Kjemi 2 8200264734 [PDF]

Zitiervorschau

Aamund Salveson

KJEMI 2

Universitetsforlaget

© Universitetsforlaget 1979 Omsett til nynorsk av Egil Halmøy Omsetjinga samsvarer heilt med 2. utgåva av bokmålsutgåva 1976 Godkjend av Kyrkje- og undervisningsdepartementet 17. april 1978 til bruk i den vidaregåande skolen.

Etter lov av 12. mai 1961 om opphavsrett til åndsverk er det forbode å mangfalde innhaldet i denne boka, heilt eller delvis, utan løyve frå forlaget. Forbodet gjeld mangfalding av alle slag ved prenting, kopiering, stensilering, bandinnspeling o. 1. ISBN: 82-00-26473-4

Omslag: Jan Engebretsen Prent: A.s John Grieg, Bergen 1979

F orord

Dette er andre delen av læreboka Kjemi. Denne delen medar på å klarleggje typiske eigenskapar og prosessar hos dei ein­ skilde grunnstoffa og grunnstoffgruppene. Boka drøftar den organiske kjemien på grunnlag av innføringa i Kjemi 1, som er meir orienterande. Eigne kapittel om biokjemi, ureiningskjemi og kjernekjemi er tekne med for å gje ei innføring i dei kjemiske grunndraga ved område som er brennaktuelle i samfunnsdebatten i dag. Frå fleire hald har det vore frambore ønske om å få slikt stoff med i moderne lærebøker på fleire fagområde. Eg vonar det har lykkast å gi lesaren ei viss forståing av dei kjemiske sidene ved desse problemområda. Likeins vonar eg kapitla kan hjelpe til å gjere ordskiftet om desse emna meir fagleg nøkternt. Heile boka vil gi ei grundigare innføring i kjemi enn dei ut­ gåvene som er komne før. Todelinga og oppdelinga i små emneavsnitt, som i nokre tilfelle er flytta over frå det eine bandet til det andre i denne utgåva, skulle dg gjere det lettare å velje ut dei områda som høver inn i undervisningsplan og nivå for den einskilde. Meininga mi har vore at også dei brukarane som berre treng lite kjemi i utdanninga si, iallfall skal få ein sjanse til å «skjøne kjemien» utan å berre måtte pugge. Ved figurar og skisser har eg prøvd å illustrere viktige prin­ sipp. Særskilt har eg i denne utgåva prøvd å gi større forståing for dei romlege og strukturelle tilhøva i kjemien. Dette førte naturleg til eit kapittel om kompleks-ion og strukturen i desse. Slik som i tidlegare utgåver har eg også her brukt skjematiske og forenkla forklaringar på kompliserte tilhøve. Dette er gjort for å lette forståinga for den som skal igjennom stoffet første gongen. Etter mitt skjøn er det viktig at ei lærebok så langt råd er, tek slike pedagogiske omsyn. Når det gjeld nomenklaturen, har eg freista å finne fram til namn og uttrykk som kan aksepterast av norske kjemikarar. For eit lite språkområde som vårt vil det alltid vere mange nemningar som berre kan bli meir eller mindre vellykka om­ setjingar av utanlandske uttrykk.

III

Også i denne delen av boka er det teke med noko stoff og biletmateriale frå industrien og frå utan- og innanlandske institusjonar. Eg er særs takksam for den velviljen eg alltid har møtt når eg har spurt om slike ting. Eg vonar at eg no som før kan vere så heldig å få kommentar og rettleiing frå den som les boka. Eg vil rette ein hjarteleg takk til alle som på den måten har hjelpt til med den om­ arbeidinga som no ligg føre.

Kristiansand sommaren 1976. Aamund Salveson

IV

Innhald

Kap. 17 HYDROGEN OG VATN .................................... 17.1 Hydrogen.......................................................... 17.2 Skildring og førekomst................................. 17.3 Framstilling..................................................... 17.4 Kjemiske eigenskapar................................... 17.5 Bruk av hydrogen.......................................... 17.6 Tungt hydrogen ............................................ 17.7 Sambindingar av hydrogen og oksygen.. . 17.8 . Kjemiske eigenskapar for H2O2............. 17.9 Meir om vatn................................................... 17.10 Hygroskopiske stoff....................................... 17.11 Vatn som løysingsmiddel............................

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

19.7 19.8 19.9

Hardt vatn ....................................................... Strontium — Sr .............................................. Barium — Ba ..................................................

42 42 43

Kap. 20

REAKSJONAR I LØYSNING I VATN II . 20.1 Jamvektsforskyving (fellesione-effekt).... 20.2 Bufferløysningar .............................................. 20.3 Hydrolyse ......................................................... 20.4 Anion- og kation-hydrolyse................. 50 20.5 Hydratisering ................................................... 20.6 Frysepunktsenking — kokepunktheving . .

46 46 48 49

53 54

Kap. 18 OKSYGEN, LUFT, EDLE GASSAR............. 18.1 Oksygen............................................................ 18.2 Framstilling..................................................... 18.3 Eigenskapar..................................................... 18.4 Teknisk bruk................................................... 18.5 Åndinga........... -............................................... 18.6 Sambindingar —oksyd — peroksyd........... 18.7 Ozon — O3..................................................... 18.8 Tenningstemperatur..................................... 18.9 Luft ................................................................... 18.10 Flytande luft.................................................... 18.11 Edelgassane .................................................... 18.12 Sambindingar avedelgassane .....................

21 21 22 23 23 24 24 26 27 27 29 30 31

Kap. 21 HOVUDGRUPPE III A ....................................... 21.1 Bor - B.............................................................. 21.2 Aluminium — Al.............................................. 21.3 Framstillinga..................................................... 21.4 Eigenskapar....................................................... 21.5 Teknisk bruk.................................................... 21.6 Sambindingar.................................................... 21.7 Leirvarer ...........................................................

61 62 63 63 65 66 67 68

Kap. 22 Kap. 19

ALKALIMETALL OG JORDALKALIMETALL. HOVUDGRUPPE I A OG II A.. 19.1 Fellesdrag ....................................................... 19.2 Førekomst i naturen............................... 34 19.3 Framstilling............................................... 35 19.4 Bruk av grunnstoffa ..................................... 19.5 Alkalimetalla, kjemiske eigenskapar og sambindingar ................................................. 19.6 Jordalkalimetalla, kjemiske eigenskaparog sambindingar .................................................

33 33

36

37 40

METALL OG LEGERINGAR .......................... 22.1 Særpreg for metalla ....................................... 22.2 Elektron i metalla........................................... 22.3 Legeringar......................................................... 22.4 Inndeling av legeringar................................. 22.5 Døme på smeltepunktsdiagram ................. 22.6 Romstrukturen i metalla.............................. 22.7 Korleis metalla finst i naturen..................... 22.8 Oppreiing — konsentrasjon ........................ 22.9 Utvinning (kjemiske prosessar) ................... 22.10 Kjemiske eigenskapar hos metalla.............. 22.11 Metalloksyd......................................................

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

Kap. 23

Kap. 27

IKKJE-METALL...................................................... 23.1 Særpreg ............................................................ 23.2 Molekylstrukturar for ikkje-metalla......... 23.3 Allmenne kjemiske eigenskapar ............... 23.4 Hydrogensambindingar av ikkje-metalla. 23.5 Oksyd av ikkje-metall ................................. 23.6 Oksosyrer..........................................................

HOVUDGRUPPE VII A - HALOGENGRUPPA......................................................................... 27.1 Gruppeoversyn ................................................ 27.2 Klor, førekomst og framstilling.................... 27.3 Eigenskapar og bruk av klor........................ 27.4 Klorsambindingar — saltsyre...................... 27.5 Brom - Br ...................................................... 27.6 Jod - I ............................................................

137 137 138 139 141 143 143

Kap. 28 GASSREAKSJONAR OG REAKSJONSMEKANISME (KINETIKK). GASSABSORPSJON OG GASSANALYSE ................................ 28.1 Jamvekter ........................................................ 28.2 Reknedøme......................................................... 28.3 Reaksjonsfart.................................................... 28.4 Reaksjonsmekanisme ..................................... 28.5 Litt om gassanalyse og gassabsorpsjon. . .

146 146 147 150 151 153

87 87 88 91 91 92 93

Kap. 24

HOVUDGRUPPE IV A - KARBONGRUPPA........................................................................ 96 24.1 Gruppeoversyn ............................................... 96 24.2 Karbon ............................................................ 97 24.3 Karbonmonoksyd —kolos, CO.................... 98 24.4 Karbondioksyd................................................. 99 24.5 Sambindingar mellomkarbon og metall — karbidar........................................................ 101 24.6 Silisium — Si ................................................. 102 24.7 Silikathaldige bruksprodukt ...................... 103 24.8 Tinn - Sn ..................................................... 104 24.9 Bly - Pb.......................................................... 105

Kap. 25 HOVUDGRUPPE V A - NITROGENGRUPPA........................................................................ 25.1 Gruppeoversyn ........................................... 25.2 Nitrogen............................................................ 25.3 Nitrogensambindingar ................................. 25.4 Salpetersyre..................................................... 25.5 Nitrat ................................................................. 25.6 Nitrogenet i krinslaup i naturen............... 25.7 Ammoniakk ogammoniumion ................... 25.8 Fosfor - P ...................................................... 25.9 Arsen — As...................................................... 25.10 Antimon — Sb................................................. 25.11 Vismut - Bi...................................................

109 109 110 111 112 114 115 116 119 120 121 121

Kap. 29 SIDEGRUPPENE .................................................... 29.1 Allment ............................................................. 29.2 Første sidegruppeperioden............................ 29.3 Farga ion og sambindingar......................... 29.4 Magnetiske eigenskapar................................ 29.5 lonisasjonsenergien......................................... 29.6 Elektronegativiteten ....................................... 29.7 Hydrolyse av iona ......................................... 29.8 Oksyderande eigenskapar ............................ 29.9 Krom - Cr .................................................... 29.10 Mangan — Mn ............................................ 29.11 Kopar - Cu................................................... 29.12 Sølv - Ag....................................................... 29.13 Sink - Zn....................................................... 29.14 Kviksølv — Hg..............................................

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

Kap. 30

Kap. 26

HOVUDGRUPPE VI A - SVOVELGRUPPA......................................................................... 26.1 Gruppeoversyn ............................................... 26.2 Svovel, førekomst og framstilling............... 26.3 Eigenskapar og bruk .................................... 26.4 Svovelsambindingar...................................... 26.5 Svovelsyre — H2SO4 .................................... 26.6 Selen — Se ...................................................... 26.7 Tellur - Te ...................................................

VI

125 125 126 127 128 131 133 133

JERNMETALL, Fe, Co, Ni .................................. 30.1 Førekomst ......................................................... 30.2 Råjern ................................................................ 30.3 Tekniske framstillingsmetodar ................... 30.4 Stål...................................................................... 30.5 Elektroråjern og elektrostål.......................... 30.6 Spesialstål ......................................................... 30.7 Kjemiske eigenskapar og sambindingar av jern...................................................................... 30.8 Nikkel og kobolt .............................................. 30.9 Fornikling — ein galvaniskprosess..............

178 178 179 179 183 186 187

188 190 192

Kap. 31 KOORDINASJONSSAMBINDINGAR........... 31.1 Kompleksion ................................................... 31.2 Koordinasjonssambindingar (komplekssambindingar)................................ 31.3 Romgeometri for kompleksion ................. 31.4 Stereo-isomeri................................................... 31.5 Nomenklatur................................................... 31.6 Bindingsteoriar ............................................... 31.7 Valensbindingsteorien ................................. 31.8 Eksperimentelle opplysningar .................... 31.9 Dissosiasjon ay kompleksionet ....................

Kap. 32 ORGANISKE STOFF I INDUSTRI OG DAGLEGLIV ............................................................. 32.1 Kol ..................................................................... 32.2 Jordolje (mineralolje) — bensin — smurningsoljer.................................................. 32.3 Teknisk viktige alkoholar .......................... 32.4 Såper og syntetiske vaskemiddel............... 32.5 Feittoljer og målingsprodukt etc................. 32.6 Naturlege og syntetiske fibrar................... 32.7 Kautsjuk, eller naturgummi ......................

Kap. 33 NOKRE VIKTIGE BIOKJEMISKE STOFF. 33.1 Karbohydrat................................................... 33.2 Protein .......... 33.3 Døme på medisinsk viktige sambindingar

33.4

Kondenserte benzenringar og heterosykliske sambindingar ...................... 250 Samansette sambindingar ............................ 251

195 195

33.5

195 196 197 198 198 199 203 203

Kap. 34 MENNESKA UREINAR NATUREN ............ 34.1 Ureiningar i vatnet ....................................... 34.2 Kva kan ein måle?......................................... 34.3 Ureiningar i lufta ............................................ 34.4 Ureining av jorda........................................... 34.5 Allmenn ureining av naturen.......................

255 255 256 261 263 263

Kap. 35 RADIOAKTIVITET OG KJERNEKJEMI . 35.1 Dei første oppdagingane .............................. 35.2 Naturleg radioaktive grunnstoff................. 35.3 Halveringstid.................................................... 35.4 Måleinstrument .............................................. 35.5 Minimumsalderen til jorda.......................... 35.6 Kunstig radioaktivitet (kjernekjemi).......... 35.7 Kjerneenergi....................................................... 35.8 Bindingsenergi, reknedøme............................ 35.9 Fusjon og fisjon................................................ 35.10 Kjedereaksjon, U-235, fisjon........................ 35.11 Utnytting av kjerneprosessar ogisotopar .

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

Tabellar.............................................................

283

Svarnøkkel til «Vel rett(e) svar»................

289

207 207 210 218 220 223 227 229

235 235 241 245

Litteratur........................................................... 291

Stikkordregister................................................ 292

VII

Hydrogen og vatn

17.1 Hydrogen

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

Atomvekt: 1,0078 Atomradius: 0,3 Å lonisasjonsenergi: 13,5 eV Vanleg oksydasjonstal: +1

Grunnstoffet hydrogen står i ei særstilling i det periodiske systemet. Atomet er det minste av alle atoma. Det har berre eitt elektron i L-orbitalen, og kjernen er eitt einskilt proton. Med det eine elektronet sitt skulle derfor hydrogen ha visse likskapar med alkalimetalla i gruppe I A. Det har det dg, men det skil seg sterkt frå dei ved at det ikkje lett gir frå seg det eine elektronet sitt. lonisasjonsenergien for hydrogen er to til tre gonger så stor som for metalla Li, Na og K. Når hydrogenatomet blir ionisert, får vi ionet H+. Som ion er dette dg noko heilt for seg sjølv, da det berre er eitt einskilt «nake» proton. Den ledige plassen i h-orbitalen gjer at hydrogen dg har visse likskapar med grunnstoffa i gruppe VII A, halogena.

Fig. 17.1. Luftskipet Norge heldt seg oppe i lufta fordi det var del­ vis fylt med hydrogen. (Foto teke i 1926 på Ekebergsletta ved Oslo i samband med Amundsen-Nobiles polflyging.)

1

Fig. 17.2. Laboratorieoppstilling for elektrolyse av vatn tilsett ein elektrolytt, t.d. NaOH, KOH eller H2SO4. Ein får to volum H2 for kvart volum O2.

Dette ser vi i sambindingar mellom metall og hydrogen av typen NaH eller CaH2. I slike sambindingar, altså saman med dei mest elektropositive metalla, lagar hydrogen ionet H_ (og hydrogenet har da oksydasjonstalet —1).

17.2 Skildring og førekomst Det er vanleg meining at hydrogenet vart oppdaga i 1776 av engelskmannen Henry Cavendish. Gassen var umåteleg lett og utan lukt og smak, heitte det. Gassen er ikkje giftig. Han brenn i luft med blåleg flamme. Dei einskilde gassmolekyla inneheld to atom, H2, og bindinga mellom atoma er ei rein kovalent binding. (Sjå kap. 3.) Det finst lite fritt hydrogen på jorda. Dei øvre laga i jordatmosfæren inneheld om lag 1 del i 200 000 delar luft. Men ser vi naturen i astronomisk perspektiv, så vil vi oppdage at det finst uhorvelege mengder av fritt hydrogen. Dei vanlege stjernene er nemleg for det meste samansette av hydrogen med svært høg temperatur. Spektralanalyse * av lyset frå stjernene viser dette. Ser vi universet under eitt, kan vi derfor gå ut frå at hydrogen truleg er mest utbreidd av alle grunn­ stoffa. I sambindingar er hydrogenet sterkt utbreidd også på jorda. Først og fremst finn vi det i vatn, H2O, men dg i tusental av ymse organiske stoff, der det har bunde seg til grunnstoffet karbon. * Jf. Kjemi 1, avsn. 1.6.

2

Fig. 17.3. Enkel laboratorieoppstilling for framstilling av hydro­ gen. Pass på å drive lufta ut av apparaturen før du samlar opp hydrogengassen. Det kan ofte ta fleire minutt. Dersom ikkje lufta er utdriven, kan det skje ein eks­ plosjon når ein seinare skal tenne på gassen. Bruk derfor vernebriller!

17.3 Framstilling

I dei aller fleste sambindingane har hydrogenet oksydasjonstalet 4-1. Skal vi vinne det ut av slike sambindingar, må vi derfor få til ein reduksjonsprosess : 2H+ + 2e" = H2 Den hydrogensambindinga som er billegast og lettast å få tak i, er vatn. Den tekniske framstillinga av hydrogen nyttar derfor vatn som råstoff. Elektrolytisk reduksjon er mye brukt. Ved denne, som ved all annan elektrolyse, får vi ein reduksjon ved katoden: elektrolyse

2H2O------------ 2H2 + O2

Her ser vi på elektrolysen som ein beinveges red/oks-verknad på vassmolekyl: Katode (reduksjon)

Anode (oksydasjon)

4H2O + 4e" = 4OH- + 2H2

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

Ved anoden får vi oksygengass. Høvet mellom voluma av hydrogengassen og oksygengassen blir som 2:1, og det svarar til samansetninga i formelen H2O, sjå fig. 17.2. Ved denne hydrogenframstillinga blir vatnet tilsett ein elektrolytt, til dømes svovelsyre eller kalilut. Det er for å auke leiingsevna. Ein tyder no prosessen slik at det er H+- og OH~-iona frå sjølve vatnet som blir utladde ved elektrodane. I laboratoriet lagar ein hydrogen ved å redusere H+ -ion frå ei syreløysning ved hjelp av eit metall som står på den negative sida i spenningsrekkja. Metallet sink er både billeg og greitt å bruke. 2H+ + Zn - H2 + Zn+ +

3

Metallet blir med andre ord oksydert til metallion av H+iona i syra, medan hydrogenionet sjølv blir redusert til hydro­ gengass. For svovelsyre og saltsyre vil dei fullstendige lik­ ningane bli slik: H2SO4 + Fe = FeSO4 + H2 og 2HC1 + Mg = MgCl2 + H2 Netto-ionelikningane blir:

2H+ + Fe = Fe++ + H2 og 2H+ + Mg = Mg++ +H2 Hydrogengass blir dg laga ved mange andre reduksjonsprosessar. Somme av dei blir brukte i industrien. Såleis får vi hydrogen ved å leie vassdamp over glødande koks. Da får vi rett nok ei blanding av hydrogen og gassen CO. Vi kallar blandinga for «vassgass».

c + H2O = CO + h2

17.4 Kjemiske eigenskapar Det eine elektronet i hydrogenatomet kan brukast til bindingar av ymse slag. I dei aller fleste tilfella blir det brukt til å lage ei kovalent binding saman med eit elektron frå eit anna atom. Organiske hydrogensambindingar har kovalente bindingar mellom karbon og hydrogen. I uorganisk kjemi har det dg mye å seia at hydrogenet har så lett for å lage ion, da alle syrer er særmerkte ved H + -ionet og syreresten når syra er dissosiert. Gassen brenn, dvs. han reagerer med oksygen i lufta og lagar vatn ved reaksjonen. Det blir da frigjort i stor varme­ mengd :

2H2 + O2 = 2H2O + 486,8 kj (116,3 kcal) Same energimengda må bli tilført om ein skal kunne kløyve vatn i hydrogen og oksygen, til dømes ved elektrolyse: elektrolyse

2H2O----- —* 2H2 + O2 — 486,8 kj Når ein vil prøve om hydrogengass brenn, må ein passe på at ein ikkje har fått ei blanding av oksygen (frå lufta) og hydrogen. Dersom dette blandingshøvet er nær 1:2, vil ein få ein kraftig eksplosjon. Blandinga kallar ein derfor knall­ gass. Ein må la hydrogengassen strøyme godt igjennom appa­ raturen før ein tenner på. Sjå fig. 17.3 og 17.4.

4

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

CuO»H2 —— Cu+H-,0

Flamme

h2 /Litt bomull for å suge opp vatn.

Hydrogen er eit reduksjonsmiddel. Det kan ein demonstrere i eit forsøk som er vist på figur 17.4. Det svarte koparoksydet CuO blir redusert til raudfarga metallisk kopar. Hydrogen blir oksydert til vatn, som dg blir synleg som dråpar i enden av røyret. Hydrogen reagerer direkte med mange grunnstoff, både metall og ikkje-metall. Sambindingane med metalla i hovud­ gruppene I A og II A kallar vi saltlike hydrid. H2 + 2Na = 2NaH H2 + Ca = CaH2 H2 + 2Li =2LiH

Natriumhydrid Kalsiumhydrid Litiumhydrid

Dei har ionestruktur og reagerer med vatn så dei skil ut hydrogen. (Døme: NaH + H2O = Na+ + OH" -f- H2)

Med ikkje-metall reagerer hydrogen med svært ulik styrke. Somme reaksjonar treng både katalysator og høg temperatur.

Døme på slike reaksjonar: 2H2 + O2 h2 + S h2 + ci2 3H2 + n2 2H2 + Cl

= 2H2O = h2s = 2 HC1 = 2NH3 = CH4

kraftig reaksjon langsam reaksjon katalysator naudsynleg * —« — treng høg temperatur

I dei saltlike hydrida har hydrogen oksydasjonstalet 4-1. I dei andre sambindingane har det +1. Frie hydrogenatom finst berre ved temperaturar på over ca. 2000 °C. Ved lægre temperaturar vil atoma binde seg i hop til molekylet H2. Hydrogenatoma er langt meir reaktive enn hydrogenmolekyla. Ved somme reaksjonar gjer ein bruk av dette ved å la reaksjonane gå under slike tilhøve at det lagar seg frie hydrogenatom (aktivt hydrogen). * Under innverknad av sterkt lys ter reaksjonen mellom Cl2 og H2 seg som ein eksplosjon (klorknallgass).

5

Fig. 17.5. Skjering av stål med hydrogen-oksygenbrennar.

17.5 Bruk av hydrogen Hydrogen blir enno noko brukt til å fylle ballongar som skal stige opp i atmosfæren. Men fordi gassen er så eldsfarleg, bru­ ker ein heller gassen helium, som ikkje kan brenne, og som dg er svært lett. Det hydrogen blir mest brukt til i dagleglivet, er til sveising. Da blir gassen komprimert på stålflasker under eit trykk på ca. 150 atm. I ein spesiell brennar fører ein saman hydrogen og oksygen og tenner på. Sveiseflamma har ein temperatur på om lag 2800 °C (autogensveising). Eit anna viktig bruk av hydrogengass har vi i den såkalla feittherdingsprosessen. I denne lét ein hydrogenet boble gjennom flytande oljer blanda med ein katalysator (nikkelpulver). I oljeslaga er det ei rekkje dobbelbindingar mellom dei ymse karbonatoma. Ved herdingsprosessen bryt ein opp mange av desse, og dei bind da til seg hydrogen. Vi seier at hydrogenet mettar dobbelbindingane. Denne overgangen frå umetta til

6

metta sambindingar fører med seg fysiske forandringar hos oljene. Dei går over faste feittslag og kan deretter brukast til dømes i margarinproduksjonen. Skjematisk kan vi skrive pro­ sessen slik: H

H H

H

= G-........ + H2 -> ... —G—G —....

H H enkelbinding

Dobbelbinding

Under særlege vilkår reagerer hydrogen beinveges med både klor og nitrogen. Store kvanta av hydrogen blir brukte i in­ dustrien til å lage dei to viktige sambindingane NH3, am­ moniakk, og HC1, hydrogenklorid. I seinare år har dg reaksjonen mellom hydrogen og karbon (kolstøv) har fått stor teknisk interesse. Ein kan på den måten lage ymse hydrokarbon (CnHm) som kan erstatte dei brennstoffa som finst naturleg i jordolja (petroleum og bensin).

17.6 Tungt hydrogen

Hydrogen har tre isotopar. Kjernane i desse er berre eit pro­ ton, eit proton + eit nøytron, og eit proton + to nøytron. Figur 17.6 viser dette. Alle har eitt elektron i K-orbitalen, og dei kjemiske eigen­ skapane er derfor heilt like. Isotopen tritium er radioaktiv. Deuterium er ein stabil iso­ top som ein kan framstille og bruke i kjemiske reaksjonar. Deuterium blei først isolert av amerikanaren H. Urey i 1932. I det kjemiske teiknspråket skriv vi denne isotopen anten med det kjemiske teiknet D, eller slik: iH. Det siste viser at atomnummeret er 1, medan massetalet er 2.

Fig. 17.6. Dei tre hydrogenisotopane hydrogen, deuterium og tritium. Vanleg hydrogen inne­ held 0,015% deuterium.

Deuterium

7

Når tungt hydrogen brenn, blir det tungt vatn. I fysiske eigen­ skapar vil slikt vatn ikkje skilje seg mye frå vanleg H2O, så namnet «tungt» må ikkje bli misforstått. Formelen er D2O. Tettleiken er 1,10 g/cm3, kokepunktet er 101,4 °C, og fryse­ punktet er +3,8 °C. At tungt vatn blir brukt i atomreaktorteknikken, kjem ikkje av dei kjemiske eigenskapane. Det er dei tunge hydrogenatoma i dette vatnet som verkar slik at dei bremsar nøytrona som pas­ serer gjennom vatnet. Dette gjer at tungt vatn blir brukt i reaktorane til såkalla «moderator» eller «bremse». Sjå avsnitt 35.10.

17.7 Sambindingar av hydrogen og oksygen

Dei fleste hydrogensambindingane høyrer heime i den or­ ganiske kjemien. Av uorganiske sambindingar skal vi berre nemne to; det er vatn og hydrogenperoksyd. Vatn, H2O Formelen og strukturen for vatnet har vi drøfta før, i kapittel 4. Vi skal her ta for oss nokre reaksjonar mellom vatn og andre stoff. Som typiske døme kan vi nemne:

1. Vatn reagerer med løyselege metalloksyd og gir basar. H2O + Na2O= 2NaOH (Na+ og OH") H2O + CaO Ca(OH)2 (Ca++ og OH~)

Ser vi på metalloksyda som ionesambindingar, kan vi skrive netto-ionelikninga for slike reaksjonar: H2O + O" = 2OH(Dei hydroksyda som ikkje løyser seg i vatn, kan sjølvsagt ikkje bli laga på denne måten.)

2. Vatn reagerer med løyselege ikkje-metalloksyd og gir syrer.

H2O + SO3 = H2SO4 3H2O + P2O5 = 2H3PO4

(H+ og so4—) (H+ og PO4—)

3. Vatn reagerer med nokre av dei mest aktive metalla og gir basar og hydrogengass. 2H2O + 2K = 2KOH + H2 2H2O + Ca = Ca(OH)2 + H2 8

4. Vatn reagerer med mange gassar i tillegg til at det løyser opp gassane meir eller mindre. H2O + Cl2 H2O + CO2 H2O + NH3

HOC1 + HC1 (H+, OC1- og Cl~) H2CO3 (H+, HCO3- og co3—) NH4OH (NH4+ + OK")

Alle dei reaksjonane som er nemnde til no, går ved vanleg romtemperatur. 5. Ved høg temperatur vil vatn (som vassdamp) reagere med mange metall, og gir da oksyd og hydrogen.

>700 °C 4H2O + 3Fe = Fe3O4 + 4H2 I tillegg til desse fem reaksjonstypane kjem andre meir spesielle. I mange reaksjonar må det dg vere vatn eller råme til stades for at reaksjonen i det heile skal kunne gå (katalytisk verknad). Sist, men ikkje minst, spelar vatnet ei heilt av­ gjerande rolle i alle former for livsprosessar. Jamvel den enklaste cella må ha vatn for å kunne leve og formeire seg.

Hydrogenpersoksyd, H2O2 Hydrogenperoksyd er i rein form ei tjuktflytande væske som lett blir kløyvd til vatn og oksygen. Løyst i vatn held ho seg betre, og ho blår som regel seld i ei blanding med 30% H2O2 og 70% vatn. (Blandinga heiter da perhydrol.) Av formelen ser vi at oksydasjonstalet for oksygen er —-1 når vi held fast ved at hydrogen skal ha +1. Men berre oksydasjonstala gir inga forklaring på strukturen i sambindinga. Elektron-prikkformelen for H2O2 kan vi skrive slik: H :O

H—O Eller med strek: O—H

O:H

Vi ser at bindinga mellom dei to oksygenatoma er ei vanleg kovalent ^nføZbinding. Det er denne bindinga som særmerkjer alle sambindingar som går under namnet peroksyd. Vi seier dg at peroksyda har ei oksygenbru:

-O-ONo veit vi frå bindingslæra i kap. 4 at bindingsorbitalane i oksygenatomet peikar ut i rommet med ein vinkel på 90° mellom seg. Den eine L-orbitalen i hydrogenatomet har inga 2. Salveson: Kjemi 2, nyn.

9

Fig. 17.7. H2O2-strukturen. Vin­ kelen mellom dei to plana er 94°. Vinkelen mellom bindingane 0-0 og O-H er 97°.

spesiell retning i rommet; orbitalen er kuleforma. Vi må derfor vente at også molekylet H2O2 har ei vinkla form, slik som vat­ net har det (jfr. kap. 4). Ein har funne at hydrogenperoksydmolekylet har ei form som den vi ser på figur 17.7. Dei to oksygenatoma ligg i skjeringslinja mellom plana, og dei to hydrogenatoma ligg i kvart sitt plan.

17.8 Kjemiske eigenskapar for H2O2

Hydrogenperoksyd kan verke både som eit oksydasjonsmiddel og som eit reduksjonsmiddel. Dette kjem av at oksygenet anten kan bli redusert til oksydasjonssteget —2, eller det kan bli oksydert til oksydasjonssteget 0 (gassen). Dette skjemaet viser kva som kan skje: —2

0

Oksydasjonstal:

Formlar:

o

reduksjon

oksydasjon

H2O

H2O2

o2

Vi kan seie det slik: Når H2O2 verkar som eit oksydasjons­ middel, blir det vatn av det. Når H2O2 verkar som reduk­ sjonsmiddel, blir det fritt oksygen. Hydrogenperoksyd blir brukt som desinfeksjonsmiddel fordi det drep mange bakterieslag. Det blir dg brukt som bleikjemiddel, særleg for hår. Mange organiske stoff, til dømes mjølk, blod eller poteter, inneheld enzym som kløyver hydrogenperoksyd. Slike enzym kallar ein hydrogenasar. (Endinga -ase blir brukt på alle en­ zyma.) Ved hydrogenasekløyving blir det laga fritt oksygen: hydrogenase

2H2O2---------- > 2H2O + O2 Hydrogenperoksyd held seg dårleg når det blir utsett for lys, jamvel i tynn løysning. Det bør derfor alltid lagrast på mørke flasker. (Framstilling av H2O2: Sjå avsn. 19.9.)

10

17.9 Meir om vatn Vatn er den viktigaste hydrogensambindinga vi har, og vel bg den vik­ tigaste kjemiske sambindinga på jorda. Over 2/3 av jordoverflata er dekt av vatn, og omframt dette finst det store mengder med vatn som is og snø og vassdamp. Til dette kjem alt vatn som er i plantar og dyr, og det som er oppsoge i alt jordsmonnet. Menneskekroppen inneheld om lag 65% vatn, og retteleg god «tørr ved» inneheld om lag 20%. Somme fiskeslag har over 90% vatn i kroppen. Strengt teke finst det ikkje mye i naturen som kan seiast å vere heilt vassfritt. Vatn er eit livsvilkår for både plantelivet og dyrelivet, og dei fleste livs­ formene må ha rett store tilførsler pr. døgn for å leve. Vatn blei lenge rekna for å vere eit grunnstoff, men rundt 1780 oppdaga engelskmannen Cavendish at når hydrogengass brann i oksygen, fekk ein vatn. Nokre år seinare lykkast det franskmannen Lavoisier å påvise at volumhøvet mellom hydrogen og oksygen i sambindinga vatn var om lag som 2:1. Sidan blei det målt nøyaktig til 2:1. Kjemisk sett er vatn ei svært stabil sambinding, dvs. ei sambinding som ikkje er lett å kløyve. Derfor er det særs lagleg å bruke når ein skal fastsetje fysisk/kjemiske konstantar. Vi minner om: Celsiusskalaen er definert ved at skalapunkta 0 og 100 skal vere respektive frysepunktet og kokepunktet for vatn under eit trykk på 1 atm. Tidlegare gav ein opp tettleiken * for faste stoff og væsker relativt til tettleiken av vatn ved 4-4 °C (ved den tem­ peraturen har vatnet den største tettleiken). Ein kalori er den varmemengda som skal til for å varme opp 1 gram vatn frå +14,5 C til -4 15,5 °C ved konstant trykk på 1 atm. Fysisk/kjemiske data for vatn viser at stoffet set seg imot alle forandrin­ gar så lenge som mogleg: Fordampingsvarmen er uvanleg høg, likeins er smeltevarmen svært høg, stoffet er svært vanskeleg å trykkje saman,

Fig. 17.8. Destillasjonsapparat for vatn. Legg merke til at kjøle­ vatnet blir leidd inn i nedre enden av kjølaren og ut av den øvre.

* No er tettleik definert som masse dividert på volum.

11

dielektrisitetskonstanten (sjå tabellen side 18) er svært høg osb. Desse uvanlege data for vatn gjer særs mye til at vi får så stabile tilhøve i na­ turen. Om vi tenkjer oss at smeltevarmen for snø ein varm vårdag brått blei nedsett til tidelen, ville mye av landet bli overfløymt. Det vatnet som finst i naturen, er ikkje reint H2O; det inneheld ei rekkje andre ulike stoff, alt etter det stroket og omlandet vi har henta det frå. Vil vi reinse vatn, kan vi i første omgang gjere det ved å filtrere, dvs. vi let det passere gjennom materiale som har så fine porer at fast ureinske blir halden att. Men dei stoffa som er løyste i vatn, vil kunne gå gjennom like tette filter som vatnet sjølv kan greie. Den beste måten å reinse vatn på, altså for løyste ureiningar, er å de­ stillere det. Ved ein slik prosess fordampar vi vatnet og kjøler så av dampen så han kondenserer. Fig. 17.8 viser eit enkelt laboratorieapparat for de­ stillasjon. Ved å destillere to eller tre gonger kan vi skaffe oss reint H2O, men alt ved første destillasjonen blir vatnet svært effektivt reinsa. Destillert vatn smakar flautt og høver dårleg til drikkevatn. Vatn som er destillert fleire gonger, kallar vi redestillert vatn.

Drikkevatn

Eit godt drikkevatn er ikkje det same som kjemisk reint vatn. Destillert vatn smakar ikkje godt, og det er ureiningane i vatnet som avgjer om drikkevatnet kan seiast å vere godt eller dårleg. Vatn som ein skal drikke, bør innehalde oppløyste salt som gir det ein frisk smak, men ikkje slike som gir det ein bitter eller salt smak. Når ein undersøkjer drikkevatn, legg ein i stor monn vekt på korleis vatnet ser ut, luktar og smakar. Er dette i orden, vil vi kunne rekne med at det kan brukast, dersom det samstundes er rennande og ikkje kjem frå stilleståande sumpar eller pyttar. Den friske smaken på vatnet er m. a. avhengig av at det finst luft oppløyst i det. Dersom vatnet ikkje inneheld nok luft, vil smaken bli emmen. Ei fullstendig og trygg laboratorieundersøking av drikkevatn er svært komplisert og må gjerast av folk som har røynsle på området. * Det er ikkje berre den kjemiske analysen som spelar ei rolle, men kanskje enda meir den bakterkologiske undersøkinga. Sjukdomsbakteriar kan lett over­ førast gjennom drikkevatn, og i sørlanda er det rekna for å vere den far­ legaste smittekjelda. I store byar og på tettstader set ein derfor bakteriedrepande stoff til drikkevatnet. Her i landet bruker ein for det meste klor. Ei lettvint prøve på om drikkevatnet kan brukast, gjer ein ofte ved hjelp av Nesslers reagens (K2HgI4). Dette reagenset påviser eigenleg am­ moniakk (NH3); det gir ein raudgul farge på vatnet dersom der er am­ moniakk til stades. Ammoniakkinnhald i ein brunn eller ein bekk tyder på at der ligg stoff og rotnar i vasstilsiga, da det ved rotning alltid blir laga ammoniakk. Ammoniakken i seg sjølv er ikkje så farleg, men der noko ligg og rotnar, er det bg bakteriar, kanskje sjukdomsbakteriar. Godt drik­ kevatn skal derfor ikkje gi nokon fargereaksjon med Nesslers reagens.

Regnvatn Regn blir det når vassdampen i lufta kondenserer. Når det fell mot jorda, vil det absorbere, løyse opp eller rive med seg ymse gassar, salt og støv-

* Statens institutt for folkehelse har kontrollen av drikkevatn.

12

* Tilhøva blir etter kvart verre og verre på grunn av ureiningar i lufta, jfr. kap. 34.

partiklar som finst i luftlaget. I strok der det ikkje bur folk, vil det vere lite ureiningar; over byar og tettstader vil det vere mye som regnvatnet kan ta med seg. Over ein vanleg industriby kan ein finne ureiningar i regnvatnet som karbondioksyd, svoveldioksyd, ammoniumsalt, nitrat, klorid, fine støvpartiklar og sotpartiklar. Regnvanet er likevel det reinaste vatnet vi kan få tak i direkte frå naturen, og det er sjeldan det inneheld meir enn 0,004% ureiningar dersom ein samlar det opp eit stykke unna busetnaden . *

Elve- og bekkevatn Ureiningane i elvevatnet kjem først og fremst frå dei jordlaga som elva passerer, og frå tilsig og eventuelle mindre sidebekker. Årstidene spelar dg ei stor rolle for ureiningane i elvevatnet. Går vatnet gjennom kalkhaldig jordlag t.d., vil noko av kalken løyse seg og komme over i vatnet, og renn elva gjennom eller over jernhaldige strok, vil det bli jern å finne i vatnet. Mengda av ureiningar kan variere innafor vide grenser. Akers­ elva i Oslo inneheld kanskje opp til 0,3% ureiningar, medan ein fjellbekk oftast har mindre enn 0,05%.

Kjeldevatn Når regnvatnet trengjer ned i jorda og støyter på fast fjell, må det finne kanalar oppover eller til sidene. Det som kjem opp til overflata att i større mengder på visse stader, seier vi er eit oppkomme eller ei kjelde. Det finst dg tilfelle der vassårene som munnar ut på jordoverflata, har så stort trykk at vatnet sprutar høgt til vers. Mange land har dg kjelder som fører vatn frå store djup, og som derfor er kokande varmt. Slike varme kjelder finst det mange av på Island, og der blir dei brukte til å levere varmvatn til vaskeri, sentralvarmeanlegg o.a. Kjeldevatnet er ofte nokså hardt, og det er derfor kjemisk sett ikkje reint H2O. Tvert imot vil vatn frå mange kjelder innehalde heller mange ureiningar, slik som oppløyste salt og kar­ bonsyre, som dg gjer vatnet friskt og perlande. Bakteriologisk sett kan kjel­ devatn vere så godt som sterilt.

Dei vasstypane vi til no har nemnt, er alle ferskvatn, men når vi snakkar om sjøvatn, meiner vi til vanleg saltvatn. Saltvatn er vant som inneheld så mye oppløyst natriumklorid — NaCl — at det smakar salt. Det er slikt vatn det finst mest av på jorda, da alle storhava inneheld mye natriumklorid. Omframt dette saltet er det dg ei rekkje andre salt som er løyste i sjøvatn, og sjølvsagt finst det dg ei rekkje særemne som ikkje er oppløyste, men som i finfordelt form held seg svevande i vatnet. I det nordlege Atlanter­ havet er innhaldet av salt om lag slik, utrekna pr. kubikkmeter vatn: 29 kg NaCl, 3 kg MgCl2, 1,8 kg MgSO4, 1,6 kg CaSO4 og 0,4 kg MgBr2. Havvatnet har til vanleg eit samla saltinnhald på 2,5—4,5%.

Saltsjøar Det finst fleire innsjøar med eit saltinnhald på opp til 23—26%. Daudehavet og Store Saltsjø i Utah er mest kjende. Slike sjøar har til vanleg ikkje avlaup, men fordampinga er stor, og dei får stadig tilførsler som inne­ held oppløyste salt.

13

Tørking Dei aller fleste kjemiske sambindingane inneheld noko vatn eller råme dersom ein ikkje særskilt har sytt for å tørke stoffet. Vi reknar til vanleg med at vatnet ikkje reagerer med stoffet, slik at vi ikkje treng å gjere noka forandring med formelen for sambindinga fordi om vi veit at ho er vasshaldig. Skal vi få bort vatnet, kan vi varme opp stoffet til over 100 °C, dersom det tåler det. Da dampar vatnet bort, og den vassfrie sambindinga blir att. Dei aller fleste sambindingane gir frå seg råmen når ein varmar dei opp til 150 °C ein time eller så. Mange stoff som ikkje tåler høg temperatur, tørkar ein i vakuum ved låg temperatur. Krystallvatn gir stoffet til vanleg lett frå seg dersom ein varmar det opp over 100 °C, fordi vatnet da rett og slett fordampar. Men det finst stoff som bind krystallvatnet så fast til seg at det skal langt høgre temperatur til for å få det bort. På den andre sida er det dg mange stoff som gir frå seg krystallvatnet sitt så lett at vatnet går sin veg om stoffet berre ligg i lufta. Vi seier at slike stoff forvitrar. Fenomenet viser seg på den måten at sambindinga, som med krystallvatnet sitt lagar ei regelrett kanta form, ein krystall, går over til eit pulver.

Fig. 17.9. Snitt gjennom eit røyr frå ein dampkjel. Det kvite laget av kjelstein fyller meir enn halve røyrradien.

Vatn til teknisk bruk. Eit vatn som er godt til drikkevatn, er ikkje beinast «godt» til teknisk bruk. Sjukdomsbakteriar og vond lukt osb. spelar inga avgjerande rolle for vatn som skal brukast t. d. til matingsvatn for ein dampkjel. For vatn til teknisk bruk er det det oppløyste innhaldet av kalsiumsalt, jernsalt og magnesiumsalt som har mest å seie. Dessutan er dg innhaldet av finfordelte uløyste partiklar av sand, jord og organisk materiale av dei ting som avgjer om vatnet kan brukast teknisk. Vatn som inneheld ion av metalla kalsium, magnesium og jern, kallar vi hardt vatn. Slikt vatn kan vere særs ulagleg, først og fremst når det skal brukast i dampkjelar og til vask. I kjelane kan sambindingane setje seg av som eit belegg, kjelstein. I vask vil såpa ikkje skumme skikkeleg, og saltinnhaldet kan dg skade kleda. Det er først og fremst ureiningane av kalsiumsalt som gjer at vatnet er hardt, og vi kallar derfor slikt vatn for kalkhaldig vatn. Kalsiumsalta vil setje av kjelstein i kjelrøyra, og denne steinen er svært dårleg varmeleiar. Han er derfor i første omgang årsak til nedsett effektivitet av dampkjelen. Seinare kan han føre til at kjelrøyret blir overheta, og at dette blir årsak

14

til eksplosjon. Hardt vatn må ein derfor gjere «blautt» før ein kan bruke det på kjelar, elles vil arbeidet med å skrape av kjelsteinen setje kjelen ut av drift altfor ofte. Vi kan gjere vatnet «blautt» ved å setje til kjemikal som omformar dei kalsiumsambindingane som er i vatnet, til andre kalsiumsambindingar som ikkje gjer skade, eller vi kan ta kalsiumiona heilt bort frå vatnet (sjå hardt vatn, side 42). Hardleiken av vatnet blir oppgitt i hardleiksgrader, idet ein reknar ut kalsiuminnhaldet i vatnet i milligram kalsiumoksyd pr. liter vatn. Kvart 10 mg CaO pr. liter svarar da til éin grad (tyske grader). * Som nemnt inneheld sjøvatn mange oppløyste salt. Desse salta er mye verre å få bort enn dei kalsiumsalta som gjer ferskvatnet hardt. Her er destillasjon den einaste effektive rådgjerda, og det kan vere naud­ synt dersom ikkje anna vatn er å finne. Skip har ofte eigne destillasjonsanlegg for å skaffe kjelvatn. CaCl2 og MgCl2 er dg årsak til at det lagar seg kjelstein, men denne kjelsteinen er av eit anna slag enn den vi har tala om før. Denne typen vil frigjere saltsyre, HC1, som etsar kjelrøyra sterkt og er årsak til at det lagar seg rust i leidningane osb. Jernsalt i vatnet er dg svært uheldig når vatnet skal brukast i teknikken. I vask set dei rustflekker på tyet, og i fargeria og garveria gir jernsambindingane skjoldar og flekker på varene, som da ofte blir heilt verdilause. Vatn som skal brukast til slike føremål, må derfor reinsast for jern, og det gjer ein samstundes med at ein reinsar ut kalsiumsalta.

Humusstoff i vatn Vatn frå myrdrag eller vatn som har gått gjennom myrhaldig jord, vil vere noko gult eller brunleg i fargen. Ein slik farge kan komme av at det er mye jern i vatnet, men til vanleg er årsaka at vatnet inneheld organiske stoff, som vi med eit fellesnamn kallar humusstoff. Desse stoffa treng i og for seg ikkje vere skadelege for helsa. Men for at vatnet skal bli meir appetittleg, blir dei som regel utskilde frå drikkevatnet ved at ein set til kalk og aluminiumsulfat. På den måten søkk stoffa til botns og kan filtrerast frå. I vatn som skal nyttast teknisk, kan humusstoffa derimot vere direkte skadelege. Vatn som inneheld mye humus, er uheldig å bruke til støyping og muring. Sand som skal nyttast til slike føremål, må heller ikkje vere sterkt humushaldig. Det som gjer at humusstoffa verkar uheldig, er først og fremst at dei kan utvikle gassar etter at dei er komne inn i støypen eller betongen, og desse gassane vil kunne sprengje seg ut og lage sprekkar. Ei lettvint prøve på om vatn eller sand inneheld mye humus, kan ein gjere slik: I ein stor glassylinder slår vi 300 ml vatn (eventuelt 200 g sand eller grus dersom det er det vi skal granske) og deretter 125 ml av ei 3% NaOH-løysning. Etter at vi har rista om, set vi i ein gummipropp og let det stå eit døgn. Vatnet (eller væska over sanden og gruset) vil da ha fått ein gul til mørkbrun farge dersom det er humusstoff i det. Er fargen mørk brunraud eller brunsvart, er ikkje vatnet (eller sanden) brukande til støyping eller muring.

Leiingsevna i vatnet Reint vatn, dvs. destillert vatn, leier den elektriske straumen svært dårleg. Straumgjennomgang i væsker kjem, som vi har sett (avsn. 3.2), av at væska inneheld ion. Reint H2O har svært få ion.

* Innhald av andre ion, som Fe++ og Mg++ reknar ein om til den ekvi­ valente CaO-mengda.

15

Resistivitet {spesifikk motstand} ved 18 QC: H2O (redestillert)............. minst Petroleum ........................... om lag Glas ...................................... « 3 g NaCl + 1000 1 H2O . « Elektrolyttar 100 kg NaCl + 900 1 H2O « Smelta NaCl...................... « « Saltsyre 10%...................... « Kopar .................................. Sølv ...................................... «

1,0 • 101 ohm • cm 2,0 • 1016 5,0 • 1011 1 • 103 6,0 —«— 0,294 1 6 1 7• 10-6 1,6 • 10~6

I moderne elektrode-dampkjelar spelar leiingsevna i vatnet ei avgjerande rolle for drifta av kjelane. I dampkjelar av denne typen blir vatnet varma opp av elektrisk straum mellom elektrodar som blir sette ned i vatnet. Skulle no innhaldet av oppløyste ion i vatnet bli for stort, ville det resultere i høgre konduktans (leiingsevne) og lægre resistans (motstand). I slike tilfelle blir straum- og effektforbruket altfor stort, og i verste fall kan det bli kortslutning mellom elektrodane. Når ein bruker elektrodekjelar, må ein derfor stadig kontrollere leiingsevna i vatnet.

17.10 Hygroskopiske stoff

Mange stoff kan ein tørke ved å varme dei opp til vel 100 °C, slik at vatn og råme fordampar. Men ikkje alle stoff tåler slik medferd, og ein må da tørke dei ved å bruke stoff som dreg til seg væte. Slike stoff seier vi er hygroskopiske. Eit kjent hygroskopisk stoff er kalsiumklorid, CaCl2. Dette blir strødd på støvete vegar om sommaren. Det dreg da til seg råme frå lufta, og på denne måten bind det støvet. Fosforpentoksyd, P2O5, er vel det mest effektive hygroskopiske stoffet vi har. Det er eit kvitt pulver som dreg til seg vatn, reagerer med vatnet og lagar fosforsyre. På grunn av at det såleis lagar syre, kan ein ikkje bruke det overalt. Konsentrert svovelsyre, H2SO4, er dg eit framifrå hygroskopisk stoff. Ein bruker det ofte til å tørke gassar som ikkje reagerer med syra. Det hygroskopiske middelet som for tida blir mest brukt i laboratoria og i industrien, er silikagel, SiO2 • nH2O. Ofte blir det kalla «blågel», fordi det da er tilsett eit stoff som er blått når det er tørt, og raudt til raudkvitt når det er fuktig og ikkje lenger er effektivt hygroskopisk. Silikagel dreg godt til seg vatn, og det har den store føremonnen at det kan brukast om att; ein berre varmar det opp for å drive råmen ut att. Ein annan stor føremonn er det at det heile tida held seg som eit fast, kornet stoff; det går ikkje over til ei væske eller ein sli­ 16

met masse når det har drege til seg vatn. Finare elektriske instrument og andre apparat som skal haldast tørre inni, blir derfor ofte utstyrte med pakningar av silikagel.

17.11 Vatn som løysingsmiddel

Dei aller fleste kjemiske sambindingar løyser seg noko i vatn. Somme stoff, t. d. sukker, løyser seg mye, medan andre, t. d. koksalt, løyser seg mindre, og atter andre, t. d. gips, løyser seg svært lite. Løysingstal i gram pr. 100 g vatn.

Ved 20 °C Sukker (C12H22OU)........ 204 g Koksalt (NaCl) .............. 36 g Salpeter (KNO3) ............ 32 g Gips (CaSO4)................... 0,2 g Tungspat (BaSO4) 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, løyser dei fleste stoffa seg betre i varmt vatn enn i kaldt, men skilnaden er ikkje alltid stor. Fig. 17.10. Løysingstalskurver for nokre stoff i vatn. Dei fleste stoffa løyser seg betre i varmt vatn enn i kaldt.

17

Det finst og faste stoff som løyser seg mindre i varmt vatn enn i kaldt. Eit slikt stoff er CaSO4. Figur 17.10 viser nokre kurver for løysingstal. Vi ser korleis løysingstalet varierer med stigande temperatur. Dei gode eigenskapane vatnet har som løysingsmiddel for stoff som er oppbygde av ion, heng saman med dipolnaturen hos vatn (jf. kap. 4). Stoff som har molekyl som er sterke dipolar, har ein stor dielektrisitetskonstant (relativ permittivitet). Dette er ein storleik som vi kan forklare slik: Om vi tenkjer oss to elektriske polar, ein positiv og ein nega­ tiv, eit stykke frå kvarandre i vakuum, så vil dei to polane øve ei viss dragkraft på kvarandre. Vi set denne krafta til 1 — éin — i dette tilfellet. Fyller vi no vatn i mellomrommet og måler dragkrafta, finn vi at ho har blitt mye mindre, nem­ leg berre 1 /81. Vi seier at dielektrisitetskonstanten for vatn er 81 .* Fig. 17.11. Løysings- og hydratiseringsprosess. Dei polare vassmolekyla løyser iona frå krystallen og legg seg innpå dei slik at dei hindrar at iona kjem i kontakt med kvarandre att.

W

Måler vi dielektrisitetskonstanten for andre væsker, finn vi at han sjeldan er så stor som hos vatn. Vatn har høgre dielektrisitets­ konstant enn dei fleste andre løysingsmidla. Dielektrisitetskonstant (relativ permittivitet) ved 20 °C.

Vatn ................................. 81,0 Glyserol............................. 56 Etanol ............................... 27 Kloroform......................... 5,2 Terpentin........................... 2,2 Olje (petroleumolje).......... 2,1 * Konstanten kan og definerast ut frå stoleiken kapasitans. Dielektrisi­ tetskonstanten er da høvet mellom kapasitansen til ein kondensator med det bestemte stoffet mellom kondensatorplatene og kapasitansen til den same kondensatoren med vakuum mellom platene.

18

Eit salt som NaCl har Na+-ion og Cl“-ion som dreg kvar­ andre til seg med ei viss kraft. Set vi vatn til saltet, blir denne krafta mye mindre på grunn av dielektrisitetskonstanten hos vatn. Følgjeleg vil iona meir og meir sleppe taket på kvar­ andre, og resultatet blir at saltet løyser seg i vatnet. Dei einskilde vassmolekyla vil gå til åtak på dei einskilde iona i gitteret og rive dei frå kvarandre. Somme vassmolekyl vender den positive enden av dipolen sin mot dei negative iona, og andre vender den negative enden mot dei positive iona. Figur 17.11 viser prosessen. I mange tilfelle vil eit visst tal vassmolekyl følgje med dei einskilde iona. Vi seier at iona blir hydratiserte.

Spørsmål og oppgåver

1. Kor mye oksygen og kor mye hydrogen får vi teoretisk ved elektrolytisk kløyving av 10 kg vatn? 2. - Kor mye sink kan vi løyse opp i 5 kg saltsyre? Saltsyra inneheld 38% HC1. Kva er oksydasjonsmiddelet i denne reaksjonen ? 3. Kor mange gram hydrogengass skal det til for å redusere 150 g CuO? Kor mye sink går det med til å lage denne gassmengda ? 4. Vi går ut frå dei saltmengdene som er oppgitte pr. ku­ bikkmeter sjøvatn. (Sjå side 13.) Kor mange kg magnesium finst det i 10 m3 slikt sjø­ vatn ? 5. Forklar korleis H2O2 kan verke både som reduksjons­ middel og som oksydasjonsmiddel. 6. Kva er eit hydrid ? 7. Gjer greie for korleis ein lagar hydrogen av eit metall og ei syre. 8. Kva er tungt hydrogen, og kva er tungt vatn ? 9. Kor stor lyfteevne ved bakken har ein ballong på 1000 liter når han er fylt med H2 ved 750 mmHg og +25 °C? Ballongen veg tom 250 gram. 10. Gi eit oversyn over korleis vatn reagerer med metalloksyd, ikkje-metalloksyd og med nokre gassar. 11. Gjer greie for strukturen av H2O2 med ei enkel skisse. 12. Gjer greie for korleis den høge dielektrisitetskonstanten hos vatn gjer at vatnet så lett løyser opp stoff som er opp­ bygde av ion. 19

Vel rett(e) svar

1. Bruk fig. 17.10 til å finne ut kva for eit stoff som løyser seg lettast i vatn ved 40 °C: a) KG1O3, b) KNO3, c) NH4G1, d) Pb(NO3)2 2. Når vatn stort sett er eit framifrå løysingsmiddel for salt, så kjem det av: a) At vassmolekylet er så sterkt. b) At vatnet er så utbreidd i naturen. c) At vatnet koker ved 100 °C. d) At vatnet har så høg dielektrisitetskonstant. 3. For å få bort råmen (vatnet) frå ei kjemisk sambinding kan ein: a) Varme opp sambindinga til ho kløyver seg. b) Setje ho i eit tett kar der det også er eit hygroskopisk stoff. c) Sende ultrafiolette strålar mot stoffet. d) Elektrolysere stoffet. 4. Kva for ein av desse metodane bruker ein i laboratoriet til å lage hydrogen ? a) Cu + HC1, b) Al + HNO3, c) Zn + HC1, d) Cu + HNO3 5. Tungt hydrogen er: a) Hydrogen med eitt proton og eitt nøytron i kjernen. b) Tungt vatn. c) Hydrogen med tettleiken 2,00. d) Hydrogen med to proton og to elektron. 6. Når hydrogen brenn i luft, får ein: a) H2O2, b) HNO2, c) H2O, d) CH4 7. Når ein skal kløyve to mol vatn heilt ved elektrolyse, må ein bruke ei energimengd på 487 kj. Kor mye energi må ein da bruke for å kløyve 90 gram vatn ved elektrolyse ? a) 487 kj, b) 180 kj, c) 1217,5 kj, d) 4384 kj Forsøk og demonstrasjonar

1. Framstilling av hydrogen ved elektrolyse. 2. Vis og forklar Kipps apparat. 3. Reduser CuO med hydrogen, vis at ein får Cu og H2O. Sjå fig. 17.4. 4. Slå litt H2O2 på ein blodflekk eller ei potetskive. Vis dg den bleikjande verknaden av H2O2 på t. d. hår. 5. Vis eit hygroskopisk stoff, t. d. silikagel. 6. Vis destillasjon av vatn som er tilsett eit fargestoff. Tilvising: Sjå Salveson: Laboratorieforsøk i kjemi, forsøk nr. 7,8, 9 og 11.

20

Oksygen, luft, edle gassar 18.1 Oksygen Atomnummer: 8 Tettleik: 1,429 g/dm3 Frysepunkt: 4-218,8 °C Kokepunkt: —183 °C

Atomvekt: 15,999 Atomradius: 0,66 Å lonisasjonsenergi: 13,6 eV Vanleg oksydasjonstal: —2

Oksygen er ein fargelaus og luktfri gass som finst fritt i lufta. Gassen utgjer 20,9 volumprosent av tørr luft. Oksygen står i hovudgruppe VI A i det periodiske systemet. Etter det skulle vi vente å finne kjemiske eigenskapar som svarar til grunnstoffa svovel, selen og tellur. I visse sambindingar kan vi nok finne likskapar, slik som i H2O, H2S, H2Se og H2Te. Men på den andre sida skil oksygen seg på mange måtar ut frå dei andre grunnstoffa i gruppa, og derfor tek vi det for oss særskilt. Elektronordninga hos oksygen er slik:

k2

2A

Vi ser at dei to orbitalane 2py og 2pz har kvar sitt upara elektron. Vi må derfor rekne med at det er desse to orbitalane som blir brukte når oksygenet lagar sambindingar, slik at oksygen blir toverdig. Gassmolekyla er toatomige, O2. Bindingane mellom dei to oksygenatoma skulle etter elektronstrukturen vår vere komne i stand ved fellesbruk av dei upara elektrona i 2py- og 2/>z-orbitalane. Det skulle med andre ord vere fire elektron som er i bruk i bindingane, og det skulle vere ei dobbel kovalent bind­ ing mellom oksygenatoma, som vi kunne skrive 0 = 0. Omframt at det finst oksygen fritt i luft, finst det dg bunde til andre grunnstoff i sambindingar som oksyd, sulfat, nitrat og mange andre. Alt i alt er oksygen det grunnstoffet som ut­ gjer det meste av massen av jordskorpa (ca. 50%). 21

Fig. 18.1. Enkel laboratorieoppstilling for framstilling av oksygen.

Bindinga mellom dei to oksygenatoma i oksygenmolekylet er komplisert. Om vi tenkte oss vanleg dobbelbinding slik at vi fekk full oktett skiftevis rundt dei to atoma, ville det vere greitt. Men gjer vi det, må vi ordne alle elektrona i par.

: O = O :

No viser det seg ved magnetiske målingar at oksygenet er paramagnetisk. (Jf. avsn. 2.7.) Det vil seie at molekylet må ha minst eitt upara elektron. Paramagnetismen hos oksygen er så stor at ein må rekne med to upara elektron i molekylet. For å forklare dette har det vore gjort framlegg om fleire typar av bindingar, men den ein har blitt ståande ved i dag, er den såkalla «.treelektronbindinga». Ei slik binding kan ein forklare som resultat av at eit upara elektron frå det eine atomet saman med eit elektronpar frå det andre bruker begge orbitalane samstundes. Tek vi berre med desse tre elektrona, kan vi illustrere dette slik: O : atom A

•O atom B

eller/og

O•

:O

atom A

atom B

Ei enkel binding av denne typen skriv vi da slik, A ■ • • B

I oksygenmolekylet O2 er bindinga så sterkt at ho må svare til ei dob­ belbinding av dette slaget. Vi skriv da slik for å gjere det tydeleg:

O^—O Dei vanskane vi støyter på med å forklare bindingane i det enkle mole­ kylet O2, viser at vi enda i dag slett ikkje har full forståing av kjemiske bindingar (jf. dg ozon, avsnitt 18.7).

18.2 Framstilling

Oksygen blei framstilt reint for første gong av den svenske apo­ tekaren C. W. Scheele rundt 1770. Eit par år seinare blei det dg, ubunde av han, framstilt av engelskmannen J. Priestley.

22

Begge framstilte gassen ved å varme opp ymse oksygensambindingar hardt. I dag framstiller ein oksygen i laboratoriet ved å varme opp kaliumpermanganat, KMnO4, eller kaliumklorat, KC1O3. Likningane blir:

2KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2 eller 2KC1O3 -> 2KC1 + 3O2 Desse reaksjonane er vanskelege å forstå. Vi må derfor nøye oss med å slå fast at oksygen i begge tilfella blir frigjort ved termisk kløyving. Da gassen løyser seg lite i vatn, kan ein samle han opp ved å la han drive ut vatn av t. d. ein omsnudd sylinder. Sjå figur 18.1. Dersom ein bruker KC1O3 til framstillinga, går prosessen seint, og ein må varme opp sterkt. Ein kan skunde på prosessen ved å setje til litt av stoffet MnO2, brunstein. Vi seier at brunstein verkar som katalysator. Denne skundar på prosessen utan at han sjølv blir oppbrukt. Teknisk framstiller ein oksygen anten ved elektrolyse av vatn (jf. kap. 17) eller ved å destillere flytande luft. Den siste metoden byggjer på at luft er ei blanding av ymse gassar, og når lufta blir sterkt avkjølt og samantrykt, går desse gassane over til væsker. Ved varsam destillasjon av flytande luft kan ein skilje oksy­ gen og nitrogen frå kvarandre fordi dei har ulike kokepunkt. Først destillerer nitrogen over (kp. —196 °C). Deretter de­ stillerer oksygen over (kp. —183 °C).

18.3 Eigenskapar

Når eit stoff brenn, bind det seg kjemisk til oksygen. Derfor må det vere oksygen til stades ved kvar forbrenning. Somme stoff reagerer lett med oksygen alt ved vanleg temperatur. Men ved oppvarming reagerer oksygen med mest alle grunn­ stoffa. Gassen løyser seg lite i vatn (0,038 volumdelar i 1 volumdel vatn ved 10 °C), men dette oksygeninnhaldet i vatnet er nok til at fisken kan ande i det. Oksygen påviser vi ved at vi stikk ei trestikke med ei lita glo på ned i gassen. Stikka vil da loge opp kraftig fordi for­ brenninga går så mye lettare i reint oksygen enn i luft. 18.4 Teknisk bruk

Oksygen går i handelen komprimert på stålflasker under eit trykk på om lag 150 atm. Det blir for det meste brukt til sveising, anten saman med 23

acetylen (C^Hg) eller saman med hydrogen. Acetylensveising gir høgste temperaturen. Reint oksygen blir noko brukt ved tekniske oksydasjonsprosessar som ikkje går fort nok med berre luft. Dessutan blir det nytta meir og meir ved sjuke­ husa for å lette andinga, til å lækje slike som er gassforgifta, til pusteapparat for dykkarar og for flygarar i store høgder, til spesialmasker for brannmenn osb. 18.5 Andinga

Oksygen held ved lag dei langsame forbrenningsprosessane i menneske- og dyrekroppen. Forbrenninga av karbonhaldig stoff til karbondioksyd er den viktigaste einskildprosessen: C + o2 = CO2 + 395 kj (94,3 kcal)

Vi menneska treng eit nokså stort oksygeninnhald i lufta for at forbrenninga skal kunne gå. Til vanleg er det 20,9 vo­ lumprosent oksygen i lufta. Minkar ein konsentrasjonen til 16—12%, blir ein straks andpusten. Går ein ned til 12—9%, misser ein dømmekrafta og langt på veg kjensla av smerte. Går ein ned til 9—6% blir ein kvalm og misser medvitet. Er oksygeninnhaldet i lufta mindre enn 6%, døyr ein heller snøgt.

18.6 Sambindingar — oksyd — peroksyd Når eit grunnstoff reagerer med oksygen, får vi til vanleg det vi kallar eit normalt oksyd. Vi skal først sjå litt på dei normale oksyda, og vi skil da mellom a) oksyd av ikkje-metall b) oksyd av metall.

a) Når t. d. grunnstoffa karbon, svovel og fosfor brenn, lagar det seg oksyd etter likningane Oksyd av ikkje-metall:

C + O2 = CO2 S + O2 - SO2 4P + 5O2 = 2P2O5

Karbondioksyd Svoveldioksyd Fosforpentoksyd

b) Tilsvarande gir metalla: Oksyd av metall:

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

Magnesiumoksyd Natriumoksyd Kalsiumoksyd

Ved alle desse prosessane blir det utvikla store varmemeng­ der. Grunnen til at vi skil så sterkt mellom desse to oksydtypane er: Når oksyda av ikkje-metalla reagerer med vatn, blir det laga syrer. Når metalloksyda reagerer med vatn, får vi basar. (Jf. avsn. 17.7.)

Døme: Sure oksyd: co2 + h2o -> H2CO3 P2O5 + 3H2O -> 2H3PO4

karbonsyre fosforsyre

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

natriumhydroksyd kalsiumhydroksyd

Om vi tek ei kjemisk sambinding (i staden for eit grunnstoff) og lét ho brenne, vil dei einskilde grunnstoffa som er i stoffet, rea­ gere med oksygenet og lage tilsvarande oksyd: Døme: Metanol: Karbondisulfid: Bensin:

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

(Bensin er ei blanding av mange hydrokarbon. — Vi nyttar her ein formel (C7H16) som vi kan rekne .som eit slag «gjennomsnittsformel».) Oksygen lagar oksyd med dei fleste grunnstoffa. I sam­ binding med andre stoff har oksygen mest alltid oksydasjonstalet —2. I metalloksyda er det ionebindingar, i ikkje-metalloksyda er det kovalente bindingar. Na+

O“" medan H2O er: H : O :

T. d.: Na2O er:

Na-

h

Oksyd kan ein dg lage på annan måte enn ved å Ia oksygen reagere direkte. Såleis vil mange andre sambindingar kløyve seg til oksyd når ein varmar dei opp sterkt. Ozonmolekylet

Døme: 800 °C

CaCO3------ -* CaO + CO2 Fig. 18.2. Ozonmolekylet og oksygenmolekylet. 3. Salveson: Kjemi 2, nyn.

Dei fleste karbonata gir oksyd ved sterk oppvarming. 25

Fig. 18.3. Eit ozonapparat byg­ gjer på prinsippet med elektriske utladingar gjennom eit isolerande materiale («mørke elektriske ut­ ladingar»). På figuren er ein koparfolie limt rundt ein tjukk glassstav, og denne er så stukken inn i eit glasrøyr. Eit mye vidare røyr er og pålimt koparfolie og mon­ tert med det tynnaste røyret i midten. Røyrendane er tetta med kork. Koparfoliane blir tilkopla høgspenning frå ein induktor. I eit mørkt rom kan ein sjå ein veik blåleg farge i røyret når det er utlading i gang.

Peroksyd Mange av metalla i hovudgruppene I A og II A kan lage peroksyd når dei brenn i luft eller reint oksygen. Døme: 2Na + O2 = Na2O2 Ba + O2 = BaO2

natriumperoksyd bariumperoksyd

Oksygen har her oksydasjonstalet —1, og det som særmerkjer pcroksyda, er den såkalla oksygenbrua, —O—O—.

18.7 Ozon — O3

Oksygen har, slik som nokre andre grunnstoff, evna til å lage molekyl med ulike mange atom. Vanleg oksygengass har to atom i molekylet, medan ozon har tre, O3 (jf. side 22). Vi seier at ozon er ein allotrop modifikasjon av oksygen. Ozon lagar seg t. d. under elektriske utladingar, sjå fig. 18.3. Gassen har ei særmerkt lukt. Ozon blir brukt som desinfeksjonsmiddel for drikkevatn, som bleikjemiddel og som «luftreinsingsmiddel» i rom der det lagar seg gassar som luktar vondt. I sjukehus og bak­ teriologiske laboratorium er såkalla ozonlamper mye i bruk. Dei har desinfiserande verknad på lufta. Ozon er i motsetnad til oksygen diamagnetisk. Det vil seie at bindingane ikkje har nokon upara elektron. Ein har funne at avstandane mellom det midtre atomet og dei to andre er like, 1,26 Å. Vinkelen mellom dei to valensretningane er nyleg målt til 127°. Dei to endeatoma står derfor relativt langt frå kvarandre. Jf. figur 18.2. Bindingane kan skrivast slik:

eller motsett

Vi sier at vi har resonans mellom dei to strukturane. Pila markerer ei koordinert kovalent binding (begge elektrona kjem frå givaratomet). Dobbelstreka markerer vanleg dobbel kovalent binding. (To elektron frå kvart atom er inkluderte i bindinga.)

26

18.8 Tenningstemperatur Når eit stoff blir oppvarma i luft, tek det ved ein viss temperatur til å brenne. Denne temperaturen kallar vi tenningstemperaturen eller tenntemperaturen, og han er karakteristisk for kvart einskilt stoff. For nokre vanlege stoff har vi desse temperaturane i luft: Petroleum ........... om lag 380 °C Fosfor (gult) .... om lag 60 °C « 440 °C 180 °C Bensin .................... « Ei vanleg fyrstikke « 530 °C Hydrogen ........... « 225 °C Torv .................... « 560 °C 250 °C Lysgass .................... « Svovel .................. « 700 °C Koks « 290 °C Ved ...................... 300-500 °C Steinkol................ Når ein les desse tala, må ein vere merksam på at dei gjeld for ei bestemt finfordeling av brennstoffet. Når ein måler slike temperaturar, må ein følgje visse forskrifter og bruke ein eigen apparatur. For einskilde stoff, t.d. gult fosfor, ligg tenningstemperaturen så lågt at stoffet kan tenne seg sjølv. Oksydasjonen kjem i gang på overflata, og denne reaksjonen utviklar varme. Etter kvart blir det så varmt at stoffet når tenningstemperaturen, og det tek fyr. For flytande brennstoff er det og viktig å kjenne til om stoffet fordampar lett eller ikkje. Fordampar det lett, blir lufta over blanda med brennbar gass, og denne kan da bli tend av. t.d. ei fyrstikke. For væsker snakkar vi derfor mest om flammepunktet. Der et den tempera­ turen ein må varme opp eit stoff til for at det skal gi frå seg så mye brennbare gassar at dei kan tennast ved hjelp av ei lita flamme. (Gassen kan ikkje brenne vidare av seg sjølv når ein tek bort flamma.) Prøva blir gjord i særskilde apparat. Av slike er Abel-Pensky-apparatet mest brukt. Væsker som har lægre flammepunkt enn 50 °C, blir rekna for eldsfarlege. Slike væsker må lagrast og brukast etter forskrifter frå brannstellet. Etter eldsfarelova deler ein eldsfarlege 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.). Ei gruppe C har flamme­ punkt over 50 °C. (A.P. tyder at flammepunkt?. er målte i eit AbelPinsky-apparat.)

18.9 Luft Luft er ei blanding av fleire gassar. Samansetninga av lufta er ikkje den same i heile jordatmosfæren. Ho varierer med høgda, og ho varierer noko frå stad til stad på jordoverflata. Ureiningar og meir eller mindre tilfeldige luftstraumar fører og til at lufta ikkje er like eins samansett overalt ved jord­ overflata. Når vi derfor i tabellar som tabell 18.1 fører opp samansetninga av lufta i nøyaktige prosent, så meiner vi da middelverdien av rein luft, oppsamla over ope hav eller over avsides område på land i låg høgd og deretter tørka. Som vi ser, er lufta i hovudsaka ei blanding av nitrogen, oksygen og argon; dei utgjer til saman heile 99,965 volum­ prosent. Vassdamp er alltid ein del av lufta, men han er ikkje med­ teken i tabellen, da innhaldet av han stadig varierer.

27

Fig. 18.4. Korleis vi deler opp atmosfæren, og korleis tempera­ turen varierer med høgda.

Tabell 18.1. Samansetning av tørr luft i prøver tekne nær havflata

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

n2

O2 Ar CO2 Ne He ch4 Kr h2 NO, Xe o3

volumprosent 78,084 » 20,947 » 0,934 » 0,031 » 0,0018 » 0,0005 » 0,0002 » 0,0001 » 0,00005 » NO2 0,00005 » 0,000008 » 0,000007

Oksygeninnhaldet er påfallande stabilt rundt heile jorda, og dette er særs viktig. Menneske og dyr er avhengige av at oksygeninnhaldet i lufta er om lag konstant. Tettleiken av tørr luft ved 0 °C og trykket 1 atm er 1,2929 g/dm3. Oksygen er noko tyngre, 1,429 g/dm3, og nitrogen er noko lettare, 1,250 g/dm3. Argon er tyngre og har tettleiken 1,784 g/dm3. Karbondioksyd har tettleiken 1,977 g/dm3.

28

18.10 Flytande luft

Flytande luft er luft som er avkjølt og komprimert til væske. Før dette kan gjerast, må ein få bort råmen og all CO2-gassen i lufta. Prinsippet for framstillinga er slik: Lufta blir først kom­ primert til eit trykk på om lag 100 atm. Så blir ho noko av­ kjølt slik at den varmen ho fekk ved komprimeringa, blir bortteken. Deretter aukar ein trykket til 200 atm, og kjøler ho ned Fig. 18.5. Forenkla skisse av ein rakettmotor som blir brukt ved oppskyting av satellittar og romfarty. Flytande oksygen må ein ha både til bruk i motorane og til andre føremål i fartya.

att i ein sylinder som er omgitt av ei is- og saltblanding med temperatur om lag —20 °C. I denne tilstanden slepper ein så gassen ut gjennom ein ventil der han får vide seg ut til trykket blir 20 atmosfærar. Denne utvidinga krev mye varme, og denne varmen må takast frå lufta sjølv. Lufta blir med andre ord sterkt avkjølt att, og noko av lufta går over til væske. Etter kvart som porsjonar av den lufta som er komprimert til 200 atm blir sleppte ut gjennom ventilen, blir det stadig kaldare, og meir flytande luft blir det. (Jf. Lindes kuldemaskin og Joule-Thomsons prinsipp i fysikken.) Flytande luft er ei blåfarga væske. Ho har ein temperatur på om lag —196 °C. Ho blir brukt i vitskap og teknikk som kjølemiddel i apparatur av ymse slag. Ho kan lagrast ei tid i større eller mindre termosflasker (Dewar-kar), og ho må og sendast i slike. I opne og uisolerte kar fordampar ho fort. Både flytande luft og flytande oksygen blir brukte i rakettar og satellittar. 29

18.11 Edelgassane Da alle dei edle gassane finst i luft, tek vi dei med i dette kapitlet. Edel­ gassane er samla i hovudgruppe VIII A i det periodiske systemet. Gruppa inneheld gassane helium — He, neon — Ne, argon — Ar, krypton — Kr, xenon — Xe, radon — Rn. Namna er laga av greske og latinske ord, og dei tyder: helios (gresk) — sol, neos (gr.) — ny, argos (gr.) — treg, kryptos (gr.) — løynd, xenos (gr.) — framand og radius (latin) — stråle. Gassane finst i små mengder i lufta: argon mest (om lag 0,93%), neon (0,0018%), helium (0,0005%). Alt er volumprosent. Helium har 2 elektron i ytste skalet sitt; alle dei andre har 8. Fig. 18.6. Prinsippet for sveising i inaktiv atmosfære av argon.

Edelgassane har berre eitt atom i molekylet (i motsetnad til alle andre gas­ sar). Molekylformlane blir Ne, Ar, He osb. Da valenselektronskalet hos alle er fullt, har dei svært vanskeleg for å reagere med andre stoff. Som slike inaktive gassar blir dei mye brukte, men da dei er så dyre, er den praktiske nytten svært avgrensa. Under framstil­ ling av flytande luft ved Norsk Hydro får ein og nokre av edelgassane i såpass store mengder at dei blir leverte for sal. Helium blir for det meste utvunne av jordolje, der gassen finst oppløyst, ofte i rett store mengder. Nest etter hydrogen er det den lettaste gassen vi har, og han har den store føremonnen framfor H2 at han ikkje kan brenne. Gassen blir derfor mye brukt til fylling av ballongar o. 1. Helium (og også argon) har i dei seinare åra blitt noko nytta ved sveising av lett­ metall som lett blir oksyderte. Lufta blir halden borte frå sveisestaden ved at ein blæs gassen over sveisen. Neon blir mest brukt i lysrøyr (reklame). Røyra blir fylte med neon under lågt trykk. Ved å bruke høge spenningar (til vanleg 3000 — 6000 volt) kan vi få straumgjennomgang ved at gassen blir ionisert, og han sender da ut eit raudt lys. Blandar vi gassen med kviksølvdamp eller andre gas­ sar, kan vi få andre fargar. Varierer vi fargen på glaset, kan vi atter få nye fargefenomen. Argon, som finst i størst mengd i lufta, er den billegaste av gassane og også den mest brukte. Argon og nitrogen i blanding blir mye brukt i vanlege glødelamper. Argon set ned fordampinga av glødetråden og hindrar oksydasjon, slik at ein kan bruke høgre temperatur på tråden. På den måten får vi kvitare (dvs. betre) lys. For lamper mindre enn 60 W bruker vi ikkje gassfylling, men vakuum. For 60 — 200 W blir det brukt berre argon, og for større lamper enn 200 W blir det brukt argon pluss om lag 5% nitrogen. Argon blir nytta på same måten som helium ved sveising av lett­ metall og rustfritt stål.

30

18.12 Sambindingar av edelgassane Den første reelle sambindinga av ein edelgass blei rapportert i 1962 av kanadiarane Barlett og Lochmann. Dei laga sambindinga XePtF6 (xenonplatinaheksafluorid), eit gulfarga fast stoff. Dette var ein sensasjon. Til da hadde det vore vanleg å godta som eit faktum at dei edle gassane på grunn av elektronstrukturen sin (fylte skal) ikkje hadde evne til å reagere med andre stoff i det heile. Sidan da har ei intens forsking ført til at ein i dag har framstilt mange edelgass-sambindingar. Det er særleg grunnstoffet xenon som har blitt studert. Denne edelgassen har nemleg det største atomvolumet (unnateke det radioaktive radon), og ein måtte derfor vente at det var den edelgassen som lettast ville lage sambindingar. Det har vist seg å halde stikk. Krypton er den nest mest reaktive, og deretter går det nedover med reaksjonsevna, til helium, som er den minst reaktive av edelgassane. Dei sambindingane som har blitt framstilte, er i hovudsaka fluorsambindingar, men dg nokre oksyd og andre sambindingar med oksygen har blitt laga. Oppstillinga viser nokre av dei formlane det gjeld. XePtF6 XeF2 XeF4 XeF6

XeO3 KrF2 XeOF4 KrF4 K4XeO6 • 6H2O

Oppdaginga av edelgass-sambindingane har ført til store vitskaplege revurderingar av teoriane om kjemiske bindingar. Dei stadfester det vi har sagt før, at bindingsteoriane på langt nær er fullstendig klarlagde enno.

Spørsmål og oppgåver

1. Kor mange kg vatn får ein ved å brenne 20 kg hydrogen­ gass? 2. Rekn ut kor mange gram oksygengass vi får ved elektrolyse av vatn (tilsett KOH) i 1 time med ein straum på 50 am­ pere. (Sjå avsnitt 12.1.) 3. Kor mange gram oksygen kan ein få av 12 g KG1O3? Kor mange liter svarar dette til ved normalvilkår (NTP) ? 4. Kor mye oksygen går det med til å brenne 1 tonn karbon til CO2? Kor mye luft svarar dette til? Gi svar både i kg og i m3 (ved NTP). 5. Kor mange m3 luft (NTP) går det med til å brenne 1 kg bensin? (Sjå likning side 25.) 6. Kor mange m3 luft (NTP) går det med til å brenne 1 kg metanol ? Likning : 2CH3OH + 3O2 = 2CO2 +4H2O. Vel rett(e) svar

1. I luft er a) 30 2. Oksygen vatn. c)

innhaldet av oksygen i volumprosent ca.: b) 12 c) 90 d) 21 er: a) Lettløyseleg i vatn, b) Godt løyseleg i sjø­ Litt løyseleg i vatn, d) Heilt uløyseleg i vatn.

31

3. Flytande oksygen koker ved ein temperatur på ca.: a) +32 °C b) -183 °G c) -210 °C d) —273 °G 4. Ozon er: a) Ein isotop av oksygen. b) Det stoffet ein får når oksygen brenn. c) Ein allotrop modifikasjon av oksygen. d) Ei kjemisk sambinding av oksygen. 5. Kva vil det seie at oksygenmolekylet er paramagnetisk ? a) Det verkar som ein katalysator. b) Det verkar paralytisk. c) Det ter seg på ein spesiell måte i eit kraftig magnetisk felt. d) Det blir ikkje påverka av magnetiske krefter. Forsøk og demonstrasjonar

1. Framstill oksygen av KMnO4, og saml opp gassen i eit par sylindrar over vatn. Bruk 1 —2 gram KMnO4. 2. Vis at ei glødande trestikke logar opp i gassen, og at litt stålull (fin) som blir glødd, brenn godt. (Legg litt sand på botnen av sylinderen i det siste forsøket, så han ikkje sprekk så lett.) 3. Vis og forklar forbrenning i luft reint allment. Brenn alko­ hol, trekol, olje, magnesiumtråd o. a. 4. Vis at gult fosfor kan sjølvtenne i luft. (Lag eventuelt ei løysning av fosfor i CS2, og dypp eit filtrerpapir ned i løys­ ninga.) 5. Vis at Al-pulver som ein blæs inn i ei flamme, brenn. (Forsøk 4 og 5 forklarar kva det har å seie for tenninga at stoffet er finfordelt.)

32

Alkalimetall og j ordalkalime t all. Hovudgruppe I A og II A

Alkali. Namnet kjem av det arabiske ordet for planteoske, alqili. Når ein brenner ørkenplantar, får ein ei oske som inne­ held store mengder natrium- og kaliumsalt (t.d. karbonat).

Metalla i første hovudgruppa har frå gammalt blitt kalla alkalimetall, og metalla i andre hovudgruppa har fått namnet jordalkalimetall. Første hovudgruppa inneheld grunnstoffa litium, natrium, kalium, rubidium, cesium og francium. Andre hovudgruppa inneheld beryllium, magnesium, kalsium, strontium, barium og radium. Grunnstoffa francium og ra­ dium er svært sjeldne, og dei er radioaktive. Namnet «alkali» heng saman med at hydroksyda av desse stoffa høyrer til dei sterkaste basane vi har. Ordet alkalisk tyder basisk.

19.1 Fellesdrag Vi kan ta for oss alle desse stoffa under eitt, fordi mange av dei fysiske og kjemiske eigenskapane deira er nokså like. Dei kjemiske eigenskapane blir like fordi elektronoppbygginga i kvar gruppe er lik. Grunnstoffa har respektive eitt og to elek­ tron i ytste skalet. Desse valenselektrona «sit» i 5-orbitalane.

. . . m1 Hovudgruppe I A

. . . m2 Hovudgruppe II A

Tabell 19.1. Nokre data for metalla i hovudgruppe IA og IIA Kjemiske teikn...................

Li

Na

K

Rb

Cs

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Atomnummer..................... Atomvekt .......................... Tettleik, kg/dm3............... Smeltepunkt, °C............... Kokepunkt, °C................. Atomradius, Å (ångstrøm) lonisasjonsenergi, eV .... Vanleg oksydasjonstal....

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

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

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

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

Metalla i hovudgruppene IA og II A vil derfor i mest alle sambindingane sine vere respektive einverdige og toverdige. Sambindingane vil dg i dei aller fleste tilfella komme i stand ved ionebindingar. Vi får derfor iona Me+ og Me+ + . Som vi må vente (jf. Kjemi 1, side 6), minkar ionisasjonsenergien med aukande atomnummer. Dette går dg tydeleg fram av tabell 19.1. Metalla vil derfor lett gi frå seg elektron, og alle er derfor kraftige reduksjonsmiddel. Alle metalla er lette. Tre av dei flyt på vatn, nemleg litium, natrium og kalium. Tettleiken varierer, frå 0,5 kg/dm3 for litium til 3,5 kg/dm3 for barium. Alle metalla blir lett oksy­ derte i luft, og oksyda får formlar av typen Me2O for første hovudgruppa og MeO for andre hovudgruppa. Dei fleste metalla reagerer dg lett med vatn, og dei gir da hydroksyd respektive av typane MeOH og Me(OH)2. Dei fleste hydroksyda er sterke basar, da dei er så godt som fullstendig dissosierte i OH“-ion og Me+- eller Me+ + -ion når dei er løyste i vatn. Dei to første metalla i hovudgruppe II A, beryllium og magnesium, lagar likevel hydroksyd som er mindre dissosierte når dei er løyste i vatn, og som derfor er veike basar. Be (OH)2må reknast som amfotert. (Jf. avsn. 9.3 i Kjemi 1.) Når metalla reagerer med vatn, får vi hydrogengass etter likningar av typen:

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2 Ca + 2HOH = Ca(OH)2 + H2 Dei aller fleste sambindingane av metalla i første hovud­ gruppa er lettløyselege i vatn. I andre hovudgruppa er sulfata og karbonata frå kalsium og nedover tungløyselege. Alle iona av ålkalimetall og jordalkalimetall er ufarga. Derfor er dg dei fleste sambindingane ufarga når dei er løyste i vatn; som faste stoff er dei kvite. 19.2 Førekomst i naturen

Ingen av desse grunnstoffa finst i fri tilstand i naturen, til det er dei altfor reaktive. Men dei finst utbreidde i enkle sam­ bindingar som klorid, sulfat og karbonat. Klorida og sulfata finst i uhorvelege mengder oppløyste i sjøvatn. Karbonata av grunnstoffa i andre hovudgruppa finst utbreidde i mineral som magnesitt, MgCO3, kalkstein, krit eller marmor, CaCO3, og som dolomitt, CaCO3 • MgCO3. Sulfat som gips, CaSO4, og tungspat, BaSO4, er dg utbreidde mineral.

34

Alle grunnstoffa finst dg som sambindingar i større eller mindre mengder i såkalla saltfloer, som er inndampa sjøom­ råde, laga for millionar av år sidan. I somme av desse saltfloene kan ein ha nokså reine og enkle sambindingar, til dømes NaCl eller NaNO3 (chilesalpeter); i andre kan ein ha blanding av ei rekkje salt. 19.3 Framstilling

Metalla framstiller ein ved å smelte salta og elektrolysere smelta; dei blir da utskilde på katodane. Metall som natrium og ka­ lium, som reagerer så lett med oksygenet i lufta, må ein halde avstengde frå lufta under framstillinga. Mest å seie i industrien har framstillinga av magnesium, og den skal vi sjå litt nær­ mare på. I Noreg blir det framstilt magnesium i store mengder ved anlegga til Norsk Hydro på Herøya. Ramateriala er dolomitt og sjøvatn. Prinsippet for denne framstillinga ser vi av skissa på figur 19.1.

Sjøvatn (T

Dolomitt CqCOj M9CO3

MgCh, MgSChH MgBr2

c 0 Å/ Mg0

Kalsinenngsomn Sterk °PPvarmin3

/ Felling og tjukning Filtrering

(

xZ

avMg(OH)2

^\Tørking \^Mgc

\

2

v\Cl

Ca- 17kWh pr. kg Mg Straumtilførsel

Klorering (

Fig. 19.1. Magnesiumproduksjonen slik han i store drag skjer ved Norsk Hydro.

—il Smelta MgCh

Elektrolyse Flytande magnesium

35

Fig. 19.2. Framstilling av na­ trium med smelteelektrolyse av NaCl. Ved anoden får ein klorgass. Den skjematiske teikninga viser eit vertikalsnitt. Sett ovafrå vil katoden lage ein ring rundt anoden. Over katoderingen går det ein oppsamlingskanal som hindrar at det lette flytande na­ triumet kjem i kontakt med lufta over smelta.

Metalla natrium og kalium blir framstilte ved smelteelek­ trolyse av NaCl eller KC1. Ved denne elektrolysen blir det ut­ skilt klorgass ved anoden, og mye klor blir dg framstilt på denne måten. Da klor og natrium (kalium) reagerer kraftig med kvarandre, må ein ved framstillinga halde anoderom og katoderom åtskilde, sjå figur 19.2. Da temperaturen ligg høgt over smeltepunktet for natrium (NaCl smeltar ved ca. 800 °C), blir metallet utskilt i væskeform, og ein lét det flyte opp i eit overlaup. Lufta må haldast borte frå alle kanalane der det kjem natrium. 19.4 Bruk av grunnstoffa

Metalla i første hovudgruppa har ein etter måten lite bruk for som reine metall. Natrium er det som blir produsert i størst mengd. Det bruker ein mellom anna i kjemiske prosessar der ein treng eit kraftig reduksjonsmiddel. Av metalla i andre hovudgruppa er beryllium og magnesium dei viktigaste. Beryllium blir særleg brukt i visse blandingar med kopar. «Berylliumbronse» er ei herdbar Be-Cu-legering med 2,5% Be. Legeringa kan lagast slik at ho blir bort imot like fast som stål, og ho blir brukt mellom anna i fabrikasjonen av spesialfjører og til spesialverkty. Produksjonen av beryllium er aukande. Magnesium er det einaste av metalla i desse to gruppene som blir produsert i verkeleg store kvanta. Med tettleik på 1,74 kg/dm3 er det det lettaste av alle me­ talla ein kan bruke i praksis. Det er lett å forme, både ved valsing og ved støyping. Heilt reint er det ikkje mye brukt, men ved å blande med mindre mengder av metall som aluminium, sink og kopar får ein fram legeringar som kan ha styrke som stål. Slike «lettmetall» har komme stadig meir til 36

Fig. 19.3. Frå Norsk Hydros magnesiumfabrikk på Herøya. Rå­ stoffa ein bruker, er sjøvatn og dolomittstein. Her fell det Mg(OH)2 til botns i svære tankar.

nyttes i det moderne samfunnet, kanskje særleg i flyindustrien, fordi dei både er lette og har stor styrke. Storparten av slike legeringar inneheld over 90% magnesium, resten er andre metall. Derfor har dei dg liten tettleik, 1,8—2,5 kg/dm3. Handelsnamn på slike lettmetall er elektronmetall eller dowmetall. Norsk Hydro er største magnesium-produsenten i Europa. Handelsvara heiter NO RMAG-magnesium. Årsproduk­ sjonen i Noreg ligg på om lag 40 000 tonn. Verdsproduksjonen er om lag 300 000 tonn, og han aukar stadig.

19.5 Alkalimetalla, kjemiske eigenskapar og sam­ bindingar Grunnstoffa i første hovudgruppa er dei mest reaktive metalla vi kjenner. Reaksjonsevna aukar sterkt med aukande atomnummer, fordi avstanden frå atomkjernen til valenselektronet i ytste banen blir stadig større når vi går nedover i gruppa. Som nemnt reagerer stoffa lett med oksygenet i lufta og gir oksyd eller peroksyd. 2Li + |O2 = Li2O Litiumoksyd 2Na + O2 — Na2O2 Natriumperoksyd 2Na + |O2 = Na2O Natriumoksyd

37

Metalla reagerer dg med vatn. Som vi måtte vente av spenningsrekkja, blir det da utvikla hydrogengass. H+-iona i vatnet er nok til å oksydere metallet, medan dei sjølve blir reduserte til hydrogengass

2K + 2HOH = 2K+ + 2OH

+ H2

Alkalimetalla reagerer dg lett med stoffa i hovudgruppe VII A, halogena. Vi får da salt.

2Na + Cl2 = 2NaCl 2K + Br2 = 2KBr Men dei fleste av halogensalta finst i naturen, så desse framstillingsprosessane har berre teoretisk interesse. Dei to viktigaste alkalisambindingane som må framstillast industrielt, er Na2CO3 og NaOH.

Soda, Na2CO3, framstiller ein mest etter Solvayprosessen, som blei oppfunnen av belgiaren Ernest Solvay rundt 1860. Me­ toden går ut på at ein lagar ei metta løysning av NaCl i vatn og fører til NH3-gass og CO2-gass. CO2, NH3 og H2O reagerer og gir HCO3~- og NH4+-ion. Sjå fig. 19.4. CO2 + H2O = HCO3- + H+ NH3 + H+ = NH4+

Vi får da ei ioneblanding av Na+, Cl-, HCO3~ og NH4+. I denne blandinga er NaHCO3, natriumhydrogenkarbonat, tungløyseleg, og det skil seg ut som eit botnfall. Skjematisk kan vi skrive likninga slik: Na+ + Cl" + NH4+ + HCO3- = NaHCO3 ; + NH/+C1"

Ein filtrerer frå botnfallet av NaHCO3 og varmar det opp for seg slik at det gir frå seg vatn og CO2-gass, og vi får soda: varme

2NaHCO3-------* Na2CO3 + H2O + CO2

Fig. 19.4. Solvays sodaprosess.

38

Vassfrisoda

Soda er eitt av dei viktigaste råstoffa i den kjemiske indu­ strien, og det blir produsert i millionar av tonn for året. Det blir særleg brukt til reinsing av jordolje, i glasindustrien, i såpeindustrien og i papirindustrien. Det går også i handelen i krystallform, Na2CO3 • 10H2O, og går da under namnet krystallsoda.

Natriumhydroksyd, etsnatron. NaOH kjem dg i handelen som eit noko ureint produkt og går under namnet «kaustisk soda». NaOH blir framstilt ved elektrolyse av NaCl løyst i vatn. Her vil H+-iona frå vatnet blir reduserte til H2-gass ved ka­ toden, slik at konsentrasjonen av OH“-ion aukar. Ein får da rundt katoden etter kvart ei metta løysning av natrium­ hydroksyd. Denne løysninga tappar ein frå og dampar inn, og ein får det faste stoffet NaOH. Sameleis som soda blir natriumhydroksyd mye brukt i såpeindustri og oljeindustri, og det er dg eit av dei viktigaste rå­ stoffa i kjemisk industri og kjemisk laboratorieverksemd. Av andre viktige natriumsalt og kaliumsalt kan nemnast NaNO3 — natriumnitrat (chilesalpeter), KNO3 — kaliumnitrat (salpeter), Na2SO4 — natriumsulfat, Na2S2O3 — natriumtiosulfat (fiksersalt) og NaCN — natriumcyanid. Til ei rekkje føremål kan natriumsambindingar og kaliumsambindingar brukast om einannan, da dei har tilsvarande reaksjonar. Likevel bruker ein natriumsalta mest, da dei er mye bil­ legare enn kaliumsalta. Dette kjem atter av at det viktigaste råstoffet for natriumsalt, NaCl, er langt meir utbreidd i na­ turen enn KC1. Flammereaksjonar: I sambindingar er dei fleste grunnstoffa i hovudgruppene I A og II A lette å identifisere ved hjelp av såkalla flammereaksjonar. Ein held ein utglødd tråd av platina (eller til naud ein jerntråd) med litt av stoffet på inn i ei bunsenflamme. Natriumsalta gir ei reint gul flamme, litiumsalta gir ei raud flamme, sjå figur 19.5.

Stift av MgO

eller av""—. Pt

Fig. 19.5. Døme på flammereak­ sjonar. Natrium gir gul flamme, barium gir grøn og litium djupraud flamme.

Gut flamme av Natrium

f Raud flamme —sv Litium

(O Grøn flamme \* ==:====^^av' Barium

Prévestoff

39

19.6 Jordalkalimetalla, kjemiske eigenskapar og sambindingar Metalla i hovudgruppe II A er noko mindre reaktive enn dei i hovudgruppe I A. Også i gruppe II A aukar reaksjonsevna med aukande atomnummer. Beryllium er det minst reaktive, barium det mest reaktive. Beryllium og magnesium held seg godt i luft. Dei oksyderer på overflata, men berre i eit tynt, samanhangande lag som vernar mot vidare oksydasjon. Kalsium og dei andre metalla held seg dårleg i luft, da oksydlaget langsamt smuldrar opp, slik at ny metalloverflate stadig blir utsett for oksygen. Oksyda har vanlegvis formelen MeO, og ein får dei ved forbrenning i luft.

Mg + |O2 = MgO og Ca + |O2 = CaO

Somme av metalla, til dømes barium, lagar ved forbrenning også peroksyd, BaO2. Alle oksyda i denne gruppa står seg svært godt mot varme, og CaO og MgO er mellom dei mest «eldfaste» stoffa vi kjenner. Medan beryllium og magnesium ikkje reagerer med kaldt vatn, reagerer dei andre og lagar hydroksydløysningar og hydrogengass (jf. 17.9). Ca + 2HOH = Ca++ + 2OH" + H2

Kalsiumhydroksyd, Ca(OH)2 (kalkvatn eller leska kalk), er den billegaste av alle basar. Vi får det når vi løyser oksydet i vatn. Kalsiumkarbonat, CaCO3, finst mye utbreidd i naturen, og er det viktigaste råstoffet for utvinning av kalsiumsambindingar. Når ein varmar opp kalkstein til 7—800 °C, kløyver han seg etter likninga: varme

CaCO3---- —> CaO + CO2 Det CaO som vi får, kallar vi brend kalk. Kalk blir mye brukt i ei rekkje greiner av kjemisk industri. I bygningsindustrien bruker ein kalken til muring. Den brende kalken blir da tilsett noko vatn og gir leska kalk, som i hovudsaka er Ca(OH)2. Ei blanding av leska kalk, sand og vatn kallar vi mørtel. Når ein murar med murstein, legg ein mørtel mellom steinane. Mørtelen stivnar og blir med tida hard fordi han reagerer med CO2 frå lufta. Likninga blir slik:

Ca(OH)2 + CO2 mørtel

40

frå luft

-

CaCO3 + H2O

fast stoff

Reaksjonen går seint, og vi ser at det blir utskilt vatn. Dette vatnet kjem etter kvart som reaksjonen går, og det tek tid. I eit nybygg av murstein kjem det som regel vatn ut av veg­ gene i minst eitt år etter at huset er oppsett. Av andre kalsiumsambindingar som har praktisk interesse, kan nemnast CaCl2, kalsiumklorid, og CaSO4 ■ 2H2O, gips. Den første er sterkt hygroskopisk, og blir derfor brukt til å dra vatn frå lufta ned på støvete landevegar. Gipsen har den eigenskapen at han kan gi frå seg noko av krystallvatnet sitt ved varsam oppvarming (ca. 150 °C) og gi brend gips, CaSO4 • |H2O. Når ein rører ut brend gips i vatn, blir det ein graut som kan støypast og formast. Når han står, stivnar han, fordi vatnet blir oppteke som krystallvatn att, og den brende gipsen går tilbake til gips. CaSO4 • |H2O + HH2O -> CaSO4 • 2H2O Brend gips gips pulver stivna masse

Kalsiumnitrat, Ca(NO3)2, blir industrielt kalla for kalksalpeter. Det blir produsert i uhorvelege mengder, i Noreg av Norsk Hydro, og blir brukt til kunstgjødsel. Enda ei viktig kalsiumsambinding er kalsiumhydrogensulfitt, Ca(HSO3)2, som blir brukt i produksjonen av sulfittcellulose. Når opphakka tre blir kokt i ei sterk løysning av Ca(HSO3)2, blir trestoffet (ligninet) i treet oppløyst, medan cellulosen ikkje løyser seg. Han kan derfor skiljast frå og blir produsert på denne måten. Andre teknisk viktige kalsiumsambindingar: Kalsiumkarbid, CaC2, blir laga av koks og kalk ved vel 2000 °C. Karbiden kan reagere med vatn, og han gir da acetylengass (etyn):

CaC2 + 2 H2O = Ca(OH)2 + C2H2 Kalsiumcyanamid, CaNCN, er eit viktig kunstgjødselprodukt. Det blir fram­ stilt ved at ein varmar opp karbid til om lag 1000 °C i ein nitrogenatmosfære. Da blir reaksjonen: CaC2 + N2 = CaNCN + C

Det tekniske produktet blir oftast kalla «kalkkvelstoff», eller og «Oddaperler», oppkalla etter den staden der det blir laga her i landet.

Av magnesiumsambindingar er det oksydet, MgO, og kloridet, MgCl2, som blir mest produserte. MgO blir brukt som eldfast isolasjonsmateriale. MgCl2 er hygroskopisk. Ei blanding av det og MgO går i handelen som spesialsement under namnet Sorel-sement. 4. Salveson: Kjemi 2, nyn.

41

19.7 Hardt vatn * Hardt vatn er vatn som inneheld Ca++-ion (kan og vere Mg++- og Fe++ion). Vi skil mellom to slag hardleik: 1 . Karbonathardleik (forbigåande, temporær hardleik) Vatnet inneheld da for det meste sambindinga kalsiumhydrogenkarbonat oppløyst. Ved koking går dette over til kalsiumkarbonat, som er tungløyseleg i vatn og skil seg ut. Vatnet blir da «mjukt».

Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2 I staden for å koke set ein ofte heller til brend kalk, CaO, som i vatn blir til Ca(OH)2. Reaksjonen går da for seg slik:

Ca++ + 2 HCO3- + Ca++ + 2 OH~ = 2 CaCO3 | + 2 H2O Dersom det er magnesiumion i vatnet:

Mg++ + 2 HCO3- + Ca++ + 2 OH" = CaCO3 | + MgCO3 |+2 H2O

2 . Sulfathardleik (varig, permanent hardt vatn) kjem av CaSO4 som er løyst i vatnet. I dette tilfellet vil det ikkje hjelpe å koke vatnet. Men det hjelper å setje til soda, for da blir det utfelt CaCO3: CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 j + Na2SO4 Hardt vatn av begge typane kan ein gjere mjukt att ved å setje til bor­ aks, natriumfosfat, soda eller NaOH. I hardt vatn har såpa vanskeleg for å skumme. Vanleg såpe er natriumeller kaliumsalt av feittsyrer, og dersom vatnet inneheld Ca++-ion, vil desse ta plassen til Na+- eller K~-iona i såpa. Ein får da kalsiumsaltet av feittsyra, og det er tungløyseleg og vil skilje seg ut som eit botnfall (kalksåpe). Vatnet skummar da ikkje og blir ikkje «mjukt» att før alle kalsiumiona i vatnet er utfelte som kalksåpe. Som nemnt under vatn til teknisk bruk, må ein nytte «mjukt» vatn i dampkjelar. Varmar vi hardt vatn av type 1, fell det ut CaCO3, som vi har sett. Dette set seg ay som kjelstein. I elektrodekjelar gjer eit stort ioneinnhald i vatnet også at leiingsevna aukar meir enn ønskjeleg. Kalsiumion kan ein få bort frå vatnet ved å bruke eit såkalla ionebytarfilter. Der blir Ca++ bytt ut med Na+ når vatnet renn gjennom filteret. (Permutittfilter.) Skjematisk:

Ca++ + Na2-permutitt — 2 Na+ + Ca-permutitt

1 9.8 Strontium — Sr Strontium og strontiumsambindingar blir lite brukte. Kjemisk sett er strontium svært likt Ca. Strontiumdampane fargar ei flamme raud, og dette blir nytta i fyrverkeribransjen (pyroteknikken). Det er for det meste salta Sr(NO3)2 og Sr(ClO3)2 som da blir brukte.

* Sjå og side 15.

42

1 9.9 Barium — Ba Stoffet finst i naturen som BaCO3, witheritt, og som BaSO4, tungspat. Metallet blir noko brukt i blylegeringar for å auke hardleiken. Dampane fargar ei flamme grøn, og dette blir nytta som ved strontium. Ba{OH)2 — bariumhydroksyd er ein svært sterk base. BaSOi i blanding med ZnS blir brukt som kvit målarfarge under namnet litopon. BaO2 — bariumperoksyd kan brukast til å lage hydrogenperoksyd ved at ein lét det reagere med svovelsyre:

BaO2 + H2SO4 = H2O2 + BaSO4 BaSO4 er svært tungløyseleg og kan filtrerast frå H2O2-løysninga.

Spørsmål og oppgåver

1. Gjer greie for dei viktigaste fellesdraga hos grunnstoffa i hovudgruppene I A og II A. 2. Korfor er det vanskeleg å finne andre måtar enn elektro­ lyse når ein vil framstille alkalimetall?

3. Gjer greie for gangen i framstillinga av magnesium frå sjøvatn.

4. Korfor reagerer saltet Na2CO3 basisk? Sjå avsnitt 20.4.

5. Ei motorblokk av støypegods veg 50 kg. Støypegodset har tettleiken 7,5 kg/dm3. Kva ville blokka ha vege om ho var laga av lettmetall med tettleiken 2,1 kg/dm3? 6. Kor mange m3 CO2-gass får vi teoretisk av 1 tonn kalk­ stein? (Normalt trykk og normal temperatur.)

7. Kor mange kg kalkstein går det teoretisk med til å lage 2 tonn kalksalpeter ?

8. Temporært hardt vatn kan vi gjere mjukt ved at vi set til ei utrekna mengd med kalk: Ca(HCO3)2 + CaO = 2CaCO3 + H2O. Vi har hardt vatn med ein hardleik på 8 grader. Rekn ut kor mye CaO vi må setje til pr. dm3. (Jf. side 15.) 9. Når vi leier CO2-gass ned i kalsiumhydroksyd, får vi kalsiumkarbonat. Kor mange gram karbonat får vi av 4 dm3 gass om vi tenkjer oss at all gassen reagerer? (Nor­ malt trykk og normal temperatur.)

10. Vi skal nøytralisere 10 kg kalsiumhydroksyd med saltsyre som er 10 molar. Kor mange dm3 saltsyre må det til?

11. Rekn ut kor mange kilogram magnesiummetall vi teo­ retisk får ved elektrolyse av 1 tonn MgCl2. 43

12. I eit nybygg er det rekna ut at det pr. rom er 5 kg kalsiumhydroksyd som skal reagere med karbondioksydet i lufta. Kor mye vatn vil det lage seg ved denne reaksjonen ?

13. Prøv å gi ei forklaring på rekkjefølgja av basestyrken av hydroksyda innafor hovudgruppe II A.

Vel rett(e) 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 eit metall som i første rekkje blir brukt: a) Til armering av betong, b) Som legeringsmiddel i lettmetall, c) I fyrverkeri, d) I tannplombar.

4. Brend kalk får ein ved å: a) Varme opp kalsiumkarbonat. b) Varme opp kalsiumsulfat. c) Varme opp kalsiumnitrat. d) Varme opp kalsiumklorid. 5. Gips er: a) Ca(NO3)2 b) CaCl2 c) CaNCN d) CaSO4 • 2H2O 6. Natrium og kalium er begge metall som: a) Reagerer med luft, b) Reagerer med vatn, c) Flyt på vatn, d) Utviklar hydrogen med vatn.

7. Magnesium blir framstilt m. a. i Noreg delvis av sjøvatn. Magnesium er der til stades som ion, og for å få ut ei magnesiumsambinding set ein til sjøvatnet: a) sitronsyre b) saltsyre c) kalsiumoksyd d) natriumhydroksyd

8. Hardt vatn er vatn som: a) Inneheld Li+-ion b) Inneheld K+-ion c) Inneheld Ca+ + -ion d) Inneheld Cl_-ion 9. Når ein set syre til kalsiumkarbonat, blir det utvikla: a) Cl2-gass b) CO2-gass c) H2-gass d) NO2-gass

10. For å få hardt vatn mjukt att kan vi: a) Bruke eit tett papirfilter b) Bruke eit ionebytarfilter c) Setje til akohol d) Setje til saltsyre 44

Forsøk og demonstrasjonar

1. Ta fram nokre prøver av metallisk Be, Mg, Ca, likeins nokre steinprøver: beryll, dolomitt, asbest, talk, kleber­ stein, marmor, kalkstein, dobbelbrytande kalkspat, tungspat.Ta og fram nokre reine sambindingar: kalsiumklorid, -nitrat, -sulfat, -karbonat, magnesiumoksyd og -klorid, strontiumklorid, bariumklorid og -sulfat.

2. Vis fram nokre av dei viktigaste tekniske produkta i grup­ pa: lettmetall, kalksalpeter, brend kalk, gips, kalsiumkarbid og litopon. 3. Brenn ein magnesiumtråd, og vis at oksydet reagerer med H2O og gir basereaksjon. Vis og flammereaksjonar for klorida av Ca, Sr og Ba. 4. Lesk brend kalk og lag mørtel. Er det høve til det, så mur saman to vanlege mursteinar.

5. Rør ut gips i vatn og la det storkne i ei form. 6. Vis korleis vatn blir «hardt» når ein løyser opp Ca (HCO3) 2 i det. Gjer det «mjukt» ved koking og vis botnfallet av CaCO3 etter kokinga.

7. Lag acetylen av CaC2 og H2O.

Tilvising:

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

45

IONEJAMVEKTER

BUFFER

LU æ > _i o cc Q > T

Reaksjonar i løysning i vatn II I kapittel 10 i Kjemi 1 gjekk vi gjennom nokre reaksjonar mellom ion i løysning i vatn. Vi held fram i dette kapitlet og tek særskilt med slike reaksjonar som lagar jamvekter. I av­ snitt 20.6 tek vi dg med nokre av dei fysiske endringane som løyste stoff valdar i løysninga. Dette gjer vi fordi vi gjennom slike endringar får metodar til å måle molekylvekter.

20.1 Jamvektsforskyving (fellesione-effekt)

Hittil har vi sett på berre eitt stoff om gongen og sett korleis det dissosierer i ion. Vi har sett korleis jamvektskonstanten kan uttrykkjast ved hjelp av konsentrasjonane av iona. Om vi til ei slik ionejamvekt av eit bestemt stoff set til ion frå eit anan stoff som dels er dei same som dei vi hadde frå før, da får vi å gjere med det vi kallar ein fellesione-effekt. Verknaden kjem best fram for veike syrer og basar, og vi kan rekne han ut direkte ut frå Guldberg-Waages lov.

La oss ta eit døme: Ein veik base som ammoniakk, NH3, reagerer med vatn etter jamvekta:

NH3 + H2O

NH4+ + OH-

Til ei slik løysning i vatn set vi no litt av saltet NH4C1. Som dei fleste salta er det 100% kløyvd i iona NH4+ og Cl-. Ved å setje til NH4C1 aukar vi altså konsentrasjonen av eit ion på høgre sida av jamvekta (NH4+). Da vil jamvekta etter Guldberg-Waages \ov forskyvast til venstre. Konsentrasjonen av OH--ion vil dermed minke. Resultat: Ammoniakk-løysninga blir mindre basisk enn ho var før.

Effekten av slike tilsetjingar av fellesion kan vi rekne ut matematisk:

Døme: I ein liter av ei 0,1 M NH3-løysning i vatn set vi til 0,05 mol NH4C1. Rekn ut OH--konsentrasjonen etterpå.

46

Jamvektskonstanten for ammoniakkprotolysen er 1,8 - 10~5, og vi reknar at NH3 er 1,34% protolysert etter likninga: NH3 + H2O

NH4+ + OH-

Fig. 20.1. Verknaden av fellesionetilsetjing på ei jamvekt. Set ein til NH4+-ion, forskyv ein jam­ vekta til venstre.

Løysing: Vi finn først [OH~] slik han er før vi set til NH4+. Ved 1,34% protolyse blir 1,34% av dei 0,1 mol vi har av NH3, overført til NH4+ og OH_. Det vil seie:

1 34 [NH4+] = [OH-] = y— -0,1 = 0,00134 = 1,34- 10~3 mol/1

Etter at vi har sett til NH4+ : Uttrykket for jamvektskonstanten er det same: æ

= [nIV].Ioh-]= [NH,]

6

Men no har NH4+-konsentrasjonen auka til 0,05. (For å gjere rekninga enklare ser vi bort frå det vesle som var før, og frå det av NH3 som er protolysert. * Da får vi:

°vvm= 1>8.10-5 0,1

rOH-1 ,._55 mol/1 pjli J =0,1-1,8-10-» ----------------- = 3,, 6 • 10 0,05 ' Resultat: Ved at vi sette til 0,05 mol NHf, minka [OH~]frå 1,34 • 10~z moljl, som han var før, til 3,6 ■ 10~5 mol/l. * Den korrekte [NH4+] = 0,05 + 0,00134 — x. Den korrekte [NH3] = 0,1 - 0,00134 + x (x er så mange mol/1 som vi får på grunn av for­ skyving av jamvekta). Liknande forenklingar gjer vi ofte i kjemiske ut­ rekningar. Dei tilnærma resultata er fullt ut gode nok for vårt føremål. Reknestaven er derfor eit godt hjelpemiddel.

47

20.2 Bufferløysningar I praktisk kjemi har ein ofte bruk for å lage løysningar med ein kjend og bestemt />H. Helst vil ein dg lage slike løysningar der pH held seg nokolunde konstant, også om ein set til små meng­ der av syrer eller basar. Slike løysningar kallar vi bufferløys­ ningar. Prinsippet for å lage slike løysningar ligg i fellesione-effekten. Om vi til ei veik syre HA set eit salt av syra, får vi ei jamvekt som vi kan skrive slik:

HA (høg konsentrasjon)

H+ + Alåg høg

K [H+] ■ [A-] K = -jHA]— eller løyst for [H+] = K [A-]

Set vi litt sterk syre til ei slik løysning, slår dei nye H+-iona straks seg saman med A~-iona og lagar udissosiert HA. (Jamvekta forskyv seg til venstre.) Det gjer at brøken i ut­ trykket for [H+] forandrar seg lite. Likeins er det om vi set til en sterk base. Da reagerer ukløyvd HA med basen og gir A- og vatn. (Jamvekta forskyv seg til høgre.) [A“] aukar og [HA] minkar, men brøken [HA]/[A“] endrar seg relativt lite. Heller ikkje her endrar [H+] seg mye. Fig. 20.2. Buffereffekt får ein ved å ta ei veik syre og setje til eit salt av den same syra.

Buffer-løysning Set til anionet frå eit salt av HA i bestemt mengd

Når vi lagar slike bufferløysningar, kan det ofte vere prak­ tisk å gjere konsentrasjonen av anionet A“ like stor som kon­ sentrasjonen av udissosiert syre. [A“] — [HA]. Dermed blir [H+] = K, eller med andre ord:

-lg [H+] =/H = -lgÆ=/>Æ 48

Døme: Vi har éin liter av ei 1 M eddiksyre, CH3COOH. For å lage ei bufferløysning av denne set vi til 1 mol acetation, CH3COO-, (Vi set til saltet CH3COONa.) Da er

[H+] = K-

[HA] [A"]

1

Da talet for konstanten er kjent, K — 1,83 • 10~5, kan vi dg rekne ut for løysninga:

= — lg 1,83 • 10~5 = 5 — lg 1,83 = 5 —0,26 = 4,74 I praksis vil kvar veik syre (eller base) som er tilsett eit salt med eit fellesion, ha ein viss buffereffekt. Vi seier at syra eller basen er «bufra». På grunn av jamvekta er ei slik løysning treg mot forandrin­ gar i />H, jamvel om vi set til små mengder av syre eller base. Derfor bruker vi namnet «buffer». Fleire av kroppsvæskene, t. d. blodet, er bufferløysningar. I blodet er det mellom anna den veike syra karbonsyre, H2CO3, og saltet NaHCO3 som utgjer buffersystemet, slik at nor­ malt blod har ein nokolunde konstant lik 7,4. Er ikkje høvet mellom syra og saltet av denne rett, får blodet ein annan />H, og ein blir sjuk.

20.3 Hydrolyse

Som vi alt har sett i mange tidlegare døme, får vi til vanleg ikkje nokon eigenleg kjemisk reaksjon om vi løyser eit stoff i vatn. Løyser vi sukker i vatn, får vi berre ei fordeling av sukkermolekyla mellom vassmolekyla. Løyser vi saltet NaCl i vatn, får vi ei fordeling av Na+-iona og Cl~-iona i vatnet. Vi reknar ikkje dette som eigenlege kjemiske reaksjonar. Men for somme stoff blir det ein verkeleg kjemisk reaksjon når stoffet kjem saman med vatn. Det blir laga noko nytt, eit nytt stoff eller eit nytt ion. Når stoffa reagerer med vatn slik, seier vi at dei nydrolyserer * Somme hydrolysereaksjonar er klart synlege. Det blir til dømes utskilt eit nytt stoff som søkk til botns. Andre hydrolysar går for seg slik at dei ikkje er synlege. Vi må nøye oss med å slå fast på ein eller annan måte at det har blitt laga nye stoff eller nye ion i løysninga. * Dei fleste av desse reaksjonane skjer slik at det blir oppteke eller avgitt proton. Vi kan derfor også sjå på dei som syre/base-reaksjonar. Dei blir derfor ofte kalla protolysereaksjonar, jf. avsn. 9.2.

49

Nokre døme som bør gjerast som demonstrasjonar, forklarar hydrolyseomgrepet. Demonstrasjonar: 1. Vi rører ut litt av stoffet antimontriklorid, SbCl3, i eit glas vatn. Vi ser straks at det skil seg ut eit voluminøst, kritkvitt botnfall. Det har skjedd ein reaksjon. Det kvite, uløyselege stoffet som lagar seg, har ei samansetning som varierer med vassmengda. Med relativt lite vatn får vi SbOCl, antimonoksyklorid. Fig. 20.3. Døme på ein synleg hydrolysereaksjon. Antimon(III)klorid reagerer med vatn og gir eit kvitt botnfall.

Fig. 20.4. Døme på hydrolyse som vi ikkje direkte kan sjå. Vi re­ gistrerer at det har skjedd noko når natriumkarbonat er løyst i vatn, t.d. ved hjelp av lakmus.

2. Na2CO3 hydrolyserer og, men her blir det ikkje noko botnfall. Prøver vi med eit lakmuspapir i vatnet før og etter reaksjonen, ser vi at løysninga har blitt basisk.

20.4 Anion- og kation-hydrolyse Som dei to døma viste, kan det sjå ut som det er sjølve saltet som reagerer med vatn, og vi seier da også ofte at det eller det saltet hydrolyserer. Men ser vi nøyare på problemet, finn vi at det anten er anionet eller kationet (eller begge) som i røynda reagerer med vatn. Resultatet blir ulikt alt etter som det er det eine eller det andre ionet som reagerer.

50

La oss analysere problemet:

Når eit salt som NaCl er løyst i vatn, inneheld løysninga berre Na+- og Cl“-ion. 100% NaCl -> Na+ + Cl"

I dette tilfellet får vi ingen hydrolyse. La oss sjå korfor. Det vi kan tenkje oss kunne ha skjedd, kan vi skrive opp slik:

Hypotetisk reaksjon: Na+ + HOH = NaOH + H+ og

CD + HOH = HC1 + OH" Grunnlaget for denne hypotetiske reaksjonen måtte vere at Na+ og Cl- kvar for seg hadde ein tendens til å reagere med vatn og lage NaOH og HC1. Men NaOH og HC1 er mellom dei sterkaste elektrolyttane vi har, og vi må rekne med at dei er 100% ioniserte når dei er løyste i vatn. Med andre ord: Na+ har ingen tendens til å slå seg saman med OH" og gi udissosiert NaOH, like lite som Cl“ har nokon tendens til å slå seg saman med H+ og gi HC1. Begge desse stoffa vil helst vere kløyvde i ion. Heilt annleis blir det om den syra eller basen som kan tenkjast å bli laga, er ei veik syre eller ein veik base. For slike vil vere lite dissosierte. I dette tilfellet har dei einskilde iona derfor ein tendens til å slå seg saman. Vi skal sjå på dei to typane av slike reaksjonar kvar for seg.

Anion-hydrolyse: Eddiksyre er ei veik syre, berre ca. 1,5% er protolysert i ei løysning på 0,1 M. Eit salt av denne syra, til dømes CHoCOONa, er derimot 100% dissosiert i iona CHoCOOog Na+. Na+ reagerer aldri med vatn. Acetationet derimot reagerer; det slår seg saman med H+ frå vatnet og lagar udis­ sosiert eddiksyre. (basisk CH3COO- + HOH CH3COOH + OHreaksjon)

Jamvekta er sterkt forskoven til venstre fordi basekonstanten, ■^ch.coo-j er så låg. (A^CH3COO- = ^w/-^ch,cooh 10 9.) 51

Resultat: CdfCOO basisk løysning.

reagerer med vatn og gir 0H~. Vi får ei

Allment: A- -|- HOH

-> AH -f- OH~ (basisk reaksjon) Udissosiert veik syre

Kation-hydrolyse: Ammoniakk, NH3, er ein veik base. I ei løysning i vatn på 0,1 M protolyserer han ca. 1,5%.

NH3 + HOH

NH4+ + OH-

Eit salt som inneheld ammoniumion (NH4+), til dømes NH4C1, er 100% dissosiert i iona NH4+ og Cl-. Kloridionet reagerer ikkje med vatn, men ammoniumionet reagerer. Det prøver å gå over til NH3 ved å gi frå seg eit H+ til vatnet: NH4+ + HOH NH3 + H3O+ (sur reaksjon) Resultat: NH4+-ionet reagerer med vatn og lagar H3O + . Vi får ei sur løysning.

Allment: Vi bruker nemninga M+ på eit kation. M+ + 2HOH -* MOH + H3O+ Udissosiert veik base

(sur reaksjon)

Vi kan derfor setje opp denne regelen for hydrolysar: Vi får ein anion-hydrolyse dersom anionet kan lage ei veik syre, og ein kation-hydrolyse dersom kationet kan lage ein veik base. Dersom det ikkje kan lagast veike syrer eller basar av iona, får vi i det heile ingen hydrolyse. Ser vi på det meir praktiske spørsmålet: kva for salt vil hydrolysere og kva for salt vil ikkje? så kan vi skrive desse hugsereglane: 1. Salt av sterk syre og sterk base: Ingen hydrolyse. Døme: NaCl. 2. Salt av veik syre og sterk base: Anion-hydrolyse Døme: CH3COONa og (basisk reaksjon). Na2CO3. 3. Salt av veik base og sterk syre: Kation-hydrolyse Døme: NH4C1. (sur reaksjon). (Eit døme på eit salt av ei veik syre og ein veik base er ammoniumacetat, CH3COONH4. Her får vi både kation- og anion-hydrolyse.)

52

Døme: Vi vil finne ut om saltet Na2CO3 reagerer med vatn. Tek vi litt Na2CO3 opp i vatn, løyser det seg utan at vi kan sjå nokon reaksjon. Men prøver vi med eit indikatorpapir, finn vi at løysninga er sterkt basisk. Kva har skjedd?

Fig. 20.5. Døme på anionhydrolyse. Alle løyselege karbonat rea­ gerer basisk med vatn fordi CO3 -ionet hydrolyserer slik det er vist her.

COJ-+HOH —— HCOJ +0H“

Na2CO3 er fullstendig kløyvd i iona Na+ og CO3~~. Vi har sett at Na+ ikkje kan hydrolysere. Derfor må det vere anionet CO3 som reagerer med vatnet. Ser vi på reglane, samsvarer det og med at ein anion-hydrolyse resulterer i ei basisk løysning. Nærmare forklaring kan vi få slik: CO3~“ionet er syreresten frå den særs veike syra karbonsyre, H2CO3. Tek vi CO3__-ion (frå saltet) opp i vatn, vil desse straks slå seg saman med vatn og gi HCO3~, OH" og litt H2CO3. Reaksjonen går i to steg:

CO3" + HOH

HCO3~ + OH~ dvs. basisk reaksjon

HCO3“ + HOH

H2CO3 + OH- dvs. basisk reaksjon.

Konklusjon: Alle karbonata som kan løyse seg i vatn, gir CO3~~ion. Desse reagerer med vatn og gir ein basisk reaksjon. 20.5 Hydratisering

For å kunne skjøne korleis stoffa ter seg i vatn, er det eit feno­ men til som er verdt å merke seg. Det viser seg ved analyse av salt at svært mange av dei bind til seg vassmolekyl. Vi kallar desse stoffa hydrat, og med eit eldre ord seier vi at stoffa har så og så mange molekyl krystallvatn. Eit salt som til dømes koparsulfat bind alltid til seg fem mole­ kyl vatn, og vi skriv formelen slik: CuSO4.5H2O. Andre døme er NiSO4 • 7H2O, BaCl2 • 2H2O, Na2CO3 • 10H2O og 53

KA1(SO4)2 • 12H2O. Desse tala for krystallvatnet har ein funne ved analyse, og dei ser ut til å kunne vere kva tal som helst, også brøkar, t. d. CdSO4 • 8/3 H2O. Røkjer ein nærmare etter, finn ein at ikkje alle vassmolekyla treng vere knytte til saltmolekylet på same måten. I koparsulfat, CuSO4 • 5H2O, er fire av vassmolekyla bundne til koparionet, medan det femte er bunde både til koparionet og til sulfationet. Vi kan skrive det slik: [Cu++(H2O)4]

• so4— • H2O

Dei fire vassmolekyla som ligg rundt Cu+ + -ionet, seier vi hydratiserer koparionet. Desse vassmolekyla er bundne til kopar­ ionet med det vi kunne kalle koordinert kovalente bindingar. Om vi tek bort nokre av desse fem H2O-molckyla, skifter koparsulfatet farge. Den typiske blåfargen kjem litt om senn bort om vi driv ut vatnet meir og meir. Vi kan gjere det ved å varme opp. Varmar vi opp koparsulfat så lenge at det blir heilt fritt for vatn, blir det eit heilt kvitt pulver. På grunn av at det har ein sterk dipolnatur (sjå 3.8 og 4.1), har vassmolekylet stor evne til å binde til seg molekyl elektro­ statisk, og i mange av dei hydratiserte iona er bindinga slik:

Fig. 20.6. Skjematisk kan vi ten­ kje oss hydratisering på denne måten. Seks vassmolekyl legg seg rundt eit klorion ved å snu den positive enden av dipolen sin mot Cl“. Rundt eit positivt koparion samlar det seg fire vassmolekyl. Dei snur den negative enden sin mot Cu++.

54

20.6 Frysepunktsenking — kokepunktheving Måling av molekylvekt Elektrolyttane skil seg frå ikkje-elektrolyttane først og fremst ved den evna dei har til å leie elektrisk straum i løysning og i smelte. Men det er og andre eigenskapar ved elektrolyttane som er verde å merke seg.

Franskmannen Frangois-Marie Raoult (1830—1901) fann i 1887 at om ein løyser opp stoff i vatn, blir kokepunktet høgre og frysepunktet lægre for løysninga enn for det reine vatnet. Han fann vidare at for eitt og same løysingsmiddelet var senkinga og hevinga proporsjonal med moltalet av oppløyst stoff pr. volumeining (Raoults lov). Om lag samstundes arbeidde den svenske kjemikaren Svante Arrhenius med teorien sin om elektrolyttisk dissosiasjon. Han fann at i tynne løysningar i vatn av NaCl eller KC1 blei ut­ slaget i kokepunkthevinga eller frysepunktsenkinga om lag dobbelt så stort som ein skulle vente etter Raoults lov. Dette tok Arrhenius og seinare andre som prov for at desse stoffa var kløyvde i ion. I problem av dette slaget bruker vi eit anna mål for kon­ sentrasjonen enn dei vi har nemnt før. Vi talar om såkalla molale løysningar, og vi definerer: Ei 1-molal løysning av eit stoff i vatn inneheld 1 mol oppløyst stoff pr. 1000 gram vatn. (Jf. definisjonen av molar løysning, avsn. 5.5.) For eit stoff som inneheld berre eitt molekylslag, vil det i 1 mol vere eit Avogadro-tal molekyl (6,02 • 1023). For eit stoff som er samansett av to ionetypar som Na+Cl~, vil ionetalet i 1 mol vere to gonger Avogadro-talet. Vi kan seie det slik: Frysepunktsenkinga og kokepunkt­ hevinga rettar seg etter kor mange partiklar som er løyste. Like mange partiklar, anten det er ion eller molekyl, gir i prinsippet dei same utslaga i så måte. Lagar vi ei éin-molal løysning av druesukker og ei éinmolal løysning av glyserol i vatn, så har dei to løysningane så godt som same kokepunktshevinga og same frysepunktsenk­ inga. (Løysningane inneheld like mange partiklar.)

Tabell 20.1. Praktisk målte og teoretisk utrekna verdiar for fryse­ punktsenkinga. Merk skilnaden på tynne og meir konsentrerte løys­ ningar. (Alle er løysningar i vatn.) Løyst stoff

Molalitet av løysninga

0,001

0,1

LO

Ikkje-elektrolytt ......................... Røyrsukker (praktisk målt) . . .

0,00186 °C 0,00186

0,186 °C 0,188

1,86 °C 1,96

Elektrolytter: 2-ions formel................................ NaCl (praktisk målt) ................

0,00372 0,00366

0,372 0,348

3,72 3,67

3-ions formel................................ K2SO4 (praktisk målt)..............

0,00558 0,00528

0,558 0,432

5,58 4,25

55

I middeltal får ein for slike éin-molale løysningar i vatn frysepunktet nedsett med 1,86 °C og kokepunktet heva med 0,52 °C. Vi seier at desse tala representerer dei molale ver­ diane for frysepunktsenking og kokepunktheving hos vatn. I praksis finn ein noko avvik frå desse verdiane. For elektrolyttar er tala tilnærma to gonger eller tre gonger så store, etter som formelen har to eller tre ion. For ei éin-molal løysning av glyserol i vatn har ein målt ei frysepunktsenking på 1,92 °C, og for ei éin-molal løysning av etanol i vatn har ein funne 1,83 °C. For andre løysingsmiddel enn vatn vil dei molale konstantane vere heilt andre tal. Tabell 20.2 viser nokre molale frysepunktsenkingar for stoff som blir brukte. Tala er middel­ tal, slik som hos vatn:

Tabell 20.2. Molal frysepunktsenking (Gf) for nokre løysingsmiddel. H2O......................................................................................... 1,86 °C CH3COOH (eddiksyre) .............................................................. 3,9 °C C6H6 (benzen) ............................................................................... 5,12 °C C10H8 (naftalen) ........................................................................... 6,9 °C C6H5OH (fenol) ........................................................................... 7,4 °C (C6H5)3CH (trifenylmetan) .......................................................... 12,5 °C

For utrekningar på dette området har vi ei enkel likning vi bruker: Frysepunktsenkinga (eventuelt kokepunkthevinga)

A/(»C) = s-G

Her har vi P gram oppløyst stoff pr. 1000 gram løysingsmiddel. M er molekylvekta av det løyste stoffet. G er den molale kon­ stanten for løysingsmiddelet. (Det kan vere Gk, for kokepunkt­ hevinga, eller G{, for frysepunktsenkinga.) Som ein vil skjøne av denne likninga, kan ein finne molekyl­ vekta av eit stoff eksperimentelt berre ved å måle nøyaktig tem­ peratur og ved å vege av stoff og vege av vatn. For stoff som er elektrolyttar, er dei tala uttrykket ovafor gir for bd om lag to gonger eller tre gonger (osb.) så store som dei vi skulle vente etter formelvekta for elektrolytten. (Det må understrekast at Raoults lov og dei utrekningane ein gjer i samband med denne, berre gjeld heilt ut for særs tynne løysningar, såkalla ideelle løysningar.) 56

Fig. 20.7. Figuren viser korleis damptrykket over vatn stig med temperaturen (svart kurve). Set ein til vatnet eit fast stoff som løy­ ser seg, blir damptrykket over løysninga mindre enn over det reine vatnet (raud kurve). Det same gjeld for andre væsker og.

Figur 20.7 viser i prinsippet korleis damptrykket (mettingstrykket) over vatn varierer etter som temperaturen aukar, jf. avsnitt 7.7. Teiknar ein ei tilsvarande kurve for mettingstrykket over ei løysning av eit fast stoff i vatn, får ein ei kurve som ligg lægre. For å nå opp til kokepunktet — den temperaturen væska har når damptrykket er lik det ytre trykket — ved 760 torr (1 atmosfære), må løysninga opp i ein høgre temperatur; det ser vi tydeleg av kurva. Vi får ei kokepunktheving: AZ (°C). Tilsvarande får vi i andre enden av kurva ei frysepunktsenking på At’ (°C). Det var ut frå studiet av damptrykk over reine stoff og over løysningar at Raoult kom fram til samanhengen mellom damtrykksenking og molekylvekt. Døme 1

Vi løyser opp 11,7 gram NaCl i 100 ml vatn. Kva blir frysepunktet og kokepunktet ved 760 torr for denne saltløysninga ? 11,7 g i 100 ml svarar til 117 i 1000 ml, det er — = & 58,5 2 mol NaCl. Den molale frysepunktsenkinga er 1,86 °C; for 2 mol får vi 3,72 °C. Men NaCl er ein elektrolytt som dissosierer i to ion. Altså får vi det doble av den nemnde senkinga, nemleg 7,44 °C.

Frysepunktet for denne saltløysninga er — 7,44 °C. 5. Salveson: Kjemi 2, nyn.

57

Tilsvarande resonnement for kokepunkthevinga gir koke­ punktet: 100 °C + 2 • 2 • 0,52 °C = 102,08 °C. Døme 2

Vi har løyst opp 60,0 gram av ein ukjend ikkje-elektrolytt i 1000 gram vatn. Frysepunktsenkinga for løysninga blir målt til 1,02 °C. Rekn ut formelvekta for stoffet. Vi kan beinast setje opp proporsjonen: 60 formelv. 77^ = —i~oc— 111/ JDet gir formelvekt = 109,4. I nh

--------

Spørsmål og oppgåver

1. Kva meiner vi med ei bufferløysning?

2. Kva vil du gjere for å få ein buffereffekt i ei eddiksyreløysning ? 3. Kva meiner vi allment med ein hydrolyse? 4. Forklar omgrepa anion- og kation-hydrolyse, og vis med to døme kva resultat vi må vente oss med omsyn til sur eller basisk reaksjon. 5. Forklar kva vi meiner med at eit ion er hydratisert. 6. Kva vil det seie at saltet BaCl2 har to molekyl krystallvatn ?

7. Rekn ut i 1000 ml av ei 0,2 M NH3-løysning i vatn. Jamvektskonstanten for NH3-protolysen er 1,8 • 10-5 (dvs. Vbase = 1,8 • 10“5), og vi reknar at ammoniakk er 1,34% protolysert etter likninga: NH3 + H2O

NH4+ + OH"

Til løysninga set ein 2,675 g fast NH4C1, som løyser seg opp. Rekn ut/?H etter at blandinga er kommen i jamvekt.

8. Til 20 ml av ei 0,2 M NaOH-løysning set vi 50 ml av ei 0,1 M CH3COOH-løysning. Rekn ut />H. Protolysekonstanten for eddiksyra er Ksyre = 1,8 • 10-5. 9. Kva vil det teoretiske frysepunktet bli for ei løysning på 10% (masse) av røyrsukker, C12H22OU, i vatn? Den molale frysepunktsenkinga for vatn er 1,86 °C/mol.

10. Den molale frysepunktsenkinga for benzen er 5,12 °C/mol. Vi løyser 2,00 g av eit ukjent stoff i 25 g benzen, måler frysepunktsenkinga fleire gonger og finn i middeltal 1,74 °C. Rekn ut molekylvekta for det ukjende stoffet. (Vi går ut frå at stoffet ikkje lagar ion.)

58

Vel rett(e) svar

1. Kven av desse sambindingane må vi vente hydrolyserer og gir basisk reaksjon når dei er løyste i vatn: a) NaNO3 b) K2CO3 c) MgCl2 d) H3PO4

2. Kven av desse sambindingane må vi vente reagerer surt på grunn av hydrolyse når dei er løyste i vatn: a) KOH b) NaCl c) CuCl2 d) NH4C1 3. Kven av desse sambindingane må vi rekne med vil hydrolysere og gi basisk reaksjon når dei er løyste i vatn: a) Cu(NO3)2 b) Cu(CH3COO)2 c) CuSO4 d) CuCl2 4. Gitt er jamvekta: N2H4 + H2O N2H5+ + OHKva skal vi gjere for å forskyve jamvekta over til venstre? a) Setje til meir vatn. b) Varme opp til 70 °C. c) Kjøle av til —20 °C. d) Setje til ein base, t. d. NaOH.

5. Eit hydratisert ion er eit ion som: a) Har hydrolysert. b) Har bunde til seg eit visst tal med vassmolekyl. c) Har gitt frå seg alt vatnet, ved at det er tørka. d) Inneheld hydrogen.

6. Når ein løyser eit fast stoff i ei væske, blir kokepunktet for løysninga: a) Høgre. b) Lægre. c) Det same som før. d) Løysninga får ikkje noko bestemt kokepunkt.

7. Når ein løyser eit fast stoff i vatn, blir frysepunktet for løysninga: a) Lægre. b) Høgre. c) Det same som før. d) Løysninga får ikkje noko bestemt frysepunkt.

8. Damptrykket over ei løysning av eit fast stoff i ei væske er alltid: a) Høgre enn damptrykket for væska. b) Lægre enn damptrykket for væska. c) Det same som damptrykket for væska. d) Det skil seg kva væske det er. Forsøk og demonstrasjonar

1. Vis hydrolyse av SbCl3 ved å ta litt av stoffet opp i ca. 200 ml vatn i eit begerglas. 2. I eit begerglas på 300 ml har vi 200 ml vatn. Vi løyser 2 g MgCl2 i vatnet og set til litt 2 M NH3-løysning, slik at det fell ut eit kvitt botnfall av Mg(OH)2. Etterpå set vi 59

til varsamt og i små porsjonar litt fast NH4C1 til botnfallet akkurat blir løyst. Set vi så til meir 2 M NH3, får vi att det kvite botnfallet. Forklar dette ut frå jamvekta Mg++ + 2NH3 + 2H2O Mg(OH)2 + 2NH4+

3. Vis hydrolyse av salt, både anion- og kationhydrolyse. Bruk døma i kap. 20. Sterkt sur hydrolyse får ein av t. d. KA1(SO4)2 • 12H2O eller (NH4)2SO4. Sterkt basisk reaksjon får ein best av karbonat og acetat: NaHCO3, CH3COONa o. a. 4. Gjer eit forsøk med frysepunktsenking. Her treng ein eit termometer der ein kan lese av temperaturen på nærmaste 1/100 °C. I eit vidt begerglas på 6—800 ml har ein is og vatn. Eit stort reagensglas, ca. 3 cm indre diameter og 20 cm langt, set ein fast i klemme og stativ slik at det står nedi isvatnet. I ein kork som høver i reagensglaset borar ein ut to hol, eitt for termometeret og eitt for ein rørepinne. Den siste kan ein t. d. lage av ein plastisolert kopartråd (leidning). Termometeret til dette forsøket kan vere eitt som går frå 0 til 20 °C. Veg av nøyaktig 25,0 g benzen i reagensglaset, set det i isvatnet med termometer og røre­ pinne og les av frysepunktet fleire gonger. Ta middel­ verdien av t. d. tre avlesingar. Ta så opp reagensglaset og la det få romtemperatur att. Veg så av mellom 1,00 og 2,00 g av eit stoff ein vil finne molekylvekta av, og ha det snøgt opp i reagensglaset med benzen. Pass på at det ikkje blir sitjande noko på glasveggen. Rør om og les av tem­ peraturen for kvart 15. sekund og teikn kurve på tavla. Les av frysepunktet ved 3 ulike avkjølingar. Ta middel­ verdiane, og rekn ut molekylvekta etter Raoults lov. Stoff som det kan høve godt å finne molekylvekta for, er t. d. kamfer, naftalen, p-diklorbenzen (møllmiddel). Eit lik­ nande forsøk kan ein dg gjere ved å bruke naftalen som væske (sm.p. ca. 80 °C) og svovelpulver som det stoffet ein skal finne molekylvekta av. Den molale frysepunktsenkinga for naftalen er 6,9 °C/mol. 5. Har ein utstyr til å måle damptrykk over løysningar, kan ein ta opp damptrykkskurve for vatn og for vatn + sukker. Har ein ikkje det, kan ein iallfall observere kokepunkt for vatn og for vatn + sukker. Det er naudsynt å ha eit godt termometer, reint destillert vatn og eit barometer der ein kan lese av lufttrykket for dagen og dermed fastslå koke­ punktet for vatn den dagen.

Tilvisingar: Sjå Salveson: Laboratorieforsøk i kjemi, nr. 28 og 29. 60

Hovudgruppe III A I denne gruppa finn vi stoffa bor, aluminium, gallium, in­ dium og thallium. Alle har tre elektron i valensskalet, fordelt på 5- og porbitalar slik:

np1

nr2

Det upara elektronet i /^-orbitalen gir grunnlag for å tenkje seg oksydasjonstalet +1 for stoffa. Det finst dg, men det er berre det nedste, thallium, som til vanleg har einverdige sam­ bindingar. Oksydasjonstalet +3 derimot går att i alle. Da er alle tre valenselektrona med og lagar bindingar. Bor er eit grunnstoff som må karakteriserast som eit ikkjemetall. Dei andre stoffa er metall. Vi skal her berre ta for oss bor og aluminium. * Tabell 21.1 viser nokre data for grunnstoffa i hovudgruppe III A. Vi merkar oss at bor skil seg sterkt ut når det gjeld smeltepunkt; kokepunkta er jamnare.

Tabell 21.1. Data for grunnstoffa i hovudgruppe III A.

B Al Ga In, TI

At. nr.

Tettleik g/cm3

Sm.p. °C

Kokep. °C

5 13 31 49 81

2,34 2,7 5,91 7,31 11,85

2300 660 29,8 156,6 304

2550 (sub) 2467 2403 2000 1457

lonisasjonsenerAtom- gi for det Vanleg radius første va- oks.tal Å lenselektronet i eV 0,80 1,25 1,24 1,44 1,80

8,3 5,9 6,0 5,8 6,1

+ + + + +

3 3 3 3 3

* Metallet gallium blir produsert i små mengder ved Vigelands Brug A/S ved Kristiansand. Fabrikken er elles den eldste aluminiumsfabrikken i Noreg. Fabrikken har spesialisert seg på «super»-rein aluminium.

61

21.1 Bor — B

Førekomst. Grunnstoffet finst ikkje fritt. Det finst mest som bor­ syre, H3BO3, m. a. i mineralet sassolin, og som boraks, Na2B4O7 • 10H2O.

Framstillinga skjer ved at oksydet B2O3 blir redusert med me­ tallisk magnesium. Eigenskapar. I rein tilstand er bor eit brunsvart stoff med stor hardleik. Men i rein form blir det lite brukt, mellom anna fordi det er svært dyrt. Bor har i seinare tid vorte nytta i stållegeringar og har dg vorte nytta i legeringar med kopar og nikkel. Det gir større hardleik og eit meir korrosjonsfast materiale. Bor er dårleg leiar for elektrisitet ved romtemperatur, men leiingsevna stig snøgt når temperaturen stig. Dette er stikk imot det som er vanleg for metalla. Vi kallar slike stoff som bor for halvleiarar (semileiarar). Grunnstoffa silisium og ger­ manium (hovudgruppe IV A) er dg kjende halvleiarar.

Sambindingar Borsyre, H3BO3, er eit kvitt, glinsande stoff. Det er ei særs veik syre. Borsyre løyst i vatn blir brukt som eit lint desinfeksjons­ middel under namnet borvatn. Boroksyd, B2O3, blir nokså mye nytta i finare glasproduksjon.

Boraks, Na2BiO1 ■ 10H2O. Stoffet reagerer basisk i vatn. (Sjå hydrolyse avsn. 20.4.) Det har stor evne til å reagere med metalloksyd når det er smelta. Derfor nyttar ein det mye til å reinse metallflater når ein loddar eller sveiser. Slike borakssmclter med metalloksyd har ofte særs vakre fargar. Mest kjent er koboltblått, som blir brukt til glas- og porselensfarging. Industrielt blir boraks mye brukt i glas- og emaljefabrikasjonen. Borkarbid, B±C, kan lagast av borsyre og koks ved at ein varmar opp til om lag 2500 °C. Det er mest like hardt som diamant.

Boranar er sambindingar av hydrogen og bor. Det finst mange ulike boranar. Sambindingar som B4H10, B2H6, B6H10 og B10H14 er alle relativt stabile. Vi ser at formlane er uvan­ lege, og bindingstypane og strukturane av boranar er dg svært spesielle. Somme boranar har vore brukte som brenn­ stoff i romrakettsystem.

62

21.2 Aluminium — Al

Førekomst Aluminium er det tredje mest utbreidde stoffet i jordskorpa. Det finst mest som silikat, t. d. feltspattypar, KAlSi3O8, og som oksydtypar, bauxitt, A12O3 • n(H2O), og korund, A12O3. Ei viktig sambinding er kryolitt, Na3AlF6. Nokre av dei største bauxittførekomstane finst i Vest-Afrika (Ghana), Sør-Amerika (Guyana), på Kola-halvøya og i Canada.

Fig. 21.1. Prinsippet for fram­ stilling av aluminium etter HallHéroults metode.

Karbonelektrodar

Kryolittog AlnCbsmelte Hol for tapping

Smelta aluminium Elektrodemasse

21.3 Framstillinga Aluminium blei første gongen framstilt i rein form ay dansken Hans Christian Ørsted i 1825. Han levde frå 1771 til 1851 og var professor i fysikk ved universi­ tetet i København. (Humphry Davy framstilte eit nokså ureint aluminium i 1808.)

Aluminium blir for det meste laga av bauxitt, som blir reinsa for jern og overført til svært reint A12O3. Deretter smeltar ein kryolitt, som har relativt lågt smeltepunkt, og set så til A12O3 etter kvart. Temperaturen er om lag 1000 °C under elektro­ lysen. Den teoretiske spaltespenninga for smelta A12O3 er berre 2,2 volt. I praksis må ein bruke 5—6 volt. Straumen som blir brukt, varierer etter omnstypen frå 15 000 til 150 000 ampere. Mesteparten av energien (60%) går med til å halde massen smelta. Ein bruker ei blanding av kryolitt og A12O3, men det er mest berre A12O3 som blir oppbrukt, og meir oksyd må setjast til med stutte mellomrom. Den rå-aluminiumen vi får ut av ein slik prosess, er over 99,7 % rein, men kan raffinerast ved ein ny elektrolyse til 99,998% Al (superrein Al). Dei negative fluoriona, F-, og oksygeniona, O_~, vil begge gå til anoden og oksyderast til fluorgass og oksygengass. Derfor kan røyken frå aluminiumsfabrikkane vere fluorhaldig om ein ikkje syter for å absorbere fluorgassen før han

63

Fig. 21.2. Elektrolysehall ved Lista Aluminiumverk. (ElkemSpigerverket A/S.)

kjem ut i lufta. Fluor vil skade m. a. all vegetasjon i nærleiken av fabrikken. * Aluminiumionet Al+ + + blir utladd ved katoden: Al+ + + + 3e_ = Al. Metallet kjem ut i flytande form, og det samlar seg på katodeplata som ligg i botnen av elektrolysekaret. Derifrå kan det tappast ut med jamne mellomrom. Den veldige utviklinga i aluminiumsindustrien i dei siste 50 åra har ført med seg ein stor prisreduksjon. Ser vi på utviklinga i dei siste 100 åra, er biletet enda tydelegare: I 1850 kosta metallet om lag kr 2500 pr. kg. I dag kostar det om lag kr 4 pr. kg. For å kunne framstille 1 tonn aluminium må ein ha om lag 2 tonn reint A12O3, og til det går det med om lag 4 tonn bauxitt. Det går vidare med 100 kg kryolitt, og energiforbruket er på om lag 20 000 kWh. På grunn av dei uhorvelege energimengdene som må til, er det først og fremst land med billeg elektrisk energi som har teke opp aluminiumsproduksjonen. Bauxitt finst ikkje i Noreg; vi må føre inn råstoffa. Likevel har landet blitt ein av dei største aluminiumsprodusentane i Europa. Det er i dag 10 alumi* Utsleppet av fluorgass ved fabrikkane er avhengig m. a. av omnstypen, alder o. 1. Årdal/Sunndal hadde før utslepp som låg på om lag 55 kg pr. time. Etter konsesjonsvilkåra skulle dei helst ikkje vere på meir enn 40 kg/time. Det nye anlegget til Elkem-Spigerverket A/S på Lista har heilt minimale utslepp på grunn av ein ny absorpsjonsmetode som vinn att fluorgassen.

64

niumsverk i gang i Noreg (sjå kart fig. 21.3). Canada og USA er dei største produsentane i verda. Årsproduksjonen i verda ligg på om lag 10 mill. tonn. I Noreg er årsproduksjonen for tida vel 500 000 tonn.

21.4 Eigenskapar Aluminium er eit sølvkvitt metall. Det blir lett oksydert av lufta, men oksydlaget det får, vernar mot vidare innverknad. Metallet løyser seg både i syre og i base, til og med i vatn når ein tek bort oksydlaget. Det vernande oksydlaget gjer at reagensane ikkje så lett bit på metallet, for oksydet er svært tungløyseleg. Metallet er passivert.

Fig. 21.3. Produksjonsstader for aluminium i Noreg.

65

Med syre: Al + 3HC1 = A1G13 + 3/2H2, aluminiumklorid. Med base: Al + NaOH + 3H2O = NaAl(OH)4 + 3/2H2, natiiumaluminat. Med vatn: Al + 3H2O = A1(OH)3 + 3/2H2, aluminiumhydroksyd. Metall som reagerer med både syre og base, har hydroksyd som er amfotere. (Jf. amfotere eigenskapar avsn. 9.3.) Aluminium er eit relativt mjukt metall, og ved 100 —150 °C kan ein lett både valse og strekkje det. I større stykke brenn ikkje aluminium i luft, men i pulver­ form brenn det ved sterk oppheting. 2Al + 3/2O2 = A12O3 + 1685 kj (403 kcal) Maqnesiumband

Fig. 21.4. Termittprosessen.

n

Fe2O3-pulver3 delar n

1^-ff Tennsats.

'J

'-==3 c=—' Flytande jern renn ned

Tynn Al- eller Cu-folie som dekkjer holet

Når denne reaksjonen først kjem i gang, reagerer Al ikkje berre med oksygen i lufta, men og med oksygen i sambindin­ gar. Dette blir utnytta i termittprosessen (blir dg kalla ein aluminotermisk prosess): 2A1 + F2O3 = A12O3 + 2Fe + 828 kj (198 kcal). Temperaturen kjem ved denne prosessen opp i 2500 °C, og jernet smeltar. Reaksjonen blir noko brukt ved sveising og for å lage metall av oksyd. 21.5 Teknisk bruk

Metallet blir som kjent mye brukt i alle slag kokekar, spann, behaldarar o. 1. Det blir da brukt svært reint (99%). Dessutan blir det brukt i stadig større mengd i lettmetall-legeringar. 66

Dei mekaniske eigenskapane hos aluminium kan bli betre om ein set til små mengder av andre metall. Det er særleg silisium, kopar, magnesium og mangan som blir nytta. Som døme på legeringar av aluminium nemner vi: «Silumin» (første støypelegeringa)

Al: 87,5% Si: 12,5%

«Lo-ex» (slitefast stempellegering)

Al: Si: Ni: Mg: Cu:

83,7% 12,0% 2,5% 1,0% 0,8%

Sjøvassfast legering

Al: 95.6% Mg 2,0% Mn: 1,4% Si: 0,8% Sb: 0,2%

Duraluminium (første lettmetall-legeringa som kunne herdast, 1906)

Al: 95,0% Cu-: 4,0% Mn: 0,5% Mg: 0,5%

Det aller meste av aluminiumsproduksjonen i verda blir brukt i flyindustri eller transportindustri. Det er fordi aluminiumlegeringane kan gjerast så sterke og på same tid er så lette, at dei er så nyttige. Aluminium er ein god leiar for elektrisk straum. Leiingsevna er rett nok berre 65% av leiingsevna for kopar, men fordi tettleiken berre er ca. ein tredel, bruker ein heller aluminium. Aluminiumleidningar med stålkjerne er mye brukt til overføringsliner for elektrisk energi. Metallet har dg blitt stadig meir nytta i bilindustrien. Ein har her fordel av at aluminium er så lett, og at det ikkje blir tært opp (korroderer) så fort som jern.

21.6 Sambindingar Aluminiumoksyd, Al2O3, er eit kvitt stoff. I naturen finst det som korund. Det blir brukt som slipemiddel (smergel) og syrefast og eldfast materiale. (Sjå side 104.) Når det er hardt glødd, er det så å seie uløyseleg i vatn og syrer. Aluminiumhydroksyd, Al(0H)3, får vi når vi set ein base, dvs. OH“-ion, til Al+ ++-ion. Det blir da felt ut eit kvitt, glyet botnfall. Hydroksydet er amfotert. Aluminiumsulfat, Al2(SOi)3 • 18H2O, blir nytta som beisemiddel ved tekstilfarging, i garveria og i papirindustrien. Slik bruker ein dg det mest vanlege aluminiumsaltet: alun, KAl(SO^2 • 12H2O. Det er eit dobbelsalt. Det finst fleire slag «alunar», idet vi kallar svært mange dobbelsulfat av einverdige og treverdige metall slik, t. d. KCr(SO4)2 = kromalun, og NH4Fe(SO4)2 — jernalun. Alunane har alltid 12 H2O. Alunane er mye brukte i garveria, i fargeria til beising av ty, og dessutan i blodstillande stiftar, blodstillande vatt o. a.

67

Fig. 21.5. Flyfoto av det nye alu­ miniumsverket til Elkem-Spigerverket A/S på Lista.

68

21.7 Leirvarer I denne varegruppa finn vi ei rekkje svært ulike stoff, som alle har det til felles at dei er laga av aluminiumsilikat i meir eller mindre rein form (A12O3 • 2SiO2 • 2H2O). Leirvarer og nokre andre produkt som blir forma og brende på liknande måte, kallar vi keramiske stoff. Vi skil til vanleg mellom porselen, steinty, fajanse og teglvarer, men skarpe grenser er det ikkje. Fajanse (italiensk ord) var i eldre tid namnet på finare leir­ varer som var glaserte med tinn (IV)oksyd, SnO2. I vår tid bruker vi det som namn på ymse produkt som ofte har noko simplare utgangsmateriale enn steinty, men ein finare dekor og glasur. Porselen er den mest høgverdige leirvaretypen. Grunnen til dette er at ein er meir nøyen med valet av utgangsstoff, og at ein brenner det ved ein høgre temperatur og to gonger. Ein brenner første gongen ved 800 —900 °C. Deretter kan ein dekorere tinga, og ein stryk på glasur. Så varmar ein opp til 1300—1500 °C i 20-—40 timar. Da smeltar massen og gla­ suren saman. Porselen blir i motsetnad til dei andre leirvarene gjennomskinleg og får ei ikkje-porøs brotflate.

Fajanse- og porselensindustrien er svært høgt utvikla i Eng­ land, Tyskland og Frankrike, særleg når det gjeld varer til tek­ nisk bruk. I Noreg er det dg fleire produsentar, t. d. Porsgrunds Porselænsfabrik og Egersunds Fayancefabriks Co. A/S.

Spørsmål og oppgåver

1. Rekn ut det ekvivalente høvet mellom aluminiumpulver og jernoksyd i ei termittblanding.

2. Kor mange kg termittblanding treng vi for å lage 10 kg jern ?

3. Kor mange kg aluminiumoksyd kan ein lage av 7 kg KA1(SO4)2 • 12H2O? Skriv likningar for reaksjonane. 4. Kor mange kg aluminium kan vi teoretisk få av 1 tonn aluminiumoksyd ?

5. Kor mange faraday vil det gå med til den utvinninga som er nemnd i oppgåve 4 når vi bruker elektrolyse? 6. Kva meiner vi med at aluminium blir passivert? 7. Prøv å gjere greie for at sambindinga aluminiumsulfid vil bli fullstendig hydrolysert i vatn. (Jf. Hydrolyse, avsn. 20.3.)

Vel rett(e) svar

1. Kva for ei av desse utsegnene er ikkje rett ? a) Aluminium er det metallet det er mest av i jordskorpa. b) Aluminiummetall finst fritt i jordskorpa. c) Aluminium blir tært opp av basar. d) Aluminium er eit sølvblankt metall.

2. Kva for ei av desse utsegnene er rett? a) Aluminium er ein dårleg elektrisk leiar. b) Aluminium har svært stor tettleik. c) Aluminium løyser seg i saltsyre. d) Aluminium blir ikkje produsert i Noreg. 3. Boraks har formelen: a) Na2B4O7 • 10H2O c Na3BO4 • 7H2O

Borsyre har formelen: a) H2BO3 b) H3B2O5

b) Na4B6O7 • 10H2O d) K3B2O6 c) H3BO3 d) H4BO7

69

5. Borkarbid blir brukt til: a) Å lage acetylengass. c) Ugrasmiddel.

b) Kunstgjødsel. d) Å lage slipeskiver.

6. Aluminiumoksyd kan: a) Reagere med både syrer og basar. b) Reagere med oksygenet i lufta. c) Reagere med nitrogenet i lufta. d) Reagere med vatn. 7. Termittprosessen kan brukast til: a) Utrydding av maur. b) Framstilling av aluminium. c) Framstilling av termosglas. d) Sveising av stål.

Forsøk og demonstrasjonar

1. Syn fram nokre prøver av sassolin, bauxitt, kryolitt, felt­ spat, korund, likeins rein aluminium og nokre lettmetalllegeringar. 2. Syn fram rein borsyre og boraks, løys dei opp i vatn og prøv løysningane med lakmus. 3. Ta litt boraks eller borsyre i ei porselensskål saman med konsentrert svovelsyre og noko alkohol. Tenn spriten. Spriten brenn med grønkanta flamme. (Påvising av bor.) 4. Syn fram boraks-smelte med koboltsalt og eventuelt andre metallsalt.

5. Legg aluminiumsbitar i ymse reagensglas med respektive NaOH 2 M, HC1 kons. og 2 M, HNO3 kons. og 2 M, og vatn. Nemn passivitetsfenomenet.

6. Ta bort oksydlaget av eit aluminiumsstykke ved å setje stykket i eit glas med sublimatløysning (HgCl2). Set det deretter over i varmt, reint vatn, og løysingsprosessen går fort. 7. Gjer termittreaksjonen (sjå fig. 21.4). Bruk høvet 1 vektdel Al og 3 delar Fe2O3 og som tennsats magnesiumtråd eller -pulver blanda med BaO2. Reaksjonen må gjerast i avstand på fleire meter frå elevane eller bak verneglas! (Dersom ein ikkje har ein chamottedigel, kan ein leggje termittblandinga på ei tjukk asbestplate (minst 1 cm). Legg asbestplata i ei kasse med sand for å unngå at underlaget blir svidd.) 8. Vis utfelling av A1(OH)3 og reaksjonen i både syre og base. 70

Metall og legeringar Av dei 105 kjende grunnstoffa er 83 metall. Det er stor variasjon mellom eigenskapane hos dei ymse metalla, og det er ikkje råd å samanlikne dei beinveges berre på grunnlag av metallkarakteren. Men dei har visse fellesdrag som gjer det mogleg å skilje dei frå ikkje-metalla.

22.1 Særpreg for metalla I. Det som frå kjemisk synsstad mest særmerkjer metalla, er at dei alle relativt lett gir frå seg eitt eller fleire av valenselektrona sine. Ved det blir dei til positive ion. I tabell 22.1 er det sett opp ei liste over ionisasjonsenergiane for nokre metall og ikkje-metall. Det går tydeleg fram at dei allment er mye lægre for metalla enn for ikkje-metalla. * Det «første» elektronet er som regel det «ytste» av valenselektrona. (Sjå og Kjemi 1, av­ snitt 1.5.)

Tabell 22.1. Nokre ionisasjonsenergiar for metall og ikkje-metall, målte i elektronvolt. (Jonisasjonsenergi for første elektronet * .) Metall

Cs K Na Ba Al Cr Sn Pb Ni Cu Fe Zn

3,9 4,3 5,1 5,2 6,0 6,8 7,3 7,4 7,6 7,7 7,9 9,4

Ikkje-metall

He Ne F N O H Cl Br C P s I

24,5 21,5 18,6 14,5 13,6 13,5 13,0 11,8 11,2 11,1 10,3 10,4

Metalla syner seg derfor som elektrongivarar i stort sett alle sambindingar. Oksydasjonstala er positive.

II. Dei fleste metalla ser under normalvilkår noko annleis ut

71

enn ikkje-metalla. Overflata er glatt og har ein viss glans (metallglans). Ein kan polere dei så dei får ei skinande over­ flate som reflekterer lyset godt. III. Metalla er gode leiarar for elektrisitet. Dette kjem av at valenselektrona i metalla rører seg lettare. Metalla leier dg varmen godt. Det er den gode varmeleiinga som gjer at metalla kjennest kalde å ta på. IV. Metalla er lettare å valse og å dra ut i trådar enn ikkjemetalla. Dei er tøyelege. Med eit framandord kallar vi denne eigenskapen duktilitet. At metalla har større duktilitet enn ikkjemetalla, kjem av den spesielle bindinga mellom atoma i me­ talla. (Gull er mest duktilt.) V. Med nokre unntak finn vi at metalla har større tettleik enn ikkje-metalla. Metall med tettleik mindre enn 5 g/cm3 kallar vi lette metall.

22.2 Elektron i metalla I Kjemi 1 (avsnitt 3.4) har vi ført inn omgrepet metallbinding. Omgrepet er ikkje eintydig definert; det er fleire teoriar for slike bindingar. Den mest vanlege oppfatninga er at metallatoma er stua saman i bestemte mønster med svært liten av­ stand mellom atomkjernane. Ved det kan iallfall dei ytste elektronorbitalane overlappe, og elektrona der blir ikkje bundne til eit bestemt atom. Dei kan vandre rundt innafor metallet. Vi seier at elektrona blir delokalisert. Ei slik delokalisering fører til fellesbruk av elektrona i større eller mindre monn. Dette hjelper til å halde metallatoma i hop. Dersom elektronfordelinga i metallatomet er slik at ei delokalisering fører til kovalent binding mellom atoma, får vi ei sterk binding. Metallet er da eit hardt metall, slik som mangan, jern eller nikkel. I eit metall som natrium derimot vil det eine valenselektronet ikkje kunne lage kovalent binding av noko slag frå eitt natriumatom til granneatoma. Bindinga mellom atoma blir da veik, og metallet blir mjukt og føyeleg. Enno er det mye som er ukjent ved metallbindingane. Det einaste som tykkjest vere klart, er nettopp den nemnde eigenskapen at elektrona er så leduge. Dette fører iallfall til den konklusjonen at metalla allment er gode leiarar for elektrisk straum. (Det viser seg da bg i praksis.) Ei rekkje andre faktorar tykkjest dg vere med og avgjere eigenskapane hos metalla. Ser vi på eit metall gjennom mikro­ skop, legg vi merke til ei mengd små lokaleiningar, mikrokrystallar. Desse lagar seg og veks etter kvart som metallsmelta

72

krystalliserer. Det er mogleg å kontrollere og delvis påverke denne mikrokrystall-laginga på ymse måtar. Ein kan på den måten få fram ulike eigenskapar i eitt og same metallet. Slik mikrokrystallkontroll har enda meir å seie i legeringar, dvs. metall som er ei blanding av ulike stoff. 22.3 Legeringar

Legeringar er ei nemning vi bruker på stoff med metallkarakter. Dei er som regel metallblandingar, men i einskilde tilfelle kan det dg vere ikkje-metall i ei legering. Vanlegvis lagar ein legeringar ved at ein blandar saman stoffa i smelta form og lét dei storkne saman. Men legeringar kan dg lagast på andre måtar, til dømes ved elektrolyse av løysningar som inneheld fleire metall. Når ein blandar ymse metall til legeringar, er det for å få fram andre eigenskapar hos blandinga enn hos dei einskilde reine metalla. Alt i oldtida visste dei at ein ved å blande metall kunne få fram eit materiale som var både hardare, seigare og sterkare. Den første legeringa som fekk noko å seie historisk, var bronse. Det var ei legering av kopar og tinn som blei så hard at ho kunne brukast til våpen. Sølv og gull har dg vore blanda saman til legeringar i oldtida. Dei to me­ talla er i rein form for mjuke til bruksting. Legeringar er komne stadig meir i bruk i moderne teknikk. Ved vitskapleg gransking har ein funne fram til kva særemne og kva mengder ein må blande for å få fram dei rette eigen­ skapane i legeringane. Ein kan stort sett seie at 100% reine metall blir ikkje brukte i moderne teknologi. Det er legeringar ein bruker. 22.4 Inndeling av legeringar

Vi vil ta med ei inndeling av legeringstypar, først og fremst for å gjere det klart at omgrepet legering er komplisert. For ein fagmann ser det kanskje særleg komplisert ut, ettersom ei eller fleire av dei fire nemnde gruppene kan vere blanda i ei og same legeringa. Ei rekkje ytre faktorar spelar dg inn når det gjeld kvaliteten av legeringsmaterialet, til dømes kjølingstemperaturen, tida det blir avkjølt, trykk og gassar som er til stades etc. Dei fire hovudtypane av legeringar er: 1. Enkel homogen løysning. I ei slik legering kan dei ymse me­ talla vere fullstendig blanda, både i smelte og i fast stoff. Denne legeringstypen er vanleg for metall som har noko­ lunde same atomradius. Sølv og gull kan blandast på denne måten, likeins nikkel og kopar. 6. Salveson: Kjemi 2, nyn.

73

2. Einskildkrystallar av reine stoff. Metalla tinn og bly kan ein legere på denne måten. Ved avkjøling av ei smelta bland­ ing krystalliserer tinnet og blyet til reine eller mesta heilt reine krystallar kvar for seg. Berre ein liten del av det eine metallet er løyst i det andre.

3. Ei fast løysning der eit anna grunnstoff {oftast eit ikkje-metall} har teke ein plass i det indre av metallgitteret. Desse legeringane høyrer til dei aller viktigaste. Som regel er dei blandingar av to stoff med svært ulik atomradius. Det viktigaste dømet er jern og karbon. Desse grunnstoffa lagar ei legering av ein slik type i det ein kallar martensittisk stål. 4. Intermetalliske sambindingar. I slike høve lagar metalla sam­ bindingar med kvarandre i bestemte mengdehøve. Le­ geringane får ein «formel». Døme på slike legeringsformlar er:

AgMg, CuZn3, AgCd3 og Cu5Zn8.

22.5 Døme på smeltepunktsdiagram

Loddetinn — Sn, 64% — Pb, 36%. Smp. 181 °C. Det eutektiske punktet er det lægste smeltepunktet for ei blanding. Blandinga som har dette lægste smeltepunktet, kal­ lar vi eit eutektikum. Dei to loddetinntypane som er mest i bruk, kallar ein «40% tinn» og «60% tinn». Som vi ser av fig. 22.1, er det «60% tinn» som er nærmast den eutektiske blandinga. Få legeringar har så enkelt diagram som Sn — Pb. Enda om legeringane har berre to stoff, har ofte diagrammet ein komplisert gang med mange maksima og minima. Vi kan følgje diagrammet (fig. 22.1) og starte med reint tinn. Det smeltar ved 231 °C, og vi merkjer av dette punktet. Så lagar vi oss blandingsprøver med til dømes 10, 20, 30, 40, 50% blytilsetning. Noterer vi oss temperaturen når smeltene tek til å storkne, får vi ei kurve om lag som på figuren, med lægste smeltepunktet rundt 36% Pb. Så kan vi starte med reint bly; det smeltar ved 327 °C. Blandingar med respektive 90, 80, 70, 60 og 50% bly gir ei kurve som møter den første kurva ved 50%. Diagrammet er slik å forstå at over kurva har vi alltid berre smelta materiale. Under kurva har vi, om vi dreg ei vassrett linje gjennom det eutektiske punktet, tre markert ulike om­ råde.

74

Fig. 22.1. Smeltepunktsdiagram for systemet tinn/bly.

1. Ved lægre temperatur enn det eutektiske punktet har vi fast tinn og fast bly i blanding slik prosenttala viser det. 2. I trekanten nærmast smeltepunktet for tinn har vi fast tinn og ei smelte. 3. I trekantområdet nærmast smeltepunktet for bly har vi fast bly og ei smelte. Døme: La oss starte med ei smelte som inneheld ca. 15% bly i punktet merkt a. Vi tek litt av denne blandinga og kjøler ho av, og alt held seg da smelta heilt til temperaturen når 215 °C i punktet b. Ved denne temperaturen startar det ved vidare avkjøling ei utskiljing av fast tinn. Ved det blir den smelta som er att, stadig rikare på bly, og samansetninga av smelta forskyv seg mot høgre til ho når det eutektiske punktet. Her skil da tinn og bly seg ut saman i det eutektiske mengdehøvet (ca. 36% bly og ca. 64% tinn). Ved vidare avkjøling får vi heretter berre fast masse. Ein liknande avkjølingsprosess gjord i det blyrike området til høgre (d, e,f) gir heilt tilsvar­ ande resultat, men med bly som det stoffet som først skil seg ut. 75

22.6 Kornstrukturen i metalla Vi har tidlegare i kapittel 4 og 7 gjort greie for omgrepet romstruktur, og vist dei oppbygningane som vi kallar gitterstrukturen for stoffa. For ikkje-metalla finn vi stort sett at atoma ordnar seg i molekylgrupper der det er relativt lang avstand mellom dei einskilde atoma. I metalla derimot er det karak­ teristiske at atoma er pakka tett saman. Denne samanpakkinga av metallatoma skjer i hovudsaka på tre ulike måtar. Vi bruker desse gruppenamna:

a) Kubisk romsentrert gitter. b) Kubisk flatesentrert gitter. (Tettaste kubiske kulepakning.) c) Tettaste heksagonale kulepakning.

Fig. 22.2a. Kubisk romsentrert gitter.

Desse tre teikningane illustrerer betre enn ord dei tre gittertypane. Det kubiske flatesentrerte gitteret og den tettaste heksa­ gonale kulepakninga har det til liks at i begge systema er eit atom omgitt av tolv granneatom i same avstand. I det kubiske romsentrerte gitteret er ikkje kulepakninga fullt så tett som i dei to andre. Vi finn her at kvart atom er omgitt av berre 8 granneatom i same avstand. Gitterstrukturen åleine kan til dømes ikkje seie oss om eit metall er hardt eller mjukt. Heller ikkje gir han noka rettleiing om det er eit tungt eller eit lett metall. Slike eigenskapar rettar seg dels etter bindingsstyrken mellom atoma i gitteret, dels etter avstanden mellom dei einskilde atoma. Med andre ord spelar også atomdiametrane inn. Dei reint kjemiske eigenskapane hos metalla har heller ikkje direkte med gitterstrukturen å gjere. Dei kjemiske eigen­ skapane rettar seg etter elektronordninga. Mange metall kan lage to ulike atomgitter, alt etter kva temperatur dei har. Jern, til dømes, har eit kubisk romsentrert gitter ved vanleg temperatur og heilt opp til 906 °C. Då går gitteret over til å bli kubisk flatesentrert. Ei oppgåve over gitterstrukturen for nokre metall viser at det er ingen direkte samanheng mellom denne og dei fysiske eigenskapane hos vedkommande metall:

a) Kubisk romsentrert gitter: litium, natrium, kalium, vanadium, molybden og wolfram.

76

Fig. 22.2b. Kubisk flatesentrert gitter.

3. laget

b) Kubisk flatesentrert gitter: kalsium, strontium, aluminium, jern, kopar, sølv og gull. 2. laget

c) Tettaste heksagonale kulepakning: beryllium, magnesium, titan, kobolt, nikkel yttrium og osmium. Somme metall har dg meir samansette strukturar, som ikkje fell beinast inn under denen inndelinga.

1. laget

22.7 Korleis metalla finst i naturen Fig. 22.3. Tettaste heksagonale kulepakning.

Dei edle metalla, t. d. gull og sølv, finst fritt i naturen, medan dei andre metalla finst mest som kjemiske sambindingar — mineral — særleg oksyd, karbonat, sulfid og silikat.

Gangbergarl /

Fig. 22.4. Tungmetallførekomst.

v Ertsar og malmar er mineral som inneheld eitt eller fleire tunge metall eks. (FeaO, NiS, ZnCCh)

77

Sambindingane finst i naturen på svært ulike måtar. Dei kan vere blanda saman med mange andre, eller dei kan vere meir eller mindre isolerte. Vanlegvis er dei blandingar, og dei er oftast innsprengde i fjell i visse gangar eller retningar. Vi skil da mellom nokre uttrykk som er illustrerte på fig. 22.4. Eit mineral er eit grunnstoff eller ei kjemisk sambinding som finst i naturen. Døme: Sølv............................................ Kalkspat..................................... Kvarts....................................... Raudjernstein (hematitt) ........ Steinsalt ...................................

Ag CaCO3 SiO2 Fe2O3 NaCl

Ein bergart er oftast samansett av fleire mineral. Granitt, t. d., inneheld minerala feltspat (lys), kvarts (mørk grå) og glimmer (mørk).

22.8 Oppreiing — konsentrasjon

Ved gruvedrift får ein som regel ut mange typar av bergartar og malmar i første omgang, og ein må derfor først reie opp råmassen. I prinsippet går det ut på at ein knuser, siktar og vaskar, slik at gråberget * skil seg ut på grunn av mindre tett-

Fig. 22.5. Magnetisk malmseparasjon.

* «Gråberg» er det norske ordet for alt det som i første omgang følgjer med av stein når ein bryt malmen.

78

Luftinnblåsing

Fig. 22.6. Prinsippet for flotasjonsmetoden.

Finknust malm etc.

leik. Dette gjer ein for å få eit konsentrat av det materialet som inneheld metallet. Har ein å gjere med magnetiske malmar, kan ein nytte denne eigenskapen under oppreiinga, slik det er vist på fig. 22.5. I andre tilfelle bruker ein flotasjonsmetoden for å konsentrere mineralet. Prinsippet er at ein rører ut finmalen malm i vatn og set til litt av ein flotasjonsreagens. Denne fester seg til malmkorna. Så set ein til ei svært lita mengd med skumgjevande olje, og deretter blæs ein luft inn i massen medan ein stadig rører. Luftblærene stig opp, og i dei heng malmkorna fast, fordi flotasjonsreagensen gjer at korna adhererer luft­ blærene, medan gråberget ikkje adhererer, og derfor søkk til botns. Skummet på toppen av karet inneheld da malmen. Metallkonsentrasjonen i dei ymse malmane kan variere sterkt. Medan ein jernmalm med 10% jern er verdilaus, kan ein koparmalm på 10% vere god. På Kongsberg blei det utvunne sølv frå eit slam som inne­ heldt 100—1000 g Ag pr. tonn. Ein gullførekomst med 8 g Au pr. tonn er bra drivverdig, og ein radiummalm med 1/10 g radium pr. tonn er framifrå. 22.9 Utvinning (kjemiske prosessar)

Etter at ein har konsentrert råmalmen mest mogleg etter dei metodane som er nemnde, tek dei kjemiske prosessane til. Prinsipielt er det ein reduksjonsprosess som må til for at ein skal få tak i det reine metallet. I mange tilfelle vil ein først over­ føre malmen til oksyd og deretter anten redusere oksydet di­ rekte eller løyse det opp i syrer. Skjematisk kan ein studere gangen i prosessen på figur 22.7.

79

1. Rostinga. Uttrykket blir eigenleg brukt berre i samband med sulfida. Rosting er oppheting med tilgang på luft i spe­ sielle omnar: CuS + 3/2O2 = CuO + SO2

Karbonata kløyver ein ved berre å varme dei opp: ZnCO3 = ZnO + CO2

Fig. 22.7. Arbeidsgangen frå malm til metall. Mekaniske prosessar

Kjemiske prosessar

2. Reduksjon blir gjord med koks og karbonmonoksyd som reduksjonsmiddel, dersom det er mogleg. 2Fe2O3 + 3C = 4Fe + 3CO2

Andre viktige reduksjonsmiddel i metallurgien er:

a) metall som er kraftigare reduksjonsmiddel enn det me­ tallet ein skal vinne ut (Al og Mg kan i mange tilfelle brukast), b) katoden ved elektrolyse. Prinsippet ved ein reduksjon er alltid dette (metallet er av­ stytt til Me, eit elektron til e“): Men+ + ne~ = Me

Metalla i hovudgruppene IA, II A og III A blir for det meste framstilte ved smelteelektrolyse, medan dei andre som regel blir framstilte ved hjelp av dei andre reduksjonsmetodane eller ved elektrolyse av løysningar. 3. Raffineringa. Dersom reduksjonen har vore gjord elektro­ lytisk, kan metallet allereie vere så reint at det ofte ikkje er naudsynt å reinse det meir. 80

I dei fleste andre tilfella får ein eit råmetall frå reduksjonen, og i dette er det ureiningar som ein må få bort for at ein skal få det reine metallet. Dette kan gjerast elektrolytisk eller ved smelte-raffinering. (Sjå under kopar.)

22.10 Kjemiske eigenskapar hos metalla

Enda om dei kjemiske eigenskapane for dei 83 metalla varierer ikkje så lite, er det likevel råd å dra fram somme felles eigen­ skapar innafor samlegrupper av metalla. Omframt dei fellesdraga som alt er nemnde i 22.1, kan vi nemne: Metalla i hovudgruppene har i store drag kjemiske eigenskapar som er svært einsarta innafor kvar einskild gruppe. Metalla i hovudgruppene IA, II A og III A har alltid oks.tala +1, + 2 og +3. Metalla i hovudgruppe IV A har oks.talet +4 (og også +2). Metalla i hovudgruppe V A har oks.talet +5 (og også +3). Ei rekkje andre kjemiske eigenskapar svarar dg heilt ut til det vi måtte vente å finne i vedkommande hovud­ gruppe. Metalla i sidegruppene er vel dei som klarast demonstrerer det vi kallar dei metalliske eigenskapane. Her finn vi dg metall med stor tettleik, slik som jern, nikkel, wolfram, platina, uran og osmium. Dei kjemiske eigenskapane kan ein i nokon monn forklare ut frå det faktum at dei fleste har to elektron i det ytste elektronskalet (5). På same tid kan vi vente å finne spe­ sielle eigenskapar som kjem av at det nest ytste skalet ikkje er heilt fullt (y

nA

Fig. 24.1. Fabrikkfoto frå Borre­ gaards vinylacetatfabrikk. Vinylacetat blir brukt ved framstilling av plast. Karbon er eit viktig ele­ ment i plast.

Oksydasjonstalet 4-4 går att hos alle stoffa i gruppa, men som vi ser av elektronfordelinga, kan det og tenkjast å vere +2. Oksyda viser tydeleg at begge desse oksydasjonsstega er i bruk. Døme: CO og CO2, SnO og SnO2, PnbO og PbO2.

24.2 Karbon

Karbonet åleine lagar så mange ulike sambindingar med an­ dre stoff at vi skil dei ut i det vi kallar organisk kjemi. I Kjemi 1 er det gjort greie for organisk kjemi i kap. 14—16. I dette kapitlet her vil vi berre ta for oss dei uorganiske sambindin­ gane. Grunnstoffet karbon finst fritt i naturen i to ulike modi­ fikasjonar, grafitt og diamant. (Jf. 23.2.) Karbonet er ikkje særleg reaktivt ved romtemperatur. Ved oppvarming reagerer det lett med til dømes oksygenet i lufta. Vi seier at karbonet brenn. Denne forbrenninga kan gi to ulike forbrenningsprodukt alt etter korleis oksygenmengda blir regulert:

97

C + O2 = CO2 + 393 kj (fullstendig forbrenning) C + |O2 = CO + 113 kj (ufullstendig forbrenning) Som vi ser, er begge reaksjonane eksoterme. Begge reaksjonsprodukta er dg gassar. Karbondioksyd, CO2, er sluttproduktet ved all fullstendig forbrenning av eit karbonhaldig materiale, og det er denne gassen vi vil ha når vi brenner noko for å få varme. Er forbrenninga slik at vi får karbonmonoksydgass, CO, misser vi store varmemengder, nemleg 393 —113 = 280 kj pr. mol (12 gram) karbon som brenn.

24.3 Karbonmonoksyd — kolos, CO Gassen er utan lukt og smak, og han er svært giftig. Kvart år døyr det menneske i hundretal som følgje av kolosforgifting. Slike ulykker kan skje ved at forbrenningsprosessar i fyrings­ anlegg blir ufullstendige og dermed utviklar CO. Utette piper og annan lekkasje kan føre til at den giftige gassen til dømes kjem inn i soverom. Enda meir utbreidd er kolosforgifting som kjem av eksosgassen frå bilar. I dei aller fleste bilane blir bensinen ikkje fullstendig forbrend. Derfor blæs dei ut CO i eksosen. Står ein til dømes og reparerer ein bil med motoren i gang inne i ein stengd garasje, kan det i mange tilfelle ta berre nokre få minutt før lufta i garasjen inneheld så mye kolos at ein døyr av det. Den som arbeider der, svimar av og vil aldri vakne meir om han ikkje blir dregen ut. Kolosforgiftinga kjem av at hemoglobinet i blodet reagerer lettare med CO enn med oksygen. Når ein da pustar inn ei blanding av dei to gassane, blir CO oppteke i blodet og tek da den plas­ sen som oksygenet skulle ha hatt. Kolosforgiftinga fører der­ for til at ein på ein måte blir kvelt. 1 del CO i 10 000 delar luft er farleg. Med 1 del i 800 delar luft døyr ein innan 30 minutt. Karbonmonoksyd er ein viktig gass i industrien fordi han brenn. Gassen blir derfor laga i store anlegg der ein lét det gå for seg ei ufullstendig forbrenning, i såkalla gassgeneratorar. Ved mange kjemiske prosessar, til dømes ved framstilling av jern, vil det dg bli laga CO, oftast i blanding med mange andre gassar. Slike gassblandingar (med CO-innhald) er særs verd­ fulle, fordi CO brenn og skaffar varme til ei rekkje føremål.

CO + |O2 = CO2 + 280 kj

98

Trass i den enkle formelen har CO ein nokså innvikla struktur. Det er vanleg meining at det er ei tredobbel binding mellom C og O, slik det er vist med * elektronprikkformelen:

Av dei seks elektrona som lagar bindinga, kjem eitt elektronpar frå karbonatomet og to frå oksygenatomet. Karbonmonoksydet er eit viktig og godt reduksjonsmiddel. Det blir særskilt nytta i metallurgien til framstilling av tunge metall. Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Karbonmonoksyd bind seg dg beinveges til somme tung­ metall og lagar såkalla karbonylsambindingar. Døme: Ni(CO)4, nikkelkarbonyl, og Cr(CO)6, kromkarbonyl.

Med klorgass reagerer CO og gir den viktige sambindinga karbonylklorid,

co + Cl2 = COC12 Denne gassen løyser seg lite i vatn og reagerer heller ikkje med vatn under vanleg trykk.

24.4 Karbondioksyd Karbondioksyd, CO2, er dg ein fargelaus gass utan lukt og smak. Men han er ikkje giftig. Han er ein av dei viktigaste gas­ sane i atmosfæren vår; grøne plantar treng denne gassen for å kunne vekse. Menneske og dyr pustar ut CO2 som blir til ved den langsame forbrenninga av karbonhaldige stoff i krop­ pen. Plantane tek opp CO2 frå lufta og nyttar stoffet til byggjeemne. I lufta skal det derfor vere ei viss jamvekt mellom for­ bruk og produksjon av CO2 slik at innhaldet av karbondioksyd i lufta blir nokolunde konstant. Det er ca. 0,03 volumprosent CO2 i atmosfæren. (Jf. 18.9.) Gassen er ikkje særleg reaktiv, og han kan ikkje nøre noka forbrenning. Det er ein tung gass, og når han er kald, kan han derfor leggje seg som eit teppe over ein brannstad og trengje bort oksygenet. CO2 er derfor eit velkjent brannsløkkingsmiddel. Gassen kan nokså lett komprimerast, og blir han samstundes * Svarar truleg til den bindinga vi har i molekylet N2 (N = N). Det er éi sigma- og to pi-bindingar. (Sjå avsnitt 15.5.)

99

avkjølt, får ein eit fast stoff som ein kallar «tørris». Tørris er CO2 i fast form. Temperaturen inne i ei blokk tørris er om lag —79 °C. Stoffet blir derfor mye brukt til kjøling. Strukturen av CO2 skriv vi til vanleg på denne måten:

:O: : C: :O:

Fig. 24.2. Begerglas med lys i ulike høgder.

eiiero=c=o

Ein ser at det er doble kovalente bindingar frå karbonet til kvart oksygenatom, og at sambindinga er lineær (rettlinja). Gassen løyser seg noko i vatn, og dette spelar ei stor rolle i naturen. Ved 20 °C og 1 atm trykk kan 100 ml vatn løyse opp om lag 90 ml CO2-gass. CO2 reagerer og med vatn etter lik­ ninga:

co2 +

h 2o

= H2CO3

Den syra ein får, heiter karbonsyre (kolsyre). Som syre er ho mellom dei veikaste vi kjenner. Men ho spelar ei stor rolle i naturen, for ho er ein viktig del av alt vatn. Salta av karbonsyra, karbonata, er svært utbreidde og viktige. Vi nemner minerala CaCO3, kalkspat, MgCO3 • CaCO3, dolomitt, FeCO3, jernspat, Na2CO3, soda. Da H2CO3 kan skilje ut to hydrogenion, kan vi få karbonat av to typar. Dei som inneheld ionet HCO3~, kallar vi hydrogenkarbonat.

Døme:

* Namn som natron og soda kallar vi trivialnamn. Andre trivialnamn er: Salpeter (KNO3), mag­ nesia (MgO), sprit (C2H5OH) og kolos (CO).

NaHCO3, natrium-hydrogen-karbonat («natron» ). * Na2CO3, di-natrium-karbonat («soda»). Alle karbonat blir kløyvde av syre og gir CO2-gass: MgCO3 + 2HC1 = MgCl2 + H2O + CO2

CO2 påviser vi ved å leie gassen ned i kalkvatn, Ca(OH)2. Det fell da ut eit kvitt botnfall av CaCO3. Sjå fig. 24.3. Både hydrogenkarbonata og vanlege karbonat blir kløyvde ved oppvarming, hydrogenkarbonata lettast. Den tempera­ turen som skal til, er ulik for dei ulike stoffa, men resultatet blir likt. Likningane kan vi skrive slik: ca. 100 °c Ca(HCO3)2 -------- - CaCO3 + CO2 + H2O ca. 800 °C

CaCO3

100

--------- CaO + CO2

Andre hydrogenkarbonat kan dg kløyvast lett på same må­ ten. NaHCO3 i fin pulverform blir av den grunn brukt som brannsløkkingsmiddel i dei effektive pulversløkkingsapparata. Under namnet «natron» bruker ein NaHCO3 også som bakepulver. Når baksteren blir varma opp, blir det utvikla CO2, og det får deigen til å heve seg.

Fig. 24.3. Påvising av CO2-gass.

Fig. 24.4. Fast karbondioksyd («kolsyresnø») kan ein lage med ei CO2-flaske og ein sterk typose bunden til ventilopningen. Ein opnar ventilen for fullt ei stutt tid. Bruk hanskar!

24.5 Sambindingar mellom karbon og metall — karbidar

Mange metall kan reagere beinveges med karbon og lage sam­ bindingar som vi kallar karbidar. Som regel skal det høg tem­ peratur til, og prosessen går derfor føre seg i elektriske lysbogeomnar. Mest kjend er kalsiumkarbid, som blir laga av kalk og koks: 2000 °c

CaO + 3C-------- - CaC2 + CO kalsiumkarbid Kalsiumkarbid reagerer lett med vatn og gir den brennbare gassen acetylen (etyn), C2H2. Denne gassen er utgangsmateriale for mange moderne plaststoff. CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 101

Fig. 24.5. Prinsippet for ein ro­ terande sementomn. Den rote­ rande omnen kan ha ei lengd på over 100 meter.

Somme karbidar er særleg harde. Dei blir brukte i slipeskiver eller til egg på verktystål og til liknande føremål. Silisiumkarbid, SiC, blir ofte kalla karborundum. Wolframkarbidane W2C og WC blir dg mye brukte i spesialverkty med stor hardleik. (Egg av såkalla hardmetall.) 24.6 Silisium — Si Førekomst. Grunnstoffet er nest etter oksygen det som er mest utbreidd i jordskorpa. Det finst ikkje i fri tilstand, men bunde til oksygen og andre element. Mesteparten av alle mineral og bergartar er oppbygde av silisiumsambindingar, t. d. kvarts, SiO2, feltspattypar som KAlSi3O8, asbest, Mg3Ca(SiO3)4. Framstilling. I industrien lagar dei silisium ved å varme opp kvarts og koks i elektrisk omn:

SiO2 + 2 C = Si + 2 CO Eigenskapar. Si er eit brunsvart stoff. Det er svært hardt, men sprøtt. Det er reaktivt og brenn lett i luft til SiO2. Teknisk bruk. Silisium blir brukt som tilsetning i legeringar: ferrosilisium, silicomangan, silisium-bronse og aluminiumlegeringar. Ferrosilisium blir m. a. laga på Meråker Verk, Tinnfoss (Notodden), Fiskå (Kristiansand) og Sauda. Dei fleste av desse legeringane blir brukte i stålproduksjonen.

Sambindingar Silisiumdioksyd, SiO2, finst utbreidd i naturen i ymse former, som kvarts, agat, sjøsand, ametyst o. a. Det kan ta opp vatn, og meir eller mindre vasshaldig blir det brukt under namn som silikagel («blågel»), kiselgur m. fl. Det smeltar ved vel 1500 °C, og smelta stivnar til kvartsglas. Verdsforbruket av «silikaw-typar er over 2 mill, tonn pr. år. Det meste går til: 1. eldfaste materiale, 2. varme- og lydisolasjonar, 3. filtermassar.

102

Silisiumkarbid, SiC, blir brukt under namn som karborundum, sika o. fl. Det blir laga her i landet ved Arendal Smelteverk. Karborundum er eit svært hardt stoff, og derfor blir det mye brukt til slipeskiver, oppmalingskverner o. a. Silikat. Tenkjer vi oss at SiO2 reagerer med meir eller mindre vatn, får vi kiselsyrer, som H2SiO3 og H4SiO4. Vi kjenner salta av slike syrer — silikat. Dei fleste av dei er tungløyselege og lagar stein- og bergartar. Berre Na- og K-salta er løyselege. Ei blanding av dei, K2SiO3 og Na2SiO3, kallar ein vassglas.

24.7 Silikathaldige bruksprodukt Ei rekkje av dei stoffa vi bruker i dagleglivet, inneheld silisiumsambindingar som eit hovudemne. Derfor høver det å ta med stoff som glas, eldfaste materiale og sement under dette kapitlet. Glas

Vanleg simpelt glas lagar ein ved å smelte saman kvartssand, SiO2, kalk­ stein, CaCO3, og soda, Na2CO3. Når massen blir avkjølt, krystalliserer han ikkje, ein får eit gjennomsynleg materiale. Vi seier at glas er ei underkjølt væske med svært stor viskositet (seigleik). Det er fleire stoff som har evne til å lage glas. Særleg er desse eigenska­ pane knytte til oksyda av silisium, bor og fosfor. Glasaktige stoff finn ein i vulkanske strok, men dei er sjeldne. Likevel lærte menneska seg tidleg å lage glas. I Egypt er det funne glasting, perler, skåler o. a. frå om lag 4000 år før vår tidsrekning. I vår tid skil vi mellom ulike typar av glas, dels etter den kjemiske sa­ mansetninga og dels etter bruksområdet. (Glasliknande stoff av organisk materiale som celluloid, pleksiglas, pontalitt o. fl. tek vi ikkje med her. Jf. organisk kjemi.) Vi tek med nokre vanlege glastypar: Natronglas. Om lag 75% SiO2, 15% Na2O, 8 — 10% CaO og 2% A12O3. Det blir brukt til vanleg vindaugsglas og vanlege hushaldskar. Kaliglas. Om lag 75% SiO2, 15-18% K2O, 12-15% CaO. Det blir brukt til dyrare glassortar og til optiske instrument. Flaskeglas. Dette er ofte grøn- eller brunfarga på grunn av jern- og mangansambindingar. Samansetninga svarar til natronglas, men det inneheld mye meir kalk. Apparatur- og laboratorieglas. Slike glassortar må ha liten temperaturutvidingskoeffisient og vere resistente mot kjemikal. Kvartsglas er framifrå, og ein god type er dg Pyrex-glas. Om lag 80% SiO2, 4% Na2O, 0,5% CaO, 0,5% K2O, 12% B2O3, 3% A12O3 + ZnO og MgO. (Duran-glas er ein liknande type.) Om slike glastypar bruker ein ofte fellesnamnet «borsilikatglas». Farging av glas gjer ein ved å setje metalloksyd til glassmelta: Brunfarge: Mn Grønfarge: Fe og Cr Blåfarge: Cu og Co Raudfarge: Se og Au Matt farge, «mjølkeglas»: Sn og kalsiumfosfat Gulfarge: Cd og Ag

103

Eldfaste materiale

Ordet eldfast bruker vi om ei rekkje mineralske stoff som merkjer seg ut ved den evna dei har til å tåle både høg temperatur og beinveges kontakt med flammer og smelter. Vi reknar med at eit eldfast materiale skal ha smeltepunkt over 1600 °C. Når det gjeld eldfast stein, blir det aller meste laga av eldfast leire, som vi finn i naturen. Leira blir forma, tørka og deretter oppvarma til 12 — 1400 °C. Det meste blir selt under namnet chamottestein. Den kjemiske samansetninga er nærmast A12O3 og SiO2 i høvet 1:2. Med dette høvet seier vi at steinen er nøytral. Eit overskott av SiO2 gjer steinen sur, og eit overskott av A12O3 eller MgO og CaO gir ein basisk stein. (Metalloksyd er basiske, medan ikkjemetalloksyd er sure.) Dei eldfaste steinslaga kan delast i gruppene:

1. 2. 3. 4. 5.

Chamottestein, 1 mol Al2O3/2 mol SiO2. Nøytral. Silikastein, om lag 95 vektprosent SiO2/5% CaO. Sur. Blandingstypar av 1 og 2 med eldfast leire som bindemiddel. Magnesia-steinar (for det meste magnesitt og dolomitt). Basiske. Spesialsteinar av anna slag. Karborundum, SiC, aloksitt, A12O3, dynamidon, silbid, silitt o. a.

Borgestad Fabrikker ved Porsgrunn lagar mange typar av eldfaste ma­ teriale. Sement

Det finst fleire sementtypar; den mest vanlege, portlandsementen, er i ferdig tilstand ei blanding for det meste av kalsiumsilikat, kalsiumaluminat, litt kalk og litt gips. (Namnet Portland skriv seg frå Portland i Eng­ land.) Sement blir i grove trekk laga ved at ein hetar opp til om lag 1500 °C ei blanding av kalkstein og leire med noko tilsetning av litt jernhaldige materiale og kvarts. Ein får da laga eit materiale som ein kallar klinker. Dette blir finmale og blanda med 2—3% gips, og ein får ferdigproduktet. Storkningsprosessen for sement er komplisert. Grovt sett kan vi sjå det slik at sementen tek opp vatn, og at det da lagar seg Ca(OH)2 og A1(OH)3. Desse stoffa «kittar saman» dei faste partiklane, slik at heile massen blir bunden i hop. I praksis har det mykje å seie at sementen er basisk og ikkje tærer opp armeringsjernet i jernbetong. (Ein analyse av ein vanleg portlandsement viser t. d.: 63,7% CaO, 21,2% SiO2, 5.36% A12O3, 3,26% Fe2O3, 2,52% SO3, 0,9% MgO, 0,58% K2O, 0,34% TiO2, 0,3% Na2O.)

24.8 Tinn — Sn Førekomst Tinn finst i naturen for det meste som tinnstein, SnO2, men ein finn og små mengder av fritt tinn. Dei største førekomstane er i Malaya, Bolivia, Kongo og Indonesia. Verdsproduksjonen er ikkje meir enn om lag 200 000 tonn for året. Framstillinga skjer ved koksreduksjon av oksydet anten i flammeomnar eller i elektriske omnar. Temperaturen må opp i 1000 °C, slik at noko av tinnet fordampar eller går over i slagget. Råtinnet blir så raffinert ved ny reduksjon, og ein får ei handelsvare som er meir enn 99% rein.

104

Eigenskapar Tinn har fleire modifikasjonar, m. a. ein «grå», som lagar seg når tinnet i lengre tid blir halde ved lægre temperatur enn + 13,2 °C (tinnpest). Metallet blir ikkje lett oksydert av oksygenet i lufta, og det står nokså godt mot syrer og basar. Ved oppvarming løyser tinnet seg både i sterke syrer og i sterke basar. Metallet, oksyda og hydroksyda er såleis amfotere. (Samanlikn aluminium, side 66.) Tinn kan valsast ut i særs tynne plater — stanniol eller tinnfolie — ned til 0,0025 mm. Ved oppvarming blir det først seigt (100 °C), seinare heilt sprøtt (200 °C). Når vi bøyer ei tinnstong, høyrer vi eit «tinnskrik» dersom metallet er reint. Teknisk bruk Tinn blir først og fremst brukt til fortinning av jernplater, kvitblekk. Slike blekkplater blir brukte til mangfaldige føremål fordi tinn ikkje er giftig, held seg godt i luft og står godt mot syrer og basar. Omfram dette går mye av produksjonen til legeringar: bronse, lagermetall, loddetinn, typemetall o. a. Ein stor del går og til fabrikasjon av reine tinnsaker, både for industri og for bruk i hushaldet. Her har det mye å seie at tinn ikkje er giftig. Tinn er eit sterkt etterspurt metall. Mye tinn blir vunne tilbake (re­ generert) frå gammalt blekkskrap. Det blir gjort ved at ein let klor verke på blekket. Det lagar seg da SnCl4, som er ei væske, og som lett kan skiljast frå skrapet. I Noreg blir det kvart år attvunne om lag 500 tonn reint tinn på denne måten. Sambindingar Tinn kan vere både 2-verdig og 4-verdig. Vi får da både tinn(II)- og tinn (IV) -sambindingar. Oksyd, SnO og SnO2. Det første blir lite brukt, men SnO2 finst i naturen og blir mye brukt i emalje- og glasindustrien. Klorid. SnCl2 («tinnsalt») er eit kvitt fast stoff. Det blir brukt som re­ duksjonsmiddel, idet det da går over til SnCl4.

Sn++ — 2e~ = Sn++++ SnCln er ei væske som ein får når klorgass reagerer med tinn. Ei kjend tinn(IV)-sambinding er og pinksalt, (NH4)2SnCl6, som blir nytta som beis i fargeindustrien.

24.9 Bly — Pb Førekomst Bly finst for det meste som blyglans, PbS. Dei viktigaste finnestadene er i USA, Canada, Australia og Mexico. Tyskland og Spania har og gode førekomstar. I blyglans finst det mest alltid litt sølv, og sølv blir derfor utvunne saman med bly. Utvinninga skjer ved rosting og etterfølgjande reduksjon. (Med rosting mei­ ner vi oppvarming med luft-tilgang.) Dei korrekte likningane for prosessen er for kompliserte til at vi kan ta dei med her. Vi nøyer oss med desse for­ enkla likningane:

PbS + 3/2 O2 = PbO + SO2 PbO + C = Pb + CO Verdsproduksjonen er om lag 2 mill, tonn pr. år. 8. Salveson: Kjemi 2, nyn.

105

Eigenskapar Metallet er mjukt og smidig, og det held seg godt i luft. Det er lett å ar­ beide til, men kan ikkje strekkjast mye. Det løyser seg opp i salpetersyre, men står seg svært godt mot dei fleste andre syrer og basar. Bly og blysambindingar er svært giftige. Blyforgifting er ikkje uvanleg i arbeidslivet.

Teknisk bruk Hovudmengda blir brukt til blyrøyr, plater, elektriske kablar (vern av isolasjonen), akkumulatorar o. a. og til legeringar: loddetinn, lagermetall, hagl og til prosjektil. Sambindingar Av oksyd har vi fleire. PbO, PbO2 og Pb3O4 er dei viktigaste. Oksyda og hydroksyda er amfotere. PbO blir kalla sølvglo eller blyglette. Det er eit gulkvitt pulver. Det blir brukt noko i glasfabrikasjonen. PbOz, svart, blir brukt til fabrikasjon av positive plater i blyakkumulatorar og bg noko i fyrstikkindustrien. PbO2 er eit kraftig oksydasjonsmiddel. Pbff er velkjent under namnet mønje. Ein lagar det ved å hete opp PbO i luft til 4—500 °G. Mønje bruker vi mye i måling for å verne jern mot rust. Stoffet blir og brukt i glasindustrien. Pb3O4 kan vi sjå på som eit samansett oksyd: PbO2 • 2 PbO. Pb(CH3COO)2 — blyacetat, er eit stoff som løyser seg lett i vatn. Vi kallar løysninga blyvatn. Teknisk blir det brukt i fargeria og til å lage målarfargar. Blykvitt er eit samansett blykarbonat, 2 PbCO3 • Pb(OH)2. Kromgult er blykromat, PbCrO4. Spørsmål og oppgåver

1. Kor mange kg karbondioksyd får vi av 2 tonn kalkstein ? Kor mange liter blir det ved normalvilkår ? 2. Vi har ein koks som inneheld 85% karbon. Kor mange liter luft går det med til å brenne 150 kg av han full­ stendig? (Normalvilkår.) 3. Vi tillet oss å skrive bensin med formelen C7H16. Kor stor er forbrenningsvarmen pr. kg ved fullstendig for­ brenning? (Bruk boka!) 4. Ein bil brenner 1 kg bensin i timen i ein stengd garasje på ein slik måte at alt karbonet i bensinen brenn til CO (ufullstendig forbrenning). Hydrogenet brenn som van­ leg. Rekn ut kor mange liter oksygen som blir brukt, og kor mange liter eksosgass som lagar seg når motoren går i | time. (Normalvilkår, H2O reknar vi som vass­ damp.) 5. Vi har ein koks som inneheld 82% C. Fyringsanlegget bruker 200 kg koks i døgnet. Ved eit uhell var forbren­ ninga eit døgn heilt ufullstendig. Kor stort var varme­ tapet i kj det døgnet?

106

6. Rekn ut kor stort luftvolum som trengst til å brenne 3 liter propangass (C3H8). Vi reknar at propangassen og lufta er målt ved same temperatur og trykk. (21 volumprosent O2 i luft.) 7. Vi har ei gassblanding ved 300 °C som inneheld desse gassane: 50% H2, 10% CH4, 8% C3H8, 8% CO, 7% C6H6, 5% N2, 2% CO2 og 10% H2O. (Volumprosent.) Blandinga brenn fullstendig. Rekn ut kor mye luft som trengst, og kor mange prosent CO2 det blir i røykgassen. (Normalvilkår.) 8. Kor mange kg klorgass går det med til å vinne att alt tinnet av 15 tonn blekkskrap når vi reknar med at det inneheld 3 % Sn ? 9. Kor mange kg mønje kan vi få av 10 kg bly(Il)oksyd ?

10. Set opp eit tinn/bly-smeltediagram og drøft det.

Vel rett(e) svar

1. Karbondioksyd er ved NTP: a) Ei fargelaus væske. b) Ein fargelaus gass. c) Ei veikt blåfarga væske, d) Eit kvitt fast stoff. 2. Karbonmonoksyd er ved NTP ein: a) Gass med særmerkt røyklukt. b) Gass som «stikk» i nasen. c) Gass som har ei ufyseleg roten lukt. d) Gass som er både fargelaus og luktlaus.

3. Silisiumkarbid blir brukt til: a) Framstilling av acetylengass. b) Slipeskiver. c) Toalettsåpe. d) Tilsetningsstoff i papir. 4. Sement er eit stoff som i hovudsaka har desse råmateriala: a) Stein og sand. b) Kvarts og soda. c) Kalkstein, leire og gips.

5. I naturen finst karbondioksyd som eit særemne i: a) leire b) luft c) kalkstein d) vanleg fjell.

107

Forsøk og demonstrasjonar

1. Syn fram prøver av grafitt, steinkol, koks, kalkstein. 2. Vis utvikling av CO2 ved å varme opp eit hydrogenkarbonat og leie gassen ned i kalkvatn. (Sjå fig. 24.3.) 3. Vis CO2-utvikling ved å setje ei syre til eit karbonat. 4. Vis at CO2-gassen verkar kvelande på lys som brenn. (Sjå fig. 24.2.) 5. Vis CO2-utvikling frå andinga og frå selters. 6. Vis om mogleg korleis ein lagar «kolsyresnø» ved å leggje ei CO2-flaske og sleppe gassen snøgt ut i ein lerretspose. Ein bør ha hanskar på hendene på grunn av den låge temperaturen. (Sjå fig. 24.4.) 7. Syn fram kvarts, asbest, feltspat, karborundum og nokre eldfaste ting, diglar av kvarts o. a. 8. Syn fram vassglas, og set til litt saltsyre. Det blir felt ut kiselsyre. 9. Syn fram nokre ulike glassortar. Vis korleis ein handsamar glas i ei gassflamme. 10. Syn fram ei tinnstong, tinnfolie og bly. Syn dg fram prøver av tinnstein, blyglans, tinnoksyda og blyoksyda, tinnklorid, blynitrat og blykvitt. 11. Vis fortinning av eit jernstykke. Sink-klorid blir tilsett tinnsmelta for å hindre oksydering av overflata. 12. Legg to koparstykke på eit trådnett. Legg litt NH4C1 på det eine. Plasser deretter litt loddetinn på begge. Varm opp til tinnet smeltar. Prøv kor tinnet sit best fast etter av­ kjøling. 13. Gjer forsøk så du kan fylle ut dette skjemaet med formel, namn, farge: s—

CrO4-

ci-

CO,-

I

Pb++

14. Gjer forsøk så du kan fylle ut dette skjemaet. Noter om metallet blir løyst eller ikkje, og kva som lagar seg: Saltsyre Bly (Småbitar av folie) Tinn (Småbitar av folie)

Salpetersyre

Lut (NaOH)

Hovudgruppe VA — nitrogengruppa 25.1 Gruppeoversyn I denne gruppa finn vi desse grunnstoffa: nitrogen, N, fosfor, P, arsen, As, antimon, Sb, og vismut, Bi. Dei to første er ikkjemetall, arsen er eit halvmetall, og dei to siste er metall. Tabell 25.1. Nokre data for hovudgruppe VA. N

P

As

Sb

Bi

Utsjånad ved romtemperatur

Fargelaus gass

Svart fast

Blåkvitt metall

Atomnummer Tettleik, g/cm3

7 0,00125

33 5,7

51 6,7

Sølvblankt metall 83 9,8

Smeltepunkt, °C

—210

271

-196

817 (28 atm) subl.

630

Kokepunkt, °C

1380

1560

Atomradius, Å lonisasjonsenergi, eV .. . Vanlege oksydasjonstal..............

0,74

Raudt (kvitt) fast 15 2,20 (raudt) 1,82 (kvitt) 44,1 (kvitt) 280 (kvitt) 1,10

1,21

1,41

1,52

11,0 -3, 4-3, 4-5

9,8 — 3, 4-3, 4-5

8,6 -3,4-3, +5

7,3 (-3), + 3,4-5

Kjemisk teikn

14,5 -3,+1, + 2, 4-3, 4-4, 4-5

Alle grunnstoffa i nitrogengruppa har fem elektron i ytste skalet. Desse elektrona er fordelte slik mellom orbitalane:

s2

Av ei slik elektronfordeling må vi vente oksydasjonstala + 5, +3 og også —3. Dette samsvarar dg med formlar for sam109

bindingar av alle medlemene av denne gruppa. Sambindingar som N2O3, N2O3 og NH3 finn vi dg for fosfor, arsen, antimon og vismut. Nitrogen skil seg likevel noko ut frå dei andre gruppemedlemene. Til dømes lagar nitrogen ei syre med for­ melen HNO3, salpetersyre. Berre grunnstoffet fosfor lagar ei syre med ein liknande formel, HPO3 (metafosforsyre); dei andre lagar syrer med formlar som liknar ortofosforsyre, H3PO4.

25.2 Nitrogen

Nitrogen er ein fargelaus gass utan lukt og smak. Gassen finst fritt i naturen, idet han utgjer heile 78 volumprosent av luft. Det finst dg nokre mineral som inneheld nitrogen. Særleg kjent er chilesalpeter, NaNO3. Elles har vi nitrogen i meir kompli­ serte sambindingar som eggekvitestoff i både plante- og dyreorganismar. All dyrka jord må derfor få tilført nitrogen i form av kunstgjødsel. I laboratoriet kan vi framstille nitrogen ved å varme opp ei løysning av sambindinga ammoniumnitritt: NH4NO2(f) -> N2(g) + 2H2O + 315 kj Da NH4NO2 held seg dårleg og er vanskeleg å skaffe, bruker ein i praksis ei løysning av NaNO2 og NH4C1 og varmar opp denne. Likninga kan da skrivast slik:

Na+ + NO2- + NH4+ + Cl- -> Na+ + Gl- + 2H2O + N2 I industrien vinn dei ut nitrogen frå flytande luft. Når den flytande lufta blir destillert i spesiell apparatur, får vi nitrogen først ut, da det har det lægste kokepunktet (—196 °C). Der­ etter kjem oksygen, som koker ved —183 °C. Nitrogen er i dag ein relativt billeg gass som blir seld på stålsylindrar og brukt til mange ulike føremål. Nitrogen er ikkje særleg reaktivt. Dette kan sjå ut til å vere i strid med det faktum at det har tre upara elektron, som ein skulle tru det lett kunne bruke til bindingar. Av tabellen for elektronegativitet ser vi og at det står mellom dei høgste der, med 3,0, noko som og skulle tyde på stor reaksjonsevne. For å skjøne at nitrogen likevel er lite reaktivt, må vi hugse på at elektronfordeling og elektronegativitet er atomære data. Men det nitrogenet vi har å gjere med i gassform, er molekylært. Gassen har nemleg toatomige molekyl, N2. I bindinga mellom dei to nitrogenatoma er dei tre upara elektrona brukte i ei spesiell tredobbel binding, jf. CO i avsnittet 24.3.

110

:N: : : N: Før molekylet kan bli reaktivt, må denne bindinga brytast, og det kostar mye energi. Kløyvingsenergien for N2-molekylet er større enn for alle dei andre to-atomige grunnstoffgassane. I praksis må vi opp i temperaturar på om lag 3000 °G før vi får i stand kløyving av N2, og jamvel da er dissosiasjonen liten.

25.3 Nitrogensambindingar Ved høg temperatur kan nitrogen reagere direkte med andre grunnstoff, særleg med metall og med oksygen. Ein får da respektive metallnitrid og oksyd. Døme: N2 + 3 Mg = Mg3N2 N2 + O2 = 2NO

magnesiumnitrid nitrogenoksyd

Også med hydrogen reagerer det direkte når ein bruker ka­ talysatorar. Ein får da den viktige sambindinga ammoniakk. N2 + 3H2 = 2NH3 Av oksyda er det fem. Det er N2O, NO, N2O3, NO2 (N2O4) og N2O5. Vi ser at vi har både 1-, 2-, 3-, 4- og 5-verdige ni­ trogenoksyd. N2O er kjent under namnet lystgass; elles er det

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

111

NO og NO2 som spelar stor teknisk rolle. Nitrogenoksyda de­ monstrerer tydeleg lova om dei multiple høva. Nitrogenoksyd, NO, er ein fargelaus gass. Stoffet blir laga i naturen ved hjelp av den høge temperaturen det blir i lyn under torever. Da reagerer O2 og N2 i lufta med kvarandre til NO. NO-gassen reagerer straks vidare med oksygen i lufta og lagar nitrogendioksyd, NO2. NO + |O2 = NO2

Dette er ein brun gass, som i motsetnad til nitrogenoksyd løyser seg godt i vatn og også reagerer med vatn: 2NO2 + H2O = HNOo + HNO2

Det lagar seg to syrer, salpetersyre og salpetersyrling. Den siste blir lett oksydert til salpetersyre. Salta av salpetersyra heiter nitrat, medan salta av salpetersyrlingen heiter nitritt. Døme: Natriumnitrat, NaNO3 og NaNO2, natriumnitritt. 25.4 Salpetersyre H+[O - N = O]Salpetersyrling

Salpetersyre

Rein salpetersyre er ei fargelaus væske. Ho blir lett kløyvd til mellom anna NO2 når ho står i lyset. Salpetersyra er derfor ofte lett gulfarga av oppløyst NO2-gass. Ho går i handelen som konsentrert salpetersyre. Ho er da fortynna med vatn slik at ho inneheld om lag 68 masseprosent HNO3, resten vatn. Konsentrert salpetersyre er svært etsande og farleg å få på huda eller på kleda. Det er ei sterk syre; løyst i vatn er ho om lag full­ stendig kløyvd i ion etter likninga: hno3

+

h 2o

= h3o+ + NO3-

Men salpetersyra har ei særstilling mellom syrene; ho kan verke sterkt oksyderande ved hjelp av anionet sitt, nitrationet NO3~. Ser vi på tabell 12.1 over redoks-potensial, finn vi NO3~ oppført med eit oksydasjonspotensial som er mesta like stort som for brom. Når ionet verkar som oksydasjonsmiddel, blir det sjølv redusert til NO. Tek vi med oksydasjonstala, kan vi skrive den kjemiske likninga slik: +5

H-2

NO3- + 3e- + 4H+ -> NO + 2H2O I sterk fortynning derimot verkar salpetersyra berre ved hjelp av hydrogenionet sitt. To forsøk illustrerer dette tilhøvet klart:

1. Fortynna salpetersyre + jern: Berre H+-ionet i syra rea­ gerer : Fe + 2H+ = Fe++ + H2 112

Det blir utvikla hydrogengass.

2. Konsentrert salpetersyre: Metallet kopar kan ikkje oksyderast av H+-ion, men derimot av NO3”-ion (jf. spenningsrekkja). Konsentrert HNO3 reagerer derfor med kopar. lonelikninga blir slik:

----------------- F6e-------------0

+5

+2

+2

3Cu + 8H+ + 8NO3- = 3Gu++ + 6NO3~ + 2NO + 4H2O *______ -6e-_________# I dette tilfellet blir det ikkje utvikla nokon hydrogengass, men vi får ei sterk utvikling av NO, som går over til den brune NO2 når han kjem i luft. I laboratoriet kan ein lage rein HNO3 etter fordampingsregelen. Denne seier at dersom ein slår ei syre på eit salt og varmar opp, så vil den syra som saltet er laga av, fordampe dersom den tilsette syra er mindre flyktig. Salpetsyra har kokepunkt på om lag 90 °C, medan svovel­ syra har kokepunkt på om lag 330 °C. Salpetersyra er med

NO

Fig. 25.2. Framstilling av to nitrogenoksyd.

andre ord mye meir flyktig enn svovelsyra. Derfor får vi når vi varmar opp chilesalpeter med svovelsyre (sjå fig. 25.3):

NaNO3 + H2SO4 = HNO3 + NaHSO4 Salpetersyra verkar sterkt etsande. På huda vil ho lage svært djupe og farlege *sår. I fortynna tilstand løyser ho opp dei fleste metalla og lagar salt av dei: nitrat. * Enda om ein vaskar av seg salpetersyra straks etter at ein har fått syra på huda, blir det likevel ein gul flekk. Ei slik gulfarging blir det alltid når konsentrert salpetersyre kjem saman med eggekvitestoff, og denne reaksjonen blir derfor nytta til å påvise protein, t. d. i urin (xantoproteinreaksjon).

113

Konsentrert HNO3 vil derimot ofte ikkje løyse opp metall, t. d. jern og aluminium. Vi seier at metallet blir passivert av syra. Det er passiviteten som gjer at ein kan sende konsentrert HNO3 i aluminiumemballasje. Blir derimot syra utblanda med vatn, blir metallet løyst snøgt.

Fig. 25.3. Framstilling av sal­ petersyre etter fordampingsregelen.

Passivitetsfenomenet forklarar vi ved å gå ut frå at metallet får eit tynt oksydlag. Dette laget hindrar syra i å komme i di­ rekte kontakt med metalloverflata. Den kraftige oksyderande verknaden som salpetersyra har, gjer at ho, i alle fall i konsentrert tilstand, må handsamast særs varsamt. Karbonhaldig materiale, filler, oljerestar, sagflis o. a. tek lett fyr når dei kjem i kontakt med konsentrert HNO3. Mesteparten av verdsproduksjonen av HNO3 går til kunstgjødselindustrien, sprengstoffindustrien og fargestoffindustrien.

25.5 Nitrat Nitrat er salta av salpetersyra. Dei aller fleste av dei er lettløyselegc i vatn. Det nitratet som er viktigast industrielt, er kalksalpeter — kalsiumnitrat — Ca (NO3)2. Kalksalpeter blir laga av kalk­ stein, CaCO3, og salpetersyre: CaCO3 + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2

114

Oksydasjon,

Planteprotein

Nitrat

Bakterie­ verknad (Forbrenn-

Bakterie­ verknad

Animalsk protein

Kløyving — Rotning Nitrogen

Bakterieverknad

Bakteriar Ni tritt

Animalsk livsprosess

luft

Fleire kunstige prosessar som Haber-Bosch/ Cyanamid, o.a.

Urms toff og avfallstoff

h2so4

= co + -f

h2o

+4

+ so2

Trass i stor evne til å etse verkar konsentrert svovelsyre passiverande på jern, og ho kan derfor sendast på jernfat når styr­ ken er over 70%. (Jf. avsn. 25.4.) Teknisk bruk av svovelsyre. Svovelsyra er den billegaste av alle sterke syrer, og ho blir derfor nytta i ei rekkje tekniske pro­ sessar der hovudsaka er å ha surt miljø. Elles er dei viktigaste bruksområda:

1. 2. 3. 4. 5.

framstilling av superfosfat, i sprengstoffindustrien, til raffinering av jordolje, til blyakkumulatorar, kjemisk arbeid av ymse slag.

I Noreg blir det produsert over 200 000 tonn svovelsyre årleg. Det finst ei rekkje andre svovelsyrer enn dei tre vi har nemnt her, men dei har mindre å seie. Vi nemner éi av dei: tiosvovelsyra, H2S2O3. Natriumsaltet av denne, natriumtiosulfat, Na2S2O3 • 5H2O, blir mye brukt som «fiksersalt» i fotografien og til å ta bort klor frå bleikt ty o. 1., såkalla «antiklor».

26.6 Selen — Se Stoffet er til vanleg grått og sprøtt. Det liknar svovel i kjemiske eigenskapar. I teknikken blir det brukt til å farge visse glas-sortar, til fotoceller i lysmålarar o. a. og i selenlikerettarar. Bruksområdet blir stadig større, og stoffet blir i nokon monn nytta i mange ulike prosessar, t. d. vulkanisering, feittherding, legering, særleg med kopar. Stoffet er giftig. Canada og USA er hovudprodusentar, og dei tilverkar om lag 700 tonn pr. år.

26.7 Tellur —Te Den vanlegaste forma av tellur er blank og metallisk å sjå på. Stoffet blir brukt på liknande måtar og har liknande eigenskapar som Se. Hovudproduksjonen går til legering med Pb, 0,05% iblanding. Det gjer at blyet blir sterkare og står seg betre. Canada er hovudprodusent med om lag 30—40 tonn pr. år.

133

Spørsmål og oppgåver

1. Gjer greie for dei ulike modifikasjonane av svovel. 2. Lag ei skisse som viser strukturen for S8-molekylet.

3. Slå opp i kapittel 23 og prøv å teikne ein strukturmodell for H2SO4. 4. Gjer greie for den oksyderande evna hos svovelsyre.

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

6. Vi har 98 masseprosent svovelsyre med tettleik 1,84 g/cm3. Kor mange molar er syra? Kor mye av henne må ein bruke for å lage 3 liter 5-molar syre?

7. Skriv likninga for fullstendig nøytralisering av svovelsyre med leska kalk. Kor mye brend kalk må vi gå ut frå for å kunne nøytralisere 4 kg av ei 98 masseprosent H2SO4? 8. 2 kg flytande SO2 skal tappast av ein kjølemaskin. For å hindre at det blir for mye gass, tappar ein det varsamt over i eit kar med lut. Luta er laga ved at | kg kaustisk soda (85% NaOH) blir løyst i 3 liter vatn. Vil dette vere nok til å nøytralisere alt SO2?

9. Fordampingsvarmen for SO2 og for NH3 er respektive 95 cal/gram og 330 cal/gram. Rekn ut fordampingsvar­ men pr. mol.

10. Set opp den fullstendige likninga for reaksjonen mellom metallet kopar og varm, konsentrert svovelsyre.

Vel rett(e) svar

134

1.

Det svovelet som finst fritt i naturen, kallar ein: a) monoklint b) plastisk c) rombisk d) beta-svovel

2.

Svovel smeltar ved ca.: a) +50 °C b) +120 °C

c) +200 °C

d) +300 °G

3.

H2S er ei sambinding som er særmerkt ved at: a) Ho lagar ei sterk syre når ho blir løyst i vatn. b) Ho er sterkt gul. c) Ho luktar vondt. d) Ho etsar huda,

4.

SO2-gass blir utvikla ved desse prosessane: a) Brenning av svovelhaldig olje. b) Elektrolyse av aluminium.

c) Rosting av svovelkis. d) Framstilling av salpetersyre.

5.

Konsentrert svovelsyre er/har: a) Lettare enn vatn. b) Sterkt gulfarga. c) Om lag 1,8 gonger så stor tettleik som vatn. d) Om lag same tettleiken som vatn.

6.

Rykande svovelsyre er: a) Svovelsyre blanda med salpetersyre. b) Svovelsyre med oppløyst SO3. c) Svovelsyre framstilt etter blykammermetoden. d) Svovelsyre blanda med konsentrert saltsyre.

7.

Sambindinga Ca(HSO3)2 blir i Noreg brukt til: a) Framstilling av svovelsyre. b) Framstilling av cellulose. c) Framstilling av sink. d) Reinsing av rostingsgassar.

Forsøk og demonstrasjonar

1. Syn fram reint svovel og svovelkis og andre sulfid som finst i naturen. 2. Varm opp svovel varsamt i eit sterkt reagensglas (helst i eit oljebad). Først smeltar det til lettflytande svovel, som ikkje gir plastisk svovel om ein slår det brått i vatn. Varm deretter kraftigare opp så smelta blir mørk. Smelta blir brått svært seig. Varm så opp meir, og slå smelta — som no har blitt meir lettflytande — snøgt over i kaldt vatn. Vi får plastisk svovel.

3. Lag H2S-gass av FeS og HC1. (Gjer aldri dette forsøket i byrjinga av ein time. Syt for god utlufting etterpå. H2S er svært giftig!) 4. Vis at H2S feller sulfid, og at desse ofte har ein typisk farge. (Sjå skjema side 129.) 5. Brenn svovel, og vis bleikjeverknaden av SO2-gassen, t. d. på ein raud blomster.

6. Lag svovelsyre etter kontaktmetoden (sjå fig. 26.3). Påvis at du har fått SO4---ion, ved at du set til Ba+ + -ion.

7. Vis korleis fortynna og konsentrert svovelsyre verkar på nokre metall. Vis passivering av jern.

135

8. Vis forkoling av organisk materiale med konsentrert H2SO4.

9. Lag strukturmodellar av svovelmolekyl, S8 og S2.

10. Lag strukturmodellar av svovelsyre og svovelsyrling.

136

ch

Hovudgruppe VII A halogengruppa 27.1 Gruppeoversyn Stoffa i gruppa er fluor, F, klor, Cl, brom, Br, jod, I, og astat At. Alle har sju elektron i valensskalet, og som følgje av det har dei svært stor evne til å ta opp eitt til og lage negative ion. Størst er denne evna hos fluor, som er det kraftigaste oksydasjonsmiddelet vi kjenner. Vi kallar stoffa halogen, som tyder saltlagarar. Fluor og klor er gassar. Brom er ei væske, og jod er eit fast stoff ved normal temperatur. Astat er eit fast stoff som er radio­ aktivt. Alle stoffa er giftige. Stoffa er dei mest reaktive vi kjenner, og dei kan lage sam­ bindingar med dei fleste grunnstoffa.

Tabell 27.1. Nokre data for hovudgruppe VII A. Kjemisk teikn...................

F

Utsjånad ved romtemperatur ...................

Gul gass

Atomnummer................... Tettleik ..............................

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

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

Cl

Br

Mørk raudbrun væske 17 35 0,00321 3.1 g/cm3 g/cm3 -7 -101 — 34 59 1,14 0,99 12,0 13,0 — 1, 4-1, -1,+1, + 3,+5 + 3,+5 og +7 ( + 7) Grøngul gass

I Grått fast stoff

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

Elektronfordelinga i dei ytste skala er slik:

10. Salveson: Kjemi 2, nyn.

137

Fig. 27.1. Framstilling av klorgass i laboratoriet.

Det mest markerte oksydasjonstalet for alle stoffa er —1, det svarar til at />z-orbitalen blir fylt med eitt elektron til. Da får vi edelgasskonfigurasjon. Vi ser av tabellen at ioniseringsenergiane er svært høge, og tendensen til å gi frå seg eitt eller fleire elektron er derfor liten. Grunnstoffet fluor skil seg ut frå dei andre stoffa i kjemiske eigenskapar. Dei andre er stort sett svært like, og vi drøftar derfor berre klor grundig. Klor kan lage sambindingar med oksydasjonstala +1, +3, + 5 og -f-7. Det ser vi tydeleg av oksosyrene: HC1O, HC1O2, HC1O3 og HC1O4.

27.2 Klor, førekomst og framstilling Klorgassen er altfor reaktiv til at han kan finnast fritt i na­ turen. Derfor finst kloret berre i sambindingar, men da mye utbreidd, spesielt som klorid saman med metalla i første og andre hovudgruppa. Kloridførekomstane kan delast i to:

a) Førekomstar i sjøvatn. Det finst oppløyst NaCl, MgCl2 og andre klorid i ei mengd som svarar til 2—3 masseprosent. b) Steinsaltførekomstane. Dei kan vi sjå på som sjøavleiringar. Vi finn her dei same salta som i sjøen, men i utkrystallisert form. Framstillinga av klorgass frå klorid blir i prinsippet ein oksydasjonsprosess:

2C1- — 2e“ = Cl2 klorid klorgass 138

Fig. 27.2. Framstilling av klor ved elektrolyse av ei NaCl-løysning (klor-alkalielektrolyse) .

+

GrafiiPgnode

Metta NaC\-løysning Porøs skiljevegg

NaOH . blir til

Alt etter om framstillinga skal skje industrielt eller i labora­ toriet, bruker ein noko ulike metodar. I laboratoriet bruker ein ofte mangan(IV)oksyd, MnO2 (brunstein), som oksydasjonsmiddel, og ein oksyderer kloridion i saltsyre. Reaksjonen skriv vi slik: MnO, + 4HC1 = MnCL + 2H2O + CL

Nettoionelikninga viser red/oks-prosessen enda tydelegare: +4

0

MnO2 + 4H+ + 2C1- = Mn++ + 2H2O + CL ~V+2e)-------U

1

* s

—

1

a

1

Li

1

Lt

Den tekniske framstillinga av klorgass skjer i hovudsaka ved elektrolytisk oksydasjon. Ved elektrolyse av eit smelta klorid eller løysning av klorid i vatn skjer det ein oksydasjon av kloridion til klorgass ved den positive polen, anoden. Jf. fig. 19.2 kapittel 19. Ved ei rekkje ulike elektrolytiske prosessar får ein derfor klorgass (og eventuelt andre halogen) som sideprodukt. I alle høve der det er tale om store mengder, blir gassen reinsa vidare og seld som reint klor. Når mengdene er relativt små, men likevel for store til å sleppast ut i rommet eller i lufta, må ein ta bort gassen, da han er svært giftig. Dette gjer ein som regel best ved å la gassen boble gjennom ei løysning av NaOH eller Ca(OH)2 i vatn. 27.3 Eigenskapar og bruk av klor Klor er ein gulgrøn gass med irriterande, stikkande lukt. Gassen er svært giftig. Han løyser seg litt i vatn. 1 volumdel vatn løyser 2,2 volumdelar gass ved 20 °C og 760 mmHg trykk.

139

Ei slik løysning kallar vi klorvatn. Kloret reagerer med vatnet og gir saltsyre og underklorsyrling. Når ei slik løysning står i lyset, spaltar ho seg og gir fritt oksygen, først: og deretter:

Cl2 + H2O = HC1 + HOC1, HOC1 = HC1 + 0.

Denne frigjeringa av oksygen-aZozn meiner vi er grunnen til at klorvatn verkar så kraftig som bleikjemiddel og desinfek­ sjonsmiddel. Gassen reagerer direkte med dei fleste grunnstoffa og gir da klorid. Somme av desse reaksjonane er særs kraftige, t. d. Sb + 3/2Cl2 = SbCl3

Det er verdt å merke seg at tørr klorgass har mye tyngre for å reagere med metall enn våt klorgass. Både klorgass og klorvatn er kraftige oksydasjonsmiddel. Klor er eit stoff som blir meir og meir nytta i teknikken. Mellom dei viktigaste bruksområda nemner vi:

1. organisk kjemisk industri, mellom anna plastframstilling, 2. bleiking av cellulose, 3. framstilling av saltsyre, 4. desinfeksjon av drikkevatn. Klor som skal sendast, blir for det meste komprimert til væske på flasker av stål. Gassen er da tørka så han ikkje tærer på stålet. Til bleiking og desinfeksjon blir det dg selt såkalla «bleikjepulver». Det er Ca(OCl)Cl, klorkalk, som med syre gir fritt klor, og gjennom dette klorvatn. Klor er eit særs godt middel til å drepe bakteriar; det skal lite til for å verne mot vanlege sjukdomsbakteriar. Til reinsing av drikkevatnet i Oslo blir det brukt om lag 0,6 gram flytande klor pr. kubikkmeter vatn. På mindre enn ein time blir det meste av kloret oppbrukt i oksydasjonsprosessar, slik at klormengda kjem ned i 0,15 til 0,20 gram pr. kubikkmeter. Kloret blir tilført gjennom spesielle regulatorar, der prin­ sippet er at ein først set flytande klor til vatnet i eit mindre basseng. Det klorvatnet ein da får, blir så sleppt inn i hovudbassenget. 140

27.4 Klorsambindingar — saltsyre Klor reagerer med dei fleste andre grunnstoffa. Med metalla lagar det som regel sambindingar der det er ei ionebinding mellom Cl_-ion og metallionet. Med ikkje-metalla er det oftast ei kovalent binding. Klor går dg inn i organiske sambindingar i tusental. Som døme kan vi nemne trikloretylen, karbontetraklorid, polyvinylklorid og kloroform. I den uorganiske kjemien er sambindinga med hydrogen den viktigaste:

Hydrogenklorid, HC1, er ein fargelaus gass med irriterande lukt. Gassen løyser seg særs lett i vatn, og løysninga har fått namnet saltsyre.

Fig. 27.3. Framstilling av hydrogenkloridgass etter fordampingsregelen.

Fig. 27.4. Framstilling av kon­ sentrert saltsyre ved at HCl-gass boblar gjennom vatn.

HCl-gassen blir laga: 1. ved direkte reaksjon mellom hydrogen og klorgass:

H2 + Cl2 = 2HC1 2. ved å la konsentrert svovelsyre verke på eit salt av saltsyra. (Jf. fordampingsregelen side 113 og fig. 25.3.)

NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HC1 Saltsyra, som er HCl løyst i vatn, er viktigare enn gassen. Ho er ei av dei sterkaste syrene vi har, og ho er så godt som full­ stendig kløyvd etter likninga:

HCl + H2O = H3O+ + Cl-

141

Ved normalt trykk og normal temperatur løyser det seg ikkje meir enn 38 masseprosent HC1 i vatn. Denne løys­ ninga kallar vi konsentrert saltsyre.

Salta av syra kallar vi klorid. Av dei har vi alt nemnt mange. Dei fleste metalla reagerer med saltsyre, og da får vi eit klorid av vedkommande metall.

T. d.: Zn + 2HC1 = ZnCl2 + H2 Andre metall, som Cu og Ag, løyser seg ikkje (sjå spenningsrekkja). Klorida av desse stoffa får vi ved å la klorgassen reagere med metallet.

Cu + Cl2 == CuCl2 Ei blanding av 3 delar konsentrert HC1 og 1 del konsentrert HNO3 kallar vi kongevatn. Denne blandinga verkar sterkt oksyderande, fordi det lagar seg aktivt klor:

HNO3 + 3HC1 = NOC1 + 2C1 + H2O Nest etter svovelsyra er saltsyra mest brukt av alle syrer. Vi nemner særskilt at syra blir brukt til etsing og beising av metall før galvanisering, emaljering, fornikling o. 1. I magesafta hos menneske og dyr er det saltsyre. Alle klorid inneheld Cl_-ionet. Set vi Ag+-ion til ei kloridløysning, vil det lage seg AgCl, som er uløyseleg i vatn og blir skilt ut som botnfall. Jf. tabell 10.1 side 131 i Kjemi 1. Ag+ + CD = AgCl

På denne måten påviser ein Cl_-ion i analytisk kjemi. Oksosyrer av klor. Av desse syrene har vi fleire: Formel HC1O HC1O2

* Etter dei nye nomenklaturreglane burde dei fire oksosyrene av klor få namna okso(I)klorsyre, okso(III)klorsyre, okso(V)klorsyre og okso(VII)klorsyre. Perklorsyre er eit særleg uheldig namn fordi nemninga persyre berre skal brukast om syrer som inneheld oksygenbru, — O — O —. Saltnamna blir så etter dette okso(I)klorat, okso(III)klorat osb.

142

hcio3 hcio4

* Namn

Oksydasjonstal

U nderklorsyrling Klorsyrling Klorsyre Perklorsyre

+1 +3 +5 +7

Salt Hypokloritt Kloritt Klorat Perklorat

Vi skriv ofte formlane slik: HOC1, HOC1O, HOC1O2, for å vise korleis hydrogenet er bunde til resten. Strukturformelen for HOC1 blir: • •

• •

H : O : Cl :

0

Fig. 27.5. Kulemodell av struktur for klorsyre, HC1O3.

Oksygenatoma blir bundne til kloratomet på ein slik måte at Cl —O-avstanden minkar når talet på O-atom aukar. (Innan same syremolekylet er alle Cl—O-avstandane like.) Det eine oksygenatomet står som bindeledd mellom klor og hydrogen. Syrehydrogenet i oksosyrer er alltid bunde til hovudatomet gjennom eit oksygenatom. Perklorsyra er den mest stabile av desse syrene. Dei andre sy­ rene og salta av dei blir heller lett kløyvde. Vi har t. d. før nemnt:

2KC1O3 = 2KC1 + 3O2

Natriumklorat blir brukt i store mengder som ugrasdrepar. Vadheim Fabrikker i Sogn lagar fleire av desse sambindin­ gane av oksosyrer til klor.

27.5 Brom — Br Førekomst og eigenskapar

Brom finst som bromid i sjøvatn og saltfloer. Brom er ei raudbrun, tung væske. Det blir noko brukt i fargestoffindustrien og til framstilling av bromsambindingar. Stoffet går inn i mange av dei same kjemiske sambindingane som klor. HBr, t. d., er ein gass som løyser seg lett i vatn og gir ei sterk syre. Salta av HBr kallar vi bromid. Sølvbromid, AgBr, er eit gulkvitt stoff som lett blir påverka av lyset, og som derfor blir brukt på fotografisk film. (Sjå side 172.) Prinsippet er her at AgBr blir kløyvd av lyset så ein får metallisk sølv. NaBr blir nytta i medisinen som middel til å roe nervane.

27.6 Jod — I Førekomst og eigenskapar Jod finst som salt i saltfloer, sjøvatn og tang. Mesteparten av jodet får vi frå chilesalpeteren, NaNO3, som inneheld ein god del natriumjodat, NaIO3. Jod er eit gråsvart, fast stoff. Ved oppvarming går det beint over i fiolette dampar, det sublimerer. Stoffet løyser seg lite i vatn, men godt i alkohol og bensin. Når jod kjem saman med stivelse, kjem det fram ein sterk blåfarge, og dette blir nytta til å påvise stivelse. Jod og jodløysningar er kjende for å verke antiseptiske, men dei er så pass giftige at dei kan ikkje brukast inn­ vortes. Vi treng jod for å kunne byggje opp visse hormon i organismen vår. Vantar desse hormona, får vi visse sjukdomar, som struma og kretinisme. Teknisk blir jod noko brukt i fargestoffindustrien og til framstilling av jodsambindingar. AgI blir brukt på same måten som AgBr i film. Sambindingane er svært like brom- og klorsambindingane.

143

Framstilling

Stoffet kan utvinnast ved å setje klorgass til jodid i løysning: 2 Nal + Cl2 = I2 + 2 NaCl

Prinsippet for denne prosessen er at klor er eit kraftigare oksydasjonsmiddel enn jod. (Jf. det periodiske systemet og spenningsrekkja.) 2 I" + Cl2 = I2 + 2 ClKloratomet tek opp eit elektron frå jodidionet. I- blir på den måten oksydert til fritt jod. Tilsvarande blir det om ein leier klor ned i ei bromidløysning:

2 Br- + Cl2 = Br2 + 2 Cl“

Spørsmål og oppgåver

1. Fyll ut likningane (dersom det blir nokon reaksjon):

NaBr + Nal = ? Nal + Cl2 = ? NaCl + Br2 = ? Nal + Br2 = ? NaBr + NaCl + Nal + Cl2 = ? 2. Skriv ionelikningane for reaksjonane: AgNO3 + NaCl = NaNO3 + AgCl CuCl2 + 2AgNO3 = 2AgCl + Cu(NO3)2 2NaI + Cl2 = I2 + 2NaCl

3. a) Kor mange liter klorgass (ved normalvilkår) kan ein teoretisk få når 1 kg brunstein reagerer med saltsyre? b) Drikkevatn blir tilsett 1 kg klorgass pr. 500 tonn vatn. Kor mange kg brunstein må vi ha for å få nok klor til å desinfisere 1000 tonn vatn?

4. Kor mye 100% svovelsyre går det med til å lage 200 kg konsentrert saltsyre, 38%, med tettleiken 1,19 g/cm3? 5. Forklar korleis rekkjefølgja av den oksyderande evna er hos halogena. Forklar dg korfor rekkjefølgja er slik. 6. Kva for ei av hydrogensambindingane til halogena må vi rekne med er mest polar?

7. Kva for ei av oksosyrene til klor må vi vente er den ster­ kaste syra?

144

Vel rett(e) svar

1. Klorgassen er: a) Ein gass utan lukt og smak. b) Ein gass med karakteristisk vond lukt. c) Ein giftig gass med stikkande lukt. d) Ein kvit røykfarga gass utan lukt.

2. Det halogenet som har høgste elektronegativiteten er: a) Cl b) Br c) I d) F 3. Det halogenet som har største atomradien er: a) Cl b) Br c) At d) I

4. Det lægste oksydasjonstalet hos halogena er: a) -5 b) -3 c) -1 d) +1 5. Formelen for klorsyrling (okso(III)klorsyre) er: a) HC1O b) HC1O3 c) HOC12O d) HC1O2

6. Eitt av halogena blir mye brukt i bleikingsprosessar i in­ dustrien. Det er: a) fluor b) brom c) klor d) astat

7. Det halogenet som reagerer lettast med andre grunnstoff, er: a) klor b) fluor c) brom d) jod

8. HCl er ei(n): a) Fargelaus væske. c) Grønfarga væske.

b) Fargelaus gass. d) Gulvoren væske.

Forsøk og demonstrasjonar

1. Syn fram fluss-spat, kryolitt, ymse bergsalt (NaCl, KC1 osb.) og fluss-syre, brom og jod. 2. Voks ei glasplate, skriv på plata, og ets med fluss-syre. 3. Lag klorgass i nokre sylindrar, og vis at gassen bleikjer ein fuktig blomster og reagerer med metall (Fe- og Sb-pulver) og med ekte terpentin på eit papirstykke. 4. Lei klorgass ned i ei bromidløysning og ei jodidløysning. (Sjå oppgåve 1 under spørsmål og oppgåver.) 5. Lag hydrogenkloridgass (sjå fig. 27.3) og saltsyre. 6. Vis korleis saltsyre verkar på nokre vanlege metall. 7. Ta litt jod i eit begerglas, og set på som lokk ein rundkoble med kaldt vatn i. Varm begeret varsamt. Jodet sublimerer. 8. Fell ut AgCl, AgBr og Agl. Vis og forklar korleis lyset ver­ kar på dei. 145

SC^NCÉTSQ^NO

Guldberg-Waage

K= [cf Cf Mk K1

Gassreaksjonar og re aksj onsmekanisme (kinetikk). Gassabsorpsjon og gassanalyse 28.1 Jamvekter I eit kapittel lenger framme (kap. 8) har vi drøfta dei grunn­ leggjande lovene for kjemiske jamvekter. Det var GuldbergWaages lov og Le Chateliers prinsipp. La oss repetere det prak­ tiske resultatet av desse lovene med nokre døme. Gitt er jam­ vekta:

2A + B^±3C + 2D + 15 kj Guldberg-Waages lov seier: Vi kan forskyve jamvekta mot høgre om vi aukar konsentrasjonane av A eller B. Vi kan for­ skyve ho mot venstre om vi aukar konsentrasjonane av C eller D Jamvektskonstanten K —

[C]3 • [D]2 [A]2-[B]

Le Chateliers prinsipp seier at jamvekta vil setje seg imot all ytre endring i trykk eller temperatur. I dette tilfellet er reak­ sjonen eksoterm. Om vi derfor aukar temperaturen, vil reaksjonen prøve å setje seg imot dette ved å forskyve seg mot venstre side. (Da vil det gå med varme.) Når det gjeld endringar i trykket, kan vi finne ut kva veg forskyvinga går, ved å sjå på kor mange mol som reagerer, og kor mange mol som blir laga. Av jamvekta ser vi at på venstre sida har vi 2 mol A + 1 mol B = 3 mol totalt. På høgre sida har vi 3 mol C + 2 mol D = 5 mol totalt. Når reaksjonen går frå venstre mot høgre, blir det med an­ dre ord ei volumutviding.

146

Aukar vi da på ein eller annan måte kunstig trykket i jamvektsrommet, prøver jamvekta å unngå dette presset ved å forskyve seg til den sida som gir avlasting for trykket. Det vil seie at ho forskyv seg mot mindre volum — mot venstre. Ved tilsvarande resonnement finn vi at om vi i dette tilfellet minka trykket, så blei resultatet ei forskyving mot høgre.

28.2 Reknedøme I dei døma vi har å gjere med, går vi alltid ut frå at reaksjonen går for seg i eit lukka kar. Vi tenkjer oss eit attsmelta glasrøyr i laboratoriet eller ei tett reaksjonsgryte i industrien. Oppgåve 1: Vi har gass-jamvekta: 2 HI H2 + I2. Ein har funne at ved ein viss temperatur er 20 molprosent av HI kløyvd i H2 -f- I2. Vi tenkjer oss no at vi tek eit kar som røm­ mer ein liter, fører inn i det 1 mol reint HI, lukkar karet tett, varmar opp til den temperaturen vi skal ha, og lét det stå til vi har fått jamvekt. Kor mange mol av kvar komponent er det da i karet? Løysing: 20% (molprosent) er kløyvd. 20% av eit mol HI — 0,2 mol HI. Det er da att 1 —0,2 = 0,8 mol HI som ikkje er kløyvd. Likninga seier at 2 mol HI gir 1 mol H2 + 1 mol I2. Derfor gir 0,2 mol HI 0,1 mol H2 og 0,1 mol I2. Når gassane har komme i jamvekt, har vi i karet:

0,8 mol HI, 0,1 mol H2 og 0,1 mol I2 Tilleggsoppgåve: Rekn ut jamvektskonstanten i den siste oppgåva.

Løysing: K _ [H2] • [I2] _ 0,1 -0,1 _ 0,01 _ 1 [HI]2 (0,8)2 0,64 64 Oppgåve 2: Vi har jamvekta CO + Cl2 COC12 i eit 5liters reaksjonskar. Ved analysar blei det funne at det er til stades 1,5 mol CO, 1,0 mol Cl2 og 4 mol COC12. Rekn ut jam­ vektskonstanten under desse tilhøva. Løysing: Vi må ha tak i konsentrasjonane i mol pr. liter av reaksjonsstoffa, og vi set desse tala inn i uttrykket for K.

[COC12] U/ [CO] • [Cl2]~/ 1,5\ /l,o \ \ 5 y \ 5 j

147

Oppgåve 3: Ved ca. 500 °C har vi for jamvekta H2 + I2

2HI

jamvektskonstanten K = 46,0.

Vi fører inn 1 mol H2 og 1 mol I2 i eit lukka kar på 1 liter ved ein temperatur på 500 °C. Kva vil sluttkonsentrasjonane av dei tre stoffa bli når reaksjonen er kommen i jamvekt? Løysing: Vi ser av likninga at det hydrogenjodidet som skal lage seg i karet, må komme frå dei to stoffa H2 og I2. Det skjer på den måten at for kvart mol — eller kvar brøkdel av mol — av H2 som går over til høgre, går det samstundes like mange mol av I2 over til høgre. På høgre sida får vi da nøyak­ tig dobbelt så mange mol av HI som vi misser av kvart av stoffa H2 og I2 på venstre sida. Seier vi det er n mol av kvart av desse stoffa som går over til høgre, kan vi setje opp denne standardoppstillinga for slike oppgåver: Vi får etter jamvekt: [H2] = (1,0 —ri) mol/liter [I2] =(l,0-n) —«— [HI] = (2n) mol/liter

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

Da volumet av karet skulle vere akkurat 1 liter, slepp vi å rekne om til mol/liter, og vi kan setje opp:

r ,fi n [HI]» A - 40,0 - [Hj . [ij

(2»)» (1 _„)(!-„)

(2n? (1

_„)2

Dreg vi ut kvadratrota på begge sidene av likningsteiknet, får vi:

6,78 =

1 —n

5 6,78 - 6,78 • n = 2 • n

Det gir: 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 Oppgåve 4: Ved ein viss temperatur har vi jamvekta:

SO2 + NO2

SO3 + NO

Ved analyse har ein funne: 0,6 mol SO3, 0,4 mol NO, 0,8 mol SO2 og 0,1 mol NO2. Karet rommar 1 liter. 148

No sprøyter vi inn i karet, gjennom ein ventil av eitkvart slag, 1 mol NO-gass. Volum og temperatur blir haldne kon­ stante. Rekn ut kor mange mol vi har av kvart stoff etter at reak­ sjonen på ny er kommen i jamvekt. Løysing: Vi reknar først ut jamvektskonstanten. Han blir den same også etter at NO-gassen er sprøytt inn.

= [SO,][NO] _ 0,6 ■ 0,4 _ [SO2][NOJ “ 6,8 • 0,1 ~ i’V

Når vi ved å sprøyte inn NO aukar konsentrasjonen av eitt av stoffa på høgre sida i jamvekta, så forskyv jamvekta seg over til venstre etter Guldberg-Waages lov. Vi ser av likninga at det blir laga like mange brøkdelar av mol av kvart av dei to stoffa på venstresida som vi misser i brøkdelar av mol av kvart av stoffa på høgresida. Seier vi at kvart av stoffa SO2 og NO2 får n mol i tillegg, så har vi etter innsprøytinga: [SO2] = (0,8 + n) mol/liter [NO2] = (0,1 + n) -«[SO3] = (0,6 — ri) — « —

For stoffet NO har vi i den augneblinken eitt mol NO er sprøytt inn: (0,4 4- 1,0) mol =1,4 mol. Frå denne mengda går det så n mol over til venstre, slik at det blir att: [NO] = (1,4 —ri) mol/liter Set vi inn dei nye tala i jamvektsuttrykket vårt og reknar K — 3, får vi:

(0,6 — ri) • (1,4 — ri) = (0,8 + n) • (0,1 + ri) ‘ Dette gir: ” = 0,12 Set vi dette inn i uttrykka våre for konsentrasjonane av dei einskilde stoffa, får vi:

[SO3] = 0,48 mol/liter, [NO] = 1,28 mol/liter, [SO2] = 0,92 mol/liter og [NO2] = 0,22 mol/liter. Oppgåve 5: Ammoniumhydrogensulfid, NH4HS, dissosierer termisk etter likninga:

NH4HS(f)

NH3(g) + H2S(g)

I eit lukka kar med litt NH4HS har det komme i stand ei jam­ vekt ved 25 °G, og totaltrykket i karet blir målt til 0,660 atm. Rekn ut Kp.

149

Løysing:

Totaltrykk =

^nh4hs

4“ /'nh,

+ /'h.s

No er NH4HS eit fast stoff, og damptrykket av stoffet er svært lite i høve til trykket av dei to gassane. Vi ser derfor bort frå />nh4hs og skriv: P total = />NH, + Rs = 0>660 atm

Av jamvektslikninga ser vi at M = ?h,s = i • 0,660 = 0,330 ÆP for denne heterogene jamvekta blir da:

Kp = Pnh, ' /'h.s Kp = (0,330)2 = 0,109

28.3 Reaksjonsfart

I avsnittet 8.1 førte vi inn omgrepet reaksjonsfart som eit mål for kor mange mol av eit stoff som blir laga pr. tidseining og pr. volumeining i ein reaksjon. Vi veit at reaksjonsfarten for dei ymse reaksjonane varierer innafor vide grenser. Om vi held oss til ein bestemt reaksjon, kan dg reaksjonsfarten vari­ ere, og variasjonen er avhengig av desse faktorane: 1. Eigenskapane hos dei reagerande stoffa (atomstorleik, molekylstorleik, metalliske, ikkje-metalliske etc.). 2. Temperaturen. Når ein aukar temperaturen, kjem mo­ lekyla i sterkare rørsle, og dermed blir det større sjansar for å få reaksjon. Som ein grov regel for praktisk kjemisk arbeid seier vi at reaksjonsfarten blir dobla eller tredobla for kvar 10 °C vi aukar temperaturen. Dei einaste reaksjonane der temperaturen ikkje ser ut til å ha noko å seie, er dei radioaktive prosessane. 3. Katalysatorar. At det er visse andre stoff til stades enn dei som sjølve er beinveges med i reaksjonen, aukar i mange høve reaksjonsfarten. (Vi kan i somme høve ha bruk for stoff som set ned reaksjonsfarten. Dei kan vi kalle inhibitorar.') 4. Konsentrasjon/trykk. Auka konsentrasjon av dei rea­ gerande stoffa aukar reaksjonsfarten. Denne er etter Guldberg-Waages lov proporsjonal med produktet av konsentrasjonane av dei reagerande stoffa. (Trykkauke tyder dg fleire mol pr. liter.)

150

28.4 Reaksjonsmekanisme

Fig. 28.1. Eksoterm reaksjon: For at dei to molekyla A2 og B2 skal kunne reagere med kvarandre, må dei oppnå ein potensiell energi lik aktiviseringsenergien (toppen av kurva). Når dei har nådd denne, er det laga eit usta­ bilt, aktivt mellomledd A2B2. Dette deler seg att, og dermed fell den potensielle energien for sum­ men av dei to nye molekyla AB —AB ned på nivå III. Dif­ ferensen mellom nivå I og III svarar til den energien som blir avgitt ved den eksoterme reak­ sjonen. Den raude kurva viser korleis aktiveringsenergiane blir lægre når vi bruker ein god kata­ lysator.

Ved ein kjemisk reaksjon er det naudsynt at dei reagerande stoffa kjem i svært nær kontakt med kvarandre. Om vi tenkjer oss to molekyl Å2 og B2 som skal reagere med kvarandre, så må dei støyte kraftig i hop for at vi skal få laga eit nytt stoff AB. I og med at atoma og molekyla har ei sky av negative elektron rundt seg, vil to slike partiklar til vanleg støyte kvar­

andre bort. (Negativ ladning støyter bort negativ.) For at dei skal kunne komme i så intim kontakt at dei kan bli hang­ ande saman i ei binding, må dei kollidere med ein viss fart. For å seie det på ein annan måte: Dei reagerande partiklane må ha ein viss energi for å kunne reagere. Denne energien kallar vi aktiver ingsenergien. Skjematisk kan vi tenkje oss dette slik det er teikna på figur 28.1. Dei to partiklane A2 og B2 har før kollisjonen ein viss potensiell energi som til saman er markert ved nivået I. Ved ein kraftig kollisjon blir noko av rørsleenergien (kinetisk energi) overført til potensiell energi

Fig. 28.2. Endoterm reaksjon : Dette er det motsette av prosessen på fig. 28.1. Dei to molekyla AB-fAB har vi på energinivå I. Ved kollisjon på den rette måten aukar energien deira slik at dei når aktiveringsnivået II. Den ustabile sambindinga deler seg, og reaksjonsprodukta hamnar nede på nivå III. Men dette nivået er likevel høgre enn det vi gjekk ut frå. Derfor blir det ikkje frigjort nokon energi. Tvert imot, reaksjonsprodukta har større po­ tensiell energi enn startprodukta. Vi får ein endoterm reaksjon.

151

hos dei to partiklane, slik at dei når opp til aktiveringsenergien ved nivået II. Den sambindinga som vi har fått her, kan vi skrive som A2B2. Det er ei ustabil sambinding — eit aktivt mellomledd — som straks kløyver seg til reaksjonsprodukta AB + AB. Den potensielle energien for summen av AB + AB ligg på figuren på nivået III. Dersom dette nivået er lægre enn det vi starta på (I), slik det er teikna på figuren, tyder det at den potensielle energien hos reaksjonsprodukta er lægre enn han er hos reaktantane. Differensen, AE, må da gå ut til rommet omkring som varme. Vi har med andre ord ein eksoterm reaksjon. Les vi teikninga den andre vegen, får vi eit døme på ein endoterm reaksjon (figur 28.2). Her startar vi da med to molekyl AB + AB med potensiell energi på nivå I. For at dei skal kunne reagere, må dei nå opp i aktiveringsenergien (nivå II). Når denne er nådd, går reaksjonen, og vi får dei to molekyla A2 + B2, med energi på nivå III. Vi ser at nivå III er høgre enn nivået vi starta på (I). Også denne reaksjonen krev ein energi, aktiveringsenergi, for å kunne komme i stand, men energidifferensen AE blir her bunden i reaksjonsprodukta (endoterm reaksjon). Innverknaden av temperaturen på reaksjonsfarten heng berre del­ vis saman med at høgre temperatur gir kvar einskild partikkel større fart og dermed større kinetisk energi. Som vi ser av fi-

Fig. 28.3. Når to molekyl, A2 og B2, kolliderer på ein bestemt måte, kjem det i stand ein reaksjon. Vi må og rekne med at ein større partikkelfart gir sjanse til fleire kollisjonar pr. tidseining. Dermed aukar og reaksjonsfarten når tem­ peraturen aukar.

Fig. 28.4. Molekyla A2 og B2 kan og kollidere på ein måte som ikkje fører til nokon kjemisk re­ aksjon mellom dei. Molekyla blir berre slegne frå kvarandre ved støyten.

152

guren, er det ved gassreaksjonar ikkje nok at molekyla kol­ liderer tilfeldig. Dei må ha ein viss energi som er lik akti­ veringsenergien, og dei må truleg dg kollidere på ein bestemt måte for at det skal bli nokon reaksjon. Er kollisjonane for ulaglege, resulterer dei ikkje i nokon prosess. Skjer dei på ein bestemt måte, får vi reaksjon. Figurane 28.3 og 28.4 illustrerer dette skjematisk. 28.5 Litt om gassanalyse og gassabsorpsjon Da vi dreiv og framstilte hydrogen og oksygen, såg vi korleis gassane bobla gjennom vatn opp i eit målekar. Dei to gassane blir svært lite absorberte i vatn, så vi misser ikkje så mye at det har noko å seie ved slike forsøk. Andre gonger er vi kanskje tvert imot interesserte i å få ein gass absorbert for å få han bort eller for å få han målt. Under forsøket med å framstille gassane NO og NO2 såg vi at den brune NO2-gassen blei ab­ sorbert i vatnet i oppsamlingskaret, medan den klare NOgassen gjekk igjennom.

Det sier seg sjølv at gassane løyser seg betre i vatn dess lægre temperaturen er. Varmar vi opp vatnet, kan vi drive gassen heilt ut att. Gass som kjem opp frå skorsteinane i mange fabrikkanlegg, kan vere skadelege for vegetasjonen og for folk og dyr ikring. I mange tilfelle har derfor fabrikkane måtta «reinse» røyk­ gassen ved å absorbere dei farlege stoffa i han. Sjølve «røyken» i gassen er støv og uforbrende faste partiklar som blir sopte med. Desse kan vi filtrere bort ved å la røyken gå gjennom eit filter av høveleg tett materiale, til dømes finfordelt trekol (absorpsjonskol). Dei fleste gassane løyser seg litt i vatn, og mange av dei skadelege gassane løyser seg nokså mye. Å leie giftig røykgass gjennom vatn vil alltid hjelpe noko. Somme gassar løyser seg kanskje berre opp i vatnet (eller ei anna absorpsjonsvæske), medan andre reagerer med det. I begge tilfelle talar vi om gassabsorpsjon. Tek vi som døme ein røykgass som inneheld einskildgassane CO2, CO, N2, H2O (damp) og SO2, så kan det tenkjast at SO2-innhaldet er så stort at vi må få bort gassen. Korleis kan det gjerast teoretisk? Vi kunne da leie gassane gjennom vatn — vaske dei i vatn — og helst dg setje noko NaOH til vatnet. Da ville vi få denne reaksjonen: SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O 11. Salveson: Kjemi 2, nyn.

153

Stoffet Na2SO3 blir oppløyst i vaskevatnet, og på den måten kjem det ikkje SO2 opp i skorsteinen. CO2-gassen løyser seg dg noko i vatn, men dersom vatnet inneheld NaOH, blir CO2 bunde som HCO3~ og CO3__. Gassane CO og N2 blir ikkje stansa av vaskevatnet.

Fig. 28.5. Ei Hempel-byrette kopla saman med ein Hempelpipette (kuleforma) som er fylt med absorpsjonsvæske for ein be­ stemt gass.

Analyse av gassblandingar, t. d. røykgass, gjer ein med spesielle graderte målerøyr, såkalla Hempel-byretter. Absorpsjonsvæskene som skal brukast, fyller ein i spesielle absorpsjonspipettar. Det finst dg ymse ferdiglaga apparat der dei mest vanlege absorpsjonspipettane med innhald er plasserte etter kvarandre i rett rekkjefølgje. Ein vanleg type blir kalla Orsat-apparat, etter oppfinnaren. Prinsippet ved gassanalysar er at ein måler av eit visst volum røykgass — la oss seie 100 ml — i eit bestemt målekar (normalt trykk og romtemperatur). Desse 100 ml lét ein så passere gjennom dei ulike absorpsjonsmidla i ei bestemt rekkjefølgje. For kvar gong ein gass i blandinga blir absorbert, minkar volumet av gassblandinga tilsvarande. Dermed veit ein mengda av den absorberte gassen.

154

Fig. 28.6. Orsat-gassanalyseapparat. Her er fleire absorpsjonspipettar kopla saman slik at dei kan brukast etter tur. Den gra­ derte målebyretta viser volumet som er att for kvar gong.

Ein forbrenningsgass må bli analysert i dei einskilde kom­ ponentane i ei heilt bestemt rekkjefølgje: Først absorberer ein CO2, så umetta hydrokarbon, så oksygen og deretter CO. Til slutt finn ein eventuelt innhald av hydrogen og metan ved forbrenning og etterfølgjande absorpsjon. Døme: Vi startar med 100 ml forbrenningsgass frå ein bil­ motor. Vi leier gassen inn i pipetten med ca. 50% KOH, og her blir alt CO2 absorbert. Vi får att eit gassvolum som vi måler til 62,0 ml. Det vil seie at 38% av blandinga var CO2gass. Deretter fører vi restgassen inn i pipetten med rykande svovelsyre. Her blir fleire gassar absorberte, t. d. eten, acety­ len, benzen, og også tyngre hydrokarbon, restar frå olje etc. Vi fører så gassen over i målesylinderen og finn no eit gass­ volum på 60,0 ml. Det vil seie at innhaldet av desse hydro­ karbona var 2,0 %. Deretter fører vi gassen inn i pipetten med alkalisk pyrogallol (sjå tabell 28.1). Etter ei stund tek vi gassen tilbake til målesylinderen, og vi måler 55 ml. Det vil seie at 5% av gassen var oksygen. Til slutt fører vi gassen inn i pipetten med ammoniakalsk CuCl (NB: 1-verdig Cu), og her blir CO absorbert. Når vi etterpå måler gassvolumet i sylinderen, ser vi at det har minka til 40,0 ml. Det vil seie at CO-innhaldet var 15%. Det som 155

da er att av forbrenningsgassen, er for det meste N2 frå lufta som har blitt brukt ved forbrenninga. (Det kan dg vere noko CH4 og/eller H2, men å måle desse gassane er vanskelegare.) Resultat: Eksosgassen inneheldt: 38,0% CO2, 2,0% CnHm (hydrokarbon), 5% O2, 15% CO og restgass (mest N2) 40%. Alt er rekna som volumprosent. Analysen viser at i dette tilfellet var forbrenninga i motoren svært ufullstendig, da CO-innhaldet er altfor høgt. Men slik er det dessverre med mange bilar; forbrenninga er dårleg, og dess farlegare er eksosgassen. Tabell 28.1. Vanlege absorpsjonsmiddel for nokre gassar. Gass CO2...................................... CO....................................... nh3......................... Cla ....................................... O2 ...................................... H2O-damp ........................

Absorpsjonsmiddel

KOH + H2O eller Ca(OH)2 + H2O Ammoniakalsk CuCl (NB: 1-verdig Cu) Vatn eller tynn syre Na2S2O3 + H2O Alkalisk pyrogallol (C8H3(OH)3 + KOH) For mindre mengder: konst. H2SO4 eller p2o5

Tunge hydrokarbon, t. d. restar av bensindamp, olje osb......................... Blir øydelagde og absorberte i rykande H2SO4 (H2SO4 + SO3)

Spørsmål og oppgåver

1. Skriv jamvektskonstantane for desse reaksjonane: a) N2O4 2NO2 b) 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O (damp) c) P4(gass) + 6H2^±4PH3 d) CO2 + H2 CO + H2O - 42 kj (10 kcal) 2. Gjer greie for korleis trykk- og temperaturauke og trykkog temperaturmink kvar for seg verkar på jamvekta: CO2 + H2 CO + H2O - 42 kj

3. Kva meiner vi med uttrykket reaksjonsfart? 4. Forklar omgrepet aktiveringsenergi for ein enkel reaksjon mellom to molekyl. Lag ei skisse som viser aktiverings­ energien i relasjon til den potensielle energien molekyla har før og etter reaksjonen. 5. Karbondioksyd og hydrogengass reagerer med kvarandre ved høg temperatur slik at det blir ei jamvekt. Skriv jamvektsreaksjonen. Rekn deretter ut jamvektskonstanten på 156

grunnlag av desse data: Ein fører ei blanding av 5 gram karbondioksyd og 0,2 gram hydrogengass inn i eit tomt kar, stengjer karet og varmar opp til 725 °C. Etter ei stund kjem stoffa i jamvekt, og ein analyse viser da at det er 28 volumprosent karbonmonoksyd i reaksjonskaret.

6. Oksygen og ozon er i jamvekt med kvarandre slik: 2O3

3O2 + 285 kj

Finn ut av dette om ozon er stabilt ved høg eller låg tem­ peratur.

7. Ved om lag 1000 °C har jamvekta H2 + CO2 H2O + CO K — 1,6. Vi har eit reaksjonskammer på 10 liter, og når det er tomt og kaldt, fører vi inn desse gassane: 4 mol CO, 2 mol CO2, 1 mol H2 og 2 mol H2O. Rekn ut mengda av kvart av desse stoffa etter at dei er komne i jamvekt ved 1000 °C.

Vel rett(e) svar

1. Med reaksjonsfart meiner ein: a) Den tida det tek før reaksjonen kjem i gang. b) Tida frå vi tek til å varme opp, til reaksjonen atter har romtemperatur. c) Kor mange mol av eit stoff som blir laga pr. sekund. d) Den tida det tek for å få laga eit gram stoff. 2. Ein endoterm prosess er: a) Ein prosess utan klart endepunkt. b) Ein prosess som bind varme. c) Ein prosess som utviklar varme. d) Ein prosess som aldri tek slutt. 3. Med aktiveringsenergi meiner ein: a) Den energien som dei reagerande molekyla må ha for å kunne reagere. b) Den energien som gjer at ein liter blanding blir aktiv. c) Den energien som molekyla får ved 100 °C. d) Partikkelenergien utan tilsetjing av katalysator.

4. For reaksjonen 2 A + B —> C kan reaksjonsfarten v skri­ vast slik: a) v = k • [A]2 • [B] b) v = Å[A] • [B] c) v = *[A]«

d) v =

157

5. Ved ca. 400 °C er jamvektskonstanten for reaksjonen H2 + I2

2HI

lik 50,0. Om vi fører 4 mol H2-gass og 4 mol I2-gass inn i eit lukka rom ved 400 °C og lét stoffa komme i jamvekt, får vi: a) Meir HI enn H2 (og I2). b) Mindre HI enn I2 (og H2). c) Berre H2 og I2. d) Berre HI. "

Forsøk og demonstrasjonar

1. Gjer nokre forsøk som viser absorpsjon av gassar i vatn. Prøv til dømes på den enkle måten at du tek eit visst volum av gassen i ei Hempel-byrette og leier han inn i ein absorpsjonspipette med vatn eit par gonger. Mål deretter volumet. Prøv gassane H2, O2, CO2 og om mogleg NO og NO2. 2. Gjer ein enkel gassanalyse av forbrenningsgassen frå ein motor (bil), anten i eit Orsat-apparat eller i ein Hempelapparatur. Prøva tek ein ut ved at ein fyller ein gassmålepipette (eit kar på ca. 300 ml som har uttaksrøyr med glashane i begge endane) med vatn (ofte bruker ein salt­ vatn med litt indikator i). Ved å kople ein stutt gummislange med ei lita trekt i eine enden til den eine av glashanane, får ein pipetten fylt med forbrenningsgass frå eksosrøyret når ein opnar den andre glashanen og lét vatnet renne sakte ut. Prøva tek ein deretter til laboratoriet og måler nøye ut 100 ml til kvar analyse. Mål CO2, O2 og CO og restgassen.

3. Gjer demonstrasjonen i kapittel 8 om att og drøft pro­ sessen 2 NO N2O4 + energi. N2O4 har eit kokepunkt på om lag 26 °C, men jamvel ved denne temperaturen er stoffet i jamvekt med den brune NO2-gassen.

158

Mr> Ni

Sidegruppene

u Cr

W

T| grupper Side- ____ R Os| '-^Tungmetall

* Til vanleg reknar vi likevel Cu, Ag og Au med til sidegruppene, mellom annan fordi dei lagar ion som ikkje har heilt fylte tf-orbitalar. Døme er Cu2+ (som har 3