Kjemi: kjemi- og prosesstekniske fag 8258509594 [PDF]

Zitiervorschau

Eckhard Ignatowitz

Kjemi Kjemi- og prosesstekniske fag Bokmål

Yrkesopplæring ans -1995

© 1992 Tysk utgave: Schul- und Fachbuchsverlag, Nourney, Vollmer GmbH & Co., 5657 Haan-Gruiten, Tyskland Originaltittel: Chemie fur Schule und Beruf

© 1994 Norsk utgave: Yrkesopplæring ans 1. utgave, 1. opplag Norsk utgave ved Øystein Randers-Pehrson

Omslagsdesign: Reidar Gjørven Omslagsfoto fra Mobils servicelaboratorium

Godkjent av Nasjonalt Læremiddelsenter i september 1994. Godkjenninga er knyttet til fastsatt læreplan av oktober 1993 og gjelder så lenge læreplanen er gyldig.

Printed in Norway by PDC Printing Data Center a.s, 1930 Aurskog 1994 ISBN 82-585-0959-4

Det må ikke kopieres fra denne boka utover det som er tillatt etter bestemmelsene i "Lov om opphavsrett til åndsverk", "Lov om rett til fotografi" og "Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet". Brudd på disse bestemmelsene til bli anmeldt.

Forord

Denne boka er først og fremst beregnet på elever som følger grunnkurset i kjemi og prosessfag. For å oppfylle målene i læreplanen bør man også bruke oppgavesamlingen skrevet av Lilianna Bye og laboratorieøvingene skrevet av Per Erik Rangberg.

Boka krever ingen forkunnskaper i kjemi hos elevene. Kunnskapene blir så vidt mulig formidlet ved beskrivelse av forsøk eller ved analogier og sammenligninger som så blir formalisert i lover og formler. Deretter kan elevene arbeide videre med øvingsoppgaver og regneeksempeler. På slutten av hvert hovedavsnitt finnes det repetisjonsspørsmål. Boka er delt i seks kapitler: Kapittel 1, Allmenn kjemi, gir en grundig gjennomgang av det generelle grunnlaget. Den første halvdelen av kapittelet innfører grunnbegrepene og enklere lovmessigheter i kjemien. Den andre halvdelen går dypere inn i grunnlaget for den moderne atomteorien, ioneteorien og fysisk-kjemiske fenomener.

Kapittel 2, Uorganisk kjemi, gir en systematisk gjennomgang av de vanligste stoffene etter deres plassering i periodesystemet, og av deres forbindelser.

Kapittel 3, Uorganisk teknologi, gir en fremstilling av denne delen av den kjemiske industrien, med en grundigere beskrivelse av utvalgte prosesser. Kapittel 4, Organisk kjemi, gir en systematisk oversikt over de vanligste stoffgruppene og får nærmere inn på de viktigste organiske stoffene. Kapittel 5, Organisk teknologi, forteller om viktige prosesser i denne delen av den kjemiske industri. Kapittel 6, Kjemi og miljø, gjør rede for spenningsfeltet mellom kjemien og verden omkring oss. Dette emnet er også berørt mange andre steder i boka.

Oslo, mars 1994 Øystein Randers-Pehrson

3

Innhold Forebyggelse av skader ved arbeid med kjemikalier .................................................................................................. 7 Kjemiens betydning............................................................................................................................................................ 8 Kjemi og naturvitenskap ................................................................................................................................................... 9

1

Allmenn kjemi

.................................................................................... 10

1.1

Kjemiske grunnbegreper.......................... 10

1.8

Masse, stoffmengde, konsentrasjon

1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.8.4 1.8.5

Atommasse og molekylmasse.................... 48 Mol - enhet for stoffmengde....................... 49 Kjemiske ligningers utvidedeinnhold .... 50 Angivelse av løsningers konsentrasjon . . 50 Regning med stoffmengder: støkiometri............................51

1.9

Kjemiske bindingstyper........................... 52

1.9.1 1.9.2 1.9.3 1.9.4 1.9.5 1.9.6

lonebinding ................................................... 53 Elektronparbinding....................................... 54 Polar elektronparbinding.............................. 55 Hydrogenbinding ..........................................56 Kompleksbinding......................................... 57 Metallbinding.................................................57

1.10

Elektronutveksling ved kjemiske reaksjoner.................................. 58

Stoffbegrepet................................................. 10 Stoffenes fysiske egenskaper..................... 10 Stoffenes inndeling ..................................... 12 Grunnstoffene .............................................. 15 Kjemiske forbindelser og fysiske blandinger................................... 16 1.1.6 Atomer, molekyler, kjemisk binding......... 17 1.1.7 Kjemiske formler .......................................... 18 1.1.8 Atomære forandringer ved kjemiske reaksjoner.............................. 19 1.1.9 Reaksjonsligninger........................................19 1.1.10 Energi ved kjemiske reaksjoner ................ 20

1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5

............................................................... 21

1.2

Luft

1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5

Sammensetning, egenskaper.....................21 Oksygen ....................................................... 22 Oksidasjon, oksider..................................... 23 Oksidasjonsprosesser i teknikken............24 Reduksjon..................................................... 25

1.3

Vann............................................................... 26

1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4

Forekomst og forsyning .............................. 26 Egenskaper...................................................26 Kjemisk sammensetning.............................. 27 Hydrogen ..................................................... 28

1.4

Syrer, baser, salter..................................... 29

1.4.1 1.4.2 1.4.3

Syrer.............................................................. 30 Baser ............................................................ 32 Salter ............................................................ 33

1.5

Lovmessigheten ved dannelse av kjemiske forbindelser ......................... 35

1.5.1

1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6

Masseforhold ved dannelse av kjemiske forbindelser...................................35 Valens............................................................. 36 Oppstilling av kjemiske formler.................. 37 Summeformler, strukturformler.................. 37 Gay-Lussacs lov ......................................... 38 Avogadros lov.............................................. 39

1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3

Atomenes oppbygning.............................. 40 Det moderne bilde av atomene................ 40 Atomkjernen ................................................ 41 Atomskallet................................................... 42

1.7 1.7.1

Periodesystemet ....................................... 44 Grunnstoffenes kortperiodiske periodesystem .............................................. 44 Atomets oppbygning og periodesystemet ..........................................45 Grunnstoffenes langperiodiske periodesystem .............................................. 46

1.7.2

1.7.3

4

. . 48

1.10.1 Oksidasjon, reduksjon, redoksreaksjoner......................................... 58 1.10.2 Oksidasjonstall ............................................ 59 1.11

loner: massepartikler med spesielle egenskaper................................ 60

1.11.1 Vandige løsningers elektriske ledningsevne .............................. 60 1.11.2 Dissosiasjon og hydratisering av salter ................................ 61 1.11.3 Saltsmelters elektriske ledningsevne.................................................61 1.11.4 Protolyse........................................................62 1.11.5 Begrepet syre-base-reaksjoner................ 63 1.11.6 Syrers og basers styrke.............................. 64 1.11.7 pH-verdi ........................................................64 1.11.8 lonereaksjoner i løsninger ......................... 65

1.12

Kjemiske reaksjoner

................................ 66

1.12.1 Nødvendige betingelser for kjemiske reaksjoner .............................. 66 1.12.2 Kjemiske reaksjoners hastighet................ 68 1.12.3 Kjemisk likevekt............................................ 69 1.12.4 Massevirkningsloven ...................................71

1.13

Stoffenes fysisk-kjemiske egenskaper . 72

1.13.1 1.13.2 1.13.3 1.13.4 1.13.5

Varme - på atomnivå.................................. 72 Stoffenes aggregattilstand ......................... 72 Gassenes egenskaper................................ 74 Væskenes egenskaper................................ 75 Faste stoffers egenskaper ......................... 77

1.14

Kjernekjemi .................................................78

1.14.1 Naturlig radioaktivitet...................................78 1.14.2 Kjerneprosesser ............................................ 79

2

Uorganisk kjemi .......................................................................... .............. 80

2.1

Gruppe 1: hydrogen og alkalimetallene 82

2.1.1 2.1.2 2.1.3

Natrium........................................................ 83 Kalium.......................................................... 84 Ammonium ................................................. 85

2.2

Gruppe 15: nitrogengruppen

..................................... 86

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5

Beryllium..................................................... Magnesium................................................. Kalsium........................................................ Strontium ................................................... Barium ........................................................

2.3

Gruppe 3: borgruppen ............................................... 90

86 87 88 89 99

2.3.1 2.3.2

Bor............................................................... 90 Aluminium................................................... 91

2.4

Gruppe 4: karbongruppen ........................................ 92 Karbon ........................................................ 92 Silisium........................................................ 94

2.4.1 2.4.2

3

Uorganisk teknologi..............

3.1

Kjemisk produksjon i stor skala

3.1.1

3.1.2 3.1.3 3.1.4

Fra steinsalt til klor, hydrogen og natronlut........................ 111 Svovelsyreproduksjon ...............................114 Ammoniakksyntesen ................................. 116 Sodaproduksjon.......................................... 118

3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7

Metallenes kjemi og teknologi........... 119 Oversikt og innledning ...............................119 Metallutvinning.............................................119 Stålmaterialer .............................................120 Aluminium og aluminiumlegeringer .... 124 Kobber og kobberlegeringer..................... 126 Andre teknisk viktige metaller................... 128 Metalliske sintermaterialer ........................ 129

3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7

Elektrokjemi og elektrokjemisk teknologi................... 130 Elektrokjemisk grunnlag............................ 130 Galvaniske elementer................................. 132 Tekniske galvaniske elementer.............. 133 Elektrolyse ................................................. 135 Faradays lov............................................... 137 Teknisk anvendelse av elektrolyse .... 138 Korrosjon og korrosjonsbeskyttelse .... 140

4

Organisk kjemi ......................

4.1

Alkaner

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5

Metan.......................................................... 161 Alkanenes homologe rekke.........................161 Alkanenes isomeri...................................... 162 Alkanenes egenskaper............................... 163 Ringformede alkaner: sykloalkaner .... 164

.... 111

..................................................... 161

2.4.3 2.4.4

Tinn .............................................. ..............95 Bly ................................................. ..............95

2.5

Gruppe 15: nitrogengruppen ....................... ..............96 Nitrogen ....................................... ..............96 Fosfor............................................ ..............98

2.5.1 2.5.2

2.6

Gruppe 16: oksygengruppen

....................... ............ 100

2.6.1 2.6.2

Oksygen ....................................... ............100 Svovel............................................ ............ 101

2.7

Gruppe 17: halogenene ................................ Fluor.............................................. Klor................................ Brom....................................... Jod.................................................

2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4

............ 104 ............105 105 ............ 106 ............107

2.8

Gruppe 18: edelgassene................................ ............ 108

2.9

Overgangsgrunnstoffene......... ............ 108

2.10

Lantanoider og aktinoider

... ............ 109

. 110 3.4 3.4.1

3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6

3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3

3.6 3.6.1 3.6.2

3.7 3.7.1 3.7.2

Vannets kjemi og teknologi........... Naturlig forekommende vann og dets innhold ......................... Dnkkevannforsyning............................ Vannhardhet..................... Vann til teknisk bruk.................. Bløtgjøring og totalavsalting av vann . Rensing av industrielt avløpsvann . . .

. . 142

. . . . .

. . . . . .

142 143 144 145 146 148

Byggematerialenes kjemi og teknologi....................................... . Kalk ..................................... . Gips ................................ . Sement.................................................. .

. . . .

150 150 151 152

Glassets og de keramiske stoffers kjemi og teknologi ............. . . 154 Keramiske stoffer . . . . 154 Glass ..................................................... . 156 Kunstgjødselens kjemi og fremstilling ..................................... . 158 Grunnlaget for planteernæring ........... . 158 De viktigste kunstgjødsler og deres fremstilling.............................. . 158

160

4.1.6

Halogenalkaner......................................... 164

4.2

Alkener

4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4

Eten ............................................................ 165 Alkenenes homologerekke......................... 165 Alkenenes egenskaper.............................. 165 Diener, polyoler.......................................... 166

..................................................... 165

5

4.9 4.9.1 4.9.2

Estere.......................................................... 180 Generelle egenskaper .............................. 180 Viktige estere ............................................ 181

4.10

Etere

Benzen........................................................ 168 Andre teknisk viktige aromater.............. 169

4.11.

4.5

Alkoholer....................................................170

4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6

Stoffgruppen ............................................... 170 Alkoholenes homologe rekke ................... 170 Alkoholenes egenskaper .......................... 171 Viktige alkoholer ........................................ 172 Isomeri hos alkoholene ............................ 173 Flerverdige alkoholer................................. 173

4.11.1 4.11.2 4.11.3 4.11.4

Nitrogenholdige organiske forbindelser............... 182 Aminer ........................................................ 182 Aminosyrer ................................................. 183 Nitroforbindelser ........................................ 183 Nitriler (cyanider)........................................183

4.6

Aldehyder

4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3

Alkyner ..................................................... 167 Etyn (acetylen) .......................................... 167 Alkynenes homologe rekke........................ 167 Alkynenes kjemiske egenskaper............ 167

4.4

Aromatiske hydrokarboner

4.4.1 4.4.2

................... 168

.......................................................... 181

4.12

Svovelholdige organiske forbindelser............................ 184

................................................. 174

4.13

Heterosykliske forbindelser................ 184

4.6.1 4.6.2

Aldehydenes homologe rekke................... 174 Viktige aldehyder........................................ 175

4.14

4.7

Ketoner ...................................................... 175

Tabell over organiske stoffgrupper

4.8

Karboksylsyrer.......................................... 176

4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.8.4 4.8.5

Karboksylsyrenes homologe rekke .... 177 Karboksylsyrenes generelle egenskaper 177 Viktige karboksylsyrer ............................... 178 Umettede karboksylsyrer .......................... 179 Dikarboksylsyrer, hydroksysyrer, aromatiske karboksylsyrer ........................179

5

Organisk teknologi.................

5.1

Råolje og naturgass................................. 190

5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5

Opprinnelse, forekomst, utvinning, sammensetning ........................ 190 Fraksjonert destillasjon av råolje............191 Foredling av råoljefraksjonene .................193 Petrokjemi....................................................195 Drivstoff for forbrenningsmotorer............ 196

5.2

Kull

5.2.1 5.2.2 5.2.3

Opprinnelse, typer, sammensetning, utvinning ........................ 198 Bruk av kull................................................. 199 Ny kullteknologi.......................................... 200

5.3

Kunststoffer............................................... 201

5.3.1 5.3.2

Generelle egenskaper og anvendelse . . 201 Reaksjonsmekanismer ved fremstilling . 202

6

Kjemi og miljø.........................

6.1 6.2

Kjemiens nytteverdi ................................... 217 Kjemikalieproduksjon og miljøskader............................................ 217

Takk, firmafortegnelse ........................................ 228

6

4.15

Fett............................................................... 186

4.16 4.16.1 4.16.2 4.16.3

Karbohydrater .......................................... 187 Sukkerartene............................................... 187 Stivelse........................................................188 Cellulose...................................................... 188

4.17

Proteiner ................................................... 189

190

5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7

Teknisk inndeling og indre struktur .... 203 Termoplast .................................................204 Duroplast ................................................... 207 Elastomerer................................................. 209 Silikoner ..................................................... 210

5.4

Fargestoffer.............................................. 211

5.4.1

5.4.2 5.4.3

Grunnlaget for vår oppfatning av farge ............................ 211 Fargestoffer................................................. 212 Pigmenter................................................... 213

5.5

Rengjørings-og vaskemidler..............214

5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4

Vaskeaktive stoffers virkemåte ................ 214 Vaskeaktive stoffer (tensider) ...................214 Tilsetningsstoffer i vaskemidler.............. 215 Moderne vaskemidlers sammensetning . 216

.............................................................. 198

Stikkordregister ................................................... 222

.......................... 185

217 6.3 6.4

Uskadeliggjøring av miljøgifter fra kjemisk industri..................................... 218 Miljøskader fra brennstoffer og kjemiske produkter .............................. 219

Skadeforebyggelse ved arbeid med kjemikalier Arbeid med kjemikalier medfører risiko. Bare ved fagmessig arbeidsteknikk og forsiktighet kan man forebygge fare for sin egen og kollegenes helse.

Generelle regler 1 2 3

4 5

6

7

8 9

10

På kjemiske laboratorier er det forbudt å røyke, spise eller drikke. Ved behandling av kjemikalier skal man bruke laboratoriefrakk og vernebriller for å hindre synsskader og ødelagte klær. Arbeidsplassen og utstyret som brukes, skal holdes pinlig rene. Rester av giftige stoffer kan forårsake forgiftning. Alt søl må straks fjernes. Det må herske orden på arbeidsplassen: Flasker, glass og annet utstyr skal straks etter bruk settes på plass igjen. Kjemikalier må ikke berøres eller børstes bort med bare hender. Lukteprøve utføres ved at man vifter med hånden. Når væsker varmes opp i reagensglass, skal munningen av reagensglasset ikke vende mot ditt eget ansikt eller mot dem som er i nærheten. Væske som plutselig støtes ut, kan gi forbrenninger og etseskader. Reagensglasset må bare fylles kvart fullt, og under oppvarming skal støtkoking forhindres ved lett risting. Før man begynner å arbeide med brennbare væsker, må man forsikre seg om at det ikke finnes åpen flamme i nærheten. Rester av brennbare væsker skal ikke slås i vasken, men i spesielle samlebeholdere. Arbeid som medfører dannelse av giftige eller helsefarlige gasser, skal utføres i avtrekk. Giftige gasser er for eksempel: karbonmonoksid CO, hydrogensulfid H2S, hydrogencyanid HCN, klor Cl2. Sprukket eller skadet glassutstyr skal ikke brukes. Det må ikke kastes i papir­ kurvene, men i spesielle avfallsbeholdere.

Forholdsregler ved brann

Advarsel: Gift

Advarsel: Etsende stoff

Skulle det bli brann på et kjemisk laboratorium, skal om mulig alle gasskraner stenges og alt brennbart fjernes fra brannområdet. Deretter skal brannen slukkes med håndslukkeapparat. Kjemikaliebranner må ikke slukkes med vann. Brann i klærne slukkes ved at man dekker med laboratoriefrakker eller tepper, ved bruk av nøddusjen eller med brannslukningsapparatet. Etter slukking må brannskade eller tilløp til brannskade på personer snarest mulig kjøles ned med kaldt vann (viktig!). Får man ikke brannen under kontroll, må brannvesenet tilkalles. Alle bør vite hvor nærmeste brannslukningsapparat og telefon eller brannalarm finnes, og kjenne rømningsveiene.

Førstehjelp ved ulykker Utstyr og medisiner for førstehjelp finnes i førstehjelpskasser. Under en pause i arbeidet må man få vite hvor de finnes, og hva de innehol­ der. Kjøl ned med kaldt vann i mange minutter. Dekk det forbrente område med steril bandasje og søk lege. Etseskader: Skyll skadet hud i ca. 15 minutter under rennende vann; øyne skylles i ca. 15 minutter med øyeskyllemiddel eller, hvis det ikke finnes, med vann. Søk deretter lege snarest. Snittsår: Mindre kutt dekkes med plaster eller steril gas. Ved sterk blødning brukes omsnøring. Tilkall lege. Gassforgiftning: Bring den forgiftede ut av faresonen, la ham få ligge og sørg for frisk luft. Ved åndedrettsstans brukes kunstig åndedrett. Lege tilkalles. Også ved små uhell og skader bør man etter førstehjelp konsultere lege, slik at man er sikret sakkyndig behandling.

Forbrenning:

7

Kjemiens betydning Fra historien vet vi at allerede tidligere kulturer benyttet enkelte kjemiske teknikker og forvandlet råstoffer til byggematerialer og andre produkter. Oldtidens mennesker kunne fremstille mørtel, de utvant metaller, laget glass, farget tøy og garvet skinn, fremstilte medisiner og de utnyttet andre kjemiske prosesser. En sammenhengende teori om de kjemiske for­ vandlinger var det likevel først den moderne natur­ vitenskap etter ca. 1750 som kunne utvikle. I dag er vårt samfunn utenkelig uten kjemien og de kjemiske produktene. De er blitt en del av vårt daglige liv. Dette kan vi illustrere med våre daglige rutiner: Vi har knapt våknet om morgenen før vi griper etter såpestykket, tannpastaen og andre hygieneprodukter; så tar vi på oss klær av synte­ tiske fibrer, bruker porselensservise og metallbestikk osv. Uansett hva vi tar i, har materialet gjennomgått kjemiske prosesser. Den mest iøynefallende forandringen som de tekniske fremskrittene har ført med seg, er at nasjonaløkonomien er blitt knyttet til kjemien. Et stort antall kjemiske bedrifter og mange andre industribedrifter har kjemiske prosesser som grunnlag eller fremstiller eller bearbeider produkter som er skaffet til veie ved kjemiske prosesser.

Dette gjelder f.eks den farmasøytiske industri, produsentene av vaske- og rengjøringsmidler, kosmetikk og hygieneprodukter, glass-, bygningsartikkel- og papirindustrien, metallutvinning, kunststoffproduksjon og -bearbeiding, petrokjemisk industri og mange andre industrigrener (bilde 8/1). Men kjemiens inntog har ikke bare betydning for nye industrigrener og moderne materialer. Heller ikke eldre produksjonssektorer som landbruk og næringsmiddelproduksjon kunne vi tenke oss uten det økte utbyttet som skyldes kjemiske produkter. Slik har kjemien gjennomsyret alle livets områder. Dette gjør kunnskaper i kjemi helt nødvendige for den som vil forstå hva som foregår, både i den private sfære og i arbeidslivet.

8

Kjemi - en naturvitenskap Allerede tidlig i sin utvikling begynte mennesket å betrakte gjenstander og hendelsesforløp i sine omgivelser. Dette var begynnelsen til naturvitenskapen.

I dag drives naturvitenskapen ved iakttakelse og registrering, ved eksperimenter (forsøk) og oppstilling av regler som også kalles naturlover. Drivkraften for dette arbeidet er både menneskets naturlige vitebegjær og ønsket om å utnytte de nye kunnskapene. Fordi det finnes så mange forskjellige reaksjoner og naturlover, har det vært nødvendig å dele naturvitenskapen opp i forskjellige fagområder, som kjemi og fysikk.

Kjemi Kjemien beskjeftiger seg med stoffene, deres sammensetning og hvordan de forandres ved kjemiske reaksjoner. Forsøk 9/1: Forbrenning av en magnesiumtråd

Beskrivelse: En magnesiumtråd blir antent. Den brenner med sterkt lysende flamme. Det oppstår et hvitt pulver: magnesiumoksid. Resultat: Ved forbrenning av metallisk magnesium oppstår hvitt magnesiumoksid.

Konklusjon: Da stoffets sammensetning har forandret seg under forsøket, dreier det seg ved forbrenning om en kje­ misk reaksjon.

Under en kjemisk reaksjon forandrer stoffets sammensetning seg.

Fysikk Fysikken beskjeftiger seg med stoffenes tilstand og tilstandsforandringer (uten endring av sammensetningen).

Forsøk 9/2: Fordampning og kondensering av vann

Beskrivelse: Vann i en glasskolbe bringes ved oppvarming til å fordampe. Det dannes vanndamp (en usynlig gass). Vanndampen strømmer gjennom kolbehalsen over i en kjøler, der den på ny går over i væsketorm (kondenserer).

Resultat: Ved fordampning går vann over fra væske til gass - men det er fortsatt vann. Også ved kondensering forandrer vannets tilstand seg, men sammensetningen er den samme.

Konklusjon: Da stoffets tilstand har forandret seg under dette forsøket, mens sammensetningen hele tiden var den samme, dreier det sea om en fysisk forandring.

Ved en fysisk reaksjon forandrer stoffets tilstand seg, mens sammensetningen ikke forandrer seg.

Andre eksempler på kjemiske reaksjoner og fysiske forandringer Kjemiske reaksjoner

Fysiske forandringer

Tre brenner Treverket forvandles til trekull og forbrenningsgasser.

En metallstang bøyes Den forandrer form, men ikke stofflig sammensetning.

Druemost gjærer Sukkeret i druemosten forvandles til alkohol og karbondioksid.

Sukker løser seg i vann Sukkeret blir fordelt i vannet, men beholder sin sammenset­ ning.

9

1 Allmenn kjemi Kjemi er en gren av naturvitenskapen som omfatter et uoverskuelig forråd av samlet viten. Grunnlaget for de enkelte fakta og detaljkunnskapen er generelle kunnskaper, lovmessigheter og grunnbegreper. Det er disse vi først må se på.

1.1 Kjemiske grunnbegreper I sentrum for alle kjemiske betraktninger står stoffbegrepet og stoffenes reaksjoner. I det følgende skal vi definere hva dette betyr.

1.1.1 Stoffbegrepet Vi er omgitt av en mengde gjenstander som består av "noe". Dette "noe" kaller vi stoff, substans eller materie. For å påvise stoff bruker vi våre vanlige sanser: syn, lukt, smak og følesans. Enkelte stoffer, som luft, kan vi bare fornemme svært svakt eller ikke i det hele tatt. For å påvise dem finnes det bestemte metoder. Felles for alle stoffer er at de krever en viss plass, man sier at de har et volum. Det at stoff får en vekt til å gjøre utslag, betyr at det har en masse.

Stoffenes egenskaper Stoffene kan ellers være svært forskjellige, for eksempel når det gjelder utseende, densitet, hardhet og farge. Slike beskrivelser av stoffene kaller vi egenskaper. Dette er det som er karakteristisk og skiller de enkelte stoffer fra hverandre. Hvis egenskapene beskriver stoffenes sammensetning og reaksjoner, kaller vi dem kjemiske egenskaper; er det stoffenes tilstand som beskrives, snakker vi om fysiske egenskaper. Fysiske egenskaper er - farge, utseende - aggregattilstand - kokepunkt, smeltepunkt - densitet - løselighet

1.1.2 Stoffenes fysiske egenskaper Aggregattilstand Avhengig av temperaturen kan et stoff foreligge i ulike former: som fast stoff, som væske eller som gass. Disse formene kaller vi aggregattilstander. De tre tilstandsformene - fast stoff, væske og gass - kaller vi aggregattilstander. Ved oppvarming eller avkjøling kan stoffene overføres fra én aggregattilstand til en annen (figur 10/1). Overgang mellom de forskjellige aggregattilstandene har egne navn og skjer ved helt bestemte temperaturer.

Kokepunkt, smeltepunkt Vi vet at vann koker og går over i gassform ved 100 °C. Også de andre stoffene koker ved tem­ peraturer som er bestemt for det enkelte stoff. Denne temperaturen kaller vi kokepunktet. 10

Kjemiske egenskaper er - lukt, smak - sammensetning - reaksjonsforhold overfor andre stoffer - brennbarhet - korrosjonsforhold

Kokepunktet for et stoff er den temperatur hvor stoffet koker. Ved koking går væske over i gassform. Hvis denne gassen blir avkjølt, går den ved en bestemt temperatur igjen over i væskeform. Vi sier at væsken kondenserer. Kondensasjon skjer for ett og samme stoff alltid ved en bestemt temperatur, kondensasjonstemperaturen eller kondensasjonspunktet. Forsøk har vist at ved samme trykk er alltid kokepunktet og kondensasjonspunktet for et stoff det samme.

Hvis man avkjøler vann til 0 °C, fryser (størkner) det. Andre stoffer har også en bestemt temperatur, der de størkner. Denne temperaturen kaller vi frysepunktet eller størknepunktet for stoffet. Frysepunktet er den temperaturen der stoffet størkner.

Ved frysing går væsken over i fast form. Hvis dette faste stoffet varmes opp, blir det ved en bestemt temperatur flytende igjen, det smelter. Denne temperaturen kaller vi smeltetemperaturen eller smeltepunktet for stoffet. Også her viser forsøk at et stoffs smeltepunkt alltid har samme verdi som frysepunktet under de samme fysiske forhold. Enkelte stoffer oppfører seg spesielt ved tilstandsforandringer. Fast karbondioksid (tørris) går ved oppvarming direkte over fra fast stoff til gassform, uten å gå om væskeform. Dette kaller vi sublimasjon. Direkte overgang fra fast til gassformig tilstand kalles sublimasjon. Det omvendte forløpet kalles resublimasjon.

Densitet Densiteten p for et stoff er definert som masse delt på volum. For faste stoffer og væsker blir densiteten oftest angitt i g/cm3, for gasser i g/dm3 (lik g/l). Jern, for eksempel, har en densitet på 7,86 g/cm3, det vil si at en terning av jern med sidekant 1 cm har massen 7,86 g. Hydrogen har

en densitet på 0,089 g/dm3, det vil si at én dm3 (1 liter) hydrogen veier 0,089 g.

Densitet = —Masse— Volum o = —

V

Løselighet Når man har forskjellige faste stoffer opp i et løsningsmiddel, for eksempel vann, viser det seg at noen stoffer løser seg opp, andre ikke. Avhengig av om de løser seg lett, vanskelig eller slett ikke, kaller man stoffene lettløselige, tungt løselige eller uløselige. Koksalt, for eksempel, er lettløselig i vann, gips er tungt løselig i vann, og jern er i praksis uløselig i vann.

Men også når et stoff løser seg lett i løsningsmiddelet, kan ikke løsningsmiddelet (for eksempel vann) løse opp ubegrensede mengder. Det finnes en metningsgrense. Den mengden som da er løst per 100 g løsningsmiddel, kaller vi løseligheten. Løseligheten er temperaturavhengig. Løseligheten for et stoff angir hvor mange gram av stoffet som kan løses opp i 100 g løsningsmiddel ved en gitt temperatur.

En løsning som fremdeles kan løse mer av stoffet, kaller vi umettet. En løsning som ikke kan løse mer, kaller vi mettet.

Normaltilstanden Mange av stoffenes egenskaper forandrer seg med temperatur og trykk. For å få enhetlige egenskaper for hvert stoff, og for at egenskapene skal være sammenlignbare, er man blitt enige om vanligvis å fastslå egenskapene ved en såkalt normaltilstand. Ved normaltilstand er temperaturen 0 °C og trykket 1 atm (101 325 Pa). Hvis en egenskap er angitt uten nærmere spesifikasjon, gjelder den ved normaltilstanden. Eksempel: poksygen = 1,429 g/dm3.

Hvis egenskapen gjelder for en annen temperatur eller et annet trykk enn normaltilstanden, blir dette angitt sammen med egenskapen. Ofte angis for eksempel egenskaper ved værelsestemperatur (20 °C) eller andre viktige temperaturer. Eksempel: pvatm = 1 g/cm3 (ved +4 °C). 11

1.1.3 Stoffenes inndeling Den første oppgaven vi står overfor når vi vil lære stoffene å kjenne, er å ordne dem. Det kan gi oss viktige opplysninger om stoffenes oppbygning.

Inndeling etter utseende Hvis vi ser nøye på flere forskjellige stoffer, kan vi først ordne dem etter utseendet. (Figur 12/1): Det finnes stoffer som er helt likeartet bygd opp - homogene stoffer - og stoffer som vi kan se består av forskjellige, ulike bestanddeler - de heterogene stoffer. Ved mange stoffer ser vi denne forskjellen med det blotte øye, som for eksempel ved granitt. I mange andre stoffer må vi bruke mikroskop for å se bestanddelene, for eksempel når det gjelder melk.

f.eks. glass, messing, sjøvann, luft

f.eks. granitt, marmor, melk, røyk

Figur 12/1: Sortering etter utseende

Inndeling etter fysiske forskjeller Heterogene stoffer er stoffblandinger av flere bestand­ deler. Heterogene stoffblandinger skiller vi i deres enkelte bestanddeler ved hjelp av mekaniske/fysiske separa­ sjonsmetoder (se nedenfor). Atskillelsen skjer på grunn av bestanddelenes forskjellige fysiske egenskaper, som kornstørrelse eller densitet. Vanlige separasjonsmetoder for heterogene blandingerersikting, filtrering, sedimente­ ring og sortering etter densitet.

Figur 12/2: Separasjon av heterogene stoff­ blandinger etter fysiske egenskaper

Resultatet etter separasjon med mekaniske og fysiske metoder er enkeltbestanddelene, altså homogene stoffer (figur 12/2).

Separasjonsmetoder for heterogene stoffblandinger Sikting Sikting benyttes for å skille kornformede stoffblandinger. Separa­ sjonen skjer etter kornstørrelse. En stoffblanding kan bare sepa­ reres ved sikting hvis den ene bestanddelen består av store korn, mens den andre består av små.

Filtrering Ved filtrering skiller vi en blan­ ding av fast stoff og væske. Se­ parasjonen skjer på grunn av forskjell i bestanddelenes størrel­ se: De ørsmå væskemolekylene passerer filteret, mens partiklene av fast stoff blir holdt tilbake.

12

Sedimentering/dekantering Ved sedimentering og dekantering skiller vi en blanding av fast stoff og væske ved at de tyngre, faste partiklene synker til bunns, slik at vi kan helle av væsken. Separasjonen skjer fordi partiklene av fast stoff har større densitet enn væsken.

Separasjon på grunnlag av densitet De forskjellige bestanddelenes ulike densitet blir utnyttet for å skille dem. Separasjonen skjer i et væskebad, der væsken har mindre densitet enn den ene bestand­ delen, men høyere enn den andre. Partiklene av den ene bestanddelen flyter opp, mens den andre bestanddelen syn­ ker til bunns.

Et homogent stoff ser ut som ett eneste stoff. Men noen homogene stoffer kan skilles i flere bestand­ deler ved hjelp av fysiske separasjonsmetoder. Det vi har, er da ikke et rent stoff, men en homo­ gen stoffblanding. Bestanddelene kan separeres på grunnlag av forskjellige fysiske egenskaper, for eksempel kokepunkt, løselighet osv. (figur 13/1). Vanlige separasjonsteknikker for homogene stoffblandinger er destillasjon, avdamping, ekstraksjon og absorpsjon.

Figur 13/1: Separasjon av homogene stoffblandinger etter fysiske egenskaper

Separasjonsmetoder for homogene stoffblandinger Destillasjon

Absorpsjon

Destillasjon brukes for å skille væskeblandinger når bestand­ delene har forskjellig kokepunkt.

Absorpsjon er opptak av gass i en væske (vaskemiddel) ved fysisk løsning eller kjemisk binding.

Hvis man bringer en gassblanding i be­ røring med en egnet • tSassblanding væske, vil én av • ® • • • gassbestanddelene løse seg i væsken. Dette skjer for eksem­ pel når man bringer .* Vaskemiddel ’ .J en blanding av luft og karbondioksid i berø­ ring med vann. Karbondioksidet løser seg i vannet. Også svoveldioksid kan vaskes ut av røykgass på denne måten. Blandingen bringes til koking. Den bestanddel som har lavest kokepunkt, fordamper. Dampen strømmer over i en kjøler, og går der over til væske (den kondenserer), og kondensatet blir fanget opp i et forlag. Etter tilstrekkelig lang koketid er den ene bestanddelen i kokekolben, den andre i forlaget.

Avdamping

Ekstraksjon

Ved ekstraksjon mener vi utvasking av løselige bestanddeler av en blanding av faste stoffer eller av faste og flytende stoffer, ved hjelp av et løsningsmiddel. Kaffetrakting er et eksempel på ekstraksjon.

Ved avdamping ut­ vinner man et løst, fast stoff av en løs­ ning. Separasjonen skjer ved oppvarming og koking av løs­ ningen i en skål. Løs­ ningsmiddelet fordam­ per, og det løste stof­ fet blir igjen i skålen.

Resultatet av separasjon av homogene stoffblandinger med de vanlige fysiske separasjonsteknikkene er rene stoffer (figur 13/1). Homogene stoffer som ikke kan separeres i ulike bestanddeler med fysiske separasjonsmetoder, er altså rene stoffer.

Rene stoffer er stoffer som ikke kan separeres i ulike stoffer med fysiske separasjonsmetoder. Alle rene stoffer har sine spesielle fysiske egenskaper.

13

Inndeling etter kjemisk analyse Av det vi hittil har sett, kan vi tenke oss følgende inndeling av stoffene: Stoffene kan være enten rene stoffer eller stoffblandinger. Stoffblandingene kan være enten homogene eller heterogene. En videre separasjon av rene stoffer ved hjelp av fysiske separasjonsmetoder er ikke mulig. Mange rene stoffer kan imidlertid deles opp ved hjelp av kjemiske metoder.

Forsøk 14/1: Termisk spalting av kvikksølvoksid

Varme er velkjent som middel for kjemisk spalting av stoffer og brukes ofte (forsøk 14/1). Eksempel: Det rene stoffet kvikksølvoksid (et oransjerødt pulver) varmes opp i forsøksapparaturen. Ved omkring 450 °C spaltes kvikksølvoksidet i metallisk svikksølv og oksygen. Kvikksølvoksid er altså et stoff som består av to andre stoffer, kvikksølv og oksygen. Rene stoffer som kan spaltes, kaller vi kjemiske forbindelser.

Kjemiske forbindelser er rene stoffer som er bygd opp av flere forskjellige stoffer, og bare kan skilles ved kjemiske metoder. Det å separere (spalte) en kjemisk bestemme de grunnstoffer den er kalles analyse. Mens det å lage ved å få grunnstoffer til å reagere kalles syntese.

forbindelse for å sammensatt av, nye forbindelser med hverandre,

Selv om vi fortsetter å varme opp spaltningsproduktene (kvikksølv og oksygen) fra forsøk 14/1 til svært høy temperatur, ville de likevel ikke spaltes videre. Kvikksølv og oksygen er altså stoffer som ikke kan spaltes videre med kjemiske metoder. Slike stoffer kaller vi grunnstoffer.

Grunnstoffer er stoffer som ikke lar seg dele med kjemiske metoder. For stoffenes inndeling betyr dette følgende: Rene stoffer kan være kjemiske forbindelser eller grunnstoffer (figur 14/1).

Dermed er stoffenes inndeling fullstendig (figur 14/2): Et stoff kan være et rent stoff eller en stoffblanding. Stoffblandinger kan være homogene eller he­ terogene, og rene stoffer kan være råstoffer eller kjemiske forbindelser. De heterogene og de homogene stoffblandingene kan på sin side skilles i rene stoffer ved fysiske separa­ sjonsmetoder. De rene stoffene kan inndeles i grunnstoffer og kjemiske forbindelser.

14

Beskrivelse: Oransjerødt kvikksølvoksid varmes opp i et ild­ fast reagensglass. Når temperaturen kommer opp i spalt­ ning stem peratu ren (450 °C), forsvinner den oransjerøde massen. På den kjøligere delen av reagensglassets innside dannes dråper av metallglinsende kvikksølv. Samtidig opp­ står en gass som samles opp over vann i en omvendt målesylinder. Gassen er oksygen. Advarsel: Kvikksølvrestene må fjernes fagmessig. Unngå innånding og hudkontakt, da kvikksølv er eks­ tremt giftig!

1.1.4 Grunnstoffene Det finnes 88 naturlige grunnstoffer. Alle stoffer på jorden er bygd opp av disse. Med moderne fysikalske metoder er ytterligere 21 kunstige grunnstoffer blitt fremstilt, men de forekommer bare i forsvinnende små mengder og har vanligvis ingen praktisk betydning.

Noen viktige naturlige grunnstoffer er ført opp i tabell 15/1. Hvert grunnstoff har fått et kortfattet symbol. Dette tegnet - det kjemiske symbolet - er en forkortelse for grunnstoffets latinske eller greske navn. Hydrogen, som på latin heter hydrogenium, har kjemisk symbol H. Oksygen eller oxygenium har symbolet O. Nitrogen har symbolet N osv. Alfabetet er ikke langt nok til alle grunnstoffene, derfor må noen kjemiske symboler bestå av to bokstaver. For eksempel har jern, som på latin heter ferrum, kjemisk tegn Fe, og kobber (cuprum) Cu osv.

Tabell 15/1: Grunnstoffer (et utvalg) Ikke-metaller, halvmetaller

Hydrogen Oksygen Karbon Nitrogen Svovel Fosfor Klor Brom Jod Silisium Helium Argon

H 0 C N S P Cl Br I Si He Ar

Metaller

Sølv Aluminium Gull Kalsium Kobber Jern Kvikksølv Magnesium Natrium Bly Tinn Sink

Ag Al Au Ca Cu Fe Hg Mg Na Pb Sn Zn

Grunnstoffenes aggregattilstand ved værelsestemperatur (20 °C) og atmosfæretrykk (1 atm (101 325 bar)) er som følger: • Elleve grunnstoffer er i gassform: hydrogen, oksygen, nitrogen, fluor, klor og edelgassene helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. •To grunnstoffer er flytende: kvikksølv og brom. • Alle de øvrige grunnstoffene er faste stoffer.

En annen viktig egenskap hos grunnstoffene er om de har metallkarakter eller ikke. Ofte blir grunnstoffene delt i metaller og ikke-metaller. Metallene er den største gruppen.

Typisk for metallene er at de har metallglans og er gode ledere for varme og elektrisk strøm, for eksempel kobber, aluminium og jern. De fleste ikke-metaller er gassformige, som hydrogen og oksygen. De faste ikke-metallene har ikke metallglans, de leder ikke strøm og er dårlige varmeledere. Eksempler: fosfor, svovel.

Halvmetallene er grunnstoffer som har både metalliske og ikke-metalliske egenskaper, for eksempel silisium, bor, arsen og selen. Mengden av de forskjellige grunnstoffene på jorden er svært forskjellig (figur 15/1). De oppførte prosenttall gjelder den tilgjengelige del av jordskorpen (ned til ca 20 km) samt atmosfæren. Halvparten av denne delen av jorden er oksygen (50,5 %). Silisium er med 27,5 % det nest vanligste grunnstoffet. Enda åtte grunnstoffer, nemlig aluminium, jern, kalsium, kalium, natrium, magnesium, hydrogen og titan utgjør til sammen 21 %.

Hvis vi legger sammen andelene av de ti nevnte grunn­ stoffene, ser vi at de utgjør omkring 99 % av jord­ skorpen. De resterende 78 grunnstoffene utgjør til sammen den siste, ene prosenten.

Repetisjonsspørsmål 1

Hva er forskjellen mellom fysiske og kjemiske egenskaper?

3

Hvordan kan en blanding av koksalt, kvartssand og blyhagl separeres?

2

Hvordan deler vi inn stoffene?

4

Hva er et grunnstoff?

15

1.1.5 Kjemiske forbindelser og fysiske blandinger Både kjemiske forbindelser og stoffblandinger består av flere forskjellige grunnstoffer. For­ bindelsen vann består av grunnstoffene hydrogen H og oksygen O, legeringen mes­ sing av grunnstoffene kobber Cu og sink Zn. Tross denne likheten er det grunnleggende forskjeller mellom forbindelser og blandinger. Dette kan vi se av forsøk: Av de samme utgangsmaterialene lager man først en stoffblanding av svovel og jern (for­ søk 16/1), og så den kjemiske forbindelsen jernsulfid (forsøk 16/2). Tilsynelatende er det bare en liten forskjell i farge mellom stoffblandingen og det pulveriserte jernsulfidet. Grunn­ stoffene er de samme - svovel og jern. Men i svovel/jern-blandinger er stoffene bare løst blandet med hverandre, i forbindelsen jern­ sulfid er de bundet til hverandre ved en kjemisk reaksjon. Ved forsøk kan vi finne ut forskjellene mellom egenskapene til stoffblandingen og den kjemiske forbindelsen (forsøk 16/3). Vi tar små mengder svovel, jern, svovel/jern-blanding og jernsulfid, tester egenskapene og setter dem opp i en tabell.

Sammenligner vi blandingens egenskaper med egenskapene til grunnstoffene svovel og jern, kan vi slå fast at stoffblandingen har både jernets og svovelets egenskaper. Gene­ relt betyr det:

Forsøk 16/1: Stoffblanding av svovel og jern.

Beskrivelse: Man tar 4 vektdeler gult svovelpulver og 7 vekt­ deler grått jernpulver som blandes godt. Man får en grågul stoffblanding.

Forsøk 16/2: Reaksjonen mellom svovel og jern.

Beskrivelse: Igjen tar man gult svovelpulver og grått jernpul­ ver i forholdet 4:7, og blander godt. Denne stoffblandingen antennes med en glødende ståltråd. Stoffblandingen reage­ rer heftig under varmeutvikling, slik at den gløder. Etter av­ kjøling har man en hard, svart klump som kan knuses i mor­ ter til et gråsvart pulver. Det består av den kjemiske forbin­ delsen jernsulfid FeS.

Forsøk 16/3: Egenskapene til stoffblandingen og den kjemiske forbindelsen. Man tar hver gang en liten mengde svovel, jern, svovel/jern-blanding og jernsulfidpulver og tester forskjellige egenskaper: Utseende, magnetiske egenskaper, løselighet i løsningsmiddelet karbondisulfid og reaksjon med saltsyre. Resultatene av disse testene settes opp i en tabell.

Egenskap

En stoffblanding har samme egenskaper som enkeltstoffene den består av. Sammenligner vi egenskapene til jernsulfid med egenskapene til svovel og jern, finner vi at jernsulfid har helt andre egenskaper enn svovel og jern. Generelt betyr det:

En kjemisk forbindelse har andre egen­ skaper enn de grunnstoffer den består av. Ved den kjemiske reaksjonen har det opp­ stått et helt nytt stoff, den kjemiske for­ bindelsen, som har sine spesielle egen­ skaper.

16

Svovel

Jern

Svovel/ jernblanding

Jernsulfid

grågult

grå­ svart

Utseende

gult

grått

Magnetiske egenskaper

umagnetisk

magne­ tisk

Løselighet i karbon­ disulfid

løselig

uløselig

svovel løselig, jern ulø­ selig

danner grønn løsning og gass

det dannes jernbeen grønn standdelen løsning og danner oppstår en grønn løs­ illeluktende ning, svovelbestand- gass. delen ingen reaksjon

Reaksjon med saltsyre

ingen reaksjon

jernbestanddelen magne­ tisk, svovelbestanddelen umagnetisk

umagne­ tisk

uløselig

1.1.6 Atomer, molekyler, kjemisk binding Allerede i oldtiden antok man at stoffene bestod av noen minste, udelelige elementer, atomene. I moderne tid er denne antakelsen vitenskapelig bekreftet og presisert av engelskmannen Dalton. Etter

dette har vi følgende bilde av stoffenes oppbygning:

Grunnstoffene Grunnstoffene kan ikke deles opp ytterligere, verken med vanlige fysiske metoder som destillasjon, avdamping, krystallisering osv. eller med kjemiske metoder (side 12). Hvert grunnstoff er sammensatt av smådeler som er spesielle for vedkommende grunnstoff. De minste delene av grunnstoffene er enkeltatomer, molekyler av grunnstoffet og gitter av atomer i stoffer som er bundet sammen med kovalente bindinger (figur Enkeltatomer

17/1). Det er bare noen få grunnstoffer som foreligger som enkelt­ atomer ved værelsestemperatur. Det er edelgassene helium (He), neon (Ne), Argon (Ar), krypton (Kr) og xenon (Xe). Mange grunnstoffer har som minste bestanddel molekyler av like atomer. Dette er noen få atomer som er fast bundet sammen til en enhet. Den minste bestanddelen i gassene hydrogen, oksygen, nitrogen, klor osv. er molekyler av to like atomer som er fast bundet til hverandre. Også enkelte faste grunnstoffer, for eksempel svovel, har molekyler som minste enhet. I de metalliske grunnstoffene er utallige atomer fast forbundet med hverandre ved metallbinding.

Molekyler av grunnstoff

H H Hydrogen

0 0 Oksygen

s Svovel

Metallbinding

f.eks. jern

Figur 17/1: Grunnstoffenes For alle grunnstoffer gjelder at det enkelte grunnstoff bare minste deler inneholder ett enkelt molekylslag. Hvert grunnstoff er bygd opp av like atomer, som er spesielle for vedkommende grunnstoff. De minste enhetene i grunnstoffene kan være atomer, molekyler av like atomer eller atomer som er bundet sammen i metallbinding eller ionebinding.

De kjemiske forbindelsene Kjemiske forbindelser er stoffer som består av flere grunnstoffer. Da er det to muligheter for forskjellig indre oppbygning:

1

Den kjemiske forbindelsen kan bestå av mange små en­ heter med en sterk indre binding, molekylær oppbygging. Vann, for eksempel, består av vannmolekyler, som alltid er sammensatt av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Metan består av metanmolekyler, sammensatt av ett karbonatom og fire hydrogenatomer. Også karbondioksid, ammoniakk og de organiske forbindelsene består av molekyler.

2

Den kjemiske forbindelsen kan ha atomene bundet sammen i gittere med ionebinding, der de forskjellige atomene foreligger i et bestemt tallmessig forhold.

Ionebinding

Figur 17/2: Kjemiske forbindelsers minste deler

I for eksempel koksalt er utallige Na- og Cl-atomer bundet fast sammen med ionebinding. Det er like mange atomer av hver sort. Et Na-atom og et Cl-atom danner elementærenheten NaCI i stoffet koksalt. De saltaktige stoffene, som metallklorider, metallsulfider osv., er bundet sammen med ionebinding.

De kjemiske forbindelsene består av flere grunnstoffer og inneholder altså flere slags atomer. I de kjemiske forbindelsene danner atomene enten molekyler med sterk indre binding eller de er bundet sammen i større enheter, gitter, med ionebinding. 17

1.1.7 Kjemiske formler Grunnstoffene betegnes kortfattet med sine kjemiske symboler (side 15). Siden alle kjemiske forbindelser er bygd opp av grunnstoffene, er det også mulig å angi kjemiske forbindelser på denne måten, med kjemiske formler sammensatt av kjemiske symboler.

Den kjemiske formel er bygd opp slik: •

Symbolene for grunnstoffene som forbindelsen inneholder, settes opp etter hverandre. Metallene settes først, deretter ikke-metallene.

•

Tallforholdet mellom atomene som inngår i forbindelsen, angis ved små, nedsenkede tall (indekser) etter hvert enkelt symbol.

1. eksempel: Magnesiumoksid inneholder magnesium (Mg) og oksygen (O). De to grunnstoffene reagerer i forholdet 1:1. Den kjemiske formelen for magnesiumoksid skulle dermed være Mg,©,. Når indeksen er 1, utelates den. Altså blir den kjemiske formelen for magnesiumoksid MgO.

I forbindelsen magnesiumoksid er magnesiumoksidmolekylene byggesteinen Den kjemiske formelen MgO angir forholdet mellom antallet magnesiumatomer og antallet oksygenatomer i stoffet. Formelen MgO er altså en forholdsformel. 2. eksempel: Vann består av hydrogen (H) og oksygen (O), og to H-atomer er alltid bundet til ett Oatom i hvert vannmolekyl. Den kjemiske formelen for vann er H2O. Forbindelsen vann består av molekyler av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Den kjemiske formelen H2O angir sammensetnin­ gen for ett molekyl. Den kjemiske formelen H2O er en molekylformel.

3. eksempel: Aluminiumoksid består av aluminium (Al) og oksygen (O). Aluminiumoksid danner ikke molekyler, men holdes sammen av ionebinding mellom Al- og O-atomer i forholdet 2 : 3. Den kjemiske formelen for aluminiumoksid er derfor AI2O3. Denne formelen beskriver det tallmessige forholdet mellom atomene i forbindelsen.

Hva forteller den kjemiske formelen? Den kjemiske formelen gir oss flere forskjellige opplysninger om et stoff: • Den forteller hvilket stoff det gjelder, og fungerer ofte som et kortnavn, både muntlig og skriftlig. • Den forteller hvilke grunnstoffer stoffet består av, og gir tallforholdet mellom de forskjellige atomer.

• Ved kjemiske forbindelser som består av molekyler, forteller den hvor mange og hvilke atomer som inngår i molekylet.

1. eksempel: Vann H2O

|_| q

—-•er kortform for og kort beskrivelse av vann angir at vann består av hydrogen- og oksygenatomer, og at det i ett vannmolekyl alltid er bundet sammen to hydrogenatomer og ett oksygenatom

2. eksempel: Aluminiumoksid AI2O3

AI2O3

-—•er kortform for og kort beskrivelse av aluminiumoksid • angir at aluminiumoksid består av aluminium- og oksygenatomer, og at tallforholdet mellom aluminium- og oksygenatomer er 2 : 3

Øvingsoppgaver 1 Hva a) b) c)

er den kjemiske formelen for butan når et butanmolekyl alltid består av 4 C-atomer og 10 H-atomer? jernoksid når det for 2 Fe-atomer er 3 O-atomer bundet i ionebinding? svovelsyre når svovelsyremolekylet alltid er dannet av 2 H-atomer, 1 S-atom og 4 O-atomer?

2 Hvilke slutninger kan vi trekke ut fra de kjemiske formlene for stoffene butan, jernoksidog svovelsyre?

18

1.1.8 Atomære forandringer ved kjemiske reaksjoner Ved kjemiske reaksjoner skjer det forandringer i stoffenes atomære og molekylære forhold. 1. eksempel: Jern reagerer med svovel til jernsulfid Grunnstoffet jern foreligger i et metallgitter, svovel består av ringformede molekyler med 8 svovelatomer.

Under den kjemiske reaksjonen dannes det jernsulfid FeS, der et likt antall Fe og S er bundet sam­ men med ionebinding. 2. eksempel: Karbon reagerer med oksygen til karbondioksid

Atomer med

Molekyler med

Grunnstoffmolekyl

Elementært karbon foreligger i et atomgitter med kovalente bindinger, gassen oksygen består av toatomige oksygenmolekyler.

Under den kjemiske reaksjonen oppstår gassformig karbondioksid, i form av enkeltmolekyler.

Karbon

-|-

------ ► Karbondioksid

Oksygen

Disse eksemplene forteller oss at bindingene som holder atomene sammen i utgangsstoffene blir løst under den kjemiske reaksjonen, og at det så dannes nye bindinger.

1.1.9 Reaksjonsligninger Med grunnstoffenes symboler og de kjemiske formlene for forbindelsene kan vi på en kortfattet og oversiktlig måte beskrive hva som skjer under kjemiske reaksjoner. En slik beskrivelse kaller vi en kjemisk reaksjonsligning. 1. eksempel:

Jern reagerer med svovel til jernsulfid.

Fe + S -» FeS les: Jern og svovel reagerer og danner jernsulfid

På venstre side i reaksjonsligningen står utgangsstoffene, på høyre side reaksjonsproduktene. Reaksjonspilen angir hvilken vei reaksjonen går. 2. eksempel:

Karbon reagerer med oksygen

O2

C +

CO2

til karbondioksid. For å sette opp en reaksjonsligning må vi kjenne den kjemiske formelen for alle stoffer som deltar i

reaksjonen. 3. eksempel:

Kvikksølvoksid (HgO) spaltes ved oppvarming til kvikksølv (Hg) og oksygen (OJ.

Når vi skriver dette som en reaksjonsligning, får vi: "HgO

->

Hg

+

O2"

Reaksjonsligningen forteller i symbolspråk hvordan bestanddelene reagerer. På venstre side i reaksjonsligningen må det være nøyaktig like mange atomer av hvert grunnstoff som på høyre side. Hvis vi for eksempel kontrollerer i "ligningen" ovenfor, ser vi at det står ett Hg-atom på hver side, men at oksygenatomene ikke balanserer: til venstre står ett O-atom, til høyre to. For at ligningen skal

stemme, må vi gå ut fra to HgO-molekyler. Da får reaksjonsligningen denne formen:

2 HgO

—>

2 Hg

+

O2

19

Tallene som vi har satt foran molekyler og atomer ovenfor, kaller vi koeffisienter. For molekyler gjelder denne multiplikatoren for hver enkelt del av molekylet. 2 HgO betyr altså to ganger elementærenheten HgO. Vi har da to Hg-atomer og to O-atomer.

Natrium (Na) og klor (Cl) rea- Reaksjonsligningen blir da: gerer til natriumklorid (NaCI). "Na + Cl2 -> NaCI"

4. eksempel:

Indeksene for komponentene som inngår, gir balanse for natrium, men ikke for klor: til venstre er det to Cl-atomer, til venstre bare ett. For å få en balansert ligning må vi til venstre gå ut fra to Na-atomer. På høyre side får vi da to NaCI-enheter: 2 Na + Cl ,2 NaCI

Husk: Når vi balanserer en ligning, kan vi ikke forandre de kjemiske formlene for stoffene (for eksempel HgO, CO2, FeS), men bare koeffisientene. Kjemiske reaksjonsligninger må balanseres ved at vi setter passende koeffisienter foran de enkelte reaktanter.

Øvingsoppgaver: Skriv opp reaksjonsligninger for reaksjonene nedenfor og balanser dem med de nødvendige koeffisienter:

1 Sink (Zn) og saltsyre (HCI) reagerer til sinkklorid (ZnCI2) og hydrogen (H2). 2 Hydrogen (H2) og oksygen (O2) reagerer til vann (H2O). 3 Magnesium (Mg) og oksygen (O2) reagerer til magnesiumoksid (MgO).

1.1.10 Energi ved kjemiske reaksjoner Kjemiske reaksjoner er alltid forbundet med energiomsetning. Energien kan opptre som varme, eller som lys, mekanisk arbeid eller elektrisk energi.

Ved reaksjonen mellom jern og svovel til jernsulfid (forsøk 16/2) ble for eksempel energi i form av varme og lys frigjort. Slike reaksjoner kalles eksoterme. Reaksjoner der det avgis energi, kalles eksoterme reaksjoner.

Ved reaksjonen hvor kvikksølvoksid spaltes til kvikksølv og oksygen (forsøk 14/1) måtte man fortsette å varme opp (tilføre energi) for at reaksjonen skulle gå. Slike reaksjoner kalles endoterme reaksjoner.

Reaksjoner der det må tilføres energi, kalles endoterme reaksjoner. Hvis det skal vises i reaksjonsligningen om reaksjonen er endoterm eller eksoterm, kan det uttrykkes slik:

Eksempler:

Fe + S -> FeS + energi 2 HgO + energi -> 2 Hg + O2

Repetisjonsspørsmål: 1

Hva er forskjellen mellom stoffblandinger og kjemiske forbindelser?

2

Hva er de minste bestanddelene i grunnstoff­ ene?

3

Nevn tre molekyler av grunnstoff og tre moleky­ ler av kjemiske forbindelser.

4

Hva er forskjellen mellom de minste stoffenheter i grunnstoffer og forbindelser?

20

5

Hva forteller en kjemisk formel?

6

Hvilke regler gjelder for balansering av kjemiske ligninger?

7

Hvordan er ligningen for reaksjonen mellom svovel og oksygen?

8

Hva er en eksoterm reaksjon?

9

Er rusting av jern en eksoterm reaksjon? Begrunn svaret.

1.2 Luft Gasskappen som omgir jordkloden, består av luft og kalles atmosfæren. Luften er tettest ved jordoverflaten. Den blir tynnere oppover og går etter hvert over i verdensrommet som er lufttomt (vakuum). Omtrent halvparten av luftmassen finnes under 5 kilometers høyde. Resten er fordelt over

flere hundre kilometer.

1.2.1 Sammensetning, egenskaper Med et enkelt forsøk kan vi fastslå den omtrentlige sammensetningen av atmosfæren (forsøk 21/1). Vi brenner fosfor i en avstengt luftmengde og måler hvor stor del av luftvolumet som forbrukes. Da får vi at omtrent 1/5 av luftvolumet blir brukt opp. Denne delen av gassen er oksygen. Den delen av luften som er igjen, som ikke underholder forbrenning, er omkring 4/5. Den består for det meste av nitrogen.

Forsøk 21/1: Forbrenning av fosfor i et avstengt luftvolum

Nøyaktige analyser av innholdet av ren, tørr luft gir følgende resultat:

Luften er en gassblanding uten farge eller lukt. Den består av omtrent 78 volumprosent nitrogen, 21 volumprosent oksygen, 1 volumprosent forskjellige edelgasser og 0,03 volumprosent karbondioksid. I tillegg inneholder luften naturligvis alltid vanndamp (fuktighet) og svevende, faste partikler (støv). Andelen vanndamp er avhengig av klimaet, og andelen støv av belastningen fra omgivelsene.

blir fosfor antent. Glassklokken lukkes øverst. Først brenner fosforet heftig under dannelse av hvit røyk (fosforoksid). Etter hvert går forbrenningen lang­ sommere, til den dør ut. Samtidig stiger vannet i glassklokken slik at det opprinnelige gassvolumet re­ duseres med omtrent 1/5.

Ved forbrenning forbinder oksygenet seg med stoffet som brennes. Forbrenningsproduktenes masse er sammensatt av brennstoffets masse og det forbrukte oksygenets masse. Massen av forbrenningsprodukter er lik summen av massene av brennstoffet og det forbrukte oksygen.

Dette er ofte tilsynelatende i strid med våre erfaringer. Når for eksempel et stearinlys brenner, forsvinner brennstoffet. Forklaringen er enkel: Forbrenningsproduktene som oppstår, er i dette tilfellet i gassform, og usynlige. Hvis vi fanger opp gassene som oppstår ved forbrenningen, og veier dem, vil vi finne at forbrenningsproduktene veier omtrent fire ganger så mye som det forbrukte brennstoffet. Forskjellen mellom massen av forbrukt brennstoff og massen av forbrenningsprodukter tilsvarer massen av det

forbrukte oksygen. Separasjon av luftens bestanddeler for utvinning av nitrogen og oksygen skjer ved at luften konden­ seres og deretter destilleres. Dette krever nedkjøling til ca. -200 °C, fulgt av langsom oppvarming. Dermed blir luftens enkelte bestanddeler skilt fordi de har ulike kokepunkter (tabell 21/1). Først for­ damper hovedsakelig nitrogen ved omkring -196 °C, og fanges opp for seg. Flytende oksygen blir tilb anlegg etter samme prinsipp (side 96).

Tabell 21/1: Kokepunkt og densitet

Kokepunkt i°C

Densitet i g/dm3

Oksygen

- 182,97

1,43

Nitrogen

-195,81

1,25

Bestand­ deler av luft

. Den tekniske separasjonen av luft skjer i store

På grunn av kokepunktsforskjellen vil flytende luft som står i åpne kar, stadig få et høyere oksygeninn­ hold, siden nitrogen fordamper først. Dermed oppstår brannfare, for rent oksygen blandet med brennbare stoffer kan brenne eksplosjonsartet ved antennelse. 21

1.2.2 Oksygen Forekomst: Det aller meste av oksygenet på jorden er bundet i bergartene som oksider. Også verdenshavene inneholder store mengder oksygen. I sammenligning er mengden av fritt oksygen i gassform i atmosfæren liten. Fremstilling: Teknisk blir oksygen fremstilt ved at den kondenseres og rektifiseres (side 21). Det er den kommersielle metoden. På laboratoriet kan oksygen fremstilles ved termisk spalting av oksygenrike forbindelser (forsøk 22/1).

Forsøk 22/1: Oksygenfremstilling i laboratoriet av kaliumklorat

Oksygenrike forbindelser er for eksempel kaliumklorat KCIO3, kaliumpermanganat KMnO4, hydrogenperoksid H2O2.

Påvisning av oksygen skjer i laboratoriet med den såkalte flisprøven (forsøk 22/1). I laboratorier hvor man ofte trenger oksygen, kjø­ per man oksygen i trykkbeholdere av stål. Slike beholdere er merket med blå strek og fylles til et trykk på omkring 20 000 kPa (200 bar) (figur 22/1).

Egenskaper: Oksygen er en gass uten farge eller lukt, med en densitet på 1,43 g/dm3 = 1,43 kg/m3 ved 0 °C og 101 325 Pa, det vil si at den er noe tyngre enn luft. Kokepunktet er -182,97 °C, smeltepunktet -219 °C. Oksygen foreligger som molekylet O2.

Oksygen er et grunnstoff med svært stor kjemisk reaksjonsevne. Over en gitt temperatur, den så­ kalte tenntemperaturen, forbinder mange stoffer seg spontant med oksygen. Dette kalles vanligvis for forbrenning, i kjemien kaller vi det oksidasjon. Med rent oksygen går forbrenning svært raskt, nesten eksplosjonsartet. Med luft forbrenner stof­ fene langsommere, siden luften bare består av 1/5 oksygen. Nitrogenet i luften deltar ikke i forbren­ ningen.

Beskrivelse: Kaliumklorat varmes opp i et ildfast rea­ gensglass. Ved 400 °C spaltes stoffet. Gassen som dannes, blir samlet opp i en sylinder. Flisprøven på­ viser oksygen. Forsøk 22/2: Flisprøve Beskrivelse: En treflis tennes på og får brenne litt før den blåses ut. Mens den fremdeles gløder, stikkes den ned i glasset hvor man antar at det er oksygen. Hvis det er oksygen, flam­ mer den glødende flisen opp og brenner med sterkt lysende flamme.

Manometer for

Behandling av rent oksygen medfører risiko. I luft der oksygeninnholdet bare er litt forhøyet, til omkring 23 volumprosent, flammer klær som antennes, opp som en fakkel. Derfor er det strengt forbudt å slippe ut oksygen fra trykkflaskene for å forbedre innåndingsluften. Anvendelse: Siden oksygen produseres i stor målestokk ved destillering av luft, er den ganske rimelig og kan brukes for mange formål:

Ved sveising og autogenskjæring brukes oksy­ gen som oksidasjonsmiddel for sveisegassen acetylen. Ved stålproduksjon etter LD-prosessen (side 121) brukes det til å brenne opp skadelige stoffer som har fulgt jernet, samtidig som stålbadet varmes opp. I medisinen benyttes oksygen ved kunstig åndedrett. 22

Figur 22/1: Oksygentrykkflaske

1.2.3 Oksidasjon, oksider En kjemisk reaksjon der et stoff forbinder seg med oksygen, kalles oksidasjon. Det kjemiske forløpet kalles oksidasjon. Oksygenforbindelsen som oppstår, kalles oksid.

Eksempler på oksidasjon av ikke-metaller Karbon reagerer med oksygen under dannelse av et gassformig oksid, karbondioksid, som er uten farge eller lukt. Samtidig frigjøres energi.

C + O2 -» CO2 + energi Karbondioksid påvises ved at gassen ledes ned i kalkvann eller baryttvann (forsøk 23/1). Svovel reagerer med oksygen under dannelse av et gassformig oksid, svoveldioksid.

S + O2 -> SO2 + energi

Forsøk 23/1: Påvisning av CO2

Beskrivelse: Den gassen man antar er karbondioksid, ledes ned i en løsning av kalsiumhydroksid (kalkvann) eller bariumhydroksid (barytt­ vann). Hvis gassen inne­ holder karbondioksid, blir den tidligere klare løsningen blakket (hvit).

CO2-holdig gass Kalk"""vann Q

o o, Q)

©

©

(hvit)

Svoveldioksid er en fargeløs gass med stikkende lukt. Den virker irriterende og skadelig på slimhin­ nene. Den oppstår ved forbrenning av organiske brennstoffer (kuli, råolje), da disse inneholder svovel. Svoveldioksid representerer et alvorlig miljøproblem.

Hydrogen reagerer med oksygen under dannelse av hydrogenoksid, vanlig kjent som vann. Reaksjonen forløper voldsomt, og mye energi frigjøres. Vann er en væske uten farge eller smak. 2 H2 + O2 -> 2 H2O + energi Fosfor reagerer med oksygen under dannelse av fast fosforpentoksid. Også her frigjøres energi.

4 P + 5 O2 -> 2 P2O5 + energi Fosforpentoksid er et fast, hvitt pulver som virker sterkt vanntiltrekkende. Vi sier at stoffet er hygroskopisk. Derfor brukes det i laboratoriet som tørremiddel. Vi kan konkludere med at ikke-metalloksider kan være gasser, væsker eller faste stoffer.

Eksempler på oksidasjon av metaller Magnesium reagerer med oksygen under dannelse av fast magnesiumoksid. Oksidasjonen forløper meget heftig, det frigjøres mye varme og sterkt lys (forsøk 9/1).

2 Mg + O2 -» 2 MgO + energi Magnesiumoksid er et hvitt pulver ("magnesia") som turnere bruker for å få godt tak ved apparatturning.

Jern (i pulverform) reagerer med oksygen til jernoksid, et rødbrunt stoff. Også her frigjøres energi.

4 Fe + 3 O3 —> 2 Fe2O3 + energi For metalloksidene gjelder generelt: Metalloksider er faste stoffer, de fleste med høyt smeltepunkt. Om reaksjonsforløpet ved oksidasjon kan vi slå fast at det frigjøres energi. Det er altså eksoterme reaksjoner. Oksidasjon er som regel en eksoterm reaksjon.

Oksidasjonsmidler. Det er ikke bare oksygen i gassform som forårsaker oksidasjon. Også oksygenholdige forbindelser kan avgi sitt kjemisk bundne oksygen til andre stoffer. Slike stoffer kaller vi oksidasjonsmidler: kaliumklorat, kaliumpermanganat, kaliumnitrat, hydrogenperoksid.

23

1.2.4 Oksidasjonsprosesser i teknikken

Forbrenningsgasser

Vanlig oksidasjon. Med dette mener vi bare vanlig forbrenning av brennstoffer som kull, råolje osv. Reaksjonshastigheten bestemmes av hvor fort forbrenningsgasser fjernes, og av hvor fort det nødvendige oksygen strømmer til (figur 24/1).

Forutsetningene for forbrenning er et brennbart stoff, tilstrekkelig oksygen og - for å starte reaksjonen - at brennstoffets tenntemperatur er overskredet.

f) $ Oksygen i luffen

Figur 24/1: Forbrenning

Det er bare de stoffene som kan forbinde seg med oksygen, f.eks. kull og svovel, som er brennbare. Ikke-brennbare er for eksempel tegl og glass, siden de består av stoffer som allerede er oksidert (oksider).

Rask oksidasjon. Dette kalles ofte forpuffing eller eksplosjon. Slik oksidasjon skjer når brennstoffet er finfordelt og grundig blandet med oksygen. Da kan forbrenningen forplante seg meget raskt gjennom hele brennstoffmassen, uten å sinkes av at oksygen må strømme til. Dette fører til en sterk temperaturøkning og en tilsvarende utvidelse av de varme forbrenningsgassene. Dermed oppstår det en trykkbølge som vi oppfatter som et knall (figur 24/2).

Eksplosiv gassblanding, f. eks. blanding av Hj og 02

,i— ... Blikk­ boks

~

Figur 24/2: Gasseksplosjon

De brennbare gassene hydrogen, naturgass, metan osv. danner eksplosive blandinger med luft. Også faste stoffer, som kullstøv eller mel, som er blandet med luft, kan eksplodere.

Faste og flytende sprengstoffer som svartkrutt, nitroglyserin og trinitrotoluol (TNT) er enten blandinger med et stoff som kan avgi oksygen (oksidasjonsmiddel), eller de er oksygenrike forbindelser som på en måte oksiderer seg selv når de eksploderer. Langsom eller stille oksidasjon. Dette er den lite påfallende oksidasjonen som skjer overalt i naturen: ånding, fordøyelse, forråtnelse, rusting. Den forløper så langsomt at oksidasjonsvarmen som dannes, ikke fører til noen stor temperaturøkning.

Forbrenningen i en gassbrenner Gassbrennere består av en dyse med et påsatt rør. I røret er det hull som kan åpnes og lukkes ved hjelp av en hylse (figur 24/3).

Flammeformen er avhengig av lufttilførselen: Når lufthullene er stengt, er flammen lysende rødgul (figur 24/4). Gassen som kommer ut av røret, brenner bare i ytterkant av flammekjeglen, der oksygen er tilgjengelig. I det indre av kjeglen finnes det ikke oksygen, så der brenner ikke gassen. Grunnen til at flammen lyser, er at det dannes glødende sotpartikler i et område med ufullstendig forbrenning. Når lufthullene er åpne, er flammen blålig til fargeløs og meget varm (figur 24/4). Gassen som strømmer ut gjennom dysen, trekker med seg luft. Ved blanding i røret oppstår det en brennbar blanding. Der den strømmer ut av røret, Lysende flamme forbrenner blandingen fullstendig uten sot(lufthullene er stengt) dannelse. Fullstendig

Fargeløs flamme

(lufthullene er åpne)

forbrenning

Brannslukking Kunnskaper om oksidasjon gir oss følgende regler for brannslukking:

1 2

24

Gi ikke ilden næring: Fjern brennbare materi­ aler, steng gasshaner. Hindre tilførsel av oksygen: Dekk med brannskum, sand, våte tepper.

Ufullstendig forbrenning

Ingen forbrenning

Fullstendig forbrenning gjennom hele flammen

Gassluftblanding

Figur 24/4: Flammeformer

1.2.5 Reduksjon Oksygenet kan fjernes fra oksidene. Da går oksidet over i utgangsmaterialet igjen. Dette kaller vi i

kjemien reduksjon (av latin reducere = føre tilbake).

En kjemisk reaksjon der oksygen fjernes fra et stoff, kalles reduksjon. Reduksjon

Ved oppvarming blir kvikksølvoksid redusert (forsøk 14/1).

Eksempel:

_____________ —__ HgO + Energi ----- Hg + y O2

For å holde reduksjonen i gang må det hele tiden tilføres energi i form av varme. Reduksjonen er en prosess som forbruker varme, den er endoterm. Reduksjon av oksider skjer oftest ved påvirkning av et annet stoff som binder det frigjorte oksy­ genet. Et slikt stoff kalles et reduksjonsmiddel.

Forsøk 25/1: Reduksjon av blyoksid med karbon

Blanding av blyoksid og kullpulver

Forløpet av en reduksjon kan vises i forsøk 25/1: En blanding av blyoksid og karbon varmes opp til høy temperatur og reagerer da til bly og karbon­ dioksid: Reduksjon

2 PbC

+

C

-------------- ►

2 Pb

+

CO2

Oksidasjon

Karbonet er i stand til å trekke til seg oksygenet fra blyoksidet. Blyoksidet blir redusert til bly. Dette beskriver vi slik: Karbon har sterkere evne til å forbinde seg med (har større affinitet til) oksygen enn bly har. Samtidig med reduksjonen foregår det en annen kjemisk reaksjon: reduksjonsmiddelet karbon forbinder seg med oksygen, det blir oksidert. Reaksjonen kjennetegnes ved at det samtidig foregår en reduksjon og en oksidasjon.

Beskrivelse: I et tungtsmeltelig reagensglass has en blanding av gult blyoksid PbO og trekuilpulver. Blan­ dingen varmes kraftig. Gassen som unnviker, ledes ned i kalkvann (reagens for karbondioksid). Etter en stund blir kalkvannet blak­ ket (karbondioksid), og på reagensglassveggen dan­ nes det små, grå metallperler (bly).

Kjemiske reaksjoner der det samtidig foregår reduksjon og oksidasjon, kalles redoksreaksjoner.

Også ved den såkalte termittmetoden, som benyttes teknisk ved sveising av trikkeskinner, dreier det seg om en redoksreaksjon. Her får man en blanding av jernoksidpulver og aluminiumpulver til å Reduksjon reagere. Følgende kjemiske reaksjon skjer: Aluminium reduserer jernoksidet til jern; samtidig Fe2O3 + 2 Al ► 2 Fe + AI2O3 blir aluminiumet oksidert til aluminiumoksid. Oksidasjon

Det vil ikke lykkes hvis vi forsøker å gjennomføre den motsatte reaksjon, altså å redusere aluminium­ oksid med jern, eller karbondioksid med bly. Dermed kan vi sette opp en oksiderbarhetsrekke, der stoffene har fallende tendens til å inngå forbindelse med oksygen: Al, C, Fe, Pb. Metallene utvinnes teknisk av malm ved reduksjonsprosesser. Jernutvinning i høyovn er den mest kjente prosessen (side 120).

Reduksjonsmidler i teknikken er fremfor alt karbon i form av billig koks og gassene karbonmonoksid CO og hydrogen H2.

Repetisjonsspørsmål 1

2

Hvordan kan man teste om en gass er rent oksygen, rent karbondioksid eller en blanding av disse stoffene? Når et lys brenner, forsvinner stearin. Hvor blir den av?

3

Ved dekkgassveising av metaller skaper man en edelgassatmosfære på sveisestedet. Forklar.

4

Hvordan produseres oksygen industrielt?

25

1.3 Vann Vann er en av de mest utbredte kjemiske forbindelser i naturen. Omtrent 3/4 av jordens overflate er dekket av hav. Også i bergartene finnes det store mengder, vann, bundet i form av krystallvann. Dessuten utgjør vann det meste av plantenes masse (omtrent 90 %) og av dyr og mennesker (omkring 85 %).

1.3.1 Forekomst og forsyning Vannet i naturen befinner seg i et evig kretsløp (figur 26/1). Fra havet fordamper vann og danner skyer. De driver med vinden inn over land, og vannet faller ned som regn, snø eller hagl. En del av dette vannet for­ damper igjen. Resten samler seg enten på jordoverflaten i sjøer og elver, eller siver ned i grunnen og danner grunnvannet. Fra sjøer, elver og grunnvannsforekomster utvinnes vann til forbruk.

Vannet som forekommer i naturen, er kjemisk sett aldri helt rent. Allerede som regn inneholder det løste gasser fra luften og forurensninger fra støv. Grunnvannet inneholder i tillegg mineralsalter fra jord og stein, og vannet i elver og sjøer er oftest sterkt forurenset av utslipp. Vann til drikkevann tas fra grunnvannet og renses (side 143). Mineralsaltene som er løst i grunnvannet, gir drikkevannet en frisk og behagelig smak. Kjemisk rent vann smaker flaut. Vannforbruket løper i dag opp i 400 liter per person og dag. Hovedkonsumentene er husholdningene og industrien. I kjemien trenger man ofte fullstendig rent vann. Det fremstilles av drikkevannet ved destillasjon eller ved avsalting med ionebytter (side 146).

1.3.2 Egenskaper Rent vann er en fargeløs væske uten lukt eller smak. Densiteten p = 1 g/cm3 = 1000 kg/m3 (ved 4 °C), smeltepunktet 0 °C og kokepunktet 100 °C. Vannets egenskaper er grunnlaget for temperaturskalaen. Avhengig av temperaturen forekommer vann som is, vann eller vanndamp.

Vann er et stoff med uvanlige egenskaper. Særlig er den såkalte varmeutvidelsesanomalien (anomali = avvik fra det normale) av stor betydning (figur 26/2). Den gjelder det faktum at rent vann har sitt minste volum ved 4 °C . Det utvider seg altså både når det varmes opp fra 4 °C, og når det avkjøles under denne temperaturen. Hos de fleste andre stoffer avtar volumet ved avkjøling, helt til frysepunktet. For alt som lever i vann er anomalien av stor betydning: Ved temperaturer under frysepunktet vil det kaldeste vannlaget flyte øverst, siden det er lettere enn vann av 4 °C. Deretter danner det seg is på overflaten, og det virker som et isolerende lag over resten av vannmassen. Hadde ikke vannet hatt en slik anomali, ville hele vannmassen først blitt avkjølt til 0 °C, og så frosset til bunns, med alvorlige følger for livet i vannet.

26

Figur 26/2: Vannets varmeutvidelsesanomali

Vann er det viktigste løsningsmiddel. Det har stor evne til å løse særlig uorganiske stoffer. For fysiologiske reaksjoner, det vil si reaksjonene i alt som lever, er det vann som er løsnings- og transportmiddelet. Uten vann ville det ikke eksistert liv på jorden. Det er stor forskjell på hvor lett forskjellige stoffer løser seg i vann. Stoffer som koksalt og sukker er lettløselige, mens steinartene er tungtløselige, og metaller som jern er praktisk talt uløselige.

Løsninger av faste stoffer i vann, vandige løsninger, har andre egenskaper enn rent vann: De har større densitet, høyere kokepunkt og lavere smeltepunkt.

Også mange gasser er løselige i vann, for eksempel luft og karbondioksid ("kullsyren" i brus). I motsetning til for faste stoffer, som vanligvis løser seg lettere i vann jo høyere temperaturen er, avtar løseligheten av gasser med økende temperatur.

1.3.3 Kjemisk sammensetning Forsøk 27/1: Analyse av vann i Hof manns apparat

Spalting av vann Vann spaltes lettest ved hjelp av elektrisk strøm (forsøk 27/1). Dette kaller vi elektro­ lyse av vann.

Vi bruker et glassapparat med to armer. I hver arm stikker en elektrode inn i vannet. Når vi setter på en likespenning mellom elektrodene, danner det seg gass ved beg­ ge. Gassen fra hver elektrode samles i den tilhørende arm. Ved minuspolen, katoden, dannes dobbelt så mye gass som ved plusspolen, anoden. Flisprøven (forsøk 22/2) på det minste gassvolumet viser at det er dannet oksygen ved anoden. Med knallgassprøven (forsøk 28/3) fastslår vi at den største gassmengden ved katoden er hydrogen.

Beskrivelse: Det legges en like­ spenning mellom de to elektro­ dene som rager inn i vannet i Hofmanns apparat. (For å øke vannets elektriske lednings­ evne er det tilsatt litt svovelsy­ re). Ved begge elektrodene dannes det gass, som samles i tilhørende arm av apparatet. Ved minuspolen, katoden, oppstår dobbelt så stort gassvolum som ved plusspolen, an­ oden. Det største gassvolumet identi­ fiseres som hydrogen med knallgassprøven, det minste som oksygen ved flisprøven.

Spalting av vann gir dette resultatet: Vann gir ved spalting 2 volumdeler hydrogen og 1 volumdel oksygen. Vann er en kjemisk forbindelse. Ett vannmolekyl består av 2 hydrogenatomer og 1 oksygenatom. Den kjemiske formelen er H2O.

Veiing av gassene som oppstår ved elektrolyse av vann, gir et masseforhold mellom hydrogen og oksygen på 1 : 8.

Syntese av vann Ved å syntetisere vann av hydrogen og oksygen kan vi påvise at vann er en kjemisk forbindelse av to atomer hydrogen og ett atom oksygen (forsøk 27/2). Da lar vi hydro­ gengass brenne i en glasskolbe som avkjø­ les med vann på utsiden: 2 H2 + O2 -» 2H2O + energi

Forbrenningsproduktet er vann i form av vanndamp (gassformig). Den kondenserer på glassveggen.

Forsøk 27/2: Syntese av vann Hydrogen

I en glasskolbe som kjøles med vann på ut­ siden, forbrennes hydrogen. På den kalde glassveggens inn­ side dannes det dråper av fuk­ tighet: vann.

Kjøle­ vann

Kondensvann

Kjøle­ vann

27

1.3.4 Hydrogen Forekomst. Hydrogen forekommer ikke i nevne­ verdige mengder i fri tilstand på jorden. Kjemisk bundet finnes hydrogen i store mengder, både i vann og i andre stoffer.

Fremstilling. Hydrogen er både et viktig stoff for den kjemiske industri og et viktig hjelpestoff i andre grener av industrien. Derfor produseres hydrogen i stor målestokk. Fremstilling av hydrogen i stor målestokk foregår i dag hovedsakelig ved spalting av naturgass- og råoljeprodukter: f.eks CH4 + Energi

—*- C + 2 H2

Der hvor man har billig elektrisk energi, produseres hydrogen ved elektrolyse av vann: 2 H2O

elektrisk strøm

r ? h2 + O2

På laboratoriet fremstilles hydrogen oftest i Kippapparat ved spalting av saltsyre med sink (forsøk 28/1). Det skjer ved denne kjemiske reaksjonen: Sink + saltsyre -> sinkklorid + hydrogen Zn + HCI -» ZnCI2 + H2

På laboratorier hvor man ofte trenger hydrogen, kan man bruke hydrogen fra trykkflasker. Trykk­ flasker for hydrogen er merket med rødt og har linksgjenger for reduksjonsventilen.

Egenskaper. Hydrogen er en gass uten farge eller lukt. Den er den letteste av alle gasser, densiteten p - 0,089 g/dm3. Kokepunktet ligger på -253 °C, smeltepunktet på -259 °C. Hydrogen foreligger som molekylet H2.

Forsøk 28/1: Hydrooenfremstilling i Kippapparat

Beskrivelse: Kippapparatet består av tre beholdere som er plassert over hver­ andre. I den nederste be­ holderen er det saltsyre, i den midterste sinkkorn. Den øverste beholderen er forbundet med den ne­ derste og fungerer som saltsyreforråd. Når hanen på den midterste behol­ deren åpnes, strømmer gass ut. Dermed renner saltsyre fra den øverste til den nederste beholderen og saltsyren stiger opp mellom sinkkornene. Sin­ ken reagerer med salt­ syren til hydrogen og sink­ klorid, som løser seg i saltsyren. Hydrogenet forlater apparatet gjennom hanen. Når hanen lukkes, vil hydrogenet som fortsetter å dannes, fylle den mid­ terste beholderen og presse saltsyren tilbake til den øvre beholderen. Dermed vil ikke saltsyren lenger være i berøring med sink, og hydrogenutviklingen av­ brytes. Når hanen på ny åpnes, starter hydrogenutvik­ lingen igjen.

Forsøk 28/2: En flamme kveles i hydrogen

Beskrivelse: Opp i en om­ vendt glassylinder fylt med hydrogen løfter man langsomt et tent lys. Hyd­ rogenet blir antent ved grensen mot luft. Inne i sylinderen slukker lyset.

Hydrogen brenner i luft med knapt synlig flamme. Med rent oksygen brenner hydrogen med sterkt lysende flamme og utvikler da svært høy tempe­ ratur. Rent hydrogen alene slukker en brennende flamme (forsøk 28/2). Påvisning av hydrogen skjer på laboratoriet ved den såkalte knallgassprøven (forsøk 28/3). Det skjer ved at hydrogen i et reagensglass blir antent. Det forpuffer med et lyst knall. Forsiktig! Omgang og forsøk med hydrogen er risikabelt. Hydrogen og luft i et vidt område av blandingsforhold eksploderer lett ved antennelse, og store mengder energi frigjøres.

Bruk. Hydrogen benyttes som syntesegass i den kjemiske industri (side 116), som sveisegass i sveiseteknikken og som rakettdrivstoff.

28

Forsøk 28/3: Knallgassprøve

Beskrivelse: Gassen som man tror er hydrogen, fylles i et reagensglass. Når glasset åpnes mot en tent gassbrenner, forpuffer gassen med et karakteristisk, lyst knall.

1.4 Syrer, baser, salter Syrer, baser og salter er blant de stoffgruppene som oftest benyttes i kjemien. De brukes både på laboratoriet og i kjemiske bedrifter, men også som hjelpestoffer i annen industri og i husholdningene.

Påvisning av syrer og baser Med indikatorer er det enkelt å finne ut om en vandig løsning er en syre eller en base. Indikato­ rer er fargestoffer som ved tilsetning av henholds­ vis syre og base forandrer farge. Det mest brukte indikatorfargestoffet er lakmus. I nøytralt miljø er det svakt fiolett. Ved tilsetning av syre blir det rødt, og ved tilsetning av base blått. Det finnes en rekke andre indikatorfargestoffer, f.eks. fenolftalein og metyloransje.

Indikatorer er fargestoffer som forandrer farge ved tilsetning av syre eller base. I praksis brukes oftest såkalt universalindikatorpapir (figur 29/1). Dette er vannabsorberende papir som er impregnert med en indikatorløsning og tørket. Når vi skal bruke det, river vi av et stykke av dette papiret og drypper en dråpe av væsken som skal testes, på det. Det opprinnelig oransjefargede papiret farges rødt av syre og blått av base. Ved å sammenligne fargeforandringen med en fargeskala på indikatorpapirpakningen kan vi se hvor sterk syren eller basen er.

Styrken av syrer og baser Et mål for styrken av en syre eller base er den såkalte pH-verdi. Den kan anta verdier fra 0 til 14 (figur 29/2). Sterkt sure løsninger, som saltsyre eller svovelsyre, har lav pH-verdi (0 til 1), mens sterkt alkaliske løsninger (sterk base) som natronlut har høy pH-verdi (13 til 14). Rent vann har en pH-verdi på 7 og betegnes som nøytralt. (Betyd­ ningen av disse tallverdiene vil det bli gjort rede for på side 64.)

pH-verdi

1

2

3

4

Magesaft Si tronsaft Sterke syrer

pH-verdien er et mål for hvor sterk en syre eller en base er.

5

6

7

8

9 10 11 12 13

I Vann

u rin

Såpevann Sjøvann sterk base

Figur 29/2: pH-verdi for ulike løsninger

pH-verdien kan bestemmes med universalindikatorpapir. Mange kjemiske reaksjoner i løsningen forløper bare ved ganske bestemte pH-verdier. Også de kjemiske reaksjonene i kroppsvæskene hos levende organismer er sterkt avhengige av pH-verdien.

Forsiktighet ved omgang med syrer og baser Både syrer og baser angriper uedle metaller, tekstiler og organisk vev. Derfor bør ikke sterke syrer eller baser komme i kontakt med huden. Spesielt må sprut i øynene unngås. Skulle man likevel bli utsatt for etseskader, må man straks sette inn mottiltak (side 7).

29

1.4.1 Syrer Betegnelsen syre på denne stoffgruppen skyldes at mange syrer smaker surt, for eksempel eddiksyre (i eddik til matlaging) eller sitronsyre (i sitrusfrukter).

I kjemien er andre syrer av større betydning, for eksempel saltsyre, svovelsyre osv. Vi kan ikke smake på dem for å undersøke dem, siden de etser huden og til dels er giftige.

Dannelse av oksygenholdige syrer Løser man oksider av ikke-metaller i vann, dan­ nes det oksygenholdige syrer (forsøk 30/1).

Ikke-metall-oksid + vann

vann *» syre

Eksempler: SO2 + H2O CO2 + H2O

—► H2SO3 vann » H2CO3

Svovelsyrling Karbonsyre

Som reaksjonsligningene viser, kan man betrakte oksidene av ikke-metaller som "vannfrie forløpere" for syrene. Derfor betegner man dem også som syreanhydrider. For eksempel er karbondioksid CO2 anhydridet av karbonsyre, H2CO3

Forsøk 30/1: Dannelse av svovelsyrling H2SO3

Beskrivelse: I en sylinder med litt vann brennes svovel. Det dannes fargeløs SO2-gass, som dan­ ner en hvit tåke med luftfuk­ tigheten i glassylinderen. Et­ ter hvert løser SO2-gassen seg i vannet på bunnen av sy­ linderen. Et stykke fiolett lakmuspapir som vi la i vannet førforsøket, blir stadig rødere og viser dermed at det dan­ nes en syre. Det er svovelsyr­ ling H2SO3.

Dannelse av oksygenfrie syrer Oksygenfrie syrer dannes ved at vi løser de gassformige hydrogenhalogenidene i vann (for­ søk 30/2).

Hydrogenhalogenid + vann -> syre HCI + H2O Saltsyre HBr + H2O —> Hydrogenbromidsyre

De gassformige hydrogenhalogenidene alene har ingen syreegenskaper. Først i forbindelse med vann oppstår syrer. Det betyr at det er systemet HBr + H2O som er hydrogenbromidsyre, HCI + H2O som er saltsyre, osv. I praksis er det imidler­ tid innarbeidet en forenklet skrivemåte for syrene: Man utelater vannet.

Forsøk 30/2: Dannelse av saltsyre HCI

Beskrivelse: f \ hciEn rundkolbe fylles med hydrogenkloridgass og lukkes med en kork med glassrør. Så stikkes en­ den av giassrøret ned i et vannbad tilsatt lakmusindikator. Hydrogenkloridgassen i rundkolben løser seg meget lett i vann, slik at det oppstår undertrykk i kolben. Der­ med suges vann inn i rundkolben med stor kraft, til den er nesten helt full. Indikatoren i vannet blir rød og viser at det er dannet en syre: Saltsyre HCI.

Syrenes bestanddeler Av formlene for syrene (uten vann) ser vi at de alle inneholder hydrogen: HCI, H2SO4, H2CO3 osv. Det vil si at syrevirkningen skyldes dette "syrehydrogenet". Resten av molekylet, som vi kaller en syrerest, er karakteristisk for vedkommende syre. Syrerester er for eksempel -SO3, -SO4, -CO3, -F, -Cl, -Br. Formelen for (de vannfrie) syrene består av syrehydrogenet og syreresten.

Syrene viser først sine syreegenskaper når de løses i vann. Dette betyr at det da må skje en forandring med dem. Forsøk har vist at syremolekylene når de løses opp i vann, reagerer og danner elektrisk ladede oksoniumioner H3O+ og syrerestioner, for eksempel Cl", SO32-, osv (side 62). Denne reaksjonen kalles protolyse. Syrer protolyserer i vandig løsning til hydroniumioner og syrerestioner.

Eksempler:

H2SO4 + 2 H2O

2 H3O+ + SO42

HCI + H2O -> H3O+ + Cl

Ofte skrives disse reaksjonene i en enklere, forkortet form:

H2SO4

30

vann >2 H+ + SO42-

HCI

vann > H+ + CF

Saltsyre, HCI

Saltsyre oppstår når hydrogenkloridgass løser seg i vann. Løseligheten av hydrogenkloridgass i vann er meget høy. Omkring 450 I gass kan løses i 1 I vann. Kortformen for saltsyre er HCI, skrevet i ioneform blir det H+ + Cl’ eller riktigere: H3O+ + Cl’ Saltsyre er en sterk syre. Den angriper uedle metaller og etser hud og slimhinner. Ren saltsyre er vannklar, den tekniske varen gulaktig. Konsentrert saltsyre har en konsentrasjon på omkring 37 % og en densitet på 1,19 g/cm3. Den må oppbevares i lukket beholder. Lar man den stå åpen, unnviker hydrogenkloridgass, som lukter stikkende og irriterer slimhinnene. I fuktig luft ryker konsentrert saltsyre, fordi HCI-gassen som unnviker, kondenserer luftfuktigheten til tåkepartikler. Svovelsyre H2SO4 Svovelsyre er en av de sterkeste syrer. Den angriper mange metaller og mange organiske stoffer. På hud og slimhinner virker svovelsyre sterkt etsende.

Kortformen er H2SO4, i ioneform blir det 2 H+ + SO42- eller 2 H3O+ + SO42 . Konsentrert svovelsyre (98 %) er en vannklar, oljeaktig væske med densitet 1,84 g/cm3 og kokepunkt 338 °C. Den virker sterkt vanntiltrekkende (er hygroskopisk). Den vanntiltrekkende evnen er så sterk at den trekker vann ut av mange organiske forbindelser.

Ved fortynning av konsentrert svovelsyre med vann frigjøres varme. Derfor må blandingen skje ved at vi først har vann i beholderen, og deretter tilsetter syre i små porsjoner under omrøring. Hvis vi heller vann i svovelsyre, spruter syre ut av beholderen. Karbonsyre H2CO3

Karbonsyre oppstår når CO2-gass løses i vann. Siden bare omkring 1 I CO2-gass løser seg i 1 I vann og bare ca. 0,1 % av den løste gassen reagerer etter ligningen CO2 + 3 H2O —> 2 H3O+ + CO32-, er karbonsyre en svært svak syre. Karbonsyreløsninger, for eksempel brus, er så svake syrer at de er uskadelige for slimhinnene. Karbondioksid CO2 forekommer i en konsentrasjon på 0,03 volumprosent i luften. Fritt vann løser en liten del av karbondioksidet og er derfor en svak karbonsyreløsning.

Salpetersyre HNO3

Vannfri, ren salpetersyre er en vannklar væske. I lys spaltes den delvis i gassen nitrogendioksid NO2 og farges da gul til rød. Når en beholder med konsentrert salpetersyre åpnes, danner det seg en rødbrun røyk. Denne såkalte rykende salpetersyre inneholder omkring 95 % HNO3. Konsentrert salpetersyre på laboratoriet har en konsentrasjon på omkring 70 %. Salpetersyre er en sterk syre som løser mange metaller, for eksempel sink, kobber og sølv. Jern, krom og aluminium danner et ugjennomtrengelig oksidsjikt (passivisering). Gull og platina angripes ikke. For å løse disse bruker man såkalt kongevann av 1 del konsentrert salpetersyre og 3 deler konsentrert saltsyre. Salpetersyre er et svært sterkt oksidasjonsmiddel. Den oksiderer organiske stoffer som halm, papir, tre, tekstiler og stoffene blir da så sterkt oppvarmet at de kan begynne å brenne. Det oppstår da giftige nitrøse gasser. Omgang med salpetersyre krever derfor stor forsiktighet. Den etser hud og slimhinner. Sprut på klærne gir først gule flekker, og deretter huller.

Fosforsyre H3PO4

Fosforsyre fremstilles av fosfor(V)oksid P4O10 (som ofte kortere kalles fosforpentoksid, P2O5) og vann: P2O5 + 3 H2O 2 H3PO4. Ren, vannfri fosforsyre er et fast stoff og består av vannklare krystaller uten lukt. Smeltepunktet er + 39 °C. Det er sterkt vanntiltrekkende og løser seg lett i vann. Den konsentrerte fosforsyren som selges, er en sirupsaktig væske som holder ca. 85 %, med densitet 1,7 g/cm3. Fosforsyre er en middels sterk syre. 31

1.4.2 Baser Dannelse av base Baser dannes ved å løse metalloksider i vann.

Metalloksid + vann—vann - base Eksempel: K2O + H2O

vann > 2 KOH (kalilut)

Dessuten kan de uedle metallene natrium, kalium og kalsium reagere direkte med vann og danne base på denne måten (forsøk 32/1). Uedelt metall + vann —vann ► base + hydrogen

Eksempel: 2 Na + 2 H2O

Forsøk 32/1: Dannelse av natriumhydroksid

Beskrivelse: Et kar fylles med vann og et lite stykke rødt lakmuspapir legges oppi. På vannoverfla­ ten plasseres et lite stykke natrium. Det reagerer straks med vannet under sterk varmeutvikling og farer fresende omkring på vannflaten. Lakmuspapiret som ligger i vannet, blir blått; vannet er altså alkalisk. Det er blitt dannet natriumhydroksid.

2 NaOH + H2 (natronlut) Baser farger lakmuspapir blått, man sier at de reagerer alkalisk eller basisk. Ved inndamping av baser får man metallhydroksider, for eksempel natriumhydroksid, NaOH, eller kaliumhydroksid, KOH, som er faste stoffer.

vann >

Av vannløselige metalloksider kan man fremstille den tilsvarende base ved å tilsette vann. For lagring benytter man for det meste de faste hydroksidene, og før bruk løser man det man trenger, i vann. Base er en vandig løsning av et metallhydroksid.

I formelen for hydroksidene finner vi alltid den såkalte hydroksidgruppen OH. Siden alle baser viser den samme reaksjonen (farger lakmus blått), må basevirkningen skyldes OH-gruppen. Basevirkningen opptrer imidlertid ikke før metallhydroksidet løses i vann. Det vil si at det må foregå en forandring i det hydroksidet løses opp. Ved løsning i vann danner metallhydroksidene metallioner og hydroksidioner. Denne reaksjonen kaller vi dissosiasjon.

Eksempler:

NaOH

—vann-*.

Na+ + OH

KOH

-

K+ + OH

Handelsnavn

Natronlut NaOH

Natronlut er en vandig løsning av natriumhydroksid, NaOH, som også kalles kaustisk soda. Det er en av de sterkeste basene, og den angriper de fleste metaller og glass. Den må oppbevares i beholdere av polyetylen. Animalsk og vegetabilsk materiale bløtes opp av lut, og ved lengre tids påvirkning brytes det ned. Natronlut etser huden. Bruk vernebriller når du arbeider med lut! Produksjon av natronlut foregår i praksis ved at fast natriumhydroksid løses i vann. Natriumhydroksid er et fast stoff som ser ut som is, og selges i form av flate perler. Siden natriumhydroksid er sterkt hygroskopisk, oppbevares den i lukkede beholdere av polyetylen.

Kalilut KOH

Kalilut er en vandig løsning av kaliumhydroksid KOH, også kalt etskali. Den har lignende egenskaper som natriumhydroksid.

Kalkvann Ca(OH)2

Kalkvann er den vandige løsning av kalsiumhydroksid, Ca(OH)2, som kalles lesket kalk. Kalkvann er en svak base.

Salmiakkspiritus NH4OH Salmiakkspiritus kalles også salmiakkvann og er den vandige løsning av ammoniumhydroksid. Det dannes når gassen ammoniakk, NH3, løses i vann: NH3 + H2O vanrw NH4+ + OH . Salmiakkspiritus har stikkende lukt og er en svak base. 32

1.4.3 Salter I dagligtale forstår vi med ordet salt koksalt, slik vi kjenner det fra kjøkkenet. I kjemien utgjør saltene en stor gruppe forskjellige stoffer, og koksalt er ett av disse.

Saltdannelse ved nøytralisering Hvis vi bringer sammen ekvivalente mengder av en base og en syre, ser vi at både basevirkningen (blåfarging av lakmus) og syrevirkningen (rødfarging av lakmus) blir opphevet (forsøk 33/1). Denne reaksjonen kalles nøytralisering. Den nøytrale løsningen som er resultatet, inneholder et løst salt.

Ved nøytralisering oppheves basevirkning og syrevirkning. Det blir dannet et salt. Reaksjonsligningen for nøytralisering er for reak­ sjonen mellom natronlut og saltsyre:

NaOH

4HCI

+

+

------ --- NaCI Natriumklorid

Saltsyre

Natriumhydroksid

H2O Vann

Generelt gjelder for nøytralisering: Base + syre -> salt + vann

Det å beskrive nøytraliseringen med molekylformler er en forenkling. Siden vi vet at syrer og baser foreligger i form av ioner, må vi bruke ioneformlene for å beskrive reaksjonsforløpet nøyaktig. For dette eksempelet blir det: I\la+ + PH;

+

h3o++

Natriumhydroksid

cr

Na

Saltsyre

Forsøk 33/1: Nøytralisering ved titrering

Beskrivelse: I en erlenmeyerkolbe har man natronlut og tilsetter noen dråper av indikatorvæsken fenolftalein. Den farger luten svakt fiolett. Så tilsetter man saltsyre dråpevis fra en byrette. Ved hjelp av røring sørger man for rask blanding. Etter hvert begynner den fiolette fargen å blekne der dråpene faller. Når man forsiktig tilsetter mer syre, vil til slutt hele væskevolumet bli fargeløst. (Denne metoden kalles titrering). Ved kontroll av løsningen med lakmuspapir, får vi ingen fargeforandring: Løsningen er nøytral. Hvis man deret­ ter damper inn løsnin­ gen, vil man som inndampingsrest få et hvitt pulver. Dette er koksalt NaCI.

+ Cl

+

2 H2O Vann

Natriumklorid

Vi ser at hydroksidionene (OH") reagerer med oksoniumionene (H3O+) under nøytraliseringen og danner nøytralt vann (H2O). Metallionet (Na+) og syrerestionet (CF) danner saltet (Na+ + Cl"). Det foreligger også som ioner. I forenklet form skriver vi likevel ikke saltene i ioneform, for eksempel Na+ + CF, men ganske enkelt som NaCI. I virkeligheten foreligger saltene i ioneform, både i løsninger og i fast form. Et salt består av et metallion og et syrerestion.

Andre muligheter for saltdannelse

Eksempel:

Metalloksid

+

CuO

+

kobberoksid

Uedelt metall +

Eksempel:

Ca

+

kalsium

Eksempel:

->

h2so4

->

+

Fe

+

salt

+

CuSO4

+

svovelsyre

kobbe rsulfat

syre

salt

2 HNO3

*

salpetersyre

Metall jern

syre

ikke-metall

■»

S

■»

svovel

H2O vann

+

Ca(NO3)2 + kalsiumnitrat

vann

vann

h2 hydrogen

salt

FeS jernsulfid

33

Slik betegnes saltene Navnet på et salt dannes av bestanddelene som saltet er bygd opp av. Det første leddet angir

metallet, det andre syreresten. Navnet på syreresten består på sin side vanligvis av navnene på de karakteristiske grunnstoffene og

en endelse. Her gjelder følgende regler:

Salter som inneholder syreresten av en oksygenfri syre, får endelsen id.

1

Eksempler:

natriumklorid (salt av saltsyre) kaliumfluorid (salt av flussyre)

NaCI KF

Salter som inneholder syreresten av en oksygenholdig syre, kan få forskjellige forstavelser og

2

endelser:

Endelsen at:

når syrerestens sentrale atom foreligger i sitt stabile, vanligste oksidasjonstrinn (side 59). Eksempler: Na2SO4, natriumsulfat, K3PO4, kaliumfosfat

Endelsen itt:

når syrerestens sentrale atom foreligger i et lavere oksidasjonstrinn. Eksempler: Na2SO3 natriumsulfitt, K3PO3 kaliumfosfitt

Forstavelse hypo ... endelse itt:

når syrerestens sentrale atom foreligger i et enda lavere oksidasjonstrinn. Eksempel: NaCIO natriumhypokloritt

Forstavelse per ... endelse at:

når syrerestens sentrale atom foreligger i et høyere oksidasjonstrinn. Eksempel: NaCIO4 natriumperklorat

Etter en nyere navneoverenskomst (nomenklatur) blir saltene av oksygenholdige syrerester bare karakterisert ved endelsen at fulgt av et romertall som angir oksidasjonstrinn for syrerestens sentrale atom. Eksempler:

(salt (salt (salt (salt

Na2SO4 natriumsulfat VI Na2SO3 natriumsulfat IV K3PO4 kaliumfosfat V K3PO3 kaliumfosfat III

av av av av

svovelsyre) svovelsyrling) fosforsyre) fosfonsyre)

Viktige syrer, syrerester og salter Eksempler

Salter

Syrerest

Syre saltsyre

HCI

-klorid

ci-

klorider

natriumklorid

NaCI

(koksalt)

flussyre

HF

-fluorid

F

fluorider

kalsiumfluorid

CaF 2

(flusspat)

svovelsyre

H2SO4

-sulfat

so41 2-

sulfater

kalsiumsulfat

CaSO4

(gips)

sulfitt

SO32-

sulfitter

natriumsulfitt

NaSO3

karbonater

kalsiumkarbonat CaCO3

svovelsyrling h2so3 karbonsyre

h2co3

-karbonat CO32-

fosforsyre

h3po4

-fosfat

PO434 - fosfater 6 5

salpetersyre

hno3

-nitrat

NO3-

kiselsyre

H2SiO3

-silikat

SiO32- silikater

kaliumnitrat

Ca3(PO4)2 (fosforitt) (salpetergjødsel) kno3

kalsiumsilikat

CaSiO3

kalsiumfosfat

nitrater

(kalkstein)

(bestanddel i glass)

Repetisjonsspørsmål 1

Hva er en indikator?

7

Hvilken gruppe er karakteristisk for baser?

2 3

Hva forteller pH-verdien? Av hvilke to bestanddeler består en syre?

8

4

Hvordan foreligger syrene i vandig løsning?

9

Hvilke generelle egenskaper har henholdsvis syrer og baser? Hva mener vi med nøytralisering?

5

Hvilke egenskaper har salpetersyre?

6

Nevn fem syrer og deres formel.

10 Hva er et salt bygd opp av? 11 Hvordan dannes saltenes navn?

34

1.5 Lovmessigheten ved dannelse av kjemiske forbindelser 1.5.1 Masseforhold ved dannelse av kjemiske forbindelser Når to grunnstoffer reagerer og danner forbindelser, ser vi at de alltid danner de samme, bestemte kjemiske stoffene. Vi finner også at mengden av stoffene som reagerer, alltid står i bestemte forhold til hverandre.

Loven om massens konstans

Forsøk 35/1: Massebestemmelse ved kjemiske reaksjoner

Veier man utgangsstoffene før en kjemisk reak­ sjon, og reaksjonsproduktene etter reaksjonen, kan vi fastslå at den totale masse av utgangs­ stoffene er lik den totale masse av reaksjons­ produktene. Dette faktum kalles loven om massens kon­ stans. Også gassformige bestanddeler må regnes med.

Ved kjemiske reaksjoner er den totale masse av utgangsstoffene lik den totale masse av reaksjonsproduktene.

Resultatet av slik veiing bekrefter antakelsen vi har gjort ved oppstilling av kjemiske ligninger: at ingen atomer "går tapt" eller "forsvinner", og at reaksjonsligningen derfor må balanseres. Under den kjemiske reaksjonen kan atomer verken oppstå eller forsvinne. Det skjer utelukkende en omgruppering av atomer, slik at nye stoffer med andre egenskaper dannes.

Beskrivelse: Et reagensglass med tre fyrstikkhoder lukkes med en gummiballong og henges på vekten, som tareres. Så antenner man fyrstikkhodene ved å varme opp reagensglasset med en gassbrenner (for­ søket utføres bak spiintbeskyttelse). Det skjer en heftig forbrenning (kjemisk reaksjon). De gassformige forbrenningsproduktene kan ikke unnvike, og samler seg i reagensglasset og ballongen. Vekten vil ikke slå ut under forsøket. Altså er vekten av utgangsstoffene lik vekten av reaksjonsproduktene.

Loven om de konstante mengdeforhold Hvis man spalter en kjemisk forbindelse, kan man konstatere at grunnstoffene i forbindelsen alltid finnes i et helt bestemt mengdeforhold. Eksempler:

•

• •

Spalting av vann (side 27) viser at massen av hydrogenet som dannes, alltid er 1/8 av massen av oksygenet.

mn: mo

Analyse av jernsulfid FeS viser at massen av jern forholder seg til massen av svovel omtrent som 7 : 4. Analyse av kobberoksid gir avrundet:

mFe:ms =7:4 mCu:m0 = 4:1

=1:8

Dette faktum kalles loven om de konstante masseforhold. I en kjemisk forbindelse foreligger grunnstoffene i et bestemt forhold.

Ved oppbygging av en kjemisk forbindelse (syntese) kommer man til samme resultat når man veier stoffene som går med. Ved dannelse av en forbindelse forbinder de inngående grunnstoffer seg med hverandre i bestemte masseforhold.

Øvingsoppgaver 1 2

Hvor store masser av oksygen og hydrogen får vi ved spalting av 1 kg vann? Hvor mye kobber og oksygen går med til å fremstille 35 g kobberoksid (CuO)? 35

1.5.2 Valens Atomene forbinder seg med hverandre til molekyler i helt bestemte tallforhold. Vann har for eksempel den kjemiske formelen H2O. Det betyr at ett O-atom alltid binder to H-atomer. O-atomet er på en måte "dobbelt så mye verd" som H-atomet. Sagt på en annen måte: O-atomet har dobbelt så stor valens som H-atomet. Ved forsøk har man funnet ut at ett atom hydrogen aldri forbinder seg med mer enn ett annet atom, slik som i for eksempel saltsyre HCI, flussyre HF, hydrogenbromid HBr osv. Hydrogen er derfor

definert som enverdig For å forenkle beskrivelsen av grunnstoffenes valens bruker man såkalte valensarmer eller bare valenser. Hydrogen er enverdig og har altså én valensarm: H-

Ved hjelp av de kjemiske formlene for hydrogenforbindelsene kan man finne valensen til de andre grunnstoffene. Hvordan det gjøres, ser vi av følgende eksempler: •

Hydrogenklorid. Det har formelen HCI. Som vi allerede vet, er hydrogen enverdig og har altså én valensarm. Til denne valensarmen kobles Cl-atomet med sin valensarm: H —- Cl Det vil si at også klor har én valensarm. Klor er enverdig: ClÉn valensarm hos et atom kan bare binde seg til en valensarm hos et annet atom. Det at valensarmen er opptatt, kan man vise symbolsk ved to kroker som er hektet sammen, for eksempel slik: H Cl. Forenklet kan vi bruke en enkelt forbindelsesstrek, for eksempel slik: H - Cl

•

Vann. Det har formelen H2O. Hvert H-atom har én valensarm. De to H-atomene har til sammen to valensarmer som binder ett O-atom: H O — Heller i forenklet form H - O - H O-atomet har altså to valensarmer. Oksygen er toverdig: - O -

Etter dette kan valensbegrepet defineres slik:

Et grunnstoffs valens angir hvor mange H-atomer ett atom av grunnstoffet kan binde.

Flere eksempler på valensbestemmelse: Ammoniakk NH

Tabell 36/1: Valens

Nitrogen er lll-verdig Metan CH4 Karbon er IV-verdig

Énverdige

H, F, Cl, Br, I, Li, Na, K, Ag, Cu

Toverdige

O, S, C, Mg, Ca, Cu, Zn, Mn, Fe

Treverdige

N, P, Al, Cr, Fe

Fireverdige

C, S, Si, Mn

Femverdige N, P Seksverdige S, Cr

De vanligste grunnstoffenes valens er satt opp i tabell 36/1.

Sjuverdige

Cl, l, Mn

Mange av grunnstoffene kan ha forskjellig valens i forskjellige forbindelser, som svovel i hydrogensulfid H2S, i svoveldioksid SO2 og i svoveltrioksid SO3:

Svoveldioksid SO2

Hydrogensulfid H2S Svovel er toverdig

-S-

0^

Svovel er fireverdig

Svoveltrioksid SO, 0^ c

_ ,,

Svovel er seksverdig

S

Eksemplene viser at svovel kan ha forskjellige valenser. Også andre grunnstoffer har denne egenskapen (tabell 36/1). Mange grunnstoffer kan ha forskjellig valens.

Begrepet støkiometri beskriver det tallmessige forholdet i en kjemisk forbindelse. Det sier ikke noe om

hvordan atomene i molekylet er bundet til hverandre.

36

1.5.3 Oppstilling av kjemiske formler Hvis vi vet hvilke grunnstoffer en kjemisk forbindelse består av, kan vi sette opp formelen for enkle stoffer ved hjelp av kunnskap om grunnstoffenes valens. Vi går frem på den måten at vi skriver opp alle grunnstoffer som inngår, og hvilke valenser de kan ha. Deretter avbalanserer vi valensene ved hjelp av antall atomer av hvert grunnstoff.

Eksempel: Karbonoksider. De består av grunnstoffene karbon og oksygen. O er alltid toverdig. C kan være to- eller fireverdig (tabell 36/1). Dermed får vi to kombinasjonsmuligheter: = 0

C =

c =

= 0

Her er det like mange valenser: C = O

For at valensene skal balansere, må det være to Oatomer for hvert C-atom: O = C = O

Den kjemiske formelen blir dermed: CO karbonmonoksid

Den kjemiske formelen blir dermed: CO2 karbondioksid

Dette enkle skjemaet for oppstilling av kjemiske formler brukes ikke bare for molekylforbindelser, men også for forbindelser som holdes sammen med ionebinding. Da benyttes valensarmene som et formelt hjelpemiddel. Eksempel: Aluminiumoksid. Det består av grunnstoffene aluminium (III) og oksygen (II). — 0 Den kjemiske formeDet er umulig å balansere forAl — Al — =0 melen ved hjelp av bare det ene = o lenforaluminiumoksid Al E grunnstoffet. Vi må kombinere to blir dermed: “ 0 AI2O3 Al-atomer med tre O-atomer. Skrivemåte for formler. Grunnstoffenes rekkefølge i formlene er slik:

• •

Metallet nevnes først, som i ZnCI2, AI2O3 og NaCI Oksygen og andre ikke-metaller kommer etter som i MgO, CO2, SO3, FeS og SiC

Navngivelse. De kjemiske forbindelsene får navn som består av stavelser for de enkelte grunnstoffer. Metallet nevnes alltid først. Dessuten føyer man til en endestavelse, for eksempel id. Eksempler:

NaCI Natriumklorid

AI2O3 Aluminiumoksid

FeS Jernsulfid

Hvis et grunnstoff forekommer med flere valenser, skrives valensen til det første grunnstoffet med romertall.

Eksempel: CuCI kobber(l)klorid (les: kobber-én-klorid), CuCI2 kobber(ll)klorid (les: kobber-to-klorid)

For mange vanlige forbindelser er det fremdeles vanlig å bruke tradisjonelle navn: Eksempler: CO karbonmonoksid (av mono = én), C02 karbondioksid (av di = to) osv.

Øvelse: Hvilke formler har stoffene av disse grunnstoffene, og hva heter de? 1. K og Cl 2. Ca og I 3. N og O 4. Al og F 5. Fe(ll) og O 6. Fe(lll) og O

1.5.4 Sumformler, strukturformler Kjemiske formler kan være skrevet som sumformler eller som strukturformler.

Eksempel: Den kjemiske forbindelsen butan. Sumformelen er slik: c4h10 Grunnstoffene er angitt ved det kjemiske tegnet, og antall atomer ved indekser. Sumformelen forteller ikke noe om butanmolekylets struktur.

Sumformelen benyttes når det bare er spørsmål om sammensetningen av den kjemiske forbindelsen.

Strukturformelen er slik:

ri n H H lill H-C-C-C-C-H lill H H H H

Her er hvert atom vist bundet til de andre atomene ved valensarmer. Dermed får vi vite noe om atomenes romlige plassering. Strukturformler brukes særlig for organiske forbindelser.

37

1.5.5 Gay-Lussacs lov Massen av stoffer som reagerer med hverandre, er bestemt av loven om massens konstans og loven om de konstante masseforhold (side 35). Den siste loven sier at ved dannelse av en kje­ misk forbindelse forbindes de inngående grunn­ stoffene med hverandre i konstante masseforhold. Denne loven gjelder selvfølgelig også for gassreaksjoner.

Forsøk 38/1: Volumforhold ved gassreaksjoner

Forsøksapparatur

Gassvolum for reaksjonen

f - Hydrog n 2 ~ Oksygep

KvikkKvikk- ( ■sølv4 sølv reservoar Gassvolum etter reaksjonen

For gassene er det lettere å måle volum enn masse, og derfor har man undersøkt om de reagerer i konstante volumforhold. Det er slått fast at for eksempel hydrogen og oksygen reage­ rer med hverandre i volumforholdet 2:1. Også andre gasser reagerer i volumforhold av små, hele tall:

1 -*

2^- Kvikk­ sølv 3 — 4 —

Hydrogen og klor reagerer i volumforholdet 1:1. Hydrogen og nitrogen reagerer i volumforholdet 3:1.

Hvis vi gjennomfører forsøk 38/1 i en apparatur som er varmet opp til mer enn 100 °C, kan man også måle volumet av det gassformige reaksjonsproduktet, siden vanndampen ikke kondenserer ved så høy temperatur (forsøk 38/2). Vi kan slå fast at 2 volumdeler hydrogen reagerer med 1 volumdel oksygen til 2 volum vanndamp.

Også for andre gassreaksjoner viser det seg at volumet av reaksjonsproduktet har et forhold til volumene av utgangsstoffene som er lik små, hele tall:

Forsøksapparaturen består av et tykkvegget glassrør hvor gassporsjoner kan plasseres og bringes til reaksjon. Reaksjonskammeret er lukket med en kvikksølvlås. Utenpå reaksjonsrøret er det et annet glassrør med varmespiral.

Beskrivelse: 2 volum hydrogen og 1 volum oksygen fylles i røret (til sammen ca. 10 ml) og antennes. (Forsiktig! Reduser trykket ved å senke kvikksølvreservoaret før antennel­ se). Det dannes vann, som på grunn av reaksjonsvarmen er i dampform like etter reaksjonen. Ved avkjøling kondenseres vanndampen. Kvikksølvet stiger på grunn av det synkende trykket langsomt opp og fyller reaksjonsrøret helt. Siden gassen som var til stede, har reagert fullstendig, er det ikke noe restvolum. Hadde det vært et annet forhold mellom utgangsgassene, vil­ le det vært et restvolum av gass som ikke hadde rea­ gert. Dette betyr: Gassene hydrogen og oksygen reagerer med hverandre i volumforholdet 2:1.

1 volumdel hydrogen reagerer med 1 volumdel klor til 2 volumdeler hydrogenklorid - og

3 volumdeler hydrogen reagerer med 1 volum nitrogen til 2 volumdeler ammoniakkgass. Denne lovmessigheten kalles etter sin oppdager Gay-Lussac Gay-Lussacs lov *: Forholdet mellom volumene av gasser som reagerer med hverandre, er som små, hele tall.

Volumet av gassene må selvfølgelig måles ved samme temperatur og trykk. * Gay-Lussac: fransk naturvitenskapsmann (1788-1850)

38

Forsøk 38/2: Volum av gass­ formige reaksjonsprodukter

Beskrivelse: Forsøket gjennomføres som forsøk 38/1, men med reaksjonsrøret var­ met opp til 120° C. Man lar 2 volumdeler hydrogen rea­ gere med 1 volumdel oksygen. Etter reaksjonen venter man til reaksjonsvarmen er fordelt. Så leser man av vanndampens vo-

Gassvolum før reaksjon

Gassvolum etter reaksjon

1.5.6 Avogadros lov Ved kjemiske reaksjoner mellom gasser har vi enkle tallmessige volumforhold (Gay-Lussacs lov). Også fysisk viser gassene enkle lovmessigheten For eksempel utvider alle gasser seg med 1/273 av sitt volum ved 0 °C når de varmes opp 1 °C (side 74), uansett hvilken gass det gjelder. Faste stoffer og væsker derimot har utvidelseskoeffisienter som er karakteristiske for det enkelte stoff.

Den italienske fysiker Avogadro * sluttet på grunn av denne ensartede fysiske opptreden at avstanden mellom de enkelte bestanddeler i gassene var like stor for alle gasser. Men siden gassmolekylene er så små, kan dette bare stemme hvis like volum av forskjellige gasser inneholder like mange gassmolekyler.

På grunnlag av dette resonnementet satte Avogadro opp følgende hypotese, som har vist seg å stemme, og som etter ham kalles Avogadros lov: Ved samme temperatur og trykk inneholder like gassvolum av forskjellige gasser like mange molekyler.

Hvis vi kombinerer denne loven og loven om de konstante volumforhold (Gay-Lussacs lov) ved gassreaksjoner, kan vi trekke ut en viktig kunnskap om gassmolekylenes oppbygning. Vi husker resultatet av forsøk 38/2. Der slo vi fast: To volum hydrogen reagerer med ett volum oksygen og danner to volum vanndamp. Hvis vi nå tenker oss de aller minste enheter av stoffene, nemlig atomer og molekyler, får vi følgende bilde (på figuren inneholder hver volumdel alltid ett gassmolekyl):

Hvis vi kontrollerer om ligningen er balansert, ser vi at den ikke er det. For 2 vannmolekyler er det nødvendig med 4 hydrogenatomer og 2 oksygenatomer. Den minste enheten av hydrogen eller oksygen kan altså ikke være et atom.

Når vi angir de minste enhetene av hydrogen og oksygen som toatomige molekyler, altså H2 og O2, får vi ligningen til å stemme:

Dette betyr altså at hydrogen og oksygen ikke foreligger som atomer, men som grunnstoffmolekylene H2 og O2. Også for andre gassformige grunnstoffer ble det fastslått at de forelå som molekyler. De gassformige grunnstoffene hydrogen, oksygen, nitrogen, fluor, klor, og brom foreligger som molekyler: H2, O2, N2, F2, Cl2, Br2, l2 Edelgassene helium, neon, argon, krypton, xenon og radon derimot er atomer: He, Ne, Ar, kr, Xe, Rn. Det samme gjelder for metalldamper.

Repetisjonsspørsmål 1 2 3

Hvordan lyder loven om massen ved kjemiske reaksjoner? Hva angir valensen? Hva forteller strukturformelen?

4

Hva sier Gay-Lussacs lov om volumene ved reaksjonen mellom karbonmonoksid og oksygen til karbondioksid?

* Amadeo Avogadro: Italiensk naturvitenskapsmann (1776-1856)

39

1.6 Atomenes oppbygning Selv med de sterkeste forstørrelser vi disponerer i dag, kan vi ikke se de enkelte atomer, slik at vi på den måten kan undersøke deres oppbygning. Derfor har man konstruert tenkte modeller av hvordan de er bygd, atommodeller. Slike atommodeller er ikke fotografiske gjengivelser av virkelige atomer, men tankemodeller som anskueliggjør atomenes egenskaper.

1.6.1 Det moderne bilde av atomene Den første naturvitenskapelige modell så atomene som ørsmå, udelelige stoffkuler. I dag vet vi at denne enkle modellen ikke stemmer. Etter det vi vet i dag, er atomene komplisert bygd. De er ikke udelelige, men består av enda mindre deler, de såkalte elementærpartikler: protoner, elektroner og nøytroner. Protonene har den minste, positive ladning (+1), elektronene den minste negative ladning (-1), og nøytronene er elektrisk nøytrale (tabell 40/1). Protoner og nøytroner har omtrent samme masse, mens elektronenes masse er svært liten, den utgjør bare 1/1836 av protonets masse.

Tabell 40/1: Elementærpartiklenes egenskaper J

Partikkel

+1

Proton

Masse

Ladning

Nøytron

0

Elektron

-1

1,672

• W'24 g

1,675

• 10-24 g

0,0009107 • W24 g

Hvordan elementærpartiklene er ordnet i atomet ble undersøkt i et berømt eksperiment, Rutherfords *spredningsforsøk (forsøk 40/1). Forsøk 40/1: Rutherfords spredningsforsøk

Avbøyde a-partikler i

V

Beskrivelse: En tynn gullfolie bombarderes med a-partikler (heliumkjerner). Foliens tykkelse tilsvarer omtrent 1000 lag atomer (0,002 mm). Rundt gullfolien er en filmstrimmel plassert som en ring. Filmen sver­ tes når den treffes av a-partikler. Forsøket gir et overraskende resultat: De fleste cz-par­ tiklene passerer uhindret gjennom gullfolien. Av dette kan vi slutte at atomene for det aller meste består av "tomrom uten masse". Elektronet er en elementærpartikkel nesten uten masse. Det er nærliggende å tro at elektronene befinner seg her. Bare én av 100 000 a-partikler blir avbøyd eller reflektert, og da på den måten at partiklene er spredt på filmen. Av dette følger at det bare er svært små "massesentre" i atomene. Elementærpartiklene som har masse er protoner og elektroner, og de befinner seg i massesenteret.

På grunnlag av dette og andre eksperimenter har vi fått følgende bilde av atomene (figur 40/1): Atomene består av svært små massesentre (atomkjerner) og et forholdsvis stort område uten masse (atomskallet). I atomkjernen finnes det protoner og nøytroner. Atomskallet dannes av elektroner. (inneholder

(inneholder protoner

Et atom har et tverrsnitt på omkring 0,000 000 1 elektroner) og nøytroner) mm. Atomkjernens tverrsnitt utgjør bare omtrent Figur 40/1: Det moderne atombilde 0,000 000 000 001 mm, altså 1/100 000. Hvis vi skal anskueliggjøre dette størrelsesforholdet, blir det som å sammenligne et knappenålshode (1 mm) med en kule med diameter 100 meter. * Ernest Rutherford, engelsk fysiker (1877-1937)

40

1.6.2 Atomkjernen Atomkjernen består av protoner og nøytroner. Den inneholder så å si hele atomets masse.

Hvert proton har én positiv elementærladning, derfor er atomkjernen alltid positivt ladet. Antallet positive elementærladninger tilsvarer antall proto­ ner i kjernen. Dette tallet kaller vi derfor kjerneladningstallet.

Da atomene utad er elektrisk nøytrale, må antall elektroner i atomskallet tilsvare antall protoner i kjernen. I tillegg til protoner inneholder kjernen også nøytroner (bortsett fra hydrogenatomkjernen). Summen av antall protoner og antall nøytroner kalles massetallet eller nukleontallet (av nukleus = kjerne). Av alle atomer har hydrogen den letteste kjer­ nen. Den består bare av et proton, og mangler nøytroner (figur 41/1). Hydrogenets kjerneladningstall og massetall er derfor 1.

Litium

Beryllium

Det letteste grunnstoffet etter hydrogen er heli­ um. Heliumkjernen består av to protoner og to nøytroner (figur 41/1). Helium har kjerneladningstall 2, massetall 4.

Tegnforklaring * Proton Elektron O Nøytron

Neste grunnstoff er litium, hvis kjerne har tre protoner og fire nøytroner (figur 41/1). Kjerneladningstallet er altså 3, og massetallet 7.

Vi ser at grunnstoffene kan ordnes etter kjerneladningstall. Derfor kalles kjerneladningstallet også atomnummer.

Figur 41/1: Atomkjerner

Atomnummeret angir antall protoner i atomkjernen. Massetallet er summen av protoner og nøytroner i atomkjernen. For å beskrive et atoms indre oppbygning, har vi en spesiell, kort skrivemåte. Den består av det kjemiske symbolet for ved­ kommende grunnstoff, og foran det står massetallet og atomnummeret.

Kortform Eksempel: Litium

Massetall

Kjemisk tegn

->

3 Ll

Isotoper Atomene fra et bestemt grunnstoff har alltid samme antall protoner, men antall nøytroner kan variere. Det finnes for eksempel karbonatomer med 6, 7 og 8 nøytroner: 1fc, 1gC og 1gC. Protontallet for

karbon er alltid 6. Hydrogen finnes som protium }h, deuterium ^H og tritium (*H . Deuteriumoksid er kjent som

Karbonets isotoper

tungtvann.

C12

C13

C14

De forskjellige atomsortene av ett grunnstoff kaller vi isotoper, (av gresk isos = lik og topos = sted).

12n 6C

13~ 6C

14~ 6^

Isotoper er atomer av samme grunnstoff med forskjellig nøytronantall.

6 nøytroner 6 protoner

7 nøytroner 6 protoner

8 nøytroner 6 protoner

For å beskrive isotopene av et grunnstoff har vi i tillegg til den forkortede skrivemåten (eksempel 1gC også grunnstoffnavnet fulgt av massetallet, altså karbon 12 (C 12) eller uran 235 (U 235). De forskjellige isotoper av ett og samme grunnstoff har de samme kjemiske egenskaper, de fysiske egenskapene er litt forskjellige. 41

1.6.3 Atomskallet Det er utviklet flere forskjellige modeller av atomskallet. De som i dag er viktigst, er Bohrs atommodell

og orbitalmodellen.

Bohrs atommodell, elektronskallmodellen På grunnlag av forsøk kom fysikeren Niels Bohr i 1913 frem til den atommodellen som bærer hans navn. Ifølge den beveger elektronene seg med stor hastighet i sirkelbaner omkring atomkjernen (figur 42/1). Denne modellen kan sammenlignes med planetenes bevegelser omkring solen. Hos atomer med flere elektroner beveger elektronene seg i baner med forskjellig, helt bestemt diameter. De forskjellige banene tilsvarer at de enkelte elektroner befinner seg i forskjellige energinivåer. Disse energinivåene betegnes som elektronskall, som identifiseres enten med tall (1, 2, 3 ...) eller med bokstaver (K, L, M ...). Elektronene i et ytre skall er energirikere enn elektronene i et skall lenger

inne. Elektronene i det enkelte skall er ordnet etter visse regler: •

skallene fylles innenfra og utover.

•

Hvert elektronskall har plass til et begrenset antall elektroner. Det største antall elektroner i ett skall er 2 n2 (n = skallnummer). Dette betyr at det i 1. skall er plass til 2 • 12 = 2 elektroner, i 2. skall 2 ■ 22 = 8 elektroner, i 3. skall 2 • 32 = 18 elektroner osv.

I )h

Hydrogen

Helium

2 He

ø'^ __,G)

•

Det ytterste elektronskallet kan inneholde høyst 8 elektroner. Når dette skallet er fylt, går neste elektron til et nytt skall.

•

Til sammen 7 elektronskall er mulig.

■7

jLi

Litium

^-0 0

©

e"

•

© V

0

(3Na

Natrium

40 . 18 Ar

Argon

~ 0

Dette skal vi kommentere litt nærmere (figur 42/2):

©

,0

Bohrs modell av hydrogenatomet har ett elektron i Kskallet. Helium har to elektroner i K-skallet. Litium har to elektroner i K-skallet og 1 elektron i L-skallet. Med 8 elektroner i L-skallet (neon) er dette skallet fullt. Neon har til sammen 10 elektroner: 2 i K-skallet og 8 i Lskallet. Med natrium begynner M-skallet, somforargon har 8 elektroner og dermed er fylt, osv.

20 Ne 10INe

Neon

0

©

®

©

. -0 /® _ / Q •

©' ©

ø

©

0

_ø

0-

Q

0

Q

ø

P

© ' Q'

Figur 42/2: De enkelte deler av Bohrs atommodell

Atomenes oppbygning og deres kjemiske egenskaper Litium og natrium har begge et ytterste elektronskall med bare ett elektron, og samtidig nokså like kjemiske egenskaper: De er begge reaktive lettmetaller. Helium, neon og argon har et fullt ytterskall, He har altså 2 elektroner, Ne og Ar 8 elektroner i ytterskallet. Også disse grunnstoffene har nokså like

kjemiske egenskaper: De er edelgasser som ikke reagerer. Av dette kan vi trekke en konklusjon: Grunnstoffer med samme antall elektroner i ytterskallet har like kjemiske egenskaper. Grunnstoffenes kjemiske egenskaper blir bestemt av elektronene i ytterskallet. Kjemiske reaksjoner er reaksjoner som involverer elektronene i ytterskallet.

42

Orbitalmodellen, elektronskymodellen Denne atommodellen beskriver atomet som en kjerne omgitt av en sky av elektroner som svirrer omkring (omtrent som en bisverm). Elektronenes baner kan ikke fastslås, det kan bare angis et område som de beveger seg innenfor. Biffedtig fremstitting — Elektronenes posisjon

Dette bevegelsesområdet kalles en orbital.

Billedlig fremstilles bevegelsesområdet for elek­ tronene som elektronskyer (figur 43/1 til høyre). Hvis man kunne registrert fotografisk en mengde ganger hvor elektronene befant seg, slik at det ble dannet et mørkt punkt, ville man nemlig fått en sky som er mørkest der elektronene ofte er, og lysere der de sjelden kommer (figur 43/1 til venstre).

av elektronskyen (orbitalen)

Q)

Kuleformet orbital

Manualformet orbital

Ifølge orbitalmodellen er atomskallet bygd opp etter bestemte regler:

Figur 43/1: Anskueliggjøring av orbitalene

•

Det finnes kuleformede orbitaler, såkalte s-orbitaler, manualformede orbitaler, såkalte p-orbitaler, og mer komplisert sammensatte orbitaler, d- og f-orbitaler.

•

Først fylles s-orbitalene, deretter p-, så d- og f-orbitalene.

•

Atomskallet er inndelt i energinivåer: Det første energinivået har én s-orbital. Det andre energinivået har én s-orbital med større diameter og tre p-orbitaler. Det tredje energinivået har én s-orbital med enda større diameter, tre større p-orbitaler og i tillegg fem d-orbitaler.

Grunnstoffenes orbitaler får betegnelser som skrives i kortform. Orbitalene får et tall som angir energinivå og en bokstav som angir form. Eksempler: 1s er en sorbital i første energinivå, 2p er en p-orbital i andre energinivå. Antall elektroner i ett orbital angis ved et hevet tall. Eksempler: 1s2 betyr to elektroner i 1sorbitalen, 2p3 betyr tre elektroner i 2p-orbitalen.

Kortform Eksempel: Nitrogen 7N, 2 elektroner i 1 s-orbital, 2 elektroner i 2s-orbital, 3 elektroner i 2p-orbitaler

Grunnstoff

Bohrs skall

Billedlig fremstilling av orbitalene

Hydrogen

Litium

Anzahl der Elektronen im Orbital

1 s2

2s2

2p3 Bor

Orbitalarten

Vi skal redegjøre for orbitaloppbygningen for enkelte grunnstoffer (figur 43/2):

Hydrogen (1 elektron) har én s-orbital i 1. energinivå, med ett elektron (Is1).

Helium (2 elektroner) har også énsorbital i 1. energini­ vå, med to elektroner (Is2) er dette fullt.

Neon 10°Ne

Litium (tre elektroner) har én s-orbital i 1. energinivå fylt med to elektroner, og én s-orbital i 2. energinivå med ett elektron (1s2 2s1).

c

Bor har fem elektroner. De fyller 1s-orbitalen og 2sorbitalen, og det femte elektronet er i 2p-orbitalen (1s2 2s2 2p’).

Figur 43/2: Orbitalatommodeller for noen grunnstoffer Neon har ti elektroner. De fyller 1s-, 2s- og de tre p-orbitalené (1s2 2s7 2pY

Repetisjonsspørsmål: 1

Hvilke elementærpartikler består atomet av? 40 _

2

Hva ser vi av 20Ca?

3

Hva er en isotop?

4

Hvordan beskriver henholdsvis Bohrs atommodell og orbitalmodellen svovelets atomskall (wS)?

43

1.7 Periodesystemet Det at enkeite grunnstoffer viste samme egen skaper, fikk allerede i forrige århundre kjemi­ kerne til å ordne de grunnstoffene de kjente, i grupper: En gruppe bestod av litium (Li), natrium (Na) og kalium (K), en annen gruppe av fluor, (F), klor (Cl) og brom (Br), en tredje av helium (He) , neon (Ne) og argon (Ar).

Li

F

He

Na

Cl

Ne

K

Br

Ar

Meget reaktive gasser med stikkende lukt

Myke metaller som reagerer voldsomt med vann

Gasser som ikke danner forbindelser

Dessuten kan grunnstoffene ordnes etter stigende atomnummer (side 41): fH 2He 3U dBe 5B gC 7IM gO 9F w^e

nNa 12M9 13AI uSi 15P 16^ 17CI igAr 19K 2øCa

Hvis vi sammenholder grunnstoffer med felles egenskaper med atomnumrene, ser vi følgende: For hvert åttende tall i rekken kommer det grunnstoffer som har felles egenskaper. Vi finner altså en regelmessighet (periodisitet). Det går an å forene disse to måtene å ordne grunnstoffene på. Det gjør vi ved å sette opp grunnstoffene, åtte på hver linje, slik at like stoffer kommer under hverandre i spalter. Man begynner med litium, og denne rekken ender med neon. Den neste rekken begynner med natrium og ender med argon. Dette er grunnlaget for grunnstoffenes periodesystem, eller forkortet GPS.

1.7.1 Det kortperiodiske periodesystemet På grunnlag av sine kjemiske egenskaper ble alle grunnstoffer undersøkt og så vidt mulig inn­ passet i dette systemet. På den­ ne måten fikk man et kortperiodisk periodesystem (figur 44/1). Det inneholder ikke alle grunnstoffer, men har med viktige representanter for alle gruppene. De vannrette rekkene i det kort­ periodiske periodesystemet kalles perioder, og de loddrette kalles hovedgrupper.

Hovedc rupper 1

1

1

II

III

IV

V

VI

VII

2He

H

Hydrogen

2 3 1

4

(D CL

5

6

Helium

3 Li

4Be

5B

6c

7N

80

Litium

Beryllium

Bor

Karbon

Nitrogen

Oksygen

i2Mg

13AI

11

Na

Natrium

VIII

14SI

15P

Magnesium Aluminium Silisium

Fosfor

19K

2oCa

31

Kalium

Kalsium

Gallium

Ga

37Rb

38Sr

Rubidium

Strontium

55CS

56Ba

81TI

Cesium

Barium

Thallium

49ln Indium

9F Fluor

wNe Neon

wAr

16S

17CI

Svovel

Klor

Argon

32Ge

33AS

34Se

35Br

36Kr

Germanium

Arsen

Selen

Brom

Krypton

5oSn

5iSb

52Te

Tinn

Antimon

Tellur

Jod

Xenon

531

54Xe

82 Pb

83Bi

84P0

85At

86Rn

Bly

Vismut

Polonium

Astat

Radon

7 8?Fr 88Ra 113 117 118 114 115 116 Det kortperiodiske periodesys­ Radium Francium temet har sju perioder. Den første Figur 44/1: Det kortperiodiske periodesystem perioden inneholder bare to grunnstoffer, mens periodene fra 2 til 6 alle inneholder åtte grunnstoffer. Den 7. perioden er ufullstendig.

Det finnes åtte hovedgrupper i det kortperiodiske periodesystemet. Grunnstoffene i samme gruppe danner en familie med felles egenskaper. For enkelhets skyld snakker vi om stoffene i 1., 2., eller 3. gruppe. Dessuten har hver gruppe et navn som er avledet av stoffenes felles egenskaper eller av et typisk stoff i gruppen: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 44

gruppe gruppe gruppe gruppe gruppe gruppe gruppe gruppe

Alkalimetallene -> Myke metaller som reagerer voldsomt med vann (unntak: H) Jordalkalimetallene -> Mindre reaktive lettmetaller, magnesium er teknisk viktig Borgruppen—> Spesielt aluminium er teknisk viktig Karbongruppen -> Karbon er viktigste grunnstoff i den organiske kjemi Nitrogengruppen -> Nitrogen og fosfor er viktige grunnstoffer Oksygengruppen -> Oksygen og svovel er viktige grunnstoffer Halogenene -> Reaktive ikke-metaller Edelgassene —> Gasser som i praksis ikke danner kjemiske forbindelser

Periodesystemet er meget nyttig for å systematisere kunnskapene om grunnstoffene. Mange av stoffenes egenskaper kan "forutsies", siden egenskapene innenfor en gruppe forandrer seg etter bestemte regler.

En trappeformet diagonal i periodesystemet - fra øverst til venstre og ned mot høyre - deler grunnstoffene i metaller og ikke-metaller (figur 44/1). Nede til venstre står metallene, oppe til høyre ikke-metallene. Mellom dem finner vi grunnstoffer som har både metalliske og ikke-metalliske egenskaper: halvmetallene bor, silisium, germanium osv. Innenfor samme gruppe tiltar metallkarakteren ovenfra og nedover, og innenfor en periode avtar den fra venstre mot høyre. Innenfor gruppene forandrer reaktiviteten seg slik: I gruppe 7, 6 og 5 avtar den ovenfra og nedover, i gruppe 1, 2 og 3 tiltar den ovenfra og nedover. De mest reaktive grunnstoffene står i gruppe 1 og gruppe 7.

1.7.2 Atomets oppbygning og periodesystemet Sammenligning av oppbygningen av atomet hos grunnstoffer som ligner hverandre kjemisk, har vist at stoffenes kjemiske egenskaper bestemmes av atomskallets oppbygning (side 42). Periodesystemet viser at de kjemiske egenskapene henger sammen med plasseringen i hovedgruppene (side 44). Det er altså rimelig å anta at det er en sammenheng mellom atomenes oppbygning og deres plassering i periodesystemet. For å undersøke dette tegnet man bohrske atommodeller av de 18 første grunnstoffene og satte dem opp i rekkefølge (figur 45/1) og sammenholdt oppbygningen av det enkelte atom med dets plassering i periodesystemet.

I

II

V

IV

III

VI

VII

VIII

iH

ZHe

1. periode

3. periode

♦

14S1

♦ ♦

\

•

•

16$

15p

♦ •

.V *

• •

0

é

18 A r

0

*

/ F.

ioNe

?F

r-»

i3AI

12M9

♦

’°

*

4 r*

7N

♦*

(0 )

2. periode

4

sB

Ol

0O

3Ll

Figur 45/1: Bohrs atommodeller for grunnstoffene i periodesystemet

Dette er hva man fant: •

Det at stoffene er ordnet periodisk, tilsvarer atomskallets oppbygning av flere elektronskall. Grunnstoffene i 1. periode (hydrogen og helium) har ett elektronskall, grunnstoffene i 2. periode har to skall osv. Av dette kan vi generelt slutte: Periodenummeret for et grunnstoff tilsvarer antall elektronskall.

Alle grunnstoffer i samme gruppe har samme antall elektroner i ytterste skall. Vi sier at de har samme antall valenselektroner. Eksempel: hydrogen, litium, natrium.

Et grunnstoffs gruppenummer forteller hvor mange valenselektroner atomet har. Edelgassene har helt fylt ytterskall: to elektroner hos helium, åtte hos de andre edelgassene. Det kan ikke tas opp noe elektron i ytterskallet, og de har valensen null (0). Hvis vi sammenholder grunnstoffenes valens med plasseringen i periodesystemet (figur 45/2), kan vi slå fast:

Valensen tilsvarer antall elektroner i ytterskallet, eller hvor mange elektroner som mangler i for­ hold til edelgass-struktur.

IV

Li

Be

B

Mg

Al

He 0

V, III

C IV

Na

0

Valens

H

Si

N

0 VI, II

v

P

S

F I, VII

Cl

Ne 0

Ar

Figur 45/2: Valensen og periodesystemet

45

1.7.3 Grunnstoffenes langperiodiske periodesystem Vi kan uten problemer ordne grunnstoffene etter stigende atomnummer helt til grunnstoffet kalsium (figur 44/1). Etter kalsium (20Ca) følger før neste edelgass grunnstoffene scandium (21Sc), titan (22Ti), vanadium (23V), krom (24Cr), mangan (25Mn), jern (26Fe), kobolt (27Co), nikkel (28Ni), kobber (29Cu), sink (30Zn), gallium (31Ga), germanium (32Ge), arsen (33As), selen (34Se), brom (35Br). Deretter kommer edelgassen krypton (36Kr). Når utgangspunktet for plassering i systemet skal være likheten mellom grunnstoffene, vil vi bare få en tilfredsstillende orden ved å hoppe over grunnstoffene fra scandium (21Sc) til sink (30Zn). Det er nemlig først grunnstoffene fra gallium til krypton som igjen viser likhetstrekk med sine forgjengere i gruppene. På denne måten får vi en forkortet utgave av periodesystemet (figur 44/1), der hele rekker av

grunnstoffer er utelatt. De grunnstoffene som er utelatt i det kortperiodiske periodesystemet, er uten unntak metaller. De kalles overgangsgrunnstoffer eller bigruppegrunnstoffer. Blant dem finner vi nesten alle teknisk viktige metaller: jern (Fe), krom (Cr), nikkel (Ni), kobber (Cu) osv. Ved en fullstendig gjennomgang må alle grunnstoffene innpasses i et system. Hvis vi også setter inn overgangsgrunnstoffene i periodesystemet, får vi det såkalte grunnstoffenes langperiodiske periode­ system (figur 46/1). Det består av det kortperiodiske periodesystem med overgangsgrunnstoffene skutt inn mellom hovedgruppene 2 og 3.

46

Overgangsgrunnstoffenes atomer har ett eller to elektroner i ytterskallet. De skiller seg fra de andre atomene ved antall elektroner i de indre skallene. Siden stoffenes egenskaper først og fremst er avhengige av elektronene i ytterskallet, viser overgangsgrunnstoffene sterke likhetstrekk med hverandre: De er alle metaller. I både 6. og 7. periode er det 14 grunnstoffer mer enn i 4. og 5. periode. Dette kommer av at grunnstoffene i de høyere periodene har plass til flere elektroner i innerskallene. De 14 grunnstoffer som følger etter lantan (57La), og de 14 som følger etter actinium (89Ac), er bortsett fra uran (92U) og plutonium (94Pu) av liten teknisk betydning. Siden de ville gjort systemet svært uoversiktlig, plasserer man dem i egne grupper, lantanoidene og aktinoidene, og skriver dem for seg selv. Noen av disse grunnstoffene er fremstilt kunstig og har bare vitenskapelig betydning.

Repetisjonsspørsmål 1

Hva er felles for grunnstoffene i en hovedgrup­ pe?

2

Hvor i periodesystemet finnes henholdsvis metallene og ikke-metallene? Hva er sammenhengen mellom atomets oppbyg­ ning og dets plassering i periodesystemet?

3

4

Nevn fem overgangsgrunnstoffer.

5

Hvorfor ser vi mindre forandring av de kjemiske egenskapene fra grunnstoff til grunnstoff i overgangsgruppene enn i hovedgruppene?

2 J 00

He Helium

5 :

?

6

10.8

9 13

27.0

28. 1

Al

-

28 : 29 : 30 16

Ni Nikkel

i ie

47 ;9

,95./

l 18

63 1520

l

32

95 12431

l 18 18

l

64

l

25

1523

27

l 32

96 12471

2

65 1509

72.6

l 18

18

116 7

18 18

In 4 Sn

81 ! 82

32

2044

16 32

207.2

l 18 18

83 209.0

39.9

52 127.6

79.9

84 1 mol FeS

Løsning, 2. trinn: Slå opp og beregne mas­ sene og sett inn i ligningen:

55,847 g Fe + 32,064 g S -> 87,911 g FeS

Løsning, 3. trinn: Beregning av den søkte masse ut fra ligningssettet:

Til 32, 064 g S går det med 55, 847 g Fe Til 10 g S går det med mFe g Fe 55,847 g Fe 10 g S 32,064g S

~ 17,417 g Fe

Oppgaver: 1 Hvor mange gram hydrogen går med til å reagere med 2,5 kg oksygen til vann? 2 Hvor mange gram natrium og klor går med til fremstilling av 100 g koksalt (NaCI)? 3 Hvor mye oksygen reagerer med 1 mol svovel til svoveldioksid, og hvor mye svoveldioksid dannes? 51

1.9 Kjemiske bindingstyper De aller fleste naturlige stoffer på jorden foreligger ikke som enkeltatomer, men som kjemiske forbindelser. Eksempler på dette er bergartene, vann, gassene nitrogen og oksygen i luften osv. Grunnstoffene som disse stoffene består av, har en tendens til å danne forbindelser. Det må altså finnes krefter som gjor at stoffene holdes sammen. Vi vet bare om én stoffgruppe som praktisk talt ikke inngår kjemiske forbindelser, verken med samme slags eller andre slags atomer: edelgassene.

Hvis vi ser på stoffenes plassering i periode­ systemet, finner vi at det er en sammenheng mellom stoffenes tendens til å danne forbindelser og deres plassering i systemet (figur 52/1): Edel­ gassene står i 8. hovedgruppe og har ingen tendens til å danne forbindelser. Av de andre grunnstoffene har stoffene i 1., 2., 6. og 7. hoved­ gruppe sterk og stoffene i de andre gruppene mindre utpreget tendens til å inngå i forbindelser.

I

il

IV

in

v

VI

VIII

VII

H

He

Li

Be

B

C

N

0

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Figur 52/1: Utsnitt av periodesystemet

Siden vi vet at grunnstoffenes plassering i periodesystemet bestemmes av oppbygningen av atomskallet, og særlig av elektronene i ytterskallet, ligger det nær å anta at det er ytterelektronene som bestemmer stoffenes bindingsevne. For å undersøke denne sammenhengen ser vi på et periodesystem der grunnstoffenes elektronskall er inntegnet (figur 52/2).

Da kan vi fastslå:

•

•

Edelgassene har alltid et stabilt, fullt ytterskall: helium med to elektro­ ner, de andre edelgas­ sene med åtte elektro­ ner. De andre grunnstoffene har et ufullstendig ytter­ skall.

II

I

|

IV

III

VI

V

VII

VIII '-----------------------

‘

tr

IPeriode ----------------- -----Jf 1

jLl

2 Periode

’•

'•

3Periode

1?Mg

,N

.

’■

._____ ___ i_ ,__ r_ i__ . -Na

,C

SB

•

rf____ . ijAl

«Ne

nCl

«Ar

• ‘• *

• "

KSi

•

,F

’6S

•

• ♦-' *

* »'

• *

*

Figur 52/2: Elektronskall for grunnstoffene i periodesystemet

Av dette folger:

•

Atomskallet til edelgassene, med det komplette ytterskallet, er en stabil tilstand. Vi kaller denne elektrontilstanden for edelgasskonfigurasjon eller edelgasskall eller elektronoktett.

•

De andre grunnstoffene har ikke edelgasskonfigurasjon, og dette er en ustabil tilstand.

Også disse grunnstoffene kan oppnå en stabil tilstand hvis ytterskallet blir forandret til en oktett. Dette kan skje ved at flere atomer slår seg sammen i en kjemisk forbindelse. Dannelsen av kjemiske forbindelser kan forklares med at atomene ved å inngå i en forbindelse oppnår edelgasskonfigurasjon.

Dette kan egentlig skje på tre forskjellige måter: 1

2

3

Et stoff fra venstre side av periodesystemet forbinder seg med et fra høyre side, slik at atomet fra venstre avgir sine ytterskallelektroner til atomet fra høyre. Dermed får begge atomene en oktett. Denne bindingen kaller vi ionebinding. To atomer fra grunnstoffer som står til høyre i periode­ systemet, forbinder seg med hverandre, og har noen av elektronene i ytterskallet felles. Her snakker vi om elektronpar- eller elektronparbinding.

eks.

eks.

Atomene i et metall ordner seg i et system og avgir ytterelekt­ ronene. Denne tilstanden kaller vi metallbinding. eks.

52

1.9.1 Ionebinding Dannelse av en ionebinding kan for eksempel illustreres ved reaksjonen mellom natrium (Na) og klor (Cl) til koksalt (NaCI). Da tegner vi først Bohrs atommodell for de to grunnstoffene: Natrium har bare ett elektron i tred­ je skall, klor har sju elektroner i natriumion klorion klor natrium dette skallet. Ved at natrium avgir sitt ene elektron til klor, får begge grunnstoffene en stabil elektron+ ■----------- ► tilstand: Natrium har nå bare to Lelektronskall, og begge er fulle. Hos klor blir det tredje skallet fylt til en stabil oktett. Ved denne reaksjonen oppstår elektrisk ladede partikler som vi kaller ioner. Natriumionet har ett elektron for lite, det har altså en enverdig positiv ladning (+). Klorionet har ett elektron for mye, det har en enverdig negativ ladning (-). Positivt ladede ioner kalles kationer, negativt ladede kalles anioner. Stoffpartikler med en elektrisk ladning kalles ioner. Kationer er positivt ladet, anioner er negativt ladet.

Forkortet skriver vi dette med bare Cl Na •Cl: , .4 Na • ytterelektronene: Fra fysikken vet vi at partikler med motsatt elektrisk ladning tiltrekker hverandre, mens partikler med samme ladning frastøter hverandre. På grunn av de motsatte ladningene hos natriumionet og klorionet er det derfor en tiltrekningskraft som binder ionene sammen i en forbindelse.

lonebindingen oppstår på grunn av de elektrostatiske kreftene mellom kationene og anionene i et stoff.

Siden tiltrekningskraften ikke bare virker i én retning, men i alle, vil det samle seg klorioner rundt alle natriumioner, og natriumioner rundt alle klorioner.

I :

—

+

—

!

4-

f+1

>

—

+

I

+ +

1

Den krystallinske oppbygningen kan vi delvis konstatere med det blotte øye, men lettere i mikroskop (figur 53/3). Ionebinding finner vi hos salter og saltaktige stoffer. Det er ionebindingen som gir dem deres karakte­ ristiske egenskaper:

+

V

På den måten oppstår en ioneforbindelse med regelmessig opp­ bygning. Dette kaller vi et krystall (figur 53/1). For eksempel natriumkrystall danner kubiske (terningformede) krystaller. Andre for­ bindelser har andre krystallformer (side 77). Ved en forenklet tegning av krystal­ lenes oppbygning regner vi bare midtpunktet i hvert ion (figur 53/2). Denne avbildningen kaller vi en gittermodell av krystallet.

-

+ v ~

—

-k

—

Na+-ion Chion

Natriumkloridionekrystall

Figur 53/1: Krystallets oppbygning

• Det er stoffer med høyt smelte­ punkt • De er harde og sprø • Som smelte eller i løsning leder de elektrisk strøm

Figur 53/2: Gittermodell

Figur 53/3: Saltkrystaller

53

1.9.2 Elektronparbinding Hos ikke-metallene mangler det én, to, tre eller fire elektroner i ytterskallet i forhold til edelgasskonfigurasjonen (figur 52/2). De søker å fylle ytterskallet. Dette skjer ved at to atomer har noen elektroner felles. Eksempel: hydrogen H2 Bohrs atommodell

i forenklet form I stedet for å tegne et elektronpar som to punkter viser man det som en valensstrek. Hydrogen oppnår edelgasstruktur ved at atomene rykker sammen, slik at begge atomene kan se det felles elektronskallet som sitt eget. Bindingen kommer altså i stand ved et felles elektronpar. Derfor kaller vi også denne bindingstypen for elektronparbinding. Den kovalente bindingen skyldes den sammenholdende effekten av bindingselektronparet. Eksempel: oksygen O2

Bohrs atommodell

y

2^

! 6 y;

i forenklet form

0

med valensstreker

Qi

Ofte utelater man de elektronene som ikke inngår bindingen, og får på den måten strukturformelen.

X

0

+ +■ +

0

—►

0

i0

—►

0 = Q

0

—►

0 - 0

0

Oksygen har seks elektroner i ytterskallet. Det trenger to elektroner for å oppnå edelgasskonfigurasjon. Dette får det ved at elektronene rykker så tett inn til hverandre at fire elektroner, altså to elektronpar, fungerer som felles elektroner. Dermed har hvert atom, sett for seg, oppnådd det stabile edelgasskallet. Oksygen har altså to bindingselektronpar. En slik binding kaller vi også dobbeltbinding. Også trippelbinding er mulig, som hos nitrogen, N = N.

Ikke-metallene, mange organiske stoffer (CH3, C2H2 osv) og de molekylære gassene (H2, O2, N2 osv) har elektronparbinding. Ved elektronparbinding skyldes bindingskraften den elektrostatiske tiltrekningskraften mellom den positive atomkjernen og det felles atomskallet. Denne tiltrekningskraften virker bare inne i molekylet, ikke utad. Dette er grunnen til de egenskapene som stoffer med elektronparbinding viser: • De har lavt smelte- og kokepunkt, det vil si at de ved værelsestemperatur er flytende eller gassformige (unntak: stoffer med atomgitter, som for eksempel diamant).

• De leder vanligvis ikke elektrisk strøm. Noen få stoffer med atombinding avviker fullstendig fra dette mønsteret: karbon, silisium, silisiumkarbid, SiC, og silikatene. De danner et atomkrystallgitter, er meget harde og har høyt smelte- og kokepunkt.

Molekyler med elektronparbinding kan tegnes på forskjellige måter (figur 54/1). Kule-pinne-modellen giren god fremstilling. Kulesegmentmodellen viser mer den ytre form av molekylets felles elektronskall, men viser ikke bindingene.

54

1.9.3 Polar binding Atombinding binder ikke bare sammen like ato­ mer, men også forskjelli­ ge.

Eksempel: HCI

Her oppnås edelgasskonfigurasjonen ved at et hydrogenatom og et klor­ atom deler et elektronpar. Siden kloratomet har vesentlig større kjerneladning (17+) enn hydrogen (1+), trekkes det felles elektronparet sterkt mot kloratomet (figur 55/1). Som mål for denne tiltrekningskraften benytter vi elektronegativiteten, forkortet EN. Elektronegativiteten er et mål for atomets evne til å tiltrekke seg elektroner. Fluor er det mest elektronegative atomet. Det har fått EN-verdien 4. Også de andre atomene har fått sine EN-verdier (tabell 55/1). EN-verdiene er relative tall som forteller om et grunnstoff har større eller mindre EN-verdi enn et annet.

Tabell 55/1: Elektronegativitetsverdier

1

H 2,1

II

III

IV

V

VI

VII

Z

Li 1,0

Be 1,5

B 2,0

c 2,5

N 3,0

O 3,5

F 4,0

QO

Na 0,9

Mg 1,2

Al 1,5

Si 1,8

P 2,1

S 2,5

Cl 3,0

A

K 0,8

Ca 1,0

Ga

Ge 1,8

As 2,0

Se 2,4

Br 2,8

C□

Rb 0,8

Sr 1,0

In

Sn 1,8

Sb 1,9

Te 2,1

J 2,5

Klor (3,0) er for eksempel mer elektronegativt enn hydrogen (2,1). Derfor vil HCI-molekylet ha en skjev ladningsfordeling (figur 55/1): Det er større negativ ladning på klorsiden enn på hydrogensiden. Utad er molekylet positivt ladet på den ene siden og negativt på den andre. Et slikt molekyl kaller vi et dipolmolekyl eller et polart molekyl. Denne bindingstypen kalles en polar atom­ binding.

En atombinding der elektronskallet er forskjøvet mot ett av atomene, kaller vi en polar atombinding. I strukturformelen kan den skjeve fordelingen av ladningen fremstilles på flere måter:

+

å-

H - Cl ,

®

Q

H - Cl ,

H ◄ Cl

Den betyr at det på den ene siden av molekylet er en liten positiv og på den andre en liten negativ ladning som virker utad. Eksempel: vann H2O. I vannmolekylet har oksygenatomet felles elektronpar med to hydro­ genatomer. .Q-

H-

+

-O:

+

-H

-----•- H'

’H

Oksygen (3,5) er mer elektronegativt enn hydro­ gen (2,1), og trekker elektronparene til seg med stor kraft. Siden hydrogenmolekylet er vinkelformet (figur 55/2), gjør den assymmetriske ladningsfordelingen det til et dipolmolekyl. 55

Den ulike tiltrekningen på elektronskallet fører ikke alltid til dannelse av et dipolmolekyl. I molekylet tetraklormetan CCI4Jor eksempel, er bindingselektronene forskjøvet mot kloratomene. Molekylet er likevel ingen dipol, siden det er symmetrisk oppbygd. Ladningsforskyvningen er like stor mot alle de fire kloratomene. Utad opphever de hverandre.

Karbontetraklorid

Cl I Cl - C - Cl I Cl

Grunnstoffmolekylene, for eksempel O2, H2, N2 osv., og mange organiske forbindelser som CH4, C2H6 osv. er upolare.

1.9.4 Hydrogenbinding Dipolmolekylenes polaritet fører til at det virker gjensidige krefter mellom forskjellige molekyler, siden de delene av molekylene som har forskjellig ladning tiltrekker hverandre, og de som har lik ladning, frastøter hverandre (figur 56/1). Dette er særlig tilfellet for molekyler der hydrogen er forbundet med grunnstoffer som klor, oksygen eller nitrogen, som tiltrekker seg det felles elektronpar. Molekylene av disse forbindelsene er sterkt polare. Eksempler: HF, H2O, HCI, NH3 osv.

Bindingene mellom molekylene oppstår på grunn av tiltreknin­ gen mellom det positivt ladede hydrogenområdet i ett molekyl og det negativt ladede området i et annet (figur 56/2). Siden bindingen mellom to molekyler alltid går over et hydrogen­ atom, kaller vi denne bindingstypen for hydrogenbinding. Bindingen mellom to dipolmolekyler med hydrogen kalles hydrogenbinding.

Figur 56/1: Tiltrekning mellom dipoler

Hydrogenfluorid

polarisert

Hydrogenbindingen er en binding mellom molekylene. Den er mye svakere enn atombindingen som virker innen molekylet. Likevel har hydrogenbindingen stor betydning. Den er årsaken til mange karakteristiske egenskaper hos stoffene.

Vannets uvanlige fysiske egenskaper (vannets anomali, side 26) skyldes for eksempel de sterke hydrogenbindingene. Dette ser vi tydelig hvis vi sammenligner vann med andre forbindelser av hydrogen og grunnstoffer fra sjette hoved­ gruppe (tabell 56/1). Innenfor stoffgruppen fra H2S til H2Te forandrer de fysiske egenskapene smeltepunkt og kokepunkt seg mot høyere temperaturer når vi går mot økende molekylvekt. Vann skulle derfor hatt lavere smeltepunkt og kokepunkt enn hydrogen­ sulfid H2S. Men slik er det ikke. Den regelmessige rekken brytes fordi vannmolekylet er så sterkt polart. De sterke hydrogenbindingene gjør at det virker sterke krefter mellom vannmolekylene, og dette gir vannet et unormalt høyt smelteog kokepunkt. Også den høye viskositeten og overflatetensjonen skyldes hydrogenbindingene. De andre hydrogenforbindelsene med stoffer fra sjette hovedgruppe er langt svakere polarisert, slik at hydrogen­ bindingene får mindre effekt.

56

Figur 56/2: Hydrogenbinding

Tabell 56/1: Hydrogenforbindelser: Molekyl­ Smelte­ punkt, vekt °C iu

Koke­ punkt, °C

H2O

18,02

0

+ 100

h2s

34,08

-85,5

-60,4

H2Se

80,98

-67,5

-41,3

H2Te

129,62

-48,9

- 2,2

1.9.5 Kompleksbinding

Ionebinding

Stoffer som holdes sammen av flere forskjellige bindingstyper, kaller vi kompleksforbindelser. Eksempler på kompleksforbindelser er de oksygenholdige syrene og deres salter: H2SO4, HNO3, Na2SO4, KNO3 osv.

Eksempel: Natriumsulfat Na2SO4 (figur 57/1). I dette saltet er det ionebinding mellom natriumionene og S042--kompleksionet. I SO42-kompleksionet er de fire oksygenatomene bundet til det sentrale svovelatomet med polare atombindinger.

Na+ 0 - s - 0 I 0

Na +

Polar kovalentbinding

Figur 57/1: Kompleksbinding

1.9.6 Metallbinding Metallene har en meget fast oppbygning. Denne faste oppbygningen må skyldes en sterk binding mellom de enkelte metallatomene. Metallatomer har ett, to eller tre elektroner i ytter­ skallet (figur 46/1). De kan oppnå edelgasskonfigurasjon hvis metallatomene avgir de få, svakt bundne ytterskallatomene. På den måten oppstår positivt ladede metallkationer, for eks­ empel jernkationet Fe2\ De danner et gitter (figur 57/2).

Mellom metallkationene befinner de avgitte elek­ tronene seg. Der kan de bevege seg relativt "fritt". Siden elektronene'ikke har noen fast plass, snakker vi også om en "elektrongass" mellom metallkationene. Mellom de positivt ladede metall­ kationene og de negative "frie" elektronene er det sterke tiltrekningskrefter som forårsaker metallenes faste struktur. Metaller foreligger i fast tilstand som metallkationer, og mellom dem fritt bevegelige elektroner. Tiltrekningskraften mellom de positive metallkationene og elektrongassen kaller vi metallbinding.

Metallenes egenskaper kan forklares ut fra metallbindingen: • Metallenes elektriske ledningsevne skyldes de "frie" elektronenes bevegelighet. • Den gode varmeledningsevnen skyldes at de bevegelige elektronene lett overfører svingninger mellom metallkationene(atomær varme).

• Smeltepunktet er på grunn av de sterke bindingskreftene oftest høyt. • Metallenes glans og ugjennomsiktighet (også i svært tynne lag) skyldes refleksjon og absorpsjon av lyset ved vekselvirkning med de bevegelige elektronene. • Den store densiteten til mange metaller kommer av den høye atomvekten og den tette pakkingen av de like store metallkationene.

Repetisjonsspørsmål 1

Hva mener vi med edelgasstruktur?

7

2 3

Hvordan oppstår ionebinding? Hvilke stoffer har ionebinding?

Redegjør for den polare atombinding som vi finner f.eks i HCI og H2O.

8

4

Hvordan forestiller vi oss ionebindingen?

Hvordan forklarer vi hydrogenbindingen i stoffet ammoniakk NH4?

5

Tegn atombindingen i nitrogenmolekylet.

6

Hva er en polar binding?

Hva er en kompleksbinding?

Forklar hvordan et dipolmolekyl oppstår.

Hva mener vi med metallbinding?

57

1.10 Elektronutveksling ved kjemiske reaksjoner 1.10.1 Oksidasjon, reduksjon, redoksreaksjoner Med oksidasjon mente man lenge et stoffs reaksjon med oksygen (side 23). Magnesium oksideres for eksempel til magnesiumoksid av oksygenet i luften (forsøk 9/1). En lignende forbrenning kan vi observere når magnesium reagerer med klor. Reaksjonsproduktet er magnesiumklorid. Likheten i ytre reaksjonsforløp gjør det rimelig å anta at det dreier seg om samme reaksjonstype. For å undersøke dette ser man på hvilke reaksjoner som skjer på atomnivå:

Når oksygen binder seg til magnesium, avgir magnesiumatomet elektroner som opptas av oksygenatomet. Dermed opp­ står magnesiumoksidets ioner: Mg2+ og O2'.

Når klor reagerer med magnesium, avgir magnesiumatomet elektroner som opptas av kloratomet. Dermed oppstår magnesiumkloridets ioner: Mg2+ og Cl'. Vi ser at metallet magnesium avgir elektroner ved begge reaksjoner. Ved reaksjonen med oksygen sier vi at metallet oksideres. Derfor kan vi i utvidet forstand definere oksidasjon som det at elektroner blir avgitt. Når en reaktant avgir elektroner, må en annen reaktant ta opp et tilsvarende antall, slik at reaksjonsligningen balanserer. I eksemplene ovenfor er det henholdsvis oksygen og klor som opptar elektronene. Siden den motsatte reaksjonen av oksidasjon er reduksjon(side 25), er opptak av elektroner en reduksjon i utvidet forstand.

I eksemplene ovenfor ble oksygenet redusert til oksygenioner og kloret til klorioner.

Oksidasjon er avgivelse av elektroner.

Reduksjon er opptak av elektroner.

Reaksjoner der det samtidig skjer en oksidasjon og en reduksjon, kalles redoksreaksjoner (side 25). Siden elektroner blir overført fra den ene reaktanten til den andre, kan vi utvide definisjonen av redoksreaksjoner: Ved redoksreaksjoner overføres elektroner fra den ene reaktanten til den andre.

I eksemplene ovenfor avgav magnesium elektroner som ble opptatt av henholdsvis oksygen og klor. Det dreide seg altså om redoksreaksjoner.

Andre redoksreaksjoner:

Elektronavgivelse = Oksidasjon

Na.

+

C|:

------------------- —

t--------

Na+

Elektronopptak = Reduksjon

+

:CI: ’ —I

Stoffer som oksiderer andre stoffer, kalles oksidasjonsmidler. Klor oksiderer for eksempel natrium, og blir selv redusert. Uttrykt ved elektronreaksjonene blir det:

Oksidasjonsmidler er stoffer som opptar elektroner og dermed blir redusert.

Stoffer som reduserer andre stoffer, kalles reduksjonsmidler. Tilsvarende får vi da: Reduksjonsmidler er stoffer som avgir elektroner og dermed blir oksidert.

Ved hjelp av disse kunnskapene forstår vi at den negative polen til en spenningskilde, katoden, er et reduksjonsmiddel. På katoden er det overskudd av elektroner som kan avgis. Siden kjennetegnet på et reduksjonsmiddel er at det kan avgi elektroner, er katoden et reduksjonsmiddel. Hvis spenningen er høy, er den et meget sterkt reduksjonsmiddel (anvendelse side 124).

På samme måte er den positive polen til en spenningskilde, anoden, et oksidasjonsmiddel, siden den har underskudd på elektroner og kan oppta elektroner. 58

1.10.2 Oksidasjonstrinn Da begrepene oksidasjon og reduksjon ble utvidet til å beskrive elektronreaksjoner, kunne mange reaksjoner oppfattes som redoksreaksjoner. I tillegg ble begrepet oksidasjonstrinn innført. Når det dannes stoffer med ionebinding, for eksempel MgCI2, dreier det seg om en redoksreaksjon, siden elektronutvekslingen kommer til uttrykk ved dannelse av ionene Mg2+ ogCI . Antall ladninger kaller man oksidasjonstrinn, ladningsantall eller ionevalens.

Med oksidasjonstrinn mener man i ioneforbindelser ionenes ladningsantall.

Eksempel:

Magnesiumklorid består av positive magnesiumioner Mg2+ med oksidasjonstrinnet +II og negative klorioner Cr med oksidasjonstrinn -I.

I mange redoksreaksjoner deltar det imidlertid også stoffer med atombinding, for eksempel NH3 og SO2. For å kunne behandle også slike reaksjoner som redoksreaksjoner, er begrepet oksidasjonstrinn utvidet. Atomene i molekyler med atombinding blir tilordnet helt formelle, fiktive, hele ladninger. Det atomet som er mest elektronegativt (side 55), blir tildelt bindingselektronene. Et atoms oksidasjonstrinn i et molekyl angir hvilken ladning atomet ville hatt hvis molekylet var sammensatt av ioner.

Oksidasjonstrinnet skrives over det kjemiske tegnet som et romertall med fortegn. Eksempler:

1 vannmolekylet H2O trekker oksygenet bindingselektronparet til seg. Hvis bindingselek­ tronparet blir fullstendig tilordnet oksygenet, får det den fiktive ladningen:

HCI

Hydrogenklorid HCI har polar atombinding.

Bindingselektronparet er sterkt forskjøvet mot Den tilsvarende fiktive ladning: Cl-atomet.

,5+

H

- Cl

H

cr

+i

-i

H

Cl

Dermed blir oksidasjonstrinnet:

H2O

"h NH4CI

reaksjon.

Aktiveringsenergi Det er de færreste stoffer som reagerer spontant når de kommer i kontakt med hverandre. For de fleste stoffer må en reaksjon utløses ved et "effektivt støt" med tilstrekkelig energi, som for eksempel ved reaksjonen mellom oksygen og hydrogen. Denne energien som må tilføres, kaller vi aktiveringsenergi. Hvis reaksjonen først er kommet i gang, vil den forplante seg videre av seg selv, ofte voldsomt. Aktiveringsenergi er den energien som en stoffblanding må tilføres for at en reaksjon skal komme

i gang.

Billedlig kan vi sammenligne det energetiske forløpet med en kule som ligger i en fordypning i en skråning (figur 66/1). Før reaksjonen har stoffene energitilstanden A. Etter reaksjonen har den kjemiske forbindelsen energitilstanden B. Den inneholder altså mindre energi, siden reaksjonsenergien AH er avgitt i form av for eksempel varme (eksoterm reaksjon). Men uten tilførsel av energi utenfra kan ikke stoffene komme fra energi­ tilstand A til energitilstand B. For at det skal skje, må de først heves til energitilstand C. slik at de får "fart til å komme opp av fordypningen". Dette energitilskuddet tilsvarer aktiveringsenergien. I praksis kan en reaksjon settes i gang på to måter:

• ved heving av temperaturen

• ved tilsetning av en katalysator

66

Figur 66/1: Anskueiiggjøring av energiforhold ved kjemiske reaksjoner

Temperaturøkning betyr at hvert enkelt molekyl av det oppvarmede stoffet inneholder mer energi. De enkelte molekyler inneholder ikke like mye energi, noen har stort, noen lite og de fleste middels energiinnhold. Dette kaller vi en energifordeling. Når stoffene varmes opp, vil energiøkningen hos de energirikeste molekylene overskride aktiveringsenergien. Når slike molekyler møtes, skjer den kjemiske reaksjonen. Dermed frigjøres reaksjonsenergi som bringer flere molekyler over terskelen, slik at de også reagerer. En reaksjon som er satt i gang, kan derfor forplante seg videre. Det er dette som skjer når for eksempel en blanding av H2 og O2 antennes med en flamme. Katalysatorer er stoffer som ved bare å være til stede kan sette i gang en kjemisk reaksjon. Dette er for eksempel tilfellet når man lar hydrogen strømme mot et platinanett: Hydrogenet blir antent. Platina fungerer som katalysator. Effekten av enkelte katalysatorer beror på at de reagerende stoffene adsorberes på katalysatoroverflaten. Det gjør at den nødvendige aktiveringsenergien blir mindre. Det er ofte metaller og metallforbindelser som fungerer som katalysatorer. For at de skal ha størst mulig overflate, lages tekniske katalysatorer av finfordelt materiale anbrakt på keramiske elementer.

Reaksjonsentalpi Kjemiske reaksjoner er forbundet med endringer i stoffenes energiinnhold.

Ved en eksoterm reaksjon frigjøres reaksjons ­ varmen AH (figur 67/1). Reaksjonsproduktenes energiinnhold er AH mindre enn reaktantenes energiinnhold. Derfor defineres reaksjonsvarmen AH som negativ for eksoterme reaksjoner. Eksempel: C + O2

CO2

Eksoterm reaksjon

AH = -393,8 kJ/mol

Ved en endoterm reaksjon bindes reaksjons­ varmen AH (figur 67/1). Reaksjonsproduktenes energiinnhold er AH større enn reaktantenes energiinnhold. Derfor defineres reaksjonsvarmen AH som positiv for endoterme reaksjoner.

Eksempel: 2HgO -» 2Hg + O2

Reaksjonsforløp

AH = 90 kJ/mol

I kjemien brukes ofte uttrykket reaksjonsentalpi for reaksjonsvarmen. Denne betegnelsen kan vi bare bruke når reaksjonen forløper ved konstant trykk, noe som er tilfelle for de fleste reaksjoner. Derfor snakker man oftest om reaksjonsentalpien.

Reaksjonsforløp Figur 67/1: Energiforandringer

Kjemiske reaksjoners retning Vi kan ikke uten videre forutsi hvilken vei en kjemisk reaksjon vil gå. Det er imidlertid visse tendenser: Ved lave temperaturer streber de reagerende stoffer mot et så lavt energiinnhold som mulig. Det betyr at det fortrinnsvis er eksoterme reaksjoner som forløper, siden reaksjonsproduktene da har mindre energiinnhold enn utgangsstoffene (figur 67/1).

Ved hoyere temperaturer går reaksjonene i den retningen som gir flest molekyler. Systemet streber mot en tilstand av størst mulig uorden. Dette kaller vi en tilstand av høyere entropi. Eksempler: • Ved lav temperatur reagerer jern og oksygen til Fe3O4 (eksoterm reaksjon), siden Fe3O4 representerer en energifattigere tilstand: 3 Fe + 2 O2 -> Fe3O4 (eksoterm reaksjon)

• Ved svært høye temperaturer spaltes Fe3O, til jern og oksygen (endoterm reaksjon), siden det da vil bli flere molekyler: Fe3O4 3 Fe + 2 O2 (endoterm reaksjon)

67

1.12.2 Kjemiske reaksjoners hastighet Kjemiske reaksjoner kan forløpe med forskjellig hastighet. For eksempel reagerer syrer og baser i løpet av millisekunder ved nøytralisering. Når jern ruster - oksiderer - kan det derimot ta år.

En egnet størrelse som vi kan bruke for å måle reaksjonshastighet, er konsentrasjonen c av ett av stoffene som deltar i reaksjonen. Fra en utgangskonsentrasjon c0 synker den stadig (figur 68/1). Som reaksjonshastighet v definerer vi endringen i konsentra-

_ A fi­ k

sjon Ac per tidsenhet At: Til å begynne med er reaksjonshastigheten alltid stor (for eksempel v1 = Ac1/At), i løpet av reaksjonen avtar den alltid (for eksempel v2 = Ao/At).

Hva som påvirker reaksjonshastigheten Reaksjonshastigheten påvirkes av en rekke forskjellige faktorer: • Reaktantenes art spiller en vesentlig rolle. Hvert stoffpar forholder seg på en karakteristisk måte når

det gjelder reaksjonshastighet. • Temperaturen er en avgjørende faktor. Ved høy temperatur er reaksjonshastigheten stor, ved lav temperatur liten. Mange reaksjoner blir merkbare først ved en viss temperatur, under denne er reaksjonshastigheten forsvinnende liten. • Jo større konsentrasjonen av reaktantene er, desto større er reaksjonshastigheten. Eksempel: I rent oksygen skjer forbrenning langt raskere enn i luft (21 % O2).

• Reaksjonshastigheten øker med de reagerende flaters størrelse. Eksempel: Magnesiumbånd (liten overflate) brenner rolig, magnesiumpulver (stor overflate) brenner eksplosivt. • Også egnede katalysatorer øker reaksjonshastigheten. Eksempel: Hydrogenperoksid H2O2 spaltes ved værelsestemperatur til vann og oksygen i løpet av måneder: 2 H2O2 -> 2 H2O + O2. Ved tilsetning av brunsteinpulver som katalysator er reaksjonen fullført i løpet av noen minutter.

Partikkelantall og reaksjonshastighet På grunnlag av hva som skjer på molekylnivå, kan vi finne en matematisk sammenheng mellom reak­ sjonshastigheten og reaktantenes konsentrasjon. Antall kjemisk effektive sammenstøt Z øker med antall molekyler av utgangsstoffene /VA og NB (figur 68/2). Z ~ NÅ,

Z ~ /VB

=>

Z ~ Nk- /VB

Siden antall sammenstøt Z er proporsjonalt med reaksjonshastigheten v(Z~ v), og antall molekyler N er proporsjonalt med konsentrasjonen c (N ~ c), kan vi skrive: v = k ■ cA ■ cB

11 A;

®

’ B,

®

1 partikkel (§) 1 partikkel ® 1 mulig sammenstøt (1x1)

2 partikler -"A) 2 partikler ® 4 mulige sammen­ støt (2 x 2)

® ®

© ®

3 partikler ''A; 3 partikler (& 9 mulige sammen­ støt (3 x 3)

Figur 68/2: Antall sammenstøt

k er en temperaturavhengig hastighetskonstant.

Temperaturens avgjørende betydning for reaksjonshastigheten kan vi forklare ved å se på hva som skjer på molekylnivå: Ved høyere temperatur beveger partiklene seg raskere, slik at det skjer fler og kraftigere sammenstøt. Siden hvert effektivt støt fører til at det dannes et nytt molekyl, vil altså reaksjons ­ hastigheten øke med temperaturen.

68

1.12.3 Kjemisk likevekt Hvis vi ser på hvordan reaksjoner forløper i forhold til tiden, ser vi at det finnes to forskjellige slags reaksjoner: • Det finnes kjemiske reaksjoner som går helt til den av reaktantene som det er minst av, er helt oppbrukt. Eksempel: Forbrenning av karbon C + O2 -> CO2. Vi snakker her om en kjemisk reaksjon som forløper kvantitativt eller fullstendig. • Andre kjemiske reaksjoner går ikke så langt at en av reaktantene blir fullstendig oppbrukt. Dette kaller vi ikke kvantitative reaksjoner. Det er noe vi særlig ser ved gassreaksjoner og reaksjoner i vandig løsning. Eksempel: Oksidasjon av svoveldioksid 2 SO2 + O2 - 2 SO3.

De ikke kvantitative reaksjonene skjer til et bestemt forhold mellom konsentrasjonen av utgangsstoffene og produktene er nådd. Hvis ikke de ytre forhold forandrer seg, er dette forholdet konstant. Vi sier at systemet er i kjemisk likevekt.

Eksempel. Reaksjonen mellom SO2 og O2 til SO3 ved 600 °C. Etter reaksjonen har vi en gassblanding som i tillegg til 65 % SO3 også inneholder en viss andel av utgangsstoffene SO2 (25 %) og O2 (10 %). j>9iV om vi forsøker å vente, vil ikke S03-konsentrasjonen bli større enn 65 %. Får reaksjonen tilstrekkelig tid, vil sammensetningen alltid innstille seg slik at den tilsvarer den kjemiske likevekten (65 % SO3, 25 % SO2 og 10 % O2). Et system er i kjemisk likevekt når det etter en tilstrekkelig reaksjonstid har stilt seg inn en konstant sammensetning av utgangsstoffer cg produkter.

Hva som påvirker den kjemiske likevekt Hvis reaksjonen forløper under en annen tempe­ ratur vil også den kjemiske likevekt forskyves. Gassblandingen som dannes får en annen sam­ mensetning (figur 69/1). Eksempler: Ved 800 °C tilsvarer den kjemiske likevekt for reaksjonen 2 SO2 + O2 « 2 SO3 sam­ mensetningen 20 % SO3, 52 % SO2 og 28 % O2. Ved 500 °C er det kjemisk likevekt ved sammen­ setningen 93 % SO3, 5 % SO2 og 2 % O2. Skjer reaksjonen under 400 °C, får vi nesten rent SO3.

Det skulle da virke fornuftig å la reaksjonen for­ løpe ved lavere temperatur enn 400 °C. Men siden reaksjonen forløper svært langsomt under 400 °C, gjør at det ville ta flere måneder før den kjemiske likevekien var nådd. Produksjonsteknisk er dette ikke akseptabelt.

Figur 69/1: Kjemisk likevekt for reaksjonen 2 SO2 + O2 ~2 SO3

Derfor må reaksjonen gjennomføres ved høyere temperatur, for eksempel 600 °C. Da oppnår vi bare omkring 65 % SO3, men dette får vi i løpet av kort tid. Deretter må SO3 skilles fra resten av gassblandingen ved hjelp av en separasjonsmetode, for eksempel absorpsjon (side 114). Temperaturen påvirker både likevekten og den hastighet likevekten innstiller seg med.

\/ed å bruke en katalysator kan vi påskynde reaksjonshastigheten, slik at systemet raskere kommer i likevekt. Katalysatoren påvirker ikke likevektspunktet for den kjemiske reaksjonen. En katalysator gjør at likevekt raskere inntrer. Den forandrer ikke likevekten.

69

Grunnlaget for den kjemiske likevekt For å forklare den kjemiske likevekt, må vi se på hva som skjer på molekylnivå under reaksjonen: Produktmolekyl (C) oppstår ved sammenstøt av de to utgangsmolekylene: A + B —? C (reaksjon). Etter hvert som det dannes mer av produktet, forsvinner stadig mer av utgangsmolekylene (A og B), slik at sammenstøt mellom A og B gradvis blir mer sjeldne. Dermed avtar reaksjonens hastighet. Etter hvert som det blir fler produktmolekyler, kolliderer de oftere med hverandre. Dermed faller de fra hverandre igjen: C -> A + B (den motsatte reaksjon). De to motsatte reaksjoner kan vi skrive sammen ved å bruke to piler som peker hver sin vei.

__________________ r\ I

..... J?eaks!9n__. . .....

A + B - C Får reaksjonen pågå tilstrekkelig lenge, vi! systemet stille seg inn

N2 + 3 H2 å redusere temperaturøkningen. Øket temperatur betyr altsa at likevekten forskyves mot utgangsstoffene N2 og H2. Fjerner man varme (temperaturen senkes), forsøker den varmeproduserende reaksjonen N2 + 3 H2 2 NH3 a redusere temperaturfallet. Senkning av temperaturen fører altsa til at likevekten forskyves mot produktet ammoniakk NH,.

2. Trykkforandring:Tryktøkning fører til at likevekten forskyves mot høyre, siden ammoniakken som dannes, bare har halvparten av volumet til utgangsstoffene. Dermed motvirkes trykkøkningen. Trykkreduksjon forskyver likevekten mot venstre, siden utgangsstoffene tar dobbelt sa stor plass som ammoniakk. Dermed minskes trykkreduksjonen. 3. Kcnsentrasjonsendring: Økning av f.eks H2-konsentrasjonen fø rer til øket dannelse av NH-, siden det forbruker H2 og reduserer den påtvungne forandring.

Heterogene og homogene likevektsreaksjoner Etter hvilken aggregattilstand reaktantene har, skiller vi mellom heterogene og homogene reaksjoner. Ved heterogene likevekter skjer reaksjonen mellom stoffer som har ulik aggregattilstand (ulike faser), for eksempel flytende/gassformig eller flytende/fast.

Eksempel: Kalkbrenning

(CaCO3)fast * (CaO)fasl + (C02)gassformig

* Oppdaget i 1888 av Le Chatelier og Braun, en fransk og en tysk forsker.

70

1.12.4 Massevirkningsloven Ved en kjemisk reaksjon som er i likevekt, er det er bestemt forhold mellom reaktantene (side 69). Dette konsentrasjonsforholdet kan beregnes. A og B er utgangsstoffer C og D er produkter

Eksempel: En reaksjon av typen

A + B - C + D

Reaksjonshastighet mot høyre:

A + B

C + D

er

rg = k1 -CaCb

Reaksjonshastighet mot venstre:

A + B

C + D

er

RG = k2 ■ cq • cD

Når systemet er i likevekt, går reaksjonen mot høyre like fort som reaksjonen mot venstre: RG = RG

=>

k1 ■ cA-cB = k2 ■ cc-cD

Av kvotienten kr k2 får vi en ny konstant, likevektskonstanten Kc, og får dermed massevirkningsloven *, forkortet MVL:

Med ord er massevirkningsloven slik: I en kjemisk likevekt er produktet av konsentrasjonene av reaksjonsproduktene dividert med produktet av konsentrasjonene av utgangsstoffene konstant. Eksempler på beregning av likevektskonstanten:

1

For dannelse av vanndamp av hydrogen og oksygen (2 H2 + O. 2 H2O), blir MVL:

,

Kc

. _

2

Ch2O _ cH2O ch2’Ch2'Co2 C2h2-C( cH2O

o2

(Den fullstendige reaksjonsligningen er H2 + H2 + O2 •* H2O + H2O)

2

For dannelse av ammoniakk (N2 + 3 H2 « 2 NH3 blir MVL:

Kc

' cn2- ch2 • cnh3

cnh3 ch2- ch2

-2

cnh3 ■ -3 CN2 cH2

(Den fullstendige reaksjonsligningen er N2 + H2. + H2 + H2 - NH3 + NH3)

Øvingsoppgave:

Hvordan lyder massevirkningsloven for disse reaksjonene? a) H2 + Cl2 - 2 HCI

b) 2 CO + O2 - 2 CO2

Likevektskonstanten Kr har konstant verdi for hver reaksjon ved en gitt temperatur. For de vanligste kjemiske likevektsreaksjonene er konstanten Kr fastslått og finnes i tabeller.

Ved hjelp av massevirkningsloven kan vi forutsi hvordan konsentrasjonsendringer vil påvirke likevekten, forutsatt at temperaturen er konstant. Eksempel: Ved ammoniakksyntesen sørger man for en forhøyet hydrogenkonsentrasjon i utgangsblandingen. Siden Kr er konstant og massevirkningsbrøken derfor alltid må ha samme tallverdi, må NH< konsentrasjonen (i telleren) øke når H2-konsentrasjonen (i telleren) øker. Dette faktum drar man nytte av ved teknisk fremstilling av ammoniakk (side 116). H2-konsentrasjonen er større enn de støkiometriske forhold tilsier.

Repetisjonsspørsmål 1

Hva mener vi med aktiveringsenergi?

6

2

Hvilket fortegn har reaksjonsentalpien ved henholdsvis eksoterme og endoterme reaksjo­ ner?

g

Hvordan påvirker en katalysator den kjemiske likevekten?

Hvilke ytre betingelser kan forandre likevekten? Hvordan forklarer vi den kjemiske likevekt ved hjelp av molekylære forhold? Hva sier Le Chateliers prinsipp?

3

Hvordan definerer vi reaksjonshastighet?

4

Hvordan kan æaksjonshastigheten påvirkes?

9

5

Hvordan kan man (makroskopisk) se at en reaksjon har nådd likevekt?

10 Hvordan lyder massevirkningsloven for reaksjo­ nen 2 SO2 + 0,-2 SO3?

Formulert i 1867 av Guldberg og Waage. to norske forskere

71

1.13 Stoffenes fysisk-kjemiske egenskaper Ved å drøfte hva som skjer på molekylnivå, får vi viktige kunnskaper om verden omkring oss.

1.13.1 Varme - på atomnivå Varme er en av flere mulige energiformer. Energi måles med enheten joule *. vi temperatur. Temperaturen måles i kelvin * (K) eller grader celsius * ( C).

Varmetilstanden kaller

For å skaffe oss kunnskap om varmens natur må vi se på hva som skjer på molekylnivå (figur 72/1). Ved hjelp av eksperimenter har man fast­ slått at molekylene beveger seg uavbrutt. Dette kaller vi varmebevegelse. I faste stoffer er denne bevegelsen svingninger omkring en fast posisjon. I væsker og gasser beveger molekylene seg fra sammenstøt til sammenstøt med andre molekyler. Ved lav temperatur er bevegelsene svake, men med økende temperatur tiltar de. Bevegelsene skjer på atomnivå, og vi kaller dem atomære bevegelser. De er ikke synlige med det blotte øye, men vi merker dem som varme.

Varme er atomenes bevegelsesenergi på atomnivå. Den delen av varmelæren som handler om dette, kalles kinetisk varmelære. Den hjelper oss å forklare mange av stoffenes egenskaper.

1.13.2 Stoffenes aggregattilstand Ved varmetilførsel, altså ved å øke molekylenes eller atomenes kinetiske energi (bevegelsesenergi), kan

faste stoffer overføres til flytende og videre til gassformig tilstand.

Den faste tilstand I raste stoffer er atomene eller molekylene fast bundet til hverandre, og de enkelte partikler har en fast plass (figur 72/1) Tiltrekningskrefter (kohesjonskrefter) holder partiklene på plass. De faste stoffene har derfor fast form og volum. Det kreves energi for å dele opp et fast stoff, stoffet har en viss fasthet. Hos de aller fleste stoffer er atomene eller molekylene ordnet med konstant avstand og faste vinkler. Dette kalles krystallinsk oppbyg­ ning. De få stoffene som ikke er bygd opp på en Figur 72/2: Den faste tilstand slik regelmessig måte, kaller vi amorfe. De enkel­ te atomer eller molekyler i faste stoffer ligger tett pakket sammen, slik at stoffet ikke kan trykkes sammen. Ved temperaturstigning blir molekylenes svingninger sterkere. De trenger mer plass, og derfor utvider det faste stoffet seg litt. Ved smeltepunktet er bevegelsene så voldsomme at tiltrekningskreftene mellom molekylene ikke lenger er tilstrekkelig til

å holde dem på plass. Den faste formen går tapt, stoffet smelter og blir flytende. * Jamas Joule, Lord Kelvin, Anders Celsius: Forskere som arbeidet med temperatur og varme i det 17. og 18. århundre

72

Den flytende tilstand I flytende stoffer ligger partiklene (atomer, mole­ kyler eller ioner) tett sammen, men kan lett beve­ ge seg i forhold til andre partikler (figur 73/1). Væskene har derfor ikke noen bestemt form, de tar form etter karet de er i. På overflaten danner de en plan overflate. Væsker har et bestemt volum og kan praktisk talt ikke trykkes sammen.

Tiltrekningskreftene mellom partiklene er svake. Derfor krever det relativt liten kraft å dele opp en væske. Væskenes fiyteegenskaper beskrives ved en egenskap vi kaller viskositet, som angir den indre friksjonen. Også gasser og faste stoffer har viskositet.

På grunn av varmebevegelsene har ikke væskepartiklene noen fast posisjon. Derfor vil væsker som plasseres lagvis over hverandre, etter hvert blande seg. Dette kaller vi diffusjon.

Hos de aller fleste væskepartiklene er varmebevegelsene så svake at de ikke kan forlate det området der tiltrekningskreftene mellom partiklene virker. Det er bare enkelte partikler som får så stor hastighet at de overvinner tiltrekningskreftene. De beveger seg ut i gassen over væsken. Vi sier at væsken fordamper. Ved økende temperatur blir varmebevegelsene sterkere. Dermed kan flere molekyler forlate væsken, fordampningen tiltar. Når temperaturen når kokepunktet, er det så mange partikler med stor hastighet at de danner bobler. Dermed dannes en gassfase. Vi sier at væsken koker og går over i gassform.

Den gassformige tilstand I gasser er det stor avstand mellom molekylene, og de kan bevege seg fritt (figur 73/1).

Tiltrekningskreftene har ikke lenger noen effekt. Gassene har derfor ingen bestemt form og ikke noe bestemt volum. De fyller straks det rom som er tilgjengelig - vi sier at de ekspanderer. På grunn av mellomrommene mellom molekylene kan gassene trykkes sammen ved kraftpåvirkning utenfra, de komprimeres. Gassmolekylene beveger seg med stor hastighet i rette baner gjennom rommet, helt til de kolliderer med et annet gassmolekyl eller støter mot gassbeholderens vegger. Ved sammenstøtene opptrer de som elastiske kuler. De spretter tilbake og beveger seg videre med ny hastighet og retning. Hvert molekyl beveger seg i en sikksakkbane fra sammenstøt til sammenstøt. Gasspartiklenes hastighet ligger ved værelsestemperatur,mellom 100 og 2000 meter per sekund. Antall sammenstøt per gasspartikkel er i størrelsesorden en milliard sammenstøt per sekund.

Ved hjelp av gasspartiklenes varmebevegelser kan vi forklare det trykket gassen utøver mot veggene av en beholder: Gassmolekyler som er nær veggene, støter av og til mot dem når de beveger seg omkring i sikksakk, og dermed overføres en kraft til veggene. Summen av alle disse støtene mot veggene er det som vi makroskopisk oppfatter som trykk. Det at trykket øker med temperaturen, er en følge av at temperaturbevegelsene, og dermed kraften i hvert støt, blir sterkere.

Når temperaturen kommer under en bestemt temperatur, kondensasjonspunktet, som er karakteristisk for hver enkelt gass, blir varmebevegelsene så svake at tiltrekningskreftene mellom gassmolekylene overtar igjen. Gassen går over i væskeform.

73

1.13.3 Gassenes egenskaper Gasslovene Den fysiske tilstanden til en gassporsjon kan beskrives med de tre tilstandsstorrelsene volum V, trykk P og temperatur T. Hvis én av tilstandsstorrelsene blir forandret, vil også de andre forandre seg. Disse forandringene blir bestemt av gasslovene.

Boyle-Mariottes lov * beskriver sammenhengen mellom gassens trykk og volum ved konstant temperatur (figur 74/1). Den lyder slik:

Tilstand 2

Tilstand 1

St-1'?

_______ y

■

Ved konstant temperatur er produktet av trykk og volum for en gassmengde konstant.

p, ■ V, = p2 ■ V2 = konstant

T = konstant

T = konst.

Figur 74/1: Boyle-Mariottes lov

Gay-Lussacs lov * beskriver sammenhengen mellom en gassporsjons volum og temperatur ved konstant trykk. Den lyder:

Ved konstant trykk er volumet proporsjonalt med temperaturen (i K).

V~ T

For alle gasser oker volumet med 1/273 av volumet ved 0° C for hver grad temperaturen stiger (figur 74/2). Skrevet på matematisk form: H

y = yn ■ —!— ■ T 0 273 K

p = konst. 1/273

—H ' p = konstant

Det kan forbause at alle gasser utvider seg like mye. Når det gjelder faste og flytende stoffer, har hvert stoff sin karakteristiske varmeutvidelseskoeffisient.

ved 1 grad temperaturøkning

Figur 74/2: Gay-Lussacs lov

Ammontons' lov * beskriver sammenhengen mellom trykk og temperatur for en gassmengde ved konstant volum. Den lyder:

Ved konstant volum er trykket proporsjonalt med temperaturen, For alle gasser oker trykket med 1/273 avtrykket ved 0 °C (p0) for hver grad temperaturen oker.

Gassenes tilstandsligning beskriver hvordan én av egenskapene varierer når de to andre forand­ res (figur 74/3).

Slik lyder den:

P-_

= p2

*1

P

p~ V V = konst.

P° ’ 273 K

Tilstand 1

Tilstand 2

r,

1 1 7"

2 = konstant *2

Figur 74/3: Tilstandsligningen

har samme tallverdi for alle tilstander for en bestemt gassmengde. Dermed kan vi beregne T for eksempel hvilket volum en gassporsjon i en hvilken som helst tilstand vil ha ved normaltilstanden (p0 Brøken

= 1,013 bar, To = 273 K). Eksempel: En gassmengde har ved 25 C og 1,5 bar volumet 5,6 I. Hvilket volum har den ved normaltilstanden?

Løsnmg:

p, • VpQ- Vo --------------

v

_ To

P ■ v-

7

273 K 1,013 bar

1,5 bar • 5,6 J. = 75951 298 K

For stoffmengde n kmol av en gitt gass ved normalbetingelsene kan tilstandsligningen forenkles til

p • V = n ■ R • T der R, den universelle gasskonstant, er 8,314 J/kmol • K. Gasslovene gjelder for alle gasser, men det er bare ved lavt trykk at gassene følger dem nøyaktig. Ved høyt trykk avviker gassenes egenskaper. En (tenkt) gass som folger tilstandslovene fullstendig, kaller

vi en ideell gass. Boyle, Mariotte, Gay-Lussac, Ammontons: engelske og franske forskere fra det 17. og 18. århundre

74

Gassdiffusjon

Forsøk 75/1: Diffusjonshastigheter

Med diffusjon mener vi at molekyler eller ioner trenger inn i et annet stoff på grunn av varmebevegelsene.

Den hastigheten gasspartiklene trenger inn med, diffusjonshastigheten, er flere tierpotenser lavere enn partiklenes hastighet under varmebevegelsene. Dette skyldes at partiklene på grunn av alle sammenstøtene beveger seg i en sikksakkbane. Siden partikler av forskjellige gasser har ulik egenhastighet, har forskjellige gasser også ulik diffusjonshastighet (forsøk 75/1). Ved høyere temperatur skjer diffusjonen raskere, siden gasspartiklenes egenhastighet øker med temperaturen.

HCI i H2O

Hvit tåke av NH4CI

NH3 i H20

Beskrivelse: I den ene enden av et vannrett glassrør plasseres en konsentrert HCI-løsning, i den andre en­ den en NH3-løsning. Fra løsningene unnviker hen­ holdsvis HCI- og NH3-molekyler som diffunderer gjennom atmosfæren i glassrøret. Der hvor de møtes, dannes en hvit tåke: HCI + NH3 -> NH4CI

Den hvite tåken dannes ikke midt i glassrøret. Det kommer av at de to gassene har ulik diffusjonshastig­ het.

1.13.4 Væskenes egenskaper Damptrykk Varmebevegelsene i væsker fører til at enkelte væskemolekyler beveger seg ut av væskefasen (figur 75/1). Er rommet over væsken lukket, vil det der oppstå en gassfase av molekyler fra væsken. Disse støter på veggene og utøver dermed et trykk, det vi kaller damptrykk. Noen av molekylene treffer etter mange sammen­ støt væskeoverflaten og havner på ny som en del av væskefasen. Etter hvert innstiller det seg en likevekt mellom molekylene som forlater væsken, og molekylene som kommer tilbake. I denne likevektstilstanden kaller vi damptrykket for metningstrykket. Metningstrykket over en væske er høyere jo høyere temperaturen er (figur 75/2).

Faseovergangstemperaturer, faseovergangsenergi Når enkelte ekstra energirike partikler forlater væsken ved fordampning, blir resten av væsken kaldere. Hos væsker som fordamper raskt, for eksempel eter eller alkohol, er denne avkjølingen spesielt merkbar.

Tabell 75/1: Spesifikk fordampningsvarme Vann

Ved høyere temperatur skjer fordampningen raskere, til store mengder væskepartikler forlater væsken i dampform: Væsken har nådd kokepunktet og koker. For at væsken skal fortsette å koke, må det tilføres varme. For å bringe 1 kg av en gitt væske over i dampform trengs det en helt bestemt energimengde. Denne kalles spesifikkfordampningsvarme (tabell 75/1).

Hvis dampen som oppstod, blir avkjølt, kondenseres den. Dermed frigjøres den varmemengden som gikk med til fordampningen. Den kalles kondensasjonsvarmen og er nøyaktig like stor som fordampningsvarmen. Under fordampning og kondensasjon er temperaturen konstant ved det samme trykk.

2263 kJ/kg

Benzen

394 kJ/kg

Etanol

905 kJ/kg

Tabell 75/2: Spesifikk størkningsvarme Vann

335 kJ/kg

Jern

270 kJ/kg

Kobber

205 kg/kg

Hvis væsken blir avkjølt videre, blir væskepartiklenes varmebevegelser stadig svakere. Ved en bestemt temperatur, størknepunktet eller frysepunktet, fester partiklene seg på et bestemt sted, slik at de bare svinger om denne faste posisjonen. Væsken er størknet til fast stoff. Under størkningen må hele tiden varme fjernes. Den varmemengde som frigjøres når 1 kg av et gitt stoff størkner, kaller vi spesifikk størkningsvarme (tabell 75/2). 75

Et fast stoff som varmes opp, smelter når det passerer smeltepunktet. Smeltepunktet er iden­ tisk med storknepunktet. Også varmemengden som går med til å smelte stoffet, er lik den varme­ mengden som frigjøres ved storkning. Under smelting og storkning er temperaturen konstant.

Temperaturforløpet og faseovergangene ved tilførsel eller avgivelse av varme kan vises i et diagram (figur 76/1). Her ser vi at kurven består av avvekslende skrå og horisontale partier. De horisontale partiene tilsvarer faseovergangene (ved konstant temperatur). De vannrette partienes lengde er et mål for hvor stor omvandlingsenergien er. I de skrå partiene av kurven stiger tempe­ raturen når det tilføres varme. Ved oppvarming beveger vi oss fra nederst til venstre og opp mot høyre langs kurven, og ved avkjøling den motsatte veien.

Diffusjon i væsker Forsøk 76/1: Diffusjon i væsker

Også væsker diffunderer over i hverandre når de kommer i kontakt (forsok 76/1). Det skyldes varmebevegelsene til de fritt bevegelig væskepar­ tiklene. Resultatet blir at væskene til slutt blir jevnt blandet. Diffusjonen forløper mye langsommere i væsker enn i gasser. Jo større væskemolekylene er, desto langsommere går diffusjonen. I praksis diffunderer ikke væsker med svært store moleky­ ler.

Beskrivelse: I et begerglass har vi først vann som er farget med kongorødt. Deretter heller vi forsiktig alkohol i et sjikt over vannet. (1) VI venter en stund og observerer væskene. Etter hvert blir alkoholen rød, til begge væsker har samme farge. (2) Fargestoffmolekylene har diffundert mot tyngdekraf­ ten opp i den andre væsken.

Utgangstilstand

Etter diffusjon

Diffusjon er også årsaken til at et stoff som løses opp, fordeler seg jevnt i løsningsmiddelet.

Osmose Osmose opptrer når to løsninger med forskjellig konsentrasjon kommer i kontakt med hverandre gjennom en semipermeabel membran (en halvgjennomtrengelig skillevegg) (figur 76/2). Dette er hva som skjer: Diffusjonen forsøker å utligne konsentrasjonsforskjellen. Dette skjer ved at molekyler fra løsningsmiddelet beveger seg gjen­ nom membranen mot løsningen med høyest konsentrasjon, slik at denne blir fortynnet. Moleky­ lene av det loste stoffet kan ikke fordele seg jevnt, siden de er for store til å passere porene i den semipermeable membranen.

Sterk iøsning

Svak løsning

Molekyler av det Molekyler av Semipermeabel oppløste stoffet oppiøsnings-„/ memKran

Figur 76/2: Osmose (på molekylnivå)

Osmose er ensidig diffusjon gjennom en semipermeabel membran.

76

Væsken som strømmer inn i rommet med den høyeste konsentrasjonen, utøver et trykk som vi kaller osmotisk trykk (forsøk 77/1). Dette er det samlede trykk av de løste molekylene og moleky­ lene i løsningsmiddelet.

Forsøk 77/1: Osmotisk trykk Beskrivelse: Et rør med traktformet åp­ ning, som er lukket med en cellofanmembran og stukket ned i et vannbad, fylles ovenfra med sukkerløsning, til vann og sukkerløsning står like høyt. Sukkerløsningen begyn­ ner straks å stige i stigerø­ ret, og stiger til væskesøylens trykk tilsvarer det osmotiske trykk.

Osmose spiller en viktig rolle i biologiske og medisinske sammenhenger: Plantenes opptak av vann gjennom røttene, væskeutveksling i kroppens celler osv. skjer ved osmose.

1.13.5 Faste stoffers egenskaper

De faste stoffer er med få unntak bygd opp av krystaller. Dette er spesielt tydelig hos for eksempel bergkrystall eller "dyrkede" saltkrystaller (figur 53/3). Men også finkornet salt, som koksalt, består av krystaller som vi kan se med forstørrelsesglass. Metallenes krystallinske oppbygning kan vi bare se i mikroskop (figur 77/1). De faste stoffer sor n ikke er krystallinske, kalles amorfe. En slik uordnet indre oppbygning I iar for eksempel glass, slagg og enkelte kunststoffer. 10 000 ganger forstørret

Det at stoffet er krystallinsk, betyr at det er bygd opp regelmessig, med faste avstander og vinkler mellom enkeltpartiklene (atomer, ioner eller mole­ kyler).

Figur 77/1: Metallstruktur

Hvis vi avmerker enkeltpartiklenes midtpunkter som punkter og forbinder dem med linjer, vil vi få et geometrisk oppbygd gitter. Den minste enheten i et slikt krystallgitter kaller vi en enhetscelle. Ethvert fast stoff har sin karakteristiske krystall­ form, og det er bygd opp av bare slike krystaller. Det finnes mange forskjellige krystallformer som kan avledes av seks grunnformer (figur 77/2). De er forskjellige når det gjelder atomavstander og vinkler.

Fasthet og hardhet På grunn av tiltrekningskreftene mellom partiklene, har faste stoffer en bestemt fasthet og hardhet. Et mål for et fast stoffs evne til å motstå ytre kraftpåvirkninger, er stoffets mekaniske og tekniske egenskaper. De avgjør hvordan materialene kan benyttes (side 123). To av de viktigste egenskape­ ne i denne sammenheng er fastheten og hardhe­ ten (figur 77/3).

Strekkfasthet

Hardhet

Material­ prøve

Strekk­ fasthet: — ^"maks^O

Figur 77/3: Mekaniske egenskaper

Repetisjonsspørsmål 1

Hva er atomær varme?

2

Hvordan er bevegelsestilstanden væsker og faste stoffer?

3

Hvordan lyder gassenes tilstandsligning?

i

gasser,

4

Hvordan oppstår damptrykket?

5

Hva er osmose?

77

1.14 Kjernekjemi 1.14.1 Naturlig radioaktivitet Ved arbeid med uranmineraler ble det oppdaget at de sendte ut en usynlig stråling. Denne egenskapen

kalles radioaktivitet. Strålingens egenskaper. Eksperimenter med radioaktive stoffer ga følgende resultater:

• • • •

Strålingen Strålingen Strålingen Strålingen

sverter fotografisk film som er lystett innpakket, og gjor luften omkring elektrisk ledende er like sterk i alle retninger. fra radioaktive stoffer påvirkes ikke av temperatur eller trykk. er uavhengig av om det radioaktive stoffet foreligger som grunnstoff eller i en kjemisk

forbindelse. • Når radioaktiv stråling passerer elektriske eller magnetiske felt, viser det seg at den består av tre typer (figur 78/1). Disse kalles a-, (3- og y-stråling.

a-strålene blir svakt avbøyd i magnetfelt. De har en rekkevidde i luft på noen få centimeter, og kan ikke trenge gjennom et papirark. a-stråling er hurtige, positivt ladede heliumkjerner He2+ og He B-strålene avbøyes i motsatt retning i magnetfelt. Deres rekkevidde i luft dreier seg om 30 til 50 centimeter, og de kan trenge gjennom en tynn aluminiumsplate. B-stråling er hurtige elektroner e .

y-strålene påvirkes ikke av magnetfelt. De har svært stor gjennomtrengningsevne: De går gjen­ nom metertykke betongvegger. For å stoppe dem må man bruke tykke blyplater. y-strålene er energi­ rik, kortbølget elektromagnetisk stråling som ligner på røntgenstråler. Mens man lett kan skjerme for a- og B-beta-stråling, er y-strålingen meget farlig, Den kan på kort sikt skade vev, og på lang sikt fremkalle kreft.

Årsaken til naturlig radioaktivitet. Den radioaktive stråling skyldes spaltningsprosesser i atomkjernen hos de radioaktive grunnstoffene. I atomkjernen (side 41) virker gjensidige krefter mellom protonene. På grunn av deres positive ladning frastøter de hverandre. Dette motvirkes av kjernekrefter meWom protoner og nøytroner, som gjør at atomkjernen vanligvis er stabil. Det er imidlertid enkelte grunnstoffer som avviker fra denne vanlige tilstanden. Hos dem er de frastøtende kreftene mellom protonene større enn kjernekreftene som binder dem sammen, og det fører til at atomene spaltes. Alfaspalting. Eksempel: Radium - Radiumatomets kjerne består av 88 protoner og 138 nøytroner. Den sender spontant ut en heliumkjerne jjHe (a-stråling) og forvandles dermed til radon Rn. Et slikt radioaktivt spaltningsforløp skriver vi med en kjernereaksjonsligning:

226

_____

222 86Rn

4 +

Betaspalting. Eksempel: Thorium - Thoriumatomets kjerne består av 90 protoner og 144 nøytroner. Når et nøytron spaltes i et proton og et elektron (-stråler) 01n -> ^p + dannes en ny atomkjerne med 91 protoner og 143 nøytroner: 234 ______ 234 0 90 Tn

91 ■ a

-r

i©

Grunnstoffet som dannes heter protactinium. Pa. De fleste radioaktive stoffer sender enten ut a- eller B-stråler. Det er bare noen få stoffer som sender ut begge typer.

Gammastråling. Ved mange spaltningsprosesser blir det også frigjort elektromagnetisk energi, y-stråling. Ved utsending av y-stråler er det ikke atomkjernens karakter som forandrer seg, bare energiinnholdet. 78

Den radioaktive spaltningens hastighet. Spaltningen av den enkelte atomkjerne av et radioaktivt stoff skjer spontant og tilfeldig. For en stoffmengde (svært mange atomer) kan vi konstatere en lovmessighet: i et bestemt tidsintervall spaltes en bestemt brøkdel av atomkjernene. For å ha et mål for hvor fort et bestemt stoff spaltes, har man innført halveringsTabell 79/1: Halveringstider tiden for stoffet. Med halveringstiden mener man Uran 238 22|U 4 510 000 000 år den tiden som går med, før halvparten av de Radium 226 ^Ra 1 620 år tilstedeværende radioaktive atomene er spaltet. Halveringstiden varierer meget sterkt fra grunnstoff Radon 222 ^Rn 3,82 dager til grunnstoff (tabell 79/1). 212 Å?Po 0,3 • 10’6 sekunder -iPolonium ---------------------2oft ___________

1.14.2 Kjerneprosesser Hvis atomkjerner av grunnstoffer med stort massetall beskytes med nøytroner, kan de spaltes. De deles da i to middels tunge atomkjerner og to eller tre nøytroner. Spaltning av uranatomkjernen (figur 79/1) er av stor teknologisk betydning. Uran 238

består 235

hovedsakelig

av

isotopene

o

92 U og 92U. Når de beskytes med nøytroner, skjer to viktige reaksjoner: Spalteprosessen. Et nøytron trefferen uranatomkjerne U235. Urankjernen spaltes i en barium- og en kryptonkjerne pluss tre nøytroner. Samtidig frigjøres energi: 235.. , 1________ 144D , 89^ , o 1 , .92^ + on 56^a + 36^r + 3 øn + Energi

De tre nøytronene flyr ut med stor hastighet, og hvis de treffer andre U235-kjerner skjer nye kjernespaltninger. Ved hver spaltning dannes nye nøytroner. Det oppstår en kjedereaksjon som er forbundet med frigjørelse av store mengder energi.

Naturlig uran inneholder bare 0,7 % spaltbart U235 og 99,3 % ikke spaltbart U238. Når naturlig uran beskytes med nøytroner, vil de tre nøytrone­ ne som oppstår ved en kjernespaltning bare sjelden treffe en U235-kjerne. Derfor kan ikke en kjedereaksjon finne sted i naturlig uran. Hvis man bruker uran som inneholder mer enn 3 % U235 anriket uran - er de tre nøytronene som oppstår ved kjernespaltningen, i hvert fall tilstrekkelig til å treffe én U235-kjerne, og på den måten holde kjedereaksjonen i gang. Det er dette som skjer i en atomreaktor. Hvis man bruker høyanriket uran 235, vil de tre nøytronene fra én spaltning treffe mer enn én ny U235kjerne og forårsake flere spaltninger. Dermed får vi en raskt økende kjernereaksjon. Dette er det som skjer i en atombombe. Formeringsprosessen. Noen av de nøytronene som oppstår ved spaltningsprosessen treffer U238kjerner (figur 79/1). Dermed oppstår U239, som ved øyeblikkelig spaltning av to nøytroner til to protoner og to elektroner forvandles t „ 0 . 1 til plutonium 2^Pu: 2|?U + oJn ----— 2 ^|u — — --------— — 2|lPu + 2 _?e n Ved denne reaksjonen oppstår spaltbart plutonium Pu239 av ikke spaltbart uran U238. Pu239 kan brukes både som reaktorbrennstoff i atomreaktorer og i kjernevåpen. Denne formeringsprosessen foregår til en viss grad i alle reaktorer, og i en ny type atomreaktorer, de raske formeringsreaktorene, er prosessen tilsiktet. Ved gunstig drift leverer en slik formeringsreaktor 60 ganger mer energi enn en vanlig reaktor. Formeringsteknologien og avfallsproblemene som er forbundet med det ytterst giftige plutomiumet, er immidlertid ennå ikke helt løst.

79

2 Uorganisk kjemi Jorden - vår råstoffleverandør Utgangspunktet for all kjemi over hele verden er de stoffene som jorden er bygd opp av (figur 80/1).

Av jordens masse er det imidlertid bare en liten del som er tilgjengelig for men­ neskene: 1 Jordskorpen, det vil si det ytterste laget av kloden, som vi kaller litosfæren. Det består av et ca 20 km tykt lag. Fra dette laget kan vi utvinne rå­ stoffer ned til en dybde av omkring 2000 meter.

Jordskorpen består hovedsakelig av kjemiske forbindelser. Hvis disse forbin­ delsene stort sett er ensartede, kaller vi dem mineraler. Mineraler som vi kan utvinne metaller av, kaller vi malm. 2 Verdenshavene, som dekker om­ kring 3/4 av jordens overflate, og er opptil 10 000 meter dype. Denne delen av jordoverflaten kaller vi hydrosfæren. Den består hovedsakelig av vann, pluss en liten andel løste salter.

3 Atmosfæren, altså jordens gasskappe, består hovedsakelig av gassene nitrogen og oksygen, samt en liten del edelgasser. 4 Biosfæren, som omfatter alt det organiske materialet

planter og dyr som lever på jorden.

Det prosentvise innholdet av de enkelte grunnstoffer i den delen av jorden som er tilgjengelig for oss, varierer sterkt (figur 80/2): Oksygen utgjør omtrent halvparten av massen, siden det inngår som en vesentlig del av bergartene i jordskorpen (som for en del er oksider), i vannet (H2O) og i luften (blanding av N2 og O2). Silisium utgjør 27,5 % av den tilgjengelige jordskorpen, noe som skyldes SiO2-innholdet i bergartene. Også de seks neste vanlige grunnstoffer, nemlig aluminium, jern, kalsium, natrium, kalium og magnesium, er bestanddeler av bergartene. Det er ikke bare den prosentvise andel av de forskjellige grunnstoffene som har betydning for om de kan utvinnes lønnsomt, men hvordan de er fordelt. Andelen av metallene kobber (0,01 %), sink (0,004 %) og bly (0,0016 %) i jordskorpen er liten, men på enkelte steder kan de finnes konsentrert, og der kan de utvinnes rimelig. Med for eksempel titan er det motsatt, det er forholdsvis vanlig og utgjør 0,58 % av jordens masse. Siden det ikke finnes konsentrert, men bare som en liten andel av mineralene, er utvinningen likevel kostbar.

80

Oversikt over kjemien Kjemien beskjeftiger seg med grunnstoffene, de kjemiske forbindelsene og reaksjonene mellom stoffer og grunnstoffer. Siden det finnes så mange stoffer og reaksjoner, har man delt inn kjemien i flere avdelinger (figur 81/1).

I den generelle kjemi får vi en oversikt over hele faget, med eksempler på enkelte kjemiske reaksjo­ ner som forklares og danner utgangspunkt for generelle kunnskaper og allmenngyldige kjemiske lover (sidene fra 10 til 79 i denne boken).

Den uorganiske kjemi, går dypere og gjennomgår grunnstoffene og deres kjemiske forbindelser utførlig og systematisk (sidene fra 80 til 109). En spesielt omfangsrik gruppe stoffer, de karbonholdige forbindelser, inntar en særstilling i kjemien og blir derfor behandlet for seg. Denne delen av kjemien kalles organisk kjemi (sidene fra 160 til 189).

Det har også utviklet seg flere spesialområder som behandler bestemte sider av kjemien: Teknisk kjemi dreier seg om kjemiske reaksjoner i industriell målestokk (sidene fra 110 til 159 og sidene fra 190 til 216), analytisk kjemi om metodene for å bestemme stoffenes sammensetning, og fysikalsk kjemi om tilstandsbeskrivelser og -forandringer ved kjemiske reaksjoner (sidene fra 72 til 77).

Systematisk behandling av den uorganiske kjemi Når vi skal behandle grunnstoffene og deres forbindelser systematisk, går vi ut fra grunnstoffenes periodesystem (figur 81/2). Dermed kan vi gjennomgå grunnstoffene gruppe for gruppe og se på de egenskapene som er felles for stoffene innen hver gruppe. Dette muliggjør en rask og tidsbesparende gjennomgang av hele grupper av grunnstoffer.

III

II

HC

-----------------------------------------

P 1

H

I 2

Li

K

V

VI

VII VIII

Hovedgruppestoffer

He Be

I-------------------------------------

Bigruppestoffer------------------------------------------------- |

3 Na Mg 4

IV

5 Rb Sr

Pr

Th

Pa

Nd Pm Sm Eu U

Np

Gd Tb Dy Ho

Pu Am Cm Bk

Cf

Es

0

F

Ne

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Ga Ge As

Se

Br

Kr

Via

Ti

V

Cr Mn

Fe

Co

Ni

Zr

Nb Mo Tc

Ru

Rh

Pd Ag Cd

In

Sn Sb

Te'

J

Xe

Ta

W

Os

Ir

Pt

Au

TI

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fm Md No Lw Ku

Ha

Vlla

(Undergruppestoffer)

Ce

N

Va

Y

6 Cs Ba La I I 7 Fr Ra Ac

C

' IVa

Lantanoider og actinoider

Ca Sc

B

Er

Tm

Lu

Hf

Re

la

Villa

Ila

Cu Zn

Hg

Figur 81/2: Grunnstoffenes periodesystem

Grunnstoffene i gruppe 1,2 og 13-18 (hovedgruppestoffene) er av størst interesse, og behandlingen av dem opptar det meste av plassen. Vi tiar allerede sett litt på dem i Del 1, Allmenn kjemi.

Overgangsgrunnstoffene er kortfattet behandlet i en oversikt. Siden de alle er metaller, mange av stor teknisk betydning, vil vi gå nærmere inn på dem i kapittel 3.2 Metallenes kjemi og teknologi (side 119). Grunnstoffene i gruppene lantanoider og aktinoider har nokså liten teknisk interesse. De blir bare kort

nevnt. 81

2.1 Gruppe 1: hydrogen og alkalimetallene Til grunnstoffene i 1. hovedgrup­ pe hører hydrogen H og alkali­ metallene litium Li. natrium Na. kalium K. rubidium Rb, cesium Cs og francium Fr (tabell 82/1).

Tabell 82/1: De fysikalske egenskapane til grunnstoffer i 1. hovedgruppe

Utseende i normaltilstand

Smelte­ punkt i C

Koke­ punkt i °C

Densi­ tet i g/cm3

H

fargelos gass

-255

-253

0,00009

Li

solvglinsende metall

179

1340

0,54

Na

solvglinsende metall

98

884

0,97

Kalium

K

solvglinsende metall

64

760

0,86

Rubidium

Rb

solvglinsende metall

39

696

1,53

Cesium

Cs

gullgiinsende metall

28

708

1,90

Grunnstoff

Symbol

Det radioaktive francium er eks­ tremt sjeldent, og blir derfor ikke behandlet her.

Hydrogen

Litium

Blant grunnstoffene i 1. hoved­ gruppe inntar hydrogen en sær­ stilling: Det er en gass med lavt smelte- og kokepunkt, mens alle de andre grunnstoffene er metal­ ler. Hydrogenet er allerede behandlet i Del 1: Allmenn kjemi (side 28).

Natrium .— -------------- __

Alkalimetallene Egenskaper. Alle alkalimetaller er myke metaller med lav densitet (tabell 82/1). Den friske snittflaten er sølv- eller gullblank, men blir på kort tid matt og grå. Dette skyldes at alkalimetallene har svært sterk tendens til å reagere med andre stoffer som for eksempel oksygen, klor osv. De oksideres raskt i luft Derfor oppbevares de under petroleum. Reaksjonsevnen tiltar gradvis fra litium til cesium med stigende atomnummer. I naturen forekommer alkalimetallene på grunn av sin sterke reaksjonsevne bare som forbindelser, for eksempel klorider, sulfater, nitrater, fosfater og karbonater. Nesten alle disse er løselige i vann. Alkalihydroksidene danner sterke baser i vandig løsning (side 32). Atomaer oppbygning. Alkalimetallenes atomer har bare ett elektron i ytterskallet, og dette avspaltes lett, lonene som oppstår på denne måten, har samme elektronkonfigurasjon som edelgassene, som de står ved siden av i periodesystemet. Alle alkalimetaller danner derfor enverdige ioner. Påvisning. Stoffer som inneholder alkalimetallatomer, kan påvises med en enkel metode, den såkalte flammeprøven (forsok 82/1). Hvert alkalimetall gir flammen en karakteristisk farge:

Litium

Natrkim

Kalium

Rubidium

Cesium

rød

guloransje

fiolett

fiolettrosa

fiolett­ rosa

Stoffer som bare inneholder ett alkalimetall, kan bestemmes entydig med flammeprøve. Er det en blanding av flere alkalimetaller, vil enkelte farger dekke over andre. Særlig gjelder dette den guloransje natriumfargen, som dekker alle de andre.

Eksempel: natrium

+ 1 e Natriumatom

Natriumion

Forsøk 82/2: Påvisning med flammeprøve Beskrivelse:

Eksempel:

En liten prove av stoffet litium som skal undersøkes, loses i saltsyre. En keramikkstav dyppes i løsnin­ Keramikkgen og holdes i den blålig stav fargelose flammen til en bunsenbrenner. Over keramikkstaven får flam­ men en karakteristisk far­ ge.

Rød flammefargmg Blålig fargeløs flamme

Alkalimetallene litium, rubidium og cesium er sjeldne grunnstoffer som bare fremstilles for spesielle formål som for eksempel halvlederteknikk. Vi skal ikke gå mer inn på dem her. Ammoniumionet NH.+ har alkaliegenskaper. Derfor blir det behandlet her, sammen med alkalimetallene (side 85).

82

2.1.1 Natrium Forekomst. I naturen forekommer natrium bare i kjemisk bundet form. De viktigste natriumholdige mineralene er steinsalt NaCI og Chilesalpeter NaNO3. Dessuten inneholder sjøvann omkring 3 % NaCI.

Fremstilling. Metallisk natrium fremstilles ved smelteelektrolyse (side 138) av en vannfri smelte 2 NaCI------ -2 Na + CI2T av NaCI og NaOH:

Natrium

Mykt, sølvglinsende metall med lav densitet og høy reaktivitet.

Egenskaper: Natrium er et mykt metall som kan skjæres med kniv. Densiteten er mindre enn vannets, bare 0,97 g/cm3. Den friske snittflaten er sølvglinsende, men blir snart matt. Natrium oppbevares under petroleum, siden det er meget reaktivt. Ved oppvarming i luft oksideres det til gult peroksid: 2 Na + O2 -> Na2O2. Det reagerer voldsomt med vann under dannelse av natriumhydroksid og hydrogen: 2 Na + 2 H2O -» 2 (Na+ + OH ) + H2. Natrium reagerer også med mange andre stoffer, for eksempel med klorgass til natriumklorid: 2 Na + Cl2 —> 2 NaCI, med kvikksølv til natriumamalgam: 3 Na + Hg -> Na3Hg og med halogenholdige organiske væsker som karbontetraklorid CCI4. Ved arbeid med natrium skal man bruke vernebriller, vernehansker og vernetøy.

Bruk: Metallisk natrium brukes bare i liten grad, for eksempel som legeringsmateriale.

Natriumforbindelser Noen av natriumforbindelsene har stor industriell betydning. Enten brukes de direkte, eller de er utgangsmateriale for andre viktige kjemikalier og produkter. Utgangsmateriale for de fleste natrium­ forbindelser er natriumklorid, NaCI.

Natriumklorid NaCI, består av fargeløse til hvite krystaller som smelter ved 803 °C og koker ved 1440 °C. Det er lett løselig i vann.

"Soda"

"Natronlut"

"Glaubersalt"

Natriumklorid utvinnes fra steinsaltforekomster, der det finnes avsatt lagvis sammen med andre salter (figur 83/1). Steinsaltet blir dels brutt direkte og fraktet opp i dagen. Etter maling benyttes det i dyrefor og som veisalt. Det aller meste utvinnes ved at det løses opp i vann i hulrommene der det finnes. Denne saltløsningen blir pumpet opp. For å få rent NaCI må man rense denne løsningen for fremmede bestanddeler. Dette skjer ved inndamping, slik at NaCI faller ut som krystaller. Dette saltet brukes som koksalt og som utgangsmateriale for mange kjemiske stoffer. Natriumhydroksid NaOH, er et fargeløst, fast stoff som omsettes i form av islignende perler, flak eller stenger. Det er sterkt hydroskopisk og blir oppbe­ vart i lufttette beholdere av polyetylen. Natriumhydroksid fremstilles ved kloralkalielektrolyse (side 111), der blir dannet som en vandig løsning (lut) sammen med hydrogen og klor:

2 (Na+jh CD dissosiert NaCI

+

h3o+

+

oh;

protolysert vann

2 (Na+ + OH~) Natronlut

+

CI2T Klor

+

H2T Hydrogen

Den vandige løsningen som ofte kalles natronlut, er en sterk base (side 32). Ved inndamping av løsningen fås fast natriumhydroksid. Natriumhydroksid, enten i fast form eller i løsning, er et viktig stoff i den kjemiske industri, for eksempel for produksjon av såpe, kunststoffer, aluminium og papir. 83

Natriumkarbonat, Na2CO3, som også kalles soda, er et annet viktig materiale i den kjemiske industri. Det benyttes ved glassproduksjon, ved fremstilling av såpe, til avherding av vann og i mange andre kjemiske prosesser. Vannfri eller kalsinert soda er et tort, hvitt, kornet pulver som bare loser seg langsomt i vann. På grunn av protolyse reagerer løsningen basisk. Ved inndamping av løsningen fås såkalt krystallsoda, Na2CO3 • 10 H2O. Det danner glassklare, store krystaller. Ved oppvarming av krystallsoda til 200 °C kan man igjen få vannfri soda.

Fremstillingen av soda skjer på grunnlag av steinsalt, kalk og ammoniakk i flere trinn ved den såkalte Solvayprosessen (side 118).

Natriumsulfat, Na2SO4, som også kalles glaubersalt, oppstår som biprodukt ved fremstilling av saltsyre av koksalt og svovelsyre: 2 (Na+ + Cl ) + 2 H+ + SO42- -> Na2SO4 + 2 (H+ + Cl’) Det brukes i store mengder ved fremstilling av glass.

2.1.2 Kalium Forekomst. Viktige kaliumholdige mineraler er sylvin = kaliumklorid KCI. sylvinitt KCI • 6 H2O og carnalitt KCI • MgCI2 ■ 6 H2O.

Fremstilling. Metallisk kalium fremstilles ved elektrolyse av en vannfri smelte av KCI 2 KCI —2 K + CI,T og KOH: 2

Egenskaper. Kalium er reaksjoner som natrium, vann under utvikling av varmeutvikling og til dels

Kalium

Mykt, sølvfarget glinsen­ de metall med meget sterk reaksjonsevne

et mykt, sølvblankt metall som kan skjæres med kniv. Det viser samme men er enda mer reaktivt. Kalium selvantenner i luft og reagerer heftig med hydrogen som spontant antennes, osv. Alle reaksjoner skjer under sterk eksplosjonsartet. Vær forsiktig i omgang med kalium!

Anvendelse. Metallisk kalium har ingen industriell anvendelse.

Kaliumforbindelser Kaliumklorid KCI er den viktigste kaliumforbindelse. Det er utgangsmateriale for alle andre kaliumforbindelser. Spesielt stor økonomisk betyd­ ning har det for fremstilling av mineralgjødsel (kaligjødsel side 158). Den blir fremstilt industrielt i store mengder, det dreier seg om en hel industri­ gren: kali-industrien. "Kalilut"

„ "Pottaske"

Råstoff for kaliumkloridfremstillingen er de kaliumholdige mineralene sylvin, sylvinitt og carnalitt (figur 83/1), som inneholder KCI sammen med andre klorider og jordholdige materialer. KCI blir skilt fra de andre bestanddelene ved hjelp av forskjellen i løselighet mellom de ulike kloridene ved løsning og omkrystallisasjon eller ved findeling og flotasjons teknikk. Kaliumkloridet man får, har en renhet på 95 til 99 %. KCI er et fargeløst, krystallinsk stoff.

Kaliumhydroksid KOH fremstilles elektrolyse av en vandig KCI-løsning:

ved

I* + Cl ) + 2H2O

. 2 (K + OH ) + H2 + Cl2

Den vandige løsning som dannes, kalles ofte kalilut (K+ + OH) og er en sterk base. Ved inndamping av denne fås fast KOH. Kaliumkarbonat K2CO3 (pottaske) fås ved reaksjon av KOH med karbondioksid:

2 KOH

+

CO2 ------ ►

K2CO3

+

H2O

Kaliumkarbonat er et hvitt, kornet, hygroskopisk pulver. Det benyttes i såpe- og glassproduksjon.

Kaliumnitrat KNO3 er et sterkt oksidasjonsmiddel. Det brukes derfor som den oksygenholdige delen av svartkrutt. 84

2.1.3 Ammonium Fremstilling og egenskaper. Ammoniumionet NH4+ dannes når ammoniakk ledes ned i vann, ved at et ammoniakkmolekylet opptar

et proton (H *):

NHj

_ NHi(‘

+

Ammonium

0H -

+

lon med formel NH4+ Har lignende egenskaper som ioner av alkalimetallene

Ammoniumionet har én positiv ladning. Størrelsen tilsvarer omtrent kaliumionet. Det har omtrent de samme egenskapene som ionene av alkalimetallene, noe vi kan se ved å sammenligne ammoniumforbindelsene med de andre alkaliforbindelsene. For eksempel danner ammonium et sølvhvitt, glinsende amalgam med kvikksølv, på samme måte som alkalimetallene. Ammonium kan ikke fremstilles i ren form. Som ion inngår det i viktige kjemiske forbindelser.

Ammoniumforbindelser Ammoniumsaltene er fargeløse, krystal­ linske stoffer som oftest er løselige i vann. Denne egenskapen har de felles med alkalisaltene. Fremstillingen av alle ammoniumforbindelser tar utgangspunkt i ammoniakk, NH3 eller den vandige løsningen (NH4+ + OK). Ammoniumfor­ bindelsene dannes ved reaksjon med de tilsvarende syrer.

"Salmiakk"

„Ammonsulfat"

"Ammoniakksalpeter"

Siden ammoniumforbindelser blir brukt i store mengder (hovedsakelig som kunstgjødsel), har produksjonen av dem og de nødvendige utgangsstoffene utviklet seg til en egen gren av industrien.

Ammoniakk NH3 fremstilles ved syntese ., . , av gassene nitrogen og hydrogen:

Fe

3 H, + IXl2 22

o MLJ l\lrl3

Siden reaksjonen skjer ved ca. 500 °C og 3 • 104 kPa(300 bar), er den omkostningskrevende (side 16).

Ammoniakkvann NH4+ + OH' dannes når ammoniakk ledes ned i vann:

NH3

+

H2O

_____ + ► NH4

+

OH

Ved 15 °C løses 730 I i 1 I vann, med stigende temperatur avtar løseligheten sterkt. Ved oppvarming til 100 °C drives all NH3 ut på kort tid. Den ammoniakkløsningen som brukes mest på laboratoriet, holder 25 % og kalles av og til salmiakkspiritus.

Ammoniumklorid NH4CI (salmiakk) dannes ved at saltsyre reagerer med ammoniakkvann: NH/ + OH'

+

H+ + CF ------ ► NH/ + CF

+

H2O

Ved inndamping av løsningen fås fargeløse krystaller av NH4CI. Ved oppvarming til 250 C spaltes

NH3

NH4CI igjen til ammoniakkog saltsyre: NH4CI ------ * -

+

HCI

Ammoniumsulfat (NH4)2SO4 dannes ved nøytralisasjon av ammoniakkvann med svovelsyre. 2 (NH4+ + OH ) + 2H+ + SOt,2’ ------ — 2 NH4+ + SO42 + 2 H2O

Ammoniumsulfat er en viktig nitrogengjødselforbindelse som produseres i stor målestokk (side 159). Ammoniumnitrat NH4 fremstilles i store mengder ved reaksjon mellom ammoniakkvann og salpetersyre: nh4+ + oh~ + H+ + NO3’ ------ — NH4+ + NO3" + H2O Det er en viktig nitrogengjødselforbindelse. Krystallinsk NH4NO3 er hygroskopisk og eksplosivt. Derfor må det blandes med minst 30 % ikke-reaktive stoffer, for eksempel kalksteinmel eller annen gjødsel.

Repetisjonsspørsmål: 1

2

3 4

Hvilke egenskaper har alkalimetallene felles?

5

Hvilken metode brukes for fremstilling av soda?

Hvilken flammefarge gir de enkelte alkali­ metaller? Hvordan reagerer kalium og natrium med vann? Skriv reaksjonsligningene.

6

Hvordan fremstilles kaliumklorid?

7

Hva brukes kaliumnitrat til?

8

Hvordan fremstilles natronlut industrielt?

9

Hvordan sammenligner vi ammoniumionet med alkalimetallene? Hvilke ammoniumforbindelser er viktige nitrogengjødselstoffer?

85

2.2 2. Gruppe 2: Jordalkalimetallene Navnet jordalkalimetaller på gr­ unnstoffene i 2. hovedgruppe skyldes det faktum at forbindel­ ser av disse stoffene spiller en vesentlig rolle forsammensetningen av jordskorpen, og at de vi­ ser likheter med alkalimetallene.

Til jordalkalimetallene hører gr­ unnstoffene beryllium (Be), mag­ nesium (Mg), kalsium (Ca), stro­ ntium (Sr), barium (Ba) og radi­ um (Ra) (tabell 86/1).

Det radioaktive radium er et me­ get sjeldent grunnstoff og blir ikke behandlet i dette kapittel (se side 78).

Tabell 86/1: Jordalkalimetallenes fysiske egenskaper Smelte­ punkt i °C

Koke­ punkt i °C

Densi­ tet i g/cm3

sølvglinsende metall

1280

2967

1,85

Mg

sølvglinsende metall

657

1102

1,74

Kalsium

Ca

sølvglinsende metall

850

1420

1,55

Strontium

Sr

sølvglinsende metall

771

1385

2,60

Barium

Ba

sølvglinsende metall

1726

1696

3,74

Grunnstoff

Kjemisk symbol

Beryllium

Be

Magnesium

Utseende i normaltilstand

Egenskaper. Jordalkalimetallene er sølvglinsende metaller. På grunn av den lave densiteten regnes de til lettmetallene. Størst betydning som metallisk materiale har magnesium, som mest brukes som legeringsmetall i lette konstruksjoner (side 128). De øvrige jordalkalimetallene brukes sjelden eller aldri i konstruksjonsmaterialer. I noen få tilfeller benyttes de som legeringsgrunnstoff. Jordalkalimetallene har vesentlig mindre reaksjonsevne enn alkalimetallene. Beryllium og magnesium reagerer for eksempel ikke spontant med vann eller oksygen, men kalsium, strontium og barium viser reaksjon. Reaksjonsevnen tiltar med stigende periodenummer. Barium må derfor oppbevares under petroleum. I naturen forekommer jordalkalimetallene bare bundet. Vannløseligheten for de ulike forbindelsene av jordalkalimetaller er forskjellig. Mens kloridene, bromidene, jodidene og nitratene er lett løselige i vann, er karbonatene, sulfatene og fosfatene tungtløselige eller uløselige. Eksempel: magnesium

Atomær oppbygning. Jordalkalimetallenes atomer har to ytterelektroner, som relativt lett avgis, lonene som da oppstår, har elektronkonfigurasjon som den nærmeste foregående edelgass. Alle jordalkali­ metallene har derfor toverdige ioner. Påvisning. En del av jordalkalimetallene, nemlig kalsium, strontium og barium, kan påvises ved at de farger flammen. Beryllium og magnesium gir ingen flammefarge.

.

magnesiumatom

•

\

+ 2 e

magnesiumion

Kalsium

Strontium

Barium

mursteinsrød

karminrød

grønn

2.2.1 Beryllium Forekomst. Det viktigste beryllium-mineral er beryll, et berylliumaluminiumsilikat med formelen Be3AI2(Si6O18).

Fremstilling. Fremstilling av metallet skjer ved elektrolyse av en berylliumsaltsmelte.

Beryllium ;

sølvglinsende, hoyfast, sprøtt og giftig metall

Egenskaper og bruk. Beryllium er et sølvglinsende, sprøtt og giftig metall. Ved omgang med beryllium kreves stor forsiktighet. Beryllium slipper gjennom røntgenstråler og brukes derfor til utgangsvindu i røntgenapparater. Videre benyttes det som legeringsgrunnstoff, da det øker hardheten, korrosjonsbestandigheten og temperaturbestandigheten til kobber-, aluminium-, nikkel- og jernlegeringer vesentlig. Et spesielt anvendelsesområde er gnistfritt verktøy som brukes i eksplosjonsfarlig virksomhet og i gruver.

Berylliumforbindelser har ingen vesentlig betydning i teknikken. 86

2.2.2 Magnesium Forekomst. Magnesium utgjør omkring 2 % av jordskorpen. Det viktigste magnesiummineral er magnesitt, magnesiumkarbonat MgCO3. Andre mineraler er dolomitt MgCO3 CaCO3 og Karnalitt KCI ■ MgCI2.

Magnesium sølvglinsende bruksmetall med lav densitet. Som rent metall brennbart, som legering lett og sterkt.

Fremstilling. Avhengig av utgangsmateriale skjer produksjonen av magnesium ved forskjellige metoder. Den teknisk mest brukte går ut fra magnesitt. Først får man ved kalsinering (brenning) MgO:

1200 £.

MgCO3

+

MgO

CO2T

Ved reaksjon med klor og koks får man magnesiumklorid: MgO

+

Cl2

--------- —

C

+

MgCI2

+

coT

Metallisk magnesium fås så ved smelteelektrolyse av MgCI2:

MgCI2

---------►

Mg

+

CI2I

700 C

Den klor som blir utviklet, føres tilbake til MgCI2-produksjonen.

Egenskaper. Magnesium er et sølvblankt metall med lav densitet, 1,74 g/crrr. Det er det letteste av de metallene som er vanlig brukt til konstruksjonsformål. I luft er magnesium ganske korrosjonsfast, siden det på samme måte som aluminium får et tynt overtrekk av beskyttende oksid.

Bruk. På grunn av sin brennbarhet er ikke magnesium brukbart i ren tilstand (forsøk 9/1). Som legeringer med omkring 90 % magnesium og tilsetning av aluminium, sink, silisium og mangan har det stor betydning, særlig i fly- og bilindustrien. Videre brukes magnesium i form av pulver eller korn i fyrverkeriladninger og blitzpærer, siden det forbrenner med meget klart og intenst lys.

Magnesiumforbindelser MgCO3

Magnesiumkarbonat MgCO3 (mineralnavn magnesitt) er utgangsmateriale for nesten alle magnesiumforbindelser.

Men det brukes også selv: finmalt brukes det i tannpasta, slipemidler og pudder. Dessuten brukes det som fyllstoff i ma­ ling og papir.

Mg-karbonat

x

"Magnesitt” w brenning

MgSOft • 7 H2O

MgO

Mg-sulfat

Mg-oksid

"Bittersalt"

"Magnesia"

Cl2, C ----- ►

MgCI2 Mg-klorid

Magnesiumsulfat MgSO4 • 7 H2O, som også kalles bittersalt på grunn av den bitre smaken, brukes i blanding med kaliumsulfat K2SO4 som kloridfri gjødsel "kalimagnesia" (kaliummagnesiumsulfat).

Magnesiumsulfat MgSO4 • 7 H2O kan fremstilles av MgCO3 ved reaksjon med svovelsyre:

MgCO3

+

H2SO4

+

6 H2O

--------- ►

MgSO4 • 7 H2O

+

CO2T

Det er imidlertid også som forbindelsen MgSO4 ■ 7 H2O en bestanddel i kaliumsalter som utvinnes ved

gruvedrift. Magnesiumoksid MgO produseres ved brenning av MgCO3 ved 1200 °C. Det er et lett, hvitt pulver. MgO har høyt smeltepunkt, 2650 °C, og brukes derfor til fremstilling av ildfast utstyr og ildfaste materialer. Det skjer ved sintring av pulveret, slik at man får et ildfast, keramikklignende materiale som imidlertid er ømtålig for støt. Det selges under betegnelsen magnesia og brukes til digler, ildfaste former, steiner, foringer osv. Magnesiumklorid finnes både i vannfri form MgCI2 og med krystallvann MgCI2 • 6 H2O. Vannfritt MgCI2 er utgangsmateriale for fremstilling av metallisk magnesium og produseres derfor i stor skala (se ovenfor). Vannholdig MgCI2 • 6 H2O er meget hygroskopisk. Det finnes i små mengder i koksalt og gjør at det tar til seg fuktighet fra luften.

87

2.2.3 Kalsium Forekomst. Kalsium forekommer i en rekke mineraler. Kalkstein og marmor er kalsiumkarbonat CaCO3, dolomitt er CaCO3MgCO3. I steinsaltavleiringer finnes gips CaSO4 2H2O og anhydritt eller vannfri gips CaSO4 (figur 83/1). Andre kalsiumholdige mineraler er fosforitt Ca3(PO4)2 og flusspat CaF2, som brukes til fremstilling av henholdsvis fosforsyre og flussyre. Fremstilling. Metallisk kalsium fremstilles ved elektrolyse av en CaCI2-smelte:

Kalsium solvglinsende. mykt metall. Brukes på grunn av sin ikke reaktivitet i metallform.

____________ I

CaCI2 ----- Ca

+

Egenskaper og bruk. Kalsium er et hvitt, solvglinsende metall som på grunn av sin reaktivitet ikke har noen teknisk anvendelse.

Kalsiumforbindelser Kalsiumkarbonat CaCO3, mineralnavn kalkstein, er utgangsmateriale for de fleste kalsium­ forbindelser.

Ca CO3

CaSO4 • 2 H2O

Ca-karbonat

Ca-sulfat

kalkstein

gips | brenning

brenning

Kalsiumoksid CaO som også HNO 3 kalles brent kalk, produseres ved CaO Ca(NO3)2 • 4 H2O brenning av kalkstein: Ca-oksid Ca-nitrat CaCO3 1200 CaO + CO2 kalksalpeter brent kalk Kalsiumoksid, som i landbruket H2O bare kalles "kalk", brukes som gjødsel til nøytralisering av surt Ca(OH)2 CaC2 jordsmonn. Med vann danner det Ca-karbid Ca-hydroksid hydroksidioner: CaO + H2O -> lesket kalk karbid Ca2+ + 2 OH', som nøytraliserer de oksoniumionene som er til stede. Det meste CaO er et mellomprodukt for fremstilling av Ca(OH)2. Kalsiumhydroksid Ca(OH)2, som også kalles lesket kalk, oppstår ved sparsom tilsetning av vann til CaO: CaO + H2O

CaSO4 • V2 H2O brent gips I brenning

CaSO4 • 1/2 H2o CaO ■ CaSO4 mørtelgips el. estrichgips

------ * -

Ca(OH)2

I tørr tilstand er det et hvitt pulver. Blandet med sand og vann gir det kalkmørtel, et byggemateriale som brukes i store mengder både som bindemiddel og som puss. Kalkmørtelen herdner ved reaksjon med karbondioksid i luften etter følgende formel: Det dannes CaCO3 i form av et flettverk av nåleformede krystaller som binder sammen stein og sandpartikler (side 150). En oppslemming av Ca(OH)2 i vann kalles kalkmelk. Den benyttes som hvitmaling. Det klare filtratet av en Ca(OH)2-oppslemming kalles kalkvann og er den billigste lut for teknisk bruk.

Kalsiumkarbid CaC2 dannes ved reaksjon mellom CaO cg koks ved 2100 °C i lysbueovner: CaO + 3 C 2100 c»CaC2 + COT Det er en gråhvit, krystallinsk masse.

Med vann reagerer kalsiumkarbid ti! acetylen C2H2 (etyn):

CaC2 + 2 H2O-------- ►C2H2 + Ca(OH)2

Acetylen (etyn) brukes som sveisegass og er dessuten et viktig utgangsmateriale for organiske synteser. Ved høy temperatur reagerer kalsiumkarbid med nitrogen i luften og danner kalsiumcyanamid CaCN2, et kunstgjødsel som er kjent under CaC2 + N2 ------ ► CaCI\l2 + C navnet "kalkkvelstoff": Kalsiumnitrat Ca(NO3)2 • 4 H2O dannes ved Ca(NO3)2 • 4 H2O CaO + 2 HNO3 + 3 H2O at kalsiumoksid reagerer med salpetersyre:

Det selges som gjødsel under betegnelsen kalksalpeter. 88

i

Kalsiumsulfat CaSO4 • 2 H20 forekommer i store mengder i naturen i saltleier (figur 83/1). Ved oppvarming til forskjellige temperaturer, slik at en del av krystallvannet drives av, fremstilles forskjellige

sorter gips (side 151): Ved oppvarming til 100 °C fås såkalt brent gips

CaSO4

h H2O.

Stukkaturgips fås ved oppvarming til 150 °C. Den inneholder noe mindre krystallvann. Ved oppvarming til omkring 900 °C fås mørtelgips eller estrichgips, som inneholder enda mindre krystallvann og for en del er omdannet til CaO: 2 CaSO^ 900 CaO • CaSOt, + SO3i.

2.2.4 Strontium Strontium er et sjeldent grunnstoff. Det viktigste mineralet er strontianitt SrCO3. Metallisk strontium har ingen teknisk betydning. Ved kjernevåpeneksplosjoner dannes radioaktive strontiumisotoper som er en viktig og meget farlig del av det radioaktive nedfallet.

Strontiumforbindelser ligner de tilsvarende kalsiumforbindelser. Siden de er sjeldne og kostbare, har ikke strontiumforbindelsene noen teknisk betydning.

2.2.5 Barium Forekomst. Det viktigste bariummineral er tungspat, BaSO4, som finnes i tilstrekkelig mengde i Tyskland

og i mange andre land. Metallisk barium har ingen teknisk betydning.

Bariumforbindelser Bariumforbindelser har bare liten kjemisk-teknisk betydning. Til forskjell fra de andre jordalkalimetallene, er de løselige bariumforbindelsene giftige. Det kreves derfor forsiktighet ved ar­ beid med dem. Utgangsmateriale for bariumforbindel­ sene er mineralet tungspat, bariumsulfat BaSO4. Ved reaksjon med koks ved 800 °C dannes bariumsulfid BaS:

BaSO4 Bariumsulfat

Tungspat Kull

rn.

Zn S04

Ba(OH)2

h2o

BaS

Bariumhydroksid

02 + O. Derfor er ozon et sterkt oksidasjonsmiddel. Det benyttes som blekemiddel, til desinfisering og i medisinen.

100

Oksygenforbindelser Oksygenets forbindelser kal­ les oksider. Alle grunnstoffer unntatt fluor og edelgassene danner oksider med oksygen. De viktigste er nevnt i tabell 101/1.

Tabell 101/1: Oksider av grunnstoffer i 1., 2. og 3. periode Hovedgruppe

1. Periode

I

II

III

V

IV

VI

VII

H2O h2o2

VIII —

n2o NO N2O3 no2 n2o5

co Vann H2O er det viktigste — — BeO B2O3 2. Periode Li2O O2 co2 oksidet. Det er uunnværlig ved de fleste kjemiske og CI2O tekniske prosesser, og dan­ CIO2 P203 so2 ner grunnlaget for livsproses­ 3. Periode Na2O MgO ai2o3 si02 CI2O6 P205 so3 sene hos både planter, dyr CI2O7 I og mennesker. På grunn av at vannet er så viktig, ble dets kjemiske og fysiske egenskaper behandlet allerede i begynnelsen av boken (side 26). Vannets kjemiske-tekniske egenskaper skal behandles grundigere i kapittel 3.4 Vannets kjemi og teknologi (side 142). Hydrogenperoksid H2O2 er en nesten fargeløs, svakt blåaktig væske med kokepunkt 158 °C. H2O2molekylet har strukturformelen H-O-O-H. Hydrogenperoksid har en sterk tendens til å spaltes: 2 H2O2 -> 2 H2O + O2.

Oksygenet som dannes, er meget reaktivt. H2O2 er derfor et oksidasjonsmiddel. Når H2O2-molekylet spaltes, frigjøres store energimengder. Konsentrert H2O2 kan derfor eksplodere. I laboratorier og fabrikker bruker man derfor oftest ikke-eksplosive løsninger av fra 3 til 30 % hydrogenperoksid i vann. På grunn av den oksiderende effekten benyttes hydrogenperoksidløsning som blekemiddel, både i tekstilindustrien og av frisører. Konsentrert H2O2 brukes som rakettdrivstoff.

Oksidene av andre grunnstof)'er behandles sammen med vedkommende grunnstoff.

2.6.2 Svovel

Svovel

sprødt stoff uten lukt, lite reaktivt Forekomst. Svovel forekommer i naturen, både elementært og i kjemiske forbindelser. Elementært svovel finnes som svovelkrystaller innesluttet i bergarter, og løst i råolje. Det svovelet som er bundet, foreligger som sulfider og sulfater og som organiske forbindelser løst i råolje. De viktigste svovelholdige mineralene er sulfider. De kalles etter sitt utseende kis, glans eller blende, for eksempel jernkis (pyritt) FeS2, kobberkis (chalkopyritt) CuFeS2, blyglans (galenitt) PbS og sinkblende (sfaleritt) ZnS.

Utvinning. For utvinning fra svovelholdige bergarter benyttes to metoder: Er svovelinnholdet høyt, blir den svovelholdige bergarten brutt ut, finfordelt og varmet. Svovelet som går over i væskeform ved 119 °C, smeltes på denne måten ut. Langt vanligere er utvinning ved Frash-prosessen (figur 101/1). Med den kan svovel utvinnes fra forekomster som ligger mange hundre meter under jordoverflaten. Først borer man seg ned til forekomsten. I borehullet plasseres et dobbelt rør, og overhetet vanndamp (ca 200 °C) pumpes ned gjennom det ytre røret. Dampen smelter svovelet og presser det opp til jordoverflaten gjennom det indre røret.

Figur 101/1: Svovelutvinning etter Frash-prosessen

101

Utvinning av elementært svovel av svovelholdige forbindelser skjer ved rosting av kobberkis (CuFeS2, side 126) og ved avsvovling av råolje (side 193). I dag blir store mengder svovel produsert ved avsvovling av råolje. Egenskaper. Svovel er ved værelsestemperatur et sprot, gult stoff uten lukt. Den kjemiske reaktiviteten er svært svak: I luft brenner den med blå flamme forst etter å være antent ved temperatur over 250 C. Dermed dannes svoveldioksid: S + O2 ------ ► SO2 Svovel er uløselig i vann, men løses lett i karbondisulfid CS2. Svovel er et grunstoff som kan opptre flere, svært forskjellige former, hver med sine spesielle egenskaper (tabell 102/1). Det skyldes at svovelatomene danner grupper av forskjellig størrelse og form.

Tabell 102/1: Svovelets former, egenskaper og indre struktur Temperatur

til 119 0C

Utseende

Egenskaper eller endringer ved oppvarming

Molekylenes atomstruktur

Beskrivelse av struktur og derav følgende egenskaper

spro, rombiske krystaller

ringformede molekyler av 8 svovelatomer tett pakket i krystaller

dobbeltpyramide

sprø, monokline krystaller

Molekylene går ved varmetilforsel over i mindre tett pakning

nåler

Ordningene i fast stoff oppløses

■

119 °C til 160°

tyntflytende

Ringmolekylene innbyrdes bevegelige

160 °C til 200 °C

seigtflytende

My

tiltagende

Ringmolekylene blir ved energitilførsel åpnet og sammenleires til lange

kjedemolekyler

200 °C til 250 °C

molekylkjedene danner nettverk

meget seigtflytende

250°C til 445 °C

kjedemolekylene blir bevegelige og begynner å deles opp

avtagende seigtflytende

plastisk svovel

kjedemolekylene i seigt­ flytende svovel holder seg ved rask avkjøling og gir stoffet gummielastiske egenskaper

med gummielastisitet oppstår ved rask avkjøling fra høy temperatur av smeiten (f. eks. i vannbad)

over 445 °C

gassformig svovel

molekylkjedene blir med stigende temperatur stadig kortere. Over 1800 CC fore­ ligger det svovelatomer.

til 500 °C gult 500 °C til 600 °C rodt over 600 °C gult

iP Anvendelse. Elementært svovel brukes i store mengder i gummiindustrien som herdemiddel for naturlig og syntetisk kautsjuk. Denne prosessen kalles vulkanisering. Svovel er dessuten utgangsmateriale for fremstilling av pesticider og fargestoffer og for svovelsyreproduksjon.

102

Svovelforbindelser Svovelforbindelsene er blant de viktig­ ste stoffene i den kjemiske industri. Det finnes mange svovelforbindelser. Her er det bare plass til å behandle de viktig­ ste.

h2s hydrogensulfid

H2SO4 svovelsyre

su lfider f. eks. FeS, PbS

sulfater f. eks. CaSO4

Hydrogensulfid H2S er en fargeløs, meget giftig gass med ubehagelig lukt. Den har begrenset løselighet i vann: ved 20 °C 2,6 I H2S i 1 I vann. Den vandige løsningen er en svak syre: H2S + 2 H2O 2 H3O+ + S2. Den heter hydrogensulfidsyre. Hydrogensulfid er spesielt viktig i analytisk kjemi. Sulfidene er salter av hydrogensulfidsyre. Disse er også viktige i analytisk kjemi. Også mange malmer er sulfider, for eksempel jemsulfid FeS2 (pyritt) og blysulfid PbS (galenitt).

Svoveldioksid SO2 er en fargeløs, ikke brennbar, giftig gass med stikkende lukt. Den er mellomprodukt ved svovelsyreproduksjonen og fremstilles i store mengder. Avhengig av hvilke råstoffer man har, skjer dette enten ved forbrenning av svovel S + O2 SO2, eller ved røsting av sulfidmalm 4 FeS2 + 11 O2 —» 2 Fe2O3 + 8 SO2. SO2 er lett løselig i vann (1 I vann løser ved 20 °C 40 I SO2). Løsningen kalles svovelsyrling: SO2 + H2O H2SO3. Den reagerer svakt surt. Det aller meste SO2 brukes til produksjon av svovelsyre (side 114). Dessuten brukes SO2 til fremstilling av vaskemidler og til bleking og desinfisering (utrøyking). Svoveldioksid oppstår som uønsket produkt ved forbrenning av fossile brennstoffer som steinkull og råolje, siden disse stoffene inneholder noen få prosent svovel. Hvis svoveldioksidet følger med forbrenningsgassene ut i omgivelsene, kan det føre til helseproblemer (luftveislidelser) og skader på vegetasjonen (skogdød). Derfor er det påbud om en en grundig rensing av røykgass for SO2.

Svoveltrioksid SO3 er svovelsyrens anhydrid. Det fremstilles ved katalytisk oksidasjon av SO2 og er et mellomprodukt ved produksjon av svovelsyre: 2 SO2 + O2 - 2 SO3. Svovelsyre H2SO4 (konsentrert) er en fargeløs, vannklar, oljeaktig væske med kokepunkt 338 °C og densitet 1,84 g/cm3. Fortynnet svovelsyre holder omkring 10 %. Ved fortynning av konsentrert svovelsyre med vann frigjøres mye varme. For å hindre syresprut må fortynningen utføres ved at syren langsomt dryppes ned i vannet under omrøring.

Svovelsyre er en sterk syre: H2SO4 + 2 H2O -» 2 H3O+ + SO42’. av H2. Konsentrert svovelsyre er sterkt vanntiltrekkende tørkemiddel. Den vanntiltrekkende evnen er så sterk at syren papir eller tre, slik at de forkulles. Konsentrert svovelsyre er et oksiderbare stoffer tørkes med konsentrert svovelsyre.

Den løser uedle metaller under dannelse (hygroskopisk) og brukes derfor som trekker vann ut av organiske stoffer som sterkt oksidasjonsmiddel. Derfor må ikke

Fremstillingen av svovelsyre i industriell målestokk skjer via mellomproduktet svoveltrioksid: SO3 + H2O H2SO4 (side 114). Hovedanvendelsen for svovelsyrene er fremstilling av kunstgjødsel (sulfater) og fremstilling av svovelholdige organiske stoffer. Betydelige mengder svovelsyre brukes også til fylling av akkumulatorer (side 134). Sulfatene er svovelsyrens salter. Sulfatene er viktige i industrien, for eksempel vannholdig kalsiumfosfat (gips) CaSO4 • H2O, bariumsulfat BaSO4 osv.

Repetisjonsspørsmål 1

Hvilke egenskaper har ozon?

5

Hvordan fremstilles SO2? Reaksjonsligning!

6 7

Hvordan fremstilles svovelsyre? Hvilke oksidasjonstall har svovel i sine forbin­ delser?

2

Hvilke oksider danner hydrogen?

3

Hvordan utvinnes svovel?

4

Hvordan forandrer svovel seg ved oppvarming?

103

2.7 Gruppe 17: halogenene Betegnelsen halogen kommer fra gresk og betyr "saltdanner". Det forteller at halogenene dan­ ner salter med metallene. Til halogenene hører grunnstoffene fluor F, klor Cl. brom Br, jod I og astat At (tabell 104/1).

Det radioaktive astat forekommer bare som sporstoff og blir derfor ikke videre omtalt her.

Tabell 104/1: Halogenenes fysikalske egenskaper Grunnstoff

Symbol

Utseende i normaltilstand

Smelte­ punkt i °C

Koke­ punkt i C

Densi­ tet

Fluor

F

svakt gulaktig gass

-223

-188

1,69 g/dm'

Klor

Cl

svakt gronngul gass

-102

- 34

3,22 g/dm3

Brom

Br

rødbrun væske

-

+ 59

3,14 g/crrr

Jod

1

gråsvart fast stoff

+185 (sublimerer)

4,94 g/cm

7

smelter ikke

. . . ... ... Halogenene er ikke-metaller. I normaltilstand er fluor og klor gasser, brom er flytende og jod er fast. Ikke-metallet brom er ved siden av metallet kvikksølv det eneste grunnstoff som foreligger som væske i normaltilstanden. Halogenenes fargeintensitet tiltar ovenfra og nedover i gruppen: Fluor er svakt gulaktig, klor svakt gulgrønn, brom rødbrun og jod glinsende gråsvart.

Halogenene er meget reaktive grunnstoffer og forekommer derfor ikke i elementær form i naturen, bare som forbindelser. Fluor er det mest reaktive av alle grunnstoffer. Også de andre halogenene, særlig klor, er reaktive, men reaktiviteten avtar mot jod. Som molekyler foreligger halogenene som F2, Cl2, Br2 og Eksempel: fluor

Halogenatomene har sju ytterelektroner, slik grup penummeret forteller. Ved å ta opp ett elektron får de samme oktett som edelgassen i samme perio­ de. Av atomene oppstår da enverdige ioner, halogenid-ioner. Når halogenatomene på denne måten opptar elektroner, blir de selv redusert. Reaksjonspartneren (elektrondonoren) blir oksidert. Halogenene virker altså som oksidasjonsmidler.

+ 1e

------ ►

fluoratom

fluorion

Forsok 104/1: Halogenene fordrives suksessivt fra halogenidene alogeniden yp

konsentrert saltsyre (HO)

f

klorgass

r:

Halogenatomene er oksidasjonsmidler Den oksiderende evnen avtar ovenfra og nedover i gruppen: Fluor er et sterkere oksidasjonsmiddel enn klor, som igjen er sterkere enn brom osv.

/ y' f II

, Br2

kalium- ( Dromid- o°

JX^KMn0< sg KMnO4 + 2 HCI ——Cls+...

bramdamp

Og fl


og blir ledet inn til fjerde katalysatorfylling i konverteren. Her skjer ytterligere oksida­ sjon, slik at til sammen ca. 99,8 % av den tilførte SO2 er blitt oksidert.

Omsetningen av SO3 til svovelsyre Den S03-holdige gassblandingen som kommer fra kon­ verteren, blir avkjølt til ca. 120 °C og ført inn i en absorber nedenfra (figur 115/2). Denne inneholder en fylling som overrisles av sirkulerende 98 % svovelsyre (vann er uegnet som løsningsmiddel, siden det løser SO3 for langsomt). SO3-gassen møter svovelsyren (motstrøm) og blir absorbert. Dermed reagerer den med vannet som er til stede, til svovelsyre: SO3 + H2SO4 + H2O----- ► 2 H2SO4 AH =

Når alt vann er forbrukt, absorberes likevel SO3. Den konsentrerte, SO3-holdige svovelsyren kalles oleum eller rykende svovelsyre.

Anlegg for svovelsyreproduksjon (på basis av elementært svovel) Anlegget for produksjon av svovelsyre på basis av elementært svovel består av anlegg for svovelforbrenning, konverter og absorbere (figur 115/3). Det meste av svovelsyren dannes i mellomabsorberen,

sluttabsorberen har til oppgave å fjerne resten av SO3. Hvis produksjonsanlegget arbeider på basis av SO2 fra sulfidmalm, er det satt inn et anlegg for rensing av røstegassen før reaktoren, siden forurensninger vil forgifte katalysatoren.

Figur 115/3: Flytskjema for et produksjonsanlegg for svovelsyre (forenklet)

115

3.1.3 Ammoniakksyntesen Ammoniakk er utgangsstoff for produksjon av mange nitrogenholdige produkter, spesielt nitrogenholdig kunstgjødsel (side 158). Ammoniakkproduksjonen løper opp i 50 mill, tonn per år.

Syntese av ammoniakk NH3 skjer ut fra grunnstoffene nitrogen og hydrogen etter Haber-Boschprose*.ssen Den består av flere produksjonstrinn: 1 2

Fremstilling av utgangsblandingen Ammoniakksyntesen

3

Utskilling av den dannede ammoniakk og tilbakeføring av resten av gassblandingen

Fremstilling av utgangsblandingen Utgangsmaterialer for ammoniakksyntesen er i dag naturgass, som hovedsakelig består av metan CH4, og vann H2O og luft (21 % O2 og 78 % N2). Tidligere brukte man kull eller råolje. I det første produksjonstrinnet blir den avsvovlede gassen blandet med vanndamp, komprimert til 3500 kPa (35 bar) og ledet gjennom en ovn ved 900 °C i rør fylt med en nikkelkatalysator (dampreformer) (figur 116/1). Dermed reagerer stoffene til spaltgass: CH4

H2O

+

-CO

+

3H2

900 °C

Reaksjonenen kalles primærreforming. Den forløper ikke fullstendig. I spaltgassen finnes det sammen med den dannede CO og H2 også omkring 7 % metan og vanndamp.

■Q brenngass

Figur 116/1: Primærreforming

I det neste produksjonstrinnet, sekundærreformingen, blir spaltgassen tilsatt luft, slik at metanresten forbrenner i sekundærreformeren (figur 117/2): 2 CH4

+

O2+

4 N2

Luft

, ■ - 2 CO Kj

+ 4 H2 + 4 M2 AH=—71,5kJ

Den CH4-frie spaltgassen blir så ledet inn i en CO-konverter, der gassbestanddelene CO og H2O reagerer med hverandre i en katalysatorfylling:

CO

+

H2O

-^--Z-n — CO2

+

H2

AH=—40,9kJ

250 °C

Spaltgassen inneholder nå H2, N2 og CO2. CO2 fjernes i et vaskeanlegg, slik at det blir igjen en blanding av 3 deler H2 og 1 del N2.

Ammoniakksyntesen Syntesegassen av 3 deler hydrogen og 1 del nitrogen kompri­ meres i en flertrinns turbokompressor til ca. 300 bar, og reagerer i en høytrykksreaktor med jernkatalysator ved 400-500 °C til ammoniakk: 3 H2 + N2 Fe------ — 2 NH3 450 °C, 300 bar

Reaksjonen er eksoterm. Reaksjonsvarmen benyttes til forvarming av syntesegassene. Derfor ledes syntesegassene først inn i reaktoren gjennom kapperommet og sentralrøret (figur 116/2), der de varmes opptil riktig temperatur. Deretter strømmer de gjennom en rekke katalysatorfyllinger, der reaksjonen til NH3 foregår. * Fritz Haber (1868-1934), Carl Bosch (1874-1940), tyske kjemikere

116

Figur 116/2: Ammoniakkreaktor

Ammoniakksyntesen er en kjemisk likevektsreaksjon. Hvor høyt utbytte den kan gi, er avhengig av tempera­ tur og trykk (figur 117/1).

Siden reaksjonen 3 H2+ N2 - 2 NH3 er eksoterm, og NH3-dannelsen fører til volumreduksjon, vil reaksjonslikevekten ifølge Le Chateliers prinsipp (side 70) forskyves i ønsket retning når man arbeider ved lav temperatur og høyt trykk.

Det har vist seg at det av tekniske grunner er gunstigst å la reaksjonen foregå ved ca. 300 bar og 400-500 °C. Selv om det teoretiske utbyttet ligger mellom 25 % og 48 %, er det praktiske utbyttet ved én passering ca. 17 %.

Figur 117/1: Kurver for maksimalt utbytte ved NH3-syntese

Ammoniakkutskillingen. I en kjøler som er koblet inn etter reaktoren, blir gassblandingen avkjølt. Dermed skilles ammoniakken som er dannet, ut som væske (figur 117/2) som tappes ut. Resten av blandingen av H2 og N2 som ikke er omsatt, mates inn i reaktoren på ny.

Anlegg for ammoniakkproduksjon I produksjonsanlegget blir de forskjellige trinnene i prosessen gjennomført etter hverandre (figur 117/2).

Figur 117/2: Produksjonsanlegg for ammoniakk (skjematisk)

Siden store produksjonsanlegg er mest økonomiske, produserer hvert anlegg store mengder NH3. Anlegg med en dagsproduksjon på 1500 tonn ammoniakk er vanlige. De store mengdene stoff og energi som inngår, og de høye trykk og temperaturer som hersker, betinger kjempestore apparater og maskiner. Ammoniakkreaktoren for eksempel, har en diameter på omkring 3 m og er ca. 35 m lang (figur 117/3). Og det at noen av reaksjonene er endoterme, andre ekso­ terme, krever i tillegg mange varmevekslere mellom de forskjellige reaktorene. På den måten kan det enorme energibehovet til primærreforming og kompresjon delvis dekkes av den gjenvunne prosessvarmen.

117

3.1.4 Sodaproduksjon Natriumkarbonat Na2CO3, som også kalles soda, er et viktig grunnkjemikalium i den kjemiske industri. Det fremstilles industrielt ved Solvay-prosessen * (figur 118/1). Utgangsmaterialene er en mettet koksaltløsning(Na+, Cl), og kalkstein CaCO3, pluss koksti\ oppvarming. Dessuten sirkulerer ammoniakk NH3 i systemet, noe av den forsvinner, og dette tapet må erstattes.

NaCI-løsningen mettes først med ammoniakk i en absorber, og blir så matet inn ovenfra i en CO2absorber, der CO2 blir ledet inn nedenfra. Dermed dannes natriumhydrogenkarbonat NaHCO3, som på grunn av sin høye konsentrasjon felles ut: Na+

+

CF

+

NH3

+

CO2

+

H2O ----------- ► NaHCO3|

+

NH4+

+

CP

Deretter skilles det dannede natriumhydrogenkarbonat ut i et roterende filter. NaHCO3 tørkes så i en tørketrommel, og ved oppvarming omdannet til soda: 2 NaHCO3

■ 180 °C».

Na2CO3

+

H2O

+

CO2T

Ammoniumkloridløsningen fra det roterende filteret ledes til en kolonne der den blandes med kalkmelk (Ca2+ + 2 OH-) og varmes opp, slik at ammoniakken drives av:

2 NH4+

+

2 CP

+

Ca24

+

2 OH

---------- —

2 NH3!

+

2 H2O

+

Ca2+

+

2 CP

Den blir så ledet til NH3-absorberen, der den går inn i kretsløpet igjen. Den CO2 som trengs til felling av natriumhydrogenkarbonatet, får man ved å brenne kalk i en sjaktovn. CaCO3 •*' CaO + CO2 Dermed fås også brent kalk, som brukes til kalkmelk for gjenvinning av NH3: CaO + H2O ---------- Ca2+ + 2 OH

Repetisjonsspørsmål 1

Skriv reaksjonsligningen for alkalikloridelektrolyse.

4

Hvordan fremstilles N2 og H2 til ammoniakksyntesen?

2

Hvilke prosesser benyttes for aIkaIikloridelektrolyse? Hvordan fremstilles svovelsyre?

5

Hvorfor gjennomføres ammoniakksyntesen ved 300 bar og 450 C?

6

Hvordan virker Solvay-prosessen?

3

* Ernest Solvay, belgisk kjemiker og industrimann (1838-1922)

118

3.2 Metallenes kjemi og teknologi Fremstilling, foredling og bearbeiding av metallene, spesielt jern- og stålproduksjon, er i dag fremdeles forutsetningen for industrien i de høyt industrialiserte land. Tross den sterke økningen i produksjonen av kunststoffer, er det fremdeles metallene som er de viktigste konstruksjonsmaterialer.

3.2.1 Oversikt og innledning Oversikt. Av de 88 naturlige grunn stoffene på Jorden er 67 metaller. Av disse er det omkring 20 som er av betydning som materialer. De finnes i det midtre området av per­ iodesystemet (figur 119/1).

H 1

He

Lettmetaller

Tegnforklaring:

Li

Be

3

4

2

Edelmetaller Høytsmeltende metall er

B

c

N

0

F

5

6

7

8

9

10

Si

P

s

Cl

Ar

14

15

16

17

18

Zn Ga Ge As Se

Br

Kr

34

35

36

I

Xe

53

54

Flytende metall

Ne

Legeringsmetaller

Na

Mg

Al

11

12

13

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr Mn

Fe

Co

Ni

Cu

19

20

21

22

23

24

26

27

28

29

25

30

32

31

33

De viktigste metalliske materialene Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Rb Sr 43 44 48 49 52 39 41 45 46 47 50 51 37 38 40 42 er jern Fe, magnesium Mg, alumini­ LanTi um Al, titan Ti, vanadium V, krom Pb Bi Po Cs Ba tan- Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 83 84 74 77 80 81 82 56 75 76 78 79 55 73 oider 72 Cr, mangan Mn, kobolt Co, nikkel Ni, kobber Cu, sink Zn, kadmium Figur 119/2: Teknisk inndeling av metallene Cd, niob Nb, molybden Mo, tantal Ta, wolfram W, bly Pb, sølv Ag, gull Au, platina Pt og kvikksølv Hg.

At Rn 85

86

Egenskaper. Felles for alle metallene er den spesielle metallbindingen (side 57) og den krystallinske strukturen (figur 77/2). Dette er årsak til en rekke av de fysiske egenskaper som metallene har felles: • metallglansen • den gode elektriske ledningsevne (fritt bevegelige elektroner mellom metallionene) • den høye fastheten (store tiltrekningskrefter mellom de negative elektronene og de positive metallionene) • den gode formbarheten (de enkelte krystallgitterplanene kan forskyves innbyrdes)

Teknisk inndeling. Fra teknologisk synspunkt deler man metallene inn i grupper (figur 119/1). Jern er det teknisk viktigste metall. Derfor har man delt metallene inn i jernmaterialer og ikke-jernmaterialer. Jernmaterialene skilles videre i støpe­ jern og stål. De har forskjellig karboninnhold, som er lavere enn 2,2 % i stål, og høyere enn 2,2 i støpejern. Ikke-jernmetallene skilles i tungmetaller og lettmetaller. Som grense mellom tung- og lettmetaller har man satt densiteten 5 g/cm3. Kobber, sink og bly er for eksempel tungmetaller, mens aluminium, magnesium og titan er lettmetal­ ler.

Metaller V________

1 t____

Støpejern

1. t

c o.

f.eks. f.eks. grått støpejern, bygningsstål, aduserjern verktøystål

______ 1_______

Ikke-jernmaterialer

Jernmaterialer

__

I

,___ i___ , I I _i___ _____ i____

Tungmetaller

Lettmetaller

f.eks. bly, kobber

f.eks. aluminium, magnesium

Figur 119/1: De teknisk viktige metallene

3.2.2 Metallutvinning Bortsett fra edelmetallene forekommer ikke metallene naturlig som grunnstoffer, men bundet i kjemiske forbindelser. Oftest dreier det seg om forbindelse mellom metall og oksygen, altså oksider, eller med svovel, sulfider. Slike råstoffer for metallutvinning kalles malm. Ved metallutvinningen fjerner man henholdsvis oksygen fra oksidet eller svovel fra sulfidet. Denne kjemiske reaksjonen kalles reduksjon (side 25). 119

3.2.3 Stålmaterialer Råjernproduksjon i hoyovn Utgangsmaterialer for råjernproduksjon er jern­ malm, som blandet med gangstein utvinnes i jerngruver. Det meste av gangsteinen fjernes ved sortering på utvinningsstedet. Den malm som forekommer i Tyskland, har lavt jerninnhold. Derfor brukes der mest malm fra Sverige, Brasil og Vest-Afrika. De viktigste jernmalmer er mag­ netitt (magnetjernstein), hematitt (jernglans) og ;

Jernmalmer:

Magnetitt Hematitt Sideritt

Bestanddel og konsentrasjon

Fe3O4 60 % til 70 % jerninnhold Fe2O3 40 % til 60 % jerninnhold FeCO3 30 % til 40 % jerninnhold

teritt (jernspat).

I Tyskland produseres råjern hovedsakelig i høyovner(figur 120/1). Et slikt anlegg består av selve høy-

Kjemiske reaksjoner

Jernmalmen beveger seg ned, T. I reduksjonssonen og blir redusert:

c

I f

Fe2O3 + 3 C

Fe

Fe3O4 + 4 C

r

—►

2 Fe+3 COt

—

3 Fe+4 COt (Fe

Fe2O3 - 3 CO —

'

2 Fe+3 COj

Fe3O4 + 4CO — 3 Fe+4 COj

i co |co2|

Varmluften som blåses mn nedenfra, reagerer med karbon:

2 C + O2 I O2 i C + O2 CO2+ C —

2 COi ■ CO2T 2 COt

Figur 120/1: Høyovnanlegg for råjernproduksjon. Stoffstrøm og kjemiske reaksjoner

ovnen pluss anlegg for forvarming av luft (blest) og anlegg for malmopppredning og dosering av tilslag. Høyovnen mates lagvis ovenfra gjennom giktåpningen med erts, kalk og koks. Kalken nedsetter smeltepunktet for gangsteinen, slik at det kan dannes flytende slagg. Koksen fungerer både som

reduksjonsmiddel og som energikilde. I den nedre delen av høyovnen blåses varm luft inn, slik at en del av koksen forbrenner til karbondioksid og karbonmonoksid, som passerer oppover gjennom ovnen og virker som reduksjonsmiddel. Materialet beveger seg nedover i stadig varmere deler av ovnen. Dermed blir jernmalmen Fe2O3 redusert til metallisk jern Fe av de varme gassene og koksen (reduksjonssone: 600 til 1100 °C). Jernet danner fast, porøs jernsvamp som smelter når den kommer ned i ovnens smeltesone, som holder ca. 1600 °C. Det drypper så ned i den lukkede ovnsbunnen der den danner en råjernsmelte. Gangsteinen og kalken passerer også nedover gjennom ovnen der den smelter, drypper ned og legger seg som slagg over råjernsmelten. Slagg og råjern tappes med korte mellomrom ut. Det flytende råjern støpes enten til barrer som brukes i jernstøperier, eller tappes i beholdere for transport til stålverk, der det bearbeides videre fra råjern til stål.

120

Råjernproduksjon ved direkte reduksjon Ved prosessen for direkte reduksjon reduseres jernmalmen i fast tilstand uten å smelte. Utgangs­ materiale er pelletser - porøse, valnøttstore klumper av finmalt og anriket malm. De mates inn øverst i en sjaktovn og synker langsomt ned gjennom ovnen (figur 121/1). Nedenfra strømmer en reduksjonsgass av CO og H2 gjennom fyllin­ gen og reduserer jernmalmen til jern ved 700 til 1050 °C. Jernpartiklene som dannes i pelletene bakes sammen til porøse, svampaktige klumper som kalles jernsvamp. Jernsvamp består av ca. 85 % jern, resten er gangstein. Jernsvampen blir i en etterfølgende behandling smeltet i elektroovner og så forvandlet til stål. Prosessen er fordelaktig der hvor reduksjonsgass kan produse­ res av rimelig naturgass (CH4) eller råolje etter formelen: ch4 + H2O 9ooM CO 1 + 3 Hj

Høyovn for direktereduksjon Kjemiske reaksjoner Fe2O3 + 3 CO —* 2 Fe + 3 COj Fe2O3 + 3H2 —•2 Fe + 3 H2O t Elektrobueovn

pellets

avgasser

Fe,0-

reduk­ sjons-^ sone reduksjons-gass, CO, H2 avkjo-lingssone jern- svamp

karbonjjj^elektrode

slagg

bue

Figur 121/1: Direktereduksjonsprosess

LD-prosessen Råjern består av 90 % jern, 3 % karbon og noen få prosent mangan, silisium, fosfor og svovel (figur 121/1). Følgestoffene C, P og S gjør råjernet hardt, sprøtt og ikke smibart.

Stålfremstillingen består i å redusere konsentrasjonen av følgestoffene i råjernet. Dette skjer ved forbrenning, altså oksidasjon av følgestoffene. Materialet man får på den måten, stål, har høy Råjernets sammensetning Innhol d av følgest offer Råjern fasthet, er seigt, smibart og kan herdes ved 90-95% Fosfor Svovel Silisium Mangan Karbon jern, varmebehandling. resten: følgestoffer

Den tekniske utførelsen av denne forbrenningen skjer i dagens Tyskland for det meste ved LDprosessen (figur 121/2). Det flytende råjernet blir sammen med skrapjern og tilslag (for slaggdannelse) fylt i en konverter. Gjennom et vannkjølt rør blåses oksygen inn i smelta. Oksygenet reagerer heftig med følgestoffene i smelta. De gassformige oksidene (CO2, SO2) som dannes, og den frigjorte forbrenningsvarmen får smelta til å koke. De faste oksidene (P2O5, MnO2, SiO2) blir tatt opp av slagget.

Denne blåseprosessen varer i ca. 20 minutter. Deretter blir eventuelt legeringsmetaller tilsatt, hvoretter det ferdige stålet helles i støpeformer.

Fvllinq: råjern

2%

1%

0,05%

Kjemiske reaksjoner

oksyc)er!

Forbrenning av følgestoffene:

skrapjern tilslag legeringsstoffer

C avtap-

konverter —

+O:

CO-

Si +O;

SiO-

Mn + 0;

MnO2

4 P + 5O-

2 P?Oc

S

+O2

SO? *

slagg _

tør.

samt små mengder jern:

4 Fe + 3 O-, —

2 F,O-

smelte _

Produkt: stål

Stålets sammensetning

Innhold av følgestoffer Stål f.eks. St. 37-3

I forbindelse med dette gjennomgår stålet i tillegg en rekke teknologiske bearbeidingsprosesser: foredling, utstøping, valsing, osv. (figur 122/1). Stålverkets sluttprodukter er halvfabrikata: formstål, rør, plater, stenger, tråd, profiler.

0,4%

3,5%

Karbon 0.2%

Silisium

Mangan

0,4%

0,6%

Fosfor 0,05%

Svovel 0,05%

Figur 121/2: Stålfremstilling ved LD-prosessen

121

æ

Figur 122/1: Veien fra jernmalm til bruksferdig stål

122

De viktigste jern/stålmaterialer Materialer av jern og stål er de viktigste konstruksjonsmaterialer for maskiner, apparater og verktøy. Dette skyldes disse materialenes høye fasthet og lave pris. Jern/stål er et sølvblankt metall som raskt overtrekkes av et brunt rustlag av Fe2- xH2O. Det er bare høylegert stål som ikke ruster. Rent jern har densitet 7,86 g/cm3 og smeltepunkt 1536 °C.

For å dekke alle de forskjellige bruksområder og krav som stilles, er det utviklet et stort antall forskjellige jern/stålmaterialer. De kan deles inn i tre grupper etter bruk: støpejern, konstruksjonsstål og verktøystål. I hver gruppe finnes det legerte og ulegerte materialer. Alle jern/stålmaterialer inneholder karbon, som ikke regnes som legeringsstoff (tabell 123/1). Det er karbonet som har størst betydning for materialegenskapene. I stål foreligger karbonet kjemisk bundet som jernkarbid Fe3C, som er meget hardt. Støpejern inneholder karbonet delvis i form av orafitt, en myk modifikasjon av karbon.

Tabell 123/1: Karboninnhold i ulegert jern og stål _______ ___ _________________ —I Konstruksjonsstål Verktøystål

0,2!____

0,6

0.5I ________ 11,6

2,oL________ 3,7

Støpejern/stål, |

_______ 1______ 2 _______ 3

%C

4

Støpejern/stål

Støpejern har gode støpeegenskaper og brukes derfor til gjenstander med komplisert form, som Kulegrafitt­ Tempergods Grått støpejern lettest kan fremstilles ved støping. De vanligste støpejern typene støpejern er grått støpejern, kulegrafitthard-sprøtt hard-seigt hard-seigt støpejern og tempergods. De skilles etter formen på grafittutskillingene, som påvirker materialets egenskaper. Grått støpejern inneholder bladformet grafitt og er hard-sprøtt, kulegrafittstøpejern inneholder kuleformet grafitt og er seig-hardt, og tempergods inneholder karbonet i form av små knuter, flokkulat, og likeledes er seig-hardt. Konstruksjonsstål brukes til fremstilling av maskindeler, apparater, verktøy og i bygninger. Det finnes mange sorter konstruksjonsstål for ulike formål, hver med forskjellige egenskaper. Vanlige konstrukssjonsstål er ulegerte. De er vanlige materialer for generelle formål. Temperstål, settherdet stål, nitrerstål og fjærstål er lavt legert. Disse ståltypene blir varmebehandlet (herdet), noe som øker hardhet og fasthet sterkt. Rustfritt og syrefast stål er høyt legert. Som legeringsstoffer brukes krom og nikkel, samt molybden, mangan og wolfram. Slike ståltyper brukes særlig i kjemiske anlegg og til ekstremt belastede konstruksjonsdeler. Verktøystål brukes til fremstilling av verktøy av alle slag. De inneholder 0,5 til 1,6 % karbon og blir ved herding meget harde og faste. Ved legering kan hardhet og fasthet, og spesielt temperaturområdet stålet kan brukes i, forbedres. Ulegert verktøystål brukes opp til 290 °C, varmbearbeidingsstål til 400 °C og hurtigstål til 650 °C. Legeringsstoffer er wolfram, krom, molybden, kobolt og vanadium.

123

3.2.4 Aluminium og aluminiumlegeringer Råstoff for aluminiumsproduksjonen er bauxitt, en malm med ca. 60 % aluminiumoksid AI2O3 samt jernoksid Fe2O3 og silisiumdioksid SiO2. Aluminiumsproduksjonen skjer i to trinn:

1 Fremstilling av rent AI2O3 av bauxitt ved bayerprosessen (figur 124/1)

Grovmalt bauxitt blir først blandet med 50 % natronlut og finmalt. Bauxittsuspensjonen blir så pumpet over i en autoklav og behandlet ved 250 °C og 30 bar. Under disse betingelsene løser aluminiumoksidet seg i natronluten til aluminat: AI2O3 + 2 Na+ + 2 OH~ + 3 H2O 250 c, 30 bar 2 Na++ 2 [Al (OH)4]“ Jernoksidet og silisiumdioksidet i suspensjonen løses ikke opp. Det fjernes senere som rødslam i en filterpresse. Ved tilsetning av krystallisasjonskjerner av AI(OH)3 til den nå klare, overmettede aluminatløsningen, felles aluminiumhydroksid AI(OH)3 ut: Na+ + [Al (OH)4]~ ------- ►AI2(OH)3| + NA+ + OK

AI(OH)3-krystallene fjernes fra suspensjonen i et trommelfilter. Deretter blir aluminiumhydroksidet glødet (kalsinert) til aluminiumoksid i en kalsineringsovn: 2AI(OH)3 1100 AI2O3 + 3 H2O Det rene, vannfrie aluminiumoksidet som er resultatet, er et finkornet, hvitt pulver.

Na’,0H' > trommelfilter

autoklav

kalsinerovn

ai2(oh)3krystaller

,

------TmrrrrrTrnr) -x

Na‘,[Al(0H)JFe2O3,SiO2

filter­ presse

krystalliseringskar

[Al(0H),]r

Na'

Rødslagg Fe2O3, SiO2

—,Alg(OH)?- « * I krystallisasjonskjerner ,AI2(0H)3- krystaller

Ttt i natronlut

Figur 124/1: Produksjon av aluminiumoksid ved bayerprosessen

2 Reduksjon av aluminiumoksid til aluminium ved smelteflusselektrolyse (figur 124/2)

Reduksjonen til metallisk aluminium skjer ved elektrolyse av en AI2O3-smelte. Reduksjonsmiddel er katoden (se forklaring side 58).

Elektrolysen gjennomføres i en spe­ siell elektrolysecelle (figur 124/2). Kullforingen gjør tjeneste som kato­ de (minuspol). Ned i smelta henger kullelektroder som danner anoden (plusspol). Det anlegges en likespenning på omkring 5 volt, strøm­ styrken er på omkring hundre tusen ampere.

På grunn av den store strømtett­ heten dannes det en lysbue ved kullanoden, som leverer varmen til smeItebadet. Smelta består av 20 % AI2O3 løst i 80 % kryolitt (AIF6). Den inneholder ionene Al3+, O2', Na+ og F. 124

CO2,CO, fluorider, finstøv

avgasshette

© anode

avgasser

kontinuerlig kullelektrode (anode) råstoff Na3[AlF6]

Al

Al-avsuging ■

G

AUG,

smelte av 20 % AI2O3 og 80 % (AIFe) (temperatur 950 °C)

O"

elektrolysecelle katode T^777777777777777^7Z^777777777777^777777777777777777777777777777,

Figur 124/2: Smelteflusselektrolyse av AI2O3

Smeltepunktsdepresjonen som skyldes kryolitten, gjør det mulig å gjennomføre smelteflusselektrolysen ved ca. 950 °C. u . , t , ■ t , . , ■ I smeltebadet skjer følgende reaksjoner (forenklet):

ved katoden: 2Al3+

I

ved anoden:

3O2~

+

6e

-

6e~ ------- ► 3/2 O2

------- ► 2 Al

Aluminiumet som dannes, forblir på grunn av sin høyere densitet i bunnen av cellen, og blir med jevne mellomrom suget ut. Oksygenet som dannes ved karbonanoden, reagerer ved den høye temperaturen med elektrodekullet og danner gassene CO og CO2. Den stadige avbrenningen av elektrodene kompenseres ved at de langsomt mates frem.

På grunn av lysbuen og de heftige reaksjonene ved kullelektrodene rives fluorholdig finstøv med og følger avgassene. Siden disse stoffene er sunnhetsskadelige, må avgassene renses. Det elektrolyttisk fremstilte råaluminium blir renset ved omsmelting og støpt i barrer og stenger. Det meste blir deretter valset til halvfabrikata.

Egenskaper og anvendelse Aluminium er et sølvglinsende metall som etter hvert få matt overflate. Overflaten er dekket av et tynt og gjenn­ omsiktig oksidsjikt. Sjiktet er imidlertid tett og sitter godt fast, slik at det beskytter det underliggende metall mot korrosjon. Smeltepunktet er 658 °C, densiteten 2,7 g/cm3. Dermed vil en gjenstand av aluminium veie bare

Aluminium Densitet: 2,7 g/cm3 Smeltepunkt: 658 °C Strekkfasthet: støpt: 85-115 N/mm2 hardvalset: 125-190 N/mm2

tredjedelen av en like stor gjenstand av stål. Derfor brukes aluminium særlig til lette konstruksjoner. Alu­ minium har god elektrisk ledningsevne og er en god varmeleder. Det er godt formbart ved valsing, trekk­ ing, pressing og stansing, og kan støpes og sveises. Ulegert aluminium bearbeides til beholdere, tråd og strømskinner, takbelegg og fasadeplater, samt folier, reflektorer, rør og beholdere for næringsmidler.

Aluminiumslegeringer Ved legering kan fremfor alt aluminiumets mekaniske egenskaper forbedres vesentlig. Ofte er det tilstrekkelig med tilsetning av noen få prosent legeringsmateriale. Noen av Al-legeringene er herdbare, andre er støpbare.

AlCuMg-knalegeringer (herdbare) Al-legeringene i gruppen AlCuMg (for eksempel AICuMg2) oppnår i herdet tilstand størst fasthet (opptil 430 N/mm2). Derfor benyttes de ved store belastninger, som i fly- og bildeler. Korrosjonsbestandigheten er imidlertid dårlig.

AlMg-kna- og støpelegeringer (ikke herdbare) Al-legeringene i gruppen AlMg (for eksempel G-AISi3) har tilstrekkelig fasthet og spesielt god korrosjonsbestandighet overfor sjøvann og industriatmosfære. Dessuten kan de poleres. Derfor brukes de i båter og skip, til vinduer og dører, samt til deler innen optikk og finmekanikk.

G-AISi-støpelegeringer (ikke herdbare) Legeringene i gruppen G-AISi (for eksempel G-AISi 12) har meget gode støpeegenskaper, er korrosjons­ bestandige og egner seg for sponskjærende bearbeiding. De egner seg til fremstilling av kompliserte og gjerne tynnveggede støpedeler som for eksempel motorblokker, pumpehus, girkasser og apparatkabinetter.

Herding av Al-legeringer Ved herding kan fastheten til de herdbare Al-legeringene økes til omtrent det dobbelte, for eksempel fra 200 til 400 N/mm2. Al-legeringer som inneholder legeringsstoffene kobber, sink eller magnesium og silisium kan herdes. Herdingen foregår i tre trinn: løsningsgløding, bråkjøling og utlagring. Herdede Al-legeringer må ikke utsettes for høye temperaturer, da reduseres fastheten. Derfor kan de ikke loddes eller sveises.

125

3.2.5 Kobber og kobberlegeringer Kobberproduksjon (figur 126/1) Den viktigste kobbermalmen er kobberkis (chalko pyritt) CuFeS2. Den inneholder 3 til 8 % kobber, resten er gangstein. Råmalmen finmales på funnstedet og befris for det meste av gangsteinen.

malm (kobberkis)

Den anrikede malmen passerer så en etasjeovn der en del av svovelet drives av. Den røstede malmen består av Cu2S, FeS og Fe203. Den mates inn ovenfra i en høyovn sammen med koks og kvartssand (SiO2). På grunn av at en del av koksen forbrenner i ovnens nedre del, stiger temperaturen til 1500 °C, slik at innholdet i ovnen smelter. Det dannes flytende silikatslagg: Fe2O3 + C + SiO2 ----- Fe2SiO4 + CO? Cu2S og FeS smelter samtidig og danner såkalt kobberstein. Den tappes over i en konverter (900 °C), kvartssand tilsettes og smelta gjennomblåses nedenfra med trykkluft. Da reagerer jernsulfidet og danner silikatslagg pluss svoveldioksid:

2 FeS + 3 O2 + SiO2 —► Fe2SiO4 + 2 SO2T Kobbersulfidet blir delvis oksidert:

2 Cu2S + 3 O2 ----- ► 2 Cu2O + 2 SO2T

og reagerer med kobbersulfid som fremdeles er til stede, til metallisk kobber:

konverter

900 °C

2 Cu2O + Cu2S ------- ► 6 Cu + SO2t

Råkobberet som er dannet, er ikke teknisk bruk­ bart, og blir derfor behandlet i en flammeovn. Der blir kobberet renset for uønskede bestanddeler av en oksiderende flamme som er rettet mot smelta. Kobberet får en renhet på 99 %, tidligere kalt garkobber, og støpes i plater. (99 % Cu)

De fleste tekniske formål, og spesielt elektrotek­ nikken, trenger et spesielt rent kobber. Det frem­ stilles ved elektrolyse, der plater av garkobber henges i et svovelsurt kobbersulfatbad og kobles som anoder. Når det legges på en likespenning, går kobberet i løsning: Cu ----- ► Cu2+ + 2 e"

Som katode brukes tynne plater av elektrolyttkobber. På disse blir det utskilt høyrent elektrolyttkobber: Cu2+ + 2 e" ----- ► Cu Garkobberets forurensninger blir avsatt som elektrodeslam. Dette inneholder grunnstoffene sølv, gull og platina, som ved spesielle teknikker kan utvinnes.

126

platestøpeanlegg

kobberplater

O katode

. garkobber

elektrolyttkobber kobbersulfatbad

Figur 126/1: Kobberproduksjon

Egenskaper og anvendelse På frisk overflate har kobber metallblank, rød farge. Etter hvert dannes det et tynt men tett oksidsjikt av CuO, som gjør at metallet ser rødbrunt ut. I løpet av år oppstår, på grunn av luftens innhold av vanndamp og karbondioksid, grønt kobberhydroksidkarbonat Cu2(OH)2CO3, som er det vi kaller irr. Det beskytter metallet mot videre korrosjon og er det som gir kobbertakene deres karakteristisk, dekorative utseende. Kobber er et halvedelt metall, men er ikke bestandig overfor syrer. Det har densitet 8,93 g/cm3, smeltepunktet er 1083 °C. Kobber har meget god elektrisk ledningsevne og god varmeledningsevne. Bruken av kobber som materiale beror på disse spesielle egenskapene. Etter gløding er kobber mykt, seigt, meget strekkbart og har god formbarhet. Ved kaldtrekking kan kobber gjøres hardt og fast, men da avtar strekkbarheten.

Kobberlegeringer Kobber-sinklegeringer (messing) Ved å legere kobber med sink (Zn) får man et materiale med vesentlig bedre mekaniske egenskaper. Dessuten har kobber-sinklegeringer en dekorativ, gullgul overflate og like god korrosjonsbestandighet som kobber. Spesielt de mekaniske egenskapene kan varieres innen vide grenser ved en forandring av sinkinnholdet. Med økende sinkinnhold tiltar fastheten (figur 127/1). Også strekkbarheten (bruddforlengelse) øker inntil 30 % sinkinnhold, men avtar deretter. Legeringer med sinkinnhold opp til 44 % er teknisk anvendelige. Derover blir legeringen sprø.

Kobber Densitet: 8,93 g/cm3 Smeltepunkt: 1083 °C Strekkfasthet: mykglødet: 200-360 N/mm2 kaldtrukket: opptil 600 N/mm2

Spesielle egenskaper

—Anvendelse

Meget god elektrisk ledningsevne

kabler ——strømskinner kontakter

god varmeledningsevne

__ __ varmevekslere varmerør

dekorativt utseende, korrosjons­ bestandighet

kledning __ __ beholdere rør, kunstgjenstander

Messing Sammensetning: basismetall kobber, inntil 44 % sink

Kobber-sinklegeringer som støpes, kalles støpelegeringer, de andre knalegeringer. Eksempler:

G-CuZn 35 CuZn 30

kobber-sinkstøpelegering med 35 % sink kobber-sinkknalegering med 30 % sink

Kobber-tinnlegeringer (tinnbronse). Kobber-tinnlegeringer inneholder i tillegg til basismetallet kobber 2 til 15 % tinn (Sn), og enkelte ganger små tilsetninger av andre legeringsstoffer. De har enda bedre korrosjonsbestandighet enn kobber-sink ­ legeringer, høy slitasjemotstand og gode glideegenskaper. Strekkfastheten kan komme opp i 750 N/mm2. Eksempel:

CuSn 6 kobber-tinnknalegering med 6 % tinn

Figur 127/1: Kobber-sinklegeringenes mekaniske egenskaper —

Tinnbronse Sammensetning: basismetall kobber, 2-15 % tinn, små tilsetninger Strekkfasthet: opptil 750 Nm/mm2

Kobber-tinn-nikkellegeringer (nysølv). Kobber-tinn-nikkellegeringer utmerker seg ved sølvblank overflate som ikke angripes av luft, svak syre eller lut. Derfor brukes disse materialene til bestikk, kjøkkenbeslag, butikkdisker, mynter osv.

Eksempel:

CuSn 23 Ni 12

Nysølv Sammensetning: basismetall kobber, 23 % tinn, 12 % nikkel Korrosjonsbestandig, sølvblank overflate

127

3.2.6 Andre teknisk viktige metaller I tillegg til jern, kobber og aluminium og deres legeringer er det mange andre metaller som benyttes i teknikken. Som oftest dekker de på grunn av sine spesielle egenskaper ganske bestemte behov, eller de brukes i legeringer av stål eller andre metaller (tabell 128/1). Tabell 128/1: Egenskaper og anvendelse for teknisk viktige metaller Metall Symbol

Densitet i g/cm3

Smelte­ punkt i°C

Spesielle egenskaper

Anvendelse

Lavtsmeltende metaller Tinn

7,3

232

god stopbarhet, god sponfn bearbeiding

overtrekk på stålblikk (hvitblikk) legenngsstoff i CuSn-legeringer tinnlegeringer: Loddemetall. f. eks. L-Sn 60 Pb

11,3

327

bestandig mot svovelsyre, absorberer røntgenog gammastråler

strålingsskjermer, plattering, blyakkumulatorer legeringsstoff i automatstal blylegeringer: lagermetall, f. eks. Lg Pb Sn 9 Cd

7,1

419

korrosjonsbestandig i aggressiv atmosfære

korrosjonsbeskyttelse (forsmking) legeringsstoff for Al-legeringer sinklegering: presstøpegods f. eks. G-Zn Al 4 Cu 1

1,8

650

letteste metall som anvendes teknisk, lett antennelig

legeringsstoff i Al-legeringer Mg-legering: lette konstruksjons­ elementer i biler og fly

4,5

1727

hoy fasthet, seigt, korrosjons- og temperaturfast

mekanisk og kjemisk belastede deler som turbinskovler. kjem, apparaturTi-legeringer: høyfaste, lette konstruksjonselementer

7,3

1250

hardt, sprøtt

legeringsmetall for seighardt stål

8,9

1455

klar metallglans, korrosjonsbestandig

beskyttelseslag (fornikling), legerings­ metall for korrosjonsbestandig stål

8,8

1490

seigt, korrosjonsbestandig

legeringsmetall for stål

6,0

1720

hardt, sprøtt

legeringsmetall for seighardt stål

7,1

1900

skinnende metallglans. korrosjonsbestandig

beskyttelseslag (forkromming), legeringsmetall for rustfritt stål

10,2

2600

korrosjonsbestandig. tungt antennelig

varmeleder, legeringsmetall for varmefast stål

16,6

3000

seighardt, korrosjons­ bestandig overfor syrer

spesiell kjemisk apparatur og utstyr

19,3

3380

seighardt, korrosjons­ bestandig overfor syrer, høyest smeltepunkt

spesiell kjemisk apparatur, glodetråder i lyspærer, legeringsmetall for varmefast stål

10,5

960

høyest ledningsevne for elektrisitet, glans

elektriske ledninger og kontakter, reflektorer, speilbelegg

19,3

1063

dekorativt utseende, korrosjonsbestandig

beskyttelsesbelegg for kjemisk apparatur, tannteknikk, smykker

21,5

1773

ekstra korrosjons­ bestandig mot syrer

verktøy for kjemilaboratorier, smykker

Sn

Bly Pb

Sink Zn

Lettmetaller Magnesium Mg

Titan Ti

Legeringsmetaller Mangan Mn

Nikkel Ni

Kobolt Co

Vanadium V

Krom Cr

Høytsmeltende metaller Molybden Mo

Tantal Ta

Wolfram W

Edelmetaller Sølv Ag

Gull Au

Platina Pt

128

3.2.7 Metalliske sintermaterialer Sintermaterialer blir fremstilt ved pressing i formdeler av pulver, fulgt av en glødebehandling, sintring, der pulverpartiklene smelter sammen.

Sintring Fremstillingen foregår i flere trinn (figur 129/1): Først pre­ sses det finkornede materia­ let i riktig form i en presse, slik at partiklene henger løst sammen ved adhesjon. Der­ etter blir delene glødet i en sinterovn, slik at partiklene sveises sammen i berørings­ punktene. Dette forløpet kal­ ler man sintring. Sintringen Figur 129/1: Fremstilling av sinterdeler skjer ved temperaturer på omkring 2/3 av materialenes smeltepunkt (for eksempel for sinterstål ved 1000-1200 °C).

Ved sintring kan både metaller, legeringer og pulverblandinger av metaller og ikke-metaller fremstilles.

Sintermetaller De materialene som er mest brukt, er sinterjern, sinterstål, sinterbronse, sintermessing og sinteraluminium. De sintres av pulverblandinger med den aktuelle sammensetning. I tillegg til sammensetningen spiller graden av sammenpressing en avgjørende rolle for materialets bruksegenskaper. Typiske anvendelser for sintermetaller er filtre med omkring 30 % åpne porer, glidelagermed 15-25 % og små formdeler som vektarmer, tannhjul, valser osv. til maskiner og apparater med ca. 1-5 % porevolum (figur 129/2).

Figur 129/2: Deler av sintermetall

Hardmetaller Hardmetaller er sintermaterialer som består av harde partikler av metallkarbid, og et mykt, metallisk bindemiddel. De blir presset til formdeler av en pulverblanding av harde karbider og koboltpulver, og så gjort ferdig ved sintring ved 1400-1600 °C. Som karbider brukes wolframkarbid WC, titankarbid TiC og tantalkarbid TaC. I det ferdig sintrede materiale danner kobolt en mykseig grunnmasse der de harde karbidpartiklene er innleiret. Hardmetaller er nesten like harde som diamant, meget slitester­ ke og temperaturbestandige til 900 °C. De benyttes til verktøy som f. eks. skjær på dreiestål (figur 129/3).

Repetisjonsspørsmål 1

Hvilken sammensetning har råjern?

2

Hvordan fremstilles stål av råjern?

3

Hvordan fremstilles AI2O3 av bauxitt?

4

Hvilke kjemiske reaksjoner skjer under elektroly­ sen ved aluminiumsproduksjon?

5

Hvordan foregår omdannelsen av kobberstein til metallisk kobber i en konverter?

6

Hva er messing, tinnbronse og nysølv?

129

3.3 Elektrokjemi og elektrokjemisk teknologi Vi vet fra mange av dagliglivets og yrkeslivets foreteelser at kjemiske reaksjoner påvirkes av elektriske forhold. Vi vet for eksempel at når vi legger en elektrisk spenning over en løsning av ioner, blir det utskilt stoff, som for eksempel ved forkobring. Det må altså være en forbindelse mellom elektriske og kjemiske reaksjoner.

3.3.1 Elektrokjemisk grunnlag Ved redoksreaksjoner mellom ioneforbindelser skifter elektronene plass (side 58). Ved for eksem­ pel reaksjonen mellom magnesium og oksygen vandrer to elektroner fra Mg til O (figur 130/1). Siden elektronenes bevegelse kan oppfattes som en elektrisk strøm, ser vi at kjemiske reaksjoner (redoksreaksjoner) er knyttet til elektriske forløp.

Avgivelse av elektroner: ionedannelse Forutsetningen for elektronbevegelse under en kjemisk reaksjon er at molekylene kan avgi elektroner og dermed bli oksidert til ioner. Denne evnen har de forskjellige metallene i ulik grad. Noen metaller avgir lett elektroner, det vil si at de lett lar seg oksidere. Slike metaller kaller vi uedle. Blant dem finner vi kalium, natrium og magnesium. Andre metaller har vanskelig for å avgi elektroner, de lar seg vanskelig oksidere. Disse kalles edle. Edle metaller er for eksempel kobber, sølv og gull.

Metallene kan ordnes i en rekke etter deres tendens til å avgi elektroner, altså til å la seg oksidere og gå over i ioneform. Denne rekken kalles gjerne metallenes spenningsrekke (figur 130/2). Hydrogen er tatt med i spenningsrekken, siden det kan regnes som grensen mellom edelt og uedelt. De

K

Ca

Mg

Na

Al

Zn

Fe

Cd

Ni

Sn

Pby

H2

Cu

Ag

Hg

Pt

Auy

edle metaller

uedle metaller avtagende tendens til å gå over i ionetilstand

Figur 130/2: Metallenes spenningsrekke (utdrag)

grunnstoffene som står til venstre for hydrogen, blir nemlig merkbart angrepet av fortynnede syrer. Stoffene som står til høyre for hydrogen, reagerer ikke med syrens H3O+.

Utfelling av edle metaller ved hjelp av uedle Det at metallene har forskjellig tendens til å gå over i ionetilstand, viser seg ved at edle metaller kan felles ut av en løsning ved hjelp av et mindre edelt metall. Dette kan demonstreres med et enkelt forsøk (forsøk 130/1). Hvis man legger en jernspiker i en kobbersulfatløsning, ser man etter kort til kobberutfelling på spikeren. Dette skyldes følgende reaksjon: Fe2+-ioner løses fra spikerens metallgitter. De etterlater seg imidlertid elektroner: Fe ------- — Fe2+

+

2e0

Disse elektronene utlader Cu-ioner fra løsningen (reduksjon). Dermed skilles metallisk kobber ut på iernspikeren:

Cu2+ 130

+

2e° ------- — Cu

Forsøk 130/1: Jernspiker i kobbersulfatoppløsning

Beskrivelse: En jernspiker plasseres i en kobbersulfatløsning (blå). Etter korttid blirden delen av spikeren som er nede i løsningen, overtrukket med et rødbrunt lag av kobber.

Løselighetstrykk, utskillingstrykk Den tendens som uedle metaller har til å gå over i ioneform, kan kalles elektrolytisk løselighetstrykk. Den omvendte tendensen, det at metaller felles ut av ioneløsninger, kalles elektrolytisk utskillings­ trykk. Disse trykkene er avhengig av hvilket metall det er, og av ionekonsentrasjonen i elektrolyttløsningen. I forsøk 130/1 er for eksempel løsningstrykket for jern høyere enn for kobber, mens utskillingstrykket for kobber er høyere enn for jern. Dermed går jern i løsning mens kobber blir skilt ut.

Potensiale, normalspenning Ethvert metall som plasseres i en løsning, vil ha en tendens til å løses opp. Dermed danner metallet ioner. På metallet blir det tilbake elektroner slik at det bygger seg opp en elektrisk ladning. Det vil bli en elektrisk spenningsforskjell mellom metallet og ionene i væsken. Denne elektriske spenningen kalles elektrisk potensial eller bare potensial. Potensialet mellom ionene i væsken og metallet kan ikke måles direkte. Det som kan måles, er for­ skjellen mellom potensialene til to forskjellige metaller i elektrolyttløsninger, altså potensialforskjellen. Denne bestemmer man ved å måle den elektriske spenningen mellom et valgt halvelement (dette er betegnelsen for en elektrode i en elektrolyttløsning) og et sammenlignings-halvelement.

Som sammenligningshalvelement benyttes den så­ kalte normal-hydrogenelektroden (figur 131/1). Den består av en platinaelektrode som er omgitt av hydrogengass, neddyppet i en 1 mol løsning av H30+-ioner, for eksempel en 1 mol HCI-løsning.

U = 0,76V Hydrogen

1 mol HCIløsning

1 mol ZnSO4-løsning

Zn/ZnSO4-halvelement

normal-hydrogenelektrode

Figur 131/1: Måling av standard elektrodepotensial

Lufttrykket ved målingen skal være 1 bar og temperaturen 25 °C. Denne normal-hydrogenelektroden angir normalpotensialet null.

Tabell 131/1: Spenningsrekke og normalspenninger Grunnstoff

Den spenningen et metall i en 1 mol løsning av sine egne ioner har, i forhold til normal-hydrogenelektroden, kalles metallets standard elektrodepotensial, normalpotensial eller normalspenning.

Eksempel:

Standard elektrodepotensial for sink (Zn) Hvis man kobler et sink/sinksulfat-halvelement til en normal-hydrogenelektrode (figur 131/1), får man normalspenningen -0,76 volt.

K Ca Na Mg Al Zn Fe Cd Ni Sn Pb h2 Cu Ag Hg Pt Au

lon

Normal­ spenning i volt

K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ Cd2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ H3O+ Cu2+ Ag+ Hg2+ Pt2+ Au3+

-2,93 -2,87 -2,71 -2,37 -1,66 -0,76 -0,41 -0,40 -0,23 -0,14 -0,13 0 + 0,34 + 0,80 + 0,85 + 1,20 + 1,50

Hvis vi måler metallenes standard elektrodepotensial og ordner dem etter spenningens størrelse og fortegn, får vi metallenes spenningsrekke (tabell 131/1). De uedle metallene har en negativ normalspenning, de edle en positiv. Også for gassene kan det angis en normalspenning. Den måles ved hjelp av en platinaelektrode omgitt av vedkommende gass. Fra spenningsrekken kan vi lese potensialforskjellen mellom to OH" o2 grunnstoffer. Det gjør vi ved å finne differansen mellom de to J" h grunnstoffene: cr Cl2 U= U , . U H . ve-akseptor ^e-donator Eksempler: mellom jern og sink: Mellom kobber og sink: U = -0,41 V - (-0,76 V) = + 0,35 V U = + 0,34 V - (-0,76 V) = +

+ 0,54 + 1,07 + 0,36

1,10 V

131

3.3.2 Galvaniske elementer * Et galvanisk element består av to forskjellige elektroder i elektrolyttløsninger (figur 132/1) De enkelte elektrodene i løsningen av metallsalt kalles halvelementer. To halvelementer som står i ledende forbindelse med hverandre, danner et galvanisk element.

Et eksempel på galvanisk element, det såkalte Daniell-element. kan vise de reaksjonene som ligger til grunn for strømdannelsen (figur 132/1). Daniellelementet består av en sinkelektrode i en løsning av sinksulfat (1. halvelement) og en kobberelektrode i en kobbersulfatløsning (2. halvelement). Elektrolyttløsningene er adskilt av et porøs leirvegg som lar ioner passere, men hindrer at løsningene blander seg. Denne veggen kalles en diafragma

Figur 132/1: Galvanisk element (daniellelement)

minuspol (elektron- Z 0 overskudd)

elektrisk stram b >

u

plusspol X (elektronundersudd)

Hvis de to elektrodene blir koblet sammen via en ledning, vil det flyte en strøm som kan måles med et måleinstrument (amperemeter). Følgende elektrokjemiske reaksjoner foregår (figur 132/2): Sink er mindre edelt enn kobber (figur 130/2), og har altså høyest løsningstrykk. Zn2+-ioner går i løsning fra sinkelektroden og etterlater seg elektro­ nene sine: Zn —> Zn2+ + 2 e. De skaper et elektronoverskudd på sinkelektroden, den blir negativt ladet.

På kobberelektroden blir det, fordi kobber er edlere enn sink, skilt ut Cu2+-ioner som kobberatomer fra kobbersulfatløsningen: Cu2+ + 2 e -> Cu. Dette skaper et underskudd av elektroner på kobberelektroden, den blir negativt ladet.

ZnbU4-løsning (Zn2+ + SO42-)

f

a

a

CuS04-losnjng (Cu2+ + SO42j

Figur 132/2: Elektrisk strøm i et daniellelement

Elektronoverskuddet på sinkelektroden og elektronunderskuddet på kobberelektroden forsøker å utlignes, dermed oppstår en elektrisk strom fra sink- til kobberelektroden.

På grunn av den stadige dannelsen av nye sinkioner i det venstre halvelementet, blir sinksulfatløsningen positivt ladet. Samtidig blir kobbersulfatløsningen i det høyre halvelementet negativt ladet på grunn av utskilling av kobber. På grunn av den porøse leirveggen kan de ulikt ladede ionene passere og på den måten utligne ladningsforskjellen.

Den forskjellige elektronkonsentrasjonen på de to elektrodene tilsvarer en elektrisk spenning. Dette kalles elementets elektromotoriske kraft Uo. Denne spenningen Uo er forskjellen mellom normalpotensialene til de to halvelementene, når metallene er plassert i 1 mol saltløsning. Normalpotensialene finnes i tabell 131/1. Den spenning som kan måles mellom elektrodene i et galvanisk element, den såkalte klemmespenningen UM, er lavere enn den teoretiske elektromotoriske kraft Uo, siden det skjer et spenningstap på grunn av indre og ytre motstand H og R når det går en strøm (/) gjennom elementet og forbindelsesledningene: UM = Uo - /• (R + R) Kjemisk sett er det en redoksreaksjon som foregår i galvaniske elementer: Løsningen av sink er på grunn av avgivelsen av elektroner en oksidasjon, mens utskillingen av kobber på grunn av opptaket av elektroner er en reduksjon. * Etter Luigi Galvani, italiensk naturforsker (1737-1798)

132

3.3.3 Tekniske galvaniske elementer Galvaniske elementer kan levere strøm 1 en begrenset tid. De brukes som strømforsyning til små elektriske appa­ rater som dermed blir uavhengige av nettet.

metallkontakt lokk

luft e

Sink/kull-elementet, som også kalles Leclanché-element, består av en sinkog en kullelektrode, samt en ammoniumkloridelektrolytt NH4+ + Cf (figur 133/1). Kullelektroden er omgitt av en porøs masse av brunstein (MnO2).

sinkelektrode

® -

bitumenforsegling

kullelektrode

kullelektrode (plusspol)

brunsteinmasse

Zn— Zn *+2e

2H3O’+2e — H2+2H2oJ

brunsteinmasse fortykket

ammonium -kloridelektrolytt Ntv.cr H30 *,0H~

kloridløsning sinkbeholder (minuspol)

2MnOz+2H * 2Mn00H

Ved sinkelektroden går Zn2+-ioner i løsning: Zn------- ►Zn2+ + 2e3

Figur 133/1: Sink/kull Elektronene som er etterlatt på sinkel­ elementet, prinsipp ektroden, strømmer gjennom den ytre forbindelsen til kullelektroden, der de reduserer oksoniumioner: 2 H3O+ + 2 e’ -> 2H + 2 H2O. Hvis det ikke hadde vært for brunsteinen, ville hydrogenatomene som blir dannet, slå seg sammen til hydrogengass og etter kort tid omgi kullelektroden. Dette ville gi et spenningstap. Et slikt forløp kalles polarisering.

Figur 133/2: Sink/kull­ elementet, teknisk utførelse

plusspol

stålkappe porøs skille­ vegg

Ved hjelp av depolarisatoren brunstein hindres et slikt spenningsfall. Den binder hydrogenatomene som dannes. Samtidig blir manganet redusert og hydrogenet oksidert:

elektrolytt (K0F mangandioksid (katode)

katodekollektor +IV

±0

2 MnO2 + 2 H ------ * -

+III

+l

+III

+|

sinkamalgam (anode)

2 MnOOH ------- — Mn2O3 + H2O

Klemmespenningen til et sink/kullelement er ca. 1,5 volt.

I den tekniske utførelsen er sink/kullelementet bygd for å ta minst mulig plass (figur 133/2): En sinkbeholder danner minuspol, en kullstav omgitt av brunstein er minuspol. Ammoniumklorid-elektrolytten er fortykket med stivelse, slik at den ikke skal renne ut selv om beholde­ ren blir utett.

minuspol

anodekollektor (stålspiker)

Figur 133/3: Alkali/mangan­ element, teknisk utførelse

Alkali/manganelementet har vesentlig større energitetthet og lengre levetid (figur 133/2). Det består av en sinkamalgam-anode (sink-kvikksølvforbindelse) og en brunsteinkatode. Elektrolytten er kalilut K+ + OH'. Elementet har fått navn etter alkalielektrolytten og mangandioksidelektroden. I den tekniske utførelsen (figur 133/3) befinner det porøse granulatet av sinkamalgam seg innerst omkring en stålspiker. Rundt dette ligger manganoksidet, som også er porøst. Både sinkamalgam og mangandioksid er gjennomtrekket av elektrolytten kalilut. De kjemiske reaksjonene er de samme som i Leclanché-elementet: Sink går i løsning Zn —> Zn2+ + 2 e. Stålspikeren leder elektronene til minuspolen. Ved mangandioksidelektroden blir oksoniumioner redusert: 2 H3O+ + 2 e' -» 2 H + 2 H2O. Hydrogenatomene bindes av brunsteinen (se ovenfor). Klemmespenningen til et alkali/manganelement er ca. 1,5 volt.

Batterier. Siden mange elektriske apparater trenger høyere spenning enn 1,5 volt, kobler man flere elementer sammen i serie til et batteri (figur 133/4). Batterispenningen er summen av elementspenningene, for eksempel ved seks elementer 6 ■ 1,5 V = 9 V.

Figur 133/4: Seriekobling av 6 celler i et 9 volts batteri

133

I sink/kvikksolvoksidelementet er minuspolen (anoden) av sink og plusspolen (katoden) av kvikksolvoksid HgO. Elektrolytten er kalilut (figur 134/1).

Sink er meget uedelt har derfor en sterk tendens til å avgi elektroner. Dette kan skje ved dannelse av sinkoksid: Zn + 2 OH“ ------- — Zn2+ + O2’ + H2O + 2e Elektronene som frigjøres, gir sinkelektroden negativ ladning.

kalilut K'+ OH’

I teknisk utførelse kalles sink/kvikksølvoksidelementet på grunn av den beskjedne størrelsen knappcelle (figur 134/2). For at elektrodene skal få så stor overflate som mulig, består de av sinkgranulat (anode) og kvikksølvoksidgranulat (katode). Både anode, katode og skilleveggen av tekstil er fuktet med elektrolyttløsning. Hele elementet er plassert i et flatt metallhus på størrelse med en knapp. Knappceller har stor energitetthet, men er dyre. De brukes som strømkilde i fotoapparater, lommeregne­ re, kvartsur og lignende. Blyakkumulatoren (bilbatteriet). De galvaniske cellene i en blyakkumulator består i oppladet tilstand av en bly- og en blydioksidelektrode (figur 134/3). Elektrolytten er 20 % svovelsyre. Siden bly har større løselighets­ trykk enn blyoksid, løser det seg opp som ioner og danner minuspol: Pb -> Pb2* + 2 e. De frigjorte elektronene strømmer til blyoksidelektroden, der oksoniumioner blir utladet samtidig som det dannes Pb *-ioner: PbO2 + 4 H3O+ + 2 e 3 —— Pb2+ + 6 H2O Ved Pb02-elektroden forbrukes elektroner, den er altså plusspol. Pb2+-ionene som dannes ved begge elektrodene reagerer straks med SO42'ioner og danner tungtløselig PbSO4, som avsettes på elektrodene. Ved denne reaksjonen forbrukes svovelsyre. I utladet tilstand er begge elektroder overtrukket med PbSO4.

Figur 134/1: Zn/HgO-element

Figur 134/2: Knappcelle

Figur 134/3: Blyakkumulator

Blyakkumulatoren kan lades opp igjen, siden den kjemiske reaksjonen er reversibel. Ved opplading blir PbSO4 redusert til metallisk bly på den negati­ ve elektroden: PbSO4 + 2 e‘ Pb + SO42. På den positive elektroden blir PbSO4 forvandlet til PbO2: PbSO4 + 6 H2O -----PbO2 + 4 H,O+ + SO42’ + 2 eQ. -----Ved opplading dannes svovelsyre.

Det galvaniske elementet Pb/H2SO4/PbO2 (bly­ akkumulator) har en klemmespenning på ca. 2 volt. I et bilbatteri er 6 celler bygd sammen i rekke i en felles beholder (figur 134/4),

134

Figur 134/4: Bilbatteri

Repetisjonsspørsmål 1

Hva er standard elektrodepotensial?

2

Hva forteller et metalls plassering i spenningsrekken? Hva er et halvelement?

3

4 5

Hva består et galvanisk element av? Hvordan oppstår det elektrisk strøm i et galva­ nisk element?

6

Hvilke galvaniske elementer har praktisk anven­ delse?

3.3.4 Elektrolyse I galvaniske elementer dannes det på grunn av de kjemiske reaksjonene (redoksreaksjoner) en elektrisk strøm (side 132). Ved elektrolyse er det motsatt:

Elektrolyse vil si kjemiske reaksjoner i en elektrolytt på grunn av elektrisk strøm.

På grunn av den elektriske strømmen fremkalles en kjemisk reaksjon. En elektrolyse er den påtvungne omvendte reaksjon av den som skjer i det galvaniske elementet. Den ytre spenningen som legges på ved elektrolyse, må være en viss del høyere enn det galvaniske elementets elektromotoriske kraft for at elektrolysen skal skje. Denne spenningen kalles spaltningsspenningen. I eksempelet med utskilling av sink fra en vandig sinkkloridløsning kan vi se hvilke reaksjoner som skjer under elektrolysen (figur 135/1): For å skille ut Zn2+-ioner fra en løsning som Zn-atomer må det legges på en så høy ytre spenning at sinkens løsningstrykk overvinnes. Den ene elektroden må være så sterkt negativ at Zn2+-ionene blir tiltrukket og ved opptak av elektroner utlades til Zn-atomer:

Zn2+

+

2e9 -------•- Zn

De metalliske sinkatomene som dannes, blir skilt ut som et belegg på katoden.

På den andre elektroden må det være en så sterk positiv ladning at Cl -ionene trekkes ut av løsnin­ gen og elektronene deres rives løs: 2 CF------ — Cl2t + 2e© Det dannes gassformig klor som bobler til overfla­ ten.

Elektrolysen er en redoksreaksjon. På den negative elektroden, katoden, skjer elektronopptak, altså en reduksjon. På den positive elektroden, anoden, skjer elektronavgivelse, altså en oksidasjon.

Elektrolyse av vandige løsninger Ved elektrolyse av vandige saltløsninger er i tillegg til saltenes ioner også vannets ioner, H3O+ og OH', til stede (autoprotolyse, side 64). Derfor kan det noen ganger skje at det ikke er saltets bestanddeler, men vannets som skilles ut (H2 og O2). Dette skjer når saltet er sammensatt av et uedelt metall og en oksygenholdig syrerest. Forklaringen på dette er det faktum at det i tillegg til saltets ioner er ioner av det svakt protolyserte vannet til stede (2 H2O -> H3O+ + OH ). Når det legges spenning over elektrodene, vil de ionene bli skilt ut som krever lavest spenning. Dette er de ionene som står lengst til høyre i spenningsrekken (tabell 136/1).

Hvis det finnes flere kationer og anioner i en løsning, vil de ioner bli skilt ut som krever lavest spenning for å utlades. 135

Ifølge metallenes spenningsrekke burde det derfor bare være kobber og enda edlere metaller som kunne skilles ut ved elektrolyse fra vandig losning (figur 136/1). K+ Ca2+ Na+ Mg2+ AP+ Zni+ Fe2+ Cd2+ Ni1+ Sn2+ Pbi+ '------------------------------------------- ------------------------------ -—■—■——'

Cu2+

H 0

Hg2+ 'sZ

Ag+

hh?

Pt'

Au^

'

edle metaller

uedle metaller

Figur 136/1: Metallenes spenningsrekke

Forsøk viser imidlertid at metaller i spenningsrekken helt ned til sink kan skilles ut fra sine saltlosninger. Det skyldes det som kalles hydrogenets overspenning, og som gjor at det er nødvendig med en hoyere spenning for å utlade H3O *-ioner enn spenningsrekken angir. Dette fenomen, som hovedsakelig er avhengig av elektrodematerialet, flytter hydrogen mot venstre i spenningsrekken, slik at vi får en utladningsrekke. der noen flere metaller står til hoyre for oksoniumionet (figur 136/2). kationer

K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+

H.O' Znz+ Fe2+ Cd2+ Ni2+ Sn2+ Pbz+ Cu2+ Ag+ Hg2+ Pt2+ Au3+

______________________________________

anioner

SO4*1 2~

NO3

CO32

F

________________________________________________________________________

HJ

OH

Cl

Br

I

(-> O-J

vanskelig utladbare

lett utladbare

Figur 136/2: Utladningsrekken

Fra utladningsrekken kan vi avlese hvilke stoffer som vil bli skilt ut fra en vandig losning av flere forskjellige ioner.

Av en løsning av flere ioner vil det kation og anion skilles ut som står lengst til høyre i utladnings­ rekken.

Er det saltioner til stede som vanskelig utlades, vil ionene av protolysert vann (H3O' og OH') bli skilt ut.

Ved katoden blir KO'-ioner utladet og hydrogen utskilt: 4H3°+

+

4e®------------- +

Ved anoden blir OH'-ioner utladet og oksygen . x , ,lx a 4 OH ------------- ► O2I utskilt:

+

. 4H>°

n ~ 2 H2O

+

„ c. 4e°

Ved elektrolyse av en saltløsning med vanskelig utladbare ioner, dannes hydrogen H2 og oksygen O2 i mol- og volumforholdet 2:1. Eksempler:

1

Elektrolyse av en H2SO4-løsning Utskilles: ved katoden hydrogen, ved anoden oksygen. Forklaring: Det eneste kationet er H3O’, derfor skilles det ut hydrogen ved katoden. Ved anoden skilles det ut oksygen, siden OH' -ionene står lenger til høyre enn SO42+ionene.

2

Elektrolyse av en NaOH-løsning Utskilles: ved katoden hydrogen, ved anoden oksygen. Forklaring: Ved katoden blir det skilt ut H2, fordi H3O+-ionet står lenger til høyre i utladningsrekken enn Na'-ionet. Ved anoden blir det skilt ut oksygen, siden OH' er eneste anion.

Øvingsoppgaver: Følgende elektrolyser ble gjennomført: 1 Elektrolyse av en vandig CuSO4-løsning Utskilt: ved katoden kobber, ved anoden oksygen. Forklar. 2 Elektrolyse av en vandig løsning av Na2SO4 og CuCI2 Hvilke stoffer skilles ut? Forklar.

136

Smelteflusselektrolyse De uedle metallene kalium, natrium, magnesium og aluminium, som står til venstre for hydrogen i utladningsrekken (figur 136/2), kan ikke skilles ut ved elektrolyse av vandig løsning. For å fremstille dem, elektrolyserer man en saltsmelte. Denne prosessen kalles smelteflusselektrolyse.

Eksempel: Smelteflusselektrolyse for aluminiumproduksjon (side 124) Eiektrolysesmelta består av AI2O3 og kryolitt Na3(AIF6). Den inneholder derfor ionene Al3+, O2, Na+ og F. De ioner som står lengst til høyre i utladningsrekken, blir skilt ut ved katoden Al3+ og anoden O2‘. (I smelta har vi O2 -ionet i stedet for OH -ionet.) Ved katoden dannes aluminium, ved anoden oksygen.

3.3.5 Faradays lover * Det er et lovmessig forhold mellom den stoffmengden som utskilles ved elektrolyse, og den elektrisitetsmengde som passerer elektrolytten. Den utskilte stoffmengde m er proporsjonal med elektrisitetsmengden Q. Andre betingelser, som elektrolyttløsningens konsentrasjon, temperaturen eller elektrodeavstand har ingen innflytelse. Etter oppdageren har denne lovmessigheten navnet Faradays lov.

Den utskilte stoffmengde er proporsjonal med elektrisitetsmengden som har passert elektrolyttløsningen. m ~ Q Ved hjelp av reaksjonsligningene for det som skjer under elektrolysen, er det lett å beregne den utskilte stoffmengde (figur 137/1):

verdige ioner krever ett elektron per utskilt ion 1 verdige ioner krever to elektroner per utskilt ion III- verdige ioner krever tre elektroner per utskilt ion I-

l-verdige ioner

ll-verdige ioner

ITI-verdige ioner

II-

For å skille ut ett mol (6,023 • 1 6,023 ■ 1023 elektroner ved 2 6,023 • 1023 elektroner ved 3 ■ 6,023 ■ 1 023 elektroner ved

_

102j ioner) må det passere: l-verdige ioner A ll-verdige ioner > blir transportert lll-verdige ioner J

_

3+

Figur 137/1: lonenes valens

Forsøk viser at man med en elektrisitetsmengde på F = 96 500 As (1 amperesekund = 1 coulomb) kan skille ut: 1 mol stoff av l-verdige ioner > 1/2 mol stoff av ll-verdige ioner > kan utskilles 1/3 mol stoff av lll-verdige ioner J Dette forholdet kalles Faradays 2. lov.

Elementærladning Ved hjelp av tallene ovenfor kan vi regne ut hvilken ladning ett ion bærer. For å skille ut for eksempel 1 mol sølvatomer (6,023 ■ 1023 atomer) trenger vi elektrisitetsmengden F = 96 500 As.

Det l-verdige sølvionet har altså ladningen

^6 500 As

6,023 II- verdige ioner har ladningen 2 • 1,6 • 10’ ' As III- verdige ioner har ladningen 3 ■ 1,6 ■ 10'19 As

=

g

10 19 As

1023

En mindre elektrisitetsmengde enn 1,6 • 10’19 As er aldri observert. Det er ladningen til ett elektron. Denne ladningen kalles den elektriske elementærladning e .

Ett elektron har den minste elektriske ladningsmengde, som kalles elementærladningen e‘. Den utgjør 1,6 ■ 10‘19 As.

Oppgaver:

1 Hvor stor mengde nikkel kan skilles ut med ladningen 150 000 As? 2 Hvor stor ladning er nødvendig for å skille ut 1 kg kobber?

* Faraday, engelsk naturforsker (1791-1867)

137

3.3.6 Teknisk anvendelse av elektrolyse Produksjon av grunnkjemikalier Ved elektrolyse av vandige løsninger av halogensalter kan elementære halogener og viktige kjemikalier fremstilles.

Eksempel: Kloralkalielektrolyse. I denne prosessen blir en NaCI-losning (Na\ Cl', H3O' og OH ) elektrolysert i spesielle elektrolyseceller (figur 113/1). Et tynt kvikksolvsjikt som flyter over den skrånende bunnen, danner katode. Grafittplater som er plassert like over katoden, danner anode. Ved anoden blir det skilt ut klor i gassform. Ved kvikksolvkatoden dannes natrium som forbinder seg med kvikksølvet til natriumamalgam. Amalgamet passerer ut av cellen og omsettes til natronlut og hydrogen ved tilsetning av vann i en amalgamspalter.

Produksjon av uedle metaller fra saltsmelte De uedle metallene som kalium, natrium, magnesium og aluminium fremstilles ved elektrolyse av sine saltsmelter. Elektrolysen må gjen­ nomføres i saltsmelte, de uedle metallene kan ikke felles ut av vandig løsning (se utladningsrekken). Av stor teknisk betydning er produksjon av aluminium ved smelteflusselektrolyse av AI2O3, som skjer i indust­ riell målestokk figur 138/1). Som anode tjener kullelektreaksjon ved katoden: reaksjon ved anoden: roder som stikker ned i sm­ 2 Al3+ + 6 e- -> 2 Al 3 O2- - 6 e- -> 3/2 O2 elta ovenfra. Katode er den Figur 138/1: Smelteflusselektrolyse av aluminium elektrisk bunnen av kull i elektrolysekaret. Elektrolytten er en blandingssmelte av AI2O3 og kryolitt, Na3(AIF6) (for å redusere smeltepunktet). Smelta inneholder ionene Al3+, O2', Na’ og F. Ifølge utladningsrekken blir det ved katoden skilt ut aluminium og ved anoden oksygen. Det utskilte aluminiumet synker til bunns i cellen. Det dannede oksygen reagerer med karbonet i elektroden til CO og CO2. Også smelteflusselektrolyse av natrium av en steinsaltsmelte er en viktig industriprosess (figur 138/2). Problemet ved denne prosessen er at begge stoffene som dannes, nemlig gassformig klor og flytende natrium, må holdes atskilt, ellers kan det skje heftige reaksjoner mellom dem. Dette er grunnen til elektrolysecellens spesielle konstruk­ sjon: Over anoden der det utvikles klor, er det en klokke som fanger opp boblene av klorgass. Katoden ligger som en ring omkring anoden og er omgitt av et finmasket trådnett. Det flytende natrium som dannes, flyter opp i smelta, samles i trådnettet og ledes bort.

138

Fremstilling av rene metaller ved elektrolyse Eksempel: Rensing (raffinering) av råkobber (side 126). Her blir barrer av råkobber hengt som anode i en svovelsur løsning av kobbersulfat (figur 139/1). Råkobberbarrene inneholder i tillegg til kobber, forurensninger av uedle metaller som jern og sink, pluss små mengder av edlere metaller som sølv, gull og platina. Som katode brukes tynne plater av elektrolyttkobber.

råkobber elektrolytt­ kobber

Cu løsinc

-utskilling ■'

Spenningen stilles inn slik at både kobber og de elektrolyseuedle metallforurensningene jern og sink mister celle sine valenselektroner: Cu2+-ioner, Fe2+-ioner, Zn2+ioner osv. går ut i elektrolysebadet. De edle anodeslam kobbersulfatbad (Cu2\S3/-) metallene sølv, gull og platina løses ikke opp og synker til bunns som anodeslam. Spenningen er Figur 139/1: Elektrolytisk raffinering av kobber akkurat høy nok til at Cu2+-ionene felles ut på katoden, men ikke Fe2+- eller Zn2+-ionene. Det utskilte elektrolyttkobber har en renhet på 99,99 %.

u *-rf

Galvanisering Elektrolytisk utskilling av metaller fra vandig saltløsning benyttes teknisk ved forkobring, fornikling osv. Eksempel: Forkobring(figur 139/2). Gjenstanden som skal forkobres, henges som katode i et kobbersulfatbad (Cu2+, SO42’, H3O+ og OH). Anoden er en kobberplate. Når det legges på en passende spenning, blir det skilt ut kobber på gjenstanden (katoden): Cu2+ + 2 e' -» Cu. Fra anoden går kobber i løsning, siden det krever mindre energi å løse kobber enn å skille ut oksy­ gen: Cu —> Cu2+ + 2 e . Kobbersulfatkonsentrasjonen i badet blir dermed kontinuerlig holdt ved like ved at kobberanoden løses opp.

Anodisk oksidering av aluminium (eloksering) Ved eloksering blir aluminiumgjenstander påført et korrosjonsbestandig og slitesterkt sjikt av AI2O3. I syreløsning og kobles som anode.

skjer ved at gjenstanden plasseres i en svovel-

Løsningen inneholder H3O+-, SO42 - og OH -ioner. De ionene som står lengst til høyre i utladningsrekken, blir skilt ut. Ved katoden er dette hydrogen: 2H,O+ + 2e0 ---------- — Hj + 2H2O og ved anoden oksygen: 4OH~ ---------- — 2 H2O + O2T + 2e0

På gjenstanden oppstår først atomært oksygen, som før atomene slår seg sammen til molekyler, er meget reaktivt. Det danner et tynt (ca. 20 pm) AI2O3-sjikt som sitter meget godt fast. Betegnelsen eloksering kommer av elektrisk oksidering.

Figur 139/3: Eloksering

139

3.3.7 Korrosjon og korrosjonsbeskyttelse Med korrosjon mener vi en ødeleggelse av metalliske materialer, som utgår fra overflaten.

Korrosjon koster årlig milliarder av kroner, fordi rustne maskiner, anlegg, kjøretøyer osv. blir ubrukelige og derfor verdiløse.

Årsaker til korrosjon De to viktigste årsakene er kjemiske reaksjoner og elektrokjemiske reaksjoner. Kjemiske reaksjoner.

Hvis egnede reaksjonspartnere og de rette betin­ gelser er til stede, reagerer metallene og danner metallforbindelser (figur 140/1) som viser seg som korrosjonssjikt.

Jern (stål) for eksempel reagerer raskt med luftens oksygen ved temperaturer over 600 C og danner oksid: 4 Fe + 3O2 ^2Fe2O3. Også kobber danner ved høye temperaturer et raskt voksende oksidsjikt med luftens oksygen: 2 Cu + O2

T>600 °C oksygenholdig atmosfære

Figur 140/1: Kjemisk korrosjon

>2 CuO

Elektrokjemiske reaksjoner Ved elektrokjemisk korrosjon blir materialet øde­ lagt fordi det dannes et galvanisk element.

Et galvanisk element består av to forskjellige metaller som er forbundet med hverandre og er neddyppet i en væske som leder strøm, en elek­ trolytt (figur 140/2). Det minst edle metallet (her for eksempel sink) løser seg i elektrolytten. (For­ klaring på side 132.)

Muligheten for dannelse av galvaniske element foreligger mange steder i maskiner og materialer. Slike steder kalles lokalelementer. De finnes alle steder der to forskjellige metaller er i berøring og det finnes fuktighet. Fuktigheten som skal til, er ikke mer enn sporene av svette fra et fingeravtrykk eller det mikroskopisk tynne sjiktet av fuktighet som dekker alle metaller. Typiske eksempler på lokalelementer er skader i sinksjiktet på stål, berøringspunkter mellom to gjenstander av for­ skjellig metall eller de forskjellige bestanddeler i ulegert stål (figur 140/3).

sinkelektroden løses opp

vann spaltes (H30+)

Zn-> ZiT +2e®

2HJO' + 2e®-*H2l+2H2G

Figur 140/2: Galvanisk element

kobbernagle i aluminiumskjøt

forsinket blikk elektrolytt

* Al'

Al

__

struktur i ulegert stål Fe?’

elektrolytt

Elektrolyt

Cu

stal iFe;

F¥ Al mindre edelt enn Cu

Zn mindre edelt enn Fe

Fe mindre edelt enn Fe.-.C

Figur 140/3: Elektrokjemisk korrosjon ved lokalelement

Materialet blir ødelagt ved at den minst edle bestanddel av lokalelementet går i løsning. Hvilken bestanddel som er minst edel, kan man finne ut av materialenes spenningsrekke

Mg

Al

Zn

Al-Leg.

Ulegert stål

Lavlegert stål

Sn

140

Høylegert stål

Ti

Au

► edel

uedel

Lokalelement: Zn/Fe. Zn løses opp.

Cu

Al/Cu: Al løses opp.

Fe/Fe3C: Fe loses opp.

Korrosjonstyper grop­ korrosjon

overflate­ korrosjon

Korrosjon forekommer i forskjellige former (figur 141/1): Ved overflatekorrosjon korroderes hele overflaten jevnt. Ved gropkorrosjon trenger korrosjonen dypere inn i materialet. Dette skjer på grunn av lokalelementdannelse mellom materialets bestanddeler. Kontaktkorrosjon opptrer der forskjellige materialer berører hver­ andre. Interkrystailinsk korrosjon foregår langs korngrensene mellom krystallene i materialet. Det fører til hårtynne riss som ikke kan ses fra utsiden. De kan imidlertid føre til at materialet brister under belastning.

korrosjonssjikt hui

, materiale

materiale

kontaktkorrosjon kobbernagle

interkrystailinsk ,komkorrosjon 1 grenser

krystaller

I stal stål

j

materiale

Figur 141/1: Korrosjonsformer

Hva som påvirker korrosjonsbestandigheten Grunnen til at forskjellige materialer har ulik evne til å motstå korrosjon, henger sammen med hvor edle eller uedle de er, men også av hvordan det dannede korrosjonssjikt virker. Dette ser vi ved å sammenligne korrosjon av aluminium og jern (figur 141/2). AI203-sjikt

Aluminium er uedelt, altså et svært reaktivt grunnstoff som raskt danner et korrosjonssjikt: 4 Al + 3 O2 -> 2 AI2O3. Dette sjiktet er så tynt at det er nesten usynlig.. Det er imidlertid tett, solid og nesten ugjennomtrengelig for luft og fuktighet. Dette hindrer videre korrosjon av det underliggende metallet, som ikke kommer i kontakt med stoffene i omgivelsene. Jern (stål) er edlere enn aluminium. I tørr luft korroderer ikke ulegert stål. I fuktig luft dannes det en tynn vannfilm på ståloverflaten, slik at det oppstår lokalelementer. Rustingen er en prosess som det er meget komplisert å beskrive kjemisk, og den skjer i en rekke trinn: Det dannede rustlag er oppsprukket, porøst og løst (figur 141/2). Derfor blir stadig ny metallFe-H-2-9-^'X 2 29^ FeOOH overflate tilgjengelig. Stoffene i omgivelsene ' Cr(OHU + Fe(OH)3l + Na2SO4 filtrat

saltioner

membran

Kromatfritt avløpsvann

oljemolekyler oljefritt filtrat

avløpsvann

Også metallkationene, som Cd2+, Zn2+, Fe3+, Cr3+, Pb2+ og andre, må fjernes fra avløpsvannet. Dette skjer ved felling. Ved tilsetning av syre eller base blir vannets pHverdi regulert slik at metallene danner tungtløselige forbindelser med fellingsmidlene og faller ut (tabell 149/1). Ved tilsetning av fnokkingsmidler skjer en agglomerering av det finfordelte faste stoffet, slik at det bunnfelles raskere.

oljeholdig “““

rest støtterør

membran

Figur 149/4: Ultrafiltrering

Tabell 149/1: Metallkationenes utfellingsområde

loner

Konsentrasjon etter felling

Cd2*

H—C-OH ’' V H

H I

K

>

■■V

H i

H-C—C-OH

1 1

H

1 1

H

metan metanol etan etanol Strukturformelen for en alkohol får ---------------------man ved å erstatte et av karbonFigur 170/1: Avledning av alkohol fra hydrokarbon atomenes hydrogenatomer med en OH-gruppe (figur 170/1). Slik avledes metanol av metan, etanol av etan osv.

Det kan byttes ut flere H-atomer av OH-grupper (side 173). Det kan imidlertid bare være bundet én OHgruppe til hvert C-atom.

Alkoholer er organiske forbindelser med én eller flere OH-grupper. Siden alkoholene inneholder oksygen og kan avledes av hydrokarbonene, kan de også kalles oksygenholdige hydro ka rbonderi va ter.

Hvis vi derimot ser på alkoholmolekylet med utgangspunkt i OH-gruppen, kan vi betrakte det som avledet av vann (et vannderivat): Et H-atom fra vannet er erstattet av en hydrokarbonrest. Det at vann kan avledes slik på to måter - fra hydrokarboner eller fra vann - er årsaken til alkoholenes mangeartede egenskaper.

Det er OH-gruppen, som også kalles hydroksylgruppe, som gir alkoholene deres karakteristiske egenskaper. Slike atomgrupper, som gir en organisk forbindelse dens karakteristiske egenskaper, kaller vi funksjonelle grupper. Alkoholenes funksjonelle gruppe er hydroksylgruppen (OH-gruppen). De alkoholene som er avledet av mettede hydrokarboner - alkaner- ved at ett H-atom er erstattet med en OH-gruppe, kalles mettede alkoholer.

Men også av de umettede hydrokarbonene - alkenene og alkynene - kan det avledes tilsvarende umettede alkoholer. De er imidlertid av mindre betydning.

4.5.2 Alkoholenes homologe rekke Siden alkoholene kan avledes av alkanene, danner de på samme måte som dem en homolog rekke, (tabell 170/1). Forskjellen fra ett stoff til det neste i rekken er alltid en CH2-gruppe.

Alkoholenes systematiske navn dannes av det tilsvarende alkanets med endelsen ol.

Eksempler: metan => metanol, etan => etanol, propan => propanol osv. De eldre navnene, som tildels ennå er i bruk, danner navnet av alkylresten pluss endelsen alkohol, for eksempel metylalkohol, etylalkohol, propylalkohol osv. Alkoholenes summeformel skiller seg fra alkanen­ es ved at et H-atom er byttet ut med en OHgruppe.

Altså er den generelle summeformelen for alkoholene: CnH2n + 1OH

170

Tabell 170/1: De første stoffene i alkoholenes homologe rekke

Navn

Halvstrukturformel

Koke­ punkt i °C

metanol

CHjOH

65

etanol

CH3CH2OH

78

propanol

ch3ch2ch2oh

97

butanol

ch3ch2ch2ch2oh

118

pentanol

ch3ch2ch2ch2ch2oh

138

heksanol

ch3ch2ch2ch2ch2ch2oh

158

4.5.3 Alkoholenes egenskaper Aggregattilstand. De lavere alkoholene med 1 til 3 karbon­ atomer er tyntflytende, fargeløse væsker. Alkoholer med 4 til 11 karbonatomer blir gradvis mer tyktflytende. Fra 12 C-atomer og oppover er alkoholene pastalignende faste stoffer, og med økende molekylvekt tiltar fastheten. En sammenligning mellom smeltepunktet for alkaner og for de tilsvarende alkoholer (tabell 163/1 og 170/1) viser at alkoholene har vesentlig høyere kokepunkt. Grunnen til dette er OHgruppenes polaritet, som skyldes atomenes forskjellige tiltrekning på elektronene (elektronegativitet, side 55): Oksygenatomet trekker elektronene sterkere til seg enn hydrogenatomet gjør. O-atomet i molekylet virker derfor svakt negativt overfor omgivelsene, mens H-atomet virket tilsvarende positivt (figur 171/1). Siden motsatte ladninger tiltrekker hverandre, finnes det ekstra bindingskrefter mellom molekylene. Molekylene leirer seg sammen på grunn av disse hydrogenbindingene til større molekylgrupper (figur 171/2). Disse kreftene gjør at molekylene vanskeligere kommer fri, og forskyver dermed kokepunktet oppover. Alkoholene har derfor høyere kokepunkt enn alkan­ ene.

Figur 171/2: Hydrogenbindinger mellom etanmolekyler

Løselighet. De lavere alkoholene - metanol, etanol og propanol - er lett løselige i vann. De kan blandes med vann i alle forhold. Med økende antall C-atomer blir løseligheten mindre. Alkoholer fra C5 og oppover løser seg ikke i vann.

Dette skyldes alkoholenes molekylære oppbyg ning: Alkanolmolekylet består av en hydrofob hydrokarbonrest og den hydrofile OH-gruppen (figur 171/3).

Hos de lavere alkoholene er det virkningen av den hydrofile OH-gruppen som dominerer. Derfor er de vannløselige. Hos de høyere alkoholene er hydrokarbonresten vesentlig større enn OH-gruppen, slik at det er effekten av den hydrofobe hydrokarbonresten som dominerer. De er ikke løselige i vann.

Alle alkoholer (unntatt metanol) er løselige i bensin og andre iKke-polare løsningsmidler.

Kjemiske reaksjoner Alkoholene har en betydelig reaktivitet som skyl­ des den reaktive OH-gruppen. Alkoholenes OHgruppe kan, på samme måte som vann, avgi eller oppta protoner (H~-ioner):

c2h5oh

------- ►

C2H5OH

+

C2H5-Or +

H+ -------- * -

H+

C2H5-O-H H+

Alkoholer kan altså opptre både som syre (protondonor) og som base (protonakseptor) (side 62). Alkoholene er derfor ofte utgangsmateriale eller mellomprodukt ved fremstilling av andre organiske forbindelser som alkener, etere, estere og organiske syrer. 171

4.5.4 Viktige alkoholer Metanol er en fargeløs, flyktig og brennbar væske med typisk, etanollignende lukt og smak. I motsetning til alkohol, som kan drikkes, er metanol meget giftig. Den dødelige dosen er omkring 20 ml, eller et lite drammeglass. Metanol CH3OH

For a skille mellom metanol og etanol brukes den såkalte boraksprove (forsok 172/1).

Forsok 172/1: Boraksprove

Beskrivelse: Metanol brukes i store mengder, både som ut­ I en porselensskål blandes litt natriumtetraborat (bo­ gangsmateriale i kunststoffindustrien og som raks) med metanol. I en annen skål blandes boraks tilsetning til motordrivstoff. med etanol. Begge blandingertilsettes litt konsentrert H2SO4. Blandingene antennes og flammenes farge Den industrielle fremstillingen av metanol skjer på sammenlignes. Metanol gir gronn, etanol gul farge. grunnlag av syntesegass, en gassblanding av karbonmonoksid og hydrogen. Ved temperaturer på omkring 400 °C og et trykk på 2 ■ 104 kPa (200 bar) reagerer gassene i nærvær av en egnet katalysator til metanol: CO + 2 H2 -n0- c' °^. CH3OH.

Etanol, som i dagligtale bare kalles alkohol eller sprit, er en vannklar, brennbar væske med den typiske smak og lukt man kjenner fra alkoholholdige drikker.

Etanol C2H5OH

Alkohol er den bestanddelen i alkoholholdige drikkevarer som virker berusende. Inntatt i små mengder gir den en behagelig fornemmelse. Yteevne og konsentrasjonsevne blir imidlertid redusert (farlig i arbeidet), og hemningene reduseres. I større mengder fører alkohol til bevisstløshet og død (alkoholforgiftning).

Regelmessig, overdrevent alkoholinntak ødelegger personligheten og gir store kroppslige og mentale skader.

Etanol brukes til fremstilling av alkoholholdige drikkevarer, som løsningsmiddel og konserveringsmiddel for parfyme, kosmetikk og hudpleiemidler, og som tilsetning i motordrivstoff. Alkoholen som finnes i alkoholholdige drikkevarer, dannes ved forgjæring av sukker- eller stivelsesholdig plantemateriale (forsok 172/2):

C6H12O6

2 C2H5OH + 2 CO2T

Druesukker

Etanol

Forgjæring av druesaft gir for eksempel vin med 8 % til 12 % etanol, av malt av bygg gir øl med 4 % til 8 % osv. Ved destillasjon i flere omganger kan man få konsentrater med høyere alkoholinn­ hold, brennevin. De alkoholprodukter som er beregnet til konsum, er belagt med høye avgifter for å redusere bruken og hindre de helseskadelige følgene.

Forsøk 172/2: Alkoholgjæring Beskrivelse: I en kolbe blandes 200 ml lunkent vann, 20 g sukker og 10 g oppsmuldret gjær. Kolben får stå varmt (ca. 30 °C) i flere dager. Gassen som dannes, ledes ned i kalkvann, er CO2. Etter flere dager luk­ ter vi på væsken: Det er blitt dannet alkohol.

Etanol som er beregnet på teknisk eller industriell bruk, fremstilles ved katalytisk vannaddisjon til eten'

CH2=CH2

+

H2O __ H;S°4

ch3-ch2oh

Den avgiftsfrie etanolen som kan kjøpes for rense- og varmeformål, er tilsatt et denatureringsmiddel slik at den er udrikkelig. Sprit til varmeformål er for eksempel 94 % denaturert sprit. De høyere alkoholene dodekanol C12H25OH og heksadekanol C16H33OH benyttes i store mengder i vaskemiddelproduksjonen. De er utgangsstoff for fremstilling av vaskemiddelråstoffet alkylpolyglykoleter (side 215). Høyere Alkoholer

172

4.5.5 Isomeri hos alkoholene H

Hos alkoholer med tre karbonatomer eller mer kan det forekomme isomerer, avhengig av hvilket Catom OH-gruppen er bundet til. Av propanol for eksempel finnes det to isomerer (figur 173/1), av butanol fire, av pentanol åtte osv. OH-gruppens plassering i molekylet angis ved et tall foran alkoholnavnet. Isomere alkoholer har forskjellige egenskaper. De blir påvirket av om det karbonatomet som har OH-gru­ ppen, er forbundet med ett, to eller tre C-atomer. Isomerene kalles henholdsvis primære, sekundære eller tertiære alkoholer (figur 173/-

H |

H

H

I

H

H

|

2|

3|

H —C —C —C —OH

H—C—C—C—H

I

I

I

I

I

I

H

H

H

H

OH

H

CH3— CH-ch2oh

ch3—choh-ch3

2-propanol

1-propanol

Figur 173/: Isomerer av propanol

H

H |

H-C—C-OH 1

1

H

H

1

H 2I

3I

1

H |

H

H |

H-C—C —C-H 1 11 1 1 1 H OH H

1

CH3 H

I

I

H-C —C— C-H 11 11 11 H OH H

etanol

2-propanol

2-metyl-2-propanol

(primær alkohol)

(sekundær alkohol)

(tertiær alkohol)

Figur 173/2: Primære, sekundære og tertiære alkoholer

2).

4.5.6 Flerverdige alkoholer (alkanpolyoler) Det finnes også alkoholer som ikke bare har én, men flere OH-grupper. Disse alkoholene kalles flerverdige alkoholer (figur 173/3). OH-gruppene er da alltid bundet til forskjellige C-atomer, siden et C-atom bare kan ha én OH-gruppe. En alkanol med to OH-grupper er etter dette en toverdig alkanol. I forbindelsens navn uttrykkes dette i endelsen -diol. Eksempel: propandiol. En alkanol med tre OH-grupper er en treverdig alkanol, og den får endelsen -triol. Eksempel: propantriol.

H H I I H — C----- C — C —OH I I I H H H

H

1-propanol (enverdig alkohol)

1,3-propandiol (toverdig alkohol)

Enkelte flerverdige alkoholer er mye brukt, og de er kjent under sine trivialnavn:

Glykol er den toverdige alkoholen etandiol CH2OH-CH2OH. Det er en fargeløs, lett oljeaktig, giftig væske med kokepunkt 197 °C og størknepunkt 11,5 °C. Glykol brukes som frostbeskyttelsesmiddel og til kunststoffremstilling.

H H H I I I C----- C —H H— C----I I I OH H OH

H

1,2,3-propantriol (glyserol) (treverdig alkohol)

H

H

I I H — C — c — C —H I I I OH

OH

OH

Figur 173/3: Alkanpolyoler

Glyserol er den treverdige alkoholen 1,2,3-propantriol CH2OH-CHOH-CH2OH. Det er en fargeløs, oljeaktig, ikke giftig væske som er løselig i vann og virker litt hygroskopisk. Kokepunktet er 290 °C, størkningspunktet -17 °C. Glyserol brukes som bremsevæske og frostvæske i biler, til sprengstoff- og kunststoffremstilling og som fuktighetsmidde! i kremer, kosmetikk og farger.

Sorbitol er den seksverdige alkoholen heksanheksol CH2-(CHOH)4-CH2OH. Det er et vannløselig, sukkerlignende, fast stoff med sterkt søt smak som brukes som søtningsstoff for diabetikere.

Repetisjonsspørsmål 1

2 3

Hva er den generelle summeformelen for alkoho­ ler? Hvordan forklares at lavere og høyere alkoholer har forskjellig løselighet?

4

Hvordan fremstilles etanol?

5

Hva er strukturformelen for 2-butanol?

6

Hva er strukturformelen for glyserol?

Hva brukes metanol til?

173

4.6 Aldehyder Alkoholer kan oksideres, for eksempel med CuO (forsøk 174/1). Av metanol får man for eksempel den sterkt luktende gassen metanal (formaldehyd). blir redusert metanol

metanal

v CuO

+

H-C-OH

------—

Cu

+

H-C

+ H,O

blir oksidert

Sammenligner vi formlene for metanol og metanal, ser vi at det har skjedd en avspalting av hydrogen. Metanal dannes ved dehydrering av den primære alkoholen metanol. Av deler av de to navnene har man laget navnet på den nye stoffgruppen: aldehydene.

Forsøk 174/1: Dannelse av metanal

Beskrivelse: En rull kobbernett varmes i bunsenbrennesflammen til den er overtrukket av et svart sjikt av kobberoksid. Den fremdeles varme rul­ len dyppes i metanol. Kobberet blir rødt igjen. En stikkende lukt viser at det er dannet en gassformig forbindelse. Forsiktig! Arbeid i avtrekk!

Metanalmolekylene viser en ordning av hydrogen- og oksygenatomene i forhold til karbonet: De er bundet enkeltvis til C-atomet. Dette er aldehydenes funksjonelle gruppe, Formel’ — den såkalte aldehydgruppen. Strukturformel: — CHO "" H For å unngå en forveksling med alkoholenes Oh-gruppe skriver vi aldehydgruppen -CHO. Eksempel: metanal H-CHO, i motsetning til metanol CH3OH.

Forskjellige slags aldehyder De aldehydene som dannes ved oksidasjon av primære alkoholer, er mettede aldehyder. De har bare enkeltbindinger i hydrokarbonresten. Eksempel: forbindelsen propanal CH3-CH2-CHO. Det finnes også aldehyder som har en umettet hydrokarbonrest. De inneholder én eller flere dobbeltbindinger, som for eksempel forbindelsen propenal CH2=CH-CHO. Slike forbindelser kalles umettede aldehyder.

Aldehydgruppen kan også være bundet til aromatiske hydrokarbo­ ner. Slike forbindelser kalles aro­ matisk aldehyder. De utmerker seg ved å ha en smak som minær om frukt eller grønnsaker.

— CH = CH —C H Benzaldehyd (mandelsmak)

Kanelaldehyd (kanelsmak)

4.6.1 Aldehydenes homologe rekke Aldehydene danner en homolog rekke (tabell 174/1). De første tre stoffene heter ifølge den syste­ matiske nomenklatur metanal, etanal og propanal. Ofte brukes også trivialnavnene. Metanal er en gass, etanal og propanal væsker, men meget flyktige. De høyere aldehydene er aromastoffer med smak av bringebær og jordbær.

Tabell 174/1: De første tre aldehydene i den homologe rekken

Syste­ matisk navn

Trivialnavn

metanal

formaldehyd

H-CHO

etanal

acetaldehyd

propanal

propionaldehyd

Den generelle summeformelen for aldehydene er

Formel

Koke­ punkt i°C

Lukt

-19,3

stikkende

ch3-cho

20,2

stikkende

CH3 —CHj —CHO

48,8

fruktaktig

CnH2n + 1

C

0 H

Aldehydene er meget reaktive De to første aldehydene i den homologe rekken - metanal og etanal er derfor mye brukte mellomprodukter ved organiske synteser. 174

4.6.2 Viktige aldehyder Metanal HCHO (formaldehyd) er en fargeløs gass med stikkende lukt, som er lett løselig i vann. En 40 % løsning i vann selges under navnet formalin. Metanal blir ofte brukt i denne letthåndterlige formen. Formaldehyd må bare håndteres i avtrekk, siden den er helseskadelig. Det viktigste anvendelsesområdet for metanal er kunststoffproduksjon (side 207). Dessuten brukes det for konservering av biologiske og anatomiske preparater. Industriell fremstilling av metanal skjer ved katalytisk oksidasjon av metanol med oksygen fra luften: 2 CH3OH

+

-------►

O2

2 HCHO

+

2 H2O

Etanal CH3CHO (acetaldehyd) er en væske med fruktaktig lukt, med kokepunkt +20,2 °C. Det er et viktig mellomprodukt i den kjemiske industrien, og videreforedles til etansyre, fargestoffer, legemidler og kunststoffer. Industriell fremstilling av etanal skjer ved katalytisk oksidasjon av eten med oksygen fra luften: 2CH2 —CH2

+

O2

--------►

2 CH3CHO

Enkelte aromatiske aldehyder brukes som aromastoffer på grunn av sin fruktaktige smak og lukt, for eksempel benzaldehyd, anisaldehyd og kanelaldehyd.

Påvisningsreaksjoner. Påvisningsreaksjonene for aldehyder er basert på deres reduserende effekt: • De farger Fehlings væske gulrød: De blå Cu2+-ionene i væsken blir redusert til røde Cu+-ioner.

• De danner et sølvspeil på glassveggen fra en amoniakkalsk sølvsalt-løsning: Ag+-ionene i løsningen reduseres til elementært sølv.

4.7 Ketoner

H H H I I I H-C —C —C-H | | I H OH H

Kataly--------- —► sator

H H ' ! H-C—C—C-H | II I H O H

+ H2O Hvis man oksiderer en sekundær alkohol som for eksempel 2-propanol, dannes en forbindelse som 2-propanol aceton (propanon) har trivialnavnet aceton. Den består av to hydrokarbonrester som er bundet til et midtstilt C-atom. Dette C-atomet er dessuten bundet til ett enkelt O-atom med en dobbeltbinding. Denne kombinasjo—C— nen kalles en karbonylgruppe. Det Ketonene inneholder gruppa „ er den funksjonelle gruppen i en ny Strukturformel: -COO

+

O2

type stoffer, ketonene.

Ketonenes systematiske navn dannes av alkanets med endelsen -on. Eksempel: Aceton har tre C-atomer, og det systematiske navnet er propanon. Aceton (propanon) er det viktigste og mest kjente ketonet. Det er en fargeløs, vannløselig, flyktig og brennbar væske (kokepunkt 56 °C) med frisk lukt. Fordi den lett løser fett, lakk og lim brukes den som rensemiddel og løsemiddel. Dessuten brukes den i mange organiske synteser. Industrielt fremstilles aceton fra propen:

CH2 = CH-CH3

____ Hi0_ >

Propen

CH3-CHOH-CH3

CH3-CO-CH3

+

H2O

Aceton (Propanon)

2-Propanol

Repetisjonsspørsmål 1

2

Hva er strukturformelen for de fire første alkanene? Hvordan fremstilles etanal industrielt?

3 4

Hva er strukturformelen for aceton?

Aldehyder og ketoner inneholder begge gruppen ~C=O. Hva er forskjellen?

175

4.8 Karboksylsyrer

Forsok 176/1: Dannelse av metansyre

Aldehyder kan oksideres videre (forsok 176/1). Metanal, for eksempel, oksideres til et stoff som vi på grunn av alkanstammen metan og dets sure egenskaper kaller metansyre (trivialnavn maursyre). blir redusert metanal

metansyre O

CuO

H-C

Beskrivelse: En rull kobbernett okside­ res i bunsenbrennerflammen. Den fremdeles var­ me rullen dyppes i en metanallosning (formalin). Av det svarte kobberoksidet dannes rodt kobber, og det dannes en damp med stikkende lukt, som farger lakmuspapir rodt.

oksidert kobber­ nett

metansyregass metana les­ ning

O-H

blir oksidert

Metansyre er en organisk syre, siden utgangspunktet er en karbonholdig, organisk forbindelse. Den gruppen som metansyre tilhører, kaller vi karboksylsyrer.

Metansyremolekylet inneholder et O-atom bundet ved dobbeltbinding og en OH-gruppe ved samme Catom. Denne gruppen er kjennetegnet for karboksylsyrene og kalles en karboksylgruppe.

Den funksjonelle gruppen i karboksylsyrene er karboksylgruppen Kortform -COOH

O O-H O

Som metanal kan også etanal oksideres til en karboksylsyre. Dermed dannes etansyre, som er kjent under trivialnavnet eddiksyre.

c h3-c^ H etanal.

Også de andre aldehydene i den homologe rekken kan oksideres til karboksylsyrer. På denne måten dannes stoffene i en ny klasse: karboksylsyrenes homologe rekke.

generelt:

c h3— etansyre

OH

R —

R— CCj

aldehyd

karboksylsyre

OH

Forskjellige slags karboksylsyrer Denne stoffgruppen er meget stor, sidene det kan være én eller flere karboksylgrupper, og dessuten andre funksjonelle grupper bundet til de forskjellige hydrokarbonrestene. Det systematiske navnet til en mettet forbindelse dannes av navnet på alkanet syren er avledet av, pluss endelsen -syre. Eksempler: metansyre, etansyre, propansyre osv.

Hvis hydrokarbonresten inneholder dobbeltbindinger, dreier det seg om en umettet karboksylsyre. Det systematiske navnet dannes av alkennavnet og endelsen -syre.

Karboksylsyrer kan inneholde én, to eller flere karboksylgrupper. Derfor kalles forbindelser med én karboksylgruppe monokarboksylsyrer, forbindelser med to grupper dikarboksylsyrer osv.

Alkensyrer (umettede)

alkenrest-COOH

Monokarboksylsyrer

R-COOH

Dikar­ boksylsyrer

\\l

O

I

i

!

o

K

I

Aromatiske karboksylsyrer

r2-cooh

tr

Hydroksykar­ boksylsyrer

R, - COOH

T

Vi snakker om aromatiske karboksylsyrer når karboksylgruppen er bundet til en aromatisk hydrokarbonrest.

alkanrest-COOH

O

Hydroksykarboksylsyrer er karboksylsyrer som i tillegg til karboksylgruppen også inneholder én eller flere hydroksylgrupper.

Alkansyrer (mettede)

c^° "OH

I tillegg til de nevnte, viktigste karboksylsyreslagene, finnes det flere andre. De dannes ved at andre funksjonelle grupper, atomer eller atomgrupper bindes til hydrokarbonresten. Noen av disse forbindelsene er av stor betydning, for eksempel aminokarboksylsyrene (side 189).

176

4.8.1 Karboksylsyrenes homologe rekke De mettede karboksylsyrene danner en homolog rekke (tabell 177/1). Ved siden av de systematisk navnene er også mange trivialnavn i bruk. Summeformelen for de enkelte alkansyrene består av en alkanrest og karboksylgruppen. Den generelle sum­ formelen for karboksylsyrene er:

CnH2n+1COOH For metansyre er det i stedet for en alkylgruppe bare et hydrogenatom.

Tabell 177/1: Karboksylsyrenes homologe rekke

Systematisk navn

Trivialnavn

Sumformel

metansyre etansyre propansyre

maursyre eddiksyre propionsyre

H — COOH CH3-COOH

butansyre pentansyre

smørsyre valeriansyre

heksadekansyre oktadekansyre

Koke­ punkt i°C

C4H9 - COOH

100 118 141 162 187

palmitinsyre

C15H31 — COOH

350

stearinsyre

C17H35-COOH

370

c2h5-cooh c3h7-cooh

Hvis det ikke betyr noe hvilken type alkylgruppe det dreier seg om, skriver man en forkortet formel, der alkylgruppen angis med en R: R-COOH

4.8.2 Karboksylsyrenes generelle egenskaper De tre første karboksylsyrene er fargeløse væsker med stikkende lukt. De midlere karboksylsyrene er også væsker, de lukter ubehagelig harskt eller som svette. De høyere karboksylsyrene er pastaaktige faste stoffer med svakt fettaktig lukt. Karboksylsyrenes smelte- og kokepunkt ligger høyere enn for de tilsvarende alkaner, alkoholer og aldehyler (sammenlign tabell 163/1, 170/1 og 174/1). Årsaken til dette er den forskjellige elektronaffiniteten til oksygen-, hydrogen- og karbonatomene, som gjør at karboksylgruppen er sterkt polart. Dermed dannes det hydrogenbindinger (figur 177/1) mellom syremolekylene, slik at de holdes fastere sammen.

Figur 177/1: Hydrogenbindinger mellom etansyremolekyler

nøytral____________ pojar Løseligheten i vann er god for de lavere karbo­ ksylsyrene (til fire C-atomer), men den avtar med r \ 1 1 1 11 1 økende kjedelengde. De høyere karboksylsyrene (h—c—c—c—c—c—c —c—c; Al 1 1 1 li 1 er uløselige i vann. Denne forskjellen skyldes at karboksylsyrene har to forskjellige bestanddeler: hydrofob hydrofil en hydrofil karboksylgruppe og en hydrofob hydrokarbonrest (figur 177/2). Hos de lavere karbo­ Figur 177/2: Karboksylsyremolekyl ksylsyrene dominerer den hydrofile karboksylgrup­ pen, hos de høyere er det den hydrofobe hydrokarbonresten som dominerer. I upolare løsningsmidler er karboksylsyrene (unntatt metansyre) lett løselige.

Protolyse. Når det løses i vann, kan karboksylsyremolekylet avgi ett proton til et vannmolekyl: Det dannes et negativt ion og et oksoniumion (se eksempel nedenfor).

Eksempel: protolyse av etansyre

ch3 - c^°

+ h2o Un

—*

ch3 - cCS- + H3O+ U

etansyre etanation Metansyre er den sterkeste av karboksylsyrene. Etansyre er allerede en vesentlig svakere syre. Med økende kjedelengde avtar syrenes styrke raskt. Fra pentansyre avgir ikke karboksylsyrene protoner i vann. Det skjer bare i sterke baser, for eksempel ved nøytralisering.

177

4.8.3 Viktige karboksylsyrer Trivialnavnet maursyre henviser til at denne syren finnes i maursekreter. Også væsken i bienes giftkjertel og i neslehårene til brennesle inneholder maursyre. Metansyre er en væske med stikkende lukt, som virker sterkt etsende på huden. Den er den sterkeste av karboksylsyrene.

Metansyre HCOOH (Maursyre)

Vandig metansyre løser uedle metaller som for 2 (HCQO~ + H+)y + Mg ------- ► 2 HCOQ~ + Mg2y + H2T eksempel magnesium \ . r a Metansyre Magnesiummetanat under hydrogenutvikling. Hvis man damper inn løsningen, får man et salt av metansyren. Det heter magnesiummetanat eller med et eldre navn magnesiumformiat. Saltene av metansyre heter metanater eller formiater. Kalkavsetninger løses opp av metansyre:

(HCOO

+ H ) + CaCO3

► 2 HCOO

+ Ca2

+ H2O + CO2T

Da den ikke løser opp edlere metaller som for eksempel krom, som kjøkkentøy ofte er belagt med, brukes metansyre til å fjerne kalkavsetninger. Da den ikke løser opp edlere metaller som for eksempel krom, som kjøkkentøy ofte er belagt med, brukes metansyre til å fjerne kalkavsetninger.

Etansyre CH COOH (Eddiksyre)

Trivialnavnet skyldes at etansyren er syrebestanddelen husholdningseddik. Konsentrert etansyre virker sterkt etsende, dampen har stikkende lukt og etser slimhinne­ ne. I lavere konsentrasjon (1 til 5 %) er etansyre uskadelig og brukes i maten.

Ren etansyre er ved 20 °C en fargeløs væske med sterkt etsende, brennbar damp. Allerede ved avkjøling til 16,6 °C stivner etansyre til islignende krystaller. I denne form kalles den iseddik.

Etansyreløsninger reagerer med uedle metaller:

2 (CH3COO

+ H+) + Mg

► 2 CH3COO

+ Mg2+ + H2T

Saltene av etansyre kalles etanater eller med et eldre navn acetater. Velkjente acetater er kobberacetat = irr og aluminiumacetat.

De store mengdene etansyre som går med i industrien, fremstilles ved kataly-

_ H0 ^o4°2 HC = CH ------ --- ► CH3 —►

tisk oksidasjon av etanal:

Etanal

Etm

CH3 — Etansyre

Etansyre er et viktig kjemikalium i den kjemiske industri. Den brukes i store mengder ved produksjon av kunststoffer som for eksempel acetatsilke og fargestoffer og legemidler, og inngår også i mange andre synteser. Mateddik fremstilles ved at alkoholen i billig vin oksideres til eddiksyre. Det skjer ved at vinen får risle over spon av bøk, som er tilsatt eddiksyrebakterier. Bakteriene forvandler alkoholen til eddiksyre.

Høyere metansyrer (mettede fettsyrer) De høyere metansyrene, som heksadekansyre C15H31COOH (trivialnavn palmitinsyre) og Oktadekansyre C17H35COOH (trivialnavn stearinsyre) er kjemisk bundet hovedbestanddelene i fett (side 186). De høyere karbo­ ksylsyrene kalles derfor mettede fettsyrer.

178

palmitinsyre H H HHHHHHHHHH H H H I II 1 1 1 ! 1 1 1 1 lill H-C- c-c—c-c-c-c—c-c-c-c- C-C-C-C—C' II 1 1 1 1 1 1 1 1 lill OH HHHHHHHHHH H H H H H

stearinsyre H H H H H H O H HHHHHHHHHH 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1 1 -c-cf H-C- c-c-c-c-c-c-c-c-c-c- c-c-c-c-c 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1, 1 1 1 1 H OH H HHHHHHHHHH H H H H H

4.8.4 Umettede karboksylsyrer Umettede karboksylsyrer inneholder én eller flere C=C-dobbeltbindinger. Den enkleste umettede karboksylsyren er propensyre CH2=CH-COOH, som er mest kjent under trivialnavnet akrylsyre. Av dens derivater fremstilles kunststoffer (side 205).

Høyere umettede karooksylsyrer (umettede fettsyrer) er, kjemisk bundet, bestanddeler i oljer og fly­ tende fettarter. Til dem hører olje­ syre C17H33COOH, linolsyre C17H3. ,COOH og linolensyre C17H29COOH med henholdsvis én, to og tre dobbeltbindinger.

CH3(CH2)7 CH =CH (CH2)7 COOH oljesyre

CH3(CH2)4 CH = CH CH2 CH = CH (CH2)7 COOH linolsyre CH3CH2 CH = CH CH2 CH =CH CH2 CH = CH (CH2)7 COOH linolensyre

4.8.5 Dikarboksylsyrer, hydroksysyrer, aromatiske karboksylsyrer Dikarboksylsyrer inneholder to karboksylgrupper. Det første stoffet i den homologe rekken er oksalsyre HOOC-COOH (figur 179/1), som finnes i mange fruktslag og grønnsaker og har betydning for dannelse av nyrestein (kalsiumoksalat). De neste stoffene i den homologe rekken er malonsyre HOOC-CH2-COOH, ravsyre HOOC-(CH2)2-COOH, glutarsyre HOOC-(CH2)3-COOH, adipinsyre HOOC-(CH2)4-COOH osv. Disse stoffene er mellomprodukter ved organiske synte­ sen

malonsyre (propandisyre)

oksalsyre (etandisyre)

Figur 179/1: Dikarboksylsyrer

Hydroksykarbonsyrer inneholder ved siden av karboksylgruppen (-COOH) én eller flere hydroksylgrupper (-OH). Hydroksykarbonsyrer er blant de bestanddelene i frukt som gjør den syrlig, og spiller en viktig rolle i stoffskiftet. De er best kjent under sine trivialnavn:

H

H

I

I

H

OH

°X 7 I /° xc—c— c—cx HOZ

melkesyre

nL

1

OH

OH

eplesyre

Figur 179/2: Hydroksykarboksylsyrer Melkesyre CH3-CHOH-COOH (figur 179/2) dannes ved bakterieaktivitet når melk surner. Dermed dannes yoghurt, ost osv. Også i musklene dannes det ved belastning melkesyre som fører til utmattelse.

Eplesyre COOH-CHOH-CH2-COOH finnes i epler og i sure frukter. Andre hydroksykarboksylsyrer er vinsyre og sitronsyre.

Hos de aromatiske karboksylsyrene er karbok sylgruppen bundet til aromatiske molekylrester. Viktige representanter for de aromatiske karbok­ sylsyrene er for eksempel benzosyre, som på grunn av sin desinfiserende virkning brukes som konserveringsmiddel i matvarer (figur 179/3) og tereftalsyre, som er mellomprodukt ved fremstil­ ling av kunststoffer (side 202).

Figur 179/3: Aromatiske karboksylsyrer

Repetisjonsspørsmål 1 2

Hvilke funksjonelle grupper inneholder karbok­ sylsyrene og hva er deres strukturformel? Hvordan er den generelle summeformelen for de mettede karboksylsyrene?

3

Hvilke høyere karboksylsyrer er bestanddeler i fett og oljer?

4

Hva er formelen for butensyre?

179

4.9 Estere Som det allerede ble sagt om oksidasjon av alkoholer til aldehyder (side 174) og oksidasjon av aldehyder til karboksylsyrer (side 176), er de funksjonelle gruppene de stedene i molekylet hvor reaksjoner finner sted.

De funksjonelle gruppene i to organiske forbindel­ ser kan også reagere med hverandre. Eksempel: Etansyre reagerer med etanol (forsøk 180/1). De funksjonelle gruppene i de to stoffene reagerer innbyrdes, og det oppstår et nytt stoff under avspalting av vann: en ester.

ch-c"§h

+

Etansyre

HOC2H5

Forsøk 180/1: Dannelse av etansyreetylester

Beskrivelse: 1 et reagensglass blandes 2 cm3 etanol med 2 cm3 konsentrert etansyre. Så tilsettes under omrysting dråpevis 2 cm3 konsen­ trert svovelsyre. Etter en stund kommer det en be­ hagelig, frisk lukt fra reagen 'asset. Det er dan­ net en ny forbindelse: en ester.

H2S04

^0 ^o-c2h5

ch3c

Etanol

h2o

Etansyreetylester

Vann

Også andre syrer og andre alkoholer kan reagere med hverandre, som for eksempel:

c3h7c^qh

+

Butansyre

hoch3

H;S°4

c3h7c^o_ch

+

Butansyremetylester

Metanol

H2O Vann

Vi kan slå fast at vann blir avspaltet ved reaksjonen mellom de funksjonelle gruppene, og de to molekylrestene slår seg sammen til en ny forbindelse, en ester.

Generelt kaller vi en reaksjon der små molekyler som vann, ammoniakk osv. blir avspaltet mens de store molekylrestene danner en ny forbindelse, en kondensasjonsreaksjon. Estere dannes ved kondensasjon av syrer og alkoholer, syre + alkohol -> ester + vann

Karboksylsyrenes estere inneholder en midtstilt, karakteristisk atomgruppe som kan betraktes som deres funksjonelle gruppe.

Den funksjonelte ti| karboksylsyrenes estere-

0 ~ C"-0 -

Det systematiske navnet til en ester dannes av navnet på syren, alkoholens alkylrest og endelsen ester. Eksempler: etansyreetylester, butansyremetylester osv.

Også uorganiske syrer kan danne estere med alkoholer (side 181).

4.9.1 Generelle egenskaper Aggregattilstand. Det dannes ikke hydrogenbindinger mellom estermolekylene. Derfor har esterne lavere kokepunkt enn alkoholene eller karboksylsyrene med like mange C-atomer, for hos disse holdes molekylene sammen også av hydrogenbindingene. Estere med få C-atomer et flyktige væsker. Løselighet. Siden de mangler den hydrofile OH-gruppen, er ikke esterne løselige i vann, men i bensin og andre upolare løsningsmidler løser de seg lett. Estere med få C-atomer er selv utmerkede løsemidler for fett, lakk og andre organiske stoffer. Hydrolyse. Ved å ta opp vann kan esterne spaltes i syre og alkohol igjen. Denne reaksjonen kalles hydrolyse. Det er det motsatte av kondensasjon.

Syre

+

Alkohol

^gndensasjon^

Ester

+

Vann

Hydrolyse

Dette er en likevektsreaksjon (side 69), som kan styres ved tilsetning av egnede stoffer (H2SO4 fremmer kondensasjon, NaOH fremmer hydrolyse). 180

4.9.2 Viktige estere Karboksylsyreestere

Estere av de lavere

karboksylsyrer og lavere alkoholer brukes som løsemidler for lakk og lim (tabell 181/1).

Estere av de midlere karboksylsyrer og lavere alkoholer har behagelig, fruktaktig lukt og smak. De fremstilles industrielt som aromastoffer til sukkertøy, leskedrikker, tyggegummi osv. Lukt og smak av frukt skyldes hovedsakelig estere som dannes i fruktene.

Tabell 181/1: Estere og deres anvendelse

Anvendelse

Formel

Navn

løsnings­ middel

etansyremetylester

CH3-cC

butansyremetylester

c3h7—ct"

aromastoff (bringebær)

butansyreetylester

c3h7-c^° o-c2h5

ananasaroma

salisylsyremetylester

(

3 7

o-ch3

-O ^o-ch3

)

0-CH3

^OH

aromastoff for tyggegummi (peppermynte)

Estere av høyere karboksylsyrer (fettsyrer) og den treverdige alkoholen glyserol er av stor betydning. De er fett side (186). Esterne av de mettede fettsyrene gir fast fett, estere av umettede fettsyrer oljer

og flytende fett.

Estere av uorganiske syrer

H H Også | I uorganiske H—C—O—NO2 H-O-NO2 H-C-O-H syrer kan reagere med alkoholer til estere. GlyH-C-O-H + h-o-no2 —— H-C-O—NO2 + 3H2O H-C—O-NO2 h-o-no2 H-C —O— H seroltrinitrat, som er kjent under trivialnavnet H H nitroglyserin, er for eksempel en ester av salpetersyre og glyserol. Det er en oljeaktig væske som nitroglyserin salpetersyre glyserol ved slag eller støt eksplodere med stor voldsomhet. Hvis den suges opp i finkornet kiselgur, er den ikke lenger ømfintlig for støt. I denne lett håndterlige form kalles den dynamitt og brukes som sprengstoff. Oppfinneren av dynamitten var svensken Alfred Nobel (1833-1896), som opprettet Nobelprisene for pengene han tjente på dynamitten.

4.10 Etere Etere dannes ved at alkoholmolekyler reagerer med hverandre i nærvær av en sterk, vanntiltrekkende syre. For eksempel dietyleter dannes ved at eta­ nol tilsettes konsentrert svovelsyre. Det som skjer, er en kondensasjon: Vann blir avspaltet og de to alkylrestene forbinder seg over gruppen -O-.

— C2H5OH + HOC2H5 etanol

etanol

hsov C,H5-O-C2H5 + h2o dietyleter

vann

I etermolekylene er to alkyl­ rester forbundet med gruppen -O:

Dietyleter C2H5-O-C2H5 er den viktigste eteren. Den er en meget flyktig væske (kokepunkt 34,6 °C) med karakteristisk lukt. Dampen er lettantennelig.

Dietyleter fører ved innånding til bevisstløshet, og brukes derfor som narkosemiddel. På grunn av den gode løseevne for fett og andre organiske stoffer, brukes den som løsningsmiddel i kjemien.

Den langkjedede alkylpolyglykoleter R-CH2-O-(CH2-CH2-O)X-H har fått industriell betydning. Den er et tensid og er en bestanddel av vaskemidler (side 215).

Repetisjonsspørsmål 1

Forklar hvordan etansyrebutylester dannes.

3

Hva er ligningen for hydrolyse av C3H7COOC2H5?

2

Hva er en kondensasjonsreaksjon?

4

Hva er bestanddelene i etermolekylet?

181

4.11. Nitrogenholdige organiske forbindelser Nitrogenholdige organiske forbindelser er av stor kjemisk og industriell betydning. De finnes i kunststoffer, fargestoffer, legemidler og i mange næringsmidler.

4.11.1 Aminer Aminene kan avledes fra ammoniakk (figur 182 /I): H-atomene erstattes av alkylrester, for eksem­ pel metylrest. Avhengig av om ett, to eller tre Hatomer blir erstattet, får vi primære, sekundære eller tertiære aminer.

H

ch3-

H-N II

ch3

ch3

I

ch3- n

ch3-n

I

I

H

H

ammoniakk

De primære aminene er de viktigste. De innehol­ der den funksjonelle gruppen -NH2.

H I n

metylamin (prim, amin)

ch3

H dimetylamin (sek. amin)

trimetylamin (tert, amin)

Figur 182/1: Avledning av aminer fra ammoniakk

Aminer (primære) inneholder som funksjonell gruppe - NH2. De systematiske navnene til de enkelte aminer dannes av alkylresten(e) og endelsen -amin. Eksempel: metylamin CH3-NH2. Ved kompliserte aminer dannes navnet av forstavelsen amino- og alkannavnene. Eksempel: 1,2-diaminoetan H2N-CH2 -CH2-NH2. Viktige aminer har oftest trivialnavn.

h

H

H

:c :

n

H

H

H

: +

h2o

h

+ OH“

metylammoniumlon

hydroksidlon

: C : N :

H

metylamin

Som ammoniakk opptar også aminene protoner i nærvær av vann (figur 182/2). De reagerer altså som baser (protonakseptorer).

—— h

vann

H

H

Figur 182/2: Aminenes basiske reaksjon

De lavmolekylære aminene er gasser eller flyktige væsker med ammoniakk- eller fiskeaktig lukt De enkle aminene er lett løselige i vann, siden de er polare. De aromatiske aminene er sterkt giftige. De viktigste aminene i industriell sammenheng er urea og anilin.

Urea H2N-CO-NH2 Urea (urinstoff) ble som det første organiske stoff fremstilt syntetisk i laboratoriet (side 160). Det er et hvitt, krystallinsk, vannløselig, fast stoff. Molekylet inneholder to aminogrupper. Urea er det viktigste nedbrytningsproduktet fra stoffskiftet hos mennesker og dyr. Med urinen skiller et menneske ut ca. 30 g urea i døgnet.

Urinstoff

NH2-C-NH2 II 0

I den kjemiske industrien brukes urea i store mengder til fremstilling av kunststoffer (aminoplast, side 208). Industrielt fremstilles urea av ammoniakk og karbondioksid: 2 NH3

+

CO2

-1— 2 H2N-CO-NH2

+

H2O

200 bar

Anilin C6H5NH2 (aminobenzen) Anilinmolekylet består av en benzenring med en aminogruppe. Anilin er en fargeløs, giftig væske, som på grunn av sin aromatiske karakter ikke blander seg med vann.

anilin

Anilin fremstilles av benzen i flere trinn: HN03/H2S04

Fe/HCI

— NH2 anilin

Anilin er et viktig utgangsstoff for fremstillingen av azofargestoffer (side 212). De inneholder som typisk atomgruppe azogruppen N=N-, som dannes ved sammenkobling av aminoforbindelser.

182

4.11.2 Aminokarboksylsyrer rest

Aminokarboksylsyrene, som oftest kalles aminosyrer, har både aminogrupper og karboksylgrupper i molekylet (figur 183/1).

R

Aminosyrene har to funksjonelle grupper: karboksylgruppen -COOH og aminogruppen -NH2

H

I ------ C —C I

karboksyl gruppe

N

Figur 183/1: Aminosyrer

Den enkleste aminosyrene er aminoetansyre H-CH(NH2)-COOH, med trivialnavnet glysin. Den følgende aminosyren er aminopropansyre CH3-CH(NH2)-COOH (trivialnavn alaniri).

Vi bruker molekylformel for aminosyrene for letthets skyld, men i virkeligheten foreligger amino­ syrene som zwitterion, som har både en positiv og en negativ ladning. Det dannes ved at det skjer en protonforskyvning inne i molekylet: Et proton avspaltes fra karboksylgruppen (protondonor) og tas opp av aminogruppen (protonakseptor).

Aminosyrene er derfor amfotere (figur 183/2). Hvis man tilsetter en syre (H3O+) til en aminosyre, vil syreresten -COO oppta et proton. Zwitterionet virker da som protonakseptor. Hvis man tilsetter en base til zwitterionet, vil amino-ionet -NH3+ avgi et proton. Her virker altså zwitterionet som proton­ donor, altså som en syre. Aminosyrer nøytraliserer både tilsatte syrer og baser ved å binde H3O+- og OH -ioner. De fungerer som buffere. Aminosyrene er byggesteinene i proteinene, og derfor nødvendige bestanddeler i kosten (side 189). De inngår som byggematerialer i både planter, dyr og mennesker.

4.11.3 Nitroforbindelser Nitroforbindelsene inneholder -NO2-gruppen (nitrogruppen). Det finnes både alifatiske og aromatiske nitroforbindelser. De fremstilles ved reaksjon med en salpetersyre/svovelsyre-blanding. Nitroforbindelsene er oftest lite stabile og reagerer heftig ved støt. Enkelte nitroforbindelser spaltes eksplosjonsartet og brukes som sprengstoff, for eksempel trinitrotoluol, forkortet TNT.

4.11.4 Nitriler (cyanider) Nitriler har -C=N (nitrilgruppe) som funksjonell gruppe. Det enkleste nitril er hydrogencyanid H-CsN, som er kjent under trivialnavnet blåsyre. Det er en reaktiv, flyktig væske (kokepunkt 26 °C), som er ytterst giftig. Hydrogencyanid inngår som mellomprodukt i mange prosesser og fremstilles i store mengder. Også andre nitriler har industriell betydning, for eksempel akrylnitril CH2=CHC=N, som er utgangs­ materiale for kunststoffet polyakrylnitril (side 205).

183

4.12 Svovelholdige organiske forbindelser Svovelholdige organiske forbindelser er av stor betydning innenfor deler av den organiske kjemi, for eksempel fremstilling av fargestoffer, vaskemidler og legemidler. De viktigste representantene er tioler. sulfonsyrer og deres salter.

Tioler (merkaptaner). Tioler er svovelforbindelser som er analoge med alkoholene. Tiolene har SH- som funksjonell gruppe. Det systematiske navnet dannes på samme måte som for de tilsvarende alkoholene, men med endelsen -tiol. Eksempler: CH3—SH metantiol, C2H5-SH etantiol, C3H7-propantiol.

Tioler

R —SH

De lavere tiolene er gasser eller væsker med ubehagelig lukt. Sulfonsyrer

Sulfonsyrer. Sulfonsyrene har den funksjonelle gruppen SO3O- knyttet til en alifatisk eller aromatisk molekylrest.

R - SO3H

Aromatiske sulfonsyrer, for eksempel toluolsulfonsyre, har stor teknisk be­ tydning som mellomprodukter ved fremstillingen av mange andre forbindelser.

SO3h Mange syntetiske fargestoffer er for eksempel salter av aromatiske sulfonsyrer (side 212). Vaskemiddelråstoffet alkylbenzensulfonat (side 215) er også et aromatisk sulfonsalt. Også ved fremstilling av den viktige legemiddelgruppen sulfonamider (antibiotika) brukes aromatiske sulfonsyrer.

Toluensulfonsyre

4.13 Heterosykliske forbindelser Ringformede forbindelser som i tillegg til karbon også inneholder andre grunnstoffer i ringen, kalles heterosykliske forbindelser. De andre grunnstoffene er oftest nitrogen, oksygen eller svovel.

De umettede heterosykliske forbindelsene har mer eller mindre utpreget aromatisk karakter. Deres strukturformel kan derfor skrives på samme måte som for aromatene med en ring inne i en mangekant. På de heterosykliske forbindelser brukes trivial­ navn. Det finnes et stort antall av dem, og stoffene som er nevnt nedenfor, gir et innblikk i stoff­ gruppen.

Femleddede heterosykliske forbindelser med ett fremmed ledd er pyrrol, furan og tiofen. De er mellomprodukter ved farge- og legemiddelproduksjon. Det kan også være bygd inn flere fremmedatomer i ringen med fem ledd. Den mest kjente seksleddede heterosykliske forbindelsen med ett fremmedatom er pyridin. som brukes som løsningsmiddel for biokjemiske stoffer. Også i ringer med seks ledd kan det finnes flere fremmedatomer, som i pyrimidin og pyrazin. De heterosykliske forbindelsene som er vist her, er enkle representanter for denne stoffgruppen. De fleste heterosykliske forbindelser, som særlig brukes i legemiddelfremstilling og biokjemi, har meget kompliserte molekyler som består av mange ringer og funksjonelle grupper.

Repetisjonsspørsmål 1 2

Hva er aminenes funksjonelle gruppe? Hvorfor kan aminene opptre som baser?

5

Hva er formelen for trinitrotoluen?

6

Hvilken stoffgruppe tilhører HC=N?

3

Hva dannes ved reduksjon av nitrobenzen?

4

Hvordan er aminosyrene bygd opp?

7 8

Hva er sulfonsyrenes funksjonelle gruppe? hva er en heterosyklisk forbindelse?

184

4.14 Tabell over organiske stoffgrupper Stoffgruppens navn

Typisk oppbygging/ funksjonell gruppe

Generell formel

Typiske representanter

___

Hydrokarboner Metan

Alkaner

C — C-enkeltbinding

CnH2n +2

Alkener

C = C-dobbeltbinding

CnH2n

Alkiner

CE C-trippelbinding

CnH2n-2

Etan

h

I 1 H

H-C-H

C-C-C-H II H H

C=C II H H

Propyn

Etyn h-cec-h

H-CEC-

Benzen

Aromatiske hydro­ karboner

1 h1 1H H1

Propen 7 7 V

V ”

Eten

h

H-C-C-H

C-H

Toulen

Naftalen

Benzenring

Oksygenholdige forbindelser Alkoholer

Hydroksylgruppe

CnH2n + iOH

Metanol ch3oh

Etanol ch3ch2oh

^»O C^H

Aldehydgruppe

CnH2n + iC^°

Metanal HCHO

Etanal CH3CH0

— C— q

Karbonylgruppe

R.-C-R, II 0

Aceton ch3-co-ch3

_0H

Aldehyder

Ketoner

oo w/

oo

Butansyremetylester c3h,-c£°_CH3

0

R2

V

I I

oc *

I

Rr|

/COOH

CH3C00H

o

-o-

o

Etere

Estergruppe

cc-

_r^O

Benzosyre

Etansyre I

Estere

Karboksylgruppe

æ

„/O C^OH

Karboksylsyrer

(Q)

Dietyleter c2h5-o-c2h5

Nitrogenholdige forbindelser Aminer

_

2

Aminosyrer

-COOH,

Nitroforbindelser

-no2

Nitriler

— CEN

1

Aminogruppe

Urinstoff nh2- co- nh2

- NH2

Aminoetansyre

Anilin

” H ?c^oh nh2

J

ch3 1

Trinitrotoluen

Nitr0'

no2X

gruppe Blåsyre H —CEN

Nitrilgruppe

1 no2

zno2

'■H

Svovelholdige forbindelser Tioler

Sulfonsyrer

Heterosykliske forbindelser

-SH

3

H

Tio1' gruppe

R-SH

Su,fongruppe

R-SO3H

Fem- eller seksleddede ringer med fremmedatom

Metantiol CH3SH

Toluensulfonsyre

/— CH3— (

Furan ®

Thiofen 2

so3h

Pyrimidin © 1

185

4.15 Fett Fett er estere av høyere karboksylsyrer (fettsyrer) og den treverdige alkoholen glyserol.

HHHHHHHHHHHHHHHHH I

I

I

I

*

i

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

n

I

o

I

I

i

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

|

A

hhhhhhhhhhhhhhhhh

Tre fettsyrerester forbinder seg med en glyserolrest til et fettmolekyl. Fett er altså fettsyreglyserolestere.

L,

O-C-H

HHHHHHHHHHHHHHHHH i i i i i i i i i i i i i i i i i

-O

H-C-C-C-C-C-C-C-C-C=C-C-C-C-C-C-C-C-Cr I I

I

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

I

_

\

O-C-H

HHHHHHH

HHHHHHHH

Eksempler: stearinsyre-oljesyrepalmitinsyreester.

H

H-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-Cr

HHHHHHHHHHHHHHH n I I i i I i i l i I l I I I I ,o H-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C^ I

1

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

HHHHHHHHHHHHHHH

I

X

LI

O-C-H

_____________________________ ____________________________________ H i de naturlige fettsortene er det fettsyrerest glyserolrest oftest to eller tre forskjellige fettsyrer (R1, R2, R3). Det dreier seg oftest om rester av de mettede fett­ r1-cooch2 syrene palmitinsyre C15H31COOH og stearinsyre C17H35COOH samt Generell I rester av de umettede fettsyrene oljesyre C17H33COOH, linolsyre formel for et r2-cooch fettmolekyl C17H31COOH, og linolensyre C17H29COOH (side 178/179). Omkring I r3-cooch2 10 andre fettsyrer forekommer i mindre mengder.

Fett fra naturprodukter er blandinger av forskjellige fettsyreglyserolestere. Fett som hovedsakelig består av mettede fettsyrer, er fast (kokosfett, talg osv.). Fett som hovedsakelig består av umettede fettsyrer, er flytende (oljer). Egenskaper. Fett løser seg ikke i vann, men lett i upolare løsningsmidler som bensin, eter osv. Fett har en densitet like under 1 g/cm3 og flyter derfor i vann. Hvis flytende fett blandes i vann under kraftig omrøring, fordeles fettet i små dråper, slik at det dannes en emulsjon.

Fettets biologiske betydning Fett er en viktig bestanddel av kostholdet. Det fyller flere funksjoner i kroppen:

• Brukes som energikilde i stoffskiftet. • Utgjør en næringsreserve som opplagret fett. • Fungerer som løsningsmiddel for livsviktige vitaminer. • Et lag underhudsfett som omgir hele kroppen, beskytter mot varmetap. Fettet i maten spaltes i tarmen, og i tarmveggen bygges bestanddelene sammen igjen til kroppens egne fettsorter. Så transporteres fettet via blodomløpet ut i kroppen der det brukes. Enkelte flerumettede fettsyrer kan ikke kroppen lage selv, de må derfor tilføres gjennom maten. Dette er de såkalte essensielle fettsyrer. De finnes særlig i oljer.

Fettutvinning Fett som benyttes i kostholdet, fremstilles av naturprodukter. Animalsk fett (dyrefett) får vi ved utsmelting av fettvev fra dyr (smult, tran) eller ved kjerning av fløte (smør). Vegetabilsk fett (p\antetett) utvinnes av fettholdige frø og frukter, som for eksempel kokoskjerner, solsikkefrø, jordnøtter, oliven, soyabønner osv. De males og presses eller ekstraheres med et løsningsmiddel. Noe av planteoljene videreforedles til smørbart spisefett, margarin. Det skjer ved at 78 % fett og olje, 20 % skummetmelk og 2 % andre tilsetninger blandes under voldsom omrøring, slik at det dannes en stabil fett-vannemulsjon.

186

4.16 Karbohydrater Navnet karbohydrater for denne stoffgruppen forteller at den i tillegg til karbon inneholder oksygen og hydrogen i forholdet 1:2, akkurat som i vann. Den generelle summeformel for karbohydrater kan dermed skrives Cn(H2O)m

Plantene bygger opp karbohydrater av vann og karbondioksid ved hjelp av sollys (fotosyntese), for eksempel: 6 CO2 + 6 H2O - Blad.g-ront „ C6H12O6 +6O2T Blant karbohydratene finner vi både sukkerartene, stivelse og cellulose.

4.16.1 Sukkerartene Det finnes mange forskjellige sukkerarter. De viktigste er glukose (druesukker), fruktose (fruktsukker) og sakkarose (rørsukker).

Glukose som også kalles druesukker, finnes i mange søte frukter, og spesi­ elt rikelig i vindruer, samt i honning. Glukose brukes som hurtigvirkende styrkemiddel, og som infusjonsløsning i medisinen. Glukose (druesukker)

O^. /H >C

H-C-OH HO-C—H

J

H-C-OH

H-C-OH

I vandig løsning foreligger glukose i to isomere former: Ca. 99 % av glukosemolekylene har ringstruktur (figur 187/1). Fem C-atomer og ett Oatom danner en seksleddet ring. Den åpne formen av glukosemolekylet dannes ved at ringen åpnes mellom det femte C-atomet og O-atomet.

H-C-OH I H

Åpen form Figur 187/1: Glukosens kjemiske oppbygning («-□(+))

Fruktose fore­ kommer i søte frukter og honning. Der. er den søteste av alle sukkerarter og brukes til søting av næringsmidler til diettformål. Også fruktose foreligger i to isomere former i vandig løsning: De aller fleste molekylene har ringstruktur (figur 187/2). De består av en femleddet ring av fire C-atomer og ett O-atom.

H - i H-C-OH

Fruktose (fruktsukker)

Den åpne formen av fruktosemolekylet dannes ved at ringen åpnes mellom det 5. C-atomet og Oatomet. _ , , . , . . Sakkarose (rørsukker)

Sakkarose er . .. vanlig sukker som brukes i husholdningen. Det utvinnes av sukkerbeter og sukkerrør. Sakkarosemolekylet består av en glukoserest og en fruktoserest (figur 187/3). Vi kan derfor betrakte det som dannet ved kondensasjon (vannavspalting) av glukose og fruktose. Hos glukose og fruktose består molekyle­ ne av én ring. De kalles derfor monosakkarider. Sakkarosemolekylet inneholder to ringer. Sakka­ rose er altså et disakkarid. andre disakkarider er maltose (maltsukker) og laktose (melkesukker).

2| c= o

3I HO- C —H

J H - C-OH

5I H — C-OH

Ringform

H— C-OH I H

kortsymbol

Åpen form

Figur 187/2: Fruktosens kjemiske oppbygning (£-D(-j

H-C-OH

h - c-oh^, o

V\OH H/C 'q______ /OH

+

?\H

HO

H

OH

h-c-oh

H H-C-OH, 0

0

H

H

fruktose

glukose

?\oh

OH/?

ho v____ > m-c-oH

■ø , , , ono-6—(a^)a> o>10’9- (nm)

Det hvite lyset som kommer fra solen eller andre lyskilder, består av stråling med forskjellig bølge­ lengde. Det er en sammensatt blandingsfarge som inneholder alle spekterets farger. Dette kan vi se hvis vi lar et prisme danne et spektrum av det hvite lyset.

o

m 10-12- (pm)

|infrarødt(IR)

synlig

| ultrafiolett (UV)

I røntgenstråler [ Y-stråler kosmisk stråling

Figur 211/1: Elektromagnetisk spektrum

Fargeinntrykket av en gjenstand kan oppstå på to forskjellige måter:

1 Subtraktiv fargeblanding. Dette gjelder alle gjenstander som ikke er selvlysende, det vil si de aller fleste ting som omgir oss. Ved subtraktiv fargeblanding blir bestemte farger av det hvite lyset fra solen eller en lyskilde absorbert, altså filtrert bort. Det lyset som reflekteres eller slipper gjennom, er "resten" av det filtrerte hvite lyset. Dette restlyset har en bestemt sammensetning som er det vi oppfatter som gjenstandens farge. Dette kaller vi komplementærfargen til den absorberte fargen, siden den sammen med det absorberte lyset igjen ville gitt hvitt lys. Ved absorbsjon av for eksempel indigoblått fra hvitt lys får vi gult. Det er den delen av det hvite lyset som ikke ble absorbert. I tabellen som følger, finnes andre komplementærfarger.

Hvitt lys

^Absorbert del av lyset Komplementærfarge

Hvis gjenstanden absorberer alt lys, er den svart. Hvis ikke noe av det hvite lyset blir absorbert, men spredt og reflektert, er gjenstanden hvit.

2

Additiv fargeblanding. Her kan alle fargetoner dannes etter ønske ved blanding av de tre

grunnfargene rødt, grønt og blått. Slik blir resultatet av blanding av like intense andeler av for eksempel:

rødt, grønt og gult.......... gir hvitt rødt og grønt.................... gir gult rødt og blått.................................girpurpur

Ved å variere grunnfargenes intensitet, kan man få alle mellomtoner. Oransje for eksempel dannes ved blanding av mye rødt og litt grønt, brunt ved blanding av mye rødt og grønt pluss litt blått osv. Fargene i et fargefjernsyn beror på prinsippet om additiv fargeblanding. * nm = nanometer (1 nm = 0,000 000 001 m)

5.4.2 Organiske fargestoffer Fargestoffene er løselige, organiske stoffer med komplisert kjemisk struktur. Deres molekyler inneholder to funksjonelle deler (figur 212/1): 1

2

Den fargebærende delen kalles kromofor (av gresk chroma = farge og phorein = å bære). Kromoforene er grupper med dobbelteller trippelbindinger, for eksempel azogruppen -N=N-, karbonylgruppen

Kromoforgruppe

Auxokrom-

i

gruppe

Figur 212/1: Fargestoffmolekylets funksjonelle deler

O

cyangruppen -CN trifenylmetylgruppen osv.

Auksokromgruppen (av latin auxilium = hjelp). De forsterker fargevirkningen. Auksokrome grupper er for eksempel aminogruppen -NH2, hydroksylgruppen -OH. metoksylgruppen -O-CH3 osv.

Det finnes for tiden ca. 7000 fargestoffer. Dette store antallet er dannet ved variasjoner innenfor et begrenset antall fargestoffgrupper. De fleste fargestoffer tilhører én av fire grupper.

Azofargestoffer Det som er karakteristisk for azofargestoffene, er den sentrale azogruppen -N=N-, Til den kan det være bundet benzen- eller naftalinderivater, eller heterosykliske forbindelser eller dikarbonylforbindelser. Derfor finnes det svært mange azofarge­ stoffer. De utgjør mer enn halvparten av de orga­ niske fargestoffer, både når det gjelder mengde og antall.

Karbonylfargestoffer De karakteriseres ved å ha minst to syklisk konjugerte karbonylgrupper. Viktige representanter for denne gruppen er antrakinonfargestoffene, indigofargestoffene (blue jeans) og indanthrenfargestoffene.

T rifeny Imetanfargestoffer Den kjemiske grunnenheten i disse fargestoffene er trifenylmetyl­ gruppen. Representanter for denne gruppen med vid utbredelse er malakittgrønt, metylfiolett og eosin (rødt blekk). Trifenylmetanfargestoffer har strålende fargetoner og stor fargestyrke.

Ftalocyaninfargestoffer Grunnenheten i disse fargestoffene er ftalocyanin, en kjemisk forbin­ delse som består av et flerleddet ringsystem av aromatiske ringer og fire sentrale nitrogenatomer. Ftalocyaninfargestoffene inneholder dessuten et sentralt metallatom, for eksempel kobber eller jern.

212

Mange fargestoffer i naturen, for eksempel rødt blodfargestoff - heme, eller bladgrønt - klorofyll, er ftalocyaninfargestoffer. De syntetiske ftalocyaninfargestoffene, som blått kobberftalocyanin, utmerker seg ved å være meget lysekte. Ved hjelp av andre metallatomer og sulfonering eller klorering kan man lage en mengde forskjellige farger.

5.4.3 Pigmenter Pigmenter er farger som ikke er løselige i mediet der de brukes. De kan være organiske eller uorganiske. De benyttes som finfordelt fast stoff i et gjennomskinnelig bindemiddel, for eksempel i lakk eller emalje, og gir på den måten materialet farge.

Pigmentpartikler

Transparent bindemiddel r-

Fargesjikt Gjenstand

Figur 213/1: Pigmentinnfarging

Uorganiske pigmenter. Uorganiske pigmenter ble brukt allerede av dem som malte de forhistoriske hulemale­ riene. Den gangen dreide det seg om mineralske jordpigmenter, altså naturlige fargemidler. I dag blir de uorga­ niske pigmentene fremstilt syntetisk. De utmerker seg ved å ha klarere farger og være drøyere og mer bestandige. Kjemisk er det de samme forbindelsene som finnes i naturlige mineraler.

De uorganiske pigmentene brukes spesielt til farging av keramikk, emalje og byggematerialer, siden de er fargebestandige (noen til over 1500 °C), lysekte og værbestandige. Fargeutvalget for uorganiske pigmenter er begrenset (figur 213/2). Ved blanding kan man imidlertid oppnå de fleste fargetoner. De viktigste uorga­ niske pigmenter er titandioksid (hvitt), de forskjellige jernoksidene (røde, gule, svarte), samt kromoksid(grønt, gult), kadmiumsulfid(gult), koboltspinell(blått til grønt) og manganoksider (fiolett, brunt, blått).

Manganfiolett (Mi

Kobolt-Spinell CoA^O^blau) Manganblått (Mn5+) Koboltspinell i Co(AICr)2O4 (lyseblått) Kromoksidgrønt (Cr2O3)

Koboltnikkelspinell (CoNiZn)2(TiAI)O4 (lysegrønt)

Kosmoklor Kromgrønt (blykromat og berlinerblått)

Jernoksid gult

Nikkeltitangult (TiO2, Ni2+, Sb5+) 'ZnS-blandkrystall

a- FeOOH

Kromtitangult (TiO2, Cr3+, Sb5+) CdS/CdSe-blandkrystall med forskjellig sammensetning

a-

,o-

Jernoksid •Fe(forskjellige rødtoner avhengig av partikkelstørrelse)

Titandioksid hvitt TiO2 (rutil)

Organiske pigmenter. De organiske pigmentene er utviklet fra de organiske fargestoffene. Deres grunnleg­ Figur 213/2: Uorganiske pigmenter gende kjemiske oppbygning ligner på de organiske fargestoffenes oppbygning, men her dreier det seg om uløselige forbindelser med de samme fargegivende strukturer som for eksempel azogruppen, fralocyaningruppen osv. De organiske pigmentene blir derfor inndelt i de samme grupper som de organiske fargestoffer (side 212). Azopigmenter gir gule til røde fargetoner, men er lite lysekte. Karbonylpigmenter har gule, røde og fiolette farger av høy kvalitet. Trifenylmetanpigmenter har strålende farger, men er ikke lysekte. Ftalocyaninpigmenter gir forskjellige blå og grønne fargetoner og er lysekte.

De organiske pigmentene har både fordeler og ulemper sammenlignet med de uorganiske: de har oftest en klarere fargetone og større fargekraft, og er for en del transparente (gjennomskinnelige). Derfor brukes de særlig til trykkfarger, lakk og maling, og til farging av kunststoffer. Siden det dreier seg om organiske forbindelser, er de ikke temperaturbestandige (over 200 °C). Dessuten er de vesentlig dyrere enn de uorganiske pigmentene. Repetisjonsspørsmal 1 Hva er forskjellen mellom et fargestoff og et pigment? 2 Hva er komplementærfarger? 3 Hvilken struktur har azogruppen? 4

Hvilken gruppe tilhører indigoblått?

5

Anilin C6H5NH2 er fargeløs. Azobenzen C6H5-N=N--C6H5 som kan dannes av anilin, er gul. Hva skyldes det?

6

Hvilken fargestoffgruppe tilhører rødt blodfarge­ stoff hem og det grønne klorofyll? Hva er de viktigste organiske pigmenter?

213

5.5 Rengjørings- og vaskemidler Rengjørings- og vaskemidler, som også kalles detergenter, er en forutsetning for en hygienisk tilværelse og fyller dessuten et av menneskenes estetiske behov. I tillegg til det eldste vaskemiddelet, såpe, finnes det i dag en rekke moderne hjelpemidler.

5.5.1 Vaskeaktive stoffers virkemåte Rengjørings- og vaskemidler inneholder vaskeaktive stoffer, som også kalles tensider. De er de viktigste virksomme stoffer i rengjørings- og vaskemidle­ ne. hydrofob hydrofil vannawisende vanntiltrekkende Tensidenes virkning skyldes en spesiell molekylær oppbygning. Deres molekyler inneholder to områder med forskjellige egenskaper (figur 214/1):

• det hydrofile (vanntiltrekkende) området, som består av -COO - eller -SO3-grupper

Figur 214/1: Tensidmolekyl

• det hydrofobe (vannskyende) området, som oftest består av en langkjedet (fettlignende) rest, for eksem­ pel CH3CH2...CH2-

Har man vaskeaktive stoffer i vann, vil det hydrofobe området drives ut av vannet, og det hydrofile trekkes inn (figur 214/2). Dermed vil tensidmolekylene plassere seg på vannoverflaten. Dermed erstattes vannets høye overflatespenning med tensidets lave overflatespenning. Det gjør at vaskevannet lettere trenger inn i de minste mellomrom (kapillærer) og fukter gjenstander og tekstiler.

tensidmolekyler

vann

Figur 214/2: Tensidmolekyler på vannoverflaten

Smuss på huden eller på tekstiler er oftest gjennomtrukket av fett fra hudens takgkjertler, matrester og annet. Slikt smuss kan ikke fjernes med bare vann, siden vannet preller av på det fettholdige smusset. Vaskevann med tensid derimot vil fukte både underlaget og smusset, og danne et vannsjikt som skiller smusspartiklene fra underlaget (figur 214/3). Det fettholdige smusset løsnes fra underlaget, dispergeres (fordeles) i små partikler og skylles bort.

fettholdig smuss på en fiber i vann

Figur 214/3: Vaskevann løsner fettholdig smuss

5.5.2 Vaskeaktive stoffer (tensider) Såpe er natrium- eller kaliumsaltene av de høyere fettsyrer med 12 til 18 karbonatomer (side 178). Når de løses i vann, dissosieres de i såpeanioner og natrium- eller kaliumkationer. Natriumsåpen er den faste kjernesåpe, kaliumsåpen den myke grønnsåpe. Såne

Når vi vasker, løser såpen seg opp i vannet. Hvis vannet er hardt og inneholder kalsium- eller magnesiumioner (side 144), danner disse uløselige (C15H31COO)2Ca 2C15H31COO~ + Ca2+ salter med såpeionene. Eksempel: "Kalksåpen" som dannes, avsettes som et klebrig, grått belegg. En "rand" i badekar og vaskeservant består av kalksåpe. På tekstiler danner kalksåpen grå, harde skorper når tøyet tørker. Såpeholdige vaskemidler må derfor inneholde stoffer som bløtgjør vannet.

214

Fremstilling Tidligere fremstilte man såpe ved å koke fett med natronlut eller kalilut:

R' -COOCH2 R"-COOCH R"'-COOCH2

+

Fett

+

R' -COONa - R"-COONa R"'-COONa

3 NaOH Natronlut

Såpe

+

CH2OH CHOH CH2OH

+

Glycerol

I dag skjer den industrielle produksjonen av såpe etter to prosesser:

• Ved spalting av fett med overhetet vanndamp (180° C):

Fett

• Ved katalytisk oksidasjon av lang­ kjedede alkaner:

Alkaner

forsåping med vann

katalytisk oksidasjon

Glycerol

Fettsyrer

Nøytralisering

Fettsyrer

Nøytralisering^ med alkalilut

S^pe

med alkalilut

Såpe

Tensidet alkylbenzensulfonat be står av et hydrofobt alkylbenzenområde og et hydrofilt sulfonsalt-område. Når det løses i vann, spaltes det i natrium-kationer og alkylbenzensulfonat-ioner. Den alifatiske kjeden på benzenringen er ugrenet. Bare slike alkylbenzensulfonater med ugrenede alifatiske kjeder er biologisk nedbrytbare og får brukes i vaskemidler i dag (se side 219).

Alkylbenzolsulfonat

Alkylbenzensulfonat danner ikke noe uløselig bunnfall, verken i hardt, surt eller alkalisk vann. Dette er en vesentlig fordel sammenlignet med såpe. Alkylbenzensulfonat er det tensid som brukes mest i vaskemidler. Det fremstilles industrielt av alkener og benzen.

Alkylpolyglykolether

Alkylpolyglykoleter er et tensid Alkylpolyglykoleter som består av et hydrofobt alkylområde og et hydrofilt område av mange -(CH2CH2O)-enheter. O — ( CH,—CH,—O )x—H I vandig løsning spaltes alkylpolyglykoleter ikke i ioner. Derfor kalles det for et ikke-ionisk tensid. I motsetning til dette er såpe og alkylbenzensulfonat anioniske tensider. Alkylpolyglykoleter finnes spesielt i finvaskemidler. Industriell produksjon går ut fra langkjedede alkoholer (fettalkoholer) og etendioksid: R-CH2OH Fettalkoholer

+

x(CH2~CH2) o Etendioksid

- R-CH2-O-(CH2-CH2-O)x-H Alkylpolyglykoleter

5.5.3 Tilsetningsstoffer i vaskemidler I tillegg til tensidene inneholder moderne vaskemidler en rekke tilsetninger. Kompleksdannere. Som kompleksdanner brukes i dag hovedsakelig pentanatriumtrifosfat, som utgjør 30% til 50% av vaskemidlene. Det har en rekke effekter: 0 0 0 II II II Det bløtgjør vannet ved å omdanne Ca2'- og Mg2+-ionene til Na+ ’0 -P-0 -P-0 -P - 0“ Na+ vannløselige kompleksforbindelser. Belegg på tøy og i I I I vaskemaskin hindres. 0' 0“ 0“ Na+ Na+ Na+ Det forsterker tensidets vaskeeffekt vesentlig ved å løse opp Ca2+, Mg2+ og andre kationer fra smusspartiklene og "bryte ned smusset".

•

Det dispergerer (fordeler) smusset, holder det svevende i vaskevannet og forhindrer at det fester seg på vasken igjen. Dermed kan smusset skylles bort med vaskevannet.

215

Ulempen ved pentanatriumfosfat er at stoffet ikke skilles ut i vanlige renseanlegg, og dermed påvirker miljøet (side 220). Derfor erstattes pentanatriumfosfat helt eller delvis med zeolitt, natriumaluminiumsilikat Na2O ■ AI2O3 ■ 2 SiO2 i miljøvennlige (fosfatfrie) vaskemidler. Blekemidler. Mange fargede former for smuss, som frukt- og grønnsaksafter, kan bare fjernes ved oksidativ nedbryting av fargestoffet. Derfor inneholder vaskemidler et blekemiddel, oftest natriumperborat NaBO2 2 H2O2 eller natriumhypokloritt NaCIO. Under vaskingen avspalter de oksygen som oksiderer det fargede, organiske smusset og overfører det til fargeløse forbindelser. Blekeeffekten begynner først ved vasking omkring 70 °C. Ved tilsetning av stabilisatorer som etendiamintetraacetat (EDTA) og magnesiumsilikat reguleres blekeeffekten.

Optiske hvitemidler. For å forsterke det hvite inntrykket av renvasket og bleket tøy, blir det tilsatt optiske hvitemidler i vaskemidlene. De forvandler usynlig UV-lys som treffet tøyet, til synlig lys. Derfor sender tøyet mer synlig lys tilbake, enn det som faller på det. Som optiske hvitemidler brukes stilbenderivater (stilben: [Formel inn her]). Enzymer. Protein- eller stivelsesholdige produkter som melk, blod osv. kan gi hardnakkede flekker på tøy. For å kunne fjerne slike tilsettes vaskemidlene enzymer. Dette er proteaser og amylaser. De bryter med smusset. Siden enzymer ødelegges av høy temperatur, må ikke enzymholdige vaskemidler brukes ved vasking over 60 °C.

Andre tilsetninger i vaskemidlene er stoffer som skal hindre at tøyet blir grått, skumdempende stoffer, korrosjonshindrende stoffer for å beskytte vaskemaskinen, hudbeskyttende stoffer og bakteriedrepende stoffer, samt antiklumpemidler.

5.5.4 Moderne vaskemidlers sammensetning Moderne vaskemidler er en blanding av vaskeaktive stoffer (tensider) og en rekke tilsetningsstoffer. Mengden av de forskjellige tilsetningene er avhengig av hva vaskemiddelet er beregnet på. De mest brukte er fullvaskemidlene (tabell 216/1). De inneholder mye blekemiddel og kan brukes ved tempe­ raturer fra 30 °C til 95 °C.

Tabell 216/1: Fullvaskemidlers sammensetning

Finvaskemidler inneholder ikke bleke­ midler, men i stedet enzymer. De bru­ kes ved temperaturer mellom 40 °C og 60 °C.

Oppvaskmidlar inneholder omkring 20 % tensider, pluss omkring 5 % hudbeskyttelsesmidler, parfyme og farge­ stoffer. Resten er vann og løs­ ningsmidler.

Stoff

Stoffgruppe

Andel

Tensider

alkylbenzensulfonat, såper, alkylpolyglykoleter

10-20%

Kompleksdannere

pentanatriumtrifosfat, zeolitt

30-50%

Blekemidler

natriumperborat, natriumhypokloritt

20-30%

Optiske hvitemidler

stilbenderivater

Skumdempere

behenat

natnumsulfat Antiklumpemiddel ____________________

0,1-0,3% 3-5%

5-30%

samt små mengder av stoffer som hindrer gråning og korrosjon, stabilisatorer, parfyme, baktericider og fargestoffer.

Bade- og hårsjampo består av 30 til 60 tensider, omkring 5 hudbeskytt­ ende stoffer pluss parfyme. Resten er vann.

Repetisjonssporsmål 1

Hvilke to molekylområder har et tensid?

2

Nevn to tensider og deres kjemiske formel. Hva er det hydrofile området?

3

Hva mener vi med ikke-ionisk og anioniske tensider?

216

4

Hvilke ulemper har såpe som vaskemiddel, og hvilke miljømessige fordeler har den, sammen­ lignet med syntetiske tensider?

5

Hvilke typer tilsetningsstoffer finnes i vaskemid­ ler?

6

Hvordan virker en kompleksdanner?

6 Kjemi og miljø 6.1 Kjemiens nytteverdi Hver eneste dag og overalt bruker vi produkter fra den kjemiske industri (figur 217/1)

•

Hygieneprodukter som såpe og vaskemidler

• Klær av syntetiske fibere • Legemidler, kosmetikk, fargestoffer •

Byggematerialer og hjelpestoffer av kunststoff

• Drivstoff

Gjødsel og pesticider • Smøremiddel, olje, herdemidler, kuldemedier Disse og mange andre kjemiske produkter har hevet levestandarden, skapt nye arbeidsplasser, muliggjort bedre produkter og gitt oss bedre livskvalitet.

6.2 Kjemikalieproduksjon og miljøskader Ved produksjon og bearbeiding av disse nyttige kjemikaliene dannes det rester og avfallsstoffer som kan føre til alvorlige miljøskader eller til og med total ødeleggelse av miljøet (figur 217/2).

Ødeleggelse av landskapet

Ved ikke fagmessig lagring av giftig avfall fra produk­ sjonen kan jord og drikkevann bli forgiftet. Ved utslipp av giftig og sunnhetsskadelig avløpsvann i elver og sjøer kan dyr og planter skades. Vannet kan ikke benyttes som drikkevann.

Skogsdød

Ved utslipp av giftige, helsefarlige eller illeluktende gasser eller støv kan atmosfæren bli forpestet og be­ lastet, slik at mange mennesker får helseproblemer. Helseskader

Spesielt utsatt er de ansatte i den kjemiske industri, siden det kan forekomme intens påvirkning fra helse­ farlige stoffer på arbeidsplassen. Figur 217/2: Miljøskader Risikoen for miljøskader forplikter den kjemiske industri til betryggende avfallshåndtering. For en rekke spesielt farlige forurensninger finnes det lovbestemmelser om hvor store tillatte mengder og konsentrasjoner som kan tillates i miljøet ("administrative normer"). For de stoffer som ennå ikke er registrert, må de ansvarlige i den kjemiske industrien være bevisste og sørge for minst mulig belastning på miljøet.

Alle bedrifter er forpliktet til å sørge for at belastningene på miljøet blir minst mulige. Siden befolkningens miljøbevissthet er økende, er det å forbedre miljøtiltakene og utvikle miljøvennlige produkter blitt en viktig oppgave for den kjemiske industri. Her åpner det seg et nytt, viktig arbeidsfelt for industrien.

217

6.3 Uskadeliggjøring av miljøgifter fra kjemisk industri

Spesialavfallsplasser er det økonomisk alternativ for å bli kvitt skadelige stoffer i fast form (figur 218/1). Ved tetting må man hindre at skadelige stoffer lekker ut i grunnvannet.

skorstein støvavskiller

forbrenningsovn

røykgass

luftforvarmer fast avfall

!rifkluft

vask? væske

Giftige eller helsefarlige stoffer i fast, flytende eller støv gassform kan destrueres i forbrenningsanlegg (figur 218/2). Fyring med naturgass eller olje flytende slam avfall holder forbrenningen ved like og sørger for en cy spesial—'y S fyring med temperatur omkring 1200 °C. De skadelige stoffe­ _ ____ x avfallsplass a ventilasjonsluft r naturgass ne forbrenner (oksideres) og forvandles dermed til j eller olje aske (til avfallsplass) W forbrenningsgassene CO2, H2O, HCI, NOX samt finstøv og aske. Røyken må renses for støv, aske Figur 218/2: Forbrenningsanlegg for avfall og gasser i støvutskillere, gassvaskere, avsvovlingsanlegg og anlegg for fjerning av nitrøse gasser (figur 219/1). Avfallsproduktene aske, slam og støv blir så endelig deponert på spesialavfallsplasser. Syre

forurenset avløpsvann

Fellingsmiddel

fnokkingsmiddel avsug til forbrenningsanlegg

avsug

tilbakeføring av aktivt slam vifte

/ måling avløpskanal

(

slam nøytralisering

Ren

til spesiaiavfallspla*

Mekanisk og kjemisk rensing

avløps-

)

Figur 218/3: Renseanlegg med mekanisk, kjemisk og biologisk rensing

Forurenset avløpsvann renses i renseanlegg som arbeider i tre trinn: mekanisk, kjemisk og biologisk rensing (figur 218/3). Etter å ha passert en måler, går avløpsvannet ut i et basseng der grovere, faste partikler bunnfeller (mekanisk rensing). Ved nøytralisering med syre eller base, og tilsetning av fnokkingsmidler og fellingsmidler bringes løste stoffer til å felles ut (kjemisk rensing). I store klarebassenger bunnfelles finfordelt stoff som fjernes i form av slam. Herfra går vannet videre til biologisk rensing i bassenger med aktivt slam, der organiske forurensninger brytes ned av bakterier under omrøring og tilsetning av luft. Under disse forholdene formerer mikroorganismene seg sterkt. De forbruker de organiske forurensningene og omdanner dem til uskadelige forbindelser, aktivt slam. I klarebassenger bunnfelles slammet. Deretter kan det rensede vannet slippes ut i det naturlige kretsløpet, for eksempel i en elv. 218

6.4 Miljøskader fra brennstoffer og kjemiske produkter Bruk av fossile brennstoffer i kraftverk og biler, samt bruk av kjemiske produkter, fører i tett befolkede land til miljøskader. Når belastningen på naturen overstiger hva den kan absorbere, får vi miljøskader.

Luftforurensning fra kraftverk, fyring og bilbruk Ved forbrenning av fossile brennstoffer dannes i tillegg til de uskadelige forbrenningsproduktene CO2 og H2O også de helsefarlige stoffene SO2, karbonmonoksid CO, nitrogenoksider NOZ, hydrokarboner CnHm samt finstøv. Ved påvirkning fra sollys blir det dessuten dannet ozon O3: NO2 -> NO + O, O2 + O -> O3. Disse skadelige stoffene får vi i oss når vi puster.

Under ugunstige værforhold (temperaturinversjoner) kan det oppstå farlige konsentrasjoner av helseskadelige stoffer i tettbygde områder. Denne luften med spesielt høyt innhold av skadelige stoffer kalles smog. Den utsetter menneskene på stedet for akutt helsefare. Også plantene, og særlig bartrær, kan skades av forurensninger fra bruk av fossile brennstoffer. Først mister de nålene, deretter dør de. Vi snakker om skogs-død (figur 217/2). Man regner at det hovedsakelig skyldes svoveldioksid og nitrogenoksider, som med vanndråper fra skyene danner svovelsyrling, svovelsyre og salpetersyre. Disse syrene kommer ned som sur nedbør og skader nåler og røtter.

Et effektivt middel for å redusere luftforurensningen er rensing av avgasser fra store fyringsanlegg for svoveldioksid, nitrogenoksider og flyaske. Dette er påbudt, og begrenser utslippene. Et anlegg for slik rensing består av elektrisk støvfilter og utstyr for fjer­ ning av svoveldioksid og nitro­ genoksider (figur 219/1).

I det elektriske støvfilteret blir støvpartiklene gitt en negativ elektrisk ladning, slik at de skilles ut på en positivt ladet plate. Flyasken kan brukes som tilslagsmateriale i se­ ment.

elektrisk stovfilter

fjerning av NOx

avsvovling

(til skorstein

katalysatorreaktor (350 ° C)

•øykgass ned skad ige stoffer

renset røykgass

prosess­ vann SO2-holdig vann CaCO3

(fly­ aske, NOX, SO2)

^-oppløsning

avkjøling røykgass

S02-absorpsjon

Luft

flyaske (til deponi)

gipsvann

— gips x avløpsvann (til renseanlegg)

Figur 219/1: Rensing av røykgass fra stort fyringsanlegg (kraftverk med kull- eller oljefyring)

Omdannelsen av nitrogenoksider skjer ved hjelp av katalysatorer. Den NOx-holdige røykgassen tilsettes ammoniakk og ledes over en katalysatorfylling av vanadiumpentoksid V2O5 ved 350 °C. Dermed reduseres nitrogenoksidene til nitrogen: for eksempel: 4 NO + 4 NH3 + 02->4N2 + 6 H2O

Avsvovlingen av røykgassene skjer for eksempel ved reaksjon mellom svoveldioksiden og kalkstein i et anlegg med dimensjoner som en hel fabrikk. Det består hovedsakelig av en gassvaskereaktor. Den SO2holdige røykgassen strømmer nedenfra i motstrøm til en vaskeløsning som drypper ned. I den øvre delen av reaktoren løser SO2-gassen seg i prosessvann som tilføres. Det føres inn i en beholder med en vandig CaCO3-løsning, der SO2 blir bundet: 2 SO2 + 2 CaCO3 —> 2 CaSO3 + 2 CO2?. Denne løsningen føres tilbake til reaktoren, blir videre anriket på SO2 og reagerer i bunnen av reaktoren med innblåst luft til gips: 2 CaSO3 + 4 H2O + O2 —> 2 (CaSO4 • 2 H2O). Gipsen som dannes, er løst i vann. I krystallisatoren som følger felles den ut. Den brukes til fremstilling av sement. 219

Rensing av bensinmotoravgass Med en styrt avgasskatalysator kan omtrent 90 % av de skadelige stoffene NO. CO og CnHm fjernes. Den er bygd inn i eksosanlegget til bilen, og består av en keramikkmatriks med en mengde fine gjennomgående kanaler (figur 220/1). På veggene i kanalene er det et noen få pm tykt sjikt av platina/rhodium-katalysator. Den varme avgas­ sen strømmer gjennom kanalene, og ved ca. 400 °C reagerer de på katalysatoroverflaten til uskade­ lige reaksjonsprodukter: 2NO -> N2 + O2 2 CO + O2 — 2 CO2 2 CnHm + x O2 —* 2 • n CO2 + m H2O

keramikkmatriks ll__ Ir gjennomstromnings- renset avgass

platina/ rhodiumsjikt

lambdasonde (for drivstoffregulering)

Keramikk­ matriks motoravgass (CO, NOX, CnHj

hus av rustfritt stål

Figur 220/1: Bileksoskatalysator

Biler med katalysator må bare bruke blyfri bensin, siden bly gjør katalysatoren inaktiv. Dermed blir også miljøbelastningen fra bly redusert.

Vannforurensning Åpent vann og grunnvannet trues av en mengde tilførte stoffer.

Gifter fra industrivirksomhet. Stadig kommer det nye meldinger om utslipp av giftige eller miljøskadelige stoffer i vannforekomstene. Spesielt farlig for livet i vann og for menneskene (drikkevann fra infiltrert elvevann) er klorerte hydrokarboner. Blant disse finner vi løsemidlene triklormetan, tetraklormetan og trikloreten (side 164) og de klorerte aromatene som brukes som plantevernmidler (side 222). Dette er sterke gifter som er farlige selv i svært små konsentrasjoner, siden de lagres i fettvev hos mennesker og dyr og etter hvert kan gi alvorlige helseskader. Ansatte i den kjemiske industri som arbeider med disse stoffene, er forpliktet til å behandle dem riktig og ansvarsfullt. Avfall med klorerte hydrokarboner kan elimineres i spesielle forbrenningsanlegg.

Råoljeprodukter. Utslipp av spillolje til vann eller jord gir alvorlige miljøskader. Det fører til forurensning av grunnvannet (drikkevann) og til skade på liv i elver og vann. Brukt olje skal leveres på samleplasser. Da blir den regenerert eller destruert på betryggende måte.

Vaskevann. Med vaskevann kommer vaskemidlene ut i avløpet, som kan gå urenset eller bare delvis renset ut i naturen. Enkelte tensider og pentanatriumtrifosfat kan gjøre skade. Tensidene dreper mikroorganismer og skader annet dyre- og planteliv. Ved bruk av biologisk nedbrytbare tensider, for eksempel det ugrenede alkylbenzensulfonat (side 215), kan belastningen på vannforekomstene reduseres. Slike tensider brytes ned i biologiske renseanlegg. Pentanatriumtrifosfat (side 215) er riktignok ikke giftig, men økt konsentrasjon i elver og vann gir overgjødsling (eutrofiering), som fører til sterk algevekst. Når algene råtner, forbrukes oksygen, slik at O2-innholdet i vannet kan synke så lavt at dyrene som lever der, dør. Pentanatriumtrifosfat kan bare fjernes ved utfelling i kjemiske renseanlegg. De fleste offentlige renseanlegg har imidlertid ikke noe kjemisk trinn. Miljøvennlige vaskemidler inneholder mindre eller ikke noe fosfat, og da fungerer zeolitt som kompleksdanner i stedet.

Helsefare på grunn av kjemikalier For en rekke kjemikalier er det påvist at de kan gi helseskader, for eksempel kreft, hos mennesker som kommer i kontakt med dem. I kjemiske fabrikker og laboratorier må man noen ganger arbeide med slike giftstoffer. Forutsetningen for at dette skal kunne skje på en betryggende måte, er kjennskap til giftstoffene (tabell 221/1), og til egnede beskyttelsestiltak. Disse kan man finne i arbeidsmiljøloven og de forskjellige forskrifter om håndtering, kontroll, oppbevaring, transport og merking av kjemiske stoffer og produkter.

220

Tabell 221/1: Miljøskadelige og helsefarlige stoffer (utvalg) Formel

Egenskaper, bruk, forekomst, virkning

Svoveldioksid

SO2

Gass med stikkende lukt, finnes i avgasser fra svovelholdig brensel som kull og jordolje. Irriterer og etser slimhinner, skader planter.

Nitrogenoksider

NO, NO2

Hhv. fargeløs og brun gass. Dannes ved høy temperatur av nitrogen og oksygen i luften, f. eks. under forbrenning. Virker etsende på slimhinnene. Blod- og lungegift.

Karbonmonoksid

CO

Gass uten lukt. Dannes ved ufullstendig forbrenning. Sterk blodgift.

Klor

Cl2

Gulgronn gass. Grunnkjemikalium i industrien. Etser slimhinner og lungevev ved innånding.

Asbest

Mineral av Mg-, Fe-, Al-silikater

Nitrater

f. eks. NH4NO3,

Danner tynne fibere som kan komme ned i lungene ved innånding og forårsake kreft. Finnes i bygningsplater, brannsikre tekstiler og bremsebelegg. Vannløselige salter som brukes som kunstgjødsel. Anrikes i grunnvannet ved sterk gjødsling, og kan komme inn i kroppen med drikkvannet. Kan reagere til kreftfremkallende nitrosaminer.

Navn

Uorganiske stoffer

KNO3

Bly, kadmium, kvikksølv

Pb, Cd, Hg

og deres

PbO2, CdS, HgCI. Hg(CH3)2

forbindelser

Tungmetaller. Brukes i tekniske apparater og utstyr: akkumulatorer (Pb, Cd), batterier (Hg). Både metalldampene og forbindelsene er giftige.

Organiske stoffer

Monokloretan (vinylklorid)

Metanal (formaldehyd)

Fargeløs gass, utgangsmateriale for PVC. Gir alvorlige helseskader, leverkreft. Fargeløs gass med stikkende lukt. Irriterer slimhinnene. Grunnkjemikalium for fremstilling av f. eks. lim og kunststoffer. Mistenkt for å være kreftfremkallende.

H>C-°

Heksaklorcykloheksan (HCH) (Lindan)

Fargeløse væsker som brukes som løsemidler. Innånding av damp gir bevisstløshet, lengre påvirkning gir nyre- og leverskader. Mistenkt for å være kreftfremkallende.

CHCI3 CCI4 CHCI = CCI2 H2C = CHCI

Triklormetan (kloroform) Tetraklormetan (tetra) Trikloreten (tri)

H

ci — C H''

Fargeløst fast stoff. Bestanddel i mange insektmidler. Passerer gjennom næringskjedene og tas opp av mennesket, anrikes i fettvev. Fremkaller sykdom i lever og nyrer.

Cl

C—ci

H—C

c—H C^ Cl H

Cl

Fargeløs, brennbar væske med karakteristisk lukt. Finnes i en mengde av 5 % i bensin. Blodgift med kreftfremkallende virkning.

Benzen c6h6

Benzenderivater

Toluen

Fenol

Xylen (para)

XCH-,

Toluen, xylen: brennbare væsker med aromatisk lukt. Litt irriterende for slimhinnene. Mindre giftige enn benzen. Fenol: fargeløst fast stoff (Smp. 430 C) med ubehagelig lukt. Etser huden, er meget giftig. Grunnkjemikalium for fremstilling av kompliserte aromater. I ren form: gule nåleformede krystaller. Dannes ved ufullstendig forbrenning. Finnes i sotdelen av dieselavgasser og brent grillkjøtt. Kreftfremkallende.

Benzpyren (3,4-benzpyren)

I ren form: hvitt, fast stoff med nåleformede krystaller. Skadedyr- og ugressmidler, trebeskyttelsesmidler (insekticider. herbicider, fungicider). Avdunsting fra behandlet treverk. Lever- og nervegift.

Cl

Pentaklorfenol

CI^/^CI

(PCB)

CI^J^/^CI OH

Polyklorerte bifenyler (PCB)

f- eks. Dekachlor biphenyl

Cl ci

Cl

Cl

y-------

Cl

Cl

Ikke brennbar, temperaturbestandig væske med høyt kokepunkt. Brukes som kjolevæske (transformatorolje) og hydraulikkolje, samt mykner for kunststoffer. Nyre- og levergift.

Cl

' y ci

ci

Cl

Hvitt pulver, lett løselig i organiske løsemidler og fett. Brytes langsomt ned biologisk. Middel mot sykdomsoverførende insekter (insekticid): malaria, sovesyke, gul feber. Passerer gjennom næringskjedene og tas opp av mennesket, anrikes i fettvev. Nerve- og levergift. (Forbudt i Norge).

Diklordifenyltrikloretan(DDT) Cl-C-Cl

Cl

Dioxin (Seveso-giften) 2,3,7,8-tetraklordibenzodioxin (TCDD)

ci

0-

Ci

0

c* 'Cl

Ikke vannløselig væske. Dannes som uønsket biprodukt ved fremstilling av klorerte aromater som PCP. Ekstremt giftig stoff. Gir i små doser utslett, ved høyere konsentrasjoner genetiske skader og kreft.

221

Stikkordregister

A absorpsjon.............................. 13 acetaldehyd ......................... 174 acetater................................. 178 acetatfolie, acetatsilke ... 188 aceton ................................... 175 acetylen................................. 167 acetylenprosess .................. 195 actinoider............ 47, 81, 109 addisjonsreaksjoner .... 166 adipinsyre................. 179, 206 affinitet..................................... 25 aggregattilstander .... 10, 72 akrylglass.............................. 205 akrylnitril.................... 167, 183 akrylsyre .............................. 179 aktiveringsenergi.................... 66 aktivt kull ................................ 93 alanin...................................... 183 aldehyder.............................. 174 alfastråler (a-stråler).......... 78 alifater................................... 168 alkali/manganelement ... 133 alkalikloridelektrolyse .... 111 alkalimetaller ......................... 82 alkanaler .............................. 174 alkaner................................... 161 alkanoler .............................. 170 alkanoner.............................. 175 alkanpolyoler ....................... 173 alkansyrer ............................ 176 alkenaler .............................. 174 alkener................................... 165 alkenoler .............................. 170 alkensyrer ............................ 176 alkinoler................................. 170 alkoholer .............................. 170 alkylbenzensulfonat .... 184, 215, 220 alkylpolyglykoleter . . 181, 215 alkylrester.............................. 162 alkyner................................... 167 alpakka, nysølv.................... 127 aluminium.................... 91, 124 aluminiumforbindelser 18, 37, 91, 105 aluminiumlegeringer 124, 125 222

amalgam .............................. 83 amalgamprosess............... 113 amfolytter.................... 63, 184 aminer................................... 182 aminobenzen .......................182 aminogruppe .......................182 aminokarboksylsyrer 176, 183 aminoplaster......................... 207 aminosyrer............................ 183 ammoniakk............ 32, 85, 97 ammoniakksalpeter............... 85 ammoniakksyntese..........116 ammoniakkvann .............32, 85 ammonium..............................85 ammoniumhydrogenfosfat . 99 ammoniumion......................... 63 ammoniumklorid.................... 85 ammoniumnitrat ............. 35, 98 ammoniumsulfat.................... 85 Ammontons' lov .................... 74 amorf................................. 72, 77 amylaser .............................. 216 analyse ................................... 14 analytisk kjemi ...................... 81 anhydritt................................... 88 anilin ......................................182 anioner..................................... 60 anode ..................................... 60 anodisk oksidasjon .............139 antimon ................................... 96 antracen.................................169 antrakinonfargestoffer ... 212 antrasitt .................................198 apatitt........................................ 98 arbeidsregler i laboratoriet . . 7 argon......................................108 armeringsstål .......................123 aromatiske aldehyder ... 174 aromatiske hydrokarboner ..................168 aromatiske karboksylsyrer ... 176, 179 arsen.................................... 96 asbest ................................... 221 atmosfære .................... 21, 80 atombinding ................. 17, 54 atomer..................................... 17 atomets oppbygning . . 40, 45 atomkjerne..............................41

atommasse............................. 48 atommodeller......................... 40 atomnummer ......................... 41 atomskall ................................ 42 atomære bevegelser.......... 72 atomære reaksjoner ............ 19 atskillelse av luftens bestanddeler ...................... 21 autoprotolyse ......................... 64 auxokromer ......................... 212 avdamping.............................. 13 avfallsdeponering ............... 218 avløpsrenseanlegg ............ 218 avløpsrensing.......... 148, 218 Avogadro................................ 39 Avogadros lov......................... 39 Avogadros tall......................... 49 avsalting (vann) ..................147 avsvovling (jordolje) .... 193 azofargestoffer .... 182, 212

B bakepulver..............................93 betastråler (B-stråler)............ 78 bankefasthet......................... 196 barium..................................... 89 bariumforbindelser ... 65, 89 baryttvann ..............................89 basalt........................................94 base ........................................32 baser.................................29, 32 batterier.................................133 bauxitt ............................ 91, 124 Bayer-prosessen............... 124 bekblende ............................109 bensin ........................ 192, 196 benzaldehyd......................... 174 benzen................................... 168 benzenderivater ..................169 benzosyre ................. 169, 179 benzpyren ............................169 Bergius-prosess ................. 200 beryll ........................................ 86 beryllium ...................... 41, 86 berylliumforbmdelser............ 86 betastråler (p-stråler)............ 78 bifenyler (PCB).................... 221

bilbatteri................................. 134 biosfæren................................ 80 bittersalt................................... 87 bitumen ................................. 192 biuretreaksjon....................... 189 blekemiddel ......................... 216 bly................................... 95, 128 blyakkumulator.................... 134 blyforbindelser ............... 25, 95 blyglans......................... 95, 101 blyglass ................................. 157 blåsyre................................... 183 Bohrs atommodell................. 42 bor............................................. 90 boraks..................................... 90 borforbindelser............ 90, 94 bornitrid................................. 155 borsilikatglass....................... 157 Boyle-Mariottes lov............... 74 brannslukking.................7, 24 breederprosess...................... 79 brent kalk.............................. 150 brom ...................................... 106 bromforbindelser .... 30, 106 bromider................................. 106 bronse....................................127 bruksvann ............................ 145 brunkull ................................. 198 brunstein ....................... 68, 133 Brønsted ................................ 62 buffer...................................... 183 buna ......................................209 butadien................................. 166 butadiengummi.................... 209 butan...................................... 161 butanol................................... 170 butansyre.............................. 177 butansyreester .... 180, 181 buten...................................... 165 butylgummi........................... 209 byggematerialer .................. 150

DDT.............................. 219, 221 damptrykk ..............................75 daniellelement .................... 132 dekantering ........................... 12 densitet ................................... 11 depolarisator......................... 133 destillasjon................. 13, 191 diafragmametoden ............. 112 diamant .................................. 92 diaminoetan ......................... 182 diener ................................... 166 dieselmotor-drivstoff .... 197 dietyleter .............................. 181 diffusjon........................... 75, 76 difluordiklormetan ............ 164 dikarboksylsyrer ... 176, 179 diklorbenzen......................... 169 diklormetan........................... 164 dinitrogenoksid...................... 97 dioksin...................................221 dioler..................................... 173 dipeptid ................................ 189 dipol.......................................... 55 direkte reduksjon (stål) . . 121 dissosiasjon................. 32, 61 dobbeltbinding ...................... 54 dobbeltkontaktmetoden ..114 dolomitt ........................... 87, 88 drikkevannforsyning .... 143 drivstoffer.............................. 196 druesukker............................187 duroplast ................. 203, 207 dynamitt................................ 181

c

E

C-C enkeltbinding ............. 161 C=C dobbeltbinding .... 165 C=C trippelbinding ............. 167 caprolactam ......................... 206 carnalitt ............................84, 87 cellofan ................................. 188 cellulose................................. 188 cetantall................................. 197 chalkogener......................... 100

eddiksur leirjord ..................178 eddiksyre.............................. 176 edelgasser........................... 108 edelgasskonfigurasjon .... 52 edelmetaller ......................... 128 eggehvite..............................189 eksoskatalysator............... 220 eksosrensing ............. 218, 219 eksoterm ......................... 20, 67

chilesalpeter................. 83, 96 cuprum (kobber).................... 15 cyanider.................................183 cycloalkaner......................... 164

D

eksplosjon ..............................24 ekstraksjon.............................. 13 elastomerer ............. 200, 203 elektrisk ledningsevne . 60, 61 elektrokjemi ......................... 130 elektrolyse .... 60, 135, 138 elektrolyttkobber ... 126, 139 elektromagnetisk spektrum........................... 211 elektromotorisk kraft .... 132 elektronavgivelse, -opptak ................................ 58 elektronbinding...................... 54 elektronegativitet.................... 55 elektroner................................ 40 elektronoktett ......................... 52 elektronreaksjoner................. 58 elementærladning............ 137 elementærpartikler ............... 40 eloksering.............................. 139 emulsjon .............................. 186 endoterm......................... 20, 67 energi ved kjemiske reaksjoner .... 20 energiomsetning........ 20, 66 enhetscelle.............................. l~l enzymer.......................... 216 eosin............................... 212 eplesyre.......................... 179 epoksyplast ......................... 208 essensielle fettsyrer .... 189 ester ...................................... 180 etan.................................. 161 etanal......................... 174, 175 etanater.......................... 178 etandiol ................................. 173 etanol......................... 170,172 etansyre.................... 176, 178 etansyreester.......... 180, 181 eten..................................165 eter.................................. 181 etsing.......................................... 7 etyn.................................. 167 eutrofiering..................... 220

F Faradays lov............. 136,137 fargestoffer............... 211,212 faste stoffer .................... 72, 77 fasthet......................................77 Fehlings væske .................. 175 felling...................................... 149

223

feltspat........................... 91, 94 fenol ......................... 169,221 gallium..................................... 90 fenolftalein .............................. 29 galvanisering ....................... 139 fenoplaster........................... 207 galvanisk element .. 132, 133 ferdigprodukter................. 111 gammastråler (y-stråler)... 78 ferrum ......................................15 gassbrenner........................... 24 festepunkt ........................... 11 gasslovene..............................74 fettstoffer .................. 181, 186 gasstilstand ........................... 73 fettsyrer.................... 178, 186 gassvann....................... 199 filtrering ................................... 12 Gay-Lussac ........................... 38 firmafortegnelse ................. 227 Gay-Lussacs lov.......... 38, 74 Fischer-Tropsch-syntese . 200 germanium..............................92 flammeform ........................... 24 gips................................. 89, 151 flammeprøve .................. 82, 86 gittermodell..............................53 flisprøven................................ 22 gjødsel................................... 158 fluor........................... 104, 105 fluorforbindelser . 34, 88, 104 glass ......................................156 glaubersalt..............................84 flussyre, flusspat .... 88, 104 forbrenning.............................. 7,21 glimmer ...................................94 glukose .................................187 forbrenningsanlegg.......... 218 glutarsyre.............................. 179 fordampning, glyserol, glykol ....173, 183 fordampningsvarme . 10, 75 gneis ........................................94 fordunsting.......................73, 75 grafitt........................................92 forkoksing................. 194, 199 granitt ..................................... 94 forkulling .............................. 198 gropkorrosjon....................... 141 forløp av grunnbegreper,kjemiske . . 10 kjemiske reaksjoner .... 66 grunnstoffenes forekomst . 15 formaldehyd............ 174, 221 grunnstoffer .......... 14, 15, 17 formiater........................ 178 Guldberg-Waages lov .... 71 forpuffing ................................ 24 gull ........................................ 128 forurensnings­ gult fosfor............................. 99 bekjempelse .... 148, 221 fosfater.............................. 34, 99 fosfor........................................ 98 fosforforbindelser . . 23, 31, 88, 98, 99, 98, 99 Haber-Boschfraksjonert destillasjon ... 190 prosessen .................. 97, 116 Frash-prosess...................... 101 halogenalkaner.................... 164 frigen...................................... 164 halogener, halogenider . . 104 fruktsukker, fruktose .... 187 halvelement, elektrisk ... 131 frysepunkt ..............................11 halveringstid........................... 79 ftalocyaninfargestoffer ... 212 halvmetaller .................... 15, 45 fullstendig avsalting.......... 147 hardhet .................................. 77 funksjonelle grupper .... 170 hardmetaller......................... 129 furan ...................................... 184 heksadekansyre............... 177 fusjonsbreederprosess ... 79 heksaklorsykloheksan . . . 221 fyringsolje.............................. 192 heksan................................... 161 fysikalsk kjemi ............... 72, 77 heksanheksol ..................... 173 fysikk.......................................... 9 heksen................................... 165 fysiske egenskaper............ 10 helium ............................41, 108 førstehjelp ................................ 7 helsefare .............................. 220 helsefarlige stoffer............ 221 hematitt .................................120

H

224

hemoglobin........................... 213 heptan................................... 196 herding...................... 123, 127 heterogene reaksjoner .... 70 heterogene stoffer............... 12 heterosykliske forbindelser .......................184 homogene reaksjoner .... 70 homogene stoffer .............. 12 homologe rekke 160, 161, 165 hornsalt ...................................93 hovedgrupper............... 44, 82 hvitblikk ................................... 95 hvitemidler........................... 216 hydratisering........................... 61 hydrazin...................................97 hydrofil................................... 214 hydrofiner.............................. 193 hydrofob.................... 163, 214 hydrogen ......................... 15, 28 hydrogenatom......................... 41 hydrogenbinding .................... 56 hydrogenhalvelement ... 131 hydrogenperoksid ... 23, 101 hydrokarboner .................... 161 hydroksidgrupper ................. 32 hydroksidioner ...................... 63 hydroksykarboksylsyrer ... 176, 179 hydroksylgrupper ............... 170 hydrolyse........................ 180 hydroniumion ......................... 30 hydrosfæren........................... 80 hygroskopisk .........................23 høyovn, masovn............ 120 høytemperaturkjernereaktor.............. 200 høytsmeltende metaller . . 128

I ikkekarbonathardhet (vann) 144 ikkeleder .............................. 61 ikkemetaller .................... 15, 45 ildfast leire ............................ 155 indigofargestoffer ............... 212 indikatorer .............................. 29 indium ..................................... 90 interkrystallinsk korrosjon . 141 ionebinding.............................. 53 Ionebinding, polar-kovalent binding ................................ 17 ionebytter.............................. 146

ioner ................................. 30, 60 ionereaksjoner i løsninger . 65 ionevandring........................... 60 ionisering.............................. 130 iseddik................................... 178 isomeri................................... 162 isotoper ...................................41

jern ........................................ 120 jernglans, hematitt............ 120 jernkis ................................... 101 jernoksid ................................ 23 jernsulfid ................................ 19 jod...........................................107 jodforbindelser .................... 107 jodometri .............................. 107 jod-stivelsereaksjon.......... 107 jordalkalimetaller....................86 jordmetaller ........................... 90 jordolje................................... 190 jordskorpen ........................... 80

K kadmium .............................. 221 kalilut........................................32 kalium ..................................... 32 kaliumforbindelser .......... 23, 32, 84, 98, 106 kalk........................................ 150 kalk-natronglass ..................156 kalkstein................................... 88 kalkvann...................................32 kalsium ................................... 88 kalsiumforbindelser 32, 65, 88, 150 kanelaldehyd ....................... 174 karbider................................... 93 karbohydrater....................... 187 karboksylgrupper ............... 176 karboksylsyreester ............. 180 karboksylsyrer .................... 176 karbon..................................... 92 karbonat-hardhet (vann) . 144 karbonater.......................34, 93 karbonets bindingsmuligheter .... 160 karbonforbindelser . 19, 23, 37, 93

karbonmasse koksverk.................... 198, 199 (anodemasse) .................. 155 kolonner................................. 191 karbonmonoksid............... 221 kompleksdannelse ............... 57 karbonsyre.................... 31, 93 kompleksdanner............... 215 karbonylfargestoffer.......... 212 komplementærfarger .... 211 karbonylgrupper............... 175 kondensasjonspunkt.......... 11 katalysator................. 67, 220 kondensasjonsvarme .......... 75 katalytisk omdannelse ... 195 kondenseringsreaksjon . . 180 kationer ...................................60 kongevann..............................31 katode ..................................... 60 konsentrasjonskatodisk angivelser .................... 50, 80 korrosjonsbeskyttelse . . 141 kontaktkorrosjon.................. 141 keramikk .............................. 154 korrosjon ................. 140, 141 kernitt........................................90 krakking.................................194 ketoner................................... 175 kreftfremkallende stoffer .219 kippapparat ........................... 28 krom ......................................128 kjemi .......................................... 9 kromofor................................ 212 kjemisk likevekt...................... 69 kryolitt ......................... 91, 105 kjemisk reaksjon...................... 9 krypton................................... 108 kjemisk spalting .................... 14 krystallgitter ........................... 53 kjemisk symbol...................... 15 krystallstruktur ............... 72, 77 kjemiske bindingsformer . . 52 kull...........................................198 kjemiske egenskaper.......... 10 kullteknologi......................... 200 kjemiske kunststoffer........................... 201 forbindelser .... 14, 16, 17 kvantitativ reaksjonen .... 69 kjemiske formler.......... 18,38 kvarts........................................ 94 kjemiske grunnstoffer . 14, 15 kvikksølv .......... 47, 108, 221 kjemiske reaksjoner ............ 66 kvikksølvoksid............... 14, 19 kjemiske reaksjoners retning...................................67 kjemiske reaksjonsligninger . . 19, 50 kjernekjemi..............................78 kjerneladningstall ................. 41 ladningsfordeling.................... 55 kjemereaktor ............ 79, 200 lakmus..................................... 29 klemmespenning.................. 132 laktose................................... 187 klor ........................... 105,221 lantanoider.......... 47, 81, 109 kloralkalielektrolyse............. 111 lavtsmeltende metaller ... 128 klorater...................................106 LD-prosessen.............. 121 klorforbindelser . 30, 105, 106 Le Chateliers prinsipp.... 70 klorider.................................... 34,106 Leclanche-element ............. 133 kloritter................................... 106 leder (elektrisk)...................... 61 klorknallgass......................... 112 legeringsmetaller......... 128 klorofyll ................................ 213 leire.......................................... 91 klorsyrling.............................. 106 leirgods .................................155 knalegeringer.......................127 lesket kalk ............................ 150 knappcelle ............................134 lettmetaller............... 119, 128 kobber................................... 126 Liebigs prinsipp............ 158 kobberacetat......................... 178 lignin ......................................188 kobberkis................. 101, 126 likevektskonstanter ............... 71 kobberlegeringer..................127 lindan.............................. 221 kobolt..................................... 128 linolensyre, linolsyre 179, 186 koeffisienter........................... 20 lipofil ...................................... 163 kokepunkt................................ 10 litosfære................................... 80

L

225

lokalelement......................... 140 lov om enkle volumforhold . 38 loven om konstante mengdeforhold.................... 35 lovene om massens konstans og de konstante masseforhold . 35 luft............................................. 21 lysgass................................... 199 løselighet................................. 11 løsningstrykk (elektrolytisk).................... 131

M magnesia, magnesitt.......... 87 magnesium.................... 87, 128 magnesiumforbindelser .... 18, 23, 87 magnetjernstein .................. 120 malakittgrønt......................... 212 malm................. 80, 119, 120 malonsyre ............................ 179 maltose, maltsukker .... 187 mangan................................. 128 margarin................................. 186 marmor ................................... 88 masovn, høyovn............... 120 masse ...............................10, 48 masseandel w ...................... 50 massetall, nukleontall . 41, 48 massevirkningsloven.......... 71 maursyre .................. 176, 178 melkesukker..........................179 melkesyre.............................. 179 membranprosess ............... 113 merkaptaner......................... 184 messing................................. 127 metallbinding ......................... 57 metallenes spenningsrekke 130, 136, 140 metaller ............... 15,45,119 metallhydroksider................. 32 metallkationer......................... 57 metallutvinning.................... 119 metan ....................................161 metanal .......... 174, 175, 221 metanater...............................178 metanol .................... 170, 172 metansyre ............... 176, 178 metylfiolett ............................212 metylnaftalin......................... 197 metyloransje........................... 29

226

miljøskader, -vern . . 217, 219 mineraler ................................ 80 mineralgjødsel .................... 158 mol .......................................... 49 molar masse, molart volum ............... 49, 50 molekyler................................ 16 molekylmasse.........................48 molybden.............................. 128 monokarboksylsyrer .... 176 monoklorbenzen............... 169 monoklormetan.................... 164 monosakkarider .................. 187 mønje ..................................... 95 mørtel .........................

N nafta ......................................195 naftalin................................... 169 natrium............................83, 138 natrium-forbindelser . . 32, 83, 90, 106, 118, 216 natriumvannglass ................. 94 natron ..................................... 93 natronlut........................... 32, 83 naturgass.............................. 190 naturgummi, kautsjuk . . . 209 neon ..................................... 108 nikkel..................................... 128 nitrater................. 34, 98, 221 nitrider...................................155 nitriler..................................... 183 nitrobenzen ......................... 182 nitroforbindelser ..................183 nitrogen................. 15,21,96 nitrogenforbindelser...............97 nitrogenholdige, organiske forbindelser . 182 nitrogenoksider . 97, 219, 221 nitroglyserol ............ 181, 183 normal-element.................... 131 normalpotensial, -spenning ......................... 131 normaltilstand............... 11, 74 nukleontall .................... 41, 48 nylon ..................................... 206 nysølv, alpakka.................... 127 næringsstoffenes kretsløp 158 nøytralisasjon........................ 33 nøytroner................................ 40

o OH-grupper ......................... 170 oksalsyre .............................. 179 oksidasjon, oksidasjonsmiddel . . 23, 58 oksidasjonsreaksjoner, tekniske................................ 24 oksidasjonstrinn .................... 59 oksider............................ 23, 100 oksiderbarhetsrekke . 25, 130 oksidkeramikk.......................155 oksoniumion........................... 62 oksoprodukter.......................195 oksygen............... 15, 22, 100 150 oksygenforbindelser .... 100 oktadekansyre .................... 177 oktan...................................... 196 oktantall.................... 194, 196 oktett........................................ 52 oleum, kons svovelsyre . . 114, 115 oljer........................................ 186 oljeraffineri............................ 192 oljesyre .................... 179, 186 oppløsninger........................... 50 oppvaskmiddel.................... 216 optiske hvitemidler .............216 orbitalmodell........................... 43 orbitalmodell (av molekyler) 54 organisk kjemi .................... 160 organisk teknologi............ 190 osmose, osmotisk trykk 76, 77 Ostwald-prosess.................... 98 ottomotordrivstoffer.......... 196 overgangselementer.......... 46 oversikt over kjemien .... 81 ozon ...................................... 100

P palmitinsyre ............. 177, 186 papir ...................................... 188 patina...................................... 127 pentaklorfenol (PCP) .... 221 pentan................................... 161 pentanatriumtrifosfat .......... 99, 215, 220 pentanol................................. 170 pentansyre............................ 177 penten................................... 165 peptidgrupper....................... 189

pergamentpapir............. 188 periodesystemet . . 44,45, 46 perklorsyre.................... 106 perlon ................................... 106 permanent hardhet (vann) 144 petrokjemi ............................ 195 pH-verdi............................ 29, 64 pigmenter....................... 213 pinne- og kulemodell (molekyler)........................... 54 plantenæringsstoffer .... 158 platformbensin .................... 194 platina ................................... 128 plutonium....................... 79, 109 polar atombinding..................55 polarisasjon ..........................133 polaritet ................................. 171 polonium .............................. 207 polyaddisjon......................... 203 polyakrylnitril......................... 205 polyamider............................206 polyener................................. 166 polyester .............................. 207 polyetylen.............................. 204 polyklorerte bifenyler (PCB) ............... 221 polykondensasjon.............202 polymerisasjon .................... 202 polymerreaksjon............... 166 polypeptid.............................. 189 polysakkarider .....................188 polystyrol................................ 25 polytetrafluoretylen .............206 polyuretan ............... 208, 210 polyvinylklorid.......... 204, 210 porselen................................. 155 potensial, elektrisk ............. 131 pottaske................................... 93 produksjon i industriell skala ............... 110 propan................................... 161 propanol.................... 170, 174 propanon .............................. 175 propansyre............................ 176 propantriol ............................ 173 propen................................... 165 propensyre............................ 179 pronionaldehyd.................... 174 propionsyre ......................... 177 protaktinium ........................... 78 proteaser.............................. 216 proteiner................................. 189 protolyse ......................... 30, 62

protonakseptorer, -donatorer........................... 62 protoner................................... 40 pyrazin................................... 184 pyridin ................................... 184 pyrimidin .............................. 184 pyritt ...................................... 103 pyrrol...................................... 184 påvisning av aldehyder . . 175 påvisning av barium ............ 86 påvisning av cesium ............ 82 påvisning av eggehvite ..189 påvisning av hydrogen ... 28 påvisning av jod............... 107 påvisning av kalium............ 82 påvisning av kalsium.......... 86 påvisning av karbondioksid 23 påvisning av litium ............... 82 påvisning av natrium.......... 82 påvisning av oksygen .... 22 påvisning av rubidium .... 82 påvisning av stivelse .... 188 påvisning av strontium .... 86 påvisning av umettede hydrokarboner............... 166

R radioaktivitet........................... 78 radium.............................. 78, 86 radon...................................... 108 raffinering.............................. 139 rask breeder........................... 79 ravsyre................................... 179 rayon...................................... 188 reaksjonsenergi ....................75 reaksjonsenergi, -entalpi . . 66 reaksjonshastighet ............... 68 reaksjonskurver .................. 117 reaksjonsligninger................. 19 reaksjonstemperatur............ 75 redoksreaksjoner .... 25, 59 reduksjon, reduksjonsmiddel ... 25, 58 reforming ................. 116,194 rektifikasjon ......................... 191 rene stoffer.............................. 13 renmetaller............................ 139 rensemidler ......................... 214 ringformede alkaner .... 164 rujernproduksjon...............119 Rutherford ..............................40

Rutherfords spredningsforsøk............... 40 rødt fosfor .............................. 99 røykgassavsvovling.......... 219 rørsukker.............................. 187

s sakkarose.............................. 187 salisylsyremetylester .... 181 salpetersyre ................. 31, 38 salter................................ 29, 33 saltkrystaller........................... 53 saltsyre .... 30,31, 105 106 sebasinsyre ......................... 206 sedimentering............ 12, 149 selen............................. 100 sement........................... 152 semipermeabel vegg.... 132 sjampo........................... 216 sidegruppeelementer .... 46, 81, 108 sideritt ................................... 120 silikagel ............................... 94 silikater ........................... 34, 94 silikatkeramikk .................... 153 silikoner......................... 94, 210 siling ........................................ 12 silisium..................................... 94 silisiumforbindelser ... 93, 94, 155 sink........................................ 128 sink/karbonelement.......... 133 sink/kvikksølvoksidelement .................... 134 sinkblende ............................ 101 sintermetaller....................... 128 sitronsyre.............................. 179 skadelige stoffer............... 221 skjærstein.............................. 126 skogsdød.............................. 219 slagg......................................120 slamfortykking....................... 149 slipe- og skjæremidler ... 155 smelteelektrolyse . . 124, 136, 138 smeltepunkt .................... 10, 75 smeltevarme........................... 76 smog.............................. 97, 219 smøreolje.............................. 192 smørsyre .............................. 177 snittsår....................................... 7

227

soda ........................................84 sodafremstilling .................... 118 solvay-prosessen ... 84. 118 sorbitol................................... 173 sortering................................... 12 sorteringsmetoder ... 12, 191 spaltningsprosess................. 79 spaltningsspenning, elektrisk.............................. 135 spesifikk varme...................... 75 steamcracking .................... 195 stearinsyre............... 177, 186 steingods.............................. 155 steinkull, -kulltjære. 198, 199 steinsalt...................................83 steintøy .................................155 stilbenderivater.................... 216 stivelse, påvisning............ 188 stoff, -begrep ......................... 10 stoffblandinger ............... 10, 16 stoffmengde, -porsjon . 49, 51 strontianitt ............................. 89 strontium ................................ 89 strukturformel.........................37 strukturformel, forenklet . . 162 styrol ......................................169 styropor................................ 205 støkiometri............................. 51 støkiometrisk valens............ 36 stspematerialer.................... 120 størkning ......................... 10, 75 stål ........................................ 119 stålbetong ............................153 sublimasjon ........................... 11 substitusjonsreaksjon ... 164 sukker ................................... 187 sulfater............................34, 103 sulfider................................... 103 sulfidmalmer......................... 116 sulfitter..................................... 34 sulfonamider......................... 184 sulfonsyrer............................184 sumformel ............................. 37 sveising .................................. 22 svovel ...................... 100, 101 svoveldioksid . 103, 219, 221 svovel­ forbindelser 23, 31, 36, 103 svovelholdige organiske forbindelser . 184 svovelsyreproduksjon ... 114 svovelsyrling........................... 34 sylvin....................................... 84 symbol (kjemisk).................... 15

228

syntese ................................... 14 syntetisk korund .................. 155 syre-base-reaksjon ............... 63 syrer ...................... 29, 30, 34 syrestyrke................................ 64 sølv.........................................128 sølvforbindelser .... 65, 106 såper......................................214

tantal......................... 128, 129 teknisk kjemi............................81 tekniske oksidasjonsreaksjoner . . 24 tellur ...................................... 100 temporær hardhet (vann) . 144 tenningsforsinkelse .......... 197 tensider .................... 214, 220 tereftalsyre............................ 179 termittmetoden ...................... 25 termoplaster............ 203, 204 tetraklormetan . . 56, 164, 221 thallium ................................... 90 thorium..................................... 78 tilstandsligning for gasser . 74 tilstandsstørrelser....... é . 74 tinn ................................. 95, 128 tioler, tiofen ......................... 184 titan.................... 93, 128, 129 titrering..................................... 33 toluol ......................... 169, 221 torv ........................................ 198 totalhardhet (vann) .............144 trifenylmetanfargestoffer . 212 trikloreten................. 164, 221 triklormetan ............. 164, 221 trinitrotoluol, TNT ............... 183 trippelbinding ......................... 54 tungkjemikalier.............. 111 tungmetaller............ 119, 221 tungspat................................... 89 tysk hardhet................... 144

underklorsyrling .................. 106 universal-indikatorpapir . 29 uorganisk kjemi...................... 80 uorganisk teknologi.......... 110 uran................................. 79, 109 urinstoff ................................ 182 utskillingstrykk .................... 131

valens ..................................... 36 valens .............................. 36, 45 valeriansyre ......................... 177 vanadium................................ 36 vanadiumpentoksid.......... 116 vann .................... 18, 26, 142 vannavkalking.......................146 vannets anomali....................26 vannets kretsløp .... 26, 142 vannforurensning ............... 220 vannglass................................ 94 vannhardhet......................... 144 vanntyper.............................. 142 varme, -bevegelse ............... 72 vaskelut................................ 220 vaskemiddeltilsetninger . . 215 vaskemidler ......................... 214 verktøystål ............................123 vinsyre................................... 179 vinylklorid................. 167, 221 viskositet ................................ 73 vismut ..................................... 96 volumandel