Kjemiens lover [15] 8290388993, 8290388411 [PDF]

Zitiervorschau

VITENSKAPENS VERDEN

KJEMIENS LOVER Redaksjon: Dr. Martin Sherwood og Dr. Christine Sutton Norsk oversettelse: Edle Endresen

ILLUSTRERT VITENSKAPS BIBLIOTEK

Innhold Forord

Kjemiens grunnbegreper 1 De kjemiske stoffenes struktur 5 2 Kjemiske reaksjoner 19 3 Naturlige forbindelser 27 4 Syntetiske forbindelser 35

Kjemi og industri 5 6 7 8

Over til storproduksjon Kjemikalier i bulk Plast Landbrukskjemikalier

43 49 55 67

Vår hverdags kjemi 9 Kjemi og mat 10 Farmasøytiske produkter 11 Kjemi og fotografering 12 Maling, lakk og lim 13 Vaske- og rensemidler 14 Eksplosiver

73 79 87 91 97 103

Kjemi og miljø 15 16

Sikkerhet og ulykker Forurensning

Ordliste Register

109 117 125 126

VITENSKAPENS VERDEN £2 «Kjemiens lover» □ Norsk utgave © Norsk Fogtdal A/S 1989 □ Norsk redaksjon: Marte Askeland B Oversatt av Edle Endresen ... Engelsk originaltittel: «Encyclopedia of Science in Everyday Life» □ © Equinox (Oxford) Ltd. 1988 lJ Redaksjon: Dr. Martin Sherwood og Dr. Christine Sutton □ Konsulenter: Sir Allan Cottrell og Steven Weinberg □ Forfattere: Nigel Davis, Helen Gasking, Dr. Martin Sherwood, Richard Stevenson og Roger Upton □ Sats: Laursen Tønder □ Trykk: Dansk Heatset Rotation I/S, Odense □ ISBN 82-90388-99-3 (24 bind komplett) □ ISBN 82-90388-41-1 (bind 15, «Kjemiens lover»)

Forord Kjemi blir vanligvis definert som læren om stoffenes oppbygging, egenskaper og reaksjoner. Mange av oss betrakter kjemi som noe vanskelig og uforståelig, mens det i virkeligheten er snakk om en vitenskap som hjel­ per oss å sette forskjellig kunnskap i logiske system. Med et elementært kjennskap til kjemiens grunnregler kan hvem som helst av oss forstå og forklare en meng­ de dagligdagse fenomener. Denne boken gir et histo­ risk overblikk over kjemiens utvikling, gjennomgår de grunnleggende teoriene og skildrer hvordan den kje­ miske forskningen på mange måter er en del av vår hverdag. En av de første teoriene om stoffenes oppbygging ble satt frem av Empedokles (500-430 f.Kr.), nemlig teorien om de fire elementer (vann, luft, ild og jord), som han mente alle stoffene var satt sammen av. Den første teorien om atomer (ordet betyr «udelelig») ble lansert av Leukippos og videreutviklet av hans elev Demokritos (460-400 f.Kr.). Ifølge denne teorien besto verden av faste atomer med tomrom imellom. Disse teoriene eksisterte side om side i det gamle Grekenland, men etter hvert ble atomteorien forkastet, og ble først tatt opp igjen på 1700-tallet i Europa. Robert Boyle (1627-1691) og Isaac Newton (16421727) hadde interessert seg for atomteorien, men det var først med den franske kjemikeren Antoine Laurent Lavoisiers (1743-1794) teorier at man fikk en brukbar beskrivelse av atomene (elementene). Lavoisier utar­ beidet også en liste over 33 stoffer, der fem av dem senere viste seg å være oksider av grunnstoffer. Han hadde også tatt med lys og varme som egne stoffer. Teoriene ble utviklet videre de neste århundrer, og den moderne atomteorien ble etablert av Ernest Rutherford (1871-1937) og Niels Bohr (1855-1962). Alle stoffer er bygget opp av ett eller flere grunn­ stoffer, og stoffets kjemiske egenskaper er i hovedsak bestemt av atomenes ytterste elektroner. Det finnes 88 forskjellige grunnstoffer i naturen, og det stadig øken­ de kjennskap til stoffenes oppbygging har gjort det mulig for kjemikerne å skape nye stoffer av grunnstof­ fene. Denne syntesekjemien utgjør en stadig viktigere del av kjemien. I dag blir kjemi benyttet i stor skala i forskjellige industrier, og i de siste tiårene har man kunnet frem­ stille et hav av nye produkter takket være kjemikernes nye forskningsresultater. Dannelsen av polymere stof­ fer ble oppdaget av tyskeren Hermann Staudinger i 1926. Siden dengang har plastkjemien utviklet seg til det området innenfor faget kjemi med flest nyvinningen

En forløper for polymeriseringen av plast var Char­ les Goodyears oppdagelse av vulkaniseringsprosessen i 1839. Ved denne prosessen blir rågummi tilsatt svo­ vel, og ved oppvarming forbindes de polymere kjede­ ne på tvers, noe som gjør materialet sterkere. På den tiden kunne man bare konstatere at produktet var brukbart, uten at man egentlig forsto hvorfor egenska­ pene var endret. I dag benyttes plaststoffer overalt som emballasje, som bygningsmateriale, i elektriske artikler og i husholdningsartikler. Verdensproduksjonene antas å være ca. 60 millioner tonn årlig. Kjemisk forskning innenfor landbruksområdet star­ tet i første halvdel av 1800-tallet og gikk stort sett ut på plantenes behov for næring. Forskningen har dels konsentrert seg om naturgjødselens kjemi, og dels om utviklingen av forskjellige typer kunstgjødsel. En an­ nen del av landbrukskjemien er utviklingen av sprøy­ temidler. Først benyttet man seg ukritisk av disse sprøytemidlene, noe som førte til en rekke miljøpro­ blemer - for eksempel i forbindelse med bruken av DDT. I dag satser man på mindre skadelige sprøyte­ midler og forsøker samtidig å benytte seg minst mulig av disse. Spesielle sprøyteapparater - elektrodyn-sprøyter - kan fordele en liter av sprøytemiddelet over et område på to hektar. Utviklingen innenfor kjemien har også vært avgjø­ rende i forbindelse med så forskjellige områder som legemiddelindustrien, lakk- og malingindustrien, kos­ metikk- og såpeindustrien og våpenindustrien. I den senere tid er man blitt mer og mer oppmerk­ som på de store miljøproblemene i forbindelse med produksjon, transport og bruk av kjemikalier. Men og­ så disse problemene kan løses ved hjelp av kjemisk kunnskap. På dette området har for eksempel vårt na­ boland Danmark vært et foregangsland. Det danske anlegget Kommunekemi er verdens mest avanserte an­ legg for behandling av industriavfall. Alle som er interessert i verden rundt seg bør vite litt om kjemi. I dag er det ikke mange områder man kan sette seg inn i på en seriøs måte uten iallfall å kjenne til grunnleggende kjemi. Denne boken tar for seg kjemiske grunnbegreper og kjemiens praktiske be­ tydning og innflytelse på vår hverdag på en enkel må­ te, uten overdreven bruk av kjemiske formler og mate­ matikk. Slik er den blitt en ny vei inn i kjemiens ver­ den - en vei som ikke krever store teoretiske forkunn­ skaper, men som både gir et overblikk og kjennskap til detaljene i denne spennende vitenskapen. Redaksjonen

i

De kjemiske stoffenes struktur Kjemiske forbindelser og blandinger... Typer av kjemisk binding... Metall og metalliske bindinger... Salter og ioniske forbindelser... Kovalente bindinger... Karbon i sentrum av store molekyler... Diamanter og grafitt... Organiske forbindelser... Hydrogenbinding... Stoffer i løsning... PERSPEKTIV... Slik beskriver vi molekyler... Spektroskopi... Organiske forbindelser, inndeling i klasser

Grunnstoffer

Alle substanser består av en sammensetning av ett eller flere grunnstoffer, enten i ren form, i blandinger eller kjemiske forbindelser.

Ikke-metaller

Metaller

De utallige forskjellige substanser som finnes i universet er satt sammen av mindre enn hundre naturlig forekommende grunnstof­ fer. Det er strukturen og egenskapene - om de er harde eller myke, farget eller gjennomsiktige, flytende eller faste - under normale forhold, som kan si hvordan atomene som laget dem, er kombinert. Den måten grunnstoffene kan kombineres på for å danne en kje­ misk forbindelse, er derfor kjernen i ethvert kjemistudium. Når atomer fra forskjellige grunnstoffer nærmer seg hverandre, kan de ytterste elektronene reagere med hverandre. Når dette hen­ der, sier vi at det skjer en kjemisk reaksjon, og elektroner kan deles mellom to eller flere atomer eller byttes om. Denne delingen eller byttehandelen skaper et sterkt bindeledd mellom atomene, kalles kjemisk binding, og fører til dannelsen av et molekyl. Et molekyl kan bestå av et eneste grunnstoff - som tilfellet er med vannstoffmolekylet H2 - eller det kan være sammensatt av mange forskjellige grunnstoffer. Da kalles det en kjemisk forbindelse. Vi kjenner flere slags kjemiske bindinger som tilsammen er ansvarlig for millioner av kjente kjemiske forbindelser. Vitenskapsmenn på 1800-tallet visste at atomer slutter seg sam­ men etter enkle forholdstall for å danne kjemiske forbindelser. Va­ lensen angir det antall elektroner i det ytre skallet atomet rår over for kjemisk binding. Oksygen har en bindingskapasitet eller valens på to i H2O og i de fleste andre kjemiske forbindelsene. Klor har en bindingskapa­ sitet på en. Svovel har en valens på fire i svoveldioksid (SO2) og seks i svoveltrioksid (SO3). Kunnskap om atomvalensen i forskjelli­ ge kjemiske forbindelser og konfigurasjoner gjør det mulig for kje­ mikeren å forutsi hvordan de nye molekylene vil se ut. Beregninger over måten elektronvalensene vil opptre på, danner derfor selve ryggraden i teoriene om kjemisk binding.

Metalliske bindinger

Atomene i et metall er tett pakket sammen i en regel­ messig form. De ytre elektro­ nene beveger seg fritt mellom atomene.

◄ ► Alle substanser i universet er dannet av færre enn hundre grunnstoffer, på samme måte som et barn kan danne utallige modeller av bare noen få byggeklosser. Materialene er enten grunn­ stoffer, forbindelser eller blandinger. En forbindelse kan bare brytes ved en kjemisk reaksjon, mens en blanding, derimot, kan deles, skilles, med fysiske metoder.

Grunnstoffer som vanligvis er i gassform eller ikke har metalliske egenskaper. De fleste har et høyt ioniseringspotensial.

Krystallinske grunnstoffer med høy egenvekt, er seige og lar seg lett bearbeide. De er gode ledere for varme og elektrisitet.

Blandinger

I blandinger av to eller flere forbindelser eller grunnstoffer kan de enkelte delene skilles ut ved fysiske metoder som sentrifugering eller filtrering.

Kjemiske forbindelser

Kjemiske forbindelser består av to eller flere grunnstoffer som er knyttet sammen ved kjemiske bindinger. Kan ikke brytes ned ved fysiske midler.

Salter

Salter er forbindelser sammen­ knyttet ved ionebytte. Dannet ved at hydrogenatomet i en syre erstattes med et metallion. De fleste mineraler er salter.

Ioniske bindinger

I ioniske bindinger blir et positivt ladet ion i ett grunnstoff tiltrukket av negativt ladete ioner i det andre grunnstoffet. I ioniske forbindelser er det ikke mulig å skille ut ett molekyl av stoffet. Ioniske forbindelser har høyt smelte- og kokepunkt, er ofte løselige i vann, men ikke i organiske løsemidler. Ioniske forbindel­ ser leder elektrisitet i oppløsning eller i smeltet form. Mange ioniske forbin­ delser blir hydrolysert i vann og er gode elektrolytter når de er faste. Alle er fast stoff ved romtemperatur og i realiteten er ingen brennbare. Eksempler på ioniske forbin­ delser er metalloksider, karbonater og bikarbonater.

Molekyler

Et molekyl er den minste fysiske enhet av en kjemisk forbindelse av to eller flere grunnstoffer bundet sammen med kovalente bindinger.

Kovalente bindinger

I kovalente bindinger kan begge grunnstoffene som inngår i forbindelsen være ikke-metaller og er ikke ioniske. De deler istedet elektroner i det ytre skallet (valenselektroner). Det antall bindinger et grunnstoff kan foreta, viser hvor mange va­ lenselektroner det har. Molekylære forbindelser er sjelden løselige i vann, men oftere i organiske løsemidler. Mange inneholder karbonatomer. De fleste brenner lett og har relativt lavt koke- og smel­ tepunkt (mange er i gassform eller flytende ved romtempe­ ratur). Eksemplene omfatter blant annet vann, alkohol, de fleste organiske forbindelser som for eksempel sukker, fett og oljer.

Tett pakking av metallioner Kubisk flatesentrert

Heksagonalt tetteste kulepaknmg

▲ ► Dersom en betrakter et stykke rent aluminium gjennom et spesielt elektromikroskop, viser overflaten ujevnheter og tegn pa en un­ derliggende orden (bildet over). Ved hjelp av et ionemikroskop er det mulig a skjelne de enkelte atomene i en iridiumkrystall (bildet til høyre). De enkelte atomene ser vi som svarte rundinger. De grønne prikkene er nok gassatomer som ikke er tatt opp i metallet.

< Rene metaller skiller seg fra andre substanser ved at de består av tettpakkete rader av en enkelt type atomer. Det finnes tre mater kuler av samme størrelse kan stables pa, og disse finner vi igjen i metallkrystallene. Aluminium og iridium foretrekker den flatesentrerte modellen.

DE KJEMISKE STOFFENES STRUKTUR

Metallbinding

Kan hamres og strekkes

Metall-legering

◄ Bindingen mellom metallioner er svært forskjellig fra andre former for kjemisk binding - alle metallatomer avgir sine ytre elektroner til en felles pool. Denne «sjø av elektroner» forklarer en nøkkelegenskap ved metallene deres evne til a lede strøm. Det er denne sjøen, «elektronhavet», som gjør strømmen av elektroner gjennom metallet mulig. Metallisk binding blir dette kalt, fordi et atom ikke er spesielt bundet til et naboatom. Dette er bakgrunnen for en annen metallegenskap: Om et stykke metall omformes fører det ikke til likt brudd som ved molekylære og ioniske substanser. Derfor kan metaller bøyes, hamres eller dras ut i strenger uten a brekke. Opptak av atomer fra et annet metall eller endatil et ikke-metall, kan endre metallets fysiske egenskaper dramatisk fordi det fører til nye pakkesystemer for atomene, også kalt atomgitterstruktur. Effekten av a legere et metall kan derfor bety forandring i glans, tetthet og motstand mot korrosjon: Slik kan for eksempel litt karbon omforme jern til stal.

Metallbinding og strukturen i metaller Mange stoffer har en krystallinsk struktur, med atomer i et regel­ messig, ordnet system. Blant disse finner vi metallene. Metallenes mest typiske egenskaper er tetthet, styrke, ledningsevne for varme og elektrisitet, at de lar seg hamre og er seige (lar seg trekke ut i streng). Selv om metaller er dannet av bare ett grunnstoff, skriver egenskapene seg fra den måten atomene bindes sammen på. Ca. 70 grunnstoffer blir regnet som metaller. Den geometriske strukturen i metaller kan forklares ved den må­ ten kuler av samme størrelse kan pakkes tett sammen på. Det fin­ nes tre vanlige strukturer - kubisk romsentrert gitter, heksagonalt tetteste kulepakning og kubisk flatesentrert eller kubisk tettpakning. Aluminiumatomer (Al) og gullatomer (Au) bruker kubisk fla­ tesentrert pakning, og natrium (Na) og vanadium (Va) kubisk rom­ sentrert gitter, og magnesium (Mg) og kadmium (Cd) heksagonalt tetteste kulepakning. Det har vært antatt at elektronene i kjernen og de nøytrale elek­ tronene i metallatomer er ordnet i krystallstrukturer. Disse krystallstrukturene holdes sammen av en «sjø» av valense-elektroner som ikke tilhører noe enkelt atom. Dette kan forklare metallenes høye ledningsevne for varme og elektrisitet. Det forklarer også hvorfor metaller er seige og lar seg hamre. En annen teori går ut på at metall består av kjempemolekyler hvor alle atomorbitalene av en bestemt type går sammen om felles orbitaler som omfatter hele strukturen. En tenker seg at energien fra disse felles orbitalene forplanter seg som bånd som overlapper hverandre. Dette ville kunne forklare den gode ledningsevnen hos metallgrunnstoffene. Denne «bånd»-teorien blir ofte brukt for å for­ klare de elektriske egenskapene hos de halvledende grunnstoffene som silicium og germanium, grunnstoffer med både metalliske og ikke-metalliske egenskaper.

▲ ▼ Frihetsstatuen, 46 meter høy og med en vekt pa 280 tonn, er laget av 300 kopperplater som har den blågrønne patinaen kopperet far nar det blir utsatt for vind og vær. Det er basisk koppersulfat, CuSO4.3Cu(OH)2. Mens den århundregamle damen altsa var beskyttet utenpå av sin patina, ble hun pa innsiden angrepet av en annen kjemisk forandring, galvanisk tæring. Denne galvaniske tæringen oppsto der hvor kopperplatene kom i kontakt med jernkonstruksjonen. Lakk og asbest hadde vært brukt for a isolere mot disse metallene, men i årenes løp ble det sakte men sikkert slitt bort. Regnvann trengte inn, og jernet rustet raskt pa grunn av den galvaniske reaksjonen. Ved ansikts­ løftningen pa hundrearsdagen ble damen forsynt med ribben av rustfritt stal og teflon-isolatorer.

7

8 Fordi bindingene i ioniske substanser som salt er så sterke, blir koke- og smeltepunktene meget høye

◄ Å samle opp sjøvann i store flate damanlegg har vært den vanligste utvinningsmåten for salt. Der klimaet er det riktige, blir dette fortsatt gjort, som her pa Kanariøyene. «Havsalt» er relativt kostbart. Det er identisk med salt fra saltminer. Det ble også produsert ved solar for­ dampning for millioner av år siden.

Brytning av røntgenstråler

Røntgenfilm

— Lag av atomer

Krystall

ilde for røntgenstråler

Blyskjerm

er i et krystallinsk stoff kan lokaliseres ved hjelp av røntgen. Molekylene eller ionene er stablet i fine rader, så nar strålene blir brutt i atomkjernen, kastes de tilbake fra krystallen i samme vinkel. Analyse av strålen viser hvor atomene er plassert i krystallen.

▲ Vanlig salt er natriumklorid, og er et eksempel på en ionisk forbindelse. Det består av et nettverk av positive natriumioner, Na+ og negative klorioner, Cl-, hvor ionene er plassert i alternative hjørner i stablete kuber. Denne strukturen med de stablete kubene maksimerer den elek­ trostatiske tiltrekningen mellom ionene.

Ioniske forbindelser Noen atomer mister eller mottar elektroner for å danne positivt ladete ioner (kation) eller negativt ladete ioner (anioner). De bin­ dingene som dannes mellom disse typene ioner kan være av helt elektrostatisk karakter. Slike atomer bytter elektroner og danner deretter ioner som holdes sammen av en ionisk binding. Bindingen mellom natrium (Na) og klor (Cl) i natriumklorid eller vanlig salt, er et eksempel på en ionisk binding. Natrium gir fra seg et av sine ytre elektroner for å danne natriumkationet (Na+) og klor får dette elektronet for å danne kloridionet (Q-). Elektrisk tiltrekning mellom de to binder dem sammen. Ioniske faste stoffer består av uendelige rekker av positivt og negativt ladete ioner. Størrelsen på de ionene som danner de ioni­ ske faste stoffene, bestemmes for en stor del av geometrien i struk­ turen. De mest stabile forbindelsene finner vi der hvor ionene er i kontakt med hverandre og er symmetrisk bygget opp. Strukturen i ioniske faste stoffer bestemmes av koordinasjonstallet for de positivt og negativt ladete ionene. Koordinasjonstallet er det antall ioner som i tre avstander omgir det sentrale ionet. I natriumklorid for eksempel er koordinasjonstallet både for natri­ um- og kloridionet seks: hvert ion er ordnet i oktoeder rundt det andre. Det finnes også andre strukturer i ioniske faste stoffer. I cesiumkloridkrystaller (CsCl) er koordinasjonstallet både for anion og kat­ ion åtte og vi ser en kubisk orden av ioner rundt hverandre. Sinksulfid (SnS) krystalliserer i to former - sinkblende og wurtzitt men i begge tilfeller har anion og kation koordinasjonstallet fire. Titaniumdioksid (TiO2) og en av blyoksidene (PbO2) krystalliserer tned prismestruktur hvor kordinasjonstallet for kationet er seks og for anionet tre. Anionene er ordnet i oktaeder rundt kationene mens kationene er ordnet trigonalt rundt anionene. De elektrostati­ ske kreftene som binder ioniske faste stoffer sammen er meget ster­ ke, i større grad enn for ioniske væsker. Smelte- og kokepunktene for disse stoffene er derfor høye.

DE KJEMISKE STOFFENES STRUKTUR

lonisk binding

•4 Natrium er et meget reaktivt metall, og klor er en giftig og etsende gass. Hvis vi tar det ytterste elektronet fra et natriumatom, lader det positivt og gir det til et kloratom som da blir et negativt ladet ion. sa blir resultatet av dette at de to danner en ionisk binding. Resultatet er natriumklorid. meget lite aktivt og ufarlig. Natriumklorid-molekyl (NaCI).

9

▲ Rene natriumkloridkrystaller dannes etter samme system som natrium- og kloridionene. Dette mikrogrammet (pa bildet over) viser at salt krystalliserer kubisk, og avslører ogsa at det kan bli kluss i stablingen av ionene, slik at biter rives løs fra gitteret. Urenheter av denne type er oftest arsaken til slike uregelmessigheter.

10 Datamodeller har vist seg å være meget gode til å forklare orbitalene i kovalente bindinger

Teorier om kovalent binding Det har vært brukt to teorier om de typiske egenskapene hos kovalente molekyler. Disse er teorien om valensbinding og teorien om den lineære bindingen mellom atomiske orbitaler (LCAO - Linear Combination of Atomic Orbitals). Et molekylorbital likner, men er likevel forskjellig fra et atomorbital utgått fra et atom. De bryr seg bare om det ytterste valenselektron i atomene som deltar i den kjemiske bindingen. LCAO-teorien har vært brukt om mange kovalente bindinger og er blitt et redskap av stor betydning de siste årene fordi moderne datamaskiner gjør det mulig å foreta meget kompliserte matematiske utregninger om elektronaktivitet i molekyler. Symmetrien i atomiske orbitaler er viktig ved dannelsen av kje­ misk binding. Bindinger dannes når elektroner har lik energi og når symmetri gir maksimum av overlapping mellom atomiske orbi­ taler. Ofte, som for eksempel ved karbonatomet i metan, tenker man seg at atomorbitaler blandes eller blir hybridisert («utjevnet») for å tilfredsstille de symmetriske kravene som er en forutsetning for en ny binding. Molekylorbitaler framkommet ved bruk av LCAO-teorien gir en nyttig billedframstilling av dannelsen av kovalente bindinger. En forbindelse mellom to atomiske orbitaler fører til at det oppstår to sigma-molekylorbitaler. En av dem kalles en bindingsorbital, den andre, som har høyere energi, kalles en ikke-bindingsorbital. Begge orbitalene kan holde på to elektroner. I en enkel sigma-elektronparbinding vil elektronene som utgjør bindingen gå inn i sigma-bindings-orbitalen. Sigma-bindinger og antibindinger kan også dannes når p-atomorbitaler går sammen fordi overlapping og symmetri er riktig, og når en p-orbital fra ett atom smelter sammen med et s-orbital fra en annen. Et pi-molekyl-orbital dannes fra pi-atomorbitalenes laterale over­ lapping fra to atomer. Igjen gir en sammenslåing av to pi-atomorbitaler en bindings og en antibindings molekyl-orbital. Pi-bindingen er ikke like sterk som sigma-typen, og molkylene med pi-bindinger er oftest mer reaktive enn de uten dem. I benzen (C6H6) gjør blandingen og hydridiseringen av karbon s- og pi-atomorbitaler det mulig med karbon-karbon sigma-binding rundt benzenringen, og karbon-hydrogen sigma-bindingen mellom hvert karbon- og hydrogenatom. Karbon pi-atomorbitaler overlap­ per lateralt (på tvers) for å gi en sammenhengende og kontinuerlig pi-orbital over og under planet for karbonatom-ringen. Elektroner i denne orbitalen er ikke knyttet til noe spesielt par av karbonatomer, og kalles delokalisert. Kovalent binding

Karbon (C) Hydrogen (H)

Nitrogen (N) Oksygen (0)

Svovel (S)

A ◄ En av de mest visuelle måtene a framstille molekyler som for eksempel vann (H2O) pa, er å tenke seg atomene som kuler i sakalte utfylte modeller. Denne boken følger et system som svarer til en fargekode (til venstre). Bindingene mellom atomene kan ogsa vises med staver i samme fargeskala.

Klor (Cl)

Fluor (F)

Metaller

► Denne presentasjonen av benzenmolekylet viser piorbitalene over og under ringen, hvor elektronene ikke er bundet til noe enkelt karbonatom.

Kjemiske diagrammer Formelen for en kjemisk forbindelse viser hvor mange atomer den inneholder, men gir liten informa­ sjon om struktur eller arkitektur. Formelen for ioniske faste stoffer viser bare de enkleste atomforhold innen strukturen, men forteller ikke noe om hvor mange ioner som omgir hvert ion i gitteret. På samme måte gir formelen for kovalent bundne molekyler ingen beskjed om geometrien i molekylet. Flere slags molekyldiagrammer kan tenkes å repre­ sentere arkitekturen i molekylene. Den enkleste typen viser atomene satt sammen med rette linjer. Vann (H2O) og hydrogensulfid (H2S) er vist på denne måten som lineære molekyler, eller mer presist sagt: oksygen- og svovelatomene kan bli flyttet på for å vise bindingsvinkelen mellom de to H-0 og H-S bindingene på 105 og 92 grader. Mange bindinger er vist hvor to eller tre linjer er nødvendige. Denne framstillingsmåten kan også brukes til å gi en ide om hvordan molekylet er bygget opp i tre dimensjoner. Metan (CH4) og ammoniakk (NH3) kan tegnes todimensjonalt, men vi vet at i metan omgir hydrogenatomer karbonatomet i tetraeder, og at ammomum-molekylet har en trigonal pyramidegeometri. For å få vist denne tredimensjonale formen, brukes kileformete bindinger for å antyde en binding som peker mot tilskueren og prikkete bindinger som peker inn i siden. ◄ Dannelsen av molekyler har alltid med «parring» av elektroner og oppfylling av elektronskall rundt atomene a gjøre. Hva vann angar (illustrasjonen til venstre) mangler det to elektroner i skallet, og hvert hydrogenatom mangler ett elektron. Ved at de slar seg sammen for a danne vann, far bade oksygen og hydrogen et komplett skall, som tilfellet ogsa er med for eksempel fluor i F2.

DE KJEMISKE STOFFENES STRUKTUR

«Kule og stangx-modellen er en annen måte å illustrere molekyler på som gir en nyttig tredimensjo­ nal molekylstruktur, en rommodell som gir et klarere samlet bilde, mens de enkelte bindingene kan være vanskeligere å se. G.N. Lewis (1875-1946) utviklet et elektronpunktformular for kjemiske forbindelser som hjelp til å forstå den kovalente bindingen. Punktene brukes for å vise antallet elektronvalenser i et atom, og denne «elektroner på dehng»-tanken er lett å oppfatte når en bruker disse «Lewis-strukturene». I noen tilfeller kan det tegnes enkeltstående slike strukturer for både molekyler og ioner, men i andre tilfeller er ett diagram utilstrekkelig. Dersom to eller flere Lewis-strukturer kan tegnes for en forbindelse, kalles de resonans-strukturer, og forbindelsen regnes for å være en hybrid av disse strukturene. Det kan trekkes opp to resonansstrukturer for benzen-molekylet som viser alternerende doble bindinger mellom karbonatomer rundt den seksIeddete ringen. Måling av karbon-karbon-bmdingenes lengde i benzen, viserat alle er like lange. Doble bindinger er kortere enn enkle, men målinger viser at karbonkarbon-bmdingens lengde alltid er den samme. De virkelige benzen-molekylene er derfor en resonanshybrid av disse strukturene. Det illustreres ofte ved å bruke spesielt kraftig markering av linjen, enten med en kraftig sammenhengende linje eller en punktert ► Enhver mate a framstille et molekyl pa har sine fordeler. Metoden med elektronpunkter er fortsatt nyttig. Eller molekylet kan tegnes flatt. Det er enkelt for tegning pa papir, men gjør det vanskeligere a se strukturen. Denne kommer lett tilsyne ved «kule og stangx-figuren. Men kanskje det beste bildet av molekylet er romdiagrammet - hvordan vi kunne vente at et molekyl skulle se ut om vi virkelig kunne fotografere det.

Lewis

Navn og formel

•*f :’f’’

rø

*6::c::6;

©feOfeo)

Fluor (F2)

Karbondioksid (CO2)

: 0:

h

Vann(H2O)

fe) p)

•o’*

.s • CT* ’,o‘-

fe

$

A

fe)

:n:

h

Jj J 1J

J

fe)

QU

H

Ammoniakk (NH3)

2=0

Romdiagram

tQk

h

hr

Svoveltrioksid (SO3)

Kule og stang

Strukturert

h 0

3

H

h

Metan (CH4)

: c: h'

0

jdb

feMc/fe)

H

fe H

H

(c%^cr

C’*C Benzen (C6H6)

h

: cJ * c: ;’c: c* H ’

fe)

h

fe}Z (cy

\c)

J© fe) (cx

* H

fe/

Svovel (S8)

••/s: .'s' **s. •/.s:

s*/« *s\ .s." ’ s.*.’

©

fe) (sfe fe/

fe)

fe/

fe)

XsT (sy

■fe

11

12

DE KJEMISKE STOFFENES STRUKTUR

< Selv om vi kjenner til millioner av organiske forbin­ delser, finner vi de fleste innen noen få vel definerte klasser. Disse kartlegges og klassifiseres gjennom de aktive gruppene i molekylene. Dette er grupper av atomer som gir forbindelsen egen­ skaper som er typiske for denne klassen av kjemiske forbindelser. Ofte er en klasse kjemiske forbindelser beslek­ tet med en annen på en ganske enkel mate. Derfor sier vi at etan (C2H6) er en alkan beslektet med eten (C2H4) som har en dobbeltbinding, og alkynet etyn (C2H2) med en trippelbinding. Denne sekven­ sen kan sees som en fjerning av hydrogenatomer. En annen serie av kjemiske forbindelser kan bli avledet fra etan ved oksidasjon. Denne prosessen gir blant annet molekyler som er alkoholer, aldehyder og karbolsyrer. Fra karbolsyre dannes andre serier av forbin­ delser som kalles estere, kjent for sin frukt-smak og duft.

Molekylstrukturer Studier av den elektroniske strukturen / atomer og fastsettelse av hvordan forskjellige atomer er bundet sammen, er en hjelp når en skal finne fram til arkitekturen i molekylene. Studiet av kjemiske reaksjoner hjelper også. I tillegg kan forskere bruke spektroskop/ for å kartlegge individuelle molekyler og krystaller. Molekylær spektroskop! brukes for å undersøke strukturen til mange forskjellige molekyler. Ved å utsette en prøve for stråling med varierende bølge­ lengde. kan vibrasjoner, rotasjoner og elektronhopp bli indusert i molekylene. Disse bevegelsene er ofte karakteristiske for enkelte atomer eller grupper av atomer som er bundet på en bestemt måte. Slik kan måling av absorbsjon av stråling gi innsikt i moleky­ lenes struktur. Dersom prøvene for eksempel blir påvirket med synlig og ultrafiolett stråling, vil det føre til elektroni­ ske endringer i atomene. Stråling i nærheten av, og i den infrarøde delen av spektret, setter i gang vi­ brasjoner i molekylenes atomer som om bindingene var laget av strikk. Absorbsjon av stråling som er langt fra infrarød stråling eller mikrobølgestråling får molekylene til å rotere.

Emisjonsspektroskopi

Absorbsjonsspektroskopi

Røntgendifraksjonsspektroskopi

N M R-spektroskopi

13

Det kan foretas målinger av opptak av infrarød bestråling i forskjellige deler av molekylet. Bestrålin­ gen kan for eksempel få oksygen-hydrogen- og karbon-hydrogenbmdinger til å strekke og bøye seg. Spor av absorberte bølgelengder viser bindings ty­ pene i molekylet. Varierende former for spektrometri gir uvurderlig informasjon om molekylstruktur, blant annet en ide om avstanden mellom atomene og styrken i indivi­ duelle bindinger. Infrarød spektrometri har vist seg nyttig i etterforskning av små kjemiske endringer i store molekyler. 11950-årene begynte fysikerne å måle de magnetiske egenskapene / atomkjernen. De oppdaget at de virkningene de så, ikke bare var avhengig av atom type, men også av hvilke atomer som omga den. Siden den tiden er «nuclear magnetic resonance»-spektroskopi (NMR) blitt vide­ reutviklet. Ved hjelp av datamaskiner kan NMR brukes til å kartlegge atomenes orden i store, ofte kompliserte molekyler som insulin og noen proteiner. Teknikken som kommer først i oppsporingen av strukturen i kjemiske forbindelser, er brytning av røntgenstråler. Hvert år blir mer enn 4 000 nye strukturer identifisert ved brytning av røntgenstråler

◄ ▲ William Henry og sønnen William Lawrence Bragg (illu­ strasjonen over) var de første kjemikerne som viste stoffenes struktur ved a bruke røntgenstråler til å fastsla atomenes plassering i krystaller. I dag har vi mange metoder til a analysere og identifisere kjemiske forbindel­ ser. De fleste har studiet av lyspavirkning som basis. Absorbsjons-spektroskopi identi­ fiserer grunnstoffene gjennom den bølgelengde av lyset den absorberer. I emisjons-spektroskopi er det lyset som sendes ut fra et stimulert atom som forteller hvilket grunnstoff det er og hvor meget det er av det. Ogsa røntgenstralenes brytning kan brukes til identifi­ sering siden mønstret strålene danner er typisk for hver substans. Men den nyttigste teknikken for molekylstudier er kjernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR), som bygger på radiobølger og sterke magnetfelt.

14 Det tok kjemikere mer enn 70 år å produsere den første syntetiske diamanten

► Denne forstørrelsen gjennom et scanning elektronmikroskop av en diamantoverflate pa et tannlegebor viser hvorfor dette materialet er sa effektivt i skjæring og pussing. Diamanter brukes i stor skala i industrien i forskjellige typer av skjæreverktøy. Av de to karbonformene er grafitten den mest stabile termodyna­ misk, og det skal stort press og høy temperatur til for a konvertere den til diamant. Ekte diamanter finnes i gamle vulkanske hulrom. Vi kan produsere kunstige diamanter ved a simulere slike forhold, men de blir meget sma og egner seg stort sett bare for industrielt bruk.

► I naturen finnes karbon som rent grunnstoff i to svært for­ skjellige former - diamant og grafitt. Diamant er det hardeste materiale vi kjenner til, mens grafitt er sa mykt at det brukes som smurning. Maten atomene er pakket pa avslører hvorfor stoffene har disse forskjellige egenskape­ ne. I diamanten (illustrasjonen under) er hvert karbonatom bundet til fire andre atomer i et rigid tredimensjonalt gitter. I grafitt (illustrasjonen til høyre) er hvert karbonatom bare bundet til tre andre, og resultatet er flere plan av atomer. Siden det ikke er noen binding mellom planene, kan de gli over hverandre.

▲ De kjemiske bindingene i diamant og grafitt viser to typer av kovalente bindinger. I diamant (over) gar de fire elektronparene sammen med fire andre elektroner, ett fra hvert av de tilstøtende atomene. Resultatet er meget sterke nære bindinger. Grafitt (øverst) bruker pa sin side bare tre av sine valenselektroner til a binde seg til andre karboner og avgir det fjerde elektronet til en pool av løsrevne elektroner som ligger over og under atomplanene. Pa grunn av disse løsrevne elektronene kan grafitt - et ikke-metall - lede elektrisitet.

Diamantfremstilling Diamant og grafitt er de to hovedformene av karbon. Grafitt er satt sammen av todimensjonale molekyler - seksleddete ringer av karbonatomer holdt sammen av svake mtermolekylære krefter. Diamant er en meget mer tettpakket utgave av grunnstoffet hvor hvert karbonatom er tetraedisk omgitt av fire andre. Grafitt føles bløtt og fett på grunn av flakstrukturen. På den annen side gjør den tette pakkingen diamant til et av de hardeste stoffer vi kjenner. Diamanter er funnet i mineralavleiringer i India, Sovjetunionen, Brasil og Sør-Afnka. Diamantens hardhet gjør den til et viktig industrielt materiale, brukt som poleringsmiddel i sager, driller og møllehjul. Enkle d/amant-krystaller brukes som drillkroner og i verktøy som brukes til å forme andre, mindre harde slipe-matenaler.

Det skulle høye temperaturer og høyt trykk til for å lage naturlige diamanter. Det var et anerkjent faktum da de første forsøkene ble gjort for å framstille dem kunstig. Diamant er mest stabilt under høyt trykk, men ved å undersøke de meget forskjellige fasene av karbon i fast form, flytende form og gassform, kom forskere fram til at diamanter kunne produseres ved høy temperatur og høyt press. Fra 1880 ble det gjort mange forsøk på å lage diamanter fra grafitt, men inntil 1955 lyktes ingen. Diamant kan lages direkte fra grafitt ved et trykk på 12,5 GPa og temperaturer over 3 000 K. Disse kan bare oppnås i laboratorier og ved bruk av spesielle teknikker som omfatter sjokkbølger fra gasser under høyt trykk og eksplosiver. For produksjon i kommersiell skala brukes metallkatalysatorer for å redusere presset til omkring 6GPa, og temperaturen til 1.700-1.800 K.

DE KJEMISKE STOFFENES STRUKTUR

15

Molekyler som inneholder karbon Karbon har en større evne enn noe annet atom til å danne rette eller forgrenete kjeder og ringer. De aller fleste av naturlig eksiste­ rende molekyler inneholder karbon. Kjemien om molekyler med innhold av karbon er et så stort tema at det er delt i to områder, organisk kjemi og biokjemi. I dag er studiet av kjemi i levende organismer kjent under begrepet biokjemi, mens organisk kjemis område omfatter myriaden av kje­ miske forbindelser med karbon, inkludert de med og uten det vi kaller biologisk aktivitet. Alt liv på jorden er basert på karbon, nettopp på grunn av karbonets store interne bindingsevne. Levende organismer er en kompli­ sert sammenstilling av karbonbaserte molekyler som inkluderer sukkerarter, karbohydrater, enzymer og andre proteiner. Størrelsen og den elektroniske strukturen i karbonatomet er ansvarlig for de typiske trekk hos bindingene. Fire ytre elektro­ ner, eller valenselektroner, omgir kjernen. Det binder seg lett til hydrogen og til atomer på høyre side for karbonatomet i det perio­ diske system, og kjemikere har greid å binde karbon til mange andre grunnstoff og derved funnet fram til en gruppe stoffer som kalles organometalliske forbindelser som har en karbon-metall-binding. Ofte kan et karbonatom danne kovalente bindinger med fire andre atomer - med hydrogen i metan (CH4), for eksempel. Det kan også bli involvert i flere bindinger med andre karbonatomer, idet det bruker elektroner i pi-molekylære orbitaler for å danne dobbel- eller trippelbindinger som gjør molekylet reaktivt på for­ skjellige måter. I benzen og mange andre ringforbindelser av kar­ bon kan løsrevne såvel som lokaliserte karbon-karbon-bindinger bli dannet. Karbonforbindelser med mange bindinger av benzentypen kalles aromatiske forbindelser. Aromatiske ringer forekommer ofte i orga­ nisk kjemi. Alifatiske forbindelser derimot har sine karbonatomer arrangert i rette linjer eller forgrenete kjeder. Nitrogen (N) og bor (B), grunnstoffer i annen periode i det perio­ diske system, er av samme størrelse som karbon. Silikon, som kar­ bon, har fire valenselektroner. En skulle tro at disse tre grunnstoffe­ ne ville binde seg til karbon på samme måte og danne samme antall av forbindelser, men det gjør de ikke. Hvert av dem kan danne karbonliknende forbindelser, men ingen har karbonets kom­ binasjon av valenssammensetning og indre elektronstruktur. For­ bindelsene til disse karbonliknende materialene er ofte av kort va­ righet og ustabile. ► Nar et molekyl har flere elektronpar enn bindinger mellom atomene, kan det bruke de ekstra elektronene til å danne doble eller triple bindinger. Etylen (C2H4) er det enkleste eksemplet med fem bindinger og seks elektronpar. Det sjette paret danner en dobbeltbinding mellom de to karbonatomene. Bildet til høyre viser elektrontettheten i den første bindingen mellom disse atomene. Ekstrabindingen kalles en pi-binding og elektrontettheten sprer seg under og over molekylplanet, som illustreres pa bildet lengst til høyre.

Noen molekyler er bundet sammen på en måte som hverken er helt kovalent eller helt ionisk. Elektronene er ikke delt mellom atomene som i en kovalent binding, men to elektroner kan avgis fra et atom til et annet for å danne en koordinert binding. Det atomet eller den gruppe av atomer som avgir elektroner blir positivt ladet, og det atomet som tar imot elektroner blir negativt ladet. Vi finner koordinerte bindinger i komplekse molekyler, spesielt de som dannes av overgangs-metallgrunnstoffene. Komplekse forbindelser ser ikke ut til å følge de enkle valensreglene. Et sentralt atom i et kompleks (fleratomig gruppe) med ledige bindingsorbitaler kan ta opp et avgitt elektronpar - eller et fritt elektronpar - fra et annet atom, molekyl eller ion, for å danne en koordinert binding. Det innebærer ofte at valensen hos det sen­ trale atom overskrides. Molekyler eller kjemiske legemer som omgir det sentrale atomet i et kompleks kalles ligander. Ligander kan være enkle eller kom­ pliserte kjemiske legemer, og kan binde seg til det sentrale atom

Hvor mange kjemiske forbindelser finnes det? I de siste 50 årene har det skjedd en bemerkelses­ verdig økning i vår kunnskap om kjemi og molekylarkitektur. 11930 visste vi om vel en million kjemiske forbindelser. I dag kjenner vi til mer enn åtte millioner. I løpet av de 11 årene mellom 1969 og 1980 ble antallet kjente kjemiske forbindelser doblet. Den forrige dobling hadde tatt 14 år, og doblingen før det 24 år. 11940-, 50- og 60-årene vokste kunnskapene om organisk kjemi (om forbindelser basert på kjeder og ringer av karbonatomer) meget raskt. Nye plaststoffer ble for eksempel utviklet fra petrokjemikalier og nye medikamenter produsert til sykdoms­ bekjempelse. Forskere innen organisk kjemi kan framstille syntetisk naturlig forekommende stoffer i planter, mikroorganismer, fra mennesker og dyr. Men de er hele tiden på let etter nye metoder i framstillingen.

DE KJEMISKE STOFFENES STRUKTUR

17

◄ Molekylet i hjertet av he­ moglobinet (venstre) kalles porfyrin. Ideell til å holde et metallatom, i dette tilfellet jern, gjør den flate formen det lett for molekylene å nærme seg hverandre, og en reaksjon oppstår med metallet. Oksygen fra luften trekkes til jernatomet (purpur) midt i he­ moglobinet. Når det er tilknyttet blir det ført med blodstrømmen dit det trengs. På veien tilbake til lungene tar hemoglobinet med seg den overflødige karbondioksidgassen, som så pustes ut. Noen gasser klynger seg til jernatomet og vil ikke slippe taket. Karbonoksid er et eksempel. Pust inn for mye av det, og du dør.

► Dyreblod er rødt pa grunn av fargen på jernporfyrin. Ed­ derkoppens blod er blatt fordi den bruker kopperporfyrin til å bære oksygenet. I plantenes klorofyll er det grønn magnesiumporfyrin (høyre) som fanger inn sollys til energi for foto­ syntesen og så omdanner kar­ bondioksid fra luften til karbo­ hydrat.

► Modeller av klorofyll (over til høyre) kan virke meget kom­ pliserte, men er bygget opp av undergrupper. I sentrum er magnesium bundet til fire nitrogenatomer som er deler av fire pyrrolringer. Disse fire ringene sammen med fire kar­ bonatomer danner det flate pofyrin-ringsystemet. Festet til utsiden av porfyrinet ser vi andre grupper av atomer. Klorofyll a er vist her. Klorofyll b eksisterer ogsa, hvor metyl CH3 pa den venstre pyrrolen er oksidert til en CHO-gruppe.

De kan også trekke opp reaksjons-rekker som kan føre til produkter som ikke finnes i naturen, men har de samme eller liknende egenskaper. Området for bioorganisk kjemi utvides raskt. Mange nye organometalliske forbindelser har blitt til ved reaksjoner mellom kjemiske stoffer man trodde var upåvirkelige. Det er oppdaget nye forhold hvor Ugander kan binde seg til metaller. Av alle de nye kjemiske forbindelsene som blir oppdaget hvert år, enten det skjer ved målrettet forskning eller som biprodukt av andre forsknings­ prosjekter, er det bare en meget liten del som synes umiddelbart nyttige. Men ettersom kunnskapene våre på dette feltet øker, kan nye synteser lede til produksjon av for eksempel ny medisin, nye pesticider og plantevernmidler som kan bidra til å bekjempe sykdom, øke matproduksjonen og gjøre livet bedre for dem som har råd til å skaffe seg produktene.

gjennom et eller flere enkle elektronpar. Ligander som binder seg til ett enkelt eletronpar kalles monodent. Noen mer komplekse mo­ lekyler og ioner kan opptre som ligander og danne to eller flere bindinger med et annet atom. Disse kalles multidente ligander. Etylendiamin (NH2.CH2.CH2.NH2.) binder seg gjennom enkle elektronpar til nitrogenatomene og kan reagere som en bindentlig ligand idet den danner koordinerte bindinger med et annet atom. Enkle ligand-elektronpar bindes oftest gjennom sigma-molekyl-orbitaler til et annet atom, men det er også funnet pi-koordinerte bindinger i noen molekyler. Ligander som binder seg gjennom mer enn ett elektronpar kalles chelatter. En viktig chelatt er etylen-diamintetraacetat-ion (EDTA). Dette kan binde seg til metaller gjennom seks koordinerte bindin­ ger. Metalltiltrekningen er så sterk at den brukes som rensemiddel for kalsium, magnesium, jern og kopper. EDTA brukes til å oppspo­ re metaller i destillert vann. Det kan også fjerne metaller fra et enzym, og derved ødelegge enzymaktiviteten.

18 Energibalansen avgjør om et salt kan løses opp I vann

Bindinger mellom molekyler Noen atomer har en større tiltrekningskraft overfor elektroner er mer elektronnegative - enn andre. I et enkelt to-atom kovalent bundet molekyl, vil elektronene i bindingen bli trukket til det mest elektronegative atomet og gi det en delvis negativ ladning. Om­ vendt vil de bevege seg bort fra det mindre elektronegative atomet og la det stå igjen med en delvis positiv ladning. Bindinger, og molekyler som har slike bindinger, kalles polare. Jo større polaritet en binding har, desto mer ionisk blir den. De fleste molekyler er i noen grad polare og tiltrekker hverandre og kan også trekke til seg positivt og negativt ladete ioner. Dette er viktig fordi ionisk bundne molekyler oppløses i polare substanser. Den polare natur hos dissubstansene virker også inn på smelteog kokepunktene deres og på løselighet i oppløsningsmidler. En annen type tiltrekning mellom molekyler er kjent som hydrogenbinding. Dette dannes mellom molekyler med sterkt polare bin­ dinger og forutsetter hydrogen. Den kjemiske bindingen i vann (H2O) er sterkt polar på grunn av oksygenets elektronnegativitet, selv om den er regnet for å være kovalent. I vann og is blir H2O-molekylene holdt sammen med hydrogene bindinger som tiltrekker hydrogenatomene i ett molekyl til oksygenmolekylene i andre molekyler. Denne type binding gjør EDO (vann) meget forskjellig fra hydrogensulfid (H2S), som er en tilsva­ rende forbindelse. Vannets varmeegenskaper, som danner grunnlaget for Earths øko-system, er et direkte resultat av denne hydrogenbindingen som holder vannet i flytende form i stedet for i gassform over en vid skala av temperaturer. Det faktum at hydrogenbindingen er svak nok til at den kan brytes ved sterke termiske bevegelser ved normalt trykk og tempe­ ratur, betyr også at hydrogenbindingen er viktig i biologiske syste­ mer, f.eks. ved å bygge bro og holde sammen proteinmolekyler. ► Selv om atomene slår seg sammen for å danne molekyler, så finnes det også en svakere kjemisk tiltrek­ ningskraft molekylene imellom, både i væsker og i faste stoffer. Blant disse kreftene er hydrogenbindingen en nøkkel. Kreftene opptrer når et molekyl inneholder hydrogen­ atomer som er kovalent bundet til nitrogen, oksygen og andre grunnstoff som tiltrekker seg elektroner. Hydrogen bundet til disse grunnstoffene får sine elektroner trukket bort mot det andre atomet slik at hydrogenet far en svak positiv ladning. Så bruker den dette til å trekke til seg elektroner i andre molekyler for deretter å danne hydrogenbindinger. Ingen steder blir dette klarere enn i vann, hvilket er grunnen til at dette lille molekylet har sa uvanlige egenskaper. De relativt høye smelte- og kokepunktene skyldes hydro­ genbindingen i is og vann. Is flyter på vann av samme grunn - ulikt andre substanser hvor den faste formen er tettere enn den flytende. Hydrogenbindingen i is danner et meget apent git­ ter som nedsetter tettheten.

Oppløsning av salter i vann

▲ Det er avhengig av energibalansen om et salt løser seg opp i vann. Dersom den energien som frigjøres når ionene er oppløst er større enn den ioniske bindingens energi, så vil saltet løses. Disse betingelsene er til stede for natriumklorid (NaCI), og så løses det, men for sølvklorid (AgCI) er de det ikke, og det er meget uløselig. Et vannmolekyl har positiv (hydrogen) og negativ (oksygen) pol, og det er grunnen til at det fungerer som et så godt løsemiddel for ionene. Vannet kan legge seg omkring ionene, tiltrukket av de elektriske ladningene, og hjelpe dem til oppløsning.

Kjemiske reaksjoner Hva er en kjemisk reaksjon?... Faktorer som bestemmer graden av reaksjoner... Aktiveringsenergi... Katalysatorer og reaksjonshastighet... Kjedereaksjoner og komplekse reaksjoner... Studiet av reaksjonstrinnene... PERSPEKTIV... Reaksjonstyper... Naturlige katalysatorer, enzymer og zeolitter... Frie radikaler... Studier av svært raske reaksjoner

Kjemiske reaksjoner innebærer dannelse av, eller brudd i bindinger mellom atomer eller molekyler. Slike bindinger dannes når de yt­ terste, eller valensringene av elektroner blandes, og elektrostatiske krefter er sterke nok til å holde dem sammen. For å nå dette stadiet må de være nær hverandre, og de må få nok energi til å overvinne motstanden mellom elektronskyene som dmgir kjernen deres. I gasser, væsker og faste stoff er atomene i bevegelse - de har kinetisk energi. Kjemiske bindinger dannes hvis de to kolliderende atomene beveger seg fort nok til at valenselektronene deres kan gå sammen ved kontakt. Fra studiet av kinetikken hos reagerende gasser, væsker og faste stoffer kan forskere si hvordan reasjonene oppstår mellom atomer og molekyler, og hvilket forløp en reaksjon vil ha og hvor fort det skjer. Hvis man samtidig undersøker innledningen og avslut­ ningen av reaksjonen og strukturen hos de reagerende stoffene og produktene, kan man se hvordan molekyler reagerer og dannes. Kollisjonsteorien brukes for å forklare sannsynligheten for, og hastigheten av, en reaksjon. Kollisjoner mellom atomer og moleky­ ler under en reaksjon kan være effektiv eller ikke, og hastighet eller grad av reaksjon er direkte knyttet til kollisjonsfrekvensen eller det totale antall kollisjoner mellom de reagerende stoffene i en bestemt tidsperiode. Atomer kan kollidere med tilstrekkelig energi til å danne eller bryte bindinger, men hvis kollisjonen opp­ står i et galt atom i molekylet, eller ordningen av atomgrupper i molekylet blokkerer kollisjonen, vil det ikke skje. Molekylets arki­ tektur og plassering påvirker derfor også graden av reaksjon.

▲ ▼ Når metangass brenner, enten produktivt som varmekilde eller til ingen nytte som overskuddsgass i ørkenen, så produserer den karbondioksid. Reaksjonslikningen ser slik ut: CH4+2O2=CO2+2H2O. Studiet av hvordan reaksjoner som denne virkelig foregår, kaller vi kjemisk kinetikk. Selv om dette er en prosess som skjer meget hurtig, har det vært mulig å utlede og kartlegge samtlige trinn i prosessen.

Reaksjonstyper ▼ I dagliglivet støter vi pa mange typer av kjemiske reaksjoner, som oksidasjonreduksjon og syre/base-nøytralisering. I den første av disse skjer det et elektronbytte (e) ved at det oksiderende stoffet tar opp elektroner mens det reduserende stoffet mister dem. I syre/basereaksjoner foregår det et bytte av hydrogenioner (H+). Syren avgir sitt hydrogen, og basen tar imot det. Produktet av denne reaksjonen blir et salt pluss vann.

▼ Ettersom Jordens atmosfære inneholder grunn­ stoffet oksygen, blir den beskrevet som en oksiderende atmosfære. Effekten av dette kan vi merke på hvor lett jern ruster tilbake til jernoksid som på dette tankervraket. Det som skjer er en oksidasjon av metallet (Fe) som mister sine elektroner for å danne Fe2+ og til og med Fe3+, mens oksygenet i atmosfæren tar dem opp. Sluttproduktet blir det rødbrune Fe3O4.

► Vi kan se effekten av en syre/base-reaksjon når en Alka-Seltzer-tablett slippes i vann. Syren er sitronsyre og basen natriumbikarbonat. Dette frigjør karbondioksid idet det nøytraliseres. Målet for surhet er ph-skalaen som gar fra 0, sterk syre, til 14, sterk base. Konsentrasjonen av syre H+ og base OH“ - i nøytralt vann, er 10-? mol pr liter, uttrykt som 7 på skalaen. Betegnelsen pH stammer fra den danske kjemikeren S.P.L. Sørensen. PH-skalaen

Lakmus

▼ Selv om vi regner polymerisasjon som en industriell prosess hvor det lages plast og fibrer, så støter vi også på det i arbeidet i hjemmet. Det inngår ganske avansert kjemi i produksjon av syltetøy og gelé. For a tykne syltetøyet må pektinet - en karbohydratpolymer trekkes ut av frukten. Siden det finnes mer pektin i umoden frukt, hjelper det ofte å tilsette noe av denne i syltetøyet.

▼ Fotokjemi er studiet av reaksjonen mellom lys og kje­ mikalier («foto» betyr lys). Fo­ tosyntesen i plantene omdanner den lite aktive karbondioksiden i atmosfæren til høyenergisk karbohydrat i planten. Det første trinnet trenger et atom magnesium en del av et klorofyllmolekyl. Dette fanger inn et foton og bruker det til å støte ut et elektron. Med denne energien får det kraft til reaksjonen.

◄ Fotografering er også avhengig av interaksjonen, gjensidig påvirkning, mellom lys og kjemikalier, i dette tilfellet med sølvhalogener. Etter eksponering av filmen er det viktig at det ikke kommer noe annet lys i kontakt med den, derfor behovet for mørkerom til framkalling. Men totalt mørke er ikke nødvendig for å hindre videre ekspone­ ring av filmen, fordi rødt lys ikke reagerer fotokjemisk med sølvhalogenet.

22 Kortlivete kjemikalier kjent som frie radikaler kan ha en svekkende virkning på det menneskelige legeme hvis de ikke blir holdt i sjakk av enzymer

Frie radikaler De meget reaktive kjemiske legemer som vi kaller frie radikaler dannes ofte i løpet av kjemiske reaksjoner. I noen reaksjoner spiller de en viktig rolle. Reaktiviteten skyldes at de har minst ett uparret elektronpar. Frie radikaler er kortlivete mellommenn. Det har vært mange teorier om de mekanismene som fører til dannelse av, og kombinasjoner av dem, men det har ikke alltid blitt bevist at de virkelig er blitt dannet. I noen tilfeller har frie radikaler blitt fanget inn i stabile forbindelser ved å føye andre kjemikali­ er til reaksjonssystemet. Ved en kjemisk metode brukes toluol (C6HcH3) til å oppspore og undersøke frie radikaler ved tilbakeførende reaksjoner. Toluendamp dannes med den aktuelle substansen. Dersom frie radikaler er dannet, vil de ved «fristilling» som finner sted, reagere med toluen for å danne et benzyl-fntt radikal ved reaksjonen: R. + C6H5CH3 RH + C6H5CH2.1 denne likningen antydes det at frie radikaler bruker punktsystemet. R. er et fritt radikal dannet gjennom dekomponeringen av substansen. Denne teknikken virker bare dersom bindingene i den substansen som dekomponeres er svakere enn karbon-hydrogenbmdingen i toluen. Benzylradikalene som dannes ved denne reaksjonen er temmelig stabile på grunn av deres resonansstruktur. De reagerer for å danne dibenzylmolekyler. Slik beviser benzylen i reaksjonsblandingen at det var frie radikaler der under dekomponeringen. Det er antatt at frie radikaler spiller en viktig rolle i metabolismen og de har vært nevnt som årsak til vevskade hos mennesker. Det er foretatt et stort antall studier av deres rolle ved acetylsalicylsyrens virkning / kroppen. En tenker seg at de spiller en rolle ved mange toksiske kjemikahers virkning også, inkludert karbontetraklorid (CCI4), kloroform og DDT, nitrogenholdige kjemikalier og alkohol. De spiller også en viktig rolle i virkningen av ionisert stråling på kroppen. De meget reaktive og potensielt skadelige frie radikaiene holdes vanligvis i sjakk i kroppen av radikal-antagonister. Disse er også frie radikaler inkludert hydroksylradikalene OH - eller inaktiverende enzymer. Når denne beskyttelsen brytes ned, kan sykdom og celledestruksjon bli resultatet.

► Nar hydrogen og oksygen gar sammen for a danne vann, skriver kjemikeren dette som en enkel likning (pil over). Denne reaksjonen kan være eksplosiv pa grunn av den store mengden energi som frigjøres og far vannet (som damp) til a utvide seg raskt. Det oppstar en kjedereaksjon, hvor kolliderende molekyler brytefe i fragmenter eller atomer med nok energi til a reagere med flere molekyler, som i sin tur frigjør enda flere aktive fragmenter som reagerer med enda flere molekyler osv. Kjedere­ aksjoner i de mange trinnene fram til vann involverer svært reaktive mellomledd: oksygenatomer (0), hydrogenatomer (H), og hydroksyl (OH)-radikaler.

▲ ► Hurtigheten i en reaksjon kan være eksplosivt rask eller ekstremt langsom. Bildet over viser en reaksjon som er over pa en brøkdel av et sekund, mens den til høyre (som viser rust under lag av maling) tar ar. Eksplosjonen viser den dramatiske effekten av den raske frigjøringen av gasser fra ustabile molekyler. Den frigjorte heten bidrar også til utvidelse av gassene og øde­ leggelsen. Rust er resultatet av den langsomme dannelsen av jernoksid ved oksygenet i luften og påskyndet av vann. Maling forsinker denne prosessen, men den kjemiske prosessen vil uansett ga av med seieren til slutt.

Potensiell energi

Potensiell energi

KJEMISKE REAKSJONER

■4 Selv om en blanding av oksygen og hydrogengass kan være meget eksplosiv, skjer det ingenting tør det blir satt i gang, kanskje av en gnist. Som et skudd setter energien igang kjedereaksjonen og frigjør all den innestengte energien i systemet. Kjemikerne beskriver prosessen som energitrinn og barrieren mellom dem - aktiveringsenergien. Hvis aktiveringsbarrieren er høy, trengs det en input av energi utenfra for å fa reak­ sjonen i gang.

23

Kjemisk likevekt Alle kjemiske reaksjoner går i to retninger: I det reaktantene reage­ rer for å danne produkter, så reagerer produktene selv, eller brytes ned for å danne de opprinnelige reaktantene. På et bestemt punkt blir reaksjonshastigheten hos produktene for å nydanne reaktanter like stor som reaktantenes for å danne produkter. Dette stadiet kalles den kjemiske likevekt. Den franske kjemikeren Henri de Chételier (1850-1936) lanserte det viktige prinsipp at dersom en ytre kraft påvirker reaksjonssyste­ met vil punktet for kjemisk likevekt forandres for å motvirke effek­ ten av påvirkningen og gjenvinne den opprinnelige likevektsposisjonen. Le Chételiers prinsipp gjelder endringer i både temperatur og trykk. Hvis for eksempel reaksjonen frigir varme (er eksotermisk), da kan opphetning tjene til å reversere snarere enn til påskynde reaksjonen. Dannelsen av produkter blir således hindret. Aktiviserte komplekser Kjemiske stoffer er avhengige av en viss mengde energi, aktiveringsenergi, før de kan reagere. Aktiviseringsenergien kan nærmest betraktes som en energi-«bakketopp» som kjemiske stoffer må kom­ me over, den minste energimengde som er nødvendig før en reak­ sjon oppstår. Noe aktiveringsenergi må til for å drive alle reaksjoner, enten hele reaksjonen frigjør energi til omgivelsene eller tar varme fra dem (er endotermisk). Studiet av kjemisk kinetikk dreier seg for en stor del om passa­ sjen av atomer og molekyler over barrieren for aktiveringsenergi. Før de krysser denne