Kjemi 2 [2, 2 ed.] 8200257142 [PDF]

Zitiervorschau

Aamund Salveson

KJEMI 2 2. utgave

Yrkesopplæringsrådet for håndverk og industri Universitetsforlaget

© Yrkesopplæringsrådet for håndverk og industri Universitetsforlaget 1971

2. utgave 1976

Omslag: Jan Engebretsen

Godkjent av Kirke- og undervisningsdepartementet 22. april 1975 til bruk i gymnasets naturfaglinje og den videregående skole. Etter lov av 12. mai 1961 om opphavsrett til åndsverk er det forbudt å mangfoldiggjøre innholdet i denne bok, helt eller delvis, uten tillatelse fra forlaget. Forbudet gjelder enhver form for mangfoldiggjøring ved trykking, kopiering, stensilering, båndinnspilling o.l.

ISBN: 82-00-25714-2

Trykk: A.s John Griegs Boktrykkeri, Bergen 1976

Forord

Dette er den andre delen av læreboka Kjemi. Den tar sikte på å klarlegge typiske egenskaper og prosesser hos de enkelte grunnstoffer og grunnstoffgrupper. Boka behandler organisk kjemi på grunnlag av den mere orienterende innføringen i Kjemi 1. Egne kapitler om biokjemi, forurensningskjemi og kjernekjemi er tatt med for å gi en innføring i de kjemiske grunn­ trekkene ved områder som er brennende aktuelle i tidens samfunnsdebatt. Fra flere hold har det vært et uttalt ønske om å få slikt stoff med i moderne lærebøker på flere fagområder. Jeg håper det har lykkes å gi leseren en viss forståelse av de kjemiske sider ved disse problemområdene. Likedan håper jeg kapitlene kan være med på å bidra til en større faglig nøktern­ het i den alminnelige diskusjon omkring disse temaene. Boka som helhet vil gi en grundigere innføring i kjemi enn de tidligere utgaver. To-delingen og oppdelingen i små emneavsnitt, der noen er flyttet mellom de to bindene i denne utgaven, skulle også gjøre det lettere å velge ut de områdene som passer for den enkeltes undervisningsplan og nivå. Min hensikt har vært at selv de brukere som bare trenger lite kjemi i sin utdannelse, iallfall skal få en mulighet til å «forstå kjemien» uten å bare pugge. Ved figurer og skisser har jeg søkt å illustrere prinsipper av betydning. Spesielt har jeg i denne utgaven prøvd å gi større forståelse for de romlige og strukturelle forhold i kjemien. Dette førte naturlig til et kapittel om kompleks-ioner og deres strukturforhold. Som i tidligere utgaver har jeg gjort bruk av skjematiske og forenklede forklaringer av kompliserte forhold. Dette i den hensikt å lette forståelsen for den som skal igjennom stoffet for første gang. Det er etter mitt syn viktig at en lærebok i størst mulig grad tar slike pedagogiske hensyn. Når det gjelder nomenklaturen, har jeg søkt å finne fram til navn og uttrykk som kan aksepteres av norske kjemikere. For et lite språkområde som vårt vil en rekke betegnelser alltid III

måtte bli mer eller mindre vellykkede oversettelser av uten­ landske uttrykk. Også denne delen av boka har bidrag i form av stoff og bildemateriale fra industrien og uten- og innenlandske institu­ sjoner. Jeg er meget takknemlig for den velvillighet mine forespørsler alltid er blitt møtt med. Det er mitt håp at jeg som før kan være så heldig å motta kommentarer og veiledning fra den som leser boka. Jeg vil rette en hjertelig takk til alle som slik har bidratt til den om­ arbeidelse som nå foreligger. Kristiansand sommeren 1976

Aamund Salveson

IV

Innhold

Kap. 17 HYDROGEN OG VANN..................................... 17.1 Hydrogen ...................................................... 17.2 Beskrivelse og forekomst ............................ 17.3 Framstilling.................................................... 17.4 Kjemiske egenskaper .................................. 17.5 Bruk av hydrogen......................................... 17.6 Tungt hydrogen.............................................. 17.7 Hydrogenets oksygenforbindelser............. 17.8 Kjemiske egenskaper forH2O2................... 17.9 Mer om vann ................................................ 17.10 Hygroskopiske stoffer................................... 17.11 Vann som løsningsmiddel............................

1 1 2 3 4 6 7 8 10 11 16 17

19.7 19.8 19.9

Hardt vann .................................................... Strontium — Sr ........................................... Barium — Ba ................................................

42 42 43

Kap. 20 REAKSJONER I VANNLØSNINGER II . . . 20.1 Likevektsforskyvning (fellesione-effekt)... 20.2 Bufferløsninger ............................................. 20.3 Hydrolyse ...................................................... 20.4 Anion- og kation-hydrolyse........................ 20.5 Hydratisering ................................................ 20.6 Frysepunktnedsettelse — kokepunktforhøyelse .....................................

46 46 48 49 50 53

54

Kap. 18 OKSYGEN, LUFT, EDLE GASSER............... 21 18.1 Oksygen........................................................... 21 18.2 Framstilling.................................................... 22 18.3 Egenskaper .................................................... 23 18.4 Teknisk bruk.................................................. 23 18.5 Åndedrettet.................................................... 24 18.6 Forbindelser —oksyder — peroksyder . . 24 18.7 Ozon — O3.................................................... 26 18.8 Tenningstemperatur..................................... 27 18.9 Luft ................................................................. 27 18.10 Flytende luft.................................................... 29 18.11 Edelgassene .................................................... 30 18.12 Edelgassenes forbindelser............................ 31

Kap. 21

HOVEDGRUPPE III A....................................... 21.1 Bor - B .................................... 21.2 Aluminium — Al ......................................... 21.3 Framstillingen ................................................ 21.4 Egenskaper .................................................... 21.5 Teknisk bruk.................................................. 21.6 Forbindelser .................................................. 21.7 Leirvarer..........................................................

61 62 63 63 65 66 67 68

Kap. 22

Kap. 19 ALKALIMETALLER OG JORDALKALIMETALLER. HOVEDGRUPPE I A OG II A 33 19.1 Fellestrekk...................................................... 33 19.2 Forekomst i naturen..................................... 34 19.3 Framstilling.................................................... 35 19.4 Bruk av grunnstoffene ................................ 36 19.5 Alkalimetallene, kjemiske egenskaper og forbindelser...................................................... 37 19.6 Jordalkalimetallenes kjemiske egenskaper og forbindelser .............................................. 40

METALLER OG LEGERINGER .................... 22.1 Særpreg for metaller ................................... 22.2 Elektroner i metaller ................................... 22.3 Legeringer...................................................... 22.4 Inndeling av legeringer .............................. 22.5 Eksempel på smeltepunktsdiagram ......... 22.6 Romstrukturen i metaller .......................... 22.7 Metallenes forekomst................................... 22.8 Oppredning — konsentrasjon.................... 22.9 Utvinning (kjemiske prosesser)................. 22.10 Metallenes kjemiske egenskaper............... 22.11 Metallenes oksyder.......................................

71 71 72 73 73 74 76 77 78 79 81 82

V

Kap. 23 IKKE-METALLER.............................................. 23.1 Særpreg ........................................................ 23.2 Ikke-metallenes molekylstrukturer........ 23.3 Generelle kjemiske egenskaper................... 23.4 Ikke-metallenes hydrogenforbindelser... . 23.5 Ikke-metalloksyder...................................... 23.6 Oksosyrer......................................................

Kap. 24 HOVEDGRUPPE IV A KARBONGRUPPEN .......................................... 24.1 Gruppeoversikt .............................................. 24.2 Karbon ........................................................ 24.3 Karbonmonoksyd — kullos,CO .............. 24.4 Karbondioksyd ............................................ 24.5 Forbindelser mellom karbonog metaller — karbider .............. 24.6 Silisium — Si .............................................. 24.7 Silikatholdige bruksprodukter................... 24.8 Tinn - Sn .................................................. 24.9 Bly — Pb .....................................................

Kap. 25 HOVEDGRUPPE V A NITROGENGRUPPEN ................................. 25.1 Gruppeoversikt............................................ 25.2 Nitrogen ...................................................... 25.3 Nitrogenforbindelser ................................. 25.4 Salpetersyre.................................................. 25.5 Nitrater ........................................................ 25.6 Nitrogenets kretsløp i naturen ................. 25.7 Ammoniakk og ammoniumion................. 25.8 Fosfor - P ................................................ 25.9 Arsen — As.................................................. 25.10 Antimon — Sb ............................................ 25.11 Vismut — Bi................................................

Kap. 26 HOVEDGRUPPE VI A SVOVELGRUPPEN ............................................ 26.1 Gruppeoversikt ............................................ 26.2 Svovel, forekomst og framstilling............... 26.3 Egenskaper og bruk ................................... 26.4 Svovelforbindelser ..................................... 26.5 Svovelsyre — H2SO4................................... 26.6 Selen — Se .................................................. 26.7 Tellur - Te..................................................

VI

87 87 88 91 91 92 93

96 96 97 98 99

101 102 103 104 105

109 109 HO 111 112 114 115 116 119 120 121 121

125 125 126 127 128 131 133 133

Kap. 27 HOVEDGRUPPE VII A HALOGENGRUPPEN ........................................ 27.1 Gruppeoversikt ............................................ 27.2 Klor, forekomst og framstilling................ 27.3 Egenskaper og bruk av klor ..................... 27.4 Klorforbindelser — saltsyre ..................... 27.5 Brom — Br.................................................... 27.6 Jod - I .........................................................

137 137 138 139 141 143 143

Kap. 28 GASSREAKSJONER OG REAKSJONSMEKANTSME (KINETIKK). GASSABSORBSJON OG GASSANALYSE ............................... 28.1 Likevekter...................................................... 28.2 Regneeksempler .......................................... 28.3 Reaksjonshastighet...................................... 28.4 Reaksjonsmekanisme ................................. 28.5 Litt om gassanalyse og gassabsorbsjon ...

146 146 147 150 151 153

Kap. 29 SIDEGRUPPENE ................................................ 29.1 Generelt......................................................... 29.2 Første sidegruppeperiode........................... 29.3 De fargede ioner og forbindelser ............ 29.4 Magnetiske egenskaper ............................. 29.5 lonisasjonsenergiene................................... 29.6 Elektronegativiteten ................................... 29.7 Hydrolyse av ionene ................................. 29.8 Oksyderende egenskaper ........................... 29.9 Krom — Gr ................................................ 29.10 Mangan — Mn .......................................... 29.11 Kobber - Cu.............................................. 29.12 Sølv - Ag.................................................... 29.13 Sink - Zn .................................................. 29.14 Kvikksølv Hg..........................................

159 159 159 161 162 163 163 163 164 165 167 169 171 173 174

Kap. 30 JERNMETALLER, Fe, Co, Ni ......................... 30.1 Forekomst .................................................... 30.2 Råjern ........................................................... 30.3 Tekniske framstillingsmetoder ................. 30.4 Stål................................................................. 30.5 Elektroråjern og elektrostål....................... 30.6 Spesialstål .................................................... •30.7 Jernets kjemiske egenskaper og forbindelser.................................................... 30.8 Nikkel og kobolt.......................................... 30.9 Fornikling — en galvanisk prosess..........

178 178 179 179 183 186 187

188 190 192

Kap. 31 KOORDINASJONSFORBINDELSER ........... 31.1 Kompleksioner .............................................. 31.2 Koordinasjonsforbindelser (kompleksforbindelser) ................................. 31.3 Romgeometri for kompleksioner ............. 31.4 Stereo-isomeri................................................ 31.5 Nomenklatur.................................................. 31.6 Bindingsteorier .............................................. 31.7 Valensbindingsteorien ................................. 31.8 Eksperimentelle opplysninger.................... 31.9 Dissosiasjon av kompleksionet....................

33.4

195 195

33.5

195 196 197 198 198 199 203 203

Kap. 34 MENNESKENES FORURENSNING AV NATUREN................................................................ 34.1 Vannforurensninger .................................... 34.2 Hva kan måles?............................................. 34.3 Luftforurensninger......................................... 34.4 Jordforurensning........................................... 34.5 Generell naturforurensning........................

255 255 256 261 263 263

Kap. 35 RADIOAKTIVITET OG KJERNEKJEMI . . 35.1 De første oppdagelser.................................. 35.2 Naturlig radioaktive grunnstoffer............. 35.3 Halveringstid ............................................... 35.4 Måleinstrumenter......................................... 35.5 Jordas minimumsalder................................ 35.6 Kunstig radioaktivitet (kjernekjemi)......... 35.7 Kjerneenergi ................................................. 35.8 Bindingsenergi, regneeksempler ............... 35.9 Fusjon og fisjon............................................. 35.10 Kjedereaksjon, U-235, fisjon...................... 35.11 Utnytting av kjerneprosesser og isotoper .

266 266 267 268 270 271 272 274 275 277 278 278

Kap. 32

ORGANISKE STOFFER I INDUSTRI OG DAGLIGLIV .......................................................... 207 32.1 Kull ................................................................. 207 32.2 Jordolje (mineralolje) — bensin — smøreoljer ...................................................... 210 32.3 Teknisk viktige alkoholer .......................... 218 32.4 Såper og syntetiske vaskemidler............... 220 32.5 Fettoljer og malingsprodukter etc.............. 223 32.6 Naturlige og syntetiske fibrer .................... 227 32.7 Kautsjuk, eller naturgummi........................ 229

Tabeller.......................................................... 283

Kap. 33

NOEN VIKTIGE BIOKJEMISKE STOFFER 33.1 Karbohydrater .............................................. 33.2 Proteiner ........................................................ 33.3 Eksempler påmedisinsk viktige forbindelser......................................................

Kondenserte benzenringer og heterosykliske forbindelser.......................... 250 Sammensatte forbindelser............................ 251

235 235 241

245

Svarnøkkel til «Velg det/de rettesvar». . 289

Litteratur........................................................ 291 Stikkordregister............................................. 292

VII

Hydrogen og vann

17.1 Hydrogen Atomnummer: 1 Tetthet: 0,0898 g/dm3 Frysep.: — 259 °C Kokep.: - 253 °C

Atomvekt: 1,0078 Atomradius: 0,3 Å lonisasjonsenergi: 13,5 eV Vanlig oksydasjonstall: + 1

Grunnstoffet hydrogen inntar en særstilling i det periodiske system. Det er det minste av alle atomer. Det har bare ett elektron i ly-orbitalen, og kjernen er ett enkelt proton. Med sitt ene elektron skulle derfor hydrogen ha visse likheter med alkalimetallene i gruppe I A. Det har det også, men det skiller seg sterkt fra dem, ved at det ikke lett gir fra seg sitt ene elektron. lonisasjonsenergien for hydrogen er to til tre ganger så stor som for metallene Li, Na og K. Når hydrogenatomet ioniseres, dannes ionet H+. Dette er også helt enestående som ion, da det jo er ett enkelt «nakent» proton. Den ledige plassen i Ir-orbitalen gjor at hydrogen også har visse likheter med grunnstoffene i gruppe VII A, halogenene.

Fig. 17.1. Luftskipet Norge holdt seg oppe i lufta fordi det var del­ vis fylt med hydrogen. (Foto tatt i 1926 på Ekebergsletta ved Oslo i forbindelse med AmundsenNobiles polflygning.)

1

Fig. 17.2. Laboratorieoppstilling for elektrolyse av vann tilsatt en elektrolytt, f. eks. NaOH, KOH eller H2SO4. Det dannes to volum H2 for hvert volum O2.

Dette ser vi i forbindelser mellom metaller og hydrogen av typen NaH eller CaH2. I slike forbindelser, altså sammen med de mest elektropositive metallene, danner hydrogen ionet H~ (og hydrogenet har da oksydasjonstallet —1).

17.2 Beskrivelse og forekomst Oppdagelsen av hydrogen tilskrives vanligvis engelskmannen Henry Cavendish i 1776. Gassen ble beskrevet som uhyre lett og uten lukt og smak. Den er ikke giftig. Den brenner i luft med en blålig flamme. De enkelte molekyler i gassen inneholder to atomer, H2, og bindingen mellom atomene er en reint kovalent binding. (Se kap. 3.) Det finnes lite fritt hydrogen på jorda. De øvrige lag av atmosfæren inneholder om lag 1 del i 200 000 deler luft. Men ser vi på naturen med en astronoms øyne, så vil vi oppdage at det forekommer kolossale mengder fritt hydrogen. De vanlige stjernene består nemlig vesentlig av hydrogen med meget høy temperatur. Spektralanalyse * av stjernenes lys viser dette. Ser vi på universet som helhet, kan vi derfor anta at hydrogen sannsynligvis er det mest utbredte av alle grunnstoffer. I forbindelser er imidlertid hydrogen sterkt utbredt også på jorda, først og fremst i form av vann, H2O, men også i form av tusener av forskjellige organiske stoffer hvor det har for­ bundet seg med grunnstoffet karbon.

* Jfr. Kjemi I, avsn. 1.6.

2

Fig, 17.3. Enkel laboratorieoppstilling for framstilling av hydro­ gen. Pass på å drive ut lufta i apparaturen før hydrogengassen samles opp. Det kan ofte ta flere minutter. Dersom ikke lufta er drevet ut, kan det skje en eksplo­ sjon når en seinere skal tenne på gassen. Bruk derfor vernebriller!

17.3 Framstilling

I de aller fleste forbindelser vil hydrogen opptre med oksydasjonstallet + 1. Skal det framstilles fra slike forbindelser, må vi derfor foreta en reduksjonsprosess : 2H+ + 2e" = H2 Den billigste og lettest tilgjengelige av alle hydrogenforbindelser er vann. Den tekniske framstilling av hydrogen nytter derfor vann som råstoff. Elektrolytisk reduksjon er mye brukt. Ved den, som ved alle andre elektrolyser, får vi en reduksjon ved katoden: elektrolyse

2H2O

— 2H2 + O2

Her ser vi på elektrolysen som en direkte red/oks-virkning på vannmolekyler: Katode (reduksjon)

Anode (oksydasjon)

4H2Q + 4e~ = 4QH- + 2H2

2H2O - 4e~ = 4H+ + O2

Ved anoden dannes det oksygengass. Forholdet mellom vo­ lumene av hydrogengassen og oksygengassen blir som 2:1 som svarer til sammensetningen i formelen H2O, se fig. 17.2. Ved denne hydrogenframstillingen blir vannet tilsatt en elektrolytt, for eksempel svovelsyre eller kalilut, som forhøyer ledningsevnen. Oppfatningen av prosessen er nå at det er vannets egne H + og OH_-ioner som utlades ved elektrodene. I laboratoriet framstilles hydrogen ved at H-ioner fra en syreløsning blir redusert ved hjelp av et metall som står på den negative siden i spenningsrekken. Metallet sink er både billig og greit å bruke. 2H+ + Zn = H2 + Zn+ +

3

Metallet blir med andre ord oksydert til metallioner av H+-ionene i syra, mens hydrogenionet selv blir redusert til hydrogengass. For svovelsyre og saltsyre vil de fullstendige likningene bli slik:

H2SO4 + Fe = FeSO4 + H2 og 2HC1 + Mg = MgCl2 + H2 Netto-ionelikningene blir: 2H+ + Fe = Fe++ + H2 og 2H+ + Mg = Mg+ + + H2

Hydrogengass framstilles også ved mange andre reduksjonsprosesser. Noen av dem brukes industrielt. For eksempel får vi hydrogen ved å lede vanndamp over glødende koks. Da er den riktignok i blanding med gassen CO. Blandingen kalles «vanngass». c + h2o - co + h2 17.4 Kjemiske egenskaper Hydrogenets ene elektron kan brukes til forskjellige slags bindinger. I de aller fleste tilfeller blir det brukt til å danne en kovalent binding i fellesbruk med et elektron fra et annet atom. Organiske hydrogenforbindelser har kovalente bindinger mellom karbon og hydrogen. I uorganisk kjemi spiller også hydrogenets evne til å danne ioner en stor rolle, da alle syrer er karakterisert ved H+-ionet og syreresten når syra er dissosiert. Gassen brenner, dvs. den reagerer med oksygen i lufta og danner vann ved reaksjonen. Det frigjøres en stor varme­ mengde:

2H2 + O2 = 2H2O + 486,8 kj (116,3 kcal) Den samme energimengden må tilføres for at vann skal kunne spaltes i hydrogen og oksygen, for eksempel ved elektrolyse: elektrolyse

2H2O

-* 2H2 + O2 — 486,8 kj

Når en vil prøve om hydrogengass brenner, skal en passe på at en ikke har fått en blanding av oksygen (fra luft) og hydrogen. Om dette blandingsforholdet er nær 1 : 2, vil en få en voldsom eksplosjon. Blandingen kalles derfor knallgass. La hydrogengassen strømme godt igjennom apparaturen før den blir antent. Se fig. 17.3 og 17.4. 4

Fig. 17.4. Reduksjon av CuO med hydrogen. Vernebriller!

CuO + Fi, -^Cu+H Q

Flamme

fora suge opp vann.

Hydrogen er et reduksjonsmiddel. Dette lar seg demonstrere i et forsøk som vist på figur 17.4. Det svarte kobberoksydet CuO reduseres til rødfarget me­ tallisk kobber. Hydrogen oksyderes til vann, som også blir synlig som dråper i enden av røret. ’ Hydrogen reagerer direkte med mange grunnstoffer, så vel metaller som ikke-metaller. Forbindelsene med metallene i hovedgruppene I A og II A kalles saltaktige hydrider. H2 + 2Na = 2NaH Natriumhydrid H2 + Ca = CaH2 Kalsiumhydrid H2 + 2Li = 2LiH Litiumhydrid

De har ionestruktur og reagerer med vann under dannelse av hydrogen. (Eks.: NaH + H2O = Na+ + OH~ + H2)

Med ikke-metaller reagerer hydrogen med svært forskjellig intensitet. Noen reaksjoner trenger både katalysator og høy temperatur. Eksempel på slike reaksjoner: 2H2 2 = h2 = h2 + Cl2 = 3H2 + N2 = 2H2 + c =

2H2O H2S 2HC1 2NH3 CH4

voldsom reaksjon langsom reaksjon katalysator nødvendig * —» — høy temperatur nødvendig

I de saltaktige hydridene har hydrogen oksydasjonstallet —1. I de øvrige forbindelser har det + E Hydrogenatomer forekommer bare ved temperaturer på over ca. 2000 °C. Ved lavere temperatur vil atomene binde seg sammen til molekylet H2. Hydrogenatomer er langt mer reaktive enn hydrogenmolekyler. Ved enkelte reaksjoner gjør en bruk av dette ved å la reaksjonene foregå under slike forhold at det dannes frie hydrogenatomer (aktivt hydro­ gen). * Under innvirkning av sterkt lys blir reaksjonen mellom Cl2 og H2 eksplosjonsartet (klorknallgass) .

5

Fig. 17.5. Skjæring av stål med hydrogen-oksygenbrenner.

17.5 Bruk av hydrogen

Gassen blir ennå en del brukt til å fylle ballonger som skal stige opp i atmosfæren. Men på grunn av sin brennbarhet er den som regel erstattet med den ikke-brennbare gassen helium, som også er svært lett. Den vanligste bruken av hydrogen i dagliglivet er til sveising. Da blir den komprimert i stålflasker under et trykk på ca. 150 atm. I en spesiell brenner ledes den sammen med oksygen og tennes. Sveiseflammen har en temperatur på om lag 2800 °C (autogensveising). En annen viktig bruk av hydrogengass er i den såkalte fettherdingsprosess. I denne blir hydrogen boblet gjennom fly­ tende oljer blandet med en katalysator (nikkelpulver). I oljene er det en rekke dobbeltbindinger mellom de forskjellige karbonatomene. Ved herdingsprosessen blir mange av disse dobbeltbindingene brutt opp, og de binder til seg hydrogen. Vi sier at hydrogen metter dobbeltbindingene. Denne over­

6

gangen fra umettede til mettede forbindelser gir seg utslag i fysiske forandringer hos oljene. De får karakter av faste fettarter, og kan derved brukes for eksempel i margarinproduksjon. Skjematisk kan prosessen skrives slik: H

H

H H

.... -C = C —.......... + H2

. _C—C—....

H H enkeltbinding

Dobbeltbinding

Under spesielle betingelser reagerer hydrogen direkte med så vel klor som nitrogen. Store kvanta av hydrogen blir brukt i industrien til å lage de to viktige forbindelsene NH3, ammoniakk, og HC1, hydrogenklorid. I de seinere ar har ogsa reaksjonen mellom hydrogen og karbon (kullstøv) fått stor teknisk interesse. En kan dermed lage forskjellige hydrokarboner (CnHm) som kan erstatte de brennstoffer som forekommer naturlig i jordoljen (petroleum og bensin).

17.6 Tungt hydrogen

Hydrogen har tre isotoper. Kjernene i disse består av henholdsv is ett proton, ett proton -j- ett nøytron, og ett proton + to nøytroner. Figur 17.6 viser dette. Alle har ett elektron i Ir-orbitalen, og de kjemiske egen­ skapene er derfor helt like. Isotopen tritium er radioaktiv. Deuterium er en stabil isotop som kan framstilles og brukes i kjemiske reaksjoner. Den ble først isolert av amerikaneren H. Urey i 1932. I det kjemiske tegnspråk skriver vi denne isotopen enten med det kjemiske tegnet D, eller slik: )H. Det siste viser at atomnummeret er 1, mens massetallet er 2.

Fig. 17.6. De tre hydrogenisotopene hydrogen, deuterium og tritium. Vanlig hydrogen inne­ holder 0,015% deuterium.

Hydrogen

Deuterium

7

Når tungt hydrogen brenner, dannes det tungt vann. De fysiske egenskaper av slikt vann er ikke mye forskjellige fra vanlig H2O, så navnet «tungt» må ikke misforstås. Formelen er D2O. Tettheten er 1,10 g/cm3, kokepunktet er 101,4 °C, og frysepunktet er + 3,8 °C. At tungt vann brukes i atomreaktorteknikken, beror ikke på de kjemiske egenskapene. Det er de tunge hydrogen­ atomene i dette vannet som virker slik at de bremser på nøytronene som passerer gjennom vannet. Dette gjør at tungt vann brukes i reaktorer som såkalt.«moderator» eller «bremse». Se avsnitt 35.10.

17.7

Hydrogenets oksygenforbindelser

De fleste av hydrogenets forbindelser hører til den organiske kjemi. Av uorganiske forbindelser skal vi bare nevne to, nemlig vann og hydrogenperoksyd. Vann, H2O Vannets formel og struktur er tidligere diskutert i kapittel 4. Vi skal her ta for oss noen av vannets reaksjoner med andre stoffer. Som typiske eksempler kan vi nevne:

1. Vann reagerer med løselige metalloksyder og gir baser. H2O + Na2O = 2NaOH (Na+ og OH") H2O + CaO = Ca(OH)2 (Ca++ og OH-)

Ser vi på metalloksydene som ioneforbindelser, kan vi skrive netto-ionelikningen for slike reaksjoner: H2O + O-- = 2OH(De hydroksyder som ikke er løselige i vann,’ kan selvsagt ikke bli laget på denne måten.)

2. Vann reagerer med løselige ikke-metalloksyder og gir syrer. H2O + SO3 = H2SO4 3H2O + P2O5 - 2H3PO4

(H+ og so4—) (H+ogPO4—)

3. Vann reagerer med en del av de mest aktive metaller og gir baser og hydrogengass. 2H2O ■ 2K - 2KOH + H2 2H2O + Ca = Ca(OH)2 + H2

8

4. Vann reagerer med mange gasser i tillegg til at det oppløser gassene mer eller mindre.

H2O + Cl2 H2O + CO2 H2O + NH3

HOC1 + HC1 (H+, OC1- og Cl") H2CO3 (H + , hco3~ °g CO3-_) NH4OH (NH4+ + OH-)

Alle de reaksjonene som er nevnt hittil, foregår ved vanlig romtemperatur.

5. Ved høy temperatur vil vann (i form av vanndamp) reagere med mange metaller, og gir da oksyder og hydrogen. >700 °C 4H2O + 3Fe = Fe3O4 + 4H2 I tillegg til disse fem reaksjonstyper kommer andre mer spesielle. I mange reaksjoner må også vann eller fuktighet være til stede for at reaksjonene skal kunne gå i det hele tatt (katalytisk virkning). Sist, men ikke minst, spiller vannet en helt avgjørende rolle i alle former for livsprosesser. Selv den enkleste celle må ha vann for å leve og formere seg. Hydrogenperoksyd, H2O2 Hydrogenperoksyd er i rein form en tyktflytende væske som lett spaltes til vann og oksygen. Løst i vann er den mer holdbar, og den selges som regel i en blanding med 30% H2O2 og 70% vann. (Den kalles da perhydrol.) Av formelen ser vi at oksydasjonstallet for oksygen er — 1 når vi fastholder at hydrogen skal være +1. Men dette forholdet gir ingen forklaring på struk­ turen av forbindelsen. Elektron-prikkformelen for H2O2 kan vi skrive slik:

H:O:

H-O

Eller med streker: O-H

:O:H

Vi ser at bindingen mellom de to oksygenatomene er en vanlig kovalent ^nÅé/Zbinding. Det er denne bindingen som er karakteristisk for alle forbindelser med navnet peroksyder. Vi sier også at peroksyder har en oksygenbru :

-O-ONå vet vi fra bindingslæren i kap. 4 at oksygenets bindingsorbitaler er rettet ut i rommet med en vinkel på 90° mellom seg. Hydrogenets ene Ir-orbital har ingen spesiell retning i 2.

Salveson: Kjemi 2

9

Fig. 17.7. H2O2-strukturen. Vin­ kelen mellom de to planene er 94°. Vinkelen mellom bindingene 0-0 og O-H er 97°.

rommet; den er kuleformet. Vi må derfor vente at molekylet H2O2 også har en vinklet form, liksom vann har det (jfr. kap. 4). En har funnet at hydrogenperoksydmolekylet har en form som vist på figur 17.7. De to oksygenatomene ligger i brettkanten mellom planene, og de to hydrogenatomene ligger i hvert sitt plan. 17.8 Kjemiske egenskaper for H2O2

Hydrogenperoksyd kan virke både som et oksydasjonsmiddel og som et reduksjonsmiddel. Dette kommer av at oksygenet enten kan bli redusert til oksydasjonstrinnet — 2, eller det kan bli oksydert til oksydasjonstrinnet 0 (gassen). Følgende skjema viser mulighetene: Oksydasjonstall: Formler:

—2

— 1

0

O

O

O

reduksjon

oksydasjon

H2O

H2O2

O2

Vi kan si det slik: Når H2O2 virker som et oksydasjons­ middel, dannes det vann. Når H2O2 virker som et reduksjons­ middel, dannes det fritt oksygen. Hydrogenperoksyd brukes som et desinfeksjonsmiddel fordi det dreper mange bakterieformer. Det brukes også som bleikemiddel, spesielt for hår. Mange organiske stoffer, for eksempel melk, blod eller poteter, inneholder enzymer som spalter hydrogenperoksyd. Slike enzymer kalles hydrogenaser. (Endelsen -ase brukes på alle enzy­ mer.) Ved hydrogenasespalting dannes fritt oksygen: hydrogenase

2H2O2

----- 2H,O + O2

Hydrogenperoksyd er selv i fortynnet løsning lite holdbar når det utsettes for lys. Det bør derfor alltid oppbevares på mørke flasker. (Framstilling av H2O2: Se avsn. 19.9.) 10

17.9 Mer om vann Vann er den viktigste hydrogenforbindelse og vel også den viktigste kjemiske forbindelse på jorda. Over 2/3 av jordoverflaten er dekket av vann, og utenom dette finnes det mengder av vann i form av is og snø og vanndamp. 1 il dette kommer alt vann som er i planter og dyr, og det som er oppsugd i alt jordsmonn. Menneskekroppen inneholder om lag 65% vann, og riktig god «tørr ved» inneholder om lag 20%. Enkelte fiskearter har over 90% vann i kroppen. Strengt tatt finnes det ikke mye i naturen som kan sies å være fullstendig vannfritt. V ann er et livsvilkår for både plantelivet og dyrelivet, og de fleste livsformer må ha ganske store tilførsler pr. døgn for å leve. Vann ble lenge regnet for å være et grunnstoff, men omkring 1780 oppdaget engelskmannen Cavendish at når hydrogengass brant i oksygen, ble det dannet vann. Noen år seinere lyktes det franskmannen Lavoisier å påvise at volumforholdet mellom hydrogen og oksygen i forbindelsen vann var omtrent som 2:1. Siden ble det nøyaktig bestemt til 2 : 1. Kjemisk sett er vann en meget stabil forbindelse, dvs. en forbindelse som ikke lett kan spaltes. Derfor er det ypperlig skikket til å fastsette fysisk/kjemiske konstanter. Vi minner om: Celsiusskalaen er definert ved at skalapunktene for 0 og 100 henholdsvis er angitt ved vannets frysepunkt og kokepunkt under et trykk på 1 atm. Tidligere ble faste og flytende stoffers tetthet * angitt relativt til vannets tetthet ved + 4 °C (ved den temperaturen har vannet sin høyeste tetthet). En kalori er den varmemengde som skal til for å varme opp 1 gram H2O fra + 14,5 °C til - 15,5 C ved konstant trykk på 1 atm. Vannets fysiske/kjemiske data viser at stoffet motsetter seg alle foran­ dringer så lenge som mulig: Fordampingsvarmen er usedvanlig høy, like ens er smeltevarmen svært høy, sammentrykkeligheten er svært liten,

Fig. 17.8. Vanndestillasjonsapparat. Legg merke til at det kalde vannet ledes inn i den nederste delen av kjøleren og ut øverst.

* Nå er tetthet definert som masse dividert med volum.

11

dielektrisitetskonstanten (se tabellen side 18) er svært høy osv. Disse ekstraordinære data for vann er meget fordelaktige for å få stabile forhold i naturen. Om vi tenker oss at snøens smeltevarme en varm vårdag plutse­ lig ble nedsatt til tiparten, ville mye av landet bli oversvømmet. Det vann som finnes i naturen, er ikke reint H2O, men inneholder en rekke forskjellige andre stoffer, alt etter fra hvilket strøk og i hvilke om­ givelser vi har hentet det. Vil vi rense vann, kan det i første omgang gjøres ved filtrering, dvs. vi lar det passere materialer som har så fine porer at faste bestanddeler ikke følger med. Men de stoffer som er løst i vann, vil kunne passere like tette filter som vannet selv kan greie. Den beste måten å rense vann på, altså for løste forurensninger, er å destillere det. Ved en slik prosess fordamper vi først vannet og kondenserer det etterpå ved hjelp av avkjøling. Fig. 17.8 viser et enkelt laboratorieapparat for destillasjon. Ved destillasjon to eller tre ganger kan vi skaffe oss reint H2O, men allerede ved første gangs destillasjon blir vannet meget effektivt renset. Destillert vann smaker flaut og er lite skikket til drikkevann. Vann som er destillert flere ganger, kalles redestillert vann.

Drikkevann Et godt drikkevann er ikke ensbetydende med et vann som er kjemisk reint. Destillert vann smaker ikke godt, og det er forurensningene i van­ net som er avgjørende når det gjelder å si om drikkevannet er godt eller dårlig. Vann som skal drikkes, bør inneholde oppløste salter som gir det en frisk smak, men ikke slike som gir det et bitter eller salt smak. Ved undersøkelse av drikkevann legger en i stor monn vekt på utseende, lukt og smak. Er disse forhold i orden, vil vi kunne regne med at det er brukbart, dersom det samtidig er rennende og ikke kommer fra stillestående sumper eller pytter. Vannets friske smak er bl. a. avhengig av at det finnes luft oppløst i det. Hvis vannet ikke inneholder nok luft, vil smaken bli emmen. En fullstendig og betryggende laboratorieundersøkelse av drikkevann er meget komplisert og må utføres av folk med erfaring på området. * Det er ikke bare den kjemiske analyse som spiller en rolle, men kanskje i enda større grad den bakteriologiske undersøkelse. Sykdomsbakterier kan lett overføres gjennom drikkevann, og i sørligere land er det regnet for å være den farligste smittekilden. I store byer og tettsteder tilsetter en derfor vanntilførslene bakterie­ drepende midler. Her i landet er det for det meste klor som blir brukt. En lettvint prøve på om drikkevann kan brukes, blir ofte gjort ved hjelp av Nesslers reagens (K2HgI4). Dette reagenset gir egentlig en påvisning av ammoniakk (NH3), og gir en rødgul farge i vannet dersom ammo­ niakk er til stede. Ammoniakkinnhold i en brønn eller en bekk tyder på at det ligger forråtnelsesprodukter i vanntilsigene, da det ved forråtnelse alltid danner seg ammoniakk. Ammoniakken i seg selv er ikke så farlig, men der det er forråtnelse, er det også bakterier, kanskje sykdomsbakte­ rier. Godt drikkevann skal derfor ikke gi noen fargereaksjon med Nesslers reagens.

Regnvann Regn blir dannet ved kondensasjon av vanndampen i lufta. Når det faller mot jorda, vil det absorbere, løse opp eller rive med seg forskjellige gasser, * Statens institutt for folkehelse har kontrollen av drikkevann.

12

* Forholdene blir etter hvert forverret på grunn av luft­ forurensninger, jfr. kap. 34.

salter og støvpartikler som finnes i luftlaget. I ubebodde strøk vil det være lite forurensninger, over byer og tettbebyggelse vil det være mye som regnvannet kan ta med seg. Over en vanlig industriby vil en kunne finne forurensninger i regnvannet som karbondioksyd, svoveldioksyd, ammoniumsalter, nitrater, klorider, fine støvpartikler og sotpartikler. Regnvannet er likevel det reineste vann vi kan få tak i direkte fra naturen, og det er sjelden at det inneholder mer enn 0,004% forurensninger dersom en samler det opp et stykke utenfor bebyggelsen . *

Elve- og bekkevann Forurensningene i elvevann avhenger først og fremst av de jordlag som elva passerer, og det som blir ført ut i den fra tilsig og eventuelle mindre tilløp. Årstiden spiller også en stor rolle for forurensningene i elvevann. Går vannet gjennom kalkholdig jordlag f. eks., vil noe av kalken bli løst og komme over i vannet, og renner elva gjennom eller over jernholdige strøk, vil det bli jern å finne i vannet. Mengden av forurensninger kan variere innenfor vide grenser. Akerselva i Oslo vil kanskje inneholde opp til 0,3% forurensninger, mens en fjellbekk oftest vil ha mindre enn 0,05%.

Kjeldevann Når regnvann trenger ned i jorda og støter på fast fjell, må det finne ka­ naler oppover eller til sidene. Det som kommer opp til overflaten igjen i større mengder på bestemte steder, sier vi er et oppkomme eller en kjelde. I enkelte tilfeller kan vannårene som munner ut på jordoverflaten, ha et så stort trykk at det står en vannsøyle til værs. Mange land har også kjelder som fører vann fra store dybder, og som derfor er kokende varmt. Slike varme kjelder finnes det mange av på Island, og der blir de brukt som varmtvannsleverandører til vaskerier, sentralvarmeanlegg o. a. Kjeldevannet er ofte ganske hardt, og det er derfor kjemisk sett ikke reint H2O. Tvert imot vil vann fra mange kjelder inneholde ganske mange for­ urensninger i form av oppløste salter og karbonsyre, som også gjør vannet friskt og sprudlende. Bakteriologisk sett kan kjeldevann være så godt som sterilt. Sjøvann De vanntyper vi hittil har nevnt, er alle ferskvann, men når vi snakker om sjøvann, mener vi til vanlig saltvann. Saltvann er vann som inneholder så mye oppløst natriumklorid — NaCl — at det smaker salt. Det er denne formen av vann som er mest utbredt på jorda, da alle verdenshav inneholder mye natriumklorid. Foruten dette saltet er det også en rekke andre salter løst i sjøvann, og selvsagt finnes også en rekke bestand­ deler som ikke ei løst opp, men som i finfordelt form holder seg svevende i vannet. I det nordlige Atlanterhavet vil innholdet av salter være om­ trent slik, utregnet pr. kubikkmeter vann: 29 kg NaCl, 3 kg MgCl2, 1,8 kg MgSO4, 1,6 kg CaSO4 og 0,4 kg MgBr2. Havvann har i alminnelig­ het et samlet innhold av salter på 2,5—4,5%.

Saltsjøer Det finnes flere innsjøer med et saltinnhold på opp til 23—26%. Dødehavet og Store Saltsjø i Utah er mest kjent. Slike sjøer har i alminnelighet ikke avløp, men fordampingen er stor, og de får stadig tilførsler som inneholder oppløste salter.

13

Tørking

De aller fleste kjemiske forbindelser vil inneholde noe vann eller fuktighet hvis en ikke spesielt har sørget for å tørke stoffet. Vi regner i alminnelighet med at vannet ikke reagerer med stoffet, slik at vi ikke behøver å gjøre noen forandring med formelen for forbindelsen fordi om vi vet at den er vannholdig. Skal vannet fjernes, kan vi, dersom stoffet tåler det, varme det opp til over 100 °C. Da vil vannet fordampe, og den vannfrie forbindelsen blir tilbake. De aller fleste forbindelser vil gi slipp på sin fuktighet ved opp­ varming til 150 °C i en times tid. En rekke stoffer som ikke tåler høy temperatur, tørkes i vakuum ved lav temperatur. Krystallvann vil i alminnelighet lett bli avgitt ved oppvarming av stoffet over 100 °C, fordi vannet da rett og slett fordamper. Men enkelte stoffer vil binde sitt krystallvann så godt til seg at det skal langt høyere tempe­ ratur til for å få det bort. På den andre siden vil mange stoffer også avgi sitt vann så lett at vannet forsvinner om det bare ligger i luft. Vi sier at slike stoffer forvitrer. Fenomenet viser seg på den måten at forbindelsen, som med sitt krystallvann danner en regelmessig kantet form, en krystall, går over i et pulver. Fig. 17.9. Snitt gjennom et rør fra en dampkjele. Det hvite kjelesteinslaget fyller mer enn halve rørradius.

Vann til teknisk bruk. Et vann som er godt som drikkevann, er ikke uten videre «godt» til teknisk bruk. Sykdomsbakterier og vond lukt osv. spiller ikke en avgjørende rolle for vann som skal brukes f. eks. til fødevann for dampkjeler. For den tekniske bruk av vann er det det oppløste innhold av kalsiumsalter, jernsalter og magnesiumsalter som har mest å si. Dessuten vil også innhold av finfordelte uløste partikler av sand, jord og organisk materiale være av de forhold som avgjør om vannet er teknisk brukbart. Vann som inneholder ioner av metallene kalsium, magnesium og jern, kalles hardt vann. Slikt vann er til den største ulempe, først og fremst når det skal brukes til dampkjeler og til vask. I kjelene kan forbindelsene avsette seg som et belegg, kjelestein. I vask vil såpa ikke skumme ordentlig, og salt­ innholdet kan også skade tøyet. Det er først og fremst forurensningene av kalsiumsalter som har noe å si for vannets hardhet, og vi kaller derfor slikt vann for kalkholdig vann. Kalsiumsaltene vil avsette kjelestein i kjelerørene, og denne steinen er en svært dårlig varmeleder. Den er derfor i første omgang årsak til nedsatt effektivitet av dampkjelen. Seinere kan den føre til at kjelerøret blir over­

14

opphetet, og at dette blir årsak til eksplosjon. Hardt vann må derfor gjøres «bløtt» før det kan brukes på kjeler, ellers vil arbeidet med å skrape av kjelesteinen sette kjelen ut av drift altfor ofte. Vann blir «bløtt» ved at en tilsetter kjemikalier som omdanner de kalsiumforbindelser som er i vannet, til andre kalsiumforbindelser som ikke gjor skade, eller ved at en fjerner kalsiumionene helt fra vannet (se hardt vann, side 42). Hardheten av vannet blir oppgitt i hardhetsgrader, idet en regner ut van­ nets kalsiuminnhold i milligram kalsiumoksyd pr. liter vann. Hver 10 mg CaO pr. liter svarer da til én grad (tyske grader.) * Som nevnt inneholder sjøvann mange oppløste salter. — Disse saltene er mye vanskeligere å fjerne enn de kalsiumsaltene som gjør ferskvann hardt. Her er destillasjon det eneste effektive middel, og det kan være nødvendig dersom ikke annet vann er tilgjengelig. Skip har ofte egne destillasjonsanlegg for å skaffe kjelevann. CaCl2 og MgCl2 er også årsak til at kjelestein danner seg, selv om kjelesteinen ikke er av samme type som den vi før har omtalt. Denne typen vil frambringe saltsyre, HC1, som angriper kjelerørene meget sterkt og er årsak til at rust danner seg i alle ledninger osv. Jernsalter i vannet er også svært uheldige for vannets tekniske bruk. I vask setter de rustflekker på tøyet, og i fargerier og garverier gir jernforbindelsene skjolder og flekker på varene, som da ofte blir helt verdiløse. Jerninnholdet i vann til slik bruk må derfor fjernes, og dette gjør en samtidig som en fjerner kalsiumsaltene.

Humusstoffer i vann Vann fra myrdrag eller vann som har gått gjennom myrholdig jord, vil være noe gult eller brunaktig farget. En slik farge kan komme av et meget stort jerninnhold, men i alminnelighet er årsaken vannets innhold av organiske stoffer, som med et fellesnavn kalles humusstofjer. Disse stoffene behøver ikke i og for seg å være skadelige for helsa, men for at vannet skal bli mer appetittlig, blir de som regel fjernet fra drikkevann ved at en tilsetter kalk og aluminiumsulfat. På den måten synker stoffene til bunns og kan filtreres fra. I vann som skal nyttes teknisk, kan humusstøffer derimot være direkte skadelige. Et sterkt humusholdig vann er uheldig til stoping og muring. Sand som skal nyttes til slike formål, må heller ikke være sterkt humusholdig. Grunnen til humusstoffenes uheldige virkning er for det meste den at de, etter at de er kommet inn i støpen eller betongen, kan utvikle gasser, som vil kunne sprenge seg ut og lage sprekker. En lettvint orienterende prøve på om vann eller sand inneholder mye humus, kan gjøres slik: I en stor glassylinder heller vi 300 ml vann (even­ tuelt 200 g sand eller grus dersom dette skal undersøkes) og deretter 125 ml av en 3% NaOH-løsning. Etter omristing setter vi det bort med en gummipropp på i et døgn. Vannet (eller væsken over sanden og gruset) vil da ha fått en gul til mørkebrun farge dersom det er humusstoffer i det. Er fargen mørk brunrød eller brunsvart, vil vannet (eller sanden) ikke være brukbart til støping og muring.

Vannets ledningsevne Reint vann, dvs. destillert vann, leder den elektriske strømmen svært

* Innhold av andre ioner, som Fe + + og Mg++ omregnes til den ekvi­ valente mengde CaO.

15

dårlig. Strømgjennomgang i væsker kommer, som vi har sett (avsn. 3.2), av at væsken inneholder ioner. Reint H2O har derfor svært få ioner.

Resistivitet [spesifikk motstand} ved 18 C:

H2O (redestillert) ............. minst 1,0 • 106 ohm ■ cm Petroleum............................ om lag 2,0 • 1016 — « — Glass .................................... « 5,0 ■ 10u — « — I 3 g NaCl + 1000 1 H2O . . « 1 ■ 103 —«— « 6,0 —«— Elektrolytter 100 kg NaCl + 900 1 H2O | Smeltet NaCl ..................... « —«— 0,294 1 Saltsvre 10% ..................... « 1 6 Kobber.................................. « 1,7 ■ 10~6 « Sølv...................................... 1,6 • lO-6 — « —

I moderne elektrode-dampkjeler spiller vannets ledningsevne en avgjørende rolle for driften av kjelene. Ved disse typer av dampkjeler foregår opp­ varmingen av vann ved strømgangen mellom elektroder som blir senket ned i vannet. Hvis nå innholdet av oppløste ioner i vannet skulle bli for stort, vil det resultere i høyere konduktans (ledningsevne) og lavere resistans (motstand). I slike tilfeller vil strøm- og effektbruket bli altfor stort, og i verste fall kan det bli kortslutning mellom elektrodene. Ved bruk av elektrodekjeler må da vannets ledningsevne stadig kontrolleres.

17.10 Hygroskopiske stoffer Mange stoffer kan tørkes ved at de varmes opp til vel 100 °C slik at fuktighet og vanninnhold fordamper. Men ikke alle stoffer vil tåle en slik behandling, og en må da tørke dem ved å bruke vanntiltrekkende midler. Slike midler kalles hygro­ skopiske stoffer. Et kjent hygroskopisk stoff er kalsiumklorid, CaCl2. Dette blir strødd på støvete veier om sommeren. Det trekker da til seg fuktighet fra lufta, og på denne måten bindes støvet. Fosforpentoksyd, P2O5, er vel det mest effektive hygroskopiske middel vi har. Det er et hvitt pulver som trekker til seg vann, reagerer med vannet og danner fosforsyre. På grunn av denne syredannelsen kan det ikke brukes overalt. Konsentrert svovelsyre, H2SO4, er også et utmerket hygro­ skopisk middel. Det brukes ofte til tørking av gasser som ikke reagerer med syra. Det mest brukte hygroskopiske middel i laboratorier og industri for tiden er silikagel, SiO2 • nH2O. Ofte blir det kalt «blågel», fordi det da er tilsatt et stoff som er blått når det er tørt, og rødt til rødhvitt når det er fuktig og ikke lenger ef­ fektivt hygroskopisk. Silikagel trekker vann til seg ganske effektivt, og det har det store fortrinn at det kan brukes om igjen; en bare varmer det opp for å drive fuktigheten ut igjen. En annen stor fordel er at det hele tiden holder seg som et fast 16

kornet stoff; det går ikke over til en væske eller en slimet masse når det har trukket til seg vann. Finere elektriske instru­ menter og andre apparater som skal holdes tørre inni, blir derfor ofte forsynt med pakninger av silikagel. 17.11 Vann som løsningsmiddel

Vann som løsningsmiddel. De aller fleste kjemiske forbindelser vil løses noe i vann. Noen stoffer, f. eks. sukker, blir løst mye, mens andre, f. eks. koksalt, blir løst mindre, og atter andre, f. eks. gips, blir løst riktig dårlig. Løselighet i gram pr. 100 g vann. Ved 20 °C Sukker (C12H22O1:i)........ 204 g Koksalt (NaCl) .............. 36 g Salpeter (KNO3) ............ 32 g Gips (CaSO4).................... 0,2g Tungspat (BaSOJ 2,4 • 10-4 g

Ved 100 °C 487 g 40 g 246 g 0,16 g om lag 3 • 10-4 g

Som det går fram av tabellen, vil de fleste stoffene bli løst bedre i varmt vann enn i kaldt, men forskjellen er ikke Fig. 17.10. Løselighetskurver for en del stoffer i vann. De fleste stoffer løsei seg bedre i varmt vann enn i kaldt.

0 10 20 30 40 50 60 70 50 90 100 ---------------- ► Temperatur i °C

17

Fig. 17.11. Løsnings- og hydratiseringsprosess. De polare vannmolekylene løser ionene fra kry­ stallene og leirer seg til dem slik at de hindres i å komme i kontakt med hverandre igjen.

alltid stor. Det finnes også faste stoffer som blir løst dårligere i varmt vann enn i kaldt. Et slikt stoff er CaSO4. Figur 17.10 viser en del løselighetskurver. Vi ser her hvordan løseligheten varierer med stigende temperatur. Vannets gode egenskaper som løsningsmiddel for stoffer som er bygd opp av ioner, henger sammen med vannets dipolnatur (jfr. kap. 4). Stoffer som består av molekyler som er sterke dipoler vil ha en stor dielektrisitetskonstant {relativ permittivitety Dette er en størrelse som en kan forklare på følgende måte: Om vi forestiller oss to elektriske poler, en positiv og en negativ, et stykke fra hverandre i vakuum, så vil de to polene utøve en viss tiltrekningskraft på hverandre. Vi setter denne kraften til 1 — én — i dette tilfellet. Fyller vi nå vann i mellomrommet og måler tiltrekningskraften, finner vi at den er blitt atskillig mindre, nemlig bare 1/81. Vi sier at vannets dielektrisitetskonstant er 81. * Undersøker vi dielektrisitetskontU

stanten for andre væsker, finner vi at den sjelden kommer opp mot vannets. Vann har høyere dielektrisitetskonstant enn de fleste andre løsningsmidler. Dielektrisitetskonstant {relativ permittivitet} ved 20 °C. Vann............................... 81,0 Glyserol........................... 56 Etanol............................. 27 Kloroform....................... 5,2 Terpentin......................... 2,2 Olje (petroleumolje)........ 2,1 * Konstanten kan også defineres ut fra størrelsen kapasitans. Dielektrisi­ tetskonstanten for et stoff er da forholdet mellom en kondensator s kapa­ sitans med det bestemte stoffet mellom kondensatorplatene og kapasitansen av samme kondensator med vakuum mellom platene.

18

Et salt som NaCl har Na+-ioner og Cl~-ioner som tiltrekker hverandre med en viss kraft. Setter vi vann til saltet, vil denne kraften bli redusert mye på grunn av vannets dielektrisitetskonstant. Følgelig vil ionene gi mer eller mindre slipp på hverandre, og resultatet er at saltet blir løst i vannet. De enkelte vannmolekyler vil gå til angrep på de enkelte ioner i gitteret og rive det fra hverandre. Noen vannmolekyler vender den positive enden av sin dipol mot de negative ioner, og andre vender sin negative ende mot de positive ioner. Figur 17.11 viser prosessen. I mange tilfeller vil et bestemt antall vannmolekyler følge med de enkelte ioner. Vi sier at ionene blir hydratisert.

Spørsmål og oppgaver

1. Hvor mye oksygen og hvor mye hydrogen får vi teoretisk ved elektrolytisk spalting av 10 kg vann? 2. Hvor mye sink kan vi løse opp i 5 kg saltsyre? Saltsyra inneholder 38% HC1. Hva er oksydasjonsmidlet i denne reaksjonen? 3. Hvor mange gram hydrogengass skal det til for å redusere 150 g CuO? Hvor mye sink går det med til å lage denne mengden gass? 4. Vi går ut fra de saltmengder som er oppgitt pr. kubikk­ meter sjøvann. (Se side 13.) Hvor mange kg magnesium finnes det i 10 m3 slikt sjø­ vann ? 5. Forklar hvordan H2O2 kan virke både som reduksjons­ middel og som oksydasjonsmiddel. 6. Hva er et hydrid ? 7. Gjør rede for framstillingen av hydrogen fra et metall og en syre. 8. Hva er tungt hydrogen, og hva er tungt vann ? 9. Hva er løfteevnen ved bakken av en 1000-liters ballong fylt med H2 ved 750 mm Hg og + 25 °C? Ballongen veier tom 250 gram. 10. Gi en oversikt over vannets reaksjoner med metalloksyder, ikke-metalloksyder og med noen gasser. 11. Gjør rede for strukturen av H2O2 med en enkel skisse. 12. Gjør rede for hvordan vannets høye dielektrisitetskonstant antas å ha betydning for vannets gode løsningsevne for stoffer bygd opp av ioner. 19

Velg det de rette svar

1. Bruk fig. 17.10 til å finne ut hvilket stoff som er lettest løselig ved 40 C: a) KC1O3, b) KNO3, c) NH4C1, d) Pb(NO3)2 2. Når vann stort sett er et utmerket løsningsmiddel for salter skyldes det: a) At vannmolekylet er så sterkt. b) At vann er så utbredt i naturen. c) At vannet koker ved 100 °C. d) At vannets dielektrisitetskonstant er høy. 3. For å få bort fuktigheten (vannet) fra en kjemisk forbin­ delse kan en: a) Varme opp forbindelsen til den spalter seg. b) Sette den i et tett kar som også inneholder et hygroskopisk stoff. c) Belyse med ultrafiolette stråler. d) Elektrolysere stoffet. 4. Hvilken av følgende metoder brukes som laboratorieframstillingsmåte for hydrogen? a) Cu + HC1, b) Al + HNO3, c) Zn + HC1, d) Cu + HNO3 5. Tungt hydrogen er: a) Hydrogen med ett proton og ett nøytron i kjernen. b) Tungt vann. c) Hydrogen med tetthet 2,00. d) Hydrogen med to protoner og to elektroner. 6. Når hydrogen brenner i luft, dannes: a) H2O2, b) HNO2, c) H2O, d) CH4 7. Når 2 mol vann spaltes helt ved elektrolyse, kreves det en energimengde på 487 kj. Hvor mye energi kreves da for å spalte 90 gram vann ved elektrolyse? a) 487 kj, b) 180 kj, c) 1217,5 kj, d) 4383 kj Forsøk og demonstrasjoner

1. Framstilling av hydrogen ved elektrolyse. 2. Vis og forklar Kipps apparat. 3. Reduser CuO med hydrogen, vis danning av Cu og H2O. Se fig. 17.4. 4. Hell H2O2 på en blodflekk eller en potetskive. Vis også den bleikende virkningen av H2O2 på f. eks. hår. 5. Vis et hygroskopisk stoff, f. eks. silikagel. 6. Vis destillasjon av vann tilsatt et fargestoff.

Henvisning: Se Salveson: Laboratorieforsøk i kjemi, forsøk nr. 7, 8, 9 og 11. 20

Oksygen, luft, edle gasser 18.1 Oksygen

Atomnummer: 8 Tetthet: 1,429 g/dm3 Frysepunkt: —218,8 °C Kokepunkt: — 183 °C

Atomvekt: 15,999 Atomradius: 0,66 Å lonisasjonsenergi: 13,6 eV Vanlig oksydasjonstall: — 2

Oksygen er en fargeløs og luktfri gass som finnes fritt i lufta. Den utgjør 20,9 volumprosent av tørr luft. Oksygen står i hovedgruppe VI A i det periodiske system. Etter det skulle vi vente å finne kjemiske egenskaper som svarer til grunn­ stoffene svovel, selen og tellur. I en del forbindelser kan vi nok finne likheter, som i H2O, H2S, H2Se og H2Te. Men på den annen side skiller oksygen seg på mange måter ut fra de øvrige grunnstoffene i gruppen, og derfor behandler vi det for seg. Elektronordningen hos oksygen er slik:

Vi ser at de to orbitalene 2py og 2pz har hvert sitt uparede elektron. Vi må derfor regne med at det er disse to orbitaler som blir brukt når oksygenet inngår forbindelser, slik at ok­ sygen blir toverdig. Gassmolekylene er toatomige, O2. Bindingene mellom de to oksygenatomene skulle ifølge vår elektronstruktur være kommet i stand ved fellesbruk av de uparede elektronene i 2py- og 2/>z-orbitalene. Det skulle med andre ord være fire elektroner som er i bruk i bindingene, og det ville være en dobbelt kovalent binding mellom oksygenatomene som vi kunne skrive 0 = 0. Foruten at det finnes fritt i luft, finnes oksygen bundet til andre grunnstoffer i forbindelser som oksyder, sulfater, ni­ trater og mange andre. Alt i alt er oksygen det grunnstoff som utgjør det meste av jordskorpas masse (ca. 50%). 21

Fig. 18.1. Enkel laboratorieoppstilling for framstilling av oksygen.

Tett kork

Bindingen mellom de td oksygenatomene i oksygenmolekylet er kompli­ sert. Om vi tenkte oss vanlig dobbeltbinding slik at vi fikk full oktett vekselvis rundt de to atomene, ville det være greit. Men gjør vi det, vil vi da måtte ordne alle elektronene i par. : O =O : Nå viser det seg at ved magnetiske målinger oppfører oksygen seg paramagnetisk (Jfr. avsn. 2.7.) Det vil da si at molekylet må ha minst ett uparet elektron. Paramagnetismen hos oksygen er så stor at en må regne med to uparede elektroner i molekylet. For å forklare dette har det vært foreslått flere typer av bindinger, men den en er blitt stående ved i dag, er den såkalte «treelektronbinding». En slik binding kan forklares som re­ sultat av at et uparet elektron fra et atom sammen med et elektronpar fra det andre bruker begge orbitaler samtidig. Tar vi bare med disse tre elektroner, kan dette illustreres slik:

O: atom A

•O

O•

:O

atom A

atom B

eller/og

atom B

En enkel binding av denne typen skriver vi da slik,

A ■ • • B I oksygenmolekylet O2 er bindingen så sterk at det må tilsvare en dobbeltbinding av denne natur. Vi skriver da slik for å gjøre det tydelig:

ojv-o

De vanskeligheter vi støter på med å forklare bindingene i det enkle molekylet O2, viser at vi pr. i dag slett ikke har full forståelse av kjemiske bindinger (jfr. også ozon, avsnitt 18.7).

18.2 Framstilling

Oksygen ble framstilt reint for første gang av den svenske apoteker C. W. Scheele omkring 1770. Et par år seinere ble det også, uavhengig av ham, framstilt av engelskmannen J. 22

Priestley. Begge framstilte gassen ved sterk oppvarming av for­ skjellige oksygenforbindelser. I dag blir oksygen framstilt i laboratoriet ved oppvarming av kaliumpermanganat, KMnO4, eller kaliumklorat, KC1O3. Likningene blir:

2KMnO4 -> K2MnO4 + MnO2 + O2 eller 2KC1O3 2KC1 + 3O2

Disse reaksjonene er vanskelige å forstå. Vi må derfor nøye oss med å slå fast at oksygen i begge tilfeller dannes ved termisk spaltning. Da gassen løser seg lite i vann, kan en samle den opp ved at en lar den fortrenge vann i en lukket beholder. Se figur 18.1. Hvis en bruker KC1O3 til framstillingen, går prosessen seint, og det må varmes opp sterkt. En kan påskynde prosessen ved å tilsette litt av stoffet MnO2, brunstein. Vi sier at brunstein virker som katalysator. Den påskynder prosessen uten at den selv forbrukes. Teknisk framstilles oksygen enten ved elektrolyse av vann (jfr. kap. 17) eller ved destillasjon av flytende luft. Den siste metoden bygger på at luft er en blanding av forskjellige gasser, og ved sterk avkjøling og sammentrykking vil disse gå over til væsker. Ved forsiktig destillasjon av flytende luft kan en skille oksy­ gen og nitrogen fra hverandre fordi de har forskjellige koke­ punkter. Først destiller nitrogen over (kp. — 196 °C). Deretter destillerer oksygen over (kp. — 183 °C).

18.3 Egenskaper

Når et stoff brenner, forbinder det seg med oksygen. Følgelig må oksygen være til stede ved enhver forbrenning. Noen stoffer reagerer lett med oksygen alt ved vanlig temperatur. Men ved oppvarming vil oksygen reagere med nesten alle grunnstoffer. Gassen løser seg lite i vann (0,038 volumdeler i 1 volumdel vann ved 10 °C), men dette oksygeninnholdet i vannet er nok til å underholde fiskens åndedrett. Oksygen blir påvist ved at vi stikker en svakt glødende trestikke ned i gassen. Stikka vil da blusse voldsomt opp som følge av at forbrenningen går lettere i reint oksygen enn i luft.

18.4 Teknisk bruk Oksygen selges komprimert på stålflasker under om lag 150 atm trykk. Det blir for det meste brukt til sveising, enten sammen med

23

acetylen (C2H2) eller sammen med hydrogen. Acetylensveising gir den høyeste temperaturen. Reint oksygen blir brukt en del ved tekniske oksydasjonsprosesser som ikke går raskt nok med bare luftoksygen. Dessuten blir det mer og mer nyttet ved sykehusene for å lette åndedrettet, til å helbrede gassforgiftede, til pusteapparater for dykkere og for flygere i store høyder, til spesialmasker for brannmenn osv.

18.5 Åndedrettet

Oksygen holder ved like de langsomme forbrenningsprosessene i menneske- og dyrekroppen. Forbrenningen av karbonholdig materiale til karbondioksyd er den viktigste enkeltprosessen: C + O2 = CO2 + 395 kj (94,3 kcal)

Vi mennesker trenger et temmelig stort oksygeninnhold i lufta for at forbrenningen skal kunne foregå. Til vanlig er det 20,9 volumprosent oksygen i luft. Dersom en minsker kon­ sentrasjonen til 16—12%, blir pusten besværlig og rask. Går den ned til 12—9%, mister en dømmekraften og også for en stor del følelsen for smerter. Går den ned til 9—6%, framkommer kvalme og bevisstløshet. Er oksygeninnholdet i lufta mindre enn 6%, inntreffer døden meget raskt.

18.6 Forbindelser — oksyder — peroksyder

Når et grunnstoff reagerer med oksygen, danner det seg van­ ligvis et såkalt normalt oksyd. Vi skal først se litt på de normale oksydene, og skiller da mellom a) ikke-metallenes oksyder, b) metallenes oksyder.

a) Når f. eks. grunnstoffene karbon, svovel og fosfor brenner, danner det seg oksyder etter likningene: Oksyder av ikke-metaller:

c + o2 = co2 s + o2 = so2 4P + 5O2 - 2P2O5

Karbondioksyd Svoveldioksyd Fosforpentoksyd

b) Tilsvarende gir metallene: Oksyder av metaller:

Mg + 1O2 = MgO 2Na + |O2 = Na2O Ca + |O2 = CaO 24

Magnesiumoksyd Natriumoksyd Kalsiumoksyd

Ved alle disse prosessene utvikles det store varmemengder. Grunnen til at vi skiller så sterkt mellom disse to typer oksyder er: Når ikke-metallenes oksyder reagerer med vann, dannes det syrer. Når metallenes oksyder reagerer med vann, får vi baser. (Jfr. avsn. 17.7.) Eksempler:

Sure oksyder: CO2 + H2O -> H2CO3 P2O5 + 3H2O -> 2H3PO4

karbonsyre fosforsyre

Basiske oksyder: Na2O + H2O -> 2NaOH CaO + H2O -> Ca(OH)2

natriumhydroksyd kalsiumhydroksyd

Om vi tar en kjemisk forbindelse (istedenfor et grunnstoff) og lar den brenne, vil de enkelte grunnstoffer som inngår i stoffet, reagere med oksygen og danne de tilsvarende oksyder:

Eksempler: Metanol: Karbondisulfid: Bensin:

2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O CS2 + 3O2 == CO2 + 2SO2 C7H16 + 11O2 = 7CO2 + 8H2O

(Bensin er en blanding av mange hydrokarboner. — Vi nytter her en formel (C7H16) som kan betraktes som en slags «gjennomsnittsformel».) Oksygen danner oksyder med de fleste grunnstoffer. I sine forbindelser opptrer oksygen nesten alltid med oksydasjonstallet — 2. I metalloksydene er det ionebindinger, i ikke-metalloksydene er det kovalente bindinger. Oksygenmolekyle t

Na+

O~_ mens H2O er: H : O :

F. eks.: Na2O er:

Na+

h

Oksyder kan også framstilles på annen måte enn ved å la oksygen reagere direkte. For eksempel vil mange andre forbindelser ved sterk oppvarming spalte seg til oksyder. Eksempel: Ozonmolekylet

Fig. 18.2. Ozonmolekylet og ok­ sygenmolekylet. 3.

Salveson: Kjemi 2

800 °C

CaCO3------ > CaO + CO2

De fleste karbonater vil gi oksyder ved sterk oppvarming. 25

Fig. 18.3. Et ozonapparat bygger på prinsippet med elektriske ut­ ladninger gjennom et isolerende materiale («mørke elektriske ut­ ladninger»). På figuren er en kobberfolie limt rundt en tykk glasstav, og denne er igjen stukket inn i et glassrør. Et mye videre rør er også pålimt kobberfolie og montert med det tynneste røret i midten. Rørendene er tettet med kork. Kobberfoliene tilkoples høy­ spenning fra en induktor. I et mørkt rom kan en se en svak blålig farge i røret når utladning foregår.

Mange av metallene i hovedgruppene IA og IIA kan danne peroksyder når de brenner i luft eller reint oksygen. Eksemp­ ler : 2Na + O2 = Na2O2 natriumperoksyd bariumperoksyd Ba + O2 = BaO2 Oksygen har her oksydasjonstallet —1, og det karakteristiske for peroksyder er den såkalte oksjgenbrua, —O —O —.

18.7 Ozon — O3 Oksygen har, som noen andre, grunnstoff er, evne til å danne molekyler med forskjellige antall atomer. Vanlig oksygengass har to atomer i molekylet, mens ozon har tre, O3 (jfr. side 22). Vi sier at ozon er en allotrop modifikasjon av oksygen. Ozon danner seg f. eks. under elektriske utladninger, se fig. 18.3. Den har en særegen lukt. Ozon blir brukt som desinfeksjonsmiddel for drikkevann, som bleikemiddel og som «luftrensemiddel» i lokaler der det utvikler seg gasser som lukter vondt. I sykehus og bakteriolo­ giske laboratorier er såkalte ozonlamper mye brukt. De har desinfiserende virkning på lufta. Ozon er i motsetning til oksygen diamagnetisk. Det vil si at bindingene ikke har noen uparede elektroner. En har funnet at avstandene mellom det midtre atom og de to andre er like, 1,26 Å. Vinkelen mellom de to valensretninger er nylig funnet å være 127°. De to endeatomene står derfor forholdsvis langt fra hverandre. Jfr. figur 18.2. Bindingen kan skrives slik:

b

/ \a . .

6:

:o. 127°

eller motsatt

o

. >/ \

:b

.o:

' ‘

Vi sier at vi har resonans mellom de to strukturer. Pilen markerer en koordinert kovalent binding (begge elektronene kommer fra giveratomet). Dobbeltstrekene markerer vanlig dobbel kovalent binding. (To elektroner fra hvert atom er inkludert i bindingen.)

26

18.8 Tenningstemperatur Når et stoff blir varmet opp i luft, vil det ved en bestemt temperatur be­ gynne å brenne. Denne temperaturen kalles tenningstemperaturen eller tenntemperaturen, og den er karakteristisk for hvert enkelt stoff. For noen alminnelige stoffer gjelder disse temperaturene i luft:

Fosfor (gult) .... om lag 60 °C En vanlig fyrstikk « 180 °C Torv .................... « 225 °C Svovel................... « 250 °C Ved........................ « 290 °C Steinkull............... 300—500 °C

Petroleum ........... om Bensin .................. Hydrogen ........... Lysgass.................. Koks......................

lag 380 °C « 440°C « 530°C « 560°C « 700°C

Disse tallene må en lese med det for øye at de gjelder for en bestemt finfordeling av brennstoffet. Bestemmelsen av slike tall foregår etter for­ skrifter i egen apparatur. For enkelte stoffer, f. eks. gult fosfor, ligger tenningstemperaturen så lavt at stoffet kan tenne seg selv. Oksydasjonen kommer i gang på over­ flaten, og denne reaksjonen utvikler varme. Etter hvert blir det så varmt at tenningstemperaturen blir nådd, og stoffet tar fyr. For flytende brennstoffer er det også viktig å kjenne til om stoffet fordamper lett eller ikke. Fordamper det lett, vil lufta over bli blandet med brennbar gass, og denne kan da tennes av f. eks. en fyrstikk. For flytende stoffer snakker vi derfor mest om flammepunktet. Det er den temperaturen en må varme opp et stoff til for at det skal avgi så mye av brennbare gasser at disse kan tennes ved hjelp av en liten flamme. (Gassen vil ikke kunne brenne videre av seg selv når flammen fjernes.) Prøven blir utført i be­ stemte apparater. Av slike er Abel-Pensky-apparatet mest brukt. Væsker som har lavere flammepunkt enn 50 °C, blir regnet for ildsfarlige. Slike væsker må oppbevares og brukes etter forskrifter fra brannvesenet. Etter ildsfarlighetsloven deles ildsfarlige væsker i tre grupper: A-væsker, som har flammepunkt under 22 °C (A.P.), og B-væsker, som har flamme­ punkt mellom 22 °C (A.P.) og 50 °C (A.P.). En gruppe C, har flamme­ punkt over 50 °C. (A.P. betyr at flammepunktene er bestemt i et AbelPensky-apparat.)

18.9 Luft Luft er en blanding av flere gasser. Sammensetningen av lufta er ikke den samme i hele jordas atmosfære. Den varierer med høyden, og den varierer noe fra sted til sted på jordoverflaten. Forurensninger og mer eller mindre tilfeldige luftstrømninger vil også føre til at lufta ikke har den samme sammensetning overalt langs jordoverflaten. Når vi derfor i tabeller som tabell 18.1 fører opp luftas sammensetning i nøyaktige prosent, så menes det da middelverdien av rein luft, samlet opp over åpent hav eller over avsides områder på land i lav høyde og deretter tørket. Som vi ser, består lufta i det vesentlige av nitrogen, oksygen og argon, som tilsammen utgjør hele 99,965 volumprosent. Vanndamp utgjør alltid en viss del av luft, men den er ikke tatt med i tabellen, da dette innholdet stadig varierer.

27

Fig. 18.4. Atmosfærens oppdeling og temperaturvariasjonen med høyden.

Tabell 18.1. Sammensetningen av tørr luft i prøver tatt mer hav­ overflaten

Temperatur

Nitrogen............... Oksygen ............. Argon ................. Karbondioksyd . . Neon..................... Helium ............... Metan................. Krypton ............. Hydrogen............. Nitrogenoksyder .. Xenon................. Ozon...................

N2 78,084 volumprosent O2 20,947 » Ar 0,934 » CO2 0,031 » Ne 0,0018 » He 0,0005 » CH4 0,0002 » Kr 0,0001 » H2 0,00005 » NO, NO2 0,00005 » Xe 0,000008 » O3 0,000007 »

Oksygeninnholdet er bemerkelsesverdig stabilt rundt hele jorda, og dette er av den største betydning. Mennesker og dyr er avhengig av at luftas oksygeninnhold er omtrent konstant. Tettheten av tørr luft ved 0 °C og 1 atm trykk er 1,2929 g/dm3. Oksygen er noe tyngre, 1,429 g/dm3, og nitrogen er noe lettere, 1,250 g/dm3. Argon er tyngre og har tetthet 1,784 g/dm3. Karbondioksyd har tetthet 1,977 g/dm3. 28

18.10 Flytende luft

Flytende luft er luft som er avkjølt og komprimert til væske. Før dette kan skje, må en fjerne all fuktighet og alt innhold av CO2-gass. Prinsippet for framstillingen er følgende: Lufta komprimeres først til om lag 100 atm trykk. Så blir den avkjølt en del slik at varmen som ble dannet ved komprime­ ringen, blir borte. Deretter øker en trykket til 200 atm, og Fig. 18.5. Forenklet skisse av en rakettmotor som brukes ved opp­ skyting av satellitter og romfartøyer. Flytende oksygen er nød­ vendig både til bruk i motorene og til andre formål i fartøyene.

kjøler den ned igjen i en sylinder omgitt av en is- og saltblanding med temperatur om lag —20 °C. Under disse for­ hold slippes så gassen ut gjennom en ventil hvor den får utvide seg til trykket blir 20 atmosfærer. Denne utvidelsen krever mye varme, og den må tas fra lufta selv. Lufta blir med andre ord sterkt avkjølt igjen, og en del flytende luft dannes. Etter hvert som porsjoner av den lufta som er komprimert til 200 atm slippes gjennom ventilen, blir det stadig kaldere, og mer flytende luft dannes. (Jfr. Lindes kuldemaskin og Joule-Thomsons prinsipp i fysikken.) Flytende luft er en blåfarget væske. Den har en temperatur på om lag —196 °C. Den brukes i vitenskap og teknikk som kjølemiddel i forskjellige slags apparatur. Den kan oppbevares en tid i større eller mindre termosflasker (Dewar-kar), og den må også sendes i slike. I åpne kar vil den fordampe hurtig. Både flytende luft og flytende oksygen brukes i raketter og satellitter.

29

18.11 Edelgassene Da alle de edle gassene finnes i luft, tar vi dem med under dette kanitlet. Edelgassene er samlet i hovedgruppe VIII A i det periodiske system. Gruppen inneholder gassene helium — He, neon — Ne, argon -Ar, krypton — Kr, xenon, — Xe, radon — Rn. Navnene er dannet av greske og latinske ord, og de betyr: helios (gresk) — sol, neos (gr.) — ny, argos (gr.) — treg, kryptos (gr.) — skjult, xenos (gr.) — fremmed og radius (latin) — stråle. Gassene finnes i små mengder i lufta: argon mest (om lag 0,93%), neon (0,0018%), helium (0,0005%). Alt er volumprosent. Helium har 2 elektroner i sitt ytterste skall, mens alle de andre har 8.

Fig. 18.6. Prinsippet for sveising i inaktiv atmosfære av argon.

Edelgassene har bare ett atom i molekylet (i motsetning til alle andre gas­ ser.) Molekylformlene blir Ne, Ar, He osv. Da valenselektronskallet hos alle er fullt, har de svært vanskelig for å reagere med andre stoffer. Som slike inaktive gasser blir de mye brukt, men da de er kostbare, er den praktiske nytten svært begrenset. Under framstilling av flytende luft ved Norsk Hydro får en også noen av edel­ gassene i såpass store mengder at de blir levert for salg. Helium blir for det meste utvunnet av jordolje, der den finnes oppløst, ofte i ganske store mengder. Gassen er nest etter hydrogen den letteste av alle, og har det store fortrinn framfor H2 at den ikke er brennbar. Den blir derfor mye brukt til fylling av ballonger o. 1. Den (og argon) har i de seinere år blitt noe nyttet ved sveising av lettmetaller som lett blir oksydert. Lufta blir holdt borte fra sveisestedet ved at en blåser gassen over det. Neon blir mest brukt i lysrør (reklame). Rørene blir fylt med neon under lavt trykk. Ved å bruke høye spenninger (til vanlig 3000 — 6000 volt) kan vi få strømgjennomgang, ved at gassen ioniseres, og det sendes ut et rødt lys. Blander vi den med kvikksølvdamp eller andre gasser, kan vi få andre farger. Varierer vi selve glassfargen, kan vi igjen oppnå nye fargefenomener. Argon, som finnes i størst mengde i lufta, er den billigste av gassene, og også den mest brukte. Argon og nitrogen blir mye brukt i blanding i vanlige glødelamper. Argon nedsetter glødetrådens fordamping og for­ hindrer oksydasjon, slik at en kan bruke høyere temperatur på tråden. På den måten får vi hvitere (dvs. bedre) lys. For lamper mindre enn 60 W bruker vi ikke fylling, men vakuum. For 60—200 W blir det bare brukt argon, og for større lamper enn 200 W blir det brukt argon pluss om lag 5% nitrogen. Argon blir nyttet på samme måten som helium ved sveising av lettmetaller og rustfritt stål.

30

18.12 Edelgassenes forbindelser Den første reelle forbindelse av en edelgass ble rapportert i 1962 av ka­ nadierne Barlett og Lochmann. De framstilte forbindelsen XePtF6 (xenonplatinaheksafluorid), et gulfarget fast stoff. Dette var en sensasjon. Til da hadde en vært tilbøyelig til å godta det faktum at de edle gasser på grunn av sin elektronstruktur (fylte skall) ikke har evne til å reagere med andre grunnstoff i det hele tatt. Siden da har en intens forskning ført til at en i dag har framstilt mange edelgassforbindelser. Det er særlig grunn­ stoffet xenon som er blitt undersøkt. Denne edelgassen har jo det største atom volum (unntatt det radioaktive radon), og en måtte derfor vente at det var den edelgass som lettest ville danne forbindelser. Det har vist seg å holde stikk. Krypton er den nest mest reaktive, og deretter går det nedover med reaksjonsevnen, til helium, som er den minst reaktive av edelgassene. De forbindelser som er blitt framstilt, er i det vesentlige fluorforbindelser, men også en del oksyder og andre forbindelser med oksygen er blitt laget. Oppstillingen viser noen av de formlene det dreier seg om.

XePtF6 XeF2 XeF4 XeF6

XeO3 KrF2 XeOF4 KrF4 K4XeO6 • 6H2O

Oppdagelsen av edelgassforbindelsene har ført til store vitenskapelige revurderinger av teoriene omkring kjemiske bindinger. De bekrefter det som vi tidligere har sagt, at bindingsteoriene på langt nær er fullstendig klarlagt ennå. Spørsmål og oppgaver

1. Hvor mange kg vann danner seg ved at vi brenner 20 kg hydrogengass? 2. Regn ut hvor mange gram oksygengass vi får ved elektro­ lyse av vann (tilsatt KOH) i 1 time med en strøm på 50 ampere. (Se avsnitt 12.1.) 3. Hvor mange gram oksygen kan framstilles av 12 g KC1O3 ? Hvor mange liter svarer dette til ved normalvilkår (NTP) ? 4. Hvor mye oksygen går det med til å forbrenne 1 tonn kar­ bon til CO2? Hvor mye luft svarer dette til? Gi svar både i kg og i m3 (ved NTP). 5. Hvor mange m3 luft (NTP) går det med til å forbrenne 1 kg bensin? (Se likning side 25.) 6. Hvor mange m3 luft (NTP) går det med til å forbrenne 1 kg metanol? Likning: 2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O. Velg det/de rette svar

1. I luft er innholdet av oksygen i volumprosent ca.: a) 30 b) 12 c) 90 d) 21 2. Oksygen er: a) Lettløseljg i vann. b) Godt løselig i sjøvann. c) Litt løselig i vann. d) Helt uløselig i vann.

31

3. Flytende oksygen koker ved en temperatur på ca.: a) + 32 °C b) — 183 °C c) -210°C d) - 273 °C

4. Ozon er : a) En isotop av oksygen. b) Det som dannes når oksygen brenner. c) En allotrop modifikasjon av oksygen. d) En kjemisk forbindelse av oksygen.

5. Hva vil det si at oksygenmolekylet er paramagnetisk: a) Det virker som en katalysator. b) Det virker paralytisk. c) Det oppfører seg på en spesiell måte i et kraftig mag­ netisk felt. d) Det påvirkes ikke av magnetiske krefter. Forsøk og demonstrasjoner

1. Framstill oksygen av KMnO4, og saml opp gassen i et par sylindre over vann. Bruk 1 —2 gram KMnO4. 2. Vis at en glødende trestikke blusser opp i gassen, og at litt stålull (fin) som blir glødd, brenner godt. (Legg litt sand på bunnen av sylinderen i det siste forsøket, så den ikke sprekker så lett.) 3. Vis og omtal forbrenning i luft i alminnelighet. Alkohol, trekull, olje, magnesiumtråd o. a. brennes. 4. Vis selvtenning i luft med gult fosfor. (Lag eventuelt en løsning av fosfor i CS2, og dypp filtrerpapir ned i den.) 5. Vis at Al-pulver som blir blåst inn i en flamme, brenner. (Forsøk 4 og 5 forklarer finfordelingens innflytelse på tenningen.)

32

Alkalimetaller og jordalkalimetaller. Hovedgruppe IA og IIA

Alkali. Navnet har sin opprinnelse i det arabiske ordet for planteaske, alqily. Ved brenning av ørkenplanter får man en aske som inneholder store mengder na­ trium- og kaliumsalter (f. eks. karbonater).

Metallene i første hovedgruppe er fra gammelt av blitt kalt alkalimetaller, og metallene i annen hovedgruppe kalles jord­ alkalimetaller. Første hovedgruppe inneholder grunnstoffene litium, natrium, kalium, rubidium, cesium og francium. Annen hovedgruppe inneholder beryllium, magnesium, kal­ sium, strontium, barium og radium. Grunnstoffene francium og radium er meget sjeldne, og de er radioaktive. Navnet «alkali» henger sammen med at disse stoffenes hydroksyder er blant våre sterkeste baser. Ordet alkalisk betyr basisk.

19.1 Fellestrekk Alle disse stoffene kan behandles under ett, fordi mange av deres kjemiske og fysiske egenskaper viser store likheter. De kjemiske egenskaper blir like fordi elektronoppbygningen i hver gruppe er lik. Grunnstoffene har henholdsvis ett og to elektroner i ytterste skall. Disse valenselektronene «sitter» i j-orbitalene.

. . . ns1 Hovedgruppe I A

... ns2 Hovedgruppe II A

Tabell 19.1. Endel data for metallene i hovedgruppe IA og II A Kjemiske tegn....................

Li

Atomnummer...................... Atomvekt............................ Tetthet, kg/dm3 ............... Smeltepunkt, °C............... Kokepunkt, °C.................... Atomradius, Å (ångstrøm) lonisasjonsenergi, eV .... Vanlig oksydasjonstall....

3 6,94 0,53 179 1317 1,22 5,39 +1

Na

11 22,99 0,97 98 892 1,57 5,14 +1

K

19 39,10 0,86 64 774 2,02 4,34 +1

Rb

Cs

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

37 85,47 1,53 39 688 2,16 4,18 +1

55 132,90 1,90 28 690 2,35 3,89 +1

4 9,01 1,86 1284 2970 0,89 9,32 +2

12 24,31 1,74 651 1107 1,36 ■7,64 +2

20 40,08 1,55 848 1487 1,74 6,11 +2

38 87,62 2,6 770 1384 1,91 5,69 +2

56 137,34 3,5 725 1140 1,98 5,21 +2

33

Metallene i hovedgruppene I A og II A vil derfor i nesten alle sine forbindelser være henholdsvis enverdige og toverdige. Forbindelsene vil også i de aller fleste tilfeller dannes ved ionebindinger. Vi får derfor ionene Me+ og Me+ + . Som vi måtte vente (jfr. Kjemi 1, side 6), vil ionisasjonsenergien avta med økende atomnummer. Dette framgår også tydelig av tabell 19.1. Aletallene vil derfor lett gi fra seg elektroner, og de er derfor alle kraftige reduksjonsmidler. Alle metallene er lette. Tre av dem flyter på vann, nemlig litium, natrium og kalium. Tettheten varierer, fra 0,5 kg/dm3 for litium til 3,5 kg/dm3 for barium. Alle metallene oksyderes lett i luft, og oksydene får formler av typen Me2O for første hovedgruppe og MeO for annen hovedgruppe. De fleste av metallene vil også reagere lett med vann, og gir da hydroksyder henholdsvis av typene MeOH og Me(OH)2. De fleste hydroksydene er sterke baser da de er praktisk talt fullstendig dissosiert i OH_-ioner og Me+ eller Me+ + -ioner i vannløsning. De to første metallene i hovedgruppe II A, beryllium og magnesium, danner imidlertid hydroksyder som er mindre dissosiert i vannløsning, og som derfor er svake baser. Be(OH)2 må regnes som amfotert. (Jfr. avsn. 9.3 i Kjemi 1.) Når metallene reagerer med vann, dannes hydrogengass etter likninger av typen: 2Na + 2HOH = 2NaOH + H2 Ca + 2HOH = Ca(OH)2 + H2

De aller fleste forbindelser av første hovedgruppe er lett løselige i vann. I annen hovedgruppe er sulfatene og karbonatene fra kalsium og nedover tungtløselige.

Alle ioner av alkalimetaller og jordalkalimetaller er ufargede. De fleste forbindelser er derfor også ufargede i vannløsning, og som faste stoffer er de hvite.

19.2 Forekomst i naturen

Ingen av disse grunnstoffene forekommer i fri tilstand i na­ turen, dertil er de altfor reaktive. De finnes imidlertid utbredt i enkle forbindelser som klorider, sulfater og karbonater. Kloridene og sulfatene finnes i enorme mengder oppløst i sjø­ vann. Karbonatene av annen hovedgruppes grunnstoffer finnes utbredt i mineraler som magnesitt, MgCO3, kalkstein, kritt eller marmor, CaCO3, og som dolomitt, CaCO3 • MgCO3. 34

Sulfater som gips, CaSO4, og tungspat, BaSO4, er også ut­ bredte mineraler. Alle grunnstoffene finnes også som forbindelser i større eller mindre mengder i såkalte saltleier, som er inndampede sjøområder dannet for millioner av år siden. Enkelte slike saltleier kan inneholde temmelig reine og enkle forbindelser, for eksempel NaCl eller NaNO3 (chilesalpcter); andre kan være blandingsforekomster av en rekke salter. 19.3 Framstilling

Metallene framstilles ved elektrolyse av smelter av salter, hvor de utskilles på katodene. Metaller som natrium og kalium, som reagerer så lett med luftas oksygen, må under framstillingen holdes beskyttet fra luft. Størst industriell betydning har fram­ stillingen av magnesium, og vi skal se litt nærmere på den. I Norge framstilles store mengder magnesium ved Norsk Hydros anlegg på Herøya. Råmaterialene er dolomitt og sjø­ vann. Prinsippet for denne framstillingen ser en av skissen på figur 19.1.

35

Fig. 19.2. Framstilling av natrium ved smelteelektrolyse av NaCl. Klorgass dannes ved anoden. Den skjematiske tegningen viser et vertikalt snitt. Sett ovenfra vil katoden danne en ring rundt anoden. Over katoderingen går en oppsamlingskanal som hindrer det lette, flytende natrium i å komme i kontakt med lufta over smelta.

Metallene natrium og kalium framstilles ved smelte­ elektrolyse av NaCl eller KC1. Ved denne elektrolyse dannes klorgass ved anoden, og mye klor blir også framstilt på denne måten. Da klor og natrium (kalium) reagerer kraftig med hverandre, må en ved framstillingen holde anoderom og katoderom atskilt, se figur 19.2. Da temperaturen er langt over smeltepunktet for natrium (NaCl smelter ved ca. 800 °C), vil det dannes i flytende form og flyte opp i et overløp. Luft må holdes borte fra alle kanaler hvor det kommer natrium. 19.4 Bruk av grunnstoffene

Metallene i første hovedgruppe har en forholdsvis beskjeden nytte som reine metaller. Natrium er det som produseres i størst mengde. Det brukes blant annet i kjemiske prosesser hvor det er bruk for et kraftig reduksjonsmiddel. Av metallene i annen hovedgruppe er beryllium og magnesium viktigst. Beryllium brukes særlig i visse blandinger med kobber. «Berylliumbronse» er en herdbar Be-Cu-legering med 2,5% Be. Den kan lages slik at den får en fasthet som kommer opp mot stålets, og den brukes blant annet i fabrikasjon av spesialfjærer og til spesialverktøy. Produksjonen av beryllium er økende. Magnesium er det eneste av metallene i disse to grupper som produseres i virkelig store kvanta. Med sin tetthet på 1,74 kg/dm3 er det lettest av alle praktisk brukbare metaller. Det kan lett formes, så vel ved valsing som ved støping. Helt reint brukes det ikke mye, men blandet med mindre mengder av metaller som aluminium, sink og kobber får en fram legeringer som kan ha styrke som stål. Slike «lett­ metaller» har fått stadig større nytte i det moderne samfunn,

36

Fig. 19.3. Fra Norsk Hydros magnesiumfabrikk på Herøya. Rå­ stoffene som brukes er sjøvann og dolomittstein. Her bunnfelles Mg(OH)2 i svære tanker.

kanskje særlig på grunn av flyindustriens krav til letthet kom­ binert med stor styrke. Storparten av slike legeringer inne­ holder over 90% magnesium, resten er andre metaller. De har derfor også en lav tetthet, 1,8—2,5 kg/dm3. Handelsnavn på slike lettmetaller er elektronmetall eller dowmetall. Norsk Hydro er Europas største produsent av magnesium. Handels­ varene kalles NORMAG-magnesium. Årsproduksjonen i Norge ligger på om lag 40 000 tonn. Verdensproduksjonen er om lag 300 000 tonn, og den er stadig økende. 19.5 Alkalimetallene, kjemiske egenskaper og forbindelser

Grunnstoffene i første hovedgruppe er de mest reaktive metaller vi kjenner. Reaksjonsevnen øker sterkt med økende atomnummer, fordi avstanden fra atomkjernen til valenselektronet i ytterste bane blir stadig større når vi går nedover i gruppen. Som nevnt reagerer stoffene lett med luftas oksygen, og gir oksyder eller peroksyder. 2Li 4- |O2 = Li2O Litiumoksyd 2Na + O2 = Na2O2 Natriumperoksyd 2Na 4- 1O2 — Na2O Natriumoksyd

37

Metallene reagerer også med vann. Som vi måtte vente av spenningsrekken, utvikles det da hydrogengass. H +-ionene i vannet er nok til å oksydere metallet, mens de selv blir redu­ sert til hydrogengass. 2K + 2HOH = 2K+ + 2OH- + H2

Alkalimetallene reagerer også lett med stoffene i hoved­ gruppe VII A, halogenene. De danner da salter. 2Na + Cl2 = 2NaCl 2K + Br2 = 2KBr

De fleste av halogensaltene forekommer imidlertid i na­ turen, slik at disse framstillingsprosessene bare har teoretisk interesse. De to viktigste alkaliforbindelser som må framstilles indu­ strielt, er Na2CO3 og NaOH. Soda, Na2CO3, framstilles mest etter Solvajprosessert, som ble oppfunnet av belgieren Ernest Solvay omkring 1860. Metoden går ut på at en mettet vannløsning av NaCl tilføres NH3-gass og CO2-gass. CO2, NH3 og H2O reagerer og gir HCO3~- og NH4+-ioner. Se fig. 19.4. CO2 + H2O = HCO3- + H+ NH3 + H+ = NH4+

Vi får da en ioneblanding av Na+, Cl-, HCO3- og NH4+. I denne blandingen er NaHCO3, natriumhydrogenkarbonat, tungt oppløselig og det vil skille seg ut som et bunnfall. Skjematisk kan vi skrive likningen slik: Na+ + Cl- + NH4+ + HCO3- = NaHCO3 I +NH4 + Cl"

Bunnfallet av NaHCO3 filtreres fra og varmes opp for seg slik at det avgir vann og CO2-gass, og vi får soda: varme

2NaHCO3----- - Na2CO3 + H2O + CO2 NHj

NaCl

CQg *e C02

iNaHCCb^mcil-

oppv.

r

[CoO]

LOppy.

|CaCl?

Na2C0j

Fig. 19.4. Solvays sodaprosess.

38

fannfri soda

CqCOj

Soda er et av den kjemiske industris viktigste råstoffer, og det produseres i millioner av tonn pr. år. Det brukes særlig til rensing av jordolje, i glassindustrien, i såpeindustrien og i papirindustrien. Det selges også i krystallform,Na2CO3 -10H2O og kalles da krystallsoda.

Natriumhydroksyd, etsnatron. NaOH kommer også i handelen som et noe ureint produkt som kalles «kaustisk soda». NaOH framstilles ved elektrolyse av en vannløsning av NaCl. Her vil H+-ionene fra vannet bli redusert til H2-gass ved ka­ toden, slik at konsentrasjonen av OH~-ioner øker. En får da rundt katoden etter hvert en mettet løsning av natriumhydroksyd. Denne løsningen tappes fra og kan deretter dampes inn, og en får det faste stoffet NaOH. I likhet med soda blir natriumhydroksyd mye brukt i såpeindustri og oljeindustri, og det er også et av de viktigste råstoffer i kjemisk industri og kjemisk laboratorievirksomhet. Av andre viktige natriumsalter og kaliumsalter kan nevnes NaNO3 — natriumnitrat (chilesalpeter), KNO3 — kaliumnitrat (salpeter), Na2SO4 — natriumsulfat, Na2S2O3 — natriumtiosulfat (fiksersalt) og NaCN — natriumcyanid. Til en rekke formål vil natriumforbindelser og kaliumforbindelser kunne brukes om hverandre, da de har tilsvarende reaksjoner. Natriumsaltene brukes imidlertid mest, da de er langt bil­ ligere enn kaliumsaltene. Dette kommer igjen av at det vik­ tigste råstoff for natriumsalter, NaCl, er langt mer utbredt i naturen enn KC1. Flammereaksjoner: I forbindelser kan de fleste grunnstoffene i hovedgruppene IA og II A lett identifiseres ved hjelp av såkalte flammereaksjoner. En holder en utglødd tråd av platina (eller til nød en jerntråd) med litt av stoffet på inn i en bunsenflamme. Natriumsaltene vil gi en reint gul flamme, litiumsaltene gir en rød flamme, se figur 19.5.

Stift av MgO ,, Gul flamme eller av^^ av Natrium

Fig. 19.5. Eksempler på flammereaksjoner. Natrium gir gul flam­ me, barium gir grønn og litium dyprød farge.

f P6d flamme av Litium

t

Grin flamme av Barium

Privestoff

39

19.6 Jordalkalimetallenes kjemiske egenskaper og forbindelser

Metallene i hovedgruppe II A er noe mindre reaktive enn de i hovedgruppe I A. Også i gruppe II A øker reaksjons­ evnen med økende atomnummer. Beryllium er det minst reaktive, barium det mest reaktive. Beryllium og magnesium er holdbare i luft. De oksyderes på overflaten, men bare i et tynt sammenhengende lag som beskytter mot videre innvirk­ ning av oksygen. Kalsium og de andre metallene er lite holdbare i luft, da oksydlaget langsomt smuldrer opp, slik at ny metalloverflate stadig blir utsatt for oksygen. Oksydene har vanligvis formelen MeO og dannes ved forbrenning i luft.

Mg -f- |O2 = MgO og Ca + ^O2 = CaO Noen av metallene, for eksempel barium, danner ved for­ brenning også peroksyd, BaO2. Alle oksydene i denne gruppen er uhyre varmebestandige, og CaO og MgO er blant de mest «ildfaste» stoffer vi kjenner. Mens beryllium og magnesium ikke reagerer med kaldt vann, vil de øvrige reagere og danne hydroksydløsninger og hydrogengass (jfr. 17.9).

Ca + 2HOH = Ca++ + 2OH" + H2

Kalsiumhydroksyd, Ca(OH)2 (kalkvann eller lesket kalk), er den billigste av alle baser. Det dannes når oksydet løses i vann. Kalsiumkarbonat, CaCO3, finnes utbredt i naturen, og er det viktigste råstoff for utvinning av kalsiumforbindelser. Når kalkstein varmes opp til 7 —800 °C, vil den spaltes etter lik­ ningen : varme

CaCO3------ - CaO + CO2

Det CaO som dannes, kalles brent kalk. Kalk brukes mye i en rekke greiner av kjemisk industri. I bygningsteknikk brukes den til muring. Den brente kal­ ken tilsettes da en del vann og gir lesket kalk, som vesentlig er Ca(OH)2. En blanding av lesket kalk, sand og vann kalles mørtel. Ved mursteinsmuring blir mørtelen lagt mellom stei­ nene. Etter en tid stivner den fordi den reagerer med luftas CO2. Likningen blir slik:

Ca(OH)2 + CO2 mørtel 40

fra luft

->

CaCO3 + H2O fast stoff

Reaksjonen går langsomt, og vi ser at det dannes vann. Dette vannet vil komme etter hvert som reaksjonen går, og det tar tid. Et nybygg av murstein vil som regel avgi vann fra veggene i minst ett år etter at det er satt opp. Av andre kalsiumforbindelser som har praktisk interesse, kan nevnes CaCl2, kalsiumklorid, og CaSO4 • 2H2O, gips. Den første er sterkt hygroskopisk, og brukes derfor til å trekke vann fra lufta ned på støvete landeveier. Gips har den egenskapen at det kan avgi en del av sitt krystallvann ved forsiktig oppvarming (ca. 150 °C) og gi brent gips, CaSO4 • ^H2O. Når brent gips røres ut i vann, blir det en grøt som kan støpes og formes. Når den står, stivner den, fordi vann blir opptatt som krystallvann igjen, og den brente gipsen går tilbake til gips. CaSO4 • |H2O + 1|H2O - CaSO4 • 2H2O Brent gips gips pulver stivnet masse

Kalsiumnitrat, Ca(NO3)2, kalles industrielt for kalksalpeter. Det produseres i enorme mengder, i Norge av Norsk Hydro, og brukes til kunstgjødsel. Enda en viktig kalsiumforbindelse er kalsiumhydrogensulfitt, Ca(HSO3)2, som brukes i produksjonen av sulfittcellulose. Når oppmalt tre kokes med en sterk løsning av Ca(HSO3)2, vil trestoffet (ligninet) i tremassen løses opp, mens cellulosen ikke løses. Den kan derfor skilles fra og produseres på denne måten. Andre teknisk viktige kalsiumforbindelser:

Kalsiumkarbid, CaC2, blir dannet av koks og kalk ved vel 2000 °C. Karbidet kan reagere med vann, og gir da acetylengass (etyn): CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

Kalsiumcjanamid, CaNCN, er et viktig kunstgjødselprodukt. Det blir fram­ stilt ved at en varmer opp karbid til om lag 1000 °C i en nitrogenatmosfære. Da blir reaksjonen: CaC2 + N2 = CaNCN + C

Det tekniske produkt blir oftest kalt «kalkkvelstoff», eller også «Oddaperler», oppkalt etter framstillingsstedet her i landet.

Av magnesiumforbindelser er oksydet MgO og kloridet MgCl2 de som produseres mest. MgO brukes som ildfast isolasjons­ materiale. MgCl2 er hygroskopisk. En blanding av det og MgO selges som spesialsement under navnet Sorel-sement. 4.

Salveson: Kjemi 2

41

19.7 Hardt vann * Hardt vann er vann som inneholder Ca++-ioner (kan også være Mg++og Fe + +-ioner). Vi skiller mellom to slags hardhet:

1. Karbonathardhet (forbigående, temporær hardhet)

Vannet inneholder da for det meste forbindelsen kalsiumhydrogenkarbonat oppløst. Ved koking går dette over til kalsiumkarbonat, som er tungtløselig i vann og blir skilt ut. Vannet blir da «bløtt». Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2

Istedenfor å koke tilsetter en ofte heller brent kalk, CaO, som i vannet blir til Ca(OH)2. Reaksjonen går da for seg slik: Ca++ + 2HCO3- + Ca + + + 2OH

= 2CaCO3 | + 2H2O

Hvis det er magnesiumioner i vannet:

Mg+ + + 2HCO3- + Ca++ + 2OH- = CaCO3 | + MgCO3 I + 2H2O 2. Sulfathardhet (varig, permanent hardt vann) skyldes CaSO4 som er løst i vannet. I dette tilfellet vil ikke koking hjelpe noe. Men tilsetting av soda hjelper, idet CaCO3 blir felt ut: CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 ; + Na2SO4

Hardt vann av begge typer kan også gjøres bløtt igjen ved at en tilsetter boraks, natriumfosfat, soda, eller NaOH. I hardt vann vil såpe ha vanskelig for å skumme. Vanlig såpe er natriumeller kaliumsalter av fettsyrer, og dersom vannet inneholder Ca++-ioner, vil disse ta Na+- eller K+-ionenes plass i såpa. Det kalsiumsaltet av fettsyra som da danner seg, er tungtløselig og vil skille seg ut som et bunnfall (kalksåpe). Vannet vil da ikke skumme og bli «bløtt» igjen før alle kalsiumionene i vannet er utfelt som kalksåpe. Som nevnt om vann til teknisk bruk må en nytte «bløtt» vann til damp­ kjeler. Ved oppvarming av hardt vann av type 1 danner det seg, som vi har sett, CaCO3. Dette avsetter seg som kjelestein. I elektrodekjeler vil også et stort ione-innhold i vannet øke ledningsevnen mer enn ønskelig. Kalsium-ioner kan fjernes fra vannet i såkalte ionebytter-filter, der Ca++ blir byttet ut med Na+ ved å passere filteret (permutittfilter). Skjematisk:

Ca++ + Na2-permutitt = 2Na+ + Ca-permutitt.

19.8 Strontium — Sr Strontium og strontiumforbindelser blir lite brukt. Kjemisk sett er strontium svært likt Ca. Strontiumdampene farger en flamme rød, og dette blir nyttet i fyrverkeribransjen (pyroteknikken). Det er for det meste saltene Sr(NO3)2 og Sr(ClO3)2 som da blir brukt. * Se også side 15.

42

19.9 Barium — Ba Stoffet forekommer i naturen som BaCO3, witheritt, og som BaSO4, tungspat. Metallet blir brukt noe i blylegeringer for å øke hardheten. Dampene farger en flamme grønn, og dette blir nyttet i likhet med strontium. Ba (0H)2 — bariumhydroksyd er en svært sterk base. BaSOi i blanding med ZnS blir brukt som hvit malerfarge under navnet litopon. BaO2 bariumpei oksyd kan brukes til framstilling av hydrogenperok ­ syd ved at man behandler det med svovelsyre: BaO2 + H2SO4 = H2O2 + BaSO4. BaSO4 er meget tungtløselig, og kan lett filtreres fra H2O2-løsningen.

Spørsmål og oppgaver

1. Gjør rede for de viktigste fellestrekk hos grunnstoffene i hovedgruppe I A og II A. 2. Hvorfor vil det være vanskelig å finne andre måter enn elektrolyse til framstilling av alkalimetallene ?

3. Gjør rede for gangen i framstillingen av magnesium fra sjøvann. 4. Hvorfor reagerer saltet Na2CO3 basisk? Se avsnitt 20.4.

5. En motorblokk av støpegods veier 50 kg. Støpegodsets tetthet er 7,5 kg/dm3. Hva ville blokken ha veid om den var laget av lettmetall med tetthet 2,1 kg/dm3?

6. Hvor mange m3 CO2-gass får vi teoretisk av 1 tonn kalkstein? (Normalt trykk og normal temperatur.) 7. Hvor mange kg kalkstein går det teoretisk med til å framstille 2 tonn kalksalpeter?

8. Temporært hardt vann kan gjøres bløtt ved at vi tilsetter en utregnet mengde kalk: Ca(HCO3)2 + CaO = 2CaCO3 + H2O. Vi har hardt vann med en hardhet på 8 grader. Regn ut hvor mye CaO vi må tilsette pr. dm3. (Jfr. side 15.) 9. Når CO2-gass blir ledet ned i kalsiumhydroksyd, dannes kalsiumkarbonat. Om all gass reagerer, hvor mange gram får vi av 4 dm3 gass? (Normalt trykk og normal tempe­ ratur.) 10. Vi skal nøytralisere 10 kg kalsiumhydroksyd med saltsyre som er 10 molar. Hvor mange dm3 saltsyre må til? 11. Regn ut hvor mange kilogram magnesiummetall vi teoretisk får ved elektrolyse av 1 tonn MgCl2.

43

12. I et nybygg er det regnet ut at det pr. rom er 5 kg kalsiumhydroksyd som skal reagere med karbondioksydet i lufta. Hvor stor mengde vann vil det danne seg ved denne reaksjonen?

13. Prøv å gi en forklaring på rekkefølgen av basestyrken av hydroksydene innenfor hovedgruppe II A.

Velg det/de rette svar

1. Barium kan ha valensen: a) + 3 b) + 4 c) - 2

2. Etsnatron har formelen: a) NaHCO3 b) NaOH

d) + 2

c) Na2CO3

d) NaNH4CO3

3. Magnesium er et metall som i første rekke brukes: a) Til armering av betong, b) Som legeringsmetall i lett­ metaller. c) I fyrverkeri, d) I tannplomber.

4. Brent kalk a) Varme b) Varme c) Varme d) Varme

fås ved å: opp kalsiumkarbonat. opp kalsiumsulfat. opp kalsiumnitrat. opp kalsiumklorid.

5. Gips er: a) Ca(NO3)2 b) CaCl2 c) CaNCN d) CaSO4 • 2H2O 6. Natrium og kalium er begge metaller som: a) Reagerer med luft, b) Reagerer med vann. c) Flyter på vann. d) Utvikler hydrogen med vann.

7. Magnesium framstilles bl. a. i Norge delvis fra sjøvann. Magnesium foreligger der som ioner, og for å få ut en magnesiumforbindelse tilsettes sjøvannet: a) sitronsyre b) saltsyre c) kalsiumoksyd d) natriumhydroksyd 8. Hardt vann er vann som: a) Inneholder Li+-ioner b) Inneholder K+-ioner c) Inneholder Ca+ + -ioner d) Inneholder CR-ioner 9. Når kalsiumkarbonat tilsettes en syre, utvikles: a) Cl2-gass b) CO2-gass c) H2-gass d) NO2-gass 10. For å få hardt vann bløtt igjen kan vi bruke: a) Et tett papirfilter b) Et ionebytterfilter c) Tilsette alkohol d) Tilsette saltsyre

44

Forsøk og demonstrasjoner

1. Ta fram noen prøver av metallisk Be, Mg, Ca, videre prø­ ver av naturlige forekomster: beryll, dolomitt, asbest, talk, kleberstein, marmor, kalkstein, dobbeltbrytende kalkspat, tungspat. Ta også fram noen reine forbindelser: kalsiumklorid, -nitrat, -sulfat, -karbonat, magnesiumoksyd og -klorid, strontiumklorid, bariumklorid og -sulfat.

2. Vis fram noen av gruppens viktigste tekniske produkter: lettmetall, kalksalpeter, brent kalk, gips, kalsiumkarbid og litopon. 3. Brenn en magnesiumtråd, og vis at oksydet reagerer med H2O og gir basereaksjon. Vis også flammereaksjoner for kloridene av Ca, Sr og Ba.

4. Lesk brent kalk, og lag mørtel. Er det høve til det, mur da sammen to vanlige mursteiner.

5. Rør ut gips i vann og vis størkningen i en form. 6. Vis hvordan vann blir «hardt» når en løser Ca(HCO3)2 i det. Gjør det «bløtt» ved koking og vis bunnfallet av CaCO3 etter kokingen. 7. Vis acetylenutvikling ved hjelp av CaC2 og H2O.

Henvisning:

Se Salveson: Laboratorieforsøk i kjemi, forsøk nr. 14 og 39.

45

10NELIKEVEKTER

Reaksjoner i vannløsninger II

BUFFER

I kapittel 10 i Kjemi 1 gjennomgikk vi en del reaksjoner mellom ioner i vannløsning. I dette kapitlet fortsetter vi og tar spesielt med slike reaksjoner som danner likevekter. I avsnitt 20.6 tar vi også med en del av de fysiske endringer som oppløste stoffer forårsaker i løsningen. Dette gjøres bl. a. fordi en gjennom slike endringer får metoder til å bestemme molekylvekter.

20.1 Likevektsforskyvning [fellesione-effektj Hittil har vi bare sett på ett stoff om gangen og hvordan det dissosierer i sine ioner. Vi har sett hvordan likevektskonstanten kan uttrykkes ved hjelp av konsentrasjonene av ionene. Om vi til slik ionelikevekt av et bestemt stoff setter til ioner fra et annet stoff som dels er de samme som de vi hadde fra før, da får vi å regne med det vi kaller en fellesione-effekt. Virkningen kommer tydeligst fram for svake syrer og baser, og vi kan beregne den direkte ut fra Guldberg-Waages lov. La oss ta et eksempel:

En svak base som ammoniakk NH3 reagerer med vann etter likevekten: NH3 + HoO H. Helst vil en også lage slike løsninger der holder seg noenlunde konstant, selv om en tilsetter små mengder av syrer eller baser. Slike løsninger kalles buffer­ løsninger. Prinsippet for å lage slike løsninger ligger i fellesione-effekten. Om vi til en svak syre HA tilsetter et salt av syra, vil vi ha en likevekt som kan beskrives slik:

HA v±H+ + A(høy konsenlav høy trasjon) K

[HA]

eller løst for [H+] = K

[A-]

Tilsetter vi litt sterk syre til en slik løsning, vil de nye H+ionene øyeblikkelig slå seg sammen med A~-ionene og danne udissosiert HA. (Likevekten forskyves til venstre.) Dermed vil brøken i uttrykket for [H+] endre seg lite. Likedan er det om vi tilsetter en sterk base. Da vil uspaltet HA reagere med basen og gi A~ og vann. (Likevekten for­ skyves til høyre.) [A~] øker og [HA] avtar, men brøken [HA]/[A~] endrer seg forholdsvis lite. [H+] vil heller ikke her endre seg mye. Fig. 20.2. Buffereffekt oppnås ved å ta en svak syre og tilsette et salt av den samme syra.

Tilsetter anionet fra et salt av HA / bestemt mengde.

Buffer- lisning

Når vi lager slike bufferløsninger, kan det ofte være praktisk å gjøre konsentrasjonen av anionet A“ lik med konsentrasjonen av udissosiert syre. [A-] = [HA]. Dermed blir [H + ] = K, eller med andre ord:

-lg[H+] =?H = -lgK=j>Æ 48

Eksempel: Vi har én liter av en 1 M eddiksyre, CH3COOH. For å lage en bufferløsning av den tilsetter vi 1 mol acetationer, CH3COO_. (Vi tilsetter saltet CH3COONa.) Da er

Da tallet for konstanten er kjent, K = 1,83 -10 5, kan vi også beregne />H for løsningen:

= - lg 1,83 • 10~5 = 5 - lg 1,83 = 5 - 0,26 = 4,74 I praksis vil enhver svak syre (eller base) som er tilsatt et salt med et fellesion, ha en viss buffereffekt. Vi sier at syra eller basen er «bufret». På grunn av likevekten er en slik løsning treg overfor for­ andringer i />H, selv om vi tilsetter små mengder av syre eller base. Derav navnet «buffer». Flere av kroppens væsker, f. eks. blodet, er bufferløsninger. I blodet er det blant annet den svake syra karbonsyre, H2CO3, og dens salt, NaHCO3, som utgjør buffersystemet, slik at normalt blod har en noenlunde konstant = 7,4. Er ikke forholdet mellom syra og dens salt riktig, endres i blodet og sykdomstilstand inntrer.

20.3 Hydrolyse

Som vi har sett i mange tidligere eksempler, får vi vanligvis ikke noen egentlig kjemisk reaksjon om vi løser et stoff i vann. Løser vi sukker i vann, får vi bare en fordeling av sukkermolekylene mellom vannmolekylene. Løser vi saltet NaCl i vann, får vi en fordeling av Na+-ionene og Cl~-ionene i van­ net. Vi regner ikke dette som egentlige kjemiske reaksjoner. Men for en del stoffer blir det en virkelig kjemisk reaksjon når stoffet kommer sammen med vann. Det dannes noe nytt, et nytt stoff eller et nytt ion. Når stoffer reagerer med vann slik, sier vi at de hydrolyserer * Noen hydrolysereaksjoner er tydelig synlige. Det skilles for eksempel ut et nytt stoff som et bunnfall. Andre hydrolyser foregår slik at de ikke er synlige. Vi må nøye oss med å konsta­ tere på en eller annen måte at det er dannet nye stoffer eller nye ioner i løsningen. * De fleste av disse reaksjonene skjer slik at protoner blir opptatt eller avgitt. Reaksjonene kan derfor også se.es som syre/base-reaksjoner. De kalles derfor ofte protolysereaksjoner, jfr. avsn. 9.2.

49

Noen eksempler som bor gjøres som demonstrasjoner, for­ klarer hydrolysebegrepet: Demonstrasjoner:

1. Vi rører ut litt av stoffet antimontriklorid, SbCl3, i et glass vann. Vi ser straks at det skiller seg ut et voluminøst, kritthvitt bunnfall. Det har skjedd en reaksjon. Det hvite uløselige stoffet som danner seg, har en sammensetning som varierer med vannmengden. Med forholdsvis lite vann dannes det SbOCl, antimonoksyklorid. Fig. 20.3. Eksempel på en synlig hydrolysereaksjon. Antimon(III) klorid reagerer med vann og gir et hvitt bunnfall.

Fig. 20.4. Eksempel på en hydro­ lyse som vi ikke direkte kan se. Vi kan registrere at det har skjedd noe når natriumkarbonat løses i vann, f. eks. ved hjelp av lakmus.

2. Na2CO3 hydrolyserer også, men her danner det seg ikke bunnfall. Prøver vi med et lakmuspapir i vannet før og etter reaksjonen, viser det at vi får dannet en basisk løsning. • 20.4 Anion- og kation-hydroiyse

Som de to eksemplene viste, kan det se ut som det er selve saltet som reagerer med vann, og vi sier da også ofte at det eller det saltet hydrolyserer. Men ser vi nøyere på problemet, finner vi at det enten er anionet eller kationet (eller begge) som i virkeligheten reagerer med vann. Alt etter som det er 50

det ene eller andre ion som reagerer, blir resultatet for­ skjellig.

La oss analysere problemet: Når et salt som NaCl blir løst i vann, vil vannløsningen inneholde bare Na+- og CL-ioner.

100% NaCl

Na+ + Cl"

I dette tilfellet får vi ingen hydrolyse. La oss se hvorfor: De muligheter vi kunne hatt, kan vi skrive opp slik:

Hypotetisk reaksjon: Na+ + HOH = NaOH + H+ °g

Cl" + HOH = HC1 + OH"

Grunnlaget for denne hypotetiske reaksjonen måtte være at Na+ og Cl" hver for seg hadde en tendens til å reagere med vann og danne NaOH og HC1. Men NaOH og HC1 er blant de sterkeste elektrolytter, og må regnes 100% ionisert i vannløsning. Med andre ord: Na+ har ingen tendens til å slå seg sammen med OH" og danne udissosiert NaOH, like lite som Cl" har noen tendens til å slå seg sammen med H+ og danne HC1. Begge disse stof­ fene foretrekker å være spaltet i sine ioner.

Helt annerledes blir det imidlertid om den syra eller basen som kan tenkes å bli dannet, er en svak syre eller base. For slike vil være lite dissosiert. I dette tilfellet har de enkelte ioner derfor en tendens til å slå seg sammen. Vi vil se på de to typene av slike reaksjoner hver for seg. Anion-hydrolyse: Eddiksyre er en svak syre, bare ca. 1,5% er protolysert i en 0, IM-løsning. Et salt av denne syra, for eksempel CH3COONa, vil imidlertid være 100% dissosiert i sine ioner CH3COQ- og Na+. Na+ reagerer aldri med vann, mens acetationet derimot reagerer, det slår seg sammen med H+ fra vannet og danner udissosiert eddiksyre. (basisk CH3COO- + HOH CH3COOH + OH~ reaksjon)

Likevekten er sterkt forskjøvet til venstre fordi basekonstanten, •^ch,coo_5 er så lav. (VCH3COO- = -Å?w/Xch3cooh 10~9.) 51

Resultat: CH3COO~ reagerer med vann og danner 0H~. Vi får en basisk løsning.

Generelt: A- + HOH

-» AH + OH Udissosiert svak syre

(basisk reaksjon)

Kation-hydrolyse: Ammoniakk, NH3, er en svak base. Den protolyserer i 0,1 M vannløsning ca. 1,5%.

NH3 + HOH

NH4+ + OH-

Et salt som inneholder ammoniumioner (NH4+), for eksempel NH4C1, vil være 100% dissosiert i ionene NH4+ og Cl-. Kloridionet vil ikke reagere med vann, men ammoniumionet vil det. Det vil søke å danne NH3 ved å gi fra seg et H+ til vannet: NH4+ + HOH Na+ + CD + 2H2O + N2

Industrielt framstilles nitrogen fra flytende luft. Når den flytende lufta destilleres i spesiell apparatur, får vi nitrogen først ut, da den har det laveste kokepunkt ( —196 °C). Deretter kommer oksygen som koker ved —183 °C. Nitrogen er idag en forholdsvis billig gass som blir solgt på stålsylindre og brukt til mange forskjellige formål. Nitrogen er ikke særlig reaktivt. Dette kan se ut til å være i strid med det faktum at det har tre uparede elektroner, som en skulle tro lett kunne brukes til bindinger. Av tabellen for elektronegativitet ser vi også at det står blant de høyeste der, med 3,0, noe som også skulle tyde på stor reaksjonsevne. For å forstå at nitrogen likevel er lite reaktivt må vi huske at elektronfordeling og elektronegativitet er atomære data. Men det nitrogen vi har å gjøre med i gassform, er molekylært. Gassen har nemlig toatomige molekyler, N2. I bindingen mel­ lom de to nitrogenatomene er de tre uparede elektronene brukt i en spesiell tredobbelt binding, jfr. CO i avsnitt 24.3. 110

: N: : :N: Før molekylet kan bli reaktivt, må denne bindingen brytes, og det koster mye energi. Spaltingsenergien for N2-molekylet er større enn for alle de øvrige to-atomige grunnstoffgassene. I praksis må vi opp i temperaturer på om lag 3000 °C før vi får i stand spaltning av N2, og selv da er dissosiasjonen liten. 25.3 Nitrogenforbindelser

Ved høy temperatur vil nitrogen kunne reagere direkte med andre grunnstoffer, særlig med metaller og med oksygen. Det dannes da henholdsvis metallnitrider og oksyder.

Eksempel: N2 + 3Mg = Mg3N2 N2 + O2 = 2NO

magnesiumnitrid nitrogenoksyd

Også med hydrogen reagerer det direkte ved hjelp av kata­ lysatorer, og vi får den viktige forbindelsen ammoniakk. N2 + 3H2 = 2NH3

Av oksydene er det fem stykker. Det er N2O, NO, N2O3, NO2 (N2O.) og N2O5. Vi ser at vi har både 1-, 2-, 3-, 4-, og 5-verdige nitrogenoksyder. N2O er kjent under navnet lystgass ; ellers er det NO og NO2 som spiller stor teknisk rolle. Ni-

Fig. 25.1. Kjemisk storindustri. Fra Norsk Hydros anlegg på Her­ øya.

111

trogenoksydene demonstrerer tydelig loven om de multiple forhold. Nitrogenoksyd, NO, er en fargeløs gass. Den dannes i na­ turen ved hjelp av den høye temperatur som oppstår i lyn under tordenvær. Da reagerer luftas O2 og N2 med hverandre til NO. NO-gassen reagerer straks videre med oksygen i lufta og danner nitrogendioksyd, NO2. NO + |O2 = NO2 Dette er en brun gass, som i motsetning til nitrogenoksyd løser seg godt i vann og også reagerer med vann: 2NOq + H2O = HNO3 + HNO2 Det dannes to syrer, salpetersyre og salpetersyrling. Den siste vil lett bli oksydert til salpetersyre. Salpetersyras salter heter nitrater, mens salpetersyrlingens kalles nitritter. Eksempel: Natriumnitrat, NaNO3 og NaNO2, natriumnitritt. 25.4 Salpetersyre

H+[O - N = O]Salpetersyrling

Salpetersyre

Rein salpetersyre er en fargeløs væske. Den spaltes lett til blant annet NO2 når den står i lyset. Salpetersyre vil derfor ofte være lett gulfarget av oppløst NO2-gass. Den selges som konsentrert salpetersyre. Da er den fortynnet med vann slik at den inneholder om lag 68 masseprosent HNO3, resten vann. Konsentrert salpetersyre er meget etsende og farlig å få på huden eller på klær. Den er en sterk styre; vannløsninger er omtrent fullstendig spaltet i ioner etter likningen: hno3

+

h2o

= h3o+ + NO3-

Salpetersyre har imidlertid en særstilling blant syrene, for den kan virke sterkt oksyderende ved hjelp av sitt anion, nitrationet NO3~. Ser vi på tabell 12.1 over redoks-potensialer, finner vi NO3~ oppført med et oksydasjonspotensial som er nesten like stort som for brom. Ved å virke som oksydasjonsmiddel vil ionet reduseres til NO. Med oksydasjonstallene påskrevet kan vi skrive den skjematiske likningen slik: +5

+2

NO3- + 3e- + 4H+-> NO + 2H2O I sterk fortynning virker imidlertid salpetersyre bare ved hjelp av sitt hydrogenion. To forsøk illustrerer dette forhold klart: 1. Fortynnet salpetersyre -f- jern: Bare H+-ionet i syra rea­ gerer: Fe + 2H+ = Fe++ + H2

Det utvikles hydrogengass.

112

2. Konsentrert salpetersyre: Metallet kobber kan ikke oksy­ deres av H+-ioner, men derimot av NO3~-ioner (jfr. spenningsrekken). Konsentrert HNO3 vil derfor reagere med kobber. lonelikningen blir slik:

-f- 6e 0

-f-5

+2

H-2

3Cu + 8H+ + 8NO3~ = 3Cu+ + + 6NO3~ + 2NO + 4H2O ?______ —6e"--------------

I dette tilfellet blir det ingen hydrogengassutvikling, men vi får en sterk utvikling av NO som går over til den brune NO2 når den kommer i luft. I laboratoriet kan rein HNO3 framstilles etter flyktighetsregelen. Den sier at hvis et salt blir behandlet med en syre, vil den syra som saltet er dannet av, unnvike ved oppvarming hvis den tilsatte syra er mindre flyktig. Salpetersyre har kokepunkt på om lag 90 °C, mens svovel­ syre har kokepunkt på om lag 330 °C. Salpetersyre er med

NO

Fig. 25.2. Framstilling av to nitrogenoksyder.

andre ord mye flyktigere enn svovelsyre. Følgelig får vi ved oppvarming av chilesalpeter med svovelsyre (se fig. 25.3): NaNO3 + H2SO4 = HNO3 + NaHSO4

Salpetersyre virker sterkt etsende. På huden vil den danne meget dype og farlige sår. * I fortynnet tilstand angriper den de fleste metaller og løser dem opp til salter av syra: nitrater. * Selv om en vasker av seg salpetersyra straks etter at en har fått den på huden, vil det likevel danne seg en gul flekk. En slik gulfarging danner seg alltid når konsentrert salpetersyre kommer i kontakt med eggehvitestoffer, og denne reaksjonen blir derfoi nyttet til å påvise proteiner, f. eks. i urin (xantoproteinreaksjon).

113

Konsentrert HNO3 vil derimot ofte ikke løse opp metaller, f. eks. jern og aluminium. Vi sier at metallet blir passivert av syra. Av den grunn blir konsentrert HNO3 sendt i aluminiumbeholdere. Blir derimot syra fortynnet med vann, vil løsningen gå raskt.

Fig. 25.3. Framstilling av salpe­ tersyre etter flyktighetsregelen.

Passivitetsfenomenet forklarer vi ved å anta at det på me­ tallet blir dannet et tynt oksydlag. Dette laget hindrer da syra i å komme i direkte kontakt med metalloverflaten. Den kraftige oksyderende virkning som salpetersyra har, gjør at den iallfall i konsentrert tilstand må behandles meget forsiktig. Karbonholdig materiale, filler, oljerester, sagflis o. a. vil lett tennes når de kommer i kontakt med konsentrert hno3. Mesteparten av verdensproduksjonen av HNO3 går til kunstgjødselindustrien, sprengstoffindustrien og fargestoffindustrien. 25.5 Nitrater Nitrater er saltene av salpetersyra. De aller fleste av dem er lettløselige i vann. Det som er industrielt viktigst av dem, er kalksalpeter — kalsiumnitrat — Ca(NO3)2. Kalksalpeter blir framstilt ved at kalkstein, CaCO3, blir behandlet med salpetersyre:

CaCO3 + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2 114

Ok syda sjon

Planteprotein

Nitrater

Bak ten evirkning (Forbrenn­ ing)

Bakterievirkning

Ammalsk protem

SpaltningForråtnelse Nitrogen

Animalsk livsprosess

Bakterievirkn ing luft

Flere kunstige prosesser som Haber-Bosch/ Cyanamid, oa

Baktener

Nitritter

Fig. 25.4. Oksydajon Nitrogenets kretsløp i naturen. Planteprotein og animalsk protein råtner og gir NHj. Ved bakterier overføres NH3 til NO2_ og NO3~. De to siste stoffene er med på å bygge planter opp på nytt. De røde pilene viser direkte overføring av luftnitrogen til kjemiske forbin­ delser.

Urmstoff og avfaUstoffer

» Ammomakk

Mesteparten av Norsk Hydros salpetersyreproduksjon går med til dette produktet, som er det viktigste kunstgjødselprodukt som blir laget av denne bedriften. (CO2 som dannes, går til produksjon av «tørr-is».) Teknisk viktig er også ammoniumnitrat, NH4NO3, som blir brukt en del både til gjødsel og til sprengstoff, det siste fordi det spaltes voldsomt ved sterk oppvarming og gir gasser: 2NH4NO3 - 4H2O + N2 + 2NO

25.6 Nitrogenets kretsløp i naturen Nitrogen må til for oppbyggingen av alle planter, og er også livsnødvendig for både mennesker og dyr. Det er bare noen få planter som kan nyttiggjøre seg nitrogenet i lufta direkte. Planteverdenen ellers må ha nitrogenet tilført i form av forbindelser. Det er særlig nitrater som lett blir absorbert gjennom røttene. Omdanning av gassen N2 i lufta til forbindelser som plan­ tene kan nytte, skjer i naturen for det meste på to måter:

1. Ved hjelp av bakterier i luft og jord. 2. Ved hjelp av de

115

Fig. 25.5. En god og riktig gjøds­ ling gir en fin avling.

sterke elektriske utladninger under tordenvær. Når for­ bindelsene er kommet ned i jorda, overtar en rekke bakterier og overfører nitrogenet til nettopp de forbindelser som plan­ tene trenger. I selve plantene deltar nitrogenet i oppbyggingen av proteinene. Fra planteverdenen kommer så nitrogenet over i dyre­ verdenen. Ved forråtning går det så dels over i jorda, dels over i lufta igjen. Med andre ord, nitrogen foretar et kretsløp. 25.7 Ammoniakk og ammoniumion Vi har tidligere behandlet strukturformlene for begge disse forbindelser (jfr. kapittel 4). Ammoniakk, NH3, er en fargeløs gass med karakteristisk lukt. Den blir absorbert i vann, og en del reagerer og danner ammoniumioner og hydroksydioner:

NH3 + HOH «± NH4+ + OHReaksjonen viser ammoniakkens basekarakter. Løsningen kalles ammoniakkvann eller salmiakkspiritus. NHÅ+ kalles ammoniumionet. Det opptrer som et metall-ion og danner salter med mange syrer, f. eks. ammoniumklorid, NH4C1 (fast salmiakk) og ammoniumkarbonat (NH4)2CO3 (hjortetakksalt). Den tekniske framstillingen av NH3 kan skje ved HaberBosch-syntesen. Nitrogen og hydrogen blir ledet inn i et kontaktrom med et trykk på om lag 200 atm og en temperatur på om lag 550 °C. 116

Kjtievann

Fig. 25.6. Prinsippet for en NH3kjølemaskin.

Ved nærvær av katalysator (jern) reagerer gassene direkte etter likningen: N2 + 3H2

2NH3 + 92 kj (22 kcal)

Norsk Hydro er storprodusent av NH3. Inntil 1966 ble

Fig. 25.7. Norsk Hydros nye ammoniakkprosess på Herøya, ba­ sert på olje.

117

hydrogenet til ammoniakkprosessen framstilt ved elektrolyse av vann, og nitrogenet ble laget ved destillasjon av flytende luft. Nå brukes en annen ammoniakkprosess som er mer kom­ plisert. Som råstoff bruker den luft og hydrokarboner fra jordolje direkte. Nettoprosessen er likevel i prinsippet ert di­ rekte syntese mellom nitrogen og hydrogen, slik som likningen viser. Ammoniakk kan nyttes til direktekjølemaskiner (se fig. 25.6), da fordampningsvarmen for flytende NH3 er stor. Av de svært store mengder ammoniakk som blir fabrikert ved Norsk Hydro, går det meste til framstilling av salpeter­ syre. Teknisk blir den laget ved at NH3 blir brent ved om lag 600 CC i nærvær av platinakatalysator (Ostwald-prosessen):

Pt 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O 600 °C

Ved at vi slipper til rikelig luft går NO over til NO2. Deretter blir gassene kjølt, NO2 reagerer med vann, og vi får salpeter­ syre. Vi kan skrive det slik:

4NO + 2H2O + 3O2 = 4HNO3

Fig. 25.8. Framstilling av fosfor. En blanding av fosforitt, koks og kvarts fylles på etterhvert gjen­ nom matekverna.

118

25.8 Fosfor — R Forekomst Fosfor forekommer i jorda i mineraler som fosforitt, Ca3(PO4)2, og apatitt, 3Ca3(PO4)2 • CaF2. Dessuten forekommer det i knokler og bein hos men­ nesker og dyr og i mange eggehvitestoffer. De største mineralske forekomster er i Tunis, på Floridakysten og på Kolahalvøya. Framstillingen skjer ut fra kalsiumfosfat (fosforitt) ved oppvarming med kvarts og koks i elektrisk ovn til om lag 1400 °C. Fosforet fordampei og blir kondensert igjen. Reaksjonene kan skrives:

Ca3(PO4)2 + 3SiO2 = 3CaSiO3 + P2O5 P2O5 + 5C = 2P + 5CO Verdensproduksjonen er om lag 270 000 tonn pr. år, av den mengden produseres 2/3 i USA. Egenskaper Det er to viktige allotrope modifikasjoner av fosfor. (Se side 89.) Deres egenskaper er:

Hvitt P Smp. 44,1 °C. Selvtennende. Meget giftig. Ustabilt.

Rødt P

Smp. 590 °C (under trykk 43 atm). Ikke selvtennende. Lite giftig. Stabilt.

Hvitt P selvantennes i luft, dvs. det reagerer med oksygenet i lufta. Det må derfor oppbevares vernet mot luft, f. eks. under en væske som ikke løser det opp. Til det bruker en vann. Rødt P selvantennes ikke i luft, og blir oppbevart i vanlig krukke. Teknisk bruk Den viktigste bruk av reint fosfor er til fabrikasjon av fosforsyre, H3PO4. Men mye blir også brukt til fyrstikkfabrikasjon. Det er utelukkende rødt fosfor som blir brukt der nå. Fosforet blir lagt på riveflaten. Fyrstikk­ fabrikkene hemmeligholder ofte sine oppskrifter, men varene kan f. eks. være slik som fig. 25.9 viser.

Forbindelser Fosfor reagerer med hydrogen og gir PH3, fosfin. Det er en gass med ubehagelig lukt. Acetylengass fra karbid har en vond lukt som følge av PH3-forurensning. PH3 er meget giftig.

Fig. 25.9. Eksempel på sammen­ setning i fyrstikkhode og riveflate. (Som oksydasjonsmiddel på riveflaten brukes også PbO2 i mange land.)

119

Oksygen reagerer lett med fosfor, idet fosforet brenner og gir fosforpentoksyd: 4P + 5O2 2P2O5 P2O5 er et av de beste vanntiltrekkende midler vi kjenner. Det reagerer da med vannet og gir fosforsyre: P2O5 + 3H2O

2H3PO4

Fosforsyra er i rein tilstand et fast stoff. Den blir mest solgt som en tungtf ly tende, vannklar væske, som inneholder om lag 85% H3PO4 og 15% vann. Som syre er den middels sterk, men den kan avspalte alle tre hydrogen­ atomene som H+-ioner og er derfor en tresyret syre. Den danner følgelig tre rekker salter — fosfater:

NaH2PO4 — natrium-dihydrogen-fosfat (eller mono-Na-fosfat) Na2HPO4 — di-natrium-hydrogen-fosfat (eller di-Na-fosfat) Na3PO4 — tri-Na-fosfat Fosfor er nødvendig for plantenæringen, og dyrket jord må derfor til­ føres fosfor. En bruker da for det meste fosfater. Det mest alminnelige produktet er superfosfat, som en får ved å behandle kalsiumfosfat (fosforitt) med svovelsyre. (Fosforitt kan ikke brukes direkte fordi det ikke er vannløselig.)

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 + H2O

Ca(H2PO4)2 • H2O + 2CaSO4 superfosfat

Det kan gis mange «formler» for superfosfat. Dette er én som er mye brukt i enkle lærebøker. Mer enn 50% av verdensproduksjonen av svovelsyre går til super­ fosfat.

25.9 Arsen — As Forekomst. As finnes i naturen bundet til svovel og ofte sammen med jern, f. eks. som arsenkis, FeAsS, og som oksyd, As2O3, arsenikk. Arsen finnes også i naturen som fritt grunnstoff. Framstillingen skjer ved at en varmer opp FeAsS; da sublimerer arsenet. Grunnstoffet blir lite brukt, men en del blir nyttet bl. a. i legeringer med bly — såkalt hardbly. Arsen er et ikke-metall, men har enkelte metallegenskaper. Reint arsen blir mest framstilt i Egypt, Belgia, Tyskland og USA. Forbindelser. Stoffet oppfører seg regulært tre- og femverdig som de andre i gruppen. Den mest kjente arsenforbindelse er den giftige As2O3 — ar­ senikk. Arsenkis er en vanlig forurensning både i jern- og kobberforekomster. Ved de røsteprosesser som blir brukt under framstillingen av disse metallene, vil arsenet danne As2O3 — arsenikk. På den måten finnes det mange steder liggende store mengder arsenikk som det er svært vanskelig å bli kvitt. Teknisk bruk. Arsen blir brukt i bly til kuler og hagl (hardbly), 0,2%, og i legering med kobber for at det skal bli mer varmefast. Verdenspro­ duksjonen er om lag 25 000 tonn pr. år.

120

25.10 Antimon — Sb Forekomst. Av antimon finnes en del fritt i naturen, men den viktigste forekomsten er mineralet Sb2S3 — spydglans. Framstillingen skjer ved at en røster sulfidet og deretter reduserer med koks. Raffineringen skjer elektrolytisk. Verdensproduksjonen er om lag 40 000 tonn. Kina, Bolivia, Mexico og Sør-Afrika er hovedprodusenter. Teknisk bruk. Metallet antimon blir mye brukt i legeringer. De viktigste er: hardbly, Sb 5—20%, lagermetall-typer, f. eks. 60% Pb, 20% Sb, 20% Zn, og typemetall, f. eks. 67% Pb, 28% Sb og 5% Sn, videre akkumulatorplatelegering, Pb og Sb, og i legering med Cu i «antifriksjonsmetaller». Forbindelser. Antimon danner som de andre grunnstoffer i gruppen både tre- og fem-verdige forbindelser. Det tre-verdige klorid SbCl3 blir brukt sammen med linolje til «brunering» av messing.

25.11 Vismut — Bi Forekomst. Sulfid-mineralet, Bi2S3, er også her det viktigste; det kalles vismutglans. Oksydet Bi2O3 finnes også utbredt, og i enkelte land finnes det reint vismut. Canada og Peru utvinner mest. Verdensproduksjonen er 1 mill, tonn pr. år. Egenskaper. Metallet er tungt og godt holdbart i luft. Ved sterk oppheting brenner det til Bi2O3. Når metallet smelter, krymper det sammen, i mot­ setning til de fleste andre metaller. (Den samme egenskapen har også antimon.) Det er sprøtt og har dårlig elektrisk og termisk ledningsevne. Teknisk bruk. Det blir for det meste nyttet i legeringer, som ofte har svært lavt smeltepunkt.

Roses metall: Smp. 94 °C — 50% Bi, 25% Pb, 25% Sn. Woods metall: Smp. 65 °C — 50% Bi, 25% Pb, 12%% Sn, 12%% Cd. Klisjémetall: Bi — Pb — Sn.

Woods metall blir mye nyttet til smeltesikringer, f. eks. i automatiske brannslokkingsapparater (sprinkler-anlegg). Forbindelsene er som for As og Sb. Bruken er for det meste medisinsk og kosmetisk.

Spørsmål og oppgaver

1. Gjør rede for elektronfordelingen i det ytterste skall for grunnstoffene i hovedgruppe V A. Hvilke valenser kan vi vente ? 2. Gjør rede for hvorfor nitrogen, til tross for sin elektronkonfigurasjon, ikke er et særlig reaktivt grunnstoff.

3. Hvor mye salpetersyre kan teoretisk framstilles av 200 tonn hydrogengass etter Haber-Bosch-metoden?

4. Hvor mye kalksalpeter kan teoretisk framstilles av 5 tonn salpetersyre (67%), og hvor mye CO2-gass vil da dannes? 9.

Salveson: Kjemi 2

121

5. Ammoniakksyntesen etter Haber-Bosch er en typisk likevektsreaksjon: N2 + 3H2^2NH3 + 92 kj

Prøv ved hjelp av Le Chateliers prinsipp å forklare hvordan trykk og temperatur vil forskyve likevekten. 6. Nevn et eksempel på et stoff (ikke grunnstoff) som i likhet med vismut utvider seg når det fryser. 7. Skriv opp og diskuter muligheter for strukturformelen for salpetersyre.

8. Gjør rede for salpetersyras oksyderende virkning. Vis med likninger hvordan den reagerer med metallene sølv og kobber når den er konsentrert.

9. Om vi tar metallet sink og tilsetter fortynnet salpetersyre, kan vi da av reaksjonen se direkte om syra virker ved hjelp av sitt hydrogenion, eller om den virker ved hjelp av sitt nitration ? 10. Skriv opp protolyselikningene for fosforsyre. Skriv også opp uttrykkene for protolysekonstantene for disse like­ vektene. Få oppgitt protolysekonstantene og diskuter dem. Velg det/de rette svar

1. Ved oppvarming av en løsning av ammonium-nitritt fås: a) NO2 b) N2 c) NH3 d) NO 2. Hvilke av disse egenskaper har ammoniakk? a) b) c) d)

Den Den Den Den

lukter sterkt. er uløselig i vann. er lett å komprimere til væske. reagerer med luft.

3. Hvilken av disse hydrogenforbindelser er den sterkeste base ?

a) NH3

b) PH3

c)

AsH3

d) SbH3

4. Den viktigste bruk av ammoniakk i industrien er: a) b) c) d)

Til Til Til Til

framstillingav nitrogen. framstillingav HNO3. framstillingav andre baser. kjølevæske.

5. Hva er oksydasjonstallet for nitrogen i forbindelsen N2H4?

a) -1

122

b) +2

c) -2

d)

6. Ostwaldprosessen er: a) b) c) d)

En En En En

måte å fordele kunstgjødsel på. måte å forbrenne ammoniakk på. metode til framstilling av ammoniakk. metode til framstilling av fosforpentoksyd.

7. Når salpetersyre av sterk konsentrasjon reagerer med kobber, så skyldes det:

a) b) c) d)

H+-ionet. NO-gassen som dannes. NO3_-ionet. At syra er forurenset med en annen syre.

8. Haber-Bosch-prosessen er:

a) b) c) d)

En måte å utnytte luftas oksygen på. En metode for kjøling av store rom. En passiveringsprosess. En metode for å få nitrogen og hydrogen til å reagere til ammoniakk.

Forsøk og demonstrasjoner

Nitrogen:

1. Framstill NO av kobber og HNO3 (se fig. 25.2). Slipp luft inn i sylinderen så det dannes NO2. Vis løseligheten av NO2 i vann, og vis at vannløsningen reagerer surt.

2. Led NH3-gass (ved å koke konsentrert NH3) inn i en tykkvegget flaske. Vis at gassen suger til seg vann gjennom et tynt glassrør. 3. Vis produkter fra nitrogenindustrien: kalksalpeter, kalsiumcyanamid, fullgjødsel og andre.

4. Vis virkningen på metaller av salpetersyre i konsentrert og fortynnet tilstand. Vis passivering av jern og alu­ minium med konsentrert HNO3. Sett opp et skjema for utfylling. Fosfor : 1. Vis noen fosformineraler og rødt og gult fosfor.

2. Ta fosfor på en porselensskål, og legg skåla på over­ flaten i et kar med vann. Sett en glassklokke med åpning øverst over skåla. Tenn fosforet med en glødende jerntråd, og tett klokka raskt. Vannet stiger etter som oksy-

123

genet i den avsperrede lufta blir forbrukt. Det danner seg P2O 5, som blir løst i vann og gir syrereaksjon med lakmus. (Bruker en hvitt fosfor til forsøket, kan en etterpå vise at det uforbrente fosforet som ligger igjen, er gått over til den røde modifikasjon.)

3. Destiller vann tilsatt litt hvitt fosfor. Dampene vil lyse i mørke. (En bit på 1 —2 g er nok i 100 ml vann.) 4. Vis superfosfat og fullgjødselprodukter.

Arsen, antimon og vismut:

1. Vis de tre stoffene i rein tilstand og noen av deres for­ bindelser og viktige legeringer. 2. Påvis arsen og antimon i Marsh-apparat.

124

Hovedgruppe VIA svovelgruppen 26.1 Gruppeoversikt Vi finner her grunnstoffene oksygen, O, svovel, S, selen, Se, tellur, Te og polonium, Po. De har alle seks elektroner i ytterste skall, og alle unntatt oksygen kan opptre seksverdigeOksygen skiller seg noe ut fra gruppen. Alle stoffene unntatt Po er ikke-metaller. Svovel, selen og tellur er svært like i sine forbindelser. Polonium er radioaktivt, og var et av de første radioaktive grunnstoffer som ble oppdaget (Marie Curie 1898).

Tabell 26.1. Noen data for hovedgruppe VIA. Te

S

Se

fargeløs gass

gult fast

grått fast

Smeltepunkt, °C............... Kokepunkt, °C................. Atomradius, Å ................. lonisasjonsenergi, eV ....

8 0,001429 -218 -183 0,66 13,6

16 2,0 119 444 1,04 10,4

34 4,8 217 685 1,14 9,8

Vanlige oksydasjonstall ..

-2

-2, +4, +6

samme st>m for svovel

O

Kjemisk tegn

Utseende ved romtemperatur ....................

Atomnummer.................... Tetthet, f/cm 3

.....................

sølvblankt fast 52 6,2 450 990 1,32 9,0

Alle grunnstoffene i svovelgruppen har seks elektroner i ytterste skall, og de fordeler seg slik:

Etter denne fordelingen må vi vente å finne oksydasjonstallene —2, +4 og +6. (Med unntak av oksygen finner vi også dette.) Eksempler: H2S, SO2, SO3, H2SO3 og H2SO4. Tilsvarende forbindelser finnes også av selen og tellur.

125

Fig. 26.1. Utvinning av svovel fra lag djupt under jordoverflaten. (F raschmetoden.)

Smeltet, svovel

Oksygen er behandlet tidligere (kapittel 18), og svovelets struktur er behandlet i kapittel 23. I dette kapitlet skal vi se nærmere på svovel og forbindelser av det. Grunnstoffene selen og tellur blir bare kort nevnt, da deres egenskaper stort sett likner svovelets.

26.2 Svovel, forekomst og framstilling Svovel forekommer i store mengder fritt i naturen, særlig i enkelte stater i USA (Texas og Louisiana) og i mindre meng­ der på Sicilia. Forekomstene ligger dels oppe i dagen og dels (i USA) 100—300 meter under jorda. Svovel forekommer dessuten utbredt som sulfater, f. eks. CaSO4, og som sulfider: sinkblende, ZnS, blyglans, PbS, og svovelkis, FeS2. Grunnstoffet svovel inngår også i mange eggehvitestoffer i dyr og planter. Når svovelet finnes fritt, blir det utvunnet ved smelting. Underjordiske forekomster blir drevet fram ved at en borer tre konsentriske rør ned til svovellaget. En presser ned overhetet vann og trykkluft. Svovelet smelter og blir presset opp. I Norge har vi mye FeS2, svovelkis, som tidligere ble brukt til framstilling av svovel. Utvinningen skjedde ved destilla­ sjon (oppvarming til ca. 500 °G):

FeS2 = FeS + S 126

Fig. 26.2. A/S Borregaard er landets største svovelsyreprodusent. Øverst oversiktsbilde over svovelsyrefabrikken. Nederst gassrenseanlegget og en del av kontaktanlegget.

I dag produserer vi lite reint svovel, men vi har en stor produksjon og eksport av svovelkis (ubearbeidet FeS2}. Års­ produksjonen er om lag 600 000 tonn. Verdensproduksjonen av reint svovel er på om lag 3,5 mill, tonn, og av disse kom­ mer vel 2,5 mill, tonn fra USA. 26.3 Egenskaper og bruk Svovel er et sprøtt, gult stoff som er uløselig i vann. Det finnes i forskjellige modifikasjoner, alt etter temperaturen. 127

Det svovelet som finnes fritt i naturen, er rombisk svovel, se avsnitt 23.2. Ureint svovel kan renses ved at en oppheter det til det for­ damper. Etterpå blir svoveldampene kondensert, og da dan­ nes umiddelbart den faste formen av stoffet. Denne formen av svovel er et finkrystallinsk pulver som ofte går under navnet svovelblomst. Svovel er et meget reaktivt stoff, som forbinder seg di­ rekte med de fleste grunnstoffer.

Ved oppvarming reagerer det med oksygenet i lufta og brenner til svoveldioksyd: S + O2 = SO2 Med metaller reagerer det direkte og gir sulfider. Zn + S = ZnS; 2Sb + 3S = Sb2S3 Ved vanlig temperatur foreligger svovel som S8-molekyler (se avsn. 23.2), men i reaksjonslikninger skriver vi likevel bare S.

Reint svovel blir brukt i fyrstikkindustrien og kruttindustrien. Dessuten blir det brukt til vulkanisering av rågummi, til desinfeksjon av planter og til framstilling av mange kjemi­ kalier. Mesteparten blir brukt til framstilling av svovelsyre. Melkesafta — lateks — fra en del tropiske trær inneholder et stoff med stor elastisitet. Hovedmengden blir nå produsert fra det brasilianske treet Hevea brasiliensis. Selve gummistoffet — kautsjuk — er finfordelt, emulgert, i lateks på samme måten som fettpartikler er fordelt i melk. Ved tilsetting av f. eks. syre kan gummipartiklene samles (koaguleres) og frafiltreres. På den måten får en rågummi. Dette stoffet er ikke direkte brukbart til alle de formål gummi har i dag. Vulkaniseringsprosessen ble oppdaget i 1839 av Charles Goodyear. Ved vulkanisering blir egenskapene forbedret. Lateks blir da behandlet med svovel, som delvis blir opptatt. Jo mer svovel, desto hardere stoff. 0,5—3% S 1 —5% S 40 — 50% S

middels bløt gummi bilgummi hard gummi, ebonitt

26.4 Svovelforbindelser I forbindelsene opptrer svovel med oksydasjonstallene —2, -j- 4 og J-6. Med hydrogen dannes gassen hydrogensulfid, som er ka­ rakterisert ved svært vond lukt. Gassen er fargeløs og meget giftig. Den blir dannet ved direkte reaksjon mellom grunn­ stoffene (elementærsyntese):

H2 + S = H2S

128

H2S løser seg noe i vann og reagerer med vann som en syre. Protolysen foregår i to trinn:

1. trinn: H2S + H2O H3O+ + HS"; Kx = 1,1 • 10'7 2. trinn: HS“ 4 H2O#H3O+ + S"; K2 = 1,0- 10“14

Vi ser av tallverdiene for konstantene at begge likevekter er sterkt forskjøvet mot venstre. Begge H+ kan lett erstattes med metallioner, og en får saltene sulfider og hydrogensulfider. Svært mange sulfider er tungtløselige stoffer, og de er van­ lige som mineraler, f. eks. blyglans, PbS, sinkblende, ZnS, kobberkis, CuFeS2. Ofte har disse sulfidene karakteristiske farger. Vi kan lage dem ved å sette sulfidioner (S"“) til me­ tallionet. Fyll ut etter forsøk: MetallCu++ Pb++ Sb+++ Cd++ As+++ Co++ Ni+ + Sn++ Sn++++ Zn++ ion

Sulfidets for­ mel og farge

Sulfidene vil reagere med syrer og danner da H2S-gass igjen. Geologene bruker denne reaksjonen til å påvise sulfidiske malmer fordi H2S-lukta er lett å dra kjensel på. Reaksjonen kan også brukes til laboratorieframstilling av H2S. Eksempel:

FeS + H2SO4 = FeSO4 4- H2S

I den kvalitative analyse har en ofte bruk for små mengder av H2S-gass. En bruker da en organisk svovelforbindelse, tio-acetamid, og varmer opp denne med vann. Det skjer da en hydrolyse, og H2S dannes: /NH2 zNH2 S = cf 4- H2o - H2S 4- o = cf \gh3 \CH3 tio-acetamid acet-amid

Med oksygen danner svovel to forbindelser av praktisk interesse. Det er SO2 og SO3. Svoveldioksyd, SO2, er en gass som dannes når svovel brenner i luft. Den er fargeløs, har en stikkende lukt og har blei-

129

kende virkning på mange fargestoffer. Den blir blant annet brukt til bleiking av ull og silke og til desinfeksjon. Gassen kan lett komprimeres til væske. SO2-gass reagerer med vann og gir en syre — svovelsyrling: h2o

+ so2 = H2SO3

Saltene av denne syra kalles sulfitter. De inneholder ionet SO3—; hydrogensulfitter har ionet HSO3~. Eks.: Na2SO3, natriumsulfitt, og NaHSO3, natriumhydrogensulfitt. Et salt av H2SO3 som har stor teknisk betydning, er kalsiumhydrogensulfitt — Ca(HSO3)2 — som løser opp ligninet («trestoffet») i tre, men ikke cellulosen. Løsningen kalles sulfittlut, og av den kan det utvinnes blant annet alkohol og sukker. SO2-gassen danner seg i store mengder ved alle industrielle bedrifter der det foregår røsteprosesser. Slike prosesser består i at svovelholdig malm blir opphetet under tilgang av luft — den brenner — og det dannes SO2. Gassen vil skade vege­ tasjonen omkring stedet om den blir sloppet ut i det fri. Ved røsting av f. eks. sinkblende får vi:

ZnS + 3/2O2 = ZnO -|- SO2 sinkblende Fordampingsvarmen for flytende SO2 er forholdsvis stor, om lag 95 cal/gram. Dette blir nyttet i mange kjølemaskintyper. (Se tabell T. 13.) Svoveltrioksyd — S03 danner fargeløse, sterkt hygroskopiske krystaller (smp. 17 °C). En kan framstille stoffet ved å lede SO2-gass og luft over platina-katalysator ved om lag 500 °C.

Fig. 26.3. Kontaktmetoden for framstilling av svovelsyre i labo­ ratorieforsøk.

130

2SO2 + O2 = 2SO3 Stoffet reagerer eksplosivt med vann og gir svovelsyre:

so3 +

h2o = H2SO4

26.5 Svovelsyre — H2SO4

Svovelsyre blir framstilt etter to metoder, som har det til felles at en går ut fra sulfid (eller reint svovel) som blir røstet. Det danner seg da SO2. Denne blir oksydert til SO3, som med vann gir H2SO4. Den første metoden, som blir mindre og mindre brukt, kalles blykammermetoden. Oksydasjonsmidlet er luftoksygen, og nitrogenoksyder (NO og NO2) virker som katalysatorer. Den andre metoden er

kontaktmetoden. Oksydasjonsmidlet her er luftoksygen, med hjelp av vanadiumoksyd eller platina som katalysator. I praksis blir ikke SO3 ledet ned i vann, men i svovel­ syre som er noe fortynnet med vann, fordi SO3 da blir bedre absorbert. Ved blykammermetoden oppnår vi ikke direkte å få sterkere syre enn om lag 65% H2SO4 (kammersyre), mens vi ved kontaktmetoden får 100% om vi ønsker (kontaktsyre). Kontaktsyra er også mer rein enn kammersyra. Blykommer -metoden

Fig. 26.4. Prinsipper for framstilling av svovelsyre.

Kontaktmetoden

H2SO4 er i rein tilstand en oljeaktig, tung væske (tetthet 1,85 g/cm3). Vanlig konsentrert H2SO4 inneholder om lag 98 masseprosent H2SO4. Den er i konsentrert tilstand sterkt etsende, og den virker forkullende på alt organisk materiale på grunn av sin store vanntiltrekkende evne. Det går også an å få løst mer SO3 i konsentrert svovelsyre.

131

Fig. 26.5. Organiske materialer forkulles i konsentrert H2SO4.

ForkuUing ybiter+noen

JnUsnnsJr\2^r,

Vi får da det som kalles rykende svovelsyre. Det er konsentrert H2SO4 + ca. 25% SO3. Svovelsyre protolyserer i vannløsning i to trinn, den er en tosyret syre eller en toprotisk syre, som vi ofte sier. Protolysen på første trinn er så godt som fullstendig, men på annet trinn er den langt mindre: 1 trinn: H2SO4 + H2O -> H3O+ + HSO4~ (nesten full­ stendig) 2. trinn: HSO4~ + H2O H3O+ + SO4" K = 1,3 • 10~2

Fig. 26.6. Blanding av svovelsyre og vann.

Vi har da også to rekker av salter, sulfatene, som inneholder ionet SO4~~, og hydrogensulfatene, som har ionet HSO4~. Eksempler: Na2SO4, natriumsulfat, og NaHSO4, natriumhydrogensulfat. Svovelsyra løser seg i vann med så voldsom utvikling av varme at det lett blir koking. Skal en blande, må det derfor gjøres svært forsiktig, og alltid slik som fig. 26.6 viser (ikke omvendt!).

FORSIKTIG

I likhet med salpetersyre har også svovelsyre en dobbelt oksyderende evne. Som alle andre syrer kan den virke oksyderende med sine H+-ioner, men den kan også virke ok­ syderende ved sitt SO4~_-ion. For å få dette til må man bruke konsentrert og .varm svovelsyre. Da blir svovelatomet med oksydasjonstall +6 i SO4~_ redusert til svovel med 4-4 i forbindelsen SO2 som dannes. Eksempel 1. 0

+6!

Cu + SO4- + 4H+ = CuSO4 + so2 + 2H2O 2e

Vi ser at kobberet blir oksydert: Cu —2e_ -» Cu+ + , og svovelet i SO4__ blir redusert fra seksverdig til fireverdig i •form av SO2. 132

Eksempel 2. Karbon blir oksydert av konsentrert H2SO4 til karbonoksyd. 4-2e o +2 c + h2so4 = co + h2o + so2 Til tross for sin sterkt etsende evne virker konsentrert svovelsyre passiverende på jern, og den kan derfor sendes på jernfat når styrken er over 70%. (Jfr. avsn. 25.4.) Teknisk bruk av svovelsyre. Svovelsyre er den billigste av alle sterke syrer, og den blir derfor nyttet i en rekke tekniske prosesser der hovedsaken er å ha surt miljø. Ellers er de viktigste bruksområder: 1. 2. 3. 4. 5.

framstilling av superfosfat, i sprengstoffindustrien, til raffinering av jordolje, til blyakkumulatorer, kjemisk arbeid av forskjellig art.

I Norge blir det produsert over 200 000 tonn svovelsyre årlig. Det finnes en rekke andre svovelsyrer enn de tre vi har nevnt her, men de har mindre betydning. Vi nevner én av dem: tio-svovelsyre, H2S2O3. Natriumsaltet av den, natriumtiosulfat, Na2S2O3 • 5H2O, blir mye brukt som «fiksérsalt» i fotografien og for å fjerne klor fra bleikt tøy o. 1., såkalt «antiklor».

26.6 Selen — Se Stoffet er til vanlig grått og sprøtt. Det likner svovel i kjemisk henseende. I teknikken blir det brukt til å farge visse glass-sorter, til fotoceller for belysningsmålere m. m. og i selenlikerettere. Bruksområdet blir stadig utvidet, og stoffet blir i mindre målestokk nyttet i mange forskjellige prosesser, f. eks. vulkanisering, fettherding, legering, særlig med kobber. Stoffet er giftig. Canada og USA er hovedprodusenter og tilvirker om lag 700 tonn pr. år.

26.7 Tellur — Te Den alminneligste form av tellur er blank og metallisk å se på. Det blir brukt på liknende måter og har liknende egenskaper som Se. Hovedproduksjonen går til legering med Pb, 0,05% tilsats. Det øker blyets styrke og holdbarhet. Canada er hovedprodusent med omlag 30—40 tonn pr. år.

133

Spørsmål og oppgaver

1. Gjør rede for svovelets forskjellige modifikasjoner.

2. Lag en skisse som viser strukturen for S8-molekylet.

3. Slå opp i kapittel 23 og prøv å tegne en strukturmodell for H2SO4. 4. Gjør rede for svovelsyras oksyderende evne.

5. Regn ut hvor mye svovelsyre (100 masseprosent) vi teo­ retisk kan få ved å brenne 5 kg FeS2.

6. Vi har 98 masseprosent svovelsyre med tetthet 1,84. Hvor mange molar er den? Hvor mye av den må brukes for å lage 3 liter 5 molar syre ? 7. Skriv likningen for fullstendig nøytralisering av svovelsyre med lesket kalk. Hvor mye brent kalk må vi gå ut fra for å kunne nøytralisere 4 kg av en 98 masseprosent H2SO4? 8. 2 kg flytende SO2 skal tappes av en kjølemaskin. For å hindre for mye gassdanning tapper en den forsiktig over i et lutkar. Lutløsningen er laget ved at 1/2 kg kaustisk soda (85% NaOH) blir løst opp i 3 liter vann. Vil dette være nok til å nøytralisere all SO2? 9. Fordampingsvarmen for SO2 og NH3 er henholdsvis 95 cal/gram og 330 cal/gram. Regn ut fordampingsvarmen pr. mol.

10. Utled den fullstendige likning for reaksjonen mellom me­ tallet kobber og varm konsentrert svovelsyre.

Velg det/de rette svar

1. Det svovel som finnes fritt i naturen, kalles: a) Monoklint b) plastisk c) rombisk d) beta-svovel 2. Svovel smelter ved ca.: a) +50 °G b) +120 °C

c) +200 °C

d) +300 °C

3. H2S er en forbindelse som er karakteristisk ved at: a) Den danner en sterk syre i vannløsning. b) Den er sterkt gul. c) Den lukter ubehagelig. d) Den etser på huden. 4. SO2-gass utvikles ved følgende prosesser: a) Forbrenning av svovelholdige oljer. b) Elektrolyse av aluminium.

134

c) Røsting av svovelkis. d) Framstilling av salpetersyre. 5. Konsentrert svovelsyre er:

a) b) c) d)

Lettere enn vann. Sterkt gulfarget. Omtrent 1,8 ganger så stor tetthet som vann. Omtrent samme tetthet som vann.

6. Rykende svovelsyre er: a) b) c) d)

Svovelsyre Svovelsyre Svovelsyre Svovelsyre

blandet med salpetersyre. med oppløst SO3. framstilt etter blykammermetoden. blandet med konsentrert saltsyre.

7. Forbindelsen Ca(HSO3)2 brukes i Norge til:

a) b) c) d)

Framstilling av svovelsyre. Framstilling av cellulose. Framstilling av sink. Rensing av røstegasser.

Forsøk og demonstrasjoner

1. Vis reint svovel og svovelkis og andre sulfider som fore­ kommer naturlig.

2. Varm opp svovel forsiktig i et sterkt reagensglass (helst i et oljebad). Først danner det seg tyntflytende svovel, som ved at en heller det brått i vann, ikke gir plastisk svovel. Varm deretter kraftigere opp så smelta blir mørk. Smelta blir plutselig meget tungtflytende. Varm så opp videre og hell den nå mer lettflytende væsken hurtig over i kaldt vann. Vi får plastisk svovel. 3. Framstill H2S-gass av FeS og HC1. (Gjør aldri dette forsøket i begynnelsen av en time. Sørg for god utlufting etterpå. H2S er meget giftig!) 4. Vis at H2S feller sulfider, og at disse ofte er typisk farget. (Se skjema side 129.)

5. Brenn svovel, og vis SO2-gassenes bleikende virkning, f. eks. på en rød blomst. 6. Framstill svovelsyre etter kontaktmetoden (se fig. 26.3). Påvis at SO4 -ionet er dannet ved å tilsette Ba_f'+-ioner. 7. Vis virkningen av fortynnet og konsentrert svovelsyre på noen metaller. Vis passivering av jern. 135

8. Vis forkulling av organisk materiale med konsentrert H2SO4.

9. Lag strukturmodeller av svovelmolekyler, S8 og S2.

10. Lag strukturmodeller av svovelsyre og svovelsyrling.

136

Hovedgruppe VIIA halogengruppen 27.1 Gruppeoversikt Gruppen omfatter stoffene fluor, F, klor, Cl, brom, Br, jod, I, og astat, At. Alle har sju elektroner i valensskallet, og som følge av dette er evnen til å ta opp ett elektron og danne et negativt ion svært stor. Størst evne til å ta opp elektroner har fluor, som er det kraftigste oksydasjonsmiddel vi kjenner. Stoffene kalles halogener, som betyr saltdannere. Fluor og klor er gasser. Brom er en væske, og jod er et fast stoff ved normal temperatur. Astat er et fast stoff som er radioaktivt. Alle stoffene er giftige. Stoffene er de mest reaktive vi kjenner, og de kan danne forbindelser med de fleste grunnstoffer. Tabell 27.1. Noen data for hovedgruppe VII A. Kjemisk tegn ....................

F

Utseende ved romtemperatur ....................

Gul gass

Atomnummer.................... Tetthet ...............................

9 0,00169 g/cm3 -219 -188 0,72 17,3 -1

Smeltepunkt, °C............... Kokepunkt, °C.................. Atomradius, A .................. lonisasjonsenergi, eV .... Vanlige oksydasjonstall . .

Cl

Br

I

Grønngul gass 17 0,00321 g/cm3 -101 — 34 0,99 13,0 -1,+1, + 3, -j-5 og +7

Mørk rødbrun væske 35 3,1 g/cm3 -7 59 1,14 12,0 — 1, +1, + 3,+5 ( + 7)

Grått fast stoff

53 4,9 g/cm3 114 184 1,33 10,6 -1,+1, + 3,+5 og +7

Elektronfordelingen i de ytterste skall er slik:

r2 10. Salveson: Kjemi 2

137

Fig. 27.1. Framstilling av klorgass i laboratoriet.

Det mest markerte oksydasjonstall for alle stoffene er —1, som tilsvarer at />z-orbitalen blir fylt med ett elektron til. Vi får dermed edelgasskonfigurasjon. Vi ser av tabellen at ionisasjonsenergiene er meget høye, og tendensen til å avgi ett eller flere elektroner er derfor liten. Grunnstoffet fluor skiller seg ut fra de andre stoffene i sine kjemiske egenskaper. De øvrige er i store trekk svært like, og vi gjennomgår derfor bare klor grundig. Klor kan danne forbindelser med oksydasjonstallene +1, +3, +5 og -f-7. Oksosyrene viser tydelig dette: HC1O, HC1O2, HC1O3 og HC1O4. 27.2 Klor, forekomst og framstilling

Klorgass er altfor reaktiv til å kunne finnes fritt i naturen. Klor finnes derfor utbredt i forbindelser, spesielt som klo­ rider sammen med metallene i første og annen hovedgruppe. Kloridforekomster kan deles i to:

a) Forekomster i sjøvann. Det finnes oppløst NaCl, MgCl2 og andre klorider i en mengde som tilsvarer 2 —3 masse­ prosent. b) Steinsaltforekomstene. De kan betraktes som sjøavleiringer. Her finnes de samme salter som i sjøen, men i utkrystalli­ sert fast form. Framstillingen av klorgass fra klorider blir prinsipielt en oksydasjonsprosess: 2C1- - 2e" = Cl2 klorid klorgass

138

Fig. 27.2. Framstilling av klor ved elektrolyse av en NaCl-løsning (klor-alkalielektrolyse).

+

NaOH

dannes

Grafitt anode

Mettet NaC{-l

Gassreaksjoner og reaksj onsmekanisme (kinetikk). Gassabsorbsjon og gassanalyse 28.1 Likevekter

Vi har i et tidligere kapittel (kap. 8) behandlet de grunnleg­ gende lover for kjemiske likevekter. Det var Guldberg-Waages lov og Le Chateliers prinsipp. La oss repetere det praktiske resultat av disse lover med noen eksempler. Gitt likevekten: 2A + B^±3C + 2D + 15 kj Guldberg-Waages lov sier: Vi kan forskyve likevekten mot høyre om vi øker konsentrasjonene av A eller B. Vi kan for­ skyve den mot venstre om vi øker konsentrasjonene av C eller D. [C]3 • [Dl2 Likevektskonstanten K = -—---- -—J_ [A]2 • [B]

Le Chateliers prinsipp sier at likevekten vil motsette seg en­ hver ytre forandring i trykk eller temperatur. I dette tilfellet er reaksjonen eksoterm. Om vi derfor øker temperaturen, vil reaksjonen prøve å motsette seg det ved å forskyve seg mot venstre side. (Da vil det kreves varme.) Når det gjelder endringer i trykket, kan vi bedømme for­ skyvningen ved å se på antall mol som reagerer og antall mol som dannes. Betrakter vi likevekten, ser vi at på venstre side har vi 2 mol A + 1 mol B — 3 mol totalt. På høyre side har vi 3 mol C + 2 mol D = 5 mol totalt. Når reaksjonen går fra venstre mot høyre, vil det med andre ord bli en volumutvidelse. 146

Øker vi da på en eller annen måte kunstig trykket i likevektsbeholderen, vil likevekten søke å unngå dette press ved å forskyve seg til den side som gir avlasting for trykket. Det vil si den forskyver seg mot mindre volum — mot venstre. Ved tilsvarende resonnement finner vi at trykkminskning i dette tilfellet ville resultere i en forskyvning mot høyre.

28.2 Regneeksempler

I de eksempler vi har med å gjøre, antar vi alltid at reaksjonen foregår i et lukket kar. Vi tenker oss et igjensmeltet glassrør i la­ boratoriet eller en tett reaksjonsgryte i industrien. Oppgave 1: Likevekten for gassene er gitt: 2HI H2 + I2. Det er funnet at ved en viss temperatur vil 20 molprosent av HI være spaltet i H2 4- I2. Om vi nå tar et kar som rommer en liter, og fører 1 mol rein HI inn i det, lukker karet tett, varmer opp til den bestemte temperatur og lar det stå til likevekt har inntrådt, hvor mange mol av hver komponent vil det da være i karet? Løsning: 20% (molprosent) er spaltet. 20% av et mol HI = 0,2 mol HI. Da er tilbake 1 — 0,2 = 0,8 mol HI som ikke er spaltet. Likningen sier at 2 mol HI gir 1 mol H2 + 1 mol I2. Derfor vil 0,2 mol HI gi 0,1 mol H2 og 0,1 mol I2. Etter at likevekt har inntrådt, har vi i karet: 0,8 mol HI, 0,1 mol H2 og 0,1 mol I2

Tilleggsoppgave: Beregn likevektskonstanten i den siste opp­ gaven : Løsning: K_ [H2]-[I2] _ 0,1-0,1 _0,01 _ 1 ~ [HI]2 (0,8)2 0,64 64

Oppgave 2: Vi har likevekten CO + Cl2 COC12 i et 5 liters reaksjonskar. Ved analyser blir det funnet at det er til stede 1,5 mol CO, 1,0 mol Cl2 og 4 mol COC12. Beregn like­ vektskonstanten under disse forhold. Løsning: Vi må ha tak i konsentrasjonene i mol pr. liter av reaksjonsstoffene, og sette disse verdiene inn i uttrykket for K. JCOC12]

U

“ [CO] • [Cl2]~ /L5\ \ 5 )

/L0 \ \ 5 )

147

Oppgave 3: Ved ca. 500 °C vil vi for likevekten H2 + I2^±2HI ha likevektskonstanten K = 46,0.

Vi fører inn 1 mol H2 og 1 mol I2 i et lukket kar på 1 liter ved en temperatur på 500 °C. Hva vil sluttkonsentrasjonene av alle tre stoffer bli når likevekt har innstilt seg? Løsning: Vi ser av likningen at den mengde HI som skal dannes i karet, må komme fra de to stoffene H2 og I2. Det skjer på den måten at for hvert mol — eller brøkdel av mol — av H2 som går over til høyre, går samtidig det samme antall mol av I2 også over til høyre. På høyre siden danner det seg da nøyaktig det dobbelte antall mol av HI som det antall mol av hvert av stoffene H2 og I2 som går over til høyre. Vi kaller det antall mol (her brøkdel av mol) av hvert av stoffene H2 og I2 som må bort fra venstre side, for n. Da kan vi sette opp denne standardoppstillingen for slike oppgaver:

Vi har opprinnelig: [H2] =1,0 mol/liter [I2] = 1,0 —« — [HI] =0,0 -«-

Vi får etter likevekt: [H2] = (1,0 — ri) mol/liter [I2] = (1,0 — ri) —« — [HI] = (2n) mol/liter

Da karets volum akkurat er 1 liter, slipper vi omregning til mol/liter og kan sette opp:

K = 46 o = - !™J2 _ (2ra)2_________ (W ’ [H2]- [I2] ~ (1 -n)(l -ri) ~ (1 -rif Trekker vi ut kvadratroten på begge sider av likhetstegnet, får vi: 2n 6,78 = - ------- ; 6,78 - 6,78 • n = 2 • n 1 —n Herav: n = 0,773 Resultatet blir da: [H2] = 1,0 - 0,773 = 0,227 mol/liter [I2] = 1,0 —0,773 = 0,227 mol/liter [HI] = 2 • 0,773 = 1,546 mol/liter

Oppgave 4: Ved en bestemt temperatur har vi likevekten: SO2 + NO2

SO3 + NO

Ved analyse er det funnet: 0,6 mol SO3, 0,4 mol NO, 0,8 mol SO2 og 0,1 mol NO2. Karet rommer 1 liter.

148

Nå blir det sprøytet inn i karet gjennom en slags ventil 1 mol NO-gass. Volum og temperatur blir holdt konstante. Regn ut antall mol av hvert stoff etter at likevekt på ny har innstilt seg.

Løsning: Vi regner først ut likevektskonstanten, da den jo blir den samme også etter at NO-gassen er sprøytet inn.

[SO3][NO] _0,6-014_ [SO2][NO2] 0,8 -0,1“^ Når vi ved å sprøyte inn NO øker konsentrasjonen av ett av stoffene på høyre side i likevekten, så vil likevekten etter Guldberg-Waages lov forskyves over til venstre. Vi ser av likningen at det vil bli dannet like mange brøkdeler av mol av hvert av de to stoffene på venstre side som det vil forsvinne brøkdeler av mol på høyre side. Kaller vi det antall mol som hvert av stoffene SO2 og NO2 får i tillegg for n, har vi etter innsprøytingen:

[502] — (0,8 -f- ri) mol/liter [NO2] = (0,1 + ri) -«[503] = (0,6 —n) —« —

For stoffet NO har vi i det øyeblikk ett mol NO er sprøytet inn: 0,4 + 1,0 = 1,4 mol. Fra denne mengden vil det så gå n mol over til venstre, slik: [NO] = (1,4 —ri) mol/liter

Satt inn i likevektsuttrykket med K = 3, får vi da:

(0,6 — ri) • (1,4 — ri) 3 = • • Dette gir: n =_2dr Setter vi dette inn i våre uttrykk for konsentrasjonene av de enkelte stoffer, får vi:

[SO3] = 0,48 mol/liter, [NO] = 1,28 mol/liter, [SO2] = 0,92 mol/liter og [NO2] = 0,22 mol/liter. Oppgave 5:

Ammoniumhydrogensulfid, NH4HS, dissosierer termisk etter likningen: NH4HS(f)

NH3(g) + H2S(g)

I en lukket beholder med litt NH4HS har det innstilt seg likevekt ved 25 °C, og totaltrykket i beholderen måles til 0,660 atm. Beregn Kp. 149

Løsning:

Totaltrykk — ^NH1hs

/'nh, d- Ph,s

Nå er NH4HS et fast stoff, og dets damptrykk er meget lite i forhold til de to gassers trykk. Vi ser derfor bort fra /?nh,hs og skriver: Ptotal = M + Ph2s = 0,660 atm

Av likevektslikningen ser vi at

/'

nhHg 2 IN

= 2P112 h Js = i = 0,330 Z ' 0,660 2 j

Kp for denne heterogene likevekt blir da: = /'nh, ' /^HaS Kp = (0,330)2 = 0,109

28.3 Reaksjonshastighet

I avsnitt 8.1 innførte vi begrepet reaksjonshastighet som et mål for det antall mol av et stoff som blir dannet pr. tidsenhet og pr. volumenhet i en reaksjon. Vi vet at reaksjonshastighetene for forskjellige reaksjoner varierer innenfor vide gren­ ser. Om vi holder oss til en bestemt reaksjon, kan også reaksjonshastigheten variere, og variasjonen vil være avhengig av følgende faktorer:

1. de reagerende stoffers egenskaper (atomstørrelse, molekylstørrelse, metalliske, ikke-metalliske etc.), 2. temperaturen. Ved økning av temperaturen vil mole­ kylbevegelsene øke, og følgelig blir sjansene for å få reaksjon større. Som en grov regel for praktisk kjemisk arbeid sier vi at reaksjonshastigheten vil fordobles eller tredobles for hver 10 °C vi øker temperaturen. De eneste reaksjoner hvor temperaturen ikke synes å spille noen rolle, er de-radioaktive prosesser. 3. katalysatorer. Tilstedeværelsen av bestemte andre stof­ fer enn de som selv direkte deltar i reaksjonen vil i mange tilfeller øke reaksjonshastigheten. (Vi kan i enkelte tilfeller ha bruk for stoffer som nedsetter reaksjonshastighetene. De kan kalles inhibitorer.} 4. konsentrasjon/trykk. Økt konsentrasjon av de reage­ rende stoffer vil øke reaksjonshastigheten. Denne er ifølge Guldberg-Waages lov proporsjonal med pro­ duktet av konsentrasjonene av de reagerende stoffer. (Trykkøkning vil også bety økning av antall mol pr. liter.) 150

28.4 Reaksjonsmekanisme

Ved en kjemisk reaksjon er det nødvendig for de reagerende stoffene å komme i meget nær kontakt med hverandre. Om vi tenker oss to molekyler A2 og B2 som skal reagere med hverandre, vil de måtte støte kraftig sammen for at vi skal få dannet et nytt stoff AB. I og med at atomene og molekylene omgir seg med en sky av negative elektroner, vil to slike parFig. 28.1. Eksoterm reaksjon: For at de to molekylene A2 og B2 skal kunne reagere med hverandre, må de oppnå en potensiell energi lik aktiveringsenergien (toppen av kurven). Når de har nådd denne, er det dannet et ustabilt, aktivt mellomledd A2B2. Dette spaltes igjen, og dermed faller den potensielle energi for sum­ mene av de to nye molekylene .AB + AB ned på nivå III. Dif­ ferensen mellom nivåene I og III tilsvarer den energi som avgis ved denne eksoterme reaksjonen. Den røde kurven viser hvordan aktiveringsenergiene blir lavere når vi bruker en god katalysator.

Fig. 28.2. Endoterm reaksjon: Dette er det motsatte av prosessen på fig. 28.1. De to molekylene AB + AB finnes på energinivå I. Ved kollisjon på den rette måten øker deres energi slik at de når aktiveringsnivået II. Den ustabile for­ bindelsen spaltes, og reaksjonsproduktene havner nede på nivå III. Men dette nivået er likevel høyere enn det vi gikk ut fra. Følgelig blir ingen energi frigjort. Tvert imot, reaksjonsproduktene har større potensiell energi enn startproduktene. Vi får endoterm reaksjon.

----- Nivå n A = Aktiveringsenergi

Å2 * B2 C kan reaksjonshastigheten v uttrykkes slik:

a) v = k • [A]2 • [B]

. = i[Ap

b) v = £[A] • [B]

d) , = 157

5. Ved ca. 400 CC er likevektskon.stan.ten for reaksjonen H2 M+ IM 2

2HI

lik 50,0. Om vi tar 4 mol H2-gass og 4 mol I2-gass inn i et lukket rom ved 400 °C og lar likevekten innstille seg, vil vi få:

a) Mer HI enn H2 (og I2) b) Mindre HI enn I2 (og H2). c) Bare H2 og I2. d) Bare HI.

Forsøk og demonstrasjoner

1. Utfør en del forsøk som viser absorbsjon av gasser i vann. Prøv for eksempel på den enkle måten å ta et bestemt vo­ lum gass i en Hempel-byrette og lede den inn i en absorbsjonspipette med vann et par ganger. Mål deretter volumet. Prøv gassene H2, O2, CO2 og om mulig NO og NO2.

2. Utfør en enkel gassanalyse av forbrenningsgassen fra en motor (bil), enten i et Orsat-apparat eller i en Hempelapparatur. Prøven tas ut ved at en fyller en gassmålepipette (et kar på ca. 300 ml som har uttaksrør m/glasshane i begge ender) med vann (ofte bruker en saltvann med litt indikatorfarge i). Ved å kople en kort gummislange med en liten trakt i den ene enden til den ene av glasshanene får en beholderen fylt med forbrenningsgass fra eksosrøret når en åpner den andre glasshanen og lar vannet renne langsomt ut. Prøven tar en deretter til la­ boratoriet og måler nøyaktig ut 100 ml til hver analyse. Mål CO2, O2 og CO og restgassen. 3. Utfør demonstrasjonen i kapittel 8 om igjen og diskuter prosessen 2NO2 N2O4 + energi. N2O4 har et kokepunkt på om lag 26 °C, men selv ved denne temperaturen er den i likevekt med den brune NO2-gassen.

158

Sidegruppene "L Side- ___ n grupper

Ti

Os

* Vanligvis regnes likevel Cu, Ag og Au med til sidegruppene, blant annet fordi de danner ioner som ikke har helt fylte d-orbitaler. Eksempler er Cu2+ (som har 3d9) og Au3+ (som har 5c/8). Disse metallene blir ofte kalt myntmetallene, og i vårt periodiske system får de gruppenummeret IB. Metallene Zn, Cd og Hg hører derimot ikke etter noen vanlig definisjon til sidegruppene. De fylte c/-orbitalene hos disse grunn­ stoffene kan ikke brytes opp kjemisk, slik at oksydasjonstallet ikke kan overstige +2. Disse metallene ligner mye på metal­ lene i hovedgruppe IIA og burde da egentlig stå ved siden av dem. Men i vårt periodiske system er grunnstoffene ordnet etter stigen­ de atomnummer. Derfor har gruppen Zn, Cd og Hg fått den plassen den har, og gruppebetegnelsen er HB.

29.1 Generelt De ti gruppene som står i midten av vårt periodiske system, er merket som B-grupper. Vi kaller dem sidegruppene, da de alle i det opprinnelige mendelejevske system stod ved siden av hver av de åtte hovedgruppene. Ofte kalles de også overgangsgruppene eller innskuddsgrunnstoffene. Dette refererer seg til at de er i ferd med å fylle opp sine ytterste d-orbitaler, mens det ytterste skallet beholder ett eller to elektroner. Etter denne betegnelsen skulle ikke stoffene Cu, Ag, Au eller Zn, Cd og Hg tas med i sidegruppene . * Se elektronfordelingstabellen T.7. Som karakteristiske egenskaper for grunnstoffene i sidegruppene kan nevnes:

1. De er alle metaller. 2. Smeltepunkter og kokepunkter et stort sett høye. 3. Atomradiene for stoffene er svært like, og er også blant de minste for metaller. 4. De danner lett legeringer med hverandre. 5. De opptrer ofte med mer enn en valens. 6. De viser en sterk tendens til å danne kompleksforbindelser. 7. Deres ioner (forbindelser) er oftest farget. De to rekkene av grunnstoffer som står nederst i vårt periodiske system, kalles de sjeldne jordarter. De er også alle metaller. Ofte blir de kalt de indre overgangsgrunnstoffer. Dette refererer seg til at de fyller elektroner i sine tredje ytterste skall i T-orbitalen. Vi omtaler ikke denne gruppen, fordi de fleste metallene har liten praktisk interesse.

For sidegruppene passer det godt å lese det periodiske system vannrett. Vi snakker derfor om første sidegruppeperiode, annen sidegruppeperiode og tredje sidegruppeperiode. Vi skal her bare behandle den første systematisk. Av de andre metallene tar vi bare med de viktigste.

29.2 Første sidegruppeperiode Tabell 29.1 viser disse grunnstoffenes elektronfordeling i de to ytterste skallene. Den viser også tydelig rekkefølgen av elektronpåfyllingen etter hvert som atomnummeret stiger.

159

Tabell 29.1. Elektron/ordeling i første sidegruppeperiode. 3rf

Atomnr.

Navn

45

21

Scandium

ti

t

22

Titan

ti

t

t

23

Vanadium

ti

t

t

t

24

Krom

t

t

t

t

t

25

Mangan

ti

t

t

t

t

26

Jern

ti

tl

t

t

t

27

Kobolt

ti

tl

tl

t

t

28

Nikkel

ti

tl

tl

tl

t

t

29

Kobber

t

tl

tl

tl

tl

tl

30

Sink

ti

tl

tl

tl

tl

tl

t W". t i.-,

t

, >

Som vi har diskutert tidligere (kapittel 1), er det bare en liten energiforskjell mellom nivåene 45, 3d og 4p, på grunn av den «overlapping» som finner sted. Vi kan derfor trekke den konklusjon at disse grunnstoffene vil kunne nytte både 45-orbitalen og 33-hybridisering. Dette gir en tetra­ edrisk romfigur. (Jfr. avsn. 4.5.)

200

Fig. 31.11. Strukturen for [Zn(CN4) —]-komplekset.

C: Plankvadratisk struktur. Koordinasjonstall 4. dsp2-hybridisering Eksempel: [Cu(NH3)4] + +

Ammoniakkstrukturen har vi sett tidligere. Kobberets elektronfordeling er slik at det har 10 elektroner i 3t/-orbitalene og ett elektron i 4j-orbitalen. Når kobber danner ionet Cu+ + , regner en med at det avgir sitt 4j--elektron og et av sine 3delektroner. Når så komplekset skal dannes, må det skje en rearrangering av denne elektronfordelingen, slik at det ene elektronet fra 3d blir tilført energi og kommer over i en 4porbital. Skjematisk:

Cu-metall

Cu+ +

Cu+ + (rearrangert)

[Cu(NH3)4]

De innrammede orbitalene viser at vi får en 2-hybridisering. Der be­ høver en ikke anta noen rearrangering av elektroner, slik som her.

Fig. 31.12. Strukturen for [Cu(NH3)4] ++-komplekset. ds/>2-hybridisering.

I tilfellet med Cu(NH3)4++ kunne en også tenke seg en y>3-hybridisering, ved å la det ene elektronet i Cu++ bli stående der det er. Eks­ perimentelle undersøkelser viser imidlertid at kobberkomplekset er plan­ kvadratisk, og da må det en rearrangering til.)

D: Oktaedrisk struktur. Koordinasjonstall 6. d2sp2-hybridisering Eksempel: [Fe(CN)e]Seks elektronpar blir avgitt fra seks cyanidgrupper til den koordinert kovalente binding med jernionet. Det toverdige jernionets opprinnelige elektronfordeling må også i dette til­ fellet rearrangeres.

Skjematisk:

Fe-metall

Fe++

Fe++ (rearrangert)

De innrammede elektronene viser bindingsorbitalene. Vi har en tZ25/>3-hybridisering. Det geometriske arrangement er da et oktaeder.

202

31.8 Eksperimentelle opplysninger

Fig. 31.13. Strukturen for [Fe(CN)6]4--komplekset. d^sp3hybridisering.

De viktigste typer av eksperimentelle «bevis» som brukes i forbindelse med bindingsstrukturer, er følgende: Fargene på de forskjellige komplekser er en enkel observa­ sjon som er meget viktig. Studiet av absorbsjonsspektrer av kompleksløsninger gir verdifulle data om hvilke bølge­ lengder som finnes i det lyset som absorberes. Disse bølge­ lengdene har igjen sammenheng med visse overganger mellom de forskjellige energinivåer innen atomene. Blant annet er det slike eksperimentelle data som gjør at en ikke er helt fornøyd med den teorien vi nettopp har belyst, valensbindingstéorien. La oss si at vi ved hjelp av den kommer fram til en elektronordning som er slik at vi skulle vente en grønn farge på kom­ plekset. Når så kompleksionet i virkeligheten er blått, kan en ikke si at teorien er tilfredsstillende. Magnetiske målinger er også et viktig hjelpemiddel i den eksperimentelle underbyggingen av teoriene. Det viktigste her er at vi skiller mellom paramagnetiske og diamagnetiske egenskaper, på grunnlag av den teori at uparede elektroner vil gi paramagnetiske utslag mens vi får diamagnetiske egen­ skaper om alle elektroner er paret. (Jfr. kap. 29.) I vårt eksempel med [Cu(NH3)4] + + skulle vi ifølge teorien ha et uparet elektron (4/>). Dette skulle da slå ut i en viss paramagnetisk effekt,. Praktiske målinger av kompleksionet viser at dette er riktig. På samme måten vil vi i jernkomplekset [Fe(CN)6] ha bare parede elektroner, og følgelig en diamagnetisk effekt. Dette blir også bekreftet eksperimentelt. De geometriske romordningene kan vi studere ved å la røntgen­ stråler passere gjennom stoffene. Disse strålene vil bli avbøyd på bestemte måter, avhengig av strukturen av stoffet. Ved å studere slike røntgendiffraksjonsspektrer kan en derfor med stor sikkerhet si hvilken geometrisk struktur vedkommende kom­ pleks har.

31.9 Dissosiasjon av kompleksionet Som navnet sier, danner kompleksionene et kompleks — et hele — hvor de ioner eller grupper som er innenfor hake­ parentesen, holdes sammen. I en vannløsning av Cu(NH3)4+ + eller av Fe(CN)6 er det bare meget små mengder med frie Cu++-ioner og frie Fe+ + - og CN_-ioner. Men en ganske liten dissosiasjon i slike ioner finner vi likevel, og slik vi gjorde

203

det for tungtløselige stoffer (jfr. avsn. 10.5), kan vi tenke oss at det oppstår likevekter mellom de udissosierte og de dissosierte deler. I så fall kan vi gjøre bruk av Guldberg-Waages lov.

Eksempel :* Cu(NH3)4+ +

Cu++ + 4NH3

og

|Cu++ l • [NH3]4 [Cu(nh3v+]

Dissosiasjonskonstanten kan bli målt, og i dette tilfellet er K — 2 • 10~13. Dette viser hvor liten mengde av frie, toverdige kobberioner det er i en slik løsning. Jo mindre tallet for K er for slike komplekser, jo sterkere eller jo mer stabilt sier vi at komplekset er. Tabell 31.1. Dissosiasjonskonstanter for en del kompleksioner. Ag(NH3)2+ .. Ag(CN)2- ...

Cu(CN)4— Co(NH3)6++ + Fe(CN)6—Fe(CN)8---- .

Æ. = K — K= K= K= K=

421 • 1 • 1 • 1 •

10-8 10~19 10-25 10~35 10-35 10-42

Spørsmål og oppgaver

1. Definer uttrykkene ligand, sentralatom, koordinasjonstall. 2. Lag tegninger som viser strukturene av disse kompleksene:

[Ni(CN)4]-, [FeCIJ-, [Pt(NH3)6] +++ +

3. Bruk valensbindingsteorien og forklar elektronfordelingsordningen som viser at [Ni(CN)4]~~ har en t/5/)2-hybrid binding. 4. Sett navn på disse forbindelsene og sett på hakeparen­ tesene:

a) b) c) d)

NaAu(CN)2 Pt(NH3)2Cl2 Cr(H2O)5Cl(NO3)2 Co(NH3)4SO4NO3

* For å unngå forveksling mellom de hakeparentesene som hører til komplekset og de vi vanligvis bruker i likevekter, og som angir konsentra­ sjonen i mol pr. liter, sløyfer vi her hakeparentesene for kompleksionene.

204

5. Skriv formlene for disse forbindelsene:

a) b) c) d)

heksacyanoferrat(II)ion triklorotriaminplatina(IV)ion natrium-tetraklorodiaminkoboltat(II) di-aquo-diaminplatina(II)ion.

6. Forklar hva som menes med dissosiasjonskonstanten for et kompleksion. Bruk tetra-aminkadmium(II)ionet som ek­ sempel.

Demonstrasjoner

1. Til en 0,1 M løsning av AgNO3 tilsettes forsiktig dråpevis litt sterkt fortynnet NH3-løsning (ca. 0,01 M). Straks det danner seg et synlig brunsvart bunnfall av Ag(OH), stoppes tilsettingen av NH3. Forklar hva som er skjedd. Deretter tilsettes litt mer av en mer konsentrert NH3løsning inntil bunnfallet løses helt opp igjen, når kom­ plekset [Ag(NH3)2] + dannes. Vis at vi ikke får bunnfall av AgCl i denne kompleksløsningen om vi tilsetter litt kloridioner for eksempel fra NaCl eller KC1. 2. Til en 0,1 M CuSO4-løsning tilsettes litt fortynnet NH3 inntil det danner seg et grønnlig bunnfall av Cu(OH2.) Så tilsettes litt mer NH3, og en får en dypblåfarget løsning av komplekset [Cu(NH3)4] + + . 3. I to forskjellige reagensglass løses litt K4Fe(CN)6 (et gult jern(II)kompleks) og litt K3Fe(CN)6 (et rødt jern(III) kompleks). I to andre reagensglass løses hver for seg litt FeSO4 (Fe++) i vann og litt NH4Fe(SO4)2 (Fe+ + + ). Tilsett så litt av Fe+ +-løsningen til jern(III)komplekset og litt av Fe+ + + -løsningen til jern(II)-komplekset. I begge glass får vi en dyp blåfarge. Vi får to forbindelser som kalles turnbullblått og berlinerblått. (Moderne under­ søkelsesmetoder har vist at disse er ett og samme stoff.) Vi bruker denne metoden til å avgjøre jernets valens i kjemisk analyse. Hvis vi ikke har motsatte valenser i kompleks- og ioneløsning, får vi ikke den dypblå far­ gen.

4. Tilsett litt av en 1 M KSCN-løsning til en 1M Fe+ + + løsning. Det dannes en blodrød farge av forbindelsen [FeSCN] + + , som er et kompleksion. Denne rødfargen er en uhyre ømfintlig reaksjon på treverdige jernioner. 205

Fig. 31.14. Turnbullblått til ven­ stre og berlinerblått til høyre.

206

Organiske stoffer i industri og dagligliv I dette kapitlet vil vi ta for oss en del spesielle stoffer med til­ knytning til organisk kjemi. Det ville føre altfor langt å gå i detalj. Derfor konsentrerer vi oss om en del navn og formler og korte beskrivelser av egenskaper og prosesser. 32.1 Kull

Alle kullsorter i naturen stammer fra planteriket. Kullene er omdanningsprodukter av planter og trær. Det har tatt tusener eller millioner av år, og alt etter alderen på produktet får vi forskjellige typer av kull. Vi regner med at materialet passerer gjennom stadiene: torv (yngst) — brunkull — steinkull, for til slutt å havne i antrasitt, som er den eldste form for kull. Etter hvert som alderen øker, stiger også brennverdien av kullene, siden det dannes prosentvis mer og mer karbon. Kjemisk sett er kull sammensatt av en rekke til dels kom­ pliserte forbindelser. Noen av dem blir lett spaltet ved oppvarming og går over i gasser, andre i væsker og faste for­ bindelser. En analyse av kull kan f. eks. vise et innhold av grunnstoffer pa: o

86,3% C, 5,2% H, 8,0% O, 0,5% S Men en slik analyse sier ikke noe om hvilke forbindelser som foreligger. Vi skiller også ofte mellom de harde — antrasitt-kull, og de bløte — bituminøse kull. Navnene trekull, beinkull, blodkull o. 1. henger sammen med at disse stoffene dannes ved oppheting av tre, bein, blod uten tilgang av luft. På den måten blir de forkullet, fordi de stoffer de inneholder, spaltes ved den høye temperaturen. Steinkull

Som regel finnes forekomstene langt under jordoverflaten, og gruvedriften er tung og vanskelig. Det er stadig fare for brann og ras.

207

En mengde kull blir brukt direkte til fyring. Varmeverdien varierer sterkt, men som gjennomsnitt for gode kull kan vi sette 8000 kcal pr. kg. *

Brennverdier: Antrasitt................... mer enn 8700 kcal/kg Steinkull............................. 7—8000 — Brunkull ........................... 6—7000 — Torv (presset) ................. 5—6000 — Tre (bjørk, lufttørket) .... 4700 — Steinkullene utnyttes etter hvert mindre direkte til brensel, men blir overført til koks. Koks

Ved forkoksingen får vi skilt fra en rekke verdifulle produkter, stoffer som danner utgangsmateriale for hundreder av for­ bindelser.

Forkoksing er oppvarming av kull uten lufttilgang. Disse anleg­ gene kalles gassverk eller koksverk. Temperaturen i retortene er 1100-1300 °C. Ved forkoksingen får vi overført om lag 65% av kullet til koks, om lag 29% blir gass, og 6% går over i gassvannet og tjæra. Av råtjæra blir så ved destillasjon utvunnet forskjellige tjæreoljer. Når vi snakker om tjæreolje, omfatter dette i alminne­ lighet en rekke produkter med kokepunkter mellom 100 °C og 350 °C. Det som blir igjen etter at destillasjonen er ferdig, kalles steinkull-bek. Ved destillasjon blir disse produktene skilt ut av tjæreoljen (se fig. 32.1).

Destillasjonsprodukter av tjæreolje: Lettolje, kp. opp til 170 °C, er den mest verdifulle, fordi den ved fornyet destillasjon (fraksjonering) gir en rekke viktige produkter som toluen, xylen, benzen og pyridin. Disse stoffene blir mye nyttet både direkte og som utgangsmaterialer for nye stoffer, som legemidler, fargestoffer, sprengstoffer o. a. * Av praktiske hensyn bruker en her kcal/kg istedenfor kj/kg. (I de fleste tabellverk innen ingeniørfag brukes enheten kcal/kg for brennver­ dier.) IkJ = 4,18 kcal.

208

Fig. 32.1. Over­ sikt over produk­ ter fra steinkull.

Mellomolje, kp. 170—230 °C, inneholder bl. a. de viktige stoffene naftalen og fenol (karbolsyre). Karbolsyre er viktig som utgangsstoff ved produksjon av bakelitt. Mellomolje som ikke er renset mer enn at bare naftalenet er tatt bort, kalles karbolineum, et velkjent impregneringsmiddel for treverk. 209

Tungolje, kp. 230—280 °C, kalles ofte også kreosotolje. Den blir mye brukt til impregnering av stolper, sviller, kaier o. a. Til tjærepapp, sprøyting av veidekker o. 1. kan den også brukes. Antracenolje, kp. 280—400 °C, er den siste fraksjonen. Den inneholder, som navnet sier, den viktigste forbindelsen antracen, C14H10, som er et viktig råstoff for en rekke farge­ stoffer. Den rest som blir igjen etter destillasjon, kalles bek (steinkulltjærebek). Det blir brukt ved framstilling av elektrodemasser til metallurgiske prosesser. Dessuten blir det brukt til im­ pregnering av takpapp, til veidekker og i store mengder til brikettering av kull. 32.2 Jordolje (mineralolje) — bensin — smøreoljer

Jordolje eller råolje (eng. crude oil) finnes utbredt i større eller mindre mengder over hele verden. I likhet med kull er den visstnok dannet under høyt trykk og høy temperatur i millioner av år. Men mens kullene hadde plantemateriale som utgangsstoff, skriver jordoljen seg fra dyrisk materiale. Fig. 32.2. Boreplattform i Nord­ sjøen. A/S Norske Shell.

210

Oljen finnes i minerallagene i årer, og en kommer ned til årene ved boring. Vanlige borehull går i dybder på 100 — 500 m under jordoverflaten, i sjeldne tilfeller må en ned til over 3000 m. Noen forekomster trenger oljen opp til over­ flaten ved eget trykk, men oftest blir den pumpet. Kapasiteten av hvert borehull varierer også innenfor vide grenser. Det finnes mange eksempler på boringer som i årrekker har levert 3000—4000 tonn olje pr. døgn, mens et resultat på 100 — 200 tonn pr. døgn er holdt for å være bra. Oljeletingen og oljefunnene i Nordsjøen og i Norskehavet har gjort at også Norge nå er trukket inn i det såkalte olje­ eventyret. Boringen i havet foregår fra store plattformer (se fig. 32.2 og side 231). De stadig nye funn av olje, i Afrika, i Midtøsten, i Alaska og i havene, har gjort at produksjonstallene for de enkelte land og verdensdeler varierer til stadighet. For tiden regner en med at om lag 42% av den totale råoljeproduksjonen kommer fra Midtøsten og Nord-Afrika. USA er fortsatt den største enkeltnasjon i oljeproduksjonen.

211

En regner at landet produserer om lag 550 mill, tonn råolje pr. år. Men forbruket i USA er større, helt oppe i 700 mill, tonn pr. år. Verdensproduksjonen totalt har fordoblet seg bare i løpet av de siste 10 år. Den er nå om lag 2000 mill, tonn pr. år.

Fraktingen av råolje og råoljeprodukter er norsk skipsfarts største inntektskilde. Selv om vi ikke regner med Nordsjøforekomstene spiller råoljen derfor en meget betydelig rolle i Norges økonomi.

Viderebehandling. Råoljen strømmer opp gjennom bore­ hullene sammen med gasser av forskjellige slag. En del gass er også oppløst i oljen, for eksempel helium og metan. Etter at gassene som følger med, er blitt samlet for seg, blir selve råoljen ført til et destillasjonsanlegg (et oljeraffineri). I Norge har vi et slikt anlegg på Slagentangen ved Tønsberg (Esso) og et nyere anlegg i Risavika på Jæren (Shell). Begge anlegg leverer jordoljeprodukter for det norske mar­ ked. Når jordoljen blir destillert, får vi en rekke fraksjoner. Det er vanlig å dele inn de forskjellige produktene vi på den måten får, etter kokepunktet, eller rettere kokepunktsområdene, for de fraksjoner det gjelder. Skjematisk blir en jordoljedestillasjon utført som vist på fig. 32.3. En varmer opp så kraftig at alle flyktige forbindelser fordamper. Dampene blir ledet inn i et høyt tårn, der de kondenseres i tur og orden etter hvert som de kommer høyere opp, dvs. etter hvert som dampene når kjøligere og kjøligere områder. De fleste av jordoljeproduktene er kjemisk sett hydrokar­ boner. (Se Kjemi 1.) Vi kan finne hydrokarboner fra det enkleste, CH4, metan, til kompliserte med mer enn 20 karbonatomer. I alminnelighet er det slik at desto flere karbonatomer det er i stoffet, desto høyere er kokepunktet. Nøyer vi oss med de omtrentlige kokepunktstemperaturer, og inn­ skrenker oss til et enkelt hydrokarbon som sannsynligvis vil finnes i en bestemt fraksjon, kan vi sette opp følgende rekke­ følge av jordoljefraksjonene: 1. Petroleterfraksjonen. Kp. under 50 °C (C5H12). 2. Bensinfraksjonen. Kp. opp til 150 °C (C7H16). 3. Petroleumsfraksjonen [parafin). Kp 150—280 °C. 4. Gassoljefraksjonen. Kp. 280 — 400 °C (C18H38). 5. Smøreolje- eller tungoljefraksjonen (G10H22 og høyere) med enda høyere kokepunkt.

212

De enkelte fraksjonene blir så raffinert ved ny destillasjon, og gir da igjen produkter med ulike navn. De to fraksjonene med høyest kokepunkt — oljefraksjonene — blir raffinert ved destillasjon under redusert trykk («vakuumdestillasjon»). Oppstillingen i tabell 32.1 viser noen kjente handelsnavn på jordoljeprodukter og de fraksjoner de er tatt ut fra. Tabell 32.1. Jordoljefraksjoner etter redestillasjon. Gass og petroleter Kp. under 40 °C

Nafta

Bensinfraksjonen Kp. 40-180 °C

Lettbensin Flybensin Motorbensin White spirit

Petroleumsfraksjonen Kp. 150-280 °C

Petroleum Solarolje

Gassoljefraksjonen Kp. 280-400 °C

Dieselolje Fyringsolje

Smøreoljefraksjonen (Destillert i vakuum)

Transformatorolje Spindelolje Maskinolje Girolje

Petrolatum (vaselin) Parafinvoks Asfalt (destillasjonsrest) Petroleumskoks

Faste produkter

Bensin

Bensin kalles stort sett de fraksjoner av jordoljen som koker mellom 60 og 150 °C. En rekke forskjellige bensintyper er i handelen, og inndelingen av dem avhenger ikke bare av koke­ punktet. Opprinnelseslandet for jordoljen har større betyd­ ning, fordi de kjemiske innholdsstoffer og mengden av dem varierer innenfor vide grenser. Bensin fra Texas, Venezuela, Kaukasus eller Irak kan kjemisk sett være temmelig forskjellig. For å utjevne dette blir det alltid foretatt en viss blanding av bensintypene før handelsvaren går ut på markedet.

Ser vi bort fra de forskjellige kjemiske innholdsstoffer, hydrokarboner, og konsentrerer oss om den måten bensintypen er laget på, kommer vi fram til denne grupperingen: 1. straight run-bensin, 2. crack-bensin, 3. casinghead-bensin, 4. syn­ tetisk bensin. 213

Fig. 32.4. Raffinering av jordolje ved Essos anlegg på Slagentangen ved Tønsberg

(De engelsk-amerikanske navnene er internasjonale på dette området.) Den syntetiske bensin har ikke direkte noe med jordolje å gjøre. De andre typene skriver seg fra jordolje, men skiller seg ved den måte de er framstilt på av den. 1. Straight run-bensin kalles den bensin vi får ved direkte destillasjon av jordoljen. Bensin av denne typen er sjelden god nok for moderne forbrenningsmotorer, bl. a. på grunn av sitt lave oktantall. 2. Crack-bensin. Navnet skriver seg fra det engelske ordet «cracked», som kan oversettes med spaltet, smadret. Prinsip­ pet ved framstillingen er at en får spaltet de høyere hydro-

214

karboner i jordoljen, C15, C16 o. 1., til forbindelser med karbon­ innhold på C7, C8 og andre, det vil si nettopp slike hydrokar­ boner som vanlig bensin inneholder. Måten denne crackingen blir utført på, er nokså standardisert. Den er en voldsom oppheting av produktene samtidig som de utsettes for et høyt trykk. Ved cracking oppnår en å få fordoblet utbyttet av bensin fra jordoljen. 3. Casinghead-bensin. Denne typen blir framstilt ved en prosess som er noe nær det motsatte av cracking. Her blir de lavere hydrokarboner i jordoljen utsatt for et meget høyt trykk ved forholdsvis lav temperatur i nærvær av katalysator. Ved denne behandlingen dannes høyere hydrokarboner av den sort som vanlig bensin inneholder. Disse tre typer av bensin blir som regel blandet i et passe for­ hold før de går i handelen. Det er vanlig å inndele bensinsorter etter oktantallet, som er et mål for bensinens «bankefasthet». Grunnen til dette er at ytelsen av en forgassermotor stiger med kompresjonsforholdet. (Med dette forholdet mener vi forholdet mellom hele slagvolumet i sylinderen og volumet når stemplet står høyest. I en vanlig bilmotor ligger det mellom 5:1 og 7:1, i moderne vogner enda høyere.) Den bensin vi får ved direkte destillasjon av jordoljen (straight run gasoline), vil ha vanskelig for å tåle et større kompresjonsforhold enn 4,5:1. Fig. 32.5. Norsk oljetanker losser ved Shell-raffineriet i Risavika ved Stavanger.

215

Med kravet om større motorytelse har det derfor fulgt et krav om bedre bensin. Ved for hoyt kompresjonsforhold vil den normale forbrenning i sylinderen bli forstyrret av banking. Bensinen blir mer «bankefast» når den blir tilsatt andre stoffer. Mest brukt er tetraetylbly, Pb(C2H5)4, etanol, C2H5OH, og metanol, CH3OH. Bly bensin er svært giftig, og den kan virke skadelig både gjennom lungene og gjennom huden. Den blir oftest merket med en rød farge. For å få et mål for «bankefastheten» tar vi to av bestand­ delene i vanlig bensin som har vidt forskjellig «bankefasthet», og legger dem som grunn for en skala. Det er normal-heptan (C7H16), som vi setter som 0, og isooktan (C8H18), som vi setter som 100. Vanlig bensin har oktantall mellom 80 og 90. Spesialbensin og blybensin har oktantall på 90—100 og mer. Racer-motorer, som kan ha kompresjonsforhold på 12:1 og større, kan vanskelig bruke bensin i det hele tatt. De kjører på metanol, som har oktantall 140, og som da også er ben­ sinen overlegen på andre måter. Metanol er en alkohol, og den sorterer produksjonsteknisk under syntetiske brennstoffer.

Smøreoljer

Oljene blir utvunnet fra de høyest-kokende jordoljefraksjoner ved destillasjon. De smøreoljer som blir markedsført i dag, er blandinger av en rekke forskjellige oljetyper, fett, animalske og vegetabilske oljer, fettsyrer, antioksydasjonsmidler, antirustmidler osv., så det er ikke mulig å gi noen kjemisk oversikt over sammensetningen av smøreoljer. Den grovinndeling som vi i alminnelighet legger til grunn for alle smøreoljefabrikater, bør likevel nevnes: Oljen består kjemisk sett mest av hydrokarboner som inne­ holder mellom 30 og 60 karbonatomer i molekylene. Handels­ varene er karakterisert i første rekke etter den type «crude oil» de er utvunnet fra, og etter sammensetningen av denne rå­ oljen sier vi at smøreoljen har den eller den basis. Vi skiller mellom: 1. parafinbasis, 2. naftenbasis, 3. blandbasis. (Det hender også at man nevner en 4., asfaltbasis, men den blir mest brukt for fyringsoljer.) Under 1 finner vi oljer som mest inneholder åpne hydrokarbonkjeder. Den pennsylvanske jordoljen danner her hovedmassen. Nordsjøoljen er av denne typen. Under 2 finner vi mest forbindelser med lukkede karbon216

kjeder — aromater (benzenringer) eller naftener (femringer). Texas-oljen og de russisk-kaukasiske oljer er som regel av denne typen. Under 3 har vi oljer som fra naturens side inneholder om lag like deler av 1 og 2. Slike typer får vi fra jordoljen i Kansas, Columbia og ofte fra Irak og Iran.

Raffinering av olje. Etter destillasjonene må de fraksjonene som skal gå videre til smøreoljer, renses, fordi rester av asfalt, koks o. a. må fjernes. Dette blir gjort på to forskjel­ lige måter: 1. Svovelsyremetoden. 2. Løsnings- og ekstraksjonsmetoden. Den første er nok den som er mest brukt ennå, og en svært stor del av verdens svovelsyreproduksjon går med til dette formålet. Oljen blir «vasket» med svovelsyre samtidig som det blir blåst luft igjennom. Forurensningene skilles da ut og faller til bunns så de kan tappes av. Deretter må oljen nøytraliseres med soda og vaskes med vann før den blir skilt fra igjen som ferdig smørolje. Den andre metoden går ut på å løse forurensningene i ett løsningsmiddel og oljen i et annet, og så skille de to løsningene fra hverandre. Skal vi kunne bedømme smøreoljen, må vi kjenne temmelig nøye til de forhold den skal brukes under — først og fremst trykk, temperatur og tilførselskanalens størrelse, muligheten for forurensning av oljen under bruken o. a. Det første vi som regel vil ha opplysning om, er oljens viskositet eller «tykkelsesgrad». Viskositeten varierer med temperaturen, og den blir oppgitt ved den eller den tem­ peratur.

Det er flere enheter for viskositet: Engler-grader (E°), Saybolt (S), Redwood (R) og Centistoke (cSt). Mye utbredt er også en grovere skala i SAE-nummer (Society of Automotive Engineers). Hvordan sammenhengen mellom disse enhetene er, ser vi av tabell T. 20 bak i boka. Viskositeten er ikke noe mål for oljens kvalitet; en kan for alle slags fabrikater få oljer av alle viskositetsgrader. Derimot er viskositetsindeksen et kvalitetsmål, selv om en må ta det med forbehold. Denne indeksen gir uttrykk for hvor mye oljens viskositet varierer med temperaturen. Variasjonen bør være minst mulig, og det svarer til at indeksen blir høyest mulig. Skalaen går som regel fra 0 til 100, sjelden over. 15. Salveson: Kjemi 2

217

Utenom viskositetsfaktorene er det en rekke fysisk-kjemiske forhold som bor bedømmes, og som kan spille inn i de enkelte tilfeller. En virkelig kvalitetsbedømmelse av smøreolje lar seg derfor ikke lett gjøre bare ved kortvarige laboratorieforsøk og målinger, og de praktiske erfaringer bør være det som teller i det lange løp. 32.3 Teknisk viktige alkoholer CH^CH^OH eller C2H5OH er formelen for det som i dagligtale kalles sprit. Det kjemiske navn er etanol. Den mest alminnelige måten å framstille den på er å la sukkerholdige produkter gjære. Skjematisk: C6H12O6 - 2C2H5OH + 2CO2 Når væsken får gjært så mye at alkoholkonsentrasjonen kom­ mer opp i vel 16%, vil gjæringen ikke kunne foregå lenger, da gjærcellene ikke kan virke i en høyere konsentrasjon av etanol. Skal en utvinne rein alkohol av denne væsken, må den de­ stilleres. Ved destillasjon vil det meste av vannet, som utgjør hovedparten av væsken, bli skilt fra alkoholen, fordi rein C2H5OH koker allerede ved 78,30 °C. Destillasjonen foregår teknisk i kolonneapparater, og en kom­ mer da fram til en råsprit som kan inneholde opp til om lag 95 volumprosent etanol. Den væsken som blir tilbake, kalles, hvis det er poteter som er gjært, drank. Den blir brukt som dyre­ for, fordi den inneholder næringsstoffer som eggehvitestoffer, stivelse og sukker. Kolonneapparatet likner på råolje-kolonnen, se fig. 32.3. Råspriten er ennå forurenset med noen fuseloljer, og de blir fjernet ved enda en destillasjon før en kommer fram til sluttproduktet — finsprit. Finsprit holder om lag 96 volum­ prosent C2H5OH og 4% vann. Fuseloljene, som også dannes under gjæringen, er sammen­ satt av flere høyere alkoholer, f. eks. normal-amylalkohol CHo • CH2 • CH2 • CH2 • OH. Disse alkoholene virker sterkere berusende enn vanlig etanol og har også andre skade­ lige og ubehagelige virkninger. De siste små restene av dem er svært vanskelige å fjerne ved destillasjon, og til og med finsprit vil ofte ikke være helt fri for fusel. «96'%». Selv om vi destillerer gjentatte ganger, vil vi aldri komme til større alkoholkonsentrasjon enn om lag 96%. Det kommer av at blandingen i dette forhold mellom vann og alkohol har et lavere kokepunkt enn den reine alkoholen.

218

Blandingen med 4% vann koker nemlig ved 78,15 °C, mens rein C2H5OH har kp. 78,30 °C. Skal de siste 4% vann fjernes, må det gjøres ved destillasjon sammen med et vanntiltrekkende middel, f. eks. kalk. Den absolutte alkohol — 100% — som framkommer da, er imidlertid så vanntiltrekkende at det ikke har noen praktisk interesse å lage den i stor målestokk. I vårt land var det for det meste poteter som ble forgjært til etanol i teknisk målestokk, inntil en for noen tiår siden begynte med å forgjære de karbohydrater som finnes i avfallsluten ved sulfittcellulosefabrikkene. Som nevnt under kalsium, løser for­ bindelsen Ca(HSO3)2 opp trestoffet (ligninet) i tre, men ikke cellulosen. Når cellulosen er skilt fra, vil avfallsluten med det opp­ løste lignin inneholde om lag 2% karbohydrater som kan forgjæres til etanol. Denne varen kalles sulfittsprit. Den fineste etanol får vi ved forgjæring av druer. All framstilling og destillering av alkohol her i landet er statskontrollert, og de kvanta som f. eks. våre større cellulose­ fabrikker kan få framstille pr. år, er fastsatt. I rein tilstand er etanol en fargeløs væske som har. en svak søtaktig lukt. Den brenner med gul flamme med blå kant. Fysiologisk virker den berusende, og i større doser er den dødelig. Dersom en dose på 27 gram blir sprøytet inn i blodet på en mann som veier 70 kg, vil døden inntreffe snart. Denne dosen svarer til en alkoholkonsentrasjon i blodet på vel 5°/00. Grunnen til at en i det hele tatt kan få i seg noen større mengder av alkohol, er at forbrenningen går svært fort, om lag 7 gram pr. time. Til og med forholdsvis små doser etanol virker sløvende på selvkritikken og på dømmeevnen om egne og andres prestasjoner.

Denaturert sprit. Etanol som skal nyttes til mange tekniske og halvtekniske formål, blir tilsatt illeluktende stoffer eller stoffer som smaker vondt, for at den ikke skal misbrukes. Noen varer blir også tilsatt spesiell farge. Av mer kjente denatureringsmidler er pyridin, røyksyre, benzen, petroleum, terpentin, kolokvint (fructus colocynthis) og metylisobutylketon. Metanol, CHfJH, den enkleste av alle alkoholer, blir — lik­ som etanol — nyttet som løsningsmiddel på en rekke tekniske områder, som brennstoff, som fortynningsmiddel osv. Metanol 219

er en langt farligere gift enn etanol, bl. a. fordi allerede små mengder (8—10 gram) fører til blindhet. Glyserol, eller glyserin, som den for ble kalt, er også en alko­ hol. Den inneholder tre OH-grupper og kalles derfor en trever­ dig alkohol. Formelen for den er CH.,OH • CHOH • CH.,OH. Den er en tyktflytende, vannklar væske uten noen særlig lukt. I naturen forekommer den i fettartene, bundet til de hoyere fettsyrer. Den kan framstilles av fett som blir spaltet ved oppheting med lut. Det dannes da såpe og glyserol. (Jfr. avsn. 16.6.) Fett er en ester av glyserol og hoyere fettsyrer, f. eks.: ^15 H31 C< fb

OH + H Gena

c15h31co OH + H OCH c15h31co OH + H OCH2

(C15H31COO)3 • C3H5 + 3H2O

palmitinsyre + glyserol -> ester -J- vann ' (fett)

Fettarter kan, når de er bygd opp på denne måten, også kalles glyserider. 32.4 Såper og syntetiske vaskemidler

Når en fettsort kokes med lut, skjer det en såkaltforsåpning. Det som skjer kjemisk, er at esteren (fettet) spaltes til glyserol og et salt av de høyere fettsyrer som fettet var bygd opp av. Holder vi oss til det samme eksemplet for fett som i forrige avsnitt, kan vi enkelt skrive likningen:

(C15H31COO)3 • C3H5 + 3NaOH = 3C15H31COONa + C3H5(OH)3 såpe glyserol

Fettet blir altså spaltet til såpe — som i dette tilfellet er natriumpalmitat — og glyserol. Når dette gjøres i stor målestokk i fabrikker, vil den massen som kommer ut (dvs. alt på høyre side i likningen), være seigtflytende og noenlunde klar i varm tilstand. Dette kalles i indu­ strien for såpelim. Om det er KOH som har vært brukt, vil såpelimet ikke stivne helt etter avkjøling; det er dannet grønnsåpe. Dette er den eneste «limsåpe» som er i handelen. Brukes NaOH som lut under kokingen, vil limsåpa stivne til en fast masse. Denne selges ikke, men går til viderebehand­ ling til fast toalettsåpe eller såpepulver. Behandlingen består 220

Fig. 32.6. Fra DeNoFa — Lilleborgs «blåsetårn» for vaskepul­ ver.

i en prosess som kalles utsalting. En blander såpelimet med NaCl mens det ennå er varmt og flytende. Dermed skiller hele massen seg i to deler. Det flyter opp en kornet fast masse som kalles kjernen, og under den er det en vannløsning som kalles underluten. Den såpa en får ut av dette topplaget, kalles kjernesåpe. Den kan igjen renses ved en ny utsaltingsprosess inn­ til en får det produktet en vil ha. Underluten inneholder, foruten vann, salt og forurensnin­ ger, den glyserolen som ble avspaltet under forsåpningsprosessen. Glyserolen blir utvunnet av luten ved destillasjon, og er et viktig biprodukt for fabrikanten. Ved såpepulverproduksjon blir såpa blandet med bestemte kjemikalier som fosfater og natriumsalter av borsyre og kisel­ syre, slik at pulveret skal få en enda bedre vaskeeffekt enn den første kjernesåpa. Deretter sprøytes blandingsmassen ut gjen-

221

Fig. 32.7. Såpemolekyl med hyd­ rofil og hydrofob ende.

0

Hydrofob ende

oHydrofil ende

nom en fin dyse i et høyt tårn i en motstrøm av varm luft. Det faller ned som små lette korn i bunnen, og går derfra på et samlebånd til parfymering og pakking. Se figur 32.6. Såpas virkning som løsningsmiddel for smuss og fettpartikler beror mest på følgende forhold: Betrakter vi såpemolekylet som C15H31COONa, vil dette molekylet bestå av en lang hydrokarbonkjede med en ionebinding mellom COO- og Na+ i den andre enden.

Med andre ord har den lange kjeden én sterkt polar ende og er upolar i den andre enden. Den negative enden er hydrofil (dvs. glad i vann), mens den andre enden er hydro­ fob (dvs. redd for vann, vannavstøtende). Figur ,32.7 viser hvordan en tenker seg såpemolekylet. At en polar ende av et molekyl tiltrekkes av vann (hydrofil), henger naturligvis sammen med vannets sterke dipolnatur. Den er omtalt i tidligere kapitler. (Jfr. avsn. 3.7.)

Såpemolekylene vil omringe fett- og smusspartikler med sin upolare ende og vende sin polare ende mot vannløsningen som vi vasker med. Dermed vil smusspartikler bli «fuktet» og revet ut i vannet, og de kan skylles vekk. Vi sier også at såpa «løser opp» fett og smuss. Den største mangel ved slike vanlige såper er at de ikke virker i såkalt hardt vann. I slikt vann vil kalsiumioner eller magnesiumioner innta den plassen som natriumionene har i såpa. Det dannes da rett og slett et bunnfall av f. eks. kalsiumpalmitat, eller kalksåpe, som vi kaller det. Dette hvite be­ legget vil fortsette å danne seg i vaskeprosessen inntil alt inn­ hold av kalsiumioner i det harde vannet er borte. Blant annet av denne grunn var det et stort framskritt da en kom fram til de såkalte: Syntetiske vaskemidler. Prinsippet for slike vaskemidler er i realiteten det samme som vi har forklart for såper. De består av lange hydrokarbonkjeder med en sterkt polar ende. Et eksempel på en slik forbindelse er den som er nevnt i avsn. 16.6. 222

Vi kan i prinsippet skrive formlene for syntetiske vaskemidler slik: R - Ar — SO3Na R - O — SO3Na (Jfr. avsn. 16.6.) Den første formelen er avledet av en sulfonsyre (dannet av R — ArH og H2SO4). Den andre formelen er avledet av en ester mellom en alifatisk alkohol, R — OH, og H2SO4. De forskjellige typer vaskepulver som er på markedet i Norge og andre land, har i mange år vært tilsatt forskjellige fosfater og også borater. Enkelte vaskemidler blir også tilsatt enzymer. Det har først og fremst vært såkalte proteolytiske enzymer (eggehvitespaltende). Grunnen til at en kan ha fordel av det i vaskemidler, er at flekker av proteiner ofte er meget vanskelige å fjerne med andre slags midler. Enzymene, derimot, vil spalte proteinene slik at de lar seg fjerne. Fosfater, f. eks. Na3PO4, har i mange år vært et utbredt vaskemiddel for melkekar o. 1. i meieriindustrien. Det har i de seinere år blitt noe upopulært med fosfater i vanlige vaskemidler, fordi fosfatene blir skylt ut i kloakkvannet og gir god næring til organismer som alger i elver og vann. * En bruker ofte navnene fettoljer eller fete oljer for å unngå forveks­ ling med mineraloljer.

32.5 *Fettoljer og malingsprodukter etc. Oljer kalles gjerne de flytende fettarter. Kjemisk sett er forskjellen mellom fast fett og oljer oftest den at i oljene er fettsyra mer eller mindre umettet. Jo flere dobbeltbindinger den har, desto mer umettet er den.

Som nevnt, kan vi mette dobbeltbindingene ved hydrogenbehandling (fettherding, se avsn. 16.6). Vi skiller mellom animalske fettarter som smørfett, smult og talg, marine oljer som hval- og sildolje, og vegetabilske fett­ arter som palmeolje, olivenolje, linolje, rapsolje, soyaolje, kokosolje etc. Alle disse fettartene er glyserider. Det er den syra som inngår i esteren, som er forskjellig for hver type olje. De aller fleste av slike naturlig forekommende fettarter inneholder også flere enn én type syre, dvs. vi har blandede glyserider. Linoljen får en ved å presse linfrø. Denne oljen er kjent for at den tørker forholdsvis hurtig i luft. Dette skyldes at den ok­ syderes i lufta. De to viktigste syrene i linolje er linolsyre og linolensyre. (Se formel avsn. 16.5.) De har henholdsvis to og tre dobbeltbindinger. Rå linolje som kommer direkte fra frøpressingen, bruker relativt lang tid på å tørke (størkne). 223

Fig. 32.8. Destillasjonstårn for høyere fettsyrer ved Jahres Fa­ brikker, Sandefjord.

Koker en rå linolje, vil den etterpå tørke hurtigere. En kan også tilsette katalysatorer, såkalte sikkativer, for tørkingsprosessen. (Det er oftest mangan- eller koboltsalter.) Kokt linolje behandlet med sikkativer (se side 191) er den mest vanlige malerolje. I Norge må vi innføre det meste av vegetabilske oljer, enten som uraffinert olje eller i form av frø som olje kan presses ut av. Slike oljepresserier eller oljemøller har vi hatt i Norge siden omkring 1830. Mange av disse oljene blir gjort om fra fly­ tende til fast spisefett ved hjelp av en fettherdingsprosess. (Se avsn. 16.6.) A/S Denofa og Lilleborg fabrikker er de største produsenter av vegetabilske oljer i Norge. De animalske oljer som har størst interesse for Norge, er marine oljer. Det er hvalolje og sildolje som i første rekke gir råvarene. Jahres fabrikker i Sandefjord har vært og er en fore­ gangsbedrift på dette området. Fra denne fabrikken leveres nær sagt alle tenkelige produkter fra marine oljer med fettsyrekjeder fra 8 til 22 karbonatomer. I et spesialkonstruert destillasjonsanlegg foretar en fraksjonert destillasjon av rå­ varene under forminsket trykk. Fabrikken har en årsproduk­ sjon av slike produkter på vel 25 000 tonn. I tillegg kommer en rekke andre varer, som sulfonerte oljer og fettsyre-estere av mange slag. Disse produktene selges i Norge og på verdensmarkedet til bruk i bl. a. farmasi, kosmetikkindustri, lærindustri og vaskemiddelindustri. Om lag 75% av fabrikkens produksjon går til eksport. Maling og lakkproduksjon har i de siste tiår gjennomgått en rivende utvikling. Blant annet har det skjedd i takt med den utvikling som har funnet sted på de områdene av organisk kjemi som har med polymerisering å gjøre. Vi snakker i dag om kunstharpiks, polyester, alkydmalin­ ger, plastmalinger osv. som dagligdagse ting. Fra et kjemisk

224

synspunkt er mange av disse stoffene uhyre kompliserte og heller ikke helt veldefinerte. Blant de viktigste av slike syntetiske harpikser (eller kunstharpikser) kan nevnes: Fenolaldehydharpikser er den eldste typen. De fikk sin første praktiske nytte omkring 1910, da Baekeland framstilte det første produktet, som fikk navnet bakelitt.

Slike forbindelser kan deretter ved oppvarming polymeriseres (se avsn. 14.10) slik at det oppstår store enheter med komplisert struktur. Fenolharpiksene brukes i store mengder i maling- og lakkindustrien og i plastindustrien. Alkydharpikser kommer som en god nummer to i produksjonskvantum. Ordet alkyd brukes som en slags fellesbeteg­ nelse for estere vesentlig av to- eller flerverdige syrer og toeller flerverdige alkoholer. De mest vanlige syrer i denne for­ bindelse er maleinsyre, ravsyrc og ftalsyre, og de mest vanlige alkoholer er glykol og glyserol. For å danne slike estere, er det mest hensiktsmessig å bruke syrenes anhydrider. Eksempel: Ftalsyreanhydrid og glykol reagerer på denne måten: O

foj C^O + hoch2

•

ch2oh

[ZZoYCOOH cooch2 ■ ch2oh

o

Forbindelsen til høyre kan så gå inn i en polymeriseringsprosess og gi lange kjeder av forbindelser, en fenolalkydharpiks. Enda mer produsert cr den alkydharpiksen som dannes av to molekyler ftalsyreanhydrid og ett molekyl glyserol: O Zv C\

.O + HO • CH2CHOH • CH.OH

2 0 ' v/' C /

hooc\A

ZO/COOH

lol lo \Z cooch2chohch2ch2ooc/\/ Alkyd

225

Som en ser av formelen til høyre, har ikke den midterste hydroksylgruppen i glyserolmolekylet reagert. Som i det første eksemplet kan også dette molekylet danne lange kjeder ved polymerisasjon. Men i denne forbindelsen kommer det fram en egenskap til for polymerisasjonsproduktet, nemlig at det ved oppvarming går over til en fast og ulø­ selig masse. Dette skyldes sannsynligvis at en får flere lange kjeder ved siden av hverandre, og disse bindes med tverrbindinger ved reaksjon mellom den ledige hydroksylgruppen i glyserolen og en karboksylgruppe i en nabokjede. Ved bin­ dingen frigis H2O. (Reaksjonen er altså egentlig en kondensasjon. Se under nylon i slutten på avsnitt 32.6.) Figuren viser prinsippet:

01

IC

Kjede 1.

Z~COOCH2CH ■ CH.OOC7

Kjede 2. \/AcOOCH2 • CH • CH2OOC^\/

HOOC/X X/^COOCH, • CH • CH2OOC A/

Kjede 3.

(!h Utenom fenol brukes mange andre stoffer som utgangsmateriale for serier av kunstharpikser. Vi kan bare nevne en del ved navn: urea-formaldehydharpikser, vinylharpikser, akrylharpikser og styrenharpikser. En skiller ofte mellom mettede og umettede polyestere når det gjelder kjemiske egenskaper ved stoffene som inngår i dem. Når det gjelder mer mekaniske egenskaper, skiller en mellom termoplast- og herdeplastprodukter. Termoplast har den

226

egenskapen at den blir myk og plastisk ved oppvarming. Et produkt av dette materialet kan altså lett bearbeides til et annet produkt. Et produkt av herdeplast får derimot en permanent form ved framstillingen. Herdeplasten blir ikke myk ved oppvarming, og et ferdig produkt kan bare bear­ beides ved f. eks. saging og boring.

32.6 Naturlige og syntetiske fibrer Animalskefibrer. De viktigste er utvilsomt ull og silke. Kjemisk sett er begge disse proteiner. Hovedproteinet i ull er keratin, et stoff som også finnes i hår og negler. Sammensetningen av keratin, som av de fleste andre proteiner, er meget komplisert. I silke er proteinet fibroin det viktigste. Fibrene i både ull og silke består av lange kjeder av disse proteinmolekylene. I naturlig tilstand vil det finnes innslag også av andre proteiner og av andre stoffer. Dette bidrar derfor til at de forskjellige ull- og silkekvaliteter ikke er helt like.

Vegetabilske fibrer er det flere av. Viktigst er bomull, lin og hamp. De vegetabilske fibrene er bygd opp av cellulosemolekyler. Måten disse er knyttet sammen i kjeder på og hvilke enheter som inngår i cellulosemolekylene, bidrar til at det er forskjell på for eksempel lin og bomull. Cellulose er et stoff som bygges opp i alle planter og trær. Celleveggene i unge planter består nesten bare av cellulose, men i eldre planter og trær blir den omdannet til forskjellige andre stoffer. Vi sier at planten blir «forvedet». Det dannes da for det meste lignin, hemicellulose, harpiks og voks. I tørket tre vil det likevel være om lag 50% cellulose. Formelen er ikke kjent i sin helhet, men vi skriver den slik: (C6H10O5)x, der x er en ukjent. Det er blitt målt formelvekter på cellulose på over 1 million.

Den viktigste bruk av cellulosen er i papirfabrikasjonen. Papir blir laget av cellulose og tremasse. Jo finere papirkvali­ tet, desto mer cellulose er det i blandingen. Vanlig avispapir inneholder om lag 20% cellulose, mens finere kvaliteter av papir har celluloseinnhold på 50—60% og mer. Tynne papirlommetørklær eller filtrerpapir, for eksempel, er rein cellulose. En rekke andre viktige stoffer har også cellulose som utgangsmateriale. Vi nevner kunstsilke, rayon, skytebomull, celluloid, celluloselakker, kollodium og cellofan.

227

Fig. 32.9. Prinsippet for kunstsilkeframstilling.

Kunstsilke blir framstilt av cellulose, for det meste etter tre forskjellige metoder:

1. Viskosesilke utgjør mer enn 50% av all handelsvare av kunstsilke. Den blir framstilt ved at cellulose fra tre blir behand­ let med en 18% NaOH-løsning, og deretter med karbondisulfid — CS2. Det framkommer et rødbrunt stoff, cellulosexantogenat. Med luft gir det en seig løsning, viskose, som så blir presset ut gjennom fine dyser i et syrebad. Se fig. 32.9. Det dannes fine tråder, som blir spolt opp, vasket, tørket og farget. Etter denne metoden blir kunstsilke framstilt her i landet.

2. Kobbersilke blir for det meste framstilt av cellulose fra bomullsrester. De blir behandlet med en kompleks kobberammoniakkforbindelse (se under kobber side 171), og løser seg til en viskøs væske som blir presset ut i et syrebad og be­ arbeidet videre omtrent som viskosesilke. Den er den dyreste kunstsilke typen. 3. Acetatsilke blir også framstilt av bomullsrester eller cellu­ lose, men behandlingen skjer her med eddiksyre-anhydrid. Det dannes da acetatcellulose, som så igjen løses i en blan­ ding av 80% aceton, 16% alkohol og 4% vann til en viskøs væske som kan presses ut til fine tråder. ch3cooh

ch3cooh 2 mol eddiksyre

228

- H2O

ch3cox 'o ch3ccf 1 mol eddiksyreanhydrid

Mens de to første silketypene lages ved at en luser opp cel­ lulosen og deretter gjenvinner den fra løsningen, er den tredje type annerledes. Acetatsilketypene, rayon, som de ofte kalles, er reaksjonsprodukter mellom cellulose og eddiksyreanhydrid. Det celluloseacetat som dannes er et helt annet stoff enn den cellulosen vi opprinnelig gikk ut fra. Nylon er et velkjent syntetisk fibermateriale. Det er et pro­ dukt som ikke har noe med cellulose å gjøre. Det lages full­ stendig syntetisk. Det finnes flere typer, alt etter valget av utgangsmaterialer. I prinsippet er det en reaksjon mellom en dikarboksylsyre og et diamin, slik at det blir en binding mel­ lom aminleddet og karboksylsyra som ligner på den peptidbindingen vi har i proteiner. Skjematisk kan vi skrive :

HOOC • R • CO|OH +

h| -

NH • RT • NH2

HOOC • R • CO • NH • Rx • NH, + H2O Første ledd

Deretter reagerer amin-enden i første ledd med et nytt karboksylsyreledd, og slik vil det annenhver gang bli aminledd og karboksylsyreledd i lange kjeder. Slike reaksjoner hvor molekyler knyttes sammen ved vannavspaltning, kalles kondensasjoner. (Ved kondensasjoner kan også andre lavmolekylære forbindelser enn vann spaltes av. Eksempler er ammoniakk og hydrogenhalogenid.)

Vi kan si at vi i plastkjemi og syntetisk kjemi skiller mellom polymerisasjon ved addisjon og ved kondensasjon. Begge prosesser kan føre til lange kjeder eller store grupper av molekyler med molekylvekter opp i flere hundre tusen. Vi har også blandinger av de to typene. 32.7 Kautsjuk, eller naturgummi

Kautsjuk er et produkt som finnes i melkesafta hos visse trær i Sør-Amerika. Tresortene ble i 1870-årene spredt til andre verdensdeler også, særlig til Ceylon og Øst-India. Safta, som blir tappet direkte av trærne, er en grågul, tyntflytende væske som kalles lateks. Kautsjuken ligger fordelt i denne safta om­ trent som fettdråper i melk. — Når det blir satt en syre, f. eks. eddiksyre, til lateksen, samles kautsjukdråpene (koa­ gulerer) og flyter opp på toppen av væsken. Denne «fløten» kan så «skummes av», den blir overført til valseverk, der den blir presset fri for saft og blir ferdig som rågummi.

229

Rågummien blir deretter som regel sendt til fabrikker for vulkanisering, for at den skal bli bedre skikket til praktisk bruk. (Se under svovel, side 128.) — Kjemisk sett er kautsjuk et hydrokarbon med formel (C5H8)X. Forbindelsen C5H8 kalles isopren. Det er en væske som kan framstilles av acetylen.

CH2 = C - CH = CH2 ch3

isopren Det har lykkes å få dette molekylet til å «fot mere seg», eller polymerisere, sojn det kalles. På den måten har en kom­ met fram til kautsjuk på syntetisk vei, men denne typen har ingen praktisk interesse på grunn av prisen. Emulsjoner. Av to (eller flere) flytende stoffer som. ikke blander seg med hverandre, kan vi framstille en emulsjon. Den blir laget f. eks. av olje og vann hvis det under intens røring blir satt små porsjoner av det ene til det andre. Mikroskopiske oljedråper vil da kunne finfordeles rundt om i vannet slik at vi til slutt får en melkeaktig hvit væske — en emulsjon av Fig. 32.10. Tapping av lateks.

230

vann og olje. Etter hvilket reagens det er mest av skiller vi mellom vann i o/Je-emulsjoner (forkortet: v/o) og olje i wznn-emulsjoner (o/v). Vanlig smør er et godt eksempel på en v/o-emulsjon. Det er vanligvis 12 — 15% vann finfordelt i fettet. Vanlig melk er et eksempel på en emulsjon. Fett er der blitt emulgert fra naturens side i melk. Når den står en tid, vil emulsjonen ikke holde lenger, og de finfordelte små fettpartiklene samler seg og flyter opp som fløte. Lateks fra gummiplantene er en emulsjon av tresafta og gummipartiklene. I denne emulsjonen får vi de finfordelte partikler til å samle seg ved oppvarming eller ved tilsetting av en syre.

Syntetisk gummi

Syntetisk gummi som kommer i handelen, er for det meste la­ get med de organiske stoffene butadien (CH2 = CH — CH = CH2), styren (C6H5CH = CH2) eller kloropren, CH2 = C(C1) —HC = CH2 som utgangsmaterialer. Polymerisasjon av ett av disse stoffene, eller av kombina­ sjoner av flere, gir mange viktige handelsvarer. Syntetiske gummiprodukter har andre egenskaper enn naturlig kautsjuk. Til mange formål er de syntetiske produk­ tene bedre, til noen formål er de dårligere. Visse blandinger mellom de to typer har også gode egenskaper som blir nyttet i dagliglivet. Av de gummiprodukter som nå kommer i handelen, kan vi regne med at vel 50% er syntetiske. Særlig viktig er bruken til slitebaner på bildekk.

Spørsmål og oppgaver

1. Hva menes med en forkoksingsprosess ? 2. Hva er forskjellen på brunkull og antrasitt? 3. Forklar prinsippet som brukes når man fra jordolje ut­ vinner bensin- og oljekvaliteter. 4. Hvor får vi asfalt fra — jordolje eller steinkull ? 5. Hva menes med en forgjæringsprosess ? Skriv likning. 6. Hva er et glyserid ? 7. Forklar hvordan vanlig fast såpe kan framstilles. Gjør rede for uttrykkene såpelim, kjernesåpe og utsalting. 8. Hva menes med at et molekyl har en hydrofob og en hydrofil ende? Hvilken betydning har dette for vaske­ midler? 9. Hva er et sikkativ? 10. Hva menes med marine oljer?

232

11. Skriv formelen for en høyere fettsyre med 12 C-atomer. 12. Nevn et eksempel på en polymerisasjonsprosess. 13. Gjør kort rede for de tre produksjonsmåtene for kunstsilke som er nevnt i boka.

14. Skriv formelen for en monomer (jfr. avsn. 14.10) i fram­ stillingen av syntetisk kautsjuk.

Forsøk og demonstrasjoner

1. Vis fram en del prøver på steinkull, brunkull, koks og steinkulltjære. 2. Vis forkulling av tre og tjæredannelse.

3. Vis fram en del prøver på jordolje i rå tilstand og en del av destillasjonsproduktene fra olje. (Oljeselskapene vil sannsynligvis kunne skaffe prøver.)

4. Vis filmer som behandler jordolje og produktene av den.

5. Vis en enkel såpe og et enkelt syntetisk vaskemiddel. Jamfør virkningen av dem i hardt vann.

6. Vis en del prøver på malingprodukter laget på forskjellig basis. (Malingprodusenter vil sannsynligvis kunne gi prøver med beskrivelser og forklaring.) 7. Vis en del prøver på ull, lin, bomull, silke, kunstsilke, rayon, orlon etc. Gjør noen enkle prøver, og se hvordan de brenner eller smelter i varmen fra en fyrstikk. 8. Vis prøver på rågummi og forskjellige slag behandlet gummi, fra viskelær til ebonitt. Jfr. avsnitt 26 3. Vis også prøver på syntetisk gummi.

9. Syntese av nylon. Bland om lag 4 g adipinsyre med 2 g heksametylendiamin i et reagensglass. (Varm først opp heksametylendiaminet i vannbad til det smelter ved ca. 40 °C. Bland så adipinsyra oppi etter hvert.) Varm det opp i et oljebad til en temperatur på 220 °C i om lag 20 minutter. Øk deretter temperaturen til 250 °C og hold den der. Med en glasstav kan en vise at stoffet som er dannet (nylon) lar seg trekke opp i fine tråder. Adipinsyre er heksandisyre:

CH2CH2COOH I

CH2CH2COOH Heksametylendiamin er: H2N — (CH2)6 — NH2 16. Salveson: Kjemi 2

233

Reaksjonen er sammenbinding under vannavspalting, samt en polymerisasjon:

n[HOOC (CH2)4 COOH] + n[H2N —(CH2)6 —NH2] -> [HOOC (CH2)4 C NH ~(CH2)6 NIL...]n

+ nH2O Legg merke til at bindingen mellom leddene er peptidbinding. NB: Til oljebad brukes en smøreolje med høyt kokepunkt. Vanlig gearolje for biler er bra.

10. Aminoplast. Katalytisk kondensasjon og polymerisasjon. Ta ca. 10 ml formalinløsning (40%) i et reagensglass og løs opp ca. 3 g urea i glasset. Varm opp i brennerflammen og tilsett en dråpe eller to med konsentrert saltsyre (HC1) fra en dråpepipette. Bland raskt med en tynn glasstav. Det blir en kraftig reaksjon, og et fast stoff dannes. Det er lite løselig og lar seg heller ikke smelte ut av glasset igjen. Reaksjonen kan skrives slik:

aminoplast Henvisning: Se Salveson: Laboratorieforsøk i kjemi, forsøk nr. 40, 42, 46 og 47.

234

Protein

Péptid-binding

-C-N-C ii i

%°H Vitaminer

Noen viktige biokjemiske stoffer

0^ °n$r

Innledning

I vår tid oversvømmes vi av uttrykk og begreper fra nær sagt alle fagområder. Aviser, tidsskrifter, ukeblader, TV og radio sprer om seg med en stor mengde fagbegreper som egentlig hører hjemme i spesialistenes verden. Dessverre er det ikke alltid mulig for de samme media å følge opp hvert begrep med tilstrekkelige forklaringer på hva som ligger i dem. Likevel vil mange slike begreper gå inn i vår dagligtale og etter hvert bli brukt som om de var ord hvis innhold vi fullt ut forstår. Innenfor det felt vi skal behandle her, kan vi bare nevne ord som vitamin, hormon, kolesterol, protein, ord som daglig blir brukt av nesten enhver, men som de færreste har noen forstå­ else av. Forfatteren har ment at selv i en lærebok i generell kjemi har man en viss forpliktelse til å bidra med en del oppklaringer på dette området, fordi en lærebok også alltid vil ha en viss nytte som oppslagsbok for dem som har brukt den. Kap. 33 må ses ut fra dette, og må ikke betraktes som et forsøk på å gi en «innføring i biokjemi». Dersom kap. 33 skulle betraktes som en innføring i biokjemi, måtte leseren ha langt grundigere forkunnskaper enn vi kan regne med. 33.1 Karbohydrater

Fig. 33.1. Emil Fischei, 1852 — 1919. Tysk professor i kjemi. En av de mest berømte forskere innen organisk kjemi med bety­ delige arbeider innen sukkerkjemi, enzymkjemi, fargestoffkjemi etc. Nobelprisen i kjemi i 1902.

I denne gruppen finner vi stoffer som i dagliglivet kalles sukkerarter, stivelse, cellulose og glykogen. Karbohydrater i en eller annen form er helt nødvendige næringsmidler for men­ nesker og også for de fleste dyr. Den kjemiske sammensetning av karbohydratene er for­ holdsvis godt kjent, iallfall for dem som har lavere molekylvekter. De med høyere molekylvekt, som cellulose, består av lange kjeder av enkeltenheter. Studiet av disse store mole­ kylene har bidratt mye til kjennskapet av molekylkjeder i andre deler av kjemien, som biokjemi og plastkjemi. De grunnleggende arbeider i sukkerkjemien ble gjort av den kjente tyske organiske kjemiker Emil Fischer i slutten av forrige århundre. Framtredende vitenskapsmenn fra mange 235

land har bidratt til utviklingen av karbohydratkjemien. Vi kan nevne navn som Rosanoff, Votocek, Tollens og ikke minst den engelske kjemiker Walther Norman Haworth, som i 1930-årene foreslo de ringformler som vi bruker i dag. Karbohydratene er heterosykliske forbindelser; de danner ringer med oksygen i ved siden av karbon. Etter antallet karbonatomer som inngår i ringen, kan vi skille mellom to hovedtyper: 1. Furanoser 2. Pyranoser De to hovedgruppene har fått navn etter de enkleste hetero­ sykliske forbindelsene som karbohydratene kan tenkes å være avledet av, nemlig: O

O

/ 1 \

/ 1 \

HC5

2CH

HC4

3CH

og

HC6

2CH

HC5

3CH

II

\4 /

Furan

h2 Pyran

Endelsen -ose er internasjonalt brukt på de enkelte karbo­ hydrater. (Eks.: Fruktose, glukose, mannose, cellulose.) Ut fra disse to grunnfigurene kan vi avlede enkle karbo­ hydrater ved å åpne dobbeltbindingene og innføre OHgrupper og å sette på en sidekjede med ett eller to karbon­ atomer og med hydroksylgrupper i sidekjeden. Vi tegner ringene perspektivisk for lettere å vise strukturen: Avledet av furan, med sumformel C6H12O6 hoh2c

oh

OH H beta-D-fruktose

236

alfa-D-fruktose som furanderivater kalles de:

bcta-D-fruktofuranose

alfa-D-fruktofuranose

Avledet av pyran: 6

ch2oh

H OH /?-D-glukose ch2oh I

a-D-glukose Sumformel for begge (alfa-D-glukose og beta-D-glukose) blir: CgH12O6. Ser vi på disse sukkerformlene som pyranderivater blir navnene henholdsvis: alfa- og beta-D-glukopyranose. Etter antallet av slike (eller lignende) ringer i karbohydratets struktur kan vi videre dele dem slik: 237

I. Monosakkarider (1 ring). Eks.: Glukose, mannose, galaktose, fruktose. II. Disakkarider (2 ringer knyttet sammen). Eks.: Vanlig rørsukker (sukrose), melkesukker (laktose) og maltsukker (maltose). III. Polysakkarider (et stort antall ringer knyttet sammen). Eks.: Stivelse, cellulose og glykogen.

Vi ser av de formler som er satt opp, at karbohydratene kan betraktes som flerverdige alkoholer. Men det viser seg at de også har kjemiske egenskaper som tilsvarer enten aldehyder eller ketoner. For monosakkaridene må vi derfor vente å finne igjen egenskaper som tilsvarer det vi har for: 1. for alkoholer, 2. aldehyder og 3. ketoner.

Av norske vitenskapsmenn som spesielt har ofret seg for «sukkerkjemien», må nevnes Endre Berner. Han var i en årrekke knyttet til Universitetet i Oslo som pro­ fessor i organisk kjemi.

Av de ringformlene som er satt opp, ser vi at karbohydra­ tene vil inneholde fire eller fem asymmetriske karbonatomer. (Se avsn. 16.7.) Vi må derfor vente å finne forskjellig dreiningsevne for polarisert lys for de forskjellige karbohydrater. Se fig. 16.2. Dette bekreftes også ved forsøk, og det viser seg at dreiningen av polarisert lys er så spesifikk for mange av disse sukkerartene at de kan bestemmes kvantitativt ved hjelp av sin dreiningsevne. Tabell 33.1 viser noen tall for målinger. Dreiningsevne måles i et apparat som kalles et polarimeter.

Tabell 33.1. Spesifikk dreiningsevne (av polarisert natriumlys), målt ved 20 °C i 1 —5% vannløsninger av sukkerartene. Dreiningsvinkel: Glukose (alfa-beta-D) vanlig blanding............... + 52,7° Galaktose .............................................................. + 83,9° Rørsukker (sukrose) ............................................ + 66,5° Maltose................................................................. +138,5° Fruktose ............................................................... — 92,4° Aldehyd- og keton-reaksjoner At sakkaridene også kan være aldehyder eller ketoner, framgår ikke tydelig av de såkalte Haworths ringformler. For å se disse egenskapene er det nødvendig å bruke de eldre skrive­ måter for formlene (Fischers formler), som i stor utstrekning brukes ennå. 238

Vi deler også karbohydratene inn etter antall karbonatomer i formelen * Med fem karbonatomer kalles stoffet en pentose. Med seks karbonatomer har vi en heksose, etc. For hver av disse gruppene har vi da igjen:

Pentoser Aldopentoser Ketopentoser

(med aldehydgruppe) (med ketogruppe)

Heksoser Aldoheksoser Ketoheksoser

Etter Fischers skrivemåte får vi følgende eksempler:

CHOj Aldehydgruppe “I H-C-OH HO-C-H

CH2OH C = O| Ketogruppe

HO-C-H

H-C-OH

H-C-OH

H-C-OH

H-C-OH

CH2OH

CH2OH

Glukose ( + ) En aldoheksose

Fruktose (—) En ketoheksose

• Aldehydgruppene og ketogruppene kan påvises for eksempel ved Tollens reagens, hvor gruppenes evne til å redusere en kompleks løsning av sølvioner til metallisk sølv brukes som prøve. (Jfr. kap. 16, forsøk 4.) [Se også reaksjon med Fehlings væske.] Tollens reagens, [Ag(NH3)2] + , påvirkes egentlig bare av aldehydgrupper, ikke av vanlige ketogrupper. Men i mange sukkerarter som er ketoser, blir ketogruppen aktivisert av en nærstående OH-gruppe. Dette kan føre til at også ketoser vil kunne redusere Tollens reagens til fritt metallisk sølv. En rekke forhold bidrar til å gjøre karbohydratkjemien komplisert, også for de enkleste karbohydrater. Vi nøyer oss derfor her med å gi et inntrykk av hovedtrekkene. Disakkaridene består altså av to monosakkarid-ringer. Disse kan være helt like eller ulike, og det er dette som bidrar til å * Det har også vært foreslått å legge antall oksygenatomer til grunn for navnene heksose og pentose, slik at fem oksygenatomer gir pentoser og seks oksygenatomer gir heksoser. Resultatet blir i de fleste tilfeller det samme som om vi bruker antall karbonatomer.

239

gi forskjell mellom for eksempel rørsukker og melkesukker. Med de moderne formler kan vi for melkesukker (laktose) og rørsukker (sukrose) skrive:

CH2OH Laktose (galaktosedel) (glukosedel) Melkesukker (laktose) består en enhet galaktose (til venstre), og en enhet glukose (til høyre). De to ringforbindelser blir bundet sammen via en oksygenbro. Rørsukker (sukrose), vanlig sukker, består av en glukoseenhet til venstre og en fruktose-enhet til høyre. Vi ser her at det er en sammenbinding av en pyranose og en furanose. ch2oh

H

(glukosedel)

OH

OH

H

Sukrose (vanlig sukker) (fruktosedel)

Hydrolyse Om slike disakkarider og også polysakkarider kokes i noen tid, for eksempel med tynn syre, vil bindingen mellom en­ hetene i oksygenbrua bli revet opp. De enhetene som karbo­ hydratet da er bygd opp av, vil frigjøres og reagere hver for seg. Vi sier at vi hydrolyserer karbohydratet.

Det er ved hjelp av slike hydrolyser at en har funnet fram til de enkelte enheter som bygger opp disakkarider og poly­ sakkarider. Vi ser at formelen for rørsukker ovenfor ikke inneholder noen aldehyd- eller ketogruppe. Rørsukker kan derfor ikke redusere Tollens reagens eller Fehlings væske. Om en imid­ lertid koker rørsukker med litt tynn saltsyre i 5—10 minutter, vil bindingen mellom de to monosakkaridene bli brutt. Det

240

dannes invertsukker som består av glukose og fruktose i blan­ ding. Denne løsningen vil da kunne redusere Fehlings og Tollens reagenser. Polysakkarider som stivelse, cellulose og glykogen er bygd opp av lange kjeder av slike kombinasjoner som disakkaridene vi­ ser. Den viktigste byggestein i dem alle er utvilsomt glu­ kosen, men det kan også inngå små mengder av andre enheter. Måten kjedene er knyttet sammen på, lengden av kjedene og de forskjellige enhetene, gjør at de ferdige karbohydrater blir forskjellige. En mener også at det kan påvises tverrbindinger mellom de lange kjedene. De aller fleste naturlige polysakkarider vil også kunne danne forbindelser med fosforsyre og en del fettsyrer, men en vet ikke sikkert hvordan strukturen for slike forbindelser er. CH2OH

H

OH

H

CH2OH

CH2OH

OH

H

OH

Cellulosekjede.

33.2 Proteiner

De fleste proteiner er meget kompliserte og sammensatte stoffer. I sin enkleste form kan en si at de er dannet ved kondensasjon av forskjellige aminosyrer gjennom den typiske peptidbindingen. (Jfr. avsn. 16.8.) Men i de aller fleste proteiner er dette bare en del av molekylstrukturen, mens andre deler av den kan ha en annen sammensetning. Vi kan klassifisere proteinene i to store grupper: A. Enkle proteiner. Disse vil ved hydrolyse bli delt opp i reine aminosyrer eller derivater av aminosyrer. Eksempler: eggalbumin (eggehvite), blodserumglobuliner, planteproteiner.

B. Sammensatte proteiner. Disse vil ved hydrolyse dele seg opp dels i aminosyrer og dels i forskjellige ikke-proteinmolekyler. (Ikkeproteindelen kalles en prostetisk gruppe. Den kan være karbohydrater eller andre organiske forbindelser.) Eksempler: nukleo-proteiner, fosforproteiner, glykoproteiner, hemoglobin. (Se avsnittene 33.4 og 33.5.)

241

En viktig del av den kjemiske forskning på proteinområdet består i å finne ut rekkefølgen av de forskjellige aminosyrer i proteinkjeden. Den andre viktige delen av forskningen er konsentrert om hvordan polypeptidene står i romlig hense­ ende, og hvordan de er knyttet sammen med tverrbindinger. Proteinene er likesom polysakkaridene molekyler med meget stor molekylvekt. De kan også delvis skilles fra hverandre på grunnlag av forskjeller i molekylvekt. Til dette bruk er det utviklet store ultrasentrifuger. De kan dreie så hurtig at akselerasjonen inne i sentrifugeglassene blir det mangedob­ belte av tyngdens akselerasjon (30 g, 100 g, osv.). Under på­ virkning av slike krefter vil da molekylene bunnfelles etter sin masse, og en kan skille dem fra hverandre. Molekylvektene for proteiner kan ofte være tall på mange hundre tusen. Regner vi en vanlig aminosyres molekylvekt til om lag 120, skjønner vi at det skal mange tusen slike en­ heter til for å komme opp i de molekylvektene som proteinene har. , Aminosyrer. Vi har før (avsn. 16.8) nevnt hva en aminosyre er, og hvordan aminosyrene kan binde seg sammen i kjeder. Vanligvis settes ikke de rent kjemiske navn på disse syrene (det er i alt ca. 25 av dem), men de har andre spesielle navn. Noen av de mer kjente er: CH2-COOH

ch3 1

1

ch-nh2

CH —CH2 —CH

COOH Asparaginsyre

ch3 Leucin

nh2

nh2

NH —(:h

1

S-CH2-CH-COOH S-CH2-CH-COOH

CH \ N----- C

CH2

nh2

CH nh2

Cystin

Histidin

10

CH2 -CH-COOH i 1 1 nh2

OH Tyrosin 242

COOH

COOH

En viktig egenskap ved aminosyrene er at de oftest er sterkt polare molekyler. De har en positiv og en negativ ende. La oss ta det enkleste aminosyremolekyl, glycin, som eksempel.

O NH2-CH2-C-O-H Base-ende

Syre-ende

Molekylet har en ende med tilbøyelighet til å avspalte et pro­ ton (protondonorgruppe) og en ende som har tilbøyelighet til å ta opp et proton (protonakseptor). Med andre ord, vi har en syre-ende og en base-ende. De fleste aminosyrer har så stor evne til å nøytralisere seg selv at de faktisk blir dipoler: I dette spesielle tilfellet kalles et slikt «ion» et amfo-ion (Zwitterion).

+nh3 CILC O

Arne Tiselius, 1902 — . Professor ved universitetet i Uppsala. Ar­ beidet spesielt med høymolekylære stoffer i biokjemien.

Når molekylet på denne måten nøytraliserer seg selv, sier vi at det er isoelektrisk. De naturlige proteiner vil som regel ikke inneholde like mange protondonorer som protonakseptorer og følgelig ikke være isoelektriske. Men ved å regulere pH for den løsningen proteinet er i, kan en få til isoelektriske for­ hold. Vi sier da at vi justerer til det isoelektriske punkt. Som regel vil proteinene være lite løselige akkurat ved det isoelektriske punkt, fordi dipolenhetene slår seg sammen til store enheter som bunnfelles. Diplonaturen hos proteiner nyttes i praksis ved forsøk som kalles elektroforese. Metoden ble sterkt utviklet av svensken A. Tiselius. I prinsippet består metoden i at de ladde partikler som proteinene er, vil i løsning kunne bevege seg i et elektrisk felt på tilsvarende måte som ioner beveger seg ved elektrolysering. En form for dette er papirelektroforese. Her vil proteinmolekylene/aminosyrene i løsning suges opp i en filtrerpapirstrimmel hvis ender er tilkoplet et batteri. De forskjellige molekyler vandrer ikke like hurtig under elektroforesen, og en kan derfor skille dem fra hverandre etter en viss tid. 243

Nukleinsyrer Det har vært lagt ned et kolossalt forskningsarbeid i alle land for å finne fram til strukturen av de forbindelser som er grunnleggende for alt liv, og som finnes i de enkleste celler. Med et fellesord kalles de gjerne nukleinsyrer, etter det la­ tinske ord for kjerne, nucleus. Nukleinsyrene er ikke proteiner, men meget komplisert sammensatte forbindelser. I grove trekk kan en si at de består av disse grunnkomponentene: Fosforsyre, pentoser og heterosykliske organiske baser. (Dette er de spaltningsprodukter som en finner ved fullstendig hydrolyse av dem.) Pentosene er oftest D-ribose eller D-deoksyribose. De organiske basene er f. eks. avledet av heterosykliske seksringer med to nitrogenatomer i ringen, pyrimidin. De mest kjente av disse er kalt ribonukleinsyre, forkortet RNA og deoksyribonukleinsyre, forkortet DNA. Molekylvektene for disse stoffene er forskjellige. RNA har en molekylvekt i underkant av en million, mens DNA kommer opp i flere millioner. Amerikanerne Watson og Crick framla i 1953 en modell av DNA-molekylet. Etter den er molekylet to lange kjeder som er snodd som en skrue med tverrbindinger imellom for å holde de to enhetene sammen. Kjedene er bygd opp slik: pentose, fosforsyre, pentose, fosforsyre osv. Til hvert pentosemolekyl er det også bundet en heterosyklisk base. Tverrbindingene mellom de to kjedene kommer i stand ved at det dannes hydrogenbindinger (se avsn. 3.9) mellom basemolekylene. De to forskerne fikk Nobelprisen i 1962 for dette arbeidet, men ennå i dag er det en rekke uløste problemer innen området nuklein­ syrer. Fig. 33.2. Prinsippet for papirelektroforese.

Vandrmg ay proteiner

Bufferldsning

244

33.3 Eksempler på medisinsk viktige forbindelser Hormoner

Hormoner er biokjemiske katalysatorer som produseres av kroppen selv i de indresekretoriske kjertler (binyrer, skjoldbruskkjertel, kjønnskjertel, bukspyttkjertel o. a.). For å belyse den kjemiske struktur for noen kjente hor­ moner, viser vi deres formler. CH2OH C=O 3

3

Kortison (binyrebarkhormon)

I

I

HO < o >-°-\ O >-CH2-CH-COOH NH Tyroksin (skjoldbruskkjertelhormon)

OH

CH • CH, • NHCH

OH Adrenalin (binyrebarkhormon)

3

HO

245

I

o

CH3

Androsteron (et mannlig kjønnshormon)

Cholinsyre (galleinnhold) Et medisinsk viktig stoff som en har vært sterkt opptatt av i de seinere år er kolesterol. Dets formel minner en del om cholinsyrens:

CH3

CH2\

CH3

CH2 — CH2—CH ch3

HO

Kolesterol Vitaminer

Vitaminer er også livsviktige stoffer. Men disse stoffene kan ikke kroppen lage selv, de må tilføres gjennom næringen. 246

For mindre enn hundre år siden visste en lite om vitaminer, og mange mennesker fikk da forskjellige sykdommer som førte til døden eller framkalte forkrøplingsdcfekter og alvorlige lidelser. I dag kjenner en de viktigste vitaminer, og om vi ikke får dem gjennom vanlig allsidig kosthold, kan de kjøpes for en rimelig penge på ethvert apotek. Vi nevner:

ch3

I

ch3

I

CH = CH-C = CH-CH = CH-C = CH-CH2OH

Vitamin A

Vitamin C (Askorbinsyre) 247

ch3 ch3 ch3 I I I CH•Cri=CH CH • CH I ch3

Vitamin D2 (ergokalsiferol)

Noen legemidler Av andre stoffer som brukes i medisinen i forskjellig hensikt kan nevnes: H R H H II C-C

/

IIC-C

\

H2N-C

\

Z CNNC

c=c

c-so2-nh2

cc

H NH2 prontosil H H Prontosil var det første «sulfapreparat» som ble tatt i bruk. Det revolusjonerte farmasøytisk kjemi at en hadde klart å lage et syntetisk preparat som var bakteriedrepende. Kjemisk navn er: 4-sulfonamido,2’,4’-diaminoazobenzen. H H I I C-C s

C-SO2-NH-C

H2N-C

N — CH

G=C H H

Sulfatiazol

Smertestillende og bedøvende midler:

Acetylsalisylsyre (aspirin)

248

CH

Morfin (et av stoffene i opiumsvalmuens frø). Regnes for det beste smertestillende stoff som kjennes. O = C - NH h2c c=o I I O = C - NH Barbitursyre. Derivater av barbitursyre er virksomme stoffer i mange sovemidler. (De to H-atomene i CH2-gruppen kan byttes ut med f. eks. to etylgrupper.) Enzymer

I de levende organismer finnes en rekke stoffer som virker regulerende og befordrende på livsprosessene. De to nevnte gruppene vitaminer og hormoner er slike, og enzymene er en tredje gruppe. Enzymer er proteiner. Bare få enzymer har kjent kjemisk formel, og deres virke­ måte er bare delvis kjent. Stoffene er meget komplisert bygd, men de finnes likevel hos selv encellete vesener. Enzymene danner på en måte et grenseområde mellom levende og død materie. Molekylvektsbestemmelser viser at enkelte enzymer kan ha forholdsvis «lave» molekylvekter på f. eks. 13 000. Men de aller fleste synes å ha både ti og hundre ganger så stor molekylvekt, f. eks. omkring 1 000 000. Enzymenes struktur og virkemåte er ett av de områdene av biokjemi som det i dag forskes mest på. Virkeområdene for enzymene er vidt forskjellige, men felles for dem er en svært stor temperaturømfintlighet. De fleste har sin optimale virkning ved kroppstemperatur, og mister sin virkeevne ved oppvarming til — 70 °C. Like ens er de meget ømfintlige for syre-baseinnvirkning og forskjellige slags strå­ ling, som ultrafiolett lys og radioaktive stråler. 17. Salveson: Kjemi 2

249

33.4 Kondenserte benzenringer og heterosykliske forbindelser Et typisk trekk ved den aromatiske kjemien er at en benzenring kan binde seg til en annen og til en tredje osv. ved at ringene får minst en side i sekskanten felles.

Eksempler: Antracen CuHjo

Tallene viser hvordan grupper som settes inn, skal numme­ reres.

1,2-benzenantracen

Fenantren

En meget viktig type av organiske forbindelser er de hvor det inngår så vel seksringer som femringer og andre, og hvor det også kan være andre grunnstoffer enn karbon i ringen. Vi kaller slike for heterosykliske forbindelser.

Noen viktige eksempler: Heterosykliske femringer:

S

HC 5 1 2 CH II 4

3 I

CH

HC Furan

HC

CH Tiofen

Heterosykliske seksringer:

Pyridin

250

Pyran

33.5 Sammensatte forbindelser

Med kondenserte ringer og heterosykliske ringer som grunn­ lag kan en så bygge opp mer kompliserte stoffer. Som illu­ strasjon tar vi med formler for en del kjente stoffer.

CH3-N-CO I I CH3 OC C—N\ I II ^CH CH3-N-C-N^

Kaffein

To kjente fargeindikatorer:

Metyloransje (natriumsaltet av 4-dimetylaminoazobenzen-4’-sulfonsyre)

251

(Forbindelsen mellom to benzenringer via bindingen N=N kalles en aromatisk diazoforbindelse. En rekke aromatiske diazoforbindelser er kraftige fargestoffer.)

Fargestoffer Et velkjent fargestoff i industrien er indigo.

Langt mer komplisert er blodets fargestoff, eller rettere, fargestoffet i de røde blodlegemer, hemoglobin. Det er sam­ mensatt av en cggchvitcstoffdel og en fargestoffdcl. Den siste kalles hemin. Formelen er: ch3 ch=ch2

c S \

O

Hemin

O-H

Insekticider kalles stoffer som brukes i landbruket til bekjem­ pelse av insekter og skadedyr. Mest kjent er utvilsomt DDT, et middel som etter hvert er gått av bruk, da en mener det kan føre til skadelige virkninger på menneskene igjen.

Cl

Cl-CI Cl

Diklon/ifenylZrikloretan (DDT) 252

Paration er også en velkjent insektisid:

-no2 S

Paration Spørsmål og oppgaver

1. Hva menes med et karbohydrat? Nevn noen eksempler. 2. Skriv ringformelen for alfa-D-glukose.

3. Hva er forskjellen på et monosakkarid og et disakkarid? 4. Hva er forskjellen på en aldose og en ketose ?

5. Hva oppnår en ved å hydrolysere et disakkarid? 6. Sett opp formelen for en enkel aminosyre og vis hvordan to slike enheter kan bindes sammen ved en såkalt peptidbinding. 7. Hva er et protein i sin enkleste form ? Nevn noen karak­ teristiske trekk ved proteiner.

8. Forklar hva vi mener med at en aminosyre kan være et «zwitterion», og forklar enkelt hvordan dette nyttes i elektroforese av proteiner.

9. Hva er forskjellen på et vitamin og et hormon? 10.

Hvordan kan virkningen av et enzym stoppes på en enkel måte ?

Demonstrasjoner og forsøk

1. Demonstrer et polarimeter med en løsning av rørsukker og en løsning av druesukker.

2. Demonstrer papirelektroforese med et enkelt apparat. Se fig. 33.2. Jfr. demonstrasjon nr. 8 for framkalling. 3. Demonstrer en såkalt Tollen-prøve på sukkerarter som inneholder en aldehydgruppe. Tollens reagens lager en ved å tilsette litt NH3-løsning til en løsning av AgNO3 slik at kompleksionet Ag(NH3)2+ dannes. Ved oppvarming i et reagensglass etter tilsetting av litt druesukker utskilles metallisk sølv som danner et speil på innsiden av reagens­ glasset. Aldehydgruppen reduserer sølvionene til metallisk sølv. 253

4. Lag Fehlings væske, og kok den med litt druesukkerløsning. Rødt bunnfall av Cu2O utskilles. Aldehydgruppen har vir­ ket reduserende på det toverdige kobberet i Fehlings væske. 5. Gjør en prøve med Fehlings væske og rørsukker. Det blir ingen reaksjon. Hydrolyser rørsukkeret ved å koke en løsning av det med litt 2 M HC1. Prøv deretter Fehlings væske igjen. 6. Utfør en såkalt biuret-reaksjon på proteiner. Bland proteinprøven med litt 2 M NaOH-løsning og noen få dråper av en meget tynn CuSO4-løsning i et reagensglass. Tilsett litt mer NaOH, slik at bunnfallet løses opp igjen. Rødfiolett farge viser at det er proteiner eller iallfall aminosyrer til stede.

7. Utfør en xantoproteinreaksjon på proteiner. Litt proteinløsning varmes med litt 25% HNO3. Sterk gulfarge fram­ kommer. 8. Utfør en papirkromatografi med et par aminosyrer. Framkall med ninhydrin som gir en blåfarge der amino­ syrene har fordelt seg.

O

II

Ninhydrin Henvisning: Se Salveson: Laboratorieforsøk i kjemi, forsøk nr. 48, 49 og 50.

254

Menneskenes for­ urensning av naturen Den stadig økende befolkningen på jorda, og den stadige konsentrering av mennesker i byer og tettsteder, har ført med seg problemer av mange slag. De ernæringsmessige og sosiale problemer har vel hittil stått i forgrunnen. Men etter hvert har en i mange land også fått enorme problemer med de forurensninger som vi mennesker overlater til naturen å ordne opp med. Vannforurensningene er vel de som i første rekke har kommet i søkelyset. Mange steder har også for­ urensningen av lufta vært så betydelig at det har ført til dødstilfeller og alvorlige sykdommer. Likedan har forurensningen av jord i enkelte tilfeller vært katastofale for vegetasjon og produkter som er blitt dyrket. Vi vil ganske kort belyse noen av de kjemiske sider ved slike forurensninger. 34.1 Vannforurensninger

Overflatevann, særlig elver, blir i de fleste land brukt på føl­ gende måter:

1. som drikkevann, 2. som kloakkresipient, 3. som trans­ portvei, 4. som rekreasjonsområde (bading, motorsport etc.), 5. som fangstområder for matfisk. Det er klart at disse bruksområder ikke alltid går godt sammen. Størst er vanskelighetene når vannet skal brukes som drikkevann. Det lar seg gjøre å rense alt slags vann full­ stendig, for eksempel ved destillasjon. Men det fører med seg store praktiske vanskeligheter når det dreier seg om vann­ forsyninger, selv til en mindre by. Som regel vil derfor drikke­ vann bli renset gjennom filtersystemer og etterpå tilsettes en del klorgass for eventuelt å drepe de farligste sykdomsbakterier. Men alt vann som kommer inn i et hus må ut igjen i form av avfallsvann, og dette blir som regel tømt ut i kloakk­ systemet, og havner i elva eller i havet.

255

Fig. 34.1. Naturforurensning.

I tillegg til slik forurensning vil elvevann også få tilførsel av store mengder regnvann eller flomvann som inneholder urenheter fra gater og veier, gjødsel fra gårdsbruk etc. Etter hvert som vannforurensningsproblemene øker, forstår vi at det er nødvendig med klarere lover for hva en kan tillate. Likedan trengs det klarere regler for hva som skal måles og hvordan målingen skal tas.

34.2 Hva kan måles?

Teoretisk kan en måle alle slags kjemiske stoffer som finnes som forurensninger i vann. Men i praksis er dette ikke mulig, og det er heller ikke nødvendig for å få en oversikt over graden av forurensning i vannet. Den enkeltfaktor som spiller

256

Fig. 34.2. Fiskedød i forgiftet vass-

rag‘

størst rolle for livet i vann, er sannsynligvis den oppløste oksygenmengde. En kaller gjerne dette for D.O. (engelsk: Dissolved Oxygen). Oksygeninnholdet i vann er avhengig av tempera­ turen. Jo varmere vannet er, desto mindre oksygen finnes løst. Tabell 34.1 viser noen tall i denne forbindelse. Tabell 34.1. Maksimum løselighet av 02 i reint H20 ved 1 atm trykk. Temperatur løst O2 i mg/1 0 °C........................................................... 14,6 10 °C........................................................... 11,3 15 °C........................................................... 10,2 18 °C........................................................... 9,5 20 °C........................................................... 9,2 22 °C........................................................... 8,8 25 °C........................................................... 8,4 30 °C........................................................... 7,6 35 °C........................................................... 7,1 Hvis vannet inneholder salter, f. eks. NaCl, som sjøvann, vil løseligheten av oksygen bli mindre. Jo større saltkonsentrasjonen er, desto mindre oksygen løser seg. Ved 20 °C vil en 2% NaCl-løsning (omtrent som vanlig sjøvann) bare kunne løse 7,4 mg/1 O2.

En rekke av de forurensninger som kommer i vann, vil forbruke oksygen. Ved målinger vil en finne langt mindre O2 i mg/1 enn det burde være. Derfor vil den løste oksygenmengde 257

(D.O.) ofte kunne gi et generelt bilde av vannets forurensnings­ grad. Er D.O. mindre enn halvparten av det vår tabell viser ved den aktuelle temperatur, er det uheldig. Fiskearter som aure og laks er meget ømfintlige for lavt oksygeninnhold og trives ikke med det. I enkelte elver i utlandet har oksygen­ innholdet vært så lavt at fisk i tusenvis har dødd av oksygen­ mangel.

Klarheten vil til en viss grad være et mål for forurensnings­ graden av vannet. En måler det som kalles turbiditeten ved å se hvor mye lys som trenger gjennom en viss sylinder med vann. Klarheten er likevel ikke noe godt mål for forurensninger. pH måles alltid ved vannundersøkelser. I Norge vil vel />H for det meste ligge på den sure siden av 7,0. Men enkelte steder vil en nok finne svakt basisk vann med over 8,0. Sterkt surt vann er skadelig for fisk, og spesielt for fiskens gyting. I sørlandsheiene har nesten alle vann />H-verdier så langt ned som 4,5. (Enkelte vann har enda lavere /?H-verdier.) En mener at dette er grunnen til at fisken har vanskelig for å gyte og trives, særlig er auren hemmet av slike sure vann. Surt vann kan skyldes at jordsmonnet som vannet rennet gjennom, er surt fra naturens side. Men det vil nok oftest skyldes forurensninger, enten fra lufta eller fra siloer i land­ bruket. I siloer brukes sterke syrer (maursyre, saltsyre, svovel­ syre), og drensvannet fra slike siloer går ofte rett ut i bekker. En har forsøkt å behandle surt vann i elver ved å kjøre på en del kalkstein. Denne vil etter hvert reagere med syrene i vannet, og derigjennom nøytralisere det. Ved enkelte fiskeoppdrettsvann har slike nøytraliseringer ført til gode resultater. Nitrater {NO3~} og ammoniakk (NH3) er forurensninger som tilføres elver og vann fra flere kilder. Ingen av stoffene er di­ rekte giftige i små mengder. Men da de kan dannes som følge av forråtningsprosesser i naturen, vil de indikere at farlige bakterier eller andre giftstoffer er til stede. Fra gammelt av har derfor prøver på NH3 i vann vært gjort for å finne ut om det har vært egnet til drikkevann. Prøven gjøres med den såkalte Nesslers reagens. (Se forsøk 2.) Nitratene og NH3 følger med alt kloakkvann og er i mengde blant de kjemiske stoffer som dominerer i forurensninger. De mest ømfintlige metoder for disse bestemmelser er såkalte spektrofotometriske metoder. Vannet tilsettes ett eller flere reagen­ ser som med NO3“ eller også med NH3 gir bestemt farge. Denne fargeintensiteten er proporsjonal med mengden av nitrogenforbindelsene, og intensiteten kan måles i et spektrofotometer. Ved å lage standardløsninger med kjent innhold av

258

de samme stoffer, kan en finne ut nøyaktig hvor mye nitrogen­ forbindelser det er i vannet. (Jfr. forsøk 6.)

Fosfater (PO4 og andre) må også betraktes som en for­ urensning i vannet når det finnes i store mengder. I små meng­ der (mindre enn 0,2 mg/1) er fosfater alltid til stede i naturlig vann. Fosfater trengs for at de biologiske prosesser i vannet skal kunne foregå. I store mengder, derimot, er fosfatene uheldige, selv om heller ikke de er direkte giftige. Blir vannet for rikt på fosfater, vil det gi næring til en rekke algeformer, bl. a. grønnalger. Denne rike veksten av mikroorganismer i vannet vil gjøre at det oksygen som er løst i vannet blir brukt opp. I kritiske tilfeller har en i mange land observert at fisk dør i tusener i vann som egentlig ikke ser så forurenset ut. Nærmere under­ søkelser har vist at vannet ikke har hatt nok oksygen til at fisken kunne leve. Fosfatene tilføres vannet hovedsakelig fra tre kilder: 1. kloakkvannutslipp, 2. fra utvasking av dyrket mark som er blitt sterkt gjødslet, 3. fra enkelte fabrikker som bruker fosfater i produksjonen. I Norge er det sjelden at kloakkvann fra WC skilles fra det vanlige utslagsvann. Heller ikke er det vanlig å skille kloakk­ vannet fra regnvann og drensvann fra gater, takrenner osv. Derved vil volumet av kloakkvannet bli så stort at de for­ skjellige renseanlegg, septiktanker etc. ikke blir effektive. Fosfatene lar seg meget vanskelig skille ut ved kloakkrense­ anlegg, og de vil oftest bli skylt ut i kloakkresipienten, som enten er en elv, et vann eller havet. Enkelte vaskemidler inne­ holder fosfater fordi de gir effektive «fettløsere». Fosfatene kan påvises ved den såkalte blå fosformolybdenreaksjon. (Se forsøk 2.) Ved kvantitative målinger må en lage seg en sammenlikningsstandard. Best er det å bruke de nevnte spektrofotometre til slike sammenlikninger.

Klorider (Cl-) vil det vanligvis ikke finnes mye a.v i fersk­ vann. Finnes det i elver eller bekkevann, skyldes det sann­ synligvis fabrikkutslipp eller vannforurensning fra en vei hvor det brukes veisalt (CaCl2). Kloridene i seg selv er ikke direkte giftige, men de må ses som en meget uheldig forurensning i vann enten dette skal brukes til drikkevann eller til vask. Fenoler er ikke så vanlig som forurensning i Norge som i mange andre land. Vanligvis er det mest av dem hvor det er fabrikkutslipp fra organisk kjemisk industri, fargestoffindustri eller fra oljeraffinerier og koks- og gassverk. Innholdet av C5H6OH bør være mindre enn 0,001 mg/1. 259

Insektmidler har i mange år vært brukt så vel i hagebruk som i jordbruk. Nytten av dem er utvilsom, men ved regnskyll og utvasking vil mange av dem bli ført over i bekkevann og elvevann. Enkelte steder kan konsentrasjonene av slike midler i vannet bli så høy at det fører med seg forgiftning av fisk. Kvikksølvforbindelser hører til de direkte giftige stoffer som en har funnet som forurensninger i vann. Verst har det vært på steder hvor tremassefabrikker har brukt kvikksølvpreparater for å hindre muggdannelse på tremasse og cellulose. Utvasking og regnskyll kan ha gjort at kvikksølvionene er blitt ført ut i elvevannet. Det behøver ikke å medføre øyeblikkelig død for fisk, men det vil akkumuleres slik at innholdet stadig blir større. Er det matfisk som absorberer dette, vil det igjen kunne føres over til mennesker og andre dyr. Kvikksølvforbindelser er nå praktisk talt ikke i bruk lenger i denne del av indu­ strien.

Blyforbindelser er også giftige, men det hører til sjeldenhetene å finne større mengder i vanlig vann. Imidlertid har en erfart at vann som ligger tett inntil veier med stor trafikk, kan ha betydelig innhold av blyforbindelser. Dette skyldes at en til­ setter bensinen blyforbindelsen tetraetylbly (se avsn. 32.2) for å forhøye oktantallet. Når bensinen forbrenner, vil bly­ innholdet delvis komme ut i lufta, og det vil siden legge seg ned på mark, eng og vann ved siden av veien. I USA har en gjort store undersøkelser over dette, og også i Norge (ved Bergen) har det vært konstatert et betydelig blyinnhold i vann langs trafikkert vei. Både bly- og kvikksølvinnhold kan måles, men det dreier seg i disse tilfeller om så små mengder at metodene ligger utenfor rammen av denne boka. En rekke andre metaller vil også kunne gjøre vannet uskikket som drikkevann. Særlig har metallene kobber og kadmium kommet i søkelyset. I tillegg til rent kjemiske målinger kommer mange andre undersøkelser som er viktige for å vurdere vannets forurens­ ningsgrad. Viktigst av disse er utvilsomt bakteriologiske under­ søkelser. Slike gjør en ved å ta prøver av vannet over i forskjellige vektsmedier og la dem stå ved ca. 37 °C i ett døgn eller flere. De bakterier som da vokser opp i mediene, sorteres etter type. En ser da selvsagt først etter om det kan være sykdomsbakterier i vannet. Vanligvis er det ikke det, men derimot mange andre bakterier, blant annet en tarmbakterie som kalles Escherichia coli. Ved vanlig vannundersøkelser teller en derfor hvor mange slike bakterier det er pr. cm3 vann. Er 260

innholdet for stort, tyder det på at kloakkutslippet i vannet er for dårlig behandlet. Temperaturen i vannet kan gi opplysning om en eventuell forurensning. Er vanntemperaturen for høy, for eksempel ved at det slippes ut vann av høy temperatur fra en fabrikk, kan dette være ødeleggende for fiskebestanden i vannet, som da får for lite oksygen. Atomkraftverk har denne leie bivirkningen. De trenger kolossale vannmasser i sin varmeutvekslingsprosess, og de er delvis avhengig av å kunne slippe ut en god del av dette vannet med relativt høy temperatur. Slike forhold kalles termisk vannforurensning. (Jfr. oksygeninnholdets variasjon med temperaturen, tabelP34.1.) Det som er sagt om vann, gjelder i første omgang ikke drik­ kevann. Kravet til reinhet i drikkevann er helt spesielt. Det det dreier seg om, er vanlig bekkevann og elvevann eller innsjøvann.

Tabell 34.2. Data for ferskvann [ikke drikkevann). Rimelig god kvalitet Løst oksygen (ved 15 °C) ... Klorider ............................... Fosfater................................. Nitrater..................................

6 mg/1 * 50 — 100 mg/1 0,2 mg/1 0,1 mg/1

Dårlig kvalitet

4,0 mg/1 700 mg/1 1,2 mg/1 0,5 mg/1

(* Oksygeninnholdet i vannet (D.O.) bør ikke være mindre enn 50% av metningskonsentrasjonen ved vedkommende temperatur. Se tabell 34.1.) .

34.3 Luftforurensninger Forurensningene i lufta som omgir oss, har først i de seinere år blitt tatt alvorlig. Luftforurensningene er i sin natur ver­ densomspennende (globale). Det som slippes ut i lufta over Norge, vil kanskje samme dag befinne seg over Sverige, og spre seg over hele kloden. Selvsagt vil mange av de stoffene som kommer opp i lufta, bli absorbert i regnvann og dermed komme ned på jorda igjen. Vi skal se på en del av de viktigste kjemiske luftfor­ urensninger, og litt på de kilder de kommer fra.

Kilder for luftforurensninger deles i to grupper: 1. mobile kilder (f. eks. røykere, biler, båter, tog, fly), 261

2. stasjonære kilder (f. eks. industri, fyringsanlegg i hus, oljekraftverk, søppelforbrenning og røykere).

Fig. 34.3. Bilen er vår verste luftforurenser.

Av de mobile kilder er bilen uten tvil den største forurenser, og også den farligste. En vanlig bensindrevet bil vil for­ brenne mye av sin bensin ufullstendig, og derved dannes CO — kullos. Denne meget giftige gassen slippes vesentlig ut gjennom eksoskanalen og dermed ut i lufta. Ved køkjøring og i lange tunneler vil derfor trafikantene være mest utsatt for gassen. Men bilen forurenser ikke bare direkte gjennom ek­ sosen, men også atskillig gjennom den direkte fordamping av bensin og olje, og ved at de fleste biler slipper atskillig gass forbi sylinderen og ut uten forbrenning. En oversikt over hvilke mengder det dreier seg om, får en ved å se på tabell 34.3. (Tabellen er laget ved at offisielle amerikanske data er omregnet til norske forhold, dvs. fra en gjennomsnittsbil på 6—8 sylindrer til 4—6 sylindrer.) Tabell 34.3. En gjennomsnittsbil vil pr. år slippe ut om lag disse mengder av gasser : Gjennom eksosen......................... 700 kg CO 100 kg CnHm 60 kg NO2,NO Gjennom forbipassering av motoren 50 kg CnHm Ved direkte fordamping.............. 40 kg CnHm

(Kullos) (Hydrokarboner) (Nitrogenoksyder) (Hydrokarboner) (Hydrokarboner)

Totalsum av forurensning pr. bil pr. år: ca. 950 kg.

Om vi gjør et noe forenklet regnestykke og sier at det i Norge er ca. 1 million slike biler, og runder av forurensningene som de avgir, til ca. 1000 kg — 1 tonn hver —, får vi at bil­ parken slipper ut i lufta 1 million tonn gasser hvert år. Herav er ca. 75% kullos! Refleksjonene vi må gjøre oss, er uhyggelige. CO-gassen absorberes om lag 200 ganger lettere av blodets hemoglobin enn oksygen gjør. En kan dermed beslaglegge hemoglobinet med kullos i stedet for med oksygen. En har også funnet at innholdet av CO inne i bilen som regel er høyere enn i lufta utenfor. CO er en gass med omtrent samme tetthet som nitrogen (1,25 g/1), og den vil ikke uten videre stige til værs. Den holder seg i den nedre del av atmosfæren, og har vanskelig for å omdannes. En må derfor regne med at det meste av den blir resorbert i mennesker og dyr, og dermed på en eller annen måte gir skadevirkninger. Det må også nevnes at sigarettrøyk 262

inneholder store konsentrasjoner av kullos. En kan regne at CO-innholdet i sigarettrøyk er om lag 400 ganger mer enn CO-innholdet i lufta bak en vanlig bil. De stasjonære forurensningskildene vil i det vesentlige gi forurens­ ninger fordelt slik:

1. SO2 (Svoveloksyder). 2. Faste partikler. 3. Nitrogenoksyder, kullos, hydrokarboner. Hvor store kvanta det dreier seg om for Norges vedkommende, har vi ikke tall for. Vi har en fordel framfor mange andre land i verden, nemlig at størstedelen av vår elektriske energi produ­ seres fra fossekraft og ikke ved forbrenning av olje. Til gjen­ gjeld vil vi ha en lang fyringssesong, og olje passer godt som fyringsmiddel både for enkelthus og for større blokker. Hvis oljen inneholder svovel i en størrelsesorden av ca. 1 %, blir det atskillig SO2 av det, for eksempel i en by som Oslo. Folk som bor i nærheten av en industri med stor røykutvikling, eller folk som bor ved store søppelforbrenningsplasser, har ofte meget sjenerende problemer å hanskes med. På Sørlandet har det vist seg at den nedbør som kommer, ofte fører med seg sotpartikler og svoveloksyder fra industri­ byer i Storbritannia og på kontinentet. SO2 og SO3 vil løse seg i vann og bli til svovelsyrling og svovelsyre. På den måten mener en å kunne forklare at alle vassdrag i Sørlands- og Setesdalsheiene er blitt sterkt sure. Slike internasjonale forhold er selvsagt enda mer framtredende der hvor det er kort av­ stand mellom landegrensene. 34.4 Jordforurensning

Jordforurensning er i første omgang en sak for jordbrukeren. Men i annen omgang er det en sak for alle. Det en først og fremst har vært på vakt mot i jorda, er de stoffene som blir brukt i gjødsel og i sprøytevæsker. Også radioaktivt nedfall har vært i søkelyset i forbindelse med prøvesprengninger av atombomber. 34.5 Generell naturforurensning

Naturforurensning generelt er i det vesentligste menneskenes eget verk. Det som i første omgang er det mest påfallende og avskrekkende, er den grenseløse mangel på respekt for det som er vakkert. Denne mangel demonstrerer vi mennesker 263

Fig. 34.4. Slik kan uforurenset natur være!

daglig. Søppel av alle slag blir kjørt ut i veikanter eller kastet på fortau og i rennesteinen, i skog og i mark. Elver som renner gjennom byer, likner mest på åpne kloakker, og langs breddene ligger søppel og avfallsstoffer fra generasjoner tilbake. Det er i vår tid satt i gang en sterk bevegelse for å få be­ grenset forurensningene i naturen. Slike tiltak bør også alle og enhver kunne støtte opp om, for vi er alle med på å bidra til forurensningene, enten vi vet om det eller ikke. Det er vi selv som mennesker som er den største bidragsyter til for­ urensningene, og det er vi selv som må rydde opp i dem. Det nytter ikke å tenke at andre skal gjøre det. De «andre» som en oftest hører snakk om i denne forbindelse, er folk innen jordbruk, industri, kommune og stat. Vi kommer ikke utenom at det i virkeligheten er vi selv som må gjøre det, og det er vi selv som i en eller annen form også må betale det det koster å rydde opp etter oss. I Norge skulle en slik naturoppryddingsprosess være mulig, for det er bare 4—5% av arealet som er bebodd og i nevne­ verdig grad forurenset. I andre land med tettere bosetting er problemene langt større. Spørsmål og oppgaver

1. Nevn noen aktuelle vannforurensingskomponenter. 2. Hva menes med D.O.? 3. Hvilken betydning har det at oksygeninnholdet i vann hol­ des på et rimelig nivå? 264

4. Hva er et rimelig nivå av oksygeninnhold i naturlig ren­ nende vann sammenliknet med vann som er mettet med oksygen ?

5. Hvordan skal pH i et godt vann helst være?

6. Legg fram en del forslag til hvordan en kunne få renset opp i en elv som går gjennom en kombinert bolig- og in­ dustribygd. Lag en arbeidsgruppe på f. eks. 5 personer, og ta eksempel i en elv eller et vann på hjemstedet. 7. Hvilke luftforurensninger vil en bil gi fra seg? Hvilke mengder dreier det seg om pr. år? 8. Hvilke luftforurensninger må en regne med over en større by uten noen spesiell industri?

9. Fluorgass er ofte nevnt som luftforurenser i forbindelse med industri. Hva slags industri er det, og hvordan kom­ mer fluor inn i bildet i slike bedrifter?

Demonstrasjoner og forsøk

1. Gjør en del turer i omgivelsene, og studer de forskjellige forurensningene. 2. Ta med en del vannprøver og gjør forsøk som påviser f. eks. nitrater (brucinmetoden), fosfater (fosformolybdensyre) og ammoniakk (Nesslers reagens).

3. Vis hvordan vannet filtreres gjennom papirfilter til det blir helt klart. Likevel vil det inneholde oppløst de stoffer som det er gjort prøve på i 2.

4. Damp inn 100 g vann til tørrhet i en porselensskål som er veid på forhånd. Vei hvor mye stoff det er igjen. Dette kaller vi tørrstoffinnholdet i vann. 5. Rens en del dårlig vann ved destillasjon. Ta en prøve av vann med litt fenol i, og kjenn hvor vanskelig det er å få selv det destillerte vannet luktfritt. (Prøv først med 0,1 g C6H5OH i én liter vann.) 6. Hvis et spektrofotometer er tilgjengelig, så gjør noen av prøvene under 2 kvantitativt.

7. Sug røyken fra en sigarett eller to gjennom en erlenmeyerkolbe med ca. 100 ml vann i. Legg merke til hvordan van­ net ser ut. 8. Hvis gassmåleutstyr, f. eks. et orsatapparat, er tilgjengelig, så utfør en bestemmelse av CO og hydrokarboner i eksosen fra en bil. Se avsnitt 28.5 for beskrivelse. 18. Salveson: Kjemi 2

265

Radioaktivitet og kjernekjemi * 35.1 De første oppdagelser

Fig. 35.1. Marie Curie (1869 — 1934).

1 1896 oppdaget den franske mineralog Antoine Henri Becquerel at visse mineraler sender ut en stråling som påvirker foto­ grafisk film. Strålene kunne også utlade et ladd elektroskop. Dette fenomenet ble kalt radioaktivitet. Becquerel overlot til sine nære venner ekteparet Pierre og Marie Curie å studere fenomenet videre fra fysiske og kjemiske synspunkter. Det ble særlig Marie Curie som gikk inn for arbeidet, og i 1898 isolerte hun fra et uranmineral et grunnstoff som var sterkt radioaktivt (mer radioaktivt enn uran). Grunnstoffet fikk navnet polonium, oppkalt etter hennes fødeland Polen. Et halvt år seinere isolerte hun et nytt grunnstoff hvis stråling var mange hundre ganger sterkere enn polonium. Dette grunnstoffet ble kalt radium. En rekke andre forskere verden over ble etter hvert inter­ essert i problemene omkring radioaktivitet. I 1902 lyktes det Ernest Rutherford å skille ut tre komponenter i den radio­ aktive stråling gjennom sitt berømte «blyblokkforsøk». Figur 35.2 viser prinsippet. Dette viste at strålingen fra radium lot seg dele opp i et elektrisk eller magnetisk felt, slik at en kunne karakterisere tre typer stråler: alfastråler, som har positiv ladning, betastråler, som har negativ ladning og gammastråler, som ikke er ladd. Etter hvert fant Rutherford og andre en rekke data for disse strålene. Alfastrålene viste seg å bestå av partikler med 2 + -ladninger og massetall 4, det vil si at de var heliumkjerner. Betastrålene viste seg å være elektroner med én negativ lad­ ning. Gammastrålene hadde ikke partikkelnatur, men var elektromagnetisk stråling med meget kort bølgelengde. Hastighetene på strålene var enorme. For alfapartiklene ble hastigheten målt til ca. 15 000 km/s, og betastrålene var om lag ti ganger så hurtige, 150 000 km/s. Gamma­ strålene hadde lyshastighet, ca. 300 000 km/s. * Kapitlet kan leses tidligere om en finner at det passer bedre i gjen­ nomgåelsen.

266

Fig. 35.2. Rutherfords forsøk som viser hvordan de tre radioaktive strålingstypene blir avbøyd i et elektrisk felt.

Fig. 35.3. Ernest Rutherford (1871-1937).

Æ

f

'1 ?

//cc

\

Fotografisk plate

35.2 Naturlig radioaktive grunnstoffer

I de første ti år etter oppdagelsen ble tusener av steiner og mineraler undersøkt for at en kunne registrere om strålingen var knyttet til bestemte mineraler. Etter Rutherfords klar­ legging av alfa- og betapartikler ble det etter hvert forstått at utstrålingen måtte komme fra atomkjernene. (Disse feno­ menene gav derfor grunnlaget for Bohrs og Rutherfords atomteorier omkring 1900—1910.) En skjønte også at om kjernene sendte ut partikler med positiv eller negativ ladning, ville de omdannes til andre grunnstoffer. Om disse nye grunnstoffene også var radioaktive, ville de omdannes til atter andre, osv. Fenomenet ble kalt radioaktiv desintegrasjon. Det ble funnet tre familier av slike naturlig radioaktive stoffer. De ble opp­ kalt etter utgangsgrunnstoffet, som ble «stamfaren» i fami­ lien: uranfamilien, thoriumfamilien og actiniumfamilien. Sluttproduktet i alle familier viste seg å være isotoper av bly som ikke var radioaktive. Slike ikke-radioaktive stoffer

267

blir kalt stabile grunnstoffer i denne forbindelse. De radioaktive prosessene går sin gang uavhengig av temperatur, trykk eller annen påvirkning. Med den kunnskap vi i dag har om atomenes kjerner, er det forholdsvis enkelt å klarlegge de radioaktive forandringer: Hvis for eksempel et uranatom med massetall 238 og atomnummer 92 sender ut en alfapartikkel (med massetall 4 og atomnummer 2), vil det resultere i at det som blir igjen av uranatomet, blir et grunnstoff med massetall 238 — 4 = 234 og atomnummer 92 — 2 = 90. Ser vi på det periodiske system, finner vi at grunnstoff nr. 90 er thorium. Vi får med andre ord dannet en thoriumisotop med massetall 234. Når slike omdannelser skal beskrives, sier vi at vi har for oss en alfadesintegrasjon eller eventuelt en betadesintegrasjon. Med likninger vil dette se slik ut: 234

238

U alfa

4

Th + He 2

90

92

Den videre forandring av thoriumisotopen er en betadesinte­ grasjon: 234

Th 90

234

0

Pa + e

beta

91

—1

Vi legger merke til at når en atomkjerne sender ut ett elektron (—1), vil antallet positive ladninger på kjernen stige med én * enhet. Atomnummeret stiger med én, mens massetallet for­ blir det samme. I slike radioaktive familiers forandringer eller «transmutasjoner» vil det vanligvis være enten en betadesintegrasjon eller en alfadesintegrasjon for hvert ledd i familien. Sammen med disse prosessene skjer det i alminnelighet også en gammastråling. Men denne gammastrålingen kan ikke skrives i noen likning, da den ikke forårsaker endringer i massetall eller atomnummer.

35.3 Halveringstid

De radioaktive transmutasjoner tar tid. Den hastigheten hver reaksjon foregår med, måles med den såkalte halveringstid. Med dette mener vi: Om vi har en masse av et radioaktivt * Nøytronene i kjernen kan sees som en sammensmeltning av positive protoner og negative elektroner. Ved at et elektron sendes ut vil det oppstå et proton.

268

grunnstoff på f. eks. 1 gram, vil det gå en viss tid før halvparten av denne massen (0,5 g) er omdannet til et nytt grunnstoff. Denne tiden kalles halveringstiden. Halveringstiden varierer kolossalt fra grunnstoff til grunnstoff. For noen er det millioner av år, for andre er det milliondels sekund. Eksempel: Om vi begynner med 1 gram av 2|®U, vil det ta 4,5 • 109 år før 1/2 gram er blitt omdannet. Tabell 35.1 viser desintegrasjonene i uranfamilien.

Tabell 35.1. Uranfamilien.

Grunnstoff

Atomnummer

Massetall

Type desinte­ grasjon

Uran...................... Thorium .............. Protactinium........ Uran...................... Thorium .............. Radium ................ Radon .................. Polonium.............. Bly ........................ Vismut.................. Polonium.............. Bly ........................ Vismut.................. Polonium.............. Bly ........................

92 90 91 92 90 88 86 84 82 83 84 82 83 84 82

238 234 234 234 230 226 222 218 214 214 214 210 210 210 206

alfa beta beta alfa alfa alfa alfa alfa beta beta alfa beta beta alfa stabilt

Halveringstid

4,5 • 109 år 24,1 døgn 1,14 min 2,7 • 105 år 8,0 • 104 år 1622 år 3,82 døgn 3,05 min 26,8 min 19,7 min 1,5 • 10-4s 22 år 5,0 døgn 138 døgn ....

Den radioaktive desintegrasjonsprosess går sin gang og føl­ ger en bestemt lov som kan skrives slik: 1

L

Her er No det antall atomer vi begynner med, og N er det antall atomer vi har igjen etter at det er gått en viss tid t. k er en konstant som er bestemt for hver enkelt radioaktiv substans. Når N = ±Æ0, har vi brukt tiden, halveringstiden, ti. Likningen blir da: = * * L og lg2 = k • = 0,301 • k-1

269

Fig- 35.4. Desintegrasjonskurvc.

tid

Desintegrasjonskonstanten k (eller aktiviteten A) uttrykker hvor man­ ge desintegrasjoner det er pr. tidsenhet, og den har enheten s-1. Enheten Ci (curie) er defi­ nert som 3,7 • 1010 desintegrasjo­ ner pr. sekund (3,7 • 1010s-1).

Desintegrasjonskonstanten k er et tall som kan bestemmes ved målinger. Setter vi opp desintegrasjonsloven i et diagram med tiden som abscisse og antall radioaktive atomer som ordinat, får vi en kurve som asymptotisk nærmer seg abscisseaksen.

35.4 Måleinstrumenter Det finnes forskjellige apparater og metoder til å måle radio­ aktiv stråling. Den første registreringen ble gjort ved hjelp av fotografisk film som ble eksponert av strålene (Becquerel 1896). Allerede ekteparet Curie hadde gode måleinstrumenter i elektroskopene. Prinsippet ved disse er at elektroskopet blir utladd ved at lufta eller gassen det er fylt med, blir ionisert av strålingen. Utladningshastighet og grad av utladning blir et mål for strålingen. Den mest brukte målemetoden i dag baserer seg på utnyttingen av det såkalte Geiger-Miiller-rør. Prinsippet er her at gass blir ionisert av stråling, og at ioniseringen skjer i et lukket rør, der det på forhånd er en stor potensialforskjell mellom to elektroder. Ved ioniseringen vil det gå en strømimpuls mel­ lom de to elektrodene. Den kan forsterkes og registreres. Hver ionisering gir en impuls, og gjennom forskjellige arrangemen­ ter av elektronisk art kan dette registreres på telleverk, skrivere eller andre måleinstrumenter. Strålingen slipper inn gjennom et meget tynt «vindu», 270

Fig. 35.5. Prinsippet for et GeigerMuller-rør (GM-rør).

oftest laget av glimmer eller aluminiumfolie. Potensialforskjellen mellom «strengen» og jord er om lag 1000 volt for de fleste GM-rør. Enklere apparater som bruker dette prinsipp, kalles ofte bare «geigertellere». Rekkevidden og gjennomtrengeligheten av strålene er svært forskjellig. Se tabell 35.2. De stråler som blir registrert, vil i alt vesentlig være de som passerer inn gjen­ nom vinduet i røret. Ved nøyaktige målinger er det derfor av avgjørende betydning at strålingskilden blir brakt i nøy­ aktig samme stilling i forhold til vinduet hver gang en måling blir foretatt.

Tabell 35.2. Rekkevidde av og vern mot radioaktiv stråling. Rekkevidde i luft

Alfastråler Betastråler Gammastråler

Om lag 2,5 cm 20—30 cm Mange meter

Blir stoppet av Et vanlig ark papir Et 2,5 cm tykt trebord Blyplate 10 —15 cm, tykk * betongvegg

* Gammastråler blir ikke helt stoppet.

Enheten C/kg uttrykker hvor mange positive (eller negative) ioneladninger strålingen vil kun­ ne produsere i et visst masseelement luft.

Vanligvis måler en ved slike instrumenter antall ioniserende partikler pr. minutt. Men det finnes også enklere instrumenter til feltbruk, som registrerer strålingsdosen i millirøntgen pr. time, mR/h. IR = 0,258 mC/kg (millicoulomb pr. kg). 35.5 Jordas minimumsalder

Halveringstider må i dag anses som meget sikre tall. På grunn­ lag av disse kan en anslå jordas minimumsalder etter følgende resonnement: I uranholdige mineraler vil det oftest også være

271

en del bly. Forholdet mellom blyinnhold og uraninnhold er også forbausende konstant i slike mineraler, selv om de er funnet på vidt forskjellige steder på jorda. Regner en derfor med at det bly som er der, er kommet fra uran gjennom mil­ lioner av års radioaktive desintegrasjoner, så kan en gjøre følgende beregning: Av tabell 35.1 for uranfamilien ser vi at om vi legger sam­ men alle halveringstidene, vil halveringstiden av det første ledd (4,5 • 109 år) være helt dominerende. Vi kan derfor se bort fra de andre halveringstidene i denne forbindelse. 238

Vi ser videre av tabellen at 2N atomer U i løpet av denne 92

lange tiden gir 8V atomer helium (alfapartikler) og N atomer 206

Pb. 82 206

238

U ca- 4’5-in,år v

2A 92

4

Pb 4- 8N He 82

2

Forholdet mellom bly og uran i mineralene skulle derfor være 206 n s°m 238 = °’865 Finner en nå et uranmineral og bestemmer uraninnholdet kjemisk til f. eks. 0,1 gram i en viss prøvemengde, skulle blymengden i samme prøve være lik 0,0865 gram dersom steinen er 4,5 • 109 år. Er det mindre bly i forhold til uran, blir al­ deren av steinen forholdsvis mindre. En har blant annet i Skandinavia funnet meget gamle mi­ neraler som iallfall har en alder på 3 • 109 år. Andre steder i verden har en enda eldre funn. I meteorsteiner har en målt 4,5 • 109 år. Resultatene av målingene av stein fra månen viste at de var ca. 5 • 109 år og derfor eldre enn noe som er funnet på jorda.

35.6 Kunstig radioaktivitet (kjernekjemi) Radioaktiviteten i de grunnstoffer vi finner i naturen, har fortsatt interesse. Men den såkalte kunstig frambrakte radio­ aktivitet vies i dag langt mer oppmerksomhet, og har også en større praktisk betydning. Allerde i 1919 lyktes det Rutherford å gjennomføre det som lenge hadde vært forskernes drøm, nemlig å kunne forandre et grunnstoff til et annet. Han lot alfapartikler fra en sterkt radioaktiv kilde passere gjennom nitrogengass i mange timer. Ved analyse av gassen etterpå fant han at en del var blitt om272

dannet til oksygen. En slik reaksjon kalles en kjernekjemisk reak­ sjon. Likningen skrives slik: “N + *He

"O +JH

Helt inntil 1934 hadde disse kjernekjemiske reaksjoner bare rent teoretisk interesse, mest fordi en ikke hadde kilder som var kraftige nok til den bestråling eller «bombardering» som skulle til. Men i januar dette året lyktes det Irene Curie og hen­ nes mann Jean-Frederic Joliot å vise at grunnstoffene bor, aluminium og magnesium kunne bli gjort radioaktive ved bestråling med alfastråler fra polonium. De kunngjorde at etter bestrålingen var de nevnte grunnstoffene radioaktive og sendte ut sin egen karakteristiske stråling med sin egen halveringstid. Fenomenene ble snart forstått, fordi J. Chadwick i 1932 hadde oppdaget nøytronet, og C. D. Anderson hadde sam­ me året oppdaget en positivt ladd partikkel med samme masse som et elektron, nemlig positronet («et positivt elektron»). For aluminium kan den kjernekjemiske reaksjonen skrives slik: 13AI + jHe ->

+ Jn (nøytron)

Den fosforisotopen som ble dannet, var igjen radioaktiv, og desintegrerte etter følgende likning: -> ?JSi + ?e (positron)

Disse nye observasjonene av Curie/Joliot satte i gang et skred av undersøkelser over hele verden. Spesielt var den italienske fysiker Enrico Fermis undersøkelser interessante, fordi han fikk satt i gang kunstig radioaktivitet også i de tunge ele­ menter, f. eks. uran. En hadde også etter hvert kommet fram til at det var bedre å bruke nøytroner enn alfapartikler til bombarderingen. Det var blitt matematisk forutsagt at om en greide å spalte et av de tunge grunnstoffer, f. eks. uran, ville det bli frigjort enorme mengder energi. Mange vitenskapsmenn arbeidet med dette, spesielt Fermi, Joliot, Otto Hahn og Strassmann. De to siste lyktes også med dette i 1939, men reaksjonene var den gang bare av teoretisk interesse. Da den annen verdenskrig brøt ut, ble disse eksperimentene tatt opp i kolossal målestokk, og praktisk talt hele eliten av verdens vitenskapsmenn drog over til USA for å delta i denne utviklingen. Resultatet var i første omgang en atomreaktor 273

Fig. 35.6. Atombombeeksplosjon på Bikini.

som ble bygd under tribunene på et fotballstadion i Chicago. I annen omgang resulterte det i atombomben over Hiroshima og Nagasaki. Atomalderen var begynt. Den mer fredelige utvikling og nyttiggjøring av atomener­ gien og de radioaktive isotoper i industri, medisin og forsk­ ning har først utviklet seg sterkt etter 1950.

35.7 Kjerneenergi

Forklaringen på hvorfor energi blir frigjort når atomkjerner deles opp, henger sammen med det vi kaller bindings energien i atomkjernene. Vi skal ta et enkelt eksempel: En heliumkjerne består av to protoner og to nøytroner. Vi kjenner i dag nøyaktig massene på et proton og et nøytron. Legger vi sammen massene for to protoner og to nøytroner, skulle vi vente å få massen av heliumkjernen. Men det viser seg at summen av de fire enkeltpartiklene er større enn den massen som vi kan måle for en heliumkjerne. Med andre ord, når de fire partikler slutter seg sammen til en heliumkjerne, blir det et massetap. Om vi da tenker oss at vi kunne sprenge en heliumkjerne igjen til sine fire enkeltpartikler, ville vi få

274

Fig. 35.7. Forholdet mellom bin­ dingsenergien pr. kjernepartikkel og massetallet.

denne massen tilbake igjen. Nå er masse og energi ifølge Einsteins formel egentlig det samme: E — mc2 Her er E energien av en partikkel med masse m, og c er lysets hastighet. Ved hjelp av denne formelen kan en gjøre massetapet ved partikkelsammenslutningen om til energi. Dividerer vi massetapet for helium med antall kjernepartikler, får vi det vi kaller bindingsenergien pr. kjernepartikkel. I dag kjenner vi antall nøytroner og antall protoner for alle atomer, og vi kjenner også massene for atomkjernene med stor nøyaktighet. Det er derfor et enkelt regnestykke å legge sam­ men proton- og nøytronmassene og sammenlikne dette tallet med den målte kjernemassen for hvert enkelt grunnstoff. Differensen mellom disse tall gir oss massetapet. Det viser seg at dette tallet varierer for hvert grunnstoff. Setter vi dette inn i et diagram, får vi kurven som er vist på figur 35.7. Av kurven går det fram at stoffene med massetall omtrent som jern har den høyeste bindingsenergi. Bindings­ energien stiger bratt fra hydrogen til helium og derfra til jern. Deretter synker den mot de tyngre elementer, som uran. 35.8 Bindingsenergi, regneeksempler Eksempel 1: Vi skal regne ut bindingsenergien pr. kjernepartikkel for helium. Her bruker vi atommasseenheten, u, som er 1,661 • 10“22g.

275

Massen av 2 protoner = 2(l,00728)u Massen av 2 nøytroner = 2(l,00867)u

= 2,01456 u = 2,01734 u

Sum 4 kjernepartikler

= 4,03190 u

Masse for heliumkjernen, funnet eksperimentelt: 4 2

He ............................................................ = 4,00150 u ’__________

Massetap.................................................... = 0,03040 u

Deler av dette tallet med antall kjernepartikler, 4, får vi bindingsenergien pr. kjernepartikkel: 0,03040 = 0,0076 u 4

Ved hjelp av Einsteins formel kan en regne ut hvor stor energi en masseenhet representerer i energienheter, f. eks. joule. Imidlertid er det mer vanlig i kjerneprosesser å bruke enheten elektronvolt, eV, eller 106 eV = 1 MeV, 1 megaelektronvolt. [En elektronvolt er den energien som et elektron får når det beveger seg over en potensialdifferens på 1 volt i vakuum.] Man har funnet at den energien som tilsvarer masseenheten u er 931,9 MeV. Regner vi da massetapet for heliumkjernen, 0,03040 u, om i MeV, får vi: 28,32 MeV. Bindingsenergien pr. kjernepartikkel for

4He = -.8’32 2

_ 7j08 MeV/kjernepartikkel

Eksempel 2. Bindingsenergien for ^Fe 26 protoner = 26(l,00728)u....................... = 26,18928 u 30 nøytroner = 30(l,00867)u..................... = 30,26010 u

Sum partikkelmasse....................................

= 56,44938 u

Massen av en kjerne av °6Fe er målt til 55,92066 u J

26

Massetapet er altså 56,44938 u — 55,92066 u = 0,52872 u. Omgjort til MeV og dividert med antall kjernepartikler, 56, får vi:

Bindingsenergien pr. kjernepartikkel for jern:

0,52872-931,9 56

8,80 MeV/kjernepartikkel

Dette er en av de høyeste bindingsenergiene for grunnstoffer. 276

Fig. 35.8. Kjedereaksjon. Fisjon av U-235.

35.9 Fusjon og fisjon 2

Et deuteron har en masse på 2,01355 u. Tenker vi oss at et proton og et nøytron går sammen og danner en slik tung hydrogenkjerne, vil det bli frigjort en energi på ca. 2,2 MeV, eller ca. 1,1 MeV pr. partikkel. (Regn ut selv.)

En slik sammensmelting av mindre enheter til større kalles en fusjon. Av kurven på figur 35.7 ser vi at om vi kunne få smeltet hydrogenkjerner sammen til å bli heliumkjerner, ville vi vinne kolossalt i bindingsenergien, ca. 7,1 MeV—1,1 MeV = 6,0 MeV. Vi ser også av kurven at om vi kunne dele en av de tunge atomkjerner, f. eks. uran, i to halvdeler med masse omkring jern, ville vi også vinne i bindingsenetgi. Deling av tunge atomkjerner i to halvdeler kalles en fisjon.

277

Det er disse to muligheter som er utnyttet i de prosesser hvor enorme mengder energi frigjøres. Den siste prosessen ledet til atombomben. Den første ledet til hydrogenbomben.

35.10 Kjedereaksjon, U-235, fisjon

Skal vi få i stand en spalting av de tunge atomkjerner, for eksempel uran, må de beskytes med nøytroner med en ganske bestemt hastighet. En taler om langsomme nøytroner. I reaktorer brukes tungt vann eller grafitt til å bremse de hurtige nøy­ tronene. Ikke alle de tunge grunnstoffisotoper lar seg spalte i to (er fisjonable). I det naturlige uran en finner i mineraler, vil det være en viss blanding av 2gU og ^U. Bare den siste nukliden er fisjonabel. Men om vi nå bare fikk spaltet et atom U-235 for hvert nøytron vi brukte til beskytningen, ville vi ikke vinne så mye energi. Det måtte nemlig kolossale ener­ gimengder til for å frambringe de nøytroner som skulle brukes. Derfor er utnyttelsen av kjerneenergien ved en fisjon av­ hengig av at prosessen, når den er satt i gang, kan vedlikeholde seg selv. Grunnen til at dette er mulig, er det faktum at ved en fisjon av en U-235-kjerne vil det samtidig som det dannes to store kjernedeler, slynges ut 3 nøytroner. Disse nøytronene kan, om de bremses ned til å bli langsomme nøytroner, igjen sette i gang en ny fisjon i hver sin U-235-kjerne. Prosessen vil gå av seg selv, og den ville akselerere kolossalt om en ikke kontrollerer reaksjonshastigheten ved hjelp av kadmiumstaver. (Kadmium absorberer nøytroner.) Vi får en såkalt kjedereaksjon. Figur 34.8 illustrerer forholdet skjematisk.

35.11 Utnytting av kjerneprosesser og isotoper

Atomenergi i form av kontrollerte fisjonsprosesser blir nyttet mer og mer over hele verden. Det er for lengst montert «atommaskineri» om bord i båter og fly. Flere kraftverk for produksjon av elektrisitet er bygd, og selv om de i dag ikke kan konkurrere med billig vannkraft, er det nok bare et tids­ spørsmål når det vil skje. Et av de problemer utnyttingen av atomenergien byr på, er de radioaktive fisjonsprodukter som dannes — avfallsstof­ fene. Ved utbredt bruk av slike reaktorer vil det bli en god del avfallsstoffer, og de kan ikke kastes i en haug hvor som helst. 278

Nyttegraden av fisjonsenergien er imidlertid meget dårlig i de reaktorer vi har i dag. På dette området kan vi sikkert vente store forbedringer. I realiteten har en i hende en reak­ sjon som kan gi temperatur på millioner grader, og så blir den bare nyttet til å overføre vann til damp. Framtiden vil forhåpentlig løse dette problemet, slik at den høye tempera­ turen kan nyttes direkte til å lage elektrisk strøm. De fleste av de reaktorer som er i bruk i dag, blir nyttet til forskning og til produksjon av radioaktive isotoper. Dette blir i prinsippet gjort på den måten at en gjennom kanaler fra yttersiden av reaktoren kan føre stoffet helt inn i reaktorkjernen. I det indre er det en voldsom nøytronstråling og gammastråling. I et stabilt grunnstoff som kommer dit, blir det satt i gang en kjernereaksjon som resulterer i at radio­ aktive isotoper dannes. Som et typisk eksempel kan nevnes: Stabil kobolt blir over­ ført til radioaktiv kobolt-60.

jyCo -f- on — 27C0 + (gammastråler) Co-60 er en kraftig gammastråler (1,33 MeV) og en svak betastråler (0,3 MeV). Et annet eksempel er overføringen av svovel til fosfor P-32#

??s + ‘n = ?*P

+ ;h

P-32 har ingen gammastråling, men er en kraftig betastråler (1,7 MeV).'

Bruk av isotoper. Bruken av radioaktive isotoper blir mer og mer vanlig på nær sagt alle forskningsområder. Også industrien har tatt isotopene i sin tjeneste i produksjonskontrollen og i måleog registreringsteknikken. Stort sett kan vi dele bruken av slike isotoper i to hoved­ grupper:

A. Sporstoffer (tracere). B. Strålingskilder (radioautografi). Vi skal se på hovedtrekkene ved disse to bruksmåtene. A. En radioaktiv isotop er kjemisk sett identisk med det stabile grunnstoff med samme atomnummer. P-32 f. eks. opp­ fører seg kjemisk helt likt vanlig fosfor. Om en setter litt P-32 til det vanlige fosfor, og en derfra lager et næringsstoff som et fosfat, vil derfor dette fosfatet være «merket». Det lar seg følge på grunn av stråling som lett kan registreres, og om fosfa­ tet blir akkumulert i et bestemt organ i kroppen, vil det også 279

vise seg. Vi sier at isotopen blir brukt som sporstoff (tracer). I industrien kan en bruke tracerteknikk om en f. eks. vil følge en blandingsprosess i en stor lagertank. La oss si at det til en tank som rommer 10 tonn av en væske, skal tilføres en liten mengde av en annen væske. Hvor lenge må røreverket gå før blandingen er homogen ? Hvilken form bør røreverk og kar ha for at det skal bli best mulig og raskest mulig bland­ ing? Problemer som disse kan løses og studeres om vi tilsetter en lett registrerbar radioaktiv isotop til det lille kvantumet. Deretter kan vi ta prøver ut av tanken på forskjellige steder, og når alle prøver viser lik stråling, er blandingen å regne for homogen. Slitasje- og smøringsstudier kan også utføres ved tracer­ teknikk. La oss anta at stempelljærene på et stempel er laget slik at de inneholder litt radioaktivt jern Fe-59. Dette har en kraftig gammastråling. Avslitt materiale fra stempelfjæra vil i løpet av meget kort tid være å finne i oljen og bli registrert ved sin stråling der. B. Bruken av isotopene som strålingskilder er det andre nytteområdet. I medisinen kan isotoper erstatte radium i kreftterapien. De er billigere og gir flere muligheter for variasjon i strålingstype og styrke. Virkningen er at strålene dreper kreftcellene og hindrer sjukdommen i å bre seg. I industrien kan strålingen brukes på en måte som svarer til det en kan oppnå ved røntgenfotografering. All stråling på­ virker fotografisk film, og en kraftig gammastråler som Co-60 vil, om den i størrelse av et knappenålshode bringes inn i en komplisert maskindel, sende stråler ut gjennom konstruk­ sjonen. Filmen som blir plassert på yttersiden, vil da gi et bilde av eventuelle strukturfeil eller brist i maskindelen. Dette er eksempel på radioautografi. Fordelene ved slike metoder framfor bruk av det svære røntgenapparatet er innlysende. Det kan også være tilfeller da en nytter isotopenes stråling som middel til å registrere et fenomen uten tanke på om strål­ ingen skyldes en bestemt isotop. Har vi f. eks. et komplisert rørsystem og vil finne ut hvilken vei en væske tar, eller nøyaktig når væsken fra et bestemt rør kommer inn i koplingen med et annet, kan dette lett under­ søkes ved hjelp av en radioaktiv isotop. En setter den til den væske som skal undersøkes, og straks den kommer inn på ved­ kommende kopling, blir strålingen registrert på geigertelleren.

280

Fig. 35.9. «Koboltmaskin» bestråler en pasient på Radiumhospitalet.

Spørsmål og oppgaver

1. Forklar hva som menes med uttrykket radioaktivitet. 2. Beskriv hva som menes med uttrykkene alfa-, beta-, og gammastråling. 3. Hvilken virkning har betastråling på massetallet? 4. Hvilken virkning har alfastråling på massetallet? 5. Hva menes med uttrykkene «kunstig» og «naturlig» radioaktivitet ? 6. Skriv likningen for en alfadesintegrasjon av ^Po. 7. Halveringstiden for ]|P er 14 døgn. Beregn hvor mange gram det vil være igjen av 0,5 gram etter 3 døgn. 8. Skriv likningen for en betadesintegrasjon av 2g|Pa. 9. Forklar uttrykkene massetap, bindingsenergi pr. kjerne­ partikkel og MeV. 10. Gjør greie for uttrykkene fisjon og fusjon.

19. Salveson: Kjemi 2

281

Demonstrasjoner og forsøk

1. Demonstrer troskop. 2. Demonstrer 3. Gjor forsøk lene stoppes 4. Demonstrer

282

virkningen av et radioaktivt stoff på et elek-

en enkel Geiger-Muller-teller. med en geigerteller som viser hvordan strå­ av tynt papir, aluminiumplater, blyplater osv. spor etter alfapartikler i et tåkekammer.

Tabeller Tabell T.7. Grunnstoffenes elektron]ordeling.

z

Grunnstoff

1 5

3

2 1 *

P

4

$ p d i J

1 2

H He

1 2

3 4 5 6 7 8 9 10

Li Be B C N O F Ne

2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6

11 12 13 14 15 16 17 18

Na Mg Al Si P S Cl Ar

2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6

1 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

5

P d f \ s P d f

1 2 3 5 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10

1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 I 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

1 2 4 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10

6

7

s p d

5

1 2 2 2 1 1 1 I 1 1 2 2 1 2 2 2 3

283

(Tabell T.7 forts.)

z

284

Grunn­ 1 stoff

2

3

s P

5 P d

4 5 P d

5

f

s P d f

52 53 54

Te I Xe

2 2 2

2 6 2 6 2 6

2 6 10 2 6 10 2 6 10

2 6 10 2 6 10 2 6 10

2 4 2 5 2 6

55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tin Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

2 3 4 5 6 7 7 9 10 11 12 1314 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 '2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105

Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Ku Ha

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2’ 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

6 5 P d

1 2 3 4 5 6 7 9 10 10 10 10 10 10 10 10

1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

1

1

2 3 4 6 7 7 9 10 11 12 13 14 14 14 14

1 2 1 1 1

1

1 2 3

7 j

1 2 2 2 2 2 2? 2? 2? 2? 2? 2? 2? 2? 2? 2? 2? 2? 2?

T. 13. Fordampningsvarme for noen stoffer som er vanlig brukt i kjøleteknikken Ammoniakk NH,

Temperatur i °C

+ + + +

50 40 30 20 10 0,00 10 20 30 40

Svoveldioksyd SO2

Fordampnings­ varme i kcal/kg

Temperatur i °C

-

338,6 332,0 325,1 317,7 309,9 301,7 292,9 283,6 273,7 263,1

+ + + +

- 30 - 20 - 10 0,00 + io + 20 + 30

99,2 97,3 95,5 92,7 89,9 86,6 83,1 79,3 75,0

40 30 20 10 0,00 io 20 30 40

Difluor-diklormetan CC12F2 (Vanlig kalt «F-12»)

Karbondioksyd CO2

Temperatur i °C

Fordampnings­ varme i kcal/kg

Fordampnings­ varme i kcal/kg

70,5 66,4 61,5 55,5 47,8 37,0 15,0

Temperatur i °C

Fordampnings­ varme i kcal/kg

40,8 40,0 39,1 38,1 37,0 35,8 34,5 33,0

40 30 20 10 0,00 + 10 + 20 + .30 -

T. 14. Kuldeblandinger De oppgitte stoffer skal blandes i det oppgitte masseforhold.

NaCl

33 deler (eller

NH4C1

25 deler

(eller

CaCl2.6H2O

100 deler

(eller CaCl2.6H2O

100 deler

(eller CaCl2 (uten H2O) NaNO3

30 deler

(eller 50 deler

(eller

Snø pulverisert Snø pulverisert Snø pulverisert Snø pulverisert Snø pulverisert Snø pulverisert

100 deler

Temp, i °C - 21,3

100 deler

- 15,4

61 deler

- 39,0

70 deler

— 55,0

100 deler

- 10,9

100 deler

- 17,7

is)

is) is) is)

is) is)

285

T. 14. (forts.) Kuldeblandinger NH4C1 NaNO3 Kl NH4NO3

30 deler 75 deler 140 deler 100 deler

Vann Vann Vann Vann

100 deler 100 deler 100 deler 131 deler

Etanol

(tilfeldig mengde)

Fast CO2 * (tørr-is)

(tilfeldig mengde)

Temp, i °C - 5,1 - 5,3 - 11,7 - 17,5

- 72,0

* Fast CO2 (tørr-is) i seg selv har en temperatur på —78,0 °C.

T. 15. Anti-frostvasker Etanol (sprit) og vann.

Tetthet (ved 20°C) av blandingen

Masseproscnt etanol

Tåler avkjøling ned til

0,980 0,968 0,954 0,937 0,900

H,3% 20,3% 30,0% 40,0% 56,1%

-

5,0°C 10,0cC 19,0°C 29,0°C 41,0°C

Glyserol (glyserin) og vann Masseprosent glyserol

Tetthet (ved 20°C) av blandingen

10% 30% 40% 50% 70%

1,024 1,075 1,101 1,128 1,184

Tåler avkjøling ned til

-

T. 16. Det greske alfabet alfa beta gamma delta epsilon zeta eta theta iota kappa lambda my

286

A B r A E Z H 0 I K A M

a

d y å £

c ?7 0 i

z A

ny ksi omikron Pi rho sigma tau ypsilon phi khi psi omega

N dl 0 n p x T Y