Modell och verklighet Kemi 1 Lärobok Digital [2 ed.] 9789127424654, 9789127611894 [PDF]

Zitiervorschau

N

N

NN

YR

X

.

|

+

SAN I

| +

pb

?

hö SN +.

3

VIS

CM

Ö

i

C+.

N

é

>

-

se >

i

st

2

-

z

3

i

>

E

N

+

p

»

Modell och verklighet Kemi 1

Helen Pilström Ebba Wahlström Björn Läning Gunilla Viklund Lena Aastrup

Anna Peterson

NATUR & KULTUR

NATUR & KULTUR Box 27323, 102 54 Stockholm Produktinformation/kundsupport: Tel 08-453 87 00, produktinfo(Qnok.se Redaktion: Tel 08-453 86 00, infoQnok.se www.nok.se Order och distribution: Förlagssystem, Box 30195, 104 25 Stockholm Tel 08-657 95 00, orderQQforlagssystem.se www.fsbutiken.se

Projektledare: Irene Bonde Textredaktör: Anders Karlsson Bildredaktör: Anders Karlsson, Graffoto Grafisk form och layout: Graffoto Omslag, form och foto: Graffoto Illustrationer: Karl Jilg, Björn Läning, Ebba Wahlström

€

Kopieringsförbud! Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen! Kopiering är förbjuden, utöver lärares begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt avtal med Bonus Presskopia och den mycket begränsade rätten till kopiering för privat bruk. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman/rättsinnehavare. €) 2007 Helen Pilström, Ebba Wahlström, Björn Läning, Gunilla Viklund, Lena Aastrup, Anna Peterson och Natur & Kultur, Stockholm

Förord Denna lärobok är avsedd för kursen Kemi 1, som ingår som programgemensamt karaktärsämne på Naturvetenskapsprogrammet och Teknikprogrammet.

Modell och Verklighet, Kemi 1, är anpassad till de mål som finns uppsatta i den nationella kursplanen: + Texten är resonerande för att ge förståelse och inspirera till ytterligare

reflektion och kunskapssökande. + Foton, teckningar och diagram stödjer textens framställning. » Vi framhåller sambandet mellan modeller och den verklighet de beskriver. » Kemiska tillämpningar som rör bl a miljö- och samhällsfrågor belyser det nära sambandet kemi-biologi och kemi-fysik. » Några idéhistoriska tillbakablickar visar kemins utveckling. Boken innehåller ett stort antal övningsuppgifter. Varje kapitel inleds med en frågeställning vars svar finns att hitta i kapitlet och avslutas med en sammanställning av kapitlets innehåll. Det finns även uppgifter som vi kallar Tänkvärt och Utmaningen där det gäller att på ett mer kreativt sätt söka lösningar till problem med anknytning till kemi. Ett fylligt sakregister gör det enkelt att hitta i boken.

Boken har utformats så att den kan läsas både av elever som är inriktade på betyget E och av dem som vill skaffa sig en djupare kunskap inom ramen för kursen. Boken avslutas med Uppslaget, ett avsnitt som kan ge intresserade elever ytterligare kunskaper. Vi har avstått från experimentbeskrivningar i boken. I stället finns förslag på experiment tillsammans med didaktiska tips i lärarhandledning-

en. Genom att placera dem där, vill vi ge elever och lärare möjlighet att själva planera de laborativa inslagen kursen. Där finns också förslag på de laborationer som är lämpliga att genomföra som planeringslaborationer. De elever som vill fortsätta att studera kemi kan med bokens hjälp skaffa sig gedigna grundkunskaper, och vi hoppas att även andra elever ska uppleva kemikunskaper som värdefulla.

Författarna i januari 2011

Kemi - en del av naturvetenskapen + INTRODUKTION Vad är kemi?

Kan man tänka ut hur ämnen reagerar?.

Modell och verklighet

Från kaos till ordning & GRUNDLÄGGANDE BEGREPP . Fasta ämnen, vätskor och gaser Rena ämnen

En blandning består av flera ämnen Att känna igen och skilja ämnen åt i en blandning Nya begrepp, sammanfattning, övningar Att ordna materien

+x PERIODISKA SYSTEMET.

Så trodde man förr

Periodiska systemet — en genial tabell En modell av atomen utvecklas. Den moderna atommodellen

Hur hålls materien ihop?

Nya begrepp, sammanfattning, övningar

Hur många och hur mycket? +« sTÖKIOMETRI Atommassa, molekylmassa och formelmassa Kan man väga ett antal?

Molmassa, substansmängd och massa Så skriver man en reaktionsformel... Nya begrepp, sammanfattning, övningar

Kemiska ämnen omkring oss Introduktion till oorganiska och organiska ämnen

52

Syror, baser och salter +x OORGANISKA ÄMNEN

5.5

Hur framställer man ett salt? .

5.6

Skriva reaktionsformler — en strategi

54 54 57 64 67 73 74

Nya begrepp, sammanfattning, övningar

77

Lösningsmedel, bränslen och plast + ORGANISKA ÄMNEN Organisk kemi.

82

51 5.2 5.3 5.4

6.1 6.2

6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

pH-skalan. Sur, neutral och basisk lösning Syror man hör talas om

Basiska lösningar

Salter är inte bara vanligt salt.

Kolväten — alkaner. Alkener och alkyner — omättade kolväten. Alkoholer Förbränning av kolväten och alkoholer

Halogenkolväten.

Additionspolymerer, viktiga plaster. Nya begrepp, sammanfattning, övningar

100 102

104

Ingenting försvinner &« KEMISKA BERÄKNINGAR

..108

Reaktionsformeln bestämmer substansmängderna

108 110 111 ..116

7.1 7.2

Att räkna med massa

7.3 74

Att räkna med lösningar Att räkna med massa och lösningar.

Nya begrepp, sammanfattning, övningar Elektroner som förflyttas +x REDOXREAKTIONER 81 8.2 8.3 84

82 84 9” 94 9”

Redoxreaktioner . Vilken metall är ädlast?

Halogener som oxidationsmedel Oxidationstal

120 ..124 ..124

127 128 129

8.5

Förbränning och fotosyntes — viktiga redoxreaktioner

132

8.6

En redoxreaktion kan ge ström iett batteri

133

Allting hänger ihop +x KEMISK BINDNING

144

Vad innebär en kemisk bindning?

144

8.7 — 8.8

Elektrolys Korrosion — rostning går snabbare i en galvanisk cell Nya begrepp, sammanfattning, övningar

9. 9.1

9.22. 9.3.

137 139 140

Jonbindning — attraktion i alla riktningar Kovalent bindning — elektronparbindning ..........

9.4

Polär kovalent bindning

9.5

..........

9.6 9.7

on.

Fosdnsesdsesedasensr

van der Waals-bindning — svagast!

146 149

sken

159

a

162

Vätebindning — livsnödvändigt! Metallbindning.

9.8

165 166

Lika löser lika — viktig vardagsprincip!

167

Nya begrepp, sammanfattning, övningar

170

10. — Fullständigt kaos + GASER 10.1 — Hur beter sig en gas? 10.2 — Alla ämnen har ångtryck

176 176 180

10.3 —

181

Gaserlöser sig i vatten

Nya begrepp, sammanfattning, Övningar 11. 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

— — — — — —

..................................183

Värme - varifrån och varthän? +x TERMOKEMI.......... Energiflöden. Vad är skillnaden mellan värme och temperatur? Exoterma och endoterma reaktioner Varifrån kommer värmet? Entalpi. . rerna

186 186 188 189 190 192

11.6

Vad bestämmer om en reaktion! kan ske? Nya begrepp, sammanfattning, övningar

193 195

12.

Från surt till basiskt - en jämviktsfråga + SYRA-BASREAKTIONER

12.1 — pHoch protolys

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

12.2 — De flesta syror är svaga syror. 12.3 — Till varje syra hör en bas......... 12.4 — Flerprotoniga syror........ 12.5

.

Saltlösningar är sällan neutrala .

12.6 — Titrerilg

er

sesatenorsssnnnenart

.

ser

198

198

203 rerna 208 ares rsensrrarnser annan ai 209

sirsrrsrrsrr

o.ssnssrssssrsrrsrrssrssrrrnsrrsrsrr

12.7 — Buffertlösningar

sossssssrseressrsererrnnnrrrnn0r

rrnrrn

an

+...

a

210

nsns211

214

Nya begrepp, sammanfattning, öövningar

216

13. 13.1 13.2

Organiska material och byggstenar Aromatiska föreningar. Organiska ämnens funktionella grupper.

13.3 — 13.4 — 13.5

Karbonylföreningar ........... $r6r sed ess Ass t Rs rAnnd Kolhydrater...... sedserkaes Moderna organiska material — plaster

senses

Nya begrepp, sammanfattning, övningar

sersnnn239

14. 14.1

Allt utom kol Metaller

+x KOLFÖRENINGAR

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

220 220 223

+ VÅR KEMISKA OMVÄRLD.

242 242

14.2 — Det mesta förenar sig med syre 14.3 14.4

248

Keramer kan vara både antika och moderna Kisel i naturen — kvarts och silikater

251 252

14.5 — Några andra viktiga icke-metaller.

Nya begrepp, sammanfattning, övningar

254 ............

en

Uppslaget

s258 260

Svar till övningar.

270-293

Register Bildförteckning

224 233 235

294-295 fore

ras

rear

r en

see

FröuRnE

eka

296

Kemi - en del av naturvetenskapen Du lever inte en sekund utan kemi. Redan när du läste rubriken skedde oräkneliga kemiska reaktioner: i ögat för att registrera ljus, i synnerven för att transportera information

till hjärnan och i hjärnan för att du skulle förstå! Se dig omkring, överallt finns olika ämnen. Och allt du ser är kombinationer av cirka hundra grundämnen, inte fler!

1.1 Vad är kemi? Om du tror att experiment är viktiga i kemi så tror du alldeles rätt. När man studerar kemi gör man experiment. Det går ofta att med blotta ögat se vad som händer. Men när det gäller att tolka och förklara experimenten, talar man om atomer och molekyler som är så små att de är

osynliga. Då används ett språk med ord, begrepp och formler som alla

som arbetar med kemi kan förstå och använda. Om man tänder eld på ett magnesiumband säger den som inte läst kemi

att magnesiumbandet brinner upp. Det som finns kvar efteråt är en hög med aska. Den som kan lite kemi däremot, säger att magnesiumbandet antänds och brinner med en het, lysande låga och oxideras av syre i luften. Ett fast, vitt ämne i pulverform bildas — magnesiumoxid. Den kemi-

kunnige kan fortsätta sin beskrivning och tala om hur elektroner går över från magnesiumatomer till syreatomer och att den magnesiumoxid som bildas består av magnesiumjoner och oxidjoner. Han/hon skriver

kanske också en reaktionsformel. Alla beskriver vad de ser. Men den som kan lite kemi kan dessutom förklara vad som händer på atomnivå och använder ord som oxideras, syre,

magnesiumoxid. Motivet till att använda de speciella orden och begreppen är att det blir lättare att göra sig förstådd och att vara entydig. 6 + I INTRODUKTION

Christer Fuglesang - förste svensk i rymden. Mycket kemikunnande har krävts vid förberedelsen av rymdäventyret.

Si

EE:

NT i

Ey

&:

Överst syns hela det synliga spektrumet. I det svarta bandet finns smala färgband, som en väteatom har gett upphov till. Färgerna är strålning som sänds ut när elektroner faller från en högre energinivå till en lägre. En väteatom sänder exempelvis ut rött ljus med våglängden 656 nm när en elektron faller från en energinivå som motsvarar M-skalet till L-skalet. 32

+ 3 PERIODISKA SYSTEMET

Bohrs atommodell utgick från en atom med bara en enda elektron. Ganska snart visade det sig att modellen inte kunde användas på atomer med fler

elektroner. Han fortsatte därför sitt arbete och utvecklade tillsammans med de andra kvantfysikerna den nya moderna atommodellen. ÖVNING 310

Elektronhöljet styr kemiska reaktioner Atomkärnan deltar inte i kemiska reaktioner, vilket däremot elektronerna

gör. För att kunna förstå kemiska reaktioner behöver vi därför en atommodell som beskriver elektronhöljets egenskaper på ett så enkelt sätt som

möjligt. Det visar sig att Bohrs modell är gångbar i enklare sammanhang. Modellen beskriver atomen med elektroner fördelade på olika energinivåer, som han kallade skal. Men modellen räcker inte till för att förklara

hur två väteatomer håller ihop till en vätemolekyl med hjälp av så kallade elektronpar. Då krävs den mer utvecklade modellen med elektronmoln. Kemister talar om ”elektronskal”, men menar inte elektronbanor, utan

elektroner på en viss energinivå. Ordet ”skal” får beteckna det avstånd från kärnan på vilket det är stor sannolikhet att träffa på elektroner. Elektronfördelningen kallas atomens elektronkonfiguration och är direkt kopplad till periodiska systemets grupper och perioder.

Elektronkonfigurationen avgör de kemiska egenskaperna Helium har två elektroner. Båda elektronerna har samma energi och be-

Grundämne

K-skal — L-skal

finner sig i K-skalet, det vill säga i det innersta skalet. Där ryms endast

Helium

2

0

två elektroner. Litium har tre elektroner, två elektroner i K-skalet och en

Litium

2

1

i L-skalet. Elektronen i L-skalet har högre energi än de båda i K-skalet. IL-skalet är medelavståndet till kärnan större och där ryms upp till åtta

Neon

2

8

elektroner. Neon har maximalt antal elektroner i både K- och L-skalet, dvs tio (2 + 8) elektroner. Hos de 20 första grundämnena fylls elektron-

Exempel på elektronkonfigurationer hos några grundämnen.

skalen regelbundet inifrån och ut, från lägre energinivåer mot högre. Bortom grundämne nummer 20, fylls inte det yttersta skalet på, utan grundämnena får i tur och ordning en elektron mer i ett inre skal. Grundämnena i dessa grupper kallas övergångselement. Järn har exem-

pelvis elektronkonfigurationen [2 8 14 2], medan närmast följande ädelgas, krypton, har fördelningen [2 8 18 81. För varje skal som till-

kommer i atomen ryms fler elektroner. Maximala antalet elektroner i det n:te skalet kan beräknas med uttrycket 2n”

Nivåer: Antal elektr: = Exempel Järn, Fe Krypton, Kr

n 2?

1(K0) 2

200) — 3(M) — 4(N) 8 18 32

2 2

8 8

14 18

2 8 3 PERIODISKA SYSTEMET

x& 33

Tabell 3:7

När det gäller de kemiska egenskaperna, är det framför allt elektroner-

na

det yttersta skalet som är avgörande. Dessa elektroner kallas valens-

elektroner. En utförligare bild av elektronskalens uppbyggnad hittar du

Lu

2

1

Na

2

8&

1

K

2

8

8

Rb

2

818

Cs

2

81818

fr

2

818

i Uppslaget. 1 8 32

1

8

1

18

8

Tabell 3:6 Elektronkonfigurationerna för de 20 första grundämnena 1

Grundämne

L-skal

LG

KELG

"Tabell 3:8

2

2

Mg2

8&

2

CcCa2

8

8

Sr

2

818

Ba

2

81818

Ra

2

8

2 8

18

32

2 8

2

18

8

2

owNOUnBW

Li Be

10

"Tabell 3:9

F

2

7

ed

2

8

Br

2

818

1

2

81818

At

2

8

Be B

ec N

o F Ne

7 7

18

Period 3

7

32

18

7

2

8

A

2

8

Kr

2

818

Xe

2

8

18-18

Rn

2

8

18

Period4 >

|

Ne

2 .

2

N

He

ox

Se

"Tabell 3:10

ÖVNING 311

8 8 32

8 18

8

3.5 Hur hålls materien ihop? Elektronkonfigurationen bestämmer ett grundämnes kemiska egenskaper. När vi tittar närmare på grupperna i periodiska systemet hittar vi förklaringen till att ädelgaser inte reagerar med andra ämnen. Atomer som har 8 elektroner i yttersta skalet tar varken upp eller avger elektroner (i K-

skalet ryms bara 2 elektroner). Elektronerna håller ihop i par och 8 elektroner bildar 4 elektronpar, så kallad ädelgasstruktur.

Jonbindning håller ihop salter Alkalimetallernas atomer har en valenselektron. I de inre skalen har de samma konfiguration som närmast föregående ädelgas. När en alkalimetall reagerar med ett annat atomslag så förlorar atomen sin valens-

elektron och får ädelgasstruktur. 34

+ 3 PERIODISKA SYSTEMET

Alkalimetallen natrium reagerar häftigt med klor i gasform, varpå natriumklorid bildas, dvs vanligt salt.

Halogenatomen har istället en valenselektron mindre än en ädelgas. Om den får möjlighet att ta upp en elektron, får den också ädelgasstruktur. När natrium reagerar med klor sker alltså följande: Na 281

+

Cd 287

SS

Nat 280

+

ock 288

Den kemiska reaktionen mellan natrium och klor innebär att en natriumatom avger en elektron som tas upp av en kloratom. Natriumatomen blir en natriumjon, Na”, och kloratomen en kloridjon, CI. De båda jonerna har ädelgasstruktur. Natriumklorid är ett fast ämne där natriumjoner

närmast omges av kloridjoner och kloridjonerna omges av natriumjoner.

En modell av natriumklorid. Saltet är uppbyggt av lika många natriumjoner som kloridjoner.

3 PERIODISKA SYSTEMET + 35

Hur skriver man en formel för reaktionen mellan natrium och klor? Låt oss starta med en ordformel:

natrium + klor > natriumklorid Därefter skriver vi formlerna för de ingående ämnena. Formeln för natrium är Na (formeln för en metall är alltid det kemiska tecknet). Formeln

för klor skrivs Cl, eftersom klor bildar molekyler som består av 2 atomer. Formeln för natriumklorid är NaCl. Det oladdade saltet innehåller lika många natriumjoner, Na”, som kloridjoner, CI, eftersom natriumjonen

och kloridjonen har lika stor laddning. Formeln för ett fast salt skrivs utan jonladdningar: Na + Cl, > NaCl Tvärstrecket på pilen betyder att reaktionsformeln inte är färdig, den är inte balanserad. En balanserad formel innehåller lika många atomer av varje slag i båda leden. Det får vi genom att placera lämpliga koefficienter

före ämnenas formler. För att båda kloratomerna i molekylen Cl, ska kunna bilda joner krävs 2 natriumatomer och därför måste vi skriva 2Na.

Då bildas 2NaCI. Därmed ser den kompletta formeln ut så här: 2Na + Cl, > 2NaCIl Natriumklorid är ett salt som är uppbyggt av många natriumjoner och lika

många kloridjoner, som hålls samman av jonbindningar, dvs attraktion mellan joner med olika laddning. Formeln för en jonförening beskriver sammansättningen på enklast möjliga sätt, och den positiva jonen skrivs alltid först.

Magnesium reagerar med klor på liknande sätt som natrium reagerar med klor. Magnesiumatomen har 2 valenselektroner. Om dessa 2 elektroner avges, så bildas en jon med laddningen +2. Men varje kloratom tar bara upp 1 elektron för att få ädelgasstruktur. Därför reagerar en magnesiumatom med två kloratomer.

Mg

282

+

Cd

287

+

ad

SS

287

Mg

280

+

Ck

288

+

Ch

288

Formeln för reaktion mellan magnesium och klor skriver man på samma

sätt som vi skrev formeln för reaktionen mellan natrium och klor. Låt oss starta med en ordformel: magnesium + klor > magnesiumklorid Formeln för metallen magnesium är Mg och den för klor är Cl,. Formeln

för magnesiumklorid är MgCL,. Saltet innehåller två kloridjoner, 2 CI på varje magnesiumjon, Mg”"', eftersom magnesiumjonens laddning är +2 och kloridjonens -1. Formeln skrivs så här:

Mg + Cl, > MgCl, Eftersom antalet atomer av varje slag är lika i de båda leden är formeln redan balanserad. ÖVNING 312

36 + 3 PERIODISKA SYSTEMET

Ädelgaser är stabila. Både neon och argon används i reklamskyltar. Elektronparbindning håller ihop molekyler Ädelgasatomer har en stabil struktur och vinner ingenting på att bindas

till andra atomer. Halogenerna förekommer oftast som halogenidjoner, eftersom jonerna har samma elektronstruktur som en ädelgas. En halogenatom däremot, har bara sju valenselektroner. Den sjunde udda elektronen i kloratomens M-skal kan därför bilda ett par med motsvarande elektron hos en annan kloratom. På så sätt bildas en tvåatomig molekyl, Cl,. Genom att de delar på ett par kommer varje kloratom att omges av åtta elektroner.

Med en elektronformel får vi en enkel modell av bindningen mellan två kloratomer. Valenselektronerna markeras med prickar i formeln. Inre elektroner ritas inte ut.

dd

cd:

—

CA:

Elektronformel för Cl;-molekylen.

De båda kloratomerna hålls samman genom att de båda binds till det gemensamma elektronparet. Bindningen kallas därför elektronparbindning eller kovalent bindning. Bindande elektronpar ritas i elektronformler som ett streck mellan atomer-

na. Även väte, syre och kväve har tvåatomiga molekyler, H,, O, och N,. Kovalenta bindningar finns också mellan atomer av olika slag i fleratomiga molekyler som H,O, NH, och i organiska molekyler exempelvis CH,.

3 PERIODISKA SYSTEMET + 37

Vad säger formeln om ämnet? Formeln för en jonförening beskriver endast förhållandet mellan antalet joner av varje slag. Natriumklorid skrivs NaCl trots att en natriumkloridkristall innehåller ofattbart många natriumjoner och kloridjoner. För en molekylförening anger formeln hur en molekyl är sammansatt. I en vattenmolekyl, HO, sitter 2 väteatomer och 1 syreatom ihop. En

vattendroppe består alltså av ofattbart många sådana enheter. Studera bilderna nedan. De illustrerar modeller av två fasta ämnen, den

ena en jonförening, den andra en molekylförening. I molekylföreningen kan man se att en vit och en röd atom hänger ihop som en grupp/molekyl.

I jonföreningen finns inga sådana grupper och mönstret kan fortsätta hur långt som helst.

232

3

323

oo Oo

De vita och röda atomerna hänger ihop i molekyler, som är tydligt avgränsade, de bildar en molekylförening.

9 Oo

a

De gula och röda jonerna bildar en jonförening.

När det gäller att namnge föreningarna är det lätt i fallet molekylföreningen. Man vill helt enkelt beskriva hur grupperna/molekylerna ser ut. Här skulle formeln vara ”vitröd”(s) Jonföreningen kan inte beskrivas med någon gruppering. Men i mönstret

finns dubbelt så många gula joner som röda. Räkna i bilden (24 gula på 12 röda) eller i den gråa markeringen vi gjort (6 på 3). Det är förhållandet man anger med namnet, ”rödgul,” (s) eller ”gul,röd”(s). ÖVNING 313

38

+ 3 PERIODISKA SYSTEMET

Nya begrepp periodiska systemet, grupp, period, atom, alkalimetall, alkalisk jordartsmetall, halogen, ädelgas, elektron, atomkärna, energikvantum, foton, elektronmoln,

atomnummer, proton, neutron, masstal, isotop,

energinivå, elektron-

konfiguration, övergångselement, valenselektron, ädelgasstruktur, elektronpar,

jonbindning, elektronparbindning (kovalent bindning),

elektronformel.

Sammanfattning kapitel 3 + En atom består av en kärna uppbyggd av protoner och

> Med hjälp av elektron-

elektroner.

konfigurationen för ett atomslag kan man dra slutsatser om dess egenskaper.

> Protonen är positivt laddad

> I ett salt hålls positiva och

och elektronen har en lika stor

negativa joner samman genom

negativ laddning. I en atom är antalet protoner lika med antalet

jonbindning.

elektroner och en atom är utåt oladdad.

samman av gemensamma

neutroner och ett hölje av

elektronpar i elektronpar-

> I periodiska systemet är grund-

ämnena ordnade efter ökande kärnladdning. > Grundämnen i en grupp har likartade egenskaper.

+ I en molekyl hålls atomerna

bindning (kovalent bindning).

3 En balanserad reaktionsformel har lika många atomer av varje

slag på båda sidorna om pilen.

Övningar 301 Vilket eller vilka grundämnen (namn och kemiskt

tecken) finns i a) grupp 2

305 Alkalimetallen i period 4 reagerar med halogenen i samma period. Skriv en ordformel för reaktionen. 306

b) period 3

Vilken är den kemiska formeln för

c) period 4 och samtidigt i grupp 11?

a) klor

b) argon

d) krypton

e) radon?

302

Skriv ordformel för reaktionen mellan kalium och vatten.

303

Vilken aggregationsform har respektive halogen vid 20 ”C?

c) brom

307

Vid vilken temperatur övergår heliumgas till vätska?

308 Hur många neutroner respektive protoner finns i en atomkärna av tungt väte?

304

Vad heter det salt som bildas vid reaktionen mellan

309

a) kalium och jod

a) Ange antalet protoner och neutroner hos en kaliumatom med masstalet 39.

b) litium och brom

c) jod och cesium?

b) Ett grundämne har atomnummer 18. En av dess

isotoper har 20 neutroner. Vilket är grundämnet? Ange även antalet protoner och masstalet hos isotopen.

3 PERIODISKA SYSTEMET— ÖVNINGAR

+ 39

c) En atom innehåller 44 neutroner och har masstalet 79. Vilket är grundämnet?

316 Skriv på samma sätt som för reaktionen mellan natrium-klor, elektronövergång och formel för reaktionerna mellan

d) Cesium har en isotop med 82 neutroner.

Vilket är dess masstal?

a) magnesium och syre 310 Vilken färg har det ljus som sänds ut av väteatomen,

om elektronen återgår från N-skalet till L-skalet (se

b) natrium och fluor c) kalium och klor d) kalcium och syre

figur sid 32)?

e) natrium och syre.

311

Hur många valenselektroner har ali

b)Br

Ca

d)Ar

317 eAl

f)C?

312

Kalcium reagerar med brom och det bildas kalciumbromid. Skriv upp elektronkonfigurationen för kalcium respektive brom. Beskriv den elektronöver-

Var i periodiska systemet (grupp och period) hittar du det ämne som har följande elektronkonfiguration? a) 2,8,1 b) 2,6 c) 2,8,8,2

gång som sker vid reaktionen . Vilken ädelgas har samma elektronkonfiguration

318

som Ca”" resp Br ?

Skriv av och komplettera följande tabell:

30

Skriv formeln för kalciumbromid.

BK | fAr

Mg”

protoner

313

Rita elektronformeln för

neutroner

a) H,

elektroner

b) F, c) Kr.

319 Man kan dra vissa slutsatser om ett ämnes egenskaper om man vet dess placering i periodiska systemet. Vilka egenskaper kan man vänta sig att grundämne

nummer 37 har?

Blandade övningar 320 Vilken gas bildas då litium reagerar med vatten?

314

Hur många protoner respektive neutroner har följande atomkärnor

321

a) ”Br

En atom av ett grundämne har kärnladdningen 17 och masstalet 37. Skriv symbolen för denna atom.

b) "Cu

ec) ””Au?

315

Ba, Br, Ca, Cl, K, Kr, Li, Na, Ne.

Vilket masstal har den jodisotop vars kärna inne-

håller 78 neutroner?

40

322 Vilka av följande grundämnen har egenskaper som liknar magnesium?

+ 3 PERIODISKA SYSTEMET— ÖVNINGAR

T31

Använd symboler och skriv en reaktionsformel för sönder-

Mendelejev förutspådde att man skulle hitta ”ekakisel”, ett grundämne som saknades på platsen rakt under kisel,

fall av radium-226 om alfastrålning sänds ut. Den atomkärna av radon som bildas sönderfaller i sin tur

Si, i periodiska systemet.

mycket snabbt till det man kallar ”radondöttrar”. Vilken

Han kunde också förutsäga

vilken formel oxiden skulle ha. Kan du? (Kalla ekakisel

radondotter har bildats efter två alfasönderfall?

för E.) Värt att veta: Ekakisel fanns mycket riktigt — det är grundämnet germanium, Ge.

Radondöttrar kan bildas i lungorna när man andas in radon. Radondöttrarna är också

radioaktiva och avger

strålning som kan skada lungvävnaden. Radondöttrarna T32 Radon Radium

anses farligare än radon — hur kan det vara så? i radonhusen följer med

bildas ur radium andra

grundämnen

i ”blå betong”. i grupp

2 som

T33

ingår i betong. Radium-226 sönderfaller mycket långsamt

Jämför grönt ljus och gult ljus. Vilket består av de största

genom att skicka ut alfastrålning, dvs helium-4-kärnor.

energipaketen?

Den som har ritat periodiska systemet så här måste haft egna tankar. Vilka tror du?

3 PERIODISKA SYSTEMET — ÖVNINGAR

+ 41

Hur många

och hur myc En atom sätt med atomer. att hålla

4.1

är så liten att man inte kan väga den på vanligt en våg. Man kan heller inte räkna antalet Trots det är det vågen kemisterna använder för reda på antalet atomer.

Atommassa,

molekylmassa

och

formelmassa Den engelske kemisten Dalton hade kommit fram till att atomer av ett

grundämne inte är likadana som atomer av ett annat grundämne. Han insåg att det var möjligt att med vågens hjälp mäta olika atomers massor

i förhållande till varandra och på så sätt få fram relativa atommassor. Dalton utgick från det lättaste atomslaget väte och gav det massan 1. Berzelius bestämde mass-sammansättningen av nästan 2000 kemiska föreningar. Under arbetet lyckades han dessutom bestämma den relativa

atommassan hos 45 av de 49 då kända grundämnena. Läs mer om

Berzelius på sidan 44.

Så definieras massenhet Enheten för atommassa är atommassenheten 1 u. Enheten utgår från kol-12 som jämförelseatom och definieras på följande sätt:

1u = 1/12 av massan av 1 atom "”C. Den här definitionen ger de värden på atommassorna som finns i periodiska systemet. Men där brukar enheten inte skrivas ut.

Atommassan för ett grundämne är medelvärdet för den naturliga blandningen av grundämnets isotoper. Naturligt kol är en blandning av 98,90 960 kol-12 och 1,10 96 kol-13 samt spår av kol-14. Medelvärdet är 12,011 u.

En atom "C har massan exakt 12 u. Grundämnet kol har atommassan 12,011 u.

42 + 4 STÖKIOMETRI

KAPITEL 4 — Östersjön är stor. Volymen är 21200 km. VUCT Tra geUERTe ale NARNIA VA bord och löser sig i vattnet. Anta att det efter

några år blandats jämnt i hela vattenvolymen.

Är det då troligt att du kan hitta någon

Stökiometri

Ett ämnes molekylmassa är massan av en molekyl av ämnet uttryckt i enheten u. En molekyl H,O består av två väteatomer och en syreatom. Molekylens massa är alltså 2 + 1,0079 u + 1: 16,00 u = 18,02 u.

Många ämnen består av joner, inte molekyler. Då kan man inte använda begreppet molekylmassa. Magnesiumklorid skrivs MgCl, och en formelenhet har massan 24,31 u + 2: 35,45 u = 95,21 u. Massan av en formel-

enhet kallas formelmassa. Man kan tala om formelmassa även för de ämnen som är uppbyggda av molekyler. Formelmassan för vatten är således 18,02 u.

Exempel 4:1 Beräkna formelmassan för kalciumklorid, CaCl,, med 3 gällande siffror.

Atommassorna finns i periodiska systemet. En formelenhet kalciumklorid, CaCl,, innehåller 1 atom kalcium med massan 40,08 u och 2 atomer klor med massan 2 + 35,45 u. Formelmassan = 40,08 u + 2 + 35,45 u = 111 u. Svar: Formelmassan är 111 u. Berzelius,

en av de främsta

ÖVNING 401-403

Jacob Berzelius (1779-1848) är en av Sveriges mest berömda vetenskapsmän. Han

upptäckte en hel rad grund-

4.2

Kan man väga ett antal?

ämnen, t ex cerium, selen,

kisel, zirkonium och torium.

Berzelius föddes i Östergöt-

land och gick gymnasiet i

Linköping. Därefter fortsatte han att studera medicin och

kemi i Uppsala. Det var som kemist han blev berömd.

Hans vetenskapliga storverk var att han lyckades bestäm-

ma i vilka proportioner ämnen förenas. Hans mätningar

av olika grundämnens massa var förvånansvärt bra med

tanke på den enkla utrustning han hade på sitt labora-

torium. Det var Berzelius som

började beteckna grundämnena med bokstäver (begyn-

nelsebokstaveni ämnets latin-

När ämnen reagerar med varandra kan det beskrivas med en reaktions-

formel. Vi ser t ex av reaktionsformeln:

C+0, CO, att 1 kolatom reagerar med 1 syremolekyl och bildar 1 koldioxidmolekyl.

Låt oss titta på ytterligare ett exempel:

- Exempel 4:2 Aluminium reagerar med syre på följande sätt! 4AI + 30, > 2ALO, Hur många aluminiumatomer och syrgasmolekyler reagerar och hur många formelenheter Al,O, bildas? Vad säger formeln? Det är koefficienterna i reaktionsformeln som ger svaret. 4 aluminiumatomer

reagerar med 3 syremolekyler och det bildas 2 formelenheter Al,O,. ÖVNING 404

ska namn). Därmed lade han grunden till vårt sätt att skriva kemiska formler, t ex vatten

H.O, två väte och en syre. Han skrev också en lärobok i kemi som innehöll den tidens

hela kemiska vetande och som översattes till fem språk.

44

+ 4 STÖKIOMETRI

Atomer och molekyler är så små att det är omöjligt att räkna dem en och en. Vi kan inte heller väga dem med en vanlig våg. 1 kolatom har ju massan 12 u. Genom experiment har forskarna kommit fram till att det

motsvarar så lite som 1,9926 - 10” g. Ändå är det vågen vi använder för att hålla reda på antalet atomer.

Lika många - samma substansmängd

Samma subtansmängd men olika massa. En mol av varje ämne: kol (C), socker (C,;H,,0,.), natriumklorid (NaCI), kopparsulfat (CuSO,: 5H,0), koppar (Cu), etanol (C,H,OH) och vatten (H,0).

Låt oss titta närmare på reaktionen mellan kol och syre

c

+

1atom (12 u)

Oo, 1 molekyl (32 u)

>

CO, 1 molekyl (44 u)

Atommassan för kol är 12 u och molekylmassan för syre är 32 u. Det betyder att en kolatom har 12 gånger så stor massa som en väteatom

och en syremolekyl har 32 gånger så stor massa som en väteatom. Detta innebär alltså att antalet atomer i 12 g kol är lika med antalet molekyler i 32 g syre och antalet koldioxidmolekyler i 44 g koldioxid. Kemisterna

säger att substansmängden C i 12 g kol är lika med substansmängden

Substansmängd är ett mått på antal. Den betecknas n och har enheten 1 mol.

'O, i 32 g syre och substansmängden CO, i 44 g koldioxid.

Storheten substansmängd är ett mått på antal (t ex antalet atomer, joner, molekyler eller formelenheter). Substansmängd betecknas med n och

mäts i enheten I mol.

1 mol definieras som substansmängden i 12 g

av ”C.

Du såg tidigare att '”C används för att definiera enheten för atommassa,

1u. Exakt 12 u är massan av 1 atom av ”C. På samma sätt används ”C för att definiera enheten för substansmängd. Exakt 12 g av ”C innehåller substansmängden 1 mol, vilket motsvarar 6,022 - 10” atomer. Substansmängden 1 mol motsvarar alltså antalet atomer i 12 g kol eller antalet molekyler i 32 g syre osv. 6,022 - 10””/mol kallas Avogadros

Avogadros konstant, N,, anger antal per mol.

N, = 6,022 :10”/mol.

konstant, N,.

Nu kan vi konstatera att 1 mol C har massan 12 g och innehåller 6,0 : 10” kolatomer medan 1 mol O, har massan 32 g och innehåller 6,0: 10” syremolekyler. Olika atomslag har olika massa. Därför har också 4 STÖKIOMETRI

+ 45

1 mol av olika ämnen olika massa. Massan av en mol kan beräknas och vägas upp. Det innebär att vi kan använda vågen i stället för att räkna antalet formelenheter. Koppar exempelvis har atommassan 63,5 u. Då har 1 mol Cu massan 63,5 g.

Skilj noga mellan t ex 1 mol syreatomer (O) och 1 mol syremolekyler

(0). 1 mol O innehåller 6,0 + 10” syreatomer och har massan 16 g,

medan 1 mol O, innehåller 6,0 + 10” syremolekyler och har massan 32 g. 1 mol C har massan 12,011 g och 1 mol H,O har massan 18,02 g. Man

säger att molmassan för C är 12,011 g/mol och molmassan för H,O är 18,02 g/mol. Storheten molmassa betecknas M. Enheten är g/mol. Man skriver ofta M(C) = 12,011 g/mol och M(H,O0) = 18,02 g/mol.

Med hjälp av atommassorna kan man beräkna molmassan för vilket ämne som helst, om man känner ämnets kemiska formel.

Exempel 4:3 Beräkna molmassan för järnoxid, Fe,0,.

1 formelenhet Fe,0, innehåller 2 atomer Fe och 3 atomer O. På motsvarande sätt kan vi resonera oss fram till att I mol Fe,0, innehåller 2 mol Fe och 3 mol 0. Massan av 1 mol Fe,0, = 2 + 55,85 g + 3 + 16,00 g = 159,70 g. Svar: Molmassan är 159,70 g/mol. Det kan också skrivas MIFe,0.) = 159,70 g/mol. ÖVNING 405-406

4.3 Molmassa,

substansmängd

och massa Substansmängd är ett mått på antalet partiklar. Men man kan inte räkna Skilj mellan storheter och enheter! Storhet

Beteckning

massa molmassa

substansmängd

Enhet

partiklarna för att få fram antalet, utan man väger dem. Därför behöver man kunna beräkna massan av en viss substansmängd, t ex när man ska

ta reda på hur stor massa av ett ämne som går åt vid en reaktion eller hur stor massa av produkten som kan bildas. Det är möjligt med hjälp av sambandet mellan massa, molmassa och substansmängd.

Storhet

massa

=

molmassa + substansmängd

Beteckning

m

=

M

.

n

g

=

g/mol

:

mol

Enhet

Låt oss använda sambandet och visa hur man kan beräkna en av storheterna om man känner de andra två.

46 + 4 STÖKIOMETRI

Exempel 4:4 Beräkna massan av 1,19 mol kol.

Molmassan för kol är 12,011 g/mol. Substansmängden är 1,19 mol. Massan blir 12,011 g/mol + 1,19 mol = 14,3 g. Svar: Massan är 14,3 g.

Om det är olika antal gällande siffror hos data i en beräkningsuppgift ges slutsvaret med den lägsta noggrannheten. Titta på exempel 4:41! 1,19 har 3 gällande siffror och 12,011 har 5 gällande siffror. Du bt svara med 3 gällande siffror, dvs 14,3 g.

- Exempel 4:5 Beräkna substansmängden C i 60,0 g kol respektive 5,4 g kol.

Antal gällande Lu

MIC) = 12,011 g/mol. Då är substansmängden C i 60,0 g kol

—£LQ0E— 25,00 mol — Svar: Substansmängden C är 5,00 mol. 12,011 g/mol Substansmängden C i 5,4 g kol är

5,4 = —AE

12,011 g/mol 0,45 mol

Svar: Substansmängden C är 0,45 mol.

Kommentar: Vi känner till massan, tar reda på atommassan i periodiska systemet

och räknar ut substansmängden.

Använd atommassorna med det antal decimaler som ges i periodiska systemet när du räknar. I svaret ger du det antal gällande siffror som krävs eller också kan du själv uppskatta hur många siffror som är rimligt med tanke på noggrannheten i andra data.

- Exempel 4:6 a) Beräkna substansmängden Fe,0, i 16,0 g järnoxid. M(Fe,0.) = 2 + 55,85 g/mol + 3 + 16,00 g/mol = 159,70 g/mol n(Fe,0,)=

(Fe203)

16,08EE —

159,70 g/mol

= 0,100 mol

Svar: Substansmängden Fe,0, i 16,0 g järnoxid är 0,100 mol.

b) Beräkna substansmängden Fe i 0,100 mol Fe,0,

1 mol Fe,0,, innehåller 2 mol Fe och 3 mol 0. Det innebär att 0,100 mol Fe,0, innehåller: 2 + 0,100 mol Fe = 0,200 mol Fe.

Svar: Substansmängden Fe i 0,100 mol Fe,0, är 0,200 mol.

4 STÖKIOMETRI

+ 47

Exempel 4:7 0,0251 mol av den kemiska föreningen X har massan 3,313 g. Bestäm molmassan för X.

3,313g M0) = Q,0251 mol Xx)

SE

= 132

Y

g/mol

Svar: Molmassan för X är 132 g/mol.

— Exempel 4:8

Hur många väteatomer finns det i 8,02 g metan, CH,? MICH,) = (12,011 + 4 + 1,0079) g/mol = 16,0426 g/mol

n(CH,)

8,02g

= = 0,500 mol 16,0426 g/mol

'0,500 mol CH, innehåller 0,500

+ 4 mol H = 2,00 mol H

2,00 mol H motsvarar 2,00 + 6,022 + 10” väteatomer = 1,20 + 107" väteatomer.

Svar: Det finns 1,20 + 107" väteatomer i 8,02 g metan. Kommentar: Om man känner massan kan man, via substansmängden av ett ämne, alltid räkna ut antalet partiklar.

> Nu finns det anledning att gå tillbaka till andra sidan i kapitlet. Nu bör du nämligen kunna svara på den inledande frågan om Östersjön. Hur många kloridjoner bör det finnas i ett glas med 3 dl Östersjövatten, sedan saltet, 2 g, hunnit blandas ut i hela Östersjön? ÖVNING 407-415

4.4 Så skriver man en reaktionsformel För att kunna skriva en reaktionsformel måste man känna till vilka ämnen man startar med, reaktanterna, och vilka ämnen som bildas,

produkterna. Den här reaktionsformeln beskriver hur ammoniak kan bildas.

N, + 3H, > 2NH, Reaktanterna är kväve och väte och produkten är ammoniak. I formeln framgår att en kvävemolekyl reagerar med tre vätemolekyler och bildar två ammoniakmolekyler. Det innebär att av exempelvis 10 kväve-

molekyler kan det bara bildas högst 20 ammoniakmolekyler. På samma sätt reagerar en mol N, med tre mol H, och bildar två mol NH,. 48

+ 4 STÖKIOMETRI

Reaktionsformeln av reaktanter och behöver man veta Därför kommer nu

behövs för att sambandet mellan substansmängderna produkter vid en kemisk reaktion ska framgå. Det när man planerar och genomför kemiska reaktioner. ytterligare ett exempel på hur man skriver reaktions-

formler. Hur man använder dem återkommer vi till i kapitel 7.

ä

Exempel 4:9 Väte kan reagera med syre och bilda vatten. Hur skriver man reaktionsformeln?

1. Starta med ordformel: väte + syre > vatten

I 2 = at 3

én

2. Skriv formlerna för reaktanter och produkter:

H,+0, + HO 3. Balansera formeln så att båda leden innehåller lika många atomer av varje slag. Detta gör man med hjälp av lämpliga koefficienter:

0

>

+ 10, i vänstra ledet ger 2H,0 i högra ledet

»

or.

+ 2H,0 i högra ledet kräver 4H, dvs 2H, i vänstra ledet

J

Formeln blir: 2H, + 0, > 2H,0

I

>

v

6 väte- och 3 syremolekyler bildar

6 vattenmolekyler. ÖVNING 416-418

Sammanfattning kapitel 4

Nya begrepp

+ Atommassenheten 1 u = 1/12

som anges av Avogadros konstant.

av massan av 1 atom av ”C.

Massan per mol kallas molmassan.

Atommassan för ett grundämne

Enheten är g/mol.

är medelvärdet för den naturliga isotopblandningen av grundämnet.

Den anges i u, liksom molekylmassan och formelmassan.

3k Känner

man

två av storheterna

massa, molmassa och substans-

mängd kan man beräkna den tredje. Svaret anges med antalet

> Formelenhet är det som anges

gällande siffror hos data med

av ämnets formel. En formel-

sämst noggrannhet, dvs minst

enhet av t ex MgCl, består av en

antal gällande siffror.

magnesiumjon och två kloridjoner.

> Reaktionsformeln visar sam-

+ Substansmängd är ett mått på

bandet mellan substansmängderna

antal och mäts i enheten 1 mol.

av reaktanter och produkter vid

1 mol innehåller det antal enheter

en reaktion.

relativ atommassa, atommassenheten 1u,

formelenhet, molekylmassa, formelmassa,

substansmängd, mol, molmassa, Avogadros konstant, reaktanter, produkter.

4 STÖKIOMETRI

+ 49

Övningar

408 Vilken massa har

401

Koppar består till ca 70 96 av ”Cu och resten av

Cu. Vad blir atommassan för Cu?

a) 2,0 mol Na

d) 0,78 mol O,

— b) 0,340 mol Na = €) 2,5 mol O

€) 6,02 : 10” magnesiumatomer

f) 6,02 - 10” natriumatomer? 402

Hur många atomer ingår i en formelenhet av

a) KCI

b) CH,

Fe,0,?

409 a) Vilken är molmassan för svavel, S?

b) Beräkna substansmängden S i 64 g svavel. 403 Vilken formelmassa har följande ämnen? Svara med 3 gällande siffror.

410

a) Fe

b) Cl,

c) HCl

Beräkna substansmängden a) O, 196 g syrgas

d) NH,

e) MgCL,

f) ALLO,

c) Cu i 10,3 g koppar

b) 0i0,419 g syrgas d) Si 0,563 g svavel

e) Pi 2,19 g fosfor.

404 Järn kan reagera med syre enligt formeln

411

3Fe(s) + 20,(g) — Fe,O,(s)

Beräkna substansmängden a) MgCl, i 19,5 g magnesiumklorid

a) Vad säger formeln om antalet atomer Fe och

molekyler O, som reagerar och formelenheter Fe,O, som bildas? b) Hur många molekyler O, reagerar med 12 järn-

atomer och hur många formelenheter Fe,O,

bildas då?

b) Cl i 19,5 g magnesiumklorid. 412

a) Hur stor substansmängd H,O finns det i 1 liter

vatten? (densitet 1,0 g/cm") b) Vilket är antalet vattenmolekyler i denna

substansmängd?

405

Hur stor substansmängd a) Ca respektive CI finns i 1 mol CaCL?

c) Hur många atomer finns i denna substansmängd vatten?

b) Al respektive O finns i 1 mol Al,O;? c) C respektive H finns i 0,5 mol CH,? d) N respektive H finns i 3 mol NH;?

406 Ange molmassan med 3 gällande siffror för a) natriumklorid, NaCl

b) kväve, N,

c) neon, Ne

d) metan, CH,.

407 b) n(KCI) = 0,24 mol

c) m(Fe) = 1,5 8?

50

414 Genom analys har man bestämt substansmängden i 74,5 g av en okänd fruktsyra till 0,556 mol. Vilken är fruktsyrans molmassa? 415

Vad betyder

a) M(NaCI) = 58,5 g/mol

413 Man har funnit att 3,00 g av en förening innehåller substansmängden 0,0625 mol. Vilken är föreningens molmassa?

+ 4 STÖKIOMETRI — ÖVNINGAR

Ett kopparprov visar sig innehålla 0,126 mol koppar. Hela provet väger 8,562 g. Består provet av ren koppar?

416

422

Skriv en formel för reaktionen mellan

Förorenat vatten kan innehålla blyjoner. Dricksvatten får innehålla högst 10jg bly/dm? vatten.

a) litium och syre. Litiumoxid, Li,O, bildas b) kol och väte. Metan, CH,, bildas c) väte och klor. Väteklorid, HCI, bildas

d) kväve och syre. Kvävedioxid, NO,, bildas.

1jpg=1-:-10"g. a) Vilken är motsvarande substansmängd? b) Hur många blyjoner per dm” vatten motsvarar

detta?

417 Balansera följande ofullständiga reaktionsformler

423

a) CH, + O, > CO, + H,O b) Fe,0, + C > Fe + CO.

rörsocker (sackaros) med formeln C,,H,,O,,-

En sockerbit har massan 2,1 g. Sockret består av

a) Beräkna substansmängden C,,H,,O,, i sockerbiten.

418

a) Vilken substansmängd ammoniak kan enligt reaktionsformeln på sid 48 bildas av 2,5 mol kväve?

b) Beräkna substansmängden C i sockerbiten.

b) Vilken substansmängd ammoniak kan enligt reaktionsformeln bildas av 15 mol väte? c) Hur stora substansmängder kväve och väte krävs för att framställa 0,24 mol ammoniak?

Blandade övningar 419

Flytande helium (vid —269 ”C) har densiteten 0,15 g/cm”, dvs 1 cm? helium har massan 0,15 g. Gasformigt helium vid 25 ”C har densiteten 0,163 g/dm”. Vilken volym har 1 mol helium i de

Tänkvärt

två aggregationstillstånden? 420

Hemoglobin som transporterar syre från lungorna uti kroppen har molekylmassan ca 68 000 u.

Hemoglobin innehåller 0,33 26 järn. Hur många järnatomer innehåller en hemoglobinmolekyl ? 421 Vad skulle du föreslå som 1:a, 2:a resp 3:e pris i en

tävling? a) 150 mol guld

b) 150 g guld

ce) 150 cm? guld

Data som saknas i uppgiften får du själv leta reda på.

4 STÖKIOMETRI — ÖVNINGAR

+ 51

Kemiska OORGANISKA

ämnen — ORGANISKA

Kemiska

ämnen

omkring oss I följande två kapitel kommer vi att presentera några av alla kemiska föreningar som vi omger oss med,

hur de används och varför. Börja först med att leta reda på några själv!

Uppgift:

Hitta kemikalier, samla 10 poäng! Se dig omkring där du bor: i köket, i tvättstugan, i badrummet, i sminkpåsen och i garaget! Leta efter innehållsdeklarationer och notera vilka ämnen du hittar och i vilket område du hittade dem. Samla minst 10 poäng!

Alifatkolväten (alternativa | Kolsyra (1p)

Natriumhydroxid (3p)

namn

Natriumklorid (1p)

kan vara n-

paraffiner, paraffinkol-

Natriumkarbonat (2p)

väten) (2p)

Natriumbikarbonat (kan — | Propan (3p)

Butan

(3/

CP)

också heta bikarbonat

eller natriumväte-

Propylenglykol (3p)

Gips (1p)

karbonat) (1p)

Teflon (1p)

Glycerol (kan också kallas glycerin) (3p)

Natriumfosfat (också natriumpolyfosfat eller

Ättiksyra (1p)

Kaliumjodid (4p)

fosfonater) (2p)

Rapportera också varans eventuella varningssymbol! När du har letat, hittar du mer information i Uppslaget om respektive ämne

och var man vanligen använder dem.

52

+

KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA — ORGANISKA

Områden där kemikalierna kan förekomma

bakning, byggmaterial, disk, tvätt, drivmedel/bränsle, godis, gödning/växtskötsel,

lösningsmedel, rengöring, smakämnen, sjukvård, smink, hudvård, smörjmedel,

kläder,

spray,

konservering, köksprylar (husgeråd),

trädgårdsskötsel, vägunderhåll.

I Uppslaget kan du se hur de kemiska föreningar du har letat efter i uppgiften är uppbyggda. Flera innehåller

kolatomer som är bundna till varandra och till andra atomslag med kovalent bindning. Kolatomerna bildar ibland långa kolkedjor. Sådana ämnen är uppbyggda av molekyler, dvs oladdade avgränsade enheter. Andra av uppgiftens föreningar är uppbyggda av joner och har ingen naturlig avgränsning, jonföreningar. Det är en gammal tradition att dela upp kemiska ämnen på detta sätt. Kolföreningarnas kemi kallas organisk kemi, medan jonföreningarna tillhör oorganisk kemi. Man trodde nämligen fram till 1830-talet att kolföreningar bara kunde bildas i levande materia. Mendelejev ordnade grundämnena efter deras egenskaper. Kemiska föreningar kan ordnas på samma sätt, men vilka egenskaper väljer man: färg, löslighet, smältpunkt eller bindning? Ett sätt är att ordna oorganiska ämnen efter deras sura och basiska egenskaper. Syror ger nämligen karaktäristiska sätt att reagera med bl a metaller och

oxider. Som resultat bildas ett salt. Organiska ämnen ordnas ofta efter de grupper som sitter bundna till kolkedjan, som t ex OH-gruppen i alkoholer. Sådana grupper ger nämligen de organiska ämnena deras karaktäristiska egenskaper. I de följande två kapitlen använder vi oss just av det här sättet att dela in kemiska ämnen. Oorganisk kemi finns i kapitel 5 och i kapitel 6 finns organisk kemi.

KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA — ORGANISKA

+ 53

Syror, baser och salter 5.1 pH-skalan.

Sur, neutral och

basisk vattenlösning Det är viktigt att veta om en vattenlösning med okänt innehåll är sur eller basisk. Både sura och basiska lösningar kan vara frätande och därför får man absolut inte smaka sig fram! För att ta reda på om en lösning är sur eller basisk använder man i stället en syra-basindikator som BTB, lackmus

eller fenolftalein. Syra-basindikatorer är färgämnen som har en viss färg

i sur lösning och en annan i basisk lösning. Sur lösning

Neutral lösning

Fenolftalein

Basisk lösning

OO

Färgen hos en syra-basindikator varierar med lösningens surhetsgrad. Olika indikatorer har olika färger. Ofta vill man ange hur sur eller hur basisk en lösning är. Då använder

man begreppet pH (p i pH är en matematisk symbol och H står för vätejoner). Du träffar på pH-värden både på tvål- och schampoflaskor och i miljödiskussioner. pH-skalan sträcker sig från ungefär —1 till 15. Vanligen anger man endast värden mellan 0 och 14.

I en neutral lösning är pH-värdet 7. Lösningen är varken sur eller basisk. I en sur lösning är pH lägre än 7. Lösningen innehåller fler vätejoner än rent vatten. Vätejoner ger en lösning sura egenskaper. Ju lägre pH, desto surare är lösningen. Svavelsyran i ett bilbatteri har exempelvis pH 0, magsaft pH 1-2 och Coca Cola har pH 2,7. Det är stor skillnad i surhet mellan dessa exempel. En lösning med pH 1 är 10 ggr (en tiopotens) surare än en lösning med pH 2, som isin tur är 10 ggr surare än en lösning

med pH 3 osv. 54

+ 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA


Rengöringstips?

Syror kan lösa en del rengöringsproblem,

baser kan lösa andra. Då måste väl en blandning av båda vara rena dundermedlet— eller?

Fundera på frågan medan du läser kapitlet.

5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

x& 55

innehåller svavelsyra

magsafter innehåller saltsyra

innehåller fosforsyra

pH 1-2

pHO

Basisk är motsatsen till sur. I en basisk lösning är pH-värdet högre än 7.

Då finns det fler hydroxidjoner i lösningen än i rent vatten. Det är hydroxidjonerna som ger lösningen de basiska egenskaperna. Ju högre pH, desto mer basisk är lösningen. En lösning med pH 12 är 10 ggr mer basisk än en lösning med pH 11 osv.

Med universalindikator kan man få ett ungefärligt pH-värde i en lösning.

För att ta reda på ett ungefärligt pH-värde hos en lösning använder man

pH-papper eller en universalindikatorlösning. Båda innehåller en blandning av flera indikatorer. Indikatorn får en viss färg vid ett visst pH-värde.

Sura lösningar har överskott av vätejoner.

Färgen jämförs sedan med en färgskala som är graderad med olika pH-värden.

Basiska lösningar har överskott av hydroxidjoner.

ÖVNING 501-503

Vad är en syra, vad är en bas? De gamla grekerna funderade sannolikt inte över någon definition av begreppet syra. Man nöjde sig med att ättikan gav sur smak åt vinägern.

På 1600-talet klassade kemisten Robert Boyle syror efter hur de påverkar metaller och naturliga indikatorer. Under slutet av 1700-talet definierade

Antoine Lavoisier syror genom att utgå från hur de framställdes. De här tre gamla sätten att definiera syra är konkreta, påtagliga. Först omkring

år 1900 presenterades en definition på molekylnivå: En syra är ett ämne som kan avge vätejoner i vattenlösning. Det finns inga tidiga funderingar över baser annat än att de förstörde syror. Vi nöjer oss med följande: en bas kan ta emot vätejoner i vattenlösning.

ö

->&

BTB i sur, neutral och basisk lösning.

56 + 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

T

då

a

Fenolftalein i sur (och neutral) och i basisk lösning.

Rent vatten innehåller också joner Även rent vatten innehåller vätejoner. En ytterst liten andel av vattenmolekylerna delar nämligen upp sig i en vätejon, H”, och en hydroxidjon, OH". Av alla vattenmolekyler i vatten är ungefär en på en miljard uppdelade på det viset. Vatten är neutralt därför att vätejonerna och hydroxidjonerna är lika många och balanserar varandra precis. Ofta talar man förenklat om vätejoner, H”, men en vätejon, dvs en proton, är så oerhört

liten att den inte kan existera fritt. I en vattenlösning fångas den upp av en vattenmolekyl och bildar en oxoniumjon, H,O". Oxoniumjonen har fått sitt namn av att en syreatom är centrum i jonen (oxygen = syre).

Q — vätejon

Den här figuren är en modell av rent vatten. Vätejonerna och

eo

&

oxoniumjon

hydroxidjonerna borde ritas glesare än det är möjligt, då skulle vi

behöva rita vattenmolekylerna över ca 5 miljoner sidor!

hydroxidjon

5.2 Syror man hör talas om Naturen är full av syror! Hur skulle annars frukt och bär kunna smaka syrligt? Äppelsyra, vinsyra, oxalsyra (i rabarber), citronsyra, askorbinsyra

(C-vitamin), garvsyra, ättiksyra som bildas när vin surnar och mjölksyra som bildas när musklerna blir stumma. Men det finns också syror som tillverkas industriellt i stor skala. Det gäller saltsyra, svavelsyra, salpetersyra och fosforsyra. Kolsyra kan tillverkas industriellt, men förekommer också i kroppen och gör regnvatten svagt surt.

5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

+& 57

Saltsyra är väteklorid löst i vatten Saltsyra är en vattenlösning av väteklorid, HCI, en färglös gas som luktar

starkt och stickande. Gasen är mycket löslig i vatten och när vätekloriden löser sig i vatten sker reaktionen

HA

+

HO

Lar At

>

CA kloridjon

+

HO

oxoniumjon

Q — oniumjon kloridjon hydroxidjon

Syror innehåller vätejoner som binds till vattenmolekyler och bildar

oxoniumjoner när syran hamnar i vatten. Det blir fler oxoniumjoner än hydroxidjoner i lösningen. Lösningen blir sur. Här har vi droppat i lite saltsyra i rent vatten.

När vätejonen med laddning +1 slås samman med den oladdade vatten-

molekylen bildas oxoniumjonen med laddning +1.

H'+H,0> HO” Av den oladdade vätekloridmolekylen återstår kloridjonen med laddning

—-1. Alla vätekloridmolekyler reagerar på detta sätt. Efter reaktionen finns inga molekyler kvar i lösningen. Man säger att saltsyra är en stark syra. Även svavelsyra och salpetersyra är starka syror. 2

Vätekloridmolekylen lämnar en vätejon till en vattenmolekyl. Oxoniumjonen gör lösningen sur.

58

Om man löser så mycket väteklorid som möjligt i vatten, får man koncentrerad saltsyra. Det är en färglös och starkt frätande vätska som luktar stickande av vätekloridgas. Se till att aldrig andas in gasen eller

få syran på huden eller i ögonen!

+ 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

Utspädd saltsyra finns i magsäcken hos människan. Där deltar deni nedbrytning av maten och skyddar mot mikroorganismer som man har

svalt tillsammans med födan. Saltsyra har fått sitt namn av att den kan framställas ur vanligt koksalt, natriumklorid. När natriumklorid får reagera med koncentrerad svavelsyra bildas

väteklorid, som sedan löses i vatten. Denna metod kräver

mycket energi. Numera framställs väteklorid mest genom att man låter

väte och klor reagera direkt med varandra. Saltsyra är ett mycket viktigt kemiskt ämne i industrin. Den används till

att rengöra metaller, men också som utgångsämne vid framställning av

Varningssymbol för ämnen som är VÅDLIGT FRÄTANDE.

en mängd olika kemikalier, bl a inom läkemedelsindustrin. ÖVNING 504

Svavelsyra — en tvåprotonig syra Svavelsyra kan framställas av svavel. Svavelsyra har den kemiska formeln H,SO,. På samma sätt som väteklorid kan svavelsyra avge vätejoner till

vatten.

HSO,

Loa

+

HO

>

At

HSO;

5

+ HJO"

vätesulfatjon

Om man har tillräckligt utspädd svavelsyra kan även vätesulfatjonen avge en vätejon.

HSO;

+

HO

H'

— A

SO

+ HO"

Till 4 dm? koncentrerad svavelsyra behövs ca 600 g svavel. Hur många mol svavel och hur många mol svavelsyra finns det i 1 dm? syra?

sulfatjon

Vätesulfatjonen och sulfatjonen är exempel på negativa joner som

består av flera atomer.

svavelsyra

0

vätesulfatjon

o

JS

sulfatjon

oo

Fd

”Slöjan” visar tetraedern

Sulfatjonen har fått sitt namn av att en svavelatom är centrum i jonen (sulfur = svavel). I sulfatjonen binds svavelatomen och syreatomerna samman av elektronparbindning, kovalent bindning. Den fleratomiga jonen är symmetrisk och har formen av en tetraeder med syreatomerna itetraederns hörn och svavelatomen i tetraederns tyngdpunkt. 5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

& 59

Utmaning

Nu kan du beräkna hur många mol svavelsyra det finns på 1 dm? med dessa uppgifter! Jämför med din beräkning på förra sidan!

Svavelsyramolekylen kan avge två vätejoner (protoner), därför säger man att svavelsyra är en tvåprotonig syra. I reaktions-formler skriver

man ofta utspädd svavelsyra som 2H" + SOT . Svavelsyra är en luktlös och färglös vätska. Den koncentrerade syran är tung och trögflytande och innehåller endast 2 96 vatten. Svavelsyra har

densiteten 1,8 kg/dm” och är därmed nästan dubbelt så tung som rent vatten, som har densiteten 1,0 kg/dm”.

Svavelsyra tar lätt upp vatten från t ex fuktig luft. Därför kan man använda koncentrerad svavelsyra som torkmedel för gaser. När koncentrerad svavelsyra blandas med vatten sker en häftig reaktion. Det blir oerhört varmt. Därför är det mycket farligt att spilla koncentrerad

syra på huden. Man kan få både frätskador och brännskador. Syran ska hanteras med största försiktighet. Om man av misstag skulle hälla vatten i syran blir det så varmt att lösningen plötsligt kan koka och stänka om-

Kolhydrat betyder kol och vatten. Svavelsyra kan ta bort vattnet från socker, som är en kolhydrat. Kvar blir rent kol. Det blir varmt och mycket ånga som blåser upp kolet och gör det poröst.

Häll alltid Syran I Vattnet, SIV-regeln!

kring. Häll alltid syran i vattnet! Araberna framställde svavelsyra redan på 900-talet, troligen ur svavel. Nuförtiden utnyttjar man det svavel som man får över när råolja förädlas. Även pyrit, svavelkis, FeS,, utnyttjas. I Sverige finns pyrit i Västerbotten och i Falun. När pyriten har utnyttjats för att framställa svavelsyra återstår järnoxid som används för att tillverka Falu rödfärg. I Sverige framställs svavelsyra i Helsingborg i Skåne och i Rönnskär i Västerbotten. Svavelsyra är världens mest producerade kemikalie. Den används t ex vid framställning av saltsyra, konstgödsel, sprängämnen, plaster och i bilbatterier. Även i oljeindustrin används den flitigt.

I atmosfären bildas svavelsyra av svaveldioxid. Svaveldioxid strömmar ut vid vulkanutbrott men bildas framför allt när svavelhaltiga, fossila

bränslen (eldningsolja) eldas. Svavelsyran är en av orsakerna till surt regn. Därför avsvavlas eldningsolja innan den säljs.

Häll alltid koncentrerad svavelsyra i vatten — aldrig tvärtom.

Salpetersyra innehåller kväve En vattenlösning av salpetersyra, HNO,, innehåller vätejoner (oxoniumjoner) och nitratjoner.

HNO,

+

Lo H'

HO

— 4

NO;

+

HJO"

nitratjon

Nitratjonen (nitrogen = kväve) är en fleratomig jon. Kväveatomen

binds till var och en av syreatomerna med kovalent bindning. De tre

syreatomerna bildar en liksidig triangel där kväveatomen ligger i triangelns tyngdpunkt.

Koncentrerad salpetersyra är starkt frätande och ger sår på huden inom Nitratjonen är plan. 60 + 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

fem sekunder. Koncentrerad salpetersyra förvaras i speciella glasflaskor, eftersom syran påverkas och sönderdelas av ljus. Koncentrerad salpeter-

syra får aldrig blandas med organiska kemikalier.

Den exploderar omedel-

bart om den blandas med t ex en alkohollösning av en indikator. Salpetersyran har fått sitt namn av att den har framställts ur

salpeter

Klorofyll, det gröna i växterna, innehåller mycket kväve. Gödselmedel ska innehålla kväveföreningar, antingen industriellt tillverkade eller naturliga som t ex flytande svingödsel.

(kaliumnitrat) och Chilesalpeter (natriumnitrat). I Sverige framställer

man huvuddelen av all salpetersyra i Köping. Utgångsämnet är numera ammoniak, NH,.

Syran används för att tillverk; ingämnen och kvävegödsel. Den är också utgångsämne för att framställa många andra ämnen som innehåller kväve. Dit hör plaster, läkemedel, färgämnen och raketbränslen.

Kolsyra — en svag syra som bildas av koldioxid Innehåller pressar man med hjälp av finns i läsken

läsk verkligen kolsyra? Ja, men bara lite. I lä in koldioxid med tryck. Koldioxid löser sig i vatten, särskilt högt tryck, vilket ger en hög halt av ”kolsyra”. Det mesta som koldioxidmolekyler, men en liten del bildar molekyler

av kolsyra, H,CO,. Att reaktionen inte sker fullständigt markerar vi med en dubbelpil i formeln:

CO, + H,O S H,CO,

Innehåller champagnen kolsyra eller koldioxid? 5 KEMISKA ÄMNEN —

NISKA

+ 61

I

Kolsyran finns i huvudsak som molekyler. Men lösningen innehåller också små mängder vätekarbonatjoner, HCO3, och ännu mindre mängder karbonatjoner,CO7. Dessa joner bildas på följande sätt:

Få

+

HO

S

HCO;

+

HO"

HCO;

+

HO

SS

CO;

+

HO"

kolsyramolekyl

H,CO,

Eftersom bara en liten del av kolsyramolekylerna har reagerat med vatten, säger man att kolsyra är en svag syra. Den smakar svagt surt och är ofarlig

2

att dricka.

vätekarbonatjon

Vanlig luft innehåller bara 0,04 26 koldioxid. Under ett regnväder löser sig lite koldioxid i regnvattnet, några enstaka kolsyramolekyler bildas. Rent regnvatten är alltså inte neutralt utan mycket svagt surt. Det har pH-värde mellan 5 och 6. Namnet karbonat kommer från latinets carbo som betyder kol. I karbonatjonen bildar de tre syreatomerna en liksidig triangel kring kolatomen. Karbonatjonen har alltså samma geometriska form som nitratjonen.

karbonatjon

Fosforsyra och fosfatjoner

Modell av (uppifrån) kolsyra, H,COs, vätekarbonatjon, HCO3, och

Fosforsyra, H,PO,, är en treprotonig syra. I vatten bildar den i första hand divätefosfatjoner:

karbonatjon,CO3".

HJPO,

Karbonatjonen är plan.

+

HO

&

HPO;

+

HO"

divätefosfatjon Bara en mindre del av fosforsyrans molekyler avlämnar vätejoner på detta sätt. Syran är alltså en svag syra, men starkare än kolsyra och ättiksyra. En mycket liten del av divätefosfatjonerna kan isin tur avge vätejoner enligt

H,PO;

saltsyra svavelsyra salpetersyra kolsyra fosforsyra

HCI H,SO, HNO, H,CO, H3PO,

+

HO

S

HPOr + vätefosfatjon

HO"

Även divätefosfatjonen är alltså en syra, men svagare än fosforsyra. Ännu svagare är vätefosfatjonen. Den kan bara avge sin vätejon om den får reagera med hydroxidjoner. Fosforsyra används huvudsakligen för att tillverka konstgödsel, som NPK. I hemmet förekommer den i en del toarengöringsmedel, som alla är sura. Fosforsyra finns också i många läskedrycker. Det är den som ger Coca Cola pH 2,7.

Salter med divätefosfatjonen avger vätejoner i vatten och används som surt ämne it ex bakpulver (se Salter i vardagslivet, sid 72). ÖVNING 505

62 + 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

Syror reagerar med metaller Nu har du sett att alla syror har vissa gemensamma egenskaper. Vattenlösningar av alla syror har överskott på oxoniumjoner (vätejoner), pHvärdet är lägre än 7 och lösningarna är sura. De starka syrorna saltsyra, svavelsyra och salpetersyra reagerar med metaller men på lite olika sätt. Saltsyra och svavelsyra reagerar endast med s k oädla metaller, som järn, zink och magnesium.

Metallen bildar metalljoner och syrans vätejoner bildar vätgas. Ju oädlare en metall är, desto lättare reagerar den med syran. Koppar och silver och guld reagerar inte med saltsyra eller utspädd svavelsyra. Hur är det då med salpetersyra? Även salpetersyra reagerar med oädla metaller. Men i de flesta fall bildas inte väte, utan nitrösa gaser. Så kallas en blandning av färglös kväveoxid, NO, och brun kvävedioxid, NO,.

Nitrösa gaser är giftiga och ger allergiska reaktioner hos många människor,

Magnesiumbandet reagerar med saltsyra och vätgas bildas.

även i små mängder. I motsats till saltsyra och svavelsyra reagerar salpetersyra även med ädlare metaller som koppar och silver, men däremot inte med guld. Nitrösa gaser bildas även i dessa fall. 'Om man blandar 1 del koncentrerad salpetersyra och 3 delar koncentrerad saltsyra får man kungsvatten. Kungsvatten reagerar även med metallernas konung — guld.

Mark och sjöar försuras Varför blir mark försurad? En del försurning är faktiskt naturlig och beror på växterna själva. Deras rötter utsöndrar vätejoner, och tar i stället upp andra, nödvändiga positiva joner från marken, som kalium- och magnesiumjoner.

En annan del av försurningen beror på vår livsstil. När vi använder

bränslen med ett visst svavelinnehåll kommer det svavel som finns bundet att bilda svaveldioxid i rökgaserna. I luft oxideras svaveldioxiden till svaveltrioxid, som i sin tur tar åt sig vatten och bildar svavelsyra. Svavelsyran löser sig i regndroppar eller sätter sig direkt på barr och blad.

Koncentrerad salpetersyra reagerar

med koppar. Nitrösa gaser, mest gulbrun kvävedioxid bildas. Lösningen blir grön av blåa kopparjoner och de gulbruna gaserna.

Den försurning som orsakas av svavel har minskat dramatiskt sedan 1970-talet då de första larmrapporterna kom. Men bilismen påverkar försurningen mer i dag. Alla bilar (utom elbilar) släpper ut små mängder kväveoxider som så småningom bildar salpetersyra. Den försurar också marken. Ien försurad mark kan det frigöras joner, exempelvis aluminiumjoner och tungmetalljoner, som kan skada växter och djur. Normalt är sådana joner bundna i kemiska föreningar och då gör de ingen skada. Områden med en kalkrik berggrund påverkas mindre av försurning än

Kungsvatten reagerar med en vigselring av guld.

områden med en annan typ av bergrund. Man kan motverka försurning genom att tillföra ett basiskt ämne till mark och sjöar. Mer om det i nästa avsnitt. 5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

+ 63

5.3 Basiska lösningar Basiska lösningar är mycket ovanliga i naturen. Vi äter gärna sura maträtter, men vi äter sällan något basiskt — om man inte älskar lutfisk eller tar tabletter mot halsbränna. Vi nämnde tidigare att en bas tar vätejoner från vatten. En bas löst i vatten

innehåller alltså överskott av hydroxidjoner, OH”. I en sådan lösning är pH-värdet högre än 7. Vattenlösningar av det fasta ämnet natriumhydroxid och av gasen ammoniak används ofta som basiska lösningar.

Natriumhydroxid — starkt frätande

Basisk lösning Här har vi löst lite natriumhydroxid i vatten. Lösningen får fler hydroxidjoner än vätejoner (oxoniumjoner) och blir basisk med pH >7. natriumjon

Ce

hydroxidjon

Natriumhydroxid, NaOH, är ett fast, vitt ämne som är starkt frätande

och säljs i pastill- eller grynform. Det är uppbyggt av natriumjoner, Na", och hydroxidjoner, OH". När natriumhydroxid löses i vatten kommer fria natriumjoner och hydroxidjoner att finnas i lösningen.

NaOH

—

Na" + OH”

I handeln säljs natriumhydroxid ofta under namnet kaustiksoda. Förr kallades den starkt basiska lösningen av natriumhydroxid för natronlut. Natriumhydroxid används när man gör pappersmassa av trä och tvål av fett (mer om det i kapitel 13). Handelns ”Propplösare” för rensning av avlopp är natriumhydroxid. Den löser upp hår och fettavlagringari avloppsrören. Även spray för att rengöra ugnen innehåller natriumhydroxid.

Hudvårdsmedel som uppmjukare av nagelband kan också innehålla

Vi använder basiska ämnen till

rengöring.

64 + 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

mycket utspädd natriumhydroxidlösning.

Kalciumhydroxid — det billigaste basiska ämnet Kalciumhydroxid är ett fast ämne med formeln Ca(OH),. En formelenhet

består alltså av en kalciumjon och två hydroxidjoner. Kalciumhydroxid kallas också släckt kalk, därför att den kan framställas genom att man häller vatten på bränd kalk, CaO. Reaktionen mellan kalciumoxid och

vatten sker under kraftig värmeutveckling. Fuktig bränd kalk är alltså brandfarlig. Kalkbruk är en blandning av släckt kalk, sand och vatten. När fuktigt bruk hårdnar bildas kalciumkarbonat genom reaktion mellan kalciumhydroxid och luftens koldioxid. Kalciumhydroxid ingår också i betong och cement. I industrin används kalciumhydroxid överallt där man behöver ett billigt basiskt ämne. Råvaran är kalksten. Kalkning är ett sätt att motverka för-

surning och förbättra miljön i försurade sjöar och marker. Oftast använder

man mald kalksten (kalciumkarbonat) i stället för ren kalk. I motsats till natriumhydroxid är kalciumhydroxid ganska svårlösligi vatten. Kalkvatten är en mättad lösning av kalciumhydroxid, och an-

vänds som reagens på koldioxid.

Ammoniak —- en gas som ger basisk vattenlösning

Man kan motverka försurning genom att tillföra ett basiskt ämne till mark och sjöar.

Ammoniak, NH,, är en gas med stickande lukt. Gasen är mycket lättlöslig i vatten. 1 dm” vatten löser ungefär 700 dm” ammoniakgas! Denna vattenlösning kallas också ammoniak. När gasen löser sig kommer en del av ammoniakmolekylerna att reagera så här:

NH,

+

HO

H! J

S

NH;

+

OH

ammoniumjon — hydroxidjon

Ammoniakmolekylen tar en vätejon från en vattenmolekyl. Vid reaktionen bildas hydroxidjoner, vilket gör vattenlösningen basisk. Men bara

cirka 1 26 av ammoniakmolekylerna ger ammoniumjoner och hydroxidjoner, resten förblir ammoniakmolekyler även i vattenlösning. Vi har

markerat med dubbelpilen att reaktionen inte sker fullständigt. Det finns alltså färre hydroxidjoner i lösningen än om reaktionen hade skett fullständigt. Ammoniak kallas därför en svag bas. Ammoniumjonen är en fleratomig positiv jon. Den har liksom sulfatjonen formen av en tetraeder med kväve i tyngdpunkten. Ammoniakmolekylen är en låg pyramid med kväve i toppen, den saknar ett väte

jämfört med ammoniumjonen. Ett ”vätehörn” i tetraedern är ju borta.

ve

Y-

TI

5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

+ 65

Ammoniaklösning kan användas som kvävegödsel. Men den är riskabel att arbeta med, eftersom den avger ammoniak i gasform. När urin (t ex flytande svingödsel) bryts ner bildas också ammoniak. Det har hänt olyckor när människor ofrivilligt har andats in stora mängder ammoniak(gas). Gasen kan ge kramp i svalget som i sin tur leder till att man kvävs.

Ammoniak utnyttjas fortfarande i större kylanläggningar för isbanor. Ammoniak används inom industrier där man behöver kväveföreningar. Den används när exempelvis salpetersyra, sprängämnen, plaster och läkemedel tillverkas. Ammoniak har tidigare använts som kylmedium i kylskåp. Den utnyttjas fortfarande i större kylanläggningar för isbanor. Även frisörer hanterar ammoniak. Det är en av ingredienserna vid hår-

permanent. Ammoniak framställs för det mesta direkt ur kväve och väte. Sverige importerar för närvarande all ammoniak. ÖVNING 506-508

Neutral lösning, varken sur eller basisk Om man blandar saltsyra med en natriumhydroxidlösning, så reagerar vätejonerna i syran med hydroxidjonerna i den basiska lösningen till vattenmolekyler.

H" + OH

> HO

Om man på det sättet för samman lika många vätejoner som hydroxidjoner så blir blandningen neutral. Lösningens pH är 7. 66 + 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

Vill man göra en saltsyralösning neutral igen kan man sätta till hydroxidjoner, t ex natriumhydroxid. Då kommer hydroxidjoner och vätejoner att slå sig ihop till vattenmolekyler. Vätejoner försvinner och man får lika många väte- och hydroxidjoner. Kan du se vad man skulle få om man dunstar in lösningen? & Nu kan du diskutera och besvara kapitlets inledande fråga om rengöringstipset!

5.4 Salter är inte bara vanligt salt När man i dagligt tal säger salt eller koksalt menar man saltet natriumklorid. Men det finns också många andra salter. Salmiak i godis är ett salt. Krut skulle vara oanvändbart utan saltet kaliumnitrat och ”fluor” i tandkrämen är saltet natriumfluorid. Även gips i gipsbandage är ett salt. Salter är ämnen som är fasta och uppbyggda av positiva och negativa joner. Det betyder att natriumhydroxid och kalciumhydroxid också är salter, eftersom de är byggda av hydroxidjoner och positiva joner. Om man löser saltet natriumsulfat i vatten innehåller lösningen natriumjoner och sulfatjoner.

Na,SO,(s)

>

2Na"

+

SOT 5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

+& 67

Tabell 5:2

Några positiva joner

vätejon (oxoniumjon litiumjon natriumjon kaliumjon ammoniumjon+ magnesiumjon — kalciumjon bariumjon aluminiumjon — silverjon kopparjon jämn(ihjon jämn(lNjon zinkjon blyjon

H" H,0') Li Na" K NH; Mg” ca” Ba” AP" Ag Cu" Fe” Fe” Zn? Pb?

Mellan de positiva och negativa jonerna i det fasta saltet finns jonbindningar. Inom sulfatjonen och andra fleratomiga joner finns däremot kovalenta bindningar. När ett salt löses i vatten bryts jonbindningarna mellan jonerna, men inte de kovalenta bindningarna inom de fleratomiga jonerna. I en lösning av natriumvätekarbonat finns natriumjoner och vätekarbonatjoner NaHCO,(s)

HCO3

Exempel på fleratomiga joner är NHj, NO; och SO? . Beteckningen (s) betyder fast form. Om man särskilt vill visa att en partikel finns i vattenlösning kan man på motsvarande sätt skriva (aq) efter partikelns symbol. Aqua är det latinska ordet för vatten. När silvernitrat

löses i vatten skriver man AgNO,(s)

S

Ag'(aq)

+

NO3(aq)

(vattnet är underförstått i formeln)

Joners laddning och namn

F er Br r or sr NN? H

Tabell 5:4

I tabell 5:2 finns några positiva joner uppräknade. För de första 9 jonerna

till och med AP” är det lätt att härleda jonladdningen från grundämnets plats i periodiska systemet. Jonen ska ha ädelgasskal, och då kan man tänka ut vilken laddning den får (kapitel 3). Ammoniumjonen får ladd-

ningen +1, därför att den har bildats av en oladdad ammoniakmolekyl och en vätejon med laddningen +1. För metaller i grupperna 3—15 kan det vara svårt att avgöra jonladdningen med hjälp av gruppnumret. Några bildar fler än ett jonslag, bland

annat järn, som kan bilda jonerna Fe?" och Fe”.

DIC

saltsyra svavelsyra salpetersyra kolsyra fosforsyra

+

Exempel på enatomiga joner är Na”, Ag", Cu”, Fe”", CI och O”-.

Tabell 5:3

Nå;

Na”

De jonslag som ingår i ett salt kan alltså vara enatomiga eller fleratomiga.

+ Ammoniumjonen förs ofta samman med alkalimetalljonerna, därför att den har samma laddning, ungefär samma storlek och dess salter löser sig lika lätt.

fiuoridjon kloridjon bromidjon jodidjon oxidjon sulfidjon nitridjon hydridjon

—

HCI H,SO, HNO, H,CO, HsPO,

De enatomiga negativa jonerna i tabell 5:3 har alla ädelgasskal och laddningen kan beräknas med hjälp av periodiska systemet. De fleratomiga negativa jonernas laddning kan du räkna ut genom att se hur många vätejoner som försvunnit från den oladdade syramolekylen, tabell 5:4 och 5:5. Om en vätejon, H”, avges från den oladdade svavelsyramolekylen, H,SO,, bildas en vätesulfatjon, HSO; , som måste ha

Tabell 5:5 hydroxidjon

OH

vätesulfatjon sulfatjon nitratjon vätekarbonatjon — karbonatjon divätefosfatjon — vätefosfatjon — fosfatjon

HSO3 sor NO3 HCO3 co3 H,PO: HPOT po:

laddningen —1. På samma sätt har sulfatjonen, SO3-, laddningen —2.

En positivt laddad enatomig jon har samma namn som atomen med tillägget jon. Ammoniumjon och oxoniumjon är de enda fleratomiga

positiva joner du kommer i kontakt med. Namnen slutar på -ium liksom

68 + 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

många metallnamn, tabell 5:2.

Negativa enatomiga joner samt jonen OH” har namn som slutar på —id: bromid, oxid, hydroxid. Se tabell 5:3.

Negativa fleratomiga joner kan ha namn som slutar på -at: sulfat, nitrat. Se tabell 5:5. Namnet" kan härledas från syrans namn. Syrorna har ofta svenska namn, medan jonernas namn bildas utifrån ämnenas latinska

namn. Salters formler och namn När man skriver formeln för ett salt använder man sig av jonernas laddning. Låt oss ta ett exempel. Salter är alltid utåt oladdade. Aluminiumklorid innehåller aluminiumjoner, Al”, som har laddningen +3, och

kloridjoner med laddningen —1. Eftersom saltet är oladdat måste formelenheten innehålla tre kloridjoner på varje aluminiumjon. Formeln blir

AlCL;. Magnesiumnitrat innehåller magnesiumjoner, Mg””, och nitratjoner, NO; , två nitratjoner för varje magnesiumjon. Saltet skrivs Mg(NO,),. Parentesen visar att tvåan gäller hela nitratjonen. Men det finns kinkigare fall: Järnjonen Fe”” är den positiva jonen i

FeSO,, och Fe”” den positiva jonen i Fe,(SO,);. Man kan skilja salterna

åt med namnet genom att ange hur många joner av olika slag formelenheten innehåller. FeSO, heter då järnsulfat, eftersom man inte använ-

der räkneordet mono annat än i undantagsfall. Fe, (SO), heter dijärntrisulfat. De kemiska räkneorden kan härledas från latin och grekiska,

tabell 5:6. Det är onödigt att säga aluminiumtriklorid, eftersom det bara kan finnas ett salt av aluminiumjoner och kloridjoner. Inte heller behöver man säga magnesiumdinitrat. Det finns bara ett magnesiumnitrat. Senare,

i kapitel 8, visar vi andra sätt att namnge den här typen av föreningar. Tabell 5:6

Kemiska räkneord

mono

di tri

monolog

diplom (= dubbelvikt papper) triangel

tetra

tetraeder, tetrapak

penta

Pentagon (= namnet på USA:s försvarsdepartement, som är en femkantig byggnad) hexameter (= versmått med sex versfötter) heptameter (= versmått med sju versfötter) oktav (= åtta toner i skalan) oktober (= åttonde månaden i den gamla romerska kalendern) november (= nionde månaden i den gamla romerska kalendern) dekad (= tiotal)

hexa hepta — okta nona deka =

ÖVNING 509-512

" På engelska är det enklare att hantera namnen. Svavelsyra heter sulphuric acid och jonen sulphate, salpetersyra heter nitric acid och jonen

jonen heter chloride.

nitrate. Saltsyra är hydrochloric acid och

5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

+ 69

Kristallvatten — vad är det? Många salter bildar kristaller som är uppbyggda av positiva och negativa joner och dessutom vattenmolekyler. Både vattenmolekyler och joner har sina bestämda platser, i t ex fast kopparsulfat. När vatten sitter bun-

det på detta sätt, säger man att saltet innehåller kristallvatten. Kristallvatten tas med i formeln för saltet, som i CuSO,: 5H,O. Saltet heter

kopparsulfatpentahydrat. I en mol kopparsulfatpentahydrat ingår alltså

1 mol Cu”, 1 mol SO" och 5 mol H,O.

Det här visste du inte om gips!

Ett salt med kristallvatten har andra egenskaper än ett salt utan kristallvatten. Kopparsulfatpentahydrat är blått. Upphettar man saltet så bildas vitt, vattenfritt kopparsulfat. Droppar man på vatten bildas återigen det

I dag är det vanligt med gips-

sulfatdihydrat. Bränd gips har bara 44 kristallvatten för varje formelenhet. När man blöter gipset tar det upp vatten igen, blir lite varmt och stelnar. Det är så man gör gipsbandage.

plattor på innerväggar. Själva gipset är visserligen inte

starkt, men med papper på

blå saltet. Ett annat salt med kristallvatten är gips, CaSO,: 2H,O, kalcium-

ÖVNING 513-514

båda sidor fungerar det bra. Förr i världen hade man tak-

rosetter av gips ovanför foto-

genlamporna. Hur kom det sig? Jo, kristallvattnet ger gips en värdefull brandskyddande

egenskap. Vanligt gips har 2 kristallvatten per formelenhet. Vill man få bort kristallvatt-

net måste man värma till

163 ”C. Så länge det finns vatten kvar kommer gipset inte att bli varmare. Det var tanken med takroset-

terna ovanför fotogenlamp-

orna — gipset blev inte varmare än 163 ”C och hindrade att trätaket antändes av lam-

pans lågor!

Gipsplattor på väggar och tak

hindrar alltså väggen innanför från att börja brinna tills

Salters löslighet Salters löslighet i vatten varierar inom vida gränser, från mycket lättlösliga till ytterst svårlösliga. Vid rumstemperatur kan man exempelvis lösa 1,92 kg ammoniumnitrat, NH,NO,, i 1 dm” vatten men bara 2,0 mg

silverklorid, AgCl. Ammoniumnitrat är mycket lättlösligt, medan silverklorid är ganska svårlösligt. Ett svårlösligt ämne bildas som fast ämne, om dess joner förs samman i en lösning. Man säger att det svårlösliga ämnet fälls ut. Om man blandar bariumnitratlösning och kopparsulfatlösning får man en lösning som

innehåller jonerna Ba?", NO; , Cu” och SO3. Men bariumsulfat är mycket svårlösligt, och därför kan Ba”" och SO7 inte finnas tillsammans i en lösning annat än i mycket små mängder. Jonerna slår sig samman och bildar fast bariumsulfat, en fällning. Kopparjoner och nitratjoner

stannar kvar i lösningen som alltså är en kopparnitratlösning. Reaktionsformeln kan skrivas på följande sätt:

Ba" + 2NO;

+ Cu” +

2NO;

allt kristallvatten försvunnit.

Lättlösliga salter i lösning skrivs som ”fria” joner. De joner som inte deltar

Gipsplattorna är dessutom ett

i utfällningsreaktionen kallas åskådarjoner. De kan utelämnas i reaktionsformeln och då förenklas den till

bra sätt att ta hand om en

biprodukt! Gips får man då sura rökgaser neutraliseras med kalk.

Ba” + SO7

— BaSO,(s)

På samma sätt kan man skriva reaktionsformeln för utfällning av svårlöslig silverklorid. Om man blandar t ex silvernitratlösning och natriumkloridlösning sker Ag"

70

+ Cu" + SOT — BaSO,(s)

+ 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

+ CI" >

AgCl(s)

Det finns inga enkla regler för vilka salter som är lösliga. Men allmänt gäller att alla natrium-, kalium- och ammoniumsalter samt alla nitrater är lättlösliga. Med hjälp av denna ”regel” kan man ofta avgöra vilket

Alla natrium-, kaliumoch ammoniumsalter samt alla nitrater är lättlösliga.

salt som faller ut, när lösningar av två lättlösliga salter blandas.

Exempel 5:1 Det bildas en fällning, dvs ett fast salt, om man blandar lösningar av blynitrat och järnsulfat. Ange namn och formel för saltet.

Lösningen kommer att innehålla blyjoner, Pb”", nitratjoner, NO3, järnjoner, Fe?", och sulfatjoner, SO7. Saltet som faller ut måste innehålla ett jonslag från vardera lösningen. Eftersom nitrater är lättlösliga kan fällningen inte vara Fe(NO,),. Då måste det vara blysulfat, PbSO,(s).

Salter som drar

åt sig fukt ÖVNING 515-518

Vissa salter är hygroskopiska, vilket innebär att de drar åt

sig den lilla fukt som finns i vanlig luft och bildar klum-

par. Några salter drar till och med åt sig så mycket fukt att

de löser sig. Vanligt koksalt är

Joner kan användas som reagens Bariumjoner (en lösning av bariumklorid eller bariumnitrat) kan an-

vändas som reagens på sulfatjoner. När man lösning som innehåller sulfatjoner, får man sulfat. Förutsatt att lösningen är sur, är det en sådan fällning med bariumjoner. Därmed som reagens på sulfatjoner. Vill man påvisa

sätter bariumjoner till en en vit fällning av bariumendast sulfatjoner som ger har bariumjonerna fungerat att t ex svavelsyra finns i en

lösning, använder man först en pH-indikator, t ex BTB, för att undersöka

om lösningen är sur, och därefter bariumjoner för att påvisa sulfatjoner. Koncentrerad salpetersyra färgar ull, naglar och hud gula. Men det finns inget reagens som ger fällning med nitratjoner, eftersom alla nitrater är lättlösliga. Kalkvatten är en mättad lösning av kalciumhydroxid och används som reagens på koldioxid. Koldioxid grumlar kalkvatten. Grumlingen, dvs fällningen, består av kalciumkarbonat. Om man blåser ner utandningsluft i kalkvatten får man en grumling. Det visar alltså att det finns koldioxid i den luft som vi andas ut.

hygroskopiskt. På saltförpackningen kan man läsa

Tillsats av E535/E536, klump-

förebyggande medel. Tillsatserna är andra salter som drar åt sig vatten, utan att

flyta sönder. Det håller kok-

saltet torrt. Tandra sammanhang utnytt-

jas salter just för att de är hygroskopiska. Sommartid

strös kalciumklorid på

dammiga vägar. Saltet tar

upp fukt ur luften och fukten binder dammet.

Så här går reaktionen till: Koldioxiden bildar kolsyramolekyler. Hydroxidjonerna i kalkvattnet bildar vatten med vätejonerna i kolsyran. Kvar av kolsyran är karbonatjoner, som fälls ut av kalciumjonerna. ÖVNING 519

5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

& 71

Salter i vardagslivet Ammoniumklorid, NH, CI, salmiak, finns i salt godis och i vanliga fick-

lampsbatterier. Saltet används också

ilödpasta. Vid upphettning sönder-

texi Kolmården. Finmald kalksten används för att neutralisera försurade sjöar och vattendrag.

som tvättmedel och vid glasframställ-

ning. Sand, kalksten och soda är huvudingrediensernai glas. Soda löser

upp fett. Natriumkarbonat kan köpas

som målarsoda och används för att tvätta feta ytor före ommålning.

delas det i ammoniak och väteklorid.

Det är vätekloriden som löser oxid på metallytan så att den blir ren före

Natriumvätekarbonat,

lödning.

NaHCO,, ofta kallat

Bariumsulfat, BaSO,, innehåller bari-

bikarbonat, är ett svagt

umjonen — en tungmetalljon. Saltet

basiskt ämne. Det an-

vänds vid bakning. När

används som kontrastmedel vid rönt-

gen av mage och tarmar. Förklaring-

en är att tunga atomer ”syns” bättre i

röntgenstrålning. Tungmetaller är

giftiga, men bariumsulfat är så svårlösligt att inte ens magsaften förmår lösa upp saltet. Det går oförändrat

genom kroppen.

saltet upphettas bildas Natriumklorid, NaCl, vanligt koksalt, är ett urgammalt konserveringsmedel. Kina var tidigt en stor saltexpor-

soda, koldioxid och vattenånga. Gaserna gör bakverket poröst.

tör. Salt drar ur vatten ur t ex kött

I vanligt bakpulver

och förstör på så sätt bakteriernas

finns bikarbonat till-

livsvillkor. Förr fick salt också dölja

sammans med en sur

smaken av dålig mat. Salt finns som

ingrediens som får bi-

mineral, men framställs mest genom

karbonatet att avge koldioxid med

indunstning av havsvatten i stora

fukt och värme. Saltet används också

innehåller mycket salt, men patienter med högt blodtryck rekommenderas

då saltet sönderdelas och de gaser

grunda bassänger. Människokroppen

i pulverbrandsläckare. Branden kyls som bildas kväver elden.

salt med inblandning av kalium- och

magnesiumklorid.

Salt används också för att smälta

is. När isen smälter på saltade vägar är den salta issörjan kallare än 0 ”C! Bariumsalter (nitrat) och salter av släktingarna kalcium och strontium

En blandning av krossad is och salt är

en sk köldblandning. Med vanligt

används i fyrverkeripjäser. Barium ger grön färg, kalcium orange och

koksalt når man —20 ”C.

strontium röd.

användes redan på 1200-talet. Det är

Kalciumoxid, CaO, kalk, kallas även bränd kalk eftersom den framställs genom upphettning av kalksten, sk

Kaliumnitrat, KNO,, ”kalisalpeter”,

en av huvudingredienserna i krut. Se övning 531!

uppkomsten av karies.

Kaliumjodid, KI, är en vanlig tillsats i

kalkbränning. Kalk är det billigaste

bordssalt. Jodidjonen är viktig för

basiska ämnet. Näst svavelsyra är det

sköldkörtelns funktion. Särskilt der långt från hav behöver människor jodtillskott. Om ett kärnkraftshaveri

den kemikalie som produceras mest i världen. Kalk används för att neutralisera sura gasutsläpp från industrin

skulle ske, skyddar tabletter med kaliumjodid sköldkörteln från radio-

och oljeeldade kraftverk.

Kalciumkarbonat, CaCO,, förekom-

aktivt jod. Den normala jodidjonen

mer i naturen som kalksten. Ölands

tränger då undan den radioaktiva ur

och Gotlands berggrund utgörs av kalksten. Marmor är speciellt välkristalliserad kalksten och förekommer

72

Natriumfluorid, NaF, ingår i många tandkrämer. Fluoridjonen hindrar

& 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

Natriumkarbonat, Na,CO,, soda, an-

kroppen. (Många ryska barn drabba-

vände egyptierna för att mumifiera.

des av sköldkörtelfel vid Tjernobyl-

Soda har använts ända sedan antiken

haveriet.)

5.5 Hur framställer man

ett salt?

Det finns flera sätt att framställa salter. För vissa salter finns det kanske bara en möjlig metod, för andra salter flera. Det beror på ämnenas egenskaper.

Metall får reagera med syra Att låta metall reagera med syra är en enkel metod som passar om metallen är oädel och reagerar med syran under vätgasutveckling. Magnesiumklorid kan t ex framställas ur magnesium och saltsyra. Vid reaktionen avger en magnesiumatom två elektroner och bildar en magnesiumjon.

Mg > Mg”

+ 2e

Elektronerna tas upp av vätejoner och det bildas väteatomer, som slår sig samman till vätemolekyler, dvs vätgas bildas.

2H" + 2e > 2H > H, I saltsyran finns också kloridjoner, som inte deltar i reaktionen.

Mg + 2H" + 2CI" SH, + Mg”

+ 2CI

Resultatet blir magnesiumkloridlösning (vattnet kommer från saltsyran) som kan indunstas. Indunstning innebär att vattnet går bort i gasform. Sedan återstår det fasta saltet, som i det här fallet har kristallvatten,

MgCL,: 2H,0.

När magnesiumkloridlösning indunstas får man ett fast salt. 5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA & 73

Metalloxid får reagera med syra Denna metod kan användas även för sådana metaller som inte reagerar med syra under vätgasutveckling, t ex koppar.

CuO + 2H" + SOT

Kristaller av kopparsulfat, CuSO, ' 5H,0.

—

Cu”

+

SOT + H,O

När en metalloxid reagerar med syra bildas alltid vatten.

Man kokar kopparoxid (fast ämne) med utspädd svavelsyra. Oxidjonerna och syrans vätejoner bildar vatten och man får en lösning av kopparsulfat. Lösningen indunstas och sedan återstår fast kopparsulfat, CuSO,' 5H,O, ett vackert blått salt — kopparsulfatpentahydrat.

Metallhydroxid får reagera med syra Denna metod att framställa salt är lik den föregående. Om man blandar natriumhydroxidlösning och saltsyra reagerar hydroxidjonerna med syrans vätejoner till vatten. Resten är en vattenlösning av saltet natrium-

klorid.

Na" + OH

+ H" + CI >

H,O + Na" + CI

Vill man snabbt få fram ett salt enligt någon av ovanstående metoder,

kan man koka bort vattnet. Då återstår det fasta saltet i form av små kristaller. För att få stora vackra kristaller måste man låta lösningen

dunsta in långsamt.

Ett svårlösligt salt fälls ut Svårlösliga salter kan framställas genom utfällning (se sid 70). Om man blandar lösningar av bariumklorid och silvernitrat, bildas svårlöslig

silver-

klorid. Resten är en nästan ren bariumnitratlösning, under förutsättning att man har blandat lösningar med de rätta substansmängderna av

bariumklorid och silvernitrat.

Alun, KAI(SO,), ' 12H,0. Stora kristaller bildas, om de får växa på änden av en tråd.

ÖVNING 520-521

5.6 Skriva reaktionsformler

- en strategi Du har tidigare skrivit enkla reaktionsformler (kapitel 3 och 4). I detta

avsnitt får du öva på att skriva balanserade reaktionsformler med joner. I en komplett reaktionsformel finns lika många av varje atomslag till

vänster och till höger om reaktionspilen. Alla reaktionsformler i exemplen gäller framställning av salt med metoderna från det föregående

avsnittet.

Metall och syra Reaktionen med en oädel metall ger vätgas och en lösning av metallsaltet (metalljoner och syrans negativa jon).

74

+ 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

- Exempel 5:2

Formeln för en metall är det kemiska tecknet.

Skriv formeln för reaktion mellan zink och saltsyra.

Starta med ordformel Zink + saltsyra

2

väte

Formler för reaktanter och produkter Zn + H'+0er + H

+

zinkkloridlösning

+

Zn

+ 208

Tänk på:

En stark syra skrivs i jonform. En jonförening i vattenlösning skrivs som fria joner.

- formeln för zink är Zn. Formeln för en metall är alltid kemiska tecknet. Kom ihåg

att det är atomer, inte joner.

— — — —

saltsyran skrivs som fria joner, 1 H' på varje CI. den brutna pilen betyder att formeln inte är balanserad. väte består av H;-molekyler. zinkklorid i vattenlösning består av fria joner, 2 CI" på varje Zn”.

Formeln balanseras

201 i höger led kräver 2CI-i vänster led. H, i höger led kräver 2H' i vänster led. Formeln blir Zn + 2H" + 201

>

Hy + Zn”

+ 20r

Kommentar — reaktionsformeln är nu balanserad, dvs atomslagen och laddningarna stämmer.

Metalloxid och syra Syrans vätejoner och oxidjonerna bildar vatten. Oxidens metalljon och syrans negativa jon ger en lösning av metallsaltet.

Exempel 5:3 Skriv formeln för reaktion mellan kopparoxid och salpetersyra. Starta med ordformel Kopparoxid + salpetersyra — vatten + kopparnitratlösning Formler för reaktanter och produkter CuO +H'+ NO; + HO + Cu” + 2NO3 Tänk på: - kopparoxid är ett fast ämne och skrivs inte i jonform även om det består av joner. - salpetersyran skrivs som joner, 1 H' på varje NO 3.

Ett fast ämne skrivs inte som fria joner även om det är uppbyggt av joner.

- kopparnitrat finns som fria joneri vattenlösningen, 2 NO; på varje Cu”.

Formeln balanseras

1 H,O i höger led kräver 2H" i vänster led. 2NO3 i höger led kräver 2NO3 i vänster led. Formeln blir CuO

+ 2H"' +

2NO3

—

HO

+ Cu”

+ 2NO3

Kommentar - laddningar och atomslag stämmer i båda leden, formeln är balanserad.

5 KEMISKA ÄMNEN— OORGANISKA

& 75

Metallhydroxid och syra Reaktionen ger vatten och en lösning av metallsaltet.

Exempel 5:4 Skriv formeln för reaktion mellan fast kalciumhydroxid och saltsyra

Starta med ordformel Kalciumhydroxid + saltsyra — vatten Formler för reaktanter och produkter Ca(OH),

+H+C0

Pb

+

HO

+

kalciumkloridlösning Ca”

+ 201

Tänk på: - kalciumhydroxid är ett fast ämne, skrivs inte som joner. - 1H' på varje CI i vänster led, 2 CI" på 1 Ca"+ i högra ledet. Formeln balanseras 20H" i Ca(OH), reagerar med 2H" och bildar 2H,0. 2C1 i högra ledet kräver 2CI i vänstra ledet.

Formeln blir Ca(OH),

+ 2H"+

2CI

—

2H,0

+ Ca”

+ 20r

Kommentar - formeln är balanserad, laddningar och atomslag stämmer i båda leden.

Utfäll

ig av svårlösligt salt

Exempel 5:5 Blyjodid fälls ut då en blynitratlösning blandas med en natriumjodidlösning. Skriv formeln för reaktionen. Starta med ordformel Blynitratlösning + natriumjodidlösning — blyjodid i fast form + natriumnitratlösning Formler för reaktanter och produkter Pb”'+ 2NO3 +Na + I Tänk på:

+ Pbl(s)

+ Na" + NOJ

- 2NO;3 på varje Pb”i vänster led.

- 1 Na" på varje I i vänster led. - 1NO; på varje Na" i höger led. - (s) markerar att ett ämne är fast. Formeln balanseras Pbl,

i högra ledet ger 21" och därmed 2Na' i vänstra ledet.

2Na'" i vänstra ledet kräver 2Na" i högra ledet. 2N03

i vänstra ledet kräver 2NO3 i högra ledet.

Formeln blir Pb” + 2NO3

+ 2Na" + 21 —

Pbli(s) + 2Na" + 2NO3

Kommentar = formeln är balanserad, laddningar och atomslag stämmeri båda leden.

ÖVNING 522-523

76 + 5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

Nya begrepp

Sammanfattning kapitel 5 3 En sur lösning har pH < 7 och

Salpetersyra reagerar med koppar

överskott av oxoniumjoner, H;O”.

och silver, men inte med guld.

pH-skalan, syra-basindikatorer,

En enhet lägre pH betyder tio gånger högre surhetsgrad.

Guld reagerar bara med i kungsvatten (en blandning av saltsyra

Upon vn tväprotonig syra,

En basisk lösning har pH > 7 och överskott av hydroxidjoner, OH”.

och salpetersyra).

sur, neutral och basisk lösning, syra, bas,

tetraederform,

hygroskopisk, salt, Onea

En neutral lösning har pH = 7. Lösningen innehåller lika många oxoniumjoner och hydroxidjoner.

fleratomiga joner,

> Syra-basindikatorer som BTB,

kristallvatten,

fenolftalein och lackmus ändrar

åskådarjoner,

färg med pH.

reagens.

> Vattenlösningar av det fasta ämnet natriumhydroxid och gasen

ammoniak används ofta som basiska lösningar på laboratoriet. > Oädla metaller reagerar med saltsyra och svavelsyra under utveckling av väte (vätgas).

> Oädla metaller reagerar med salpetersyra och då utvecklas oftast nitrösa gaser (NO och NO).

I formeln för saltet kombineras så många av vardera jonslaget att föreningen blir oladdad. > Salters löslighet i vatten varie-

rar från mycket lättlösliga till Salter av alkalimetalljoner och ammoniumjoner är lättlösliga liksom nitrater.

Utfällning av svårlösligt salt används för att påvisa klorid-, sulfat- och karbonatjoner.

> Salter kan framställas —- ur metall och syra — ur metalloxid och syra — ur hydroxid och syra —- genom utfällning av svårlösligt salt.

504

501 a) Du droppar fenolftalein i en lösning och den blir

rosa — vad drar du för slutsats? b) Du droppar i fenolftalein i en lösning och ingenting syns hända. Du tillsätter därför BTB och lösningen blir grön — vad drar du för slutsats?

502 a) Du droppar en lösning på ett pH-papper, som då färgas klart blått. Ungefär vilket pH har lösningen? 503 En universalindikator visar att du har en lösning med pH 4 och en annan med pH 2. a) Vilken är surast?

av positiva och negativa joner.

mycket svårlösliga.

k Några vanliga syror är saltsyra, svavelsyra, salpetersyra, fosforsyra och kolsyra.

Övningar

> Salter är fasta ämnen, uppbyggda

b) Hur många gånger surare?

5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

1 dm” konc. saltsyra innehåller 12 mol väteklorid.

Vilken massa har denna väteklorid? 505

Skriv reaktionsformlerna som visar hur salpetersyra, kolsyra och svavelsyra avger vätejoner. (Du behöver inte använda vatten och oxonium-

joner här.) Ange även namn på de joner som bildas. 506 Ange namnet för följande ämne/jon

a) H,O

b) CI

c) CO,

d) NH;

e) Ca(OH),

f NO

g) HSO;

h) CO3

i) HCO3

j) POT

k) H.PO; . 77

507

512

Skriv formeln för (obs! kom ihåg laddningen där

Metallen mangan bildar oxiderna MnO, Mn,O.,

det finns någon)

Mn,O,, MnO, och Mn,O,. Ange deras namn med hjälp av de kemiska räkneorden.

a)

oxoniumjonen

b)

syre (syrgas)

c)

kväve (kvävgas)

d)

silver

e)

klor (klorgas)

f)

ammoniak (gasen)

g) natriumhydroxid

h)

svavelsyra

i)

kolsyra

j)

salpetersyra

k)

sulfatjon

1)

kvävedioxid

m) järn. 508 Skriv en formel för reaktionen mellan vatten och kalciumoxid till kalciumhydroxid.

513 Beräkna molmassan för kalciumkloriddihydrat,

CaCl,:2H,O. 514 Du vill göra en lösning av ett kopparsalt som ska innehålla 0,100 mol kopparjoner. Vilket salt behöver du väga in minst av till din lösning: koppar-

sulfatpentahydrat, kopparnitrattrihydrat eller kopparkloriddihydrat? 515

Man blandar vattenlösningar av natriumkarbonat

509

Utgå från jonerna och deras laddningar och skriv formeln för a)

natriumbromid

b)

kalciumsulfat

c)

silvernitrat

d)

kaliumsulfat

e) magnesiumnitrat

f)

bariumnitrat

g) blykarbonat

h) aluminiumhydroxid.

och kalciumklorid. Blir resultatet som A eller Bi figuren nedan?

510

Skriv formeln för a) dikopparoxid

b) kolmonoxid

c) koldioxid

d) trijärntetraoxid

e)

f)

svaveltrioxid

blydioxid.

511 Träna på att skriva salter i fast form respektive i

vattenlösning. a)

Skriv formeln för natriumnitrat i fast form.

b)

Skriv formeln för natriumnitrat i vattenlösning.

516

Man blandar lösningar av kopparsulfat och natrium-

c) Skriv formeln för fast kaliumkarbonat.

hydroxid. Då bildas en blå fällning.

d)

Skriv formeln för kaliumkarbonat i vattenlösning.

e)

Skriv formeln för aluminiumsulfat i fast form.

a) Skriv formlerna för de fyra jonslagen i blandningen.

f) Skriv formeln för aluminiumsulfat i vattenlösning.

b) Vilket ämne är den blå fällningen ? Motivera

ditt val. c) Skriv en reaktionsformel — utan åskådarjoner

— för utfällningen av det blåa saltet. 78

5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

517

b) zinkoxid och svavelsyra

Man blandar lösningar av blynitrat och natrium-

fosfat. Då bildas en vit fällning. a) Skriv formlerna för de joner som finns i blandningen. b) Vilket ämne är det som bildar fällning?

Motivera ditt val. c)

Skriv formeln för fällningsreaktionen.

518 En tumregel för att ett salt ska vara svårlösligt är att det ska finnas lika många positiva som negativa joner i saltet. Tumregeln stämmer inte alltid men gäller nedanstående salter. Diskutera vilket av salterna i följande par som bör vara minst lösligt.

a) Ca(HCO,),-CaCO, b) MgSO, - MgCL,

ce) AL(SO);-AIPO, d) FeCO,-Fe,(SO,); €e) NaHCO,-Na,CO,

f) BaSO,-Ba(HCO.),

c) järn och svavelsyra, Fe övergår till Fe” d) magnesiumoxid och salpetersyra e) kaliumhydroxidlösning och salpetersyra. 523

Skriv en formel, med åskådarjoner, för reaktionen mellan a) bariumnitratlösning och zinksulfatlösning.

En fällning bildas. b) silvernitratlösning och kopparkloridlösning. En fällning bildas.

524 Skriv en formel för reaktionen mellan a) dijärntrioxid och vätgas. Järn och vatten bildas. b) kväve och väte. Ammoniak bildas. c) svavel och syre. Svaveldioxid bildas.

d) svaveldioxid och syre. Svaveltrioxid bildas. e) magnesium och jod. Magnesiumjodid bildas. f)

trijärntetraoxid och kol. Järn och kolmonoxid

bildas.

519 Beskriv hur du skulle påvisa saltsyra. 520 Du ska framställa magnesiumklorid och har 2,5

mol saltsyra. a) Hur stor substansmängd magnesium måste du

använda för att all saltsyra ska gå åt? b) Hur mycket (massa) magnesium ska du väga upp? c) Om du istället använder metoden med magne-

siumoxid, hur mycket magnesiumoxid ska du då väga upp?

Blandade övningar 525

En undersökning visar att en lösning av målarsoda har pH 12 och en bikarbonatlösning pH 8. a) Vilken är mest basisk?

b) Hur många gånger mer basisk? 526

Kommer pH att höjas eller sänkas i följande fall? a) Du har en utspädd saltsyralösning med pH 3,2

521

Hur skulle du framställa magnesiumsulfat i fast

form? Föreslå två metoder. 522

Skriv en balanserad formel för reaktionen mellan a) kalcium och saltsyra

5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

och tillsätter lite ammoniak. b) Du har samma saltsyralösning och tillsätter en

sked släckt kalk. c) Du har en bikarbonatlösning och tillsätter ättika. d) Du har en bikarbonatlösning och tillsätter

målarsoda. 79

527

533

Hur ändras pH iföljande fall?

Skriv formeln för reaktionen, inklusive åskådarjoner, mellan

a) Du har utspädd saltsyralösning med pH 3,2 och tillsätter mycket vatten. b) Du har en utspädd ammoniaklösning och tillsätter mycket vatten. 528

a) kaliumhydroxidlösning och saltsyra. b) natriumhydroxidlösning och utspädd svavelsyra. c) natriumsulfatlösning och blynitratlösning. En fällning bildas.

Skriv formeln för

d) magnesium och utspädd svavelsyra.

a) kaliumvätesulfat

€e) kopparoxid och saltsyra.

b) kopparnitrat

f)

c) zinkkarbonat

g) aluminiumkloridlösning och silvernitratlösning. En fällning bildas.

d) kalciumhydroxid.

zinkoxid och salpetersyra.

h) blynitratlösning och kaliumkloridlösning. 529

Skriv namnen på följande föreningar

a) BaO

En fällning bildas. i)

aluminiumsulfatlösning och bariumkloridlösning. En fällning bildas.

b) Ba(OH), c) CuCl, och CuCl

d) NH,NO,. Kr eo

530

531 Till krut måste man ha svavel, kol och salpeter (kaliumnitrat). Det finns gott om svavel och kol i Euro-

pas gruvor, men varför finns inga salpetergruvor?

Natrium] fosfat

syra

HSO,

Pb(NOJ] — | NasPOy

Po

Skriv formeln för natriumkarbonatdekahydrat

(kristallsoda).

Bly: nitrat

= Kalium-

Kalium-]

hydroxid] | KCI klorid KOH Zz Zn

|

e

raHel Zink-

Sulfal ZnO | — |ZnSoj

vild AgNOz

A

SS

Sr Ksp

(Det berättas att när Gustav Vasa behövde krut tvingades

folket att hålla komposter/gödselhögar för att kunna

534

”skörda” kaliumnitrat där. Allt levande innehåller kväve-

Du har en kemikaliehylla enligt ovan. Du har fått i

föreningar (proteiner), och kaliumjoner fick man genom att blanda in björkaska (kaliumkarbonat). Kväveföreningarna bildar så småningom kaliumnitrat på komposten.) 532

Vilka av följande salter kan framställas ur metall och syra? För vilken/vilka av salterna är metoden möjlig men olämplig och varför?

uppgift att framställa salterna zinkklorid, kalium-

fosfat, kaliumnitrat och aluminiumfosfat. Det enda svårlösliga saltet av dessa är aluminiumfosfat. Beskriv i ord vilka metoder du kan använda för att få

ett fast salt. Tänk på att din reaktion inte får ge två svårlösliga salter eller fler än två jonslag i vattenlösning!

Kopparklorid, magnesiumklorid, natriumklorid,

Ange också vilka försiktighetsåtgärder du tänker

zinkklorid.

vidta!

När du funderat ut metoderna skriver du förstås reaktionsformler!

80

5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

Utmaningen T51 När Barbiedockan var ung kunde man göra henne

extra fin genom att färga hennes hår rosa med en medföljande ofärgad spray. Vad fanns i håret från

U51 +

koefficienter för

början tror du och vad fanns i sprayen? Och hur

skulle man få tillbaka den ursprungliga looken igen? Skulle du rekommenderat dockan till ett barn? T52

Ur ett råd i DN 9 oktober 2004. Recept på rengöring av kakelfogar: ”Till 2 liter kokhett vatten tar man

1 dl vinäger (eller

ättika), 1 dl ammoniak samt 2 dl bikarbonat.”

Kommentar?

Ibland måste man tänka extra noga på strategin när man skriver formler. Skriv formler med heltals-

a) upplösning av aluminium i saltsyra b) upplösning av lantanoxid (La,O,) i saltsyra

c) upplösning av lantanoxid i svavelsyra. U52

>

Undersök pH-värdet på några vardagsvaror hemma med hjälp av pH-papper. För in värdena

på en pH-skala från 0-14. T53

En läsare frågade en journalist på en av våra stora

För varor som inte är neutrala: Använd inne-

dagstidningar vilken som är världens näst vanligaste vätska. Journalistens förslag (då han klokt nog tog kontakt med en kemist) var magsaft! Vad är det för

hållsdeklarationer för att om möjligt identifiera vad som orsakar pH-värdet.

fel på det svaret?

(Observera att man anger pH-värden bara för vattenlösningar.)

154 Under antiken kunde egyptierna göra starkt basiska lösningar som natriumhydroxidlösning. Förklaringen

är att man dels hade sodasjöar dels hade tillgång på kalk. Fundera på hur man framställde luten!

T55 I kommunala reningsverk vill man bli av med både fosfor, som finns som fosfatjoner i vattnet, och kväve som förekommer som ammoniumjoner och nitratjoner. Fosfatjonerna lyckas man lätt med, men det är mycket svårare att bli av med kvävet. Vad kan det bero på? T56

Silver oxideras alltid när det är i kontakt med luft. Du erbjuder dig att putsa silver, för du tänker använda dig av dina nya kemikunskaper. Du lägger därför silvret i saltsyra. Tyvärr blir inte resultatet så bra. Silvret får en ny konstig vit beläggning. Vad hade du för planer och varför lyckades inte rengöringen?

T57

Du står på laboratoriet och vill bevisa att kaliumsulfat är lättlösligt, men hittar varken tabellverk eller nån burk med just det saltet. Hur kan du göra istället? Där finns gott om andra salter.

5 KEMISKA ÄMNEN — OORGANISKA

81

ty

i:: 5

:2

Organisk kemi Organisk kemi är kolföreningarnas kemi. Över 90 26 av alla kända ämnen är organiska. Men kol finns också i oorganiska föreningar som

rii ad 4

Kolatomer kan bilda kovalenta bindningar dels med andra kolatomer, dels med atomer av andra grundämnen som väte, syre, kväve, svavel

och halogener. Kolatomerna kan bilda korta och långa kedjor eller ringar och de kan bindas till två, tre eller fyra andra atomer. Därför kan det bildas molekyler av de mest skilda slag. I organiska ämnen finns alltid minst en kol-kol- eller kol-vätebindning.

H I H—C—H

H H I od = H—C—C-—H

H

H

|

Lot

Hf —0

H

I

H

HÅ

,c=0

H

Hå

c=C

HOH HÅ

,c=0

oc

H

Några schematiska bilder om kolatomens sätt att binda. 82

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

H

H—C=C—H

1

g

0

PEREE

koldioxid och karbonater.

KAPITEL 6 Kemiska

ämnen +

OORGANISKA

— ORGANISKA

+ Det pågår en diskussion om att Og RAT

de TA VCE

etanol antingen genom jäsning av

Tee SA ite sait ra tr KeelS slag, eller ur eten från bergolja. RV SAR RT et erna Tel Ter td a etanol till en hållbar utveckling?

6 KEMISKA

ÄMNEN — ORGANISKA

x& 83

I dag kan kemister göra de mest komplicerade ämnen, t ex mediciner, från enkla utgångsmaterial. Organisk kemi är inte bara lösningsmedel, plast och mediciner, den är också grunden till biokemi, ett ämnesom-

råde där man studerar samspelet mellan kolföreningar i levande celler, vilka vi kan betrakta som ”reaktionskärl”.

Så uppkom

organiska. Alkemisterna brydde sig

organisk kemi!

inte om de organiska ämnena. Därför

Människor har känt till alkohol och

var det först mot slutet av 1700-talet

som kemister började studera dem på

ättika lika länge som vi har lämnat skrivna meddelanden efter oss. Alkohol bildas vid jäsning och ättika

allvar. De fann då att de organiska äm-

nena innehåller grundämnet kol. Den svenske apotekaren Carl Wilhelm

bildas när alkohol surnar. Ordet alkohol kommer från arabiskans

alkohol som betyder flyktig vätska. När man började studera ämnen som kommer från levande organismer trod-

KC

CW Scheele (1742-1786)

de man att de innehöll något slags livskraft. Man kallade sådana ämnen för

Scheele renframställde t ex en serie

fruktsyror där vinsyra och oxalsyra ingick. På 1830-talet lyckades tysken Friedrich Wöhler avliva myten om livs-

kraften genom att framställa urinämne ur ett oorganiskt salt.

6.2 Kolväten — alkaner De enklaste kolföreningarna är kolväten. Och det enklaste kolvätet är metan, CH,, som också är den enklaste alkanen. I metan är väteatomerna

bundna till kolatomen med starka kovalenta bindningar och bildar på så sätt en stabil molekyl. Men mellan molekylerna finns bara svaga bindningar, vilket gör att metan är en gas vid rumstemperatur.

CH, molekylformel

Modeller, t ex molekyl-

modeller, är ett sätt att beskriva verkligheten,

olika modeller är användbara i olika sammanhang.

N

H-C-H I H strukturformel

e pinn och kulmodell

kalottmodell

Olika molekylmodeller används i olika sammanhang. Molekylformeln ger upplysning om molekylens sammansättning. Vill man i stället visa att väte är bundet till kol med en elektronparbindning, då är strukturformeln en bra modell. Vill man titta närmare på molekylens geometri använder man pinn- och kulmodellen. Den visar att väteatomerna sitter i hörnen på en tetraeder med kolatomen i tyngdpunkten. Vinkeln mellan två C-H-bindningar är 109”, den s k tetraedervinkeln. När använder man kalottmodellen? Jo, när det gäller att visa vilket utrymme molekylen faktiskt kräver. Den försöker visa varje atoms ”verkliga” begränsning. Elektronmoln har negativ laddning och repellerar varandra. Två molekyler kan därför inte tränga in i varandra, det tar emot. Radierna på kloten visar när det tar emot. Kovalenta bindningar inne i molekyler drar atomerna närmare varandra, något som också går att avläsa i modellen.

84

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

Miljö,

teknik & samhälle

Metan — förnybar energikälla eller inte? Metan kallas också naturgas. Gasen

gödsel eller avloppsslam) till metan

används som bränsle och är ett alter-

om inget syre finns närvarande.

nativ till olja. Metan finns i råolja och

Metan finns också infruset i Sibiriens

pumpas upp i nästan alla oljefält, och i särskilda gasfält jorden runt. Råolja,

tundror och på havsbottnar. Även risfält är stora metanproducenter. Där står organiskt material ständigt under

metan och stenkol är alla fossila bränslen och tillhör därmed de icke förny-

bara energikällorna.

vatten utan kontakt med luftens syre.

Men metan är också ett biobränsle,

utnyttja.

och kallas då ofta sumpgas. Det tillhör på så sätt även de förnybara energi-

Metan är en växthusgas liksom kol-

källorna. Vissa bakterier kan nämligen

medeltemperatur vid jordytan.

Men sådana metankällor är svåra att

dioxid, dvs medverkar till en högre

bryta ned organiskt material (t ex

Kossan, en källa till metan.

< 2

på detta sätt med ett antal CH,-grupper

samt två extra väteatomer i ändarna på molekylen.

I en alkan Kedjan är helst. Men och hur de

är vinkeln C-C-C i kedjan alltså inte rak. Molekylen kalottmodellen visar hur kolliderar med varandra

ca 109 grader. kan slingra sig nästan hur som atomerna fyller utrymmet i kedjan när kedjan inte är utsträckt.

6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

+ 85

För att kunna beskriva en viss kolvätedel i en större molekyl har begreppet alkylgrupp införts. En alkylgrupp, som innehåller en kolatom, kallas en metylgrupp, CH,. En alkylgrupp, som innehåller två kolatomer, kallas etylgrupp, CH, osv. Fyra kolatomer kan bindas samman på två olika sätt. Det ena sättet ger en ogrenad kolkedja, det andra sättet ger en grenad kolkedja. Exemplet butan har ogrenad kolkedja, medan metylpropan har en grenad kolkedja.

butan och metylpropan (isobutan) Butan och metylpropan har samma molekylformel, C,H,,, men är två olika ämnen med skilda egenskaper, se tabell 6:1. Ämnen med samma molekylformel, men olika strukturformler, kallas strukturisomerer.

Orden isos och meros är grekiska och betyder lika respektive del. Grenade alkaner har delvis andra egenskaper än de ogrenade.

Varje alkan, ogrenad eller grenad, kan beskrivas med formeln C,H,, ,>Varje kolatom är bunden till fyra andra atomer. Kolatomen kan inte binda ytterligare atomer, därför kallas alkaner för mättade kolväten. Med många kolatomer i kedjan blir variationsmöjligheterna stora. För

C..Hg, finns 4,1 - 10” isomerer! Man använder ofta en sammandragen strukturformel:

CH,-CH,-CH,. . . -CH, eller CH,CH,CH,. . . CH, För att lättare kunna rita komplicerade organiska molekyler har kemisterna infört ett ännu enklare skrivsätt — streckformler. Där ritas kolkedjan som en sicksacklinje. Varje vinkelspets står för en CH,-grupp och de utstickande ändarna en CH,-grupp (metylgrupp). Så här ser skrivs exempelvis pentan: CH,-CH,-CH,-CH,-CH,

sammandragen strukturformel

pinn och kulmodell NN”

86 + 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

streckformel

- Exempel 6:1 Rita streckformlerna för alla strukturisomerer av CsH,,.

Rita en kolkedja Den ska ha tre kolatomer. Den kan bara se ut på ett sätt. Numrera kolatomerna 1, 2 och 3. Haka på två metylgrupper. Börja med att foga två streck till var och en av de tre kolatomerna i tur och ordning.


- Väteatomerna syns ju inte, men när ett streck slutar rakt ut sitter det tre väten på kolatomen, på en vinkel två och vid en grenpunkt ett väte. — När en kolatom binder fyra andra kolatomer sitter inget väte på den kolatomen.

Hur ger man alkanerna namn? Alkanernas namn har ändelsen -an. De fyra enklaste har s k trivialnamn: metan, etan, propan och butan. Butan innehåller fyra kolatomer. Namnet kommer från det latinska namnet,

acidum butyricum, för smörsyra som också innehåller fyra kolatomer. Engelska butter betyder ju smör. Längre alkaner har syste-

matiska namn som bygger på antalet kolatomeri den längsta kolkedjan:

pentan,

hexan, heptan osv. Om man känner till

det systematiska namnet kan man alltså lista ut ämnets strukturformel. Vid namngivningen av de grenade

alkanerna, utgår man från den längsta kolkedjan och anger sedan vid vilken kolatom (kolatomens nummer) gren-

ingen sker. Där sitter en alkylgrupp i stället för ett väte.

Fettet i smör är uppbyggt av bl a smörsyra.

6 KEMISKA ÄMNEN— ORGANISKA

& 87

Nedan ser du strukturformler och streckformler för två isomerer till hexan, CAH,,, nämligen 2-metyl-pentan, och 2,3-dimetyl-butan. Man får namnen genom att först leta fram den längsta kolkedjan och därefter numrera kolatomerna från den ände av kedjan, som ger greningspunk-

terna så låga tal som möjligt. Molekylen till vänster heter alltså 2-metylpentan och inte 4-metyl-pentan.

H H

H

II c | H H

C

H

H

|

H

H:C-H

C

c

H

H

old c

Polo H

H

c

H

HC-HH

|

H

5

3 4

1 2

1

2

3

4

ÖVNING 601 Kolkedjorna kan också bindas ihop till ringar. Ringformade alkaner kallas cykloalkaner. Ringarna innehåller exakt två väteatomer per kol-

atom. Deras allmänna formel blir därför C,H,,. Nedan ser du en strukturformel och en streckformel för cyklohexan, C.H,,. Cyklohexan är en vätska och ett vanligt lösningsmedel som används i skolans kemiundervisning.

88

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

Tabell 6:1 Kokpunkter hos alkaner Namn

Formel

Streckformel

Kpkt/ ”C

Metan

CH,

Etan

CoHe

[I

-89

Propan

CaHg

NS

-42

Butan

Cao

-161

NN

Metylpropan+ — CAH,o

0

Y

-17

Pentan

CsHy>

NA

36

Hexan

CH,

NASA

69

Heptan

C;H,g

NM

98

Oktan

Eikosan Triakontan

[SA

CooHaz

NN

SAMMA

CazoHea

126

asfalt

343 1450

1500

+ Kallas vanligen isobutan.

I

smörjolja

C30 [800

eldningsolja

paraffin Alkaner, bränslen och lösningsmedel

[200

Liquefied Natural Gas. Gasol består mest av propan. Bensin består mesta-

[200

Cc

|

og og

5-8 kolatomer.

Alkanernas smält- och kokpunkter hänger samman med kolkedjornas längd och form. Tabell 6:1 ger en uppfattning om kokpunkterna. Lägg märke till skillnaden i kokpunkt mellan butan och isomeren metylpropan.

dieselolja

C14

dels av en blandning av grenade, ogrenade och ringformade alkaner med Bensin är lätt att tanka. Den är en vätska med tillräckligt hög kokpunkt för att inte dunsta bort under tankningen. Samtidigt är kokpunkten tillräckligt låg för att bränslet ska kunna förgasas i motorn och bilda en explosiv blandning med luft.

208

C16

Alkaner används huvudsakligen som bränslen. Metan (naturgas) är en

viktig energikälla i många länder, och går då ofta under namnet LNG,

C.

100

fotogen/

flygbränsle

knaft lacknafta

Ce

rf

bensin Ce Cs C4

cz

gasol

De alkaner som har riktigt hög kokpunkt fungerar inte bra som bränslen, utan används som asfalt. Lacknafta, dieseloljor, brännoljor och smörjoljor har kokpunkter som ligger mellan bensin och asfalt. 6 KEMISKA ÄMNEN— ORGANISKA

+ 89

Än så länge sprutar det svarta guldet. Råolja (petroleum) är en blandning av tusentals kolväten. Det är den

viktigaste råvarukällan för alkaner. Genom destillation delas oljan upp i produkter med olika kokpunkt. Vatten löser inte alkaner. Olja flyter i stället ovanpå vatten. Alkaner kan användas som lösningsmedel för ämnen som inte löser sig i vatten, t ex

fetter och lacker. Lacker ingår i målarfärg och utgör bindemedlet i den färghinna som blir kvar när

färgen torkar.

Kring vätskor med låg kokpunkt, t ex bensin, finns alltid mycket ångor i luften och blandningar mellan ångor av brännbara organiska ämnen och luft kan vara explosiva.

Ångorna påverkar nervsystemet, t ex hjärnan. Lösningsmedlen kan också lösa hudfett, tränga in genom huden och orsaka inte bara lokala

irritationer och överkänslighet utan även sjukdomar som cancer. ÖVNING 602-603 90

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

6.3 Alkener och alkyner - omättade kolväten Alkaner innehåller bara enkelbindningar. Alkener är kolväten med dubbelbindningar mellan kolatomerna och alkyner innehåller trippelbindningar. Dubbelbindningen består av två elektronpar och trippel-

bindningen av tre elektronpar. Alkener och alkyner kallas omättade kolväten därför att de kan addera

atomer från andra molekyler, t ex halogener. Det enklaste omättade kolvätet är eten, C,H,. En omättad förening som eten reagerar snabbt med bromvatten (brom löst som Br, i vatten), varvid den bruna bromfärgen försvinner. Den

”extra” bindningen i dubbelbindningen är betydligt svagare än en vanlig enkelbindning. Det gör att det är lätt att addera atomer till etenmolekylen. Vid reaktionen bryts den ”extra” bindningen i etenmolekylen och en bromatom binds (med kovalent bindning) till var sin kolatom:

a

&

eten (färglös)

brom (rödbrun)

1,2-dibromoetan (färglös) Br

N SZ H

cc

Få

+

Br —Br

SNet

— H

N H

—?t |

|

—

H

N

Br

Bindningar som bryts är markerade med blått, de som bildas med grönt.

Enkelbindningen i brommolekylen och den ”extra” bindningen mellan

kolatomerna ersätts vid reaktionen med två enkelbindningar mellan kol och brom. Denna kemiska reaktion är ett exempel på additionsreaktion. Det finns andra molekyler än brom som också kan adderas till en alken. Väte, vätehalogenider och vatten kan adderas. Addition av väte till dub-

belbindningar utförs i stor skala vid ”härdning” av fett, som är en omvandling av fiskoljor till fast margarin. Mer om fetter i kap 13.

Eten — den vanligaste alkenen Eten är den organiska kemikalie som man producerar mest av i världen. Den framställs ur råolja, och används till framställning av polyeten och andra organiska föreningar. Eten kan användas som startmaterial i många industriella processer. Det är dubbelbindningen som gör den så

användbar i kemiska reaktioner.

6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

+ 91

Bananer och annan frukt avger eten. Eten bildas dessutom i naturen när frukt mognar och påskyndar samtidigt mognaden. Frukt importeras oftast omogen. Eten används i lagerutrymmen för att frukten ska eftermogna. Blommor bredvid ett fruktfat ”mognar” också snabbare och vissnar!

Acetylen Den enklaste och mest betydelsefulla alkynen är acetylen (etyn), C,H,. Acetylen brinner i syre med mycket het låga och används därför vid svetsning.

Eftersom acetylenmolekylen är omättad kan den addera andra molekyler. Om t ex en vätekloridmolekyl adderas bildas vinylklorid (kloroeten),

råvaran för polyvinylklorid, PVC.

DD

0C—H

+ H—Cl

—>

06 H

92

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

cl

Alkeners och alkyners namn I en alken med en dubbelbindning saknas två väteatomer jämfört med

en alkan. Den allmänna formeln är C,H,,, vilket ger eten, C,H,, propen, C.H;, buten, C,H;, och penten, C.H,,. Det finns två strukturisomerer av buten. Den ena heter 1-buten, CH,=CH-CH,-CH,, och har dubbelbindningen mellan kolatom nummer 1 och 2. Den andra heter 2-buten

CH,-CH=CH-CH, och har en dubbelbindning mellan kolatomerna 2 och 3.

Alkyner med en trippelbindning har den allmänna formeln C,H,,>Alkynerna får namn på liknande sätt som alkener: etyn, propyn, butyn, pentyn. Man anger också som ovan var trippelbindningen finns.

Cis-trans-isomeri I etan kan de två metylgrupperna rotera fritt i förhållande till varandra. I eten däremot tvingar dubbelbindningen

molekylen att bli plan. Det innebär att de två kolatomerna och de fyra vätena i eten ligger i ett plan. Om man ersätter ett väte på vardera

kolatomen med en metylgrupp, kan man därför få två isomerer. Antingen pekar metylgrupperna åt samma håll eller så pekar de bort från varandra. Detta syns tydligt när man ritar en streckformel av molekylen. Den form där metylgrupperna ligger på

samma sida om dubbelbindningen kallas cis -form. Denna form kan inte vridas över till den andra formen som kallas trans-form (trans = på

andra sidan) utan att bindningen bryts. Man talar om cis-trans-isomeri. Här är etan och streckformler av de tre isomera butenerna. H H

HORN H

cis-2-buten

—

trans-2-buten

ANS 1-buten, bara en

etan, fritt vridbar

Cis-trans-isomeri har betydelse för fetter där kolkedjorna i de nyttiga

oljorna har cis-form medan trans-formen anses giftig. Ett annat exempel är den kemiska reaktion som sker i näthinnan när man ser, då ämnet

retinal slår om mellan cis- och transform under inverkan av ljus. I eten ligger alla sex atomerna i ett plan med bindningsvinklarna 120”. Etyn är linjär, alltså är bindningsvinkeln 180”. ÖVNING 604-605

6 KEMISKA ÄMNEN— ORGANISKA

+ 93

6.4 Alkoholer I alkoholer är en syreatom bunden till en kolatom, och syreatomen i sin tur till en väteatom, dvs en kolatom binder en OH-grupp. Eftersom syret

i alkoholerna är bundet med en elektronparbindning till kol är OHgruppen ingen jon. Om vi startar med metanmodellen igen och tänker

oss att byta en väteatom i molekylen mot en sådan OH-grupp får vi metanol.

I Detta är modeller av metanmolekylen och metanolmolekylen, CH,OH.

Om vi på samma sätt byter ut en väteatom i etan får vi etanol, C.H,OH. Bara syret i OH-gruppen binds alltså till kol, inte vätet. Det markerar

man genom att skriva just CH,OH och C,H.OH. När man ritar en streck-

c

Etanol CH,-CH;-OH

formel av en alkohol, börjar man med att rita kolvätet. Därefter ritar man ett streck till OH-gruppen från den kolatom till vilken OH-gruppen är bunden. Se tabell 6:2.

Alkoholernas namn Metanol och etanol är de systematiska namnen för de två enklaste alkoholerna. Namnet bildas av beteckningen för alkanen med tillägget -ol. Om antalet kolatomer är tre eller fler anger man på vilken kolatom OH-gruppen sitter. Det finns både 1-propanol och 2-propanol. Dioler

innehåller två OH-grupper, t ex etandiol, som också kallas glykol, CH,OH-CH,OH. Trioler innehåller tre OH-grupper, t ex propantriol, som också kallas glycerol. Varje kolatom binder högst en OH-grupp. Föreningar med två OH-grupper på samma kolatom är inte stabila.

Alkoholernas egenskaper Hydroxigruppen, -OH, i alkoholerna är ett exempel på funktionell grupp. Det är den funktionella gruppen som ger organiska ämnen deras specifika egenskaper. Bytet av en väteatom i en alkan mot en OH-grupp förändrar egenskaperna avsevärt. Jämfört med alkanerna har alkoholerna + högre smält- och kokpunkter

+ andra egenskaper som lösningsmedel + större blandbarhet med vatten

+ annan påverkan på kroppen.

94

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

Alkoholmolekyler med en kort kolkedja liknar vattenmolekyler. Man kan tänka sig alkoholerna som vattenmolekyler där ett väte bytts ut mot en kolkedja.

Skillnaden mellan vatten och alkoholer ökar när kolkedjan blir längre. Då liknar alkoholen mer en alkan. Det är hydroxigruppen som gör alkoholer vattenlösliga. I tabell 6:2 kan du se hur lösligheten i vatten ändras

med antalet kolatomer i kedjan och med antalet OH-grupper. Alkoholerna med upp till tre kolatomer och de som innehåller fler än en OHgrupp är lättlösliga, medan pentanol är mindre löslig. Lösligheten varierar också med kolkedjans byggnad. Tabell 6:2

Några egenskaper hos alkoholer

Namn

Formel

Streckformel

Löslighet"

Kpkt /”C

g/100 gH,0

Metanol

CH,OH

Etanol

C.H.OH

1-Propanol

C.H,OH

2-Propanol

C.H,OH

1-Butanol

CAHJOH

2-Butanol

C.H,OH

2-Metyk1-propanol — C.HJOH

2-Metyl2-propanol — C.HJOH 1-Pentanol 1,2-Etandiol glykol

&

65

00

78

&

97

”

82

8

118

TY

10

108

SYyTon

12

100

&

83

2

138

NCOH

ok Y

OH NMV0H

OH

CsH,,OH

DOK

CH,OH-CH,OH

HO”

1,2-Propandiol

CH;-CHOH-CH,OH

HO Y

1,2,3-Propantriol

OH OH CH;OH-CHOH-CHJOH = HO ANG

propylenglykol

OH

197

[0]

00

189

&

290

glycerol

+ Alla alkoholer i tabellen utom 2-metyl-2-propanol (smpkt 25 ”C) är vätskor vid rumstemperatur. 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

+ 95

Metanol, etanol, glykol och glycerol Metanol kan framställas genom upphettning av trä utan lufttillträde och kallas därför också träsprit. Den är mycket giftig och orsakar varje år flera fall av blindhet, förgiftningar och dödsfall. När kroppen förbränner metanol bildas en del mycket giftiga föreningar (formaldehyd och myrsyra). Etanol framställs genom jäsning av sockerlösningar. Sådana kan tillverkas av frukter, potatis, sockerrör, säd eller sockerbetor och numera ock-

så av cellulosa som först omvandlats till druvsocker (glukos). Etanol kan också framställas genom addition av vatten till eten.

H—0

/

H

H —

He H

—

/

H

H

00 H

Etanol är mindre giftig än metanol, men påverkar hjärnan redan i små

doser. Större doser kan vara dödande. Glykol, C,H,(OH),, och glycerol, C.H,(OH),, smakar sött liksom ”högre” alkoholer som zxylitol, C.H,(OH)s, och sorbitol, C.H,(OH),, som

används som ”sockerfria” sötningsmedel. Propylenglykol, C.H,(OH),, används som antifrysmedel. Glycerol ingår som byggsten i fetter och är nyttig för huden genom att mjuka upp och binda vatten till huden. Den, liksom propylenglykol, används därför i hudkrämer och i många andra hygienprodukter som mjukgörare. ÖVNING 606-607

Miljö, teknik & samhälle

Med sprit i tanken Etanol är intressant som motorbränsle.

tare än bensin explosiva blandningar

Kokpunkten är lämplig och den är ett biobränsle. Alkohol kan ersätta både

med luft. Därför är det nödvändigt att

etanoldrift allt vanligare. Man använder E85 som är en blandning av 85 26

i spolarvätska har troligen orsakat fordonsbränder.

etanol och 15 26 bensin. Etanolen erhålls dels genom destillation av billiga

Man känner lätt på lukten om ett fordon är etanoldrivet. Det luktar aldehy-

viner, dels genom jäsning av socker

der och ättika som bildas vid den ofull-

från cellulosa eller sockerrör. Vid full-

ständiga förbränningen i motorn. En

ständig förbränning ger etanol mindre

nackdel med alkohol som bränsle är att bilen har svårare att starta vid låga vintertemperaturer.

bensin och dieselolja och i Sverige blir

energi per gram än alkaner. Man måste tanka 30 96 mer. Etanolånga bildar lätt-

införa speciella explosionsskydd vid

tankningen. Även outspädda alkoholer

6.5 Förbränning av kolväten och alkoholer Vid fullständig förbränning av kolväten i luft eller syre bildas koldioxid och vatten.

- Exempel 6:2 Förbränning av butan: Först ordformel: butan + syre — koldioxid + vatten Därefter formlerna för deltagande ämnen:

CiHy + 0, P

CO,+HO

Kol ger koldioxid och väte blir vatten. Fyra C ger fyra CO, och tio H ger fem H,0. CiHi + 0; + 4CO,+5H,IO I högra ledet finns 13 st O (4 - 2 + 5 - 1), då krävs 6,5 0, i vänstra ledet: CiHyo + 6,50, > 4CO, + 5H,0 Nu är formeln balanserad, dvs det finns lika många av varje atomslag i båda leden. Men det normala är att man har heltalskoefficienter. Det får man genom att multiplicera alla koefficienter med 2. 2C.H,, + 130, > 8C0, + 10H,0 Kontrollera för säkerhets skull igen att det finns lika många atomer av varje slag i båda leden.

Även alkoholer kan förbrännas och etanol används ofta som bränsle. Etanol har en låg antändningstemperatur och bildar explosiva blandningar med luft. Vid fullständig förbränning bildas koldioxid och vatten:

C,H.OH +30, > 2CO, + 3H,0 Vid ofullständig förbränning (brist på syre) av kolväten och alkoholer bildas inte koldioxid utan kolmonoxid, CO, och många andra produkter

som innehåller kol, t ex sot. Kolmonoxid är en giftig, luktlös gas som

kan orsaka dödsfall. Kolmonoxid bildas om man stryper lufttillförseln när man eldar med gasol eller ved. Kolmonoxid bildas också vid den ofullständiga förbränningen i förbränningsmotorer (finns därför i bil-

avgaser). ÖVNING 608

6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

+ 97

Kolets två kretslopp

dz —

FE NUTID

Weörbränning

CH, + 20, —1CO, + 2H,ON+ värme

OMLOPPSTID 10? ÅR

FOTOSYNTES

-

LUM Miljö, teknik & samhälle

Fossila bränslen, ett balans-

problem? Olja och kol är resultatet av en fotosyntes (koldioxidupptag)

som skedde för mycket länge

sedan. Koldioxid som bildas vid förbränning av fossila bränslen

ger därför ett tillskott till vårt

nuvarande kretslopp av kol.

Atmosfärens innehåll av koldioxid ökar. Koldioxiden i atmosfären absorberar en del av vär-

mestrålningen från jorden. Det brukar beskrivas som växthus-

effekten. Förbränning av fossila

bränslen (men inte biobränslen) bidrar till en ökad växthus-

effekt, dvs orsakar en tempera-

turhöjning på jorden. För att

återställa balansen skulle man behöva öka fotosyntesen och

gräva ner de erhållna organiska ämnena nere i jordskorpan. Man inriktar sig nu bl a på att alstra energi utan att använda kolets kretslopp och istället sat-

sa på alternativa energikällor, som vätgas. Vätgasen kan fram-

ställas direkt ur vatten med

hjälp av solenergi, men ännu bara i liten skala. Vätgas ger ju bara vatten vid förbränning.

Kretslopp, biobränslen och fossila bränslen Kolatomer finns i atmosfärens och havens koldioxid, i metan, i växternas och djurens miljontals olika ämnen, i snäckornas skal, i marmor och kalksten, i olja och stenkol.

Kolets kretslopp beskriver hur kolföreningarna kan omvandlas från en form till en annan. Det går att urskilja två kretslopp: ett med en om-

loppstid på 200 år, och ett där omloppstiden är åtskilliga miljoner år. I kretsloppen ingår alla kolföreningar alltså även karbonater, t ex kalk-

sten och vätekarbonatjoner i havsvatten. Växternas fotosyntes är en del av kolets kretslopp på jorden. Koldioxid och vatten omvandlas med hjälp av energin i solljuset till syre och glukos (som i sin tur är källan till alla andra kolföreningar).

När ett vedträ brinner, ett träd förmultnar eller vi själva lever och andas

går denna kemiska reaktion åt motsatt håll och det bildas lika mycket 98

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

pr

O

URTID

Vart tar koldioxiden vägen? FOTOSYNTES OMLOPPSTID 10" ÅR

koldioxid som växterna tidigare tagit upp. Samtidigt förbrukas lika

mycket syre som bildades vid fotosyntesen. Energin frigörs som värme eller används till att driva livets olika processer. Vid all eldning av kolhaltiga bränslen utvecklas koldioxid. Den koldioxid, som uppkommer när ved förbränns, har tagits upp av växten i nuvarande

tid. En sådan förbränning ökar därför inte atmosfärens innehåll av koldioxid på sikt. Den koldioxid som tas upp och avges tillhör samma tids-

period. Bränslen som har denna egenskap kallas biobränslen. Råolja och naturgas, liksom stenkol, är fossila bränslen. De har bildats

ur växtrester och djurrester som begravts under berg och hav. Där har de legat under stort trycki en syrefri miljö i miljontals år. När de förbränns ändras alltså atmosfärens sammansättning, koldioxid ökar och

syre minskar. 6 KEMISKA ÄMNEN— ORGANISKA

+ 99

6.6 Halogenkolväten Det enklaste klorkolvätet kan man beskriva som metan med en väteatom utbytt mot en kloratom. Föreningen kallas monoklorometan. Om flera väteatomer byts ut bildas diklorometan, triklorometan (kloroform) och tetraklorometan.

U

&&

I praktiken är det svårt att byta ut väteatomer i alkaner mot halogenatomer av olika slag. Och när det lyckas får man sällan den produkt man vill ha. I stället kan man addera halogenen eller en vätehalogenid till en alken. Man kan då få den önskade produkten genom att välja rätt

utgångsämnen

HCl

+

NA

—

cl Några användningsområden för halogenkolväten Halogenkolväten är olösliga i vatten, men de löser ofta organiska föreningar bättre än vad kolväten gör. Som lösningsmedel i kemtvätt används ”perkloretylen”, dvs tetrakloroeten, CC1,=CCL. Halogenkolväten är också goda lösningsmedel för det fett som fungerar som isoleringsskikt i nerver. Därför verkar alla halogenkolväten bedövande. Som narkosmedel vid operationer används halotan som är 1-bromo-2,2,2-trifluoro-1-kloroetan (substituenterna skrivs i bokstavs-

ordning). ec

Br

100

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

Kolväten där de flesta vätena har bytts ut mot halogen släcker eld mycket effektivt. I brandsläckare (halonsläckare) används t ex CBrCIF,, ”halon 1211”. Även freoner är alkaner där väte nästan helt ersatts av fluor,

klor och ibland brom. De är mycket användbara som värmetransportmedel i kylsystem av olika slag. Tidigare användes de i stor omfattning

som drivgas i sprayburkar, för att de är ogiftiga. I många halogenkolväten kan halogenatomen lätt bytas ut mot en syre-

atom eller kväveatom i en substitutionsreaktion ". Därför används ofta halogenföreningar vid framställning av komplicerade organiska mole-

1] en substitutionsreaktion byts en

kovalent bunden atom (atomgrupp) mot en annan.

kyler.

Eten, där en eller flera väteatomer har bytts ut mot halogenatomer, används som utgångsämnen för framställning av plaster exempelvis kloroeten (vinylklorid), CH, =CHCI,

till PVC och tetrafluoroeten

CF,=CF,, till Teflon”. ÖVNING 609

Miljö, teknik & samhälle

Freonerna och ozonlagret Från början var livsprocesserna på jorden hänvisade till världshaven. Uppe

hål”) förklaras med människans användning av freoner och haloner.

på land förstörde den starka UV-strål-

Freonerna har visat sig farliga genom

ler som utgjorde basen för livet. När

att en enda molekyl i starkt solljus kan förstöra tusentals ozonmolekyler och

ningen från solen de organiska molekyfotosyntesen utvecklades steg halten

syre i atmosfären. UV-strålningen omvandlade en del av syret till O,, ozon,

som uppe i stratosfären bildade en skärm som absorberade den mesta UV-strålningen.

Då först kunde de levande organismerna kolonisera landmassan. Forskarna har upptäckt att detta ozonskikt håller på att tunnas ut, särskilt vid polerna. Denna ytterst farliga uttunning (”ozon-

September 24, 2001

spjälka dem till vanligt syre. Freonerna vandrar mycket långsamt upp till stra-

tosfären där ozonlagret ligger. Därför

kommer det att ta lång tid innan uttunningen av ozonskiktet upphör.

Freoner är numera förbjudna i många länder och man försöker att samla in det som finns kvar av freoner i gamla kylskåp och andra anläggningar.

FETTER

Id

Ozonhålet, det blå-rosa området över Antarktis, blir olika stort varje år.

6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

+ 101

6.7

Additionspolymerer, viktiga plaster

I en speciell typ av additionsreaktion, additionspolymerisation, kan

många omättade molekyler bindas ihop till en lång kedja.

Polyeten Eten kan polymeriseras. Då bryts den ena bindningen i dubbelbindningarna och de överblivna elektronerna slår ihop sig till enkelbindningar mellan molekylerna. Vi får polyeten, som innehåller en kedja med bara kol-kol-enkelbindningar.

nCH,=CH,>...-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-...> -(-CHy-CH,-)-n Vid polymerisation adderas tusentals molekyler till varandra. Många molekyler av en monomer (mono = en) kopplas samman till en polymer (poly = många). Kedjornas längd och packning i den färdiga polymeren kan varieras. Det ger olika egenskaper hos polymeren. Lågdensitetspolyeten (LD) är mjuk och smidig och används i bärkassar, högdensitetspolyeten (HD) är hård och passar till hårda leksaker, rör och dylikt. Plast innehåller, förutom själva polymeren, flera tillsatser. Vanligast är mjukgörare och antioxidationsmedel.

PVC och teflon Kloroeten, CH,=CHCI (vinylklorid) kan polymeriseras till PVC, polyvinylklorid, -(-CH,-CHCI-)-, PVC har mycket stora användningsområden och kan tillverkas både som styv plast och som mjukgjord. Nackdelen med PVC är att den vid förbränning ger väteklorid och små mängder giftiga dioxiner. Ytterligare en nackdel är att monomeren vinylklorid är cancerframkallande. Även de mjukmedel som sätts till PVC för att göra den smidig har väckt

debatt. För att skona miljön återvinner och återanvänder vi nu plast mer och mer. Tetrafluoroeten, C,F,, kan polymeriseras till polytetrafluoroeten (PTFE). Den saluförs under beteckningen Teflon? men är också grund-

materialet till Goretex.

102

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

Teflons låga friktion mot snö utnyttjas i skidor och Goretex används i kläderna.

Teflon? tål hög värme, och används som ytskikt i kok- och stekkärl. Den tål också nötning mycket bra, är kemiskt motståndskraftig och har låg friktion mot de flesta material. Den används därför i packningar, och som glidlager på skidor. PTFE kan inte vätas av vatten. Det utnyttjas i material som Goretex?. Materialet är en hinna med mikroskopiskt små hål, som släpper igenom

vattenmolekyler, men inte vattendroppar. Ett sportplagg av det här materialet är vattentätt, men släpper ut fukten från kroppen. Mer om Goretex? i Utmaningen 61.

6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

+ 103

Nya begrepp organisk kemi, molekylformel, strukturformel, sammandragen strukturformel, streckformel, bindningsvinkel, alkan,

alkylgrupp, isomeri, systematiskt namn, trivialnamn, cykloalkan, alken, additionsreaktion, alkyn, mättat och omättat

kolväte, råolja, cis-trans-isomeri,

Sammanfattning kapitel 6 3 Kolatomer bildar kovalenta bindningar med andra kolatomer och med många andra atomslag. 3 Kolatomer binds till varandra i ogrenade eller grenade kedjor

svetsning.

3 I alkoholmolekyler är kol kovalent bundet till syre i

och i ringar.

hydroxigruppen, OH-gruppen.

> Alkaner är kedjeformade, mät-

3k OH-gruppen är ett exempel på

tade kolväten och används som lösningsmedel, bränslen och

smörjmedel.

en funktionell grupp. > Ju kortare kolkedja en alkohol

har desto mer liknar den vatten

> Alkener och alkyner kallas omät-

alkohol, hydroxigrupp,

tade kolväten därför att de kan

funktionell grupp,

addera atomer från andra mole-

halogenkolväte,

kyler. Dubbelbindningar kan upp-

substitutionsreaktion,

visa cis-trans-isomeri, trippel-

polymer, monomer,

bindningar är linjära.

polymerisation, plast.

3k Alkyner omvandlas ofta till alkener och etyn användes till

isina egenskaper. > I halogenkolväten binds kol till halogenatomer med kovalent bindning.

3 Omättade kolföreningar kan

> Alkener används som utgångsmaterial för en stor mängd produkter.

polymeriseras, polyeten och PVC är vanliga polymerer.

Övningar 601

604

a) Det finns ytterligare isomerer av C/H,, utöver

a) Vilka av följande föreningar kan innehålla en dubbelbindning och vilka kan uppvisa cis-trans-

dem som beskrivs på sid 88. Rita deras streckformler och ge dem namn.

isomeri? C,H,Cl, C,H,Br,, C,H,Br,, C,H,BrCl,

C.H,Cl,, C.H,CL.

b) Rita en streckformel för 2,2,4-trimetylpentan (isooktan).

b) Rita streckformeln för 1-penten.

c) Ge namn och rita fullständiga strukturformler

c) Rita strukturformeln för 2-pentyn.

för alla tre isomererna av C.H,, i exempel 6.1

sid 87.

605 a) Skriv reaktionsformeln, med streckformler, för

addition av brom till propen.

602

a) Vilka är alkaner av: C,H;, C;Hs, C,Hs, CsH,,,

CH,-CH,y? b) Rita en sammandragen strukturfomel för butan.

addition av vätebromid till propen. Bromatomen adderas till kolatomen i mitten. c) Rita streckformlerna för de två 2-pentenerna och

603

ge dem namn.

a) Rita strukturformeln för heptan.

b) Namnge alla alkaner C,H,, som har en kedja av sex kolatomer och en förgrening bestående av en metylgrupp. c) Rita streckformeln för 2,3-dimetylpentan. 104

b) Skriv reaktionsformeln, med streckformler, för

+ 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

d) Varför finns det bara en 1-penten?

606

612

'Ge namn och strukturformel för den produkt/de

Du ska använda 1-pentanol i en reaktion. Etiketten

produkter, som bildas genom addition av

på flaskan har blivit delvis oläslig och du kan få fram 1-p......anol. Vilken annan alkohol skulle kunna

a) vätgas till acetylen

finnas i flaskan, och hur skulle du kunna avgöra

b) brom till 1-buten

vilken det är?

c) vatten till propen. 613

607

a) Rita strukturformler för 1-propanol och 2-propanol. b) Rita strukturformler för glycerol och propylenglykol. c) Rita en sammandragen strukturformel för

1-butanol.

Rita strukturformler och streckformler för minst fyra av alkanerna med summaformeln C,H,. Ge dem namn. (Samtliga finns i facit.) 614 Skriv en balanserad reaktionsformel för fullständig

förbränning av dekan, C,,H,,. 615

608

Skriv en reaktionsformel för fullständig förbränning av

Rita strukturen för den produkt som bildas vid

additionspolymerisation av propen.

a) propan Detta rutnät tillhör övningarna 616-618.

b) oktan

A B ec metan — | butan | CsHe

c) hexenol.

SA

609 Vilka av följande föreningar är vattenlösliga: etanol, 1-pentanol, etandiol, 1-butanol,

| CHe | propan

Y

CH,

etan

D CsHg

E CeHy

|1

cyklohexan | CeHi>

|2

CaHio

hexan

|3

CeHis

|4

CHa-CH3 |

610

b) alkaner

Anta att PVC bränns vid sophantering. Skriv reak-

c) butan eller isomerer till butan

tionsformeln för den fullständiga förbränningen. (Använd monomerens formel i reaktionsformeln!)

Föreslå någon åtgärd för att ta hand om de sura

d) hexan eller isomerer till hexan e) ämnen som kan vara cykloalkaner?

rökgaserna.

617 I vilka rutor finns

611

Sätt namn på följande föreningar, för b) även trivialnamn.

a

HO

OH

OH

b

HO

SL 0H

a) alkaner som säkert har ogrenade kolkedjor

b) alkaner som måste ha grenade kolkedjor c) alkaner som kan ha grenade kolkedjor

d) metylpropan (säkert!)?

AoH 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

+ 105

618

Detta rutnät hör till övningarna 622-624.

I vilken ruta eller vilka rutor finns

A

B

ec

D

E

a) gasformiga ogrenade alkaner

metan | butanol — |hexanol

b) det ämne som har lägst kokpunkt? Nedanstående rutsystem utnyttjas i övningarna

DYOH | Coke

[propandiot

| 2propanol |

XX

7 |Onson I vag | OH

619-621. A

B

c

CoHzClz | CoFa Br

D

CaHg

CoHs

"Yr | cHscHBreHercH, | cH,=cHcl

Br

Bi

Br CioHao

CH3-OH

ÅA

BS Br,

Pat

"

Br

SÅ | Ha

Br

AS Da

I

Pau

SF

C3H;OH — |CeHa2

2-kloro- | metylbutan

Y

IY

LoH

metanol | CzHs(OH)z

|CnHan.sOH

dimeyr

CAC!

rosa

C3HeCI

Br Br

propan

CI

Br

[Oe

622 I vilka rutor finns

CsHas

a) alkaner b) alkoholer c) halogenkolväten?

619 Vilken/vilka av rutorna innehåller föreningar

623

a) som är, eller kan vara, omättade

I vilken/vilka ruta/rutor finns

b) som innehåller en och endast en dubbelbind-

a) samma ämne som i ruta C1

ning c) som kan innehålla flera dubbelbindningar eller

b) samma ämne som i ruta D6 C) samma ämne som i ruta D2

en trippelbindning d) som kan användas till PVC-framställning?

d) samma ämne som i ruta E6 €) samma ämne som i ruta D5

620 a) Vilket/vilka par av rutor innehåller identiska molekyler?

f) samma ämne som i ruta E5 g) samma ämne som i ruta E4?

b) Vilket/vilka par av rutor innehåller cis- resp. trans-isomerer av samma ämne?

624 I vilken/vilka ruta/ rutor finns

621

a) propanoler

Vilken/vilka rutor innehåller ämnen som kan bil-

b) dioler

das genom addition av

a) vätgas till acetylen

—b) brom till 2-buten

c) väteklorid till eten — d) väteklorid till acetylen e) vätebromid till 1-buten?

106 + 6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA

1,3-dikloropropan

c) föreningar med tre kolatomer d) föreningar med fyra kolatomer €) en freon?

Utmaningen U61 +

Duläste i texten om det märkvärdiga materialet Goretex? som släpper igenom vattenånga men inte vattendroppar. Men materialet används

inte bara i sportplagg. Din uppgift är att ta reda andra tillämpningar, t ex genom att söka på nätet.

6 KEMISKA ÄMNEN — ORGANISKA & 107

En varm och solig dag avdunstar vatten från sjöar och vattendrag. När kvällskylan kommer, kondenseras en del av vattenångan och dimma breder ut sig. När osynliga gasformiga ämnen bildas kan man få en känsla av att materia försvinner — men det är en synvilla, ingenting försvinner.

Reaktionsformeln bestämmer substansmängderna I tidigare kapitel har du lärt dig att räkna med substansmängder och balansera reaktionsformler. I det här kapitlet får du lära dig göra beräkningar som utgår från reaktionsformeln. Reaktionsformeln för fullständig förbränning av butan är:

2C.H,, + 130,

>

8CO, + 10H,0O

Den visar att 2 mol C,H,, reagerar med 13 mol O, och bildar 8 mol CO, och 10 mol H,O. Man använder alltså reaktionsformeln för att ta reda på sambandet mellan substansmängderna av reaktanter och produkter vid en kemisk reaktion. Ibland kan den svåraste delen av en beräkningsuppgift vara att beräkna förhållandet mellan substansmängderna i en

reaktion. Låt oss titta på ytterligare ett exempel.

Exempel 7:1 Hur stor substansmängd syrgas krävs för att förbränna 0,8 mol hexan fullständigt, och hur stor substansmängd koldioxid bildas då? Starta med reaktionsformeln

2CH,, + 190, — 12C0, + 14H,0 Beräkna substansmängderna

Formeln visar att 2 mol CsH,, kräver 19 mol O,, dvs 1 mol C/H,, kräver 9,5 mol O, eller 0,8 mol C;H,, kräver 9,5 + 0,8 mol 0, = 7,6 mol O,. Formeln visar också att 1 mol C,H,, bildar 6 mol CO,, dvs 0,8 mol C,H,, bildar 6 + 0,8 mol CO, = 4,8 mol CO,. ÖVNING 701-704 108

+ 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

KAPITEL 7

För att upprätthålla kropps-

funktionerna måste du ta upp ca 600 g rent syre per dygn. Syret går huvudsakligen

åt för att förbränna glukos, C/H,,Os, till koldioxid och vatten. Hur mycket glukos förbränner du per

dygn? Fundera på frågan medan du läser kapitlet.

7.2 Att räkna med massa Du har tidigare lärt dig att beräkna massan av ett ämne om substansmängden är känd och tvärtom (kap 4). I praktiken vill man ofta veta någon av reaktanternas eller produkternas massa. Begreppet substansmängd är huvudsakligen ett hjälpmedel. I miljödebatten diskuteras i vilken utsträckning utsläppen av koldioxid vid förbränning av fossila bränslen orsakar klimatförändringar. En stor del av de fossila bränslena utgörs av bensin. Därför är det intressant att

ta reda på hur mycket koldioxid som släpps ut vid förbränning av bensin. Hur man beräknar det ser du i följande exempel:

— Exempel 7:2 En bil har på 55 mil förbrukat 50 liter (35 kg) bensin. Bensinen kan tänkas bestå av oktan, C.H,,. Hur många kilogram koldioxid har bildats under färden?

Starta med reaktionsformeln: 2C.H,, + 250, — 16C0,+18H,0 Reaktionsformeln säger att 2 mol C,H,, bildar 16 mol CO,, dvs 1 mol C,H,, bildar 8 mol CO,. Beräkna substansmängden:

Först för C.H,,, och därefter för CO,. MICAH,s) = 114,23 g/mol

350008 n(CsH.s) == 174-23 g/imoi = 208 mol 306 mol C,H,, ger 8 + 306 mol CO, = 2448 Beräkna slutligen massan

mol CO,

M(CO,) = 44,011 g/mol

m(CO))= 44,011 g/mol + 2448 mol = 107739 g = 1,1 + 10” kg (2 gällande siffror) Det har alltså bildats 1,1 + 107 (108) kg koldioxid. I följande exempel visar vi hur man räknar när förhållandet mellan

substansmängderna inte blir heltal.

- Exempel 7:3 Järn framställs när järnoxid upphettas kraftigt tillsammans med kol. Vid den höga temperaturen i ugnen bildar kolet i första hand kolmonoxid, CO, inte koldioxid.

I detta fall antar vi att järnmalmen innehåller trijärntetraoxid.

Reaktionsformeln är: Fe,0, + 4C — 3Fe + 4C0 Beräkna massan av det kol som förbrukas vid framställning av 1,0 kg järn.

Utgå från reaktionsformeln Den säger att 3 mol Fe kräver 4 mol C, dvs 1 mol Fe kräver 3 mol C.

M(Fe) = 55,85 g/mol och M(C) = 12,011 g/mol , Subtansmängd Fe: 1,0 kg järn innehåller substansmängden 19:19” mo Fe.

.

Substansmängd

C: Då krävs på

12,011 g/mol

4

1,0:10

3 55,85

1,0-10? 55,85

+ 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

mol C

mol = 2,87 + 10? g = 0,287 kg

Det förbrukas alltså 0,29 kg kol.

110

55,85

Vid beräkningar av det här slaget följer man alltid samma mönster. Man skriver en reaktionsformel och använder den för att ta reda på sambandet mellan substansmängderna. Därefter kan man beräkna det som efterfrågas. Till sist kontrollerar man att antalet gällande siffror stämmer och att resultatet är rimligt. sk Nu kan du räkna ut svaret på den inledande frågan: Hur stor massa glukos förbränner du per dygn? ÖVNING 705-706

7.3 Att räkna med lösningar I kapitel 5 fick du veta att syror, basiska ämnen och salter ofta finns i vattenlösning. Ska man använda ett ämne i lösning måste man veta lösningens halt. Halten, som visar hur mycket man har av ämnet i lösningen, kan anges på olika sätt.

S

1 LITER LÄTTMJÖLK, FETTHALT 0,596 Ingredienser: Lågpastöriserad mjölk, fetthalt 0,56, vitamin A och D. Kylvara: Förvaras vid högst +8C. Näringsvärde per 100 g (ca 1 då) och i 96 av Rekommenderat Dagligt Intag (RDI:

Masshalt Masshalt används när man anger t ex näringsvärden i livsmedel eller verksamt ämne i läkemedel. Om 100 g av lösningen innehåller 2 g av

det lösta ämnet är masshalten 2 96. Masshalten av ett ämne är kvoten av massa löst ämne och lösningens totala massa.

1596 av RDI 6 av Rol De flesta innehållsdeklarationer

brukar beskriva vilka ämnen som

Exempel 7:4

finns i 100 g av ett livsmedel.

På en mjölkförpackning kan man läsa att 100 g (1 dl) lättmjölk innehåller bl a 120 mg kalcium och att detta utgör 15 96 av det rekommenderade dagliga intaget av kalcium. Hur stort är dagsbehovet av kalcium och hur mycket lättmjölk ska man

dricka för att få i sig hela dagsbehovet?

120 mg Ca motsvarar 15 96 av dagsbehovet.

Hela dagsbehovet, dvs 100 96, motsvarar 1205E=800 me. Man ska dricka

800 mg 120 mg/dl 07 dl.

Dagsbehovet av kalcium är 800 mg vilket motsvarar 6,7 dl lättmjölk.

Volymhalt Volymhalten 12 26 innebär att 100 cm? lösning innehåller 12 cm? löst ämne. Begreppet volymhalt används framför allt när man löser en vätska i en annan vätska. Då vill man kunna ange volymen löst ämne per volym lösning. Alkoholhalt i drycker brukar anges i volymprocent. När man blandar olika vätskor med varandra, är det inte säkert att slutvolymen

blir lika stor som summan av de blandade volymerna. I kommande exempel och övningsuppgifter antar vi att slutvolymen är summan av de volymer som blandas. 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

+ 111

- Exempel 7:53

AA aa-|-

1 T-Blå är volymhalten alkohol 95 96 (huvudsakligen etanol). Den används som spolarvätska i bilar. För att inte vara brandfarlig måste den spädas så att volymhalten alkohol är lägre än 25 96. Hur mycket vatten måste man sätta till 1 liter T-Blå för att den inte ska vara brandfarlig?

1 liter T-Blå innehåller 0,95 liter alkohol. 0,95 liter alkohol ska alltså motsvara 25 96 av den utspädda lösningens volym. 0,95 liter Hela volymen är då "025

238 liter .

Den utspädda lösningens totala volym är 3,8 liter. Om volymhalten ska vara lägre än 25 96 så måste man tillsätta minst 3 (2,8) liter vatten. ÖVNING 707-709

Koncentration

En flaska T-blå. Denna flaska innehåller etanol och 2-propanol 1,2-etandiol, 2-butanon.

Ofta behöver man veta hur stor substansmängd det finns av de olika ämnena i en lösning. I kemiska sammanhang är det mest praktiskt och därför vanligt att använda storheten koncentration för att ange halten av lösningen. Enheten för koncentration är 1 mol/dm? = 1 mol-dm”?.

Exempel 7:6 0,250 mol kopparnitrat löses i vatten. Lösningen späds till 1,50 dm”. Beräkna lösningens koncentration.

Koncentrationen är

"

0.250 mol

1,50 dm”

=

0,167mol/dm?.

ÖVNING 710

En lösning med koncentra-

tionen 1 mol/dm? innehåller 1 mol löst ämne per dm? lösning.

Så gör man en lösning med given koncentration Anta att man vill göra en lösning av kopparsulfat med volymen 250,0

cm? och koncentrationen 0,200 mol/dm”. Man utgår från kopparsulfati fast form, CuSO, : 5H,O, och vatten. Massan + kopparsulfat som man

ska väga upp beräknas så här:

Lösningen ska innehålla 0,200 mol/dm? - 0,2500 dm” = 0,0500 mol kopparsulfat.

M(CuSO, : 5H,O) = 249,69 g/mol. Massan kopparsulfat: 249,69 g/mol : 0,0500 mol = 12,5 g. Hur gör man nu själva lösningen? För att göra en lösning med noggrant angiven koncentration använder man en mätkolv. (En mätcylinder duger inte.) Man väger upp saltet med den noggrannhet som krävs och för

över det till mätkolven. Kolven fylls till ungefär hälften med vatten, proppen sätts i och kolven skakas tills saltet har löst sig. Sedan fyller man kolven med vatten upp till märket. Allra sist vänder man kolven

upp och ned så många gånger att lösningen blir homogen. 112

+ 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

Om koncentrationen av den lösning man ska göra är mer ungefärlig,

tex 0,2 mol/dm” i stället för 0,200 mol/dm”, kan man mäta vattnet i mätcylinder och sedan lösa det uppvägda saltet i vattnet.

Halva vattenvolymen tillsätts och saltet löses.

Saltet överförs till

mätkolven. Se till

Mätkolven fylls med vatten upp till märket. Vätskeytan

ska precis nudda märket

att allt kommer med.

ÖVNING 711-712

Sambandet substansmängd - koncentration — volym I ovanstående beräkning av massan kopparsulfat i en lösning kan man se att för en lösning gäller sambandet: substansmängd löst ämne = (lösningens koncentration) + (lösningens volym).

Storhet Beteckning

Enhet

substansmängd

= koncentration

n

=

c

mol

=

mol/dm?

+ volym Vv

+ dm?

I följande tre exempel handlar beräkningarna om just sambandet mellan substansmängd, koncentration och volym. Om två av storheterna är kända,

kan man beräkna den tredje. Det betyder exempelvis att om man känner koncentrationen och volymen, kan man beräkna hur stor substansmängd löst ämne det finns i en lösning. 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

+ 113

- Exempel 7:7 En natriumkloridlösning har koncentrationen 0,24 mol/dm?. a) Beräkna substansmängden natriumklorid i 3,0 dm? av lösningen. 1 dm? lösning innehåller substansmängden 0,24 mol. 1 3,0 dm? lösning finns substansmängden 0,24 mol/dm? + 3,0 dm? = 0,72 mol. b) Beräkna substansmängden natriumklorid i 450 cm? av samma lösning. 450 cm? = 0,450 dm? I volymen 0,450 dm? finns substansmängden 0,24 mol/dm? + 0,450 dm? = 0,11 mol.

Om substansmängd och volym är kända kan koncentrationen beräknas.

— Exempel 7:8 En lösning med volymen 1,6 dm” innehåller 0,060 mol natriumnitrat. Beräkna koncentrationen av natriumnitrat i lösningen, dvs substansmängden per dm” lösning.

&&S& De tre mätcylindrarna innehåller lösningar av samma ämne. Häll ihop lösning A och C så får du lösning B. Substansmängderna adderas, volymerna också, men hur blir det med koncentrationen?

Blandningens koncentration blir 0,64 mol/dm?.

ÖVNING 718-720

Jonernas koncentration i en lösning Ilösningar av jonföreningar finns fria joner. Ofta är man intresserad

av de enskilda jonslagen

var för sig. 1 mol NaCl inehåller 1 mol Na” och

1 mol CI". I en natriumkloridlösning med koncentrationen

0,1 mol/dm? är koncentrationen av Na” 0,1 mol/dm? och koncentrationen av CI” 0,1 mol/dm?. 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

+ 115

CaCly(s)

CaCI, (aq)

I en lösning av ett salt kan positiva och negativa joner ha olika koncentration. 0,5 mol CaCl, innehåller 0,5 mol Ca?” och 2 + 0,5 mol CI. I en lösning av kalciumklorid med koncentrationen 0,5 mol/dm? är

alltså koncentrationen av Ca” 0,5 mol/dm” och av CI” 1 mol/dm?. Koncentrationen av ämnet

AB betecknas c(AB). Koncentrationen av partikelslaget A betecknas [A] eller e(A).

Koncentrationen av ett ämne AB betecknas c(AB). Koncentrationen av ett partikelslag A skrivs vanligen [A] men kan också skrivas c(A). I en aluminiumkloridlösning där c(AICL) = 0,5 mol/dm? är

[AP] = 0,5 mol/dm? och [CI] = 1,5 mol/dm?. ÖVNING 721-723

7.4 Att räkna med massa och lösningar Anta att vi ska framställa t ex 25 g kopparklorid ur kopparoxid och saltsyra. Då behöver vi ta reda på hur mycket kopparoxid och saltsyra som

går åt. Se på formeln för reaktionen mellan kopparoxid och saltsyra CuO + 2H" + 2CI"

>

H,O + Cu” + 2CI

För att sambandet mellan substansmängderna av ämnena ska bli ännu tydligare kan man skriva formeln för syran och saltet på följande sätt: (Kom ihåg att man normalt skriver saltsyra och en lösning av kopparklorid som fria joner.) CuO(s)

+ 2HCl(aq)

—

H,O + CuCl,(aq)

Formeln visar att 1 mol CuO reagerar med 2 mol HCI och det bildas 1 mol H,O och 1 mol CuCL. Detta samband utnyttjas när volymen saltsyra som går åt ska beräknas, vilket exempel 7:13 visar.

116 + 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

- Exempel 7:13 25,0 g kopparklorid, CuCl,, ska framställas. Beräkna massan av den kopparoxid som krävs och volymen av den saltsyra med koncentrationen 4,0 mol/dm” som förbrukas vid reaktionen. Reaktionsformel

CuO(s) + 2HCI(aq) —

H,O + CuCl(aq)

Reaktionsformeln visar att 1 mol CuCl, kräver 1 mol CuO och 2 mol HCI.

Substansmängd CuCl, M(CuCI,) = 134,45 a g/mol. 25,0 g Vi vill alltså framställa 737-45 g/mol

CuCl,; = 0,186 mol CuCI,.

När 0,186 mol CuCI, bildas, förbrukas 0,186 mol CuO och 2 + 0,186 mol HCI = 0,372 mol HCI.

Massan CuO M(CuO) = 79,55 g/mol m(CuO) = 79,55 g/mol-0,186 mol = 14,8 g Volymen saltsyra Saltsyrans koncentration är 4,0 mol/dm”. '0,372 mol HCI finns i

0,372 m 4,0 mol/dm?

),093 dm”.

Det behövs alltså 14,8 g kopparoxid och 93 cm? saltsyra. Man resonerar på samma sätt när man räknar på en reaktion mellan två

lösningar. Det kan t ex gälla reaktionen mellan en syra och en hydroxidlösning. Då får man som resultat en lösning av ett salt, vilket exempel 7:14 visar.

Exempel 7:14 43,8 cm? natriumhydroxidlösning med koncentrationen 0,145 mol/dm”

ska neutraliseras med salpetersyra. Beräkna hur stor volym salpetersyra med koncentrationen 0,196 mol/dm” som går åt.

Reaktionformeln Na' + OH + H'+NO3 — HO +Na' + NO3 (eller NaOH(aq) + HNO,(aq) — H,O + NaNO,(aq)) 1 mol NaOH reagerar med 1 mol HNO,. Substansmängd NaOH

n(NaOH) = 0,145 mol/dm? - 0,0438 dm? = 0,00635 mol. 0,00635 mol NaOH reagerar med 0,00635 mol HNO,. Volym salpetersyra

Salpetersyrans koncentration är 0,196 mol/dm?. Volymen salpetersyra =

:0,00635 mol 0,196 mol/dm?

0,0324 dm?

Det går alltså åt 32,4 cm” salpetersyra. ÖVNING 724-725 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

+ 117

Vad händer om reaktanterna inte går jämnt upp? Vi såg i exempel 7:13 att 14,8 g kopparoxid reagerar med 93 cm? saltsyra med koncentrationen 4,0 mol/dm? och det bildas 25,0 g koppar-

klorid. Men vad händer om man i stället tillsätter endast 83 cm? saltsyra? Då räcker inte syran till för att all kopparoxid ska kunna reagera. Det blir en rest av kopparoxid kvar och det bildas mindre än 25,0 g kopparklorid. I så fall säger man att saltsyran är det begränsande ämnet. Hur stor mängd av en produkt man får, bestäms av det begränsande ämnet. I praktiken har man ofta överskott av syra, när man ska lösa ett ämne.

Annars tar upplösningen alltför lång tid. Det kan också finnas andra skäl till att använda överskott av en reaktant. Det kan vara stor prisskillnad mellan ämnena, vilket gör att man använder överskott av det

billigare. Syre finns därför ofta i stort överskott då ämnen ska oxideras.

Väte förbränns i ett överskott av syrgas. 6 vätemolekyler och 10 syremolekyler bildar 6 vattenmolekyler. Endast 3 syremolekyler kan reagera med väte och 7 blir över. Väte är begränsande ämne.

118

+ 7 KEMISKA BERÄKNINGAR

- Exempel 7:15

Man blandar 10 g väte och 150 g syre som får reagera. Då bildas vatten. a) Beräkna substansmängden väte respektive syre. b) Skriv reaktionsformeln. c) Vilket ämne är begränsande ämne? d) Beräkna massan av det vatten som bildas. e) Vilket ämne finns i överskott? Beräkna massan av överskottet. a)

MH.) = 2,016 g/mol 10 g väte innehåller följande substansmängd: 108 n(H) = 2016 g/mat Me = 5,0 mol H, MIO.) = 32,00 g/mol. 150 g syre innehåller följande substansmängd: 1508g/mal 0, 2? =4,7 mol 0, MO) = 33-00 b)

2H,+0,

> 2H,0

c)

Enligt reaktionsformeln reagerar 2 mol H, med 1 mol O,. Då räcker 5,0 mol H, bara till att reagera med 2,5 mol 0,. Väte är begränsande ämne, dvs det tar slut först och är avgörande för hur mycket vatten som kan bildas. d)

Av 5,0 mol H, och 2,5 mol 0, bildas 5,0 mol H,0. M(H,0) = 18,016 g/mol m(H,0) = 18,016 g/mol + 5,0 mol = 90 g e)

Syre finns i överskott. 2,5 mol 0, (med massan 80 g) reagerar. Då återstår (150-80) g syre = 70 g. För att beräkna alla substansmängder som reagerar eller bildas behöver man bara känna till substansmängden för ett av ämnena. ÖVNING 726-729

7 KEMISKA BERÄKNINGAR

+ 119

Sammanfattning

Nya begrepp lösningars halt, masshalt,

volymhalt,

+ Lösningars halt kan uttryckas

koncentration men inte substans-

som masshalt, volymhalt eller

mängd.

koncentration. Koncentrationen

> Från reaktionsformeln kan man utläsa sambandet mellan sub-

av ett ämne AB betecknas c(AB).

koncentration,

Koncentrationen av ett partikel-

begränsande ämne.

slag A kan betecknas c(A) men

också [A], vilket är vanligast.

Enheten för koncentration är

stansmängder av olika ämnen som ingår i en reaktion och räkna ut massorna. Ingenting försvinner.

> Känner man två av storheterna

Den sammanlagda massan av de ämnen som finns efter reaktionen är alltid lika med massan av ut-

substansmängd, koncentration och

gångsämnena före reaktionen.

1 mol/dm”.

volym, kan den tredje beräknas.

&k När man sammanför substans-

>k Mätkolv används vid framställ-

mängder som inte motsvarar

ning av en lösning med noggrant angiven koncentration.

reaktionsformeln, bestäms mäng-

+ Vid spädning ändras volym och

den produkt av det begränsande ämnet.

Övningar 701

Metan förbränns enligt reaktionsformeln

CH, + 20, > CO, + 2H,O

€) Ange substansmängden kol som krävs för framställning av 52 mol järn. 703

a) Vilken substansmängd syrgas krävs för förbränning av 1,6 mol metan?

Blyoxid, PbO, kan framställas ur blysulfid, PbS,

b) Vilken substansmängd koldioxid bildas av

2PbS + 30, > 2PbO + 250,

7,2 mol metan?

a) Vilken substansmängd syre krävs för reaktion

c) Vilken substansmängd vatten bildas av 1,3 mol

metan?

702 Järn kan framställas ur järnoxid, Fe,O,, genom reaktion med kol. Reaktionen kan tänkas ske enligt

—

2Fe + 3CO

a) Ange substansmängden kol som krävs för reaktion med 2 mol järnoxid. b) Vilken substansmängd järn bildas ur 0,4 mol

järnoxid?

120

med 0,6 mol blysulfid? b) Vilken substansmängd svaveldioxid har bildats

d) Vilken substansmängd metan har förbränts, om det har bildats 1,2 mol vatten?

formeln Fe,0, + 3C

enligt reaktionsformeln

+ 7 KEMISKA BERÄKNINGAR ÖVNINGAR

samtidigt med 1,48 mol blyoxid? c) Vilken substansmängd syre har förbrukats vid en reaktion där 1,4 mol svaveldioxid har bildats? 704 Butan förbränns enligt reaktionsformeln

2C.H,, + 130, > 8CO, + 10H,O

a) Vilken substansmängd butan förbränns om det bildas 0,16 mol koldioxid? b) Vilken substansmängd butan förbränns, om det

bildas 7,0 - 107? mol vatten?

705 Natrium reagerar med klor enligt formeln 2Na(s) + Cl, (8) > 2NaCl(s)

713 Beräkna substansmängden natriumklorid i en lösning om

Beräkna massan av den natriumklorid som kan

a) volymen är 1,5 dm” och koncentrationen

framställas ur 0,47 g natrium.

706 Magnesium kan reagera med kväve och bilda magnesiumnitrid, Mg,N,. Skriv formeln för reaktionen och beräkna massan av den magnesiumnitrid som bildas av 0,516 g magnesium.

707 Du ska göra 2,5 dm? fysiologisk koksaltlösning, masshalt 0,9 96. Hur mycket natriumklorid behöver du?

0,40 mol/dm?. b) volymen är 320 cm? och koncentrationen

0,25 mol/dm”. 714 Beräkna koncentrationen av ett ämne om man löser a) 2,4 mol i vatten och lösningens volym är 0,80 dm? b) 0,65 mol i vatten och lösningens volym är

130 cm”

708 Salthalten i Döda havet är ungefär så stor som den man får om man löser 55 g natriumklorid i 100 g

c) 3,8 : 10” mol i vatten och lösningens volym

är 20,0 cm”.

vatten. Hur stor är masshalten natriumklorid? 709 I vissa livsmedelsaffärer finns ättika med volymhalten 24 26. Den måste spädas för att användas till matlagning. Hur mycket vatten ska man tillsätta till 1 dl ättika för att få inläggningsättika som har volym-

715 En lösning av kaliumnitrat har koncentrationen 0,320 mol/dm”. Vilken volym ska man mäta upp om man vill ha en lösning som innehåller a) 1,12 mol

halten 6 20?

b) 0,128 mol?

710

716

0,80 mol kaliumklorid löses i vatten och man

Beräkna massan natriumhydroxid som går åt för

späder volymen till 4,0 dm”. Beräkna lösningens

att göra 0,250 dm” lösning med koncentrationen

koncentration.

0,10 mol/dm?.

711 Man vill göra 500,0 cm? natriumnitratlösning med

717 Man vill göra 0,250 dm? lösning med koncentratio-

koncentrationen 0,300 mol/dm? genom att lösa natriumnitrat, NaNO,, i vatten i en 500 cm” mätkolv

nen 0,0150 mol/dm? av följande ämnen. Beräkna

och sedan späda lösningen till märket. a) Beräkna n(NaNO,) som går åt till lösningen.

b) Beräkna M(NaNO,).

den massa man ska väga upp. a) Kalciumklorid b) Aluminiumnitrat c) Natriumsulfat.

c) Beräkna m(NaNO,) som ska vägas upp till

lösningen. 712 0,1256 g koppar(ID nitrat, Cu(NO;), : 3H,O förs

718 500 cm? kopparsulfatlösning med koncentrationen

0,18 mol/dm? späds med 400 cm? vatten. Beräkna koncentrationen.

ned i en 500 cm” mätkolv och löses i en liten volym vatten. Sedan späder man till märket. Beräkna lösningens koncentration. 7 KEMISKA BERÄKNINGAR ÖVNINGAR

+ 121

719

726

Man vill göra 2,5 dm? saltsyra med koncentrationen 0,16 mol/dm”. Vilken volym behöver man ta av en

Man låter 10 mol fosfor reagera med 12 mol syre. Reaktionen sker enligt formeln

saltsyralösning med koncentrationen 4,0 mol/dm”?

4P(s) + 50,(8) > 2P,0s(s)

720 Man blandar 10,0 cm? natriumhydroxidlösning,

koncentration 0,25 mol/dm? med 20,0 cm? natriumhydroxidlösning, koncentration 0,075 mol/dm”.

Beräkna blandningens koncentration.

a) Vilket är det begränsande ämnet?

b) Beräkna substansmängden P,O, som bildas. 727 Svavel kan reagera med koppar och bilda dikopparsulfid, Cu,S. Reaktionen sker enligt formeln

721 En lösning innehåller 0,25 mol aluminiumsulfat,

2Cu+S

—

Cu,S

AL(SO,);. Ange substansmängden

Man blandar 2,00 g koppar och 2,00 g svavel. Beräkna massan av den dikopparsulfid som

a) AP”

maximalt kan bildas.

b) sor

728

Du ska framställa bariumsulfat genom en fällnings-

722 En lösning av natriumsulfat har koncentrationen

0,17 mol/dm”. Ange

reaktion. Du blandar 25,0 cm” bariumkloridlös-

ning, koncentration 0,250 mol/dm?, med 50,0 cm? natriumsulfatlösning, koncentration 0,150 mol/dm”.

a) c(Na,SO,)

Hur stor massa bariumsulfat kan du maximalt

b) [Na”]

erhålla?

ce) [SO]]

729

Varför kan man utan beräkningar med säkerhet

723 En lösning av kalciumhydroxid, Ca(OH),,

har koncentrationen 1,4 - 10” mol/dm”. Ange a) [Ca]

b) [OH]

724 Du ska framställa zinkklorid av 15 g zink och saltsyra med koncentrationen 2,0 mol/dm”. a) Skriv reaktionsformel.

b) Beräkna hur stor volym av syran som minst

krävs för att all zink ska reagera. 725

50,8 cm” 0,200 mol/dm? saltsyra ska neutraliseras med natriumhydroxidlösning som har koncentra-

tionen 0,185 mol/dm?. a) Skriv formeln för reaktionen mellan saltsyra

och natriumhydroxid. b) Beräkna volymen natriumhydroxidlösning som

går åt.

122

+ 7 KEMISKA BERÄKNINGAR ÖVNINGAR

säga att svaret är orimligt i följande uppgifter? a) Beräkna substansmängden NaCl i 70,0 g natriumklorid. M(NaCI) = 58,5 g/mol. Svar: 0,84 mol.

b) 5,4 g aluminium reagerar med 21 g klor. Beräkna massan aluminiumklorid, som bildas. Svar: 36,9 g aluminiumklorid. c) Man blandar 0,100 dm? natriumkloridlösning med koncentrationen 0,150 mol/dm? och 0,400 dm? natriumkloridlösning med koncentra-

tionen 0,090 mol/dm”. Beräkna blandningens koncentration. Svar: 0,051 mol/dm?. eller Svar: 0,240 mol/dm”.

Blandade övningar

svetsning av räls för att få en räls helt utan spän-

730

smält järn bildas. Reaktionen sker enligt formeln

En lösning innehåller 0,40 mol järn (III klorid,

2Al + Fe,0,

FeCl,. Ange substansmängden a) Fe b) CF 731

ningar och sker under så stark värmeutveckling att —

2Fe + ALO,

Beräkna massan av det järn som maximalt kan

framställas ur 1,0 kg dijärntrioxid. 737 Man blandar 75 cm” kaliumpermanganatlösning

Beräkna den massa natriumsulfatdekahydrat,

med koncentrationen 0,13 mol/dm”, 0,200 dm?

Na,SO, : 10H,O, som krävs för att göra 225 cm” lös-

av en annan kaliumpermanganatlösning med kon-

ning med koncentrationen 0,150 mol/dm”.

centrationen 0,30 mol/dm? samt 225 cm? vatten. Beräkna blandningens koncentration.

732 20,2 cm” av en kopparsulfatlösning med koncen-

trationen 0,107 mol/dm? överförs till en 250 cm? mätkolv. Sedan späder man med vatten till märket. Beräkna koncentrationen av kopparsulfat i den nya lösningen.

733 Vid upphettning av kristalliserat kopparsulfat till 150 ”C avges vatten enligt formeln

CuSO, : SH,O(s) > 4H,O(g) + CuSO, : H,O(s) Beräkna massan av det vatten som avgår vid upphettning till 150 ”C av 10,0 g kristalliserat koppar-

sulfat. 734 Gipsförband görs av bränd gips, CaSO, : v2H,O,

som man rör ut med vatten. Då hårdnar gipset till

CaSO, - 2H,O.

Beräkna hur mycket tyngre gipset blir när det hårdnat och torkat. Svara i procent. 735

Fjärilshannar kan uppfatta även mycket låga halter av vissa doftämnen, s k feromoner, som utsänds av

fjärilshonor av samma art. För silkesfjärilen har

doftämnet molmassan 238 g/mol. Vid ett försök fann man att fjärilshannarna reagerade för doft-

ämnet när 1,0 + 10? m? luft innehöll 1,0 - 107" g av doftämnet. Hur många molekyler fanns då i 1,0 cm? luft? 736 En dyrbar metod att framställa järn är att låta järnoxid reagera med aluminium. Den används vid 7 KEMISKA BERÄKNINGAR ÖVNINGAR + 123

Varför kan man vaska guld men inte bly? Varför mörknar ett skalat äpple och varför ska man inte spika fast ett koppartak med järnspik? Vilket slags reaktion är foto-

syntesen? För att svara på dessa frågor måste man veta en del om oxidation och reduktion. Redoxreaktioner Om man upphettar magnesium i luft, så börjar det brinna med en starkt lysande låga. Kvar blir ett vitt pulver, magnesiumoxid. Det som sker vid reaktionen är att magnesiumatomerna avger sina två valenselektroner och bildar magnesiumjoner, Mg”” (kap 3).

Mg

—

Mg” +2e

Magnesiumjonen har ädelgasstruktur. De elektroner som magnesiumatomer avger, måste något annat atomslag ta upp. Här är det syreatomer som tar upp elektronerna

22405

0

eller om vi beskriver det för en hel syremolekyl:

4e +0,

>

207

Oxidjonen, O”, har också ädelgasstruktur. Vid reaktionen bildas

magnesiumoxid i fast form. Formeln för totalreaktionen blir: 2Mg(s) + O.(8) 124

—

2MgO(s)

+ 8 REDOXREAKTIONER

PAR Eeert tTed ijordskorpan. Trots det är vi noga

[UUCZe [era Ret etT leraRei orig UT EaLTRSe och återanvända metallen. Varför gör vi det? Fundera på det medan du läser kapitlet.

Magnesium reagerar häftigt även med klor. Vid reaktionen bildas magnesiumklorid. Elektroner går över från magnesiumatomer till kloratomer. Både magnesiumjoner och kloridjoner har ädelgasstruktur. Formeln för totalreaktionen är: Mg(s) + CL(g8)

>

MgCL(s)

Magnesium reagerar alltså på samma sätt med klor som med syre.

Reaktionen för magnesium är i båda fallen,

Mg

—> Mg" +2e

Magnesium avger elektroner. Reaktionerna för syreatomer och kloratomer är,

O+2e

Magnesium brinner i luft, magnesiumoxid bildas.

C+e

0"

>

CI

Syre och klor tar båda upp elektroner. Namnen på de föreningar som har bildats, bygger på vilka atomslag som har tagit upp elektroner. Negativa enatomiga joner ges på så sätt ändelsen —id. I dessa fall får vi oxid och klorid, se tabell 5:3

Oxidation - att avge elektroner.

Reduktion - att ta upp elektroner.

Begreppet oxidation betydde tidigare bara den reaktion där ett ämne

förenar sig med syre och bildar en oxid. Att ”ta bort syre” kallades reduktion. Men magnesium reagerar ju likadant med klor som med syre — magnesium avger elektroner. Därför har betydelsen av orden oxidation och reduktion utvidgats, så att oxidation betyder att avge elektroner och reduktion att ta upp elektroner. En oxidation sker aldrig ensam, eftersom de elektroner som avges inte kan existera fritt. De måste tas upp av något annat ämne. Därför sker

alltid en reduktion samtidigt. En kemisk reaktion där ett atomslag tar upp elektroner, dvs reduceras, samtidigt som ett annat avger elektroner, dvs oxideras, kallas en redoxreaktion. Redoxreaktion - en kemisk reaktion

där ett ämne reduceras samtidigt som ett annat oxideras.

Vi vet att syre och klor får magnesiumatomen att oxideras, dvs avge

elektroner. Kemister säger att syre och klor är oxidationsmedel, eftersom de åstadkommer en oxidation. Magnesium, som avger elektroner, är på motsvarande sätt ett reduktionsmedel för syre eller klor.

Cu kopparatomerna

Ett oxidationsmedel tar

reduktionsmedel

är

Cu?” + 2er

upp elektroner och reduceras. Elektronerna

kommer från ett reduktionsmedel som oxideras när det avger elektroner.

Agt

kl

—

Agt

silverjonerna är

oxidationsmedel

2Ag"

+

2e"

—

2Ag

I silvernitratlösningen finns silverjoner. Dessa joner fungerar som oxidationsmedel, dvs de får kopparatomer att oxidera medan silverjonerna själva reduceras.

126 + 8 REDOXREAKTIONER

Oxidationsmedlet behöver inte vara ett grundämne som syre eller klor, det kan också vara en metalljon. Det kan vi se om vi lägger en kopparbit i en silvernitratlösning. Då bildas en beläggning av silver på kopparbiten. Förklaringen är att silvernitrat innehåller silverjoner som kan ta upp elektroner från kopparatomer. Det betyder att kopparatomerna

oxideras och silverjonerna reduceras. Vid denna reaktion är alltså kopparatomer reduktionsmedel och silverjoner oxidationsmedel. ÖVNING 801-805

8.2 Vilken metall är ädlast? Lägger man en bit järnplåt i en lösning som innehåller kopparjoner bildas det koppar på plåten. Kopparjoner i lösningen tar upp elektroner från järnet och reduceras till kopparatomer. Järnatomer oxideras och bildar

järnjoner, Fe”. Oxidation:

Fe(s)

>

Fe” +2e

Reduktion:

Cu” + 2e >

Redoxreaktion:

Fe(s) + Cu?"

Cu(s) —

Fe” + Cu(s)

Reaktionen sker därför att järn avger elektroner lättare än koppar. Man säger att järn är oädlare än koppar. Därför väljer konstruktörer hellre koppar än järn som material när man väntar sig stora kemiska påfrestningar.

En plåtbit av järn i kopparsulfatlösning. Efter reaktionen är jänplåten täckt av koppar.

Genom liknande experiment kan man parvis undersöka vilken metall som lättast lämnar ifrån sig sina elektroner. Jämför man resultaten och

ordnar metallerna efter hur lätt de oxideras får man en serie. [Na Ms Zn

Pe

Ni

Pb

H

Cu Ag

Hg

Pt

Au

Metallerna är ordnade så att den reducerande förmågan avtar åt höger. Väte placeras in, trots att det inte är någon metall, så att metallerna till vänster oxideras av vätejoner

it ex saltsyra och bildar vätgas. Alkalimetallernas atomer har lättast att avge elektroner och bilda positiva joner. Alkalimetallerna står därför längst till vänster i serien.

De är starka reduktionsmedel. Längst till höger hittar man ädelmetallen guld, eftersom guldatomer har mycket svårt att avge elektroner. Guld är ett mycket svagt reduktionsmedel och finns därför som fritt grundämne inaturen. I serien tar man även med väte, trots att väte inte är någon metall. För-

klaringen är att de metaller som står till vänster om väte kallas de väteutdrivande metallerna. De reagerar med saltsyra och svavelsyra och vätgas bildas. De väteutdrivande metallerna bildar positiva joner lättare än väte gör. Vätejonen fungerar som oxidationsmedel för dessa metaller.

8 REDOXREAKTIONER

+&

127

Lägger man en järnbit i saltsyra utvecklas vätgas och järnjoner bildas.

Oxidation:

Reduktion:

Fe(s)

>

Fe” + 2e

2e + 2H" + 2CI

Redoxreaktion: Fe(s) + 2H" + 2CI

S

Hy(g) + 2CI >

Fe” + 2CI + Hy(g)

De väteutdrivande metallerna bildar positiva joner lättare än väte gör och därför sker reaktionen. I redoxreaktionen är järn- och kloridjonerna skrivna som ”fria” joner, eftersom järnklorid är en lättlöslig förening som inte bildas i fast form. Man behöver inte ta med kloridjonerna i reaktionsformeln. De deltar inte i reaktionen utan är åskådarjoner.

Natrium står mycket långt till vänster i raden av metaller. Det är så oädelt att det till och med reagerar med vatten. Natriumjoner kan aldrig reduceras till natrium i en vattenlösning, utan är mycket stabila. Därför blir natriumjoner alltid åskådarjoner vid reaktioner i vattenlösningar.

Att förutsäga om en reaktion sker

Natrium reagerar med vatten och bildar vätgas och natriumhydroxid lösning.

Atomer av ämnen till vänster i metallserien avger spontant elektroner till joner av ämnena till höger. Med hjälp av serien kan man alltså förutsäga om en redoxreaktion kan ske eller inte. En zinkbit läggs i en lösning som innehåller kopparjoner. Då avger zinkatomerna elektroner till kopparjonerna.

Oxidation:

Zn(s)

>

Zn” +2e

Reduktion:

Cu” +2e

—

Redoxreaktion:

Zn(s) + Cu" >

Cu(s)

Zn” + Cu(s)

Zinkjoner och kopparmetall bildas. Om man däremot lägger en kopparbit i en lösning med zinkjoner, så händer ingenting. Zink, som lättare bildar joner än koppar, är ju redan i jonform. ÖVNING 806-811

8.3 Halogener som oxidationsmedel Halogenerna hör till de mest reaktiva ämnena bland icke-metallerna. Alla halogenatomer har sju valenselektroner. Därför tar de tar mycket lätt upp en åttonde elektron och bildar en jon med laddningen —1. De är allt-

så starka oxidationsmedel och finns därför inte som grundämnen i naturen, utan vanligen som negativt laddade joner i salter. Vi har tidigare konstaterat att klor reagerar med magnesium och bildar magnesiumklorid. Klorets egenskap att lätt reduceras utnyttjas i desinfektionsmedel. Klor dödar nämligen bakterier genom att oxidera dem. Därför tillsätts små mängder klor i dricksvatten och större mängder i simbassänger.

Men på samma sätt som metallernas förmåga att avge elektroner är olika

så är halogenernas förmåga att ta upp elektroner olika. Det kan vi konstatera om vi leder klorgas genom en vattenlösning av natriumbromid. 128

+ 8 REDOXREAKTIONER

Lösningen blir rödbrun. Det sker en reaktion och den rödbruna färgen visar att det har bildats brommolekyler, Br,. Bromidjonerna har oxiderats och samtidigt har klormolekylerna reducerats.

Oxidation:

2Br

>

Reduktion:

2e +Cl, > 201

Totalreaktion:

Cl, + 2Br”

Kroppen frigör energi genom att förbränna näringsämnen

Br, + 2e” —

Antioxidanter

med hjälp av syre från luften. Som biprodukt bildas ibland så kallade fria radikaler, dvs

2CI+ Br,

molekyler med en oparad

Att reaktionen sker visar att klor reduceras lättare än brom. Natrium-

elektron. Dessa molekyler är

jonerna är åskådarjoner och deltar inte i reaktionen.

mycket reaktiva och därför

Man kan systematiskt pröva halogenernas reaktion med halogenidjoner

ter är det gemensamma nam-

och finner då följande serie:

skadliga för oss. Antioxidannet på sådana ämnen som

anses skydda oss mot dessa

F,

radikaler. Kemiskt sett är antioxidanterna reduktionsme-

Cl, | minskande oxidationsförmåga

del och finns naturligt i vår

Br,

mat eller som tillsatser i livsmedel. Den vanligaste anti-

1 Fluor som står högst upp tar lättast upp elektroner, dvs reduceras lätt-

oxidanten är vitamin C, as-

korbinsyra, som finns i frukt,

tast. Fluor är alltså det starkaste oxidationsmedlet. Det oxiderar till och

bär och grönsaker. Men även

med vatten till syrgas.

E-vitamin och karoten är vik-

ÖVNING 812 - 814

8.4 Oxidationstal Hittills har vi studerat redoxreaktioner, där elektroner avlämnas av ett

atomslag och tas upp av ett annat. Men elektroner flyttas inte alltid fullständigt från ett atomslag till ett annat vid en redoxreaktion. När kol oxideras av syre till koldioxid, CO,, förskjuts elektronerna från kol mot syre och det uppkommer en kovalent bindning. Det bildas inga joner, men

tiga antioxidanter. E-vitamin

finns i olja och nötter, medan morötter innehåller mycket

karoten. Både C-vitamin och

E-vitamin är vanliga livsmedeltillsatser för att skydda mot oxidation, t ex i äppelmos och potatismos. Det har

i hälsodebatten länge diskuterats om antioxidanter kan

man vill ändå kunna ”bokföra” eller beskriva elektronförskjutningen.

skydda oss från sjukdomar som cancer eller hjärt- och

Då använder man oxidationstal, OT. Oxidationstalet är den laddning en

kärlsjukdomar, men detta är

atom skulle få, om elektronerna hade flyttats helt och joner hade bildats.

fortfarande oklart.

Oxidationstalen skrivs med romerska siffror och följer vissa grund-

Men antioxidanter påverkar

läggande regler:

inte bara biologiska system,

+» Grundämnens oxidationstal är 0. + Syre har oxidationstalet II i föreningar.

i vår omgivning. Under inverkan av atmosfärens syre och solljus ”åldras” t ex polymera

» Väte har oxidationstalet +I i föreningar.

material relativt snabbt, vil-

+ Summan av oxidationstalen i en förening är 0.

ket är kostsamt för samhället. Det kan förhindras eller

+» Oxidationstalet för atomen i en atomjon är lika med jonladdningen.

åtminstone fördröjas genom

« Summan av oxidationstalen för atomerna i en fleratomig jon är lika med jonladdningen.

utan också många produkter

att man tillsätter antioxidanter i materialet.

Med dessa grundregler kan man bestämma olika ämnens oxidationstal i de allra flesta vanliga föreningar.

8 REDOXREAKTIONER

+&

129

Låt oss använda reglerna för att bestämma oxidationstalen i koldioxid,

Vid oxidation ökar oxidationstalet och

vid reduktion minskar oxidationstalet.

'CO,. Syrets oxidationstal är II. Det ingår två syreatomer summan av de två syreatomernas oxidationstal blir alltså av oxidationstalen i koldioxidmolekylen ska vara noll och atomen ha oxidationstalet +IV. När kol reagerar med syre

i koldioxid och -4. Summan då måste koloch koldioxid

bildas, har kol oxiderats. Det innebär att oxidationstalet har ökat. Syre har reducerats, vilket innebär att oxidationstalet har minskat.

Det finns några få undantag från reglerna. Ett av dessa är syre i peroxider. Syre har oxidationstalet I i exempelvis väteperoxid, H,O,, därför att två syreatomer är bundna till varandra med en kovalent bindning.

Exempel 8:1 Sätt ut oxidationstal på alla atomer i följande föreningar:

HO, NO, NO, , NO3 , K;SO, (K" och SO2-), och NHs. +

HO

HN

NO

HV

NO,

+VII

NO;

++VI-H

III +1

KSO, = NH,

Kommentar: Nitratjonen är en fleratomig jon med laddning -1, därför är summan av de ingående atomernas oxidationstal —1. ÖVNING 815 - 816

Oxidationstal i föreningars namn Vissa atomslag kan ha flera oxidationstal. Det gäller exempelvis koppar

som har två olika oxider, Cu,O och CuO. För att de två oxiderna inte ska förväxlas, använder man antingen räkneord eller atomslagets oxidationsLäs mer!

I Uppslaget under rubriken Elektronskalens uppbyggnad

tal för att namnge dem. Cu,O kallas dikopparoxid eller koppar(T)oxid och CuO kallas kopparoxid eller koppar(Il)oxid. Fe,O, kallas dijärntrioxid

kan du läsa mer om sambandet

mellan elektronskalens byggnad

eller järn(III) oxid. Däremot säger man aluminiumoxid och inte dialuminiumtrioxid eller aluminium (III) oxid, eftersom det bara finns

och ett ämnes oxidationstal.

en aluminiumoxid. ÖVNING 817

Att skriva formler för redoxreaktioner Vi skrev tidigare formeln för reaktionen mellan magnesium och klor

Mg(s) + CL(8) > MgCL(s) Två elektroner lämnar magnesiumatomen och de två kloratomerna tar upp var sin elektron. Magnesiums oxidationstal har ökat med två samti-

digt som kloratomernas oxidationstal minskat med två (2 + 1 = 2). Vid en reaktion är den totala ökningen av oxidationstal alltid lika med den totala minskningen. Ofta är det, som i detta fall, endast ett atomslag

som oxideras och ett som reduceras. Men det gäller att hitta dessa då

130

+ 8 REDOXREAKTIONER

man ska skriva formler. Kom ihåg att ett ämne som övergår från grundämne till kemisk förening eller tvärtom alltid deltar i en redoxreaktion! När man skriver en så enkel reaktionsformel som den mellan magne-

sium och klor behöver man inte använda oxidationstal. Men när man ska balansera formler, där det är svårt att hitta koefficienterna, har man

stor hjälp av att veta att ökning och minskning av oxidationstalen är lika.

Exempel 8:2 Dijärntrioxid reduceras med kol. Järn och koldioxid bildas. Skriv reaktionsformeln. Sätt ut oxidationstalen (OT) och förändringarna av OT.

lll Fe,0,

o ce

+

132

>

o Fe

+

+IV-ll CO,

+

CO.

T4

OT-sänkning ska vara lika stor som OT-höjning Minsta gemensamma multipel för 6 och 4 är 12 Fe,0, + ce om Fe 2132 314

Sätt ut koefficienterna så att formeln blir balanserad. 2Fe,0, + 30 > AFe +

3C0,

Exempel 8:3 Skriv formeln för reaktionen mellan koppar och koncentrerad salpetersyra. Anta att det bildas kvävedioxid. Börja med formlerna för partikelslagen och sätt ut OT över respektive atomslag. Markera OT-ändringarna. o +v +ll +Vv Cu + H'+ NO3 + Cu + NO, 12

11

Av vätejonerna, H", bildas vatten, H,0. Balansera OT-höjning och OT-sänkning och sätt ut respektive koefficienter i formeln. Cu + 1:72

H'+

2NO3 211

Cu”+ 2NO,

+ HJO

Balansera jonladdningarna i de båda leden med hjälp av H". I högra ledet har vi +2 (Cu”'), i vänstra ledet -2 (2NO;3 ) förutom vätejoner. För att få samma laddning på båda sidor kompletterar vi till 4H"i vänstra ledet. Av 4H" bildas 2H,0. Kontrollera att antalet O är lika många på båda sidor. Jal Cu + 4H'+ 2NO3 > CU” + 2NO, + 2HJ0 Kommentar: Kan vi lämna formeln så här? Det kan vi. Men vi kan också lägga till två nitratjoner på varje sida, eftersom salpetersyra innehåller lika många nitratjoner som vätejoner. Då får man 4 nitratjoner på vänster sida. De två nitratjonerna på höger sida blir motjoner (partners) till kopparjonerna. De nitratjoner vi lagt till är alltså åskådarjoner.

8 REDOXREAKTIONER

+&

131

Exempel 8:4 Skriv formeln för reaktionen mellan natrium och vatten. Vätgas och

natriumhydroxidlösning bildas.

Börja med formlerna för partikelslagen och sätt ut OT över respektive atomslag. Markera OT-ändringarna. o +1 +1 0 2Na(s) +HO + — 2Na'+Hy(g) +OH 271 211 I varje vattenmolekyl är det bara ett väte som reduceras. Balansera jonladdningarna och kontrollera att antalet syre är lika många på båda sidor. 2Na(s) +2H,0 — 2Na'+Hy(g)+20H ÖVNING

818-820

8.5 Förbränning och fotosyntes viktiga redoxreaktioner En stor del av den energi vi använder på jorden kommer från kolhaltiga bränslen. När sådana bränslen brinner sker redoxreaktioner där syre deltar som elektronmottagare, dvs oxidationsmedel, och bränslet är

reduktionsmedel. I dessa reaktioner bildas koldioxid och vatten. Ett exempel är etanol som alltmer används som bränsle i bilmotorer.

C.H.OH(I) + 30,(8)> 2CO,(8) + 3H,O(g) De kolhaltiga bränslena har, liksom allt organiskt material, sitt ursprung i fotosyntesen — den allra viktigaste redoxreaktionen. Den drivs av sol-

energi och skapar syrgas och kolhydrat ur vatten och koldioxid. Det är en komplicerad process som sker i flera steg. I första steget bildar syre

i vatten syrgas. Då frigörs elektroner. Växten utnyttjar elektronerna för att reducera koldioxid till kolhydrat. Solenergi har omvandlats till ämnen som vi kan utnyttja när vi eldar en brasa. Genom avancerade undersökningar har forskarna i dag ganska bra förståelse av egenskaper och funktioner hos klorofyll och de andra viktiga molekylerna i fotosyntesen. Nu går forskarna vidare. Med fotosyntesen som modell, försöker de efterlikna de redoxreaktioner som sker i växterna.

I dag forskas det intensivt för att hitta ett sätt att utnyttja de elektroner som frigörs i fotosyntesens första steg för att framställa vätgas. Om det

lyckas kommer vår energiförsörjning att vara tryggad för all framtid, efter-

som vatten är utgångsämne i processen.

132

+ 8 REDOXREAKTIONER

8.6 En redoxreaktion kan ge ström i ett batteri

Regnskogen brukar kallas för "Jordens lunga”. I fotosyntesen — den för människan allra viktigaste redoxreaktionen — utnyttjar växterna solenergi för att reducera koldioxid till kolhydrat.

Det är möjligt att utnyttja energi som bildas vid en spontan redoxreaktion. En redoxreaktion sker ju normalt genom att elektroner flyttas direkt mellan reaktanterna. Energin avges då som värme. Men man kan i stället skilja reaktanterna åt så att oxidation och reduktion sker var för sig och

låta elektronerna ta omvägen genom en ledning. På så sätt kan man få ut energin från redoxreaktionen som elektrisk energi i en galvanisk cell

— ett batteri.

Hur går det till? Vi har tidigare sett att zinkatomer avger elektroner till kopparjoner. Hur

får vi då oxidation och reduktion att ske på olika ställen? Jo, vi skapar en galvanisk cell med två delar som hålls skilda åt genom en porös vägg. I den ena delen placeras en zinkstavi en lösning som innehåller zinkjoner och i den andra placeras en kopparstav i en lösning som innehåller kopparjoner. Stavarna, som kallas elektroder, kopplas samman med en yttre ledning, där elektronerna kan förflyttas. Lösningarna får inte blandas, men ändå måste joner kunna vandra mellan dem för att en sluten elektrisk krets ska kunna uppstå. 8 REDOXREAKTIONER

+ 133

positiv pol

negativ pol zink

koppar

I

Lösning av Zn"

Lösning av CUP"

Elektroner kan röra sig i metaller. Joner kan röra sig i vatten. Oxidation av zink sker vid den negativa polen och reduktion av kopparjoner vid den positiva polen. Vid zinkelektroden sker oxidationen:

Zn(s)

>

Zn” + 2e

Elektronerna som avges vandrar i ledningen mot kopparelektroden. Där sker en reduktion:

Cu?" + 2e

Den totala redoxreaktionen blir:

>

Cu(s)

Zn(s) + Cu?"

>

Zn” + Cu(s)

Alltså precis densamma som när man lägger en zinkbit i en lösning som innehåller kopparjoner. Men på vägen mellan den negativa zinkelektroden och den positiva kopparelektroden kan man låta elektronerna arbeta, t ex

få en lampa att lysa. Ett batteri är alltså en spänningskälla med två elektroder, en minuspol Vid minuspolen i ett

batteri sker alltid en oxidation, dvs elektroner avges. Vid pluspolen

sker en reduktion, dvs elektroner tas upp.

och en pluspol. Mellan elektroderna finns en elektrolyt där laddning transporteras genom att joner vandrar. Vid minuspolen iett batteri sker alltid en oxidation, dvs elektroner avges. Vid pluspolen sker en reduktion, dvs elektroner tas upp. Därför blir alltid det starkaste oxidationsmedlet pluspol i ett batteri. Batteriet fungerar tills ett av de reagerande ämnena tar slut. Då är batteriet urladdat. Somliga batterier kan laddas upp igen, som bilbatteriet. Andra batterier är förbrukade, som det vanliga torrbatteriet, ficklamps-

batteriet. ÖVNING 821

Batterier där metaller oxideras eller reduceras Det vanliga torrbatteriet utnyttjar zink som minuspol, dvs zink oxideras till zinkjon. Oxidationsmedlet är brunsten, MnO,(s), där mangan redu-

ceras från oxidationstal +IV till +III i Mn,O,. Brunstenen står i kontakt med en elektrod av kol. Det äldsta torrbatteriet har ammoniumkloridpasta som elektrolyt, men de alkaliska batterierna har kaliumhydroxidlösning. Batterierna kan inte och får inte laddas upp igen. 134

+ 8 REDOXREAKTIONER

I bärbara telefoner finns moderna uppladdningsbara batterier. Det kan tex vara ett NIMH-batteri, ibland kallat ”hydridbatteri” eller ett litium-

batteri. I NIMH-batteriet är väteatomer minuspol. Väteatomerna sitter bundna i hålrummen mellan metallatomerna i en nickel-lantan-legering. Elektrolyten är kaliumhydroxid. Väteatomerna avger en elektron. Oxidationsmedlet, pluspolen, är en Ni(+III)-förening, NIOOH, som reduceras till Ni(OH),. NIMH-batteriet ersätter oftast miljöfarliga kadmiumbatterier. Litiumbatteriet i en mobiltelefon har litium som minuspol, vilket är en mycket oädel metall. Pluspolen kan variera, men är ofta en oxid av en

övergångsmetall, t ex vanadinoxiden V,O,,. Elektrolyten är en polymer,

polyetylenglykol, som kan lösa joner och låta dem vandra. Litium oxideras till litiumjoner. Övergångsmetallen i oxiden reduceras. I den här typen

av batteri är både polerna och elektrolyten bara tunna folier som är sammanpressade. Därför kan man göra tunna och lätta batterier i alla möjliga former till modern elektronikutrustning. Kamerabatterier som kan ge hög spänning innehåller en minuspol av litium. Olika pluspoler kan utnyttjas, t ex brunsten. Den typen av batte-

rier förekommer också i pacemakers. Elektrolyten får förstås inte vara en vattenlösning för då skulle litium reagera med vattnet. Eftersom litium

står långt till vänsteri metallserien kommer litiumbatterier att ge hög spänning, upp till 3 V. ÖVNING 822

Mobiltelefoner kräver lätta batterier. Ett littumbatteri kan göras tunt, ca 0,1 mm, och packas i olika former.

Bränsleceller Framtidens energikälla kanske är bränslecellen. Namnet säger att den

redoxreaktion som sker i den galvaniska cellen ska vara förbränning av ett bränsle, t ex vätgas.

elektrolyt

Vid vanlig förbränning av vätgas i syrgas sker reaktionen genom direkt kontakt mellan molekylerna. Väte ”tappar” sin elektron och går från

oxidationstal 0 till +I, oxideras. Syre tar upp elektroner och går från

annan, och elektronerna flyttas genom en yttre ledning. Vatten bildas,

precis som vid en direkt förbränning. I moderna bränsleceller är elektrolyten ett tunt polymermembran som släpper igenom vätejoner. Laddning förs hela tiden runt i cellen av elektroner i den yttre ledningen och av vätejoner genom membranet. Då elektronerna vandrar genom den yttre ledningen kan de utföra arbete, t ex driva en motor. Vid direkt förbränning frigörs stora värmemängder, men i bränslecellen tar man ut elenergi istället för värme. Fördelarna med en bränslecell är att man hela tiden kan pumpa in reaktanterna och att produkten är helt ofarlig. Eftersom oxidationen sker vid låg temperatur, ca 90 ”C, kan inte heller luftsyre reagera med kvävet

iluft och bilda kväveoxider. En nackdel är att elektroderna innehåller

fitelektrod med platina

I en bränslecell sker oxidationen vid en elektrod och reduktionen vid en

porös grafitelektrod med platina

oxidationstal 0 till II, reduceras. Vatten bildas.

>: 23 2

I bränslecellen sker samma

reaktion som när vätgas förbränns i syre(luft). 8 REDOXREAKTIONER

+&

135

Starkaste

reduktionsmedel Oxideras till — — Li" ca” Na" Mg? AP" Zn

Zn

Fe

Fe

Cd

cd”

Ni

Tankning av vätgas. Varför tror du att slangen är så tjock?

NE”

Sn

platina som katalysator, eftersom denna metall är en begränsad resurs.

Pb

Ha sr

Man provkör bussar och bilar med bränsleceller. Bränslet är metan som först omvandlas till vätgas och koldioxid genom reaktion med vatten-

Cu Fer

ånga. Det finns också metoder att använda metanol direkt i en bränslecell.

Där blir produkterna förstås både koldioxid och vatten.

Ag

Br O”(H,0)

Vad krävs av ett modernt batteri?

er Mn?"

Ett batteri ska ge hög och stabil spänning under lång tid. Det ska vara lätt, miljövänligt, uppladdningsbart många gånger och billigt.

Pp?"

Redoxreaktionen i batteriet måste ge hög spänning och mycket elektrisk energi. Till minuspol bör man ha ett ämne som lätt oxideras, dvs ett

Mn?

FE

Starkaste oxidationsmedel Reduceras till PR I en cell där en redoxreaktion sker, blir oxidationsmedlet pluspol och reduktionsmedlet minuspol. Större avstånd i tabellen mellan reaktanterna ger högre spänning i

cellen.

starkt reduktionsmedel, och till pluspol ett ämne som lätt reduceras,

dvs ett starkt oxidationsmedel. Studera tabellen i marginalen. Den blå delen är en utvidgad spänningsserie och innehåller inte bara metaller, utan flera joner av ickemetaller. De ämnen som finns i batteriet ska också vara lätta. Startmotorns blybatteri är just blytungt! Det duger till att starta en bil, men skulle aldrig kunna driva den. Ett bra batteri ska omsätta mycket energi i förhållande till sin massa. Därför testas nya konstruktioner med de lättaste metalllerna som minuspoler, t ex alkalimetaller som litium. Syre är lätt, och

tack vare att det är ett bra oxidationsmedel är det också en bra pluspol. Både elektroderna och elektrolyten ska helst vara ofarliga eller återvinningsbara. Både blybatteriet och de uppladdningsbara kadmiumbatterierna har medfört miljöproblem. I ett vanligt ficklampsbatteri bildas däremot bara ämnen som redan är vanliga i naturen. ÖVNING 823

136 + 8 REDOXREAKTIONER

8.7 Elektrolys När kopparpulver kommer i kontakt med klorgas bildas kopparklorid, CuCL.

Oxidation: Reduktion: Redoxreaktion:

Cu(s)

>

2e +Cl,

Cu” +2e >

Cu(s) + Cl,(g)

2CI —

CuCl(s)

Kopparkloriden bildas som ett fast salt. Vid reaktionen avges energi i form av värme. Den omvända reaktionen

kan tvingas fram genom att man tillför elektrisk energi. I reaktionen kommer kopparklorid att sönderdelas i klorgas och kopparmetall. Det

kan exempelvis ske vid elektrolys av en vattenlösning av kopparklorid, se bilden nedan.

Cu?" + 2e" > Cu(s)

201-— Cl (8) + 2e"

Elektrolys av kopparklorid mellan kolelektroder. I elektrolyten vandrar kopparjonerna (2+) mot katoden och kloridjonerna (-) mot anoden.

En elektrolys går till så att man leder elektrisk ström från en yttre spänningskälla till två elektroder. Den negativa elektroden skickar ut elek-

troner och den positiva drar till sig elektroner. Elektroderna är nedsänktai en vätska som kan leda ström, en elektrolyt. Elektrolyten i vårt exempel är en vattenlösning av kopparklorid. Kopparkloridens joner

kan transportera laddning, eftersom de är fria och rörliga i vattenlösningen. På så sätt bildas en sluten elektrisk krets. Kopparjoner är positivt laddade. När den elektriska kretsen sluts vand-

Vid elektrolys kallas den

rar de mot den negativt laddade elektroden som kallas katod. Positiva

elektrod som är kopplad

joner kallas därför också katjoner. Varje kopparjon som träffar katoden

till spänningskällans minuspol för katod. Den positiva elektroden kallas anod.

tar upp två elektroner och kopparmetall bildas.

Katodreaktion: Cu?" + 2e" >

Cu(s)

Kloridjonerna, som är negativt laddade, vandrar mot den positivt laddade elektroden som kallas anod. Negativa joner kallas också anjoner. Vid anoden avlämnar varje kloridjon en elektron och det bildas klorgas.

8 REDOXREAKTIONER + 137

Vid elektrolys sker en reduktion vid minuspolen, katoden, och en oxidation vid pluspolen, anoden.

Anodreaktion: 2CI —> Cly(g) + 2e" Den totala reaktionen blir: Cu?" + 2CI

—

Cu(s) + Cl,(g)

Vid elektrolys gäller alltså att det sker en reduktion vid minuspolen och en oxidation vid pluspolen. Här omvandlas elektrisk energi till kemisk energi, dvs omvänt jämfört med det som sker i en galvanisk cell. ÖVNING 824

Elektrokemiska spänningsserien När man elektrolyserar lösningar som innehåller metalljoner så visar det sig att ju lättare en metall bildar joner, desto högre spänning behövs för att metallatomer ska bildas. Den serie som presenterades på sidan 129 kallas därför den elektrokemiska spänningsserien. De metaller som står till vänster om väte kan inte framställas genom elektrolys av vattenlösningar. Så länge det finns vattenmolekyler kvar ilösningen bildas i stället vätgas, inte metall. För att framställa så oädla metaller som magnesium, natrium och aluminium måste man därför

elektrolysera ett smält, vattenfritt salt. Smälta salter innehåller rörliga joner och leder ström. Framför allt produktion av aluminium är tekniskt mycket viktig. Råva-

ran är mineralet bauxit som omvandlas till aluminiumoxid. Smält aluminiumoxid elektrolyseras, men eftersom aluminiumoxid har mycket hög smältpunkt löser man den i en smälta av en mer lättsmält aluminiumförening, kryolit.

Aluminiumframställningen är mycket energikrävande. Därför har aluminiumskrot blivit en allt viktigare råvara för framställning av aluminiumföremål. Vid återvinning av aluminium behöver man vid smältning

bara tillföra omkring 5 26 av den energi som går åt för den ursprungliga framställningen. Nu kan du svara på den inledande frågan i kapitlet. ÖVNING 825

Aluminium framställs genom smältelektrolys. Flytande aluminium tappas av i kärlets botten.

138

+ 8 REDOXREAKTIONER

8.8 Korrosion - rostning går snabbare i en galvanisk cell Alla vet att järn rostar om det finns tillgång till syre och vatten. Sådant

angrepp på metaller kallas korrosion. Det är syre från luft eller syre löst i vatten som oxiderar metallen. Metallen oxideras och syre reduceras. Reaktionen går mycket långsamt om metallen är ren och vattnet inte innehåller några salter. Formeln för rost brukar skrivas Fe(OH),.

4Fe + 30, + 6H,O

—

4Fe(OH),

När fyra Fe-atomer reagerar med tre O,-molekyler avger varje järnatom

tre elektroner och varje syreatom tar upp två elektroner, vilket leder till att fyra järnjoner, Fe””, och sex oxidjoner, O””, bildas. Men oxidjonerna

kan inte existera i vattenlösning utan bildar hydroxidjoner tillsammans med vatten. Om man slår en kopparspik genom en järnplåt rostar järnet fortare, särskilt om plåten har kontakt med en saltlösning. Exakt samma reaktion kommer att ske med eller utan kopparspik, men i kontakt med koppar bildas en galvanisk cell. Man brukar tala om galvanisk korrosion. Minuspol i cellen är järn som oxideras. Pluspol i cellen blir syre som reduceras. Syret reduceras på kopparmetallen. Kopparn reagerar inte, men spikens kontakt med järnet kommer att fungera som en yttre ledning

i cellen. Cellen är kortsluten och resistansen i kopparspiken är låg, så reaktionen sker snabbt.

Pluspol:

30, +12e

Minuspol: 4Fe

Följt av:

+6H,0

—

120H

> 4Fe” + 12e

4Fe”" + 120H"

>

4Fe(OH),

Galvanisk korrosion är snabb. Syret har fritt fram till en metallyta — i det här fallet koppar — där det kan reduceras. Syret behöver alltså inte vandra genom ett rostlager för att kunna reagera med järnet.

Galvaniska celler kan också skydda från korrosion Vad hade hänt om man i stället för kopparspiken låtit en zinkbit stå i kontakt med järnet? Zink är oädlare än järn, så i den cellen blir zinken negativ pol. Zinken löses upp, oxideras. Syre som är oxidationsmedel reduceras på järnytan, men själva järnytan förblir oskadad. En zinkbit i kontakt med järn hindrar alltså järnets korrosion så länge zinken inte är

helt upplöst. Därför sätter man fast zinkplåtar på järnplåten i bilar och på båtar. Även spik rostskyddar man med zink. Den sortens spik brukar kallas förzinkad eller ”galvad” spik. ÖVNING 826-827 Rost är ofta ett problem som vi vill undvika, men samtidigt kan det

vara oehört vackert.

8 REDOXREAKTIONER + 139

Nya begrepp

Sammanfattning

kapitel 8

oxidation, reduktion, redoxreaktion,

> Vid en oxidation avges elektro-

> Två viktiga redoxreaktioner är

ner, oxidationstalet ökar.

fotosyntesen och förbränning av

oxidationsmedel,

> Vid en reduktion upptas elek-

reduktionsmedel, väteutdrivande metall, oxidationstal, galvanisk cell, elektrod, elektrolyt, elektrolys, anod, katod, anjon, katjon, elektrokemiska spänningsserien,

troner, oxidationstalet minskar.

deras det.

sker vid den positiva polen.

korrosion.

> Metallerna ordnas efter sin reducerande förmåga tillsammans med väte i den elektrokemiska

> I en bränslecell sker oxidation

> Ett oxidationsmedel får ett annat ämne att oxideras, själv redu-

kolhaltiga bränslen.

> En redoxreaktion kan ge elektrisk energi i stället för värme i en galvanisk cell, ett batteri.

ceras det.

> Reaktanterna skiljs åt i ett

> Ett reduktionsmedel får ett an-

batteri, oxidation sker vid den

nat ämne att reduceras, själv oxi-

spänningsserien. 3 De metaller som står till vänster om väte i spänningsserien

negativa polen och reduktion

av ett bränsle, t.ex. vätgas. > Ett bra batteri ska ge hög spänning, vara lätt, miljövänligt och

helst uppladdningsbart.

kallas oädla eller väteutdrivande metaller.

> Vid elektrolys tvingas en reaktion att ske genom att man tillför elektrisk energi.

> Halogener används som oxida-

> Vid elektrolys sker en oxidation

tionsmedel. Den oxiderande för-

vid anoden och en reduktion vid

mågan minskar nedåt i gruppen.

katoden och i elektrolyten

+ Beräkningar av OT och OT-för-

vandrar negativa joner (anjoner)

ändringar är ett sätt att ”bokföra”

till anoden och positiva joner

elektronövergångar och OT kan

(katjoner) till katoden.

användas för att namnge fören-

> Korrosion påskyndas om två

ingar.

olika metaller står i kontakt i en elektrolyt.

>k När man skriver reaktionsformler kan man använda sig av att ökningen av oxidationstalet är lika med minskningen.

Övningar

a) Kalcium reagerar med syre och bildar kalciumoxid.

801

b) Kalium reagerar med fluor till kaliumfluorid.

Natrium reagerar med klor och bildar natriumklo-

rid. Skriv delformler för oxidationen och reduktionen. Skriv också formeln för totalreaktionen.

803 Ange vilket partikelslag som är oxidationsmedel i övningarna 801-802.

802

Skriv formler för följande reaktioner och ange vilket atomslag som oxideras respektive reduceras.

804 Ange vilket partikelslag som är reduktionsmedel i övningarna 801-802.

140

+ 8 REDOXREAKTIONER — ÖVNINGAR

805 När man lägger en kopparbit i silvernitratlösning sker en reaktion där silverjoner, Ag”, tar upp elektroner från kopparatomer och det bildas koppar-

814

Är bromidjonen ett starkare reduktionsmedel än kloridjonen? Motivera svaret.

joner, Cu””. Skriv formeln för totalreaktionen.

806

815 Hur förändras oxidationstalen för syre och väte

a) Skriv en formel för reaktionen mellan silver-

i reaktionen 2H, + O, >

2H,0?

nitratlösning och järn. Silvermetall fälls ut och järnnitratlösning, (Fe””), återstår. b) Vilket ämne är reduktionsmedel respektive

oxidationsmedel i reaktionen? 807 Skriv formeln för reaktionen mellan silverjoner och bly. Silvermetall och blyjoner, Pb”, bildas. 808

a) Vilket partikelslag reduceras i reaktionen mellan järn och saltsyra? b) Vilket är reduktionsmedlet? 809

Kan man lösa zink i saltsyra? Motivera svaret. 810

a) Kan man förzinka en järnspik genom att doppa den i zinkkloridlösning? b) Inträffar någon reaktion om man lägger en zinkplatta i en silvernitratlösning?

Motivera svaren och skriv eventuella reaktionsformler.

816 Vilket är oxidationstalet, OT, för

a) koppar i Cu,O b) barium i BaCl,

c) aluminium i ALO,? 817

Skriv formel och ange ett alternativt namn på följande ämnen. a) blydioxid

d)tenn(IV)oxid

b) disilveroxid

e) kväve(D oxid

c) guldtriklorid

f) klor(VIID oxid

818 Vilka av följande förändringar innebär en oxidation a) Cu,O överförs till CuO

b) NO, överförs till NO3 c) SO, överförs till H,SO,

d) CLO, överförs till CIO,? 819 Skriv reaktionsformel, sätt ut oxidationstal och

811 a) Skriv reaktionsformeln för reaktionen mellan

magnesium och saltsyra.

b) Vilket ämne oxideras och vilket reduceras? 812 Bromvatten, Br, (aq) sätts till lösningar av natrium-

klorid och natriumjodid. I vilken av lösningarna kommer en reaktion att ske. Motivera svaret.

balansera formeln för reaktionen a) Magnesium brinner i koldioxid och

magnesiumoxid och kol bildas. b) Kisel, Si, används för att framställa krom, Cr, ur dikromtrioxid. Kiseldioxid bildas. 820

Balansera formlerna

a) Cu + NO; 813

Klor reagerar med jodidjoner. Kloridjoner och jod bildas. Skriv formler för oxidation och reduktion

+H" >

Cu” + NO

+ H,O

b) Al +0, + ALO,

samt för totalreaktionen. 8 REDOXREAKTIONER — ÖVNINGAR

+ 141

821 Ett batteri består av en silverelektrod i en lösning med silverjoner och en kopparelektrod i en lösning med kopparjoner. a) Vilken elektrod blir positiv pol? b) Skriv formlerna för de reaktioner som sker vid

Blandade övningar 828

Den röda oxiden på ett kopparbleck är dikopparoxid, 'Cu,O, men det finns också en svart kopparoxid, CuO. a) Hur många elektroner har varje kopparatom förlorat i dikopparoxid? Syreatomen tar alltid

elektroderna.

upp två elektroner. b) Skriv en reaktionsformel för bildning av

822

Reaktionen Mg(s) + 2AgCl(s)

>

dikopparoxid ur koppar och syre.

2Ag(s) +

MgCL (aq) sker i vattenlösning i det batteri som sitter i räddningsvästar i flygplan. Batteriet lagras utan elektrolyt. Om man hamnar i vattnet och drar bort tejpen på batteriet, fylls batteriet och en lampa

c) Skriv en reaktionsformel för bildning av koppar(ID oxid ur koppar(I) oxid och syre.

tänds. Vilka är reaktionerna vid pluspol resp. mi-

krävs det ett oxidationsmedel, ett reduktionsmedel eller ingetdera för att följande övergångar ska ske?

nuspol?

82

Vad ska man tänka på om man vill göra ett använd-

a) H,SO, > H,SO, b) HCIO, > HCIO,

bart batteri?

c) NH;

—

NH,

824

d) Fe,0, >

FeO

823

Man kan elektrolysera saltsyra. Vad kommer att ske vid anoden respektive katoden? Hur kan man påvisa de ämnen som bildas vid anoden respektive

830 Skriv formeln för a) bly(Iloxid

b) järn(IMNsulfat

c)järn(IDnitrat.

katoden? Skriv formler för anod- och katodreaktionen. Skriv också formeln för totalreaktionen. 825 Använd tabellen på sidan 136 för att avgöra vilket av ämnena HI, HBr eller HCI som kräver lägst

spänning för att sönderdelas i grundämnen. 826

Varför rostar bilar, som man kör på vägar som saltas, snabbare än andra? 827

När man spikar ett plåttak ska man alltid använda spik av samma metall som det är i plåten. Förklara

varför.

142

+ 8 REDOXREAKTIONER — ÖVNINGAR

831 Järn brinner i syrgas och dijärntrioxid bildas.

Skriv formlerna för delreaktionerna och även för totalreaktionen. 832

Om man häller kopparpulver i klorvatten och skakar får man en blå lösning, som innehåller

kopparjoner, Cu””. Vilket ämne är reduktionsmedel vid reaktionen?

833

Para ihop det som står till vänster med något/några av begreppen till höger. Uppstår när oädla metaller

Redoxreaktion

förvaras i fuktig luft Koppar, silver och guld

Katjoner

Jonlösning i ett batteri

Korrosion

När ett ämne avger elektroner Kallas positiva joner vid en elektrolys Händer vid negativa polen

— Reduktion Elektrokemiska spänningsserien Ädla metaller

iett batteri En reaktion där ett ämne

Reduktionsmedel

avger elektroner samtidigt

som ett annat ämne tar upp dem

Oxidationsmedel

Metaller och väte ordnade

Elektrolyt

efter avtagande reduktionsförmåga Ledande stavar i en elektrolyscell

Oxidation

Kan halogener användas som

Elektroder

834

Skriv formler för reaktionerna vid polerna då ett alkaliskt ficklampsbatteri urladdas. Summera också

till en cellreaktion. (Ledning: Balansera formeln med hjälp av OH” och

H,0)

8 REDOXREAKTIONER — ÖVNINGAR

+ 143

Det finns flera olika slags kemiska bindningar. Men alla är de i grunden samma sak, nämligen attraktioner mellan positiva och negativa laddningar. Attraktion handlar om energi, därför kan vi säga att kemiska bindningar alltid är kopplade till energi.

Vad innebär en kemisk bindning? Du vet att atomen består av en mycket tät kärna' omgiven av ett tunt elektronmoln och att de yttersta elektronerna i molnet kallas valens-

elektroner. Du vet också att det uppkommer en jonbindning mellan joner med olika laddning, som i koksalt. Då har en reaktion skett genom att ett atomslag avgett och ett annat tagit upp elektroner. Men om två

atomer i stället har ett gemensamt elektronpar binds de med kovalent bindning, som i kolväten.

Tankar om kemisk bindning

Du har stött på både jonbindning och elektronparbindning tidigare. Men visste du att joner ”uppfanns” först i början av 1900-talet? Kemisterna ”visste” vid den tiden att elektrisk ström delar upp smält natriumklorid i laddade partiklar. Men svensken Svante Arrhenius kom med idén att det räcker att lösa ett salt i vatten, för att det ska dela upp sig i laddade partiklar.

Han blev nästan utskrattad för sitt påstående. Senare fick han Nobelpris för sin idé. Att jonerna faktiskt redan fanns i det fasta saltet blev nästa stora upptäckt. Inte heller hade man en aning om hur två lika atomer, i t ex en vätemolekyl, hålls ihop. Man ritade ett streck som symbol utan att ha någon fundering på elektronpar. Idén om att en bindning kunde bestå av ett elektronpar formu-

lerades först år 1916. Densiteten där är större än man kan fatta. Tänk dig ett lok på X2000. Pressa ihop det till en sockerbits storlek. Då har loket ungefär samma densitet som en atomkärna!

144 + 9 KEMISK BINDNING

SE

är

-

Kemisk bindning

Tänk dig att du har fått tjockolja på fötterna på badstranden. MUSA

TTR Tea

RR

oljan: sprit, vatten eller sololja?

Fundera medan du läser!

9 KEMISK BINDNING

+ 145

Fria partiklar har högre energi... Ii

o

o0o

Om två föremål sitter ihop behövs energi för att få isär dem. Ju hårdare

o

09

I of a a: =Ile 2oi: å 5 8

el

z 3 S2

Kemisk bindning och energi

+ 90000

de sitter ihop, desto mer energi behövs. Om en atom eller jon är bunden till en annan atom eller jon krävs det också energi för att få isär dem. När energi tillförs atomerna/jonerna för att få dem fria, bryts bindningar. Ju starkare bindning, desto mer energi måste tillföras. Fria partiklar har

alltså högre energi än bundna. Men det omvända gäller också! Partiklar som är bundna har lägre energi än fria. När partiklar binds samman avges energi — samma energimängd som går åt för att bryta bindningen. Energin som avges kallas bindningsenergi.

«..än bundna partiklar

För att bryta en bindning måste man tillföra energi. När en bindning bildas frigörs lika mycket energi.

9.2 Jonbindning riktningar

- attraktion i alla

Natriumklorid, dvs koksalt, är ett fast ämne vid rumstemperatur och

det smälter först vid 801 ”C. Natriumklorid består av positivt natriumjoner och negativt laddade kloridjoner, men jonerna rörliga. Därför leder det fasta saltet inte elektrisk ström. Men smälter eller löses i vatten blir jonerna fria. Både smältan och lösningen kan leda ström.

En modell av koksalt, NaCI.

Positiva natriumjoner och negativa

kloridjoner (gröna) attraherar varandra i alla riktningar. Jonerna bildar en regelbunden struktur. Lägg märke till att du inte kan hitta några molekyler av NaCI.

laddade är inte fritt när saltet vatten-

En natriumjon attraherar inte en speciell kloridjon i det fasta saltet, utan den positiva natriumjonen attraherar kloridjoner i alla riktningar. Det får plats sex kloridjoner kring varje natriumjon. Alla sex binds lika hårt till natriumjonen. Varje kloridjon omges också av sex natriumjoner.

Mönstret fortsätter genom en hel saltkristall. Alla jonföreningar är uppbyggda av joner i regelbundna mönster. Man talar därför om jonkristaller.

”Fria” joner har högre energi...

| dj

ova o -

oo o

3005 2

:

£ 3 SG sne a3 3 S alla 3 & = El: 3

= z5

5

+833333 202 ...än bundna joner

När fria joner binds samman till en jonförening frigörs bindningsenergi.

146 + 9 KEMISK BINDNING

ÖVNING 901-902

Varför blir det varmt när natrium brinner i klor? Det blir mycket varmt när natriumklorid bildas ur klor och natrium och ännu varmare när magnesium brinner i luft till magnesiumoxid. Energi frigörs när bindningen bildas mellan jonerna. När magnesiumjoner binds till oxidjoner och bildar 1 mol magnesiumoxid frigörs bindningsenergin för MgO, 3933 kJ/mol. För natriumklorid är bindningsenergin mycket lägre, 781 kJ/mol.?

Det krävs alltid energi för att ur grundämnena bilda de joner som ska bilda en jonförening. Det är först då jonerna slår ihop sig till fasta ämnen som bindningsenergin avges.

?. MgO:s bindningsenergi 3933 kJ/mol motsvarar nästan halva dagliga energiintaget för en vuxen person.

Vad gör jonbindningen stark? När en mol magnesiumoxid bildas frigörs mer energi än då samma substansmängd natriumklorid bildas. Det tyder på att bindningen i magnesiumoxid är starkast av de två, men varför? De två fasta ämnena

är precis likadant byggda, det som skiljer dem åt är jonernas laddning och storlek. Ju större laddningar, desto större attraktionskraft mellan

jonerna. Alltså är bindningen starkare mellan Mg”" och O”” än mellan Na” och CI". Positiva och negativa joner i en jonkristall står i kontakt med varandra. Jonernas radier bestämmer hur nära de kan komma varandra. Ju när-

+ Natrium reagerar med klorgas.

mare varandra de är, desto större attraktionskraft mellan laddningarna.

Alltså — ju mindre joner, desto starkare bindning. Magnesiumjonen är mindre än natriumjonen och oxidjonen är mindre än kloridjonen.

Små joner med hög laddning ger stark jonbindning

Diagrammet visar några positiva och negativa joners radier, jämfört med ”atomradien”. Positiva joner är mycket mindre än atomer, därför

att atomen har avgivit elektronerna i sitt yttersta skal och fått ett ädelgasskal. I negativa joner har antalet elektroner bara ökat i ett skal som

redan finns. Negativa joner är därför ungefär lika stora som atomerna.

Rb"

i

Be

Na | Mg”

å

Mg | AP

JD, Rb |

C) SP

j

Al

|)

N>

10

)

OF

s

)

s

> IC

)

0.0. )

Cs | Ba”

Ba

Jonradier jämfört med atomradier. Atomradien för icke-metaller är ritad som radien för en obunden atom. Atomradien för metaller är halva atomavståndet i metallen.

Att bilda joner ur grundämnen kräver energi

Å Fria Na" och CI"

Te

4

CW Cs"

Sr

N

foo

Energi

K

Be?"

LI

S

Na"

q

rol Er

Li"

388 Ch(9) + Nals) HL

NacCi(s) 290000 men när jonerna bildar fasta ämnen

frigörs mer ÖVNING 903-905

(bindnings)energi.

Man kan tänka sig bildning av natriumklorid i två steg, först bildas fria joner och sedan binds jonerna samman till ett fast ämne. 9 KEMISK BINDNING

+ 147

Stark bindning ger hög smältpunkt Smältpunkten för magnesiumoxid, MgO, är mycket högre än för natrium-

klorid, NaCl. Förklaringen är att magnesiumoxid har starkare bindning. Hur hänger bindning och smältpunkt ihop?

Tabell 9:1 Smältpunkt för vanliga jonföreningar NaF

996

KF

858

RbF

833

CsF

703

NaCI

801

KCI

770

RbCI

718

CsCIl

645

NaBr

747

KBr

734

RbBr

693

CsBr

636

Nal

661

MgO

Kl

2826

Cao

681

Rbl

2610

SrO

642 2532

Csl BaO

621 1973

Jo, i ett fast ämne har jonerna en viss värmerörelse kring sina bestämda platser. En smälta av en jonförening innehåller rörliga joner. Just vid

den temperaturen då ämnet smälter ”vinner” värmerörelsen över attraktionen (bindningen) mellan jonerna, dvs jonerna blir rörliga.

Ju starkare attraktionen är, desto större måste värmerörelserna vara för att ämnet ska smälta. Temperaturen är just ett mått på värmerörelsen.

Smältpunkten hos en jonförening ger alltså ett ungefärligt besked om bindningens styrka. I tabell 9:1 syns tydligt hur laddningar och radier påverkar bindnings-

styrkan och därmed smältpunkterna.

Ett lager av en jon- — Samma kristall vid kristall vid absoluta

högre temperatur. Värme-

nollpunkten. Joner- — rörelser (vibrationer

na ligger alldeles stilla.

ch

kring ett jämviktsläge), lägre densitet.

Smält jonkristall. Oordning, men jonpar håller delvis ihop.

Varför är jonkristaller hårda och spröda? Ett ämne som består av joner är hårt och sprött. En metall kan böjas eller dras ut till en tråd, men det kan inte en kristall av t ex natriumklorid.

Ska en jonkristall böjas måste jonlager glida på jonlager. När jonlagren förskjuts kommer lika laddningar att repellera varandra med följden att kristallen spricker. Hårdheten hos en jonkristall beror på bindningens styrka. Ju större energi

som krävs för att förflytta kristallens lager, desto hårdare är kristallen.

148 + 9 KEMISK BINDNING

Höga laddningstal ger stark bindning och därmed hårdhet. Aluminiumoxid är mycket hård och används därför där material slits hårt, t ex i slippapper, tänder och i kulan i höftledsproteser. Ädelsten rubin består av aluminiumoxid. Den vackra röda färgen kommer

från små föroreningar av kromjoner. ÖVNING 906-908

Vilka salter löser sig lättast? Du har tidigare stött på en tumregel som säger att alla alkalimetallsalter

Man kan inte ”platta ut” en jonkristall.

och nitrater är lättlösliga. De jonföreningar som lättast löser sig i vatten

har alltså låga jonladdningar, t ex de allra flesta klorider. Aluminiumfosfat däremot består av aluminiumjoner (Al) och fosfatjoner (PO3)

och är mycket svårlösligt.

Ledkulan i en höftledsprotes måste tåla stor nötning.

Sammanfattning av jonbindning och jonföreningar > I en jonkristall bildar jonerna ett regelbundet mönster. > Jonföreningar leder ström i smält tillstånd och i vattenlösningar. > Jonkristaller är hårda och spröda. > När jonbindningar bildas frigörs energi. Ju mer energi som frigörs, desto starkare är bindningen. 3 Höga jonladdningar och små joner ger starka jonbindningar.

+ Stark jonbindning ger hög smältpunkt.

9.3 Kovalent bindning - elektronparbindning I en enkel jonförening finns två atomslag. Det ena atomslaget har avgivit elektroner och det andra har tagit upp elektroner. I boken har du träffat

på många sådana exempel där atomslagen kommer från grupp 1 och 2 respektive grupp 16 och 17. Två atomer som båda lätt tar upp elektroner bildar i stället en kovalent bindning, som också kallas elektronparbindning. De enklaste fallen är grundämnen från grupp 15, 16 och 17 som bildar molekyler med kovalent bindning. De flesta kolföreningar har också kovalenta bindningar. 9 KEMISK BINDNING

+ 149

Många grundämnen har tvåatomiga molekyler Grundämnena väte, fluor, klor, brom, jod, syre och kväve består av

molekyler med två atomer. Dessa skrivs H,, F,, CL, Br,, I,, O, och N,. Mellan atomerna inom dessa molekyler, t ex mellan två väteatomer, finns

kovalent bindning. Bindningen mellan molekylerna är så svag att dessa ämnen är gaser vid rumstemperatur (H,, F,, Cl,, O, och N)) eller lätt blir gas strax ovanför rumstemperatur (Br,, I,). Mer om det i avsnitt 9.5.

Vi har tidigare (kapitel 3) beskrivit hur två kloratomer i en klormolekyl binds till varandra. Två elektroner, en från vardera atomen, bildar ett

par som är gemensamt för båda atomerna. På det viset omges var och en av kloratomerna i sin tur av åtta valenselektroner, ett elektronmoln

av samma typ som argon har.

odd:

—

Vardera kloratomen i Cl, omges av 6 + 2 valenselektroner i yttersta skalet.

På motsvarande sätt kan man tänka sig att molekylerna i vätgas bildas.

H:+:HSH::HHH Båda atomerna omges av två elektroner, alltså ett elektronmoln av heliums typ. Vätgasmolekylen är så pass enkel (två positiva och två negativa partiklar) att man kan göra bra beräkningar på hur elektronerna uppträder. Man kan få en bild av elektronmolnets täthet i molekylen. Den visar att elektronmolnet omsluter båda atomkärnorna och att molnet är tätast mellan kärnorna och glesare på ”utsidan”.

Det innebär att den kovalenta bindningen är riktad mellan två atomer,

till skillnad från jonbindningen.

I vätemolekylen ligger atomerna närmare varandra än två fria väteatomer kan göra.

Det negativt laddade elektronmolnet drar till sig de positiva kärnorna, som då kommer närmare varandra. Men kärnorna hindras att komma för nära varandra, eftersom deras positiva laddningar stöter bort varandra.

På ett visst avstånd mellan kärnorna blir det jämvikt mellan attraktion

och repulsion. Detta avstånd kallas bindningslängd. En kovalent bindning är alltid kortare än avståndet mellan två obundna atomer.

150

+

9 KEMISK BINDNING

Elektronformler — en modell för att beskriva I fortsättningen kommer vi inte alltid att påpeka att elektronerna är laddningsmoln. Vi kommer bara att använda ett streck för att beteckna elektronparet, dvs molnet, i exempelvis vätemolekylen. Det är ofta bekvämt att tänka sig att det är två elektroner, en från varje atom, som bildar den kovalenta bindningen.

F

Om två fluoratomer delar ett elektronpar får båda fluoratomerna ett elektronmoln av neons typ. En schematisk beskrivning av hur F, bildas ser ut

[0

|

så här:

Lägg märke till de elektroner vi har ritat runt atomerna. Bara elektronerna i det yttersta skalet, valenselektronerna, deltar i kemisk bindning.

Br,

Därför nöjer man sig med att märka ut dessa. Denna typ av formel kallas elektronformel. Atomer som tillhör samma grupp i periodiska systemet har samma antal valenselektroner. Därför får t ex alla halogener samma

elektronformel.

Vad gör den kovalenta bindningen stark? I hb

Elektronmolnets täthet, bindningens styrka och energi är olika sätt att beskriva samma sak!

Halogener i grupp 17 är grundämnen som bildar molekyler.

Den kovalenta bindningen håller ihop atomerna två och två i vätgas och klorgas även om man värmer gaserna. Värmer man tillräckligt mycket spricker emellertid även dessa molekyler. ”Tillräckligt” kan betyda flera tusen grader. Klormolekylen spricker lättare än vätemolekylen. Bindningen i klormolekylen är alltså svagare. Hur kan vi för-

Å

klara det?

I

Fria väteatomer

har högre energi

Jo, i både väte- och klormolekylen är ett elektronpar gemensamt för ato-

0

oo 0 o

o o

net i klormolekylen är därför utspritt i en större volym än molnet i vätemolekylen är. Följden är att elektrontätheten blir lägre. Atomerna binds

alltså inte lika effektivt. Då en mol klormolekyler, Cl,, bildas av atomer avges 243 kJ, då en mol vätemolekyler, H,, bildas avges 436 kJ. Det krävs

alltså 243 kJ för att spjälka en mol klormolekyler till atomer och 436 kJ

för att spjälka en mol vätemolekyler. Det gemensamma elektronmolnet i en molekyl kan också bli tätare om det finns fler elektronpar än ett. Du har tidigare sett att syreatomen kan få samma elektronstruktur som neon, om den tar upp två elektroner och bildar en oxidjon, O”. I syremolekylen kan man alltså tänka sig två elektronpar bli gemensamma för ato-

Energi

merna. Men kloratomen är större än väteatomen. Det gemensamma mol-

Bindningsenergin är 436 kJ/mol H,

ta — ...än vätgasmolekyler. 8 Fria väteatomer har högre energi än vätgasmolekyler. När vätemolekyler bildas frigörs 436 kJ/mol.

merna. Då får båda syreatomerna åtta elektroner i omgivningen, alltså som en ädelgas.

När två elektronpar är gemensamma är resultatet en dubbelbindning. 9 KEMISK BINDNING

+& 151

I en dubbelbindning är elektrontätheten mellan atomerna större än i en enkelbindning. Atomerna dras därför hårdare till varandra, dvs bind-

ningen är starkare. Det innebär också att mer energi frigörs när atomerna binds till varandra. För O, är den 498 kJ/mol. Lika mycket energi måste tillföras för att bryta bindningen.

Mellan kolatomer i organiska ämnen är dubbelbindningar också starkare än enkelbindningar. Men hos kol kan man lätt bryta bara den ena av bindningarna i dubbelbindningen (t ex vid additionsreaktion, kapitel 6).

Dubbelbindningen är alltså en svag punkt, en reaktiv del, av den

organiska molekylen.

Typiskt för den kovalenta bindningen är att en hög elektrontäthet mellan de bundna atomerna ger en stark bindning.

Tabell 9:2 Några kovalenta bindningar, med bindningslängd och bindningsenergier.

Bindning (ämne) H-—H (H.) H—O (H,0) — H-—N (NHJ) H—S (H,S) H—F (HF) H—CI (HCl) H—Br (HBr) — H—LI (HI) F—F (F) CI—CI (CI) Br—Br (Br) — 1-1 (1)

Längd nm

Energi Ko

0,074 0,096 0,101 0,135 0,092 0,127 0,141 0,160 0,142 0,199 0,228 0,267

436 464 391 364 568 432 366 298 158 243 193 151

Bindning CR '0=0 O—Si NEN c—C C=C C=C c—0 C=0 C=0 C—H Si—H c—0CI

(0;) (SiO,) (N) (C.H,) (CH) (CO) (CO) (SiH,)

Längd nm

FY KET

0,121 0,161 0,110 0,154 0,134 0,121 0,143 0,116 0,113 0,108 0,148 0,177

498 466 945 347 598 837 358 805 1077 413 318 338

Kvävemolekylen har en av de högsta bindningsenergier man känner till, se tabell 9:2. Den starka bindningen gör molekylen reaktionströg, dvs

obenägen att reagera. Bindningens styrka har stor betydelse för sprängämnestekniken. Ett

sprängämne ska ge gasformiga produkter och utveckla mycket energi så att gaserna får stor volym. Då ett sprängämne exploderar bildas kvävgas ur andra molekyler. Just därför att kvävemolekylen har så stark bindning, frigörs stora mängder energi vid sprängningen. I bilarnas krockkuddar finns en instabil kväveförening som exploderar vid en krock. Det bildas kvävgas som blixtsnabbt blåser upp kudden. Varför bindningen i kvävemolekylen är så stark får du själv reda ut i övning 910. ÖVNING 909-910

152

+

9 KEMISK BINDNING

Fleratomiga molekyler Många kemiska föreningar som du har träffat på är uppbyggda av molekyler med fler än två atomer. Några exempel är koldioxid, CO,, svaveldioxid, SO,, metan, CH,, etan, C,H;, eten, C,H,, cyklohexan, C/H,,, och

etanol, C,H.OH. Det mycket aktuella ämnet ozon är en treatomig molekylform, O,, av grundämnet syre. Ozon i stratosfären skyddar oss från

UV-strålning. Hur ozonlagret bildas och hur det kan förstöras kan du läsa om i Uppslaget. Atomerna hålls ihop till molekyler av kovalenta bindningari alla aggre-

gationsformer. De kovalenta bindningarna inom molekylerna bibehålls alltså när ett ämne smälter eller blir gasformigt. Etan, exempelvis, innehåller molekylen C,H; i alla aggregationsformer.

I de uppräknade molekylerna är de kovalenta bindningarna fördelade så att varje atom får ädelgasstruktur. Varje atom bidrar med sina valenselektroner i bindningarna. ÖVNING 911

Kovalent bindning finns också inom fleratomiga joner Natriumsulfat och natriumnitrat är typiska salter. Om man löser dem i vatten frigörs natriumjoner och sulfatjoner respektive nitratjoner. Däremot bryts inte de kovalenta bindningarna inom sulfat- och nitratjonen.

Sulfatjonen har vi tidigare beskrivit som en tetraeder med syreatomerna i hörnen och svavelatomen i tetraederns tyngdpunkt (kapitel 5). Alla avstånd mellan syre- och svavelatomerna är lika. Vi kan också beskriva samma jon med en elektronformel, se marginalbild.

Ien nitratjon är alla avstånd mellan kväveatomen och syreatomerna lika. Naturen har ju ingen anledning att göra skillnad mellan syreatomerna. Jonens elektronformel finns i marginalen, men varför har vi ritat

tre formler? Om man bara ritar en av dem, kan man tolka det som om en av syreatom-

erna är hårdare bunden än de andra. Men eftersom alla bindningar är

lika långa så måste den verkliga jonen vara ett mellanting av de tre'. Att rita alla tre är ett sätt att beskriva att den extra bindningen är utspridd, dvs delokaliserad.

Oftast ritar man ändå bara en av formlerna och håller delokaliseringen i minnet!

Om man kan rita flera likvärda elektronformler talar man om delokali-

serade elektroner. Nitratjonen har en delokaliserad bindning.

Det är lättare att förstå en delokalisering om man tänker sig elektronerna som moln. Även en enda elektron kan beskrivas som ett moln, och här

är ett extra elektronpar utspritt över alla bindningarna.

" Med pilarna i formeln beskriver kemisten just detta mellanting.

En delokaliserad bindning är utspridd över fler än

två atomer.

9 KEMISK BINDNING

+ 153

Är du nyfiken på att räkna elektroner och rita en elektronformel — läs rutan!

Hur ritar man en elektronformel?

Hur kan man veta hur många enkel- respektive dubbelbindningar en molekyl innehåller? Man räknar elektroner! Nitratjonen är ett lämpligt exempel. Följ med i figuren. oc

2

Vi startar med att konstatera att nitratjonen existerar och

N

att N är omgiven av tre O.

KN

Hur många valenselektroner finns att använda? Kväve har 5, syre 6. De fyra atomerna i nitratgruppen bidrar alltså

med 5 + 3 6 = 23 elektroner. Molekylen har laddningen —1, alltså finns det totalt 24 elektroner eller 12 elektronpar. Observera att molekylen inte ”vet” från vilken atom elektronerna kommer — elektroner har ingen adresslapp!

Syre är bundet till kväve. Börja med att låta kväveatomen

binda varje syreatom med en enkelbindning. Vinklarna är ointressanta, elektronformeln beskriver bara elektronernas

placering.

Rita ut ytterligare elektronpar kring varje atom tills de fått ädelgasstruktur, alltså 4 par. Nu har du placerat 13 elektronpar istället för 12. Det är ett

tecken på att molekylen innehåller en dubbelbindning någonstans! En dubbelbindning ”sparar” nämligen ett elektron-

par. Ta bort ett fritt elektronpar från både en syreatom och kväveatomen och ersätt dem med ett gemensamt par. Då

kommer du ner till 12 par. Alla atomer omges fortfarande av 4 elektronpar, dvs de har ädelgaskonfiguration. Nu är elektronformeln färdig. Det som återstår att undersöka är om du kunde ha ritat dubbelbindningen mellan

några andra atomer. Det var det vi gjorde på sid 153. I sådant fall är bindningen delokaliserad.

ÖVNING 912-915

Riktade bindningar bestämmer molekylens form Hur fungerar molekyler i biologiska system? Hur binds en molekyl till andra molekyler eller joner? Vad händer med dem i kemiska reaktioner? Det som avgör är ofta den geometriska formen hos molekylen, och formen beror i sin tur på den kovalenta bindningens riktning. I molekyler och fleratomiga joner är bindningarna riktade så att de

kommer så långt ifrån varandra som möjligt. Elektronerna i en kovalent bindning är ett negativt laddat elektronmoln riktat mellan två atomer. 154

+

9 KEMISK BINDNING

Negativa laddningar repellerar varandra. När en atom är bunden med kovalenta bindningar till två eller flera andra atomer bildar bindningarna därför en vinkel med varandra, bindningsvinkeln (se sid 84).

7 H-C-H H

Metanmolekylen är ett exempel.

Kolatomen är omgiven av fyra bindningar, alltså fyra negativa elektron-

Metanmolekylen.

moln, som fördelar sig så jämnt som möjligt i rymden. Den jämnaste fördelningen är denna:

J Elektronmolnen — bindningarna — blir alltså riktade som från en tetraeders tyngdpunkt mot dess hörn. Metanmolekylen blir därmed formad som en tetraeder, som sulfatjonen.

Du har tidigare sett formen på ammoniakmolekylen i kapitel 5 — här kommer förklaringen. H Ammoniak, NH,, har elektronformeln:

I "NH

I

H

Även här finns fyra elektronmoln (riktningar) att fördela kring kväveatomen. Det fria, icke-bindande, elektronparet kräver också utrymme!

Både elektroner i bindningarna (blå) och fria elektronpar (grå) kräver utrymme.

J Ett av hörnen i tetraedern ”syns inte”, där sitter ju ingen atom. Ammoniakmolekylens atomer blir alltså ordnade som en låg pyramid med kväveatomen i toppen.

Ammoniakmolekylens form är en låg pyramid med kvävet i toppen.

När ammoniakmolekylen tar upp en vätejon och bildar en ammoniumjon, binds vätejonen till kväveatomens fria elektronpar. Ammoniumjonen får formen av en tetraeder med väte i alla fyra hörnen. Ammoniumjonen och metanmolekylen har samma form och elektronuppsättning. 9 KEMISK BINDNING

+ 155

eo me

Kring syret i vattenmolekylen finns också fyra laddningsriktningar, två bindningar och två fria elektronpar. Två hörn i tetraedern saknar atomer och molekylen blir vinklad.

I Vattenmolekylen är vinklad.

Nitratjonen har däremot bara tre laddningsriktningar (sett från kväve-

atomen). Elektronformeln finns på sid 153. Jonen måste alltså ha alla atomerna i samma plan. Kväveatomen har då fått jämnast möjliga laddningsfördelning omkring sig.

Molekyler som nätverk — utan slut Kolatomen har fyra elektroner i yttersta skalet. Skalet är halvfyllt, atomerna kan varken lätt avge eller lätt ta upp elektroner.” De delar

gärna fyra elektronpar med andra atomer i kovalenta bindningar. Nitratjonen är plan. Syreatomerna

bildar en liksidig triangel med kväveatomen i triangelns tyngdpunkt.

Kolatomen kan använda sina elektroner till att bilda fyra kovalenta bindningar i fyra riktningar till fyra andra kolatomer eller till andra atomslag. Detta är grunden för den enorma variationen av föreningar i den organiska kemin, men också för diamantstrukturen.

I diamant delar varje kolatom elektronpar med fyra andra kolatomer.

> Man skulle kunna tro att två kolatomer kan bilda en molekyl med fyrdubbel bindning, men sådana finns inte.

156 + 9 KEMISK BINDNING

Dessa fyra delar elektronpar med ytterligare tre vardera.

Dessa tolv binder i sin tur vardera tre kolatomer osv i ett enda stort nätverk. Man kan också se diamant som ett nätverk uppbyggt av de sexledade ringarna i cyklohexan. I diamantfiguren är en sådan ring markerad i gulbrunt.

Diamantmolekylen har inget naturligt slut. Molekylen är obegränsad i

alla riktningar beroende på att de fyra bindande elektronparen sprids jämnt i rymden. Den består av en enda stor molekyl där alla bindningar är kovalenta. Eftersom kolatomerna är små, är bindningarna dessutom

starka. Det är med andra ord inte lätt att smälta en diamant! Kisel och germanium i grupp 14 har samma struktur som diamant. Grafit är, liksom diamant, en form av grundämnet kol. Men grafit inne-

håller dubbelbindningar. Även här blir molekylen obegränsad, men nu ligger hela jättemolekylen i ett plan med kolatomerna i regelbundna sexhörningar. Grafiten är uppbyggd av parallella sådana skikt. Mellan skikten är bindningarna svaga, se nästa sida.

Alla kolatomer ligger lika nära sina tre grannar inom skiktet, men det är mycket större avstånd mellan skikten. Dubbelbindningarna är utspridda 9 KEMISK BINDNING

+ 157

jämnt över hela molekylen, dvs de är delokaliserade. De är rörliga laddningar, ett negativt laddat moln över hela molekylplanet.

Y

NN

NN

N” Y

FNISNINA Två former av kol.

I

SNI

I

I

NIA NS

I

NINA

I

AR AT

2

-

Kristaller av grafit leder därför ström parallellt med skikten. Grafit-

elektroder leder ström ialla riktningar eftersom grafitkristaller där ligger helt oordnade. Grafen, som är ett skikt av grafit med endast en atoms

Fullerener

= kolbollar med intressanta egenskaper! Fullerener är kolbollar där kolatomerna utgör hörnen i

regelbundna fem- och sexhörningar. Molekylernas form liknar fotbollar. De stabilaste

kolbollarna innehåller 60 eller

70 kolatomer. Forskning på-

går om fullerenernas egen-

skaper. Man har bland annat funnit att de blir högtemperatursupraledare när de ”dopas”

tjocklek, leder ström mycket bra och är 200 ggr starkare än stål och dess-

utom genomskinligt. Elektronmolnet i grafen är dessutom så tätt att inget kan passera igenom. Grafen belönades med Nobelpris i fysik 2010. Diamant är däremot en isolator, eftersom det inte finns några delokaliserade bindningar. Intressant nog har diamant hög värmeledningsförmåga, vilket utnyttjas vid borrning, eftersom värmen leds bort och inte överhettar borret. Diamant och grafit har olika mekaniska egenskaper. Diamant är det hårdaste ämne vi känner och det repar alla andra ämnen. Grafit är

mjukt och färgar av sig. Det används i blyertspennor och som smörjmedel. Den smörjande egenskapen beror på att grafitskikten lätt glider mot varandra. I diamant kan man däremot inte rubba någon atom utan att bryta en kovalent bindning.

(= förorenas på ett kontrol-

ÖVNING 916-918

lerat sätt) med vissa metaller.

Man kan också framställa superstarka ”nanotuber”, rör

av kol, genom att variera pro-

portionerna mellan 5- och 6hörningar.

Sammanfattning av egenskaperna hos kovalent bindning

Det behövs inte alls några stora apparater för att framställa

> Kovalent bindning innebär att de bundna atomerna har ett, två

dessa molekyler. De bildas t ex

när man förbränner acetylen i luft eller när man tänder ett

stearinljus! Upptäckten be-

lönades med Nobelpris i kemi år 1996, trots att fullerenerna

upptäcktes så sent som på 1980-talet.

158 + 9 KEMISK BINDNING

eller tre gemensamma elektronpar. + Elektronmolnet är tätast mellan de bundna atomerna, dvs

bindningen är riktad mellan två atomer. > Ju tätare elektronmoln, desto starkare bindning.

3 När en kovalent bindning bildas, frigörs energi — ju starkare bindning, desto större energi.

Jonbindning och kovalent bindning

- en jämförelse Nu har du träffat på två olika bindningstyper. Låt oss repetera skillnaderna mellan dem: I en molekyl med kovalent bindning ”känner” varje atom vilken

granne eller grannar den är bunden till. Ett elektronmoln sträcker sig nämligen i riktning mot en bunden grannatom. En atom kan ha

fria elektronpar som också tar plats. Elektronmolnen, både de i bindningar och dei fria elektronpar, sprids så att de kommer så långt från varandra som möjligt. De bestämmer därmed molekylens eller den fleratomiga jonens form. I ett ämne med jonbindning omges varje jon av många grannar med

motsatt laddning och ingen är bunden starkare än den andra. Det finns inga riktade elektronmoln mellan jonerna och inga molekyler

kan bildas. Det gäller även om ett av jonslagen är en fleratomig jon. En sådan jon, t ex en sulfatjon, uppfattas av andra joner som en enda negativt laddad partikel.

Joner packar sig i tre dimensioner så att varje positiv jon får så många kontakter som möjligt med negativa joner. Tre modeller av vätekloridmolekylen

Vi har hittills studerat rena, tydliga modeller för två bindningstyper. Två lika atomer kan dela absolut lika på ett elektronpar i en kovalent bindning. Men vi kan inte vänta oss att två olika atomslag ska dela lika. I själva verket håller de flesta kovalenta bindningar ihop två olika atomslag. Därför består de flesta kovalenta bindningar av elektronmoln som är förskjutna lite åt det ena atomslaget — polära bindningar.

Öv

9.4 Polär kovalent bindning

H-

Ci:

Modell med ren kovalent bindning.

I en klormolekyl attraheras det gemensamma elektronparet lika starkt

av båda atomerna. Vi får en rent kovalent bindning. +0,17 I en vätekloridmolekyl däremot, dras elektronparet starkare mot kloratomen än mot väteatomen. Kloränden blir därför något mer negativt laddad. Att elektronparet i bindningen är förskjutet mot kloratomen

brukar markeras på följande sätt: H—

XI = eller

H—

Cl

ört

ö

Delta,ö, anger en del av en laddning till skillnad från en hel laddning hos en jon.

0,17

Den modell som bäst stämmer med verkligheten är ett mellanting av de två andra, polär kovalent bindning.

+1

så

Bindningen inom molekylen kallas polär kovalent bindning. Molekylen

är neutral, men den har alltså en pluspol och en minuspol, dvs den är en dipol. En dipol är en molekyl där tyngdpunkten för positiv och negativ laddning inte sammanfaller.

Ht Ok Jonbindningsmodell. 9 KEMISK BINDNING

+ 159

av kolföreningar? De organiska föreningarna be-

I en ren kovalent bindning tillhör det gemensamma elektronparet i lika hög grad båda atomerna. I en polär kovalent bindning dras elektronparet starkare till den ena atomen. Och i en ren jonbindning har elektronparet helt gått över till den ena atomen. Det finns alla varianter från rent kovalent bindning via polär kovalent bindning till jonbindning. Men för

står av molekyler med huvud-

att få enkla modeller talar vi ofta om tre skilda slag av kemisk bindning.

Varför består vi

sakligen C-C-bindningar och 'C-H-bindningar. Ändå är kol inte det vanligaste ämnet i jord-

skorpan (kap 2). Kisel är bra mycket vanligare och liknar dessutom kol i många avseenden. Varför är då inte växter

och djur uppbyggda av kiselväten?

Bindningsenergierna ger två skäl. Kiselatomen är större än kolatomen. Därför är Si-Si-bind-

ningen och Si-H-bindningen

svagare än motsvarande bind-

Elektronegativitet — ett användbart begrepp Atomernas förmåga att dra åt sig elektroner i en bindning är så viktig att den har fått en egen benämning, elektronegativitet. Ett atomslag med stor förmåga att dra åt sig elektroner i en bindning har hög elektronegativitet. Tabell 9:3

Elektronegativitet

H

21 Li

He

Be

B

c

N

o

F

ningar för kolatomen, Men

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

bindningen Si-O är stark och kiseldioxiden kvarts är en

Na

Mg

Al

Si

Pp

s

Cl

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,5

3,0

”oändlig molekyl”. Kisel binds

K

Ca

därför effektivare till syreatomer än till andra kiselatomer och väte. Det är därför jordskorpan

0,8 Rb 0,8 Cs 07

till stor del består av silikater

med Si-O-bindningar. Men det finns ytterligare skäl:

1,0... Sr 1,0... Ba 09...

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

1,9 Ag 1,9 Au 24

1,6 ed L7 Hg 1,9

1,6 In 17 TI 1,8

1,8 Sn 1,8 Pb 1,8

2,0 Sb 1,9 Bi 1,9

2,4 Te 21 Po 2,0

Ne Ar

Br

2,8 I 2,5 At 2,2

Kr

Xe Rn

Ett kolväte är visserligen ett

bränsle och ger koldioxid. Men

Den vanligaste skalan för elektronegativitet är Paulings skala. Det mest

förbränningen sker inte utan

att man tänder på eller har

elektronegativa atomslaget, som är fluor, har siffervärdet 4,0. Minst elektronegativt är cesium med 0,7.

kroppen). En organism kan

Kemister använder värden på elektronegativitet för att dra slutsatser

alltså existera i vår atmosfär. Ett kiselväte brinner däremot upp direkt i syreatmosfär!

om vilken typ av bindning som finns mellan två atomslag. Liten diffe-

hjälp av katalysatorer (som i

rens i elektronegativitet betyder kovalent bindning och stor differens betyder jonbindning. Däremellan förväntar man sig polär kovalent bindning. Det finns ingen exakt regel för när det ena eller andra slaget av bindning uppträder. Men differensen är bra att använda när man vill jämföra två bindningar med varandra. Ofta ger det en fingervisning om en förenings egenskaper. ÖVNING 919-922

160 + 9 KEMISK BINDNING

Polära och opolära lösningsmedel Du vet redan att vattenmolekylen är vinklad. Syre är mer elektronegativt än väte, dvs de bindande elektronparen är förskjutna mot syreatomen. Tyngdpunkten för positiv laddning hamnar mitt emellan väteatomerna och tyngdpunkten för negativ laddning hamnar i syreatomen. Tyngdpunkterna sammanfaller alltså inte. Vattenmolekylen är en dipol och man säger att vatten, vårt vanligaste lösningsmedel, är ett polärt lösningsmedel.

ö

PA H ö

H

Vattenmolekylen är en dipol.

Alkaner, kolvätemolekyler, är alltid opolära. Kol och väte är ungefär lika elektronegativa. Både hemma

(lacknafta, bensin) och inom industrin

(färg- och lackindustrin, läkemedelsindustrin osv) används opolära lösningsmedel. Dit hör t ex olika slag av kolväten. Men alkoholer är polära molekyler, speciellt om kolkedjan är kort. Ritar man strukturformeln för en alkohol, t ex etanol, ser man att den är

osymmetrisk. Syreatomen är mest elektronegativ och molekylen som helhet är därför en dipol. En molekyl med polära bindningar är inte nödvändigtvis en dipol. En molekyl är en dipol endast om tyngdpunkten för positiv och negativ

laddning inte sammanfaller. Molekylens form kan avgöra om den är en dipol eller inte. Vi visar med några exempel. Tetraklorometan, CCI,, är en symmetrisk, tetraederformad molekyl och

ingen dipol. Kloratomerna är visserligen mer elektronegativa än kol, men deras tyngdpunkt sammanfaller med kolatomen i centrum av tetraedern.

I

Y

Tetraklorometan.

Däremot har ämnena mono- di- och triklorometan alla polära molekyler. När väteatomer i en kolvätemolekyl ersätts med t ex en OH-grupp, en syreatom eller en kloratom, ändras alltså egenskaperna hos den ursprungliga molekylen avsevärt. Molekylen får en ny funktion. Inom den organiska kemin kallas en sådan grupp just funktionell. Polära och opolära lösningsmedel löser olika typer av kemiska ämnen. Mer om ämnens löslighet kommer i avsnitt 9.8. Dipoler är neutrala, men eftersom de har plus- och minusändar attraherar de varandra. Den positiva delen av en molekyl dras till den negativa delen av en annan molekyl. Bindningarna mellan molekylerna är svaga, dvs det behövs bara lite energi för att bryta dem. Väteklorid är ett exempel. Fast väteklorid smälter (trots dipol-dipol-bidningen) redan vid 159 K och kokar vid 188 K. ÖVNING 923-924

Molekylerna i fast HCI hålls samman genom dipol-dipolbindning. 9 KEMISK BINDNING

+ 161

—

Fria joner + vatten

Joner binder vatten i hydratiserade joner Det är svårt att smälta natriumklorid, men ganska lätt att lösa saltet i

vatten. För att smälta ett salt måste man bryta jonbindningar. Och för

t salt + vatten

|

Vattenlösning med hydratiserade joner

detta krävs mycket energi. När saltet ska lösas i vatten måste visserligen jonbindningarna brytas, men i stället binds alltid vattenmolekyler till jonerna med jon-dipolbindning. Då frigörs energi — som alltid när en bindning bildas. Som du ser av diagrammet till vänster nedan är en jondipolbindning en ganska stark bindning. En jon med vattenhölje kallas en hydratiserad jon. Vattenmolekylerna runt en positiv jon vänder sin syreatom mot jonen. Runt en negativ jon

samlas vattenmolekyler med väteatomerna mot jonen. Bilderna illustre-

Att lösa ett salt i vatten kan ge värme

rar hur vattenhöljet kan se ut runt en magnesiumjon.

ningen är starkare än jonbindningen i saltet har lösningen lägre energi än salt + vatten. Energi frigörs och lösningen blir varm. Om den i stället är svagare krävs energi för upplösning-

Om en jon attraherar vattenmolekyler starkt, följer vattenhöljet delvis med då jonföreningen kristalliserar. Det inträffar ofta med joner laddade +2 eller mer. Kopparsulfatpentahydrat, magnesiumsulfatheptahydrat och kalciumkloriddihydrat är exempel på salter som har kristallvatten.

- eller kräva värme. Om jon-dipolbind-

en och lösningen blir kall.

ÖVNING 925-927

9.5 van der Waals-bindning - svagast! Alla ädelgasatomer har stabila elektronmoln. De varken tar upp eller avger elektroner. Man kan säga att ädelgaserna består av ”enatomiga” molekyler. Samtliga ädelgaser är just gaser vid rumstemperatur. Men kyler man tillräckligt blir även dessa ämnen flytande, och vid tillräckligt låg temperatur blir de fasta ämnen. Helium blir vätska först vid 4 K.

Det måste alltså finnas en bindning som kan hålla ihop även atomer och

En magnesiumjon i vattenlösning omger sig med sex vattenmolekyler. Vattenmolekylerna bildar hörn i en oktaeder.

AN

molekyler med fyllda elektronskal. Bindningstypen kallas van der Waalsbindning och är den svagaste man känner till. Styrkan hos en van der Waalsbindning (vdW-bindning) är i stort sett proportionell mot molekylens area. VdW-bindningen i helium är extremt svag, eftersom helium är den minsta molekyl som finns. Vätgasmolekylen är bara något större än en heliumatom och även mellan vätgasens molekyler är vdW-bindningen mycket svag. Studera ädelgasernas kokpunkter i tabell 9:4. De stiger ju längre ner

i gruppen vi kommer. Ädelgasernas molekyler består av en enda atom. Och ju längre ned i periodiska systemet, desto större atomer. Det ger i sin tur starkare vdW-bindning. Jämför också de olika alkanernas kokpunkter, i tabell 6:1. Molekylernas area, och därmed VdW-bindningens styrka ökar med antalet atomeri molekylerna. Kokpunkten stiger. Ämnen med avgränsade molekyler smälter redan vid låg temperatur. När man upphettar ett ämne, är det de svagaste bindningarna som bryts

162 + 9 KEMISK BINDNING

först. I fast butan, C,H,,, som smälter vid —138 ”C ligger butanmoleky-

De ämnen som består

lerna packade och sammanhållna av vdW-bindningar. När man värmer fast butan bryts delvis de svaga vdW-bindningarna först. Vid kokpunkten, 0 ”C, bryts vdW-bindningarna helt och butan blir gasformigt. Men de kovalenta bindningarna inom molekylerna består.

av avgränsade molekyler behåller sina molekyler i alla aggregations-

tillstånd.

Van der Waalsbindningen märks också när gaser löser sig i vätskor, t ex i vatten. Du har tidigare träffat på bl a väteklorid och ammoniak som

reagerar med vattenmolekyler och bildar sur respektive basisk lösning (kapitel 5). Där uppkommer starka bindningar.

Men de flesta gaser i luft är opolära molekyler som inte reagerar med vatten. Den enda bindning som kan bildas mellan t ex en syremolekyl och en vattenmolekyl är van der Waalsbindning. Båda molekylerna är

små och bindningen blir svag. Därför hittar man högst två syremolekyler på 100 000 vattenmolekyler i vattenglaset! Eftersom bindningen är så svag är den lätt att bryta. Värmer man vattnet slår syremolekylerna ihop sig till små gasbubblor och bubblar bort.

Tabell 9:4 Smältpunkt, kokpunkt samt densitet för icke-metaller

och halvmetaller

LILLE

Cyom Coamam si Ge N, Pa(P) 0, Så H, Få cl, Br, 1 He Ne Ar Kr Xe

Smpkt

(subl — 3 700) >3 550 1410 937 -210 44 -218 119 -259 -220 -101 -7 114 -272" -248 -189 -157 -112

ICD

(subl — 4 800) 2355 2830 -196 281 -183 445 -253 -188 -35 59 184 -269 -246 -186 -152 -107

2,25 3,53 2,33 5,35 0,81 1,82 1,15 2,07 0,07 1,51 1,56 3,12 4,94 0,15 1,21 1,40 2,16 3,52

(1) "+ (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1)

vid 2,6 MPa. ++ (I) innebär att densiteten ges för vätskan vid kokpunkten, för He dock 3 K.

Jämför smält- och kokpunkt för de en- och tvåatomiga molekylerna i tabell 9:4. För de lätta ligger kokpunkten bara några få grader över smältpunkten. Detta är typiskt för vdW-bindning. Den verkar nämligen bara

på mycket kort håll. Så fort molekylerna blir rörliga vid smältningen avtar attraktionen mycket och det behövs bara en minimal temperaturhöjning för att skilja molekylerna helt. 9 KEMISK BINDNING

&« 163

Kan man smälta jättemolekyler som diamant och grafit? Grafit har plana jättemolekyler som hålls ihop av mycket starka vdWbindningar. Men jättemolekyler kan inte bilda en vätska. Upphettas grafit spricker kovalenta bindningar inom skikten. Diamant, kisel och germanium är grundämnen med höga eller mycket höga smältpunkter, jämfört med de andra ämnena i tabell 9:4. De är uppbyggda som nätverk utan slut. Alla bindningar är kovalenta och om ämnena ska smälta måste dessa bindningar brytas.

Som du ser av temperaturerna i tabellen är det i praktiken omöjligt att smälta diamant och grafit. Kisel och germanium har precis samma struktur som diamant, men de större atomerna innebär svagare bind-

ningar. (Tenn och bly som står i samma grupp i periodiska systemet är metaller och byggda på annat sätt.) ÖVNING 928-930

Molekylföreningar - en sammanfattning + En förening som består av avgränsade molekyler har kovalenta bindningar inom molekylerna och svaga van der Waalsbindningar eller dipol-dipolbindningar mellan molekylerna. 3 Då molekylföreningar smälter, bryts den svagaste bindningen. >k Ämnen som består av avgränsade molekyler har låga smält- och

kokpunkter. 3 Smält- och kokpunkter ökar med molekylernas storlek. >& Molekylerna är oförändrade i alla aggregationstillstånd.

3 Oavgränsade (nätverks-) molekyler innehåller bara kovalenta bindningar. k Ämnen som består av oavgränsade molekyler har höga smältpunkter.

164 + 9 KEMISK BINDNING

9.6 Vätebindning - livsnödvändigt! De flesta tycker nog att vatten är en vardagsvara, men för kemisten är vatten ett unikt och intressant ämne:

+ Vatten är ett av de ytterst få ämnen som utvidgar sig då det stelnar. Is flyter ju på vatten. + Vatten har högre smält- och kokpunkt än vad en dipol-dipolbindning

skulle medföra. + Vatten är unikt som lösningsmedel. Vattens egenskaper beror på vätebindning mellan vattenmolekylerna. Vätet i en vattenmolekyl dras till ett av de fria elektronparen på en syreatom i en annan vattenmolekyl. Molekylerna binds svagt till varandra, men starkare än om det vore en dipol-dipolbindning.

Vätebindning kan bara bildas mellan två molekyler med speciella egen-

I —H

skaper. I den ena molekylen måste det finnas en väteatom som är bunden till en liten, starkt elektronegativ atom. I den andra molekylen måste det finnas en liten, starkt elektronegativ atom som har minst ett fritt elektronpar. Det är detta elektronpar som attraherar vätet.

å

es

O—H å

Just detta villkor är uppfyllt för vatten, men också för ammoniak och

vätefluorid Alla tre ämnena har avsevärt högre smält- och kokpunkter än man kan förvänta sig — se diagrammet. Cc 100

Kokpunkt

är

H,O a

Kokpunkterna för väteföreningarna i grupperna 14-17. Om bindningarna vore av samma typ i H,O som i övriga väteföreningar i grupp 16, borde kokpunkten vara ungefär 80 ”C.

-100

-200 Period 2

3

4

5

Även i DNA-molekylen finns vätebindningar. De håller ihop de två spiralformade molekylerna till en dubbelspiral.

Också i DNA finns vätebindning. Den håller ihop ”baserna” G och C

respektive T och A som bygger upp skelettet i DNA-spiralen.

Vätebindningen i is är riktad. Det betyder att vätet ligger på linjen mellan de två vattenmolekylernas syreatomer: :0—H :0—H

I H

I H

9 KEMISK BINDNING

+« 165

Ä

Varje vattenmolekyl i is kommer på så sätt att få endast fyra andra

3

vattenmolekyler som grannar, vilket ger en mycket gles packning av molekyler. Därför blir isens struktur relativt ”luftig”. Då is smälter bryts en del av vätebindningarna, som är de svagaste i strukturen. Molekylerna kan då packa sig tätare. Densiteten för flytande vatten är därför

högre än hos is, vilket förklarar varför is flyter på vatten. Över 0 ”C bryts fler vätebindningar och molekylerna packar sig tätare och tätare. Vid

En vattenmolekyl i is omgiven av fyra andra. Syret binder sina två

väteatomer i molekylen och dess-

utom ytterligare två väten i andra molekyler med vätebindning.

+4 ”C är densiteten som högst. Vid högre temperatur ökar molekylernas rörelse så att densiteten minskar igen. Och vid kokpunkten bryts alla vätebindningar. Både smältvärme och ångbildningsvärme för vatten är ovanligt höga

om man jämför med andra molekylföreningar. Även detta beror på att vätebindningarna är starkare än vdW- och dipol-dipol-bindningar.

9.7 Metallbindning Metaller leder elektrisk ström både i fast och flytande form. Grundämnen som är typiska metaller är inte särskilt elektronegativa. Valenselektron-

erna hålls alltså inte hårt till atomerna, utan sprids ut över alla de övriga atomerna i en metallkristall. Det är dessa elektroner som står för metallbindningen och konduktiviteten (ledningsförmågan).

Ett lager atomer i en natriumkristall.

Ett lager atomer i en magnesiumkristall.

Natrium har en valenselektron och det

Det finns dubbelt så många elektroner i

finns därför lika många elektroner i

molnet som atomer i kristallen. En stark-

molnet som atomer i kristallen. En svag

are metallbindning.

metallbindning.

Metallbindningen brukar beskrivas så här: Metallatomerna ligger tätt packade. Hela metallkristallen består av metalljoner, t ex Na”, som är

166 + 9 KEMISK BINDNING

inbäddade i ett moln av elektroner. Molnet består av valenselektronerna från alla atomer i metallkristallen. Metallen hålls samman genom attraktionen mellan de positiva jonerna och de delokaliserade valenselektronerna, som är negativt laddade. Molnet är också rörligt vilket gör att metallen leder elektrisk ström och värme. Ju fler valenselektroner per metallatom, desto tätare blir elektronmolnet,

vilket i sin tur håller ihop atomerna ännu bättre. Metallbindningens styrka ökar till att börja med från vänster till höger i periodiska systemet. Det syns på metallernas smält- och kokpunkter. Metallbindningen är som starkast i grupp 6. Volfram är den mest svårsmälta av alla metaller (smältpunkt 3422 ”C). Glödtråden i en glödlampa är gjord av volfram

och tål alltså mycket höga temperaturer. Strukturen hos många metaller kan beskrivas som lager på lager av tätpackade atomer. När metaller bearbetas glider atomlager på atomlager i alla riktningar, metallen upplevs som mjuk. Exempelvis kan koppar, silver och guld dras till trådar eller hamras ut mycket tunt.

Atomerna i en metall packar sig ofta så tätt som möjligt i lager på lager, som i en pyramid av kulor.

Ingen bindningstyp är starkast av de starka! En varning kan vara på sin plats. Jonbindning, kovalent bindning, polär kovalent bindning och metallbindning är alla starka typer av bindning-

ar, men man kan inte påstå att någon av dem är starkast. Det finns stora variationer inom alla fyra typerna. Jämför gärna bindningens styrka i två jonföreningar, i två olika kova-

lenta bindningar eller jämför smältpunkten för två metaller och diskutera vad som orsakar skillnaden. Men att jämföra metallbindningeni kalcium med jonbindningen i kalciumoxid, det är som att jämföra storleken mellan ett äpple och en banan.

9.8 Lika löser lika - viktig vardagsprincip! Upplösning är en kemisk reaktion: ämne + lösningsmedel > lösning För att reaktionen ska äga rum måste bindningarna i produkten, dvs i lösningen, vara ungefär lika starka som hos reaktanterna. Energiekvationen

måste gå någorlunda ihop. Sker någon reaktion i följande exempel? Olja

vdW

+

vatten

vätebindning

3

olja löst i vatten

väW

'Om man häller cyklohexan, CH,,, eller olja i vatten finner man att vätskorna inte blandar sig även om man skakar blandningen kraftigt. 9 KEMISK BINDNING

& 167

Kolväten, dvs även cyklohexan, består av opolära molekyler som binds till varandra bara med van der Waals-bindningar. Vattenmolekylerna binds däremot samman av vätebindningar, som är lite starkare. Vatten-

molekylerna håller alltså ihop bättre sinsemellan och lämnar cyklohexanmolekylerna utanför. Man får två vätskefaser. Vattnet bildar en fas och cyklohexanet en annan.”

Metanol

vätebindning

+

vatten

vätebindning

2

metanol löst i vatten

vätebindning

Om man blandar metanol och vatten eller etanol och vatten bildas emellertid en lösning. Alkoholmolekylens OH-grupp kan medverka i vätebindningar både till andra alkoholmolekyler och till vattenmolekyler. En lösning utgör en fas.

a

Motsvarande resonemang kan föras om fasta ämnens löslighet i polära

och opolära lösningsmedel:

Cyklohexan (övre skiktet) blandar sig inte med vatten (under). Vätskorna bildar två faser.

CuSO,(s)

+

jonbindning

vatten vätebindning

I

ca

+ S03 (ag)

jon-dipol-bindningar

Lägger man en kopparsulfatkristall i vatten löses saltet lätt. Visserligen måste jonbindningar brytas, men nya bindningar kan bildas mellan jonerna och de polära vattenmolekylerna, jon-dipolbindningar. Se energidiagram sid 162.

9

ag

2

80

.$

”O&Å vv

89

>dc60

>

9

Metanol och vatten är fullt blandbara tack vare vätebindningar.

CuSO,(s)

+

jonbindning

cyklohexan

våW

2

Cu” (cyklohexan)

våW

+

SO: (cykl)

våW

Kopparsulfat löser sig däremot inte i cyklohexan eller något annat opolärt lösningsmedel. Kopparsulfatkristallerna håller ihop med jonbindningar mellan koppar- och sulfatjonerna och cyklohexan har van der Waalskrafter mellan molekylerna. Saltets joner håller ihop bättre sinsemellan, än vad en jon skulle göra med cyklohexanmolekyler. En cyklohexanmolekyl är ingen dipol och kan aldrig bindas till någonting med starkare bindning än vdW-bindning.

L(s)

våW

+

cyklohexan

väWw

2

.

I (cyklohexan)

väW

Jod löser sig däremot i cyklohexan. De opolära I,-molekylerna binds till varandra med vdW-bindning. När jod löser sig bryts vdW-bindningar. Med cyklohexan som lösningsmedel bildas nya vdW-bindningar, nu

mellan I,-molekyler och C.H,,-molekyler. Lösningen blir violett.

+ En fas är en homogen del av ett system, med egna egenskaper. 168 + 9 KEMISK BINDNING

Jod i fast form är så mörkt violett att den ser svart ut. I gasform är jod också violett. Att färgen är densamma i jodlösningen är ett tecken på att molekylen finns oförändrad i lösningen. Samma resonemang gäller även de andra halogenerna. Brom löser sig t ex i cyklohexan till en rödbrun lösning, klor till en svagt gul lösning. Molekylerna har samma färg i opolära lösningsmedel som de rena ämnena.

L(s)

+

våWw

vatten

2

vätebindning

IL (ad) våW

Om jod ska lösa sig i vatten måste en del vätebindningar mellan vattenmolekyler brytas. De ersätts av svagare bindningar mellan jodmolekyler och vattenmolekyler. Upplösningen går inte bra! Allmänt gäller att jonföreningar och andra polära ämnen löser sig i vatten och andra polära lösningsmedel. Opolära ämnen löser sig i opolära lös-

v

ningsmedel. Man brukar säga att lika löser lika.

kopparsulfat löser sig bäst i vatten.

a

der

3

;

SR

3 Nu bör du kunna reda ut kapitlets inledande fråga om tjockoljan på badstranden.

Jod löser sig bäst i cyklohexan och

Jodlösningen innehåller jod-

molekyler precis som fast jod och

gasformig jod. ÖVNING 931-933 Tumregel: Lika löser lika

Lika löser lika. Morotens färgämne är löst i kokosfett och blåbärens färgämne i vatten.

9 KEMISK BINDNING

+ 169

Kry kropp kräver kunskap! Människokroppen innehåller två stora system av lösningsmedel: fettvävnaden och blod/urinsystemet. Det sista äri princip en vattenlösning. Allt det kroppen ska göra sig av med måste hamna i detta system och alltså vara vattenlösligt. Ämnen som inte är lösliga i vatten hamnar

i kroppens fettvävnad och stannari allmänhet länge där. Fettvävnaderna är viktiga lösningsmedel för bl a hormoner. Ett alltför litet fett-

lager kan ge hormonrubbningar, särskilt hos unga kvinnor. Mediciner styrs till olika system i kroppen genom att man ger molekylerna i läke-

medlet polära eller opolära egenskaper.

Å andra sidan kan ett gift skada just därför att det är fettlösligt. Hjärnan

omges av en barriär som bara kan släppa igenom fettlösliga substanser. Därför ska man undvika att andas in ångor av opolära lösningsmedel. Sådana lösningsmedel kan också tränga genom huden, vilket är omöjligt för vattenlösningar.

DDT och PCB är opolära molekyler som löses i fett. Vi använder inte längre dessa ämnen, men de bryts ned mycket långsamti naturen, anrikas i näringskedjan och kan fortfarande påvisas. Bromerade flamskyddsmedel, t ex från datorer, är ett ganska nyupp-

täckt problem. Ämnena är fettlösliga och man har bl a hittat sådana molekyler i bröstmjölk.

Polärt och opolärt har olika verkan på kroppen. Saltsyra svider, men tetraklorometan är farligare. Ammoniak luktar gräsligt starkt, men

bensin är skadligare.

Nya begrepp i kapitel 9 jonbindning, jonradie, bindningsstyrka, bindningsenergi, sprödhet, hårdhet, elektronmoln, kovalent bindning, elektrontäthet, elektronformel, delokaliserade elektroner, geometrisk form,

bindningsvinkel, nätverksmolekyler, elektronegativitet,

polär kovalent bindning, dipol, polär molekyl, polärt lösningsmedel, opolärt lösningsmedel, van der Waals bindning, dipol-dipolbindning,

vätebindning, metallbindning, jon-dipolbindning, hydratiserad jon, principen ”lika löser lika”.

170

+

9 KEMISK BINDNING

Sammanfattning av viktiga bindningstyper Stark bindning

> Jonbindning i jonkristaller, t ex NaCl. Jonbindning bryts vid smältning eller upplösning. Sammanfattning av bindningens egenskaper sid 149. 3 Kovalent bindning inom molekyler. Polär kovalent bindning innebär ett ojämnt fördelat elektronmoln i en kovalent bindning. Kovalent bindning bryts inte vid smältning utom för nätverksmolekyler, t ex diamant. Sammanfattning av bindningens egenskaper sid 158. + Metallbindning finns i metallkristaller. Bryts vid smältning.

Svag bindning mellan molekyler

+ Vätebindning finns mellan molekyler, t ex H,O - H,O. Vätebindning är starkast av de svaga bindningstyperna. + Dipol-dipol-bindning, mellan polära molekyler, t ex HCI - HCL. Den är svagare än vätebindning. > van der Waals - bindning, mellan opolära molekyler. Svagaste

bindningstypen , t ex F, - F,. > Alla bindningar av svag typ bryts vid smältning.

Bindning Jonbindning

Kovalent bindning

Bindningsenergier (kJ/mol), ungefärliga 500

4000

(CsI)

(Mg0)

150

-

(1) Metallbindning

100

(N) -

(Na) Jon-dipolbindning

400

20

900

(ww) -

(CI(aq)) Vätebindning

1000

5000

(AP" (aq)) -

30

(H,0) Dipol-dipol-bindning

van der Waals bindning

10

-

15

1

-

ganska stor

(He)

(grafit) 9 KEMISK BINDNING

+& 171

Övningar

b) natriumbromid och cesiumjodid c) natriumfluorid och kalciumoxid.

901 Skriv formeln för de jonslag som bildas när

909

a) kalium reagerar med brom

Diskutera hur bindningsstyrkan inom molekylen ändrar sig i serien

b) jod reagerar med magnesium

H,

CL

oBr,

OL

c) aluminium reagerar med syre d) magnesium reagerar med kväve.

Skriv även formeln för de salter som bildas.

910 Kvävemolekylen har mycket hög bindningsenergi. Förklara hur den kovalenta bindningen kan beskrivas

och varför den är så stark.

902

Förklara varför du inte skriver natriumklorid som Na,Cl, eller Na,Cl, utan bara NaCl.

911

903 Hur ändrar sig storleken på

valensskalet på syre. Kontrollera att alla atomer

a) positiva joner med samma jonladdning nedåt i en grupp?

b) positiva joner åt höger i en period med stegvis ökande jonladdning? Cc) negativa joner med samma jonladdning nedåt i en grupp?

d) negativa joner åt vänster i en period med ökande negativ jonladdning?

Rita metan- och etan- och etanolmolekylerna som du gjort i kapitel 6, men sätt nu ut alla elektroner i verkligen har ädelgasskal. 912-915 är övningar för den som läst rutan om hur man ritar elektronformler. 912

Rita elektronformeln för a) HCI b) NH, (Ni mitten) c)

NH;

(Nimitten)

e) H,O" (O i mitten)

d) H,O (0 i mitten)

f)

PO

(Pimitten)

g) CO.

904 Ordna följande joner efter ökande storlek och för-

klara ditt val: AP", CI", F7, Mg”, Na”.

913

Rita elektronformeln för

a) Co: (Cimitten)

b) SO3 (Simitten)

905

c) SO, (S i mitten)

d)

CIO7 (Cli mitten)

Vad är det för fel på påståendet ”natriumatomerna

e) CH, (C i mitten)

f)

CCI, (Ci mitten).

tappar lätt sin valenselektron”?

914

906

Finns det några molekyler i övning 912 och 913

Beskriv i ord vad som händer när magnesiumoxid

smälter. Förklara varför smältpunkten är högre än för natriumklorid. Använd tabell 9:1.

som har samma form som metan?

915 Finns det i övning 912 och 913 någon molekyl

907 Jämför smältpunkten för rubidiumklorid och kalciumoxid. Förklara varför de skiljer sig mycket.

908

med samma form som a) nitratjonen

b) ammoniakmolekylen

c) koldioxidmolekylen?

Diskutera varför smältpunkterna skiljer sig mellan

916 Beskriv syreatomernas läge i förhållande till kväve

a) natriumklorid och kaliumklorid

initratjonen.

172

+

9 KEMISK BINDNING ÖVNING

917

925 Hur skulle vattenmolekylerna placera sig kring den negativa jonen när du löser ett salt i vatten? Rita.

a) På hur många riktningar fördelas kolatomens elektronmoln i denna molekyl?

b) Föreslå en trolig form för molekylen.

926 Vilket jonslag håller ihop starkast med vattenmolekyler:

a) Li" eller K”

918

'CO,- och CS,-molekylerna har samma elektronformel. Vilken molekyl ”spricker” lättast om den upphettas? Motivera.

919 Vilket grundämne är mest elektronegativt av a) klor och brom

927

Hur många massprocent vatten innehåller magnesiumsulfatheptahydrat?

928 Vilken halogen har a) lägst smältpunkt b) högst kokpunkt?

Varför?

b) natrium, kalium, rubidium och cesium €) syre och kväve?

920 Skissa ett tomt periodiskt system. Markera med pilar, horisontellt och vertikalt, i vilka riktningar

elektronegativiteten minskar.

929 Anta att du har kylt ner luft till flytande tillstånd och vill skilja kvävet från syret. a) Vilken av gaserna avgår först när du värmer försiktigt?

b) Då gaserna bildas bryts alla vdW-bindningar. Den vätska som förgasas först har alltså svagast bindningar. Kan du ange ett skäl till detta?

921 Vilket atomslag ”drar” mest i elektronerna i bindningen mellan a) Li och I

b) C och Cl

c) OochH

d) Cs och F

e) CochH

f) As och CI.

922 Anta att vi delar in föreningar i jonföreningar och molekylföreningar. Vilka två av följande föreningar är i huvudsak jonföreningar?

a) CaO

b) CCI,

c) BaCl,

d) Hg,

930 Varför kan man inte säga ”Alla ämnen med kovalent bindning har låg smältpunkt”? Ge ett motexempel. 931

Brom löser sig dåligt i vatten. Varför? 932 Vit fosfor består av tetraederformade molekyler, P,.

Är vit fosfor löslig i a) vatten

b) heptan?

Motivera.

923 Beskriv varför det är så viktigt för vattens egen-

skaper att dess molekyl är vinklad.

933

Är cesiumklorid lösligt i a) heptan

924 Vilka av följande molekyler är en dipol? a) monoklorometan

b) Mg” eller $?”?

b) vatten?

Motivera.

b) ammoniak

c) koldioxid

9 KEMISK BINDNING ÖVNING

+&« 173

Blandade övningar

i

>

934

Hel

I figuren på sid 158 har grafitstrukturen ritats med ett system av dubbelbindningar. Men det finns flera. Pröva! Se bara till att varje kolatom omges av ett elektronmoln med ädelgasstruktur, alltså fyra elektronpar.

SgNaBr — 10gNal

&

Well | a

935 Jämför grafitens plana form med nitratjonens form.

Beal

JU -

j Vatten

Varför är grafitskikten plana?

4HCl(aq) + MnO, (s) > Cl, (8) + MnCl, (ad) + 2H,0

936 a) I serien etan, eten, etyn varierar bindningen

mellan kolatomerna i energi och längd. Förklara!

b) Hur mycket energi måste man tillföra för att spräcka den ”extra” bindningen i en mol eten?

Vad bör hända i U-rören då klorgasen sakta passerar

apparaten a) strax efter start? b) efter en längre tid? c) Vilken substans kommer eventuellt att hamna i

937

isvattnet?

Både vit fosfor och svavel består av fleratomiga molekyler med fyllda elektronskal. Kan du med hjälp av smältpunkterna avgöra vilken av molekyl-

d) Den substans som hamnar i isvattnet finns också

delvis kvar i sista U-röret. Ange något sätt att separera denna substans från de övriga substanserna där.

erna som innehåller flest atomer? 938 Ordna följande ämnen efter stigande kokpunkt och

942

motivera: CCI, CH,, CS,.

Vilken typ av bindning kan man anta bryts när

939

a) Hy(s), HF(s), NaF(s), Na(s).

I diagrammet på sid 165 är kokpunkterna för metan

b) CH, (s), C,H.OH(s), SO,, kisel, germanium.

och silan, SiH,, inlagda som jämförelse. Finns det

vätebindningar i metan? Kan man inse detta utan diagram? 9240 Somliga läkemedel har påskriften ”intages vid

måltid innehållande fett”. Vilken typ av bindningar

torde finnas i sådana läkemedel? (Fetter består av opolära, organiska molekyler.)

följande ämnen i fast form smälter?

c) Ordna med hjälp av dessa resonemang ämnena ib) efter stigande smältpunkt. 943

Figurerna på nästa sida är tvådimensionella modeller av olika strukturer. (Tvådimensionella kristaller finns inte i verkligheten.)

Två av strukturerna beskriver uppbyggnaden av

jonföreningar, två beskriver molekylföreningar. a) Vilka två är jonföreningar? Hur kan du se detta i

Följande uppgift kräver kunskaper från tidigare kapitel.

b) Vilken formel skulle du ge jonföreningarna?

(som t ex ”blå,brun;”)

941 Du har gjort en laboration med följande experimentuppställning.

174

modellen?

+

9 KEMISK BINDNING ÖVNING

c) Vilka två är molekylföreningar? Hur kan du se detta i modellen?

d) Beskriv var i figurerna du hittar olika bindningstyper.

e) Vilka formler skulle du ge molekylföreningarna?

IRS. ere se 1

2

3

4

944 Figurerna nedan visar tvådimensionella modeller av olika strukturer. a) Vilken eller vilka modeller kan vara ett salt inne-

hållande en fleratomig jon? b) Modell 2 kan illustrera olika grundämnen med olika bindningstyper. Ge förslag inklusive bindningstyp.

c) Modell 3 kan också illustrera olika grundämnen. Ge förslag och beskriv var man kan hitta olika bindningstyper i figuren. d) Hitta på ett namn på modell 4 och 5. €e) Ge en formel för en verklig förening som skulle kunna illustreras som modell 1.

Utmaningen U91 + Av vitaminerna A och C finns en i mjölk, är fett-

löslig och anses skadlig i för stora doser. Den an-

dra finns i frukt och kan tas som brustabletter i vatten och lämnar kroppen om man äter i överskott. Leta reda på molekylernas strukturer och

diskutera hur egenskaper och strukturer hänger ihop. uU92

+ Rita elektronformeln för F,. Kan man utifrån elektronstrukturen och atomernas litenhet förklara varför dessa två atomer binds med en svagare bindning än Cl,-molekylen? (se tabell 9:2)

+ Cross TR

893

235

e& ee 088 080 080

5.

uU93 3 Du har säkert sett vattendroppar som kulor på en fet yta. Varför väts inte den feta ytan, och

varför blir det kulor?

U94 > Jod löser sig i cyklohexan. Men hur tänker du dig att det ser ut i lösningen ? Rita!

9 KEMISK BINDNING ÖVNING

& 175

Fullständigt Jordklotet omges av ett gashölje, atmosfären. Utan atmosfären skulle vi inte ha vindar och inget regn. Flera av gaserna i atmosfären är livsviktiga. Syre behövs för andning och förbränning. Kväve reagerar med syre vid blixturladdningar och bildar kväveoxid som tillförs marken genom regnet. Växterna använder sig av kvävet och bygger in det i sina proteiner.

Koldioxid krävs för växternas fotosyntes. Koldioxid och vattenånga hindrar dessutom att värme strålar ut från jorden. Utan dessa gaser skulle jordens medeltemperatur vara cirka —20 ”C. Koldioxiden i luften behövs alltså även om vi idag diskuterar riskerna med att en höjd koldioxidhalt

påverkar klimatet. Ozon, O,, i stratosfären skyddar allt levande från skadlig UV-strålning.

10.1 Hur beter sig en gas? Ett ämne i gasform tar stor plats jämfört med samma substansmängd av ämnet i fast eller flytande form. Gasmolekyler rör sig med hög hastighet. En vätgasmolekyl vid rumstemperatur susar fram med farten 1900 m/s i genomsnitt. En syremolekyl i luft är inte fullt så snabb, den far fram i ”bara” 480 m/s. Ju tyngre molekylen är, desto långsammare rör den sig. Dessa farter kan jämföras med ljudets hastighet i luft som är 345 m/s i rumstemperatur (23 ”C).

Gas är mest tomrum. En molekyl i en gas rör sig så långt från sina grannar att den inte känner vilken sorts molekyl grannen är. Därför kan olika gaser blandas i alla proportioner. I luft av normalt tryck krockar gasmolekylerna ofta med varandra, och vid varje krock ändrar båda partiklarna riktning. En molekyl i syrgas hinner endast 0,0001 mm mellan krockarna. Om man kunde se partik-

larna i ett gasmoln skulle bilden verka kaotisk. Namnet gas kommer ursprungligen just från ordet kaos (kapitel 2). På grund av alla krockar sprider sig ett moln av gasmolekyler ganska långsamt — tvärs över ett vanligt klassrum kan det ta många sekunder

för doften från en parfymflaska att nå våra näsor. Prova! 176

+ 10

GASER

ING.

3k En tur med en luftballong är för många en härlig upplevelse. För att ballongen ska lyfta värms luften som fyller ballongen. Varför stiger [Te TTR TIA Rs (ILO LLA Veta TRA

Fundera på frågan medan du läser kapitlet.

Ju högre temperatur, desto större volym kräver gasen

J Ek Gasvolymen är proportionell mot temperaturen i Kelvin.

Ju högre temperatur en gas har, desto större rörelseenergi har gasmolekylerna. Större rörelseenergi hos gasmolekylerna gör att gasen kräver mera plats. Om en ballong med helium värms, ökar volymen hos gasen —- ballongen blir större. För gaser gäller att volymen V är proportionell mot temperaturen T, mätt i Kelvin — förutsatt att gasens tryck är konstant. ÖVNING 1001

Ju högre temperatur, desto större gastryck Om en gas inte kan utvidga sig när temperaturen stiger, kommer i stället trycket att öka. Det vi mäter som tryck är gasmolekylernas krockar mot behållarens väggar. Tryck är ju just kraft per areaenhet. Ju högre

temperatur, desto större kraft vid varje krock samt desto fler krockar.

Gastrycket är proportionellt mot temperaturen i Kelvin.

Trycket p av en gas är proportionellt mot temperaturen mätt i Kelvin — förutsatt att volymen är konstant. ÖVNING 1002

Ju större substansmängd gas, desto större tryck När många gasmolekyler är instängda iett kärl blir antalet träffar per

areaenhet av behållaren många. Trycket i kärlet blir alltså större. Det spelar ingen roll vilken gas eller vilka gaser det är. Trycket hos en gas är proportionellt mot substansmängden n — förutsatt att temperaturen och volymen är konstanta. Vid normala förhållanden är lufttrycket vid jordytan cirka 100 kPa (1,013: 10” Pa). Eftersom syrepartiklarna i luft utgör 21 96 av molekyl-

erna, står de för 21 96 av luftens totala tryck. Syrets partialtryck, dvs deltryck, i luft är 0,21: 10” Pa och kvävets partialtryck 0,78: 10” Pa. Totaltrycket är summan av de olika gasernas partialtryck. Pi + Pa + P3... = Pwc (Daltons lag)

Gasernas uppträdande kan formuleras i ett enda samband

Summan av partialtrycken är lika med totaltrycket.

Sambandet mellan tryck, temperatur, volym och substansmängd hos en

gas kan sammanfattas i gasernas allmänna tillståndsekvation som brukar kallas ”allmänna gaslagen”. pV =nRT

därR kallas gaskonstanten.

När tre av variablerna p, V, n och T, är kända, kan den fjärde beräknas.

178

+ 10 GASER

Allmänna gaslagen gäller exakt för ideala gaser. I en ideal gas tänker man sig att gasmolekylerna inte själva har någon volym och att de rör

sig så långt från varandra att de inte alls påverkar varandra. Detta är en

Läs mer!

I Uppslaget kan du läsa om När ordet molekyl inte fanns.

förenklad beskrivning som håller så länge gastrycket är lågt och temperaturen är långt över gasens kondensationspunkt. En bestämd volym av en gas — vilken som helst — med ett bestämt tryck

och en bestämd temperatur, innehåller alltså alltid lika många molekyler. Detta samband kallas Avogadros sats. Om V, p och T är konstanta blir också n konstant. Avogadros sats är mycket användbar vid beräkningar som rör gaser.

Man finner t ex att man varken behöver väga eller räkna för att göra bästa möjliga knallgasblandning av väte och syre. Reaktionsformeln

2H,(82)

+

Og

—

En bestämd volym av en gas, med bestämt tryck och bestämd temperatur

innehåller alltid lika många partiklar.

2H,0()

visar att det krävs två volymer vätgas på en volym syrgas.

ÖVNING 1003-1004 Molvolymen av en gas Molvolymen för en gas är beroende av tryck och temperatur men kan alltid beräknas med hjälp av gasernas allmänna tillståndsekvation.

Omp uttrycks i Pa, V i m” (obs! inte dm”), n i mol och Ti K så har R värdet 8,314 J/(K - mol). 1 mol gas vid 298 K (25 ”C) och normalt tryck, 101,3 kPa, har volymen nRT 1

v= pe (1J=1

mol - 8,314 J/(K-mol)

03

10Pa

+ 298K

2,45 10” m” = 24,5 dm”.

Nm och 1 Pa = 1 N/m”)

1 mol gas har volymen 24,5 dm? vid 25 ”C och 101,3 kPa.

En mol gas av en viss temperatur och ett visst tryck har alltså samma volym oavsett vilken gas det gäller. Men massan av gasen beror på ämnet, eftersom molekyler av olika gaser har olika massa. Tunga molekyler ger en tyngre gas. Luftens genomsnittliga molmassa är ca 29 g/mol, men koldioxidens 44 g/mol. Koldioxid är alltså tyngre

än luft. Därför går det hälla koldioxid över ett ljus, så att syret trängs undan och elden kvävs. Man kan också släcka en eld genom att spruta

koldioxid med en brandsläckare. Helium har mycket mindre molmassa än luft, dvs helium är mycket lätttare än luft med samma temperatur. Det utnyttjar ballongförsäljarna.

Luft med hög temperatur innehåller färre partiklar än luft med låg temperatur vid samma tryck. Alltså har varm luft lägre densitet än kall luft.

Att gaser upptar stor volym, utnyttjas vid sprängning eller då en rymdraket skickas iväg. Sprängämnet är fast eller flytande och ger gasformiga produkter.

10 GASER +&« 179

Exempel 10:1 Kaliumklorat, KCIO,, sönderdelas till syre och kaliumklorid vid upphettning: 2KCIO,(s) > 2KCI(s) + 30,(2) Beräkna volymen av det syre som bildas vid upphettning av 4,65 g kaliumklorat. Syrets volym mäts vid 25 ”C och trycket 101,3 kPa.

M(KCIO,) = 122,55 g/mol

n(KCIO) =

4,65 mol = 0,0379 mol 122,55

Reaktionsformeln visar att 1 mol KCIO, ger 1,5 mol O, 1,5 : 0,0379 mol = 0,0569 mol 0, V(0)) = 0,0569 - 24,5 dm? = 1,39 dm?

vid upphettning av 4,65 g kaliumklorat bildas syrgas som upptar volymen 1,39 dm”, om den mäts vid temperaturen 25 C och trycket 101,3 kPa. > Nu kan du diskutera svaret på den inledande frågan: Varför lyfter en ballong när den fylls med varmluft? ÖVNING 1005-1006

10.2 Alla ämnen har ångtryck I kapitel 2 läste du att ämnen avdunstar genom att vissa partiklar har

tillräckligt hög energi för att kunna lämna ytan av det fasta eller flytande ämnet, trots att ämnet befinner sig under sin kokpunkt. Om en vätska förvaras i ett slutet kärl, ökar antalet gasmolekyler ovanför vätskeytan genom avdunstning. Samtidigt börjar molekyler i gasen

Tryck (kPa) Å Vattenångans mättnadstryck beror av temperaturen. Vid vattens kokpunkt är mättnadstrycket lika med atmosfärstrycket.

202,6 182,3 162,1 141,8 121,6 101,3 81,0 60,8 40,5 20,3

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

—

120

Temperatur (”C) 180

+ 10 GASER

åter fångas upp av vätskan, ångan kondenserar. När avdunstning och kondensation sker med samma hastighet är gastrycket av ämnet lika med ämnets maximala ångtryck, det så kallade mättnadstrycket, vid den aktuella temperaturen. Mättnadstrycket är starkt beroende av temperaturen. Till exempel är

ångtrycket över vatten vid 0 ”C lågt, men vid 100 ”C då vattnet kokar, är det lika stort som det normala atmosfärstrycket. En vätska kokar

alltså när ångtrycket är lika med den omgivande luftens tryck. Sänks det omgivande lufttrycket kokar vätskan vid en lägre temperatur. ÖVNING 1007

10.3 Gaser löser sig i vatten Gaser blandar sig fullständigt med varandra, men gaser kan också lösa sig i vätskor. Det är ett livsvillkor för de flesta organismer i sjöar och hav. Fiskarna tar genom gälarna upp syre som är löst i vatten. Vid fotosyntes i vattenlevande växter utnyttjas koldioxid som är löst i vatten och det bildas syre som löser sig i vattnet.

e

Olika gaser löser sig olika bra Gaser består oftast av molekyler som är uppbyggda av icke-metaller.

Om molekylerna är polära, löser sig gasen lätt i vatten. Vatten är ju också polärt. Gaserna väteklorid och ammoniak som reagerar med vatten löser sig lätt (kapitel 5).

Syre löser sig som molekyler i vatten. (Vattenmolekylernas syreatomer har fått svagare färg för tydlighetens skull.)

Syre och kväve som är opolära molekyler löser sig mycket sämre. Deras

molekyler binds till vattenmolekyler med vdW-bindning och är alltså inte mikroskopiska gasbubblor. Kolväten som är helt opolära molekyler löser sig också dåligt i vatten vid normalt tryck. Molekyler av svaveldioxid och koldioxid har båda polära bindningar mellan atomerna. Trots det löser sig svaveldioxid bättre än koldioxid i vatten. Det beror på att svaveldioxidmolekylen är polär eftersom den är vinklad, medan koldioxidmolekylens raka form gör att den som helhet blir opolär.

Tabell 10:1

Olika gasers löslighet i vatten vid 20 ”C och totaltrycket 101,3 kPa, uttryckt i g/kg.

Gas CH, CO, Ho No gkg 0023 1,69 = 0,0016 0,019 Eftersom man har en vattenlösning finns alltid lite Med totaltrycket menar man trycket av gasen plus 2,3 kPa vid 20 "C.

os t

Ammoniak

Ö—Väteklorid

NH, 0 So, 529 00434 113 vattenånga i gasen. vattnets mättnadstryck som är

0-6-0 Koldioxid

ÖVNING 1008

10

GASER

+ 181

Hur löser sig gaser

i vatten?

Vad händer med svaveldioxidmolekylen när den löser sig i vatten? Molekylen innehåller en delokaliserad dubbelbindning mellan svavel och syre (kapitel 9). En dubbelbindning är vanligen svagare än två enkelbindningar. Större atomer än kväve och syre i period två (som svavel i period 3) passar dåligt för dubbelbindningar.

Lösligheten ökar med trycket, men minskar när temperaturen stiger En oöppnad kolsyrad läsk innehåller mycket löst koldioxid. I flaskan är det övertryck av koldioxid. Öppnar man kapsylen bildas många små gasbubblor. Koldioxiden är inte längre lika löslig när trycket över läsken minskar. En läsk som stått öppnad länge blir avslagen. Hur mycket av en gas som löser sig i vatten beror

alltså inte bara på vilken gas det är, utan också på trycket av gasen över vattnet. Lösligheten är proportionell mot gasens tryck. Ju högre temperatur vätskan har, desto sämre

löser sig gasen. Om du öppnar en varm läsk bubblar den över av

koldioxid. Kokar du en läsk får du så småningom bort all koldioxid. De bindningar som finns mellan gasens och vätskans molekyler räcker inte för att hålla gasen löst i vätskan då värmerörelsen ökar. 'Gasmolekylerna kan därför lättare lämna vätskan. Läsk, ammoniak och saltsyra är inte livsvik-

FÄSYRAT NATURL! NINERALVATTEN

tiga, men syre löst i vatten är livsnödvändigt för djur och växter i sjöar och hav. En sjö som blir uppvärmd på sommaren kan bli syrefattig. Om sjön är grund kan hela vattenvolymen bli så varm att fiskarna dör. I en djup sjö lägger sig det varma, lättare

vattnet ovanpå det kallare. Det förhindrar omblandning, och då tillförs inget nytt syre

från luften till den undre delen av vattnet. När svaveldioxidmolekylerna

I en syrefattig sjöbotten kan inte dött bio-

reagerar med vatten och bildar

logiskt material brytas ned på normalt sätt.

svavelsyrlighet, flyttar sig ett av elektronparen i dubbelbind-

I stället för att proteiner bryts ner till koldi-

ningen till syreatomen. Svavel

oxid, kväve, vatten och sulfatjoner bildas metan, ammoniak och diväte-

får en tom plats för ett elek-

sulfid, H,S, som luktar ruttna ägg.

tronpar, och där kan vatten-

molekylens syre ”fastna” med

ett av sina elektronpar. Vatten-

molekylen släpper då en av

sina protoner, och lösningen blir sur. Vid reaktionen får sva-

vel två enkelbindningar i stället för en dubbelbindning och

det ger en stabilare molekyl.

Tabell 10:2

Syres och koldioxids löslighet vid olika temperaturer, uttryckt som g/kg vatten vid totaltrycket 101,3 kPa.

(Gasens tryck plus vattenångans mättnadstryck vid temperaturen i fråga)

Temp/"C 0 0, 0,0694 —0,0521 co, 335 — 2,32

—0,0434 1,69

0,0393 145 —

0,0308 0,0227 0,973 — 0,576

0,0138

ÖVNING 1009-1010 182

+ 10 GASER

Dykproblem

En dykare på stora djup (mer än 30 m) får inte ha kväve i sin andningsgas, man kan alltså inte an-

vända luft. Att kväve inte kan användas beror på att blod är en vattenlösning och att kväve löser sig i

blodet. Vid dykningen stiger trycket

och mängden kväve som löser sig i blodet ökar. Om man går upp snabbt från stora djup (högt tryck) kommer kvävet att lämna blodet som små bubblor. Bubblorna kan

täppa igen blodkärl och vålla stora smärtor i lederna och till och med leda till döden.

Däremot kan andningsgasen blandas med helium som löser sig mycket

dåligt i blodet.

Nya begrepp gasernas allmänna tillståndsekvation,

”allmänna gaslagen”, partialtryck, totaltryck, molvolymen för en gas,

ångtryck, mättnadstryck, Avogadros sats, Daltons lag.

Sammanfattning

av kapitel 10

> Gasmolekyler befinner sig långt från varandra, de rör sig snabbt

och ändrar riktning vid krockar med andra gaspartiklar och med behållarens väggar.

> Gaser är blandbara i alla proportioner. > Gasernas allmänna tillståndsekvation, pV = nRT, visar sambandet mellan tryck, volym, temperatur och substansmängd, och

sammanfattar därigenom gasernas uppträdande. > Tunga molekyler ger tunga gaser och varm luft har lägre densitet

än kall luft.

3k Molvolymen för en gas är 24,5 dm”/mol vid 298 K och 1,013 : 10” Pa. + Vattenångans mättnadstryck ökar med temperaturen. > Gasers löslighet i vätskor ökar med ökat gastryck och minskar med stigande temperatur och lösligheten i vatten beror av gasmolekylernas dipolkaraktär.

10

GASER

&« 183

Övningar 1001 Du blåser upp en ballong till 2,0 dm” vid rumstemperatur (25 ”C). Vilken volym får deni a)

kokande vatten

b)

kolsyresnö (-70 ”C)?

1007 Mount Everest är 8 850 m högt. På denna höjd är lufttrycket endast en tredjedel av lufttrycket vid

havsytan. Vid vilken temperatur kokar vatten på Mount Everest?

1008

(Tuberna är gjorda för att klara 3 + 107 Pa.)

När kväve- och syremolekyler löser sig i vatten uppkommer van der Waalsbindning mellan gasmolekylerna och vattenmolekylerna. Kan du förklara varför syre löser sig bättre än kväve? Tips: syrets och kvävets kokpunkter är olika av samma anledning.

1003

1009

1002 Trycket i en syrgastub är ca 2 + 107 Pa vid 20 ”C.

Hur stort blir trycket i tuben vid en brand (1000 ”C)?

Lufttrycket sjunker med ökande höjd över jordytan. När man ska skicka upp en heliumballong för observationer i atmosfären pumpar man bara upp den delvis. Varför? Vad händer med ballongen under

färden uppåt? 1004 a)

2,0 dm” vätgas förs samman med samma volym

klorgas. Vilken volym vätekloridgas bildas?

Tryck och temperatur är konstanta. b)

Hur förändras volymen när 1 dm? kväve-

monoxid reagerar med 1 dm? syrgas om man förutsätter att kvävemonoxiden reagerar fullständigt till kvävedioxid? Tryck och temperatur är konstanta.

Vanlig fuktig luft innehåller 20,9 96 syre. Hur

mycket syre från luft kan lösa sig i vatten enligt tabell 10:12?

1010 När man ”kolsyrar” CocaCola-flaskor använder man koldioxid med trycket ungefär 500 kPa och håller temperaturen vid ca 10 ”C. Anta att lösligheten är proportionell mot trycket och använd tabell 10:2 för att beräkna koncentrationen av kolsyra i en oöppnad läsk.

Blandade övningar 1011

Vilka av följande gaser är tyngre än luft?

NH,, NO,, CO, CO,, Cl, Ar, SO,

1005

Du har två ballonger fyllda med gas. Båda väger 5 g, men de är olika stora. Du vet att den ena inne-

1012

håller neon och den andra syre. Kan du avgöra vilken gas som finns i respektive ballong utan att

En behållare innehåller vätgas med massan

pröva kemiska reaktioner? Motivera!

klorgas av samma tryck och temperatur som vätet. Beräkna klorgasens massa.

4,6: 107” g. Behållaren töms och fylls i stället med

1006 Hur stor volym syre med temperaturen 298 K och

1013

trycket 1,0: 10” Pa behövs för att fullständigt för-

10 cm” vätefluorid fick reagera med 5 cm” dikväve-

bränna

difluorid. Då bildades 10 cm” av en gasformig produkt. Enligt vilken formel skedde reaktionen? Alla gasvolymer mättes vid samma tryck och temperatur.

a) 1 mol kol b)

2,5 g kol

a) 2HF(g) + 2N,F, (8) > N,H,Fs(8)

c)

2,0 dm? metan, CH,, av samma temperatur

b) 2HF(g) + N,F,(g) — 2NHF,(g)

som syret?

184

+ 10 GASER — ÖVNINGAR

ce) 2HF(g) + N;F.(8) > NH,F.(8)

d) HF(g) + N;F.(8) > NHF.(g)

Utmaning

€e) HF(g) + 2N,F,(g) — N,HF.;(g)

U101

1014 a)

Beräkna hur mycket syre som maximalt löser sig från luft (20,9 26 syre) i I dm” vatten vid

+

a) Blod och vatten kan antas lösa gaser ungefär på

samma sätt. Luft innehåller 78 96 kväve. Beräkna hur mycket kväve från luft som löser

b) Syret behövs för att mikroorganismer ska kunna

sig i blod, dels vid 50 meters djup, dels vid ytan vid denna temperatur.

bryta ned (oxidera) näringsämnen, t ex cellulosafibrer (massafibrer) som hamnat i ett indu-

Man beräknar att trycket ökar med 101 kPa för varje tiotal meters djup.

striutsläpp. Skriv formeln för fullständig oxida-

tion av cellulosa, C.H,,Os, till koldioxid och c)

Förrent kväve, vid trycket 101 kPa, är lösligheten i vatten 0,015 g/kg vid 35 ”C.

25”C.

vatten.

Dykarens dilemma

b) Vilken volym bildar denna kvävgas i 5 dm” blod

vid uppstigning från 50 m

Räcker syret i I dm? vatten för att bryta ned 10 mg cellulosa? Temperaturen är 25 ”C.

till ytan? Temperatu-

ren antas vara densamma. c) Varför är inte syre lika farligt som kväve vid snabb uppstigning?

d) Vart tar kvävet vägen om man istället går upp långsamt? e)

En dykare som gått upp för snabbt behandlas i

tryckkammare. Beskriv vad som kan tänkas ske med blodet där. U102 +

Levande livet

Inandningsluften innehåller 20,9 96 syre och det finns fortfarande kvar 15,7 26 i utandnings-

luften. Ett andetag är ca 0,5 dm”. Syret behövs för att förbränna bl a kolhydrater, t ex glukos, C.H,,Os, när musklerna jobbar. Glukosen bildar koldioxid och vatten. I en tabell kan man se att 1 g kolhydrat ger ca 15,5 kJ/g vid förbränning.

Du ”gör av” med ca 10 000 kJ/dag. Hur ofta tar du andetagen? Räkna och se efter

om det stämmer — du är själv facit!

10 GASER — ÖVNINGAR

+ 185

Vi funderar sällan på varifrån värmen kommer och vart den egentligen tar vägen. Vardagliga uttryck som ”nu är sommarvärmen här” missförstås sällan, men när det

gäller kemiska reaktioner spelar värme en nyckelroll. Då gäller det att kunna använda begreppet värme på rätt sätt.

Energiflöden Den mat du äter bryts ner i kroppen med hjälp av kemiska reaktioner. Ämnen i maten oxideras till enkla beståndsdelar och kemisk energi frigörs. En del energi går åt för att bygga upp nya ämnen i kroppen, en del

går åt till muskelarbete och en del omvandlas till värme för att hålla kroppstemperaturen konstant. Kemisk energi, arbete och värme är olika former av energi. Strålning är

också en energiform. Jordklotet tar emot en nästan ofattbart stor energimängd från solen. Men solstrålningen består inte bara av synligt ljus, utan också av ultraviolett och infraröd strålning.

Vart tar då solenergin vägen? En del av den inkommande energin lagras genom att luft, vatten och mark värms upp. Solenergi är exempelvis drivkraften bakom vattnets kretslopp, där vattnets rörelseenergi kan omvandlas till elektrisk energi. Solenergi ger även upphov till vindar och vågor, där rörelsen kan omvandlas till elektrisk energi. Den elektriska energin kan i sin tur utnyttjas i

den kemiska industrin. 186

+ 11 TERMOKEMI

Termokemi sk När en muskelskada uppstår behöver den kylas

snabbt. Ispåsar är ett utmärkt hjälpmedel i dessa sammanhang. Men nya moderna kylpåsar skapar

kyla utan is. Fundera på hur sådana fungerar, medan du läser kapitlet.

II

TERMOKEMI

& 187

En ytterst liten del av solenergin utnyttjas i fotosyntesen, där strålningsenergi omvandlas till kemisk energi. Våra lager av fossila bränslen är resultatet av många miljoner år av fotosyntes. Men lagren är begränsade.

Därför måste vi bli bättre på att ”spara energi”. Vi måste också lära oss att bättre utnyttja olika energislag. Forskarna söker därför effektivare

sätt att omvandla solenergi direkt till el. De försöker också finna kemiska reaktioner som liknar växternas sätt att utnyttja solenergin.

Jordens strålningsbalans solstrålning reflektion energin fördelas i olika processer

UV absorberas

av ozonskiktet

värmestrålning

värmestrålning reflekteras mot växthusgaser i atmosfären Energifrågor är tvärvetenskapliga och kemikunskaper är viktiga pusselbitar i dessa frågor. Industrin försöker ständigt utveckla energisnålare processer. Det gör att det blir allt viktigare att hålla reda på den energi som tas upp eller avges vid kemiska reaktioner.

11.2 Vad

är skillnaden mellan

värme

och temperatur? För att värma två liter vatten ”går det åt” dubbelt så mycket elektrisk energi som för att värma en liter vatten till samma temperatur. Den

elektriska energin övergår till värme och två liter vatten innehåller dubbelt så stor värmemängd som en liter. Värmemängder, liksom annan energi, mäts i joule (J). 1 joule är en lika stor energimängd som 1 wattsekund (Ws) eller 1 newtonmeter (Nm). Enheten kallas wattsekund i

samband med elenergi och newtonmeter i samband med arbete. Observera att man talar om värmet, inte om värmen, när det gäller värmemängd.

Men förväxla inte värme eller värmemängd med temperatur. När man exempelvis blandar kallt och varmt vatten adderas värmemängderna, men inte temperaturerna. I stället jämnar temperaturen ut sig tills hela vätskan har samma temperatur. 188

+ 11 TERMOKEMI

Exempel 11:1 1 liter vatten med temperaturen 16 ”C hälls i en bägare som redan innehåller 1 liter vatten med temperaturen 23 ”C. Vilken temperatur får blandningen?

Blandningens temperatur blir (23+16)/2 ”C = 19,5 ”C.

11.3 Exoterma och endoterma reaktioner Vid kemiska reaktioner sker energiförändringar. Vid en neutralisation, tex reaktionen mellan saltsyra och natriumhydroxidlösning, utvecklas värme. Lösningens temperatur stiger. Andra exempel på reaktioner där värme frigörs är: magnesium som reagerar med en syra, vätgas som

brinner i syrgas och bildar vattenånga samt bensin som förbränns till

koldioxid och vattenånga. En reaktion där värme avges kallas en exoterm reaktion (exo = ut).

Reaktionsformeln för neutralisation av saltsyra med natriumhydroxid

kan skrivas H'+CI

+ Na"

+ OH"

>

H,O(l) + Na"

+ CI + värme

De övriga nämnda reaktionerna kan skrivas på motsvarande sätt. (Bensin kan skrivas som CAH,s.)

En reaktion där värme

avges är en exoterm reaktion.

Mg(s) + 2H"

>

2H,(g) + O,(8)

Mg” + Hy(g) + värme —

2CAH,s(1) + 250,(8)

2H,0(g) + värme

—

16CO,(g) + 18H,O(g) + värme

Det finns också reaktioner där värme tas upp. Dessa kallas endoterma (endo = in). Ett exempel är när is smälter. Om du håller en nollgradig isbit i handen smälter den förstås. Värmeenergi förs från handen till isen. Allt värme går åt för att smälta isen. Därför kommer vattnet att vara nollgradigt så länge det finns is kvar. Smältvattnet har högre

Iskalorimeter enligt Lavoisier.

värmeinnehåll än isen hade, men temperaturen är densamma, 0 ”C.

Lavoisier mätte med is!

Ju större isbit du tar i handen, desto mer värme lämnar handen när isen

Lavoisier hade en iskalori-

smälter. En stor mängd nollgradigt smältvatten har större värmeinnehåll än en liten mängd. Dubbla mängden av vilket material som helst, vid en given temperatur, innehåller dubbelt så stor värmemängd.

meter. Kring utrymmet där reaktioner kunde ske fanns

ett hölje. Han fyllde höljet

Reaktionen kan skrivas

med is, lät reaktionen ske och vägde smältvattnet som rann

värme + H,O(s)

ut. Smart!

>

H,O(1)

När man löser ett salt i vatten kan reaktionen vara antingen exoterm eller

endoterm.

En reaktion där värme upptas är en endoterm

ÖVNING 1101-1102

reaktion. II

TERMOKEMI

& 189

11.4 Varifrån kommer värmet? I kapitel 9 diskuterade vi energin i olika kemiska bindningar. Energi måste tillföras för att en bindning ska brytas. När samma bindning bildas, avges en lika stor energimängd. Vid vissa reaktioner frigörs mer energi när nya bindningar bildas, än det tas upp för att bryta de gamla. Då avges energi, dvs reaktionen är exoterm. Motsatsen gäller vid en endoterm reaktion.

utdrag ur Tabell 9:2

Om man känner till värden på bindningsenergier, kan man beräkna hur

mycket värme som utvecklas eller tas upp vid en reaktion. Vi kan exemBindning

KJ mol

H-H

436

H-O

464

0=0

498

pelvis beräkna det värme som avges vid reaktionen mellan vätgas och

Syrgas. Reaktionen kan skrivas så här om endast molekylernas bindningar sätts ut: H-H

+ H-H

+ 0=0

—

H-O-H

+

H-O-H

För att bryta en bindning måste energi tillföras. För att sönderdela en mol vätgasmolekyler till atomer måste energimängden 436 kJ tillföras. 436 kJ

+ H-H

—S

H: + :H

För att sönderdela en mol syrgasmolekyler till atomer måste 498 kJ

tillföras. 498kJ

+ 0=0

>

0: + :0

Vätgasmolekylen, liksom syrgasmolekylen, innehåller mindre energi än

de fria atomerna. Det betyder att molekylerna är stabilare än atomerna. Den energi som måste tillföras för att bryta en bindning motsvarar bindningens styrka. Man kan alltså tänka sig reaktionen då vattenmolekyler

bildas uppdelad i två steg.

Steg 1: Bindningar bryts Energi tas upp och molekylerna delas i atomer. Upptagen energi: 2 mol H-H bindning ä 436 kJ = 872 kJ 1 mol 0=0 bindning å 498 kJ = 498 kJ Totalt: 1370 kJ Man säger att värmeinnehållet ökar med 1370 kJ.

Steg 2: Bindningar bildas De fria väte- och syreatomerna binds ihop till vattenmolekyler. Bindningsenergin avges, dvs energiinnehållet i ämnet minskar. Avgiven energi (värme): 2 - 2 mol O-H-bindning å 464 kJ = 1856 kJ Värmeinnehållet minskar med 1856 kJ.

190

+ 11 TERMOKEMI

Den totala reaktionen innebär alltså att produkternas värmeinnehåll är

Vid en exoterm reaktion

486 kJ lägre än reaktanternas (1856 kJ — 1370 kJ). De bindningar som

bildas produkter med

har bildats är tillsammans starkare än de bindningarna som har brutits.

starkare kemiska bindningar än reaktanterna har.

värmeinnehåll

4H +20

+1370 kJ -1856kJ

2H, +0,

Eftersom produkterna har lägre värmeinnehåll, har överskottsenergi avgivits till omgivningen. Reaktionen är exoterm. I en bränslecell kan i stället redoxreaktionen mellan syre och väte ge elektrisk energi. Detta är en ”bättre” energiform än värme. När man smälter en isbit i handen,

övergår vatten i fast form till vätska. Då måste bindningar mellan molekylerna brytas. Isbiten tar upp värme och reaktionen är alltså endoterm. Den lilla värmemängd som krävs för att bryta de svaga bindningarna tas

”Vulkanen”,

en exoterm

Ammoniumdikromat

reaktion.

sönderfaller:

(NHJ.Cr20:(S) —> NE) + 4H,O(€) + Cr,0,(s)

från handen. Endoterma reaktioner är inte lika vanliga som exoterma reaktioner. Vid en endoterm reaktion ersätts reaktanternas kemiska bindningar med svagare bindningar hos produkterna.

Vid en endoterm reaktion

bildas produkter med svagare kemiska bindningar än reaktanterna har.

Exempel 11:2 Hur mycket energi får man genom att förbränna 1 mol propan i syrgas? Skriv en reaktionsformel C-Ha(g) + 50.(8) > 3CO(8) + 4H,O(2) Rita strukturformler H

Ho

H

H—C—-C—C-—H I

H

5st

0=0

3st

—>

4st

=0=C=0

O—H

HH

H

Bindning C-H Energi (kl/mol) 413 (se Tabell 9:2)

-H-O 464

0=0 498

c-C 347

C=0 805

Beräkna Bindningar som bryts (energi tillförs) — Bindningar som bildas(energi frigörs) 8 C-H motsvarande 3304 kJ 6 C=0 4830 kJ 20-C 694 kJ 8 0-H 3712 kJ 5 0=0 2490 kJ Totalt 8542 kJ

”Cold Pac”, snabbkyla för idrottare.

Kylpåsen innehåller ammoniumnitrat och vatten. Från början är ämnena skilda åt av en skiljevägg. När man klämmer på påsen går

skiljeväggen sönder och ämnena kommer i kontakt med varandra.

Totalt 6488 kJ

8542 kJ — 6488 kJ = 2054 kJ — Svar: Det frigörs 2054 kJ/mol propan. II

TERMOKEMI

& 191

Förbränningsvärme är det värme som avges då en mol bränsle reagerar med syre till koldioxid och vatten. Förbränningsvärmet för bränslen finns i tabeller. Då räknar man med att det bildas flytande vatten, som

är den naturliga formen vid rumstemperatur. Detta ger något högre

värden på förbränningsvärdena, eftersom vattenmolekylerna då också har avgett sitt kondensationsvärme (44 kJ/mol).

2H,0(g) > H,O(1) + 44,0 kJ ÖVNING 1103-1104

11.5 Entalpi Vid en exoterm reaktion

Vid en exoterm reaktion avges värme och produkterna får därmed lägre

frigörs värme, AH < 0. Produkterna har lägre entalpi än reaktanterna.

energi, lägre värmeinnehåll, än reaktanterna. Värmeinnehållet kallas

också entalpi, och har beteckningen H. Entalpin kan man inte mäta direkt. Det man kan mäta är ändringen i entalpi vid en reaktion, AH. Det är sådana entalpiändringar som vi utnyttjar när vi förbränner maten, bränner bränslen i bilmotorn och värmepannan eller när vi tillverkar kemiska produkter. Den grekiska bokstaven delta, A, står för differens. I det här samman-

hanget betyder delta differensen av energin ”efter” och energin ”före”. Vid en exoterm reaktion har produkterna lägre entalpi än reaktanterna. Produkternas bindningar är starkare än reaktanternas. Det gäller alltså

att H, produkter — H, reaktanter

H,O(g),

AH = -243 kJ

Det går åt 6,0 kJ för att smälta en mol is. Reaktionsformeln för denna

endoterma reaktion skrivs Vid en endoterm reaktion upptas värme, AH > 0.

HO(s) > H,O(l, AH= 6,0 kJ

Produkterna har högre

Vid den motsatta reaktionen då en mol vatten fryser till is frigörs lika

entalpi än reaktanterna.

stor värmemängd, AH = — 6,0 kJ. ÖVNING

192

+ 11 TERMOKEMI

1105-1109

11.6 Vad bestämmer kan ske?

om en reaktion

Att en exoterm reaktion kan ske spontant känns naturligt. Värme avges till omgivningen genom att ämnen med starkare bindningar bildas. Produkterna har lägre entalpi än reaktanterna.

Vid en endoterm reaktion tas värme upp från omgivningen och ämnen med svagare bindningar bildas. Trots det kan endoterma reaktioner

ibland ske spontant. Hur är det möjligt? Svaret är att naturen strävar efter en större grad av oordning.

=

da

ordning

oordning

Är ry is

vatten

vatten

salt

två separata gaser

saltlösning

två blandade gaser

Pilarna är markerade från vänster till höger. Vi uppfattar händelser från höger till vänster i figuren som omöjliga — om inte någon eller något ingriper. Oordning är sannolikare och

därför naturligare än ordning.

Som ett mått på oordning används begreppet entropi. Om en reaktion leder till starkt ökad entropi, kan reaktionen ske även om entalpin ökar. För att avgöra om en reaktion kommer att ske måste man ta hänsyn till ändringar både i entalpi och entropi i systemet.

En samling utgångsämnen (ett så kallat system), som kan tänkas

reagera, strävar efter: + att bilda starkare bindningar, dvs sänka entalpin hos systemet och avge värme till omgivningen.

+ att få ökad oordning, ökad entropi. Vid en reaktion är ibland båda villkoren uppfyllda, ibland bara det ena. II TERMOKEMI +« 193

Fundera på följande exempel: ExempelA «Ammoniumnitrat kan fungera som ett sprängämne om man hettar

upp det snabbt.

NH,NO,(s)

> Ni(g) + 2H,0(g) + v20,(8)

Vid explosionen frigörs värme, reaktionen är exoterm. Dessutom bildas uteslutande gasformiga produkter, dvs oordningen ökar vid reaktionen.

Båda villkoren är uppfyllda.

Exempel B » När is smälter till vatten vid 0 ”C tas värme upp från omgivningen och en del av vätebindningarna bryts. Reaktionen är alltså endoterm. Detta kompenseras av att oordningen ökar kraftigt.

Ett av villkoren är uppfyllt.

Exempel C

Ett hus rivs genom en noga planerad sprängning. Explosioner är exoterma

reaktioner som ger oordnade, gasformiga produkter.

När en natriumkloridsmälta kristalliserar, NaCI(1) > NaCl(s), minskar

visserligen oordningen, men detta kompenseras av att värme avges vid stelningen. Ett av villkoren är uppfyllt.

Exempel D » Kalk framställs ur kalciumkarbonat vid hög temperatur.

CaCO,(s)

> CaO(s) + CO,(g)

En endoterm reaktion där oordningen ökar kraftigt. Ett av villkoren är uppfyllt.

system

omgivning

system

omgivning

entropi

system

omgivning

entropi

värme

värme entropi

Exoterm reaktion exempel A.

194

+ 11 TERMOKEMI

Exoterm reaktion exempel C.

Endoterm reaktion exempel B & D.

Exempel E » I kapitel 9 berörde vi upplösning av fasta ämnen. Nu kan vi se den energimässiga bakgrunden. När man löser natriumklorid i vatten är reaktionen svagt endoterm. Detta kompenseras av att oordningen i lösningen är större än i de rena ämnena. Man kan beräkna att silverklorids upplösning i vatten skulle vara en starkt endoterm reaktion. Detta kompenseras inte tillräckligt av den ökade oordningen vid upplösningen. Därför är silverklorid svårlösligt. Samma resonemang kan tillämpas vid andra diskussioner om löslighet, se slutet av kapitel 9.

Läs mer!

I Uppslaget kan du läsa om begreppet entropi under rubriken En ytterligare inblick i oordningens värld.

Ökad oordning betyder mer vid höga temperaturer. Att bränna kalksten till kalciumoxid och koldioxid går bra vid hög temperatur. Lägger man däremot kalciumoxid i luft vid rumstemperatur tar den åt sig koldioxid! När entalpi- och entropieffekterna tar ut varandra saknar reaktionen tendens att gå i en speciell riktning. Då har man s k jämvikt i systemet.

3k Nu kan du svara på den inledande frågan. ÖVNING

Nya begrepp värmemängd, exoterm och endoterm reaktion,

entalpi, förbränningsvärme, entalpiändring för en reaktion, entropi.

1110-1112

Sammanfattning av kapitel 11 > Kemisk energi, arbete, värme, strålningsenergi och elektrisk

energi är olika former av energi. > Vid en exoterm reaktion avges värme, vid en endoterm reaktion tas värme upp från omgivningen.

+ Värmeomsättningen vid en reaktion kan beräknas ur bindningsenergier. > Om produkterna har starkare bindningar än reaktanterna, är reaktionen exoterm. Om produkten har svagare bindningar än reaktanterna, är reaktionen endoterm. > Alla bränslen, även maten vi äter, förbränns med syre i exoterma

reaktioner. > Värmeinnehåll kallas också entalpi och betecknas H. > Vid en exoterm reaktion minskar entalpin i systemet, AH < 0.

Vid en endoterm reaktion ökar entalpin i systemet, AH > 0. > Ett system (en avgränsad samling ämnen) strävar efter att rea-

gera så att systemet får lägre entalpi och ökad oordning. Minst ett av dessa villkor måste vara uppfyllt för att någon reaktion ska kunna ske spontant.

II

TERMOKEMI

& 195

Övningsuppgifter

1108

1101

Bildningen av kväveoxid, NO, är en endoterm reaktion. 90,2 kJ omsätts per mol NO.

Ett exempel på en endoterm process är när man

värmer bort kristallvattnet från kopparsulfatpentahydrat. Skriv en reaktionsformel där ”värme” ingår.

a) Ange AH för bildning av 1 mol NO. b) Ange AH för bildning av NO ur 1 mol syrgas och 1 mol kvävgas.

1102

Man använde tidigare aceton för att ta bort nagel-

1109

lack. När acetonet avdunstade kändes fingrarna

a) Skriv formeln för förbränning av butan, C,H,,,

kallare. Är det en endoterm eller exoterm process? Teckna en reaktionsformel där ”värme” ingår. Aceton skrivs (CH,),CO. Förklara i ord varför fing-

i syrgas. Antag att koldioxid och gasformigt

vatten bildas.

rarna känns kalla. Vart tar värmet vägen?

b) Beräkna med bindningsenergier AH för förbränning av 1 mol butan.

1103 Jämför reaktionerna — Hy(g) + I,(g) > 2HI(g)

c) Hur mycket värme får man alltså ut per mol butan?

och

d) Hur mycket värme får man av 1 g butan?

2HI(g) > Hy(8) + (8)

Rita diagram som på sid 193 med hjälp av tabell 9.2. Vilken av reaktionerna är exoterm? Hur stor är värmeomsättningen vid reaktionen?

e) Hur mycket värme får man vid förbränning av 1g vätgas? f) Vilket är det bästa bränslet av väte och butan

räknat per massenhet?

1104 Vilket har högst värmeinnehåll:

1110

a) flytande brom eller fast brom?

Om en ishockeyspelare får en puck på handleden

b) fast koldioxid eller gasformig koldioxid?

sprayar man den med en vätska med låg kokpunkt.

c) gasformigt vatten (vattenånga) eller fast vatten

a) Vad händer med vätskan och ishockeyspelaren?

(is)?

b) Vilket eller vilka av villkoren för en spontan

d) 1 kg vatten eller 2 kg vatten vid 25 ”C?

1105

process är uppfyllda? 1111

Är AH större än, mindre än eller lika med noll a) för Br,(1) > Br, (g)? b) när en järnsmälta stelnar?

c) när butangas kondenserar?

Man fryser om man är våt när det blåser. Vill man ha kall läsk en varm men blåsig sommardag kan man linda flaskan i en våt handduk och hänga den i ett träd.

Två termometrar kan hänga på samma plats, men

1106 Beräkna med bindningsenergier värmeomsättning-

visa olika temperatur— om den ena hålls fuktig

en vid reaktionen

Vilket eller vilka villkor får dessa processer att ske?

Na(g) + 3H,(g) > 2NH,(g) Använd tabell 9:2 Är reaktionen exoterm eller endoterm? 1107 Beräkna AH för reaktionen Br,(g) +

196

2HCI(g) > Cl,(g) + 2HBr(g)

+ 11 TERMOKEMI — ÖVNINGAR

hela tiden.

1112 Bränd (osläckt) kalk, CaO(s), reagerar med vatten och bildar släckt kalk, Ca(OH),(s). Beskriv hur en-

talpi och entropi (oordning) förändras för systemet

när denna reaktion sker.

Blandade övningar

3) Ammoniak i gasform reagerar med väteklorid

i gasform till fast salmiak.

1113 Beräkna AH för reaktionen H,(g) + Cl,(g) > 2HCI(g) Använd tabell 9:2. Är reaktionen exoterm

eller endoterm?

4) Kalksten (kalciumkarbonat) bränns till bränd

kalk och koldioxid. b) Vilka två av reaktionerna ger störst förändringar i entropi, och hur ändras den?

1114 Beräkna värmeomsättningen vid reaktionen

Hi(g) + Br,(g) > 2HBr(g) Använd tabell 9:2.

Är reaktionen exoterm eller endoterm? 1115 Man spolar en konstfrusen isbana, 20 m - 40 m, så

att banan täcks av ett 10 mm tjockt lager vatten. a) Beräkna det värme som måste bortföras för att

vattnet ska frysa till is. Vattnets smältentalpi är 6,0 kJ/mol.

b) Värmet bortförs genom att ”Freon 12” (CCLF,) förångas. Beräkna massan av det freon som måste förgasas. Ångbildningsvärmet för detta freon är 18,8 kJ/mol. (Freon pumpas förstås runt.)

1116 Vid förbränning av etan bildas koldioxid och vattenånga. Beräkna AH för förbränning av en mol etan. Utnyttja bindningsenergierna i tabell 9:2. 1117 1 mol syrgas reagerar med fast kalciummetall.

Teckna reaktionsformel och ange, med motivering, troligt tecken på AH för reaktionen. 1118 1 mol fast kalciumklorid sönderdelas till fast kalciummetall och klorgas. Vad är troligt tecken på

AH för reaktionen? Motivera. 1119

Vattenfritt kopparsulfat tar upp vatten enligt

Utmaningen

CuSO,(s) + SH,O(1) > CuSO, : SH,O(s)

U111

Beskriv vilka förändringar i entalpi och entropi som sker.

> I kapitel 9 gavs tabellvärden för bindningsenergier för olika bindningstyper, bl a vätebind-

1120

a) Ange troligt tecken på AH för följande reaktioner med motivering. 1) Kalciumoxid reagerar med magnesium till kalcium och magnesiumoxid. 2) Magnesium reagerar med silverklorid till silver och magnesiumklorid.

ning. Pröva att uppskatta vätebindningens energi ur följande uppgifter: När vatten i fast form först smälter och därefter förångas bryts samtliga vätebindningar. Vattnets smältvärme är 6 kJ/mol och

vattnets ångbildningsvärme är 44 kJ/mol. Rita, fundera och uppskatta energin hos en vätebindning i vatten. Figuren i avsnitt 9.6 kan vara till ledning. II TERMOKEMI — ÖVNINGAR

+ 197

Från surt till basiskt - en jämviktsfråga Redan i kapitel 5 gjorde du bekantskap med pH, sura och basiska ämnen. Nu ska vi studera surt och basiskt närmare. Syra-basreaktion kallas protolys, ett begrepp som ofta dyker upp i fortsättningen. Protolys (syrabasreaktion) innebär att en proton (vätejon) går över från en syra till en bas. ÖVNING 1201-1211

12.1 pH och protolys Koncentrationen av vätejoner i en vattenlösning varierar inom vida gränser, samtidigt rör det sig oftast om små tal. Därför är det praktiskt att använda en lösnings pH-värde som mått på surhetsgraden.

pH

0

IH']

Tass 107=1) mol/dm

2

4

1070-1407

6

8

10

12

14

108-408

1409

402

10

Så här beräknar man pH-värdet om man känner vätejonkoncentrationen: Om [H”] = 0,010 mol/dm? = 10” mol/dm?,

så är pH = —1g 0,010 = —(—2,00) = 2,00

Om [H'] = 2,5 - 107 mol/dm, så är pH = —1g 2,5 - 107 = — (—2,60) = 2,60 " pH =-lg [H"] "Som du ser används endast mätetalet för vätejonkoncentrationen.

. IH7 Egentligen är pH == -Ig mopamr

198

+ 12 SYRA-BASREAKTIONER

kaPeL

12 Syra-basreaktion er SR

>

Varför är det så viktigt att vatten, mark

och kroppsvätskor håller ett visst pH=värde? Varför är försurning ett problem? Varför finns det vätejoner i alla vattenlösningar? Fundera

på frågorna, medan du läser det här kapitlet.

12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 199

Omvänt kan vätejonkoncentrationen beräknas då pH är känt:

pH = 4,15 innebär att [H"] = 10" mol/dm? = 7,1 + 10” mol/dm”. [H']

= 107" molV/dm?

[H"]

= 10""mol/dm?

pH-värdet kan också vara mindre än 0 och större än 14, även om det

pH-en dansk uppfinning

pH-begreppet infördes år 1909 av den danske biokemisten S PL Sörensen, som var chef för Carlsberg-laborato-

riet. Vid ölbryggning är det

inte är så vanligt. Ta för vana att alltid i förväg tänka efter mellan vilka heltalsvärden pH ligger, när du känner vätejonkoncentrationen och ska beräkna pH. Omvänt kan du också träna att uppskatta vätejonkoncentrationen när pH-värdet är känt. I pH-värdet är det enbart antalet decimaler som bestämmer antalet gällande siffror. Exempel:

[H"]

viktigt att kontrollera surhets-

graden. Men det var så krångligt att säga t ex koncentra-

tionen av vätejoner i lösningen

AR

0,00024

mol/dm pH

3,62

2,4: 10

2

11,62

0,5

0,0500

0,85

0,3

1,301

0,07

är en hundratusendels mol per

dm? att Sörensen i stället

ÖVNING 1212-1215

övergick till att säga pH är 5.

pH i starka syror

En stark syra är fullständigt protolyserad

När väteklorid löses i vatten, avger alla vätekloridmolekyler sin proton till en vattenmolekyl. Detta kallas fullständig protolys. En syra som protolyseras fullständigt är en stark syra. Andra exempel på starka syror är salpeter-

i vattenlösning.

syra, HNO,, och svavelsyra, H,SO,. Vi återkommer senare till svavelsyra,

eftersom en svavelsyramolekyl kan avge två vätejoner (se även kap 5). Att saltsyra är en stark syra innebär alltså att koncentrationen av vätejoner är densamma som syrans koncentration.

Exempel 12:1 En saltsyralösning har koncentrationen 1,2 - 10” mol/dm”. Ange lösningens

vätejonkoncentration och beräkna dess pH-värde. [H'] pH

1,2 + 107 mol/dm? -Ig (1,2 + 107) = 1,92 ÖVNING 1216-1217

pOH i hydroxidlösningar Natriumhydroxid är ett salt och fullständigt uppdelad i joner i vattenlösning. NaOH(s)

—

Na” + OH"

En mol NaOH innehåller en mol Na” och en mol OH”. Koncentrationen 200

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER

av hydroxidjoner i lösningen är alltså densamma som koncentrationen av natriumhydroxid. pOH definieras på samma sätt som pH.

pOH = -1g [OH']

pOH = -Ig [OH], dvs [OH] = 1072" mol/dm?

[OH7] = 1079" mol/dm?

(se fotnot s 198).

Exempel 12:2 Beräkna pOH i 2,3 - 10” mol/dm? NaOH.

[OH] = 2,3 - 10 mol/dm? — pOH = -Ig (2,3 - 107) = 4,64 ÖVNING 1218-1219

Vatten är en amfolyt Vid reaktionen mellan väteklorid och vatten tar vattenmolekylen upp en proton, dvs fungerar som en bas.

HCl

+

syra

HO

> Cl + HJO"

bas

Vid reaktionen mellan ammoniak och vatten är vatten en syra.

NH,

+

bas

HO > NH;+ OH” Vatten är både syra och bas.

syra

Ett ämne som kan vara både syra och bas kallas en amfolyt. Vatten, H,O,

är således en amfolyt.

Vattnets egen protolys Med ett känsligt instrument kan man visa att även rent, avjonat vatten leder ström, dvs innehåller joner. Eftersom vatten är en amfolyt kan vattenmolekyler reagera med varandra som syra och bas. I rent vatten (och i alla vattenlösningar) sker reaktionen

HO bas

+

HO syra

S

HJO"

+

OH

Vatten kan alltså protolysera sig själv, även om det sker i mycket liten utsträckning. Reaktionen kallas vattnets autoprotolys, dvs egenprotolys. Dubbelpilen i formeln säger: I vatten och i alla vattenlösningar finns det både vätejoner, hydroxidjoner och vattenmolekyler.

Det innebär att sura lösningar förutom vätejoner också innehåller hydroxidjoner och att basiska lösningar även innehåller vätejoner. 12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 201

Vattnets jonprodukt [H'”] : [OH7”] = K, gäller i alla vattenlösningar.

Detta gäller oavsett pH-värdet. Sura lösningar innehåller fler vätejoner än hydroxidjoner, medan deti basiska lösningar finns fler hydroxidjoner än vätejoner.

I alla vattenlösningar är [H"] - [OH”]

= 1,0 + 107" (mol/dm?)?”. Detta

konstanta värde kallas vattnets jonprodukt och betecknas K,, Om man blandar saltsyra och natriumhydroxidlösning skulle produkten

[H”]+ [OH] bli större än 1,0 + 107" (mol/dm”)”, om ingen reaktion sker. Men vätejoner och hydroxidjoner reagerar med varandra och bildar vatten, H" + OH" > HO, tills produkten av [H”] och [OH”] har sjunkit till

1,0 : 107"! (mol/dm”)?. Lika många vätejoner som hydroxidjoner försvinner vid reaktionen. Om det från början finns fler H" i syran än OH” i hydroxidlösningen, blir slutlösningen sur. Om det däremot finns fler OH" i den basiska lösningen än H" i syran, blir blandningen basisk. Skulle H" och OH" gå jämnt upp, blir lösningen neutral, dvs varken sur eller basisk.

Varför är pH = 7 i en neutral lösning?

Blod, svett och tårar har pH 7,4. Saliv har pH 6,8. Andra kroppsvätskor har andra pH-värden. Sur lösning

[H'] > [OH] Neutral lösning

[H'] = [OH] Basisk lösning

I en neutral lösning är koncentrationen av vätejoner lika stor som koncentrationen av hydroxidjoner, dvs [H"] = [OH”].

Eftersom K,, = 1,0 - 107" (mol/dm”)”, så är [H"] = [OH7] = 1,0 - 107 mol/dm? och pH = pOH =7,00. I en sur lösning är koncentrationen av vätejoner större än koncentrationen av hydroxidjoner: [H”] > [OH”] och pH < 7.

I en basisk lösning är koncentrationen av vätejoner mindre än koncen-

trationen av hydroxidjoner: [H”] < [OH”] och pH > 7.

[H'] < [OH] Sambandet mellan pH och poH pK, definieras på samma sätt som pH och pOH, dvs pK, = —IgK,

pH + pOH = 14,00

(= 14,00)

Ur sambandet [H”] - [OH7] = 1,0 + 107" (mol/dm”)? kan man härleda pH + pOH = 14,00, vilket är mycket användbart vid beräkning av pH i basiska lösningar.

Exempel 12:3

Beräkna pH i 0,050 mol/dm? natriumhydroxidlösning. [OH] = 0,050 mol/dm? pOH = - Ig 0,050 = 1,30 pH = 14,00 - 1,30 = 12,70 ÖVNING 1220-1223

202

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER

Tabell 12:1 Några sammanhörande värden på [H'], [OH], pH och pOH. HT

a

107

10"

107

107

107

107

mol/dm? pH

0

a

2

3

4

5

6

7

8

9

120

UU

pOH

14

13

12

11

10

9

B8

7?

6

5

4

3

[OH] = gas

102

mol/dm

102

10

10?

107

12

107

13 2

MU 1

107

0 1

12.2 De flesta syror är svaga syror Saltsyra, svavelsyra och salpetersyra är starka syror. Kolsyra, ättiksyra, smörsyra, citronsyra, oxalsyra, vinsyra och de flesta andra syror är svaga

syror. Vad är då en svag syra? En vattenlösning av en svag syra som ättiksyra leder ström sämre än saltsyra av samma koncentration. Det beror på

att bara en mindre andel av ättiksyramolekylerna har protolyserats och bildat joner. En svag syra är alltså en syra som är ofullständigt protolyserad. Ättiksyra är ett exempel på en svag syra. Koncentrationen av väte-

joner är mindre i ättiksyra än i saltsyra med samma koncentration. I saltsyra med koncentrationen 0,1 mol/dm” är pH 1,0 medan ättiksyra med koncentrationen 0,1 mol/dm? har pH 2,9.

Ättiksyra används ofta som typexempel på en svag syra. Då skrivs formeln förkortat HAc i stället för CH,COOH. Ac står för acetatjonen som egentligen har formeln CH,COO". Protolysen av ättiksyra i vatten skrivs så här: HAc

+ H,O

S=

Ac +

H,O

Dubbelpilen visar att lösningen hela tiden innehåller mätbara mängder

I citrusfrukter kt finns svaga syror som citronsyra och askorbinsyra

(C-vitamin).

av alla fyra partikelslagen: ättiksyramolekyler, vattenmolekyler, acetatjoner och oxoniumjoner (vätejoner). En vattenlösning av en svag syra har högre pH

Mycket

händer, men allt är oförändrat

Vad innebär egentligen dubbelpilen? Tänk dig en bägare med vatten. Molekylerna rör sig ständigt, men de attraherar varandra med väte-

än

en stark syra med samma

koncentration.

bindning så att de stannar kvar i bägaren. Men några molekyler i vattnets ytskikt har så stor hastighet att de kan lämna vätskan och gå över i gasform, H,O (1) > H,O(g).

En svag syra är ofullständigt protolyserad.

Om bägaren är öppen kommer vattenmolekylerna att lämna vätskan

undan för undan tills allt har avdunstat. 12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 203

Tänk dig nu i stället vattnet i en bägare med lock på. Vattenmolekyler lämnar ytan som tidigare, men nu kan molekylerna inte ge sig av från bägaren. H,O (1) > H,O (g)

hastigheten för avdunstning =

i

En del av vattenmolekylerna i gasform kommer att krocka med vattenytan och några av dessa binds återigen till vätskan, dvs kondenserar.

vattenmolekyl

NV

H,0O (g) > H,O(1)

hastigheten för kondensation = v,

o

I ett öppet kärl med vatten avdunstar så smånigom

I ett slutet kärl med vatten kommer

H,O-molekyler att gå över i gasfasen samtidigt som H,O-molekyler

allt vatten.

När H,O-molekyler lämnar vattnet

och återgår dit med samma hastighet råder jämvikt.

i gasfasen återgår till vätska.

Till en början är v, > v, därför att det bara finns lite vattenånga över vattenytan. Koncentrationen av vattenmolekyler ökar successivt i gasen,

vilket gör att v, ökar. Så småningom är v, = v,, dvs hastigheten är lika stor i båda riktningarna. Utifrån sett tycks ingenting hända längre, men utbytet av molekyler mellan vätska och gas fortsätter oavbrutet och med samma hastighet. Det råder jämvikt. När en process fortsätter i båda riktningarna kallas tillståndet dynamisk

jämvikt. Dynamisk jämvikt får man när två motsatta händelseförlopp exakt balanserar varandra. va H,0 (1)

S

HO (g)

och v,=

Vv,

Kemisk jämvikt På samma sätt som vi nyss resonerade om jämvikten mellan vatten-

molekyler i vätskeform och i gasform kan man beskriva en kemisk reaktion. Ett exempel är protolysen av ättiksyra. Om vi kunde se vad som händer med de enskilda partiklarna i en ättik-

syralösning skulle vi upptäcka två reaktioner som pågår hela tiden, en

åt höger HAc

+

HO

S

Ac

+

HJO"

Ac

+

HJO"

och en åt vänster.

HAc 204

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER

+

HO

&

På molekylär nivå fortsätter reaktionen att gå i båda riktningarna i lösningen under hur lång tid som helst. Reaktionen går lika fort åt höger som åt vänster, det råder kemisk jämvikt. Det innebär att koncentrationen av de olika partikelslagen i lösningen inte längre ändras, trots att reaktionen ständigt pågår. Vid kemisk jämvikt gäller ett visst samband mellan koncentrationen av de olika partikelslagen. I vattenlösningen av ättiksyra gäller sambandet

[H']-[Ac] fr Ar [HAc]- [H,O]

Far

Konstant

(Reaktionsformelns reaktanter finns i nämnaren och produkterna i täljaren) Tlösningen finns mest vatten och därför kan vi anse att [H,O] är konstant.

Då kan vi förenkla uttrycket till

[H"]-[A SCc”] =S

[HAc]

C=K,

-

(PK, definieras analogt med

;

P

P

pH.)

Detta är det jämviktsvillkor som gäller för en lösning av ättiksyra. Jämviktskonstanten K, kallas ättiksyrans syrakonstant (a = acid, syra)

K (HAc) = 1,7 : 10” mol/dm? Motsvarande jämviktsvillkor och resonemang gäller för alla svaga syror. Vi fortsätter nu att diskutera ättiksyra. Värdet på K, visar att ättiksyran i huvudsak finns som HAc-molekyler,

eftersom täljarens värde är litet i förhållande till nämnaren. Endast cirka en procent av ättiksyramolekylerna har protolyserats. Jämviktsvillkoret gäller för oavsett vad som för övrigt sätter till mycket vätejoner Jämviktsvillkoret som kan

alla lösningar som innehåller ättiksyra/acetat finns i lösningen. Det gäller t ex även om man eller något annat partikelslag. skrivas så här:

[Ae]

[HT ad

visar att vid högt värde på vätejonkoncentrationen (lågt pH) är kvoten

[Ac]

[HAc] liten, dvs koncentrationen av acetatjoner är mycket mindre än koncentrationen av ättiksyramolekyler. På samma sätt kan man se att vid låg vätejonkoncentration (högt pH) är koncentrationen av acetatjoner hög jämfört med ättiksyramolekyler. Däremellan finns ett pH-värde där [HAc] = [Ac”]. Då blir

[Ac]

Had ">

och [H"] =K,

dvs pH = pK, = 4,8. 12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 205

I närheten av pH = 4,8 innehåller lösningen ungefär lika mycket HAc

och Ac”. Vid lägre pH-värden finns det mest ättiksyramolekyler och vid högre pH finns det mest acetatjoner.

vid pH < 4,8 dominerar HAc (rödbrun) och vid pH > 4,8 dominerar Ac” joner. 3,8

4,8

5,8

För alla svaga syror, HA, gäller

HA + H,O S A +HjO" +]-[A-

och sambandet ttlad

=K,

Olika svaga syror har olika värden på syrakonstanten. Ett större värde på syrakonstanten innebär att [H”] och [A”] är större i förhållande till [HA], dvs syran är starkare, mer protolyserad.

Ju större värde på K, desto starkare syra.

Syrorna i naturen är visserligen svaga, men det är ändå stor skillnad i syrastyrka (syrakonstant). (Se tabell 12:2.)

För de syror, som är fullständigt protolyserade i vatten, dvs de starka syrorna, anger man inte något K,-värde. Skilj mellan en syras styrka

(K,-värdet) och dess koncentration (mol/dm”). En stark syra kan ha låg koncentration och en svag syra hög koncentration. Tabell 12:2

Syrakonstanter

SC

LCLLE]

[Lg

oxalsyra vätesulfatjon fosforsyra salpetersyrlighet myrsyra bensoesyra

H.C:0, H,S0, HSO; H,PO, HNO, HCOOH CAHsCOOH

väteoxalatjon

HC,0;

6,3-:107 5,1 :107 17-107

1,19 1,82 2,00 2,10 3,33 3,80 4,20 4,29 4,77

HC:03 HSO3 sor H;POz NO3 HCOO" CeHsCOO" C07 CH;C00"

1,3-107

4,89

C.H5COO"

4,5 107 6,2 -10" 6,2-107 5,6 :10"7 4,8-10" 4,4 -107

6,35 7,21 7,21 9,25 10,32 12,36

svavelsyrlighet

ättiksyra propansyra

kolsyra vätesulfitjon

divätefosfatjon ammoniumjon

vätekarbonatjon vätefosfatjon

CH,COOH C.HsCOOH H,CO, HSO; HJPO3 NHi HCO3 HPOT

206 + 12 SYRA-BASREAKTIONER

LCUGSSEIL ERE

HCO3 sor HPOZ NH, coz por

EEE

Hur fungerar en syra-basindikator? En syra-basindikator är en svag syra som allmänt brukar betecknas HIn, där molekylen Hin och jonen In” har olika färg. Vi exemplifierar med BTB där syran Hin är gul och basen In” är blå.

Hin + HO

&

gul

In + HJO" blå

Syrakonstanten för BTB är cirka 1,0 - 10”7 mol/dm”, dvs pK, = 7,0. Om man droppari lite BTB i en lösning där pH = 7,0 blir [HIn] = [In”] och

lösningen blir grön, en blandning av gult och blått. Om lösningens pH är

under ca 6,0 finns det mest av HIn-molekyler och lösningen blir gul, vid pH-värden över ca 8,0 finns det mest av In”-joner och lösningen blir blå. Kvoten av koncentrationen av gul Hin och blå In” ändras undan för undan med pH och därför har indikatorn ett omslagsintervall från gult

till blått om ca 2 enheter. Eftersom Hin själv är en syra kan den givetvis påverka lösningens pHvärde om man sätter till för mycket av indikatorn. Därför tillsätter man

bara några få droppar.

Vad händer om vi stör en jämvikt? Anta att vi har en vattenlösning av ättiksyra. HAc + H,O

S

Ac

+ H,O"

(1)

Vi tillsätter lite ren ättiksyra, HAc, till (jämvikts)lösningen.

Då blir kvoten

[H'] Q

[ac] [HAc]

< K, (HAc)

och jämvikten upphör.

”Överskottet” av ättiksyramolekyler leder till att reaktion(1) går åt höger, koncentrationen av vätejoner och acetatjoner ökar och koncentrationen av ättiksyramolekyler minskar.

Jämvikten återställs automatiskt och ett nytt jämviktstillstånd uppnås. Partiklarna har alltså andra koncentrationer i den nya jämviktslösningen. Men även i den nya lösningen är jämviktsvillkoret uppfyllt. Om jämvikten i stället störs genom att man sätter till vätejoner eller

acetatjoner då blir kvoten

[IH]

Q==Fad

[Ae] >K, (HAc)

När en jämvikt störs sker

alltid en reaktion så att störningen motverkas.

Reaktionen (1) går åt vänster, koncentrationen av vätejoner och acetatjoner minskar och koncentrationen av ättiksyramolekyler ökar. Jämvikten återställs även i detta fall och en ny jämvikt ställer in sig med ”nya” koncentrationer. ÖVNING 1224-1227 12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 207

12.3 Till varje syra hör en bas När ammoniak protolyseras i vatten tar ammoniakmolekyler upp protoner och bildar ammoniumjoner. De vattenmolekyler som avger protoner fungerar som syra och bildar hydroxidjoner.

NH, + HO

&

NH;

bas

+ OH

syra

Om man å andra sidan löser ett ammoniumsalt i vatten, så protolyseras ammoniumjonen och det bildas ammoniakmolekyler och oxoniumjoner. Ammoniumjon och ammoniak bildar ett syra-baspar.

NH;

+

syra 1

H,0O/OH" och H,O'/H,O är syra-baspar.

HO

S

bas2

NH, + bas 1

HO" syra2

Vid en syra-basreaktion deltar alltså två syra-baspar. Ammoniumjonen är korresponderande (motsvarande) syra till basen ammoniak, och ammoniak är korresponderande bas till syran ammoniumjon. Allmänt gäller följande samband mellan en syra och dess korresponde-

rande bas: syra

&S

bas

+

H'

Även H,0/OH” och H,O”/H,O är alltså syra-baspar. En stark syra motsvarar en svag bas Saltsyra, HCI, är fullständigt protolyserad i vattenlösning. Det innebär att kloridjonen inte kan ta tillbaka protonen från oxoniumjonen. En

stark syra har en mycket svag korresponderande bas. HA

—S

COP

mycket starksyra — svag bas

o+

Ht

En svag syra har en relativt stark korresponderande bas. Ättiksyrans korresponderande bas är acetatjonen. HAc

S

Ac

ganska ganska svagsyra — starkbas

+

Ht

I tabell 12:2 finner du några svaga syror och korresponderande baser.

Namnen på de korresponderande baserna finner du i en tabell- och formelsamling.

208

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER

12.4 Flerprotoniga syror Svavelsyra är en tvåprotonig syra. Protolysen i vatten går i två steg:

Steg1

HSO,

+

HO

—

HSO;

+

HO"

Steg2

HSO;

+

HO

S

SoFr

+

HO"

syra

syra

bas

bas

I det första steget är protolysen fullständig, H,SO, är en stark syra. Det visas med enkelpilen i reaktionsformeln. Däremot är HSO3 definitionsmässigt en svag syra, men ändå ganska stark.

K,(HSO3) = 1,0 : 10” mol/dm”. Dubbelpilen i protolysformeln visar att det finns både vätesulfat- och sulfatjoner i en svavelsyralösning. Men man antar ofta att utspädd svavel-

syra är helt protolyserad i båda stegen och att den innehåller endast sulfatjoner och inga vätesulfatjoner. Ju mer man späder ut syran med vatten,

desto fler vätesulfatjoner protolyseras. Kolsyra, H,CO,, är exempel på en tvåprotonig svag syra där syran proto-

lyseras endast delvis även i första steget. Därför är så kallade kolsyrade

drycker måttligt sura, vilket gör att de går att dricka.

H,CO,

+

H,O

S

HCO;

+

HJO"

K,=4,5:1077 mol/dm?

HCO;

+ HO

$S

COX

+

HJO"

K,=4,8:10" mol/dm?

Jämviktsvillkoren är

[H"]-[HCO3] [H,CO.]

=4,5:107 4,

mol/dm” dm?

och

[H"]-[CO3-] = 4,8-10"" mol/dm? [HCO3] Syrakonstanterna visar att HCO; är en mycket svagare syra än H,CO,. Det beror givetvis på att den negativt laddade HCO; har svårare för att släppa ifrån sig en positiv vätejon än den oladdade molekylen H,CO,. IT olika sammanhang uttrycker man sig på olika sätt om flerprotoniga syror som t ex svavelsyra. Ibland säger man att svavelsyra är en tvåprotonig syra. Då menar man att en svavelsyramolekyl kan avge sammanlagt 2 protoner. Men i andra sammanhang när man tänker på sambandet

syra-korresponderande bas talar man också om syran H,SO, och dess korresponderande bas HSO; och om syran HSO; och dess korresponde-

rande bas SO7. ÖVNING 1228-1231 12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 209

12.5 Saltlösningar är sällan neutrala Om man blandar lika stora substansmängder saltsyra och natriumhydroxid, reagerar syrans vätejoner med natriumhydroxidens hydroxid-

joner. Lösningen blir neutral (pH = 7) och vi får en natriumkloridlösning. På samma sätt kan man blanda 1 mol ättiksyra och 1 mol natriumhydroxid i lösning och få en lösning av natriumacetat. Men den lösningen har inte pH = 7, utan den är basisk. I själva verket är vattenlösningar av

de allra flesta salter inte neutrala utan basiska eller sura. Vilka salter ger då sur, neutral respektive basisk lösning? Det beror på hur den positiva och den negativa jonen reagerar med vatten. Man måste alltså först ta reda på hur respektive jon protolyseras, sedan kan man dra slutsatser om lösningens surhetsgrad.

Alkalimetallsalter av starka syror har neutral lösning En lösning av natriumklorid har pH = 7.

En lösning av natriumklorid är neutral (pH=7). Den innehåller natriumjoner och kloridjoner. Kloridjonen är en mycket svag bas. Den kan inte ta

upp protoner, eftersom den är anjon till den starka syran HCL. CI

+

H,O

— ingen protolysreaktion

På liknande sätt har natriumnitrat — salt av den starka salpetersyran — neutral vattenlösning. Det gäller också motsvarande kaliumsalter.

Vattenlösningar av aluminiumklorid, ammoniumklorid, natriumklorid, natriumvätekarbonat, natriumacetat och natriumkarbonat. Lösningarna har färgats av universalindikator. Färgen visar att saltlösningar kan vara både sura och basiska. Alkalimetallsalter av svaga syror ger basisk lösning

En natriumacetatlösning är basisk.

En lösning av natriumacetat är basisk. Acetatjonen, som är den

korresponderande basen till den svaga syran ättiksyra, protolyseras i vatten enligt formeln

Ac + HO

S

HAc + OH

Formeln visar att det bildas lika många hydroxidjoner som ättiksyramolekyler. Det är hydroxidjonerna som gör lösningen basisk. På liknande sätt protolyseras andra anjoner till svaga syror. 210

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER

En vattenlösning av natriumkarbonat (soda), Na,CO,, är så starkt basisk

och frätande att den är farlig att få i sig.

CO

+ H,O

S

HCO;

+ OH”

Karbonatjonen, CO3, är korresponderande bas till den mycket svaga syran vätekarbonatjon, HCO3, och den är därför en ganska stark bas.

En lösning av natriumvätekarbonat är svagt basisk. HCO3 är inte lika stark bas som CO3-. En lösning av natriumvätekarbonat, ”bikarbonat”, är mycket mindre basisk än en sodalösning och kan tas som medel mot

sur mage.

Ammoniumsalter av starka syror ger sur lösning En lösning av ammoniak är basisk, men vad kan vi vänta oss av en lösning av ammoniumklorid, salmiak? Kloridjonen påverkar inte surhetsgraden, men vattenlösningen är svagt sur eftersom lösningen innehåller den

En ammoniumklorid-

lösning är svagt sur.

svaga syran ammoniumjon.

NHi +

HO

S

NH, + HJO"

På samma sätt ger också ammoniumnitrat sur vattenlösning.

Sammanfattningsvis: I saltlösningar bestäms surhetsgraden av jonernas protolys. Om ingen av jonerna protolyseras, som i t ex natriumklorid och kaliumnitrat, blir lösningen neutral. Om ett av jonslagen protolyseras, bestäms pH av detta jonslag. Om båda jonslagen protolyseras blir lösningen sur eller basisk, eller i undantagsfall neutral.

Vätskeytans lägsta + nivå tangerar mät-

strecket.

ÖVNING 1232-1236

12.6 Titrering Om man vet koncentrationen av vätejoner i saltsyra (eller en annan

stark syra), vet man också syrans koncentration. Koncentrationen av vätejoner kan man bestämma noggrant genom att sätta till så mycket av en natriumhydroxidlösning med känd koncentration att lösningen blir

neutral. Det kan gå till så att man med pipett noggrant mäter upp en bestämd volym av syran (i en E-kolv). Några droppar BTB tillsätts. En byrett fylls med natriumhydroxidlösning av noggrant känd koncentration. Sedan droppar man i natriumhydroxidlösningen i saltsyran tills BTB ändrar

färg. Denna analysmetod kallas titrering. Reaktion sker enligt följande formel

H"+CI"

+Na" + OH"

>

HO + Na" + CI

Titrering av syra med bas. 12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 211

Lösningen blir neutral när man har satt till lika stor substansmängd

hydroxidjoner (natriumhydroxid) som substansmängden vätejoner i saltsyra, vilket är slutpunkten för titreringen. Den så kallade ekvivalens-

Vätskeytans lägsta

punkten är därmed nådd. Vätejonerna och hydroxidjonerna har bildat

nivå tangerar mät-

vattenmolekyler och man har en natriumkloridlösning, som är neutral.

strecket.

Under titreringen ändrar BTB färg från gult till grönt. På samma sätt kan man bestämma koncentrationen av en hydroxid-

lösning genom att titrera den med en syra med noggrant känd koncentration.

Även svaga syror kan titreras på detta sätt. Men då måste man välja en indikator med färgomslag vid rätt pH. När man titrerar ättiksyra med natriumhydroxidlösning får man natriumacetatlösning vid ekvivalenspunkten. Dess pH är inte 7,0 utan cirka 9. I det falllet är det lämpligt att

använda fenolftalein som indikator. Som vi redan rett ut i kapitel 12.2 beror indikatorernas färgomslag på att de är svaga syror där syran (Hin) och anjonen (In”) har olika färg. Indikatorns färg ändras när lösningens pH ändras, i närheten av ekvivalenspunkten sker det särskilt snabbt.

Tabell 12:3 ET Metylrött BTB Fenolftalein

SE 4,4-6,2 6,2-7,6 8,0-10,0

4 5,0 7,1 9,7

FN röd-gul gul-blå färglös-rödviolett

” Exempel 12:4

Pipettering.

Koncentrationen av en saltsyralösning ska bestämmas. Med en pipett mäter man upp 20,00 cm? av saltsyran i en E-kolv. Några droppar BTB-lösning tillsätts. Därefter titreras lösningen med natriumhydroxidlösning, koncentration 0,1000 mol/dm”. När 21,42 cm? natriumhydroxidlösning har tillsatts blir lösningen i kolven grön. Beräkna saltsyralösningens koncentration. Reaktionsformeln är HCI(aq) + NaOH(aq) > HO + NaCi(aq) Substansmängden tillsatt NaOH är 0,1000 mol/dm? + 21,42 + 107 dm? = 2,142 + 107 mol Substansmängden titrerad saltsyra är 2,142 - 107 mol Saltsyrans volym är 20,00 em, då blir koncentrationen

2,142:107” mol =0,1071 mol/dm? 20,00-107 dm?

Titrering i två steg Vid titrering av svavelsyra kan varje mol svavelsyra avge två mol vätejoner. Totalreaktionen blir

H,SO,(aq) + 2NaOH(aq)

> 2H,O + Na,SO,(aq)

Varje mol svavelsyra reagerar med två mol hydroxidjoner. 212

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER

Även hydroxider med fler än en hydroxidjon per formelenhet kan titreras med en stark syra. Ett exempel är bariumhydroxid där reaktionen med saltsyra kan beskrivas med formeln Ba(OH),(aq) + 2HCl(aq) > 2H,O + BaCl,(aq)

Exempel 12:5 Vid titrering av en bariumhydroxidlösning tillsatte man saltsyra med koncentrationen 0,0100 mol/dm”. Hydroxidlösningens volym var 15,00 cm”. Man fick färgomslag med

BTB efter tillsats av 17,85 cm? syra. Vilken var bariumhydroxidlösningens

koncentration?

Reaktionsformeln ovan visar att 1 mol Ba(OH), reagerar med 2 mol HCI. Substansmängd tillsatt saltsyra = 0,0100 mol/dm? + 17,85-107 dm? = 1,785 - 10" mol Substansmängd bariumhydroxid = 34 - 1,785 - 107" mol = 8,925 - 10" mol 8,925-10” mol Koncentrationen av Ba(OH);lösningen = 2500-107 dm

=5,95:107

mol/dm?

ÖVNING

1237-1239

År 1749 framställdes myrsyra för

första gången — genom destillation av myror.

Indikatorer i naturen Miljön i en myrstack är sur till följd av att myrorna sprutar ut myrsyra. När man lutar sig över stacken känner man myrsyrans stickande doft. Om man håller en

blåklocka mot myrstacken blir den röd. Förklaringen är att färgämnet i blåklockan fungerar som indikator. Många av naturens produkter innehåller färgämnen, vars färg beror av pH och de kan därför fungera som indikatorer. Exempel är rödkål, rödbetor, druvsaft

(rödvin), blåbär, te, vissa röda och blå blommor. När te ljusnar vid tillsats av citron är det inte fråga om blekning utan det är teets färgämne som indikerar

att lösningen är sur. Färgen mörknar igen vid tillsats av en basisk lösning. 12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 213

Blåsippor trivs bäst med pH 6,0-7,5 i jorden.

Buffertlösningar I kroppsvätskorna får pH variera endast inom snäva gränser. Magsäckens pH ligger mellan 1 och 2. Det ger bäst miljö för de enzymer som medverkar vid matspjälkningen i magsäcken. Tarmen har svagt basisk miljö. I blodet är pH normalt 7,4 — en avvikelse på mer än 0,4 enheter kan

vara direkt livshotande. För växternas skull är det viktigt att hålla pH i jorden inom vissa gränser, olika växter kräver olika pH. I en trädgård kan man se att rhododendron trivs i sur miljö, medan hallonen vill ha basisk jord. Man kan

också se att floran i en skogsbacke förändras vid försurning. Surt regn påverkar marken olika beroende på jordens sammansättning. Kalkrik jord och lerjord är mycket motståndskraftiga mot pH-ändringar (försurning), medan kalkfattig moränmark lätt drabbas av försurning och sjunkande pH. I kalkrik jord finns vätekarbonatjoner, som i första hand motverkar att pH sjunker. Men vätekarbonatjonen är en amfolyt som därför också skulle kunna motverka pH-höjning. Den kan reagera med både vätejoner och hydroxidjoner. 214

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER

HCO;

+

HO"

HCO;

+ OH

—

H,CO,

+

H,O

>

CO

+ HO

”Extra” vätejoner och hydroxidjoner ”tas om hand” av vätekarbonatjonerna och pH ändras mycket lite. Så länge det mesta av vätekarbonatjonerna finns kvar som HCO3, kommer pH att ligga kring 8. Även inom industrin har man ofta behov av att hålla pH konstant för att

en reaktion ska ge de produkter man vill ha. Hur håller man pH ungefär konstant under en reaktion i en lösning?

Om pH ska vara mycket högt eller lågt kan reaktionen ske i en natriumhydroxidlösning eller en lösning av en stark syra. I andra fall får reak-

tionen ske i en buffertlösning. En buffertlösning har en sådan sammansättning att den kan förhindra större pH-ändringar även om man sätter till relativt stora mängder syra eller bas. En ”karbonatbuffert” är ett av de system som håller pH konstant i

kroppsvätskorna. Vid många reaktioner bildas sura produkter, t ex mjölksyra i musklerna. Kroppens buffertsystem tar hand om syrorna som annars kan orsaka skador i kroppen genom kraftiga pH-sänkningar. På laboratoriet används ofta buffertar, några vanliga är: — acetatbuffert (pH mellan 4,5 och 5)

— fosfatbuffert (en blandning av Na, HPO, och NaH,PO, med pH = 7) och

— ammoniakbuffert (blandning av NH,CI och NH, med pH mellan 9 och 10).

I marken, i sjöar och hav finns många andra exempel på buffrade lösningar. I oceanerna finns t ex sammansatta buffertsystem med pH ca 8,4, som innehåller karbonater och silikater.

I Uppslaget kan du läsa mer om buffring.

12 SYRA-BASREAKTIONER

+ 215

Sammanfattning

Nya begrepp

kapitel 12

3 pH är ett mått på en lösnings surhetsgrad. I alla vattenlösning-

> Om en jämvikt störs genom

stark och svag syra, vattnets

ar är pH + pOH = 14,00.

autoprotolys, vattnets jon-

> Starka syror är i motsats till svaga syror fullständigt protolyserade.

sker en reaktion så att störningen motverkas och blandningen intar ett nytt jämviktsläge.

Fullständig och ofullständig protolys, amfolyt, pH, pOH,

produkt, dynamisk jämvikt, kemisk jämvikt, jämviktsvillkor, jämviktskonstant, syrakonstant, titrering, ekvivalens-

3 De flesta syror är svaga. Syra-

punkt, syrabaspar, korresponderande syra/bas,

buffertlösning.

ändring av en koncentration så

> Varje syra har en korrespon-

derande bas. En stark syra mot-

konstanten för en svag syra är ett

svaras av en svag bas.

mått på syrans styrka. Ju större

> En vattenlösning av ett salt är

konstant, desto starkare syra.

sur, neutral eller basisk beroende

3 En syra-basindikator (HIn) är

en svag syra där molekylen HIn har en annan färg än In”.

3 Vid kemisk jämvikt är reaktionshastigheten lika i båda rikt-

på jonernas protolys. > Koncentrationen av en syra kan bestämmas genom titrering med en hydroxidlösning.

> En buffertlösning har förmåga

ningarna. En dubbelpil i en reak-

att stå emot pH-ändringar vid till-

tionsformel visar att det vid

sats av syra eller natriumhydroxidlösning.

jämvikt finns mätbara koncentra-

tioner av ämnena i båda leden.

Övningar Övning 1201-1211 ska användas som repetition av delar av kapitel 5 och kapitel 7 som du behöver kunna när du studerar kapitel 12. 1201

Vad gäller om pHien

a) basisk

1202

b) sur

Vilken färg har BTB respektive fenolftalein i en lösning med

a) pH=4

1203

c) neutral lösning?

b)pH=7

c)pH=10

1204 a) Varför är gasen väteklorid så lättlöslig i vatten? b) Skriv reaktionsformeln för reaktion mellan väteklorid och vatten c) Vad kallas vattenlösningen?

1205

Vad menas med att svavelsyra är en tvåprotonig syra? 1206

Skriv formeln för

Skriv formeln för reaktion mellan salpetersyra och

vatten.

a) ammoniak

b) ammoniumjon

c) hydroxidjon

d) karbonatjon

e) kolsyra

f) nitratjon

Formeln för reaktion mellan kolsyra och vatten

g) oxoniumjon

h) svaveldioxid

skrivs

j) svavelsyra

k) vätejon

H,CO, + H,O &

I) vätekarbonatjon

m) vätesulfatjon

Vad betyder dubbelpilen &?

216

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER — ÖVNINGAR

1207

HCO3; + H,0"

1208 a) Skriv formeln för reaktion mellan gasen

ammoniak och vatten.

0,027 mol/dm? och lösning B är 350 cm? saltsyra,

b) Vilka partiklar finns i vattenlösningen av ammoniak? 1209 Till 250 cm? saltsyra med koncentrationen 0,20

mol/dm” sätter man 50 cm” vatten. Beräkna den nya lösningens koncentration.

1210 Man blandar två saltsyralösningar. Den ena har

volymen 0,60 dm? och koncentrationen 0,25 mol/dm? och den andra lösningen har volymen 0,20 dm? och koncentrationen 0,12 mol/dm”. Beräkna bland-

ningens koncentration.

koncentration 0,060 mol/dm”. Lösningarna blan-

das och blir då lösning C. Beräkna pH i lösningarna A, B respektive C. 1218

Beräkna pOH i en lösning med hydroxidjonkoncentrationen

a) 0,0067 mol/dm?”

b) 2,5 + 10" mol/dm”.

1219

Beräkna hydroxidjonkoncentrationen i en lösning med pOH a) 2,40

b) 5,72

c) 12,0

1220

1211 Beräkna koncentrationen (mol/dm”) av H,O i rent vatten. Vattnets densitet är 1,0 g/cm?. 1212

Beräkna pH i en lösning med vätejonkoncentrationen a) 0,036 mol/dm?

1217 Lösning A är 150 cm” saltsyra, koncentration

b) 0,0058 mol/dm?

c) 2,0: 10 mol/dm? — d) 2,0 mol/dm?

€) 2,35 + 10” mol/dm”.

I en lösning är pH = 3,54. Beräkna vätejonkoncentrationen, pOH och hydroxidjonkoncentrationen. 1221

Man löser 2,0 g natriumhydroxid i vatten och späder lösningen till 150 cm”. Beräkna lösningens pH-värde. 1222 10,10 mol/dm” ammoniak är hydroxidjonkoncen-

trationen 1,3 + 10” mol/dm”. Beräkna pH.

1213 Beräkna vätejonkoncentrationen i en lösning med pH a) 3,18 b) 7,20 ce) 10,5 — d) 13,62.

1223 I saliven är pH 6,8. Beräkna pOH, vätejon- och hydroxidjonkoncentrationen.

1214

Mellan vilka heltalsvärden ligger pH om vätejonkoncentrationen är

a) 2:10” mol/dm” —

b) 7:10” mol/dm”.

1215 Mellan vilka tiopotenser ligger vätejonkoncentrationen om pH är a) 1,6 b) 7,8 c) 11,5.

1224

Ordna syrorna kolsyra, myrsyra och ättiksyra efter ökande syrastyrka, dvs så att den svagaste syran kommer först. 1225 a) Skriv formeln för protolys av ättiksyra.

b) Vad händer med jämviktsblandningens sammansättning när natriumhydroxidlösning tillsätts?

1216

Man löser 4,5 + 10” mol väteklorid i vatten.

1226

Lösningens volym är 150 cm”.

Kalciumkarbonat, CaCO,., är svårlösligt i vatten. Om

Beräkna saltsyrans

man droppar utspädd saltsyra på kalksten får man gasutveckling. Vilken gas utvecklas och varför?

a) koncentration

b) pH-värde.

12 SYRA-BASREAKTIONER — ÖVNINGAR

+ 217

1227 Använd dig av tabell 12:2 i följande övningar. Kolsyrasystemet innehåller protolyterna H,CO,,

HCO3 och CO3-. Vilken eller vilka av dessa som det finns mest av beror på lösningens pH.

b) Vätejonkoncentrationen är mindre än hydroxidjonkoncentrationen c) Vätejonkoncentrationen och hydroxidjonkoncentrationen är båda noll d) Vätejonkoncentrationen är lika med

a) För vilka pH-värden finns i huvudsak endast

hydroxidjonkoncentrationen men inte noll.

H,CO,? b) Vid vilket pH är [H,CO,] = [HCO3] ? c) Inom vilket pH-intervall kan man uppskatta att

1234

Vilket av påståendena i övning 1233 är sant för en lösning av natriumacetat?

man har ungefär lika stora mängder av H,CO,

1235

och HCO3 ?

Skriv reaktionsformeln för protolysen i en vatten-

d) Vid vilket pH är [HCO3] = [CO3-1? e) För vilka pH dominerar CO

ilösningen ?

lösning av ammoniumnitrat.

1236 1228

Ange för vart och ett av följande salter om dess

Skriv formeln för den korresponderande syran till

vattenlösning kan väntas vara sur, neutral eller

a)OH 1229

basisk. (Tänk efter om katjonen/anjonen fungerar som syra/bas i vattenlösning). Skriv också formler för eventuella protolysreaktioner

Skriv formeln för den korresponderande basen till

a) natriumkarbonat

b) ammoniumsulfat

a) H,O"

c) kaliumnitrat

d) kaliumnitrit (KNO,)

b)O”

b)H,O

c) SOT

c)OH

d) HSO;

e)POT

d) HSO; e) H,PO;

1230 Vilka av följande partiklar är amfolyter?

H,O", H,O, OH", H,CO,, HCO3, CO?-.

1237 Beräkna den volym natriumhydroxidlösning med koncentrationen 0,153 mol/dm? som krävs för att

neutralisera 19,4 cm? salpetersyra med koncentra-

tionen 0,250 mol/dm”.

1231

Fosforsyra, H.PO,, är en treprotonig syra och protolyseras alltså i tre steg. a) Skriv protolysformler för de tre protolysstegen. Reaktionerna antas ske med vatten. b) Jämför syrastyrkan hos de tre syrorna och förklara rangordningen.

1238

Man vill bestämma koncentrationen hos en svavelsyralösning och överför 20,00 cm? av syralösningen till en E-kolv samt sätter till några droppar BTBlösning. Sedan titrerar man med natriumhydroxidlösning med koncentrationen 0,1000 mol/dm?. När 42,15 cm? av natriumhydroxidlösningen har

1232 Man löser natriumkarbonat i vatten. Skriv formeln

för den protolys som sker i vattenlösningen. Protolysen antas gå bara ett steg. 1233

Vilket av följande påståenden är sant om en lösning av natriumklorid? a) Vätejonkoncentrationen är större än

hydroxidjonkoncentrationen 218

+ 12

SYRA-BASREAKTIONER — ÖVNINGAR

tillsatts ändrar indikatorn färg. Skriv formeln för reaktionen och beräkna svavelsyrans koncentration. 1239 Man har utspädd saltsyra med pH-värdet 1,80. Natriumhydroxidlösning tillsätts så att vätejonkoncentrationen minskar till hälften. Vilket blir

då lösningens pH-värde?

Blandade övningar 1240 En bariumhydroxidlösning har koncentrationen

2,0: 10” mol/dm”. Beräkna hydroxidjonkoncentration och pOH.

1241 Man löser 0,020 mol väteklorid i vatten och späder

lösningen till 3,0 dm”. Beräkna lösningens pH-värde. 1242

En mättad lösning av kalciumhydroxid innehåller 1,59 g Ca(OH), per dm” lösning vid 25 ”C. Beräkna

hydroxidjonkoncentration, pOH och pH i lösningen. 1243 Man blandar 25,0 cm” natriumhydroxidlösning,

koncentration 0,150 mol/dm”, med 125,0 cm? natriumhydroxidlösning, koncentration 0,200 mol/dm”. Beräkna blandningens koncen-

tration. 1244

Man gjorde en mättad lösning av kalciumhydroxid. 50,0 cm” av den mättade lösningen titrerades med

saltsyra av koncentrationen 0,100 mol/dm”. Det gick åt 22,5 cm” av saltsyran för neutralisationen. Beräkna lösligheten (g/dm”) av kalciumhydroxid. 1245

Till 12,00 cm” natriumhydroxidlösning, koncentration 0,238 mol/dm”, sätter man 20,00 cm? saltsyra, koncentration 0,180 mol/dm?. a) Beräkna n(OH)) i natriumhydroxidlösningen och n(H") i saltsyran.

b) Blir blandningen sur eller basisk? c) Beräkna pH i blandningen.

12 SYRA-BASREAKTIONER — ÖVNINGAR

+ 219

Kolföreningar ingår inte bara i alla levande organismer och vår mat, utan också i många naturliga och konstgjorda material i vår omgivning. I köket finns trä och plast i inredningen, burkar och dricksglas av polystyren och kanske en duk av linne. Kolatomen kan binda både andra kolatomer och andra atomslag med kovalent bindning. Därför kan det bildas många typer av föreningar. Molekylföreningar med starka bindningar inom molekylerna är vanliga.

Mellan molekylerna råder svagare krafter t ex vätebindningar, dipoldipolbindningar och vdW-bindningar. Organiska föreningar har därför ofta lägre smältpunkt än oorganiska jonföreningar.

Aromatiska föreningar När kemister under mitten av 1800-talet studerade väldoftande, aromat-

iska, ämnen fann de att de flesta föreningarna innehöll särskilt hög halt av kol. Föreningarna var svåra att antända och brann med en starkt sotande låga. Förklaringen var att många av de aromatiska ämnena visade

sig vara besläktade med kolvätet bensen, C.H;. Beteckningen aromatisk kom med tiden att användas för att beteckna släktskapen med bensen. Bensen kan ritas som en sexledad ring med tre dubbelbindningar. Föreningen borde alltså vara starkt omättad, men uppför sig inte som en sådan, utan liknar mer en alkan. H

H

H

Bindningarna mellan kolatomerna är lika långa och alla vinklar är 120”. Molekylen är plan. Bindningarna är kortare än enkelbindningar, men längre än dubbelbindningar.

H

H

Bindning

c-C

Längd /nm — 0,154

H 220

+ 13

KOLFÖRENINGAR

c=C 0,134

C-C i bensen — 0,139

S

3k Ena dagen står det i tidningen att det är farligt att äta fett, nästa dag att man ska äta fleromättat fett samtidigt som det varnas för det giftiga transfettet. Hur hänger egentligen det här ihop? Fundera på frågan, medan du läser kapitlet.

KAPITEL 13

Kolföreningar

SEPEEEEPPEEEEPEEEREEPEPRPEPIPAR PRESSEN PEE Pr SAR

Ja S p

Under 1800-talet framfördes många förslag på förklaringar till att de tre ”dubbelbindningarna” inte uppför sig som vanliga dubbelbindningar.

De kan t ex inte addera brom. Efter nära hundra år och ett antal olika teorier insåg forskarna att de sex extra elektronerna i bensen är helt delokaliserade, dvs utspridda över hela

molekylen, vilket ger bensen dess speciella egenskaper. Delokaliseringen förklarar också längden av kol-kol-bindningarna.

För att illustrera att de sex extra elektronerna i bensen är delokaliserade ritar man två formler inom en klammer på följande sätt.

O-0 Detta skrivsätt innebär inte att bensenmolekylen hoppar mellan de båda ritade formerna utan utgör ett mellanting med lägre energi. Bensen kan ibland ritas som en sexhörning med en ring inuti. Ringen symboliserar

då de sex delokaliserade elektronerna. För att illustrera delokaliseringens inflytande på bensens reaktivitet, kan

man jämföra bensen med det ringformade kolvätet cyklohexan, C/H,,, (sid 88) som bara innehåller enkelbindningar och med cyklohexen

som

innehåller en dubbelbindning. Den adderar lätt brom så att det bildas 1,2-dibromocyklohexan.

Cyklohexan

Cyklohexen

1,2-dibromocyklohexan

Om bensen blandas med brom sker däremot ingen addition. I stället byts ett av vätena ut mot brom. Då bildas vätebromid och bromobensen,

CAH.Br. Det som har skett kallas en substitutionsreaktion (substituera = Bensen.

att ersätta med).

CH, + Br, > CAHsBr + HBr Br

Bensen Bromobensen.

222

+ 13

KOLFÖRENINGAR

Bromobensen

ORO ä

Toluen

—

1,2-Dimetyl-

bensen

— 1,3-Dimetyl-

bé

ensen

Styren

.

1,4-Dimetylbensen

Bensen är ett viktigt utgångsämne för framställning av komplicerade organiska föreningar. För att ange platsen då flera grupper sitter på bensenringen numreras kolatomerna 1-6, se ovan. Metylbensen och de tre

dimetylbensenerna är vanliga lösningsmedel. Metylbensen, C.H.CH., kallas toluen och de tre dimetylbensenerna, C.H,(CH,),, är de tre formerna av xylen. Styren, CH.CH=CH,, används för tillverkning av polystyren, dvs vanlig

glasklar hushållsplast.

C Toluen.

Det har visat sig att ringar med 3, 5, 7 eller 9 ”dubbelbindningar” är särskilt stabila. De kallas aromatiska ringsystem.

3 ”dubbelbindningar” Bensen, CeHe

5 ”dubbelbindningar” Naftalen, CioHg

7 ”dubbelbindningar” Antracen, Ci4H10

Bensen och vissa aromatiska kolväten med många sammanbyggda bensenringar (finns t ex i tobaksrök) bryts inte ner i människokroppen,

utan omvandlas till ämnen som skadar arvsmassan. Skadorna kan leda till leukemi. Toluen och xylen är mindre hälsoskadliga och används i stället för bensen där det är möjligt. ÖVNING 1301

13.2 Organiska ämnens funktionella grupper De flesta organiska ämnen som är lösliga i vatten är jonföreningar eller

innehåller grupper som kan delta i vätebindningar, t ex OH-grupper. Ju fler vätebindningar, desto större löslighet. Kol och väte har ungefär samma elektronegativitet. Kolvätekedjor i organiska molekyler är därför opolära. Mellan kolvätemolekyler finns bara vdW-bindningar. Organiska ämnen med långa kolvätekedjor är därför svårlösliga i vatten. Sådana ämnen brukar kallas ”feta” eller hydrofoba. De har ofta låg densitet och bildar oljiga skikt som flyter på vatten.

13 KOLFÖRENINGAR

+ 223

Om en eller flera väteatomer i en kolvätemolekyl ersätts med halogenatomer ökar ämnets densitet, men lösligheten i vatten ändras bara

obetydligt. Förklaringen är att väteatomer och halogenatomer som är bundna till kolatomer inte kan delta i vätebindningar. Polariteten i kolhalogenbindningen visar sig däremot genom att halogenatomerna lätt byts ut mot kväve- eller syreatomer. Det sker genom substitutionsreaktioner. Den del av molekylen som ger ett organiskt ämne dess karakteristiska egenskaper, eller där kemiska reaktioner lätt sker, är en funktionell grupp. I kapitel 6 introducerades dubbel- och trippelbindningar samt OH-gruppen som exempel på funktionella grupper. Den funktionella gruppen innehåller ofta en atom med annan elektronegativitet än den kol har. Därför räknas halogenatomer i organiska molekyler till funktionella grupper, liksom NH,-gruppen i aminer (sid 232) och karbonylgruppen med sin polära dubbelbindning mellan kol och syre.

13.3 Karbonylföreningar Det finns många föreningar som innehåller karbonylgruppen, >C=0. Dit hör föreningar som formaldehyd (en aldehyd), aceton (en keton), ättiksyra (en karboxylsyra) och etylacetat (en ester). Några olika typer av karbonylföreningar kan beskrivas så här: a

RÅ

a

+ C=08-

09

H

.

R,

RÅ 20=0

R

0?

Oo

Karbonylgrupp Aldehyd

Keton

R-CHO

RR,CO

RÅ

N

y0-

Oo

H

N

Ri

Syra

Ester

R-COOH

R-COO-R,

I bilden av karbonylgruppen har de två bindningarna till vänster om kolet angetts med

streckade linjer. Bokstaven R används som symbol för en kolvätegrupp (alkylgrupp) vilken som helst. I aldehyder är R antingen väte eller en alkylgrupp.

Karbonylgruppen innehåller en dubbelbindning mellan kol och syre, och bindningen är polär eftersom syre är mer elektronegativ än kol. Kolatomen är därför den elektronfattigare atomen i karbonylgruppen.

Molekyler som innehåller atomer med fria elektronpar reagerar ofta med molekyler som innehåller karbonylgrupper. Det kommer vi att se exempel på senare i kapitlet under rubriken Estrar.

Oxidation av alkoholer Vid fullständig oxidation av alkoholer, vilket sker vid förbränning, bildas koldioxid och vatten (se kapitel 6).

C,H.OH + 30, —> 2CO, + 3H,0 224 + 13 KOLFÖRENINGAR

Men det går också att oxidera alkoholer så försiktigt att kolkedjan inte bryts. Om man oxiderar etanol, CH,-CH,-OH, försiktigt får man en aldehyd: acetaldehyd

o Z H3C—eÅ H Vid fortsatt oxidation bildas en karboxylsyra: ättiksyra.

2 H3C —C

N

Oo—H

Oxidationen av en alkoholmolekyl sker alltid vid den kolatom som är bunden till OH-gruppen i alkoholen. Antalet väteatomer som är bundna till denna kolatom bestämmer vilken produkt som bildas: +» om kolatomen binder 2 väte bildas en aldehyd (försiktig oxidation)

eller en karboxylsyra (kraftig oxidation)

+ om kolatomen binder 1 väte bildas en keton + om kolatomen inte binder något väte alls, är molekylen motståndskraftig mot oxidation.

H R

H mo

on "> R H

alkohol R

H

—

Ri alkohol

1

0

karboxylsyra

Oo

R

OH

PR

R

Ox

R

OH OH

aldehyd

OH

R

R

Ox

OH

Ox

— LL

keton

sker ej under milda betingelser

Ra

13 KOLFÖRENINGAR

+ 225

Aldehyder och ketoner Den enklaste och mest kända aldehyden är formaldehyd, H-CHO, med

stukturformeln

4 o H—e?N H

Den är en vattenlöslig gas och vattenlösningen kallas formalin. Form-

aldehyd framställs genom oxidation av metanol i luft. Den är utgångsmaterial vid framställning av plaster. En del sådana plaster används

som lim i spånplattor. Formaldehyd återbildas när limmet åldras och kan dessvärre ge upphov till allergier. Den acetaldehyd, CH. -CHO, som bildas genom oxidation av etanol i

människokroppen orsakar den typiska doften på andedräkten hos den som har druckit alkohol. Om en vinflaska lämnas öppen oxideras etanolen av luftsyret direkt till ättiksyra med hjälp av ättiksyrabakterier. Produkten

som då bildas kallas vinäger. Oxidation av 1-propanol ger en aldehyd eller en syra på samma sätt

som etanol.

>

Oxidation av 2-propanol ger däremot inte en aldehyd utan en keton: aceton, CH,-CO-CH,.

Aceton, med tre kolatomer, är den enklaste ketonen. Den är både vat-

Aceton.

tenlöslig och ett bra lösningsmedel för de flesta organiska föreningar. Den är en svagare dipol än vatten och kan inte lösa oorganiska salter, trots sin vattenlöslighet. Men acetons svaga dipolkaraktär gör också att den kan lösa opolära (”feta”) organiska föreningar som inte är lösliga i

vatten. De båda alkylgrupperna som är bundna till karbonylgruppen i en keton

kan vara lika som i aceton, eller olika som i butanon, CH;-CO-C,H;s. Aldehyder och ketoner hör till naturens viktigaste doftämnen, här några

exempel:

4

KL

0

0

Ho

bittermandel

H

H

H

Bensaldehyd,

/

0.

N — Vanillin, vanilj

0

Kanelaldehyd, kanel

Aldehyder namnges genom att man lägger till ändelsen -al till kolvätets namn. Namnet för formaldehyd är alltså metanal och för acetaldehyd

etanal. Ketoner namnges på samma sätt med ändelsen -on. Acetons rationella

226 + 13 KOLFÖRENINGAR

namn är propanon. Man ser ofta namnen dimetylketon för aceton och etylmetylketon för butanon.

Karboxylsyror Vi kommer dagligen i kontakt med karboxylsyror genom frukter och bär, grönsaker, kaffe, filmjölk och vinäger. De flesta livsmedel är svagt

HO

sura på grund av karboxylsyror. I koncentrerad form är både ättiksyra och myrsyra starkt frätande och ger upphov till brännblåsor på huden.

Å ”oH Myrsyra.

Myrsyra, H-COOH, angriper huden t o m starkare än saltsyra, och känns mycket irriterande. Myrsyra är dessutom giftig. Myrorna behöver bara spraya den över huden så svider det.

Ättiksyra, CH,-COOH, är den äldsta kända syran och kanske mest känd som konserveringsmedel.

Den allmänna formeln för karboxylsyror är R-COOH. Den funktionella

Ättiksyra.

gruppen -COOH kallas karboxylgrupp. De är svaga syror och protolyseras enligt formeln:

I karboxylsyrornas joner, karboxylatjoner, är elektronerna helt delokaliserade mellan syreatomerna och den mellanliggande kolatomen. På

samma sätt som bensen ligger alltså karboxylatjonen mitt emellan de

två ritade formerna. Karboxylsyror har hög kokpunkt och många är fasta föreningar. Molekylerna håller ihop parvis med vätebindningar mellan de två karboxyl-

grupperna. De rationella namnen är metansyra, etansyra osv, men trivialnamnen

myrsyra, ättiksyra, smörsyra används oftast i dagligt tal. Trivialnamnen

avslöjar också var syrorna förekommer.

Tabell 13:1 Karboxylsyror Rationellt namn

MATE förekomst

Trivialnamn

metansyra myrsyra etansyra ättiksyra butansyra smörsyra hexadekansyra palmitinsyra oktadekansyra stearinsyra 9-oktadekensyra — oljesyra Vid lägre tryck

HCOOH CH,COOH C.H,COOH C.sH,,.COOH CyH..COOH CyH.COOH

8 17 5 63 69 16

100 118 165 2004 235" 228

myror ättika smör kokosfett fårtalg

olivolja

EEE metanoat (formiat) etanoat (acetat) butanoat (butyrat) palmitat stearat oleat

De flesta fruktsyror innehåller fler funktionella grupper än karboxylgruppen. Mjölksyra i filmjölk eller i trötta muskler och äppelsyra är exempel på monohydroxisyror. 13 KOLFÖRENINGAR

& 227

Syror kan också ha fler än en karboxylgrupp. Oxalsyra, som finns i rabarber och ananas, och äppelsyra i omogna frukter, är disyror. Vinsyra, som är den vanligaste fruktsyran, innehåller två karboxylgrupper och två hydroxigrupper. I ren form är alla fruktsyror fasta kristallina ämnen. De är starkare syror än ättiksyra. OH

o

o

OH

Mjölksyra

Oo

OH Bensoesyra konserverar.

o

OH

Oo

0

Oxalsyra

OH

OH HO

HO

HO o

OH

Äppelsyra

OH OH

Oo

Vinsyra

Den enklaste aromatiska karboxylsyran är bensoesyra, C.H.COOH. Bensoesyrans salter kallas bensoater. Både syran och saltet natriumbensoat, C.H.COONa"', är mycket vanliga som konserveringsmedel. Lingon och hjortron användes förr som konserveringsmedel för annan sylt, eftersom bären naturligt innehåller bensoesyra.

Bensoesyra finns naturligt i lingon.

Bensoesyra.

Bensen-1,2-dikarboxylsyra C.H,(COOH), kallas ftalsyra” och dess isomer, bensen-1,4-dikarboxylsyra, kallas tereftalsyra. Ftalsyra ingåri mjukgörare för plaster. Tereftalsyra är ett utgångsämne när man gör PET-plast och Kevlar. Salicylsyra, 2-hydroxibensoesyra, är febernedsättande och smärtstillande. Ämnet finns i pilträdens blad och bark. I ren form är den starkt sur och skadar magen. Därför omvandlar man den till acetylsalicylsyra, som förekommer t ex i Magnecyl?.

Salicylsyra finns i Salix, pil, urgammalt smärtstillande medel.

ÖVNING 1302-1312 = 228

+ 13

KOLFÖRENINGAR

Acetylsalicylsyra " Den positiva jonen i organiska syrors salter skrivs ofta till högeri formeln. ”Detkonstiga namnet kommer från naftalen, som vid oxidation ger ftalsyra.

Estrar När en syra reagerar med en alkohol bildas en ester och vatten. Reaktionen kallas en förestring. Vattnet avspjälkas på det sätt som visas i formeln nedan och reaktionen är ett exempel på en kondensationsreaktion. Karbonylgruppen innehåller en dubbelbindning mellan kol och syre. Bindningen är polär, eftersom syre är mer elektronegativ än kol. Därför kommer alltid syreatomen i en alkohol att dras till kolatomen i karbonylgruppen när en ester bildas. Reaktionen mellan en karboxylsyra och en alkohol går vanligen mycket långsamt, men påskyndas av protoner. Man får en blandning av ester, vatten, karboxylsyra och alkohol, dvs en jämviktsblandning. Observera att man får samma jämviktsblandning om man startar med ester och vatten! I den riktningen kallas reaktionen en hydrolys.”

o

Uf ANNO

o

on, Hf 18 VE

Smörsyra (butansyra)

!

ENN

Etanol

Förestring

TH20

Etylbutanoat k Aromatiska ämnen innehåller ringar med delokaliserade elektroner.

och amin bildar tillsammans amid genom en kondensations-

> Funktionella grupper ger

> Kolhydrater är monor-, di- eller

förestring, hydrolys, fett,

kemiska föreningar deras egenskaper och reaktivitet.

förtvålning, tensid, hydrofil,

3 Karbonylgruppen ingår i

polysackarider. Glukos och fruktos är monosackarider. De förekommer bl a sammanfogade till disackariden sackaros, vanligt

aromatiska kolväten, substitutionsreaktion,

karbonylgrupp, aldehyd, keton, karboxylsyra, ester, kondensationsreaktion,

hydrofob (”fet”), amin, amid, kolhydrat, monosackarid, disackarid, polysackarid, stärkelse, cellulosa, glykogen, termoplast, härdplast,

additionspolymer, kondensationspolymer, mjukgörare.

aldehyd, keton, karboxylsyra och ester. Alkoholer kan oxideras till

aldehyder, ketoner eller karboxylsyror, som är svaga syror. Syra och alkohol bildar tillsammans ester genom en kondensationsreaktion. Estrar kan hydrolyseras under sura eller alkaliska betingelser. Fetter är glycerylestrar som ger tvål genom alkalisk hydrolys. > Aminer är organiska föreningar

reaktion.

strösocker. Polysackariderna stärkelse, glykogen och cellulosa innehåller kedjor av glukosmolekyler. > Plaster delas in i termoplaster och härdplaster eller i additionspolymerer och kondensationspolymerer. Plastens egenskaper kan ändras genom tillsatser, t ex

mjukgörare.

härledda från ammoniak. Syra

Övningar

1301 a) När cyklohexen behandlas med brom försvinner den bruna bromfärgen och det bildas en färglös

b) Kokpunkterna för respektive ämne är -164 ”C, -21 ”C, 65 ”C. Förklara skillnaderna i kokpunkt.

förening. Skriv en reaktionsformel för reaktio-

1304

nen och ge en strukturformel för föreningen,

Bör aldehyder ha stor eller liten

som bildas.

a) vattenlöslighet? Diskutera vilka faktorer som

b) När bensen behandlas med brom får man en lik-

nande avfärgning, samtidigt som vätebromid

bildas. Skriv en reaktionsformel för reaktionen

kan påverka den. b) löslighet i etanol? Varför?

och visa vilka bindningar som bryts och nybildas | 1305 med hjälp av strukturformler för utgångsämnen a) Förklara varför kokpunkten för propanon är ungeoch produkter. fär densamma som för propanal (56 ”C resp 49 ”C). 1302 Du vill framställa a) butanal b)butanon genom oxidation av en alkohol. Vilka alkoholer ska

b) Förklara varför aceton (propanon) har lägre kok-

punkt än 2-propanol och varför propanal har lägre kokpunkt än 1-propanol. (se även tabell 6:2.)

du välja? Rita strukturformler för alkoholerna och namnge dem.

c) Varför är aceton lättlöslig i vatten?

1303 a) Vilken/vilka av föreningarna metan, metanal

1306

och metanol innehåller vätebindningar?

d) Varför kan aceton lösa fett?

I tabell 13:1 saknas uppgift om syrornas vattenlöslighet. Hur bör denna variera med kolkedjans längd?

3 KOLFÖRENINGAR + 239

1307

1312

Jämför myrsyra (M = 46 g/mol), propan (M = 44

a) Du skakar bensoesyra med lika delar cyklohexan och vatten. Vätskorna separerar. Var kommer

g/mol) och etanol (M = 46 g/mol).

bensoesyran att befinna sig till största delen?

a) Förklara skillnaden i kokpunkt. b) Vilken bör vara mest löslig i oktan? 1308 a) Vilken förening bör vara mest löslig i vatten, smörsyra eller natriumbutanoat (natriumbutyrat)?

b) Varför löser sig stearinsyra (från ett stearinljus) i vatten om man tillsätter natriumhydroxid? Vilken känd produkt uppkommer?

Nedanstående rutsystem används för övningarna 1309-1310

1 2 3 4

ry FJ [6 FJ |2-butanol | vinsyra — |ättiksyra 1-butanol |äppelsyra | mjölksyra | natriumformiat butanal |3hexanon | propanon | metanal 2-kloropropanal |natrium- — | natrium- — | heptanal aceton stearat

b) Du tillsätter natriumhydroxidlösning och skakar igen. Vilka förändringar inträffar? 1313

Skriv den sammandragna strukturformeln för

a) metylpropanoat b) etylformiat (etylmetanoat).

c) pentylstearat 1314

Skriv reaktionsformeln för bildning av hexylformiat (hexylmetanoat) från en syra och en alkohol.

1315 Ftalater (estrar av ftalsyra) är vanliga mjukgörare för plast. Ftalsyra är bensen-1,2-dikarboxylsyra Rita en streckformel för estern dioktylftalat.

oleat

1316 Polystyrenmolekyler har en molmassa på ca 50 000 1309 Vilka rutor representerar molekyler som a) innehåller minst en karbonylgrupp b) är aldehyder

g/mol. Polystyren löser sig lätt i triklorometan. Vad händer vid upplösningen och när lösningen torkar igen? Ändras molmassan på något sätt, eller är den konstant?

c) är ketoner? 1310

Blandade uppgifter

Vilken ruta representerar

1317

a) ett salt av myrsyra

Ange den funktionella gruppen i följande molekyler, namnge den ämnesgrupp molekylen tillhör och namnge varje förening.

b) ett salt av stearinsyra

C) ett salt av oljesyra? 1311

Vilka typer av bindningar bör finnas mellan molekyler av bensoesyra ifast tillstånd?

240

+ 13

KOLFÖRENINGAR

a) b) c) d) e) f)

C:H,COOH C,H5CHO CH3COC:Hs CHzCH;CH3Br HOCH,CH,CH3 (CH3;),CHOH

1318 Vilka av följande föreningar är parvis strukturisomera, dvs har samma molekylformel? a) 2-butanol b) butanal c) butanon

d) 2-metyl-1-propanol 1319

Till vilken reaktionstyp hör följande reaktion: a) Ättiksyra reagerar med butanol till butylacetat. b) Acetaldehyd (etanal), omvandlas till ättiksyra.

c) Propyn behandlas med vätebromid i två steg, varvid 2,2-dibromopropan bildas. 1320 a) Hur kan du som konsument märka skillnaden

mellan en termoplast och en härdplast? b) Vad menas med en additionspolymer? Ge några exempel. c) Vilken funktionell grupp innehåller plasten i en

PET-flaska? 1321 Metanol oxideras försiktigt med ett starkt oxida-

tionsmedel. Rita strukturformler och namn för de molekyler som bildas i varje steg av oxidationen.

(Ledning: Det går att oxidera molekylen så länge det finns något H kvar, som är bundet till C.)

1322

Sockerarten fruktos finns ritad i sin cykliska form på sid 233 med ketongruppen”maskerad”. Rita den

isin ”öppna” form så att ketongruppen blir synlig.

3 KOLFÖRENINGAR

+ 241

Allt utom

kol

Kristaller har alltid fångat människans intresse. Kisel och syre i kvarts och silikater är jordskorpans vanligaste material. Det kan vara hårt, vackert och ofärgat som

bergkristall eller svagt färgat som halvädelstenar, glänsande och lätt klyvbart som glimmer eller trådigt och hälsofarligt som asbest. Det levande är centralt för människan, men det är bara en del av vår

omgivning. Vi lever också i växelverkan med vår oorganiska omvärld. Kväve, fosfor, kalcium, järn, kol och syre är bara några av de grund-

ämnen som deltar i kretslopp och är nödvändiga för oss. I organisk kemi grupperas föreningar efter funktionella grupper. På motsvarande sätt kan oorganisk kemi beskrivas som metallernas kemi, oxidernas kemi, silikaternas kemi, karbonaternas kemi, sulfidernas

kemi osv. I detta kapitel har vi valt att beskriva några av de grundämnen och föreningar som finns i jordklotets yttersta lager, den så kallade litosfären.

14.1 Metaller Metaller är användbara men finns sällan som grundämnen i naturen. I haven och den fasta jord-

skorpan är aluminium, järn, kalcium, natrium, kalium och

magnesium de dominerande metallerna. Av övriga grundämnen är syre, kisel och väte

vanligast.

&

[

q

Rosa fältspat och vit kvarts, två mineral som innehåller kisel och syre.

Många vanliga metaller som koppar, zink, nickel, tenn och silver, har låg koncentration i

jordskorpan. Men vi kan ändå utnyttja dem, eftersom de förekommer samlade som mineral ” i brytvärda förekomster, malmer. En järnmalm

" Eni naturen förekommande, fast, oorganisk substans med bestämd kemisk sammansättning. 242

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

KAPITEL 14

år kemiska omvärld .

+

x« [riktigt gamla kristallkronor

från början av 1600-talet består prismorna av slipad bergkristall. I moderna kristallkronor som den här,

består de av slipat kristallglas. Men vad är egentligen kristallglas? Fundera på det medan du läser kapitlet.

, >

PN en

. 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD + 243

måste ha mycket hög koncentration av järn, medan man jublar över en guldfyndighet som innehåller knappa 1 g/ton. Allt beror på priset på metallen. Ytterst få metaller förekommer som rena grundämnen i jordskorpan. Oftast bildar de oxider, karbonater eller sulfider.

En uppräkning av metaller som omger oss i vardagen kan bli mycket

lång. Metaller är hållbara material som kan återvinnas. Ett exempel är stål, som är världens mest återvunna material. Nyproducerat stål inne-

håller cirka 40 26 återvunnet skrot. Återvinning är lönsamt och exempel på hållbar utveckling. De flesta metaller vi använder är övergångsmetaller (se sidan 33). I periodiska systemet finns de i grupperna 3—11. De flesta har hög smältpunkt, högst har volfram. En och samma övergångsmetall kan ha flera oxidationstal. Det gör att övergångsmetaller kan vara verksamma i katalysatorer och enzymer. Många joner är färgade, vilket kan utnyttjas vid kemisk

analys. Färgade svårlösliga föreningar används ofta som pigment.

Metaller —- en förutsättning för liv

Livsviktiga grundämnen i kroppen finns IH i makroskala (mörkgröna rutor) IH i mikroskala (ljusgröna rutor) och [H som spårelement (ljusare rutor).

Flera övergångsmetaller i period 4 har joner som är viktiga spårelement” i människokroppen och andra organismer. De har mycket specifika funktioner och är bland annat bundna i enzymer. I kroppen finns exem-

pelvis cirka 4 g järn och 2—3 g zink. Den största delen av järnet är bundet i hemoglobin, där det behövs för syretransporten. Zink finns i flera enzymer. Den används bl a i zinksalva och påverkar hur sår läker. De

flesta spårelement finns i så små mängder som milligram. Några exempel är koppar som behövs för barns tillväxt och hjärnans utveckling, kobolt

som finns i vitamin B,, och krom som påverkar omsättningen av blodsocker. Mangan medverkar när syre bildas i fotosyntesen.

För livsnödvändiga ämnen finns en lagom nivå som organismen styr genom sin ämnesomsättning. För hög nivå kan orsaka förgiftning och för låg bristsjukdomar. ÖVNING 1401

Oxid på metallen kan vara både bra och dåligt Om man upphettar metaller täcks ytan snabbt av oxid. Detta gäller nästan alla metaller. Oxid bildas även spontant vid lägre temperaturer, men då tar det längre tid. Det är en del av det naturliga kretsloppet där metallen

återgår till sitt mest stabila tillstånd i en exoterm reaktion. Oxidens egenskaper avgör hur hållbart materialet är. Oxidskiktet på järn blir tunt och tätt om luften är torr. Då avstannar oxidbildningen. I vanlig fuktig luft bildas däremot rost. Rosten är porös och släpper igenom luft och fukt till metallen och rostbildningen fort-

Järn rostar i vatten, speciellt om vattnet innehåller lösta salter.

244

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

sätter på djupet. För att rost ska uppkomma krävs alltså både syre och vatten (sid 139).

? Grundämnen som i mycket små mängder är livsviktiga för levande organismer.

Aluminium är jordskorpans vanligaste metall, men den upptäcktes först

år 1825. Då fann man ett reduktionsmedel som fungerade. Aluminium är den metall vi använder mest, näst efter järn. Den framställs numera

ur oxiden genom smältelektrolys i en mycket energikrävande process (kap 8). Metallen oxideras omedelbart i luft. Aluminiumoxiden bildar ett tunt, tätt och starkt skikt på metallen. Oxidskiktet blir inte tjockare

än 10 pm. Därför är metallen fortfarande blank. Industriellt kan man göra skiktet tjockare genom elektrolys. På eloxal (elektrolytiskt oxiderat aluminium) kan man också färga oxidskiktet (röda kastrullock, färgade

husfasader m m). Oxiden är mycket hård och tål därför hård nötning. Samma oxid skyddar aluminiumkastruller från att angripas av sura ingredienseri mat, t ex ättika och citron.

Om man upphettar ett aluminiumbleck så att det smälter kan smält metall bli hängande i en ”påse” av svårsmält aluminiumoxid.

Röntgenbild av en höftledsprotes.

Titan upptäcktes först i slutet av 1700-talet trots att det är det nionde vanligaste grundämnet i jordskorpan. Men det var svårt att renframställa

metallen. Först år 1940 lyckades forskarna hitta en ekonomiskt lönsam framställningsmetod med magnesium som reduktionsmedel. Titan är

en lätt och stålhård metall med mycket god korrosionshärdighet. Den får liksom aluminium omedelbart en tunn, tät oxidhinna. Denna hinna

har en special egenskap, den accepteras av människokroppen. Det gör att den används i proteser och tandimplantat. Titan är helt omagnetiskt och är därför intressant för u-båtskonstruktörer. Metallen används iallt större skala i t ex flygplan, rymdfarkoster och cykelramar.

14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD + 245

Miljö, teknik & samhälle

Kvicksilver —- en problematisk metall Kvicksilver är ett av de allra far-

ligaste miljögifterna. Mikroorganismeri mark och vatten kan

Koppar framställdes redan för mer än 6000 år sedan. Den oxideras inte lika lätt som aluminium och titan. Men ett nylagt koppartak mörknar trots allt ganska snart. Den kopparoxid som bildas reagerar vidare med andra ämnen och bildar ärg, en grön beläggning som i stadsluft mest består av hydroxidsulfater och i havsmiljö av hydroxidklorider. På riktigt

gamla kopparföremål kan man hitta hydroxidkarbonater. Koppar används

omvandla kvicksilver till metyl-

inom områden där konduktivitet, korrosionshärdighet, formbarhet och

kvicksilver som är oerhört giftigt.

hållfasthet är av stor betydelse.

Det skadar det centrala nervsystemet. Metylkvicksilver är en

Zink bildar lätt oxid. I fuktig luft bildas också zinkhydroxid, som i viss

molekylförening, som kan an-

rikas i fettvävnad, t ex i fiskfett, och därefter hamna högre upp i

mån skyddar metallen. Zink används oftast som skyddande beläggning på järn (kap 8). Metallen används även i legeringar och som takplåt. ÖVNING 1402-1405

näringspyramiden. Och organ-

iska kvicksilverföreningar påverkar det centrala nervsystemet.

Trots att vi försöker använda me-

Reaktiva metaller används sparsamt Alkalimetaller och alkaliska jordartsmetaller angrips mycket lätt av luft,

talliskt kvicksilver i mindre grad,

lättare än järn och aluminium. De reagerar häftigt med syror, t om med

används det fortfarande i ett an-

den svaga syran vatten. Eftersom de lätt oxideras är de själva kraftiga

tal produkter som t ex lysrör och

reduktionsmedel.

vissa batterier. Sådana produkter ska samlas in separat och

Metallerna i grupp 1 utnyttjas tekniskt i fotoceller. Deras enda valenselektron är så lätt att avlägsna, att energin i synligt ljus är tillräcklig.

bra metod att oskadliggöra

Ljusstrålen frigör då elektroner så att en elektrisk krets sluts. Magnesium,

lagras i bergrum i väntan på en

kvicksilvret. Tandamalgam är en

i grupp 2, används i lättmetallegeringar och som reduktionsmedel.

vändes för att laga hål i tänderna.

Alkalimetallerna hittar man till allra största delen som joner i saltlager elleri havsvatten eftersom deras salter är lättlösliga i vatten.

kvicksilverlegering som förr an-

Tandläkarna hari dag kvicksilver-

avskiljare i avloppen från skölj-

De alkaliska jordartsmetallerna förekommer däremot mest i den fasta

faten, men trots detta hamnar en

jordskorpan. Kalcium finns som karbonat. Havsvatten innehåller också

i reningsverken. Detta försöker

lösta magnesiumsalter.

man åtgärda med hjälp av filter.

Alla metaller i grupp 1 och 2 framställs genom elektrolys av de smälta

del kvicksilver från amalgamet Även krematorier avskiljer

salterna.

kvicksilver.

Ädla metaller i elektronik, smycken, tänder och katalysatorer Kvicksilver, silver, guld, platina och platinaliknande metaller tillhör

grupperna 9-12 i periodiska systemet. Metallerna reagerar obetydligt eller inte alls med andra ämnen. Silver och kvicksilver bildar oxider som är stabila vid rumstemperatur, men om de upphettas svagt, sönderdelas de i metall och syre. De mycket ädla metallerna reagerar bara med kungsvatten, en blandning av salpetersyra och saltsyra. Vid reaktionen

bildas kväveoxider. De ädla metallerna förekommer i naturen oftast i gedigen form, dvs som grundämnen. De används inom elektronikindustrin, tandvården och

givetvis till smycken — alltså i sammanhang där metallåtgången är liten och där den kemiska motståndskraften ska vara stor. Palladium, Pd, och

platina, Pt, är två av de metaller som utgör bilkatalysatorns aktiva yta.

246 + 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

Legeringar Koppar är en mjuk metall där atomlagren lätt kan glida över varandra. Om man smälter ihop koppar med lite tenn och låter metallblandningen stelna igen får man brons. Brons är en legering som är mycket hård. En

del kopparatomer är utbytta mot tennatomer, som är större än kopparatomerna. Det försvårar för atomlagren att glida på varandra, därför är

legeringen hårdare än de ingående metallerna. En legering kan alltså ha helt andra egenskaper än de ingående komponenterna. Det gäller inte bara egenskaper som hårdhet, seghet, korrosionshärdighet, utan också konduktivitet och färg. Rent järn är ganska mjukt och har begränsad användning. Stål däremot är hårt. Det är en legering av järn och kol där halten kol är mindre än 2 96. Stål är det i särklass viktigaste, metalliska materialet.

Man kan ofta skräddarsy en legering med önskade egenskaper. I tabell 14:1 hittar du exempel på några legeringar och deras komponenter.

En legering kan ofta skräddarsys så att den får önskade egenskaper vad gäller t ex färg och korrosionshärdighet.

Tabell 14:1 Legeringar FEET

Legeringsmetall

Egenskaper

legerat stål

järn

mangan 15 96

rostfritt stål

järn

krom 18 4, nickel 8 4 — korrosionssäkert

koppar

zink 546

guldfärgad, vacker

tenn 10246

hårdare än koppar

mässing

brons

koppar

nysilver koppar ”enkronor” koppar minnesmetall — titan

segt, tål nötning

zink 20 96, nickel 20 46 — silverfärgat nickel 25 96 silverfärgat nickel ”minns” sin form, se nedan!

+ Det finns många olika stållegeringar. Dessa är bara exempel.

Metaller som minns Minnesmetaller är legeringar av titan och nickel som kommer ihåg sin

En metall kan lära sig att vara böjd när det är varmt.

form! Metallen formas först vid en viss hög temperatur. När den sedan har svalnat kan den formas om. Men redan vid måttlig uppvärmning tar

den tillbaka sin ursprungliga form. Effekten beror på en strukturförändring hos metallen. Små förändringar ilegeringens sammansättning ändrar den temperatur där legeringen ”minns”, men temperaturer kring 40 ”C är vanligt. Minnesmetaller har många olika

användningsområden, t ex fjädrar som kan stänga och öppna fönster i växthus när temperaturen

ändras,

gripverktyg som griper när de värms och släpper när de kyls, bhbyglar som alltid har samma form

vid kroppstemperatur och rör som kan vidga hjärtats kransartärer.

En obearbetad minnesmetall

RR

formas vid hög temperatur,

TN kyls och bearbetas till en påtvingad form,

— men minns sin form när temperaturen stiger. 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

+& 247

14.2 Det mesta förenar sig med syre Av alla grundämnen existerar ungefär en tredjedel fritt. Dit hör ädelmetallerna, ädelgaserna, kol, kväve, syre och svavel. De övriga finns i

mycket små mängder. De flesta oorganiska föreningar som omger oss är föreningar som innehåller syre, exempelvis oxider, karbonater och

silikater. Det är naturligt eftersom syre är ganska reaktivt och förekommer istora mängder i atmosfären. Ungefär en tredjedel av grundämnena kan existera fritt. Dit hör, förutom ädelmetallerna och ädelgaserna, kol, kvä-

ve, syre, svavel. Övriga finns i mycket små mängder. Oxider kan ha mycket olika syra-basegenskaper. Dessa egenskaper styr hur grundämnen förekommer i naturen och hur oxiderna används i tekniska sammanhang.

Basiska oxider En oxid som har basisk vattenlösning är en basisk oxid.

Natriumoxid och andra oxider av alkalimetaller är så lättlösliga i vatten att reaktionen sker redan med luftens fuktighet. Vattenlösningarna är starkt basiska. De reagerar enligt formeln

Na,O + H,O

—

2Na' + 20H”

Alkaliska jordartsmetaller har också oxider som ger basiska vattenlösningar. Bariumoxiden löser sig bäst och berylliumoxiden sämst. Kalciumoxid, CaO, (bränd kalk) reagerar med vatten i en exoterm reaktion och bildar kalciumhydroxid, Ca(OH), (släckt kalk).

CaO + H,O

—

Ca” + 20H”

De oxider som är starkt basiska, är jonföreningar som består av metall-

joner och oxidjoner. När man tillsätter vatten frigörs jonerna

från var-

andra och oxidjonerna reagerar med vattenmolekyler till hydroxidjoner (basen O”” reagerar med syran H,O).

Metallerna i grupp 1 och 2 har starkt basiska oxider.

O” +H,O

—

20H”

De flesta andra metalloxider är svårlösliga i vatten och har alltså ingen basisk vattenlösning. Högre laddning än +1 gör att oxidjonen är hård-

are bunden till metalljonen. Bindningen kan bara påverkas av syra. Ett exempel är kopparoxid som inte löser sig i vatten, däremot i saltsyra

enligt formeln: CuO(s) + 2H" + 2Cl" En oxid som löser sig i en syra är en basisk oxid.

>

HO + Cu” + 2Cl"

Om metalljonens laddning är hög (3 +) binds oxidjonerna extra starkt. Då blir även lösligheten i syra mycket liten.

Sura oxider Icke-metallerna till höger i periodiska systemet bildar sura oxider. Sura oxider löser sig i vatten till sura lösningar. Koldioxid som leds ner i vatten ger en svagt sur lösning, eftersom en del av koldioxidmolekylerna

bildar den svaga syran kolsyra, H,CO,.

248

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

Svaveldioxid är en annan icke-metalloxid. Den reagerar med vatten på samma sätt som koldioxid.

SO, (8) + H,O &

H,SO,(aq)

Den svaga syra som bildas kallas svavelsyrlighet. Den protolyseras på samma sätt som kolsyra enligt formeln:

H,O + H,SO, &

H,O' + HSO;

Svavelsyrlighet är en starkare syra än kolsyra. Även kvävedioxid och difosforpentaoxid är sura oxider.

Be-&

&'

En sur oxid bildar en syra genom att en vattenmolekyl attraheras. Sedan avges en proton. Sura oxider, t ex koldioxid, består av avgränsade molekyler. Mellan

atomerna inom molekylen finns kovalenta bindningar. Där finns inga

oxidjoner som kan frigöras. Istället bildas en sur vattenlösning genom

En oxid som ger en sur vattenlösning är en sur oxid.

att syret i en vattenmolekyl binds kovalent till oxidmolekylen. Den

bildade molekylen avlämnar sedan en vätejon till lösningen.

Sura och basiska oxider neutraliserar varandra —- salterna finns i naturen Basiska oxider existerar inte fritt i naturen. Eftersom det ständigt bildas koldioxid och mindre mängder svaveldioxid skulle en basisk oxid i naturen reagera med dessa sura oxider och bilda salter. Lämnar man en burk med bränd kalk, CaO, öppen reagerar den snart med luftens koldioxid

och det bildas kalciumkarbonat. Reaktionen mellan en sur och en basisk oxid är en spontan, exoterm reaktion. Alltså hittar man inte kalciumoxid i naturen, men däremot kalciumkarbonat, kalciumsulfat och kalciumfosfat som alla är viktiga mineral. Kalciumkarbonat bildar kalksten och marmor, kalciumsulfat bildar gips och kalciumfosfat apatit, Ca, (OH) (PO,)..

Kalksten är utgångsmaterial när man gör kalciumoxid, ”bränd kalk”. CaCO,

—

CaO + CO,

be per

.

I kalciumkarbonat bildar kalciumjoner och karbonatjoner ett regelbundet mönster.

Sönderdelningen går att åstadkomma vid cirka 800 ”C och är den enda effektiva metoden för kalkframställning. Reaktionen är endoterm, efter-

som det är omvändningen till den exoterma reaktionen mellan en sur och basisk oxid.

14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

+ 249

Oxider som varken är sura eller basiska finns som mineral [7]

—

basiska oxider

HJ sura oxider HT

Na

Mg

K

Ca

—

oxider som mineral

Rb | Sr Cs

Ba

LI

mindre basisk oxid

oo mera kovalent bindning RUIN. ot mindre jonartad struktur mera molekylär struktur

Gradvis övergång från jonbindning till kovalent bindning och från jonkristaller till molekylära föreningar. Grundämnen som bildar basiska oxider (med jonbindning) hittar man

Safir är en kristall av aluminiumoxid, blåfärgad av att titan(Ill)joner i små mängder ersätter aluminiumjoner.

till vänster i periodiska systemet, grundämnen med sura oxider (med kovalent bindning) till höger. Övergångsmetallerna har olika oxidationstalisina oxider. Om oxidationstalet är +II är oxiderna basiska och alltså lösliga i syror. När de har högre oxidationstal, + III eller +IV, är oxiderna

varken lösliga i syror eller baser. Därför existerar oxider som Fe,O,, Fe,O,, MnO,, ALO,, TiO,, Cr,O, fritt i naturen som mineral. Kiseldioxid, SiO,, mineralet kvarts, påverkas av en koncentrerad bas. Den anses

därför vara en svagt sur oxid. Flera av de olösliga oxiderna bildar i kristallin

form dyrbara ädelstenar.

Beryll är ett berylliumaluminiumsilikat. Smaragd är grön beryll, färgad av krom(lll)joner.

Många grundämnen, både metaller och icke-metaller, bildar oxider med olika oxidationstal. Ju högre oxidationstal, desto surare oxid. CrO, är sur,

Cr,O, är varken sur eller basisk, SO, är surare än SO,.

Oxider kan vara färgpigment En olöslig, färgad oxid är ett bra pigment. Den gröna krom(III)oxiden,

Cr,O,, används för att färga betong, men också som pigment i ögon-

Rubin är aluminiumoxid där små mängder krom(lilljoner ersatt aluminiumjoner.

250

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

skugga. Falu rödfärg och mascara innehåller järn (III) oxid. Nästan allt titan som används är titandioxid. Det används bl a som vitt färgpigment i alla målarfärger som ska ha stor täckande förmåga, i solskyddskrämer

och kosmetika. ÖVNING 1407-1408

14.3 Keramer kan vara både antika och moderna Keramer är det sammanfattande namnet på oorganiska, icke-metalliska

material som tål höga temperaturer och svåra kemiska miljöer. De består ofta av en svårsmält oxid eller en blandning av oxider. Oxiderna är hårda,

men spröda. För att motverka sprödheten kan de armeras. Keramer har en lång historia. Man känner till brända lerfigurer som är

omkring 20 000 år gamla. Det vi i dagligt tal kallar tegel, keramik och

kolmonoxid, vatten,

kolväten, kväveoxider

porslin är föremål av lera, som man format i vattenhaltigt tillstånd och sedan bränt. Materialet smälts inte, utan sintras, dvs upphettas till en

temperatur strax under smältpunkten. Eftersom det aldrig smälter

behåller godset formen när det upphettas, och kommer att innehålla

små porer. Keramik och porslin är gamla välkända keramer och de består mest av aluminium- och kiseloxider. Även i moderna keramer utnyttjar man aluminiumoxid, som bl a används i bilkatalysatorer och tandproteser. Bilkatalysatorns keram formas med tusentals små kanaler, som avgaserna ska passera. Kanalerna ger katalysatorn en mycket stor area, cirka

20 000 m?. Ytan täcks med aluminiumoxid och på den finfördelas den

ytbeläggning med stor yta av

ädelmetall

aktiva substansen, huvudsakligen en blandning av palladium och

platina. På katalysatorytan ska avgaserna reagera. Kväveoxider, kolmonoxid och kolväten bildar kvävgas, vatten och koldioxid.

Moderna keramer är mycket hårda, har höga smältpunkter och är inte reaktiva ens vid höga temperaturer. Ett exempel är de dyrbara och skräddarsydda plattor som täcker en rymdkapsel och skyddar den från att smälta på väg ned genom atmosfären. Moderna keramer är inte bara

bärarmaterial

oxider, de kan också vara t ex karbider eller nitrider. Volframkarbid, WC, är en mycket hård keram, som används i de flesta bergborrar. Kiselkarbid, SiC, karborundum, har samma struktur som

diamant och är ett mycket effektivt slipmedel tack vare sin hårdhet. Den används också som armering i andra keramer. Titannitrid, TIN, används som ytbeläggning på verktyg för att ytterligare

öka deras hårdhet. Kiselnitrid, Si,N,, kan formas till skärande verktyg och tål mycket stora påfrestningar, även vid höga temperaturer. Keramer är inte bara hårda utan kan också vara ”smarta”. En smart keram

har sådana egenskaper att den både kan registrera en förändring och skicka en signal om förändringen. I en modern bil kan det finnas sådana keramer på många ställen. Ett exempel: En bil som kör på dålig väg kränger. En keram både registrerar krängningen och justerar stötdämparna via elektriska signaler innan bilföraren hinner reagera. ÖVNING 1409

En borrkrona är gjord i seghärdat stål. I borrkronan sitter skären (”knopparna”) nedsänkta. Skären består av partiklar av det mycket hårda och slitstarka ämnet volframkarbid i en matris av den sega metallen kobolt. Sandvik är en världsledande producent av bergborrar. 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

+ 251

14.4 Kisel i naturen och silikater En silikatjon, Si0417 är lik en sulfatjon.

i 6

JE

- kvarts

Kisel står i grupp 14 liksom kol. Men det är stora skillnader mellan de båda grundämnena. Kol tillhör period 2 och är en liten atom som kan bilda dubbelbindningar. Koldioxid kan därför bilda små molekyler och ämnet är en gas vid rumstemperatur. Kiseldioxid är däremot ett fast, hårt ämne med hög smältpunkt. Den större kiselatomen kan bara bilda enkelbindningar och strukturen blir ett nätverk. Kiseldioxiden är uppbyggd av SiO,-tetraedrar, där varje O i tetraederns

hörn är bunden till en ny kiselatom i en annan tetraeder. På det sättet får kiseldioxiden en regelbunden rymdstruktur, med två syreatomer per kiselatom.

Två vätejoner från en sur lösning

I naturen finns kisel i mycket stora mängder i berggrunden (kap 2) som

8

kiseldioxid eller silikater. Ren kvarts (ibland som sand) är kiseldioxid.

bildar vatten med syre i en silikatjon och tvingar därigenom två tetraedrar att bindas till varandra.

Silikatjoner kan bilda kedjor, band och skikt.

Det finns ett stort antal silikater med olika struktur som ger mineralen

olika utseende och egenskaper. Byggstenen i berggrundens silikater är SiO7 -tetraedrar, som bundits

samman på olika sätt. Två SiO1 -tetraedrar kopplas samman till Si,07. Flera ihopkopplade tetraedrar kan bilda band eller skikt eller rymdstrukturer.

”Glimmer” och kvarts.

I mineralet asbest är silikatjonen bandformad, vilket ger ett trådigt utseende. De positiva jonerna finns mellan silikatjonerna. I ett silikat-

mineral som biotit (glimmer) är silikatjonerna stora plana skikt som är packade parallellt. Mellan planen finns de positiva jonerna, vanligen

joner från grupp 1 och 2. Leror är finkorniga partiklar av silikater i skikt. De negativa jonerna innehåller flerdubbla skikt av kisel, syre och aluminium. Mellan skikten

finns positiva joner. Där finns också plats för vattenmolekyler. Växter be-

höver t ex kalium- och magnesiumjoner. Dessa finns i vattenlösliga föreningar och skulle rinna bort med regnvattnet om de inte var bundna till leran. Strukturen gör att leran kan fungera som jonbytare. Växter skickar ut vätejoner från rötterna. I leran byts dessa mot metalljoner, vilka tas upp av växterna.

Mycket få mineraler har fyra minusladdningar per kiselatom. Ett undan-

Vätejoner binds till lerpartiklar samtidigt som t ex kalium- och magnesiumjoner lossnar.

tag är mineralet zirkon, som har formeln ZrSiO,. Det innehåller ensam-

ma silikattetraedrar. Bindningen till zirkoniumjonen är mycket stark. Zirkon används som smyckesten.

ÖVNING 1410-1411 252

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

Glas och porslin är silikater När man framställer glas smälter man en blandning av kiseldioxid (sand) och basiska oxider. I billigt glas, sodaglas, använder man soda,

Na,CO,, och kalk, CaO. När soda upphettas bildas natriumoxid enligt

formeln Na,CO, > CO, + Na,O. Vid den höga temperaturen, 1300 ”C, reagerar den svagt sura kiseldioxiden med de basiska oxiderna och bildar

natrium- och kalciumsilikater. I smältan finns stora silikatjoner. När

Kristaller är fasta ämnen där alla

smältan svalnar kan inte jonerna röra sig tillräckligt fort för att ordna sig till kristaller utan istället bildas en ”orörlig vätska”, ett glas. Det finns alltså inga kristaller i kristallglas.

stämt mönster, en kistallsbuktur: 8

Om man tillsätter för mycket soda vid glastillverkningen, dvs tillför för

Ago

mycket oxidjoner, bildas silikatjoner av mindre storlek. Då får glaset en

Oo

viss löslighet och angrips långsamt av luftens fuktighet. På mycket gamla

OO

Ö

ÖO

kristallkronor ser man detta som en grå slöja på ytan, s k glassjuka. Med

Ö

ännu mer natriumoxid bildas vattenlöslig natriumsilikat (vattenglas).

od Oo

Sodaglas mjuknar redan vid upphettning i en gasolbrännare. Det har

Ett glas är ett fast ämne utan

dålig kemisk motståndskraft och spricker lätt vid uppvärmning. Om

kristallstruktur, det är oordnat.

natriumoxid ersätts med andra oxider, t ex boroxid, blir glaset mer svår-

smält. Ett exempel är Pyrexglas?, som brukar användas i laboratorieglas. Glas har olika brytningsindex beroende på om tunga

eller lätta metallatomer ingår. Tunga atomer ger högt brytningsindex. Gammalt ”kristallglas” med hög ljusbrytning innehåller blyoxid som basisk oxid. Av miljöskäl

ersätter man numera bly med andra tunga metaller, t ex

Socker kan också

barium eller strontium. :

Bara molekyler ärsocker stora

Modernt fönsterglas har inga ojämnheter. Förr hissade

Bri trögrörliga och

man upp glas ur smältan vid en lämplig temperatur.

Natten lbolkegnisar

Glaset blev inte alltid

bildar glas.

1.

älv

id

lä

li

jämntjockt. Numera låter man glas-

smält socker, socker-

smältan svalna på en bädd av smält tenn. Tenn smälter vid 232 ”C. Tennsmältan är absolut plan och glaset blir

också plant. >k Nu kan du svara på den inledande frågan.

Silikoner är släkt med silikater Silikoner är polymerer av en blandat oorganisk och organisk karaktär. Kiselatomerna länkas ihop med syre och har organiska grupper fästa utåt.

Silikon är ett användbart material. Det är ofta omtalat i samband med bröstförstoringar, men används till mycket mer. Silikoner kan vara flytande som i vattenavvisande spray eller i skidvalla, de kan vara plastiska material för tätningar av fogar eller mer eller mindre fasta som i studsbollar. Mer om silikoner kan du läsa i Uppslaget. 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

&« 253

14.5 Några andra viktiga icke-metaller Svavel i alla organismer Svavel är nödvändigt för både växter och djur och ingår bl a i proteiner.

I dött organiskt material finns det därför alltid svavelhaltiga föreningar. De reduceras till svavelväte (divätesulfid), H,S, av bakterier i syrgasfria miljöer. Bakterierna reducerar svavel eller sulfatjoner i stället för syre vid oxidation av födan. Svavelväte är giftigt för många organismer och bakterier som oxiderar oorganiska svavelföreningar, t ex sulfidmineral, till fritt svavel, eller fritt svavel till sulfat.

Svavelföreningar Svavelatomen har 6 elektroner isitt yttersta skal och kan därför ta upp 2 elektroner och bilda sulfidjon, S”. I fleratomiga joner eller molekyler kan svavel få oxidationstalet +IV som i svaveldioxid, SO,, eller +VI som i svaveltrioxid, SO,, och svavelsyra, H,SO,. I naturen förekommer många sulfider som mineral, t ex zinkblände, ZnS,

kopparkis, CuFeS,, och blyglans, PbS. Namnen tyder på att mineralen ofta har vacker glans. Vid Rönnskärsverken utanför Skellefteå framställer

man metaller ur sådana mineral. Sulfatjoner finns i havsvatten och i mineral och rent svavel finns i naturen i vulkaniska trakter.

Kväveföreningar Utan kväve inget liv, eftersom kväveatomer ingår i proteiner och nukleinsyror.

Kvävets kretslopp

industriell

handelsgödsel

biologisk kvävefixering

organisk nedbrytning

a 254

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

INA

i

Växterna bildar aminosyror och proteiner av vattenlösliga kväveföreningar, som de tar upp ur marken. Många blågröna alger och bakterier på vissa ärtväxter kan binda luftkvävet direkt. Växterna är en proteinkälla för både djur och människor. För att det ska växa bra måste jorden innehålla lättlösliga kväveföreningar, nitrater. Det finns naturliga processer som klarar nitratproduktionen. I de biologiska processerna bildas ammoniak dels när organismer bryts ner, dels direkt ur luftkväve. Ammoniak utgör i sin tur föda för bakterier

som oxiderar ammoniak till nitritjon, NO; , och vidare till nitratjon. I oorganiska processer bildas kväve (Il) oxid vid elektriska urladdningar i atmosfären och genom inverkan av kosmisk strålning i atmosfärens övre skikt. Regnet tar med sig kväveoxiden, som så småningom oxideras till nitratjon. Kväveoxider bildas även vid förbränning vid hög temperatur,

tex i motorfordon. Ökad odling kräver mer gödselmedel och därmed större produktion av kväveföreningar. Luften är den största kvävekällan. Sedan 100 år tillbaka framställs ammoniak genom att luftkväve får reagera med vätgas. Reaktionen kräver en katalysator.

N, + 3H, > 2NH, Ammoniak kan sedan oxideras till salpetersyra. Reaktionen sker i flera steg, men den totala reaktionsformeln är:

NH, + 20, >

HNO, + H,O

Salpetersyran neutraliseras sedan till nitrater. Med ammoniak som bas

sker:

NH, + HNO, > NH,NO, Man får ammoniumnitrat som har högt kväveinnehåll och är mycket lättlösligt i vatten. Kväve återförs också till atmosfären. I jorden finns bakterier, som vid brist

på syre använder nitratjoner för att förbränna (oxidera) sin föda. Nitratjonerna reduceras då till kväve. Motsvarande reaktion sker i de vattenreningsverk som har kväverening. Där får bakterierna arbeta anaerobt.

Kväve i sprängämnen Metoden att framställa ammoniak ur luftkväve uppfanns inte därför att man behövde gödselmedel, utan för att krigsindustrin behövde nitrater. Tidigare importerades chilesalpeter, NaNO,, men man ville i stället utnyttja kvävet i luften som råvara.

Sprängämnen är instabila föreningar som sönderfaller under stark värmeutveckling. Heta, gasformiga produkter bildas vid reaktionen och

man får en tryckvåg som fortplantar sig mycket hastigt. De allra flesta

Svartkrut innehåller kol, svavel och

sprängämnen är föreningar som innehåller kväve. Vid reaktionen bildas den mycket stabila kvävemolekylen. Den kraftiga energiutvecklingen

kaliumnitrat. Det har använts i Kina

beror på att kvävemolekylen har en stark trippelbindning och att bindningsenergin frigörs då kvävet bildas.

i fyrverkerier kanske redan för 2000 år sedan. I Europa började det användas i skjutvapen på 1300-talet. 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

& 255

Ammoniumnitrat, som är ett kvävegödsel-

medel, sönderfaller explosivt vid upphettning till 300 ”C. Blandat med dieselolja används det också som sprängämne. Drivkraften för reak-

tionen är att kväve förekommer som både +V och —III i samma förening. Produkterna vid explosionen är vatten, kväve och syre. I bilarnas krockkuddar finns natriumazid,

NaN,. När kudden löser ut bildas natrium och kvävgas. ÖVNING 1412

Fosforföreningar — mest fosfater I naturen förekommer fosfor oftast som fosfater.

Det viktigaste mineralet är apatit, Ca, (OH) (PO,);,

Krockkudden blåses upp av en kemisk reaktion som ger kvävgas.

där de negativa jonerna är fosfat- och hydroxidjoner. Det finns också apatit med fluoridjoner i ställlet för hydroxidjoner. Denna förening är

ännu mer svårlöslig. Benstomme och tänder är uppbyggda av apatit.

Fosfors kretslopp

dött organiskt material

2

LE

EEG

4

Fosfors kretslopp är dels landbaserat (till vänster i bilden), dels vattenbaserat (till höger i bilden). 256

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

Kväve, fosfor och kalium, NPK, är nödvändigt för växter.

Fosfor i form av fosfat är liksom kväve och kalium nödvändigt för växter

(NPK), men apatit är så svårlösligt att bara små mängder löses av markens vatten. I gödselmedel tillförs därför fosfor i form av de lösliga salterna kalciumvätefosfat eller kalciumdivätefosfat. Fosfater används fortfarande i en del tvättmedel och deras roll är att binda kalciumjoner i tvättvattnet, så att hårt vatten blir mjukt och dessutom öka tvättlösningens pH till ca 9, vilket gör tvättmedlet mer effektivt. Allt avloppsvatten innehåller fosfat, men när fosfaterna på 1960-talet började tillsättas i tvättmedel ökade halten avsevärt. Det resulterade i att våra sjöar blev övergödda. Fosfaterna tas numera om hand genom utfällning i avloppsreningsverken. Där tillsätts aluminium- eller järn(IDsulfat, vilket leder till att man får en fällning av aluminium- eller

järnfosfat. Förenklat kan formeln skrivas

AP" + POI

—

AIPO(s)

Ett effektivt reningsverk kan minska fosfathalten i avloppsvatten med 95 246. Efter alla reningssteg i ett avloppsverk återstår ett bakterieslam, som innehåller det fasta fosfatet. Slammet rötas, dvs bakterierna får arbeta anaerobt med de nedbrytbara ämnen som finns i slammet.

Trifosfatjon, P,05,, kan binda kalciumjoner i komplex och hindra utfällning av kalktvålar.

Organiska ämnen bryts ned och bildar metan, ammoniak, koldioxid och en jordliknande produkt som innehåller fosfaterna, s k rötslam. 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

& 257

Sammanfattning

kapitel 14

Nya begrepp

> Metaller finns sällan fria i naturen därför att de flesta kan rea-

> Oxider som inte löser sig i vat-

gera med luft, vatten och syror.

> Olösliga oxider utan sura och basiska egenskaper förekommer som mineral. Många mineral kan ses som ett salt av en sur och en

3 De flesta metaller vi använder är övergångsmetaller. Deras smältpunkter är i allmänhet höga och de har flera möjliga oxidationstal. Det gör dem verksamma i enzymer och katalysatorer. sk Mycket reaktiva metaller har få användningsområden.

>+ Ädelmetaller används där det behövs stor motståndskraft mot korrosion men där åtgången är liten.

ärg, gedigen form, legering, basisk oxid, sur oxid, pigment, keram, sintring, karbid, nitrid, silikat, glas.

basisk oxid. > Olösliga, färgade oxider används som pigment. > Keramer är oorganiska, icke-

metalliska material som formats och sintrats. De är olösliga, och

svårsmälta och används där man behöver kemisk motståndskraft och stor hårdhet vid höga tempe-

3 Svavel, kväve och fosfor är

viktiga icke-metaller som omsätts i kretslopp i naturen. Både svavel och kväve ingår i ett stort antal föreningar medan fosfor

enbart förekommer som fosfat. > Kväve ingår i gödselmedel och i de flesta sprängämnen. Fosfor finns i gödselmedel men

+ Legeringar kan ”skräddarsys”

raturer.

och få helt andra egenskaper än

> Kisel förekommer som kvarts

ingående komponenter. Rostfritt

och olika silikater i naturen, t ex asbest, glimmer och leror.

stål och minnesmetaller är exem-

mineral, malm, spårelement,

ten, men i syror, är basiska.

pel på legeringar.

3 Glas och porslin är silikater.

+ Vattenlösliga oxider är sura eller basiska. I sura oxider är syret

Glas betecknar också ett fast tillstånd där partiklarna inte ordnat

kovalent bundet. Basiska oxider

sig till en kristall.

används även i tvättmedel för

att avhärda hårt vatten. 3 För att hindra övergödning används biologisk kväverening

och kemisk fosfatrening i reningsverken.

innehåller oxidjoner.

Övningar 1401 Magnesium

är mycket viktigt för både

människor och växter. Ta reda på varför. 1402 = Ta reda på varför det var så svårt att framställa metallen titan.

1406 Komplettera reaktionsformeln. HH" + Cu+

2NO;

—

Cu?" + 1NO, + INO + H,O

1403 — Titan kan framställas ur sin klorid, TiCl,.

1407 = Följande mineral kan betraktas som bilda-

Reduktionen sker med magnesiummetall. Skriv

de ur en sur och en basisk oxid. Identifiera de sura

reaktionsformeln.

och basiska oxiderna i scheelit, CaWO,, tungspat,

1404 = Ett nylagt koppartak blir snabbt överdraget av koppar(I)oxid. Senare mörknar taket då koppar(Doxiden bildar koppar(Il) oxid. Skriv formler för

båda stegen av oxidationen. 1405 = Skriv formeln för reaktionen mellan koppar och varm, koncentrerad svavelsyra. Koncentrerad

svavelsyra skrivs H,SO,. Svaveldioxid och en fällning av vattenfritt kopparsulfat bildas. 258

+ 14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

BaSO,, och thorveitit, Sc,Si,0,. Skriv oxidernas formler. 1408 = Natriumklorid och titannitrid har samma kristallstruktur. Titannitridens smältpunkt är ca

2900 ”C. Ta reda på natriumkloridens smältpunkt och förklara varför smältpunkterna skiljer så mycket. 1409 = Tänk efter vilka krav man har på en keram

och ge några orsaker till varför aluminiumoxid är

en bra keram, medan natriumoxid och magnesium-

oxid inte duger. 1410

Vilken kemisk sammansättning och ladd-

ning har en jon med en lång kedja av hopkopplade silikattetraedrar? Ledning: Hur stor del av varje hörn i en tetraeder hör till tetraedern? 1411 — Ta reda på vad asbest och biotit kan användas till och varför asbest är omgärdat av stränga

arbetsmiljöregler. 1412 Ammoniumjonen, NH), brukar anses vara försurande. Det beror inte i första hand på

ammoniumjonens påverkan på pH-värdet i jorden utan snarare på oxidationsprocessen. Förklara

genom att skriva formeln för oxidation av ammoniumjon till nitratjon med luftsyre.

Blandade övningar

Utmaningen

1413 = Kisel utan föroreningar av kol framställs genom reduktion av kiseltetraklorid med väte. Skriv reaktionsformeln.

U141 Förklara varför man brukar anta att äldre glas med för mycket sodainblandning drabbas av kristallisation. Ledtråd: I sur miljö kopplas silikattetraedrar ihop.

1414 = Mangan finns i naturen som mineralet brunsten, MnO,. Skriv reaktionsformeln för reduk-

U142 — Mfall från gruvor med sulfidmalmer brukar anses vara ett miljöhot. Ändå är alla sådana metallsulfider

tion till metall med kol. Koldioxid bildas.

svårlösliga. Hur kan miljöproblemen tänkas uppkomma?

1415

U143

Koppar framställs ur kopparkis, CuFeS,,

I basisk miljö kopplas de loss.

Tvättmedel innehåller polyfosfater. Fosfatjoner

genom upphettning i luft enligt formeln

kan precis som silikatjoner koppla ihop sig. Man

2 CuFeS, + 50, > 2Cu + 2FeO + 4S0,

polyfosfater genom att smälta sura fosfater (vätefosfater) varvid vatten avgår. Vilken produkt kan uppkomma om du

Beräkna massan av den koppar som kan framställas

upphettar K.HPO,?

ur 1,0 ton kopparkis. 1416 «Beräkna massan av det kol som går åt för att framställa 175 g bly ur bly(ID) oxid. Koldioxid bildas. Skriv först reaktionsformeln.

kan få

U144 = Syre förenar sig med de flesta grundämnen. I texten (sid 248) räknas några grundämnen upp som finns i fri form i jordskorpan. Man har hittat betydligt fler, men bara som sällsynta mineralprover, från olika fynd-

orter. Ta reda på vilka de är och om de finns i någon speciell del av periodiska systemet! U145 — Varför krävs mycket högre temperatur om man använder gips eller apatit i stället för kalksten vid kalkframställning? U146 Kalkbränning diskuteras ibland i miljösammanhang. Vilka miljöproblem kan uppkomma? Kan du ge

något motargument?

14 VÅR KEMISKA OMVÄRLD

+ 259

Uppslaget Kapitel 3 Ljusets natur

Att energin i ljus påverkar atomer och molekyler använder vi dagligen, tandläkaren härdar plastfyllningar med blåviolett ljus, dörröppnare läser av den IR-strålning (värme) vi själva skickar ut, foto-

Man ritar ofta strålning som en vågrörelse, där tätt betyder kortvågig strålning med hög energi och glest betyder långvågig strålning med låg energi.

TAVAVAVAVANVAVAVAVAVAN ON VN Men det finns en annan modell för strålning som

syntesen sker genom att växterna tar upp fotoner ur solljus. Fotoner hjälpte alltså inte bara Bohr med atommodellen, det är en del av vår tillvaro.

Kapitel 5 Kemiska ämnen omkring oss

- svar och kommentarer

kan uppfattas som ett flöde av mycket små energi-

Det är inte meningen att du ska lära dig formler eller uppbyggnad på de föreningar som vi beskriver, bara jämföra de olika typerna. Områdena där ämnena förekommer är markerad med blå text. Du träffar

paket, fotoner. Energipaketen är av olika storlek

på ämnena igen i de angivna kapitlen.

kan vara bra att använda — strålning som energipaket. Det var Einstein som visade att all strålning

för olika sorters strålning.

SOnIOoanIOoIe

Alifatkolväten används som drivmedel/bränsle och lösningsmedel. Du kanske har hittat lacknafta i garaget och bensin i bilen? H

SA 5 mm

ss ss S

Infrarött ljus (IR) har lång våglängd och små energipaket. Ultraviolett ljus (UV) har kort våglängd och stora energipaket. Långvågig strålning, som infrarött ljus, är ett flöde av små energikvanta, medan ultraviolett ljus som

har betydligt kortare våglängd är ett flöde av större kvanta. Rött ljus består av mindre energipaket än

blått ljus. Energikvanta kan varken delas eller slås ihop, och energin i dem påverkar oss olika. Små energikvanta i IR kan få molekyler i huden att vibrera så att vi känner värme, medan UV-kvanta kan

mycket mer, t ex förändra molekyler så att vi blir solbrända. 260 + UPPSLAGET

HC

H

H

H

H

H

H

H

Pod od —C—-C—-C—-C—-C—-C—-C—H RR H H Ha Ha Ha H | H

Figuren visar ett av många alifatkolväten. Se kapitel 6. Butan är innehållet i cigarettändare och andra gas-

tändare. I tändare står butan under lite tryck, vilket gör den flytande. Det är annars en gas vid rumstemperatur. Se kapitel 6. Butan hittar du i områdena bränsle och spray.

Gips, CaSO,, används som byggmaterial. Lätt att upptäcka i väggarna — eller som gipsbandage (sjuk-

vård). Se kapitel 5. Glycerol finns i smink och t ex tandkräm. Det är en konsistensgivare och ”mjukgörare”, som gärna

Propylenglykol blandas i bilens kylarvätska och sänker dess fryspunkt. Men finns också i medicinska produkter! Ämnet hittar du i områdena lösnings-

medel och sjukvård. Se kapitel 6. OH

OH

H

drar till sig fukt. Se kapitel 6. OH

OH

H—C—C—C

OH

H H—C—C—C

H

H

H

—H

H

Propylenglykol

—H

H

Glycerol

Kaliumjodid, KI, är ett smakämne, förekommer

som tillsats i ”salt med jod ” som Jozo etc.

Se kapitel 5, Salter i vardagslivet på sidan 72. Kolsyra, (H,CO,, eller CO, i vatten) är ett smakämne, finns bl a i läsk.. Se kapitel 5.

Natriumkarbonat, Na,CO,, används vid rengöring, brukar finnas i garaget eller städskåpet. Används exempelvis för att tvätta ytor innan man målar. Se kapitel 5. Natriumbikarbonat, NaHCO,, används vid bak-

Teflon finns i kläder och i köket, gör att det fastnar mindre i stekpannan. Goretex är gjort av samma material. Se kapitel 6.

FR

---0 I —e I I I F F

FF

Teflon

Ättiksyra används vid konservering. Det finns i mat, i smakämnen, finns ofta i skafferiet som utspädd ättika, men även vinäger innehåller ättiksyra. Se kapitel 13. |

yok

|

NM

ning, jäser degen när det värms, och förekommer tillsammans med något surt i bakpulver ochi tabletter som Alka-Selzer, Samarin och dylikt.

Se kapitel 5.

H

Ättiksyra

Natriumfosfat, Na,PO,, ingår i tvättmedel där det

gör hårt vatten mjukt. Se kapitel 5. Natriumhydroxid, NaOH. Ämnet används vid ren-

Kapitel 8

göring, du hittar det enklast i ”propplösare” hemma, men det finns också i t ex nagelbandsuppmjukare!

Elektronskalens uppbyggnad

Se kapitel 5.

I kapitel 3 gav vi elektronstrukturen för de första

Natriumklorid, NaCl, är ett smakämne, används

vid konservering, vägunderhåll, är vanligt koksalt.

Tillsätts också i vissa diskmaskiner för att avhärda

grundämnena, med K-skal och L-skal.

Ett fyllt K-skal kan innehålla högst ett elektronpar, 2 elektroner, och elektronmolnet är helt sfäriskt.

vatten. Se kapitel 5. Propan, används som drivmedel/bränsle, är inne-

hållet i gasolflaskan! Se kapitel 6. H

H

Id |H H

Elektronmoln har sfärisk form för elektroner i en sgrupp.

H

H—C—C—C—H

H

Propan

En av tre riktningar för ett ”p-moln”.

De 5 olika d-molnen har komplicerad geometri.

Ett fyllt L-skal har 8 elektroner. I L-skalet fördelar sig elektronerna på två olika grupper av elektroner UPPSLAGET

+ 261

med olika form på elektronmolnen, s-gruppen och

Mangan(IDjonen har fem elektroner i M-skalet

p-gruppen. I s-gruppen finns en plats för ett enda elektronpar, alltså maximalt 2 elektroner. Dessa elektroner ger ett sfäriskt elektronmoln, som i K-

fördelade på fem riktningar, järn(Il)jonen har däremot 6 elektroner och vill gärna ”göra sig av med” den 6:e. Alltså oxideras järn(ID)jonen lätt,

skalet.

medan mangan(II)jonen är särskilt stabil.

I p-gruppen finns tre likvärda platser för tre par (6)

Grubblar du över varför den vanliga kopparjonen har oxidationstal +II och inte +1?

elektroner. Motsvarande elektronmoln är utsträckta itre olika riktningar. Platserna i p-gruppen har högre energi än s-gruppen.

Koppar kan ha oxidationstalet +I, precis som silverjonen. Koppar(I)klorid ser ut som silverklorid och

är också svårlöslig. Koppar(I)oxid är vanlig. Men varför kan det bli andra oxidationstal?

Nästa skal, M-skalet, rymmer maximalt 18 elek-

troner. Där finns tre olika grupper, s, p och d som högst kan innehålla 2,6 respektive 10 elektroner.

De 10 elektronerna i d-gruppen fördelar sig på fem likvärda platser. Motsvarande elektronmoln har 5

olika riktningar med mera komplicerad geometri

Den elektronkonfiguration man anger för atomslagen gäller fria atomer. Med hjälp av elektronkonfigurationen kan man ”gissa” vilka oxidationstal ett

grundämne kan ha. Men när man pratar om oxidationstal för joner handlar det oftast om joner i vat-

än p-molnen. Platserna i d-gruppen har högre energi än de i p-gruppen.

tenlösning. Då är atomerna/jonerna inte fria utan

har fått en omgivning som kan påverka elektronernas energinivåer. Det gäller framför allt för över-

I N-skalet finns fyra olika grupper som kan innehålla 2,6,10 och 14 elektroner osv.

Om elektronerna i en atom fyller en grupp antingen helt eller till hälften, fördelar sig elektronerna jämnt på de olika riktningarna och elektronmolnet blir så symmetriskt som möjligt. Det ger lägsta

gångselementens d-grupp. Därför är det inte säkert att oxidationstalen blir de man väntar sig. Men lyckligtvis stämmer oxidationstalen i de flesta fall.

energi, dvs bästa stabilitet.

Energi

[

2122

M

BIRIB]

2) Perupp 2RR

L

2

d-grupp

|

p-grupp

s

s

p-grupp

s

kl 2

s

262

+ UPPSLAGET

Elektronuppsättningen för en järnatom.

OKOOKO0 d-grupp

Kapitel 9

Kedjan bryts först när kloratomen bildar en stabil molekyl med en annan atom, t ex en annan atom eller molekyl med en udda elektron. Men gaserna är tunna på denna höjd och molekylkrockar inträffar

Vad händer i stratosfären? I stratosfären (10-50 km över jordytan) finns 90 Yo

relativt sällan.

av atmosfärens ozon, O,. Detta bildas genom reak-

Det totala resultatet av freonernas påverkan på stratosfären är att ozonhalten minskar.

tionerna

O, + energi > O+0,

—

20 =

(1)

Kväveoxid, NO och NO,

O, + energi (2)

Den energi som krävs i reaktion (1) måste vara i form av stora kvanta (energipaket), dvs kortvågig

UV-strålning. En del av solens UV-strålning förbrukas alltså på detta sätt i stratosfären och når inte biosfären där strålningen skadar det levande. (Växtskador och hudcancer kan uppkomma). Reaktion (2) ger energi som avges i form av lång-

vågig värmestrålning. 'Ozon kan också sönderdelas av UV-strålning

som båda har ett udda antal elektroner kan påverka ozon på samma sätt.

Två andra molekyler med udda elektroner.

Kapitel

10

När ordet molekyl inte fanns

(och därmed skydda biosfären.) Man får en balans

I början av 1800-talet visste man ingenting om

mellan sönderdelning och nybildning av ozon.

sådant som du nu vet — att t ex syre och väte är två-

I detta naturliga tillstånd absorberas således UV-strålning i stratosfären och man får en tempe-

atomiga molekyler. Dalton hade infört begreppet

raturhöjning genom reaktion (2). Men vilken inverkan har då ämnen som t ex freoner? Freoner är mycket stabila halogenalkaner. (se kapitel 6.) De släpps ut vid jordytan och genom

atom, men trodde att syre och väte var enatomiga,

och att vatten var HO. Därmed beräknade han också syrets atomvikt till 8. Atomvikt är det vi idag kallar atommassa. Alla atomslag jämfördes med väte, vars atomvikt sattes till 1.

sin stabilitet når de stratosfären i oförändrat till-

Att man inte kände till molekyler gjorde också att

stånd. Men där bryts kol-klor-bindningarna av den energirika UV-strålningen. En kloratom frigörs. Atomen har ett ojämnt antal valenselektroner och är mycket reaktiv just därför att den har en udda

osäkra. Däremot hade inte Berzelius några problem med fasta ämnen, som metaller.

År 1811 kom italienaren Amadeo Avogadro på den

(oparad) elektron. Den reagerar med ozon:

lysande idén att lika stora volymer gas borde inne-

Cl +0, > CIO + 0,

hålla lika många partiklar. (Ordet molekyl var inte uppfunnet.) Man borde kunna bestämma massan

Kloroxiden isin tur är också reaktiv och rea-

av en viss volym gas och därmed t ex förhållandet mellan syres och vätes partikelmassor. Ingen lyss-

gerar enligt formeln:

CIO +0

nade till en början på Avogadro. Tanken att grundämnens gaspartiklar skulle kunna innehålla två

> Cl +0, +

Kloratomen reagerar

Ö:

på nytt med en ozonmolekyl och en enda

kloratom kan på detta sätt sönderdela tusentals ozonmolekyler.

atomvikterna för gasformiga grundämnen var

atomer fanns, men kändes främmande.

Berzelius, som hade mycket stort inflytande, var :Ök

+

0=0.

Kloratomen reagerar gång på gång.

emot idén att två lika atomer kunde hänga ihop — två partiklar borde ha olika laddning för att attrahera varandra. Klor, som var känt som en negativ partikel, kunde bindas till väte (positiv), men inte

till en annan kloratom. UPPSLAGET

+ 263

År 1836 visade dock fransmannen August Laurent att en väteatom i ett kolväte kunde ersättas med en kloratom.

Hur kan det samtidigt finnas två strävanden för en spontan reaktion i ett system som inte är värme-

isolerat?

År 1860 samlades världens första kemistkongress i Karlsruhe. Italienaren Stanislao Cannizzaro förklarade där mycket pedagogiskt vad Avogadro hade

Systemet kan vara de ämnen som reagerar i din bägare. Allt annat är omgivningen, dvs resten av

menat och hur man kunde tolka hans och andras

starkare bindningar och lägre entalpi, innebär det följande: Värme övergår från systemet (i bägaren)

resultat om man tänkte i molekyler. Det övertygade!

På tåget hem satt säkert många kemister och funderade över molekyler och atomvikter. Säkra atom-

vikter skyndade också på tillkomsten av det periodiska systemet. (Men fortfarande dröjde det länge

innan man kunde förklara hur två kloratomer kunde hänga ihop.)

universum. När vi säger att ett system strävar mot

till resten av universum. Det någorlunda samlade värmet som fanns i systemet kommer att spridas på ett stort antal molekyler i omgivningen. Universums totala entropi ökar när en exoterm reaktion sker i systemet! Universums entropiökning är egentligen det enda villkoret för att en reaktion

ska ske. (Se kapitel 11, sid 194.)

Kapitel 11 Universums entropi ökar ständigt Om du blandar en kortlek är chansen att få fyra hela sviter i de olika färgerna försumbart liten. Det normala är att sviterna sprids, lekens innehåll blir

mer oordnat. Oordning är mer sannolik än ordning. Om du lägger två metallstycken av olika temperatur intill varandra kommer temperaturen att utjämnas. Den någorlunda samlade värmeenergin hos den hetare kroppen har spritts över båda kropparna.

Den totala entropin har ökat.

Inte energikris — entropikri: Energi kan omvandlas i olika former, men inte för-

störas. Varför talar man då om energikris ibland? Egentligen har vi ingen sådan, utan en entropikris. När vi ”använder” elektrisk energi t ex för uppvärmning, belysning eller för att driva en maskin,

omvandlas energin slutligen till värme. Värmeenergin sprids och kan inte längre omvandlas till andra energiformer. Värme är oordnad rörelse hos partiklar, de andra

energiformerna är ordnad rörelse. Den oordnade

rörelsen kan inte tas tillvara så effektivt som den ordnade rörelsen hos t ex vattnet i ett vattenfall.

En samling ämnen som stängs in i en värmeisolerad burk kan inte utbyta energi med omgivningen. I

ett sådant system kan alltså inte energiinnehållet ändras. Följden är att varje reaktion som inträffar i systemet måste ge ökad oordning. De båda gaserna

på sidan 193 visar ett sådant system. När gaserna blandas ökar oordningen. Tänk dig nu universum. Eftersom det inte finns något ”utanför” universum kan man likna univer-

sum vid ett system i en sluten och värmeisolerad burk. Varje reaktion i universum måste alltså leda

Entropin har betydelse för miljödiskussionen Om du betraktar ökad oordning som spridning kan du se att entropin har betydelse för miljödiskussionen. När en luftförorening bildas vid en industriell

process är den relativt samlad i skorstenen elleri produktionskärlet. Att samla föroreningen i detta stadium kräver måttlig energiinsats. Att samla

till ökad oordning. Detta är en fundamental sats

föroreningen när den kommer ut i luften kräver

(termodynamikens andra huvudsats) som inte kan

mycket större energiinsats, och på flera platser. När föroreningen spritts globalt är oordningen fullständig, och att samla den är praktiskt omöjligt.

bevisas, men som heller aldrig kunnat motbevisas. Somliga tänkare har uttryckt det så här: Den ökande entropin i universum visar tidens riktning! 264

+ UPPSLAGET

Sopor i köket kan du lätt sortera, i soptunnan blir

det svårare, och på soptippen omöjligt. Sopsorte-

ring är alltså ett sätt att hålla entropin låg i avfallet. Om allt miljöfarligt avfall hamnar på ett ställe finns

Kapitel

12

Syror förr och nu

det större möjligheter att behandla det rätt. Om allt

växtmaterial hamnar i en hög kan det rötas och ge

Redan alkemisterna kallade ämnen med sur smak

rötgas, metan, som kan användas i energiproduk-

för syror. Men den som först gav syra en teoretisk definition var Lavoisier (1777). Han kallade syre för oxygeéne (= syrabildare) och trodde att alla syror innehöll syre. Det antagandet grundade sig

tion. Om allt papper samlas kan det brännas i energiproduktion eller gå till pappersbruken.

på att många grundämnen (kol, svavel, fosfor)

Hur vet man att det som händer på jorden ökar entropin i universum? Jordklotet är inte ett isolerat system. Till oss kom-

mer, och från oss går, energi i form av strålning. Jordklotet tar emot strålning med mest korta våglängder, UV och synligt ljus. Det innebär att den

bildar oxider, som visar sig ha sur vattenlösning. Humphrey Davy som gjorde en stor mängd elektrolyser, fann emellertid att väteklorid inte innehöll syre men ändå hade sura egenskaper (1816). Davy kom fram till att alla syror innehåller väte, vilket accepterades allmänt.

energi som strålar in är fördelad på stora ”energi-

Den svenske kemisten Svante Arrhenius (1859-

paket”, ljuskvanta. Den strålning som avges från

1927), var den förste svenske nobelpristagaren

jordklotet är av typen IR-strålning, värmestrålning.

(1903). Han kom att helt revolutionera teorin om

Denna energi är fördelad på ett mycket större antal

syror, baser och salter genom den elektrokemiska dissociationsteorin. Tidigare hade man ansett att joner bildas först när en elektrisk ström går genom

mindre kvanta. Strålningen ut har alltså högre entropi än strålningen in. Fler människor på jorden och högre levnadsstandard medför ett ökat utnyttjande av exoterma reaktioner. Jordklotet måste sprida mera värme ut i rymden för att hålla konstant temperatur. När vi använder fossila bränslen ökar tyvärr samtidigt atmosfärens innehåll av koldioxid, som minskar

atmosfärens förmåga att släppa igenom sådan strålning. Vi ökar växthuseffekten. Människans klimatpåverkan är ett ständigt diskuterat problem.

lösningen av ett ämne. Arrhenius kom fram till att ämnet dissocieras redan när det löses i vatten. Han definierade syror som ämnen som kan avge vätejoner till vattenlösningen, medan baser avger hydroxidjoner. Denna definition av syra och bas

var den förhärskande ända in på 1920-talet. Ännu mera användbart och fritt från invändningar blev den danske kemisten Brönsteds syrabasdefinition (1923): en syra avger protoner och en bas tar

upp protoner. Det är den definition som ofta används nu och den som vanligen används i undervisningen.

Ett mer generellt syrabasbegrepp skapades av amerikanen G.N. Lewis (1938): en syra är en elek-

tronpartagare och en bas är en elektronpargivare. Därmed kunde man använda begreppen syra och bas även om man inte har en vattenlösning, t exi

organisk kemi och kemi i gaser och smältor. Reaktionen mellan HCI och H,O är en syrabasreaktion, enligt Lewis. Förklaringen är att den H" som lämnar HCI saknar elektroner — är en Lewissyra — och söker sig till en partikel med elektroner som den kan bindas till. H,O-molekylen har icke-bindande elektronpar

på syret och kan alltså erbjuda ett elektronpar som bindning, den är en elektrongivare, en Lewisbas.

UPPSLAGET

+ 265

Lewis definition av syra och bas innefattar alla re-

[H"] = [Ac] = 107” mol/dm? och [HAc] =

aktioner som enligt Brönsted är syra-basreaktioner, men också en mängd andra reaktioner där vätejo-

0,1 mol/dm”.

ner inte deltar. Här är ett exempel: Koldioxid reagerar med kal-

[H'] = Ky: dvs pH = 2,9

=10""- 0.1 =107? 107

ciumoxid. Kol i koldioxid, O=C=0O, har bara bind-

Vid tillsatsen av 0,01 mol OH" sker reaktionen

ande elektroner, dessa är förskjutna mot syre och

HAc + OH — Ac + H,O

kolet är alltså lite elektronfattigt (en Lewissyra).

Oxidjonen, O””, i kalciumoxid har ett fyllt yttre elektronskal. O”” som alltså är en Lewisbas binds med ett elektronpar till kolet i koldioxid samtidigt som ett av koldioxidens ursprungliga elektronpar skickas ut mot ett syre. Karbonatjonen bildas.

[HAc] minskar med 0,01

mol/dm? till 0,09 mol/

dm? och [Ac] ökar lika mycket till 107?” + 0,01 = 0,01 mol/dm”.

[H”] = 1072 - 0,01 0,09 mol/dm?

dvs pH = 3,8

pH ändras 0,9 enheter.

Vad krävs för att en lösning ska vara buffrande? I följande exempel studerar vi några olika lösningar och hur deras pH-värde ändras vid en tillsats av hydroxidjoner. I exemplet beräknar vi hur pH förändras när vi

sätter hydroxidjoner i tur och ordning till a) rent vatten b) 0,10 mol/dm? HAc

c) en blandning av

ättiksyra och natriumacetat med [HAc] = [Ac”] = 0,10 mol/dm? d) en blandning av ättiksyra och natriumacetat med

[HAc] = [Ac] = 0,05 mol/dm”.

Vi antar i samtliga fall att lösningens volym är 1 dm”, att vi sätter till 0,01 mol hydroxidjoner och

att lösningens volym inte ändras vid tillsatsen av hydroxidjonerna. Fall A Lösningen är rent vatten med [H”] = [OH]

=

1:107 mol/dm”, dvs pH = 7 Efter tillsats av 0,01 mol OH" är [OH]

=

0,01 mol/dm”, pOH = 2 och pH = 12 pH ändras 5 enheter. Slutsats: Rent vatten är inte en buffert.

Slutsats: Ättiksyran kan inte sägas vara en buffertlösning. Fall C

Lösningen är en blandning av natriumacetat och ättiksyra där [HAc] = [AC] = 0,10 mol/dm”. I denna lösning är pH = pK, = 4,8 Vid tillsats av 0,01 mol OH" blir [HAc] =

(0,10-0,01) mol/dm? och [Ac] =

(0,10 + 0,01) mol/dm? [H']+1 == 10 108. 0,09 0.01

mol/dm 3

dvs pH = 4,89

pH ändras med 0,09 enheter. pH-ändringen är mycket liten. Slutsats: Lösningen är en buffertlösning. Fall D Lösningen är en mer utspädd blandning av natriumacetat och ättiksyra där [HAc] = [Ac] = 0,05 mol/

dm”. Även i denna lösning är pH = pK, = 4,8. Vid tillsats av 0,01 mol OH" blir [HAc] =

0,04 mol/dm? och [Ac] = 0,06 mol/dm”.

[H'] = 108: X04 mol/dm3 — dvs pH = 4,98 0,06

Lösningen är 0,10 mol/dm? ättiksyra.

pH ändras med 0,2 (0,18) enheter. Lösningen är en buffert, men inte så effektiv som i exempel c. Skillnaden beror på att [HAc] och [Ac”] är lägre så att

I denna lösning är syran till 99 26 HAc och endast

en ändring i koncentrationerna ger en större för-

ca 1 procent är Ac”.

ändring av kvoten [HAc]/[Ac”].

Fall B

(Detta kan beräknas med hjälp av syrakonstanten.)

266

+ UPPSLAGET

—

=

7

—

-

F

— —

DH

-

-

er —

=

=

NN

-

Ändringen i koncentration av HAc och Ac” är densamma i Fall C (det övre diagrammet) och Fall D (det undre) men kvoten mellan koncentrationerna blir olika (0,11/0,09 resp 0,06/0,04) och därför blir pH-ändringarna olika.

Dessa exempel visar hur kvoten syra/bas är avgö-

rande för pH i lösningen. För att få en effektiv buf-

Aromatiska föreningar som innehåller flera kloreller bromatomer är mycket stabila. De brinner inte

fert som kan stå emot pH-ändringar bör syra och bas i syra-basparet ha ganska höga och ungefär lika stora koncentrationer. Vid pH = pK, är koncentrationerna av syra och bas lika stora och därför är

och är inte frätande. Sådana substanser användes

buffertverkan störst där.

spackel och fogmassor. Papper indränkt med PCB

bla som isoleringsmedel för elektriska apparater

och som flamskyddsmedel. PCB har använts som

transformatorolja och som mjukgörare i golvhar också använts som isoleringsmedel i elektriska ledningar, och som självkopierande papper. Aroma-

tiska bromföreningar är mycket effektiva flam-

Kapitel

skyddsmedel. DDT har insektsdödande egenskaper

13

och bidrog till att malaria nästan kunde utrotas.

DDT och PCB

Uppfinnaren av DDT belönades med nobelpris.

Numera vet man att många aromatiska halogenföreningar, som DDT och PCB, dessvärre inte bryts ner i naturen. De samlas i stället i de levande orga-

nismernas fettvävnad. Därmed ackumuleras de i näringskedjan och orsakar skador på djur och

människor. Man vet inte säkert hur dessa ämnen påverkar de levande organismerna, men man har hittat höga halter i fettvävnad, bl a i hjärnan. När-

besläktade ämnen till PCB och DDT har strukturer som liknar hormoner. Det skulle kunna förklara

sälars och fåglars reproduktionsstörningar. Det var risk att sälarna skulle dö ut i Östersjön och många

rovfåglar var utrotningshotade. DDT och PCB är numera förbjudna i de flesta länder och läget i

Östersjön är bättre.

Polyklorerade bifenyler UPPSLAGET + 267

Alkalisk hydrolys När man beskriver en reaktion genom att visa hur

bindningar bildas och bryts på vägen från utgångsmaterial till produkt kallas det en mekanism. Med hjälp av ”krökta” pilar försöker man följa elektron-

pars förflyttningar. En pil som utgår från ett elektronpar och ”landar” på ett elektronfattigt ställe (i en annan molekyl) betyder alltså att en ny kova-

lent bindning har uppstått. Förloppet brukar skrivas som en följd av enkla reaktionssteg. Ett exempel är alkalisk hydrolys av ester som kan delas upp itre steg. Steg 1: En hydroxidjon söker sig till det elektronfattiga kolet i esterns karbonylgrupp. Med hjälp av ett av sina fria elektronpar bildar syret en kovalent

bindning till kolatomen. För att det inte ska bli för många bindningar till denna kolatom bryts dubbelbindningen till karbonylgruppens syreatom, som får ta emot elektronparet. Den syreatomen blir därmed minusladdad.

dor de Alkalisk hydrolys, steg 1

Steg 2: Den bildade molekylen med tre syreatomer bundna till en kolatom är inte särskilt stabil. Den negativt laddade syreatomen har en tendens att återbilda en dubbelbindning med ”karbonylkolet”. Detta kan inte ske utan att en av de andra syreato-

merna ”släpper” sin bindning till ”karbonylkolet”. Båda syreatomerna är i detta läge tänkbara kandi-

dater för att släppas loss. Om hydroxidjonen släpper är vi åter i utgångsläget. Men om den andra syreatomen, den som bär en alkylgrupp, släpper får vi en annan situation som kan leda vidare.

ör

2

"or

AA

HO:

+:0

”

syra. Den andra produkten är en negativ jon som liknar hydroxidjonen men där vätet ersatts av en alkylgrupp. Denna jon är en stark bas som kommer att reagera med karboxylsyrans vätejon varvid motsvarande karboxylatjon bildas. Samtidigt om-

vandlas basen till motsvarande alkohol.

or

0 AA

-

Alkalisk hydrolys, steg 3 Resultatet av reaktionen blir alltså en blandning av karboxylsyrans salt och den fria alkoholen.

Kemiska föreningar och färg Vitt ljus består av alla färger. Ett material ser vitt ut om det reflekterar alla delar av det synliga ljuset, medan det är svart om det absorberar allt synligt ljus. Ett ämne upplevs som färgat då det absorberar en

del av våglängderna i det synliga ljuset och reflekterar de övriga våglängderna. Fotonerna (ljuspar-

tiklarna) i synligt ljus har ganska liten energi — från

170 kJ/mol i rött ljus till 300 kJ/mol i violett ljus. Den räcker inte för att bryta starka enkelbindningarien organisk förening. Däremot kan energin räcka till för att flytta elektroner i en jon till en lite högre energinivå inom ett skal, om det finns någon ledig ”plats”. Därför är övergångsmetallernas joner ofta färgade. De används exempelvis för att färga glas och emalj, t ex djupt koboltblått.

Kolföreningar är också ofta färgade. Förutom enkelbindningar är också enstaka dubbelbindningar och

enkla aromatiska system alltför stabila för att fotonerna i synligt ljus ska kunna flytta upp en elektron i dem till en ledig plats (i en högre energinivå). Men i ett tillräckligt stort system av delokaliserade elektroner går det. Med tillräckligt stort menas ett system av 14—16 elektroner. De deltagande elektronerna kan ligga i dubbelbindningar, aromatiska ringar eller vara ”fria” elektronpar på syre, kväve

eller svavel.

Alkalisk hydrolys, steg 2

Fenolftalein används som indikator. Den är färglös

Steg 3: Den ena produkten har nu en hydroxigrupp bunden till karbonylgruppen, dvs den är en karboxyl-

i sur och neutral miljö men blir rödviolett i basisk lösning. Hur uppkommer färgen? Det beror på en ändring i elektrondelokalisationen. Delokalisation

268

+ UPPSLAGET

av elektroner kan inte omfatta kolatomer som är

av fenolftaleinmolekylen är bunden till fyra andra atomer i sur lösning men till tre i basisk. Delokalisa-

Silikonsyntesen startar med en halogenerad silan, en motsvarighet till kolets alkaner. Silanen får reagera med vatten. Kisel fördrar att vara bundet till syre framför klor och reagerar genom att binda monomererna till en kedja. Om fler än två klor-

tion, som omfattar båda de övre ringarna, är alltså

atomer finns i silanen kan tvärbindningar uppkomma

möjlig bara i basisk lösning, och då kommer också färgen.

och silikonen bli fast. Kedjornas längd och olika Rgrupper påverkar också silikonernas egenskaper.

nedanstående schema ser vi hur kolatomen i mitten

RO OR cl

+

ZON

>

Der

Ro OR Der ce 7

ce "”

/N

bundna till fyra andra atomer, där är det stopp! I

a

—

e

RR si

o

RR si

ce

+ 200

Na

Figuren visar hur två enheter i en tänkt kedja kopplas ihop i en kondensationsreaktion.

Fenolftalein i basisk miljö resonansformer

Kapitel

14

Silikoner Silikon är ett användbart material. Det är ofta omtalat i samband med bröstförstoringar, men är användbart till mycket mer. Silikoner kan vara flytande och användas i vattenavvisande spray elleri skidvalla, de kan vara plastiska material för tätningar

av fogar eller mer eller mindre fasta som i studsbollar. Silikoner är polymerer av en blandat oorganisk och organisk karaktär. Kiselatomerna länkas ihop med syre, som i silikater, men har organiska grupper fästa

utåt i stället för syreatomer. En flytande silikon kan tex ha följande struktur: R

o

R

Ro

RR

NOM OM SNS

RR

RR

R

RR

OM So OM So OM SÖ

De organiska grupperna, R, kan vara t ex metyleller fenylgrupper. De ger silikonerna en opolär

karaktär. UPPSLAGET

+ 269

Svar till övningar Kapitel 2

205 Temp("C) 100

201

Temperaturen stiger från —10 ”C till O ”C: Ämnet fast. Vattenmolekylernas värmerörelser (vibrationer) ökar med temperaturen. 0 ”C: H,O(s) > H,O(1): Ämnet smälter. Oordning-

en ökar avsevärt. Temperaturen stiger från 0 ”C till 100 ”C: Vattnet värms upp, värmerörelserna ökar mer och mer. Ökad oordning hos molekylerna i vätskan.

10

Tid a) Ett diagram liknande det i övning 203. Startar vid —5 ”C linjen litet mindre brant. Första

platån vid 0 ”C och andra (ngt längre än i grafen i 203) vid 100 ”C. Grafen slutar vid 105 ”C.

Temp("C)

100 ”C: H,O(1) > H,O(g): Ämnet kokar. Övergången till gasform innebär en kraftig ökning av

oordningen. Temperaturen stiger från 100 ”C till 120 ”C:

-50 18

'Gasmolekylernas värmerörelser ökar.

-100

202

b) Ett diagram där grafen startar vid -100 ”C,

a) Helium

b) Kväve och syre

c) Fast

d) -78 ”C

e) 183 ”C 203

Ta

har en platå vid -78”C, och slutar vid -50 ”C.

206 a) Vatten kokar

b) Järn smälter

c) Kolsyreis sublimerar

d) Vatten fryser

A—B: Ämnet är fast. Dess temperatur stiger då

207

väme tillförs.

De vanligaste grundämnena i människokroppen är

B—C: Ämnet smälter. Allt värme används till smältningen och temperaturen förblir på smältpunkten.

syre, kol och väte. De vanligaste grundämnena i

jordskorpan är syre, kisel och aluminium.

C-D: Ämnet är flytande. Dess temperatur stiger då värme tillförs.

208

Kol, syre, bly, helium och klor.

D-E: Ämnet kokar. Temperaturen håller sig på

209

O, Fe, H, S, N, Cl, Na, Ca, Ag och Au.

kokpunkten under hela den tid som ämnet övergår till gas. E204

270

: Gasens temperatur stiger när värme tillförs. Kväve, argon, syre.

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

210 Metaller: Natrium, kalium, aluminium, titan,

koppar och uran. Resten är icke-metaller. 211

a), c) och g).

212 Blandningar: luft, pannkakssmet, stål och saft.

Resten är rena ämnen.

213

a4

b) 1 och 5

304

a) Kaliumjodid.

b) Litiumbromid.

c) Cesiumjodid.

c&3

214

A: Grundämne (enatomiga molekyler) i gasform. B: Blandning av två enatomiga gaser (grundämnen). C: Kemisk förening i vätskeform. D: Kemisk förening i fast form.

305 — Kalium + brom — kaliumbromid.

306

a)Cl,

bjAr

c)Br,

d)Kr

307

—269"C

308

En neutron och en proton.

309

E: Grundämne i fast form.

a) 19 protoner och 20 neutroner.

F: Gasformigt grundämne (tvåatomiga molekyler).

b) Argon, 18 protoner, masstal 38.

G: Grundämne i vätskeform.

€) Brom (atomnummer 35, atomen har 44 neutroner).

H: Gasformig blandning av ett grundämne och en kemisk förening.

I: Ett grundämne i vätskeform och ett i gasform. (OBS! Ingen blandning)

e)Rn

d) Masstalet är 137.

310

Blå

K: Gasformig blandning av tre grundämnen.

311

L: Kemisk förening i gasform.

a) 1

b) 7

c)2

M: Kemisk förening i fast form.

d) 8 (fullt elektronskal)

e) 3

f 4

T21: Ett par exempel är när man släcker eld med vatten eller när man använder kylspray för att kyla

ner idrottsskador.

312

a) Ca: 2,8, 8,2, Br:2,8,18,7 Vid reaktionen lämnar Ca sina 2 valenselektroner till 2 st Br. b) Argon Ar, Krypton Kr

Kapitel 3

313

301

314

a) Beryllium Be, magnesium Mg, kalcium Ca, strontium Sr, barium Ba, radium Ra. b) Natrium Na, magnesium Mg, aluminium Al, kisel Si, fosfor P, svavel S, klor Cl, argon Ar. c) Kalium, K.

302 Kalium + vatten > väte + kaliumhydroxidlösning.

H—H

c) CaBr,

2

Kr:

a) 35 protoner och 44 neutroner b) 29 protoner och 36 neutroner

€) 79 protoner och 118 neutroner 315

131

316 a) magnesium + syre > magnesiumoxid

Mg: 2,8,2 0: 2,6 — Mg”: 2,8,0 077: 2,8 303 Fluor och klor är gaser, brom vätska och jod fast ämne.

2Mg + O, > 2MgO

SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 271

b) natrium + fluor > natriumfluorid Na: 2,8,1 F:2,7 —Na':2,8,0 F-:2,8

Kapitel 4

2Na+F,—>2NaF c) kalium + klor > kaliumklorid

K:2,8,8,1

CI:2,8,7 > K':2,8,8,0

63,6 u

402

a) 2

CI-:2,8,8

2K + Cl, > 2 KCIl d) kalcium + syre > kalciumoxid

Ca: 2,8,8,2

401

0:2,6 > Ca”: 2,8,8,0

O:2,8

2Ca+ O, > 2CaO €e) natrium + syre > natriumoxid Na: 2,8, 1 O: 2,6 > Na": 2,8,0 07: 2,8

4Na+0, > 4Na,0

b) 5

403 a) 55,9 u

b) 70,9 u

c) 36,5u

d) 17,0 u

e) 95,2u

f) 102u

404 a) 3 atomer Fe reagerar med 2 molekyler O, till

1 formelenhet Fe,O,.

317 a) Period 3, grupp 1

b) Period 2, grupp 16

c) Period 4, grupp 2

b) 12 järnatomer reagerar med 8 molekyler O,.

Det bildas 4 formelenheter Fe,O,. 405

318 Protoner 17, 19, 18,12 Neutroner 20, 20, 22, 12 Elektroner 17, 19,18, 10

a) 1 mol Ca och 2 mol Cl. b) 2 mol Al och 3 mol O.

€) 0,5 mol c) och 2 mol H. d) 3 mol N och 9 mol H.

319

Eftersom det står i grupp 1, är det en alkalimetall och reagerar därför lätt med andra ämnen.

406 a) 58,4 g/mol

b) 28,0 g/mol

320

Vätgas

c) 20,2 g/mol — d) 16,0 g/mol

321

”Cl

407 a) Molmassan för NaCl är 58,4 g/mol.

322 — Baoch Ca

b) Substansmängden KCI är 0,24 mol.

T31 — EO, T32

$Ra

c) Massan Fe är 1,5 g.

— iHe + "Rn

408

”2Rn — He

+ "Po

a) 46g

b) 7,82 g

c) 40 g

?åPo — SHe

+ "Pb

d) 25g

e) 24,3 g

f) 2,30g

De består av giftiga tungmetaller, som man inte kan andas ut lika lätt som ädelgasen radon. T33 Grönt ljus eftersom grönt ljus har kortare våglängd än gult ljus.

409

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

a) 32,06 g/mol

b) 2,0 mol

410 a) 3,0 mol

b) 0,0262 mol

d) 0,0176 mol

€) 0,0707 mol

411

272

cc 7

€) 0,162 mol

a) 0,205 mol — b) 0,410 mol

412

a) 56 mol

b) 3,3 : 10” molekyler

Kapitel 5

c) 1,0 : 10” atomer 501 413

48,0 g/mol

a) Lösningen är basisk.

414

134 g/mol

502

415 Nej. Provet innehåller 8,01 g koppar (93,5 960 av

totala massan).

416 a) 4Li + O,—> 2Li,0 c) H, + Cl, > 2HCI

b) Lösningen är neutral.

pH är ca 10-11

503 a) Lösningen med pH 2 är surast. b) 100 gånger surare (två tiopotenser).

b) C + 2H, > CH, d) N, + 20, > 2NO,

504 Molmassan för HCI är 36,5 g/mol. Massan av 12 mol är 438 g.

417 a) CH, + 20, > CO, + 2H,0

505

HNO, — H"

+ NO;

b) Fe,0, + 3C > 2Fe + 3CO

H,CO, — H"

+

HCO;

vätekarbonatjon

HCO;

H"

+

CO3

karbonatjon

H,SO, S» H"

+

HSO;

vätesulfatjon

€) 0,12 mol N, och 0,36 mol H,

HSO;

+

SO

sulfatjon

419

506

He(l) har volymen 27 cm?/mol och He(g) har

a) Vatten

volymen 24,6 dm”/mol.

d) Ammoniumjon

e) Kalciumhydroxid

420 = 4järnatomer

f) Kväveoxid

g) Vätesulfatjon

h) Karbonatjon

i) Vätekarbonatjon

j) Fosfatjon

k) Divätefosfatjon

418

a) 5,0 mol

b) 10 mol

421

1:a pris 150 mol guld, 2:a pris 150 cm? guld och tredje pris 150 g guld

>

SH"

nitratjon

b) Kloridjon

c) Koldioxid

507 a) HO”

b) 0,

c) N,

a) 5: 107" (4,8 : 107") mol

d) Ag

e) Cl,

f) NH;

b) 3 - 10'" (2,9 - 10") atomer

8) NaOH

h) H,SO,

i) H,CO,

j) HNO,

k) sor

1) NO,

422

423

a) 0,0061 mol

T41

Ca 400 guldatomer

T42 = 3,2:107atomer

b) 0,074 mol

m) Fe 508 =

CaO(s) + H,O

—

Ca(OH),(s)

509 a) NaBr

b) CaSO,

€) AgNO,;

d) K,SO,

e) Mg(NO;), — f) Ba(NO,),

g) PbCO,

h) Al(OH), SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 273

510 a) Cu,O d) Fe,O,

b) CO e) SO,

ce) CO, f) PbO,

d) FeCO,, med en av varje slag, minst lösligt — Fe, (SO,), har 2+3 joner. €) NaHCO, är minst lösligt — Na,CO, innehåller 2+1jon.

511 a) NaNO,

b) Na" + NO; = c) KCO,

d)2+K SOT —

€) AL(SOJ),

f) BaSO, är minst lösligt (1+1) - Ba(HCO,), har 1+2 joner.

f)2AP' +3S07 519

512

BTB bör ge en gul färg. Kloridjonerna ger en fäll-

Manganoxid, dimangantrioxid, trimangantetraoxid,

ning av silverklorid med silvernitratlösning.

mangandioxid, dimanganheptaoxid. 520

513 147,01 g/mol (40,08 + 2: 35,45 + 2: 18,016)

Man behöver 31 g Mg (30,4). 2,5 mol saltsyra betyder 2,5 mol kloridjoner. Man kan se på formeln, MgCL,

att det behövs hälften så mycket magnesium som 514

M(CuSO, : 5H,O) = 249,7 g/mol, M(Cu(NO,),' 3H,0)=241,6 g/mol M(CuCl,: 2H,0)=170,5 g/mol. Massan av 1 mol och också av 0,100 mol är alltså minst för kopparkloriddihydratet.

kloridjoner, alltså 1,25 mol. M(Mg) = 24,3 g/mol. Av MgO behövs 51 g. M(MgO)

= 40,3 g/mol, och samma substans-

mängd går åt, vilket ger 50,4 g, men 50 g är för lite för att saltsyran säkert ska gå åt.) 521

515

Magnesiumoxid får reagera med svavelsyra, följt av

b) (Alla natriumsalter är lättlösliga så fällningen

indunstning, alternativt magnesium i svavelsyra följt av indunstning.

måste vara kalciumkarbonat.)

Indunstningen ger MgSO, : 7H,O.

516 a) Cu”, SO7 , Na”, OH” b) Kopparhydroxid, eftersom det andra möjliga saltet, natriumsulfat, är lättlösligt.

c) Cu”

+ 20H”

—> Cu(OH),(s)

517 a) Pb", NOJ, Na”, SOT b) Blyfosfat, eftersom natriumnitrat är lättlösligt.

c) 3Pb”" + 2S07

— Pb; (PO).(s)

518

MgO + 2H" + SO7 — H,O + Mg” + SOF (> MgSO,)

Mg +2H'" + SOX

—H, + Mg” + SO?

(> MgSO,)

522 a) Ca + 2H" + 2CI" —> H, + Ca” + 2Cl b) ZnO + 2H" + SOT — H,O + Zn” + SOT c) Fe + 2H" + SOT

—H, +Fe” + SOT

d) MgO + 2H" + 2NO;

—H,O + Mg” + 2NO;

e)K' + OH" + H' + NO;

—>H,O +K' + NO;

a) CaCO, som innehåller lika många positiva

(Ca”") som negativa (SO) joner är minst lösligt.

523

positiv.

a) Ba” + 2NO3; + Zn” + SOT — BaSO,(s) + Zn” + 2NO3

b) MgSO, en jon av varje, är minst lösligt— MgCl,

b) 2Ag" + 2NO; + Cu” + 2CI" — 2AgCI(s) +

innehåller 1+ 2 joner.

Cu” + 2NO; (alla nitrater är lättlösliga)

Ca(HCO,), har två negativa joner (2NO;3) på en

c) AIPO, en av varje, är minst lösligt. AL (SO), innehåller 2+3 joner. 274

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

524

532

a) Fe,0, + 3H, — 2Fe + 3H,O

Magnesiumklorid, natriumklorid, zinkklorid.

b) N, + 3H, > 2NH,

c)S+0, > SO,

d) 2S0, + 0, > 2S0,

e) Mg + I, > Mgl,

Koppar är för ädel för att reagera med saltsyra. Metoden olämplig för natriumklorid. Natrium är

f) Fe,0,

+ 4C >

3Fe + 4CO

svår att arbeta med och reaktionen mellan natrium och saltsyra mycket häftig.

525

533

a) Målarsodan är mest basisk (högre pH = mer

a) K+

basisk).

b) 2Na" + 20H" + 2H" + SOT — 2H,0 +

b) Målarsodan är 10 000 ggr så basisk (4 tio-

2Na”

potenser).

c) 2Na" + SOT 2Na” + 2NO;3

526 a) pH

höjs eftersom lösningen blir mindre sur när

OH”

+H"

+ CI" > HO

+ Pb” + 2NO3

d) Mg + 2H" + SO:

— PbSO(s) +

— H, + Mg” + SO;

e) CuO + 2H" + 2CI" > H,O

b) pH höjs, kalk är basiskt.

f) ZnO + 2H" + 2NO;

c) bikarbonat är mycket svagt basiskt. Syratillsatsen sänker pH.

g) AP" + 3CI" + 3Ag" + 3NO; >

527

a) pH höjs. Man späder ut vätejonerna och lösningen blir mindre sur.

3AgCl(s) +

AP” + 3NO3 h) Pb?" + 2NO3 + 2K" + 2CI" — PbCL(s) + 2K"

+ 2NO3 i) 2AP" + 3S07 2AP" + 6CK

+ 3Ba”" + 6CI" — 3BaSO,(s) +

534

Zinkklorid:

lösningen blir inte längre lika basisk.

zink och saltsyra, indunstning.

Zn + 2H" + 2Cl" > H, + Zn” + 2Cl

b) Cu(NO.), d) Ca(OH),

Alternativt Zinkoxid och saltsyra, indunstning. ZnO + 2H" + 2CI" > H,O + Zn” + 2Cl

Kaliumfosfat:

529 a) Bariumoxid

+ Cu” + 2CI"

— H,O + Zn” + 2NO;

b) pH sänks. Man späder ut hydroxidjonerna och

528 a) KHSO, €) ZnCO,

Cl

+ SOT

man tillsätter en bas som ammoniak.

d) Lösningen blir mer basisk. En lösning av målarsoda är mer basiskt än bikarbonatlösning.

+ K+

kaliumhydroxidlösning och fosforsyra, indunstning. b) Bariumhydroxid

3K" + 30H" + 3H" + POT — 3H,O + 3K" + POT

€) Koppardiklorid resp koppar(mono)klorid

Kaliumnitrat:

d) Ammoniumnitrat

silvernitratlösning blandas med kaliumkloridlösning.

530 — Na,CO,:10H,0O 531

Salpeter är som alla nitrater lättlösligt i vatten. Det måste vara ett ytterst torrt klimat om sådana salter

ska kunna bilda mineral.

Silverklorid filtreras bort, resten utgör kaliumnitrat-

lösning som indunstas. Ag' + NO; + K+ CI" — AgCl(s) + K' + NO3 Alternativt Blynitrat- och kaliumsulfatlösningar blandas, blysulfat är svårlösligt och kan filtreras av, resten in-

dunstas. Pb?" + 2NO3

+ 2K" + SO7

— PbSO,(s) + 2K' +

2NO3 SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 275

Ingendera av metoderna är bra för framställning av kaliumnitrat: silversalter är dyra och blysalter är giftiga.

T54

Aluminiumfosfat:

droxid. (Om man blandar osläckt kalk med vatten

aluminiumsulfatlösning (alternativt aluminiumkloridlösning) och natriumfosfatlösning. Filtrering, torkning.

2AP" + 3S07 + 6Na" + 2PO7 — 2AIPO.(s) +

6Na' + 3507 AP” + 3CI" + 3Na" + POT — AIPO.(s) + 3Na”

Soda = natriumkarbonat, kalk kan vara osläckt

kalk = kalciumoxid eller släckt kalk = kalciumhy-

blir det släckt kalk.) När man blandar kalk med vatten kommer det finnas kalciumjoner och hydroxidjoner i lösningen. Efter iblandning av sodan kommer lösningen också att innehålla karbonatjoner och natriumjoner. Kalciumkarbonat är svårlösligt

och faller ut (jämför reagens på koldioxid). Kvar i

+3C

lösningen blir hydroxidjoner och natriumjoner — en natriumhydroxidlösning.

T51 Det bör ha funnits en färglös indikator i håret. Ef-

T55

tersom håret blev rosa kan man misstänka att det var fenolftalein, och att sprayen var en basisk lös-

Fosforn kan fällas ut som svårlösligt fosfat, t ex som

aluminiumfosfat. Däremot är alla ammoniumsalter

ning. Det gick alltså att få tillbaka den gamla hår-

och nitrater lättlösliga och därför svårare att avskilja.

färgen genom att neutralisera med en syra. Man kan ifrågasätta om det var en lämplig leksak.

T56

Det är mycket farligt att få basiska lösningar i ögat. (Sprayen hade pH 12 och var enligt uppgift testad på grisögon utan att ge skador.)

svårlöslig silverklorid. T57

T52

Blandningen innehåller dels en syra (ättikan) dels en bas (ammoniak) Syran och basen måste delvis

neutralisera varandra. (Slöseri!) Receptet säger ingenting om halterna av ättikan

och ammoniaken så man kan inte veta om blandningen blir sur eller basisk. (En kemist kan räkna ut

att om substansmängderna är desamma blir pH 7.)

Bikarbonatet är en svag bas och tillsätts i stor mängd. Man kan möjligen gissa att blandningen till slut blir svagt basisk. Bikarbonatet är ganska svårlösligt. Troligen bidrar hettan till den rengörande

effekten. Men framför allt finns fast bikarbonat kvar i blandningen och fungerar som slipmedel. (Bikarbonat används också som slipmedel i skon-

samma tandkrämer.) Pröva gärna bikarbonat som slipmedel hemma eller i skolan! T53

Magsaften är, liksom de flesta kroppsvätskor, en

vattenlösning. Det finns över huvudtaget mycket få vätskor i naturligt tillstånd på jordklotet. (Råolja

och kvicksilver är två.)

276

Tanken var väl att silveroxiden skulle lösas i saltsyra. Men i stället får man en vit beläggning av

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

Det finns fler möjligheter. Man kan blanda en lösning som innehåller kaliumjoner (som kaliumnitrat eller kaliumhydroxid) med en lösning som innehåller sulfatjoner (som natriumsulfat eller svavelsyra).

Uppkommer ingen fällning kan inte kaliumsulfat vara svårlösligt. Ett annat sätt är att visa att kaliumkarbonat löser sig i utspädd svavelsyra utan att bilda någon fast rest (karbonatet bildar koldioxid

med syran).

Kapitel 6

H

601

H

ov

om.

HH

=—

H —

cl CI

cl H

H

H

cl

LA

trans-1,3-dikloro-1-propen cis-1,3-dikloro-1-propen

b)

POR

NS

AA H

H

pentan H

H

A

HÖÖR HOH HOH CO

a H

2,2-dimetylbutan

A

CI

cis-1,2-dikloro-1-propen = trans-1,2-dikloro-1-propen

a) 3-metylpentan

H

H

cl

SYD

”

.CHz3

CS

0

H

NS

N/

HSK HC COH

H

c

HH

H HH

metylbutan

dimetylpropan

OH

H H/

605

bone

NH /N HOH

H

a)

Br

Bro

ANV

ar

— AV

b)

602

a) Alkaner är: C,H;, C.H,,, CH,-CH,

Br

FN

nr

JD

b) CH,-CH,-CH,-CH, 603

a)

NÖENENENS H”

C

NS

C

NS

C

C

NS

AAA

H

HH

HH

NH

TION

NA

trans-2-penten

cis-2-penten

d)

På den ena kolatomen vid dubbelbindningen

finns två lika atomer. (H) H

606

b) 2-metylhexan, 3-metylhexan

a)

c)

H—C=C—H+m

—>

H

”C=0/ ,

Acetylen

H

604 a) C,H,Cl, C,H,Br,, C,H,CL.

c=0l

H

re

H

+H

—

Eten

H

H

b)

Br

Br

H Br”

H

not

H

H”

NH

Etan

Så här:

Ö

N

H

De två senare cis-trans-isomeri.

H

H

Br f

cis-1,2-dibromoeten = trans-1,2-dibromoeten

OH

HE ES OH + Br 3 CR H

HH

H 2

—>

HH

H

Br KD oe H

NN

BrH

/N

H

1,2-dibromobutan SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 277

613

H

HH

I

H

N/

Es

+ HO

—

NL

I

H

H

We

NM

OH

H

ZAN

NI

HH

|

HH

ON/

JA JA LAVA HR NINA H HH HH OH HOH H-C/NILEN HH HH OH

VV

SN A A AA HOHH HH OH

nu

OH

H

OH

AN

2-propanol

OH

H

/A

H VY HH HH OH SAN AV

HH

NLEON/

oH

heptan

2-metylhexan

ÅN

3-metylhexan

2-dimetylpentan

OH 2,3-dimetylpentan

/N

H OH glycerol

HH HH HH OH NOM OM OM

NI NS Hu?

1-propanol

HO

/N

H

2-propanol

SNSNSTOH HC Åh

b)

NS

HS

H 607 Du

HH

H

H OH propylenglykol

c) CH, -CH,-CH,-CH,-OH 2,4-dimetylpentan

608 a) C,H; + 50, > 3CO, + 4H,O b) 2C,H,, + 250, > 16CO0, + 18H,O ce) 2C.H,,OH + 170,> 12CO, + 12H,0

3.3-dimetylpentan

609 Etanol, etandiol, 1-propanol, 2-metyl-2-propanol 1-Butanol är delvis löslig (= 10 26).

3-etylpentan

610

2C,H,CIl + 50, > 4CO, + 2H,O + 2HCI 2,2,3-trimetylbutan

Den sura rökgasen kan renas med kalk. 611 a) 1,2,7-heptantriol

b) 1,2,3-propantriol, glycerol

614 a) 2C,,H,, + 310, > 20CO0, + 22H,0

612

Blanda alkoholen med vatten. Om den löser sig är det 1-propanol annars 1-pentanol.

278

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

615

616 a) A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4, C2, C3, C4, D1, D3, E1, E3, E4 b) = a

c) A2, A3, B1, C4, D3

d) E1, E3

e) C1, D2, D4, E2,

617 a) A1, A2, A4, B1, B2, B3, B4, C2, C3, D1, E3 b) A3, C4

c) D3, E1, E4

— d) A3,C4

T2 När de framställts ur växtmaterial som levt under

de senaste = 200 åren.

Kapitel 7 701 a) 3,2 mol

b) 7,2 mol

€) 2,6 mol

d) 0,60 mol

702

618 a) A1, A2, A4, B1, B2, B3, B4, C2, C3, D1

a) 6 mol

b) Al, B3

703 a) 0,9 mol

b) 0,8 mol

c) 78 mol

b) 1,48 mol

c) 2,1 mol

619

a) A1, A2, A4, A5, B1, B4, B5, C5, D2, D4, D5 b) A1, A2, A5, B1, B4, B5, C5, D2, D5

704 a) 0,040 mol — b) 1,4: 107” mol

c) A4,D4

705 1,2g

d) A4,D2

620 a) C2—C3,B2—B3

706

3Mg +N,

—

Mg.N,

0,714g

707

23g. (Densiteten kan antas vara 1,0 g/cm”.)

708

350

709

3dl

b) A2—A5,B4—C5

621 a) Först till B5 och sedan vidare till D1 b) C2 och C3

c) D3

d) D2

e) C4

710 0,20 mol/dm” 622

a) A1, A4, B2, B5, C5, D1, D3, D5, D6, E2 b) A2, A6, B1, B3, B4, B6, C1, C2, C6, D2, D4, E1, ES c) A5, C3, (C4), E3, E6

711 a) 0,150 mol — b) 85,00 g/mol — €) 12,75 g

712

1,040 : 107? mol/dm”

623 a)ES

b)E2

713

a) 0,60 mol

f)C1

g)A3

c)B4

d)E3

e)B5

714

a) 3,0 mol/dm”

624 a) A2, B4, C6, D2,D4 — b)B6,E1

715

C) A2, A4, AS, B4, B6, C3, D2, D3, D4, E1, E3, E6,

716 1,08

d) B1, C5

'b) 0,080 mol

b) 5,0 mol/dm?”

a) 3,50 dm”

b) 0,400 dm”

e) C4

717 a) 0,416g TI

€) 0,19 mol/dm?

b)0,799g

€)0,533g

Diamant

718

0,10 mol/dm?

SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 279

719

0,10 dm?

T71 1,1kg

720

0,13 mol/dm?

(CszH,,005 + 81,50, > 57CO, + 55H,0)

721

a) 0,50 mol

b) 0,75 mol

722

T72

Den duger inte. Lagen ska innehålla 0,048 dm?

a) 0,17 mol/dm?

b) 0,34 mol/dm?

(50,4 g) ren ättiksyra, CH,COOH, per dm”? lösning.

0,1 mol/dm? ättiksyra innehåller 6 g ren ättiksyra per dm? lösning.

c) 0,17 mol/dm? 723

a) 1,4: 107” mol/dm? — b) 2,8: 107” mol/dm? 724 a) Zn + 2H" + 2Cl" SH, + Zn” + 21

b) 0,23 dm” (230 cm”)

T73 6 (5,7) mol/dm? Anta att man blandar 3 kg is och 1 kg salt. 1 kg NaCl är 17 mol NaCI. 3 kg is smälter och blir 3 dm? vatten.

725 a) H' + CI" + Na” + OH” >

H20 + Na" + Cl"

b) 0,0549 dm? (54,9 cm”) 726

a) syre

b) 4,8 mol

801 Na(s) — Na”

727 2,50g 728

Kapitel 8 + e”

(oxidation)

ClL(g) + 2e" > 2CI” (reduktion) 2Na(s) + Cl,(8) >

1,46g

2NaCl(s)

802

729 a) 70 g NaCl innehåller mer än 1 mol NaCI. b) Produktens massa kan inte vara större än

(21 + 5,4) g.

a) 2Ca(s) + O,(8) > 2CaO(s) Kalcium oxideras och syre reduceras.

b) 2K(s) + F,(g) > 2KF(s) Kalium oxideras och fluor reduceras.

c) Blandningens koncentration ligger mellan

0,150 mol/dm? och 0,090 mol/dm”.

803

1801 klor, i 802a syre och i 802b fluor. 730

a) 0,40 mol

731 10,9g 732

0,00865 mol/dm?

733 2,89g

b) 1,2 mol 804 1801 natrium, i 802a kalcium och i 802b kalium.

805 = Cu(s) + 2Ag' > Cu”" + 2Ag(s) 806

a) Fe(s) + 2Ag" + 2NO; 734

18,6HW

735

2,5:10"st

— 2Ag(s) + Fe + 2NO3

b) Silverjoner är oxidationsmedel, järn är reduktionsmedel.

736 0,70 kg

807 — 2Ag' + Pb(s) > 2Ag(s) + Pb”

737

808

280

0,14 mol/dm? + SVAR TILL ÖVNINGAR

a) Vätejoner

b) Järn

809

kols sänks från +IV till 0. För att höjning och sänk-

Ja, zink står till vänster om väte i spänningsserien.

ning ska bli lika krävs 2 Mg. Syret stämmer. 0

+III

0

+IV

810

b) 3Si(s) + 2Cr,0,(s)

a) Nej, zink står till vänster om järn i spänningsserien.

Kisels oxidationstal höjs från 0 till +IV och kroms

b) Ja, silver fälls ut på zinkplattan eftersom silver står till höger om zink i spänningsserien. Zn(s) + 2Ag' > Zn" + 2Ag(s)

ren för 3 och 4 är 12. Det krävs fyra krom och 3 kisel. Syret stämmer 6 st på varje sida.

—

4Cr(s) + 3SiO,(s)

sänks från +III till 0. Minsta gemensamma nämna-

811

820 a) 3Cu

a) Mg(s) + 2H" > Mg” + Hy(g)

Koppar oxideras från 0

b) Magnesium oxideras, vätejoner reduceras.

från +V till +II. Minsta gemensamma nämnaren för 2 och 3 är 6. Det krävs då 3 koppar och 2 kväve.

+

2NO3

+ 8H"

—

3Cu”' + 2NO + 4H,0

till +II och kväve reducerat

För att laddningarna ska stämma så måste man läg-

812

Br,(aq) reagerar med natriumjodidlösning men inte med natriumkloridlösning. Den halogen som

gatill 8 H”. Det bildas då 4H,O. Då stämmer syret.

står högst upp i gruppen tar lättast åt sig elektroner,

b) 4A1 + 30, > 2ALO, Aluminium oxideras från 0 till + III och syre reduceras

reduceras lättast.

från 0 till II. Minsta gemensamma nämnare är 6. Det

krävs 2 aluminium och 3 syre. Men eftersom man vill

813

ha heltal som koefficienter multiplicerar man med 2.

ClL(g) + 2e" >

2CI”

21 S

(oxidation)

IL +2e”

(reduktion) 821

CL(g) + 21 > 2CK + 1,

a) Silverelektroden blir positiv pol. Vid pluspolen i

en galvanisk cell sker en reduktion. Silver reduce814

ras lättare än koppar och blir därför positiv pol.

Ja, bromidjoner avger sina elektroner lättare än kloridjoner.

b) Pluspol: Ag" + e€"

>

Minuspol: Cu(s)

Cu” + 2e”

Totalreaktion: Cu(s) + 2Ag”

815

Syre reduceras från 0 till II och väte oxideras från 0 till +I. 816

>

Ag(s)

a)

+

b)

+II

c) +II

b) Ag,O, silver(T)oxid

c) AuCl,, guld(IID)klorid d) SnO,, tenndioxid €e) N,O, dikväveoxid

Cu”

+ 2Ag(s)

822 Pluspol: AgCl(s) + e"

Minuspol: Mg(s)

>

—

Ag(s) + Cl (aq)

Mg”'(aq) + 2e”

823

817 a) PbO,, bly(IV)oxid

>

f) CLO,, diklorheptaoxid

818

Ia) där koppars oxidationstal höjs från +I till +II och ib) där kväves oxidationstal höjs från +IV till +V

819 0 +IV +II 0 a) 2Mg(s) + CO,(g) — 2MgO(s) + C(s) Magnesiums oxidationstal höjs från 0 till +II och

Batteriet ska ge hög och stabil spänning under lång tid. Det ska vara lätt, helst uppladdningsbart och miljövänligt. Dessutom ska det vara billigt. 824

Anod: 2CI"

>

Cli(g) + 2e”

Klor bleker lackmuspapper.

Katod: 2H"

>

Hjy(g)

Väte kan antändas (knallgas).

Totalreaktionen: 2CI" + 2H"

>

ClL(g) + Hy(g)

825 HI kräver lägst spänning för att sönderdelas. I” SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 281

oxideras lättare än Br” som oxideras lättare än CI”,

jod står högre upp i tabellen. 826 Det sker en galvanisk korrosion när saltet löser sig i vatten och fungerar som elektrolyt.

834 Pluspol:

2MnO,(s) + H,O(]) + 2e" > Mn,O,(s) + 20H”(aq) Minuspol: Zn(s) + 20H”(aq) 2MnO,(s) + Zn(s)

Om man har olika metaller i spiken och taket bildas en galvanisk cell som påskyndar korrosion.

T81

828

T82 b) 4Cu(s) + O,(8)

c) 2Cu,O(s) + O,(8)

>

—

2Cu,O(s)

ZnO(s) + H,O(1) + 2e”

>

Mn,O,(s) + ZnO(s)

Cellreaktion:

827

a) En electron

>

För att ta bort syrgasen ur vattnet.

Jod reduceras till jodidjoner, oxidationstalet mins-

kar från 0 till I.

4CuO(s)

Jod oxideras till jodatjoner, oxidationstalet ökar

829

från 0 till +V.

Oxidationsmedel krävs i a) svavel har oxiderats. Reduktionsmedel krävs i b) och d), klor och järn har reducerats. Ingetdera krävs i c).

En metod är att testa medlet på ett ämne som lätt

830

T83

a) PbO

b) Fex(SO,);

c) Fe(NO.),

reduceras. Om en reaktion sker, fungerar medlet

som reduktionsmedel.

Det kommer att ske en reaktion där det bildas jod, I,,

och Fe”'joner. I” är starkare reduktionsmedel än Fe”". 831

Fe(s) — Fe” +3e" O,(g) +4e" > 207 4Fe(s) + 30,(8)

832

—

Kapitel 9

2Fe,0,

=: Koppar, som oxideras.

901 a) K', Br, KBr

833 Uppstår när oädla metaller

Korrosion

AP", O”, ALO,

b) Mg”, T, Mgl, d) Mg”, N”, MgsN,

förvaras i fuktig luft

Koppar, silver och guld

Ädla metaller

Jonlösning i ett batteri

Elektrolyt

När ett ämne avger elektroner = Oxidation, reduktionsmedel

Kallas positiva joner vid en Katjoner elektrolys Händer vid negativa polen i ett — Oxidation batteri En reaktion där ett ämne avger elektroner samtidigt som ett annat ämne tar upp dem

Redoxreaktion

Metaller och väte ordnade efter — Elektrokemiska spänningsavtagande reduktionsförmåga — serien Ledande stavari en elektrolyscell — Elektroder Kan halogener användas som Oxidationsmedel 282

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

902

Natriumklorid är en jonförening och formeln anger enklaste formelenhet. De övriga uttrycken innebär att man kan urskilja molekyler med t ex 4 natrium och 4 klor i Na,Cl,. Men jonföreningar är inte uppbyggda av molekyler.

903

a) ökar

b) minskar = c) ökar

d) ökar

904 AP", Mg”", Na", F', CI. Positiva joner är mindre än negativa. Högre positiv laddning ger mindre jon. Flera ”skal” ger större jon.

905

912

Ingen atom kan avge en elektron utan att energi tillförs, eftersom en negativt laddad partikel (elektronen) ska separeras från en positivt laddad partikel (den jon som bildas).

906 Jonbindningarna bryts delvis. Magnesiumjonerna och oxidjonerna blir rörliga i smältan och får inte längre bestämda lägen som i det fasta ämnet. Smältpunkten är högre för MgO därför att jonbindningen är starkare: jonerna är mindre och har högre laddning.

907

b

Kalciumoxidens joner har dubbelt så höga jonladdningar och attraherar varandra hårdare än de envärda jonerna i rubidiumklorid. Bindningen i kalci-

umoxid blir starkare och smältpunkten högre. (Kalciumoxidens joner är dessutom mindre.)

914 — NH;i, PO?, CIO; , CC.

908

a) Jonradien är större för K” än för Na”. b) Jonradierna i CsI är båda större än motsvarande

915

a) CO

ob) SOT, HJO" — ce) Nej

i NaBr.

916

c) Laddningen hos båda jonerna i kalciumoxid är större än hos båda jonerna i natriumfluorid. (Radien hos de positiva och negativa jonerna är parvis mycket lika och inverkar bara lite här.)

Syreatomerna bildar en liksidig triangel med kväveatomern i triangelns tyngdpunkt.

909

kar. Starkast bindning i H,, svagast i I,.

918 CS, eftersom svavelatomen är större än en syreatom och ger lägre elektrontäthet i bindningen till kol. Bindningen blir alltså svagare.

910

919

a) Klor

920 —

Följ pilar.

Bindningsstyrkan minskar när atomernas storlek ökar, dvs när elektrontätheten i bindningen mins-

917

a) 2

b) Rak

b) Natrium

c) Syre

Eftersom kväve har 5 valenselektroner kommer de två atomerna i kvävemolekylen att kunna dela tre

=

elektronpar och därmed båda få ädelgasstruktur. Elektrontätheten i bindningen blir mycket stor och bindningen mycket stark. 921

911 H

HC-H H

H

H

H—C—C-H -!

H

H

a) I

b) Cl

c) O

d)F

e) C(något lite) f) Cl

sd

H-C-C-Ö-H H

922

a) och c)

H

SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 283

923

931

Vinklingen av molekylen innebär att molekylen blir en dipol och att den kan attrahera joner mycket

Vätebindningar i vatten måste brytas för att brom ska kunna lösas. Men vätebindningarna är starkare än de bindningar man får tillbaka mellan vattenmolekyler och de opolära brommolekylerna (vdW).

väl. Vattenmolekylerna håller också ihop med starkare bindning än vdW, vilket gör att vatten inte lö-

ser eller blandar sig med opolära ämnen. 932 924 a) och b) I den osymmetriska molekylen av monoklormetan är kloratomen mest elektronegativ och kommer att utgöra molekylens ”negativa ände”. Ammoniakmolekylen är en låg pyramid med det elektronegativa kvävet i toppen, som alltså blir ”negativ ände” i molekylen. Koldioxidmolekylen

är rak och syreatomerna ligger lika långt från kolatomen. Kolatomen är tyngdpunkt både för negativ och positiv laddning.

a) Nej, samma orsak som i 931, P, har opolära molekyler. b) Ja — lika löser lika. Bara vdW bryts och nybildas.

Jämför 931. 933 a) Nej (Joner kan bara ge vdW — bindningar

till

heptan eftersom heptan inte är någon dipol.) b) Ja. Energi krävs för att bryta jonbindningar vid upplösningen men samtidigt avges ungefär lika

mycket energi, när jon—dipolbindning uppkommer

925

mellan vattenmolekylerna och jonerna.

Du bör ha ritat vattenmolekyler med sin väteände

(den positiva änden av dipolen) in mot den nega-

934

tiva jonen.

Rita ett system med sexkanter och starta med dubbel-

bindning på en alternativ plats. 926

Li" resp Mg”. I båda fallen beror det på den mindre

935

jonradien. Vattenmolekylerna kommer närmare och

Varje kolatom omges av tre andra och alla valens-

binds därmed hårdare.

elektroner ingår i bindande elektronpar Både nitrat

och grafit har delokaliserade elektronpar. 927 — 51,16 928 a) F,

b)I, vdW-bindningens styrka ökar med

molekylens area.

929 a) N,. (OBS att det är först vid kokpunkten som alla

bindningar mellan molekylena bryts.) b) P ga trippelbindningen är kväve en något mindre molekyl än syre och man kan anta att vdW-bindningen mellan kvävemolekylerna är svagare.

930 Ämnen med kovalent bindning beståri många fall av molekyler med svaga vdW-bindningar mellan molekylerna. Men i flera andra fall är ämnet uppbyggt av nätverksmolekyler, som diamant och kisel. Då finns

inga svaga vdW-bindningar att bryta utan bara kovalenta bindningar. Smältpunkten blir då hög.

284

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

936 a) Etanmolekylen har enkelbindning mellan kolatomerna och alltså lägre elektrontäthet mellan atomerna än eten (dubbelbindning) och etyn (trippelbindning). Lägst elektrontäthet ger svagast bindning och vice versa. En kort bindningslängd avspeglar en stark bindning och tvärtom.

b) 251 kJ/mol. Differensen i bindningsenergi är (598-347) kJ/mol. 937 Svavelmolekylen har tydligen starkast vdW —bindning mellan molekylerna och måste alltså ha störst area av de två. Eftersom atomslagen är nära lika stora måste antalet atomer i molekylerna vara det

som bestämmer arean. Svavel innehåller alltså flest atomer (S; resp P.).

938

CH,, CS,, CCI. Alla har vdW-bindning mellan molekylerna, ingen av molekylerna är en dipol. CCI, är

större än CS, som är större än CH,. (Klor och svavel är stora jämfört med väte. Molekyler av CCl, innehåller fler atomer än CS,)

3: På samma sätt bör denna förenings formel vara grågul, (Vi har satt färgerna i bokstavsordning eftersom elektronegativiteten inte är känd.) c) 2 och 4. Man kan se att det finns avgränsade

molekyler, avstånden inom molekylerna är mindre

än avstånden mellan molekylerna.

939

d) Kovalent bindning inom molekylerna, vdW eller

Nej. Ja, man kan inse av elektronegativiteterna att väte inte är positivt i metan. Det finns inte heller några elektronegativa atomer på en grannmolekyl som kan attrahera väte.

dipol mellan molekylerna.

940 VdW-—bindningar mellan läkemdelsmolekylerna,

a) Modell 1.

liksom i fettet. Fettet löser medicinen.

e) ”svartvit,” resp ”blå,gul,”.

944 b) Ädelgaser (vdW) eller en metall (metallbindning). c) Halogenerna eller syre, kväve, väte. vdW mellan

941 a) Den Cl, som bildas reagerar med NaBr i första U-röret. Br, bildas. (Det bildas 0,024 mol Cl, som precis kan oxidera 5,0 g (0,048 mol) NaBr till 0,024 mol Br,.)

b) Br, oxiderar Nal i andra U-röret. I, bildas. (0,024 mol Br, kan oxidera 0,048 mol Nal (7,3 g)

till I,. En del Nal finns alltså kvar efter fullständig reaktion, tillsammans med den NaBr som bildas.)

c) Jod kommer delvis att hamna i isvattnet. d) I röret finns två salter, NaBr och Nal, samt I,,

uppbyggt av molekyler, Joden kan lösas ut med ett polärt lösningsmedel, t ex cyklohexan, som inte löser salterna.

de tvåatomiga molekylerna, kovalent bindning inom molekylerna. d) 4: orangeröd,

5: brun,grön,

€e) T ex MgSO,, KCIO,, AIPO,. Den negativa sammansatta jonen ska ha sammansättningen AB, och ha samma laddning som den positiva jonen.

T91

Se t ex 944 modell 3. En metod är att först rita lika många joner av varje slag i ett regelbundet mönster och sedan ta bort hälften av det ena slaget på ett systematiskt sätt. T92

Jämför t ex CaO och NaF (laddning) samt natrium-

halogeniderna eller alla alkaliklorider (radie).

942 a) H, vdW, HF vätebindning, NaF jonbindning,

Na metallbindning.

T93 Lösningsmedlet bör vara opolärt. Brommolekylerna är opolära och kan bara attrahera lösningsmedlets

b) CH, vdW, C,H.OH vätebindning, SO, dipol—dipolbindning, kisel kovalent, germanium kovalent bindning. Germanium och kisel är icke-

molekyler med vdW. Då ska lösningsmedlet också

metaller, byggda som diamant)

I polära lösningsmedel som vatten och alkohol finns

c) CH,

SO,

CHOH

= germanium

= kisel

ha mycket svaga bindningar mellan sina molekyler. starkare bindningar än vdW som måste brytas vid upplösning, vilket är energimässigt ofördelaktigt.

943

a) 1 och 3. Det går inte att urskilja några molekyler. Oriktade bindningar b) 1: Man kan se att förhållandet mellan atomslagen är 3:2. (Man räknar på en pusselbit som upprepas.) Föreningens formel bör alltså vara grå,röd,

T94 Strösocker är lösligt i vatten. (Socker har en mängd OH-grupper som kan ge vätebindningar.) Kalciumkarbonat är ett salt som är svårlösligt i vatten.

Paraffin är ett opolärt ämne. Varken strösocker eller SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 285

krita är opolära föreningar. Strösockret kan lösas ut med vatten och paraffinet kan extraheras ur blandningen med ett opolärt lösningmedel. Kalciumkarbonatet finns kvar som rest. Man kan låta lösningarna av paraffin och strösocker indunsta efteråt.

Kapitel

10

1001

a) 2,5 dm?

b) 1,4 (1,36) dm”

1002

Ungefär 9 - 107 Pa

tryck får man 9,07 mg/kg. I tabell 10:1 är syretrycket 99 kPa eftersom vattenångans tryck är 2,3 kPa. I vanlig fuktig luft är syretrycket 0,209 - 101,3 kPa.)

1010

0,3 (0,26) mol/dm”

1011

NO, CO,, CL, Ar, SO,

1012

1,68

1013 Alternativ b) (gasvolymerna förhåller sig som 2:1:2)

1003 Trycket sjunker med stigande höjd vilket gör att ballongen utvidgar sig (pV = konstant). Men volymen minskar då temperaturen sjunker så det gäller

för forskarna att ta hänsyn även till det då de räknar. 1004 a) 4,0 dm”. Reaktionsformeln säger att (1+1) mol

gas bildar 2 mol gas.

1014 a) 8,2 mg

b) C.H,,0; + 60, > 6CO,+ 5H,O c) Nej, det krävs nästan 12 mg syre.

T101 v=k:

'M » molekylernas medelhastighet är omvänt proportionell mot roten ur molekylmassan.

b) Volymen minskar med 1/4. 1 dm” NO +

T102

1dm” O, ger 1 dm” NO, + 1/2 dm” O,i överskott.

Vattnet står under tryck i ledningen, men trycket

sjunker då kranen öppnas. 1005 Eftersom neons molmassa är lägre blir substansmängden neon större. Därför innehåller den större ballongen neon.

1006

a) 24,5 dm? (1 mol) — b)5,1 dm?

c) 4,0 dm?

1007 Vid cirka 70 ”C. Avläs i diagrammet (sid 180), som

visar vattnets ångtryck.

1008 Syremolekylen har något större area än kvävemolekylen eftersom kvävemolekylen dras ihop av trippelbindningen. VdW-bindningens styrka ökar

med arean. 1009 9,28 mg/kg. (Utan korrektion för vattenångans 286

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

Kapitel

11

b) Reaktionen är endoterm, entalpin minskar, men

eftersom det bildas gas så ökar entropin.

1101

Värme + CuSO,: 5H,O(s)

>

CuSO,(s) + 5 H,O(g)

1102 Reaktionen är endoterm.

Värme + (CH.),CO(l) > (CH.),CO(g) Värme tas från fingrarna till förångningen.

1111 I samtliga fall är reaktionerna endoterma, minskar

entalpin när vatten avdunstar. Men eftersom oordningen, entropin, ökar sker avdunstningen ändå.

1112 Ett fast och ett flytande ämne reagerar till ett fast ämne. Oordningen minskar alltså i systemet. Eftersom reaktionen sker måste den vara exoterm, an-

1103

nars skulle inte något villkor var uppfyllt. Det blir

varmt vid kalksläckning.

2H+2I (436+151) kJ

2298

kJ

2HI

1113 AH = —185 kJ. Reaktionen är exoterm.(679 kJ

krävs för att bryta bindningar, 864 kJ frigörs när bindningar bildas)

9 kJ lägre värmeinnehåll hos produkterna, alltså är reaktionen exoterm

1114

1104

a) 2,7 : 105 kJ

a) Flytande brom

b) Gasformig koldioxid

c) Gasformigt vatten

d) 2 kg vatten.

1105

a) AH > 0

b) AH < 0

c) AH < 0

1106 = 93 kJ frigörs, reaktionen är exoterm. 1107

AH = —103 kJ. Reaktionen är exoterm.

1115 1116

b) 17 ton

AH= 1436 kJ

1117 2Ca(s) + O, (8)

—

2CaO(s). Eftersom reaktionen

sker trots att oordningen minskar måste reaktionen vara exoterm, dvs AH < 0. (Kalcium är en oädel metall och oxidationen sker lätt.)

AH=382kJ 1118

1108

a) AH = 90,2 kJ

1109 a) CH, (8) + 6,50,(g) b) AH

=

b) 180,4 kJ

—

4CO,(g) + SH,O(g)

—-2 672 kJ/mol butan

€c) 2672 kJ

d) 46 kJ/g €) 121 kJ/g (243 kJ/mol H,)

Här övergår ett fast ämne till en gas och ett fast ämne. Oordningen ökar i systemet. Reaktionen skulle kunna vara antingen endoterm eller exoterm, eftersom ”oordningsvillkoret” är uppfyllt.

Men eftersom reaktionen är en sönderdelning av

ett salt av en oädel metall till ren metall krävs det sannolikt stor energitillförsel för att den ska ske. AH bör vara >> 0. 1119

f) Väte

Entropin minskar i systemet eftersom ett fast ämne

1110

+ en vätska blir ett fast ämne. Eftersom reaktionen sker måste entalpin minska i systemet.

a) Vätskan avdunstar och för detta krävs värme

som tas från spelarens hud som då kyls. SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 287

1120

a) 1. AH är troligtvis något >0 eftersom kalcium som är lite oädlare än magnesium bildas. 2. AH < 0, silver som är ädlare än magnesium bildas. 3. AH < 0, en bas reagerar med en syra. 4. AH > 0, eftersom reaktionen är en sönderdel-

ning bryts bindningar.

Kapitel

12

1201

a) pH>7

b) pH H,PO; + H,O" H,PO; + H,O — HPO? + H,O' HPO? +H,O > POT + HO" b) H.PO, är starkast. Ju högre negativ laddning partikeln har, desto svårare blir det att avge en

c) 1: 107” mol/dm?

proton, som ju är positivt laddad.

1220

1232

CO? +H,0O > HCO; + OH"

1233

d)

1234

b)

1235

NH," + H,O > NH, + HO"

[H"] = 2,9 - 107" mol/dm? pOH = 10,46 [OH7] = 3,5 : 10" mol/dm” 1221 1222

13,52 (pOH = 2,89)

pH = 11,11

1236

1223

a) Basisk

[H"] = 2: 1077 mol/dm?

b)Sur — NHi + H,O > NH, + HJO"

pOH = 7,2

[OH”] = 6:10" mol/dm?

e)HPOF

COT

+ H,0 > HCO3

+ OH”

c) Neutral

d) Basisk NO; + H,O > HNO, + OH”

1224 = Kolsyra, ättiksyra, myrsyra.

1237

31,7 cm”

1225

a) HAc + H,O — Ac” + HJO” b) Då sker en reaktion så att jämvikten återställs. Hydroxidjoner reagerar med lösningens vätejoner. Jämvikten återställs genom att reaktionen ovan går åt höger, dvs [HAc] minskar, [Ac”] och [H”] ökar

1238

H,SO, (aq) + 2NaOH(aq) 0,1054 mol/dm? 1239

2,10

tills jämvikten återställts.

1240 = 4,0-:107? mol/dm?

1226

1241

CO> +2H" > H,CO, > H,O + CO,

— 2H,O + Na,SO, (aq)

pOH = 2,40

[OH]

SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 289

1242 [OH-] = 0,0304 mol/dm3 pOH = 1,52 pH = 12,48

1302 a) 1—-Butanol

SS

1243 = 0,192 mol/dm?

1244

OH

HO-CHzCHz-CH>CH3

b) 2—-butanol

OH — CHsz-CH2

1,67 g H,CO, >H,O + CO,

HCO3 , H,PO; och HPO7Y .

Metanal kpkt —21 ”C, dipolbindningar, något star-

med förmåga att bilda vätebindningar med vattenmolekyler. Bara metanal och etanal är helt vattenlösliga.

Kapitel

13

b) Stor. Aldehyder kan bilda vdW—bindningar och

vätebindningar med etanol. 1305

1301

a) CH,

HM NS HgI r ) H—C” ”C—H

II HE SH H

a) Båda är dipoler, båda saknar väteatomer som kan bilda vätebindningar och de har samma mol-

+ Br, > CAH,,Br,

massa.

fe

b) Alkoholerna kan bilda vätebindningar och får

därmed högre kokpunkt. c) Molekylen är en dipol och kolvätedelarna är korta.

Z/N,B

HOH

d) Dipolbindningarna mellan acetonmolekyler är så svaga att vdW— bindningar mellan aceton och längre kolkedjor kan ersätta dem.

b) CH, + Br, > CAH.Br + HBr

iI

'

HN,

HH

I

I

HAS

h

290

HRT

Br--Br

Bye

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

I

I

FN

h

H—Br

I

bildas

1306 Lösligheten avtar när kolkedjan blir längre ungefär

som för alkoholer.

1307

1315

a) Myrsyramolekyler och etanolmolekyler hålls samman genom vätebindningar. Propanmolekyler hålls samman endast genom vdW— bindningar. b) Propan.

1308 a) Natriumbutanoat (natriumbutyrat), ett salt som

1316

består av joner.

Lösningsmedlet kan inte påverka de kovalenta bindningarna i polystyren. Den har alltså konstant kolmassa vid upplösning och intorkning.

b) Stearinsyra, C,,H,.COOH, reagerar med natriumhydroxid varvid saltet natriumstearat (tvål) bil-

das. 1309 a) A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4, C1, C2, C3, C4, D2, D3,D4

b) C3, C4, D2, D3 c) A3, B3,D4 1310 a) C2

KAN

karboxylsyra, smörsyra (butan-

syra).

b) Karbonylgrupp, aldehyd, pentanal. c) Karbonylgrupp, keton, butanon. d) Halogenatom, bromoalkan, 1-bromopropan. e) Hydroxigrupp, primär alkohol, 1-propanol.

b) A4

c) B4

f) Hydroxigrupp, sekundär alkohol, 2-propanol.

1311

1318

Vätebindningar mellan karboxylgrupper (dimer). Den ganska stora bensenringen gör att vdW—bindningar spelar en stor roll.

1319

a) — d), och b) — c)

a) Kondensationsraktion.

b) Oxidationsreaktion.

c) Additionsreaktion.

1312

a) I cyklohexanet. Den opolära bensenringen ger

1320

bra vdW-bindningar

a) Termoplaster smälter, härdplaster förkolas i

b) Bensoesyran reagerar med natriumhydroxiden

stark värme

till natriumbensoat. Bensoatjonen löser sig bättre i

b) En polymer bildad genom sammanslagning av

vatten än den opolära bensoesyran, därför återfinns nu syran som salt i vattnet.

många molekyler som innehåller var sin dubbel-

1313 a) CH,-CH,-CO-O-—CH, b) H-CO-O-CH,-—CH, ec) CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH,-CH, -CO-O-CH,-CH,-CH,-CH,-CH, 1314 o

Hu

lof HY

o

ÅA

+H30

bindning. Den sammanhållande kedjan blir en alkan. På den kan det sitta olika atomgrupper. Exempel: polyeten, polypropen, polystyren, PVC, plexiglas.

c) Ester. Genom en kondensationsreaktion. Kondensationspolymer.

1321 ox ox ox CH,OH — HCHO > H-COOH > H,CO, (> CO, + H,0) metanol metanal koldioxid + vatten

metansyra

kolsyra

SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 291

formaldehyd myrsyra, kan betraktas som en aldehyd och oxideras därför lätt vidare.

Kapitel

1322

1402

HO-CH,-CHOH-CHOH-CHOH-CO-CH,OH

oH Oo

HO

OH OH

T131

OH

153,0 kJ/mol

T132 Riktningen på B— bindningen (snett utåt) gör att glukosringarna kan ligga på linje efter varandra i cellulosakedjan. I stärkelse däremot, är

o—bindningen riktad nära vinkelrätt mot glukosringens plan och molekylen blir "vinklad" vid varje glukosring. (Stärkelsen kommer att bilda en spiral av vilken ett halvt varv visas i texten.)

T133 När ett färgat föremål belyses med vitt ljus absorberar det vissa delar av ljuset. Det som inte absorberas återkastas och upplevs av vårt synsinne som föremålets färg. Rött och violett ljus absorberas av löven, grönt ”blir över” och syns som färg.

Diamant innehåller bara enkelbindningar. Det åtgår högre energi än det synliga ljusets för att excitera dessa bindningars elektroner till en högre tom ener-

ginivå.Grafit innehåller många delokaliserade elektroner. Det finns gott om energinivåer på lagom höjd att excitera till. Allt synligt ljus absorberas, grafit är svart.

14

Ledtråd: Varför fungerar inte de vanliga reduk-

tionsmedlen?

1403 — TiCl, + 2Mg > Ti + 2MgCl, 1404 Först: 4Cu + O, > 2Cu,O sedan: 2Cu,O + O, > 4CuO 1405

Cu + 2H,SO, > CuSO,(s) + SO, + 2H,O Cu: oxidationstalet höjs 2 steg

S: oxidationstalet sänks 2 steg (SO7 — SO.) 1406

6H" + 2Cu + 2NO; > 2Cu”" + 1NO, + 1NO + 3H,O Cu: oxidationstalet höjs 2 : 2 steg N: oxidationstalet sänks 1 (NO,) resp 3 (NO) steg

1407 CaWO),: sur oxid WO,, basisk CaO BaSO,: sur oxid SO,, basisk BaO

Sc,Si,0,;: sur oxid 2SiO, (svagt sur), basisk Sc,0, (svagt basisk). 1408

Natriumkloridens smältpunkt är 801 ”C. Skillnaderna beror på att jonladdningarna i NaCl är mycket lägre (+1 och —1) än i TiN (+3 och —3).Högre laddningar ger starkare bindning.

1409 En keram ska vara svårsmält, inte löslig. Den får inte heller reagera med syror eller baser. Na,O är både lättsmält, lättlöslig och starkt basisk. MgO är

något löslig och basisk (men svårsmält). ALO, är olöslig, svårsmält och varken sur eller basisk, dvs

reagerar inte med baser eller syror. 1410

SiO3 . I kedjans alla tetraedrar är två syrehörn delade och tillhör en kiselatom med 742 vardera. Två syrehörn är odelade och tillhör kisel helt. 2:1/2+2=3

292

+ SVAR TILL ÖVNINGAR

T148

1412

NHI + 20, >

NO3 + H,O + 2H"

1413 SiCl, + 2H, > Si + 4HCI 1414 MnO, + C > Mn + CO, 1415

0,35 ton

1416 2Pb0O + C S

Gödseln innehåller vätefosfatjoner som kan reagera med kalken och bilda svårlösligt kalciumfosfat.

Växterna kan få fosfatbrist. U 141

Tänk på jonernas storlek och rörlighet.

U 142

Vad händer när sulfidjonen oxideras?

U143

De sura salterna ska kondenseras och lämna en vattenmolekyl.

2Pb + CO,;

Det går åt 5,07 g C

U 145

Tänk på de negativa jonerna.

T141

På 1600-talet eldades det inte med svavelhaltiga bränslen (olja t ex). Däremot reagerade koldioxid

iluft med CuO (t ex 2CuO + CO, + H,O > Cu, (OH),CO.). T142

Upphettad volfram oxideras snabbt i luft (syre) och

tråden brinner av. T143 Fundera bl a över transporter (vikt), framställ-

ningskostnad, återanvändning och återvinning, diskning (!).

T144 Seg, stark, rostar inte. Besvärlig framställning. T145

Kiseldioxiden i glaset angrips av det basiska diskmedlet. T 146

Eftersom syra gör att allt fler hörn kopplar ihop sig blir det till slut 4 delade hörn i tetraedrarna, alltså SiO, (sand).

T147

2NaN, > 2Na + 3N, Natrium bildas. Om det kommer i kontakt med fukt bildas natriumhydroxid som är starkt basiskt och kan ge ögonskador. Natriumazid är också mycket giftigt. Om krockkuddar inte löst ut kan det bli problem vid bilskrotning. SVAR TILL ÖVNINGAR

+ 293

Register bikarbonat

A absoluta nollpunkten

10,14

aceton 226

acetylen 92 addition

additionspolymer 102,235 aggregationsform 10

aldehyd 225 aldos 233 alkalimetall

251

bindningsenergi 146, 151,

bindningslängd 152,220 bindningsvinkel 155 biobränslen

26

brons

alkemi 22 alken 91 alkohol 94, 225

54

247

bränd kalk bränslecell

65,72 135

BTB 54

buffertlösning 214

alkylgrupp 86 alkyn 91

allmänna gaslagen 178 138,245

amid 232 amin 232 ammoniak 65 ammoniumklorid anod 137

72

apatit 249, 256 Aristoteles 22

aromatisk förening 220 asbest 252 atmosfären 176 atom 22,24 atomkärna 30

atommassa 30,42 atommassenhet

30,42 31

atomnummer 30 autoprotolys 201

avloppsrening 257 Avogadros konstant

c cellulosa 234 cis-transisomeri 93 cykloalkan 88 D Dalton 22,29 Daltons lag 178 delokaliserade elektroner 153, 222 Demokritos 22,24,29 diamant 157 dipol 159 dipol-dipolbindning 171 disackarid 233 DNA 165 druvsocker 233 dubbelbindning 91,152 dynamisk jämvikt 204

45

Avogadros sats 179

elektrod 36

basisk 56 basisk lösning 54,64, 202 basisk oxid 248

batteri

134

31

134

elektrokemiska spänningsserien

138

elektrolys 137

elektrolyt 134, 137 elektron 29

bensoesyra 228

elektronegativitet 160 elektronformel 37, 151 elektronkonfiguration 33 elektronpar 33

Berzelius

elektronskal

begränsande ämne 118 bensen

220

beryll 250

294

44

+ REGISTER

Empedokles 22 emulsion 232 endoterm 189

energikvantum 32 233

ester 229 etanol 96 eten 91

etyn 92 exoterm

189

F

Falu rödfärg 250 fenolftalein fett

54

229

flerprotonig syra 209 formaldehyd 226 formelenhet 44 formelmassa 44 formelskrivning 130

48,69, 74,

fosforsyra 62

fossila bränslen

K kalcium

förbränning 97 förbränningsvärme förtvålning 231

kalciumoxid

192

elektronparbindning 37,149 33

gas 12,176

gasernas allmänna tillstånds178

gasers löslighet 182 gips 70, 249 glas 253 glimmer 252 glukos 233

glycerol 231

178

grafit 157 grundämne 15,24 grupp 24

26

kalciumhydroxid 65

funktionell grupp 94

gaskonstanten

3 jonbindning 146, 149 jon-dipolbindning 162 jonförening 16,148 jonradie 147 jämvikt 204 jämviktskonstant 205 jämviktsvillkor 205

98

fotosyntesen 98 freon 101 fruktos 233 fulleren 158

ekvation

H halogen 27, 128, 151 halogenkolväten 100 halvmetall 15 heterogen blandning 18 hydratiserad jon 162 hydroxigrupp 94 hygroskopisk 71 härdplast 235

1 icke-bindande elektronpar 155 icke-metall 15 ideal gas 179 indikator 54,212 isotop 31

galvanisk cell 133

ekvivalenspunkt 212 balanserad formel bariumsulfat 72

30

G

E Einstein

B

elementarpartikel elementlära 22

entalpi 192 entropi 193

bromtymolblått

alkalisk jordartsmetall alkan 84

152

enkla sockerarter

32

Boyle 22,56

25

atommodeller

98

blandning 17 Bohr

alkalisk hydrolys 231

amfolyt 201

bilkatalysator 190

91

aluminium

elektrontäthet

72

72

kaliumjodid 72 kalk

65, 249

kalkbruk

65

kalkning 65

kalksten 72 kalkvatten 65,71

kalottmodell

84

katod 137 Kelvinskalan

14

karbonylgrupp 224 karboxylgrupp 227 karboxylsyra 225 karboxylsyra, tabell 227 kemisk förening 16 kemisk jämvikt 204 kemiska räkneord

kemiskt tecken keram 251 keton 226 ketos 233 Kevlar 237

15

69

koefficient 36 kolets kretslopp

98

kolhydrat 233 kolsyra kolväte

N natrium

rost

72

natriumklorid

koncentration

112

naturgas 85

kondensation

12,13

neutral lösning 54,66, 202 neutron 30 nitratjon 60, 153

kondensationsreaktion

koppar 246

229

korresponderande bas 208 korresponderande syra 208

rörsocker

nitrösa gaser 63 nylon 237

kristallvatten

omättat fett 230 omättat kolväte 91

70, 162

krockkudde 256 kungsvatten 63 kvarts

kvicksilver

oxidation 126 oxidationsmedel

oxidationstal

246

kvävets kretslopp

254

oxoniumjon

203

161

129

57

ozonlager 101

24

pinn- och kulmodell 84 plast 235

mol

molekyl 16

polymerisation 102

polysackarid 234 polyvinylklorid 92

vdW-bindning

86

vinylklorid

proton 30 16,164

162

162

202

92, 101, 102

volymhalt 111

värmemängd

188

Scheele

84

vätebindning 165

silikater

252

väteklorid

58

vätespektrum 32

253

väteutdrivande metall

65

Wöhler

smältvärme soda 72

12

spårelement

244

127

84

sprängämnen 255 zink

streckformel 86 strukturformel 84 strukturisomer 86

246

Å

ångbildningsvärme 12 ångtryck 180 åskådarjon 70

101,

Ä

222 sur lösning 54, 202 sur oxid 248

ädelgas 28 idelgasstruktur

svag syra 62, 203 svavelsyra 59, 209

ättiksyra

34

203, 205, 225

svavelsyrlighet 249 syra 56

syra-basindikator 54, 207

syra-baspar 208

PTFE 103 PVC 92, 101, 102, 236

45

molvolym 179

syra-basreaktion 198 syrakonstant 205 syrakonstant tabell

206

systematiskt namn 87

monomer 236 monosackarid 233

mässing 247

R

sällsynta jordartsmetaller

reagens 19,71 reaktant 48

mättat fett 230 mättat kolväte 86 mättnadstryck

sammandragen struktur-

substitutionsreaktion

protolys 198

molekylformel 84 molmassa

polyeten 102,236

produkt 48 protein 232

247

molekylmassa 44

vattnets jonprodukt

substansmängd 45, 113

polär bindning 159 polära lösningsmedel 161

45

molekylförening

58

stärkelse 234 sublimation 12

plexiglas 236 pOH 200

232

minnesmetall

van der Waalsbindning

stark syra 58,200

pH-skalan 54

15,242

56

Vv

saltframställning 73

släckt kalk

pH 198

Mendelejev 24 metallbindning 166 micell

69

233

periodiska systemet PET 236 petroleum 90

30

metan 84

u 30,42 universalindikator

sammansatta sockerarter

126

Pauling 160

111

59

60

salters formler

formel

Pp

magnesium 26

87, 227

uU

sintring 251

M

metaller

233

250

saltsyra

plasma 10

masstal

trivialnamn

salter 67

silikon

L lackmus 54 Lavoisier 56, 189 legering 247 lera 252 lignin 235 ING 89 lösning 18

masshalt

s sackaros

salpetersyra

opolära lösningsmedel

250

233

salpeter 61,72

o ofullständig protolys

134

transfettsyra 230 trippelbindning 91 tvåprotonig syra

safir

korrosion 139 kovalent bindning 37, 149, 158

kretslopp 98

titrering 211

29

råolja 90

72,210

245

torrbatteri

rubin 250 Rutherford

natriumhydroxid 64

kondensationspolymer 235

titan

rostfritt stål 247

25

natriumfluorid

61, 209 84

139,244

180

reaktionsformel 36,74 redoxreaktion 124

reduktion 126 reduktionsmedel 126 relativ atommassa rent ämne 15

42

15

T teflon 102 tensid 232 termoplast 235 tetraedervinkeln 84 Thomson 29 REGISTER

+ 295

Bildregister Corbis Alexander Scott 72e, 73 David Lees 23,24 Paul Barton 13 Remi Benali 145 Ron Sachs 72c

Getty Images Bill Curtsinger 17 Dan Butler 199b David Noton 133 Jeff Sherman 125 Kim Stallknecht 237b Peter Fowler 27,29 Philippe Poulet 183 Robb Kendrick 109 Steve Winter 177 Stocktrek Images 19a Tony Craddock 9 Graffoto 53, 55, 56, 70, 72b, 72d, 112, 135, 182, 221, 235, 247c IBL Bildbyrå 31,32

Johner Charlie Drevstam 247a Ewa Ahlin 11 Imagesource 253 Jens Rydell 214 Johnér Bildbyrå AB 56 Kenneth Bengtsson 213 Per Magnus Persson 243 Roine Magnusson 234 Steven Puetzer 232 Nordic Photos Frank Chmura 28, 236 F1 online 19 Jan Rietz 228a Jann Lipka 26 Ketil Born/Samfoto 202 Stockfood 87 Superstock 37, 83 Mikael Andersson 231b Nils-Johan Norenlind 203 Photo ed 72a, 255

296

+ BILDREGISTER

Scanpix AFP Phioto/NASA 7, 101 Amy Sandetta 66 André Maslennikov 65, 136 Arne Dedert 187 Erja Lempinen 96 Fredrik Funck 85 Jan Frössén 56b, 238 Jeff Kowalsky 194, 199a Jens Bursell 237a Jens Ohlsson 61b Jonas Lindkvist 245a Kent Gilbert 92 Nisse Schmidt 103 Per B Adolphson 43 Sven-Erik Sjöberg 84,90 Victor Kotler 138 Science Photo Library Andrew Lambert 126 Charles D. Winters 35 John Mead 244 Ria Novosti 24 Russ Munn 61a Science Photo Library 44 Victor Schwanberg 139 Övriga

AB Sandvik Service, Sandviken 251b AKG 170 Anders Karlsson 111, 226, 234b, 247b Björn Winsnes 231a Jan Rietz 242 Kjell-Arne Larsson 25, 45, 60, 63, 64, 74, 115, 127, 128, 158, 191, 210, 245b, 250, 252, 273 Kim Naylor 228c Mats Rosenberg 228b Mikko Laurén 15, 25,59, 168, 169, 246 Volvo AB, Göteborg 256a Illustrationer Karl Jilg 99, 113, 137, 147, 211, 212, 251a, 254, 256b

Grundämnenas väte

icke-metaller

H 1

Litium

atom-

nummer

metaller halvmetaller

2

1,0079

atom-

LI

2

9,012

24,31

Kalium

Kalcium

ov K

Ca |

isotopblandningen.

3 Skandium

38

Sr 87,62

Cesium

Barium

4

5

6

Titan

Vanadin

Krom

RLScC 2 Ti

40,08 Strontium

85,47

132,91 Francium

förekommande

Mg

22,99

sCS

tecken

för den i naturen

Magnesium

uNa

Rb

e CJ 12.011 |” kemiskt

Atommassan anger medelatommassan

Be

I

Natrium

39,10 Rubidium

namn

massa

B

6,941

Kor

Beryllium

Li

2

periodiska system

44,96 Yttrium

39

Y

.

137,33 Radium

2 V

47,88 Zirkonium

40

50,94 Niob

Cr

Mn 54,94 Teknetium

Nb

MO

a

91,22

92,91

95,94

Hafnium

Tantal

Volfram

a

-

8

Mangan

52,00 Molybden

Zr

88,91

56 Ba

.

7

TC

|

Ö

Järn

Kobolt

cFe

|:Co

55,85 Rutenium

44

Ru

58,93 Rodium

Rh

(98)

101,07

102,91

Rhenium

Osmium

Iridium

72 Hf

73 Ta

74 w

75 Re

178,5 Rutherfordium|

180,9 — Dubnium

183,8 Seaborgium

186,2 Bohrium

Bh

76 Os 190,2 Hassium

77 Ir 192,2 Meitnerium

. 87 Fr (223)

88 Ra

.

226,0

Lantan

:

sla 138,91 Aktinium

104

Rf

wsDb

ho0Sg

(261)

(262)

(263)

Praseodym

Neodyn

Cerium

«Ce

Pr

140,1 Torium

wsHS

soo Mt

(265)

(266)

Samarium

Europium

(262)

Prometium

I.Nd «PmleSm «Eu

140,9

144,2

Protaktinium

Uran

(145)

150,4

151,96

Neptunium

Plutonium

Americium

. .

2

AC 227,0

oo Th 232,0

9”

Pa 231,0

92

U 238,0

NP 237,0

94

Pu (244)

sAm (243)

F

18 —-

Helium

MN

gasformiga ämnen

B rT

flytande ämnen

a

5

RnT OS Vala mnen

13

14

15

16

17

Bor

Kol

Kväve

Syre

Fluor

B

10,811 |

6

Aluminium

sAl 10

11

Nickel

2 Ni

Koppar

.

[CU

58,69

46

Pd

106,42 Platina

Silver 47

Ag

Zink

Gallium

2Ga

65,38

Kadmium 48 Cd

107,87 Guld

26,98

[»ZN

63,55

Palladium

12

49

112,41

12011 | Kisel

LSi

N

14007 Fosfor

.

«PP

Germanium

Arsenik

2Ge sAS 72,61

Indium

Tenn 50 Sn

Tallium

8

O

16,00

9

F

19,00

Svavel

SS

30,97

69,72

I n

7

28,09

114,82

Kvicksilver

C

Antimon 51 Sb

LC

32,06 Selen

78,96

Tellur «Te

118,71

121,76

127,60

Bly

Vismut

Polonium

Neon

10 N e

20,18

Klor

53

Argon

Ar

35,45

39,95

Brom

Krypton

«Se ss Br

74,92

He 4,0026

Kr

79,90

83,80

Jod

Xenon

I

54

Xe

126,90

131,29

Astat

Radon

. 78

Pt

195,1 Darmstadtium|

DS

79 Au

80 Hg

196,97

200,59

H11 Rg

(285)

Gadolinium

Terbium

Dysprosium

Curium

65 Tb 158,9

Berkelium |

oc CM eZ BK (247)

82 Pb

204,4

207,2

(247)

66

Holmium

162,5

164,9

(251)

Einsteinium|

Erbium

68

Er 167,3

84 Po

85At

(209)

(210)

Livermorium

usel V

(289)

67 Ho

los Cf

208,98

us Fl

Dy

Californium |

83 Bi

Flerovium

CN

(272)

157,3

TI

Röntgenium | Copernicium

(269)

64 Gd

81

(292)

Tulium

TM 168,9

Fermium | Mendelevium!

Ytterbium

ZYb 173,0

Nobelium |

Lutetium

71

Lu 174,97

Lawrencium

100 ES sooFM kalMMd koNO koLr (252)

(257)

(258)

(259)

(260)

RN

(222)