Kjemi 2
ANDREAS D. HARALDSRUD
ALEXANDER H. SANDTORV
ODD T. HUSHOVD
Kjemi 2
ANDREAS D. HARALDSRUD
ALEXANDER H. SANDTORV
ODD T. HUSHOVD
BOKMÅL
er en del av følger læreplanen
Forord
kjemifaget er.
minne deg på at kjemifaget kan være en viktig del
Forfatterne
INNHOLD
1Kjemifaget mot 2030
1.1Framtidens kjemi 8
1.2Bærekraftsmålene 21
2Likevekter og løselighet
2.1Likevektsberegninger 32
2.2Reaksjonskvotienten Q – likevekt eller ikke likevekt? 37
2.3Løselighet
2.4Ioneproduktet Q – felling eller ikke felling?
2.5Løselighet i naturen og i industrien 52
Forsøk
2.1Fellingsreaksjoner
2.2En reversibel fellingsreaksjon 71
2.3Fellingstitrering – å bestemme kloridkonsentrasjonen i saltvann 73
3Elektrokjemi
3.1Redoksreaksjoner 78
3.2Balansering av redoksreaksjoner 91
3.3Galvaniske celler
3.4Spenningsrekka
3.5Batterier
3.6Elektrolyse
3.7Elektrokjemiske celler på datamaskinen 133
Forsøk
3.1Oksidasjonstall 154
3.2Redokstitrering 156
3.3Spenningsrekka 158
3.4Korrosjon 160
3.5Galvaniske elementer 162
3.6Elektrolyse 163
3.7Elektrolyse av vann 165
4Organiske reaksjoner og analyse
4.1Reaksjonstyper
4.2Reaksjonsmekanismer
4.3Syntese
4.4Kromatografi 209
Forsøk
4.1Estere – syntese og egenskaper
4.2Mikrosyntese av sykloheksen via en eliminasjonsreaksjon 239
4.3Syntese av benzosyre 241
4.4Syntese av acetylsalisylsyre 243
5Sure og basiske løsninger
5.1pH i svake syrer og baser
5.2pH i vannløsninger av salter og gasser
5.4pH-beregninger med programmering
5.1pH i saltløsninger
5.2Oksider i vann – blir løsningen sur eller basisk?
6Spontanitet og katalyse
6.1Entropi
6.1Entropi, entalpi og
7Biologiske makromolekyler
7.1Makromolekyler
1 Kjemifaget mot 2030
LÆRINGSUTBYTTE
1.1
Etter at du har arbeidet med dette kapitlet, skal du kunne
– forklare hva som menes med den lineære og den sirkulære modellen for kjemi
– forstå hva som ligger i begrepet grønn kjemi, og kjenne til de 12 prinsippene grønn kjemi er basert på
– vurdere og sammenlikne E-faktor og atomeffektiviteten til enkle, kjemiske reaksjoner
– gjøre rede for hva som menes med FNs bærekraftsmål, og hvorfor de er relevante for kjemifaget
Framtidens kjemi
«Det er et uomtvistelig faktum at menneskelig påvirkning har ført til oppvarming i atmosfæren, i havet og på land.»
rapport som handlet om den nyeste klima-
menneskeskapte klimaendringer står bak ekstremvær, blant annet varmere hetebølger, sjonen av drivhusgassen karbondioksid er den høyeste den har vært i atmosfæren på minst to gjennomsnitt enn den var i førindustrialisert tid , vil
global oppvarming føre til at gjennomsnittstemperaturen på jorda kommer til å øke med
Det aller viktigste punktet i rapporten var likevel dette: Det er fortsatt mulig å unngå de verste konsekvensene av global oppvarming. Spørsmålet er bare hvordan?
Et globalt problem
Global oppvarming er nettopp det – et globalt problem. Det påvirker alle mennesker på jorda i en eller annen grad, og ikke minst alle andre levende organismer som holder til her. Siden klimaet ikke eies av en bestemt stat eller nasjon, betyr det også at vi mennesker må arbeide sammen, på tvers av landegrenser og politiske og religiøse syn, men også på tvers av faggrenser. Global oppvarming er en tverrfaglig problemstilling, og det betyr at mange stillingen er altså tverrfaglig, og det er helt nødvendig å samarbeide.
Det er stor enighet om at vi mennesker må bli mer bærekraftige, at vi må endre måten vi lever på, slik at vi tar bedre vare på ressursene våre, forbruker mindre og slipper ut mindre forurensning og drivhusgasser.
Hvilken rolle skal kjemifaget spille?
Kjemifaget kan spille en stor rolle når vi skal håndtere globale problemstillinger. Her er noen eksempler: Kunnskap om og forståelse av polymerer
brytes ned av seg selv i naturen. Ved å utvikle mer bærekraftige prosesser i industrien kan vi slippe ut mindre drivhusgasser og forurensninger. Kunnskap om materialer hjelper oss å utvinne energi på bedre måter fra fornybare kilder,
og miljøvennlige plantevernmidler gjør at vi kan utvikle bedre måter å dyrke mat på. Ikke minst hjelper kjemiske analysemetoder oss å måle og forstå det som skjer i verden akkurat nå, slik at vi kan skape modeller for hvordan verden vil se ut i framtiden.
Kjemifaget kan altså bidra til å løse de store globale problemene vi står overfor, men aller først må kjemifaget utvikle seg. Det må gå fra en lineær til en sirkulær modell.
Den lineære modellen
Den lineære modellen viser hvordan kjemisk industri fungerer i dag. Vi kan se råmaterialene bearbeides, prosesseres og behandles for å gi oss mennesker eksplosiver, rengjøringsprodukter og gjødsel.
omdannes til noe nyttig; størsteparten slippes ut i miljøet som forurensning, går også i hovedsak tapt etter at de er blitt brukt. De brukes bare én gang, eller Ser vi på den lineære modellen på makronivå, går det meste av råmaterialene tapt som utslipp. Hvis vi ser dette bildet på mikronivå, kan vi si at for hvert
Naturgass
Olefiner og aromatiske forbindelser
, SO x-gasser.
Termoplast, fibre og elastomere
Løsemidler og eksplosiver Andre
Figur 1.1. I dag opererer kjemifaget etter en lineær modell. Et viktig råstoff i kjemisk industri er petrolumsprodukter som olje, kull med mer. Råstoffet kommer inn og produkter kommer ut, men på veien er det store tap av råstoffer. Under ti prosent av produktene blir resirkulert. (Kilde: Garcia-Martinez, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 4956–4960.)
Den sirkulære modellen
bare forbruke dem. I den lineære modellen kastes produktet til slutt. I den sirkulære modellen, bringes produktet inn i en ny syklus, og gir nytte igjen.gjenvinning, men kjemifaget som helhet har likevel en lang vei å gå.
Olje
Kull
Gjødsel
VIKTIG!
Bruke
Lage
Forbruk
Forurense
Kaste
Utgangsstoffer
Gjenbruke
Tap
Gjenbruk
Lage
Bruke
reaksjon eller prosess.
Gjendanne
Gjenbruke
Figur 1.2. Den lineære modellen handler om å forbruke, mens den sirkulære modellen handler om å gjenbruke. (Kilde: Garcia-Martinez, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 4956–4960.)
Lineære og sirkulære modeller for kjemifaget
Dagens lineære modell for kjemifaget handler om å forbruke stoffer. Mesteparten av råstoffene går tapt som forurensing og avfall, og lite blir resirkulert. Den sirkulære modellen er en framtidig modell for kjemifaget som handler om å gjenbruke stoffer.
Et eksempel der de to modellene blir synlige i praksis, er gjenvinning av plast. brent, som selvfølgelig leder til forurensning og utslipp av drivhusgasser, men
lovgivning mangler, og infrastruktur og ressurser som kreves for å resirkulere
rent vann, mat eller enkle medisiner, er det ikke ressurser til å bygge dyre resirkuleringsanlegg, transportsystemer eller annen nødvendig infrastruktur.
økende grad. Løsningen vi diskuterer her er teknologisk og naturvitenskapelig.
For å resirkulere plast, må det først brytes ned manuelt til mindre biter.
stilling og utdannelse er også viktig..
resirkuleres, men avhengig av hvordan det gjøres, kan prosessen kreve mye
altså resirkulere plast, men det kan likevel netto føre til større utslipp av
rett og slett bedre teknologi for å resirkulere, slik at vi gjenbruker en mye større del av den plasten vi kaster.
Kastes
Primær produksjon
Forbrennes
Resirkulering
Figur 1.3. Plastbruk og gjenbruk følger i dag en lineær modell. Lite plast resirkuleres, og storparten slippes ut i miljøet eller i fyllinger, eller plasten blir brent. Resirkulering følger en sirkulær modell, og dette er et område som det forskes på i dag. (Kilde: Geyer et al., Sci Adv, 2017, 3(7), e1 700 782.)
Sekundær
Skal vi gjenbruke mer plast, må vi resirkulere etter en sirkulær modell. En slik
med plast. Det samles inn og behandles kjemisk eller ved hjelp av enzymer, slik at polymeren brytes ned til monomerer, som er enhetene eller byggeviktig at nedbrytingen skjer uten at man slipper ut unødvendige mengder
brukes til å lage ny plast, sendes den ut til forbrukerne, brukes som tenkt,
Det skal mye til for å forbedre alle stegene i den teoretiske modellen slik at den blir virkelighet, men det mest krevende steget er der polymeren brytes ned til monomerer. Vi har i mange tilfeller ikke kommet langt nok til å få dette til på
spaltes av metanol.
Figur 1.4. Eksempel på sirkulær modell, resirkulering av PET
metanol under høy temperatur mens det er sinkacetat, som fungerer som
utfordringer med prosessen er at det dannes biprodukter som må renses, noe som gjør at prosessen blir dyrere og mer krevende.
Grønn kjemi – tolv prinsipper
å tenke ut og utvikle prosesser. Grønn kjemi er et eksempel på et slikt verktøy. Det dreier seg om å
mulig måte, altså på en måte som er mest mulig miljøvennlig og bærekraftig. Kort forklart skal vi lage et produkt på en måte som minimerer ressursene som trengs for å lage det, men også avfallet som dannes i
produkt, bør helst komme fra fornybare kilder, og produktet bør ikke forurense når det brytes ned i naturen. Vi kan også bruke prinsipper for grønn kjemi til å vurdere prosesser opp mot hverandre for å
«Grønn kjemi» er egentlig ikke et eget område i kjemifaget. Det er en tenkemåte som påvirker alle områdene i kjemifaget, og som kan anvendes både i forskning og i industrien. Tenkemåten må tas i bruk i store selskaper, men den bør også gjelde når vi gjøre eksperimenter i forbindelse med forsøk i klasserommet.
En av de viktigste tankene i grønn kjemi, er at det alltid er bedre å hindre bruk
dem etter at de er laget. Her er noen av de andre målene for grønn kjemi:
– Hindre forurensning på molekylnivå ved å tenke på atomøkonomien i en prosess
VIKTIG!
Grønn kjemi
Grønn kjemi er en tenkemåte som handler om å utvikle prosesser, stoffer og metoder i kjemifaget som er så bærekraftige som mulig. eller prinsipper, for hva som menes med grønn kjemi. Disse prinsippene kan vi tenke på som en sjekkliste for å bedømme om vi fremmer grønne prosesser i kjemisk forskning og industri.
De tolv prinsippene
Vi ønsker at kjemiske prosesser skal være optimaliserte, slik at de lager minst mulig avfall. Aller helst vil vi bruke og utvikle prosesser og og prioriterer å minimere dannelsen av avfall, heller enn å ødelegge det etter at det er blitt dannet. En størrelse kalt E-faktor (der E står for prosesser lager. Denne faktoren skal vi se nærmere på om litt.
Atomøkonomi er et viktig begrep i grønn kjemi. Det sier noe om hvor mange av atomene i reaktantene som ender opp i produktet til slutt, eller i nyttige biprodukter. Vi skal seinere se eksempler på produktet, og der færrest mulig atomer går tapt som avfall.midler og kjemikalier som er farlige for mennesker eller for miljøet. Det kan for eksempel bety at vi i en prosess bruker vann som løsemiddel i stedet for et annet polart løsemiddel som er giftig, eller at vi velger en syntese som lager ufarlig avfall, framfor en annen syntese som lager farlige biprodukter.
kjemiske prosesser, kan være farlige eller giftige i seg selv. De kan også
enten i utgangspunktet eller når de brytes ned.
Kjemiske prosesser kan kreve farlige eller potensielt
som mulig. Det kan innebære å unngå å bruke farlige løsemidler, veldig høye eller veldig lave reaksjonstemperaturer, eller reaksjoner som skjer under høyt trykk.
Siden mange reaksjoner krever energi på ulike måter, er det viktig å utvikle prosesser som kan skje uten tilførsel av store mengder energi.
fornybare kilder, i stedet for å bruke for eksempel olje og petroleumsprodukter.
reaksjoner. De settes på i produksjonen og fjernes etterpå, og det betyr at de blir avfall til slutt. Dette prinsippet handler om å unngå beskyttelsesgrupper for å sikre god atomøkonomi.
gjendannet etter at en reaksjon er gjennomført. Det betyr at katalysatorer kan reagere på nytt. Det er derfor alltid bedre å bruke katalysatorer enn
VIKTIG!
Prinsipper for grønn kjemi
De tolv prinsippene for grønn kjemi er viktige regler for hvordan vi skal tenke grønt og gjennomføre grønne valg i kjemisk produksjon og industri.
Fra kloakk til dyremat og nyttige kjemikalier
Et punkt i den sirkulære modellen, er å utnytte avfall, som råstoff for produksjonen av nyttige stoffer. Slik forlenges «levetiden» til atomene, siden de gjenbrukes. Professor Mark Holtzapple ved Texas A&M University i USA utviklet en rekke prosesser som gjorde nettopp dette: Ved å utvikle ny teknologi kunne avfall som kloakk, dyreavføring og rester fra landbruket omdannes til flere nyttige produkter.
Forskerne fant ut at ved å behandle avfallet med kalkstein kunne det fungere som utgangsstoff for å lage dyremat. Dette kalkbehandlede avfallet kunne også gis til en rekke mikroorganismer, som fermenterte det og produserte nyttige karboksylsyrer, som eddik- og smørsyre. Vi bruker ca. 6,5 millioner tonn eddiksyre på verdensbasis hvert år, for eksempel for å lage monomerer for plastproduksjon. Smørsyre er også et nyttig stoff. Det brukes for eksempel til å lage smaks- og duftstoffer og i produksjonen av maling. Disse syrene kan også behandles videre i flere steg og omdannes til alkoholer, som isopropanol og isobutanol. Disse alkoholene kan for eksempel brukes som biodrivstoff.
VIKTIG!
Atomøkonomi
Det andre prinsippet for grønn kjemi sier at vi skal ha best mulig atomøkonomi i en kjemisk reaksjon. Det er egentlig en mikroskopisk måte å se på et makro-
velge de betingelsene som reduserer avfallet mest mulig. Dette prinsippet kan vi anvende på mikronivå, der vi ser på atomene som overføres fra reaktanter
nettopp dette vi mener. Hvor mange av de atomene vi begynte med, ender opp i produktet?
Atomøkonomi
Med atomøkonomi mener vi hvor mange av atomene fra reaktantene som ender opp i produktet etter en kjemisk reaksjon.
VIKTIG!
Vi har to viktige begreper som vi bruker, når vi vurderer atomøkonomien til en prosess eller reaksjon.
E-faktor sier noe om hvor mye avfall en reaksjon eller prosess skaper. E står for
E-faktor, desto mer avfall skapes. En prosess med lav E-faktor lager derfor mindre avfall enn en prosess med høy faktor. Vi regner ut denne faktoren ved å ta massen av avfallet og dele på massen av det ønskede produktet:
E-faktor mavfall m ønsketønsket produkt mreaktanter m produkt m produkt ønsket
sier noe om i hvilken grad atomene fra reaktantene ender
reaktantene opp i det ønskede produktet.
produktet med de molare massene av reaktantene, ganget med hundre prosent.
Atome ektivitet Mønsketprodukt Mreaktanter %
E-faktor og atomeffektivitet
E-faktor sier noe om forholdet mellom avfall og produkt som dannes i en kjemisk reaksjon eller prosess. Jo lavere E-faktor, desto mindre avfall dannes.
Atomeffektiviteten oppgis i prosent og forteller hvor mange av atomene som blir overført fra reaktanter til produkt.
Vi kan bruke både E
lene på de neste sidene. Slike vurderinger kan gjøres med alle reaksjoner og prosesser, fra forsøk som gjøres i klasserommet, til reaksjoner som utføres i
Det er viktig å merke seg at dette bare dekker ett av prinsippene i grønn kjemi,
EKSEMPEL 1.1
eller farlige reagenser, eller den kan kreve mye energi. Skal vi gjøre en samlet vurdering, må vi derfor bruke alle de tolv prinsippene for grønn kjemi samtidig.
Nedenfor er det vist to reaksjoner der etanol oksideres til eddiksyre. Regn ut E-faktor i begge tilfellene, og vurder hvilken prosess som skaper minst avfall.
a Kaliumdikromat og svovelsyre brukes som oksidasjonsmiddel. Det blir brukt 1,0 g etanol, 1,2 g kaliumdikromat og 2,5 g svovelsyre. Det blir dannet 0,78 g eddiksyre. Reaksjonen går slik:
3CH3CH2OH(l) + 2K2Cr2O7(aq) + 8H2SO4(aq)
3CH3COOH(l) + 2Cr2(SO4)3(aq) + 2K2SO4(aq) + 11H2O(l)
b I den andre reaksjonen brukes oksygengass som oksidasjonsmiddel, med en jernkatalysator. Det blir dannet eddiksyre og vann. Det blir brukt 1,0 g etanol, 2,0 g oksygengass og 0,10 g jernkatalysator. Det blir dannet 0,78 g eddiksyre. Reaksjonen går slik:
CH3CH2OH(l) + O2(g) CH3COOH(l) + H2O(l)
a Vi bruker formelen for E-faktor:
E -faktor mreaktanter mønsket produkt
mønsket produkt
mCH3CH2OH mK 2Cr2O7 mH2SO4 mCH3COOH mCH3COOH
1,0 g 1,2 g 2,5 g 0,78 g 0,78 g 5,0
b Vi legger inn tallene for reaksjonen i uttrykket for E-faktor igjen. Massen til katalysatoren skal også tas med i utregningen:
E -faktor mreaktanter mønsket produkt
m sket produkt
mCH3CH2OH mO2 mkatalysator mCH3COOH mCH3COOH 1,0 g 2,0 g 0,10 g 0,78 g 0,78 g 3,0
Vi ser at reaksjon b har lavere E-faktor enn reaksjon a. Det betyr at prosessen med oksygengass og katalysator lager mindre avfall enn når vi bruker kaliumdikromat og svovelsyre. Dessuten vil alternativ a også innebære bruken av et giftig stoff (kaliumdikromat).
Vi ser på de samme to reaksjonene som i eksempel 1.1. Regn ut atomeffektiviteten for de to reaksjonene, og vurder hvilken reaksjon som er mest atomeffektiv.
a For reaksjonen med kaliumdikromat og svovelsyre regner vi ut atomeffektiviteten som vist nedenfor. Merk at de støkiometriske koeffisientene skal være med i utregningen.
Atomeffektivitet
ønsket produkt
b For den andre reaksjonen går vi fram på samme måte. Katalysatorer skal ikke tas med i beregningene, siden de per definisjon ikke forbrukes i reaksjonen, og atomene derfor i teorien kan resirkuleres etter reaksjonen.
Atomeffektivitet
Vi ser at reaksjon b er betydelig mer atomeffektiv enn reaksjon a.
De har som mål å gjøre slutt på fattigdom, bekjempe ulikhet og stoppe klima-
VIKTIG!
med forslag til hvordan målene skulle utformes, og at nesten ti millioner
henger sammen. Det første målet handler om å utrydde fattigdom, som henger
energi for alle, er bare mulig hvis vi også når målet om industri, innovasjon og
resirkulering, slik at vi slipper ut mindre avfall, forurensninger og plast, noe
1.5. De 17 bærekraftsmålene
FNs bærekraftsmål
Bærekraftsmålene er en global handlingsplan for hvordan vi skal utrydde fattigdom, utjevne ulikheter og få slutt på global oppvarming innen 2030.
Kjemifaget kan bidra med forskning, innovasjon, teknologi og kunnskap som eksempler på hvordan kjemifaget kan bidra til at noen av målene blir nådd.
Vi mennesker er helt avhengige av denne tilgangen helt selvsagt, men på verdensbasis er tilgangen faktisk så -
Figur
Solcellepaneler
likeverdig tilgang til trygt drikkevann og gode sanitærforhold, trenger vi teknologi som kan rense kloakk kjemisk og biologisk, og ikke minst sikre at drikkevannskilder har god nok vannkvalitet. Her spiller kjemiske metoder en stor rolle. Vi må øke gjenvinningen av drikkevann, redusere forurensning og begrense utslipp av farlige kjemikalier og materialer.
få tilgang på ren og bærekraftig energi, kreves det en stor innsats på verdensbasis. Vi må utvikle metoder og teknologi for å få tilgang på fornybar energi, både ved å forske fram nye og mer
Tilgang på elektrisitet er nødvendig for å redusere fattigdom og sikre arbeidsplasser, viktig for mange av de andre bærekraftsmålene.
teknologi er et eksempel på noe kjemifaget kan bidra med. Slik teknologi krever at vi forsker på materialer som har de riktige egenskapene, det
største utfordringene vi mennesker står overfor i moderne tid.
endringer gjennom politikk, strategier og planlegging.
Ved å utvikle prosesser som fanger eller binder karbondioksid gjennom kjemiske reaksjoner, kan vi redusere utslippene våre og kanskje til og med
Vannbehandlingsanlegg i Danmark.
Alt liv på jorda er avhengig av havet. Dette bærekraftsmålet sier at vi må bevare havet og utnytte de ressursene som havet gir oss, på en bærekraftig måte. En av de største utfordringene for livet i havet er klimamikroplast er også en trussel for livet i havet.
Ved å forbedre de kjemiske prosessene vi bruker nå, og som produserer fra de produktene vi bruker hver dag, som solkrem, kosmetikk og mye annet.
naturlig ned i miljøet, et tiltak som drastisk reduserer utslippene av mikroplast i miljøet.
Kjemifaget er en viktig premissleverandør for at det skal bli mulig å nå mange av bærekraftsmålene. Gjennom boka skal vi vise eksempler på hvordan teori og forskning kan bidra til at vi når målene, på ulike måter. Det signaliserer hvor viktig kjemifaget er, og hvordan vi ved å utvikle kjemifaget fra en lineær til en sirkulær modell direkte kan påvirke viktige og store utfordringer som kloden og verdenssamfunnet står overfor.
I DETTE KAPITLET HAR DU LÆRT OM
Bærekraft
Kjemifaget og kjemisk industri følger i dag en lineær modell. Det innebærer at råstoffer omdannes til produkter i en rett linje, men at produktene som dannes, ikke brukes på nytt. I dag mister man mesteparten av råstoffet i form av forurensning og utslipp.
Den sirkulære modellen er en framtidig måte å drive kjemisk industri på. Her resirkuleres produkter, slik at de kan omdannes til andre produkter igjen seinere.
Grønn kjemi
Grønn kjemi er en tenkemåte som forteller hvordan vi kan utvikle prosesser, stoffer og metoder i kjemifaget på en mest mulig grønn og bærekraftig måte.
De tolv prinsippene for grønn kjemi, er prinsipper som forteller hvordan man konkret skal innføre grønne valg.
Atomøkonomi er et viktig begrep i grønn kjemi.
Atomøkonomien i en reaksjon eller prosess sier hvor mange av atomene fra reaktantene som blir overført til produkter.
E-faktor forteller om forholdet mellom avfall og produkter i en kjemisk reaksjon eller prosess.
E -faktor mavfall
mønøn øn sket produkt
mreaktanter m sket produkt
m sket produkt
Atomeffektivitet sier hvor mange av atomene som overføres fra reaktanter til produkter, i prosent.
M ønsket produkt
Atomeffektivitet
Mreaktanter 100 %
FNs bærekraftsmål
Bærekraftsmålene består av 17 hovedmål for hvordan verden skal utrydde fattigdom, utjevne ulikheter og bremse den globale oppvarmingen.
KJEMISK DYPDYKK
Se for deg en fabrikk som gjør det grønne planter og alger gjør hver eneste dag. Fabrikken bruker karbondioksid, vann og solenergi og produserer karbohydrater og oksygengass. Det høres ut som science fiction, men tenk bare hvor kraftfull en slik teknologi er. Vi bruker en drivhusgass som utgangsstoff, og ved hjelp av fornybar energi og vann lager vi karbohydrater, altså mat som mennesker og dyr kan spise. Hvis vi kan greier å utvikle en slik teknologi, kan vi nå mange bærekraftsmål samtidig.
I dag forskes det på flere metoder for å få til kunstig fotosyntese. Nye katalysatorer, materialer og prosesser studeres mange steder i verden.
Det er en lang vei å gå – her trengs det forskning!
Bærekraftsmålene krysser alle grenser. Det vil si at de ikke kan oppnås uten at hele verden jobber sammen, og et av de viktigste premissene for at de skal oppnås, er at vi samarbeider. Vi må samarbeide over landegrenser og på tvers av kulturer, språk, religioner og livssyn, og ikke minst trengs det samarbeid over faggrenser.
Kjemi er en viktig brikke for å kunne nå mange bærekraftsmål, men ofte må det skje sammen med mange av de andre realfagene. For å se på livet i havet og jorda må biologer spille en stor rolle. For å sikre ren energi til alle, må fysikk og teknologifag bidra, og noen av målene krever også at realfagene må samarbeide med humaniora, jus og mange av de andre vitenskapelige disiplinene.
Bakterier som resirkulerer
Polyuretan er en mye brukt plasttype som vi finner i syntetiske fibrer (som spandex), joggesko, kjøkkensvamper, madrasser og mye annet. Polyuretan er et eksempel på en polymer, en organisk forbindelse som består av mange, repeterende enheter.
giftige stoffer i denne nedbrytingen, stoffer som trekker ned i jorda.
Polyuretan er en av de plasttypene som i liten grad resirkuleres, fordi den er svært energikrevende å resirkulere. Det meste av polyuretaner ender derfor opp i fyllinger, der de svært langsomt brytes ned. Over tid dannes det
Nylig oppdaget forskere fra Leipzig en ny bakteriestamme. Og stedet der stammen ble oppdaget, er viktig, nemlig midt i en søppelfylling, der det finnes mye polyuretaner. Denne bakteriestammen hadde en spesiell egenskap. Bakteriene klarte å bryte ned polyuretaner og brukte plasten som næring. Og ikke bare det –bakteriene overlevde også de giftige kjemikaliene som dannes når plasten brytes ned. Andre forskere har også oppdaget bakteriestammer som kan bruke forskjellige plasttyper som næring. Selv om det gjenstår mye forskning, er dette kanskje begynnelsen på en ny og miljøvennlig måte å bryte ned plast på.
OPPGAVER
1.1 Framtidens kjemi
1.1.1
Forklar kort begrepene. Bruk dine egne ord.
a Den lineære og den sirkulære modellen for kjemifaget
b Grønn kjemi
c Atomøkonomi
1.1.2
Metallisk jern kan produseres fra jern(III)oksid ved behandling med kull under høye temperaturer:
2Fe2O3(s) + 3C(s) 4Fe(l) + 3CO2(g)
a Under prosessen slippes karbondioksid ut i atmosfæren. Er denne kjemiske reaksjonen lineær eller sirkulær? Begrunn svaret ditt.
b I fabrikkpipene reagerer karbondioksid med natriumhydroksid og danner natriumkarbonat, etter denne reaksjonslikningen:
CO2(g) + 2NaOH(aq) Na2CO3(aq) + H2O(l)
Fabrikken bruker natriumkarbonat i renseanlegget sitt. Hvorfor er prosessen nå blitt mer sirkulær? Begrunn svaret ditt.
1.1.3
En fabrikk lager stoffet B fra utgangsstoffet A.
Fabrikken ønsker å utføre denne reaksjonen på «grønnest» mulig måte. Fabrikken kan velge mellom tre ulike løsemidler for reaksjonen, diklormetan (CH2Cl2), dimetylformamid (HCON(CH3)2) eller etanol (CH3CH2OH). Søk opp HMS-databladene for de tre løsemidlene og vurder ved hjelp av prinsipp 3 for «grønn kjemi» hvilket løsemiddel som er best. Prinsipp 3 sier at vi skal unngå å bruke farlige stoffer.
1.1.4
En forskergruppe har behov for å lage pentan-2-on fra pent-1-yn. Denne reaksjonen kan gjøres med vann
som reagens, men krever en katalysator. Gruppa kan velge mellom gullklorid (AuCl) eller kvikksølvacetat (Hg(CH3CO2)2). Vurder ved hjelp av prinsipp 3 for «grønn kjemi» hvilken katalysator det er best å bruke.
1.1.5
Bruk de tolv prinsippene for grønn kjemi til å velge det grønneste alternativet.
a Er det best å bruke 0,1 M HCl eller 6,0 M HCl i en reaksjon?
b Er det best å utføre en reaksjon ved 100 °C eller ved 50 °C?
c Er det best å velge en reaksjon som lager karbondioksid som avfall, eller en reaksjon som lager hydrogengass som avfall?
d Er det best å bruke et stort overskudd av et reagens eller å bruke en katalysator?
1.1.6
I en reaksjon reagerer A og B og danner C, D og E. En balansert reaksjonslikning er vist nedenfor. Vi bruker 20 g A og 15 g B, og det dannes 10 g C, 5 g D og 20 g E.
A + 2B C + 3D + E
a C er et ønsket produkt. Regn ut E-faktor for reaksjonen.
b D er et ønsket produkt. Regn ut E-faktor for reaksjonen.
c E er et ønsket produkt. Regn ut E-faktor for reaksjonen.
1.1.7
Vi ønsker å lage jern(III)hydroksid etter denne reaksjonslikningen:
FeCl3(aq) + 3NH4OH(aq) Fe(OH)3(aq) + 3NH4Cl(aq)
Vi bruker 12,0 g jern(III)klorid og 38,0 g ammoniumhydroksid. Det dannes 5,5 g jern(III)hydroksid og 2,7 g ammoniumklorid. Prosessen er ikke effektiv, så det dannes også en del andre biprodukter som vi ikke veier. Regn ut E-faktor for reaksjonen.
1.1.8
Regn ut E-faktoren for reaksjonen nedenfor. 1,0 mol (C5H5)2CO(s) reagerer med 1,0 mol LiAlH4 og 250 mol CH3OH. Det dannes 0,90 mol(C5H5)2CHOH og 0,23 mol LiAl(OCH3)4. Anta at alkoholen er ønsket produkt.
Reaksjonslikningen er slik:
4(C5H5)2CO(s) + LiAlH4(s) + 4CH3OH(l)
4(C5H5)2CHOH(s) + LiAl(OCH3)4(s)
1.1.9
Regn ut atomeffektiviteten til reaksjonene.
a 2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s)
Ønsket produkt er MgO.
b BaCl2(aq) + H2SO4(aq) BaSO4(aq) + 2HCl (aq)
Ønsket produkt er BaSO4
c 4(CH3)2CO(l) + NaBH4(s) + 4CH3OH(l)
4(CH3)2CHOH(l) + NaB(OCH3)4(s)
Ønsket produkt er (CH3)2CHOH (butan-2-ol).
d Al2(CO3)3(s) + 3H3PO4(aq)
2AlPO4(s) + 3CO2(g) + 3H2O(l)
Ønsket produkt er AlPO4.
1.1.10
Toluen (C7H8) er et stoff som kan oksideres til benzosyre (C7H6O2) ved bruk av kaliumpermanganat i sur løsning. En balansert reaksjonslikning ser slik ut:
5C7H8 (l) + 6KMnO4 (aq) + 18HCl(aq)
5C7H6O2 (s) + 6MnCl2 (aq) + 6KCl (aq) + 14H2O(l)
I reaksjonen reagerer 461 g toluen med 948 g kaliumpermanganat og 656 g saltsyre. Det dannes 611 g benzosyre, 755 g mangan(II)klorid, 447 g kaliumklorid og 252 g vann. CH3 C OH O H+ KMn04
a Regn ut E-faktoren for reaksjonen.
b Regn ut atomeffektiviteten i reaksjonen.
Kjemisk dypdykk
1A Bærekraftsmålene
Klassen deles inn i et passende antall grupper. Hver gruppe skal ta for seg et av bærekraftsmålene. Bruk boka og nettet til å svare på spørsmålene nedenfor. Hver gruppe presenterer sitt bærekraftsmål i en muntlig presentasjon.
a Hva går bærekraftsmålet ut på? Gjør kort rede for delmålene som inngår i hovedmålet. Velg tre av fagene fra timeplanen din, og forklar kort hvorfor disse tre fagene er relevante for målet. Kjemi må være ett av de tre fagene.
b Velg ett eller to av de tolv prinsippene for grønn kjemi. Forklar hvordan dette prinsippet henger sammen med bærekraftsmålet.
c Hvordan vil verden se ut i 2030 hvis bærekraftsmålene ikke blir nådd? Beskriv denne verdenen gjennom tekst, lyd, bilde eller rollespill.
1B Design en fabrikk
Ta utgangspunkt i en framtidig fabrikk. Fabrikken opererer etter den sirkulære modellen og bruker avfall til å produsere ett eller flere nyttige produkter. Lag en tegning eller et diagram av fabrikken. Forklar kort hvordan de ulike delene av fabrikken fungerer, hvilken funksjon de har, og hva som skjer i hver del av fabrikken.
For inspirasjon kan du for eksempel ta utgangspunkt i en fabrikk som driver kunstig fotosyntese eller bruker bakterier til å bryte ned plast.
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
har doktorgrad i kjemi fra Universitet i Bergen. 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 pensjonert lektor fra 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.
Kjemi 2
På Aunivers.no nner du Aschehougs digitale læremidler til kjemi 2. Det digitale innholdet omfatter blant annet fullstendige løsninger på oppgavene i boka, interaktive quizer, eksamensløsninger og undervisningsopplegg med lmer. I tillegg vil lærer ha tilgang til kapittelprøver, terminprøver, oppskrifter på løsninger og Lærerens digitalbok.