærper opmærksomheden over for farlige operationer eller farlige stoffer – at du håndterer udstyr og kemikalier rigtigt – at du tager hensyn til de andre i lokalet – at du ved, hvordan affald og kemikalier fra forsøget bortskaffes – at du efterlader laboratoriepladsen ryddet og rengjort efter brug. adskillelse af stoffer – filtrering og destillation

Øjenskylleflasken afprøves i laboratoriet.

37

Opsugning af 25 mL væske med pipettebold, der også kan anvendes ved tømning af pipetten.

Selv om forsøgene er nøje forberedt, kan vi ikke helt gardere os imod, at fx et glas revner, eller at der spildes en smule ætsende stof på bordet. Derfor er det vigtigt at forstå, at alle i laboratoriet har et ansvar for at undgå ulykker.

Sikkerhedsregler 1. Sikkerhedsbriller er den vigtigste beskyttelse ved eksperimentelt arbejde. De skal bæres ved forsøg med sundhedsskadelige, ætsende og giftige stoffer for at undgå stænk i øjnene. De benyttes også i forbindelse med kraftig opvarmning, destillationer mv. Øjets hornhinde og slimhinder er særligt følsomme over for ætsende væsker og dampe. Almindelige briller yder ikke så god beskyttelse, men accepteres som erstatning for sikkerhedsbriller. 2. Laboratoriekittel bæres altid. Langt løsthængende hår bør sættes op, hvis der er risiko for brand. 3. Engangshandsker kan benyttes ved arbejde med ætsende og sundhedsskadelige kemikalier, men yder kun begrænset beskyttelse. Handskerne gennemtrænges af organiske opløsningsmidler og bør skiftes ofte. De fremstilles i forskellige materialer. 4. Udsugning (punktudsugning eller stinkskab) benyttes, når der er risiko for indånding af farlige dampe, aerosoler mv. I praksis anvendes udsugning ved arbejde med flygtige, brændbare og stærkt lugtende stoffer. 5. Afpipettering foregår med pipettebold eller pipettehjælper. Der må aldrig afpipetteres med munden. 6. Det er ikke tilladt at indtage mad og drikkevarer, tygge tyggegummi eller bide negle i laboratoriet. Opstår der uheld, kontakter du læreren med det samme. 38

kend kemien 1

Overblik filtrering

adskillelse af partikler fra en blanding ved hjælp af et filter

inddampning

fjernelse af opløsningsmiddel ved fordampning af opløsningsmiddel

ekstraktion

udtrækning af et opløst stof fra et opløsningsmiddel til et andet opløsningsmiddel

destillation

adskillelse af en væskeblanding ved fordampning af væskekomponenten med lavest kogepunkt efterfulgt af en fortætning

destillat

væske, der er fortættet gas fra en destillation

forlag

opsamlingskolbe til destillat

omkrystallisation

adskillelse af stoffer på grundlag af stor forskel i stoffers opløselighed ved forskellige temperaturer

chromatografi

adskillelse af stoffer mellem en mobil og en stationær fase

relativ faktor

en plets fart i forhold til løbevæskens fart; betegnes Rf

adskillelse af stoffer – filtrering og destillation

39

Atommodeller . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Isotoper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Skalmodellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Radioaktive carbonisotoper . . . . . . . . 46 Orbitaler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Ædelgasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Elektronfordelingen i skallerne . . . 49

3

Grundstoffernes periodesystem. . . 50 Svovl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Livsvigtige grundstoffer. . . . . . . . . . . . 54 Ioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Grundstoffernes opdagelseshistorie 57 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Et kig ind i Fort Knox.

Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Atomer – verdens mindste byggesten

Prøv at gennemføre følgende tankeeksperiment: Du har en guldbarre, som du vil dele i stadig mindre stykker ved fortsat halvering af stykkerne. Forestil dig, at du fortsætter opdelingen, indtil det enkelte stykke kun indeholder et atom. Guldatomerne er meget små – de har en diameter på 3 · 10–8 cm (0,00000003 cm) og en masse på 3,3 · 10–22 g (0,00000000000000000000033 g). Vi kan naturligvis ikke se så små stykker, men hvert guldatom har stadig de egenskaber, som kendetegner grundstoffet guld. Hvis vi tænker os, at du kan fortsætte opdelingen ved at spalte hvert guldatom i to dele, mister du din guldbeholdning, fordi ingen af de to dele kan identificeres som guld – du har fået dannet andre grundstoffer.

Figur 3-1 En guldbarre kan deles i mindre og mindre stykker, i princippet helt ned til det enkelte atom. Men deles de enkelte atomer ved kernespaltning, vil atombrudstykkerne ikke længere være guld, men andre grundstoffer.

Det fineste guldpulver. atomer – verdens mindste byggesten

41

Atommodeller atomos (gr.): udelelig

For ca. 2500 år siden fremsatte den græske filosof Demokrit den teori, at alt stof er opbygget af udelelige partikler, som han kaldte atomer. Han mente, at de atomer, som et stof er opbygget af, er karakteristiske for det pågældende stof. Da teorien ikke havde nogen eksperimentel baggrund, mistede den sin betydning og gik i glemmebogen. Senere opstod »fire-element-teorien«, ifølge hvilken alt er opbygget af de fire elementer: ild, luft, vand og jord.

De fire elementer forenet af Quintessensen. Datidens filosoffer mente, at elementerne kunne omdannes til hinanden, idet de alle var baseret på et fælles princip, »materia prima«.

Vi skal helt frem til omkring 1800-tallet, før atomteorien blev genopdaget, og englænderen John Dalton fremsatte den første moderne atomteori: Et grundstof er opbygget af ens, udelelige partikler, kaldet atomer. Massen af et atom er forskellig fra grundstof til grundstof. Med udviklingen af atomkraftværker og atombomber er det i vore dage almindelig kendt, at atomer kan spaltes. Herved sker der en grundstofomdannelse. Atomet er dog fortsat den mindste partikel, der karakteriserer et grundstof. Mange generationer af forskere har ikke haft nogen chance for at få de forskellige atomer at se. Atomerne er alt for små til, at vi kan se dem, selv med de kraftigste optiske mikroskoper. Situationen ændrede sig dog, da man i 1970’erne udviklede et apparat (scanning tunnelling mikroskopet), som kan optage billeder af atomer. Vi kan beskrive grundstoffernes tilstandsformer og overgangen fra en tilstandsform til en anden ved at bruge en kuglemodel for atomer, men modellen er for simpel til at forklare, hvordan grundstoffer reagerer med hinanden og danner kemiske forbindelser. 42

kend kemien 1

Nogle guldatomer i et enkelt lag på en nikkeloverflade. Guldatomerne er farvet gule på billedet. Siden 1981 har STM-teknikken (Scanning Tunneling Microscopy) gjort det muligt at se overfladen af et atom.

Ved 1900-tallets begyndelse viste flere eksperimenter, at atomet ikke er udeleligt. I 1908 beskød to af Ernest Rutherfords medarbejdere ved universitetet i Manchester et guldfolie med positivt ladede partikler og så, at de fleste partikler drønede lige igennem, mens kun nogle få blev afbøjet meget kraftigt. Få spredte alfa-partikler Alfapartikler

Radioaktiv kilde

Blyblok

Figur 3-2 Bombardement af guldfolie med alfapartikler (heliumkerner) fra radioaktiv kilde. De fleste partikler passerer foliet uden at ændre retning (»tyk blå stråle«). Meget få partikler afbøjes kraftigt. Nederst til venstre ses nogle af foliets guldatomer, der rammes af alfa-partikler.

Guldfolie De fleste alfa-partikler passerer lige igennem guldfoliet.

Guldatomer

Forsøget lærte forskere noget afgørende nyt om atomets opbygning, nemlig at næsten hele atomets masse er samlet i atomets centrum i en meget lille atomkerne. Kernens diameter er mindre end en titusindedel af atomets diameter. Det meste af atomet er altså tomrum. I Rutherfords eksperiment var det kun få af de positivt ladede partikler, der ramte atomkernerne i guldfoliet og blev kraftigt frastødt af den positivt ladede kerne. Baggrundsbilledet på næste side antyder størrelsesforholdet mellem kernen og hele atomet. Et atom er elektrisk neutralt og indeholder derfor lige så mange negativt ladede elektroner, som der er positive ladninger inde i kernen. Elektronerne er meget små partikler med en ubetydelig masse, hvis vi sammenligner med kernens masse. atomer – verdens mindste byggesten

43

Atomets opbygning

1 u = 1,66 . 10–24 g

Figur 3-3 Størrelsesforholdet mellem et atom og dets atomkerne, der er vist som en grå prik. For at kunne se den grå prik er den forstørret ca. 500 gange på tegningen.

I dag ved vi, at kernen er opbygget af to slags partikler – protoner og neutroner – der begge har en masse på ca. én atommasseenhed, 1u. En neutron er elektrisk neutral, hvorimod en proton har én positiv elementarladning. I et bestemt grundstof har alle atomer lige mange protoner i kernen, og antallet af protoner kaldes atomets nummer. Det betegnes Z. Antal neutroner i en atomkerne angives med symbolet N. Elektronerne, der bevæger sig omkring kernen, har hver én negativ elementarladning og en masse på 0,00055 u. En elektron vejer altså ca. 2000 gange mindre end en proton. Atomets masse er derfor helt koncentreret i kernen og kan stor set bestemmes som summen af protonernes og neutronernes masse. Da både protoners og neutroners masse er ca. 1 u, behøver vi kun at tælle antallet af protoner og neutroner i en atomkerne for at få en afrundet værdi for atomets masse. Antallet af protoner og neutroner kaldes atomets massetal og angives med symbolet A. A=Z+N Et atoms massetal anføres øverst til venstre for atomtegnet og dets atomnummer nederst til venstre for atomtegnet. Ofte undlader vi at anføre atomnummeret, fordi atomsymbolet entydigt fastlægger dette.

Grundstof X med massetal A og atomnummer Z Tænk selv

A Z

X

Angiv atomnummer, Z, og neutrontal, N, for følgende atomer 12C, 197Au, 23Na og 35Cl. Et atom er neutralt udadtil, derfor må det samlede antal elektroner i skallerne være det samme som antallet af protoner i kernen, dvs. atomets nummer Z.

Tabel 3-1 Elementarpartikler Elementarpartikel proton neutron elektron

44

Partikelsymbol p+ n e–

Symbol for antallet Z N Z

kend kemien 1

Elementarladninger +1 0 –1

Masse 1,007 u 1,009 u 0,0055 u

1,67· 10–24 g 1,67· 10–24 g 0,91 · 10–27 g

Isotoper Vi ved, at alle atomer af et grundstof har samme antal protoner i kernen. Derimod kan antallet af neutroner i kernen variere. Atomer med samme atomnummer, men forskelligt massetal, kaldes isotoper. I naturen findes de fleste grundstoffer som blandinger af forskellige isotoper. Der findes fx tre isotoper af hydrogen: 1H, 2H og 3H. 99,9 % af alle hydrogenatomer har en proton og ingen neutron i kernen, men der eksisterer altså også hydrogenatomer, som udover en proton har en eller to neutroner i kernen. e–

1p+

e–

e– 1p+ 2n

1p+ 1n

isos (gr.): samme topos (gr.): sted

Figur 3-4 De tre hydrogenisotopers sammensætning.

2H-isotopen

indgår i stedet for almindelig hydrogen i tungt vand. Isotopen benyttes også i brændstoffet til brintbomber, hvor der sker en kernereaktion med 3H. Et grundstofs atommasse er gennemsnitsmassen af atomerne i grundstoffets naturlige isotopblanding. Der tages altså hensyn til, hvor stor forekomsten af de forskellige isotoper er. Hydrogens atommasse beregnes på denne måde til 1,008 u, altså meget tæt på 1u, fordi 1H-isotopen som nævnt er langt den hyppigst forekommende i naturen. I naturen findes der to isotoper af chlor, nemlig 35Cl og 37Cl. Grundstoffet chlor har atommassen 35,5 u. Beskriv den procentvise isotopfordeling i naturen.

Tænk selv

Energi niveauer Femte

Danskeren Niels Bohr videreudviklede atommodellen, idet han i 1913 postulerede, at elektronerne bevæger sig omkring kernen i baner, ligesom planeterne bevæger sig omkring Solen. Elektroner, der befinder sig i samme bane, har samme energi og siges at være i samme skal. Elektronerne i et atom kan altså kun have visse tilladte energier, der hører til de enkelte skaller. Jo tættere en elektron er på kernen, jo fastere er den bundet, og jo lavere er elek-

Fjerde

Stigende ener

gi

Skalmodellen

Tredje Andet Første

atomer – verdens mindste byggesten

Figur 3-5 Skallerne i et atom svarer til trinnene på stigen. En person kan ikke stå mellem trinnene, ligesom en elektron ikke kan befinde sig mellem to skaller. I modsætning til en almindelig stige bliver afstanden mellem trinnene mindre og mindre, jo højere vi kommer op.

45

Radioaktive carbonisotoper I naturen er 12C langt den hyppigst forekommende carbonisotop, men der findes også små mængder af 13C og 14C. Isotopen 14C er ustabil, idet den henfalder til 14N under udsendelse af radioaktiv stråling. Antallet af 14C-atomer halveres på 5800 år. I atmosfærens øverste lag gendannes der hele tiden 14C, sådan at 14C-indholdet i atmosfærens CO2 er konstant. Planter og andre levende organismer får derfor også et konstant indhold af 14C. Når en organisme dør, ophører den med at optage carbon, og indholdet af 14C begynder at aftage ved radioaktiv henfald. Måling af restindholdet af 14C i organisk materiale kan derfor bruges til at datere arkæologiske fund. Man har kunstigt fremstillet 11C-isotopen. På grund af den korte halveringstid på 20 minutter kan 11C-isotopen anvendes inden for lægevidenskab til bl.a. at spore medicins fordeling i kroppen. Gravballemanden.

tronens energi. Skallerne nummereres indefra 1, 2, 3, 4 … , dvs. at den inderste skal har nummer 1. Hvis en elektron hopper til en skal længere væk fra kernen, er det nødvendigt at tilføre elektronen netop den energi, der er lig med forskellen mellem de to skallers energi. Energiforskellen mellem naboskaller aftager med afstanden fra kernen. Det kræver derfor mindst energitilførsel at få de yderste elektroner i et atom til at hoppe ud i en skal længere væk fra kernen.

Niels Bohr (1885-1962) Dansk fysiker, nobelprisen i fysik 1922. Niels Bohrs teori om atomets opbygning er baseret på to postulater om henholdsvis atomets stabilitet og udsendelse af lys fra et atom.

46

Figur 3-6 Elektronstruktur af strontiumatomet med 38 elektroner.

kend kemien 1

Flammefarver Tre små digler fyldes henholdsvis med LiCl, NaCl og CuCl2. Saltene gennemvædes med sprit og antændes. Efter kort tid kan saltenes flammefarver betragtes i dæmpet belysning.

Demo

Flammefarver af metallerne lithium, natrium og kobber.

Disse karakteristiske flammefarver hænger nøje sammen med metalatomernes elektronstruktur. Ved opvarmning kan elektroner få tilført så meget energi, at de springer ud i en skal med højere energi. Når elektronerne falder tilbage til en skal med lavere energi, afgiver de den overskydende energi i form af stråling, fx ved at udsende lys med en karakteristisk farve. Det er på denne måde, de smukke farver i fyrværkeri opstår, således giver bariumatomer, Ba, grønt lys, og strontiumatomer, Sr, giver rødt lys.

Fyrværkeri over New York. atomer – verdens mindste byggesten

47

Orbitaler Forestiller vi os, at vi gentagne gange fotograferer et atom, vil prikkerne på de enkelte billeder vise, hvor elektronerne befinder sig i optagelsesøjeblikket. Lægger vi derefter alle billederne oven på hinanden, med kernen i en fastlagt position, vil prikkerne tilsammen danne en sky. Jo tættere »skyen« er i et område, jo oftere har elektronen været i området. Dette betyder, at der er stor sandsynlighed for at træffe elektronen netop der.

z

En nærmere undersøgelse af elektronskyen viser, at den er sammensat af forskellige skyer, som kaldes orbitaler. Disse orbitaler har forskellig form. Elektroner, som findes i samme skal, men i forskellige slags orbitaler, har ikke helt samme energi. Figur 3-7 Ifølge kvantemekanikken har det ikke nogen mening at forestille sig, at skallerne har en skarp afgrænsning. De skal nærmere opfattes som en sky af negativ elektrisk ladning.

y

x

dyz

Ædelgasser Ved at analysere Solens stråler blev linjespektret af et ukendt grundstof opdaget i 1868. Det nye grundstof fik navnet helium efter det græske ord for Solen, Helios. Helium blev altså opdaget på Solen, før det blev påvist på Jorden. Ædelgasserne findes alle i atmosfæren og kan renfremstilles ved destillation af flydende luft. Da helium ikke har tendens til at indgå i kemiske reaktioner, bruges gassen til fortynding af narkosegasser ved kirurgiske indgreb. Almindelig dykkergas er en blanding af dinitrogen og dioxygen, men ved store dybder kan dinitrogen optages i blodet og give anledning til rusvirkning. Dette problem kan undgås ved at erstatte dinitrogen-indholdet i dykkergassen med helium. En anden ædelgas er neon, som i dag er velkendt fra neon-lysreklamer. Når

der sendes en elektrisk strøm gennem neongas ved lavt tryk, udsender atomerne rødt lys. Ved at blande neon med andre gasser og ved at smøre glassets inderside med specielle pulvere kan man frembringe andre farver. Argon er den billigste af ædelgasserne, idet den udgør 0,9 % af atmosfærisk luft. Argon anvendes fx som beskyttelsesgas ved svejsning og metalfremstilling.

Krypton og xenon benyttes i lysstærke glødelamper, da disse ædelgasser nedsætter fordampningen af wolfram fra glødetråden. Først i 1962 lykkedes det at fremstille en kemisk forbindelse (XeF4) ud fra en ædelgas.

Neon lyser, når elektroner passerer gennem gassen med høj fart.

Figur 3-8 Billede af linjespektret for He, helium.

408,9 nm 492,3 nm 471,4 nm 402,7 nm 447,3 nm 501,7 nm

48

587,7 nm

kend kemien 1

668,0 nm

Elektronskyer I dag anvender vi en atommodel, hvor elektronerne også er ordnet i en slags kugleskaller, men elektronerne fordeler sig omkring kernen ligesom en sky. Elektronerne i de inderste skaller opholder sig i gennemsnit tættere på kernen, end atomets øvrige elektroner, og har lavest energi.

Figur 3-9 Atomets elektroner fordeler sig som kugleskaller om atomkernen uden skarp afgrænsning.

Elektronfordelingen i skallerne Skallerne kan indeholde et varierende antal elektroner. Det maksimale antal elektroner i en skal er givet ved 2·n2, hvor n er skallens nummer. Elektronernes fordeling i de forskellige skaller i et atom kaldes atomets elektronstruktur. Skallerne fyldes op indefra efter det princip, at elektronerne opnår så lav energi som muligt. I fx natriumatomet er de 11 elektroner fordelt med 2 elektroner i den inderste skal og 8 elektroner i den næstinderste skal, mens den sidste elektron befinder sig i atomets yderste skal, nr. 3. På figur 3-10 ses modeller af elektronstrukturen for de 18 første grundstoffer. Hver elektron er symboliseret med en prik. Det er elektronerne i den yderste skal, som har betydning, når der dannes kemiske forbindelser. Ædelgasserne er meget vanskelige at få til at reagere med andre stoffer; og det forbinder vi med, at atomerne har en stabil elektronstruktur. I heliumatomet findes to elektroner i yderste skal, mens alle andre ædelgasser har 8 elektroner i yderste skal.

Tabel 3-2 Elektroner i skaller Skal nr. n

Max antal elektroner i skallen, 2n2

1 2 3 4

2 8 18 32

Figur 3-10 Periodesystemets første 18 atomer.

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

atomer – verdens mindste byggesten

49

Grundstoffernes periodesystem 1

2

1

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2

1 H

He

Hydrogen

3

2 Li Lithium

11

Helium

4

5

Be

B

Beryllium

Bor

12

13

3 Na Mg Natrium

19

4 K Kalium

37

5 Rb Rubidium

55

6 Cs Cæsium

87

7 Fr Francium

6

Magnesium

20

Ca Calcium

38

Sr Strontium

21

Sc Scandium

39

Y Yttrium

57-71

Barium

88

Ra

23

Ti Titan

40

89-103

Zirconium

La Lanthan

89

25

54,94

Niobium

73

26

Cr Mn Fe Chrom

42

Mangan

43

Molybden

74

Technetium

75

Jern

44

Ru Ruthenium

76

27

Co Cobalt

45

Rh Rhodium

77

28

Ni Nikkel

46

Pd Palladium

78

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Hafnium

Tantal

Wolfram

Rhenium

Osmium

Iridium

Platin

Rf

Rutherfordium

57

24

Zr Nb Mo Tc

104

Radium

V Vanadium

41

72

56

Ba

22

58

105

Db Sg Dubnium

59

Ce Cerium

90

106

Pr Praseodym

91

Seaborgium

60

107

Bh Bohrium

61

108

Hs Hassium

62

109

Neodym

Ac

Th

Pa

U

Actinium

Thorium

Protactinium

Uran

Promethium

93

Samarium

94

Kobber

Plutonium

Zink

48

Ag Cd Sølv

79

Cadmium

80

Au Hg Guld

111

Kviksølv

Europium

95

Ununnilium

64

Unununium

65 Terbium

97

Americium

Curium

Berkelium

Dysprosium

F Fluor

17

Ne Neon

18

Cl

Ar

Aluminium

Silicium

Phosphor

Svovl

Chlor

Argon

31 Gallium

49

In

32

33

Germanium

50

As Arsen

51

Sn

Indium

81

Tin

82

Sb Antimon

83

34

Se Selen

52

35 Brom

Te

Kr Krypton

54

I

Tellur

84

36

Br 53

Xe

Iod

85

9,01

Xenon

86

(222)

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Thallium

Bly

Vismut

Polonium

Astat

Radon

114

Uuq Ununquadium

Ununbium

98

O Oxygen

16

S

67

Gd Tb Dy Ho Gadolinium

96

10

P

112

66

N Nitrogen

15

9

Si

Cu Zn Ga Ge 47

Np Pu Am Cm Bk Neptunium

30

C Carbon

14

8

Al

Mt Uun Uuu Uub Meitnerium

63

Nd Pm Sm Eu 92

110

29

7

Holmium

99

Cf

Es

Californium

Einsteinium

68

69

70

Er Tm Yb Erbium

100

Thulium

101

Ytterbium

102

Fm Md No Fermium

Mendelevium

Nobelium

71

Lu Lutetium

103

Lr Lawrencium

Figur 3-11 Grundstoffernes periodesystem inddelt i 18 grupper og syv perioder.

Natrium er et blødt metal, der reagerer eksplosivt med vand.

50

Grundstoffernes kemiske egenskaber bestemmes af atomernes elektronstruktur. I periodesystemet er grundstofferne ordnet, så fællestræk med hensyn til elektronstrukturen og de kemiske egenskaber træder tydeligt frem. Grundstofferne er ordnet efter voksende atomnummer og fordelt på 18 lodrette grupper og syv vandrette perioder. Gruppe 1-2 og 13-18 kaldes hovedgrupper. I disse grupper har grundstoffernes atomer det samme antal elektroner i den yderste skal som sidste ciffer i gruppenummeret. Natriumatomet, Na, har én elektron i yderste skal og står i gruppe 1. Chloratomet, Cl, har 7 elektroner i yderste skal og står i gruppe 17. Helium er eneste undtagelse, idet He-atomet kun har 2 elektroner i yderste skal, men står i gruppe 18. Grundstoffer med samme antal elektroner i atomernes yderste skal har mange fælles kemiske egenskaber. Grundstofferne i gruppe 1 er alle, på nær hydrogen, bløde metaller, der let reagerer med vand, ilt i luften og mange andre stoffer. Gruppe 17 består på tilsvarende måde af meget reaktive ikke-metaller. Calcium og strontium står i gruppe nummer to, og begge grundstoffers atomer har altså to elektroner i yderste skal. Inden for medicinsk forskning udnyttes de fælles kemiske egenskaber for Ca og Sr til at undersøge knoglesygdomme, som fx knogleskørhed. De to stoffer optages nemlig på samme måde i vores knogler. Derfor kunne man, efter kernevåbensprængningerne i 1950’erne, påvise en øget koncentrationen af den radioaktive isotop 90Sr i børns knogler. Alle grundstoffer, som står i samme periode (samme vandrette række), er opbygget af atomer med elektronerne fordelt i lige mange skaller. En periodes nummer er lig med nummeret på den yderste skal, der indeholder elektroner. Både Na og Cl står i 3. periode, fordi atomerne har elektroner i tre skaller. Går vi mod højre i periodesystemets hovedgrupper, sker påfyldningen af elektroner i atomernes yderste skal. Det gælder fx for hele tredje periode fra Na til Cl og derefter Ar. Fra 4.-7. periode er der imidlertid indskudt 10 grupper mellem de otte hovedgrupper. De 10 grupper kaldes undergrupper og de tilhørende grundstoffer for indskudsgrundstofferne. Går vi mod højre fra ét indskudsgrundstof til et andet, sker påfyldningen af elektroner i atomernes næstyderste skal. Vi ved, at elektronerne fordeles, så de opnår lavest mulig energi, men vi kan ikke umiddelbart forklare disse atomers elektronfordeling ud fra den simple skalmodel. Som tidligere nævnt har skallerne ikke nogen skarp afgrænsning, men bør nærmere opfattes som elektronskyer. Vi ved også, at energiforskellen mellem skallerne aftager jo lænkend kemien 1

Figur 3-12 B12-vitaminet indeholder cobalt, der er et indskudsgrundstof (nr. 27). Cobaltatomer ses som violette kugler og B12-vitaminet som en pindemodel på figuren. Et enzym binder to B12-vitaminenheder for at kunne fungere. Vitaminet er nødvendigt for produktionen af røde blodlegemer, for en normal vækst og for styrkelse af immunforsvaret. Det daglige behov er 3 mikrogram. B12-vitamin forekommer i lever og nyrer, men også i mælk, æg, kød, fisk, rejer og østers.

atomer – verdens mindste byggesten

51

gere væk fra kernen, de er. Elektronskyerne fra de forskellige skaller vil derfor kunne overlappe hinanden. Herved kan en elektron fra den yderste skal få lavere energi end nogle af elektronerne fra den næstyderste skal. Derfor findes der elektroner i den yderste skal, selv om den næstyderste skal ikke er fyldt med elektroner. Tænk selv

Find eksempler på undtagelser fra ovenstående generelle regel for elektronstrukturen i indskudsstoffernes atomer ved at studere periodesystemet på side 222-223. Forklaringen på afvigelserne er, at elektroner fra næstyderste og yderste skal har næsten samme energi i disse grundstoffer. Nederst i periodesystemet er der anført to rækker af grundstoffer, som er placeret lidt for sig selv, fordi påfyldningen af elektroner her sker i den tredjeyderste skal.

Metaller og ikke-metaller

ikke-metal

metal

Figur 3-13 Grundstofferne inddeles i metaller og ikke-metaller.

I periodesystemet bag i bogen er der tegnet en trappelinje. Grundstofferne til venstre for trappelinjen er metaller, mens ikke-metallerne står til højre for trappelinjen. De fleste grundstoffer er altså metaller. Metaller har metalglans, er gode ledere af elektrisk strøm og har forholdsvis høje smeltepunkter. Ikke-metallerne har derimod lave smelte- og kogepunkter, og de fleste er gasser ved almindeligt tryk og stuetemperatur. De har typisk ingen elektrisk ledningsevne. Der er ingen skarp skillelinje mellem metaller og ikke-metaller. Grundstofferne omkring trappelinjen kaldes halvmetaller og har kun ringe elektrisk ledningsevne. Nogle af halvmetallerne er gode halvledere, fx silicium. Meget rent silicium benyttes til at fremstille transistorer og mikrochips, der anvendes ved produktion af tv, lommeregnere og computere.

Klynge af supercomputere anvendt ved projektet: Det humane genom. Celera Genomics i Maryland, 2001, USA.

52

kend kemien 1

Svovl Svovl er et typisk ikke-metal. Rent svovl fås som et citrongult, lidt fedtet pulver. Grundstoffet svovl findes frit ved vulkaner, og flere steder i verden er der betydelige forekomster af svovl i undergrunden. Tidligere anvendtes svovl i stort omfang til krudtfremstilling. I dag bruges næsten alt svovl til fremstilling af svovlsyre.

Vulkan, hvor man tydeligt kan se det gule svovl.

Svovl forandres på uventet måde, når det opvarmes. Det gule pulver smelter ved 119 °C og danner en lysegul, tyndtflydende væske, som ved fortsat opvarmning bliver mørkere og mere tyktflydende. Ved ca. 200 °C kan man vende et reagensglas med svovl nedad, uden at det løber ud. Efter yderligere opvarmning bliver væsken igen tyndtflydende, og ved 445 °C koger væsken. Hældes denne væske i koldt vand, dannes en sej formbar masse, plastisk svovl, som med tiden danner svovlkrystaller. Det gule svovlpulver er opbygget af S8-ringe. Når krystallerne smelter, og temperaturen stiger yderligere, brister ringene. Derefter dannes længere og længere kæder, som vikles ind i hinanden, så der skabes stærke bindinger mellem kæderne. Ved endnu højere temperatur brydes kæderne, og ved kogepunktet findes der fx S2, ligesom vi kender det fra O2.

atomer – verdens mindste byggesten

Demo

www Visualisering

Uorganiske stoffer

Gitterstrukturer og makromolekyler Svovl

53

Livsvigtige grundstoffer Kroppen tilføres de nødvendige grundstoffer til opretholdelse af livet gennem den mad og væske, som vi indtager. Blot fire grundstoffer, H, O, C og N, udgør næsten 99 % af alle de atomer, som kroppen er opbygget af (se tabel 3-3). 17 andre grundstoffer er også nødvendige for at bevare et sundt legeme, men de bidrager kun med omkring 1 % af kroppens atomer. Calcium er en væsentlig bestanddel af knogler og tænder. Svovl indgår i proteiner, mens phosphor spiller en livsvigtig rolle ved fremstilling af kroppens kemiske forbindelser, i DNA og ved energitransport i kroppen. Natrium, kalium og chlor er vigtige ved reguleringen af kroppens væskebalance. Næsten hele kaliumindholdet findes inde i cellerne, hvor en balance mellem natrium- og kaliumioner hele tiden skal opretholdes. I 1997 modtog danskeren Jens Christian Skou nobelprisen for sin opdagelse af cellernes natrium-kalium-pumpe.

Jern, atomtegn Fe, er en del af proteinet hæmoglobin, som transporterer ilt (dioxygen) rundt med blodet. Endelig indeholder mange af kroppens enzymer metallerne calcium, magnesium, kobber, jern og zink. Nogle af de grundstoffer, som er nødvendige for liv, findes kun i meget små mængder i vores krop, og en del af dem er meget giftige i større mængder. Det gælder fx selen (Se), som giver en vis beskyttelse imod hjertesygdomme, og tilsyneladende også imod kræft – blot der ikke indtages for meget, for så er selen direkte kræftfremkaldende. Præcist hvor meget selen, der skal indtages dagligt, vides ikke med sikkerhed. I Danmark anbefales et dagligt tilskud på 50 µg, da vores kost generelt er fattig på selen, mens man i USA undertiden råder folk til at indtage op til 200 µg i form af tabletter. Grænsen imellem den nødvendige og den giftige dosis er hårfin. Et dagligt indtag af 1 mg Se kan nemlig resultere i forgiftning. Selen findes i hør- og solsikkefrø, fisk og nødder.

Maximum har en omfattende varedeklaration.

Tabel 3-3 Sporstoffer i menneskets krop Grundstoffer

60 kg

Ca S P K Cl Na Mg Cr Co Cu F I Fe Mn Mo Se Zn

54

kend kemien 1

% af atomer 0,22 0,13 0,13 0,04 0,03 0,03 0,01

kun spor

Masse i gram 780 366 354 126 103 61 24

Stabil elektronstruktur Ædelgassernes atomer har en særlig stabil elektronstruktur med otte elektroner i yderste skal, undtagen helium, som er stabil med to elektroner i yderste skal. Bortset fra ædelgasserne har alle grundstoffers atomer mindre end otte elektroner i yderste skal og vil derfor have tendens til at indgå i kemiske reaktioner, så de derved opnår den stabile ædelgasstruktur. I mange kemiske forbindelser har hvert enkelt atom opnået ædelgasstruktur ved at afgive eller optage elektroner.

Ædelgasstruktur

Ioner Grundstoffet natrium står i gruppe 1, og Na-atomet har altså én elektron i yderste skal. Når denne elektron afgives, dannes en natriumion. Når natriumatomet har afgivet en elektron, er der kun 10 elektroner tilbage, men der er stadig 11 protoner i kernen. Atomet er ikke længere neutralt, men har en elektrisk ladning på 1+.

Figur 3-14 Et natriumatom afgiver elektronen i yderste skal og bliver til den positive natriumion, Na+ .

Na

+

Na

+

e–

Den energi, der skal tilføres for at fjerne elektronen fuldstændigt fra atomet, kaldes stoffets ioniseringsenergi. Figur 3-15, side 56, viser, at ioniseringsenergien varierer periodisk for grundstofferne med atomnummer 1-56. Kurvens variationer passer med perioderne i periodesystemet. Ædelgassernes store stabilitet afspejler sig i deres høje ioniseringsenergi. Grundstofferne i gruppe 1 har alle lave ioniseringsenergier, fordi atomerne kun indeholder én elektron i yderste skal. Når denne elektron afgives, opnår de dannede positive ioner ædelgasstruktur. Hvad sker der med ioniseringsenergien ned gennem gruppe 1 fra Li til Cs? Kan du forklare dette forløb?

atomer – verdens mindste byggesten

Tænk selv

55

Ioniseringsenergi (kJ/mol) 2500

He Ne

2000 Ar

1500

Kr

Xe

1000 Figur 3-15 Atomers ioniseringsenergi.

Tænk selv

Metaller danner positive ioner

500

Na

K

10

Rb

20

30

Cs 40

50 Atomnummer

Grundstofferne med atomnummer 21-30 har næsten samme ioniseringsenergi. Kan du forklare det ud fra atomernes elektronfordeling? Metallernes atomer har generelt kun få elektroner i yderste skal. Disse elektroner afgives let i kemiske reaktioner, hvorved der dannes positive ioner. Magnesium er et metal, som står i gruppe 2. Et magnesiumatom opnår ædelgasstruktur ved at afgive to elektroner Mg

Tænk selv

Li

→

Mg2+ + 2e–

Tegn en skitse svarende til figur 3-14 for dannelsen af magnesiumioner. For indskudsstofferne i gruppe 3–12 er den næstyderste skal i de enkelte atomer ikke fyldt op. Da elektroner i de næstyderste og yderste skaller kan have næsten samme energi, findes der atomer, som kan afgive et varierende antal elektroner. Jernioner findes fx både som Fe3+ og Fe2+ . Tilsvarende kan kobberioner forekomme med ladningen 2+ eller 1+, dvs. som Cu2+ eller Cu+. Ikke-metallerne danner negative ioner, idet atomerne opnår ædelgasstruktur ved at optage en eller flere elektroner.

Figur 3-16 Et chloratom optager en elektron og bliver til den negative ion chlorid, Cl–.

56

Cl kend kemien 1

+

e–

–

Cl

Chloratomet har 7 elektroner i yderste skal, og ved at optage en elektron opnås en stabil elektronfordeling med 8 elektroner i yderste skal. Herved dannes en ion med en negativ ladning på 1–, nemlig Cl–. Hvilken ædelgas er opbygget af atomer med samme elektronstruktur som Cl–?

Tænk selv

Når vi kender atomernes elektronstruktur, kan vi altså forudsige de ioner, som grundstofferne kan danne. Figur 3-17 Udvalgte ioner af grundstofferne.

H+ Li+

N3–

Na+ Mg2+ K+

Al3+ Fe3+ Fe2+

Ca2+

O2–

F–

S2–

Cl–

Cu2+ Zn2+ Cu+

Br–

Ag+ Ag2+ 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Hvor mange protoner og elektroner er der i følgende ioner: Al3+, O2–, Ca2+, N3–, Cu+ og Br–

I– 12

13

14

15

16

17

18

Tænk selv

Grundstoffernes opdagelseshistorie I oldtiden kendte man syv metaller og de to ikke-metaller carbon og svovl. Antallet af kendte grundstoffer er siden da vokset til 113. I naturen findes dog kun ca. 90 forskellige grundstoffer. De øvrige grundstoffer er fremstillet kunstigt. Grundstof nr. 112 blev fremstillet i 1996 i Tyskland ved at bombardere bly med særligt hurtige zinkatomer. En del af grundstofferne med høje atomnumre findes kun som radioaktive isotoper, der henfalder hurtigt.

Periodesystemets historiske udvikling Antallet af kendte grundstoffer blev næsten fordoblet i første halvdel af 1800-tallet. På dette tidspunkt blev der fremsat forslag til at systematisere grundstofferne for at »bringe orden« i dem. Grundstofferne blev opstillet efter voksende atommasse. Man fandt ud af, at grundstoffernes atomvolumen varierer periodisk på samme måde som grundstoffernes kemiske egenskaber. Der var dog en del problemer med at placere grundstofferne systematisk i en tabel, mest fordi mange grundstoffer atomer – verdens mindste byggesten

Tabel 3-4 Kendte grundstoffer Tidspunkt

Antal kendte grundstoffer

Oldtid 1600 1750 1800 1830 1860 1880 1890 1900 1925 1952 1985 2002

9 13 16 31 54 59 69 74 83 88 98 105 113

57

endnu ikke var opdaget. Løsningen kom, da russeren Dimitri Mendelejev i 1869 lod pladser stå tomme til grundstoffer, som han mente måtte blive opdaget senere. Ud fra placeringen i Mendelejevs periodesystem kunne han forudsige disse endnu ukendte grundstoffers kemiske og fysiske egenskaber. Uden kendskab til Mendelejevs arbejde havde tyskeren Lothar Meyer allerede året forinden opstillet et lignende periodesystem, dog uden tomme pladser, men han offentliggjorde ikke sine resultater. I diskussionsopgaverne sidst i kapitlet uddybes periodesystemets historiske udvikling.

Dmitri Ivanovitch Mendelejev (1834-1907) Russisk kemiker. Stammer fra Tobolsk i Sibirien og oprindelig uddannet som lærer i Sankt Petersborg. Efter et års undervisning begyndte han at studere væskers fysiske egenskaber ved Universitetet i Sankt Petersborg. I 1866 blev han professor i kemi samme sted.

Mendelejevs periodesystem i originalpublikationen.

58

kend kemien 1

Overblik elementarpartikler

de partikler, som et atom er opbygget af

proton

positiv elementarpartikel i atomkernen

neutron

neutral elementarpartikel i atomkernen

elektron

negativ elementarpartikel, der bevæger sig omkring atomkernen

grundstof

et stof, der er opbygget af atomer med lige mange protoner i kernen

atomnummer

antal protoner i atomkernen

massetal A

summen af atomnummer og atomets antal neutroner

isotoper

atomer med samme atomnummer, men forskelligt massetal

atommasse

et grundstofs gennemsnitlige atommasse i grundstoffets naturlige isotopblanding

Bohrs atommodel

elektronerne bevæger sig i baner (skaller) med en bestemt energi omkring atomkernen, ligesom planeterne bevæger omkring Solen

grundstoffernes periodesystem

atomtabel for grundstofferne inddelt i 18 grupper og syv perioder

gruppe

lodret søjle af grundstoffer, hvis atomer har samme antal elektroner i yderste skal

periode

vandret række af grundstoffer med atomernes elektroner fordelt på lige mange skaller

ædelgasstruktur

elektronfordeling som et ædelgasatom

atomer – verdens mindste byggesten

59

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Oxygen findes både i havet, i jordskorpen og i atmosfæren. a. Hvor findes oxygen som grundstof? b. Hvor findes oxygen bundet i kemiske forbindelser? c. Giv eksempler på sådanne kemiske forbindelser. 2. Atomerne med de tænkte symboler A, B, … , E er alle neutrale. Udfyld de tomme rubrikker, og skriv atomsymbolerne for grundstofferne. Atom

Total antal elektroner

A B C D E

6

Antal elektroner i skal nr. 1 2 3 4

Antal elektroner i yderste skal

Gruppe

14 2

8 6

7 8

7 2 16

13

3. Gør rede for elektronstrukturen i et atom af nedenstående grundstof. a. N b. O c. Ar d. Al e. Ca. 4. Hvilke af nedenstående stoffer er metaller? a. Li b. P c. Ag d. Se e. Ba f. Cr. g. Si I Hvad er årsagen til, at nogle metaller kan forekomme i fri tilstand i naturen? II Hvilke metaller er det, og hvad kaldes de ofte? 5. Aluminium blev renfremstillet i 1854. Brugsgenstande fremstillet af aluminium var dog meget kostbare. Napoleon III lod sine mest fornemme gæster spise af aluminiumtallerkener, mens de andre spiste af guldtallerkener. I Hvad er årsagen til, at rent aluminium var så kostbart i 1800-tallet, men er så billigt i dag? II Nævn nogle eksempler på, hvad aluminium anvendes til i vore dage. Periodesystemet – grundstoffernes forekomst På websitet er der en database over grundstoffernes fysiske og kemiske egenskaber, tidspunktet for opdagelse, masseprocent på jorden ligesom der er oplysninger om grundstoffernes forekomst i havet, jordskorpen og atmosfæren. Du har mulighed for at få overblik over sammenhænge mellem forskellige parametre for grundstofferne ved at få fremstillet grafiske afbildninger på hjemmesidens koordinatsystem. 1. Undersøg, om der er nogen sammenhæng mellem tidspunktet for grundstoffernes opdagelse og deres forekomst i masseprocent på jorden. Foreslå (og eventuelt undersøg) andre faktorer, som kan have haft indflydelse på tidspunktet for grundstoffernes opdagelse. 2. Undersøg hvilke grundstoffer, der findes i atmosfæren, og gør rede for, om de forekommer som frie grundstoffer eller i kemiske forbindelser. 3. Undersøg hvilke grundstoffer, der findes i havet. Hvor står de i periodesystemet? De forekommer typisk som salte i havet. Hvilken grund kan der mon være til, at nogle grundstoffer findes i havet, mens andre ikke gør? 4. Undersøg hvilke grundstoffer, der findes i jordskorpen. Ni af disse grundstoffer var kendt i oldtiden. Gør rede for, om de findes som frie grundstoffer eller i kemiske forbindelser.

60

kend kemien 1

Meyer og Mendelejev 1. Afbild atomvolumenet som funktion af grundstoffernes atommasse ved hjælp af koordinatsystemet på websitet. 2. Hvilke grundstoffer ligger højest inden for en periode? 3. Hvilke grundstoffer ligger lavest inden for en periode? 4. Hvordan hænger dette sammen med disse grundstoffers placering i Mendelejevs periodesystem?

Opgaver og diskussionsspørgsmål

Mendelejevs og nutidens periodesystem 1. Sammenlign placeringen af grundstofferne i hovedgrupperne i nutidens periodesystem med disse grundstoffers placering i Mendelejevs periodesystem. 2. Hvilke grupper havde Mendelejev ikke med? Hvorfor? 3. Tellur, Te, var et ret gennemtestet grundstof på Mendelejevs tid. Hvorfor er der mon anført »Te=128?« i Mendelejevs periodesystem? 4. Hvor tog Mendelejev fejl i sin opstilling af grundstofferne? 5. Mendelejev var overbevist om, at man ville opdage et nyt grundstof, ekasilicium, som kunne udfylde den tomme rubrik mellem silicium og tin. Ud fra placeringen i periodesystemet kunne han forudsige, hvilke egenskaber det ukendte grundstof skulle have. Grundstoffet blev opdaget i 1886 og kaldt germanium. Sammenlign Mendelejevs forudsigelser med germaniums egenskaber, som du kan finde i et tabelværk. Egenskab Atommasse (u) Densitet (g/mL) Oxidets formel Oxidets densitet Chloridets formel Chloridets kogepunkt

Forudsigelse

Nugældende tabelværdier

72 5,5 XO2 4,7 CCl4 60–100°C

Webarbejde Hvert hold vælger et grundstof eller hovedgruppe. 1. Find ud af, hvad I på forhånd ved om grundstoffet/gruppen. 2. Søg materiale om emnet i lærebogen, opslagsværker, på websitet, links fra websitet. 3. Gennemarbejd stoffet, nedskriv hovedtrækkene og planlæg et mundtligt oplæg om emnet. Kemiske symboler Skriv kemiske symboler for ioner med følgende antal protoner og elektroner: a. 3 protoner og 2 elektroner b. 12 protoner og 10 elektroner c. 79 protoner og 76 elektroner d. 9 protoner og 10 elektroner e. 26 protoner og 23 elektroner. Ioner Hvilket ædelgasatom har samme elektronfordeling som hver af følgende ioner? a. Na+ b. Al3+ c. K+ d. O2– e. Br–.

atomer – verdens mindste byggesten

61

Natriumchlorid . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Ionbinding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Fleratomioner i knogler og tænder . . . 68 Molekyler i atmosfæren . . . . . . . . . 70 Elektronparbinding . . . . . . . . . . . . . 72 Drivhusgasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Hydrogenbindinger . . . . . . . . . . . . . 81

4

DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Ketsjeren er forstærket med carbonfibre.

Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

Undersøg om grundstoffet jern mister nogle karakteristiske egenskaber, når det omdannes til den kemiske forbindelse, vi kalder rust. Til forsøget skal du bruge to stykker ståluld og to tallerkener. Læg det ene stykke på en tør tallerken. Dyp et andet stykke i saltvand og lad det derefter ligge på den anden tallerken. Følg rustdannelsen dag for dag, og sammenlign udviklingen på de to tallerkener. Afprøv om stålulden tiltrækkes af en magnet (fx fra køleskabslågen), og om denne egenskab bevares efterhånden som stålulden ruster. Når grundstoffer reagerer med hinanden, dannes der kemiske forbindelser. De har ofte helt andre egenskaber end de grundstoffer, som de er dannet ud fra. Hvis vi undersøger naturens stoffer og materialer, vil vi indse, at næsten alle er opbygget af kemiske forbindelser eller blandinger af forskellige forbindelser. Træer og buske, olie, kul og gas og selvfølgelig den menneskelige organisme er alle opbygget af blandinger af kemiske forbindelser. Det er elektriske tiltrækningskræfter, der binder atomerne sammen i kemiske forbindelser. Herved opstår forskellige typer af kemiske bindinger, som har stor betydning for stoffernes egenskaber. Grundstoffet carbon (kulstof) findes som grafit, der er et blødt sort materiale (»indmaden« i en blyant). Grafit bruges bl.a. som smøremiddel i låse og til at give tennisketsjere styrke. Men carbonatomer kan også bindes sammen på en anden måde, så der dannes diamant. Dette gennemsigtige materiale er som bekendt det hårdeste og – på grund af sin sjældenhed – noget af det dyreste, man kender. Det bruges til skæreredskaber og som smukke ædelstene i smykker. Kemiske bindinger er også bestemmende for, hvordan to stoffer reagerer med hinanden – og om der overhovedet vil kunne ske en reaktion. I den levende organisme spiller endvidere molekylernes geometri en afgørende rolle for reaktioner med fx enzymer. Det er de kemiske bindinger, der fastlægger atomernes rumlige placering i molekylerne. Når nye materialer og lægemidler skal udvikles, kræves der detaljeret viden om stoffernes opbygning og de kemiske bindinger mellem atomerne. Derfor har fx medicinalindustriens virksomheder deres egne udviklingsafdelinger, hvor der eksperimenteres med fremstilling af nye stoffer. kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

Forsøg selv

Jerns magnetiske egenskaber overføres ikke til rust.

Dichlor er en giftig gas. Natrium reagerer voldsomt med dichlor og danner natriumchlorid, bordsalt.

63

Natriumchlorid Salt

Ferskvand Saltopløsning

Salt

Figur 4-1 Salthorsten ved Hvornum.

www Links Akzo Nobel Salt A/S

Download

Eksperimenter

K1-4

Iod i køkkensalt

I Danmark har vi ingen bjerge, men ikke langt fra Mariager i Østjylland, ved Hvornum, finder vi kun få meter under jordoverfladen en salthorst, som næsten er lige så høj som Europas højeste bjerg Mont Blanc. Salt eller natriumchlorid udvindes fra denne salthorst ved at lede varmt vand ned i salthorsten gennem et borerør. Herved går noget af saltet i opløsning, og der dannes en ca. 30 % saltopløsning, som presses op gennem et rør og ledes ind til fabrikken Akzo Nobel Salt A/S ved Mariager. På fabrikken renses og koncentreres saltopløsningen, hvorefter saltkrystallerne inddampes. Saltet sælges i forskellige kvaliteter og tilsat forskellige hjælpestoffer. Med en uændret årsproduktion på 600.000 tons natriumchlorid er der salt nok til indvinding de næste 16.000 år i denne salthorst. Salt har i mere end tusinde år været anvendt til konservering af mad og til at fremhæve madens smag. Akzo Nobel Salt A/S fremstiller køkkensalt, hvor der er tilsat kaliumiodid, KI. Det skyldes et lovkrav fra sundhedsmyndighederne, fordi vi i Danmark får for lidt iodid, I–, gennem kosten. Skjoldbruskkirtlen har brug for en vis tilførsel af iodider for at fungere normalt, og de fleste danskere når ikke op på den anbefalede daglige dosis på 150 mikrogram iodid. Salt tilsat iodid anvendes også i færdigvarer som fx brød, pålæg, chips og popcorn. Vi får dermed alle sammen mere iodid via salt i kosten, og risikoen for at udvikle stofskifteproblemer og sygdomme som struma reduceres betydeligt. Et voksent menneske indeholder ca. 100 g natriumchlorid opløst i det vand, der udgør 65 % af kropsvægten. Hver dag udskiller vi salt gennem bl.a. urin, sved og tårer. For at opretholde saltbalancen skal mennesker dagligt have et tilskud af salt på ca. 2 g. Danskere spiser i gennemsnit ca. 10 g salt om dagen og får altså rigeligt dækket saltbehovet. Videnskabelige undersøgelser peger på, at et højt indtag af natriumchlorid igennem en årrække øger risikoen for forhøjet blodtryk. Saltproduktet Seltin har et reduceret indhold af natriumchlorid. De andre stoffer i Seltin har ikke blodtryksforhøjende virkning, men salter maden lige så godt som natriumchlorid. Natriumchlorid er et farveløst, krystallinsk stof, som smelter ved 801˚C. Studerer vi krystallerne nærmere, opdager vi et kubisk mønster, hvor krystallerne har form som ter-

Salt anvendes til mange formål.

64

kend kemien 1

Bordsalt, som vi kender det fra hverdagen. Kubiske krystaller af natriumchlorid.

ninger. Saltkrystallerne kan være vilkårligt store. Når krystaller vokser, lægges nye lag uden på de gamle og i samme mønster.

I Seltin udgør andre salte end natriumchlorid omkring halvdelen af indholdet.

Ionbinding Natriumchlorid er en ionforbindelse, der er opbygget af kugleformede Na+-ioner og Cl–-ioner. Såvel Na+-ionerne som Cl–ionerne har en stabil elektronfordeling med otte elektroner i yderste skal. Kuglerne har forskellig størrelse, idet en natriumion har omtrent halv så stor en diameter som en chlorid, dvs. en Cl–-ion. De terningformede krystaller opstår, fordi ionerne pakkes regelmæssigt i et kubisk gitter.

+

Na

+

Cl

Na+

Cl–

Figur 4-2 Reaktion mellem et natriumatom og et chloratom fører til dannelsen af ionerne Na+ og Cl–. Cl–

Na+

Na+

Cl–

Der virker stærke tiltrækningskræfter mellem ioner med modsat ladning og stærke frastødningskræfter mellem ioner med ens ladning. Den mest stabile tilstand opnås, når ionerne danner et gitter, hvor hver Na+-ion er omgivet af 6 modsat ladede Cl–-ioner, og hver Cl–-ion er omgivet af 6 Na+-ioner. Krystallen er udadtil elektrisk neutral, fordi der findes lige mange positive og negative ladninger. I dette iongitter er det ikke muligt at finde et specielt par ioner, der skiller sig ud fra alle de andre ioner. Når vi skriver den kemiske formel for natriumchlorid som NaCl, angiver vi, at forholdet mellem antallet af de to typer ioner er 1:1. Den elektriske tiltrækning mellem modsat ladede ioner holder ionerne sammen. kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

Figur 4-3 Modeller af 3D-iongitteret i natriumchlorid. www Visualisering

Uorganiske stoffer

Gitterstrukturer og makromolekyler Natriumchlorid

Ionbinding

65

Alle stoffer, som er opbygget af positive og negative ioner i et regelmæssigt iongitter, kaldes salte. De positive ioner er oftest metalioner, og de negative ioner er ikke-metalioner.

Cl–

Na+ En natriumion Na+ (1+)

en chlorid Cl– (1–) =0

+ NaCl

natriumchlorid

Cl–

Cl–

Mg2+

En magnesiumion Mg2+ (2+) +

to chlorid 2 Cl– 2 (1–)

=0

MgCl2

magnesiumchlorid

O2–

Al3+

O2–

O2–

Al3+

To aluminiumioner 2 Al3+ 2 (3+) + Al2O3

tre oxid 3 O2– 3 (2–)

aluminiumoxid

Formelenheder I formlen for salt, NaCl, skriver man altid den positive ion før den negative ion og undlader ionladningerne (dem må man selv huske på). Ved en formelenhed salt menes lige så meget stof, som formlen angiver, dvs. én Na+-ion og én Cl–-ion. En formelenhed af et stof er det mindste antal positive og negative ioner, der skal til for at give den mindste mængde af et bestemt stof. I margen er der vist nogle eksempler på formelenheder. Der indgår lige så mange positive som negative ladninger i en formelenhed stof. I stoffets formel angiver vi antallet af hver enkelt ion, der indgår i formelenheden, som et indeks med sænket skrift efter ionen. Vi undlader at skrive indekset 1. Formlen MgCl2 betyder, at Mg2+ og Cl– indgår i forholdet 1:2 i et kæmpemæssigt iongitter. Stoffet indeholder altså dobbelt så mange Cl–-ioner som Mg2+-ioner. Gør på tilsvarende måde rede for opbygningen af følgende ionforbindelser AlCl3, Na2O og MgO.

Fleratomioner =0

Hvis flere atomer sammen danner en ladet atomgruppe, kaldes denne ion for en fleratomion (fleratom-ion). Nitrit, NO2–, er et eksempel på en sådan ion. De fleste fleratomioner består af ikke-metalatomer og bærer en samlet ladning på 1–, 2– eller 3–. Som andre ioner danner de salte med ioner af modsat ladning. Ba2+

Na+ Na+

NO3–

SO42–

Ba2+

Na+ Ba2+ NaNO3

Na2SO4

PO43–

PO43–

Ba3(PO4)2

Når der i en formel indgår mere end en fleratomion pr. formelenhed, skrives formlen for den ladede atomgruppe i en parentes, og antallet anføres som et index med sænket skrift efter parentesen. Stoffet natriumnitrit, NaNO2, benyttes til at konservere bl.a. pålæg, bacon, hamburgerryg og grillpølser, der samtidigt får en mere rød farve.

66

kend kemien 1

Zinkphosphat, Zn3(PO4)2, bruges til tandcement.

Tænk selv

Marmor er en bjergart, der hovedsageligt består af calciumcarbonat, CaCO3. Urenhederne giver marmor forskellige farver.

Gør ved hjælp af skitser af kugler, rede for opbygningen af følgende ionforbindelser: b. Na2SO3 c. Al2(SO4)3. a. CaCO3

Krystalvand I nogle krystaller sidder der vandmolekyler mellem ionerne i iongitteret. Disse vandmolekyler kaldes krystalvand. Det blå kobber(II)sulfat indeholder 5 molekyler krystalvand for hver formelenhed. Formlen for stoffet er derfor CuSO4·5H2O, hvor prikken er et skilletegn og ikke et gangetegn.

Krystalvand kan uddrives ved opvarmning. De blå krystaller er CuSO4·5H2O. De hvide krystaller er CuSO4. Når et ben lægges i gips, dyppes en bandage af brændt gips, CaSO4·1⁄2 H2O, i vand og rulles rundt om benet. Under varmeudvikling dannes det faste gips, CaSO4·2H2O. Gips er en ionforbindelse, hvor calciumioner, Ca2+ , og sulfat, SO42–, danner et iongitter. I fast gips er der indbygget 2 vandmolekyler i gitteret for hver Ca2+ -ion og SO42–-ion. I det brændte gips er indholdet af vandmolekyler i iongitteret reduceret med en faktor 4. kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

67

Fleratomioner i knogler og tænder Vores knogler indeholder et fast krystallinsk stof, som sidder i et netværk af fiberproteinet kollagen. Det krystallinske stof er en ionforbindelse, der er dannet ud fra calciumioner, Ca2+, phosphat, PO43– og hydroxid, OH–. Formlen er Ca5(PO4)3(OH), og navnet er calciumhydroxyapatit. Indtil omkring 40 års alderen er der balance mellem tab og genopbygning af knoglemateriale, men især ældre kvinder har risiko for at komme til at lide af knogleskørhed pga. calciumtab fra knoglerne. Kvinderne kan miste helt op til 1 % af knoglematerialet om året. De yderste lag af vores tænder er hårde, fordi de hovedsageligt er opbyg-

get af calciumhydroxyapatit og calciumcarbonat. Tandoverfladen kan nedbrydes af syre, så derfor er det vigtigt at fjerne den syreproducerende bakteriefyldte belægning (plak) ved tandbørstning. I tabellen ses de kemiske formler for typiske slibe- eller skuremidler, som findes i tandpasta. Hvis ionen hydroxid, OH–, erstattes af fluorid, F–, i calciumhydroxyapatit, dannes der en mere syreresistent tandoverflade af Ca5(PO4)3F. Derfor tilsættes tandpasta fluoridholdige ionforbindelser, især i form af SnF2, NaF eller Na2PO3F. Figur 4-4 Computeranimation af krum ryg som følge af knogleskørhed, osteoporose.

Tabel 4-1 Slibemiddel CaCO3 Ca2P2O7 CaHPO4 Al(OH)3 MgCO3 TiO2 Ca3(PO4)2

www Download

Eksperimenter

K1-4

Jernvitriol, jern(II)sulfat–vand(1/7)

Når jern i fx en ståluldssvamp ruster, dannes jernoxider med et variabelt indhold af vand. Formlen for rust kan forenklet skrives Fe2O3 · xH2O, hvor x kan være lig med 1, 2 eller 3.

med formlen FeSO4·7 H2O

Ionforbindelsers egenskaber Ionkrystaller er sprøde og kan knuses ved slag. Når lagene i iongitteret forskydes, kan det føre til frastødning mellem lagene, hvis ens ladede ioner kommer til at ligge tæt på hinanden. Resultatet bliver et brud i krystallen.

a

68

kend kemien 1

b

c

Ionforbindelser har generelt høje smeltepunkter, fordi ionbindinger er stærke. Der skal tilføres meget energi for at nedbryde iongitteret, så ionerne kan bevæge sig rundt mellem hinanden. Omdannelsen fra krystallinsk salt til smeltet salt skrives NaCl(s)

→

NaCl(l)

Smeltepunktets beliggenhed afhænger af ionernes størrelse og ladning samt af krystalstrukturen. NaCl og CaO danner begge krystaller med kubisk mønster. Sammenlign de to ionforbindelsers smeltepunkter, og giv en forklaring på forskellen.

Tabel 4-2 Smeltepunkter Ionforbindelse

Smeltepunkt °C

MgCl2 NaCl Fe2O3 Al2O3 CaO

714 801 1565 2072 2614

Tænk selv

Salte er faste stoffer og leder ikke en elektrisk strøm. Selvom stofferne er opbygget af ladede partikler (ioner), sidder de fastbundet i iongitteret og kan derfor ikke bidrage til ladningstransport. Når et salt smelter, bliver ionerne bevægelige, og stoffet kan lede strømmen.

Navngivning af ionforbindelser Et salts navn dannes af navnet på den positive ion efterfulgt af den negative ions navn. Navnet på en negativ ion med kun en slags atomer har endelsen -id, fx chlorid, Cl–, bromid, Br– og oxid, O2–. Negative fleratomioner med oxygenatomer har ofte navne med endelsen -at fx nitrat, NO3–, og sulfat, SO42–. Hvis oxygenindholdet er et O-atom mindre end i den tilsvarende -at-ion, bliver endelsen -it, som fx nitrit NO2– og sulfit SO32–. På figuren nedenfor ses eksempler på fleratomioners navne. NO3– nitrat

NO2– nitrit

SO42– sulfat

SO32– sulfit

Nogle metalatomer kan afgive et forskelligt antal elektroner, så der opstår ioner med forskellige ladninger se kapitel 3, figur 3-17 side 57. Jern danner fx både Fe2+-ioner og Fe3+-ioner. Ladningen på ionen angives med romertal efter metallets navn. Derfor hedder FeO jern(II)oxid, og Fe2O3 hedder jern(III)oxid.

kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

Figur 4-5 En ion med endelsen -it i navnet indeholder et O-atom mindre end den tilsvarende ion med endelsen -at.

www Opgaver Navngivning Salte og molekylforbindelser

69

Tænk selv

Opskriv de kemiske formler for kobber(I)oxid og for kobber(II)oxid. 2. Sammensætning/oplysning om indholdsstoffer Sundhedsfarlige stoffer (Symbol og R-sætninger for stoffet). Navn

Koncentration*

Symbol

R-sætninger

naturharpiks (kolofonium) kobber(I)oxid alkylbenzener C9-C10

10-15 40-50 15-20

Xi Xn Xn

methylisobutylketon

1-5

Xn

R43 R22 R20 R36 R38 R37 R65 R20 R36 R37 R66

ethanol xylener ethylbenzen

1-2 2-5 0,5-2

Xn Xn

R20 R21 R38 R20

* angivet i masseprocent

Vigtige ioners navne kan findes i tabellerne bagest i bogen side 224. Tænk selv

Figur 4-6 Jordens nedre luftlag. Højde i km

Ionosfære 80 70 60 50

Stratosfære

40 30 20

Troposfære

10 0

–80 –40 0 Temperatur i °C

Tænk selv

Navngiv slibemidlerne /skuremidlerne i tandpasta, nævnt i tabel 4-1 side 68.

Molekyler i atmosfæren Jorden er omgivet af et omtrent 550 km tykt luftlag, kaldet atmosfæren. Luftens sammensætning har overordentlig stor betydning for livet på jorden. Atmosfæren inddeles i forskellige lag, der har forskellig kemisk sammensætning, se figur 4-6. Det nederste lag, troposfæren, bestemmer vores livsmiljø, og derfor er den kemiske sammensætning her særlig vigtig for os. 90 % af hele atmosfærens stofindhold findes her som frie atomer og små molekyler. Sammensætningen er ikke helt konstant. Vandindholdet varierer mest og kan svinge fra 0 til 4 %, afhængig af hvor på jorden man befinder sig, og hvilken årstid det er. Tabel 4-3 viser det gennemsnitlige indhold af gasser i tør luft i troposfæren. Ud over de variationer, der skyldes naturens stofkredsløb, påvirker menneskelige aktiviteter også stofsammensætningen i atmosfæren. Diskuter hvilke menneskelige aktiviteter, der påvirker atmosfærens indhold af stofferne markeret med stjerne i tabel 4-3. Over troposfæren ligger stratosfæren. Her er der ikke mulighed for, at noget levende kan eksistere, da den kraftige ultraviolette stråling (UV-stråling) hurtigt ville nedbryde molekylerne i de levende organismer. Selv simple molekyler nedbrydes, så der dannes radikaler. Radikaler er brudstykker eller fragmenter af molekyler, som er meget reaktive, fordi de indeholder en uparret elektron.

70

kend kemien 1

Tabel 4-3 Stoffer i troposfæren Gassens kemiske formel

Gassens kemiske navn

Volumenprocent (%)

N2 O2 Ar CO2* Ne He CH4* Kr H2 N2O* CO* Xe O3* CCl2F2* CCl3F*

dinitrogen dioxygen argon carbondioxid neon helium methan krypton dihydrogen dinitrogenoxid carbonoxid xenon ozon (trioxygen) freon 12 freon 11

78,1 20,9 0,9 0,035 1,82 · 10–3 5,2 · 10–4 2 · 10–4 1,1 · 10–4 5 · 10–5 4 · 10–5 1 · 10–5 9 · 10–6 4 · 10–6 5 · 10–10 3 · 10–10

* 1,82 · 10–3 Værdierne varierer

I stratosfæren findes det ozonlag, der beskytter livet på jorden ved at absorbere den farlige UV-stråling. Ozon opstår ved, at dioxygenmolekyler i den øvre stratosfære rammes af UV-stråling og spaltes til to oxygenatomer. Oxygenatomerne vil herefter reagere med andet dioxygen og danne ozon (trioxygen). Når et ozonmolekyle absorberer UV-stråling, omdannes det til et oxygenatom og et dioxygenmolekyle. På denne måde kan ozon dannes og nedbrydes ved at absorbere den farlige UV-stråling, så den ikke trænger ned i troposfæren til os. Atmosfæreforskning har de seneste år vist, at forskellige menneskeskabte stoffer kan medvirke til nedbrydning af ozonlaget i stratosfæren. Freongasserne eller CFC-gasserne er meget stabile stoffer, som ikke er vandopløselige. De kan derfor opholde sig i atmosfæren i mange år. Efterhånden kan de nå op i stratosfæren, hvor den kraftige UV-stråling kan frigøre chloratomer (radikaler) fra stofferne. Chloratomer er i stand til at nedbryde ozonlaget, da de reagerer med ozonmolekyler og efterfølgende gendannes ved reaktioner i stratosfæren. På den måde kan et enkelt chloratom ødelægge tusindvis af ozonmolekyler. Figur 4-9 Ozonhullet over Sydpolen. kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

Solens stråling Øverste atmosfære O2

O

+

O

O2

Ozonlaget

O2

O3

O3

Figur 4-7 Dannelse af ozon i atmosfæren.

Ultraviolet stråling O3

O2

+

O

O3

O2

+

O

Figur 4-8 Ozon-dioxygencyklus i ozonlaget.

CFC: Chlorofluorocarbon dobson 500 450 400 350 300 250 200 150 100

71

Ædelgasser

Solcremer indeholder forskellige molekyler, som kan absorbere noget af solens UV-stråling.

I atmosfærens øverste lag, ionosfæren, er UV-strålingen så kraftig, at den kan frigøre elektroner fra atomer, molekyler og radikaler, hvorved der dannes ioner. Troposfæren indeholder omkring en procent argon, Ar, og spor af de andre ædelgasser. Ædelgassernes atomer er stabile og indgår ikke i kemiske reaktioner. Ædelgassernes atomer har en særlig stabil elektronfordeling med otte elektroner i yderste skal – helium er en undtagelse med kun to elektroner, se kapitel 3 side 49. Dette princip genfindes hos andre atomer, der opnår stabile elektronfordelinger ved at binde sig sammen i molekyler og deles om nogle af elektronerne. Herved får alle atomerne otte elektroner yderst ligesom atomerne i en ædelgas. Hydrogen opnår dog, ligesom helium, kun to elektroner yderst. Atomer opnår stabil elektronfordeling ligesom ædelgasserne ved at dele eller udveksle elektroner med andre atomer.

ædelgasreglen

Atomerne, der indgår i troposfærens molekyler, har opnået stabil elektronfordeling ved at danne kemiske bindinger med fælles elektronpar mellem hinanden.

Elektronparbinding

Dannelse af en elektronparbinding.

H

H

Figur 4-10 Et fælles elektronpar danner en elektronsky mellem atomkernerne i dihydrogen.

H:H Elektronprikmodel af dihydrogen.

Elektronprikmodeller for atomerne i 2. periode.

72

I molekyler kan ikke-metalatomer få en elektronfordeling, som ligner elektronfordelingen i ædelgasatomer. Det opnås ved, at atomerne i det enkelte molekyle er fælles om nogle elektroner. Grundstoffet hydrogen forekommer som toatomige molekyler, H2. Elektronskallen i et hydrogenatom indeholder kun én elektron. I dihydrogenmolekylet deles de to hydrogenatomer om to elektroner, der tilsammen danner en fælles elektronsky med et fælles elektronpar. Da elektronerne er negative, og atomkernerne er positive, vil elektronerne fortrinsvis opholde sig mellem atomkernerne. Når atomerne er fælles om ét elektronpar kaldes bindingen en enkeltbinding. Den kan angives med en streg mellem atomsymbolerne eller med en elektronprikmodel. I elektronprikmodeller står atomsymbolet for atomkernen og alle elektronerne i de indre skaller, mens elektronerne i den yderste skal bliver angivet med prikker rundt om atomsymbolet. De yderste elektroner angives på en sådan måde, at de fire første prikker tegnes længst muligt væk fra hinanden.

Li

Be

kend kemien 1

B

C

N

O

F

Ne

De øvrige prikker fyldes på ud fra elektronernes tendens til at danne elektronpar. Det fører til, at oxygenatomet med 6 elektroner i yderste skal har to uparrede elektroner og to elektronpar. Hvis oxygenatomerne i O2-molekylet skal have opfyldt ædelgasreglen og opnå en elektronstruktur svarende til neon, må de være fælles om i alt fire elektroner. Fra hvert O-atom deltager 2 af de 6 elektroner i yderste skal altså i elektronparbindinger. De resterende to elektronpar deltager ikke i bindingerne og kaldes derfor ubenyttede eller ledige elektronpar. De to oxygenatomer skal altså danne to elektronparbindinger med hinanden. Resultatet kaldes en dobbeltbinding og illustreres med to streger mellem atomsymbolerne. Denne model for et O2-molekyle viser sig imidlertid ikke at være helt tilstrækkelig til at kunne forklare alle dioxygens egenskaber. Dioxygenmolekylet indgår i talrige kemiske reaktioner og spiller derfor en central rolle for al liv på Jorden. Molekylets store reaktivitet kan forklares ved, at de to oxygenatomer, i stedet for en dobbeltbinding, holdes sammen af en enkeltbinding og to uparrede elektroner.

O +

O

O

O

O

O

O O

Dioxygenmolekylet indeholder to uparrede elektroner.

Dioxygen har magnetiske egenskaber. Flydende dioxygen tiltrækkes af en magnets poler.

Dinitrogenmolekylerne, N2, i atmosfæren er usædvanligt stabile. I N2-molekylet er ædelgasreglen opfyldt. Hvert nitrogenatom har 5 elektroner i yderste skal, tre uparrede og et ledigt elektronpar. De to nitrogenatomer danner tre elektronparbindinger med hinanden og opnår herved ædelgasstruktur. De seks elektroner udgør tilsammen en tripelbinding. En tripelbinding er den stærkeste binding, der findes mellem atomer i molekyler, så der kræves særlig stor energi for at bryde den. Også i molekyler med forskellige atomer holdes atomerne sammen med elektronparbindinger. kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

N

N

N N

eller

N

N

73

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 74

H

H H C H

H

C

H

H

H

Tænk selv

O O

O C O O

H

O

O

C

O H

H

H

Tænk selv

C O

C

O Tænk selv

I methanmolekylet, CH4, er atomerne bundet sammen af fire enkeltbindinger, der alle udgår fra C-atomet, men til hver sit H-atom. C-atomet har fire elektroner i yderste skal og opnår ædelgasstruktur med otte elektroner omkring sig ved at danne fire elektronparbindinger. Hvert H-atom får to elektroner omkring sig svarende til elektronstrukturen for He. Stregmodellen viser, hvordan atomerne er bundet sammen i molekylet, og kaldes derfor en strukturformel. Tegn en elektronprikmodel og en strukturformel for CFC-gasserne CCl2F2 og CCl3F. Carbondioxidmolekylet er et stabilt molekyle, hvor ædelgasreglen er opfyldt. C-atomet skal lave fire elektronparbindinger, og hvert O-atom skal lave to elektronparbindinger for at opnå ædelgasstruktur. Atomerne organiserer sig derfor sådan, at der udgår to dobbeltbindinger fra C-atomet – en dobbeltbinding til hvert af O-atomerne. Atmosfærens vandindhold svinger meget, men kan som nævnt være helt op til 4 %. Vand spiller derfor en stor rolle for temperaturen på jorden, selv om vandmolekylers drivhusfaktor kun er en tiendedel af virkningen for carbondioxidmolekyler. I vandmolekylet danner O-atomet to enkeltbindinger – en til hvert af H-atomerne. Tegn en elektronprikmodel og en strukturformel for ammoniak, NH3. Marker bindende og ledige elektronpar. I de elektronparbindinger, der er beskrevet indtil nu, har to atomer bidraget med lige mange elektroner til bindingen. Det er ikke altid tilfældet. I molekylet carbonoxid opfyldes ædelgasreglen med en tripelbinding mellem carbonatomet og oxygenatomet. Hvert atom har desuden et ledigt elektronpar. I det ene af de bindende elektronpar kommer begge elektroner altså fra oxygenatomet. Tegn en elektronprikmodel for ozon, som opfylder ædelgasreglen. Overvej, om der findes andre muligheder. Tegn også en strukturformel. Ædelgasreglen kan være en stor hjælp til at gennemskue formlerne for kemiske forbindelser, især når molekylerne er opbygget af atomer fra 1. og 2. periode. Der kendes dog mange undtagelser fra reglen. Dioxygenmolekylets opbygning er allerede nævnt, men også mange nitrogenholdige molekylers opbygning må forklares med mere komplicerede modeller.

74

kend kemien 1

Drivhusgasser Carbondioxid kaldes for en drivhusgas, fordi dens tilstedeværelse i atmosfæren bidrager til jordens opvarmning. Igennem de seneste hundrede år er atmosfærens indhold af carbondioxid steget og er nu 25 % højere end niveauet før industrialiseringen, hvilket især skyldes afbrænding af fossile brændstoffer (olie, naturgas og kul). Frygten for, at Jordens gennemsnitstemperatur herved stiger, har ført til CO2-aftaler mellem de industrialiserede lande med henblik på at nedbringe CO2-udslippet. Der findes dog andre gasser i atmosfæren, som også har drivhuseffekt. Methanmolekyler er fx 30 gange så effektive til at holde på varmen i atmosfæren som carbondioxidmolekyler og tildeles derfor en drivhusfaktor på 30. Tilstedeværelsen af methan i luften skyldes biologiske processer, hvor bakterier omdanner døde planter og dyr til methan og carbondioxid. Methan er hovedbestanddelen af sumpgas, tarmgas og naturgas.

Afgivelse af varmestråling til rummet

Synligt lys og UV-stråling

Varmestråling opfanget af drivhusgasser

Atmosfære med drivhusgasser

pa Euro

CO2 i ppm 370 365 360 355 350 345 340 335 330

Figur 4-11 Atmosfærens koncentration af carbondioxid.

År

1976

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

Molekylers formler og navne – navngivning Formlen for molekyler, der er opbygget af forskellige atomer, skrives ifølge nogle internationalt vedtagne regler. De fastsættes af den verdensomspændende forening, IUPAC. Herved sikrer man sig, at formlerne er ens i hele verden. Rækkefølgen for grundstofsymbolerne skrives som angivet for et udvalg af atomtegn: Si

C

P

N

H

S

I

Br

Cl

O

F

IUPAC International Union for Pure and Applied Chemistry Tabel 4-4 Drivhusfaktorer Gas H2O CO2 CH4 N2O O3 CCl3F CCl2F2

kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

Faktor 0,1 1 30 160 2000 21000 25000

75

Tabel 4-5 Græske talord Indeks

Talord

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

mono di tri tetra penta hexa hepta octa nona deca

Vi ser, at formlen for vand skrives som H2O og ikke OH2, mens formlen for ammoniak er NH3. Molekylforbindelser navngives ved at nævne de to grundstoffer i samme rækkefølge som i formlen. Det sidstnævnte grundstofnavn tilføjes endelsen –id. Antal atomer i formlenindekserne- nævnes med talord fra tabel 4-5. Talordet placeres foran det grundstofnavn, det hører til. Reglen er, at alle indekser skal nævnes. Talordet mono bruges i sjældne tilfælde for at undgå forveksling med et andet stof. Som eksempel kan den giftige gas, CO, kaldes carbonmonoxid for at skelne den fra drivhusgassen carbondioxid, CO2, som er ugiftig. Tænk selv

Navngiv følgende nitrogenforbindelser: NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4 og N2O5.

Molekylernes form Med moderne analyseudstyr er det muligt at kortlægge elektrontætheden i molekyler og på denne måde bestemme den rumlige placering af atomerne i et molekyle. Skolens molekylbyggesæt er udviklet på basis af disse erfaringer. De farvede kugler repræsenterer forskellige atomer. I methanmolekylet, CH4, udgår fire elektronpar fra det centrale C-atom. Disse elektronpar er alle negativt ladede og frastøder derfor hinanden. De fire elektronskyer vil derfor arrangere sig sådan i rummet, at de kommer så langt væk fra hinanden som muligt. Herved får methanmolekylet form som et tetraeder med H-atomerne placeret i hjørnerne og C-atomet i centrum af en pyramide med trekantede sider. Vinklen mellem bindingerne bliver på denne måde 109,5˚. Alle C-atomer, der er omgivet af fire enkeltbindinger, har en tetraedrisk struktur.

Figur 4-12 Molekylbyggesæt. Kuglerne har et bestemt antal huller, som svarer til det antal bindinger, atomerne kan lave. Hullerne er placeret i overensstemmelse med resultaterne fra de eksperimentelle undersøgelser af molekylernes rumlige opbygning. Kuglerne sættes sammen ved hjælp af plastikpinde, der repræsenterer elektronparbindinger.

H

H C

H

H

H

3D strukturformel af methan.

76

C

H H

H 109,5°

H

C

H

H

H

Figur 4-13 Kemikere har udviklet et system til at tegne 3D strukturformler på papir. Bindinger, der ligger i papirets plan tegnes som en almindelig streg. En binding, der ligger foran papirets plan, angives med en kile. En binding, der ligger bag ved papirets plan, angives med en stiplet kile. kend kemien 1

Mens der i methanmolekylet udgår fire bindende elektronpar fra C-atomet, er O-atomet i vandmolekylet omgivet af to bindende elektronpar og to ledige elektronpar. Såvel bindende som ledige elektronpar frastøder hinanden på grund af deres negative ladning. Vandmolekylets fire elektronpar vil derfor også forsøge at komme længst muligt væk fra hinanden. Bindingsvinklen i vandmolekylet bliver dog lidt mindre end i methan. Det kan forklares ved, at elektronskyen fra et ledigt elektronpar er lidt tættere på O-atomet og lidt mere udflydende end elektronskyen fra et bindende elektronpar. Et ledigt elektronpar fylder derfor lidt mere i rummet omkring Oatomet og klemmer de to bindende elektronpar lidt sammen. Derfor bliver vinklen mellem bindingerne kun 104,5˚ Konstruer en model af ammoniakmolekylet, og argumenter for bindingsvinklen.

O

O

H

H

H

H

Figur 4-14 De ledige elektronpar klemmer elektronparbindingerne, så bindingsvinklen bliver mindre end 109,5°, nemlig 104,5˚. Tænk selv

Ethen, C2H4, er en gas der bl.a. anvendes til hurtig modning af frugt. Umodne grønne bananer transporteres ved lav temperatur fra producent til lager. Når bananerne skal leveres til detailhandlen, anbringes de i en ethenholdig atmosfære, hvor de modner hurtigt. Ethen fungerer således i planter som et hormon, der bl.a. styrer modningsprocessen. De fleste frugter udvikler ethen, når de rådner. Det er forklaringen på, at »en rådden frugt kan skade et helt læs«.

H C I ethen er de to C-atomer bundet sammen med en dobbeltbinding, og hvert C-atom er bundet til to H-atomer med enkeltbindinger. De fire elektroner i dobbeltbindingen bevæger sig fortrinsvist i området mellem de to C-atomers kerner. Elektronerne i dobbeltbindingen og de to andre elektronpar vil på grund af frastødning forsøge at komme længst mulig væk fra hinanden. Dobbeltbindingen og de to enkeltbindinger kommer til at pege ud mod hjørnerne af en ligesidet trekant, og vinklen mellem bindingerne bliver derfor ca. 120˚. Alle atomerne i molekylet kommer til at ligge i samme plan.

H

120° 120°

C

H

120°

H Figur 4-15 Ethenmolekylet. Molekylets C$C-dobbeltbinding låser alle seks atomer fast i samme plan.

Kuglepindemodel af ethenmolekylet. kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

77

Tænk selv

Gør rede for ozonmolekylets rumlige opbygning (O-atomernes placering i molekylet), idet du bl.a. argumenterer for bindingsvinklen. I carbondioxid frastøder de to dobbeltbindinger hinanden og kommer længst mulig væk fra hinanden ved at have en indbyrdes vinkel på 180˚. Eksperimentelle undersøgelser bekræfter, at carbondioxidmolekylet er lineært. Generelt kan molekylers rumlige opbygning altså forudsiges ud fra følgende simple regel:

Definition

Grupper af elektronpar frastøder hinanden og vil arrangere sig, så de kommer længst mulig væk fra hinanden.

Tænk selv

Tegn alle molekylerne fra tabel 4-4 i et kemisk tegneprogram. Frembring 3D-modeller af molekylerne ved hjælp af tegneprogrammet.

Polære elektronparbindinger Elektronerne i en elektronparbinding tiltrækkes af atomkernernes positive ladning og opholder sig for det meste i området mellem de to atomkerner. Hvis de to atomer, der bindes sammen, har indre fyldte elektronskaller, skærmer disse elektroner delvist for kernernes positive ladning. Derved påvirkes det bindende elektronpar af effektive kerneladninger, som er mindre end kernernes egentlige ladninger. Bindinger med ulige fordeling af det bindende elektronpar kales polære elektronparbindinger.

Elektronegativitet

Nogle atomers elektronegativitet, EN.

Elektronegativitet, EN, er et mål for de forskellige atomers evne til at trække elektronerne i en binding til sig. Den dobbelte nobelpristager Linus Pauling har opstillet en skala for elektronegativitet, hvor atomernes elektronegativitet opgives med et tal mellem 0,7 og 4,0. En stor talværdi betyder, at atomet har stor evne til at tiltrække elektronerne i en binding. Nedenstående figur viser EN-værdierne for nogle af hovedgruppeatomerne. Vi kan bruge EN-værdierne til at forudsige plus- og minuspolen (polariteten) i elektronparbindinger. Vandmolekylet er et vigtigt eksempel på et polært molekyle. O-atomet er mere elektronegativt end H-atomet. Derfor bliver ladningsfordelingen i OH-bindingen usymmetrisk. Der bliver overskud af negativ ladning ved O-atomet og et tilsvarende overskud af positiv ladning ved H-atomerne. Hver bin-

78

kend kemien 1

Tabel 4-7 Elektronegativiteter H 2.1 Li 1.0

Be 1.5

B 2.0

C 2.5

N 3.0

O 3.5

F 4.0

Na 0.9

Mg 1.2

Al 1.5

Si 1.8

P 2.1

S 2.5

Cl 3.0

ding mellem O-atomet og et H-atom er altså en polær binding. Da molekylet ikke er lineært, men har en vinklen på 104,5˚ mellem de to elektronparbindinger, er centret for den positive og den negative ladning i molekylet ikke sammenfaldende. Vandmolekylet er en dipol med den positive ladning centreret mellem de to H-atomer og centret for den negative ladning ved O-atomet. Polære og upolære molekyler

Demo

To buretter med henholdsvis vand og pentan åbnes samtidig over to glasskåle, hvori der er anbragt nogle krystaller af en farvet ionforbindelse. Et plastrør, ladet med statisk elekricitet, holdes vandret tæt ved væskestrålerne. Kraftig afbøjning ses ved vand, men ingen (eller en ganske svag) afbøjning ved pentan. I carbondioxidmolekylet er de to C==O-dobbeltbindinger begge polære, fordi O-atomet er mere elektronegativt end C-atomet. Da molekylet er lineært, bliver ladningsfordelingen symmetrisk. Molekylet er derfor ingen dipol. Et molekyle, der er symmetrisk opbygget, er ikke en dipol, selv om det eventuelt indeholder polære bindinger. Et toatomigt molekyle med polær elektronparbinding vil altid være polært, og molekylet vil dermed være en dipol. Bemærk, at forskellen i elektronegativitet mellem carbon, C, og hydrogen, H, er så lille, at vi anser den for ubetydelig. Vi kan altså opfatte C#H-bindinger som upolære. Methan, CH4, er opbygget af fire upolære C#H-bindinger, der er arrangeret symmetrisk i en tetraederform. Molekylet er upolært. H2O, CO2 og CH4 er alle små molekyler, der findes i atmosfæren, men da vandmolekylet er en dipol, har vand helt kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

δ–

Centrum for negativ ladning

δ–

δ+

δ+ Centrum for positiv ladning

δ–

δ+ δ+

δ–

79

andre egenskaber end de to upolære gasser. Ved de tryk og temperaturforhold, der hersker på Jorden, findes H2O på alle tre tilstandsformer som vanddamp, vand og is. Derfor er vand af helt central betydning for de livsmuligheder, der er her på Jorden. Vi har tidligere set, at vand ikke er blandbart med pentan, terpentin, benzin, olie og fedtstoffer. Pentanmolekylet, C5H12, er opbygget af upolære C#H- og C#C-bindinger. Molekylet er derfor ingen dipol. Benzin og olie er ikke rene stoffer, men blandinger af beslægtede molekyler. De er alle opbygget af molekyler, der er domineret af C#H-bindinger og C#C-bindinger. Sådanne stoffer er altså upolære.

Hvilken bindingstype?

www Download

Eksperimenter

K1-4

Hvilken type stof – ionforbindelse eller ej?

Vi kan forestille os polære bindinger som elektronparbindinger med lidt ionkarakter. Jo større forskel der er i EN-værdi mellem atomerne, desto mere polær er bindingen. Når forskellen i elektronegativitet er over ca. 1,8, trækker atomet med størst elektronegativitet de fælles elektroner helt over til sig, så det bliver til en negativ ion. Atomet med mindst elektronegativitet omdannes derved til en positiv ion. Ionerne holdes sammen af elektrisk tiltrækning, dvs. ved ionbinding. Der er ikke nogen skarp grænse mellem elektronparbindinger og ionbindinger. I praksis kan man dog regne med følgende grove regler, som vist i tabel 4-7.

Tabel 4-7 Bindingstyper og EN-værdier EN Typiske grundstoffer

To ikke-metaller

To ikke-metaller

Metal og ikke-metal

de bindende elektroner deles ligeligt

de bindende elektroner deles ikke ligeligt

det ene atom har afgivet en elektron til det andet atom

Forskel i EN-værdi

0 – 0,5

0,5 –1,8

over 1,8

Bindingstype

upolær elektronparbinding

polær elektronparbinding

ionbinding

Eksempel

H#H

δ+ δ– H#Cl

Na+Cl–

Kemisk binding

80

kend kemien 1

Vands specielle egenskaber kan forklares ud fra hydrogenbindinger mellem molekylerne.

Hydrogenbindinger I nogle stoffer, der er opbygget af polære molekyler, findes der meget stærkere tiltrækning mellem molekylerne end forventet. Det observerer vi fx i vand. Vi har tidligere bemærket, at vand har et meget højere smeltepunkt og kogepunkt end vi skulle forvente ud fra molekylets masse. Vand har også en meget stor overfladespænding, der ligesom et stærkt finmasket netværk af vandmolekyler holder sammen på alle molekyler i en vanddråbe. Elektronparbindingen mellem O-atomet og et H-atom i vandmolekylet er meget polær, fordi der er stor forskel i atomernes elektronegativitet. Det lille H-atom er en pluspol (δ+) og kan tiltrække det ene ledige elektronpar på et nabomolekyles Oatom, som er en minuspol (δ–). Denne tiltrækning mellem hydrogenatomet i et molekyle og oxygenatomet i andet molekyle kaldes en hydrogenbinding. Da både H- og O-atomer er små, bliver tiltrækningen mellem molekylerne relativt stærk. H

O

H

H

H

H

O

H

H

H

O H

O H

O

H

H

O

O H

H H

H

H O

H

O

H

O

H

H

H

H

H

O

H

H

H

O

O H

Smukke krystaller i snefnug er resultatet af symmetrien, der er skabt af hydrogenbindinger mellem vandmolekylerne.

H O

O H

H O H

Figur 4-16 Hydrogenbinding i vand. Da hvert oxygenatom har to ledige elektronpar, kan hvert vandmolekyle danne hydrogenbinding med op til 4 andre vandmolekyler.

N-atomet og F-atomet er også meget elektrontiltrækkende små atomer, der indeholder ledige elektronpar, som kan danne hydrogenbindinger. Hydrogenbindinger optræder kun mellem polære molekyler, hvor den positive ende findes på et hydrogenatom og nabomolekylets negative pol er et N-, O- eller F-atom. Hydrogenbindinger dannes og brydes hele tiden. kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

81

Definition

Hydrogenbindinger Et hydrogenatom, der er bundet til et fluor-, oxygeneller nitrogenatom, tiltrækker et fluor-, oxygen eller nitrogenatom i et andet molekyle.

Tænk selv

Hvor mange hydrogenbindinger kan et ammoniakmolekyle maximalt danne med andre ammoniakmolekyler. Tegn en skitse der illustrerer dit svar.

Tænk selv

Chloratomet har en stor EN-værdi. Alligevel kan det ikke danne hydrogenbindinger til fx vandmolekyler. Hvorfor mon ikke ? Hydrogenbindinger er op til 10 gange stærkere end andre former for tiltrækning mellem molekyler. Men omvendt er hydrogenbindinger dog 10 gange svagere end de elektronparbindinger, der holder atomerne sammen inde i molekylerne. I alle biologisk vigtige molekyler, der indeholder atomerne H og N og O, er hydrogenbindinger afgørende for selve molekylets struktur.

Hydrogenbindinger spiller en stor rolle for mundfornemmelsen af mange fødevarer. I fx is og gele er det hydrogenbindinger mellem vandmolekyler og langkædede molekyler, der holder fast på vandet. Når vi sætter tænderne i en frugtgele, brydes hydrogenbindinger.

DNA DNA-molekylerne, der bærer vores genetiske arv, er kolossalt store molekyler. I Eschericia coli består DNA molekylet af næsten 300 millioner atomer. DNA molekylerne består af to lange kæder. De holdes sammen af hydrogenbindinger i en dobbeltspiral, som ligner en snoet rebstige. Molekylerne er opbygget af 4 forskellige enheder, som hver indeholder en flad nitrogenholdig del (baserne). Hver base kan danne to eller tre hydrogenbindinger til en base på den modstående streng. Det er rækkefølgen af disse enheder, som tilsammen danner den genetiske kode. DNA-molekylet i

82

E. coli holdes således sammen af omkring 12 millioner hydrogenbindinger. Cellerne kopierer DNA’et hver gang de deler sig, derfor åbnes dobbeltspiralen, som en lynlås, ved at hydrogenbindingerne brydes og to nye DNA-strenge syntetiseres af et kompliceret system af enzymer. Det er rækkefølgen af baser på de gamle strenge, som afgør rækkefølgen af nye enheder under syntesen af de nye DNA-strenge.

Figur 4-17 Hydrogenbindinger i DNA’s dobbeltspiral brydes, når spiralen deles i to strenge.

kend kemien 1

T

G C C

A C C

T G G

T C G

A G C

T T A

A A T

A C C

T G G

T

A

A

C T

A

G G

G A T

C T A

A T C

T A G

T T G

A A C

T G T

A C A

A

T

G

C

KendKemien1.qxd

24/08/05

14:10

Side 83

Overblik ionbinding

kemisk binding, der skyldes elektrisk tiltrækning mellem modsat ladede ioner

elektronparbinding

kemisk binding mellem to atomer, der skyldes elektrisk tiltrækning mellem fælles elektronpar og de positive atomkerner

hydrogenbinding

elektrisk tiltrækning mellem et hydrogenatom, der er bundet til et N-, O- eller F-atom i et molekyle, og et andet molekyles N-, O- eller F-atom

Grundstoffer og kemisk forbindelser Salte

Molekylforbindelser

Ionbinding

Elektronparbinding

Atomer af metaller afgiver elektroner

Atomer af ikke-metaller optager elektroner

Atomer af ikke-metaller er fælles om elektronpar

Positiv ion

Negativ ion

Enkeltbinding, dobbeltbinding, tripelbinding

Konstant ladning

Variabel ladning

Enatomioner

Fleratomioner

Upolær elektronpar deles ligeligt

Polær elektronpar deles ikke ligeligt

Na+

Fe2+, Fe3+

Cl–

SO42–

Cl#Cl

+ – H#Cl

kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

83

KendKemien1.qxd

24/08/05

14:10

Side 84

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Læs deklarationen på forskellige slags sportsdrik og på en flaske dansk kildevand. Find ud af, hvilke ioner der findes i drikkene og opskriv ionernes kemiske formler. 2. Hvilke af nedenstående par grundstoffer danner ionforbindelser, a. kalium og brom? b. lithium og oxygen? c. magnesium og argon? d. oxygen og iod? e. calcium og kalium? 3. Skriv kemiske formler for ionforbindelser dannet ud fra nedenstående ioner. Navngiv saltene. Br–

Kildevand indeholder opløste salte.

O2–

N3–

Na+ Mg2+ Al3+ 4. Skriv kemiske formler for ionforbindelser dannet ud fra følgende metaller og ikke-metaller. Navngiv forbindelserne. a. lithium og iod b. calcium og chlor c. barium og oxygen d. aluminium og svovl e. barium og nitrogen. 5. Hvilke ioner indgår der i nedenstående ionforbindelser? a. MgS b. ZnI2 c. Al2O3 e. Ca(OH)2 f. AgNO3 g. K2CO3 i. Al2(SO4)3 j. NaHSO3

d. NH4Cl h. Ca3(PO4)2

6. Anfør de kemiske formler for nedenstående ionforbindelser a. bariumoxid b. lithiumnitrid c. natriumchlorat d. kaliumpermanganat e. calciumcarbonat f. natriumthiosulfat g. jern(III)nitrat h. ammoniumdichromat. 7. Frimærket viser en model af urinstofmolekylet. Tegn molekylets elektronprikmodel. Marker de elektroner, der er bindende elektronpar, og de, der er ledige elektronpar. Vis at alle atomer i molekylet har opfyldt oktetreglen. 8. Tegn elektronprikmodel og strukturformel for hvert af molekylerne: a. I2 b. CHCl3 c. H2S d. H2O2 e. C2H2 f. CH2O g. HNO2 Marker bindende, henholdsvis ledige elektronpar.

I 1828 lykkedes det den tyske kemiker Friedrich Wöhler at laboratoriefremstille urinstof ud fra uorganiske stoffer. Hermed gav han dødsstødet til forestillingen om, at organisk stof besad en »magisk livskraft«.

9. Med skolens molekylbyggesæt skal du fremstille modeller af molekylerne i opgave 8. Argumenter for den rumlige opbygning, som modellerne viser.

84

kend kemien 1

KendKemien1.qxd

24/08/05

14:11

Side 85

10. I fleratomioner holdes atomerne sammen med elektronparbindinger. Tegn elektronprikmodeller for følgende ioner a. OH– b. NH4+ c. ClO– d. H3O+ 2– e. CO3 (en dobbeltbinding og to enkeltbindinger) f. O22–

Opgaver og diskussionsspørgsmål

11. Argumenter for hvilke af nedenstående forbindelser, der har samme rumlige opbygning som ammoniak, NH3. a. PCl3 b. CH3Cl c. BH3 d. H2S 12. Placer symbolerne + og – over atomerne i nedenstående polære elektronparbindinger. a. H#Br b. N#O c. P#Cl d. P#O e. Si#C f. P#Cl 13. Gør rede for hvilke af nedenstående molekyler, der er dipoler. a. I2 b. HF c. NH3 d. H2S e. CCl4 f. CHCl3 14. Gør rede for, om nedenstående par af grundstoffer danner ionbinding, polær elektronparbinding, upolær elektronparbinding eller ingen binding med hinanden. a. Cl og Cl b. Mg og Br c. N og H d. K og O e. O og Ar f. S og Cl 15. Hvilke af nedenstående molekyler kan danne hydrogenbindinger med nabomolekyler af samme slags? a. NH3 b. HCl c. HF d. H2S e. CCl2F2 f. C5H12 g. HCOOH h. CO2 i. CHCl2F 16. Tegn en skitse, der viser hydrogenbindingerne i ethanol, C2H5OH. a. Hvor mange hydrogenbindinger kan hvert ethanolmolekyle danne til andre ethanolmolekyler. b. Sammenlign på denne baggrund kogepunktet for vand og ethanol.

Temperatur i °C 100

H 2O gruppe 16 gruppe 17 HF

0

H2Te SbH3 HI

H2Se H 2S AsH3 HCl HBr

NH3 gruppe 15

GeH4

PH3

–100

SnH4

SiH4 gruppe 14

–200

CH4

2

Periode 3

4

5

www Download Processkrivning Begrebskort

JOZO 100 g bordsalt m/jod Alle indholdsstofferne i bordsalt er ionforbindelser, undtagen vand. I tabellen over den kemiske analyse er ionerne anført uden ladning. a. Anfør ladninger på ionerne. For ioner som kan optræde med to forskellige ladninger anføres begge muligheder. Metalionerne er især bundet som sulfater. b. Opskriv korrekte formelenheder for de mulige metalsulfater. c. Navngiv forbindelserne. JOZO bordsaltet er tilsat KI. d. Gør rede for hvilke ioner stoffet er opbygget af og navngiv ionforbindelsen. Antiklumpningsmidlerne er anført med E-numre. Med udgangspunkt i en E-nummertabel skal du e. gøre rede for, hvad formålet med E-nummerlisten er, f. finde navnene på de to antiklumpningsmidler, der er tilsat bordsalt, g. anføre, hvilke ioner de to antiklumpningsmidler indeholder, og h. anføre en mulig formelenhed for E554.

kemiske bindinger – nøglen til at forstå kemi

85

Reaktionsskemaer. . . . . . . . . . . . . . 88 Formelmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Hvor meget er et mol? . . . . . . . . . . 92 Beregninger ved reaktioner . . . . . . 95 Gasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Sprængstoffer: Nitroglycerin . . . . . . 100 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5

Opsendelse af rumfærge med løfteraketter.

Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Hvor meget stof ? – Reaktioner og stofmængder

Næsten alt, vi køber – brød, sæbe, maling, medicin – indeholder stoffer, der er fremstillet ved industrielle processer. For at opnå et højt udbytte, undgå spild og gøre produktionen rentabel gennemføres disse processer så effektivt som muligt. Denne effektivisering kræver indsigt i de kemiske reaktioner, der er grundlaget for de enkelte trin i produktionen. Ved kemiske reaktioner brydes og dannes kemiske bindinger, efterhånden som udgangsstofferne omdannes til et eller flere produkter. Når vi kender formlerne for de reagerende stoffer og de dannede produkter, kan vi opskrive reaktionen i et reaktionsskema på en overskuelig måde. Som alle ved, er det ikke kun ingredienserne, men i høj grad også blandingsforholdene, der er afgørende for et godt resultat af en madopskrift. For en kemisk reaktion forholder det sig på samme måde, også her må der foreligge en opskrift med angivelse af mængdeforholdene. Ved medicinsk sygdomsbehandling beregnes mængden af et lægemiddel ud fra en recept, så patienten får den rette dosis. Hvis vi skal beregne den mængde stof, der kan fremstilles ved en kemisk reaktion, må vi kende antallet af molekyler eller ioner, før reaktionen sættes i gang. Men selv meget små mængder stof indeholder så mange atomer, ioner eller molekyler, at det er helt umuligt at tælle dem. Derimod er det nemt at afveje en mængde stof med stor præcision. Vi har altså brug for en metode til at tælle atomer ved at veje afmålte mængder. Et lignende, men knap så stort problem kendes fra bankerne, hvor personalet ikke sættes til at tælle mønter manuelt, når kassen skal gøres op. Det arbejde overlades til sorteringsmaskiner. En møntsorteringsmaskine tæller mønter ved at veje dem. Automater, hvor der sælges slik, kolde drikkevarer mm., tæller også pengene ved at veje de indkastede mønter. På denne måde kan automaten også give penge retur. Tælle ved at veje Lav et forsøg med dine mønter, der viser princippet at »tælle ved at veje«. Hvis din formue begrænser sig til meget få mønter, kan du forhåbentlig låne hos familie eller venner.

hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

Rigtig dosering af tabletter er vigtig for at opnå den bedste effekt af et smertestillende lægemiddel.

Sortering af mønter i banken. Forsøg selv

87

Reaktionsskemaer

Glødende trækul afgiver carbondioxid under tilberedning af mad på en grill. Figur 5-1 Lige mange carbonatomer og molekyler dioxygen reagerer med hinanden.

Trækul består hovedsageligt af carbon, C. Når glødende trækul forbrændes fuldstændigt, dannes gassen carbondioxid, CO2. Der er flere måder, hvorpå vi kan beskrive denne reaktion. Vi kunne fx vælge at gøre rede for de bindinger, der brydes og dannes. Eller vi kunne nøjes med sætningen: »Carbon reagerer med dioxygen og danner carbondioxid«. Det er dog ikke tilstrækkeligt, vi vil også kende forholdet mellem antallet af reagerende og dannede partikler. Ved carbons forbrænding dannes der et molekyle carbondioxid af et carbonatom og et dioxygenmolekyle + C

O2

CO2

I et reaktionsskema indgår kemiske formler og en reaktionspil C(s) + O2(g) reaktant(er)

→

produkt(er)

CO2(g)

Stofferne, der er til stede før den kemiske omdannelse finder sted, kaldes reaktanter og skrives til venstre for reaktionspilen. De stoffer, der dannes ved den kemiske omdannelse, kaldes produkter. Reaktionspilen angiver, at der finder en reaktion sted. Pilen læses »reagerer og giver«. Et »+« læses som »og«. Naturgas, der hovedsageligt består af methan, CH4, brænder let. Ved forbrændingen dannes gasserne carbondioxid og vanddamp.

Methan brænder med blå flamme. Tilføres for lidt dioxygen, bliver flammen gul, og der dannes sodpartikler af carbon.

88

→

kend kemien 1

Indsætter vi formlerne for reaktanter og produkter, får vi et foreløbigt reaktionsskema CH4 + O2

→

CO2 + H2O

ikke afstemt

Da atomer hverken kan forsvinde eller opstå ved en kemisk reaktion, skal antallet af hver slags atom være det samme på begge sider af reaktionspilen. Vi ser, at der er lige mange Catomer på begge sider af reaktionspilen, så antallet af C-atomer stemmer. Men det er ikke tilfældet med hydrogenatomer og oxygenatomer. Reaktionsskemaet er derfor ikke afstemt. Vi afstemmer nu hydrogenatomerne, idet der skal være 4 af dem på hver side af reaktionspilen. Der må ikke ændres på stoffernes formler, derimod kan antallet af molekyler justeres. Hvis vi skriver to vandmolekyler på højre side ved at sætte et 2-tal foran H2O, stemmer antallet af H-atomer CH4 + O2

→

CO2 + 2H2O

ikke afstemt

Nu mangler vi kun at få afstemt O-atomerne. Der er to på venstre side og fire på højre side af reaktionspilen. Der må altså indgå 2 dioxygenmolekyler i reaktionen, så vi skriver et 2-tal foran O2. Resultatet er CH4 + 2 O2

→

CO2 + 2H2O

Tallene foran de kemiske formler kaldes koefficienter, og de skrives normalt som små hele tal. Foran CH4 og CO2 kunne vi vælge at skrive et 1-tal. Det gør man bare ikke, da koefficienten 1 er underforstået i begge tilfælde. Ved at ændre koefficienterne foran formlerne har vi afstemt reaktionsskemaet. Koefficienterne viser forholdet mellem antallet af molekyler, der reagerer med hinanden, eller som dannes ved reaktionen. Til forbrænding af et molekyle methan bruges to molekyler dioxygen, dvs. at de to stoffer reagerer i forholdet 1:2. Vi ser også, at der dannes dobbelt så mange molekyler vand som carbondioxid. Ved afbrænding af methan omsættes et meget stort antal molekyler. Men det ændrer ikke på forholdet mellem antal reagerende molekyler – og derfor heller ikke på koefficienterne. Derfor er reaktionsskemaet for gassernes reaktion på makroniveau det samme som for de enkelte molekyler, blot med tilføjelse af stoffernes tilstandsform CH4(g) + 2O2(g)

→

CO2(g) + 2H2O(g)

hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

Marie Anne og Antoine Lavoisier (1743-94) I strid med den tids opfattelse mente Antoine Lavoisier, at mængden og arten af grundstoffer ikke ændres ved kemiske reaktioner. Han skabte grundlaget for den moderne kemi i sidste tredjedel af det 18. århundrede. Under Den Franske Revolution blev han guillotineret, hvortil en af dommerne bemærkede: »Republikken har hverken brug for videnskabsmænd eller kemikere«. Matematikeren Laplace skal have udtalt dagen efter henrettelsen: »Et sådant hoved kan hugges af på et sekund, men det tager 100 år, inden vi finder et, der er lige så godt«.

Afstemt reaktionsskema på mikroniveau

+

+

Figur 5-2 Når et molekyle methan reagerer med dioxygen, dannes et molekyle carbondioxid og to molekyler vand.

Afstemt reaktionsskema på makroniveau

89

Tænk selv

Tjek om figur 5-3 passer med reaktionsskemaet for methans forbrænding. Stemmer tegningerne overens med reaktionsforholdet 1:2? Figur 5-3 Methan- og dioxygenmolekyler i reaktionsbeholder til venstre.

Før forbrænding

Efter forbrænding

Antallet af atomer af hvert grundstof er uændret ved en kemisk reaktion. Et reaktionsskema er afstemt, hvis det opfylder loven om grundstoffernes bevarelse: Definition

Tænk selv

Antallet af atomer af hvert grundstof er ens på begge sider af reaktionspilen.

Afstem det ufuldstændige reaktionsskema og læs det højt med navnene på stofferne (C3H8 hedder propan og findes i lightergas). ikke afstemt a. H2(g) + O2(g) → H2O(g) b. C3H8(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g) ikke afstemt

Formelmasse

Lysstaven ændrer ikke masse ved den kemiske reaktion inde i staven.

I periodesystemet kan vi finde de forskellige grundstoffers atommasse. Vi har tidligere omtalt (side 45), at atommassen er en gennemsnitsmasse af atomerne i grundstoffets naturlige isotopblanding. Ved en kemisk reaktion er massen af stofferne efter reaktionen den samme som massen af de stoffer, der var til stede før reaktionen. Når atomer danner kemiske bindinger med hinanden, er det ikke muligt at måle nogle ændringer i deres masse. Ud fra grundstoffernes atommasser kan vi derfor beregne massen af en formelenhed af et hvilket som helst stof, dvs. massen af den mindste mængde af det pågældende stof. Massen af et vandmolekyle finder vi ved at addere atommassen af de to H-atomer og af O-atomet. Resultatet er 2 · 1,008 u + 16,00 u = 18,02 u

Formelmassen er massen af en formelenhed

90

Denne masse kaldes vands formelmasse og angives i enheden u. Da en formelenhed vand er et vandmolekyle, kaldes formelmassen også vands molekylmasse. kend kemien 1

Et stofs formelmasse er lig med summen af de indgående atomers masser. Enheden er u.

Definition

Druesukker er det samme som glucose, C6H12O6. En formelenhed druesukker er altså et molekyle glucose. Formelmassen beregnes til 6 · 12,01 u + 12 · 1,008 u + 6 · 16,00 u = 180,16 u I denne bog angives atommasser normalt med to decimaler, for hydrogen medtager vi dog tre, 1,008 u. Ved meget store formelmasser undlader vi undertiden decimalerne. Natriumnitrits formelmasse En formelenhed natriumnitrit, NaNO2, består af én Na+-ion og én NO2–-ion. Formelmassen beregnes ved at addere atommasserne for alle atomer i formlen

Eksempel 5-1

22,99 u + 14,01 u + 2 · 16,00 u = 69,00 u Nogle former for bagepulver indeholder ammoniumcarbonat, (NH4)2CO3. Hvor stor er stoffets formelmasse? Ved en kemisk reaktion reagerer stofferne i konstante mængdeforhold, der fremgår af det tilhørende reaktionsskema. Men i laboratoriet afvejes ofte nogle gram af stofferne, så vi har brug for en metode til at udregne antallet af atomer, ioner eller molekyler, når massen er kendt. Stoffernes formelmasser sætter os i stand til at sammenligne antallet af formelenheder for to stoffer, når vi kender massen af stofferne. Vi sammenligner vand, H2O, med glucose, C6H12O6. Beregninger af de to stoffers formelmasser viser, at et glucosemolekyle vejer 10 gange så meget som et vandmolekyle, se tabel 5-1. Hvis vi vil afveje lige mange molekyler af de to stoffer, skal massen af den afvejede glucose være 10 gange så stor som massen af det afvejede vand. Vi kan derfor være sikre på, at fx 180 g glucose indeholder lige så mange sukkermolekyler, som der er vandmolekyler i 18 g vand. Vi kan videreføre denne tankegang til alle stoffer. I fx 14,01 g N, 35,45 g Cl og 107,87 g Ag er der lige så mange atomer som i 12,01 g C. Hvis der for hvert grundstof afmåles portioner, der vejer lige så mange gram som talværdien af dets atommasse, vil hver portion indeholde præcis lige mange atomer. Antallet vil være det samme som antal C-atomer i 12,01 g carbon. Vi beregner antal C-atomer i 12,01 g carbon. I 12,01 g carbon finder vi antallet af atomer ved at dividere massen hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

Tænk selv

Nogle læskedrikke indeholder glucose, der hurtigt optages i blodet og virker opkvikkende med det samme. Tabel 5-1 Sammenligning af formelmasser Stof

Molekylformel

vand glucose

H2O C6H12O6

Formelmasse (afrundet) 18 u 180 u

91

12,01 g med massen af ét C-atom, 12,01 u. Fra side 44 ved vi, at 1 u i enheden gram er givet ved 1 u = 1,66 · 10–24 g Hvert C-atom vejer derfor 12,01 · 1,66 · 10–24 g. Antallet af C-atomer i 12,01 g carbon er derfor Tabel 5-2 Antal i flere sammenhænge Samling af varer En sangtrio En kasse vin En snes æg En kasse dåsesodavand En kasse øl En pakke papir Et mol atomer Et mol ioner Et mol molekyler

Antal 3 sangere 12 flasker 20 æg 24 ds. sodavand 30 flasker 500 ark papir 6,02 · 1023 atomer 6,02 · 1023 ioner 6,02 · 1023 molekyler

Definition

12,01 g 12,01 g = 6,02 · 1023 = 12,01 u 12,01 · 1,66 · 10–24 g

Vi vender tilbage til dette svimlende store tal i næste afsnit.

Hvor meget er et mol? Netop fordi de enkelte atomer vejer så lidt og findes i et enormt antal i selv få mikrogram stof, indføres en enhed til at angive et meget stort antal atomer, ioner eller molekyler. Enheden hedder et mol (udtales med lukket o som i sol). Der gælder: Stofmængden et mol er 6,02 · 1023 formelenheder. En formelenhed kan være et C-atom i carbon, de to ioner Na+ og Cl– i natriumchlorid eller et CO2-molekyle. I kemi regnes stofmængderne altså i portioner af 6,02 · 1023 atomer, ioner eller molekyler. Tallet 6,02 · 1023 kaldes Avogadros tal efter den italienske fysiker Amadeo Avogadro. Ingen mennesker kan fatte størrelsesordenen 1023. Tallet 6,02 · 1023 er det samme som 6,02 · 105 · 109 · 109 eller seks hundrede og to tusinde milliarder milliarder. Udregner vi universets alder i sekunder, kommer vi til en meget mindre talværdi end 6,02 · 1023 (tjek selv). Og var man begyndt at samle på C-atomer med en fart på 1 atom pr. sekund ved Jordens skabelse for 4,5 milliard år siden, ville man i dag være kommet op på omkring 3 mikrogram grafit (1,4 · 1017 atomer), næppe nok til at se med det blotte øje.

Amadeo Avogadro (1776-1856) Italiensk fysiker, der blev ignoreret af sin samtid. Han blev anerkendt fire år efter sin død for sin hypotese, nu kaldet Avogadros lov: »Lige store volumener af forskellige gasser ved samme temperatur og tryk indeholder lige mange molekyler”. Hans lov blev grundlaget for at bestemme atommasser i 1800-tallet.

92

Figur 5-4 Danmark har et areal på 43.000 km2. Hvis et sandkorn fylder 0,10 mm3, vil et mol sandkorn spredt jævnt ud over landet rage omkring 1,4 km op i luften. kend kemien 1

KendKemien1.qxd

22/08/05

9:02

Side 93

Udmål længden af en papirclips. Hvor mange gange vil en kæde af et mol sammenhæftede clips kunne nå rundt om Jorden (omkreds på 40.000 km).

Tænk selv

Tabel 5-3 Typer af partikler i et mol stof Stof

Antal

1 mol carbon 1 mol natrium 1 mol dichlor 1 mol natriumchlorid 1 mol vand 1 mol druesukker

6,02 · 1023 C-atomer 6,02 · 1023 Na-atomer 6,02 · 1023 Cl2-molekyler 6,02 · 1023 Na+-ioner og 6,02 · 1023 Cl–-ioner 6,02 · 1023 H2O-molekyler 6,02 · 1023 C6H12O6-molekyler

Stofmængde er en fysisk størrelse ligesom fx masse og volumen. Symbolet for stofmængde er n. En portion køkkensalt på 0,10 mol natriumchlorid skrives (med talværdi og enhed)

Et mol stof. Fra venstre mod højre: Svovl, kobber, kobber(II)sulfat og vand.

n(NaCl) = 0,10 mol I en ballon findes 1,25 · 1024 He-atomer. Hvor stor er stofmængden af helium i ballonen?

Tænk selv

Molar masse På side 92 beregnede vi, at 12,01 g carbon indeholder 6,02 · 1023 C-atomer. Vi dividerede de 12,01 g med carbons atommasse 12,01 u. Et mol carbon vejer altså 12,01 g. Dette resultat skyldes, at omregningsfaktoren fra u til g netop er 6,02 · 1023. På tilsvarende måde finder vi, at et mol vand vejer 18,02 g, da vands formelmasse er 18,02 u. Massen af et mol stof er altså den samme i gram som talværdien af stoffets formelmasse. Massen af vand pr. mol vand kaldes vands molare masse. Den er M(H2O) =

18,02 g = 18,02 g/mol 1 mol

Denne størrelse er en stofkonstant og har enheden g/mol. Beregn glucoses molare masse. Formlen er C6H12O6.

Tænk selv

Hvis vi hælder 0,30 mol vand op i et glas, skrives stofmængden af vand n(H2O) = 0,30 mol Heliumballon. hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

93

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 94

Jo større stofmængde, n, der afmåles, desto mere vejer vandet. Skal vi beregne massen af 0,30 mol vand, ganger vi vands molare masse med stofmængden 0,30 mol. m(H2O) = 18,02 g/mol · 0,30 mol = 5,40 g At massen, m, vokser med n udtrykkes matematisk i formel (1) m=M·n

m=M·n stofmængde i mol molar masse i gram pr. mol

(1)

masse i gram

Konstanten eller proportionalitetsfaktoren M er stoffets molare masse.

Eksempel 5-2

Hydrogenperoxid Hydrogenperoxid eller brintoverilte bruges til affarvning af hår og til at rense sår. I en flaske med 100 g opløsning findes 0,088 mol H2O2. Hvor meget vejer indholdet af H2O2? SVAR

Først beregnes den molare masse for H2O2

M(H2O2) = (2·1,01 g/mol + 2·16,00 g/mol) = 34,02 g/mol Dernæst indsætter vi i formel (1) og får m(H2O2) = 34,02 g/mol · 0,088 mol = 2,994 g ≈ 3,0 g

Affarvning af hår med hydrogenperoxid.

Isoleres n i formel (1), får vi n= www Download!Data!Beregninger! Hvor meget stof? Tænk selv

m M

(2)

Denne formel bruges til at udregne stofmængden n, når vi kender massen af et stof. Chippen på billedet vejer 5,68 mg. Den er lavet af silicium. Hvor stor er mængden af silicium? Hvor mange siliciumatomer findes der i chippen?

Chip på afveje.

94

kend kemien 1

Beregninger ved reaktioner Beregninger af stofmængder ved en kemisk reaktion forudsætter, at vi kender det afstemte reaktionsskema. Ved lynnedslag reagerer luftens dioxygen med dinitrogen og danner nitrogenoxid, NO.

Atmosfærisk luft består hovedsageligt af gassen dinitrogen, N2. Ved den høje temperatur, der er i en bilmotor, forbrændes lidt dinitrogen til nitrogenoxid, NO. Det afstemte reaktionsskema er N2(g) + O2(g)

→

2NO(g)

Af reaktionsskemaet ser vi, at 1 mol dinitrogen og 1 mol dioxygen danner 2 mol nitrogenoxid. Koefficienterne i reaktionsskemaet angiver altså forholdet mellem stofmængderne af de reagerende stoffer, som er 1:1. Lige store stofmængder af de to gasser N2 og O2 kaldes ækvivalente mængder, fordi deres mængdeforhold er det samme som forholdet mellem koefficienterne i reaktionsskemaet. Reaktionsskemaet angiver også, at der dannes dobbelt så meget NO, som der omsættes af N2. Den ækvivalente stofmængde af dannet NO er altså dobbelt så stor som stofmængden af reageret N2, fordi forholdet mellem koefficienterne til N2 og NO er 1:2. Når NO-gassen afkøles, kan nitrogenoxid reagere med luftens overskydende dioxygen, hvorved der dannes nitrogendioxid 2NO(g) + O2(g)

→

2NO2(g)

Hvad er forholdet mellem de ækvivalente stofmængder af NO2 og O2 ved nitrogenoxids reaktion med dioxygen? Hvad er den ækvivalente mængde dioxygen til 1 mol NO? hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

Tænk selv

95

Eksempel 5-3

Propan Vi vil beregne massen af den mængde CO2, der dannes ved forbrænding af 100 g propan. De fem trin 1 Opskriv det afstemte reaktionsskema for reaktionen. C3H8(g) + 5O2(g)

→

3CO2(g) + 4H2O(g)

2 Skriv den opgivne masse under formlen for propan. C3H8(g) + 5O2(g) Flaskegas bruges til opvarmning. Herved omdannes gassen til carbondioxid og vand.

→

3CO2(g) + 4H2O(g)

m 100 g

3 Udregn stofmængden af propan. Den molare masse af propan beregnes til M(C3H8) = (3 · 12,01 + 8 · 1,008) g/mol = 44,09 g/mol n(C3H8) =

m(C3H8) 100 g = M(C3H8) 44,09 g/mol

= 2,268 mol C3H8(g) + 5O2(g)

→

3CO2(g) + 4H2O(g)

m 100 g M 44,09 g/mol n 2,268 mol 4 Udregn stofmængden af dannet stof ud fra reaktionsskemaets koefficienter. Forholdet mellem stofmængderne af omsat propan og dannet carbondioxid er 1:3. Vi får 3 gange 2,268 mol carbondioxid. C3H8(g) + 5O2(g) m 100 g M 44,09 g/mol n 2,268 mol

→

3CO2(g) + 4H2O(g)

6,804 mol

5 Udregn massen af dannet stof ud fra stofmængden. Den molare masse for carbondioxid M(CO2) findes til 44,01 g/mol. Ved at bruge formel (1) side 94 får vi m(CO2) = M(CO2) · n(CO2) = 44,01 g/mol · 6,804 mol = 299 g 96

kend kemien 1

Beregningstrin 2 til 5 kan sammenfattes i en tabel under det afstemte reaktionsskema. Bemærk, at det kun er i trin 4, at koefficienterne i reaktionsskemaet benyttes C3H8(g) + 5O2(g) m 100 g M 44,09 g/mol n 2,268 mol

→

2

3CO2(g) + 4H2O(g) 299 g

5

44,01 g/mol

3

6,804 mol

4

Svaret på den stillede opgave er, at der dannes 299 g carbondioxid ved forbrænding af 100 g propan. Rækkefølgen i beregningerne ovenfor har været masse propan

stofmængde propan

stofmængde carbondioxid

masse carbondioxid

Derfor kaldes beregningsmetoden populært for »vejen over stofmængder«. Udregn massen af det dannede vand ved forbrændingen af 100 g propan.

Vejen over stofmængder

Tænk selv www

Udbytte

Download

Massen af carbondioxid, vi har udregnet ovenfor ved forbrændingen af propan, er den størst mulige og kaldes det teoretiske udbytte af CO2 ved reaktionen. Når kemiske reaktioner forløber i laboratoriet eller i stor skala på en fabrik, bliver udbyttet lavere end den teoretiske værdi. Grunden hertil kan fx være sidereaktioner og tab af stof ved adskillelse af stofferne efter reaktionen. Ved det procentiske udbytte af en reaktion forstås det praktiske udbytte i procent af det teoretiske udbytte.

Eksperimenter

K1-5

Natriumhydrogencarbonats omdannelse

Den begrænsende reaktant I praksis findes de reagerende stoffer sjældent i ækvivalente mængder. Ofte vil et af stofferne findes i overskud, således at det ikke omsættes fuldstændigt. Det stof, der er i underskud, og som bestemmer det teoretiske udbytte, kaldes den begrænsende reaktant.

hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

97

Tænk selv

www Opgaver Data og beregninger Mængdeberegninger

Dihydrogen fremstilles ud fra methan og vanddamp ved høj temperatur CH4(g) + H2O(g)

→

CO(g) + 3H2(g)

Hvilket stof er den begrænsende reaktant, når 100 g methan blandes med 100 g vanddamp? Hvor stor en stofmængde CO kan dannes?

Gasser Figur 5-5 Molekylerne i en gas bevæger sig kaotisk.

Når vi blæser luft i en ballon, udvider den sig. Samtidig bliver den også hårdere at trykke på, dvs. trykket af gassen vokser. Det skyldes, at ballonen bliver mindre elastisk, jo mere den pustes op. Binder vi en knude på ballonen og opvarmer den, udvider den sig også.

Molart volumen Volumenet af en gas afhænger af stofmængden, trykket og temperaturen. Ved et bestemt tryk og en bestemt temperatur er volumenet, V, proportionalt med stofmængden. Det udtrykkes i formlen V = Vm · n

(3)

Vm kaldes det molare volumen, dvs. volumenet pr. mol gas. For alle gasser gælder med god tilnærmelse, at det molare volumen er 24,4 liter pr. mol ved trykket 1 bar og temperaturen 20 °C. I tabel 5-4 er angivet værdien af det molare volumen for en gas ved forskellige temperaturer, men samme tryk 1 bar.

Volumen af et mol gas ved 20 ˚C og trykket 1 bar er 24,4 L. Til sammenligning ses en basketball.

Ballonen kollapser, når den anbringes i flydende dinitrogen ved –196 °C.

98

kend kemien 1

Airbags

Eksempel 5-4

De fleste airbags blæses op med dinitrogen, der dannes ved spaltning af natriumazid.

Biler er forsynet med airbags, der ved frontalt sammenstød eller kraftig kollision i sidedørene blæses op på ca. 40 millisekunder. Mange airbags indeholder det eksplosive natriumazid, NaN3, der via en tændspole spaltes til natrium og dinitrogen ved kraftig stødpåvirkning →

2NaN3(s)

2Na(s) + 3N2(g)

En airbag indeholder 100 g natriumazid. Hvor stort er volumenet af dinitrogen efter spaltningen, når trykket er faldet til 1,0 bar og temperaturen til 20 °C i airbaggen? SVAR

Stofmængden af natriumazid beregnes til

n(NaN3) =

m(NaN3) 100 g = M(NaN3) 65,02 g/mol

= 1,54 mol Forholdet mellem de ækvivalente stofmængder af N2 og NaN3 er 3:2, dvs. der dannes 1,5 mol dinitrogen for hver 1 mol spaltet natriumazid. Stofmængden af dinitrogen udregnes til

Tabel 5-4 Molart volumen ved 1 bar Temperatur i °C

Vm i L/mol

0 10 20 30 40

22,7 23,5 24,4 25,2 26,0

n(N2) = 1,5 · 1,54 mol = 2,31 mol Volumenet af dinitrogen bliver ifølge formel (3) V(N2) = Vm · n(N2) = 24,4 L/mol · 2,31 mol = 56,4 L V(N2) ≈ 56 L Det dannede dinitrogen i airbaggen fylder altså 56 liter ved almindeligt tryk og stuetemperatur. hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

99

Tænk selv

Det påstås, at alverdens drøvtyggere årligt afgiver 60 millioner tons af drivhusgassen methan, CH4. Hvis det er sandt, hvor meget fylder denne gasmængde da ved 10 °C og trykket 1 bar?

Køer afgiver store mængder af drivhusgassen methan.

Når vi skal bestemme stofmængden af en gas, er det ofte nemmere at måle gassens volumen i stedet for dens masse. Isolerer vi n i formel (3), kan stofmængden udregnes af formlen www Download

Eksperimenter

K1-5

Lightergas – hvad er det? Magnesiums molare masse

n=

V Vm

Som tidligere omtalt har Vm i formlen med god tilnærmelse samme værdi for alle gasser.

Sprængstoffer: Nitroglycerin Når væsker eller faste stoffer reagerer og danner gasser, kan volumenet blive forøget flere tusinde gange. Mens et mol gas fylder omkring 24 L ved stuetemperatur og normalt tryk, kan et mol væske som regel opbevares i en 100 mL flaske. Et mol vand vejer som bekendt 18 g og fylder derfor kun 18 mL. Virkningen af den yderst eksplosive væske nitroglycerin illustrerer dette forhold udmærket. Blot ved det mindste stød eller slag eksploderer væsken, der omdannes fuldstændigt til gasser. Visse hjertepatienter indtager tabletter med lidt nitroglycerin for at styrke 4C3H5(NO3)3(l)

→

hjertemuskulaturen. Stoffet udvider hjertets kranspulsåre, nedsætter trykket i de øvrige blodkar og reducerer hjertets arbejde. Nitroglycerin har formlen C3H5(NO3)3. Den molare masse er 227,09 g/mol, og væskens densitet er 1,59 g/mL. Når nitroglycerin udsættes for en chokbølge fra en detonator, spaltes væsken til små gasmolekyler. Hvis detonationstemperaturen er 3000 ˚C, vil 0,5 L nitroglycerin omdannes til en gasblanding på knap 8000 L ved trykket 1 bar.

12CO2(g) + 10H2O(g) + 6N2(g) + O2(g)

Eksplosion med nitroglycerin eller dynamit.

100

(4)

kend kemien 1

Overblik afstemt reaktionsskema

antal atomer af hvert grundstof er ens på begge sider af reaktionspilen den samlede ladning er ens på begge sider af reaktionspilen

formelmasse

masse af en formelenhed

stofmængde, n

portion af stof regnet i enheden mol

molar masse, M

masse af et stof pr. mol stof

masse, m

m=M·n

ækvivalente mængder

stofmængder af reaktanter blandet i et mængdeforhold, der er det samme som koefficienterne i det tilhørende reaktionsskema

procentisk udbytte

praktisk udbytte i procent af det teoretiske udbytte

begrænsende reaktant

reaktant, der bestemmer mængden af omsat stof ved en kemisk reaktion

molart volumen, Vm

volumen af en gas pr. mol gas; afhænger kun af tryk og temperatur

volumen af en gas, V

V = Vm · n

hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

101

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Afstem følgende reaktionsskemaer a. N2(g) + O2(g) → NO(g) b. N2(g) + H2(g) → NH3(g) c. Al(s) + Cl2(g) → AlCl3(s) d. P4(s) + O2(g) → P4O10(s)

ikke afstemt ikke afstemt ikke afstemt ikke afstemt

2. Afstem følgende reaktionsskemaer a. Mg(s) + HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) b. Fe2O3(s) + C(s) → Fe(s) + CO2(g)

ikke afstemt ikke afstemt

3. Aluminium danner et beskyttende lag af aluminiumoxid, Al2O3, når metallet udsættes for atmosfærisk luft. Det hvide, faste stof hindrer, at der sker yderligere reaktion mellem aluminium og dioxygen – derfor forgår dåser af aluminium ikke på samme måde som jern, der ruster. Skriv det afstemte reaktionsskema for dannelsen af Al2O3. Det »rå«, ikke afstemte reaktionsskema er Al(s) + O2(g)

→

Al2O3(s)

4. Beregn formelmassen for a. NaHCO3 (natron)

Brugte aluminiumsdåser.

ikke afstemt

b. Al2(SO4)3 (antiperspirant)

5. Calciumchlorid, CaCl2, sælges som et fint, hvidt pulver til at »tørre« organiske opløsningsmidler, dvs. fjerne rester af vand fra et organisk opløsningsmiddel i forbindelse med adskillelse af stoffer. Calciumchlorid kan binde 6 molekyler vand pr. formelenhed, formlen er CaCl2·6H2O. Beregn masseprocenten af vand i CaCl2·6H2O. 6. Hvor stor en stofmængde er a. 1,204 · 1024 sølvatomer? c. 4,82 · 1022 guldatomer?

b. 1,204 · 1024 blyatomer?

7. Hver femte sekund indånder vi omkring en halv liter luft. Hvor stor en stofmængde O2 indånder vi ved en vejrtrækning, hvis luften indeholder 2,6 · 1021 molekyler dioxygen?

Deodorant, der også er en antiperspirant.

! 8. En tablet mod hovedpine indeholder 1,8 · 1021 molekyler acetylsalicylsyre, der har formlen C9H8O4. a. Hvor mange oxygenatomer er der i acetylsalicylsyre i en tablet? b. Hvor stor er stofmængden af acetylsalicylsyre i en tablet? c. Hvor stor er stofmængden af oxygenatomer i en tablet 9. Beregn massen af a. 0,0042 mol O2 c. 0,020 mol FeSO4·7 H2O (mosfjerner) e. 0,20 mol natriumcarbonat

Aspirin.

b. 0,25 mol CH4 d. 0,25 mol carbondioxid f. 0,10 mol eddikesyre.

10. Hvor meget skal man afveje af følgende stoffer for at få et millimol af a. kobber, Cu? b. kalk, CaCO3? c. kinin, C20H24N2O2? 11. Hvor stor en stofmængde er a. 1,97 g guld? b. 100 mg selen (to gange anbefalet daglig dosis)? 12. Hvor stor en stofmængde er a. 0,058 g salt, NaCl? c. 0,50 g ascorbinsyre, C6H8O6?

102

kend kemien 1

b. 7,0 g kaliumhydroxid, KOH?

KendKemien.qxd

22/08/05

9:10

Side 103

13. Hvilken af de afmålte mængder stof indeholder flest atomer, hvis mængderne da ikke er lige store, a. 50 g carbon eller 70 g silicium? b. 1 g Au eller 1 g Hg? c. 3,0 · 1021 Au-atomer eller 3,0 · 1021 Pt-atomer?

Opgaver og diskussionsspørgsmål

14. Aspartam bruges som sødemiddel i sukkerfri sodavand. Det smager 160 gange så sødt som almindeligt sukker (sucrose). Molekylets formel er C14H18N2O5. a. Beregn aspartams molekylmasse. b. Hvor meget vejer 1,56 mol aspartam? c. Hvor stor en stofmængde er 10 mg aspartam? d. Hvor mange molekyler er der i 10 mg aspartam? 15. Forbrænding af 2,60 mol af gassen carbonoxid sker med dioxygen i overskud ifølge reaktionsskemaet 2CO(g) + O2(g)

→

2CO2(g)

a. Hvor stor er stofmængden af dannet carbondioxid? b. Hvor meget dioxygen bruges til forbrændingen?

Sodavand sødet med aspartam.

16. Ammoniak fremstilles ud fra dinitrogen og dihydrogen. I en beholder blandes 28 g N2(g) med 8 g H2(g). Reaktionen forløber hurtigt med en katalysator N2(g) + 3H2(g) a. b. c. d.

→

2NH3(g)

En af reaktanterne er i overskud. Hvilken? Hvor stor er massen af den overskydende reaktant efter reaktion? Hvad er det teoretiske udbytte af ammoniak? Hvis det viser sig, at der dannes 17 g ammoniak, hvor stort er da udbyttet i procent af det teoretiske?

17. Hvor stof er stofmængden af luft i en tom mælkekarton (1L) ved 1 bar og 20 °C? Varianter af oxygen Gassen oxygen er normalt opbygget af dioxygenmolekyler, men kan også bestå af ozonmolekyler eller frie oxygenatomer. I tre beholdere, A, B og C, findes 1 g af henholdsvis O2-molekyler, O3-molekyler og O-atomer. A. I hvilken beholder, hvis nogen overhovedet, findes der flest partikler? B. I hvilken beholder, hvis nogen overhovedet, findes der flest molekyler? C. I hvilken beholder, hvis nogen overhovedet, findes der flest oxygenatomer? Formelmasse og molbegrebet A. I nogle sammenhænge er formelmasse det samme som molekylmasse. For nogle stoffer har det ingen mening at tale om molekylmasse. Hvornår bruger vi begrebet formelmasse, og hvornår bruger vi begrebet molekylmasse? B. Hvad er definitionen på et mol af et stof? Hvad bruges molbegrebet til ved kemiske beregninger? C. Hvorfor har lige store stofmængder af forskellige stoffer ikke samme masse? Chokoladekage En elev har afmålt: 1,5 kg mørk chokolade, 1 kg smør, 1 kg mandler, 24 æggeblommer, 1 kg lyst rørsukker, 0,5 L orangemarmelade, 2 dL piskefløde, 24 æggehvider. Hvor mange chokoladekager kan det blive til? Hvad er den begrænsende ingrediens? hvor meget stof? – reaktioner og stofmængder

Opskriften på en kage lyder 350 g mørk chokolade, 200 g smør, 250 g mandler, 7 æggeblommer, 250 g lyst rørsukker, 1 dL orangemarmelade, 1/2 dL piskefløde, 7 æggehvider.

103

Methanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Organisk kemi . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Propanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Hvordan navngives alkoholer?. . . . 110 Alkoholers egenskaber . . . . . . . . . 113 Cykliske alkoholer . . . . . . . . . . . . . . . 114 Alkoholer, flere #OH-grupper . . . 115 Polyoler og tyggegummi. . . . . . . . . . . 116 Alkohol som brændstof . . . . . . . . . 116 Antabus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Inddeling af alkoholer . . . . . . . . . . 119 Oxidation af alkoholer . . . . . . . . . . . 120 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6

Al destilleret alkohol passerer igennem den aflåste »Spirit safe«, hvortil kun det skotske toldvæsen, »Customs and Excise«, har nøglen. Billedet er fra Bowmore.

Ethanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Alkoholer – organisk kemi

Ethanol er det stof, der i daglig tale kaldes alkohol. Ethanol er den berusende bestanddel i øl, vin og spiritus og hører ligesom fx methanol til en gruppe af stoffer, der inden for kemien betegnes alkoholer. Alkoholer udgør kun en lille del af de forbindelser, som indeholder carbonatomer. Denne type forbindelser kaldes for organiske stoffer, fordi man indtil begyndelsen af 1800-tallet havde den opfattelse, at visse molekyler besad en slags livskraft. Derfor troede man, at organiske stoffer kun kunne dannes i levende organismer og ikke kunne fremstilles i laboratoriet. I dag ved vi, at dette er forkert, men betegnelsen »organisk« hænger ved. Ethanol findes i husholdningssprit, der bruges til rengøring; det er nemlig et fremragende opløsningsmiddel med en masse anvendelser. Mange har prøvet at få harpiks på tøj og hud og erfaret, hvor svært det er at få af igen. Prøv følgende eksperimenter. Forsøg at opløse små stykker af harpiks fra fx fyrretræ i vand, husholdningssprit (alkohol) og rensebenzin. Hvilket opløsningsmiddel er bedst? Forsøget kan også udføres ved, at man påfører huden lidt harpiks fra en frisk grangren. Harpiksen forsøges så fjernet med køkkenrulle fugtet i de samme opløsningsmidler.

Forsøg med opløsning af harpiks i vand, ethanol og rensebenzin.

alkoholer – organisk kemi

alkohol (gr.): flygtig væske

Tænk selv

Man har i århundreder fremstillet lak ved at opløse harpiks fra forskellige planter i alkohol. Lakken blev herefter benyttet til at overfladebehandle fx træmøbler. Når alkoholen fordamper, vil harpiksen efterlades i et tyndt lag, der efterfølgende hærder ved kontakt med luftens dioxygen.

105

Ethanol CH3#CH2#OH

Forskellige modeller af ethanolmolekylets rumlige struktur.

Demo

Når 50 mL ethanol blandes med 50 mL vand bliver blandingens volumen ikke som forventet 100 mL. I blandingen pakkes vandog ethanolmolekylerne i et flydende netværk, der holdes sammen af hydrogenbindinger.

—

CH2

—

—

CH2

—

O

—

O

H

— O

—

H

50 mL ethanol og 50 mL vand afmåles i hver sin målekolbe. Væskerne hældes sammen, og blandingens volumen måles.

CH3

—

CH3

Hovedbestanddelen i husholdningssprit er ethanol. Ethanolmolekylet er opbygget af atomerne carbon, hydrogen og oxygen. Det indeholder både en upolær gruppe, CH3#CH2#, og en polær gruppe, #OH, der hedder hydroxy. Atomgruppen #OH er ingen ion, da oxygenatomet er bundet til et carbonatom med en elektronparbinding. Da hydroxygruppens hydrogenatom er bundet til et oxygenatom, er gruppen polær og kan danne hydrogenbindinger med fx et vandmolekyle (omtalt side 81). Ethanolmolekylets upolære del gør væsken blandbar med upolære stoffer som fx pentan, mens den polære del gør ethanol fuldstændigt blandbar med vand.

H

H

—

—H O H

Volumen af blandingen er en smule mindre end summen af startvolumenerne.

Figur 6-1 Hydrogenbindinger mellem ethanol- og vandmolekyler.

Parfume og vinduespudsemiddel.

106

Ethanols store blandbarhed med både polære og upolære stoffer gør denne alkohol til et meget anvendeligt opløsningsmiddel. Det så vi et eksempel på i forsøget med opløsning af harpiks. Harpiks er ikke et rent stof, men en blanding af stoffer, som har både polære og upolære egenskaber. Harpiks kan derfor opløses i ethanol, men ikke i vand eller rensebenzin. Ethanol er da også et af de vigtigste opløsningsmidler, der anvendes i den kemiske industri. I blanding med vand bruges ethanol endvidere som opløsningsmiddel i parfume og medicin og som rensemiddel, idet blandingen kan opløse fedtholdige pletter. Ethanol dræber bakterier ved at opløse proteinerne i cellevæggen. Derfor anvendes en blanding af 70 % ethanol i vand til at sterilisere instrumenter og til at desinficere huden før fx en indsprøjtning. kend kemien 1

Methanol CH3#OH Alle alkoholer er forbindelser med en hydroxygruppe bundet til et carbonatom, der kun har elektronparbindinger til andre C- eller H-atomer. Methanol er en alkohol med kun et carbonatom i molekylet. Her består den upolære carbonkæde blot af ét carbonatom, hvortil er bundet en hydroxygruppe og tre hydrogenatomer. Methanol er ved stuetemperatur en farveløs og næsten lugtfri væske, der ligesom ethanol er fuldstændig blandbar med vand. Methanol anvendes som opløsningsmiddel og i blandinger til at fjerne maling. En anden anvendelse er som brændstof til speedwaymotorcykler og modelflymotorer.

Modeller af methanolmolekylet.

Methanol er et vigtigt brændstof inden for speedway.

Organisk kemi Den svenske kemiker Berzelius var den første, der anvendte begrebet organisk kemi i 1805. Men det blev en af hans elever, den tyske kemiker Friedrich Wöhler, der gennemhullede forestillingen om en særlig livskraft i organiske stoffer. Ved opvarmning af en opløsning med et uorganisk salt, dvs. en ionforbindelse, fremstillede han et organisk stof, urinstof, i 1828. Der skelnes fortsat imellem organiske og uorganiske forbindelser. I dag kendes over 20.000.000 forskellige organiske forbindelser, mens antallet af kendte uorganiske forbindelser er ca. 700.000. Et organisk stof er en forbindelse, der indeholder carbon.

alkoholer – organisk kemi

Friedriech Wöhler (1800-82) Tysk kemiker, der var elev af Berzelius. Han viste ved et eksperiment, at organiske forbindelser ikke besidder »en magisk livskraft«. Undtagelse: Carbonoxider og carbonater Definition

107

Carbonatomer er tilbøjelige til at danne bindinger med hinanden, så der opstår lange kæder. Herved skabes der mulighed for opbygning af meget store molekyler. Carbonatomet danner fire elektronparbindinger, hvilket betyder, at der kan opstå forgreninger i carbonkæderne. Endelig kan carbonatomet binde sig til andre ikke-metalatomer, hvoraf de vigtigste er H, N, O, P, S, F, Cl og Br. De fire bindinger, C-atomet kan danne, giver altså mulighed for et uhyre stort antal organiske forbindelser. Det er forklaringen på, at der findes mange flere organiske end uorganiske stoffer.

Propanol – alkohol med tre C-atomer i molekylet I propanol er molekylerne opbygget af en upolær del, #C3H7 og en hydroxygruppe. Da der er to forskellige muligheder for placeringen af hydroxygruppen i carbonkæden, findes der to forskellige alkoholer, der har samme molekylformel, C3H8O, men forskellig strukturformel. En strukturformel viser hvilke atomer, der er bundet til hinanden i molekylet, og hvordan de er bundet sammen. Strukturformlen giver ikke information om molekylets rumlige opbygning, hertil kræves en 3D model, som omtalt i kapitel 4, side 76. Er hydroxygruppen placeret for enden af carbonkæden, dvs. på første C-atom, hedder propanolen propan-1-ol. Strukturformlen for denne alkohol kan skrives på forskellige måder:

H

H

— —

Strukturformel

— —

H

— —

Modeller af propan-1-ol.

H—C—C—C—O—H H

H

H

strukturformel for propan-1-ol

CH3CH2CH2OH sammentrukket strukturformel

CH3— CH2 — CH2— OH strukturformel, viser kun bindinger til C-atomer

OH stregformel

Da der er fri drejelighed om en C#C-enkeltbinding, er det ligegyldigt, hvor på det første C-atom, man tegner gruppen #OH. Som det ses, kan en strukturformel gengives mere eller mindre detaljeret. Valget af skrivemåde afhænger af, hvad man ønsker at fremhæve ved molekylet. I stregformlen angives kun bindingerne mellem carbonatomerne, mens både carbon- og hydrogenatomerne i carbonkæden udelades. Bemærk, at både O og H skrives i hydroxygruppen. 108

kend kemien 1

Hvorfor findes der kun to forskellige former af propanol?

Tænk selv

Strukturisomeri isos (gr.): samme, ens meros (gr.): del

3

2

1

2

1

CH3— CH2 — CH2— OH 3

CH3— CH — CH3 —

De to former for propanol, der har den samme molekylformel, men forskellig struktur, kaldes strukturisomere forbindelser. Strukturisomerer har ikke samme egenskaber, fx er deres kogepunkter forskellige. For at undgå forveksling navngives de to former af propanol efter placeringen af hydroxygruppen på carbonkæden. C-atomerne nummereres, så det carbonatom, der er bundet til #OH, får det lavest mulige nummer. Derfor kaldes CH3CH2CH2OH for propan-1-ol. Da hydroxygruppen sidder midt på carbonkæden i CH3CH(OH)CH3, kan vi frit vælge hvilken ende af carbonkæden, der skal have nummer 1. Resultatet bliver det samme. Stoffet hedder propan-2-ol. Endelsen –ol betyder, at molekylet indeholder atomgruppen #OH, som er bundet til en carbonkæde, altså en alkohol.

OH

Tegn strukturformlerne i 2D og 3D for propan-1-ol og propan2-ol på computer i et tegneprogram til kemi.

Tænk selv

Isomere alkoholer – forskellige egenskaber To lige store totter vat vædes med hhv. propan-1-ol og propan2-ol. På samme tid afsættes fugtpletter af de to alkoholer på tavlen. Iagttag fordampningen.

Demo

Propan-2-ol Propan-2-ol, der til daglig også kaldes isopropanol, anvendes til mange formål. I sprinklervæske er propan-2-ol blandet med vand i forholdet 1:2 og tilsat en lille smule sæbe. Alkoholen sikrer sprinklervæsken mod at fryse til is ved at sænke vandets frysepunkt og opløser det upolære snavs og insektrester fra ruden. Modeller af propan-2-ol.

Sprinklervæske indeholder propan-2-ol. alkoholer – organisk kemi

109

Demo

Kondensvand i benzin Ryst 10 dråber vand med 10 mL rensebenzin. Gentag forsøget, idet der tilsættes lidt propan-2-ol. Propan-2-ol anvendes også som karburatorsprit til at binde rester af vand i benzin. Benzin indeholder altid mere eller mindre vand, som stammer fra kondens eller fra regnvand, der er løbet ind i tankanlægget. Ældre bilers karburatorer, hvor benzinen forstøves og blandes med luft, er i koldt vejr meget følsomme over for vand i benzinen. Vandet kan fryse til is og tilstoppe dysen i karburatoren, så motoren sætter ud. Ved at blande lidt propan-2-ol i benzinen vil alkoholen danne hydrogenbindinger med vandet og samtidigt kunne opløses i den upolære benzin. Herved fordeles vandet i benzinen, så det ikke længere generer.

Hvordan navngives alkoholer?

H

—

—

O

O

H

—

H

—

—

O

H

Figur 6-2 Den hydrofile gruppe, #OH, i propan-2-ol danner hydrogenbindinger med vandet i benzinen, og den upolære del bindes svagt til de upolære benzinmolekyler. På denne måde fordeles vandet jævnt i benzinen. De upolære dele af molekylerne er tegnet med grøn farve.

— —

H

— CH3 betyder — C — H, H

110

kend kemien 1

H

H

— —

—

—

O

H

Alkoholers navne ender på -ol. Navnet methanol bygger på methan, CH4, der er den simpleste forbindelse mellem carbon og hydrogen. Forbindelser mellem carbon og hydrogen udelukkende med C#C-enkeltbindinger i carbonkæderne kaldes alkaner. Deres navne ender på -an og er gengivet i tabel 6-1. Den anden i rækken af forbindelser mellem carbon og hydrogen er ethan, C2H6 Ved at erstatte et hydrogenatom i C2H6 med en hydroxygruppe fremkommer forbindelsen C2H5OH. Og navnet på denne alkohol fås ved at føje endelsen -ol til navnet på den tilsvarende alkan, derfor navnet ethanol. For alkoholmolekyler med mere end tre carbonatomer i molekylet er der flere strukturmuligheder, fordi carbonkæden nu kan være forgrenet. Den simpleste sidegruppe i en carbonkæde er atomgruppen methyl,#CH3. Denne atomgruppe dannes ved at fjerne et hydrogenatom fra methanmolekylet. Sidegruppers navne stammer også fra alkannavne, idet endelsen -an erstattes med -yl, se tabel 6-2. Fjernes et H-atom fra ethanmolekylet, fås atomgruppen ethyl. — —

Karburatorsprit er hovedsagelig propan-2-ol.

— C2H5 betyder — C — C — H H

H

Tabel 6-2 De vigtigste sidekæder

Hovedtrækkene i reglerne for navngivning af alkoholer 1. Find molekylets længste carbonkæde, der indeholder C-atomet med hydroxygruppen, og bestem navnet på den tilsvarende alkan. 2. Nummerer C-atomerne i carbonkæden, så C-atomet med hydroxygruppen får lavest muligt nummer. 3. Tilføj nummeret på C-atomet med hydroxygruppen og endelsen –ol til alkannavnet. 4. Ved en forgrening angives sidekædernes placering og navne i alfabetisk rækkefølge forrest i navnet. 5. Er der to, tre eller fire ens sidegrupper bundet til carbonkæden, angives de med forstavelserne di-, tri eller tetra. Disse forstavelser indgår ikke i alfabetiseringen. Isomere butanoler Der findes flere isomere butanoler, der alle har fire C-atomer i carbondelen. To af dem har strukturformlerne 3

2

1

—

3

2

CH3—

Ethyl

CH3— CH2 —

Propyl

CH3— CH2 — CH2 —

Isopropyl

CH3

CH —

CH3

Regler

Eksempel 6-1

1

B: CH3— CH — CH2— OH

OH

—

4

A: CH3 — CH2— CH — CH3

Methyl

—

CH4 CH3–CH3 CH3–CH2–CH3 CH3–CH2–CH2–CH3 CH3–CH2–CH2–CH2–CH3 CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3 CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3 CH3–CH2–CH2–CH22–CH2–CH2–CH2–CH3 CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3 CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3

Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan

—

Tabel 6-1 Alkaners navne

CH3

A: Carbonkæden er uforgrenet og har hydroxygruppen på carbonatom nummer 2, C-2. Navnet er butan-2-ol. B: Carbonkæden er forgrenet. Længste carbonkæde med hydroxygruppen er på tre C-atomer, og #OH sidder på carbon nummer 1. Derfor ender navnet på propan-1-ol. På carbonatom nummer to, C-2, erstatter sidegruppen methyl et hydrogenatom. Navnet på alkoholen bliver derfor 2-methylpropan-1-ol. Navngiv følgende to butanoler 3

2

1

1

— —

4

CH3— CH2 — CH2— CH2— OH

Tænk selv

CH3

2

3

CH3— C — CH3 OH

alkoholer – organisk kemi

111

KendKemien1.qxd

25/08/05

10:13

Side 112

www Download

Eksperimenter

K1-6

Analyse af butanoler, gaschromatografi Tænk selv

Alle fire butanoler har samme molekylformel, C4H10O, og er strukturisomere forbindelser. De har forskellige kogepunkter, og en blanding af dem kan analyseres med gaschromatografi. Tegn strukturformlen for 2-methylbutan-1-ol og for 2-methylbutan-2-ol. Er to sidekæder placeret på samme carbonatom i en kæde, angives placeringen for begge grupper ved at gentage nummeret på det pågældende carbonatom.

Eksempel 6-2

2,2-dimethylpropan-1-ol Hver methylgruppe er placeret på C-2, og da der er to af dem, skrives di- som forstavelse til methyl i navnet. Kommaet mellem 2-tallerne udtales ikke i navnet. — —

CH3

CH3— C — CH2— OH CH3

Eksempel 6-3

Syv carbonatomer i kæden Navngiv alkoholen med følgende strukturformel —

CH2— CH3 —

HO — CH — CH — CH2— CH3

1

2

3

4

—

heptos (gr.): 7

—

CH2— CH2 — CH3 5

6

7

CH3— CH2— CH — CH — CH2— CH2 — CH3 OH

CH2— CH3

SVAR Den længste carbonkæde i molekylet har syv carbonatomer. En ethylgruppe er bundet til carbonatom nummer fire, C-4, og hydroxygruppen er bundet til C-3. Navnet på alkoholen bliver derfor, 4-ethylheptan-3-ol.

Eksempel 6-4

Alkohol med forgrenet carbonkæde

CH3

www Opgaver Navngivning

Alkoholer

Links Billeder af molekylmodeller

112

—

—

CH3— CH2— C H— CH2— CH — CH2— CH3 CH2— OH

Den længste carbonkæde i molekylet er på syv carbonatomer. Men denne kæde indeholder ikke carbonatomet med #OHgruppen. I stedet for vælges kæden med hydroxygruppen. Carbonatomet med #OH-gruppen får lavest mulige nummer. På C-2 sidder en ethylgruppe, og på C-4 sidder en methylgruppe. Derfor bliver navnet 2-ethyl-4-methylhexan-1-ol. kend kemien 1

Alkoholers egenskaber

Methanol

CH3— OH

64,7

Ethanol

CH3— CH2 — OH

78,3

Propan-1-ol

CH3— CH2 — CH2— OH

97,2

Propan-2-ol

CH3— CH — CH3

82,4

—

—

H

H

— O

—

Strukturmodel

O

O

H

H —H O

—

Navn

CH3

—

Tabel 6-3 Kogepunkter for nogle alkoholer

H3C

—

Alkoholernes kogepunkter er bestemt af svage intermolekylære bindinger mellem carbonkæderne og hydrogenbindinger mellem hydroxygrupperne. For de små molekyler (på 1-6 carbonatomer) er virkningen af hydrogenbindingerne på kogepunktet tydeligst. Jo længere carbonkæderne bliver, desto mindre bliver forskellen i kogepunkt mellem alkoholen og den tilsvarende alkan.

H

Figur 6-3 Hydrogenbindinger mellem methanolmolekyler og vandmolekyler.

—

Kogepunkt/°C

OH

CH3— CH2— CH2 — CH2— OH

Butan-2-ol

CH3— CH2— CH — CH3 —

Butan-1-ol

117,6 99,5

OH

CH3— CH — CH2— OH —

2-Methylpropan-1-ol

108,1

CH3

2-Methylpropan-2-ol

— —

CH3

CH3— C — CH3

82,4

OH — OH

Cyclohexanol

CH2— OH

—

Ethan-1,2-diol

157,5

197,6

CH2— OH CH2— OH

— —

Propan-1,2,3-triol

290

CH — OH CH2— OH

alkoholer – organisk kemi

113

Cykliske alkoholer Menthol

—

OH 3

—

—

—

—

—

3

—

—

CH3

CH— CH — CH

—

— — —

OH H H C— — C— H H —C H— C — C —H C H H H H —

H

Menthol er et eksempel på en cyklisk alkohol. Stoffet har en karakteristisk pebermyntesmag og bruges i slik, halspastiller og næsespray. Stoffet stimulerer produktion af sekret fra slimhinderne og kan derved lindre irritation i næse og svælg.

—

Carbonatomer indgår ikke blot i lange kæder, men danner også ringformede molekyler. Fjerner vi et hydrogenatom i hver ende af en molekylmodel, fx hexan2-ol, og sætter enderne sammen, har vi lavet en model af cyclohexanol. Da bindingsvinklerne ved hvert carbonatom er tetraedervinklen 109,5°, er den seksleddede ring bugtet. Cyclohexanol benyttes som opløsningsmiddel i den kemiske plastindustri.

Lav en kuglepindemodel af cyclohexanol.

Tænk selv

Alkoholers opløselighed i vand

www Download

Eksperimenter

K1-6

Alkoholers blandbarhed med vand

Det er hydroxygruppens evne til at danne hydrogenbindinger til vandmolekyler, der gør mange alkoholer opløselige i vand. En polær atomgruppe, der kan danne hydrogenbindinger med vand, kaldes en hydrofil gruppe. Opløseligheden i vand afhænger også af længden af alkoholens carbonkæde, der er hydrofob. Alkoholer med korte carbonkæder i molekylerne (methanol, ethanol og propanol) er fuldstændigt blandbare med vand i alle blandingsforhold. Ved længere carbonkæder reduceres blandbarheden af alkoholen hurtigt med carbonkædens længde. Tabel 6-4 sammenligner opløseligheden ved 25 °C i vand af alkoholer med voksende carbonkæde.

Tabel 6-4 Opløseligheden af alkoholer i vand ved 25 ˚C Navn

Strukturformel

opløselighed g/100 mL vand

Methanol

CH3— O — H

* *

CH3— CH2— O — H

Ethanol Propan-1-ol

CH3— CH2— CH2— O — H

*

CH3— CH2— CH2— CH2— O — H

7,9

Pentan-1-ol

CH3— CH2— CH2— CH2— CH2— O — H

2,3

Hexan-1-ol

CH3— CH2— CH2— CH2— CH2— CH2— O — H

0,6

Butan-1-ol

* Fuldstændig blandbart. 114

kend kemien 1

Alkoholer med flere #OH-grupper Nogle alkoholmolekyler kan indeholde mere end én hydroxygruppe. Det mindste alkoholmolekyle med to hydroxygrupper er ethan-1,2-diol. Stoffets handelsnavn er ethylenglycol eller blot »glykol« —

CH2— OH CH2— OH

Stoffet er en ret tyktflydende, farveløs væske. Den benyttes til permanent frostsikring af bilers kølersystem, fordi den ved tilsætning sænker kølevandets frysepunkt. Da molekylerne i ethan-1,2-diol har to hydroxygrupper, der kan danne hydrogenbindinger, er stoffet blandbart med vand. Ethan-1,2-diol anvendes også til afisning af fly og ved produktion af plast (polyester).

Glycerol En anden velkendt alkohol er glycerol, der har tre #OH. Det systematiske navn for glycerol er propan-1,2,3-triol — —

CH2— OH CH — OH CH2— OH

Glycerol er en tyktflydende og farveløs væske, der har en sød smag. Den er ugiftig og anvendes bl.a. som tilsætning til slik og forskellige drikkevarer, fx likør for at justere viskositeten. Glycerol indgår også i hudcremer, fordi molekylerne kan danne hydrogenbindinger til vand og dermed forøge hudens fugtighed. Glycerol er et udgangsstof ved produktion af nitroglycerin, der benyttes både som sprængstof (se side 100) og som et vigtigt lægemiddel mod hjertekrampe. Nogle planter, fx løg, og insekter oplagrer glycerol i cellerne og undgår, at der om vinteren dannes iskrystaller, så cellerne sprænges. Stoffet anvendes også som antifreeze og i støddæmpere. I kapitel 11, side 202, gennemgås fedtstoffernes kemi. Vi skal se, at glycerolmolekylet indgår i opbygningen af disse stoffer, triglyceriderne.

Hudcreme, som indeholder glycerol.

www Download

Eksperimenter

K1-6 Slime

Strukturformlen for glycerol tegnes for nemheds skyld med alle OH-grupperne på samme side af molekylet. Men i virkeligheden vil molekylet ordne sig, så OH-grupperne er længst væk fra hinanden. Der er jo fri drejelighed omkring C#C-bindingerne. alkoholer – organisk kemi

115

Polyoler og tyggegummi

— — — —

CH2— OH

CH — OH CH — OH CH — OH

CH2— OH

Sorbitol er et eksempel på en polyol med seks hydroxygrupper. Stoffets systematiske navn er hexan-1,2,3,4,5,6hexaol:

CH2— OH

— — — — —

Xylitol en en polyol med 5 hydroxygrupper i molekylet. Det systematiske navn pentan-1,2,3,4,5-pentaol:

CH — OH CH — OH CH — OH CH — OH CH2— OH

Xylitols rumlige struktur kan ikke umiddelbart gættes ud fra strukturformlen, da hydroxygrupperne ikke sidder på samme side af molekylet.

Både xylitol og sorbitol er sødtsmagende stoffer. Stofferne optages meget langsomt i tarmen, og størstedelen ud-

skilles igen. De to polyoler er derfor gode kalorielette sukkererstatninger. Xylitol har også vist sig at have gavnlig virkning på kariesangreb af tænderne. Der er derfor ofte xylitol i tandpasta og tyggegummi. Sorbitol anvendes, udover som sukkererstatning, på samme måde som glycerol i hudcremer, idet de mange hydroxygrupper kan binde vand (med hydrogenbindinger) og dermed virke befugtende i huden. De to polyolers søde smag skyldes, at deres molekylers opbygning ligner strukturen hos de »rigtige sukkerstoffer« som fx glucose. På den måde snydes tungens smagsløg.

xylitol

poly (gr.): mange

Alkohol som brændstof – humant og industrielt Udsigten til mangel på råolie til benzinfremstilling har fået flere lande til at udnytte ethanol som motorbrændstof i biler. Det har en lav antændelsestemperatur og danner eksplosive blandinger med luft. I fx Brasilien, Frankrig og USA fremstilles ethanol til dette formål ved gæring af bl.a. sukkerrør. Ved gæringsprocessen nedbrydes glucose igennem en række enzymatiske reaktioner, som samlet kaldes for fermentering. Reaktionerne foregår anaerobt, dvs. uden tilførsel af dioxygen. Produkterne er ethanol og carbondioxid. C6H12O6(aq) glucose

→

2CH3CH2OH(l) + 2CO2(g) ethanol

carbondioxid

Biler kan enten køre på ren ethanol eller på en blanding af ethanol og benzin, gasohol. En af fordelene ved at benytte ethanol som brændstof er, at ethanol kan fremstilles næsten CO2-neutralt. Al den CO2, der opstår ved forbrændingsreak116

kend kemien 1

tionen, kan optages igen af de planter, hvorfra råstofferne hentes til produktionen af ethanol. Det er også et fortrin, at næsten alt plantemateriale kan nedbrydes, så der frigives glucose, som kan omsættes til ethanol. Affaldsprodukter fra fx papirproduktion er rester af cellulose. De kan udnyttes til fremstilling af brændstof. Endelig er anvendelsen af ethanol som motorbrændstof med til at gøre landets energiforsyning mindre afhængig af de olieproducerende nationer. CH3CH2OH

car

b i o m as s e

b o n d i ox i d

ethanol

f o to

Brasilien er et foregangsland, når det gælder anvendelsen af ethanol som brændstof til biler.

sy n t e s e

Der er overproduktion af vin i mange vinproducerende lande. Giv et forslag til, hvorledes overskudsvin kan omdannes til motorbrændstof.

Tænk selv

Brændende gelé Det er farligt at bruge sprit til at tænde op i en grill eller en pejs. Det er meget mere sikkert at tænde med en sprittablet, som er sprit på »fast form«. I laboratoriet kan vi fremstille gelé med ethanol. En mættet opløsning af saltet calciumacetat blandes med ethanol. Tilsætningen af ethanol nedsætter opløseligheden af saltet på en sådan måde, at ethanol bliver bundet i en gel (en gelé) af calciumacetat. Antændes gelen, vil ethanol brænde fra overfladen af gelen og kan derfor ikke eksplodere.

Demo

Fremstilling og afprøvning af en brændbar gel (gelé).

Sprittabletter anvendes til optænding.

alkoholer – organisk kemi

117

KendKemien.qxd

22/08/05

9:18

Side 118

Teknisk ethanol

— — —

—

—

—

En stor del af den ethanol, som anvendes industrielt, fremstilles ved reaktion mellem ethen, C2H4, og vanddamp under højt tryk H H— H H H—C—O—H C— + O H—C—H C— H H H H —

Denne fremstillingsmetode benyttes, hvor der findes en olieindustri, da ethen udvindes af råolie.

Omsætning i kroppen Ethanol er formentligt det første rusmiddel, menneskene har kendt til. Ethanol påvirker hjernen ved at nedsætte reaktionsevnen og evnen til at kontrollere kroppens bevægelser. Rusvirkningen viser sig også ved, at man føler sig »opløftet« og har færre hæmninger. Ved indtagelse af større mængder alkohol kan man blive svimmel og træt – ved meget høje doser kan man miste bevidstheden og endda dø. Da ethanol er det eneste legale stof med rusvirkning udover nikotin i Danmark, er stoffet et meget populært skatteobjekt. Ethanol omsættes fuldstændigt i kroppen. Den reagerer under meget kontrollerede forhold med dioxygen via mange enzymatiske reaktioner. Resultatet af de mange reaktioner er en fuldstændig forbrænding til carbondioxid og vand. forbrændingsreaktion

CH3CH2OH(l) + 3O2(g)

→

2CO2(g) + 3H2O(l)

Reaktionen er principielt den samme, som hvis ethanol antændes, og kaldes derfor en forbrændingsreaktion. I kroppen

Antabus Antabus blev i 1945 ved et tilfælde opdaget af de to danske farmakologer J. C. Hald og E. Jakobsen. De var i gang med at undersøge ormemidler, men oplevede ved et cocktail-party, at de begge to blev syge efter at have indtaget stoffet disulfiram (antabus). Stoffet disulfiram bruges til behandling af alkoholisme, og kaldes antabus – anti abuse.

118

kend kemien 1

Dengang afprøvede farmakologer ofte nye lægemidlers eventuelle bivirkninger på sig selv! Antabus hæmmer enzymet ethanaldehydrogenase, der medvirker ved omsætningen af ethanal. Stoffet nedbrydes derfor meget langsommere og ophobes i kroppen. Virkningen ved at indtage antabus sammen med alkohol er en meget smertefuld forgiftning, der kan få alkoholikere til at afholde sig fra at drikke.

Side 119

frigøres energien dog ikke kun i form af varme, men gemmes især som kemisk lagret energi. Forbrændingen af ethanol forløber over flere trin og reguleres af enzymer. Et enzym er en katalysator, dvs. et stof, der ved kropstemperaturen øger hastigheden af en biokemisk reaktion uden selv at blive forbrugt. I første trin i forbrændingsreaktionen dannes mellemproduktet ethanal. 2CH3CH2OH(l) + O2(g) ethanol

dioxygen

enzym

→

2CH3CHO(l) + 2H2O(l) ethanal

vand

Ethanal er giftigt. Da de efterfølgende reaktioner ved nedbrydningen af ethanol er relativt langsomme, vil ethanal ophobes en tid i kroppen. Det er en af årsagerne til, at man får ondt i hovedet (»tømmermænd«) efter at have drukket alkohol i større mængder. Ethanal omdannes dog efterfølgende til carbondioxid og vand. Oxidation af ethanol Ved høj temperatur reagerer ethanoldampe på overfladen af en glødende kobberspiral med luftens dioxygen. Herved dannes først ethanal, sidenhen ethansyre. Lugter vi forsigtigt til kolben efter et stykke tid, vil vi kunne mærke lugten af både ethanal og ethansyre (eddikesyre). Den glødende kobberspiral får reaktionen til at forløbe, og kobber fungerer derfor som en katalysator for reaktionen med dioxygen. 2 CH3CHO(g) + O2(g) ethanal

glødende kobber

dioxygen

H

O

—

9:26

H—C—C H

—

22/08/05

— —

KendKemien.qxd

H

Ethanal.

Demo

Oxidation af ethanol til ethanal og ethansyre på en glødende kobberspiral.

2 CH3COOH(g) ethansyre

Inddeling af alkoholer Hydroxygruppens placering i molekylets carbonkæde har stor betydning for alkoholers egenskaber ved kemiske reaktioner, fx ved oxidation af alkoholer. Derfor inddeles de i primære, sekundære og tertiære alkoholer, således at i en primær alkohol sidder hydroxygruppen for enden af carbonkæden

Regler

i en sekundær alkohol sidder hydroxygruppen inde i kæden i en tertiær alkohol sidder hydroxygruppen ved en forgrening i kæden. Til hvilken type alkohol hører hver af de fire strukturisomerer med molekylformlen C4H10O?

alkoholer – organisk kemi

Tænk selv

119

Oxidation af alkoholer CH3— C — CH3

—

—

CH3 — CH — CH3 + O

H2O

O

OH

propan-2-ol

propanon (acetone)

Vi har tidligere set, at ethanol forbrændes eller oxideres i kroppen til ethanal, og ethansyre, der efterfølgende gennem nogle reaktioner omdannes til CO2 og vand. Primære, sekundære og tertiære alkoholer giver forskellige produkter ved oxidation. Ligesom ethanol kan primære alkoholer oxideres i to trin. En sekundær alkohol kan oxideres i ét trin til en keton.

Acetone er et meget brugt opløsningsmiddel.

+

En tertiær alkohol kan ikke oxideres til noget stabilt produkt, uden at carbonkæden går i stykker. Ved oxidationen overføres to hydrogenatomer fra alkoholen til et oxygenatom under dannelse af vand. Det ene hydrogenatom kommer fra hydroxygruppen og det andet kommer fra det carbonatom, som hydroxygruppen var bundet til.

Forklar, hvorfor en tertiær alkohol ikke kan oxideres ligesom en primær eller en sekundær alkohol. O

— —

Tænk selv

Den atomgruppe, der karakteriserer en organisk syre er — C Den primære alkohol butan-1-ol kan oxideres i to trin

Eksempel 6-5

OH

Mellemproduktet er butanal, et eksempel på et aldehyd. Butansyre kaldes også smørsyre, og kendes fra den karakteristiske lugt af sure sokker. H

CH3— CH2— CH2— CH — OH + O

— —

—

O

CH3— CH2— CH2— C butanal

H

CH3— CH2— CH2— C

H

O

+ O

— —

— —

O

CH3— CH2— CH2— C butansyre

OH

Hvorfor kan en keton ikke oxideres videre til et andet stof?

Tænk selv

Tabel 6-6 Alkohol, aldehyd og keton Forbindelse Alkohol

Funktionel gruppe —O—H

Endelse

Eksempel

Strukturformel

-ol

propan-1-ol

CH3— CH2— CH2— OH O

-al

propanal

120

C —O

—

Keton

—

H

— —

—C

CH3— CH2— C O

-on

propanon

kend kemien 1

—

Aldehyd

— —

O

CH3— C — CH3

H

+ H2O

Overblik organisk stof

en kemisk forbindelse, der indeholder carbonatomer

organisk kemi

carbonatomets kemi

hydroxygruppe

atomgruppen #OH

alkoholer

organiske forbindelser, der indeholder en hydroxygruppe

strukturformel

en tegning, der viser hvilke atomer, der er bundet til hinanden i et molekyle, og hvordan de er bundet sammen

strukturisomere

stoffer med samme molekylformel, men forskellig opbygning af molekylerne, dvs. forskellig strukturformel

hydrofil gruppe

polær atomgruppe, der kan danne hydrogenbindinger med vand, fx #OH

alkaner

organiske forbindelser, der kun indeholder carbon og hydrogenatomer, og som udelukkende har C#C-enkeltbindinger

alkylgruppe

atomgruppe, der indeholder carbon og hydrogenatomer, fx methylgruppe #CH3

hydrofob gruppe

atomgruppe, der ikke kan danne hydrogenbindinger med vand, fx en alkylgruppe

primær alkohol

en alkohol, hvor hydroxygruppen sidder for enden af carbonkæden i molekylet

sekundær alkohol

en alkohol, hvor hydroxygruppen sidder inde i molekylets carbonkæde og ikke ved en forgrening

tertiær alkohol

en alkohol, hvor hydroxygruppen sidder ved en forgrening i molekylets carbonkæde

aldehyder

organiske forbindelser med atomgruppen #CHO for enden af molekylets carbonkæde

ketoner

organiske forbindelser med atomgruppen 8C$O i molekylets carbonkæde

alkoholer – organisk kemi

121

KendKemien.qxd

22/08/05

11:00

Side 122

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Forklar, at ethanol er blandbar med vand i alle forhold, mens decanol, CH3(CH2)9OH, praktisk taget er uopløseligt i vand. 2. Benzin indeholder forbindelser af typen CnH2n+2, alkaner, som har mellem fem og ti carbonatomer pr. molekyle. Molekylet heptan, C7H16, lader vi repræsentere benzin i det følgende. a. Skriv reaktionsskemaerne for den fuldstændige forbrænding af ethanol og benzin, repræsenteret ved heptan med formlen C7H16. b. Ethanol har densiteten 0,789 g/mL. Beregn massen af den carbondioxid, der dannes ved fuldstændig forbrænding af 1 liter ethanol. c. Heptan har densiteten 0,684 g/mL. Beregn massen af den carbondioxid, der dannes ved fuldstændig forbrænding af 1 liter ethanol. d. Kommenter resultaterne. 3. Hvilke molekyler er parvis isomere alkoholer i a-d?

H — C — C — C — OH

OH OH

H

H

CH3 —

CH3 — CH — CH — OH

—

CH2 — CH2 — CH — OH CH3

CH3

CH3

—

CH2 — CH2 — CH — OH

CH3 — CH2 — CH2 — CH — CH3 —

—

c.

H

—

CH3

—

b.

— —

H—C—C—C—H H

OH H

— —

H

— —

H

— —

— —

H

— —

H

a.

CH3

OH

—

—

d.

—

OH

OH

b.

—

OH

a.

—

4. Tegn strukturformlerne for følgende fire alkoholer, der er vist med stregformler.

OH

——

OH

c.

OH

d.

b.

122

——

OH

c.

kend kemien 1

d.

—

OH

OH

——

a.

—

5. Hvad er molekylformlen for alkoholerne, der er vist med stregformler?

OH

KendKemien1.qxd

24/08/05

10:13

Side 123

6. Navngiv følgende alkoholer

CH3CHCH2CH2OH —

H H—

H

— —

H

—

CH3

CH3CCH2 OH CH3

H —OH —H H

— —

H— H

H

CH3CHOH

— —

e.

d.

CH3

— —

c.

b.

— —

a. CH3CH2CH2CH2OH

Opgaver og diskussionsspørgsmål

CH3

H

7. Der findes nogle alkoholer, der er isomere med pentan-1-ol. a. Skriv strukturformlerne for de isomere alkoholer. b. Navngiv disse alkoholer. 8. Hvad er navnene på følgende alkoholer? b.

OH

—

OH —

—

a.

c.

OH OH

—

OH

d.

OH

9. Tegn strukturformlerne for følgende alkoholer a. pentan-3-ol (»fusel«) b. 3-methylbutan-2-ol c. 3,3-dimethylbutan-1-ol d. cyclopentanol. 10. Giv følgende alkohol dets systematiske navn

— —

HO — CH2

CH3

—

CH3— CH2— C — CH2— CH — CH2 — CH3 CH2 — CH3

11. Propan-1,2-diol og butan-1-ol har næsten samme molekylmasse. Hvilken af de to alkoholer danner de fleste og de stærkeste hydrogenbindinger? Stemmer dit svar overens med de to alkoholers kogepunkter, se tabel 6-3. 12. Hvilke af de fundne isomere pentanoler i opgave 7 er primære, sekundære og tertiære alkoholer? 13. Gør følgende reaktionsskemaer færdige, og navngiv produkterne, idet aldehyder ender på -al og ketoner på -on. a. CH3CH2CH2CH2OH + O b. CH3CH2CH2CHO + O c. CH3CH(OH)CH2CH3 + O

alkoholer – organisk kemi

123

Opgaver og diskussionsspørgsmål

14. Hvad er forklaringen på, at en bus, der kører på ethanol, kan kendes på lugten af eddikesyre fra udstødningsgassen? Kædelængder og kogepunker for alkaner, alkoholer og chloralkaner Følgende data skal bruges til at besvare denne opgave. Stof methan ethan propan butan 2-methylpropan pentan 2-methylbutan 2,2-dimethylpropan hexan methanol ethanol propan-1-ol butan-1-ol pentan-1-ol hexan-1-ol chlormethan chlorethan 1-chlorpropan 1-chlorbutan 1-chlorpentan 1-chlorhexan

Molar masse i g/mol 16 30 44 58 58 72 72 72 86 32 46 60 74 88 102 50,5 64,4 78,5 92,5 106,5 120,5

Kogepunkt i K 112 185 231 273 261 309 301 283 342 338 351 370 391 411 430 249 285 320 352 381 408

a. Tegn for hver af grupperne på seks stoffer en graf med antal carbonatomer ud ad førsteaksen og den molare masse op ad andenaksen. De tre grafer tegnes i samme koordinatsystem. b. Lav på tilsvarende måde tre grafer i et koordinatsystem med antal carbonatomer ud ad førsteaksen og kogepunktet op af andenaksen. Forklar, hvilke konklusioner man kan drage om d. sammenhængen mellem kædelængde og beslægtede stoffers kogepunkter e. chloralkanernes kogepunkter sammenlignet med alkanernes kogepunkter f. primære alkoholers kogepunkter sammenlignet med de tilsvarende chloralkaners kogepunkter. Begrund dine svar. Methanol Methanol blev før i tiden kaldt for træsprit, da stoffet kan fremstilles ved tørdestillation af træ. Methanol omsættes ligesom ethanol i kroppen, men det første mellemprodukt er stoffet methanal eller formaldehyd, som er et meget giftigt stof, der kan føre til blindhed og død. Skriv reaktionsskemaerne for de to reaktioner. Fremstilling Methanol fremstilles via to reaktioner. Første reaktion er mellem methan og vanddamp, hvor der dannes carbonoxid og dihydrogen. Anden reaktion er mellem carbonoxid og dihydrogen, der fører til methanol. Opskriv de to afstemte reaktionsskemaer.

124

kend kemien 1

KendKemien.qxd

22/08/05

11:09

Side 125

Feromoner Insekter kan signalere til hinanden ved hjælp af lugtstoffer, der kaldes feromoner. Stofferne udskilles i meget små mængder og kan registreres på meget lang afstand - men kun af den pågældende insektart. Hunnen hos silkesommerfuglen producerer feromonet bombyol for at tilkalde hanner.

Opgaver og diskussionsspørgsmål pherein horman (gr.): at bære, at ophidse

OH

——

Barkbillen ødelægger årligt milliarder af rummeter tømmer verden over, når den borer sig ind i træstammer på nåletræer. Få billers første angreb er nok til at sætte et næste angreb ind fra hundredvis af biller, således at træet dør. I Sverige og Norge har man stor succes med at opsætte fælder, der indeholder billernes feromon. Denne form for bekæmpelse af biller er et miljøvenligt alternativ til sprøjtegifte.

OH

et feromon fra barkbille

Skriv molekylformlerne for de to feromoner og afgør, hvilken slags alkoholer, der er tale om. Cholesterol Cholesterol er et vigtigt steroid, som hovedsagelig findes i hjerne og nervevæv. Det er udgangsmateriale for mange hormoner, vitamin D, galdesalte og er en hovedbestanddel i galdesten.

HO Afgør om stoffet er en alkohol, og i bekræftende tilfælde, hvilken type.

alkoholer – organisk kemi

125

Opløsningsmidlet vand . . . . . . . . . 128 Ionforbindelser opløst i vand . . . . 128 Opløselighed i vand . . . . . . . . . . . 129 Fældningsreaktioner . . . . . . . . . . . 133 Vands hårdhed. . . . . . . . . . . . . . . . 135 Nyresten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Molekylforbindelser opløst i vand 137

7

Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Badegæst i Det Døde Hav.

Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Vand – forudsætningen for alt liv

Vand er den vigtigste kemiske forbindelse på Jorden. 70 % af Jordens overflade er dækket af vand, der giver planeten den smukke blå farve, som man kan se på fotos taget fra det ydre rum. Forskere mener, at hovedparten af de nuværende forekomster skyldes kometer, der har ramt jorden. Vandet er derefter blevet spyet ud af aktive vulkaner i form af vanddamp og kondenseret som regn. Igennem årene er denne proces gentaget til nu, hvor vand indgår i et kompliceret kredsløb med luft, jord og levende organismer. Vand er livsvigtigt for alle levende organismer – uden vand vil mennesker dø inden for en uge. Vand transporterer næringsstoffer ud til alle celler og organer i kroppen og hjælper med til at opretholde en kemisk balance i kroppen ved at opløse affaldsstoffer, så de kan udskilles.

Jorden set fra Apollo 11 ved første månelanding 1969. Figur 7-1 Vands kredsløb.

Figur 7-2 Eksperimentet virker bedst med friske batterier og en lommelygte med rene elektriske kontakter. Svampen skal presses mod såvel batteriernes bund som indervæggen på lygten, så der er god kontakt.

Grundvand

Det kan være vanskeligt at se forskel på salt og sukker, og er vi i tvivl, smager vi ofte på det. Med en almindelig lommelygte kan vi observere, at de to stoffer opløst i vand også har forskellige elektriske egenskaber. Opløs en skefuld bordsalt og en skefuld sukker i hvert sit glas, kvart fyldt med varmt vand. Skru lommelygtens bund af. Vand opsuges i en svamp, og den oprejste lygte anbringes på den våde svamp. Pæren lyser ikke, fordi rent vand er en dårlig elektrisk leder. Sukkervand opsuget i en svamp kan heller ikke få pæren til at lyse. Det kan derimod en svamp med saltvand. Saltvand er altså en god elektrisk leder.

Lygte Svamp med Svamp med Svamp med tændt postevand sukkervand saltvand

vand – forudsætning for alt liv

127

Forsøg selv

Opløsningsmidlet vand Vand er et unikt stof med helt usædvanlige egenskaber, som kan begrundes i vandmolekylernes kemiske opbygning (se side 74). Vand er et godt opløsningsmiddel for salte, og næsten alt vand på Jorden har derfor et højt saltindhold. Det ferskvand, som vi til daglig kalder rent vand, udgør mindre end 3 % af alt vand på Jorden. 75 % af ferskvandet findes som is i polarområderne. Ferskvandet er ujævnt fordelt på Jorden, og mange steder er der alvorlig mangel på rent drikkevand. Bemærkelsesværdigt mange forskellige stoffer kan opløses i vand, hvilket har stor betydning for såvel levende organismer som for miljøet. Vand opløser ikke alene mange salte, men også nogle molekylforbindelser. For bedre at forstå, hvorfor nogle stoffer er letopløselige i vand, mens andre er uopløselige i vand, kan vi sammenholde vands egenskaber som opløsningsmiddel med de enkelte stoffers opbygning og mulighed for at danne hydrogenbindinger.

Ionforbindelser opløst i vand

Figur 7-3 Opløsning af salt i vand. De opløste ioner har vandmolekyler bundet til sig, mens de bevæger sig frit rundt i vandet. Vandmolekylerne er bundet kraftigere til Na+ -ioner end til Cl–-ioner, fordi Na+ -ionerne er de mindste.

Når vi kommer salt i fx kartoffelvandet, opløses krystallerne, og saltet bliver usynligt. Ved at smage på vandet kan vi dog nemt overbevise os om, at der faktisk er salt i vandet. Saltet bliver usynligt, fordi krystallernes iongitre nedbrydes, hvorved ionerne skilles fra hinanden og bevæger sig rundt i vandet uafhængigt af hinanden. Ionerne har en diameter på ca. 10–10 m, og vi kan ikke se partikler, som er mindre end bølgelængden af synligt lys, der er ca. 10–7 m. Vi har tidligere erfaret, at det kræver stor energitilførsel at nedbryde salts iongitter ved smeltning. Dette skyldes de stærke elektriske tiltrækningskræfter, der er mellem de modsat ladede Na+- og Cl–-ioner. Det kan derfor undre, at iongitteret nedbrydes hurtigt ved opløsning, selv i koldt vand. Årsagen er, at vand er et polært opløsningsmiddel, hvor hvert vandmolekyle er en dipol med den negative ladning ved oxygenatomet og den positive ladning ved hydrogenatomerne. Vandmolekylerne støder ind i Na+- og Cl–-ionerne yderst i saltkrystallen. De negative ender i vandmolekylerne trækker Na+-ionerne ud af iongitteret, mens Cl–-ionerne fra iongitteret bliver trukket ud i vandet omringet af vandmolekyler, som vender de positive ender ind mod den negative ion. Ionerne bliver altså omgivet af vandmolekyler, der således formindsker de elektriske tiltrækningskræfter mellem Na+- og Cl–-ionerne. Ved opløsning af fx et aluminiumsalt, AlCl3, vil hver Al3+ion være omgivet af flere end seks vandmolekyler fordelt på

128

kend kemien 1

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

KendKemien1.qxd

24/08/05

14:20

Side 129

flere lag, da aluminiumionen er lille og har en stor ladning. Det inderste lag af vandmolekyler er bundet så kraftigt til den enkelte metalion, at de trækkes med ind i det iongitter, som dannes ved krystallisering. Krystallerne indeholder derved vand, som kaldes krystalvand (se kap 4, side 67). Opløsning af saltet, natriumchlorid, i vand beskrives ved reaktionsskemaet NaCl(s)

Na+(aq) + Cl–(aq)

Den modsatte reaktion, hvor Na+-ionerne og Cl–-ionerne slår sig sammen og danner et iongitter, dvs. danner krystaller af natriumchlorid, kaldes fældning. Det kan fx ske ved inddampning af vandet fra opløsningen. Opskriv reaktionsskemaet for opløsning af magnesiumbromid, MgBr2, i vand.

Tænk selv

Når man opløser et salt, adskilles de positive og negative ioner i vandet. Fleratomionerne forbliver intakte

Tænk selv

AgNO3(s)

Ag+(aq) + NO3–(aq)

Tegn en skitse, der viser, hvordan krystaller af sølv(I)nitrat opløses i vand. Opskriv et reaktionsskema for opløsning af natriumsulfat, Na2SO4, i vand.

Tænk selv

Vandige opløsninger af salte indeholder altså ioner, som bevæger sig frit rundt i vandet, og kan lede strøm. Heri ligger forklaringen på, at saltvand kan få pæren til at lyse i Forsøg selv-eksperimentet side 127. Næsten alle naturligt forekommende vandprøver indeholder mange forskellige ioner. Selv vores kropsvæsker indeholder betydelige koncentrationer af ioner. Vi må derfor være yderst forsigtige med elektriske apparater i nærheden af vand.

saltkrystaller

Opløselighed i vand Hvis vi sætter 36 g natriumchlorid til 100 mL vand ved 25 ˚C, opløses alt saltet. Tilsætter vi derefter endnu et gram salt, vil en del af krystallerne fortsat ligge på bunden, selv efter kraftig og langvarig omrøring. Der er altså en grænse for hvor meget stof, der kan opløses i en given mængde opløsningsmiddel. Forklaringen er, at selv om vandmolekylerne hele tiden angriber ionerne i krystallerne og trækker ioner ud i vandet, vand – forudsætning for alt liv

–

+

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

– +

+

–

+

–

+

–

+

–

–

+

–

+

–

+

–

+

Figur 7-4 Mættet opløsning af natriumchlorid.

129

udfældes der samtidig ioner som krystaller. Når stof udfældes lige så hurtigt fra opløsningen, som det opløses, er opløsningen mættet. Definition

Opløseligheden af et stof er massen af den mængde stof, der kan opløses i et bestemt volumen opløsningsmiddel. Tabel 7-1 viser, hvordan man meget groft kan karakterisere et stof som letopløseligt eller tungtopløseligt. Tabel 7-1 Opløselighed i vand I 100 mL vand kan der opløses:

Stoffet karakteriseres som:

mere end 1 g stof 1 g stof eller mindre

letopløseligt tungtopløseligt

Saltes opløselighed i vand

Let- eller tungtopløselig

Mange ionforbindelser er letopløselige i vand, men nogle er uopløselige eller meget tungtopløselige i vand. Der er flere forhold, som har betydning for, om et salt er let- eller tungtopløseligt i vand. Opløseligheden bestemmes bl.a. af ionernes størrelse og ladning, hvor kraftigt ionernes indbyrdes tiltrækning er, og hvor kraftigt ionerne tiltrækkes af vandmolekylerne. Natriumchlorid er fx lettere opløseligt i vand end magnesiumoxid, MgO, fordi Na+- og Cl–-ionerne ikke er bundet så stærkt til hinanden i iongitteret som de dobbeltladede Mg2+- og O2–-ioner. Når vi skal forudsige, om et salt er let- eller tungtopløseligt, kan følgende generelle regler baseret på eksperimentelle erfaringer være nyttige at anvende. Vi kan bruge tabellen til at forudsige, om et salt er let- eller tungtopløseligt. Fx er calciumnitrat, Ca(NO3)2, letopløselig i

Bariumsulfat, BaSO4, er uopløseligt i vand og »uigennemsigtigt« for røntgenstråler. Stoffet indtages af patienter før røntgenundersøgelser af mavetarmsystemet. Andre bariumsalte kan ikke bruges, idet de opløses i vand og frigiver Ba2+ -ioner, som er giftige.

130

kend kemien 1

Tabel 7-2 Generelle opløselighedsregler Opløselighed

Salte som indeholder disse ioner

Men ikke disse salte

Alle letopløselige De fleste er letopløselige

Na+, K+ og NH4+, NO3– Cl– SO42– OH–, O2– , CO32–, S2– og PO43–

AgCl og PbCl2 BaSO4, PbSO4 og CaSO4 Na+-, K+- og NH4+-salte

Tungtopløselige

vand, fordi alle salte med NO3– er letopløselige. På den anden side må calciumcarbonat, CaCO3, forventes at være et tungtopløseligt salt, fordi de fleste salte, der indeholder carbonat, CO32–, er tungtopløselige. Muslingeskaller består hovedsageligt af calciumcarbonat. Hvis dette salt ikke var tungtopløseligt, ville muslinger ikke have mange chancer for at overleve i havvandet.

Når kedler og kaffemaskiner kalker til, skyldes det udfældning af calciumcarbonat. Det er også dette salt, som danner drypsten i hulrum under jorden. Når kalkholdigt vand siver ned fra loftet og fordamper, udfældes calciumcarbonat – lag på lag.

Kalk er som nævnt tungtopløseligt i vand. Alligevel ser vi, at der udfældes betydelige mængder kalk i kogekedler.

Drypstenshule i Monaco. vand – forudsætning for alt liv

131

Tænk selv

Brug de generelle opløselighedsregler i tabel 7-2 til at forudsige, om nedenstående salte er let- eller tungtopløselige 1. ammoniumnitrat (bruges som gødningsstof) 2. natriumsulfat (bruges som tilsætningsstof i rengøringsmidler) 3. jern(III)oxid (findes i rust).

Miljømæssige konsekvenser af saltes opløselighed

Mineralet kobberglans er en af de vigtigste kobberforekomster. Det graves op af undergrunden og bruges til udvinding af kobber.

Tænk selv

Landmændene gøder markerne med gylle eller kunstgødning, som indeholder ammonium, NH4+, og nitrat, NO3–. Bakterier i jorden kan omdanne ammonium til nitrat, som i stor udstrækning vil opløses i regnvandet. Herefter kan det optages af planter, men vil også kunne sive ned i grundvandet og evt. komme til at udgøre en sundhedsrisiko i vores drikkevand. Dette problem er størst i områder med sandet jord. Da ammoniumsalte og nitrater er letopløselige i vand, er det ikke muligt at bundfælde disse næringssalte i spildevands rensningsanlæg. Stoffer, der indeholder ionerne ammonium og nitrat, omsættes i stedet ved bakteriologiske processer til gassen dinitrogen, N2. Jordens landmasser er for en stor del opbygget af mineraler, som består af ekstremt tungtopløselige ionforbindelser. Hvis dette ikke var tilfældet, ville bjerge og andre landmasser for længst være blevet opløst. De fleste metaller, fx jern og kobber, findes i jorden som uopløselige sulfider, S2–, eller oxider, O2–, og bliver altså ikke udvasket i havene. Opskriv de kemiske formler for kobber(I)sulfid (kobberglans), jern(III)oxid (hematit) og bly(II)sulfid (blyglans).

Havsalt

Saltsyderi på Læsø.

132

Natriumchlorid i jordskorpen opløses let og vaskes ud i havene, som herved bliver salte. Tabel 7-3 viser koncentrationen af forskellige ioner i almindeligt havvand og i vand fra Det Døde Hav. Der er altså opløst mange andre salte end natriumchlorid, NaCl, i vandet. Mange steder i verden inddampes havvand for at producere havsalt. På Læsø udvindes salt af havvandet ved inddampning. Efterhånden som der afdampes mere og mere vand, kan ionerne ikke længere forblive opløst. De binder sig til modsat ladede ioner og fælder ud som krystaller. Calciumsulfat, CaSO4, er et af de første salte, der udfældes som et hårdt krystallag på indersiden af beholderen. Efterhånden som inddampningen skrider frem, begynder der at dannes natriumchloridkrystaller, da koncentrationen overskrider natriumchlorids opløselighed. kend kemien 1

KendKemien2.qxd

22/08/05

11:27

Side 133

Tabel 7-3 Ioner i havvand Ion

Vand fra Skagerrak (g/L)

Positive ioner Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Negative ioner Cl– Br– HCO3– SO42–

Vand fra Det Døde Hav (g/L)

10,70 0,39 1,29 0,40

31,5 6,8 36,2 13,4

19,22 0,07 0,14 2,51

183,0 5,2 spor 0,6

Omtrent hvor stor en procentdel af vandet skal ca. fordampe, før opløseligheden af natriumchlorid overskrides.

Tænk selv

Ved fortsat inddampning dannes der stadig flere NaCl-krystaller, men der inddampes ikke til tørhed. For at undgå smagen af de bitre magnesiumsalte fjernes natriumchloridkrystallerne, inden magnesiumsaltene begynder at udfældes. Heldigvis er disse magnesiumsalte til stede i meget lave koncentrationer, og de har større opløselighed i vandet end natriumchlorid. Det Døde Hav er en afløbsløs sø med en vandoverflade, der ligger 400 m under havoverfladen. Det er almindelig kendt, at vandet i Det Døde Hav har så høj massefylde, at badende ikke kan synke til bunds. Kraftig fordampning af vandet har gennem tusinder af år resulteret i en enorm ophobning af salte i Det Døde Hav. I almindeligt havvand er der ca. 40 g salte/L havvand, mens saltkoncentrationen i Det Døde Hav er mere end 7 gange så høj. Omkring Det Døde Hav er der opvokset en kemisk industri, som udvinder mineraler af det saltholdige vand. Vandet ledes ind i lave bassiner, hvor salte med forskellig opløselighed udfældes i rækkefølge, efterhånden som mere og mere vand fordamper på grund af Solens opvarmning af vandet.

Fældningsreaktioner Når saltopløsninger blandes, er der mulighed for, at modsat ladede ioner kan slå sig sammen og danne et fast stof. Reaktioner af denne type, hvor der dannes et bundfald, kaldes fældningsreaktioner. Det Døde Hav med karakteristiske saltkager er grundlag for en kemisk industri. vand – forudsætning for alt liv

133

Demo

Dannelse af bundfald I 3 reagensglas hældes henholdsvis NaCl, MgCl2 og AlCl3 opløst i vand. Alle tre opløsninger er farveløse. Til hvert glas dryppes sølv(I)nitrat, AgNO3, opløst i vand. Efter tilsætning bliver indholdet i de tre glas mælkehvidt grumset og uigennemsigtigt. Hvis vi lader glassene stå, vil de faste partikler efterhånden samles på bunden som et bundfald. På billederne blandes en opløsning af natriumchlorid med sølv(I)nitrat.

En opløsning af natriumchlorid og en opløsning af sølv(I)nitrat blandes med hinanden. Til højre ses udfældning af sølv(I)chlorid, der efterhånden danner et bundfald.

Når vi hælder en opløsning af sølv(I)nitrat ned til en opløsning af natriumchlorid, blandes ionerne

Ag+(aq) ?

Na+(aq)

?

NO3–(aq) Cl–(aq)

Vi kan bruge Tabel 7-2 til at afgøre, om modsat ladede ioner i opløsningen danner tungtopløselige salte. Ioner i disse salte kan ikke forblive i opløsning; de slår sig sammen i et iongitter og danner bundfald. Ifølge tabellen danner nitrater altid letopløselige salte, så + Na og NO3– vil fortsat være i opløsning. Bundfaldet kan derfor alene bestå af kombinationen af Ag+ og Cl–, der danner et tungtopløseligt salt. Vi kan opskrive et reaktionsskema, som viser, hvad der sker, når en sølv(I)nitrat-opløsning blandes med en natriumchlorid-opløsning Ag+(aq) + NO3–(aq) + Na+(aq) + Cl–(aq)    →    AgCl(s) + Na+(aq) + NO3–(aq) sølv(I)nitratopløsning

134

natriumchloridopløsning

kend kemien 1

bundfald af sølv(I)chlorid

natriumnitratopløsning

Natriumion, Na+ og, nitrat, NO3–, kaldes tilskuerioner, fordi de ikke deltager i fældningsreaktionen, men findes opløst i vandet som frie ioner både før og efter fældning af sølv(I)chlorid. Når vi hælder en opløsning af sølv(I)nitrat ned til en opløsning af magnesiumchlorid, bliver de to opløsningers ioner blandet med hinanden

Ag+(aq) ?

Mg2+(aq)

?

Tilskuerioner

NO3–(aq) Cl–(aq)

Da alle nitrater er letopløselige, må bundfaldet også her bestå af sølv(I)chlorid. Vi kan opskrive et reaktionsskema for reaktionen, der forløber ved sammenblanding af en sølv(I)nitratopløsning med en magnesiumchloridopløsning 2Ag+(aq) + 2NO3–(aq) + Mg2+(aq) + 2Cl–(aq)

→

2AgCl(s) + Mg2+(aq) + 2NO3–(aq)

Her er Mg2+ og NO3– tilskuerioner. Når vi opskriver reaktionsskemaet, skal den samlede elektriske ladning være ens på begge sider af reaktionspilen. Vi afstemmer reaktionsskemaet ved at sætte koefficienter foran formlerne (se kap 5 side 89), men må naturligvis ikke ændre på de kemiske formler. Opskriv et reaktionsskema, som viser reaktionen mellem sølv(I)nitrat og aluminiumchlorid i vandig opløsning. Hvilke tilskuerioner optræder ved denne fældningsreaktion?

Tænk selv

I alle tre glas sker den samme fældningsreaktion – kun tilskuerionerne er forskellige. For at fokusere på dannelsen af bundfald undlader vi ofte at anføre tilskuerionerne i reaktionsskemaet. Vi skriver blot de ioner, der indgår i et iongitter og danner et bundfald

www

Ag+(aq) + Cl–(aq)

→

Download

Eksperimenter

K1-7

Saltes opløselighed i vand (mikroskala) Download

Eksperimenter

K1-7

Identifikation af stoffer

AgCl(s) Tabel 7-5 Vands hårdhed Hårdhedsgrader ˚dH

Vands hårdhed Vandets hårdhed er et mål for koncentrationen af opløst Ca2+ og Mg2+ i vand. Vandets hårdhed måles i hårdhedsgrader, ˚dH. 1 ˚dH er hårdheden fra 10 mg CaO (eller 7,1 mg Ca2+) pr. liter vand. Hvis vandet er hårdere end 30 ˚dH, vil det give tekniske problemer med kalkudfældninger.

vand – forudsætning for alt liv

0-4 4-8 8-12 12-18 18-30 >30

Betegnelse Meget blødt Blødt Middelhårdt Temmelig hårdt Hårdt Meget hårdt

135

Nyresten Urin er en vandig opløsning af mange forskellige stoffer. Nyrerne udskiller hele tiden stoffer, der har lav opløselighed. I forbindelse med sygdom eller uhensigtsmæssig kost kan balancen mellem vand og opløste ioner blive forstyrret. Saltes opløselighed i urinen kan overskrides, og der sker udfældning af krystaller. Hvis krystaldannelsen sker i nyrerne, dannes nyresten. Nogle saltes opløse-

lighed afhænger af væskens surhedsgrad. I sur urin dannes der ofte calciumoxalat, CaC2O4. I basisk urin dannes der især calciumphosphat, Ca3(PO4)2, calciumcarbonat, CaCO3, eller magnesium-ammoniumphosphat, MgNH4PO4. Hvis stenene hovedsageligt består af calciumoxalat, frarådes patienterne at spise oxalatholdige levnedsmidler som spinat og rabarber.

Nyresten består af magnesium-ammoniumphosphat.

Tænk selv

Spinat indeholder oxalsyre, der danner et tungtopløseligt calciumsalt med calciumioner. Generelt anbefales mennesker, der har tendens til at danne nyresten, at drikke 6-8 glas vand om dagen for at undgå mætningsniveauet for mineralerne i urinen. Krystallerne kan pulveriseres ved at bombardere nyrestenene med højt fokuserede chokbølger.

Spinat indeholder store mængder af oxalat.

Klik ind på dit lokale vandværks hjemmeside og find oplysninger om hårdhedsgraden af dit drikkevand. Søg også data, der viser vands hårdhed forskellige steder i Danmark, og kommenter værdierne. Hårdt vand er ikke så velegnet til vask og rengøring, da vandets Ca2+- og Mg2+-ioner udfældes som tungtopløselige salte med de vaskeaktive ioner i sæben. Herved nedsættes vaskeevnen af sæbe og andre rengøringsmidler. Krystaller af kalksæben sætter sig i tøjets fibre og gør tøjet gråligt og sprødt. Jo større hårdhedsgrad desto mere sæbe skal der bruges til tøjvask. Derfor skal man kende vandets hårdhedsgrad for at kunne dosere korrekt. På vaskepulverpakker er doseringen angivet i forhold til vandets hårdhed.

Dosering af sæbe Sæbe indeholder emulgator-ioner med én negativ ladning og natriumioner. For nemheds skyld skrives de negative ioners formel blot som Sæb–. Fældningsreaktionen med calciumioner er derfor Ca2+(aq) + 2Sæb–(aq) 136

kend kemien 1

→

CaSæb2(s)

Hårdt vand kan blødgøres ved tilsætning af kalkbindere. Fx kan opløste calciumioner bundfældes ved tilsætning af det letopløselige salt soda, Na2CO3, Ca2+(aq) + CO32–(aq)

→

CaCO3(s)

Forbrugerstyrelsens test af kalkbindere i 1995 viste, at brug af kalkbindere kan spare miljøet for op mod halvdelen af forbruget af vaskemidler, mens tøjet stadig bliver rent. I en del private hjem er der monteret en ionbytter i opvaskemaskinen for at blødgøre vandet. Ionbytteren indeholder mange små porøse kugler, som kan binde positive ioner til sig. Ca2+ og Mg2+ tilbageholdes derfor i ionbytteren, som i stedet udskiller Na+. Da alle natriumsalte er letopløselige (se tabel 7-2 side 131), giver de ikke anledning til udfældning af salte eller dannelse af kalksæber. Ionbytteren regenereres med natriumchlorid. Når man anskaffer sig en ny opvaskemaskine, skal der udføres en justering af dosering af salt og afspændingsmiddel svarende til vandets hårdhed.

Ionbytteren i en opvaskemaskine regenereres med natriumchlorid.

www Download

Eksperimenter

K1-7

Vands hårdhed

Molekylforbindelser opløst i vand Som bekendt kan der opløses mange sukkerknalder i en kop te eller kaffe. Krystallerne nedbrydes, og sukkeret bliver usynligt. Sukker, sucrose, er en molekylforbindelse med formlen C12H22O11. Når sukker opløses i vand, forbliver sukkermolekylerne fra krystallerne intakte og bevæger sig frit rundt i vandet omgivet af et antal vandmolekyler. Opløsningsprocessen kan kort skrives C12H22O11(s)

→

C12H22O11(aq)

Sukker kan opløses i vand.

Figur 7-5 Sukkerkrystaller opløses i vand, idet polære sukkermolekyler tiltrækkes af polære vandmolekyler.

vand – forudsætning for alt liv

137

KendKemien2.qxd

22/08/05

6

CH2OH O

5

H 4

HO

H

1

OH

H

3

2

H

OH

6

Side 138

Figur 7-6 Et sukkermolekyle indeholder otte hydroxygrupper, angivet med blåt.

O

O

CH2OH 5

H

H

11:31

2

H

OH

4

3

OH

H

1

CH2OH Tænk selv

Et sukkermolekyle består af 45 atomer, som er bundet sammen af elektronparbindinger. Hvert sukkermolekyle indeholder otte hydroxygrupper, #OH. Disse grupper kan danne hydrogenbindinger til andre sukkermolekylers #OH-grupper (se kapitel 4 side 81). Det er især hydrogenbindingerne, som holder sukkermolekylerne sammen i krystallerne. Vandmolekylerne kan trække sukkermolekylerne ud i vandet, idet hydrogenbindingerne mellem sukkermolekylerne i krystallerne erstattes af hydrogenbindinger mellem vandmolekylerne og sukkermolekylerne. Skitser, hvordan vandmolekyler kan danne hydrogenbindinger med et sukkermolekyle. Da sukkermolekylerne er neutrale og forbliver intakte, kan sukkervand ikke lede en elektrisk strøm, som vist i introduktionsforsøget side 127.

Figur 7-7 En opløsning af sukker leder ikke den elektriske strøm, men det gør til gengæld en opløsning af et salt.

Batteri

Batteri

–

+ Na+ Na+

Na+

–

Cl–

Cl– Cl–

Stærk elektrolyt Tænk selv

www Download Eksperimenter K1-7 Fremstilling af kandis

+ sukker

sukker

sukker

sukker

Ikke elektrolyt

Tegn en tredimensionel figur af glucose, C6H12O6, ved hjælp af et kemisk tegneprogram. Find de steder i molekylet, hvor der kan dannes hydrogenbindinger. Kommenter 3D-forholdene. I sodavand og læskedrikke er koncentrationen af sukker, sucrose, ofte 10 g pr. 100 mL væske. Mange andre polære molekyler blandes let med vand ved at danne hydrogenbindinger med vandmolekyler.

Opløselighedens temperaturafhængighed De fleste faste stoffers opløselighed vokser, når temperaturen stiger, men stigningstakten er ofte meget forskellig fra stof til stof. Det fremgår af opløselighedskurverne i figur 7-8. Når sommeren er på sit højeste, kan mange unge snildt drikke et par liter sodavand om dagen. Derved indtager de 200 g sukker. Flere mister herved appetitten til de egentlige måltider.

138

kend kemien 1

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 139

I modsætning til faste stoffer aftager gassers opløselighed i vand, jo højere temperaturen bliver.

Opløselighed i vand (g/100 mL)

Vand og kroppens biokemi

240

60 % af kroppens vandindhold findes inde i cellerne, mens de 40 % findes uden for cellerne i bl.a. væv og blod. De fleste af de kemiske reaktioner, der finder sted i kroppens celler, sker altså i vandigt miljø. Vand spiller også en central rolle ved nedbrydning af fødevarer, ved transport af næringsstoffer til cellerne og ved udskillelse af affaldsstoffer. I løbet af et døgn udskiftes ca. 6 % af kroppens vand. Hver dag udskiller et menneske mellem 1500 og 3000 mL vand i urin, sved, udåndingsluft og afføring. Organismen kan ikke tåle at miste mere end 10 % af vandindholdet uden alvorlige følger. Det er derfor overordentlig vigtigt, at væskebalancen opretholdes. Vandtabet erstattes gennem den væske og mad, vi indtager, og gennem forbrændingsprocesser, som producerer vand i kroppens celler.

200

C12H22O11 KNO3

NaNO3 160 120

80

KCl NaCl

40

0

Temperatur ˚C 0

20

40

60

80

100

Figur 7-8 Opløselighedens afhængighed af temperaturen for sukker og for nogle salte.

Tabel 7-5 Vandprocent i nogle fødevarer Betegnelse

Fødevarer Grøntsager Gulerødder Tomater

88 % 94 %

Frugt Æbler Bananer Appelsin Jordbær

85 % 76 % 86 % 90 %

71 % 60 % 71 %

Kornprodukter Hvedebrød Nudler

31 % 70 %

O2

0,004

0,002

Mælkeprodukter Sødmælk Hytteost

87 % 78 %

Vandtab Udånding 600 mL

Sved 300 mL

0,000

Temperatur ˚C 0

10

20

30

40

50

60

Figur 7-9 Ved 37 oC kan 3,5 mg O2 opløses pr. 100 mL vand. I blodet bindes dioxygenmolekylerne af hæmoglobin, og derfor kan der opløses 50 gange flere O2-molekyler end i vand.

Afføring 100 mL

Urin 1500 mL

Mad 1200 mL Drikkevarer 1000 mL

Opløselighed i vand (g/100 mL)

0,008

0,006

Kød/fisk Kogt kylling Bøf Laks

Vandoptagelse Forbrænding 300 mL

Betegnelse

Fødevarer

Figur 7-10 Balancen mellem tab og optagelse af vand i kroppen, 2500 mL i døgnet.

vand – forudsætning for alt liv kend kemien 1

139

Tour de France.

Tabel 7-6 Ioner i blodplasma Ioner

Koncentration mg/L

Positive ioner Na+ K+ Ca2+ Mg2+

3173 196 80 36

Negative ioner Cl– HCO3– HPO42–

3900 1831 192

www Download

Eksperimenter

K1-7

Saltkoncentrationen i sved (kalibrering)

Tænk selv

I kropsvæsker er der opløst salte og molekylforbindelser. Betydelige ændringer i stoffernes koncentration kan være tegn på sygdom og skade organismen. Tørst er en af de vigtigste regulatorer for væskebalancen. Man føler tørst, når Na+-indholdet i blodet stiger. Hvis man sveder, virker mekanismen imidlertid ikke rigtigt, fordi der mistes salt med sveden, og saltindholdet i blodet stiger derfor ikke så meget. Det er forklaringen på, at folk i troperne pludselig kan blive syge (hedeslag) pga. væske- og salttab uden at føle egentlig tørst. I tabel 7-6 ses nogle typiske koncentrationer af ioner i blodplasma. Sammenlign med koncentrationerne af ionerne i havvand. Forklar, hvorfor havvand ikke kan slukke tørsten.

Når indholdet af glucose bliver for lavt, påvirker det hjernens evne til at fungere, fordi hjernen kun kan udnytte energi fra glucose.

Druesukker (glucose), C6H12O6, er letopløseligt i vand og transporteres altså let rundt i blodets vandfase. Hos sunde og normale mennesker er der ca. 0,1 % glucose i blodet. Glucose er et vigtigt brændstof for cellerne. Cellernes indre vandfase adskilles fra omgivelsernes vandfase af en upolær cellemembran, der bl.a. skal regulere optagelsen af de nødvendige stoffer til livsprocesserne. Da glucosemolekylet er polært og ret stort, kan det ikke trænge igennem den upolære cellemembran. Ioner kan pga. deres ladning og kappe af omkringliggende vandmolekyler heller ikke trænge igennem. Men tilførslen af glucose og mange ioner er helt nødvendig for opretholdelse af cellens livsprocesser. Derfor har den upolære cellemembran indbygget nogle porte, som aktivt regulerer tilførslen af disse stoffer.

140

kend kemien 1

Overblik vandig opløsning

en homogen blanding af to eller flere stoffer, hvor det opløste stofs molekyler eller ioner er jævnt fordelt mellem vandmolekyler

fældningsreaktion

opløste ioner slår sig sammen i et iongitter og danner bundfald

tilskuerioner

ioner i opløsning, der ikke deltager i en reaktion

opløselighed

massen af den mængde stof, der kan opløses i et bestemt volumen opløsningsmiddel

vands hårdhed

et mål for koncentrationen af calcium- og magnesiumioner, angives i hårdhedsgrad °dH

vand – forudsætning for alt liv

141

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Diskuter, hvilke stoffer der eventuelt opløses i vandet på forskellige steder i kredsløbet se figur 7-1 side 127. Hvilke miljømæssige og sundhedsmæssige konsekvenser kan de opløste stoffer have. 2. Gør rede for, hvilke af nedenstående påstande der er sande. Et stof i vandig opløsning a. kan fjernes ved filtrering b. bundfældes ved henstand c. kan ikke ses d. er jævnt fordelt i vandet e. kan opløses i større mængde, når stoffet findeles. 3. Forklar følgende erfaringer a. Fine sukkerkrystaller opløses hurtigere i vand end hugget sukker. b. Tilsætning af mere sukker til en kop te med sukkerkrystaller på bunden, får ikke teen til at smage sødere. c. Sukker opløses hurtigere i te ved omrøring. d. Sukker opløses hurtigere i varm te end i kold te. 4. Gør rede for, hvilke af nedenstående vandige opløsninger, der indeholder ioner MgCl2(aq), CH3OH(aq), Cu(NO3)2(aq), C6H12O6(aq). Opskriv reaktionsskemaer for opløsning af stofferne i vand. 5. Beskriv, hvad der sker når nedenstående stoffer opløses i vand LiBr, Mg(NO3)2, CH3OH. 6. Opskriv afstemte reaktionsskemaer for nedenstående saltes opløsning i vand a. ammoniumbromid b. kaliumcarbonat c. jern(III)nitrat.

Salt MgCl2 NaCl CaCl2 KCl MgBr2 CaSO4

g/L 140 80 40 13 6 1

7. Tabellen i margen er en opskrift på kunstigt fremstillet vand fra Det Døde Hav. Vis ved beregning, at sammensætningen af det kunstigt fremstillede vand svarer til vandet fra Det Døde Hav, som beskrevet i tabel 7-3 side 133. Lav en opskrift på kunstigt fremstillet vand fra Skagerrak. 8. Forudsig, om nedenstående salte er letopløselige i vand, se tabel 7-2 side 131. Na3PO4, FeCO3, KOH, BaSO4, Al2O3, (NH4)2CO3. 9. Afstem nedenstående fældningsreaktioner a. Pb2+(aq) + S2–(aq) → PbS(s) b. Ag+(aq) + CO32–(aq) → Ag2CO3(s) c. Fe3+(aq) + O2–(aq) → Fe2O3(s)

142

kend kemien 1

10. Færdiggør fældningsreaktionerne, og afstem dem. a. Mg2+(aq) + OH–(aq) → b. Cu+(aq) + O2–(aq) → c. Ca2+(aq) + PO43–(aq) →

Opgaver og diskussionsspørgsmål

11. Der dannes bundfald, når nedenstående opløsninger blandes. Opskriv to reaktionsskemaer for hver af fældningsreaktionerne – det første med tilskuerioner, det andet uden tilskuerioner. a. AgNO3 og NH4Br b. BaCl2 og K2SO4 c. NaOH og CuSO4. 12. Spildevand kan indeholde store mængder phosphat fra bl.a. vaskepulver og gødning. Phosphater er næringsstoffer, der kan forårsage ukontrolleret algevækst, hvis de tilføres i store mængder til søer og vandløb. Herved kan det naturlige økosystem ødelægges. På rensningsanlæg fjernes phosphater, PO43–, derfor ved kemisk fældning. Begrund, hvilke letopløselige salte, som er velegnede til fældning af phosphaterne. Opskriv reaktionsskemaer for fældningsreaktionerne. Undersøg hvilket salt, der tilsættes for at fjerne phosphaterne på det lokale rensningsanlæg. 13. Gør rede for, om nedenstående udsagn passer med en mættet eller umættet opløsning. a. En sukkerknald opløses fuldstændig, når den tilsættes en kop kaffe. b. En krystal ændrer ikke størrelse ved tilsætning til en opløsning. c. 200 g sukker i 100 mL vand ved 80 ˚C. d. 200 g sukker tilsættes 100 mL iste. e. 200 g sukker tilsættes 100 mL vand ved 20 ˚C. 14. En opløsning der indeholder 120 g KNO3 i 100 mL ved 100 ˚C nedkøles til 20 ˚C. Brug figur 7-8 side 139 til at svare på nedenstående spørgsmål. a. Er opløsningen mættet eller umættet ved 100 ˚C? b. Er opløsningen mættet eller umættet ved 40 ˚C? c. Hvor stor en masse, KNO3 hvis nogen, vil der udfældes under nedkølingen? 15. Kroppens syre-basebalance og vandbalance opretholdes bl.a. af ioner opløst i kroppens vand. Tabel 7-6 side 140 viser ionkoncentrationer i blodplasma. a. Opskriv de kemiske formler for alle mulige kombinationer af salte. b. Vurder, om nogle af saltene vil udfældes. Brug tabel 7-2 side 131 suppleret med andet tabelmateriale. 16. Opløseligheden af urinsyre, C5H4N4O3, i plasma er 7 mg/100 mL ved 37 oC. Vi har normalt en koncentration af urinsyre på 2-6 mg/100 mL. Hvis koncentrationen kommer over 7 mg/100 mL i plasma, kan der ske udfældning af urinsyrekrystaller i fx leddene og derved give anledning til sygdommen gigt. Find molekylformlen for urinsyre i databogen eller en elektronisk database. Identificer grupper i molekylet, som kan danne hydrogenbindinger med vand.

vand – forudsætning for alt liv

143

Stofmængdekoncentration. . . . . . 146 Fortynding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Fældningstitrering . . . . . . . . . . . . . 150 Andre koncentrationsmål . . . . . . . 152 Grænseværdier og miljø . . . . . . . . 153 Drikkevand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

8

Afmåling af volumen kræver specielt udstyr.

Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

Den luft, vi indånder, består af 78 % dinitrogen, 21 % dioxygen og 0,9 % argon. Koncentrationen af de enkelte stoffer i gasblandingen er angivet i volumenprocent, dvs. i hundrededele af blandingens volumen. 1 liter luft indeholder altså 210 mL dioxygen, da 21 % af 1000 mL er 210 mL. Koncentrationen af luftforurenende stoffer, fx carbonoxid, CO, og svovldioxid, SO2, i storbyer eller på arbejdspladser, angives ikke i procent. Det er nemlig ubekvemt, da stoffernes volumen kun udgør er milliontedele af luftens volumen. I stedet for benytter Arbejdstilsynet ppm, »parts per million«, dvs. 10–6. Der findes 0,03 % carbondioxid i luft. Hvor stor er koncentrationen i ppm? I New York City er koncentrationen af CO ofte 9 ppm. Hvor mange gange er koncentrationen af carbondioxid større end koncentrationen af carbonoxid i New York?

Tænk selv

For mange fødevarer angives koncentrationerne af ingredienserne i gram stof pr. 100 g fødevare. Når der på deklarationen af fx chips står 32 g fedt pr. 100 g, er koncentrationen af fedt derved oplyst som masseprocent. Saltlage bruges i madlavning til »sprængt kød«. Lagen indeholder salt og en smule sukker. En lage fremstilles af 50 g salt, 1 g sukker og 349 g vand. Hvor stor er masseprocenten af salt?

Tænk selv

Fortynding af saftevandsekstrakt Undersøg, hvor mange gange et saftkoncentrat omtrent skal fortyndes, for at dets farve eller smag forsvinder. Forsvinder farven og smagen ved samme fortyndingsgrad? Til forsøget bruges 6 ens glas, et målebæger og et koncentrat af en frugtsaft eller en læskedrik med syntetiske smags- og farvestoffer. Nummerer glassene 1-6. Det sidste glas fyldes med vand og bruges til sammenligning. Fortynd ti gange således: Hæld én del koncentrat og 9 dele vand op i glas nr. 1. (»en del saft« kan være fx 20 mL). Omrør grundigt. Fra glas nr. 1 hældes én del af blandingen i glas nr. 2. Tilsæt 9 dele vand. Omrør grundigt. Proceduren gentages med de resterende glas, indtil du har 5 glas saftevand. Noter farveændringerne. Smag på blandingerne, og sammenlign med vand. Hvad kan du konkludere?

Forsøg selv

opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

Ifølge brugsanvisningen skal én del koncentrat fortyndes med 9 dele vand for at få drikkeklar saftevand.

145

Stofmængdekoncentration Når opløste stoffer indgår i en kemisk reaktion, har vi brug for at kende stofmængderne af reaktanterne. Derfor angiver kemikere koncentrationen af en opløsning som stofmængden af opløst stof pr. volumen opløsning. Vi definerer stofmængdekoncentrationen c(A) af et opløst stof A i en opløsning med volumenet Vopløsning ved formlen Definition

c(A) =

n(A) Vopløsning

Stofmængde af opløst stof A pr. volumen opløsning

(1)

Da anvendelsen af stofmængdekoncentration er udbredt i kemi, kaldes c ofte blot koncentrationen. Enheden er mol/L. Den kan forkortes til M (kapitæl m), der læses molær. En opløsning, der indeholder 1,6 mol glucose pr. liter opløsning, skrives 1,6 mol/L C6H12O6 eller 1,6 M C6H12O6 (1,6 molær glucose). Nu har vi jo ikke altid brug for en liter af en opløsning. Skal der fremstilles en halv liter 1,6 mol/L C6H12O6, opløses 0,80 mol glucose i så meget vand, at opløsningen fylder præcis en halv liter. Tænk selv

Til et forsøg skal bruges 0,050 mol eddikesyre. I laboratoriet findes en opløsning af eddikesyre med koncentrationen 2,0 mol/L. Hvor meget skal der hældes op af opløsningen?

Fremstilling af en kobber(II)sulfatopløsning med koncentrationen 0,200 M. Der benyttes en 250 mL målekolbe. Det afvejede faste stof hældes i kolben (12,48 g CuSO4·5H2O). Der hældes lidt demineraliseret vand i kolben, og den rystes grundigt, så stoffet opløses. Der hældes yderligere demineraliseret vand i kolben op til et indgraveret mærke på halsen. Når væsken står ud for dette mærke, fylder opløsningen præcis det volumen, der står på målekolben. Kolben rystes grundigt ca. 20 gange, så opløsningen bliver homogen.

146

kend kemien 1

Isotonisk saltvand Isotonisk saltvand benyttes ved blodtransfusion. I 100 mL isotonisk saltvand findes 0,90 g natriumchlorid. Hvor stor er stofmængdekoncentrationen af salt?

Eksempel 8-1

Saltvandsdrop, her i forbindelse med en blodtransfusion.

SVAR

Først isoleres stofmængden n i formel (1) side 94. Den molare masse for NaCl er 58,44 g/mol. m=M·n n(NaCl) =

m(NaCl) 0,90 g = g M(NaCl) 58,44 mol = 0,0154 mol

Koncentrationen beregnes ved hjælp af definitionen, formel (1) i dette kapitel c(NaCl) =

n(NaCl) 0,0154 mol = = 0,154 mol/L Vopløsning 0,100 L ≈ 0,15 mol/L

Opløsningen indeholder 0,15 mol formelenheder NaCl pr. liter opløsning, dvs. 0,15 mol Na+-ioner og 0,15 mol Cl–-ioner pr. liter, da ionerne optræder i forholdet 1:1 i NaCl. Hvis vi vil beregne stofmængden af et stof A i et bestemt volumen af en opløsning med kendt koncentration, isoleres n i formel (1). (2)

n(A) = c(A) · Vopløsning

Salmiakspiritus Ammoniakvand er en opløsning af ammoniak i vand og sælges under handelsnavnet »salmiakspiritus«. Koncentrationen er 4,7 mol/L. Der skal bruges 0,50 mol ammoniak til at rense en lille bordplade. Hvor stort volumen skal der hældes op af denne ammoniakvand? SVAR

Vi isolerer volumenet Vopløsning af formel (1)

c(NH3) = Vopløsning =

n(NH3) Vopløsning n(NH3) 0,50 mol = = 0,106 L ≈ 0,11 L mol c(NH3) 4,7 L

Der anvendes 0,11 L (ca. 1 deciliter) ammoniakvand til rensningen. opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

Eksempel 8-2

8 % salmiakspiritus er hverken en opløsning af salmiak, NH4Cl, eller en »drik« med ethanol, C2H5OH, men derimod en opløsning af ammoniak i vand, 8 g ammoniak pr. 100 g opløsning.

147

Tænk selv

Passer det, at 50,0 mL 2,00 M NaOH indeholder 100 millimol natriumhydroxid? Vis, hvordan stofmængden udregnes.

Aktuel og formel koncentration Mættet calciumhydroxid ved stuetemperatur har en koncentration af Ca(OH)2 på omkring 0,02 mol/L.

I saltopløsninger er det ofte nødvendigt at kende koncentrationerne af de enkelte ioner i opløsningen. Disse koncentrationer kan udregnes, hvis vi kender koncentrationen, c, af det opløste stof. Calciumhydroxid er en ionforbindelse, der kan opløses i vand. Ved opløsning af saltet rykkes ionerne Ca2+ og OH– fra hinanden og trækkes ud i vandet. Reaktionsskemaet for opløsning af ionforbindelsen er Ca(OH)2(s)

→

Ca2+(aq) + 2OH–(aq)

Vi ser, at der findes 1 mol opløst calciumioner og 2 mol opløst hydroxid for hver 1 mol opløst calciumhydroxid. Derfor har fx en 0,02 mol/L calciumhydroxid-opløsning en koncentration af Ca2+ på 0,02 mol/L og af OH– på 0,04 mol/L. Den koncentration, som ionerne aktuelt har i opløsningen, kaldes den aktuelle koncentration. For at undgå forveksling med c skrives den aktuelle koncentration med kantede parenteser om formlerne. Der gælder således c(Ca(OH)2) = 0,02 mol/L [Ca2+] = 0,02 mol/L [OH–] = 0,04 mol/L [Ca(OH)2] = 0 mol/L Koncentrationen c af det opløste stof er altså ikke altid den samme som koncentrationen af de enkelte ioner. Koncentrationen c kaldes den formelle koncentration, dvs. koncentrationen af stoffet i en opløsning – uden hensyn til, hvad der efterfølgende er sket med ionerne i opløsningen. Det er den formelle koncentration, der ses på kemikalieflaskernes etiketter i laboratoriet. Tænk selv

Aluminiumsulfat bruges som hjælpemiddel ved fældning af stoffer i rensningsanlæg. Hvad er den aktuelle koncentration af ionerne Al3+ og SO42– i 0,02 mol/L Al2(SO4)3? Glucose er en molekylforbindelse, der kan opløses i vand. Reaktionsskemaet for opløsning af glucose er blot C6H12O6(s)

148

kend kemien 1

→

C6H12O6(aq)

Sukkermolekylerne i opløsningen er intakte, da de opløste sukkermolekyler ikke reagerer med vandmolekyler. Derfor er der ingen forskel på den formelle koncentration og den aktuelle koncentration af glucose. I husholdningseddike findes opløst eddikesyre. En lille del af syremolekylerne reagerer med vand. Er den formelle koncentration af eddikesyre større eller mindre end den aktuelle koncentration af eddikesyre?

Tænk selv

Fortynding I kemi har vi ofte brug for at fremstille en fortyndet opløsning ud fra en mere koncentreret opløsning. Ved fortynding gøres en opløsnings volumen større og koncentrationen af opløst stof mindre. Stofmængden af opløst stof ændres ikke. Hvis 25 mL af en 1,00 mol/L eddikesyre blandes med så meget vand, at opløsningen i stedet for fylder 250 mL, er opløsningens volumen blevet 10 gange større. Opløsningen er derfor blevet fortyndet 10 gange, og koncentrationen af eddikesyre er ændret fra 1,00 mol/L til 0,100 mol/L. Hvor stor er stofmængden af opløst eddikesyre før og efter fortyndingen, som er beskrevet i teksten ovenfor?

Tænk selv

Fortynding af 25 mL af en 0,0200 mol/L færdigt fremstillet opløsning af kaliumpermanganat, en stamopløsning, til koncentrationen 0,00200 mol/L. Med pipette udtages 25,0 mL af stamopløsningen. Dette volumen overføres til en 250 mL målekolbe. Der efterfyldes med demineraliseret vand op til det indgraverede mærke på kolbens hals. Kolben lukkes og omrystes grundigt.

opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

149

Eksempel 8-3

Fra »iseddike« til fortyndet eddikesyre Hvorledes kan vi fremstille 0,500 L fortyndet eddikesyre med koncentrationen 1,00 mol/L ud fra koncentreret eddikesyre (»iseddike«)? Koncentreret eddikesyre har koncentrationen 17,4 mol/L. SVAR Først beregnes den opløste stofmængde eddikesyre, n(CH3COOH), i den fortyndede opløsning. Ved indsætning i formel (2) side 149 får vi

n(CH3COOH) = c(CH3COOH) · Vopløsning = 1,00 M · 0,500 L = 0,500 mol For at beregne det volumen af den koncentrerede syre, der indeholder 0,500 mol, benytter vi formel (2) igen og isolerer V n=c·V ⇔ V= Viseddike =

n c

n(CH3COOH) 0,500 mol = mol c(CH3COOH)iseddike 17,4 L

25 m L

= 0,0287 L = 28,7 mL

28,7 mL koncentreret eddikesyre hældes i en halv liters målekolbe, der i forvejen indeholder noget vand. Herved undgås en meget kraftig temperaturstigning ved fortyndingen i kolben. Derefter fyldes kolben til det indgraverede mærke med vand. Blandingen omrystes grundigt, og opløsningen er klar til brug. Da et stofs koncentration er afgørende for, om det er giftigt eller sundhedsskadeligt, kan fortynding være en løsning på fx et miljøproblem med farlige stoffer. Den skade, som kemikalier kan forvolde på mennesker ved eksperimentelt arbejde, er også afhængig af stoffets koncentration i vævet. Kommer der fx ætsende base på huden, skal stoffet hurtigst muligt skylles væk og endelig ikke neutraliseres ved at tilsætte syre. Der skal fortyndes med masser, masser af vand.

on

on

Fældningstitrering Figur 8-1 Traditionel opstilling med konisk kolbe på magnetomrører under burette. I kolben findes et bestemt volumen af en opløsning med ukendt koncentration. Fra buretten tilsættes en opløsning med kendt koncentration af fx sølv(I)nitrat.

Titrering er en udbredt analysemetode til at bestemme koncentrationen af en opløsning. Ved denne metode bestemmes stofmængden af opløst stof i et kendt volumen. Titreringer udføres dagligt verden over bl.a. med henblik på at kontrollere renheden af drikkevand og kvaliteten af fødevarer.

150

kend kemien 1

Under en titrering tilsættes en opløsning med kendt koncentration til den opløsning, der skal undersøges. Stofferne i de to opløsninger reagerer med hinanden, indtil ækvivalenspunktet er nået. Den tilsatte stofmængde bestemmes, og koncentrationen af den undersøgte opløsning beregnes. Chlorid i havvand Koncentrationen af chlorid, Cl–, i havvand bestemmes ved en fældningstitrering med sølv(I)nitrat. Sølv(I)ioner og chlorid reagerer med hinanden ifølge reaktionsskemaet Ag+(aq) + Cl–(aq)

→

AgCl(s)

Eksempel 8-4

titreringsreaktionen

Som indikator anvendes en gul opløsning af kaliumchromat. Denne opløsning giver blandingen en rød farve umiddelbart efter ækvivalenspunktet, da overskydende sølv(I)ioner danner rødt sølv(I)chromat. Da kaliumchromat er allergifremkaldende og kan give kræft, arbejdes i mikroskala. Ved et forsøg titreres en prøve, der indeholder 0,20 mL havvand (fra Kattegat), med 0,100 M sølv(I)nitrat. Ækvivalenspunktet nås ved tilsætning af 0,91 mL AgNO3-opløsning. Ionerne Ag+ og Cl– reagerer i forholdet 1:1. I ækvivalenspunktet er den tilsatte stofmængde sølv(I)ioner derfor lig med stofmængden af chlorid i vandprøven, n(Cl–).

Fældningstitrering i mikroskala med brøndplade. Prøver af havvand findes i brøndene, indikator er tilsat. Tildrypning af sølv(I)nitrat fra buretten foregår ved hjælp af stemplet på plastiksprøjten.

Heraf følger n(Cl–) = n(Ag+)tilsat = c(AgNO3) · V(AgNO3) = 0,100 mol/L · 0,91 mL = 0,091 mmol Dividerer vi 0,091 mmol med volumenet af havvand på 0,20 mL, finder vi c(Cl–) = 0,455 M Forestiller vi os, at alle Cl–-ioner kommer fra natriumchlorid, udregnes koncentrationen af salt til 26,6 g pr. liter. Når en titrering er baseret på en fældningsreaktion, er der tale om en fældningstitrering.

Til venstre på billedet ses saltvand tilsat indikator. Bundfald af sølv(I)chlorid gør blandingen uklar (billedet i midten). Ved tilsætning af for meget sølv(I)nitrat fås al for kraftig rødfarvning.

www Animation Kemisk analyse Download

Eksperimenter

Titrering K1-8

Saltkoncentrationen i havvand

opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

151

Andre koncentrationsmål Selv om kemikere foretrækker stofmængdekoncentrationen med enheden mol pr. liter, benyttes også andre slags koncentrationsmål. Den praktiske anvendelse af en opløsning bestemmer valget af koncentrationsmål: Bruges opløsningen til kemiske undersøgelser, er den et husholdningskemikalie eller indgår den i fødevarer? Fra hverdagen kender vi bl.a. en teskefuld sukker i en kop te, to deciliter vaskepulver til en gang vask og en brusetablet aspirin til et glas vand. Tænk selv

Kan du nævne andre koncentrationsmål fra din hverdag? Se evt. på nogle varedeklarationer.

Masseprocent c masse% På varedeklarationen for husholdningseddike står 5 % eddikesyre, herved menes masseprocent. Der findes altså 5 g eddikesyre i 100 g eddike eller 50 g eddikesyre i 1 kg eddike. Tænk selv

Handelsvaren 3 % hydrogenperoxid (»brintoverilte«) indeholder 3 g H2O2 pr. 100 g opløsning. Hvad er stofmængdekoncentrationen, når densiteten (massefylden) er 1 kg/L?

Volumenprocent c volumen% Hydrogenperoxid bruges til rensning af sår og kontaktlinser, men er også velegnet til blegning af hår.

Volumenprocent anvendes ved gasblandinger, se indledningen side 145, og inden for spiritusindustrien, hvor koncentrationsangivelsen danner grundlag for beskatning af øl, vin og spiritus.

ppm, ppb og ppt For meget fortyndede opløsninger eller gasblandinger angives koncentrationen undertiden som antal milliontedele, 10–6, »parts per million«, der skrives ppm. I takt med at der udvikles mere og mere fint registrerende måleapparater, er det muligt at bestemme uhyre små koncentrationer. Sådanne størrelser angives i ppb »parts per billion«, 10–9, idet billion på amerikansk betyder en milliard (109), eller i ppt »parts per trillion«, 10–12, altså billiontedele. Trillion på amerikansk er en dansk billion (1012). Tænk selv

152

I bordsalt beriget med kaliumiodid findes 35 mg KI pr. 100 g salt. Hvor stor er koncentrationen af kaliumiodid i ppm? Angivelserne ppm, ppb og ppt anvendes både om masseforhold som fx kaliumiodid i bordsalt og om volumenforhold (gasblandinger). kend kemien 1

Grænseværdier og miljø I forbindelse med luftforurening på arbejdspladser udgiver Arbejdstilsynet lister over grænseværdier for sundhedsskadelige gasser. Grænseværdierne betegnes GV og angives i ppm eller mg pr. m3. Fx har dampe af acetone en GV på 250 ppm (volumen) i et lokale på en arbejdsplads. Grænseværdien angiver normalt den gennemsnitlige koncentration i løbet af en arbejdsdag. I perioder på højest 15 minutter må koncentration aldrig blive større end 2 gange grænseværdien. Værdierne fastlægges af Arbejdstilsynet. I mange fødevarer findes forskellige former for tilsætningsstoffer. De inddeles i grupper med hver sin serie af E-numre, der er udarbejdet af EU. Under tilsætningsstoffer hører konserveringsmidler, farvestoffer, antioxidanter, emulgatorer mv. Lovgivningen kræver, at en producent skal bevise eller sandsynliggøre, at et tilsætningsstof kan anvendes uden sundhedsmæssige problemer. For mange af tilsætningsstofferne findes en øvre grænse for koncentrationen i en fødevare. For faste stoffer angives værdierne altid i mg stof pr. kg fødevare. Nitrat i drikkevand må i EU ikke overskride en grænse på 50 mg per liter. Er denne grænseværdi det samme som 50 ppm?

www Links Grænseværdier Tænk selv

Drikkevand Kun omkring 0,6 % af jordens vandmængde findes som grundvand eller i søer og floder. I Danmark får vi næsten alt drikkevand fra grundvandet. Mindre end 1 % stammer fra renset overfladevand, hvilket undertiden benyttes i København ved spidsbelastninger om sommeren. Grundvand dannes som et led i vandets kredsløb. Den kemiske sammensætning af grundvandet er et resultat af en række omdannelser i jorden, hvilket giver store forskelle fra egn til egn, specielt mellem grundvandet i det sandede Vestjylland og grundvandet i resten af landet. Vandtårn eller højdebeholder Iltningstrappe

Filter

Rentvandspumpe

Forsyningsledning

Hovedledning Boring Råvandsledning

Råvandspumpe

Stikledningsventil

Reaktionsbassin

Forbruger

Stikledning

Forsyningspunkt Rentvandsbeholder

Skel

opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

Figur 8-2 Fremstilling af drikkevand.

153

Tabel 8-1 Kvaliteten af grundvand Analyseparameter

Boring fra Vestjylland

Boring fra Nordsjælland

Vejledende værdi

Højst tilladte værdi

pH*

5,8

7,4

7,0 - 8,0

8,5

Ioner

mg/L

mg/L

mg/L

mg/L

Ca2+ Mg2+ Na+ Fe2+ (og Fe3+) Cl– HCO3– NO3– NO2– SO42–

13 6 14 2,6 33 5,4 31 0 26

106 14 12 2,5 40 300 – – 46

* pH er et mål for surhedsgraden. Neutrale opløsninger har en pH-værdi på syv. I en sur opløsning er pH mindre end syv. I en basisk opløsning er pH over syv. pH gennemgåes i kapitel 9.

www Download

Eksperimenter

K1-8

Vands hårdhed

Tænk selv

– 30 20 0,05 50 > 100 25 under detektionsgrænsen

50

– 50 175 0,2 300 – 50 0,1 250

Den danske lovgivning vedrørende drikkevandskvaliteten er beskrevet i Drikkevandsbekendtgørelsen. Den indeholder vejledende værdier og højst tilladelige værdier for de størrelser, der indgår i kontrollen af drikkevandskvaliteten. Af tabellen ser vi, at det vestjyske grundvand har en ret lav pH-værdi. I den nordsjællandske boring forholder det sig omvendt. Med hensyn til nitrat er koncentrationen i den vestjyske boring forholdsvis høj. Koncentrationen af Ca2+ i den nordsjællandske boring er meget større end i den vestjyske. Alle de nævnte stoffers koncentration holder sig dog under den højst tilladelige værdi. Hvad mon forklaringen er på de nævnte forskelle i koncentrationen af nitrat og calciumioner?

Behandling af overfladevand I mange lande anvendes overfladevand til drikkevand. Overfladevand kan indeholde en del sygdomsfremkaldende organismer. Inden vandet sendes ud til forbrugerne, må det derfor desinficeres. Ofte tilsættes drikkevandet chlor ved at gennemboble det med gassen dichlor, Cl2, eller ved at tilsætte saltene natriumhypochlorit, NaClO, eller calciumhypochlorit, Ca(ClO)2. Alle tre stoffer danner med vand chlorundersyrling, HClO, der er et bakteriedræbende stof. Koncentrationer helt ned til 0,1 ppm i drikkevandet er tilstrækkelige til at dræbe bakterier, men selv ved så lave koncentrationer kan de fleste mennesker registrere en ubehagelig smag af chlor.

154

kend kemien 1

Overblik stofmængdekoncentration c(A)

stofmængde af opløst stof eller partikel A pr. volumen opløsning. Enhed mol/L eller M

aktuel koncentration [A]

aktuel stofmængdekoncentration af opløst stof eller partikel A i en opløsning

ppm , ppb og ppt

parts per million (10–6), parts per billion (10–9), parts per trillion (10–12)

volumenprocent cvolumen%

volumen af en gas eller en væske i procent af en blandings volumen

masseprocent cmasse%

massen af opløst stof i procent af en opløsnings masse

titrering

analysemetode til at bestemme stofmængden af et opløst stof

grænseværdi

højest tilladte gennemsnitskoncentration af et sundhedsskadeligt stof i luften på en arbejdsplads. Reguleres af Arbejdstilsynet

opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

155

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. 20,0 g NaOH opløses i så meget vand, at opløsningen fylder 0,500 L. Hvor stor er stofmængdekoncentrationen af natriumhydroxid? 2. En saltopløsning har en stofmængdekoncentration på 0,250 mol/L. Til et forsøg skal der bruges 0,100 mol NaCl. Hvor stort et volumen skal der hældes op af opløsningen? 3. Der skal fremstilles 0,250 L af en 0,30 M opløsning af kobber(II)sulfat til et forsøg. Udgangsstoffet er CuSO4·5H2O, kobber(II)sulfat–vand(1/5). Der findes altså 5 molekyler krystalvand pr. formelenhed stof. a. Hvor stof en stofmængde CuSO4·5H2O(s) skal der bruges til opløsningen? b. Hvor meget CuSO4·5H2O(s) skal der afvejes? 4. 150 mL 2,0 mol/L svovlsyre fortyndes til et volumen på 450 mL. Hvor stor er koncentrationen af svovlsyre efter fortyndingen? 5. Beregn den aktuelle koncentration af kobber(II)ioner og af nitrat i en 0,12 mol/L opløsning af Cu(NO3)2. 6. 25 mL af en 0,86 M opløsning af KNO3, kaliumnitrat, fortyndes til 500 mL. Hvor stor er koncentrationen af KNO3 i den fortyndede opløsning? 7. 50 mL 2,5 M KNO3-opløsning skal fortyndes, så koncentrationen bliver 1,0 M. Hvor meget vand skal der tilsættes? Vi forudsætter, at den fortyndede opløsnings volumen kan beregnes som summen af den oprindelige opløsnings volumen og vandets volumen. 8. Normaltsaltet smør indeholder ca. 1 % salt. Masseprocenten bestemmes ved fældningstitrering. Til 4,30 g smør i en konisk kolbe sættes 100 mL kogende vand og et par dråber opløsning af kaliumchromat (indikator). Ved titrering med 0,096 M sølv(I)nitrat nås ækvivalenspunktet ved 9,35 mL. Hvor stor er masseprocenten af salt i smørret? 9. Varedeklarationen af en mineralvand, Carlsberg Kildevæld, er vist på billedet. a. Beregn den aktuelle koncentration af de ioner, der er nævnt på deklarationen. b. Passer resultatet med, at koncentrationen af positive ladninger er lige så stor som koncentrationen af negative ladninger, så mineralvanden er elektrisk neutral? 10. I mange sodavand og læskedrikke er koncentrationen af sukker, sucrose, ca. 10 g pr. 100 mL væske. Hvor stor er stofmængdekoncentrationen af sukkeret? Formlen for sucrose er C12H22O11. 11. I en lys pilsner er alkoholprocenten 1,8 (regnet som masseprocent). Densiteten kan sættes til 1,0 g/mL. En øl indeholder 0,33 L væske. a. Beregn massen af alkohol i en lys pilsner. b. Hvad er stofmængdekoncentrationen af alkohol i en lys pilsner?

Koncentration af ioner angives i mg pr. liter i en Carlsberg Kildevæld.

156

! 12. Koncentreret ammoniakvand har masseprocenten 25. Densiteten er 0,91 g/mL. Der ønskes fremstillet 1 liter 2,0 M opløsning af ammoniak. Hvor meget koncentreret ammoniakvand skal der hældes op i et måleglas?

kend kemien 1

13. Hvis der findes 9 mL af den giftige gas carbonoxid, CO, per liter luft nær en meget trafikeret vej, vil koncentrationen da være 9 ppm?

Opgaver og diskussionsspørgsmål

14. Grænseværdien for nitrat i drikkevand angives til 50 mg/L. Hvor stort er indholdet da af nitrogen regnet som mg N per liter? 15. Jern afsløres ved smagen, hvis der er mere end 0,1 mg/L i drikkevand. Kan vi smage jernet ved en koncentration af jern(II)carbonat, FeCO3, på 5,2 · 10–7 mol/L? Sammenlign med de to boringer i tabel 8-1. Opløseligheden af carbondioxid Ifølge Arbejdsmiljøinstituttet er opløseligheden af carbondioxid ved 20 °C lig med 110 mL gas per liter vand. Find CO2’s opløselighed i vand ved 20 ˚C på websitet. Begge oplysninger gælder ved normalt atmosfæretryk. Stemmer de to opgivne værdier overens?

www Data

Uorganisk forbindelser

Søgning på navne

Grænseværdier og miljø Neglelakfjerner Forleden spildte du 10 mL neglelakfjerner (acetone) på gulvet i badeværelset. Du tørrede væsken op med en klud, som du bare lod ligge. Gør det noget? Gennemsnitsberegning Som regel vil koncentrationen af et luftforureningsstof på en arbejdsplads variere i løbet af arbejdsdagen. Ved at foretage målinger af forureningsstoffets koncentration i forskellige perioder kan man få et billede af koncentrationsvariationerne. Ved beregning af det tidsvægtede gennemsnit indgår en koncentration målt i en bestemt periode med en vægt, der svarer til periodens længde, som vist i følgende eksempel: mg/m3

Nogle neglelakfjernere indeholder acetone. 3

50

2

40

5

30 20 10 0

4 1 30

60

Måleperiode 1 2 3 4 5 Sum

40

Varighed (min) b 30 60 40 35 50

35

50

Koncentration (mg/m3), c

minutter

b·c

–

Hvis der er q måleperioder, hver på b minutter, i løbet af tiden t, beregnes det tidsvægtede gennemsnit af koncentrationen af formlen cvægtet =

(b · c)1 + (b · c)2 + … + (b · c)q t

Undersøg om reglerne fra Arbejdstilsynet er overholdt, hvis den undersøgte gas er a. ammoniak b. butanoldampe.

opløsninger – koncentrationer og grænseværdier

157

Syrers og basers egenskaber . . . . 160 Syre-basereaktioner . . . . . . . . . . . 162 Kulsyre og boblebad . . . . . . . . . . . . 164 Syrers og basers styrke . . . . . . . . . 164 pH-begrebet . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Sur regn – syrer og baser i miljøet 171 Vask i gamle dage . . . . . . . . . . . . . . 173

9

pH-måling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Syre-basetitrering . . . . . . . . . . . . . 175 Blodets pH-værdi. . . . . . . . . . . . . . . 177 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Italiensk citronplantage.

Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Syrer og baser – surt eller basisk

Citroner, grapefrugter og stikkelsbær smager surt, fordi de indeholder sure opløsninger. Vi har syre i maven for at fordøjelsesenzymerne kan fungere, og der dannes mælkesyre, når vores muskler belastes meget. Syrer fra bakterier anvendes på mejerierne til at fremstille ost og yoghurt. Baser kan neutralisere syrer. Nogle mennesker tager derfor en tablet magnesia for at modvirke produktion af for meget mavesyre. Det er en udbredt misforståelse, at syrer og baser generelt er meget farlige. I fødevarer har syrer stor betydning for smag og kvalitet. De giver mad og drikkevarer en frisk smag. I organismen findes der opløste syrer og baser, som tilsammen opretholder en bestemt surhedsgrad i kropsvæskerne. I blod skal pH således hele tiden være omkring 7,4. Det er nødvendigt af hensyn til blodets enzymer. Rødkålsindikator Med din egen pH-indikator er det muligt at bestemme surhedsgraden af nogle dagligvarer. Fremstil pH-indikatoren ved at hælde en liter kogende vand over et par frisksnittede rødkålsblade i en skål eller et stort glas. Den kraftigt farvede væske fordeles på syv – otte glas. De enkelte glas tilsættes det produkt, som du vil undersøge, fx flydende afløbsrens, kaustisk soda (fast stof, ætningsfare), mineralvand (med brus), soda, natron, salmiak (8 eller 25 %), husholdningseddike, saften af en citron eller en appelsin, shampoo, brun sæbe eller sæbespåner. Sammenlign farverne med billedet nederst på siden, og angiv en pH-værdi.

syrer og baser – surt eller basisk

Mange produkter til madlavning indeholder eddikesyre. Syren har forskellige funktioner i fødevarerne.

Forsøg selv

159

Syrers og basers egenskaber acetum (lat.): eddike acidum (lat.): syre acid (eng.): syre

Tænk selv

Boyles oversigt – med kommentarer

I Middelhavsområdet beherskede man kunsten af fremstille vin for mere end to tusinde år siden, og allerede på den tid stiftede vindrikkere bekendtskab med eddike. Man havde nemlig erfaret, at vin med luftens adgang efterhånden bliver til eddike. Det skyldes omdannelse af vinens ethanol til eddikesyre, der er syren i eddike. Derfor er eddikesyre den tidligst kendte syre. De stærke syrer, salpetersyre, saltsyre og svovlsyre, som kineserne fremstillede af mineraler fra omkring år 800 (Vikingetid i Europa), lærte europæerne først at kende i 1200-tallet. Hvilke syrer og baser bruger du eller din familie hjemme? Oprindelig blev stoffer analyseret på grundlag af udseende, lugt og smag (en metode, vi ikke anbefaler i dag). De gammelkendte egenskaber for syrer og baser blev i 1666 opstillet af englænderen Robert Boyle, der beskrev forskellen på syrer og baser på følgende måde: Syrer – smager surt – citroners sure smag skyldes citronsyre – ændrer farven på plantefarver – indikatorpapir skifter farve til gule og røde nuancer – opløser mange stoffer, virker ætsende – ophæver virkningen af baser. Baser – virker glatte ligesom sæbe – ændrer farven på plantefarver – indikatorpapir skifter farve til grønne og blå nuancer – har vaskeegenskaber – skyldes reaktion med fedtstoffer – ophæver virkningen af syrer.

Hortensias farver afhænger af jordens indhold af aluminiumioner og af surhedsgraden.

Tænk selv

160

En base siges at være modsætningen til en syre. Hvor fremgår det af oversigten ovenfor? kend kemien 1

Syrer indeholder hydrogen Den tyske kemiker Justus von Liebig påviste i 1838, at visse metaller opløses i syrer og danner dihydrogen. Vi kan lave et lignende forsøg ved at undersøge reaktionen mellem magnesium og fortyndede opløsninger af saltsyre, citronsyre og eddikesyre. Opløsningerne hældes i hvert sit reagensglas. Hver opløsning tilsættes stykker af blankpudset magnesium. En prop med glasrør og gummislange sættes på reagensglasset, og eventuel dannet gas opsamles under vand og testes for dihydrogen.

Demo

Magnesium reagerer med fortyndet saltsyre, citronsyre opløst i vand og fortyndet eddikesyre.

Først i begyndelsen af det 20’ende århundrede blev det afklaret, hvad der kemisk gør et stof til en syre. Tabel 9-1 Almindeligt forekommende syrer og baser Navn

Formel

Bemærkninger

Syrer eddikesyre acetylsalicylsyre ascorbinsyre citronsyre phosphorsyre carbonsyre saltsyre svovlsyre

CH3COOH HC9H7O4 H2C6H6O6 H3C6H5O7 H3PO4 H2CO3 HCl(aq) H2SO4

Findes i vineddike Aspirin C-vitamin Findes i citronsaft Findes i cola Findes i læskedrikke, sodavand Mavesyre Batterisyre (bilbatterier)

Baser ammoniak calciumhydroxid magnesiumhydroxid natriumhydroxid

NH3 Ca(OH)2 Mg(OH)2 NaOH

Findes i »salmiakspiritus« til rengøring Læsket kalk (til murbyggeri) Magnesia (mod mavesyre) Afløbsrens

Hydrogen angivet i rød farve gør stoffet til en syre, uddybes på de følgende sider.

syrer og baser – surt eller basisk

Svante A. Arrhenius (1859-1927) Svensk kemiker. Han viste, at opløsninger af syrer og baser indeholder ioner. Arrhenius fremlagde sin syre-baseteori i 1884: En syre er et stof, der danner hydroner, H+ , når det opløses i vand.

161

KendKemien2.qxd

22/08/05

11:33

Side 162

Syre-basereaktioner I 1923 fremsatte den danske kemiker Johannes Nicolaus Brønsted de definitioner, der bruges i dag. En syre er et stof, der kan afgive hydroner, H+ En base er et stof, der kan optage hydroner, H+

Johannes Nicolaus Brønsted (1879-1947) Dansk kemiker. Fremsatte sin syre-baseteori i 1923. Hans definition er den mest anvendte og genfindes i lærebøger i kemi verden over. Demo

Brønsted kaldte H+ for protoner i stedet for hydroner i sin teori. Navnet protolyse for en syre-basereaktion ses da også tit i kemisk litteratur. Brønsteds definition er uafhængig af, om reaktionerne sker i et opløsningsmiddel eller mellem rene stoffer. Når gasserne ammoniak og hydrogenchlorid kommer i kontakt med hinanden, dannes en hvid røg af saltet ammoniumchlorid (salmiak), NH4Cl. Ammoniak og hydrogenchlorid

Røg af ammoniumchlorid, der dannes ved reaktion mellem ammoniak og hydrogenchlorid. Røgen dannes ikke midt mellem glassene. De tunge HCl-molekyler bevæger sig langsommere end de lette NH3-molekyler.

Gasserne ammoniak og hydrogenchlorid reagerer med hinanden. To 10 mL bægerglas med henholdsvis koncentreret ammoniakvand og koncentreret saltsyre placeres under en stor glasskål. En hvid røg dannes. Reaktionen er en syre-basereaktion. Hydrogenchlorid afgiver hydroner til ammoniak H H

N

H

+

H

Cl

H

162

HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s) syre

kend kemien 1

+

N

H

H

H+

Tekst fra brasiliansk kemibog. Englænderen T. M. Lowry (1874-1936) opstillede samme definitioner uafhængigt af Brønsted.

H

base

et salt

+

Cl–

Opløses gassen hydrogenchlorid i vand, dannes saltsyre

H H

Cl

+

O H

+

–

Cl H

H

O

+ H

H+

HCl(g) + H2O(l) → Cl–(aq) + H3O+(aq) syre hydrogenchlorid

sur opløsning saltsyre

HCl-molekylet afgiver H+ til et vandmolekyle, der omdannes til H3O+. Denne ion hedder oxonium (tryk på anden stavelse). For alle syrer gælder, at de danner oxonium ved reaktion med vand. Det er tilstedeværelsen af oxonium, der gør opløsningen sur. Når HCl-molekylerne har afgivet hydroner til vandmolekyler, findes der kun syreresten chlorid, Cl–, og oxonium som opløste partikler i opløsningen. Det er H3O+ fra bl.a. opløst citronsyre, der er med til at give frugt og grønsager en frisk smag. Ligeledes er det opløst H3O+, som får farven på plantefarver eller på et stykke indikatorpapir til at ændrer sig, når vi laver et pH-tjek. Salpetersyre og saltsyre findes kun som vandige opløsninger, mens svovlsyre, eddikesyre og citronsyre eksisterer som rene stoffer. Saltsyre er ikke et rent stof, men en opløsning.

Ren eddikesyre kaldes »iseddike«, fordi det krystalliserer til en islignende masse ved 17 °C.

Skriv reaktionsskemaet for salpetersyres reaktion med vand.

Tænk selv

Springvand Gassen hydrogenchlorid, HCl, er meget letopløselig i vand. Hydrogenchlorid fremstilles ved reaktion mellem salt, natriumchlorid, og koncentreret svovlsyre i en sugekolbe med prop og slange. En kolbe fyldes med hydrogenchlorid. I en glasskål hældes vand tilsat indikator. Gennem et tilspidset glasrør suges vand fra skålen op i kolben med hydrogenchlorid.

Demo

www

Springvand med hydrogenchlorid.

Animationer Syrer og baser Saltsyre syrer og baser – surt eller basisk

163

Kulsyre og boblebad Siden oldtiden har man kendt til kursteder i nærheden af kilder med varmt, mineralholdigt vand. Kilderne indgik i behandlingen mod fx gigtlidelser eller mavebesvær. Også kilder med stor koncentration af carbonsyre i vandet har udgjort et grundlag for oprettelsen af berømte kursteder som fx Karlsbad og Marienbad i Tjekkiet. Karbade med gennembobling af carbondioxid, CO2, blev benyttet helt frem til midten af 1900-tallet i behandlingen af patienter med svagt hjerte, idet boblerne virker meget afslappende. Nu om stunder har disse bade fået en opblomstring under navnet spabad, opkaldt efter den belgiske kurby Spa. På sygehuse blev carbondioxiden ledt op i badekar fra beholdere med carbondioxid på væskeform (»kulsyrebomber«). Men boblerne kunne også fremstilles ved at blande natriumhydrogencarbonat, NaHCO3, med en syre. Hydrogencarbonat, HCO3–, fungerer nemlig som en base, når der tilsættes syre. Til hjemmebrug solgte apotekerne tidligere pulverblandinger med citronsyre og natriumhydrogencarbonat. Formlen for citronsyre forkortes til H3Cit, se tabel 9-1. Når pulveret blev rørt ud i vand, skete følgende H3Cit(aq) + HCO3–(aq) syre base H2CO3(aq)

→

→

Den sidste reaktion giver boblerne af carbondioxid. Der kan maksimalt opløses 1,7 g CO2 pr. liter vand ved 20 °C. Både H2CO3 og CO2 kaldes i daglig tale for kulsyre.

H2Cit–(aq) + H2CO3(aq)

»Badebomber«, kugler til badebobler, kan fremstilles af husholdningskemikalierne natron (natriumhydrogencarbonat), citronsyre, stivelse og væsken glycerol (propan-1,2,3-triol).

Kulsyrebad i Karlsbad, Tjekkiet. Afhængig af lægens forskrift opholder man sig 10-20 min i badet, der har temperaturen 32-34 °C.

H2O(l) + CO2(g)

Syrers og basers styrke www Download

Eksperimenter

K1-9

Kugler til badebobler

164

I kemi skelnes der mellem styrken og koncentrationen af en syre. Koncentrationen angiver hvor meget syre, der er opløst i et bestemt volumen af en opløsning. Derimod er en syres styrke et mål for syrens tendens til at afgive hydroner til vandmolekyler.

kend kemien 1

En syre er stærk, hvis alle opløste syremolekyler afgiver hydroner til vandet. Når HCl-gas bobles gennem vand, dannes saltsyre

HCl(g) + H2O(l) → Cl–(aq) + H3O+(l) saltsyre

Hvert eneste HCl-molekyle afgiver en hydron til et af de omkringliggende vandmolekyler. Det markeres i reaktionsskemaet med én pil. De allerfleste syrer er svage. Det gælder syrerne eddikesyre, citronsyre og carbonsyre (kulsyre), hvoraf de to sidste findes i mange sodavand. At en syre er svag betyder, at kun få procent af syremolekylerne reagerer med vandmolekyler. Langt de fleste syremolekyler afgiver slet ikke hydroner til vandmolekyler, men findes intakte i opløsningen. Når eddikesyre reagerer med vand, skriver vi reaktionen på følgende måde (med dobbeltpil) H+ O

H H

C

H

O

H

+

C

O H

O

H+

–

H

H

H

C

H

H

+

C

H

O

O

Stærk eller koncentreret? I en stærk kaffe er koncentrationen af smagsstoffer høj. Denne betydning af ordet stærk bruges ikke om syrer og baser. Saltsyre er en stærk syre, uanset opløsningens koncentration. Fortyndes en saltsyre, ændrer det rigtignok på koncentrationen af opløste ioner, men syren er fortsat stærk.

+ H

CH3COOH(aq) + H2O(l) = CH3COO–(aq) + H3O+(aq) Dobbeltpilen (harpuner) angiver, at reaktionen kan forløbe begge veje. Der indstiller sig en ligevægt, hvor kun en brøkdel eller nogle få procent af eddikesyremolekylerne har afgivet en hydron til vand. I almindelig eddike er koncentrationen af eddikesyre 0,8 M. Det viser sig, at kun 0,5 % af eddikesyremolekylerne i denne opløsning har reageret med vand, de 99,5 % forbliver som CH3COOH-molekyler. Ammoniak er en svag base. Skriv reaktionsskemaet for gassen ammoniaks reaktion med vand.

www Animationer Syrer og baser Eddikesyre

Tænk selv

Syre-basepar Når en hydron overføres fra et molekyle eddikesyre til et vandmolekyle, dannes en ion ethanoat, CH3COO–, og en oxonium H+

CH3COOH  +  H2O syre

→

CH3COO–  +  H3O+

base

syrer og baser – surt eller basisk

165

Reaktionen den modsatte vej er også en overførsel af en hydron. Ved denne reaktion optager ethanoat en hydron og bliver til et molekyle eddikesyre. Ionen ethanoat er altså en base H+

CH3COO–  +  H2O base

→

CH3COOH  +  OH–

syre

Ethanoat kaldes den korresponderende base til eddikesyre, og eddikesyre kaldes den korresponderende syre til ethanoat CH3COOH(aq) + H2O(l) = CH3COO–(aq) + H3O+(aq) En syre og en base, der ligesom parret CH3COOH/CH3COO– kun har én H+ til forskel, kaldes et korresponderende syre-basepar. HCl og Cl– er et syre-basepar. HCl er en stærk syre, og Cl– er så svag en base, at den ikke er i stand til at optage H+ fra vandmolekyler. Derfor optræder Cl– som tilskuerion ved syrebasereaktioner i vand. Tænk selv

Ammonium, NH4+, er den korresponderende syre til ammoniak. Skriv reaktionsskemaet for ammoniums reaktion med vand.

Tænk selv

Skriv formlen for den korresponderende base til myresyre, HCOOH, og formlen for den korresponderende syre til sulfit, SO32–. Tabel 9-2 Syre-basepar Syre Stærke syrer

HCl(aq) H2SO4 HNO3 H3O+

Cl– HSO4– NO3– H2O

Yderst svage baser

Middelstærke syrer

H2SO3 HSO4– H3PO4 H3C6H5O7*

HSO3– SO42– H2PO4– H2C6H5O7–

Meget svage baser

Svage syrer

CH3COOH H2CO3 H2PO4– NH4+

CH3COO– HCO3– HPO42– NH3

Svage baser

Meget svage syrer

HCO3– HPO42–

CO32– PO43–

Middelstærke baser

Yderst svage syrer

H2O OH–

OH– O2–

Stærke baser

* citronsyre

166

Korresponderende base

kend kemien 1

KendKemien2.qxd

22/08/05

11:38

Side 167

I tabel 9-2 er nogle syrer opstillet i en rangorden efter aftagende syrestyrke. Den stærkeste syre i oversigten er saltsyre. Det ses af tabellen, at jo stærkere en syre er, desto svagere er dens korresponderende base. Vi har set, at vand optager hydroner, dvs. optræder som base, når en syre reagerer med vand. Omvendt afgiver vandet hydroner og fungerer som syre, når vi opløser en base som ammoniak i vand. Vand kan åbenbart optræde både som syre og som base. Et stof med disse egenskaber kaldes en amfolyt. I tabel 9-2 kan du finde andre amfolytter end vand. Hvilke?

amphotteros (gr.): på begge måder Tænk selv

pH-begrebet Drikkevand fra vandhanen leder elektrisk strøm på grund af opløste ioner. Men hvad med rent vand? Vi forestiller os, at væsken udelukkende består af polære, men neutrale vandmolekyler og ingen ioner. Men selv friskt destilleret vand er – overraskende nok – en ganske lille smule elektrisk ledende. Så der må altså være nogle ioner til stede i rent vand. Forklaringen er, at vandmolekyler undertiden støder sammen to og to på en sådan måde, at der overføres en hydron fra et vandmolekyle til et andet. Det ene vandmolekyle optræder som syre, det andet som base

Overførsel af hydroner i vand

H+ –

H O H

+

H

O

H

H

O

H

+

H

O

+ H

For hver overført hydron dannes to ioner, en hydroxid og en oxonium. Koncentrationerne af de to ioner er altså lige store i vand. Med et meget følsomt måleudstyr er det muligt at bestemme de uhyre små koncentrationer. Koncentrationerne er (ved 25 °C): [H3O+] = 1,0 · 10–7 mol/L [OH–] = 1,0 · 10–7 mol/L I 10 millioner liter (107 L) vand ved stuetemperatur vil der være præcis 1 mol oxonium og 1 mol hydroxid.

syrer og baser – surt eller basisk

167

Ganger vi koncentrationen af oxonium med koncentrationen af hydroxid, får vi [H3O+] · [OH–] = 1,0 · 10–14 (mol/L)2

Søren Peter Lauritz Sørensen (1868-1939) Dansk kemiker og direktør ved Carlsberg. Indførte pH-skalaen i 1909.

Definition

(ved 25 °C)

Dette produkt kaldes vands ionprodukt. Det kan vises, at produktet [H3O+] · [OH–] har samme værdi i en hvilken som helst fortyndet vandig opløsning (ved 25 °C). Vands ionprodukt gør det muligt at beregne koncentrationen af den ene af ionerne OH– eller H3O+ i en vandig opløsning, når vi kender koncentrationen af den anden. Opløser vi en syre i vand, vokser [H3O+], og opløsningen bliver sur. [OH–] falder så meget, at vands ionprodukt holder sig konstant på værdien 1,0 · 10–14 (mol/L)2. Der er altså overskud af oxonium i en sur opløsning. Opløses en base i vand, bliver der overskud af hydroxid og underskud af oxonium – opløsningen bliver basisk. Der gælder følgende Sur opløsning:

[H3O+] > [OH–]

Neutral opløsning:

[H3O+] = [OH–]

Basisk opløsning:

[H3O+] < [OH–]

Bemærk, at et stof kan være en syre eller en base, mens kun en vandig opløsning kan være sur, basisk eller neutral. Tænk selv

I spyt er koncentrationen af oxonium 1,6 · 10–7 mol/L. Beregn koncentrationen af hydroxid. Er spyt surt eller basisk? Af bekvemmelighedsgrunde indførte danskeren S. P. L. Sørensen i 1909 en logaritmisk skala som et mål for surhedsgrad. Hans skala bruges over hele verden den dag i dag.

Definition

pH er minus titalslogaritmen til talværdien af koncentrationen af oxonium pH = – log

pH, et mål for surhedsgrad p står for minus 10-talslogaritme H står for H+(aq), forkortet skrivemåde for H3O+(aq)

168

[H3O+] 1 mol/L

(2)

Vi dividerer [H3O+] med enheden mol pr. liter, så størrelsen under logaritmetegnet ikke har nogen enhed. Kun logaritmen til et positivt tal har nemlig nogen mening. Logaritmen med modsat fortegn blev valgt, for at en pH-værdi skulle være positiv i alle de almindelige tilfælde, hvor [H3O+] er under 1 mol/L.

kend kemien 1

Ofte udelades divisionen med mol/L i formlen for pH pH = – log[H3O+] Hvis vi omvendt skal beregne [H3O+], når pH-værdien er målt, bruger vi formlen [H3O+] = 10–pH mol/L

(3)

Hvis der i en prøve med mavesyre er fundet en koncentration af oxonium på 0,03 mol/L, hvad er da pH?

Tænk selv

Tabel 9-3 pH og H3O+-koncentrationer pH

0

1

2

3

4

5

6

7

8

[H3O+] 1 mol/L

1

10–1

10–2

10–3

10–4

10–5

10–6

10–7

10–8

+ H O + H3O 3 10–14 10–13 10–12 10–11 10–10 10–9

10

10–8

OH– 10–7

10–6

11

12

13

14

10–9 10–10 10–11 10–12 10–13 10–14

H3O+

H3O+

OH–

[OH–] 1 mol/L

9

OH– 10–5

10–4

10–3

– OH 10–2

10–1

1

Det er almindeligt at opgive pH-værdier med én decimal. En lav pH-værdi er ensbetydende med en høj koncentration af oxonium. Når pH vokser med værdien 1, falder koncentrationen af oxonium 10 gange, dvs. med en faktor 10. Vi har altså pH = 2,0

[H3O+] = 0,010 mol/L

pH = 3,0

[H3O+] = 0,0010 mol/L

I rent vand er [H3O+] lig med 1,0 · 10–7 mol/L. Det er forklaringen på, at pH er 7 i neutral opløsning pH = – log (1,0 · 10–7) = 7,0 I en sur opløsning er [H3O+] > 1,0 · 10–7 mol/L og pH < 7,0. I en basisk opløsning er [H3O+] < 1,0 · 10–7 mol/L og pH > 7,0. syrer og baser – surt eller basisk

169

I blod ligger pH-værdien på 7,4. Selv en lille stigning i blodets pH betyder en stor nedgang i koncentrationen af oxonium. Ved en pH-værdi på 7,8 (ukompenseret alkalose) vil tilstanden for den pågældende patient være meget alvorlig (dødelig). Tænk selv

pH måles til 7,7 hos en patient. Er det rigtigt, at koncentrationen af H3O+ er halveret i forhold til den normale værdi?

Saltopløsninger er sjældent neutrale Opløsninger af salte i vand giver ofte sure eller basiske opløsninger. Det er en udbredt misforståelse, at alle salte reagerer neutralt ligesom natriumchlorid, når de opløses i vand. Hvis vi skal afgøre, om et opløst salt reagerer surt, basisk eller neutralt, må vi se nærmere på de indgående ioners syrebaseegenskaber. Natriumchlorid er opbygget af ionerne Na+ og Cl–. Natriumionen har hverken tilbøjelighed til at afgive eller optage en hydron, dvs. ionen har ingen syre-baseegenskaber. Af tabel 9-2 ser vi, at chlorid er korresponderende base til en stærk syre, saltsyre, og er derfor en yderst svag base. Chlorid optager ikke H+ fra vandmolekyler. En opløsning af natriumchlorid reagerer derfor neutralt. Reaktionsskemaerne er →

NaCl(s)

Na+(aq) + Cl–(aq)

Na+(aq) + H2O(l) Cl–(aq) + H2O(l)

→ →

ingen reaktion ingen reaktion

I ammoniumchlorid, NH4Cl, er natriumionen udskiftet med ammonium, hvis vi sammenligner med natriumchlorid ovenfor. Ammonium er en svag syre ifølge tabel 9-2. Opløses ammoniumchlorid i vand, er reaktionsskemaerne NH4Cl(s)

→

NH4+(aq) + Cl–(aq)

H+

NH4+(aq) + H2O(l)

=

syre

Cl–(aq) + H2O(l)

NH3(aq) + H3O+(aq) sur opløsning

→

ingen reaktion

Ammoniumchlorid er det samme som salmiak. Det reagerer svagt surt, og mange synes godt om denne smag i lakrids.

Derfor reagerer ammoniumchlorid svagt surt. I Østjylland er undergrunden kalkholdig, og jordbunden er basisk. En smule »opløst kalk«, calciumhydrogencarbonat, Ca(HCO3)2, fra en kalkholdig undergrund kan gøre drikke-

170

kend kemien 1

vand ganske lidt basisk. Det skyldes følgende reaktion mellem hydrogencarbonat og vand HCO3–(aq) + H2O(l)

H2CO3(aq) + OH–(aq)

=

I jord kan pH svinge fra omkring 5 (ved moser) helt op til 8 (i lerjord). Jorden i skovbunden er sur på grund af nedbrydningen af meget organisk materiale, hvorved der dannes mange forskellige organiske syrer (humussyrer). Almindelig muldjord til haver har en pH-værdi lige under eller omkring 7, men nogle planter kan kun gro i sur jord – det gælder rhododendron, hvor pH ikke må komme over 5,5.

Rhododendron er en surbundsplante, derfor gødes med ammoniumsulfat, (NH4)2SO4, som også kaldes »svovlsur ammoniak«.

Tænk selv

Sur opløsning

5

6

7

8

Neutral [H3O+] = [OH–]

9

10

11

12

13

1,0 M NaOH (lud) 14,0

Blegemiddel 12,8

4

Salmiakspiritus 12,0

3

www Magnesia mikstur 10,5

Æblejuice 3,8 Tomat 4,2

2

Sodavand 3,0

1

Citronsaft 2,2

Mavesyre 1,6

1,0 M HCl(aq)

0

Kaffe 5,0 Brød, jord 5,5 Kartoffel 5,8 Urin 6,0 Mælk 6,4 Vand (rent) 7,0 Drikkevand 7,2 Blod 7,4 Galde 8,0, opvaskemiddel 8,0-9,0 Havvand 8,5

Natriumhydrogensulfat blev tidligere anvendt i wc-rens. Reagerer saltet surt, neutralt eller basisk? Appelsin 3,5

Tænk selv

Eddike 2,8

Hvorfor giver »svovlsur ammoniak« sur reaktion? Forklar med reaktionsskemaer for de to indgående ioner.

14

Basisk opløsning

Download

Eksperimenter

K1-9

Hvilken syre – hvilken base?

Figur 9-1 pH i dagligvarer og nogle kropsvæsker.

Sur regn – syrer og baser i miljøet Regnvand, der ikke er forurenet, har en pH-værdi på 5,6 og ikke på 7. Det skyldes, at der i nedbør findes opløst en lille smule af atmosfærens CO2. Det opløste carbondioxid danner carbonsyre, H2CO3, der er en svag syre. CO2(aq) + H2O(l)

=

H2CO3(aq)

Selv om atmosfæren kun indeholder 0,036 – 0,037 % (eller 360 – 370 ppm) CO2, er koncentrationen tilstrækkelig til at gøre regnvand svagt surt. Med udtrykket »sur nedbør« mener vi regnvand, der har en lavere pH-værdi end 5,6. I Vesteuropa og det nordøstlige USA er regnvandets pH ofte nede på omkring 4. At nedbøren kan blive så sur, skyldes hovedsageligt forbrænding af fossile syrer og baser – surt eller basisk

171

brændsler (kul og olie). Disse brændsler indeholder mellem 0,5 og 5 % svovl, der forbrændes til svovldioxid. Efterhånden omdannes svovldioxid til svovltrioxid 2SO2(g) + O2(g)

→

2SO3(g)

Svovltrioxid kan reagere med luftens vanddråber og danne svovlsyre SO3(g) + H2O(l)

Mange uvurderlige kulturskatte nedbrydes på grund af sur nedbør, der indeholder svovlsyre. Indgangsparti fra Frederiksborg Slot.

Opløsning af kalk med syre. Tænk selv

Metaloxider

I atmosfæren reagerer gassen NO2 med vand og danner lige store mængder af salpetersyre, HNO3, og salpetersyrling, HNO2. Hvorledes skrives reaktionsskemaet for denne reaktion? Når et metal brænder, dannes et metaloxid. Metaloxider, der kan opløses i vand, reagerer basisk på grund af ionen oxid, O2–. Reaktionen mellem calciumoxid og vand er →

Ca2+(aq) + 2OH–(aq)

Træaske indeholder en smule oxider af metallerne natrium, kalium og calcium. Det er disse oxider, der får aske fra et lejrbål eller en brændeovn til at reagere basisk.

Aske er basisk og farver fugtet indikatorpapir blåt.

172

H2SO4(aq)

Den sure nedbør indeholder altså svovlsyre, der ætser kalk og mange metaller. Man regner med, at der årligt afgives mellem 50 og 60 millioner tons svovldioxid til atmosfæren, hvilket belaster de enkelte lande med meget store udgifter til bl.a. vedligeholdelse og restaurering af bygninger. Der er flere kilder til forurening af atmosfæren med svovldioxid. Naturen bidrager selv til denne forurening ved vulkanudbrud. Forureningen af atmosfæren med svovldioxid kan mindskes ved at nedsætte svovlindholdet i brændsler til biler og opvarmning. Det er endnu bedre at skifte til andre og renere brændstoffer som fx ethanol eller dihydrogen eller at omlægge energiforsyningen delvis til helt andre energiformer. Også nitrogenoxider, NO og NO2, bidrager til forsuring af regnvandet – dog kun i mindre omfang. Disse oxider stammer fra forbrænding af nitrogenforbindelser i kul og fyringsolie samt fra reaktion mellem N2 og O2 ved høj temperatur i fx en bilmotor.

CaO(s) + H2O(l) al-quali (arab.): aske

→

kend kemien 1

Vask i gamle dage Alkali er et arabisk navn for de baser, der blev anvendt til tøjvask. I Middelalderen blev de fremstillet af aske, deraf navnet alkali. I dag skifter mange mennesker undertøj og tøj næsten hver dag, og derfor må det tit vaskes. Men for blot 150 år siden var tøjvask en sjælden begivenhed, der kun fandt sted to til fire gange om året. Det skyldtes ikke, at man havde meget tøj, men at man sjældent skiftede det; datidens tøj var lavet af uld, der ikke tager så nemt imod snavs som mange moderne tekstiler. Det var meget besværligt at vaske tøj for 150 år siden. For at få storvasken overstået på et døgn var det nogle steder skik at stå op midt om natten og begynde dagens arbejde. Nogle familier lavede selv sæben, askelud, som de fremstillede af vand og aske, helst fra bøgebrænde. Når tøjet skulle vaskes lagde man det i et stort trækar eller i en balje. Hen over tøjet blev der spændt et stykke stof, hvorpå asken blev anbragt. Kogende vand blev derefter hældt over asken

og ned på tøjet. Tøjet lod man trække i askeluden, til den var kold. Luden blev derpå tappet fra karret og kom op i en gruekedel – et stort muret kar. Når luden kogte, blev den igen hældt gennem asken og ned på tøjet. Denne proces blev gentaget omkring 20 gange, førend tøjet var ordentligt kogt ud og vasket.

Tøjvask med sæbe fremstillet af aske.

pH-måling Hvis vi skal afgøre, om en opløsnings pH ligger over eller under en bestemt værdi, er det nemmest at tilsætte nogle dråber syre-baseindikator. Indikatorens farve i opløsningen afhænger af opløsningens pH-værdi. I introduktionsforsøget så vi, at rødkålssaft skifter farve, når surhedsgraden ændres. Noget tilsvarende sker for mange andre plantefarver og syntetiske farvestoffer. Den brune farve, der kendes fra almindelig te, skifter til lysegul, hvis der lægges en citronskive i teen. Farvestofferne i teen reagerer åbenbart med citronsyre. Omvendt bliver teen mørkere, hvis den gøres basisk. Kun hvis farvestofferne ændrer farve inden for et meget snævert pH-område, kan de benyttes som syre-baseindikatorer. Indikatoren bromthymolblåt (BTB) har farven gul i sur opløsning og blå i basisk opløsning. I tabel 9-5 ser vi, at om-

syrer og baser – surt eller basisk

173

Tabel 9-5 Syre-baseindikator pH-indikator

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

methylorange bromcresolgrønt methylrødt bromthymolblåt phenolphthalein

slagsintervallet er 6,0-7,6. I dette snævre pH-område har indikatoren blandingsfarven mellem blå og gul, nemlig grøn. Tænk selv

Hvilken indikator er velegnet til at afgøre, om overfladevands pH er mindre end ca. 4? Syre-baseindikatorer findes også som universalindikatorpapir, der dækker hele pH-skalaen eller størstedelen af den. Papiret er imprægneret med flere farvestoffer, så hver heltalsværdi på skalaen har sin egen farve. En dråbe af en opløsning anbringes på papiret, og ved hjælp af en farvekode aflæses pH-værdien.

En omtrentlig værdi for pH bestemmes med indikatorstav eller universalindikatorpapir. Til mange formål er denne metode fuldt tilstrækkelig.

I stedet for indikatorpapir anvendes undertiden indikatorstave (»sticks«) af plastik med vandfaste farver. Disse stave kan dyppes direkte i prøven uden afsmitning. Med et pH-meter, der er et måleapparat, kan vi måle pH med op til tre decimalers nøjagtighed.

Syre-basetitrering med pH-meter.

174

kend kemien 1

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 175

Syre-basetitrering Hvis vi skal bestemme koncentrationen af en saltsyre eller en opløsning af eddikesyre, kan vi benytte syre-basetitrering. Princippet ved titrering er omtalt i kapitel 8, side 150. Ved titreringen tildryppes en stærk base, fx natriumhydroxid, med kendt koncentration til opløsningen af syren med ukendt koncentration. Vi udnytter, at syren omdannes til dens korresponderende base. Syren og basen reagerer i forholdet 1:1. Når der er tildryppet en lige så stor stofmængde natriumhydroxid, som den oprindelige stofmængde syre i opløsningen, er ækvivalenspunktet nået. På dette tidspunkt er den ækvivalente stofmængde base tilsat, og titreringen standses. Med et pH-meter er det muligt at følge pH i en opløsning under titreringen. Afbildes opløsningens pH i afhængighed af volumen tilsat base fra burette, får vi en graf, der kaldes en titrerkurve. Figur 9-2 viser en titrerkurve for titrering af 25,0 mL 0,10 M saltsyre med 0,10 M natriumhydroxid. Læg mærke til, at pH kun ændrer sig lidt ved tilsætning af base indtil kort før ækvivalenspunktet, hvor kurven er mest stejl. pH-værdien ændrer sig voldsomt omkring ækvivalenspunktet. I dette punkt er syren netop blevet neutraliseret af 25,0 mL 0,10 M natriumhydroxid HCl(aq) + NaOH(aq)

→

NaCl(aq) + H2O(l)

→

2H2O(l)

Figur 9-2 Titrerkurve: Stærk syre med stærk base. pH 14 12 10

rødviolet

8

farveløs blå

6

gul gul

4

phenolphthalein ækvivalenspunkt bromthymolblåt methylrødt

rød

2 0

5

0

10

15

20

25

30

35

40

45

mL

Volumen tilsat NaOH-opløsning

eller som ion-reaktion H3O+(aq) + OH–(aq)

Ved denne titrering indeholder opløsningen ionerne Na+ og Cl– i ækvivalenspunktet ifølge reaktionsskemaerne. Ingen af dem har syre-baseegenskaber. Derfor er pH lig med 7 i ækvivalenspunktet. Hvis ækvivalenspunktet skal bestemmes med en indikator, kan vi bruge alle dem, der har et omslag mellem ca. 5 og 9. Bromthymolblåt vil være en velegnet indikator ved denne titrering af en stærk syre med en stærk base. Figur 9-3 viser en titrerkurve for titrering af 25,0 mL 0,10 M eddikesyre med 0,10 M natriumhydroxid.

Figur 9-3 Titrerkurve: Svag syre med stærk base. 14

pH

12 10

rødviolet

8

farveløs

6

gul

4

0

0

5

ækvivalenspunkt

methylrødt

rød

2

phenolphthalein

10

15

20

25

30

35

40

45

mL

Volumen tilsat NaOH-opløsning

syrer og baser – surt eller basisk kend kemien 1

175

Tænk selv

Forklar, hvorfor phenolphthalein er en velegnet indikator til titrering af eddikesyre med natriumhydroxid.

Titrering af eddikesyre med natriumhydroxid og med phenolphthalein som indikator. Ved ækvivalenspunktet skifter indikatoren fra farveløs til rødviolet, ses på billedet til højre.

www Download

Eksperimenter

K1-9

Eddikesyreprocent i eddike

Reaktionsskemaet for reaktionen mellem eddikesyre og natriumhydroxid er (med og uden tilskuerioner) CH3COOH(aq) + NaOH(aq) → CH3COONa(aq) + H2O(l) eller CH3COOH(aq) + OH–(aq) → CH3COO–(aq) + H2O(l) I ækvivalenspunktet er opløsningen basisk, fordi den indeholder den svage base CH3COO–. Vi ser da også på titrerkurven, at pH er større end 7 i ækvivalenspunktet, nemlig 8,8. Syrerne carbonsyre, H2CO3, og svovlsyre, H2SO4, kan afgive to hydroner pr. molekyle, og de kaldes diprote syrer. Phosphorsyre og citronsyre er eksempler på triprote syrer, da de kan afgive tre hydroner pr. molekyle.

Tænk selv

www Download

Eksperimenter

K1-9

Appelsiner og citroner Download

Eksperimenter

K1-9

Citronsyres titrerkurve

176

Appelsiner og citroner indeholder begge den samme syre, nemlig citronsyre (og i lille mængde ascorbinsyre, C-vitamin). Hvorfor smager en citron mere surt end en appelsin? Skriv en vejledning til et forsøg, hvor du kan undersøge, om dit svar er rigtigt. Ved titrering med natriumhydroxid fraspalter citronsyren alle tre hydroner under ét og bliver til citrat. Hvis vi skriver citronsyres formel forenklet som H3Cit, er reaktionsskemaet for titreringen H3Cit(aq) + 3OH–(aq)

kend kemien 1

→

Cit3–(aq) + 3H2O(l)

Blodets pH-værdi De biokemisk set vigtigste syre-basereaktioner er desværre meget indviklede. Det skyldes dels, at syrerne kan afgive mere end én H+ pr. molekyle, dels at flere syrer optræder samtidigt. Sådan forholder det sig i vores blod. I blod ligger pH-værdien normalt mellem 7,35 og 7,45. Derfor findes der flere syre-basepar, som sørger for at fastholde denne værdi. Disse syre-base-

par modvirker altså pludselige ændringer på grund af tilførsel af syre eller base. De vigtigste syre-basereaktioner i blod kommer fra opløst carbondioxid, dvs. carbonsyre og hæmoglobin. De røde blodlegemer er celler, der indeholder hæmoglobin. Dette kæmpemolekyle har en molekylmasse på omkring 65000 u. Ud over at transportere dioxygen i organismen, stabiliserer stoffet også surhedsgraden i blodet. Det vi-

HHæm+(aq) + O2(aq) + H2O(l)

Lungevæv

=

ser sig, at syreformen er positivt ladet, så for nemheds skyld skriver vi formlen for syren HHæm+. Den korresponderende base får derfor formlen Hæm. Når molekylet binder dioxygen, bliver formlen HæmO2. I reaktionsskemaet med hæmoglobin ser vi både syrevirkning og optagelse af dioxygen.

HæmO2(aq) + H3O+(aq)

Kapillær

O2(g)

Figur 9-30 Optagelse af dioxygen og afgivelse af carbondioxid i blod. Dioxygen trænger ind i de røde blodlegemer. O2-molekylerne bindes til hæmoglobin, der afgiver en H+ -ion til vand. Herved dannes oxonium. Med hydrogencarbonat danner ionen carbonsyre, der transporteres som CO2 tilbage til lungerne og udåndes.

CO2(g)

Overblik syre

et stof, der kan afgive hydroner, H+

base

et stof, der kan optage hydroner, H+

syrestyrke

et mål for en syres tendens til at afgive hydroner til vandmolekyler

syre-basereaktion

reaktion, hvor der overføres hydroner (tidligere kaldt protolyse)

amfolyt

et stof, der kan optræde både som syre og som base

pH

3 et mål for surhedsgrad; pH = – log 1 mol/L

pH-indikator

et stof, der skifter farve efter surhedsgraden i en opløsning

[H O+]

syrer og baser – surt eller basisk

177

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Bariumhydroxid, som er et fast stof, kan opløses i vand. Er stoffet en syre eller en base ifølge Arrhenius’ definition? Skriv reaktionsskemaet som en del af begrundelsen for dit svar. 2. Tre opløsninger a, b, og c er lavet ved at opløse et af stofferne nedenfor i hvert sit glas vand. Skriv reaktionsskemaer for opløsning af stofferne i vand og afgør, om opløsning a, b, og c er sur, neutral eller basisk. a. kaliumhydroxid b. calciumhydroxid c. calciumchlorid. 3. Giv et eksempel på et stof, der indeholder »OH« i formlen, og som ikke er en base. 4. Marker de reaktanter, der er syrer, og de reaktanter, som er baser, i reaktionsskemaerne a. HI(aq) + H2O(l) → I–(aq) + H3O+(aq) b. F–(aq) + H2O(l) → HF(aq) + OH– (aq) c. HCO3–(aq) + H2O(l) → H2CO3(aq) + OH– (aq) d. NH4+(aq) + H2O(l) → NH3(aq) + H3O+(aq) 5. Skriv navne og formler på de ioner, der findes i følgende opløsninger a. fortyndet saltsyre b. fortyndet eddikesyre c. forsyndet svovlsyre. Begrund svarene med reaktionsskemaer. 6. Afgør, om det enkelte stof er en syre eller en base a. KOH b. Na2CO3 c. HNO2 7. Udfyld tabellens tomme felter med navne eller formler. Syre: navn salpetersyre

Syre: formel HCl(aq)

Base: formel H2O(l)

carbonsyre (»kulsyre«)

CH3COO–

Base: navn

ammoniak

hydroxid

8. a. Hvad er forskellen på en stærk syre og en svag syre? Giv eksempler på en af hver slags. b. Hvad er forskellen på en stærk syre og en koncentreret syre? 9. Der er målt koncentrationer af hydroxid i fire opløsninger. Beregn [H3O+] og afgør om opløsningerne er sure, neutrale eller basiske. a. [OH–] = 0,035 mol/L b. [OH–] = 8,0·10–11 mol/L – –7 c. [OH ] = 1,0·10 mol/L d. [OH–] = 0,46 mol/L. 10. Beregn pH for følgende opløsninger a. 0,010 M HCl(aq) c. 0,0020 M HNO3

b. 0,0010 M HCl(aq) d. 1,0·10–5 M HNO3.

11. Beregn [H3O+] for følgende kropsvæsker a. Spyt pH = 6,8 b. Urin pH = 5,9 c. Saft fra bugspytkirtel pH = 8,0 d. Væske fra galden pH = 8,4.

178

kend kemien 1

12. Udfyld de tomme felter i tabellen. [H3O+] i mol/L

2,0 · 10

–7

[OH–] i mol/L 1,0 · 10–8

Opgaver og diskussionsspørgsmål pH 10,0

sur, neutral eller basisk?

1,0 · 10–7 2,0

13. Beregn [OH–] a. i sæbevand med pH = 10,6

b. i Klorin med pH = 12,8.

! 14. I kalkvand, dvs. mættet opløsning af Ca(OH)2, måles pH til 12,3. Hvad er den aktuelle koncentration af henholdsvis hydroxid og calciumioner? ! 15. Som modstykke til pH findes der også en definition af størrelsen pOH

pOH = – log

[OH–] 1 mol/L

a. Benyt vands ionprodukt til at vise, at summen af pH og pOH for en opløsning er lig med 14,00. b. Opskriv nedenstående fire opløsninger, A, B, C og D, i rækkefølge efter voksende pH, Opløsningen med lavest pH-værdi skrives først. A. Opløsningens pH er lig med 2,8 B. Opløsningens pOH er lig med 4,1 C. Opløsningens [H3O+] er lig med 0,176 mol/L D. Opløsningens [OH–] er lig med 3,1 · 10–2 mol/L. ! 16. For en opløsning af bagepulver er [OH–] = 10–5,74 mol/L. Er bagepulver en syre eller en base? Begrund svaret. 17. Afgør om følgende salte opløst i vand giver sur, neutral eller basisk opløsning. a. NaNO3 b. CH3COONa c. KCl d. K2CO3 e. NH4Cl f. NH4NO3. 18. Fuldfør og afstem nedenstående reaktionsskemaer for neutralisation af en syre eller en base a. HSO4–(aq) + OH–(aq) → b. Ca(OH)2(aq) + HNO3(aq) → ! 19. Mælkesyre findes i sur mælk. Formlen for mælkesyre er CH3CH(OH)COOH. En prøve på 18,5 mL opløsning af mælkesyre titreres med 17,25 mL 0,155 M natriumhydroxid. a. Hvor i molekylet sidder det H-atom, der afgives som hydron ved reaktionen? b. Skriv reaktionsskemaet for titreringsreaktionen. c. Hvor stor er stofmængdekoncentrationen af mælkesyre i prøven? 20. Tegn titrerkurven for titrering af 25 mL 0,10 M ammoniak (en svag base) med 0,10 M saltsyre. pH inden tilsætning af syre er 11,1 og kurvens form er omtrent den spejlvendte af titrerkurven for eddikesyre med NaOH. Hvilken indikator vil du vælge til titreringen? Naturgas Naturgassen methan, CH4, indeholder hydrogen; det afgiver ikke hydroner. Er stoffet en syre? Besvar spørgsmålet på baggrund af de definitioner, der er beskrevet i teksten side 161 og 162. syrer og baser – surt eller basisk

179

Oxidation og reduktion . . . . . . . . 182 Oxidationstal. . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Brændselsceller . . . . . . . . . . . . . . . . 186 De livgivende redoxreaktioner . . . . . . 188 Afstemning af reaktionsskemaer . 189 Redoxtitrering . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Antioxidanter . . . . . . . . . . . . . . . . 193

10

Overblik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Nedbrydning af jern i fx broer og biler koster samfundet meget store beløb.

Opgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Redoxreaktioner – flytning af elektroner

Mange metaller nedbrydes ved reaktion med det omgivende miljø. Biler ruster, og kobbertage bliver grønne, fordi der dannes ir. Der sker en oxidation af metallerne. Problemerne med nedbrydning af metal er ikke kun af økonomisk art. Nedbrydningen belaster også miljøet og kan være et sikkerhedsmæssigt problem ved fx broer og andre store stålkonstruktioner. Efterlader vi en skrællet kartoffel, et stykke banan eller et overskåret æble på køkkenbordet, vil madvarerne hurtigt få en brunlig farve. Det skyldes, at luftens dioxygen reagerer med organiske stoffer i grønsager og frugt og danner farvede oxidationsprodukter. Det er et gammelt husråd at komme lidt citronsaft på den skrællede eller revne frugt. Herved udnytter man citronsaftens naturlige indhold af antioxidanter, der i nogen grad modvirker nedbrydning. Fælles for de nævnte reaktioner er, at der overføres elektroner mellem de reagerende stoffer. Sådanne reaktioner kaldes redoxreaktioner. Fotosyntesen, som betinger livet på Jorden, er en redoxreaktion. I luften findes svovlforbindelser, der får sølvtøj til at blive mørkt. På bestikkets overflade dannes en kemisk forbindelse mellem sølv og svovl, nemlig sølv(I)sulfid, Ag2S. Stoffet kan reagere med aluminium, som bl.a. alufolie består af. Find en opvaskebalje og nogle skeer eller andet bestik af sølv eller »plet«, der trænger til at blive pudset. Kog to liter vand. For opvaskebaljen med alufolie, og læg sølvtøjet på foliet. Hæld kogende vand over, og tilsæt mindst tre spiseskefulde salt. Iagttag, hvad der sker med de mørke overflader på det anløbne sølvtøj.

De gammeldags navne, stanniol og sølvpapir, er egentlig temmelig vildledende. Hvilket metal leder navnet stanniol hen på? redoxreaktioner – flytning af elektroner

Brunfarvning af frugt og grønsager skyldes oxidation.

Forsøg selv

Sølvtøj før og efter en tur i saltvand og alufolie.

Tænk selv

181

Oxidation og reduktion Jern reagerer med luftens dioxygen og vanddamp og findes derfor ikke som metal i naturen, men bundet som oxider i jernmalm. Allerede i oldtiden var menneskene i stand til at omdanne jernforbindelserne i jernmalmen til grundstoffet jern. Ved opvarmning med trækul blev oxygenet fjernet fra jernoxiderne →

2Fe2O3(s) + 3C(s)

reducere (lat.): føre tilbage til

Jernmalm.

Demo

4Fe(s) + 3CO2(g)

At føre et metal i en malm tilbage til dets oprindelige tilstand (grundstoffet) blev kaldt en reduktion. Man sagde derfor, at jernmalmen blev reduceret til jern. I 1700-tallet interesserede naturfilosoffer sig meget for, hvordan stoffer brænder i luft. De var klar over, at stofferne optog oxygen fra luften under forbrænding og sagde derfor, at stofferne blev oxideret. Fx blev carbon oxideret, når det optog oxygen og blev til carbondioxid ved afbrænding af carbon i kul. Når jern udvindes af jernmalm, optager carbon oxygenatomer, som kommer fra den kemiske forbindelse, Fe2O3. Også i dette tilfælde mente man, at carbon blev oxideret. Den oprindelige definition af oxidation var altså en optagelse af oxygen; omvendt var en reduktion en fjernelse af oxygen. Afbrænding af magnesium Et stykke magnesiumbånd holdes i en tang hen over en gasflamme. Lyset ved forbrændingen er så kraftigt, at man ikke må se direkte på flammen. Der dannes et hvidt pulver, når luftens dioxygen reagerer med metallet. Ved forbrænding af magnesium i luft oxideres magnesium til magnesiumoxid 2Mg(s) + O2(g)

→

2MgO(s)

Magnesiumoxid er opbygget af ionerne Mg2+ og O2–. Et magnesiumatom afgiver to elektroner, når det omdannes til en magnesiumion. Derfor afgives i alt fire elektroner fra de to magnesiumatomer 2Mg

→

2Mg2+ + 2.2 e–

Et oxygenatom optager to elektroner, når det omdannes til en oxid. Dioxygenmolekylet, O2, optager altså de fire elektroner, der afgives fra magnesiumatomerne Brændende magnesium udsender et kraftigt lys.

182

O2 + 2.2e– kend kemien 1

→

2O2–

Når magnesium oxideres, afgiver metalatomer altså elektroner, som her overføres til oxygenatomer. Magnesium kan også reagere med gassen dichlor. Ved reaktionen dannes magnesiumchlorid Mg(s) + Cl2(g)

→

MgCl2(s)

Magnesiumchlorid er opbygget af ionerne Mg2+ og Cl–. Reaktionen kan igen opdeles i to delreaktioner: Magnesium afgiver elektroner, og dichlor optager elektroner Mg

→

Mg2+ + 2e–

Cl2 + 2 e–

→

2Cl–

Vi ser, at der principielt ingen forskel er på magnesiums reaktion med dioxygen og med dichlor. Det er derfor ikke hensigtsmæssigt at begrænse definitionen af oxidation til udelukkende at handle om stoffers reaktion med oxygen. I begge tilfælde afgiver magnesium elektroner, så en oxidation kan mere generelt beskrives som en afgivelse af elektroner. Et atom, der optager elektroner, siges at blive reduceret. I ovenstående reaktioner optager dioxygen og dichlor de elektroner, magnesium afgiver. Da elektroner ikke kan forekomme frit, vil der altid ske en reduktion samtidig med en oxidation. Heraf kommer fællesbetegnelsen redoxreaktioner.

Et stykke antændt magnesiumbånd føres ned i et cylinderglas fyldt med dichlor. Forbrændingen fortsætter, og dichlorets gulgrønne farve forsvinder. oxidation: afgivelse af elektroner reduktion: optagelse af elektroner www Animationer Redox Kobber i sølvnitrat, Magnesium i syre

Spændingsrækken Nogle få metaller forekommer som grundstoffer i naturen. Det gælder ædelmetallerne kviksølv, sølv, platin og guld. Andre metaller oxideres let i vandige miljøer, fordi metallerne let afgiver elektroner til opløst dioxygen eller til ioner i vandig opløsning. Ved en række eksperimenter med metaller og opløsninger af metalioner er det muligt at placere alle metaller i række efter aftagende tendens til at blive oxideret i vandige miljøer. Denne række kaldes spændingsrækken, og nedenfor er vist et udsnit af rækken. K Na Mg Al Zn Fe Pb H2 Cu Hg Ag Au Pt

Ædelmetallerne, der kun vanskeligt oxideres, er placeret helt til højre i spændingsrækken. Jern står til venstre i spændingsrækken og kan oxideres af fx kobber(II)ioner.

redoxreaktioner – flytning af elektroner

Kobbertage oxideres af luftens dioxygen. Da der er vand og carbondioxid til stede, dannes det grønne ir, som er en blanding af Cu(OH)2 og CuCO3.

183

www Download

Eksperimenter

K1-10

Spændingsrækken (mikroskala)

Jern oxideres af kobber(II)ioner i vandig opløsning.

Ved hjælp af spændingsrækken kan det forudsiges, om et metal kan oxideres af andre metalioner. Et metal, som står til venstre for et andet metal, kan generelt oxideres af det sidstnævnte metals ioner. Nu kan vi forklare, hvorfor det gamle husråd mod sort sølvtøj virker – vi så det i praksis i introeksperimentet. Det sorte lag på sølvtøjet er ionforbindelsen sølv(I)sulfid, Ag2S, som indeholder sølv(I)ioner. Når sølvtøjet lægges i saltvand sammen med et stykke alufolie, oxideres aluminium af sølv(I)ionerne. Reaktionen stemmer overens med, at aluminium står til venstre for sølv i spændingsrækken 2Al(s) + 3Ag2S(s) → 2Al3+(aq) + 6Ag(s) + 3S2–(aq) Tænk selv

www Download

Eksperimenter

K1-10 Korrosion af jernsøm

Tænk selv

Gør rede for elektronregnskabet ved redoxreaktionen ovenfor. Når et metal bringes i ledende kontakt med et andet metal, opstår der en spændingsforskel mellem de to metaller, så elektroner bevæger sig mod det metal, der står længst til højre i spændingsrækken. Det metal, der har størst tendens til at afgive elektroner, kan derved nedbrydes meget hurtigt. Det kan give problemer fx ved sammenkobling af vandrør af jern og kobber, men det kan også udnyttes positivt. I bilindustrien giver man karosseriet en tynd belægning af zink ved en galvanisering. Zink er et mere uædelt metal end jern og vil korrodere førend jern, også selv om metalpladen beskadiges. Mennesker med amalgamfyldninger i tænderne mærker et lille strømstød, når de kommer til at tygge på et stykke aluminiumsfolie. Tandamalgam indeholder Hg, Ag, Sn, Cu og Zn. Argumenter for de små strømstød ved hjælp af spændingsrækken. Hydrogen er det eneste ikke-metal, som kan danne en positiv ion, H+. Hydroner opløst i vand er karakteristisk for sure opløsninger.

Frihedsgudinden er bygget af kobberplader monteret på et skelet af jern. Jernskelettet var godt på vej til at ruste væk, inden man i forbindelse med 100 års fødselsdagen fik isoleret jernskelettet effektivt fra kobberpladerne.

184

kend kemien 1

Sur nedbør kan opløse zinktagrender. Zink oxideres ved at afgive elektroner til hydroner, som herved reduceres og danner dihydrogen.

Efter forzinkning af bilens karosseri overfladebehandles det i et dækbad.

Ædelmetallerne til højre for hydrogen i spændingsrækken, kan ikke opløses af H+ i opløsninger af syrer som fx saltsyre og svovlsyre, mens metaller til venstre for hydrogen kan opløses af syrer under udvikling af gassen dihydrogen.

Oxidationstal Ifølge den oprindelige definition på oxidation bliver carbon oxideret, når det optager oxygen C(s) + O2(g)

→

CO2(g)

Vi kan ikke uden videre opskrive en delreaktion, som viser at carbon har afgivet elektroner. Produktet carbondioxid er nemlig en molekylforbindelse, hvor atomerne holdes sammen af elektronparbindinger (se side 72). C- og O-atomet er fælles om elektronskyen i C$O dobbeltbindingen, men skyen er forskudt over mod det mest elektronegative atom, O-atomet, så dobbeltbindingen er polær. Selv om elektroner ikke er overført fuldstændigt fra C-atomet til O-atomerne, men kun er forskudt over mod O-atomerne, vil vi alligevel beskrive reaktionen som en oxidation af carbon og en reduktion af oxygen. For at kunne holde regnskab med antal elektroner, der helt eller delvist overføres mellem de enkelte atomer, tildeles redoxreaktioner – flytning af elektroner

δ–

δ+ δ+

δ–

O$C$O

185

Brændselsceller Afbrændingen af dihydrogen producerer meget energi og ingen miljøskadelige stoffer. Der dannes nemlig udelukkende vand 2H2(g) + O2(g)

→

2H2O(l)

Mange ser derfor H2 som fremtidens brændstof. Det mest oplagte ville være direkte afbrænding med luftens dioxygen. Men når H2 blandes direkte med O2, er en gnist ofte tilstrækkelig til at starte en voldsom eksplosion. I brændselsceller er risikoen ved at anvende dihydrogen som brændstof

stærkt reduceret, fordi omdannelsen til vand gennemføres uden at tillade H2 og O2 at komme i direkte kontakt med hinanden. Brændselsceller blev opfundet allerede i 1839, men forblev en kuriositet indtil starten på det amerikanske rumprogram i begyndelsen af 1960’erne, hvor de rutinemæssigt blev anvendt som elektricitetskilde. I disse år forskes i udviklingen af brændselsceller til biler og energilagring. På Forskningscenter Risø arbejdes der på udviklingen af en ny type brændselsceller. Her er dihydrogen og dioxygen adskilt af et porøst oxidtransporterende keramisk materiale.

I brændselscellen sker den kemiske reaktion i to delreaktioner reduktion: O2 + 4e–

→

2O2–

oxidation: H2 + O2–

→

H2O + 2e–

De elektroner, der frigøres ved oxidationen, løber gennem den ydre ledning. Brændselscellen omsætter ca. 50 % af energien til elektrisk energi.

Rumskibet Challenger, der eksploderede kort tid efter affyring på grund af en lille utæt gummiring, er en uforglemmelig påmindelse om risikoen ved at anvende dihydrogen som brændstof.

Tænk selv

oxidation: opgang i oxidationstal reduktion: nedgang i oxidationstal OT: Oxidationstal

186

Gør rede for, at de to delreaktioner sammenlagt fører til nettoreaktionen, som svarer til en forbrænding af H2.

atomerne et oxidationstal. Ændring i et atoms oxidationstal afspejler, om atomet afgiver eller optager elektroner. Der sker en oxidation, når et atoms oxidationstal stiger, og en reduktion, når et atoms oxidationstal falder. Oxidationstal forkortes OT, og vi skriver oxidationstallet for det enkelte atom med romertal og fortegn. kend kemien 1

KendKemien2.qxd

22/08/05

11:40

Side 187

Regler for tildeling af oxidationstal 1. I et grundstof har hvert atom oxidationstal 0. 2. I en ion, der er dannet af ét atom, er atomets oxidationstal lig med ionens ladning. 3. I kemiske forbindelser har hydrogen oxidationstal +I (undtagen i metalhydrider fx. NaH, hvor det er –I). 4. I kemiske forbindelser har oxygen oxidationstal –II (undtagen i peroxider, fx H2O2, hvor det er –I). 5. For et molekyle er summen af de indgående atomers oxidationstal lig med nul. 6. For en fleratomion er summen af de indgående atomers oxidationstal lig med ionens ladning. Metallet magnesium og gassen dichlor er grundstoffer og tildeles derfor OT nul 0

Mg

Regler

Oxidationstal angives med romertal.

Eksempel

0

Cl2

Magnesiumioner og chlorid tildeles (regel 2) OT lig med ionens ladning +II

Mg2+

–I

Cl–

Vi ser, at OT angiver antallet af elektroner, som atomet har afgivet eller optaget. Magnesiumchlorid er en ionforbindelse med formlen +II –I

MgCl2 Bemærk, at selv om der er flere Cl-atomer i formelenheden, skrives kun det enkelte Cl-atoms OT. I phosphat, PO43–, tildeles hvert O-atom OT –II (regel 4). Summen af alle atomernes OT skal være lig med ionens ladning, som er 3– (regel 6). Vi beregner OT for phosphor, x, ved at løse ligningen x + 4 · (–2) = –3

⇔

x=5

OT for P-atomet bliver altså +V +V–II

PO43– I carbonsyre, H2CO3, er summen af alle atomernes OT nul ifølge regel 5. H-atomet har OT +I (regel 3) og O-atomet har OT –II (regel 4). OT for C-atomet, x, kan da beregnes 2 · (+1) + x + 3 · (–2) = 0

⇔

x=4

Dvs. OT for C-atomet bliver +IV. redoxreaktioner – flytning af elektroner

187

www

Tildel atomerne OT i S2–, H2S, SO2, SO3, SO32–, SO42–, H2SO3, H2SO4. Sammenhold højeste og laveste OT med atomernes antal elektroner i yderste skal. Ved afbrænding af carbon dannes carbondioxid →

Tænk selv

0

0

→

4

Opgaver Redox Oxidationstal

2

+IV–II

C(s)  +  O2(g)     →     CO2(g)

oxidation: carbon 4 ↑ · 1 = 4 ↑ reduktion: oxygen 2 ↓ · 2 = 4 ↓ Carbon og dioxygen er grundstoffer og tildeles hver oxidationstallet nul. I carbondioxid har hvert oxygenatom OT lig med –II (regel 4), og summen af atomernes OT skal være nul (regel 5). OT for C-atomet må da være +IV. Oxidationstallet for C-atomet stiger fra 0 til +IV, altså er carbon blevet oxideret. Oxidationstallet for hvert O-atom falder fra 0 til -II, derfor er oxygen blevet reduceret. Elektronregnskabet går op, fordi der til oxidation af et Catom bruges to O-atomer, så det samlede fald i oxidationstal er på 4 og altså lig med den samlede stigning i OT.

De livgivende redoxreaktioner Livet på denne planet opretholdes af nogle af de vigtigste redoxreaktioner, der kendes. Energien til livsprocesserne opsamles fra sollyset og omdannes til kemisk energi ved de reaktioner, der tilsammen kaldes fotosyntesen. Planter, alger og nogle bakterier omdanner ved hjælp af fotosyntese energien i sollyset til kemisk energi, idet carbondioxid reduceres til glucose. Samtidig dannes dioxygen 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 kræver energi Fotosyntesen stabiliserer samtidigt forholdet mellem carbondioxid og dioxyTænk selv

188

gen i atmosfæren. Førend der eksisterede organismer, som kunne udføre fotosyntese, var der intet dioxygen i atmosfæren, og koncentrationen af carbondioxid var meget højere, end den er i dag. Den omvendte reaktion sker i alle levende organismer, når de omsætter næringsstoffer. Gennem fødekæderne overføres glucose til andre organismer, der udnytter den bundne kemiske energi til at danne biomolekyler og til arbejde. Reaktionen, der består af mange trin, kaldes samlet for respiration og er en forbrænding af glucose til carbondioxid og vand C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

→ afgiver energi

Vis, at fotosyntesen er en redoxreaktion; gør rede for elektronregnskabet.

kend kemien 1

Udvinding af jern fra jernmalm er en redoxreaktion, hvor jern reduceres, og carbon oxideres →

+III –II

0

→

3

4 0

+IV–II

2 Fe2O3(s)  +  3 C(g)     →     4 Fe(s)  +  3 CO2(g) reduktion: jern 3 ↓ · 4 = 12 ↓ oxidation: carbon 4 ↑ · 3 = 12 ↑ Hvert Fe-atoms OT falder fra +III til nul, og hvert C-atoms OT stiger fra nul til +IV. Den samlede nedgang i OT for de fire Fe-atomer bliver altså 12 og lige så stor som den samlede opgang i OT for de tre C-atomer, der hver stiger fra nul til +IV.

Afstemning af reaktionsskemaer for redoxreaktioner Kobber og salpetersyre (skal foregå under udsugning) Nogle kobberspåner anbringes i fortyndet salpetersyre. Kobberet går i opløsning, væsken farves blå, og vi ser en svag, rødbrun gasudvikling. Den blå farve er tegn på, at der er opløst Cu2+ i væsken. Den rødbrune gas, som vi kan se, er nitrogendioxid, NO2, men der dannes betydeligt mere af den farveløse gas nitrogenoxid, NO.

Demo

Vi opskriver et ufuldstændigt reaktionsskema for kobbers reaktion med nitrat i salpetersyren →

Kobberspåner opløses i salpetersyre.

0

+V–II

→

2

3

+II

+II–II

Cu(s)  +  NO3–(aq)     →     Cu2+(s)  +  NO(g)

→

Af atomernes oxidationstal ser vi, at OT for kobber stiger fra nul til +II, og at OT for nitrogen falder fra +V til +II. Kobber oxideres, samtidig med at nitrogen reduceres. Vi skal have elektronregnskabet til at gå op, så den samlede opgang i OT bliver lig med den samlede nedgang i OT. Fælles faktor for 2 og 3 er 6

0

+V–II

+II

→

2

3

+II–II

3 Cu(s)  +  2 NO3–(aq)     →     3 Cu2+(s)  +  2 NO(g)     ikke afstemt

oxidation: kobber 2 ↑ · 3 = 6 ↑ reduktion: nitrogen 3 ↓ · 2 = 6 ↓ redoxreaktioner – flytning af elektroner

189

Der oxideres altså tre kobberatomer for hver gang, der reduceres to nitrogenatomer. Derved dannes tre kobber(II)ioner og to nitrogenmonoxid. Nu stemmer elektronregnskabet for redoxreaktionen, men vi ved også, at den samlede ladning er bevaret ved alle kemiske reaktioner. I ovenstående reaktionsskema er den samlede ladning 2– på venstresiden og 6+ på højresiden. Vi skriver blot (2–/6+). Da væsken er sur, findes der H+ i opløsningen. Ved at tilføje 8 H+ på venstresiden bliver den samlede ladning 6+ på venstresiden lige så stor som den samlede ladning på højresiden Kamera fra Leica i 24 karat guld fremstillet i anledning af Hongkongs overdragelse til Kina i 1997. 18 karat guldsmykker indeholder typisk sølv og kobber og vil delvis gå i opløsning i koncentreret salpetersyre.

3Cu(s) + 2NO3–(aq) + 8H+(aq)

→

3Cu2+(aq) + 2NO(g)

Vi ser, at der er 6 O-atomer på venstre side og 2 O-atomer på højre side af reaktionspilen (6/2). Der skal tilføjes 4 O-atomer på højresiden. Reaktionen foregår i en vandig opløsning, så vi tilføjer 4 vandmolekyler på højre side

3Cu(s) + 2NO3–(aq) + 8H+(aq)

→

3Cu2+(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)

Antallet af H-atomer er også ens på begge sider af reaktionspilen. Reaktionsskemaet er afstemt. Der er lige mange atomer af hvert grundstof på begge sider af reaktionspilen, ladningen er bevaret, og elektronregnskabet i redoxreaktionen stemmer. Vi kan bruge den viste procedure til afstemning af alle redoxreaktioner. Afstemning af ladningen i et reaktionsskema må dog afhænge af, hvilke ioner vi har til rådighed i den aktuelle opløsning. I sur opløsning afstemmes ladningen med H+. I basisk opløsning afstemmes med OH–. Ved neutrale betingelser er der hverken H+ eller OH– til rådighed som reaktant, men der kan dannes en af disse ioner ved reaktionen. I en neutral opløsning afstemmes ladningen derfor med H+ eller OH– på højresiden. Regler

190

De generelle regler for afstemningsproceduren er: 1 Opskriv de kemiske formler for de reaktanter og produkter, som indeholder atomer, der ændrer oxidationstal. 2 Angiv OT for de atomer, der ændrer oxidationstal. 3 Afstem elektronregnskabet, så den samlede opgang i OT er lig med den samlede nedgang i OT. Koefficienter anføres, så antallet af de forskellige atomer, der ændrer OT, er ens på venstresiden og højresiden. kend kemien 1

4 Afstem ladninger med H+ i sur opløsning, OH– i basisk opløsning; og med H+ eller OH– på højresiden i neutral opløsning. 5 Afstem O-atomerne med H2O. 6 Tæl antal H-atomer som kontrol. Reduktion af permanganat En vandig opløsning af kaliumpermanganat, KMnO4(aq), fordeles i to cylinderglas.

Demo

Kaliumpermanganat reduceres i sur væske til mangan(II)ioner, der er næsten farveløse. I basisk væske reduceres permanganat til grøn manganat, sidenhen til mangan(IV)oxid.

Opløsningen i det ene glas gøres sur med HCl(aq), mens der tilsættes base, NaOH(aq), til det andet glas. Begge glas tilsættes en spatelfuld NaHSO3(s). Brug ovenstående afstemningsprocedure på de aktuelle redoxreaktioner.

Tænk selv

Redoxtitrering En vandig opløsning af kaliumpermanganat kan anvendes til titrering af opløsninger, der indeholder jern(II)ioner. Jern(II)opløsningen afmåles med pipette og gøres sur ved tilsætning af syre. Fra en burette tildryppes en opløsning af KMnO4 med kendt koncentration. Ved sammenblandingen oxideres jern(II)ionen, og manganatomet i permanganat reduceres

www

→

Opgaver Redox Afstemning

+II

+VII

→

1

5

+III

+II

8 H+(aq)  +  5 Fe2+(aq)  +  MnO4–(aq)     →     5 Fe3+(aq)  +  Mn2+(aq)  +  4 H2O(l) oxidation: jern 1 ↑ · 5 = 5 ↑ reduktion: mangan 5 ↓ · 1 = 5 ↓ Ladningen på venstresiden er 9+ og på højresiden 17+. Altså (9+/17+). Vi afstemmer ladningen med 8 H+ på venstresiden af reaktionspilen. redoxreaktioner – flytning af elektroner

191

Der er 4 O-atomer på venstresiden og ingen på højresiden (4/0). O-atomerne afstemmes med 4 molekyler vand på højresiden. Kontrol ved optælling af hydrogenatomer viser, at der er 8 H-atomer på hver side. Permanganat er rødviolet, men i starten forsvinder farven, så snart opløsningerne blandes, fordi MnO4– forbruges ved redoxreaktionen. Reaktionsprodukterne giver ingen farve til opløsningen. I ækvivalenspunktet er der tilsat præcist så mange MnO4–, at alle Fe2+ er forbrugt. Tilsætning af en ekstra dråbe vil derfor farve opløsningen rødviolet, fordi MnO4– ikke længere omdannes. Titreringen stoppes, og volumen af tilført permanganatopløsning aflæses på buretten. Koefficienterne i det afstemte reaktionsskema viser os, at stofmængden af tilsat MnO4– i ækvivalenspunktet er 1⁄5 af stofmængden af Fe2+, der var i den opløsning af jern(II)ioner, som vi ønsker at bestemme koncentrationen af Klargøring til redoxtitrering med kaliumpermanganat.

n(MnO4–) = www

Download

Eksperimenter

K1-10

1 · n(Fe2+) 5

Beregningsprincipperne er herefter de samme som ved andre titreringer.

Bestemmelse af jernindholdet i ståluld

Blegemidler og rengøringsmidler www Download

Projekt K1-10 Blegning af tekstiler med hypochlorit eller

→

hydrogenperoxid

Danske forbrugere køber store mængder af rengørings- og blegemidler som fx Klorin og blegevand, der er vandige opløsninger, som indeholder hypochlorit og chlorid. På klorinbeholderen er der advarsler mod at blande opløsningen med syre, fordi der ved sammenblandingen udvikles en giftig gas. Syretilsætningen bevirker nemlig, at der dannes dichlor ved en redoxreaktion mellem hypochlorit og chlorid

+I

–I

→

1

1

0

ClO–(aq)  +  Cl–(aq)     →     Cl2(g)

ikke afstemt

Vi ser, at chloratomer både oxideres og reduceres. Da stigningen i OT er lige så stor som faldet i OT i dette eksempel, skal vi blot sikre os, at der er lige mange chloratomer på venstre- og højresiden. Der er brugt to Cl-atomer til reaktionen, og der findes to Cl-atomer i produktet, så antal chloratomer passer. Bland aldrig Klorin med sure rengøringsmidler.

192

Tænk selv

Færdiggør afstemningen af den redoxreaktion, der forløber, når syre og fx Klorin sammenblandes.

kend kemien 1

Igennem årene er der sket en del alvorlige ulykker, når fx Klorin bruges sammen med sure rengøringsmidler (visse wc-rensemidler). Hypochlorit er på Miljøstyrelsens liste over uønskede stoffer. Især fordi stoffet danner giftige og langsomt nedbrydelige chlorforbindelser i naturen, men stoffet er også i sig selv giftigt. Vi kan som forbrugere være med til at gøre vores hverdag mere bæredygtig ved at udskifte miljø- og sundhedsskadelige stoffer med mindre skadelige stoffer. En sådan udskiftning kaldes substitution. Vi kan fx afblege tøj med hydrogenperoxid, H2O2, i stedet for at bruge hypochloritholdige produkter. I tekstilindustrien har mange virksomheder arbejdet med grønne strategier, hvor chlorholdige blegemidler efterhånden er blevet udfaset ved substitution med bl.a. hydrogenperoxid. Udsnit af miljøstyrelsens liste over uønskede stoffer.

Mange fødevarer har begrænset holdbarhed, fordi nogle af ingredienserne let oxideres af luftens dioxygen. Holdbarheden af mange levnedsmidler kan forlænges betydeligt ved at tilsætte antioxidanter, der kan forhindre dioxygens reaktion med organiske stoffer i fødevarer. Ascorbinsyre, C-vitamin, reagerer i vandige miljøer meget hurtigt med luftens dioxygen. Øl (i Danmark) og forskellige frugtjuicer tilsættes ascorbinsyre som antioxidant for at forhindre, at dioxygen reagerer med bl.a. smagsstoffer i drikkevarerne. Forskellige former af ascorbinsyre er anført i Positivlisten over tilladte tilsætningsstoffer med E-numrene E300, E302 og E304. Både C-vitamin og E-vitaminerne virker som antioxidanter i kroppen, bl.a. ved at indfange de frie radikaler, som dannes i kroppen ved naturlige processer eller ved ydre påvirkninger fra miljøet. På denne måde beskyttes kroppen mod skader på cellerne. De umættede fedtstoffer oxideres let af luftens dioxygen og det er årsagen til, at fx småkager bliver harske og smager dårligt efter nogen tids opbevaring. I fedtstoffer findes lange carbonkæder, hvortil der er bundet hydrogenatomer. I nærheden af en C$C-dobbeltbinding vil dioxygen kunne danne radikaler inde i kæderne. Figuren i margen viser et brudstykke heraf. Det er radikaler af denne type, der får fødevarer til at harske. Radikalerne reagerer hurtigt med andre stoffer og danner nye radikaler, som reagerer videre med andre stoffer. På den måde sætter radikalerne en kædereaktion i gang.

redoxreaktioner – flytning af elektroner

www Links Miljøstyrelsen

I Danmark er det tilladt at have tilsætningsstoffer i øl.

— — —

Antioxidanter

O

O

— CH — CH2 — — C — CH — H

Et radikal. www Download

Eksperimenter

K1-10

Koncentrationen af ascorbinsyre i juice

193

Hvis vi betegner antioxidanten med formlen AH og carbonkæden med R, kan virkningen af en antioxidant forklares ved reaktionsskemaet AH + ROO· antioxidant

BHA og BHT

Tyggegummi tilsættes BHT og BHA for at forlænge holdbarheden

→

Antioxidanten afgiver hurtigt et hydrogenatom til det ustabile radikal i fedtstoffet, der danner en elektronparbinding til H-atomet. I stedet for det ustabile radikal, ROO·, er der dannet et stabilt radikal A·, som stopper dannelsen af mange flere radikaler i fedtstoffet. Det er ikke udelukkende naturstoffer, der tilsættes levnedsmidler som antioxidanter. De antioxidanter, der i dag har størst udbredelse i vore levnedsmidler, er syntetiske stoffer. De meget udbredte stoffer, BHA (butyleret hydroxyanisol) og BHT (butyleret hydroxytoluen) med nr. E320 og E321, indfanger hurtigt frie radikaler i fx planteolier. Det er hydrogenatomet på hydroxygruppen, der afgives, når BHA og BHT virker som antioxidanter. Svovldioxid virker både som konserveringsmiddel og antioxidant i vin. Svovldioxid reagerer hurtigt med det dioxygen, der er kommet ned i flasken, før proppen blev sat på. Herved omdannes svovldioxid til sulfat. SO2(aq) + O2(aq)

Tænk selv

194

A· + ROOH

fedtradikal

→

SO42–(aq)

ikke afstemt

Afstem redoxreaktionen, idet det oplyses, at vinens pH er ca. 4.

kend kemien 1

Overblik oxidation

hel eller delvis elektronafgivelse

reduktion

hel eller delvis elektronoptagelse

redoxreaktion

elektronoverførselsreaktion, dvs. en samtidig oxidation og reduktion

spændingsrækken

opstilling af metaller i rækkefølge efter aftagende tendens til at blive oxideret. Hydrogens placering i spændingsrækken viser de metaller, der kan opløses i syre

oxidationstal

en regnestørrelse, der bruges til at holde regnskab med helt eller delvist overførte elektroner ved redoxreaktioner, dvs. til at »bogføre« elektronregnskabet

korrosion

nedbrydning af metaller ved oxidation

antioxidant

et stof, der kan forhindre dioxygen i at oxidere organiske stoffer i bl.a. fødevarer

redoxreaktioner – flytning af elektroner

195

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. I hvilken retning forløber nedenstående reaktioner a. Cu (s) + Mg2+(aq) ……… Cu2+(aq) + Mg(s) b. Zn(s) + Fe2+(aq) ……… Zn2+(aq) + Fe(s) c. 2Al(s) + 3Cu2+(aq) ……… 2Al3+(aq) + 3Cu(s) d. H2(g) + Zn2+(aq) ……… 2H+(aq) + Zn(s) 2. Gør rede for, i hvilke af nedenstående tilfælde der vil ske en redoxreaktion og opskriv et reaktionsskema for reaktionerne. Gør rede for synlige forandringer ved reaktionerne, når metallet a. sølv sættes til en vandig opløsning af zinknitrat b. zink sættes til en vandig opløsning af sølv(I)nitrat c. bly tilsættes en vandig opløsning af magnesiumnitrat d. jern tilsættes en vandig opløsning af sølv(I)nitrat e. kobber tilsættes en vandig opløsning af bly(II)nitrat 3. Nikkel er ikke anført i spændingsrækken. Gør rede for hvilke eksperimenter, du kunne gennemføre i et laboratorium for at finde nikkels placering i spændingsrækken. 4. Det er almindeligt at anvende bundmaling til både for at forhindre begroninger. Bundmalinger, der indeholder Cu2O, er velegnede til glasfiberbåde, men uegnede til aluminiumsbåde. Forklar hvorfor. 5. Eksplosioner er hurtige forbrændingsreaktioner, hvor der sker en kraftig volumenudvidelse af de varme gasser, der dannes under højt tryk. For at sikre en hurtig forbrænding har sprængstoffers molekyler et relativt stort indhold af kemisk bundet oxygen, fx i nitrogrupper, –NO2. Forbrændingsprodukterne er de samme, som dannes ved andre fuldstændige forbrændinger. I det perfekte brændstof er der balance mellem C, H og O, så alt oxygenet omdannes til carbondioxid og vand. Det gælder fx i sprængstoffet glycoldinitrat. C2H4N2O6(l)

→

CO2(g) + H2O(g) + N2(g)

I nitroglycerin er der et mindre overskud af oxygen C3H5N3O9(l)

→

CO2(g) + H2O(g) + N2(g) + O2(g)

Afstem reaktionsskemaerne blot ved at tælle atomer på begge sider af reaktionspilen.

Bundmaling til glasfiberbåde kan indeholde kobber(I)oxid, Cu2O.

196

6. Anbring nedenstående molekyler og ioner efter voksende OT for nitrogenatomet. Kommenter højeste og laveste OT. N2, NO, NO2, N2O4, NH3, NH4+, NO2–, NO3–, HNO3. 7. Ordet chrom stammer fra det græske khroma, som betyder farve. Mange chromsalte har flotte farver. Arranger nedenstående chromforbindelser efter voksende OT for Cr. Forbindelsen med lavest oxidationstal for chromatomet skrives først. a. CrCl3 (violet) b. Cr2O3 (grøn) c. CrO (sort) d. Cr(OH)2 (gulbrun) e. CrO2 (brunsort) f. K2Cr2O7 (orange) g. CrO3 (rød) h. Na2CrO4 (gul) i. Cr2(SO4)3 (rødviolet)

kend kemien 1

8. I hvilken af følgende reaktioner sker den kraftigste oxidation af nitrogenforbindelsen, dvs. får nitrogenatomet den største stigning i oxidationstal? a. 2NH3(g) + 3CuO(s) → N2(g) + 3Cu(s) + 3H2O(l) b. 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) c. 4NO2(g) + O2(g) + H2O(l) → 4HNO3(aq) d. 2NO3–(aq) + Cu(s) + 4H+(aq) → 2NO2(g) + Cu2+(aq) + 2H2O(l)

Opgaver og diskussionsspørgsmål

9. Afgør hvilke af nedenstående reaktioner, der er redoxreaktioner. Begrund dine svar. a. C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l) b. 2AgNO3(aq) + MgI2(aq) → 2AgI(s) + Mg(NO3)2(aq) c. Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l) d. KOH(aq) + HCl(aq) → H2O(l) + KCl(aq) e. Mg(s) + 2HCl(aq) → H2(g) + MgCl2(aq) f. CuSO4(aq) + Mg(s) → Cu(s) + MgSO4(aq) g. H2SO4(aq) + CaCO3(s) → CaSO4(s) + H2O(l) + CO2(g) Anfør reaktionstype for de øvrige reaktioner. 10. Når man skal producere chips til computere, lommeregnere og solceller, har man brug for en særdeles ren form af silicium. Det dannes ud fra meget rent silicium(IV)chlorid ved en redoxreaktion med dihydrogen SiCl4(l) + H2(g)

→

Si(s) + HCl(g)

eller med magnesium Mg(s) + SiCl4(l)

→

MgCl2(l) + Si(s)

a. Tildel atomerne oxidationstal og gør rede for om Si oxideres eller reduceres. b. Afstem reaktionsskemaerne, så elektronregnskabet går op. 11. Chlorater blandet med carbon bruges ofte i fyrværkeri til at tilføre tilstrækkelig energi, så metalioner efterfølgende udsender farvet lys. På denne måde kan Na+ udsende gult lys, Cu2+ blåt lys, bariumioner, Ba2+, grønt og strontiumioner, Sr2+, udsende rødt lys. Når blandingen af chlorat og carbon eksploderer, sker der en redoxreaktion. KClO3(s) + C(s)

→

Grafisk lommeregner.

KCl(s) + CO2(g)

Tildel atomerne oxidationstal og afstem reaktionsskemaet, idet du gør rede for elektronregnskabet ved reaktionen. ! 12. Inden gassen dihydrogen kan anvendes som brændstof til biler, er der alvorlige lagringsproblemer, som skal overvindes. H2 fylder meget som gas og skal køles helt ned til –253 ˚C for at fortættes til væske. Der er udviklet andre måder at lagre H2 på. En af metoderne er at lade H2 reagere med metaller og danne metalhydrider. De er relativt stabile faste stoffer med høj lagringskapacitet. 2Li(s) + H2(g)

→

2LiH(s)

Når metalhydrider reagerer med vand, danner de H2, som så bruges til forbrænding. LiH(s) + H2O(l)

→

H2(g) + LiOH(aq)

a. Tildel atomerne i reaktionsskemaerne oxidationstal og afgør hvilket grundstof der oxideres henholdsvis reduceres. redoxreaktioner – flytning af elektroner

197

Opgaver og diskussionsspørgsmål

b. Gør rede for elektronregnskabet. Prototype køretøjer, som udnytter dette lagringsprincip, er fremstillet og i brug flere steder. 13. Ammoniumnitrat, NH4NO3 anvendes som gødning. Stoffet er meget eksplosivt. Det kan eksplodere under dannelse af nitrogenoxider NH4NO3(s) NH4NO3(s)

→ →

NO(g) NO2(g)

ikke afstemt ikke afstemt

a. Gør rede for, at reaktionerne er redoxreaktioner. b. Afstem reaktionsskemaerne. 14. Kviksølvbatterier bruges inden for medicin og elektronikindustrien. Nettoreaktionen er HgO(s) + Zn(s)

→

ZnO(s) + Hg(l)

a. Opskriv delreaktionen for oxidationen. b. Opskriv delreaktionen for reduktionen. 15. Biler, som kører på energi fra brændselsceller, har begrænset kørerækkevidde på grund af lagringsproblemer med dihydrogen. Man har derfor fremstillet brændselsceller, som anvender methanol, CH3OH, i stedet for H2 som brændstof. De to delreaktioner i sådanne celler bliver så oxidation H2O(l) + CH3OH(aq) → CO2(g) + 6H+(aq) + 6 e– reduktion O2(g) + 4H+(aq) + 4e– → 2H2O(l) a. Gør rede for, at C-atomet i methanol oxideres. b. Opskriv cellens nettoreaktion på basis af de to delreaktioner. Kommenter de miljømæssige aspekter af denne type brændselscelle, sammenlignet med brændselsceller som kører på H2. 16. Afstem nedenstående reaktionsskemaer a. AgCl(s) → Ag(s) + Cl2(g) b. F2(g) + H2O(l) → HF(g) + O2(g) c. PbO2(s) + Mn2+(aq) → Pb2+(aq) + MnO4–(aq) surt miljø d. CrO42–(aq) + SO32–(aq) → Cr(OH)42–(aq) + SO42–(aq) e. I–(aq) + SO42–(aq) → I2(aq) + H2S(aq) surt miljø f. S2O32–(aq) + Cl2(g) → SO42–(aq) + Cl–(aq) neutralt miljø g. H2O2(aq) + Cr2O72–(aq) → Cr3+(aq) + O2(aq) surt miljø h. I– (aq) + IO3–(aq) → I2 (aq) surt miljø

basisk miljø

17. Jern oxideres til jern(II)ioner med saltsyre. a. Opskriv et afstemt reaktionsskema og gør rede for elektronregnskabet. Ved henstand ændrer opløsningen af jern(II)ioner farve fra at være farveløs til gul. Det skyldes opløst dioxygen, der oxiderer jern(II)ioner til jern(III)ioner. Vandige opløsninger af jern(III)chlorid er gule. b. Opskriv et afstemt reaktionsskema

198

kend kemien 1

! 18. I anaerobe vandmiljøer er der ikke frit dioxygen til stede Organismer, der lever under disse betingelser, kan oxidere næringsstoffer uden anvendelse af dioxygen. I det følgende symboliseres næringsstof ved formlen »CH2O«. I ferskvandssediment bruger organismerne nitrat, under frigørelse af ammoniak CH2O + NO3–

→

Opgaver og diskussionsspørgsmål

CO2 + NH3

I saltvandssediment bruger organismerne sulfat, under frigørelse af dihydrogensulfid CH2O + SO42–

→

CO2 + H2S

I anaerobe miljøer uden nitrat eller sulfat til stede skaffer organismer sig energi ved at omdanne næringsstoffet til carbondioxid og methan. Denne blanding kaldes biogas. CH2O + CH2O

→

CO2 + CH4

a. Afstem ovenstående reaktionsskemaer, idet du antager at reaktionerne finder sted i svagt sure miljøer. b. I hvilken retning påvirkes pH i ferskvandssedimentet af reaktionen med nitrat? c. Hvilke forbrændingsprodukter fås ved fuldstændig forbrænding af biogas? d. Hvorfor dannes der store mængder methan når man dyrker ris? e. Hvilke miljømæssige problemer kan det give anledning til? f. Opskriv afstemte reaktionsskemaer, svarende til ovenstående, idet næringsstoffet anføres som glucose, C6H12O6. 19. Hydrogenperoxid anvendes til sårrensning. Oxydol er handelsnavnet for en 3 % opløsning af hydrogenperoxid. Koncentrationen af Oxydol tjekkes ved en redoxtitrering. Der anvendes 1 mL Oxydol til analysen. Først tilsættes overskud af iodid, I– i sur væske. Herved omdannes hydrogenperoxid ved følgende redoxreaktion H2O2(aq) + I–(aq)

→

H2O(l) + I2(aq)

a. Afstem reaktionsskemaet. Den dannede mængde diiod, I2, titreres derefter med en 0,1 M Na2S2O3 opløsning I2(aq) + S2O32– (aq)

→

I–(aq) + S4O62–(aq)

Der tilsættes stivelse som indikator. I ækvivalenspunktet er der tilsat 17,4 mL Na2S2O3 opløsning. b. Afstem reaktionsskemaet for titreringsreaktionen. c. Beregn Oxydolens koncentration og kommenter resultatet. Skriv en pjece om antioxidanter Pjecen, der henvender sig forbrugere, skal indeholde en forklaring på, hvad antioxidanter er, og hvorfor de tilsættes levnedsmidler. Desuden skal du anføre et uddrag fra Positivlisten, så forbrugerne kan se, hvilke antioxidanter, det er tilladt at tilsætte levnedsmidler og antioxidanternes E-nr.

redoxreaktioner – flytning af elektroner

199

Fedt eller olie . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Triglycerider . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Fedtsyrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Transport af fedt i kroppen . . . . . . . 206 Additionsreaktioner og hærdning 208 Cis/trans-isomeri . . . . . . . . . . . . . 210 Trans-fedtsyrer. . . . . . . . . . . . . . . . 211

11

Energiværdi og energiprocent. . . . 212 BMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Chokolade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Overblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

Rapsolie er et umættet fedtstof.

Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

KendKemien2.qxd

22/08/05

11:54

Side 201

Fedtstoffer – mættede eller umættede

Kroppen har brug for fedt for at kunne fungere. I en god og varieret kostsammensætning kommer højst 30 % af den energi, som vi optager gennem maden, fra fedtstoffer. Resten stammer fra carbohydrater (sukker, stivelse mv.), proteiner og alkohol. Fedtstoffer findes i bl.a. kød, fisk og fjerkræ, salatdressinger, mælkeprodukter og gryn. Fedt påvirker madens smag og konsistens. Mange synes, at fed mad smager bedst og af mest – sammenlign fx smagen af en mager ost og en fed ost eller af almindelige vanillekranse og smørbagte vanillekranse. Da mange aromastoffer er fedtopløselige, kan en fedtfattig kost have en fad smag (være næsten smagløs). Ikke desto mindre finder vi nogle af de mest intense smagsoplevelser i fedtfattig mad fra det orientalske køkken. Fedtstofferne inddeles i mættede og umættede fedtstoffer. Et fedtmolekyle indeholder tre lange carbonkæder, hvortil der er bundet hydrogenatomer. I den enkelte carbonkæde, som kaldes en fedtsyrekæde, kan der være ingen, en enkelt eller flere dobbeltbindinger mellem C-atomerne. Hvis der ikke findes dobbeltbindinger mellem C-atomerne, kan carbonkæden ikke optage flere hydrogenatomer. Fedtsyrekæden er derfor mættet. Forekommer der en eller flere dobbeltbindinger, er den umættet. I en sund kost skal der være overvægt af umættede fedtstoffer med en eller flere dobbeltbindinger i carbonkæderne. For stort indhold af mættede fedtstoffer i kosten kan nemlig føre til oplagring af fedtstoffer i blodkarrene, hvilket kaldes åreforkalkning (eller åreforfedtning). Diiod, I2, reagerer (langsomt) med C$C-dobbeltbindinger, som findes i fx olivenolie og vindruekerneolie. Der benyttes to små glas, en dråbepipette af plast (fra skolen), lille ske, olier og en flaske jodtinktur, fx »Jod 2,5 %« fra apoteket (2,5 % diiod opløst i kaliumiodid og ethanol). Reaktionen laves med olie, der er opvarmet lidt. Omkring en halv liter vand bringes i kog. Hæld 10 mL af hver olie op i hvert sit glas. Tilsæt 5 dråber jodtinktur til hvert glas, og anbring dem i en kasserolle med det varme vand. Da jodtinkturen ikke er opløselig i olie, skal du røre kraftigt i væskerne, så dråberne fordeles i hele olien. Begge olier vil få en lidt brunlig farve af jodtinkturen. Efter nogen tid svækkes farven på blandingerne. Noter farveændringerne og rækkefølgen, de sker i. fedtstoffer – mættede eller umættede

Europæisk og asiatisk madtradition.

www Download Eksperimenter K1-11 Ekstraktion af fedt (Soxhlet) Forsøg selv

201

KendKemien2.qxd

22/08/05

11:55

Side 202

Fedt eller olie

Efter sojaplanten er oliepalmen den vigtigste kilde til planteolie. Palmen vokser i troperne, bl.a. i Malaysia. Smeltepunktet for palmens fedtstof ligger mellem 35 °C og 42 °C . Spiseolier www Mere om Virksomheder Aarhus Olie A/S Tænk selv

Nogle fedtstoffer kaldes fedt, andre olier. Det er smeltepunktet, der afgør betegnelsen. Et fast fedtstof med smeltepunkt over ca. 20 °C kaldes fedt, mens et fedtstof, der er flydende ved stuetemperatur, kaldes en olie. I denne sammenhæng må »en olie« ikke forveksles med jordolie (mineralsk olie), der har en helt anden kemisk opbygning, og som anvendes til fremstilling af bl.a. benzin og plastik. Animalske er oftest faste (dog ikke fiskeolie), mens plantefedtstoffer for det meste er flydende. Planteolie anvendes til stegning, salatdressinger og mayonnaise. Endvidere bruges olierne ved fremstilling af fx margarine, chokolade og kosmetik. En olie udvindes af plantefrø og frugter. På oliefabrikker knuses råvarerne i en mølle, og en stor del af olien presses mekanisk ud af frøene eller kernerne. Den resterende del af olien ekstraheres med et upolært opløsningsmiddel, hvori fedtstoffet let opløses. Giv et par forslag til velegnede opløsningsmidler til ekstraktion af planteolier. Afhængig af klima, modningsgrad og tidsrummet fra høst til presning vil olien indeholde ganske lidt fedtsyre fra omdannede fedtstoffer. Inden den ekstraherede planteolie kan sælges som færdig spiseolie, fjernes syreindholdet ved tilsætning af natriumhydroxid. Olien befries også for spor af andre urenheder og bl.a. visse stoffer med ubehagelig lugt ved at lede den gennem blegejord (udvasket lerjord) og overophedet vanddamp.

Triglycerider Spiseolie er ofte en blanding af soja- og rapsolie.

lipider lipos (gr.): fedt o-eides (gr.): som ligner

202

Fedtstoffer hører til en broget gruppe af biokemiske stoffer, der kaldes lipider. Foruden fedtstoffer omfatter lipiderne voksarter, steroler (cholesterol) og fedtopløselige vitaminer (vitamin A, D, E og K). Nogle lipider er byggestene i cellemembraner, andre er hormoner, dvs. kemiske budbringere, som regulerer processer i kroppen. Disse stoffer har én egenskab til fælles: De kan praktisk taget ikke opløses i vand, men er opløselige i upolære opløsningsmidler. De fedtstoffer og olier, som findes i vores fødevarer, består af forskellige triglycerider. Navnet skyldes, at grundstrukturen i triglyceridernes molekyler stammer fra glycerol, der har reageret med tre molekyler fedtsyre. Et fedtsyremolekyle indeholder en uforgrenet kæde med et lige antal C-atomer, typisk mellem 12 og 22. Molekyler med 16 eller 18 C-atomer er dog de mest udbredte. kend kemien 1

O

H

— —

H

—

H

—

—

—

—

—

—

—

H

H

H

H

H

H

—

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— C— OH —

H

H

H

—

CH2 — OH

H H —

H—

—

CH — OH

—

H

—

CH2 — OH

H

— —

O

C—

stearinsyre (octadecansyre)

— —

I glycerolmolekylet er der tre hydroxygrupper, #OH. Hver hydroxygruppe kan reagere med et fedtsyremolekyles carboxylgruppe, #COOH. Når alle tre hydroxygrupper i glycerol reagerer med hver sit molekyle stearinsyre, dannes et triglycerid med stearinsyreenheder (stearinsyre-enheder). Samtidig fraspaltes tre vandmolekyler O

+ HO — C — (CH2)16 — CH3 O

CH — O — C — (CH2)16— CH3

HO — C — (CH2)16 — CH3

CH2— O — C — (CH2)16— CH3

— —

O

+

3 H2O

O

Grundstrukturen i triglyceridet er et glycerol-skelet, hvorpå der er hægtet tre fedtsyreenheder. Hver fedtsyreenhed består af en C$O-gruppe for enden af en lang kæde af C-atomer, hvortil der er bundet hydrogenatomer. Alle tre carbonkæder kan være forskellige. I et simpelt triglycerid er fedtsyreenhederne ens, i et blandet triglycerid er de forskellige.

— —

CH2 — OH

CH2— O — C — (CH2)16— CH3

— —

CH — OH

HO — C — (CH2)16 — CH3 O

— —

— —

CH2 — OH

O

— —

glycerol

OH

Figur 11-1 Simpelt triglycerid med tre stearinsyreenheder. Blandet triglycerid med fedtsyreenheder fra palmitinsyre (C15H31COOH), stearinsyre (C17H35COOH) og oliesyre (C17H33COOH).

— —

O

C O— O

— —

Blandet triglycerid

— —

C O— O O—

C

— —

O

— —

C O— O

— —

C O— O O—

C

Simpelt triglycerid

fedtstoffer – mættede eller umættede

203

Figur 11-2 Fedtsyreenheder findes skiftevis på højre og venstre side i forhold til glycerolskelettet.

Tænk selv

fedtsyreenhed 2

glycerol

Kalotmodel af et triglyceridmolekyle.

Da en fedtsyreenhed kan dreje om en enkeltbinding i glycerolskelettet, vil de tre lange C-kæder som regel sidde længst muligt væk fra hinanden, dvs. skiftevis til højre og til venstre i forhold til glycerolskelettet.

fedtsyreenhed 1

fedtsyreenhed 3

Tæl antal C-atomer i fedtsyrekæderne i kalotmodelllen ovenfor. Når carbonkæderne med hydrogenatomer ikke sidder på samme side af glycerolskelettet, kan molekylerne i et triglycerid pakkes ind mellem hinanden. De svage bindinger mellem molekylernes fedtsyrekæder bliver på den måde tilstrækkeligt stærke til, at triglycerider med udelukkende C#C-bindinger er faste stoffer.

— —

O O

O

— —

O

— —

—O O

O

O

— —

O

Figur 11-3 Model af et fast fedtstof. Triglyceridmolekylerne passer ind i hinanden og danner et tætpakket netværk.

204

O

— —

O—

— —

— —

O O

O

— —

O—

— —

O

O

O

Triglyceriderne adskiller sig fra hinanden på grund af forskelle i fedtsyrekædernes – antal carbonatomer (kædelængde) – antal C$C-dobbeltbindinger – placering på glycerolskelettet.

kend kemien 1

Antal carbonatomer – kædelængde Jo længere fedtsyrekæderne er, desto flere svage bindinger dannes der mellem molekylerne. Derfor vokser smeltepunktet for langkædede triglycerider med antallet af enkeltbindinger mellem C-atomerne.

C$C-dobbeltbindinger

— —

Umættede fedtstoffer har C$C-dobbeltbindinger i molekylerne og bryder det regelmæssige mønster i en carbonkæde med enkeltbindinger. O C—

O—

C O— O

— —

— —

O

C O—

Figur 11-4 Et blandet triglycerid fra kakaosmør.

På grund af denne uregelmæssighed kan fedtsyrekæderne ikke pakkes systematisk ind mellem hinanden, som vist for det mættet fedtstof i figur 11-3. Herved svækkes de svage bindinger mellem fedtsyrekæderne, og smeltepunktet bliver lavt. Skitser stregformlen for et triglycerid med udelukkende oliesyreenheder, og forklar, hvorfor molekylerne i dette triglycerid er svagere bundet til hinanden end i kakaosmør. Planter har brug for flydende fedtstoffer. Og da dobbeltbindinger sænker et fedtstofs smeltepunkt, regulerer naturen smeltepunkterne ved at justere indholdet af dobbeltbindinger i fedtsyrekæderne. Jo flere dobbeltbindinger, desto lavere smeltepunkt har fedtstoffet. Derfor ser vi en sammenhæng mellem antallet af dobbeltbindinger i en planteolie og plantens geografiske voksested. Jo nærmere ækvator, desto færre dobbeltbindinger er der i fedtsyrekæderne. I olivenolie (Middelhavsområdet) er næsten alle pladser på glycerolskelettet besat med oliesyrekæder, der har én dobbeltbinding, mens majsolie (fra det nordlige USA) og rapsolie fra bl.a. Danmark har et stort indhold af både enkelt- og flerumættede fedtsyrekæder i triglyceriderne. Ernæringsmæssigt spiller graden af umættethed i fedtsyrekæderne større rolle end længden af kæderne.

fedtstoffer – mættede eller umættede

Tænk selv

Kakaobønner høstes i tropiske klimaområder. Fedtstoffet i bønnerne, det farveløse kakaosmør, har et smeltepunkt i området 30-35 °C. Kun en tredjedel af fedtsyrekæderne i kakaosmør indeholder en dobbeltbinding i carbonkæden.

205

I smørfedt findes kun få forskellige fedtsyreenheder; mens man i svinefedt har identificeret flere hundrede fedtsyrekæder. De mange muligheder for placering af fedtsyrekæderne gør antallet af forskellige triglycerider uoverskueligt. Derfor karakteriseres et fedtstof ved de fedtsyrer, som dannes ved at spalte dets triglycerider til glycerol og de enkelte fedtsyrer.

To blandede triglycerider med de samme fedtsyreenheder kan godt have forskellige smeltepunkter. Det skyldes, at fedtsyreenhederne sidder i forskellig rækkefølge på glycerolskelettet i de to triglycerider.

Fedtsyrer Ved hydrolyse af et triglycerid sker der en reaktion med vand, dvs. den modsatte af reaktionen på side 203. For et mættet fedtstof med udelukkende C#C-enkeltbindinger får vi

— —

O

Kædernes placering

— —

C O— O C O— O

+ 3 H2O

— —

Figur 11-5 Hydrolyse af et triglycerid.

C O—

— —

O

C HO — O

— —

OH

C

+ HO —

O

— —

OH

OH

C HO —

Transport af fedt i kroppen Fedt er ikke opløseligt i vand. Derfor kan madens fedtstoffer ikke, i modsætning til de vandopløselige næringsstoffer, transporteres fra mavesækken til tyndtarmen, hvor optagelsen sker. Når fedtstofferne kommer ud i tolvfingertarmen, blandes de med galde fra galdeblæren. Galde, der produceres i leveren, indeholder galdesalte. De virker som emulgatorer, således at fedtet i tarmvæsken bliver til en olie-i-vand emulsion. De emulgerede fedtdråber kommer nemt i kontakt med fedtspaltende enzymer fra bugspytkirtlen. Enzymerne hjælper til med fraspaltning af triglyceridernes fedtsyreenheder i yderpositionerne

206

1 og 3 på glycerolskelettet. Under fraspaltningen dannes fedtsyrer og monoglycerider med to hydrofile hydroxygrupper, #OH, i positionerne 1 og 3. Da et monoglycerid-molekyle har både hydrofile hydroxygrupper og en hydrofob fedtsyre-enhed, fungerer det som en emulgatorer. Vi ser, at de emulgerede fedtstoffer transporteres som en blanding af fedtsyrer og monoglycerider til tyndtarmen. I tarmvæggens celler gendannes triglyceriderne. Her omgives de af proteiner, der sørger for den videre transport i blodbanen. Galdesaltene optages efterfølgende i tyndtarmen, tranporteres tilbage til leveren og udskilles igen i galden.

kend kemien 1

Tabel 11-1 Fedtsyrer Fedtsyrer

Smeltepunkt /°C 16

14

12

10

8

6

4

2

O C

hexadecansyre (palmitinsyre) 16

14

12

10

8

6

4

2

O

— —

18

63 OH

—

C

octadecansyre (stearinsyre) 15

13

11

8

6

4

2

O

— —

17

3

5

7

9

10

12

14

—

C

1

16

14

11

8

6

4

2

O

— —

16

4

6

7

9

10

12

14

—

C

2

16

11

8

6

4

2

O

— —

14

–5

OH

9-cis-12-cis-octadeca-9,12-diensyre (linolsyre)* 17

16

OH

cis-octadec-9-ensyre (oliesyre) 18

70

OH

3

4

6

7

9

10

12

14

16

9-cis-12-cis-15-cis-octadeca-9,12,15-triensyre (linolensyre)*

—

C

1

OH

– 11

De blå tal angiver positionen af den første dobbeltbinding fra methylgruppen i carbonkæden. Dette system benyttes ved varedeklarationer; fx er linolsyre en n-6 fedtsyre (udtales »n minus 6«). De essentielle fedtsyrer, n-3 og n-6 fedtsyrer, kan ikke dannes i kroppen og skal derfor findes i kosten.

Fedtsyrer, der dannes ved fraspaltning af triglyceriders fedtsyreenheder, inddeles i – mættede – enkeltumættede – flerumættede. Tabel 11-1 viser de mest almindelige fedtsyrer. På samme måde som for fedtstofferne afhænger fedtsyrernes smeltepunkter af kædelængde og antal C$C-dobbeltbindinger. Både smør og svinefedt er eksempler på mættede fedtstoffer, da fedtstofferne hovedsageligt hydrolyseres til mættede fedtsyrer. Smør er i øvrigt det fedtstof, som indeholder flest mættede fedtsyreenheder – 2⁄3 af fedtsyrekæderne er mættede. Når et umættet fedtstof hydrolyseres, dannes der umættede fedtsyrer. En fedtsyrekæde med én dobbeltbinding, omdannes til en enkeltumættet fedtsyre. Forekommer der to eller fedtstoffer – mættede eller umættede

Fedtsyresammensætningen i et fedtstof.

207

Oksefedt Linolsyre 2 %

Kakaosmør Stearinsyre 19 %

(flerumættet 18:2)

(mættet 18:0)

Andet 2 %

Linolsyre 3 %

(flerumættet 18:2)

Stearinsyre 34 % (mættet 18:0)

Palmitinsyre 27 % (mættet 16:0)

Oliesyre 35 %

(enkeltumættet 18:1)

Oliesyre 46 %

(enkeltumættet 18:1)

Palmitinsyre 26 %

Myristinsyre 6 %

(mættet 16:0)

(mættet 14:0)

Majsolie

Olivenolie Stearinsyre 2 %

Andet 1 %

(saturated C-18)

Palmitinsyre 13 % (mættet 16:0)

Oliesyre 31 %

(enkeltumættet 18:1)

Linolensyre 1 % (flerumættet 18:3)

Linolsyre 12 % (flerumættet 18:2)

Andet 1 % Stearinsyre 3 % (mættet 18:0)

Palmitinsyre 14 % (mættet 16:0)

Myristinsyre 1 % (mættet 14:0)

Linolsyre 51 %

Linolensyre 1 %

(flerumættet 18:2)

(flerumættet 18:3)

Figur 11-6 Fordelingen af fedtsyrer, der dannes ved hydrolyse af nogle fedtstoffer. Antal C-atomer i molekylet er angivet under navnet. Antal dobbeltbindinger i carbonkæden er angivet efter et kolon.

Oliesyre 69 %

(enkeltumættet 18:1)

flere dobbeltbindinger i kæden, giver hydrolysen en flerumættet fedtsyre. På varedeklarationer for spiseolier anføres indholdet af mættede, enkelt- og flerumættede fedtsyrer. Disse fedtsyrer findes ikke i en olie; men deklarationen angiver de fedtsyrer, som fedtsyreenhederne omdannes til ved hydrolyse af olien.

Tænk selv

Undersøg varedeklarationer på to olier, som du anvender hjemme til madlavning. Kommenter, hvad du noterer.

Tænk selv

Linolsyre og linolensyre er to livsvigtige flerumættede fedtsyrer, som vi skal have via kosten. Hvilken olie kan du anbefale til at dække dette behov?

Additionsreaktioner og hærdning Organiske stoffer med C$C-dobbeltbindinger reagerer let med andre stoffer. Hydrogenatomer kan adderes til en dobbeltbinding, så den sprænges og omdannes til en enkeltbinding mellem C-atomerne. 208

kend kemien 1

Gassen ethen er det enkleste stof med en C$C-dobbeltbinding. Addition af dihydrogen til ethen forløber ifølge reaktionsskemaet

H

— —

—

—

+

— —

—

—

C— —C

H

H

H

H

H—C—C—H

H—H

H

H

ethen

H

ethan

Addition af dihydrogen til en fedtsyrekæde skrives bekvemt på følgende måde

H—H

H

— —

+

— —

—

—

—

C— —C

R'

H

H

—

H

R' — C — C — R''

R''

H

H

Vi har tidligere omtalt, at antallet af dobbeltbindinger i fedtsyrekæderne har indflydelse på triglyceridernes smeltepunkter. Margarine fremstilles hovedsageligt af flydende fedtstoffer som rapsolie, solsikkeolie, sojaolie og kokosolie. Der er brug for at hæve smeltepunktet på disse olier, så det færdige produkt er fast og smørbart ved stuetemperatur. Det problem løses ved at addere dihydrogen til triglyceridernes dobbeltbindinger. Denne omdannelse af olier til »hård fedt« ved addition af dihydrogen til dobbeltbindinger kaldes hærdning. Når et triglycerid med én enkeltumættet fedtsyrekæde hærdes, er reaktionsskemaet

R’ og R’’ betyder de lange atomgrupper, der er bundet til C-atomerne ved dobbeltbindingen i fedtsyrekæden.

www Download

Eksperimenter

K1-11

Hærdning af olie (mikroskala)

Figur 11-7 Hærdning af et triglycerid. Oftest hærdes kun en brøkdel af dobbeltbindingerne, fx ved produktion af margarine.

— —

O

O

— —

O

O

+ H2 — —

O

O

— —

O

O — —

O

O — —

O

O fedtstoffer – mættede eller umættede

209

Download

Eksperimenter

K1-11

Den mest umættede olie

I forsøget med diiod (side 201) og salatolier så vi, at iodets farve forsvandt efter nogen tid. Dibrom reagerer hurtigere end diiod med C$C-dobbeltbindinger. Derfor påvises dobbeltbindinger i en carbonkæde med dibrom, Br2, som er en giftig, rødbrun væske. I laboratoriet bruger vi en opløsning af dibrom i vand, »bromvand«. På grund af dibroms farve er det nemt at se, om stoffet reagerer med olien ved tilsætning af bromvand. Additionsreaktionen er

—

—

—

—C C—

R'

H

H

—

H

+

Br — Br

R''

H

— —

www

Hvor mange molekyler dihydrogen skal der bruges pr. molekyle triglycerid, hvis alle fedtsyreenhederne stammer fra linolsyre?

— —

Tænk selv

R' — C — C — R'' Br

Br

Cis/trans-isomeri Cis/trans

cis/trans cis (lat.): på samme side af trans (lat.): på modsatte side af

En C$C-dobbeltbinding fastlåser de to C-atomer i bindingen og giver fedtsyrekæden et »knæk«. Da de to H-atomer ved dobbeltbindingen enten kan sidde på samme side eller på hver sin side af dobbeltbindingen, kan fedtsyrekæden danne to geometrisk forskellige former. I de naturlige fedtstoffer findes H-atomerne ved dobbeltbindingen på samme side, og carbonkæden bliver »bøjet« ved dobbeltbindingen. Denne geometriske form kaldes en cis-form.

O

— —

Figur 11-8 Oliesyre, en cis-fedtsyre.

—

C

OH

Tænk selv

Trans-fedtsyren af oliesyre er et fast stof, mens oliesyre (cis-form) er en væske. Tegn stregformlen for den isomere trans-form af oliesyre. Under hærdningen af fedtstoffer er det ikke sikkert, at alle dobbeltbindinger omdannes til enkeltbindinger. Nogle dobbeltbindinger gendannes – men nu i trans-form. Det ændrer fedtstoffets egenskaber. I dag er det blevet almindeligt, at der i fx margarine ikke forekommer trans-fedtsyrekæder, som regnes for sundhedsskadelige.

210

kend kemien 1

Trans-fedtsyrer

H

H

—

—

Brudstykke af en fedtsyrekæde, der omdannes fra en cis- til en trans-form under en hærdning.

—C C—

C— C

—

—C C—

H

Trans-fedtsyrekæder kan forekomme i hærdede planteolier. Uhærdede spiseolier indeholder cis-fedtsyrekæder.

—

H

—

H

I kiks, pommes frites og popcorn anbefales grænsen at være max 2,5 % transfedtsyrer. Nogle forbrugere er så vrede over tilstedeværelsen af trans-fedtsyrekæder i fx kager og pommes frites, at transfedtsyre er blevet døbt »dræberfedt«.

—

Under en hærdning kan der dannes trans-fedtsyrekæder. Nedenfor er vist reaktionsforløbet for et brudstykke af en enkelt fedtsyrekæde. Når en umættet fedtsyrekæde får spaltet en C$C-dobbeltbinding, binder to uparrede elektroner på C-atomerne sig til hvert sit hydrogenatom. Der er sket en addition til dobbeltbindingen. Men det er også muligt, at carbonkæden med de uparrede elektroner på C-atomerne roterer om enkeltbindingen, hvorefter dobbeltbindingen gendannes. Herved kan der laves en transfedtsyrekæde. Trans-fedtsyrekæder i fedtstoffer til fødevarer er problematisk, da indtagelse af for store mængder kan være årsag til hjertekarsygdomme. Der eksisterer for tiden ingen lovgivning om grænser for indholdet af trans-fedtsyrer i de fødevarer, der sælges i Danmark. Fødevaredirektoratet har foreslået EU, at grænsen skal sættes ved 1 % trans-fedtsyrer for olier og margarine.

H

cis-fedtsyre

Ustabilt mellemprodukt

Hvorfor er det kemisk set noget vrøvl at kalde trans-fedtsyre for dræberfedt?

trans-fedtsyre

Tænk selv

Ikke alle trans-fedtsyrer er fremkommet ved industriel hærdning, de forekommer såmænd i friskt smør. I køers vom dannes nemlig helt naturligt lidt transfedtsyre, så smørrets triglycerider indeholder 3-5 % af trans-former.

fedtstoffer – mættede eller umættede

211

Energiværdi og energiprocent

Figur 11-9 Fødevarers energiværdier i kJ pr. 100 g fødevare.

Vi optager energi, når vi spiser. Den smule energi, som vi modtager i form af varme fra fx en brændeovn, er for intet at regne sammenlignet med forbrændingsenergien fra fødevarer. Ved nedbrydningen af næringsstofferne bruges den frigjorte energi til at opretholde legemstemperaturen, til muskelarbejde og til opbygning af kemiske forbindelser i organismen. Den samlede frigjorte energi kaldes fødevarens energiværdi. Den angives som regel i enheden kJ pr. 100 g fødevare. Nedenfor er vist nogle fødevarers energiværdier.

smør kartoffelchips bacon, alm. spegepølse sukker ris skinke (svinekød) franskbrød o.l. spiseris magert svine- og oksekød magert kalvekød, kylling mager fisk vin 10-12 % (vol) appelsiner øl, pilsner grøntsager

Energi/kJ 0

Tabel 11-2 Energiværdier Energiværdi kJ/g Fedtstof Carbohydrat (kulhydrat) Protein Ethanol (alkohol)

212

38 17 17 30

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

De tre typer næringsstoffer – fedtstoffer, carbohydrater (kulhydrater) og proteiner – frigiver energi under fordøjelsen. Det samme gælder ethanol i vin, øl og spiritus. Den gennemsnitlige frigjorte energi ved forbrænding af disse næringsstoffer angives i kJ pr. g næringsstof og findes i tabel 11-3. Den optimale energifordeling fra næringsstofferne mener man at opnå ved en gennemsnitlig sammensætning på: 30 % fedtstof 55 % carbohydrat 15 % protein. I Danmark indeholder maden i gennemsnit følgende energiprocenter: 41 % fedtstof 42 % carbohydrat 12 % protein 5 % ethanol.

kend kemien 1

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 213

Et måltids fedtenergiprocent I et måltid på 200 g består 20 % (masseprocent) af maden af fedtstof. Resten udgøres af carbohydrater (mest stivelse), protein og vand. Hvor stor er fedtstoffets energiprocent ved dette måltid?

Eksempel 11-1

SVAR

Massen af fedtstof beregnes m(fedtstof) = 0,20 · 200 g = 40 g Energien af fedtstoffet er E(fedtstof) = 38 kJ/g · 40 g = 1520 kJ E(andet) = 17 kJ/g · 160 g = 2720 kJ Fedtstoffets energiprocent udregnes til E(fedt)-% =

1520 kJ · 100 % = 35,8 % ≈ 36 % (1520 + 2720) kJ

Måltidet har altså indeholdt mere fedtstof end det anbefalede. Hver syvende dansker er stærkt overvægtig. Omkring halvdelen af det fedt vi spiser, kommer fra fedtstoffer i smør, margarine, olie, smørbare blandingsprodukter og svinefedt. Resten indtager vi via kød, mælk, ost og kager. I gennemsnit spiser mænd ca. 95 g fedt – mænds behov er ca. 84 g fedt om dagen. Kvinder spiser ca. 70 g fedt om dagen – kvinders behov er ca. 65 g fedt om dagen. Overvægtige mennesker har særlig stor risiko for at udvikle livsstilssygdomme som hjertekarsygdomme, stofskiftesygdomme og type-2 diabetes. I modsætning til smør og margarine, som er emulsioner af vand i fedt, består olie af 100 % fedt. Derfor er der mere fedt i 100 gram olie end i 100 gram smør eller margarine.

BMI (Body Mass Index): kropsmasseindeks En persons BMI-tal beregnes som massen i kg divideret med kvadratet på højden målt i meter. Størrelsen er et mål

for, om man vejer for meget, for lidt eller tilpas. En person, der vejer 65 kg og er 1,65 m høj, har et BMI-tal på 23,9. Per-

sonens vægt ligger altså inden for normalområdet ifølge tabel 11-3.

Tabel 11-3 BMI-tal Alder 18-34 år over 35 år

Undervægtig

Sund vægt

Overvægtig

Fedme

under 19 under 19

19-24 19-26

25-30 27-30

over 30 over 30

stoffer og blandinger – fra alkymi til kemi fedtstoffer mættede umættede kend–kemien 1 eller

213

Chokolade Fedtstoffet i ægte chokolade er kakaosmør. Dette fedtstof udvindes af en tyktflydende kakaomasse, der fås ved at presse kakaobønner på valseværker. Den rest, der bliver tilbage efter presningen, kaldes kakao og males til kakaopulver. Chokolade er en blanding af kakaomasse, sukker, kakaosmør og smagsstoffer. Afhængig af chokoladetype er der også tilsat vegetabilsk fedt, mælkepulver, lecitin (en emulgator) og vanille. Om en chokolade er mørk (letbitter) eller lys (»flødechokolade«) bestemmes af forholdet mellem fedtfri kakaomasse og sukker. Hvid chokolade indeholder ikke kakaomasse, men mindst 20 % kakaosmør og op til 55 % sucrose. Desuden indeholder denne chokolade mælkefedt, ligesom lys chokolade. I Danmark (og seks andre EU-lande) er det tilladt at tilsætte op til 5 % vegetabilsk fedtstof i chokoladen. Det tilsatte fedtstof gør det nemmere at lave en ensartet produktion, som giver chokoladen en blank overflade. Fremstilling af chokolade med et højt indhold af kakaosmør kræver, at chokoladen tempereres. Hvis en chokolade ikke er tempereret korrekt, vil fedtstofferne ikke krystallisere på en måde, der får chokoladen til at krympe 2-3 %, der er en betingelse for, at den kan slippe støbeformen. I stedet for vil chokoladen i løbet af et par dage krystallisere, så der dannes »bloom« i overfladen, den bliver grålig. »Bloom« kendes fra et stykke chokolade, der har ligget i en bil en varm sommerdag og efterfølgende er størknet. Men hvad værre er, chokoladen vil enten ikke smelte på tungen, som den plejer eller vil blive for blød. Kakao indeholder også antioxidanter og andre sunde plantestoffer. Derfor regnes mørk chokolade med stort indhold af kakao undertiden for helsekost. Lys chokolade og flødechokolade er ikke så sundt, da disse chokoladetyper har et højt indhold af mælkefedt. Chokolades stimulerende egenskaber skyl-

214

des – ud over sukkeret – bl.a. indhold af teobrominer, der ligesom koffein stimulerer hjernen.

kend kemien 1

Dessertkage med belgisk chokolade.

Overblik triglycerid

fedtstof, hvis molekyler er opbygget af et glycerolskelet med tre fedtsyreenheder

mættet fedtstof

et triglycerid med udelukkende enkeltbindinger mellem C-atomerne i fedtsyrekæderne

umættet fedtstof

et triglycerid med en eller flere C$C-dobbeltbindinger i fedtsyrekæderne

mættet fedtsyre

en fedtsyre med udelukkende enkeltbindinger mellem C-atomerne i carbonkæden

enkeltumættet fedtsyre

en fedtsyre med en C$C-dobbeltbinding i carbonkæden

flerumættet fedtsyre

en fedtsyre med to eller flere C$C-dobbeltbindinger i carbonkæden

emulgator

et stof, der stabiliserer en emulsion. Et emulgatormolekyle indeholder en hydrofob del og en hydrofil del

addition

reaktionstype, hvor et molekyle, fx H2 eller Br2, adderes til en C$C-dobbeltbinding; reaktionen med dibrom benyttes til påvisning af C$C-dobbeltbindinger

hærdning

addition af dihydrogen til C$C-dobbeltbindinger i umættet fedtstof

hærdet fedtstof

et fedtstof, der er blevet mættet med hydrogen ved hærdning

cis/trans-isomeri

isomeri ved en C$C-dobbeltbinding; to ens atomer eller atomgrupper på samme side er en cis-form, to ens grupper på hver sin side er en trans-form. Cis/trans-isomeri kaldes også geometrisk isomeri

cis-fedtsyre

umættet fedtsyre, hvor carbonkæden er på cis-form

trans-fedtsyre

umættet fedtsyre, hvor carbonkæden er på trans-form

fedtstoffer – mættede eller umættede

215

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 216

Opgaver og diskussionsspørgsmål

1. Tegn stregformlen for et triglycerid med sidekæder fra palmitinsyre. 2. Tegn stregformlen af nedenstående triglyceridmolekyler. For nemheds skyld kan dobbeltbindinger markeres på samme måde som i tabel 11-1 (uden drejning af C-kæden). — —

O

CH2 — O — C — (CH2)14— CH3 — —

O

CH — O — C — (CH2)16— CH3 — —

O

CH2 — O — C — (CH2)16— CH3

— —

O

CH2 — O — C — (CH2)16— CH3 — —

O

CH — O — C — (CH2)7 — CH?CH— CH2— CH?CH — (CH2)4— CH3 — —

O

CH2 — O — C — (CH2)7 — CH?CH— (CH2)7— CH3 3. Supplerende spørgsmål til triglyceriderne i opgave 1 og 2. a. Hvilket af de to triglycerider forventer du, har det højeste smeltepunkt? b. Hvilke fedtsyrer kan udvindes ved hydrolyse af triglyceriderne i opgave 2? c. Hvad hedder de pågældende fedtsyrer? d. Afgør, om de er mættede, enkeltumættede eller flerumættede. 4. Fra hvilke fedtsyrer stammer de mest almindelige fedtsyrekæder i olie eller fedt a. stearinsyre? b. oliesyre? c. linolsyre? 5. Et blandet triglycerid indeholder lige meget af fedtsyre-enhederne P (palmitinsyre) St (stearinsyre) og O (oliesyre). Vi antager, at der kun findes en af hver fedtsyre-enhed på glycerolskelettet og bruger forkortelsen P-St-O for triglyceridet. Hvor mange isomere triglycerider findes der med disse fedtsyreenheder? 6. Tegn en stregformel af linolensyre, der viser dobbeltbindingernes indflydelse på carbonkædens form. 7. Solsikkeolie kaldes en flerumættet olie, mens olivenolie kaldes en enkeltumættet olie. Forklar den kemiske betydning af disse udtryk. 8. Er der en forklaring på, at et fedtstof ikke har et skarpt smeltepunkt? 9. Hvilket triglycerid dannes ved fuldstændig hærdning af triglyceridet (det umættede) i opgave 2? 10. Passer det, at fedtenergiprocenten i kaffefløde er så høj som 82?

Nu regner vi lige energiprocenten ud – til 82!

216

kend kemien 1

11. Et triglycerid kan spaltes til glycerol og fedtsyrer ved hydrolyse med passende katalysator og høj temperatur. Når et fedtstof behandles med basen kaliumhydroxid, dannes glycerol og fedtsyresalte, der fungerer som sæbe. a. Skriv reaktionen for triglyceridets reaktion med basen KOH. b. Giv en kemisk forklaring på, at fedtsyresalte har sæbeegenskaber.

Opgaver og diskussionsspørgsmål

Verdensproduktionen af fedt og olie Tabellen nedenfor angiver verdens produktion af vegetabilske olier i millioner tons (oktober 2000). Der laves i alt omkring 108 millioner tons. Vurder, om der produceres mest mættet eller umættet fedtstof. Begrund dit svar. Tabel 11-5 Verdensproduktionen i 106 tons 106 tons

Fedtstof Vegetabilske olier soja palme solsikke raps kokosnød palmekerne jordnød bomuldsfrø oliven andre (omtrentlig)

Verdens olie-og fedtproduktion 2000/2001. Uddrag fra oktober 2000. Alle tal i mio. tons.

27,08 23,50 8,70 13,96 3,48 2,87 4,83 3,92 2,73 2,80

Fiskeolier

1,22

Animalsk fedt smør svinefedt

6,04 6,77

I alt

107,90

Kilde: Aarhus Olie Trading, Mads Aarup Pedersen 10-1-2003

fedtstoffer – mættede eller umættede

217

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 218

Stikordsregister A

basisk opløsning 168

chromatografi 34, 35

A (massetal) 44

begrænsende reaktant 97

cis/trans-isomeri 210

Aarhus Olie 32

BHA 194

citronsyre 160, 176

acetone 120

BHT 194

cyclohexanol 114

addition 209

Big Bang 12

additionsreaktion 208, 211

binding – enkeltbinding 77

Dalton, J. 42

afstemningsprocedure

– enkeltbinding, C#C 108

delreaktion 183

– dobbeltbinding, C$C 77,

Demokrit 42

– redoxreaktioner 190 – reaktionsskemaer 89, 189

193, 204, 205

destillat 33

airbag 99

bindingsvinkel 76

destillation 33

aktivt kul 29

blandbarhed 21

Det Døde Hav 133

aldehyd 120

blanding 20, 21, 33

dihydrogen 15, 161

alfapartikler 43

– heterogen 21

dioxygen 14

alkali 173

– homogen 21

dipol 19, 79, 128

alkan 110

blegemiddel 192

disulfiram 118

alkohol 105, 110

blodets pH-værdi 177

dobbeltbinding 77

alkymi 11

BMI 213

dobbeltpil 165

alufolie 184

Bohr, N. 45, 46

drikkevand 153, 170

amfolyt 167

Boyle, R. 160

drivhuseffekt 74

ammoniak 162

bromcresolgrønt 174

drivhusgas 75

ammoniumchlorid 170

bromthymolblåt 173, 174

dykkergas 48

ammoniumsalte 132

brændselscelle 186

antabus 118

Brønsted, J. N. 162

E

antioxidant 193

bundfald 134

E-numre 153

aq 20

butan-2-ol 111

E-vitamin 193

Arbejdstilsynet 153

butanol 111

eddikesyre 165, 176

Arrhenius, S. A. 161

büchnertragt 31

ekstraktion 31 elektricitetskilde 186

ascorbinsyre 193 atmosfæren 70

C

elektrolyse 15

atom 41

C-vitamin 193

elektron 44

atomkerne 43

calciumcarbonat 67, 131

elektronegativitet 78

atommasse 45

calciumhydrogencarbonat 170

elektronfordeling 49, 72

atommodel 42

calciumhydroxyapatit 68

elektronparbinding 72, 108

atomnummer 44, 50

calciumoxid 172

elektronprikmodel 72

atomsymbol 14, 225

carbonatom 108

elektronregnskab 184, 188, 189

Avogadro, A. 92

carbondioxid 74, 75, 78, 164

elektronsky 19

carbonoxid 74, 76

elektronstruktur 46, 49

B

carbonsyre 164, 176

emulgator 24

B12-vitamin 51

CFC-gasser 71, 74

emulsion 24

bariumsulfat 130

chlorforbindelser 193

EN-værdi 80

base 159, 160

chlorholdig 193

energiprocent 212

chokolade 214

energiværdi 212

– styrke 164

218

D

afpipettering 38

kend kemien 1

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 219

enkeltbinding 72

glykol 115

ionforbindelse 18

enkeltumættet 207

glødetråd 48

iongitter 18, 65, 68

enzym 119

Gravballemanden 46

ioniseringsenergi 55, 56

ethan 110

grundstof 12, 14, 21, 42, 50, 57

ionsfæren 72

ethanal 119

grundstoffernes periodesystem 50,

ir 181

ethan-1,2-diol 115

222-223

iseddike 163

ethanoat 166

grundvand 153

isopropyl 111

ethanol 105, 106, 116, 119

grupper 50

isopropanol 109

ethen 77, 209

grænseværdi 153

isotonisk saltvand 147

ethenmolekylet 77

guld 41, 43

isotoper 45

ethyl 110

GV 153

IUPAC 75

ethylenglycol 115

H

J

F

Hald, J. C. 118

Jakobsen, E. 118

fedt 202, 213

halvmetal 52

jern 20

fedtsyre 203, 206

harpiks 105

jernmalm 182

fedtsyreenhed 203

havsalt 132

fedtsyrekæde 209

HCl-molekylet 163

K

fedtsyresammensætning 207

heterogen 20

kaliumiodid 64

fermentering 116

heterogen blanding 20

kaliumpermanganat 191

filtrering 30

hexan-2-ol 114

karburatorsprit 110

filtrerpapir 31

homogen blanding 20

Karlsbad 164

flammefarver 47

husholdningssprit 105

kemisk forbindelse 21

fleratomion 66, 129, 187

hydrofil 22

kemiske forbindelser 14

forbrænding 182

hydrofil gruppe 114

keton 120

forbrændingsreaktion 118

hydrofob 22, 114

kinabarktræ 29

forkulning 15

hydrofob gruppe 114

kinin 29

forlag 33

hydrogenbinding 81, 106, 110

knogler 68

formelenhed 66, 90

hydrogenchlorid 162

knogleskørhed 50, 68

formelmasse 90

hydrogenperoxid 94, 193

kobber 189

forsuring 172

hydron 162

koefficient 89

fortynding 149

hydroxid 167

kogepunkt 17, 18, 33, 81

fotosyntesen 188

hydroxy 106

koncentration 146, 148

fremtidens brændstof 186

hypochlorit 193

frysetørret 17

hæmoglobin 54, 177

fyrværkeri 47

hærdning 208

– aktuel 148 – formel 148 konserveringsmiddel 194 korresponderende syre 166

fældningsreaktion 133, 135 fældningstitrering 150

I

korrosion 184

fælles elektronpar 72

ikke-metal 52, 56, 80

kronether 23

fælles elektronsky 72

inddampning 31

kropsmasseindeks 213

indikatorpapir 174

kropsvæske 140

G

indikatorstav 174

krystalvand 67, 129

galvanisering 184

indskudsgrundstoffer 50

kursted 164

gas 98

insulin 23

køkkensalt 64

gasohol 116

ion 65, 69

gips 67

ionbinding 65

L

glucose 91, 116, 140

ionbytter 137

laboratoriepraksis 37

glycerol 115, 203

ioner 55, 224

lak 105

stoffer og blandinger – fra stikordsregister alkymi til kemi

219

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 220

Lavoisier, A. 89

natriumhydrogencarbonat 164

pH-måling 173

ledige elektronpar 73

natriumhydrogensulfat 171

pH-skala 169

letopløselig 130

natrium-kalium-pumpe 54

phenolphthalein 174, 176

Liebig, J. von 161

navngivning 69, 75, 224

phosphat 187

ligevægt 165

– alkoholer 110

linolsyre 207

neutral opløsning 168

pipette 38

linolensyre 207

neutron 44

plantefarver 160

lipid 202

nitrat 189

polyoler 116

livgivende redoxreaktioner 188

nitrater 132

polær 22, 31, 78, 79

livsvigtige grundstoffer 54

nitrogendioxid 189

polær gruppe 106

lunger 177

nitrogenoxid 189

polært molekyle 19

Læsø 132

nitrogenoxider 172

ppb 152

nyresten 136

ppm 145, 152, 153, 154

M

ppt 152

magnesiumoxid 182

O

produkt 88

malm 182

olie 202

propan-1,2,3-triol 115, 203

mangan(II)ioner 191

olie-i-vand emulsion 24

propan-1-ol 109

marmor 67

oliesyre 207

propan-2-ol 109

masseprocent 152

omkrystallisation 34

propanon 120

massetal 44

opdagelseshistorie 57

propyl 111

Mendelejev, D. I. 58

opløselighed 114, 129, 130

protolyse 162

menthol 114

opløsningsmiddel 106, 128

proton 44

metal 52, 56, 80

opløst kalk 170

metaloxider 172

organisk kemi 107

R

methan 89

organisk stof 107

radikaler 70, 193

methanmolekyle 74,76

organiske stoffer 105

raioaktiv carbonisotop 46

methanol 107

overførsel af hydroner i vand 167

reaktant 88

methyl 110

oxid 172, 182

reaktionsskema 88

methylorange 174

oxidation 119, 182

redoxreaktioner 181, 183

2-methylpropan-1-ol 111

oxidationstal 186

redoxtitrering 191

methylrødt 174

oxonium 163

reduktion 182

Meyer, L. 58

ozon 14, 71

rengøringsmiddel 192

Miljøstyrelsens liste 193

ozonhul 71

rensebenzin 105

mobil fase 35

ozonlag 70

rent stof 21 respiration 188

model, 3D 108 mol 92

P

Rf 35

molar masse 93

palmitinsyre 207

rusmiddel 118

molart volumen 98

papirchromatografi 35

rust 68, 181

molekylbyggesæt 76

Pedersen, C. J 23

Rutherford, E. 43

molekyle 14

pentan 79

røde blodlegemer 177

molekyler 75

perioder 50

rødkålsindikator 159

motorbrændstof 116

periodesystem 50, 55, 57, 58,

myresyre 166 mættet 130

220

phosphorsyre 176

218-219

S

periodesystemet 52

salmiak 170

pH 167, 168, 171

salpetersyre (HNO3) 166, 189

N

pH, definition 168

salpetersyrling 172

N (neutrontal) 44

pH-indikator 159

salt 66

natriumchlorid 64, 129

pH-meter 174

salthorst 64

kend kemien 1

KendKemien1.qxd

04/09/06

11:13

Side 221

saltkoncentration 133

syre-basepar 165

vandig opløsning 20

saltopløsning 170

syre-basereaktion 162

vandmolekyle 74, 76, 77

sidegruppe 110

syre-basetitrering 175

vandrør 184

sikkerhed 37

syreregn 171

vands hårdhed 135

sikkerhedsbriller 38

syrerest 163

vands ionprodukt 168

skalmodellen 45

sæbe 136

vands kredsløb 127

skilletragt 32

sølv(I)chlorid 135

volumenprocent 152

Skou, J. C. 54

sølv(I)ioner 184

væskebalance 139

smeltepunkt 18, 69, 81

sølv(I)sulfid 181, 184

smeltepunktsapparat 30

sølvtøj 181

W

smørfedt 206

Sørensen, S. P. L. 168

Wöhler, F. 84, 107

snefnug 81

T

X

sorbitol 116

teknisk ethanol 118

xylitol 116

sporstoffer 54

tetraedervinkel 76

sprinklervæske 109

tilskuerion 135

Z

spændingsrækken 183

tilstandsform 16

Z (atomnummer, protontal) 44

stanniol 181

titrering 150, 175

zinktagrende 185

stationær fase 35

titrerkurve 175

zinkphosphat 67

stearinsyre 203, 207

TLC 36

STM 43

trans-fedtsyre 210, 211

Æ

stofmængde 94, 175

transport af fedt i kroppen 206

ædelgasreglen 72

stofmængdekoncentration 146

triglycerid 115, 202

ædelgasser 48, 49, 55, 72

strategi 193

tripelbinding 73

ædelgasstruktur 55

stratosfæren 70

troposfæren 70

ædelmetal 183

stregformel 108

træaske 172

ækvivalenspunkt 151, 175

strukturformel 74, 108

Tswett, M 36

ækvivalent mængde 95

smørsyre 120

– 3D 76

tungtopløselig 130

sublimation 17

tyggegummi 117

Ø

sucrose 14, 137, 138

tyndtlagschromatografi 36

Øjenskylleflaske 37

struktursomeri 109 sugefiltrering 31

U

sugekolbe 31

u (atommasseenhed) 44

sukker 14, 137, 138

udbytte 97

sukkererstatninger 117

udrustning 32

sulfit 166

umættet 207

sur jord 171

undergrupper 50

sur opløsning 168

uorganiske stoffer 53 – navngivning 69, 75

sur regn 171 surhedsgrad 159, 168

uparret elektron 70, 73, 193

svaler 33

upolær 19, 22, 31, 79

svovl 53

upolær gruppe 106

svovldioxid 172, 194

urinstof 84, 107

svovlsyre 172, 176

UV-stråling 70, 71

svovltrioxid 172 syre 159, 160 – styrke 164 syre-baseindikator 173, 174

V vand 91, 128 vanddampdestillation 33 stoffer og blandinger – fra stikordsregister alkymi til kemi

221

Grundstoffernes

1 1

1,008

1

H

1

Atommasse i units

2

Hydrogen 2 6,94 1

3 2

Li

Be

Lithium

Beryllium

11 3

22,99

2 8 1

19

Grundstofnavn

3

2 40,08 8 8 2

21

22

23

Kalium

Calcium

Scandium

Titan

Vanadium

2 87,62 8 18 8 2

39

2 88,91 8 18 9 2

Rb

Sr

Y

Rubidium

Strontium

Yttrium

Cs (223)

Fr Francium

2 8 18 18 8 1

56 137,33

2 8 18 32 18 8 1

88

Ba Barium (226)

Ra Radium

2 8 18 18 8 2 2 8 18 32 18 8 2

40

2 91,22 8 18 10 2

72 178,49

Hf Hafnium

104 (261) 89-103

Rf

Rutherfordium

57 138,91

La Lanthan

89

(227)

Ac Actinium

2 92,91 8 18 12 1

24

7

2 52,00 8 13 1

25

8

2 54,94 8 13 2

2 8 18 18 9 2

58 140,12

2 8 18 32 18 9 2

90 232,04

Ce Cerium

Th Thorium

Niobium 2 8 18 32 10 2

73 180,95

2 8 18 32 32 10 2

105(262)

2 8 18 20 8 2

59 140,91

2 8 18 32 18 10 2

91 231,04

Ta Tantal

Pr Praseodym

Pa Protactinium

kend kemien 1

26

27

58,93

Co

Chrom

Cobalt

42

Mangan

2 95,94 8 18 13 1

Molybden 2 8 18 32 11 2

74 183,84

2 8 18 32 32 11 2

106(263)

W Wolfram

Db Sg Dubnium

9

2 55,85 8 14 2

Cr Mn Fe 43

Jern

2 (98) 8 18 14 1

Zr Nb Mo Tc Zirconium

57-71

41

6

2 50,94 8 11 2

V

38

Carbon

5

2 47,87 8 10 2

Ti

87

222

4

2 44,96 8 9 2

Sc

2 85,47 8 18 8 1

Elektronfordeling i skallerne

2 4

2 8 2

Ca

Cæsium

7

20

12,01

C

Kemisk symbol

Magnesium

2 39,10 8 8 1

55 132,91 6

24,31

6

Atomnummer

K 37

5

12

Na Mg Natrium

4

4

14

Gruppenummer

2 9,01 2

Seaborgium

2 8 18 21 8 2

60 144,24

2 8 18 32 20 9 2

92 238,03

Technetium 2 8 18 32 12 2

75 186,21

2 8 18 32 32 12 2

107(262)

2 8 18 22 8 2

61

Re Rhenium

Bh Bohrium

(145)

44

2 101,07 8 18 15 1

45 102,91

Ru

Rh

Ruthenium

Rhodium

2 8 18 32 13 2

76 190,23

2 8 18 32 32 13 2

108(265)

2 8 18 23 8 2

62 150,36

2 8 18 32 22 9 2

94

Os Osmium

Hs Hassium

2 8 18 32 14 2

77 192,22

2 8 18 32 32 14 2

109(268)

2 8 18 24 8 2

63 151,96

2 8 18 32 24 8 2

95

Ir Iridium

Mt Meitnerium

Nd Pm Sm Eu Neodym

U Uran

2 8 18 32 21 9 2

Promethium

93

(237)

Samarium (244)

Europium (243)

Np Pu Am Neptunium

Plutonium

Americium

2 8 15 2

2 8 18 16 1

2 8 18 32 15 2 2 8 18 32 32 15 2

2 8 18 25 8 2 2 8 18 32 25 8 2

periodesystem Ar Br Li

18 2

Gas Væske

13

Fast stof

5

Metal Halvmetal Ikke-metal Ingen stabile isotoper

10 28 58,69

Ni

2 8 16 2

Nikkel

46

2 106,42 8 18 18

Pd

Palladium

78 195,08

Pt Platin

110 (269)

11 29 63,55

2 8 18 1

64 157,25

96

(247)

9

10

20,18

O

F

Ne

Bor

Carbon

Nitrogen

Oxygen

Fluor

Neon

26,98

2 8 3

Aluminium

31

14

28,09

Si

2 8 4

Silicium

2 69,72 8 18 3

30,97

P

2 8 5

Phosphor

2 72,61 8 18 4

32

15

33

16

32,07

S

2 8 6

Svovl

2 74,92 8 18 5

34

17

35,45

Cl

2 8 7

Chlor

2 78,96 8 18 6

39,95

Ar 36

83,80

Se

Br

Kr

Kobber

Arsen

Selen

Brom

Krypton

47

Zink

2 107,87 8 18 18 1

48

Gallium

2 112,41 8 18 18 2

Ag Cd Sølv

Cadmium

2 8 18 32 17 2

79 196,97

2 8 18 32 32 16 2

111 (272)

2 8 18 25 9 2

65 158,93

2 8 18 32 25 9 2

97

2 8 18 32 18 1

80 200,59

2 8 18 32 32 17 2

112 (277)

2 8 18 27 8 2

66 162,50

Au Hg Guld

Kviksølv

Unununium

Ununbium

2 8 18 32 18 2

49

Germanium

2 114,82 8 18 18 3

Terbium (247)

Berkelium

2 8 18 32 27 8 2

Dysprosium

98

(251)

Cf Californium

50

2 118,71 8 18 18 4

51

2 121,76 8 18 18 5

52

2 127,60 8 18 18 6

53

2 126,90 8 18 18 7

In

Sn

Sb

Te

I

Indium

Tin

Antimon

Tellur

Iod

81 204,38

Tl Thallium

2 8 18 32 18 3

2 8 18 32 32 18 2

82

207,2

Pb Bly

114 (289)

Uuq Ununquadium

2 8 18 28 8 2

67 164,93

2 8 18 32 28 8 2

99

Holmium (252)

Es Einsteinium

2 8 18 29 8 2

68 167,26

2 8 18 32 29 8 2

100(257)

2 8 18 32 18 4

83 208,98

Bi Vismut

2 8 18 32 18 5

84

(209)

Po Polonium

2 8 18 30 8 2 2 8 18 32 30 8 2

2 8 8

3

54 131,29

Xe

2 8 18 8

2 8 18 18 8

4

5

(210)

At Astat

2 8 18 32 18 7

86

(222)

Rn Radon

2 8 18 32 18 8

6

7

2 8 18 31 8 2

70 173,04

2 8 18 32 31 Mendelevium 8 2

102(259)

69 168,93 Thulium

101 (258)

Ytterbium

Fm Md No Fermium

85

2

Xenon

2 8 18 32 32 18 4

Er Tm Yb Erbium

2 8 18 32 18 6

2 8

Argon

2 79,90 8 18 7

35

18

As

Cm Bk Curium

8

1

Helium

2 19,00 7

N

Gd Tb Dy Ho Gadolinium

7

17

2 16,00 6

Cu Zn Ga Ge

Uun Uuu Uub Ununnilium

6

16

2 14,01 5

C

Al 2 8 18 2

15

2 12,01 4

2

He

B 13 12 30 65,39

14

2 10,81 3

4,00

grundstoffernes periodesystem

Nobelium

2 8 18 32 8 2

71 174,97

2 8 18 32 32 8 2

103 262

Lu Lutetium

Lr Lawrencium

2 8 18 32 9 2 2 8 18 32 32 9 2

223

Tabeller

Tabel 1 Positive ioner

Tabel 3 Negative ioner (fleratomioner)

Kemisk formel

Navn

Fælles atom

Kemisk formel

Navn

Al3+ Ag+ Ba2+ Ca2+ Co2+ Cr3+ Cu+ Cu2+ Fe2+ Fe3+ H+ H3O+ K+ Mg2+ Mn2+ Na+ Ni2+ NH4+ Pb2+

aluminiumion sølv(I)ion bariumion calciumion cobalt(II)ion chrom(III)ion kobber(I)ion kobber(II)ion jern(II)ion jern(III)ion hydron (hydrogenion) oxonium kaliumion magnesiumion mangan(II)ion natriumion nikkel(II)ion ammonium bly(II)ion

brom

BrO3–

bromat

carbon

CO32– HCO3– CN– C22– CH3COO– C4H4O62– C6H5O73–

carbonat hydrogencarbonat cyanid carbid ethanoat (acetat) tartrat citrat

chlor

ClO4– ClO3– ClO2– ClO–

perchlorat chlorat chlorit hypochlorit

chrom

CrO42– Cr2O72–

chromat dichromat

iod

IO3– I3–

iodat triiodid

mangan

MnO4– MnO42–

permanganat manganat

nitrogen

NO3– NO2–

nitrat nitrit

oxygen

OH– O22–

hydroxid peroxid

phosphor

PO43– HPO42– H2PO4– P2O74–

phosphat hydrogenphosphat dihydrogenphoshpat diphosphat

svovl

SO42– HSO4– SO32– HSO3– S2O32– S4O62– S2O82– HS– SCN–

sulfat hydrogensulfat sulfit hydrogensulfit thiosulfat tetrathionat persulfat hydrogensulfid thiocyanat

Tabel 2 Negative ioner (énatomioner) Kemisk formel –

Br Cl– F– H– I– N3– O2– P3– S2–

224

Navn bromid chlorid fluorid hydrid iodid nitrid oxid phosphid sulfid

kend kemien 1