Kjemi 1
ANDREAS D. HARALDSRUD
ALEXANDER H. SANDTORV
ODD T. HUSHOVD
HARALD BRANDT
Kjemi 1
ANDREAS D. HARALDSRUD
ALEXANDER H. SANDTORV
ODD T. HUSHOVD
BOKMÅL
HARALD BRANDT
er en del av følger læreplanen SVANEMERKET
Forord
Leser noen forord? Vi vet ikke helt. Vi tror at
Men leser du dette akkurat nå, så forteller vi deg litt om hvorfor vi har skrevet denne boka. Vi kunne jo ha skrevet noe annet, selvfølgelig. Eller kanskje ikke skrevet noe i det hele tatt.
Så hvorfor akkurat en lærebok i kjemi? En av
og gift – kanskje du tror akkurat det. Men kjemi
mørke skyer som henger over oss. Kanskje du
brytningstid der vi må ta vanskelige valg – og ikke
for livet og naturen. Kjemi handler om å blande,
i kjemi gir oss en linse å se verden gjennom, og
kom fra – og ikke minst hvor vi skal.
teknologien som skal gjøre resirkulering mer
mennesker ut i verdensrommet, og en milliard andre ting.
i livet, i samfunnet og ikke minst i verden. Vi står overfor tunge og vanskelige utfordringer, og du er
avgjørende at vi utvikler et mer fornybart samfunn, at vi sikrer at livet til de fantastiske livsformene
havet og alt det enestående som lever der. Vi må er vanskelig
– men det er her du kommer inn i bildet, du som leser nå – uansett hvem du er.
om kjemi er nøkkelen til å løse alt, men kjemi er en del av et helhetsbilde, og verden trenger derfor
Hvis vi bare kunne gi deg én ting fra denne boka, lære, har betydning – både nå og i tiden framover. Kjemifaget krysser landegrenser og gir mennesker med forskjellig livssyn, bakgrunn og
INNHOLD
1Kjemiske bindinger
1.1Hva er kjemi?
1.2Atomer
1.3Periodesystemet
1.4Sterke bindinger
1.5Svake bindinger
Forsøk
1.1Syntese av hydrogen- og oksygengass
1.2Elektroners energinivåer
1.3Kjemiske bindinger
1.4Alkymi
2Egenskaper og reaksjoner
2.1Periodiske egenskaper
Forsøk
2.1Reaksjonslikninger
2.2Periodiske egenskaper
2.3Kjemiske reaksjoner
3Støkiometri
3.1Stoffmengde og veien om mol
3.2Konsentrasjon
3.3Mengdeforhold i kjemiske reaksjoner
Forsøk
3.1Empirisk formel
3.2Konsentrasjon og løsninger
4Termokjemi
4.1Energi
4.2Entalpi
4.3Reaksjonsfart
Forsøk
4.1Løsningsentalpi
4.2Forbrenningsentalpi
4.3Reaksjonsfart
4.4Katalyse
5Organisk kjemi
5.1Hva er organisk kjemi?
5.2Hydrokarboner
5.3Funksjonelle
5.1Molekylgeometri i hydrokarboner
5.2Egenskaper til alkoholer
5.3Framstilling av etyn (acetylen)
6Likevekter
6.1Reversible reaksjoner
6.2Likevektskonstanten K
6.3Le
7Syrer og baser
7.1Syre-basereaksjoner
og svake syrer
7.3Sterke og svake baser
7.6Syre-basetitrering
8Miljøanalyse
8.1Luft- og
8.2Komplekstitrering
1 Kjemiske bindinger
Etter at du har arbeidet med dette kapitlet, skal du kunne
– gjøre rede for atomets oppbygning og forklare hva grunnstoffer og isotoper er
– forklare likheter og forskjeller mellom sentrale atommodeller
– forklare hvordan emisjons- og absorpsjonsspektre oppstår, og hvordan disse kan brukes til å identifisere kjemiske stoffer
– bruke periodesystemet til å forklare ulike egenskaper ved grunnstoffene
– definere og forklare trender i elektronegativitet
– forklare elektrontetthet i kjemiske stoffer og bruke dette til å forklare bindingstyper og egenskaper
– beskrive de sterke bindingstypene (ionebinding, kovalent binding og metallbinding) og forutsi hvilke bindinger som dannes mellom ulike atomer
– beskrive svake bindinger mellom molekyler og drøfte faseoverganger med utgangspunkt i bindingsstyrke
1.1
Hva er kjemi?
mellom dem. Kjemi gir oss innsikt i alt fra hvordan levende organismer fungerer, til hvordan vi kan lage nye materialer for en bærekraftig framtid. Både vi, naturen rundt oss, teknologien vi bruker og legemidlene vi tar for å
VIKTIG!
og hvorfor ting henger sammen. Kjemi er en utforskende vitenskap som stimulerer til nysgjerrighet og forståelse av virkeligheten.
Kjemi er læren om stoffers egenskaper og reaksjoner.
Dette skjer på atomnivå og er ikke direkte observerbart. Vi kaller det for mikronivå
kan for eksempel være bobler som indikerer gassutvikling, fargeendringer eller
1.2
lukt. Dette observasjonsnivået kaller vi makronivå. Det er et viktig poeng for en
å kunne oversette dette til hva som skjer på mikronivå. Til dette brukes det eksperimenter, simuleringer og modeller.
Som kjemikere observerer vi egenskaper og reaksjoner på makronivå, og forklarer disse fenomenene på mikronivå.
Kjemi er et eksperimentelt fag der vi tester ut hypoteser og teorier i laboratorier eller i simuleringer. Deretter evalueres resultatene i lys av en etablert teori, og nye hypoteser og teorier utvikles. Denne måten å jobbe på er svært sentral i
med faget. Disse eksperimentene skal illustrere viktige sider ved teorien du leser om, i tillegg til å gi deg ferdigheter i å jobbe i et laboratorium.
Atomer
All materie består av atomer. Atomer består av protoner (p+ som sammen kalles atomkjernen –seg i et område som er veldig stort om vi sammenlikner med atomkjernen. Du kan se for deg et stort fotballstadion med en golfball i midten. Golfballen representerer en atomkjerne, mens hele banen og tribunene er området der
VIKTIG!
representere elektroner. Tenk da på hvor mye tomrom det er i et atom!
VIKTIG!
Det som kjennetegner hvert , er antallet protoner i kjernen. Dette kaller vi atomnummeret
enn protoner, kaller vi det et ion, som er et ladd atom. Egenskapene til ulike
forskjellig. Grunnstoff
Et grunnstoff er et rent stoff som består av bare én type atomer. Grunnstoffer har et bestemt antall protoner i kjernen. Dette kaller vi atomnummeret til grunnstoffet.
Isotoper – antallet nøytroner i et grunnstoff kan variere
isotop og sammensetningen i atomkjernen er ulik, men de kjemiske egenskapene er stort sett like.
Isotop
Isotoper er varianter av samme grunnstoff som har likt antall protoner, men ulikt antall nøytroner.
Figur 1.1. Modell av et heliumatom
EKSEMPEL 1.1
nukleontallet. Alternativt kan vi skrive det slik:
Her er X atomsymbolet, Z atomnummeret (antallet protoner) og A antallet
ovenfor kan vi derfor skrive som henholdsvis H , H og H :
1.2. Modeller av tre hydrogenisotoper
Bestem antallet protoner og nøytroner i disse isotopene:
a 6 13 C
b U-234
a Vi ser at atomnummeret er 6, og atomet har derfor seks protoner. Nukleontallet er 13, og derfor er antallet protoner + antallet nøytroner lik 13. Da er antallet nøytroner 13 – 6 7.
b Grunnstoffet er uran, og vi finner det som nummer 92 i periodesystemet. Derfor har uran 92 protoner. Tallet som er skrevet etter atomsymbolet i U-234, er nukleontallet. Vi har derfor 234 – 92 142 nøytroner. Slike tunge grunnstoffer har ofte mange flere nøytroner enn protoner.
Atommodeller
Vi har ingen direkte bilder av hvordan et atom ser ut, men vi kan bruke ulike modeller forenklet representasjon av et fenomen i virkeligheten. Modeller blir derimot aldri helt lik virkeligheten. Et eksempel er en modell av en by. Den sier noe om
Figur
VIKTIG!
strukturen og oppbygningen av byen, om bygninger og parker, veier og elver,
hverandre. Men modellen sier ingenting om menneskene i byen, hvordan de samhandler, eller hva som skjer der.
Alle modeller sier noe, men ikke alt, om en avgrenset ting, for eksempel et atom. En modell har begrensninger. Den kan være egnet til å forklare noe, mens den er dårlig egnet til å forklare andre ting. La oss se på ulike modeller som benyttes for å beskrive og visualisere atomer, ioner og molekyler.
Modell
En modell er en forenklet representasjon av et bestemt fenomen i virkeligheten, med visse forutsetninger og begrensninger.
Molekylmodeller viser hvorda n molekyler er bygd opp
Molekylbyggesett brukes ofte til å visualisere molekyler.
En vanlig måte å representere molekyler på er å bruke kulepinnemodeller. Du har for å illustrere atomer og bindingene mellom dem. Hver pinne illustrer en kjemisk binding som består av to elektroner, og hver kule illustrerer et atom. Hvert hull i atomkulene representerer et ledig elektron som kan danne binding. Antallet hull viser altså hvor mange bindinger atomet kan danne. Det er vanlig å bruke ulike farger for å representere forskjellige atomer, som hvit for hydrogen, oksygen, blå for nitrogen og gul for svovel. Bildet til venstre viser et molekylbyggesett og kulepinnemodeller for aminosyren glysin og for modeller kan også bygges med dataprogrammer.
Ved hjelp av slike modeller kan vi se hvordan atomer er plassert i forhold til vi kan representere ulike molekyler med kulepinnemodeller.
EKSEMPEL 1.2
Bygg eller tegn disse molekylene med kulepinnemodell:
a Vann
b Etanol: H3C CH2 OH
c Eddiksyre:
Vi bruker et molekylbyggesett eller et dataprogram til å lage modellene. abc
Vi kan også bruke bare kuler eller bare pinner for å tegne molekyler. Dersom vi bruker en kulemodell, får vi fram hvordan atomene overlapper hverandre, mens dersom vi bruker en pinnemodell, får vi lettere fram hvordan vinklene mellom -
kyler, der kulemodellene kan se veldig kaotiske ut.
Skallmodellen viser energien til elektronene
En atommodell som er mye brukt, er skallmodellen. Den kalles også Bohrs atommodell
Modellen viser et bilde av atomkjernen med bestemte skall som elektronene elektronene.
Figur 1.3. Kulemodell og pinnemodell av eddiksyre
Energinivå 2
Energinivå 1
Figur 1.4. Bohrs atommodell viser at elektroner rundt en atomkjerne har ulike energier.
VIKTIG!
beveger oss ut fra kjernen. De innerste skallene kan også beskrives med bokstavene K, L, M, N og O, der K er skallet nærmest kjernen. Hvert skall
mulig energi i et atom. Det er også et poeng at et elektron kan ha energien
kvantisert. Det betyr at elektroner bare kan ha bestemte energier. Du kan sammenlikne dette med å gå opp en trapp. Du trappetrinnene.
er derfor feil. Elektroner beveger seg nemlig ikke i bestemte baner rundt et atom. Bohrs atommodell egner seg derimot godt til å beskrive energien til til å forstå enkle kjemiske bindinger. Dette skal vi se på seinere i kapitlet.
Skallmodellen
Skallmodellen er en representasjon av atomet der elektroner befinner seg i bestemte skall eller energinivåer. Dette kaller vi kvantisering.
n elektroner i skall nummer n. Det er
energien til elektronet i hydrogenatomet, men vi trenger andre modeller for å
eksakt hvilken energi de har, er orbitalmodellen.
Orbitalmodellen – en mer presis beskrivelse av elektroner og bindinger sannsynligheten for at et elektron er i en viss posisjon ved en viss tid.
og struktur ved hjelp av matematiske modeller og beregninger, kalles kvantekjemi slike beregninger og simuleringer blitt en viktig del av kjemifaget.
område. Flere eksperimenter bekrefter denne egenskapen. Men mange ekspekvantemekanikken og kalles partikkel-bølgedualiteten.
Orbitalmodellen sier oss mer om hvilke energinivåer et elektron kan ha enn det skallmodellen sier oss. Det er nemlig slik at ikke alle elektroner i samme skall har underskall,
orbitaler. Formene på orbitalene viser oss både hvor det er mest sannsynlig å
Figur 1.5. En s-orbital og en p-orbital
Det er plass til bare to elektroner i hver orbital, så for eksempel hydrogen og helium har bare én orbital, mens litium har to og neon fem. Orbitalmodellen er mer presis enn skallmodellen, og det er derfor denne modellen som faktisk
skallmodellen kan fortsatt være nyttig når vi skal forklare på en enkel måte hvordan kjemiske bindinger oppstår, og hvordan elektronene i et atom er fordelt.
VIKTIG!
Tabell 1.1
Viktige modelltyper
Orbitalmodellen
Orbitalmodellen er basert på Schrödingerlikningen og gir en beskrivelse av energien og posisjonen til elektronene. Modellen kan brukes til å beregne mange egenskaper ved kjemiske stoffer og reaksjoner.
Tabellen nedenfor oppsummerer de viktigste modellene vi nå har sett på.
MODELLFORKLARING
Molekylmodeller:
– Kulepinnemodell
– Pinnemodell
– Kulemodell
Orbitalmodellen
Molekylmodeller er tredimensjonale modeller som på ulik måte viser geometrien og sammensetningen til molekylene.
i et atom, og at det er forskjell på energien til elektronene.
Orbitalmodellen er en matematisk modell som gir oss presis informasjon om energien og posisjonen
Modellen kan brukes til å forutsi kjemiske egenskaper, struktur og reaktivitet.
Emisjons- og absorpsjonsspektre
ligger til grunn for både Bohrs atommodell og orbitalmodellen. En observasjon som stemmer med at energien til elektronene er kvantisert, er at atomer sender
hydrogengass (H ), splittes hydrogengassen til hydrogenatomer og begynner å lyse. Dersom vi sprer dette lyset med et prisme, ser vi at det består av helt emisjonsspekter
Figur 1.6. Et rør fylt med hydrogen lyser dersom det blir tilført mye energi. Dette gir opphav til et emisjonsspekter, som viser hva slags lys som sendes ut. Dette gir informasjon om hvilke energinivåer som finnes i hydrogenatomet.
på, og de stemmer med de eksperimentelle verdiene. Dette sier oss at atomer bare kan ta imot og gi fra seg energi i bestemte mengder, altså at energien er kvantisert. Dette kan vi bruke skallmodellen til å forklare.
elektronet blir eksitert. Elektronene hopper deretter svært raskt ned igjen, og deeksiterer, og at lys blir emittert er avhengig av hvor mye energi som ble frigitt. Lys(blågrønt) Lys(UV)
Figur 1.7. Elektronet til hydrogen kan motta ulike energimengder som svarer til forskjellen i energi mellom skallene i hydrogenatomet. Når elektronet mister energien igjen, frigis energien som stråling. Dette kan skje i flere trinn, helt til elektronet er tilbake igjen i det opprinnelige skallet.
Vi bruker fortsatt atom- og molekylspektre for å analysere ulike forbindelser.rubinrøde og himmelblå (caesius på latin) spekterlinjer.
Når vi brenner et salt, får vi fram en farge som er karakteristisk for metallionetet salt. Men legg merke til at vi bruker slike tester bare som en indikasjon på -
dre, og det negative ionet i forbindelsen kan også påvirke resultatet. Dessuten er saltet sjelden helt rent.
Figur 1.8. Emisjonsspektrene til cesium (øverst) og rubidium (nederst) gir opphav til flammer som ser forskjellige ut når vi brenner cesiumklorid og rubidiumklorid.
Absorpsjonsspektre viser hva slags lys et stoff kan ta opp
begynner å lyse. Det er derfor ikke så lett å få emisjonsspektre fra molekyler.
energinivåer, kan molekyler bare absorbere lys med bestemte energier. Vi kan
absorpsjonsspekter
Figur 1.9. De svarte linjene i absorpsjonsspektret til hydrogen viser hva slags lys hydrogen absorberer når lys skinner igjennom ikke-eksitert hydrogen. De fargede linjene i emisjonsspektret viser de samme energiovergangene, men nå er det eksitert hydrogen som selv sender ut dette lyset.
Figur 1.10. Emisjonsspektre oppstår når en eksitert gass lyser. Absorpsjonsspektre oppstår når vi sender lys igjennom en gass eller væske som ikke er eksitert.
emisjonsspekter. Det betyr at lyset kommer ut igjen, så hvorfor vises ikke gassen, som når fram til prismet. For det andre er absorpsjonsspektrene ovenfor
instrumenter som kalles spektrometre
FORSKNING!
Simuleringer – med verden i lomma
Med stor datakraft kommer flere muligheter til å gjøre tunge beregninger. En smarttelefon i dag ville fungert som en supercomputer i 1990-årene, noe som viser hvor mye prosessorkraften i datamaskiner har vokst de siste tiårene. Det har kjemikere tatt på alvor. Ved hjelp av modeller og simuleringer kan vi nå gjøre eksperimenter i virtuelle laboratorier. Vi kan forutsi kjemiske egenskaper til medisiner og materialer, og vi kan utforske problemstillinger under betingelser som vi ikke har mulighet til i et laboratorium.
Ved hjelp av modellering av kjemiske stoffer kan vi få innsikt i hvordan atomer og bindinger fungerer på et svært grunnleggende nivå. Det gir oss ny og bedre innsikt i hvordan verden fungerer, i tillegg til at det kan komme til anvendelse i kjemisk forskning og industri.
Tenk bare på alle millionene av reaksjoner og vekselvirkninger mellom atomer og molekyler som skjer i kroppen vår hver dag. Med en datamaskin kan vi få innblikk i oss selv på en helt annen måte – helt nede på atomnivå! Det «å finne seg selv» får dermed nok en betydning.
Eksperimenter har fortsatt en framtredende plass i kjemifaget, men ved å bruke simuleringer kan vi få enda større innsikt i hvordan verden fungerer.
Stillbilde av en simulering av hvordan en cellemembran i kroppen vår og vann oppfører seg mot hverandre
1.3 Periodesystemet -
ste ressursene vi har i kjemifaget. Ikke bare gir det oss oversikt, men fordi
informasjon om egenskaper og om reaktivitet. Vi skal se nærmere på egen-
Atomnummeret
VIKTIG!
i det ytterste skallet. Det er disse elektronene som deltar i kjemiske reaksjoner
Periodesystemet har loddrette grupper og vannrette perioder
gruppe deler mange egenskaper. Derfor gir vi noen av gruppene spesielle navn,
Gruppe og periode
Periodesystemet grupperer grunnstoffer etter felles egenskaper. Gruppenummeret forteller oss hvor mange elektroner grunnstoffet har i det ytterste skallet, mens periodenummeret angir antallet skall. Grunnstoffer i samme gruppe har mange felles egenskaper.
metaller, ikke-metaller og halvmetaller.
bindinger som dannes mellom ulike atomer. Dette skal vi se nærmere på i
metallene med gult og ikke-metallene med rosa.
Andreas D. Haraldsrud
er lektor ved Centre for Computing in Science Education (CCSE) ved UiO, og jobber i tillegg som lektor i kjemi, fysikk og matematikk ved Valler videregående skole. Han har skrevet lærebøker i programmering, og arbeider med integrering av modellering og numeriske beregninger i kjemi.
Alexander H. Sandtorv
er førsteamanuensis i kjemi ved
Universitetet i Oslo. Han har skrevet flere lærebøker i kjemi, og fagbøker for barn og unge.
Han er en av landets fremste kjemiformidlere, blant annet med egen spalte i Morgenbladet.
Odd T. Hushovd
er lektor ved Ås videregående skole og har mange års undervisningserfaring i kjemi og naturfag på videregående skole. Han har lang erfaring som lærebokforfatter i kjemi og naturfag for videregående skole.
Harald Brandt
er lektor ved lærerutdannelsen i Århus og har lang undervisningserfaring fra lærerutdanning og videregående skole, både i Danmark og Norge. Han har vært lærebokforfatter i kjemi og naturfag i mange år.
Kjemi 1
På Aunivers.no nner du Aschehougs digitale ressurser til kjemi 1. Det digitale innholdet omfatter fullstendige løsninger på oppgavene i boka, interaktive quizer, videoer om eksperimentelt arbeid, undervisningsopplegg med lmer samt artikler om dagsaktuell kjemi og programmering. I tillegg vil lærer ha tilgang til kapittelprøver, terminprøver, opplegg til muntlig eksamen, oppskrifter på løsninger, demonstrasjonsforsøk og Lærerens digitalbok.