Kjemien stemmer (2012) by Cappelen Damm

Kjemien stemmer Grunnbok Bokmål

Kjemi 1 dekker læreplanen i kjemi for studiespesialiserende utdanningsprogram på Vg2.

Grønneberg • Hannisdal • Pedersen • Ringnes

Læreverket består av: • Grunnbok • Studiebok • Nettsider

ISBN 978-82-02-26713-1

www.cappelendamm.no

Truls Grønneberg

•

Merete Hannisdal

•

Bjørn Pedersen

•

Vivi Ringnes

Kjemi 1 Grunnbok

bokmål

© Cappelens Damm AS, Oslo 2012 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med Cappelens Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Grafisk formgiver: Kristine Steen Omslagsdesign: Kristine Steen Omslagsfoto: Brit Skaugrud Tegninger: Keops/Terje Sundby Bilderedaktør: Eva Irgens Forlagsredaktør: Eva Irgens Boken er satt med Minion 11/14 punkt og trykt på 100 g G-print Trykk: Livonia Print SIA, Latvia 2012 Utgave nr. 4 Opplag nr. 1 ISBN: 978-82-02-37190-6 www.cappelendamm.no www.kjemienstemmer.cappelendamm.no Fotografiene er levert av: Asker og Bærums Budstikke s. 124 Eva Irgens s. 223 m Gettyimages/Thinkstock/Jupiterimages s. 8 GV-press: Stefano Oppo/age fotostock s. 77, Ulrike Koebe/age fotostock s. 81 ø, Pixtal s. 163, Walter Geiersperger/age fotostock s. 219, M & M Valledor/age fotostock s. 221, Pedro Coll/age fotostock s. 222 Ierald Favre-Sygma s. 136 Inger Catrinius/Norges veterinærhøyskole s. 132 Norsk Hydro s. 90 NTB scanpix: SPL s. 25 ø, s. 26 n, 110, Peter Fowler/SPL s. 26 ø, American Institute of Physics/SPL s. 27, Lawrence Lawry/SPL s. 56, Klaus Guldbrandsen/SPL s. 58, David R. Frazier/SPL s. 68, Geir Olsen s. 85, NTB scanpix s. 89, Espen Bratlie/Samfoto s. 94, Thorfinn Bekkelund/Samfoto s. 117, Gusto/SPL s. 141, Hank Morgan/SPL s. 159, Carl Martin Nordby/Aftenposten s. 197, Bjørn Rørslett/Samfoto s. 203, AP s.225, John Petter Reinertsen/Samfoto s.235 ø, Rolf Øhmer s. 235 n REC Olivier Helbig s. 57 n STM-group, Department of Synchrotron Radiation Research, Lund University s. 25 n YARA Gisle Nomme s. 127 Resten av bildene i boken er levert av Truls Grønneberg.

Kjemien stemmer 1

Innhold

Forord.............................................................................................................................................. 6

Verden som kjemikere ser den............................................................. 7

1.1 Kjemi og kjemikere.................................................................................................. 8 1.2 Tre viktige sider av kjemien............................................................................ 10 1.3 Stoffer på makro- og mikronivå................................................................... 11 1.4 Atomer.......................................................................................................................... 13 1.5 Periodesystemet....................................................................................................... 18 1.6 Stabil elektronfordeling...................................................................................... 21 1.7 Atombegrepets historie...................................................................................... 25 Sammendrag............................................................................................................................ 28

Formler og navn på uorganiske forbindelser.............. 29 2.1 Felles formler og ensartede navn i alle land.......................................... 30 2.2 Forbindelser av to ikke-metaller.................................................................. 31 2.3 Ioneforbindelser av ett metall og ett ikke-metall.............................. 33 2.4 Ioneforbindelser med fleratomige ioner................................................. 36 2.5 Ioneforbindelser med krystallvann............................................................. 39 Sammendrag............................................................................................................................ 40

Bindinger, oppbygning og egenskaper................................... 41

3.1 Ulike typer kjemiske bindinger..................................................................... 42 3.2 Metallbinding og egenskaper til metaller............................................... 42 3.3 Ionebinding og egenskaper til salter.......................................................... 45 3.4 Kovalent binding i molekyler......................................................................... 48 3.5 Svake bindinger mellom molekyler............................................................ 52 3.6 Egenskaper til stoffer som er bygd opp av molekyler.................... 55 3.7 Oppbygning og egenskaper til nettverksstoffer.................................. 56 3.8 Oppsummering om bindinger og egenskaper.................................... 58 Sammendrag............................................................................................................................ 60

1 • Verden som kjemikere ser den

Stoffmengde og konsentrasjon......................................................... 61

4.1 Veien om mol.......................................................................................................................... 62 4.2 Konsentrasjonen av et stoff i en blanding.................................................... 69 4.3 Molare løsninger................................................................................................................... 71 Sammendrag.............................................................................................................................................. 78

Stoffer reagerer...................................................................................................... 79

5.1 Kjemiske reaksjoner........................................................................................................... 80 5.2 Kjemiske ligninger............................................................................................................... 82 5.3 Beregninger basert på reaksjonsligninger..................................................... 86 Sammendrag.............................................................................................................................................. 92

Varme, uorden og spontanitet........................................................... 93

6.1 Noen viktige begreper...................................................................................................... 94 6.2 Entalpi............................................................................................................................................. 96 6.3 Entropi og spontane prosesser............................................................................. 107 Sammendrag........................................................................................................................................... 116

Reaksjonsfart og likevekt........................................................................ 117

7.1 Reaksjonsfart........................................................................................................................ 7.2 Likevekt...................................................................................................................................... 7.3 Drøfting av likevekter.................................................................................................. 7.4 Beregning av konsentrasjoner ved likevekter........................................ 7.5 Løselighet og felling av salter................................................................................ Sammendrag..........................................................................................................................................

118 123 125 129 131 140

141 142 143 151 157 163 169 180

Syrer og baser........................................................................................................

8.1 Syrer og baser....................................................................................................................... 8.2 Syrer i vann, baser i vann og styrkeforhold............................................ 8.3 pH-begrepet og pH-målinger.............................................................................. 8.4 Protolyse av salter og gasser i vann................................................................. 8.5 Beregning av pH i løsninger av syrer og baser..................................... 8.6 Titrering.................................................................................................................................... Sammendrag..........................................................................................................................................

Kjemien stemmer 1

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

9.1 Organisk kjemi – karbonforbindelsenes kjemi.................................... 9.2 Hydrokarboner................................................................................................................... 9.3 Navn på forbindelser med én funksjonell gruppe............................ 9.4 Halogenerte alkaner....................................................................................................... 9.5 Alkoholer.................................................................................................................................. 9.6 Aldehyder................................................................................................................................. 9.7 Ketoner....................................................................................................................................... 9.8 Karboksylsyrer..................................................................................................................... 9.9 Estere............................................................................................................................................ 9.10 Etere.............................................................................................................................................. 9.11 Aminer........................................................................................................................................ 9.12 Forbindelser med flere forskjellige funksjonelle grupper.......... 9.13 Isomeri – en oversikt.................................................................................................... 9.14 Aromatiske forbindelser............................................................................................ 9.15 Stoffgrupper – en oversikt....................................................................................... Sammendrag..........................................................................................................................................

10 Vann....................................................................................................................................... 10.1 Vann – et vanlig stoff med uvanlige egenskaper................................ 10.2 Drikkevann............................................................................................................................. 10.3 Vaskemidler........................................................................................................................... Sammendrag..........................................................................................................................................

181 182 184 192 193 194 198 200 202 205 207 208 209 210 212 216 217

219 220 224 229 236

Stikkordregister.................................................................................................................................................... 237

1 • Verden som kjemikere ser den

1 Verden som kjemikere ser den Mål for opplæringen er at du skal kunne • gjøre rede for den historiske utviklingen av atombegrepet og beskrive og sammenligne Bohrs atommodell og dagens atommodell • forklare, illustrere og vurdere stoffers sammensetning, bindingstyper og egenskaper ved hjelp av periodesystemet (fortsetter i kapittel 3)

Kjemi er læren om stoffene i oss og omkring oss. I dette kapitlet skal vi se nærmere på stoffenes minste byggeklosser, atomene, og hvordan de er organisert i periodesystemet. Til slutt i kapitlet kan du lese litt om utviklingen av vår kunnskap om atomene, som er så små at de bare kan sees som kuler selv i verdens sterkeste mikroskop.

11 •• Verden Verden som som kjemikere kjemikere ser ser den den

1.1 Kjemi og kjemikere Kjemi er læren om stoffer Kjemi er læren om stoffene, deres oppbygning, egenskaper og reaksjoner og om energiforandringer ved stoffendringene. Utvalgte stoffer blir studert nærmere i de ulike naturfagene. I biologi studerer de stoffer i levende organismer. I medisin og farmasi studerer de legemidler og stoffer som er av betydning for liv og helse. I geologi studerer de mineralene bergartene består av. I fysikk studerer de egenskaper hos utvalgte stoffer og setter opp matematiske modeller for dem. Et godt grunnlag i kjemi er nødvendig for å kunne gå dypere inn i alle disse fagene. Derfor har kjemi en sentral plass blant naturfagene.

Kjemi er en del av vårt liv Det finnes ingen ting du kan se, ta på, lukte eller smake som ikke er stoff. Og i et moderne hjem finnes det knapt et stoff eller en gjenstand som ikke har vært innom en eller annen kjemisk prosess som mennesker har utviklet. Kjemi er derfor et bredt fagfelt og har stor betydning i hverdagen.

Hva gjør en kjemiker? En kjemiker kan ha svært ulike arbeidsoppgaver, f.eks. produksjon av varer og materialer, analyse og kontroll av produkter eller utvikling og forskning. Mange kjemikere arbeider som lærere ved skoler, høyskoler og universiteter. Analyse og kontroll av legemidler, næringsmidler, materialer og miljøgifter er viktige arbeidsoppgaver for kjemikere. Mye av arbeidet på et analyse

1 • Verden som kjemikere ser den

På laboratoriet må man ofte sette sammen utstyret selv.

nanus (gr.) = dverg 1 nm = 10–9 m

laboratorium foregår i dag ved bruk av avanserte instrumenter. Kjemikunn skaper er nødvendige for å kunne behandle et prøvemateriale riktig og tolke analyseresultatene. Et viktig forskningsområde for kjemikere er å lage nye stoffer med ønskede egenskaper. Kjemikere kan få frem stoffer som allerede finnes i naturen, på enklere, billigere og mindre miljøbelastende måter. De fremstiller også stadig flere stoffer som ikke finnes naturlig. Nanoteknologi er et av de nyeste forskningsområdene. Der handler det om å bygge opp nye stoffer atom for atom. Dermed kan man lage bitte små komponenter med skreddersydde egenskaper for bestemte anvendelser innenfor teknologi og medisin.

Nanoteknologi Nanoteknologi har du kanskje hørt om. En nanometer er en milliontedels millimeter, altså 10–9 m. På én nanometer er det plass til en kjede med 4–5 karbonatomer, så nanoteknologi er teknologi på atomnivå. Når man lager nye stoffer ved hjelp av nanoteknologi, blir atomene hektet sammen på nye måter. Figuren viser et nanorør av karbon laget ved Institutt for energiteknikk på Kjeller. Slike rør er sterkere enn stål, og tykkelsen er omtrent 1/50 000 av et hår. Nanorør kan i fremtiden bli brukt som konstruksjonsmaterialer og til å lage bitte små detektorer.

Verden som som kjemikere kjemikere ser ser den den 11 •• Verden

Hvorfor skal vi lære kjemi? Kjemi er et godt grunnlag for videre studier og mange forskjellige yrker. Selv om du skulle velge et helt annet yrke enn kjemiker, vil kunnskaper i kjemi gjøre det lettere for deg å forstå politiske debatter om miljø og energi og for eksempel gi deg et faglig grunnlag for å kunne skille mellom saklige og usaklige utsagn i reklame. Kunnskaper i kjemi kan også være en hjelp for deg til å velge et fornuftig kosthold, og til å forstå hvordan du bør behandle helsefarlige stoffer som du kan støte på i hverdagen. Etter hvert som du leser utover i denne boken, håper vi at du får en del aha-opplevelser når du får forklaring på dagligdagse fenomener.

1.2 Tre viktige sider av kjemien Samspill Vi eksperimenterer med stoffene på laboratoriet og beskriver det vi observerer. Når vi gjør kjemiforsøk, arbeider vi med så pass store mengder av stoffene at vi med sansene våre kan observere det som skjer. Mengden behøver ikke være mer enn noen gram eller milligram. Vi sier at vi arbeider med stoffene på makronivå. Det som skjer i reaksjonene, prøver vi å forklare med partikler som er så små at vi ikke kan se dem. Partiklene kan være atomer, molekyler eller ioner. Vi sier at vi forklarer reaksjonene og egenskapene til stoffene på mikronivå. Dette samspillet mellom makronivå og mikronivå er et viktig trekk ved moderne kjemi. Dessuten omtaler vi stoffene og reaksjonene mellom dem ved hjelp av formler og ligninger. Å lære dette samspillet mellom makronivå, mikronivå og kjemispråket er en viktig del av det å lære kjemi. Makronivå Kjemiske stoffer Beskrivelser

Mikronivå Atomer, molekyler, ioner Forklaringer

Kjemispråk Formler, ligninger Beregninger

Modeller i kjemien – fordeler og begrensninger For å danne seg et bilde av stoffer på mikronivå lager kjemikere forskjellige modeller. Med en modell kan vi få frem bestemte trekk ved oppbygningen av et stoff. Matematikk og datamaskiner har gjort det mulig å lage tredimen-

10 1 • Verden som kjemikere ser den

sjonale modeller av molekyler. Vi velger ikke alltid den «riktigste» og mest omfattende modellen når vi skal forklare noe. En enkel modell kan være vel så hensiktsmessig hvis den illustrerer de forholdene ved virkeligheten som vi er opptatt av i øyeblikket. Uansett hva slags modeller vi konstruerer, må vi huske på at de er hjelpemidler og ikke selve virkeligheten. Modeller som vi ofte benytter i kjemien på skolen, er tegninger og tredimensjonale kulepinnemodeller og kalottmodeller.

Kulepinnemodeller (øverst) og kalottmodeller (nederst) av hydrogenklorid (HCl), vann (H2O) og karbondioksid (CO2). Kulepinnemodellene viser vink lene mellom atomene, men kulene i modellen er for små i forhold til avstanden mellom dem. Kalottmodellene får bedre frem størrelsesforholdet mellom atomene, men viser ikke om bindingene i molekylet er enkelt- eller dobbeltbindinger.

1.3 Stoffer på makro- og mikronivå Stoff – alt som har masse Med stoff mener vi alt som har masse og opptar plass. Med det har vi sagt at også et atom, et ion og et molekyl er stoff – stoff på mikronivå. På makronivå skiller vi mellom rene stoffer og blandinger av stoffer. Et rent stoff er enten et grunnstoff eller en kjemisk forbindelse. I et grunnstoff er det bare én type atomer. I en kjemisk forbindelse er det to eller flere atomtyper. En blanding inneholder to eller flere rene stoffer. Luft er en blanding av gasser.

Stoff

Rent stoff

Grunnstoff (som jern)

Kjemisk forbindelse (som salt)

I diagrammet står jern som eksempel på et grunnstoff. Oksygen og hydrogen er også grunnstoffer. Når vi tenner på en blanding av hydrogengass og oksygengass, reagerer stoffene med hverandre, vi hører et smell, og det blir dannet vann. Vann er en kjemisk forbindelse som består av molekyler. Hvert vannmolekyl består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Den kjemiske forbindelsen har helt andre egenskaper enn de grunnstoffene den er dannet av.

Et vannmolekyl.

Blanding

Et grunnstoff er et stoff som består av bare én type atomer. En kjemisk forbindelse er et stoff som består av to eller flere typer atomer.

11 •• Verden Verden som som kjemikere kjemikere ser ser den den

Stoffer som brukes på laboratoriet eller i industrien, kalles vanligvis kjemika lier. Ifølge Merkeforskriften er kjemikalier en fellesbetegnelse for rene stoffer og stoffblandinger. Det er stoffer som vi kjenner sammensetningen og ren heten av. På laboratoriet kalles natriumklorid og etansyre for kjemikalier. I dagliglivet kaller vi de samme stoffene salt og eddiksyre.

Navn på grunnstoffer

IUPAC står for the International Union of Pure and Applied Chemistry.

Tilstandssymboler: (g) fra gaseus (lat.) = gass (l) fra liquidus (lat.) = væske (s) fra solidus (lat.) = fast

Først på slutten av 1700-tallet innså man at alle stoffer var bygd opp av et begrenset antall grunnstoffer. Ni av grunnstoffene var kjent allerede i oldtiden, ytterligere seks var oppdaget før 1750, og siden er det jevnlig blitt oppdaget eller fremstilt nye grunnstoffer. Den som oppdager et grunnstoff, har rett til å foreslå navn på det. Navnet blir endelig fastsatt av en internasjonal organisasjon som kalles IUPAC. For hvert grunnstoff er det fastsatt et atomsymbol og et navn. Symbolet er første bokstav i det latinske navnet (som stor H for hydrogen) eller første bokstav pluss en liten bokstav (som He for helium og Hg for hydrargyrum (lat.) = kvikksølv). Symbolet er det samme i alle land. Navnet kan variere fra språk til språk, og det gjelder særlig for de grunnstoffene som lenge har vært kjent og i bruk. For eksempel er Au atomsymbolet for det grunnstoffet som heter gull på norsk, aurum på latin, gold på engelsk og or på fransk. Grunnstoffet med atomsymbol Rg heter derimot røntgenium eller roentgenium på de fleste språk.

Formler for grunnstoffer med tilstandssymboler Atomsymbolet for helium, He, kan både stå for ett atom helium og for edelgassen helium. Det er fordi heliumgassen består av enkeltatomer. He brukes derfor som formel for helium. Vanligvis føyer vi til en bokstav i parentes for å angi hvilken tilstand stoffet er i ved romtemperatur og vanlig trykk. For gass skriver vi (g) etter formelen, og heliumgass oppgir vi dermed som He(g). Atomsymbolet for et metall brukes også som formel for grunnstoffet, selv om metallet består av et enormt antall sterkt sammenbundne atomer. Au kan både stå for ett gullatom og for metallet gull. For å få frem at gull er et fast stoff, skriver vi Au(s). Et atomsymbol alene er likevel ikke alltid brukbart som formel for et grunnstoff. Mange grunnstoffer består av molekyler som er sammensatt av to eller flere atomer. Eksempler på det er hydrogen, nitrogen, oksygen og klor, som er gasser ved romtemperatur. Formlene for disse gassene oppgir vi som H2(g), N2(g), O2(g) og Cl2(g). I alt elleve grunnstoffer er gasser ved romtemperatur, mens bare to (kvikksølv og brom) er væsker. Resten av grunnstoffene er faste stoffer.

12 1 • Verden som kjemikere ser den

Fordeling av grunnstoffer i jordskorpen etter masseprosent. De aller fleste grunnstoffene forekommer i forbindelser, ikke som rene grunnstoffer. Aluminium, silisium og oksygen inngår i aluminiumsilikater, som er de vanligste forbindelsene i jordskorpen.

Titan 0,4 % Alle andre grunnstoff 1,0 % Magnesium 2,1 % Kalium 2,6 % Natrium 2,8 % Kalsium 3,6 % Jern 5,0 % Aluminium 8,1 %

Hydrogen 0,1 %

Oksygen 46,6 %

Silisium 27,7 %

Ulike former av ett grunnstoff Mange grunnstoffer opptrer i forskjellige former. For eksempel danner oksygenatomer ikke bare O2-molekyler (dioksygen), men også O3-molekyler (trioksygen). I luften dominerer O2(g), og vi kaller den vanligvis bare oksygen gass. Når det lyner, blir det dannet O3(g), som vi kaller ozongass. De fleste grunnstoffene som er faste ved romtemperatur, opptrer i flere former. På side 56 omtaler vi karbon som diamant, grafitt, fulleren og andre nanopartikler.

1.4 Atomer Dagens atommodell To modeller av et litiumatom. Figuren til venstre viser at elektronskyen er tettest i to områder – ett område nær atomkjernen og ett lenger fra kjernen. Disse tette kuleformede områdene kaller vi skall. Til høyre er skallmodellen tegnet skjematisk og viser hvor mange protoner, nøytroner og elektroner det er i litiumatomet.

Forskjellige atommodeller er blitt foreslått opp gjennom tidene. Det kommer vi tilbake til på side 25. I den atommodellen vi nå bruker i kjemien, har atomet en kjerne som består av positivt ladde protoner (p+) og nøytrale nøytroner (n). Nøytronene og protonene holdes sammen av sterke kjernekrefter. Massen til atomet er konsentrert i kjernen. Rundt atomkjernen er det en sky av negativt ladde elek troner (e–). Et elektron og et proton har like stor ladning, men motsatt fortegn. Atomer er nøytrale og inneholder derfor like mange elektroner som protoner. Tenk deg at det var mulig å fotografere et atom der alle elektronene svirret omkring, og at du tok hundrevis av bilder av dette atomet. Da ville hvert enkelt bilde vise hvordan elektronene fordelte seg akkurat i øyeblikket, og ingen bilder ville være like. Hvis du så la alle bildene oppå hverandre, elektronskall ville prikkene som viser elektronene, e– danne en stor sky med tette områ3p+ der. Der er det størst sannsynlighet 4n for å treffe på elektroner. Disse tette atomkjernen områdene kaller vi elektronskall.

1 • Verden som kjemikere ser den

Størrelsen på et atom bestemmes av elektronskyen, som er omtrent 10–10 m i diameter. Atomkjernen har en diameter på bare 10–15 m. Tenker vi oss en kjerne på 1 cm i diameter, vil elektronskyen ha en utstrekning på 1 km! Dagens atommodell, som vi gjerne kaller skallmodellen, har altså en kjerne som består av protoner og nøytroner, og så elektroner i skall rundt kjernen. På sidene 17–21 kan du lese mer om skallmodellen og sammenhengen med periodesystemet. Symbol

Plass i atomet

Relativ masse

Ladning

Proton

i kjernen

Nøytron

i kjernen

Elektron

e–

i sky rundt kjernen

0,0005

–1

Atomnummer og nukleontall Vi har tidligere sagt at i et grunnstoff er alle atomene av samme type. Med det mener vi at alle atomene i grunnstoffet har like mange protoner i kjernene. Vi kan ta atomer av litium og klor som eksempel. Alle litiumatomer har 3 protoner i kjernen, og alle kloratomer har 17 protoner i kjernen. Antallet protoner i kjernen kaller vi atomnummeret til grunnstoffet. Litium har altså atomnummer 3 og klor atomnummer 17. Antallet nøytroner i atomkjernene til et grunnstoff kan derimot være ulikt. Alle kjernene i kloratomene har 17 protoner, mens tallet på nøytroner er enten 18 eller 20. Summen av alle kjernepartiklene, protonene og nøytronene i et kloratom er da enten 35 eller 37. Antallet kjernepartikler i et atom kaller vi nukleontallet. Et kloratom har da enten nukleontall 35 eller 37.

Antallet protoner i atomkjernene i et grunnstoff kaller vi grunnstoffets atomnummer. Summen av protoner og nøytroner i et atom kaller vi atomets nukleontall.

Nukleontall

Atomsymbol

Atomnummer R

For å vise hvor mange partikler det er i et atom, kan vi benytte en kort skrive måte. Foran atomsymbolet skriver vi da to tall, ett nede for atomnummeret og ett oppe for nukleontallet. Isotoper Som nevnt ovenfor finnes det to ulike kloratomer i naturen. Vi kan skrive 35 Cl og 37 Cl. En annen skrivemåte er klor-35 og klor-37. Begge dem som 17 17 atomene har 17 protoner i kjernen og er derfor kloratomer, men de har ulikt antall nøytroner i kjernene. De to atomene er det vi kaller isotoper av klor.

14 1 • Verden som kjemikere ser den

17p+ 18n

De to klorisotopene som finnes naturlig i jordskorpen. Elektronskallene er ikke vist i figuren.

17e– 35 17

isos (gr.) = lik topos (gr.) = sted

17p+ 20n

17e– 37 17

Med isotoper mener vi atomer som har like mange protoner, men ulikt antall nøytroner.

Fordi isotoper er ulike atomer av samme grunnstoff, hører de til i samme rute i periodesystemet. Ikke alle grunnstoffer har to eller flere isotoper slik som klor. I 20 av de ca. 90 grunnstoffene som finnes i jordskorpen, har alle atomene av grunnstoffet samme nukleontall. Natrium og fluor er eksempler på slike grunnstoffer. Det er bare isotopene av hydrogen som har egne navn.

proteos (gr.) = den første deuteros (gr.) = 2 tri (gr.) = 3

Hydrogenisotop

Navn

Forekomst (i %)

1H 1

protium

99,985

2H 1

deuterium

0,015

tritium

spormengde

3H 1

(radioaktiv)

Eksempel: Beregning av antall kjernepartikler i et atom

Hvor mange protoner og nøytroner er det i et 23 11 Na-atom? Svar Atomnummeret 11 viser at det er 11 protoner i atomkjernen. Nukleontallet 23 viser summen av protoner og nøytroner i kjernen. Antallet nøytroner: 23 – 11 = 12 23Na. Det er 11 protoner og 12 nøytroner i 11

1 • Verden som kjemikere ser den

u for unit (eng.) = enhet 1 u = 1,66 · 10–24 g

I 1,0 liter vann (1,0 kg) er massen av alle elektronene bare 3 mg.

17 Cl 35,45

Atommasse Massen til et enkelt atom er svært liten, og den er konsentrert i kjernen. For enkelthets skyld oppgir vi ikke massen til atomer i gram, men i atommasse enheten u. Massen til både et proton og et nøytron er omtrent lik 1 u. Massen til et elektron er bare 0,0005 u, og det er så lite at vi kan se bort fra massen av elektronene når vi oppgir massen til et atom med bare fire siffer. Massen av et atom blir derfor svært nær massen av atomkjernen. Det svarer omtrent til summen av massen av protonene og nøytronene. Massen til atomet klor-35 er derfor nær 35 u, mens massen til klor-37-atomet er nær 37 u. I periodesystemet står atommassen for hvert grunnstoff uten benevning. Den oppgitte atommassen er et gjennomsnitt av massen av alle isotopene som finnes av dette grunnstoffet i naturen.

klor

Med atommasse slik den er oppført i periodesystemet, mener vi den gjennomsnittlige massen av atomene i et grunnstoff slik det forekommer i naturen. Enheten u er sløyfet i periodesystemet.

Eksempel: Beregning av atommasse ut fra den naturlige forekomsten av isotopene i grunnstoffet

Grunnstoffet klor består av 75,77 % klor-35 og 24,23 % klor-37. Den nøyaktige verdien av massen til et klor-35-atom er 34,97 u. For et klor-37-atom er den 36,97 u. Hva er atommassen til klor?

Svar Atommassen: 34,97 u · 75,77 + 36,97 u · 24,23 = 35,45 u 100 100 Atommassen til Cl er 35,45 u. Selv om vi sier at atommassen til klor er 35,45 u, er det altså ikke noe enkeltatom av klor som har denne massen.

16 1 • Verden som kjemikere ser den

Nylagede grunnstoffer på 2000-tallet Alle grunnstoffer med atomnummer større enn nr. 92 (uran) er fremstilt kunstig og er radioaktive. Det er bare fire laboratorier i verden som har utstyr og forskere som er i stand til å fremstille nye grunnstoffer: ett i Dubna i Russland, ett i Darmstadt i Tyskland og to i California i USA. Ved disse laboratoriene er det gjort mange forsøk på å lage nye grunnstoffer. Da skyter de atomkjerner av forskjellige grunnstoffer mot hverandre. Hvis forskerne lykkes, vil en ny atomkjerne ha et atomnummer som er summen av atomnumrene til de to atomkjernene som traff hverandre. Grunnstoff nr. 118 ble i 2006 fremstilt ved å skyte atomkjerner av nr. 20 (kalsium) mot atomkjerner av nr. 98 (californium), og du ser at 20 + 98 = 118. Men bare tre atomkjerner ble dannet i de månedene forsøket pågikk, og disse kjernene hadde en levetid på bare 1 ms. For at en oppdagelse skal bli godkjent av IUPAC, må den bekreftes gjennom eksperimenter utført av en annen forsker gruppe. Det kan ta tid, og først etter dette vedtar IUPAC et endelig navn på grunnstoffet. Det er fremstilt noen få atomer av grunnstoffene 113, 115, 117 og 118, men disse oppdagelsene er ennå ikke bekreftet, og noe endelig navn har de derfor heller ikke fått. I 2010 fikk det foreløpig siste grunnstoffet sitt endelige navn. Det var nr. 112, som fikk navnet copernicium, oppkalt etter astronomen Nicolaus Copernicus (1473−1543). Copernicium har symbol Cn og en halveringstid på 29 sekunder. I 2011 fikk to grunnstoffer foreløpige navn: nr. 114 flerovium med atomsymbol Fl og nr. 116 livermorium med symbol Lv. Grunnstoff 114 er oppkalt etter fysikeren Georgij N. Fljorov (1913−90) og laboratoriet hvor grunnstoffet ble fremstilt: Flyorov Laboratory of Nuclear Reactions i USA.

Grunnstoff 116 har fått navn etter laboratoriet Lawrence Livermore National Laboratory, som ligger i byen Livermore i USA. (Fljorovs navn blir ofte skrevet Flerov på engelsk.) Våren 2012 begynte forskerne i Darmstadt å lage grunnstoff 119 ved å skyte atomkjerner av nr. 22 (titan) mot nr. 97 (berkelium). Symbolet for grunnstoff nr. 119 er foreløpig Uun (ununnonium). Symbolet er fra de første bokstavene i tallet 119 på latin (1 = unus, 9 = nonus). Lignende navn har for tiden grunnstoffene 113 Uut (ununtrium), 115 Uup (ununpentium), 117 Uus (ununseptium) og 118 Uuo (ununoktium). Hvorfor prøver man å lage nye grunnstoffer når det er så krevende og kostbart å lage dem? Det skyldes dels at det alltid er noen som prøver å hoppe høyere, løpe fortere eller komme lenger enn noen har gjort før. Dessuten lokker en mulig viktig oppdagelse i det fjerne. Noen teoretikere tror nemlig at vi kan fremstille nye grunnstoffer med (mye) lengre levetid enn de som hittil er fremstilt. Hvert grunnstoff er unikt. Det ligner på de andre i samme gruppe i periodesystemet, men har likevel sine spesielle egenskaper. Med de nye grunnstoffene synes periodesystemet å være «fullt», men det er bare tilsynelatende. Nr. 118 er sannsynligvis en edelgass, men sikre er vi ikke. Grunnstoff nr. 119 er sannsynligvis et alkalimetall som skal inn i gruppe 1. Dermed må periodesystemet utvides med en ny rad: 8s. I 1879 var det en nordmann som mente han hadde funnet et nytt grunnstoff i et kobbernikkelmineral fra Kragerø. Han foreslo navnet norwegium, men oppdagelsen ble ikke bekreftet. Kommer dette navnet til å bli brukt en gang i fremtiden? Det er i hvert fall en nordmann som er med på jakten etter grunnstoff nr. 119!

Elektroner i elektronskall

11 p+ 12 n K L

Modell av natriumatomet.

En modell av elektronfordelingen i et atom viser sannsynligheten for å treffe på elektroner i forskjellige avstander fra kjernen. De områdene rundt kjernen der sannsynligheten er størst for å treffe på elektroner, kaller vi elektronskall. Vi tenker oss altså at elektronene er ordnet i skall. Elektronene i det innerste skallet har lavest energi, og elektronene i skallene utover har større energi. Det innerste elektronskallet kalles K-skallet, og de neste skallene har fått betegnelser i alfabetisk rekkefølge – L, M, N, O. Fordelingen av elektroner på de forskjellige skallene, regnet fra K-skallet og utover, oppgir vi med tall med komma imellom. I det nøytrale natrium atomet 11Na er det i alt 11 elektroner. De fordeler seg på tre skall med 2 elektroner i K-skallet, 8 i L-skallet og 1 i det ytterste skallet, M-skallet. Elektronfordelingen oppgir vi da som 2, 8, 1. Vi skal bruke denne skallmodellen til å forklare oppbygningen av periodesystemet.

2 • Formler og på uorganiske forbindelser 1 •navn Verden som kjemikere ser den

1.5 Periodesystemet Periodesystemet – et elegant og nyttig system Hver vitenskap har sine egne teorier og systemer som er resultatet av mange forskeres arbeid i lang tid. Teoriene og systemene endres iblant, men de følges av omtrent alle forskere i samtiden. I kjemi er periodesystemet et viktig hjelpemiddel. Vi skal bruke det til å forutsi oppbygning og egenskaper til grunnstoffer og til forbindelser av grunnstoffer. Et viktig kjennetegn er at grunnstoffer som ligner på hverandre i oppbygning og egenskaper, kommer igjen med bestemte mellomrom. Vi sier at disse grunnstoffene opptrer periodisk i systemet. Ut fra den plassen et grunnstoff har i systemet, kan vi derfor si mye om de egenskapene det har.

Grunnstoffene ordnet etter atomnummer Det har tatt mer enn 140 år å utvikle periodesystemet slik det nå står i begynnelsen av boken, og mange forskere har bidratt. I 2012 har vi 118 forskjellige grunnstoffatomer med navn. Alle har sin bestemte plass i periodesystemet, og de er oppført etter stigende atomnummer. Når vi går fra ett grunnstoffatom i periodesystemet til det neste, øker antallet protoner i kjernen med 1 og dermed atomnummeret med 1. 11Na har 11 protoner, og 12Mg har 12 protoner. For de nøytrale atomene øker tilsvarende også antallet elektroner med ett. Skrivemåten 11Na er «smør på flesk». Hvis det er et Na-atom vi snakker om, må det jo være 11 protoner i kjernen. Grunnen til at vi noen steder oppgir atomnummeret, er at vi da lett kan finne ut hvor i periodesystemet dette grunnstoffet er plassert.

Inndeling i grupper og perioder I periodesystemet er grunnstoffene fordelt på 18 loddrette kolonner som kalles grupper, og 7 vannrette rader som kalles perioder. En gruppe omfatter grunnstoffer som reagerer temmelig likt og har mange felles egenskaper. Enkelte av gruppene har egne navn. Metallene står til venstre og midt i systemet i gruppene 1–12. Du kjenner igjen metallene litium (Li) og natrium (Na) i gruppe 1 og kanskje også kalium? De hører til alkalimetallene. Metallene i gruppe 2 kalles jordalkali metaller. Magnesium, kalsium, strontium og barium hører til her. Ikke-metallene står til høyre i systemet. I gruppe 18 har vi edelgassene helium, neon og argon. Ikke-metallene fluor, klor, brom og jod finner du i gruppe 17. Denne gruppen av grunnstoffer kalles halogener. Det er fordi de danner salter med metaller (halos (gr.) = salt og -gen (gr.) = danne). For eksempel dannes NaCl av klor og natrium, og NaF dannes av fluor og natrium.

18 1 • Verden som kjemikere ser den

I gruppene 13–16 blir grunnstoffene gradvis mer metalliske nedover i hver gruppe. Et eksempel: I gruppe 14 (C, Si, Ge, Sn og Pb) regnes det første grunnstoffet (karbon) som et ikke-metall og de to siste (tinn og bly) som metaller. Silisium og germanium har både metalliske og ikke-metalliske egenskaper og blir ofte kalt halvmetaller. I noen periodesystemer er hydrogen plassert øverst i gruppe 1 sammen med alkalimetallene. Fordi hydrogen ikke er et metall, og fordi det er spesielt på flere måter, blir hydrogen i dag gjerne flyttet mot midten av systemet uten noen fast plass. Men hydrogen hører ikke til gruppe 9 selv om det skulle stå rett over denne gruppen. Gruppene 1–2 og 13–18 i periodesystemet kaller vi hovedgrupper. Mellom hovedgruppene er det «skutt inn» ti grupper med grunnstoffer. Grunnstoffene i disse gruppene, nr. 3–12, kalles derfor innskuddsgrunnstoffer. Av og til bruker vi betegnelsen innskuddsmetaller fordi disse grunnstoffene er metaller. Blant innskuddsgrunnstoffene finner vi mange av de vanligste bruksmetallene som jern (26Fe), kobolt (27Co), kobber (29Cu), sølv (47Ag) og gull (79Au).

22 33 44 55 66 77

18 grupper (vertikale kolonner) og 7 perioder (horisontale rader) i periodesystemet.

1 1 33 Li Li 11 11 Na Na 19 19 K K 37 37 Rb Rb 55 55 Cs Cs 87 87 Fr Fr

11 H H

1 2 1 2 44 Be Innskuddsgrunnstoffene Be Innskuddsgrunnstoffene 12 12 3 4 5 6 7 8 9 10 Mg 4 5 6 7 8 9 10 Mg 3 22 23 24 25 20 26 21 27 28 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Ca Sc V Cr Mn Fe Co Ca Sc Ti Ni 40 41 41 42 42 43 43 44 38 39 44 45 39 40 45 46 46 38 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Sr Y 72 73 73 74 74 75 75 76 56 57–71 72 76 77 77 78 78 56 Hf Ta W Re Os Ba 57–71 Hf Pt Ta W Re Os IrIr Pt Ba 88 104 105 106 107 108 109 110 89–103 104 105 106 107 108 109 110 88 89–103 Ra Rf Db Db Sg Sg Bh Bh Hs Hs Mt Mt Ds Ds Ra Rf Jordalkalimetallene Jordalkalimetallene Alkalimetallene Alkalimetallene

Lantanoidene Lantanoidene

57 57 La La

58 58 Ce Ce

59 59 Pr Pr

60 61 61 62 62 63 63 60 Nd Pm Pm Sm Sm Eu Eu Nd

Actinoidene Actinoidene

89 89 Ac Ac

90 90 Th Th

91 91 Pa Pa

92 92 U U

Metaller Metaller

93 93 Np Np

11 11 29 29 Cu Cu 47 47 Ag Ag 79 79 Au Au 111 111 Rg Rg

12 12 30 30 Zn Zn 48 48 Cd Cd 80 80 Hg Hg 112 112 Uub Cn

13 13 55 B B 13 13 Al Al 31 31 Ga Ga 49 49 In In 81 81 Tl Tl 113 113 Uut Uut

64 64 Gd Gd

65 65 Tb Tb

66 67 67 66 Dy Ho Ho Dy

97 94 95 95 96 96 97 94 Bk Pu Am Am Cm Cm Bk Pu Halvmetaller Halvmetaller

98 98 Cf Cf

14 15 16 17 14 15 16 17 66 77 88 99 N O O CC N FF 14 15 15 16 16 17 17 14 Si Cl Si PP SS Cl 32 33 33 34 34 35 35 32 Ge As As Se Se Br Br Ge 50 51 52 53 50 51 52 53 Sn Sb Sb Te Te Sn II 82 83 83 84 84 85 85 82 Pb Bi Bi Po Po At Pb At 114 115 116 114 115 116 117 Uuq Uup Uuh Fl Uup Lv Uus Halogenene Halogenene Edelgassene Edelgassene 68 68 Er Er

69 70 70 69 Tm Yb Yb Tm

18 18 22 He He 10 10 Ne Ne 18 18 Ar Ar 36 36 Kr Kr 54 54 Xe Xe 86 86 Rn Rn 118 118 Uuo Uuo

71 71 Lu Lu

99 100 100 101 101 102 102 103 103 99 Es Fm Fm Md Md No No Lr Lr Es

Ikke-metaller Ikke-metaller

Ytterelektronene bestemmer egenskaper og reaksjoner I kjemien er det ytterelektronene, dvs. elektronene i det ytterste skallet, vi er mest interessert i. Det er fordi disse elektronene kan avgis, tas opp eller deles mellom atomene når sterke bindinger blir dannet i nye forbindelser. Tallet på ytterelektroner i grunnstoffatomene bestemmer hvordan grunnstoffene reagerer. Alle grunnstoffer som står i samme hovedgruppe, har like mange ytter elektroner i atomene, og egenskapene og reaksjonene til slike grunnstoffer er

2 • Formler og på uorganiske forbindelser 1 •navn Verden som kjemikere ser den

dermed ganske like. Alle alkalimetallene har ett ytterelektron i atomene, og alle reagerer for eksempel kraftig med vann. Nummeret på hovedgruppen et grunnstoff står i, forteller hvor mange ytterelektroner det er i atomene. Antallet ytterelektroner er lik det siste sifferet i gruppenummeret. Natrium i gruppe 1 har ett ytterelektron, kalsium i gruppe 2 har to, og klor i gruppe 17 har syv ytterelektroner i atomene. Unntaket er helium i gruppe 18, som bare har to (ytter)elektroner i atomene.

Det er ytterelektronene som bestemmer egenskapene til et grunnstoff. Grunnstoffer i samme hovedgruppe har like mange ytterelektroner i atomene, og antallet er lik (det siste) sifferet i gruppenummeret.

Elektronfordeling i atomer Grunnstoff K

2He

3Li

4Be

10Ne

11Na

12Mg

13Al

18Ar

19K

20Ca

21Sc

22Ti

10 2

Nummeret på perioden et grunnstoff står i, forteller hvor mange skall det finnes elektroner i. Natrium står i 3. periode, og et natriumatom har elektroner i de tre skallene K, L og M. Kalium i 4. periode har atomer med elektroner i fire skall (K, L, M, N).

Påfylling av elektroner i skallene Går vi fra ett grunnstoffatom i periodesystemet til det neste med høyere atomnummer, øker antallet elektroner med ett elektron. H-atomet har 1 elektron og He-atomet 2 elektroner i K-skallet, som da er fullt. Atomer av 3Li har 2 elektroner i K-skallet og 1 i L-skallet, og vi skriver elektronfordelingen som 2, 1. Videre utover i 2. periode fylles ett og ett elektron på i L-skallet slik at det får 8 elektroner. Da er også L-skallet fullt, og elektronfordelingen for 10Ne er 2, 8. Neste grunnstoff, 11Na i 3. periode, har elektronfordelingen 2, 8, 1, og 12Mg har fordelingen 2, 8, 2. Dette M-skallet fylles så på til 8 elektroner – fra grunnstoffatom 13Al med elektronfordelingen 2, 8, 3 til 18Ar med 2, 8, 8. De neste grunnstoffene er kalium, 19K, som står i gruppe 1 og har elektronfordelingen 2, 8, 8, 1, og kalsium, 20Ca, i gruppe 2 med fordelingen 2, 8, 8, 2. De grunnstoffatomene vi hittil har tatt for oss, har atomnummer 1–20 og står i hovedgrupper. Så langt har påfyllingen av elektroner fra ett atom til det neste i hovedgrupper foregått i det ytterste skallet. Hvilket skall et elektron går inn i, er avhengig av hvor i periodesystemet atomet står. Når vi går mot høyre fra ett innskuddsgrunnstoff til det neste innskuddsgrunnstoffet, skjer påfyllingen som hovedregel i det nest ytterste skallet, mens tallet på ytterelektroner fortsetter å være to. Scandium, 21Sc, står i gruppe 3. Det har elektronfordelingen 2, 8, 9, 2. Det neste grunnstoffet er titan, 22Ti, og det har fordelingen 2, 8, 10, 2. Både scandium og titan er innskuddsgrunnstoffer, og de har 2 elektroner i det ytre skallet og får påfylling av elektroner i det nest ytterste skallet. Slik er det grovt sett for de andre innskuddsgrunnstoffene også. Men du kan se at

20 1 • Verden som kjemikere ser den

dette ikke stemmer for alle innskuddsgrunnstoffene i tabellen på bakre omslagsside. Grunnen til det er først og fremst at energinivåene til ytterelektronene og noen av elektronene i det nest ytterste skallet er omtrent like. Innskuddsgrunnstoffene er metaller, og atomene har gjerne to ytterelektroner. Nederst i periodesystemet er det to egne rekker med grunnstoffer. Det er lantanoidene og actinoidene, som det «ikke er plass til» innenfor den oppstillingen vi her har brukt for periodesystemet. Grunnen til denne plasseringen er at atomer av lantanoidene og actinoidene ikke har påfylling av elektroner i det ytterste eller i det nest ytterste skallet, men i det tredje ytterste skallet. Se på innsiden av omslaget bak i denne boken.

Påfylling av elektroner skjer i ytterste skall for grunnstoffer i hovedgruppene, i nest ytterste skall for innskuddsgrunnstoffene og i tredje ytterste skall for lantanoidene og actinoidene.

1.6 Stabil elektronfordeling Oktettregelen Elektronfordelingen i atomer av edelgasser: He 2 Ne 2, 8 Ar 2, 8, 8 Kr 2, 8, 18, 8 Xe 2, 8, 18, 18, 8 Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8

Edelgassene (gruppe 18) har ikke lett for å reagere med andre stoffer. Alle edelgassatomene har åtte ytterelektroner, bortsett fra helium, som har to. Amerikaneren G.N. Lewis kom allerede i 1902 fram til at det nettopp var fordelingen av elektroner med åtte ytterelektroner som gjorde edelgassene stabile. Han antok at andre grunnstoffer danner stabile forbindelser når de får åtte ytterelektroner i atomene. Dette kaller vi oktettregelen (åtteregelen). Atomer av jordalkalimetaller i gruppe 2 får åtte elektroner ytterst når atomene avgir to elektroner. Atomer av grunnstoffer i gruppe 16 har seks ytterelektroner og kan ta opp to elektroner, og da er elektronfordelingen stabil.

Oktettregelen: Åtte elektroner i det ytterste skallet er en stabil elektronfordeling. Et atom kan oppnå åtte elektroner ved å gi fra seg eller ta opp elektroner eller ved å ha felles elektroner med ett eller flere andre atomer.

Det maksimale antallet elektroner som kan være i et bestemt skall, kan du regne ut ved hjelp av skallnummeret, n, og formelen 2n2. For eksempel finner vi det maksimale antallet elektroner i M-skallet, skall nr. 3 (n = 3) av formelen

1 • Verden som kjemikere ser den

2n2 = 2 · 32 = 18. Men uansett hvor mange elektroner det er i et skall, kan det aldri være mer enn åtte elektroner i det ytterste skallet – altså maksimalt åtte ytterelektroner. Hydrogen, som bare har ett elektron i atomet, får med to elektroner samme stabile elektronfordeling som helium. Et H-atom kan oppnå to elektroner ved å ta opp ett elektron (som H– i NaH) eller dele to elektroner med et annet atom (som i H2 og HCl).

Ioneformler Når et atom avgir eller mottar ett eller flere elektroner, dannes et ion. Vi kan bruke periodesystemet til å forutsi hva slags ioner grunnstoffene kan danne. Metallatomer som har få ytterelektroner, kan gi fra seg disse elektronene og danne positive ioner. Når metallatomet har avgitt ytterelektronene, får det samme elektronfordeling som det nærmeste edelgassatomet. Alkalimetallene i gruppe 1 med ett ytterelektron danner alltid ioner med én positiv ladning, f.eks. Na+ og K+. Ionet Na+ har samme elektronfordeling som edelgassen neon, Ne, og K+ som argon, Ar. På tilsvarende måte danner jordalkalimetallene i gruppe 2 alltid ioner med to positive ladninger, f.eks. Ca2+ og Ba2+.

H+

Li+ Be2+ Na+ Mg2+ K+

Ca2+

Rb+

Sr2+

Al3+ Et innskuddsmetall danner flere ioner, f.eks. Fe2+ og Fe3+

N3–

O2–

F–

S2–

Cl– Br– l–

Cs+ Ba2+ Metaller – positive ioner

Ikke-metaller – negative ioner

For atomer av innskuddsgrunnstoffene er det nest ytterste elektronskallet ikke fullt, og for lantanoidene og actinoidene er det tredje ytterste elektronskallet ikke fullt. Selv om det siste elektronet kom inn i ett av disse skallene, er det alltid elektronene i ytterskallet som avgis når atomet blir til et ion. Som en grov regel sa vi at alle disse atomene har to ytterelektroner, og derfor er 2+-ionet det vanligste ionet for innskuddsgrunnstoffene. Eksempler er Cu2+ og Zn2+. Men som vi også har nevnt, er energien til noen av elektronene i det ytterste og det nest ytterste skallet temmelig lik, og derfor ser vi eksempler på at tre elektroner kan bli avgitt fra disse atomene. Et eksempel er Fe3+. Det er også mulig at bare ett ytterelektron blir avgitt, og da dannes ioner som Cu+ og Ag+.

22 1 • Verden som kjemikere ser den

Mens metaller danner positive ioner, kan typiske ikke-metaller danne negative ioner, og på den måten oppfylles oktettregelen. Halogenene i gruppe 17 har syv ytterelektroner i atomene, og de kan ta opp ett elektron og danne negative ioner: F–, Cl–, Br– og I–. Tilsvarende kan ikke-metaller i gruppe 16 opptre med ioner av typen O2– og S2–.

Et elektrisk ladet atom kalles et ion. Ladningen til ionet kan vi finne ut fra periodesystemet.

Orbitaler og inndeling i blokker Det er som oftest relativt stor forskjell på energien til elektronene i de forskjellige skallene. Men det kan også være noe forskjell på energien til elektronene innenfor ett og samme skall. Elektroner i samme skall som har ulike energinivåer, sier vi er i ulike orbitaler. De elektronene i et skall som har samme energi, sier vi tilhører samme orbital type. Orbitaltypene betegnes s, p, d og f. Hvert skall har én s-orbital. Den kan ta to elektroner. Elektronene i s-orbitalen i det første skallet, K-skallet, kaller vi 1s-elektronene. I L-skallet kaller vi s-orbitalen 2s, i M-skallet kaller vi s-orbitalen 3s, osv. Fra L-skallet kan

atomer også ha elektroner i p-orbitaler, og fra M-skallet kan de ha elektroner i d-orbitaler. På tilsvarende måte som for s-orbitalene står 3p for p-orbitaler i 3. skall, M-skallet, mens 4d står for d-orbitaler i N-skallet. Hver orbital kan ta to elektroner. Det er én s-orbital i hvert skall med i alt to elektroner. Det er tre mulige p-orbitaler i et skall, fem d-orbitaler og syv f-orbitaler, og det maksimale antallet elektroner er henholdsvis 6, 10 og 14. Tabellen viser hvor mange elektroner det maksimalt kan være i et skall og i orbitalene i et skall.

Fordeling av elektroner på skall og orbitaler Orbitaler

Skall Betegnelse

Nummer (n)

Maks. antall elektroner (2n2)

Betegnelse

Maks. antall elektroner

2˙1=2

2s 2p

2˙1=2 2˙3=6

3s 3p 3d

2˙1=2 2˙3=6 2 ˙ 5 = 10

4s 4p 4d 4f

2 2 2 2

˙ ˙ ˙ ˙

1 3 5 7

= = = =

2 6 10 14

11 •• Verden Verden som som kjemikere kjemikere ser ser den den

18 1 2

13 14 15 16 17 3

Skisse av periodesystemet med s-, p-, d- og f-blokker.

9 10 11 12

s-blokk

p-blokk d-blokk

f-blokk

Grunnstoffene i periodesystemet deler vi inn i blokker etter hvilke orbitaler påfyllingen av elektroner skjer i. Se figuren ovenfor og sammenlign den med periodesystemet på omslaget foran i boken. s-blokken omfatter alkalimetallene og jordalkalimetallene med atomer som har henholdsvis ett og to elektroner i en s-orbital. For p-blokken kan du telle bortover og se at det er seks grupper i blokken. Det svarer til påfylling av seks elektroner i p-orbitalene. Innskuddsgrunnstoffene hører til i d-blokken, og atomene deres blir etter hvert fylt opp med ti elektroner i d- orbitalene fra venstre mot høyre i periodesystemet. I periodesystemet på omslaget bak i boken er fordelingen av elektroner oppgitt. I hovedteksten på side 21 fikk du en grov regel som sa at atomer av innskuddsgrunnstoffene har to ytterelektroner og påfylling i det nest ytterste skallet. De to ytterelektronene er i s-orbitalen, og påfyllingen skjer i d-orbitalene. I hovedteksten nevnte vi også at energinivåene for elektroner i to skall ofte ligger nær hverandre. Av figuren til høyre ser du at elektroner i 4s-orbitalen faktisk har lavere energi enn elektroner i 3d-orbitalene. Det er grunnen til at det 4. skallet ikke blir fylt opp etter 20Ca, som har to elektroner i s-orbitalen. I stedet blir atomene av innskuddsgrunnstoffene fylt på med elektroner i 3d-orbitalene – altså i det nest ytterste skallet. Fra 21Sc til og med sink (30Zn) fylles etter hvert alle de ti elektronene i 3d-orbitalene. Deretter fortsetter påfyllingen av i alt seks elektroner i 4p-orbitalene fra gallium (31Ga) og til krypton (36Kr). Da er også 4p-orbitalene fulle. I lantanoidene blir de syv 4f-orbitalene fylt opp med opptil 14 elektroner, og i actinoidene er det 5f-orbitalene som fylles på.

24 1 • Verden som kjemikere ser den

Energi N

Skall

Skallnr.

14 10 6 10 2 6 2

f d p d s p s

6 2

p s

Største Orbital antall elektroner

Energinivåene Energinivåene ii de de forskjellige forskjellige orbitalene. orbitalene.

1.7 Atombegrepets historie Atomer og grunnstoffer De greske filosofene innså allerede for ca. 2500 år siden at det bare er to muligheter når man deler et stoff i stadig mindre deler. Enten kan man bare fortsette å dele, eller så kommer man til en minstedel som ikke lar seg dele videre. En slik minstedel kalte de atom, da atomos på gresk betyr u-delelig. Franskmannen Antoine Lavoisier, som var utdannet jurist, etablerte begrepet grunnstoff i en bok fra 1789. I den skrev han at et grunnstoff er ethvert stoff som ikke har latt seg dele i enklere stoffer. Lavoisier satte også opp en liste over de stoffene han anså for å være grunnstoffer, og i listen står både jern, gull, svovel og oksygen, dessuten varme og lys. Han er en av de største kjemikerne som har levd, men han fikk ikke lønn som fortjent. Han ble halshugget under den franske revolusjon – ikke fordi han var kjemiker, men fordi han var adelsmann, en sentral person i det franske vitenskapsakademi og dessuten skatteoppkrever. Antoine Lavoisier (1743–1794) og hans kone og medhjelper Marie-Anne-Pierette Paulze (1758–1836).

Atomet blir en realitet Ideen om atomer som grunnlag for kjemien ble nesten glemt inntil 1600-tallet. Engelskmannen John Dalton foreslo i 1803 at alle atomer av et grunnstoff må være like og ha samme masse, og at atomene av forskjellige grunnstoffer har forskjellig masse. Han satte opp en tabell der massen av noen grunnstoffer var gitt i forhold til massen av et H-atom, som han satte til 1. Disse relative atommassene hadde han fastsatt gjennom eksperimenter. Det var noe helt nytt, for grekerne bygde ikke sine teorier på eksperimenter. Dalton tenkte seg at det alltid måtte være et helt antall atomer av hvert av grunnstoffene som reagerte med hverandre. Han foreslo også formler for forbindelsene. Først etter 1905 hadde man eksperimentelle resultater som overbeviste alle om at atomer virkelig eksisterer. I dag vet vi at de eksisterer, og vi kan til og med ta bilder av dem.

Arsenatomer i overflaten av en galliumarsenidkrystall (GaAs). I hullet der det lyser rødt mangler det et arsenatom.

Partiklene et atom består av Engelskmannen Michael Faraday gjorde forsøk med elektrolyse og fant i 1833 ut at elektrisk strøm er en strøm av minstedeler. Men først på slutten av 1800-tallet ble denne minstedelen kalt elektron. Dermed hadde vi fått på plass den første partikkelen i dagens atommodell. I elektriske utladninger fant forskerne positivt ladde partikler. Disse partiklene fikk i 1920 navnet protoner. Omtrent samtidig ble man klar over at det måtte være en partikkel til i atomkjernen, en som var elektrisk nøytral og hadde omtrent samme masse som et proton. Denne tenkte partikkelen fikk

11 •• Verden Verden som som kjemikere kjemikere ser ser den den

navnet nøytron, men den ble ikke påvist før i 1932. Etter 1945 fant fysikere ut at protoner og nøytroner kan bestå av mindre enheter, og i 1964 fikk de navnet kvarker. Atomene er altså ikke udelelige som de gamle grekerne hadde tenkt seg. Atomene består selv av mindre deler.

Bohrs atommodell

Ernest Rutherford (1871–1937).

Niels Bohr (1885–1962).

Nyzealenderen Ernest Rutherford var den første som foreslo hovedtrekkene i dagens atommodell ut fra forsøk. I 1911 skjøt han positivt ladde partikler, heliumkjerner, mot en gullfolie og fant da at noen av partiklene ble kastet tilbake. Ut fra det sluttet han at kjernene i gullatomene måtte være positive og dessuten små og inneholde nesten hele atommassen. Han tenkte seg at atomkjernen var omgitt av elektroner som beveget seg omkring kjernen omtrent som planetene kretser rundt solen. Etter datidens oppfatning kunne ikke et atom med sine negative elektroner som kretser rundt en positiv atomkjerne, være stabilt. I stedet måtte elektronene bli trukket inn mot kjernen og sende ut lys på vei inn. Dansken Niels Bohr fant i 1913 en radikal løsning på dette problemet da han arbeidet i Rutherfords forskningsgruppe i Manchester. Han gjorde beregninger på et atom med en kompakt kjerne og bare ett elektron. Han antok at elektronet gikk i sirkelbane rundt kjernen, og at bare visse sirkelbaner var tillatt. Hver sirkelbane svarer til en bestemt energi hos atomet, slik at energien er kvantisert (tallfestet). Hver tillatte energi kalte han et energinivå. Slik tenkte Bohr: Jo nærmere kjernen elektronet er, desto fastere er det bundet. Når elektronet er i den innerste banen, er atomet i grunntilstanden. For å flytte et elektron til en bane lenger fra kjernen, må det tilføres energi. Slik energi kan elektronet få ved at atomet kolliderer med et annet atom med stor fart, eller ved at atomet blir bestrålt med ultrafiolett lys. Når atomet på denne måten blir tilført energi, sier vi at atomet blir eksitert. Når elektronet faller tilbake til en sirkelbane nærmere kjernen og dermed går fra et høyere energinivå til et lavere, blir det frigjort energi som sendes ut som lys med en bestemt bølgelengde.

Sirkelbanene viser tillatte energinivåer for hydrogen atomet. Det innerste nivået (der elektronet er tegnet) er grunntilstanden. Tilføres energi, kan elektronet bli eksitert og hoppe ut til et høyere nivå.

Allerede i 1860-årene hadde forskerne sett at når grunnstoffer blir varmet opp i en flamme, sender de ut lys med forskjellige bølgelengder. Hver bølgelengde svarer til en linje i det spekteret som kommer frem, og spektrene for de forskjel-

26 1 • Verden som kjemikere ser den

helios (gr.) = sol n=5 n=4 n=3 n=2 n=1

Linjespektrum Bølgelengde

H-spekteret og energinivåene for H-atomet. Hver overgang mellom energinivåer svarer til en linje i spekteret.

lige grunnstoffene er ulike. Ingen kunne på den tiden forklare spektrene, men forskerne kunne bruke spektrene som et «fingeravtrykk» for grunnstoffene. Det var lett å få et godt spektrum fra en liten mengde stoff, derfor kunne spektrene brukes til å finne nye grunnstoffer. Et kjent eksempel er oppdagelsen av helium i 1868, som først ble påvist i lysspekteret fra solen. Med sin modell kunne Bohr beregne bølgelengdene i spekteret fra hydrogenatomer. Han beregnet bølgelengden til linjene i spekteret, og resultatet passet svært godt med de observerte bølgelengdene. Det var et stort gjennombrudd og gjorde Bohr berømt. Men verken Bohr eller andre fikk tilsvarende beregninger for atomer med flere elektroner til å passe med de observerte spektrene. Det viste seg at det var nødvendig med en helt ny teori.

Dagens atommodell Østerrikeren Erwin Schrödinger foreslo i 1926 en ny modell der elektronene ikke går i fast bestemte sirkelbaner, men befinner seg i mer diffuse skall. Schrödingers atommodell, som er dagens atommodell, er en matematisk modell. Den kan blant annet brukes til å beregne spektre av atomer med mer enn ett elektron og til å beregne bindingsforhold i molekyler. Til dette trenger man kraftige datamaskiner og effektive dataprogrammer. Vi har brukt en forenkling av denne modellen tidligere i kapitlet. Innenfor kjemien kalles slike beregninger kvantekjemi, og det er blitt et eget arbeidsområde. Et dataprogram som kalles Dalton, er utviklet ved Universitetet i Oslo og brukes over hele verden. Ved hjelp av Dalton er det mulig å forutsi hva som vil skje i eksperimenter, og å forklare hva som har skjedd. Med et slikt program kan vi studere stoffer og reaksjoner som er for kostbare eller for farlige til å bli studert i laboratoriet. Selv om vi nå har tillit til dagens atommodell, kan noen i fremtiden utvikle en enda bedre modell. Men alt vil ikke bli forandret. En ny modell vil sikkert inneholde viktige trekk fra dagens atommodell slik denne har beholdt trekk fra Bohrs modell.

Nobelpriser

Erwin Schrödinger (1887–1961).

Det er mange som har bidratt til utviklingen av atombegrepet gjennom 2500 år. De som har gjort mest etter år 1900, og som derfor er nevnt med navn ovenfor, har fått nobelprisen: Rutherford (kjemi 1908), Bohr (fysikk 1922) og Schrödinger (fysikk 1933). Du kan lese mer om dem og hvorfor de fikk prisen, på www.kjemienstemmer.cappelendamm.no eller www.nobel.se.

11 •• Verden Verden som som kjemikere kjemikere ser ser den den

Sammendrag • K jemi er læren om stoffene, deres oppbygning, egenskaper og reaksjoner og om energiforandringer ved stoffendringene. • På makronivå arbeider vi med og observerer stoffene, på mikronivå forklarer vi stoffenes egenskaper og reaksjoner ut fra oppbygningen. • S toff er alt som har masse og opptar plass. Et rent stoff er enten et grunnstoff som består av én type atomer, eller en kjemisk forbindelse som er bygd opp av to eller flere typer atomer. • A tomnummeret til et grunnstoffatom er lik antallet protoner i kjernen. Nukleontallet til et atom er lik summen av antall protoner og nøytroner i atomkjernen. Isotoper er atomer av ett grunnstoff med forskjellig antall nøytroner i atomkjernene, f.eks. 2H og 1H. • E lektronene er i skall rundt atomkjernen. Det kan maksimalt være 2 elektroner i K-skallet, 8 i L-skallet og 18 elektroner i M-skallet. I det ytterste skallet kan det ikke være mer enn 8 elektroner. Antall ytterelektroner bestemmer egenskapene til et grunnstoff. • Oktettregelen: Åtte elektroner i det ytterste skallet er en stabil elektronfordeling. Et atom kan oppnå åtte elektroner ved å gi fra seg eller ta opp elektroner eller ha felles elektroner med ett eller flere andre atomer. • I periodesystemet er grunnstoffene ordnet i vertikale grupper og horisontale perioder. Gruppene 1, 2 og 13–18 kalles hovedgrupper. Grunnstoffer i samme hovedgruppe har like mange ytterelektroner i atomene, og antallet er lik (det siste) sifferet i gruppenummeret. Gruppene 3–12 kalles innskuddsgrunnstoffene. • Påfylling av elektroner fra et grunnstoff til det neste i periodesystemet skjer i det ytterste skallet for grunnstoffer i hovedgruppene, i nest ytterste skall for innskuddsgrunnstoffene og i tredje ytterste skall for lantanoidene og actinoidene. • Ideen om at alle stoffer er bygd opp av atomer, oppstod alt i oldtiden. Bohr foreslo i 1911 den første atommodellen som ligner på dagens modell. Dagens skallmodell ble foreslått i 1926 og tatt i bruk fra 1960.

28 1 • Verden som kjemikere ser den