Kjemi for teknisk fagskole [2 ed.] 8256233818 [PDF]

Zitiervorschau

BOKMÅL

t^NKI Forlaget

© NKI Forlaget, 1995

1. utgave 1. opplag 1990 2. opplag 1990 3. opplag 1992 4. opplag 1993 2. utgave 1. opplag 1996 Utgiver: NKI Forlaget, Hans Burums vei 30, Postboks 111, 1341 Bekkestua Tlf.: Sentralbord: 67 58 88 00 Ordrekontor: 67 58 89 00 Telefaks: 67 58 19 02

Illustrasjoner: Bjørn Norheim Språklig tilrettelegging: Trond Eidnes Sats: Tåsen Fotosats AS, Eidnes og Holen Printed in Norway by Follo Grafisk as Godkjent til bruk i den videregående skolen av Nasjonalt læremiddelsenter 28.6.95. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan i kjemi av august 1988.

Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. ISBN 82-562-3381-8

Forord Til 1. utgave Denne boka er beregnet på totimersfaget i kjemi på den tekniske fagskolen. Boka er godkjent etter fagplanen av 1988.

Boka dekker alt kjernestoffet og et bredt utvalg av tilvalgsstoff. Tilvalgsstoffet er merket med (T). Noe av tilvalgsstoffet er behandlet overfladisk, andre deler mer utdypende. Plast og komposittmaterialer har fått et eget kapittel, det samme gjelder radioaktivitet og kjerneenergi. I kapitlet om miljøkjemi er forurensnings­ problematikken gjennomgått nokså detaljert.

Det er lagt vekt på å gi boka en pedagogisk utforming og et lett språk, slik at studenter ved fagskolen kan tilegne seg stoffet på egen hånd, uten særlige for­ kunnskaper. Som et ledd i dette har hvert kapittel egen målformulering, opp­ summering og et rikt utvalg av eksempler og øvingsoppgaver. Bak i boka fins et kapittel med forslag til demonstrasjoner og andre aktiviteter.

Trondheim og Gjovik, mars 1990

Odd Lauritzen

Britt Rystad

Til 2. utgave I denne utgaven er det skrevet et ekstra kapittel om kjemiske stoffer i hverdagen. Antallet øvingsoppgaver til hvert kapittel er vesentlig økt, og i noen av kapitlene er det foreslått emner til prosjektoppgaver.

Bakerst i boka fins blandete repetisjonsoppgaver som er ordnet i tre grupper: oppgaver til kapitlene 1-5, til kapitlene 6-9 og til kapitlene 10-14. Disse oppgavene egner seg godt ved repetisjon før prøver. Boka har gjennomgått så pass mange endringer at den gamle utgaven ikke bør brukes sammen med den nye.

Trondheim og Gjøvik, mars 1995

Odd Lauritzen

Britt Bystad

Innhold Innledning 9 Hva er kjemi? Hvorfor lærekjemi? .............................................................. 9 Kort historikk ............................................................................... 10 Atomenes oppbygning.Atomstruktur...................................................... 1.1 Grunnstoffer ....................................................................................... 1.2 Elementærpartikler ............................................................................. 1.3 Isotoper ............................................................................................... 1.4 Størrelsesforholdi atomet ................................................................... 1.5 Atommasse ......................................................................................... 1.6 Periodesystemet .................................................................................. Oppsummering ............................................................................................ Øvingsoppgaver ..........................................................................................

11 12 13 15 16 17 17 22 22

2 Oversikt over grunnstoffene. Kjemisk binding. Navnsetting 2.1 Fordelingen av de vanligste grunnstoffene i jordskorpa ................ 2.2 Kjemiske bindinger ............................................................................. 2.3 lonebinding ......................................................................................... 2.4 Kovalent binding ............................................................................... 2.5 Polar kovalent binding ....................................................................... 2.6 Metallbinding ..................................................................................... 2.7 Navnsetting (nomenklatur) ............................................................... Oppsummering ............................................................................................ Øvingsoppgaver ..........................................................................................

23 24 26 28 33 35 36 37 41 42

1

3 Reaksjonslikninger.Støkiometri .............................................................. 3.1 Balansering av reaksjonslikninger ...................................................... 3.2 Formelmasse ........................................................................................ 3.3 Molbegrepet .......................................................................................... 3.4 Molmasse .............................................................................................. 3.5 Enkle regneeksempler med molbegrepet .......................................... 3.6 Støkiometriske beregninger ................................................................ Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver ..........................................................................................

43 44 47 48 49 50 53 55 56

4 Radioaktivitet.Kjerneenergi (T) ............................................................... 4.1 Innledning ............................................................................................ 4.2 Fisjon og fusjon .................................................................................. 4.3 Radioaktivitet ...................................................................................... 4.4 Balansering av kjernereaksjoner ........................................................ 4.5 Måling av radioaktiv stråling ............................................................ 4.6 Halveringstid ........................................................................................ 4.7 Kjerneenergi.......................................................................................... 4.8 Skadevirkninger av stråling ................................................................ Oppsummering ......................................................................................... Øvingsoppgaver .........................................................................................

57 58 58 58 59 61 62 64 67 68 69

5 Aggregattilstandene. Gasslovene (T) .................................................... 5.1 Aggregattilstandene ............................................................................ 5.2 Damptrykk. Koking ............................................................................ 5.3 Partialtrykk. Daltons lov .................................................................... 5.4 Tilstandslikningen ................................................................................ 5.5 Avogadros lov ...................................................................................... 5.6 Kritisk trykk og temperatur .............................................................. Oppsummering ............................................................................................ Øvingsoppgaver ..........................................................................................

71 72 73 74 74 76 76 77 77

6 Løsninger .................................................................................................... 6.1 Ulike typer løsninger .......................................................................... 6.2 Løselighet .............................................................................................. 6.3 Elektrolytter ........................................................................................ 6.4 Konsentrasjon av løsninger ................................................................ Oppsummering ............................................................................................ Øvingsoppgaver ..........................................................................................

79 80 80 82 82 87 88

7 Reaksjonslære ............................................................................................ 7.1 Kjemisk reaksjonsenergi ...................................................................... 7.2 Kjemisk likevekt (T) ............................................................................ 7.3 Katalysatorer og inhibitorer................................................................ 7.4 Oksidasjon og reduksjon .................................................................... Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver ........................................................................................

89 90 90 93 94 100 101

8 Syrer og baser .......................................................................................... 8.1 Syrer ................................................................................................... 8.2 Baser ................................................................................................... 8.3 Nøytralisering ................................................................................... 8.4 pH. Surhetsgrad................................................................................. 8.5 Sur nedbør ......................................................................................... Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver ........................................................................................

103 104 105 107 108 111 113 113

9 Elektrokjemi og korrosjon .................................................................... 9.1 Innledning ......................................................................................... 9.2 Elektrolyse ......................................................................................... 9.3 Spenningsrekka ................................................................................. 9.4 Galvaniske celler ............................................................................... 9.5 Korrosjon og korrosjonsvern ......................................................... Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver ........................................................................................

115 116 116 119 123 126 132 133

10 Uorganisk kjemi (T)................................................................................ 10.1 Universet og jorda.......................................................................... 10.2 Hydrogen ........................................................................................ 10.3 Oksygen .......................................................................................... 10.4 Nitrogen .......................................................................................... 10.5 Karbon ............................................................................................ 10.6 Silisium ............................................................................................ 10.7 Keramer, ildfast stein og sement .................................................. 10.8 Metallfremstilling ......................................................................... 10.9 Jern og stål..................................................................................... 10.10 Aluminium ...................................................................................... 10.11 Kopper, sølv og gull ...................................................................... 10.12 Magnesium og kalsium .................................................................. Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver ..........................................................................................

135 136 136 138 139 141 144 147 148 150 152 154 155 157 158

11 Organisk kjemi (T)................................................................................... 11.1 Innledning......................................................................................... 11.2 Hydrokarboner................................................................................. 11.3 Alkoholer ......................................................................................... 11.4 Organiske syrer ............................................................................... 11.5 Fett og såpe ..................................................................................... 11.6 Karbohydrater ................................................................................. 11.7 Proteiner........................................................................................... 11.8 Lim, lakk og maling ....................................................................... Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver..........................................................................................

159 160 161 170 171 172 174 175 176 176 177

og komposittmaterialer (T) ........................................................ Innledning ....................................................................................... Plastens oppbygning og egenskaper............................................... Tilsatsstoffer.....................................................................................

179 180 180 182

12 Plast 12.1 12.2 12.3

12.4 Bearbeiding ...................................................................................... 12.5 Eksempler på plasttyper .................................................................. 12.6 Komposittmaterialer ........................................................................ Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver..........................................................................................

183 183 185 188 189

13 Miljøkjemi 13.1 Innledning.......................................................................................... 13.2 Nasjonalt og internasjonaltsamarbeid ........................................... 13.3 Forurensning av luft ........................................................................ 13.4 Forurensning av vann ...................................................................... 13.5 Skadevirkninger av forurensningene .............................................. 13.6 Spesialavfall ...................................................................................... 13.7 Rensing av vann og luft .................................................................. Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver..........................................................................................

*91 192 192 193 196 198 203 204 206 207

14 Helsefarlige og brannfarlige stoffer 14.1 Innledning ........................................................................................ 14.2 Merking av helsefarlige ogbrannfarlige stoffer ............................. 14.3 Helsefarlige stoffer .......................................................................... 14.4 Administrative normer .................................................................... 14.5 Brannfare .......................................................................................... 14.6 Eksplosjonsfare ................................................................................ Oppsummering .......................................................................................... Øvingsoppgaver..........................................................................................

209 210 210 212 215 216 217 218 218

15 Kjemiske stoffer i hverdagen vår (T) 15.1 Innledning ........................................................................................ 15.2 Helseskadelige stoffer frabyggematerialer ..................................... 15.3 Skader på betong.............................................................................. 15.4 Sprengstoff........................................................................................ 15.5 Kjemiske batterier ............................................................................ 15.6 Noen farlige miljøgifter.................................................................... 15.7 Medisiner og narkotika .................................................................. 15.8 Kjemiske stridsmidler ...................................................................... Øvingsoppgaver ........................................................................................

219 220 220 221 223 224 225 227 228 229

Fasit til øvingsoppgavene

230

Repetisjonsoppgaver

234

Fasit til repetisjonsoppgavene

241

Forslag til aktiviteter i kjemiundervisningen

245

Stikkordregister

249

Innledning Hva er kjemi? Hvorfor lære kjemi? Du sitter nå med læreboka i kjemi foran deg, og kanskje spør du: Hva er kjemi? Hvilken nytte kan jeg ha av å lære kjemi?

Det første spørsmålet er det naturlig å svare på ved å gi en definisjon av kjemi.

Kjemi er vitenskapen om hvordan stoffene er bygd opp, deres egenskaper og innbyrdes reaksjoner.

Gir denne definisjonen et klart bilde av hva kjemifaget dreier seg om? Kanskje ikke. I sin ytterste konsekvens sier definisjonen at kjemi er altomfattende. Det er på sett og vis riktig, fordi nesten alle fagområder grenser til eller overlapper kjemi. Men det er heldigvis galt å tro at en dermed må være en slags allviter for å kunne noe kjemi. Ved hjelp av den korte diskusjonen om kjemidefinisjonen har vi også langt på vei gitt svar på det andre spørsmålet vi stilte. Alle, uansett om de skal bli kjemikere eller ikke, har behov for å lære litt kjemi siden de fleste fagområder har en viss porsjon kjemi innebygd i seg. Dette gjelder ikke minst de tekniske fagene. Valg av riktige konstruksjonsmaterialer er et eksempel som er aktuelt for de fleste disiplinene. Her må både materialenes mekaniske og kjemiske egenskaper trekkes inn i vurderingen.

Kan så dette innføringskurset gi nok kjemikunnskap til at vi kan ta riktige avgjørelser når vi står overfor problemer av kjemisk art? Oftest må vi svare nei på dette spørsmålet, selv om de mest elementære feilene bør kunne unngås med de kunnskapene du nå skal tilegne deg. I det praktiske livet inngår det i alle store tekniske prosjekter et lag av ingeniører og teknikere med ulik bakgrunn. Ett av siktemålene med boka er derfor å gi alle teknikere god nok kjemibakgrunn til at de kan snakke sammen om kjemiske problemstillinger og dra full nytte av kjemiekspertenes råd.

Kort historikk La oss et øyeblikk tenke oss ca 8000 år tilbake i tida, til steinaldermenneskene og deres tilværelse. Med sine primitive redskaper og skrøpelige våpen førte de en strevsom og farlig kamp for det daglige brød. Dette gjorde de til tross for at de hadde adgang til enorme råstoffmengder per person sammenliknet med det vi har i våre dager. Hva skyldes så den store ulikheten mellom levekårene den gang og i dag? Vi kan si at steinaldermennesket bare brukte naturens stoffer slik de forelå, uten å endre stoffenes egenskaper, mens det moderne mennesket har lært seg kjemi!

Et interessant trekk ved kjemiens historie er den enorme utviklingen vi har vært vitne til de siste århundrene. Mens homo sapiens («det fornuftige mennesket») har levd på kloden i ca 40 000 år, er godt over 99 % av kjemikunnskapene våre ervervet de siste to hundre åra!

Hvordan kan vi forklare denne kunnskapseksplosjonen? Den viktigste årsaken er nok at kjemikerne på 1700-tallet for alvor tok til å bruke den naturvitenskapelige metoden. Denne metoden er skreddersydd for kjemien. Den er karakterisert av nøye planlagte eksperimenter, etterfulgt av forsøk på å systematisere de eksperi­ mentelle data i prinsipper eller lover (naturlover).

Metoden kan illustreres med denne trekanten:

Den natur­ vitenskapelige metoden

TEORI eller MODELL

LOV eller PRINSIPP

// FORSØKSRESULTATER

Eksperimentene danner altså grunnlaget, og av det kan vi utlede teorier og lover. Det er viktig å understreke at teorier og lover ikke må oppfattes som absolutte sannheter. De er bare redskaper som ofte må forkastes eller i alle fall modifiseres dersom videre eksperimenter viser at de ikke holder mål. Lover og prinsipper framkommer derfor helst gjennom et samspill mellom laboratoriearbeid og skrivebordsarbeid, der trekanten ovenfor spiller en dominerende rolle.

Når forskningsresultater (eventuelt nye lovmessigheter) blir formidlet til personer utenfor det aktuelle forskningsmiljøet, trer også nytteverdien inn i bildet. Vi må ofte gjøre en avveining mellom det 100 % korrekte og det praktisk nyttige.

Det blir sagt at verdien av en teori ikke ligger i at den er sann, men i at den kan brukes på mange områder. Dette prinsippet har vi funnet det riktig å gjøre bruk av flere ganger i boka.

Atomenes oppbygning. Atomstruktur Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: - definere begrepet grunnstoff - uttrykke et grunnstoff med navn, symbol og atomnummer - gjøre rede for atomets oppbygning med protoner, nøytroner og elektroner - forklare hva isotoper, nuklide, massetall og atommasse er - gjøre rede for reglene for elektronkonfigurasjoner, det vil si elektronenes fordeling i skall

12

Kjemi for teknisk fagskole

1.1 Grunnstoffer Et grunnstoff er bygd opp av atomer av samme slag.

Ut fra den definisjonen vi gav av kjemi som vitenskap (side 9). er det naturlig først å konsentrere oss om hvordan stoffene er bygd opp. Alle stoffer består av noen ørsmå partikler som vi kaller atomer- Vi kjenner i dag 109 ulike atomslag eller såkalte grunnstoffer

Hvert grunnstoff har et nummer, et navn og et symbol, omtrent som en norsk statsborger har personnummer, navn og initialer. Betydningen av atomnumrene skal vi forklare seinere. Symbolet for et grunnstoff er en forkortelse på en eller to bokstaver av grunnstoffets latinske eller greske navn. Den eventuelle andre bokstaven er alltid en liten bokstav.

Eksempel 1J Nedenfor har vi satt opp noen eksempler på nummer, navn og symboler for grunnstoffer.

Nummer

Navn

1 3 12 50 80

hydrogen litium magnesium tinn kvikksølv

Symbol H Li Mg Sn” HgI) 2’

I begynnelsen av kjemisludiet er det vanlig å lære utenat en del symboler og navn på grunnstoffer, omtrent som vi i sin tid måtte lære bokstavene. Tabellen neden­ for viser navn og symbol for noen av de mest kjente grunnstoffene. Navn

aluminium arsen barium beryllium bly cesium fluor fosfor gull hydrogen jern jod

Symbol

Al As Ba Be Pb Cs F P Au H Fe 1

Navn kadmium kalium kalsium karbon klor kobolt kopper krom kvikksølv magnesium mangan natrium

Symbol

Cd K Ca C Cl Co Cu Cr Hg Mg Mn Na

Navn nikkel nitrogen oksygen platina radium silisium sink svovel sølv tinn uran

Symbol

Ni N 0 Pt Ra Si Zn S Ag Sn U

Dekk vekselvis over navnekolonnen og symbolkolonnen i tabellen, og forviss deg om at du har lært symbolene for alle grunnstoffene der - og også navnene ut fra symbolene. I) Tinn heter stannum på latin. 2) Kvikksølv heter hydrargyrum på gresk.

13

Atomenes oppbygning. Atomstruktur

Når vi bruker disse kjennetegnene i kjemiske formler, tenker vi gjerne også på de respektive enkeltatomene. Formelen HCl forteller oss ikke bare at stoffet består av hydrogen og klor, men i tillegg at det inneholder ett hydrogenatom for hvert kloratom. Formelen for vann, H2O, består derimot av to hydrogenatomer for hvert oksygenatom. Generelt gjelder:

Stoffet AXBXC. ... består av grunnstoffene A, B, C, ..., der forholdet mellom de respektive atomenes antall er som x : y : z ...

Tallene x, y, z ... kaller vi indekstall. En kjemisk forbindelse består av flere atomslag.

To eller flere atomer kan slå seg sammen til molekyler. Et grunnstoff kan også bestå av molekyler som er bygd opp av atomer av samme slag. De kjemiske for­ bindelsene inneholder mer enn ett atomslag.

He-atomer

H2-molekyler

grunnstoff

grunnstoff

HCI-molekyler

forbindelse

CO2-molekyler

forbindelse

Figur 1.1 Eksempler på ulike grunnstoffer og forbindelser i gassform

1.2 Elementærpartikler Elementærpar­ tikler: protoner, elektroner, nøytroner

Kvarkene er byggesteiner i protoner og nøytroner.

Et spørsmål som det er nærliggende å stille i forbindelse med de mange atomslagene, er hva som gjør dem forskjellige. Svaret på dette spørsmålet er at atomene er sammensatt av et ulikt antall elementærpartikler. Med elementærpartikkel mener vi en partikkel som ikke lar seg dele opp i enda mindre partikler. Alle atomer er bygd opp av de tre partiklene protoner, nøytroner og elektroner. Av disse tre er det bare elektronet som fortjener betegnelsen elementærpartikkel etter definisjonen ovenfor. Protonet og nøytronet er sammensatt av enda mindre partikler som vi kaller kvarker. Fysikerne mener at det fins hele 18 forskjellige kvarker. Bare to av dem, oppkvarken og nedkvarken, er byggesteiner i protonet og nøytronet. De andre opptrer i partikler som blir dannet i kosmisk stråling og i eksperimenter der fysikerne lar kjernepartikler kollidere med hverandre i svært stor fart. En av kvarkene, den såkalte toppkvarken, er faktisk ennå i 1995 ikke påvist, selv om forskerne er nokså sikre på at den må finnes.

14

Kjemi for teknisk fagskole

Slike eksperimenter blir utført mange steder i verden, blant annet i forsknings­ senteret CERN i Sveits. Det er funnet mer enn 200 forskjellige partikler. De aller fleste av dem er ustabile og spalter seg eller går til grunne i løpet av brøkdeler av et sekund. Atommimmeret Grunnstoffene blir nummerert fra 1 oppover til 109. Dette atomnummeret (Z) (Z) = antall pro­ er det samme som antallet protoner i atomkjernen. Atomer som har samme toner i kjernen antall protoner i kjernen, tilhører altså samme grunnstoff selv om de, som vi skal se, kan ha et ulikt antall nøytroner.

Grunnstoffene skiller seg altså fra hverandre ved at de har et ulikt antall protoner i kjernen. Hver gang kjernen får et tilskudd på ett proton, framstår et nytt grunn­ stoff med egne og helt unike kjemiske og fysiske egenskaper. I et nøytralt atom er det alltid like mange negative elektroner som det er protoner i kjernen. Elektronene kretser rundt kjernen.

Figur 1.2 gir en skjematisk presentasjon av oppbygningen til grunnstoff nr. 1, hydrogen. Figuren viser elementærpartiklenes fordeling i atomet.

Figur 1.2 De to stabile utgavene av hydrogenatomet

Elementærladningen: 1,602 lO19 C Masser: proton: 1,672 • 10 27 kg elektron: 9,110 -10’31 kg nøytron: 1,675 ■ 10 27 kg

Begge hydrogenatomene på figuren består av en kjerne med en omliggende elektronsky. I atomet kalt 'H ser vi at kjernen består av bare en elementærpartikkel, et proton. Protonet er en positivt ladd partikkel med ladningen +1,602 • 10“19 C (coulomb). Denne ladningen er den minste enkeltladningen vi kjenner til, og vi kaller den derfor elementærladningen. Elementærladningen blir ofte brukt som en egen enhet slik at vi slipper å bruke svært små ladningsstørrelser. Etter denne skalaen blir protonets ladning lik +1. Protonets masse er 1,672 • 10~27 kg.

Elektronskya inneholder ett negativt ladd elektron. Siden hele atomet er nøytralt, sier det seg selv at elektronets ladning er like stor og motsatt av protonets, det vil si —1,602 • 10-19 C eller —1. Elektronet har massen 9,110 • 10~31 kg. Det ut­ gjør bare 1/1836 av protonets masse. Det kan virke underlig at vi snakker om en elektronsky med bare ett eneste elektron. Med en slik elektronsky mener vi et skalliknende område i en viss avstand fra kjernen, der det er stor sannsynlighet for at elektronet befinner seg. For andre grunnstoffer med flere elektroner skal vi se at det fins flere slike skall eller elektronskyer utenpå hverandre. Når vi skal illustrere dette på en enkel og oversiktlig måte, tegner vi ofte ringer rundt kjernen og plasserer riktig antall elektroner i hver ring.

15

Atomenes oppbygning. Atomstruktur

Nukleoner er en fellesbetegnelse på protoner og nøytroner.

I hydrogenatomet 2H er det like mange protoner og elektroner som i 'H. I tillegg ser vi at enda en elementærpartikkel, nøytronet, har fått plass i kjernen. Som navnet antyder, er nøytronet elektrisk nøytralt (uladd). Det har massen ___ -7 1,675 • 10 kg, omtrent det samme som protonet. En fellesbetegnelse på pro­ toner og nøytroner er nukleoner.

1.3 Isotoper Isotoper er ato­ mer av samme grunnstoff med et ulikt antall nøytroner.

Med isotoper mener vi atomer av samme grunnstoff, men med forskjellig antall nøytroner. De to utgavene av hydrogenatomet i forrige avsnitt er altså isotoper av hydrogen. Begge har ett proton i kjernen, men de har henholdsvis null og ett nøytron. De aller fleste grunnstoffene finner vi i naturen som en blanding av to eller flere isotoper. Heldigvis er den prosentvise blandingen av ulike isotoper i grunn­ stoffene konstant (med noen få unntak). Det gjelder uansett hvor i verden vi er. Det samme gjelder også for grunnstoffene i bundet form, det vil si i forbindelser. Isotoper av ett og samme grunnstoff oppfører seg også helt likt i kjemiske reak­ sjoner. De kan ikke skilles fra hverandre ved vanlige kjemiske metoder. I noen tilfeller har vi likevel behov for å kunne skille den ene isotopen fra den andre. En har derfor innført begrepet massetall (A):

Massetallet (A): atomnummeret (Z) + antall nøytroner (N)

Massetallet:

A = Z + N

der Z er grunnstoffets atomnummer (antallet protoner i kjernen), og N er antallet nøytroner i kjernen. Massetallet er altså lik antall nukleoner i kjernen.

Massetallet for de to hydrogenatomene på figur 1.2 blir da 1 og 2, som gir oss 1 "7 betegnelsene H og "H.

Eksempel 1.2 Grunnstoff nr. 20, kalsium (Ca), består blant annet av isotopen *44Ca. Hvor mange nøytroner har denne isotopen i kjernen?

Løsning: Betegnelsen 44Ca viser at isotopens massetall A er lik 44. A er summen av atom­ nummeret (her: 20) og antallet nøytroner. Vi kan da regne ut nøytrontallet slik:

A = Z + N 44 = 20 + N N = 44 - 20 = 24 Isotopen 44Ca har altså 24 nøytroner.

16

Kjemi for teknisk fagskole

Alternativt kan vi skrive isotopene slik:

z£ der E er det kjemiske symbolet for et av grunnstoffene.

(Det kan virke som smør på flesk å bruke både det kjemiske symbolet og atomnummeret. Vi sløyfer derfor ofte verdien av Z.) I naturlig hydrogen er fordelingen av isotopene slik: 'H: 99,984 masseprosent H: 0,016 masseprosent

Dessuten fins det helt ubetydelige mengder av enda en isotop, 3H. Denne isotopen har to nøytroner i kjernen og er ustabil. Det fører til at isotopen blir omdannet til grunnstoffet helium (He) gjennom en kjernereaksjon. En nuklide er en tilfeldig iso­ top av et tilfel­ dig grunnstoff.

Nuklide er en betegnelse som ofte blir brukt i stedet for isotop. Med isotoper mener vi ulike typer av samme grunnstoff, mens nuklide betegner en tilfeldig isotop av et tilfeldig grunnstoff.

1.4 Størrelsesforhold i atomet Nesten hele atomets masse er plassert i kjernen.

Atomene er svært små, de fleste med en diameter på 1 • 1O~10—2,4 • 1CT10 m. Det er så lite at vi ikke kan se atomet selv i det sterkeste elektronmikroskopet. Atomets kjerne, som vi har sett inneholder nesten hele atomets masse, er enda mye mindre: i størrelsesorden 1 • 10“15 m. Vi kan få et bilde av størrelsesforholdet dersom vi tenker oss kjernen som en bordtennisball i sentrum av et gigantatom med diameter på 700 m! Med god tilnærming kan vi si at hele massen fins i sentrum av atomet.

La oss tenke oss at vi er et lite atom som kikker bort på naboatomet og lurer på om dette atomet er verdt å stifte nærmere bekjentskap med (det vil si binde oss til). Hva ser vi egentlig av dette naboatomet? Vi ser bare den såkalte elektronskya, ikke de enkelte elektronene. Kjernen i atomet utgjør en liten prikk som er godt gjemt dypt inne i elektronskya. Vi må derfor avgjøre om naboatomet er verdt et nærmere bekjentskap bare ved å ta utgangspunkt i hvordan elektronskya «ser ut». De ytterste elektronene, valenselektronene, er da atomets ansikt utad.

Ut fra dette lille tankeeksperimentet er det mulig å dra disse konklusjonene:

• Ulike isotoper av samme grunnstoff har de samme kjemiske egenskapene, fordi elektronskya er uavhengig av antall nøytroner i kjernen. • Når et atom reagerer med et annet atom, skjer det ved at atomenes elektronskyer samvirker, det vil si gjennom opptak, avgivelse eller deling av elektroner.

Vi kan altså slå fast at kjernens sammensetning ikke er så interessant etter at antall protoner og dermed grunnstoffets identitet er bestemt.

Atomenes oppbygning. Atomstruktur

17

1.5 Atommasse Atommasse har enheten u = 1,66 10 27 kg = 1/12 av massen til ’|C

Av samme grunn som begrepet elementærladning er innført, har en utviklet et system for å unngå bruken av de svært små massestørrelsene som atomene utgjør. En ny masseenhet, u, er definert. Denne masseenheten er satt lik 1/12 av massen til nukliden *|C. 1 u = 1,66- 10-27 kg. Vi uttrykker nå massen av ethvert grunnstoff med denne enheten (selv om vi av og til sløyfer betegnelsen u, særlig i tabeller). La oss studere et eksempel på utregning av atommasser.

Eksempel 1.3 Grunnstoffet litium (Li) har to stabile isotoper: 7,42 masseprosent 6Li med atom­ masse 6,015 u og 92,58 masseprosent 7Li med atommasse 7,016 u. Regn ut atommassen til litium. Løsning: Vi finner atommassen til litium ved å regne ut et veid gjennomsnitt av de to isotopenes atommasser: 7,42-6,015 u 92,58-7,016 u —------- --------- + ---- -------- ’-------- = 6,942 u 100 100

Atommassen til litium er altså 6,942 u.

1.6 Periodesystemet Vi har sett at atomnummeret til et grunnstoff er det samme som antallet protoner i kjernen, og at hvert proton har en positiv minsteladning. Rundt kjernen beveger det seg like mange negative elektroner, hver med en ladning som er like stor og motsatt av protonets ladning. Det fører til at atomet som helhet er elektrisk nøytralt.

Elektronkonfigurasjonen viser hvordan elek­ tronene fordeler seg i flere skall.

For hvert nytt grunnstoff inneholder kjernen ett proton mer, og i elektronskya utenfor blir det ett nytt elektron. Plasseringen til disse elektronene kaller vi atomets elektronkonfigurasjon. Vi skal se at fordelingen av elektroner i de ulike skallene, særlig elektrontallet i det ytterste skallet, forteller mye om grunnstoffets kjemiske og fysiske egenskaper.

Allerede på 1800-tallet begynte en å systematisere grunnstoffene etter egen­ skaper. Dette var før en kjente til detaljene i atomets oppbygning. Grunn­ stoffene ble ordnet i en tabell etter økende atomnummer, slik at de horisontale og vertikale radene viste økende eller avtakende tendenser ved fysiske og kje­ miske egenskaper: radius, massetetthet, smelte- og kokepunkt, ioniseringsenergi (energi som trengs for å løsrive et elektron fra atomet og dermed skape et ion. se kapittel 2, side 29), kjemisk reaktivitet osv. Periodesystemet så dagens lys. Dette var et arbeid som hovedsakelig ble utført av russeren D.I. Mendelejev (1834 1907).

18

Kjemi for teknisk fagskole

Vertikal kolonne = gruppe Horisontal rad = periode

H1

Grunnstoffer i samme vertikale kolonne, gruppe, har ofte svært lik evne til å reagere med andre stoffer selv om radien og massetettheten øker nedover i gruppa. Stoffer i samme horisontale rad, periode, viser økende eller minkende verdier for fysiske egenskaper. Dette mønsteret gjentar seg i hver periode. På den måten er periodesystemet det viktigste redskapet kjemikerne har til å syste­ matisere kunnskaper om grunnstoffene. Plasseringen til et stoff i tabellen sier en hel del om stoffets egenskaper.

atomnummer

H2

H3

H4

H5

H6

1 ...

rf

a

1

20

i 1 nno I

L

Ca - ■— 4

3

Li

Be

6,94

9,01

11

12

M Na

N

K

B

atommasse

20

Ca

21

23

22

Ti

Sc

S5

V

S6 24 Cr

S7 25

Mn

S1

26

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

S2

30

Zn

c

10

9

8

N

0

F

Ne

10,81

12,01 14,01 16,00 19,00 20,18

13

14

Al

S8

S4

S3

7

6

5

40,08

Mg

22,99 24,31

19

kipmisk tonn

H7 H8 F” 2 1 i H He ' 11 nnn 4,00

Si

15

P

16

s

17

Cl

18

Ar

26,98 28,09 30,97 32,06 35,45 39,95 31

32

Ga

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

39,10 40,08 44,96 47,90 50,94 52,00 54,94 55,85 58,93 58,71 63,54 65,37 69,72 72,59 74,92 78,96 79,91 83,80

37

38

Sr

39

41

40

Zr

42

43

44

45

Rh

46

47

48

Ag

Cd

49

In

50

Sn

51

Sb

52

53

Te

54

Xe

Mo

Tc

Ru

85,47 87,62 88,91 91,22 92,91 95,94

98,9

101,1

102,9 106,4 107,9 112,4 114,8 118,7 121,8 127,6 126,9 131,3

75

76

77

0 Rb 55

P Cs

56

Ba

Y 57

72

73

Hf

La

Nb

Ta

74

W

Re

Os

Ir

Pd 78

Pt

132,9 137,34 138,9 178,5 180,9 183,9 186,2 190,2 192,2 195,1

87

Q Fr

88

Ra

89

104

Db

Ac

(223) 226,0 (227)

105

106

Jl

Rf

107

Bh

108

Hn

79

80

Au

Hg

81

TI

82

83

84

86

At

Rn

197,0 200,6 204,4 207,2 209,0 (210)

(210)

(222)

64

65

69

70

71

Gd

Tb

Tm

Yb

Pb

Bi

Po

85

109 Mt

(261) (262) (266) (262) (265) (266)

Figur 1.3 58

59

60

61

62

63

66

67

68

Periodesystemet oppstilt blokkvis og med atommasser. For en del radio­ aktive grunnstoffer er massetallet for den (de) mest langlivete isotopene oppgitt (i parentes). For technetium (Tc), protactinium (Pa) og neptunium (Np) er atommassene for henholdsvis wTc, 23'Pa og 237Np opp­

De vertikale kolonnene fra Hl til H8 kaller vi hovedgrupper, mens kolonnene fra Sl til S8 er sidegrupper. Periodene blir betegnet K, L, M, N, O, P og Q (eller de blir nummerert fra 1 til 7).

gitt. Den uthevete «trappa» til høyre skiller metaller fra ikke-metaller.

For hver ny periode i periodesystemet blir et nytt elektronskall påbegynt og fylt opp mot høyre i perioden. Studer figur 1.4 og prøv a finne et monster i hvordan skallene blir fylt. Figur 1.5 viser noen eksempler fra de første periodene.

Ce

Pr

Nd

Pm Sm

140,1

140,9 144,2 (147)

90

91

Th

Pa

92

u

93

Np

232,0 231,0 238,0 237,1

Eu

Dy

Ho

Er

Lu

150,4 152,0 157,3 158,9 162,5 164,9 167,3 168,9 173,0 175,0 94

95

96

97

98

99

Pu Am Cm

Bk

Cf

Es

(247)

(247)

(251)

(254)

(244)

(243)

100

101

102

103

Fm Md

No

Lr

(257)

(255)

(256)

(258)

I dag vet vi mer om hvordan og hvorfor periodesystemet virker, fordi det også forteller hvordan elektronene fordeler seg.

19

Atomenes oppbygning. Atomstruktur

H1

H2

atomnummer

H4

H3

H6

H5

H8

H7

Figur 1.4 Periodesystemet med elektronfordeling. De små tallene til høyre viser antall elekt­ roner i hvert skall innenfra og utover.

58

Ce

L 59 —

61 ,1 62 1 63 . 64 | 65 | 66 ' 67 Pm* Sm« Eu» Gdy Tb” Dy Ho

1 60

Pr2; Nd

2

2

2

2

2

2

2

8

68

Er 2

g 69 8 2

70 2

l

2

2

. 92 : 93 - 94 • 95 : 96 - 97 i 98 i. 99 | 100 2 101 : 102 i 103 i Cf* Es * Fmsl Md* No Bk* ThPa 20 U 21- NP| Pusl Cm* Am* Lr 3224 25 26 32 18 25 28 29 30 31

90

; 91

10 2

9 2

9 2

9 2

8 2

8 2

9 2

9 2

8 2

8 2

8 2

8 2

Figur 1.5 Elektronfordelingen for noen grunn­ stoffer illustrert med skallmodeller, der skallene er tegnet som sirkler.

- 71

Tm* Yb i Lu 2

K

8 2

9 2

20

Antall elektro­ ner i ytterste skall = hovedgruppenummer

Figur 1.6 De ulike energi­ nivåene eller «etasjene» rommer bare et begrenset antall elektroner, gitt ved 2n .

Kjemi for teknisk fagskole

Vi skal kort nevne noen av de viktigste trekkene ved atomene og periode­ systemet: • Figur 1.3 viser hvilke grunnstoffer som er metaller, og hvilke som er ikkemetaller. Ved romtemperatur kan ikke-metallene være i fast form, væskeform eller gassform. Noen av grunnstoffene nær den uthevete «trappa» er halvmetaller eller metalloider (B, Si, Ge, As, Sb og Te). Disse grunnstoffene har bare delvis metallegenskaper. • Det totale antallet elektroner i et nøytralt atom er alltid lik atomnummeret (protontallet). • Elektroner i samme skall har omtrent (men ikke eksakt) like stor energi. I stedet for betegnelsen skall bruker vi derfor ofte begrepet energinivå når vi snakker om elektronenes plassering. Jo større avstanden er fra kjernen, desto høyere energi har elektronet. • Stoffer som står i samme hovedgruppe, har like mange elektroner i sitt ytterste energinivå (skall). Det er årsaken til at disse stoffene reagerer svært likt kjemisk. Dette antallet er lik hovedgruppenummeret. • Stoffene i sidegruppene har vanligvis ett eller to elektroner i ytterste energi­ nivå. Alle disse stoffene er metaller. Noen av dem er svært giftige og hører til de stoffene vi kaller miljøgifter.

21

Atomenes oppbygning. Atomstruktur

Oktettregelen: Atomene prøver å binde seg til hverandre slik at de får fylt en elektronoktett ytterst.

• Ingen stoffer har mer enn åtte elektroner i det ytterste energinivået. I kjemiske reaksjoner med andre stoffer prøver grunnstoffene ved utveksling eller deling av elektroner å oppnå åtte elektroner i sitt ytterste energinivå. Denne regelen kaller vi oktettregelen- Vi skal gå nærmere inn på den i forbindelse med kjemiske bindinger (se side 27). Stoffer som har åtte elektroner ytterst (pluss helium som har to elektroner), står i hovedgruppe H8 og blir kalt edelgasser. Disse stoffene er kjemisk sett svært stabile. • Grunnstoffene nr. 58 -71 og nr. 90-103 skal egentlig stå inne i tabellen (se figur 1.3), mellom nr. 57 og 72 og mellom nr. 89 og 104. For å unngå at tabellen blir for bred, er det vanlig å plassere disse stoffene nedenfor. De 14 grunnstoffene i rekka nr. 58-71, som kommer etter grunnstoff nr. 57, lantan, kaller vi lantanoider eller sjeldne jordmetaller • Det maksimale antall elektroner som hvert energinivå kan romme, følger av formelen 2 • n2, der n er nummeret på energinivået.

Grunntilstand: Elektronene har inntatt det lavest mulige energinivået.

Et atom er mest stabilt i grunntilstanden, det vil si når alle elektronene har inn­ tatt de lavest mulige energinivåene. Elektronskallene blir altså fylt opp innenfra og utover. For de ytterste skallene (fra og med TV-skallet) er det likevel slik at skallene energimessig «overlapper» noe. Det fører til at enkelte elektroner i uten­ forliggende skall får lavere energi enn i skallet innenfor. For eksempel havner elektron nr. 19 og 20 i det fjerde skallet (se elektronfordelingen for kalium (K) og kalsium (Ca) på figur 1.4), mens elektron nr. 21, 22, ..., 30 suksessivt fyller opp tredje skall. Som det framgår av figur 1.4. gjelder dette også videre nedover i periodesystemet. Denne tendensen til at utenforliggende skall blir fylt med elektroner før skallene innenfor er fulle, gjør at bare de fire innerste skallene er fullstendig fylt selv hos de tyngste grunnstoffene.

Orbitaler = undernivåer

Innenfor hvert skall eller energinivå har de enkelte elektronene litt forskjellig energi. Det vil si at avstanden til kjernen varierer noe, og elektronbanene danner ulike geometriske former. Vi snakker om undernivåer eller orbitaler, som blir betegnet 5, p, d og f Vi skal ikke gå i detalj her, bare nevne at elektronene fyller opp fortløpende slik at orbitaler med lavest energi blir fylt først. Orbitalteorien forklarer den tilsynelatende usystematiske oppfyllingen av elektroner som vi var inne på foran. Tabellen nedenfor viser orbitalene i de fire første elektronskallene.

Elektronskall

Orbital

Elektronplasser

Totalt elektrontall

1 (K)

1s

2

2

2 (L)

2s 2p

2 6

8

3 (M)

3s 3p 3d

2 6 10

18

4 (A/)

4s 4p 4d 4f

2 6 10 14

32

22

Kjemi for teknisk fagskole

Oppsummering Isotoper er atomer med et likt antall protoner og et ulikt antall nøytroner. Isotopene har like kje­ miske egenskaper.

En nuklide er en tilfeldig isotop av et tilfeldig grunnstoff.

Massetallet (A) er lik summen av atomnummeret (Z) og nøytrontallet (N):

A = Z + N

En isotop kan identifiseres ved massetallet, for eksempel 2H. Atommassen til et grunnstoff er den gjennom­ snittlige atommassen til grunnstoffets isotopblanding, målt i enheten u. 1 u definerer vi som 1/12 av massen til 'gC.

Elektronskall er de tillatte elektronbanene. De svarer til visse energinivåer. Skallene betegnes Æ, L, M, ... og kan inneholde høyst 2ir elektro­ ner. Vi deler skallene i orhitaler, kalt .$•, /?, d og f

Øvingsoppgaver 1.1 Forklar kort hva vi mener a) grunnstoff b) molekyl c) kjemisk forbindelse d) elementærpartikkel

med: e) isotop f) nuklide g) valenselektroner

1.2 Forklar hvorfor forskjellige isotoper av samme grunnstoff har like kjemiske egenskaper.

1.3 a) Hvor mange protoner og nøytroner har disse nuklidene: 3H,

i4C,

12C,

37C1,

41 Ca,

238 U

b) Hva er kjemiske forbindelser, og hva er grunnstoffer her: H2,

H2O,

Fe,

He,

HC1,

O2

c) Hvilke fellestrekk har grunnstoffer i samme hovedgruppe i periodesystemet? d) Hva sier oktettregelen? e) Lag skallmodeller for elektronfordelingen hos oksygen, klor og jern. f) Hva er forskjellen mellom begrepene masse­ tall og atommasse?

1.4 Vi tar utgangspunkt i isotopen 294 Pu, en plutoniumisotop som blir brukt i kjernereaktorer. a) Hvor mange protoner er det i atomet? b) Hvor mange nøytroner er det i atomet? c) Hvor mange elektroner er det i atomet?

1.5 Hva kaller vi grunnstoffer med åtte elektroner i det ytterste skallet, og hvordan vil du beskrive de kjemiske egenskapene til disse grunnstoffene? 1.6 Sett inn korrekte tall i de tomme rutene: Grunn­ stoff

N Ca Sc

Antall protoner i kjernen, Z

7 20

Masse­ tall,

Antall nøytroner i kjernen,

A

N

Antall elektroner skall

K L M N

O

14 20 24

1.7 Naturlig karbon (C) består av 98,891 % l2C, 1,105 % 13C (med atommasse 13,0034 u) og 0,004 % 14C (med atommasse 14,0032 u). Regn ut atommassen til karbon med tre desimaler. 1.8 Naturlig magnesium (Mg) har tre isotoper: 78,60 % _4Mg (med atommasse 23,993 u), 10,11 % _5Mg (med atommasse 24,994 u) og resten _6Mg (med atommasse 25,991 u). Finn atommassen til magnesium med tre desimaler. 1.9 a) Hvor mange elektroner er det i de ulike skallene til atomene Al. O, Br og Sr? b) Hvor mange valenselektroner har atomene i disse grunnstoffene:

C,

P,

Cs,

Mg,

He,

Ar

c) Er grunnstoffene nedenfor i samme gruppe eller i samme periode i periodesystemet: 1) Mg, Sr, Ba

2) Na, Al, Ar

Oversikt over grunnstoffene. Kjemisk binding. Navnsetting Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: - gjøre rede for hvilke grunnstoffer som er mest utbredt - forklare hvorfor grunnstoffene i en gruppe ofte viser like kjemiske egenskaper - gjøre rede for oktettregelen - beskrive ulike bindingstyper mellom atomene: ionebinding, kovalent binding, polar kovalent binding og metallbinding - gjøre rede for hvilke atombindinger vi finner hos forskjellige stoffer, basert på grunnstoffenes plassering i periodesystemet - sette korrekt kjemisk navn på de vanligste uorganiske stoffene

24

Kjemi for teknisk fagskole

2.1 Fordelingen av de vanligste grunnstoffene i jordskorpa Av de 109 grunnstoffene vi kjenner til i dag, forekommer bare 90 i naturen. Ser vi også bort fra de naturlig radioaktive grunnstoffene, kan vi redusere tallet til 81. Av disse grunnstoffene er elleve gasser, to er væsker, mens resten er faste stoffer ved 25 °C.

De aller fleste grunnstoffene er metaller. Bare 22 grunnstoffer er såkalte ikkemetaller. De befinner seg til høyre og langt oppe i periodesystemet. (Se «trappa» mellom metaller og ikke-metaller på figur 1.3.)

Når det gjelder fordelingen av de ulike grunnstoffene, må vi være klar over at jordkloden er svært heterogen. Det vil si at de ulike sfærene vi deler kloden inn i, er høyst forskjellig sammensatt. Størst praktisk interesse har fordelingen i jord­ skorpa, det vil si i jordklodens ytre skall ned til en dybde av ca 20 km.

Grunnstoff

Symbol

Del av jordskorpa i masseprosent

Oksygen Silisium Aluminium Jern Kalsium Natrium Kalium Magnesium Hydrogen Titan Klor Karbon Fosfor Mangan Svovel Nitrogen Fluor

0 Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti Cl C P Mn S N F

49,5 25,7 7,5 4,7 3,4 2,6 2,4 1,9 0,9 0,6 0,2 0,1 0,1 0,08 0,05 0,03 0,03

Del av menneskekroppen i masseprosent 65 spor spor 0,004 1,6 0,3 0,4 0,05 10 spor 0,3 18 0,9 spor 0,25 2,4 spor

Det viser seg at de to mest utbredte grunnstoffene, oksygen og silisium, til sammen utgjør 75 %. Dersom vi også regner med aluminium, jern, kalsium, natrium, kalium og magnesium, utgjør disse åtte grunnstoffene nesten 98 % av jordskorpa. Tabellen ovenfor viser fordelingen av de vanligste grunnstoffene i jordskorpa (inkludert verdenshavene og atmosfæren) og i en menneskekropp med normal vekt. Figurene 2.1 og 2.2 viser det samme (se neste side). Hovedinntrykket blir bekreftet dersom vi ser på hele jordkloden. Noen få grunnstoffer utgjør det meste av massen. Jern er nå det dominerende grunnstoffet, deretter følger oksygen og silisium. Tabellen på neste side viser grunnstoffene ordnet alfabetisk med kjemisk tegn og atomnummer.

25

Oversikt over grunnstoffene. Kjemisk binding. Navnsetting

Fordelingen av de grunnstoffene som dominerer i menneskekroppen (i masseprosent).

Fordelingen av de grunnstoffene som dominerer i den ytterste jordskorpa (i masseprosent).

89 ÅC I3AI 95 Am 51 Sb 18 Ar 33 As 85 At 56 Ba 97 Bk 4 Be 82 Pb w? Bh 5b 35 Br 98 Cf 58 Ce 55 Cs 96 Cm 104 Db 66 Dy 99 Es 68 Er 63 EU looErn 9f 15P 87 Fr 64 Gd 31 Ga 32 Ge 79 Au 72 Hf 108^0 2He 67 Ho 1H 49 In

actinium aluminium americium antimon argon arsen astat barium berkelium beryllium bly bohrium bor brom californium cerium cesium curium dubnium dysprosium einsteinium erbium europium fermium fluor fosfor francium gadolinium gallium germanium gull hafnium hahnium helium holmium hydrogen indium

77 Ir 26 Fe 531 105 Jl 48 Cd 19K 20 Ca 6c 17 Cl 27 CO 29 CU 24 Cr 36 Kr 80 Hg 57 La iosLr 3 Li 71 Lu 12Mg 25 Mn 109 Mf 101 Md 42 MO 11 Na 60 Nd wNe 93 Np 28 Ni 41 Nb 7N 102 No 8o 76 OS 46 Pd 78 Pt 94 PU

iridium jern jod joliotium kadmium kalium kalsium karbon klor kobolt kopper krom krypton kvikksølv lantan lawrencium litium lutetium magnesium mangan meitnerium mendelevium molybden natrium neodym neon neptunium nikkel niob nitrogen nobelium oksygen osmium palladium platina plutonium

84 Po 59 Pr 61 Pm 91 Pa 88 Ra 86 Ra 75 Re 45 Rh 37 Rb 44 Ru 106 Rf 62 Sm 21 Sc 34 Se 14 Si 30 Zn 38 Sr wS 47 Ag 73 Ta 43 Tc 52 Te 65Tb 81 TI 90 Th 69 Tm 50 Sn 22 Ti 92 U 23 V 83 Bi 74 W 54 Xe 70 Yb 39 Y 4øZr

polonium praseodym promethium protactinium radium radon rhenium rhodium rubidium ruthenium rutherfordium samarium scandium selen silisium sink strontium svovel sølv tantal technetium tellur terbium thallium thorium thulium tinn titan uran vanadium vismut wolfram xenon ytterbium yttrium zirkonium

26

Valenselektroner = de ytterste elektronene

Kjemi for teknisk fagskole

Vi så i avsnitt 1.6 (side 17) hvordan grunnstoffene er ordnet i et periodesystem. Grunnstoffer i samme (vertikale) gruppe har like mange elektroner i sine ytterste skall. Disse elektronene kaller vi valenselektroner. For grunnstoffer i samme hovedgruppe er antallet valenselektroner lik nummeret på gruppa.

Valenselektronene er svært viktige for grunnstoffenes kjemiske egenskaper. Derfor har stoffer i samme gruppe nokså like egenskaper. Hovedgruppene har fått egne navn: Hl: Alkalimetallene (litium, natrium, kalium, rubidium, cesium, francium) H2: Jordalkalimetallene (beryllium, magnesium, kalsium, strontium, barium, radium) H3: Borgruppa (bor, aluminium, gallium, indium, thallium) H4: Karbongruppa (karbon, silisium, germanium, tinn, bly) H5: Nitrogengruppa (nitrogen, fosfor, arsen, antimon, vismut) H6: Oksygengruppa (oksygen, svovel, selen, tellur, polonium) H7: Halogenene (fluor, klor, brom, jod, astat) H8: Edelgassene (helium, neon, argon, krypton, xenon, radon)

2.2 Kjemiske bindinger Bindingsenergi er den energien som skal til for å bryte en kjemisk binding.

De fleste atomer har en tendens til å knytte seg til andre atomer gjennom kjemiske bindinger. Styrken til en kjemisk binding mellom to atomer kan vi oppfatte som den kraften vi må bruke for å skille de to atomene fra hverandre. Energien som går med til dette arbeidet, kaller vi bindingsenergi. Dersom atomer av et bestemt slag ikke finner andre atomslag å knytte seg til, binder de seg ofte til hverandre: to og to (H2), fire og fire (P4), åtte og åtte (S8), eller i store aggregater som består av et ufattelig antall atomer, for eksempel i faste metaller eller i diamant (karbon).

Kjemisk binding skyldes elekt­ riske krefter.

Hva slags krefter er det så som skaper de kjemiske bindingene? Vi kan tenke oss tre alternativer: gravitasjonskrefter, magnetiske krefter og elek­ triske krefter. Enkle beregninger viser at gravitasjonskreftene er ubetydelige mellom så små partikler som atomene, trass i de små avstandene det her er tale om. Og siden de magnetiske tiltrekningskreftene som oppstår mellom enslige elektroner i hvert atom, er mye svakere enn de elektriske frastøtingskreftene mellom de samme elektronene, kan vi konkludere med at kjemiske bindinger skyldes elektriske krefter. Når to atomer, A og B, kommer nær hverandre, oppstår det betydelige elektriske tiltrekningskrefter og frastøtingskrefter mellom dem. Elektronene i atom A blir tiltrukket av protonene i kjernen av atom B, samtidig som Bs elektroner blir til­ trukket av protonene i As kjerne. Elektronene i A blir frastøtt av elektronene i B, og As kjerne blir frastøtt av Bs kjerne. Dette gjelder også når A og B er atomer av samme slag.

Ved vanlige temperaturer er det bare edelgassene, gruppe H8, som opptrer enatomige. Det vil si at i denne gruppa er det frastøtingskreftene som dominerer. Edelgassatomene viser heller ingen nevneverdig «interesse» for andre slags atomer. Med noen få unntak danner de ikke kjemiske forbindelser.

27

Oversikt over grunnstoffene. Kjemisk binding. Navnsetting

For alle andre grunnstoffer er det tiltrekningskreftene som dominerer. Atomene er da alltid bundet sammen med egne eller andre atomer i større eller mindre atomaggregater (ved vanlige temperaturer). Et nærliggende spørsmål blir derfor: Hva er det som skiller edelgassene fra andre grunnstoffer?

Dette spørsmålet er viktig fordi det berører en svært sentral del av den kjemiske bindingsteorien.

Oktettregelen Ved å se nærmere på elektronkonfigurasjonen hos edelgassene, særlig elektrontallet i det ytterste skallet, finner vi et brukbart svar på hvorfor edelgassene skiller seg ut. I tabellen nedenfor gjengir vi disse konfigurasjonene. Skall

Edelgass

K

Helium Neon Argon Krypton Xenon Radon

2

2 2 2 2 2

L

M

N

0

P

8 8 8 8 8

8 18 18 18

8 18 32

8 18

8

Bortsett fra helium med sine to elektroner har altså alle edelgassene åtte elekt­ roner i sitt ytterste skall. Siden alle andre grunnstoffatomer har færre enn åtte elektroner ytterst, sier vi at det ytterste skallet hos en edelgass er fullt (av elekt­ roner). Dette gjelder likevel strengt tatt bare for helium og neon, fordi skallene fra og med M og utover rommer flere enn åtte elektroner (jamfør 2 n2-regel en). Mens edelgassenes atomer altså har sine ytterste skall fulle, mangler et hvilket som helst annet grunnstoff ett eller flere elektroner. Vi sier at de har hull i sine ytterste skall.

Dersom vi ser på de åtte elektronene ytterst (eller de to hos helium) som et slags panser som skjermer kjernen mot elektroner utenfor atomet, får vi en enkel forklaring på en rekke kjemiske bindinger. Figur 2.3 viser forskjellen mellom neon og fluor i denne sammenhengen.

Figur 2.3 Forenklete skisser av neonatomet og fluoratomet. Neon­ atomet har et helt «elektronpanser», mens fluoratomet har et hull i elektronpanseret sitt. De ytre kulene forestiller elektroner.

Ne-atom (skjematisk uten /, = tttc)—i-----i = °-6447 mo1

Det er 3,0 mol Ca i hvert mol Ca3(PO4)2. Antallet mol Ca blir da:

/?(a = 0,6447 mol • 3,0 = 1,934 mol

Kalsiummassen blir: m( ll = 1.934 mol ■ 40.08 g mol = 77,5 g

53

Reaksjonslikninger. Støkiometri

3.6 Støkiometriske beregninger Støkiometri betyr nærmest måling av grunnstoffer, og betegnelsen blir brukt om beregning av mengdeforhold, særlig ved kjemiske reaksjoner. Utgangspunktet for slike beregninger er antallet mol av de enkelte formelenhetene.

La oss analysere denne kjemiske reaksjonslikningen:

2 Mg + O2 — 2 MgO Likningen forteller oss:

1 Magnesiumoksid (MgO) blir dannet ved at magnesium (Mg) reagerer med oksygen (O).

2 Det går med to atomer Mg og ett molekyl O2 til å danne to formelenheter MgO.

I punkt 2 ser vi at reaksjonslikningen forteller hvor mange atomer som fms av hver reaksjonsdeltaker. Siden mol også er basert på et visst antall, kan vi si at reaksjonslikningen uttrykker:

Ved hjelp av mol uttrykker vi forholdet mellom reaktantene og produktene.

3 Det går med 2 mol Mg og 1 mol O2 til å danne 2 mol MgO. Dette punktet er et konkret eksempel på hvorfor molbegrepet er så nyttig i kjemien. Det uttrykker på en enkel måte forholdet mellom stoffer som reagerer, og stoffer som blir produsert. Heretter kommer vi nesten alltid til å lese reaksjonslikninger med utgangspunkt i antall mol!

Skulle vi prøve å uttrykke punkt 3 med masseenheten gram, ville det bli: 4 Det går med 48.6 g Mg og 32,0 g O2 til å danne 80,6 g MgO. Dette er en atskillig mer tungvint og uoversiktlig måte å uttrykke masseforholdet for en kjemisk reaksjon på. Punktene 3 og 4 illustrerer to kjensgjerninger som det er svært viktig å merke seg:

I Antallet mol trenger ikke være konstant ved en kjemisk reaksjon (jamfør punkt 3, der 2 mol 4- 1 mol — 2 mol).

II Massen er konstant i kjemiske reaksjoner (med unntak av kjerne­ reaksjoner).

Likningen foran forteller også at uansett hvilke MgO-mengder som blir dannet, er molforholdet mellom reagerte mengder av Mg og O2 og produsert mengde MgO lik: /?Mg : no. : nMgO — 2:1:2

reagert

produsert

54

Kjemi for teknisk fagskole

Vi skal nå vise noen eksempler på støkiometriske beregninger ut fra kjemiske reaksjonslikninger.

Eksempel 3.9 Vi har reaksjonen: 2 Al + 6 HCI - 2 AICI3 + 3 H2

a) Hvor mange gram aluminium (Al) går med til å danne 100 g H,? b) Hvor mye HC1 blir forbrukt når det blir dannet 100 g H2? c) Hvor mye A1C13 blir utviklet når det blir dannet 100 g H2?

Løsning: Vi setter opp skjemaet vårt: 2 Al

+

6 HC1

2 A1C13 +

-

3 H2

Molmasser M:

27 g/mol

36,5 g/mol

133,5 g/mol

2,0 g/mol

M • koeffisient:

54 g

219 g

267 g

6,0 g

x

y

z

100 g

Aktuelle masser: Så regner vi ut:

x 54 g — = ----- x = 900 g 100 g 6,0 g

a) Massen av Al:

b) Massen av HC1:

219 g = ------ v = 3650 g 100 g 6,0 g '

c) Massen av A1C13:

267 g z = -------z = 4450 g 100 g 6,0 g

v

Som kontroll på at vi har regnet riktig, ser vi at:

massen av Al + massen av HC1 = massen av A1C13 + massen av H2 900 g

+

3650 g

4450 g

+

100 g

Løsningsmetoden som er brukt i eksempel 3.9, er enkel, men noe skjematisk. I det neste eksemplet skal vi vise en alternativ løsningsmetode for den samme oppgaven. Denne metoden gir en bedre forståelse for molbegrepet.

Eksempel 3.10 Vi har reaksjonen: 2 Al + 6 HCl —> 2 AlCl3 + 3 H2 a) Hvor mange gram aluminium (Al) går med til å danne 100 g H2?

b) Hvor mye HC1 blir forbrukt når det blir dannet 100 g H2? c) Hvor mye A1C13 blir utviklet når det blir dannet 100 g H2?

55

Reaksjonslikninger. Støkiometri

Løsning:

Antallet mol H? er:

100 g

,

"h2- = 2,0 g/mol -- 1 = 50 mo1 a) Av reaksjonslikningen ser vi at det blir forbrukt 2 mol Al samtidig med at det blir dannet 3 mol H2. Antallet mol Al er da: 2 = - ■ 50 mol = 33,33 mol

2 rcAI = - .

Massen av Al blir:

= flAI • Mm = 33,33 mol • 27 g/mol = 900 g b) Det blir forbrukt 6 mol HC1 når det blir dannet 3 mol H2. Antallet mol HC1 er dermed: nHC| = | • >?h2 =2-50 mol = 100 mol

Massen av HC1 blir:

mHci = «hci • A/hci = 100 mol • 36,5 g/mol = 3650 g c) Det blir dannet 2 mol AlCl? sammen med 3 mol H2. Antallet mol AICI3 er da:

2 «Aicia

3"h’

2 - ■ 50 mol = 33,33 mol 3

Massen av AICI3 blir: WAici, = «Aid, • A/aich = 33,33 mol ■ 133,5 g/mol = 4450 g

Oppsummering En reaksjonslikning består av reaktanter på venstre side og produkter på høyre side. I en balansert likning er antallet atomer av samme slag like stort på reaktantsida og produktsida, det vil si på begge sider av reaksjonspila. Formelmassen (F) er massen av en formelenhet uttrykt i atommasseenheter.

1 mol er den mengden av et stoff som inneholder 6,022 • 1023 atomer eller formelenheter. Molmassen er massen av ett mol i gram. Molmassens tallverdi er alltid lik tallverdien til atommassen eller formelmassen, og enheten er g/mol.

Sammenhengen mellom et stoffs masse (w), antall mol (h) og molmasse (M) er:

m = n ■M Viktig å merke seg ved støkiometriske beregninger er blant annet:

• Antallet mol før og etter en reaksjon er ikke nødvendigvis konstant. • Massen i vanlige kjemiske reaksjoner er konstant. • Vi kan dra slutninger om reagerte og produserte molmengder direkte på grunnlag av en reak­ sjonslikning.

56

Kjemi for teknisk fagskole

Øvingsoppgaver 3.1 Balanser disse likningene: a) Li 4- O2 —> Li2O

3.6 a) Hvor mange kilogram vanadium (V) er det i 10 kg Na3VO4?

b) C3H8 + O2 —> CO2 + H2O

b) Uttrykk sammensetningen av natriumsulfat, Na2SO4, i masseprosent.

CO2 +

c) CH3OH + O2

d) NH3 + O2 e) FeSO4 + O2

h2o

NO + H2O

3.7 Når fosfor og oksygen reagerer, kan vi regne med denne reaksjonen:

Fe2O3 + SO3

3.2 Balanser likningene:

4 P + 5 O2

a) Al + HC1 - A1C13 + H2

b) Cu + HNO3 Cu(NO3)2 + NO + H2O c) Fe2O3 + C - Fe + CO2

d) CO2 + H2O —> C6H12O6 + O2 e) FeS2 + O2 Fe2O3 + SO2 3.3 Finn molmassene til:

a) Na2CO3

b) CH2C12

c) A12(SO4)3

3.4 Vi har 1,00 kg A12(SO4)3.

a) Hvor mange mol A12(SO4)3 er dette?

b) Hvor mange formelenheter er det i denne mengden?

c) Hvor mange gram Al er det i mengden? d) Hvor mange gram O er det i mengden? 3.5 Vi har 100 g reint vann (H2O).

a) Hvor mange vannmolekyler er det i denne mengden?

b) Hvor mange atomer er det i vannmengden? c) Hvor stor prosent av massen er henholdsvis H og O?

2 P2O5

a) Hvor mange gram P2O5 kan vi lage av 2,00 g fosfor?

b) Hvor mange gram P2O5 kan vi lage av 2,00 g oksygen? 3.8 Når vi varmer opp KC1O3, får vi dannet KC1 i fast form og O2 i gassform. a) Skriv reaksjonslikningen og balanser den. b) Hvor mange gram KC1O3 må vi varme opp for å produsere 60,0 g oksygen (O2)? 3.9 Ved fullstendig forbrenning av propan, C3H8, reagerer gassen med oksygen (O2) og danner karbondioksid (CO2) og vann (H2O).

a) Skriv en balansert reaksjonslikning for for­ brenning av propan. Hvor mange gram vann blir dannet ved fullstendig forbrenning av 3,00 mol propan? Hvor mye oksygen blir forbrukt, og hvor mye karbondioksid blir dannet?

b) Balanser reaksjonslikningen: c2h5oh

+ o2

co2 +

h2o

Regn ut hvor mange gram oksygen som går med i reaksjonen med 100 g C2H5OH.

Radioaktivitet. Kjerneenergi (T) Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: - forklare begrepene fisjon og fusjon gjøre rede for ulike typer radioaktiv stråling gjengi bevaringslovene ved kjernereaksjoner kjenne til målenhetene og prinsippene for måling av radioaktivitet definere begrepet halveringstid gjøre rede for hvordan kjerneenergien blir utnyttet i kjerneenergiverk og i kjernevåpen - kjenne til skadevirkninger av radioaktiv stråling

58

Kjemi for teknisk fagskole

4.1 Innledning Alle kjemiske reaksjoner vi hittil har sett på, og også dem vi skal møte seinere i boka, har det til felles at bare elektronene er involvert i reaksjonen. Kjemiske bindinger blir brutt, og nye oppstår ved en eller annen omorganisering av elekt­ roner. Atomkjernen er uberørt av denne prosessen.

I dette kapitlet skal vi studere reaksjoner der selve atomkjernen blir endret, derav navnet kjernereaksjon. Ved kjernereaksjoner kan det utvikles energimengder av helt andre dimensjoner enn ved vanlige kjemiske reaksjoner. Det er nettopp dette som har ført til utviklingen av atombomben og til bygging av kjerneenergiverk.

Forutsetningen for at det skal bli utviklet energi ved en kjerneprosess, er at den samlete massen av stoffer som reagerer, er større enn den samlete massen av reaksjonsprodukter. Denne massereduksjonen blir omgjort til energi, jamfør Einsteins berømte likning: AE = Am • c2. Vi kan altså sette: AE = Am • c2

der AE er frigjort energi, Am er massereduksjonen, og c er lysfarten.

4.2 Fisjon og fusjon Fisjon: spalting av en stor atomkjerne

Fisjon er spalting av en stor atomkjerne i to omtrent like store deler. Denne prosessen blir utnyttet i dagens kjerneenergiverk og ligger til grunn for vanlige atombomber.

Fusjon: sammen­ smelting av små atomkjerner

Fusjon er sammensmelting av to lette atomkjerner til en tyngre kjerne. For at denne prosessen skal komme i gang, må en sende to positivt ladde kjerner mot hverandre med høy energi.

4.3 Radioaktivitet Enkelte atomer spalter seg spontant uten ytre påvirkning. Vi sier at de er radio­ aktive, og at de sender ut radioaktiv stråling. Radium og uran er eksempler på slike naturlig radioaktive stoffer. Også mange andre grunnstoffer har radioaktive isotoper, men vi finner dem ikke fritt i naturen. Vi regner med tre typer naturlig radioaktiv stråling: Alfastråling: heliumkjerner (2 He)

• Alfastråler (o-stråler) er det samme som heliumkjerner, 7 He. Utsending av en alfapartikkel fører til at det danner seg et nytt stoff som har to protoner og to nøytroner mindre i kjernen: 2l|Ra - 2 He + 222 Rn

59

Radioaktivitet. Kjerneenergi (T)

Betastråling: elektroner

• Betastråler (/3-stråler) består av elektroner. Disse elektronene kommer ikke fra de ytre elektronskallene, men oppstår ved at et nøytron går over til et pro­ ton og et elektron: in — 0n

°p 4- 1 n -1e + 1 P

Vi gir elektronet ladningstallet — 1 (nedre indeks) i kjernereaksjoner. Utsending av betapartikler fører dermed til at det danner seg et nytt grunnstoff med ett proton mer i kjernen:

29øTh - _?e + 22?Pa

Gammastråling: elektromag­ netisk stråling

• Gammastråler (y-stråler) er kortbølget elektromagnetisk stråling som ofte etterfølger en utsending av alfa- eller betapartikler. Gammastrålingen fører ikke til at det danner seg noe nytt stoff. Utsending av nøytroner kan forekomme ved kjernereaksjoner mellom ulike atomkjerner eller ved uranspalting (se side 64). Vi regner ikke nøytronstråling til naturlig radioaktiv stråling. Men vi ser av figur 4.1 at nøytronene har svært stor gjennomtrengingsevne, og at de derfor er farlige. Av de andre tre strålingstypene har gammastrålingen størst gjennomtrengingsevne, mens alfastrålingen har minst.

Figur 4.1 Alfastråler blir stan­ set av et tykt papirark, betastråler av en aluminiumsplate, gammastråler av 5 cm tykt bly og nøytronstråler av en betongmur.

papir

aluminiums- 5 cm plate blyplate

betongmur

alfastråler

betastråler

gammastråler

nøytronstråler

Radioaktive stoffer i naturen blir spaltet etter bestemte mønstre, som ofte fører til vekselvis alfa- og betastråling. Dermed danner det seg stadig nye grunnstoffer med lavere og lavere atomnummer, inntil en stabil nuklide er dannet. Denne nukliden er som regel en bly isotop.

4.4 Balansering av kjernereaksjoner To av bevaringslovene som gjelder ved kjernereaksjoner, er: Bevaringslover ved kjerne­ reaksjoner

• Summen av de øvre indeksene (massetallene) må være lik på høyre og venstre side av reaksjonspila. • Summen av de nedre indeksene (ladningstallene) må være lik på høyre og venstre side av reaksjonspila.

60

Kjemi for teknisk fagskole

Eksempel 4.1 Kontroller at denne kjernereaksjonen følger bevaringslovene: 2gU + ån ~ '^Ba + 8396Kr + 3 in

Løsning: Vi regner ut summen av de øvre indeksene: Venstre side: Høyre side:

235 + 1 = 236 144 + 89 + 1 • 3 = 236

Så finner vi summen av de nedre indeksene: 92 + 0 - 92 56 + 36 + 3 ■ 0 - 92

Venstre side: Høyre side:

Indekssummene er altså like på begge sider av reaksjonspila: Kjernereaksjonen følger bevaringslovene.

Disse bevaringslovene kan vi bruke til å fylle ut ukjente atomkjerner i reaksjons­ likninger.

Eksempel 4.2 Finn den nukliden som blir dannet når 238U sender ut en alfapartikkel (2 He):

"?U _

4 He

+ "X

Løsning: Vi bruker den første bevaringsloven til å finne massetallet:

238 = 4 + n n = 238 - 4 = 234

Den andre bevaringsloven gir oss så protontallet: 92 = 2 + m m = 92 - 2 = 90

I tabeller finner vi hvilket grunnstoff som har atomnummer 90. Det er thorium (Th). Vi får: " Y — 234 Th — 90 1* n

mA

Radioaktivitet. Kjerneenergi (T)

61

4.5 Måling av radioaktiv stråling Til å påvise radioaktiv stråling kan vi bruke en fotografisk film. Filmen blir svertet når radioaktive stråler treffer den. Personell som arbeider med radioaktive stoffer, bærer fdm på seg for å kontrollere hvor store doser de blir utsatt for.

Radioaktivitet kan måles direkte med en geigerteller. Se figur 4.2. En geiger­ teller er i prinsippet et gassfylt rør med to elektroder. Den ene elektroden er en metallstav midt i røret, mens den andre er innsida av røret. Når radioaktive stråler kommer inn i røret gjennom et vindu, blir gassmolekylene ionisert og trukket mot den ene elektroden. Dermed får vi en liten elektrisk utladning, som geigertelleren registrerer med et tikk.

spenningskilde Figur 4.2

o radioaktivt stoff

Prinsippet for en geigerteller

Aktivitet Aktiviteten blir målt i becquerel (Bq).

Vi måler styrken eller aktiviteten til en radioaktiv kilde i enheten becquerel (Bq):

Bq = antall desintegrasjoner (kjerneomdanninger) per sekund

Becquerel er en svært liten enhet. Den erstatter den tidligere enheten curie (Ci), som er tilsvarende stor (l Ci = 3,7 • 1OI0 Bq). Med begrepet spesifikk aktivitet mener vi aktiviteten per masse- eller volumenhet av et stoff. Når vi skal oppgi det radioaktive innholdet i matvarer, væsker eller luft, bruker vi henholdsvis Bq/kg, Bq/dm3 eller Bq/m3.

Tabellen nedenfor viser spesifikk aktivitet for noen radioaktive isotoper

Stoff

Isotop

Bq/kg

KOH (kalilut) Menneske Menneske Rein Rein (1985) Rein (1986)

40 K 40 K 14C 40 K 137Cs 134Cs og 137Cs

21 800 ~ 60 ~ 30 « 60 « 400 opptil 40 000

62

Kjemi for teknisk fagskole

Stråledose Stråledosen forteller hvor mye stråling som treffer et legeme og blir absorbert. Det er stråledosen som avgjør hva slags biologisk virkning strålingen har på planter, dyr eller mennesker.

Stråledosen blir målt i gray (Gy).

Stråledose er definert som den energimengden som blir absorbert per kilogram av et stoff. Enheten er gray (Gy):

Gy = antall joule (J) absorbert per kilogram

Tidligere brukte en flere andre enheter som fortsatt henger igjen. En av dem er doseenheten rad (1 Gy = 100 rad).

Doseekvivalent De radioaktive strålingstypene har forskjellig biologisk virkning. Det henger sammen med at de har ulik evne til å ionisere. Effekter som celledød, kreftrisiko eller risiko for genetiske skader er størst når ioniseringsgraden er høyest.

En har derfor innført størrelsen doseekvivalent. Doseekvivalenten fram­ kommer når vi multipliserer dosen med en såkalt kvalitetsfaktor:

• beta-, gamma- og røntgenstråling har kvalitetsfaktor 1 • protoner og nøytroner har kvalitetsfaktor 10 • alfapartikler og tyngre partikler har kvalitetsfaktor 20

Doseekvivalenten blir målt i sievert (Sv).

Enheten for doseekvivalent er sievert (Sv):

Sv = antall gray (Gy) • kvalitetsfaktor

Av og til møter vi betegnelsen personsievert eller mansievert. Vi snakker da om den samlete stråledosen for en gruppe mennesker. Tallet framkommer når vi multipliserer doseekvivalenten til ett menneske med antall mennesker i gruppa.

4.6 Halveringstid Når et radioaktivt stoff sender ut en alfa- eller en betapartikkel, har vi sett at det blir dannet et nytt grunnstoff. Det opprinnelige stoffet forsvinner da gradvis. Halveringstida er et mål på hvor fort denne prosessen går.

63

Radioaktivitet. Kjerneenergi (T)

Halveringstida for en nuklide

Halveringstida for en nuklide er den tida det tar før halvparten av en viss mengde av nukliden er omdannet til en annen nuklide. Se figur 4.3.

Figur 4.3 Halveringstid

Halveringstida for en bestemt nuklide er fast og kan finnes i tabeller. Her er noen eksempler: 238U (uran): l4C (karbon): l37Cs (cesium): 131I (jod): 222Rn (radon): 1 l0Ag(sølv):

4500 millioner år 5730 år 30 år 8 døgn 3,8 døgn 24 sekunder

Halveringstida kan være fra brøkdelen av et sekund og opp til flere milliarder år. Avfallsstoffene fra kjerneenergiverk har svært lang halveringstid. Det skaper store problemer med å finne fram til en forsvarlig behandling av avfallet fra slike verk. Det stoffet det ble spredd mest av fra ulykken i Tsjernobyl i 1986, var 137 Cs med en halveringstid på tretti år. Når dette stoffet binder seg i jordsmonnet, går det altså tretti år før radioaktiviteten er halvert, og nitti år før strålingen er nede i 1/8 av opprinnelig styrke. Nå vil selvsagt utvasking av grunnvannet føre til at radioaktiviteten minker raskere, fordi det radioaktive stoffet blir fortynnet og spredd over et større område.

14C-metoden

Det kan ha praktisk betydning å kjenne halveringstida for radioaktive stoffer. Som eksempel kan vi nevne en metode til å fastsette alderen på organisk materiale som kull, olje og gammelt treverk. Denne metoden kaller vi 14C-metoden. Metoden tar utgangspunkt i at lufta inneholder CO2-gass med et konstant blandingsforhold mellom l2C og l4C. Levende planter tar hele tida opp denne gassen og bygger karbonet inn i cellene sine. Så lenge planten lever, er forholdet mellom 12C og 14C det samme som i atmosfæren. Når planten dør, stanser opp­ taket, og den naturlige spaltingen av l4C til l2C går sin gang med en halverings­ tid på 5730 år. Mengden av l4C minker da gradvis i forhold til l2C. Vi kan så bestemme alderen på materialet ved å måle forholdet mellom l2C og l4C.

64

Kjemi for teknisk fagskole

4.7 Kjerneenergi Kjerneenergi blir brukt til to formål: - energiproduksjon - kjernevåpen

Energiproduksjon Fisjonsprosessen

Fisjonsprosessen har hittil hatt størst betydning, og vil sannsynligvis ha det langt inn i neste århundre. Som spaltbart materiale bruker en uran eller plutonium. I uran er det bare nukliden 235U som spalter seg spontant, og denne isotopen utgjør 0,7 % av naturlig forekommende uran. Resten er den stabile nukliden ~ U.

Prosessen i en reaktor foregår ved at urankjernen fanger inn et nøytron. Nøytroner er alltid til stede i lufta på grunn av den kosmiske strålingen fra verdensrommet. Dette nøytronet får så urankjernen til å spalte seg, samtidig som det blir frigjort to-tre nye nøytroner. De kan da fanges inn av nye kjerner, som i sin tur blir spaltet.

Figur 4.4 Kjedereaksjon ved spalting av uran

Fragmentene som oppstår ved spaltingen, har stor fart. De blir bremset ned slik at energien går over til varme, og varmen blir så fjernet fra reaktoren ved hjelp av et kjølemiddel. Varmen fra kjølemidlet blir brukt til å produsere damp, som driver en turbin koplet til en elektrisk generator. Figur 4.5 viser prinsippet for et kjerneenergiverk.

Radioaktivitet. Kjerneenergi (T)

Brenselselement

65

Hver uranstav veier 2-3 kg. Disse stavene blir satt sammen i grupper på 200-300 stk. til brenselselementer. En stor reaktor kan inneholde noen hundre slike elementer, og en reaktor på 1000 MW har totalt en uranmengde på om lag hundre tonn. Brenselselementene må regelmessig gå til gjenvinning, der en fjerner fisjonsprodukter og erstatter forbrukt uran.

Kontrollstaver

Til å regulere kjernereaksjonen bruker en kontrollstaver, som en skyver inn mellom brenselselementene. Disse stavene er av bor eller kadmium, som lett absorberer nøytroner. Når stavene blir skjøvet helt inn, stanser kjedereaksjonen.

Moderator

I en termisk reaktor er det moderatoren som bremser nøytronene. Vanlig vann kan brukes, men da må mengden av 235U anrikes (det vil si at den relative mengden av 235U i uran må økes) til 2-3 %. Med tungtvann eller grafitt som moderator kan en bruke naturlig uran med 0,7 % 235U som brensel.

Ved enhver reaktor er sikkerhetstiltakene svært viktige. Dersom en mister kontrollen over prosessen, er den verst tenkelige konsekvensen at reaktorkjernen smelter, synker gjennom golvet, forurenser grunnvannet og forgifter store områder. Andre faremomenter er eksplosjon i kjølesystemet eller reaktortanken og lekkasje av radioaktiv gass eller væske. Ved utgangen av 1987 utgjorde kjerneenergien om lag 16 % av verdens elektrisitetsproduksjon. Totalt var 416 kjernereaktorer i drift. De siste åra har utbyggingen gått langsomt på grunn av økende motstand i befolkningen. USA, det tidligere Sovjetunionen, Storbritannia, Tyskland og Frankrike er de nasjo­ nene som har flest kjerneenergiverk. Fusjonsprosessen

Det er atskillig vanskeligere å få til energiproduksjon fra en fusjonsprosess enn fra en fisjonsprosess. Forskerne prøver da å kopiere energiproduksjonen i stjernene, og en mulig reaksjon er: ?H + 2H - M + in For at denne reaksjonen skal komme i gang, trengs det en temperatur på omtrent 100 millioner °C. Det har ennå ikke lykkes å produsere elektrisitet på denne måten, men både i USA, Russland og Storbritannia blir det forsket intenst.

Den enormt høye temperaturen er nødvendig dersom hydrogenkjernene skal få stor nok fart til å kollidere til tross for frastøtingskrefter mellom dem (alle kjernene er positive). Det fins ikke noe materiale som tåler slike temperaturer, og som kan brukes som beholder for gassen. En bruker derfor kraftige magnetfelt til å holde hydrogenkjernene på plass. I forskningsreaktoren Tokamak beveger gassen seg i et magnetfelt som har form som en smultring (se figur 4.6). Dersom forskerne lykkes i å styre denne prosessen, og den blir økonomisk konkurransedyktig, er trolig verdens energibehov dekt i overskuelig framtid. Fusjonsprosessen har nemlig klare fordeler sammenliknet med fisjonsprosessen: Råstoffressursene er nesten uuttømmelige ved utvinning av hydrogenisotoper fra havvann, og problemet med radioaktive avfallsstoffer blir ubetydelig sammenliknet med uranreaktorene. Dessuten er det ingen fare for overoppheting.

66

Kjemi for teknisk fagskole

ramme som hindrer vridning

feltviklinger for ohmsk oppvarming

brukt til fusjonsforskning

vakuumpumper for toroidekammeret

Noen tall kan illustrere energimengdene ved kjernereaksjoner sammenliknet med andre energikilder. Alle prosessene nedenfor gir 200 000 kWh:

-

spalting av 6 g uran produksjon av 1 g helium forbrenning av 25 tonn kull 800 000 m3 vann i fritt fall 100 m

Kjernevåpen Vi deler kjernevåpnene inn i fisjonsvåpen og fusjonsvåpen. Prinsippene er henholdsvis spalting av uran og sammensmelting av hydrogenkjerner. Til forskjell fra produksjon av kjerneenergi skal reaksjonen nå gå svært raskt, siden den skal utløse store energimengder på kort tid.

Uranbombe Kritisk masse

Hvdrogenbombe

I en uranbombe må innholdet av 235U være over 90 %. Dessuten må uranmassen være større enn en såkalt kritisk masse. Dersom massen er mindre, dør kjede­ reaksjonen ut fordi de frigjorte nøytronene lekker ut av materialet uten å treffe nye urankjerner. Når en øker massen utover den kritiske massen, blir det raskt et enormt antall spaltinger og dermed en eksplosjon. I uranbomben kommer en fra underkritisk til overkritisk tilstand ved å presse sammen to underkritiske masser ved hjelp av vanlig sprengstoff.

I fusjonsvåpen skjer det en sammensmelting av yH og j H til jHe og nøytroner. Den nødvendige tenntemperaturen på ca 50 millioner °C oppnår en ved å bruke en fisjonsbombe som tennsats. En slik bombe kaller vi en hvdrogenbombe.

67

Radioaktivitet. Kjerneenergi (T)

Nøytronbombe

Nøytronbomben er en hydrogenbombe med en spesiell konstruksjon som fører til intens nøytronstråling. Nøytronbomben har mindre sprengvirkning enn en hydrogenbombe av samme størrelse, men større strålevirkning.

Figur 4.7 viser sprengvirkningen og strålevirkningen av en fisjonsbombe og en nøytronbombe. Sprengvirkningen blir gjerne sammenliknet med sprengstoffet TNT og oppgitt i antall tonn TNT. 20 kilotonn fisjonsbombe km

2,5

2

brannsår, tredjegradsforbrenning pa bar hud

Figur 4.7 Sammenlikning av sprengvirkningen og strålevirkningen fra en fisjonsbombe på tjue kilotonn TNT (Hiroshima-bombe) og fra en nøytron­ bombe på ett kilo­ tonn TNT

varmestråling I trykkbølge

1 kilotonn nøytronbombe 1,5

1,5

brennbart blir antent

bygnmger styrter sammen, mennesker og dyr blåser bort, trær blir brutt ned

■tredjegrads(forbrennmg

varmestråling

trykkbølge

100 % kampnøytron- og TJSmmastråling

syke, 5% dør

2,5 km

2

to timer. innen nuke t—

50 % dør strålingssyke, 5 % dør

nøytronstråliffiH

-*------------------------------------------- 0-------------------------------------------- — avstand fra eksplosjonssenteret avstand fra eksplosjonssenteret

4.8 Skadevirkninger av stråling Ulykker ved kjerneenergiverk kan føre til store utslipp av radioaktive stoffer. Stoffene blir ført opp i atmosfæren, der de kan bli transportert over lange avstander og gi radioaktivt nedfall i andre land. Et eksempel på det var ulykken i Tsjernobyl i det tidligere Sovjetunionen i 1986. Slike hendinger får gjerne store medieoppslag, men vi skal heller ikke undervurdere den strålingen som de fleste av oss er utsatt for fra mange små kilder. Det gjelder særlig kosmisk stråling og radioaktiv radongass.

Radongassen kommer fra alunskifer - en svart, kullholdig leirskifer som er vanlig fra Oslo og nordover mot østsida av Mjøsa. Boliger som er bygd på slik grunn, bør kontrollmåles, og tiltak må settes i verk dersom målingene viser for høye verdier av radon. Radon er nok det største strålingsproblemet vi har, men det er store variasjoner fra sted til sted. Radonnivået i boliger blir målt i Bq/m3. I Norge er nivået i gjennomsnitt om lag 100 Bq/m3. Verdens helseorganisasjon (WHO) har anbe­ falt mottiltak dersom konsentrasjonen går over 800 Bq/m3.

68

Kjemi for teknisk fagskole

Radongassen siver inn i hus gjennom kjellergolv og vegger. Vann fra borete brønner kan også inneholde forholdsvis mye radon, som blir avgitt til lufta når vi bruker vannet. Det fører til at vi puster inn radongass, og det er lungene som får det meste av stråledosen. Mottiltakene mot radonstråling går først og fremst ut på å hindre at radon­ gassen trenger inn i huset. Det kan vi gjøre ved å tette golv og vegger i kjelleren eller sørge for god ventilasjon og utlufting i huset. Slik utlufting kan skje med en vifte plassert i kjelleren eller aller helst under kjellergolvet.

Når stråling treffer molekyler i levende celler, starter en rekke prosesser som gir ulike biologiske virkninger. En stråledose mindre enn 0,1 Gy regner vi som en liten dose. De biologiske virkningene av slike doser er små. Ved større doser må vi skille mellom akutte skader og seinskader. De akutte skadene ved stråledoser på 1-2 Gy er kvalme, trøtthet, oppkast og redusert innhold av hvite blodceller i blodet. Ved doser på 2-6 Gy oppstår det skader på bloddannende vev i beinmargen og på slimhinnene i tarmen. Symptomene er diaré, oppkast, blødninger og blodmangel. Blir vi utsatt for doser over 6 Gy, vil de fleste dø i løpet av dager eller uker.

Seinskader (langtidsskader) av radioaktiv stråling kan være kreft (leukemi) eller skade på arveanleggene, slik at barn blir født med misdannelser. I Norge er det Statens institutt for strålehygiene som fører kontroll med den strålingen folk blir utsatt for. Grenseverdiene for maksimale doseekvivalenter er:

- 50 mSv per år for yrkesutøvere 5 mSv per år for folk ellers

Oppsummering Fisjon er spalting av en stor atomkjerne i to om­ trent like store deler.

Fusjon er sammensmelting av to lette atomkjerner til en tyngre kjerne. Vi har tre typer naturlig radioaktiv stråling: • alfastråler (a-stråler):

jHe-kjerner

• betastråler (/3-stråler): elektroner • gammastråler (7-stråler): kortbølget elektro­ magnetisk stråling Bevaringslovene ved kjernereaksjoner: • Summen av øvre indekser (massetall) er uendret ved en reaksjon. • Summen av nedre indekser (ladningstall) er uendret ved en reaksjon.

Radioaktiviteten blir målt med geigerteller. Målenhetene er: • becquerel (Bq) for aktivitet • gray (Gy) for stråledose • sievert (Sv) for doseekvivalent

Halveringstida er den tida det tar før halvparten av en radioaktiv stoffmengde er spaltet. Kjerneenergien blir utnyttet i energiproduksjon og i kjernevåpen.

Radongass i boliger er et stort problem i Norge. Tiltak bør settes i verk når konsentrasjonen overstiger 800 Bq/m3.

Radioaktiv stråling gir en rekke biologiske skader, både akutte skader og seinskader.

69

Radioaktivitet. Kjerneenergi (T)

Øvingsoppgaver 4.1 a) Forklar begrepene fisjon og fusjon. b) Hvilke tre typer naturlig radioaktiv stråling har vi, og hva består de ulike strålingstypene av? c) Hva mener vi med halveringstid? 4.2 Hva står X for i reaksjonene nedenfor? Finn de to indeksene n og nr.

a) 14N + ^He

4.5 Hvor lang tid tar det før 1 kg radioaktivt cesium er redusert til 1 g når halveringstida er 30 år? 4.6 Skriv de korrekte reaksjonslikningene for kjerne­ reaksjonene i øvingsoppgave 4.3.

'^O + nmX

b) 2iÉPb- _?e + ;;,X c) ^Po - 2llPb +

c) Hvordan oppstår kjedereaksjonen i en uranreaktor? d) Hvilke fordeler vil en fusjonsbasert energi­ produksjon ha sammenliknet med dagens fisjonsreaktorer?

x

4.3 Hvilken type radioaktiv stråling får vi når:

a) 37 Rb blir omdannet til

Sr?

4.7 Ved måling av radioaktivitet bruker vi enhetene Bq, Gy og Sv. Hvordan er disse enhetene defi­ nert, og i hvilke typer målinger blir hver av dem brukt?

b) 2x4Po blir omdannet til ^Pb? 4.4 a) Hva går l4C-metoden ut på? b) Hvilken funksjon har kontrollstavene og moderatoren i et kjerneenergiverk?

4.8 Prøv å finne ut om det er gjort målinger av radongass på hjemstedet ditt. Kjenner du til at det noen steder er satt i verk tiltak mot radon­ gass i boliger?

Aggregattilstandene. Gasslovene (T) Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: - gjøre rede for de tre aggregattilstandene - forklare sammenhengen mellom damptrykk, metningstrykk og kokepunkt - gjengi tilstandslikningen og bruke den på formen pV = nRT i oppgaver - gjengi Avogadros lov - forklare hva vi mener med kritisk trykk og kritisk temperatur

72

Kjemi for teknisk fagskole

5.1 Aggregattilstandene Aggregattilstander: • fast form • flytende form • gassform

Ett og samme stoff kan foreligge i fast form, væskeform og gassform, alt etter trykk og temperatur. Vi snakker om stoffenes tre aggregattilstander eller om fast fase, væskefase og gassfase. Dette gjelder også grunnstoffene.

Under normale forhold er for eksempel nitrogen i gassform, kvikksølv i væske­ form og jern i fast form. Men dersom vi avkjøler nitrogen til under —196 °C, blir det flytende. (Og ved —210 °C går nitrogen over i fast form.) Dersom vi avkjøler kvikksølv til minst —39 °C, går det over i fast form, og dersom vi varmer opp jern til +1540 °C, går det over i flytende form. Men ingen av stoffene endrer identitet ved slike omforminger. Flytende jern er altså fortsatt jern.

Vi kan få en gass til å kondensere til væske dersom vi øker trykket eller reduserer temperaturen, eller ved en kombinasjon av begge deler.

Plasma: frie elektroner og ioner

Ved svært høye temperaturer, som vi for eksempel kan finne i stjernene, er stoffene i en tilstand som vi kaller plasma. Det er en blanding av frie elektroner og ioniserte atomer. Ved det absolutte nullpunktet (—273 °C) er alle stoffer i fast form. Stoffene kan bestå av molekyler (for eksempel H2O - is) eller atomer (for eksempel metaller). Her skal vi med en fellesbetegnelse kalle disse byggesteinene for formelenheter.

La oss se hva som skjer med et stoff når vi gradvis øker temperaturen fra det absolutte nullpunktet, der alle atomene ligger fullstendig i ro. Formelenhetene begynner å vibrere, og denne vibrasjonen øker med stigende temperatur. Enhetene holder seg likevel på sin faste plass i et regelmessig geometrisk mønster, et såkalt krystallgitter. Bare noen få stoffer er ikke-krystallinske eller amorfe («amorf» betyr uten form). Smelting: fast form — væske

Koking: væske — damp

Sublimering: fast form — gass

Ved smeltepunktet er vibrasjonene blitt så sterke at kreftene mellom formel­ enhetene ikke lenger klarer å holde dem på plass. Stoffet smelter. Det vil si at bindingene ryker, og formelenhetene kan bevege seg om hverandre som små kuler i et kar. Ennå er likevel kreftene sterke nok til at de ikke fjerner seg helt fra hverandre. Dersom vi fortsetter å øke temperaturen, øker også bevegelsene til de enkelte formelenhetene. Noen av dem får etter hvert nok energi til å rive seg løs fra væskeflata og blande seg med gassmolekylene i lufta. Væsken fordamper. Ved en bestemt temperatur, kokepunktet, begynner det å danne seg damp overalt i væsken, ikke bare fra overflata. Væsken koker. Prøver vi å fortsette oppvarmingen, ser vi at all tilført energi går med til fordampingen, slik at temperaturen i væsken ikke øker.

Enkelte stoffer går direkte over fra fast form til gassform uten å gå veien om væskeformen. Det kaller vi sublimering. Eksempler på dette er jod og tørris (fast CO2). Is kan også sublimere. Et eksempel på dette er når frosset tøy tørker på en utendørs klessnor om vinteren.

73

Aggregattilstandene. Gasslovene (T)

5.2 Damptrykk. Koking Når vannmolekyler river seg løs fra vannflata og blir til vanndamp, oppstår det et damptrykk over væsken. Det forutsetter at karet er lukket. Damptrykket pluss det opprinnelige lufttrykket utgjør da totaltrykket i karet. Se figur 5.1.

damptrykk (når karet er

Figur 5.1 Fordamping av væske

Metningstrykket er trykket når fordampingen er lik kondense­ ringen.

væske

Etter hvert som damptrykket eller antall vannmolekyler per volumenhet i gassen øker, vender stadig flere vannmolekyler tilbake til væsken igjen (per tidsenhet). Til slutt får vi et konstant metningstrykk ved en bestemt temperatur. Det vil si at det er nøyaktig like mange vannmolekyler som forlater væsken per tidsenhet, som det er molekyler som vender tilbake igjen per tidsenhet. Vi sier at rommet over væsken er mettet med vanndamp.

Metningstrykket viser seg å øke med stigende temperatur. Det er logisk, da høyere energi innebærer økt gjennomsnittlig energi for vannmolekylene og dermed større fordamping.

Figur 5.2 Metningstrykket av vanndamp som en funksjon av temperaturen

Kokepunktet er den tempe­ raturen der metningstrykket er lik det ytre trykket.

Kokepunktet for en væske er den temperaturen der metningstrykket er like stort som det ytre trykket over væsken. Vannets metningstrykk ved 100 °C er 101,30 kPa (760 mm Hg eller 1 atm), som svarer til normalt lufttrykk ved hav­ flata. Vannet koker da ved 100 °C.

På høyfjellet, der lufttrykket er lavere, koker vannet ved en tilsvarende lavere temperatur. Men da øker også kokeficfa for mat! I en trykkoker kan trykket nå opp i ca 2 atm. Vannet koker da ved 120 °C, og koketida blir kortere.

74

Kjemi for teknisk fagskole

5.3 Partialtrykk. Daltons lov

Partialtrykket er det trykket som hver enkelt gass utøver.

Daltons lov: Ptot = Pa + Pb + pc + ...

I luft blander vannmolekylene seg med nitrogen, oksygen og de andre gassene som lufta består av. Alle disse gassene gir sitt bidrag til det trykket vi måler med et barometer: lufttrykket. Vi sier at hver gass inkludert vanndamp har sitt eget partialtrykk (deltrykk).

Når flere forskjellige gasser befinner seg i samme gassrom, blir trykket i gassblandingen lik summen av trykkene som gassene hver for seg ville ha utøvd dersom de hadde vært alene i rommet. Denne loven kaller vi Daltons lov (1801). Den kan også uttrykkes slik:

I en gassblanding er totaltrykket lik: Aot =

Pa + Pb + Pc + •••

der a, b, c, ... står for de enkelte gassene i blandingen.

5.4 Tilstandslikningen Fra fysikken kjenner vi tilstandslikningen på formen: PiVi = P2V2

T\

P\

• ^1

_

P2 • V2

T2 Denne formelen bruker vi til å regne ut trykk, volum og temperatur i en avgrenset gassmengde når den ene eller begge de to andre størrelsene blir endret.

SI-enhet for temperatur: K

• For temperatur (T) må vi bruke SI-enheten kelvin (K). Dersom temperaturen er oppgitt i celsiusgrader, må vi regne om til kelvin:

20 °C = (273 + 20) K = 293 K SI-enhet for trykk: Pa

• For trykk (p) er SI-enheten pascal (Pa). Andre enheter som også blir brukt, er: atmosfære (atm), millimeter kvikksølv (mm Hg), torr og bar. Omregningsfaktorer: 1 atm = 1,013 • 105 Pa = 760 mm Hg = 760 torr = 1,013 bar

SI-enhet for volum: m3

• For volum (F) er SI-enheten kubikkmeter (m3). Det er også vanlig å bruke kubikkdesimeter (dm3). I kjemien er vi også interessert i å regne ut masser og antall mol eller molekyler. Tilstandslikningen kan da omformes slik at det blir mulig. Det gir oss to ulike formler:

pV = XkT

p. V = N•k• T

(2)

der N er antall molekyler, og k er Boltzmanns konstant (= 1,38-10 23 J/K).

75

Aggregattilstandene. Gasslovene (T)

p-V = n-R-T

pV = nRT

(3)

der n er antall mol, og R er den molare gasskonstanten (= 8,314 J/K • mol). Likningene (2) og (3) forutsetter at vi bruker Sl-enhetene konsekvent. Vi skal vise tre eksempler på bruk av likning (3).

Eksempel 5.1 Hvor stort volum får 255 g NH3 ved normalt trykk og normal temperatur? (Normalt trykk og normal temperatur forkorter vi ofte til NTP. Per definisjon er da p = 1,013 • 105 Pa og T = '213 K. Se avsnitt 5.5.) Molmassen av NH3 er MNH = 17,0 g/mol, og R = 8,314 J/K • mol. Løsning: Volumet V blir: pV = nRT _ nRT _

p

----------------- 8,314 J/K • mol • 273 K 17,0 g/mol

1,013 • 105 Pa 255 ------- mol • 8,314 Nm/K • mol • 273 K 17,0 = ---------------------------------------------------1,013 • 105 N/m2

= 0,336 n

Eksempel 5.2 Hvor stort blir trykket av 8,00 g O2 i et kar på 5,00 dm3 ved 127 °C?

Løsning: Trykket p blir: pV = nRT 8,00 g ------ ----- — • 8,314 J/K • mol • (273 + 127) K _ nRT _ 32,0 g/mol P ~ V 0,005 00 m3

= 1,66 • 105 N/m2 = 1,66 • 105 Pa

76

Kjemi for teknisk fagskole

Eksempel 5.3 Hvor mange gram N2 går med til å fylle et volum på 100 dm3 ved 37 °C når trykket er 2,0 • 105 Pa? = 28,0 g/mol. Løsning: Vi regner først ut antallet mol N2:

pV = nRT pV 2,0 • 105 Pa-0,100 m3 n = ----- = ------------------------------------------- = 7,76 mol RT 8,314 J/K • mol • (273 + 37) K Antallet gram N2 blir da:

28,0 g/mol • 7,76 mol = 218 g

5.5 Avogadros lov Avogadros lov lyder slik:

Avogadros lov

Normaltil­ standen (NTP):

t = 0 °C og

p = 1 atm

Molvolumet ved NTP: 22,4 dm3.

Kritisk tempe­ ratur er den høyeste tempe­ raturen en gass kan ha dersom den skal kunne kondenseres til væske når vi øker trykket. Det tilsvarende trykket kaller vi kritisk trykk.

Ved lik temperatur og likt trykk inneholder ulike gasser det samme antall molekyler per volumenhet

En konsekvens av denne loven er at volumet av 1 mol gass ved en bestemt tempe­ ratur og et bestemt trykk blir det samme for alle (ideelle) gasser. Ved 0 °C og 1 atm trykk, som vi kaller normaltilstanden (NTP), er molvolumet 22,4 dm3. Dette tallet er det lett å finne ved hjelp av likning (3):

pV = nRT nRT V = ------P

1 mol • 8,314 J/K • mol -273 K

1,013 • 105 Pa = 0,0224 m3 = 22,4 dm3

5.6 Kritisk trykk og temperatur Dersom vi skal få kondensert en gass til væske ved å komprimere den, må tempe­ raturen være under eller lik gassens kritiske temperatur. For karbondioksid (CO2) er denne temperaturen lik +31 °C. Det trykket gassen må komprimeres til ved sin kritiske temperatur for at den skal gå over til væske, kaller vi gassens kritiske trykk. For CO2 er dette trykket (altså ved 31 °C) lik 7,4 • 106 Pa. Som andre eksempler kan vi nevne at de tilsvarende verdiene for vann er 374 °C og 2,2 • 107 Pa, og for oksygen —119 °C og 5,1 • 106 Pa.

77

Aggregattilstandene. Gasslovene (T)

Oppsummering Stoffene kan foreligge i tre aggregattilstander: i fast form, væskeform og gassform, avhengig av trykk og temperatur. Metningstrykket er trykket av en damp (gass) når det fordamper like mye som det blir kondensert per tidsenhet. Kokepunktet er den temperaturen der metnings­ trykket er lik det ytre trykket.

Partialtrykket er det trykket som hver enkelt gass utøver dersom de hadde vært alene. Daltons lov: Aot = Pa + Pb + Pc + •••

Tilstandslikningen: p■ V = n■R■ T

Avogadros lov: Ved lik temperatur og likt trykk inneholder ulike gasser det samme antall molekyler per volumenhet.

Ved normaltilstanden (NTP) er: temperaturen lik 0 °C (273 K) trykket lik 1 atm (1,013 • 105 Pa)

Ved denne tilstanden har 1 mol gass volumet 22,4 dm3. Kritisk temperatur er den høyeste temperaturen en gass kan ha dersom den skal kunne kondenseres til væske ved hjelp av økt trykk. Det tilsvarende trykket kaller vi kritisk trykk.

Øvingsoppgaver 5.1 a) Hva skjer med molekylene eller atomene i et stoff når det smelter? b) Hva mener vi med sublimering? c) Forklar kort hvorfor frokostegget må kokes ett-to minutter lenger på høyfjellet enn i lav­ landet. d) Hva mener vi med partialtrykk? e) Formuler Avogadros lov.

5.4 En sommerdag viser barometeret 770 mm Hg. Hvor stort er dette trykket målt i atmosfærer, pascal og torr?

5.5 Fluor reagerer med hydrogen og danner hydrogenfluorid:

F2 + IE-2 HF 5.2 a) Hvor stort volum har 1000 kg CO2 ved 22 °C og et trykk på 760 mm Hg? b) Til hvilken temperatur må vi varme opp 8.0 g O2 for at gassen skal få volumet 20.5 dm3 og trykket 1,0 atm?

a) Hvor mange gram F2 trengs det for å få en reaksjon med 8,00 g H2? b) Hvor mange kubikkdesimeter F2-gass svarer dette til når temperaturen er 25 °C og trykket er 1,0 atm?

5.3 a) Hvor mange kilogram helium inneholder en værballong på 30 m3 ved 20 °C når trykket i ballongen blir målt til 1.35 • 105 Pa? b) Regn ut molmassen av en gass når 0.23 g av gassen har et volum på 149 cm3 ved tempera­ turen 313 K og trykket 9.57 • 104 Pa.

5.6 500 cm3 av en gass med trykket 1,01 ■ 105 Pa og temperaturen 18 °C blir varmet opp til 30 °C. a) Regn ut det nye volumet dersom trykket er konstant. b) Regn ut det nye trykket dersom volumet er konstant.

78 5.7 a) Hvor høy er temperaturen når 2,0 mol luft har et volum på 50 dm3 ved trykket 1,0 ■ 103 Pa?

b) Luft består i hovedsak av 78 volumprosent N2-gass og 21 volumprosent O2-gass. Regn ut partialtrykkene for disse to gassene i a.

Kjemi for teknisk fagskole

5.8 En beholder med volumet 100 dm3 inneholder 100 g O2-gass og 100 g N2-gass. a) Regn ut partialtrykkene for CL og N-> ved 0 °C. b) Hva blir totaltrykket i beholderen?

Løsninger Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: - forklare hva som er forskjellen mellom løsning, suspensjon og emulsjon - gi eksempler på ulike typer løsninger der gass, væske og fast stoff er involvert - si hva begrepene løselighet og mettet løsning står for - forklare hvorfor vann er et godt løsemiddel for polare stoffer - gjøre rede for de viktigste konsentrasjonsmålene i løsninger, og utføre bereg­ ninger med dem

80

Kjemi for teknisk fagskole

6.1 Ulike typer løsninger Når vi snakker om løsninger, tenker vi helst på faste stoffer og gasser som er oppløst i en væske - et løsemiddel. Vann er her det viktigste løsemidlet. Både ferskvann og saltvann er løsninger med oppløste gasser, salter og andre stoffer. Blod og andre kroppsvæsker er også eksempler på løsninger som transporterer oksygen, næringsstoffer og avfallsstoffer til og fra cellene i kroppen.

Løsning

I en løsning er molekylene eller ionene i det løste stoffet jevnt fordelt blant mole­ kylene i løsemidlet. Løsningen blir dermed klar og gjennomsiktig.

Suspensjon

En suspensjon får vi dersom stoffet ikke løser seg opp i enkeltmolekyler, men blir værende i større og mindre klumper eller partikler. Disse partiklene kan holde seg flytende i væsken en tid, men synker etter hvert til bunns. Et eksempel er leire som er rørt ut i vann.

Emulsjon

En emulsjon er en blanding av to væsker som ikke løser seg i enkeltmolekyler. Den ene væsken danner små dråper i den andre, for eksempel olje i vann. Etter en stund skiller ofte væskene seg og danner to atskilte lag.

Begrepet løsning kan også brukes i videre sammenheng om enkeltmolekyler som blander seg med hverandre. Vi kan tenke oss disse mulighetene: Løsning: fast stoff i væske væske i væske gass i væske fast stoff i fast stoff væske i fast stoff gass i fast stoff gass i gass

Eksempel: sukker i vann alkohol i vann karbondioksid i vann bronse (legering av kopper og tinn) amalgam (kvikksølv og sølv) hydrogen i platinametall luft (nitrogen og oksygen)

6.2 Løselighet Vi skal se litt på det som skjer når et stoff løser seg i et annet, og hvorfor noen stoffer løser seg lettere enn andre i ulike løsemidler. Under enhver løsningsprosess blir kjemiske bindinger mellom enkeltmolekyler (eller ioner) brutt, og nye bindinger må etableres mellom løsemidlets og det løste stoffets molekyler (ioner). Polare løsemidler som vann løser lett ioneforbindelser, mens upolare løsemidler som bensin løser upolare stoffer, for eksempel fett.

Figur 6.1 Vannmolekylet er en dipol med en negativ oksygenende og en positiv ende midt mellom hydrogenatomene.

Vannets gode evne til å løse ioneforbindelser kommer av den spesielle opp­ bygningen til vannmolekylet. Se figur 6.1.

81

Løsninger

Figur 6.2 viser hvordan vi tenker oss at et salt løser seg.

Figur 6.2 Del av en NaClkrystall som er omgitt av vannmolekyler.

De positive ionene i overflata på saltkrystallen, her Na+, er omgitt av vannmolekylenes negative ende, som trekker ionene ut av saltkrystallen. Tilsvarende skjer med de negative ionene, Cl-, men de blir angrepet av vannmolekylenes positive ende. Ionene som beveger seg rundt i vannløsningen etterpå, er «pakket inn» i et varierende antall vannmolekyler. Vi sier at de er hydratisert.

I enkelte salter er vannmolekylene så sterkt bundet til ionene at de blir trukket med inn i saltkrystallen når saltet er i fast form. Vann som er bundet til et salt på denne måten, kaller vi krystallvann. Noen eksempler på salter med krystallvann: CuSO4 • 5 H2O: MgCL • 6 H2O: AICI3 • 6 H2O:

kopper-II-sulfat magnesiumklorid aluminiumklorid

Når vi varmer opp et salt som inneholder krystallvann, blir vannet fjernet, og vi får igjen saltet uten krystallvann. Vann løser også andre stoffer med polare bindinger. for eksempel etanol og sukker. Upolare løsemidler som bensin løser upolare stoffer, for eksempel fett. Vi kan si at «likt løser likt».

Løseligheten er konsentrasjonen av et stoff i en mettet løsning.

Med løseligheten til et stoff mener vi konsentrasjonen av stoffet i en mettet løsning, det vil si så mye av stoffet som maksimalt kan løses ved den aktuelle tempera­ turen. Når løsningen er mettet, blir det løst like mange ioner (eller molekyler) per tidsenhet som det blir utfelt eller krystallisert i samme tidsrom. Antall løste ioner (molekyler) i løsningen har dermed nådd en øvre grense.

Løseligheten varierer sterkt fra stoff til stoff, og den er avhengig av temperaturen. For en gass i en væske minker løseligheten med stigende temperatur. Derimot øker den vanligvis med stigende temperatur for faste stoffer i væsker.

82

Kjemi for teknisk fagskole

Figur 6.3 Løseligheten for noen faste stoffer i vann som en funk­ sjon av temperaturen

6.3 Elektrolytter En løsning som leder elektrisk strøm, kaller vi en elektrolytt. Strømmen blir ført ned i løsningen ved hjelp av to elektroder. En elektrolytt har løste ioner som sørger for transport av elektrisk ladning gjennom løsningen. Dette skal vi se nærmere på i kapittel 9.

6.4 Konsentrasjon av løsninger I et kjemisk laboratorium arbeider en med kjemiske stoffer som skal måles ut og blandes nøyaktig. Det er oftest enklere å måle ut et volum av en ferdig løsning med kjent konsentrasjon enn å veie stoffene på vekta. Et dominerende trekk i et kjemisk laboratorium er hyllene med laboratorieflasker. De inneholder ulike stoffer, som regel løst i vann, og hver flaske er forsynt med en etikett som viser det løste stoffet og stoffets konsentrasjon i løsningen.

83

Løsninger

Det er flere måter å oppgi konsentrasjonen av et stoff i en løsning på. Mest brukt i kjemien er antall mol per kubikkdesimeter (liter). Konsentrasjonen kan da defi­ neres slik: n c = — V

Molar, M = mol/dm3, er målenheten for konsentra­ sjonen av det løste stoffet i en løsning.

Her står c for konsentrasjon (engelsk: «concentration»), n står som før for antall mol, og V er volumet av løsningen i kubikkdesimeter (altså ikke volumet av reint løsemiddel!). Den avledete enheten mol/dm3 kaller vi molar. Den har symbolet M.

Konsentrasjonen av et stoff i en løsning (molariteten) er etter dette lik 1 M når løsningen inneholder 1 mol av stoffet per kubikkdesimeter (liter) løsning. En slik løsning kan vi lage ved å løse opp ett mol av stoffet i litt vann og deretter tilsette mer vann til løsningens totalvolum er blitt nøyaktig lik 1 dm . Vi sier gjerne at vi løser 1 mol stoff i vann til 1 dm . Vi kan bruke formelen:

innveid masse Konsentrasjon = -----------------------molmasse • volum m c = --------M- V

Kikker vi nærmere på denne formelen, ser vi at den er sammensatt av to formler: Innveid masse

, , — antall mol,

m ---- = n M

antall mol 2) Konsentrasjon = ---------------, volum

n c = — V

1)

molmasse

Det er ikke noe i veien for at vi kan utføre beregninger ved først å finne antall mol av stoffet etter likning (1) eller (2). Deretter finner vi den størrelsen vi ønsker, ved å sette inn i henholdsvis likning (2) eller (1).

La oss se på noen regneeksempler. Vi velger her å bruke den sammensatte formelen.

Eksempel 6.1 3,42 g sukker (Cl2H22Oll) skal løses i vann til 200 cm3. Regn ut sukkerkonsentrasjonen. Løsning: (-"sukker

m

3,42 g

M■ V

342 g/mol • 0,200 dm3

= 0,050 M

84

Kjemi for teknisk fagskole

Eksempel 6.2 Hvor mange gram koksalt (NaCl) er det i 200 cm3 0,0100 M NaCl?

Løsning: mN&c\ = y • c ■ M — 0,200 dm3 • 0,010 mol/dm3 • 58,5 g/mol = 0,117 g

Eksempel 6.3 Hvor mange kubikkdesimeter 0,200 M NaCl går med til et bestemt formål der vi trenger 117 g NaCl?

Løsning: ,, in V — -------- c■M

117 g , ------------------- ------------------- = 10 dm3 0,200 mol/dm3 • 58,5 g/mol

Legg merke til at vi bruker molar (M) som konsentrasjonsenhet også for ione­ forbindelser som NaCl, selv om de er fullstendig dissosiert (oppløst) i løsningen. Fortynningsformel: r1C1 = v2c2

Når vi fortynner en løsning ved å tilsette vann, er antallet mol konstant. Vi får denne «fortynningsformelen»: V\ ■ c\ = V2 ■ c2 Her er og L2 volumene før og etter fortynningen, mens q og c2 er de tilsvarende konsentrasjonene. Formelen uttrykker at antallet mol før for­ tynningen er lik antallet mol etter fortynningen.

Eksempel 6.4 Regn ut cNaC| i sluttløsningen når vi fortynner 60 cm3 0,73 M NaCl med 540 cm3 vann. Løsning: Sluttløsningens totalvolum blir:

F2 = (540 + 60) cm3 = 600 cm3 = 0.600 dm3 F, • C] = K2 • cNaCI

0,060 dm3 • 0,73 M = 0.600 dm3 • cNaCI cNaC1 = 0,073 M

85

Løsninger

Eksempel 6.5 Vi har til rådighet 11,5 M HC1. Finn «oppskriften» på 1,00 dm3 2,00 M HC1.

Løsning: Vi måler ut volumet V\ av den «konsentrerte» løsningen (q = 11,5 M), og til­ setter så vann til vi får F2 = 1,00 dm3 og c2 = 2,00 M: ' C1

— ^2 1 c2

kj • 11,5 M = 1,00 dm3 • 2,00 M F] = 0,174 dm3

Vi måler altså ut 0,174 dm3 (= 174 ml) 11,5 M HC1 og tilsetter vann til 1,00 dm3 ( = 1000 ml). Det vil si: (1000 — 174) ml = 826 ml vann. «Oppskriften» er 174 ml 11,5 M HC1 og 826 ml vann.

Masseprosent = antall gram oppløst stoff per 100 g løsning

Vi kan også oppgi konsentrasjonen i masseprosent. Med masseprosent mener vi massen av det løste stoffet i prosent av løsningens totale masse. Det svarer til antall gram av det oppløste stoffet per 100 g løsning. En 10 % HCl-løsning inneholder altså 10 g HC1 for hvert 90 g vann.

Eksempel 6.6 Regn ut NaCl-konsentrasjonen i masseprosent i den løsningen vi får når vi blander 350 g NaCl og 1000 g vann.

Løsning: NaCl-innholdet blir: ---------------------- • 100 % =26 % 350 g + 1000 g

Eksempel 6.7 Konsentrert saltsyre har ved 25 °C massetettheten 1,18 g/cm3 (= 1180 g/dm3) og inneholder 37,0 masseprosent hydrogenklorid. Hvor stor molaritet har løsningen?

Løsning: Hydrogenklorid løst i vann gir saltsyre. 1,00 dm3 konsentrert saltsyre har massen 1180 g.

86

Kjemi for teknisk fagskole

Massen av HC1 i 1,00 dm3 konsentrert saltsyre: 1180 g • 37

= 436,6 g

100 Antallet mol HC1:

436,6 g

= 12,0 mol

36,5 g/mol

Molariteten av konsentrert saltsyre er da:

12,0 mol 1,00 dm3

= 12,0 M

Alternativt kan vi også her bruke formelen fra side 83:

m 436,6 g , c = --------- = --------------- ------------- - = 12,0 mol/dm3 = 12,0 M M-V 36,5 g/mol • 1,00 dm3

Volumprosent blir brukt om væske i væske og gass i gass.

Konsentrasjoner i gassblandinger og væskeblandinger blir ofte oppgitt i volum­ prosent. En slik betegnelse må vi ikke ta helt bokstavelig. For eksempel betyr ikke en O2-konsentrasjon på 21 volumprosent i luft at oksygenet bare befinner seg i 21 % av luftas volum, mens resten av lufta er oksygenfri. Oksygenet er selv­ sagt jevnt fordelt i hele gassrommet. Men dersom vi tenker oss at vi komprimerer oksygenet til partialtrykket er blitt lik luftas totaltrykk, ville volumet av oksygenet utgjøre 21 % av det aktuelle totalvolumet. Vi tenker oss altså de ulike kompo­ nentene i hver sin «bås» når vi gjør bruk av volumprosent som konsentrasjonsmål.

Eksempel 6.8 Hvor mange masseprosent etanol (C2H5OH) er det i 96 % «alkohol»? 96 % er her volumprosent. Massetettheten for vann er: = 1,00 g/cm3, og for etanol: Pc2h5oh = 0,79 g/cm3.

Løsning: Vi velger 1000 cm3 av løsningen som basis for utregningen, det vil si 960 cm3 C2H5OH og 40 cm3 vann. I denne mengden har vi: Wc2h5oh = 960 cm3 • 0,79 g/cm3 = 758 g /Z2h,o =

40 cm3 • 1,00 g/cm3 —

40 g

C2H5OH-innholdet blir da: 758 g

758 g + 40 g

• 100 % = 95 % (masseprosent)

87

Løsninger

ppm = deler per million (106) ppb = deler per milliard (109)

Når det er snakk om kjemiske forurensninger, bruker vi ekstra små konsentrasjonsenheter som ppm, ppb og mg/nr. Enheten ppm står for «parts per million» (jamfør prosent, som betyr «per hundre»), mens ppb står for «parts per billion», det vil si per milliard. (I USA, som disse enhetene stammer fra, bruker en betegnelsen «billion» om det vi kaller milliard.) Som ved prosentregning må vi også her skille mellom masse og volum. Enhetene ppm og ppb bruker vi blant annet om mikroforurensninger av bly, kvikk­ sølv og kadmium.

Eksempel 6.9 For noen tiår siden ble over tusen mennesker i Japan forgiftet etter at de hadde spist kvikksølvholdig fisk. Fiskekjøttet viste seg å inneholde 39 mg kvikksølv (Hg) per kilogram fiskekjøtt. Hvor mange ppm svarer det til?

Løsning: 39 mg = 39 ■ 10“6 kg. Antallet ppm blir: 39- 10 6 kg - 106 = 39 ppm 1 kg

Eksempel 6.10 I Seveso i Italia skjedde det i 1976 en eksplosjon som førte til at 2-3 kg dioksin ble spredd over et stort område. Dioksin er svært giftig. Ved et forsøk ble et marsvin drept av 10~7 g dioksin. Marsvinet veide ca 100 g. Hvor stor var dosen i ppb?

Løsning: Dosen målt i ppb er: l ■10"7 g • 109 = 1 ppb 100 g

Oppsummering Løsning er enkeltmolekyler i en væske. Væsken er klar og gjennomsiktig.

Suspensjon er klumper og partikler i en væske. Væsken er uklar og grumsete. Emulsjon er små væskedråper i en annen væske.

En løsning kan være et fast stoff, en væske eller en gass både i væsker og faste stoffer, eller en gass løst i en annen gass. Et stoff løser seg lettest i et løsemiddel med nærliggende polare egenskaper.

Løselighet er konsentrasjonen av stoffet i en mettet løsning.

88

Kjemi for teknisk fagskole

Elektrolytt er en løsning med ioner som leder elektrisk strøm.

• ppm er deler per million («parts per million»),

Konsentrasjonsmål: • Mol/dm = M (molar):

• Volumprosent blir brukt om blandinger av væske i væske og gass i gass.

m c = -------M• V

• Masseprosent er antall gram per 100 g løsning.

• ppb er deler per milliard («parts per billion»).

Ved fortynning er antallet mol uforandret: K, • q = F2 • c2

Øvingsoppgaver 6.1 a) Gi et eksempel på hver av de ulike typer løsninger vi har. b) Forklar hvorfor vann er et godt løsemiddel for salter. c) Hva er forskjellen på en løsning og en suspen­ sjon?

b) Regn ut innholdet av svovelsyre (H2SO4) i masseprosent i den fortynnete syra. (Massetettheten til denne syra er tilnærmet lik massetettheten for reint vann.) c) Konsentrert svovelsyre har massetettheten 1,84 g/cm3 og inneholder 98 masseprosent H2SO4. Finn molariteten til svovelsyra.

6.2 a) Hva er krystallvann? b) Hvor mange prosent av massen til saltet MgCl2 • 6 H2O er vann? c) Hvordan forklarer vi vannmolekylets gode evne til å løse salter?

6.6 Konsentrasjonen av bly i en matvare er analysert til 75 pg per 100 g. Hvor mange ppb og hvor mange ppm utgjør dette?

6.3 a) Ved 20 °C kan vi løse 36 kg koksalt (NaCl) i vann slik at volumet av løsningen blir 100 dm3. Hvor stor molaritet har løsningen? b) Hvor stor masse natriumkarbonat (Na2CO3) må til når vi skal lage 0,50 dm3 av en 0,50 M løsning? 6.4 a) Hvor mange kubikkdesimeter løsning får vi når vi totalt har 400 g Cu(NO3)2 og skal lage en løsning med konsentrasjonen 0,30 M? b) Regn ut konsentrasjonen dersom vi tilsetter 4,0 dm3 vann til løsningen i a. c) Hvor mange masseprosent Cu(NO3)2 er det i løsningen i a? Sett massetettheten til løsningen lik 1,0 kg/dm3.

6.5 a) Hvor mye må vi måle ut av en flaske svovel­ syre (H2SO4) med konsentrasjonen 3,0 M, og hvor mye vann må vi tilsette, når vi skal lage 2,5 dm3 av 0,2 M svovelsyre?

6.7 a) Ved 100 °C er det løst 245 g KNO3 i 100 cm3 mettet løsning. Hva er molariteten? b) Ved 10 °C lar det seg bare løse 21 g KNO3 i 100 cm3 før løsningen er mettet. Hva er molariteten i denne løsningen? c) Dersom vi nedkjøler løsningen ved 100 °C til 10 °C, blir en del av det løste stoffet utfelt som krystaller. Hvor mange gram blir utfelt ved avkjølingen?

6.8 Hva blir konsentrasjonen av HC1 i en blanding av 40 cm3 6,0 M HC1, 20 cm3 10,0 M HC1 og 140 cm3 2,0 M HC1? 6.9 Aluminium reagerer med saltsyre (HC1) etter reaksjonslikningen:

2 Al + 6 HC1 —> 2 A1C13 + 3 H2

Hvor mye 2,00 M HC1 (målt i cm3) går med til å omdanne 4,50 g Al?

Reaksjonslære Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: - gjøre rede for forskjellen mellom eksoterme og endoterme prosesser i forbindelse med kjemisk reaksjonsenergi - forklare hva vi mener med kjemisk likevekt, og hvordan den blir påvirket av ytre faktorer - gjøre rede for massevirkningsloven - gjøre rede for hva en katalysator er - definere begrepene oksidasjon og reduksjon - avgjøre hvilke stoffer som blir oksidert, og hvilke som blir redusert, ved å se på endringer i oksidasjonstallet eller ved å studere elektronoverganger

90

Kjemi for teknisk fagskole

7.1 Kjemisk reaksjonsenergi Ved en kjemisk reaksjon blir atomene omgruppert. Det kan føre til at energi blir utviklet og avgitt som varme, eller til at energi blir absorbert. Den siste reaksjonstypen kan bare skje dersom det blir tilført tilstrekkelig energi utenfra.

Eksoterme reaksjoner utvikler energi.

En reaksjon som utvikler energi, kaller vi eksoterm. Et eksempel på dette ser vi når vi tenner på et magnesiumbånd. Båndet brenner med en intens hvit flamme og gir fra seg energi:

2 Mg + O2 — 2 MgO + energi Endoterme reaksjoner krever energi.

En reaksjon som krever energi for at den skal gå, sier vi er endoterm. Dersom for eksempel nitrogen og oksygen skal reagere med hverandre, må det tilføres energi. Reaksjonen er endoterm: N2 + O2 + energi —■ 2 NO I eksemplet med magnesiumbåndet kommer ikke reaksjonen mellom magnesium og oksygen i gang av seg selv. Det er nødvendig å tilføre litt energi i form av en tennkilde for at båndet skal ta fyr og brenne videre av seg selv. Denne energi­ mengden kaller vi aktiveringsenergi. Se figur 7.1.

Figur 7.1 Energidiagram for reaksjonen mellom magnesium og oksygen

Alle kjemiske reaksjoner, ikke bare de eksoterme, har en aktiveringsenergi som må overvinnes før det kan danne seg produkter. Aktiveringsenergien går med til å danne ett eller flere mellomprodukter, såkalte aktiverte komplekser, som der­ etter går over til det endelige produktet.

7.2 Kjemisk likevekt (T) Når vi setter opp en kjemisk reaksjonslikning med reaksjonspil mot høyre, ser det ut som om stoffene reagerer fullstendig med hverandre. La oss ta reaksjonen: 3 H2 + N, - 2 NH3 Her ser det ut til at 3 mol hydrogengass reagerer med 1 mol nitrogengass og danner 2 mol ammoniakkgass. I virkeligheten er det nokså annerledes. Når denne reak­ sjonen foregår i et lukket kar, blir det ikke bare dannet ammoniakk. Ammoniakk-

91

Reaksjonslære

molekylene begynner også å spalte seg til hydrogen og nitrogen igjen. Reaksjo­ nen går dermed også fra høyre mot venstre: 3 H2 + N2 x 2 NH3 Reversible reaksjoner går i begge retninger.

En reaksjon som kan gå i begge retninger, kaller vi en reversibel reaksjon.

Kjemisk likevekt: Etter en stund er reaksjonshastigheten like stor mot venstre som mot høyre. Vi Reaksjonshar da nådd kjemisk likevekt, se figur 7.2. hastigheten er like stor i begge retninger.

Figur 7.2 Reaksjonshastighet ved dannelse og spalting av NH3

Vi ser at reaksjonshastigheten for reaksjonen 3 H2 + N2 - 2 NH3 er stor til å begynne med, men at den minker mot en grense. Etter hvert som det danner seg flere og flere NH3-molekyler, begynner de å spalte seg til H2 og N2. Denne spaltingshastigheten øker inntil kjemisk likevekt er nådd.

Ved å endre konsentrasjonen av hydrogen og nitrogen, eller ved å endre trykket eller temperaturen i gassblandingen, kan vi forandre likevekta slik at det for eksempel danner seg prosentvis mer ammoniakk. (Dette er selvsagt ønskelig ved ammoniakkproduksjon!) Vi sier da at vi forskyver likevekta mot høyre.

Le Chåteliers prinsipp

Le Chåteliers prinsipp, oppkalt etter den franske kjemikeren H.L. Le Chåtelier (1850-1936), beskriver hvordan likevekta forskyver seg når vi endrer slike ytre faktorer:

Når et system i likevekt blir utsatt for en forandring, skjer en eventuell reaksjon i den retningen som virker mot forandringen.

Systemet for­ bruker den reaksjonsdeltakeren som blir tilført.

Konsentrasjonsendringer Konsentrasjonene i et system i likevekt kan endres ved at vi tilfører mer av enten reaktantene eller produktene. Ifølge Le Chåteliers prinsipp forløper reaksjonen da på en slik måte at den reaksjonsdeltakeren som blir tilført, også blir forbrukt.

92

Kjemi for teknisk fagskole

Vi vender tilbake til eksemplet vårt:

3 H2 + N, = 2 NH3 Dersom vi tilfører mer H2 til en lukket beholder med en etablert likevektstilstand, blir likevekta forskjøvet mot høyre idet H2 forbrukes. Et tilsvarende resonnement kan også gjennomføres for N2.

Tilfører vi NH3, blir likevekta naturligvis forskjøvet mot venstre fordi NH3 da blir forbrukt.

Temperaturendringer Økt temperatur forskyver like­ vekta mot venstre i en eksoterm reaksjon, mot høyre i en endoterm reaksjon.

Når vi tilfører varmeenergi slik at temperaturen øker, blir likevekta forskjøvet. Varme blir forbrukt, noe som forskyver likevekta mot venstre i en eksoterm reaksjon, og mot høyre i en endoterm reaksjon. Siden ammoniakkutviklingen er eksoterm, betyr det at høye temperaturer gir lite NH3, mens lave temperaturer gir mye NH3.

Temperaturens innvirkning på de ulike stoffenes løselighet i vann kan vi også forutsi ved hjelp av Le Chåteliers prinsipp. Når faste stoffer løser seg, er løsningsprosessen som oftest endoterm. Løseligheten til slike stoffer i vann øker derfor med tempera­ turen. Men enkelte stoffer, for eksempel NaOH, reagerer så sterkt med vann at løsningsprosessen blir eksoterm. For slike stoffer minker da løseligheten når temperaturen øker. Også for gasser minker løseligheten i vann når temperaturen øker, fordi gassenes løsningsprosess er eksoterm.

Trykkendringer Som eksempel kan vi også her bruke likevekta:

3 H2 + N2 zr 2 NH3

Økt trykk forskyver mot den sida som gir minst volum.

For at vi best skal forstå hva som skjer ved trykkendringer i systemet, kan vi tenke oss de tre gassene innestengt i en beholder der den ene veggen er et stempel. Der­ som vi øker totaltrykket i beholderen ved å minske volumet, sier Le Chåteliers prinsipp at likevekta blir forskjøvet slik at totaltrykket igjen minker. Det skjer ved at det totale antallet mol i beholderen blir redusert. Ser vi på reaksjonslikningen, har vi 4 mol gass på reaktantsida og 2 mol gass på produktsida. Vi vet fra av­ snitt 5.5 at 1 mol av alle gasser utgjør samme volum ved likt trykk og lik tempe­ ratur. Forskyvningen skjer altså mot høyre ved at det blir dannet mer NH3.

Det motsatte skjer dersom vi minsker totaltrykket ved å øke volumet. Vi får da en forskyvning mot venstre ved at NH3 blir spaltet, og det totale antallet mol i beholderen øker.

Av det vi nå har sagt, kan vi også slutte at når antallet mol gass på reaktantsida og produktsida er det samme, får ikke trykkendringer noen innvirkning på likevekta.

93

Reaksjonslære

En konklusjon på dette er at ammoniakk bør produseres ved høyt trykk og lav temperatur. I praksis foregår ammoniakkproduksjonen ved et trykk på 200-250 atm (2 • 107—2,5 • 107 Pa) og ved en temperatur på 500-600 °C. Gassene blir ført over en katalysator (se nedenfor). Det er nødvendig for at reaksjonshastigheten skal bli stor nok, noe som også krever at temperaturen er såpass høy. I Norge skjer denne produksjonen ved Norsk Hydro.

Massevirkningsloven Massevirkningsloven = Guldberg-Waages lov

For mer enn hundre år siden fant de to nordmennene Cato M. Guldberg (1836-1902) og Peter Waage (1833-1900) fram til en lov som vi kaller masse­ virkningsloven. Den gjør det mulig å beregne konsentrasjonen av de ulike stoffene i en likevektstilstand. For denne likevektstilstanden gjelder: pP + qQ tz. rR + .sS CR ' CS ----------- = konstant = K

Likevektskonstanten

Her står P, Q, R og S for fire ulike kjemiske stoffer, mens p, q, r og s er koeffisientene foran stoffene. cR, Cq, cr og cs er konsentrasjonen av henholdsvis P, Q, R og 5. Konstanten K kaller vi gjerne likevektskonstanten. Verdien av K endrer seg når temperaturen endrer seg.

For reaksjonen: 3 H2 + N2 - 2 NH3 gjelder:

(cnh3)2 -------------- = K (når temperaturen er konstant) (ch2) • Cn,

7.3 Katalysatorer og inhibitorer En katalysator er et stoff som øker hastigheten på en kjemisk reaksjon uten selv å bli forbrukt.

Mange kjemiske reaksjoner går svært langsomt under normale forhold. Eksempler på dette finner vi i de over tusen forskjellige reaksjonene som foregår i dyr og mennesker. Vi kunne ikke ha opprettholdt livsprosessene ved vanlig kropps­ temperatur uten slike katalysatorer, som vi her kaller enzymer.

94 Katalysatorer øker reaksjons­ hastigheten.

Kjemi for teknisk fagskole

Katalysatorer blir brukt i mange industrielle prosesser. Nikkel, platina, jern og mangandioksid er eksempler på stoffer som har en katalytisk virkning. For å redusere forurensningen fra biltrafikk er det nå påbudt med katalysator på nye biler her i landet. Se figur 7.3.

Figur 7.3 Katalysator

Gjennomskåret ser en slik katalysator ut som en bikube, der overflata i alle de små rommene består av platina og palladium på aluminiumoksid. Overflata skal være så stor som mulig, slik at molekylene i eksosen skal komme best mulig i kontakt med katalysatormaterialet. Katalysatorene har en tredelt oppgave: oksideres til

• CO (karbonmonoksid, kullos)

--------- —■

CO2 (karbondioksid)

reduseres til

• NOr (nitrogenoksider)

--------- —

N2 oksideres til

• uforbrent bensin (hydrokarboner)

--------- —

CO2

(Om oksidasjon og reduksjon, se avsnitt 7.4.) Avgassene skal altså omdannes til CO2 og N2, som ikke er giftige stoffer. (CO2 gir likevel økt drivhuseffekt, se avsnitt 13.5.) Moderne katalysatorer gjør denne jobben bortimot 100 %. Forutsetningen er at motoren har nådd normal driftstemperatur, og at katalysatormaterialet ikke er ødelagt. Blyholdig bensin «forgifter» katalysatoren: En tankfylling er nok til å redusere den katalytiske virkningen betraktelig. Inhibitorer reduserer reaksjons­ hastigheten.

Stoffer som setter ned hastigheten på en kjemisk reaksjon, kaller vi inhibitorer Eksempler på dette er antibankestoffer som blir tilsatt bensin (se avsnitt 11.2), og stoffer som blir tilsatt i lukkete tanker (for eksempel i radiatorer og kjøle­ systemer) for å hindre korrosjon.

7.4 Oksidasjon og reduksjon Begrepet oksidasjon skriver seg opprinnelig fra reaksjonen mellom oksygen og andre stoffer, der det blir dannet oksider. Et eksempel er kopperoksid:

1) Cu + O - CuO

Kopperet blir oksidert.

I den motsatte prosessen blir oksygenet spaltet ut. Det foregår en reduksjon:

2) CuO — Cu + O

Kopperet blir redusert.

95

Reaksjonslære

(Oksygen er egentlig et toatomig molekyl, slik at det hadde vært mer korrekt å skrive 1/2 O2. Men vi skriver O for å gjøre det mer oversiktlig.)

La oss se hva som skjer med elektronene hos hvert kopper- og oksygenatom i disse to tilfellene. 1) Kopperet gir fra seg sine to ytterste elektroner og danner et positivt ion, mens oksygenet tar imot elektronene og danner et negativt ion. Vi får disse delreaksjonene:

Cu blir oksidert.

2) Kopperoksid består av Cu2+- og O2~-ioner. Cu2+-ionet tar opp to elektroner og blir et nøytralt kopperatom. De to elektronene stammer fra O2--ionet, som dermed blir nøytralt oksygen. Det gir disse delreaksjonene: Cu blir redusert.

Vi tar utgangspunkt i kopperets elektroner og får denne definisjonen: Oksidasjon = avgivelse av elektroner

Reduksjon = opptak av elektroner

Et stoff blir oksidert når det gir fra seg elektroner (ett eller flere).

Et stoff blir redusert når det tar opp elektroner (ett eller flere).

Når et stoff gir fra seg elektroner, må et annet stoff straks ta imot dem. Elektro­ nene kan nemlig ikke sveve fritt omkring verken i gass eller i væskeløsninger.

I de to eksemplene våre er det oksygen som er henholdsvis mottaker og giver av elektroner. Definisjonen foran må selvfølgelig også gjelde oksygenet. Vi får da:

1)

Cu blir oksidert. O blir redusert.

2)

Cu blir redusert. O blir oksidert.

I en redoksreaksjon fore­ går reduksjon og oksidasjon samtidig.

Vi merker oss altså: Når et stoff blir oksidert, blir et annet stoff samtidig redusert - og omvendt. Vi snakker om reduksjons-oksidasjonsreaksjoner eller redoksreaksjoner.

Denne definisjonen av oksidasjon og reduksjon innebærer at redoksreaksjoner ikke er begrenset til reaksjoner som involverer oksygen.

Kjemi for teknisk fagskole

96

Eksempel 7.1 Hva blir oksidert, og hva blir redusert i reaksjonen nedenfor? Na + — Cl2 - NaCl 2 (Vi skriver 1/2 Cl2 for å vise at klor er et toatomig molekyl, og at det går med et halvt molekyl. Det er det samme som ett kloratom.)

Løsning: Vi ser på delreaksjonene:

Natrium (Na) gir fra seg ett elektron og blir oksidert. Klor (Cl) tar opp ett elektron og blir redusert.

Eksempel 7.2 Hvilke av disse delreaksjonene er oksidasjoner, og hvilke er reduksjoner?

a) Cl

—■ — Cl2 + e 2

b) O + 2 e~ - O2"

c) Mg2+ + 2 e~ — Mg d) Ca - Ca2+ + 2 e" Løsning: I reaksjonene a og d blir det avgitt elektroner. Disse reaksjonene er da oksida­ sjoner. Reaksjonene b og c er reduksjoner.

Oksidasjonstall Vi husker fra kapittel 3 at en fullstendig overføring av elektroner fra et atom til et annet gir ionebinding og ioneforbindelser. Minst like vanlig er det at bindingen blir etablert ved hjelp av elektronpardeling (kovalent binding). Slike stoffer blir også oksidert og redusert, men det er vanskelig å bruke definisjonen som baserer seg på avgivelse eller opptak av elektroner. Vi kan likevel tenke oss at atomene også her tar opp eller gir fra seg elektroner.

97

Reaksjonslaere

Oksidasjonstallet er et uttrykk for en tenkt elektrisk ladning.

Oksidasjonstallet er et slikt «tenkt» antall elektriske ladninger. På grunnlag av endringer i oksidasjonstallet for et grunnstoff skal vi gi en ny og mer allmenn­ gyldig definisjon av oksidasjon og reduksjon. Først setter vi opp noen regler for hvilke oksidasjonstall de enkelte grunnstoffene kan ha.

1 Alle grunnstoffer i rein form (som altså ikke er bundet til andre grunnstoffer) har oksidasjonstallet 0: Na, O2, N2, Cu, Cl2 osv. 2 For enatomige ioner er oksidasjonstallet lik ioneladningen:

Ca2+ har oksidasjonstallet +2, Cl- har oksidasjonstallet —1, Al3+ har oksidasjonstallet +3.

3 Grunnstoffer i hovedgruppe 1 har alltid ladningen +1. Oksidasjonstallet blir dermed +1. Grunnstoffer i hovedgruppe 2 har alltid ladningen +2, og oksida­ sjonstallet blir da 4-2. 4 Hydrogen har oksidasjonstallet +1 i kjemiske forbindelser med ikke-metaller, for eksempel i H2S og H2O. (I reine metallforbindelser har hydrogen oksidasjonstallet —1.)

5 Oksygen har oksidasjonstallet —2 i kjemiske forbindelser, for eksempel i H2O. (Også her fms det unntak som vi ikke møter i denne boka.) 6 I en nøytral kjemisk forbindelse er summen av alle oksidasjonstall lik null.

I H2S er for eksempel oksidasjonstallet for hydrogen +1. Oksidasjonstallet for svovel blir da x:

4-1 • 2 4- x — 0 x = 0 - 2 x = —2 7 For fleratomige ioner er summen av alle oksidasjonstall lik ionets ladning. I for eksempel NO3- er oksidasjonstallet for oksygen —2. Oksidasjonstallet for nitrogen blir da x:

x - 2•3 = -1 x = — 1 4- 6 x = 4-5

Eksempel 7.3 Bestem oksidasjonstallene for grunnstoffene i disse forbindelsene: a) CaF2 c) H2SO4 e) NH3 b) A12O3 d) NO2 f) CO32-

98

Kjemi for teknisk fagskole

Løsning: a) CaF2 består av ionene Ca2+ og F~. Oksidasjonstallene er da +2 og —1 (reglene 2 og 3). b) A12O3 består av ionene Al3+ og O2-. Oksidasjonstallene er da +3 og —2 (reglene 2 og 5).

c) I H2SO4 har hydrogen (H) oksidasjonstallet +1, mens oksygen (O) har oksidasjonstallet —2 (reglene 4 og 5). Regel 6 gir oss oksidasjonstallet for svovel (S):

+ 1- 2+

a

— 2-4 = 0 x = -2 + 8

d) I NO2 har oksygen (O) oksidasjonstallet —2 (regel 5). Regel 6 gir oss oksidasjonstallet for nitrogen (N): a

- 2•2 = 0 a = 4

e) I NH3 har hydrogen (H) oksidasjonstallet +1 (regel 4). Regel 6 gir oss oksidasjonstallet for nitrogen (N): a-

+ 1 •3 = 0 a = -3

f) I CO32- har oksygen (O) oksidasjonstallet —2 (regel 5). Regel 7 gir oss oksidasjonstallet for karbon (C): a

- 2 • 3 = -2 a = 4

Noen grunnstoffer kan bare ha ett oksidasjonstall i kjemiske forbindelser, mens andre kan ha mange. Eksempler på det siste er nitrogen med ±1, ±2, ±3, +4 og + 5 og svovel med ±2, +3, +4, + 5 og + 6. De to siste reglene bruker vi for å finne oksidasjonstallene for stoffer som har flere oksidasjonstall. Vi kan nå definere oksidasjon og reduksjon på grunnlag av endringer i oksida­ sjonstallet:

Oksidasjon: Oksidasjonstallet øker. Reduksjon: Oksidasjonstallet minker.

Et stoff blir oksidert dersom oksidasjonstallet øker i en kjemisk reaksjon. Et stoff blir redusert dersom oksidasjonstallet minker i en kjemisk reaksjon.

Del er naturligvis ingen motsetning mellom de to definisjonene vi nå har gitt. Begge gir det samme resultatet for hvilket stoff som blir oksidert, og hvilket som blir redusert.

99

Reaksjonslære

Vi vender tilbake til eksemplet vårt på side 94. Nå skriver vi oksidasjonstall over hvert grunnstoff: o

0

+2 -2

1) Cu+ O - CuO

For kopper (Cu) ser vi at oksidasjonstallet øker fra 0 til +2. Altså blir kopperet oksidert. Oksidasjonstallet for oksygen minker fra 0 til —2, altså blir oksygenet redusert. Når sølvnitrat blir løst i vann, danner det seg Ag+- og NO3~-ioner. Løsningen er fargeløs. Setter vi en kopperstav ned i væsken, blir løsningen etter hvert farget blå. Det indikerer at det danner seg Cu2+-ioner.

^_,Cu-stav

løsning med Ag+-ioner

Figur 7.4 På kopperstaven danner det seg lyse nåler som er av sølv.

Samtidig vokser det ut lyse nåler av sølv på den delen av kopperstaven som står ned i væsken. Det er et resultat av en redoksreaksjon. Reaksjonslikningen er gitt i eksempel 7.4c.

Eksempel 7.4 Avgjør hva som blir oksidert, og hva som blir redusert i reaksjonene nedenfor. Skriv oksidasjonstall over hvert grunnstoff. (Koeffisientene trenger du ikke bry deg om her.) a) N, + 3 H2 - 2 NH3

c) 2 Ag+ + Cu

2 Ag + Cu2+

(Fullstendig reaksjonslikning er: 2 AgNO3 + Cu

b) CuS + | O2 - CuO + S

d) 2 Na + 2 H2O — 2 NaOH + H2

Løsning:

a)

I)

0

Cu(NO3)2 + 2 Ag)

-3 + I

N2 + 3 H2 ~ 2 NH3

Nitrogen blir redusert og hydrogen oksidert.

100

Kjemi for teknisk fagskole

+ 2-2

i

0

+2-2

0

CuS + — Ot -* CuO + S 2 "

Oksygen blir redusert og svovel oksidert. +i

o

o

+2

2 Ag+ + Cu - 2 Ag + Cu2+ Sølv blir redusert og kopper oksidert. 0

+1-2

+1-2+1

0

2 Na + 2 H2O - 2 NaOH + H2

Hydrogen blir redusert og natrium oksidert.

Redoksreaksjoner er svært vanlige både ute i naturen, i levende organismer, i industriprosesser, ved metallkorrosjon, i energiproduksjon, og ellers der det foregår kjemiske reaksjoner. Noen stoffer har fra naturens side lett for å oksidere, andre ikke. Det er denne ulike evnen hos grunnstoffene som danner grunnlaget for spenningsrekka, som vi skal lære om i kapittel 9. I spenningsrekka er en mengde stoffer, deriblant metallene, rangert etter den evnen de har til å oksidere. Skal vi forstå og ikke minst kunne dra nytte av spenningsrekka, er det viktig at vi forstår redoksmekanismene. Oksidasjonsmiddel får et stoff til å oksidere. Reduksjons­ middel får et stoff til å bli redusert.

Til slutt skal vi kort nevne et par andre begreper. Et stoff som får et annet til å oksidere, kaller vi et oksidasjonsmiddel. Dette stoffet blir selv redusert. Tilsvarende er et reduksjonsmiddel et stoff som får et annet til å bli redusert. Dette stoffet blir da selv oksidert.

I reaksjonen på side 99, Cu + O — CuO, ser vi at oksygenet er et oksidasjons­ middel fordi det oksiderer kopperet. Kopperet er et reduksjonsmiddel. Noen stoffer er sterke oksidasjonsmidler, andre er sterke reduksjonsmidler. Dette skal vi komme tilbake til i kapittel 9.

Oppsummering En eksoterm reaksjon er en reaksjon der det blir utviklet energi.

En endoterm reaksjon er en reaksjon som for­ bruker energi. En reversibel reaksjon kan gå både fra venstre mot høyre og fra høyre mot venstre. Når hastighetene

i disse reaksjonene er like store, har vi kjemisk likevekt.

Le Chåteliers prinsipp forteller hvordan den kjemiske likevekta blir forskjøvet dersom vi gjør endringer i ytre faktorer som konsentrasjonen av reaktanter eller produkter, i trykk eller temperatur.

101

Reaksjonslære

Massevirkningsloven definerer en likevektskonstant basert på konsentrasjonen av de invol­ verte stoffene.

En katalysator er et stoff som øker hastigheten på en kjemisk reaksjon uten selv å bli forbrukt. En inhibitor reduserer reaksjonshastigheten. Oksidasjonstallet for et grunnstoff er et uttrykk for en tenkt elektrisk ladning. Vi bestemmer oksida­ sjonstallet ved hjelp av noen faste regler.

Oksidasjon er avgivelse av elektroner eller økning i oksidasjonstallet.

Reduksjon er opptak av elektroner eller nedgang i oksidasjonstallet. Et oksidasjonsmiddel får et annet stoff til å oksidere.

Et reduksjonsmiddel får et annet stoff til å bli redusert.

Øvingsoppgaver 7.1 a) Forklar begrepene endoterm reaksjon, eksoterm reaksjon og aktiveringsenergi. b) Hva mener vi med kjemisk likevekt? c) Formuler Le Chåteliers prinsipp. d) Sett opp et uttrykk for likevektskonstanten for reaksjonen: 2 SO2 + O2

2 SO3

b) Hvilke gasser i avgassene fra en bil blir fjernet i katalysatoren, og hva blir disse gassene om­ dannet til? 7.5 a) Definer begrepene oksidasjon og reduksjon. b) Bestem oksidasjonstallene for alle grunnstoffer i disse forbindelsene: Na20, MgCl2, HNO3, NO, OH", SO42

7.2 Vi har denne likevekta i et lukket kar ved 25 °C:

2 SO2 + O2 7- 2 SO3 + 197 kJ

Hvilken side blir likevekta forskjøvet til når vi: a) øker temperaturen b) reduserer karets volum c) fjerner SO3 og tilfører SO2 d) reduserer trykket 7.3 Skriv reaksjonslikningene som svarer til disse uttrykkene for likevektskonstanten: a)K=

CT(cno) -Co2

c)K = Cc0-'(^ fCH4 • (co2)

b)Æ = Lu£

7.6 Finn oksidasjonstallet for metallene i disse stoffene: a) KMnO4

c) Ti2O3

e) MgSO4

b) CaMn2O7

d) Sc

f) MoO2

7.7 Bruk reglene for oksidasjonstall til å avgjøre hva som blir oksidert, og hva som blir redusert i disse reaksjonene:

a) CuO + H2

Cu + H2O

b) Mg + Cl2 —>• MgCl2

c) Fe2O3 + 3 CO — 2 Fe + 3 CO2 d) Zn + Cu2+ -» Zn2+ + Cu

H2 ^12

7.4 a) Gi noen eksempler på stoffer som har kata­ lytisk virkning.

7.8 Avgjør hvilke stoffer som er oksidasjonsmidler, og hvilke som er reduksjonsmidler i reaksjonene i øvingsoppgave 7.7.

102

7.9 Nitrogen og oksygen danner i alt fem ulike for­ bindelser med hverandre. I disse forbindelsene har nitrogen oksidasjonstallene 1, 2, 3, 4 og 5. Skriv de sannsynlige (enkleste) formlene for disse fem forbindelsene.

Kjemi for teknisk fagskole

7.10 Skriv opp delreaksjonene for oksidasjonen og reduksjonen i øvingsoppgave 7.7b og d.

8 Syrer og baser Mål Når du har lest dette kapitlet, skal du kunne: - skrive navn og formler for noen viktige syrer og baser - gi en definisjon av hva vi mener med syrer og baser - gjøre rede for hvordan syrer og baser reagerer i en vannløsning - forklare hva vi mener med sterke og svake syrer og baser - forklare hva som skjer ved nøytralisering - definere hva pH-verdien er, og utføre enkle pH-beregninger - gjøre rede for hvordan sur nedbør oppstår, og hvordan den virker på naturen

104

Kjemi for teknisk fagskole

8.1 Syrer I hverdagen treffer vi på mange forskjellige syrer. Når melka surner, er det fordi det danner seg melkesyre. Bilbatteriet inneholder fortynnet svovelsyre, og i mage­ sekken vår deltar saltsyre i nedbrytingen av næringsstoffene. I frukt og bær som appelsiner, sitroner og tyttebær fins det flere syrer. Og vi kjenner alle til at sur nedbør og forsuring av vassdrag er et stort miljøproblem. Syrer er først og fremst væsker, det vil si vannløsninger. Ofte dreier det seg om gasser løst i vann, men en syre kan også være i fast form, for eksempel sitronsyre. Noen eksempler på uorganiske syrer.

HC1: saltsyre HNO3: salpetersyre H2SO4: svovelsyre

HCN: blåsyre H2CO3: karbonsyre

Eksempler på organiske syrer: HCOOH: maursyre

CH3COOH: eddiksyre

Syrene har en del felles egenskaper: • Sure vannløsninger inneholder H \ protoner, eller mer korrekt H3O+-ioner (se nedenfor). • Syrer smaker surt. • Syrer farger plantefargestoffet lakmus rødt. • Syrer løser opp uedle metaller som sink og magnesium.

Den danske kjemikeren J.N. Brønsted (1879-1947) gav i 1923 denne definisjonen av en syre:

Syre er et stoff som spalter av protoner.

En syre er et stoff som spalter av protoner (H+).

La oss se på reaksjonen mellom HC1, som er en gass, og vann (det er denne vannløsningen av HC1 vi kaller saltsyre): HCi + h2o - h3o+ + cr

Figur 8.1

105

Syrer og baser

Vi ser at HC1 spalter av et H+-ion (proton), som binder seg til et vannmolekyl. Det danner seg da et H3O+-ion, som har fått navnet oksoniumion.

Når HCl-molekylet spalter seg på denne måten i H+ og Cl-, sier vi at det dissosierer. H3O+ = oksoniumion. Det fins i sure løsninger.

Det er altså oksoniumionet som gir løsningen de sure egenskapene. Jo høyere konsentrasjon av dette ionet, desto surere er løsningen. Ofte forenkler vi denne spaltingsreaksjonen ved rett og slett å utelate vannmolekylet:

HC1 - H+ 4- cr Vi sier da at det er H+-ionet som gir de sure egenskapene. Men i virkeligheten er altså dette ionet bundet til et vannmolekyl.

Andre syrer reagerer med vann på en tilsvarende måte. Det negative ionet som er igjen av syra etter at protonet er spaltet av, kaller vi syrerest.

Sterke og svake syrer Alle reaksjoner der en syre reagerer med vann, er likevekter. I vårt tilfelle er likevekta forskjøvet helt til høyre. Det innebærer at så å si alle HCl-molekylene er spaltet i ioner (dissosiert). Men i enkelte syrer er likevekta ikke forskjøvet mot høyre. Da er det bare en del av molekylene som er spaltet.

Sterke syrer er fullstendig spaltet.

En sterk syre er en syre som blir spaltet praktisk talt fullstendig i vannløsning. Saltsyre (HC1), salpetersyre (HNO3) og svovelsyre (H2SO4) er eksempler på sterke syrer.

Svake syrer er delvis spaltet.

En svak syre er en syre som bare delvis blir spaltet i vannløsning. Blåsyre (HCN), karbonsyre (H2CO3), maursyre (HCOOH) og eddiksyre (CH3COOH) er eksempler på svake syrer. Her kan det være stor forskjell fra syre til syre når det gjelder graden av spalting.

Vær oppmerksom på at begrepene sterk og svak syre ikke må blandes sammen med syras konsentrasjon. Saltsyre er en sterk syre selv om vi fortynner den til en svært lav konsentrasjon. Og maursyra blir regnet som en svak syre selv om den er ufortynnet.

8.2 Baser I likhet med syrer treffer vi også på baser i hverdagen. Enkelte baser blir brukt til reingjøring, for eksempel salmiakkspiritus (som er en vannløsning av ammo­ niakk, NH3), soda (Na2CO3) og kaustisk soda (NaOH). Vanlig såpe inneholder også en base. Lesket kalk (Ca(OH)2) er en base som blir brukt ved muring.

106

Kjemi for teknisk fagskole

Noen eksempler på baser: NaOH: natriumhydroksid (natronlut, kaustisk soda) KOH: kaliumhydroksid (kalilut) Ca(OH)2: kalsiumhydroksid (lesket kalk) NH3: ammoniakk Basene har også en del felles egenskaper: • Vannløsninger av base inneholder OH, hydroksidioner. • Baser farger lakmus blått. • Baser på huden får den til å virke glatt.

J.N. Brønsted gav også en definisjon av hva en base er: Base er et stoff som tar opp protoner.

En base er et stoff som tar opp protoner.

For reaksjonen mellom ammoniakk og vann har vi: NH3 + H2O - NH4+ + OH"

Figur 8.2

Vi ser at NH3 tar opp et H+-ion (proton) fra et vannmolekyl. Det innebærer at et NH4+-ion og et OH"-ion blir dannet. Definisjonen foran kan det være litt vanskelig å bruke i de tre første eksemplene våre, fordi det egentlig bare er OH“-ionet i disse hydroksidene som er basen. Vi kan da tenke oss at OH"-ionet tar opp et H+-ion (proton) fra et vannmolekyl, og et nytt OH"-ion danner seg: OH- + H2O r H2O + OH"

I vann spalter basene seg slik dette eksemplet med NaOH viser: NaOH + H2O - Na+ + H2O + OH"

OH" = hydroksidion. Det fins i basiske løsninger.

eller enklere: NaOH =: Na+ + OH"

Det er altså OH -ionet som gir løsningen de basiske egenskapene.

107

Syrer og baser

Sterke og svake baser Sterke baser er fullstendig spaltet i ioner. Svake baser er delvis spaltet i ioner.

Vi skiller mellom sterke og svake baser på samme måte som vi skiller mellom sterke og svake syrer.

Protolyse er en reaksjon som fører til protonover gang.

En reaksjon der det skjer en protonovergang ved at det enten blir avgitt eller tatt opp protoner, kaller vi med et fellesnavn for protolyse.

En sterk base er så å si fullstendig spaltet i ioner, mens en svak base er delvis spaltet i ioner. NaOH, KOH og Ca(OH)2 er eksempler på sterke baser, mens for eksempel NH3 er en svak base.

8.3 Nøytralisering Vi har sett at H3O+-ionet gir sure egenskaper, mens OH~-ionet er årsak til basiske egenskaper. Blander vi like mengder syre og base, reagerer disse ionene med hverandre og danner vann: H3O+ + OH

Sur løsning: overvekt av H3O+ Basisk løsning: overvekt av OH

- 2 H2O

Dette er en likevekt som er forskjøvet langt mot høyre. Det vil si at de aller fleste oksonium- og hydroksidionene tilintetgjør hverandre. Likevel er det litt igjen av begge ionene, også i reint vann.

Det karakteristiske ved en nøytral løsning er at konsentrasjonene av H3O+ og OH- er like store. I en sur løsning er det overvekt av H3O+-ioner, og i en basisk løsning er det overvekt av OH~-ioner. La oss velge to kombinasjoner av syre og base og se hvordan reaksjonslikningene blir: HCl saltsyre

+

NaOH natriumhydroksid

H2SO4 + Ca(OH)2 svovelsyre kalsiumhydroksid

zr

-

H2O vann

+

NaCl natriumklorid (koksalt)

2 H2O vann

+

CaSO4 kalsiumsulfat

Generelt kan vi skrive: Syre 4- base gir vann + salt.

Syre 4- base — vann + salt

108 Salt består av et positivt metallion og et nega­ tivt ion fra syra.

Kjemi for teknisk fagskole

Vi ser at det alltid danner seg et salt ved nøytralisering. Hvilket salt det er tale om, avhenger av syra og basen som er valgt. Saltet er en ioneforbindelse mellom et positivt metallion og et negativt ion som svarer til syreresten.

8.4 pH. Surhetsgrad Surhetsgraden i en løsning blir gjerne uttrykt ved pH-verdien. Vi skal se at pH-verdien er direkte knyttet til konsentrasjonen av H3O+-ionet.

I alle vannløsninger, enten de er sure eller basiske, gjelder likevekta vi så på foran: 2 H2O

x

H3O+ + OH

Likevektskonstanten for denne likevekta er: cH,0+ ‘ c0H"

K = —------------(ch2o)I2* (Se kapittel 7, side 93.) Denne likningen kan vi også skrive slik: ch3o+

‘ coh~ = K' (ch2o)2

Vannets ioneprodukt: ch3o+ • coh= 10-14

Høyre side i dette uttrykket kan regnes som en ny konstant som vi kaller vannets ioneprodukt. Denne konstanten har verdien 1,0 • 10-14 ved 25 °C. Det vil si at:

Nøytral løsning: ch3o+ = C()H = 107*M

I en nøytral løsning, altså der cH3o+ = Cqh~, får vi nå:

ch3o+

ch3o+

‘ coh- — 1,0-10 14

- coh~ = 10 7 M

Kjenner vi konsentrasjonen av H3O+, kan vi bruke vannets ioneprodukt til å regne ut konsentrasjonen av OH-, og omvendt. Dersom cH3ø+ er høy, ser vi av vannets ioneprodukt at c0H- må være lav. Løsningen er altså sur. Omvendt blir det når løsningen er basisk. Det er viktig å merke seg at vi ikke kan ha en høy konsentrasjon av H3O+ og OH- samtidig i en og samme løsning.

pH er definert slik:

pH = -log Ch3q+

pH = -log Ch3o+ Vi får da:

- W 5 *M ch3o+ = 10 7 M cHjo+ = 10"12 M ch3o+

gir gir gir

pH = 5 pH = 7 pH = 12

109

Syrer og baser

Ut fra det vi tidligere har sagt om sure og basiske løsninger, ser vi at:

• pH = 7 er en nøytral løsning. • pH < 7 er en sur løsning. • pH > 7 er en basisk løsning. pH-skalaen går fra 0 til 14. En pH-verdi lik null svarer til cH;0+ — 1 M, det vil si 1 M sterk syre. En pH-verdi på 14 svarer til cH3q+ = 10~14 M og Cqh- = 1 M, det vil si 1 M sterk base. 0

1

2

3

4

l

I

I

I

I

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

i____ I____ I____ I____ I____ I____ I____ I____ l____ I

Figur 8.3 pH-skalaen

nøytral løsning

surt

basisk

Vi merker oss at forskjellen i cH3q+ mellom to etterfølgende pH-verdier utgjør en faktor på 10. En løsning med pH-verdi lik 4 inneholder da 103 = 1000 ganger flere H3O+-ioner enn en løsning med pH-verdi lik 7.

Eksempel 8.1 a) Regn ut pH-verdien i en løsning med